CN113957532A - 具有用于减少裂缝的最佳晶面取向的碳化硅晶体衬底及其生产方法 - Google Patents

具有用于减少裂缝的最佳晶面取向的碳化硅晶体衬底及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有用于减少裂缝的最佳晶面取向的碳化硅晶体衬底及其生产方法，尤其提供了一种其晶体结构的特定取向设定为减少或者甚至消除机械加工期间裂纹或裂缝的出现的单晶4H‑SiC半成品及其生产方法。该具有纵向轴线和平行于所述纵向轴线的至少部分弯曲的侧表面的单晶4H‑SiC衬底的特征在于，4H‑SiC衬底的晶体结构相对于纵向轴线取向，使得在半成品的侧表面上的每个位置都有这样的线段，该线段与每单位长度上至少预定最小数量的{1010}型的平行解理面相交，其中所述线段由在所述位置处与侧表面相切的平面限定。

Description

具有用于减少裂缝的最佳晶面取向的碳化硅晶体衬底及其生 产方法
技术领域
本发明涉及具有用于减少或消除机械加工期间裂纹或裂缝的出现的特定晶体结构取向的块状碳化硅(SiC)单晶，以及具有这种取向的单晶SiC衬底的生产方法。
背景技术
碳化硅(SiC)衬底通常用于生产具有广泛应用的电子部件，所述应用例如电力电子、射频和光电应用。它们通常由块状SiC单晶生产，SiC单晶可以使用标准方法(例如物理气相沉积(PVT))和合适的源材料来生长。然后通过使用线锯切割晶片，然后在多阶段抛光步骤中精制晶片表面，来从生长的晶体生产SiC衬底。在接下来的外延工艺中，半导体材料(例如SiC、GaN(氮化镓))的单晶薄层然后被沉积到SiC衬底上。这些外延层的特性以及由其制成的部件的特性主要取决于底层SiC衬底的质量。
在专利US 8,865,324 B2中描述了一种通过物理气相沉积来生产SiC晶体的标准方法。用这种方法生产的块状SiC晶体然后通过例如使用X射线辐射进行取向，使得晶体结构具有进一步机械加工所需的取向。例如，通过块状SiC晶体的各种表面处理步骤(例如通过磨削)，然后在单晶SiC半成品上设定所需的衬底直径，在其侧表面磨削出一个或多个取向平面(OF)，并且如此加工的晶体圆柱体的正面为晶片分离过程(例如线锯)做好准备。如图1所示，由块状SiC晶体的这种机械加工产生的SiC半成品100是取向后的圆柱体，其直径等于未来衬底晶片的直径，且该圆柱体具有限定在圆柱体侧表面130上的一个或两个取向平面110(或凹口)并且具有平行且平坦的正面120a、120b。
然后将SiC半成品100例如使用线锯工艺分成各个原始单晶SiC衬底。经过质量控制后，单晶SiC衬底将进行进一步的机械加工。例如，可以使用以下加工序列。在边缘的机械加工之后，执行单阶段或多阶段磨削或抛光工艺以去除在衬底分离工艺期间形成的(一个或多个)破坏层并逐渐降低衬底粗糙度。然后在衬底的一侧或两侧应用化学机械抛光工艺(CMP)以最后完成相应的(一个或多个)表面。
已知SiC单晶和由其制成的衬底表现出高脆性(或相应地低延展性)。在块状SiC晶体以及上述SiC衬底的多阶段机械加工期间，它们会受到很大的机械力。特别是，裂缝或裂纹可以很容易沿着优选的晶体解理面(例如以4H-SiC为例，为
Figure BDA0003173936940000021
型和
Figure BDA0003173936940000022
型)形成，并导致损坏或破坏SiC半成品圆柱体和/或衬底。尤其是，在径向(即垂直于外径)施加机械力的机械工艺中，沿解理面开裂的可能性的增加导致晶体和衬底中的裂缝，从而导致不希望的产量减少。
在单晶SiC半成品圆柱体的机械加工中，通过磨削来设定外径是最关键的工艺步骤，这是因为由磨削工具(例如砂轮)施加的很大的力垂直于圆柱体外径被施加。
在单晶SiC衬底的机械加工中，加工衬底边缘和抛光这两个步骤都至关重要。例如，当对衬底边缘进行倒角时，使用杯形砂轮将径向力施加到衬底外径上。在衬底在转子盘中被引导的抛光期间，径向力同样由这些转子盘施加到衬底的外径上。
因此，必须特别注意SiC材料的高脆性以及在相应块状晶体和衬底的机械加工期间存在的解理晶面。
迄今为止，现有技术没有解决SiC晶格的机械特性的各向异性问题，这就是为什么在实践中总是存在由机械加工期间出现的裂纹导致的一定量的块状晶体或衬底的浪费被普遍接受的原因。然而，这些对整个工艺链的产量有负面影响。
在对SiC半成品圆柱体外周进行机械加工时，通过调整机械加工步骤本身的参数(例如施加的力或磨削速度)，可以在一定限度内减少裂纹或裂缝的出现，但不能完全消除它们。然而，这对其他工艺参数有负面影响，例如工艺持续时间和成本的增加。在对SiC半成品圆柱体进行线锯后获得的原始SiC衬底的机械加工期间(例如在边缘倒角、机械磨削、机械或化学机械抛光等期间)的断裂或裂纹也可以通过调整工艺参数来减少，但不能完全避免。此类调整也对其他工艺参数具有不利影响，例如显著增加衬底机械加工的持续时间。
已经尝试了一些解决方案来减少有缺陷的SiC半成品圆柱体和衬底的量。
例如，专利申请DE102009048868描述了一种用于SiC晶体的热后处理方法，该方法允许降低晶体中的应力，因此也降低了SiC晶体开裂的敏感性。
专利CN110067020A描述了一种降低生产期间已经存在的晶体内固有应力的方法，这转而应降低晶体对开裂的敏感性。
然而，这些现有技术方法中都没有考虑到由于单晶SiC半成品或衬底的机械特性的各向异性而对单晶SiC半成品或衬底的加工提出的关于晶向的特定要求。此外，这些现有技术方法没有考虑晶向对SiC半成品和/或SiC衬底的开裂敏感性的影响。这两种方法都描述了内应力的减少，以及因此，由于晶体应力的减少，裂缝普遍减少。
然而，没有公开用于减少裂缝出现的解决方案，根据所施加的机械力，在机械加工期间，裂缝甚至可能出现在低应力或无应力的SiC半成品或SiC衬底上。
因此，需要一种解决方案，其允许有效地减少SiC半成品和/或SiC衬底在其机械加工期间由于裂缝的出现而导致的缺陷SiC半成品和/或SiC衬底的量，而不会显著增加整体机械加工的成本和时间，同时提高SiC半成品和SiC衬底的质量和产量。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷和缺点而得到本发明，并且本发明的目的是提供一种单晶4H-SiC衬底以及生产这种单晶4H-SiC衬底的方法，该单晶4H-SiC衬底对在生产和/或机械加工4H-SiC衬底的外表面期间施加的力具有提高的机械鲁棒性。
该目的由独立权利要求的主题实现。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。
一种具有提高的抗解理机械鲁棒性的单晶4H-SiC衬底，其中该具有衬底轴线和平行于所述衬底轴线的至少部分弯曲的侧表面的4H-SiC衬底的特征在于，4H-SiC衬底晶格的晶体结构相对于衬底轴线取向成使得在衬底侧表面上的每个位置都有这样的线段，该线段与每单位长度上至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000041
型的平行解理面相交，其中所述线段由在所述位置处与侧表面相切的平面限定。
根据进一步的改进，每单位长度上的预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000042
型的平行解理面为每毫米至少1000个平面；和/或所述纵向轴线是由4H-SiC衬底的所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱体的对称轴线。
根据进一步的改进，4H-SiC晶体结构的基面的主轴线相对于所述衬底轴线朝着
Figure BDA0003173936940000043
方向倾斜第一倾斜角，和/或第一倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或4H-SiC晶体结构的基面的主轴线相对于所述衬底轴线朝着
Figure BDA0003173936940000044
方向倾斜第二倾斜角，其中所述第二倾斜角是基于
Figure BDA0003173936940000045
型的所述平行解理面之间的距离来估计的，从而产生与线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000046
型的平行解理面，和/或第二倾斜角为选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
根据进一步的改进，单晶4H-SiC衬底还包括第一正面和第二正面；其中第一正面和第二正面分别垂直于4H-SiC衬底的至少部分弯曲的侧表面，和/或其中第一正面和第二正面中的一者或两者垂直于衬底轴线。
在进一步的改进中，所述至少部分弯曲的侧表面具有利用所述衬底轴线限定圆柱形表面的弯曲部分，所述弯曲部分具有其对称轴线，其中所述圆柱形表面的外径基本上对应于可通过将4H-SiC衬底切片获得的衬底晶片的给定直径，和/或所述圆柱形表面的外径为150.0mm±0.5mm、200.0mm±0.5mm或250.0mm±0.5mm；和/或单晶4H-SiC衬底的厚度大于250μm，或优选大于325μm，和/或单晶4H-SiC衬底的氮掺杂大于1×1018cm-3，和/或单晶4H-SiC衬底具有凹口或长度为47.5mm±1.0mm的取向平面。
本发明还提供了一种生产具有提高的抗解理机械鲁棒性的单晶4H-SiC衬底的方法，该单晶4H-SiC衬底具有衬底轴线和平行于所述衬底轴线的至少部分弯曲的侧表面，该方法包括：执行设定4H-SiC衬底上的4H-SiC晶体结构相对于所述衬底轴线的预定取向的过程，使得在4H-SiC衬底的侧表面上的每个位置处都有线段，该线段与每单位长度上的至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000051
型的平行解理面相交，其中所述线段由在所述位置处与侧表面相切的平面限定。
在进一步的改进中，4H-SiC晶体结构的预定取向使得每单位长度上的所述预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000052
型的平行解理面为每毫米线段长度至少1000个平面。
在进一步的改进中，该方法还包括估计所述预定取向，以便产生与线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000053
型的平行解理面。
根据进一步的改进，在4H-SiC衬底上设定4H-SiC晶体结构的所述预定取向的过程包括：提供用于由其生产至少一个原始4H-SiC衬底的单晶4H-SiC半成品，其中4H-SiC半成品已经相对于4H-SiC半成品的衬底轴线和单晶4H-SiC半成品的参考表面设定有4H-SiC晶体结构的所述预定取向；将具有参考表面的4H-SiC半成品安装到支撑表面上；以及沿横向于或平行于所述支撑表面的方向切割安装后的4H-SiC半成品以获得至少一个原始4H-SiC衬底。
在进一步的改进中，在4H-SiC衬底上设定4H-SiC晶体结构的所述预定取向的过程包括：提供用于由其生产至少一个原始4H-SiC衬底的单晶4H-SiC半成品；使基面的[0001]轴线相对于预定对准轴线以一方向和量预定倾斜，而对所述4H-SiC晶体结构进行空间取向；以及在对4H-SiC晶体结构进行空间取向后，沿基本上横向于所述预定对准轴线的方向切割4H-SiC半成品，以获得至少一个原始4H-SiC衬底。
根据进一步的改进，该方法还包括：通过执行角度测量来确定原始4H-SiC衬底中的4H-SiC晶体结构相对于原始4H-SiC衬底的正面的晶向；如果所确定的晶向相对于原始4H-SiC衬底的衬底轴线偏离预定取向，则对原始4H-SiC衬底进行空间取向，使得通过所述4H-SiC晶体结构中的所述基面的[0001]轴线相对于预定对准轴线以一方向和量预定倾斜，而对所述4H-SiC晶体结构的晶向进行空间取向；参考所述对准轴线加工被空间取向的4H-SiC单晶晶片的外表面以形成以下中的至少一者：基本上平行于所述对准轴线的所述至少部分弯曲的侧表面、和基本上正交于对准轴线的至少一个正表面；其中，加工后的4H-SiC衬底的衬底轴线基本上对应于或平行于用于4H-SiC晶体结构的空间取向的对准轴线。
在进一步的改进中，以所述预定倾斜度对4H-SiC晶体结构进行空间取向包括：以初始取向对4H-SiC晶体结构的基面进行取向；朝着4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000061
方向将基面以第一倾斜角从初始取向倾斜到第一取向；以及朝着4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000062
方向或
Figure BDA0003173936940000063
方向将基面以第二倾斜角从第一取向倾斜到第二取向；其中在所述初始取向中，基面基本上垂直于所述预定对准轴线。
根据进一步的改进，第一倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或其中基于
Figure BDA0003173936940000064
型的所述平行解理面之间的距离估计所述第二倾斜角，从而产生与线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000065
型的平行解理面，和/或第二倾斜角为选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°；和/或以第一倾斜角和/或第二倾斜角倾斜后的4H-SiC晶体结构的取向通过角度测量来验证。
根据进一步的改进，空间取向过程包括：以初始取向对4H-SiC晶体结构的基面进行取向；将基面绕所述初始取向沿顺时针方向旋转预定旋转角度；将旋转后的基面朝着4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000066
方向倾斜第三倾斜角；以及其中在所述初始取向中，基面基本上垂直于所述对准轴线。
根据进一步的改进，空间取向过程包括：以初始取向对4H-SiC晶体结构的基面进行取向；将基面绕所述初始取向沿逆时针方向旋转预定旋转角度；将旋转后的基面朝着4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000067
方向倾斜第三倾斜角；以及其中在所述初始取向中，基面基本上垂直于所述对准轴线。
在进一步的改进中，预定旋转角度为0.33°或为[0.22°，2.19°]范围内的值，和/或第三倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或在旋转预定旋转角度和/或倾斜第三倾斜角之后的4H-SiC晶体结构的取向通过角度测量来验证。
为了解释本发明的原理，附图被并入并形成说明书的一部分。附图不应被解释为将本发明仅限于所示出和描述的可以如何得到和使用本发明的示例。
附图说明
进一步的特征和优点将从以下和如附图所示的本发明的更详细描述中变得明显，其中：
图1为单晶SiC半成品的示意性透视图；
图2是具有轴上取向的常规4H-SiC半成品或衬底(从顶部、正面观察)的示意图，其中基面(0001)平行于正面并且晶向[0001]相对于圆柱体对称轴线C倾斜0°；描绘了
Figure BDA0003173936940000071
型和
Figure BDA0003173936940000072
型的两组解理面，
Figure BDA0003173936940000073
型包括
Figure BDA0003173936940000074
Figure BDA0003173936940000075
和
Figure BDA0003173936940000076
晶面，
Figure BDA0003173936940000077
型包括
Figure BDA0003173936940000078
和
Figure BDA0003173936940000079
晶面；
图3A是具有标准的4°的离轴取向的常规4H-SiC衬底的示意性俯视图(从正面观察)，其中4H-SiC晶体的基面(0001)朝着
Figure BDA00031739369400000710
方向相对于4H-SiC衬底的正面倾斜了的4°的角度δ；插图中的短箭头描绘了图2的平面上的[0001]方向的矢量分量；
图3B是图3A所示的4H-SiC衬底从包含
Figure BDA00031739369400000711
晶向的一侧观察时的示意性侧视图，并且描绘了基面(0001)和相应的[0001]轴线朝着
Figure BDA00031739369400000712
方向(即朝着平行于图3A中的主平面OF的方向)倾斜了4°的角度δ；
图4A是从包含
Figure BDA00031739369400000713
晶向的一侧(即主平面OF的一侧)观察的具有标准的偏离4°的取向的4H-SiC半成品的示意性侧视图，并且描绘了基面(0001)和相应的[0001]晶向朝向初始
Figure BDA00031739369400000714
方向倾斜了4°的倾斜角δ；
图4B是从与初始
Figure BDA00031739369400000715
方向相反的一侧观察的图4A中所示的4H-SiC半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了平行于4H-SiC圆柱体的中心对称轴线C的解理面
Figure BDA00031739369400000716
的取向；
图5是描绘了通过砂轮施加在4H-SiC半成品(或衬底)的侧面上的机械力F的分量的俯视图；
图6是描绘了通过砂轮施加在4H-SiC半成品(或衬底)上的径向机械力的侧视图；
图7是当从方向
Figure BDA0003173936940000081
观察(即从主平面OF的一侧观察)时具有标准的偏离4°的取向的4H-SiC半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了力线段L与晶面
Figure BDA0003173936940000082
的相交；
图8是现在沿
Figure BDA0003173936940000083
方向观察的图7所示4H-SiC半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了另一力线段L与晶面
Figure BDA0003173936940000084
的相交；
图9A是根据示例性实施方式的具有预定晶向的4H-SiC半成品的示意性侧视图(沿
Figure BDA0003173936940000085
方向观察)，其中基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000086
方向倾斜第一倾斜角δ1，并另外以逆时针方式朝着
Figure BDA0003173936940000087
方向倾斜第二倾斜角δ2；还描绘了示例性的力线段L，在机械加工期间径向力可沿该力线段L被施加到4H-SiC半成品的侧表面上；
图9B是图9A所示的4H-SiC半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了由于倾斜第二倾斜角δ2而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA0003173936940000088
的倾斜(从
Figure BDA0003173936940000089
方向观察)；
图10A是根据另一示例性实施方式的具有预定晶向的4H-SiC半成品的示意性侧视图(沿
Figure BDA00031739369400000810
方向观察)，其中基面(0001)朝着
Figure BDA00031739369400000811
方向倾斜第一倾斜角δ1，朝着
Figure BDA00031739369400000812
方向倾斜第二倾斜角δ2；
图10B是图10A所示的4H-SiC半成品(或衬底)的另一示意性侧视图(沿
Figure BDA00031739369400000813
方向观察)，并且描绘了由于倾斜第二倾斜角δ2而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA00031739369400000814
的倾斜；
图11示意性地示出了根据一实施方式的单晶SiC半成品的支撑结构，其用于在晶片分离工艺期间通过参照SiC半成品的圆柱体侧表面将预设的晶向从SiC半成品转移到各个SiC晶片；
图12示意性地示出了根据一实施方式的单晶SiC半成品的另一支撑结构，其用于在晶片分离工艺期间通过参照SiC半成品的正面之一将预设的晶向从SiC半成品转移到各个SiC晶片；
图13A是根据示例性实施方式的具有用于提高机械鲁棒性的预定晶向的4H-SiC衬底的示意性侧视图(从
Figure BDA0003173936940000091
方向侧观察)，并且该预定晶向类似于图9A-图9B所描绘的4H-SiC半成品的预定晶向；以及
图13B是图13A中所示的4H-SiC衬底的另一示意性侧视图，并且描绘了由于倾斜第二倾斜角δ2而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA0003173936940000092
的倾斜(从
Figure BDA0003173936940000093
方向观察)。
需要注意的是，由于本申请将讨论原子尺度，因此附图中所示的尺寸和相对角度仅用于理解目的，且并非按比例绘制。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将使透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记始终指代相同的元素。
本发明的基本原理来自于，发明人已经认识到，通过相对于SiC晶体和/或SiC衬底的外部参考表面(例如正面和/或侧表面)设定晶体结构的给定取向，可以显著减少甚至消除在各个机械工艺期间在SiC晶体和衬底中出现裂纹或裂缝，这提高了它们的机械鲁棒性而不会影响要在单晶SiC衬底上生长的外延层的质量。
因此，本发明为SiC晶体和衬底提供了晶面的最佳取向，这确保了机械加工中更高的机械鲁棒性和产量的增加。
在SiC晶体中，裂缝或裂纹很容易沿着优选的解理面(例如对于4H-SiC单晶来说为
Figure BDA0003173936940000094
型和
Figure BDA0003173936940000095
型的晶面)形成，从而导致损坏或破坏单晶SiC半成品和最终产品。特别是，在沿径向(即垂直于SiC晶体圆柱体的侧表面)快速施加机械力的过程中，沿解理面开裂的更高敏感性会导致SiC晶体和衬底开裂，从而导致不希望的相应产量的减少。
例如，图2描绘了具有轴上晶向的极性4H-SiC半成品200(或4H-SiC衬底)的
Figure BDA0003173936940000101
型和
Figure BDA0003173936940000102
型的解理面的取向。在图2所示的轴上取向中，4H-SiC晶体结构的基面(0001)平行于圆柱体正面220之一，因此，[0001]晶向与4H-SiC圆柱体200的纵向轴线C形成0°的角度。下文中提到的纵向轴线C被定义为由4H-SiC半成品或4H-SiC衬底的弯曲侧表面限定的圆柱形表面的对称轴线。图2示出了当从相应的正面220(例如图1中的正面120a)观察时极性4H-SiC半成品或衬底的Si侧(0001)。取向主平面(OF)被限定在晶向
Figure BDA0003173936940000103
上。可以选择性地提供在晶向
Figure BDA0003173936940000104
上的次平面。可以在
Figure BDA0003173936940000105
方向上提供凹口(即用于在半导体生产工厂中精确定位的衬底晶片中的侧向凹痕)而不是主平面OF。此外，图2描绘了两种类型的解理面，其示出了
Figure BDA0003173936940000106
型的三个对称等效晶面和
Figure BDA0003173936940000107
型的三个对称等效晶面。
Figure BDA0003173936940000108
型指定可以通过对称操作从
Figure BDA0003173936940000109
平面获得的所述一组晶面，其描述了SiC的理想晶体结构(点群6nn)，因此，包括平面
Figure BDA00031739369400001010
Figure BDA00031739369400001011
和
Figure BDA00031739369400001012
晶体平面
Figure BDA00031739369400001013
和
Figure BDA00031739369400001014
包含在
Figure BDA00031739369400001015
型中，
Figure BDA00031739369400001016
型指定了可以通过对称操作从
Figure BDA00031739369400001017
平面获得的所述一组晶面。
Figure BDA00031739369400001018
型和
Figure BDA00031739369400001019
型的所有解理面与4H-SiC半成品200的Si侧(0001)的正面和相反的C侧
Figure BDA00031739369400001020
(未示出)的正面以90°的角度相交。
Figure BDA00031739369400001021
和
Figure BDA00031739369400001022
型的解理面也与4H-SiC半成品200的侧表面以直角相交，这意味着当沿所描绘的解理面施加径向力时4H-SiC半成品200将易于出现裂缝。
在图3A和图3B中描绘了在
Figure BDA00031739369400001023
方向上具有标准的基面(0001)的4°的离轴取向的4H-SiC衬底300的示例。这种偏离4°的取向已成为现有技术使用的4H-SiC衬底的标准取向，因为它允许在其上生长的外延层和随后处理的部件中实现最佳质量。图3A描绘了当从顶部、正面(即从Si侧(0001))观察时4H-SiC衬底300的标准的4°的离轴取向，其示出了平行于衬底正面320a的
Figure BDA00031739369400001024
晶向以及沿正面320a的
Figure BDA0003173936940000111
方向(向下倾斜4°)的矢量分量。[0001]轴线的倾斜由图3A的插图中的短箭头表示，其描绘了沿正面320a的[0001]轴线的矢量分量。主平面通常被限定为指示
Figure BDA0003173936940000112
方向，尽管可以使用标记
Figure BDA0003173936940000113
方向的凹口代替。也可以提供在
Figure BDA0003173936940000114
方向上的次平面。图3B是图3A中描绘的4H-SiC衬底300当从
Figure BDA0003173936940000115
方向(主平面OF的一侧)观察时的侧视图。从图3B可以看出，4H-SiC晶体的基面(0001)朝着晶向
Figure BDA0003173936940000116
倾斜出平行于正面320a的平面，并且相应的晶体轴线[0001]相对于4H-SiC衬底的中心轴线C倾斜4°(+/-0.5°)的倾斜角δ。
如上所述，基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000117
方向的4°的倾斜允许在外延期间实现最佳的阶梯流，从而确保后续生长在4°的离轴衬底上的外延层的最佳质量。基面(0001)和主轴线[0001]的这种倾斜也反映在一些解理面的晶向上。例如，在针对轴上取向的图2中描绘的
Figure BDA0003173936940000118
型和
Figure BDA0003173936940000119
型的六个解理面中的五个不再与具有4°的离轴取向的4H-SiC衬底的正面320a、320b正交，并因此不再以直角与圆柱体侧表面330相交。只有解理面
Figure BDA00031739369400001110
仍然以90°的角度与4H-SiC衬底300的正面320a、320b相交，并保持平行于纵向轴线C。另一方面，解理面
Figure BDA00031739369400001111
显示相对于正面320a的晶向的最大变化。
类似的情况发生在具有标准的4°的离轴取向的单晶4H-SiC半成品400中，例如如图4A-图4B中所示。图4A示出了从
Figure BDA00031739369400001112
方向(即从主平面OF的一侧)观察的4H-SiC半成品400的侧视图，并描绘了晶向
Figure BDA00031739369400001113
和
Figure BDA00031739369400001114
相对于正面420a(在Si侧(0001))和圆柱体中心轴线C的取向，以及解理面
Figure BDA00031739369400001115
的倾斜。如从图4A可以看出，解理面
Figure BDA00031739369400001116
不再以直角与正面420a相交，并因此，它不再与中心轴线C平行对准，而是由于基面(0001)和相应的[0001]晶体轴线的4°的离轴取向，而相对于中心轴线C呈现出4°的倾斜。另一方面，
Figure BDA00031739369400001117
方向保持横向于中心轴线C。
图4B示出了图4A中所示的4H-SiC半成品的现在从与
Figure BDA00031739369400001118
晶向成90°的方向(即从倾斜基面(0001)之前的
Figure BDA00031739369400001119
方向相反的一侧)观察的另一侧视图。如从图4B可以看出，
Figure BDA00031739369400001120
方向保持横向于4H-SiC半成品400的中心轴线C，并且解理面
Figure BDA0003173936940000121
是没有随着基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000122
方向倾斜4°而改变取向的唯一的晶面。因此，解理面
Figure BDA0003173936940000123
继续以直角与正面420a(和420b)相交并保持平行于圆柱体中心轴线C。晶向
Figure BDA0003173936940000124
不再垂直于中心轴线C，因为它相对于正面420a向下倾斜4°(这在图4B中通过代表在方向
Figure BDA0003173936940000125
上的矢量尾部的符号的竖直移位示出)。平行基面(0001)与4H-SiC半成品400的侧面430的交点在图4B中由水平线表示。除了
Figure BDA0003173936940000126
平面之外，所有其他剩余的相应
Figure BDA0003173936940000127
型和
Figure BDA0003173936940000128
型的解理面，在基面(0001)的4°的倾斜之后改变它们相对于正面420a的取向，相应倾斜角度落在解理面
Figure BDA0003173936940000129
所表现出的4°的最大变化和解理面
Figure BDA00031739369400001210
的零变化之间。
然而，无论是轴上取向还是4°的离轴取向，4H-SiC半成品或4H-SiC衬底在机械加工期间仍然很容易产生裂缝，特别是在解理面与对称轴线C对准地与其相应的圆柱形表面相交的区域施加径向机械力时，就像上述解理面
Figure BDA00031739369400001211
的情况一样。
如图5所示，在单晶SiC半成品(或衬底)的机械加工期间，可以假设，在第一近似中，机械加工(例如磨削)期间使用的工具沿着单晶体表面上的线段L(力线段)施加机械力F，并且机械力F径向传播到单晶体中。解理方面的决定性因素是向内施加到单晶SiC半成品上的力(即总力F的径向分量Frad)的强度。加工期间可能出现的切向力分量(Ftang)可以为评估其对解理的影响而忽略。线段L的长度大约是与相应加工工具接触区域的长度，例如砂轮的厚度h，如图6所示。实际上，在加工期间，机械力并不是沿着长度为h的单条线段L、而是在具有相同h的非常窄的区域上被施加。这个窄的区域可以看作是由一系列平行线段形成的。根据本发明的原理实现沿线段的解理减少的条件(将在下面解释)则可适用于这些单独的线中的每一者。
为了评估在接触区域向内施加到解理面上的径向机械力的影响，考虑了接触区以及机械力实际被施加到的(一条或多条)线段L的实际长度。线段L和/或窄区域的长度h主要由加工工具的厚度h决定。
在机械加工具有参照图4A-图4B所示的标准的4°的离轴取向或具有如图2所示的轴上取向的SiC半成品期间，例如通过砂轮将径向力沿晶体圆柱形表面的外周横向施加在多个位置。施加的力对晶体上裂缝的发展与否的影响高度取决于沿圆柱体周边施加该力的位置/区域。可以关于不同解理面相对于径向力的施加区域的取向区分以下极端情况，如图7和图8所示。
图7示出了当从方向
Figure BDA0003173936940000131
观察(即从主平面OF观察)时，具有标准的4°的离轴取向的4H-SiC半成品400的另一示意性侧视图，并且其表示解理面
Figure BDA0003173936940000132
与沿其施加机械力的力线段L相交(其中h表示砂轮的厚度)。如图7所示，发明人已经认识到，因为解理面
Figure BDA0003173936940000133
以标准的4°的离轴取向而不平行于圆柱体轴线C，并因此不横向于4H-SiC半成品400的正面420a，所以在第一近似中例如通过砂轮在方向
Figure BDA0003173936940000134
上沿线段L施加的径向力不仅被施加在一个平面
Figure BDA0003173936940000135
上，而且同时被施加于在该长度为h的力线段L处与4H-SiC半成品400的侧表面相交的多个平行解理面
Figure BDA0003173936940000136
上。基于4H-SiC晶体结构中的原子距离，估计沿线段L致动的径向力分布在多个等效的、平行的
Figure BDA0003173936940000137
型的解理面上，例如在所示的4°的离轴取向的情况下的每毫米高达2.6×105个平面的解理面
Figure BDA0003173936940000138
这意味着施加在每个单独解理面
Figure BDA0003173936940000139
上的力大大降低，因此，裂缝在各个平行解理面内传播的风险可以显著降低。
图8是图7所示的4H-SiC半成品400现在从与
Figure BDA00031739369400001310
方向相反的一侧观察的另一示意性侧视图，并示出了当径向力沿平行于C轴线的线段L被施加并朝着
Figure BDA00031739369400001311
方向时发生的另一种极端情况。如图8所示，发明人已经认识到解理面
Figure BDA00031739369400001312
相对于4H-SiC半成品400的正面420a以直角取向并且沿着平行于中心轴线C的线，从底部正面420b直到上部正面420a与圆柱体侧表面430相交。在这种情况下，在第一近似中，由砂轮沿线段L在方向
Figure BDA00031739369400001313
上施加径向力，但是该径向力只能分布在单个或极少数平行解理面
Figure BDA00031739369400001314
上。因此，由于在这种情况下，与图7中所示的解理面
Figure BDA00031739369400001315
的情况相反，所施加的力不会分布在大量解理面
Figure BDA00031739369400001316
上，因此在加工期间施加的最大力实际上被施加在单个或减少数量的解理面
Figure BDA0003173936940000141
上。这导致开裂的概率非常高，容易导致单晶SiC半成品400在机械加工期间破裂。
因为基面(0001)在方向
Figure BDA0003173936940000142
上倾斜了4°，
Figure BDA0003173936940000143
型和
Figure BDA0003173936940000144
型的所有其他剩余解理面不平行于C轴线，并且在对解理的鲁棒性方面表现出一种行为，该行为介于上面针对解理面
Figure BDA0003173936940000145
和
Figure BDA0003173936940000146
描述的两种极端情况之间。
由上可知，到目前为止，解理面
Figure BDA0003173936940000147
仍然是机械加工期间对裂缝和裂纹最敏感的解理面，因此沿这些解理面出现裂纹的可能性很大。因此，发明人已经意识到，在现有技术中用于提高待生长到4H-SiC衬底上的材料的外延质量的不同目的的4H-SiC半成品的标准的4°的离轴取向可能会在减少沿某些晶向的解理方面带来有益的、令人惊讶的效果，但这种积极效果并不是在沿4H-SiC半成品或4H-SiC半衬底的圆柱形表面的周边的每个位置、特别是解理面
Figure BDA0003173936940000148
与外圆柱形表面相交的位置实现。
本发明提供了一种方法和单晶4H-SiC衬底和半成品，其解决了与沿晶体解理面、即在具有离轴取向(例如上述4°的离轴取向)的4H-SiC衬底和半成品的情况下的解理面
Figure BDA0003173936940000149
形成的裂缝/裂纹有关的问题。
在下文中，为了简单起见，本发明的原理将针对在
Figure BDA00031739369400001410
方向具有4°的离轴取向的4H-SiC半成品的情况进行描述。然而，本发明可以应用于除4H-SiC之外的单晶SiC半成品(或衬底)的变型、和/或具有其他离轴取向并且表现出横向于块状晶体和/或衬底的正面取向的优选解理面的其他单晶半导体材料。
本发明的基本原理在于，通过在4H-SiC半成品(或4H-SiC衬底)上设定4H-SiC晶体结构的特定晶向，可以降低甚至防止4H-SiC晶体结构沿优选解理面(例如平面
Figure BDA00031739369400001411
)开裂的敏感性，同时保持方向[0001]的离轴取向对相应的4H-SiC衬底的外延质量带来的好处。
为了减少或避免在具有4°的离轴取向(4°±0.5°)的4H-SiC半成品上形成裂纹，本发明设定了在4H-SiC半成品(或4H-SiC衬底)上的晶体结构相对于相应的(一个或多个)外表面(例如4H-SiC半成品的侧表面和/或一个或两个正面)的特定取向。对于满足条件的解理面
Figure BDA0003173936940000151
的取向，可以减少甚至避免裂纹的出现，所述条件为取向成使得在机械加工期间施加的径向力在力线段L的每单位长度上并且与4H-SiC半成品的外周周围的位置无关地分布在至少预定最小数量的平行解理面
Figure BDA0003173936940000152
上。
每单位长度的力线段L上的最小数量的解理面
Figure BDA0003173936940000153
可以基于4H-SiC晶格中的原子距离来估计。发明人已经发现，通过每毫米的力线段L上的最小数量的1000个等效平行解理面
Figure BDA0003173936940000154
可以实现裂纹/裂缝的出现的减少。相交平面
Figure BDA0003173936940000155
的优选数量对应于每毫米的力线段长度上的1500个等效的平行解理面。进一步估计，对于每毫米的力线段上的多达最大数量10000个等效平行解理面的任何数量的相交解理面，可以在不影响偏离4°的SiC半成品或衬底的外延特性的情况下实现所需的抗解理鲁棒性的增加。
施加的机械力在每个单位长度的力线段上的大量平行解理面
Figure BDA0003173936940000156
上的分布允许降低开裂的概率。然而，由于与力线段L相交的解理面
Figure BDA0003173936940000157
的数量与其相对于圆柱体正面的倾斜度密切相关，因此希望保持解理面
Figure BDA0003173936940000158
的倾斜度尽可能低，以便不会对最终衬底上的外延生长的质量产生负面影响，并因此不会对与力线段相交的平面的数量产生负面影响，同时仍能达到提高4H-SiC半成品和由其制成的衬底的抗解理鲁棒性的预期效果。
图9A-图9B和图10A-图10B示出了具有根据本发明提高机械鲁棒性的基本4H-SiC晶体结构的预定取向的4H-SiC半成品的、更具体地解理面
Figure BDA00031739369400001511
的示例性实施方式。图9A-图9B和图10A-图10B中使用的相对尺寸和角度仅用于促进理解，并非按比例绘制。这些示例性预定取向也适用于4H-SiC衬底。
图9A-图9B示意性地示出了根据示例性实施方式的4H-SiC半成品500，其中4H-SiC晶体结构相对于4H-SiC半成品500的纵向轴线C(或相对于其正面520a、520b中的一者或两者和/或侧表面530)的空间取向，除了基面(0001)朝着方向
Figure BDA0003173936940000159
以第一倾斜角δ1(例如δ1＝4°±0.5°，如图9A所示)的离轴取向之外，还包括基面(0001)朝着
Figure BDA00031739369400001510
方向以非零的第二倾斜角δ2的倾斜，如图9B所示。因此，不仅解理面
Figure BDA0003173936940000161
相对于4H-SiC半成品500的中心轴线C倾斜了倾斜角δ1(如图9A所示)，而且解理面
Figure BDA0003173936940000162
相对于中心轴线C倾斜了倾斜角δ2(如图9B所示)。因此，以第一近似假设加工工具沿弯曲侧表面530上的长度为h的线段L(线段L被限定为在接触区域与侧表面530相切的平面上的线段)施加径向力，则无论线段L沿4H-SiC半成品500的外周的位置(即施加径向力的区域)如何，每单位长度总是有多个
Figure BDA0003173936940000163
型的平行解理面与力线段L相交。
因此，磨削过程中施加的径向力在某些位置被施加到单个或仅几个解理面
Figure BDA0003173936940000164
的情况(例如上述参考图4B描述的)在具有上述预定取向的4H-SiC半成品500中不会发生。
此外，通过估计第二倾斜角δ2的值，可以以受控的方式显著减少甚至避免在机械加工4H-SiC半成品500或具有相同预定取向的4H-SiC衬底期间出现裂纹，其中该第二倾斜角δ2产生在每单位长度的线段上至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000165
型的相交平行解理面，并且在该第二倾斜角δ2处每单位平面施加的径向力变得低于特定解理面的给定解理特性阈值。
图10A-图10B示意性地示出了根据另一示例性实施方式的具有用于提高机械鲁棒性的另一预定取向的4H-SiC半成品600。在此配置中，4H-SiC晶体结构具有相对于纵向轴线C(或相对于4H-SiC半成品600的正面620a、620b中的一者或两者和/或侧表面630)的预定空间取向，使得除了[0001]方向和相应基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000166
方向以第一倾斜角δ1(例如δ1＝4°±0.5°，如图10A所示)的离轴取向外，还包括基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000167
方向的以非零的第二倾斜角δ2的倾斜，如图10B所示。以该空间取向，解理面
Figure BDA0003173936940000168
于是相对于4H-SiC半成品600的中心轴线C倾斜角度δ2。因此，类似于图9A-图9B的实施方式，侧表面630上的平行于中心轴线C的任何力线段L都将与在每单位长度的力线段L上的至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000169
型的平行解理面相交，而与侧表面630上限定线段L的位置无关，并因此，与在磨削工艺期间施加径向力的位置无关。同样在这种情况下，可以估计第二倾斜角δ2的值，以便实现在每单位长度的线段上的至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000171
型的相交平行解理面，在该第二倾斜角δ2处每个解理面的径向力变得低于给定的解理阈值。
第二倾斜角δ2可以基于
Figure BDA0003173936940000172
型的两个等效平行解理面(例如
Figure BDA0003173936940000173
平面)之间的已知距离、和/或考虑机械工艺的参数(例如，磨削工具在接触区域的高度h、通常施加的力和磨削速度等)、和/或特定类型解理面的已知解理阈值来估计。可替选地，第二倾斜角δ2可以通过实验来确定和调整。
两个示例性实施方式共享本发明的以下原理：将外部机械力分布在每单位长度的力线段L的多个等效的平行解理面
Figure BDA0003173936940000174
上以减少甚至消除裂纹的出现，而与要施加这种外部机械力的SiC半成品的整个周边周围的位置无关。
在具有上述参考图9A-图9B和图10A-图10B所述的4H-SiC晶体结构的相同空间取向的4H-SiC衬底或晶片中也实现了抗解理机械鲁棒性的类似改进。
4H-SiC晶体结构的预定取向可通过下述方法在4H-SiC半成品上设定。
在晶体生长和/或第一次粗机械加工(预加工的4H-SiC晶体)后获得的原始4H-SiC晶体中，晶面和参考表面(例如加工的正面之一或圆柱形表面)与最终4H-SiC半成品中一样，尚未与彼此之间所需的准确取向对准。
由于该原因，在机械加工开始时，原始4H-SiC晶体(或预加工的4H-SiC晶体)以其正面之一(Si侧(0001)或C侧
Figure BDA0003173936940000177
)安装在测角仪和/或支架上，并胶粘或粘合到其上，以便为机械加工精确设定晶向。对于这种取向，可以使用商用X射线设备，并且利用该设备可以准确地确定和对准晶面的取向。因此，为了设定4°的离轴取向，在第一步骤中，在X射线设备中用测角仪调整原始晶向，使得基面(0001)(或
Figure BDA0003173936940000175
平面)沿正交于未来圆柱形表面的方向准确取向(即[0001]轴线沿C轴线对准)，未来圆柱形表面将在随后的机械加工(例如，通过磨削过程)中限定。
在随后的步骤中，如此取向的原始SiC晶体(或预加工的SiC单晶)使用测角仪朝着方向
Figure BDA0003173936940000176
倾斜4°(+/-0.5°)，以便如未来SiC衬底的高质量外延所需的，提供所需的基面的4°的离轴取向。在该定位之后，晶面如图4A和图4B所示地取向。在这种情况下，基面的[0001]轴线与未来圆柱体轴线C之间的角度为4°(+/-0.5°)。
此后，例如通过磨削工艺将圆柱体的外径设定为未来衬底的直径。如上所述，直径设定过程是关于裂纹出现的最关键的步骤之一。在此设定过程期间，可确保准确地转移晶面相对于圆柱形表面的先前经测角仪调整的取向。此外，取向主平面或次平面和/或凹口可以在该过程步骤期间被磨削。随后在任何进一步加工之前，使用X射线设备检查/控制晶面相对于圆柱形表面的所需取向。
在外径和/或取向平面的处理以及晶面相对于圆柱形表面的所需取向的控制之后，执行用于限定SiC单晶的正面的过程，从而产生最终的SiC半成品，其外部形状类似于图1中所示的形状。
为了设定提高机械鲁棒性的晶面
Figure BDA0003173936940000181
的预定空间取向(例如图9A-图9B或图10A-图10B所示的预定取向)，将原始SiC晶体(或预加工的SiC晶体)经受设定所需预定取向的过程，该过程包括例如通过使用以下任一种取向过程序列对原始(或预加工的)SiC晶体进行空间取向。优选地使用测角仪和商用X射线设备执行取向过程序列的每个步骤，以确保过程序列的每个步骤中的精确取向。
如图9A-图9B所示的，根据用于在4H-SiC半成品500中设定SiC晶体结构的预定取向的第一取向过程序列，将原始或预加工的4H-SiC晶体在空间上取向，使得基面首先与初始取向对准，在初始取向中，基面与对准中心轴线C的方向(对应于最终4H-SiC半成品500的未来圆柱体侧表面的方向)基本上成直角。在随后的步骤中，通过将4H-SiC晶体朝着
Figure BDA0003173936940000182
方向倾斜相同的量δ1，将基面朝着
Figure BDA0003173936940000183
方向从初始取向倾斜第一倾斜角δ1，而变成第一取向。然后将如此取向的SiC晶体朝着
Figure BDA0003173936940000184
方向倾斜第二倾斜角δ2，这导致基面(0001)通过朝着
Figure BDA0003173936940000185
方向倾斜的第二倾斜角δ2而从第一取向倾斜到第二取向。
如图10A-图10B所示的，根据用于在4H-SiC半成品600中设定SiC晶体结构的预定取向的替选的第二取向过程序列，也首先将基面取向成与中心轴线C的方向(其对应于未来圆柱体侧表面630的方向)成直角的初始取向。然后将基面朝着
Figure BDA0003173936940000191
方向从初始取向倾斜第一倾斜角δ1而变成第一取向。然后将如此取向的原始或预加工的SiC晶体朝着
Figure BDA0003173936940000192
方向倾斜第二倾斜角δ2，使得基面(0001)通过朝着
Figure BDA0003173936940000193
方向倾斜的附加的倾斜角δ2而从第一取向倾斜到第二取向。
在上述第一取向过程序列和第二取向过程序列中，第一倾斜角的值优选地为4°±0.5°，其中±0.5°的误差与仍然允许获得各个半导体衬底的外延特性的期望改进的第一倾斜角的值的可接受容差相关联。第二倾斜角δ2的值优选为0.023°。然而，[0.015°；0.153°]范围内的任何值都可以用于第二倾斜角δ2，在该角度可以实现对机械鲁棒性的期望取向效果。特别地，要使用的第二倾斜角δ2的值可以基于4H-SiC晶格的等效平行解理面之间的距离并参考上述每单位长度的力线段上的至少预定最小数量的相交解理面来估计，并且这些解理面的解理效应旨在最小化。
根据用于设定提高机械鲁棒性的另一预定取向的第三取向过程序列，将基面首先对准初始取向，该初始取向相对于中心轴线C的方向、即未来圆柱体侧表面的方向成直角。然后将基面围绕该初始取向沿顺时针方向旋转预定旋转角度。该预定旋转角度为0.33°或范围[0.22°；2.19°]内的值。在随后的步骤中，将基面朝着4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000194
方向进一步倾斜第三倾斜角δ3。第三倾斜角优选为4°，容差为±0.5°。
可替选地，可以使用第四取向过程序列，其中也首先将基面对准初始取向，该初始取向相对于中心轴线C的方向、即未来圆柱体侧表面的方向成直角。然后将基面围绕该初始取向沿逆时针方向旋转预定旋转角度。该预定旋转角度优选为0.33°，但也可以是范围[0.22°；2.19°]内的以获得对机械鲁棒性的期望取向效果的任何值。在随后的步骤中，将基面在4H-SiC晶体结构的
Figure BDA0003173936940000195
方向上进一步倾斜第三倾斜角δ3，优选倾斜4°±0.5°。
在原始SiC晶体(或预加工的SiC晶体)的晶向已经通过上述任何取向过程序列对准后，可以参考对准轴线C加工最终4H-SiC半成品的一个或多个外部参考表面。例如，可以在平行于对准轴线C的方向上在取向后的原始或预加工的SiC晶体上加工至少部分弯曲的侧表面。另外或可替选地，可以在与C轴线正交的方向上加工最终4H-SiC半成品的一个或两个正面。
因此，4H-SiC结构的基面(0001)和其他晶面的预定取向可以相对于4H-SiC半成品的至少一个参考表面、即弯曲的侧表面和/或它的一个或两个正面来准确地设定。
弯曲侧表面的直径可以设置为基本上对应于要从4H-SiC半成品切片的衬底晶片的预期直径。特别地，可应用本发明的技术来提高外径为150.0mm±0.5mm、200.0mm±0.5mm或250.0mm±0.5mm的4H-SiC半成品和由其获得的4H-SiC衬底的机械鲁棒性。外径中±0.5mm的误差对应于与标准磨削工艺相关联的容差。然而，直径容差可以高于或低于0.5mm，这具体取决于用于设置4H-SiC半成品的侧表面和/或调整其外径的技术。
此外，可以应用本发明的技术来提高在纵向轴线C的方向上的高度大于20mm、或者优选地大于15mm的4H-SiC半成品的机械鲁棒性。然而，本发明也适用于具有预先选择的高度以产生所需数量的4H-SiC衬底切片的4H-SiC半成品或原始4H-SiC晶体。
随后可以使用众所周知的晶片分离工艺(例如使用基于金刚石的浆料进行的多线锯切、基于线的火花腐蚀或其他替选的分离工艺)将设置有用于提高机械鲁棒性的4H-SiC晶格的预定取向的SiC半成品分为衬底晶片。4H-SiC晶格的这种预定取向可以通过在分离工艺期间参考SiC半成品的任何参考表面而转移到衬底晶片中。
用于在晶片分离工艺期间支撑SiC半成品并将底层4H-SiC晶格的预定取向转移到SiC衬底中的替选示例性实施方式在图11和图12中示出。
图11示出了一种配置，其中单晶SiC半成品700(例如上述单晶SiC半成品500和600中的任一者)的晶向向SiC衬底740的转移是通过圆柱体侧表面730执行的。在待加工的单晶SiC半成品700的支撑通过圆柱体侧表面730的支撑来实现的分离工艺的情况下，圆柱体侧表面730需要相对于SiC晶面的取向准确对准。因此，在该分离方法中，晶面的取向通过它们相对于圆柱体侧表面730的相应对准而被转移。
图12示出了一种配置，其中单晶SiC半成品700支撑在正面之一720b上。在待加工的单晶SiC半成品的支撑通过正面的支撑来实现的分离工艺的情况下，正面需要相对于晶面的取向准确对准。在这些分离方法中，SiC晶面的取向通过圆柱体正面之一720b相对于晶面的对准而被转移。在这种情况下，晶面相对于用于支撑的正面720b的取向优选使用X射线照相方法测量，使用测角仪设置，并且在机械加工期间例如使用磨削工艺精确地转移。为了将4H-SiC晶面的预定取向精确转移到衬底晶片740中，单晶SiC半成品700应满足以下基本条件之一：
·两个正面720a和/或720b(参考表面)中的至少一者相对于圆柱体侧表面730成直角取向，即晶格取向通过参考表面之一精确地转移；
·两个正面720a和720b(参考表面)都相对于圆柱体侧表面730成直角取向，即晶格取向可以通过两个参考表面精确地转移；
·正面之一720a或720b(参考表面)相对于圆柱体侧表面730精确地成直角取向，而第二个正面720b或720a取向成使得在方向
Figure BDA0003173936940000211
的测量表现出第二正面相对于第一正面的总厚度变化(TTV)在40μm和340μm之间，即晶格取向可以通过两个参考表面精确地转移，其中一个正面准确取向，而另一个正面在预期取向内。
然而，即使当从满足上述任何理想转移条件的4H-SiC半成品700生产各个4H-SiC衬底或晶片740时，4H-SiC衬底或晶片740也可以不被准确地平行于4H-SiC半成品700的端面720a和720b中的一者或两者和/或垂直于弯曲的侧表面730切割。例如，当使用基于金刚石的线锯时，锯线可能在切割过程期间偏离，结果是各个衬底740可能获得楔形形状和/或可能表现出明显的厚度不规则性。在使用其他常规分离工艺获得的衬底上也可以观察到类似的几何变形。
由于使用常规分离方法从SiC半成品700获得的原始衬底740的顶表面和底表面不完全是平面和/或彼此平行，因此4H-SiC晶格相对于原始4H-SiC衬底740的一个或两个正面的取向在切片工艺期间未从4H-SiC半成品700准确地转移。
切片的4H-SiC衬底740的这种几何变形通常通过使用抛光和/或磨削工艺平坦化顶面和底面来校正。然而，即使在这种情况下，4H-SiC晶格相对于衬底参考表面(即侧表面、顶面和/或底面)的取向将不再对应于在4H-SiC半成品700中预设的4H-SiC晶体结构的预定取向。
例如，在用于磨削SiC衬底的正面的常规工艺中，将切片后获得的原始衬底740以其正面之一安装到支架(例如卡盘)的安装表面上，并且磨削相对的顶面，而无需任何进一步的衬底对准。因此，4H-SiC衬底740的磨削顶部正面成为平行于支撑表面的平面，从而4H-SiC晶格相对于安装在卡盘上的衬底底面的取向再现在磨削后的衬底顶面上。因此，根据安装在卡盘上的正面和与4H-SiC半成品700的对称轴线C正交的平面的偏离程度，4H-SiC衬底中4H-SiC晶体结构相对于磨削顶面的取向，并因此4H-SiC解理面相对于磨削顶面的取向可表现出与4H-SiC半成品700中设定的预定取向的显著偏离。在4H-SiC衬底740然后转向以磨削先前安装在卡盘上的面的情况下，第二个正面现在将设置为平行于现在安装在卡盘上的第一个磨削面，基面和4H-SiC解理面相对于第二个正面的取向也将不匹配在4H-SiC半成品700中设置的预定取向。由于根据本发明的用于增加机械鲁棒性的SiC晶体结构的关于4H-SiC衬底740的一个或两个正面的预定取向在磨削之后可能不再存在，因此在4H-SiC衬底边缘的最终加工(例如用杯形砂轮磨削)期间可能进一步出现裂纹和/或裂缝。
在通过常规抛光工艺抛光4H-SiC衬底740期间可能会出现类似问题，在常规抛光工艺中用转子盘加工衬底，转子盘将径向力施加到衬底上以从衬底的两侧去除材料。在4H-SiC衬底740不具有平行于平面的正面的情况下和/或如果晶格解理面相对于其的取向不对应于提高机械鲁棒性的预定取向，则4H-SiC 740衬底上的裂纹/裂缝也可能在衬底的抛光期间出现。
因此，由于在切片工艺之后衬底正面偏离了理想的平面平行取向，所以在4H-SiC衬底740的机械加工期间可能会出现裂纹或裂缝，即使这些4H-SiC衬底740是从具有根据本发明的提高抗解理机械鲁棒性的预定解理面取向的4H-SiC半成品700获得的。
为了补偿SiC衬底740中的SiC晶格取向与本发明的预定晶格取向的这种制造相关偏离，可以通过应用具有预对准的平坦化工艺，在从4H-SiC半成品700切片的原始4H-SiC衬底740中设定(或重新对准)4H-SiC晶体结构相对于基本上与最终4H-SiC衬底800的一个或两个正面正交的轴线的预定取向，如将在下面描述的。
图13A和图13B描绘了成品4H-SiC衬底800，其设定了用于提高衬底的抗解理机械鲁棒性的预定的SiC晶向，该晶向基本上对应于上文参考图9A-图9B的4H-SiC半成品500描述的预定取向。
可以使用如下设定预定取向的过程来实现4H-SiC衬底800中4H-SiC晶格的准确取向，使得在最终4H-SiC衬底800的侧表面上的每个位置处，存在每单位长度上与至少预定最小数量的
Figure BDA0003173936940000231
型的平行解理面相交的线段(未示出)。
在原始衬底4H-SiC 740由已经设置有所需预定取向的单晶4H-SiC半成品700(例如上面参考图9A-图9B和图10A-图10B描述的4H-SiC晶体半成品500和600)制成的情况下，已经相对于4H-SiC半成品700的至少一个参考表面(例如圆柱形侧表面730和/或正面720a和720b中的一者或两者)设定SiC晶格的预定取向。然后如图11和图12所示，在对4H-SiC半成品700进行切片期间，通过使用这些参考表面之一将SiC晶格的这种相对取向转移到原始4H-SiC衬底740。例如，在图11所示的配置中，用于转移晶向的参考表面是4H-SiC半成品700的侧表面730。在图12所示的配置中，4H-SiC半成品700的正面720a和720b之一用作参考表面。
然后在切片之后，可以使用测角仪和X射线测量来确定原始4H-SiC衬底740中的晶向，以确定根据本发明的原理的期望取向是否已经被准确地转移。在识别出与期望取向的偏离的情况下，在4H-SiC衬底800中设定SiC晶体结构的预定取向的过程于是可以包括对原始4H-SiC衬底740应用具有预对准的平坦化工艺，以校正SiC晶格相对于4H-SiC衬底的(一个或多个)正面和/或侧表面的取向。
在具有预对准的平坦化工艺期间，原始4H-SiC衬底740相对于平坦化工具(或参考对准轴线C)在空间上取向成使得4H-SiC晶格的一个或多个晶体轴线在平面化之前对准特定方向。然后可以例如通过如上所述的磨削将4H-SiC衬底740的正面平坦化，同时在平坦化步骤期间保持衬底740的空间取向。作为(一个或多个)正面的附加或替选，4H-SiC衬底740的侧表面可以平行于参考对准轴线C成形和/或在空间取向后的4H-SiC衬底740中设定为期望衬底直径。
优选地通过将4H-SiC衬底740安装在测角仪上并通过例如使用X射线辐射测量相应4H-SiC晶格的晶向来执行具有预对准的平坦化工艺。然后原始4H-SiC衬底740在三维空间中进行空间取向以相对于参考对准方向C对准SiC晶体的晶轴和/或晶面，例如晶轴[0001]和/或相应的基面(0001)。该参考对准方向优选地选择为与最终4H-SiC衬底800的轴线C一致或平行，轴线C即圆柱形表面的对称轴线C，该圆柱形表面包括4H-SiC衬底800在磨削、抛光和/或用于将衬底800准备用于层沉积和制造其他电子部件的其他精加工工艺之后的至少部分弯曲的侧表面830。
原始4H-SiC衬底740的具有预对准的平面化工艺可以使用用于在上述原始(或预加工的)4H-SiC晶体半成品上设定SiC晶格的预定取向的第一取向过程序列至第四取向过程序列中的任一者。例如，当使用上述第一取向过程序列时，原始4H-SiC衬底740在空间上取向，使得基面(0001)首先与初始取向对准，在该初始取向中，基面与参考对准方向(即基本上平行于参考对准方向的[0001]轴线)基本上成直角。然后将4H-SiC衬底740倾斜以使基面朝着
Figure BDA0003173936940000241
方向从初始取向倾斜第一倾斜角δ1而变成第一取向，从而使除了解理面
Figure BDA0003173936940000242
以外的所有解理面改变它们的取向。然后将4H-SiC衬底740倾斜以将基面(0001)朝着
Figure BDA0003173936940000243
方向倾斜第二倾斜角δ2而变成第二取向，从而改变解理面
Figure BDA0003173936940000244
的取向。这导致4H-SiC基面(0001)以第二取向位于一平面中，该平面以初始取向朝着
Figure BDA0003173936940000251
轴线的方向相对于与参考对准轴线正交的平面(例如，在竖直中心轴线C的情况下相对于水平面)倾斜倾斜角δ1和以该相同初始取向朝着
Figure BDA0003173936940000252
轴线的方向倾斜倾斜角δ2。取向过程序列的每个步骤优选伴随着使用测角仪和X射线辐射测量确定晶体轴线取向并在需要时执行取向调整以确保晶格的准确对准。
一旦原始4H-SiC衬底740在空间上取向并且SiC晶格相对于参考对准轴线准确对准，则衬底800的正面820a和820b中的一者或两者例如通过沿着横向于参考对准轴线的平面磨削而被平面化，同时保持4H-SiC晶体处于第二取向。这导致平面的正面820a和/或820b与对称轴线C基本上正交并且4H-SiC晶向相对于该面被准确地设定为期望的预定取向。附加地或替选地，在空间取向后的原始4H-SiC衬底740中的侧表面的形状和/或直径可以平行于参考对准轴线进行磨削，从而设置最终4H-SiC衬底800的弯曲侧表面830平行于对称轴线C延伸，如图13A-图13B所示。
因此，在具有预对准的平坦化工艺之后获得的4H-SiC衬底800表现出4H-SiC晶格相对于衬底侧表面830和/或一个或两个正面820a、820b的准确取向，这对应于提高抗解理机械鲁棒性的预定取向。
在替选实施方式中，在4H-SiC衬底800中设定提高机械鲁棒性的预定晶向的过程可以从具有不同于本发明的预定取向的标准晶向的单晶4H-SiC半成品(例如具有图2所示的轴上取向的4H-SiC半成品100)开始。在这种情况下，在4H-SiC衬底800中设定预定晶向的过程包括：例如使用测角仪和X射线辐射测量来对4H-SiC半成品产品100相对于参考对准轴线进行空间取向，使得4H-SiC晶格通过基面的[0001]轴线相对于该参考对准轴线以一方向和量预定倾斜而以期望的预定取向来取向。4H-SiC半成品100的这种空间取向可以使用用于在上述4H-SiC晶体半成品500或600上设定SiC晶格的预定取向的上述第一至第四取向过程序列中的任一者来执行。然而，在本实施方式中，通过直接从空间取向后的4H-SiC半成品100切割晶片来获得原始4H-SiC衬底。在从具有上面参考图4A-图4B描述的常规的4°离轴取向的4H-SiC半成品400开始的情况下，可以省略在上述第一和第二取向序列过程中描述的朝着
Figure BDA0003173936940000261
方向将4H-SiC半成品倾斜4°的第一倾斜角的步骤。
然后，在基本上横向于参考对准轴线的方向上将4H-SiC晶体半成品100或400进行空间取向之后切割4H-SiC晶片，该参考对准轴线被选择为基本上对应于或平行于最终4H-SiC衬底800的中心轴线C。与前面的实施方式类似，也可以使用测角仪和X射线测量来确定切片后获得的原始4H-SiC衬底中的晶向，以确定根据本发明的原理的SiC晶格的期望取向是否已被准确地转移。
在识别出与期望取向的偏离的情况下，在4H-SiC衬底800中设定SiC晶体结构的预定取向的过程于是可以包括：应用具有上述预对准的平坦化过程以校正SiC晶格相对于4H-SiC衬底的(一个或多个)正面和/或侧表面的取向。如果未检测到与期望取向的偏离和/或该偏离位于预计对4H-SiC衬底800的抗解理鲁棒性没有显著影响的预定容差内，则省略具有预对准的平坦化工艺。
总之，通过设定优选解理面相对于SiC半成品或4H-SiC衬底的侧表面和/或一个或两个正面的最佳取向，本发明允许在4H-SiC单晶和/或4H-SiC衬底的机械加工期间减少裂缝的出现，使得在机械加工期间施加在给定区域上的径向机械力始终分布在至少预定最小数量的优选解理面上，而与4H-SiC半成品或4H-SiC衬底的周边的施加机械力的位置无关。
因此，通过4H-SiC晶体结构的这种最佳取向，可以在块状SiC晶体和SiC衬底的机械加工期间实现更高的机械鲁棒性，并因此实现单晶半成品和最终产品的更高产量，而不会降低未来衬底的外延质量，并且不会显著增加相应机械工艺的成本和/或时间。
尽管使用诸如“向下”、“顶部”、“底部”和“水平”之类的术语描述了上述示例性实施方式的某些特征，但是使用这些术语仅是为了便于描述4H-SiC单晶和/或4H-SiC衬底内的相应特征及其相对取向，而不应被解释为将要求保护的本发明或其任何组成部分限制为特定的空间取向。此外，尽管上面已经参考4H-SiC晶体描述了本发明，但本发明的原理也可以有利地应用于其他变型SiC单晶和/或其他半导体单晶，例如AlN和GaN。
附图标记
C 几何纵向轴线
L 线段
h 砂轮高度、线段L的长度
100 SiC半成品
110 取向平面(OF)
120a、120b 圆柱体的上正面和下正面
130 圆柱体侧表面
200 具有轴上取向的SiC半成品(现有技术)
220 正面
230 圆柱体侧表面
240 砂轮
300 具有偏离4°的取向的SiC衬底(现有技术)
320a、320b 圆柱体的上正面和下正面
330 圆柱体侧表面
400 具有偏离4°的取向的SiC半成品(现有技术)
420a、420b 圆柱体的上正面和下正面
430 圆柱体侧表面
500 SiC半成品
520a、520b 圆柱体的上正面和下正面
530 圆柱体侧表面
600 SiC半成品
620a、620b 圆柱体的上正面和下正面
630 圆柱体侧表面
700 单晶SiC半成品
710 支架
720a、720b和730 正面和侧表面
740 衬底晶片
800 最终4H-SiC衬底
820a、820b 衬底的上正面和下正面
830 衬底的圆柱体侧表面

Claims (16)

1.一种具有提高的抗解理机械鲁棒性的单晶4H-SiC衬底，所述4H-SiC衬底具有平行于衬底轴线的至少部分弯曲的侧表面，
其特征在于，
所述4H-SiC衬底的晶格的晶体结构相对于所述衬底轴线取向成使得在所述衬底的所述侧表面上的每个位置处都有这样的线段，所述线段与每单位长度上至少预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000011
型的平行解理面相交，
其中，所述线段由在所述位置处与所述侧表面相切的平面限定。
2.如权利要求1所述的单晶4H-SiC衬底，其中，
每单位长度上的所述预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000012
型的平行解理面为每毫米至少1000个平面；和/或
所述衬底轴线是由所述4H-SiC衬底的所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱体的对称轴线。
3.如权利要求1或2所述的单晶4H-SiC衬底，其中，
4H-SiC晶体结构的基面的主轴线相对于所述衬底轴线朝着
Figure FDA0003173936930000013
方向倾斜第一倾斜角，和/或
所述第一倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或
所述4H-SiC晶体结构的所述基面的主轴线相对于所述衬底轴线朝着
Figure FDA0003173936930000014
方向倾斜第二倾斜角，
其中，所述第二倾斜角是基于所述
Figure FDA0003173936930000015
型的平行解理面之间的距离来估计的，从而产生与所述线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000016
型的平行解理面，和/或
所述第二倾斜角为选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
4.如权利要求1至3中任一项所述的单晶4H-SiC衬底，还包括第一正面和第二正面；
其中，所述第一正面和所述第二正面分别垂直于所述4H-SiC衬底的所述至少部分弯曲的侧表面，和/或
其中，所述第一正面和所述第二正面中的一者或两者垂直于所述衬底轴线。
5.如权利要求1至4中任一项所述的单晶4H-SiC衬底，其中，
所述至少部分弯曲的侧表面具有利用所述衬底轴线限定圆柱形表面的弯曲部分，所述弯曲部分具有其对称轴线，
其中，所述圆柱形表面的外径基本上对应于能够通过将所述4H-SiC衬底切片获得的衬底晶片的给定直径，和/或
所述圆柱形表面的外径为150.0mm±0.5mm、200.0mm±0.5mm、或250.0mm±0.5mm；和/或
所述单晶4H-SiC衬底的厚度大于250μm，或优选大于325μm，和/或
所述单晶4H-SiC衬底的氮掺杂大于1×1018cm-3，和/或
所述单晶4H-SiC衬底具有凹口或长度为47.5mm±1.0mm的取向平面。
6.一种生产具有提高的抗解理机械鲁棒性的单晶4H-SiC衬底的方法，所述单晶4H-SiC衬底具有衬底轴线和平行于所述衬底轴线的至少部分弯曲的侧表面，所述方法包括：
执行设定所述4H-SiC衬底上的4H-SiC晶体结构相对于所述衬底轴线的预定取向的过程，使得在所述4H-SiC衬底的所述侧表面上的每个位置处都有这样的线段，所述线段与每单位长度上的至少预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000021
型的平行解理面相交，
其中，所述线段由在所述位置处与所述侧表面相切的平面限定。
7.如权利要求6所述的方法，其中，
所述4H-SiC晶体结构的所述预定取向使得每单位长度上的所述预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000022
型的平行解理面为每毫米线段长度至少1000个平面。
8.如权利要求6或7所述的方法，还包括：
估计所述预定取向，以便产生与所述线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000031
型的平行解理面。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，设定所述4H-SiC衬底上的所述4H-SiC晶体结构的所述预定取向的所述过程包括：
提供用于由其生产至少一个原始4H-SiC衬底的单晶4H-SiC半成品，
其中，所述4H-SiC半成品已经被相对于所述4H-SiC半成品的衬底轴线和所述单晶4H-SiC半成品的参考表面设定了所述4H-SiC晶体结构的所述预定取向；
将具有所述参考表面的所述4H-SiC半成品安装到支撑表面上；以及
沿横向于或平行于所述支撑表面的方向切割安装后的所述4H-SiC半成品以获得所述至少一个原始4H-SiC衬底。
10.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，设定所述4H-SiC衬底上的所述4H-SiC晶体结构的所述预定取向的所述过程包括：
提供用于由其生产至少一个原始4H-SiC衬底的单晶4H-SiC半成品；
使基面的[0001]轴线相对于预定对准轴线以一方向和量预定倾斜，而对所述4H-SiC晶体结构进行空间取向；以及
在对所述4H-SiC晶体结构进行空间取向后，沿基本上横向于所述预定对准轴线的方向切割所述4H-SiC半成品，以获得所述至少一个原始4H-SiC衬底。
11.如权利要求6至10中任一项所述的方法，还包括：
通过执行角度测量来确定原始4H-SiC衬底中的所述4H-SiC晶体结构相对于所述原始4H-SiC衬底的正面的晶向；
如果所确定的晶向相对于所述原始4H-SiC衬底的衬底轴线偏离所述预定取向，则对所述原始4H-SiC衬底进行空间取向，使得通过所述4H-SiC晶体结构中的所述基面的[0001]轴线相对于预定对准轴线以一方向和量预定倾斜，而对所述4H-SiC晶体结构的晶向进行空间取向；以及
参考所述对准轴线加工被空间取向的4H-SiC单晶晶片的外表面以形成以下中的至少一者：
基本上平行于所述对准轴线的所述至少部分弯曲的侧表面，和
基本上正交于所述对准轴线的至少一个正面；
其中，加工后的所述4H-SiC衬底的衬底轴线基本上对应于或平行于用于所述4H-SiC晶体结构的空间取向的所述对准轴线。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，以所述预定倾斜对所述4H-SiC晶体结构进行空间取向包括：
以初始取向对所述4H-SiC晶体结构的基面进行取向；
朝着所述4H-SiC晶体结构的
Figure FDA0003173936930000041
方向将所述基面以第一倾斜角从所述初始取向倾斜到第一取向；以及
朝着所述4H-SiC晶体结构的
Figure FDA0003173936930000042
方向或
Figure FDA0003173936930000043
方向将所述基面以第二倾斜角从所述第一取向倾斜到第二取向；
其中，在所述初始取向中，所述基面基本上垂直于所述预定对准轴线。
13.如权利要求11所述的方法，其中，
所述第一倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或
其中，基于所述
Figure FDA0003173936930000044
型的平行解理面之间的距离估计所述第二倾斜角，从而产生与所述线段相交的在每单位长度上的所述至少预定最小数量的
Figure FDA0003173936930000045
型的平行解理面，和/或
所述第二倾斜角为选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°；和/或
以所述第一倾斜角和/或所述第二倾斜角倾斜后的所述4H-SiC晶体结构的取向通过角度测量来验证。
14.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述空间取向的过程包括：
以初始取向对所述4H-SiC晶体结构的基面进行取向；
将所述基面绕所述初始取向沿顺时针方向旋转预定旋转角度；
将旋转后的所述基面朝着所述4H-SiC晶体结构的
Figure FDA0003173936930000046
方向倾斜第三倾斜角；以及
其中，在所述初始取向中，所述基面基本上垂直于所述对准轴线。
15.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述空间取向的过程包括：
以初始取向对所述4H-SiC晶体结构的基面进行取向；
将所述基面绕所述初始取向沿逆时针方向旋转预定旋转角度；
将旋转后的所述基面朝着所述4H-SiC晶体结构的
Figure FDA0003173936930000051
方向倾斜第三倾斜角；以及
其中，在所述初始取向中，所述基面基本上垂直于所述对准轴线。
16.如权利要求13或14所述的方法，其中，
所述预定旋转角度为0.33°或为[0.22°，2.19°]范围内的值，和/或
所述第三倾斜角为4°，容差为±0.5°；和/或
在旋转所述预定旋转角度和/或倾斜所述第三倾斜角之后的所述4H-SiC晶体结构的取向通过角度测量来验证。
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