專利名稱：將單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為led襯底的碳化硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強(qiáng)脈沖離子束改性形成的碳化硅材料技術(shù)領(lǐng)域，該碳化硅材料應(yīng)用作為L(zhǎng)ED襯底。
背景技術(shù)：
強(qiáng)脈沖離子束(Intense Pulse Ion Beam,簡(jiǎn)稱IPIB)技術(shù)是上世紀(jì)70年代中期作為受控?zé)岷朔磻?yīng)和加速器技術(shù)之一而開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，其關(guān)鍵部件是高能脈沖發(fā)生器、 短脈沖成形線和真空二極管；其類型有多種多樣，常用的技術(shù)指標(biāo)為離子束的注入能量為30 lOOOkev，束流強(qiáng)度為0. 2 150KA，脈沖寬度為20 2000ns，重復(fù)頻率為0. 2 18HZ/min,束斑面積為200 cm2左右。用IPIB注入對(duì)工模具表面改性，效果非常顯著，注入量只要達(dá)到1014ionS/ cm2,就能與常規(guī)離子注入^clO17N+/ cm2的效果相比擬，效果提高上千倍，工件使壽命延長(zhǎng)2 6倍，成本率下降到1元/ cm2以下。此外，IPIB技術(shù)還可以用于制備硅PN結(jié)，例如摻雜BF3或PF5可以得到P型或N型硅，太陽(yáng)能電池的效率可達(dá)15% ； 美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室用Ti或AL靶，通入O2或N2用IPIB (10 45J/ cm2)轟擊后，可收集到5 25nm球狀TiO2、TiN或Al2O3納米顆粒。本發(fā)明主要看好強(qiáng)脈沖離子束的高能量密度和高功率密度產(chǎn)生的5 IOMffl超長(zhǎng)注入深度及其射程所及熔化區(qū)缺陷消除層對(duì)C+注入Si時(shí)成核與生長(zhǎng)SiC化合物的作用，并對(duì)我國(guó)Φ12 ι質(zhì)優(yōu)價(jià)廉單晶硅(Si)棒加工成大面積Si薄膜，經(jīng)強(qiáng)脈沖離子束正反兩面注入C+形成SiC晶體用于LED襯底的商業(yè)價(jià)值所吸引。新世紀(jì)之初，日本就曾展示過(guò)5Mm厚的透明硅片；如果采用超薄的金剛石微晶鋸片切割，再進(jìn)行離子束或電子束濺射蝕刻，或者用強(qiáng)激光束聚焦燒蝕工藝我們也肯定能加工出5 15ΜΠ1厚的硅片。從節(jié)省原材料的角度來(lái)看，待改性硅片的厚度當(dāng)然是越薄越好，但隨之而來(lái)的就是強(qiáng)度要求、成品率和附加成本問(wèn)題，必須權(quán)衡利弊綜合考慮。當(dāng)今世界上，日本的LED襯底材料以藍(lán)寶石(Al2O3晶體)為主， 美國(guó)和德國(guó)則以碳化硅(SiC)為主，而高質(zhì)量的商用SiC主要由cree等公司所壟斷，價(jià)格昂貴且難以提供Φ8 ι大的SiC。據(jù)稱，雖然我國(guó)已發(fā)明了一種厚度為Inm的特殊過(guò)渡層， 克服了外延層(GaN)與硅襯底之間的晶格失配和熱失配，初步形成了藍(lán)寶石、碳化硅和單晶硅襯底三足鼎立的競(jìng)爭(zhēng)局面；盡管如此，還是沒(méi)有完全解決單晶硅對(duì)可見(jiàn)光吸收的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種構(gòu)思巧妙，成本低廉且操作方便的單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底碳化硅材料的方法，采用該方法加工所得的碳化硅材料表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏〈lMffl，表面粗糙度=0. IMffl ；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光。本發(fā)明可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明公開(kāi)了一種將單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底的碳化硅材料的方法，所述的方法包括以下步驟
(a)、將單晶硅(Si)加工成薄片狀，并置于真空系統(tǒng)的強(qiáng)脈沖離子束靶座前；
(b)、采用石墨(C)作為注入用離子源發(fā)射體，置于強(qiáng)脈沖離子束的相應(yīng)位置，清潔處理真空系統(tǒng)中的所有零部件；
(c)、檢查真空系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、水路、油路、氣路、磁路和電路是否正常暢道；
(d)、啟動(dòng)真空系統(tǒng)，預(yù)抽真空使真空度達(dá)8xlO_4Pa以上，通入適當(dāng)氬氣；
(e)、將真空系統(tǒng)檔板遮蔽單晶硅(Si)薄片，啟動(dòng)強(qiáng)脈沖離子束，將含有氧化物和附吸雜質(zhì)的第一個(gè)脈沖轟擊在擋板上，以清洗石墨離子源發(fā)射體和擋板；
(f)、關(guān)閉氬氣，移開(kāi)擋板，開(kāi)啟真空系統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)，用多次強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+，根據(jù)Si:C=I: 1的劑量控制強(qiáng)脈沖離子束束流密度=30A/cm2;
(g)、完成強(qiáng)脈沖離子束注入任務(wù)后，開(kāi)啟真空系統(tǒng)大功率紅外加熱器，用800°C的高溫退火以消除輻射損傷和殘余應(yīng)力；
(h)、待真空系統(tǒng)自然冷卻到接近室溫后，通入氮?dú)猓_(kāi)爐取出離子束改性形成的碳化硅晶體；
(i)、檢測(cè)碳化硅晶體的性能指標(biāo)和表面狀態(tài)，包裝入庫(kù)。本發(fā)明碳化硅晶體材料經(jīng)高溫快速退火，消除輻照損傷和殘余應(yīng)力后，表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏〈lMffl，表面粗糙度含0. IMffl ；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光，是外延GaN基的LED襯底佼佼者，是大功率白光LED襯底的優(yōu)選材料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明方法采用石墨作為注入用離子源發(fā)射體，多次強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+，再利用高溫退火以消除輻射損傷和殘余應(yīng)力而得到大功率白光LED襯底的碳化硅晶體材料，其構(gòu)思巧妙，成本低廉且操作方便，利用單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為 LED襯底碳化硅材料的方法所得的碳化硅材料表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、 磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏〈lMffl，表面粗糙度=0. IMffl ；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光，更加適于大功率白光LED襯底材料，適合普遍推廣使用。
具體實(shí)施例方式下面將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
本實(shí)施例公開(kāi)了一種將單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底的碳化硅材料的方法，所述的方法包括以下步驟
(a)、將單晶硅Si加工成薄片狀，并置于真空系統(tǒng)的強(qiáng)脈沖離子束靶座前；
(b)、采用石墨C作為注入用離子源發(fā)射體，置于強(qiáng)脈沖離子束的相應(yīng)位置，清潔處理真空系統(tǒng)中的所有零部件；
(C)、檢查真空系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、水路、油路、氣路、磁路和電路是否正常暢道；
(d)、啟動(dòng)真空系統(tǒng)，預(yù)抽真空使真空度達(dá)8xlO_4Pa以上，通入適當(dāng)氬氣；
(e)、將真空系統(tǒng)檔板遮蔽單晶硅Si薄片，啟動(dòng)強(qiáng)脈沖離子束，將含有氧化物和附吸雜質(zhì)的第一個(gè)脈沖轟擊在擋板上，以清洗石墨離子源發(fā)射體和擋板；
(f)、關(guān)閉氬氣，移開(kāi)擋板，開(kāi)啟真空系統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)，用多次強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+，根據(jù)Si:C=I: 1的劑量控制強(qiáng)脈沖離子束束流密度=30A/cm2;
(g)、完成強(qiáng)脈沖離子束注入任務(wù)后，開(kāi)啟真空系統(tǒng)大功率紅外加熱器，用800°C的高溫退火以消除輻射損傷和殘余應(yīng)力；
(h)、待真空系統(tǒng)自然冷卻到接近室溫后，通入氮?dú)?，開(kāi)爐取出離子束改性形成的碳化硅晶體；
(i)、檢測(cè)碳化硅晶體的性能指標(biāo)和表面狀態(tài)，包裝入庫(kù)。本發(fā)明碳化硅晶體材料經(jīng)高溫快速退火，消除輻照損傷和殘余應(yīng)力后，表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏〈lMffl，表面粗糙度含0. IMffl ；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光，是外延GaN基的LED襯底佼佼者，是大功率白光LED襯底的優(yōu)選材料。本發(fā)明是采用強(qiáng)脈沖離子束(Intense Pulse Ion Beam,簡(jiǎn)稱IPIB)材料改性技術(shù)，將高純單晶桂Si薄片改性為適于外延GaN基的碳化硅Sic襯底材料。所謂強(qiáng)脈沖離子束是指脈沖寬度只有幾十納秒(ns)到幾微妙(Mm)的高能量(約130 2000kev)高功率密度(3 10V/cm2)的離子束。當(dāng)這種離了束注入到材料表面時(shí)，除了具有濺射、減薄、注入離子與靶原子的碰撞級(jí)聯(lián)、熱峰和移位峰等效應(yīng)以外，還有一些新的特點(diǎn)一是由于IPIB 的能量密度可達(dá)10J/cm2左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基材的潛熱，足以使其表面熔化、汽化和等離子體化，使原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)逐漸崩潰；二是接二連三的強(qiáng)脈沖，在IiT12s以內(nèi)快速(IO11KAO升溫和1012ks以上的降溫速率所產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)，使基體材料的內(nèi)部引起強(qiáng)大的壓力波和沖擊波，在注入離子的非平衡濃度梯度和巨大的溫度梯度驅(qū)使下，離子注入的改性層厚度會(huì)大大加深到IOMffl左右。本發(fā)明方法所利用的真空系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備屬于現(xiàn)有市面上購(gòu)買所得，屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不說(shuō)詳細(xì)描述。本發(fā)明方法采用石墨作為注入用離子源發(fā)射體，多次強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+，再利用高溫退火以消除輻射損傷和殘余應(yīng)力而得到大功率白光LED襯底的碳化硅晶體材料，其構(gòu)思巧妙，成本低廉且操作方便，利用單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底碳化硅材料的方法所得的碳化硅材料表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏〈lMffl，表面粗糙度=0. IMfli ；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光，更加適于大功率白光LED襯底材料，適合普遍推廣使用。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制；凡本行業(yè)的普通技術(shù)人員均可按以上所述而順暢地實(shí)施本發(fā)明；但是，凡熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可利用以上所揭示的技術(shù)內(nèi)容而作些許更動(dòng)、修飾與演變，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.將單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底的碳化硅材料的方法，其特征在于 所述的方法包括以下步驟(a)、將單晶硅(Si)加工成薄片狀，并置于真空系統(tǒng)的強(qiáng)脈沖離子束靶座前；(b)、采用石墨(C)作為注入用離子源發(fā)射體，置于強(qiáng)脈沖離子束的相應(yīng)位置，清潔處理真空系統(tǒng)中的所有零部件；(c)、檢查真空系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、水路、油路、氣路、磁路和電路是否正常暢道；(d)、啟動(dòng)真空系統(tǒng)，預(yù)抽真空使真空度達(dá)8xlO_4Pa以上，通入適當(dāng)氬氣；(e)、將真空系統(tǒng)檔板遮蔽單晶硅(Si)薄片，啟動(dòng)強(qiáng)脈沖離子束，將含有氧化物和附吸雜質(zhì)的第一個(gè)脈沖轟擊在擋板上，以清洗石墨離子源發(fā)射體和擋板；(f)、關(guān)閉氬氣，移開(kāi)擋板，開(kāi)啟真空系統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)，用強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+;(g)、完成強(qiáng)脈沖離子束注入任務(wù)后，開(kāi)啟真空系統(tǒng)大功率紅外加熱器，用800°C的高溫退火以消除輻射損傷和殘余應(yīng)力；(h)、待真空系統(tǒng)自然冷卻到接近室溫后，通入氮?dú)猓_(kāi)爐取出離子束改性形成的碳化硅晶體；(i)、檢測(cè)碳化硅晶體的性能指標(biāo)和表面狀態(tài)，包裝入庫(kù)。
全文摘要
一種將單晶硅薄片用強(qiáng)脈沖離子束改性為L(zhǎng)ED襯底的碳化硅材料的方法，首先將單晶硅加工成薄片狀置于強(qiáng)脈沖離子束靶座前；采用石墨作為注入用離子源發(fā)射體，抽真空后通入適當(dāng)氬氣，將真空系統(tǒng)檔板遮蔽單晶硅薄片，啟動(dòng)強(qiáng)脈沖離子束，再關(guān)閉氬氣，移開(kāi)擋板后開(kāi)啟真空系統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)，用強(qiáng)脈沖離子束對(duì)單晶硅薄片正反二面注入C+，再開(kāi)啟紅外加熱器高溫800℃，待真空系統(tǒng)冷卻到接近室溫后通入氮?dú)?，開(kāi)爐取出離子束改性形成的碳化硅晶體，最后包裝入庫(kù)。本發(fā)明方法構(gòu)思巧妙，成本低廉且操作方便，利用該方法所得的碳化硅材料表面顯得特別平整光滑，完全沒(méi)有機(jī)械切、磨、拋加工的損傷痕跡，表面起伏<1μm，表面粗糙度≦0.1μm；Sic晶格質(zhì)量?jī)?yōu)異，不吸收可見(jiàn)光，更加適于大功率白光LED襯底材料，適合普遍推廣使用。
文檔編號(hào)C01B31/36GK102285655SQ201110176320
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者高志洪 申請(qǐng)人:高志洪