CN104805505A - 一种制备目标薄膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备目标薄膜层的方法，所述方法包括步骤如下：提供外延衬底；在所述外延衬底上沉积至少一层转化层；及将所述转化层转化为目标薄膜层，所述目标薄膜层的厚度根据所述转化层的厚度控制。本发明通过利用转化层在外延衬底上转化生长目标薄膜层的方法，为高科技新型材料薄膜的制备提供了可行的方案，可以预估和控制工艺结果，达到节约成本，实现高质量工业化生产。

Description

一种制备目标薄膜层的方法

技术领域

本发明涉及到光电子、微电子领域及功率器件领域，特别涉及到一种制备目标薄膜层的方法。

背景技术

很多材料层的生长，由于受到外延衬底材料的限制或者生长工艺的限制，使得成本较高、外延衬底种类稀少、工艺灵活性欠缺、工艺结果难以预估和控制。在新型高科技材料中，（1）氮化镓材料作为半导体材料的一种，具有不可替代的作用,其独特的发光波长区间使得氮化镓和其它元素结合成为应用广泛的三元、四元化合物材料，这些材料的波长范围可以进一步拓展，进而进入紫外等区间，成为光电材料中不可缺少的基础性材料。随着芯片制程能力不断的提升，氮化镓材料结构的设计水平和性能不断提高，传统的外延制程已越来越不能满足未来的应用。传统氮化镓材料的外延基本采用蓝宝石或碳化硅基片作为原始材料制作而成，但这两者的大直径外延衬底都比较昂贵。因此，昂贵的成本导致氮化镓基产品无法进一步普及。然而，若能在直径更大、成本更低廉的外延衬底上生长氮化镓，并采用与现代半导体生产线相兼容的制程，则产品成本会比现有制程降低75%。同时，灵活的过渡层材料将氮化镓光电和功率器件推上新的技术平台，新型过渡层的氮化镓技术可促使生产向高生产量的150mmIC制造工艺延伸，完全可以采用成本效益优化的制造设施，同时与最先进的IC技术平台相比，新型过渡层的氮化镓仍能够改善客户主要特定应用的性能指数高达10倍，可以显着提高性能并节省能源消耗，目标市场包括光伏、照明、计算和通信、汽车和家电等的终端应用。（2）石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量，因而备受关注。石墨烯是目前已知的力学强度最高的材料。在电子应用方面石墨烯的应用范围很广，从柔性电子产品到智能服装，从可折叠显示器到有机太阳能电池，甚至未来的全碳电路都是以石墨烯为原料。迄今为止，如何规模化生产石墨烯以及制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜仍旧是一个有待解决的难题。在目前多种制备方法中，通过加热单晶碳化硅脱除Si，在单晶面上分解出石墨烯片层，据预测很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。

从氮化镓和石墨烯制备的现有工艺来看，目前有新型高科技材料薄膜的生长受到工艺的限制，对外延衬底的要求较高，且工艺结果难以预估和控制，给工业化生产带来一定的难度，且成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备目标薄膜层的方法，可以实现在多种外延衬底上沉积目标薄膜层，并达到控制薄膜层的厚度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备目标薄膜层的方法，所述方法包括步骤如下：

提供外延衬底；

在所述外延衬底上沉积至少一层转化层；及

将所述转化层转化为目标薄膜层，所述目标薄膜层的厚度根据所述转化层的厚度控制。

其中，所述转化层为通过光刻工艺图形化的转化层。

其中，所述方法中将所述转化层转化为目标薄膜层之后还包括在目标薄膜层上继续生长其它材料层的步骤。

其中，所述方法中在所述外延衬底上沉积至少一层转化层之前还包括在外延衬底上先沉积至少一层过渡层。

其中，所述方法中将所述转化层转化为目标薄膜层之后还包括刻蚀掉外延衬底、过渡层的步骤。

其中，所述转化层为氧化镓薄膜层，所述目标薄膜层为氮化镓薄膜层；所述氮化镓薄膜层与氧化镓薄膜层之间的厚度关系依据氧化镓和氮化镓的晶格常数计算，达到控制氮化镓薄膜层的厚度。

其中，所述氮化镓薄膜层由氧化镓薄膜层在外延沉积设备中，在含NH₃气氛下加热温度高于600度进行O-N化学转化反应后升温至900-1200度进行再结晶生成。

其中，所述转化层为原子层级的碳化硅薄膜层，所述目标薄膜层为石墨烯薄膜层；所述原子层级碳化硅薄膜层与石墨烯薄膜层之间的厚度关系依据碳化硅和石墨烯的晶格常数计算，达到控制石墨烯薄膜层的厚度。

其中，所述石墨烯薄膜层的厚度是由原子层级的碳化硅薄膜层在外延沉积设备中温度高于1300度超真空环境下分解出Si转化生成的。

本发明采用以上技术方案，通过利用转化层在外延衬底上转化生长目标薄膜层的方法，为高科技新型材料薄膜的制备提供了可行的方案，可以预估和控制工艺结果，达到节约成本，实现高质量工业化生产。

附图说明

图1为本发明在外延衬底沉积转化层后的结构示意图

图2为本发明转化层转化为目标薄膜层后的结构示意图。

图3为本发明外延衬底上沉积转化层图形化的结构示意图。

图4为本发明图形化的转化层转化为目标薄膜层后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。

一种制备目标薄膜层的方法，其主要步骤包括以下：

如图1、图2、图3、图4所示，为本发明过程的结构示意图，本发明包括以下步骤：

第一步，在外延衬底1上，使用预生长工艺沉积至少一层的转化层3，所述转化层3可为通过光刻工艺图形化的转化层3，图形化的转化层3进行选择性转化生长目标薄膜层可以有效降低缺陷密度。其中，外延衬底1可以是金属、陶瓷、半导体、石英等多种外延衬底之一；在沉积转化层3前沉积至少一层过渡层2，作为未来去除外延衬底1后的新基板或者当现有基板无法去除时作为牺牲层。

第二步，在外延沉积设备中，将转化层3通过化学反应转化为目标薄膜层4，可有效消除各种不同外延衬底1与目标薄膜层4之间的晶格不匹配度。其中，转化层3与目标薄膜层4之间存在化学转化关系，转化层3沉积的厚度可以通过所需转化的目标薄膜层4的厚度依据转化层3与目标薄膜层4间的化学转化关系式及晶格常数计算，达到控制目标薄膜层4的厚度。

第三步，在外延沉积设备中在目标薄膜层4上生长其他材料层，或者刻蚀掉外延衬底1、过渡层2得到单独的目标薄膜层4.

实施例一：采用上述的制备目标薄膜层的方法，可以利用氧化镓薄膜层在外延衬底上生长氮化镓薄膜层，其方法主要步骤包括：

第一步，提供成长氧化镓薄膜层的外延衬底，采用沉积溅射工艺和氧化镓陶瓷靶材，并在溅射气体氩气当中也可适当添加一定体积比的氧气，沉积氧化镓薄膜层，氧化镓薄膜层也可以采用lift-off工艺进行光刻图形化，图形化氧化镓薄膜层进行选择性转化生长氮化镓薄膜层可以有效降低缺陷密度。其中，成长氧化镓薄膜层的外延衬底可以是金属、陶瓷、半导体、石英等外延衬底之一；在沉积氧化镓薄膜前沉积至少一层过渡层，作为未来去除外延衬底后的新基板或者当现有基板无法去除时作为牺牲层。

第二步，在外延沉积设备中，将氧化镓薄膜层在含NH₃气氛下加热温度高于600度进行O-N转化，O-N转化处理后升温至900-1200度进行再结晶形成氮化镓薄膜层。其中氧化镓薄膜层与氮化镓薄膜层之间的厚度关系依据氧化镓和氮化镓的晶格常数计算，达到控制氮化镓薄膜层的厚度。

第三步，在外延沉积设备中在氧化镓薄膜层上沉积其他材料层，或者刻蚀掉外延衬底、过渡层得到单独的氧化镓薄膜层。

实施例二：采用上述的制备目标薄膜层的方法，可以利用原子层级碳化硅薄膜层在外延衬底上转化生长石墨烯薄膜层，其方法主要步骤包括：

第一步，提供成长原子层级碳化硅薄膜层的外延衬底，采用MBE或CBE工艺生长原子层级碳化硅薄膜层，原子层级碳化硅薄膜层可以采用lift-off工艺进行光刻图形化，图形化原子层级碳化硅薄膜层进行选择性转化生长氮化镓薄膜层可以有效降低缺陷密度。其中，成长碳化硅薄膜层的外延衬底可以是金属、陶瓷、半导体、石英等外延衬底之一；在沉积碳化硅薄膜前沉积至少一层过渡层，作为未来去除外延衬底后的新基板或者当现有基板无法去除时作为牺牲层。

第二步，在外延沉积设备中，在真空中将原子层级碳化硅薄膜层高温加热至1300度以上，分解出Si原子，转化为石墨烯薄膜层。其中，原子层级碳化硅薄膜层与石墨烯薄膜层之间的厚度关系依据碳化硅和石墨烯的晶格常数计算，达到控制石墨烯薄膜层的厚度。

第三步，在外延沉积设备中在石墨烯薄膜层上沉积其他材料层，或者刻蚀掉外延衬底、过渡层得到单独的石墨烯薄膜层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：

提供外延衬底；

在所述外延衬底上沉积至少一层转化层；及

将所述转化层转化为目标薄膜层，所述目标薄膜层的厚度根据所述转化层的厚度控制。

2.根据权利要求1所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述转化层为通过光刻工艺图形化的转化层。

3.根据权利要求1所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述方法中将所述转化层转化为目标薄膜层之后还包括在目标薄膜层上继续生长其它材料层的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述方法中在所述外延衬底上沉积至少一层转化层之前还包括在外延衬底上先沉积至少一层过渡层。

5.根据权利要求4所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述方法中将所述转化层转化为目标薄膜层之后还包括刻蚀掉外延外延衬底、过渡层的步骤。

6.根据权利要求1所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述转化层为氧化镓薄膜层，所述目标薄膜层为氮化镓薄膜层；所述氮化镓薄膜层与氧化镓薄膜层之间的厚度关系依据氧化镓和氮化镓材料的晶格常数计算，达到控制氮化镓薄膜层的厚度。

7.根据权利要求6所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述氮化镓薄膜层由氧化镓薄膜层在外延沉积设备中，在含NH₃气氛下加热温度高于600度进行O-N化学转化反应后升温至900-1200度进行再结晶生成。

8.根据权利要求1所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述转化层为原子层级的碳化硅薄膜层，所述目标薄膜层为石墨烯薄膜层；所述原子层级碳化硅薄膜层与石墨烯薄膜层之间的厚度关系依据碳化硅和石墨烯的晶格常数计算，达到控制石墨烯薄膜层的厚度。

9.根据权利要求8所述的一种制备目标薄膜层的方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜层的厚度是由原子层级的碳化硅薄膜层在外延沉积设备中温度高于1300度超真空环境下分解出Si转化生成的。