[发明专利]采用化学气相沉积工艺在硅基体上制备超厚碳化硅梯度涂层的方法

说明书

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种采用化学气相沉积工艺在硅基体上制备超厚碳化硅梯度涂层的方法。采用热激发式化学气相沉积系统，选择SiH₄(硅烷)、CH₃SiCl₃(甲基三氯硅烷)、CH₄(甲烷)和H₂(氢气)气体体系并控制各组分气体流量线性变化，在工作压强100～1000Pa和温度为1050～1350℃条件下，沉积出结构致密、超厚的碳化硅梯度涂层。根据成分，由Si基材开始该涂层由Si/SiC梯度涂层、纯SiC涂层、SiC/C梯度涂层、纯C涂层、C/SiC梯度涂层以及纯SiC涂层组成。采用本发明方法沉积的SiC梯度涂层具有结构致密、无明显裂纹和与基材结合良好等特点。由于梯度设计有效地解决SiC涂层与Si基体之间的应力问题，采用本发明方法制备出的梯度涂层的厚度可达2mm。

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种采用化学气相沉积工艺在硅基体(单晶硅或多晶硅)上制备超厚碳化硅梯度涂层的方法。

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。

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％，在硅基底上生长碳化硅会产生很大的应力。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，为了释放残余应力，碳化硅外延层会在SiC/Si界面处形成大量缺陷如堆垛层错(SFs)、微孪晶、反相畴界(APBs)、突出(Protrusions)等，并导致涂层开裂、涂层与基体结合变差，进而影响涂层的防护性能。

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涂层甚至SiC块体，研究人员开始考虑使用功能梯度材料(FGM)的方法，使得SiC涂层的厚度大大增加，但是厚度依然难于超过1000μm。因此，能够采用较合理的梯度和工艺参数制备毫米级的SiC涂层在实际应用中显得越来越重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用化学气相沉积工艺在硅基体上制备超厚碳化硅梯度涂层的方法，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：