CN105518190B - 从硅碳化物先驱物来生产大块硅碳化物的方法和器具 - Google Patents

Abstract

本文公开一种生产硅碳化物的方法。本方法包括以下步骤：提供升华炉，其包括炉壳、至少一个位于炉壳外的加热元件、和位于炉壳内由绝热体包围的热区。热区包括具有位于下区域的硅碳化物先驱物和位于上区域的硅碳化物晶种的坩埚。热区经加热以升华硅碳化物先驱物，于硅碳化物晶种的底部表面形成硅碳化物。同样公开用以生产硅碳化物的升华炉以及所生产的硅碳化物材料。

Description

从硅碳化物先驱物来生产大块硅碳化物的方法和器具

[相关申请之交互参照]

本发明系关于2013年9月6日申请之美国临时发明专利申请案第61/874,606号。此专利之全部内容在此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明系关于升华炉与制备具有低瑕疵密度的大块硅碳化物的方法。

背景技术

因优异的化学、物理、和电子特性，硅碳化物(silicon carbide,SiC)近年来引起高度的兴趣。特别是，已发现大块单晶SiC在半导体上的应用，其包括如作为在电力电子产品中之材料和元件之基板，和LED。其它关于此材料的应用也逐步浮现。

在本领域中，硅碳化物可使用多种已知的方法进行制备。举例而言，大型单晶硅碳化物已使用物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法进行制备。在此方法中，来源，如硅碳化物粉末，被提供至长晶炉之高温区中并加热。此外，晶种，如硅碳化物单晶晶圆，被提供至低温区。硅碳化物被加热至升华，且使所得蒸气抵达较低温之硅碳化物晶种而材料沉积于其上。或者，来源可为硅颗粒和碳颗粒之混合物，其在加热时反应以形成SiC，随后升华且再结晶于晶种之上。

当大型的硅碳化物胚晶以长晶炉制成时，工艺通常是难以控制的。举例而言，工艺的条件，如在来源和晶种之间的温度梯度是至关重要的，其在长晶过程(通常需在超过2000℃下耗时数天)中需维持恒定，以产生具有完整而一致特性的胚晶。工艺上微小的变化可导致生长的硅碳化物胚晶的品质产生巨大的改变。此外，在生长持续时，若工艺条件没有妥善的控制，也可能发生晶种及/或生长结晶的升华。另外，产物的品质可被使用于晶体生长腔室的组件的类型所影响，因为，取决于生长条件，有些可能会分解进而在生长时造成化学干扰。如此一来，在升华炉中的硅碳化物生长通常在结晶中含有瑕疵，如低角度晶界、错位、硅和碳的第二相夹杂、不同的多型夹杂(polytype inclusion)、和微型管(micropipe)，其将影响材料的表现性能。此外，即使用于长单晶的特定条件可被维持以生成高品质的产物，但批次之间的变异仍典型常见，因为，举例而言，器具的来源、晶种、和组件的任何变异性可产生不一致的产品。

由于迄今仍然没有可靠且可重复的硅碳化物升华炉或可有效地且具成本效益地生成高品质的大型硅碳化物单晶的方法。因此，改良硅碳化物生长器具和方法在产业界仍有需要。

发明内容

本发明系关于一种生产硅碳化物的方法。该方法包括提供提供升华炉，其包括炉壳、至少一个位于炉壳外的加热元件、和位于炉壳内由绝热体包围的热区的步骤。该热区包括具有上区域和下区域的坩埚、密封坩埚的坩埚罩、和位于坩埚的下区域的实质上为固体的硅碳化物先驱物。在一个具体实施例中，先驱物为实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，其包括经由加热含有硅颗粒和碳颗粒之颗粒混合物所制备的硅碳化物。在另一个具体实施例中，先驱物为经由加热颗粒硅碳化物所制备。硅碳化物晶种位于坩埚的上区域，硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，其底部表面面向实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物。此方法还包括使用加热元件加热热区使实质上为固体的硅碳化物先驱物升华并形成硅碳化物于硅碳化物晶种之底部表面。本方法的各种具体实施例将被陈述。

本发明进一步关于用于形成硅碳化物的升华炉，其包括炉壳、至少一个位于炉壳外的加热元件、和位于炉壳内由绝热体包围的热区。热区包括具有上区域和下区域的坩埚、密封坩埚的坩埚罩、和位于坩埚的下区域的实质上为固体的硅碳化物先驱物。在一个具体实施例中，先驱物为实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，其包括含有硅颗粒和碳颗粒之经加热的颗粒混合物。在另一个具体实施例中，先驱物为经加热的颗粒硅碳化物。硅碳化物晶种位于坩埚的上区域，硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，其底部表面面向实质上为固体的硅碳化物先驱物

应该理解的是，前述广义的叙述和下面细节的叙述两者皆仅为例示性和解释性，而意在提供所主张之本发明的进一步解释。

附图说明

图1a和1b为用于本发明各种具体实施例的硅碳化物晶种托架之透视图。

图2为用于本发明各种具体实施例的升华炉之示意图。

图3a和3b显示用于本发明各种具体实施例的升华炉的热区的各种视图。

图4为本发明具体实施例所生成的硅碳化物胚晶之剖视图。

具体实施方式

本发明系关于用于生产硅碳化物的方法和器具。

在本发明中形成硅碳化物之方法中，提供升华炉，其包括炉壳、热区、和位于炉壳内包围热区的绝热体。炉壳可为本领域任何已知用于高温结晶炉者，包括含有外壁和定义出用于冷却流体(如水)循环的冷却通道的内壁之石英外壳。此外，炉壳也可为以空气冷却(如从壳底部至顶部)的单壁石英壳。炉壳由至少一个加热元件所环绕，加热元件提供热以促使并控制晶体生长。

热区包括具有坩埚罩或坩埚盖的坩埚，且硅碳化物先驱物(在本文有时称为硅碳化物来源)和硅碳化物晶种两者皆位于坩埚内。其将各自于下面进行详细的叙述。绝热体当被置于升华炉内时围绕热区且可为任何于本领域已知的材料，其具有低热导度，并能进一步承受炉中的温度和条件，其包括，如石墨。较佳地，绝热体包括多个纤维绝热体层，如石墨毡，且层的数目可依据，如层的厚度、炉壳的尺寸、坩埚的尺寸和形状、结晶生长条件、以及成本而异。较佳地，绝热体层的形状和尺寸符合所使用之坩埚的形状和尺寸并提供足够低的热导度以维持晶体生长所欲的热梯度。举例而言，对于圆柱形坩埚，绝热体较佳地包括具有甜甜圈形状(donut shape)的纤维绝热材料层，其被堆迭以环绕坩埚。较佳地，由绝热体围绕的热区被封闭于支撑容器中，如石英容器，以易于进行处理且维持一致的低热导度。任何存在于支撑容器之外侧和炉壳的内侧表面之间的间隙可以惰性气体或混合气体(如氩气和氮气的组合)进行填充。

对于本方法，炉壳、热区、和绝热体可以各种方式组合。举例而言，在一个具体实施例中，绝热体被提供在顶部开放的支撑容器中且置于炉壳内(如在可动或固定的底座上)，其具有围绕外壳外侧的加热元件，以及包括以坩埚罩密封之坩埚且包含硅碳化物先驱物和硅碳化物晶种的热区，其位于绝热体内以使绝热体围绕热区。或者，在另一个具体实施例中，绝热体位于炉壳内，较佳地位于支撑容器内，而坩埚位于绝热体内。硅碳化物来源和硅碳化物晶种接着置于坩埚内，其接着可以坩埚罩密封。此外，在另一个具体实施例中，绝热体环绕热区放置，无论其是否含有来源和晶种，而热区和绝热体一起被置于炉壳内，其中较佳地使用支撑容器。无论顺序，热区较佳地沿着外壳的垂直中心轴水平地(举例而言，为轴向地)置于炉壳的中心。沿着此中心轴的垂直定位取决于，例如，加热元件的类型和位置(其将如下所述)以及所欲生成的热梯度。较佳地，热区垂直设置在炉壳之中心或中心之上以及环绕炉壳的加热元件之中心。特定的垂直定位系可进行调整以最佳化长晶表现。在将硅碳化物来源和晶种提供至坩埚后，坩埚可接着以坩埚罩密封。其它组合也为可能的且为发明所属技术领域中具有通常知识者所知。视需要地，多孔过滤器(如多孔石墨过滤器)可置于硅碳化物先驱物和硅碳化物晶种之间。

一旦升华炉被组装，本发明之方法还包括下列步骤：以加热元件加热热区，以升华硅碳化物先驱物，从而形成硅碳化物于硅碳化物晶种上。加热元件可为任意在本领域已知可用于改变炉壳内之温度者，且更具体地，为坩埚内之温度，以使来源升华。加热元件可为单一元件，或可包括多个元件，其较佳地用于增加控制。较佳地，对于本发明来说，加热元件为感应加热器，其包覆炉壳的外围且可与炉壳内的组件感应耦合。此外，为了量测、维护、和/或控制坩埚内之温度，热区可还包括至少一个位于坩埚上的热观察管。热观察管较佳地为穿过坩埚罩而位于硅碳化物晶种之上。温度值可从此处量测，且若有需要，至加热元件之功率可被改变，以确保所欲之晶体生长条件可被维持。

如上所述，热区包括坩埚、坩埚罩、硅碳化物先驱物、和硅碳化物晶种。坩埚可为任何本领域已知可承受升华炉内之条件者。较佳地，坩埚和坩埚盖包含石墨。此外，坩埚可具有任何的形状或尺寸，其取决于，举例而言，炉壳的形状和尺寸、所使用之硅碳化物先驱物的量、以及将生成之硅碳化物产物所欲之形状和尺寸。举例而言，坩埚可具有实质上圆柱形状。坩埚具有上区域(为坩埚顶部之区域)和下区域(为坩埚底部之区域)，且这些区域可具有相同或不同的形状和/或截面积。例如，坩埚之上区域和下区域皆可具有实质上圆柱形状，而上区域之直径较下区域之直径大。在此示例中，绝热体可紧贴上区域和下区域两者，从而与坩埚之整个外表面接触，或较佳地，绝热体可紧贴上区域而不紧贴下区域，从而在坩埚之下部和绝热体之间留下间隙。硅碳化物先驱物被置于坩埚之下区域而硅碳化物晶种被置于坩埚之上区域。如此，当热区经由围绕炉壳之加热元件加热时，硅碳化物先驱物进行反应且/或升华以形成含硅和碳之蒸气，其接着经由热区向上移动至硅碳化物晶种，至此之上蒸气浓缩且再凝固，从而形成硅碳化物产物。

硅碳化物先驱物可直接被置于坩埚之下区域，或可被提供于位于下区域的分离而单独的容器。举例而言，硅碳化物先驱物可被包含于位于坩埚中之源模块中。源模块，其具有一个或多个先驱物腔室，可为任何可承受形成硅碳化物所需条件之容器，且进一步地不会干扰或加入污染物至产物中。较佳地，源模块包括石墨。模块之形状可依据，如先驱物所填充的量和坩埚的形状，而异。举例而言，源模块可为圆柱形的插件，其被提供以于坩埚的下区域形成环形腔室。如此，靠近加热元件的外部环型腔室可含有硅碳化物先驱物而内部圆柱型腔室提供空间使升华之产物通过到达硅碳化物晶种。较佳地，对于此具体实施例，圆柱形源模块包括多孔石墨，其能够允许硅碳化物先驱物升华所产生的蒸气之扩散。

硅碳化物先驱物包括硅碳化物且可为任何形式，包括粉末、颗粒、固体、或其组合。较佳地，硅碳化物先驱物为实质上为固体，其具有非常低量之颗粒材料，包括，举例而言，少于10％颗粒材料、少于5％颗粒材料、和少于1％颗粒材料。最佳地，硅碳化物先驱物为实质上不具有颗粒材料之固体材料。此外，先驱物也可为相较于硅碳化物之密度为多孔而低密度固体，或无孔而高密度固体。

硅碳化物先驱物可由多种不同方式所制备。举例而言，包括硅和碳(如石墨)的试剂混合物系可经制备而随后加热以形成包含硅碳化物之实质上为固体先驱物之硅碳化物先驱物混合物。或者，可提供并加热颗粒硅碳化物以转换为实质上为固体之硅碳化物先驱物。转换之程度可随，如加热的程度、温度、和对于试剂混合物中，硅和碳的比例以及混合物的形式，而异。举例而言，硅颗粒和碳颗粒可被合并而形成颗粒混合物，其增加了用于形成先驱物之硅碳化物之反应时之表面面积。较佳地，使用莫耳过量的碳以驱使硅转换为硅碳化物。举例而言，用于制备硅碳化物先驱物之碳和硅之莫耳比较佳地大于1.0，更佳地自约1.05至约1.5，或最佳地自约1.1至约1.3。

任何已知的颗粒硅碳化物或硅颗粒和碳颗粒可被用于制备硅碳化物先驱物。举例而言，当颗粒混合物被使用时，较佳地，硅颗粒具有自约0.1mm至约10mm的平均颗粒尺寸，更佳地具有自约0.5mm至约5mm的平均颗粒尺寸，和最佳地具有自约1mm至约4mm的平均颗粒尺寸。此外，较佳地，碳颗粒具有自约50微米至约1000微米范围的平均颗粒尺寸，更佳地具有自约75微米至约750微米的平均颗粒尺寸，和最佳地具有自约85微米至约500微米的平均颗粒尺寸。在这些范围中的颗粒可使用任何本领域中可获得的方法制备，包括如滤筛。

颗粒混合物可被形成为均质或近均质(near-homogeneous)之硅颗粒和碳颗粒混合物，如合并试剂颗粒并搅拌或混合，或为异质之混合物，其经由合并试剂颗粒但无刻意的混合。例如，硅颗粒和碳颗粒可被合并于碳和硅交错的层中，其中，各碳层具有实质上等量的碳，而各硅层具有实质上等量的硅。颗粒混合物可被提供至坩埚之下区域，如前所述，并加热，或者，可被提供于源模块中，如前所述，其可被置于坩埚中并加热，或可被分别加热而接着置于坩埚之下区域中。

热区还包括置于硅碳化物形成于其上之坩埚上区域之硅碳化物晶种。晶种为单晶以确保能形成实质上为单晶的硅碳化物。任何本领域所知的晶种皆可以被使用。较佳地，硅碳化物晶种为硅碳化物晶圆，特别是圆形硅碳化物晶圆，如可经由切割硅碳化物胚晶取得者。硅碳化物晶种晶圆之直径可取决于各种要素而异，如坩埚之尺寸和所欲生成之硅碳化物之所欲的尺寸。举例而言，硅碳化物晶种可为具有大于约75mm(如自约80mm至约85mm)之直径之圆形硅碳化物晶圆、大于约100mm(如自约105mm至约115mm)之直径、和大于约150mm(如自约160mm至约170mm)之直径、和大于约200mm(如自约210mm至约230mm)之直径。硅碳化物晶种之厚度也可依据如成本和可用性等因素而异。举例而言，硅碳化物晶种可为具有自约0.5mm至约3.5mm之厚度之圆形硅碳化物晶圆，如自约0.6mm至约1.3mm之厚度和自约0.7mm至约1.1mm之厚度。

硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面且位于坩埚之上区域，而其底部表面朝向位于坩埚之下区域之硅碳化物先驱物。因晶种为单晶之硅碳化物，晶种具有硅面和碳面，且晶种可被定位以使任一面朝向先驱物，其取决于所欲形成之硅碳化物之多型(polytype)。举例而言，当硅碳化物晶种晶圆之硅面为底部表面，而4H硅碳化物可自晶种晶圆之碳面生长时可形成6H硅碳化物。较佳地，硅碳化物晶种系提供于分别而独立地晶种模块，且晶种模块被置于坩埚之上区域中。晶种模块可为任何可承受硅碳化物结晶生长条件之容器且可还包含硅碳化物晶种，支撑晶种定位而不会影响硅碳化物生长。较佳地，晶种模块包括包含晶种之晶种持件，当硅碳化物生长于其上，使晶种之底部表面暴露于坩埚之上区域。较佳地，高达75％的底部表面被暴露，更佳地80％，且最佳地90％。如此一来，最大化结晶生长表面之暴露。

此外，较佳地，被包含于晶种持件内的硅碳化物晶种之顶部表面也被暴露于坩埚之上区域。更具体地，大于约75％之晶种顶部表面被暴露于晶种持件中，包括大于约80％和大于约90％。其与本领域之典型作法相反。具有通常知识者将会黏附晶种之顶部表面至保护屏障，如可作为坩埚盖的厚石墨块。使晶种之顶部表面暴露将可预料到晶种的分解和成长的硅碳化物晶体中瑕疵的产生。然而，将晶种黏附于块体将具有显著的缺点，特别是因在块体和晶种之间的热的不匹配(thermal mismatch)所产生在成长的结晶中的应力和瑕疵。此外，幸存于生长条件之附着剂使过程增加额外的成本且可能对结晶生长环境增加污染。

令人惊讶地，目前已经发现硅碳化物晶种之顶部表面可被暴露于坩埚之上区域，而被暴露之表面其为独立于或悬于热区内晶种上的任何组件，包括坩埚或坩埚盖，且因此硅碳化物可具有较少整体晶体瑕疵地被形成在晶种之上。为了确保硅碳化物晶种之顶部表面不会在硅碳化物生长时劣化，较佳地为晶种之顶部表面包括晶种保护层，其可作为对坩埚之上区域中之晶体生长环境之屏障。更佳地，硅碳化物晶种之整体顶部表面包括晶种保护层。此层可为单层或可包括多层，但其整体厚度相对于晶种之厚度仍非常地薄。较佳地，晶种保护层具有小于约250微米之厚度，且更佳地为小于约100微米厚，如自约10微米至约90微米、自约30微米至约80微米、和自约50微米至约70微米。晶种保护层可包括任何可避免与晶种之顶部表面反应而不会带来非所欲之应力(特别是由于热膨胀系数之不匹配)的材料。举例而言，晶种保护层可包括一或多层碳质层(carbonaceous layer)，如包括石墨或其在高温下固化之光阻层之涂层。当晶种保护层包括至少两层涂膜层，层之厚度可以进行变化只要整体厚度较佳地维持在约250微米之下。举例而言，各层可为自约1微米至约100微米，包括当层为固化光阻时，为自约2微米至约5微米，和当层为石墨涂膜层时，为自约20微米至约30微米。

晶种保护层可使用本领域任何已知的可生成薄表面层之涂布技术施用于硅碳化物晶种表面。因此，在本案之方法中之一个具体实施例中，晶种模块系由包括下列步骤之方法提供：施用至少一涂层至硅碳化物晶种之表面上，并其取决于所使用的材料，视需要地固化所产生之涂层。表面可为晶种之硅面，或为晶种之碳面。一经涂布后，包含晶种保护层之表面被用作为晶种之顶部表面，且晶种，较佳地包含于晶种模块中，系位于坩埚中，且此被保护的表面暴露于坩埚之上区域。

各种不同的晶种持件都可被使用，且持件可由任何可承受硅碳化物晶体生长所需的高温条件之材料，例如石墨制成。较佳地，对于本发明之方法，晶种持件包括一或多个蒸气释放开口，其为设置于持件中之空间以允许所产生之蒸气(如自硅碳化物先驱物的升华)自坩埚排出。较佳地，蒸气释放开口当其被包含于晶种持件中且相邻于或位于晶种周缘之外侧时被提供在硅碳化物晶种的底部表面之下，从而允许过量的蒸气朝向上并围绕晶种移动，且接着排出坩埚，其亦较佳地包括一或多个排气孔以允许蒸气得以穿过。此外，蒸气释放环也被包含在晶种持件内或在晶种持件之外侧和坩埚壁之间。环包括一或多个对齐坩埚壁上的排气孔的孔洞。位在晶种持件上部的上部蒸气释放孔也可被使用。环的调整可通过改变孔洞的排列而变化自坩埚排出且至环绕的绝热体的蒸气量。

晶种持件的蒸气释放开口数目系可变的，如同其形状和尺寸，且开口也可设置于晶种持件上不同的位置。举例而言，晶种持件可包括位于环绕持件(与硅碳化物晶种底部表面垂直)轴心的多个蒸气释放开口。具体地，对于为圆形晶圆的硅碳化物晶种，多个蒸气释放开口可为围绕晶种之外侧并与轴心呈等距而对称地设置。开口的形状可为，举例而言，圆形、椭圆形、矩形、或正方形，且开口可置于晶种持件之主体内或沿着边缘设置。如一具体的示例，晶种持件可包括多个正方形蒸气释放开口，其环绕面对来源的晶种持件的底边而对称设置，而形成基本上为城堡塔楼(castle turret)的形状。

因此，本发明用于形成硅碳化物的方法包括下列步骤：提供包括炉壳、绝热体、和热区的升华炉，热区包含坩埚，其具有硅碳化物先驱物于下区域和硅碳化物晶种于上区域。在一个具体实施例中，硅碳化物先驱物被包含于源模块中，且/或硅碳化物晶种被包含于晶种模块中。这些模块可在坩埚外以独立的步骤进行制备，之后再置于坩埚中。如此，这些与升华炉分开的来源、晶种、或两者皆可以预先包装组件(prepackaged component)提供。来源系在硅碳化物制备时消耗，且硅碳化物晶种成为生成硅碳化物产物的一部份且与所生成的材料一起被移走。因此，本发明中之一种方法为用于在升华炉之热区中制备硅碳化物的可消耗的工艺。提供炉，可消耗的源模块和/或可消耗的晶种模块被分别置于热区的下区域和上区域，硅碳化物被形成，而来源和晶种两者皆被移走以另一组来源和晶种取代，用于后续的硅碳化物制备。

本发明的方法的一特定具体实施例陈述如下。然而，对于发明所属技术领域中具有通常知识者为明显的是，仅通过实施例呈现，此本质仅作为示例而非限制。各种不同的修正和其他的具体实施例落于本领域之常规技术范围中且也应是为落在本发明之范围中。此外，发明所属技术领域中具有通常知识者应理解特定之条件和设置仅为示例，且确切的条件和设置乃取决于特定系统。发明所属技术领域中具有通常知识者也应可以辨别和辨识所出示之具体元件之同等物，不超出常规实验而使用。

在本发明中之方法之第一实施例中，实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物系经由将660gr之颗粒硅(颗粒尺寸范围筛至1.0至3.35mm，平均颗粒尺寸为2.18mm)和340gr之颗粒碳(颗粒尺寸范围筛至90至500微米(micron)，平均颗粒尺寸为294微米)置于具有多孔石墨(位于圆柱形石墨坩埚底部)之中心环形壁的圆柱形石墨源模块之外侧环型腔室中。硅和碳颗粒系置于交错的层中，各层具有约等量的材料(6层碳颗粒与5层硅颗粒交错)。多孔石墨过滤器被置于在多层之上，但未与先驱物混合物接触，而保持约为20mm的间隙，且坩埚系以包含圆柱型热观察管之坩埚盖密封。部份填充的坩埚系接着置于由具有约0.25英吋(inch)厚度之多层软石墨毡所围绕的圆柱形石英容器中，填充容器，而被填充的容器系置于炉壳中并以位于炉壳外周围的感应加热器加热至约1400℃两小时，接着加热至约2240℃额外两小时。所生成的实质上为固体之硅碳化物先驱物混合物系用以制备硅碳化物。

另外，晶种模块系经由施用晶种保护层至经抛光之80mm之硅碳化物晶圆之硅面(厚度于0.8至1.0mm之间)，且将被保护的晶种置于晶种持件中来制备。具体地，第一光阻层(Megaposit SPR，为黏性之甲酚酚醛树脂溶液，自Rohm and Haas Electronic Materials取得)系涂布至经抛光之硅碳化物晶圆之硅面，并固化以形成具有2至4微米厚度之第一层。接着第二光阻层系施用在第一层顶部上并固化(厚度为2至4微米)。接着在约120℃经由喷涂石墨(Aerodag G，为非水性之石墨喷雾分散剂)于第二光阻层上而施用碳质层(厚度为20至30微米)。此复合物接着于真空下加热至1150℃两小时以确保完全的固化和覆盖。第三光阻层亦施用于多孔的碳质层，当光阻层填入多孔层时，增加最小厚度，接着喷涂第二石墨层(厚度为20至30微米)以做为封填剂。完整的复合物最终系于大气压下，于氮气中加热至300℃8小时，以生成具有多层晶种保护于其硅面上的硅碳化物晶种晶圆。

被保护的硅碳化物晶种系置于包含多个蒸气释放开口的石墨晶种持件，从而形成晶种模块。此示于图1a，其为晶种模块的顶部视图，而图1b，其为底部视图。因此，包括如上述所制备的在硅面上的晶种保护层110的硅碳化物晶种100，系置于包含对称设置于环绕持件周缘底部而呈城堡塔楼设置之多个矩型蒸气释放开口130的晶种持件120中。此外，晶种持件120还包括额外的蒸气释放开口140于持件的顶部，其系与坩埚上的排气孔对齐，其如图2所示并将于下面讨论。经由硅碳化物先驱物的升华而产生的蒸气可因此接触到硅碳化物晶种100并经由蒸气释放开口130和额外的蒸气释放开口140透过坩埚上的排气孔而排离至周围的绝热体，如轨迹箭头A所说明。硅碳化物晶种100系置于晶种持件120上并带有面朝上的晶种保护层110，使晶种之底部表面碳面生长4H硅碳化物。如图1a和1b所示，硅碳化物晶种100之顶部表面150和底部表面160系暴露于晶种持件120中。

图2为升华炉200之示意图，其包含由感应加热元件202所围绕的炉壳201，且还包括于炉壳201中的热区203，其系沿着炉壳201的中心轴215设置并略位于感应加热元件202中间的上方，并由包含多层石墨毡的绝热体204所围绕。热区203和绝热体204系封闭于石英容器，伴随着填充氩气和氮气之混合物的间隙。如图3a和3b所示，热区203包括由石墨所制且具有一般为圆柱形的坩埚210，其上区域220之直径大于下区域240之直径。包含硅碳化物晶种100的晶种持件120系置于坩埚210之上区域220，其硅碳化物晶种100之顶部表面150和底部表面160系暴露于上区域220。底部表面160面向置于坩埚210之下区域240之实质上为固体之硅碳化物先驱物混合物230，其系如上所述的方式制备于具有由多孔石墨壁233形成之开放环型区域232的源模块235之外侧环型腔室231。实质上为固体之硅碳化物先驱物混合物230经由多孔碳过滤器225自晶种持件120分离，其如图所示，并未与来源或晶种接触。晶种持件120包括矩形蒸气释放开口130(其未示于由图3a所提供的视图)，其提供路径使蒸气得以透过在蒸气释放环280上的排气孔260和对齐孔270自坩埚210排出。坩埚210系以坩埚盖215密封，其中热观察管290被插入并被置于硅碳化物晶种100之上以监控热区203内的温度。

在本发明中之此示例性方法中，在准备升华炉100后，热区203系以感应加热元件202加热至2080℃至2110℃之间的温度，并同时减低反应压力至约0.5托(Torr)，且这些条件系维持约100小时(温度维持在50℃的范围)。温度梯度系建立在坩埚210内，其下区域240较上区域220热约20℃至40℃。如此，实质上为固体之硅碳化物先驱物混合物230被升华且大块硅碳化物系形成在硅碳化物晶种100之底部表面160上，而过量的蒸气则由蒸气释放开口130排出。

同样地，在第二个实施例中，1050至1150gr的颗粒SiC(Poly alpha-SiC，可自Washington Mills取得)系置于圆柱形石墨源模块的外侧环型腔室且置于炉壳中的石墨坩埚中，此为如上实施例所述。SiC系接着加热至约1400℃两小时，接着加热至约2240℃再额外两小时以产生具有密度约为1.1gr/L的实质上为固体之硅碳化物先驱物。另外，具有晶种保护层施用于其硅面且被包含于晶种持件中之包含100mm硅碳化物晶圆的晶种模块，亦系使用类似前述实施例之方法进行制备。具体地，将第一光阻层(Megaposit SPR)涂布于硅碳化物晶圆之经抛光之硅面上并固化以形成具有厚度2至4微米之第一层。接着，以喷涂石墨(Aerodag G)于第一光阻层上(总厚度为20至30微米)施用碳质层。复合物系于真空下加热至1150℃两小时以确保完全的固化和覆盖。重复此程序以生成具有多层晶种保护于其硅面上之硅碳化物晶种晶圆。被保护的晶种接着置于用于前述之实施例之石墨晶种持件并置于石墨坩埚之上区域，晶种之两面皆暴露于上区域，如图3a和3b所示。所生成的热区系由包含多层具有厚度约0.25英吋且具有非常低的热导度(0.15W/(°K.m)于1000℃)的石墨毡的绝热体所围绕，且这样的组合系置于石英容器中且轴向集中于第2图所示之升华炉，并在感应加热元件中央之上。如上所述，形成大块硅碳化物于硅碳化物晶种之底部表面。

所产生的硅碳化物可依据，举例而言，硅碳化物先驱物的尺寸、硅碳化物晶种之底部表面暴露区域之尺寸、和坩埚之相对形状等条件，进行形状和尺寸的变化。举例而言，生长硅碳化物可为沿着与硅碳化物晶种之底部表面平行之方向具有实质上为圆形截面积形状的胚晶之形式。胚晶之直径可沿着垂直的方向自晶种表面增加至最大直径，而直径还减少至圆角(rounded point)，形成一般为圆锥形的底部表面。硅碳化物胚晶之最大直径可取决于，例如，硅碳化物生长的时间长度和生长条件，而异。一般而言，最大直径为自约70mm至约250mm。举例而言，最大直径可大于约75mm(如自约80mm至约85mm)，包括大于约100mm(如自约105mm至约115mm)、大于约150mm(如自约160mm至约170mm)、和大于约200mm(如自约210mm至约230mm)。胚晶重量则取决于生长条件，但一般为来源材料之初始重量之60％至80％。

举例而言，于第二实施例中所生成的大块硅碳化物为具有如图4所示之圆形水平截面区域和形状之胚晶。如图所示，胚晶含有具有弧度外表面的顶部区域A，其直径从在顶部的初始硅碳化物晶种晶圆增加至中间区域B之约中心，其为胚晶最宽的区域，具有约112mm的最大直径。中间区域B之圆外表面可被压成扁平之表面(如图所示)，以用于晶圆生产。胚晶系由拱顶区C所盖住，其在生长时具有闪亮的外表面。在此实施例中，生长之硅碳化物胚晶具有重量约为748gr及高度约为33mm，其中区域A约为10mm，而区域B和区域C约为12mm。

因此，本发明也关于由本发明之方法所制之大块硅碳化物胚晶。因胚晶系如上所述生长于硅碳化物晶种上，因此生长之胚晶包含此晶种。所以，在本发明之特定具体实施例中，生长于圆形硅碳化物晶圆之硅碳化物胚晶具有基本上为球形(bulbous)(带有实质上为圆形水平截面形状)，且包含平坦之外表面，其包括圆形硅碳化物晶圆且因此具有或多层，较佳地为至少两层，如从2至5层的碳质涂层。大块硅碳化物胚晶还具有中间区域，其沿着平行于平坦表面之方向具有实质上为圆形截面形状，其直径较平坦表面之直径略大，且锥形或拱顶形之外表面相对于平坦之外侧表面。锥形外表面较佳地具有似镜面抛光。

由本发明之方法所制造之本发明之硅碳化物，已被发现具有改良的特性，特别是一般而言较低的整体总瑕疵数量，包括但不限于，线边错位(threading edgedislocation)、线螺旋错位(threading screw dislocation)、和基面瑕疵(basal planedefects)(错位和堆迭错误)。举例而言，硅碳化物已被发现具有少于约8000/cm²之总瑕疵数，且具体地，为少于约6000/cm²。此外，硅碳化物之线边错位密度已被发现为低，例如少于约4000/cm²，且具体地，为少于约2500/cm²。另外，硅碳化物已被发现具有少于约3500/cm²之线螺旋错位密度，包括少于约3000/cm²。此外，本发明之硅碳化物之基面瑕疵密度也低，如少于约500/cm²或少于约200/cm²。较佳地，本发明之方法所生成之硅碳化物具有少于约2500/cm²之线边错位密度、少于约3000/cm²之线螺旋错位密度、和少于约200/cm²之基面瑕疵密度。

多个硅碳化物晶圆可自具有低瑕疵量之成长硅碳化物胚晶移出，且晶圆的数量将取决于中间区域的尺寸(其具有最大直径)、目标晶圆之厚度、和用以移除晶圆之方法。如图4所示之胚晶，其预计可自其中间区域B分割出7至10个晶圆，其可根据需求进行抛光。每一个自具有平均低的瑕疵数之胚晶所得的晶圆将可预期具有改良的物理和性能上的特性，特别是在LED或动力元件之应用。举例而言，1.25mm之硅碳化物晶圆系自如图4所示之胚晶之区域B所分割-一个在顶部(W1)，一个在底部(W2)。这些经抛光至约1.00mm之厚度并分析其瑕疵量。其结果将如下方之表1所示：

表1

晶圆	线螺旋	线边	基面	总瑕疵
					W1	915	1001	143	2058
W2	44	1210	477	1732

如数据所示，发现两晶圆具有惊人地低的总瑕疵数。此外，瑕疵的总数量在通过区域B时会减少，显示瑕疵在生长时会减少。线螺旋错位、线边错位、和基面瑕疵也将都惊人地少。在各晶圆中如此低的瑕疵量下，所有自区域B的晶圆将预期会具有增加的性能在如LED和动力电子应用上。

本发明还关于使用于上述之方法之升华炉。升华炉包括炉壳、至少一个置于炉壳外的加热元件、和位于炉壳内并由绝热体所围绕的热区。炉壳、加热元件、绝热体、和热区可为上述的任意一者。具体地，热区包括坩埚、密封坩埚的坩埚罩、位于坩埚下区域的硅碳化物先驱物、和位于坩埚上区域的硅碳化物晶种。任何上述之组件可被用于本发明之升华炉，包含如实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，其可如由加热包含硅和碳颗粒的颗粒混合物所制备，和包括硅碳化物晶种之晶种模块，特别是具有暴露于坩埚之上区域之顶部表面和底部表面之晶种且其中，硅碳化物晶种之顶部表面包含晶种保护层。

以上描述之本发明之较佳具体实施例乃是用于说明和解释的目的。其并非意于详细地或将本发明限制在所揭露的特定之具体。依据上述之教示，修正和变化为可能的，或从实践本发明中可获得修正和变化。具体实施例被挑选出并说明乃为了解释本发明之原理和其实际应用，以使发明所属技术领域中具有通常知识者在各种具体实施例中使用本发明，且以所适合的修正至所考量之特定使用。本发明之范围将由文后所附的权利要求书及其同等物所定义。

Claims (19)

1.一种形成硅碳化物的方法，包括下列步骤：

i)提供升华炉，其包括炉壳、至少一个位于该炉壳外的加热元件、和位于该炉壳内由绝热体包围的热区，该热区包括

a)具有上区域和下区域的坩埚；

b)密封该坩埚的坩埚罩；

c)实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，其包括位于该坩埚之该下区域的硅碳化物，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物通过加热包括硅颗粒和碳颗粒的颗粒混合物所制备，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物被包含于源模块的外部环型腔室中，其中，于该坩埚的下区域中，该源模块为圆柱形的插件且形成环形腔室且该源模块可从该下区域形成环形腔室分离；以及

d)位于该坩埚的该上区域的硅碳化物晶种，该硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，该底部表面面向该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，且该顶部表面是暴露于该坩埚的该上区域，其中，暴露的该顶部表面为独立于或悬于该热区内的该硅碳化物晶种上包括该坩埚的任何组件，且其中，该硅碳化物晶种被包含于包括一或多个蒸气释放开口的晶种持件，该一或多个蒸气释放开口设置于该晶种持件中的空间以允许自该硅碳化物先驱物的升华所产生的蒸气自该坩埚排出；

ii)在该坩埚的该下区域形插入该源模块后，以该至少一个加热元件加热该热区，以使该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物升华，其中，温度梯度建立在坩埚内，使得该坩埚的下区域较该坩埚的上区域热20℃至40℃；以及

iii)形成硅碳化物于该硅碳化物晶种的该底部表面；以及

iv)移走该源模块。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物通过提供包含该颗粒混合物的该源模块，以及加热该源模块以形成该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物而制备。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该源模块包括先驱物腔室，以及其中，该颗粒混合物被包含于该先驱物腔室内。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物为多孔的。

5.如权利要求4所述的方法，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物具有小于硅碳化物密度的密度。

6.如权利要求1所述的方法，其中，该颗粒混合物具有大于1.0的碳硅莫耳比。

7.如权利要求6所述的方法，其中，该碳硅莫耳比为自1.05至1.5。

8.如权利要求6所述的方法，其中，该碳硅莫耳比为1.1至1.3。

9.如权利要求1所述的方法，其中，该硅颗粒具有0.1mm至10mm的平均颗粒尺寸。

10.如权利要求9所述的方法，其中，该硅颗粒具有0.5mm至5mm的平均颗粒尺寸。

11.如权利要求9所述的方法，其中，该硅颗粒具有1mm至4mm的平均颗粒尺寸。

12.如权利要求1所述的方法，其中，该碳颗粒具有50微米至1000微米的平均颗粒尺寸。

13.如权利要求12所述的方法，其中，该碳颗粒具有75微米至750微米的平均颗粒尺寸。

14.如权利要求12所述的方法，其中，该碳颗粒具有85微米至500微米的平均颗粒尺寸。

15.如权利要求1所述的方法，其中，该颗粒混合物为硅颗粒和碳颗粒的异质混合物。

16.如权利要求15所述的方法，其中，该颗粒混合物包括交错的硅颗粒层和碳颗粒层。

17.一种用于形成碳硅化物的升华炉，其包括炉壳、至少一个位于该炉壳外的加热元件、和位于该炉壳内由绝热体包围的热区，该热区包括

a)具有上区域和下区域的坩埚；

b)密封该坩埚的坩埚罩；

c)位于该坩埚的该下区域的实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物包括经加热的颗粒混合物，其包括硅颗粒和碳颗粒，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物被包含于源模块的外部环型腔室中，其中，于该坩埚的下区域中，该源模块为圆柱形的插件且形成环形腔室且该源模块可从该下区域形成环形腔室分离；以及

d)位于该坩埚的该上区域的硅碳化物晶种，该硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，该底部表面面向该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物，且该顶部表面是暴露于该坩埚的该上区域，

其中，当该热区以该至少一个加热元件加热，以将该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物升华时，温度梯度建立在坩埚内，使得该坩埚的下区域较该坩埚的上区域热20℃至40℃，

其中，暴露的该顶部表面为独立于或悬于该热区内的该硅碳化物晶种上包括该坩埚的任何组件，且其中，该硅碳化物晶种被包含于包括一或多个蒸气释放开口的晶种持件，该一或多个蒸气释放开口设置于该晶种持件中的空间以允许自该硅碳化物先驱物的升华所产生的蒸气自该坩埚排出，

其中，该热区是在该源模块插入该坩埚的下区域中后加热，

其中，在该硅碳化物形成后移走该源模。

18.一种形成硅碳化物的方法，包括下列步骤：

i)提供升华炉，其包括炉壳、至少一个位于该炉壳外的加热元件、和位于该炉壳内由绝热体包围的热区，该热区包括

a)具有上区域和下区域的坩埚；

b)密封该坩埚的坩埚罩；

c)实质上为固体的硅碳化物先驱物，包括位于该坩埚的该下区域的硅碳化物，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物通过加热颗粒硅碳化物所制备，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物被包含于源模块的外部环型腔室中，其中，于该坩埚的下区域中，该源模块为圆柱形的插件且形成环形腔室且该源模块可从该下区域形成环形腔室分离；以及

d)位于该坩埚之该上区域的硅碳化物晶种，该硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，该底部表面面向该实质上为固体的硅碳化物先驱物，且该顶部表面是暴露于该坩埚的该上区域，其中，暴露的该顶部表面为独立于或悬于该热区内的该硅碳化物晶种上包括该坩埚的任何组件，且其中，该硅碳化物晶种被包含于包括一或多个蒸气释放开口的晶种持件，该一或多个蒸气释放开口设置于该晶种持件中的空间以允许自该硅碳化物先驱物的升华所产生的蒸气自该坩埚排出；

ii)在该坩埚的该下区域形插入该源模块后，以该至少一个加热元件加热该热区以升华该实质上为固体的硅碳化物先驱物，其中，温度梯度建立在坩埚内，使得该坩埚的下区域较该坩埚的上区域热20℃至40℃；以及

iii)形成硅碳化物于该硅碳化物晶种的该底部表面；以及

iv)移走该源模块。

19.一种用于形成碳硅化物的升华炉，其包括炉壳、至少一个位于该炉壳外的加热元件、和位于该炉壳内由绝热体包围的热区，该热区包括

a)具有上区域和下区域的坩埚；

b)密封该坩埚的坩埚罩；

c)实质上为固体的硅碳化物先驱物，其包括位于该坩埚的该下区域经加热的颗粒硅碳化物，其中，该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物被包含于源模块的外部环型腔室中，其中，于该坩埚的下区域中，该源模块为圆柱形的插件且形成环形腔室且该源模块可从该下区域形成环形腔室分离；以及

d)位于该坩埚的该上区域的硅碳化物晶种，该硅碳化物晶种具有顶部表面和底部表面，该底部表面面向该实质上为固体的硅碳化物先驱物，且该顶部表面是暴露于该坩埚的该上区域，

其中，当该热区以该至少一个加热元件加热，以将该实质上为固体的硅碳化物先驱物混合物升华时，温度梯度建立在坩埚内，使得该坩埚的下区域较该坩埚的上区域热20℃至40℃，

其中，暴露的该顶部表面为独立于或悬于该热区内的该硅碳化物晶种上包括该坩埚的任何组件，且其中，该硅碳化物晶种被包含于包括一或多个蒸气释放开口的晶种持件，该一或多个蒸气释放开口设置于该晶种持件中的空间以允许自该硅碳化物先驱物的升华所产生的蒸气自该坩埚排出，

其中，该热区是在该源模块插入该坩埚的下区域中后加热，

其中，在该硅碳化物形成后移走该源模。

Images