本發(fā)明涉及一種高質(zhì)量CVD碳化硅材料的制備方法，屬于化學(xué)氣相沉積法制備無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

碳化硅具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高電子遷移率和耐腐蝕等理化性能，因此特別適合應(yīng)用于制備高溫、高頻、高壓、大功率半導(dǎo)器件，同時(shí)還可應(yīng)用于輻射環(huán)境中，是具有廣闊應(yīng)用前景的第三代半導(dǎo)體。

CVD碳化硅材料是指以化學(xué)氣相沉積法制備的碳化硅塊體材料，這種碳化硅材料相比傳統(tǒng)燒結(jié)和壓坯法制備的材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)可在較低溫度下制備高致密度碳化硅塊體材料；2)制備中僅通過(guò)前驅(qū)體反應(yīng)合成材料，而不需要燒結(jié)助劑，可制成高純度碳化硅塊體材料；3)通過(guò)對(duì)工藝的控制，可制備指定晶體取向的碳化硅塊體材料；4)可涂覆于其它基底材料表面，易制備曲面材料。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)碳化硅材料工藝中，為控制材料成分、提高沉積速率，常采用活性高的小分子為前驅(qū)體，如SiH₄+CH₄，或SH₄+C₃H₈，或CH₄+SiCl₄等，并以H₂為稀釋氣。然而，高活性小分子前驅(qū)體和H₂均易燃易爆，生產(chǎn)過(guò)程安全性差。采用活性低、安全性高的大分子六甲基二硅烷((CH₃)₃-Si-Si-(CH₃)₃，HMDS)為前驅(qū)體，并以惰性氣體Ar為稀釋氣，可安全高效沉積SiC薄膜。但前驅(qū)體HMDS中C/Si原子數(shù)量比為3，而碳化硅的C/Si比為1。前驅(qū)體中C/Si比高于所沉積材料中的C/Si比，可導(dǎo)致所沉積的碳化硅中含有雜質(zhì)碳。碳的導(dǎo)電性較高，因此碳化硅材料中存在雜質(zhì)碳，可顯著降低碳化硅材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、電阻率、抗彎強(qiáng)度和抗腐蝕能力等理化性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種CVD碳化硅材料的制備方法。采用激光化學(xué)氣相沉積法，控制大分子前驅(qū)體HMDS的反應(yīng)進(jìn)程，以惰性氣體Ar氣為稀釋氣，通過(guò)調(diào)節(jié)沉積參數(shù)，安全高效沉積碳化硅材料的同時(shí)，消除材料中的雜質(zhì)碳。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種CVD碳化硅材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)將基板置于冷壁式化學(xué)氣相沉積腔體中的加熱臺(tái)上，將真空度調(diào)至10Pa以下，加熱基板，并保溫；

(2)以稀釋氣將前驅(qū)體帶入反應(yīng)腔體，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)(P_dep)至400～800Pa；

(3)打開(kāi)激光，照射基板；

(4)調(diào)節(jié)激光功率，使基板溫度(T_dep)升至1100～1200℃沉積薄膜，保溫10min；

(5)停止通入稀釋氣和前驅(qū)體，關(guān)閉激光，抽真空至10Pa以下，材料自然冷卻至室溫。

按上述方案，步驟(1)中加熱基板溫度為600℃，保溫時(shí)間30min。

按上述方案，步驟(2)采用Ar為稀釋氣，HMDS為前驅(qū)體。

按上述方案，步驟(3)采用的激光波長(zhǎng)為808nm。

本發(fā)明的有益效果是：安全高效沉積碳化硅材料的同時(shí)，抑制了雜質(zhì)碳的生成，從而提高材料的電阻率、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和抗腐蝕等理化性能。本發(fā)明制備的不含雜質(zhì)碳的碳化硅材料，其電阻率可高于含有雜質(zhì)碳的碳化硅材料2個(gè)數(shù)量級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1為T_dep＝1250℃，其它制備參數(shù)與本發(fā)明實(shí)施例1相同時(shí)所沉積的材料，及本發(fā)明實(shí)施例1所沉積材料的XRD圖譜。

圖2(a)、(c)為T_dep＝1250℃，其它制備參數(shù)與實(shí)施例1相同時(shí)，所沉積碳化硅材料斷面掃描電子顯微鏡圖(SEM)和電子能譜(EDX)；圖2(b)、(d)為本發(fā)明實(shí)施例1所沉積碳化硅材料的斷面SEM像和EDX。

圖3為T_dep＝1250℃，其它制備參數(shù)與實(shí)施例1相同時(shí)，所沉積的碳化硅材料，和本發(fā)明實(shí)施例1所制備的碳化硅材料，電阻率隨材料溫度變化的規(guī)律。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容，本發(fā)明不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例1

(1)將基板置于冷壁式化學(xué)氣相沉積腔體中的加熱臺(tái)上，將腔體內(nèi)真空度調(diào)至10Pa以下，加熱基板至600℃，保溫30min；

(2)以稀釋氣Ar將前驅(qū)體HMDS帶入反應(yīng)腔體內(nèi)，調(diào)節(jié)P_dep至600Pa；

(3)打開(kāi)激光，照射基板，激光波長(zhǎng)為808nm；

(4)調(diào)節(jié)激光功率，使T_dep升至1200℃，保溫10min；

(5)停止通入HMDS和Ar，關(guān)閉激光，抽真空至10Pa以下，材料自然冷卻至室溫。

如圖1所示，T_dep＝1250℃，其它制備參數(shù)與本發(fā)明實(shí)施例1相同時(shí)所沉積的材料，其XRD圖譜既含有SiC衍射峰，還含有單質(zhì)碳衍射峰，表明材料為碳化硅，并且含單質(zhì)碳。本發(fā)明實(shí)施例一所沉積的材料，其XRD譜圖中僅出現(xiàn)碳化硅的衍射峰，而不含雜質(zhì)碳的衍射峰，表明材料為碳化硅，并且不含單質(zhì)碳。

圖2(a)和(b)中，虛線為碳化硅材料與基板界面處，虛線上方為沉積的碳化硅材料。沿圖2(a)和(b)中實(shí)線，作EDX分析，結(jié)果分別如圖2(c)和(d)所示。圖2(c)顯示，沿圖2(a)中實(shí)線，C原子信號(hào)峰頂，對(duì)應(yīng)Si原子信號(hào)峰谷，表明材料中有雜質(zhì)碳生成。圖2(d)顯示，沿圖2(b)中實(shí)線，Si原子和C原子的比例保持為1:1，表明薄膜中不含雜質(zhì)碳。EDX測(cè)試結(jié)果與XRD測(cè)試結(jié)果一致。

據(jù)報(bào)道HMDS分解并沉積為SiC的反應(yīng)過(guò)程如下所示：

步驟一：(CH₃)₃-Si-Si-(CH₃)₃→(CH₃)₃-Si-Si-(CH₃)₂⁺+CH₃^-

步驟二：(CH₃)₃-Si-Si-(CH₃)₂⁺+CH₃^-→(CH₃)_n-Si-H_4-n(n＝1～3)+C_nH_m

步驟三：(CH₃)_n-Si-H_4-n(n＝1～3)→SiC(solid)+C_nH_m

圖2(a)中碳化硅材料含有雜質(zhì)碳，可能的原因是其沉積溫度較高，為1250℃,HMDS反應(yīng)步驟三中的Si-C鍵打開(kāi)，導(dǎo)致形成過(guò)多的甲基，沉積到材料中，引起材料碳原子過(guò)多，從而形成雜質(zhì)碳。而實(shí)施例1的沉積溫度適中，為1200℃，可使HMDS恰好分解，按照步驟三進(jìn)行，形成不含雜質(zhì)碳的碳化硅材料。

因?yàn)?，T_dep＝1200℃時(shí)，碳化硅材料不含雜質(zhì)碳，而T_dep＝1250℃時(shí)，碳化硅材料含雜質(zhì)碳，因此T_dep＝1200℃時(shí)所沉積碳化硅材料的電阻率，可高于T_dep＝1250℃時(shí)所沉積的碳化硅材料2個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)施例2

(1)將基板置于冷壁式化學(xué)氣相沉積腔體中的加熱臺(tái)上，將腔體內(nèi)真空度調(diào)至10Pa以下，加熱基板至600℃，保溫30min；

(2)以稀釋氣Ar將前軀體HMDS帶入反應(yīng)腔體，調(diào)節(jié)P_dep至800Pa；

(3)打開(kāi)激光，照射基板，激光波長(zhǎng)為808nm；

(4)調(diào)節(jié)激光功率，使T_dep升至1100℃，保溫10min；

(5)停止通入HMDS和Ar，關(guān)閉激光，抽真空至10Pa以下，材料自然冷卻至室溫。

實(shí)施例3

(1)將基板置于冷壁式化學(xué)氣相沉積腔體中的加熱臺(tái)上，將腔體內(nèi)真空度調(diào)至10Pa以下，加熱基板至600℃，保溫30min；

(2)以稀釋氣Ar將前驅(qū)體HMDS帶入反應(yīng)腔體內(nèi)，調(diào)節(jié)P_dep至400Pa；

(3)打開(kāi)激光，照射基板，激光波長(zhǎng)為808nm；

(4)調(diào)節(jié)激光功率，使T_dep升至1150℃，保溫10min；

(5)停止通入HMDS和Ar，關(guān)閉激光，抽真空至10Pa以下，材料自然冷卻至室溫。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種修改和變化，凡在本發(fā)明的精神和原則內(nèi)所做的任何修改，等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。