專利名稱：碳化硅晶片的退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，具體涉及一種物理氣相輸運(yùn)法(PVT)生長(zhǎng)的碳化硅晶體，更具體涉及一種碳化硅晶片的退火工藝。該方法通過(guò)對(duì)碳化硅晶片進(jìn)行保護(hù)氣體下的高溫退火處理，從而消除碳化硅晶片中的應(yīng)力，減少缺陷，提高晶片的結(jié)晶質(zhì)量。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有許多優(yōu)異的性質(zhì)，如高硬度(莫氏硬度:9.5，金剛石:10)、高熱導(dǎo)率(4.9ff/cm.Κ)、寬禁帶(2.40-3.26eV)、高飽和漂移速度(2.0-2.5X107cm/s)、大臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(2 3X 106V/cm)、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗輻射能力強(qiáng)等，與以第一代半導(dǎo)體材料和第二代半導(dǎo)體材料相比有著明顯的優(yōu)越性，被認(rèn)為是制造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導(dǎo)體材料，在高溫、高壓、強(qiáng)輻射的工作環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景，并對(duì)未來(lái)電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。目前比較成熟的SiC晶體生長(zhǎng)方法是物理氣相輸運(yùn)(PVT)法。PVT法是一種氣相生長(zhǎng)方法，PVT法生長(zhǎng)SiC晶體時(shí)，對(duì)坩堝材料、控溫精度、原料、籽晶以及壓力等都有很高的要求，近年來(lái)，科研工作者在改進(jìn)PVT法生長(zhǎng)工藝上做了大量工作，SiC晶體的質(zhì)量、尺寸等都有很大提高，但是生長(zhǎng)出的晶體中仍然會(huì)有或多或少的缺陷。此外，PVT法生長(zhǎng)SiC晶體的坩堝內(nèi)部同時(shí)存在著縱向和徑向的溫度梯度，因此，SiC晶體的生長(zhǎng)面上各區(qū)域的生長(zhǎng)速度是不同的，生長(zhǎng)速度的不一致會(huì)導(dǎo)致SiC晶體中存在較大的應(yīng)力場(chǎng)。這些缺陷或者應(yīng)力的存在不僅會(huì)影響SiC晶片的成品率，還會(huì)影響以SiC為襯底的外延片的質(zhì)量，甚至?xí)绊慡iC基器件的性能。SiC晶體生長(zhǎng)結(jié)束后通常會(huì)被加工成一定規(guī)格的晶片，這些晶片主要用來(lái)做外延材料的襯底，或其他SiC基器件。因此，SiC晶片結(jié)晶質(zhì)量的好壞，直接影響外延材料和SiC基器件的性能。因此，為了消除應(yīng)力，減少`缺陷，需要對(duì)SiC晶體進(jìn)行高溫退火處理。傳統(tǒng)的SiC晶體退火技術(shù)是對(duì)剛出爐的晶錠進(jìn)行退火。例如在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后直接退火，即、晶體的第一次原位退火，又例如對(duì)經(jīng)過(guò)一次退火的晶體或取出的晶體進(jìn)行二次退火，但是這種退火方式往往都要求退火溫度高，退火時(shí)間長(zhǎng)，而且并不能徹底消除SiC晶體中的殘余應(yīng)力。CN102534805和CN101984153A公開一種改進(jìn)的二次退火工藝，但退火溫度仍較高(2300 2500°C)，退火時(shí)間也較長(zhǎng)(10 50小時(shí)升溫到退火溫度，在退火溫度上保溫10 40小時(shí)后再用10 50小時(shí)降溫到室溫)。此外，SiC晶體在加工過(guò)程中，經(jīng)線切割、表面磨削等工藝后，也會(huì)增加SiC晶片表面的應(yīng)力。專利申請(qǐng)CN102543718A公布了一種降低碳化硅晶片翹曲度、彎曲度的方法，其在研磨拋光完碳化硅晶片上施加機(jī)械應(yīng)力使晶片產(chǎn)生向平整度減小方向的變形，再將晶片加熱到足夠的溫度(100 2000°C)，進(jìn)行退火保持足夠長(zhǎng)時(shí)間(0.1 200小時(shí))，以使其晶格發(fā)生滑移、重排，從而將晶片的變形保留下來(lái)，達(dá)到所獲晶片具有足夠小的翹曲度、彎曲度，但是該方法需要施加額外的機(jī)械壓力，對(duì)設(shè)備要求較高，而且該方法只是涉及降低翹曲度，并沒有提出對(duì)晶片結(jié)晶質(zhì)量的影響。又，CN102817083A公開一種分階段升溫的SiC晶片退火方法:升溫至低溫區(qū)域(200 400°C)保溫3 6小時(shí)；再升溫至中溫區(qū)域(500 700°C)保溫5 10小時(shí)；然后升溫至高溫區(qū)域(800 1900°C)保溫10 20小時(shí)；最后以10 15°C /小時(shí)降溫至室溫，該法雖能將晶片加工應(yīng)力基本消除，但是退火步驟較為復(fù)雜，退火時(shí)間較長(zhǎng)，而且該法也沒有提出退火對(duì)晶片結(jié)晶質(zhì)量的影響。

發(fā)明內(nèi)容
面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種新的簡(jiǎn)便、易操作的對(duì)SiC晶片的退火方法，既能減少SiC晶片中的殘余應(yīng)力，又能減少缺陷密度、提聞晶片的結(jié)晶質(zhì)量。在此，本發(fā)明提供一種碳化硅晶片的退火方法，包括:將經(jīng)初加工的碳化硅晶片置于退火爐中，在惰性氣體或還原性氣體的保護(hù)下，緩慢升溫I 8小時(shí)(優(yōu)選3 6小時(shí))至退火溫度1200 1800°C (優(yōu)選1300 1500°C )，在該退火溫度恒溫保溫0.1 5小時(shí)(優(yōu)選2 3小時(shí))，然后緩慢降溫I 10 (優(yōu)選3 7小時(shí))小時(shí)至室溫。本發(fā)明通過(guò)對(duì)SiC晶片進(jìn)行退火，與SiC晶錠的退火過(guò)程相比，具有退火溫度低，時(shí)間短，在生產(chǎn)過(guò)程中容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)本發(fā)明退火處理，可以顯著降低SiC晶片中的殘余應(yīng)力、減少缺陷，提聞SiC晶片的結(jié)晶質(zhì)量。較佳地，以第一升溫速率升溫至1000°C，然后以小于所述第一升溫速率的第二升溫速率升溫至退火溫度；以第一降溫速率降溫至1000°c，然后以大于所述第一降溫速率的第二降溫速率降溫至室溫。分階段升溫和降溫，尤其是在1000°c以下以相對(duì)較高的速率進(jìn)行升降溫，而在1000°c以上則以相對(duì)較低的速率進(jìn)行升降溫，這樣可以保證退火效率，又能保證退火均勻地進(jìn)行。更優(yōu)選地，所述第一升溫速率為500°C /小時(shí)以下(優(yōu)選200 400°C /小時(shí))，所述第二升溫速率為400°C /小時(shí)以下(優(yōu)選120 300°C /小時(shí))，所述第一降溫速率為400°C /小時(shí)以下(優(yōu)選100 250°C /小時(shí))，所述第二降溫速率為500°C /小時(shí)以下(優(yōu)選150 350°C /小時(shí))。在一個(gè)優(yōu)選的示例中，降溫速率低于升溫速率。較佳地，在恒溫保溫過(guò)程中，所述退火爐的內(nèi)部溫度梯度為3°C /cm以下，優(yōu)選10C /cm 以下。較佳地，退火過(guò)程中腔體壓力為I 10萬(wàn)帕，優(yōu)選5 7萬(wàn)帕。在本發(fā)明中，保護(hù)性氣體可采用惰性氣體或還原性氣體從而防止SiC晶片的高溫氧化，惰性氣體可采用氬氣、氦氣或其混合氣體，還原性氣體可采用氫氣。又，在本發(fā)明中，經(jīng)初加工的碳化硅晶片可為切割片、表面磨削片、單面拋光片或雙面拋光片。厚度可為ΙΟΟμπι lcm，尺寸可為2 6英寸。SiC晶片厚度比較薄，更容易在退火過(guò)程中釋放應(yīng)力，退火效果更加明顯。此外，碳化硅晶片的晶型可為3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC或15R-SiC。碳化硅晶片可為導(dǎo)電型或半絕緣型。本發(fā)明中，所述退火爐使用石墨加熱、感應(yīng)加熱或電阻加熱。


圖1示出碳化娃晶體高溫氣氛退火爐的示意圖； 圖2，圖3分別為一片2英寸摻氮6H-SiC晶片1350°C退火2小時(shí)前、后的搖擺曲線半高寬分布 圖4，圖5分別為一片2英寸摻氮6H-SiC晶片1450°C退火2小時(shí)前、后的搖擺曲線半高寬分布 圖6，圖7分別為一片2英寸摻釩6H-SiC晶片1450°C退火3小時(shí)前、后的搖擺曲線半高寬分布 符號(hào)說(shuō)明:
I石墨加熱體；
2 保溫層；
3水冷裝置；·
4退火恒溫區(qū)；
5壓力調(diào)節(jié)裝置。
具體實(shí)施例方式參照附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖和/或下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明?！赐嘶馉t的結(jié)構(gòu)〉
本發(fā)明使用的退火爐可為高真空臥式氣氛退火爐，退火爐可以使用石墨加熱、感應(yīng)加熱或電阻加熱。退火過(guò)程中的升溫速率、退火溫度、退火時(shí)間和降溫速度對(duì)退火的效果有很大影響，因此，選擇一個(gè)合適的升降溫速度和退火溫度等對(duì)退火過(guò)程有重要影響。本發(fā)明中，控溫精度在±3°C，在退火過(guò)程提供大于40mmX40mmX60mm的退火恒溫區(qū)4，退火爐真空性能良好，真空度高于IX 10_2Pa，可使用不同的退火氣氛，退火過(guò)程中氣氛壓力可調(diào)節(jié)。例如圖1示出使用石墨加熱碳化硅高溫氣氛退火爐的結(jié)構(gòu)示意圖。其主要由幾個(gè)系統(tǒng):溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。其中溫度控制可使用兩排石墨棒(石墨加熱體)I進(jìn)行加熱，可以保證退火恒溫區(qū)4有較小的溫度梯度，例如控制退火爐的內(nèi)部溫度梯度為3°C /cm以下，優(yōu)選1°C /cm以下。壓力控制系統(tǒng)通過(guò)壓力調(diào)節(jié)裝置5 (例如截止閥)與保護(hù)性氣源相連接，可以在退火過(guò)程中調(diào)節(jié)壓力，保證壓力的平衡。在退火爐的周壁設(shè)置保溫層2以保持退火恒溫區(qū)4的溫度。退火爐的下方還可設(shè)置水冷裝置3，通過(guò)調(diào)節(jié)水冷裝置的水流速度，可以調(diào)節(jié)降溫速度?！赐嘶鸸に嚒?br> 本發(fā)明通過(guò)對(duì)不同厚度的SiC晶片進(jìn)行退火處理，達(dá)到消除SiC晶片的殘余應(yīng)力，降低缺陷密度，提高晶片結(jié)晶質(zhì)量。具體退火過(guò)程可以包括如下步驟:將經(jīng)過(guò)線切割、滾磨、拋光或其他工序加工成的一定厚度的SiC晶片(本文中稱為“經(jīng)初加工的碳化硅晶片”)，放入石墨坩堝內(nèi)，石墨坩堝中可放入適量的SiC原料；將石墨坩堝放入高真空臥式退火爐的反應(yīng)腔內(nèi)(如附圖1所示)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)裝置5抽至一定真空度后充入保護(hù)氣體至一定壓力；通過(guò)石墨加熱體I將反應(yīng)腔室(退火恒溫區(qū)4)加熱至指定退火溫度，保溫若干小時(shí)，然后關(guān)閉電源，再緩慢降至室溫，也可通過(guò)水冷裝置3輔助降溫。在上述退火過(guò)程中，SiC晶體中的晶格在高溫下發(fā)生重排，內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，達(dá)到降低缺陷密度，提高晶片結(jié)晶的作用。在本發(fā)明中，進(jìn)行退火的經(jīng)初加工的晶片可以是只進(jìn)行了粗加工的SiC晶片，也可以是已進(jìn)行精細(xì)加工的晶片；退火的SiC晶體可以為各種晶型的碳化娃晶體，包括3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC和15R_SiC晶體；退火的SiC晶體可以為導(dǎo)電型晶體，也可以是半絕緣晶體；退火的晶片可以是各種尺寸的SiC晶體，包括厚度為100 μ m Icm的2英寸、3英寸、4英寸或更大尺寸晶體。在本發(fā)明中，可以對(duì)若干塊晶片同時(shí)進(jìn)行退火處理。為了防止SiC晶片在退火過(guò)程中的石墨化，可在石墨坩堝底部放入適量的SiC原料。在本發(fā)明中，退火爐反應(yīng)腔真空度達(dá)到彡lX10_2Pa后，充入惰性氣體如高純氬氣或氦氣，或者其他保護(hù)氣體例如氫氣，壓力為I 10萬(wàn)帕，優(yōu)選5 7萬(wàn)帕，為了控制晶片在退火過(guò)程中的穩(wěn)定性，在退火過(guò)程中壓力值始終保持不變。在本發(fā)明中，升、降溫速率在1000°C以下時(shí)保持I 500°C /小時(shí)，高于1000°C時(shí)保持I 400°c /小時(shí)，為了防止SiC晶片在降溫過(guò)程中再次產(chǎn)生應(yīng)力，一般情況下降溫速率要小于升溫速率。例如，在1000°c以下的升溫速率優(yōu)選200 400°C /小時(shí)，在1000°C以上的升溫速率優(yōu)選120 300°C /小時(shí)，在1000°C以上的降溫速率優(yōu)選100 250°C /小時(shí)，在1000°C以下的降溫速率優(yōu)選150 350°C /小時(shí)。在本發(fā)明中，SiC晶片的退火溫度，即恒溫保溫溫度可為1200°C 1800°C，優(yōu)選1300 1500°C;SiC晶片的退火時(shí)間可為0.1 5小時(shí)，優(yōu)選2 3小時(shí)。為了保證SiC晶片在高溫恒溫狀態(tài)下最大程度釋放應(yīng)力，應(yīng)保證恒溫區(qū)域的溫場(chǎng)均一性，一般應(yīng)保證恒溫區(qū)的溫度梯度< 3°C /cm,優(yōu)選< 1°C /cm。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示例合成工藝。應(yīng)理解，下述實(shí)施例是為了更好地說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。例如，盡管下述實(shí)施例示出了具體的實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)，但也應(yīng)理解,這僅是示例的，本發(fā)明的方法的工藝參數(shù)可以在本發(fā)明示出的范圍內(nèi)變動(dòng)。即、對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離權(quán)利要求的宗旨和范圍時(shí)，可以有多重形式和細(xì)節(jié)的變化。實(shí)施例1 '2英寸摻氮6H_SiC晶片的退火處理
將雙面化學(xué)機(jī)械拋光的厚度為400μπι的2英寸導(dǎo)電6H-SiC晶片放入石墨坩堝內(nèi)部，坩堝底部放入適量的SiC原料。將石墨坩堝放入退火爐的腔體中，抽真空至I X IO-2Pa,然后充入氬氣至6萬(wàn)帕。開啟電源，以250°C /h速度用四小時(shí)左右由室溫升溫到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1350°C，恒溫2小時(shí)后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室溫，然后直接關(guān)掉電源。參見圖2和圖3，其示出實(shí)施例1對(duì)一片摻氮6H_SiC晶片的退火前后X射線搖擺曲線半高寬面掃描圖，可以看出其中白色箭頭所示區(qū)域退火后半高寬值均明顯下降，結(jié)晶質(zhì)量得以提高。經(jīng)計(jì)算，該晶片退火后半高寬值在O 30弧秒之間的區(qū)域增大1.41%，說(shuō)明退火處理提高了該晶片的結(jié)晶質(zhì)量。實(shí)施例2:2英寸摻氮6H_SiC晶片的退火處理
將雙面化學(xué)機(jī)械拋光的厚度為400 μ m的2英寸摻氮6H-SiC晶片放入石墨坩堝內(nèi)部，坩堝底部放入適量的SiC原料。將石墨坩堝放入退火爐的腔體中，抽真空至I X IO-2Pa,然后充入氬氣至6萬(wàn)帕。開啟電源，以250°C /h速度用四小時(shí)左右由室溫升溫到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1450°C，恒溫2小時(shí)后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室溫，然后直接關(guān)掉電源。
參見圖4和圖5，其示出實(shí)施例2對(duì)一片摻氮6H_SiC晶片的退火前后X射線搖擺曲線半高寬面掃描圖，其中白色箭頭所示區(qū)域均為退火后半高寬值降低，即該區(qū)域的結(jié)晶質(zhì)量提高，經(jīng)計(jì)算，該晶片退火后半高寬值在O 30弧秒之間的區(qū)域增大1.02%，說(shuō)明退火處理對(duì)SiC晶片的結(jié)晶質(zhì)量有了較大提高。實(shí)施例3:2英寸摻釩6H_SiC晶片的退火處理
將雙面化學(xué)機(jī)械拋光的厚度400 μ m的2英寸摻釩6H-SiC晶片放入石墨坩堝內(nèi)部，坩堝底部放入適量的SiC原料。將石墨坩堝放入退火爐的腔體中，抽真空至IX 10_2Pa，然后充入氬氣至6萬(wàn)帕。開啟電源，以250°C /h速度用四小時(shí)左右由室溫升溫到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1450°C，恒溫3小時(shí)后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室溫，然后直接關(guān)掉電源。參見圖6和圖7，其示出實(shí)施例3對(duì)一片摻釩6H_SiC晶片的退火前后X射線搖擺曲線半高寬面掃描圖，可以看出晶片的大部分區(qū)域搖擺曲線半高寬值降低，經(jīng)計(jì)算，該晶片退火后半高寬值在O 30弧秒之間的區(qū)域增大8.31%，說(shuō)明退火處理大大提高了該晶片的
結(jié)晶質(zhì)量。對(duì)比以上三個(gè)實(shí)施例中SiC晶片退火前后的結(jié)晶質(zhì)量變化，說(shuō)明本發(fā)明能夠明顯提聞SiC晶片的結(jié)晶質(zhì)量。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性:本發(fā)明提供的SiC晶片的退火方法，具有退火溫度低，時(shí)間短，對(duì)設(shè)備要求較低，實(shí)際操作中容易 實(shí)施，能耗較少，適合大規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅晶片的退火方法，其特征在于，包括:將經(jīng)初加工的碳化硅晶片置于退火爐中，在惰性氣體或還原性氣體的保護(hù)下，緩慢升溫I 8小時(shí)至退火溫度1200 1800°C，在該退火溫度恒溫保溫0.1 5小時(shí)，然后緩慢降溫I 10小時(shí)至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的退火方法，其特征在于，以第一升溫速率升溫至1000°C，然后以小于所述第一升溫速率的第二升溫速率升溫至退火溫度；以第一降溫速率降溫至1000°C，然后以大于所述第一降溫速率的第二降溫速率降溫至室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的退火方法，其特征在于，所述第一升溫速率為500°C/小時(shí)以下，所述第二升溫速率為400°C /小時(shí)以下，所述第一降溫速率為400°C /小時(shí)以下，所述第二降溫速率為500°C /小時(shí)以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，在恒溫保溫過(guò)程中，所述退火爐的內(nèi)部溫度梯度為3°C /cm以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，退火過(guò)程中腔體壓力為I 10萬(wàn)帕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，經(jīng)初加工的碳化硅晶片為切割片、表面磨削片、單面拋光片或雙面拋光片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，經(jīng)初加工的碳化硅晶片的厚度為100 μ m Icm,尺寸為2 6英寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，經(jīng)初加工的碳化硅晶片的晶型為 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC 或 15R_SiC。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，經(jīng)初加工的碳化硅晶片為導(dǎo)電型或半絕緣型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的退火方法，其特征在于，所述退火爐使用石墨加熱、感應(yīng)加熱或電阻加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化硅晶片的退火方法，包括將經(jīng)初加工的碳化硅晶片置于退火爐中，在惰性氣體或還原性氣體的保護(hù)下，緩慢升溫1～8小時(shí)(優(yōu)選3～6小時(shí))至退火溫度1200～1800℃(優(yōu)選1300～1500℃)，在該退火溫度恒溫保溫0.1～5小時(shí)(優(yōu)選2～3小時(shí))，然后緩慢降溫1～10(優(yōu)選3～7小時(shí))小時(shí)至室溫。本發(fā)明通過(guò)對(duì)SiC晶片進(jìn)行退火，與SiC晶錠的退火過(guò)程相比，具有退火溫度低，時(shí)間短，在生產(chǎn)過(guò)程中容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)本發(fā)明退火處理，可以顯著降低SiC晶片中的殘余應(yīng)力、減少缺陷，提高SiC晶片的結(jié)晶質(zhì)量。
文檔編號(hào)C30B29/36GK103114336SQ20131007788
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者姜濤, 嚴(yán)成鋒, 孔海寬, 劉熙, 陳建軍, 高攀, 忻雋, 肖兵, 施爾畏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所, 上海硅酸鹽研究所中試基地