JP7146946B2 - Process for preparing 3C-SiC films - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッドレーザーCVDによって調製されるSiC-CVD膜、具体的には微細結晶粒3C-SiC厚膜に、およびそれを調製するためのプロセスに関する。 The present invention relates to SiC-CVD films prepared by hybrid laser CVD, specifically fine-grained 3C-SiC thick films, and processes for preparing same.

炭化ケイ素(SiC)はワイドバンドギャップ化合物半導体材料であり、これは、その高い熱伝導性、絶縁破壊電界強度、および飽和速度により、高出力および高周波電子機器への使用にとって高度に好適である。これらのうち、3C-SiCは、その多くの非常な特徴、例えば高い温度安定性、熱伝導性、および機械的強度、ならびに優良な化学的侵食、熱ショック、および酸化耐性により、高温での使用にとって魅力的である。 Silicon carbide (SiC) is a wide bandgap compound semiconductor material that is highly suitable for use in high power and high frequency electronics due to its high thermal conductivity, breakdown field strength, and saturation velocity. Of these, 3C-SiC has many outstanding features, such as high temperature stability, thermal conductivity, and mechanical strength, as well as excellent chemical attack, thermal shock, and oxidation resistance, making it suitable for use at high temperatures. attractive to

最近では、3C-SiC厚膜は、ホットウォールCVD(HCVD)、プラズマCVD(PECVD)、およびレーザーCVD(LCVD)によって調製されている。これらのCVDプロセスのうち、LCVDは低いTdepにおいてかつ高いRdepでもって3C-SiC厚膜を調製するための最も効率的なやり方である。例えば、非特許文献1は、1673Kにおいて数千マイクロメートル毎時のRdepでもって連続ダイオードレーザーCVDによって調製されるmmスケールの厚さを有する3C-SiC膜を開示している。3C-SiC膜の厚さはミリメートル範囲であったので、3C-SiCの平均結晶粒径もまた数十または数百マイクロメートルまで上げられた。 Recently, 3C-SiC thick films have been prepared by hot wall CVD (HCVD), plasma CVD (PECVD), and laser CVD (LCVD). Among these CVD processes, LCVD is the most efficient way to prepare 3C-SiC thick films at low T dep and with high R dep . For example, Non-Patent Document 1 discloses 3C-SiC films with mm-scale thickness prepared by continuous diode laser CVD with R dep of several thousand micrometers per hour at 1673K. Since the thickness of 3C-SiC films was in the millimeter range, the average grain size of 3C-SiC was also increased to tens or hundreds of micrometers.

しかしながら、微小な微細構造を有するSiCは、それらの粗大結晶粒バルクカウンターパートよりも優れた多くの機械的、電気的、および光学的特性を有する。例えば、非特許文献2は、プロピレンのパルス法によって得られる微細結晶粒SiCを開示しており、SiC膜の硬度は37から43GPaの範囲であり、これは粗大な柱状結晶粒SiC層のものよりも約10%高かった。他方で、バルミーナ(Barmina)らによって報告されている通り(非特許文献3)、ミクロンまたはナノメートルサイズの構造を有するSiCは発光ダイオード(LED)の性能を改善し得る。 However, fine microstructured SiC has many mechanical, electrical, and optical properties superior to their coarse grain bulk counterparts. For example, Non-Patent Document 2 discloses fine-grained SiC obtained by propylene pulsing, and the hardness of SiC films ranges from 37 to 43 GPa, which is higher than that of coarse columnar-grained SiC layers. was also about 10% higher. On the other hand, as reported by Barmina et al. [3], SiC with micron- or nanometer-sized structures can improve the performance of light-emitting diodes (LEDs).

ダイオードレーザー(赤外レーザー)またはCOレーザーCVDなどの他のレーザーCVDプロセスと比較して、紫外レーザーCVDは低温においてSiCまたは他のセラミック薄膜を作るという利点を有し、紫外レーザービームの波長(λ)は概ね100から300nmの範囲であった。熱分解的プロセスであるダイオードレーザーまたはCOレーザーCVDとは違って、紫外レーザーCVDは光分解的プロセスである。主として、紫外レーザービームはジシランおよび四塩化チタンなどの前駆体によって吸収され、これは分子を光分解し、それによって反応を開始する。紫外レーザーの別の重要な適用はSiCの表面ナノテクスチャリングである。SiCが紫外レーザーを照射されるときには、溶融層がレーザーパルス爆発によって得られ、それから、溶融物はSiC表面上において球形のまたは半球形のナノ構造の形態で固化する。 Compared with other laser CVD processes such as diode laser (infrared laser) or CO2 laser CVD, ultraviolet laser CVD has the advantage of making SiC or other ceramic thin films at low temperatures, and the wavelength of the ultraviolet laser beam ( λ) was generally in the range of 100 to 300 nm. Unlike diode laser or CO2 laser CVD, which are pyrolytic processes, UV laser CVD is a photolytic process. Primarily, the ultraviolet laser beam is absorbed by precursors such as disilane and titanium tetrachloride, which photolyze the molecules, thereby initiating the reaction. Another important application of UV lasers is the surface nanotexturing of SiC. When SiC is irradiated with an ultraviolet laser, a melt layer is obtained by laser pulse explosion, and then the melt solidifies on the SiC surface in the form of spherical or hemispherical nanostructures.

しかしながら、当分野においては、実施することが容易であり、成膜速度がより高く、かつ、より高い微小硬度を有する3C-SiC膜が得られるレーザーCVDによって微細結晶粒3C-SiC厚膜を調製するためのいかなるプロセスもない。 However, in the art, preparation of fine-grained 3C-SiC thick films by laser CVD, which is easier to implement, has a higher deposition rate, and results in 3C-SiC films with higher microhardness there is no process to

H.チェン(Cheng),R.トゥ(Tu),S.ジャン(Zhang),M.X.ハン(Han),T.後藤(Goto),およびL.M.ジャン(Zhang)著,「ハライドレーザー化学蒸着による高度に配向したベータSiCバルクの調製(Preparation of highly oriented beta SiC bulks by halide laser chemical vapor deposition)」,ジャーナル・オブ・ザ・ヨーロピアン・セラミック・ソサエティ(Journal of the European Ceramic Society),第37巻[2]p.509-515(2017年).H. Cheng, R.; Tu, S.; Zhang, M.; X. Han, T.; Goto, and L. M. Zhang, “Preparation of highly oriented beta SiC bulks by halide laser chemical vapor deposition,” Journal of the European Ceramic Society, Journal of the European Ceramic Society), Vol. 37 [2] p. 509-515 (2017). R.Z.リウ(Liu),M.L.リウ(Liu),Z.L.ワン(Wang),Y.L.シャオ(Shao),J.X.チャン(Chang),およびB.リウ(Liu)著,「パルス化プロピレンによる流動層化学蒸着による微細結晶粒SiC層の調製(Preparation of Fine Grained SiC Layer by Fliudized Bed Chemical Vapor Deposition with Pulsed Propylene)」,ジャーナル・オブ・ザ・アメリカン・セラミック・ソサエティ(Journal of the American Ceramic Society),第99巻[6]p.1870-1873(2016年).R. Z. Liu, M.; L. Liu, Z.; L. Wang, Y.; L. Shao, J.; X. Chang, and B.P. Liu, "Preparation of Fine Grained SiC Layer by Fluidized Bed Chemical Vapor Deposition with Pulsed Propylene," Journal of the American Journal of the American Ceramic Society, Vol. 99 [6] p. 1870-1873 (2016). E.V.バルミーナ(Barmina),A.A.セルコフ(Serkov),およびG.A.シャフェエフ(Shafeev)著,「ピコ秒UVレーザー放射による単結晶炭化ケイ素のナノ構造化(Nanostructuring of single-crystal silicon carbide by picosecond UV laser radiation)」,クォンタム・エレクトロニクス(Quantum Electronics),第43巻[12]p.1091-1093(2013年).E. V. Barmina, A.; A. Serkov, and G.J. A. Shafeev, "Nanostructuring of single-crystal silicon carbide by picosecond UV laser radiation," Quantum Electronics, Vol. 43 [12 ] p. 1091-1093 (2013).

本発明の目的は、従来技術の上に記載されている問題を解決すること、ならびに、赤外レーザー(ダイオードレーザー)および紫外レーザーを複合させるハイブリッドレーザーCVDシステムによってSiC-CVD膜、具体的には微細結晶粒3C-SiC厚膜を調製するためのプロセスを提供することである。 It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the prior art and to produce SiC-CVD films, specifically SiC-CVD films, by a hybrid laser CVD system combining infrared lasers (diode lasers) and ultraviolet lasers. To provide a process for preparing fine grain 3C—SiC thick films.

本発明の別の目的は、上のプロセスによって調製されるSiC-CVD膜、具体的には厚いかつ微細結晶粒の3C-SiC膜を提供することである。 It is another object of the present invention to provide SiC-CVD films, specifically thick and fine-grained 3C-SiC films, prepared by the above process.

上の目的を達成するために、1つの態様では、複合した赤外レーザービームおよび紫外レーザービームによるCVDによってSiC-CVD膜を調製するためのプロセスが提供され:
レーザーCVD装置のチャンバー内に基材を提供すること;
前記基材を予備加熱し、それから、赤外レーザービームおよび紫外レーザービームを前記基材上に照射すること;
ケイ素前駆体および炭素前駆体、任意にキャリアガスを前記チャンバー内に導入して、前記基材上に前記SiC-CVD膜を成膜すること、
を含み、
成膜温度は前記チャンバー内において1523から1623Kに維持される。
To achieve the above objectives, in one aspect, a process is provided for preparing SiC-CVD films by combined infrared and ultraviolet laser beam CVD:
providing a substrate within a chamber of a laser CVD apparatus;
preheating the substrate and then irradiating the substrate with an infrared laser beam and an ultraviolet laser beam;
introducing a silicon precursor and a carbon precursor, optionally a carrier gas, into the chamber to deposit the SiC-CVD film on the substrate;
including
The deposition temperature is maintained at 1523-1623K in the chamber.

好ましい実施形態では、前記の得られるSiC-CVD膜は3C-SiC膜であり;好ましくは、前記SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜は0.5から5μmの平均結晶粒径を有する。 In a preferred embodiment, said resulting SiC-CVD film is a 3C-SiC film; preferably said SiC-CVD film, preferably 3C-SiC film, has an average grain size of 0.5 to 5 μm.

1つの実施形態では、レーザーCVD装置はコールドウォール型レーザーCVD装置である。 In one embodiment, the laser CVD apparatus is a cold wall laser CVD apparatus.

1つの実施形態では、紫外レーザービームはパルスモードで照射される。好ましくは、紫外レーザービームは50mJ/cmにおいてかつ10Hzの繰返しで照射される。好ましくは、それは15psのパルス幅を有する。好ましくは、紫外レーザービームは266nmの波長(λ)を有する。 In one embodiment, the ultraviolet laser beam is applied in pulsed mode. Preferably, the UV laser beam is emitted at 50 mJ/cm 2 and at a repetition rate of 10 Hz. Preferably it has a pulse width of 15 ps. Preferably, the ultraviolet laser beam has a wavelength (λ) of 266 nm.

1つの実施形態では、赤外レーザービームは連続モードで照射される。好ましくは、赤外レーザービームは200から500Wの出力(P)でもって照射される。赤外レーザービームは基材表面上において均一な温度分布を提供し得る。好ましくは、赤外レーザービームは1060nmの波長(λ)を有する。 In one embodiment, the infrared laser beam is applied in continuous mode. Preferably, the infrared laser beam is emitted with a power (P L ) of 200 to 500 W. An infrared laser beam can provide a uniform temperature distribution over the substrate surface. Preferably, the infrared laser beam has a wavelength (λ) of 1060 nm.

1つの実施形態では、前記基材は好ましくはグラファイトディスクである。 In one embodiment, said substrate is preferably a graphite disc.

1つの実施形態では、好ましくは、基材はTpre=753Kにおいてホットステージ上で予備加熱される。 In one embodiment, the substrate is preferably preheated on a hot stage at T pre =753K.

1つの実施形態では、好ましくは、SiClおよびCHがそれぞれ前記ケイ素および炭素前駆体として用いられ、Hが前記キャリアガスとして用いられる。好ましくは、ケイ素および炭素前駆体ならびにキャリアガスはそれぞれ200から1400sccmの流量で導入される。 In one embodiment, preferably SiCl 4 and CH 4 are used as said silicon and carbon precursors respectively and H 2 is used as said carrier gas. Preferably, the silicon and carbon precursors and carrier gas are each introduced at a flow rate of 200 to 1400 sccm.

1つの実施形態では、好ましくは、プロセスの間の全圧(Ptot)は4kPaであり、成膜時間は30minである。 In one embodiment, preferably the total pressure (P tot ) during the process is 4 kPa and the deposition time is 30 min.

いくつかの実施形態では、プロセスの間の成膜速度(Rdep)は最高で1230μm/h、好ましくは500から1230μm/hの範囲であり得る。 In some embodiments, the deposition rate (R dep ) during the process can be up to 1230 μm/h, preferably in the range of 500 to 1230 μm/h.

別の態様では、上のプロセスによって調製されるSiC-CVD膜、好ましくは微細結晶粒3C-SiC厚膜が提供される。 In another aspect, SiC-CVD films, preferably fine grain 3C-SiC thick films, prepared by the above process are provided.

1つの実施形態では、前記SiC-CVD膜、好ましくは前記3C-SiC膜は0.5から5μmの平均結晶粒径を有する。 In one embodiment, said SiC-CVD film, preferably said 3C-SiC film, has an average grain size of 0.5 to 5 μm.

1つの実施形態では、そのSEM像から分かる通り、SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜は、粒状表面および柱状微細構造を有する。別の実施形態では、SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜はランダムに分布した結晶学的配向を有する。 In one embodiment, the SiC-CVD film, preferably the 3C-SiC film, has a grainy surface and a columnar microstructure, as can be seen from its SEM image. In another embodiment, the SiC-CVD film, preferably the 3C-SiC film, has randomly distributed crystallographic orientations.

1つの実施形態では、前記SiC-CVD膜、好ましくは前記3C-SiC膜は、1623Kかつ300gの荷重負荷において、35GPaに至るまで、好ましくは31から35GPaに至るビッカース微小硬度(H)を有する。 In one embodiment, said SiC-CVD film, preferably said 3C-SiC film, has a Vickers microhardness ( Hv ) up to 35 GPa, preferably from 31 to 35 GPa at 1623 K and 300 g load. .

上のプロセスでは、紫外レーザーの導入は成膜の核形成速度を向上させ得る。それゆえに、より微細な結晶粒およびより高い微小硬度を有するSiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜が、複合した赤外レーザービームおよび紫外レーザービームによる上のプロセスによって得られ得、このプロセスは実施することが容易でありかつ成膜速度がより高い。 In the above process, the introduction of an ultraviolet laser can improve the nucleation rate of deposition. Therefore, a SiC-CVD film, preferably a 3C-SiC film, with finer grains and higher microhardness can be obtained by the above process with combined infrared and ultraviolet laser beams, which process Easier to implement and higher deposition rate.

付属の図面は本発明の実施形態を図解し、記載と一緒になって本発明の原理を説明する用をなす。これらは本発明のさらなる理解を提供するために包含され、かつ本明細書の一部として組み込まれる。 The accompanying drawings illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. These are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated as part of this specification.

図1は、本発明の1つの実施形態に従うプロセスを実施するために用いられるハイブリッドレーザーCVD装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a hybrid laser CVD apparatus used to carry out a process according to one embodiment of the invention. 図2は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜のXRDパターンを図解するグラフである。FIG. 2 is a graph illustrating the XRD patterns of the 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 図3は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜のラマンパターンを図解するグラフである。FIG. 3 is a graph illustrating Raman patterns of 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 図4は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜の表面および割断SEM像を図解するグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating surface and fracture SEM images of 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 図5は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜の分布および平均結晶粒径を図解するグラフである。FIG. 5 is a graph illustrating the distribution and average grain size of 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 図6は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜のビッカース微小硬度(H)に対する荷重負荷の効果を図解するグラフである。FIG. 6 is a graph illustrating the effect of loading on the Vickers microhardness (H v ) of the 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 図7は、実施例1~2および比較例1~2において得られた3C-SiC膜の成膜速度(Rdep)を図解するグラフである。FIG. 7 is a graph illustrating the deposition rate (R dep ) of the 3C—SiC films obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2.

本願の利点および特徴は、例の次の詳細な記載および付属の図面の参照によってより容易く理解され得る。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で実施され得、本明細書において提出される例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例は本開示が徹底的かつ完全でありかつ本開示の概念を当業者に詳しく伝えるように提供され、本開示は添付の請求項によって定められる。 The advantages and features of the present application may be more readily understood with reference to the following detailed description of examples and accompanying drawings. This invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the examples presented herein. Rather, these examples are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concepts of this disclosure to those skilled in the art, which disclosure is defined by the following claims.

本願では、用語「ダイオードレーザー」は用語「赤外レーザー」と同義であり、2つの用語は次の文中では交換可能に用いられ得る。 In this application, the term "diode laser" is synonymous with the term "infrared laser" and the two terms may be used interchangeably in the following text.

上に記載されている通り、1つの態様では、本発明は、複合した赤外レーザービームおよび紫外レーザービームによるCVDによってSiC-CVD膜、好ましくは微細結晶粒3C-SiC厚膜を調製するためのプロセスを提供し:
レーザーCVD装置、好ましくはコールドウォール型レーザーCVD装置のチャンバー内に基材を提供すること;
基材を予備加熱し、それから、赤外レーザービームおよび紫外レーザービームを基材上に照射すること;
ケイ素前駆体および炭素前駆体、任意にキャリアガスをチャンバー内に導入して、SiC-CVD膜、好ましくは微細結晶粒3C-SiC厚膜を基材上に成膜すること、
を含み、
成膜温度はチャンバー内において1523から1623Kに維持される。
As described above, in one aspect, the present invention provides a method for preparing SiC-CVD films, preferably fine-grained 3C-SiC thick films, by CVD with combined infrared and ultraviolet laser beams. Provide process:
providing a substrate in a chamber of a laser CVD apparatus, preferably a cold wall laser CVD apparatus;
preheating the substrate and then irradiating the substrate with an infrared laser beam and an ultraviolet laser beam;
introducing a silicon precursor and a carbon precursor, optionally a carrier gas, into the chamber to deposit a SiC-CVD film, preferably a fine-grained 3C-SiC thick film, on a substrate;
including
The deposition temperature is maintained at 1523-1623K in the chamber.

図1は、本発明の1つの実施形態に従うプロセスを実施するために用いられるハイブリッドレーザーCVD装置としてのコールドウォール型レーザーCVD装置を示している。図1から分かる通り、装置100は成膜のためのチャンバー1を画定する筐体を包含する。赤外レーザービームおよび紫外レーザービームがそれぞれ石英窓4、4’からチャンバー1内に導入され得るように、赤外レーザー2および紫外レーザー3が装置100に接続される。また、基材全部を照射するために、赤外レーザービームはレンズ(示されていない)によって直径が20mmまで拡大される。チャンバーの底には、基材5を支持するためのステージ6が提供される。好ましくは、ステージ6は、その上の基材5がプロセスにおいて予備加熱され得るように加熱ステージである。ケイ素前駆体および炭素前駆体ならびにキャリアガスを導入するためのノズル7が基材5のすぐ上に提供される。好ましくは、ノズル7は30mmの距離で基材から離間される。管が、一方では、ガスを導入するためのノズル7に接続され、他方では、バルブ12、12’、12”を介してそれぞれケイ素前駆体および炭素前駆体ならびにキャリアガスのソースに流体接続している。例えば、SiClがケイ素前駆体として、CHが炭素前駆体として、かつHがキャリアガスとして用いられるときには、管は、バルブ12を介してSiCl前駆体タンク11に、バルブ12’を介してCHソースに、かつバルブ12”を介してHソースに接続され得る。任意に、SiCl前駆体タンク11はさらにSiClガスを運ぶためのHソースに接続され得る。図1に示されている通り、SiClガスが高温においてバブリングによって液体から運ばれ得るように、Hガスをタンク11内に導入するための管はSiCl液体のレベルよりも下であり得る。加えて、ガスの流れは図1に示されている通りMFCによってコントロールされ得る。チャンバー内の温度がプロセスにおいてモニタリングされ得るように、パイロメーター9が別の石英窓8を介して装置100の筐体上に提供され得る。真空ポンプ10が装置100の底に提供される。 FIG. 1 shows a cold wall laser CVD apparatus as a hybrid laser CVD apparatus used to carry out a process according to one embodiment of the present invention. As can be seen from FIG. 1, the apparatus 100 includes a housing that defines a chamber 1 for film deposition. An infrared laser 2 and an ultraviolet laser 3 are connected to the apparatus 100 such that an infrared laser beam and an ultraviolet laser beam can be introduced into the chamber 1 through the quartz windows 4, 4', respectively. Also, the infrared laser beam is expanded to 20 mm in diameter by a lens (not shown) to irradiate the entire substrate. A stage 6 is provided at the bottom of the chamber for supporting the substrate 5 . Preferably stage 6 is a heating stage so that the substrate 5 thereon can be preheated in the process. Nozzles 7 are provided immediately above substrate 5 for introducing silicon and carbon precursors and carrier gases. Preferably, nozzle 7 is spaced from the substrate by a distance of 30 mm. The tube is connected on the one hand to a nozzle 7 for introducing gases and on the other hand is fluidly connected via valves 12, 12′, 12″ to sources of silicon and carbon precursors and carrier gas respectively. For example, when SiCl 4 is used as the silicon precursor, CH 4 as the carbon precursor, and H 2 as the carrier gas, the tubes are connected via valve 12 to SiCl 4 precursor tank 11 and valve 12 ′. to the CH4 source via and to the H2 source via valve 12 ''. Optionally, SiCl 4 precursor tank 11 can be further connected to a H 2 source for delivering SiCl 4 gas. As shown in FIG . 1, the pipe for introducing the H2 gas into the tank 11 can be below the level of the SiCl4 liquid so that the SiCl4 gas can be carried out of the liquid by bubbling at elevated temperatures. . Additionally, the gas flow can be controlled by the MFC as shown in FIG. A pyrometer 9 can be provided on the housing of the device 100 through another quartz window 8 so that the temperature within the chamber can be monitored in the process. A vacuum pump 10 is provided at the bottom of the device 100 .

ダイオードレーザーCVD装置とは異なって、本発明に従うハイブリッドレーザーCVD装置では、紫外レーザービームを通過させるための石英窓が追加される。紫外レーザーは例えば100から300nmの一般的な波長を有し得る。赤外レーザーについては、それは当分野において頻繁に用いられる波長を有し得る。 Unlike the diode laser CVD apparatus, the hybrid laser CVD apparatus according to the present invention adds a quartz window for passing the ultraviolet laser beam. Ultraviolet lasers can have typical wavelengths of, for example, 100 to 300 nm. For infrared lasers, it can have wavelengths that are frequently used in the field.

プロセスにおいて、成膜速度(Rdep)は最高で1230μm/hであり得る。成膜速度(Rdep)を測定するための方法は次に記載される。 In the process, the deposition rate (R dep ) can be up to 1230 μm/h. A method for measuring the deposition rate (R dep ) is described next.

本発明に従うプロセスに関連する他の(好ましい)特徴は上に記載されている通りである。 Other (preferred) features relating to the process according to the invention are as described above.

別の態様では、本発明は、上のプロセスによって調製されるSiC-CVD膜、好ましくは微細結晶粒3C-SiC厚膜を提供する。SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜は0.5から5μmの平均結晶粒径を有し得る。そのSEM像から分かる通り、SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜は、粒状表面および柱状微細構造、ならびにランダムに分布した結晶学的配向を有し得る。加えて、SiC-CVD膜、好ましくは3C-SiC膜は1623Kかつ300gの荷重負荷において、35GPaに至るビッカース微小硬度(H)を有し得る。平均結晶粒径およびビッカース微小硬度(H)を測定するための方法は次に記載される。 In another aspect, the present invention provides SiC-CVD films, preferably fine-grained 3C-SiC thick films, prepared by the above process. SiC-CVD films, preferably 3C-SiC films, may have an average grain size of 0.5 to 5 μm. As can be seen from its SEM images, SiC-CVD films, preferably 3C-SiC films, can have grainy surfaces and columnar microstructures, and randomly distributed crystallographic orientations. In addition, SiC-CVD films, preferably 3C-SiC films, can have Vickers microhardness (H v ) up to 35 GPa at 1623 K and 300 g load loading. Methods for measuring average grain size and Vickers microhardness ( Hv ) are described next.

以降では、本発明が例に従って記載されるが、次の例はその範囲を限定するためよりもむしろ単に本発明のより明瞭な理解を可能にするために提供される。 Hereinafter, the invention will be described by way of example, but the following examples are provided merely to enable a clearer understanding of the invention rather than to limit its scope.

<実施例1>
3C-SiC膜の製造
図1に示されているコールドウォール型ハイブリッドレーザーCVD装置を使用して、微細結晶粒3C-SiC膜を調製した。紫外レーザービーム(β-BaB、波長=266nm)を通過させるための石英窓4’を追加した。紫外レーザーを50mJ/cmにおいてかつ10Hzの繰返しで照射した。パルス幅は15psであった。グラファイトディスク(IGS-743、Φ15mm×1mm、三協カーボン株式会社、東京、日本)を基材として用い、Tpre=753Kにおいてホットステージ上で予備加熱した。赤外レーザービーム(InGaAlAs、波長=1060nm)を石英ガラス窓4からチャンバー内に導入し、基材全部を照射するためにレンズによって直径を20mmまで拡大した。レーザーは200から500Wの出力(P)による連続モードで作動させた。成膜温度(Tdep)は熱電対およびパイロメーター(2MH-CF4、オプトリス社(Optris GmbH.)、ベルリン、ドイツ)によって測定し、1523Kで基材全体において±5K以内にコントロールした。赤外レーザービームは基材表面上に均一な温度分布を提供した。SiClおよびCHをそれぞれケイ素および炭素前駆体として用いた。SiClを293Kにおいて蒸気化し、HガスによってCVDチャンバー内に運んだ。SiCl、CH、およびHの流量はそれぞれ400、200、および1400sccmに固定した。全圧(Ptot)および成膜時間はそれぞれ4kPaおよび30minであった。ノズルと基材との間の距離は30mmであった。ガスノズルの温度は473Kにおいて熱電対によって記録した。有害な排気ガス(例えば中間体Si-C-H-Cl)およびHClを処理するために、液体窒素を充填したコールドトラップおよびNaOHスプレー式スクラバーを適用した。
<Example 1>
Fabrication of 3C-SiC film
Fine-grained 3C—SiC films were prepared using the cold-wall hybrid laser CVD apparatus shown in FIG. A quartz window 4' was added to allow passage of an ultraviolet laser beam (β-BaB 2 O 4 , wavelength = 266 nm). A UV laser was irradiated at 50 mJ/cm 2 and at a repetition rate of 10 Hz. The pulse width was 15 ps. A graphite disc (IGS-743, Φ15 mm×1 mm, Sankyo Carbon Co., Ltd., Tokyo, Japan) was used as a substrate and preheated on a hot stage at T pre =753K. An infrared laser beam (InGaAlAs, wavelength = 1060 nm) was introduced into the chamber through a quartz glass window 4 and expanded to a diameter of 20 mm by a lens to irradiate the entire substrate. The laser was operated in continuous mode with a power output (P L ) between 200 and 500 W. The deposition temperature (T dep ) was measured by a thermocouple and pyrometer (2MH-CF4, Optris GmbH, Berlin, Germany) and controlled within ±5K over the entire substrate at 1523K. The infrared laser beam provided a uniform temperature distribution over the substrate surface. SiCl4 and CH4 were used as silicon and carbon precursors, respectively. SiCl4 was vaporized at 293 K and carried into the CVD chamber by H2 gas. The SiCl 4 , CH 4 and H 2 flow rates were fixed at 400, 200 and 1400 sccm respectively. The total pressure (P tot ) and deposition time were 4 kPa and 30 min, respectively. The distance between nozzle and substrate was 30 mm. The gas nozzle temperature was recorded by a thermocouple at 473K. A cold trap filled with liquid nitrogen and a NaOH spray scrubber were applied to treat harmful exhaust gases (eg intermediate Si—C—H—Cl) and HCl.

測定
結晶相は、Cu-Kα(40kVかつ40mA)放射によるX線回折(θ-2θ)によって調べた(XRD、Ultima-III、株式会社リガク、東京、日本)。
ラマンスペクトロメーター(LabRam HR800Ev、株式会社堀場製作所、京都、日本。532nmのHe-Neレーザーを有する)を3C-SiC膜のラマンスペクトル測定に用いた。
試験片の微細構造はSEM(Quanta-250、FEI、20kV、ヒューストン、米国)によって観察し、成膜速度(Rdep)は厚さおよび成膜時間から計算した。
3C-SiC膜の微小硬度はビッカース微小硬度試験機(430SVD、ウォルパート(Wolpert)、米国)によって300、500、および1000gの荷重で測定した。圧入時間は15sであり、硬度試験のための3C-SiC膜の厚さは、基材の効果を排除するために十分厚かった。
平均結晶粒径は、SEM像から、少なくとも100個の結晶粒を有する直線長さを計数することによって決定した。
The measured crystalline phase was investigated by X-ray diffraction (θ-2θ) with Cu-Kα (40 kV and 40 mA) radiation (XRD, Ultima-III, Rigaku, Tokyo, Japan).
A Raman spectrometer (LabRam HR800Ev, Horiba, Ltd., Kyoto, Japan, with a 532 nm He—Ne laser) was used for Raman spectral measurements of the 3C—SiC films.
The microstructure of the specimen was observed by SEM (Quanta-250, FEI, 20 kV, Houston, USA) and the deposition rate (R dep ) was calculated from the thickness and deposition time.
The microhardness of the 3C—SiC films was measured with a Vickers microhardness tester (430SVD, Wolpert, USA) at loads of 300, 500, and 1000 g. The indentation time was 15 s and the thickness of the 3C—SiC film for the hardness test was thick enough to eliminate the substrate effect.
Average grain size was determined from SEM images by counting straight lengths with at least 100 grains.

結果
得られた3C-SiC膜のXRDパターンおよびラマン散乱スペクトルはそれぞれ図2および3に示されている((c)によって示す)。SEM像は図4(e)および(f)に示されている。平均結晶粒径およびビッカース微小硬度はそれぞれ図5および6に示されている((c)によって示す)。Rdepは図7に示されている。
The XRD pattern and Raman scattering spectrum of the resulting 3C-SiC film are shown in FIGS. 2 and 3, respectively (indicated by (c)). SEM images are shown in FIGS. 4(e) and (f). The average grain size and Vickers microhardness are shown in FIGS. 5 and 6, respectively (indicated by (c)). R dep is shown in FIG.

<実施例2>
3C-SiC膜を実施例1のものと同じやり方で製造および測定したが、ただし、成膜温度(Tdep)は1623Kで基材全体において±5K以内にコントロールした。
<Example 2>
A 3C-SiC film was fabricated and measured in the same manner as in Example 1, except that the deposition temperature (T dep ) was 1623 K and controlled within ±5 K across the substrate.

結果
得られた3C-SiC膜のXRDパターンおよびラマン散乱スペクトルはそれぞれ図2および3に示されている((d)によって示す)。SEM像は図4(g)および(h)に示されている。平均結晶粒径およびビッカース微小硬度はそれぞれ図5および6に示されている((d)によって示す)。Rdepは図7に示されている。
The XRD pattern and Raman scattering spectrum of the resulting 3C-SiC film are shown in Figures 2 and 3, respectively (indicated by (d)). SEM images are shown in FIGS. 4(g) and (h). The average grain size and Vickers microhardness are shown in FIGS. 5 and 6, respectively (indicated by (d)). R dep is shown in FIG.

<比較例1>
3C-SiC膜を実施例1のものと同じやり方で製造および測定したが、ただし、プロセスにはいかなる紫外レーザービームも導入されない;つまり、3C-SiC膜はダイオード(赤外)レーザーCVDプロセスによって製造した。
<Comparative Example 1>
A 3C-SiC film was fabricated and measured in the same manner as in Example 1, except that no ultraviolet laser beam was introduced into the process; that is, the 3C-SiC film was fabricated by a diode (infrared) laser CVD process did.

結果
得られた3C-SiC膜のXRDパターンおよびラマン散乱スペクトルはそれぞれ図2および3に示されている((a)によって示す)。SEM像は図4(a)および(b)に示されている。平均結晶粒径およびビッカース微小硬度はそれぞれ図5および6に示されている((a)によって示す)。Rdepは図7に示されている。
The XRD pattern and Raman scattering spectrum of the resulting 3C—SiC film are shown in FIGS. 2 and 3, respectively (indicated by (a)). SEM images are shown in FIGS. 4(a) and (b). The average grain size and Vickers microhardness are shown in FIGS. 5 and 6, respectively (indicated by (a)). R dep is shown in FIG.

<比較例2>
3C-SiC膜を実施例2のものと同じやり方で製造および測定したが、ただし、プロセスにはいかなる紫外レーザービームも導入されない;つまり、3C-SiC膜はダイオード(赤外)レーザーCVDプロセスによって製造した。
<Comparative Example 2>
A 3C-SiC film was fabricated and measured in the same manner as in Example 2, except that no ultraviolet laser beam was introduced into the process; did.

結果
得られた3C-SiC膜のXRDパターンおよびラマン散乱スペクトルはそれぞれ図2および3に示されている((b)によって示す)。SEM像は図4(c)および(d)に示されている。平均結晶粒径およびビッカース微小硬度はそれぞれ図5および6に示されている((b)によって示す)。Rdepは図7に示されている。
The XRD pattern and Raman scattering spectrum of the resulting 3C—SiC film are shown in FIGS. 2 and 3, respectively (indicated by (b)). SEM images are shown in FIGS. 4(c) and (d). The average grain size and Vickers microhardness are shown in FIGS. 5 and 6, respectively (indicated by (b)). R dep is shown in FIG.

<評価>
XRDパターン
図2は、ダイオードレーザーCVD(比較例1~2、(a)および(b))ならびにハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2、(c)および(d))によって成膜された3C-SiC膜のXRDパターンを示している。2θ=35.7°、41.3°、60°、71.8°、および75.5°における突出した5つの回折ピークは、それぞれ3C-SiCの(111)、(200)、(220)、(311)、および(222)面に対応する。図2の曲線(a)および(b)に示されている通り、ダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜では、(220)ピークは他よりも強く、これは(220)面の優先配向を示した。しかしながら、ハイブリッドレーザーCVDによって成膜された3C-SiC膜では、いくつかの主なピークが観察された[図2の曲線(c)および(d)]。それは結晶の結晶粒が結晶学的配向においてランダムに分布していることを意味した。3C-SiC膜の配向をロットゲーリングファクター(Fhkl)によって評価した。表1はダイオードレーザーCVDおよびハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜のF110およびF111を示す。Fhklは等式(1)から計算した:
hkl=(Phkl-P)/(1-P) 等式(1)
式中、PhklおよびPは、それぞれ膜(Phkl)および粉末(P)について、(hkl)面のピーク強度と全てのピークの合計との比である。Fhklファクターは負(他の軸に沿った配向)から0(ランダム)へ、1(完全配向)までの値を有する。3C-SiC膜の配向はハイブリッドレーザーCVDでは顕著に変化した。ダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜は0.6よりも高いF110の値を示し、かつF111の負の値を有し、<110>配向を示した。他方は、3C-SiC膜のF110およびF111の値は0に近く、ランダムな配向を見せた。ハイブリッドレーザーCVDによって調製された試験片では、小さい肩が2θ~33.8°において観察され、これは面欠陥が原因であり得た。面欠陥および優先配向の乱れはハイブリッドレーザーCVDの紫外レーザーの照射によってもたらされ得た。
<Evaluation>
XRD pattern
FIG. 2 shows 3C-SiC films deposited by diode laser CVD (Comparative Examples 1-2, (a) and (b)) and hybrid laser CVD (Examples 1-2, (c) and (d)). shows the XRD pattern of The five prominent diffraction peaks at 2θ=35.7°, 41.3°, 60°, 71.8°, and 75.5° are (111), (200), (220) of 3C-SiC, respectively. , (311), and (222) planes. As shown in curves (a) and (b) in Fig. 2, in the 3C-SiC films prepared by diode laser CVD, the (220) peak is stronger than the others, indicating the preferential orientation of the (220) plane. showed that. However, in the 3C—SiC films deposited by hybrid laser CVD, several major peaks were observed [curves (c) and (d) in FIG. 2]. It implied that the grains of the crystal were randomly distributed in crystallographic orientation. The orientation of the 3C-SiC films was evaluated by the Lotgering factor (F hkl ). Table 1 shows the F 110 and F 111 of 3C—SiC films prepared by diode laser CVD and hybrid laser CVD. F hkl was calculated from equation (1):
F hkl = (P hkl − P 0 )/(1−P 0 ) Equation (1)
where P hkl and P 0 are the ratios of the peak intensity of the (hkl) plane and the sum of all peaks for film (P hkl ) and powder (P 0 ), respectively. The F hkl factor has values from negative (orientation along the other axis) to 0 (random) to 1 (perfect orientation). The orientation of 3C-SiC films changed significantly with hybrid laser CVD. The 3C—SiC films prepared by diode laser CVD exhibited F 110 values higher than 0.6 and had negative F 111 values, indicating <110> orientation. On the other hand, the F 110 and F 111 values of the 3C—SiC films were close to 0, indicating random orientation. A small shoulder was observed between 2θ and 33.8° in specimens prepared by hybrid laser CVD, which could be attributed to planar defects. Planar defects and preferential orientation disturbances could be induced by UV laser irradiation in hybrid laser CVD.

Figure 0007146946000001
Figure 0007146946000001

ラマンスペクトル
ダイオードレーザーCVD(比較例1~2、(a)および(b))ならびにハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2、(c)および(d))によって成長させられた3C-SiC膜のラマン散乱スペクトルが図3に示されている。曲線(a)および(b)はダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜のラマンスペクトルを示している。それは796および972cm-1における2つの主に鋭いピークからなり、これらはそれぞれ3C-SiCの横光学(TO)および縦光学(LO)モードに帰属した。1520および1710cm-1の辺りの2つのピークは2次光学フォノンモードに帰せられた。加えて、スペクトル中にはいかなるわずかな炭素相ピーク[D(~1330cm-1)およびG(~1580cm-1)]もなかった。曲線(c)および(d)はハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜のラマンスペクトルを示している。それもまた主に796および972cm-1における2つのピークからなり、これらはハイブリッドレーザーCVDにおいて不変であった。これらのピークに加えて、150および600cm-1の間の2つのブロードピークが、ハイブリッドCVDによって調製された試験片において検出された。これは、より小さいSiC結晶子について特に報告されている炭化ケイ素音響フォノンまたはアモルファスシリコンのTOフォノンモードの、どちらかに割り当てられ得る。a-Siもまた、SiCの紫外レーザー照射によって作られることが報告されている。TOおよびLOピークの低いcm-1側に観察された肩はいくつもの(numerous of)欠陥を示唆した。この結果はXRDパターンと整合した。XRDおよびラマンピークの半値全幅(FWHM)が表2に提示されている。ハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiCのTOおよびLOラマンピークのFWHMは、ダイオードレーザーCVDによって成膜された試験片よりもずっと高かった。ブロード化はSiCの結晶粒の小さいサイズが原因であると思われた。XRDピークのFWHMは類似の結果を見せ、これもまたハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiCがずっと小さい結晶粒径を有することを支持した。
Raman of 3C-SiC Films Grown by Raman Spectral Diode Laser CVD (Comparative Examples 1-2, (a) and (b)) and Hybrid Laser CVD (Examples 1-2, (c) and (d)) A scattering spectrum is shown in FIG. Curves (a) and (b) show Raman spectra of 3C—SiC films prepared by diode laser CVD. It consists of two mainly sharp peaks at 796 and 972 cm −1 , which are assigned to the transverse optical (TO) and longitudinal optical (LO) modes of 3C—SiC, respectively. Two peaks around 1520 and 1710 cm −1 were attributed to second order optical phonon modes. In addition, there were no faint carbon phase peaks [D (~1330 cm -1 ) and G (~1580 cm -1 )] in the spectrum. Curves (c) and (d) show Raman spectra of 3C-SiC films prepared by hybrid laser CVD. It also mainly consisted of two peaks at 796 and 972 cm −1 , which were unchanged in hybrid laser CVD. In addition to these peaks, two broad peaks between 150 and 600 cm −1 were detected in specimens prepared by hybrid CVD. This can be assigned either to the silicon carbide acoustic phonon mode, which has been reported specifically for smaller SiC crystallites, or to the TO phonon mode of amorphous silicon. a-Si has also been reported to be made by UV laser irradiation of SiC. The shoulders observed on the low cm −1 side of the TO and LO peaks suggested a number of defects. This result was consistent with the XRD pattern. XRD and Raman peak full width at half maximum (FWHM) are presented in Table 2. The FWHM of the TO and LO Raman peaks of 3C—SiC prepared by hybrid laser CVD were much higher than those of specimens deposited by diode laser CVD. The broadening was believed to be due to the small size of the SiC grains. The FWHM of the XRD peaks showed similar results, which also supported that the 3C-SiC prepared by hybrid laser CVD had a much smaller grain size.

Figure 0007146946000002
Figure 0007146946000002

SEM像
図4は、ダイオードレーザーCVD(比較例1~2、(a)から(d))ならびにハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2、(e)から(h))によって調製された3C-SiC膜の表面および割断の微細構造を示している。ダイオードレーザーCVDによって成膜された3C-SiC膜は、屋根様の切子状表面[図4(a)および(c)]ならびに柱状断面[図4(b)および(d)]を示した。柱状結晶粒は、成長方向といくらかずれたものが検出されるものの、良く整列した柱状の微細構造を見せるということが分かり得た。<110>配向した3C-SiC膜のこれらの典型的な表面および割断の微細構造は、当分野の以前の研究に類似である。しかしながら、ハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜は異なる微細構造を見せた。微細な粒状の表面構造[図4(e)および(g)]が観察された。柱状物[図4(f)および(h)]は3C-SiC膜の厚さ全体には延在せず、長さおよび幅が限られていた。これは新たな種の連続的な核形成を示唆し、これはハイブリッドレーザーCVDの紫外レーザーによる核形成速度の向上が原因であり得る。
SEM images FIG. 4 show 3C-SiC prepared by diode laser CVD (Comparative Examples 1-2, (a) to (d)) as well as hybrid laser CVD (Examples 1-2, (e) to (h)). The surface and fracture microstructure of the membrane are shown. The 3C—SiC films deposited by diode laser CVD exhibited roof-like faceted surfaces [FIGS. 4(a) and (c)] and columnar cross-sections [FIGS. 4(b) and (d)]. It was found that the columnar crystal grains exhibited a well-aligned columnar microstructure, although some deviations from the growth direction were detected. These typical surface and fracture microstructures of <110> oriented 3C—SiC films are similar to previous studies in the field. However, the 3C-SiC films prepared by hybrid laser CVD exhibited a different microstructure. A fine granular surface structure [FIGS. 4(e) and (g)] was observed. The pillars [FIGS. 4(f) and (h)] did not extend through the entire thickness of the 3C—SiC film, but were limited in length and width. This suggests continuous nucleation of new species, which may be due to the enhanced nucleation rate by the UV laser in hybrid laser CVD.

結晶粒径
図5は、ダイオードレーザーCVD(比較例1~2、(a)および(b))ならびにハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2、(c)および(d))によって調製された3C-SiC膜の結晶粒径分布を提示している。図5(a)および(b)はダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiCの結晶粒径分布を示している。Tdep=1523および1623Kでは、3C-SiC膜の表面構造は、結晶粒径がそれぞれ4~27および10~100μmの範囲である。ハイブリッドCVDによって調製された3C-SiC膜の結晶粒径分布は図5(c)および(d)に示されている。結晶粒径分布はそれぞれ0.5~3.5および1.5~5.5μmの範囲であった。表3はダイオードレーザーCVDおよびハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiCの平均結晶粒径を示している。ハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜では、平均結晶粒径は大いに減少した。ダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiCの平均結晶粒径はそれぞれ52.8および13.2μmであった。しかしながら、ハイブリッドCVDによって調製された3C-SiCでは、平均結晶粒径はそれぞれ1.2および2.6μmに縮小した。通常は、紫外レーザービームが標的に衝突するときには、ナノ粒子は照射されたサンプルから直接的に生成され、ナノ粒子の形成はピコまたはフェムト秒レーザー誘起クーロン爆発によって開始され、これはSiC膜における一様に分布した微細構造に至る。
Grain size Figure 5 shows 3C- 3C- Fig. 3 presents the grain size distribution of SiC films; Figures 5(a) and (b) show the grain size distribution of 3C-SiC prepared by diode laser CVD. At T dep =1523 and 1623 K, the surface structure of the 3C—SiC films has grain sizes in the range of 4-27 and 10-100 μm, respectively. The grain size distribution of 3C-SiC films prepared by hybrid CVD is shown in FIGS. 5(c) and (d). The grain size distributions ranged from 0.5 to 3.5 and 1.5 to 5.5 μm, respectively. Table 3 shows the average grain size of 3C-SiC prepared by diode laser CVD and hybrid laser CVD. The average grain size was greatly reduced in the 3C-SiC films prepared by hybrid laser CVD. The average grain size of 3C—SiC prepared by diode laser CVD was 52.8 and 13.2 μm, respectively. However, for 3C-SiC prepared by hybrid CVD, the average grain size decreased to 1.2 and 2.6 μm, respectively. Normally, when an ultraviolet laser beam hits a target, nanoparticles are generated directly from the irradiated sample, and nanoparticle formation is initiated by pico- or femtosecond laser-induced Coulomb explosions, which is one of the factors in SiC films. leading to a uniformly distributed microstructure.

Figure 0007146946000003
Figure 0007146946000003

ビッカース微小硬度
図6は、ダイオードレーザーCVD(比較例1~2、(a)および(b))ならびにハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2、(c)および(d))によって調製された3C-SiC膜のビッカース微小硬度(H)に対する荷重負荷の影響である。3C-SiC膜のHは、圧子の荷重負荷の増加に伴って減少した。原理的には、圧入の形状はそのサイズに非依存的であるので、硬度は荷重負荷とは独立しているはずである。しかしながら、実際には、特に小さい荷重において、圧入の荷重依存性がある。全圧入量は、荷重除去による弾性回復の量を差し引いた塑性変形によって得られるものである。より低い荷重では、弾性回復の量は、全圧入量のうち、より高い荷重よりも大きい割合である。それゆえに、通常は、より小さい荷重における測定される硬度値はより高い荷重におけるものと比較してより高い。セラミック材料については、荷重の増加に伴う硬度の減少が従来技術において周知である。ハイブリッドレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜のHはダイオードレーザーCVDよりもずっと高かった。1623Kかつ300gの荷重負荷においては、HはハイブリッドレーザーCVDでは31から35GPaに増大した。向上したHは、ハイブリッドレーザーCVDの3C-SiC膜のずっと小さい結晶粒径によって引き起こされ得た。
Vickers microhardness Figure 6 shows the 3C- Effect of loading on the Vickers microhardness (HV) of SiC films. The HV of the 3C—SiC film decreased with increasing indenter loading. In principle, hardness should be independent of load application, since the shape of the indentation is independent of its size. However, in practice there is a load dependence of the indentation, especially at small loads. The total indentation is that obtained by plastic deformation minus the amount of elastic recovery due to unloading. At lower loads, the amount of elastic recovery is a greater percentage of the total indentation than at higher loads. Therefore, usually the measured hardness values at lower loads are higher compared to those at higher loads. For ceramic materials, it is well known in the prior art that hardness decreases with increasing load. The HV of 3C-SiC films prepared by hybrid laser CVD was much higher than diode laser CVD. At 1623 K and a load of 300 g , HV increased from 31 to 35 GPa for hybrid laser CVD. The enhanced HV could be caused by the much smaller grain size of hybrid laser CVD 3C-SiC films.

dep
図7は、ダイオードレーザーCVD(比較例1~2。中空の円によって示す)およびハイブリッドレーザーCVD(実施例1~2。中実の円によって示す)によって調製された3C-SiC膜のRdepを示している。1523および1623Kでは、RdepはダイオードレーザーCVDでは440から935μm/hであった。ハイブリッドレーザーCVDでは、Rdepは500および1230μm/hまで増大した。ダイオードレーザーCVDプロセスとは違って、光熱的な成膜プロセスは、ハイブリッドレーザーCVDプロセスの紫外レーザービームによって光分解的に向上させられ得た。3C-SiC膜をハイブリッドレーザーCVDによって成膜したときには、前駆体の分解速度は改善された。それから、成長表面はより多くのラジカルを受け取り、Rdepの改善に至るであろう。
R dep
FIG. 7 shows the R dep of 3C—SiC films prepared by diode laser CVD (Comparative Examples 1-2, indicated by open circles) and hybrid laser CVD (Examples 1-2, indicated by solid circles). showing. At 1523 and 1623 K, R dep was 440 to 935 μm/h for diode laser CVD. Hybrid laser CVD increased R dep to 500 and 1230 μm/h. Unlike the diode laser CVD process, the photothermal deposition process could be photolytically enhanced by the ultraviolet laser beam in the hybrid laser CVD process. The decomposition rate of the precursor was improved when the 3C—SiC films were deposited by hybrid laser CVD. Then the growing surface will receive more radicals, leading to an improvement in R dep .

上で分かる通り、赤外レーザービームおよび紫外レーザービームを複合させるハイブリッドレーザーCVDによって、微細結晶粒3C-SiC厚膜が作製された。紫外レーザーの導入は、3C-SiC膜の優先配向、微細構造、H、およびRdepに対して大いなる影響を有した。粗大結晶粒のかつ<110>配向した3C-SiC膜がダイオードレーザーCVDによって得られ、結晶粒径は5~100μmの範囲であったが、ハイブリッドレーザーCVDによって、結晶粒径が0.5~5μmの範囲である微細結晶粒のかつランダムに配向した3C-SiC膜が調製された。ダイオードレーザーCVDによって調製された3C-SiC膜は屋根様の切子状(faced)表面および良く整列した柱状微細構造を示したが、ハイブリッドレーザーCVDプロセスでは、粒状表面および柱状微細構造が得られた。ハイブリッドレーザーCVDでは、紫外レーザーによる核形成の向上が原因で、柱状結晶粒は長さおよび幅が限られた。ずっと小さい結晶粒径ゆえに、ハイブリッドレーザーCVDでは、例えば1623Kかつ300gの荷重負荷において、3C-SiC膜のHおよびRdepもまた改善された。それぞれ、3C-SiC膜のHは31から35GPaに増大し、Rdepは935から1230μm/hに増大した。 As can be seen above, fine-grained 3C—SiC thick films were fabricated by hybrid laser CVD combining infrared and ultraviolet laser beams. The introduction of UV laser had a great impact on the preferred orientation, microstructure, H v and R dep of 3C-SiC films. A 3C-SiC film with coarse grains and <110> orientation was obtained by diode laser CVD, and the grain size was in the range of 5 to 100 μm. Fine-grained and randomly oriented 3C—SiC films ranging from The 3C—SiC films prepared by diode laser CVD exhibited roof-like faced surfaces and well-aligned columnar microstructures, whereas the hybrid laser CVD process resulted in grainy surfaces and columnar microstructures. In hybrid laser CVD, columnar grains were limited in length and width due to enhanced nucleation by the UV laser. Due to the much smaller grain size, hybrid laser CVD also improved the HV and R dep of the 3C—SiC films, eg at 1623 K and a load of 300 g . The HV of the 3C-SiC films increased from 31 to 35 GPa and the R dep increased from 935 to 1230 μm/h, respectively.

本発明の具体的な実施形態が上に記載されたが、種々の適用および改変が本発明の範囲から外れることなしに当業者に容易に明らかになるであろう。 Although specific embodiments of the invention have been described above, various adaptations and modifications will be readily apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

1 チャンバー
2 赤外レーザー
3 紫外レーザー
4 石英窓
4’ 石英窓
5 基材
6 ステージ
7 ノズル
8 石英窓
9 パイロメーター
10 真空ポンプ
11 SiCl前駆体タンク
12 バルブ
12’ バルブ
12” バルブ
100 装置
1 chamber 2 infrared laser 3 ultraviolet laser 4 quartz window 4′ quartz window 5 substrate 6 stage 7 nozzle 8 quartz window 9 pyrometer 10 vacuum pump 11 SiCl 4 precursor tank 12 valve 12′ valve 12″ valve 100 apparatus

Claims (5)

複合した赤外レーザービームおよび紫外レーザービームによるCVDによってSiC-CVD膜を調製するためのプロセスであって:
コールドウォール型のレーザーCVD装置のチャンバー内に基材を提供すること;
前記基材を予備加熱し、それから、赤外レーザービームおよび紫外レーザービームを前
記基材上に照射すること;
ケイ素前駆体および炭素前駆体、任意にキャリアガスを前記チャンバー内に導入して、
前記基材上に前記SiC-CVD膜を成膜すること、
を含み、
成膜温度が前記チャンバー内において前記赤外レーザービームにより1523から1623Kに維持される、
プロセス。
A process for preparing a SiC-CVD film by CVD with combined infrared and ultraviolet laser beams, comprising:
providing a substrate in a chamber of a cold-wall laser CVD apparatus;
preheating the substrate and then irradiating the substrate with an infrared laser beam and an ultraviolet laser beam;
introducing a silicon precursor and a carbon precursor, optionally a carrier gas, into the chamber,
forming the SiC-CVD film on the substrate;
including
a deposition temperature is maintained at 1523 to 1623 K by the infrared laser beam in the chamber;
process.
前記SiC-CVD膜が3C-SiC膜である、請求項1に記載のプロセス。 The process of claim 1, wherein said SiC-CVD film is a 3C-SiC film. 前記SiC-CVD膜が0.5から5μmの平均結晶粒径を有する、請求項1または2に記載のプロセス。 The process according to claim 1 or 2, wherein said SiC-CVD film has an average grain size of 0.5 to 5 µm. 前記ケイ素前駆体がSiClであり、前記炭素前駆体がCHであり、前記キャリアガスがHである、請求項1~3のいずれか1項に記載のプロセス。 A process according to any preceding claim, wherein the silicon precursor is SiCl 4 , the carbon precursor is CH 4 and the carrier gas is H 2 . 前記基材がグラファイトディスクである、請求項1~4のいずれか1項に記載のプロセス。 The process of any one of claims 1-4, wherein the substrate is a graphite disc.
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