用于确定导电型碳化硅晶片的硅面和碳面的方法
1.本发明属于半导体材料领域。具体地，本发明涉及一种用于确定导电型碳化硅晶片的硅面和碳面的方法。
背景技术：
2.碳化硅(sic)是一种宽带隙化合物半导体。室温下，4h-sic的带隙为3.2ev。sic具有高击穿场强(约为si的10倍)、高饱和电子漂移速率(约为si的2倍)、高热导率(si的3倍、gaas的10倍)等优异性能。相比同类硅基器件，sic器件具有耐高压、耐高温、高频特性好、体积小和重量轻等优势，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5g通讯等领域具有重要的应用潜力。4h-sic为六方结构，空间为p63mc，是一种极性晶体，具有碳(c)极性面(通常称为c面)和硅(si)极性面(通常称为si面)。以sic为衬底制备功率器件时，通常以si面进行外延生长。而采用物理气相输运(pvt)法生长sic单晶时，则通常以c面为生长面进行生长。可见，确定sic晶片的si面和c面不仅影响sic功率器件，还会影响单晶的生长。
3.目前，已采用多种方法来区分sic晶片的si面和c面。区分si面和c面常用的方法有：定位边标记法、v型槽标记法、刻蚀法、和无损检测法。
4.在这几种方法中，区分sic晶片si面和c面最普遍的方法是定位边标记法：采用pvt法生长完sic晶锭后对sic晶锭滚外圆、两次定向、加工出相互垂直的主定位边和次定位边，经过随后一系列加工工艺获得sic晶片，通过主定位边和次定位边确定sic晶片的si面和c面。在这种方法中，4英寸sic晶片主定位边的长度为32.5mm，6英寸sic晶片主定位边的长度为47.5mm，降低了sic晶片的有效使用面积。同时，采用具有主定位边和次定位的sic晶片为籽晶，进行pvt生长时，主定位边和次定位边还影响晶体的生长。
5.除了定位边区分sic晶片的si面和c面，还可以采用v型槽标记法确定sic晶片的si面和c面。中国专利(cn 107991230a)将生长得到的sic晶锭进行平面磨、滚圆加工、定向，确定《11-20》方向，之后沿《11-20》方向加工出非对称的v型槽，加工获得sic晶片后，根据v型槽夹角θ两条斜边长度的关系确定si面和c面。此方法需要加工出v型槽，对加工精度要求高，同时也会降低sic晶片的使用面积。
6.另外一种区分sic晶片si面和c面的方法是刻蚀法。sic晶片c面和si面与熔融碱反应能力和反应速率不同，c面通常能抵抗熔融碱的腐蚀，而si面却不能抵抗熔融碱的腐蚀。因此，si面腐蚀速度大于c面的腐蚀速度，si面腐蚀坑的深度与线度(对角线长)大于c面腐蚀坑的深度与线度。刻蚀法对sic晶片损伤大(40μm)，操作过程中还存在安全隐患。
7.一般而言，si面的表面粗糙度在0.10～0.50nm之间，而c面的表面粗糙度在0.80～3.00nm之间，基于sic晶片抛光后si面和c面表面粗糙度的不同，中国专利(cn201310610814.2)采用原子力显微镜(afm)测量si面和c面表面粗糙度，根据表面粗糙度的不同来确定si面和c面。这种方法虽然是一种无损的分析表征方法，但对sic晶片的表面加工质量要求高、误差大、可靠性低。
8.中国专利(cn 114509459 a)基于导电型sic晶片si面和c面对x射线衍射强度的差
异以及导电型sic晶片生长中特有的黑芯来区别si面和c面。此方法要求sic晶片的尺寸不能太大。
9.文献(applied surface science 390(2016)917
–
923)用afm的接触模式测量sic晶片si面和c面力-距离曲线，通过测量脱附力的不同来区分sic晶片的si面和c面。
10.目前急需一种高效、无损、高可靠性的方法来确定sic晶片的si面和c面。
技术实现要素：
11.本发明的目的在于提供一种用于确定导电型碳化硅晶片的硅面和碳面的方法。该方法是一种高效、无损、高可靠性的用于确定sic晶片的si面和c面的方法。
12.本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
13.本发明提供一种确定导电型碳化硅晶片硅面和碳面的方法，其包括如下步骤：
14.(1)通过skpfm测定导电型碳化硅晶片的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面分别与导电针尖的接触电势差，获得第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差；
15.(2)将所述第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差进行比较；其中，如果所述第一表面的接触电势差大于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为碳面，所述第二表面为硅面；如果所述第一表面的接触电势差小于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为硅面，所述第二表面为碳面。
16.本技术的发明人出乎意料地发现，根据导电型sic晶片本身的导电性和si面、c面功函数的不同，通过skpfm(扫描开尔文探针力显微镜)测量si面、c面的接触电势差(v
cpd
)，根据v
cpd
值的不同可以确定sic晶片的si面和c面。
17.基于sic晶片si面和c面功函数的不同，通过skpfm可以测量sic晶片si面、c面与afm(原子力显微镜)导电针尖之间的v
cpd
。当sic晶片与afm导电针尖接触后，由于sic晶片与afm导电针尖的功函数不同，电子就会在sic晶片和afm导电针尖之间发生转移，电子从功函数低的材料转移到功函数高的材料中，直到费米能级被拉平，从而产生如以下公式(1)所表示的接触电势差(v
cpd
)：
[0018][0019]
其中，v
cpd
为sic晶片与afm导电针尖之间的接触电势差，和分别为sic和afm导电针尖的功函数，e为基本电荷。
[0020]
在本发明的一个具体实施方案中，skpfm将afm和开尔文测试方法结合在一起。首先，在非接触模式(轻敲模式)下沿一条直线扫描得到样品的表面形貌，然后将afm导电针尖抬高，使afm导电针尖始终与样品表面保持恒定的高度，进行skpfm测量。本发明中，由于afm导电针尖的功函数为定值，sic晶片si面和c面的功函数不同，根据公式(1)可知：进行skpfm测量时，si面和c面测得的v
cpd
不一样，通过测得的v
cpd
值就可以确定sic晶片的si面和c面。
[0021]
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的通过skpfm测定导电型碳化硅晶片的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面分别与导电针尖的接触电势差是通过包括如下步骤的方法进行的：
[0022]
(i)将afm测试设备的测试针尖换成导电针尖，并将afm的测试模式调整到skpfm测
试模式；
[0023]
(ii)将碳化硅晶片水平置于afm测试设备样品载物台上；
[0024]
(iii)然后进行skpfm测量，得到碳化硅晶片的第一表面与导电针尖的接触电势差；
[0025]
(iv)将碳化硅晶片翻转，然后重复步骤(ii)和(iii)，得到碳化硅晶片的第二表面与导电针尖的接触电势差。
[0026]
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(ii)中的将碳化硅晶片水平置于afm测试设备样品载物台上是通过包括如下步骤的方法进行的：
[0027]
用机械泵或者导电胶带将碳化硅晶片吸附或者粘附至afm测试设备样品载物台上。
[0028]
优选地，在本发明所述的方法中，所述导电胶带为导电铜胶带或者导电碳胶带。
[0029]
优选地，在本发明所述的方法中，所述导电型碳化硅晶片的尺寸为1-12英寸。
[0030]
优选地，在本发明所述的方法中，所述导电型碳化硅晶片的尺寸为2-10英寸。
[0031]
优选地，在本发明所述的方法中，所述导电型碳化硅晶片的厚度为50-1500微米。
[0032]
优选地，在本发明所述的方法中，所述导电型碳化硅晶片的厚度为100-1000微米。
[0033]
本发明具有以下有益效果：
[0034]
基于导电型sic晶片导电性和si面、c面功函数的不同，进行skpfm测量以获得sic晶片si面、c面与afm导电针尖之间的接触电势差，根据v
cpd
来确定sic晶片的si面和c面。本发明提供的方法不仅避免采用传统刻蚀方法区分碳面和硅面引起晶片损伤的问题，还能有效降低采用腐蚀法区分硅面和碳面耗时和耗能问题。本发明提供的方法不需要对碳化硅晶片做定位边和v型槽标记，增加了碳化硅晶片的有效使用面积，提高了碳化硅晶片的质量，避免了碳化硅晶片做为籽晶进行碳化硅晶体生长时定位边或v型槽的不利影响。
[0035]
本方法无需加工主定位边和次定位边，也不需要对sic晶片进行刻蚀。本发明提供的技术方案简单、适用范围广、可靠性高，避免了sic晶片的损伤，增加了sic晶片的有效使用面积，适用于不同尺寸、不同厚度的n型和p型导电sic晶片。
附图说明
[0036]
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
[0037]
图1为本发明的skpfm测试示意图；
[0038]
图2为采用本发明实施例1获得的n型4h-sic晶片si面和c面skpfm的测试结果图；
[0039]
图3为采用本发明实施例4获得的n型4h-sic晶片si面和c面skpfm的测试结果图；
[0040]
图4为采用本发明实施例5获得的p型6h-sic晶片si面和c面skpfm的测试结果图；
[0041]
其中，附图标记：
[0042]
1-导电型sic晶片；2-afm导电针尖；3-位置灵敏光电检测器；4-x-y方向压电陶瓷扫描管；5-z方向压电陶瓷扫描管；6-第一锁相放大器；7-第二锁相放大器；8-频率；9-振幅；10-z轴反馈控制；11-直流电压控制；12-交流电压；13-直流电压。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐
明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
[0044]
现参考附图，详细说明本发明所公开的用于确定导电性sic晶片的si面和c面的测试方法的方案。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或缩小以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。
[0045]
本发明用于确定导电型sic晶片si面和c面的方法所采用的装置可以参照图1。本发明以下实施例中所采用的商业化的sic晶片在进行本发明的测试方法之前皆已经由供应商采用定位边的方法确定了sic晶片的c面和si面。
[0046]
实施例1
[0047]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0048]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将4英寸、厚度为350μm、商业化的n型4h-sic晶片水平放置在afm测试设备样品载物台上，si面朝上。通过导电cu胶带将测试面与afm测试设备样品载物台相连，使样品接地。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试面之间的距离始终维持在100nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在导电针尖的直流电压为0v，交流电压为0.5v。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的测试方法，对sic晶片的c面进行skpfm测量。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：254mv，c面的v
cpd
值为：499mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0049]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0050]
图2给出了采用本实施例获得的4h-sic晶片的si面和c面的skpfm测试结果。
[0051]
实施例2
[0052]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0053]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将6英寸、厚度为350μm、商业化的n型4h-sic晶片水平放在afm测试设备样品载物台上，si面朝上。通过导电c胶带将测试面与afm测试设备样品载物台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在50nm，以恒高模式进行skpfm测量。施加在导电针尖上的直流电压为0v，交流电压为0.5v，对sic晶片的si面进行skpfm测量。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，对c面进行skpfm测量。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：318mv，c面的v
cpd
值为：593mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
值小的对应的面为si面，v
cpd
值大的对应的面为c面。
[0054]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0055]
实施例3
[0056]
采用本发明的图1所示的测试测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0057]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm测试设备的测试模式调整到skpfm测试模式。将8英寸、厚度为800μm、商业化的n型4h-sic晶片水平放在afm测试设备样品载物台上，si面朝上。通过导电cu胶带将测试面与afm测试设备样品载物台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在50nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在导电针尖上的直流电压为0v，交流电压为0.5v，对sic晶片的si面进行skpfm测量。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，测试c面的skpfm。采用本实施例测得的si面v
cpd
的值为：334mv，c面v
cpd
的值为：595mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0058]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0059]
实施例4
[0060]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0061]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将6英寸、厚度为350μm、商业化的n型4h-sic籽晶片水平放置在afm测试设备的样品载物台上，si面朝上。通过afm测试设备的机械泵将4h-sic晶片直接吸附到afm测试设备的样品放置台上，不用导电cu胶带和c胶带将测试面与afm测试设备的样品放置台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在20nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在afm导电针尖的直流电压为0v，交流电压为0.5v，测试si面的skpfm。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，测试c面的skpfm。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：706mv，c面v
cpd
值为：1370mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0062]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0063]
图3给出了采用本实施例获得的4h-sic晶片的si面和c面的skpfm测试结果。
[0064]
实施例5
[0065]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0066]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将2英寸、厚度400μm、商业化的p型6h-sic晶片水平放置在afm测试设备的样品载物台上，si面朝上。通过afm测试设备的机械泵将sic晶片直接吸附到afm测试设备的样品放置台上，不用导电cu胶带和c胶带将测试面与afm测试设备的样品放置台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在50nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在afm导电针尖的直流电压为0v，交流电压为0.5v，测试si面的skpfm。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，测试c面的skpfm。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：25mv，c面v
cpd
值为：306mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0067]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0068]
图4为采用本实施例获得的p型6h-sic晶片的si面和c面的skpfm测试结果。
[0069]
实施例6
[0070]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0071]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将4英寸、厚度400μm、商业化的p型sic晶片水平放置在afm测试设备的样品载物台上，si面朝上。通过afm测试设备的机械泵将sic晶片直接吸附到afm测试设备的样品放置台上，不用导电cu胶带和c胶带将测试面与afm测试设备的样品放置台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在80nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在afm导电针尖的直流电压为0v，交流电压为0.5v，测试si面的skpfm。将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，测试c面的skpfm。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：33.2mv，c面v
cpd
值为：298mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0072]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0073]
实施例7
[0074]
采用本发明的图1所示的测试系统确定sic晶片si面和c面的方法包括如下步骤：
[0075]
将afm测试针尖换成导电针尖。然后，将afm的测试模式调整到skpfm测试模式。将6英寸、厚度800μm、商业化的p型sic晶片水平放置在afm测试设备的样品载物台上，si面朝上。通过afm测试设备的机械泵将sic晶片直接吸附到afm测试设备的样品放置台上，不用导电cu胶带和c胶带将测试面与afm测试设备的样品放置台相连接。首先以接触模式测量sic晶片的高度形貌图，之后将afm导电针尖抬起，使afm导电针尖与sic晶片测试表面之间的距离始终维持在100nm，以恒高模式进行skpfm测试。施加在afm导电针尖的直流电压为0v，交流电压为0.5v，对sic晶片si面进行skpfm测试；将sic晶片翻转180度，将c面朝上。采用和si面一样的方法，对sic晶片c面进行skpfm测试。采用本实施例测得的si面的v
cpd
值为：33.0mv，c面v
cpd
值为：284mv。对测得的v
cpd
进行对比，v
cpd
测试值小的对应的面为si面，v
cpd
测试值大的对应的面为c面。
[0076]
可见通过本发明的测试方法确定的sic晶片的c面和si面是准确的，符合进行本发明的测试方法之前就已经确定的sic晶片的c面和si面这一事实。
[0077]
以上所述仅为本发明的最佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原理范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种用于确定导电型碳化硅晶片的硅面和碳面的方法，其包括如下步骤：(1)通过skpfm测定导电型碳化硅晶片的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面分别与导电针尖的接触电势差，获得第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差；(2)将所述第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差进行比较；其中，如果所述第一表面的接触电势差大于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为碳面，所述第二表面为硅面；如果所述第一表面的接触电势差小于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为硅面，所述第二表面为碳面。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(1)中的通过skpfm测定导电型碳化硅晶片的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面分别与导电针尖的接触电势差是通过包括如下步骤的方法进行的：(i)将afm测试设备的测试针尖换成导电针尖，并将afm的测试模式调整到skpfm测试模式；(ii)将碳化硅晶片水平置于afm测试设备样品载物台上；(iii)然后进行skpfm测量，得到碳化硅晶片的第一表面与导电针尖的接触电势差；(iv)将碳化硅晶片翻转，然后重复步骤(ii)和(iii)，得到碳化硅晶片的第二表面与导电针尖的接触电势差。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤(ii)中的将碳化硅晶片水平置于afm测试设备样品载物台上是通过包括如下步骤的方法进行的：用机械泵或者导电胶带将碳化硅晶片吸附或者粘附至afm测试设备样品载物台上。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述导电胶带为导电铜胶带或者导电碳胶带。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电型碳化硅晶片的尺寸为1-12英寸。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电型碳化硅晶片的尺寸为2-10英寸。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电型碳化硅晶片的厚度为50-1500微米。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述导电型碳化硅晶片的厚度为100-1000微米。
技术总结
本发明提供一种用于确定导电型碳化硅晶片的硅面和碳面的方法，其包括如下步骤：(1)通过SKPFM测定导电型碳化硅晶片的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面分别与导电针尖的接触电势差，获得第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差；(2)将所述第一表面的接触电势差和第二表面的接触电势差进行比较；其中，如果所述第一表面的接触电势差大于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为碳面，所述第二表面为硅面；如果所述第一表面的接触电势差小于第二表面的接触电势差，则所述第一表面为硅面，所述第二表面为碳面。本发明的方法是一种高效、无损、高可靠性的用于确定SiC晶片的Si面和C面的方法。Si面和C面的方法。Si面和C面的方法。
