CN101150055A - 用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于MEMS器件的大面积3C－SiC薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)取一衬底；2)将衬底外延生长面进行原位氢气刻蚀；3)在低压化学汽相沉积炉中在该衬底刻蚀面上外延生长一炭化层，此炭化层作为衬底和3C－SiC薄膜的过渡层，有利于制备3C－SiC薄膜；4)在炭化层上外延生长一3C－SiC薄膜；5)结束，完成3C－SiC薄膜的制作。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种能应用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的低压化学气相沉积制备方法。
背景技术
立方相碳化硅(3C-SiC)不仅具有优异的机械强度，高的弹性模量(比硅高3倍)，它还具有良好的热稳定性和化学稳定性，耐辐射，高的电子迁移率，因此，它有望成为下一代高性能MEMS器件的关键半导体材料。
现有技术如专利CN 1393907A使用常压化学反应方法在SOI基材上制备碳化硅薄膜，并使用氧气和惰性气体对反应生成的薄膜进行蚀刻以获得完整的碳化硅层。专利97102232.1使用略低于常压的化学反应方法并用过量的硅源气体在甚高温度下制备碳化硅薄膜。这两种方法都不利于方便经济地进行大面积地制备能应用于MEMS器件的高品质3C-SiC薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过低压化学气相沉积制备大面积3C-SiC薄膜的方法，此方法采用半导体Si单晶或SOI或SIMOX作衬底，在竖直式(或水平式)低压化学汽相沉积设备中通过刻蚀41、碳化44和生长45三大步骤完成3C-SiC薄膜13的制备。
本发明一种用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取一衬底；
2)将衬底外延生长面进行原位氢气刻蚀；
3)在低压化学汽相沉积炉中在该衬底刻蚀面上外延生长一炭化层，此炭化层作为衬底和3C-SiC薄膜的过渡层，有利于制备3C-SiC薄膜；
4)在炭化层上外延生长一3C-SiC薄膜；
5)结束，完成3C-SiC薄膜的制作。
其中衬底的材料为半导体Si单晶或SOI或SIMOX。
其中衬底的直径为2～8英寸，厚度大于300微米。
其中衬底的生长面晶面指数为(100)。
其中衬底的生长面晶面指数为(111)。
其中衬底的掺杂类型为n型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3。
其中衬底的掺杂类型为p型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3。
其中衬底的刻蚀是氢气刻蚀，所用刻蚀压力为40毫托～100托，温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为4～6分钟，刻蚀完成后降温至500℃以下。
其中碳化层的外延生长，其生长压力为40毫托～100托，将衬底以5～20℃/分钟加热至500～1100℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的丙烷或乙烯，所用生长温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，时间为1～10分钟。
其中生长3C-SiC薄膜的生长压力为40毫托～100托，改变丙烷或乙烯的通入速率为1～8标准毫升/分钟后，衬底温度保持到1100～1350℃，通入硅烷，通入速率为0.5～4标准毫升/分钟，生长结束后关闭硅烷、丙烷，在氢气保护下降温至室温。
制备的薄膜主要应用于MEMS器件。本发明是这样实现的：采用直径为2～8英寸的半导体Si单晶或SOI或SIMOX作衬底，在竖直式(或水平式)低压化学汽相沉积炉中通过刻蚀41、碳化44和生长45三大步骤完成薄膜的制备。将衬底11置于衬底托26(或将衬底11置于衬底盒36)并固定，抽真空并保持整个制备过程中炉体22(或32)内压力为40毫托～100托。通过射频加热线圈24(或34)加热衬底11，用氢气刻蚀衬底时，温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为4～6分钟，刻蚀完成后降温至500℃以下。接着碳化衬底制备过渡层12。衬底以5～20℃/分钟加热至500～1100℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的丙烷或乙烯，碳化温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，碳化时间为1～10分钟。碳化结束后可在衬底11上制备出碳化过渡层12。此时立即进行3C-SiC薄膜的生长45。改变丙烷或乙烯的通入速率为1～8标准毫升/分钟后，衬底温度保持到1100～1350℃，通入硅烷，通入速率为0.5～4标准毫升/分钟，生长一定时间后，可在碳化过渡层12上制备出所需3C-SiC薄膜13。关闭硅烷、丙烷，在H2气保护下降温至室温。此发明能制备表面光亮、电阻率均匀的3C-SiC薄膜，适用于MEMS器件。
与现有技术相比，本发明重在发明是一种经济方便的低压化学气相沉积制备工艺。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是薄膜、碳化过渡层及衬底位置关系示意图；
图2是竖直式低压化学汽相沉积炉及衬底放置方式示意图；
图3是水平式低压化学汽相沉积炉及衬底放置方式示意图；
图4是生长时间对生长温度关系图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取一衬底11，该衬底11的材料为半导体Si单晶或SOI或SIMOX，该衬底11的直径为2～8英寸，厚度大于300微米，该衬底11的生长面晶面指数为(100)，该衬底11的生长面晶面指数为(111)，该衬底11的掺杂类型为n型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3，该衬底11的掺杂类型为p型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3；
2)将衬底11外延生长面进行原位氢气刻蚀；
3)在低压化学汽相沉积炉中在该衬底11刻蚀面上外延生长一炭化层12，此炭化层12作为衬底11和3C-SiC薄膜13的过渡层，有利于制备3C-SiC薄膜13；所述的碳化层12的外延生长，其生长压力为40毫托～100托，将衬底11以5～20℃/分钟加热至500～1100℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的丙烷或乙烯，所用生长温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，时间为1～10分钟；
4)在炭化层12上外延生长一3C-Si C薄膜13；其中生长3C-SiC薄膜13的生长压力为40毫托～100托，改变丙烷或乙烯的通入速率为1～8标准毫升/分钟后，衬底11温度保持到1100～1350℃，通入硅烷，通入速率为0.5～4标准毫升/分钟，生长结束后关闭硅烷、丙烷，在氢气保护下降温至室温；
其中所述的衬底11的刻蚀是氢气刻蚀，所用刻蚀压力为40毫托～100托，温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为4～6分钟，刻蚀完成后降温至500℃以下。
5)结束，完成3C-SiC薄膜的制作。
实施例1
请参阅图1所示，本发明涉及一种用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其中衬底11是采用半导体Si单晶材料作衬底，其直径为2英寸，厚度为400微米，双面抛光，生长面指数为(100)，掺杂类型为n型掺杂，掺杂水平为～1020cm-3，经标准RCA清洗工艺处理后，装入竖直式直径为4英寸的低压化学汽相沉积炉(图2所示)。抽真空至40托，从进气管21通入预热至420℃的H2气(纯度为99.9995％)，通入速率为5标准升/分钟，用射频方式加热到1100℃，保温5分钟后降温至500℃以下。用射频方式并以8℃/秒的速率加热，温度到600℃时从进气管21通入纯度为99.99995％的丙烷，通入速率为5标准毫升/分钟，加热到1150℃，保温8分钟。改变丙烷通入速率为1标准毫升/分钟，用射频方式加热到1300℃，从进气管21通入纯度为99.99998％的硅烷，通入速率为0.5标准毫升/分钟，保温120分钟后关闭硅烷、丙烷，在H2气保护下降温至室温，此过程可参阅图4。此时，能应用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜已制备完成。
实施例2
请参阅图1所示，本发明涉及一种用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，采用半导体SOI作衬底11，其直径为4英寸，厚度为500微米，生长面抛光，面指数为(100)，掺杂类型为n型掺杂，掺杂水平为1020cm-3，经标准RCA清洗工艺处理后，装入竖直式直径为6英寸的低压化学汽相沉积炉(图2所示)。抽真空至40托，从进气管21通入预热至420℃的H2气(纯度为99.9995％)，通入速率为8标准升/分钟，用射频方式加热到1100℃，保温3分钟后降温至500℃以下。用射频方式并以8℃/秒的速率加热，温度到600℃时从进气管21通入纯度为99.99995％的丙烷，通入速率为6标准毫升/分钟，加热到1100℃，保温7分钟。改变H2气通入速率为6标准升/分钟，改变丙烷通入速率为4标准毫升/分钟，用射频方式加热到1200℃，从进气管21通入纯度为99.99998％的硅烷，通入速率为2标准毫升/分钟，保温100分钟后关闭硅烷、丙烷，在H2气保护下降温至室温，此过程可参阅图4。此时，能应用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜已制备完成。
实施例3
请参阅图1所示，本发明涉及一种用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，采用半导体Si单晶作衬底11，其直径为4英寸，厚度为450微米，生长面抛光，面指数为(111)，掺杂类型为p型掺杂，掺杂水平为1019cm-3，经标准RCA清洗工艺处理后，装入水平式直径为6英寸的低压化学汽相沉积炉(图3所示)。抽真空至40托，从进气管31通入预热至420℃的H2气(纯度为99.9995％)，通入速率为8标准升/分钟，用射频方式加热到1200℃，保温3分钟后降温至500℃以下。用射频方式并以8℃/秒的速率加热，温度到600℃时从进气管31通入纯度为99.99998％的乙烯，通入速率为8标准毫升/分钟，加热到1200℃，保温10分钟。改变H2气通入速率为6标准升/分钟，改变丙烷通入速率为5标准毫升/分钟，调整衬底11温度到1100℃，从进气管31通入纯度为99.99998％的硅烷，通入速率为1.8标准毫升/分钟，保温150分钟后关闭硅烷、乙烯，在H2气保护下降温至室温，此过程可参阅图4。此时，能应用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜已制备完成。
Claims (10)
1.一种用于MEMS 件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取一衬底；
2)将衬底外延生长面进行原位氢气刻蚀；
3)在低压化学汽相沉积炉中在该衬底刻蚀面上外延生长一炭化层，此炭化层作为衬底和3C-SiC薄膜的过渡层，有利于制备3C-SiC薄膜；
4)在炭化层上外延生长一3C-SiC薄膜；
5)结束，完成3C-SiC薄膜的制作。
2.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的材料为半导体Si单晶或SOI或SIMOX。
3.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的直径为2～8英寸，厚度大于300微米。
4.根据权利要求3所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的生长面晶面指数为(100)。
5.根据权利要求3所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的生长面晶面指数为(111)。
6.根据权利要求4或5所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的掺杂类型为n型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3。
7.根据权利要求4或5所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的掺杂类型为p型掺杂，掺杂水平为1017～1020cm-3。
8.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的刻蚀是氢气刻蚀，所用刻蚀压力为40毫托～100托，温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为4～6分钟，刻蚀完成后降温至500℃以下。
9.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中碳化层的外延生长，其生长压力为40毫托～100托，将衬底以5～20℃/分钟加热至500～1100℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的丙烷或乙烯，所用生长温度为1100～1200℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，时间为1～10分钟。
10.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法，其特征在于，其中生长3C-SiC薄膜的生长压力为40毫托～100托，改变丙烷或乙烯的通入速率为1～8标准毫升/分钟后，衬底温度保持到1100～1350℃，通入硅烷，通入速率为0.5～4标准毫升/分钟，生长结束后关闭硅烷、丙烷，在氢气保护下降温至室温。
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