本申請是優(yōu)先權(quán)日為2007年1月17日、發(fā)明名稱為“引晶的氮化鋁晶體生長中的缺陷減少”的中國發(fā)明專利申請第200880005464.4號(國際專利申請?zhí)枮閜ct/us2008/000597)的分案申請。

相關(guān)申請

本申請要求在2007年1月17日提交的美國臨時(shí)申請no.60/880869的權(quán)益及其優(yōu)先權(quán)，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。

政府支持

在美圖政府支持下借助nationalinstituteofstandardsandtechnology(nist)授予的70nanb4h3051完成本發(fā)明。美圖政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。

本發(fā)明涉及單晶aln的制備，且更特別涉及具有較低的面缺陷密度的單晶aln的制備。

背景技術(shù)：

氮化鋁(aln)很有希望作為用于多種用途的半導(dǎo)體材料，例如光電子器件例如短波長發(fā)光二極管(led)和激光器、光學(xué)存儲介質(zhì)中的介電層、電子襯底和必需高熱導(dǎo)率的芯片載體等。原則上，aln的性能可允許實(shí)現(xiàn)低至約200納米(nm)波長的光發(fā)射。由于高熱導(dǎo)率和低電導(dǎo)率，使用aln襯底還可望改善由氮化物半導(dǎo)體制成的高功率射頻(rf)器件。解決各種挑戰(zhàn)可有助于增加這樣的器件的商業(yè)實(shí)用性。

例如，大直徑塊體aln晶體(例如，使用在美國申請no.11/503660中所述的技術(shù)生長，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文，以下稱為“’660申請”)在一些情況下可長有直徑為約0.5毫米(mm)且厚度為0.1mm的六方柱形空腔缺陷。在從這些大直徑晶錠切成0.5mm厚的aln切片中觀察到了高達(dá)100cm^-2的面積濃度。在其它六方晶體例如sic的生長中觀察到相似類型的缺陷，并且將其統(tǒng)稱為面缺陷。對于氮化物基電子器件的進(jìn)一步的開發(fā)，這些缺陷可成為問題。特別地，當(dāng)它們與表面相交時(shí)，它們通常導(dǎo)致襯底的表面粗糙化。它們還可散射光，這對于在210～4500nm的光學(xué)波長上受益于aln襯底的透明性的許多光電子應(yīng)用可成為問題。面缺陷還可降低缺陷周圍的熱導(dǎo)率，這是其中aln的高的固有熱導(dǎo)率是有用的高功率器件通常不希望的效應(yīng)。它們還可將小角度晶界引入aln晶體，并由此通過增加從晶片的一側(cè)穿到另一側(cè)(所謂的螺位錯(cuò))并使表面處理品質(zhì)劣化的位錯(cuò)的有效密度使晶體的品質(zhì)劣化。因此，如果減少或消除面缺陷，那么可增加aln襯底對于高性能、高功率光電子器件和電子器件的應(yīng)用。

通常地，通過物理氣相傳輸(pvt)生長的晶體中的面缺陷形成是由在生長晶體中被捕獲并且通過晶體暴露的熱梯度移動和成形的空隙所導(dǎo)致。在sic晶體生長中確定的共認(rèn)原因是差的籽晶固定，其中任何類型的微觀空隙將通常導(dǎo)致面缺陷的形成(參見例如，t.a.kuhr,e.k.sanchez,m.skowronski,w.m.vetterandm.dudley,j.appl.phys.89,4625(2001)(2001)；和y.i.khlebnikov,r.v.drachev,c.a.rhodes,d.i.cherednichenko,i.i.khlebnikovandt.s.sudarshan,mat.res.soc.proc.vol.640,p.h5.1.1(mrs2001)，通過引用將這兩篇文章的全部內(nèi)容并入本文)。特別地，差的籽晶固定可導(dǎo)致在籽晶和籽晶保持器之間出現(xiàn)空隙，或者可留下沒有得到充分保護(hù)的籽晶的后表面，從而允許aln材料從該表面升華。對于aln晶體生長，坩鍋的不規(guī)則部例如壁空隙結(jié)構(gòu)或者存在空隙或可形成空隙的籽晶安裝臺也可能是空隙的誘因。

在圖1中示意性地示出典型的面缺陷10。在一些情況下，面缺陷的形狀不是完美的六邊形，而是根據(jù)aln的面空隙和c-面{0001}之間的傾斜被改變、畸變并且甚至為三角形。另外，通常存在如示意圖所示的面缺陷的尾痕中的小角度晶界20，在下文討論其起源。面缺陷具有高度h1，并且留下向后延伸到面缺陷起源(通常為籽晶的背面)的長度h2的面缺陷尾痕。

圖2a和圖2b表示在精細(xì)機(jī)械拋光之后獲得的2英寸直徑、c-面(即的c-軸的取向與晶片的表面法線平行)aln襯底的光學(xué)顯微照片圖像。右側(cè)圖像(圖2b)表示與以截面分析儀－偏光器(ap)模式獲得的左側(cè)圖像(圖2a)相同的位置。面缺陷尺寸為寬度0.1～2mm并且深度達(dá)0.5mm，然而它們通常趨于更薄(～0.1mm)。但是，面缺陷的基部通常相對于整個(gè)晶體錯(cuò)向(通常關(guān)于c軸有較小的旋轉(zhuǎn))，因此在原始晶體和面缺陷下方的稍微錯(cuò)向材料之間存在邊界。該邊界由導(dǎo)致面缺陷下方的材料錯(cuò)向的位錯(cuò)所限定。

面缺陷的原因

如果以允許籽晶背面的材料在溫度梯度下移動的方式較差地固定aln籽晶，那么該材料的移動可導(dǎo)致空隙“進(jìn)入”籽晶。該效應(yīng)是由于每個(gè)空隙具有驅(qū)動材料被蒸發(fā)并然后在空隙內(nèi)再凝結(jié)的小的但被限定的軸向梯度?？赡苡捎诒砻婺芰啃纬芍械母飨虍愋?，因此進(jìn)入aln塊體材料的空隙形成了良地限定的六方柱形狀。

熱梯度中的面缺陷的遷移和導(dǎo)致的晶體劣化

參照圖3a和圖3b，證明了面缺陷內(nèi)部的生長。圖3b中的生長刻面明顯，表明面缺陷內(nèi)的刻面生長模式?？堂嫔L模式通常導(dǎo)致高品質(zhì)晶體。因此，可以期望面缺陷內(nèi)的材料品質(zhì)高并且可以沒有位錯(cuò)。

隨著晶體生長，由于空隙內(nèi)的軸向溫度梯度，因此面缺陷有效地向生長界面遷移。由于跨面高度的軸向梯度，因此面缺陷從籽晶向生長界面行進(jìn)。作為該移動的結(jié)果，面缺陷可留下具有非常小的錯(cuò)向角度的晶界的“尾痕”(或印痕)。這些小角度晶界是明顯的，并且根據(jù)面缺陷對稱性成形。在圖4中表示并在下文討論其例子。

根據(jù)小角度晶界的常規(guī)read模型，邊界通常包含位于邊界面中的純?nèi)行臀诲e(cuò)。因此，在刻蝕之后，邊界可望表現(xiàn)出大量的分離的蝕坑?？又g的距離越大，那么錯(cuò)向角度將越小?？赏ㄟ^使用frank公式得到晶界角度：

其中d是位錯(cuò)(蝕坑)之間的距離，b是位錯(cuò)的柏氏矢量，且θ是錯(cuò)向角。在圖4中，蝕坑之間的最近距離為～12微米(μm)，與{0001}面垂直的純?nèi)行臀诲e(cuò)的柏氏矢量等于“a”晶格常數(shù)即0.3111nm。因此，面缺陷壁的方位錯(cuò)向角可望為約0.0004°(或1.44弧秒)。

因此，除了由面缺陷的物理存在所導(dǎo)致的問題以外，生長期間的晶體中的面缺陷的形成和移動還可使整個(gè)晶體品質(zhì)劣化。該劣化起因于面缺陷體和aln塊體材料之間的稍微錯(cuò)向。如圖1所示，當(dāng)面缺陷移動穿過晶體時(shí)，它在背后留下晶界。對于各個(gè)面缺陷，這些晶界通常顯示約2弧秒的錯(cuò)向。但是，如果面缺陷的密度高，那么這些隨機(jī)錯(cuò)向的晶界中的每一個(gè)可累加并導(dǎo)致顯著更高的“有效”錯(cuò)向，并因此導(dǎo)致顯著更低的晶體品質(zhì)。觀察晶體品質(zhì)的劣化的替代方式是考慮由于面缺陷導(dǎo)致的螺位錯(cuò)密度的增加。從圖4所示的顯微照片可以計(jì)算，各面缺陷可在其尾跡中產(chǎn)生超過10⁴位錯(cuò)/cm²。

由面缺陷導(dǎo)致的表面制備的問題

面缺陷可影響aln晶片的制備和拋光。與aln樣品表面相交的面缺陷的尖緣可削去(chipoff)并導(dǎo)致劃痕。另外，在機(jī)械化學(xué)拋光(cmp)處理期間，與小角度晶界(sagb)有關(guān)的面缺陷可導(dǎo)致表面粗糙化(形貌)。

圖5示出包含面缺陷和lagb的aln的表面和塊體深度，其中圖像是在同一位置上獲得的。明顯地，面缺陷和sagb導(dǎo)致表面粗糙化，該表面粗糙化進(jìn)而影響外延生長。

光學(xué)透明性和熱導(dǎo)率的問題

由于晶體內(nèi)的附加界面(該界面將具有不同折射率的區(qū)域分開)的引入導(dǎo)致它們散射光，因此面缺陷可對aln晶片的光學(xué)透過性能具有負(fù)面影響。另外，雖然aln襯底由于它們的高熱導(dǎo)率(在室溫下可超過280w/m-k)而具有吸引力，但是，由于在面缺陷邊界處插入的額外的界面以及面缺陷本身的體積的熱阻，面缺陷可導(dǎo)致在面缺陷正上方的位置中熱導(dǎo)率降低。aln襯底的這種熱阻局部增加可降低aln襯底在需要高功率耗散應(yīng)用中的適用適用性，這些應(yīng)用例如為高功率rf放大器和高功率、高亮度led及激光二極管。

現(xiàn)有方法的局限

如’660申請所述，大直徑(即大于20mm)aln晶體的制備通常需要經(jīng)引晶的生長。但是，如下文所討論的，籽晶保持器和在保持器上的籽晶安裝技術(shù)是制備的aln晶錠中的面缺陷的主要來源。’660申請公開了用于aln籽晶固定和隨后的晶體生長的方法。參照圖6，aln陶瓷基、高溫的粘結(jié)劑將aln籽晶粘合到保持器板上，并同時(shí)保護(hù)aln籽晶的背面免于升華。特別地，使用aln基粘結(jié)劑140將aln籽晶100安裝到保持器板130上。aln陶瓷粘結(jié)劑可包含至少75％的aln陶瓷和提供粘結(jié)性能的硅酸鹽溶液。這樣的粘結(jié)劑的一個(gè)適當(dāng)例子是可從aremcoproduct,inc得到的ceramabond-865。

在特別的形式中，使用以下的過程安裝aln籽晶：

(1)混合aln粘結(jié)劑并且使用刷子將其施加到保持器板上，以達(dá)到不超過約0.2mm的厚度；

(2)將aln籽晶放在粘結(jié)劑上；然后

(3)將保持器板與籽晶一起放在真空腔室內(nèi)持續(xù)約12小時(shí)并然后將它們加熱到95℃持續(xù)約2小時(shí)。

已證明該方法可成功提供高品質(zhì)、大直徑aln晶錠。但是，將形成圖2所示的面缺陷。導(dǎo)致該問題的原因是，由于硅酸鹽溶液被蒸發(fā)或者被aln籽晶吸收或者因al通過籽晶保持器逃逸而留下空隙。

在’660申請中所述的用于aln籽晶固定和隨后的晶體生長的替代方法包括在保持器板上的薄al箔上安裝aln籽晶。隨著爐子的溫度升高到高于660℃(al的熔點(diǎn)溫度)，al熔融，由此濕潤籽晶的背面和保持器板。隨著溫度進(jìn)一步升高，al與爐子中的n2反應(yīng)形成aln，該aln將籽晶固定到保持器板上。該技術(shù)可能要求aln籽晶保持在適當(dāng)位置(通過重力或以機(jī)械方式)直到足夠量的al反應(yīng)以形成aln，然后，不需要進(jìn)一步的機(jī)械支撐。

該技術(shù)也導(dǎo)致面缺陷。al箔可熔融并球化(ballup)，從而在液體al的聚結(jié)物之間留下空間。然后聚結(jié)的液體al金屬可反應(yīng)以形成氮化物，從而在籽晶和籽晶保持器之間留下空間。一旦在籽晶上開始晶體生長，這些空間進(jìn)而可導(dǎo)致面缺陷。aln籽晶和籽晶保持器之間的相互作用也可造成缺陷。通常地，在用于晶體生長的溫度下發(fā)生一定量的al或n(或兩者)擴(kuò)散到籽晶保持器中。例如，鎢(w)籽晶保持器可在生長溫度下光吸收al和n，這可導(dǎo)致在籽晶中形成面缺陷并導(dǎo)致從籽晶生長得到的晶錠。另外，籽晶保持器可能具有與aln晶體不同的熱膨脹系數(shù)，這可在經(jīng)引晶的晶體中導(dǎo)致缺陷，或者在可引起籽晶/籽晶保持器界面處敞開的空隙，從而在隨后的晶錠生長中導(dǎo)致面缺陷。

另一種將籽晶固定到籽晶保持器上的方式是在使得籽晶保持在籽晶背襯上的條件下(例如，通過在該過程期間在壓著晶體的適當(dāng)?shù)奈矬w下放置籽晶)運(yùn)行熱循環(huán)并將晶體加熱到高于1800℃(并優(yōu)選高于2000℃)的溫度以允許籽晶在熱學(xué)上、化學(xué)上和/或機(jī)械上與籽晶保持器材料接合。這里，該方法被稱為燒結(jié)接合。但是，燒結(jié)過程可能難以控制在不損傷籽晶的情況下發(fā)生良好的接合。另外，可能難以避免在籽晶和籽晶保持器之間留下一些空間。可以在處理期間用大部分來自籽晶的aln填充該空間(即使當(dāng)通過在燒結(jié)過程期間使坩鍋中存在aln陶瓷來供給al的蒸氣和n2時(shí))，并且，該aln可引起在籽晶中形成面缺陷，該面缺陷可擴(kuò)展到在籽晶上生長的單晶錠中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施方案允許在塊體氮化鋁(aln)晶體即晶錠的生長期間減少或消除面缺陷。特別地，在一些實(shí)施方案中，面缺陷面密度降低到小于100/cm²且優(yōu)選小于1/cm²。結(jié)果，使得能夠制備具有大于20mm的直徑、0.1～1mm的厚度并且具有小于1cm^-2的面缺陷密度的晶態(tài)aln晶片。

使得能夠生長經(jīng)引晶的、大直徑的、高品質(zhì)的aln晶體的關(guān)鍵因素包括：

1.)籽晶本身沒有面缺陷，以及沒有形成空隙的其它類型缺陷(通常在晶體生長溫度下發(fā)展成面缺陷)。要考慮的缺陷是可通過切割和拋光過程引入籽晶中的亞表面損傷。

2.)以防止在籽晶和籽晶保持器之間形成空隙的方式將籽晶固定到籽晶保持器上(籽晶保持器在’660申請中被限定，并且在上文參照圖6被詳細(xì)說明)?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)靥幚碜丫У暮蟊砻?與用于引晶塊體晶體生長的籽晶前表面相對，也稱為籽晶的安裝表面)以及籽晶保持器表面來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然后向籽晶的背面施加膜，從而在微觀上與籽晶的后表面以及籽晶保持器一致。該膜優(yōu)選是完全致密的(即沒有微觀空隙)。

3.)籽晶保持器對于鋁傳輸是相對不可滲透的，以便在生長的aln晶體中不形成空隙。在一些實(shí)施例中，用于將籽晶固定到籽晶保持器的膜本身是對于鋁傳輸不可滲透的。在以下說明的一些實(shí)施方式中，籽晶保持器僅在一定的時(shí)間段內(nèi)對于鋁傳輸是不可滲透的。該時(shí)間限制通常限制可生長的aln晶錠的長度。

由于aln晶體補(bǔ)償al擴(kuò)散出晶體的主要方式是通過形成面缺陷，因此可對于給定的面缺陷密度估計(jì)傳輸通過籽晶保持器組件的最大可允許速率。例如，為了保持面缺陷的密度低于100/cm²，在生長aln晶體的時(shí)間段內(nèi)，可允許擴(kuò)散通過籽晶保持器組件的最大可允許的al原子數(shù)量通常<10²⁰/cm²。為了保持面缺陷密度低于1/cm²，al擴(kuò)散優(yōu)選保持低于10¹⁸個(gè)al原子/cm²。

4.)減少籽晶保持器組件和籽晶之間的應(yīng)力。這可通過如下來實(shí)現(xiàn)：(i)在從室溫到生長溫度(～2200℃)的溫度范圍內(nèi)籽晶保持器組件的熱膨脹幾乎與aln籽晶的熱膨脹匹配、或(ii)籽晶保持器組件在機(jī)械上足夠柔韌以通過變形吸收熱膨脹不匹配同時(shí)減少籽晶和得到的aln晶錠上的應(yīng)變。該因素通常不允許通過簡單地使籽晶保持器較厚來實(shí)現(xiàn)以上的第三因素。

5.)通常地，還希望籽晶保持器組件具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以能夠支撐生長的aln晶錠，同時(shí)向用于容納aln材料和al蒸氣的坩鍋提供密封表面(如在’660申請中所述)。但是，需要的機(jī)械強(qiáng)度通常依賴于使用的晶體生長幾何外形。如果將籽晶放在晶體生長坩鍋的底部，那么可需要較小的機(jī)械強(qiáng)度；但是，該幾何外形可能需要更緊密地控制aln源材料，以防止從源材料上落下的顆粒在生長晶體中使缺陷成核。

此外，如’660申請中所述，優(yōu)選遵循用于高品質(zhì)aln晶體生長的條件。特別地，可成功地利用超大氣壓力以便以相對高的生長速度和晶體品質(zhì)制備aln單晶。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以控制以下方面中的一個(gè)或多個(gè)：(i)aln源材料和生長中的晶體表面之間的溫差；(ii)源材料和生長中的晶體表面之間的距離；和(iii)n2與al蒸氣分壓之比。由于生長晶體和蒸氣之間的界面上的增加的反應(yīng)速率，因此增加n2壓力使其超過化學(xué)計(jì)量比的壓力可促使晶體以相對高的速率生長。已表明，隨著增加n2分壓，這種生長速率的增加繼續(xù)，直到al從源至生長晶體的擴(kuò)散(即，需要al物質(zhì)通過n2氣體擴(kuò)散的負(fù)面效應(yīng))變?yōu)樗俾氏拗撇襟E。使用較高壓力的氮?dú)饪删哂袦p少生長坩鍋內(nèi)的鋁分壓的附加益處，這可減少常常由非有意逸出坩鍋的al蒸氣導(dǎo)致的爐內(nèi)腐蝕。為了生長高品質(zhì)aln晶體，通常希望非常高的溫度，例如超過2100℃的溫度。同時(shí)，需要高的熱梯度以從源材料向籽晶提供足夠的物質(zhì)傳輸。如果不被適當(dāng)選擇，那么這些生長條件可導(dǎo)致籽晶材料的蒸發(fā)或其完全破壞或損失?？梢允褂酶呒兌萢ln源在鎢坩鍋中實(shí)施aln引晶的塊體晶體生長。將鎢坩鍋放在感應(yīng)加熱爐中，使得源和籽晶材料之間的溫度梯度驅(qū)使蒸氣物質(zhì)從較熱的高純度aln陶瓷源向較冷的籽晶移動。為了在籽晶上使高品質(zhì)單晶材料成核并且不破壞aln籽晶，如果必要的話，監(jiān)視和仔細(xì)調(diào)節(jié)籽晶界面上的溫度和溫度梯度。

下面，詳細(xì)說明實(shí)現(xiàn)這些概念的幾種方式，并提供實(shí)施方式的具體實(shí)施例。

在一個(gè)方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案可包含aln的塊體單晶，該aln塊體單晶具有大于20mm的直徑、大于0.1mm的厚度和小于或等于100cm^-2的面缺陷面密度。

可以包含以下特征中的一個(gè)或更多個(gè)?？赏ㄟ^對塊體單晶中的所有面缺陷進(jìn)行計(jì)數(shù)并除以處在與其生長方向垂直的平面中的塊體單晶的橫截面面積來測量面缺陷面密度。塊體單晶可以為具有大于5mm厚度的晶錠的形式。面缺陷面密度可小于或等于1cm^-2。

單晶aln可以為晶片的形式。面缺陷面密度可小于或等于10cm^-2。與晶片的頂面和底面中的每一個(gè)相交的面缺陷的面缺陷面密度可小于或等于1cm^-2。

在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案可包括一種包含aln塊體單晶的晶錠，其具有大于20mm的直徑、大于5mm的厚度，并在處于與晶體生長方向垂直的平面中的塊體單晶的各截面中具有小于或等于10⁶cm^-2的螺位錯(cuò)面密度。在一些實(shí)施方案中，螺位錯(cuò)面密度可小于或等于10⁴cm^-2。

在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案的特征在于一種晶錠，該晶錠包含具有足夠的厚度以使得能夠由之形成至少五個(gè)晶片的aln的塊體單晶，各晶片具有至少0.1mm的厚度、至少20mm的直徑和小于或等于10⁶cm^-2的螺位錯(cuò)密度。在一些實(shí)施方案中，各晶片可具有小于或等于10⁴cm^-2的螺位錯(cuò)密度。

在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案包括一種晶錠，該晶錠包含基本呈圓柱形的aln塊體單晶，其具有至少20mm的直徑并具有足以能夠由之形成至少五個(gè)晶片的厚度，各晶片具有至少0.1mm的厚度、至少20mm的直徑和對于(0002)反射的小于50弧秒半峰寬(fwhm)的三晶x射線搖擺曲線。各晶片具有基本與各其它晶片相同的直徑。

在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案包含用于生長單晶氮化物(aln)的方法。該方法包括提供包含背襯板的保持器，該保持器(i)尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在其中接納aln籽晶，并且(ii)包含與背襯板接合的aln基底。在籽晶和aln基底之間插入al箔。將al箔熔融以均勻地用al層濕潤基底。在保持器內(nèi)放置aln籽晶。在適合于生長源于籽晶的單晶aln的條件下將鋁和氮沉積到籽晶上。

可以包含以下特征中的一個(gè)或多個(gè)?？梢哉{(diào)節(jié)背板以減少背板對于al的滲透率。籽晶可以是具有至少20mm直徑的晶片。生長的單晶aln可限定其直徑與籽晶的直徑近似相同的晶錠。

在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施方案的特征在于一種用于生長單晶氮化物(aln)的方法。該方法包括提供尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在其中接納aln籽晶的保持器，該保持器基本由基本上不可滲透的背襯板構(gòu)成。在保持器內(nèi)放置aln籽晶。在籽晶和背襯板之間插入al箔。將al箔熔融以均勻地用al層濕潤背襯板和aln籽晶的背面。在適合于生長源于籽晶的單晶aln的條件下將鋁和氮沉積到籽晶上。

附圖說明

在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記通常在不同的視圖中表示相同的特征。并且，附圖未必按比例，而重點(diǎn)通常放在解釋本發(fā)明的原理上。在以下的說明中，參照以下的附圖說明本發(fā)明的各實(shí)施方案，其中，

圖1是顯示通常呈現(xiàn)為aln晶體中的六邊形空隙的理想化面缺陷的示意圖；

圖2a和圖2b是包含面缺陷的aln單晶樣品的光學(xué)顯微照片：a)示出一個(gè)面缺陷的光學(xué)圖像；和b)以雙折射襯度從同一位置中獲得的圖像，該圖像示出表面正下方的多個(gè)面缺陷；

圖3a和圖3b是顯示由于在晶體生長期間面缺陷的移動導(dǎo)致的面缺陷內(nèi)的生長特征的顯微照片，圖3a為光學(xué)顯微照片，圖3b為在nomarskidifferentialimagecontrast(ndic)中取得的顯微照片；

圖4是通過與位錯(cuò)相關(guān)的各蝕坑標(biāo)記的面缺陷尾跡和晶界的ndic顯微照片；

圖5a和圖5b是示出由于表面拋光上的面缺陷導(dǎo)致的小角度晶界的效果的顯微照片，圖5a是在cmp過程之后取得的，圖5b是顯示面缺陷的來自同一位置的雙折射襯度圖像；

圖6是使用高溫aln陶瓷基粘結(jié)劑的aln籽晶安裝技術(shù)的示意圖；

圖7是示出與穿過晶錠的切片的表面相交的面缺陷的密度的軸向分布(沿生長軸)：晶片#1最接近生長界面，而晶片#4最接近籽晶；

圖8是示出aln籽晶與籽晶保持器的接合的示意圖(在優(yōu)選實(shí)施方式中，該籽晶保持器由w背襯板上的aln基底構(gòu)成)；

圖9是示出用于將aln籽晶接合到籽晶保持器上的技術(shù)的示意圖，在優(yōu)選實(shí)施方式中其使用al箔氮化作用；

圖10是示出組裝的晶體生長坩鍋的示意圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，可以采取下文所述的措施中的一種或多種以減少在例如晶錠的經(jīng)引晶aln生長期間的缺陷的產(chǎn)生。

如本文所使用的，晶錠意指主要具有(多于50％)單一取向的aln的生長態(tài)晶體。為了在技術(shù)上可用，晶錠優(yōu)選具有至少20mm的直徑和大于5mm的長度，且取向優(yōu)選跨晶錠的寬度改變不大于1.5°。

如本文所使用的，晶片意指從晶錠切取的aln的切片。通常地，晶片具有0.1mm～1mm的厚度和大于20mm的直徑。但是，比0.1mm薄的晶片盡管易碎但是可在技術(shù)上對于一些專門的應(yīng)用(例如，在穿過晶片的光學(xué)透射是重要的應(yīng)用中)是有用的。

這里公開具有低的面缺陷密度的高品質(zhì)塊體單晶aln及其形成方法。重新參照圖4，各面缺陷可在其尾跡中產(chǎn)生超過10⁴位錯(cuò)/cm²。因此，為了制備具有低于10⁶/cm²的螺位錯(cuò)密度(tdd)的aln晶片(從塊體晶體上切取的通常厚0.1～1mm的薄片)，如果tdd保持低于10⁴/cm²，那么面缺陷面密度(定義為穿過塊體晶體中的單位面積的面缺陷的數(shù)量)通常保持低于100/cm²或低于1/cm²?？赏ㄟ^對塊體單晶中的所有面缺陷進(jìn)行計(jì)數(shù)并除以處在與其生長方向垂直的平面中的塊體單晶的橫截面面積來測量面缺陷面密度。由于沿晶體高度的溫度梯度向著籽晶增加，因此面缺陷的密度通?？赏蛑L界面(冠部)減小。

在圖7中表示aln晶錠中的該效果的圖解，其顯示與晶片的表面相交的面缺陷密度的軸向分布(沿生長軸)，晶片#1最接近生長界面(冠部)，而晶片#4最接近籽晶。與晶片#1的表面相交的面缺陷穿過由晶片#4表示的晶錠區(qū)域，這可通過刻蝕它們的尾跡觀察到，如圖4所示。由于可能難以看到厚晶錠中的所有面缺陷，因此可通過從與生長方向垂直的晶錠切割薄切片(0.1～0.8mm厚)并用任何各向異性刻蝕拋光切片的兩個(gè)表面來測量面密度。然后，可通過計(jì)算在切片中(在表面上和在表面下)觀察的面缺陷的數(shù)量和由于缺陷的優(yōu)先刻蝕在切片的表面上觀察的面缺陷尾跡的數(shù)量的總數(shù)，然后除以切片的面積，來估計(jì)面缺陷面密度。如圖7所示，在原始籽晶附近的切片中測量的面缺陷的面密度通常比在冠部附近測量的面密度高。因此，為了得到真實(shí)的面缺陷面密度(因此確定可從晶錠切割的低缺陷晶片的數(shù)量)，優(yōu)選從晶錠的籽晶側(cè)附近選擇來自晶錠的切片?？梢园聪嗤姆绞綔y量從晶錠切割的晶片或籽晶板中的面缺陷的面密度。高分辨率x射線衍射(xrd)搖擺曲線是晶體品質(zhì)的常用指示，并且可被用于估計(jì)位錯(cuò)密度。參見lee等人，“effectofthreadingdislocationsonthebraggpeakwidthsofgan,algan,andalnheterolayers,”appl.phys.lett.86,241904(2005)，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文?；谠撐恼驴梢怨烙?jì)，為了對于(0002)反射(c-面晶片)的三晶x射線搖擺曲線獲得小于50弧秒的半峰寬(fwhm)，面缺陷面密度優(yōu)選低于100/cm²。

可通過減少晶錠中的面缺陷的面密度并通過增加晶錠的長度來增加來由晶錠的產(chǎn)量(可從滿足尺寸和缺陷規(guī)范的晶錠切割的晶片數(shù)量)。優(yōu)選地，在技術(shù)上有用的晶錠產(chǎn)生至少5個(gè)滿足尺寸和缺陷規(guī)范的晶片。

1.籽晶的制備

在以下討論的實(shí)施方式中，制備了高品質(zhì)aln籽晶。優(yōu)選從如本文所述的生長的單晶晶錠(即，被用于形成用于隨后的晶體生長的籽晶板的所得晶錠的一部分或全部)切割aln籽晶。通常地，籽晶被切割為直徑為約2英寸(50～60mm)并且厚度為0.2～5.0mm的圓形板。但是，也可制備更小面積的籽晶，以便能夠選擇由不均勻品質(zhì)晶錠的非常高品質(zhì)區(qū)域形成的籽晶，或者由于希望不同的晶體取向。可從如本文所述的aln晶錠開發(fā)這些更小直徑的籽晶。也可通過切割由其它技術(shù)例如在’660申請中所述技術(shù)制備的aln晶錠來制備籽晶板或更小面積的籽晶，其中，如該申請的圖7所示，由自成核形成的高品質(zhì)嵌埋aln籽晶被用于引晶aln晶體的生長，并且晶體生長坩鍋被配置為將得到的aln晶錠的直徑擴(kuò)展到2英寸的直徑。在所有情況下，由于(一個(gè)或多個(gè))籽晶中的缺陷可在要制備的aln晶錠中被復(fù)制，因此選擇高品質(zhì)的、幾乎沒有缺陷的籽晶是十分重要的。特別地，籽晶中的面缺陷的面密度優(yōu)選低于100cm^-2，并且，更加優(yōu)選低于1cm^-2。如果同時(shí)使用多個(gè)小面積籽晶，那么優(yōu)選仔細(xì)控制各籽晶的取向，使得當(dāng)所述籽晶被安裝在籽晶保持器上時(shí)它們相匹配。

籽晶板(或較小籽晶)的取向通常為，c軸與該板的表面法線平行(所謂的c軸籽晶板)，但其它的取向和尺寸也是合適的。將面向籽晶保持器組件(籽晶后側(cè))的aln籽晶的表面優(yōu)選是平滑且平整的，且總厚度變化(ttv)小于5μm并優(yōu)選小于1μm，使得籽晶和籽晶保持器組件之間的間隙減小。本文所使用的“平滑表面”是當(dāng)在200×放大倍數(shù)下用光學(xué)顯微鏡觀察時(shí)沒有可見劃痕的表面，并且，在10×10μm²面積中用原子力顯微鏡(afm)測量的均方根(rms)粗糙度小于1nm。光學(xué)測量技術(shù)對于測量ttv是有效的。

aln籽晶的頂面(將用作aln晶錠的成核位置)優(yōu)選是平滑的。另外，在將籽晶固定到籽晶保持器上之前，優(yōu)選去除由切割或拋光籽晶所產(chǎn)生的在aln籽晶頂面中的任何晶體損傷?？梢勒彰绹鴑o.11/363,816(以下稱為“’816申請”)和no.11/448,595(以下稱為“’595申請”)中所述的方法去除該亞表面損傷(ssd)層，通過引用將這兩篇申請的全部內(nèi)容并入本文。示例性方法包括通過施加研磨劑懸浮液在基本由氫氧化物構(gòu)成的溶液中執(zhí)行cmp步驟。另一示例性方法是cmp處理，其包括使用漿料來拋光襯底并產(chǎn)生適于外延生長的精加工表面，所述漿料包括在能夠?qū)⒁r底的表面材料改性溶液中的研磨劑懸浮物?；钚匀芤菏挂r底的表面化學(xué)改性，從而形成比下方的襯底材料軟的化合物。選擇研磨劑使其比新產(chǎn)生的化合物硬，但比襯底材料軟，從而它拋光去除新形成的層，同時(shí)留下新的和高度拋光的原生襯底表面。

ssd去除的特定方法依賴于籽晶取向。ssd層的去除是重要的，因?yàn)閟sd層優(yōu)先熱刻蝕，從而在籽晶和所得aln晶錠之間留下空隙和缺陷空間以及不規(guī)則的形貌，這可有損晶體生長并可導(dǎo)致面缺陷。特別地，籽晶拋光的改善可通過減少熱循環(huán)期間的缺陷來改善晶錠生長的品質(zhì)。適當(dāng)?shù)淖丫⒕哂衅矫婧?或延長的空隙，這些空隙在與籽晶的任一表面相交時(shí)小于1/cm²、在10×10μm²afm掃描中具有小于一個(gè)的10nm深劃痕并小于1裂紋/cm²。

優(yōu)選避免的其它缺陷包括蝕坑、晶界(包括極性反轉(zhuǎn))和裂紋。另外，由于例如拋光、操縱和氧化導(dǎo)致的表面污染是不希望的。來包含劃擦材料的空隙形成是有風(fēng)險(xiǎn)的。具有ssd的區(qū)域更可能在籽晶安裝加熱循環(huán)期間發(fā)生熱刻蝕。aln籽晶或背襯材料的熱刻蝕可產(chǎn)生空隙空間。另外，ssd代表籽晶內(nèi)的受損晶格。籽晶內(nèi)的有缺陷的晶格通常被復(fù)制在生長的晶錠內(nèi)并可產(chǎn)生從該晶錠切割的較低品質(zhì)晶片。通過使用較低安裝溫度(較低安裝溫度可減少熱刻蝕)或通過氣體物類/壓力選擇(高壓n2/氬氣/氙氣等可抑制熱刻蝕)可緩解籽晶的熱刻蝕，但是可留下將在引晶生長中被復(fù)制的ssd。

存在于籽晶材料中的空隙可在生長成的晶錠中產(chǎn)生空隙。與籽晶的后表面相交的空隙可導(dǎo)致籽晶安裝困難。與籽晶保持器或籽晶的生長界面相交的空隙會存在污染問題(夾雜的材料)。因此，理想地，要么從通過這些無空隙方法生長的晶錠切割要么從通過在’660申請中所述的自成核技術(shù)產(chǎn)生的aln晶錠切割用于引晶生長的籽晶。

特別地，如在’660申請中所討論的，可考慮兩種條件以在aln晶錠的制備中利用自成核。首先，對于鎢上的aln生長，存在成核障礙。換言之，鎢坩鍋上方的蒸氣趨于超飽和，除非aln核可用于生長。為了利用這一點(diǎn)，引晶區(qū)域可占據(jù)被未引晶的裸露區(qū)域包圍的全直徑籽晶安裝板的某些部分。由于在沉積到裸露坩鍋壁上時(shí)有利于鋁和氮從蒸氣中吸附到籽晶上，因此有利于籽晶的橫向擴(kuò)展從而有利于緊鄰籽晶產(chǎn)生新的自引晶的臨界核。在適當(dāng)控制的條件下，該過程可被用于增加每個(gè)生長周期的引晶面積。第二，晶體生長的過程需要被系統(tǒng)中的絕緣體/加熱器的配置控制的熱提取。適當(dāng)?shù)卦O(shè)置絕緣，使得籽晶是上坩鍋的最冷部分，并且比生長期間的源更冷，這對于該過程是重要的。當(dāng)在生長期間使用小的待擴(kuò)展籽晶時(shí)進(jìn)一步調(diào)節(jié)該絕緣有助于通過使得籽晶比未引晶的橫向區(qū)域更冷來擴(kuò)展籽晶。該熱配置使得鄰近籽晶的自引晶成核較少受到限制熱提取的影響。當(dāng)晶體在高溫下生長并且具有足夠的源材料時(shí)，在生長進(jìn)行期間給予足夠的時(shí)間以達(dá)到平衡點(diǎn)，那么晶體的界面將遵循系統(tǒng)的等溫線(絕緣/加熱器等)。有利于籽晶擴(kuò)展的適宜界面形狀是在生長方向稍微凸出；梯度的曲率有利于擴(kuò)展。

如bondokov等在“fabricationandcharacterizationof2-inchdiameteralnsingle-crystalwaferscutfrombulkcrystals”[mater.res.soc.symp.proc.vol.955(materialsresearchsociety,pittsburg,2007)p.0955-i03-08]中所述，使用koh蒸氣/溶液或利用koh增強(qiáng)的cmp可以識別殘余ssd，并且可以揭示其它缺陷例如螺位錯(cuò)(tdd)。在這些缺陷刻蝕中測量的坑密度被稱為蝕坑密度(epd)。對于引晶生長，通常希望以具有小于10⁴edp的籽晶開始?？梢愿纳崎L成晶錠超過籽晶的品質(zhì)，但是優(yōu)選從高品質(zhì)籽晶開始。避免籽晶的開裂也是重要的。

2.籽晶制備的詳細(xì)實(shí)施例

如在’816申請和’595申請中所述，用于處理籽晶表面的程序依賴于其晶體學(xué)取向。簡言之，如這些申請所述，晶體學(xué)取向影響cmp處理之前的襯底表面的機(jī)械處理；對于最佳襯底處理存在顯著的差異。例如，在aln襯底的情況下，沿著非極性面，al終止的c面不與水反應(yīng)，但是n終止的c面與水反應(yīng)。在濕法研磨和拋光期間，在適于機(jī)械拋光非al極性面或al極性面的相同條件下，al極性面趨于碎裂，其中c軸的取向離開襯底的表面法線20度或更多。

在這里，我們說明用于制備c軸籽晶板的示例性過程，其中氮極性面(n面)將被固定到籽晶保持器組件上，而鋁極性面(al面)將被用于使aln晶錠成核。在使用金剛石線鋸從aln晶錠切割適當(dāng)取向的籽晶板(切割籽晶板，使得c軸處于表面法線的5°內(nèi))之后，表面被磨平，然后使用金剛石漿料(具有逐漸減小的金剛石尺寸)以進(jìn)一步機(jī)械拋光籽晶板的兩個(gè)表面。更具體而言，使剛切割的aln晶片的n面經(jīng)受研磨(以600金剛石粒度)、拋光(6μm金剛石漿料)，并用1μm金剛石漿料進(jìn)行精細(xì)機(jī)械拋光。然后，如在’816申請中所述，將晶片翻轉(zhuǎn)過來，并且al面經(jīng)受研磨(用600和1800金剛石粒度)、拋光(6μm和3μm金剛石漿料)，并用1μm金剛石漿料進(jìn)行精細(xì)機(jī)械拋光，隨后進(jìn)行cmp，其中使用在koh溶液中的高ph氧化硅懸浮液以留下沒有ssd的al極性、c面的表面。

在這些機(jī)械拋光步驟之后可接著在籽晶的n面(在本實(shí)施例中為將面向籽晶保持器組件安裝的后表面)上進(jìn)行cmp步驟。適宜的漿料為利用活性化學(xué)溶液的1μmal2o3漿料(該漿料由每1升溶液中100克的1μmal2o3磨料制成，該溶液在蒸餾水(1升)中包含0.5m的koh并添加50ml的乙二醇)。在軟質(zhì)復(fù)合鐵拋光平臺(例如來自lapmaster,inc.的axo5)上使用該漿料，從而留下對于眼睛高度反射并且沒有缺陷例如劃痕或坑或開放裂紋的表面。磨料選擇和aln與強(qiáng)堿(koh)之間的活性化學(xué)反應(yīng)對于產(chǎn)生具有低缺陷密度的表面是重要的。在用afm掃描時(shí)優(yōu)選的表面在每10μm²上具有小于1個(gè)的深于10nm的劃痕，并且用afm測量的rms粗糙度在10×10μm區(qū)域中小于1nm。另外，籽晶表面的后側(cè)優(yōu)選具有小于5μm且更優(yōu)選小于1μm的ttv。由于即使在顯微水平下表面形貌也可導(dǎo)致形成于籽晶中的面缺陷，因此這是重要的；這些缺陷可在隨后的生長期間擴(kuò)展到晶錠中。使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)平整和單色光源(590nm下的鈉燈)檢查拋光表面的平整性。

在1μm金剛石拋光步驟之后，使用來自cabotindustries的氧化硅懸浮液(cabot43)使al面經(jīng)受最終的cmp步驟。在’816申請和’595申請中說明了用于處理籽晶表面的另外技術(shù)。例如，如上所述，cmp過程可包括使用在溶液中包含研磨劑懸浮物的漿料拋光襯底并產(chǎn)生適于外延生長的精加工表面，所述溶液能夠使襯底的表面材料改性。該活性溶液可使襯底的表面改性，從而形成比下方的襯底材料軟的化合物?？蛇x擇研磨劑為比新產(chǎn)生的化合物硬，但比襯底材料軟，使得它將新形成的層拋光去除，而留下新鮮的和高度拋光的原生襯底表面。在一些cmp過程中，漿料可在基本由氫氧化物構(gòu)成的溶液中包含研磨劑懸浮物。

現(xiàn)在籽晶準(zhǔn)備好在下述的籽晶安裝組件之一上進(jìn)行安裝，且優(yōu)選將其仔細(xì)存儲在氮?dú)鈿夥帐痔紫渲幸员苊馍L前的任何污染。

3.籽晶保持器板

對于籽晶保持器板已開發(fā)出不同的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的方法依賴于用于晶體生長的具體環(huán)境。

3.1沉積于背襯板上的織構(gòu)化aln

參照圖8，在一個(gè)實(shí)施方案中，籽晶保持器800可包含沉積于金屬背襯板820例如w箔上的相對厚且高度織構(gòu)化的aln層即基底810。保持器800的尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以便在其中接納aln籽晶。優(yōu)選實(shí)施方案的制備可包括以下三個(gè)特征中的一個(gè)或多個(gè)：

a.)使用包含與適當(dāng)?shù)谋骋r板接合的aln基底(在優(yōu)選實(shí)施方案中，該背襯板為w箔)的籽晶保持器；

b.)適當(dāng)調(diào)整背襯板，使得它幾乎不使al擴(kuò)散通過該板；和/或

c.)使用al箔形成粘結(jié)劑140以便按如下方式將籽晶接合到aln陶瓷或籽晶板上，通過足夠快地將籽晶板/al箔/aln籽晶加熱到高溫，使得al首先熔融并在轉(zhuǎn)變成aln之前以非常薄的al層均勻濕潤aln。

在一個(gè)實(shí)施方案中，w箔具有20mil～5mil(510～130μm)的厚度。較薄的w箔是期望的以減少由于aln和安裝籽晶的w板之間的熱膨脹不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力，籽晶板會將該應(yīng)力施加到籽晶和得到的晶錠上?？梢赃x擇用于安裝板的箔的厚度，使得特定供貨商/批次的w箔對于鋁和/或氮提供相對不可滲透的障礙。該w背襯或阻擋層優(yōu)選由高密度材料(對于鎢而言>98％理論密度)制成，并且可由多層晶粒制成，從而允許晶粒膨脹至接近晶界之間的快速擴(kuò)散路徑。在美國專利申請11/728,027(下文稱為“’027申請”)中也說明了后一種方法，通過引用將其并入本文。如其中所討論的，對包含鎢晶粒且基本上沒有柱晶組織的粉末冶金棒進(jìn)行機(jī)加工是形成有助于防止鋁透過鎢材料的多層和/或三維名義上隨機(jī)的鎢晶粒的示例性方法。另外，該w背襯板可由沒有任何晶界擴(kuò)散的單晶鎢制成。

優(yōu)選在晶體生長之前用鋁清潔和調(diào)節(jié)w箔。可通過施加添加劑例如pt、v、pd、mo、re、hf或ta進(jìn)一步調(diào)節(jié)該箔?？梢允褂幂^厚的鎢層以限制al擴(kuò)散穿過背襯板，但是這些層將遭受增大的材料之間的熱膨脹不匹配，從而導(dǎo)致在長成的aln晶體中產(chǎn)生更高的裂紋密度。

多晶w箔優(yōu)選由晶粒層構(gòu)成。這些層疊和壓縮的純w晶粒包含晶粒之間的通路(晶粒在此與相鄰的晶粒接觸)，其允許晶粒之間的擴(kuò)散路徑。鋁的損失主要是通過這些晶界，并且導(dǎo)致aln中的空隙(平面的或延伸的)。在時(shí)間上，隨著這些w晶粒吸收通過擴(kuò)散進(jìn)入w晶粒的al原子，w晶粒將膨脹5％，因?yàn)閍l是w中的替代型雜質(zhì)并具有約5％的溶解度。如在’027申請中所詳述的，這些膨脹的晶粒將降低晶界擴(kuò)散率。可以通過與所述的aln基底處理類似的處理在生長溫度下實(shí)現(xiàn)al調(diào)節(jié)。除了使用al調(diào)節(jié)w箔以外，可以使用其它材料例如pt、v、pd、mo、re、hf或ta，以便通過膨脹、填充或減少w背襯板中的晶界密度來減少通過晶界的al損失量。

在pt、v或pd的情況下，可以向w箔施加(涂敷、濺射、鍍覆或以箔的形式添加)這些元素并優(yōu)選在高于所添加材料的熔點(diǎn)但低于鎢熔點(diǎn)的溫度下運(yùn)行加熱循環(huán)，以允許添加元素熔融，從而引起與w晶粒的反應(yīng)。這往往引起w晶粒膨脹并且減少進(jìn)一步膨脹晶粒所需要的時(shí)間和al以及減少通過晶界擴(kuò)散導(dǎo)致的al損失。

在mo和re的情況下，這些元素可與w混合形成合金。這些合金在al存在下在生長條件下具有較低的共晶點(diǎn)。這意味著由這些合金構(gòu)成的背襯材料可能不適于與純鎢一樣高的生長溫度。較低的共晶點(diǎn)意味著在相同的al暴露條件下過度的晶粒生長往往比純w更快。雖然必須注意保證在這些合金箔中存在足夠的晶粒層，但是晶粒的表面層在暴露于al蒸氣時(shí)將快速膨脹，這將防止沿它們晶界的進(jìn)一步al擴(kuò)散。具有鎢的mo和re合金的另外優(yōu)點(diǎn)在于，這些合金可與aln具有較小的熱膨脹不匹配，這將改善裂紋量(即更少的晶錠會開裂)。

在hf和ta的情況下，w箔上的施加層可反應(yīng)在w箔上形成附加膜或阻擋層，這將有助于填充w箔中的晶界。可通過添加粉末、箔、濺射或鍍覆來向w箔表面施加hf或ta。覆蓋在多晶w箔上的純元素然后可與氮或碳反應(yīng)形成hfn、hfc、tac或tan，這將有助于密封晶界并降低通過w箔的晶界擴(kuò)散率。如果可以將這些氮化物或碳化物化合物施加成連續(xù)的層，則也可以直接施加這些氮化物或碳化物化合物，從而形成最小的通過該層的附加路徑或晶界。

參照圖9，通過使用配重900將單晶籽晶100固定到籽晶保持器800上。通過例如粘結(jié)劑140將單晶籽晶100固定到籽晶保持器800上。該方法的重要要素是：(i)aln基底(如果適當(dāng)形成)提供與生長中的aln晶錠幾乎完美的熱膨脹匹配以及優(yōu)異的化學(xué)匹配；(ii)背襯板(當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí))對于al擴(kuò)散提供幾乎不可滲透的阻擋；和(iii)al箔的快速熱處理連同aln籽晶和aln基底的優(yōu)異拋光在基底和籽晶之間提供緊密且致密的接合，這將有助于防止形成面缺陷。

4.優(yōu)選的實(shí)施方式

在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過在’660申請中所述的升華-再凝結(jié)技術(shù)制備多晶aln基底，其中將相對厚的(3～5mm)的aln材料層直接沉積到金屬箔或板上。該過程包含升華，其中當(dāng)aln的結(jié)晶固體或包含aln、al或n的其它固體或液體優(yōu)先升華時(shí)，至少部分地產(chǎn)生源蒸氣。源蒸氣在生長中的籽晶上再凝結(jié)。可能希望使aln沉積物的厚度超過金屬板厚度的10倍，使得aln層的相對剛度基本超過金屬板的剛度。這樣，來自金屬板和aln基底加籽晶(加生長之后的晶錠)之間的任何熱膨脹不匹配的大部分應(yīng)變會由金屬板承擔(dān)。由于較大的厚度可限制待生長的最終晶錠的尺寸，因此可能希望不使基底層的厚度太大。出于該原因，厚度優(yōu)選限制為小于20mm。我們發(fā)現(xiàn)，在’660申請中所述的典型生長條件下的aln沉積可導(dǎo)致高度織構(gòu)化的aln膜。在本文中，織構(gòu)化膜意指幾乎所有的aln以c軸(在使用六方晶體的標(biāo)準(zhǔn)命名時(shí)為[0001]方向)取向與生長膜的表面法線平行的晶體形式生長。與生長方向垂直(即與[0001]晶體學(xué)方向垂直)的平面中的晶粒直徑通常為0.1～2mm。該高度織化膜的優(yōu)點(diǎn)在于其源自aln具有依賴于晶體學(xué)方向的各種熱膨脹系數(shù)的有益效果。當(dāng)其從約2200℃的生長溫度循環(huán)到室溫時(shí)，其中各單個(gè)晶粒隨機(jī)取向的多晶膜可能開裂。

雖然aln被沉積于w箔上，但是w箔的表面可變得對al飽和，我們觀察到這將大大減少al通過所述箔的進(jìn)一步擴(kuò)散。在’027申請中說明了該現(xiàn)象，其中注意到，在鎢晶粒由于通過塊體內(nèi)擴(kuò)散吸納al而膨脹之后，沿晶界的鋁滲透速率減小?？上Ｍ纬啥嗑箔，使得它包含多層w晶粒。我們發(fā)現(xiàn)，0.020～0.005英寸厚的w箔(例如，由schwarzkopf,hcstarck,hcross提供的材料)對于這種目的是令人滿意的。其它的金屬箔或板也是合適的；它們包含hf、hfn、hfc、w-re(<25％)、w-mo(<10％)、熱解bn(也稱為cvd-bn)、ta、tac、tan、ta2n、碳(玻璃質(zhì)、玻璃狀、cvd或poco)和涂覆有ta/tac、hf/hfc和bn的碳。我們還發(fā)現(xiàn)，在aln層大量沉積于箔的頂部上之前通過將w箔暴露于al蒸氣中并使表面層對于al飽和來預(yù)調(diào)節(jié)w箔也是有幫助的(取決于箔的晶粒結(jié)構(gòu))。

在背襯材料(或生長態(tài)基底)上的多晶aln層的生長和冷卻之后，可檢查基底以確定剛生長的基底進(jìn)一步用于籽晶安裝中的適宜性。在一些實(shí)施方案中，適宜的aln基底不表現(xiàn)出裂紋或表現(xiàn)出少的裂紋(<1裂紋/cm²)、不表現(xiàn)出面空隙或表現(xiàn)出少的面空隙(<1個(gè)與表面相交的面空隙/cm²)、并且不表現(xiàn)出或表現(xiàn)出少的薄aln沉積區(qū)域(具有足夠的生長厚度可拋光到規(guī)范)。在籽晶安裝區(qū)域后面包含裂紋、空隙或薄層可在籽晶后面產(chǎn)生空隙空間。如上文所述，該空隙空間可遷移從而使籽晶和長成的aln晶錠劣化。

在所述的配置中，aln基底層可用于通過使長成的aln晶錠的熱收縮匹配來減少由長成的晶錠上的熱膨脹不匹配產(chǎn)生的力。保持器板(w箔的背襯層)充當(dāng)對于鋁和/或氮相對不可滲透的阻擋層，防止導(dǎo)致空隙形成的晶體材料的遷移。

在如上文所述沉積aln層之后，優(yōu)選將其拋光為平滑且平整的表面。如上所述，本文中的“平滑表面”意指在光學(xué)顯微鏡(200×放大倍數(shù))中沒有可見的劃痕，并且在10×10μm區(qū)域中用原子力顯微鏡(afm)測量的均方根(rms)粗糙度小于1nm。由于即使顯微水平下的表面形貌也可導(dǎo)致在籽晶中形成面缺陷，因此這是重要的；在隨后的生長期間這些缺陷可擴(kuò)展到晶錠中。使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)平整和單色光源(590nm下的鈉燈)檢查拋光基底表面的平整性?；妆砻鎯?yōu)選跨籽晶區(qū)域是平整的，好于5μm并優(yōu)選好于1μm。例如，如’816申請中所述，以單晶aln襯底的精細(xì)機(jī)械處理的方式拋光w籽晶背襯箔上的生長態(tài)aln基底層。在示例性cmp過程中，可以用在溶液中包含研磨劑懸浮物的漿料拋光襯底，使得漿料能夠刻蝕襯底表面并產(chǎn)生適于外延生長的精加工表面?？梢允褂迷跉溲趸锶芤褐械难趸钁腋∥铮绗F(xiàn)有技術(shù)中已知的koh基cmp漿料，如可從cabotmicroelectronics得到的ss25(semi-sperse25)，或可從monsanto得到的syton漿料?？墒褂眠m當(dāng)?shù)陌惭b粘結(jié)劑(例如，veltech的valtron-ad4010-a/ad4015-b-50cc熱環(huán)氧化物)將aln/w基底(生長態(tài))的w箔背襯側(cè)安裝到拋光夾具。可通過利用粗糙機(jī)械步驟拋光aln層使復(fù)合物的粗糙形狀變平。適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ窃阡搾伖馄脚_(例如，具有規(guī)則鋼平臺的lapmaster12”或engislm15)上使用15μm金剛石漿料。該粗糙機(jī)械步驟之后可以是使用在koh溶液中的1μmal2o3漿料(該漿料由每1升溶液中100克的1μmal2o3磨料制成，所述溶液由在蒸餾水(1升)中的0.5mkoh構(gòu)成且具有另外50ml的乙二醇)的精細(xì)機(jī)械處理。在軟質(zhì)復(fù)合鐵拋光平臺(例如來自lapmaster,inc.的axo5)上用該漿料拋光所述復(fù)合物，從而留下對于眼睛高度反射并且沒有缺陷如劃痕或坑或開放裂紋的表面。磨料選擇和aln與強(qiáng)堿(koh)之間的活性化學(xué)反應(yīng)對于產(chǎn)生缺陷少的表面是十分重要的。優(yōu)選的表面在每10μm見方掃描(afm)中具有小于1個(gè)的深于10nm的劃痕，并跨引晶區(qū)域中具有小于5μm的ttv。除了提供這種平整的、無劃痕的表面以外，溶液的化學(xué)反應(yīng)性以及磨料和平臺材料的低硬度(相對于aln)提供足夠低的ssd，以避免熱刻蝕aln基底。

在適當(dāng)?shù)膾伖膺^程之后，在涉及箔和籽晶的所述籽晶安裝階段之前，對基底進(jìn)行化學(xué)清洗以除去拋光殘留物。

4.1.使用al箔氮化的aln－aln接合

現(xiàn)在通過使用al箔氮化將aln籽晶接合到aln基底上。將al箔放在籽晶和基底之間，并將其加熱到足以將整個(gè)al箔氮化的溫度，由此在aln籽晶和aln基底之間產(chǎn)生薄的aln接合膜。換言之，將al箔插入籽晶和基底之間，并熔融以用al層均勻濕潤基底。al箔氮化具有清潔度和產(chǎn)生籽晶后側(cè)的微觀保形覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致低的面缺陷密度。用于保護(hù)籽晶的任何背襯材料的密度和化學(xué)穩(wěn)定性是重要的。如果背襯材料在化學(xué)上是不穩(wěn)定的(例如，對于al蒸氣)，那么在al蒸氣和背襯材料之間的所得反應(yīng)可導(dǎo)致分解并由此導(dǎo)致空隙。如果背襯材料不夠致密，那么al蒸氣可通過其升華，從而留下擴(kuò)展的空隙和/或面缺陷。如果背襯材料在aln晶體生長條件下具有高的蒸氣壓力，那么它將遷移，從而允許空隙形成并將可能變?yōu)榫уV污染物。在圖8中示出該結(jié)構(gòu)的示意圖。

眾所周知，aln籽晶在暴露于空氣、濕氣期間以及在化學(xué)清洗期間(含水和無水的化學(xué)品包含足以對給定的aln性能產(chǎn)生影響的水)會形成氧化物和氫氧化物。因而，處理并清洗過的籽晶表面可具有一些在籽晶安裝期間出現(xiàn)的氧化物或氫氧化物的再生層。使用液體熔劑(將鋁金屬熔融，并且在形成氮化物之前保持為液體且在所述處理期間變成固體)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該液體在反應(yīng)之前使籽晶表面氧化物溶解，并將氧化物轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的形式和/或分布。籽晶表面上的氧化物和/或氫化物的層可在生長條件下具有高的蒸氣壓力從而可導(dǎo)致空隙形成。alnc-軸晶片(n面)的更大化學(xué)活性側(cè)將形成厚度可>10nm的氫氧化物。

示例性過程的起始材料是拋光的aln基底籽晶保持器、拋光的aln籽晶和al箔(10mil厚，來自alfaaesar)。首先，清潔這些材料以產(chǎn)生再生且清潔的表面。對按如上所述制備的aln基底籽晶保持器進(jìn)行如下處理：

1.hcl:h2o[1:1]煮，以去除拋光殘留物(20分鐘)

2.蒸餾水沖洗

3.室溫hf(49％溶液)浸漬(15分鐘)

4.無水甲醇沖洗3次

5.在無水甲醇中存放，同時(shí)組裝籽晶安裝臺。

6.在從無水甲醇中取出時(shí)仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污。

將aln籽晶(在如上所述處理以后)以如下方式處理：

1.hcl煮，以去除來自晶錠處理的殘留的環(huán)氧化物殘留物(20分鐘)

2.室溫hf(49％溶液)浸泡以去除sio2和拋光殘留物(15分鐘)及表面氧化物/氫氧化物層。

3.無水甲醇沖洗3次

4.在無水甲醇中存放，同時(shí)組裝籽晶安裝臺

5.在從無水甲醇中取出時(shí)仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污。

將al箔以如下方式處理(al箔：由alfaaesar提供的10μm厚、99.9％純度的箔是優(yōu)選實(shí)施方案)：

1.切割成足以覆蓋籽晶區(qū)域的正方形

2.滴入(1分鐘)hf:hno3溶液(rt)1分鐘－去除油和氧化物

3.無水甲醇沖洗3次

4.在無水甲醇中存放，同時(shí)組裝籽晶安裝臺

5.在從無水甲醇中取出時(shí)仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污

采用清潔的構(gòu)件：

1.從無水甲醇中取出基底

2.從無水甲醇中取出al箔

3.將箔的無光澤面朝下且平滑面朝上放在基底上

4.從箔的后面消除任何氣泡，使得薄/軟箔無空隙地處在基底上。

5.從無水甲醇中取出籽晶

6.將籽晶(確定的極性)放到箔上

7.用清潔的剃刀片從籽晶周圍修剪過多的箔

將籽晶、箔和基底疊放到爐子中(與圖8所示的取向顛倒，以獲得圖9所示的取向，使得重力將籽晶和箔壓在基底上)。然后將清潔的w配重900疊放在籽晶上，以保證在熔融階段期間籽晶壓向安裝表面以減小間隙。在示例性實(shí)施方案中，每2”晶片約0.6kg的w質(zhì)量。在使用前以如下方式清潔w配重：在爐子中在還原氣氛(通常使用具有3％氫氣的合成氣體)中加熱到比籽晶安裝溫度更高的溫度持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，并且通過與基底和籽晶處理/設(shè)備類似的機(jī)械拋光處理將其拋光平整。

當(dāng)配重、籽晶、箔和基底的堆疊體位于爐子中時(shí)，該工段(station)被抽空到基礎(chǔ)壓力<10^-4mbar，優(yōu)選<10^-6mbar，并用清潔氣體(過濾的uhp級合成氣體(3％的h2和97％的n2)－低于1ppm的濕氣、氧、烴的雜質(zhì))重新填充。優(yōu)選地，使用能夠使高純氣體流過安裝籽晶的反應(yīng)區(qū)域的工段。流動氣體趨于充當(dāng)清潔氣體的幕簾，從而將腔室內(nèi)污染物保持遠(yuǎn)離籽晶安裝區(qū)域。籽晶安裝過程的污染可導(dǎo)致形成氧化物、碳化物、純aln以外的材料，并且，純籽晶背襯材料可引入在晶體生長期間可遷移的不穩(wěn)定物質(zhì)，從而留下會允許空隙形成的空間。籽晶安裝或接合的污染(氧化物形成)可在籽晶后面/周圍產(chǎn)生較低熱導(dǎo)率的區(qū)域。對于維持良好的引晶生長來說，在籽晶周圍以及與籽晶背襯保持一致且高品質(zhì)的熱接觸是重要的。氧化物和其它雜質(zhì)趨于在晶體生長期間具有較高的蒸氣物質(zhì)，從而導(dǎo)致引起空隙空間的污染物的遷移/升華。

如上所述，氣流是一種改善籽晶安裝臺純度的方式。第二種方式是引入吸氣劑，且當(dāng)前最好的實(shí)踐是同時(shí)使用氣流和吸氣劑材料。優(yōu)選的吸氣材料是釔金屬和鉿金屬。它們用于在安裝期間吸收籽晶周圍的污染物的局部氣氛。釔金屬在1522℃下熔融(在al箔籽晶安裝過程的上升期間)并且擴(kuò)展以對寬的表面區(qū)域吸氣。使用材料的薄箔往往是最有效的(例如，alfaaesar,0.1mm厚，99.999％純度y箔)。此外，在典型的aln生長條件下氧化釔是穩(wěn)定的，這意味著，如果在生長期間該吸氣劑維持于籽晶安裝臺，那么氧化釔僅將低蒸氣壓的氧化物污染物返回到晶體生長環(huán)境中。鉿-金屬吸氣劑在所述籽晶安裝臺條件下將不熔融(熔點(diǎn)>2200℃)，但是趨于同時(shí)與氧化物和氮發(fā)生表面反應(yīng)。因此，對于本申請來說，粉末形式的鉿是優(yōu)選的(例如，alfaaesar,-325篩目，99.9％金屬基純度)。可以在使用之前清潔這些吸氣劑中的每一種，或者按足以用于所述應(yīng)用的純度(目前實(shí)際中為99.9％或更純)購買它。

在各種情況下，將吸氣劑材料放在籽晶保持器邊緣的籽晶安裝區(qū)域周圍，以避免雜質(zhì)進(jìn)入籽晶接合反應(yīng)區(qū)域。

在鉿粉末的情況下，鉿在所述過程中易于氮化。在粉末水平上或在形成hfn層的較高溫度下(當(dāng)hf在2205℃下熔融并鋪展開時(shí))產(chǎn)生hfn層。觀察到，即使在al蒸氣存在下的長久加熱循環(huán)之后，hfn層也能防止w構(gòu)件粘在一起。該性能允許制備不粘在一起的表面，無論是否很好的拋光并且在熱/還原氣氛中非常清潔。

在這些步驟之后，籽晶安裝機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備好進(jìn)行加熱循環(huán)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，將籽晶安裝堆疊體快速加熱(<5分鐘)到約1600℃并在30分鐘內(nèi)升到1650℃。其目的是快速熔融al箔以允許al液體容易地以低表面張力流動，從而允許al熔融以便容易地均勻濕潤aln籽晶和aln基底，即，熔融al箔以均勻地用al層濕潤基底。在起始籽晶和aln基底之間形成高密度aln。允許加熱循環(huán)保持在低溫(低于約1100℃)持續(xù)過長時(shí)間可能容許液體al結(jié)珠并且在al開始氮化時(shí)形成多孔aln陶瓷，由此在籽晶后面產(chǎn)生空隙空間。一旦處在1650℃下，使該溫度保持>1小時(shí)以允許al熔體為完全氮化，從而形成與籽晶接合并與aln基底接合的高密度aln陶瓷。在1650℃下均熱>1小時(shí)之后，該工段在另外的2小時(shí)內(nèi)回到室溫。

在該熱循環(huán)/氮化安裝之后，從組裝的籽晶－籽晶保持器移去剩余的吸氣劑材料和籽晶安裝配重900。這時(shí)，將籽晶和籽晶保持器組件準(zhǔn)備好如圖8所示的那樣顛倒，并且組裝以便用于晶體生長循環(huán)。如圖10所示組裝晶體生長坩鍋。特別地，在晶體生長坩鍋1100中如所示的那樣組裝aln籽晶100和籽晶保持器組件(包含粘結(jié)劑140、基底810和背襯板820)?？梢允褂酶呒兌萢ln源1120在鎢坩鍋1100中進(jìn)行aln引晶的塊體晶體生長。如上文所述將aln籽晶100安裝到籽晶保持器組件上。

在適于生長以籽晶起源的單晶aln的條件下，通過將鋁和氮沉積到aln籽晶100上形成單晶氮化鋁。例如，可以通過如下方式開始生長：將坩鍋與籽晶安裝臺和源材料一起加熱到約2300℃的最大溫度并且在徑向測量的梯度小于50℃/cm而豎向梯度大于1℃/cm但小于50℃/cm。在初始升溫到生長溫度的過程中，可希望定位籽晶和源材料，使得它們處于大致相同的溫度(籽晶平衡位置)，從而使在生長之前籽晶的表面上的任何雜質(zhì)被蒸發(fā)掉。一旦達(dá)到生長溫度，就可希望移動坩鍋組件使得籽晶暫時(shí)比源材料更熱，或者希望在開始于籽晶上生長之前暫時(shí)降低氮?dú)夥謮阂员阏舭l(fā)籽晶的一部分表面。可通過降低爐內(nèi)氣體的總壓力或者在保持爐內(nèi)總壓力恒定的同時(shí)向爐內(nèi)添加惰性氣體例如ar，來降低爐內(nèi)的氮?dú)夥謮骸?/p>

通過該方法形成的aln的塊體單晶可具有大于20mm的直徑、大于0.1mm的厚度和≤100cm^-2的缺陷面密度。該方法可使得能夠形成晶錠形式的塊體單晶aln，該晶錠具有大于20mm的直徑、大于5mm的厚度并且在處在與晶體的生長方向垂直的平面中的塊體單晶的各截面中的螺位錯(cuò)面密度≤10⁶cm^-2，或甚至≤10⁴cm^-2。晶錠可包括具有足夠的厚度以允許由之形成至少五個(gè)晶片的aln塊體單晶，各晶片具有至少0.1mm的厚度、至少20mm的直徑并且螺位錯(cuò)密度≤10⁶cm^-2，優(yōu)選≤10⁴cm^-2。

通過本文所述的方法形成的晶錠可以是基本為圓柱形的aln塊體單晶，該塊體單晶具有至少20mm的直徑并具有足以使得能夠由之形成至少五個(gè)晶片的厚度，各晶片具有至少0.1mm的厚度、至少20mm的直徑以及對于(0002)反射小于50弧秒fwhm的三晶x射線搖擺曲線，且各晶片具有與各個(gè)其它晶片基本相同的直徑。

4.2多籽晶安裝

可希望在aln陶瓷上同時(shí)安裝若干籽晶。例如，可能難以獲得具有足夠高品質(zhì)的足夠大的籽晶以覆蓋aln陶瓷的整個(gè)區(qū)域。在這種情況下，可希望使用同時(shí)安裝在aln陶瓷上的多個(gè)籽晶。這可通過如上所述制備籽晶實(shí)現(xiàn)，所有籽晶具有相同的取向。然后，可如上所述將這些籽晶安裝在金屬背襯板上的aln陶瓷(或下文所述的其它籽晶保持器組件)上，并仔細(xì)注意對準(zhǔn)它們的方位軸。在較小籽晶的情況下，可以在生長進(jìn)行中使用熱梯度擴(kuò)展籽晶。橫向擴(kuò)展的籽晶通常避免面空隙的籽晶安裝源，但仍可能需要低孔隙率的籽晶背襯阻擋物以避免面缺陷在長成的晶錠內(nèi)形成貫通空隙。另外，能夠足夠精確地設(shè)置小籽晶的補(bǔ)綴物(patchwork)或拼制物，使得在較小的引晶區(qū)域之間以適當(dāng)?shù)娜∠蛏L得到大直徑晶錠，以便產(chǎn)生一致的2”晶片。對于c軸aln引晶生長，優(yōu)選通過制備具有m面解理邊緣的籽晶來實(shí)現(xiàn)籽晶的對準(zhǔn)。aln在m面上解理產(chǎn)生與c軸垂直的非常直的邊緣。因此，通過將平整m面解理對準(zhǔn)相鄰的籽晶截面使籽晶可很好地相對于彼此取向。從小籽晶拼制方法，可容易地產(chǎn)生2”晶片可用區(qū)域的一部分，但是也可以通過該方法對整個(gè)2”區(qū)域引晶。使用多于一個(gè)籽晶的特別重要的實(shí)施例是當(dāng)2”籽晶開裂并且安裝該籽晶使兩半精確對準(zhǔn)以用于晶錠生長。通過將這種m面解理面對準(zhǔn)方法用于c軸引晶生長，能夠?qū)崿F(xiàn)<0.5度m面和c軸結(jié)晶對準(zhǔn)。由于難以獲得全部精確對準(zhǔn)的籽晶并且難以在方位軸的對準(zhǔn)中避免一些錯(cuò)誤，因此該方法通常產(chǎn)生比單一籽晶更高的缺陷密度。但是，該方法可用于以較小的籽晶尺寸獲得較大的aln晶錠。

4.3可用于補(bǔ)充優(yōu)選實(shí)施方式的其它方法

4.3.1使用相對不可滲透膜保護(hù)aln籽晶

可通過沉積高溫、相對不可滲透的材料例如w來保護(hù)aln籽晶的背面?？赏ㄟ^濺射、cvd、離子沉積或鍍覆(對于導(dǎo)電襯底)來沉積該阻擋層。一旦已執(zhí)行初始沉積，就可使用鍍覆來開始或加厚籽晶后部密封劑的沉積層。例如，可使用濺射到aln籽晶背面的w箔來保護(hù)aln籽晶的背面，然后使用上述技術(shù)中的任何技術(shù)將其安裝到籽晶保持器上。也可通過將aln籽晶固定(如上所述，使用通過氮化al的薄箔形成的aln的粘結(jié)劑)到w箔上來保護(hù)其背面。w箔可以為單晶以降低al擴(kuò)散。因而顯著減少面缺陷的密度?？赏哂羞m宜性能以用作相對不可滲透阻擋物的其它材料包括：hf、hfn、hfc、w-re(<25％)、w-mo(<10％)、熱解bn(也稱為cvd-bn)、ta、tac、tan、ta2n、碳(玻璃質(zhì)、玻璃狀、cvd、poco)以及涂覆有ta/tac、hf/hfc和bn的碳。有待沉積在后表面上的合適材料的關(guān)鍵屬性包括：

a.溫度穩(wěn)定性(>2100℃)

b.在生長環(huán)境(al蒸氣、n2、h2)中是化學(xué)穩(wěn)定的，在約1atm壓力下，在n2、n2-h2(<10％)、ar中，在>2100℃溫度下，蒸氣壓力<1mbar

c.al穿過背襯材料的低擴(kuò)散率，通過在物理上對于氣流不可滲透(這通常意指材料是致密的，沒有空隙)并且對于al具有小的擴(kuò)散常數(shù)。由于沿晶界的擴(kuò)散通常比穿過晶界的擴(kuò)散高得多，因此可希望使晶粒膨脹以致隨著al擴(kuò)散到材料中而變得更致密(如在’207申請中所述的“自密封”晶粒膨脹)。

材料可例如在被用作籽晶保持器板之前暴露于al蒸氣中，以限制在板中通過晶粒膨脹的al擴(kuò)散率。在典型的生長溫度下，生長氣氛中的蒸氣壓力為約0.1baral蒸氣并且測得w中的平衡(原子-wt％)al水平為～5％，因此優(yōu)選的背襯將沒有空隙，在進(jìn)行期間將不蒸發(fā)或遷移，并且在期望的生長溫度下將使其表面預(yù)飽和具有該材料的平衡al含量。

4.3.2沿離軸方向的塊體aln單晶的生長

可平行于至少15±5°離軸的方向生長aln塊體晶體。離軸生長包括界面與非極性面和半極性面和平行的晶體生長。在非極性生長的情況下，晶面的生長速率與當(dāng)軸上或稍微離軸地生長晶體時(shí)相同面的生長速率不同。因此，即使籽晶的后表面可能未得到完美保護(hù)，然而仍可將面缺陷形成分解為產(chǎn)生其它缺陷(例如堆垛層錯(cuò)、孿晶等)以減少其影響。

4.3.3背襯板(外密封)背面的保護(hù)

除了如上所述將aln籽晶安裝到籽晶保持器上以外，可保護(hù)形成坩鍋蓋(即坩鍋外側(cè))的籽晶保持器(即圖8中的背襯板820)的外側(cè)以抑制al通過坩鍋蓋的傳輸。出于這里的目的，可以施加高溫碳基粘結(jié)劑、涂料或涂層。通常地，通過刷涂或噴涂施加這些材料并然后進(jìn)行熱循環(huán)，以改善它們的密度和結(jié)構(gòu)，但也可以將它們?yōu)R射或電鍍。例如，如果使用薄(<0.005英寸)w箔作為坩鍋蓋并且將aln籽晶安裝在一側(cè)，那么可以按這種方式保護(hù)w箔的另一側(cè)。保護(hù)該箔外側(cè)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用更寬范圍的高溫材料(涂層、涂料等)作為保護(hù)層，因?yàn)樵赼l蒸氣和保護(hù)材料之間存在較低的相互作用風(fēng)險(xiǎn)。該方法還允許使用較薄的金屬蓋，這在減少晶體上因蓋材料和aln之間的熱膨脹不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)力方面是有利的。

4.3.4在多種氣體物質(zhì)流中的籽晶接合固化

如上所述，在典型的al箔籽晶安裝過程中，液體al箔清除籽晶表面的氧化物并且反應(yīng)以形成al2o3。為了實(shí)現(xiàn)更少的空隙和更好品質(zhì)的生長，可能需要更加完全地去除該籽晶氧化物層。延長允許al箔熔體與該氧化物層反應(yīng)的時(shí)間是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法。通過減少可用于與形成固體氮化物的熔融al金屬反應(yīng)的氮的量，可以實(shí)現(xiàn)更長的al熔融階段。可以在如下條件執(zhí)行該過程：在氬氣氣氛中，在加熱到適宜的反應(yīng)溫度(根據(jù)希望的去除速率/物類為1000～1800℃)期間并保持足夠長的時(shí)間以從籽晶去除氧化物和氫氧化物的層。隨后，可以向流過籽晶安裝區(qū)域的流體添加氮。這時(shí)氮可與自由al熔體反應(yīng)并形成氮化物籽晶粘結(jié)劑。

在該熔融al階段期間，籽晶保持器(當(dāng)僅由w制成時(shí))將可能是氧化物物質(zhì)的擴(kuò)散膜。這種機(jī)制將允許通過al金屬實(shí)現(xiàn)從籽晶吸除氧化物，通過w層清潔該金屬，然后從al熔體氮化得到高密度aln，從而形成高品質(zhì)的籽晶粘結(jié)劑。

4.3.6在沒有aln層的情況下籽晶直接與籽晶板接合

除了使用aln陶瓷層和背襯板的組合，還可以在沒有中間aln陶瓷層的情況下使籽晶直接與適當(dāng)?shù)淖丫О褰雍?。這可提供的優(yōu)點(diǎn)是，消除aln陶瓷層中的缺陷遷移到生長中的aln晶錠中的可能性。但是，仔細(xì)選擇背襯板以便不因籽晶板和aln之間的熱膨脹不匹配而向籽晶和aln晶錠上引入太多的應(yīng)力。這可通過如下方式來實(shí)現(xiàn)：使用非常薄的板，其易于容易響應(yīng)來自aln晶體的應(yīng)力而變形(對于通過板的al傳輸仍然相對不可滲透)，或者使用從室溫一直到～2200℃的生長溫度相對接近地匹配aln的熱膨脹的板。作為替代，可以將aln籽晶安裝在背襯板上，然后可將該背襯板安裝到織構(gòu)化的aln陶瓷上。該后一種方法是有吸引力的，因?yàn)槭褂玫淖丫П骋r板可對于al擴(kuò)散提供相對不可滲透的阻擋并防止來自aln陶瓷的缺陷擴(kuò)散到生長中的晶體中。但是，aln陶瓷可提供保持生長中的晶錠的機(jī)械強(qiáng)度。

可能的選擇包含：

i.w箔

ii.w-re箔

iii.w-mo箔

iv.用pt、v、y、碳處理的w箔(坩鍋專利文獻(xiàn))

v.單晶－w背襯

vi.hfc－燒結(jié)的液相

vii.涂覆tac的ta

viii.涂覆tac的pbn

ix.涂覆tac的w箔

x.涂覆hfn的w箔

xi.hfc(碳化鉿)

xii.涂覆hfc的w

xiii.涂覆bn的石墨

盡管w具有與aln不同的熱膨脹系數(shù)，但薄w箔和薄單晶w可比適當(dāng)厚度的aln晶錠更容易地機(jī)械變形，從而減少由于熱膨脹不匹配導(dǎo)致的晶體上的應(yīng)力。可以選擇w/re和w/mo的合金，使得從生長溫度一致到室溫籽晶保持器和aln的總熱膨脹將為零。可以使用(所有)這些材料的組合和借助于元素例如pt、v、y、碳進(jìn)行處理來改變背襯材料的晶粒生長行為，以便在暴露于al和高溫梯度時(shí)減少與時(shí)間相關(guān)的材料晶粒生長。

上文關(guān)于aln陶瓷基底所述的類似拋光制備過程對于直接箔安裝(沒有aln基底)也是適用的。為了進(jìn)一步在金屬背襯的情況下改善表面光潔度，通常希望在1μmal2o3平臺步驟之后進(jìn)行1200粒度的墊步驟，該步驟在較軟金屬材料上產(chǎn)生鏡面光潔度同時(shí)維持平整性和少的劃痕。

以下示意性說明用于該籽晶安裝過程的爐子操作。將粘結(jié)劑層放在制備的籽晶保持器上并將籽晶放在粘結(jié)劑層上。為了使用al箔基籽晶安裝粘結(jié)劑，在能夠達(dá)到至少1650℃的工段內(nèi)，將圖6的籽晶保持器組裝并同時(shí)顛倒。對于al箔以外的材料，在下文說明單獨(dú)的加熱循環(huán)，然而相同的考慮適用于維持高品質(zhì)引晶生長的結(jié)果。

將適當(dāng)?shù)奈锪戏旁谧丫?粘結(jié)劑/籽晶保持器組件的頂部。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用在合成氣體流下通過重復(fù)的加熱循環(huán)仔細(xì)除去污染物的拋光(平整)的鎢直圓柱。該塊體以大于150g/cm²的壓力壓在拋光(平整)的籽晶面上。在這種情況下，可充分將平整的、應(yīng)力減少的籽晶緊密地保持在籽晶保持器上。更大的單位面積壓力將有助于改善有缺陷的籽晶/籽晶保持器的平整性：使材料變形到質(zhì)量負(fù)載因超過在室溫或更高的溫度下的臨界分解剪應(yīng)力(crss)而可引起籽晶/籽晶保持器斷裂的點(diǎn)。

在籽晶組裝之前，通常使用光學(xué)平整度測量技術(shù)例如光學(xué)平整和單色光源(435nm鈉燈)來檢查籽晶和籽晶保持器的適宜平整性。匹配表面之間的間隙優(yōu)選小5μm，優(yōu)選更小，且部分形狀是規(guī)則的(避免凹陷或內(nèi)陷(boxed)的工件，優(yōu)選具有好于5μm的變形)。

4.3.7其它可能的籽晶安裝粘結(jié)劑

除了aln陶瓷基粘結(jié)劑之外，還能夠使用任何其它高溫粘結(jié)劑，例如碳基粘結(jié)劑或甚至水基碳涂料例如aquadage、鉬懸片、(例如來自aremcoproducts,inc.)鉬粉末或箔、鉬濺射或鍍覆的涂層，類似于各種鉬形式包括基礎(chǔ)元素鋁、錸、釩、釔。也可以使用在aln生長條件下具有各種高溫穩(wěn)定性/適用性的其它膠，例如基于氮化硼、氧化鋯、氧化釔和氧化鋁的膠。

碳基方法已成功用于引晶sic晶體生長。但是，由于al蒸氣侵蝕石墨形成碳化鋁(al4c3)，因此已證明它們對于aln晶體生長是不成功的。

4.3.8使用液體或分離(breakaway)的籽晶安裝

如上文所討論的，從安裝在對于al傳輸幾乎不可滲透的籽晶保持器上的籽晶來生長塊體aln的困難之一是由籽晶和籽晶保持器板之間的熱膨脹不匹配引起的應(yīng)變?？赏ㄟ^使用液態(tài)或接近液態(tài)的膜將籽晶保持到籽晶保持器板上來避免來自熱膨脹不匹配的應(yīng)力。金屬鎵(ga)可代替上述的固體膠之一并且將在30℃下熔融。在高溫(>1000℃)下，ga的氮化物是不穩(wěn)定的，因此ga將在aln籽晶和籽晶保持器板之間保持為液體，并且因此不能向生長中的aln晶錠傳輸(由于熱膨脹不匹配引起的)任何剪應(yīng)力。但是，當(dāng)晶體冷卻到室溫時(shí)，液體ga通常形成氮化物。這可以通過如下方式來避免：使用背襯板，當(dāng)該背襯板冷卻時(shí)gan將從其分離；或使用惰性氣體(例如ar)取代生長腔室中的氮?dú)?，使得ga將不會暴露于足夠的氮?dú)庵幸孕纬山雍献丫Ш妥丫П３制靼宓墓腆w氮化物。當(dāng)然，該方法不可能提供保持籽晶的任何機(jī)械強(qiáng)度，因此優(yōu)選通過將籽晶安裝在生長坩鍋底部來使用它。

ga的相對高的蒸氣壓力可引起生長中aln晶錠的污染。這可通過使用金和鍺的共晶物來克服。auxge1-x在x＝0.72時(shí)具有在361℃下熔融的共晶物。在aln生長溫度下該材料也不具有任何穩(wěn)定的氮化物，并因此保持為液體。另外，其蒸氣壓力是相同溫度下的ga蒸氣壓力的約1/30。

4.3.9沒有保持器板的籽晶安裝

可通過使用幾乎不可滲透的涂層涂覆籽晶其后表面并且使用籽晶本身密封晶體生長坩鍋，來安裝大的、低缺陷的籽晶。通過使得該涂層為薄，可以使來自涂層和aln籽晶之間的熱膨脹不匹配的機(jī)械應(yīng)力最小化。在該方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，首先在dag中將籽晶涂覆，并然后在150℃下烘焙，以便在整個(gè)籽晶周圍提供碳涂層(也可使用替代性的碳涂層方案)。涂覆碳的aln籽晶從而具有沉積于其上的熱解bn的薄層(該層優(yōu)選為約100μm厚)。在這種處理之后，如上文在籽晶制備部分中所述拋光aln籽晶的前表面，使得基本上去除前表面的所有bn和石墨，并且如在該部分中所述，該前表面是平滑的并且相對沒有缺陷。然后直接安裝該組合的籽晶和籽晶保持器組件作為aln晶體生長坩鍋的蓋。

本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，這里列出的所有參數(shù)意味著是示例性的并且實(shí)際的參數(shù)取決于使用本發(fā)明的方法和材料的具體應(yīng)用。因此應(yīng)當(dāng)理解，僅以舉例的方式給出以上的實(shí)施方案，并且在所附的權(quán)利要求及其等效物的范圍內(nèi)，可以按具體說明以外的方式實(shí)施本發(fā)明。