CN116024665A

CN116024665A - 一种8英寸以上碳化硅衬底

Info

Publication number: CN116024665A
Application number: CN202211724336.3A
Authority: CN
Inventors: 梁庆瑞; 李霞; 宋生; 马立兴; 王瑞; 刘家朋; 王含冠; 宋建; 周敏; 薛传艺; 张长银; 赵建国; 滕永懂
Original assignee: Shandong Tianyue Advanced Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Tianyue Advanced Technology Co Ltd
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明提供了一种8英寸以上碳化硅衬底，涉及晶体材料领域。所述碳化硅衬底具有不高于50的相对应力。本发明8英寸以上碳化硅衬底解决现有碳化硅衬底的加工应力大、翘曲度和弯曲度超标、表面金属离子浓度过高以及亲水效果差等问题。

Description

一种8英寸以上碳化硅衬底

技术领域

本发明涉及晶体材料领域，具体来讲，涉及一种8英寸以上碳化硅衬底。

背景技术

随着产业的发展，对于元器件的性能要求越来越高，逐步逼近硅材料的物理极限。碳化硅衬底由于其优异的物理特性，相比于Si材料，在高压、高频、高温等领域有着无可比拟的优势。目前广泛应用于电力电子，微波射频器件及高端照明等领域。

碳化硅晶体莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，物理化学性质及其稳定，是典型的硬脆材料，超精密加工一直是业界面临的难题。目前行业现状是，国内6英寸处于上量阶段，8寸处于研发阶段，国外6英寸已经量产，8英寸处于小批量阶段。8英寸必然是未来发展的趋势。目前国际上已经实现了8英寸衬底的小批量生产，国内衬底厂商也在进行8英寸碳化硅衬底的研发，随着尺寸向8英寸扩展，加工问题更加突出，严重制约着衬底产业化发展。

现有的8英寸以上衬底存在较大的加工应力、翘曲度(Sori)和弯曲度(BOW)超标、表面金属离子浓度过高以及亲水效果差等问题。

发明内容

为了解决现有8英寸以上碳化硅衬底的加工应力大、翘曲度和弯曲度超标、表面金属离子浓度过高以及亲水效果差等问题。

本发明提供了一种8英寸以上碳化硅衬底，所述碳化硅衬底具有不高于50的相对应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)与现有技术相比，本发明8英寸以上碳化硅衬底具有更小的加工应力应力。例如，相对应力不超过30。

(2)与现有技术相比，本发明8英寸以上碳化硅衬底具有更小加工应力的同时具有更好的平整度。例如，碳化硅衬底SFQR指标不高于2μm，Bow＜25μm，Sori＜45μm。

(3)与现有技术相比，本发明8英寸以上碳化硅衬底具有更小加工应力的同时具有亲水性。例如，亲水性接触角不高于10°。

(4)与现有技术相比，本发明8英寸以上碳化硅衬底表面金属离子浓度含量低。例如，金属离子浓度不高于5×10¹⁰个/cm²。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例3中8英寸以上碳化硅衬底的SFQR示意图；

图2示出了本发明实施例3中英寸以上碳化硅衬底的Bow-Sori示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的一个示例性实施例中，8英寸以上碳化硅衬底具有不高于50的相对应力。例如，所述碳化硅衬底的相对应力不高于45；进一步，所述碳化硅衬底的相对应力为10～30；优选的，所述碳化硅衬底的相对应力为10～25。碳化硅衬底可以是8英寸、12英寸。

由于真实应力难以直接测量，但应力会影响衬底的面型以及衬底外延前后面型变化，发明人经过多次研究发现：通过以上参数引入一个相对应力的概念。通过对大量数据进行拟合分析建立模型如下：

式(1)：S＝[ (A+B)/2]+ [ (A_C+B_C)*2]

其中，S为相对应力，S数值越小代表衬底的应力越小。A—衬底Bow绝对值，B—衬底Sori值，A_C—外延前后Bow值的变化绝对值，B_C—外延前后Sori值的变化绝对值。

在本发明的一个示例性实施例中，所述碳化硅衬底的SFQR不高于2μm，Bow＜25μm，Sori＜45μm，外延前后面型变化不高于10μm。外延前后面型变化不高于10μm分别指的是外延前后Bow值的变化不高于10μm、外延前后Sori值的变化不高于10μm。

在本发明的一个示例性实施例中，所述碳化硅衬底SFQR可以是1～1.5μm，Bow＜15μm，Sori＜25μm，且外延前后面型变化不高于8μm。优选的，所述碳化硅衬底SFQR不高于1μm，所述碳化硅衬底Bow＜10μm，Sori＜15μm，所述外延前后面型变化不高于5μm。

在本发明中SFQR(Site flatness front least-squares range)指的是局部平整度，代表单位平方面积内的厚度最大差值。Bow指的是弯曲度，代表晶片中心相对参考平面凹或凸的程度。Sori指的是基于最小二乘法前表面的翘曲度，代表衬底整体相对于中位面的偏差程度。本发明中外延前后面型变化指的是外延前后Bow的变化、外延前后Sori的变化。

在本发明的一个示例性实施例中，碳化硅衬底具有接触角不高于10°的亲水性表面；优选的，所述亲水性接触角不高于5°。本发明亲水性指的是接触角不高于10°。

在本发明的一个示例性实施例中，所述碳化硅衬底的表面金属离子浓度不高于5×10¹⁰个/cm²，进一步，所述表面金属离子浓度不高于4×10¹⁰个/cm²；优选的，所述表面金属离子浓度不高于2×10¹⁰个/cm²。

在本发明的一个示例性实施例中，所述碳化硅衬底的一个表面具有2.5～2.8的折射率；所述碳化硅衬底的另一个表面具有2.6～2.7的折射率。

在本发明的另一个示例性实施例中，所述碳化硅衬底通过对激光致裂剥离片进行减薄、抛光、清洗而得到，且所述激光致裂剥离片的相对应力20～30。所述剥离片的尺寸不小于8英寸，所述剥离片的损伤层深度不高于110μm；进一步，所述剥离片的损伤层深度不高于90μm；优选的，所述剥离片的损伤层深度为50～80μm。所述剥离片的Bow＜70μm，Sori＜120μm；进一步，所述剥离片的Bow＜40μm，Sori＜90μm。且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。表面裂纹台阶高度指的是剥离后表面会存在微裂纹，每个微裂纹沿着解理面扩展开来。在此过程中由于每个微裂纹和解理面均存在角度偏差，导致在激光剥离方向形成不断重复的裂纹台阶。

另外，关于减薄得到的减薄片表面粗糙度不高于10nm，进一步，所述减薄片的表面粗糙度不高于7nm。关于抛光得到的抛光片的表面粗糙度不高于0.2nm；进一步，关于抛光得到的抛光片的表面粗糙度不高于0.1nm，

其中，8英寸以上碳化硅衬底采用激光单片剥离切割，所述激光单片剥离切割包括设置波长800～1200nm、扫描间距0.5～5mm、超声剥离频率50～500KHZ以及扫描时间10～40min。

本发明所针对的激光剥离碳化硅剥离片，可通过激光致裂和振动剥离而得到，例如通过S01至S04的步骤得到，其中，

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S02、计算所述晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断所述夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，所述第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直；

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面；S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求；

S04、对所述待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

S01至S04的步骤也可详细展开描述如下：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息。

具体来讲，可以利用布拉格衍射的原理进行晶面检测，即碳化硅表面晶体由晶面族A、B、C组成面间距为d，当激光射线以掠射角α投射到碳化硅晶体时，晶面A上点阵的散射和晶面B、C上的点阵的散射相互干涉，对于同一层的激光散射线，当散线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉，对于同一层的散射线，当散射线与晶面间的夹角等于掠射角时，在这个方向上射线产生相长干涉。而对于不同层的散射线，当光程差为波长的整数倍时，各个面的散射线相互加强，形成极大的光强。利用这一原理，完成晶面检测，得到晶面信息。

S02、计算晶面位置信息与第一平面之间的夹角值，判断夹角值是否满足预设夹角值的要求，其中，第一平面与第一激光束所在的第一方向始终保持垂直。

具体来讲，第一平面为与第一激光束基本保持垂直的碳化硅晶锭所在的面。第一方向为第一激光束照射的方向。夹角值为碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角。预设夹角值可以为在0～10°范围内选择的确定值，进一步地，预设夹角值可以为在0.5～3.5°或4.5～7°范围内选择的确定值。例如，也可以为0°或4°。所述预设夹角值的要求可以为等于预设夹角值，也可以为在预设夹角值的上下10％范围内，例如，4±0.1°。

S03a、如满足，则启动第一激光束扫描碳化硅晶锭，以形成含有多个裂纹且沿第一平面延展的待剥离面。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角在预设夹角值范围内，则启动第一激光束对碳化硅晶锭进行激光扫描，以形成含有多个裂纹且沿所述第一平面延展的待剥离面。第一激光束的平均输出功率可以为0.8～3.5W，波长可以为780～1100nm，扫描速度可以为300～700mm/s，扫描间距可以为0.1～0.5mm，扫描时间可以为10～40min，扫描次数可以为2～6次。

S03b、如不满足，则调节碳化硅晶锭的角度和/或第一方向的角度，并返回S02步骤，直至夹角值满足预设夹角值的要求，随后进行S03a步骤。

具体来讲，若碳化硅晶锭的(0001)晶面与碳化硅晶锭的第一平面的夹角不在预设夹角值范围内，则可以通过调节碳化硅晶锭的角度，即调节碳化硅的晶锭的(0001)面，或者可以通过调节第一激光束所在的第一方向。调节完后返回S02步骤中，计算夹角值，并判断是否满足预设夹角值。若满足，则进入S03a；若不满足，则继续调节夹角值，直至满足预设夹角值。

S04、对待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

对S03a步骤中的待剥离面施加振动，以使待剥离面沿裂纹延伸或断开，得到剥离片。振动可以通过机械振动、超声方式等实现。例如，对于超声方式而言，超声的频率可以为100～150KHZ，超声时间可以为10～60s，发射模式可以为连续波或脉冲波。

采用上述加工方法得到的碳化硅剥离片的厚度可以为100～1000μm。尺寸不小于8英寸，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

此外，为了解决边缘容易产生崩边的问题，还可在上述S01至S04步骤的基础上，将步骤S03设置为进一步包括：在所述夹角值满足预设夹角值的要求的情况下，启动第二激光束围绕碳化硅晶锭的圆周方向扫描该碳化硅晶锭，且确保第二激光束所在的第二方向始终平行于所述第一平面。第一激光束的致裂方向垂直于激光入射方向，而第二激光束的致裂方向是沿着激光入射方向，这是通过光斑整形对激光致裂方向进行调节。有利于碳化硅晶锭边缘圆周的剥离，还可以进一步优化损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光头被设置为能够与第一激光头联动控制，两个激光头先后对碳化硅晶锭进行剥离，第一激光头产生第一激光束对碳化硅晶锭除圆周边缘以外的区域进行剥离，第二激光头产生第二激光束对碳化硅晶锭圆周边缘区域进行剥离，要控制第一激光束的焦点和第二激光束的位置，确保二者在同一平面产生裂纹。设置第二激光束与只有第一激光束剥离的结果相比，可以优化至少10％的损伤层深度和表面台阶裂纹的深度。第二激光束的平均输出功率为设置的第一激光束平均输出功率参数的0.3～0.5倍，波长为780～1100nm，扫描速度为设置的第一激光束扫描速度参数的0.3～0.5倍，扫描间距为0.1～0.5mm，扫描时间为10～40min，扫描次数为2～6次。

然后对单个剥离片的单面的至少一部分进行减薄和/或对该单个剥离片的另一单面的至少一部分进行减薄，从而得到减薄片。所述减薄包括粗磨处理和精磨处理，所述精磨处理的粗糙度小于所述粗磨处理的粗糙度。对减薄片依次进行单片单面粗抛、中抛、精抛得到所需的抛光片。

此外，本发明8英寸以上碳化硅衬底采用单片单面化学机械抛光，所述粗抛采用聚氨酯和酸性氧化铝抛光液；所述中抛采用无纺布和氧化锰抛光液或无纺布和氧化铝抛光液；所述精抛采用阻尼布和碱性氧化硅抛光液。

实施例1

本发明为8英寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的相对应力为16.8，SFQR为1.064μm，Bow为2.346μm，Sori为6.953μm，外延前后Bow变化为1.269μm，外延前后Sori变化为4.789μm。亲水性接触角为6°，所述表面金属离子浓度小于1.9×10¹⁰个/cm²。所述碳化硅衬底的一个表面的折射率为2.632，另一个表面的折射率为2.673。

实施例2

本发明为8英寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的相对应力为32.8，SFQR为1.211μm，Bow为6.762μm，Sori为14.865μm，外延前后Bow变化为3.281μm，外延前后Sori变化为7.691μm。亲水性接触角为9°，所述表面金属离子浓度为小于3.7×10¹⁰个/cm²。所述碳化硅衬底的一个表面的折射率为2.643，另一个表面的折射率为2.695。

实施例3

本发明为8英寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的相对应力为33.8，SFQR为1.395μm，Bow为8.256μm，Sori为13.314μm，外延前后Bow变化为4.283μm，外延前后Sori变化为7.211μm。亲水性接触角为10°，所述表面金属离子浓度为小于2.7×10¹⁰个/cm²。所述碳化硅衬底的一个表面的折射率为2.643，另一个表面的折射率为2.695。实施例3的SFQR示意图参考图1所示。碳化硅衬底的Bow-Sori示意图参考图2所示。

对比例1

对比例1为现有的8英寸碳化硅衬底的性能测试。

表1碳化硅衬底性能表

参考表1所示，从实施例1、实施例2、实施例3中，可以看出，本发明8英寸以上碳化硅衬底相对应力不高于50，表明本发明加工应力低。此外，本发明加工应力低的同时，保证了衬底具有良好的平整度、亲水性以及表面金属离子浓度低。

实施例1与对比例1相比，相对应力降低了82％，SFQR降低了0.52μm、Bow和Sori明显大幅度降低、外延前后变化量明显减少、接触角控制在10°以内呈亲水性、离子沾污浓度降低了两个数量级。

本发明源于泰山产业领军人才工程专项经费资助。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种8英寸以上碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的相对应力不高于50。

2.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的相对应力为10～40；进一步，所述碳化硅衬底的相对应力为15～30。

3.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的SFQR不高于2μm，Bow＜25μm，Sori＜45μm，外延前后面型变化不高于10μm。

4.根据权利要求3所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底SFQR为1～1.5μm，Bow＜15μm，Sori＜25μm，且外延前后面型变化不高于8μm；进一步，所述碳化硅衬底SFQR不高于1μm，所述碳化硅衬底Bow＜10μm，Sori＜15μm，所述外延前后面型变化不高于5μm。

5.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底通过对激光致裂剥离片顺次进行减薄、抛光、清洗而得到。

6.根据要求5所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述剥离片的尺寸不小于8英寸，弯曲度≤60μm，翘曲度≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％。

7.根据权利要求5所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述激光致裂剥离片通过以下步骤得到：

S01、检测碳化硅晶锭的(0001)晶面，得到晶面位置信息；

S04、对所述待剥离面施加振动，以得到碳化硅剥离片。

8.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底具有接触角不高于10°的亲水性表面；进一步，所述亲水性接触角不高于5°。

9.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的表面金属离子浓度不高于5×10¹⁰个/cm²，进一步，所述表面金属离子浓度不高于4×10¹⁰个/cm²；再进一步，所述表面金属离子浓度不高于2×10¹⁰个/cm²。

10.根据权利要去1至9中任意一项所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的一个表面具有2.5～2.8的折射率；所述碳化硅衬底的另一个表面具有2.6～2.7的折射率。