外延成长方法.pdf

一种外延成长的方法，包括提供一模具；提供一基板，且基板设置于模具内；提供一溶剂及一溶质，液化溶剂使溶质溶在溶剂内，以形成一熔融液于模具与基板之间；以及形成一第一外延层于基板表面，其中，熔融液是由一温度梯度熔解模具及基板，以形成第一外延层于基板表面。

1、  一种外延成长的方法，其包括下列步骤：
提供一模具；
提供一基板，且该基板设置于该模具内；
提供一溶剂及一溶质，液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内，以形成一熔融液于该模具与该基板之间；以及
形成一第一外延层于该基板表面；
其中，该熔融液是由一温度梯度熔解该模具及该基板，以形成该第一外延层于该基板表面。

2、  如权利要求1所述的方法，其中，包括以调节该温度梯度或超音波震荡方式，来控制该模具及该基板熔解于该熔融液内的浓度并控制该第一外延层的沉积速率。

3、  如权利要求2所述的方法，其中，该温度梯度是由该模具朝向该基板递减。

4、  如权利要求1所述的方法，其中，当熔解该缺陷的第一外延层时，则同时熔解该基板及该模具，以再次形成该第一外延层于该基板上，使熔解该金属层与沉积生成外延层为一可逆反应。

5、  如权利要求1所述的方法，其中，液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内时，利用震荡装置将基板与模具同时进行摆动。

6、  如权利要求1所述的方法，其中，形成于该基板上的第一外延层包括碳化硅或氮化铝。

7、  如权利要求6所述的方法，其中，形成一钻石层于该第一外延层上。

8、  如权利要求1所述的方法，其中，该基板包括硅、蓝宝石或氧化铝。

9、  如权利要求1所述的方法，其中，该模具为一石墨的含碳材料、烧结的氮化铝或硼化氮。

10、  如权利要求1所述的方法，其中，该溶剂及该溶质包括稀土元素及过渡金属元素。

11、  如权利要求10所述的方法，其中，该溶剂及该溶质包括镧、铈、铁、钴、镍或其中任意两种或多种的合金。

12、  如权利要求10所述的方法，其中，液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内，以形成的该熔融液包括镧、铈、铁、钴、镍或其中任意两种或多种的合金。

13、  如权利要求1所述的方法，其中，该溶剂及该溶质是在真空环境或包括氮气的惰性气体的环境下形成于该基板上。

14、  如权利要求6所述的方法，其中，包括形成一金属氮化物层于该第一外延层上。

15、  如权利要求14所述的方法，其中，该金属氮化物层熔解形成的熔融液包括镧、铈、铁、钴、镍或其中任意两种或多种的合金。

16、  如权利要求15所述的方法，其中，该熔融液是熔解该第一外延层及该模具以形成一第二外延层于该第一外延层上。

17、  权利要求16所述的方法，其中，该第二外延层为碳化硅。

18、  一种外延基板，其使用一具有提供一溶剂及一溶质，液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内，以形成一熔融液于一模具与该基板之间，由熔融液熔解该模具及该基板，提供沉积生成一外延层于基板上。

19、  如权利要求18所述的外延基板，其中，该基板为一半导体基材或一陶瓷基材。

20、  如权利要求19所述的外延基板，其中，该基板为硅、蓝宝石或氧化铝。

21、  如权利要求18所述的外延基板，其中，该外延层的外延为氮化铝、氮化硼、碳化硅或钻石。

22、  如权利要求18所述的外延基板，其中，该外延层的外延包括同质外延或异质外延。

23、  如权利要求18所述的外延基板，其中，该溶剂及该溶质包括稀土元素及过渡金属元素。

24、  如权利要求23所述的外延基板，其中，该溶剂及该溶质包括镧、铈、铁、钴、镍或其中任意两种或多种的合金。

外延成长方法
技术领域
本发明是关于一种外延成长的方法，尤其是指一种适用于液相外延成长的方法。
背景技术
利用气相成长同质外延或异质外延已广泛应用于材料科学中，尤其以半导体产业更为常见，例如以化学气相沉积在高温下分解硅烷(SiH₄)后，可在硅圆片上成长出同质外延。或是在高温下分解甲烷(CH₄)使其沉积为石墨，再经导入大量氢气使其催化形成钻石以披覆于基板上。然而，利用气相成长外延的沉积速率缓慢，其所形成的晶体在晶格中仍存有很多缺陷，因此制造成本相对提高。
近来，已逐渐发展出一种在液相中成长外延的技术，如美国专利US2004092053所公开的一种外延成长的方法，包括将化合物熔解于含有锑(Sb)与铟(In)为溶剂的饱和熔融液，以形成一透明层于LED基板上。日本专利JP2000234000、JP10001392、JP11003864以及JP2005142270主要利用温度与过饱和熔融液来控制晶格成长。美国专利US2006175620是利用凹槽控制原子沉积的单向晶格成长反应。
然而，公知的液相中外延成长的技术，主要是使用过饱和熔融液或凹槽等装置来控制外延成长，由于熔融液浓度在控制上不易，进而导致外延成长时成核速率过快，使得外延内晶格的原子排列有缺陷，导致使用公知的外延成长技术所制作的外延层的组件表现特性不佳。
据此，如何提供一种可使沉积外延时能有效控制其成长，并避免沉积过程中因化学成分改变而造成外延内部晶格缺陷，实为重要的课题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种外延成长的方法，以期能提升外延成长速率，并降低外延内部晶格缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的外延成长的方法，包括提供一模具；提供一基板，且基板设置于模具内；提供一溶剂及一溶质，液化溶剂使溶质溶在溶剂内，以形成一熔融液于模具与基板之间；以及形成一第一外延层于基板表面，其中，熔融液是由一温度梯度熔解模具及基板，以形成第一外延层于基板表面。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中提供一加热装置于模具的一侧，由加热装置形成温度梯度，该温度梯度由模具朝向基板而递减。根据本发明较佳实施例所述的方法，还包括可在基板侧设置一冷却装置，以增加模具与基板之间的温度差距。
根据本发明较佳实施例所述的方法，还包括以调节温度梯度或超音波震荡方式，来控制该模具及该基板熔解于熔融液内的浓度并控制第一外延层的沉积速率。当第一外延层具有缺陷，则由温度梯度熔解缺陷的外延层。而熔解缺陷的外延层时，同时熔解基板及模具，以再次形成第一外延层于基板上。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中温度梯度于生长外延时可进行调整，以控制外延的生长速率；且溶解溶质及基材以形成外延溶质与沉积生成外延为一可逆反应。另一方面，本发明还可以于液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内时，利用震荡装置将基板与模具同时进行摆动，增加该熔融液的均匀性，并形成较佳晶型的外延层于基板上。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中形成于基板上的第一外延层包括碳化硅或氮化铝，并形成一钻石层于第一外延层上。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中基板包括半导体、陶瓷材料(如蓝宝石材料)、硅材料或氧化铝材料。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中模具为一含碳材料、烧结的氮化铝或硼化氮，其中含碳材料为石墨。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中溶剂及溶质为稀土元素及过渡金属元素，包括镧、铈、铁、钴、镍或其合金。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中液化溶剂使溶质溶在溶剂内，以形成的熔融液包括锂、钠、钙、镁、氮、硼、铝、钙、氮或其合金。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其中溶剂及溶质是在真空环境或惰性环境(如，氮气环境)下形成于基板上。
根据本发明较佳实施例所述的方法，其还包括形成一一金属氮化物层于该第一外延层上，熔融液包括镧、铈、铁、钴、镍或其合金，熔融液是熔解第一外延层及模具以形成一第二外延层于第一外延层上，而第二外延层为碳化硅。
在本发明所提出的外延成长方法中，由于使用熔融液同时熔解模具及基板以形成外延层，且由调节在模具与材之间的温度梯度来控制外延成长速率，因此，在外延成长的过程中，熔解与沉积的速率接近平衡，使得外延晶格保持稳定，故可有效地提高外延成长速率，并进而降低外延内部晶格缺陷。而当外延成长过程中若外延晶格有缺陷时，可经由再次熔解外延层、模具及基板，而再次成长外延层，如此一来，可有效地改善晶格内的缺陷。
附图说明
图1至图3为本发明的外延成长方法的制作流程示意图。
附图中主要组件符号说明
100基板
110模具
120熔融液
130加热装置
140冷却装置
160第一外延层
161第二外延层
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
图1至图3为根据本发明的外延成长方法的制作流程示意图。首先，请参阅图1，本发明的外延成长方法包括提供一基板100及一模具110，模具110内具有一容置空间，而基板100设置于模具的容置空间内。模具110为一含碳材料，例如是石墨，在本实施例中，是使用高纯度的石墨且内含极少的非石墨碳，例如Morgan Crucible所生产的超纯石墨粉末。基板100为半导体基板，例如是硅圆片。在本实施例中，是提供一溶剂及一溶质，液化该溶剂使该溶质溶在该溶剂内，以形成一熔融液120于该模具与该基板之间，该溶剂及该溶质可包括金属或是含有两种或多种金属的合金，其材料包括稀土元素及过渡金属元素，例如是镧(La)、铈(Ce)或其合金以及铁、钴、镍或其合金。要说明的是，本实施例是在真空下先将镧或铈合金溅镀形成于基板100上，之后再溅镀铁、钴、镍或其合金来防止镧或铈合金氧化。
接着，请参阅图2，在模具110的一侧设置一加热装置130，并由加热装置使模具110与基板100之间产生温度变化，因此在模具110与基板100之间会形成温度梯度。当然，也可以在基板100侧设置一冷却装置140，以增加模具110与基板100之间的温度差距。由加热装置130，在基板100上的溶剂及溶质熔解，并进而形成一熔融液120于模具110与基板100之间，由于基板100的密度较熔融液120低，因此基板100会浮在熔融液120的表面上，当加热时，熔融液120会同时熔解基板100及模具110，模具110侧的熔解度会大于基板100侧的熔解度，因此，模具110的碳原子会朝向基板100扩散，而基板100的硅原子会朝向模具110扩散，最后，形成第一外延层160于基板100上，如图3所示，其中第一外延层160为碳化硅。另外，若在足够的温度下产生碳化硅键结时，碳和硅会缓慢置换使得硅/碳的比率随着熔融液中碳浓度的增加而减少，在本实施例中，温度梯度于成长第一外延层时可进行调整，控制温度梯度可控制在外延成长的硅/碳比率降低的速率，因此，若温度梯度改变缓慢，则硅/碳比率的改变缓慢，如此一来，形成于基板100上的第一外延层160会逐渐形成，且可以避免在第一外延层160内缺陷的形成。
承接上述，本实施例的温度梯度于成长外延时可进行调整，控制温度梯度即是控制模具110熔解于熔融液120的浓度，并以控制第一外延层160的成长速率。此外，由于可控制的温度梯度，因此当沉积形成的第一外延层160的晶格上有缺陷时，可由温度梯度的控制，使得晶格上有缺陷的第一外延层160因相对环境为热力学不稳定状态而再次熔解，并有再次沉积的机会，换言之，熔解模具110及基板100以形成第一外延层160是为一可逆反应。
另外值得说明的是，外延于液相成长条件中，其液相成分的必要条件需能同时满足能够于低温下产生液相以及液相能够同时熔解模具110中的碳原子与基板100的硅原子，因此，此液相温度不可以高于基板100大量挥发的温度，例如当基板为含硅的半导体基板时，须小于约1300℃以降低对晶格完整性的干扰。为满足这些条件，稀土元素(如镧、铈、或其组合)与过渡金属(铁、钴、镍、或其组合)的共晶合金具有低熔点(约小于600℃)而可满足以上的条件。当然，若持续降低硅/碳(Si/C)的比率，例如当沉积的速率低于100nm时，沉积的碳原子会受到基板100晶格的诱导而形成具有四面体键结的碳原子，因此，可以在第一外延层160上形成有钻石层(图未显示)。
实施例2
本实施例成长外延的方法与上述实施例相似，其不同之处在于本实施例所使用的基板100为陶瓷基板，例如是蓝宝石基板，而模具110为烧结的氮化铝，在本实施例中的溶剂亦可为非金属材质(如Mg₃N₂-Ca₃N₂)来溶解模具110及基板100；因此，熔融液120为含有锂、钠、钙、镁、氮以及含有硼、铝、钙、氮或其化合物的共晶合金，例如是Mg₃N₂-AlN。其中，是在含有惰性气体的环境下将Mg₃N₂-AlN的共晶合金加热高于1300℃熔化，以形成熔融液120于基板100与模具130之间，惰性气体例如是氮气。若熔融液120的底部温度较高，氮化铝(AlN)会向较冷的陶瓷基板扩散，与上述实施例相似，控制熔融液内的温度梯度并加以波动改变可逐渐调整沉积在基板100上的第一外延层160的晶格并降低其缺陷密度，其中第一外延层160为氮化铝。
实施例3
请继续参阅图1至图3，本实施例成长外延的方法与上述实施例2相似，其不同之处在于本实施例是形成异质外延层，其中所使用的模具110为氮化硼(HBN，hexagonal boron nitride)，并在陶瓷基板100上镀覆有一金属氮化物层(图未显示)，金属氮化物层为氮化铝，而模具110与基板100之间具有与实施例1相同的熔融液120，此熔融液120可同时溶解氮化铝、硅、碳或碳化硅。由于碳化硅与氮化铝的晶格相似且原子间距差距不大(＜5％)，当基板100上形成有氮化铝外延层时，可在氮化铝外延层上沉积出第二外延层161，第二外延层161为碳化硅。是在真空下加热至完全熔融以形成熔融液120，且如前述实施例所述的控制模具110与基板100之间的温度梯度，此时，熔融液120会熔解氮化铝外延层及模具110，其中硅及碳溶质会熔解至熔融液120并向氮化铝界面扩散，在溶质的交换作用下会形成氮化铝和碳化硅混晶过渡到碳化硅的第二外延层161。上述第二外延层161是由氮化铝晶格而附着在陶瓷基板100上。
综上所述，本发明成长外延的方法系在模具端与基板端间具有温度梯度，并由熔融液同时熔解模具及基板以形成外延层于基板上。因此，本发明的外延可以由熔解模具及基板以形成外延层与沉积生成外延层的可逆反应，有效地提高外延成长速率，进而降低外延内部晶格缺陷。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请的权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。