CN116134187A - 具有不对称几何形状的单晶碳化硅衬底及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有用于增强衬底抵抗热致变形的刚度的不对称形状的单晶碳化硅衬底，该衬底包括：主区域、以及位于衬底的外围区域并与主区域相邻的不对称区域，其中所述不对称区域相对于主区域向内倾斜，从而为衬底提供不对称形状。本发明还提供了一种生产一片或更多片具有不对称形状的衬底的方法，该方法包括：执行多丝锯切过程，在该过程中，用丝锯网从放置在工作台上的晶锭切割出一片或更多片衬底；并且通过控制丝锯网与工作台之间的相对移动来切割出一片或更多片具有不对称形状的衬底，所述相对移动使得丝锯网描绘横跨晶锭的非直线锯切路径，以切割出不对称形状。

Description

具有不对称几何形状的单晶碳化硅衬底及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有用于提高衬底抵抗热致内应力的刚度的不对称几何形状的单晶碳化硅衬底及其制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)衬底通常用于制造电子元件。使用适当的源材料，利用物理气相沉积(PVT)工艺生长碳化硅单晶(又称为碳化硅锭)是标准做法。然后借助于多丝锯等从生长的碳化硅单晶制造碳化硅衬底，随后利用多阶段抛光步骤来精制表面。在随后的外延过程中，首先在碳化硅衬底上沉积薄单晶层(例如碳化硅、氮化镓)。这些层和从其制成的元件的特性严重取决于碳化硅衬底的质量。
碳化硅晶体的生产可以通过例如在第8,865,324B2号美国专利中所述的物理气相沉积(PVT)的标准方法进行。然后使用X射线等排布以这种方式获得的原始碳化硅晶体的取向，使得晶格平面具有进一步加工所需的取向。
随后通过各种表面处理步骤(例如通过研磨)在单晶碳化硅半成品上设定衬底直径，附接一个或多个定向边，并且准备以这种方式处理的晶体圆柱体的端面以进行分离过程，例如利用多丝锯进行。
然后例如使用多丝锯切过程将以这种方式制备的碳化硅半成品分离成单独的原始衬底。在质量控制之后，对原始单晶碳化硅衬底进行进一步的机械加工。例如，在对原始衬底边缘进行机械加工之后，使用单阶段或多阶段研磨或抛光过程去除由分离过程引入的干扰层，并逐渐降低粗糙度。然后使用单面或双面化学机械抛光工艺(CMP)设置最终表面。
然后，在随后的外延过程中，在碳化硅衬底上沉积半导体材料(例如碳化硅、氮化镓)的单晶层。这些外延层和从其制成的元件的特性严重取决于下面的碳化硅衬底的质量。对于外延(EPI)层的产生，衬底的几何形状尤其重要。例如，只有对于未表现出任何明显弯曲的玻璃板才能保证在EPI反应器中进行的热耦合(对于均匀、高质量的层生长至关重要)。
由于这个原因，尤其需要关注所制造的半导体衬底的表征衬底平坦度的特性，例如弯曲和翘曲。作为在硅晶片中使用的标准定义，弯曲测量值表示自由、未夹紧的晶片的中面的中心点与中面的基准面的偏差，所述中面的基准面是由圆上的等距间隔的三个点确定的，例如在晶片的边缘周围限定的三点平面。弯曲度(BOW)可以是负的，也可以是正的，这取决于中心点是在基准面之下还是之上。翘曲测量值通过考虑衬底的整个中面而不是像弯曲测量值的情况那样仅考虑中心点来指示中面距基准面的最大距离与最小距离之间的差值。制造的半导体衬底的另一个重要参数是总厚度变化(TTV)，它是衬底的最大厚度与最小厚度之间的差值。中面可以被定义为晶片中的在前面与背面之间等距的点的轨迹。在半导体外延过程中，通常将碳化硅衬底置于平板或支撑板上，使衬底的背面面向平板(即，与衬底的将进行外延生长的前面相反的衬底面)。然后将载有碳化硅衬底的平板放入反应器中以进行外延过程，在外延过程期间通常达到1500℃或更高的温度。通常使用稀释在氢气中的硅烷和轻质烃(例如丙烷或乙烯)作为载气，以将半导体层(例如碳化硅层)沉积到碳化硅衬底的前面上。
因此，如果碳化硅衬底在其整个区域上翘曲，那么会存在与平板接触的衬底背面区域和通过间隙与平板分开的衬底背面区域。此外，在反应器内为外延生长建立的(径向和轴向)热梯度导致整个碳化硅衬底上的不均匀的平面内温度分布，这可能因整个碳化硅衬底上的热致内应力而导致衬底翘曲，并最终导致衬底与衬底支撑板之间的间隙增大。结果，在外延过程期间使用的载气也能够进入该间隙，导致半导体材料在不与支撑板紧密接触的衬底背面区域上的不均匀沉积。由于背面生长，衬底几何形状与理想平面几何形状的偏差(例如翘曲度和总厚度变化(TTV))在外延过程之后变得更糟，导致后续光刻过程散焦，并降低从这样的外延衬底生产的碳化硅器件的产量。图1示意性地示出了碳化硅衬底100在经历了用于在衬底前面上生长外延层120的外延过程之后的示例性情况，在该情况中，由于衬底100的翘曲，在衬底100的背面140上生长了不希望有的材料层130。
在图2所示的理想情况下，碳化硅衬底200最初是平坦的，并且在外延过程期间不会因加热而变形。结果，在外延过程期间，在碳化硅衬底200与平板110之间没有间隙，因此在碳化硅晶片200的背面上不会发生材料的沉积/生长。但是，在现实中没有观察到平坦的碳化硅衬底200在加热过程中保持平坦的这种理想情况。在实际条件下，碳化硅衬底可能在外延过程之前已经翘曲和/或因外延过程期间施加的(轴向和径向)热梯度而产生额外的翘曲。因此，经常观察到碳化硅背面生长。
图3-5示出了在用于在前面上生长外延层的外延过程期间由载气携带的材料沉积在碳化硅衬底的背面上的不同情况。
图3示出了在加热过程之前是平坦的碳化硅晶片300在加热过程期间因外延生长条件导致的内应力而获得外凸形状(即，碳化硅晶片300的前面向外弯曲)、同时在晶片300的中央区域与平板110之间形成间隙320的情况。结果，在外延过程期间发生了由载气输送的材料层330的背面生长。
图4和图5示出了碳化硅晶片400和500具有内凹形状(即，碳化硅晶片的将发生外延生长的前面向内弯曲)并因此具有负弯曲度(BOW)的实例。在图4所示的实例中，如果碳化硅晶片400在加热过程中没有变形，并且在加热之前已经具有非平坦形状(衬底弯曲度(BOW)大于30微米)，那么在外延过程期间在碳化硅晶片400与平板110之间存在间隙420。结果，载气也会导致碳化硅晶片400的背面上的材料沉积430。请参考图5的实例，如果碳化硅晶片500在加热之前不平坦(衬底弯曲度(BOW)大于30微米)，并且在外延生长条件下也经历热致变形(衬底弯曲度(BOW)增大)，那么碳化硅晶片500与平板110之间的间隙520会导致在外延过程期间发生背面生长530。尤其是，碳化硅衬底500的弯曲在加热条件下的发展对于背面生长很重要。即使弯曲度(BOW)在室温下小于30微米，衬底也会因加热而变形。
因此，对于在外延生长过程之前具有或在外延生长过程中得到非平坦形状的碳化硅晶片，预计会发生背面生长，不论前面是主要凸出的(正BOW)还是主要内凹的(负BOW)。如上文所述，背面生长使得衬底的翘曲和TTV更加严重，导致在后续的制造碳化硅器件的过程期间光刻图案散焦，因此降低从其生产的碳化硅器件的产量。与碳化硅的背面生长相关的这些缺点在本领域已经被接受，因为迄今为止尚未提供解决这个问题的技术方案。
因此，需要一种能够防止或至少减轻与外延过程期间在碳化硅衬底上的背面生长相关的缺点并由此提高从碳化硅衬底制造的碳化硅器件的产量的解决方案。
发明内容
鉴于现有技术的缺点和不足，提出了本发明，其目的是提供一种具有不对称形状的单晶碳化硅衬底及其制造方法，该单晶碳化硅衬底及其制造方法消除或至少减轻了相关现有技术的上述缺点和不足。
这个目的通过独立权利要求的主题解决的。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明，提供了一种具有用于增强衬底抵抗热致变形的刚度的不对称形状的单晶碳化硅衬底，该衬底包括：主区域；以及位于衬底的外围区域并与主区域相邻的不对称区域，其中所述不对称区域相对于主区域向内倾斜，从而为衬底提供不对称形状。
在一种进一步改进中，所述不对称区域被界定在衬底周缘与主区域之间，并且所述不对称区域以连续方式接合主区域，所述不对称区域与主区域之间的倾斜限定衬底的不对称形状中的肘部或肩部。
在一种进一步改进中，所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘的最大高度相对于主区域的基准面在15微米至60微米的范围内，优选是25微米。
在一种进一步改进中，所述最大高度与不对称区域的基准面和界定不对称区域的衬底周缘的相交处的相对于主区域的基准面的最大高度对应。
在一种进一步改进中，所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘在主区域的基准面上的投影与主区域之间的最大距离在5毫米至30毫米的范围内，优选是15毫米。
在一种进一步改进中，所述主区域的基准面与没有衬底外围区域的衬底的中面对应，和/或所述不对称区域的基准面与不对称区域的中面对应。
在一种进一步改进中，所述不对称区域位于与衬底中的定向边或凹口相对的衬底外围区域上，并且所述不对称区域相对于定向边或凹口的角位移在±90°之间，优选在±60°之间。
在一种进一步改进中，所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘相对于主区域处的衬底的硅侧的最大高度是正高度。
在一种进一步改进中，由主区域和不对称区域形成的衬底的特征在于：弯曲度(BOW)值在-40微米至0微米的范围内，优选在-35微米至0微米的范围内，和/或翘曲度(WARP)值小于70微米，优选WARP值是45微米。
在一种进一步改进中，所述不对称区域和所述主区域的厚度在200微米至1000微米的范围内，优选在250微米至500微米的范围内，和/或所述衬底在主区域具有局部圆柱形形状，该圆柱形的直径d大于149.5毫米，和/或所述衬底具有小于5微米的总厚度变化，和/或所述衬底的不对称区域和主区域是由变体4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC之一中的单片碳化硅单晶形成的，和/或在主区域处所述碳化硅晶体结构具有基面(1000)的α°离轴取向，该α°离轴取向是0.5°和8°，优选是4°离轴取向。
在一种进一步改进中，所述主区域具有基本上平坦的表面，和/或所述不对称区域具有界定在相邻主区域与衬底周缘之间的圆形段的形状；和/或其中所述不对称区域具有基本上平坦的形状或有凸曲率或凹曲率的非平坦形状。
本发明还提供了一种生产一片或更多片具有不对称形状的衬底的方法，该方法包括：执行多丝锯切过程，在该过程中，用丝锯网从放置在工作台上的晶锭切割出一片或更多片衬底；并且通过控制丝锯网与工作台之间的相对移动来切割出一片或更多片具有不对称形状的衬底，所述相对移动使得丝锯网描绘横跨晶锭的非直线锯切路径，以切割出不对称形状。
在一种进一步改进中，控制丝锯网与工作台之间的相对移动包括：控制丝锯网沿着直线锯切方向向工作台移动；并且控制工作台与丝锯网的移动相协调地在垂直于锯切方向的方向上移动，从而使得丝锯网描绘所述横跨晶锭的非直线锯切路径，或者控制丝锯网与在锯切方向上的移动相协调地在垂直于锯切方向的方向上移动，从而使得丝锯网描绘横跨晶锭的非直线锯切路径。
根据一种进一步改进，所述方法包括：在多丝锯切过程中，通过控制丝锯网与工作台之间在垂直于锯切方向的方向上的相对移动来控制施加在丝锯网的锯丝上的应力，以在丝锯网的锯丝进入晶锭中的深度达到锯丝直径的至少一半之后开始锯切。
在一种进一步改进中，所选择的不对称形状包括位于衬底的外围区域处的不对称区域，该区域与衬底的基本上平坦的主区域相邻，通过控制丝锯网与工作台之间在垂直于锯切方向的方向上的相对移动的持续时间和位移量来切割所选择的不对称形状，其中在垂直于锯切方向的方向上的相对移动的持续时间决定位于不对称部分处的衬底周缘与主区域之间沿着锯切方向的最大距离，并且其中所述相对移动在垂直于锯切方向的方向上的位移量决定不对称区域相对于主区域的最大高度。
为了解释本发明的原理，附图被结合到说明书中并构成说明书的一部分。附图不应被解释为将本发明仅局限于所示出和说明的制造和使用本发明的方式的实例。
附图说明
通过参照附图阅读在下文中给出的本发明的更详细的说明，其它特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是示出在用于在衬底的前面上生长外延层的外延过程期间材料因衬底背面与支撑板之间的间隙而在衬底背面上生长的情况下在外延过程之后支撑板上的翘曲单晶碳化硅衬底的横截面图；
图2是示出在理想情况下碳化硅衬底的横截面图，在该情况中：a)在加热过程之前，碳化硅衬底具有基本上平坦的形状；并且b)在加热过程中保持平坦形状，从而不会因翘曲而在衬底的背面之间出现间隙；
图3是示出在以下情况下常规碳化硅衬底的翘曲的横截面图：其中，a)在加热过程之前，碳化硅衬底基本上平放在支撑板上；并且b)碳化硅衬底形状在加热过程中变形，导致在衬底背面与支撑板之间出现间隙，并且随后在衬底背面上发生材料沉积；
图4是示出在以下情况下常规碳化硅衬底的翘曲的横截面图：其中，a)碳化硅衬底在加热过程之前翘曲，导致衬底背面与支撑板之间出现间隙；并且b)碳化硅衬底形状在加热过程中没有变形，但是背面生长仍然发生；
图5是示出在以下情况下常规碳化硅衬底的翘曲的横截面图：其中，a)碳化硅衬底在加热过程之前翘曲，导致在碳化硅衬底与支撑板之间存在间隙；并且b)初始碳化硅衬底形状在加热过程中变形，在增大的不与支撑板直接接触的区域上发生背面生长；
图6示意性地示出了本发明的一个实施例的具有不对称形状的碳化硅衬底的透视图；
图7是图6中所示的碳化硅衬底的横截面图，示出了具有尖锐的肘部的L形横截面，其中：a)示出了具有不对称形状的碳化硅衬底在加热过程之前的横截面；并且b)示出了碳化硅衬底在经历加热过程后并且在背面生长仅发生在碳化硅衬底区域的不对称区域的情况下的横截面；
图8示意性地示出了本发明的另一个实施例的具有不对称形状(具有圆滑的肘部的L形)的碳化硅衬底的横截面图；
图9示意性地示出了本发明的另一个实施例的具有不对称形状(具有外凸边的L形)的碳化硅衬底的横截面图；
图10示意性地示出了放置在用于从碳化硅晶锭切割碳化硅晶片的常规多丝锯切设备的工作台上的碳化硅晶锭(从晶锭的前侧观察)；
图11示意性地示出了图10所示的多丝锯切设备的丝锯网的竖直移动(从碳化硅晶锭的侧面观察)，该竖直移动导致碳化硅晶片被切割成常规的平面几何形状；
图12示意性地示出了一个实施例的用于切割具有不对称几何形状的碳化硅晶片的多丝锯切设备以及丝锯网和放置晶锭的工作台的受控移动(从晶锭的侧面观察)；
图13示意性地示出了另一个实施例的用于切割具有不对称几何形状的碳化硅晶片的多丝锯切设备以及丝锯网相对于放置晶锭的工作台的二维受控移动(从晶锭的侧面观察)；
图14以图形方式示出了在本发明的实施例的受控移动程序中在垂直于丝锯网朝向工作台的直线移动的方向上丝锯网与工作台之间的相对移动的速度与时间的函数关系；
图15示意性地示出了图6中所示的本发明的实施例的碳化硅衬底的不对称形状的参数(不对称区域的最大距离和最大高度)，这些参数是通过在MWS过程期间控制丝锯网与工作台之间的相对移动的持续时间和位移量来设置的；以及
图16示意性地示出了具有不规则厚度和用于限定不对称形状的参数(不对称区域的最大距离和最大高度)的基准面的碳化硅衬底的横截面图。
应说明的是，附图中所示的尺寸和相对角度仅用于理解本发明的目的，并且不是按比例绘制的。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更全面地说明本发明，附图示出了本发明的一些示例性实施例。但是，本发明可以按许多不同的形式实施，并且不应被解读为局限于在本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开内容彻底且完整，并向本领域技术人员全面传达本发明的范围。相同的附图标记始终指代相同的元件。
本发明的基本原理在于通过提高碳化硅衬底抵抗由热梯度(例如在常规外延生长过程中向碳化硅衬底上施加的(径向和轴向)热梯度)引起的变形的刚度来减少背面生长对碳化硅晶片的参数(例如弯曲度(BOW)、翘曲度(BOW)和总厚度变化(TTV))的负面影响，这些参数对于外延过程的质量和碳化硅器件的制造至关重要。刚度的提高是通过在衬底的外围区域设计具有特定不对称形状的碳化硅衬底来实现的，这抵消了碳化硅衬底上的热致内应力的发展，同时将任何最终的背面生长局限在衬底的外围区域。
更具体地说，可以通过不对称的几何形状来提高衬底的硬度，在该不对称的几何形状中，衬底的外围部分朝着衬底的将在其上发生外延生长的前面向上倾斜，如在下文中参照图6所述。
图6示出了具有不对称形状的碳化硅衬底600的示意性透视图，该不对称形状提高了抵抗热致变形的刚度。如图6所示，所述不对称形状是由位于碳化硅晶片600的外围区域并邻近衬底600的主区域620的衬底区域610提供的，该衬底区域向内倾斜，即，朝向碳化硅衬底600的前面630(即，在图6所示的Y方向上)倾斜。主区域620基本上与碳化硅衬底600的没有不对称区域610的剩余部分对应，并且优选是平坦的。不对称区域610以连续的方式接合主区域620，使得不对称区域620被界定在衬底周缘650与主区域620之间，不对称区域610与主区域620之间的倾斜限定衬底600的不对称形状中的肘部或肩部660。不对称区域610相对于主区域620的基准面(平行于图6中的X方向)的面外取向在衬底横截面中引入了不对称，这抵消了碳化硅晶片600的热致变形。结果，衬底600的被中心主区域620覆盖的较大区域保持平坦，并且在加热过程(例如在半导体外延过程中常规使用的加热过程)中避免了主区域620与支撑板之间出现间隙。因此，由于碳化硅衬底600的不对称形状提高了刚度，因而可以减少加热过程中的衬底翘曲，并且可以消除或显著减少背面生长。
图7示出了图6中所示的不对称碳化硅衬底600在衬底600在外延生长过程中经受加热之前和之后的横截面(为了简单起见，在图7中省略了衬底600的前面630上的外延层)。如图7所示，由于不对称区域610与衬底支撑板(未示出)之间的分离，在衬底周缘650附近可能发生背面生长。但是，由不对称形状提高的刚度防止在衬底600的中心区域处发生背面生长，因为在外延生长过程中，在主区域620与衬底支撑板之间没有形成间隙。结果，背面生长对衬底弯曲度(BOW)的负面影响显著降低。此外，衬底的不对称形状将背面生长转移到对外延后的BOW具有较少负面影响的衬底外围区域。使背面生长局限于衬底600的外围区域(即，不对称区域610)的另一个优点是，在外延过程之后很容易弃置该区域。因此，可以从衬底600的主区域620制造碳化硅器件，而不会出现在常规碳化硅衬底中观察到的与翘曲、弯曲和背面沉积相关联的不良影响。结果，能够实现从沉积/生长在不对称衬底600的主区域620上的外延材料制成的碳化硅器件的更高产量。
不对称区域610的倾斜可以被表征为不对称区域610的中面相对于主区域620的基准面690的倾斜，以便补偿衬底厚度的不规则性。在衬底600设有定向边或凹口670的情况下，不对称区域610优选位于衬底600的与定向边或凹口670相对的外围区域上。例如，不对称区域610可以直接与凹口670相对(如图6所示)，或者相对于定向边或凹口670在±90°、优选±60°的角位移范围内。在后一种情况下，不对称区域610和/或定向边的中间点用于限定角位移。
通过上述不对称形状提高衬底刚度的基本原理适用于各种直径和厚度的碳化硅衬底，即，适用于以下列参数之一或其组合为特征的碳化硅衬底：直径d大于149.5mm，衬底厚度(在不对称区域和主区域)在200微米至1000微米的范围内，优选在250微米至500微米的范围内，总厚度变化(TTV)小于5微米。不对称碳化硅衬底600的直径d可以被定义为主区域620的(局部)圆柱形状(即，没有与不对称区域610对应的圆形段)的直径d。
在碳化硅衬底600的一种有利配置中，主区域620的前面630是碳化硅单晶的硅侧。这样，不对称区域610相对于前面630向内倾斜，从而界定不对称区域610的衬底周缘650相对于主区域620的基准面690的最大高度是正高度(例如参见图15)。
可以基于模拟分析和/或通过考虑到碳化硅衬底的期望尺寸和不对称衬底在外延生长过程中将经受的温度条件的实验来选择/确定用于提高衬底刚度的不对称形状的适当参数。例如，对于具有大于149.5毫米的直径的碳化硅衬底600，可以通过提供具有相对于主区域620的尺寸和向内倾斜的不对称区域610来实现衬底刚度的提高，使得界定不对称区域610的衬底周缘650的最大高度相对于主区域620的基准面在15微米至60微米的范围内，优选是25微米。在这种情况下，所述最大高度可以被定义为位于界定不对称区域610的衬底周缘650的最高点处的不对称区域610的基准面695相对于主区域620的基准面690的最大高度。不对称区域610的邻近主区域620的侧面680与界定不对称区域610的衬底周缘650在主区域620的基准面690上的投影之间的最大距离优选在5毫米至30毫米的范围内，最优选是15毫米。不对称衬底600的最大距离和最大高度可以如图15所示定义，其中主区域620的基准面与没有不对称区域610的衬底600的中面690对应。不对称区域610的基准面可以被定义为不对称区域610的中面695。
在图6和图7所示的不对称形状中，不对称区域610和主区域620具有基本上平坦的表面，并且形成具有尖锐的肘部660的L形横截面。该L形横截面的技术优势在于，由于刚度提高，因此在外延过程中变形较少。此外，由于主区域620是基本上平坦的并且与碳化硅衬底600的大部分面积对应，因此L形形状防止在碳化硅衬底600的很大面积上发生背面生长，因为背面640的大部分面积在外延生长过程中保持与支撑板接触。因此，在外延生长过程中受背面生长影响的碳化硅衬底600的总面积被最大限度地减小。
不过，也可以采用具有其它几何形状的不对称区域的其它不对称形状。例如，图8和图9示出了不对称区域的可能几何形状，这些几何形状都遵循设置在衬底的外围区域处并且相对于主区域的前面向上倾斜的共同原则。
图8示出了形成有不对称区域810的不对称碳化硅衬底800的横截面，该不对称区域810限定有接近衬底周缘的近似平坦的表面，并且该表面在接近主区域820处逐渐弯曲(内凹)，从而在碳化硅衬底800的背面840上限定具有圆滑的肘部或肩部860的L形横截面。由于这种不对称形状提供更高的刚度，因此主区域820在外延生长过程中保持其基本上平坦的形状，因而背面生长845仅局限在不对称区域810的背面840上。
图9示出了用于提高衬底刚度的碳化硅衬底900的不对称形状的另一个实例。在这种配置中，所述不对称形状被设计成具有基本上平坦的主区域920、以及相对于主区域920向上倾斜的不对称区域910，并且不对称区域910被成形为具有轻微的凸曲率。由于刚度提高，主区域920的表面在加热过程中也保持基本上平坦，从而背面生长945被限制于不对称区域910的背面940。
在上文中参照不对称衬底600说明的不对称区域的参数(例如不对称区域和主区域的基准面之间的最大高度、距不对称区域的周缘的最大距离等)也适用于图8和9中所示的不对称形状。
根据本发明的原理，可以利用晶片分离技术从单晶碳化硅晶体或晶锭生产具有不对称形状的碳化硅晶片，例如利用具有受控移动程序的多丝锯切(MWS)过程进行，该受控移动程序以协调的方式控制丝锯网的移动和/或晶锭工作台的移动，以切割出具有所需的不对称形状的碳化硅晶片。
通常使用多丝锯切从碳化硅晶体或晶锭产生碳化硅衬底。图10和11示出了常规多丝锯切设备1000的工作原理。在常规多丝锯切设备1000中，单根锯丝缠绕在导丝辊1010上。每个导丝辊1010被按恒定的间距开槽，锯丝在间隔开的凹槽上的布置形成平行于锯丝的水平网1020。在多丝锯切过程中，向移动的锯丝上输送浆液(磨粒在冷却液中的悬浮液)，锯丝将浆液输送到切割区中。将待切割的材料(例如碳化硅晶锭1030)固定到工作台1040上，并且从放置在工作台1040上的晶体1030的顶部向下移动丝锯网1020，以从晶体1030切割出晶片1050。在竖直方向上以恒定的速度移动整个丝锯网1020。丝锯网1020朝向工作台1040的移动推动晶体1030通过丝锯网1020，从而同时产生大量晶片1050。由于只能在横向于工作台表面的方向上移动丝锯网1020，因此晶片1050被切割成具有平坦的表面(即，具有对称几何形状的横截面)。
本发明使用一种具有受控移动程序的改良MWS方法，该受控移动程序在两个维度上控制丝锯网与工作台之间的相对移动：丝锯网的直线锯切方向和垂直于该锯切方向的方向。丝锯网与工作台之间的相对移动经过协调，使得丝锯网横跨晶锭横截面(即，在两个维度上)描绘非直线的锯切路径，这导致一片或更多片衬底被直接切割成期望的不对称形状。这种非直线锯切路径可以使用两种替代受控移动程序来实现，例如将参照图12和13说明的受控移动程序。
图12示出了执行受控移动程序的MWS设备1200，在该受控移动程序中，在其上放置有晶锭1230的工作台1240被控制成相对于丝锯网1210移动，以使丝锯网1210描绘横跨晶锭1230的非直线不对称锯切路径，从而切割出具有期望的不对称形状的衬底1250，例如图8所示的不对称形状。在受控移动程序中，丝锯网1210被控制成沿着直线锯切方向(图12的左侧的竖直箭头的方向或图12的右侧的插图中所示的X方向)朝向工作台1240移动。在整个MWS过程中，丝锯网1210不断在这个同一直线锯切方向上直线移动。为了使丝锯网1210描绘横跨晶锭1230的非直线、不对称的锯切路径，控制工作台1240在垂直于丝锯网1210的移动方向的方向上(图12的左侧的水平箭头的方向，平行于图12的右侧的插图中所示的Y方向)移动。衬底1250的特定不对称形状是通过协调工作台1240的移动和丝锯网1210的直线移动来实现的，例如通过相对于丝锯网1210的速度(优选是恒定的)调节工作台的移动速度(或位移量)和持续时间(或者相反)来实现。例如，图12的右侧所示的具有L形形状的衬底1250可以通过控制丝锯网1210在整个MWS过程中在直线锯切方向上(即，在图12的右侧所示的X方向上)以恒定速度移动并且同时控制工作台1240在垂直于丝锯网1210的移动方向的方向上移动有限的时间量来获得，所述有限的时间量足以允许丝锯网1210切割衬底1250的L形形状的斜边。然后停止工作台1240的移动，同时保持丝锯网1210在直线锯切方向上的移动，以切割衬底1250的L形形状的直边。
所述受控移动程序可以通过在MWS过程开始时仅朝向工作台1240(沿着竖向锯切方向)移动丝锯网1210来控制施加在丝锯网1210的锯丝上的应力，直到锯丝进入晶锭1230达到至少D/2的深度，即，锯丝直径D的一半。在这一点之后，工作台1240可以开始在垂直于竖向锯切方向的方向上移动，同时丝锯网1210继续朝向工作台1240进行竖直移动，优选以恒定速度进行。
图14以示例的方式说明了在用于生产具有圆滑的L形横截面的衬底1250的受控移动程序期间并且包括锯丝应力的控制时工作台1240的速度与时间的函数关系(即，在横向于丝锯网1210的竖直移动的方向上)。在图14中，时刻t0与丝锯网1210的锯丝触及晶锭1230的时间对应，这可以通过已知的方式检测，例如利用专用传感器检测。在时刻t0，工作台1240仍处于停止状态，并且保持不动，直到时刻t1，在时刻t1，丝锯网1210的锯丝已经进入晶锭1230达到至少D/2的深度。在时刻t1，受控移动程序引发工作台1240在垂直于锯切方向的方向上的移动，并使工作台的移动与丝锯网1210的速度相协调，以切割出具有期望的不对称形状的衬底1250。例如，如图14所示，工作台1240最初时可以以较高的速度移动，这会决定不对称区域相对于主区域的初始斜度。然后，可以逐渐降低工作台移动的速度，同时保持丝锯网1210的恒定速度，这导致在衬底1250上产生弯曲的肘部或肩部。一旦切割出衬底1250的不对称区域，受控移动程序就停止工作台1240。从这一点开始，受控移动程序使丝锯网1210保持仅在竖直锯切方向上移动，并且直到丝锯网1210到达工作台1240时才停止移动，以在整个晶锭1230上完全切割出衬底1250的主区域。
可以使用具有上述受控移动程序的MWS方法通过调整工作台的移动速度与时间的函数关系以及丝锯网1210的速度来实现不同类型的不对称形状。例如，可以通过在切割不对称区域610所需的时间内在垂直于丝锯网1210的移动的方向上保持以基本恒定的速度进行的工作台相对移动来产生图6所示的碳化硅衬底600的不对称形状(其中不对称区域610和主区域620都具有平坦表面)。
因此，可以通过简单地控制工作台移动的总持续时间和位移量的组合来实现不对称区域的特定尺寸、形状和倾斜度。如图15中所示，对于衬底600，在沿着主区域620的基准面690测量时，界定不对称区域610的衬底周缘650与不对称区域610的端部(该端部与衬底600的不对称区域610和主区域620相遇区域处的肘部660的起点大致对应)之间的最大距离由丝锯网1210在工作台1210受控移动的时间间隔内在丝线锯切方向上的总位移量决定。因此，可以通过基于丝锯网1210的速度调节工作台移动的持续时间来设定该最大距离。另一方面，不对称区域610处的衬底周缘650与衬底肘部660的区域处的基准面690之间的最大高度由工作台1240的总位移量决定。所述最大距离和所述最大高度优选都是相对于主区域620的中面690和不对称区域610的中面695定义的。这允许以统一的方式为不同的衬底厚度设置受控移动程序的最大距离和最大高度。这还允许定义考虑到衬底厚度的不规则性的基准面，例如图16所示的具有不对称形状的衬底700中的基准面790。
在图13中示出了用于生产具有不对称形状的横截面的碳化硅衬底1350的具有受控移动程序的MWS方法的另一个实例。请参考图13，MWS设备1300执行受控移动程序，该程序与在上文中参照图12说明的程序的不同之处在于，横跨碳化硅晶锭1330的不对称锯切路径是通过控制导丝辊1310在竖向和横向方向上的移动来实现的，而工作台1340在MWS过程中不移动。更具体地说，为了减小锯丝上的应力，丝锯网1310(即，导丝辊)的移动最初时被控制为沿着直线方向(即，沿着图13的左侧的竖直箭头的方向，或者沿着图13的右侧的插图中所示的X方向)朝向工作台1340移动，直到锯丝进入晶锭1330的深度达到锯丝的至少一半厚度D/2，以控制锯丝上的应力。在该初始阶段之后，丝锯网1310的移动被控制为保持沿着竖直方向的移动，并开始在垂直于竖直移动的第二方向上移动，即，在图13的左侧的水平箭头的方向上(平行于图13的右侧的插图中所示的Y方向)移动。保持丝锯网1310的组合移动，直到切割出衬底1350的不对称形状的肘部。在这一点之后，丝锯网1310在水平方向上的移动停止，并且仅保持继续竖直移动通过晶锭1330的其余部分，直到到达工作台1340，从而切割出衬底1350的主区域。丝锯网1310在选定的时间量内沿竖直方向和垂直方向的组合移动以及选定的水平位移允许切割出具有所需的不对称形状的衬底1350，如图13的右侧所示。
因此，与参照图12说明的MWS过程类似，图13中示出的受控移动程序允许通过控制和协调丝锯网1310在竖直和水平方向上的移动来设定/调整衬底1350的尺寸和形状。例如，丝锯网1310在其也在垂直方向上移动的时间间隔内的竖直位移量决定界定不对称区域610的衬底周缘650与不对称区域610的末端(与肘部660的起点大致对应)之间的最大距离，如图15所示。另一方面，不对称区域610处的衬底周缘650与衬底肘部660的区域处的基准面690之间的最大高度由丝锯网1310在水平方向上的总位移量决定。因此，可以通过简单地协调控制辊1310在横向方向上的持续时间和位移量以及辊在竖直方向上的移动来实现不对称区域610的特定尺寸、形状和倾斜度。
使用参照图12和图13说明的任何受控移动程序，可以获得上文中的图7至图9所示的用于提高碳化硅衬底刚度的不对称形状。不过，也可以设想除了图7至图9中示出的不对称形状之外并且基于具有与衬底的中央区域对应的基本上平坦的主区域以及位于衬底外围区域处的朝向衬底的前面(即，朝向主区域的平面之外)向内倾斜的不对称区域的相同原理的不对称形状，以提高衬底刚度。
图12和13所示的具有受控移动程序的两种替代MWS方法使得切割出具有给定的不对称形状的衬底成为可能。不过，可以设想具有由工作台和/或丝锯网执行的移动的其它变化/组合的受控移动程序，以切割出相同或其它的不对称形状。例如，可以修改参照图12和图13说明的受控移动程序，使得不是在开始时切割出碳化硅衬底的不对称区域，而是在MWS过程结束之前切割出该区域。工作台与丝锯网之间的相对移动也可以由丝锯网的直线移动和工作台的旋转运动的组合产生，以切割出弯曲的不对称区域。在这些情况的任何一种中，可以通过实施具有机械装置和控制器的组合的MWS设备来实现具有受控移动程序的MWS方法，所述机械装置能够产生导丝辊与铸锭工作台之间的期望的相对移动(例如产生导丝辊1210(或1310)的竖直移动(即，在垂直于工作台1240(或1340)的表面的方向上移动)以及工作台1240(或导丝辊1310)在垂直于导丝辊的竖直移动的方向上的移动)，所述控制器用于控制这种机械装置，以根据规定工作台和/或导丝辊的移动量、持续时间和方向的软件/例程来移动工作台和/或导丝辊，以切割具有期望的不对称形状的碳化硅衬底，如图12和13所示。
本发明的原理可以有利地应用于提高碳化硅衬底的刚度，该碳化硅衬底的特征在于，总BOW值在-40微米至0微米的范围内，优选在-35微米至0微米的范围内，和/或WARP值小于70微米，优选WARP值是45微米。此外，本发明的具有不对称形状的碳化硅衬底优选从变体4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC之一的碳化硅单晶制成，和/或在主区域处具有基面(1000)的0.5°至8°离轴取向，更优选具有4°离轴取向。
总之，根据本发明的原理的具有不对称几何形状的碳化硅衬底及其制造方法使得提供具有更高的抵抗热致变形(例如翘曲和/或弯曲)的刚度的碳化硅衬底成为可能。因此，与具有对称横截面的常规平坦衬底相比，具有不对称几何形状的碳化硅衬底上的背面生长被有效地减少并局限在衬底外围区域，从而减少对衬底弯曲的负面影响。
最后，虽然上述示例性实施例的某些特征是使用诸如“向上”、“向内”、“竖直”和“水平”等术语描述的，但是这些术语仅是为了便于描述衬底的不对称形状以及在MWS过程中平板与导丝辊之间的相对移动，因此不应被解释为将所要求保护的发明或其任何部件限制于其在特定空间取向上的使用。此外，虽然本发明在上文中是参照单晶碳化硅衬底说明的，但是本发明的原理也可以有利地应用于由其它半导体单晶(例如氮化铝和氮化镓)制成的衬底。
附图标记
600,700    不对称衬底
610,710    不对称区域
620,720    主区域
630,730    前面
640,740    背面
645        背面生长
650,750    衬底周缘
660        衬底的肘部或肩部
670        定向凹口
680        不对称区域的相邻侧
690,790    主区域的基准面
695        不对称区域的基准面
800        不对称衬底
810        不对称区域
820        主区域
840        背面
845        背面生长
860        衬底的肩部
900        不对称衬底
910        不对称区域
920        主区域
940        背面
945        背面生长
960        衬底的肩部
1000       常规多丝锯切设备
1010       导丝辊
1020       丝锯网
1030       碳化硅晶锭
1040       MWS工作台
1050       晶片
1200,1300  多丝锯切设备
1210,1310  导丝辊或丝锯网
1230,1330  碳化硅晶锭
1240,1340  MWS工作台
1250,1350  不对称晶片

Claims (15)

1.一种具有用于增强衬底抵抗热致变形的刚度的不对称形状的单晶碳化硅衬底，所述衬底包括：
主区域；以及
位于衬底外围的区域并与主区域相邻的不对称区域，
其中所述不对称区域相对于主区域向内倾斜，从而为衬底提供不对称形状。
2.如权利要求1所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域被界定在衬底周缘与主区域之间，并且
所述不对称区域以连续的方式接合主区域，所述不对称区域与所述主区域之间的倾斜限定衬底的不对称形状中的肘部或肩部。
3.如权利要求1或2所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘的最大高度相对于主区域的基准面在15微米至60微米的范围内，优选是25微米。
4.如权利要求3所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述最大高度与不对称区域的基准面和界定该不对称区域的衬底周缘的相交处的相对于主区域的基准面的最大高度对应。
5.如权利要求1至4中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘在主区域的基准面上的投影与主区域之间的最大距离在5毫米至30毫米的范围内，优选是15毫米。
6.如权利要求3至5中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述主区域的基准面与没有衬底外围区域的衬底的中面对应，和/或
所述不对称区域的基准面与不对称区域的中面对应。
7.如权利要求1至6中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域位于与衬底中的定向边或凹口相对的衬底外围区域上，并且
所述不对称区域相对于定向边或凹口的角位移在±90°之间，优选在±60°之间。
8.如权利要求1至7中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域相对于主区域的尺寸和向内倾斜使得界定不对称区域的衬底周缘相对于主区域处的衬底的硅侧的最大高度是正高度。
9.如权利要求1至8中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中，由所述主区域和所述不对称区域形成的衬底的特征在于：
BOW值在-40微米至0微米的范围内，优选在-35微米至0微米的范围内，和/或
WARP值小于70微米，优选WARP值是45微米。
10.如权利要求1至9中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述不对称区域和所述主区域的厚度在200微米至1000微米的范围内，优选在250微米至500微米的范围内，和/或
所述衬底在主区域具有局部圆柱形形状，该圆柱形的直径d大于149.5毫米，和/或
所述衬底具有小于5微米的总厚度变化，和/或
所述衬底的不对称区域和主区域是由变体4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC之一中的单片碳化硅单晶形成，和/或
在主区域处，所述碳化硅晶体结构具有基面(1000)的α°离轴取向，该α°离轴取向是0.5°至8°离轴取向，优选是4°离轴取向。
11.如权利要求1至10中任一项所述的单晶碳化硅衬底，其中：
所述主区域具有基本上平坦的表面，和/或
所述不对称区域具有界定在相邻的主区域与衬底周缘之间的圆形段的形状；和/或
其中所述不对称区域具有基本上平坦的形状或有凸曲率或凹曲率的非平坦形状。
12.一种生产一片或更多片具有不对称形状的衬底的方法，该方法包括：
执行多丝锯切过程，在该过程中，用丝锯网从放置在工作台上的晶锭切割出一片或更多片衬底，并且
通过控制丝锯网与工作台之间的相对移动来切割出一片或更多片具有不对称形状的衬底，所述相对移动使得丝锯网描绘横跨晶锭的非直线锯切路径，以切割出不对称形状。
13.如权利要求12所述的方法，其中
控制丝锯网与工作台之间的相对移动包括：
控制丝锯网沿着直线锯切方向向工作台移动；以及
控制工作台与丝锯网的移动相协调地在垂直于锯切方向的方向上移动，以使丝锯网描绘所述横跨晶锭的非直线锯切路径，或者
控制丝锯网与锯切方向上的移动相协调地在垂直于锯切方向的方向上移动，从而使丝锯网描绘所述横跨晶锭的非直线锯切路径。
14.如权利要求12或13所述的方法，包括：
在多丝锯切过程中，通过控制丝锯网与工作台之间在垂直于锯切方向的方向上的相对移动来控制施加在丝锯网的锯丝上的应力，以在丝锯网的锯丝在锯切方向上进入晶锭中的深度达到锯丝直径的至少一半之后开始锯切。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其中：
所述选定的不对称形状包括衬底的外围区域处的邻近衬底的基本上平坦的主区域的不对称区域，
所述选定的不对称形状是通过控制在丝锯网与工作台之间在垂直于锯切方向的方向上的相对移动的持续时间和位移量来切割的，
其中在垂直于锯切方向的方向上的相对移动的持续时间决定位于不对称区域处的衬底周缘与主区域之间沿着锯切方向的最大距离，并且
其中所述相对移动在垂直于锯切方向的方向上的位移量决定不对称区域相对于主区域的最大高度。
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