一种区分4H-碳化硅表面的方法

一种区分4h-碳化硅表面的方法
技术领域
1.本技术涉及半导体领域，特别涉及一种区分4h-碳化硅表面的方法。


背景技术：

2.宽禁带碳化硅半导体是继硅半导体之后新近发展起来的新一代功率半导体，是支持5g通讯、智能制造、电子电力以及军工航天等产业的必备材料。而以碳化硅(sic)为代表的第三代半导体材料因为更宽的禁带宽度而拥有高击穿场强、高饱和电子漂移速率及高导热率等一系列优点，可以广泛应用在高温、高压、高辐射等极端条件下。sic具有200种以上的同质异型体，其中4h-sic具有较高的载流子饱和漂移速率(电子为800-1000cm
2 v-1
s-1
)和良好的导热性(3.7k/w cm-1
k-1
)，具有制备大功率器件的基础，因此4h-sic材料是碳化硅同质异型体中唯一具有完整完备大尺寸商业生产线的材料。同时，4h-sic具有3.26ev的宽禁带宽度，21.8ev的离位能和2380k的熔点，这使得它具有很好的抗辐射能力，在航空航天、核能开发以及雷达等领域具有很大的应用前景。4h-sic单晶具有硅(si)面和碳(c)面两个极性面，是极性晶体。极性晶体的极性面的生长速率是不同的，一般正极性面的生长速度要大于负极性面。同时生长情况会进一步影响其性能。sic器件一般采用硅面进行外延生长，其衬底的底面是碳极性面。但目前4h-sic单晶的ab面在光学显微镜、原子力显微镜、光致发光谱、x射线衍射等一系列测试中都难以区分。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本技术提出一种方便快捷区分4h-碳化硅表面的方法。
4.本技术的一种区分4h-碳化硅表面的方法，所述方法首先对需要辨别的4h-碳化硅(4h-sic)样品的两个表面分别标记为a面和b面；然后将4h-sic样品进行以koh为主腐蚀剂的湿法腐蚀过程；再对腐蚀后4h-sic样品进行盐酸酸洗；最后用光学显微镜观察4h-sic的ab面，根据其各向同性或各向异性的腐蚀行为来确定该表面自由能的大小，从而判定出具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面为4h-sic样品的si面，而具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面为4h-sic样品的c面。
5.进一步，本技术所述方法具体包括如下步骤：
6.1)准备待测样品：首先从待测的4h-sic上裁取合适大小作为待测样品，并将其两个表面分别标记为a面和b面，所述待测样品为4h-sic单晶衬底且两面分别为si面与c面；
7.2)清洗待测样品：采用改进的rca清洗工艺清洗步骤1)中所述的待测样品；
8.3)将完成清洗步骤的待测样品用氮气枪吹干后和腐蚀剂一起放入镍坩埚中，然后采用加热设备升温至550-590℃，保温腐蚀20～40min；所述腐蚀剂为熔融的koh和na2o2混合物；其中na2o2可以在腐蚀过程中为待测样品表面提供溶解氧，从而减少了腐蚀时间，降低了腐蚀降低成本；
9.4)将步骤3)中得到的待测样品放入质量分数为30％的盐酸溶液中，冷却至室温；该过程还可除去待测样品表面的碱性残留物质；
10.5)二次清洗：将冷却好的待测样品再次采用改进的rca清洗工艺进行清洗；
11.6)分别使用光学显微镜的反射光源与透射光源观测完成二次清洗过程后的待测样品的a面与b面。
12.进一步，本技术所述方法中改进的rca清洗工艺具体为：清洗用品分别为：sc-1溶液清洗20～30min(nh4oh：h2o2：h2o的体积为1：4：50)，去离子水清洗8～15min，hf溶液清洗8～12min，sc-2溶液清洗20～30min(hcl：h2o2：h2o的体积比为1：1：6)，去离子水清洗8～15min，hf溶液清洗8～12min，piranha溶液清洗25～35min(h2so4：h2o2的体积比为7：3)，去离子水清洗8～15min，hf溶液清洗8～12min，去离子水清洗25～35min。
13.进一步，本技术所述方法中hf溶液的中hf与h2o的体积比为1：10。
14.进一步，本技术所述方法的步骤3)中腐蚀剂中koh与na2o2的质量比为10～30：1。
15.进一步，本技术所述方法的光学显微镜为反射光源(含dic镜片)和透射光源的100x-1000x光学显微镜。
16.进一步，本技术所述方法的步骤3)中的加热设备为马弗炉或井式炉。
17.进一步，本技术所述方法的待测样品中具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面为4h-sic样品的si面，所述高表面自由能≥1000erg/cm2。
18.进一步，本技术所述方法的待测样品中具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面为4h-sic样品的c面，所述低表面自由能＜1000erg/cm2。通过长度测量法中的液饼法或垂片法来测得待测样品腐蚀面的表面自由能。其中液饼法是将液滴不断地滴在固体表面，形成一个液饼。继续增加液体的量时，液饼的高度会到达最大值。4h-sic待测样品腐蚀后的表面表现为光滑的表面和粗糙的表面，且粗糙的表面多为波纹状。根据其各向同性或各向异性的腐蚀行为来确定该表面自由能的大小，从而判定样品的a面和b面分别对应哪个面。光滑的表面对应对应具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面，为4h-sic样品的si面；而粗糙的表面则对应具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面，为4h-sic样品的c面。
19.本技术的有益效果包括：提供了一种区分4h-碳化硅表面的方法，可以有效便捷地区分出4h-碳化硅的硅面与碳面。通过光学显微镜观测腐蚀后样品表面的平整度，可以清楚看到两个面的腐蚀性为的区别，根据其各向同性或各向异性的腐蚀行为来确定该表面自由能的大小，从而判定样品的a面和b面分别对应哪个面。其中光滑的表面对应对应具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面，为4h-sic样品的si面；而粗糙的表面则对应具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面，为4h-sic样品的c面，粗糙的表面多为波纹状。本方法对于检测样品的要求低，且无论待测样品是否完好，是否具有缺陷，腐蚀过程中的腐蚀温度和腐蚀时间均较短，结果均可靠；而且采用光学显微镜进行观测，操作简单，成本低。
附图说明
20.图1为本发明所述方法的流程示意图；
21.图2为本发明所述的完成二次清洗过程后待测样品的示意图；
22.图3为本发明所述4h-sic的硅面各向异性腐蚀后的金相显微镜图；
23.图4为本发明所述4h-sic的碳面各向同性腐蚀后的金相显微镜图。
具体实施方式
24.为使本技术具体实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。具体实施方式中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.如图1～4所述，本技术所述的一种区分4h-碳化硅表面的方法，具体包括如下步骤：
27.1)准备待测样品：首先从待测的4h-sic上裁取合适大小作为待测样品，并将其两个表面分别标记为a面和b面，在本实施例中，所述待测样品为4h-sic单晶锭所切取得到，尺寸大小为5mm
×
5mm；
28.2)清洗待测样品：采用改进的rca清洗工艺清洗步骤1)中所述的待测样品；在本实施例中，采用的改进的rca清洗工艺具体为：清洗用品分别为：sc-1溶液清洗30min(nh4oh：h2o2：h2o的体积为1：4：50)，去离子水清洗10min，hf溶液清洗10min，sc-2溶液清洗30min(hcl：h2o2：h2o的体积比为1：1：6)，去离子水清洗10min，hf溶液清洗10min，piranha溶液清洗30min(h2so4：h2o2的体积比为7：3)，去离子水清洗10min，hf溶液清洗10min，去离子水清洗30min。所述hf溶液的中hf与h2o的体积比为1：10。
29.3)将完成清洗步骤的待测样品用氮气枪吹干后和腐蚀剂一起放入镍坩埚中，然后采用马弗炉升温至550-590℃，保温腐蚀20～40min；所述腐蚀剂为熔融的koh和na2o2混合物；且在本实施例中，所述koh与na2o2的质量比为25：1。
30.4)将步骤3)中得到的待测样品放入质量分数为30％(ar)的盐酸溶液中，冷却至室温；
31.5)二次清洗：将冷却好的待测样品再次采用上述改进的rca清洗工艺进行清洗；
32.6)分别使用光学显微镜的反射光源与透射光源观测4h-sic样品的a面与b面。所述光学显微镜为反射光源(含dic镜片)和透射光源的1000x光学显微镜。观测腐蚀后样品表面的平整度，可以清楚看到两个面的腐蚀行为的区别，根据其各向同性或各向异性的腐蚀行为来确定该表面自由能的大小，从而判定样品的a面和b面分别对应哪个面。其中光滑的表面对应对应具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面，为4h-sic样品的si面；而粗糙的表面则对应具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面，为4h-sic样品的c面，粗糙的表面多为波纹状。在本实施例中，通过长度测量法中的液饼法来测得待测样品腐蚀面的表面自由能。液饼法是将液滴不断地滴在固体表面，形成一个液饼。继续增加液体的量时，液饼的高度会到达最大值。所述待测样品中具有各向异性腐蚀行为的高表面自由能的表面为4h-sic样品的si面，所述高表面自由能为1800erg/cm2。所述待测样品中具有各向同性腐蚀行为的低表面自由能的表面为4h-sic样品的c面，所述低表面自由能为750erg/cm2。
33.以上所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的
所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。