[发明专利]一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法

说明书

本发明涉及一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法，包括：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；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；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，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。本发明方法采用的中子在SiC单晶中的穿透能力强，穿透能力可达厘米量级，通过对SiC晶体进行中子衍射，能够获得SiC单晶内部不同方向的应力分布。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种体块碳化硅单晶内部应力检测方法，包括：

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；

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；

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。

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。