CN103503119B - 碳化硅基板的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种制造碳化硅基板的方法，包括制备单结晶碳化硅的晶块（1）的步骤和通过切割晶块（1）获得基板的步骤。然后，在获得基板的步骤中，在如下方向上进行切割：该方向相对于晶块（1）的<11‑20>方向或<1‑100>方向所形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±5°。

Description

碳化硅基板的制造方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅基板的制造方法，并且更具体地，涉及一种能够抑制主面中的面取向的变化的碳化硅基板的制造方法。

背景技术

近年来，在高温等环境中使用半导体装置时，为了实现半导体装置的高击穿电压和低损失，碳化硅已经越来越多地被用作形成半导体装置的材料。碳化硅是与传统上广泛地用作形成半导体装置的材料的硅相比具有更大带隙的宽带隙半导体。因此，通过将碳化硅用作形成半导体装置的材料，能够实现半导体装置的高击穿电压、低接通电阻（ON resistance）等。此外，采用碳化硅作为材料的半导体装置与采用硅作为材料的半导体装置相比也更为有利，因为在高温环境下使用该半导体装置时半导体装置的特性退化是小的。

包括碳化硅作为材料的半导体装置例如通过如下方式形成：在碳化硅基板上形成外延生长层，在外延生长层中制成已经引入期望的杂质的区域，以及形成电极。一般通过切割（切片）碳化硅的结晶（晶块）来制造碳化硅基板。然而，碳化硅具有极高的硬度，因此切割碳化硅是不容易的。因此，已经多方面地研究了切割碳化硅结晶的方法，并且已经提出了各种方法（参见，例如，日本专利特开2009-61528（PTL1））。

引用列表

专利文献

PTL1：日本专利特开2009-61528

发明内容

技术问题

然后，利用常规的切割碳化硅结晶的方法，所获得的基板的翘曲不利地是大的。在切割之后，能够通过抛光等减小基板的翘曲。然而，如果通过抛光等对翘曲很大的基板进行平面化，在基板的主面中的碳化硅单结晶的面取向在各处变化。取决于结晶的面取向，碳化硅单结晶具有不同的特性。因此，优选地，翘曲在切割基板的阶段中被减小，以抑制在基板的主面中的面取向变化。

完成本发明以解决该问题，并且本发明的目的是提供能够抑制主面中的面取向变化的碳化硅基板的制造方法。

技术方案

根据本发明的碳化硅基板的制造方法包括制备单结晶碳化硅结晶的步骤以及通过切割结晶获得基板的步骤。然后，在获得基板的步骤中，在如下方向上进行切割：该方向相对于结晶的<11-20>方向或<1-100>方向所形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±5°。

本发明人对在切割基板阶段中减小翘曲的方法进行了详细研究，获得了下列发现，然后得出了本发明。

即，如上所述，碳化硅结晶具有极高的硬度并且其切割是困难的。此外，碳化硅结晶具有解理面，并且由于该解理面的影响，切割困难存在各向异性。因此，通过使切割沿着解理方向进行能够容易地执行切割。

然而，本发明的研究阐明，这样的切割方法成为上述基板翘曲的一个因素。更具体地，六边形碳化硅的结晶具有<1-100>方向和<11-20>方向的两个解理方向。<1-100>方向与<11-20>方向形成90°。然后，考虑到基于晶体对称的等效方向，上述解理方向在{0001}面中每隔30°出现。此外，解理程度，也就是，裂纹发展的容易性在<1-100>方向和<11-20>方向上是不同的。而且，碳化硅基板的前表面和后表面，也就是，在切割进行期间在切割区域中彼相对的一个表面和另一个表面，在<1-100>方向与<11-20>方向上的裂纹发展的容易性之间是相反的。

因此，例如，在通过线切割来切割结晶的情况下，如果执行切割，以使切割沿着上述解理方向中的一个解理方向进行，则由于切割进行期间在切割区域中彼此相对的一个表面与另一个表面之间裂纹发展的容易性的差别，线沿<0001>方向逐渐移动。结果，在通过切割获得的碳化硅基板中形成翘曲。

相反，在根据本发明的碳化硅基板的制造方法中，在如下方向上进行切割：该方向相对于结晶的<11-20>方向或<1-100>方向所形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±5°。即，切割在如下方向上进行：该方向明显远离在{0001}面中每隔30°出现的解理方向。因此，减小了上述解理方向的影响，并且抑制了翘曲的发生。结果，即使通过抛光等来平面化通过切割获得的基板，也能够抑制主面中的面取向的变化。应注意的是，在切割进行的方向与<11-20>方向或<1-100>方向之间形成的角度是指在切割进行的方向与<11-20>方向和<1-100>方向之间形成的角度中的更尖锐的角度。

其中切割进行的方向最优选地是这样的方向：该方向相对于结晶的<11-20>方向或<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°。然而，只要相对于该最优选方向形成的角度不大于5°，即可获得充分的效果。为了取得更好的效果，切割进行的方向优选地是这样的方向：该方向相对于结晶的<11-20>方向或<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±3°。

在以上碳化硅基板的制造方法中，在获得基板的步骤中，切割可以在如下方向上进行：该方向相对于结晶的<11-20>方向或<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±2°。因此，进一步抑制了通过切割获得的基板的翘曲。因此，即使通过抛光等来平面化通过切割获得的基板，也能够进一步抑制主面中的面取向的变化。

在以上碳化硅基板的制造方法中，结晶可以沿<0001>方向生长。因此，能够有效地制造单结晶碳化硅的结晶。

在以上碳化硅基板的制造方法中，结晶可以具有不小于2英寸的直径。随着结晶具有更大的直径，以上翘曲的影响也更大。因此，能够减小以上翘曲的本发明适于这样的情形：在该情形中，基板由具有不小于2英寸的直径的结晶制成。

在以上碳化硅基板的制造方法中，在获得基板的步骤中，以上结晶可以被切割以使基板的直径与厚度的比值不小于100。当基板的直径D相对于厚度T更大时，以上翘曲的影响变大。具体地，在上述D/T不小于100的情况下，由于发生以上翘曲，在基板的主面中的面取向的变化更可能影响使用基板制造半导体装置。因此，能够减小以上翘曲的本发明在上述D/T不小于100的情况下是特别适当的。

在以上碳化硅基板的制造方法中，在获得基板的步骤中，可以通过线切割来切割以上结晶。

在通过线切割来切割结晶的情况下，以上翘曲是特别可能的。因此，能够减小以上翘曲的本发明特别地适合于其中通过线切割来切割结晶的情况。

发明的有利效果

如从以上描述明显的，根据本发明的碳化硅基板的制造方法，能够提供一种能够抑制主面中的面取向的变化的碳化硅基板的制造方法。

附图说明

图1是示出单结晶碳化硅的晶块的示意性透视图。

图2是示出切割晶块的方法的示意性平面图。

图3是示出碳化硅基板的示意性透视图。

图4是示出通过线切割获得的基板的主面的形状的图示，该线切割在沿着解理方向的方向上进行切割。

图5是示出通过执行线切割并且之后对表面进行抛光获得的基板的该主面的形状的图示，该线切割在沿着解理方向的方向上进行切割。

图6是示出通过执行线切割获得的基板的主面的形状的图示，其中该线切割在这样的方向上进行切割：该方向相对于解理方向所形成的角度是15°。

图7是示出通过执行线切割并且之后对表面进行抛光所获得的基板的该主面的形状的图示，其中该红案在这样的方向上进行切割：该方向相对于解理方向形成的角度是15°。

图8是示出在线切割期间的线速度变化的情况下D/T和翘曲之间的关系的图示。

图9是示出在线切割期间线的张力变化的情况下D/T和翘曲之间的关系的图示。

图10是示出在线切割期间切割速度变化的情况下D/T和翘曲之间的关系的图示。

图11是示出通过执行线切割获得的基板的主面的形状的图示，其中该线切割在这样的方向上进行：该方向相对于<1-100>方向形成的角度是0°。

图12是示出通过执行线切割获得的基板的主面的形状的图示，其中该线切割在这样的方向上进行：该方向相对于<1-100>方向形成的角度是15°。

图13是示出通过执行线切割获得的基板的主面的形状的图示，其中该线切割在这样的方向上进行：该方向相对于<1-100>方向形成的角度是20°。

图14是示出通过执行线切割获得的基板的主面的形状的图示，其中该线切割在这样的方向上进行：该方向相对于<1-100>方向形成的角度是30°。

具体实施方式

在下文中将参照附图描述本发明的实施例。应注意到，在以下附图中，相同或对应的元件被赋予相同的附图标记，并且将不重复其描述。此外，个别取向、整体取向、个别面、和整体面在本文中分别以[]、<>、（）、与{}示出。而且，就结晶学而言，负指数应由通过上方带有杠“-”的数字表示，然而，本文中负号在数字之前。

首先，将描述本发明的一个实施例中的碳化硅基板的制造方法。参照图1，在本实施例中的碳化硅基板的制造方法中，首先执行制备单结晶碳化硅的结晶（晶块）的步骤。具体地，例如利用下述的升华方法制造单结晶碳化硅的晶块。即，由单结晶碳化硅构成的晶种和由碳化硅构成的源材料粉末被起始地放置在由石墨构成的容器中。然后，碳化硅在源材料粉末被加热时升华，并且碳化硅在晶种上再结晶。这里，再结晶在引入诸如氮的期望杂质的情况下进行。因此，获得图1所示的单结晶碳化硅的晶块1。在此处，通过将晶块1的生长方向设置成如图1所示的<0001>方向，能够有效地制造晶块1。

然后，通过切割制造的晶块1来制造碳化硅基板。具体地，参照图2，起始地，制造的柱（圆柱）状晶块1被设置成使得其侧表面的一部分由支撑基部2支撑。然后，在线9在沿着晶块1的直径方向的方向上行进时，线9沿着作为与行进方向相垂直的方向的切割方向α接近晶块1，使得线9与晶块1彼此接触。然后，随着线9继续沿着切割方向移动，切割铸1。更具体地，其中作为松散研磨颗粒的单结晶金刚石和切割油已被混合的诸如浆料的切割液被供应至其中例如由包含铁和镍的合金构成的线9与晶块1相接触地行进的区域，并且线9和晶块1彼此相接触，由此切割晶块1。因此，获得图3所示的碳化硅基板3。之后，例如通过抛光对碳化硅基板3的主面进行平面化，由此完成本实施例中的碳化硅基板3。

在此处，参照图2，在利用线9切割（切片）晶块1中，沿着如下的切割方向α进行切割：该切割方向α相对于晶块1的<11-20>方向或<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±5°。更具体地，例如如图2所示，在晶块1的<11-20>方向与切割方向α之间形成的角度β被设置为15°±5°。因此，减小了由解理方向对线9的影响，并且抑制了碳化硅基板3的翘曲的发生。结果，即使通过抛光等来平面化通过切割获得的碳化硅基板3的主面，主面中的面取向的变化也得到抑制。此外，以上角度β的值更优选是15°±2°。

在此处，在晶块1（碳化硅基板3）具有不小于2英寸的直径的情况下或其中碳化硅基板3的D/T不小于100的情况下，以上翘曲趋于较大。因此，在这样的情况下，能够减小以上翘曲的本实施例中的碳化硅的制造方法是特别有效的。

此外，由于以上翘曲在利用在切割期间可能弯曲的线9的切割中是更可能的，所以对于通过线切割来切割晶块1，能够减小以上翘曲的本实施例中的碳化硅基板3的制造方法是特别有效的。

示例

（示例1）

进行这样的实验：将在根据本发明的碳化硅基板的制造方法中的碳化硅基板的主面的状态与常规碳化硅基板的主面的状态相比较。实验程序如下。

起始地，如以上实施例中那样制备单结晶碳化硅的晶块，并且通过执行这样的线切割来获得碳化硅基板：在晶块由支撑基部2支撑的情况下，在沿着解理方向的方向上进行切割。然后，通过抛光（常规示例）来平面化碳化硅基板的主面。另一方面，在类似程序中，通过执行这样的线切割来获得碳化硅基板：该线切割在相对解理方向形成的角度是15°的方向上进行切割。然后，通过抛光来平面化碳化硅基板的主面（本示例）。在由此获得的碳化硅基板的切割之后及平面化之前的状态下以及在其平面化之后的状态下，检查碳化硅基板的主面的形状。图4至7示出实验结果。应注意的是，图4至7中的数值示出了相对于基准面的高度。

参照图4和5，在常规示例中的切割方法的情况下，表面的翘曲是大的，并且甚至在平面化之后翘曲也是大的，虽然平面化改善了表面粗糙度。相反，参照图6和7，在本发明示例中的切割方法的情况下，表面翘曲在切割时间点被明显改善，并且平面化改善了表面粗糙度。由此确认了，根据本发明中的碳化硅基板的制造方法，与采纳常规切割方法的情况相比，翘曲的发生得到抑制，并且即使通过抛光等来平面化基板，也能够明显地抑制了主面中的面取向的变化。

（示例2）

进行这样的实验：检查在根据本发明的碳化硅基板的制造方法中的关于碳化硅基板的直径D相对厚度T的值（D/T）与基板的翘曲之间的关系。在线切割期间的线速度变化的情况下、在线的张力变化的情况下以及在切割速度变化的情况下进行该实验。图8至10示出了实验结果。应注意的是，在图8至10中，横坐标代表D/T的值，纵坐标代表翘曲的值（SORI）。图8示出其中线的线速度是从100m/min至600m/min的情况下的实验结果，图9示出其中线的张力从15N至40N的情况，并且图10示出其中切割速度是从1mm/h至6mm/h的情况。

参照图8至10，在任何情况下，当D/T值不小于100时，翘曲是特别大的。因此，能够推断的是，能够减小翘曲的根据本发明的碳化硅基板的制造方法对于其中D/T值不小于100的情况是特别适合的。

此外，参照图8，随着线的线速度增加，翘曲减小。随着线速度从100m/min增加至300m/min，翘曲显著减小。但是另一方面，随着线速度从300m/min增加至600m/min，翘曲减小的量小于从100m/min增加至300m/min的情况。此外，当以上线速度超过700m/min时，线更可能相对于晶块滑动，并且切片不太可能进行。因此，认为线的线速度优选地不小于不小于300m/min且不大于700m/min。

进一步参照图9，随着线的张力增加，翘曲减小。随着张力从15N增加至35N，翘曲明显减小。但是另一方面，随着张力从35N增加至40N，翘曲减小的量小于张力从15N增加至35N的情况。当张力超过50N时，线可能断裂。因此，认为线的张力优选地不小于35N并且不大于50N。

进一步参考图10，随着切割速度降低，翘曲减小。然后，随着切割速度从6mm/h下降至3mm/h，翘曲明显减小。但是另一方面，随着切割速度从3mm/h下降至1mm/h，翘曲减小的量小于切割速度从6mm/h下降至3mm/h的情况。此外，当切割速度小于1mm/h时，通过诸如浆料的切割液滑动的线在晶块上大致无前进地行进，这导致大的切割宽度和最终较低的产量。因此，认为切割速度优选地不低于1mm/h且不高于3mm/h。

（示例3）

进行这样的实验：在通过切割单结晶碳化硅的晶块获得基板中，检查在{0001}面上的正投影中在切割进行的方向与解理方向之间形成的角度对于获得的基板的翘曲（SORI）的影响。

起始地，如在以上实施例中那样，制备单结晶碳化硅的晶块，并且在晶块被支撑在支撑基部2上的情况下，对晶块切片来获得碳化硅基板：使得相对于表示解理方向的<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是从0°至30°。然后，测量获得的基板的主面的SORI。表1示出测量结果。此外，图11至14各自均示出了获得的基板的主面的形状。

表1

切割进行的方向与<1-100>方向之间的角度(°)	0	10	13	15	17	20	30
								SORI(μm)	39	26	10	8	11	18	28

参照表1和图11至14，随着在切割进行的方向与表示解理方向的<1-100>方向之间形成的角度更接近15°，基板主面的SORI值更小。然后，证实的是，通过将在切割进行的方向与<1-100>方向之间形成的角度设置为15°±5°，能够有效地降低基板主面的SORI的值。此外，发现的是，通过将在切割进行的方向与<1-100>方向之间形成的角度设置为15°±2°，能够进一步降低基板主面的SORI的值。

应理解，本文公开的实施例和示例的各方面是说明性的且非限制性的。本发明的范围由各项权利要求限定，而非由以上描述限定，并且旨在包括在与各项权利要求等同的范围和含义内的任何修改。

工业实用性

有利地，对于要求抑制主面中的面取向变化的碳化硅基板的制造，根据本发明的碳化硅基板的制造方法是特别适用的。

附图标记列表

1晶块；2支撑基部；3碳化硅基板；以及9线。

Claims (7)

1.一种碳化硅基板的制造方法，包括如下步骤：

制备单结晶碳化硅的结晶(1)；以及

通过切割所述结晶(1)来获得基板(3)，

在所述获得基板(3)的步骤中，在如下方向上进行切割：所述方向相对于所述结晶(1)的<11-20>方向或<1-100>方向所形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±5°，

其中，在所述获得基板(3)的步骤中，所述结晶(1)被切割为使得所述基板(3)的直径与厚度的比值不小于100。

2.根据权利要求1所述的碳化硅基板的制造方法，其中，在所述获得基板(3)的步骤中，在如下方向上进行切割：所述方向相对于所述结晶(1)的<11-20>方向或<1-100>方向形成的角度在{0001}面上的正投影中是15°±2°。

3.根据权利要求1所述的碳化硅基板的制造方法，其中，所述结晶(1)沿<0001>方向生长。

4.根据权利要求2所述的碳化硅基板的制造方法，其中，所述结晶(1)沿<0001>方向生长。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的碳化硅基板的制造方法，其中，所述结晶(1)具有不小于2英寸的直径。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的碳化硅基板的制造方法，其中，在所述获得基板(3)的步骤中，通过线切割来切割所述结晶(1)。

7.根据权利要求5所述的碳化硅基板的制造方法，其中，在所述获得基板(3)的步骤中，通过线切割来切割所述结晶(1)。