RU2286616C2 - Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film - Google Patents
Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film Download PDFInfo
- Publication number
- RU2286616C2 RU2286616C2 RU2005103321/28A RU2005103321A RU2286616C2 RU 2286616 C2 RU2286616 C2 RU 2286616C2 RU 2005103321/28 A RU2005103321/28 A RU 2005103321/28A RU 2005103321 A RU2005103321 A RU 2005103321A RU 2286616 C2 RU2286616 C2 RU 2286616C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- silicon carbide
- carbon
- silicon
- manufacturing
- Prior art date
Links
Images
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
- C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
- C30B31/02—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion materials in the solid state
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
- C23C8/62—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes only one element being applied
- C23C8/64—Carburising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов.The invention relates to a technology for producing semiconductor materials and can be used to create semiconductor devices.
Карбид кремния обладает рядом уникальных свойств, таких как химическая инертность, термическая устойчивость, высокие механические и теплофизические характеристики [Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы, М., 1977]. По электрофизическим свойствам карбид кремния является полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 2,3-3,3 эВ (широкозонный полупроводник) и сохраняет электрофизические характеристики при высоких температурах [Карбид кремния как материал современной оптоэлектроники и полупроводниковой техники, М., 1984]. Кроме того, карбид кремния весьма эффективен как материал для подложки эпитаксиального синтеза перспективных полупроводниковых материалов (например, нитрида галлия) [USP 6773508, 2004]. Все вышесказанное определяет значительный интерес к карбиду кремния и методам его получения.Silicon carbide has a number of unique properties, such as chemical inertness, thermal stability, high mechanical and thermophysical characteristics [Gnesin G.G. Silicon carbide materials, M., 1977]. According to the electrophysical properties, silicon carbide is a semiconductor material with a band gap of 2.3-3.3 eV (wide-gap semiconductor) and retains the electrophysical characteristics at high temperatures [Silicon carbide as a material of modern optoelectronics and semiconductor technology, M., 1984]. In addition, silicon carbide is very effective as a substrate material for the epitaxial synthesis of promising semiconductor materials (for example, gallium nitride) [USP 6773508, 2004]. All of the above determines a significant interest in silicon carbide and methods for its preparation.
В технологиях получения карбида кремния и карбидокремниевых материалов можно выделить получение порошков и зерен, композитов технического применения (абразивы, нагреватели, огнеупоры и т.п.), а также блочных карбидокремниевых материалов, например пластин и монокристаллов с различной степенью совершенства структуры. Эти методы хорошо известны [Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы, М., 1977]. Заметим, что особенности строения и физико-химических свойств карбида кремния (особенно блочных материалов) делают его получение довольно дорогим и сложным с точки зрения технологии.In the technologies for producing silicon carbide and silicon carbide materials, it is possible to single out the production of powders and grains, composites for technical applications (abrasives, heaters, refractories, etc.), as well as block silicon carbide materials, for example, wafers and single crystals with various degrees of structural perfection. These methods are well known [Gnesin G.G. Silicon carbide materials, M., 1977]. Note that the structural features and physicochemical properties of silicon carbide (especially block materials) make its preparation quite expensive and difficult from a technology point of view.
В то же время, для ряда применений, например в полупроводниковой технике, могут быть использованы тонкие пленки карбида кремния на различных подложках. Среди них представляют интерес подложки из кремния. Известно, что кремний является широко применяемым полупроводниковым материалом и его сочетание с карбидом кремния в едином изделии рассматривается как весьма перспективное [Карбид кремния как материал современной оптоэлектроники и полупроводниковой техники, М., 1984].At the same time, for a number of applications, for example, in semiconductor technology, thin films of silicon carbide on various substrates can be used. Among them, silicon substrates are of interest. It is known that silicon is a widely used semiconductor material and its combination with silicon carbide in a single product is considered as very promising [Silicon carbide as a material of modern optoelectronics and semiconductor technology, M., 1984].
Известные методы получения пленок карбида кремния на различных подложках можно условно разбить на две группы. Методы первой группы используют физико-химические процессы, в которых кремний для образования карбида кремния подают в зону синтеза в виде химических соединений (гидриды, галогениды кремния и др.). То есть используют «внешний» источник кремния. Другая группа методов использует «внутренний» источник кремния, т.е. источником атомов кремния, образующего в ходе процесса карбид кремния, является сама подложка, на которой происходит рост карбида кремния. В этом случае используется именно кремниевая подложка. Как будет показано ниже, предлагаемый нами способ относится к этой, последней группе.Known methods for producing silicon carbide films on various substrates can be divided into two groups. The methods of the first group use physicochemical processes in which silicon for the formation of silicon carbide is fed into the synthesis zone in the form of chemical compounds (hydrides, silicon halides, etc.). That is, use an "external" source of silicon. Another group of methods uses an “internal” silicon source, i.e. the source of silicon atoms forming silicon carbide during the process is the substrate itself, on which silicon carbide grows. In this case, the silicon substrate is used. As will be shown below, our proposed method belongs to this last group.
Известно формирование пленки SiC методом химического восстановления (патент US 3386866), при котором осаждают продукт реакции CCl4 и SiCl4 в потоке водорода при Т=1700-1800 К при нормальном давлении на подложке α-SiC (обычно 6Н-SiC).The formation of a SiC film by chemical reduction is known (US Pat. No. 3,386,866), in which the reaction product CCl 4 and SiCl 4 are precipitated in a hydrogen stream at T = 1700-1800 K at normal pressure on an α-SiC substrate (usually 6H-SiC).
Другим методом (патент US 3382113) на подложке осаждают продукт реакции SiH4 с пропаном при давлении 10-2 мм рт.ст., при соотношении компонентов 1,2:1 и отсутствии водорода и других носителей.Another method (US Pat. No. 3,382,113) precipitates the reaction product of SiH 4 with propane on a substrate at a pressure of 10 -2 mm Hg, with a component ratio of 1.2: 1 and the absence of hydrogen and other carriers.
Способ по патенту US 3520740 позволяет получить изделие с эпитаксиальными слоями α-SiC на подложке α-SiC с использованием конвективного нагрева графитовой подложки при нормальном давлении. Пленку осаждают из смеси газов SiH4, С3Н8 и H2. В результате пиролиза в смеси газов образуются пары карбида кремния, конденсирующиеся на подложке. Удовлетворительное качество пленки реализуется в интервале температур 1700-1850°С.The method of US Pat. No. 3,520,740 makes it possible to obtain an article with epitaxial layers of α-SiC on an α-SiC substrate using convective heating of a graphite substrate at normal pressure. The film is deposited from a mixture of gases SiH 4 , C 3 H 8 and H 2 . As a result of pyrolysis in a mixture of gases, silicon carbide vapors are formed which condense on the substrate. Satisfactory film quality is realized in the temperature range 1700-1850 ° C.
Недостатком указанных способов является сложность технологии получения и аппаратурного оформления, а именно: необходимость использования гидридов и галогенидов кремния (сложных с точки зрения экологии и безопасности реагентов), необходимость поддержания оптимального состава компонентов в газовой смеси, сложность реализации требуемых условий процесса в больших реакторах, где сказывается неравномерность концентрации реагентов по объему за счет выработки реагентов и выделения продуктов реакции.The disadvantage of these methods is the complexity of the production technology and hardware design, namely: the need to use silicon hydrides and halides (difficult from the point of view of ecology and safety of reagents), the need to maintain the optimal composition of the components in the gas mixture, the difficulty of implementing the required process conditions in large reactors, where uneven concentration of reagents by volume due to the production of reagents and the allocation of reaction products.
Из уровня техники известен способ по патенту RU 2100870, включающий размещение подложки в зоне конденсации паров карбида кремния и осаждение карбида кремния в плазме высокочастотного газового разряда двуокиси кремния, углеводородного соединения и паров воды с расходом по массе последних 10-30% от расхода углеводородного соединения. Способ позволяет повысить воспроизводимость состава пленки, а состав плазмы позволяет снизить влияние колебаний технологических параметров на состав формируемой пленки карбида кремния. Однако известная технология является дорогой и сложной в аппаратурном оформлении.The prior art method according to patent RU 2100870, comprising placing a substrate in a condensation zone of silicon carbide vapor and depositing silicon carbide in a plasma of a high-frequency gas discharge of silicon dioxide, a hydrocarbon compound and water vapor with a mass flow rate of the last 10-30% of the flow rate of the hydrocarbon compound. The method improves the reproducibility of the composition of the film, and the composition of the plasma reduces the influence of fluctuations in the technological parameters on the composition of the formed film of silicon carbide. However, the known technology is expensive and complicated in hardware design.
Из уровня техники известен способ получения пленки карбида кремния, включающий нагрев кремниевой подложки до 1173-1573К в атмосфере углеводорода С2Н2 (J.Vac.Sci. and Techn. 1970, 7, 490). Материал подложки, взаимодействуя с углеводородом, образует карбидную пленку.The prior art method for producing a silicon carbide film, comprising heating a silicon substrate to 1173-1573K in a C 2 H 2 hydrocarbon atmosphere (J. Vac. Sci. And Techn. 1970, 7, 490). The substrate material, interacting with a hydrocarbon, forms a carbide film.
Необходимо заметить, что способ не позволяет получить пленку равномерной толщины и плотности вследствие невозможности контроля диффузии углеводорода в слоях карбида кремния.It should be noted that the method does not allow to obtain a film of uniform thickness and density due to the impossibility of controlling the diffusion of hydrocarbon in the layers of silicon carbide.
Наиболее близким заявляемому решению является изобретение по патенту US 6773508, опубл. 08.10.2004, кл. С 30 В 25/04, С 30 В 25/02. Известный способ включает следующие стадии:The closest to the claimed solution is the invention according to patent US 6773508, publ. 10/08/2004, class C 30 V 25/04, C 30 V 25/02. The known method includes the following stages:
- Размещение подложки из кремния в реакционной камере.- Placing the silicon substrate in the reaction chamber.
- Пропускание через реакционную камеру потока газообразной смеси, содержащей водород и углеводород, при содержании последнего 1-5 об.%.- Passing through the reaction chamber a stream of a gaseous mixture containing hydrogen and hydrocarbon, with a content of the latter of 1-5 vol.%.
- Нагрев реакционной камеры до 1200-1405°С.- Heating the reaction chamber to 1200-1405 ° C.
- Разложение углеводорода с осаждением пироуглерода на подложку, сопровождающимся образованием пленки SiC.- Decomposition of a hydrocarbon with the deposition of pyrocarbon on a substrate, accompanied by the formation of a SiC film.
- Контроль за образованием монокристаллического SiC.- Control over the formation of single-crystal SiC.
- Удаление избытка пироуглерода окислением его кислородом (С+О2⇒СО2) в следующих условиях:- Removing excess pyrocarbon by oxidizing it with oxygen (C + O 2 ⇒CO 2 ) under the following conditions:
1. вытеснение водорода потоком аргона;1. displacement of hydrogen by a stream of argon;
2. охлаждение подложки с SiC до 550°С;2. cooling the substrate with SiC to 550 ° C;
3. обработка потоком смеси газов Ar+О2 (расход кислорода около 100 см3/мин, расход аргона около 1000 см3 /мин).3. treatment with a stream of a mixture of gases Ar + O 2 (oxygen flow rate of about 100 cm 3 / min, argon flow rate of about 1000 cm 3 / min).
Основным недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является его сложность. Действительно, образование пленки карбида кремния происходит за счет двух одновременно протекающих процессов: образования углерода на поверхности кремния (за счет разложения углеводорода) и взаимодействия углерода с кремнием. Это требует точного контроля многих параметров процесса одновременно, а именно: температуры, концентрации реагентов, времени их контакта с поверхностью подложки, времени пребывания реагентов в реакционной камере и др. Учет последнего обстоятельства важен, т.к. в условиях реализации способа процесс образования углерода происходит не только на поверхности подложки, но и на всех нагретых частях реакционной камеры. Это приводит к существенному изменению концентрации реагентов в системе. Кроме того, обязательное использование водорода в качестве реагента усложняет технологию.The main disadvantage of the method selected as a prototype is its complexity. Indeed, the formation of a silicon carbide film occurs due to two simultaneously proceeding processes: the formation of carbon on the silicon surface (due to the decomposition of the hydrocarbon) and the interaction of carbon with silicon. This requires accurate control of many process parameters at the same time, namely: temperature, reagent concentration, time of their contact with the substrate surface, residence time of the reagents in the reaction chamber, etc. Consideration of the latter circumstance is important, because under the conditions of the method, the process of carbon formation occurs not only on the surface of the substrate, but also on all heated parts of the reaction chamber. This leads to a significant change in the concentration of reagents in the system. In addition, the mandatory use of hydrogen as a reagent complicates the technology.
Заявляемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков и обеспечивает упрощение технологии изготовления изделия, содержащего пленку из карбида кремния на поверхности кремниевой подложки.The invention is aimed at eliminating these disadvantages and provides a simplification of the manufacturing technology of an article containing a silicon carbide film on the surface of a silicon substrate.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности, включающем синтез пленки карбида кремния на поверхности подложки путем совместного нагрева подложки и углеродсодержащего материала, в качестве углеродсодержащего материала используют твердый материал, который приводят в механический контакт с подложкой, а нагрев осуществляют при температуре 1100-1400°С.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing an article containing a silicon substrate with a silicon carbide film on its surface, comprising synthesizing a silicon carbide film on the surface of a substrate by co-heating the substrate and a carbon-containing material, a solid material is used as the carbon-containing material, which result in mechanical contact with the substrate, and heating is carried out at a temperature of 1100-1400 ° C.
При реализации способа в качестве углеродсодержащего материала предпочтительно использовать материал с содержанием углерода более 90 мас.%, а механический контакт осуществлять путем приложения давления более 1,5 Па. Выбор углеродсодержащих материалов с содержанием углерода более 90% является предпочтительным по двум причинам. Высокое содержание углерода позволяет интенсифицировать процесс формирования карбида кремния. Кроме того, высокое содержание углерода предопределяет низкое содержание в материале других элементов, которые могут загрязнять образующийся карбид кремния. Механический контакт кремниевой подложки и углеродсодержащего материала подразумевает, что в зоне контакта этих двух твердых тел существует механическое напряжение (взаимное механическое давление). Это давление предпочтительно должно быть не ниже 1,5 Па. В этом случае обеспечивается более плотное прилегание тел друг к другу, их взаимная фиксация, что предпочтительно.When implementing the method, it is preferable to use a material with a carbon content of more than 90 wt.% As a carbon-containing material, and to carry out mechanical contact by applying a pressure of more than 1.5 Pa. The choice of carbon-containing materials with a carbon content of more than 90% is preferred for two reasons. The high carbon content makes it possible to intensify the process of silicon carbide formation. In addition, the high carbon content determines the low content of other elements in the material that can contaminate the formed silicon carbide. The mechanical contact of the silicon substrate and the carbon-containing material implies that in the contact zone of these two solids there is mechanical stress (mutual mechanical pressure). This pressure should preferably be at least 1.5 Pa. In this case, a more snug fit of the bodies to each other, their mutual fixation, which is preferred.
Способ изготовления изделия может быть осуществлен таким образом, что механический контакт подложки и углеродсодержащего материала осуществляют только с частью поверхности подложки. В этом случае получают изделие, в котором только часть подложки имеет на своей поверхности пленку из карбида кремния.A method of manufacturing the product can be carried out in such a way that the mechanical contact of the substrate and the carbon-containing material is carried out only with part of the surface of the substrate. In this case, an article is obtained in which only part of the substrate has a silicon carbide film on its surface.
Для изготовления изделия в качестве углеродсодержащего материала могут быть использованы различные углеродные материалы, группа которых включает (но не ограничивается) такие материалы, как искусственный графит, стеклоуглерод, пирографит, графитовая фольга, углеситалл.For the manufacture of the product as a carbon-containing material can be used various carbon materials, the group of which includes (but is not limited to) such materials as artificial graphite, glassy carbon, pyrographite, graphite foil, carbon-metal.
В ряде случаев для изменения свойств получаемых изделий после нагрева осуществляют дополнительное травление и/или термообработку изделий. Такие операции предпочтительно осуществлять в следующих случаях. Термообработку в вакууме или среде инертного газа - для повышения степени структурной упорядоченности пленки. Термообработку в кислородсодержащей атмосфере и травление в кислотах - для очистки подложки от углеродных и других загрязнений, а также для создания на поверхности пленки оксифункциональных групп. Травление предпочтительно осуществлять в кислотах-окислителях, например таких как азотная, хлорная и другие кислоты, а также их смесях с другими реагентами. Термообработку можно осуществлять в вакууме или среде инертного газа при температуре 1100-1400°С или в кислородсодержащей среде при температуре 500-800°С. В качестве кислородсодержащей среды удобно использовать воздух.In some cases, to change the properties of the obtained products after heating, additional etching and / or heat treatment of the products is carried out. Such operations are preferably carried out in the following cases. Heat treatment in a vacuum or inert gas medium - to increase the degree of structural ordering of the film. Heat treatment in an oxygen-containing atmosphere and etching in acids - to clean the substrate from carbon and other contaminants, as well as to create oxyfunctional groups on the film surface. Etching is preferably carried out in acid oxidizing agents, such as for example nitric, perchloric and other acids, as well as mixtures thereof with other reagents. Heat treatment can be carried out in vacuum or inert gas at a temperature of 1100-1400 ° C or in an oxygen-containing medium at a temperature of 500-800 ° C. It is convenient to use air as an oxygen-containing medium.
Описание изобретения поясняется следующими чертежами:The description of the invention is illustrated by the following drawings:
Фиг.1. Электронограмма, полученная с поверхности образца, изготовленного по примеру 1.Figure 1. Electron diffraction pattern obtained from the surface of the sample made according to example 1.
Фиг.2. Рентгенограмма (Cu Кα), полученная с образца, изготовленного по примеру 2.Figure 2. X-ray diffraction pattern (Cu Kα) obtained from a sample made according to example 2.
Фиг.3. Электронограмма, полученная с поверхности образца, изготовленного по примеру 2.Figure 3. Electron diffraction pattern obtained from the surface of the sample made according to example 2.
Фиг.4. Электронограмма, полученная с поверхности образца, изготовленного по примеру 3.Figure 4. Electron diffraction pattern obtained from the surface of the sample made according to example 3.
Фиг.5. Распределение элементов по глубине изделия, полученное методом Оже-спектроскопии. (Надписи на осях: ось абсцисс - «глубина, нм»; ось ординат - «содержание элементов, ат.%». На кривых нанесены символы элементов.)Figure 5. The distribution of elements along the depth of the product obtained by Auger spectroscopy. (The inscriptions on the axes: the abscissa axis - “depth, nm”; the ordinate axis - “element content, at.%.” The symbols of the elements are plotted on the curves.)
Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.
Для реализации способа кремниевую подложку, представляющую собой, например, пластину монокристаллического кремния, вырезанную с учетом кристаллографической ориентации, приводят в механический контакт с углеродным материалом. В качестве углеродного материала могут быть использованы искусственные графиты, стеклоуглерод, пирографит, графитовая фольга и другие типы искусственных и природных материалов, содержание углерода в которых превышает предпочтительно 90 мас.%, а входящие дополнительно элементы и соединения не образуют нежелательных соединений с кремнием и карбидом кремния в условиях осуществления способа. Механический контакт между кремнием и углеродным материалом осуществляется, например, прижимом блока (пластины, диска и т.п.) из углеродного материала к полированной (шлифованной) поверхности кремниевой подложки. Причем поверхность блока, прилегающая к подложке, является плоской, что обеспечивает плотное прилегание поверхностей. Для частичного покрытия поверхности подложки пленкой из карбида кремния механический контакт осуществляют не по всей поверхности подложки. Тем самым обеспечивается возможность создавать требуемый «рисунок» пленки на поверхности подложки.To implement the method, a silicon substrate, which is, for example, a single-crystal silicon wafer cut taking into account the crystallographic orientation, is brought into mechanical contact with the carbon material. As the carbon material can be used artificial graphites, glassy carbon, pyrographite, graphite foil and other types of artificial and natural materials, the carbon content of which preferably exceeds 90 wt.%, And additional elements and compounds do not form undesirable compounds with silicon and silicon carbide under the conditions of the method. The mechanical contact between silicon and the carbon material is, for example, by pressing a block (plate, disk, etc.) of carbon material to the polished (ground) surface of the silicon substrate. Moreover, the surface of the block adjacent to the substrate is flat, which ensures a tight fit of the surfaces. To partially cover the surface of the substrate with a silicon carbide film, mechanical contact is not carried out over the entire surface of the substrate. This makes it possible to create the desired "pattern" of the film on the surface of the substrate.
Указанную сборку помещают в печь и нагревают в вакууме или инертном газе при температуре 1100-1400°С. В ходе обработки происходит взаимодействие кремния и углерода в зоне контакта кремниевой пластины и углеродного блока. Экспериментально установлено, что на поверхности кремниевой подложки в этих условиях происходит образование карбидокремниевой пленки. Структура пленки может быть различной. Это может быть островковая пленка или сплошная пленка различной толщины. Указанные особенности пленки определяются температурой и временем процесса.The specified assembly is placed in an oven and heated in vacuum or inert gas at a temperature of 1100-1400 ° C. During processing, silicon and carbon interact in the contact zone of the silicon wafer and the carbon block. It was experimentally established that, under these conditions, the formation of a silicon carbide film occurs on the surface of a silicon substrate. The structure of the film may be different. This can be an island film or a continuous film of various thicknesses. The specified features of the film are determined by the temperature and time of the process.
После окончания нагревания и охлаждения печи извлекают полученное изделие. В дальнейшем, при необходимости, кремниевая подложка со сформированной пленкой карбида кремния может быть подвергнута дополнительным операциям травления и термообработки. В зависимости от требуемого качества полученной пленки она может быть дополнительно обработана в жидких или газообразных травителях, например, на воздухе при 500-800°С для удаления нежелательных загрязнений, а также получения поверхностного оксида кремния на ней. В качестве жидких травителей могут быть использованы кислоты-окислители, например азотная, хлорная кислоты. Обработка при кипячении в этих кислотах позволяет очистить поверхности карбида кремния от технологических загрязнений. Возможно также и проведение дополнительной термообработки подложки с пленкой при температурах до 1400°С для воздействия на структурные особенности карбидокремниевой пленки.After heating and cooling the furnace, the resulting product is recovered. In the future, if necessary, the silicon substrate with the formed silicon carbide film can be subjected to additional etching and heat treatment operations. Depending on the required quality of the obtained film, it can be further processed in liquid or gaseous etchants, for example, in air at 500-800 ° C to remove unwanted contaminants, as well as to obtain surface silicon oxide on it. As liquid etchants, oxidizing acids, for example nitric and perchloric acids, can be used. Boiling in these acids makes it possible to clean the surfaces of silicon carbide from technological impurities. It is also possible to conduct additional heat treatment of the substrate with the film at temperatures up to 1400 ° C to affect the structural features of the silicon carbide film.
Следующие примеры характеризуют сущность изобретения.The following examples characterize the invention.
Пример 1. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 (кремний полупроводниковой квалификации, легированный бором) размером 15×15 мм с ориентацией поверхности (111). В качестве углеродного материала, служащего источником углерода для формирования пленки карбида кремния, используют графитовую фольгу марки «ГраФлекс» (НПО «Унихимтех»), изготовленную вальцеванием терморасширенного графита, с содержанием углерода 99%, толщиной 0,3 мм. Фольгу размером 15×15 мм прикладывают к поверхности кремниевой подложки и фиксируют нагруженном графитовым блоком (цилиндр диаметром 30 мм и высотой 20 мм) массой 25 г. За счет этого давление между подложкой и графитовой фольгой составляет 1,1 кПа. Сборку помещают в вакуумную печь и нагревают в вакууме (остаточное давление 10 Па) до температуры 1370±20°С. Выдерживают при указанной температуре 10 минут. После чего печь охлаждают. Сборку извлекают из печи и разбирают. На поверхности кремниевой подложки методом оптической микроскопии фиксируют образование пленки. Структура поверхности полученного образца исследована методом электронографии. На Фиг.1 показана электронограмма образца. Расшифровка электронограммы, приведенная в таблице, показывает, что на поверхности кремниевой подложки сформирована пленка карбида кремния. Из Фиг.1 видно, что пленка имеет заметную текстуру, т.е. предпочтительную ориентацию блоков - на это указывают яркие точки на электронограмме. Исследования на сканирующем микроскопе показывают, что пленка является сплошной. Толщина пленки около 0,3 мкм. Тем самым получено изделие, представляющее собой кремниевую пластину с пленкой карбида кремния на ее поверхности.Example 1. As a substrate, a KDB-10 brand single-crystal silicon wafer (semiconductor grade silicon doped with boron) with a size of 15 × 15 mm with a surface orientation of (111) is used. As a carbon material serving as a carbon source for the formation of a silicon carbide film, graphite foil of the GraFlex brand (NPO Unihimteh) made by rolling thermally expanded graphite with a carbon content of 99% and a thickness of 0.3 mm is used. A 15 × 15 mm foil is applied to the surface of the silicon substrate and fixed with a 25 g mass loaded with a graphite block (cylinder with a diameter of 30 mm and a height of 20 mm) of 25 g. Due to this, the pressure between the substrate and the graphite foil is 1.1 kPa. The assembly is placed in a vacuum oven and heated in vacuum (
Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1. Температура нагрева составляет 1150±20°С. После проведенных операций образец термообрабатывают на воздухе при температуре 650°С в течение 20 мин. На поверхности подложки из кремния микроскопически фиксируют образование островковой пленки. Размер островков 1-3 мкм. Структурные исследования, проведенные на электронографе, указывают на формирование пленки карбида кремния на поверхности кремниевой подложки (см. Фиг.3 и табл.). На Фиг.2 представлена рентгенограмма, полученная с поверхности образца. Видны рефлексы, определенные дифракцией рентгеновских лучей на кремнии и карбиде кремния. Тем самым подтверждено получение изделия, представляющего собой кремниевую пластину с пленой карбида кремния на ее поверхности.Example 2. The example is carried out analogously to example 1. The heating temperature is 1150 ± 20 ° C. After the operations, the sample is heat treated in air at a temperature of 650 ° C for 20 minutes. On the surface of the silicon substrate, the formation of an island film is microscopically recorded. The size of the islands is 1-3 microns. Structural studies carried out on an electron diffractograph indicate the formation of a silicon carbide film on the surface of a silicon substrate (see Figure 3 and table). Figure 2 presents the x-ray obtained from the surface of the sample. One can see reflections determined by x-ray diffraction on silicon and silicon carbide. This confirms the receipt of the product, which is a silicon wafer with a silicon carbide film on its surface.
Пример 3. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 размером 15×30 мм. В качестве углеродного материала, служащего источником углерода для получения пленки карбида кремния, используют искусственный графит марки МПГ-6 в виде цилиндрического блока диаметром 50 мм и толщиной 25 мм. Одна из плоскостей блока отшлифована (Rz=0.1 мкм). Блок совмещают отшлифованной поверхностью с пластиной кремния так, чтобы блок находился сверху пластины и прижимал ее, обеспечивая механический контакт. Полученную таким образом сборку помещают в печь и нагревают при температуре 1250±20°С в течение 10 мин. После охлаждения печи сборку разбирают и извлекают полученные образцы. Оптической микроскопией зафиксировано образование на поверхности кремниевой подложки сплошной пленки. Электронографические исследования указывают на формирование пленки карбида кремния (Фиг.4, таблица) на поверхности кремниевой подложки. При этом отмечена высокая степень кристаллографической упорядоченности структуры пленки - на электронограмме видны только точечные рефлексы.Example 3. As the substrate using a plate of single-crystal silicon grade KDB-10 with a size of 15 × 30 mm As a carbon material, which serves as a carbon source for producing a silicon carbide film, use MPG-6 artificial graphite in the form of a cylindrical block with a diameter of 50 mm and a thickness of 25 mm. One of the planes of the block is ground (Rz = 0.1 μm). The block is combined with a polished surface with a silicon wafer so that the block is on top of the wafer and presses it, providing mechanical contact. The assembly thus obtained is placed in an oven and heated at a temperature of 1250 ± 20 ° C for 10 minutes. After cooling the furnace, the assembly is disassembled and the samples obtained are recovered. Optical microscopy recorded the formation of a continuous film on the surface of a silicon substrate. Electron diffraction studies indicate the formation of a film of silicon carbide (Figure 4, table) on the surface of the silicon substrate. At the same time, a high degree of crystallographic ordering of the film structure was noted — only point reflections are visible in the electron diffraction pattern.
Пример 4. Пример осуществляют аналогично примеру 3. Отличие состоит в том, что подложку кремния фиксируют углеродным блоком таким образом, что только часть ее поверхности (примерно половина) имеет механический контакт с углеродным блоком (подложка выступает из-под блока). Микроскопические исследования указывают на формирование пленки карбида кремния на поверхности кремниевой подложки в зоне контакта ее с углеродным блоком. Остальная часть поверхности свободна от карбидной пленки.Example 4. The example is carried out analogously to example 3. The difference is that the silicon substrate is fixed with a carbon block so that only part of its surface (about half) has mechanical contact with the carbon block (the substrate protrudes from under the block). Microscopic studies indicate the formation of a silicon carbide film on the surface of a silicon substrate in the zone of its contact with the carbon block. The rest of the surface is free of carbide film.
Пример 5. Пример осуществляют аналогично примеру 1. Температура нагрева составляет 1250±20°С. После проведенных операций образец термообрабатывают в вакууме при температуре 1350±20°С в течение 10 мин. Исследования поверхности полученного изделия проведено методом Оже-спектроскопии. При этом получена зависимость распределения углерода и кремния по глубине изделия - Фиг.5. Видно, что на поверхности изделия (до глубины около 100 нм) содержания кремния и углерода равны между собой и равны 50 ат.%. Это соответствует составу карбида кремния - SiC.Example 5. The example is carried out analogously to example 1. The heating temperature is 1250 ± 20 ° C. After the operations performed, the sample is heat-treated in vacuum at a temperature of 1350 ± 20 ° C for 10 minutes. Research of the surface of the obtained product was carried out by Auger spectroscopy. In this case, the dependence of the distribution of carbon and silicon over the depth of the product is obtained - Figure 5. It can be seen that on the surface of the product (to a depth of about 100 nm), the silicon and carbon contents are equal to each other and equal to 50 at.%. This corresponds to the composition of silicon carbide - SiC.
На глубине более 1000 нм состав изделия соответствует чистому кремнию, т.е. составу исходной подложки.At a depth of more than 1000 nm, the composition of the product corresponds to pure silicon, i.e. composition of the original substrate.
Идентификация электронограмм образцов по примерам 1-3 (указаны межплоскостные расстояния d/n (нм), рассчитанные по углам дифракции электронов на электронографе)Table.
Identification of electron diffraction patterns of samples according to examples 1-3 (interplanar distances d / n (nm) calculated from the electron diffraction angles on an electron diffractometer are indicated)
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет изготавливать изделия, состоящие из кремниевой подложки и сформированной на ее поверхности пленки карбида кремния. Высокое структурное совершенство карбидных пленок указывает на возможность их использования для формирования на их поверхности различных типов полупроводников, таких, например, как нитрид галлия. В сравнении с известными способами предложенное техническое решение обеспечивает значительное упрощение технологии изготовления изделий. Кроме того, возможно формирование пленки из карбида кремния не на всей поверхности подложки, а только в определенных ее местах.Thus, the implementation of the proposed method allows to manufacture products consisting of a silicon substrate and a silicon carbide film formed on its surface. The high structural perfection of carbide films indicates the possibility of their use for the formation of various types of semiconductors on their surface, such as, for example, gallium nitride. In comparison with known methods, the proposed technical solution provides a significant simplification of the manufacturing technology of products. In addition, it is possible to form a film of silicon carbide not on the entire surface of the substrate, but only in certain places.
Claims (11)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005103321/28A RU2286616C2 (en) | 2005-02-10 | 2005-02-10 | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film |
PCT/RU2006/000067 WO2006085798A2 (en) | 2005-02-10 | 2006-02-10 | Method for manufacturing of article comprising silicon substrate with silicon carbide film on its surface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005103321/28A RU2286616C2 (en) | 2005-02-10 | 2005-02-10 | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005103321A RU2005103321A (en) | 2006-07-20 |
RU2286616C2 true RU2286616C2 (en) | 2006-10-27 |
Family
ID=36793460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005103321/28A RU2286616C2 (en) | 2005-02-10 | 2005-02-10 | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2286616C2 (en) |
WO (1) | WO2006085798A2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2520480C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of obtaining silicon carbide layers |
RU2540668C1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Инситут физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method for preparing silicone carbide plates |
RU2578104C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-03-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Method for gas-phase carbidisation of surface of monocrystalline silicon of orientation (111), (100) |
RU2714783C2 (en) * | 2019-05-29 | 2020-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "БетаВольтаика" | Method of forming semiconductor structures for converting the radio-chemical decay of c-14 into electric energy |
RU2715472C1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Новые технологии" | Article containing a silicon base and a coating layer in the form of a nanofilm of carbon with a diamond-type crystal lattice, and a method of making said article |
RU2727557C1 (en) * | 2019-12-17 | 2020-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Новые технологии" | Manufacturing method of functional element of semiconductor device |
RU2816687C1 (en) * | 2023-07-07 | 2024-04-03 | Сергей Арсеньевич Кукушкин | Silicon carbide film functional element of device and method of its manufacturing |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000226299A (en) * | 1999-02-04 | 2000-08-15 | Denso Corp | Production of single crystal silicon carbide thin film and single crystal silicon carbide thin film |
JP2002363751A (en) * | 2001-06-06 | 2002-12-18 | Osaka Prefecture | Method and device for producing single crystal silicon carbide thin film |
-
2005
- 2005-02-10 RU RU2005103321/28A patent/RU2286616C2/en active
-
2006
- 2006-02-10 WO PCT/RU2006/000067 patent/WO2006085798A2/en active Application Filing
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2520480C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of obtaining silicon carbide layers |
RU2540668C1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Инситут физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method for preparing silicone carbide plates |
RU2578104C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-03-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Method for gas-phase carbidisation of surface of monocrystalline silicon of orientation (111), (100) |
RU2714783C2 (en) * | 2019-05-29 | 2020-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "БетаВольтаика" | Method of forming semiconductor structures for converting the radio-chemical decay of c-14 into electric energy |
RU2715472C1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Новые технологии" | Article containing a silicon base and a coating layer in the form of a nanofilm of carbon with a diamond-type crystal lattice, and a method of making said article |
WO2020251398A1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | СВЯТЕЦ, Генадий Викторович | Functional element for a semiconductor device and method for manufacturing same |
RU2727557C1 (en) * | 2019-12-17 | 2020-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Новые технологии" | Manufacturing method of functional element of semiconductor device |
RU2816687C1 (en) * | 2023-07-07 | 2024-04-03 | Сергей Арсеньевич Кукушкин | Silicon carbide film functional element of device and method of its manufacturing |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2006085798A2 (en) | 2006-08-17 |
RU2005103321A (en) | 2006-07-20 |
WO2006085798A3 (en) | 2006-12-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2520691B1 (en) | Tantalum carbide-coated carbon material and manufacturing method for same | |
JP3545459B2 (en) | Method of making crystalline silicon carbide coating at low temperature | |
US5993770A (en) | Silicon carbide fabrication | |
RU2286616C2 (en) | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film | |
JP3779314B1 (en) | Tantalum carbide-coated carbon material and method for producing the same | |
US6893749B2 (en) | SiC-formed material | |
RU2363067C1 (en) | Method for manufacture of product containing siliceous substrate with silicon carbide film on its surface | |
US11680333B2 (en) | Defect engineered high quality multilayer epitaxial graphene growth with thickness controllability | |
JPH11199323A (en) | Dummy wafer | |
Xu et al. | Morphology and growth mechanism of silicon carbide chemical vapor deposited at low temperatures and normal atmosphere | |
KR20220149760A (en) | Chemical vapor deposition silicon carbide bulk with enhanced etching properties | |
RU2684128C1 (en) | Article with silicon carbide coating and method for manufacturing of article with silicon carbide coating | |
JPH0127568B2 (en) | ||
Sakaguchi et al. | Suppression of surface cracks on (111) homoepitaxial diamond through impurity limitation by oxygen addition | |
Badzian | Defect structure of synthetic diamond and related phases | |
JPS61236604A (en) | Synthesizing method for beta-si3n4 | |
RU2352019C1 (en) | Method of product manufacture containing silicon substrate with film from carbide of silicon on its surface | |
RU2286617C2 (en) | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film | |
CN112979318B (en) | Method for improving growth rate of silicon carbide ceramic by using boron nitride | |
JP3657036B2 (en) | Silicon carbide thin film and method for manufacturing silicon carbide thin film laminated substrate | |
JPH06305885A (en) | Improved growing method for continuous thin diamond film | |
Kamimura et al. | Preparation and properties of boron thin films | |
KR940005278B1 (en) | Membrane for x-ray mask and menufacturing method thereof | |
JP4309509B2 (en) | Method for producing crucible for single crystal growth comprising pyrolytic graphite | |
Locher et al. | Lift-off technique of homoepitaxial CVD diamond films by deep implantation and selective etching |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20081113 |