CN113921381A - 碳化硅衬底薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及碳化硅衬底薄膜的制备方法，通过对目标基底层以及载体层进行打磨，而后对目标基底层进行离子注入，使目标基底层出现断裂层，然后将载体层同目标基底层高温键合，再进行退火，令目标基底层在断裂层处分离，以达到获取目标薄膜层的目的。本发明利用载体片(石墨或蓝宝石)做基层，仅要较薄的薄膜层因此同样体积的碳化硅晶锭利用率可提升约5‑10倍，从而预计整体成本降低约50％；载体片的减薄的工艺会比碳化硅的减薄更加容易；由于碳化硅的薄膜层比较薄，电阻会变小，从而提升了器件的性能。

Description

碳化硅衬底薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及碳化硅衬底薄膜的制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)晶片作为半导体衬底材料，根据电阻率不同，可分为导电型和半绝缘型。其中，导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域应用多，市场规模较大；半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域，如5G通讯、雷达等，随着5G通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。
目前导电型的SiC衬底主要制备过程大致分为两步：第一步SiC粉料(高纯硅粉和高纯碳粉)在单晶炉中经过高温升华之后在单晶炉中形成SiC晶锭；第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光，得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片(即SiC衬底)。上述制备碳化硅衬底方法中的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工(切抛磨)技术。由于碳化硅晶体生长缓慢，以及碳化硅硬度非常高且脆性高，导致打磨、切割、抛光都耗时长且良品率低，因此碳化硅衬底成本高居不下及生产周期较长，导致目前碳化硅衬底材料昂贵，不利于推广，应用广度受到限制。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了碳化硅衬底的制备方法，目的是为了解决现有制备碳化硅衬底方法中，由于碳化硅晶体生长缓慢，以及碳化硅硬度非常高且脆性高，导致打磨、切割、抛光都耗时长且良品率低，因此碳化硅衬底成本高居不下及生产周期较长，导致目前碳化硅衬底材料昂贵，不利于推广，应用广度受到限制的技术问题。
本发明提供的碳化硅衬底薄膜的制备方法，具体技术方案如下：
碳化硅衬底的制备方法，包括如下步骤：
S1，对目标基底片做离子注入形成断裂层，所述断裂层将所述目标基底片分割为余质层和薄膜层，所述目标基底片为碳化硅衬底；
S2，将载体片与步骤S1中目标基底片的薄膜层进行键合，获得键合体，所述键合体自上而下依次分别为余质层、断裂层、薄膜层、载体层，所述载体片为石墨片或者蓝宝石片；
S3，在温度25-500℃，压力0.1-30MPa，氧气或氮气环境下，对步骤S3中的键合体加热0.5-50小时，使得余质层通过断裂层和薄膜层分离，获得留有载体层和薄膜层的键合体；
S4，对步骤S3中的留有载体层和薄膜层的键合体进行退火处理，获得处理后的键合体；
S5，将步骤S4中的处理后的键合体中的载体层通过干法或者湿法去除，获得碳化硅衬底薄膜。
在某些实施方式中，步骤S1中，在离子注入处理之前，对所述目标基底片的切面进行打磨处理，粗糙度小于2nm。
在某些实施方式中，步骤S1中，离子注入选用氢离子或氦离子，离子注入的深度为1μm-10μm。
在某些实施方式中，步骤S2中，在键合之前，对所述载体片的切面进行打磨处理，粗糙度小于2nm。
在某些实施方式中，步骤S2中，骤S2中，在键合之前，所述载体片靠近所述薄膜层的一侧面上利用高温化学气相沉积法生长一层碳化硅涂层，所述高温化学气相沉积法厚度约1-100μm。
在某些实施方式中，步骤S4中，步骤S4中，所述退火处理的温度30-500℃，所述退火处理的环境为0.1-30MPa的氧气或氮气环境。
在某些实施方式中，步骤S5中，在处理后的键合体的薄膜层上进行器件生产后，再将所述载体层去除。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的碳化硅衬底薄膜的制备方法，通过对目标基底层以及载体层进行打磨，而后对目标基底层进行离子注入，使目标基底层出现断裂层，然后将载体层同目标基底层高温键合，再进行退火，令目标基底层在断裂层处分离，以达到获取目标薄膜层的目的。本发明利用载体片(石墨或蓝宝石)做基层，仅要较薄的薄膜层(碳化硅衬底薄膜，约30μm～100μm)即可，因此同样体积的碳化硅晶锭可以被更多使用，由此利用率可提升约5-10倍，从而预计整体成本降低约50％；由于载体片(石墨或蓝宝石)的脆性远小于碳化硅的脆性，因此载体片(石墨或蓝宝石)的减薄的工艺会比碳化硅的减薄更加容易；由于碳化硅的薄膜层比较薄，电阻会变小，从而提升了器件的性能。
附图说明
图1是本发明提供的碳化硅衬底薄膜的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例中载体片平面示意图；
图3是本发明实施例中离子注入后目标基底片的平面示意图；
图4是本发明实施例中四层结构的键合体的平面示意图；
图5是本发明实施例中剥离余质层的键合体的平面示意图；
图6是本发明实施例中的剥离后并打磨的石墨(蓝宝石)基碳化硅片的平面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1-6，对本发明进一步详细说明。
目前的SiC衬底主要制备过程，具体步骤如下：
(1)原料合成。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在2000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。
(2)晶体生长。以高纯度碳化硅微粉为原料，使用晶体生长炉，采用物理气相传输法(PVT法)或高温化学气相沉积法(HTCVD)生长碳化硅晶体。如PVT法将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部，通过电磁感应将坩埚加热至2,000℃以上，控制籽晶处温度略低于下部微粉处，在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的Si2C、SiC2、Si等物质，在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处，并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。
(3)晶锭加工。将制得的碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向，之后磨平、滚磨，加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
(4)晶体切割。使用多线切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。
(5)晶片研磨。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
(6)晶片抛光。通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。
(7)晶片检测。使用光学显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标，据此判定晶片的质量等级。
(8)晶片清洗。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理，去除抛光片上残留的抛光液等表面污物，再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干；将晶片在超净室封装在洁净片盒内，形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。
通过上述工艺可知，碳化硅衬底生产周期长，成本较高，导致碳化硅衬底材料昂贵，不利于推广。
实施例
本实施例针对上述问题提供如下技术方案：
碳化硅衬底的制备方法，包括如下步骤：
1)将石墨片或蓝宝石片和碳化硅衬底切面做打磨处理，粗糙度均小于2nm。
2)先对碳化硅衬底做离子(氢离子或氦离子)注入，深度在1μm-10μm之间，此处的深度是指离子注入的位置距离石墨片或蓝宝石片顶面的距离，如图3所示，离子注入后，目标基底片被分为三层，碳化硅薄膜层1，断裂层2和余质层3。本实施例中对碳化硅衬底的选择在于，在控制成本的基础上选择高质量的碳化硅衬底。
3)在1)中的石墨片或蓝宝石片的载体层(即与碳化硅衬底接触的一侧面)上利用HTCVD(高温化学气相沉积法)的方式生长一层碳化硅涂层5(如图2所示)，厚度约1-100μm，由于生长出的这一层碳化硅涂层5，使石墨片或蓝宝石片与碳化硅衬底为同种性质的材料，如此，更有利于键合。
4)采用晶片键合法对步骤1)中的石墨片或蓝宝石片即使载体层和步骤2)中目标基底片中碳化硅薄膜层1所处的一面进行键合，得到一个四层结构的键合体，如图4所示，自上而下依次分别是目标基底层的余质层(碳化硅衬底余料)、断裂层(离子注入形成的气泡层)、薄膜层(碳化硅)、载体层(石墨或者蓝宝石)。
5)在温度25～500℃，压力0.1～30MPa,氧气或氮气环境下对步骤(3)的键合体加热0.5～50小时。如图5所示，使得余质层3通过断裂层2和薄膜层1分离。
6)对留有载体层4和薄膜层1的键合体进行退火处理，退火温度30～500℃，退火环境为0.1～30MPa的氧气或氮气环境。
7)在步骤6)的薄膜层1(如图6所示)上做器件生产。
8)将作为载体的石墨或者蓝宝石层(即载体层4)通过干法或者湿法去掉。
上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，对目标基底片做离子注入形成断裂层，所述断裂层将所述目标基底片分割为余质层和薄膜层，所述目标基底片为碳化硅衬底；
S2，将载体片与步骤S1中目标基底片的薄膜层进行键合，获得键合体，所述键合体自上而下依次分别为余质层、断裂层、薄膜层、载体层，所述载体片为石墨片或者蓝宝石片；
S3，在温度25-500℃，压力0.1-30MPa，氧气或氮气环境下，对步骤S3中的键合体加热0.5-50小时，使得余质层通过断裂层和薄膜层分离，获得留有载体层和薄膜层的键合体；
S4，对步骤S3中的留有载体层和薄膜层的键合体进行退火处理，获得处理后的键合体；
S5，将步骤S4中的处理后的键合体中的载体层通过干法或者湿法去除，获得碳化硅衬底薄膜。
2.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在离子注入处理之前，对所述目标基底片的切面进行打磨处理，粗糙度小于2nm。
3.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，离子注入选用氢离子或氦离子，离子注入的深度为1μm-10μm。
4.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在键合之前，对所述载体片的切面进行打磨处理，粗糙度小于2nm。
5.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在键合之前，所述载体片靠近所述薄膜层的一侧面上利用高温化学气相沉积法生长一层碳化硅涂层，所述高温化学气相沉积法厚度约1-100μm。
6.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述退火处理的温度30-500℃，所述退火处理的环境为0.1-30MPa的氧气或氮气环境。
7.根据权利要求1所述的碳化硅衬底薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S5中，在处理后的键合体的薄膜层上进行器件生产后，再将所述载体层去除。
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