一种结晶质量高的碳化硅衬底的制作方法

本技术涉及一种结晶质量高的碳化硅衬底，属于碳化硅生产加工。

背景技术：

1、碳化硅(碳化硅)单晶衬底由于具有禁带宽度大、电阻率及热导率高、击穿场强大等优异的物理性能，而成为制备gan基高频微波器件的优选半导体材料。随着5g技术的不断发展，市场端对碳化硅单晶衬底的需求数量不断扩大，更重要的，批量商业化的应用对碳化硅单晶衬底的质量要求也提出了更高的要求。

2、碳化硅晶体在生长过程中，由于si/c比例失衡、杂质引入及温梯变化等易在晶体中引入多晶、多型、微管、位错等各类缺陷，缺陷会造成晶格畸变，更严重会使晶型发生转变，如产生4h、6h、3c、15r等多型共生，晶格畸变通过产生缺陷从而释放应力，即在碳化硅中引入体内应力，从而降低碳化硅的晶体质量，限制晶体的使用范围，并降低产品的良品率；并且碳化硅衬底的体内应力由于温场或缺陷的存在，易体质量较好，但某个区域存在应力集中的现象，从而得到的碳化硅衬底的应力分布不均，从而影响下游产品的生产加工，将其用于晶体或外延层生长时，会遗传至晶体或外延层中，引起晶体或外延层的应力集中。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，提供了一种结晶质量高的碳化硅衬底，该碳化硅衬底分为中心区域和环形区域，其中中心区域又可划分为多个具有5mm边长的正方形区域，既能够满足检测精度，又能够对衬底进行区域划分，定量分析衬底是否存在应力集中的现象，每个正方形区域的体内应力均小于环形区域，证明该碳化硅衬底中心区域的体内应力较低，且衬底上的应力能够实现均匀分布，证明该碳化硅衬底的质量较高，扩大了碳化硅衬底的使用范围，该碳化硅衬底能够用于加工得到外延片或作为籽晶用于生长晶体，提高后续的结晶品质，从而降低外延片或晶体的应力，以得到高质量的外延片或晶体。

2、根据本技术的一个方面，提供了一种结晶质量高的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的直径为150mm以上，所述碳化硅衬底包括第一主表面和第二主表面；

3、所述第一主表面具有中心区域和围绕所述中心区域的环形区域，所述环形区域自衬底边缘向内延伸的宽度为5～30mm；

4、将所述中心区域划分为各自具有5mm边长的正方形区域，各个所述正方形区域的体内应力小于所述环形区域的体内应力，所述体内应力为自所述第一主表面或第二主表面向碳化硅衬底内垂直延伸至少30μm处检测的应力值。

5、环形区域的体内应力大于中心区域中各个正方形区域的体内应力，则环形区域自衬底边缘向内延伸的宽度越小，证明中心区域的面积越大，则碳化硅衬底的体内应力越小。若环形区域的体内应力过大，实际使用中可将环形区域的部分晶体切除，仅保留中心区域的碳化硅晶体，从而获得更高质量的碳化硅衬底。

6、可选地，任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，所述正方形区域的径向体内应力为-10～10mpa，所述环形区域的径向体内应力为5～15mpa。

7、优选的，所述正方形区域的径向体内应力为-9.4～9.2mpa，所述环形区域的径向体内应力为5～14.7mpa。

8、由于碳化硅衬底内部受到拉压应力导致晶面间距d发生对应伸、缩变化，因此在使用拉曼对应力进行测试时，拉曼峰强会出现向低频或高频移动，当衬底内部受到拉应力时，拉曼峰向低频偏移，则得到的应力值为正值，当衬底内部受到压应力时，拉曼峰向高频偏移，则得到的应力值为负值，因此本技术中的应力数值前的正负代表的是衬底内部的受力方向，数值的绝对值代表的是应力的大小。例如碳化硅衬底正方形区域中的径向应力为-5mpa，环形区域的径向体内应力为6mpa时，则代表正方形区域的径向体内应力为压应力，环形区域的径向体内应力为拉应力，且正方形区域的径向体内压力小于第一环形区域中的径向体内压力。

9、根据上述正方形区域和环形区域中的径向体内应力值可知，正方形区域存在压应力和拉应力，而环形区域为拉应力区域，正方形区域的数值越与环形区域接近，证明该碳化硅衬底的径向体内应力分布越均匀。

10、可选地，任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，smax1代表所有的所述正方形区域中径向体内应力绝对值最大值，smax2代表环形区域内的径向体内应力绝对值最大值，1.8mpa≤smax2-smax1≤5.2mpa。

11、可选地，任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，s1代表所有的所述正方形区域中的径向体内应力绝对值平均值，s2代表任意所述正方形区域中的径向体内应力绝对值平均值，-5mpa≤s1-s2≤5mpa。

12、对碳化硅衬底进行应力多点检测，上述绝对值平均值是指该区域内所有的检测点处应力绝对值之和再除以检测点的数量得到的数值，该多点检测可以是在该区域内选择多个不同位置的点进行检测，也可以是对衬底进行mapping测试。

13、优选的，-4.8mpa≤s1-s2≤4.9mpa，更优选的，-2.4mpa≤s1-s2≤3.3mpa。上述s1-s2的差值代表中心区域整体的应力与各个正方形区域应力的差异性，该差值越小，证明中心区域的应力分布越均匀。

14、可选地，任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，s1代表所有的所述正方形区域中的径向体内应力绝对值平均值，s3代表所述环形区域中的径向体内应力绝对值平均值，0.3≤s1/s3≤0.94。

15、优选的，0.31≤s1/s3≤0.94。该s1/s3的比值代表中心区域与环形区域的径向体内应力的差异性，该比值越接近于1，证明环形区域与中心区域的差异性越小，则碳化硅衬底的径向体内应力分布越均匀。

16、可选地，任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，smax3代表任意所述正方形区域中径向体内应力最大值，smin3代表任意所述正方形区域中径向应力最小值，△s1＝smax3-smin3，0mpa≤△s1≤10mpa；

17、任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的平面处，smax4代表所述环形区域中径向体内应力最大值，smin4代表所述环形区域中径向应力最小值，

18、△s2＝smax4-smin4，0mpa≤△s2≤5mpa。

19、优选的，0mpa≤△s1≤9.5mpa，0.1mpa≤△s2≤4.9mpa。

20、上述径向体内应力最大值和径向体内应力最小值是指径向体内应力的真实数值，区分压应力和拉应力，例如任意平行于所述第一主表面和/或第二主表面的水平面处，正方形区域的径向体内应力为-5～2mpa，则径向综合应力的最大值为2mpa，径向综合应力的最小值为-5mpa，△s1即为7mpa，该△s1和△s2代表了微观上衬底径向的晶面间距之间的变化程度，上述△s1和△s2越小，则证明径向晶面间距变化越小。

21、可选地，自所述第一主表面的任意一点垂直向所述碳化硅衬底内延伸进行轴向测试，所述正方形区域的轴向体内应力为-10～10mpa，所述环形区域的轴向体内应力为-15～15mpa。

22、优选的，所述正方形区域的轴向体内应力为-5～5mpa，所述环形区域的轴向体内应力为-10～10mpa。

23、可选地，自所述第一主表面的任意一点垂直向所述碳化硅衬底内延伸进行轴向测试，smax5记为所述正方形区域在该轴线上的轴向应力最大值，smin5记为所述正方形区域在该轴线上的轴向应力最小值，△s3＝smax5-smin5，0mpa≤△s3≤10mpa；

24、自所述第一主表面的任意一点垂直向所述碳化硅衬底内延伸进行轴向测试，smax6记为环形区域中轴向应力最大值，smin6记为环形区域中轴向应力最小值，△s4＝smax6-smin6，0mpa≤△s4≤15mpa。

25、优选的，0.1mpa≤△s3≤9.7mpa，0.3mpa≤△s4≤14.3mpa。

26、上述轴向体内应力最大值与轴向体内应力最小值的含义与径向体内应力最大值和径向体内应力最小值的含义相同，在轴向上区分压应力和拉应力，例如任意轴线上，正方形区域的轴向体内应力为-5～1mpa，则轴向体内应力的最大值为1mpa，轴向体内应力的最小值为-5mpa，△s3即为6mpa，该△s3和△s4代表了微观上衬底轴向的晶面间距之间的变化程度，上述△s3和△s4越小，则证明衬底在轴向的晶面间距变化越小。

27、可选地，s4代表所有的所述正方形区域中的轴向体内应力绝对值平均值，s5代表任意所述正方形区域中的径向体内应力绝对值平均值，

28、-5mpa≤s4-s5≤5mpa，优选的，-4.2mpa≤s4-s5≤4.8mpa。

29、可选地，s4代表所有的所述正方形区域中的轴向体内应力绝对值平均值，s6代表环形区域中的轴向体内应力绝对值平均值，0.1≤s4/s6≤0.8，优选的0.1≤s4/s6≤0.79。

30、本技术描述的上述应力值均是指绝对应力和相对应力，绝对应力能够反映衬底与无缺陷的完美sic晶体差异，用以确定sic衬底应力水平。但由于当今技术难以实现完美无sic衬底，因此通过相对应力可以判断衬底面内相对的应力分布。

31、例如，当衬底的绝对应力较大，相对应力较小，说明面内缺陷较多，但应力分布均匀，晶体质量较差，且在衬底的各个区域均匀性质量较差；若绝对应力较小，相对应力较大，则整体衬底质量较好，但局部存在异常质量偏差。

32、本技术中绝对应力的基准值是根据sic完美晶格参数得到的标准拉曼峰位计算所得基准应力，标记为0；相对应力是以在整个测试平面上取一个基准值，每个测试点的数值与基准值进行相关数值运算得到该测试点的相对应力值，该基准值的选取包含但不限于为整个测试平面所有应力值的中位数、平均数、众数或其他统计函数计算所得结果中的任意一个。

33、可选地，所述碳化硅衬底的直径为200mm以上，所述环形区域自衬底边缘向内延伸的宽度为5～15mm。

34、可选地，所述碳化硅衬底的厚度不小于100μm。

35、可选地，所述第一主表面和/或所述第二主表面相对于{0001}面的偏角为4°以下；

36、优选的，所述碳化硅衬底的弯曲度为-50～50μm，优选为-20μm～20μm，更优选为-10μm～10μm。

37、可选地，所述碳化硅衬底的晶型为2h-sic、4h-sic、6h-sic、3c-sic、15r-sic中的一种，优选为4h-sic。

38、可选地，所述碳化硅衬底为半绝缘型碳化硅衬底或导电型碳化硅衬底。

39、可选地，所述中心区域的局部厚度偏差为0.1-2μm，所述环形区域的局部厚度偏差为0.1-2μm。

40、上述任一项所述的结晶质量高的碳化硅衬底由碳化硅单晶加工制成的，根据本技术的另一个方面，提供了一种碳化硅单晶的制备方法，包括下述步骤：

41、(1)向石墨坩埚中加入碳化硅粉料；

42、(2)将炉体内真空抽至10-6mbar以下，然后通入高纯惰性气体至300-500mbar，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10-6mbar以下；

43、(3)向炉体内通入高纯惰性气体，1-3h内将压力升至10-100mbar，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变；

44、(4)长晶阶段：在保持压力不变的情况下，3-5h内将炉体内温度升至单晶生长温度2200k-2800k，生长时间为30-150h；

45、(5)单晶生长结束，打开炉体，取出石墨坩埚即可得到碳化硅单晶。

46、可选地，所述石墨坩埚上包覆有tac涂层，所述tac涂层沉积在所述石墨基材表面，所述tac涂层中均匀分布有贯穿型通孔，所述贯穿型通孔的密度为160-310个/mm2。

47、此tac涂层中含有贯穿型通孔，能够在提高碳化硅原料气氛的传输速率的同时，提高晶体生长中温场的均匀性，从而提高晶体的生长速率并降低晶体的体内应力，得到一种高质量且低应力的碳化硅晶体。

48、可选地，所述贯穿型通孔的孔径为2-7μm，优选为2.3-6.1μm。该孔径既能够提高碳化硅原料气氛的传输速率，不会降低对石墨基材的保护性能，并且避免晶体在热场中受石墨基材热膨胀挤压产生边缘应力，进一步降低晶体中的应力。

49、可选地，所述tac涂层的厚度为30-400μm，所述tac涂层中的tac晶粒按堆垛错排方式进行排列，所述tac晶粒的尺寸为15-50μm。所述tac涂层中的tac晶粒沿[200]与[220]方向取向生长。该tac晶粒的生长方向可提高tac涂层的耐温性和耐热化学侵蚀性，从而减少石墨基材对晶体生长环境的干扰，提高晶体环境的稳定性。

50、本技术的有益效果包括但不限于：

51、1.碳化硅晶体内存在长晶热应力及体内因缺陷造成的残余应力，该残余应力即为碳化硅衬底的体内应力，本技术的碳化硅衬底的中心区域的体内应力小于环形区域的体内应力，证明碳化硅衬底的质量较好，有利于下游产品的生产加工。

52、2.本技术的碳化硅衬底环形区域的径向体内应力较小，根据环形区域与中心区域中各个正方形区域的应力数值可知，环形区域可同时存在拉应力与压应力，环形区域仅存在拉应力，因此能够根据碳化硅衬底用于制备的下游产品的不同，在合理的范围内控制碳化硅衬底的应力分布，以扩大该碳化硅衬底的使用范围。

53、3.根据本技术的碳化硅衬底，中心区域中各个正方形区域的径向应力和轴向应力分布均匀，证明该碳化硅衬底的均匀性较好，且中心区域和环形区域的径向应力差异性也较小。

54、4.本技术利用在坩埚表面上形成的具有贯穿型通孔的tac涂层，能够保证晶体生长中原料气氛传输的同时使得提高温场的均匀性，从而降低碳化硅衬底的体内应力，并降低碳化硅衬底中心区域和环形区域的差异性。

55、5.根据本技术的碳化硅衬底在中心区域和环形区域的应力分布信息，以及中心区域中每个正方形区域的应力分布信息，从应力值可分析衬底在微观上的晶胞参数，从而起到一定的反馈作用，以对晶体生长的各工序参数进行调整，从而制备得到高质量的碳化硅衬底。

56、6.通过本技术的定量测试方法，检测出的应力还包括衬底中存在晶格畸变尚未通过以缺陷进行释放的应力，提高碳化硅衬底中应力的检测准确度，反映了整个碳化硅衬底在中心区域和环形区域的全部应力信息。