專利名稱：制造碳化硅單晶的方法和用于制造碳化硅單晶的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造SiC單晶的方法和用于制造SiC單晶的裝置，其中，生長適合于半導體電子元件的高質(zhì)量SiC。
作為對酸和堿等化學物質(zhì)具有極佳抵抗能力，幾乎不可能被高能輻射損壞、并且獲得高耐久性的材料，SiC已用作一種半導體材料。
對于SiC，為了用作半導體材料，必須獲得具有一定尺寸大小的高質(zhì)量的單晶。傳統(tǒng)的用來長成一定大小的SiC單晶的方法是采用化學反應(yīng)的Acheson方法，和采用升華/重結(jié)晶技術(shù)的Le1y方法。
具體地說，作為一種長成大塊SiC單晶的方法，日本專利公開No.59-48792介紹了一種所謂修改的Lely方法，其中，在由石墨制成的一坩堝內(nèi)，一合適尺寸的SiC單晶被用來當作一籽晶，而材料SiC粉在負壓下被升華，從而在籽晶上重結(jié)晶，因此，可以長成預定大小的SiC單晶。
在上述傳統(tǒng)的方法中，Acheson方法在一電爐中加熱硅石(silica)和焦炭的混合物，并通過自然發(fā)生的核晶作用(nucleation)沉積晶體，所以，產(chǎn)生大量雜質(zhì)，并且很難控制所得到的晶體和晶面的形式，因此，很難獲得高質(zhì)量的SiC單晶。
另外，當單晶是由Lely方法制成時，由于晶體是靠自然發(fā)生的核晶作用而長成的，很難控制晶體和晶面的形式。
另一方面，根據(jù)上述日本專利公開No.59-48792(它屬于修改的Lely方法)中可以獲得質(zhì)量相當好的SiC單晶。然而，當SiC單晶是通過這種方法獲得時，在晶體成長過程中，SiC晶體是從石墨坩堝自然形成。利用這種SiC晶體作為核，晶體可以快速成長，并抑止晶體從籽晶長成，因此，很難獲得高度均勻的晶體。
另外，還有一個問題是，在熱輻射的作用下，材料上表面的溫度高于材料內(nèi)部的溫度，因此，在成長的初始升華的量大，當表面石墨化以后逐漸減小。為了克服該困難，日本專利申請公開No.5-105596建議使用一種包含碳的材料，并在材料表面部分形成一包含碳的層，因此，可以防止來自坩堝上部發(fā)生的熱輻射。然而，既使采用這種方法，在合成過程中，也很難使材料在相同的蒸氣壓下不斷地到達籽晶，因此，不可能獲得高質(zhì)量的SiC單晶。
另外，由于加熱條件或坩堝的熱輻射而使材料升華的區(qū)域不斷從與坩堝接觸的側(cè)面或底面附近向位于中心部分的材料擴展。因為當升華面積擴展時，坩堝側(cè)面或底面附近早期升華的材料變成高隔熱煤煙類粉，材料中心部分的加熱條件和熱輻射明顯減小，因此，中心部分材料的升華會突然減少或不會發(fā)生。具體地說，對于合成大面積單晶，用于裝填材料的坩堝的直徑也變大，因此，材料的徑向變化將是很嚴重的問題。盡管，日本專利申請公開No.5-58774所介紹的裝置通過在坩堝內(nèi)安裝一熱導體來均勻加熱材料，它不能限制材料升華，從而變成煤煙狀粉末，因此不能按照原理隨時間保持結(jié)晶速度不變，因此，該裝置不能獲得高質(zhì)量的SiC單晶。
圖5示出了碳(C)和SiC的蒸氣壓曲線，其中，縱坐標軸(對數(shù)坐標)和橫坐標軸分別表示壓力(Pa)和溫度(℃)。如圖5所示，在SiC形成過程中，Si的蒸氣壓比SiC2或Si2C大一個數(shù)量級。為了提高SiC形成速度，必須向籽晶提供足夠量的Si和C。然而，此時，如果升高溫度以增加蒸氣壓低的SiC2和Si2C的分壓，從而提供足夠的碳，硅系統(tǒng)的分壓會太高，材料的化學配比(化學計量成份)和合成的晶體將會漂移。
WO 9713013A介紹了一種外延成長方法，其中，硅烷氣體被高速噴射到高溫熱壁內(nèi)的SiC基底上。利用這種技術(shù)可以高速長成SiC單晶。然而，由于硅是通過氣體來提供的，在高溫熱壁內(nèi)會發(fā)生氫氣腐蝕SiC的問題。另外，硅烷氣體會形成氣相顆粒，從而污染設(shè)備的內(nèi)部，并降低SiC單晶的質(zhì)量。
圖6示出了主反應(yīng)器中的Si分壓和溫度的關(guān)系，其中，SiC以SiC的熱CVD長成。從這個圖中可以看出，當氫氣分壓升高時，發(fā)生SiC成長的逆反應(yīng)，因此，SiC被蝕刻。一般地，當氫分壓高時，很難形成高質(zhì)量的SiC單晶。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種制造SiC單晶的方法和用于制造SiC單晶的裝置，其中，可以獲得高質(zhì)量的SiC單晶。
為了克服上述問題，本發(fā)明提供了一種制造SiC單晶的方法，該方法包括一設(shè)置步驟，將固態(tài)Si設(shè)置在一第一溫度區(qū)域T1內(nèi)，和將一SiC籽晶設(shè)置在一比上述第一溫度區(qū)域T1高的第二溫度區(qū)域T2內(nèi)；一Si蒸發(fā)步驟，從上述第一溫度區(qū)域T1蒸發(fā)Si；一SiC形成氣體生成步驟，通過使上述蒸發(fā)的硅與碳反應(yīng)生成SiC形成氣體；和一單晶形成步驟，使上述SiC形成氣體到達上述籽晶，以形成上述SiC單晶。
首先，在本發(fā)明制造SiC單晶的方法中，固態(tài)硅由第一溫度區(qū)域T1的加熱而蒸發(fā)。這里，由于第一溫度區(qū)域T1的溫度被調(diào)節(jié)，Si的分壓可以被調(diào)節(jié)。結(jié)果，這樣蒸發(fā)的硅與碳反應(yīng)，從而產(chǎn)生一SiC形成氣體。當SiC形成氣體到達SiC的籽晶時，形成SiC單晶。這里，如果將與蒸發(fā)的硅化合的碳的分壓與由第一溫度區(qū)域T1的溫度所確定的Si的分壓相同，就可以獲得高質(zhì)量的SiC單晶。
另外，因為所用的是固態(tài)硅源，氣氛中氫氣的分壓減小，因此可以避免SiC單晶被蝕刻的問題。另外，由于不采用非穩(wěn)態(tài)氣體(如硅烷)作為SiC源，不會有氣相氣體分解產(chǎn)生顆粒的問題。結(jié)果，可以提供足夠的Si，實現(xiàn)高速生長，并且可以防止由于顆粒的存在而使SiC單晶的質(zhì)量降低。
這里，從圖6可以看出，當氫氣分壓降低時，反應(yīng)按SiC長成方向進行。因為SiC的流量(cm-1s-1)可以通過其分壓來計算，假設(shè)所有的流量均用于生長，可以看出生長速率可以達到幾百μm/h。
最好，在本發(fā)明制造SiC單晶的方法中，其中固態(tài)碳設(shè)置在一第三溫度區(qū)域T3內(nèi)，其溫度比上述設(shè)置步驟中的上述第二溫度區(qū)域T2的溫度高；上述SiC形成氣體是在所述SiC形成氣體生成步驟中通過讓上述Si蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)的硅通過上述第三溫度區(qū)域T3，并與碳反應(yīng)形成的；上述SiC形成氣體在所述單晶形成步驟中被引至上述籽晶，以形成SiC單晶。
即，此時，Si的分壓可以通過調(diào)節(jié)第一溫度區(qū)域T1的溫度來調(diào)節(jié)，碳的分壓可以通過調(diào)節(jié)第三溫度區(qū)域T3的溫度來使之與Si的分壓基本相同。一般地，為了使碳的分壓和硅的分壓基本彼此相同，碳的溫度必須高于硅的溫度。這里，由于碳和硅的溫度是彼此獨立升高的，可以為籽晶提供足夠量的碳，同時可以抑制Si的蒸發(fā)量。作為籽晶，也可以采用SiC的單晶基底。
圖7示出了Si和C各自的蒸氣壓曲線，其中，縱坐標(對稱坐標)和橫坐標分別表示壓力(Pa)和溫度(℃)。從圖7中可以看出，當在1400℃和更高溫度下能獲得足夠蒸氣壓的Si通過加熱到2000℃或更高溫度的C(石墨)區(qū)域時，可以合成具有合適可控制性的SiC單晶。
另外，作為原材料的固態(tài)硅和C(石墨)的高純度材料的價格不貴。因此，所合成的SiC單晶的雜質(zhì)濃度降低。另外，和使用SiC粉末不同，由于Si和C都是單個元素，在合成過程中沒有成份變化，因此，合成條件變得穩(wěn)定，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶。另外，由于在填充時材料不是呈粉末狀而是固態(tài)(塊狀)的Si和石墨，填充率很高，因此，可以合成大的、長的SiC單晶。
據(jù)Silicon Carbide(碳化硅)-1973第135頁(1973年9月17-20日在Miami Beach,Florida舉行的碳化硅第三屆國際會議會刊)介紹，當熔融硅的溫度為2200℃，此時SiC形成的成長室的溫度為2500℃，可以獲得高質(zhì)量的SiC單晶。然而，這些文獻中所介紹的成長裝置中所用的加熱室僅有一個區(qū)，熔融硅的溫度不是被迫調(diào)節(jié)的，而是設(shè)置為2200℃，在這方面，與本發(fā)明有很大的不同。
最好，在本發(fā)明中，一由碳、石英或SiC制成的隔熱屏布置在第一溫度區(qū)域T1內(nèi)的液相硅和汽相硅之間的邊界上，從而，控制硅的蒸氣壓。這里，作為碳，玻璃類碳(glassy carbon)特別適合，在高溫下，它會形成一極佳的隔熱屏，不與硅反應(yīng)。
最好，在第三溫度區(qū)域T3內(nèi)的上述隔熱屏和固態(tài)碳是機械地彼此相連，使得當隔熱屏由于第一溫度區(qū)域T1內(nèi)硅蒸發(fā)而導致硅量減少而改變其位置時，碳產(chǎn)生移動，以使所形成的單晶硅和碳之間的距離基本保持不變。采用這種結(jié)構(gòu)可以在一長時間內(nèi)穩(wěn)定地形成SiC單晶。
最好，第三溫度區(qū)域T3內(nèi)的固態(tài)碳形成有一通孔，使蒸發(fā)的硅可從此通過。使用形成有一通孔(如毛細孔或槽)的碳可以增加蒸發(fā)硅與碳接觸的面積，從而，允許Si和碳彼此充分反應(yīng)。
最好，在本發(fā)明的制造SiC單晶的方法中，在上述設(shè)置步驟中，上述Si和所述的SiC籽晶布置在一含有碳的氣體中；在上述SiC形成氣體生成步驟中，上述蒸發(fā)的硅與上述氣體中的碳元素反應(yīng)，形成SiC形成氣體；和在上述單晶形成步驟中，上述SiC形成氣體被引至上述籽晶，從而形成上述SiC單晶。
即，此時，硅的分壓可以通過調(diào)節(jié)第一溫度區(qū)域T1的溫度來調(diào)節(jié)，碳的分壓可以通過調(diào)節(jié)包含碳的氣體提供量來使之與Si的分壓基本相同，因此，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶基片。這里，作為籽晶，可以采用單晶SiC基片。
最好，一由碳、石英或SiC制成的隔熱屏放在液相硅和汽相硅之間的邊界上，從而，控制Si的蒸氣壓。這里，作為碳，玻璃態(tài)碳特別適合，它在高溫下，可以形成極佳的隔熱屏，而不會與Si反應(yīng)。
最好，Ar氣用來作為從第一溫度區(qū)域T1內(nèi)蒸發(fā)的Si的載體氣體。使用Ar氣作為載體氣體，可以防止產(chǎn)生副產(chǎn)品。
最好，在單晶形成步驟中，籽晶以100rpm或更高速度轉(zhuǎn)動。因此，以高速轉(zhuǎn)動籽晶可以減小膜厚度分布，進而可以實現(xiàn)高速成長。由于轉(zhuǎn)動會減薄基底表面的擴散層，因此，增加了擴散的驅(qū)動力。結(jié)果，可以增加成長速率，而不要使用接近技術(shù)(proximity method)，例如夾層技術(shù)。
本發(fā)明的一種用于制造SiC單晶的裝置包括一Si設(shè)置部分，其中放有固態(tài)硅；一籽晶設(shè)置部分，其中放有SiC的籽晶；一合成容器，適合于容納上述Si設(shè)置部分、上述籽晶設(shè)置部分和碳；加熱構(gòu)件，適合于加熱上述Si設(shè)置部分和上述籽晶設(shè)置部分；和一控制部分，用于向上述加熱構(gòu)件輸送一指令，以將上述硅加熱到硅的蒸發(fā)溫度或更高，和將上述籽晶加熱到高于上述Si的溫度；其中，由上述加熱構(gòu)件蒸發(fā)的Si適于達到上述籽晶設(shè)置部分。
在本發(fā)明用于制造SiC單晶的裝置中，Si是通過接受來自控制部分的指令的加熱元件來蒸發(fā)的。這里，因為，Si的加熱溫度被調(diào)節(jié)，所以，硅的分壓可以調(diào)節(jié)。結(jié)果，這樣蒸發(fā)的Si與碳反應(yīng)，從而產(chǎn)生SiC形成氣體。接著，當SiC形成氣體到達放在籽晶設(shè)置部分內(nèi)的籽晶時，形成SiC單晶。這里，如果碳的分壓與硅的分壓基本相同，那么，就可以獲得高質(zhì)量SiC單晶。
最好，在本發(fā)明的用于制造SiC單晶的裝置中，固態(tài)碳放在上述合成容器內(nèi)的上述Si設(shè)置部分和籽晶設(shè)置部分之間；上述控制部分控制上述加熱構(gòu)件，以使上述固態(tài)碳的溫度高于上述籽晶的溫度；和由加熱構(gòu)件蒸發(fā)的上述硅適于通過上述固態(tài)碳到達上述籽晶。
當采用這種裝置時，Si的分壓可以通過調(diào)節(jié)Si的加熱溫度來調(diào)節(jié)，碳的分壓可以通過調(diào)節(jié)碳的加熱溫度來使之與硅的分壓基本相同，因此，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶基底。
最好，本發(fā)明用于制造SiC單晶的裝置的結(jié)構(gòu)可以使合成容器可以用來容納一包含有碳的氣體，通過加熱元件蒸發(fā)的Si與氣體中的碳元素反應(yīng)，從而產(chǎn)生SiC形成氣體，SiC形成氣體到達籽晶。
當采用這種結(jié)構(gòu)時，Si的分壓可以通過調(diào)節(jié)Si的加熱溫度來調(diào)節(jié)，碳的分壓可以通過調(diào)節(jié)包含碳的氣體提供量來使之與硅的分壓基本相同，因此，可以獲得高質(zhì)量單晶硅。
最好，在本發(fā)明用于制造SiC單晶的裝置中，合成容器的內(nèi)表面由鉆石類碳或玻璃類碳。這樣可以防止在合成容器的內(nèi)表面產(chǎn)生自然核晶作用，因此，可以合成高質(zhì)量SiC單晶。
最好，由石墨制成的隔熱屏放在合成容器的外側(cè)。這樣可以抑制由于熱輻射所產(chǎn)生的熱耗散。
最好，隔熱屏是由多個矩形石墨片制成，這些石墨片彼此相鄰且中間帶有一間隙，從而獲得總體基本為圓柱形結(jié)構(gòu)。這樣可以抑制由于高頻加熱所產(chǎn)生的感應(yīng)電流。另外，如果多個這種隔熱屏沿合成容器的徑向布置，那么，還可以進一步抑制熱耗散和誘導電流。
通過下面作為實例的附圖(不能認為是本發(fā)明的限制)和下面的詳細說明，可以更全面地理解本發(fā)明。
從下面的詳細介紹中可以看出本發(fā)明的其它適用范疇。然而，必須理解的是詳細介紹和具體實例(表明本發(fā)明的優(yōu)選實施例)僅是實例性的，對于熟悉該技術(shù)的人來說，根據(jù)詳細說明，在本發(fā)明的精神和范疇內(nèi)可對本發(fā)明進行各種修改和變化。


圖1是一簡單結(jié)構(gòu)圖，示出了本發(fā)明一第一實施例中用于制造SiC單晶的裝置；圖2是用于制造SiC單晶的裝置沿Ⅱ-Ⅱ方向的截面圖；圖3是一簡單結(jié)構(gòu)圖，示出了本發(fā)明一第二實施例中用于制造-SiC單晶的裝置；圖4是用于制造SiC單晶的裝置沿Ⅳ-Ⅳ方向的截面圖；圖5示出了C和SiC的蒸氣壓曲線；圖6示出了SiC在其熱CVD中長成的主反應(yīng)器中Si顆粒溫度和壓力關(guān)系曲線；和圖7示出了C和SiC的蒸氣壓曲線。
下面將詳細介紹本發(fā)明制造SiC單晶的方法和本發(fā)明用于制造SiC單晶的裝置的實施例。
(第一實施例)圖1示出了用于制造SiC單晶101的一種裝置，相應(yīng)地，圖2是圖1所示裝置101沿Ⅱ-Ⅱ方向的截面圖。在裝置101中，一坩堝1，它是一由石墨制成的圓柱形合成容器，由一圓柱形上坩堝1a和一圓柱形下坩堝1b構(gòu)成。上坩堝1a的上端由一盤形蓋2封閉。另一方面，在下坩堝1b的里面，插有一由石墨制成的Si保持坩堝3，使得它可以沿軸向移動，其與下坩堝之間具有一小間隙。Si保持坩堝3的下部固定地連接到盤形坩堝支撐4的上表面，相應(yīng)地，Si保持坩堝的下側(cè)面提供有多個通孔3a，它們與上述間隙連通。這里，Si保持坩堝3和坩堝支撐4構(gòu)成一硅沉積部分。一圓柱形支撐軸5固定地連接到坩堝支撐4下表面的中心部分上，圓柱形支撐軸5與一驅(qū)動源(未顯示)連接。即，當支撐軸5上下運動時，Si保持坩堝3可以沿軸向運動。另外，由于支撐軸5是一中空圓柱形結(jié)構(gòu)，Si保持坩堝3底面的溫度可以用一雙溫度高溫計測量。
坩堝1和Si保持坩堝3的內(nèi)周表面是由具有高光滑度的鉆石類結(jié)構(gòu)的碳或玻璃類結(jié)構(gòu)的碳(glass-like carbon)制成。最好，坩堝1和Si保持坩堝3的內(nèi)周表面的表面糙度為Rmax＜10μm。
在坩堝1的外側(cè)，同軸布置有三塊隔熱屏6，它們沿坩堝1的徑向?qū)R。如圖2所示，每個隔熱屏6都是由多個基本為矩形(或條形)的石墨片6a構(gòu)成，這些石墨片彼此相鄰，中間間隔一個間隙，從而獲得總體上基本為圓柱形形式，這里，相鄰隔熱屏6放置成使它們的間隙不會在徑向疊置。由于隔熱屏6不是由通常所用的會導致雜質(zhì)污染的碳纖維或多孔石墨形成，所以，不必害怕會有雜質(zhì)。另外，如圖1所示，這些隔熱屏6的上端用一由相同材料形成的盤形蓋7來封閉。
在最外面的隔熱屏6的外側(cè)，與隔熱屏6同軸布置有一由石英構(gòu)成的圓柱形石英管8。一冷卻劑(如水)允許通過石英管8內(nèi)流動，從而保護石英管8。在石英管8的外側(cè)，從上側(cè)連續(xù)布置了起加熱元件作用的射頻工作線圈(RF Work coil)17a,17b,17c，從而實現(xiàn)對坩堝1,Si保持坩堝3和類似器件的高頻加熱。另外，用于實現(xiàn)工作線圈17a至17c的溫度調(diào)節(jié)的控制部分18連接在工作線圈上。
在坩堝1的上部穿過蓋7和蓋2的中心部分插有一籽晶支撐桿9，其可以沿軸向運動。一盤形籽晶座10固定地連接到籽晶支撐桿9的下端，從而封閉其下端開口。一SiC籽晶11用一由葡萄糖類(glucose)制成的糊固定地連接到起著一籽晶設(shè)置部分作用的的籽晶座10的下表面上，該葡萄糖糊在高溫下熔融。由于籽晶支撐桿9是中空圓柱形結(jié)構(gòu)，所以，籽晶11的溫度可以用一雙溫度高溫計來測量。另外，籽晶支撐桿9是這樣放置的，可以以200rpm的速度沿軸向轉(zhuǎn)動。籽晶支撐桿9構(gòu)造成可以和坩堝1，坩堝支撐4和支撐桿5一起在石英管8的內(nèi)壁所包圍的范圍內(nèi)形成一真空狀態(tài)。作為籽晶，可以將一SiC單晶基底設(shè)置在籽晶座10上。
另一方面，一圓柱體式Si源容納在Si保持坩堝3中。在Si源12的上表面上安裝有一由碳、石英或SiC制成的用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的盤形屏障13。用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13上形成有多個通孔13a，它們沿軸向穿過屏障13，從而允許Si蒸氣從此通過。在用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13的中心部分處，一用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的輔助屏障14固定地連接到屏障13上，輔助屏障14的材料和用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13的材料相同。用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的輔助屏障14包括一中心軸和兩個放在用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13附近的盤。為了調(diào)節(jié)來自Si源12的蒸氣壓，用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13和輔助屏障14可以分別控制在高溫下熔融的液相硅和汽相硅之間邊界面積和控制汽相硅的擴散。
一圓柱體式碳提供源(石墨)15固定地連接到用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的輔助屏障14的上端部。碳提供源15上形成有多個沿軸向穿透的通孔15a，從而允許Si蒸氣從此通過。Si在通過通孔15a的同時，與石墨反應(yīng)，從而獲得SiC形成氣體，它是形成SiC的活性物(active species)。既使在Si保持坩堝13下降時，碳提供源15的下降運動受下降止動塊16的限制，此止動塊固定地設(shè)置于上坩堝1a的下內(nèi)周邊表面上。
在這種結(jié)構(gòu)的裝置101中，根據(jù)來自控制部分18的指令，可以實現(xiàn)加熱控制，通過工作線圈17c使Si源12的溫度設(shè)定為1300℃～1600℃，通過工作線圈17a使籽晶的溫度設(shè)定為2000℃～2400℃，通過工作線圈17b使碳提供源的溫度設(shè)定為2300℃～3000℃。一般地，這種裝置的結(jié)構(gòu)中坩堝1內(nèi)形成三個區(qū)域用于Si源12的低溫區(qū)域(第一溫度區(qū)域)T1；用于籽晶11的中溫區(qū)域(第二溫度區(qū)域)T2；和一用于碳提供源15的高溫區(qū)域(第三溫度區(qū)域)。
在這種裝置101中，Si保持坩蝸3的通孔3a的結(jié)構(gòu)是這樣的，可以使Si源在高溫下熔融，從而從通孔3a中部分流出，并由于在與下坩堝1b的間隙處固化而阻塞這些通孔3a，因此，可以有效地向上引導硅蒸氣。
下面將參考圖1介紹使用這種用于制造SiC單晶的裝置來制造SiC單晶的方法。
首先，在籽晶11,Si源12、碳提供源15和類似器件被設(shè)定在他們預定位置之后，籽晶支撐桿9被向上運動，以舉取籽晶11，硅源12和Si保持坩堝3一起向下運動，然后，在由石英管8的內(nèi)壁形成的空間內(nèi)進行一個小時的抽真空。接著，Ar氣被引入裝置101中，從而獲得一正常壓力(760Torr)，并讓冷卻劑流過石英管8，坩堝1的溫度設(shè)定為2800℃，并烘烤一小時，從而脫氣。這里，碳提供源15的石墨可以烘烤相同時間，因為，由于碳提供源15的下降止動塊16的作用，它可以保持在坩堝1內(nèi)。
接著硅源12與Si保持坩堝3一起向上移動，從而獲得圖1所示狀態(tài)，籽晶支撐桿9和籽晶11被向下運動至一預定位置，然后，使籽晶支撐桿9以100rpm的速度轉(zhuǎn)動，操作控制部分8，來調(diào)節(jié)工作線圈17a～17c，從而，使籽晶、碳提供源15中的石墨和硅源12分別獲得約2300℃、約2500℃和約1600℃的溫度。由于溫度設(shè)定是在常壓下進行的，可以防止長成結(jié)晶度差的晶體。另外，硅源12和碳提供源15的溫度設(shè)定成這樣，使裝置101中Si的分壓和碳的分壓彼此基本相同。
然后，石英管8內(nèi)Ar氣的壓力降至5Torr，并保持這種狀態(tài)，從而使Si蒸氣通過用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13上的通孔13a，并進一步通過碳提供源15的通孔15a，從而，得到一SiC形成氣體。當SiC形成氣體到達籽晶11時，一SiC單晶以1～2mm/h的速率在籽晶11的表面上生長。因此，根據(jù)該實施例，最終可以形成直徑為2英寸的SiC單晶塊。
在該實施例中，因為硅的分壓和碳的分壓基本彼此相同，所以，可以獲得一高質(zhì)量SiC單晶。另外，由于坩堝1和Si保持坩堝3的內(nèi)周邊表面是由上述鉆石類碳或玻璃類碳制成，它們可以防止在上坩堝1a的內(nèi)表面發(fā)生自然核晶過程，因此，可以形成高質(zhì)量SiC單晶。
另外，由于使用一Si的固態(tài)源，坩堝1內(nèi)氫氣分壓下降，因此，這里基本上沒有SiC單晶被蝕刻的問題。另外，由于沒有非穩(wěn)態(tài)氣體(如硅烷)被用作硅源，這里沒有汽相氣體分解產(chǎn)生顆粒的問題。結(jié)果，可以提供足夠量的Si，從而實現(xiàn)高速成長，并可以防止由于顆粒而使SiC單晶惡化。
另外，由于石墨制成的隔熱屏6放在坩堝1的外側(cè)，可以防止由于熱輻射所導致的熱耗散。另外，由于隔熱屏6包括多個石墨片6a，它們之間有一定的間隙，從而獲得總體上基本為圓柱形結(jié)構(gòu)，它可以防止由于高頻加熱而產(chǎn)生的誘導電流。另外，由于多個這種隔熱屏6是沿坩堝1徑向布置，還可以進一步抑制熱耗散和誘導電流。
另外，由于碳提供源15形成有通孔15a，與蒸發(fā)的硅接觸的面積增加，因此，允許硅和碳彼此高效地反應(yīng)。另外，由于用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障13和碳提供源15彼此機械地連接，當硅源12減少時，碳提供源15向下運動，從而使合成SiC單晶和碳提供源15之間的距離基本保持不變，因此，在一長時間內(nèi)，可以穩(wěn)定地形成SiC單晶。
當考察這樣所獲得的SiC單晶的光致發(fā)光特性時，發(fā)現(xiàn)其最長的波長約為490nm，這表示它為6H型SiC單晶。
根據(jù)Hall測試，發(fā)現(xiàn)可以合成具有8Ω·cm電阻率，約3×1016em-3的載流子濃度和n型導電性的高電阻、低載流子濃度的SiC單晶。
另外，這種SiC單晶塊被切成厚度為400μm的晶片，然后用鉆石磨料(diamond ground-stone)砂輪來拋光，從而使其兩側(cè)都獲得鏡面光潔度。結(jié)果，根據(jù)肉眼看，在2英寸的整個表面上是均勻的，據(jù)發(fā)現(xiàn)各邊緣的多晶性和光的可傳輸性最適合于波長為2-5μm，這表示該晶格是一好晶格，其中沒有大量的雜質(zhì)。
在該實施例中，如上所述，因為Si源12和碳提供源15各自的溫度獨立升高，并且它們的蒸氣壓也被調(diào)整為它們相應(yīng)的最佳溫度，從而實現(xiàn)合成，可以在高溫區(qū)域T3內(nèi)設(shè)定一高溫，而不依賴于Si提供的量，因此，可以有效地合成SiC單晶。另外，Si源12和碳提供源15可以由價格便宜的塊狀高純度材料制成，這樣可以大大降低雜質(zhì)的濃度，可以合成大規(guī)模、加長的SiC單晶。另外，因為Si源12和碳提供源15的石墨都是單個元素，合成條件變得穩(wěn)定，從而，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶。另外，籽晶支撐桿9可以用高達200rpm的速度轉(zhuǎn)動，可以提高平面均勻度，可以加速擴散，從而，提高成長速率。
盡管已根據(jù)上述實施例詳細介紹了本發(fā)明制造SiC單晶的方法和用于制造SiC單晶的裝置，但本發(fā)明并不限制于上述實施例。例如，因為用于加熱合成容器(如坩堝、電阻加熱器或類似)的元件可以用來代替RF工作線圈。另外，碳提供源中形成的Si蒸氣用通孔沒有必要為圓形截面，固態(tài)碳也可以形成有縫。
(第二實施例)圖3示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明該實施例的SiC單晶的裝置102；相應(yīng)地，圖4是圖3所示裝置沿Ⅳ-Ⅳ方向的剖視圖。
在該裝置102中，一熱壁21(它是一由石墨制成的圓柱形合成容器)包括一圓柱形上熱壁21a和一圓柱形下熱壁21b。上熱壁21a的上端用一盤形蓋22封閉。另一方面，下熱壁21b包括一雙結(jié)構(gòu)，其中，兩個圓柱體沿徑向彼此對準，之間帶有一小間隙。上熱壁21a和下熱壁21b的內(nèi)周邊表面都是由具有高光滑度的鉆石類碳(diamond-like carbon)或玻璃類碳(glass-likecarbon)。最好，上熱壁21a和下熱壁21b的內(nèi)周表面的表面粗糙度Rmax＜10μm。
在下熱壁21b內(nèi)側(cè)插有一Si容納坩堝(Si設(shè)置部分)23，后者具有一由石墨制成的帶底的圓筒結(jié)構(gòu)，Si容納坩堝23可以沿軸向移動，它與下熱壁21b之間有一間隙。Si容納坩堝23的下部固定地連接到可沿下熱壁21b的內(nèi)周邊表面滑動的盤形坩堝支撐24的上表面，相應(yīng)地，一連接到一驅(qū)動源(未顯示)的圓柱形支撐軸25固定地連接到坩堝支撐24的下表面的中心部分。即，當支撐軸25上下運動時，Si容納坩堝23可以沿軸向運動。另外，因為支撐軸25是一中空圓柱形結(jié)構(gòu)，Si容納坩堝23的底面的溫度可以用一雙溫度高溫計來測量。
支撐軸25、坩堝支撐24和坩堝23的中心部分提供有一Ar氣體提供管26，用于提供作為載體氣體的Ar氣。另外，坩堝支撐24的外周邊提供有多個碳氫化合物提供孔27，用于提供作為包含碳的氣體的碳氫化合物，它們沿軸向穿過坩堝支撐24。
在坩堝23內(nèi)，容納有一固態(tài)Si源28。在硅源28的上表面安裝有由碳、石英或SiC制成的用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的盤形屏障29。用于調(diào)節(jié)Si蒸氣壓的屏障29形成有多個軸向穿透的通孔29a，以允許Si蒸氣通過。該屏障29用于調(diào)節(jié)熔融液相Si和汽相Si之間的邊界的面積，以控制來自Si源28的蒸氣壓。
一用于均勻提供Si蒸汽的盤形控制板30固定地連接到坩堝23的上部。該控制板30是由與屏障29相同的材料制成，使得垂直置于坩堝23上的一圓筒的上端提供有一盤，它形成有多個沿軸向穿透的通孔30a。
另一方面，在熱壁21的上部插有一穿過蓋22的中孔的圓柱形基底保持架支撐桿31，從而，可以沿軸向移動。一盤形基底保持架(籽晶設(shè)置部分)32固定地連接到基底保持架支撐桿31的下端，從而封閉其下端開口。一SiC單晶(它是一籽晶)形成的基底33用由葡萄糖(glucose)制成且在高溫下熔融的糊固定地連接到基底保持架32的下表面上。因為支撐保持桿是一中空圓柱形結(jié)構(gòu)，基底33的溫度可以用一雙溫度高溫計來測量。另外，基底保持桿可以以高達1500rpm的速度軸向轉(zhuǎn)動。蓋22的外周邊提供有多個氣體排出孔34，它們軸向穿過蓋22，用于排出氣體。
如圖4所示，在熱壁21的外側(cè)同軸布置有三塊隔熱屏35，它們沿熱壁21的徑向?qū)?。每個隔熱屏35都是由多個彼此相鄰且之間帶有一定間隙的條形石墨片構(gòu)成，從而獲得總體上基本為圓柱形的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，相鄰的隔熱屏35是這樣定位的，它們的間隙徑向不會重疊。因為隔熱屏35不是由通常所用的且易產(chǎn)生雜質(zhì)的碳纖維或多孔石墨形成的，所以，不必害怕會產(chǎn)生雜質(zhì)污染。
最外端隔熱屏35的外側(cè)與隔熱屏同軸布置有一由石英制成的圓柱形石英管36。一冷卻劑(如水)允許通過石英管36，從而保護石英管。在石英管36的外側(cè)，從上端連續(xù)布置有起加熱元件作用的射頻工作線圈37a,37b,37c，從而，實現(xiàn)熱壁21和類似元件的高頻加熱。另外，工作線圈37a,37b上連接有調(diào)節(jié)其溫度的控制部分38。
這里，熱壁21、隔熱屏35等的結(jié)構(gòu)可以在石英管36內(nèi)壁所包圍的范圍內(nèi)整體上形成一真空狀態(tài)。
在這種結(jié)構(gòu)的裝置中，根據(jù)控制部分38的指令，可以實現(xiàn)加熱控制，通過工作線圈37b使Si源28的溫度設(shè)定為1300℃～1600℃，通過工作線圈37a使基底33的溫度設(shè)定為1500℃～2200℃。即，這種裝置102的結(jié)構(gòu)可以在熱壁21內(nèi)形成一用于Si源的低溫區(qū)域(第一溫度區(qū)域)T1和一用于基底33的高溫區(qū)域(第二溫度區(qū)域)T2。
下面將參考圖3介紹通過用于制造一SiC單晶的這種結(jié)構(gòu)的裝置來制造一SiC單晶的方法。
首先，在硅源28、SiC單晶的基底和類似元件被設(shè)定到它們預定位置之后，基底保持架支撐桿31向上運動，以舉起基底33,Si源28和坩堝23一起向下運動，然后，在石英管36的內(nèi)壁形成的空間內(nèi)形成一個小時的真空。接著，一Ar氣流入裝置101中，從而獲得一常壓(760Torr)，讓冷卻劑流過石英管36，熱壁的溫度設(shè)定在2800℃并烘烤一個小時，使之脫氣。
接著，硅源28和坩堝23一起向上運動，從而獲得圖3所示的狀態(tài)，基底保持架支撐桿31和基底33被向下運動到它們預定的位置，然后，讓基底保持架支撐桿31以1000rpm的速度轉(zhuǎn)動，操作控制部分38來調(diào)節(jié)工作線圈37a,37b，使基底33和硅源分別獲得約2300℃和約1450℃的溫度。因為溫度設(shè)定是在常壓下進行的，可以防止長成劣質(zhì)結(jié)晶度的晶格。
然后，石英管16的內(nèi)壁內(nèi)Ar氣壓力降至5Torr，并保持這種狀態(tài)，Ar氣作為載體氣體被從Ar氣提供管26處引入，從而，使Si蒸汽流過屏障29的通孔29a，進而流過控制板30的通孔30a。此后，Si蒸汽與由碳氫化合物提供孔27所提供的碳氫化合物在基底33附近反應(yīng)。接著，硅和碳氫化合物中所包含的碳成分之間的反應(yīng)所生成的SiC形成氣體到達基底33，從而，以100μm/h的速率在基底33的表面上生長一SiC單晶，因此，根據(jù)該實施例，最終形成一直徑為2英寸，厚度為0.5mm的SiC單晶外延膜。
在該實施例中，通過調(diào)節(jié)碳氫化合物提供孔27所提供的碳氫化合物的量，由工作線圈37a的加熱溫度所確定的蒸汽Si的分壓和碳氫化合物中所包含的碳的分壓可以保持彼此基本相同。結(jié)果，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶。
另外，上熱壁21a和下熱壁21b的內(nèi)周表面是由如上所述的鉆石類碳或玻璃類碳形成的，它們可以防止在熱壁21的內(nèi)表面形成自然核晶，因此，可以形成高質(zhì)量的SiC單晶。
另外，由于使用的是固態(tài)Si源，所以，熱壁21內(nèi)氫氣的分壓降低，因此，基本沒有SiC單晶被蝕刻的問題。另外，由于沒有非穩(wěn)態(tài)氣體(如硅烷)被用來作為硅源，沒有汽相氣體分解形成顆粒的問題。結(jié)果，可以提供足夠量的Si，以實現(xiàn)高速生長，可以防止由于顆粒的存在而降低SiC單晶的質(zhì)量。
另外，由于由石墨制成的隔熱屏35是放在熱壁21的外側(cè)，可以防止熱輻射所產(chǎn)生的熱耗散。另外，隔熱屏包含多個彼此間帶有一間隙的石墨片，因此，可以獲得整體上基本為圓柱形結(jié)構(gòu)，可以防止由于高頻加熱而產(chǎn)生的誘導電流。另外，由于多個這種隔熱屏35是沿熱壁21的徑向布置，可以進一步防止熱擴散和誘導電流。
另外，Si、碳氫化合物和類似的都可由高純度材料制成，它們的價格也不貴，可以大大地降低外延生長膜中的雜質(zhì)含量。另外，因為基底保持架支撐桿31和基底33是以100rpm或更高的速度轉(zhuǎn)動，膜的厚度分布可以均勻，從而提高平面均勻度，加速擴散，提高生長速度。
當考查這樣獲得的外延膜的光致發(fā)光特性時，發(fā)現(xiàn)其最大波長為約490nm，這表明它是6H型SiC外延膜。另外，根據(jù)Hall測試，發(fā)現(xiàn)可以合成電阻為1000ohm·cm、載流子濃度約為3×1014cm-3和n型導電性的高電阻，低載流子濃度的外延膜。另外，當剝?nèi)ズ髠?cè)的基底，以考查這種外延膜的光傳導性時，發(fā)現(xiàn)最合適的波長為2-5μm，這表明，這種外延膜是好晶體，其中不包含大量的雜質(zhì)。
如上所述，在本發(fā)明的制造SiC單晶的方法和用于制造SiC單晶的裝置中，因為固態(tài)硅的溫度的升高不依賴于碳的溫度，可以使硅的分壓和碳的分壓彼此基本相同，因此，可以獲得高質(zhì)量SiC單晶。
如上所述，很明顯，本發(fā)明有多種變化方式。這些變化都包含在本發(fā)明的精神和范疇內(nèi)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很明顯所有這些變化都包括在下面權(quán)利要求所規(guī)定的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種制造SiC單晶的方法，包括一設(shè)置步驟，將固態(tài)Si設(shè)置在一第一溫度區(qū)域T1內(nèi)，和將一SiC籽晶設(shè)置在一比所述第一溫度區(qū)域T1高的第二溫度區(qū)域T2內(nèi)；一Si蒸發(fā)步驟，從所述第一溫度區(qū)域T1蒸發(fā)Si；一SiC形成氣體生成步驟，通過使所述蒸發(fā)的硅與碳反應(yīng)生成SiC形成氣體；和一單晶形成步驟，使所述SiC形成氣體到達所述籽晶，以形成所述SiC單晶。
2．如權(quán)利要求1所述的制造SiC單晶的方法，其中固態(tài)碳設(shè)置在一第三溫度區(qū)域T3內(nèi)，其溫度比所述設(shè)置步驟中的所述第二溫度區(qū)域T2的溫度高；所述SiC形成氣體是在所述SiC形成氣體生成步驟中通過讓所述Si蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)的硅通過所述第三溫度區(qū)域T3，并與碳反應(yīng)形成的；所述SiC形成氣體在所述單晶形成步驟中被引至所述籽晶，以形成SiC單晶。
3．如權(quán)利要求2所述的制造SiC單晶的方法，其中，一由碳、石英或SiC制成的屏障布置在所述第一溫度區(qū)域T1內(nèi)的液相硅和汽相硅之間的邊界上；所述屏障控制所述Si的蒸氣壓。
4．如權(quán)利要求3所述的制造SiC單晶的方法，其中，所述屏障和所述第三溫度區(qū)域T3內(nèi)的固態(tài)碳彼此機械連接，從而，當所述屏障由于所述第一溫度區(qū)域T1內(nèi)硅的蒸發(fā)而使Si量減少而改變其位置時，所述碳移動，以使所形成的SiC單晶和所述碳之間的距離基本保持不變。
5．如權(quán)利要求2-4中任一項所述的制造SiC單晶的方法，其中，所述第三溫度區(qū)域T3內(nèi)的所述碳上形成有一通孔，所述蒸發(fā)的硅通過該孔。
6．如權(quán)利要求2-5中任一項所述的制造SiC單晶的方法，其中，所述籽晶是一SiC單晶的基底。
7．如權(quán)利要求1所述的制造SiC單晶的方法，其中在所述設(shè)置步驟中，所述Si和所述的SiC籽晶布置在一含有碳的氣體中；在所述SiC形成氣體生成步驟中，所述蒸發(fā)的硅與所述氣體中的碳元素反應(yīng)，形成SiC形成氣體；和在所述單晶形成步驟中，所述SiC形成氣體被引至所述籽晶，從而形成所述SiC單晶。
8．如權(quán)利要求7所述的制造SiC單晶的方法，其中，一由碳、石英或SiC制成的屏障布置在所述第一溫度區(qū)域T1內(nèi)的液相硅和汽相硅之間的邊界上；所述屏障控制所述Si的蒸氣壓。
9．如權(quán)利要求1-8中任一項所述的制造SiC單晶的方法，其中，Ar氣用作從所述第一溫度區(qū)域T1蒸發(fā)的所述Si的載體氣體。
10．如權(quán)利要求1-9中任一項所述的制造SiC單晶的方法，其中，所述籽晶以100rpm或更高的速度轉(zhuǎn)動。
11．如權(quán)利要求1-10中任一項所述的制造SiC單晶的方法，其中，所述籽晶是一SiC單晶的基底。
12．一種通過權(quán)利要求1-11的任一項所述的制造SiC單晶的方法形成的SiC單晶的基底。
13．一種用于制造SiC單晶的裝置，在此裝置中形成SiC單晶，所述裝置包括一Si設(shè)置部分，其中放有固態(tài)硅；一籽晶設(shè)置部分，其中放有SiC的籽晶；一合成容器，適合于容納所述Si設(shè)置部分、所述籽晶設(shè)置部分和碳；加熱構(gòu)件，適合于加熱所述Si設(shè)置部分和所述籽晶設(shè)置部分；和一控制部分，用于向所述加熱構(gòu)件輸送一指令，以將所述硅加熱到硅的蒸發(fā)溫度或更高，和將所述籽晶加熱到高于所述Si的溫度；其中，由所述加熱構(gòu)件蒸發(fā)的Si適于達到所述籽晶設(shè)置部分。
14．如權(quán)利要求13所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中固態(tài)碳放在所述合成容器內(nèi)的所述Si設(shè)置部分和籽晶設(shè)置部分之間；所述控制部分控制所述加熱構(gòu)件，以使所述固態(tài)碳的溫度高于所述籽晶的溫度；和由加熱構(gòu)件蒸發(fā)的所述硅適于通過所述固態(tài)碳到達所述籽晶。
15．如權(quán)利要求14所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，在所述硅設(shè)置部分內(nèi)布置的所述硅的一上表面上布置有一由碳、石英或SiC制成的屏障，它上面具有通孔，允許由所述加熱構(gòu)件蒸發(fā)的硅從此經(jīng)過。
16．如權(quán)利要求15所述的用于制造SiC單晶的裝置，還包括連接元件，用于使所述屏障和所述固態(tài)碳之間彼此機械連接，其中，當所述屏障由于在所述硅設(shè)置部分的蒸發(fā)所導致的硅量減少而改變其位置時，所述碳移動，從而使所述籽晶上形成的SiC單晶和所述碳之間的距離保持基本不變。
17．如權(quán)利要求14-16中任一項所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述固態(tài)碳形成有一通孔，所述蒸發(fā)的硅可從此通過。
18．如權(quán)利要求14所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述合成容器的內(nèi)表面包括鉆石類碳或玻璃類碳。
19．如權(quán)利要求14所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，一由石墨制成的隔熱屏放在所述合成容器的外側(cè)。
20．如權(quán)利要求14-19中任一項所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述隔熱屏是由多個彼此相鄰且中間帶有一間隙的矩形石墨片構(gòu)成，從而獲得整體上基本為圓柱形的結(jié)構(gòu)。
21．如權(quán)利要求14-20中任一項所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，多個所述隔熱屏沿所述合成容器的徑向布置。
22．如權(quán)利要求13所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述合成容器適合容納一含碳的氣體；由所述加熱構(gòu)件所蒸發(fā)的所述硅與所述氣體中的碳元素反應(yīng)從而形成SiC形成氣體，所述SiC形成氣體適于達到所述籽晶。
23．如權(quán)利要求21所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，在所述硅設(shè)置部分內(nèi)布置的所述硅的一上表面上布置有一由碳、石英或SiC制成的屏障，它上面具有通孔，允許由所述加熱構(gòu)件蒸發(fā)的硅從此經(jīng)過。
24．如權(quán)利要求22所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述合成容器的內(nèi)表面包括鉆石類碳或玻璃類碳。
25．如權(quán)利要求22所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，一由石墨制成的隔熱屏放在所述合成容器的外側(cè)。
26．如權(quán)利要求25所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，所述隔熱屏是由多個彼此相鄰且中間帶有一間隙的矩形石墨片構(gòu)成，從而獲得整體上基本為圓柱形的結(jié)構(gòu)。
27．如權(quán)利要求25所述的用于制造SiC單晶的裝置，其中，多個所述隔熱屏沿所述合成容器的徑向布置。
全文摘要
一種用于制造SiC單晶的裝置,包括:一Si設(shè)置部分,其中放有固態(tài)硅;一籽晶設(shè)置部分,其中放有SiC的籽晶;一合成容器,適合于容納Si設(shè)置部分、籽晶設(shè)置部分和碳;加熱構(gòu)件,適合于加熱Si設(shè)置部分和籽晶設(shè)置部分;和一控制部分,用于向加熱構(gòu)件輸送一指令,以將硅加熱到硅的蒸發(fā)溫度或更高,和將籽晶加熱到高于Si的溫度;其中,由加熱構(gòu)件蒸發(fā)的Si適于達到籽晶設(shè)置部分。本發(fā)明還涉及制造SiC單晶的方法。
文檔編號C30B23/00GK1225953SQ9910096
公開日1999年8月18日 申請日期1999年1月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月19日
發(fā)明者鹽見弘, 西野茂弘 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社, 西野茂弘