专利名称：一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法
技术领域：
本发明涉及一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法，特别涉及在晶片研磨抛光后进一步降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法。该方法通过在晶片上足够大的机械应力，使其达到期望小的翘曲度、弯曲度；同时进行高温退火处理，以使晶片的形变保留下来， 从而降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度。
背景技术：
碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用前景。与Si 和GaAs传统半导体材料相比，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。目前生长SiC晶体的方法主要有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相法等。其中物理气相传输法(PVT)是发展最成熟的，这种方法被世界上绝大多数研究机构和公司所采用。在典型的物理气相传输法原理中，采用中频感应或电阻加热，高密度石墨材料作为发热体。SiC原料放置在石墨坩埚底部，SiC籽晶处于石墨坩埚顶部。通常采用C面作为生长面进行SiC晶体生长。通过调节保温，使得SiC原料处温度较高，而籽晶处温度较低。处于高温处的SiC原料升华分解成气相物质(主要为Si，Si2C，SiC2),这些气相物质输运到温度较低的籽晶处，结晶生成SiC晶体。在物理气相传输法中需要控制的主要工艺参数包括生长温度、温度梯度、生长面与料面间距以及惰性气体压力等。在碳化硅晶体生长完以后，将晶体切成预定形状的晶片，一般利用金刚石线锯切割SiC晶体，通过对金刚石线的线速、向下进给速度和线锯摇摆的调整，可以把体块状单晶切割成厚度均勻的晶片。切割完的碳化硅晶片表面有刀痕、翘曲度大，需要进一步的研磨处理。通常，研磨分为粗磨和精磨，粗磨主要是去除切割的刀痕及切割引起的加工变质层.精磨主要是去除粗磨留下的加工损伤层，并改变表面粗糙度。用不同粒度的碳化硼和金刚石的混合物研磨后，表面粗糙度不同，随着磨料粒径的减小，表面粗糙度也会降低。碳化硅的应用要求晶片表面超光滑、低翘曲度、低弯曲度。碳化硅晶片的表面质量和精度的优劣，直接影响到器件的性能。由于SiC的莫氏硬度为9. 2，仅次于金刚石，晶体的切割和研磨抛光难度相当大。并且，加工完晶片较薄，厚度通常在250um-500um之间，其抗弯曲、翘曲变形的能力发生了极大地降低，因此，研磨抛光后晶片的面形很难保证。由于这些原因，常规的研磨、抛光后SiC晶片具有高的翘曲度、弯曲度。“翘曲度”(Warp)定义为从参考平面所测的晶片表面的最小值和最大值的差，差值包括凸凹的变化。“弯曲度”(Bow)是从晶片的中心所测的晶片凹凸或者变形，与厚度比变化无关。这种高的翘曲度、弯曲度给整个后续外延生长带来很大的不便；甚至在器件制作过程中，晶片在被吸在真空吸盘上时会产生很大应力，导致晶片破裂。因此，希望开发出一种方法用以降低碳化硅晶片的翘曲度、弯曲度，特别是降低研磨抛光后碳化硅晶片的翘曲度、弯曲度。
发明内容
本发明提供了一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法，特别涉及在晶片研磨抛光后进一步减小碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法。该方法具体包括将晶片固定，在晶片上施加足够的机械应力使晶片产生向平整度减小方向的变形，使晶片达到期望小的平整度；同时，将晶片加热到的足够高的温度，进行退火并保持足够长时间，以使其晶格发生滑移、重排，从而将晶片的形变保留下来，达到所获晶片具备足够小的翘曲度、弯曲度。进一步，施加在晶片上机械应力的方向为使晶片发生向翘曲度、弯曲度减小，施加机械应力的大小为使晶片达到期望小的翘曲度、弯曲度。更进一步，加热温度为范围为高于使碳化硅晶片发生高温重排要求的温度，低于在环境条件下碳化硅晶片发生不利的升华温度，从而在热力学上使晶片中的晶格发生滑移、重排；在该温度条件下保持足够时间，时间为高于晶格发生充分地滑移、重排需要的时间；以及以缓慢冷却速度降至常温。更进一步，施加期望机械应力的方法包括将晶片放于具备足够小平整度表面的两夹板之间，对平板施加机械压力，从而使晶片按照夹板的表面产生形变。平板的平整度小于 2um,优选小于0. 5um。更进一步，施加期望机械应力的方法包括将晶片放于具备与晶片翘曲相反的表面的两夹板之间，对平板施加机械压力，从而使晶片按照夹板的表面产生形变。更进一步，晶片在应力作用状态下变形后的翘曲度低于5um、弯曲度小于5um，优选翘曲度低于lum、弯曲度小于lum。更进一步，加热晶片的温度范围为100-2000°C。更进一步，保持时间为0. l_200h。更进一步，降温速率为1-1000°C /h。采用本发明后，可以获得低翘曲度、弯曲度的晶片，晶片的翘曲度低于20um、弯曲度小于lOum，更优选翘曲度低于5um、弯曲度小于3um。下面参照附图，对本发明进行详细说明。
图1是采用本发明方法对晶片进行施加压力、加热处理的示意图解。 其中，1是固定挡板，2是加热器，3是下压板，4是施加的机械压力，5是一系列碳化硅晶片，6是上压板。图2是具备与晶片翘曲相反的表面的上下夹板施加压应力示意图。
具体实施例方式实施例1如图1所示，取5片已研磨抛光完的3inch晶片，将其装入到上压板6、下压板6之间；并通过固定挡板1对晶片实施测向固定。其中，要求上压板6、下压板3与晶片接触的表面都非常平，翘曲度、弯曲度都控制在小于lum。晶片相互叠加在一起，放置在图1标示的5 位置。然后，在上、下压板上施加50Kg左右的压力4，以使晶片依照压板表面形状发生平坦的变形。同时，通过加热器2对系统进行加热处理，将晶片处的温度控制在1500°C (用热电偶测量温度)。保持10小时后，用5小时将晶片的温度缓慢降至常温。晶片的翘曲度、弯曲度采用平整度检测设备测量，处理前5个晶片的弯曲度Bow如下-38. 48um、-37. 34um、_39. 93um、-41. 09um、-38. 9!3um，处理后 5 个晶片的弯曲度 Bow 如下-1. 54um、_l· 93um、_l· 43um、 -1. 09um、-0. 98um ；处理前5 个晶片的翘曲度Warp 如下-65. 42um、_62. 81um、_56. 17um、_60 67um、-50. 28um，处理后 5 个晶片的翘曲度 Warp 如下:-3. 74um、_3. 42um、_3. 01um、_3· 87um 、-3. 14um。晶片处理后弯曲度小于2um，翘曲度小于4um。实施例2取1片已研磨抛光完的3inch晶片，如图2所示，将其装入到上压板6、下压板6之间；并通过固定挡板1对晶片实施测向固定。其中，要求上压板6、下压板3与晶片接触的表面具备与晶片翘曲相反的表面，其翘曲度、弯曲度都控制在5um左右。晶片放置在图2标示的5位置。然后，在上、下压板上施加IOKg左右的压力，以使晶片依照压板表面形状发生相相反方向的变形。同时，通过对系统进行加热处理，将晶片处的温度控制在1000°C (用热电偶测量温度)。保持2小时后，用1小时将晶片的温度缓慢降至常温。晶片的翘曲度、弯曲度采用平整度检测设备测量，处理前晶片的弯曲度Bow为-52. 34um，处理后晶片的弯曲度 Bow为-3. 76um ；处理前晶片的翘曲度为-78. 53um，处理后晶片的翘曲度Warp为-8. 87um。对比上述两个实施例中晶片处理前后的翘曲度、弯曲度变化，本发明能够明显降低碳化硅晶片的平整度。实施例1中使用表面很平坦的，与实施例2相比，晶片发生的形变要小于实施例2。但是，实施例1种处理温度大于实施例2，同时，保持温度的时间长于实施例1。晶片平整度都得到了降低，降低的效果实施例1好于实施例2。在材料形变领域的研究表明晶片平整度的降低原因主要是晶片在高温及长时间应力作用下产生了蠕变，晶格发生了滑移、重排，从而使实现了晶片平整度的减小。本发明人此处公开要求权利的方法不希望受任何特定的理论的束缚，其通过对晶片施加变形同时高温处理，成功地降低了碳化硅晶片的弯曲度、翘曲度。该方法得到了所期望的低弯曲度、翘曲度的碳化硅晶片。应该指出，上文中已经对本发明构思和原理进行了解释和说明，尽管使用特定术语，但是，所使用的这些术语仅仅具有一般的和描述性意义，不应是对本发明的限制。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，可以有多种形式和细节的变化。
权利要求
1.一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法，其步骤具体包括将研磨抛光完晶片固定，在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，其机械应力的大小为使晶片达到期望小的翘曲度、弯曲度；同时，将晶片加热到的足够高的温度，进行退火并保持足够长时间，以使其晶格发生滑移、重排，从而将晶片的形变保留下来，达到所获晶片具备足够小的翘曲度、弯曲度。
2.如权利要求1所述，其中碳化硅晶片多型包括3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC和/或 15R-SiC。
3.如权利要求1所述，其中碳化硅晶片尺寸包括2inch、3inch、4inch及4inch以上。
4.如权利要求1所述，其包括施加在晶片上机械应力的方向为使晶片发生向翘曲度、 弯曲度减小，施加机械应力的大小为使晶片达到期望小的翘曲度、弯曲度。
5.如权利要求1所述，其中加热温度为范围为高于使碳化硅晶片发生高温重排要求的温度，低于在环境条件下碳化硅晶片发生不利的升华温度，从而在热力学上使晶片中的晶格发生滑移、重排；在该温度条件下保持足够时间，时间为高于晶格发生充分地滑移、重排需要的时间；以及以缓慢冷却速度降至常温。
6.如权利要求1所述，其包括减小晶片翘曲度、弯曲度，以使获得晶片的翘曲度低于 20um、弯曲度小于10um。
7.如权利要求1所述，其包括减小晶片翘曲度、弯曲度，以使获得晶片的翘曲度低于 5um、弯曲度小于!Bum。
8.如权利要求4所述，其中施加期望机械应力的方法包括将晶片放于具备足够小平整度表面的两夹板之间，对平板施加机械压力，从而使晶片按照夹板的表面产生形变。
9.如权利要求4所述，其中施加期望机械应力的方法包括将晶片放于具备与晶片翘曲相反的表面的两夹板之间，对平板施加机械压力，从而使晶片按照夹板的表面产生形变。
10.如权利要求5所述，其加热晶片的温度范围为100-2000°C。
11.如权利要求5所述，其中保持时间为0.l-200h。
12.如权利要求5或8所述，其加热方式包括以电阻加热、红外加热或感应加热。
13.如权利要求5所述，降温速率为1-1000°C/h。
14.如权利要求5所述，其包括在晶片和加热系统中充入保护气氛的气体，以使晶片和加热系统在加热温度下不发生化学反应。
15.如权利要求12所述，保护气氛可以为惰性气体，或者在低的加热温度条件下为空气。
全文摘要
公开了一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法。所述方法包括如下步骤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，其机械应力的大小为使晶片达到期望小的翘曲度、弯曲度；同时，将晶片加热到的足够高的温度，进行退火并保持足够长时间，以使其晶格发生滑移、重排，从而将晶片的变形保留下来，达到所获晶片具备足够小的翘曲度、弯曲度。
文档编号H01L21/324GK102543718SQ20101058805
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者刘春俊, 王波, 郑红军, 陈小龙 申请人:中国科学院物理研究所, 北京天科合达蓝光半导体有限公司