沉积碳化硅和陶瓷薄膜的方法技术

公开了在基材上沉积陶瓷薄膜、特别是碳化硅薄膜的方法，其中残余应力、残余应力梯度和电阻率得到控制。还公开了具有沉积的薄膜的基材，所述薄膜具有这些控制的性能，还公开了含有具有薄膜的基材的装置、特别是ＭＥＭＳ和ＮＥＭＳ装置，所述薄膜具有这些性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦资助研究或者开发的声明本专利技术的一部分是在政府支持下根据合同号NCA3-201由NASA赞助和根据合同号DABT63-1-0010由DARPA赞助完成的。政府在该专利技术中拥有某些权力。
技术介绍
本专利技术涉及碳化硅及其他薄膜，更具体地涉及这些薄膜在基材上的受控沉积。半导体微和毫微电机械系统(MEMS/NEMS)使集成电路制造技术适用于制造光学、机械、电化学和生物传感器装置。在制造MEMS和NEMS装置中一个重要的步骤是将材料薄膜沉积到基材上。一旦薄膜被沉积，可以使用各种蚀刻技术使沉积薄膜具有一定形状。在典型的MEMS/NEMS装置中，硅是原材料。碳化硅是具有很好的物理和化学特征的材料，并且在高于大约300℃的温度下具有这些性能。碳化硅是在用于MEMS和NEMS的薄膜中使用的有利的材料，这特别是因为与常规和粗糙的操作环境中的硅相比，其具有优越的电、机械和化学性能。在MEMS生产中限制碳化硅的发展的障碍之一是无法在具有对MEMS和NEMS有利的和MEMS和NEMS所需要的大面积基材上沉积均匀的碳化硅薄膜。碳化硅的沉积通常受残余应力、残余应力梯度和电阻率的变化的影响。这些性能对于MEMS和NEMS装置的正确操作是重要的。使用硅时，在薄膜被沉积之后，通过在升高的温度下将薄膜退火，可以受控残余应力、残余应力梯度和电阻率。硅中的退火诱导了结晶的变化，使这些性能得到改进。在使用单晶和多晶碳化硅时，这样的方法是不可行的，因为碳化硅在普通的退火温度下是化学和结晶学稳定的。对于沉积在硅基材上的碳化硅，退火是完全无效的，因为非碳化硅基材将退火温度限制到对于有效的退火而言过低的温度。本专利技术通过在薄膜形成(沉积)过程期间对碳化硅薄膜中的残余应力、残余应力梯度和电阻率进行控制，而完全消除了对退火的需要。
技术实现思路
本专利技术提供了在基材上沉积薄膜的方法，其能够控制沉积的薄膜的残余应力、残余应力梯度和电阻率。本专利技术包括各种组合物的薄膜，例如陶瓷薄膜，其中陶瓷化合物具有金属和非金属组分。优选，所述薄膜是碳化硅薄膜。碳化硅薄膜通过化学蒸气沉积方法沉积在基材上，例如硅基材，该方法通过将基材放在反应室中，并且将该室抽空到低于大约10毫托的压力来实施。室的温度保持在大约900℃。以大约180标准立方厘米每分钟(sccm)的流量将碳前体例如乙炔(在氢中5％)提供给所述室。以大约54sccm的流量将硅前体例如二氯甲硅烷(DCS)提供给所述室。当提供前体时，反应室的压力升高，并且可以保持在固定压力下。在这些条件下，在小于2.65托的压力下沉积具有可观的应力梯度的拉伸的薄膜，并且在高于2.65托的压力下沉积了具有可观的应力梯度的压缩的薄膜。在2.65托下，薄膜具有很低的残余拉伸应力(＜20MPa)，可忽略的应力梯度，并且电阻率小于10Ω·cm，而不需要有意的掺杂。因此，在其他参数固定的情况下控制压力，导致对残余拉伸应力、应力梯度和电阻率的控制。在另一个实施方案中，所述室保持在大约2.0托的压力下。以大约180标准立方厘米每分钟(sccm)的流量将碳前体例如乙炔(在氢中5％)提供给所述室。硅前体，例如DCS，以18到72sccm的流量提供给所述室。在这些条件下，以低于35sccm的DCS流量沉积了具有可观的应力梯度的拉伸的薄膜，并且在高于35sccm的DCS流量下沉积了具有可观的应力梯度的压缩的薄膜。在35sccm的DCS流量下，薄膜具有很低的残余拉伸应力(＜20MPa)、可忽略的应力梯度，并且电阻率小于10Ω·cm，而不需要有意的掺杂。因此，在其他的参数固定的情况下，控制金属元素前体的流量，在这种情况下是硅前体DCS，导致对残余拉伸应力、应力梯度和电阻率的控制。本专利技术还涉及在其上沉积有碳化硅薄膜的基材，其中残余应力是0±100MPa，并且获得的电阻率小于大约10Ω·cm，还涉及具有这样的基材的半导体、MEMS和NEMS装置。附图说明图1是用于本专利技术中的装置的示意图；图2是用于本专利技术中的装置的另一个实施方案的视图；图3是本专利技术一个实施方案的残余应力对压力的图形；图4(a)是从按照本专利技术一个实施方案制备的薄膜得到的碳化硅悬臂梁的SEM显微照片；图4(b)是从按照本专利技术一个实施方案制备的薄膜得到的碳化硅悬臂梁的另一个SEM显微照片；图5是本专利技术一个实施方案的电阻率对沉积压力的图形；图6是本专利技术一个实施方案的残余应力对二氯甲硅烷流量的图形；图7是从按照本专利技术一个实施方案制备的薄膜悬臂梁的碳化硅的SEM显微照片；并且图8是本专利技术一个实施方案的电阻率对二氯甲硅烷流量的图形。详细说明本专利技术涉及在基材上沉积薄膜，优选碳化硅(SiC)薄膜，其中对各种性能，例如残余应力、残余应力梯度和电阻率进行控制。本专利技术将被描述成涉及在硅基材上沉积SiC，特别地用于MEMS和NEMS装置。然而，本专利技术仅仅通过这样的描述进行举例说明，并且仅仅由本文所附权利要求限定。如上所述，碳化硅薄膜，特别是多晶SiC，对于在MEMS和NEMS装置中使用是所希望的。主要性能，例如残余拉伸应力、残余拉伸应力梯度和电阻率的控制提供了可以有效地用于MEMS和NEMS装置的SiC薄膜。具有低于大约100MPa和优选低于大约50MPa的低残余应力的碳化硅薄膜对于MEMS和NEMS应用是高度希望的。在此之前，普通的沉积技术不能在多晶碳化硅薄膜中获得这样的低应力值。在这些及其他应用中，控制应力性能，例如残余应力和残余应力梯度，以及电阻率性能，对于获得其他的预选的值(可以不是低应力值)也可能是希望的。这些薄膜特别适合于在恶劣环境中操作的装置中使用，因为SiC具有突出的机械、电气和化学性能。这样的应用的实例包括用于内燃和喷气发动机的压力传感器，风洞传感器和仪表，以及核动力系统的测量和控制系统。此外，碳化硅可被用于通常由硅制造的装置结构，例如加速度传感器，生物医学传感器和致动器及其他通常不以恶劣环境为特征的应用。碳化硅可以用作硅的替代材料，因为SiC与硅相比具有优良的机械和化学性能以及可比的电气性质。申请人已经成功地在硅和二氧化硅基材上生产了具有受控性能的薄的多晶SiC薄膜，其中残余拉伸应力是零或接近零，电阻率是很低的，并且残余拉伸应力梯度接近零。这些薄膜通过低压力化学蒸气沉积方法生产，使用二氯甲硅烷(SiH2Cl2)作为硅(Si)前体，和5％乙炔(C2H2)在氢(H2)中的混合物作为碳前体。申请人已经确定，控制硅前体流量和/或进行沉积的压力，能够生产具有如上所述性能的SiC薄膜。已经成功地生产了悬臂、桥、膜和侧向共振结构，表明按照本专利技术制造的材料在显微机械加工应用中具有可行性。相信，对于任何硅前体和碳前体，控制硅前体的流量和/或反应室的沉积压力，同时将其他参数固定，能够控制通过汽相沉积方法沉积的碳化硅薄膜的碳化硅薄膜的残余应力、残余应力梯度和电阻率。在不背离本专利技术精神和范围的条件下，本领域普通技术人员能够确定获得最小残余应力、残余应力梯度和电阻率的适当的压力和硅前体流量，而无须过度的试验，并且可以使用替代的硅和碳前体。可能的替代的硅前体的实例，除了其他的之外，包括硅烷、三氯硅烷和四氯化硅。可能的替代的碳前体包括含碳气体、甲烷、丙烷、乙烯、二甲苯、丁烷、四溴化碳及其他烃。可能的替代的硅和/或碳前体可以包括硅和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基材上通过化学蒸气沉积方法沉积碳化硅的方法，其包括：（ａ）在反应室中放置至少一个基材；（ｂ）以预定的固定流量将硅前体提供到反应室；（ｃ）以预定的固定的流量将碳前体提供到反应室；（ｄ）通过控制反应室中的压 力控制沉积的碳化硅薄膜中的应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-11-18 10/716,0061.一种在基材上通过化学蒸气沉积方法沉积碳化硅的方法，其包括(a)在反应室中放置至少一个基材；(b)以预定的固定流量将硅前体提供到反应室；(c)以预定的固定的流量将碳前体提供到反应室；(d)通过控制反应室中的压力控制沉积的碳化硅薄膜中的应力。2.权利要求1的方法，其中所述基材是硅。3.权利要求1的方法，其中所述基材是二氧化硅或者碳化硅。4.权利要求1的方法，其中碳化硅包括多晶碳化硅。5.权利要求1的方法，其中硅前体的预定的流量为大约54标准立方厘米每分钟。6.权利要求1的方法，其中硅前体选自硅烷、卤代硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、四甲基环四硅氧烷、双三甲基甲硅烷基甲烷、甲基三氯硅烷、硅烷、四乙基硅烷和硅杂环丁烷。7.权利要求6的方法，其中卤代硅烷选自二氯甲硅烷、三氯硅烷和四氯化硅。8.权利要求7的方法，其中硅前体是二氯甲硅烷。9.权利要求1的方法，其中反应室中的压力被控制在大约0.42托到大约5托之间。10.权利要求9的方法，其中反应室中的压力被控制在大约2.65托。11.权利要求1的方法，其中对反应室中的压力进行控制，以使沉积的碳化硅薄膜中的残余应力最小化。12.权利要求11的方法，其中沉积的碳化硅薄膜中的残余应力在大约700MPa和大约-100MPa之间。13.权利要求11的方法，其中反应室中的压力被控制在大约2.65托。14.权利要求1的方法，其还包括将反应室保持在固定温度下。15.权利要求14的方法，其中固定温度是大约900℃。16.权利要求1的方法，其中碳前体的预定的流量为大约180标准立方厘米每分钟。17.权利要求1的方法，其中提供碳前体包括以大约180标准立方厘米每分钟的流量将氢中的乙炔提供到反应室。18.权利要求1的方法，其还包括控制碳化硅的电阻率。19.权利要求18的方法，其中沉积的碳化硅的电阻率低于大约10Ω·cm。20.权利要求18的方法，其中控制电阻率包括控制反应室中的压力。21.一种在基材上通过化学蒸气沉积方法沉积碳化硅的方法，其包括(a)在反应室中放置至少一个基材；(b)将反应室保持在预定压力下；(c)以预定的固定的流量将碳前体提供到反应室；(d)以一种流量将硅前体提供到反应室；和(e)控制硅前体流量，以控制沉积的碳化硅薄膜中的应力。22.权利要求21的方法，其中所述基材是硅。23.权利要求21的方法，其中所述基材是二氧化硅。24.权利要求21的方法，其中所述碳化硅包括多晶碳化硅。25.权利要求21的方法，其中预定压力是大约2.0托。26.权利要求21的方法，其中硅前体选自硅烷、卤代硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、四甲基环四硅氧烷、双三甲基甲硅烷基甲烷、甲基三氯硅烷、硅烷、四乙基硅烷和硅杂环丁烷。27.权利要求26的方法，其中卤代硅烷选自二氯甲硅烷、三氯硅烷和四氯化硅。28.权利要求27的方法，其中硅前体是二氯甲硅烷。29.权利要求21的方法，其中硅前体的流量被控制在大约18标准立方厘米每分钟到大约54标准立方厘米每分钟之间。30.权利要求29的方法，其中硅前体的流量被控制在大约36标准立方厘米每分钟。31.权利要求21的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M梅雷加尼，CA佐尔曼，傅小安，JL邓宁，
申请(专利权)人：卡斯西部储备大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]