CN117568912A - 一种单晶复合衬底及其制备方法 - Google Patents
一种单晶复合衬底及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117568912A CN117568912A CN202311559095.6A CN202311559095A CN117568912A CN 117568912 A CN117568912 A CN 117568912A CN 202311559095 A CN202311559095 A CN 202311559095A CN 117568912 A CN117568912 A CN 117568912A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- single crystal
- composite substrate
- template
- substrate
- crystal composite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 124
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 17
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 44
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 30
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 21
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 16
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims description 15
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 15
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 7
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 5
- 150000004767 nitrides Chemical group 0.000 claims description 5
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 43
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 19
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 7
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
- C30B1/02—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing
- C30B1/023—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing from solids with amorphous structure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B27/00—Single-crystal growth under a protective fluid
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/0242—Crystalline insulating materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
- H01L21/02592—Microstructure amorphous
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02656—Special treatments
- H01L21/02664—Aftertreatments
- H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
- H01L21/02675—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
- H01L21/02686—Pulsed laser beam
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本申请提供一种单晶复合衬底及其制备方法，涉及复合材料领域。单晶复合衬底的制备方法包括以下步骤：获得单晶复合衬底模板，单晶复合衬底模板包括衬底以及形成于其表面的单晶模板；在单晶模板的表面沉积一层沉积层，沉积层与单晶模板的材质相同，沉积层为非晶相；对沉积层使用脉冲激光辐射处理以使沉积层重结晶，获得单晶膜，重结晶的过程中衬底保持室温；重复沉积和重结晶的步骤，直至单晶膜的堆叠厚度达到预设厚度。该制备方法能够在增加单晶膜的总厚度的基础上，减小衬底和单晶膜之间的内应力，有效提高最终制得的单晶复合衬底的质量。
Description
技术领域
本申请涉及复合材料领域，具体而言，涉及一种单晶复合衬底及其制备方法。
背景技术
随着大数据与绿色能源时代的到来，新型半导体材料与器件的开发已成为社会能否进一步发展的瓶颈因素，宽禁带半导体材料具有的宽禁带结构使其从本质上相对于前两代半导体具有更加优异的材料特性，例如耐高温、抗高压、抗击穿、抗辐照等特性。
尽管如此，由于第三代具有极强的键能，因此使得高结晶质量的单晶材料制备异常困难，特别是具有一定厚度的薄膜形态材料。主要难度来源于两方面，一方面是第三代半导体的重结晶往往需要极高的温度，大多在1000摄氏度以上，本身给制备设备的要求带来极高的挑战；另一方面是在此温度下，衬底材料与上层薄膜区域材料的热失配性质便会凸显出来，因此使其上层单晶薄膜与衬底区域承受巨大的内应力作用，而该内应力一方面会使得材料产生裂纹而影响良率，另一方面应力会促使位错的生成从而使得单晶材料质量大幅下降。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种单晶复合衬底及其制备方法，其能够制得单晶膜的总厚度较厚的单晶复合衬底，且制备过程中能够有效抑制衬底与单晶膜之间因热失配引入的应力，有效提高最终制得的单晶复合衬底的质量。
第一方面，本申请实施例提供了一种单晶复合衬底的制备方法，其包括以下步骤：
获得单晶复合衬底模板，单晶复合衬底模板包括衬底以及形成于其表面的单晶模板；
在单晶模板的表面沉积一层沉积层，沉积层与单晶模板的材质相同，沉积层为非晶相；
对沉积层使用脉冲激光辐射处理以使沉积层重结晶，获得单晶膜，重结晶的过程中衬底保持室温；
重复沉积和重结晶的步骤，直至单晶膜的堆叠厚度达到预设厚度。
在上述技术方案中，利用非晶相的沉积层中存在大量的结构缺陷，该结构缺陷在后续脉冲激光辐射处理中能够作为能量吸收中心以实现对光辐射的大量吸收，同时由于沉积层是沉积于单晶模板上的，因此在对光辐射的大量吸收后能够诱发其进行高质量重结晶，获得高质量的单晶膜。并且通过重结晶的过程中衬底保持室温，避免重结晶的过程中衬底与沉积层因热失配引入的内应力，有利于进一步提升单晶膜的质量。综上，在重复沉积和重结晶的步骤后，有利于制备厚度较厚且质量高的单晶复合衬底，避免裂纹或结构缺陷的产生。
在一种可能的实现方式中，沉积层的厚度小于等于5nm。
在一种可能的实现方式中，脉冲激光辐射处理的功率密度小于等于1J/cm2，脉冲时间为毫秒数量级以内。
在一种可能的实现方式中，沉积层采用物理气相沉积法形成。
在一种可能的实现方式中，沉积层的生长温度不大于600℃。
在一种可能的实现方式中，脉冲激光辐射处理在保护气氛中进行，保护气氛用于抑制沉积层的表面在重结晶的过程中分解且不引入杂质。
在一种可能的实现方式中，沉积层的成分为氮化物，保护气氛为氮气；或，
沉积层的成分为氧化物，保护气氛为氧气；或
沉积层成分为碳化硅，保护气氛为甲烷。
在一种可能的实现方式中，衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓，单晶模板包括氮化铝、氮化镓、碳化硅或氧化镓，单晶模板的材质与衬底的材质不同。
在一种可能的实现方式中，脉冲激光辐射处理采用的光源为超快速非接触式辐照光源，超快速非接触式辐照光源包括氙灯、闪光灯或脉冲激光。
第二方面，本申请实施例提供了一种单晶复合衬底，其由上述制备方法制得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请单晶复合衬底的制备流程示意图；
图2为实施例1制得的单晶复合衬底的单晶膜晶面示意图；
图3为对比例1制备的单晶复合衬底的单晶膜晶面示意图。
图中：10-单晶复合衬底模板；11-衬底；12-单晶模板；20-沉积层；30-单晶膜。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的单晶复合衬底及其制备方法进行具体说明。
如图1所示，本申请实施例中的单晶复合衬底的制备步骤具体如下：
S100、获得单晶复合衬底模板10，单晶复合衬底模板10包括衬底11以及形成于其表面的单晶模板12。
衬底11与单晶模板12的材质不同，衬底11包括但不局限为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓，衬底11的取向、尺寸及掺杂条件不限，单晶模板12包括但不局限于氮化铝、氮化镓、碳化硅或氧化镓等各类单质及其化合物半导体材料。
在一些实施例中，衬底11包括硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓，单晶模板12包括氮化铝、氮化镓、碳化硅或氧化镓，单晶模板12的材质与衬底11的材质不同。单晶模板12采用例如MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)的方式形成于衬底11的表面。
其中，单晶模板12呈单晶相，其表面平整无裂纹，其厚度低于该单晶模板12的材料体系产生表面裂纹的临界厚度即可。
S200、在单晶模板12的表面沉积一层沉积层20，沉积层20与单晶模板12的材质相同，沉积层20为非晶相。
利用非晶相的沉积层20中存在大量的结构缺陷，有利于后续在步骤S300中对沉积层20使用脉冲激光辐射处理时，该结构缺陷作为能量吸收中心以对光辐射进行大量吸收，同时由于沉积层是沉积于单晶模板12上的，因此在对光辐射的大量吸收后能够诱发其进行高质量重结晶，获得高质量的单晶膜30。
其中，在单晶模板12的表面沉积沉积层20之前，需要清洗单晶复合衬底模板10，避免引入杂质影响最终获得的单晶复合衬底的质量。其中清洗一般是采用丙酮、乙醇、去离子水依次对单晶复合衬底模板10进行超声清洗，然后再用氮气吹干表面的液体。
为了获得非晶相的沉积层20，在一些实施例中，沉积层20采用物理气相沉积法形成。
物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)，使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。通过控制具体参数以实现非晶相的制备，具体可参考相关技术。
物理气相沉积法包括但不局限为磁控溅射、反应磁控溅射、分子束外延等中的任一种薄膜材料生长手段，本领域技术人员可根据实际的需求选择，在此不做限定。
在一些实施例中，沉积层20的生长温度不大于600℃。
通过限定物理气相沉积过程中沉积层20的生长温度，缓解或避免因生长温度过高在沉积层20与衬底11之间引入热失配应力，有利于提升单晶复合衬底的质量。
S300、对沉积层20使用脉冲激光辐射处理以使沉积层20重结晶，获得单晶膜30，重结晶的过程中衬底11保持室温。
可以理解的是，脉冲激光辐射处理在室温中进行，重结晶的过程中衬底11的温度保持室温是指：原处于室温状态的衬底(此时衬底的温度为室温，例如10-35℃)，在因脉冲激光辐射处理的过程中，衬底11不升温，始终保持和处理前的温度相同，可避免重结晶的过程中衬底11与沉积层20因热失配引入的内应力，有利于提升单晶膜30的质量。
图1中在单晶复合衬底的制备过程中，对于中间产物以虚线表示多层单晶膜30之间、以及单晶膜30与单晶模板12之间的界面。
由于步骤S200中制备的沉积层20中存在大量的结构缺陷，对沉积层20使用脉冲激光辐射处理时，该结构缺陷能够作为能量吸收中心从而实现对光辐射的大量吸收，同时由于沉积层20是沉积于单晶模板12上的，因此在对光辐射的大量吸收后能够诱发其进行高质量重结晶，获得高质量的单晶膜30。
使用脉冲激光处理相比于连续激光处理，可有效避免热量累积导致的热失配。在一些实施例中，脉冲激光辐射处理采用的光源为超快速非接触式辐照光源，其中超快速非接触式辐照光源包括氙灯、闪光灯或脉冲激光等非接触式辐照光源的任一种，本领域技术人员可根据实际的需求进行选择。
在一些实施例中，脉冲激光辐射处理的功率密度小于等于1J/cm2，脉冲时间为毫秒数量级以内。
也即是，本申请采用超快速光辐射的方式进行脉冲激光辐射处理，有利于提升加工效率。其中具体功率密度以及脉冲时间的选择可针对特定复合衬底体系，仅能实现表面加热重结晶而不足以使得衬底升温为准。
在一些实施例中，沉积层20的厚度小于等于5nm。
一方面，上述厚度的薄膜20在上述脉冲激光辐射处理参数下可完全重结晶形成高质量单晶，另一方面由于其厚度薄，因此脉冲激光辐射处理实际为原位处理过程，形成的单晶膜之间的界面结合强度高。
由于沉积层20在吸收脉冲激光辐射能量以进行重结晶时，其表面存在分解的现象，因此在一些实施例中，脉冲激光辐射处理在保护气氛中进行，保护气氛用于抑制沉积层20的表面在重结晶的过程中分解且不引入杂质。
示例性地，沉积层20的成分为氮化物，包括但不局限为氮化铝、氮化镓等，保护气氛为富氮气氛；或者沉积层20的成分为氧化物，包括但不局限为其中氮化物包括但不局限于氧化镓等，保护气氛为富氧气氛，或者沉积层20成分为碳化硅等，保护气氛为甲烷等。
通过上述设置，有利于获得表面平整的单晶膜30，提高单晶复合衬底的质量。
在一些实施例中，沉积层20的成分为氮化物，保护气氛为氮气；或，沉积层20的成分为氧化物，保护气氛为氧气；或沉积层20成分为碳化硅，保护气氛为甲烷。
上述保护气氛可有效抑制沉积层20的表面在重结晶的过程中分解且不引入杂质。
S400、重复沉积和重结晶的步骤，直至单晶膜30的堆叠厚度达到预设厚度。
也即是最终得到单晶膜30的总厚度较厚的单晶复合衬底。
需要说明的是，由于单晶复合衬底中每个周期制备的单晶膜30以及单晶模板12的成分均相同且均为单晶，因此最终制备的单晶复合衬底实际为衬底11和厚度较厚的单晶膜共同组成，为了便于理解，特此取消图1中最终获得的单晶复合衬底中的各单晶膜30之间、以及单晶膜30和单晶模板12之间的虚线。
其中，预设厚度可根据实际的需求进行选择，例如预设厚度为1μm、3μm、5μm、10μm、30μm等等，本领域技术人员可根据实际的需求进行选择，在此不做限定。
上述制备方法能够制得单晶膜的总厚度较厚的单晶复合衬底，且制备过程中能够有效抑制衬底与单晶膜之间因热失配引入的应力，有效提高最终制得的单晶复合衬底的质量，避免裂纹或结构缺陷的产生。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种单晶复合衬底，其制备方法如下：
(1)选取单晶复合衬底模板，先后利用乙醇、丙酮分别超声10分钟进行清洗，随后取出使用氮气吹干，单晶复合衬底模板包括蓝宝石衬底以及形成在其表面的厚度为500nm的单晶氮化铝薄膜。
(2)将单晶复合衬底模板置于反应磁控溅射设备中，溅射气体为氮气与氩气的混合气，氩气流量为30sccm，氮气的流量为200sccm，腔体真空度为0.8Pa，溅射功率为3000W，溅射温度为500℃，单次溅射制得厚度为5nm的非晶相的氮化铝沉积层。
(3)利用可见光脉冲激光对溅射制备的氮化铝沉积层进行原位脉冲辐照退火处理，使非晶相的氮化铝沉积层重结晶以形成单晶氮化铝薄膜。其中光辐射处理时所使用的激光器为532nm激光器，激光斑点面积为5×5mm2，背景气氛为氮气常压环境，单个脉冲时间为30纳秒，激光光斑功率密度为0.5J/cm2,预计氮化铝沉积层温度为瞬间提升至2000℃以上，而衬底始终保持室温状态(25℃左右)。
(4)以一次沉积处理和一次重结晶处理为一个周期，共重复900个周期，使得最终单晶氮化铝薄膜的总厚度增加至5μm，最终得到如图2所示的表面无裂纹的低应力状态的蓝宝石基氮化铝单晶复合衬底。
实施例2
(1)选取单晶复合衬底模板，先后利用乙醇、丙酮分别超声10分钟进行清洗，随后取出使用氮气吹干，单晶复合衬底模板包括硅衬底以及形成在其表面的厚度为500nm的单晶氮化铝薄膜。
(2)将单晶复合衬底模板置于反应磁控溅射设备中，溅射气体为氮气与氩气的混合气，氩气流量为30sccm，氮气的流量为200sccm，腔体真空度为0.8Pa，溅射功率为3000W，溅射温度为500℃，单次溅射制得厚度为5nm的非晶相的氮化铝沉积层。
(3)利用可见光脉冲激光对溅射制备的氮化铝沉积层进行原位脉冲辐照退火处理，使非晶相的氮化铝沉积层重结晶以形成单晶氮化铝薄膜。其中光辐射处理时所使用的激光器为532nm激光器，激光斑点面积为5×5mm2，背景气氛为氮气常压环境，单个脉冲时间为30纳秒，激光光斑功率密度为0.5J/cm2,预计氮化铝沉积层温度为瞬间提升至2000℃以上，而衬底始终保持室温状态(25℃左右)。
(4)以一次沉积处理和一次重结晶处理为一个周期，共重复500个周期，使得最终单晶氮化铝薄膜的总厚度增加至3μm，最终得到表面无裂纹的低应力状态的硅基氮化铝单晶复合衬底。
实施例3
(1)选取单晶复合衬底模板，先后利用乙醇、丙酮分别超声10分钟进行清洗，随后取出使用氮气吹干，单晶复合衬底模板包括硅衬底以及形成在其表面的厚度为500nm的单晶氮化镓薄膜。
(2)将单晶复合衬底模板置于反应磁控溅射设备中，溅射气体为氮气与氧气的混合气，氩气流量为20sccm，氧气的流量为200sccm，腔体真空度为7×10-1Pa，溅射功率为3000W，溅射温度为400℃，单次溅射制得厚度为5nm的非晶相的氮化镓沉积层。
(3)利用脉冲氙灯对溅射制备的氮化镓沉积层进行原位脉冲辐照退火处理，使非晶相的氮化镓沉积层重结晶以形成单晶氮化镓薄膜。其中光辐射处理时所使用的激光器为532nm激光器，激光斑点面积为5×5mm2，背景气氛为氧气常压环境，单个脉冲时间为2毫秒，激光光斑功率密度为0.3J/cm2。
(4)以一次沉积处理和一次重结晶处理为一个周期，共重复590个周期，使得最终单晶氮化铝薄膜的总厚度增加至3μm，最终得到表面无裂纹的低应力状态的硅基氮化镓单晶复合衬底。
对比例1
本对比例提供了一种单晶复合衬底，其制备方法相比于实施例1，主要区别为：
步骤(2)中，将单晶复合衬底模板置于反应磁控溅射设备中，溅射气体为氮气与氩气的混合气，氩气流量为30sccm，氮气的流量为200sccm，腔体真空度为0.8Pa，溅射功率为3000W，溅射温度为500℃，溅射制备氮化铝薄膜厚度为2.5μm。
然后使用1700摄氏度的温度加热重结晶，获得氮化铝薄膜总厚度为3μm的蓝宝石基氮化铝单晶复合衬底，如图3所示，得到的氮化铝薄膜的表面存在类似于六边形裂纹，裂纹之间夹角为60度，说明为衬底对氮化铝薄膜形成的应力影响所致，使其沿着晶向开裂，并且溅射+高温退火制备的氮化铝薄膜和初始镀在衬底的单晶氮化铝薄膜之间结合力弱。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
获得单晶复合衬底模板，所述单晶复合衬底模板包括衬底以及形成于其表面的单晶模板；
在所述单晶模板的表面沉积一层沉积层，所述沉积层与所述单晶模板的材质相同，所述沉积层为非晶相；
对所述沉积层使用脉冲激光辐射处理以使所述沉积层重结晶，获得单晶膜，所述重结晶的过程中所述衬底保持室温；
重复沉积和重结晶的步骤，直至所述单晶膜的堆叠厚度达到预设厚度。
2.根据权利要求1所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述沉积层的厚度小于等于5nm。
3.根据权利要求2所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光辐射处理的功率密度小于等于1J/cm2，脉冲时间为毫秒数量级以内。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述沉积层采用物理气相沉积法形成。
5.根据权利要求4所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述沉积层的生长温度不大于600℃。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光辐射处理在保护气氛中进行，所述保护气氛用于抑制所述沉积层的表面在所述重结晶的过程中分解且不引入杂质。
7.根据权利要求6所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述沉积层的成分为氮化物，所述保护气氛为氮气；或，
所述沉积层的成分为氧化物，所述保护气氛为氧气；或
所述沉积层成分为碳化硅，所述保护气氛为甲烷。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓，所述单晶模板包括氮化铝、氮化镓、碳化硅或氧化镓，所述单晶模板的材质与所述衬底的材质不同。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光辐射处理采用的光源为超快速非接触式辐照光源，所述超快速非接触式辐照光源包括氙灯、闪光灯或脉冲激光。
10.一种单晶复合衬底，其特征在于，其由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311559095.6A CN117568912A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种单晶复合衬底及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311559095.6A CN117568912A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种单晶复合衬底及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117568912A true CN117568912A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89891308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311559095.6A Pending CN117568912A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种单晶复合衬底及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117568912A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2819631A1 (fr) * | 2001-01-12 | 2002-07-19 | St Microelectronics Sa | Procede de fabrication d'un substrat monocristallin, et circuit integre comportant un tel substrat |
| CN112795871A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-05-14 | 至芯半导体(杭州)有限公司 | 一种AlN薄膜的制备方法 |
| CN113897678A (zh) * | 2021-10-03 | 2022-01-07 | 中紫半导体科技(东莞)有限公司 | 高质量氮化铝模板及其制备方法 |
| CN115295401A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-11-04 | 松山湖材料实验室 | 氮化铝单晶复合衬底及其制备方法、紫外发光器件 |
| CN115595670A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-01-13 | 中国科学院半导体研究所（Cn） | 晶体材料的重结晶方法 |
-
2023
- 2023-11-21 CN CN202311559095.6A patent/CN117568912A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2819631A1 (fr) * | 2001-01-12 | 2002-07-19 | St Microelectronics Sa | Procede de fabrication d'un substrat monocristallin, et circuit integre comportant un tel substrat |
| CN112795871A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-05-14 | 至芯半导体(杭州)有限公司 | 一种AlN薄膜的制备方法 |
| CN113897678A (zh) * | 2021-10-03 | 2022-01-07 | 中紫半导体科技(东莞)有限公司 | 高质量氮化铝模板及其制备方法 |
| CN115295401A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-11-04 | 松山湖材料实验室 | 氮化铝单晶复合衬底及其制备方法、紫外发光器件 |
| CN115595670A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-01-13 | 中国科学院半导体研究所（Cn） | 晶体材料的重结晶方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10683586B2 (en) | Method of pulsed laser-based large area graphene synthesis on metallic and crystalline substrates | |
| US8871022B2 (en) | Systems and methods for preparation of epitaxially textured thick films | |
| JP6116705B2 (ja) | Ｇｅ量子ドットの成長方法、Ｇｅ量子ドット複合材及びその応用 | |
| US6274403B1 (en) | Process for producing heteropitaxial diamond layers on Si-substrates | |
| CN110335809B (zh) | 一种在云母衬底上生长单晶γ相硒化铟薄膜的方法 | |
| CN114059165B (zh) | 发光器件、氮化铝制品、氮化铝单晶及其制作方法、应用 | |
| CN105777800A (zh) | 氧化铅薄膜制备有机钙钛矿甲基胺基碘化铅薄膜的方法 | |
| CN1664989A (zh) | 飞秒脉冲激光制备β－FeSi2半导体薄膜的方法 | |
| CN111807405B (zh) | 一种高结晶质量纯相氧化亚铜薄膜的制备方法 | |
| CN113897678A (zh) | 高质量氮化铝模板及其制备方法 | |
| CN117568912A (zh) | 一种单晶复合衬底及其制备方法 | |
| CN113620279B (zh) | 一种在绝缘衬底上制备石墨烯的方法 | |
| CN114381806B (zh) | 二维氮化铝晶体的制备方法 | |
| CN106653572B (zh) | 多晶硅薄膜的制备方法以及光电器件 | |
| CN109830429A (zh) | 一种双光路脉冲激光在Si（100）基片上沉积InGaN薄膜的方法 | |
| CN111933514B (zh) | 电子束蒸镀工艺制备外延单晶金刚石用Ir(111)复合衬底的方法 | |
| CN113549897A (zh) | 一种形貌可控的单层六方氮化硼生长方法 | |
| US20200312659A1 (en) | Method for the preparation of gallium oxide/copper gallium oxide heterojunction | |
| CN111155070B (zh) | 一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途 | |
| CN111211041A (zh) | 一种制备大面积β相硒化铟单晶薄膜的方法 | |
| JPH04182317A (ja) | 酸化物超電導薄膜の作製方法 | |
| CN110993504A (zh) | 基于SiC衬底的Ga2O3薄膜的制备方法及基于SiC衬底的Ga2O3薄膜 | |
| CN117855027A (zh) | 一种低成本制备大尺寸氧化镓薄膜的方法 | |
| CN112670159B (zh) | 一种铪基AlN厚膜及其制备方法 | |
| CN112824555B (zh) | 一种钛氧化物超导薄膜的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |