一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法

1.本发明涉及半导体单晶检测技术领域，特别是涉及一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法。


背景技术：

2.sic半导体材料是继元素半导体si，ge和化合物半导体gaas，inp等之后发展起来的第三代半导体材料。sic作为宽禁带半导体材料的一员，具有临界击穿场强高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，是制备高温、高频、大功率电子器件的关键材料。目前，sic在光电子器件、微电子器件以及电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能发挥着重要的作用。
3.物理气相传输法被认为是制备大直径sic单晶中最成熟的方法。采用物理气相传输法生长sic单晶时，sic籽晶置于坩埚顶部，sic粉料置于坩埚底部。坩埚内部轴向上存在温度梯度，该轴向温度梯度将硅和碳气相组分输运至籽晶处，实现晶体在轴向上的生长(即晶体的长厚)。坩埚四周的温度相对坩埚中心的温度高，径向上存在径向梯度，该径向梯度实现晶体的在径向上的生长(即扩径生长)，使获得的晶体直径与籽晶直径相当。晶体生长完成后，需要逐步降低加热功率，使晶体温度从生长温度降至室温。晶体生长过程中存在的径向温度梯度及晶体生长结束后进行的降温过程，都会在晶体中产生热应力。此外，生长出的sic晶体在后续的磨平面、滚圆等加工过程会与金刚石砂轮发生摩擦，因此晶体中也会受到机械应力。当晶体内部的热应力和机械应力超过sic单晶的临界阈值时，sic单晶便会发生开裂现象，具体表现为：晶体生长完成后便发生开裂或者晶体在磨平面、滚圆等后续加工过程中发生开裂。因此，测试sic晶体内部的应力对优化晶体生长工艺、指导晶体加工具有重要意义。
4.目前常用的应力检测方法有：同步辐射相貌术、x射线衍射方法、应力偏光仪、拉曼光谱测试法等。同步辐射方法需要特定的辐射光源，同时需要对样品进行曝光、暗室洗胶片等流程，较为繁琐。x射线衍射方法由于x射线穿透深度浅(如在sic单晶中的穿透深度仅有70μm)，只能用于分析材料表面或界面处的应力，无法探测晶体内部的体应力分布。应力偏光拉曼光谱可以测试薄膜的应力大小，以sic薄膜材料为例，通过检测to模峰位移动，能够定量计算出应力的大小，但该方法的灵敏度有限，对体块sic晶体而言，很难观察到to模的变化，同时该方法无法给出应力在不同方向上的大小，因此该方法无法实现对体块sic单晶内部应力的测量。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法，通过该方法可以定量计算出sic单晶中的应力大小和分布，为优化sic单晶生长工艺和加工工艺提供理论指导。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法，包括：
8.将待检测的体块sic单晶样品表面进行定向操作，获取sic样品表面的晶面；
9.对获取的所述sic样品表面的晶面进行中子衍射测试，得到测试结果；
10.将所述测试结果中的衍射峰与晶型相同的无应力晶体中对应晶面的衍射峰进行比较，得到sic晶体不同方向上的应变值，并通过坐标转换得出样品坐标系中的应变张量，最后计算出所述体块sic单晶中的应力大小与分布。
11.优选地，对所述体块sic单晶样品表面进行定向操作的过程中，选用x射线衍射定向仪进行定向操作，其中所述体块sic单晶直径范围为2英寸～8英寸，单晶厚度不小于5mm。
12.优选地，所述中子衍射测试中的中子衍射模式为常波长中子衍射模式或者飞行时间中子衍射模式。
13.优选地，进行所述中子衍射测试时，在sic单晶进行单点或逐点测试，且进行所述中子衍射测试的线性独立晶面不少于六个，不同晶面之间满足线性独立的要求，进行中子衍射的晶面布拉格角θb为20
°
≤θb≤145
°
。
14.优选地，所述中子衍射测试中衍射强度使用狭缝或积分时间进行调节；其中，入射狭缝、出射狭缝的宽度为0.5～10mm，积分时间为0.001s～5s，所述入射狭缝、出射狭缝的形状根据衍射体积进行确定，所述中子衍射测试在试验坐标系y1-y2-y3中进行。
15.优选地，结合布拉格衍射公式，将所述测试结果中的衍射峰与无应力晶体中对应晶面的衍射峰进行比较，计算出所述试验坐标系中衍射晶面方向上的应变张量并根据晶体物理中的坐标变换原则，计算出样品坐标系中的应变张量
16.优选地，所述试验坐标系中衍射晶面方向上的应变张量的计算方法如下式(1)：
[0017][0018]
其中，d0为衍射面无应变时的晶面间距，为发生应变后的晶面间距，δθ为无应力sic样品与待检测sic样品中子衍射峰位差，θb为无应力sic样品中子衍射峰位。
[0019]
优选地，根据晶体物理中二阶张量在新、旧坐标系中的变换原则，所述应变张量在样品坐标系x1-x2-x3中表示为：
[0020][0021]
其中，a
3k
，a
3l
分别为坐标轴y3与x1-x2-x3各坐标轴的夹角余弦，为在样品坐标系x1-x2-x3下的各应变分量。
[0022]
优选地，通过二阶应变张量ε
kl
与四阶弹性劲度系数张量c
ijkl
，计算体块sic单晶中的应力张量σ
ij
；
[0023]
其中所述样品坐标系中二阶应变张量ε
kl
的计算步骤包括：
[0024]
将所述计算得到的样品坐标系中的应变张量(k，l＝1，2，3)通过坐标变换原则，得到应力坐标系中的应变张量ε
kl
(k，l＝1，2，3)，变换表达式为：
[0025][0026]
其中，b
ij
代表应力坐标系m1-m2-m3与样品坐标系x1-x2-x3各轴夹角的方向余弦，其中i，j＝1，2，3。
[0027]
优选地，根据胡克定律，计算体块sic单晶中的应力张量：
[0028][0029]
按照晶体物理学中的规定，对应力张量和应变张量均采用了简化下标的表达方法，其中，应力张量：σ
11
＝σ1，σ
22
＝σ2，σ
33
＝σ3，σ
23
＝σ
32
＝σ4，σ
13
＝σ
31
＝σ5，σ
12
＝σ
21
＝σ6；弹性劲度常数：c
ij
为sic单晶不同方向的弹性劲度系数；应变张量：ε
11
＝ε1，ε
22
＝ε2，ε
33
＝ε3，
[0030]
本发明的有益效果为：
[0031]
(1)本发明方法采用的中子源，通过巧妙地利用中子在sic单晶中的穿透能力强，穿透能力可达厘米量级的特点，对sic晶体的6个线性独立的衍射晶面进行中子衍射，能够获得sic单晶内部不同方向的应力分布；通过调整中子源在晶体中的深度，能够获得晶体不同深度的应力分布情况，进而获得不同生长阶段sic单晶内部应力的演变情况，指导单晶成核、生长工艺的优化。
[0032]
(2)本发明的中子衍射表征sic体块单晶应力方法精确度高，应变精度可达8
×
10-5
，相比于传统的应力仪成像定量测试晶片应力，本发明中的方法能够精确的定量给出晶体中应变、应力的具体数值，获得的应力值更准确。
[0033]
(3)本发明的中子衍射方法属于无损检测，不会破坏、污染sic单晶样品；且中子衍射表征sic体块单晶应力方法，原理简单，易于推广使用。
[0034]
(4)本发明中的中子衍射方法，可以通过对sic单晶逐点测试，能够获得晶体内部三维应力mapping结果，获得应力分布结果，特别适用于研究直径6英寸及以上尺寸的晶体生长应力分布均匀性，指导大直径sic单晶生长工艺。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明实施例1中sic单晶中子衍射示意图，其中，1为中子源，2为完美晶体
单色器，3为入射狭缝，4为中子衍射体积，5为样品台，6为待测试sic单晶，7为出射狭缝，8为探测器；
[0037]
图2为本发明实施例中样品坐标系、试验坐标系和晶体学坐标系变换示意图；
[0038]
图3为本发明实施例中样品坐标系系x1-x2-x3与试验坐标系y1-y2-y3示意图，为x1与轴之间的夹角，ψ为x3与y3之间的夹角；
[0039]
图4为本发明实施例中晶体学坐标系z1-z2-z3与应力学坐标系m1-m2-m3示意图；
[0040]
图5为本发明实施例中2英寸平温场中生长的4h-sic单晶不同晶面的中子衍射测试结果示意图；
[0041]
图6为本发明实施例中一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法流程图。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
术语说明：
[0045]
应变：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变成为应变。
[0046]
应力：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的反作用力为应力，量纲为pa。
[0047]
中子衍射：指德布罗意波长约为0.1nm左右的中子通过晶态物质时发生的布拉格衍射。
[0048]
样品坐标系：本实施例中指x1-x2-x3坐标系。假定样品的表面为(h0k0l0)，x1和x2位于样品表面(h0k0l0)内，x3轴为样品表面(h0k0l0)法线。
[0049]
试验坐标系：本实施例中指y1-y2-y3坐标系。假定衍射晶面为(hkl)，y2轴位于样品表面(h0k0l0)中，y3轴为衍射晶面(hkl)的法线，y1轴在样品表面的投影为轴，其中为x1与之间的夹角，ψ为x3与y3之间的夹角，如图3所示。
[0050]
晶体学坐标系：本实施例中指z1-z2-z3坐标系，z1//结晶学a轴，z3//结晶学c轴。
[0051]
应力坐标系：本实施例中指m1-m2-m3坐标系，是通过对晶体学坐标进行倒易空间转换，m1，m2，m3用晶体学坐标系的倒易基矢表达，且m1，m2，m3两两正交。
[0052]
实施例1、
[0053]
参照附图6，本发明提供一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法，包括：
[0054]
(1)将待检测的sic体块单晶用定向仪定向，获取sic样品表面的晶面。
[0055]
(2)选取尺寸小、应力小的sic单晶，近似认为该sic单晶中的应力为0。设定光路系统中的狭缝宽度、衍射的积分时间，根据晶体的表面，转动样品台，调节衍射角、方位角等参数，对sic单晶不同晶面进行中子衍射测试，测试结果作为无应力sic单晶中子衍射标准值。
[0056]
(3)对步骤(1)中待检测的sic体块单晶进行不同晶面中子衍射测试，测试的晶面与步骤(2)中的晶面相同。
[0057]
(4)根据步骤(2)、(3)中的测试结果，结合布拉格衍射公式，计算出试验坐标系中衍射晶面发现方向上的应变张量并根据晶体物理中的坐标变换原则，计算出样品坐标系中的应变张量
[0058]
(5)根据胡克定律，通过二阶应变张量ε
kl
与四阶弹性劲度系数张量c
ijkl
，计算sic体块单晶中的应力张量σ
ij
。
[0059]
步骤(1)中sic样品表面的定向选用x射线衍射定向仪进行定向，参照附图1。当sic样品为4h-sic或6h-sic单晶时，sic表面的晶面为(0001)c面、(1000)a面、(1-100)m面。
[0060]
进一步优化方案，步骤(1)中待检测sic体块单晶直径为2英寸～8英寸，单晶厚度不小于5mm，晶体可以是生长后的原生晶体、退火后的晶体及后续加工过程中的晶体。
[0061]
进一步优化方案，步骤(2)中，尺寸小、应力小的sic单晶为在平温场生长的尺寸不大于2英寸sic晶体，进一步优选的，步骤(2)中的尺寸小、应力小的sic单晶为经过多次退火消除内部应力的2英寸sic晶体。在本实施例中，无应力sic单晶可以用sic单晶粉末替代。无应力晶体在测试前，需在不低于生长温度的平温场中经过50h以上时间的退火，达到完全消除内部应力。
[0062]
中子衍射模式为常波长中子衍射模式或者飞行时间中子衍射模式；中子衍射模式为常波长中子衍射模式，中子波长为0.12～0.28nm。
[0063]
进行中子衍射的线性独立晶面不少于6个。进行中子衍射的晶面布拉格角θb需满足：20
°
≤θb≤145
°
。进一步优化方案，2θb≈90
°
，目的是使不同晶面发生衍射时的体积为同一衍射体积，获得更准确的信息。进行所述中子衍射测试时，可以在sic单晶进行单点或逐点测试。当进行逐点测试时，测试相邻点的间距为2-10mm，最终可以得到整个sic晶体的应力mapping图。
[0064]
衍射强度可以使用狭缝或积分时间进行调节。进一步优化方案，入射狭缝、出射狭缝的宽度为0.5～10mm，积分时间为0.001s～5s。入射狭缝、出射狭缝的形状根据衍射体积进行确定。在本实施例中，狭缝的形状为圆形、矩形或正方形。
[0065]
步骤(2)～(3)中，中子衍射测试在试验坐标系中进行，步骤(5)中的四阶弹性劲度系数张量c
ijkl
在晶体学坐标系中进行表达，应力张量σ
ij
在应力坐标系中进行表达。如附图2为样品坐标系、试验坐标系和晶体学坐标系变换示意图，附图3为样品坐标系系x1-x2-x3与试验坐标系y1-y2-y3示意图，为x1与轴之间的夹角，ψ为x3与y3之间的夹角，附图4为晶体学坐标系z1-z2-z3与应力学坐标系m1-m2-m3示意图。
[0066]
步骤(4)中应变张量的计算步骤如下：在试验坐标系y1-y2-y3下，(hkl)面沿y3轴的应变可以表示为：
[0067][0068]
其中，δθ为无应力sic样品与待检测sic样品中子衍射峰位差，θb为无应力sic样品中子衍射峰位。
[0069]
根据晶体物理中二阶张量在新、旧坐标系中的变换原则，在样品坐标系x1-x2-x3中可以表示为：
[0070][0071]
其中，a
3k
，a
3l
分别为坐标轴y3与x1-x2-x3各坐标轴的夹角余弦，为在样品坐标系x1-x2-x3下的各应变分量。
[0072]
y1-y2-y3与x1-x2-x3各坐标轴夹角余弦的矩阵a
ij
(i，j＝1，2，3)为：
[0073][0074]
结合(1)～(3)式可得：
[0075][0076]
将步骤(2)、(3)中得到的6个不同衍射晶面的测试结果代入(4)式，得到晶体在测试位置处的6个应变方程组，计算出样品坐标系x1-x2-x3中各个应变分量
[0077]
步骤(5)中应变张量的计算步骤如下：
[0078]
将晶体学坐标基矢在正交坐标系中进行表达：
[0079][0080]
上述基矢在倒易空间中表示为：
[0081][0082]
图4应力坐标系m1-m2-m3中，方向基矢可以写为：
[0083][0084]
将步骤(4)中计算得到的样品坐标系中的应变张量通过坐标变换原则，得到应力坐标系中的应变张量ε
kl
，变换表达式为：
[0085][0086]
其中，b
ij
(i，j＝1，2，3)为应力坐标系m1-m2-m3与样品坐标系x1-x2-x3各轴夹角的方向余弦。
[0087]
根据胡克定律，计算sic体块单晶中的应力张量：
[0088][0089]
上式中按照晶体物理学中的规定，对应力张量和应变张量均采用了简化下标的表达方法。应力张量：σ
11
＝σ1，σ
22
＝σ2，σ
33
＝σ3，σ
23
＝σ
32
＝σ4，σ
13
＝σ
31
＝σ5，σ
12
＝σ
21
＝σ6；弹性劲度常数：c
ij
为sic单晶不同方向的弹性劲度系数；应变张量：ε
11
＝ε1，ε
22
＝ε2，ε
33
＝ε3，
[0090]
本发明中的应力检测方法同样适用于蓝宝石、单晶硅等单晶材料，特别适用于六方晶系的晶体材料。
[0091]
上述方法中未做详细限定的部分均按本领域现有技术。
[0092]
实施例2、
[0093]
如实施例1所述，一种sic体块单晶应力的检测方法，包括具体操作步骤如下：
[0094]
(1)选取4英寸4h-sic体块单晶，并用x射线定向仪进行检测，4h-sic体块单晶的表面为(0001)c面。
[0095]
(2)取2英寸平温场中生长的4h-sic体块单晶作为无应力4h-sic单晶，样品表面为c面，中子对应的德布罗意波长为0.154nm。参照附图5；入射狭缝、出射狭缝均为圆孔狭缝，直径为0.5mm，积分时间为5s。对无应力sic单晶分别进行(205)、(108)、(206)、(109)、(204)、(118)晶面中子衍射测试，对应的2θb分别为87.925
°
、85.358
°
、95.334
°
、96.812
°
、81.843
°
、104.726
°
，测试结果如图5所示。
[0096]
(3)对步骤(1)中的4英寸4h-sic进行不同晶面的中子衍射测试，测试的晶面与步骤(2)中的晶面相同。
[0097]
(4)根据步骤(2)、(3)中对应晶面衍射峰位的差，计算不同坐标系下的应变张量。
[0098]
(5)根据胡克定律及步骤(4)中的应变张量，得到应力张量(单位：mpa)，结果为：
[0099][0100]
即，测试点处的应力分布为：
[0101][0102]
实施例3、
[0103]
与实施例2中所述的一种sic体块单晶应力的检测方法，其不同之处在于：
[0104]
步骤(1)中，选取6英寸4h-sic体块单晶，并用x射线定向仪进行检测，4h-sic体块单晶的表面为(0001)c面。
[0105]
步骤(2)中，取2英寸平温场中生长的6h-sic体块单晶作为无应力6h-sic单晶，中子对应的波长为0.1587nm，入射狭缝、出射狭缝均为正方形狭缝，尺寸为5mm
×
5mm，积分时间为0.001s。对无应力sic单晶分别进行(205)、(108)、(206)、(109)、(204)、(107)晶面中子衍射测试，对应的2θb分别为91.202
°
、88.488
°
、99.081
°
、100.666
°
、84.781
°
、77.704
°
。
[0106]
步骤(3)中，对步骤(1)中的6英寸4h-sic进行不同晶面的中子衍射测试，测试的晶面与步骤(2)中的晶面相同。
[0107]
步骤(4)、(5)进行计算，最后得到应力张量(单位：mpa)为：
[0108][0109]
即，测试点处的应力分布为：
[0110][0111]
实施例4、
[0112]
与实施例2中所述的一种sic体块单晶应力的检测方法，其不同之处在于：
[0113]
步骤(1)中，选取8英寸6h-sic体块单晶，并用x射线定向仪进行检测，6h-sic体块单晶的表面为(100)a面。
[0114]
步骤(2)中，中子对应的波长为0.28nm，入射狭缝、出射狭缝均为矩形狭缝，尺寸为0.6mm
×
3mm，积分时间为1s。对无应力sic单晶分别进行(102)、(103)、(104)、(105)、(106)、(2-10)晶面中子衍射测试，对应的2θb分别为67.840
°
、73.085
°
、80.201
°
、89.139
°
、100.011
°
、131.406
°
。
[0115]
步骤(3)中，对8英寸6h-sic体块单晶进行中子衍射测试，测试晶面与步骤(2)中的晶面相同。
[0116]
步骤(4)、(5)进行计算，最后得到应力张量(单位：mpa)为：
[0117][0118]
即，测试点处的应力分布为：
[0119][0120]
通过实施例2-4的描述，可以看出，应用本发明的方法可以表征出体块sic单晶中的应力大小和分布。
[0121]
本发明采用中子衍射的方法可以测试体块sic单晶内部应力分情况。优选sic的晶型包括不限于2h-sic、4h-sic、6h-sic等六方晶系，也同样适用于六方晶系晶体。相比于传统方法，本发明的有益效果为：
[0122]
(1)本发明方法采用的中子源，通过巧妙地利用中子在sic单晶中的穿透能力强，穿透能力可达厘米量级的特点，对sic晶体的6个线性独立的衍射晶面进行中子衍射，能够获得sic单晶内部不同方向的应力分布。通过调整中子源在晶体中的深度，能够获得晶体不同深度的应力分布情况，进而获得不同生长阶段sic单晶内部应力的演变情况，指导单晶成核、生长工艺的优化。
[0123]
(2)本发明的中子衍射表征sic体块单晶应力方法精确度高，应变精度可达8
×
10-5
，相比于传统的应力仪成像定量测试晶片应力，本发明中的方法能够精确的定量给出晶体中应变、应力的具体数值，获得的应力值更准确。
[0124]
(3)本发明的中子衍射方法属于无损检测，不会破坏、污染sic单晶样品；且中子衍射表征sic体块单晶应力方法，原理简单，易于推广使用。
[0125]
(4)本发明中的中子衍射方法，可以通过对sic单晶逐点测试，能够获得晶体内部三维应力mapping结果，获得应力分布结果，特别适用于研究直径6英寸及以上尺寸的晶体生长应力分布均匀性，用于指导大直径sic单晶生长工艺。
[0126]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。