一种制备氮化硼单晶的装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种制备氮化硼单晶的设备及方法，所述方法包括如下步骤（1）提供一衬底，所述衬底放置在反应部内部的支撑部上；（2）启动加热部，将衬底加热至一第二温度；（3）将反应气体及载气通入所述反应部中，以在衬底上生长氮化硼单晶；其中，所述反应气体为三氯化硼和氨气。本发明的优点在于：1、三氯化硼和氨气作为反应气体以制备氮化硼单晶，以氮化硼多晶或刚玉作为反应部的材料，避免三氯化硼对反应部的腐蚀。2、采用感应加热，可得到晶格质量高的氮化硼单晶。3、使用气相外延技术，可以在较大衬底生长氮化硼单晶，能够制备大尺寸的氮化硼单晶且生长速度快。4、生长设备简单，用材料易得，成本较低，可用于大规模生产。
【专利说明】一种制备氮化硼单晶的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种制备氮化硼单晶的装置及方法。【背景技术】
[0002]最近几年，随着半导体产业的发展，六方氮化硼(h-BN)单晶的应用价值逐步显露出来。h-BN单晶的应用价值体现在三个方面:一是用来制备紫外发光器件，二是作为石墨烯(graphene )电子器件的衬底，三是在材料科学前沿热点领域有重要的研究价值。这些应用使得六方氮化硼(h-BN)单晶材料的制备研究日益受到关注。
[0003]目前h-BN单晶主要是通过高温高压液相反应，或者是用Ni和h-BN为粉末在坩埚中加热到1350-1600°C进行烧结来制备。但是这些方法制备的h-BN单晶尺寸最大也就几百微米，而且形 状很不规整，远满足不了相关研究和产业发展的需要。要真正实现h-BN的器件应用必须能够利用常规的薄膜制备手段(如气相外延)实现其高质量薄膜的制备。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备氮化硼单晶的装置及方法，其能够利用气相外延可以在较大衬底上生长大尺寸氮化硼单晶、制备速度快、生长设备简单、使用材料易得、成本较低、可以用于大规模生产。
[0005]为了解决上述问题，本发明提供了一种制备氮化硼单晶的设备，包括反应部、加热部及支撑部，待生长的衬底放置在反应部内部的支撑部上，所述加热部围绕所述反应部外壁，所述反应部包括一由刚玉或氮化硼多晶制成的内壁，所述加热部通有交流电，以在支撑部诱导产生感应电流,对衬底进行加热。
[0006]进一步，所述反应部的外壁为石英管，所述加热部为缠绕在反应部外壁与支撑部对应位置的线圈。
[0007]—种采用上述的设备制备氮化硼单晶的方法，包括如下步骤:
(1)提供一衬底，所述衬底放置在反应部内部的支撑部上；
(2)在加热部中通入交流电，利用电磁感应将衬底加热至一第二温度；
(3)将反应气体及载气通入所述反应部中，以在衬底上生长氮化硼单晶；
其中，所述反应气体为三氯化硼和氨气。
[0008]进一步，在步骤(2)之前进一步包括一在衬底上生长缓冲层的步骤:在加热部中通入交流电，利用电磁感应将衬底加热至一第一温度，将反应气体及载气通入所述反应部中，以在衬底上生长氮化硼缓冲层，进一步，在步骤(3)中，所述氮化硼单晶生长在缓冲层上。
[0009]进一步，当所述衬底为蓝宝石时，所述第一温度为900°C，所述第二温度为1600。。。
[0010]进一步，所述第二温度为90(Tl70(TC。
[0011]进一步，当所述衬底为硅时，在步骤(3)之后，还包括一将衬底加热至一第三温度并继续生长氮化硼单晶的步骤。
[0012]进一步,所述载气选自于氢气、氮气或IS气中的一种或几种。
[0013]进一步，所述衬底选自于硅、蓝宝石、碳化硅及氮化铝中的一种。
[0014]进一步，所述三氯化硼通过氯气与硼反应制备。
[0015]本发明的优点在于:
1、三氯化硼和氨气作为反应气体以制备氮化硼单晶，以氮化硼多晶或刚玉作为反应部内壁的材料，避免三氯化硼对反应部的腐蚀。
[0016]2、加热部通过高频交流电，高频交流电在加热部内产生高频变化的磁场，高频变化的磁场可以在支撑部诱导产生感应电流。由于支撑部具有一定的电阻，所以感应电流的存在必然使支撑部温度升高，由此可以加热衬底，使得可将衬底加热到1600°C，得到晶格质量高的氮化硼单晶。
[0017]3、使用气相外延技术，可以在较大衬底上生长氮化硼单晶，能够制备大尺寸的氮化硼单晶且生长速度快。
[0018]4、生长设备简单，用材料易得，成本较低，可以用于大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1所示为本发明一种制备氮化硼单晶的设备的结构示意简图； 图2所示为本发明一种制备氮化硼单晶的方法的步骤示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明提供的一种制备氮化硼单晶的装置及方法的【具体实施方式】做详细说明。
[0021]图1所示为本发明一种制备氮化硼单晶的设备的结构示意图。参见图1，在本【具体实施方式】中，制备氮化硼单晶的设备10为一种卤化物气相外延装置。所述一种制备氮化硼单晶的设备10包括反应部1、加热部2及支撑部3，待生长的衬底4放置在反应部I内部的支撑部3上，所述加热部2围绕所述反应部I的外壁8。在本【具体实施方式】中，所述反应部I的外壁8为石英管，所述石英管用于承载反应部I的重量，同时防止反应气体及尾气外泄。所述加热部2为缠绕在石英管与支撑部3对应位置的线圈上，所述支撑部3为石墨托。
[0022]在本发明中，制备氮化硼单晶使用的原料使用的是三氯化硼及氨气，由于三氯化硼对石英有腐蚀作用，所以，所述反应部I包括一由刚玉或氮化硼多晶制成的内壁5，以避免三氯化硼对反应部I的腐蚀。进一步，所述反应部I包括一进气口 6及一出气口 7，所述进气口 6与所述出气口 7相对设置，以便将反应气体通入所述反应部I中，并将反应后残余的尾气排出反应部I。
[0023]所述加热部2通过的是高频交流电。高频交流电在加热部2内产生高频变化的磁场，高频变化的磁场可以在支撑部3中诱导出感应电流。由于支撑部3具有一定的电阻，所以感应电流的存在必然使支撑部3温度升高，由此可以加热衬底4。一般传统的气相外延(外壁加热)方法，生长温度最高1200°C，难以获得质量较好的氮化硼单晶。本发明利用电磁感应来加热衬底4，可以将衬底4加热到1600°C左右，从而能够得到高质量氮化硼单晶。
[0024]本发明还一种采用上述的设备制备氮化硼单晶的方法，图2所示为本发明制备氮化硼单晶的方法的步骤示意图。参见图2，所述方法包括如下步骤:
步骤S20:提供一衬底4，所述衬底4放置在反应部I内部的支撑部3上。
[0025]所述衬底4选自于硅、蓝宝石、碳化硅及氮化铝中的一种。所述反应部I的内壁5采用刚玉或氮化硼多晶制成，以防止后续反应气体对反应部I的腐蚀，在本【具体实施方式】中，所述支撑部3为石墨托。
[0026]步骤S22:在加热部2中通入交流电，利用电磁感应将衬底4加热至一第二温度。所述第二温度范围为90(Tl70(TC。
[0027]步骤S23:将反应气体及载气通入所述反应部I中，以在衬底4上生长氮化硼单晶。
[0028]本发明所述反应气体为三氯化硼及氨气，三氯化硼与氨气从进气口 6进入反应部4，并发生反应生成氮化硼单晶及氯化氢气体，所述氮化硼单晶生长在衬底4上，所述氯化氢气体作为尾气随载气从出气口 7排出反应部I。所述加热部2利用电磁感应对衬底4进行加热，可以将衬底4加热到1600°C左右，从而能够得到晶格质量高的氮化硼单晶。
[0029]在步骤S23中，向反应部I中通入所述反应气体及载气后，保温一段时间，所述保温时间需要根据生长的氮化硼单晶的厚度来确定，例如:0.1-20小时。通过本发明制备氮化硼单晶的方法制备的氮化硼单晶尺寸可达I英寸到4英寸。
[0030]进一步，在步骤S22之前进一步包括一步骤S21:在衬底4上生长缓冲层。具体步骤如下:在加热部2中通入交流电，利用电磁感应将衬底4加热至一第一温度，将反应气体及载气通入所述反应部I中，以在衬底4上生长氮化硼缓冲层。生长缓冲层是为了调和衬底4和外延膜(即氮化硼单晶)之间的晶格失配，缓解外延膜的应力，使外延膜生长得更好。
[0031]在不同的温度下，氮化硼单晶晶格质量不同，高温下生成的氮化硼单晶晶格质量好但是与衬底之间晶格失配，而低温下生长的氮化硼单晶晶格质量不好但是有利于衬底4和外延膜之间的应力释放。所以，所述第二温度高于所述第一温度，以使第二温度下生长的氮化硼单晶晶格质量更好。根据衬底4材料的不同，所述第一温度不同，在本【具体实施方式】中，所述第一温度为900°C。向反应部I中通入所述反应气体及载气后，保温一段时间，所述保温时间需要根据生长的氮化硼缓冲层的厚度来确定，例如:0-1小时。若在衬底4上生长缓冲层，则步骤S23中的氮化硼单晶生长在缓冲层上。
[0032]进一步，在步骤S23之后，还可以包括加热衬底4至一第三温度或更多阶梯温度，以便生长的氮化硼单晶晶格质量更好。
[0033]所述三氯化硼可以采用氯气与硼反应制备，也可以为市售成品三氯化硼。所述载气为氮气、氢气或IS气中的一种或几种以任意比例混合。
[0034]通过本发明制备氮化硼单晶的方法制备的氮化硼单晶尺寸可达I英寸到4英寸。
[0035]下面列举两个实施例进一步阐述本发明。
[0036]实施例1
在本实施例1中，以蓝宝石为衬底，三氯化硼与氨气为反应气体，氮气和氢气为载气，生长氮化硼单晶。所述氮化硼单晶制备方法如下:
(1)提供一蓝宝石衬底4，所述蓝宝石衬底4放置在所述反应部I中的支撑部3上；
(2)在加热部2中通入交流电，利用电磁感应将蓝宝石衬底4加热至一第一温度，所述第一温度为900°C ；(3)将三氯化硼及氨气作为反应气体，氮气及氢气作为载气通过所述进气口 6通入所述反应部I中，以在蓝宝石衬底4上生长氮化硼单晶缓冲层，在第一温度下保温若干时间。在本实施例1中，生成的氮化硼缓冲层的厚度为300nm。
[0037](4)将蓝宝石衬底4加热至一第二温度并保温若干时间，以在氮化硼缓冲层上生长氮化硼单晶。在本实施例1中，所述第二温度为1600°C，所述氮化硼单晶的厚度大于I μ m，所述氮化硼单晶的厚度由生长时间决定。
[0038]实施例2
在本实施例2中，以娃为衬底,三氯化硼与氨气为反应气体,氮气和氢气为载气，生长氮化硼单晶。所述氮化硼单晶制备方法如下:
(1)提供一硅衬底4，所述硅衬底4放置在所述反应部I中的支撑部3上；
(2)在加热部2中通入交流电，利用电磁感应将硅衬底4加热至一第一温度，所述第一温度为900°C ；
(3)将三氯化硼及氨气作为反应气体，氮气及氢气作为载气通过所述进气口6通入所述反应部I中，以在硅衬底4上生长氮化硼单晶缓冲层，在第一温度下保温若干时间。在本实施例2中，生成的氮化硼缓冲层的厚度为500nm。
[0039](4)将硅衬底4加热至一第二温度并保温若干时间，以在氮化硼缓冲层上生长氮化硼单晶。在本实施例2中，所述第二温度为1200°C，所述氮化硼单晶的厚度约为Iym,所述氮化硼单晶的厚度由生长时间决定。
[0040](5)将硅衬底4加热至一第三温度并保温若干时间，以在氮化硼单晶上继续生长氮化硼单晶。在本实施例2中，所述第三温 度为1600°C，在本步骤中生长的氮化硼单晶的厚度大于Iy m，所述氮化硼单晶的厚度由生长时间决定。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种制备氮化硼单晶的设备，包括反应部、加热部及支撑部，待生长氮化硼单晶的衬底放置在反应部内部的支撑部上，所述加热部围绕所述反应部外壁，其特征在于，所述反应部包括一由刚玉或氮化硼多晶制成的内壁，所述加热部通有交流电，以在支撑部诱导产生感应电流，对衬底进行加热。
2.根据权利要求1所述的制备氮化硼单晶的设备，其特征在于，所述反应部的外壁为石英管，所述加热部为缠绕在反应部外壁与支撑部对应位置的线圈。
3.一种采用权利要求1所述的设备制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，包括如下步骤..(I)提供一衬底，所述衬底放置在反应部内部的支撑部上；(2)在加热部中通入交流电，利用电磁感应将衬底加热至一第二温度；(3)将反应气体及载气通入所述反应部中，以在衬底上生长氮化硼单晶；其中，所述反应气体为三氯化硼和氨气。
4.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，在步骤(2)之前进一步包括一在衬底上生长缓冲层的步骤:在加热部中通入交流电，利用电磁感应将衬底加热至一第一温度，将反应气体及载气通入所述反应部中，以在衬底上生长氮化硼缓冲层，进一步，在步骤(3)中，所述氮化硼单晶生长在缓冲层上，所述第二温度高于所述第一温度。
5.根据权利要求4所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，当所述衬底为蓝宝石时，所述第一温度为900°C，所述第二温度为1600°C。
6.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，所述第二温度为900~1700。。。
7.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，当所述衬底为硅时，在步骤(3)之后，还包括一将衬底加热至一第三温度并继续生长氮化硼单晶的步骤。
8.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，所述载气选自于氢气、氮气或氩气中的一种或几种。
9.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，所述衬底选自于硅、蓝宝石、碳化硅及氮化铝中的一种。
10.根据权利要求3所述的制备氮化硼单晶的方法，其特征在于，所述三氯化硼通过氯气与硼反应制备。
【文档编号】C30B25/08GK103541000SQ201310543084
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】黄 俊, 徐科, 王建峰, 任国强 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所