一种低温等离子体辅助铝诱导多晶碳化硅薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开一种低温等离子体辅助铝诱导多晶碳化硅薄膜的制备方法。其方法步骤如下：(1)采用热丝CVD方法在衬底上沉积纳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层二氧化硅薄层；(3)采用磁控溅射或真空热蒸发方法继续沉积铝薄膜；(4)将此叠层结构在等离子体辅助下采用还原气体与惰性气体混合气氛退火；(5)用Al腐蚀液腐蚀去除表面残留的铝，最终得到晶粒大小达到3-5微米左右，表面光滑平整的多晶SiC薄膜。本发明专利技术是一种在廉价衬底上低温制备大晶粒碳化硅的方法。相比传统多晶碳化硅制备方法，其制造成本大大降低，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射电子器件等方面具有巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
随着功率器件、微波器件的不断发展，传统的Si材料由于材料本身的性能缺陷，在此领域越来越显示出一定的局限性。碳化硅(SiC)由于其具有带隙宽、热导率高、电子饱和漂移速率大、化学稳定性好等优点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面显示出巨大的优越性。同时，SiC材料近年来在材料制备、外延生长等方面的突破性进展使其成为研究热点，有关器件的研制也已取得大批成果，制作出了高压P-N结、MESFET、MOSFET、JFET等器件。SiC薄膜生长技术的发展为SiC器件的研制奠定了坚实的基础。传统制备SiC薄膜方法在制备多晶SiC薄膜过程中所需要的衬底温度大都在 1100°C以上，这无疑为材料的应用带来了很大的限制。因此寻找合适的实验技术在较低温的衬底上实现SiC的低温生长的研究成为当前该领域人们极为关注的方向。目前主流的低温衬底制备方法有等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD)，热丝化学气相沉积(HWCVD)等。但是采用这些方法直接沉积的SiC薄膜晶粒很小，很难制备出微米级多晶，而且结晶质量较差。因此，国际研究热点转向低温晶化技术。金属诱导晶化法是一种在玻璃等廉价衬底上低温制备大晶粒、高结晶质量的多晶的新方法。金属诱导法制备多晶碳化硅薄膜有如下优点1.用低温衬底化学气相沉积的方法沉积非晶薄膜，然后用比较成熟的溅射或热蒸发等方法沉积金属薄膜，最后低温晶化，它们是一个低温制备过程；2.可以使用玻璃等廉价衬底，晶化时间短，工艺简单；3制备的多晶碳化硅晶粒大且均匀，缺陷较少，是良好的外延衬底材料。历史上,很早就有人研究Au, Al, Ag, Cu, Ni等金属对非晶娃晶化的诱导作用。人们发现，当这些金属与非晶硅接触时能够显著降低非晶硅晶化温度，并将非晶硅在金属的作用下低温结晶的行为称为金属诱导晶化(MIC, Metal Induced Crystallisation)。金属诱导晶化的驱动力是非晶硅转化为晶体硅时自由能的降低。另一方面，非晶硅中的应力和缺陷也为非晶娃的晶化提供驱动力。Knaepen等人用在线XRD系统研究了 20种金属诱导非晶硅晶化的行为，总结了每一种金属的最低诱导温度，并根据诱导机理将诱导金属分成两类，即生成合金类(Al、Au、Ag、Cu等)和生成硅化物类(Ni、Co等)。生成合金类金属的诱导机理是，硅先扩散进金属中形成合金，然后达到过饱和温度后从合金中析出生成晶核，晶核长大生成多晶硅；生成硅化物类金属的诱导机理是，非晶硅和金属先在其界面结合生成金属硅化物，金属硅化物分解后成晶硅和金属，金属再和非晶硅结合生成金属硅化物，硅化物再分解成晶硅和金属，如此反复，使多晶硅晶粒不断长大直至生成连续的多晶硅薄膜。同时金属诱导多晶硅材料也广泛应用于各种电子器件中，日本的 Kuraseko 等人研究了以a-Si/Si02/Al叠层制备多晶硅薄膜后残留在多晶硅和玻璃间的铝作为太阳能电池的背接触，结果显示其制备的太阳能电池的串联电阻相比于Al/Al203/a-Si叠层的明显减小。王俊好等用 HWCVD 法在 Al/Al203/a_Si 叠层制备的铝诱导多晶硅上外延生长了结晶率为93%的多晶硅，并在此基础上制备了 5. 6%的太阳能电池。在制备出具有器件级质量的Al诱导多晶Si薄膜的同时，采用铝诱导多晶碳化硅的技术却没有得到开展，传统方法制备碳化硅薄膜，其晶粒在低温下一般难以长大，且结晶性较差晶界较多，只有在极高的温度条件下才能得到晶粒尺寸较大的多晶碳化硅薄膜，严重影响了多晶碳化硅薄膜的产业化和大规模应用。澳大利亚Grif th University 的 Li Wang 等人采用低压化学沉积的方法，在600°C温度，Al (CH3)3和H3SiCH3混合气流条件下在硅衬底上制得非晶SiC薄膜，并通过透射电子显微镜图像证明了纳米晶体的存在，电容-电压测量证实了沉积的薄膜为P型掺杂。然而采用普通退火方法制备铝诱导晶化多晶碳化硅，仍然需要非常长的退火时间，而且退火以后的结晶质量也较差，不利于铝诱导多晶碳化硅薄膜用于半导体器件的产业化。另外，晶化后的多晶碳化硅薄膜的晶界及晶粒内部通常含有较高的缺陷态，严重影响多晶碳化薄膜及器件的性能及稳定性
技术实现思路
本
技术实现思路
提供，该方法是在纳米晶碳化硅或非晶碳化硅基础上引入等离子体辅助诱导出晶粒尺寸为微米级且表面平整的多晶SiC薄膜，该方法在短时间内即可有效得到质量优异的多晶碳化硅薄膜，是一种非常具有应用前景的高效、低成本制备多晶碳化硅薄膜技术。本专利技术采用的技术方案如下一种低温铝诱导低温制备多晶碳化硅薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤(I)、采用标准清洗工艺处理衬底以后，采用热丝化学气相沉积方法，在衬底上生长一层纳米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜，薄膜厚度为300-360 nm，热丝化学气相反应所用气体纯度均不小于99. 999%，腔室本底真空为7. OX 10_5Pa，衬底温度保持在350°C，衬底到热丝的距离为4cm ； (2)、将纳米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜放置于纯氧气中干氧氧化O. 5小时生成一层二氧化硅薄膜，得到衬底/nc-SiC/Si02或衬底/ a -SiC/SiO2样品，氧化温度为500°C ； (3)、将衬底/nc-SiC/Si02或衬底/a _SiC/Si02样品放入物理气相沉积腔室中沉积一层铝薄膜，形成衬底/nc_SiC/Si02/Al或衬底/ a -SiC/Si02/Al叠层结构，铝层厚度为100-180 nm ； (4)、将衬底/nc_SiC/Si02/Al或衬底/a -SiC/Si02/Al叠层结构放于真空退火炉中，在等离子体辅助下采用还原气体与惰性气体混合气氛退火，退火温度保持在600°C ;退火时间为3-5 h，得到样品； (5)、将退火后的样品置于铝腐蚀液内，用超声10-15min去除表面残留的铝薄膜，得到多晶碳化硅薄膜。所述的衬底为康宁玻璃、陶瓷或不锈钢衬底。所述热丝化学气相反应中所用气体为硅烷、乙炔和氢气；对于第(I)步沉积纳米晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氢气流量比为1:0. 6:100，生长气压控制在400 Pa，热丝温度保持在2000°C;或对于第(I)步沉积非晶碳化硅薄膜，所采用的硅烷、乙炔和氢气流量比为1:1:8，生长气压控制在10 Pa，热丝温度保持在1800°C。对于第(3)步沉积铝薄膜，在所述物理气相沉积腔室中采用磁控溅射法，其磁控溅射法采用射频溅射方法，磁控溅射功率为100 W，氩气流量为20 sccm，所用Al靶纯度不低于99. 99%，腔室本底真空为6. 0X10—5 Pa，生长气压为0.5 Pa，衬底温度为200°C。对于第(3)步沉积铝薄膜，在所述物理气相沉积腔室中采用真空热蒸发法，其热蒸发方法采用纯度不低于99. 99%的铝颗粒，蒸发舟采用钥舟，腔室本底真空为8. OX 10_4Pa，钨丝电流为80A，生长气压为O. 5 Pa，衬底温度为200°C。对于第(4)步所述的还原气体与惰性气体混合气氛为氢气与氩气，其体积比为H2: Ar=I :9。 对于第(4)步所述的等离子体辉光功率为15-30 W，该设备采用中科院微电子所固态射频电源与匹配器RFG-500。对于第(5)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温等离子体辅助铝诱导多晶碳化硅薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下步骤：(1)、采用标准清洗工艺处理衬底以后，采用热丝化学气相沉积方法，在衬底上生长一层纳米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜，厚度为300？360？nm，热丝化学气相反应所用气体纯度均不小于99.999%，腔室本底真空为7.0×10？5？Pa，衬底温度保持在350？℃，衬底到热丝的距离为4？cm；(2)、将纳米晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅薄膜放置于纯氧气中干氧氧化0.5小时生成一层二氧化硅薄膜，得到衬底/nc？SiC/SiO2或衬底/α？SiC/SiO2样品，氧化温度为500？℃；(3)、将衬底/nc？SiC/SiO2或衬底/α？SiC/SiO2样品放入物理气相沉积腔室中沉积一层铝薄膜，形成衬底/nc？SiC/SiO2/Al或衬底/α？SiC/SiO2/Al叠层结构，铝层厚度为100？180？nm；(4)、将衬底/nc？SiC/SiO2/Al或衬底/α？SiC/SiO2/Al叠层结构放于真空退火炉中，在等离子体辅助下采用还原气体与惰性气体混合气氛退火，退火温度保持在600℃；退火时间为3？5？h，得到样品；(5)、将退火后的样品置于铝腐蚀液内，用超声10？15？min去除表面残留的铝薄膜，得到多晶碳化硅薄膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴天如，沈鸿烈，方茹，张磊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：