一種通過藍寶石襯底製備多晶SiC薄膜的方法與流程
2023-04-28 09:16:31
本發明涉及半導體薄膜材料技術領域，尤其涉及一種通過藍寶石襯底製備多晶sic薄膜的方法。
背景技術：
si是第一代窄禁帶半導體材料的代表，在所有半導體材料中其使用量佔據絕對優勢，幾乎所有的功率及電力電子器件都使用si材料來製造，但si材料並不是完全理想的。例如：si材料所製成的溫度傳感器，其有效測溫區間僅為0～150℃，無法適應部分高溫環境下的測量。因此，近年來也逐步開始研究第三代寬禁帶半導體材料，即sic材料。sic材料具有優越的電學性能，特別適合製成高壓、高溫、耐輻照、高功率型半導體器件。
藍寶石(sapphire)是在剛玉寶石中，對除了紅寶石(ruby)以外顏色的其他剛玉寶石的通稱，是一種非常優良的絕緣材料，具有硬度大，熔點很高，緻密性非常好，抗輻射性非常好，並且化學穩定性很高等諸多特點。在人工製造的藍寶石上製作一系列半導體器件，產生的寄生電極和漏電容都會非常小，而且藍寶石襯底(1)是絕緣的，還不需要進一步額外的隔離工藝，從而實現了半導體器件的高度集成。
但是從基本參數上來看，藍寶石襯底(1)和sic薄膜的晶格失配很大，高達9％-15％，並且sic在藍寶石襯底(1)上的附著性很差，難以成核生長。因此，如何在藍寶石襯底(1)上穩定地生長出具有一定取向的晶態sic薄膜，是目前業內主要的研究方向。
技術實現要素：
本發明的實施例提供一種通過藍寶石襯底製備多晶sic薄膜的方法，能夠實現在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜。
將清洗好的藍寶石襯底(1)與sic靶材置於真空反應腔體中，並將所述真空反應腔體抽至高真空狀態，並對藍寶石襯底(1)進行升溫；
往所述真空反應腔體中通入氬氣和氧氣，並維持氣壓；
執行磁控濺射過程，得到過渡層(2)和過渡層(3)，其中，所述濺射過程包括先預濺射和正式濺射；
關閉氧通道，只通入氬氣並維持氣壓，再次執行磁控濺射過程得到sic薄膜(4)，待所述真空反應腔體腔體冷卻至室溫後取出樣品；
將所取出的樣品置於快速退火爐中進行熱退火。
本發明實施例提供的通過藍寶石襯底製備多晶sic薄膜的方法，通過加入si-o-c中間過渡層後，薄膜材料形成初期成核更加容易，sic薄膜沉積速率會有所提高，經快速熱退火後，薄膜與襯底的晶格畸變程度有所減緩，且加入si-o-c中間過渡層後，薄膜與藍寶石襯底的結合力變強。同時並未影響薄膜的電阻隨溫度變化的穩定性，具有工作溫度高，熱穩定性好，工作可靠性高，所製備出的材料的應用範圍廣泛。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1為本發明實施例提供的在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的方法流程圖；
圖3為本發明實施例提供的在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的sem斷面圖；
圖4為本發明實施例提供的在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜有無過渡層的xrd對比圖；
圖5為本發明實施例提供的在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜有無過渡層的膜基結合力對比圖；
圖6為本發明實施例提供的真空反應釜與sic靶材的具體位置、加熱臺的空間位置關係的示意圖。
具體實施方式
為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被「連接」或「耦接」到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這裡使用的「連接」或「耦接」可以包括無線連接或耦接。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
本發明實施例提供一種通過藍寶石襯底製備如圖1所示的多晶sic薄膜的方法，該方法流程如圖2所示的，包括：
將清洗好的藍寶石襯底(1)與sic靶材置於真空反應腔體中，並將所述真空反應腔體抽至高真空狀態，並對藍寶石襯底(1)進行升溫；其中，本實施例中所述的真空反應腔體，可以採用目前業內標準型號的真空反應釜，具體採用何種型號的真空反應釜，在本實施例中並不限定，只要能夠滿足本實施例中「將腔體抽至高真空狀態，以及後續能夠進行氣壓調整和通入氣體」的功能即可，真空反應釜與sic靶材的具體位置、加熱臺的空間位置關係如圖6所示。
往所述真空反應腔體中通入氬氣和氧氣，並維持氣壓；
執行磁控濺射過程，得到過渡層(2)和過渡層(3)，其中，所述濺射過程包括先預濺射和正式濺射；
關閉氧通道，只通入氬氣並維持氣壓，再次執行磁控濺射過程得到sic薄膜(4)，待所述真空反應腔體腔體冷卻至室溫後取出樣品；
將所取出的樣品置於快速退火爐中進行熱退火。
具體的，所述將所述真空反應腔體抽至高真空狀態，並對藍寶石襯底(1)進行升溫，包括：
打開與所述真空反應腔體連接的機械泵，將所述真空反應腔體抽真空至小於等於8pa；
繼而打開與所述真空反應腔體連接的分子泵，將所述真空反應腔體抽真空至真空度小於等於2×10-4pa；
將藍寶石襯底(1)加熱至500～800℃並保溫10min。
具體的，所述往所述真空反應腔體中通入氬氣和氧氣，並維持氣壓，包括：
打開與所述真空反應腔體連接的氧氣和氬氣的閥門，並通入這兩種氣體，其中，所通入的氬/氧比例為20/5，並調整所述分子泵的連接閥，控制所述真空反應腔體內氣壓為大於等於0.5且小於等於10pa。
具體的，所述執行磁控濺射過程，包括：
執行預濺射過程：
打開射頻濺射口的電源，並調節功率為大於等於50且小於等於300w，進行持續時長大於等於5且小於等於20min的預濺射，以去除靶材表面附著的雜質；
並在預濺射過程後執行正式濺射過程：
調整藍寶石襯底(1)位置與所述sic靶材對準，保持氬/氧氣體的比例為20/5，在藍寶石襯底(1)上進行持續時長大於等於30且小於等於60min的正式濺射，獲得100至300nm厚的si-o-c過渡層(2)。
保持濺射功率和藍寶石襯底(1)位置不變，調整氬/氧氣體的比例為20/1，調整所述分子泵的連接閥，使所述真空反應腔體內的氣壓繼續穩定在大於等於0.5且小於等於10pa；
在藍寶石襯底(1)上進行大於等於30且小於等於60min的正式濺射，獲得100至300nm厚的si-o-c*過渡層(3)。
需要說明的是，過渡層(3)表示的si-o-c*層是在真空反應腔體中，ar:o2＝20:5中製得；而過渡層(2)表示的si-o-c層是在真空反應腔體中，ar:o2＝20:1中製得，兩種過渡層的化學結構都是si-o-c，為了便於區分，採用「*」符號來區分這兩種過渡層，即：si-o-c*過渡層(3)和si-o-c過渡層(2)。
關於預濺射與正式濺射：「預濺射」是磁控濺射製備薄膜前的一個基本操作，目的只是為了去除sic靶材表面附著的雜質。過渡層(2)與(3)、sic薄膜(4)都屬於正式濺射製得，而預濺射的目的是在這之前用於去除靶材表面雜質。因此，si-o-c過渡層(2)的製備步驟應歸入正式濺射。
具體的，再次執行磁控濺射過程得到sic薄膜(4)，包括：
保持濺射功率和藍寶石襯底(1)位置不變，關閉所述氧氣的閥門，只往所述真空反應腔體內通入氬氣；
並調整所述分子泵的連接閥，使所述真空反應腔體內的氣壓繼續穩定在大於等於0.5且小於等於10pa；
在藍寶石襯底(1)上再次執行持續時間為大於等於2且小於等於6h的正式濺射，獲得大於等於1且小於等於5μm厚的sic薄膜(4)。
具體的，所述將所取出的樣品置於快速退火爐中進行熱退火，包括：
待藍寶石襯底(1)及薄膜冷卻至室溫後，往所述真空反應腔體中通入氮氣；
直至所述真空反應腔體內外氣壓一致，打開腔體並取出樣品；
所述樣品放置於快速退火爐中，通入氬氣作為保護氣，以大於等於80且小於等於200℃/s的速率從室溫升至大於等800且小於等於1000℃，並進行熱退火10min，再以大於等10且小於等於20℃/s的速率降溫至室溫。
進一步的，還包括：在磁控濺射製備過渡層(2)、(3)與sic薄膜(4)之前清洗藍寶石襯底(1)：
將藍寶石襯底(1)放入丙酮中超聲清洗10min，以去除襯底表面的油脂；
然後將藍寶石襯底(1)放入酒精中超聲清洗10min洗去丙酮等有機溶劑，再放入去離子水中超聲清洗10min；
再將藍寶石襯底(1)放入約為10％的氫氟酸中，浸泡15s以去除表面附著的氧化物雜質；
最後將藍寶石襯底(1)放入去離子水中超聲清洗10min，之後取出用氮氣槍吹乾並封存。
本發明實施例提供的通過藍寶石襯底製備多晶sic薄膜的方法，通過加入si-o-c中間過渡層後，薄膜材料形成初期成核更加容易，sic薄膜沉積速率會有所提高，經快速熱退火後，薄膜與襯底的晶格畸變程度有所減緩，且加入si-o-c中間過渡層後，薄膜與藍寶石襯底的結合力變強。同時並未影響薄膜的電阻隨溫度變化的穩定性，具有測試溫度高，熱穩定性號，工作可靠性高，所製備出的材料的應用範圍廣泛。
具體舉例來說：
如圖1結構所示，將清洗好的藍寶石襯底(1)與sic靶材置於真空反應腔體中，將腔體抽至高真空狀態，再對襯底進行升溫，然後往真空腔體通入氬氣和氧氣，維持一定氣壓，採用磁控濺射先預濺射，再正式濺射得到過渡層(2)(3)，然後關閉氧通道，只通入氬氣，維持一定氣壓，採用磁控濺射得到sic薄膜(4)，腔體冷卻至室溫，取出樣品置於快速退火爐中熱退火。
其中，如圖1中所示，所述的藍寶石襯底(1)採用的是現如今工業化最成熟的c面，取向為，其成本越來越低，易於獲得。襯底基片大小為使用金剛石刀手工切成的10×10mm，厚度為購買時的初始厚度0.5mm。所述第一層si-o-c過渡層(2)厚度約為100～300nm，所述第二層si-o-c*過渡層(3)厚度約為100～300nm，所述第三層sic薄膜(4)厚度約為1～5μm。
結合圖2，本發明在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的方法包括以下步驟：
步驟一、sic薄膜製備前清洗準備工作
a、將藍寶石襯底放入丙酮中超聲清洗10min，以去除襯底表面的油脂；
b、然後放入酒精中超聲清洗10min洗去丙酮等有機溶劑，再放入去離子水中超聲清洗10min。
c、再把藍寶石襯底放入約為10％的氫氟酸中，浸泡15s以去除表面附著的氧化物雜質，最後放入去離子水中超聲清洗10min，取出用氮氣槍吹乾並封存。
步驟二、sic薄膜的製備及設備調整工作
a、將清洗好的藍寶石襯底放入磁控濺射腔體的加熱臺上，調整好藍寶石襯底位置，使藍寶石襯底與sic靶材錯開，這是為了在後續預濺射時不讓靶材的雜質沉積在藍寶石襯底上；
b、打開連接腔體的機械泵與相關的閥門，把腔體抽真空至8pa以下，關閉機械泵相關的閥門，打開分子泵以及其與腔體連接的閘板，把腔體抽真空至真空度小於2×10-4pa，打開襯底加熱電源，把襯底加熱至500～800℃並保溫10min。在該溫度區間能獲得最適合使用磁控濺射技術在藍寶石襯底上製備高質量sic薄膜的溫度，溫度低於500℃時，獲得的sic薄膜電阻會太高，結晶度不理想，溫度高於800℃時，獲得的sic薄膜在沉積過程中能量過大，無法穩定結晶，薄膜顆粒粗大；
c、打開腔體與氬，腔體與氧連接的閥門，通入兩種氣體，觀察氣體流量控制器，調整氬/氧流量比例約為20/5，調整腔體與分子泵的連接閥，控制腔體內氣壓為0.5～10pa，打開射頻濺射電源，調節功率為50～300w，進行預濺射5～20min以去除靶材表面附著的雜質，隨後調整襯底位置與靶材對準，在藍寶石襯底上進行30～60min的正式濺射，獲得100～300nm厚的si-o-c過渡層(2)；
d、保持濺射功率與藍寶石襯底位置不變，調整氬/氧比例為20/1，調整腔體與分子泵的連接閥，使腔體內氣壓繼續穩定在0.5～10pa，在藍寶石襯底上進行30～60min的正式濺射，獲得100～300nm厚的si-o-c*過渡層(3)；
e、保持濺射功率與藍寶石襯底位置不變，關閉腔體與氧的連接閥，只往腔體內通入純氬，調整腔體與分子泵的連接閥，使腔體內氣壓繼續穩定在0.5～10pa，在藍寶石襯底上進行2～6h的正式濺射，獲得1～5μm厚的sic薄膜(4)；步驟二完成時，該藍寶石襯底的結構示意圖如圖1所示；
步驟三、sic薄膜的製備及後處理工作
a、按照磁控濺射使用說明書相繼關閉儀器，待藍寶石襯底及薄膜冷卻至室溫，往真空腔體中通入99.999％的高純n2直至腔體內外氣壓一致，打開腔體，取出樣品；
b、將沉積好的sic薄膜樣品放置於快速退火爐中，通入純氬作為保護氣，以80～200℃/s的速率從室溫升至800～1000℃，並進行熱退火10min，再以10～20℃/s的速率降溫至室溫，獲得最終需要的藍寶石襯底上的sic薄膜；完成步驟三後的在藍寶石襯底上的sic薄膜的斷面sem如圖3所示。
通過以上步驟在藍寶石襯底上獲得的sic薄膜第一層si-o-c過渡層(2)厚度約為100～300nm，第二層si-o-c*過渡層(3)厚度約為100～300nm，第三層sic薄膜(4)厚度約為1～5μm，其sem如圖3所示，xrd如圖4所示。xrd圖4中下方為含有si-o-c過渡層(2)與si-o-c*過渡層(3)層的曲線，上方為不含過渡層，為在藍寶石襯底上純氬氣氛中生長的sic薄膜xrd曲線。含有過渡層的xrd衍射峰比不含過渡層的峰位偏右0.2～0.4°，表明該過渡層的加入使sic薄膜晶格常數變大，膜內殘餘應力減弱，晶格畸變程度減緩，薄膜更穩定的生長與結晶。
通過以上步驟在藍寶石襯底上獲得的有無過渡層的sic薄膜在劃痕測試後，膜基結合力如圖5a、b所示，圖5b中在含有si-o-c過渡層(2)與si-o-c*過渡層(3)的基礎上，多層膜破裂分三段(6)、(7)、(8)顯示，其中薄膜破裂點的橫坐標位置(8)與(5)相比較，法向載荷從3.2n增至了4.2n，膜基結合力顯著增大。
本發明在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的方法採用了易於工業化大規模生產的磁控濺射技術，其成本低廉，加工方便，製備薄膜緻密性好，製得薄膜硬度大，生長薄膜溫度低，濺射氣源只有氬和氧，對環境無汙染。
由於在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的方法選用了氧作為原有純氬氣氛濺射過程中的補充氣氛，操作方便，可在濺射過程中直接調節閥門及流量儀通入腔體中，無需更換靶材及其他需要單獨通入的氣氛。
在藍寶石襯底上製備多晶sic薄膜的方法，通過加入si-o-c中間過渡層後，薄膜材料形成初期成核更加容易，sic薄膜沉積速率會有所提高，經快速熱退火後，薄膜與襯底的晶格畸變程度有所減緩，且加入si-o-c中間過渡層後，薄膜與藍寶石襯底的結合力變強。同時並未影響薄膜的電阻隨溫度變化的穩定性，具有測試溫度高，熱穩定性號，工作可靠性高，可廣泛用於航天航空、核電以及大功率高頻器件環境中。
本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於設備實施例而言，由於其基本相似於方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。