[发明专利]在单晶硅或多晶硅上制备碳化硅复合涂层的化学气相沉积方法

说明书

本发明属于涂层制备领域，具体涉及到一种在单晶硅或多晶硅上制备碳化硅复合涂层的化学气相沉积方法。采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)系统，选择液体原料六甲基二硅烷(HMDS)或六甲基二硅氧烷(HMDSO)、H₂和Ar气体体系，工作压强为10～1000Pa，温度为900～1350℃。沉积涂层之前，先对单晶硅或多晶硅基体进行预处理，形成一层多孔硅层，之后在多孔硅层上沉积涂层，复合涂层由Si基体开始依次为多孔硅层、缓冲层、SiOC层和纯SiC层。采用本发明方法沉积的碳化硅复合涂层具有结构致密、无明显裂纹和与基体结合良好等特点。本发明设计的复合涂层巧妙地协调了SiC涂层与Si基体的应力匹配问题，采用本方法制备出的复合涂层厚度可超过1.5mm。

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种在单晶硅或多晶硅上制备碳化硅复合涂层的化学气相沉积方法。

背景技术

干法刻蚀是芯片制造的主要技术路径，常用的刻蚀气体包括SF₆、CF₄、C₄F₈和O₂等。刻蚀过程中，含氟气体的主要作用为通过电离得到氟离子，氟离子与碳化硅衬底中的硅原子发生化学反应，生成SiF₄气体并实现对硅原子的刻蚀。目前，由于硅晶圆的载物台也多为硅材料，因此为了提高载物台的使用寿命需要对这部分硅材料进行有效防护。

碳化硅材料禁带宽度大，击穿电场强度高，惰性高，热导率高，载流子饱和速度快，是用于上述防护领域的一种理想涂层材料。化学气相沉积法制备碳化硅涂层有其他方法无法比拟的特性，如：高致密度、高热导率、高的弹性模量以及优异的抛光性能，但是制备较厚的碳化硅涂层存在很大的难度。

在硅基底上生长碳化硅会产生很大的应力，硅和碳化硅的晶格常数不同，硅的晶格常数为碳化硅的晶格常数为晶格失配率达19.7％。另外，硅和碳化硅热膨胀系数的差别也将产生应力场，室温下硅和碳化硅的热膨胀系数分别为2.77×10^-6K^-1和2.57×10^-6K^-1，热膨胀系数失配大约在8％，在生长温度下热膨胀系数达到20％。因此，碳化硅外延层会在SiC/Si界面处形成大量缺陷用于释放残余应力，如：堆垛层错(SFs)、微孪晶、反相畴界(APBs)、突出(Protrusions)等，应力释放就会导致涂层开裂，涂层与基体的结合很差。

目前，在硅基体上制备SiC涂层，通用的方法是考虑添加一层缓冲层，即在通入硅源气体之前，只通入碳源气体，Si基底提供Si原子，使得在Si基体表面有一层很薄的SiC缓冲层，然后沉积SiC涂层，但是无论是缓冲层还是SiC涂层，两者的厚度均受限在一定的范围内，较薄的SiC涂层已无法满足实际需求。为了沉积更厚的SiC涂层，需要考虑释放较多应力的方法，采用柔性基底和缓冲层相结合的方法，可以沉积毫米级的SiC涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在单晶硅或多晶硅上制备碳化硅复合涂层的化学气相沉积方法，解决由于热膨胀系数不匹配等引起的涂层与基体结合性差的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在单晶硅或多晶硅上制备碳化硅复合涂层的化学气相沉积方法，采用HMDSO/HMDS-H₂-Ar体系，在硅基体上依次制备出多孔硅层、SiOC缓冲层、SiOC层和纯SiC层的复合涂层；该方法包括以下步骤：

(1)在硅基体上制备多孔硅层，通入H₂和Ar，H₂的流量为100～1000sccm，Ar的流量为1000～6000sccm，刻蚀温度区间为900～1350℃，工作压强为10～1000Pa，刻蚀时间为5min～1h；