CN111300192B - 一种应用于单晶的定向加工方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种应用于单晶的定向加工方法，具体的，首先，采用X衍射定向技术，分别测量所述待加工表面在所述0°方位线和90°方位线处的偏角；然后，利用0°方位线和90°方位线处的偏角，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及该真实偏角对应的方位线；最后，根据真实偏角以及真实偏角对应的方位线，在平面磨床的工件台上，将该单晶的待加工表面加工出与衍射原子面平行的加工面。本申请提供的加工方法，只需经过一次定向加工，即可加工出合适的加工面，进而可以提高加工效率。

Description

一种应用于单晶的定向加工方法
技术领域
本申请涉及单晶衬底加工技术领域，尤其涉及一种应用于单晶的定向加工方法。
背景技术
碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体材料的一员，具有热导率高、热膨胀系数低、禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿场强大、化学稳定性高和抗辐射能力强等优异性能。基于这些优异性能，SiC单晶作为衬底广泛应用于电力电子、微波通信和半导体领域。
当SiC籽晶生长完成得到SiC单晶后，一般需要经过晶体定向、滚圆、切割、研磨、抛光等过程，将SiC单晶加工成SiC衬底，才能进一步进行外延生长。外延生长是指在单晶衬底上长出一层新的与衬底晶向相同的单晶。一般外延生长在SiC衬底的(0001)硅面上生长，以在SiC衬底上异质外延生长GaN为例，技术上要求SiC衬底表面取向偏差<±0.25°，因此，需要对SiC衬底进行精确定向加工。
在传统定向加工技术中，定向加工一般需要通过两步加工才能完成。参见图1，为现有技术中的定向加工示意图，可知，第一步是沿方位线0°和180°分别测量SiC单晶发生衍射时的入射角ω0和ω180，得到沿该两个方位线的偏角，并利用该两个方位线的偏角将SiC单晶的待加工面高出衍射原子面的部分磨去，使加工面沿0°或180°方位线方向与衍射原子面平行。第二步是沿方位线90°和270°分别测量SiC单晶发生衍射时的入射角ω90和ω270，得到沿该两个方位线的偏角，并利用该两个方位线的偏角将SiC单晶的待加工面高出衍射原子面的部分磨去，使加工面沿90°或270°方位线方向与衍射原子面平行。
但是，上述定向加工方式，SiC单晶需要经过两次定向加工，才能完成加工流程。两步法定向加工的过程中，需要完成第一步加工后，再进行第二步加工，进而导致定向加工的过程耗时较长。
发明内容
本申请实施例提供了一种应用于单晶的定向加工方法，以解决传统定向加工耗时较长的技术问题。
本申请实例提供的应用于单晶的定向加工方法，主要包括：
在单晶的待加工表面，以所述单晶的中心点为原点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线；
采用X衍射定向技术，分别测量所述待加工表面在所述0°方位线和90°方位线处的偏角，得到0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角；
根据所述0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角，计算出所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线；
将所述单晶置于工件台，其中，与所述待加工表面相对的表面与所述工件台相贴合，所述真实偏角对应的方位线垂直于所述工件台的水平转轴设置；
控制所述工件台绕所述水平转轴旋转所述真实偏角的角度后，将所述待加工面磨至水平。
可选地，根据所述0°方位线表面偏角和沿90°方位线表面偏角，计算出所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线，包括：
将所述0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角代入公式Δ＝(Δ0×Δ0+Δ90×Δ90)1/2和φ＝tan-1(Δ90/Δ0)中，得到所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线；
其中，Δ0为0°方位线表面偏角，Δ90为90°方位线表面偏角角，Δ为待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角，φ为真实偏角对应的方位线。
可选地，将所述待加工面磨至水平后，所述方法还包括：
将所述工件台调回至水平面；
将所述单晶置于工件台，其中，与所述待加工表面与所述工件台相贴合；
将与所述待加工表面相对的表面磨至水平。
可选地，所述单晶为SiC单晶。
可选地，所述待加工表面为(0001)硅面或(000-1)碳面。
可选地，将所述待加工面磨至水平时，所采用的磨料包括：金刚石和/或氮化硼。
由上述实施例可见，本申请提供了一种应用于单晶的定向加工方法，采用X衍射定向技术，分别测量所述待加工表面在所述0°方位线和90°方位线处的偏角；然后，利用该两处的偏角，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线；最后，根据真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线，在平面磨床的工件台上，将该单晶的待加工表面加工出与衍射原子面平行的加工面。本申请实施例提供的加工方法，只需经过一次定向加工，即可加工出合适的加工面，进而可以提高加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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。
图1为现有技术中的定向加工的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种应用于单晶的定向加工方法的原理图
图3为本申请实施例提供的一种应用于单晶的定向加工方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的X射线定向原理示意图；
图5为本申请实施例提供的单晶在可旋转工件台摆放示意图。
具体实施方式
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作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。
为简化单晶定向加工流程，本实施例提供了一种新的定向加工方法。该方法的实现原理如下：如果单晶表面的取向有偏差，则取其表面上两个互不平行的面肯定有一条交线，如果沿这条交线测量这两个面的夹角，一定是0°，但如果垂直这条交线在两个面内分别画一条直线，则这两条直线的夹角才是这两个面之间的夹角。
基于该原理，以SiC单晶的(000-1)碳面定向加工为例，说明本实施例的工作原理。参见图2，为本申请实施例提供的一种应用于单晶的定向加工方法的原理图。假设SiC的待加工表面与衍射原子面、即(000-1)碳面的交线为MN，沿不同方位线测量得到的偏角数据不同。例如，直线OL1和OL2垂直MN，则沿方位线OL1和OL2测量到的偏角才是(000-1)碳面与待加工表面真实的夹角Δ。如果沿方位线OL1测量的偏角为+Δ，则沿方位线OL2测量得到的偏角值为-Δ，两者的偏角值具有互补关系。其它方位线偏离OL1的角度越大，测量获得的偏角值越小，其中沿方位线OM和ON测量的偏角值为0°，偏角测量值随方位线的变化满足余弦函数。
如上所述，在方位线OL1处测量的偏角为Δ，在方位线为0°处测量的偏角为Δ0，在位向线90°处测量的偏角为Δ90，则它们的关系满足：
Δ0＝Δ×cosφ (1)
Δ90＝Δ×cos(90-φ)＝Δ×sinφ (2)
根据以上两式求得：
Δ＝(Δ0×Δ0+Δ90×Δ90)1/2 (3)
φ＝tan-1(Δ90/Δ0) (4)
由此通过在0°方位线和90°方位线处待加工表面偏角的测量，便可得到方位线OL1处测量的偏角和方位线OL1的方位角，即获得了待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及该真实偏角对应的方位线。
基于上述实现原理，下面对本实施例提供的定向加工方法进行详细介绍。图3为本申请实施例提供的一种应用于单晶的定向加工方法的流程图。如图3所示，该方法具体包括如下步骤：
S101：在单晶的待加工表面，以所述单晶的中心点为原点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线。
例如，如图2中的，可以在单晶的待加工表面的中心点分别垂直于主定位面S2和次定位面S1作两条直线，如图2中的将单晶表面分为4个区域，定义从圆心出发向圆周所作的直线为方位线，4条方位线所对应的方位角分别为0°、90、180、270，取0°和90方位角对应的方位线分别定义为0°方位线和90°方位线。当然，还可以取90和180或80、270方位角对应的方位线分别定义为0°方位线和90°方位线，方位角的零点可以根据需求进行定义。另外，还可以采用其它方式绘制。
S102：采用X衍射定向技术，分别测量所述待加工表面在所述0°方位线和90°方位线处的偏角，得到0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角。
图4为本申请实施例提供的X射线定向原理示意图。如图4所示，圆形代表样品台403，入射X射线401、衍射X射线404、测量的单晶402的表面中心点均通过样品台403的中心O点。测量过程中，先固定探测器405，使其与入射X射线401的夹角为2θB；使单晶402绕通过O点垂直于纸面的轴摆动，当单晶402原子面与X射线和探测器之间的夹角刚好为θB角时，衍射现象发生，探测器405将接收到强X射线信号，此时测角仪测量的角度为入射X射线与单晶402表面的夹角ω。测量时，首先沿方位线0°和90°分别测量发生衍射时的入射角ω0和ω90，结果与布拉格角θB比较，便获得沿该两个方位线的待加工表面的偏角分别为：
Δ0＝θB-ω0 (5)
Δ90＝θB-ω90 (6)
S103：根据所述0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角，计算出所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线。
具体的，可以利用上述公式(1)和(2)，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线。当然，也可以直接利用公式(3)和(4)计算。
S104：将所述单晶置于工件台，其中，与所述待加工表面相对的表面与所述工件台相贴合，所述真实偏角对应的方位线垂直于所述工件台的水平转轴设置。
图5为本申请实施例提供的单晶在可旋转工件台摆放示意图。如图5所示，将方位线OL1或OL2与工件台的水平转轴垂直，其中，工件台的工件台的水平转轴垂直于纸面。
S105：控制所述工件台绕所述水平转轴旋转所述真实偏角的角度后，将所述待加工面磨至水平。
工件台绕所述水平转轴旋转所述真实偏角Δ的角度，这种情况下，衍射面(000-1)碳面处于水平位置，然后，开启平面磨床，采用材质硬于该单晶的磨料，例如金刚石和/或氮化硼，将单晶的表面磨平，磨平后，单晶表面即为衍射原子面。
进一步的，若该单晶的另一面也需要定向，则可以工件台的台面调回到水平面，将该单晶的与上述待加工面相对的另一个表面朝上，启动平面磨床，将该表面也磨至水平，磨平后，该表面为衍射原子面。至此，该单晶的上下表面均已磨平，若该单晶为SiC，则分别对应于SiC的(000-1)碳面和(0001)硅面。
基于上述实施例可见，本实施例中对单晶的每个待加工面进行磨平时，只需经过一次定向加工，即可加工出合适的加工面，进而与两次加工相比，提高了加工效率。
基于上述实现方法，下面将结合实例，对本申请实施例提供的方法进行进一步介绍。
实施例一
以4H-SiC(000-1)碳面的定向加工过程为例。
S201：在4H-SiC晶棒的表面，通过其中心点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线。
S202：采用X衍射定向技术，沿0°方位线和90°方位线分别测量所述4H-SiC晶棒的待加工表面的偏角，获得的偏角值为Δ0＝0.64°，Δ90＝0.77°。
S203：根据上述偏角值，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角Δ以及所述真实偏角对应的方位线φ，Δ＝1°，φ＝50°，即待加工表面与(000-1)碳面的夹角为1°，沿方位线50°方向测量偏角才是待加工表面与(000-1)碳面真实的夹角。
S204：将4H-SiC单晶的待加工表面朝上，置于平面磨床的工件台上，50°方位线垂直于工件台的水平转轴，工件台绕水平转轴旋转1°。
这种情况下，(000-1)碳面处于水平面上，启动平面磨床，将待加工表面磨至水平。
S205：将已经磨好的(000-1)碳面朝下，工件台调回到水平面，启动平面磨床，将另一面磨平，磨平后该面即为(0001)硅面。
实施例二
以6H-SiC(000-1)碳面的定向加工过程为例。
S301：在6H-SiC晶棒的表面，通过其中心点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线。
S302：采用X衍射定向技术，沿0°方位线和90°方位线分别测量所述6H-SiC晶棒的待加工表面的偏角，获得的偏角值为Δ0＝-0.73°，Δ90＝0.34°。
S303：根据上述偏角值，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角Δ以及所述真实偏角对应的方位线φ，Δ＝0.8°，φ＝155°，即待加工表面与(000-1)碳面的夹角为0.8°，沿方位线155°方向测量偏角才是待加工表面与(000-1)碳面真实的夹角。
S304：将6H-SiC单晶的待加工表面朝上，置于平面磨床的工件台上，155°方位线垂直于工件台的水平转轴，工件台绕水平转轴旋转0.8°。
这种情况下，(000-1)碳面处于水平面上，启动平面磨床，将待加工表面磨至水平，进而得到(000-1)碳面。
实施例三
以4H-SiC(0001)硅面的定向加工过程为例。
S401：在4H-SiC晶棒的表面，通过其中心点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线。
S402：采用X衍射定向技术，沿0°方位线和90°方位线分别测量所述4H-SiC晶棒的待加工表面的偏角，获得的偏角值为Δ0＝1.23°，Δ90＝-1.03°。
S403：根据上述偏角值，计算出待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角Δ以及所述真实偏角对应的方位线φ，Δ＝1.6°，φ＝320°，即待加工表面与(0001)硅面的夹角为1.6°，沿方位线320°方向测量偏角才是待加工表面与(0001)硅面真实的夹角。
S404：将4H-SiC单晶的待加工表面朝上，置于平面磨床的工件台上，320°方位线垂直于工件台的水平转轴，工件台绕水平转轴旋转1.6°。
这种情况下，(0001)硅面处于水平面上，启动平面磨床，将待加工表面磨至水平，进而得到(0001)硅面。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种应用于单晶的定向加工方法，其特征在于，所述方法包括：
在单晶的待加工表面，以所述单晶的中心点为原点，绘制相垂直的0°方位线和90°方位线；
采用X衍射定向技术，分别测量所述待加工表面在所述0°方位线和90°方位线处的偏角，得到0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角；
根据所述0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角，计算出所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线；
将所述单晶置于工件台，其中，与所述待加工表面相对的表面与所述工件台相贴合，所述真实偏角对应的方位线垂直于所述工件台的水平转轴设置；
控制所述工件台绕所述水平转轴旋转所述真实偏角的角度后，将所述待加工面磨至水平其中，根据所述0°方位线表面偏角和沿90°方位线表面偏角，计算出所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线，包括：
将所述0°方位线表面偏角和90°方位线表面偏角代入公式Δ＝(Δ0×Δ0+Δ90×Δ90)1/2和φ＝tan-1(Δ90/Δ0)中，得到所述待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角以及所述真实偏角对应的方位线；
其中，Δ0为0°方位线表面偏角，Δ90为90°方位线表面偏角，Δ为待加工表面与衍射原子面之间的真实偏角，φ为真实偏角对应的方位线。
2.根据权利要求1所述的定向加工方法，其特征在于，将所述待加工面磨至水平后，所述方法还包括：
将所述工件台调回至水平面；
将所述单晶置于工件台，其中，与所述待加工表面与所述工件台相贴合；
将与所述待加工表面相对的表面磨至水平。
3.根据权利要求1所述的定向加工方法，其特征在于，所述单晶为SiC单晶。
4.根据权利要求3所述的定向加工方法，其特征在于，所述待加工表面为(0001)硅面或(000-1)碳面。
5.根据权利要求3所述的定向加工方法，其特征在于，将所述待加工面磨至水平时，所采用的磨料包括：金刚石和/或氮化硼。
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