一种直径8英寸及以上尺寸高质量SiC籽晶的制备方法与流程

本发明涉及一种直径8英寸及以上尺寸高质量sic籽晶的制备方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术：

sic作为典型的第三代半导体材料，具有宽禁带、热导率高、击穿电场强、电子饱和速率高等优异的物理性能，是制备电力电子器件、高频微波器件、光电子器件的理想材料。目前，sic衬底直径以4英寸、6英寸为主，随着sic基器件的逐步推广应用，为了降低器件制备成本，需要更大尺寸的sic衬底。以6英寸sic衬底为例，使用6英寸sic衬底相对于直径为4英寸sic衬底能够节省大约30％的器件制备成本。此外为了提高器件制作良率、降低器件制作成本，需要低微管、位错密度的高质量sic衬底。以基平面位错为例，基平面位错能显著增大sicmosfets、jfets等功率器件阻断模式下的漏电流，严重影响器件性能。在未来20-30年sic衬底将会向着大尺寸、低缺陷密度的方向快速发展。

sic单晶生长主要有物理气相传输法、溶液法、高温化学气相沉积法。其中物理气相传输法是sic单晶生长最成熟的技术。一般情况下，可以采用两种方法生长大直径sic单晶：(1)小籽晶扩径方法。该方法通过设计合适的温场，实现较大的径向温度梯度，达到晶体直径扩大的目的。然而大的径向温度梯度会在晶体中产生大的切应力，导致晶体凸率急剧增加、晶体中缺陷增多甚至开裂；同时在保证晶体质量的前提下，单次晶体扩径的能力有限，每次直径扩大4-8mm，当生长大直径晶体时，需要用上一次扩大的晶体作为籽晶，反复进行多次扩径，直至晶体尺寸达到目标尺寸。因此该方法获得大直径sic单晶所需的周期长、效率低。(2)采用拼接小直径sic晶片作为sic籽晶生长大直径sic晶体。但采用该方法拼接的sic籽晶拼接处存在裂缝，裂缝处在生长的晶体中容易增值大量微管，产生明显晶界，劣化晶体的质量。同时拼接籽晶获得的晶体质量微管、位错等缺陷密度要明显多于籽晶中的缺陷密度，无法用于大尺寸高质量sic单晶制备。

中国专利cn105671638a公开了一种大直径尺寸sic籽晶的制备方法。该方法通过将小直径sic籽晶进行修整切割，采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，在第一籽晶的小直径sic籽晶之间缝隙上方在粘结固定第二层缝隙，形成双层拼接排列籽晶，然后进行抛光、退火，促进侧向生长，得到大直径尺寸sic籽晶。然而该方法中制备的sic籽晶为多边形，不是完整的圆形，籽晶边缘存在空白区域，因此该方法无法得到完整的圆形sic籽晶，当采用该方法拼接的sic籽晶生长sic单晶时，sic气相组分会在籽晶空白区域自发成核形成多晶或者sic气相组分会腐蚀籽晶空白区域背部的籽晶托，严重影响晶体质量；同时该方法中需要两层拼接排列sic籽晶，但受限于目前的粘合剂，该方法中拼接的第二层sic籽晶与第一层sic籽晶之间的粘附性不好，第二层sic籽晶在高温下(>1000℃)容易从第一层sic上脱落，同时两层拼接排列制备的sic籽晶总厚度偏差较大(约200um)，不利于sic气相组分在籽晶表面均匀结晶。因此该发明中制备的大尺寸sic籽晶无法用于高质量sic单晶的生长。

中国专利cn105525351a公开了一种高效sic晶体扩径方法。该发明中通过在籽晶托上固定由小尺寸籽晶拼接而成的大尺寸籽晶，获得大尺寸(4英寸以上)的碳化硅籽晶，实现高效扩大碳化硅晶体直径。该方法中通过在石墨基底和设置于石墨基底面向籽晶一侧的表面沉积致密碳化硅多晶层，降低籽晶接缝处的背面蒸发破坏，提高晶体质量。该方法中在常用的粘合剂高温下在sic拼接籽晶与碳化硅多晶层之间粘附性变差，容易导致两者脱离，因此无法达到降低籽晶接缝处蒸发的目的。同时采用该方法拼接籽晶时，尽管降低了籽晶拼接缝处蒸发的概率，但籽晶拼接处的裂缝在后续晶体生长过程中会产生严重的晶界，且该晶界不会随生长工艺的优化而消失。因此该方法制备的大直径sic籽晶无法用于质量sic晶体的生长。

中国专利cn106435732a公开了一种快速制备大尺寸sic单晶晶棒的方法。该方法中通过将小尺寸sic晶片进行外形加工、组合排列，并采取适宜晶体横向生长的条件，制备出无缝隙完整的大尺寸sic籽晶。该方法中在单晶炉中实现籽晶裂缝处横向生长消除裂缝，对生长工艺难度要求较大，较难实现。同时受限于目前sic籽晶的质量，该方法制备的sic籽晶生长得到的sic单晶微管、位错等缺陷密度一般明显大于等于sic籽晶缺陷密度，微管密度一般在3-5cm^-2或以上，晶体中的位错密度一般在10³～10⁴cm^-2量级或以上，无法用于制备大尺寸、高质量的sic单晶。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种直径为8英寸及以上尺寸量sic籽晶的制备方法。利用该方法制备的sic籽晶质量高，用于高质量大尺寸sic单晶的生长。

术语说明：

大直径高质量sic籽晶：本发明中指sic籽晶的直径为8英寸及以上，制备的sic籽晶中微管密度低于1cm^-2，总位错(螺位错、刃位错、基平面位错)密度为≤10²cm^-2量级。

现有尺寸sic籽晶：本发明中现有尺寸sic籽晶是指市场上可以购买到的sic籽晶。目前市售sic籽晶或sic晶片尺寸为：直径2英寸、3英寸、4英寸、6英寸，圆形，产品级sic微管密度在3～5cm^-2，总位错密度在10³～10⁴cm^-2。统称为小尺寸sic晶片，或sic晶体。

目标sic籽晶：直径为8英寸及以上尺寸的sic籽晶。

发明概述：

本发明通过利用比目标籽晶尺寸小的市售sic晶片或晶体，进行切割拼接制作sic籽晶，同时采用外圆磨床将拼接的sic籽晶加工成完整晶圆形状，并在拼接sic籽晶的生长面先进行侧向外延生长，填充籽晶拼接裂缝；随后在籽晶生长面进行同质外延，大幅度降低籽晶生长面的缺陷密度，提高籽晶生长面的结晶质量，最终获得表面总厚度变化小、无裂缝、缺陷密度少的直径8英寸及以上尺寸的高质量sic籽晶。

发明详述：

一种直径8英寸及以上尺寸的高质量sic籽晶制备方法，包括：

-切割：提供若干所需形状的小尺寸sic晶片，或用sic晶体切割形成小尺寸sic晶片并磨削得到所需形状，使晶片的磨削方向偏差小于0.5°；

-拼接：将小尺寸sic晶片进行紧密拼接，使拼接后sic籽晶的尺寸大于目标sic籽晶尺寸；

-磨削：采用外圆磨床将拼接籽晶进行磨削；得圆形拼接sic籽晶；然后抛光；

-外延生长：对抛光后的圆形拼接sic籽晶进行同质外延生长，所述同质外延生长分两个阶段进行：

(1)侧向外延：在圆形拼接sic籽晶拼接缝隙处进行侧向外延生长以填充拼接缝隙，侧向外延温度控制在1200-1500℃，压力为10-50mbar，控制c/si比为0.95-1.05，以促进晶体(11-20)、(1-100)面的生长速率，抑制(0001)面的生长速率，实现sic拼接籽晶缝隙的侧向外延，填充裂缝；

(2)表面外延：在拼接缝隙填充完成后，改变生长条件，控制生长温度为1500-1800℃，生长压力80-300mbar，控制c/si比为0.8-1.2，以促进籽晶的(0001)面生长速率，实现在圆形sic籽晶表面上外延一层sic薄膜，得到无拼接缝隙的大直径高质量sic籽晶，直径≥8英寸。

进一步的，采用上述制备的大直径高质量sic籽晶进行大直径sic单晶生长，得到大直径sic单晶；然后对大直径高质量sic单晶进行切割加工，制得多片大直径高质量sic籽晶。实现大直径高质量sic籽晶的大规模生产。

本发明所述制备的大直径高质量sic籽晶的微管密度≤1cm^-2，总位错密度≤10²cm^-2。

根据本发明，所述小尺寸的sic晶片或sic晶体尺寸为直径2英寸、3英寸、4英寸或6英寸；其晶型为4h-sic、6h-sic、3c-sic或15r-sic；其导电类型为n型、p型或半绝缘。该晶片可以用同样直径的sic晶体切片获得。

根据本发明优选的，所述小尺寸sic晶片或sic晶体的表面为<0001>方向偏<11-20>方向0～8°；

根据本发明优选的，所述小尺寸的sic晶片切割方向为任意可以标记的方向，进一步优选的，小尺寸的sic晶片的切割方向沿<11-20>或<1-100>方向，方向偏差小于5°；

根据本发明优选的，采用取金刚石线单线切割机或锯片机切割小尺寸的sic晶片，得到各边均为直边的sic晶片；便于拼接为大尺寸晶片。进一步优选的，切割后的所需形状为正方形或其他便于拼接的多边形。

根据本发明，当采用市售sic晶体时，选取金刚石线单线切割机切割或平面磨床磨削sic晶体得到所需形状的sic晶体。进一步优选的，采用平面磨床磨削sic晶体，并在磨削晶体时结合x射线定向仪精确确定磨削方向，使晶体的磨削方向偏差小于0.5°；进一步的，采用多线切割机切割该所需形状的sic晶体得到所需形状的sic晶片。本发明通过直接定向晶体，获得的拼接籽晶晶向误差更小，更易获得相同晶面的晶片。

根据本发明优选的，所述sic晶片拼接时，将sic晶片的相同晶面拼接到一起。进一步优选的，(11-20)面与(11-20)面拼接到一起，(1-100)面和(1-100)面拼接到一起。相同晶面晶片拼接到一块，更有利于消除缺陷，提高籽晶质量。

根据本发明优选的，所述sic晶片拼接时，将sic晶片采用胶水拼接在石墨片、石墨箔或其他籽晶托上。使sic晶片拼接缝隙小于1mm，进一步优选的，拼接缝隙小于0.3mm。

根据本发明，所述磨削步骤是采用外圆磨床，将拼接籽晶的某一顶点与砂轮接触，设置外圆磨单次进给量、磨削量参数，磨削拼接籽晶使其外边呈圆形；优选的，磨削时，设定外圆磨床的单次进给量为1～20μm。磨削量为拼接后的籽晶直径与目标籽晶直径差。

根据本发明，对外圆磨后得到的完整圆形sic籽晶进行抛光处理，优选的，抛光后sic籽晶总厚度偏差小于30μm；表面无损伤层。

本发明中侧向外延的生长温度和压力低于表面外延；通过硅烷、丙烷气体的流量精确控制c/si比，该条件能够充分发挥晶体(11-20)、(1-100)、(0001)等晶面生长速率各向异性的特点，促进晶体(11-20)、(1-100)面的生长速率，抑制(0001)面的生长速率，实现sic拼接籽晶缝隙的侧向外延，填充裂缝，获得无裂缝的大直径拼接sic籽晶。

根据本发明优选的，所述侧向外延的c/si为0.95-1.05，表面外延的c/si为0.8-1.2。对于4h-sic和6h-sic籽晶制备而言，侧向外延c/si低于表面外延的c/si。最优选，4h-sic籽晶制备时，侧向外延c/si为1.05，表面外延的c/si为1.1；6h-sic籽晶制备时，侧向外延c/si为0.90，表面外延的c/si为0.95。

根据本发明优选的，在圆形拼接sic籽晶拼接缝隙处进行侧向外延时，所述侧向外延生长的时间为4-12小时。

根据本发明优选的，在拼接缝隙填充完成后，在sic籽晶生长面上表面外延sic薄膜的厚度为1～60μm。进一步优选15-50μm。

根据本发明优选的，当制备的拼接籽晶用碳面生长晶体时，选择在碳面进行同质外延；当制备的拼接籽晶用硅面生长晶体时，选择在硅面进行同质外延。

根据本发明优选的，制备的籽晶外延温度随籽晶的偏角增大而减小。进一步优选的，当制备偏角为0°至<4°sic籽晶时，侧向外延生长温度为1400℃～1490℃，表面外延生长温度为1660～1800℃；当制备4°～8°(偏向)sic籽晶时，侧向外延生长温度为1290℃～1390℃，表面外延生长温度为1500～1650℃。

本发明中的sic籽晶制备方法，可以充分利用市售sic晶片或晶体的尺寸，拼接成比目标尺寸更大的sic籽晶。使用该方法拼接得到的sic籽晶生长的大尺寸sic晶体可以用外圆磨床磨削晶体边缘质量不好的区域，最终得到直径8英寸及以上尺寸的高质量sic晶体。

本发明中的方法制备的sic籽晶，可以应用于物理气相传输法、溶液法或高温化学气相沉积法生长直径8英寸及以上尺寸sic单晶。

本发明方法中所述同质外延生长是采用化学气相沉积法。本发明上述方法中未作详细限定的部分按照本领域现有技术。

与现有技术相比，本发明具有如下优良效果：

1、本发明中的直径8英寸及以上尺寸sic籽晶制作方法，通过采用现有市售sic晶片或晶体，进行切割拼接制作，并对拼接籽晶进行外圆磨处理和同质外延生长，可以制备出完整圆形的sic籽晶。相比于现有直接在生长炉中进行横向生长填充籽晶裂缝技术，本发明利用外延技术中生长组分可控，通过气体流量计精确控制硅烷、丙烷等气体的流量，实现c/si比可控，采用低温低压，利用生长速率的各向异性，更易实现籽晶裂缝处侧向生长。通过在拼接sic籽晶生长面进行侧向同质外延，可以有效填充sic籽晶拼接时的裂缝。本发明中制备出的sic籽晶生长面无拼接缝隙，总厚度变化小，质量高，为高质量8英寸及以上尺寸sic晶体生长提供良好的前提。

2、本发明中通过采用同质外延技术在sic拼接籽晶生长面外延sic薄膜，利用外延层显著提高衬底质量，有效阻断了籽晶中的微管、位错等缺陷。采用该方法制作的sic拼接籽晶相比市售sic衬底质量得到显著提高：微管密度可以实现1cm^-2以下，总位错密度可以达到10²cm^-2量级或以下。本发明中通过采用同质外延技术，在保证sic拼接籽晶质量的前提下，能够降低对拼接籽晶所用市售sic衬底质量要求，因此可以大幅度降低大直径高质量sic籽晶的制作成本。

3、本发明中制备的sic籽晶，通过采用外圆磨床，可以制备出标准圆形的籽晶，与现有技术制备的大直径非圆形sic籽晶相比，本发明中制备的sic籽晶在后期应用方面可以直接与现有的晶体生长装配兼容，并能够有效减小该籽晶生长得到晶体外圆磨削量，大幅度降低大直径sic单晶制备的成本。

4、本发明中的sic籽晶制作方法，可以直接采用现有sic晶体加工和外延设备，无需其他设备，操作简单、方法实用、易于推广。

附图说明

图1是实施例1中6英寸4h-sic晶片切割示意图。图中黑色点状线代表晶片的切割位置，(a)～(c)为晶片的先后切割顺序。

图2是实施例1中4h-sic晶片拼接后得到的正方形sic籽晶。图中白色虚线为籽晶拼接后的裂缝。

图3是实施例1中拼接籽晶外圆磨后，得到完整的圆形直径8英寸4h-sic籽晶。图中白色虚线为籽晶拼接后的裂缝。

图4是实施例1中拼接籽晶进行同质外延后，得到的无拼接裂缝直径8英寸4h-sic籽晶。

图5是本发明实施例2中6英寸6h-sic单晶切割示意图。图中黑色点状线代表晶片的切割位置，(a)～(d)为晶片的先后切割顺序。

图6是本发明实施例2中6h-sic晶片拼接后得到的正八边形sic籽晶。图中白色虚线为籽晶拼接后的裂缝。

图7是本发明实施例2中拼接籽晶外圆磨后，得到完整的圆形直径212mm的6h-sic籽晶。图中白色虚线为籽晶拼接后的裂缝。

图8是本发明实施例2中拼接籽晶进行同质外延后，得到的无拼接裂缝直径212mm的6h-sic籽晶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中所用的6英寸4h-sic晶片、6英寸6h-sic晶体均为市售产品。

实施例中制备的8英寸4h-sic籽晶、8英寸6h-sic籽晶的实际直径为200mm。

8英寸＝20.319999969114厘米，半导体领域通常将直径为200mm的晶片标记为8英寸晶片。

实施例1：一种直径8英寸4h-sic籽晶的制作方法，步骤如下：

(1)选择4片4°偏角的6英寸4h-sic晶片，在晶片上标出半径为100mm的四分之一圆，切割方向如图1中点状黑线所示：图1(a)、(b)中分别沿<11-20>和<1-100>方向切割；

用金刚石单线切割机按照标记的切割方向对晶片进行切割，最终得到边长为100mm的正方形sic晶片，如图1(c)所示；

(2)对得到的4片正方形sic晶片，按相同的晶面进行紧密拼接，得到边长为200mm、对角线为282.84mm的正方形拼接4h-sic籽晶，该籽晶内对应最大的内切圆直径为200mm，如图2所示，图2中深色圆形是最终拼接籽晶用到的4个扇形，与图1中的深色扇形相同。

(3)采用外圆磨床，将拼接正方形sic籽晶的某一顶点与砂轮接触，设置外圆磨单次磨削进给量5μm、磨削总量82.84mm，磨削正方形4h-sic拼接籽晶，磨削完后获得直径为200mm完整的圆形4h-sic籽晶，如图3所示；

对以上完整的圆形4h-sic籽晶进行抛光处理，使抛光后圆形4h-sic籽晶的总厚度为15μm，表面无损伤层；

(4)对抛光后的拼接sic籽晶碳面进行同质外延。首先对拼接sic籽晶进行侧向外延，控制生长温度为1300℃，压力为10mbar，控制c/si比为1.05，外延10h，填充拼接sic籽晶的裂缝，获得无拼接缝隙大尺寸籽晶；然后改变外延条件，控制生长温度为1500℃，压力100mbar，控制c/si比为1.1，在4h-sic籽晶的c面外延厚度为15μm的外延层，此时sic拼接籽晶生长面的结晶质量明显提高，得到高质量的直径为200mm的完整4h-sic籽晶，如图4所示。

(5)采用制备的200mm4h-sic籽晶碳面生长，按照现有技术，可生长得到200mm4h-sic晶体，经切割加工可得多片200mm4h-sic籽晶。

对得到的200mm4h-sic籽晶进行测试表征，采用光学显微镜观察微管分布并计算微管密度为0.8cm^-2；采用熔融koh腐蚀sic籽晶，显微镜下观察腐蚀坑的形貌及分布，统计出螺位错、刃位错、基平面位错总密度为203cm^-2，这些技术指标远高于目前市售sic衬底指标(工业级6英寸sic衬底微管密度在3～5cm^-2，总位错密度在10³～10⁴cm^-2)，表明本发明中制作的200mm4h-sic籽晶质量较高，可以用于高质量sic单晶的生长。

实施例2：一种直径8英寸6h-sic籽晶的制作方法，步骤如下：

(1)选择1块正向(0°)6英寸6h-sic晶体，该晶体上可标出最大半径为106mm的四分之一圆，切割方向<11-20>和<1-100>，如图5中点状黑线所示，图5(a)、(b)中分别沿<11-20>和<1-100>方向切割，图5(c)中沿扇形圆弧中点做切线，按该切线方向切割sic晶片。

用平面磨床按照图5(a)、(b)标记的方向对晶体进行磨削，磨削过程中用x射线定向仪控制磨削方向，使磨削方向偏差在0.2°以内，得到直径106mm的正方形sic晶体。用金刚石单线切割机按照图5(c)标记的方向对正方形sic晶体进行切割，最终得到五边形sic晶体，如图5(d)所示。将得到的五边形sic晶体进一步用多线切割机按垂直于晶体表面方向进行切割，获得多片五边形sic晶片。

(2)从切割得到的五边形sic晶片中，选取4片晶片，按相同的晶面进行紧密拼接，得到边长为87.81mm、对角线长为229.47mm的正八边形拼接4h-sic籽晶，该籽晶内对应最大的内切圆直径为212mm，如图6所示；

(3)采用外圆磨床，将拼接的正八边形sic籽晶某一顶点与砂轮接触，设置外圆磨单次进给量10um、磨削量17.47mm，磨削拼接的正八边形6h-sic籽晶，磨削完后获得直径为212mm的完整圆形6h-sic籽晶，如图7所示；

对以上获得的完整圆形sic籽晶进行抛光处理，抛光后拼接6h-sic籽晶的总厚度为20um，表面无损伤层；

(4)对抛光后的拼接sic籽晶硅面进行同质外延。首先对6h-sic衬底进行侧向外延，控制生长温度为1450℃，压力为50mbar，控制c/si比为0.9，外延5h，填充拼接sic籽晶的裂缝，获得无拼接缝隙大尺寸6h-sic籽晶；然后改变外延条件，控制生长温度为1750℃，压力300mbar，控制c/si比为0.95，在6h-sic籽晶的si面外延厚度为50μm的外延层，此时sic拼接籽晶生长面的结晶质量明显提高，获得无拼接缝隙直径为212mm的6h-sic籽晶，如图8所示；

(5)采用上述制备的直径212mm6h-sic籽晶si面生长6h-sic晶体，获得直径212mm的6h-sic单晶。通过外圆磨床磨削掉晶体边缘质量不好区域，得到直径200mm的高质量6h-sic单晶。对晶体进行加工，可得到多片直径200mm的高质量6h-sic籽晶。

对得到的200mm6h-sic籽晶进行测试表征，采用光学显微镜观察微管分布并计算微管密度为0.6cm^-2；采用熔融koh腐蚀sic籽晶，显微镜下观察腐蚀坑的形貌及分布，统计出螺位错、刃位错、基平面位错总密度为89cm^-2，这些技术指标远高于目前市售sic衬底指标(工业级6英寸sic衬底微管密度在3～5cm^-2，总位错密度在10³～10⁴cm^-2)，表明本发明中制作的200mm6h-sic籽晶质量较高，可以用于高质量sic单晶的生长。

对比例：

如实施例1所述的方案，所不同的是：步骤(4)：对抛光后的拼接sic籽晶进行侧向外延，控制生长温度为1300℃，压力为10mbar，控制c/si比为1.05，外延10h，获得无裂缝的拼接籽晶。然后采用制备的4h-sic籽晶碳面生长，得到直径200mm的4h-sic晶体，经切割加工可得多片200mm4h-sic籽晶。对得到的200mm4h-sic籽晶进行测试表征，其微管密度为28cm^-2，螺位错、刃位错、基平面位错总密度为3×10⁴cm^-2。