RU2286617C2 - 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
- RU2286617C2 RU2286617C2 RU2005103322/28A RU2005103322A RU2286617C2 RU 2286617 C2 RU2286617 C2 RU 2286617C2 RU 2005103322/28 A RU2005103322/28 A RU 2005103322/28A RU 2005103322 A RU2005103322 A RU 2005103322A RU 2286617 C2 RU2286617 C2 RU 2286617C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- silicon carbide
- substrate
- obtaining
- carried out
- Prior art date
Links
Images
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) [US 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) [US 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 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 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, the 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 температуре 1700-1800 К при нормальном давлении на подложке α-SiC (обычно 6H-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 a temperature of 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, which affects 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 (C+O2⇒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 см /мин).3. Ar + O 2 gas mixture flow treatment (oxygen consumption about 100 cm 3 / min, argon consumption about 1000 cm / 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 с использованием углерода, осаждаемого из углеродсодержащего материала на поверхность подложки при нагревании, углерод на поверхности подложки осаждают в условиях, не обеспечивающих образование карбида кремния, после чего создают условия для синтеза карбида кремния.The technical result is achieved by the fact that in a method for 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 using carbon deposited from a carbon-containing material on the surface of the substrate when heated, carbon is deposited on the surface of the substrate under conditions that do not provide the formation of silicon carbide, and then create the conditions for the synthesis of silicon carbide.
Под углеродсодержащим материалом в данном решении подразумевается соединение, которое находится в различных фазовых состояниях - в виде газа, жидкости, твердого тела. Природа и фазовое состояние углеродсодержащего материала являются основными факторами, от которых зависят конкретные операции заявляемого способа и условия их осуществления.By carbon-containing material in this solution is meant a compound that is in various phase states - in the form of a gas, liquid, solid. The nature and phase state of the carbon-containing material are the main factors on which the specific operations of the proposed method and the conditions for their implementation depend.
Описание изобретения поясняется следующими фигурами:The description of the invention is illustrated by the following figures:
Фиг.1 Данные рентгеноструктурного анализа порошка кремния с пироуглеродом, синтезированным на поверхности частиц порошка при 1000°С.Figure 1 Data of x-ray diffraction analysis of silicon powder with pyrocarbon synthesized on the surface of the powder particles at 1000 ° C.
Фиг.2. Электронно-микроскопическая фотография поверхности изделия по примеру 1.Figure 2. Electron microscopic photograph of the surface of the product according to example 1.
Фиг.3. Рентгенограмма (Cu Кα), полученная с образца, изготовленного по примеру 1.Figure 3. X-ray diffraction pattern (Cu Kα) obtained from a sample made according to example 1.
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. Электронограмма, полученная с поверхности образца, изготовленного по примеру 4.Figure 5. Electron diffraction pattern obtained from the surface of the sample made according to example 4.
Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.
Для реализации способа используют кремниевую подложку, представляющую собой, например, пластину монокристаллического кремния, вырезанную с учетом кристаллографической ориентации.To implement the method, a silicon substrate is used, which is, for example, a single-crystal silicon wafer cut taking into account the crystallographic orientation.
На первой стадии реализации способа на кремниевой подложке формируют слой углеродного материала. Это может быть осуществлено различными приемами:In the first stage of the method, a layer of carbon material is formed on a silicon substrate. This can be done in various ways:
1. Обработкой подложки в среде газообразных углеводородов (среда углеводородов - углеродсодержащий материал) при температуре, превышающей температуру их термического разложения. В качестве углеводородов, например, могут быть использованы метан, пропан, бензол и другие, а также их смеси, в том числе и технические смеси, такие как пропан/бутан или природный газ. В ходе такой обработки происходит разложение углеводородов на поверхности подложки и образование слоя углерода (пироуглерода). Толщина получаемого слоя регулируется температурой (как правило, не превышающей 1000°С) и временем синтеза, что позволяет синтезировать слои углерода требуемой толщины. Экспериментами, проведенными на порошках кремния (для повышения чувствительности структурных методов исследования), было установлено, что в полученных продуктах не фиксируется присутствие карбида кремния, т.е. при этих условиях не происходит химического взаимодействия кремния и углерода. (На Фиг.1 представлены данные рентгеноструктурного анализа порошка кремния с пироуглеродом, осажденным на поверхности частиц порошка при 1000°С. Видно, что при этих условиях продукт содержит только кремний и углерод. Образования карбида кремния в условиях осаждения пироуглерода не происходит). Таким образом, полученный по предлагаемому способу полуфабрикат представляет собой кремниевую подложку со слоем углерода на ее поверхности. Заметим, что осаждение прироуглерода предпочтительно осуществлять при температурах 750-1000°С. При более низких температурах за счет низкой скорости формирования пироуглерода на поверхности кремниевой подложки увеличивается время проведения процесса. При температурах выше 1000°С усложняется оборудование для синтеза пироуглерода, что менее предпочтительно.1. Processing the substrate in a gaseous hydrocarbon medium (hydrocarbon medium is a carbon-containing material) at a temperature exceeding the temperature of their thermal decomposition. As hydrocarbons, for example, methane, propane, benzene and others, as well as mixtures thereof, including technical mixtures such as propane / butane or natural gas, can be used. During this treatment, the decomposition of hydrocarbons on the surface of the substrate and the formation of a layer of carbon (pyrocarbon) occur. The thickness of the resulting layer is controlled by the temperature (usually not exceeding 1000 ° C) and the synthesis time, which allows you to synthesize carbon layers of the required thickness. Experiments conducted on silicon powders (to increase the sensitivity of structural research methods), it was found that the presence of silicon carbide is not recorded in the obtained products, i.e. under these conditions, there is no chemical interaction of silicon and carbon. (Figure 1 presents the data of X-ray diffraction analysis of silicon powder with pyrocarbon deposited on the surface of the powder particles at 1000 ° C. It can be seen that under these conditions the product contains only silicon and carbon. The formation of silicon carbide under the conditions of pyrocarbon deposition does not occur). Thus, the semi-finished product obtained by the proposed method is a silicon substrate with a carbon layer on its surface. Note that the pre-carbon deposition is preferably carried out at temperatures of 750-1000 ° C. At lower temperatures, due to the low rate of formation of pyrocarbon on the surface of the silicon substrate, the process time increases. At temperatures above 1000 ° C, pyrocarbon synthesis equipment is becoming more complicated, which is less preferred.
Следующей стадией по данному варианту изобретения является нагрев полуфабриката. Его помещают в печь и нагревают в вакууме или инертном газа при температуре 1100-1400°С. В ходе такой обработки происходит взаимодействие кремния и углерода в зоне контакта кремниевой пластины и углеродного слоя. Выполненными экспериментами авторами установлено, что в этих условиях на поверхности кремниевой подложки происходит образование карбидокремниевой пленки. Повышение температуры интенсифицирует процесс образования карбидокремниевой пленки.The next step in this embodiment of the invention is the heating of the semi-finished product. It is placed in an oven and heated in a vacuum or inert gas at a temperature of 1100-1400 ° C. During this treatment, silicon and carbon interact in the contact zone of the silicon wafer and the carbon layer. The experiments performed by the authors established that under these conditions, the formation of a silicon carbide film occurs on the surface of the silicon substrate. An increase in temperature intensifies the process of formation of a silicon carbide film.
После окончания термообработки и охлаждения 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 обработана в жидких или газообразных травителях, например, на воздухе при 500-800°С для удаления остатков непрореагировавшего с кремнием углерода или для получения поверхностного оксида кремния на ней. Возможно и проведение дополнительной термообработки подложки с пленкой при температурах до 1400°С для воздействия на структурные особенности карбидокремниевой пленки.After completion of the heat treatment and cooling, 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 processed in liquid or gaseous etchants, for example, in air at 500-800 ° C to remove residual carbon unreacted with silicon or to obtain surface silicon oxide on it. 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.
2. Распылением углеродных материалов при высоких температурах (например, 2500-3000°С) в вакууме или в инертном газе путем косвенного (мощные источники тепла) или прямого (электрическая дуга) нагрева углеродного материала, сопровождающимся конденсацией углеродных атомов и кластеров из газовой фазы на подложке. Кремниевая подложка в этом случае располагается в потоке распыляемого углерода и, как правило, охлаждается. Толщины углеродного слоя варьируются временем, интенсивностью потока углеродных кластеров и расположением подложки в установке. Полученный полуфабрикат затем проходит последующие стадии метода, аналогичные раскрытым выше в первом варианте.2. Spraying carbon materials at high temperatures (for example, 2500-3000 ° C) in vacuum or in an inert gas by indirect (powerful heat sources) or direct (electric arc) heating of the carbon material, accompanied by condensation of carbon atoms and clusters from the gas phase to the substrate. The silicon substrate in this case is located in the stream of atomized carbon and, as a rule, is cooled. The thickness of the carbon layer varies with time, the intensity of the flow of carbon clusters and the location of the substrate in the installation. The resulting semi-finished product then goes through the subsequent stages of the method, similar to those described above in the first embodiment.
3. Обработкой кремниевой подложки растворами органических смол (углеродсодержащий материал), таких как, например, фенолформальдегидные или фурфурольные, их последующее отверждение и образование на подложке слоя смолы. Последующая термообработка смолы при повышении температуры приводит к ее карбонизации, т.е. преобразованию в углерод. Тем самым получают полуфабрикат, аналогичный получаемым по вариантам 1 и 2. Заметим, что термообработка для карбонизации смолы может быть проведена как отдельная стадия или совмещена с нагревом, в ходе которого получают карбид кремния.3. Processing the silicon substrate with solutions of organic resins (carbon-containing material), such as, for example, phenol formaldehyde or furfural, their subsequent curing and the formation of a resin layer on the substrate. Subsequent heat treatment of the resin with increasing temperature leads to its carbonization, i.e. conversion to carbon. Thus, a semi-finished product is obtained, similar to that obtained according to options 1 and 2. Note that the heat treatment for carbonization of the resin can be carried out as a separate stage or combined with heating, during which silicon carbide is obtained.
Следует заметить, что предлагаемый способ принципиально отличается от известного технического решения. В предлагаемом способе углеродный слой наносится на поверхность подложки в условиях, когда не происходит образования карбида кремния. Только последующий нагрев полученного полуфабриката активирует процесс образования карбида кремния на поверхности подложки. Тогда как в известном техническом решении образование углерода на поверхности подложки и формирование карбидокремниевой пленки происходит одновременно. Указанное различие позволяет более контролируемо осуществлять процесс получения изделия, а именно точно контролировать толщину слоя углерода на поверхности подложки, а следовательно, количество углерода, внесенного в зону последующего процесса образования карбида кремния. Это позволяет избежать недостатков известного способа, которые были отмечены нами выше.It should be noted that the proposed method is fundamentally different from the known technical solution. In the proposed method, the carbon layer is deposited on the surface of the substrate under conditions when silicon carbide does not form. Only subsequent heating of the resulting semi-finished product activates the process of silicon carbide formation on the surface of the substrate. Whereas in the known technical solution, the formation of carbon on the surface of the substrate and the formation of silicon carbide film occurs simultaneously. This difference allows a more controlled implementation of the product manufacturing process, namely, precisely controlling the thickness of the carbon layer on the surface of the substrate, and therefore, the amount of carbon introduced into the zone of the subsequent process of silicon carbide formation. This avoids the disadvantages of the known method, which were noted by us above.
В ряде случаев для улучшения 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 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 improve 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 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.
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). Пластину помещают в кварцевый проточный реактор и нагревают в токе природного газа до температуры 880°С. Обрабатывают при этой температуре 5 часов. В этих условиях происходит термическое разложение углеводородов, входящих в состав природного газа, и на поверхности подложки осаждается слой пироуглерода. После остывания реактора извлекают полученный полуфабрикат. Полуфабрикат 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. Образец извлекают из печи и термообрабатывают на воздухе при температуре 650°С 2 часа. После этого на поверхности кремниевой подложки методом электронной микроскопии фиксируют образование пленки (Фиг.2. На поверхности изделия искусственно сделан дефект для наблюдения особенностей пленки). Пленка является сплошной. Толщина пленки около 1 мкм. Выполненные рентгеноструктурные исследования (Фиг.3) показывают, что полученная пленка представляет собой карбид кремния. Проведенные исследования указывают на получение изделия, которое может быть использовано для дальнейшего роста на нем пленок полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия, легированный карбид кремния и др.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. The plate is placed in a quartz flow reactor and heated in a stream of natural gas to a temperature of 880 ° C. Processed at this temperature for 5 hours. Under these conditions, thermal decomposition of the hydrocarbons that make up the natural gas occurs, and a layer of pyrocarbon is deposited on the surface of the substrate. After cooling of the reactor, the resulting semi-finished product is recovered. The semi-finished product is placed in a vacuum oven and heated in vacuo (residual pressure 10 Pa) to a temperature of 1370 ± 20 ° C. It is kept at the indicated temperature for 10 minutes. After which the furnace is cooled. The sample is removed from the furnace and heat treated in air at a temperature of 650 ° C for 2 hours. After that, the formation of a film is recorded on the surface of the silicon substrate by electron microscopy (Figure 2. A defect is artificially made on the surface of the product to observe the film's features). The film is continuous. The film thickness is about 1 micron. Performed x-ray diffraction studies (Figure 3) show that the resulting film is a silicon carbide. The studies indicate that the product can be used to further grow films of semiconductor materials on it, such as gallium nitride, doped silicon carbide, etc.
Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1. Температура нагрева составляет 1150±20°С. На поверхности пластины кремния микроскопически фиксируют образование островковой пленки. Размер островков 1-10 мкм. Структурные исследования, проведенные на электронографе (табл.), указывают на формирование карбида кремния на поверхности кремниевой подложки.Example 2. The example is carried out analogously to example 1. The heating temperature is 1150 ± 20 ° C. On the surface of the silicon wafer, the formation of an island film is microscopically recorded. The size of the islands is 1-10 microns. Structural studies carried out on an electron diffractometer (table) indicate the formation of silicon carbide on the surface of a silicon substrate.
Пример 3. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 размером 15×15 мм. Пластину помещают в вакуумную установку напыления углеродных пленок распылением углеродных электродов и напыляют слой углерода 3 мкм. Контроль ведется по времени и тестируется интеренференционным микроскопом. После этого извлекают полученный полуфабрикат. Его помещают в печь и нагревают при температуре 1300±20°С в течение 10 мин. После чего печь охлаждают. Образец извлекают из печи и нагревают на воздухе при температуре 650°С 2 часа. После этого фиксируют образование на поверхности кремниевой подложки сплошной пленки. Структурные исследования, выполненные на электронографе (Фиг.4 и табл.), указывают на формирование пленки карбида кремния на поверхности кремниевой подложки.Example 3. As the substrate using a plate of single-crystal silicon grade KDB-10 with a size of 15 × 15 mm The plate is placed in a vacuum carbon film spraying machine by spraying carbon electrodes and a 3 micron carbon layer is sprayed. Monitoring is carried out over time and is tested by an interference microscope. After that, the resulting semi-finished product is recovered. It is placed in an oven and heated at a temperature of 1300 ± 20 ° C for 10 minutes. After which the furnace is cooled. The sample is removed from the furnace and heated in air at a temperature of 650 ° C for 2 hours. After that, the formation of a continuous film on the surface of the silicon substrate is fixed. Structural studies performed on an electron diffractometer (Figure 4 and table) indicate the formation of a silicon carbide film on the surface of a silicon substrate.
Пример 4. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 размером 15×15 мм с ориентацией поверхности (111). Пластину смачивают 25%-ным спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, содержащим 7% уротропина от массы смолы. Пластину высушивают на воздухе, а затем отверждают при 160°С. После этого полученный полуфабрикат помещают в печь и нагревают сначала до температуры 900°С для карбонизации смолы, а затем до температуры 1300±20°С и выдерживают в течение 10 мин. После чего печь охлаждают. Образец извлекают из печи и термообрабатывают на воздухе при температуре 650°С 2 часа. После этого микроскопически фиксируют образование пленки на поверхности кремниевой подложки. Электронографические исследования (Фиг.5 и табл.) указывают на формирование пленки SiC на поверхности кремниевой подложки. Тем самым получено изделие, содержащее кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния.Example 4. As the substrate using a plate of monocrystalline silicon brand KDB-10 with a size of 15 × 15 mm with a surface orientation of (111). The plate is wetted with a 25% alcohol solution of phenol-formaldehyde resin containing 7% urotropine by weight of the resin. The plate is dried in air and then cured at 160 ° C. After that, the resulting semi-finished product is placed in an oven and heated first to a temperature of 900 ° C to carbonize the resin, and then to a temperature of 1300 ± 20 ° C and held for 10 minutes. After which the furnace is cooled. The sample is removed from the furnace and heat treated in air at a temperature of 650 ° C for 2 hours. After that, the formation of a film on the surface of the silicon substrate is microscopically recorded. Electron diffraction studies (Figure 5 and table.) Indicate the formation of a SiC film on the surface of a silicon substrate. Thereby, an article is obtained containing a silicon substrate with a silicon carbide film.
Идентификация электронограмм образцов по примерам 2-4 (указаны межплоскостные расстояния d/n (нм), рассчитанные по углам дифракции электронов на электронографе)Table.
Identification of electron diffraction patterns of samples according to examples 2-4 (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. Упорядоченная структура 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 и устройств для его осуществления.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 ordered structure 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 and devices for its implementation.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005103322/28A RU2286617C2 (en) | 2005-02-10 | 2005-02-10 | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005103322/28A RU2286617C2 (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 |
|---|---|
| RU2005103322A RU2005103322A (en) | 2006-07-20 |
| RU2286617C2 true RU2286617C2 (en) | 2006-10-27 |
Family
ID=37028371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005103322/28A RU2286617C2 (en) | 2005-02-10 | 2005-02-10 | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2286617C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2538358C1 (en) * | 2013-06-19 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | METHOD FOR MICROWAVE PLASMA FORMATION OF CUBIC SILICON CARBIDE FILMS ON SILICON (3C-SiC) |
-
2005
- 2005-02-10 RU RU2005103322/28A patent/RU2286617C2/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2538358C1 (en) * | 2013-06-19 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | METHOD FOR MICROWAVE PLASMA FORMATION OF CUBIC SILICON CARBIDE FILMS ON SILICON (3C-SiC) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005103322A (en) | 2006-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0639661B1 (en) | Method of forming crystalline silicon carbide coatings at low temperatures | |
| JPWO2006085635A1 (en) | Tantalum carbide-coated carbon material and method for producing the same | |
| JP3779314B1 (en) | Tantalum carbide-coated carbon material and method for producing the same | |
| US11680333B2 (en) | Defect engineered high quality multilayer epitaxial graphene growth with thickness controllability | |
| RU2286616C2 (en) | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film | |
| KR100603697B1 (en) | Silicon carbide-coated carbonaceous material | |
| US6893749B2 (en) | SiC-formed material | |
| WO1994006599A1 (en) | Composite fibers having a diamond surface | |
| RU2363067C1 (en) | Method for manufacture of product containing siliceous substrate with silicon carbide film on its surface | |
| TW201723219A (en) | Metal free graphene synthesis on insulating or semiconducting substrates | |
| 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 | |
| RU2286617C2 (en) | Method for producing part incorporating silicon substrate whose surface is covered with silicon carbide film | |
| Sakaguchi et al. | Suppression of surface cracks on (111) homoepitaxial diamond through impurity limitation by oxygen addition | |
| CN112979318B (en) | Method for improving growth rate of silicon carbide ceramic by using boron nitride | |
| RU2352019C1 (en) | Method of product manufacture containing silicon substrate with film from carbide of silicon on its surface | |
| Jou et al. | Silicon carbide films from polycarbosilane and their usage as buffer layers for diamond deposition | |
| Kobayashi et al. | Catalyst effect for diamond nucleation in the low pressure process | |
| JP3857446B2 (en) | SiC molded body | |
| Kotaki et al. | Deposition of diamond from a plasma jet with dichlorobenzene as carbon source | |
| TWI811880B (en) | Refractory carbide layer | |
| JPH01145312A (en) | Production of carbon material having small amount of out gas and carbon structural material using said carbon material obtained by said production | |
| KR101151299B1 (en) | Synthesis of SiC powder with carbon deposition on the silicon powder | |
| US20220220635A1 (en) | Silicon carbide coated base substrates, silicon carbide substrates thereof, and methods thereof | |
| Liang et al. | The structural evolution of nanocrystalline diamond films synthesized by rf PECVD |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20081113 |