一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法

1.本发明涉及碳化硅技术领域，具体为一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法。


背景技术：

2.目前，常用的测试碳化硅中杂质浓度的方法是使用二次离子质谱sims进行测试，即利用高能量的一次离子束轰击碳化硅晶片表面，碳化硅晶片表面发生溅射产生二次粒子，通过分析二次离子可以得到碳化硅晶片的元素信息，然而，sims测试存在一定的局限性，例如该测试对碳化硅晶片具有破坏性，此外对测试环境要求也较苛刻，测试必须在真空下进行；在实际生产过程中，碳化硅晶片的氮浓度对碳化硅质量的把控尤为重要，而实验员若在工艺的某个环节需要知道某一碳化硅晶片的氮浓度，采用sims测试会对碳化硅晶片表面造成伤害，费时费力，甚至会影响整个工艺的进度；因此，找到一种能够解决上述问题且快速得到氮浓度的方法显得尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有氮浓度测算方法对碳化硅晶片表面造成伤害，费时费力，甚至会影响整个工艺的进度的问题，提供了一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法，包括以下步骤：
5.提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片，测算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
；
6.建立第一接触电势φ
sample
对应所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式，根据建立的第一关系式和第一接触电势φ
sample
的具体值计算得到所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值；
7.建立所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式，根据第二关系式、导带底能量ec和费米能级能量ef的差值得到所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值；
8.建立碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n对应氮浓度nd的第三关系式，根据第三关系式、所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值得到所述碳化硅晶片氮浓度n的具体值。
9.作为一种可实施方式，提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片，测算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
的步骤具体包括：
10.提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片并提供已知功函数的金标样；
11.基于显微镜分别对所述碳化硅晶片和所述金标样进行扫描，并测量所述碳化硅晶片表面和所述显微镜的探针之间的第一接触电势差δφ1、所述金标样表面和所述显微镜的探针之间的第二接触电势差δφ2；
12.根据所述第一接触电势差δφ1、所述第二接触电势差δφ2和所述金标样的功函
数计算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
。
13.作为一种可实施方式，根据所述第一接触电势差δφ1、所述第二接触电势差δφ2和所述金标样的功函数计算所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
的计算过程具体包括：
14.所述第一接触电势差δφ1＝φ
tip-φ
sample
，式中，φ
tip
表示所述探针表面的电势，φ
sample
表示所述碳化硅晶片表面的第一接触电势；
15.所述第二接触电势差δφ2＝φ
tip-φ
metal
，式中，φ
tip
表示所述探针表面的电势，φ
metal
表示所述金标样表面的第二接触电势；
16.其中，由于δφ1、δφ2、φ
metal
为已知，从而得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
＝δφ
2-δφ1+φ
metal
。
17.作为一种可实施方式，建立第一接触电势φ
sample
对应所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式的步骤具体包括：建立第一接触电势φ
sample
对应电子亲和能x1、所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式；
18.其中，所述第一关系式为：φ
sample
＝x1+ec-ef，式中，ec-ef表示所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值，x1表示电子亲和能。
19.作为一种可实施方式，建立所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式的步骤具体包括：
20.建立导带底能量ec和费米能级能量ef的差值、碳化硅晶片所处的室温t、所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数k、所述碳化硅晶片的导带内有效态密度nc对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式
21.其中，所述第二关系式为：所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度式中，nc表示所述碳化硅晶片的导带内有效态密度，k表示所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数，t表示碳化硅晶片所处的室温。
22.作为一种可实施方式，所述碳化硅晶片的导带内有效态密度nc的计算公式为：
23.式中，m表示所述碳化硅晶片导带中的等效波谷数，mc是所述碳化硅晶片导带中一个波谷态密度的有效质量，mo表示所述碳化硅晶片自由空间中的电子质量，t表示碳化硅晶片所处的室温。
24.作为一种可实施方式，所述第三关系式为：
[0025][0026]
式中，nc表示所述碳化硅晶片的导带内有效态密度，nd表示所述碳化硅晶片的氮浓度，e
c-ed表示氮的电离能，gd表示施主的简并因子，k表示所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数，t表示碳化硅晶片所处的室温。
[0027]
作为一种可实施方式，提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片的步骤具体包括：提供待检测的碳化硅晶片，将碳化硅晶片浸泡入氢氟酸溶液中，去除碳化硅晶片表面的氧化层，随后通过蒸馏水洗清所述碳化硅晶片表面残余的氢氟酸；再用静电枪或离子风机对
碳化硅晶片的表面进行风扫除去表面静电，从而得到经过静电去除处理后的碳化硅晶片。
[0028]
作为一种可实施方式，所述碳化硅晶片表面和所述显微镜的探针之间的第一接触电势差δφ1、所述金标样表面和所述显微镜的探针之间的第二接触电势差δφ2都为分别随机选择所述碳化硅晶片表面和所述金标样表面的一个扫描区域后进行测量得到的。
[0029]
本发明的有益效果：本发明公开了一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法，通过计算碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
；再通过建立第一接触电势φ
sample
对应碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式得到碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值；建立碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值对应碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式得到碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值；通过建立碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n对应氮浓度nd的第三关系式得到碳化硅晶片氮浓度n的具体值；使得通过表面电势的测试结果得到碳化硅的氮含量，为生产过程提供了便利，提高了测试效率。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例测算碳化硅晶片氮浓度的方法步骤示意图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0032]
参见图1，本实施例提供一种技术方案：一种测算碳化硅晶片氮浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0033]
步骤s100，提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片，测算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
；
[0034]
步骤s200，建立第一接触电势φ
sample
对应所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式，根据建立的第一关系式和第一接触电势φ
sample
的具体值计算得到所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值；
[0035]
步骤s300，建立所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式，根据第二关系式、导带底能量ec和费米能级能量ef的差值得到所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值；
[0036]
步骤s400，建立碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n对应氮浓度nd的第三关系式，根据第三关系式、所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值得到所述碳化硅晶片氮浓度n的具体值。
[0037]
执行步骤s100，提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片的步骤具体包括：提供待检测的碳化硅晶片，将碳化硅晶片浸泡入氢氟酸溶液中，去除碳化硅晶片表面的氧化层，随后通过蒸馏水洗清所述碳化硅晶片表面残余的氢氟酸；再用静电枪或离子风机对碳化硅晶片的表面进行风扫除去表面静电，从而得到经过静电去除处理后的碳化硅晶片。
[0038]
其中，将碳化硅晶片浸泡入氢氟酸溶液中具体包括：将碳化硅晶片浸泡入浓度为
5％的氢氟酸溶液中浸泡10分钟。
[0039]
提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片，测算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
的步骤具体包括：
[0040]
提供经过静电去除处理后的碳化硅晶片并提供已知功函数的金标样；
[0041]
基于显微镜分别对所述碳化硅晶片和所述金标样进行扫描，并测量所述碳化硅晶片表面和所述显微镜的探针之间的第一接触电势差δφ1、所述金标样表面和所述显微镜的探针之间的第二接触电势差δφ2；
[0042]
根据所述第一接触电势差δφ1、所述第二接触电势差δφ2和所述金标样的功函数计算得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
。
[0043]
在本实施例中，所述显微镜使用的是原子力显微镜，并选择开尔文探针显微镜模式，所述金标样可以选择铜。
[0044]
所述碳化硅晶片表面和所述显微镜的探针之间的第一接触电势差δφ1、所述金标样表面和所述显微镜的探针之间的第二接触电势差δφ2都为分别随机选择所述碳化硅晶片表面和所述金标样表面的一个扫描区域后测量得到的。
[0045]
具体的，所述显微镜在所述碳化硅晶片表面随机选择一个点，扫5μm
×
5μm的区域，再利用分析软件如：nanoscopanalysis得到探针和碳化硅晶片表面之间的第一接触电势差δφ1；在同样利用显微镜得到所述金标样表面和所述显微镜的探针之间的第二接触电势差δφ2。
[0046]
根据所述第一接触电势差δφ1、所述第二接触电势差δφ2和所述金标样的功函数计算所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
的计算过程具体包括：
[0047]
所述第一接触电势差δφ1＝φ
tip-φ
sample
，式中，φ
tip
表示所述探针表面的电势，φ
sample
表示所述碳化硅晶片表面的第一接触电势；
[0048]
所述第二接触电势差δφ2＝φ
tip-φ
metal
，式中，φ
tip
表示所述探针表面的电势，φ
metal
表示所述金标样表面的第二接触电势；
[0049]
其中，由于φ
metal
是根据金标样的功函数得到，即φ
metal
和金标样两者的数值相同，区别在于单位，比如说，δφ1的单位是伏特(v)，φ
metal
的单位是电子伏特(ev)，因此φ
metal
为已知，而δφ1、δφ2也已经根据测算得到，因此可以得到所述碳化硅晶片表面的第一接触电势φ
sample
＝δφ
2-δφ1+φ
metal
。
[0050]
在其他实施例中，也可以不使用金标样，而是通过高定向裂解石墨hopg来进行标定。
[0051]
执行步骤s200，建立第一接触电势φ
sample
对应所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式的步骤具体包括：建立第一接触电势φ
sample
对应电子亲和能x1、所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的第一关系式；
[0052]
其中，所述第一关系式为：φ
sample
＝x1+ec-ef，式中，ec-ef表示所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值，x1表示电子亲和能；
[0053]
一般来说，4h型的碳化硅晶片对应的电子亲和能x1为3.8，从而求得所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值ec-ef。
[0054]
执行步骤s300，建立所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式的步骤具体包括：
[0055]
建立导带底能量ec和费米能级能量ef的差值、碳化硅晶片所处的室温t、所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数k、所述碳化硅晶片的导带内有效态密度nc对应所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的第二关系式
[0056]
其中，所述第二关系式为：所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度式中，nc表示所述碳化硅晶片的导带内有效态密度，k表示所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数，t表示碳化硅晶片所处的室温。
[0057]
进一步的，作为一种实施方式，所述碳化硅晶片的导带内有效态密度nc的计算公式为：
[0058]
所述碳化硅晶片的导带内有效态密度式中，m表示所述碳化硅晶片导带中的等效波谷数，mc是所述碳化硅晶片导带中一个波谷态密度的有效质量，mo表示所述碳化硅晶片自由空间中的电子质量，t表示碳化硅晶片所处的室温。
[0059]
其中，由于碳化硅处于室温下，t取300，而m表示所述碳化硅晶片导带中的等效波谷数，一般取3，因此将数值带入公式可以得到nc＝1.69x10
19
。
[0060]
在计算得到所述碳化硅晶片的导带内有效态密度nc的具体数值后，代入所述第二关系式，而所述碳化硅晶片的导带底能量ec和费米能级能量ef的差值e
c-ef已经求出即为已知，k为玻尔兹曼常数也为已知，t为300，从而得到所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值。
[0061]
执行步骤s400，所述第三关系式为：
[0062][0063]
式中，nc表示所述碳化硅晶片的导带内有效态密度，nd表示所述碳化硅晶片的氮浓度，e
c-ed表示氮的电离能，gd表示施主的简并因子，k表示所述碳化硅晶片对应的玻尔兹曼常数，t表示碳化硅晶片所处的室温。
[0064]
其中，e
c-ed即氮的电离能为61.4mev，k为玻尔兹曼常数也为已知，t取碳化硅晶片所处的室温300，gd是施主的简并因子且通常取2，并与得到的所述碳化硅晶片在平衡时的电子浓度n的具体值都代入第三关系式，从而计算得到所述碳化硅晶片的氮浓度的具体值。
[0065]
本发明通过原子力显微镜对碳化硅晶片做表面电势测试，通过表面电势和碳化硅的氮含量之间存在的关系，通过表面电势的测试结果得到碳化硅的氮含量，为生产过程提供了便利，提高了测试效率。
[0066]
另外，原子力显微镜还可以做形貌测试，形貌测试得到的表面粗糙度值是碳化硅产品出货的一个必要指标，化学机械抛光后用原子力显微镜进行粗糙度测试，表面粗糙度ra≤0.2nm时，满足出货标准。
[0067]
而本发明涉及一种新型测算碳化硅氮浓度的方法，相较于传统的sims测试氮浓度，本发明操作简便，且无需新的测试设备，仅用一台原子力显微镜就可以得到测试结果，并且利用开尔文探针显微镜可以同时得到样品的表面粗糙度值和表面接触电势差，更加便
利。
[0068]
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。