WO2014126500A1 - Изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности - Google Patents

Изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности Download PDF

Info

Publication number
WO2014126500A1
WO2014126500A1 PCT/RU2013/000240 RU2013000240W WO2014126500A1 WO 2014126500 A1 WO2014126500 A1 WO 2014126500A1 RU 2013000240 W RU2013000240 W RU 2013000240W WO 2014126500 A1 WO2014126500 A1 WO 2014126500A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silicon
gas
reactor
silicon carbide
substrates
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000240
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Германович ЖУКОВ
Сергей Арсеньевич КУКУШКИН
Андрей Витальевич ЛУКЬЯНОВ
Андрей Викторович ОСИПОВ
Николай Александрович ФЕОКТИСТОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии"
Publication of WO2014126500A1 publication Critical patent/WO2014126500A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02529—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02614—Transformation of metal, e.g. oxidation, nitridation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Definitions

  • a group of inventions is claimed — a method and a reactor for implementing a method that relates to a technology for producing a new class of semiconductor materials and semiconductor nanomaterials that can be used to create new-generation semiconductor and nano-semiconductor devices.
  • thin films of silicon carbide and films of silicon nano-carbide on various substrates can be used.
  • silicon substrates are of interest.
  • Patent RU 2162117 discloses a method for epitaxial growing of silicon carbide.
  • silicon carbide is deposited on silicon by chemical vapor deposition on the growth surface of the substrate.
  • a predetermined proportion of gaseous reactants containing silicon (SiH 4 or S1H2CI2) and carbon (C 3 H 8 or C 2 H 4 mixed with argon, hydrogen or helium) is fed into the reactor chamber with at least one substrate installed in it; heat the chamber walls to a temperature within the range of 1800 - 2500 ° C and heat the substrates, moreover, the reagent containing silicon and the reagent containing carbon are fed into the chamber separately and mixed directly in the region of the growth surface of the substrate.
  • the disadvantage of these methods is the complexity of the production technology, namely, the need to maintain the optimal composition of the components in the gas mixture, the complexity of the implementation of the required process conditions in large reactors, which affects the uneven concentration of the reactants in volume due to the production of reactants due to their thermal decomposition and deposition on the walls gas transfer process. This does not allow to process a large number of substrates in one technological cycle.
  • the patent RU 2162117 described above also discloses the design of a reactor implementing the method.
  • the reactor for epitaxial growth of single-crystal silicon carbide by chemical vapor deposition on the growth surface of the substrate contains a chamber with one or two diametrically located substrates installed in it, has channels for separately supplying to the chamber a reagent containing silicon and a reagent containing carbon and a means heating the walls of the chamber, allowing to maintain the temperature of the walls of the chamber within 1800 - 2500 ° C.
  • the inner surface of the reactor chamber is made of a solid solution of tantalum carbide and silicon in tantalum. Space between the housing and the outer walls of the chamber are filled with a porous graphite heat insulator.
  • the substrates are mounted on graphite pedestals, which are coaxially mounted on the drive shafts.
  • the shafts are connected to mechanisms providing the substrates with rotational and translational movements along their axes.
  • the disadvantage of this device is the complexity of its design and low productivity, because at the same time, films can be grown on one or only two substrates, high synthesis temperatures, over 1700 ° C.
  • the Method for producing a silicon carbide film described in patent RU 2363067 is selected.
  • the method consists in heating a substrate and synthesizing a film on the surface of a silicon substrate in a gas medium containing carbon compounds; oxide or dioxide is used as the gas medium carbon or a mixture of carbon monoxide or inert gas and / or nitrogen at a pressure of 20-600 Pa, and the silicon substrate is heated to a temperature of 950-1400 ° C. It is possible to use only carbon monoxide CO or only carbon dioxide CO 2 .
  • the disadvantages of this method include the presence of defects such as etching pits and insufficient crystallographic perfection of the obtained SiC layers.
  • the main disadvantage of the prototype reactor is the design complexity, the presence of rotating elements that operate at elevated temperatures and low pressures, which makes special demands on the sealing nodes.
  • the operation of the reactor is based on the principle of deposition from the gas phase, and, therefore, the disadvantages described above are inherent in the method used during operation of the reactor — the low quality of the films.
  • the invention is aimed at eliminating these disadvantages, and improving the quality of the film of silicon carbide, a significant increase in productivity and simplification of the manufacturing technology of the product containing the film of silicon carbide on the surface of the silicon substrate.
  • the claimed technical result is the manufacture in one technological cycle of a large number of products containing a silicon substrate with an epitaxial silicon carbide film with high crystallographic perfection without defects such as etching pits.
  • the complex task is solved by changing the technology of film formation and the corresponding change in the design of the reactor.
  • the inventive method of manufacturing products containing a silicon substrate with a silicon carbide film on its surface is characterized in that it is carried out in a gas-permeable chamber placed in a reactor into which a mixture of gases including carbon monoxide and silicon-containing gas is supplied, while the pressure in the reactor 20- 600 Pa, temperature 950-1400 ° ⁇ .
  • the substrates are arranged in a gas-permeable chamber parallel to each other to a friend (on the edge) at a distance of 1-10 mm, and a silicon carbide film is formed by the chemical reaction of the surface layers of silicon of the substrate with carbon monoxide.
  • the gas-permeable chamber serves as a barrier to the passage of molecules of silicon-containing gas, but passes the products of its thermal decomposition.
  • silane (SiH 4 ), or disilane (Si 2 H 6 ) or trichlorosilane (S1HCI3), or a silane-argon gas mixture in which argon is a carrier gas can be used.
  • the inventive reactor for the manufacture of products containing a silicon substrate with a silicon carbide film on its surface has a body with an internal volume heated to 950-1400 ° C, and is equipped with a pipe for supplying a gas mixture including carbon monoxide and silicon-containing gas, and a pipe for outputting gaseous reaction products .
  • a gas-permeable chamber is located inside the casing, which serves as a barrier for the passage of silicon-containing gas molecules, with a substrate holder located in it, made possible to install silicon wafer plates in parallel (on the edge). It is preferable to use a gas-permeable chamber, the walls of which are made of porous graphite.
  • the ratio of wall thickness and porosity of the gas-permeable chamber is chosen from the condition of ensuring structural strength, as well as from the condition of creating the necessary developed contact surface that provides thermal decomposition of silane, or other silicon-containing gas, when it passes, more precisely, products of its thermal decomposition, through the chamber walls at a given temperature and pressure in the internal volume of the reactor.
  • FIG. 1 diagram of the inventive reactor used for the manufacture of samples according to the Examples described below.
  • Figure 2 - image of the surface of the sample product (size 20x20 ⁇ m) made according to Example 1 (with the addition of silane in the gas mixture) obtained by a scanning probe microscope.
  • Fig.Z image of the surface of the sample (size 20x20 ⁇ m), manufactured under conditions similar to Example 1, but without the addition of silane, obtained by a scanning probe microscope.
  • Figure 4 - X-ray diffraction pattern for a silicon carbide sample on a silicon substrate made according to Example 1 (with the addition of silane in the gas mixture): a) the dependence recorded in the ⁇ -2 ⁇ mode, the half-width of the x-ray curve is 0.14 °.
  • the half-width of the x-ray curve is 0.6 °.
  • Figure 5 - X-ray diffraction pattern for a sample of silicon carbide on a silicon substrate, manufactured under conditions similar to Example 1, but without the addition of silane.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the inventive reactor, where the following notation is introduced: 1- reactor wall, 2- supply pipe gas mixture, including carbon monoxide and silicon-containing gas, 3 - outlet pipe for the gaseous reaction products, 4 - walls of the gas-permeable chamber, 5 - parallel-mounted silicon wafers, 6 - cover of the gas-permeable chamber.
  • silicon substrates which are single-crystal silicon wafers cut taking into account the crystallographic orientation, are placed in the internal volume of the reactor in a special cassette, which is a gas-permeable chamber made of graphite. Silicon substrates are installed parallel to each other with a gap of 1-10 mm and heated in vacuum at a residual gas pressure of 10 " -10 " Pa to a temperature of 500-800 ° C. Then, carbon monoxide CO and a silicon-containing gas (silane) or its mixture with an inert gas are pumped through the reactor. The temperature is increased to 950-1400 ° C and the samples are kept for 1-80 minutes. The pressure in the reactor is maintained in the range of 20-600 Pa, and the temperature in the indicated range. After the formation of the silicon carbide layer and cooling, the obtained products are recovered.
  • the pressure and temperature range is determined by the rate of the chemical reaction. At lower pressures (less than 20 Pa) and temperatures (less than 950 ° C), the speed is so low that silicon carbide is practically not formed. At higher values (pressure above 600 Pa and temperature above 1400 ° C) - the speed is so great that the silicon carbide film has a block structure, and the blocks are misoriented relative to each other (i.e. the film is not single-crystal).
  • the inert gas used additionally acts as a carrier gas, which ensures the delivery of reagents to the reactor.
  • Example 1 As substrates, two, three, four, five, six or more wafers of monocrystalline silicon of any brand with a diameter of 35, 56, 60, 76 mm, 100 mm, 150 mm or more with a surface orientation of (111), (100 ), (1 10), (210), (310), (31 1), (510) or any other orientation. These are silicon substrates mounted on an edge are placed in a graphite gas-permeable chamber at a distance of 2 mm from each other, the chamber is placed in a reactor, air is pumped out, heating is carried out to 800 ° C, and carbon monoxide is supplied with a pressure of 150 Pa in the reactor.
  • the internal volume of the reactor is heated to a temperature of 1250 ° C and silane SiH 4 is fed, maintaining a pressure of 150 Pa in the reactor.
  • the gas supply is stopped, the gaseous reaction products are pumped out and the reactor is cooled, after which the graphite chamber with the substrates is removed from the reactor.
  • the presence of a silicon carbide film formed on silicon substrates is recorded by optical microscopy, ellipsometry or electron diffraction.
  • the structure of the obtained samples was studied by scanning probe microscopy, X-ray diffraction and Raman scattering, the results are shown in FIG. 2, FIG. 4, FIG. 6.
  • Example 1 modes, but without introducing silane into the reactor.
  • the research results are reflected in FIG. 3, FIG. 5, FIG. 7.
  • the addition of silane to the gas mixture eliminates defects such as etching pits in the obtained films of silicon carbide (Fig.2,3).
  • the rms roughness of the silicon carbide films made with the addition of silane was 5–10 nm.
  • narrower lines related to silicon carbide films made with the addition of silane are observed in X-ray diffraction patterns (Fig. 4.5).
  • the narrowing of the lines corresponding to silicon carbide in the case of adding silane during the growth process is also observed on the Raman scattering spectra (Fig. 6.7).
  • Such a narrowing of the lines corresponding to silicon carbide indicates a high structural perfection of the obtained silicon carbide films in the case of using an addition of silane to the gas mixture when the substrates are located inside the gas-permeable chamber.
  • Example 2 As the substrates use two, three, four, five, six or more wafers of monocrystalline silicon of any grade with a diameter of 35, 56, 60, 76 mm, 100 mm, 150 mm or more with a surface orientation (1 1 1) with a deviation from the base plane (111) by 0 °, (100), (1 10), (210) or any other orientation.
  • silicon substrates are placed in a graphite gas-permeable chamber at a distance of 2 mm from each other, the chamber is placed in the reactor, the air is evacuated, heated to 800 ° C and carbon monoxide is supplied CO at a pressure of 80 Pa in the reactor, then the internal volume is heated to a temperature of 950 ° C is 1380 ° C and a stream of SiH 4 diluted with argon is fed, maintaining a pressure of 80 Pa in the reactor. After holding under the indicated conditions for 15 minutes, the gas supply is stopped, the gaseous reaction products are pumped out and the reactor is cooled, after which the graphite chamber with the substrates is removed from the reactor. The presence of a silicon carbide film formed on silicon substrates is recorded by optical microscopy, ellipsometry or electron diffraction.
  • the structure and characteristics of the obtained samples are similar to the structure and characteristics of the samples described in Example 1.
  • the use of dilution of silane with argon can improve the safety of work and make the process used more environmentally friendly.
  • Example 3 As substrates, 50 wafers of single crystal silicon of various grades with a diameter of 76 mm or 100 mm are used. This silicon substrate is placed in a graphite gas-permeable chamber with a size of 100 * 100 * 150 mm at a distance of 1 mm from each other ( Figure 1), the chamber is placed in a reactor, air is pumped out, heating is carried out to 850 ° C and carbon monoxide is supplied at a pressure in the reactor 170 Pa, then the furnace is heated to a temperature of 1270 ° C and a stream of SiH 4 diluted with argon is fed, maintaining a pressure of 170 Pa in the reactor.
  • a graphite gas-permeable chamber with a size of 100 * 100 * 150 mm at a distance of 1 mm from each other ( Figure 1), the chamber is placed in a reactor, air is pumped out, heating is carried out to 850 ° C and carbon monoxide is supplied at a pressure in the reactor 170 Pa, then the furnace is heated to
  • the gas supply is stopped, the gaseous reaction products are pumped out and the reactor is cooled, after which the chamber with the substrates is removed from the reactor.
  • the presence of a silicon carbide film formed on silicon substrates is recorded by optical microscopy.
  • Example 4 As the substrates use two, three, four, five, six or more wafers of single crystal silicon of various grades with a diameter of 35, 56, 60, 76 mm, 100 mm, 150 mm or more with a surface orientation deviated by 2 °, 4 °, 6 °, 8 °, 10 ° or 12 ° or any other degree lying between 2 ° and 14 ° from the base plane (111).
  • silicon substrates are placed in a graphite gas-permeable chamber at a distance of 5 mm from each other, the chamber is placed in a reactor, air is pumped out, heated to 800 ° C and carbon monoxide is supplied at a pressure of 80 Pa in the reactor, then the internal volume is heated to a temperature of 950 ° C - 1300 ° C and serves a stream of silane diluted with argon SiH 4 , maintaining a pressure of 100 Pa in the reactor. After holding under the indicated conditions for 5 minutes, the gas supply is stopped, the gaseous reaction products are pumped out and the reactor is cooled, after which the graphite chamber with the substrates is removed from the reactor. The presence of a silicon carbide film formed on silicon substrates is recorded by optical microscopy, ellipsometry or electron diffraction.
  • Example 5 As substrates, two, three, four, five, six or more single crystal plates of various grades with a diameter of 35, 56, 60, 76 mm, 100 mm, 150 mm and more with a surface orientation deviated by 2 °, 4 °, are used 6 °, 7 °, 8 °, 10 ° or any other degree lying between 2 ° and 10 ° from the reference plane (100).
  • silicon substrates are placed in a graphite gas-permeable chamber at a distance of 10 mm from each other, the chamber is placed in the reactor, air is pumped out, heating is carried out to 800 ° C and carbon monoxide is supplied at a pressure of 200 Pa in the reactor, then the internal volume is heated to a temperature of 1000 ° C - 1270 ° C and serves a stream of silane diluted with argon SiH 4 , maintaining a pressure of 200 Pa in the reactor. After holding under the indicated conditions for 3 minutes, the gas supply is stopped, the gaseous reaction products are pumped out and the reactor is cooled, after which the graphite chamber with the substrates is removed from the reactor. The presence of a silicon carbide film formed on silicon substrates is recorded by optical microscopy, ellipsometry or electron diffraction.
  • the structure and characteristics of the obtained samples are similar to the structure and characteristics of the samples described in Example 1.
  • the use of a gas-permeable chamber with a large number of silicon substrates can significantly improve the performance of the process for producing silicon carbide films on silicon substrates and reduce their cost.
  • the fundamental difference between this method and the method proposed in the prototype and in other known methods is to use a gas-permeable chamber with silicon substrates parallel to each other with a gap of 1-10 mm, and also to add silicon-containing gas to the gas mixture, which quickly decomposes when used temperatures 950-1400C.
  • silicon-containing gas moleculess
  • the walls of the chamber are a barrier, but upon contact of the silicon-containing gas with the heated walls of the chamber, it decomposes (dissociates), and the decomposition products pass through the pores of the chamber and affect the process of film formation.
  • an activated complex is formed consisting of a carbon atom located in the interstitial space and a silicon vacancy located along the ⁇ 111> direction. Between a carbon atom and a vacancy, in addition to a chemical bond, mechanical interaction also occurs. The result is a dilated dipole.
  • an intermediate metastable compound is formed - the activated complex "silicon vacancy-carbon atom - silicon matrix". Carbon atoms at this stage are located at the interstitial positions of the silicon matrix.
  • the elastic bond in the dilatation dipoles located in the uppermost part of the layer of the activated complex is weaker than the same bond in the layers located in depth, since, as is known from mechanics, the elastic energy weakens when atoms exit to the surface. Therefore, the silicon atoms of the upper layer of the activated complex can evaporate and, thus, destroy it. This will lead to the destruction of ordering in the activated complex.
  • the activated complex transforms into silicon carbide.
  • the volume of the silicon carbide unit cell is almost two times less than the volume of the silicon unit cell and the unit cell volume of the activated complex.
  • shrink pores are formed in the upper part of the silicon carbide film layer. Therefore, to "heal" the shrink pores and to prevent evaporation of the upper layers of the activated complex, it was proposed to add silicon atoms to the reaction zone. Entering the surface of a silicon substrate, silicon atoms from a silicon-containing gas after its dissociation increase the total volume of silicon atoms in the activated complex.
  • silicon atoms from a silicon-containing gas prevent the evaporation of silicon atoms from the surface of the activated complex and lead to complete "inhibition" of the nucleation of shrink pores.
  • Silicon atoms must be supplied from a silicon-containing gas with such a partial pressure and with such a flux density that the atoms of the upper layer of the activated complex do not evaporate.
  • the rate of arrival of silicon atoms must exceed the rate of formation of shrink pores.
  • silicon formed during the dissociation of a silicon-containing gas plays another important role. Adsorbed on the surface of the substrate and the growing film, it lowers the surface tension of the resulting silicon carbide and allows one to obtain not only silicon carbide surfaces with the release of carbon atoms, but also crystalline surfaces of silicon carbide, on the outside of which silicon atoms lie.
  • silicon carbide in this case, will not interact with vacuum (or CO gas), but with adsorbed silicon atoms, as well as hydrogen atoms that are formed during the decomposition of silane (S1H4), disilane (Si 2 H 6 ), trichlorosilane (SiHCl 3 ) or other silicon-containing gas and penetrate into the gas-permeable chamber.
  • silane Silane
  • Si 2 H 6 disilane
  • SiHCl 3 trichlorosilane
  • the arrangement of silicon substrates parallel to each other at a distance of 1 mm to 10 mm plays an important role in stabilizing the surface of the substrates at the stage of their heating to a temperature of 800 ° C, at which the supply of CO and silicon-containing gas to the reaction zone begins.
  • a temperature of 800 ° C at which the supply of CO and silicon-containing gas to the reaction zone begins.
  • the active reconstruction of the upper silicon atoms, the silicon substrate begins near the surface.
  • Some of these atoms can evaporate and thereby destroy the upper smooth layer of the substrate, since heating occurs in vacuum at a residual gas pressure of 10 "2 -10 " 3 Pa.
  • Evaporating from two neighboring substrates located nearby, silicon in a narrow gap (1-10 mm) creates an excess equilibrium silicon vapor pressure in it, i.e.
  • the distance between the substrates is chosen so that the mean free path of the silicon atom at a given residual gas pressure is comparable with the distance between the substrates and is not less than the latter.
  • the implementation of the proposed method allows to obtain high-quality with a smooth surface film of silicon carbide on silicon substrates.
  • the use of a reactor of a given design makes it possible to synthesize silicon carbide films simultaneously on a large number of silicon substrates, which can significantly increase the productivity of the process for producing silicon carbide films on silicon substrates, improve their crystalline quality and reduce their cost.
  • the reactor unlike the prototype, does not have moving parts, and, therefore, does not require the use of a special drive and sealing units. This increases the reliability of the design and a significant simplification of the design of the support holders with their versatility in relation to the size of the substrates and their shape.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Заявляется группа изобретений - способ и реактор для осуществления способа, которые относятся к технологии получения нового класса полупроводниковых материалов и полупроводниковых наноматериалов, которые могут быть использованы при создании полупроводниковых и нано-полупроводниковых приборов нового поколения. Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку, с пленкой карбида кремния на ее поверхности осуществляется в газопроницаемой камере, размещенной в реакторе, в который подают смесь газов, включающую оксид углерода и кремнийсодержащий газ, при этом давление в реакторе 20-600 Па, температура 950-1400°С. Подложки располагают в газопроницаемой камере параллельно друг другу (на ребро) на расстоянии 1-10 мм, а пленка из карбида кремния формируется путем химической реакции поверхностных слоев кремния подложки с оксидом углерода. При этом газопроницаемая камера служит барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, но пропускает продукты его термического разложения. В качестве кремнийсодержащего газа может быть использован силан (SiH4), или дисилан (Si2H6) или трихлорсилан (SiHCl3), или силано-аргоновая газовая смесь, в которой аргон является газом-носителем.

Description

Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности и реактор для осуществления способа Область техники
Заявляется группа изобретений - способ и реактор для осуществления способа, которые относятся к технологии получения нового класса полупроводниковых материалов и полупроводниковых наноматериалов, которые могут быть использованы при создании полупроводниковых и нано- полупроводниковых приборов нового поколения.
Предшествующий уровень техники
Для ряда применений, например, в полупроводниковой технике, микро- и оптоэлектронике и новой, активно развивающейся области наноэлектроники могут быть использованы тонкие пленки карбида кремния и пленки нано-карбида кремния на различных подложках. Среди них представляют интерес подложки из кремния.
Известны способы, в которых в качестве источника атомов кремния и углерода используют газовую фазу, причем и кремний, и углерод подаются в зону синтеза в виде химических соединений (гидриды, галогениды, хлориды, углеводородные соединения и др.). Так, в способе по патенту US 3,386,866, пленку SiC получают методом химического восстановления, при котором на подложке -SiC (обычно 6H-SiC) осаждают продукт реакции ССЦ и SiCl4 в потоке водорода при нормальном давлении и Т= 1700- 1800 К.
Известный способ по патенту US 3,520,740 позволяет получить изделие с эпитаксиальными слоями SiC на подложке -SiC с использованием конвективного нагрева графитового держателя подложки при нормальном давлении. Пленку осаждают из смеси газов SiH4, С3Н8 и Н2. В результате пиролиза в смеси газов образуются пары карбида кремния, конденсирующиеся на подложке. Удовлетворительное качество пленки реализуется в интервале температур 1700- 1850°С.
В патенте RU 2162117 раскрыт Способ эпитаксиального выращивания карбида кремния. В этом способе карбид кремния наносят на кремний путем химического осаждения из паровой фазы на ростовой поверхности подложки. В камеру реактора с установленной в ней, по меньшей мере, одной подложкой подают заданную пропорцию газообразных реагентов, содержащих соответственно кремний (SiH4 или S1H2CI2) и углерод (С3Н8 или С2Н4 в смеси с аргоном, водородом или гелием), нагревают стенки камеры до температуры в пределах интервала 1800 - 2500°С и нагревают подложки, причем реагент, содержащий кремний, и реагент, содержащий углерод, подают в камеру раздельно и смешивают непосредственно в зоне ростовой поверхности подложки.
Недостатком указанных способов являются сложность технологии получения, а именно, 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 из за их температурного разложения и осаждения на стенки в процессе газопереноса. Это не позволяет обрабатывать большое количество подложек в одном технологическом цикле.
В описанном выше патенте RU 2162117 также раскрыта конструкция реактора, реализующего способ. Реактор для эпитаксиального выращивания монокристаллического карбида кремния путем химического осаждения из паровой фазы на ростовой поверхности подложки, содержит камеру с установленной в ней одной или двумя диаметрально расположенными подложками, имеет каналы для раздельной подачи в камеру реагента, содержащего кремний, и реагента, содержащего углерод и средство нагрева стенок камеры, позволяющее поддерживать температуру стенок камеры в пределах 1800 - 2500°С. Внутренняя поверхность камеры реактора выполнена из твердого раствора карбида тантала и кремния в тантале. Пространство между корпусом и внешними стенками камеры заполнено теплоизолятором из пористого графита. Подложки установлены на графитовых пьедесталах, которые соосно закреплены на приводных валах. Валы соединены с механизмами, обеспечивающими подложкам вращательное и поступательное движения вдоль их осей. Недостатком устройства является сложность его конструкции и низкая производительность, т.к. одновременно можно выращивать пленки на одной или только на двух подложках, высокие температуры синтеза, свыше 1700°С.
Известны способы, в которых углерод доставляется в зону реакции через газовую фазу, а источником кремния является сама подложка, т.е. твердая фаза.
В качестве прототипа первого заявляемого объекта (способа) выбран Способ получения пленки карбида кремния, описанный в патенте RU 2363067. Способ заключается в нагреве подложки и синтезе пленки на поверхности кремниевой подложки в газовой среде, содержащей соединения углерода, в качестве газовой среды используют оксид или диоксид углерода либо смесь оксида или диоксида углерода с инертным газом и/или азотом при давлении 20- 600 Па, а нагрев кремниевой подложки осуществляют до температуры 950- 1400°С. Возможно использование только оксида углерода СО или только диоксида углерода С02.
К недостаткам этого способа относится наличие дефектов типа ямок травления и недостаточное кристаллографическое совершенство получаемых слоев SiC.
Наиболее близким ко второму заявляемому объекту (реактору) является CVD-реактор, описанный в патенте RU 2394117 [Патент RU 2394117, опубл. 10.07.2010. Вариант 5, представленный на Фиг.З описания к патенту], принятый за прототип. В реакторе синтез гетероэпитаксальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке осуществляется путем химического осаждения из газовой фазы. В корпусе реактора установлен подложкодержатель, выполненный цельного куска графита в виде двух конусов, соединенных вместе. Подложкодержатели при помощи держателя закреплены в контейнере. Контейнер помещен во внутрь графитового нагревателя, разогреваемого при помощи индуктора. Секции из нагревателей расположены в реакторе вокруг центрального токоввода. В центральном водоохлаждаемом токовводе выполнены отверстия, через которые осуществляется отвод продуктов реакции образования карбида кремния. Водород подается внутрь нагревателей через вторые токовводы, которые закреплены во внешнем корпусе реактора. Подложкодержатели установлены радиально на многоярусной карусели, что позволяет более эффективно использовать излучение от каждого нагревателя.
Основным недостатком прототипа реактора является сложность конструкции, наличие вращающихся элементов, функционирующих при повышенных температурах и низких давлениях, что предъявляет особые требования к уплотняющим узлам. Дополнительно следует отметить, что работа реактора основана на принципе осаждения из газовой фазы, а, следовательно, реализуемому при работе реактора способу присущи недостатки, описанные выше - низкое качество пленок.
Раскрытие изобретения
Заявляемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков, и повышение качества пленки из карбида кремния, существенное увеличение производительности и упрощение технологии изготовления изделия, содержащего пленку из карбида кремния на поверхности кремниевой подложки.
Заявляемый технический результат - изготовление за один технологический цикл большого количества изделий, содержащих подложку из кремния с эпитаксиальной пленкой карбида кремния с высоким кристаллографическим совершенством без дефектов типа ямок травления.
Поставленная комплексная задача решается изменением технологии формирования пленок и соответствующим изменением конструкции реактора.
Заявляемый способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку, с пленкой карбида кремния на ее поверхности, характеризуется тем, что осуществляется в газопроницаемой камере, размещенной в реакторе, в который подают смесь газов, включающую оксид углерода и кремнийсодержащий газ, при этом давление в реакторе 20-600 Па, температура 950-1400°С. Подложки располагают в газопроницаемой камере параллельно друг другу (на ребро) на расстоянии 1-10 мм, а пленка из карбида кремния формируется путем химической реакции поверхностных слоев кремния подложки с оксидом углерода. При этом газопроницаемая камера служит барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, но пропускает продукты его термического разложения.
В качестве кремнийсодержащего газа может быть использован силан (SiH4), или дисилан (Si2H6) или трихлорсилан (S1HCI3), или силано-аргоновая газовая смесь, в которой аргон является газом-носителем.
Заявляемый реактор для изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, имеет корпус с нагреваемым до 950-1400°С внутренним объемом, и снабжен патрубком подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, и патрубком вывода газообразных продуктов реакции. Внутри корпуса расположена газопроницаемая камера, служащая барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, с расположенным в ней подложкодержателем, выполненным с обеспечением возможности параллельной (на ребро) установки пластин кремниевых подложек. Предпочтительно применение газопроницаемой камеры, стенки которой выполнены из пористого графита. Соотношение толщины стенок и пористости газопроницаемой камеры выбирают из условия обеспечения конструктивной прочности, а также из условия создания необходимой развитой контактной поверхности, обеспечивающей тепловое разложение силана, или другого кремнийсодержащего газа, при прохождении его, точнее продуктов его теплового разложения, сквозь стенки камеры при заданной температуре и давлении во внутреннем объеме реактора.
Варианты осуществления изобретения
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описаны варианты реализации. Примеры реализации иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
Фиг.1 - схема заявляемого реактора, применяемого для изготовления образцов по описанным ниже Примерам.
Фиг.2 - изображение поверхности образца изделия (размер 20x20 мкм), изготовленного по Примеру 1 (с добавлением силана в газовую смесь), полученное сканирующем зондовым микроскопом.
Фиг.З - изображение поверхности образца (размер 20x20 мкм), изготовленного при условиях, аналогичных Примеру 1, но без добавления силана, полученное сканирующем зондовым микроскопом.
Фиг.4 - Рентгенограмма для образца карбида кремния на кремниевой подложке, изготовленного по Примеру 1 (с добавлением силана в газовую смесь): а) зависимость, снятая в режиме ω-2θ, полуширина рентгеновской кривой составляет 0.14°.
б) зависимость, снятая в режиме ω-θ, полуширина рентгеновской кривой составляет 0.6°.
Фиг.5 - Рентгенограмма дифракции для образца карбида кремния на кремниевой подложке, изготовленного при условиях, аналогичных Примеру 1, но без добавления силана.
а) зависимость, снятая в режиме ω-2θ, полуширина рентгеновской кривой составляет 0.3°.
б) зависимость снятая в режиме ω-θ, полуширина рентгеновской кривой составляет 0.75°
Фиг.6 - рамановские спектры для образца карбида кремния на кремниевой подложке, изготовленного по Примеру 1. Ширина линии центрированной на 794 см"1, соответствующей продольным составляющим фононного спектра (ТО фононам) карбида кремния составляет б см'1.
Фиг.7 - рамановские спектры для образца карбида кремния на кремниевой подложке, изготовленного при условиях, аналогичных Примеру 1, но без добавления силана. Ширина линии центрированной на 794 см"1, соответствующей продольным составляющим фононного спектра (ТО фононам) фононам карбида кремния составляет 12 см"1.
На Фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого реактора, где введены следующие обозначения: 1- стенки реактора, 2- патрубок подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, 3 - патрубок вывода газообразных продуктов реакции, 4 -стенки газопроницаемой камеры, 5 -параллельно установленные кремниевые пластины, 6 -крышка газопроницаемой камеры.
При работе реактора осуществляется заявленный способ.
Для реализации способа кремниевые подложки, представляющие собой пластины монокристаллического кремния, вырезанные с учетом кристаллографической ориентации, помещают во внутренний объем реактора в специальной кассете, представляющей собой газопроницаемую камеру, выполненную из графита. Кремниевые подложки устанавливают параллельно друг с промежутком 1-10 мм и нагревают в вакууме при остаточном давлении газов 10" -10" Па до температуры 500-800°С. Затем выполняется прокачка через реактор оксида углерода СО и кремнийсодержащего газа (силана) или его смеси с инертным газом. Температуру повышают до 950-1400°С и выдерживают образцы в течение 1-80 минут. Давление в реакторе поддерживается в пределах 20-600 Па, а температура - в указанном интервале. После формирования слоя карбида кремния и остывания полученные изделия извлекают.
Интервал давлений и температур обусловлен скоростью протекания химической реакции. При более низких давлениях (меньше 20 Па) и температурах (меньше 950 °С) скорость настолько мала, что карбид кремния практически не образуется. При более высоких значениях (давление выше 600 Па и температура выше 1400°С) - скорость настолько велика, что пленка из карбида кремния имеет блочную структуру, причем блоки разориентированы относительно друг друга (т.е. пленка не является монокристаллической). Используемый дополнительно инертный газ выполняет роль газа-носителя, обеспечивающего доставку реагентов в реактор.
Пример 1. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния любой марки, диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности (111), (100), (1 10), (210), (310), (31 1), (510) или любой другой ориентации. Эти кремниевые подложки, установленные на ребро, помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 2 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С, и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 150 Па. Затем нагревают внутренний объем реактора до температуры 1250°С и подают силан SiH4, поддерживая в реакторе давление 150 Па. После выдержки подложек при указанных условиях в течение 10 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждается, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Структура полученных образцов исследована методом сканирующей зондовой микроскопии, рентгенографии и рамановского рассеяния, результаты отражены на Фиг.2, Фиг. 4, Фиг. 6 .
Для сравнения были изготовлены образцы изделий на тех же, что и в
Примере 1 режимах, но без ввода силана в реактор. Результаты исследований отражены на Фиг.З, Фиг. 5, Фиг. 7 .
Как видно из сравнительных исследований добавление силана в газовую смесь позволяет устранить дефекты типа ямок травления в полученных пленках карбида кремния (Фиг2,3). Величина среднеквадратичной шероховатости пленок карбида кремния изготовленных с добавлением силана составила 5-10 нм. Кроме того, на рентгеновских дифрактограммах (Фиг4,5) наблюдаются более узкие линии относящиеся к пленкам карбида кремния, изготовленным с добавлением силана. Сужение линий, соответствующих карбиду кремния в случае добавления силана в процессе роста, наблюдается также на спектрах рамановского рассеяния (Фиг6,7). Такое сужение линий соответствующих карбиду кремния указывает на высокое структурное совершенство полученных пленок карбида кремния в случае использования добавки силана в газовую смесь при расположении подложек внутри газопроницаемой камеры.
Пример 2. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния любой марки диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности (1 1 1) с отклонением от базовой плоскости (111) на 0°, (100), (1 10), (210) или любой другой ориентации. Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 2 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 80 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 950°С- 1380°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH4, поддерживая в реакторе давление 80 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 15 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Структура и характеристики полученных образцов схожи со структурой и характеристиками образцов, описанных в Примере 1. Использование разбавление силана аргоном позволяет повысить безопасность работы и сделать используемый технологический процесс более экологически чистым.
Пример 3. В качестве подложек используют 50 пластин монокристаллического кремния различных марок диаметром 76 мм или 100 мм. Эту кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру размером 100*100*150 мм на расстоянии 1 мм друг от друга (Фиг.1), камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 850°С и подают оксид углерода при давлении в реакторе 170 Па, затем нагревают печь до температуры 1270°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH4, поддерживая в реакторе давление 170 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 15 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии.
Пример 4. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния различных марок диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности отклоненной на 2°, 4°, 6°, 8°, 10° или 12° или любой другой градус, лежащий в пределе между 2° и 14° от базовой плоскости (111). Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 5мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 80 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 950°С- 1300°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH4, поддерживая в реакторе давление 100 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 5 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Пример 5. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического различных марок диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности отклоненной на 2°, 4°, 6°, 7° , 8°, 10° или любой другой градус, лежащий в пределе между 2° и 10° от базовой плоскости (100). Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 10мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 200 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 1000°С- 1270°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH4, поддерживая в реакторе давление 200 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 3 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Структура и характеристики полученных образцов схожи со структурой и характеристиками образцов, описанных в Примере 1. Использование газопроницаемой камеры с большим количеством кремниевых подложек позволяет существенно повысить производительность технологического процесса получения пленок карбида кремния на кремниевых подложках и снизить их стоимость.
Аналогичные результаты были получены с применением дисилана (Si2H6) или трихлорсилана (S1HCI3).
Принципиальное отличие данного способа от способа, предложенного в прототипе и в других известных способах, заключается в использовании газопроницаемой для камеры с расположенными параллельно друг другу кремниевыми подложками с промежутком 1-10мм, а также в добавке в газовую смесь кремнийсодержащего газа, который быстро разлагается при используемых температурах 950-1400С. Через стенки газопроницаемой камеры свободно проходит СО, непосредственно участвующий в формировании пленки путем химической реакции с ним поверхностных слоев кремния подложки. Для кремнийсодержащего газа (молекул) стенки камеры являются барьером, но при контакте кремнийсодержащего газа с нагретыми стенками камеры он разлагается (диссоциирует), и продукты разложения проходят сквозь поры камеры и оказывают влияние на процессе формирования пленки.
Важность этого влияния можно пояснить, рассмотрев механизм роста пленки карбида кремния. Этот механизм базируется на предварительном внедрения в кристаллическую решетку матрицы кремния точечных дефектов, из которых в дальнейшем будет собираться остов будущей пленки. При росте пленки SiC на подложке Si, при температуре выше 900° С, такими дефектами являются атом углерода С, внедренный в межузельную позицию Si и вакансия, образовавшаяся в результате удаления одного из атомов Si. В результате, проведенных исследований удалось доказать, что в объеме кремниевой подложки, т.е. в кристаллах с кубической симметрией данные точечные дефекты притягиваются друг к другу, если они расположены вдоль направления <111>, образуя устойчивые объекты нового типа— упругие дилатационные диполи. Это взаимодействие и снимает упругую энергию при росте пленки SiC. Синтез дилатационных диполей "углерод-вакансия Si" можно осуществить при помощи химической реакции взаимодействия моноокиси углерода с кремнием, протекающей при температуре выше 900°С.
2Si(TB)+CO(r)=SiC(TB)+SiO(r) (1)
В результате этой реакции один из атомов кремния удаляется, улетучиваясь с молекулой SiO . При этом в кремниевой ячейке образуется вакансия. Атом углерода встраивается в матрицу кремния, соединяясь с другим атомом кремния. Образование дилатационных диполей приводит к тому, что химическая реакция превращения кремния в карбид кремния протекает в две стадии.
На первой стадии химической реакции образуется активированный комплекс, состоящий из атома углерода, находящегося в межузельном пространстве и кремниевой вакансии, расположенной вдоль направления <111>. Между атомом углерода и вакансией возникает кроме химической связи и механическое взаимодействие. В результате образуется дилатационный диполь. Таким образом, на первом этапе протекания химической реакции образуется промежуточное метастабильное соединение, - активированный комплекс "кремниевая вакансия-атом углерода - матрица кремния". Атомы углерода на этой стадии располагаются в межузельных позициях кремниевой матрицы. Однако, упругая связь в дилатационных диполях, находящихся в самой верхней части слоя активированного комплекса слабее, чем эта же связь в слоях, находящихся в глубине, поскольку, как известно из механики, упругая энергия при выходе атомов на поверхность ослабевает. Поэтому атомы кремния верхнего слоя активированного комплекса могут испариться и, тем самым, разрушить его. Это приведет к разрушению упорядочения в активированном комплексе.
На втором этапе реакции активированный комплекс переходит в карбид кремния. Объем элементарной кристаллической ячейки карбида кремния почти в два раза меньше как объема элементарной кристаллической ячейки кремния, так и объема элементарной ячейки активированного комплекса. В результате превращения активированного комплекса в карбид кремния, занимающего меньший объем, в верхней части слоя пленки карбида кремния образуются поры усадки. Поэтому для «залечивания» усадочных пор и для предотвращения испарения верхних слоев активированного комплекса было предложено добавлять атомы кремния в зону реакции. Поступая на поверхность кремниевой подложки, атомы кремния из кремнийсодержащего газа после его диссоциации, увеличивает общий объем атомов кремния в активированном комплексе. Тем самым атомы кремния из кремнийсодержащего газа предотвращают испарение атомов кремния с поверхности активированного комплекса и приводят к полному "торможению" зарождения усадочных пор. Атомы кремния должны подаваться из кремнийсодержащего газа с таким парциальным давлением и, с такой плотностью потока, чтобы атомы верхнего слоя активирванного комплекса не испарялись. Короме того, скорость поступления атомов кремния должна превышать скорость образования усадочных пор.
Следует также отметить, что кремний, образующийся при диссоциации кремнийсодержащего газа, вьшолняет еще одну важную роль. Адсорбируясь на поверхности подложки и, растущей пленки, он понижает поверхностное натяжение образующегося карбида кремния, и позволяет получать не только поверхности карбида кремния с выходом углеродных атомов, но и кристаллические поверхности карбида кремния, снаружи которых лежат атомы кремния. Связано это с тем, что поверхность карбида кремния, в данном случае, будет находиться во взаимодействии не с вакуумом (или газом СО), а с адсорбированными атомами кремния, а также атомами водорода, которые образуются при разложении силана (S1H4), дисилана (Si2H6), трихлорсилана (SiHCl3) или другого кремнийсодержащего газа и проникают во внутрь газопроницаемой камеры. Таким образом, с помощью подачи атомов кремния в реакционную зону, удается добиться высокого кристаллографического совершенства и отсутствия дефектов «типа ямок травления».
Расположение кремниевых подложек параллельно друг другу на расстоянии от 1мм до 10мм играет важную роль в стабилизации поверхности подложек на стадии их разогрева до температуры 800°С, при которой начинается подача в зону реакции газа СО и кремнийсодержащего газа. При температурах выше 600°С начинается активная перестройка верхних, лежащих вблизи поверхности, атомов кремния, кремниевой подложки. Часть этих атомов может испариться и, тем самым, разрушить верхний гладкий слой подложки, поскольку нагрев происходит в вакууме при остаточном давлении газов 10"2-10"3 Па. Испаряясь с двух соседних, рядом расположенных подложек, кремний в узкий зазор (1-10мм) создает в нем избыточное равновесное давление паров кремния, т.е. такое давление при котором атомов испаряется ровно столько, сколько их оседает обратно на подложки. Расстояние между подложками выбирается таким образом, чтобы длина свободного пробега атома кремния при данном остаточном давлении газов была бы сравнима с расстоянием между подложками и, не была бы меньше последнего.
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет получать высококачественные с гладкой поверхностью пленки карбида кремния на подложках из кремния. Использование реактора заданной конструкции, обеспечивает возможность синтезировать пленки карбида кремния одновременно на большом количестве кремниевых подложек, что позволяет существенно повысить производительность технологического процесса получения пленок карбида кремния на кремниевых подложках, улучшить их кристаллическое качество и снизить их стоимость. Реактор в отличие от прототипа, не имеет подвижных частей, а, следовательно, не требует применения специального привода и уплотнительных узлов. Это повышает надежность конструкции и существенное упрощение конструкции положкодержателей при их универсальности в отношении размеров подложек и их формы.

Claims

Формула изобретения
1. Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку, с пленкой карбида кремния на ее поверхности, характеризующийся тем, что осуществляется в газопроницаемой камере, размещенной в реакторе, в который подают смесь газов, включающую оксид углерода и кремнийсодержащий газ, при этом давление в реакторе составляет 20-600 Па, температура - 950-1400°С, подложки располагают в газопроницаемой камере параллельно друг другу на расстоянии 1-10 мм, а пленка из карбида кремния формируется путем химической реакции поверхностных слоев кремния подложки с оксидом углерода, при этом газопроницаемая камера служит барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, но пропускает продукты термического разложения.
2. Способ изготовления изделий по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего газа используют силан (SiH4), или дисилан (Si2H6) или трихлорсилан (SiHCl3).
3. Способ изготовления изделия по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего газа используют силано-аргоновую газовую смесь.
4. Реактор для изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, характеризующийся тем, что имеет корпус с нагреваемым до 950-1400°С внутренним объемом, и снабженный патрубком подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, и патрубком вывода газообразных продуктов реакции, внутри корпуса расположена газопроницаемая камера, служащая барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, с расположенным в ней подложкодержателем, выполненным с обеспечением возможности параллельной установки пластин кремниевых подложек.
5. Реактор по. п 4, отличающийся тем, что газопроницаемая камера выполнена из пористого графита.
PCT/RU2013/000240 2013-02-18 2013-03-19 Изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности WO2014126500A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013107766 2013-02-18
RU2013107766/28A RU2522812C1 (ru) 2013-02-18 2013-02-18 Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности и реактор для осуществления способа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014126500A1 true WO2014126500A1 (ru) 2014-08-21

Family

ID=51217493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000240 WO2014126500A1 (ru) 2013-02-18 2013-03-19 Изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2522812C1 (ru)
WO (1) WO2014126500A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU191199U1 (ru) * 2019-04-26 2019-07-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Блок фиксации нагреваемой подложки в вакуумной камере с плоско-пружинными зажимами фиксирующих керамических пластин
RU2749573C9 (ru) * 2020-10-13 2021-08-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Способ получения тонких пленок карбида кремния на кремнии пиролизом полимерных пленок, полученных методом молекулярно-слоевого осаждения

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2162117C2 (ru) * 1999-01-21 2001-01-20 Макаров Юрий Николаевич Способ эпитаксиального выращивания карбида кремния и реактор для его осуществления
RU2363067C1 (ru) * 2008-01-22 2009-07-27 Фонд поддержки науки и образования Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности
RU86351U1 (ru) * 2008-12-05 2009-08-27 Фонд поддержки науки и образования Устройство для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке
RU2394117C2 (ru) * 2008-03-24 2010-07-10 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "Эпикрист" Cvd-реактор и способ синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии
US7901508B2 (en) * 2007-01-24 2011-03-08 Widetronix, Inc. Method, system, and apparatus for the growth of SiC and related or similar material, by chemical vapor deposition, using precursors in modified cold-wall reactor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2162117C2 (ru) * 1999-01-21 2001-01-20 Макаров Юрий Николаевич Способ эпитаксиального выращивания карбида кремния и реактор для его осуществления
US7901508B2 (en) * 2007-01-24 2011-03-08 Widetronix, Inc. Method, system, and apparatus for the growth of SiC and related or similar material, by chemical vapor deposition, using precursors in modified cold-wall reactor
RU2363067C1 (ru) * 2008-01-22 2009-07-27 Фонд поддержки науки и образования Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности
RU2394117C2 (ru) * 2008-03-24 2010-07-10 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "Эпикрист" Cvd-реактор и способ синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии
RU86351U1 (ru) * 2008-12-05 2009-08-27 Фонд поддержки науки и образования Устройство для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке

Also Published As

Publication number Publication date
RU2522812C1 (ru) 2014-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3334854B1 (en) A method of producing a two-dimensional material
CN104159736B (zh) 借助于化学气相沉积的高品质大规模单层和多层石墨烯生产
JP2001081564A (ja) 化学気相蒸着装置およびこれを用いたカーボンナノチューブ合成方法
WO2009021199A1 (en) Production of bulk silicon carbide with hot-filament chemical vapor deposition
US20150353363A1 (en) Method and System to Produce Large Size Diamonds
US11680333B2 (en) Defect engineered high quality multilayer epitaxial graphene growth with thickness controllability
RU2653398C2 (ru) Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния
RU2363067C1 (ru) Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности
CN111268656A (zh) 氮化硼纳米管的制备方法
JP2019112241A (ja) 特定形状の炭化ケイ素の育成装置
RU2522812C1 (ru) Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности и реактор для осуществления способа
KR101238284B1 (ko) 무촉매 나노와이어 제조 방법 및 이를 위한 장치
CN100432287C (zh) 强磁场下金刚石薄膜的制备方法
Badzian Defect structure of synthetic diamond and related phases
RU2394117C2 (ru) Cvd-реактор и способ синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии
KR102127024B1 (ko) 고밀도 정렬된 실리콘 나노와이어
US10060029B2 (en) Graphene manufacturing method
CN107244666B (zh) 一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法
KR101238451B1 (ko) 그래핀 제조장치
JPH02107596A (ja) ダイヤモンドの合成法
RU130996U1 (ru) Реактор для изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности
TW201829308A (zh) 二維材料製造方法
US20150144963A1 (en) Silicon carbide epi-wafer and method of fabricating the same
JP4075385B2 (ja) 窒化ガリウム単結晶の種結晶およびその成長方法
WO2023248626A1 (ja) ダイヤモンド層の成長方法及びマイクロ波プラズマｃｖｄ装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13875318

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13875318

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1