CN114959899A - 一种碳化硅复合基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳化硅复合基板及其制备方法，所述碳化硅复合基板包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层，所述单晶碳化硅层与所述碳化硅支撑层之间设置有至少1层金属硅化物层，所述单晶碳化硅层与相邻的金属硅化物层之间设置有第一界面层，所述碳化硅支撑层与相邻的金属硅化物层之间设置第二界面层，所述金属硅化物层的电阻率低于100μΩ·cm。所述碳化硅复合基板有效降低了碳化硅支撑层和单晶碳化硅薄层之间的界面电阻，降低了碳化硅复合基板的制造成本，提高了碳化硅复合基板的应用潜力。

Description

一种碳化硅复合基板及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅领域，涉及一种碳化硅基板，尤其涉及一种碳化硅复合基板及其制备方法。

背景技术

碳化硅单晶基板制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源汽车等领域具有重要的应用价值。

碳化硅单晶基板的常规制造方法包括以下流程：利用物理气相传输法生长碳化硅单晶，得到碳化硅单晶的晶锭；加工晶锭的外周，得到所需要的直径和表面质量，再将晶锭切成薄片，将薄片研磨、抛光至所需要的厚度和平整度，得到最终的碳化硅单晶基板。物理气相传输方法生长碳化硅单晶效率很低，导致单一碳化硅单晶基板成本很高。一种降低碳化硅基板的成本的方案是采用复合基板结构：在价格较低的支撑基板上形成一单晶碳化硅薄层。但是，两种材料的界面之间存在较大电阻，限制了复合基板的性能和应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种碳化硅复合基板及其制备方法，所述碳化硅复合基板有效降低了碳化硅支撑层和单晶碳化硅薄层之间的界面电阻，降低了碳化硅复合基板的制造成本，提高了碳化硅复合基板的应用潜力。

为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

本发明目的之一在于提供一种碳化硅复合基板，所述碳化硅复合基板包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层，所述单晶碳化硅层与所述碳化硅支撑层之间设置有至少1层金属硅化物层，所述单晶碳化硅层与相邻的金属硅化物层之间设置有第一界面层，所述碳化硅支撑层与相邻的金属硅化物层之间设置第二界面层，所述金属硅化物层的电阻率低于100μΩ·cm。

其中，所述金属硅化物层的电阻率可以是90μΩ·cm、80μΩ·cm、70μΩ·cm、60μΩ·cm、50μΩ·cm、40μΩ·cm、30μΩ·cm、20μΩ·cm或10μΩ·cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，通过在碳化硅支撑层与单晶碳化硅层之间引入金属硅化物层，由于金属硅化物层可以提高碳化硅支撑层与单晶碳化硅层之间的欧姆接触，使得本发明提供的碳化硅复合基板的整体电学性能和整块的单晶碳化硅基板的电学性能相当或者接近。

作为本发明优选的技术方案，相邻的所述金属硅化物层之间设置有第三界面层。

本发明中，当碳化硅支撑层与单晶碳化硅层之间的金属硅化物层仅有一层时，无第三界面层；当碳化硅支撑层与单晶碳化硅层之间的金属硅化物层为两层或以上时，任意相邻的两层金属硅化物层之间还设置有第三界面层。

作为本发明优选的技术方案，所述单晶碳化硅层的厚度为0.1～10μm，如0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm或9μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，单晶碳化硅层的晶型优选为4H，但并不仅限于4H，其他适用的碳化硅晶型亦适用于本碳化硅复合基板。

作为本发明优选的技术方案，所述碳化硅支撑层的厚度为50～500μm，100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm或450μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，碳化硅支撑层的晶型优选为4H、6H或者3C，不仅限于单晶，还可以是多晶，其他适用的碳化硅支撑层的的晶型亦适用于本碳化硅复合基板。碳化硅支撑层的碳化硅质量低于单晶碳化硅薄层，即支撑层的碳化硅相比于单晶碳化硅薄层含有更多的微管、位错、多型共生等缺陷，从而可以实现降低成本。

作为本发明优选的技术方案，所述金属硅化物层的总厚度为10～100nm，如20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm或90nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述金属硅化物层的材质包括WSi₂、HfSi₂、NbSi₂、Ni₂Si、VSi₂、Mg₂Si、TiSi₂、ZrSi₂、MoSi₂、TaSi₂或CoSi₂中的任意一种。

本发明中，不同的金属的硅化物具有不同的熔点和电阻率，可根据不同的应用场景进行选择。其规律是：熔点越高，材料抗氧化性能越好，复合基板在后续制造工序和使用过程中能承受的热预算越高；电阻率越低，单晶碳化硅薄层和碳化硅支撑层之间的欧姆接触越良好，复合基板的电化学性能越优异，不同金属硅化物的熔点和电阻率数据如表1所示。

表1

本发明中，所述金属硅化物层的材质优选为WSi₂、NbSi₂、MoSi₂或TaSi₂中的任意一种，上述金属硅化物的熔点均高于1900℃，可以适应更高的工艺和使用温度。

作为本发明优选的技术方案，所述第一界面层、第二界面层以及第三界面层的厚度分别独立地为1～10nm，如2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述一界面层、第二界面层分别独立地包括碳元素、硅元素以及第一杂质元素。第三界面层包括金属硅化物以及第一杂质元素。

优选地，所述第一杂质元素包括氩、氖或氙中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氩和氖的组合、氖和氙的组合、氙和氩的组合或氩、氖和氙的组合等。

本发明目的之二在于提供一种目的之一提供的碳化硅复合基板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)在所述单晶碳化硅层表面进行第一杂质离子照射形成第一界面层；

在所述第一界面层表面沉积制备金属硅化物层，得到第一预制板；

(2)在所述碳化硅支撑层表面进行第一杂质离子照射形成第二界面层；

在所述第二界面层表面沉积制备金属硅化物层，得到第二预制板；

(3)将步骤(1)制备得到的第一预制板的金属硅化物层一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的金属硅化物层一侧接合，得到所述碳化硅复合基板。

本发明中，对所述单晶碳化硅层和所述碳化硅支撑层第一杂质离子照射可以去除表面的氧化物、吸附物，使得该表面沉积的金属硅化物和表面有更好的结合强度。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)还包括在所述金属硅化物层表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层。

步骤(2)还包括在所述金属硅化物层表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层。

步骤(3)为将步骤(1)制备得到的第一预制板的第三界面层一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的第三界面层一侧接合，得到所述碳化硅复合基板。

本发明中，对金属硅化物层进行第一杂质离子照射可以使价键露出，从而使待接合表面活性化。并且，在真空环境中，待接合表面不会被氧化，从而能够在接合过程中保持活性状态，增强接合强度。

本发明中，所述接合工序是在真空环境下两个足够光滑、洁净的表面形成分子粘附的键合工序。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)前对单晶碳化硅基板进行离子注入形成弱化层，所述弱化层一侧为单晶碳化硅层，所述弱化层另一侧为待回收基板。

本发明中，弱化层形成的方式为：被电场加速的氢离子或氦离子进入到距离注入面一定深度的位置，和碳化硅材料结合，使得该位置的材料弱化，以形成预埋的弱化层。

优选地，步骤(3)后对所述碳化硅复合基板进行热处理。

优选地，所述热处理过程中所述单晶碳化硅层与所述待回收基板在所述弱化层处分离。

本发明中，所述金属硅化物的沉积工艺包括：蒸发镀膜方法，在高真空环境下向基板同时沉积金属和硅，也可以直接利用金属的硅化物作为靶材进行沉积。沉积所用的加热源包括电子束、射频感应、激光或电阻加热。优选的加热源是电子束，因为钨、铌、钼、钽及其硅化物均具有很高的熔点。也可选用化学气象沉积方法，利用蒸汽之间的化学反应以形成硅化物膜，至少需要金属源气体和硅源气体，从而在基板上反应生成金属的硅化物。

本发明中，如蒸发镀膜、化学气象沉积、离子照射以及离子注入等方法的具体条件，可根据碳化硅复合基板中的单晶碳化硅层、碳化硅支撑层、金属硅化物层、第一界面层、第二界面层以及第三界面层等的具体材质以及厚度等进行调整和选择，在此不做具体限定。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种碳化硅复合基板及其制备方法，所述碳化硅复合基板有效降低了碳化硅支撑层和单晶碳化硅薄层之间的界面电阻，解决了现有碳化硅复合基板中支撑层与单晶碳化硅层的界面电阻较大的问题，使得碳化硅复合基板的电化学性能趋近甚至相当于整块碳化硅基板的电化学性能；

(2)本发明提供一种碳化硅复合基板及其制备方法，所述制备方法简便，且成本减低，易于进行工业化生产。

附图说明

图1为本发明提供的碳化硅复合基板的结构示意图(1层金属硅化物层)；

图2为本发明提供的碳化硅复合基板的结构示意图(2层金属硅化物层)；

图3为本发明提供的碳化硅复合基板的制备方法的流程示意图；

图4为本发明实施例3和对比例1的电学性能对比图。

图中：1-单晶碳化硅层，2’-第一界面层，2”-第二界面层，3、3’和3”-金属硅化物层，4、4’和4”-第三界面层，5-碳化硅支撑层，100-单晶碳化硅基板，100’-碳化硅基板弱化层一侧的单晶碳化硅层，100”-碳化硅基板弱化层一侧的待回收基板，200-弱化层。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

本实施例提供一种碳化硅复合基板的制备方法，所述制备方法包括：

(1)对单晶碳化硅基板100进行离子注入形成弱化层200，所述弱化层200一侧为单晶碳化硅层100’，所述弱化层另一侧为待回收基板100”；在所述单晶碳化硅层100’表面进行第一杂质离子照射形成第一界面层2’；

在所述第一界面层2’表面沉积制备金属硅化物层3’，得到第一预制板；

(2)在所述碳化硅支撑层5表面进行第一杂质离子照射形成第二界面层2”；

在所述第二界面层2”表面沉积制备金属硅化物层3”，得到第二预制板；

(3)将步骤(1)制备得到的第一预制板的金属硅化物层3’一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的金属硅化物层3”一侧接合，热处理后得到所述碳化硅复合基板。

实施例2

本实施例提供一种碳化硅复合基板的制备方法，其流程如图3所示，所述制备方法包括：

(1)对单晶碳化硅基板100进行离子注入形成弱化层200，所述弱化层一侧为单晶碳化硅层100’，所述弱化层另一侧为待回收基板100”；在所述单晶碳化硅层100’表面进行第一杂质离子照射形成第一界面层2’；

在所述第一界面层2’表面沉积制备金属硅化物层3’，在所述金属硅化物层3’表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层4’，得到第一预制板；

(2)在所述碳化硅支撑层5表面进行第一杂质离子照射形成第二界面层2”；

在所述第二界面层2”表面沉积制备金属硅化物层3”，在所述金属硅化物层3”表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层4”，得到第二预制板；

(3)将步骤(1)制备得到的第一预制板的第三界面层4’一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的第三界面层4”一侧接合，热处理后得到所述碳化硅复合基板。

实施例3

本实施例提供一种碳化硅复合基板，其结构如图1所示，所述碳化硅复合基板包括单晶碳化硅层1以及碳化硅支撑层5，所述单晶碳化硅层1与所述碳化硅支撑层5之间设置有1层金属硅化物层3，所述单晶碳化硅层1与相邻的金属硅化物层3之间设置有第一界面层2’，所述碳化硅支撑层与相邻的金属硅化物层之间设置第二界面层2”；

所述单晶碳化硅层1的晶型为4H，厚度为1μm；所述碳化硅支撑层的晶型为4H，厚度为300μm；所述金属硅化物层3的材质为WSi₂，厚度为50nm；所述第一界面层2’和第二界面层2”含有的元素为碳、硅以及杂质元素氩，厚度分别独立地为2nm。

实施例4

本实施例除了所述金属硅化物层3的材质为NbSi₂外，其余条件均与实施例3相同。

实施例5

本实施例除了所述金属硅化物层3的材质为MoSi₂外，其余条件均与实施例3相同。

实施例6

本实施例除了所述金属硅化物层3的材质为TaSi₂外，其余条件均与实施例3相同。

实施例7

本实施例提供一种碳化硅复合基板，其结构如图2所示，所述碳化硅复合基板包括单晶碳化硅层1以及碳化硅支撑层5，所述单晶碳化硅层1与所述碳化硅支撑层5之间设置有2层金属硅化物层，所述单晶碳化硅1层与相邻的金属硅化物层3’之间设置有第一界面层2’，所述碳化硅支撑层5与相邻的金属硅化物层3”之间设置第二界面层2”，相邻的所述金属硅化物层之间设置有第三界面层4；

所述单晶碳化硅层1的晶型为4H，厚度为1μm；所述碳化硅支撑层5的晶型为4H，厚度为300μm；所述金属硅化物层3’和3”的材质为WSi₂，厚度为50nm；所述第一界面层2’和第二界面层2”分别独立地含有的元素为碳、硅以及杂质元素氩，厚度分别独立地为2nm。第三界面层4含有WSi₂及杂质元素氩，厚度约2nm。

实施例8

本实施例除了所述金属硅化物层3’和3”的材质为NbSi₂外，其余条件均与实施例7相同。

实施例9

本实施例除了所述金属硅化物层3’和3”的材质为MoSi₂外，其余条件均与实施例7相同。

实施例10

本实施例除了所述金属硅化物层3’和3”的材质为TaSi₂外，其余条件均与实施例7相同。

实施例3～6采用实施例1的方法，实施例7～10采用实施例2的方法，实施例1和实施例2中的沉积方法为真空蒸发镀膜法。

对比例1

本对比例以与实施例3提供的碳化硅复合基板的总厚度相同的整块碳化硅基板(晶型：4H)作为对比。

分别在实施例3提供的碳化硅复合基板以及对比例1提供的整块碳化硅基板的一个表面形成欧姆接触层，另一个表面的中央形成直径为0.4mm的圆形欧姆接触点。欧姆接触层(点)包括依次沉积的钨层和铝层。通过欧姆接触层(点)在两个表面之间施加电压V(单位：伏)，记录相应的电流I(单位：安)，得到的V-I曲线如图4所示，实线为实施例3提供的碳化硅复合基板，虚线为对比例1提供的整块碳化硅基板。可见，实施例3提供的碳化硅复合基板的电学性能和对比例1提供的整块碳化硅基板十分接近。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种碳化硅复合基板，其特征在于，所述碳化硅复合基板包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层，所述单晶碳化硅层与所述碳化硅支撑层之间设置有至少1层金属硅化物层，所述单晶碳化硅层与相邻的金属硅化物层之间设置有第一界面层，所述碳化硅支撑层与相邻的金属硅化物层之间设置第二界面层，所述金属硅化物层的电阻率低于100μΩ·cm。

2.根据权利要求1所述的碳化硅复合基板，其特征在于，相邻的所述金属硅化物层之间设置有第三界面层。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硅复合基板，其特征在于，所述单晶碳化硅层的厚度为0.1～10μm。

4.根据权利要求1-3任一项述的碳化硅复合基板，其特征在于，所述碳化硅支撑层的厚度为50～500μm。

5.根据权利要求1-4任一项述的碳化硅复合基板，其特征在于，所述金属硅化物层的总厚度为10～100nm；

优选地，所述金属硅化物层的材质包括WSi₂、HfSi₂、NbSi₂、Ni₂Si、VSi₂、Mg₂Si、TiSi₂、ZrSi₂、MoSi₂、TaSi₂或CoSi₂中的任意一种。

6.根据权利要求1-5任一项述的碳化硅复合基板，其特征在于，所述第一界面层、第二界面层以及第三界面层的厚度分别独立地为1～10nm；

优选地，所述一界面层、第二界面层分别独立地包括碳元素、硅元素以及第一杂质元素；

优选地，所述第三界面层包括金属硅化物以及第一杂质元素；

优选地，所述第一杂质元素包括氩、氖或氙中的任意一种或至少两种的组合。

7.一种权利要求1-6任一项所述的碳化硅复合基板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)在所述单晶碳化硅层表面进行第一杂质离子照射形成第一界面层；

在所述第一界面层表面沉积制备金属硅化物层，得到第一预制板；

(2)在所述碳化硅支撑层表面进行第一杂质离子照射形成第二界面层；

在所述第二界面层表面沉积制备金属硅化物层，得到第二预制板；

(3)将步骤(1)制备得到的第一预制板的金属硅化物层一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的金属硅化物层一侧接合，得到所述碳化硅复合基板。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)还包括在所述金属硅化物层表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层；

步骤(2)还包括在所述金属硅化物层表面进行第一杂质离子照射形成第三界面层；

步骤(3)为将步骤(1)制备得到的第一预制板的第三界面层一侧与步骤(2)所述制备得到的第二预制板的第三界面层一侧接合，得到所述碳化硅复合基板。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)前对单晶碳化硅基板进行离子注入形成弱化层，所述弱化层一侧为单晶碳化硅层，所述弱化层另一侧为待回收基板。

10.根据权利要求7-9任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)后对所述碳化硅复合基板进行热处理；

优选地，所述热处理过程中所述单晶碳化硅层与所述待回收基板在所述弱化层处分离。

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