CN114075699A - 一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双层复合碳化硅衬底，所述衬底包括碳化硅单晶层和碳化硅多晶层；所述碳化硅多晶层中含有3C型晶体颗粒；所述晶体颗粒尺寸沿着垂直于衬底方向逆着碳化硅单晶层一侧渐次变小。利用化学气相沉积法在碳化硅单晶层上沉积碳化硅多晶层，控制晶体质量，提高了界面的结合强度，且兼顾了生长成本。本发明解决了碳化硅单晶和碳化硅多晶复合衬底存在的界面空隙和缺陷问题，能有效保持衬底应用性能的稳定性，保证与后续垂直器件工艺的兼容性，且制备过程有效减少碳化硅单晶的损耗，为高性能低成本碳化硅基器件制备奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)具有优越的物理性能，如高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率等。碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。目前制备SiC晶体的主流工艺是气相输运法(PVT)，该方法将碳化硅粉末加热至2300℃左右，产生多种硅碳化合物气体，这些硅碳化合物气体在低压环境下传输至碳化硅籽晶表面，结晶生成碳化硅单晶晶锭。晶锭通过切割、研磨、抛光和清洗等工序后，得到碳化硅衬底。为了保持衬底足够的机械强度，保证后续在衬底上进行外延、图形和刻蚀等平面工艺的稳定性，对于6英寸碳化硅，目前商用衬底的厚度为通常为350um左右。目前常用的晶锭切割工艺是多线砂浆切片，即利用切割线在混有金刚石颗粒的砂浆池中对碳化硅单晶体进行切割。考虑到切割线引起的损耗，以及后续研磨抛光的损耗，为了最终得到350um厚的单晶衬底，需要消耗约600um厚的晶锭。而在后续器件工艺来看，以垂直结构的MOSFET为例，为了提高器件的纵向热导，以及降低垂直沟道电阻，在350um厚碳化硅单晶衬底01上进行外延02、以及图形05等平面工艺后，需要对碳化硅单晶衬底做减薄处理，然后在减薄后的衬底03背面做金属欧姆接触电极，作为MOSFET的漏极。该减薄工艺过程要去除200-300um厚的单晶衬底04，如图1所示。
从上述工艺来看，存在两大问题：(1)砂浆多线切割工艺所损耗的单晶碳化硅过多；(2)在器件工艺中，大部分单晶衬底只是作为牺牲片起到了结构支撑的作用，在工艺后期会被去除。这两个问题的存在，使得晶锭80％以上消耗在各中间工序，而未作为最终的器件功能层得到有效利用，造成材料的极大浪费。
专利CN201480055772.3公开了一种借助于激光处理和温度诱导应力相组合的晶片制造法，采用激光在晶锭表面下方产生一个缺陷层，然后利用聚合物在低温下产生的应力，从缺陷层剥离出晶片。相比于砂浆线切割，该方法可以将切割损耗从200um左右降低到60um左右，效果明显。专利US20190337100公开了一种从完成单面平面工艺的晶圆上，用整体剥离的方法实现减薄，同时剥离下来的衬底进入下一次平面工艺重复使用。该方法把现有工艺减薄时“浪费”掉的单晶碳化硅利用了起来。专利CN201780044382.X公开了一种半导体基板，其特征在于，由一个单晶SiC基板和多晶SiC基板，以及一个高浓度掺杂氮原子或磷原子的界面层构成。该方法通过掺杂缺陷降低了界面层的电阻。专利CN201480038163.7公开了一种半导体基板的制造方法，将一个碳化硅单晶与一个碳化硅多晶，表面预备处理后通过键合的方法结合在一起，研磨抛光后得到一个包含单晶层与多晶层复合的基板。
上述公开的方法部分地解决了目前碳化硅工艺领域的两大问题，最大限度地减少了碳化硅单晶材料在制备和使用过程中的损耗。然而，在一个碳化硅表面做完平面工艺后，再利用激光从背面扫描，以及低温剥离，对平面工艺上的图形，特别是高密度的图形，是有损伤风险的；另一方面，剥离下来的碳化硅晶片，厚度在150um左右，除了翘曲等问题，这个厚度与目前大部分平面工艺设备是不兼容的。以6英寸为例，标准设备要求衬底厚度在350um左右。因此150um的薄晶片需要匹配特殊的薄晶圆量产工艺和相关设备。而通过键合工艺制备的单晶多晶复合衬底，键合过程不可避免会在碳化硅单晶层11与碳化硅多晶层12的界面残留有微小空隙13，如等效直径10um左右，高度5nm左右的空隙，如图2所示。专利CN201780044382.X虽然通过氮原子或磷原子的掺杂降低了界面层的电阻，但这些高浓度掺杂会在界面层引起大量的结构缺陷。无论是键合空隙，还是掺杂缺陷，都严重降低了单晶层与多晶层的结合力，在后续制作器件的高温工艺中存在开裂和失效的风险。
发明内容
本发明提出一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法，旨在解决碳化硅单晶和碳化硅多晶复合衬底存在的界面结合问题，能有效保持衬底应用性能的稳定性，保证与后续垂直器件工艺的兼容性，且制备过程有效减少碳化硅的损耗，为高性能低成本碳化硅基器件制备奠定基础。为此，本发明采用以下技术方案：
一种双层复合碳化硅衬底，如图3所示，所述衬底包括碳化硅单晶层1和碳化硅多晶层2；所述碳化硅多晶层中含有3C型晶体颗粒3；所述3C型晶体颗粒3平均尺寸沿着垂直于衬底方向逆着碳化硅单晶层一侧渐次变小。所述碳化硅单晶层与碳化硅多晶层界面处多晶层中的晶体颗粒越大，碳化硅单晶层与碳化硅多晶层的结合力越强。
其中，所述所述碳化硅单晶层与碳化硅多晶层之间的抗拉强度大于70MPa。
其中，所述所述碳化硅多晶层靠近碳化硅单晶层一侧的3C型碳化硅晶体颗粒平均等效直径大于200nm，远离碳化硅单晶层一侧的碳化硅3C型晶体颗粒平均等效直径小于20nm。
其中，所述碳化硅单晶层的结构为4H型；所述碳化硅单晶层表面为偏向<1120>方向4°的4H-SiC(0001)面；所述碳化硅单晶层微管密度小于1/cm2。
其中，所述复合碳化硅衬底的厚度为250-450um，优选330-370um；所述碳化硅单晶层1的厚度小于所述碳化硅多晶层2的厚度；其中，所述碳化硅单晶层1厚度为30-150um，优选80-90um；所述碳化硅多晶层2厚度为100-400um，优选260-270um。
本发明还提出了一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，如图4所示、图5所示，包括如下步骤：
1)在碳化硅单晶0的一面光洁表面下方一定深度处，产生一个晶体结构缺陷层4；
2)利用化学气相沉积法在产生晶体结构缺陷层的碳化硅单晶表面沉积碳化硅多晶层，连续调节温度、气压和前驱体供应量，使得沉积速率逐渐提高，形成的碳化硅多晶层在沿着垂直于衬底的方向上3C型晶体颗粒逐渐变小；
3)沉积完成后，进行快速降低碳化硅的温度，使得碳化硅单晶内部的热应力传递到结构缺陷层，并沿着晶体结构缺陷层裂开以释放应力，得到独立的碳化硅单晶层1与碳化硅多晶层2复合晶片；
4)将上述得到的复合晶片的两个表面进行研磨抛光，得到双层复合碳化硅衬底。
其中，所述化学气相沉积所沉积的碳化硅多晶层的速率，可以通过生长温度、气压、前驱体输入量等工艺参数来调节控制；所述沉积速率也决定了碳化硅多晶层中晶体颗粒大小；沉积速率小，结晶质量好，晶体颗粒大，与碳化硅单晶层的结合力强；沉积速率大，结晶质量差，晶体颗粒小，与碳化硅单晶层的结合力小。
其中，所述化学气相沉积的初始碳化硅温度大于1700℃，然后连续降低温度，至沉积将结束时温度小于1100℃。
其中，所述化学气相沉积的初始沉积气压小于500Pa，然后连续提高沉积气压，至沉积将结束时气压大于40000Pa。
其中，所述化学气相沉积前驱体选用SiH4、四甲基硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷中的至少一种与CH4、C2H4、C3H8中的至少一种进行组合；所述前驱体供应量在初始沉积时Si和C的摩尔量分别小于0.005mol/min，然后连续提高供应量，至沉积将结束时Si和C的摩尔量分别大于0.05mol/min。
其中，所述化学气相沉积的初始沉积速率小于0.5um/h，沉积将结束时大于200um/h。
其中，所述化学气相沉积碳化硅多晶层生长结束后，快速降低碳化硅的温度，单晶内部的热应力会传递至激光扫描产生的缺陷层，晶锭沿着缺陷层裂开，应力得到释放，得到碳化硅单晶层与碳化硅多晶层复合的晶片，而剩余的碳化硅晶锭厚度许可的话，可以重新利用，重复上述流程。
其中，快速降低碳化硅的温度时的降温速率为200℃/min～400℃/min；
其中，所述晶体结构缺陷层4位于碳化硅单晶0的光洁表面下方50-210um处，是由超快激光聚焦至碳化硅单晶0表面下方，然后沿面内扫描产生的；其中所述超快激光的波长为515nm或1030nm，脉冲宽度小于200ps，单脉冲能量大于5uJ。所述超快激光，通过一组光束整形器和和聚焦镜，光斑由能量高斯分布整形转换为均匀分布的圆形或方形，聚焦处光斑的等效直径小于50um。所述超快激光扫描，是将上述激光聚焦到碳化硅单晶0表面以下，如图6所示。在激光能量的作用下，聚焦光斑处的碳化硅晶格会被破坏，甚至变成无定形状态的缺陷。然后沿面内移动晶锭，使得聚焦后的光斑扫遍整层晶锭。
采用以上方法得到的复合碳化硅衬底翘曲度小于50um；碳化硅单晶层表面的平均粗糙度小于1nm，碳化硅多晶层表面的平均粗超度小于100nm；所述复合衬底为圆形，直径50mm-200mm，优选50mm、100mm、150mm,以及200mm。
所述抛光研磨，包括粗研磨，细研磨，化学机械抛光(CMP)等常规工艺，业内专业人员采用相应的设备，都可以实施。
本发明还提出了一种双层复合碳化硅衬底的制备方法另一实施例，如图7所示，包括如下步骤：
1)在碳化硅单晶0的两面光洁表面下方一定距离处，分别产生一个晶体结构缺陷层4；
2)利用化学气相沉积法在产生晶体结构缺陷层的碳化硅单晶两侧表面，沉积碳化硅多晶层。连续调节温度、沉积气压和前驱体供应量，使得沉积速率逐渐提高，形成的碳化硅多晶层在沿着垂直于衬底的方向上3C型晶体颗粒逐渐变小；
3)沉积完成后，进行快速降低碳化硅的温度，使得碳化硅单晶内部的热应力传递到结构缺陷层，并沿着晶体结构缺陷层裂开以释放应力，得到两块独立的碳化硅单晶层1与碳化硅多晶层2复合晶片；
4)将上述得到的复合晶片的表面进行研磨抛光，得到两个双层复合碳化硅衬底。
本发明采用以上技术方案，提出了一种双层复合碳化硅衬底及制备方法，利用界面处碳化硅多晶层中结晶质量好的大颗粒晶体，与碳化硅单晶层产生极强的结合力，消除了界面处的空隙和杂质缺陷等，能有效保持衬底应用性能的稳定性，保证与后续垂直器件工艺的兼容性。在应用该衬底时，碳化硅单晶层用于器件的功能层，而碳化硅多晶层只用于工艺中间过程，起到结构支撑作用，完成碳化硅单晶层一侧的平面工艺后，碳化硅多晶层被全部去除。本发明是通过化学气相沉积在碳化硅单晶层上按照一定沉积速率和温度变化，沿着垂直于衬底的方向逐级向上形成含有均衡排布的平均等效直径渐次变小的3C型晶体颗粒的碳化硅多晶层，能避免了碳化硅多晶与碳化硅单晶结合时的界面空隙和缺陷。碳化硅多晶层中晶体颗粒的平均尺寸是渐变的，在靠近碳化硅单晶层处，碳化硅多晶层生长速率慢，结晶颗粒大，有效提高了碳化硅单晶层与碳化硅多晶层的结合力。而远离碳化硅单晶层处，碳化硅多晶层的生长速率提高，结晶颗粒小，降低了碳化硅多晶层的生长成本。该复合衬底总厚度可控制在250-450um之间，与现有半导体平面工艺和设备相兼容。碳化硅单晶层与碳化硅多晶层的结合力强，使得该复合衬底在后续应用中，可以耐受1700℃的高温工艺而不会在界面开裂。本发明提出的复合衬底，可以大幅提高碳化硅单晶的利用率，极大地降低碳化硅衬底的制造成本，适用于垂直结构的碳化硅器件，如碳化硅MOSFET等。
附图说明
图1为现有技术中碳化硅单晶衬底减薄工艺过程示意图。
图2为现有技术中碳化硅单晶和碳化硅多晶复合衬底界面存在空隙的现象示意图。
图3为本发明双层复合碳化硅衬底的结构示意图。
图4为本发明双层复合碳化硅衬底的制备方法流程示意图。
图5为本发明双层复合碳化硅衬底的制备方法流程结构示意图。
图6为本发明碳化硅单晶晶锭产生晶体结构层缺陷过程示意图。
图7为本发明双层复合碳化硅衬底的制备方法另一实施例的流程结构示意图。
图8为本发明具体实施方式中基于本发明所得的复合衬底进行减薄不同厚度后的多晶层XRD分析示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
按照本发明所述的一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法，进行具体实施说明：
一种双层复合碳化硅衬底，如图3所示，所述衬底包括碳化硅单晶层1和碳化硅多晶层2；所述碳化硅多晶层中含有3C型晶体颗粒3；所述晶体颗粒3的平均尺寸沿着垂直于衬底方向逆着碳化硅单晶层一侧渐次变小。所述碳化硅单晶层与碳化硅多晶层界面处碳化硅多晶层中的3C型晶体颗粒越大，碳化硅单晶层与碳化硅多晶层的结合力越强。
其中，所述碳化硅单晶层与多晶层之间的抗拉强度大于70MPa。
其中，所述碳化硅多晶层2靠近碳化硅单晶层1一侧的3C型晶体颗粒3平均等效直径为230nm，远离碳化硅单晶层1一侧的3C型晶体颗粒3平均等效直径为15nm。
其中，所述碳化硅单晶结构为4H型；所述碳化硅单晶表面为偏向<1120>方向4°的4H-SiC(0001)面；所述碳化硅单晶微管密度小于1/cm2。
其中，所述复合碳化硅衬底衬底的厚度为350um；所述碳化硅单晶层1的厚度小于所述碳化硅多晶层2的厚度；
其中，所述碳化硅单晶层1厚度为80um；所述碳化硅多晶层2厚度为270um。
本发明还提出了一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，如图4所示、图5所示，包括如下步骤：
1)将脉冲宽度为500fs的超快激光，整型聚焦成直径50um的圆形光斑，照射到碳化硅单晶0的光洁表面下方110um处，然后按40um的步长在面内移动晶锭，产生一个晶体结构缺陷层4；
2)利用化学气相沉积法在产生晶体结构缺陷层的碳化硅单晶表面沉积碳化硅多晶层，前驱体采用C3H8和甲基三氯硅烷，以氢气为甲基三氯硅烷的载气。先将碳化硅加热至1750℃，然后打开气体，C3H8为30SCCM(对应C的摩尔量0.004mol/min)，氢气为100SCCM，压力调节至450Pa，开始沉积；然后以2小时为总生长时间，目标温度1050℃，C3H8目标流量400SCCM(对应C的摩尔量0.052mol/min)，氢气目标流量2000SCCM，目标压力40000Pa，随时间连续改变上述参数，使得沉积速率逐渐提高，形成碳化硅多晶层的3C型晶体颗粒在界面处尺寸最大，沿着垂直于衬底的方向上尺寸逐渐变小；所沉积多晶层的总厚度为280um。
3)沉积完成后，将碳化硅移至沉积腔体的低温区，吹入大量氩气，使得碳化硅以约400℃/min的速度快速降低温度，在热应力释放的过程中，晶锭沿着缺陷层裂开，得到独立的碳化硅单晶层1与碳化硅多晶层2复合晶片；
4)将上述得到的复合晶片的两个表面进行研磨抛光，其中碳化硅单晶层表面粗糙度0.5nm，碳化硅多晶层表面粗糙度50nm，衬底总厚度350um。
取三片上述复合衬底，第一片保持不变；第二片从多晶层开始减薄，减薄至剩余厚度200um；第三片减薄至剩余厚度100um；然后对碳化硅多晶层进行XRD分析，得到数据如图8所示。从图中特征峰的对比高度可以看出，越靠近界面处，碳化硅多晶的晶体质量越好。对每条线分别取(111)，(220)和(311)三个峰，取半高宽的平均值，代入谢乐公式求出晶体颗粒的平均尺寸分别为180nm，40nm，3nm。
取一片复合衬底，切割出20mm×20mm的样片，采用一维拉伸测试法，测得抗拉强度为72MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层复合碳化硅衬底，其特征在于，所述衬底包括碳化硅单晶层和碳化硅多晶层；所述碳化硅多晶层中含有3C型晶体颗粒；所述3C型晶体颗粒的平均尺寸沿着垂直于衬底方向逆着碳化硅单晶层一侧渐次变小。
2.根据权利要求1所述的一种双层复合碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅单晶层与碳化硅多晶层之间的抗拉强度大于70MPa。
3.根据权利要求1所述的一种双层复合碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅多晶层靠近碳化硅单晶层一侧的3C型晶体颗粒平均等效直径大于200nm，远离碳化硅单晶层一侧的3C型晶体颗粒平均等效直径小于20nm。
4.根据权利要求1所述的一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法，其特征在于，所述复合碳化硅衬底的厚度为250-450um，优选330-370um；所述碳化硅单晶层的厚度小于所述碳化硅多晶层的厚度；所述碳化硅单晶层厚度为30-150um，优选80-90um；所述碳化硅多晶层厚度为100-400um，优选260-270um。
5.一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在碳化硅单晶的光洁表面下方一定深度处，产生一个晶体结构缺陷层；
2)利用化学气相沉积法在产生晶体结构缺陷层的碳化硅单晶表面沉积碳化硅多晶层，连续调节温度、沉积气压和前驱体供应量，使得沉积速率逐渐提高，形成的碳化硅多晶层在沿着垂直于衬底的方向上3C型晶体颗粒逐渐变小。
3)沉积完成后，快速降低碳化硅的温度，使得碳化硅单晶内部的热应力传递至结构缺陷层，并沿着晶体结构缺陷层裂开以释放应力，得到独立的碳化硅单晶层与碳化硅多晶层复合晶片；
4)将上述复合晶片的两个表面进行研磨抛光，得到双层复合碳化硅衬底。
6.根据权利要求5所述一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述晶体结构缺陷层位于碳化硅单晶的光洁表面下方50-210um处，是由超快激光聚焦至碳化硅单晶表面下方，然后沿面内扫描产生的；其中所述超快激光的波长为515nm或1030nm，脉冲宽度小于200ps，单脉冲能量大于5uJ。
7.根据权利要求5所述的一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的初始碳化硅温度大于1700℃，然后连续降低碳化硅温度，至沉积将结束时温度小于1100℃。
8.根据权利要求5所述的一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的初始沉积气压小于500Pa，然后连续提高沉积气压，至沉积将结束时气压大于40000Pa。
9.根据权利要求5所述的一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述前驱体选用SiH4、四甲基硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷中的至少一种与CH4、C2H4、C3H8中的至少一种进行组合，其供应量在初始沉积时Si和C的摩尔量分别小于0.005mol/min，然后连续提高供应量，至沉积将结束时Si和C的摩尔量分别大于0.05mol/min。
10.根据权利要求5所述的一种双层复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的初始沉积速率小于0.5um/h，沉积将结束时大于200um/h。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114836825A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-02 | 中电化合物半导体有限公司 | 一种碳化硅的制备方法及应用 |
| CN115595671A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-13 | 青禾晶元（天津）半导体材料有限公司（Cn） | 一种复合衬底的制备方法 |
| CN116084011A (zh) * | 2023-03-07 | 2023-05-09 | 青禾晶元(天津)半导体材料有限公司 | 一种碳化硅复合衬底及其制造方法 |
| CN116978783A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-10-31 | 苏州芯慧联半导体科技有限公司 | 一种碳化硅衬底的制备方法及碳化硅衬底 |
| CN117038539A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 杭州海乾半导体有限公司 | 一种碳化硅外延旧载盘的再生处理方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08188468A (ja) * | 1994-12-29 | 1996-07-23 | Toyo Tanso Kk | 化学蒸着法による炭化ケイ素成形体及びその製造方法 |
| US5937316A (en) * | 1996-06-21 | 1999-08-10 | Toshiba Ceramics Co., Ltd. | SiC member and a method of fabricating the same |
| JP2007049201A (ja) * | 2006-11-10 | 2007-02-22 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 多層炭化ケイ素ウエハおよびその製造方法 |
| CN104201211A (zh) * | 2014-08-27 | 2014-12-10 | 温州大学 | 在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P+-N-N+型SiC超快恢复二极管及工艺 |
| US20180334757A1 (en) * | 2015-09-11 | 2018-11-22 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | METHOD FOR MANUFACTURING SiC COMPOSITE SUBSTRATE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SUBSTRATE |
| CN109234802A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-01-18 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法 |
| CN112671363A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-16 | 济南晶正电子科技有限公司 | 复合衬底、复合薄膜及其制备方法，及射频声表面波器件 |
| JP2021066624A (ja) * | 2019-10-21 | 2021-04-30 | 住友金属鉱山株式会社 | 炭化ケイ素多結晶基板の製造方法 |
| WO2021105575A1 (fr) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | Soitec | Procede de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en sic monocristallin sur un substrat support en sic cristallin |
-
2021
- 2021-11-21 CN CN202111381323.6A patent/CN114075699B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08188468A (ja) * | 1994-12-29 | 1996-07-23 | Toyo Tanso Kk | 化学蒸着法による炭化ケイ素成形体及びその製造方法 |
| US5937316A (en) * | 1996-06-21 | 1999-08-10 | Toshiba Ceramics Co., Ltd. | SiC member and a method of fabricating the same |
| JP2007049201A (ja) * | 2006-11-10 | 2007-02-22 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 多層炭化ケイ素ウエハおよびその製造方法 |
| CN104201211A (zh) * | 2014-08-27 | 2014-12-10 | 温州大学 | 在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P+-N-N+型SiC超快恢复二极管及工艺 |
| US20180334757A1 (en) * | 2015-09-11 | 2018-11-22 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | METHOD FOR MANUFACTURING SiC COMPOSITE SUBSTRATE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SUBSTRATE |
| CN109234802A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-01-18 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法 |
| JP2021066624A (ja) * | 2019-10-21 | 2021-04-30 | 住友金属鉱山株式会社 | 炭化ケイ素多結晶基板の製造方法 |
| WO2021105575A1 (fr) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | Soitec | Procede de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en sic monocristallin sur un substrat support en sic cristallin |
| CN112671363A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-16 | 济南晶正电子科技有限公司 | 复合衬底、复合薄膜及其制备方法，及射频声表面波器件 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114836825A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-02 | 中电化合物半导体有限公司 | 一种碳化硅的制备方法及应用 |
| CN114836825B (zh) * | 2022-06-07 | 2024-04-19 | 中电化合物半导体有限公司 | 一种碳化硅的制备方法及应用 |
| CN115595671A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-13 | 青禾晶元（天津）半导体材料有限公司（Cn） | 一种复合衬底的制备方法 |
| CN115595671B (zh) * | 2022-12-12 | 2023-08-15 | 青禾晶元(天津)半导体材料有限公司 | 一种复合衬底的制备方法 |
| CN116084011A (zh) * | 2023-03-07 | 2023-05-09 | 青禾晶元(天津)半导体材料有限公司 | 一种碳化硅复合衬底及其制造方法 |
| CN116978783A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-10-31 | 苏州芯慧联半导体科技有限公司 | 一种碳化硅衬底的制备方法及碳化硅衬底 |
| CN116978783B (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-12 | 苏州芯慧联半导体科技有限公司 | 一种碳化硅衬底的制备方法及碳化硅衬底 |
| CN117038539A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 杭州海乾半导体有限公司 | 一种碳化硅外延旧载盘的再生处理方法 |
| CN117038539B (zh) * | 2023-10-10 | 2024-01-16 | 杭州海乾半导体有限公司 | 一种碳化硅外延旧载盘的再生处理方法 |
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| Publication number | Publication date |
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