專利名稱：一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著功率器件、微波器件的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的Si材料由于材料本身的性能缺陷，在此領(lǐng)域越來(lái)越顯示出一定的局限性。碳化硅(SiC)由于其具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。同時(shí)，SiC材料近年來(lái)在材料制備、外延生長(zhǎng)等方面的突破性進(jìn)展使其成為研究熱點(diǎn)，有關(guān)器件的研制也已取得大批成果，制作出了高壓P-N結(jié)、MESFET、MOSFET、JFET等器件。SiC薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展為SiC器件的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)制備SiC薄膜方法在制備多晶SiC薄膜過(guò)程中所需要的襯底溫度大都在 1100°C以上，這無(wú)疑為材料的應(yīng)用帶來(lái)了很大的限制。因此尋找合適的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在較低溫的襯底上實(shí)現(xiàn)SiC的低溫生長(zhǎng)的研究成為當(dāng)前該領(lǐng)域人們極為關(guān)注的方向。目前主流的低溫襯底制備方法有等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)，熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)等。但是采用這些方法直接沉積的SiC薄膜晶粒很小，很難制備出微米級(jí)多晶，而且結(jié)晶質(zhì)量較差。因此，國(guó)際研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向低溫晶化技術(shù)。金屬誘導(dǎo)晶化法是一種在玻璃等廉價(jià)襯底上低溫制備大晶粒、高結(jié)晶質(zhì)量的多晶的新方法。金屬誘導(dǎo)法制備多晶碳化硅薄膜有如下優(yōu)點(diǎn)1.用低溫襯底化學(xué)氣相沉積的方法沉積非晶薄膜，然后用比較成熟的濺射或熱蒸發(fā)等方法沉積金屬薄膜，最后低溫晶化，它們是一個(gè)低溫制備過(guò)程；2.可以使用玻璃等廉價(jià)襯底，晶化時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單；3制備的多晶碳化硅晶粒大且均勻，缺陷較少，是良好的外延襯底材料。歷史上,很早就有人研究Au, Al, Ag, Cu, Ni等金屬對(duì)非晶娃晶化的誘導(dǎo)作用。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些金屬與非晶硅接觸時(shí)能夠顯著降低非晶硅晶化溫度，并將非晶硅在金屬的作用下低溫結(jié)晶的行為稱為金屬誘導(dǎo)晶化(MIC, Metal Induced Crystallisation)。金屬誘導(dǎo)晶化的驅(qū)動(dòng)力是非晶硅轉(zhuǎn)化為晶體硅時(shí)自由能的降低。另一方面，非晶硅中的應(yīng)力和缺陷也為非晶娃的晶化提供驅(qū)動(dòng)力。Knaepen等人[Thin Solid Films, 2008, 516,4946 4952.]用在線XRD系統(tǒng)研究了 20種金屬誘導(dǎo)非晶硅晶化的行為，總結(jié)了每一種金屬的最低誘導(dǎo)溫度，并根據(jù)誘導(dǎo)機(jī)理將誘導(dǎo)金屬分成兩類，即生成合金類(Al、Au、Ag、Cu等)和生成硅化物類(Ni、Co等)。生成合金類金屬的誘導(dǎo)機(jī)理是，硅先擴(kuò)散進(jìn)金屬中形成合金，然后達(dá)到過(guò)飽和溫度后從合金中析出生成晶核，晶核長(zhǎng)大生成多晶硅；生成硅化物類金屬的誘導(dǎo)機(jī)理是，非晶硅和金屬先在其界面結(jié)合生成金屬硅化物，金屬硅化物分解后成晶硅和金屬，金屬再和非晶硅結(jié)合生成金屬硅化物，硅化物再分解成晶硅和金屬，如此反復(fù)，使多晶硅晶粒不斷長(zhǎng)大直至生成連續(xù)的多晶硅薄膜。同時(shí)金屬誘導(dǎo)多晶硅材料也廣泛應(yīng)用于各種電子器件中，日本的 Kuraseko 等人[Appl. Phy. Exp. , 2009, 2(1)，015501]研究了以a-Si/Si02/Al疊層制備多晶硅薄膜后殘留在多晶硅和玻璃間的鋁作為太陽(yáng)能電池的背接觸，結(jié)果顯示其制備的太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻相比于Al/Al203/a-Si疊層的明顯減小。王俊好等[IEEE Electr. Device L. 2010，31(1)，38-40.]用 HWCVD 法在 Al/Al203/a_Si 疊層制備的鋁誘導(dǎo)多晶硅上外延生長(zhǎng)了結(jié)晶率為93%的多晶硅，并在此基礎(chǔ)上制備了 5. 6%的太陽(yáng)能電池。在制備出具有器件級(jí)質(zhì)量的Al誘導(dǎo)多晶Si薄膜的同時(shí)，采用鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅的技術(shù)卻沒(méi)有得到開展，傳統(tǒng)方法制備碳化硅薄膜，其晶粒在低溫下一般難以長(zhǎng)大，且結(jié)晶性較差晶界較多，只有在極高的溫度條件下才能得到晶粒尺寸較大的多晶碳化硅薄膜，嚴(yán)重影響了多晶碳化硅薄膜的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用。澳大利亞Grif th University 的 Li Wang [Appl . Phys. Lett. 2009, 94:181909.]等人采用低壓化學(xué)沉積的方法，在600°C溫度，Al (CH3)3和H3SiCH3混合氣流條件下在硅襯底上制得非晶SiC薄膜，并通過(guò)透射電子顯微鏡圖像證明了納米晶體的存在，電容-電壓測(cè)量證實(shí)了沉積的薄膜為P型摻雜。然而采用普通退火方法制備鋁誘導(dǎo)晶化多晶碳化硅，仍然需要非常長(zhǎng)的退火時(shí)間，而且退火以后的結(jié)晶質(zhì)量也較差，不利于鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜用于半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化。另外，晶化后的多晶碳化硅薄膜的晶界及晶粒內(nèi)部通常含有較高的缺陷態(tài)，嚴(yán)重影響多晶碳化薄膜及器件的性能及穩(wěn)定性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明內(nèi)容提供一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，該方法是在納米晶碳化硅或非晶碳化硅基礎(chǔ)上引入等離子體輔助誘導(dǎo)出晶粒尺寸為微米級(jí)且表面平整的多晶SiC薄膜，該方法在短時(shí)間內(nèi)即可有效得到質(zhì)量?jī)?yōu)異的多晶碳化硅薄膜，是一種非常具有應(yīng)用前景的高效、低成本制備多晶碳化硅薄膜技術(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種低溫鋁誘導(dǎo)低溫制備多晶碳化硅薄膜的制備方法，該方法包括如下步驟(I)、采用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理襯底以后，采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，在襯底上生長(zhǎng)一層納米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜，薄膜厚度為300-360 nm，熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均不小于99. 999%，腔室本底真空為7. OX 10_5Pa，襯底溫度保持在350°C，襯底到熱絲的距離為4cm ；
(2)、將納米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜放置于純氧氣中干氧氧化O. 5小時(shí)生成一層二氧化硅薄膜，得到襯底/nc-SiC/Si02或襯底/ a -SiC/SiO2樣品，氧化溫度為500°C ；
(3)、將襯底/nc-SiC/Si02或襯底/a _SiC/Si02樣品放入物理氣相沉積腔室中沉積一層鋁薄膜，形成襯底/nc_SiC/Si02/Al或襯底/ a -SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)，鋁層厚度為100-180 nm ；
(4)、將襯底/nc_SiC/Si02/Al或襯底/a -SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)放于真空退火爐中，在等離子體輔助下采用還原氣體與惰性氣體混合氣氛退火，退火溫度保持在600°C ;退火時(shí)間為3-5 h，得到樣品；
(5)、將退火后的樣品置于鋁腐蝕液內(nèi)，用超聲10-15min去除表面殘留的鋁薄膜，得到多晶碳化硅薄膜。所述的襯底為康寧玻璃、陶瓷或不銹鋼襯底。所述熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)中所用氣體為硅烷、乙炔和氫氣；對(duì)于第(I)步沉積納米晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0. 6:100，生長(zhǎng)氣壓控制在400 Pa，熱絲溫度保持在2000°C;或?qū)τ诘?I)步沉積非晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:1:8，生長(zhǎng)氣壓控制在10 Pa，熱絲溫度保持在1800°C。
對(duì)于第(3)步沉積鋁薄膜，在所述物理氣相沉積腔室中采用磁控濺射法，其磁控濺射法采用射頻濺射方法，磁控濺射功率為100 W，氬氣流量為20 sccm，所用Al靶純度不低于99. 99%，腔室本底真空為6. 0X10—5 Pa，生長(zhǎng)氣壓為0.5 Pa，襯底溫度為200°C。對(duì)于第(3)步沉積鋁薄膜，在所述物理氣相沉積腔室中采用真空熱蒸發(fā)法，其熱蒸發(fā)方法采用純度不低于99. 99%的鋁顆粒，蒸發(fā)舟采用鑰舟，腔室本底真空為8. OX 10_4Pa，鎢絲電流為80A，生長(zhǎng)氣壓為O. 5 Pa，襯底溫度為200°C。對(duì)于第(4)步所述的還原氣體與惰性氣體混合氣氛為氫氣與氬氣，其體積比為H2: Ar=I :9。
對(duì)于第(4)步所述的等離子體輝光功率為15-30 W，該設(shè)備采用中科院微電子所固態(tài)射頻電源與匹配器RFG-500。對(duì)于第(5)步采用的鋁腐蝕液，組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10，其中磷酸，硝酸與醋酸均為分析純。本發(fā)明選擇鋁作為誘導(dǎo)金屬，制備出了具有有較好電學(xué)性能的多晶碳化硅。是因?yàn)榧{米晶碳化硅和非晶碳化硅晶化時(shí)，誘導(dǎo)的金屬將會(huì)摻進(jìn)多晶碳化硅中成為雜質(zhì)，形成雜質(zhì)能級(jí)。當(dāng)金屬摻進(jìn)多晶碳化硅中時(shí)，將會(huì)在碳化硅的能帶中引入一個(gè)能級(jí)。在眾多金屬摻雜中，Al引起的能級(jí)最淺，非常接近價(jià)帶，因此選用鋁作為誘導(dǎo)金屬更有利于制備出有較好電學(xué)性能的多晶SiC。后氫化處理是鈍化多晶碳化硅薄膜器件缺陷態(tài)的有效方法之一，本方法采用將非晶或納米晶碳化硅薄膜在等離子體的氣氛下退火，以達(dá)到提高晶化率，降低缺陷態(tài)密度，減小退火時(shí)間的目的。本發(fā)明原理
鋁誘導(dǎo)碳化硅晶化的主要特征是鋁誘導(dǎo)晶化晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到一定晶化率時(shí)形核數(shù)就已經(jīng)飽和，此后晶粒長(zhǎng)大，新核不再形成，因此能夠形成大晶粒多晶碳化硅。溫度是影響鋁誘導(dǎo)晶化過(guò)程的重要參數(shù)，溫度越低晶化速率越慢，但是最終生成的晶粒越大。鋁誘導(dǎo)法制備連續(xù)的多晶碳化硅薄膜的機(jī)理分為以下幾個(gè)步驟第一步，SiC相通過(guò)SiO2AI界面向鋁膜中擴(kuò)散；第二步，碳化硅化合物在鋁層中擴(kuò)散，當(dāng)其濃度達(dá)到初始形核濃度時(shí)在鋁中形核析出；第三步，形核的碳化硅晶核不斷長(zhǎng)大，整個(gè)過(guò)程受碳化硅在鋁中的擴(kuò)散過(guò)程控制。等離子體對(duì)于薄膜晶化長(zhǎng)大同樣具有積極作用。主要原因有兩點(diǎn)第一、等離子體將退火爐中氫氣分子激活成活性離子，高活性的H原子能消除薄膜中的弱鍵、懸掛鍵等缺陷，并促進(jìn)晶粒持續(xù)長(zhǎng)大。在H原子較長(zhǎng)時(shí)間的作用下，使結(jié)構(gòu)有序化程度提高，促使薄膜的晶化程度提高。第二、對(duì)于由互擴(kuò)散機(jī)制控制的SiC/Al疊層鋁誘導(dǎo)退火長(zhǎng)大過(guò)程，等離子體使得處于亞穩(wěn)態(tài)的SiC獲得了能量而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，互擴(kuò)散作用得以增強(qiáng)以降低系統(tǒng)自由能，非晶SiC晶化作用增強(qiáng)并促進(jìn)晶核的長(zhǎng)大，從而提高薄膜的晶化率。有益效果
與現(xiàn)有多晶碳化硅制備技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)
I)采用襯底/nc-SiC(或a -SiC)/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)，制備多晶碳化硅薄膜采用的氣體等耗材用量較少，通過(guò)等離子輔助退火的方法可以在較短的時(shí)間內(nèi)退火生成大晶粒多晶碳化娃。
2)低溫誘導(dǎo)多晶碳化娃薄膜制備溫度較低,適合康寧玻璃,低熔點(diǎn)金屬，陶瓷襯底等低溫襯底，襯底選擇性較強(qiáng)；能耗小的同時(shí)對(duì)襯底要求不高，有利于節(jié)省成本。3)誘導(dǎo)生成的大晶粒表面光滑且晶粒大小均一，很適合作為籽晶層外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的多晶碳化硅薄膜和碳化硅材料半導(dǎo)體器件。


圖I :本發(fā)明所述的多晶碳化硅薄膜制備示意圖。圖2 :實(shí)施例I制備的納米晶碳化硅誘導(dǎo)后生成的多晶碳化硅XRD圖譜。圖3 :實(shí)施例4制備的非晶碳化硅誘導(dǎo)后生成的多晶碳化硅XRD圖譜。圖4 :實(shí)施例I制備的誘導(dǎo)前納米晶碳化硅和誘導(dǎo)后多晶碳化硅Raman圖譜。·
圖5 :實(shí)施例4制備的誘導(dǎo)前非晶碳化硅和誘導(dǎo)后多晶碳化硅Raman圖譜。圖6 :實(shí)施例I制備的鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜光學(xué)顯微鏡圖。圖7 :實(shí)施例4制備的鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜光學(xué)顯微鏡圖。圖I中1為襯底；2為納米晶碳化硅薄膜；3為二氧化硅薄膜；4為鋁薄膜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
觀察采用納米晶碳化硅600 °C低溫鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅晶粒大小和結(jié)晶質(zhì)量。(I)在采用RCA (Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底I上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300 nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7.0X10_5Pa。采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 °C的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜2放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0. 5小時(shí),生成一層二氧化娃薄膜3,氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜3上采用采用磁控濺射法沉積100 nm厚的鋁薄膜4，得到襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為3: I。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. OX 10_5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為0. 5 Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30W，退火溫度為600O。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果光學(xué)顯微鏡照片(圖6)表明，經(jīng)過(guò)30W等離子輔助誘導(dǎo)的條件下，nc-SiC于3小時(shí)600 °C即誘導(dǎo)形成了表面平整的連續(xù)多晶碳化硅薄膜，其晶粒大小達(dá)到了3-5 μ m。Raman測(cè)試樣(圖4)發(fā)現(xiàn)了明顯的位于797 cnT1和970 cnT1處的碳化娃的聲子TO和LO散射峰，XRD測(cè)試(圖2)也表明，實(shí)驗(yàn)在等離子輔助誘導(dǎo)的條件下制備出了(111)，(220)，(311)高度擇優(yōu)取向的高結(jié)晶質(zhì)量多晶碳化硅薄膜，結(jié)晶質(zhì)量很好。
實(shí)施例2
觀察不同等離子體輝光功率對(duì)納米晶碳化硅600 °C低溫鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅晶粒大小和結(jié)晶質(zhì)量的影響。(I)在采用RCA (Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7. OX IO^5Pa0采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 °C的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0.5小時(shí)，生成一層二氧化硅薄膜3，氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜上采用采用磁控濺射法沉積100 nm厚的鋁薄膜4，得到襯底 /nc-SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為3:1。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. O X 1(Γ5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為0. 5Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火5小時(shí)，等離子體輝光功率為15 W，退火溫度為600。。。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果實(shí)施例2經(jīng)過(guò)15 W等離子輔助誘導(dǎo)的條件下，nc-SiC經(jīng)過(guò)5小時(shí)600 °C退火同樣誘導(dǎo)形成了表面平整的連續(xù)多晶碳化硅薄膜，發(fā)現(xiàn)了高度擇優(yōu)取向和高結(jié)晶質(zhì)量的多晶碳化硅薄膜，結(jié)晶質(zhì)量很好，晶粒大小在3-5 μ m之間，與實(shí)施例I制備得到多晶硅碳化硅樣品的結(jié)晶質(zhì)量和晶粒尺寸結(jié)果類似。實(shí)施例3
觀察不同襯底上600 °C低溫鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的結(jié)晶質(zhì)量.
(I)分別在采用RCA (Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的陶瓷襯底和不銹鋼襯底上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300 nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7.0X10_5Pa。采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 V的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0.5小時(shí)，生成一層二氧化硅薄膜，氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜上采用采用磁控濺射法沉積100 nm厚的鋁薄膜，得到襯底/nc_SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為3:1。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. OX 10_5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為0. 5 Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為600。。。
(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果在陶瓷襯底和不銹鋼襯底上同樣得到了結(jié)晶質(zhì)量良好，晶粒尺寸為3-5 μ m的多晶碳化硅薄膜，與實(shí)施例I制備得到多晶硅碳化硅樣品的結(jié)晶質(zhì)量和晶粒尺寸結(jié)果類似，說(shuō)明此種方法對(duì)于各種低溫襯底適應(yīng)性均非常好。實(shí)施例4
觀察采用非晶碳化硅600 °C低溫鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅晶粒大小和結(jié)晶質(zhì)量。(I)在采用RCA (Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300nm厚的非晶碳化硅薄膜，本底真空7. OX IO^5Pa0采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:1:8。生長(zhǎng)氣壓10 Pa。熱絲溫度保持在1800 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 1的低溫。 襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的非晶碳化硅薄膜放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0. 5小時(shí)，生成一層二氧化硅薄膜，氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜上采用采用磁控濺射法沉積100 nm厚的鋁薄膜，得到襯底/a-SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為3:1。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. O X 1(Γ5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為0. 5Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/a-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為600。。。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果光學(xué)顯微鏡照片(圖7)表明，a -SiC同樣能在等離子體輔助下經(jīng)過(guò)低溫誘導(dǎo)形成了表面平整的連續(xù)多晶碳化硅薄膜，且在等離子體輔助下，經(jīng)過(guò)較短時(shí)間內(nèi)就能形成連續(xù)的晶粒尺寸為3-5 μ m的多晶碳化娃薄膜。Raman測(cè)試樣(圖5)發(fā)現(xiàn)了明顯的位于797 cnT1和970 cnT1處的碳化硅的聲子TO和LO散射峰。XRD測(cè)試結(jié)果(圖3)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)在等離子輔助誘導(dǎo)的條件下制備出了(111)，(220)，(311)高度擇優(yōu)取向的多晶碳化硅薄膜，結(jié)晶質(zhì)量很好。實(shí)施例5
觀察退火前不同碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比對(duì)退火后晶粒大小、結(jié)晶性和均勻性的影響。(I)在采用RCA(Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300 nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7.0X10_5Pa。采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 °C的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0.5小時(shí)，生成一層二氧化硅薄膜，氧化溫度選擇在500 V。
(3)在二氧化硅薄膜上采用采用磁控濺射法沉積150 nm厚的鋁薄膜，得到襯底/nc_SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為2:1。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. O X 1(Γ5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為O. 5Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為600。。。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比從實(shí)施例I的3:1減小至實(shí)施例5的2:1 時(shí)，疊層結(jié)構(gòu)退火后得到的多晶碳化硅其晶粒大小相對(duì)于實(shí)施例I的3-5 μπι減小至2-3μ m0通過(guò)控制合理的碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比，在等離子體輔助退火的條件下，能夠得到晶粒尺寸為微米級(jí)且表面平整的多晶碳化硅薄膜。實(shí)施例6
觀察退火前保持碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比不變的同時(shí)，改變疊層結(jié)構(gòu)總厚度對(duì)退火后晶粒大小、結(jié)晶性和均勻性的影響。(I)在采用RCA(Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底I上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積360 nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7.0X10_5Pa。采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 °C的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜2放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0. 5小時(shí),生成一層二氧化娃薄膜3,氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜3上采用采用磁控濺射法沉積180 nm厚的鋁薄膜4，得到襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為2: I。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. OX 10_5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為
0.5 Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200°C。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為600。。。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果在保證碳化硅和鋁膜總厚度比為2:1的情況下，碳化硅薄膜和鋁膜總厚度從450 μπι增加到540 μπι時(shí)，同樣在600°C條件下誘導(dǎo)形成了表面平整的連續(xù)多晶碳化硅薄膜。通過(guò)控制合理的碳化硅薄膜和鋁膜總厚度，在等離子體輔助退火的條件下，能夠得到較大晶粒表面平整且晶粒尺寸3-5 μ m的多晶碳化硅薄膜。實(shí)施例7
觀察不同的Al膜生長(zhǎng)方法對(duì)600 °C低溫誘導(dǎo)后結(jié)晶大小和均勻性的影響。(I)在采用RCA(Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底I上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積300 nm厚的納米晶碳化硅薄膜，本底真空7.0X10_5Pa。采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0.6:100。生長(zhǎng)氣壓400 Pa。熱絲溫度保持在2000 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 °C的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的納米晶碳化硅薄膜2放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化
O.5小時(shí),生成一層二氧化娃薄膜3,氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜3上采用采用真空熱蒸發(fā)法沉積100 nm厚的鋁薄膜4，得到襯底/nc_SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為3:1。采用99. 999%純度鋁顆粒，蒸發(fā)舟采用鑰舟。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下本底真空8.0X10_4 Pa，鎢絲電流80A，生長(zhǎng)氣壓O. 5 Pa，襯底溫度200 V。觀察長(zhǎng)Al膜方法對(duì)結(jié)晶大小和均勻性的影響。(4)將制備好的襯底/nc-SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為 600。。。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果采用不同的Al膜沉積方法，退火均可形成了結(jié)晶性理想的多晶碳化硅薄膜。最終結(jié)果與實(shí)施例I制備得到多晶硅碳化硅樣品的結(jié)晶質(zhì)量和晶粒尺寸結(jié)果相似。采用熱蒸發(fā)方法制備的襯底/nc_SiC/Si02/Al通過(guò)低溫誘導(dǎo)形成了表面平整的連續(xù)多晶碳化硅薄膜，疊層結(jié)構(gòu)退火后得到的晶粒大小為3-5 μπι。實(shí)施例8
觀察退火前不同非晶碳化硅和鋁膜的厚度比對(duì)退火后晶粒大小、結(jié)晶性和均勻性的影響。(I)在采用RCA (Radio Corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理的康寧玻璃襯底上采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法沉積320nm厚的非晶碳化硅薄膜，本底真空7. OX IO^5Pa0采用硅烷、乙炔和氫氣作為反應(yīng)氣源和載氣。硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:1:8。生長(zhǎng)氣壓10 Pa。熱絲溫度保持在1800 °C，同時(shí)襯底溫度保持在350 1的低溫。襯底到熱絲的距離為4 cm。熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均為99. 999%。(2)將生成的非晶碳化硅薄膜放置于真空退火爐中在純氧氣氛下干氧氧化0. 5小時(shí)，生成一層二氧化硅薄膜，氧化溫度選擇在500 V。(3)在二氧化硅薄膜上采用采用磁控濺射法沉積160 nm厚的鋁薄膜，得到襯底/a-SiC/Si02/Al疊層。納米晶碳化硅薄膜和鋁膜的厚度比為2:1。沉積Al的生長(zhǎng)條件如下所用Al靶純度為99. 999%，本底真空6. O X 1(Γ5 Pa。Ar氣流量20 sccm,生長(zhǎng)氣壓為0. 5Pa，濺射功率100 W，襯底溫度為200 °C。(4)將制備好的襯底/a -SiC/Si02/Al疊層放置于退火爐中，在等離子體輔助下通入體積比10% H2+90% Ar混合氣體退火3小時(shí)，等離子體輝光功率為30 W，退火溫度為600O。(5)采用鋁腐蝕液去除表面殘留的鋁金屬；鋁腐蝕液組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10。將退火后的樣品放置于鋁腐蝕液中，超聲10-15 min去除殘余鋁膜。實(shí)施例結(jié)果碳化硅和鋁膜總厚度比為2:1，在600°C條件下通過(guò)等離子體輔助退火誘導(dǎo)得到晶粒尺寸為2-3 μ m 且表面平整的多晶碳化硅薄膜。
權(quán)利要求
1.一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于該制備方法包括如下步驟 (1)、采用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝處理襯底以后，采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，在襯底上生長(zhǎng)一層納米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜，厚度為300-360 nm，熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)所用氣體純度均不小于99. 999%，腔室本底真空為7. OX 10_5 Pa，襯底溫度保持在350 °C，襯底到熱絲的距離為4 cm ； (2)、將納米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜放置于純氧氣中干氧氧化O.5小時(shí)生成一層二氧化硅薄膜，得到襯底/nc-SiC/Si02或襯底/ a -SiC/SiO2樣品，氧化溫度為500 V ； (3)、將襯底/nc-SiC/Si02或襯底/a _SiC/Si02樣品放入物理氣相沉積腔室中沉積一層鋁薄膜，形成襯底/nc_SiC/Si02/Al或襯底/ a -SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)，鋁層厚度為100-180 nm ； (4)、將襯底/nc_SiC/Si02/Al或襯底/a -SiC/Si02/Al疊層結(jié)構(gòu)放于真空退火爐中，在等離子體輔助下采用還原氣體與惰性氣體混合氣氛退火，退火溫度保持在600°C ;退火時(shí)間為3-5 h，得到樣品； (5)、將退火后的樣品置于鋁腐蝕液內(nèi)，用超聲10-15min去除表面殘留的鋁薄膜，得到多晶碳化硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于所述的襯底為康寧玻璃、陶瓷或不銹鋼襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于所述熱絲化學(xué)氣相反應(yīng)中所用氣體為硅烷、乙炔和氫氣；對(duì)于第(I)步沉積納米晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:0. 6:100，生長(zhǎng)氣壓控制在400 Pa，熱絲溫度保持在2000°C;或?qū)τ诘?I)步沉積非晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氫氣流量比為1:1:8，生長(zhǎng)氣壓控制在10 Pa，熱絲溫度保持在1800°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于第(3)步中，在所述物理氣相沉積腔室中采用磁控濺射法沉積鋁薄膜，其磁控濺射法采用射頻濺射方法，磁控濺射功率為100 W，氬氣流量為20 sccm，所用Al靶純度不低于99. 99%，腔室本底真空為6. 0X10—5 Pa，生長(zhǎng)氣壓為O. 5 Pa，襯底溫度為200°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于 第(3)步中在所述物理氣相沉積腔室中采用真空熱蒸發(fā)法沉積鋁薄膜，其熱蒸發(fā)方法采用純度不低于99. 99%的鋁顆粒，蒸發(fā)舟采用鑰舟，腔室本底真空為8. OX 10_4 Pa，鎢絲電流為80A，生長(zhǎng)氣壓為O. 5 Pa，襯底溫度為200°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫鋁誘導(dǎo)制備多晶碳化硅薄膜的方法，其特征在于對(duì)于第(4)步所述的還原氣體與惰性氣體混合氣氛為氫氣與氬氣，其體積比為H2:Ar=l:9。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于對(duì)于第(4)步所述的等離子體輝光功率為15-30 W。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于對(duì)于第(5)步采用的鋁腐蝕液，組份及質(zhì)量配比為磷酸硝酸醋酸=85:5:10，其中磷酸，硝酸與醋酸均為分析純。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低溫等離子體輔助鋁誘導(dǎo)多晶碳化硅薄膜的制備方法。其方法步驟如下(1)采用熱絲CVD方法在襯底上沉積納米晶碳化硅或非晶碳化硅薄膜；(2)采用干氧氧化的方法形成一層二氧化硅薄層；(3)采用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)方法繼續(xù)沉積鋁薄膜；(4)將此疊層結(jié)構(gòu)在等離子體輔助下采用還原氣體與惰性氣體混合氣氛退火；(5)用Al腐蝕液腐蝕去除表面殘留的鋁，最終得到晶粒大小達(dá)到3-5微米左右，表面光滑平整的多晶SiC薄膜。本發(fā)明是一種在廉價(jià)襯底上低溫制備大晶粒碳化硅的方法。相比傳統(tǒng)多晶碳化硅制備方法，其制造成本大大降低，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射電子器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
文檔編號(hào)C23C16/32GK102891073SQ20121036750
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者吳天如, 沈鴻烈, 方茹, 張磊 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)