阅读说明：本技术 一种3C-SiC薄膜的制备方法 (Preparation method of 3C-SiC film ) 是由 范梦慧 谢泉 艾学正 王凯 杨云飞 李鑫 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种3C-SiC薄膜的制备方法,属于半导体材料技术领域。上述制备方法包括如下步骤：S1.选取石墨作为衬底；S2.选取金属催化剂和靶材,其中,金属催化剂为铜、银和金中的任意一种；所述靶材为Si靶；S3.使用金属催化剂和靶材在石墨上溅射沉积形成含有金属催化剂的Si膜；其中,金属催化剂的表面积与靶材的表面积比为0.02-0.20；S4.将步骤S3得到的含有金属催化剂的Si膜进行真空热处理,即得到3C-SiC薄膜。本发明工艺操作更为简便,形成的3C-SiC薄膜结晶度高,在高温热处理下几乎未有薄膜皲裂发生,具有较好的质量。(The invention relates to a preparation method of a 3C-SiC film, belonging to the technical field of semiconductor materials. The preparation method comprises the following steps: s1, selecting graphite as a substrate; s2, selecting a metal catalyst and a target material, wherein the metal catalyst is any one of copper, silver and gold; the target material is a Si target; s3, sputtering and depositing on graphite by using a metal catalyst and a target to form a Si film containing the metal catalyst; wherein the ratio of the surface area of the metal catalyst to the surface area of the target material is 0.02-0.20; and S4, carrying out vacuum heat treatment on the Si film containing the metal catalyst obtained in the step S3 to obtain the 3C-SiC film. The invention has simpler and more convenient process operation, and the formed 3C-SiC film has high crystallinity, almost no film chapping under high-temperature heat treatment and better quality.)

一种3C-SiC薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，特别涉及一种3C-SiC薄膜的制备方法。

背景技术

3C-SiC是一种立方相碳化硅，具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等性能，在制备耐高温、大功率、高频及强辐射的半导体光电子器件等领域具有巨大的潜质。3C-SiC是一种能够在极端条件下使用的新一代宽禁带半导体材料。

目前，制备SiC薄膜的主要方法有两种：化学气相沉积法和物理气相沉积的射频磁控溅射。化学气相沉积法是将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内进行化学反应，形成一种新的材料，沉积到基底上，生成的薄膜结构稳定，但是化学气相沉积用于薄膜生长的气体源(如SiH₄、C₃H₈等)大部分属于易燃易爆且有毒有害的物品，对人体健康不利，且气体源利用率低，成本高。

物理气相沉积的射频磁控溅射在真空条件下充惰性气体如氩(Ar)气至低压，因靶材和衬底之间施加射频交流电场作用，氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar⁺)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击靶材，靶材会被溅射出来而沉积到衬底表面，工艺过程简单，对环境较好，磁控溅射制备的SiC薄膜所用衬底一般是以高纯单晶硅片、玻璃片、蓝宝石或钢基为衬底，成本较高，不利于规模化生产，且SiC与衬底之间有较大的晶格失配，又热处理温度高，生成的SiC薄膜容易发生皲裂。因此，现在市场需要一种能够兼顾生产效率和生产质量的3C-SiC薄膜的制备方法。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的技术问题，提供一种3C-SiC薄膜的制备方法，其能够解决目前生产3C-SiC薄膜难以同时兼顾生产效率和生产质量的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种3C-SiC薄膜的制备方法，其包括如下步骤：

S1.选取石墨作为衬底；

S2.选取金属催化剂和靶材，其中，所述金属催化剂为铜、银和金中的任意一种；所述靶材为Si靶；

S3.使用步骤S2的所述金属催化剂和步骤S2的所述靶材，步骤S1的所述石墨上溅射沉积，形成含有金属催化剂的Si膜层；

其中，所述金属催化剂的表面积与所述靶材的表面积比为0.02-0.3；

S4.将步骤S3得到的含有金属催化剂的Si膜进行真空热处理，即得到3C-SiC薄膜。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在石墨衬底上，通过将金属催化剂、靶材一同进行溅射沉积，热处理过程中能够加快3C-SiC生成过程中的晶核再结晶，显著提高结晶度，同时在高温热处理下几乎未有薄膜皲裂发生，具有较好的质量；

(2)本发明的溅射沉积工艺操作更为简便，能够有效控制催化剂金属箔的数量，有效控制靶材与金属催化剂的原子百分比，从而提高3C-SiC薄膜的质量；

(3)本发明以石墨为衬底，石墨来源丰富，价格低廉，且对环境无污染，能够有效控制成本；

(4)本发明石墨密度小、热膨胀系数小、化学稳定性高、熔点高和热导率高等优点，尤其在高温环境石墨和SiC两者之间的热膨胀系数非常接近，能够提高3C-SiC薄膜的性能；

(5)石墨属于层状结构易于将其上面的3C-SiC薄膜进行机械剥离，可以实现在石墨衬底上制备的3C-SiC薄膜转移到其它衬底或器件上；

(6)本发明通过限定金属催化剂的表面积与靶材的表面积比，能够控制3C-SiC薄膜的金属催化剂含量，操作方便。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤S1中，所述石墨经过如下方法得到：取石墨片，进行单面抛光，再依次经丙酮和无水酒精清洗、去离子水清洗和吹干，即得。

采用上述进一步方案的有益效果是：对石墨进行预处理能够去除石墨表面的有机物。

进一步，所述石墨片为高纯石墨片。

需要理解的是，上述高纯石墨片是指由高纯石墨材料加工而成，密度大于1.8g/cm³，抗压强度大于65MPa，抗折强度大于35MPa，比电阻小于10，灰分小于0.05。

进一步，步骤S2还包括对所述金属催化剂进行预处理的步骤，具体如下：采用丙酮和无水酒精对所述金属催化剂进行一次超声波清洗，其后采用去离子水对经一次超声波清洗的所述金属催化剂进行二次超声波清洗，再吹干，得到预处理后的金属催化剂。

采用上述进一步方案的有益效果是：对金属催化剂进行预处理能够去除金属催化剂表面的有机物，确保沉积3C-SiC薄膜不含杂质。

进一步，步骤S3中，所述溅射沉积的条件为：真空度≤8.0×10^-5Pa，溅射气压为1.0Pa-4.0Pa，氩气流量为10sccm-25sccm，溅射功率为80W-140W。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明采用磁控共溅射法，工艺参数均较易控制，有助于促进3C-SiC薄膜的规模化生产。

进一步，步骤S3中，所述Si膜厚度为220nm-840nm。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过控制膜的厚度，能够有效改善膜应力，进一步防止膜表面出现裂痕。

进一步，步骤S3中，在所述溅射沉积之前，将步骤S2的所述金属催化剂和步骤S2的所述靶材进行溅射处理10min-15min。

采用上述进一步方案的有益效果是：在所述溅射沉积之前，将金属催化剂和靶材进行溅射，能够去除金属催化剂和靶材上的氧化层。

进一步，所述溅射处理的条件为：真空度≤8.0×10^-5Pa，溅射气压为1.0Pa-4.0Pa，氩气流量为10sccm-25sccm，溅射功率为80W-140W。

进一步，步骤S4中，所述真空热处理的具体方法是：于真空度≤8.0×10^-4Pa的条件下，将步骤S3得到的所述含有金属催化剂的Si膜升温至950℃-1080℃，再保持温度1h-14h后进行自然降温。

采用上述进一步方案的有益效果是：金属催化剂在高温时有良好的湿润性，对Si和C有很高的溶解度，能提高Si原子和C原子的相互扩散速率，能加快3C-SiC晶核的再结晶。

进一步，所述自然降温的真空度≤2.0×10^-3Pa。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过改善自然降温的真空度，有利于3C-SiC的薄膜的形成。

附图说明

图1为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜原子含量为不同百分比，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的X射线衍射图；

图2为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，没有铜，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的扫描电子显微镜图；

图3为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜为0.06at.％，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的扫描电子显微镜图；

图4为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜为0.10at.％，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的扫描电子显微镜图；

图5为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜为0.15at.％，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的扫描电子显微镜图；

图6为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜为0.36at.％，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品的扫描电子显微镜图；

图7为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜原子含量为不同百分比，温度为1080℃，保温时间为12h制备的样品拉曼峰在400cm^-1-1800cm^-1的Raman光谱图；

图8为本发明在高纯石墨片上沉积560nm厚的Si膜，铜为不同原子百分比，温度为1080℃，时间为12h制备的样品拉曼峰在650cm^-1-1000cm^-1的Raman光谱图。

具体实施方式

以下结合实施方式更加具体地说明本发明的技术方案，其中，石墨、金属催化剂和靶材等原料可以市售购买，如石墨可以购自青岛润凯碳素有限公司的高纯石墨片(规格：15mmx15mmx1mm)；铜箔可以购自山东万佳铜业有限公司的铜箔(规格：5mmx5mmx1mm)；Si靶可以购自合肥科晶材料技术有限公司的Si靶(纯度为99.99％，规格：直径为60mm，厚度为5mm)。

实施例1

本实施例提供一种3C-SiC薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1.选取高纯石墨片作为衬底，对高纯石墨片进行单面抛光，将单面抛光的高纯石墨片在丙酮和无水酒精中清洗15min，然后用去离子水清洗5次，每次10min，再吹干后，得到预处理的石墨片，其后将预处理的石墨片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的溅射室；

S2.选取铜箔和Si靶，采用丙酮和无水酒精对铜箔进行一次超声波清洗15min，其后采用去离子水对经一次超声波清洗的铜箔进行二次超声波清洗2次，每次10min，再吹干后，得到预处理的铜箔；采用沾有酒精的纱布擦拭Si靶表面，得到预处理的Si靶；

S3.将预处理的铜箔和预处理的Si靶的送入磁控溅射系统的溅射室，在正式溅射前，将预处理的铜箔和预处理的Si靶进行溅射处理10min；然后，使用预处理的所述铜箔和预处理的所述Si靶在预处理的所述石墨上溅射沉积形成含有金属催化剂层的Si膜；

其中，所述溅射沉积的条件和所述溅射处理的条件均为：真空度为5.0×10^-5Pa，溅射气压为2.0Pa，氩气流量为15sccm，溅射功率为110W；所述Si膜的厚度为560nm；

其中，所述铜箔规格为5mmx5mmx1mm，所述Si靶的规格为直径为60mm，厚度为5mm；

S4.溅射完成后自然冷却至室温，取出含有金属催化剂层的Si膜放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至8.0×10^-4Pa后开始升温至1080℃，再保持温度12h后进行自然降温，得到3C-SiC薄膜，其中，所述自然降温的真空度小于或等于2.0×10^-3Pa。

实施例2

本实施例提供一种3C-SiC薄膜的制备方法，其包括如下步骤：

S1.选取高纯石墨片作为衬底，对高纯石墨片进行单面抛光，将单面抛光的高纯石墨片在丙酮和无水酒精中清洗15min，然后用去离子水清洗5次，每次10min，再吹干后，得到预处理的石墨片，其后将预处理的石墨片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的溅射室；

S2.选取银箔和Si靶，采用丙酮和无水酒精对银箔进行一次超声波清洗15min，其后采用去离子水对经一次超声波清洗的银箔进行二次超声波清洗2次，每次10min，再吹干后，得到预处理的银箔；采用沾有酒精的纱布擦拭Si靶表面，得到预处理的Si靶；

S3.将预处理的银箔和预处理的Si靶的送入磁控溅射系统的溅射室，在正式溅射前，将预处理的银箔和预处理的Si靶进行溅射处理10min；然后，使用预处理的所述银箔和预处理的所述Si靶在预处理所述石墨上溅射沉积形成金属催化剂层，得到含有金属催化剂层的Si膜；

其中，所述溅射沉积的条件和所述溅射处理的条件均为：背底真空度4.0×10^-5Pa，溅射气压为1.0Pa，氩气流量为10sccm，溅射功率为80W；所述Si膜的厚度220nm；

其中，所述银箔规格为5mmx5mmx1.5mm，所述Si靶的规格为直径为60mm，厚度为5mm；

S4.溅射完成后自然冷却至室温，取出含有金属催化剂层的Si膜放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至3.0×10^-4Pa后开始升温至1050℃，再保持温度2h后进行自然降温，得到3C-SiC薄膜，其中，所述自然降温的真空度小于或等于2.0×10^-3Pa。

实施例3

本实施例提供一种3C-SiC薄膜的制备方法，其包括如下步骤：

S1.选取石墨片作为衬底，对石墨片进行单面抛光，将单面抛光的石墨片在丙酮和无水酒精中清洗15min，然后用去离子水清洗3次，每次10min，再吹干后，得到预处理的石墨片，其后将预处理的石墨片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的溅射室；

S2.选取金箔和Si靶，采用丙酮和无水酒精对金箔进行一次超声波清洗15min，其后采用去离子水对经一次超声波清洗的铜箔进行二次超声波清洗2次，每次10min，再吹干后，得到预处理的金箔；采用沾有酒精的纱布擦拭Si靶，得到预处理的Si靶；

S3.将预处理的金箔和预处理的Si靶的送入磁控溅射系统的溅射室，在正式溅射前，将预处理的金箔和预处理的Si靶进行溅射处理15min；然后，使用预处理的所述金箔和预处理的所述Si靶在预处理所述石墨上溅射沉积形成含有金属催化剂层的Si膜；

其中，所述溅射沉积的条件和所述溅射处理的条件均为：背底真空度6.0×10^-5Pa，溅射气压为4.0Pa，氩气流量为25sccm，溅射功率为140W；所述Si膜的厚度为600nm；

其中，所述金箔规格为4mmx4mmx1mm，所述Si靶的规格为直径为60mm，厚度为5mm；

S4.溅射完成后自然冷却至室温，取出含有金属催化剂层的Si膜放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至8.0×10^-4Pa后开始升温至1000℃，再保持温度6h后进行自然降温，得到3C-SiC薄膜，其中，所述自然降温的真空度小于或等于2.0×10^-3Pa。

下面，采用X射线能谱仪对实施例1中我们通过改变放置铜箔的数量和铜箔的位置来改变溅射时金属催化剂的表面积与靶材的表面积之比得到含铜不同百分比3C-SiC薄膜，对不同含铜百分比的3C-SiC薄膜的铜原子百分比进行测试，所使用的能谱仪是由英国牛津仪器(Oxford)公司生产的型号为Inca X-Max的X射线能谱仪，测试电压为15kV。再采用荷兰帕纳科(PANalytical)公司生产的锐影(Empyrean)X射线衍射仪，对实施例1中3C-SiC薄膜进行X射线衍射(XRD)测试，得到图1的结果。

由图1可知，除石墨衬底衍射峰外，其余峰均为3C-SiC衍射峰(卡片号：73-1665)，从XRD衍射图，含铜的3C-SiC薄膜衍射峰强度显著超过没有金属催化剂的3C-SiC衍射峰。其中，铜在高温时有良好的湿润性，对Si和C有很高的溶解度，能提高Si原子和C原子的相互扩散速率，能加快3C-SiC晶核的再结晶，说明有含铜的3C-SiC的结晶度显著提高。

另外，没有金属催化剂只有3C-SiC的(111)、(220)和(311)衍射峰，制备3C-SiC中加入铜后，样品又出现了3C-SiC的(200)、(222)和(400)三条衍射，说明了3C-SiC所有的衍射峰都出现了，说明本实施例所述制备条件下，制备了结晶状况明显优于没有金属催化剂的3C-SiC薄膜。

再下面，采用日本日立(Hitachi)公司生产的S-8010冷场发射扫描电子显微镜，对实施例1中不同含铜百分比的3C-SiC薄膜进行测试，测试电压5kV，放大倍数15000倍，得到图2-6的结果。其中，图2是没有铜的样品表面扫描电子显微镜(SEM)图，图3是铜含量为0.06at.％的样品扫描电子显微镜图，图4是铜含量为0.10at.％的样品扫描电子显微镜图，图5是铜含量为0.15at.％的样品扫描电子显微镜图，图6是铜含量为0.36at.％的样品扫描电子显微镜图，

从图2至图6可知，没有铜金属催化剂的样品有一些小沟道和孔洞，而含铜后的样品表面的沟道和孔洞明显减少，比较不同金属催化剂含量的样品表面显微形貌，铜为0.06at.％样品表面为大小不一的岛状网孔膜，大岛约2-3微米，岛与岛之间分布大小不等的沟渠和网孔，当铜的含量达到0.10at.％时，大岛“吞并”小岛局域部分形成连续薄膜，但还是有孔洞，孔洞数量减少，当铜的含量达到0.15at.％时，孔洞面积及数量明显减少，矩形状小岛联接合并形成连续薄膜，当铜的含量达到0.36at.％时，沟渠和孔洞完全消失，形成连续3C-SiC的薄膜，说明铜能加快SiC成核再结晶，增大铜金属催化剂含量更有利于3C-SiC的薄膜的形成。

还再下面，采用法国Horiba Jobin Yvon S.A.S公司生产的激光共焦显微镜拉曼光谱仪，型号为LabRAM HR Evolution，对实施例1中不同含铜百分比的3C-SiC薄膜进行Raman光谱测试，得到图7-8的结果。其中，图7是样品拉曼峰在400cm^-1-1800cm^-1区域的Raman光谱图，图8是样品拉曼峰在650cm^-1-1000cm^-1区域的样品Raman光谱图。

由图7可知，拉曼光谱图7中在793.60cm^-1、864.36cm^-1、971.07cm^-1、1361.24cm^-1、1584.92cm^-1处有五条拉曼峰，其中793.60cm^-1、864.36cm^-1、971.07cm^-1分别为3C-SiC特征峰：两支横光学模和一支纵光学模，1361.24cm^-1、1584.92cm^-1衬底石墨拉曼峰，其中1361.24cm^-1拉曼峰是石墨D模，1584.92cm^-1拉曼峰为石墨G模。

由图8可知，光谱图8中3C-SiC薄膜的拉曼峰：793.60cm^-1的横光学模相对强度显著增强，拉曼峰的半高宽FWHM/cm^-1明显减小，拉曼峰对称性增强，且拉曼峰略有蓝移，说明随着铜的含量增大，3C-SiC薄膜中SiC晶粒数越来越多，样品内的晶格缺陷显著减少，薄膜的结晶质量显著提高；由于含铜原子3C-SiC薄膜的Raman特征峰强度明显增大，所以没有铜的样品的拉曼峰的相对强度太小以至于在Raman光谱图上不显示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。