[发明专利]陶瓷薄膜低温沉积方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张递交于2012年12月21日序列号为61/745,523的美国临时专利申请的优先权，据此，其内容通过引用的方式并入。

技术领域

本发明主要涉及薄膜的沉积方法，尤其涉及借助原子层沉积(ALD)，纳米层淀积方法(NLD)和化学气相沉积(CVD)方法的碳化物，氮化物和诸如碳氮化物的混合相所构成的陶瓷薄膜的低温沉积方法。

背景技术

由碳化物、氮化物以及由硅、锗、硼和其混合相组成的碳氮化物构成的薄膜被广泛应用于高温、高功率电子器件，恶劣环境下工作的传感器，抗腐蚀和耐磨损的涂层，发光二极管(LED)制造等。这些材料的薄膜沉积工艺普遍采用的方法包括喷溅涂覆法，物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)以及其它各种涉及等离子沉积的方法。然而，在这些薄膜的沉积方法中，化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)由于在膜质量、组成成分、均匀性、粘附性和大覆盖面积上具有的各种优点，因而成为目前的主流方法。

工业上广泛采用的CVD工艺是一种依赖通量的工艺。在动力学限制状态下，CVD工艺同样也对衬底温度敏感。然而，CVD工艺可以在高沉积速率(从几微米/小时至数百微米/小时)下进行操作，通常这在工业环境中是非常适用的。另一方面，与CVD工艺相比，ALD工艺在薄膜均匀性、通量独立基础方面具有若干关键优势，因此不受衬底尺寸和形状的影响。此外，ALD工艺还提供了亚微米级衬底特征的涂层，以及在一些情况下反映化学前体表面催化相互作用基础的较低工艺沉积温度。然而，与CVD工艺相比，ALD却被较低的薄膜沉积速度(可为一个数量级或更低)所困扰。

此外，在典型的CVD工艺中，两种或更多种反应性气体(化学前体)混合在一起，并流经有助于实现大面积沉积的加热衬底。只有当化学前体在混合时不表现出进行预反应的倾向，这样的设置才是可行的。但是，在某些情况下，如果该化学前体表现出彼此间的强反应性，在它们到达衬底表面前这些气体必须是分离的，但同时到达衬底后必须在衬底上均匀地分布。而按照这样的要求进行设计和操作双喷射CVD反应器是相当复杂的。

在ALD工艺中，将该化学前体依次注入到处理容积内，使该化学前体在吹扫气体间散布。出于实用目的，吹扫气体可以是任何不主动参与薄膜沉积的化学反应的气体。在ALD工艺中，由于其通量的独立性，通常不需要反应物的均匀分散。因此，反应物喷射器的简单分离就足以建立ALD工艺。这些优势允许在ALD工艺中筛选高活性化学前体，而这种筛选在CVD工艺中的操作是相当复杂的。事实上，人们一直致力寻求或迫切需要彼此间高度反应活性的前体以建立有效的ALD薄膜工艺。

在典型的ALD方法中，两个或更多的反应物气体按顺序脉冲在置于处理室内的加热衬底上。该反应气体脉冲可通过吹扫气体脉冲实现分离或将两种反应物气体脉冲散布在恒定的吹扫气流中。然而，在CVD工艺中，置于处理室中的加热衬底则要使反应物的流动与作为载气的吹扫气体的可选流动同时进行。

现行的SiCCVD工艺在很大程度上遵循此路径。例如，K.Fujihira等人在《晶体生长杂志》第255卷，136页(2003)，论证了在1300℃下采用硅烷(SiH₄)和丙烷(C₃H₈)制备4H碳化硅薄膜的高效率的CVD工艺。Stoldt等人采用1，3-二硅杂丁烷(SiH₃-CH₂-SiH₂-CH₃)研制出单一的前体，低温(800-1000℃)SiC薄膜的CVD工艺，描述于《传感器和执行器A》，第97-98卷，410页(2002)。然而，Sone等人描述了在1300℃下采用甲基三氯硅烷操作的一个单一前体CVDSiC工艺，(MTS:CH₃-SiCl₃)，发表在《晶体生长杂志》第219卷，245页(2000)。在此显而易见的是通常SiC薄膜的沉积反应是在温度超过1000℃下进行的。众所周知，含BN,B₄C和Si₃N₄的陶瓷薄膜的沉积反应可在类似的温度范围内进行。