CN116057213A - 用于减少裂纹的半导体半成品和半导体衬底中的晶体结构取向及其设置方法 - Google Patents

用于减少裂纹的半导体半成品和半导体衬底中的晶体结构取向及其设置方法 Download PDF

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CN116057213A CN202180055058.4A CN202180055058A CN116057213A CN 116057213 A CN116057213 A CN 116057213A CN 202180055058 A CN202180055058 A CN 202180055058A CN 116057213 A CN116057213 A CN 116057213A
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Abstract

本发明提供单晶半导体半成品和衬底以及生产这种半导体半成品和/或衬底的方法，该单晶半导体半成品和衬底的晶体结构相对于中心轴线和半成品或衬底的至少部分弯曲的侧表面具有预定的取向，该预定的取向减少或甚至消除机械加工期间裂纹的出现。在预定取向中，垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于中心轴线的平面形成第一倾斜角，垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于中心轴线的所述平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一或第二解理面的每组平行解理面相对于中心轴线倾斜。

Description

用于减少裂纹的半导体半成品和半导体衬底中的晶体结构取向及其设置方法
技术领域
本发明涉及具有特定晶体结构取向的半导体单晶，用于减少或消除机械加工过程中开裂或裂纹的出现，以及生产具有这种取向的半导体单晶的方法。
背景技术
半导体衬底通常用于生产广泛应用的电子和光电部件，例如电力电子、射频和光电应用。半导体衬底通常由块状半导体单晶生产，块状半导体单晶从合适的源材料通过晶体生长工艺生长，例如物理气相沉积(PVT)、溶液生长或熔融相生长。然后通过使用线锯切割晶片，然后在多阶段抛光步骤中精炼晶片表面，从块状半导体单晶获得半导体衬底。在随后的外延工艺中，然后将半导体材料(例如SiC、GaN)的薄单晶层沉积到半导体衬底上。这些外延层以及由其制成的元件的性质主要取决于底层半导体衬底的质量。
衬底的期望直径和一个或多个取向平面(OF)通常通过机械工艺(例如研磨晶体侧面)设置在生长的半导体晶体上，并且为晶片分离工艺(例如通过线锯)准备如此加工的晶体圆柱体的正面。如图1所示，由这种机械加工产生的半导体半成品100是这样的定向圆柱体，其具有未来衬底晶片直径、限定在横向圆柱表面130上的一个或两个定向平面110(或凹口)和平行的平坦正面120a、120b。
然后，半导体半成品100被分成单独的原始单晶半导体衬底，例如使用线锯工艺。在质量控制之后，单晶半导体衬底经历进一步的机械加工。作为示例，可以使用下面的工艺顺序。在边缘的机械加工之后，进行单级或多级研磨或抛光工艺，以去除在衬底分离工艺期间产生的破坏性层，并逐渐降低衬底粗糙度。然后在衬底的一面或两面上应用化学机械抛光工艺(CMP)，以最终完成相应的表面。下面的晶体结构相对于完成表面的取向是之后在衬底上生长的外延层的性质的决定因素。
在如上所述的多阶段机械加工期间，块状单晶和衬底受到显著的机械力。然而，已知半导体晶体表现出高脆性和低延展性。特别地，沿着相应晶体结构的优选解理面，例如在具有纤锌矿晶体结构(例如AlN、GaN、InN)的半导体中的
Figure BDA0004111926580000021
和
Figure BDA0004111926580000022
形式的晶面或闪锌矿晶体结构(例如GaAs、GaN、InP等)的半导体中的{110}形式的晶面可以容易地在半导体晶体上形成开裂或裂纹，这导致半导体半成品圆柱体和/或衬底的损坏或破坏。特别是，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增加导致晶体以及衬底中的裂缝，并因此导致不希望的良率降低。
在半导体半成品的机械加工过程中，通过磨削设置外径是最关键的工艺步骤，因为由磨削工具(例如砂轮)施加的大量力垂直于圆柱体外径(即圆柱体侧表面)施加。
在单晶半导体衬底的机械加工中，加工衬底边缘和抛光这两个步骤都是至关重要的。例如，当倒角衬底边缘时，用杯形砂轮将径向力施加到衬底外径上。在抛光过程中，衬底在转子盘中被引导，径向力同样由这些转子盘施加到衬底的外径上。
因此，在相应的块状晶体和衬底的机械加工过程中，必须特别注意半导体材料的高脆性以及解理晶格面的存在。
到目前为止，现有技术没有解决半导体晶格的机械性能的各向异性，这就是为什么在实践中，人们普遍认为，在机械加工过程中，由于出现开裂，总是会造成一定量的块状半导体晶体或半导体衬底的浪费。然而，这些对整个工艺链的良率有负面影响。
在块状半导体圆柱体的外周的机械加工期间，通过调节机械加工步骤本身的参数，例如施加的力或研磨速度，可以在一定限度内减少开裂或裂纹的出现，尽管不能完全消除它们。然而，这种调节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。在线锯半导体半成品圆柱体之后获得的原始半导体衬底的机械加工期间(例如在边缘倒角、机械研磨、机械或化学机械抛光等期间)的断裂或开裂也可以通过调节工艺参数来减少，但不能完全避免。这种调节还对其他工艺参数具有不利影响，例如衬底机械加工持续时间的显著增加。
已知的现有技术方法中没有一种考虑到关于晶体取向的特殊要求，这些要求是由于其机械性能的各向异性而对块状或衬底形式的单晶半导体的加工提出的。到目前为止，现有技术也没有考虑晶体取向对最终半成品和/或衬底的开裂敏感性的影响。
尚未公开用于减少这样的裂纹发生的解决方案，根据施加的机械力，该裂纹甚至可能在低应力或无应力半导体半成品或半导体衬底的机械加工过程中出现。
因此，需要一种解决方案，该解决方案允许在不显著增加整体机械加工的成本和时间的情况下，有效地减少由于在其机械加工期间出现裂纹而导致的缺陷半导体半成品和/或半导体衬底的量，同时提高半导体半成品和半导体衬底的质量和良率。
发明内容
本发明是鉴于现有技术的短处和缺点而做出的，其目的是提供一种单晶半导体半成品和单晶半导体衬底，其对半导体衬底外表面的生产和/或机械加工期间施加的力具有改进的机械稳健性，以及提供一种生产这种单晶半导体半成品和/或衬底的方法。
该目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明，提供了一种具有改善的抗解理机械稳健性的单晶半导体半成品或单晶半导体衬底，该半导体半成品或衬底具有中心轴线和平行于所述中心轴线的至少部分弯曲的侧表面，其特征在于：所述单晶半导体的晶体结构相对于中心轴线和至少部分弯曲的侧表面以预定取向取向，在所述预定取向处：垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于中心轴线的平面形成第一倾斜角，并且垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于中心轴线的所述平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一或第二解理面的每组平行解理面相对于中心轴线倾斜。
根据进一步的发展，第一倾斜角和第二倾斜角被选择成使得每组第一解理面和第二解理面沿着平行于中心轴线的线段与至少部分弯曲的侧表面相交，线段的每单位长度分别具有至少预定最小数量的平行解理面。
根据进一步的发展，每单位长度的平行解理面的所述预定最小数量为每毫米至少1000个解理面；和/或所述中心轴线是由所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱表面的对称轴线。
根据进一步的发展，基于垂直于第一晶轴的第一解理面之间的距离来估计所述第一倾斜角和/或基于垂直于第二晶轴的第二解理面之间的距离来估计所述第二倾斜角，以便产生每单位长度的至少预定最小数量的平行解理面。
根据进一步的发展，基于在单晶半导体的衬底上外延生长的要求，进一步选择第一晶轴和第一倾斜角。
根据进一步的发展，单晶半导体半成品或衬底还包括第一和第二正面；其中第一和第二正面分别垂直于至少部分弯曲的侧表面，和/或第一和第二正面中的一个或两个垂直于中心轴线；和/或其中所述至少部分弯曲的侧表面具有限定带有以所述中心轴线作为其对称轴线的圆柱表面的弯曲部分。
根据进一步的发展，半导体半成品或半导体衬底由选自包括硅、III-V-HL、II-VI-HL类型的半导体和II-VI混合晶体的组的半导体材料制成。
根据进一步的发展，半导体半成品或衬底由具有纤锌矿结构、金刚石结构和闪锌矿结构之一的半导体材料制成。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是纤锌矿结构，第一晶轴是纤锌矿结构中
Figure BDA0004111926580000041
轴或对称等效于
Figure BDA0004111926580000042
轴的任何晶轴。此外，对于SiC，第一倾斜角可以是4°，公差为±0.5°，和/或其中第二倾斜角是选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是金刚石结构，第一晶轴是金刚石结构中的[111]轴或对称等效于[111]轴的任何晶轴，或者半导体晶体结构是闪锌矿结构，第一晶轴是闪锌矿结构中的[110]轴或对称等效于[110]轴的任何晶轴。
本发明还提供了一种生产具有改善的抗解理机械稳健性的单晶半导体半成品或单晶半导体衬底的方法，该单晶半导体半成品或衬底具有中心轴线和平行于所述中心轴线的至少部分弯曲的侧表面，所述方法包括：执行将半导体晶体结构相对于中心轴线和至少部分弯曲的侧表面的取向设置为预定取向的工艺，在所述预定取向处：垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于中心轴线的平面形成第一倾斜角，并且垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于中心轴线的平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一或第二解理面的每组平行解理面相对于中心轴线倾斜。
根据进一步的发展，第一倾斜角和第二倾斜角被选择成使得每组第一解理面和第二解理面沿着平行于中心轴线的线段与至少部分弯曲的侧表面相交，线段的每单位长度分别具有至少预定最小数量的平行解理面。
根据进一步的发展，每单位长度的平行解理面的预定最小数量为每毫米至少1000个解理面；和/或所述中心轴线是由所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱表面的对称轴线。
根据进一步的发展，该方法进一步包括：基于垂直于第一晶轴的第一解理面之间的距离来估计所述第一倾斜角和/或基于垂直于第二晶轴的第二解理面之间的距离来估计所述第二倾斜角，以便产生所述每单位长度的至少预定最小数量的平行解理面。
根据进一步的发展，基于在单晶半导体的衬底上外延生长的要求，进一步选择第一晶轴和第一倾斜角。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是纤锌矿结构、金刚石结构和闪锌矿结构中的一种。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是纤锌矿结构，第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure BDA0004111926580000051
轴或对称等效于
Figure BDA0004111926580000052
轴的任何晶轴；或者半导体晶体结构是金刚石结构，第一晶轴是金刚石结构中的[111]轴或对称等效于金刚石结构中[111]轴的任何晶轴；或者半导体晶体结构是闪锌矿结构，第一晶轴是闪锌矿结构中的[110]轴或对称等效于[110]轴的任何晶轴。
根据进一步的发展，设置半导体晶体结构相对于半导体半成品的所述中心轴线的所述预定取向的工艺包括：相对于对准轴线在空间上取向半导体晶体结构，以实现半导体晶体结构相对于横向于所述对准轴线的平面的所述预定取向；以及参照所述对准轴线加工空间取向的半导体晶体结构的外表面，以形成以下至少一个：基本上平行于所述对准轴线的至少部分弯曲的侧表面，以及基本上正交于所述对准轴线的至少一个正面；其中所述空间取向的半导体晶体结构的对准轴线被选择为平行于半导体半成品的中心轴线。
根据进一步的发展，相对于对准轴线在空间上取向半导体晶体结构的工艺包括：沿着对准方向对准选定的参考晶格面的主晶轴，该参考晶格面横向于第一解理面组和第二解理面组，以及将参考晶格面沿第一方向倾斜第一倾斜角，该第一方向对应于垂直于第一解理面组的第一晶轴，使得第一解理面组相对于对准轴线倾斜第一倾斜角，并且第二解理面组保持平行于对准轴线。
根据进一步的发展，以相对于对准轴线的预定取向在空间上取向半导体晶体结构的工艺还包括：在第二方向上将参考晶格面倾斜第二倾斜角，第二方向对应于第二晶轴，使得第二解理面组相对于对准轴线倾斜第二倾斜角。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是纤锌矿结构，第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure BDA0004111926580000061
轴或对称等效于
Figure BDA0004111926580000062
轴的任何晶轴。此外，对于SiC，第一倾斜角可以是4°，公差为±0.5°，和/或其中第二倾斜角是选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
根据进一步的发展，相对于对准轴线在空间上取向半导体晶体结构的工艺包括：沿着对准方向对准选定的参考晶格面的主晶轴，参考晶格面横向于第一晶体学形式的解理面；在顺时针方向或逆时针方向上围绕所述对准方向将参考晶格面旋转预定旋转角度；以及使所述旋转的参考晶格面在第一方向上倾斜给定的倾斜角，该第一方向对应于第一晶体学形式的所述平行解理面组的晶轴。
根据进一步的发展，半导体晶体结构是纤锌矿结构，参考晶格面是基面(0001)，第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure BDA0004111926580000063
轴或对称等效于
Figure BDA0004111926580000064
轴的任何晶轴。具体地，半导体晶体结构可以是具有纤锌矿结构的AlN，并且第一倾斜角在方向
Figure BDA0004111926580000065
上为0.042°，第二倾斜角在方向
Figure BDA0004111926580000066
上或方向
Figure BDA0004111926580000067
上为0.042°的倾斜角δ2。
根据进一步的发展，半导体半成品由选自包括硅、III-V-HL、II-VI-HL类型的半导体和II-VI混合晶体组成的组的半导体材料制成。
为了解释本发明的原理，附图被合并到说明书中并形成说明书的一部分。附图不应被解释为将本发明限制于如何制造和使用本发明的图示和描述的示例。
附图说明
进一步的特征和优点将从附图中所示的本发明的以下和更详细的描述中变得明显，其中：
图1是单晶半导体半成品的示意性透视图；
图2是具有纤锌矿结构(从顶部、正面观察)和轴上取向的传统半导体半成品(或衬底)的示意图，其中基面(0001)平行于正面，晶体学方向[0001]相对于圆柱体对称轴线C(中心轴线)倾斜0°；描述了晶体学形式
Figure BDA0004111926580000068
和
Figure BDA0004111926580000069
的两组解理面，形式
Figure BDA00041119265800000610
包括晶格面
Figure BDA00041119265800000611
和
Figure BDA00041119265800000612
形式
Figure BDA00041119265800000613
包括晶格面
Figure BDA00041119265800000614
和
Figure BDA00041119265800000615
图3A是具有纤锌矿结构和4°离轴取向(从正面观察)的传统半导体衬底的示意性俯视图，其中基面(0001)相对于半导体衬底的正面在
Figure BDA00041119265800000717
方向上以4°角δ倾斜；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是当从包含晶体学方向
Figure BDA0004111926580000071
的一侧观察时，图3A中所示的半导体衬底的示意性侧视图，并且描绘了基面(0001)和对应的[0001]晶轴在
Figure BDA0004111926580000072
方向上以4°角δ的倾斜(即在平行于图3A中的主平面OF的方向上)；
图4A是从包含晶体学方向
Figure BDA0004111926580000073
的一侧(即主平面OF的一侧)观察的具有纤锌矿结构和4°离轴取向的半导体半成品的示意性侧视图，并描绘了基面(0001)(参考晶格面)和对应的[0001]晶体学方向朝向初始方向
Figure BDA0004111926580000074
以4°的倾斜角δ的倾斜；
图4B是当从与初始晶体学方向
Figure BDA0004111926580000075
相反的一侧观察时，图4A所示的半导体半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了平行于半导体圆柱体的中心对称轴线C的解理面
Figure BDA0004111926580000076
的取向；4°离轴取向的晶轴
Figure BDA0004111926580000077
不垂直于图4B的平面，而是以4°的倾斜角在观察方向上向下指向；
图5是描绘由砂轮施加到半导体半成品(或衬底)的横向侧上的机械力F的分量的俯视图；
图6是描绘由砂轮施加到半导体半成品(或衬底)上的径向机械力的侧视图；
图7是当从方向
Figure BDA0004111926580000078
观察时(即从主平面OF的侧面观察时)具有纤锌矿结构和4°离轴取向的半导体半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了晶格面
Figure BDA0004111926580000079
与力线段L的相交；
图8是图7所示的半导体半成品的另一示意性侧视图，现在在方向
Figure BDA00041119265800000710
上观察，并且描绘了晶格面
Figure BDA00041119265800000711
与另一个力线段L的相交；
图9A是根据示例性实施例的具有纤锌矿结构和预定晶体取向的半导体半成品的示意性侧视图(从方向
Figure BDA00041119265800000712
观察)，其中基面(0001)在
Figure BDA00041119265800000713
方向上以第一倾斜角δ1倾斜，并且另外地以逆时针方式在方向
Figure BDA00041119265800000714
上以第二倾斜角δ2倾斜；还描绘了示例性的力线段L，在机械加工期间，径向力可以沿着该力线段施加到半导体半成品的侧表面上；
图9B是图9A所示的半导体半成品的另一示意性侧视图，并且描绘了由于第二倾斜角δ2(在方向
Figure BDA00041119265800000715
上观察)的倾斜而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA00041119265800000716
的倾斜；
图10A是根据另一示例性实施例的具有纤锌矿结构和预定晶体取向的半导体半成品的示意性侧视图(沿方向
Figure BDA0004111926580000081
观察)，其中基面(0001)在方向
Figure BDA0004111926580000082
上以第一倾斜角δ1倾斜并且在方向
Figure BDA0004111926580000083
上以第二倾斜角δ2倾斜；
图10B是图10A所示的半导体半成品(或衬底)的另一示意性侧视图(沿方向
Figure BDA0004111926580000084
观察)，并且描绘了由于第二倾斜角δ2的倾斜而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA0004111926580000085
的倾斜；
图11示意性地示出了根据实施例的单晶半导体半成品的支撑配置，用于在晶片分离工艺期间，参考半导体半成品的圆柱形侧表面，将预设的晶体取向从半导体半成品转移到单个半导体晶片；
图12示意性地示出了根据实施例的单晶半导体半成品的另一支撑配置，用于在晶片分离工艺期间，参考半导体半成品的正面之一，将预设的晶体取向从半导体半成品转移到单个半导体晶片；
图13A是根据示例性实施例的具有纤锌矿结构和用于提高机械稳健性的预定晶体学取向的半导体衬底的示意性侧视图(从方向
Figure BDA0004111926580000086
侧观察)，其类似于图9A-9B中描绘的半导体半成品的预定晶体学取向；以及
图13B是图13A所示的半导体衬底的另一示意性侧视图，并且描绘了由于第二倾斜角δ2(在方向
Figure BDA0004111926580000087
上观察)的倾斜而导致的基面(0001)和解理面
Figure BDA0004111926580000088
的倾斜。
应当注意的是，由于将在本申请中讨论原子尺度，附图中示出的尺寸和相对角度仅用于理解的目的，而不是按比例绘制的。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限制于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。相似的数字自始至终指的是相似的元素。
本发明的基本原理来自发明人，他们已经认识到，通过将单晶半导体的晶体结构的取向设置为相对于半导体半成品或衬底的中心轴线和/或侧表面的预定取向，并且在该预定取向处，与优选解理晶格面相关联的晶轴相对于横向于中心轴线的平面倾斜相应的倾斜角，可以显著减少或甚至消除单晶半导体半成品和衬底在其各自的机械加工期间出现的开裂或裂纹。
因此，与相应晶轴相关联的平行解理面也相对于中心轴线倾斜相同的倾斜角，并且径向施加在半导体半成品或衬底上的任何外部机械力将分布在至少预定最小数量的平行解理面上，而与在侧表面上施加机械力的位置无关，从而降低每个单位平面的径向力。倾斜角的量和/或方向可以根据优选解理晶格面的晶体学形式和对应的晶轴来设置，以确保每单位平面的机械力变得低于解理面的特定形式的解理阈值特征。
因此，本发明提供了一种用于设置单晶半导体半成品和/或衬底中晶体结构的最佳取向的技术，该技术提高了半导体单晶抗解理的机械稳健性，并因此增加了半导体半成品和/或衬底的良率，而不会对之后生长到端部衬底上的外延层的质量产生显著影响。
以下将参考AlN的半导体半成品或衬底，作为具有纤锌矿晶体结构的III-V族半导体的示例，描述本发明的原理。然而，本发明的原理也适用于具有纤锌矿、金刚石或闪锌矿晶体结构的任何其他半导体材料，以实现提高其抗解理稳健性的相同效果，例如表1中所示的任何半导体材料。
如上所述，沿着半导体晶体的优选解理面，例如具有纤锌矿结构的半导体中的
Figure BDA0004111926580000091
和
Figure BDA0004111926580000092
形式的解理面，可以容易地形成开裂或裂纹，并且因此，在机械加工过程中导致半导体半成品和/或衬底的损坏或破坏。特别地，在径向(即垂直于半导体半成品或衬底的侧向弯曲表面)施加机械力的工艺中，在沿解理面施加的力下对开裂的较高敏感性导致半导体晶体和衬底中的开裂，并因此导致各自良率的不期望的降低。例如，图2描绘了纤锌矿晶体结构(例如AlN)的半导体半成品200(或衬底)的
Figure BDA0004111926580000093
和
Figure BDA0004111926580000094
形式的解理面的取向，具有轴上晶体学取向。在图2所示的轴上取向中，半导体晶体结构的基面(0001)平行于正面220，因此，[0001]晶体学方向与半导体圆柱体200的纵向轴线C成0°角。以下提及的纵向轴线C被定义为由半导体半成品(或衬底)的弯曲侧表面限定的圆柱体表面的对称轴线。图2示出了当从诸如图1中的正面120a的相应正面220观察时，平行于半导体半成品200(或衬底)的(0001)晶格面的侧面。主取向平面(OF)在晶体学方向
Figure BDA0004111926580000095
上定义。第二平面可以任选地在晶体学方向
Figure BDA0004111926580000096
上提供。代替的主平面，可以在方向
Figure BDA0004111926580000097
上提供缺口(即衬底晶片中用于在半导体生产设备上精确定位的侧向压痕)。此外，在图2中描绘了两种形式的解理面，其示出了三种对称等效的形式
Figure BDA0004111926580000101
的晶格面和三种对称等效的形式
Figure BDA0004111926580000102
的晶格面。形式
Figure BDA0004111926580000103
表示可以通过对称运算从
Figure BDA0004111926580000104
平面获得的晶格面的集合，描述了半导体的理想晶体结构(点群6nn)，因此包括平面
Figure BDA0004111926580000105
和
Figure BDA0004111926580000106
晶体面
Figure BDA0004111926580000107
和
Figure BDA0004111926580000108
包含在形式
Figure BDA0004111926580000109
中，该形式指定了可以通过对称运算从
Figure BDA00041119265800001010
平面获得的晶格面的集合。所有
Figure BDA00041119265800001011
和
Figure BDA00041119265800001012
形式的解理面与平行于(0001)晶格面的一侧上的正面和半导体半成品200的相对的正面(未示出)以90°角相交。这些
Figure BDA00041119265800001013
和
Figure BDA00041119265800001014
形式的解理面还与半导体半成品200的侧表面以直角相交，这意味着当沿着所描绘的解理面施加径向力时，半导体半成品200将容易出现裂缝。
半导体衬底通常使用轴上取向或离轴取向。在轴上取向中，为在衬底上形成外延层而选择的参考晶格面平行于将形成外延层的衬底面，或者平行于制造衬底的半导体半成品的正面。然后，参考晶格面的晶轴与半导体衬底或半成品的纵向轴线C对齐。在离轴取向的情况下，用于外延生长的参考晶格面不平行于衬底面，而是倾斜小倾斜角，该倾斜角对应于相应晶轴和中心轴线C之间的角度。参考晶格面的这种小倾斜角用于提高要生长到衬底上的外延层的质量。倾斜的方向和程度取决于要生长的衬底半导体材料和外延层来选择。
为了在半导体半成品或衬底中设置所选择的离轴取向程度，所生长的半导体晶体或半导体半成品可以相对于参考方向(例如垂直方向)进行空间取向，使得参考晶格面的晶轴相对于参考方向倾斜期望的倾斜角。然后机械加工如此空间取向的半导体晶体的横向外表面，以将其横截面设置为所需的衬底直径，并且将一个或两个前端设置为垂直于参考轴线C的平面表面。具有所需离轴取向的半导体衬底可以由首先如上所述被空间取向、接着在横向于参考方向C的方向上切割衬底晶片的所生长半导体晶体获得。或者，可以在平行于已经预设了期望的离轴取向的半导体半成品的正面的方向上切割半导体衬底。对于具有几度离轴取向的半导体衬底，例如SiC衬底中的4°，可以实现外延层和随后加工的元件的良好质量。图3A和图3B示出了具有纤锌矿结构并且基面(0001)在
Figure BDA00041119265800001015
方向上具有4°离轴取向的半导体衬底300的示例。图3A描绘了当从4°离轴半导体衬底300的顶部正面320a(即从侧面(0001))观察时，晶格面
Figure BDA00041119265800001016
和(0001)的晶轴的取向，其示出了平行于衬底正面320a的
Figure BDA00041119265800001017
晶体学方向，以及沿着正面320a的
Figure BDA0004111926580000111
方向的矢量分量(向下倾斜4°)。[0001]-轴的倾斜度由图3A的插图中的短箭头表示，其描绘了[0001]轴沿着正面320a的矢量分量。主平面通常被定义为指示
Figure BDA0004111926580000112
方向，尽管可以使用标记
Figure BDA0004111926580000113
方向的凹口来代替。还可以在
Figure BDA0004111926580000114
方向上提供第二平面。图3B是当从
Figure BDA0004111926580000115
方向(主平面OF的侧面)观察时，图3A中描绘的半导体衬底300的侧视图。从图3B可以看出，半导体晶体的基面(0001)在晶体学方向
Figure BDA0004111926580000116
上倾斜出平行于正面320a的平面，并且相应的晶轴[0001]相对于半导体衬底的中心轴线C倾斜4°(+/-0.5°)的倾斜角δ。
如上所述，基面(0001)在
Figure BDA0004111926580000117
方向上的4°倾斜允许在外延期间实现最佳阶梯流，并因此确保生长在4°离轴衬底上的后续外延层的最佳质量。基面(0001)和主轴[0001]的这种倾斜也反映在解理面的晶体学取向中。例如，图2中描绘的用于轴上取向的
Figure BDA0004111926580000118
和
Figure BDA0004111926580000119
形式的六个解理面中的五个不再与具有4°离轴取向的半导体衬底的正面320a、320b正交，因此不再以直角与圆柱形侧表面330相交。只有解理面
Figure BDA00041119265800001110
仍然以90°的角度与半导体衬底300的正面320a、320b相交，并且保持平行于纵向轴线C。另一方面，解理面
Figure BDA00041119265800001111
相对于正面320a显示出晶体学取向的最大变化。
类似的情况发生在具有4°离轴取向的单晶半导体半成品400中，如图4A-4B所示。图4A示出了从
Figure BDA00041119265800001112
方向(即，从主平面OF的侧面)观察的半导体半成品400的侧视图，并且描绘了晶体方向
Figure BDA00041119265800001113
和[0001]相对于正面420a(在侧面(0001)上)和圆柱体中心轴线C的取向，以及解理面
Figure BDA00041119265800001114
的倾斜度。从图4A可以看出，解理面
Figure BDA00041119265800001115
不再以直角与正面420a相交，因此，由于基面(0001)和相应[0001]晶轴的4°离轴取向，解理面
Figure BDA00041119265800001116
不再与中心轴线C平行对齐，而是相对于中心轴线C呈现4°的倾斜。另一方面，
Figure BDA00041119265800001117
方向保持横向于中心轴线C。
图4B示出了图4A中所示的半导体半成品400的另一侧视图，现在从与
Figure BDA00041119265800001124
晶体方向成90°的方向(即，从与倾斜基面(0001)之前的
Figure BDA00041119265800001118
方向相反的一侧)观察。从图4B可以看出，
Figure BDA00041119265800001119
方向保持横向于半导体半成品400的中心轴线C，解理面
Figure BDA00041119265800001120
是唯一没有随着基面(0001)在方向
Figure BDA00041119265800001121
上倾斜4°而改变取向的晶格面。因此，解理面
Figure BDA00041119265800001122
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。晶体学方向
Figure BDA00041119265800001123
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中通过表示向量尾部的符号在方向
Figure BDA0004111926580000121
上的垂直位移来示出)。等效的平行解理面(0001)与半导体半成品400的侧面430的相交在图4B中由水平线表示。除了
Figure BDA0004111926580000122
平面之外，各个形式
Figure BDA0004111926580000123
和
Figure BDA0004111926580000124
的所有其他剩余解理面在基面(0001)倾斜4°之后，改变它们相对于正面420a的取向，各个倾斜角落在解理面
Figure BDA0004111926580000125
表现出的最大变化4°和解理面
Figure BDA0004111926580000126
的零变化之间。
然而，在上面示出的轴上或4°离轴取向中，半导体半成品或半导体衬底在机械加工过程中仍然非常容易开裂，特别是当径向机械力施加在解理平面与它们各自的与对称轴线C对齐的圆柱形表面相交的区域时，如上述解理面
Figure BDA0004111926580000127
的情况。
如图5所示，在单晶半导体半成品(或衬底)的机械加工期间，在第一近似中，可以假设在诸如研磨的机械加工期间使用的工具在单晶体的表面上沿着线段L(力线段)施加机械力F，并且该机械力F径向传播到单晶体中。解理的决定性因素是向内施加到单晶半导体半成品上的力的强度，即总力F的径向分量Frad。为了评估其对解理的影响，加工过程中可能出现的切向力分量(Ftang)可以忽略不计。如图6所示，线段L的长度近似于与相应加工工具的接触区域的长度，例如砂轮的厚度h。事实上，在加工过程中，机械力不是沿着长度为h的单个线段L施加的，而是施加到相同h的非常窄的区域上。这个狭窄的区域可以被认为是由一系列平行线段形成的。根据本发明的原理实现沿着线段减少解理的条件(将在下面解释)适用于这些单独的线中的每一条。
为了评估向内施加到接触区域解理面上的径向机械力的影响，我们考虑了接触区域以及实际施加机械力的线段L的实际长度。线段L和/或窄区域的长度h基本上由加工工具的厚度h决定。
在半导体半成品的机械加工过程中，该半导体半成品在给定的晶体学方向上具有离轴取向，例如参考图4A-4B所示，或者具有如图2所示的轴上取向，沿着晶体圆柱表面的外周施加的径向力，例如由砂轮施加的径向力，可能导致晶体上裂缝的发展，这取决于沿着圆柱外周施加该径向力的位置/区域。如图7和8所示，关于不同解理面相对于径向力的施加区域的取向，可以区分以下极端情况。
图7示出了当从方向
Figure BDA0004111926580000128
观察时(即从主平面OF观察)半导体半成品400的另一示意性侧视图，该半导体半成品400具有纤锌矿结构(例如AlN)，并且在单个晶体学方向(即
Figure BDA0004111926580000131
方向)上具有4°离轴取向(δ＝4°)，并且该图示出了与施加机械力的力线段L相交的解理面
Figure BDA0004111926580000132
(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 BDA0004111926580000133
在4°离轴方向上不平行于圆柱体轴线C，因此不横向于半导体半成品400的正面420a，所以在第一近似中，例如由砂轮沿着线段L在方向
Figure BDA0004111926580000134
上施加的径向力不仅同时施加在一个
Figure BDA0004111926580000135
平面上，而且同时施加在多个倾斜的平行解理面
Figure BDA0004111926580000136
上，这些解理面
Figure BDA0004111926580000137
在长度为h的力线段L处与半导体半成品400的侧面相交。基于AlN晶体结构中的原子距离，估计沿着线段L致动的径向力可以分布在
Figure BDA0004111926580000138
形式的许多等效的平行解理面上，例如解理面
Figure BDA0004111926580000139
在所示的4°离轴取向的情况下，解理面高达每mm线段长度2.6×105个平面。这意味着施加到每个单独解理面
Figure BDA00041119265800001310
上的力被大大减小，因此，在单个平行解理面内裂纹扩展的风险可以显著降低。
图8是图7所示的半导体半成品400的另一示意性侧视图，现在从与
Figure BDA00041119265800001311
方向相反的一侧观看，并且该图示出了当沿着平行于C轴并位于
Figure BDA00041119265800001312
方向的线段L施加径向力时发生的另一极端情况。如图8所示，发明人已经认识到，解理面
Figure BDA00041119265800001313
相对于半导体半成品400的正面420a定向成直角，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与圆柱形侧表面430相交。在这种情况下，在第一近似中，径向力由砂轮沿着线段L在方向
Figure BDA00041119265800001314
上施加，但是只能分布在单个或非常少的平行解理面
Figure BDA00041119265800001315
上。因此，由于在这种情况下，所施加的力不会分布在大量的解理面
Figure BDA00041119265800001316
上，与图7中所示的解理面
Figure BDA00041119265800001317
的情况相反，在加工过程中施加的最大力实际上施加在单个或减少数量的解理面
Figure BDA00041119265800001318
上。这导致非常高的开裂概率，其在机械加工期间容易导致单晶半导体半成品400的破损。
由于基面(0001)在方向
Figure BDA00041119265800001319
上倾斜4°，
Figure BDA00041119265800001320
和
Figure BDA00041119265800001321
形式中的所有其他剩余解理面不平行于轴线C，并且在解理的稳健性方面表现出介于上述解理面
Figure BDA00041119265800001322
和
Figure BDA00041119265800001323
的两种极端情况之间的行为。
从上面可以得出结论，在与第一晶体学形式的解理面相关联的晶体方向上具有离轴取向的半导体半成品和/或衬底仍然可能表现出第二晶体学形式(例如横向于第一形式的解理面)的优先解理面，其方向保持平行于半导体圆柱体400的中心轴线C。这是用于改善外延生长质量的第一倾斜角的解理面
Figure BDA0004111926580000141
的情况，例如图7-8中所示的4°离轴取向，其在机械加工期间仍然是对开裂和裂纹最敏感的解理面，并且对于该解理面，沿着这些解理面出现开裂是非常可能的。因此，发明人已经认识到，用于改善半导体半成品的外延生长质量的第一倾斜角，例如4°离轴取向，其在现有技术中用于改善待生长到半导体衬底上的材料的外延质量的不同目的，如果倾斜程度足以减少解理，则可以带来关于减少沿着某些晶体学方向的解理的有益的、令人惊讶的效果，但是这种积极的效果不是在沿着半导体半成品或半导体衬底的圆柱表面的外周的每个位置实现的，特别是在第二形式的解理面(例如
Figure BDA0004111926580000142
平面)与外圆柱表面相交的位置。
本发明提供了一种用于设置单晶半导体半成品和/或衬底中半导体晶体结构的最佳取向的方法，该方法解决了与在单晶半导体的机械加工过程中沿着晶体解理面形成的裂纹/开裂相关的问题，正如图7-8所示的具有4°离轴取向的半导体纤锌矿结构中的解理面
Figure BDA0004111926580000143
的情况一样。
本发明的基本原理在于通过设置下面的晶体结构相对于半导体半成品(或半导体衬底)的中心轴线和/或侧表面的特定取向使得降低或甚至防止半导体半成品或衬底沿优选解理面开裂的敏感性成为可能，例如纤锌矿结构中的晶格面
Figure BDA0004111926580000144
和/或
Figure BDA0004111926580000145
在该特定取向处，垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于中心轴线的平面形成第一倾斜角，并且垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于中心轴线的所述平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一或第二解理面的每组平行解理面相对于中心轴线倾斜。
第一解理面的组对应于与给定晶轴相关联的一组平行解理面，例如在纤锌矿结构中的解理晶格面
Figure BDA0004111926580000146
第二解理面的组对应于一组平行解理面，该组平行解理面与另一晶轴相关联并且横向于第一解理面，例如在纤锌矿结构中的解理晶格面
Figure BDA0004111926580000147
给定晶体学形式的至少一组解理晶格面沿着平行于中心轴线C的线段与半导体半成品(或衬底)的侧表面相交，其中每单位长度具有至少预定最小数量的平行解理面，同时保持参考晶格面的离轴取向给相应半导体衬底的外延质量带来的好处，例如AlN半导体中基面(0001)的4°离轴取向。
下面将参考具有纤锌矿结构的半导体(例如AlN)和在
Figure BDA0004111926580000148
方向上的4°离轴取向来描述本发明的原理。然而，本发明可以应用于具有纤锌矿结构以外的晶体结构、其它优先解理面和/或其它离轴取向的其它单晶半导体材料的单晶半成品和衬底，以提高它们抗解理的稳健性。
为了减少或避免沿着优先解理面的开裂的形成，本发明设定半导体半成品(或半导体衬底)上的晶体结构相对于相应的外表面的特定取向，相应的外表面例如半导体半成品或衬底的正面中的一个或两个和/或侧表面。在特定取向中，给定晶体学形式的解理面，例如具有纤锌矿结构的半导体中的解理面
Figure BDA0004111926580000158
在空间上取向，以满足这样的条件，即在机械加工期间施加在半导体半成品或衬底的侧表面上的任何径向力分布在每单位长度力线段L的至少预定最小数量的给定形式的平行解理面上，而与围绕半导体半成品或衬底的外周周围的位置无关。
可以基于半导体晶格中的原子距离来估计与每单位长度力线段相交的平行解理面的最小数量，以获得最佳值，在该最佳值下，每解理面的径向力变得低于解理面的相应形式的给定解理阈值。例如，对于半导体纤锌矿结构中的解理面
Figure BDA0004111926580000151
的情况，发明人已经发现，可以通过每mm力线段L的最小数量1.000个等效平行解理面
Figure BDA0004111926580000152
来实现开裂/裂纹发生的显著减少。优选的相交面
Figure BDA0004111926580000153
数量对应于每mm力线段长度1.500个等效平行解理面。进一步估计，在不影响4°离轴半导体半成品或衬底的外延性质的情况下，可以实现抗解理的稳健性的期望增加，对于任何数量的相交解理面，达到最大数量为每mm力线段10.000个等效平行解理面。
在力线段的每单位长度上，施加的机械力分布在大量相同类型的平行解理面上，例如平面
Figure BDA0004111926580000154
允许降低开裂的概率。然而，由于与力线段L相交的解理面的数量与它们相对于圆柱体正面的倾斜度密切相关，因此希望保持这些解理面
Figure BDA0004111926580000155
的倾斜度尽可能低，例如不负面影响最终衬底上外延生长的质量。为此，与力线段相交的解理面的数量，以及因此相对于力线段L的倾斜角，优选基于半导体材料的类型和衬底和/或半成品的晶体结构来选择，以确保每个解理面的径向力低于相应类型解理面的解理阈值，同时仍然实现半成品和由其制成的衬底的改进外延的期望效果。
对于具有纤锌矿结构和优先解理面
Figure BDA0004111926580000156
和
Figure BDA0004111926580000157
的半导体晶体的情况，在图9A-9B和图10A-10B中示出了半导体半成品的示例性实施例，该半导体半成品具有下面的半导体晶体结构的预定取向，该预定取向改善了沿着横向圆柱表面的整个周边的机械稳健性。在所示的实施例中，基面(0001)对应于用于引导未来衬底上的外延生长的选定参考晶格面。图9A-9B和图10A-10B中使用的相对尺寸和角度仅用于便于理解的目的，并不是按比例绘制的。示例性预定取向也适用于类似半导体材料和/或晶体结构的衬底。
图9A-9B示意性地示出了根据示例性实施例的半导体半成品500，其中纤锌矿晶体结构的空间取向相对于半导体半成品500的纵向轴线C(或相对于其前端520a、520b和/或侧表面530的一个或两个)，除了基面(0001)在方向
Figure BDA0004111926580000161
上的第一倾斜角δ1(如图9A所示，例如δ1＝4°±0.5°)的离轴取向之外，还包括基面(0001)在
Figure BDA0004111926580000162
方向上相对于横向于中心轴线C的平面(例如半导体半成品500的正面520a)的非零第二倾斜角δ2的倾斜，如图9B所示。这导致晶轴
Figure BDA0004111926580000163
与正面520a形成与第一倾斜角δ1相对应的量的非零角度。类似地，晶轴
Figure BDA0004111926580000164
相对于正面520a倾斜对应于第二倾斜角δ2的角度。因此，不仅如图9A所示，解理面
Figure BDA0004111926580000165
相对于半导体半成品500的中心轴线C倾斜倾斜角δ1，而且如图9B所示，解理面
Figure BDA0004111926580000166
相对于中心轴线C倾斜倾斜角δ2。因此，假设在第一近似中，加工工具沿着长度为h的线段L在弯曲的侧表面530上施加径向力，该线段L被定义为在接触区域处与侧表面530相切的平面上的线段，沿着半导体半成品500的外周，无论线段L(即施加径向力的区域)的位置如何，每单位长度总是有多个形式
Figure BDA0004111926580000167
的平行解理面与力线段L相交。
因此，在具有上述预定取向的半导体半成品500中，不会出现在研磨过程中施加的径向力在特定位置施加到单个或仅几个类型为
Figure BDA0004111926580000168
的解理面上的情况，例如参考上述图4B所描述的情况。
此外，通过估计第一倾斜角δ1和/或第二倾斜角δ2的值，可以以受控的方式显著减少或者甚至避免在半导体半成品500或具有相同预定取向的半导体衬底的机械加工期间裂纹的出现，该第一倾斜角δ1和/或第二倾斜角δ2产生每单位线段长度的相应晶体学形式的至少预定最小数量的相交的平行解理面，并且在该值下，向每个平面施加的径向力变得低于特定解理面的给定解理阈值特性。
例如，第一倾斜角δ1可以基于第一晶体学形式的两个等效平行解理面(例如所示实施例中的面
Figure BDA0004111926580000169
)之间的已知距离、特定类型解理面的已知解理阈值，并且最终已经考虑到要使用的机械工艺的参数(例如，研磨工具在接触区域处的高度h、通常施加的力和研磨速度等)来估计。可选地，第一倾斜角δ1可以通过特定应用的实验经验地确定。第二倾斜角δ2也可以基于第二晶体学形式的两个等效平行解理面(例如所示实施例中的面
Figure BDA0004111926580000171
)之间的距离来估计，或者根据经验来确定。
图10A-10B示意性地示出了根据另一示例性实施例的半导体半成品600，该半成品600具有纤锌矿结构和用于改善机械稳健性的晶体结构的另一预定取向。在此配置中，半导体晶体结构相对于半导体半成品600的纵向轴线C(或相对于其前端620a、620b和/或侧表面630中的一个或两个)具有预定的空间取向，使得晶轴[0001]的离轴取向除了相应基面(0001)在晶轴
Figure BDA0004111926580000172
的方向上以第一倾斜角δ1(如图10A所示，例如δ1＝4°±0.5°)倾斜之外，还包括基面(0001)在晶轴
Figure BDA0004111926580000173
方向上以非零第二倾斜角δ2的第二倾斜，如图10B所示。在该空间取向中，晶轴
Figure BDA0004111926580000174
和
Figure BDA0004111926580000175
分别与横向于半导体半成品600的中心轴线C的平面(例如正面620a)形成对应于第一和第二倾斜角δ1和δ2的角度，相关的解理面
Figure BDA0004111926580000176
和
Figure BDA0004111926580000177
分别相对于中心轴线C倾斜角度δ1和δ2。因此，类似于图9A-9B的实施例，平行于中心轴线C的侧表面630上的任何力线段L将与力线段L的每单位长度的至少预定最小数量的形式
Figure BDA0004111926580000178
的平行解理面N1和预定最小数量的形式
Figure BDA0004111926580000179
的平行解理面N2相交，这取决于线段L在侧表面630上限定的位置，并且因此取决于在研磨过程中施加径向力的位置。同样在这种情况下，可以估计第一倾斜角δ1和/或第二倾斜角δ2的值，以实现每单位线段长度的相应形式的相交平行解理面的至少预定最小数量，即，每个解理面上分布的径向力变得低于考虑到机械过程的参数的相应形式解理面的给定解理阈值和/或特定类型解理面的已知解理阈值的面的数量N1和N2。可选地，第一倾斜角δ1和第二倾斜角δ2中的一个或两者可以根据经验确定。
图9A-9B和图10A-10B的两个示例性实施例共享本发明的原理，即，将施加在半导体半成品侧表面上的外部机械力分布在易于解理的多个等效的平行解理面上，例如纤锌矿结构中
Figure BDA00041119265800001710
和
Figure BDA00041119265800001711
晶体学形式的晶格面，以减少或甚至消除开裂的发生，而不管这种外部机械力施加在半导体半成品整个周边上的位置如何。
在具有上述参考图9A-9B和图10A-10B描述的半导体晶体结构的相同空间取向的半导体衬底或晶片中，也实现了抗解理的机械稳健性的类似改进。
可以通过下面描述的方法在半导体半成品上设置提高机械稳健性的半导体晶体结构的预定取向。
在晶体生长后和/或第一次粗糙机械加工后获得的原始半导体晶体(预处理半导体晶体)中，晶格面和基准面(例如，加工的正面或圆柱面中的一个)还没有像在最终半导体半成品中那样相对于彼此对准所需的精确取向。
为此，在机械加工开始时，原始半导体晶体(或预处理的半导体晶体)被安装成其一个正面(例如，在纤锌矿结构的情况下，平行于(0001)平面或
Figure BDA0004111926580000181
平面的一侧)在测角仪和/或支架上，并将其胶合或粘接，以便允许精确设置用于机械加工的晶体取向。对于这种取向，可以使用商业x射线设备，并且利用该设备可以精确地确定和对准晶格面的取向。
例如，为了设置参考晶格面在晶体学方向上的4°离轴取向，如图4A-4B所示，在第一步中，用x射线设备中的测角仪调整原始晶体取向，使得基面(0001)(或
Figure BDA0004111926580000182
平面)沿着与未来圆柱体表面正交的方向精确取向(即[0001]轴沿着轴线C对齐)，该未来圆柱体表面将在随后的机械加工(例如，通过研磨加工)中定义。
在随后的步骤中，使用测角仪将如此取向的原始半导体晶体(或预处理的半导体单晶)在第一晶体学方向(例如纤锌矿结构中的方向
Figure BDA0004111926580000183
)上倾斜第一倾斜角δ1(例如4°+/-0.5°)，以便为未来半导体衬底的良好质量外延提供所需的基面的δ1离轴取向。在该定位之后，如图4A和图4B所示定向晶格面。在这种情况下，基面的[0001]轴和未来的圆柱体轴线C之间的角度为δ1＝4°(+/-0.5°)。
此后，圆柱体的外径可以例如通过研磨工艺设定为未来衬底的直径。如上所述，直径设置过程是出现开裂的最关键步骤之一。在该设置过程中，确保了晶格面相对于圆柱体表面的先前测角仪调整的取向被精确地转移。此外，可以在该工艺步骤中研磨主或第二取向平面和/或凹口。在任何进一步处理之前，随后使用x射线设备检查/控制晶格面相对于圆柱体表面的期望取向。
在外径和/或取向平面的处理以及晶格面相对于圆柱体表面的期望取向的控制之后，执行用于限定半导体单晶的正面的工艺，从而产生具有类似于图1所示形状的外部形状的最终半导体半成品。
为了设置晶体结构的预定空间取向(该预定空间取向改善了不止在解理面类型上的机械稳健性)，例如图9A-9B或图10A-10B中描绘的预定取向，将原始半导体晶体(或预处理的半导体晶体)提交给设置期望的预定取向的工艺，该工艺包括对原始(或预处理的)SiC晶体进行空间取向，例如通过使用以下取向工艺序列中的任何一个。优选地使用测角仪和商用x射线设备来执行取向工艺序列的每个步骤，以确保在工艺序列的每个步骤处的精确取向。
根据用于设置半导体半成品500中半导体晶体结构的预定取向的第一取向工艺序列，如图9A-9B所示，原始或预处理的半导体晶体相对于对准方向在空间上取向，该对准方向优选地选择为平行于最终半导体半成品500的中心轴线C和圆柱形侧表面的方向，如下所示。最初，选择的参考晶格面(即所示实施例中的基面)的主晶轴可以沿着对准方向对准，使得基面获得与对准轴线基本成直角的初始取向。在随后的步骤中，通过将半导体晶体在
Figure BDA0004111926580000191
方向上倾斜量δ1，使基面在选定的第一晶轴的方向上倾斜第一倾斜角δ1，该选定的第一晶轴的方向与第一晶体学形式的一组平行解理面相关，例如与纤锌矿结构中的
Figure BDA0004111926580000192
解理面相关联的晶轴
Figure BDA0004111926580000193
的方向。然后，第一解理面
Figure BDA0004111926580000194
组相对于对准轴线倾斜第一倾斜角δ1，而横向于第一解理面
Figure BDA0004111926580000195
的第二晶体学形式的第二解理面组保持平行于对准轴线。在所示的实施例中，该组第二解理面对应于
Figure BDA0004111926580000196
平面，并且第二晶体学方向对应于
Figure BDA0004111926580000197
方向。这样取向的半导体晶体然后在与第二类型的平行解理面相关联的第二晶体学方向的方向上倾斜第二倾斜角δ2，例如纤锌矿结构中的平面
Figure BDA0004111926580000198
的方向
Figure BDA0004111926580000199
这导致基面(0001)相对于横向于对准轴线的平面在
Figure BDA00041119265800001910
方向上倾斜第二倾斜角δ2。
根据用于设置半导体半成品600中的半导体晶体结构的预定取向的可选的第二取向工艺序列，例如图10A-10B所示，参考晶格面(例如基面)也首先取向成与中心轴线C的方向(对应于未来圆柱形侧表面630的方向)成直角的初始取向。然后，基面从初始取向朝向第一晶体学方向(例如图10A中的
Figure BDA00041119265800001911
方向)倾斜第一倾斜角δ1到第一取向。如此取向的原始或预处理的半导体晶体然后朝向第二晶体学方向(例如图10B中的
Figure BDA00041119265800001912
方向)倾斜第二倾斜角δ2，使得基面(0001)相对于横向于对准轴线的平面在
Figure BDA00041119265800001913
方向上倾斜附加的倾斜角δ2。
在上述第一和第二取向工艺序列中，对于SiC半导体材料，第一倾斜角的值优选为4°±0.5°，其中±0.5°的误差与第一倾斜角值的可接受公差相关联，该公差仍然允许在各个半导体衬底的外延性质中获得期望的改善。第二倾斜角δ2的值优选为0.023°。然而，在[0.015°；0.153°]范围内的任何值可以用于第二倾斜角δ2，在该倾斜角下，可以实现取向对机械稳健性的期望效果。特别地，如上所述，第一和/或第二倾斜角的值可以基于相应形式的并且其解理效应旨在被最小化的等效平行解理面之间的距离，并且通过参考使每平面施加的力低于上述临界解理阈值的每单位长度的力线段的至少预定最小数量的相交解理面来估计。
在AlN半导体材料的情况下，第一倾斜角和第二倾斜角两者的值可被设置为较小的角度，例如0.042°。
根据用于设置改进机械稳健性的另一预定取向的第三取向处理序列，参考晶格面(例如基面)首先对准初始取向，该初始取向相对于中心轴线C的方向(即未来圆柱形侧表面的方向)形成直角。然后，基面围绕该初始方向沿顺时针方向旋转预定的旋转角度。预定旋转角度优选为0.33°，但是可以使用[0.22°；2.19°]范围内的任何值。在随后的步骤中，基面在第一晶体学方向(例如纤锌矿结构的
Figure BDA0004111926580000201
方向)上进一步倾斜倾斜角δ3。对于SiC半导体，倾斜角δ3优选等于4°(公差为±0.5°)。然而，根据半导体材料的类型、底层晶体结构和/或向最终衬底提供最佳外延结果的离轴取向，可以使用倾斜角δ3的其他值。
替代地，可以使用第四取向工艺序列，其中参考晶格面(例如基面)也首先对准初始取向，该初始取向相对于中心轴线C的方向(即未来圆柱形侧表面的方向)形成直角。然后，基面围绕该初始方向在逆时针方向上旋转预定的旋转角度。预定旋转角优选为0.33°，但它可以是范围[0.22°；2.19°]内的任何值，以获得取向对机械稳健性的期望效果。在随后的步骤中，基面在半导体晶体结构的
Figure BDA0004111926580000202
方向上进一步倾斜给定的倾斜角δ3。类似于第三取向工艺，倾斜角δ3的值取决于半导体材料的类型、底层晶体结构和/或提供最佳外延结果的离轴取向。
在原始半导体晶体(或预处理的半导体晶体)的晶体学方向已经通过上述任何取向工艺序列对准之后，最终4H-Si半成品的一个或多个外部基准面可以参照对准轴线C进行加工。例如，至少部分弯曲的侧表面可以在平行于对准轴线C的方向上加工到被定向的原始或预处理半导体晶体上。此外，或者替代地，最终4H-Si半成品的一个或两个正面可以在正交于轴线C的方向上进行加工。
因此，可以相对于半导体半成品的至少一个基准面，即弯曲的侧表面和/或其正面中的一个或两个，精确地设置半导体结构的参考晶格面(例如基面(0001))和其它晶格面的预定取向。
弯曲侧表面的直径可以设置为基本上对应于要从半导体半成品切片的衬底晶片的预期直径。特别地，本发明的技术可以应用于提高半导体半成品和由此获得的半导体衬底的机械稳健性。
此外，本发明的技术可以应用于提高任何高度的半导体半成品或原始半导体晶体的机械稳健性，所述任何高度被预先选择以产生期望数量的半导体衬底切片。
如上所述，根据半导体材料的类型和应用，半导体半成品和/或衬底可以具有轴上或离轴取向。在具有纤锌矿结构和轴上取向的半导体材料的情况下，由于参考晶格面正交于中心轴线C，所以横向于参考晶格面的所有解理面以直角与半导体半成品或衬底的侧表面相交。在这种情况下，图2所示的所有解理面在解理方面都变得至关重要。为了提高抗解理的机械稳健性，晶体结构的预定取向可以在具有轴上取向的原生半导体晶体或半导体衬底中通过空间取向半导体晶体结构来设定，使得参考晶格面在与两种不同形式的优选解理面相关的两个不同晶体学方向上，例如在彼此正交的方向上，顺序地倾斜允许最小化解理的预定倾斜角。然后，各个解理面相对于沿着半导体晶体或衬底的侧表面的线段线倾斜，并且满足沿着线段施加的外部径向力分布在每单位长度至少最小数量的平行解理面上的条件。在具有纤锌矿结构的AlN半导体材料的情况下，对于每种形式的解理面，每单位长度获得至少1.000个与圆柱体侧表面相交的平行解理面的条件可以通过以下空间取向工艺来实现。
在第一步骤中，基底平面(参考晶格面)可以首先定向成与对准轴线(对应于最终半成品或衬底的中心轴线C)正交。然后，基面可以在
Figure BDA0004111926580000211
方向上倾斜0.042°的第一倾斜角δ1，接着在方向
Figure BDA0004111926580000212
上或在方向
Figure BDA0004111926580000213
上倾斜0.042°的第二倾斜角δ2。
然而，本发明的原理可以应用于由其他半导体材料制成的和/或具有除上述晶体结构之外的晶体结构的半成品和/或衬底，以提高沿临界解理面方向的稳健性，例如应用于下表1中列出的任何半导体材料。
Figure BDA0004111926580000214
Figure BDA0004111926580000221
表1：具有纤锌矿、金刚石或闪锌矿结构的半导体材料的示例；角θ对应于指示的解理面和参考晶格面之间的角度，该参考晶格面与具有轴上取向的半导体衬底的衬底表面重合。
具有用于改善机械稳健性的半导体晶格的预定取向的半导体半成品组随后可以使用通常已知的晶片分离工艺，如使用基于金刚石的浆料的多线锯、基于线的火花腐蚀或其他替代分离工艺，被分成衬底晶片。在分离过程中，通过参考半导体半成品的任何基准面，可以将半导体晶格的该预定取向转移到衬底晶片中。
在图11和12中示出了用于在晶片分离工艺期间支撑半导体半成品并将下面的半导体晶格的预定取向转移到半导体衬底中的替代示例性实施例。
图11示出了经由圆柱体侧表面730将单晶半导体半成品700(例如上述单晶半导体半成品500和600中的任何一个)的晶体取向转移到半导体衬底740的配置。在经由圆柱体侧表面730的支撑来实现待处理的单晶半导体半成品700的支撑的分离工艺的情况下，圆柱体侧表面730需要相对于半导体晶格面的取向的精确对准。在这种分离方法中，晶格面的取向因此通过它们相对于圆柱体侧表面730的相应对准来转移。
图12示出了单晶半导体半成品700支撑在正面720b中的一个上的配置。在经由正面的支撑来实现待加工的单晶半导体半成品的支撑的分离工艺的情况下，正面需要相对于晶格面的取向的精确对准。在这些分离方法中，半导体晶格面的取向通过圆柱体正面720b中的一个相对于晶格面的对准来转移。在这种情况下，晶格面相对于用于支撑的正面720b的取向优选使用X射线照相方法来测量，使用测角仪来设定，并且在机械加工期间，例如使用研磨工艺来精确地转移。为了将半导体晶格面的预定取向精确地转移到衬底晶片740中，单晶半导体半成品700应满足以下基本条件之一：
·两个正面720a和/或720b(基准面)中的至少一个相对于圆柱形侧表面730定向成直角，即晶格取向通过基准面中的一个被精确地转移；
·两个正面720a和720b(基准面)都相对于圆柱形侧表面730定向成直角，即晶格取向可以通过两个基准面精确地转移。
图13A和13B描绘了具有用于提高衬底抗解理的机械稳健性的设定的预定半导体晶体学取向的成品半导体衬底800，如从参考图9A-9B的半导体半成品500描述的以预定取向设定的半导体半成品并且在使用上述任何分离工艺之后获得的。
在原始衬底半导体740由已经被设定有期望的预定取向的单晶半导体半成品700生产的情况下，例如上面参考图9A-9B和10A-10B描述的半导体晶体半成品500和600，半导体晶格的预定取向已经相对于半导体半成品700的至少一个基准面被设定，该至少一个基准面例如横向圆柱表面730和/或正面720a和720b中的一个或两个。然后，如图11和12所示，在半导体半成品700的切片期间，通过使用这些基准面中的一个，半导体晶格的该相对取向被转移到原始半导体衬底740。例如，在图11所示的结构中，用于转移晶体取向的基准面是半导体半成品700的侧表面730。在图12所示的结构中，半导体半成品700的正面720a和720b中的一个被用作基准面。
在切片之后，然后可以使用测角仪和X射线测量来确定原始半导体衬底740中的晶体学取向，以确定根据本发明原理的期望取向是否已经被精确转移。在识别出与期望取向的偏差的情况下，设置半导体衬底800中半导体晶体结构的预定取向的工艺然后可以包括对原始半导体衬底740应用具有预对准的平坦化工艺，以校正半导体晶格相对于半导体衬底正面和/或侧表面的取向。
最后，本发明允许通过设置优选解理面相对于半导体半成品或半导体衬底的侧表面和/或一个或两个正面的最佳取向来减少半导体单晶和/或半导体衬底的机械加工期间裂缝的出现，使得在机械加工期间施加在给定区域上的径向机械力总是分布在至少预定最小数量的优选解理面上，而与半导体半成品或半导体衬底周边上施加机械力的位置无关。
因此，经由半导体晶体结构的这种最佳取向，可以在体半导体晶体和半导体衬底的机械加工期间实现更高的机械稳健性，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，也不会显著增加相应机械加工的成本和/或时间。
尽管使用诸如“向下”、“顶部”、“底部”和“垂直”的术语描述了上述示例性实施例的某些特征，但是这些术语仅用于便于描述半导体单晶和/或半导体衬底内的相应特征及其相对取向的目的，并且不应被解释为将要求保护的发明或其任何组件限制为特定的空间取向。
附图标记
C 几何纵向轴线
L 线段
h砂轮高度(线段长度L)
100AlN半成品
110取向平面(OF)
120a，120圆柱体的上和下正面
130横向圆柱形表面
200轴上取向的AlN半成品(现有技术)
220 正面
230 圆柱形侧表面
240 砂轮
300具有4°离轴取向的AlN衬底(现有技术)
320a，320b圆柱体的上和下正面
330圆柱形侧表面
400具有4°离轴取向的AlN半成品(现有技术)
420a，420b圆柱体的上和下正面
430 圆柱形侧表面
500 AlN半成品
520a，520b圆柱体的上和下正面
530 圆柱形侧表面
600 AlN半成品
620a，620b圆柱体的上和下正面
630 圆柱形侧表面
700 单晶半导体半成品
710 支撑件
720a，720b和730正面和侧表面
740 衬底晶片
800 成品半导体衬底
820a、820b衬底的上和下正面
830衬底的圆柱形侧表面

Claims (24)

1.一种单晶半导体半成品或单晶半导体衬底，具有改善的抗解理机械稳健性，所述半导体半成品或衬底具有中心轴线和平行于所述中心轴线的至少部分弯曲的侧表面，
其特征在于：
所述单晶半导体的晶体结构相对于所述中心轴线和所述至少部分弯曲的侧表面以预定取向取向，在所述预定取向处：
垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于所述中心轴线的平面形成第一倾斜角，并且
垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于所述中心轴线的所述平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一解理面或第二解理面的每组平行解理面相对于所述中心轴线倾斜。
2.根据权利要求1所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述第一倾斜角和所述第二倾斜角被选择成使得每组第一解理面和第二解理面沿着平行于所述中心轴线的线段与所述至少部分弯曲的侧表面相交，线段的每单位长度分别具有至少预定最小数量的平行解理面。
3.根据权利要求2所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述每单位长度的平行解理面的预定最小数量为每毫米至少1000个平面；和/或
所述中心轴线是由所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱表面的对称轴线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
基于正交于所述第一晶轴的第一解理面之间的距离来估计所述第一倾斜角和/或基于正交于所述第二晶轴的第二解理面之间的距离来估计所述第二倾斜角，以产生每单位长度的至少预定最小数量的平行解理面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
基于在单晶半导体的衬底上外延生长的要求，进一步选择所述第一晶轴和所述第一倾斜角。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的单晶半导体半成品或衬底，进一步包括第一正面和第二正面；
其中，所述第一正面和第二正面分别垂直于所述至少部分弯曲的侧表面，和/或所述第一正面和第二正面中的一个或两个垂直于所述中心轴线；和/或
其中，所述至少部分弯曲的侧表面具有限定以中心轴线作为其的对称轴线的圆柱表面的弯曲部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述半导体半成品或半导体衬底由从包括硅、III-V型半导体、II-VI型半导体和II-VI型混合晶体的组中选择的半导体材料制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述半导体半成品或衬底由具有纤锌矿结构、金刚石结构和闪锌矿结构之一的半导体材料制成。
9.根据权利要求8所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述半导体晶体结构是纤锌矿结构，所述第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure FDA0004111926560000021
轴或对称等效于
Figure FDA0004111926560000022
轴的任何晶轴，和/或
其中，所述第一倾斜角为4°，公差为±0.5°，和/或
其中，所述第二倾斜角是选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
10.根据权利要求8所述的单晶半导体半成品或衬底，其中
所述半导体晶体结构是金刚石结构，所述第一晶轴是金刚石结构中的[111]轴或对称等效于[111]轴的任何晶轴，或者
所述半导体晶体结构是闪锌矿结构，所述第一晶轴是闪锌矿结构中的[110]轴或对称等效于[110]轴的任何晶轴。
11.一种生产单晶半导体半成品或单晶半导体衬底的方法，所述单晶半导体半成品或单晶半导体衬底具有改善的抗解理机械稳健性，所述单晶半导体半成品或衬底具有中心轴线和平行于所述中心轴线的至少部分弯曲的侧表面，所述方法包括：
执行将所述半导体晶体结构相对于所述中心轴线和所述至少部分弯曲的侧表面的取向设置为预定取向的工艺，在所述预定取向处：
垂直于一组第一解理面的第一晶轴与横向于所述中心轴线的平面形成第一倾斜角，并且
垂直于一组第二解理面和第一晶轴的第二晶轴与横向于所述中心轴线的所述平面形成第二倾斜角，使得对称等效于第一解理面或第二解理面的每组平行解理面相对于所述中心轴线倾斜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中
所述第一倾斜角和第二倾斜角被选择成使得每组第一解理面和第二解理面沿着平行于所述中心轴线的线段与所述至少部分弯曲的侧表面相交，线段的每单位长度分别具有至少预定最小数量的平行解理面。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
所述每单位长度的平行解理面的预定最小数量为每毫米至少1000个平面；和/或
所述中心轴线是由所述至少部分弯曲的侧表面的弯曲部分限定的圆柱表面的对称轴线。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，进一步包括：
基于正交于所述第一晶轴的第一解理面之间的距离来估计所述第一倾斜角和/或基于正交于所述第二晶轴的第二解理面之间的距离来估计所述第二倾斜角，以产生每单位长度的至少预定最小数量的平行解理面。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中
基于在单晶半导体的衬底上外延生长的要求，进一步选择所述第一晶轴和所述第一倾斜角。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中
所述半导体晶体结构是纤锌矿结构、金刚石结构和闪锌矿结构中的一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中
所述半导体晶体结构是纤锌矿结构，所述第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure FDA0004111926560000031
轴或对称等效于
Figure FDA0004111926560000032
轴的任何晶轴；或者
其中，所述半导体晶体结构是金刚石结构，所述第一晶轴是金刚石结构中的[111]轴或对称等效于[111]轴的任何晶轴；或者
其中，所述半导体晶体结构是闪锌矿结构，所述第一晶轴是闪锌矿结构中的[110]轴或对称等效于[110]轴的任何晶轴。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中，设置所述半导体晶体结构相对于所述半导体半成品的所述中心轴线的所述预定取向的工艺包括：
使所述半导体晶体结构相对于对准轴线在空间上取向，以实现所述半导体晶体结构相对于横向于所述对准轴线的平面的所述预定取向；以及
参照所述对准轴线机加工所述空间取向的半导体晶体结构的外表面，以形成以下至少一种：
基本平行于所述对准轴线的至少部分弯曲的侧表面，以及
与所述对准轴线基本正交的至少一个正面；
其中，所述空间取向的半导体晶体结构的对准轴线被选择为平行于所述半导体半成品的中心轴线。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，相对于所述对准轴线在空间上取向所述半导体晶体结构的工艺包括：
沿着所述对准方向对准所选择的参考晶格面的主晶轴，所述参考晶格面横向于所述第一解理面和所述第二解理面的组，以及
使所述参考晶格面在第一方向上倾斜所述第一倾斜角，所述第一方向对应于正交于所述第一解理面的组的所述第一晶轴，使得所述第一解理面的组相对于所述对准轴线倾斜所述第一倾斜角，并且所述第二解理面的组保持平行于所述对准轴线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，以相对于所述对准轴线的所述预定取向在空间上取向所述半导体晶体结构的工艺还包括：
使所述参考晶格面在第二方向上倾斜所述第二倾斜角，所述第二方向对应于所述第二晶轴，使得所述第二解理面的组相对于所述对准轴线倾斜第二倾斜角。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中
所述半导体晶体结构为纤锌矿结构，所述第一晶轴为纤锌矿结构中的
Figure FDA0004111926560000041
轴或对称等效于
Figure FDA0004111926560000042
轴的任何晶轴，并且所述第一倾斜角为4°，公差为±0.5°，并且
所述第二倾斜角是选自区间[0.015°；0.153°]的值或优选为0.023°。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，相对于所述对准轴线在空间上取向所述半导体晶体结构的工艺包括：
沿着所述对准方向对准所选择的参考晶格面的主晶轴，所述参考晶格面横向于所述第一晶体学形式的解理面；
在顺时针方向或逆时针方向上围绕所述对准方向将所述参考晶格面旋转预定旋转角度；以及
使所述旋转的参考晶格面在第一方向上倾斜给定的倾斜角，所述第一方向对应于所述第一晶体学形式的所述平行解理面的组的晶轴。
23.根据权利要求22所述的方法，其中
所述半导体晶体结构为纤锌矿结构，
所述参考晶格面是基面(0001)，
所述第一晶轴是纤锌矿结构中的
Figure FDA0004111926560000051
轴或与
Figure FDA0004111926560000052
轴对称等效的任何晶轴，并且所述第一倾斜角为4°，公差为±0.5°，并且
所述预定旋转角度为0.33°或范围[0.22°，2.19°]内的值。
24.根据权利要求11至23中任一项所述的方法，其中
所述半导体半成品由从包括硅、III-V型半导体、II-VI型半导体和II-VI型混合晶体的组中选择的半导体材料制成。
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