CN106605289B - 碳化硅单晶衬底及用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法 - Google Patents

碳化硅单晶衬底及用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法 Download PDF

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Abstract

一种碳化硅单晶衬底(1)，其包括第一主表面(1a)、第二主表面(1b)和圆周边缘部(3)。第二主表面(1b)与第一主表面(1a)相反。圆周边缘部(3)连接第一主表面(1a)和第二主表面(1b)。当沿着与第一主表面(1a)垂直的方向观察时，圆周边缘部(3)具有：直线形的定向平面部(OF1)，具有第一半径(R1)的第一圆弧部(A1)，和连接定向平面部(OF1)和第一圆弧部(A1)并具有小于第一半径(R1)的第二半径(R2)的第二圆弧部(A2)。提供了一种能够抑制在碳化硅外延膜的表面中的级差的发生的碳化硅单晶衬底、及用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法。

Description

碳化硅单晶衬底及用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法
技术领域
本公开涉及碳化硅单晶衬底及用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法。
背景技术
近年来，为了在半导体装置中实现高击穿电压和低损耗等，开始采用碳化硅作为构成半导体装置的材料。
例如，日本特开2013-89937号公报(专利文献1)描述了包括：准备由单晶碳化硅构成的晶锭，通过对晶锭进行切片而得到碳化硅衬底，并且对碳化硅衬底的表面进行研磨。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本特开2013-89937号公报
发明内容
技术问题
当在碳化硅单晶衬底上形成碳化硅外延膜时，在碳化硅外延膜的表面中可能发生级差(滑移)。
本公开的目的是提供一种能够抑制碳化硅外延膜的表面中的级差的发生的碳化硅单晶衬底、及其制造方法。
技术方案
根据本公开的碳化硅单晶衬底包括第一主表面、第二主表面和圆周边缘部。第二主表面与第一主表面相反。圆周边缘部连接第一主表面和第二主表面。当沿着垂直于第一主表面的方向观察时，圆周边缘部具有直线形的定向平面部、具有第一半径的第一圆弧部、和连接定向平面部和第一圆弧部并具有小于第一半径的第二半径的第二圆弧部。
根据本公开的用于制造碳化硅单晶衬底的方法包括以下。制备具有第一主表面、与第一主表面相反的第二主表面、以及连接第一主表面和第二主表面的圆周边缘部的碳化硅单晶衬底。当沿着垂直于第一主表面的方向观察时，圆周边缘部具有直线形的定向平面部、具有第一半径的第一圆弧部、和在定向平面部和第一圆弧部之间的接触点。此外，在旋转所述碳化硅单晶衬底的同时研磨第一圆弧部、接触点和定向平面部。通过研磨第一圆弧部、接触点和定向平面部形成连接定向平面部和第一圆弧部并具有小于第一半径的第二半径的第二圆弧部。
发明的有益效果
根据本公开，能够提供能够抑制碳化硅外延膜的表面中的级差的发生的碳化硅单晶衬底及其制造方法。
附图说明
图1是示出根据实施例的碳化硅单晶衬底的结构的示意平面视图。
图2是图1中的区域II的放大图。
图3是沿图1中的线III-III截取的示意剖视图。
图4是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第一步骤的示意平面视图。
图5是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第一步骤的示意剖面图。
图6是示出磨石的研磨表面附近的配置的示意剖视图。
图7是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第二步骤的示意平面视图。
图8是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第三步骤的示意平面视图。
图9是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第四步骤的示意平面视图。
图10是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第二至第四步骤的示意剖面图。
图11是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第五步骤的示意剖面图。
图12是示出根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法的第六步骤的示意剖面图。
图13是示出根据本实施例的碳化硅单晶衬底的变型的配置的示意平面视图。
具体实施方式
[实施例的描述]
本发明人对当在碳化硅单晶衬底上形成碳化硅外延膜时在碳化硅外延膜的表面中发生级差(滑移)的原因进行了努力研究，结果，已经获得了以下发现。
例如，当将碳化硅单晶衬底放置在用于形成外延膜的基座上时，在定向平面部和圆弧形圆周边缘部之间的接触点附近可能与基座接触，由此接触点附近可能被损坏。如果损坏严重，则在接触点附近发生碎裂。在外延膜的表面中出现的级差归因于在接触点附近发生的损坏。
作为努力研究的结果，本发明人发现，通过倒角接触点的附近并形成具有小于圆弧形圆周边缘部的第一半径的第二半径的圆弧部，可以消除接触点附近的损坏，并且可以有效地抑制在碳化硅单晶衬底上形成的外延膜的表面中的级差的发生。
(1)根据本公开的碳化硅单晶衬底1包括第一主表面1a、第二主表面1b、和圆周边缘部3。第二主表面1b与第一主表面1a相反。圆周边缘部3连接第一主表面1a和第二主表面1b。当沿着垂直于第一主表面1a的方向观察时，圆周边缘部3具有直线形的定向平面部OF1、具有第一半径R1的第一圆弧部A1、和连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1且具有比第一半径R1小的第二半径R2的第二圆弧部A2。由此，可以有效地抑制在碳化硅单晶衬底1上形成的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
(2)优选地，在根据上述(1)的碳化硅单晶衬底1中，第二半径R2大于或等于50μm且小于或等于500μm。当第二半径R2大于或等于50μm时，可以有效地消除接触点附近的损坏，从而可以更有效地抑制外延膜表面中的级差的发生。当第二半径R2小于或等于500μm时，可以抑制由于直线形的定向平面部OF1太短而导致的不对准的发生。
(3)优选地，根据上述(1)或(2)的碳化硅单晶衬底1中，第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于或等于200mm的最大直径W1。当第一主表面1a具有大的最大直径W1时，由第一圆弧部A1和定向平面部OF1形成的角度变小，并且接触点附近变得尖锐，因此在接触点附近可能产生破裂。因此，可以特别有效地抑制在其第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于或等于200mm的最大直径W1的碳化硅单晶衬底1中的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
(4)优选地，在根据如上所述的(1)至(3)中任一项的碳化硅单晶衬底1中，构成碳化硅单晶衬底1的材料为六方晶系碳化硅。当从碳化硅单晶衬底1的重心G观察时，定向平面部OF1位于[1-100]方向。在这种情况下，当从该重心G观察时，第二圆弧部A2位于[11-20]方向。六方晶系碳化硅具有在[11-20]方向的位置容易断裂的属性。因此，通过在该位置设置第二圆弧部A2，能够有效地抑制破裂。
(5)根据本公开的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法包括以下步骤。制备具有第一主表面1a、与第一主表面1a相反的第二主表面1b、和连接第一主表面1a和第二主表面1b的圆周边缘部3的碳化硅单晶衬底1。在从与第一主表面1a垂直的方向观察时，圆周边缘部3具有直线形的定向平面部OF1、具有第一半径R1的第一圆弧部A1、以及在定向平面部OF1与第一圆弧部A1之间的接触点B2。此外，在旋转碳化硅单晶衬底1的同时研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1。通过研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1形成连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1并且具有小于第一半径R1的第二半径R2的第二圆弧部A2。由此，可以有效地抑制在碳化硅单晶衬底1上形成的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
(6)优选地，在根据上述(5)的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法中，研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1包括在以第一力将第一圆弧部A1按压在磨石2上的同时，研磨第一圆弧部A1，在第二力将接触点B2按压在磨石2上的同时，研磨接触点B2，并且在以第三力将定向平面部OF1按压在磨石上的同时研磨定向平面部OF1。第二力大于第一力，并且第三力大于第二力。由此，可以在防止碳化硅单晶衬底1中的裂纹和碎片的同时，有效地形成第二圆弧部A2。
(7)优选地，在根据上述(6)的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法中，磨石2的结合剂6为树脂。使用树脂的结合剂6具有高强度和高弹性，因此可以比使用金属的结合剂更适合用于在高圆周速度条件下的研磨。
(8)优选地，在根据上述(6)或(7)的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法中，与圆周边缘部3邻接的磨石2的研磨表面2a具有大于或等于体积25％且小于或等于体积32.5％的磨粒密度。由此，通过将圆周边缘部3过度地按压在磨石2的研磨表面2a上能够有效地形成第二圆弧部A2，且能够提高切削性能。
(9)优选地，在根据上述(5)至(8)中任一项的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法中，在研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1时，在旋转碳化硅单晶衬底1的同时研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1。碳化硅单晶衬底1在研磨接触点B2时的旋转速度低于在研磨第一圆弧部A1和研磨定向平面部OF1时的每一个中碳化硅单晶衬底的旋转速度。由此，可以在防止碳化硅单晶衬底1中的裂纹和碎片的同时，有效地形成第二圆弧部A2。
(10)优选地，在根据上述(5)至(9)中任一项的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法中，在研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1时，圆周边缘部3的整个圆周被倒角。由此，可以形成具有其圆周整体被倒角的圆周边缘部3碳化硅单晶衬底1。
(11)优选地，在根据上述(5)至(10)中任一项的碳化硅单晶衬底1用于制造的方法中，第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于或等于200mm的最大直径。当第一主表面1a具有大的最大直径W1时，由第一圆弧部A1和定向平面部OF1形成的角度变小，并且接触点附近变得尖锐，因此在接触点附近可能出现破裂。因此，可以特别有效地抑制在其第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于200mm的最大直径W1的碳化硅单晶衬底1中的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
[实施例的细节]
在下文中，将参考附图描述实施例。应当注意，在下面的附图中，将由相同的附图标记指明相同或相应的部分，并且将不重复其描述。关于本说明书中的晶体学指示，单独定向由[]指示，组定向由<>指示，单个平面由()指示，并且组平面由{}指示。此外，负指数应该通过在数字上方放置“-”(条)来晶体学地指示，但在本说明书中通过在数字之前加上负号来指示。
首先，对根据本实施例的碳化硅单晶衬底1的结构进行描述。
参考图1至3，碳化硅单晶衬底1主要具有第一主表面1a、与第一主表面1a相反的第二主表面1b和圆周边缘部3。圆周边缘部3是连接第一主表面1a和第二主表面1b的倒角部。参考图3，当沿着平行于第一主表面1a的方向(在截面图中观察)观察时，第一主表面1a基本上平行于第二主表面1b。当在剖视图中观察时，圆周边缘部3突出地弯曲。构成碳化硅单晶衬底1的材料优选为六方晶系碳化硅，更优选为具有4H型多晶型的六方晶系碳化硅。碳化硅单晶衬底1例如包括诸如氮(N)的n型杂质，并且可以具有n型导电类型。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a例如是{0001}面或具有距{0001}面小于或等于约8°的偏离角的面。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a例如是(0001)面或者是具有距(0001)面小于或等于约8°的偏离角的面，并且第二主表面1b是(000-1)面或具有距(000-1)面小于或等于约8°的偏离角的面。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a可以是例如(000-1)面或距(000-1)面具有小于或等于约8°的偏离角的面，并且第二主表面1b可以是(0001)面或距(0001)面具有小于或等于约8°的偏离角的面。
参考图1，第一主表面1a的最大直径W1例如大于或等于100mm且小于或等于200mm，并且优选大于或等于150mm且小于或等于200mm。当沿着垂直于第一主表面1a的方向观察(在平面视图中观察)时，圆周边缘部3具有直线形的定向平面部OF1、第一圆弧部A1、第二圆弧部A2以及第三圆弧部A3。例如，在第一主表面1a的最大直径W1为100mm(4英寸)和150mm(6英寸)的情况下，定向平面部OF1在平行于第一主表面1a的方向上的长度分别为例如约32.5mm和约47.5mm。第一圆弧部A1具有第一半径R1。换句话说，第一圆弧部A1是具有中心O1并具有第一半径R1的圆的圆周的一部分。第一半径R1例如大于或等于50mm且小于或等于100mm。
参考图2，形成第二圆弧部A2以连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1。第二圆弧部A2具有小于第一半径R1的第二半径R2。换句话说，沿着第二圆弧部A2形成的圆C2具有小于第一半径R1的第二半径R2。由线段S1和S2和第二圆弧部A2围绕的区域是扇形的，线段S1连接中心O2与在第二圆弧部A2和定向平面部OF1之间的接触点，线段S2连接中心O2和在第二圆弧部A2和第一圆弧部A1之间的接触点。第二圆弧部A2是具有中心O2并具有第二半径R2的圆C2的圆周的一部分。第二半径R2优选大于或等于50μm且小于或等于500μm，更优选大于或等于100μm且小于或等于250μm。
参考图1，第二圆弧部A2与直线形的定向平面部OF1的一端部连接，第三圆弧部A3与直线形的定向平面部OF1的另一端部连接。如同第二圆弧部A2，形成第三圆弧部A3以连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1。第三圆弧部A3具有小于第一半径R1的第三半径R3。第三圆弧部A3是具有中心O3并且具有第三半径R3的圆C3的圆周的一部分。第三半径R3基本上与第二半径R2相同。应当注意，可以通过从第一主表面1a侧获得第一主表面1a的图像来测量第一半径R1、第二半径R2和第三半径R3中的每一个。
定向平面部OF1位于例如当从碳化硅单晶衬底1的重心G观察时的[1-100]方向。当在平面视图中观察时，[1-100]方向是例如与其中直线形的定向平面部延伸的方向垂直的方向。在这种情况下，当从重心G观察时，第二圆弧部A2位于[11-20]方向。由于六方晶系碳化硅具有容易在[11-20]定向的位置断裂的属性，优选在该位置倒角六方晶系碳化硅，以便当在平面视图中观察时具有弯曲度，并且当在剖视图中观察时具有弯曲度。应当注意，碳化硅外延膜(未示出)可以设置在碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a和第二主表面1b中的一个上。
将参考图13描述根据本实施例的碳化硅单晶衬底1的变型的配置。
如图13所示，圆周边缘部3还可以具有第二定向平面部OF2、第四圆弧部A4和第五圆弧部A5。当从碳化硅单晶衬底1的重心G观察时，第二定向平面部OF2位于例如[-1-120]方向。当在平面视图中观察时，[-1-120]方向是例如与其中直线形的定向平面部延伸的方向垂直的方向。当在平面视图中观察时，第二定向平面部OF2的直线形的部分的长度短于定向平面部OF1的直线形的部分的长度。
第四圆弧部A4连接到第二定向平面部OF2的一个端部，第五圆弧部A5连接到第二定向平面部OF2的另一端部。第四圆弧部A4是具有中心O4和第四半径R4的圆C4的一部分。第五圆弧部A5是具有中心O5和第五半径R5的圆C5的一部分。优选地，第四半径R4和第五半径R5中的每一个小于第二半径R2。当在平面视图中观察时，圆周边缘部3在第三弧部A3和第四弧部A4之间可以具有第六弧部A6。第六圆弧部A6的半径可以与第一圆弧部A1的第一半径R1基本相同。
接下来，将描述用于测量每个圆弧部的半径的方法。
例如，可以使用由Kobelco研究学会制造的边缘轮廓监视器(型号：LEP-2000)测量每个圆弧部的半径。具体地，使用边缘轮廓监视器获得碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a的图像。从获得的图像中识别圆弧部(例如，第二圆弧部A2：见图2)。圆(例如，圆C2：见图2)拟合到圆弧部，使得在圆和圆弧部之间获得最大重叠。从拟合圆计算圆的半径(例如，第二半径R2：见图2)。拟合圆的半径是圆弧部的半径。应当注意，可以使用由Nikon公司制造的白光干涉式显微镜(型号：Nikon BW-503D)来代替边缘轮廓监视器。例如，也可以使用由白光干涉式显微镜得到的第一主表面1a的图像，手动地将圆拟合于圆弧部，并从该拟合圆计算圆弧部的半径。
接着，将对根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底的方法进行描述。
通过例如升华方法形成由具有4H型多晶型的六方晶系碳化硅制成的大体圆柱形的晶锭(未示出)。接着，沿大致平行于大体圆柱形晶锭的轴线的方向切割晶锭的一部分，以形成定向平面部。接着，沿着与轴线大致垂直的方向对其中形成有定向平面部的晶锭进行切片，切出多个碳化硅单晶衬底1。
参考图4和图5，碳化硅单晶衬底1具有第一主表面1a、与第一主表面1a相反的第二主表面1b、以及连接第一主表面1a和第二主表面1b的圆周边缘部3。构成碳化硅单晶衬底1的材料优选为六方晶系碳化硅，更优选为4H型多晶型的六方晶系碳化硅。碳化硅单晶衬底1例如包括诸如氮(N)的n型杂质，并且可以具有n型导电类型。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a例如是{0001}面或具有距{0001}面小于或等于约8°的偏离角的面。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a例如是(0001)面或者是距(0001)面具有小于或等于约8°的偏离角的平面，并且第二主表面1b是(000-1)面或距(000-1)面具有小于或等于约8°的偏离角的面。碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a可以是例如(000-1)面或距(000-1)面具有小于或等于约8°的偏离角的面，并且第二主表面1b可以是(0001)面或距(0001)面具有小于或等于约8°的偏离角的面。如图5所示，当在剖视图中观察时，第一主表面1a基本上平行于第二主表面1b。当在剖视图中观察时，圆周边缘部3基本上与第一主表面1a和第二主表面1b中的每一个垂直。
参考图4，第一主表面1a的最大直径W1例如大于或等于100mm且小于或等于200mm，并且优选大于或等于150mm且小于或等于200mm。当沿着与第一主表面1a垂直的方向观察时，圆周边缘部3具有直线形的定向平面部OF1、第一圆弧部A1、在定向平面部OF1的一个端部与第一圆弧部A1之间的接触点B2、和在定向平面部OF1的另一端部与第一圆弧部A1之间的接触点B3。第一圆弧部A1是具有第一半径R1的圆的一部分。第一半径R1例如大于或等于50mm且小于或等于100mm。
接着，执行碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3的倒角。具体地，在使碳化硅单晶衬底1关于与第一主表面1a垂直的旋转轴1c旋转的同时，研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1。参考图5，准备具有研磨表面2a的磨石2。磨石2构造成可关于旋转轴线2b旋转。如图5所示，碳化硅单晶衬底1被布置成使得碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3面向磨石2的研磨表面2a。
参考图6(该图是磨石2的研磨表面2a附近的放大图)，磨石2具有基底金属5、设置在基底金属5上的结合剂6、和利用结合剂6固定在基底金属5上的多个磨粒7。磨粒7例如是金刚石。如图6所示，磨粒7的部分埋入结合剂6中，并且它的其余部分从结合剂6露出。磨粒7与碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3邻接。优选地，磨石2的结合剂6为树脂。通过使用例如酚醛树脂等热固性树脂作为主要材料而构成使用树脂的结合剂6。结合剂6在例如大于或等于约150℃且小于或等于约200℃的温度下烧结。使用树脂的结合剂6具有高强度和高弹性，因此可以比使用金属的结合剂更适合用于在高圆周速度条件下的研磨。
[表1]
浓度 磨粒密度[体积％] 金刚石含量[ct./cm<sup>3</sup>]
200 50 8.8
175 43.75 7.7
150 37.5 6.6
125 31.25 5.5
100 25 4.4
75 18.75 3.3
50 12.5 2.2
25 6.25 1.1
优选地，磨石2的研磨表面2a具有大于或等于体积25％且小于或等于体积32.5％的磨粒密度。磨粒密度是包含在磨粒层中的磨粒的比率。表1示出了浓度、磨粒密度和金刚石含量之间的对应关系。例如，钻石含量为4.4ct.(克拉)/cm3相当于浓度100和磨粒密度体积25％。表1示出了在浓度为25至200的情况下的磨粒密度和金刚石含量。
参考图7和10，在使磨石2以旋转轴2b为中心旋转并且使碳化硅单晶衬底1绕旋转轴1c旋转的同时，将碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3按压到磨石2的研磨表面2a。磨石2的旋转轴2b与碳化硅单晶衬底1的旋转轴1c大致平行。碳化硅单晶衬底1的旋转轴1c可以通过第一圆弧部A1的中心O1。如图7所示，在将第一主表面1a侧的圆周边缘部3的定向平面部OF1以第三力F3按压到磨石2的研磨表面2a的同时研磨定向平面部OF1。磨石2的旋转速度优选为4000rpm以上且6000rpm以下，并且例如为5000rpm。碳化硅单晶衬底1的旋转速度比磨石2的旋转速度慢。碳化硅单晶衬底1的旋转速度例如为1rpm。优选地，磨石2的旋转方向D2与碳化硅单晶衬底1的旋转方向D1相同。从一端部向另一端部研磨定向平面部OF1。
接着，研磨在定向平面部OF1和第一主表面1a侧的第一圆弧部A1之间的接触点B2。参考图8和图10，在使磨石2绕旋转轴2b旋转，并且使碳化硅单晶衬底1绕旋转轴1c旋转的同时，通过用第二力F2将接触点B2按压到磨石2的研磨表面2a，研磨接触点B2。优选地，第三力F3大于第二力F2。优选地，研磨接触点B2中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低于研磨定向平面部OF1中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度。即，在定向平面部OF1的研磨结束后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度降低的情况下开始接触点B2的研磨。
接着，研磨第一主表面1a侧的第一圆弧部A1。参考图9和图10，通过在以旋转轴2b为中心使磨石2旋转，并使碳化硅单晶衬底1以旋转轴1c为中心旋转的同时，以第一力F1将第一圆弧部A1按压在磨石2的研磨表面2a上，对第一圆弧部A1进行研磨。优选地，第二力F2大于第一力F1。优选地，在研磨接触点B2中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低于在研磨第一圆弧部A1中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度。也就是说，在接触点B2的研磨完成之后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度增加的情况下研磨第一圆弧部A1。随着碳化硅单晶衬底1旋转，从一端部到另一端部研磨第一圆弧部A1。
接着，研磨在定向平面部OF1和第一主表面1a侧的第一圆弧部A1之间的接触点B3。通过在使磨石2绕旋转轴线2b旋转并使碳化硅单晶衬底1绕旋转轴线1c旋转的同时用第二力F2将接触点B3按压在磨石2的研磨表面2a上来研磨接触点B3。优选地，在研磨接触点B3中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度比在研磨定向平面部OF1和研磨第一圆弧部A1的每个中的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低。也就是说，在第一圆弧部A1的研磨结束后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度降低的情况下开始接触点B3的研磨。
如上所述，通过使碳化硅单晶衬底1关于旋转轴1c旋转360°并且第一主表面1a侧的圆周边缘部3被压在磨石2的研磨表面2a上，在第一主表面1a侧上的圆周边缘部3的整个周缘被倒角。如图10所示，由于对碳化硅单晶衬底1的第一主表面1a侧的圆周边缘部3进行倒角，所以第一主表面1a侧的圆周边缘部3具有圆形。另一方面，第二主表面1b侧的圆周边缘部3未被倒角。因此，当在剖视图中观察时，由圆周边缘部3和第二主表面1b形成的角度为大约90°。
接着，执行第二主表面1b侧的圆周边缘部3的倒角。参考图11，碳化硅单晶衬底1的位置降低，使得碳化硅单晶衬底1的第二主表面1b侧的圆周边缘部3与磨石2的研磨表面2a邻接。参考图7和11，在使磨石2关于旋转轴2b旋转、并且使碳化硅单晶衬底1关于旋转轴1c旋转的同时，将碳化硅单晶衬底1的定向平面部OF1按压在磨石2的研磨表面2a上。在以第三力F3将第二主表面1b侧的定向平面部OF1按压到磨石2的研磨表面2a的同时，研磨定向平面部OF1。磨石2的旋转速度优选为大于或等于4000rpm且小于或等于6000rpm，并且例如为5000rpm。碳化硅单晶衬底1的旋转速度比磨石2的旋转速度慢。碳化硅单晶衬底1的旋转速度例如为1rpm。优选地，磨石2的旋转方向D2与碳化硅单晶衬底1的旋转方向D1相同。从一端部向另一端部研磨定向平面部OF1。
接着，研磨第二主表面1b侧的定向平面部OF1和第一圆弧部A1之间的接触点B2。参考图8和11，通过在使磨石2关于旋转轴2b旋转、并且使碳化硅单晶衬底1以旋转轴1c为中心旋转的同时用第二力F2将接触点B2压在磨石2的研磨表面2a上，研磨接触点B2。优选地，第三力F3大于第二力F2。优选地，研磨接触点B2时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低于研磨定向平面部OF1时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度。即，在定向平面部OF1的研磨结束后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度降低的情况下开始接触点B2的研磨。
接着，研磨第二主表面1b侧的第一圆弧部A1。参考图9和11，通过在以旋转轴2b为中心旋转磨石2，并使碳化硅单晶衬底1以旋转轴1c为中心旋转的同时用第一力F1将第一圆弧部A1按压在磨石2的研磨表面2a上，研磨第一圆弧部A1。优选地，第二力F2大于第一力F1。优选地，研磨接触点B2时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低于研磨第一圆弧部A1时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度。也就是说，在接触点B2的研磨完成之后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度增加的情况下研磨第一圆弧部A1。随着碳化硅单晶衬底1旋转，从一端部到另一端部研磨第一圆弧部A1。
接着，研磨定向平面部OF1和第二主表面1b侧的第一圆弧部A1之间的接触点B3。通过在使磨石2关于旋转轴线2b旋转、并使碳化硅单晶衬底1关于旋转轴线1c旋转的同时用第二力F2将接触点B3压在磨石2的研磨表面2a上来研磨接触点B3。优选地，研磨接触点B3时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度比研磨定向平面部OF1和研磨第一圆弧部A1时的碳化硅单晶衬底1的旋转速度低。也就是说，在第一圆弧部A1的研磨结束后，在碳化硅单晶衬底1的旋转速度降低的情况下，开始接触点B3的研磨。如上所述，通过在第二主表面1b侧的圆周边缘部3被压在磨石2的研磨表面2a上的情况下，使碳化硅单晶衬底1关于旋转轴线1c旋转360°，在第二主表面1b侧上的圆周边缘部3的整个周缘被倒角。最终，第一主表面1a侧的圆周边缘部3的整个周缘和第二主表面1b侧的圆周边缘部3的整个周缘两者都被倒角。参考图12，在圆周边缘部3的整个圆周的倒角完成之后，碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3从磨石2的研磨表面2a脱离。
如上所述，通过研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1，形成连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1并具有小于第一半径R1的第二半径R2的第二圆弧部A2(见图1)。
应当注意，虽然如上所述的实施例描述了使碳化硅单晶衬底1当从第一主表面1a侧观察时顺时针旋转的情况，但是也可以使碳化硅单晶衬底1当从第一主表面1a侧观看时逆时针旋转。另外，虽然如上所述的实施例描述了研磨第一主表面1a侧的圆周边缘部3、并且其后研磨第二主表面1b侧的圆周边缘部3的情况，但是可以研磨在第二主表面1a侧的圆周边缘部3、并且其后可以研磨第一主表面1a侧上的圆周边缘部3。此外，可以同时研磨第一主表面1a侧的圆周边缘部3和第二主表面1b侧的圆周边缘部3两者。
接着，对根据本实施例的碳化硅单晶衬底及其制造方法的作用和效果进行描述。
按照根据本实施例的碳化硅单晶衬底1，圆周边缘部3具有直线形的定向平面部OF1、具有第一半径R1的第一圆弧部A1、和连接定向平面部OF1和第一圆弧部A1的第二圆弧部A2并且具有小于第一半径R1的第二半径R2。由此，可以有效地抑制在碳化硅单晶衬底1上形成的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
另外，按照根据本实施例的碳化硅单晶衬底1，第二半径R2大于或等于50μm且小于或等于500μm。当第二半径R2大于或等于50μm时，可以有效地消除接触点附近的损坏，从而可以更有效地抑制外延膜表面中的级差的发生。当第二半径R2小于或等于500μm时，可以抑制由于直线形的定向平面部OF1太短而导致的不对准的发生。
另外，按照根据本实施例的碳化硅单晶衬底1，第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于或等于200mm的最大直径W1。当第一主表面1a具有大的最大直径W1时，由第一圆弧部A1和定向平面部OF1形成的角度变小，并且接触点附近变得尖锐，因此在接触点附近可能出现破裂。因此，可以特别有效地抑制在其第一主表面1a的最大直径W1为大于或等于100mm且小于或等于200mm的碳化硅单晶衬底1中的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
此外，按照根据本实施例的碳化硅单晶衬底1，构成碳化硅单晶衬底1的材料为六方晶系碳化硅。定向平面部OF1位于从碳化硅单晶衬底1的重心G看时的[1-100]方向。在这种情况下，第二圆弧部A2位于从重心G观察时的(11-20)方向。六方晶系碳化硅具有在[11-20]方位的位置容易断裂的属性。因此，通过在该位置设置第二圆弧部A2，能够有效地抑制破裂。
按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，在旋转碳化硅单晶衬底1的同时研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1。通过研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1而形成连接定向平面部分OF1和第一圆弧部A1并且具有小于第一半径R1的第二半径R2的第二圆弧部A2。由此，可以有效地抑制在碳化硅单晶衬底1上形成的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
此外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1包括：在以第一力将第一圆弧部A1按压在磨石上的同时研磨第一圆弧部A1，在以第二力将接触点B2按压到磨石2的同时研磨接触点B2，以及，在以第三力将定向平面部OF1按压到磨石的同时研磨定向平面部OF1。第二力大于第一力，并且第三力大于第二力。由此，可以在防止碳化硅单晶衬底1中的裂纹和碎片的同时有效地形成第二圆弧部A2。
此外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，磨石2的结合剂6是树脂。使用树脂的结合剂6具有高强度和高弹性，因此可以比使用金属的结合剂更适合用于在高圆周速度条件下的研磨。
此外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，与圆周边缘部3邻接的磨石2的研磨表面2a的具有大于或等于体积25％且小于或等于体积32.5％的磨粒密度。由此，通过将圆周边缘部3过度地按压在磨石2的研磨表面2a上能够有效地形成第二圆弧部A2，且能够提高切削性能。
此外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，在研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1时，在旋转碳化硅单晶衬底1的同时研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1。在研磨接触点B2时碳化硅单晶衬底1的旋转速度低于在研磨第一圆弧部A1和研磨定向平面部OF1的每个时碳化硅单晶衬底1的旋转速度。由此，可以在防止碳化硅单晶衬底1时的裂纹和碎片的同时，有效地形成第二圆弧部A2。
另外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，在研磨第一圆弧部A1、接触点B2和定向平面部OF1时，对圆周边缘部3的整个圆周进行倒角。由此，可以形成具有其整个圆周被倒角的圆周边缘部3的碳化硅单晶衬底1。
另外，按照根据本实施例的用于制造碳化硅单晶衬底1的方法，第一主表面1a具有大于或等于100mm且小于或等于200mm的最大直径。当第一主表面1a具有大的最大直径W1时，由第一圆弧部A1和定向平面部OF1形成的角度变小，并且接触点附近变得尖锐，因此在接触点附近可能出现破裂。因此，可以特别有效地抑制在其第一主表面1a的最大直径W1为大于或等于100mm且小于等于200mm的碳化硅单晶衬底1中的碳化硅外延膜的表面中的级差的发生。
示例
首先，制备包括具有不同的第二半径R2的第二圆弧部A2(见图1)的六种碳化硅单晶衬底1。将第二半径R2设定为0μm、50μm、100μm、200μm、500μm和1000μm。在不研磨定向平面部OF1和第一圆弧部A1之间的接触点B2、B3的情况下制造具有第二半径R2为0μm的碳化硅单晶衬底1(比较例)。通过在上述实施例中描述的方法，在研磨在定向平面部OF1和第一圆弧部A1之间的接触点B2、B3的情况下，制造具有大于或等于50μm且小于或等于1000μm的第二半径R2的碳化硅单晶衬底1。在研磨每个碳化硅单晶衬底1的圆周边缘部3之后，在六种碳化硅单晶衬底1的每一个的第一主表面1a上形成碳化硅外延膜。碳化硅外延膜具有15μm的厚度。
在制造六种碳化硅单晶衬底1之后，使用光学显微镜研究在第一主表面1a中的定向平面部OF1与第一圆弧部A1之间的接触点附近是否存在破裂。当在平行于第一主表面1a的方向上存在长度大于或等于50μm的破裂时，确定存在破裂，并且当不存在长度大于或等于50μm的破裂时，确定没有破裂。类似地，研究在每个碳化硅单晶衬底1上形成的碳化硅外延膜的表面中是否存在不平整(滑移)。当在与第一主表面1a垂直的方向上具有大于或等于1μm的级差时，确定存在不平整，并且当没有大于或等于1μm的级差时，确定不存在不平整。
将参考表2描述六种碳化硅单晶衬底1中的外延膜的表面中是否存在破裂和是否存在不平整。
[表2]
Figure BDA0001238923580000191
如表2所示，在具有0μm的第二半径R2的碳化硅单晶衬底1的情况下(即，在没有研磨在定向平面部OF1和第一圆弧部A1之间的接触点B2、B3的情况下)，在定向平面部OF1与第一圆弧部A1之间的接触点附近观察到大于或等于50μm的破裂。此外，在碳化硅单晶衬底1上形成的外延膜的表面中观察到大于或等于1微米的级差。相反，在具有大于或等于50μm并且小于或等于1000μm的第二半径R2的碳化硅单晶衬底1的情况下，在定向平面部OF1与第一圆弧部A1中间的接触点附近没有观察到大于或等于50μm的破裂。另外，在各碳化硅单晶衬底1上形成的外延膜的表面上未观察到大于或等于1μm的级差。
从上述结果可以确认，通过将第二半径R2设定为大于或等于50μm且小于或等于1000μm，可以有效地抑制外延膜的表面中的破裂和级差的发生。此外，当第二半径R2大于500μm时，直线形的定向平面部OF1具有相对短的长度。因此，当使用定向平面部OF1作为基准将碳化硅单晶衬底10与制造装置对准时，可能发生未对准。因此，第二半径R2优选地大于或等于50μm并且小于或等于500μm。
应当理解，本文公开的实施例和示例在各个方面都是描述性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求的范围而不是上述描述来限定，并且旨在包括与权利要求的范围等同的范围和意义内的任何修改。
附图标记列表
1：碳化硅单晶衬底；1a：第一主表面；1b：第二主表面；1c、2b：旋转轴；2：磨石；2a：研磨表面；3：圆周边缘部；5：基底金属；6：结合剂；7：磨粒；A1：第一圆弧部；A2：第二圆弧部；A3：第三圆弧部；A4：第四圆弧部；A5：第五圆弧部；A6：第六圆弧部；B2、B3：接触点；D1、D2：旋转方向；F1：第一力；F2：第二力；F3：第三力；G：重心；O1、O2、O3、O4、O5：中心；OF1：定向平面部；OF2：第二定向平面部；R1：第一半径；R2：第二半径；R3：第三半径；R4：第四半径；R5：第五半径；W1：最大直径。

Claims (5)

1.一种用于制造碳化硅单晶衬底的方法，包括：
制备碳化硅单晶衬底，所述碳化硅单晶衬底具有第一主表面、与所述第一主表面相反的第二主表面、以及连接所述第一主表面和所述第二主表面的圆周边缘部，当沿着垂直于所述第一主表面的方向观察时，所述圆周边缘部具有直线形的定向平面部、具有第一半径的第一圆弧部、以及在所述定向平面部和所述第一圆弧部之间的接触点；以及
在旋转所述碳化硅单晶衬底的同时研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部，通过研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部来形成第二圆弧部，所述第二圆弧部连接所述定向平面部和所述第一圆弧部并具有小于所述第一半径的第二半径，
其中，研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部包括：
在用第一力将所述第一圆弧部按压在磨石上的同时，来研磨所述第一圆弧部，
在用第二力将所述接触点按压在所述磨石上的同时，来研磨所述接触点，以及
在用第三力将所述定向平面部按压在所述磨石上的同时，来研磨所述定向平面部，
所述第二力大于所述第一力，并且所述第三力大于所述第二力。
2.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅单晶衬底的方法，其中，
所述磨石的结合剂是树脂。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造所述碳化硅单晶衬底的方法，其中，
与所述圆周边缘部邻接的所述磨石的研磨表面具有等于或大于25体积％且小于或等于32.5体积％的磨粒密度。
4.根据权利要求1或2所述的用于制造碳化硅单晶衬底的方法，其中，
在研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部中，在旋转所述碳化硅单晶衬底的同时，来研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部，并且
在研磨所述接触点中的所述碳化硅单晶衬底的旋转速度低于在研磨所述第一圆弧部以及研磨所述定向平面部的每个中的所述碳化硅单晶衬底的旋转速度。
5.一种用于制造碳化硅单晶衬底的方法，包括：
制备碳化硅单晶衬底，所述碳化硅单晶衬底具有第一主表面、与所述第一主表面相反的第二主表面、以及连接所述第一主表面和所述第二主表面的圆周边缘部，当沿着垂直于所述第一主表面的方向观察时，所述圆周边缘部具有直线形的定向平面部、具有第一半径的第一圆弧部、以及在所述定向平面部和所述第一圆弧部之间的接触点；以及
在旋转所述碳化硅单晶衬底的同时研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部，通过研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部来形成第二圆弧部，所述第二圆弧部连接所述定向平面部和所述第一圆弧部并具有小于所述第一半径的第二半径，
其中，
在研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部中，在旋转所述碳化硅单晶衬底的同时，来研磨所述第一圆弧部、所述接触点和所述定向平面部，并且
在研磨所述接触点中的所述碳化硅单晶衬底的旋转速度低于在研磨所述第一圆弧部以及研磨所述定向平面部的每个中的所述碳化硅单晶衬底的旋转速度。
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