CN111816550A - 氮化物材料的制备方法及氮化物材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及氮化物材料的制备方法及氮化物材料，氮化物材料的制备方法，包括以下步骤：提供衬底，在衬底的表面沉积氮化物，形成氮化物薄膜；采用离子注入方法，在氮化物薄膜中形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底；在第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层；自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层。工艺步骤简单，可操作性强，无需激光处理，不受功能材料的尺寸限制，利于在工业中应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种氮化物材料的制备方法及氮化物材料。
背景技术
第三代半导体材料氮化物有着高功率、高强场、高频等优异的特点，有着广泛的应用，但散热问题成为其应用的主要瓶颈之一。传统的金刚石基氮化物制备方法都是通过激光剥离，然后再进行键合工艺结合的方法制备。此种转移技术方案的健合工艺比较复杂，低良品率，金刚石尺寸偏小，不利于在工业中应用。
发明内容
基于此，有必要针对目前传统技术的问题，提供一种氮化物材料的制备方法，工艺步骤简单，可操作性强，无需激光处理，不受功能材料的尺寸限制，利于在工业中应用。
一种氮化物材料的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底，在衬底的表面沉积氮化物，形成氮化物薄膜；
采用离子注入方法，在氮化物薄膜中形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底；
在第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层；
自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层。
本发明的有益效果为：将离子注入氮化物薄膜，将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，其中，第二氮化物膜用于沉积功能材料，待功能材料沉积完成后，第二氮化物膜与功能材料层形成一体，自离子注入层处一起剥离；工艺步骤简单，可操作性强，无需激光处理，不受功能材料的尺寸限制，利于在工业中应用。
对上述方案的进一步改进为，在在第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层的步骤中，沉积功能材料时，离子注入层中注入的离子形成气体分子，使离子注入层的内部形成微腔。
对上述方案的进一步改进为，离子注入方法注入的物质为气体元素型离子。
对上述方案的进一步改进为，气体元素型离子为H离子和/或He离子。
对上述方案的进一步改进为，功能材料的沉积温度为150℃～1000℃。
对上述方案的进一步改进为，功能材料为金刚石、金属或绝缘无机材料。
对上述方案的进一步改进为，氮化物为Ⅲ族氮化物或Ⅳ族氮化物。
对上述方案的进一步改进为，第一氮化物膜的厚度大于第二氮化物膜的厚度，氮化物薄膜的厚度等于第一氮化物膜、第二氮化物膜与离子注入层的厚度总和。
对上述方案的进一步改进为，第二氮化物膜的厚度为0.001～1μm。
对上述方案的进一步改进为，氮化物薄膜的厚度为0.01μm～50μm。
对上述方案的进一步改进为，离子注入的加速电压为20KV～200KV，离子通量为6×1016MeV/u～9×1019MeV/u。
一种氮化物材料，采用上述任一项所述的氮化物材料的制备方法制成，利用离子注入与功能材料直接生长相结合，突破传统利用介质键合的转移方法，能实现氮化物与功能材料界面高质量的结合。
附图说明
图1为实施例1氮化物材料的制备方法S200步骤形成离子注入层后的结构示意图；
图2为实施例1氮化物材料的制备方法S300步骤的结构示意图；
图3为实施例1氮化物材料的制备方法S400步骤的结构示意图；
图4为实施例1的工艺流程图；
图5为实施例2的工艺流程图；
图6为实施例3的工艺流程图；
图7为实施例4的工艺流程图。
附图标记说明：
实施例1中，衬底10，离子注入层20，第一氮化物膜30，第二氮化物膜40，功能材料层50。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明提供了一种氮化物材料的制备方法，包括以下步骤：
S100：提供衬底，在衬底的表面沉积氮化物，形成氮化物薄膜。
氮化物可以为Ⅲ族氮化物或Ⅳ族氮化物，沉积后形成对应的氮化物薄膜。
可以理解地，衬底与氮化物薄膜之间还可以包括缓冲层，以缓冲在沉积和剥离氮化物薄膜时膜层不断裂或起褶皱，及在沉积时可获得较好的沉积状态。
衬底主要为氮化物的生长和后续剥离转移氮化物薄膜提供支撑，使氮化物薄膜可以铺展延伸。衬底可以为含硅材料衬底，如碳化硅衬底或硅衬底等，或其他常见的可良好生长氮化物的衬底。
S200：采用离子注入方法，在氮化物薄膜中形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底。
离子注入的物质选用气体元素型离子，且该气体元素型离子注入氮化物薄膜后不与氮化物中的原子成键或者不会形成掺杂离子，下一步工序沉积功能材料中，工作温度将会升高，届时这些注入的离子将形成气体分子，使离子注入层的内部形成微腔，则离子注入层含有多个微腔，大大减少了剥离阻力，并使得在剥离时不会产生撕裂氮化物薄膜的问题。气体元素型离子例如可以为H离子和/或He离子。
一个实施例中，离子注入的加速电压为20KV～200KV，离子通量为6×1016MeV/u～9×1019MeV/u，根据氮化物薄膜的材料特性及结构，采用此加速电压和离子通量，可均匀注入所需离子，并使离子停留于氮化物薄膜中的预设位置。
第一氮化物膜的厚度大于第二氮化物膜的厚度，氮化物薄膜的厚度等于第一氮化物膜、第二氮化物膜与离子注入层的厚度总和。进行一次剥离后，第一氮化物膜还可以进行再一次或多次剥离，提高了氮化物氮化物薄膜的利用率。
一个实施例中，氮化物薄膜的厚度为0.01μm～50μm，此厚度范围可良好注入预设离子，给离子提供足够的注入空间，并在剥离时不会产生撕裂的问题。
S300：在第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层。
沉积功能材料的方法可以为金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或溅射，沉积时反应设备内的温度升高，一般达到150℃～1000℃，注入的离子在此温度下较活跃，可反应生成对应的物质分子，如气体元素型离子反应生成对应的气体，使氮化物薄膜内产生微腔。
功能材料可以为金刚石或金属或绝缘无机材料，金属例如可以为铝、锆或铬等，绝缘无机材料例如可以为氮化铝、二氧化硅、氮化硅或氮化硼等，均能良好地生长于第二氮化物膜的表面，并在剥离时，不会影响功能材料层的层结构。当功能材料为金刚石时，其沉积温度为500℃～900℃。
功能材料的沉积时间可根据功能材料层所需的厚度或面积选择合适的沉积时间，沉积时间为30min以上，较优地，沉积时间为1h以上，给注入的离子以足够的反应时间，形成微腔。
S400：自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层。
功能材料完成后，注入的离子也反应完全，则形成功能材料层的同时，即可自离子注入层剥离第二氮化物膜，功能材料层伴随着第二氮化物膜分离，形成功能材料基氮化物材料，无需额外处理，工作效率高，且氮化物与功能材料实现了高质量的结合。
本发明氮化物材料的制备方法将离子注入氮化物薄膜，将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，其中，第二氮化物膜用于沉积功能材料，待功能材料沉积完成后，第二氮化物膜与功能材料层形成一体，自离子注入层处一起剥离；工艺步骤简单，可操作性强，无需激光处理，不受功能材料的尺寸限制，利于在工业中应用。
采用上述任一项的氮化物材料的制备方法制成的氮化物材料，利用离子注入与功能材料直接生长相结合，突破传统利用介质键合的转移方法，能实现氮化物与功能材料界面高质量的结合。
以下为具体实施例。
实施例1
本实施例的氮化物材料的制备方法包括以下步骤：
S100：提供碳化硅衬底10，在衬底10的表面沉积GaN，形成厚度为0.05μm的氮化物薄膜。
S200：采用离子注入方法，在氮化物薄膜中注入H离子，离子注入的加速电压为30KV，离子通量为5×1017MeV/u，形成离子注入层20，离子注入层20将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜30与第二氮化物膜40，第一氮化物膜30附着于衬底10上，第二氮化物膜40远离衬底10，如图1所示，第一氮化物膜30的厚度为0.04μm，第二氮化物膜40的厚度为0.005μm。
S300：采用MPCVD方法，在第二氮化物膜40的表面沉积功能材料金刚石，沉积温度为550℃，沉积时间为1h，形成功能材料层50，如图2所示。
S400：自离子注入层20剥离第二氮化物膜40与功能材料层50，获得金刚石基氮化物材料，如图3所示。
实施例2
本实施例的氮化物材料的制备方法包括以下步骤：
S100：提供碳化硅衬底，在衬底的表面沉积AlN，形成厚度为0.1μm的氮化物薄膜。
S200：采用离子注入方法，在氮化物薄膜中注入H离子，离子注入的加速电压为80KV，离子通量为6×1016MeV/u，形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底，第一氮化物膜的厚度为0.095μm，第二氮化物膜的厚度为0.005μm。
S300：采用金属有机化合物化学气相淀积方法，在第二氮化物膜的表面沉积功能材料金刚石，沉积温度为850℃，沉积时间为2h，形成功能材料层。
S400：自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层，获得金刚石基氮化物材料。
实施例3
本实施例的氮化物材料的制备方法包括以下步骤：
S100：提供硅衬底，在衬底的表面沉积GaN，形成厚度为10μm的氮化物薄膜。
S200：采用离子注入方法，在氮化物薄膜中注入He离子，离子注入的加速电压为120KV，离子通量为9×1019MeV/u，形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底，第一氮化物膜的厚度为9.92μm，第二氮化物膜的厚度为0.05μm。
S300：采用金属有机化合物化学气相淀积方法，在第二氮化物膜的表面沉积功能材料锆，沉积温度为1000℃，沉积时间为1.5h，形成功能材料层。
S400：自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层，获得锆基氮化物材料。
实施例4
本实施例的氮化物材料的制备方法包括以下步骤：
S100：提供碳化硅衬底或硅衬底衬底，在衬底的表面沉积GaN，形成厚度为50μm的氮化物薄膜。
S200：采用离子注入方法，在氮化物薄膜中注入He离子，离子注入的加速电压为200KV，离子通量为6×1018MeV/u，形成离子注入层，离子注入层将氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，第一氮化物膜附着于衬底上，第二氮化物膜远离衬底，第一氮化物膜的厚度为49.8μm，第二氮化物膜的厚度为0.1μm。
S300：采用金属有机化合物化学气相淀积方法，在第二氮化物膜的表面沉积功能材料氮化硅，沉积温度为900℃，沉积时间为2h，形成功能材料层。
S400：自离子注入层剥离第二氮化物膜与功能材料层，获得氮化硅基氮化物材料。
实施例1至4制得的氮化物材料，功能材料与氮化物膜高质量结合，不受功能材料层的尺寸限制，剥离后氮化物膜完好无裂纹，根据产品需要，后续还可以对第二氮化物膜进行抛光或其他处理，可操作性强，有助于其在工业中应用推广。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种氮化物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，在所述衬底的表面沉积氮化物，形成氮化物薄膜；
采用离子注入方法，在所述氮化物薄膜中形成离子注入层，所述离子注入层将所述氮化物薄膜分隔形成第一氮化物膜与第二氮化物膜，所述第一氮化物膜附着于所述衬底上，所述第二氮化物膜远离所述衬底；
在所述第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层；
自所述离子注入层剥离所述第二氮化物膜与所述功能材料层。
2.根据权利要求1所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，在所述在所述第二氮化物膜的表面沉积功能材料，形成功能材料层的步骤中，沉积所述功能材料时，所述离子注入层中注入的离子形成气体分子，使所述离子注入层的内部形成微腔。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述离子注入方法注入的物质为气体元素型离子。
4.根据权利要求1或2所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述气体元素型离子为H离子和/或He离子。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述功能材料的沉积温度为150℃～1000℃。
6.根据权利要求1或2所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述功能材料为金刚石、金属或绝缘无机材料。
7.根据权利要求1所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述氮化物为Ⅲ族氮化物或Ⅳ族氮化物。
8.根据权利要求1所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述第一氮化物膜的厚度大于所述第二氮化物膜的厚度，所述氮化物薄膜的厚度等于所述第一氮化物膜、第二氮化物膜与所述离子注入层的厚度总和。
9.根据权利要求1所述的氮化物材料的制备方法，其特征在于，所述离子注入的加速电压为20KV～200KV，离子通量为6×1016MeV/u～9×1019MeV/u。
10.一种氮化物材料，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的氮化物材料的制备方法制成。
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