專利名稱：一種碳化硅晶體退火工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要應(yīng)用于碳化硅晶體生長結(jié)束后處理領(lǐng)域，具體來說是通過改善退火工藝，減小晶體與坩堝蓋之間以及晶體內(nèi)部應(yīng)力來降低后續(xù)加工過程中晶體破損率，從而提
高晶體產(chǎn)率。
背景技術(shù)：
在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，半導(dǎo)體技術(shù)的革新扮演著越來越重要的角色。以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼硅、砷化鎵之后的第三代寬禁帶半導(dǎo)體。與硅和砷化鎵為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，碳化硅在工作溫度、抗輻射、耐擊穿電壓等性能方面具有很大優(yōu)勢。作為目前發(fā)展最成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料，碳化硅具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，其優(yōu)異性能可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高頻、高功率以及抗輻射的新要求，因而被看作是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料之一。此外，由于六方碳化硅與氮化鎵、氮化鋁相近的晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)，因此也成為制造高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)和紫外探測器(Ultraviolet Explorer)的理想襯底材料在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，半導(dǎo)體技術(shù)的革新扮演著越來越重要的角色。目前生長碳化硅晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法(journal of crystal growth43 (1978) 209-212)，典型的生長室結(jié)構(gòu)如圖1所示。坩堝由上部的蓋和下部的堝組成，上部的蓋用于粘籽晶，通常稱之為籽晶托，下部的堝用于裝碳化硅原料。坩堝側(cè)壁及上下是耐高溫的保溫材料，保溫材料通常是石墨氈。保溫層側(cè)壁是石英套水冷裝置，由于保溫層輻射熱量較大，要求水流速度較大。水冷裝置外是感應(yīng)線圈加熱器。在碳化硅晶體生長過程中，通常需要晶體生長界面呈微凸?fàn)?，這是為了擴(kuò)大單晶尺寸、提高晶體質(zhì)量和減少晶體缺陷等。由于生長界面微凸，導(dǎo)致晶體中心區(qū)域生長速度要比邊緣區(qū)域生長速度大，也就是中心區(qū)域軸向溫度梯度要大于邊緣區(qū)域軸向溫度梯度，結(jié)果就造成與籽晶平行的同一平面的晶體生長速度和生長時間不同，進(jìn)而造成晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，并且晶體生長界面越凸，晶體內(nèi)部的應(yīng)力越大。在晶體生長過程中，經(jīng)常通過調(diào)整保溫層結(jié)構(gòu)，來改變晶體生長區(qū)域的徑向和軸向溫度梯度，從而保證晶體的生長界面外形。由于在晶體生長過程中晶體軸向溫度梯度大，若生長結(jié)束后直接退火，冷卻后的晶體仍存在較大應(yīng)力，容易造成原位退火(晶體生長結(jié)束后在爐中直接退火)、二次退火 (晶體出爐后再次退火)及晶體在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。所以，優(yōu)化原位退火工藝，特別是減小原位退火晶體的溫度梯度、提高退火溫度及延長退火時間，能大幅度降低晶體生長所產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而徹底消除從坩堝蓋內(nèi)取晶體、二次退火及晶體后續(xù)加工過程造成晶體開裂的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前出現(xiàn)的從坩堝蓋取碳化硅晶體、二次退火以及晶體后續(xù)加工過程中，特別是晶體磨平面和滾外圓時，由于機(jī)械作用造成晶體開裂這種嚴(yán)重問題，本發(fā)明主要通過
3優(yōu)化原位退火工藝，降低碳化硅晶體與坩堝蓋之間及碳化硅晶體內(nèi)部的應(yīng)力，從而消除從坩堝蓋中取晶體、二次退火及晶體后續(xù)加工過程造成晶體開裂的問題，提高碳化硅晶體產(chǎn)率。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明主要是通過減小原位退火晶體溫度梯度(在退火溫度下，碳化硅晶體處溫度梯度為1-10°C /cm，優(yōu)選1-5°C /cm)，而在晶體生長時碳化硅晶體處溫度梯度為10-30°C /cm)，在1-8萬1 以上的惰性氣體下用1_5小時升到退火溫度，退火溫度在2300-2500°C，恒溫10-40小時后再用10-50小時降溫。其中，在生長結(jié)束后加強(qiáng)保溫來減小晶體處溫度梯度至10°C /cm，優(yōu)選小于5°C /cm。進(jìn)一步地，需要設(shè)計合理的保溫結(jié)構(gòu)、選擇恰當(dāng)?shù)谋夭牧希⑶矣脵C(jī)械裝置將保溫層安放到合適位置。進(jìn)一步地，可以退火各種尺寸的碳化硅晶體，包括2英寸、3英寸、4英寸、6英寸乃至8英寸晶體。進(jìn)一步地，可退火多種晶型的碳化硅晶體，包括4H-SiC晶體、15R_SiC晶體或 6H-SiC 晶體。進(jìn)一步地，退火的碳化硅晶體可以為導(dǎo)電型晶體，也可以是半絕緣型晶體。進(jìn)一步地，退火過程需要1-5小時緩慢升溫到退火溫度。進(jìn)一步地，退火溫度基本達(dá)到晶體生長時溫度2300°C -2500°C。進(jìn)一步地，達(dá)到退火溫度后恒溫10-40小時。進(jìn)一步地，退火降溫要求緩慢，10-50小時降溫。進(jìn)一步地，退火爐內(nèi)的惰性氣體可以氦氣或氬氣，退火時壓力為1萬1 以上。本發(fā)明是通過優(yōu)化原位退火工藝，降低碳化硅晶體與坩堝蓋之間以及晶體內(nèi)部在生長過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力。減少晶體溫度梯度，可有效減少降溫過程中晶體新產(chǎn)生應(yīng)力； 提高退火溫度高能加快晶體應(yīng)力的釋放速度；高溫恒溫階段時間盡可能長，最好多于20小時，這有利于晶體內(nèi)部應(yīng)力徹底釋放。為了保證晶體的安全，降溫過程也要慢，避免晶體再次產(chǎn)生應(yīng)力，最好能將降溫時間拉長到40小時。通過實施這種工藝，能夠大幅降低晶體與坩堝蓋之間以及晶體內(nèi)部在生長過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而消除從坩堝蓋內(nèi)取晶體過程、 二次退火及晶體后續(xù)加工過程造成晶體開裂的問題，進(jìn)而提高碳化硅晶體的產(chǎn)率。


圖1是物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體的生長室結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、感應(yīng)線圈； 2、石英管水冷裝置；3、石墨氈保溫層；4、生長的碳化硅晶體；5、碳化硅氣相物質(zhì)；6、石墨坩堝和坩堝蓋；7、碳化硅原料。圖2是晶體生長結(jié)束增加保溫層后的示意圖；其中，8、原位退火增加的保溫層。
具體實施例方式以下參照附圖，對用于降低生長結(jié)束后碳化硅晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內(nèi)部應(yīng)力的退火工藝作詳細(xì)說明。圖1是目前生長碳化硅晶體普遍使用的感應(yīng)線圈加熱的晶體生長室結(jié)構(gòu)示意圖。其中石墨坩堝及坩堝蓋都是用三高石墨加工而成；坩堝側(cè)面及上下的保溫層都是用耐高溫石墨氈加工做成，并且保溫層的厚度以及結(jié)構(gòu)會直接影響到晶體生長溫場；整個保溫層都被密封在裝有水冷的石英管套筒內(nèi)，且保溫層與水冷石英管之間有足夠?qū)挼木嚯x，以免保溫層對石英管內(nèi)壁輻射熱太大而損壞石英套筒；石英套筒外側(cè)則是感應(yīng)線圈加熱裝置。圖2是晶體生長結(jié)束增加保溫層后的示意圖。除增加了保溫層8外，其余同圖1。 保溫層8是由兩塊直徑不同柱形保溫材料加工而成，其中小直徑保溫材料的設(shè)計與坩堝蓋上部原有保溫層留有的散熱孔相匹配，增加的保溫層材料可與原保溫層材料一致，也可用其它耐高溫保溫材料。晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力的因素有很多，通常認(rèn)為晶體生長溫度梯度是產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因；單晶邊緣的多晶或其它缺陷、晶體與坩堝蓋熱膨脹系數(shù)不匹配及晶體內(nèi)部摻雜不均等都會造成晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。正如背景技術(shù)所提到的，為實現(xiàn)生長界面呈微凸?fàn)?，設(shè)計溫場時坩堝蓋上部保溫層留有散熱孔，加大晶體軸向梯度，進(jìn)而導(dǎo)致晶體生長過程中產(chǎn)生應(yīng)力，這也是上面所提到造成晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力主要原因。若在生長溫度梯度下退火，對減少生長過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可能有一定的作用，但這仍不能完全避免后續(xù)的二次退火及加工過程出現(xiàn)晶體開裂現(xiàn)象。但若在生長結(jié)束后增加保溫層8，將晶體溫度梯度由20°C /cm左右降到10°C /cm以下， 甚至5°C /cm以下，可減小在降溫過程中晶體新產(chǎn)生應(yīng)力，提高原位退火效率，從而避免后續(xù)的二次退火及加工過程出現(xiàn)晶體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。加強(qiáng)坩堝蓋上部保溫造成坩堝蓋散熱速度降低，晶體溫度提高，所以需要緩慢安放保溫層，避免晶體溫度突變而引入其它問題。提高退火溫度有利于加速晶體內(nèi)部應(yīng)力的釋放速度，所以在生長結(jié)束后，用1-5 小時將晶體溫度升到退火溫度。晶體溫度升高，容易造成晶體碳化，因而需要在提高晶體溫度的同時，加大生長室內(nèi)的惰性氣體(氦氣或氬氣)壓力，抑制晶體碳化。由于提高壓力會加劇生長室內(nèi)的氣體對流，加快散熱，從而減小晶體的溫度，所以升高溫度和增加壓力這兩個操作需要合理調(diào)配，保證晶體溫度緩慢升高。到達(dá)退火溫度，需要恒溫一段時間，以便晶體內(nèi)部應(yīng)力徹底釋放，恒溫時間至少10 小時，最好多于30小時。降溫過程很重要，若降溫速度太快，晶體表面散熱不均，造成晶體內(nèi)部出現(xiàn)較大溫度差，進(jìn)而晶體產(chǎn)生新應(yīng)力，影響原位退火效率，可能導(dǎo)致后續(xù)的二次退火及加工過程出現(xiàn)晶體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。實施例一設(shè)計的保溫層，保證在退火溫度下安放保溫層能將晶體溫度梯度由20°C /cm左右降到5°C /cm以下。在2英寸6H半絕緣碳化硅晶體生長結(jié)束后，用機(jī)械裝置將保溫層安放到散熱孔中，整個過程用2小時，并升高溫度，也用2小時將溫度升高到2300°C，在安放保溫層和升高晶體溫度同時提高生長室內(nèi)的氬氣壓力，用2小時將壓力由生長的2千帕提高到 2萬帕。恒溫20小時候，以100°C /h速度用22小時由2300°C降溫到100°C后再直接關(guān)掉電源。實施例二設(shè)計的保溫層，保證在退火溫度下安放保溫層能將晶體溫度梯度由25°C /cm左右降到5°C /cm以下。在3英寸4H導(dǎo)電碳化硅晶體生長結(jié)束后，用機(jī)械裝置將保溫層安放到散熱孔中，整個過程用3小時，并升高溫度，也用3小時將溫度升高到2300°C，在安放保溫CN 102534805 A
層和升高晶體溫度同時提高生長室內(nèi)的氬氣壓力，用3小時將壓力由生長的2千帕提高到 3萬帕。恒溫30小時候，以100°C /h速度用22小時由2300°C降溫到100°C后再直接關(guān)掉電源。實施例三設(shè)計的保溫層，保證在退火溫度下安放保溫層能將晶體溫度梯度由30°C /cm左右降到5°C /cm以下。在4英寸4H導(dǎo)電碳化硅晶體生長結(jié)束后，用機(jī)械裝置將保溫層安放到散熱孔中，整個過程用4小時，并升高溫度，也用4小時將溫度升高到M00°C，在安放保溫層和升高晶體溫度同時提高生長室內(nèi)的氬氣壓力，用4小時將壓力由生長的2千帕提高到 4萬帕。恒溫30小時候，以100°C /h速度用23小時由M00°C降溫到100°C后再直接關(guān)掉電源。實施例四設(shè)計的保溫層，保證在退火溫度下安放保溫層能將晶體溫度梯度由20°C /cm左右降到5°C /cm以下。在2英寸15R導(dǎo)電碳化硅晶體生長結(jié)束后，用機(jī)械裝置將保溫層安放到散熱孔中，整個過程用2小時，并升高溫度，也用2小時將溫度升高到2300°C，在安放保溫層和升高晶體溫度同時提高生長室內(nèi)氬氣壓力，用2小時將壓力由生長的2千帕提高到 2萬帕。恒溫20小時候，以100°C /h速度用22小時由2300°C降溫到100°C后再直接關(guān)掉電源。實施例五設(shè)計的保溫層，保證在退火溫度下安放保溫層能將晶體溫度梯度由30°C /cm左右降到5°C /cm以下。在6英寸6H導(dǎo)電碳化硅晶體生長結(jié)束后，用機(jī)械裝置將保溫層安放到散熱孔中，整個過程用5小時，并升高溫度，也用5小時將溫度升高到2500°C，在安放保溫層和升高晶體溫度同時提高生長室內(nèi)的氬氣壓力，用5小時將壓力由生長的2千帕提高到 5萬帕。恒溫30小時候，以100°C /h速度用M小時由2500°C降溫到100°C后再直接關(guān)掉電源。應(yīng)該指出，上述的具體實施方式
只是對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，它不應(yīng)是對本發(fā)明的限制。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離權(quán)利要求的宗旨和范圍時，可以有多種形式和細(xì)節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于生長結(jié)束后降低碳化硅晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內(nèi)部應(yīng)力的退火工藝，包括加強(qiáng)保溫減小晶體溫度梯度，提高惰性氣體壓力，通過緩慢升溫、高溫恒溫、再緩慢降溫，達(dá)到降低碳化硅晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而消除碳化硅晶體開裂的問題，提高晶體產(chǎn)率，其特征在于通過增加保溫層來而減小生長結(jié)束后晶體的溫度梯度，同時提高將生長室內(nèi)壓力，經(jīng)1-5小時緩慢升溫到退火溫度，退火溫度達(dá)到 23000C -25000C，達(dá)到退火溫度后高溫恒溫時間為10-40小時，緩慢降溫時間為10-50小時。
2.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，在生長結(jié)束后加強(qiáng)保溫來減小晶體溫度梯度至。C/ cm,優(yōu)選小于5"C /cm。
3.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，其中需要設(shè)計合理的保溫層結(jié)構(gòu)、選擇恰當(dāng)?shù)谋夭牧?，并且用機(jī)械裝置將保溫層安放到合適位置。
4.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，其中碳化硅晶體的尺寸為2-8英寸。
5.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，其中碳化硅晶體為4H-SiC、15R-SiC或6H-SiC晶型。
6.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，其中碳化硅晶體包括導(dǎo)電型碳化硅晶體和半絕緣型碳化硅晶體。
7.如權(quán)利要求1所述的退火工藝，生長室內(nèi)的惰性氣體是氬氣或氦氣，退火時氣體壓力為1萬1 以上。
全文摘要
本發(fā)明主要應(yīng)用于碳化硅晶體生長結(jié)束后處理領(lǐng)域，具體來說是通過減小溫度梯度(晶體溫度梯度1-10℃/cm)，在壓力1-8萬帕以上的惰性氣體下用1-5小時升到退火溫度，退火溫度在2300-2500℃，恒溫10-40小時后再用10-50小時降溫。通過這種退火工藝降低晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內(nèi)部應(yīng)力，從而降低后續(xù)加工過程中碳化硅晶體破損率，提高碳化硅晶體產(chǎn)率。
文檔編號C30B33/02GK102534805SQ20101058805
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者劉春俊, 彭同華, 李龍遠(yuǎn), 王剛, 王波, 陳小龍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所, 北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司