一种在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法
技术领域
本发明属于碳化硅半导体材料领域，尤其涉及一种在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法。
背景技术
碳化硅半导体材料(4H-SiC)是新型第三代半导体材料，在大功率电力电子领域具有十分重要的用途。其中，在碳化硅衬底上进行同质外延生长碳化硅厚膜是实现碳化硅功率器件的关键步骤。目前所用的制备方案有两个不足之处：一是需要用到碳化硅衬底，由于衬底极难制备，所以增加了制作碳化硅功率器件的难度；二是需要将衬底减薄，才能使器件电阻大幅下降。上述不足之处既增加了器件制备成本又造成了原材料的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法，包括：
(1)在一图形衬底上制备硅膜；
(2)在生长炉中升高温度使硅膜熔化形成硅熔体；
(3)保持温度不变，向生长炉中通入碳氢化合物气体，一段时间后形成悬浮于硅熔体表层的碳化硅籽晶层；
(4)向生长炉中通入碳氢化合物气体和硅氢化合物气体，在步骤(3)形成的碳化硅籽晶层上同质外延生长，形成碳化硅自支撑层；
(5)将步骤(4)得到的含有碳化硅自支撑层的图形衬底降温后去除所述硅膜，得到剥离的碳化硅自支撑层，将之研磨抛光并整形后，即得到所述碳化硅晶圆。
基于上述技术方案可知，本发明在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本方法避免了传统方法的劣势，具有简便易行，容易推广等优点；
2、本发明不再必需使用昂贵难得的碳化硅衬底，而是可以使用价格低廉的蓝宝石衬底，使之只承担支撑的作用，采用硅熔体作为转化床，通入硅和碳的生长气体后在此转化床上通过化合反应生成碳化硅结晶层，在一定时间之后即可以生长出具有一定厚度的自支撑碳化硅厚膜材料，随后可以通过湿法腐蚀残硅层的办法将厚膜碳化硅层剥离下来，形成制作碳化硅功率器件的起始材料。此外，前述衬底还可以重复使用，进一步降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例中图形衬底其台阶表面和截面形状示意图；
图2是本发明实施例中图形衬底表面波纹形状及其分布示意图；
图3是本发明实施例中制备碳化硅外延厚膜全过程示意图；
图4是本发明实施例中硅膜熔化和碳化硅生长过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种在硅熔体表面通过CVD制备自支撑碳化硅晶圆的方法，包括：
(1)在一图形衬底上制备硅膜；
(2)在生长炉中升高温度使硅膜熔化形成硅熔体；
(3)保持温度不变，向生长炉中通入碳氢化合物气体，一段时间后形成悬浮于硅熔体表层的碳化硅籽晶层；
(4)向生长炉中通入碳氢化合物气体和硅氢化合物气体，在步骤(3)形成的碳化硅籽晶层上同质外延生长，形成碳化硅自支撑层；
(5)将步骤(4)得到的含有碳化硅自支撑层的图形衬底降温后去除所述硅膜，得到剥离的碳化硅自支撑层，将之研磨抛光并整形后，即得到所述碳化硅晶圆。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中所述升高温度步骤中升高温度至1500至1800摄氏度。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中所述硅熔体为表面具有台阶或者波纹的硅熔体。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述碳化硅籽晶层生长时间为1至2小时。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述生长炉中的压力为600至760托。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述碳氢化合物气体和硅氢化合物气体中硅元素和碳元素的摩尔质量比为1∶(0.8至1.5)；
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述碳化硅层的生长时间为3至8小时。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述碳氢化合物气体包括丙烷，所述硅氢化合物气体包括硅烷。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述的图形衬底上的图形包括台阶；
在本发明的一些实施例中，所述台阶的形状包括微纳米台阶、连续波纹状台阶或者断续波纹状台阶；
在本发明的一些实施例中，所述台阶是由于衬底倾角形成的或通过图形刻蚀形成的。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述硅膜的厚度为200至1000纳米。
在本发明的一些实施例中，步骤(5)中去除所述硅膜的方法包括湿法腐蚀；
在本发明的一些实施例中，所述湿法腐蚀具体包括：
将制备好碳化硅膜的图形衬底放入碱溶液中，保持温度在80至100摄氏度，经过2至4小时后，所述硅膜被去除；
在本发明的一些实施例中，所述的碱溶液包括KOH水溶液，所述KOH水溶液的浓度为40wt％至60wt％。
在一个示例性实施例中，本发明的自支撑碳化硅晶圆的制备方法包括以下步骤：
步骤一、取一图形衬底，作为支撑基板；
步骤二、采用溅射或者电子束蒸发的方法在图形衬底上制备硅膜，硅膜厚度为200纳米至1微米，然后在生长炉中升高温度达1500-1800摄氏度将其熔化形成熔体，此液相作为后续碳化硅生长的母相和流化床；在高温下硅熔体表面受图形衬底影响，具有细微台阶，或者形成细微波纹，图形衬底台阶处硅分子更易于向表面运动，使熔体表面对应处形成细微台阶或者波纹，这使得硅熔体表面积增大，其台阶或波纹尖端处、相临小平面处更易与碳源接触。
步骤三、向生长炉中通入含有碳元素的碳氢化合物气体，在1500-1800摄氏度高温下碳元素溶解于硅熔体近表面层，与硅元素化合形成一定密度的碳化硅籽晶粒悬浮液，持续1～2小时后，籽晶粒长大并相互融合，形成一碳化硅籽晶层，厚度100纳米～300纳米，悬浮于硅熔体表层并成为硅熔体的封盖层；控制硅蒸气压和生长炉压力，并使两种压力平衡，从而控制籽晶悬浮于硅熔体表面，不至于下沉，也不至于被熔体中的硅分子搅动、拆分。一定时间之后，籽晶粒长大并与相临籽晶粒融合，在硅熔融表面形成碳化硅籽晶膜。
步骤四、向生长炉中同时通入含有碳元素的碳氢化合物气体以及含有硅元素的简单硅氢化合物气体，高温下以碳化硅籽晶层为衬底进行同质外延生长，持续3-8小时时间后，使同质外延层的厚度为50-200微米，形成碳化硅自支撑厚膜材料；其中，碳氢化合物气体以及硅氢化合物气体中碳元素和硅元素的摩尔质量比例为1∶(0.8-1.5)；
步骤五、生长炉降温至室温后取出具有碳化硅自支撑厚膜材料的图形衬底，然后采用湿法腐蚀清除残留硅膜，让自支撑厚膜材料自行从图形衬底表面脱落，即可将碳化硅自支撑材料剥离；
步骤六、将所得碳化硅自支撑材料进行双面磨抛及圆周整形处理，使其双面平坦光亮，即制备得到所述碳化硅晶圆。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
本实施例的碳化硅外延膜的制备方法中，采用纳米图形衬底，材质为蓝宝石(sapphire)或者4H-SiC，表面晶向为(0001)或者(000-1)，且与<11-20>或者其它方向如<1100>方向具有一定夹角，形成衬底倾角，如0度、4度、8度等，形成微纳米条状台阶，如图1所示，与参考边具有特定夹角或角度，如0度、30度、45度、90度等，图1中为0度。表面台阶也可以是其他形状，如图2所示，为连续波纹状或者断续波纹状，其波纹之间以及与参考边之间具有特定夹角或角度，如0度、30度、45度、90度等。台阶高度为50纳米至1微米，其台面宽度100纳米至2微米，如图1所示。表面微纳米台阶可以是由于衬底倾角形成的，也可以是通过图形刻蚀形成的。
采用电子束或者磁控溅射的方法在图形衬底表面制备一薄层硅膜。硅膜厚度为200纳米至1微米。如图3中第2步骤所示。
在碳化硅外延生长炉中将硅膜熔融。如图4中第1步骤所示。将炉温升温至1500-1800摄氏度左右将硅膜熔融并使之具有一定的蒸气压。
硅熔体表面受图形衬底影响，具有相似性，也有细微台阶，或者形成细微波纹，因为在高温下，衬底台阶处硅分子更易于向表面运动，使熔体表面对应处形成细微台阶或者波纹，这使得硅熔体表面积增大，其台阶或波纹尖端处、相临小平面处易与碳源接触，化合反应生成籽晶，从而形成高密度籽晶区，悬浮于硅熔体表面，一定条件下籽晶长大并相互融合，形成封盖层，也即籽晶膜超薄层，也具有细微表面台阶，利于后续化学气相沉积采用台阶流生长模式进行同持外延碳化硅生长。
此时通入载气氢气氛，流量为1slm-30slm不等，生长室压力为600-760托。此时，在载气氢气氛中通入碳的反应源气体(即碳氢化合物气体)，如丙烷，保持生长室压力不变，丙烷流量为100sccm-500sccm不等，碳源溶解在硅熔体表面形成高密度碳化硅籽晶粒，可作为籽晶用于生长碳化硅，1-2小时之后，籽晶粒长大并与相临籽晶粒融合，在熔融硅膜表面形成碳化硅籽晶超薄膜。如图4第2步骤所示。
此时通入硅源(即硅氢化合物气体)，如硅烷，使碳硅摩尔质量比例为1∶(0.8-1.5)，进行同质外延生长，3-8小时后等碳化硅膜长到50-200微米即可关闭硅和碳的反应源气体，并在氢气氛中降温至室温，结束生长，如图4第3步骤所示。
取出带有生长了碳化硅膜的衬底，采用湿法腐蚀的方法小心地将残留硅层消除，如图3中第5步骤所示。将生长了碳化硅膜的衬底放于质量百分比为40％-60％的KOH水溶液中，温度保持在80-100摄氏度左右，经2-4小时后即可以将碳化硅膜和衬底之间残留的硅膜腐蚀去除，从而将所生长的碳化硅膜从图形衬底上剥离下来，形成自支撑碳化硅厚膜材料。
采用研磨抛光的方法将自支撑碳化硅厚膜材料双面进行平坦化，将碳化硅材料表面的毛刺去除并使表面粗糙度降至1纳米以下，然后对自支撑碳化硅厚膜材料进行整形处理，即可完成自支撑碳化硅晶圆的制备，如图3中第6步骤所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
