[发明专利]一种碳化硅单晶薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅单晶薄膜的制备方法，工艺流程主要包括：样品清洗、晶圆键合、原始厚度测量、碳化硅减薄、厚度监测、二次厚度测量、化学机械抛光、样品清洗、薄膜表征等工艺。通过该方法可以获得表面平坦的微米级厚度的碳化硅单晶薄膜，同时也避免了另一种常见的薄膜制备方法smart cut工艺过程中需要注入高剂量的氢离子从而增加缺陷的影响。所制备的碳化硅单晶薄膜是硅衬底上的异质材料，用户可以很方便地将其从衬底上分离出来，也可以选择性地保留薄膜的部分衬底，方便后续的使用。通过该方法原则上也可以由块状样品获得暂时还难于异质外延生长或者难于沿特定晶向异质外延生长的碳化硅薄膜材料以及其它薄膜材料。

技术领域

本发明涉及一种半导体材料加工方法，尤其涉及一种碳化硅单晶薄膜的制备方法。

背景技术

碳化硅天然地具有高硬度、高热导率、高击穿电压等优点，是一种广泛应用于微电子、航空航天、大功率器件等行业的第三代宽禁带半导体材料。目前已经具有成熟的高质量六寸碳化硅晶圆片的制造和外延生长技术、以及成熟的微纳米加工和掺杂技术。2011年，美国芝加哥大学的Awschalom研究组首次发现碳化硅中的双空位色心可以实现室温下的自旋操控，证明其相干时间可以达到几百微秒。近几年碳化硅色心由于其优越的性质，例如高亮度单光子源、优异的光学稳定性，以及长的相干时间吸引了越来越多的关注。

碳化硅材料有200多种不同的晶型，常见的碳化硅主要分三种，即六方晶格的4H碳化硅和6H碳化硅，以及立方晶格的3C碳化硅。可供研究的本征缺陷以及掺杂原子构成的色心类型丰富。碳化硅中拥有类似于金刚石NV色心的可作自旋比特的色心，即双空位(V_SiV_C)和硅空位(V_Si)色心，利用激光实现自旋极化、读取和微波操控自旋态。其中双空位色心的相干时间比金刚石NV色心的相干时间长，基于碳化硅色心的量子器件有易于集成和便于产业化的优势。

然而，携带自旋的碳化硅色心的荧光计数率大概只有金刚石NV色心荧光计数率的二十分之一，这极大限制了碳化硅色心系统在量子信息处理中的应用。在集成光学和光学工程领域有多种方法可以用来提高色心的收集效率，甚至可以增强自发辐射率，如光子晶体、表面等离激元、光纤腔、回音壁微腔等。这些方法的大部分应用几乎都需要异质外延生长的薄膜样品，碳化硅材料异质外延生长技术目前还只能在硅[100]和硅[111]晶向异质外延生长3C碳化硅薄膜，而研究比较多的拥有自旋色心的4H碳化硅高纯薄膜只能通过同质外延生长获得，同质外延生长的薄膜材料难于实现薄膜与衬底的分离，也就难于实现该材料在光子晶体、表面等离激元、光纤腔和回音壁腔等方面的应用。

针对上述难题，本发明提供了一种由块状的碳化硅单晶材料，通过与硅晶圆片晶圆键合、机械减薄、化学机械抛光等步骤获得表面平坦的微米级的薄膜样品。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种碳化硅单晶薄膜的制备方法，避免了另一种目前常用的薄膜制备方法smart cut工艺过程中需要注入高剂量的氢离子从而增加碳化硅缺陷的影响。本发明提供的方法所制备的碳化硅单晶薄膜样品是硅衬底上的异质材料，用户可以很方便地将其从衬底上分离出来。通过该方法原则上也可以获得其它暂时还难于沿特定晶向异质外延生长的碳化硅薄膜材料或其它薄膜材料。

本发明需要单面抛光的碳化硅晶圆和硅晶圆衬底经过严格的样品清洗之后进行标准晶圆键合工艺，并对键合的晶圆作原始厚度测量工艺；然后，通过机械减薄的方法进行碳化硅减薄工艺，实时监测碳化硅晶圆厚度并及时作厚度测量校准和确认，不断反馈碳化硅单晶薄膜厚度以达到目标膜厚；达到目标膜厚之后进行化学机械抛光工艺，使碳化硅减薄工艺导致的粗糙表面平坦化，同时去除碳化硅单晶薄膜上的机械损伤层，另一方面，该工艺可以更精细地控制碳化硅单晶薄膜的厚度；最后，进行样品清洗工艺和薄膜表征工艺，通过样品清洗工艺去除样品表面的颗粒物和研磨液，薄膜表征工艺过程中使用椭偏仪或膜厚仪测量碳化硅单晶薄膜的厚度，使用原子力显微镜测量薄膜样品的表面粗糙度。

本发明是通过如下方式实现的：