[发明专利]键合Si衬底及其制备方法及制备Si/3C-SiC异质结构和3C-SiC薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种键合Si衬底及其制备方法及制备Si/3C‑SiC异质结构和3C‑SiC薄膜的方法，通过对两个Si衬底分别进行表面刻蚀、表面下25‑35μm深度处注入H⁺，从而分别得到表面设置有周期化的沟道结构、H⁺注入层的两个Si衬底，再将两者键合在一次，然后经过两次加热退火处理、抛光，即可得到键合Si衬底；再利用其制备得到Si/3C‑SiC异质结构，并通过将Si/3C‑SiC异质结构在腐蚀液中腐蚀5‑8min，即可得到剥离的3C‑SiC薄膜；本发明中，键合Si衬底可释放薄膜剥离过程中的应力，同时使反应过程中产生的气泡不会对薄膜造成损伤。在获得大尺寸低损伤的3C‑SiC外延层的同时，能够降低腐蚀液和衬底的消耗。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种键合Si衬底及其制备方法及制备Si/3C-SiC异质结构和3C-SiC薄膜的方法，具体涉及一种键合Si衬底及其制备方法及利用此衬底制备Si/3C-SiC异质结构和3C-SiC薄膜的方法。

背景技术

SiC具有宽禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率及高载流子饱和速率等特性，在高温、高频、抗辐射、大功率以及抗辐射电子器件应用方面具有广阔的应用前景。SiC有多种晶型，其中3C-SiC晶型的饱和电子漂移速率为2.6×10⁷cm/s，大于Si和GaAs以及4H-SiC和6H-SiC晶型，而饱和电子漂移速度对于最高工作频率有很大的影响，因此3C-SiC更适合用于制作微波射频器件。同时，3C-SiC相比于4H-SiC和6H-SiC有更低的外延成本，因为3C-SiC与Si单晶同属于立方晶系，在Si衬底上就可以异质外延3C-SiC，而4H-SiC和6H-SiC一般采取同质外延生长来获取外延片。3C-SiC的器件的应用具备很大的潜力。

柔性器件由于不同于体材料器件，除了具有体材料器件的优点，还具有质量轻、可折叠、成本低、具有大规模制造的潜力的优点，具有较大的机械灵活性，能够满足人体对于设备的形变要求，例如Si薄膜在柔性电池领域具有很好的应用前景，而柔性3C-SiC薄膜材料，除了具有柔性Si薄膜材料的优点还具有耐高温、抗辐射、饱和漂移速度高的优点，应用场景更广泛。如果将Si/3C-SiC异质结构中的Si衬底腐蚀剥离得到的3C-SiC薄膜转移到柔性衬底上，制成柔性器件或电路，则可以应用于可穿戴设备、柔性医疗设备或者一些特殊的环境中，从而扩大3C-SiC薄膜器件和电路的应用范围。因此，研究3C-SiC薄膜的剥离技术并实现柔性转移对SiC柔性器件的应用有重要意义和实用价值。

传统3C-SiC薄膜的剥离一般选择湿法腐蚀技术，对Si/3C-SiC异质结构中的Si衬底进行剥离，3C-SiC由于化学稳定性好，常温下几乎不与任何酸、碱腐蚀液发生反应，腐蚀后最终得到3C-SiC薄膜。当剥离3C-SiC薄膜时，腐蚀液会从四周边缘逐渐往中心腐蚀，因此首先会从四周边缘观察到透明的3C-SiC薄膜，这种腐蚀方式不仅腐蚀速率慢，且腐蚀时间过长腐蚀液容易对3C-SiC薄膜造成损伤。腐蚀过程中发生的反应如下：

3Si+4HN0₃+18HF＝3H₂SiF₆+4N0↑+8H₂0(3.1)

由公式(3.1)可知，腐蚀过程中会产生NO气体产生，气泡会使薄膜边缘出现裂痕，3C-SiC薄膜尺寸过大时薄膜就会碎裂，因此难以剥离得到较大的3C-SiC薄膜。同时，由于Si衬底与外延层3C-SiC之间存在着晶格失配(大约20％)和热膨胀系数失配(大约8％)，这使得3C-SiC外延层与Si衬底之间存在着很大的应力。采用传统的湿法腐蚀技术进行3C-SiC薄膜的剥离时由于无法有效释放外延层和Si衬底之间的应力，接触面积内的3C-SiC薄膜容易被拉扯力撕破。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种键合Si衬底的制备方法，该制备方法操作简单，制备得到的衬底为平滑的Si面，表面粗糙度低，衬底质量好。