本發(fā)明涉及碳化硅單晶生長(zhǎng)結(jié)束后處理領(lǐng)域，具體涉及一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法。

背景技術(shù)：

作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的一員，相對(duì)于常見(jiàn)Si和GaAs等半導(dǎo)體材料，碳化硅材料具有禁帶寬度大、載流子飽和遷移速度高，熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高等諸多優(yōu)異的性質(zhì)?；谶@些優(yōu)良的特性，碳化硅材料是制備高溫電子器件、高頻大功率器件更為理想的材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了Si器件和GaAs器件。在光電子領(lǐng)域，相對(duì)傳統(tǒng)晶片材料Si與藍(lán)寶石，SiC與GaN材料晶格及熱適配更小，用碳化硅晶片制作的LED性能遠(yuǎn)優(yōu)于藍(lán)寶石晶片。目前大多數(shù)處理碳化硅單晶采用坩堝上蓋等石墨組件與單晶共同退火或在常溫下使用機(jī)械方式在退火開(kāi)始前將坩堝上蓋等石墨組件與單晶分離。但是采用坩堝上蓋等石墨組件與單晶共同退火的方法時(shí)，由于石墨與SiC單晶不同的熱膨脹系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致SiC單晶在退火過(guò)程中無(wú)法有效去除內(nèi)應(yīng)力，退火后仍殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而在后續(xù)的加工過(guò)程中仍存在較高的開(kāi)裂幾率。而采用常溫下機(jī)械方式直接去除石墨組件的方法，在SiC脆化點(diǎn)以下無(wú)法有效釋放應(yīng)力，而機(jī)械去除的方法短時(shí)間內(nèi)破壞單晶內(nèi)部應(yīng)力平衡，且在去除過(guò)程中難易避免機(jī)械撞擊，極易在機(jī)械去除石墨組件過(guò)程中造成SiC單晶開(kāi)裂。因此如何設(shè)計(jì)一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的退火方法成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法，該方法通過(guò)在SiC單晶的脆化點(diǎn)以上的溫度引入與石墨反應(yīng)的氣體將坩堝上蓋等石墨組件去除，避免常規(guī)退火方法中由于石墨組件與單晶熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力消除不徹底或常溫機(jī)械方法去除石墨組件易導(dǎo)致單晶開(kāi)裂的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本方法包括以下步驟：（1）將附著石墨組件的單晶整體放置于退火爐恒溫區(qū)中，同時(shí)向所述退火爐中通入惰性氣體，在惰性氣體保護(hù)下，逐漸升溫至SiC單晶脆化點(diǎn)1100℃以上；（2）維持步驟（1）所述的1100℃以上的爐溫，將所述退火爐中的氣體氛圍置換為與石墨發(fā)生反應(yīng)的氣體氛圍，通過(guò)氣體與石墨發(fā)生反應(yīng)去除所述單晶上附著的石墨組件；（3）待完全去除所述單晶上附著的石墨組件，向所述退火爐中通入惰性氣體，將所述退火爐中的氣體氛圍重新置換為惰性氣體氛圍，并將爐溫升至1300℃以上的溫度并保持穩(wěn)定一段時(shí)間，同時(shí)繼續(xù)通入惰性氣體，將無(wú)石墨組件附著的自由狀態(tài)SiC單晶進(jìn)行一段時(shí)間退火；（4）將所述爐溫緩慢降至室溫，并停止通入所述惰性氣體。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的該方法，通過(guò)在SiC單晶的脆化點(diǎn)以上的溫度引入與石墨反應(yīng)的氣體將坩堝上蓋等石墨組件去除，避免常規(guī)退火方法中由于石墨組件與單晶熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力消除不徹底或常溫機(jī)械方法去除石墨組件易導(dǎo)致單晶開(kāi)裂的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)完全自由狀態(tài)SiC單晶的退火，有效地降低了大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步降低了后續(xù)加工過(guò)程中單晶的開(kāi)裂幾率。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述退火爐的容積為40L，其材質(zhì)為氧化鋁，所述石墨組件包括：石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（1）、（3）、（4）中溫度的變化速率不超過(guò)5℃/min。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（1）-（4）中單晶處的溫度梯度均不大于5℃/cm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（1）中所述單晶直徑不小于75mm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣，所述步驟（2）中與石墨發(fā)生反應(yīng)的氣體為氧氣。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（1）中所述單晶晶型為4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC單晶，所述單晶可以為N型、P型或半絕緣SiC單晶。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（3）中溫度穩(wěn)定階段的溫度波動(dòng)幅度不超過(guò)20℃。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟（3）中所述穩(wěn)定維持時(shí)間大于15小時(shí)，退火時(shí)間不小于10小時(shí)，優(yōu)選的大于20小時(shí)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，向所述退火爐中通入惰性氣體和反應(yīng)氣體的速率均不大于4L/min。

本發(fā)明的有益效果至少包括：通過(guò)在SiC單晶的脆化點(diǎn)以上的溫度引入與石墨反應(yīng)的氣體將坩堝上蓋等石墨組件去除，避免常規(guī)退火方法中由于石墨組件與單晶熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力消除不徹底或常溫機(jī)械方法去除石墨組件易導(dǎo)致單晶開(kāi)裂的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)完全自由狀態(tài)SiC單晶的退火，有效地降低了大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步降低了后續(xù)加工過(guò)程中單晶的開(kāi)裂幾率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的石墨組件結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，石墨坩堝上蓋1，石墨引導(dǎo)環(huán)2，單晶3。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？傮w而言，本發(fā)明提供了一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法，下面通過(guò)以下示例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明的特點(diǎn)。

本發(fā)明提供了一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法，圖1為本發(fā)明的石墨組件結(jié)構(gòu)示意圖，參照?qǐng)D1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括以下步驟：第一步：將附著在由石墨坩堝上蓋1和石墨引導(dǎo)環(huán)2組成的石墨組件上的直徑不小于75mm的單晶3整體放置于氧化鋁保溫構(gòu)筑的退火爐恒溫區(qū)中，所述退火爐的容積為40L，同時(shí)向所述退火爐中以不大于4L/min的速率通入惰性氣體，在惰性氣體保護(hù)下，逐漸升溫至SiC單晶脆化點(diǎn)1100℃以上，同時(shí)保持所述爐火恒溫區(qū)的溫度的變化速率不超過(guò)5℃/min，且所述單晶處的溫度梯度不大于5℃/cm。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述惰性氣體的具體種類不受限制，可以為氬氣、氦氣或氖氣，本發(fā)明優(yōu)選為氬氣和氦氣，本發(fā)明所述單晶的具體晶型不受限制，可以為4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC單晶，所述單晶可以為N型、P型或半絕緣SiC單晶，本發(fā)明單晶晶型優(yōu)選為4H-SiC和6H-SiC單晶。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第二步：本發(fā)明所述與石墨發(fā)生反應(yīng)的氣體具體種類不限制，本發(fā)明包含但不僅限于氧氣，優(yōu)選為氧氣，維持步驟（1）所述的1100℃以上的爐溫，向所述退火爐中以不大于4L/min的速率通入氧氣，將所述退火爐中的氣體氛圍置換為與石墨發(fā)生反應(yīng)的氧氣氣體氛圍，通過(guò)氣體與石墨發(fā)生反應(yīng)去除所述單晶上附著由石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)組成的石墨組件，所述單晶處的溫度梯度不大于5℃/cm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第三步：待完全去除所述單晶上附著的石墨組件時(shí)，向所述退火爐中以不大于4L/min的速率通入氬氣或氦氣惰性氣體，將所述退火爐中的氣體氛圍重新置換為惰性氣體氛圍，并將爐溫以變化速率不超過(guò)5℃/min的速度升至1300℃以上的溫度并保持穩(wěn)定一段時(shí)間，溫度穩(wěn)定階段的溫度波動(dòng)幅度不超過(guò)20℃，同時(shí)以不大于4L/min的速率繼續(xù)通入惰性氣體，將無(wú)石墨組件附著的自由狀態(tài)SiC單晶進(jìn)行一段時(shí)間退火。根據(jù)本分發(fā)明的一些實(shí)施例，所述穩(wěn)定維持時(shí)間大于15小時(shí)，退火時(shí)間不小于10小時(shí)，優(yōu)選的大于20小時(shí)，所述單晶處的溫度梯度不大于5℃/cm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第四步：以溫度的變化速率不超過(guò)5℃/min的速度將所述爐溫緩慢降至室溫，所述單晶處的溫度梯度不大于5℃/cm，并停止通入所述惰性氣體。

實(shí)施例1：

（1）將附著在由石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)組成的石墨組件上的直徑為110mm的4H-SiC單晶整體放置于氧化鋁保溫構(gòu)筑的退火爐恒溫區(qū)中，所述退火爐的容積為40L，同時(shí)向所述退火爐中以1L/min的速率通入氬氣，在惰性氣體保護(hù)下，以溫度的變化速率為3℃/min的速度逐漸升溫至SiC單晶脆化點(diǎn)1300℃，且所述單晶處的溫度梯度為4℃/cm；

（2）維持1300℃的爐溫，向所述退火爐中以2L/min的速率通入氧氣，將所述退火爐中的氣體氛圍置換為與石墨發(fā)生反應(yīng)的氧氣氣體氛圍，持續(xù)通入氧氣20小時(shí)，通過(guò)氧氣與石墨發(fā)生反應(yīng)去除所述單晶上附著由石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)組成的石墨組件，所述單晶處的溫度梯度為4℃/cm；

（3）待完全去除所述單晶上附著的石墨組件時(shí)，向所述退火爐中以1L/min的速率通入氬氣，將所述退火爐中的氣體氛圍重新置換為惰性氣體氛圍，并將爐溫以變化速率2℃/min的速度升至1500℃，并保持穩(wěn)定20小時(shí)，溫度穩(wěn)定階段的溫度波動(dòng)幅度為10℃，同時(shí)以1L/min的速率繼續(xù)通入氬氣，將無(wú)石墨組件附著的自由狀態(tài)SiC單晶進(jìn)行退火，退火時(shí)間為30小時(shí)，所述單晶處的溫度梯度為4℃/cm；

（4）以溫度的變化速率2℃/min的速度將所述爐溫緩慢降至室溫，所述單晶處的溫度梯度為4℃/cm，并停止通入所述氬氣。

實(shí)施例2：

（1）將附著在由石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)組成的石墨組件上的直徑為150mm的6H-SiC單晶整體放置于氧化鋁保溫構(gòu)筑的退火爐恒溫區(qū)中，所述退火爐的容積為40L，同時(shí)向所述退火爐中以2L/min的速率通入氦氣，在惰性氣體保護(hù)下，以溫度的變化速率為2℃/min的速度逐漸升溫至SiC單晶脆化點(diǎn)1200℃，且所述單晶處的溫度梯度為3℃/cm；

（2）維持1200℃的爐溫，向所述退火爐中以3L/min的速率通入氧氣，將所述退火爐中的氣體氛圍置換為與石墨發(fā)生反應(yīng)的氧氣氣體氛圍，持續(xù)通入氧氣20小時(shí)，通過(guò)氧氣與石墨發(fā)生反應(yīng)去除所述單晶上附著由石墨坩堝上蓋和石墨引導(dǎo)環(huán)組成的石墨組件，所述單晶處的溫度梯度為3℃/cm；

（3）待完全去除所述單晶上附著的石墨組件時(shí)，向所述退火爐中以2L/min的速率通入氦氣，將所述退火爐中的氣體氛圍重新置換為惰性氣體氛圍，并將爐溫以變化速率2℃/min的速度升至1600℃，并保持穩(wěn)定30小時(shí)，溫度穩(wěn)定階段的溫度波動(dòng)幅度為15℃，同時(shí)以2L/min的速率繼續(xù)通入氦氣，將無(wú)石墨組件附著的自由狀態(tài)SiC單晶進(jìn)行退火，退火時(shí)間為40小時(shí)，所述單晶處的溫度梯度為3℃/cm；

（4）以溫度的變化速率2℃/min的速度將所述爐溫緩慢降至室溫，所述單晶處的溫度梯度為3℃/cm，并停止通入所述氦氣。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的該方法，通過(guò)在SiC單晶的脆化點(diǎn)以上的溫度引入與石墨反應(yīng)的氣體將坩堝上蓋等石墨組件去除，避免常規(guī)退火方法中由于石墨組件與單晶熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力消除不徹底或常溫機(jī)械方法去除石墨組件易導(dǎo)致單晶開(kāi)裂的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)完全自由狀態(tài)SiC單晶的退火，有效地降低了大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步降低了后續(xù)加工過(guò)程中單晶的開(kāi)裂幾率。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種降低大直徑SiC單晶內(nèi)應(yīng)力的爐后退火方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)的步驟進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本申請(qǐng)的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請(qǐng)的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。