专利名称：碳化硅晶片的退火方法
技术领域：
本发明涉及宽禁带半导体材料领域，具体涉及一种物理气相输运法(PVT)生长的碳化硅晶体，更具体涉及一种碳化硅晶片的退火工艺。该方法通过对碳化硅晶片进行保护气体下的高温退火处理，从而消除碳化硅晶片中的应力，减少缺陷，提高晶片的结晶质量。
背景技术：
碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表，具有许多优异的性质，如高硬度(莫氏硬度:9.5，金刚石:10)、高热导率(4.9ff/cm.Κ)、宽禁带(2.40-3.26eV)、高饱和漂移速度(2.0-2.5X107cm/s)、大临界击穿场强(2 3X 106V/cm)、化学稳定性高、抗辐射能力强等，与以第一代半导体材料和第二代半导体材料相比有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在高温、高压、强辐射的工作环境下具有广阔的应用前景，并对未来电子信息产业技术的发展产生重要影响。目前比较成熟的SiC晶体生长方法是物理气相输运(PVT)法。PVT法是一种气相生长方法，PVT法生长SiC晶体时，对坩埚材料、控温精度、原料、籽晶以及压力等都有很高的要求，近年来，科研工作者在改进PVT法生长工艺上做了大量工作，SiC晶体的质量、尺寸等都有很大提高，但是生长出的晶体中仍然会有或多或少的缺陷。此外，PVT法生长SiC晶体的坩埚内部同时存在着纵向和径向的温度梯度，因此，SiC晶体的生长面上各区域的生长速度是不同的，生长速度的不一致会导致SiC晶体中存在较大的应力场。这些缺陷或者应力的存在不仅会影响SiC晶片的成品率，还会影响以SiC为衬底的外延片的质量，甚至会影响SiC基器件的性能。SiC晶体生长结束后通常会被加工成一定规格的晶片，这些晶片主要用来做外延材料的衬底，或其他SiC基器件。因此，SiC晶片结晶质量的好坏，直接影响外延材料和SiC基器件的性能。因此，为了消除应力，减少`缺陷，需要对SiC晶体进行高温退火处理。传统的SiC晶体退火技术是对刚出炉的晶锭进行退火。例如在晶体生长结束后直接退火，即、晶体的第一次原位退火，又例如对经过一次退火的晶体或取出的晶体进行二次退火，但是这种退火方式往往都要求退火温度高，退火时间长，而且并不能彻底消除SiC晶体中的残余应力。CN102534805和CN101984153A公开一种改进的二次退火工艺，但退火温度仍较高(2300 2500°C)，退火时间也较长(10 50小时升温到退火温度，在退火温度上保温10 40小时后再用10 50小时降温到室温)。此外，SiC晶体在加工过程中，经线切割、表面磨削等工艺后，也会增加SiC晶片表面的应力。专利申请CN102543718A公布了一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法，其在研磨抛光完碳化硅晶片上施加机械应力使晶片产生向平整度减小方向的变形，再将晶片加热到足够的温度(100 2000°C)，进行退火保持足够长时间(0.1 200小时)，以使其晶格发生滑移、重排，从而将晶片的变形保留下来，达到所获晶片具有足够小的翘曲度、弯曲度，但是该方法需要施加额外的机械压力，对设备要求较高，而且该方法只是涉及降低翘曲度，并没有提出对晶片结晶质量的影响。又，CN102817083A公开一种分阶段升温的SiC晶片退火方法:升温至低温区域(200 400°C)保温3 6小时；再升温至中温区域(500 700°C)保温5 10小时；然后升温至高温区域(800 1900°C)保温10 20小时；最后以10 15°C /小时降温至室温，该法虽能将晶片加工应力基本消除，但是退火步骤较为复杂，退火时间较长，而且该法也没有提出退火对晶片结晶质量的影响。
发明内容
面对现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种新的简便、易操作的对SiC晶片的退火方法，既能减少SiC晶片中的残余应力，又能减少缺陷密度、提闻晶片的结晶质量。在此，本发明提供一种碳化硅晶片的退火方法，包括:将经初加工的碳化硅晶片置于退火炉中，在惰性气体或还原性气体的保护下，缓慢升温I 8小时(优选3 6小时)至退火温度1200 1800°C (优选1300 1500°C )，在该退火温度恒温保温0.1 5小时(优选2 3小时)，然后缓慢降温I 10 (优选3 7小时)小时至室温。本发明通过对SiC晶片进行退火，与SiC晶锭的退火过程相比，具有退火温度低，时间短，在生产过程中容易实现等优点。经本发明退火处理，可以显著降低SiC晶片中的残余应力、减少缺陷，提闻SiC晶片的结晶质量。较佳地，以第一升温速率升温至1000°C，然后以小于所述第一升温速率的第二升温速率升温至退火温度；以第一降温速率降温至1000°c，然后以大于所述第一降温速率的第二降温速率降温至室温。分阶段升温和降温，尤其是在1000°c以下以相对较高的速率进行升降温，而在1000°c以上则以相对较低的速率进行升降温，这样可以保证退火效率，又能保证退火均匀地进行。更优选地，所述第一升温速率为500°C /小时以下(优选200 400°C /小时)，所述第二升温速率为400°C /小时以下(优选120 300°C /小时)，所述第一降温速率为400°C /小时以下(优选100 250°C /小时)，所述第二降温速率为500°C /小时以下(优选150 350°C /小时)。在一个优选的示例中，降温速率低于升温速率。较佳地，在恒温保温过程中，所述退火炉的内部温度梯度为3°C /cm以下，优选10C /cm 以下。较佳地，退火过程中腔体压力为I 10万帕，优选5 7万帕。在本发明中，保护性气体可采用惰性气体或还原性气体从而防止SiC晶片的高温氧化，惰性气体可采用氩气、氦气或其混合气体，还原性气体可采用氢气。又，在本发明中，经初加工的碳化硅晶片可为切割片、表面磨削片、单面抛光片或双面抛光片。厚度可为ΙΟΟμπι lcm，尺寸可为2 6英寸。SiC晶片厚度比较薄，更容易在退火过程中释放应力，退火效果更加明显。此外，碳化硅晶片的晶型可为3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC或15R-SiC。碳化硅晶片可为导电型或半绝缘型。本发明中，所述退火炉使用石墨加热、感应加热或电阻加热。
图1示出碳化娃晶体高温气氛退火炉的示意图； 图2，图3分别为一片2英寸掺氮6H-SiC晶片1350°C退火2小时前、后的摇摆曲线半高宽分布 图4，图5分别为一片2英寸掺氮6H-SiC晶片1450°C退火2小时前、后的摇摆曲线半高宽分布 图6，图7分别为一片2英寸掺钒6H-SiC晶片1450°C退火3小时前、后的摇摆曲线半高宽分布 符号说明:
I石墨加热体；
2 保温层；
3水冷装置；·
4退火恒温区；
5压力调节装置。
具体实施例方式参照附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和/或下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。〈退火炉的结构〉
本发明使用的退火炉可为高真空卧式气氛退火炉，退火炉可以使用石墨加热、感应加热或电阻加热。退火过程中的升温速率、退火温度、退火时间和降温速度对退火的效果有很大影响，因此，选择一个合适的升降温速度和退火温度等对退火过程有重要影响。本发明中，控温精度在±3°C，在退火过程提供大于40mmX40mmX60mm的退火恒温区4，退火炉真空性能良好，真空度高于IX 10_2Pa，可使用不同的退火气氛，退火过程中气氛压力可调节。例如图1示出使用石墨加热碳化硅高温气氛退火炉的结构示意图。其主要由几个系统:温度控制系统，压力控制系统，冷却系统等，每个系统都可以通过计算机进行控制。其中温度控制可使用两排石墨棒(石墨加热体)I进行加热，可以保证退火恒温区4有较小的温度梯度，例如控制退火炉的内部温度梯度为3°C /cm以下，优选1°C /cm以下。压力控制系统通过压力调节装置5 (例如截止阀)与保护性气源相连接，可以在退火过程中调节压力，保证压力的平衡。在退火炉的周壁设置保温层2以保持退火恒温区4的温度。退火炉的下方还可设置水冷装置3，通过调节水冷装置的水流速度，可以调节降温速度。〈退火工艺〉
本发明通过对不同厚度的SiC晶片进行退火处理，达到消除SiC晶片的残余应力，降低缺陷密度，提高晶片结晶质量。具体退火过程可以包括如下步骤:将经过线切割、滚磨、抛光或其他工序加工成的一定厚度的SiC晶片(本文中称为“经初加工的碳化硅晶片”)，放入石墨坩埚内，石墨坩埚中可放入适量的SiC原料；将石墨坩埚放入高真空卧式退火炉的反应腔内(如附图1所示)，通过压力调节装置5抽至一定真空度后充入保护气体至一定压力；通过石墨加热体I将反应腔室(退火恒温区4)加热至指定退火温度，保温若干小时，然后关闭电源，再缓慢降至室温，也可通过水冷装置3辅助降温。在上述退火过程中，SiC晶体中的晶格在高温下发生重排，内部应力得到释放，达到降低缺陷密度，提高晶片结晶的作用。在本发明中，进行退火的经初加工的晶片可以是只进行了粗加工的SiC晶片，也可以是已进行精细加工的晶片；退火的SiC晶体可以为各种晶型的碳化娃晶体，包括3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC和15R_SiC晶体；退火的SiC晶体可以为导电型晶体，也可以是半绝缘晶体；退火的晶片可以是各种尺寸的SiC晶体，包括厚度为100 μ m Icm的2英寸、3英寸、4英寸或更大尺寸晶体。在本发明中，可以对若干块晶片同时进行退火处理。为了防止SiC晶片在退火过程中的石墨化，可在石墨坩埚底部放入适量的SiC原料。在本发明中，退火炉反应腔真空度达到彡lX10_2Pa后，充入惰性气体如高纯氩气或氦气，或者其他保护气体例如氢气，压力为I 10万帕，优选5 7万帕，为了控制晶片在退火过程中的稳定性，在退火过程中压力值始终保持不变。在本发明中，升、降温速率在1000°C以下时保持I 500°C /小时，高于1000°C时保持I 400°c /小时，为了防止SiC晶片在降温过程中再次产生应力，一般情况下降温速率要小于升温速率。例如，在1000°c以下的升温速率优选200 400°C /小时，在1000°C以上的升温速率优选120 300°C /小时，在1000°C以上的降温速率优选100 250°C /小时，在1000°C以下的降温速率优选150 350°C /小时。在本发明中，SiC晶片的退火温度，即恒温保温温度可为1200°C 1800°C，优选1300 1500°C;SiC晶片的退火时间可为0.1 5小时，优选2 3小时。为了保证SiC晶片在高温恒温状态下最大程度释放应力，应保证恒温区域的温场均一性，一般应保证恒温区的温度梯度< 3°C /cm,优选< 1°C /cm。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明的示例合成工艺。应理解，下述实施例是为了更好地说明本发明，而非限制本发明。例如，尽管下述实施例示出了具体的实验条件参数，但也应理解,这仅是示例的，本发明的方法的工艺参数可以在本发明示出的范围内变动。即、对于本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多重形式和细节的变化。实施例1 '2英寸掺氮6H_SiC晶片的退火处理
将双面化学机械抛光的厚度为400μπι的2英寸导电6H-SiC晶片放入石墨坩埚内部，坩埚底部放入适量的SiC原料。将石墨坩埚放入退火炉的腔体中，抽真空至I X IO-2Pa,然后充入氩气至6万帕。开启电源，以250°C /h速度用四小时左右由室温升温到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1350°C，恒温2小时后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室温，然后直接关掉电源。参见图2和图3，其示出实施例1对一片掺氮6H_SiC晶片的退火前后X射线摇摆曲线半高宽面扫描图，可以看出其中白色箭头所示区域退火后半高宽值均明显下降，结晶质量得以提高。经计算，该晶片退火后半高宽值在O 30弧秒之间的区域增大1.41%，说明退火处理提高了该晶片的结晶质量。实施例2:2英寸掺氮6H_SiC晶片的退火处理
将双面化学机械抛光的厚度为400 μ m的2英寸掺氮6H-SiC晶片放入石墨坩埚内部，坩埚底部放入适量的SiC原料。将石墨坩埚放入退火炉的腔体中，抽真空至I X IO-2Pa,然后充入氩气至6万帕。开启电源，以250°C /h速度用四小时左右由室温升温到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1450°C，恒温2小时后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室温，然后直接关掉电源。
参见图4和图5，其示出实施例2对一片掺氮6H_SiC晶片的退火前后X射线摇摆曲线半高宽面扫描图，其中白色箭头所示区域均为退火后半高宽值降低，即该区域的结晶质量提高，经计算，该晶片退火后半高宽值在O 30弧秒之间的区域增大1.02%，说明退火处理对SiC晶片的结晶质量有了较大提高。实施例3:2英寸掺钒6H_SiC晶片的退火处理
将双面化学机械抛光的厚度400 μ m的2英寸掺钒6H-SiC晶片放入石墨坩埚内部，坩埚底部放入适量的SiC原料。将石墨坩埚放入退火炉的腔体中，抽真空至IX 10_2Pa，然后充入氩气至6万帕。开启电源，以250°C /h速度用四小时左右由室温升温到1000°C，然后再以175°C /h速度升至1450°C，恒温3小时后，以150°C /h速度降至1000°C，再以200°C /h速度降至室温，然后直接关掉电源。参见图6和图7，其示出实施例3对一片掺钒6H_SiC晶片的退火前后X射线摇摆曲线半高宽面扫描图，可以看出晶片的大部分区域摇摆曲线半高宽值降低，经计算，该晶片退火后半高宽值在O 30弧秒之间的区域增大8.31%，说明退火处理大大提高了该晶片的
结晶质量。对比以上三个实施例中SiC晶片退火前后的结晶质量变化，说明本发明能够明显提闻SiC晶片的结晶质量。产业应用性:本发明提供的SiC晶片的退火方法，具有退火温度低，时间短，对设备要求较低，实际操作中容易 实施，能耗较少，适合大规模生产，具有良好的产业应用前景。
权利要求
1.一种碳化硅晶片的退火方法，其特征在于，包括:将经初加工的碳化硅晶片置于退火炉中，在惰性气体或还原性气体的保护下，缓慢升温I 8小时至退火温度1200 1800°C，在该退火温度恒温保温0.1 5小时，然后缓慢降温I 10小时至室温。
2.根据权利要求1所述的退火方法，其特征在于，以第一升温速率升温至1000°C，然后以小于所述第一升温速率的第二升温速率升温至退火温度；以第一降温速率降温至1000°C，然后以大于所述第一降温速率的第二降温速率降温至室温。
3.根据权利要求2所述的退火方法，其特征在于，所述第一升温速率为500°C/小时以下，所述第二升温速率为400°C /小时以下，所述第一降温速率为400°C /小时以下，所述第二降温速率为500°C /小时以下。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的退火方法，其特征在于，在恒温保温过程中，所述退火炉的内部温度梯度为3°C /cm以下。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的退火方法，其特征在于，退火过程中腔体压力为I 10万帕。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的退火方法，其特征在于，经初加工的碳化硅晶片为切割片、表面磨削片、单面抛光片或双面抛光片。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的退火方法，其特征在于，经初加工的碳化硅晶片的厚度为100 μ m Icm,尺寸为2 6英寸。
8.根据权利要求1 7中任一项所述的退火方法，其特征在于，经初加工的碳化硅晶片的晶型为 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC 或 15R_SiC。
9.根据权利要求1 7中任一项所述的退火方法，其特征在于，经初加工的碳化硅晶片为导电型或半绝缘型。
10.根据权利要求1 9中任一项所述的退火方法，其特征在于，所述退火炉使用石墨加热、感应加热或电阻加热。
全文摘要
本发明涉及一种碳化硅晶片的退火方法，包括将经初加工的碳化硅晶片置于退火炉中，在惰性气体或还原性气体的保护下，缓慢升温1～8小时(优选3～6小时)至退火温度1200～1800℃(优选1300～1500℃)，在该退火温度恒温保温0.1～5小时(优选2～3小时)，然后缓慢降温1～10(优选3～7小时)小时至室温。本发明通过对SiC晶片进行退火，与SiC晶锭的退火过程相比，具有退火温度低，时间短，在生产过程中容易实现等优点。经本发明退火处理，可以显著降低SiC晶片中的残余应力、减少缺陷，提高SiC晶片的结晶质量。
文档编号C30B29/36GK103114336SQ20131007788
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者姜涛, 严成锋, 孔海宽, 刘熙, 陈建军, 高攀, 忻隽, 肖兵, 施尔畏 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海硅酸盐研究所中试基地