生长半导体材料的至少一个单晶的升华系统和方法与流程

本发明涉及用于生长块状半导体单晶的系统和方法，更具体地，涉及用于基于物理气相传输生长块状半导体单晶(例如碳化硅)的系统和方法。

背景技术：

技术实现思路

1、碳化硅(sic)在广泛的应用中广泛用作电子部件的半导体基底材料，例如电力电子、射频和发光半导体部件。

2、物理气相传输(pvt)通常用于生长块状sic单晶，特别是用于商业目的。通过从块状sic晶体切割切片(例如，使用线锯)并用一系列抛光步骤精加工切片表面来生产sic基底。完成的sic基底用于制造半导体部件，例如在外延工艺中，其中合适的半导体材料(例如，sic、gan)的薄单晶层沉积到sic基底上。沉积的单层和由其产生的部件的特性关键地取决于下面的基底的质量和均匀性。因此，sic的突出的物理、化学、电学和光学性质使其成为用于功率器件应用的优选半导体基底材料。

3、pvt是一种晶体生长方法，其基本上涉及升华合适的源材料，然后在晶种处再冷凝，其中发生单晶的形成。源材料及晶种放置于生长结构内部，其中源材料通过加热而升华。然后，由于在源材料和晶种之间建立具有梯度的温度场，升华的蒸汽以受控的方式扩散，并沉积到晶种上以生长为单晶。

4、常规的基于pvt的生长系统通常采用感应或电阻加热系统来升华源材料。在这两种情况下，基于pvt的生长系统的核心是所谓的反应器。基本上包括坩埚和晶种固定装置并通常由石墨和碳材料制成的生长结构放置在反应器的内部，并通过布置在反应器外部的感应线圈或通过布置在反应器外部或内部的电阻加热器加热。生长结构内的温度通过一个或多个高温计或通过安装在生长结构的顶部附近的一个或多个热电偶来测量。真空密封反应器通过一个或多个真空泵抽空，并通过一个或多个气体进料供应惰性或掺杂气体以产生受控气体(气体混合物气氛)。所有工艺参数(压力、温度、气体流量等)可以由计算机操作的系统控制器调节、控制和存储，该计算机操作的系统控制器与所有涉及的部件(例如，逆变器、高温计、真空控制阀、质量流量控制(mfc)和压力计)通信。

5、在感应加热的pvt系统的情况下，反应器通常包括一个或多个玻璃管，其任选地用水冷却并且在两端设置有凸缘以密封反应器的内部免受大气影响。在专利us 8,865,324b2中描述了这种感应加热pvt系统的示例。图13示出了这种传统的感应加热pvt系统1300。

6、生长装置1300包括生长坩埚1302，其包含sic供应区域1304和晶体生长区1306。例如，粉末状sic源材料1308位于sic供应区域1304中，粉末状sic源材料1308在生长工艺开始之前作为预成品起始材料倒入生长坩埚1302的sic供应区域1304中。源材料1308也可以被致密化或可以至少部分地由固体材料组成，以便增强源材料1308的密度。

7、晶种1310在晶体生长区域1306中设置在与生长坩埚1302的sic供应区域1304相对的内壁上，例如在坩埚盖1312上。待生长的块状sic单晶通过从在晶体生长区域1306中形成的sic生长气相的沉积而在晶种1310上生长。生长的块状sic单晶和晶种1310可以具有大致相同的直径。

8、包括坩埚盖1312的生长坩埚1302可由导电且导热的石墨坩埚材料制成。在其周围布置有隔热件(图中未示出)，该隔热件可以包括例如泡沫状石墨隔热材料，其孔隙率特别地高于石墨坩埚材料的孔隙率。

9、隔热生长坩埚1302放置在管状容器1314内，管状容器1314可以被配置为石英玻璃管并形成高压釜或反应器。呈加热线圈1316形式的感应加热装置围绕容器1314布置以加热生长坩埚1302。生长坩埚1302由加热线圈1316加热至超过2000℃的生长温度，特别是加热至约2200℃。加热线圈1316将电流感应耦合到生长坩埚1302的导电坩埚壁(所谓的感受器)中。该电流基本上作为循环电流在圆形和中空柱形坩埚壁内在周边方向上流动，并且在该过程中加热生长坩埚1302。感受器可以由石墨、tac、wc、ta、w或其他难熔金属制成。感受器的主要目的是为坩埚1302的内部提供热源。当利用感应加热感受器时，感受器的表面达到高温，然后通过传导和/或辐射将温度传递到坩埚1302的内部。

10、如上所述，感应线圈1316安装在玻璃管1314的外部，并且通常被法拉第笼(图中不可见)包围，形成电磁屏蔽以屏蔽电磁辐射。如图13的示例所示，感应线圈1316可以用等距绕组缠绕。

11、此外，在传统的电阻加热pvt系统中，加热电阻元件安装在反应器内部。在反应器由金属、难熔金属和/或石墨制成的情况下，其可以用水或空气冷却。在公开的专利申请us2016/0138185 a1和us2017/0321345 a1中描述了电阻加热pvt系统的示例。

12、对于高质量晶体的生长，热量在径向方向上均匀耦合到生长坩埚中被认为是非常重要的。通过尽可能均匀地耦合热量，晶体也应尽可能均匀和对称地生长。除此之外，这应当防止螺纹螺旋位错(tsd)和螺纹刃位错(ted)(也称为阶梯位错)的形成，螺纹螺旋位错(tsd)和螺纹刃位错(ted)的形成受到不均匀、不对称热分布和相关的不均匀、不对称生长的促进。

13、因此，pvt生长系统必须以在径向方向上尽可能均匀并且在轴向方向上提供限定的温度梯度的温度场加热坩埚的内部，以便为升华的气体物质移动到晶种和生长的单晶设定驱动力。在已知的pvt系统中，通常由石墨或类似材料制成的反应器结构从壁区域加热，产生从坩埚外部到内部的温度梯度。结果，sic源的转换从外部到内部降低。

14、因此，在源隔室中产生一个区域，其中温度不再足以完全转换源材料并且仅发生源材料的再结晶，这因此不再对晶体生长有任何贡献。通过由硅和富碳气体物质的不同分压引起的烧结的sic粉末向碳海绵的转变增强了这种效果。碳海绵随着生长时间的增加而降低其导热性，并且越来越多地充当加热器和源材料之间的隔热件。为了抵消这种影响，必须更强烈地加热源材料以进一步生长。然而，经常残留未反应材料的残余物。因此，未反应的或隔热的源材料导致产量大大降低，并因此导致成本增加。

15、随着晶体直径的增加，反应器尺寸和引入的坩埚的连续增加也是必要的。由于上述效果，引入的源材料的有效可用性由于反应器直径的增加而进一步降低。

16、由于含有si及c的气体物质的不同分压，促成晶体生长的源材料的化学组成改变。如果上述方法意味着新鲜材料不再可用于晶体生长，则气相的化学组成也改变，这对晶体生长有影响，因此导致晶体质量的损失。

17、在pvt工艺中，源材料的热导率的降低或石墨化是不可避免的，因为它用于sic单晶的经济生产，以便生产具有高直径或相应长度的晶体。可以例如通过引入局部加热元件来实现含sic源的不转换的负面影响的减少。

18、例如，从中国实用新型cn210974929u中，已知为此目的在源储存器内插入实心杆。

19、该局部加热元件的插入旨在防止在坩埚底部的下端处的源材料的再结晶，以及增加朝向源储存器的中心的热传导。结果，较大的体积被均匀加热，并且源的石墨化局部减少。在该文献中，通过感应线圈可以加热坩埚。因此，最热点位于坩埚的外边缘处，并且储存器内部的杆借助于热传导通过将热量从坩埚的壁轴向和径向地输送到粉末储存器的中心而用作加热元件的延伸部。

20、这种附加传导加热器的形状也可以变化，如日本专利说明书jp6859800b2中所示。该文献中所示的几何变化对应于与中国实用新型cn210974929u中相同的原理。根据jp6859800b2，提出了一种在一侧开口的柱体，该圆柱体在下端处具有凹部，该凹部至少位于底部的中心部分。此外，将互补的锥形部件引入该凹部中。

21、根据专利说明书jp6859800b2，仅外筒形壁经由感应或电阻加热被加热，并且热量经由附加的锥形部件被传导到粉末体积中。

22、此设置的另一优点是可去除坩埚底部处的再结晶源材料，因此增加坩埚材料的寿命。

23、在日本专利jp6501494b2中描述了优化源材料的反应的另一种已知方法。这里，两个附加盘形部件(发热构件和加热辅助部分)的组合放置在填充有源材料的结构下方。因为发热构件的直径明显小于加热辅助部分的直径，所以通过安装隔热材料来补偿所产生的直径差。由于发热构件的直径增加，感应线圈可以更有效地耦合，因此比辅助加热构件和坩埚加热得更多。由于热传导，发热构件因此充当电阻加热器，将温度局部地传输到中心，并且因此减少或甚至防止源材料的再结晶。

24、然而，仍然需要一种用于通过物理气相传输(pvt)生长半导体材料的单晶的系统及半导体材料的单晶的制造方法，其具有改善的单晶质量并且具有成本有效的方式，更有效地利用所采用的源材料。

25、该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

26、本公开内容基于以下想法：使坩埚的侧壁的一些区域与源材料容器隔热导致坩埚内在径向方向上的更均匀的温度分布。

27、沿坩埚纵向轴线的温差是所希望的。然而，在径向方向上，温度应该是均匀的。然而，在没有隔热单元的常规升华系统中，横跨纵向轴线延伸的等温线表现出强弯曲。这说明温度也在径向方向上变化，如上所述，这是不期望的效果。如果隔热单元存在于与坩埚的侧壁相邻的源材料隔室内，则这些等温线较少弯曲，并且因此可以减轻不期望的温度不均匀性。

28、更均匀的温度分布使得可以在生长过程期间更有效地使用可用的源材料。另一个显著的优点是气相组成可以在生长过程中保持恒定持续更长的时间跨度。

29、所产生的优点是用于晶体生长的源材料的有效可用质量的显著增加，并且因此可能增加所生长的单晶的长度以及质量。

30、这些优点可以特别好地用于生长sic单晶。然而，清楚的是，其他半导体晶体的升华生长也可以受益于根据本公开的原理。

31、特别地，提供了一种升华系统，其包括具有纵向轴线和沿纵向轴线延伸的侧壁的坩埚，其中坩埚包括用于至少一个晶种的固定装置和用于容纳源材料的至少一个源材料隔室；以及加热系统，用于沿着坩埚的纵向轴线围绕坩埚的圆周产生温度场。隔热单元布置在坩埚的侧壁处的源材料隔室内。

32、根据有利的示例，隔热单元被布置成与在操作期间温度高于源材料隔室的侧壁的剩余部分处的温度的区域相邻。这种布置导致在坩埚的径向方向上的均匀温度分布。

33、该系统还可以包括外隔热单元。这种单元减少了流向坩埚环境的热流，从而降低了能量消耗。

34、此外，该系统可包括沿纵向轴线布置在源材料隔室中的至少一个柱。该屏障将热量传导到源材料隔室的中心部分。因此，增加了径向方向上的温度分布的均匀性。

35、在另一个有利的示例中，源材料隔室被屏障分成两个单独的隔室，该屏障横跨纵向轴线延伸，并且坩埚包括用于至少两个晶种的固定装置。这种系统的优点是同时提供两个晶体生长区域。这允许加速的制造过程以及空间和能量的优化利用。

36、在前一示例的系统中，加热系统可以被布置成使得在操作期间，横跨纵向轴线延伸的屏障处的温度高于源材料隔室的侧壁的剩余部分处的温度。这样的系统具有以下优点：由加热系统产生的热量大致相等地加热分开的源材料隔室的两个隔室，从而减少总能量消耗。

37、隔热单元的热导率可以低于源材料的热导率和/或侧壁的材料的热导率。因此，隔热单元以比源材料和/或侧壁的材料更低的速率导热。因此，侧壁-隔热单元-源材料路径上的热流小于侧壁-源材料路径上的热流。这导致在坩埚的径向方向上更均匀的热量分布。

38、在另一有利的示例中，隔热单元的孔隙率高于源材料的孔隙率和/或外隔热单元的材料的孔隙率。这样的配置具有以下优点：热传导和热辐射两者都以允许热量在坩埚的径向方向上均匀分布的方式受到影响。

39、此外，隔热单元的体积可以在坩埚体积的10％和35％之间，优选地，隔热单元的体积可以是坩埚体积的35％。这种配置的优点是在坩埚的径向方向上的热量分布可以更均匀。

40、在另一个有利的示例中，隔热单元的热导率可以比坩埚的材料的热导率小至少20％。为隔热单元选择这种材料导致在坩埚的径向方向上更均匀的热量分布。

41、在另一个有利的示例中，隔热单元的孔隙率可以是在用于构造坩埚的石墨的孔隙率的50％和90％之间；优选地，隔热单元的孔隙率可以是用于构造坩埚的石墨的孔隙率的70％。这种配置具有以下优点：热传导和热辐射两者都以允许热量在坩埚的径向方向上均匀分布的方式受到影响。

42、此外，隔热单元可以包括多孔石墨、石墨毡和石墨粉末中的至少一种。这些材料显示出增强坩埚径向方向上的均匀热分布，而同时不会对源材料产生负面影响。如果隔热单元由与坩埚的侧壁相同的材料形成，则隔热单元可以与坩埚一体地形成，从而便于升华系统的制造。

43、在另一个有利的示例中，隔热单元可以沿着坩埚的侧壁形成环。因此，隔热单元可以与侧壁的比侧壁的周围区域更热的所有区域相邻。这种布置允许在坩埚的径向方向上更均匀地分布热量。

44、在另一个有利的示例中，隔热单元的内壁可以形成漏斗形状或凹形柱形。这两种形式导致在坩埚的径向方向上的特别均匀的热量分布。

45、本公开还涉及一种通过升华生长工艺生长半导体材料的至少一个单晶的方法，该方法包括：

46、提供坩埚，该坩埚具有纵向轴线和沿所述纵向轴线延伸的侧壁，将至少一个晶种固定在坩埚的固定装置处，并将源材料填充到至少一个源材料隔室中；

47、其中，在生长过程的至少一部分期间，隔热单元存在于坩埚的侧壁处的源材料隔室内；

48、通过加热系统产生围绕坩埚的圆周并沿着坩埚的纵向轴线的温度场。

49、如上所述，使坩埚的侧壁的一些区域与源材料容器隔热导致坩埚内沿径向方向的更均匀的温度分布。如果隔热单元存在于与坩埚的侧壁相邻的源材料隔室内，则生长过程期间的等温线弯曲较小，因此可以减轻不期望的温度不均匀性。这种效果可以通过在开始生长过程之前提供插入的隔热单元来实现，或者通过在单晶生长期间使用温度廓线来实现，其导致在坩埚侧壁的内侧上形成适当形成的石墨泡沫。

50、所得的更均匀的温度分布使得可以在生长过程期间更有效地使用可用的源材料。另一个显著的优点是气相组成可以在生长过程中保持恒定持续更长的时间跨度。

51、所产生的优点是用于晶体生长的源材料的有效可用质量的显著增加，并且因此可能增加所生长的单晶的长度以及质量。

技术特征：

1.升华系统(200)，用于通过升华生长工艺生长半导体材料的至少一个单晶，所述升华系统(200)包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述隔热材料被布置成与在操作期间温度高于所述源材料隔室(204)的所述侧壁(218)的剩余部分处的温度的区域相邻。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统还包括外隔热单元，所述外隔热单元围绕所述坩埚(202)。

4.根据权利要求1至3所述的系统，其中，至少一个柱沿着所述纵向轴线(212)布置在所述源材料隔室(204)内。

5.根据权利要求1至4所述的系统，其中，所述源材料隔室(204)被屏障分成两个单独的隔室，所述屏障跨所述纵向轴线(212)延伸；以及

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述加热系统被布置成使得在操作期间，跨所述纵向轴线(212)延伸的所述屏障处的温度高于所述源材料隔室(204)的所述侧壁(218)的剩余部分处的温度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的热导率低于所述源材料(208)的热导率和/或所述侧壁(218)的材料的热导率。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的孔隙率高于所述源材料(208)的孔隙率和/或所述外隔热单元的材料的孔隙率。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的体积在所述坩埚(202)的体积的10％和50％之间，优选地，所述隔热单元(214)的体积是所述坩埚(202)的体积的35％。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的热导率比所述坩埚(202)的材料的热导率小至少20％。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的孔隙率在用于构造所述坩埚(202)的石墨的孔隙率的50％和90％之间，优选地，所述隔热单元(214)的孔隙率是用于构造所述坩埚(202)的石墨的孔隙率的70％。

12.根据权利要求1至11所述的系统，其中，所述隔热单元(214)包括多孔石墨、石墨毡和石墨粉末中的至少一种。

13.根据权利要求1至12所述的系统，其中，所述隔热单元(214)沿着所述坩埚(202)的所述侧壁(218)形成环。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述隔热单元(214)的内壁形成漏斗形状；或

15.一种借助于升华生长工艺生长半导体材料的至少一个单晶的方法，所述方法包括：

技术总结
本发明涉及用于生长块状半导体单晶的系统和方法，更具体地，涉及用于基于物理气相传输生长诸如碳化硅的块状半导体单晶的系统和方法。升华系统包括具有纵向轴线(212)和沿纵向轴线(212)延伸的侧壁(218)的坩埚(202)，其中坩埚(202)包括用于至少一个晶种(210)的固定装置和用于容纳源材料(208)的至少一个源材料隔室(204)；以及加热系统，用于产生沿着坩埚(202)的纵向轴线(212)围绕坩埚(202)的圆周的温度场；隔热单元(214)，隔热单元(214)在坩埚(202)的侧壁(218)处布置在源材料隔室(204)内。

技术研发人员：R·穆勒,B·埃克,P·舒,M·施托克迈尔,M·沃格尔
受保护的技术使用者：Si晶体有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23