CN112176405A - 水平生长高质量半导体单晶的系统及该单晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平生长高质量半导体单晶的系统及该单晶的制造方法。具体地，本发明涉及一种用于通过物理气相传输(PVT)使用水平取向的PVT生长结构制造一个或多个半导体单晶的系统及方法。更具体地，本发明提供一种用于制造半导体材料的一个或多个单晶的PVT生长系统，该系统包括：反应器，该反应器具有用于容纳PVT生长结构的内腔，该PVT生长结构用于在内部生长该一个或多个单晶，其中，该反应器用于在相对于重力方向的一取向上容纳该PVT生长结构，使得该PVT生长结构内部的该一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内。所制造的一个或多个单晶可以是由诸如碳化硅(例如4H‑SiC)和III‑V族半导体的半导体材料制成。

Description

水平生长高质量半导体单晶的系统及该单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及用于生长高质量块状半导体单晶的系统和方法，更具体地，涉及基于物理气相传输在相对于重力方向的水平方向上水平生长半导体单晶(诸如碳化硅)的系统和方法。

背景技术

碳化硅(Silicon Carbide，SiC)被广泛用作大量应用(诸如电力电子、射频和发光半导体部件)中的电子部件的半导体衬底材料。

通常使用物理气相传输(Physical Vapor Transport，PVT)方法生长块状SiC单晶梨晶，特别是用于商业目的。然后通过从块状SiC晶体(例如使用线锯)切割薄片或晶圆并通过一系列抛光步骤精加工衬底表面来从单晶梨晶产生SiC衬底。精加工的SiC衬底用于例如在外延过程中的半导体部件的制造，在外延过程中将合适的半导体材料(例如SiC、GaN)的薄单晶层沉积到SiC衬底上。沉积的单晶层及从其制造的电子部件的特性关键取决于底层衬底的质量和同质性。为此，SiC出色的物理、化学、电学和光学特性使其成为电力设备应用中的优选半导体衬底材料。

PVT是一种晶体生长方法，该方法主要包括将合适的原材料升华，然后在籽晶处再冷凝，在籽晶处发生单晶的形成。将原材料和籽晶放置在生长结构内部，在生长结构中通过加热升华原材料。然后，由于在原材料和籽晶之间建立了温度梯度，升华后的蒸汽以受控的方式朝向籽晶扩散并沉积到籽晶上，在该籽晶处，升华后的蒸汽生长成为单晶。

基于PVT的生长系统的核心是所谓的反应器，该反应器提供了腔室，在该腔室中，放置生长结构并产生适于生长单晶的低压气氛。生长结构的内壁通常由密度例如为至少1.75g/cm³的多孔石墨制成，呈气态的掺杂组分或惰性气体可以借助多孔性通过该多孔石墨渗透到生长隔室中。用于在PVT生长结构内部升华原材料的热通常由感应加热系统或电阻加热系统提供。生长结构内的温度通过安装在生长结构前缘附近的一个或多个高温计或热电偶来测量。真空密封的反应器通过一个或多个真空泵抽成真空，并通过一个或多个气体进料部供应惰性气体或掺杂气体，以产生受控气体(气体混合物气氛)。所有的过程参数(压力、温度、气流等)均可通过计算机操作的系统控制器进行调节、控制和存储，该系统控制器与所有相关部件(例如逆变器、高温计、真空控制阀、MFC和压力计，如下面将参照图3更详细描述的相关部件)进行通信。

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，该一个或多个玻璃管可选地用水冷却并且在两端设置有凸缘以使反应器的内部与大气隔绝。在专利US8,865,324B2中描述了这类感应加热的PVT系统的示例。加热感应线圈安装在反应器外部，并且通常被“法拉第笼(Faraday cage)”包围，该“法拉第笼”提供了对电磁辐射的屏蔽。在常规的电阻加热的PVT系统中，加热电阻元件安装在反应器内部。如果反应器是由金属制成的，则该反应器可以用水或空气冷却。在公开的专利申请US 2016/0138185和US 2017/0321345中描述了电阻加热的PVT系统的示例。

本领域已知的这种PVT生长系统是竖直取向的，即设置在内部的反应器和PVT生长结构都取向为其各自的纵向轴线基本上对应于(一个或多个)单晶的生长方向，该生长方向平行于重力方向。通常使用竖直取向是因为形成PVT生长结构的内壁的石墨/碳材料受到在生长过程中的升华的原材料的组分(例如含硅的气态种类)以及达到的高温的侵蚀。石墨/碳材料的后续降解导致石墨颗粒从内壁脱离并释放到晶体生长隔室中，然后在重力作用下该石墨颗粒朝着PVT生长结构下侧掉落。在具有竖直取向的反应器和PVT生长结构二者的系统中，梨晶在PVT生长结构的上侧生长，使得释放的石墨/碳颗粒不会与正在生长的晶体接触。因此，仍然可以在常规的竖直PVT生长系统中生产高质量的单晶，这是因为在PVT生长结构的上侧生长的单晶梨晶不受生长过程中释放的石墨颗粒污染。

图1示出了如在常规PVT生长系统中通常采用的那样用于在竖直方向上生产一个单晶梨晶的示例性的生长结构100。该竖直方向在图1中由指示重力矢量F_g的方向的箭头表示。PVT生长结构100具有坩埚102，在该坩埚102中，具有原材料106(例如粉末或颗粒形式的SiC)的原材料隔室104设置在下侧(相对于重力)，籽晶108设置在上侧的生长隔室110中并且沿纵向轴线116与原材料隔室104相距一定距离。坩埚102的顶部上的散热通道112对籽晶108提供冷却。PVT生长结构100还可以包括围绕坩埚102的绝热部114。绝热部114通常由多孔的绝热材料(诸如孔隙率高于坩埚石墨材料本身的孔隙率的泡沫状的石墨)制成。

在PVT生长结构100中，单晶梨晶109沿通常沿重力(F_g)的方向对准的纵向轴线116生长到籽晶108上并且在坩埚102的上侧生长，使得单晶梨晶109在晶体生长期间不被石墨颗粒污染。

然而，由于利用这种竖直取向的PVT生长结构和PVT生长系统，一次只能生长一个单晶，这导致了严重的经济劣势。

专利申请公开EP 2 664 695描述了允许在同一个竖直的PVT生长结构内部同时制造两个单晶的方法。在竖直地设置在竖直反应器(如现有技术所描述的竖直反应器)内部的PVT生长结构的顶侧上生长一个单晶，并且同时在该PVT生长结构的底侧上生长第二晶体。在这种配置中，从PVT生长结构的内壁释放的石墨/碳颗粒仍然可以掉落到在PVT生长结构的下侧上生长的梨晶上，从而在生长过程中在晶体内部形成石墨/碳夹杂物，从而显著降低晶体质量。石墨/碳夹杂物还降低了高质量衬底和晶圆的产量，因此导致所生产的单晶的不期望的废品和质量损失，具有负面的经济影响。

为此，大多数已知的用于制造半导体梨晶的PVT系统仍然利用竖直取向的反应器和PVT生长结构，该PVT生长结构在其上侧生长一个单晶以避免石墨/碳颗粒污染。在EP 2664 695中描述的方法的情况下，已经接受了晶体在竖直方向上生长带来的缺点。

发明内容

如上所述的常规的晶体生长过程(其中，晶体在平行于重力方向且与重力方向相反的方向上生长)存在共同的问题，即由于生长坩埚大部分由基于石墨的材料组成，因此生长的晶体通常被石墨/碳颗粒污染。石墨/碳颗粒的污染来自例如坩埚的圆柱形壁或者来自将原材料与生长隔室分开的膜的材料。对于由坩埚的圆柱形壁引起的污染，可以通过采用无碳材料(诸如钽)或通过例如用碳化钽(TaC)涂覆内壁的基于石墨的材料来减少或者甚至消除污染颗粒的排放。类似的材料可以用于将原材料隔室与坩埚内的生长隔室分隔开的膜。然而，在这两种情况下，坩埚内部的气相都会受到不利影响，这是因为形成坩埚和/或分隔膜的碳量的还原可以在生长过程中导致生长的晶体(例如，6H-SiC或15R-SiC或4H-SiC)发生改性变化，从而导致晶体质量明显下降。在SiC的情况下，这些改性变化对应于晶体结构的全部或部分改变，这可以出现在很多晶体结构中。每个晶体结构喜好不同的生长条件，因此当从系统中除去碳时，4H结构的生长趋于变得不稳定，而6H和15R结构的生长趋于稳定。

为此，本发明的目的是提供一种用于制造一个或多个半导体单晶的解决方案，该一个或多个半导体单晶与在PVT生长结构中(诸如在坩埚壁中、原材料的分隔膜中以及PVT生长结构的围绕晶体或在晶体附近使用的其它部件中)的石墨和/或碳材料的使用兼容，同时通过减少或者甚至消除晶体生长过程中石墨/碳污染的影响来确保生长的单晶的高质量。

该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利的实施方式为从属权利要求的主题。

本发明所基于的概念在于提供一种用于制造(一个或多个)单晶的PVT生长系统及(一个或多个)单晶的制造方法，其中，单晶在基本上水平的方向(即垂直于重力方向的方向)上生长，使得从坩埚内壁、原材料隔室的膜掉落的和/或由PVT生长结构的其它部件释放的污染物颗粒不会直接掉落到正在籽晶上生长的单晶梨晶上，而是在重力作用下朝向坩埚的侧壁偏离。因此，可以消除或至少最小化在制造的梨晶中由于石墨/碳颗粒的夹杂物而造成的污染。“基本上水平的方向”是指与垂直于重力方向的平面成水平角度的方向，该水平角度在0°附近的给定容限误差内。

因此，本发明提供了一种用于通过物理气相传输(PVT)制造半导体材料的一个或多个单晶的系统，该系统包括：反应器，所述反应器具有用于容纳PVT生长结构的内腔，所述PVT生长结构用于在内部生长所述一个或多个单晶；其中，所述反应器用于在相对于重力方向的一取向上容纳所述PVT生长结构，使得所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内。

根据另一改进，所述水平角度为相对于与重力方向垂直的水平面在-15°至+15°之间的角度；和/或所述反应器相对于所述重力方向水平取向以容纳所述PVT生长结构。

根据另一改进，所述PVT生长结构包括容纳原材料的中央原材料隔室以及在所述中央原材料隔室的两侧的两个生长隔室，其中，在每个生长隔室上沿纵向轴线与所述中央原材料隔室相距一定距离处设置有一个籽晶，用于从相同的原材料生长相应的单晶；其中，用于生长半导材料的单晶的所述原材料选自至少包括碳化硅、4H-SiC和包含III-V族元素的半导体的组。

根据另一改进，所述系统还包括多个反应器，每个反应器均具有用于容纳各自的PVT生长结构的内腔，各自的PVT生长结构用于在内部生长一个或多个半导体单晶，其中，每个反应器和各自的PVT生长结构相对于重力方向水平取向，使得所述PVT生长结构中的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或在所述水平角度内；其中，所述多个反应器中的两个或更多个反应器用于通过公共真空通道彼此连接，所述公共真空通道能够连接到真空泵系统以在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中产生和/或控制公共气相条件。

根据另一改进，所述系统还包括压力测量系统，所述压力测量系统包括一个或多个压力传感器，所述一个或多个压力传感器设置在经由所述公共真空通道连接的所述两个或更多个反应器中的至少一个反应器中，以执行指示在相应的内腔中达到的气相条件的压力的测量；其中，所述压力测量系统用于监测所述压力测量，并输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件；以及其中所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

根据另一改进，所述一个或多个压力传感器用于执行指示在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处的气相条件的压力的压力测量；和/或其中，所述一个或多个压力传感器用于执行指示在所连接的所述两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道的所述气相条件的压力的所述压力测量。

根据另一改进，所述系统还包括：加热系统，所述加热系统用于对布置在所述反应器内部的所述PVT生长结构加热，其中，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统中的一者；冷却系统，所述冷却系统用于消散来自所述反应器的热，其中，所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合；和/或，系统控制器，所述系统控制器用于控制一个或多个反应器中的PVT生长过程的参数，其中，所述PVT生长过程参数包括所述一个或多个反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔供应掺杂气体和/或惰性气体的气体供应中的至少一者。

根据本发明，还提供了一种用于通过物理气相传输(PVT)制造半导体材料的一个或多个单晶的方法，该方法包括：在PVT生长结构中生长所述一个或多个单晶，所述PVT生长结构以相对于重力方向的一取向容纳在反应器的内腔中，使得在所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内。

根据另一改进，所述水平角度为相对于与重力方向垂直的水平面在-15°至+15°之间的角度；和/或所述反应器相对于所述重力方向水平取向以容纳所述PVT生长结构。

根据另一改进，所述方法还包括相对于一个或多个生长单晶的预定横截面，将相应的单晶的生长表面的最大高度控制在给定高度范围内。

根据另一改进，所述给定高度范围为2mm到8mm，优选地4mm到6mm，以及所述预定横截面为垂直于生长方向的截面区域，该截面区域的直径小于生长的单晶的外径并且基本等于待由所述生长的单晶制成的衬底所需要的直径。

根据另一改进，所述方法还包括在所述PVT生长结构内提供一个或多个籽晶，以相应地生长所述一个或多个单晶；其中，每个籽晶的直径基本上等于要在该籽晶中生长的所述单晶的外径并且比要由所述单晶制成的衬底的预定直径大至少10％，其中，所述籽晶的直径优选比所述衬底的预定直径大10％至35％；和/或，其中，所述一个或多个单晶为选自至少包括碳化硅、4H-SiC和包含III-V族元素的半导体的组的半导体材料的单晶。

根据另一改进，所述方法还包括在经由公共真空通道彼此相连且连接到真空泵系统的两个或更多个反应器中生长多个单晶，每个反应器具有用于容纳PVT生长结构的内腔，该PVT生长结构用于在内部生长一个或多个半导体单晶；其中，所述反应器用于在相对于重力方向的一取向上容纳所述PVT生长结构，使得所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内；以及利用所述真空泵系统在所连接的所述两个或更多个反应器的内腔中产生和/控制公共气相条件。

根据另一改进，所述方法还包括使用设置在所连接的所述两个或更多个反应器中的至少一者中的一个或多个压力传感器来执行指示在所连接的所述两个或更多个反应器的内腔中达到的气相条件的压力的测量；以及监测所述压力测量，输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件；其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

根据另一改进，在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处执行指示所述气相条件压力的所述测量；和/或在所连接的所述两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道上执行指示所述气相条件压力的所述压力测量。

根据另一改进，所述方法还包括利用公共系统控制器控制所述两个或更多个反应器中的PVT生长过程参数；其中：所述PVT生长过程参数包括所述反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔供应掺杂气体和/或惰性气体的气体供应中的至少一者；和/或利用所述公共系统控制器控制每个反应器的加热系统和冷却系统，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统中的一者，并且所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

为了解释本发明的原理，将附图并入本说明书并形成本说明书的一部分。附图仅出于示例如何制造并使用本发明的有利的和替选的示例的目的，并且不应被解释为将本发明仅限制为示例和描述的实施方式。

附图说明

从下文中如附图中所示的对本发明的更详细的描述中，其它特征和优势将变得明显，其中：

图1为竖直取向的PVT生长结构的图解性截面图，在该PVT生长结构的上侧生长一个单晶梨晶；

图2为PVT生长结构的另一结构的图解性截面图，在该PVT生长结构的上侧和下侧同时生长两个单晶；

图3为具有竖直反应器的常规的感应加热的PVT生长系统的图解性截面图，其中，所述竖直反应器用于容纳诸如图1和图2所示的任一PVT生长结构的竖直PVT生长结构；

图4为根据一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器的感应加热的PVT生长系统的图解性截面图，其中，所述水平取向的反应器具有两个同心且内部水冷的玻璃管；

图5为根据一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器的另一感应加热的PVT生长系统的图解性截面图，所述水平取向的反应器具有单个同心壁；

图6为根据另一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器的电阻加热的PVT生长系统的图解性截面图；

图7图解性地示出了根据一实施方式的用于水平生长多个半导体梨晶的PVT生长系统，该PVT生长系统包括通过公共真空通道连接到公共真空泵系统的N个水平反应器；

图8为图2所示的PVT生长结构的坩埚的图解性截面图，并且示出了当PVT生长结构以(a)竖直取向以及(b)相对于重力方向以水平取向进行取向时上半导体梨晶和下半导体梨晶中碳污染的影响；以及

图9为针对晶体生长表面的不同曲率参数在水平取向上生长的半导体单晶梨晶的图解性截面图，此处特征在于生长表面相对于部分s的最大高度h，其中，a)中，h＝2mm，b)中，h＝8mm以及c)中，h＞8mm。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限制于本文中所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将是充分和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿本说明书，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。在下文中将针对碳化硅来描述本发明，然而，将本发明的原理应用于通过物理气相传输方法使用其它半导体材料(诸如AIN)生长的单晶的生长是可以预见的。

本发明的概念可以有利地扩展到所有已知的具有容纳本领域已知的竖直PVT生长结构的竖直反应器的PVT生长系统。

图2示出了常规地在竖直取向上使用的用于同时生长半导体材料(诸如SiC)的两个单晶梨晶209A、209B并且可以有利地被本发明使用的PVT生长结构200的配置。该PVT生长结构200包括坩埚202，在该坩埚202中，用于SiC原材料206的原材料隔室204设置在中心区域中，该中心区域将坩埚生长区域分隔为上生长隔室210A和下生长隔室210B。籽晶208A和籽晶208B分别设置在分开的上生长隔室210A和下生长隔室210B中，并且与原材料隔室204沿纵向轴线216相距一定距离。每个籽晶208A、208B通过各自的散热通道212A、212B冷却以产生温度梯度，该温度梯度将从原材料206升华的SiC蒸汽朝着上生长隔室210A中的籽晶208A和下生长隔室210B中的籽晶208B传输。考虑到籽晶208A、籽晶208B相对于原材料隔室204的相对取向，单晶生长沿坩埚202的纵向轴线216的方向进行，在上生长隔室201A中从上到下进行生长，在下生长隔室210B中从下到上进行生长。上生长隔室210A和下生长隔室210B中的每一者可以通过气体可渗透的多孔屏障(未示出)与SiC原材料206分隔开，以确保只有气态的含有硅(Si)和碳(C)的组分进入上生长隔室210A和下生长隔室210B中。坩埚202优选地由多孔材料(诸如石墨)制成，上生长隔室210A和下生长隔室210B通过该多孔材料接收掺杂气体或惰性气体。坩埚202可以由多孔的绝缘材料214包围。

这种类型的竖直生长结构通常用于竖直PVT生长系统，诸如图3中所示的示例。

图3示出了常规的PVT生长系统300，该PVT生长系统300具有带有内腔304的竖直反应器301，在内腔中竖直放置了这样的PVT生长结构306以用于在受控的温度和真空条件下生长(一个或多个)单晶。在示出的示例中，PVT生长系统300包括围绕反应器301布置的感应加热系统310，以将PVT生长结构306内部的原材料加热到合适的生长温度。感应加热系统310通常设置为感应线圈312，该感应线圈312沿着反应器的纵向轴线318设置在反应器301的外部并连接到MF发电机/逆变器314，该MF发电机/逆变器314向感应线圈312提供受控的电流。该感应线圈312引起PVT生长结构306的导电壁中的电流的流动，这产生了足够的热量以升华原材料。例如，通常将超过2000℃的温度、特别是大约2200℃的温度用于SiC单晶的PVT生长。感应线圈312的高度可以调节，以允许微调原材料温度以及在PVT生长结构306内部建立的温度梯度。可以使用位于PVT生长结构306的散热通道附近的一个或多个温度传感器316(诸如高温计或热电偶)来测量PVT生长结构306内部达到的温度。

PVT生长系统300还包括压力测量系统320，该压力测量系统320可以包括压力测量设备的组合，用于测量反应器内腔304内部达到的压力。为了产生适合于单晶生长的气氛，PVT生长系统300包括真空泵系统330，该真空泵系统330具有一个或多个真空泵/抽出泵332(例如真空泵和/或高真空泵)以及用于控制真空泵332的抽吸力的可调节控制阀334。气体供应部340将一种或多种气态化合物(诸如含Ar和N的组分)供应至反应器内腔304，以产生适合于单晶生长的掺杂气氛或惰性气氛。气体供应部340可以是连接到现场提供的压缩气瓶的接口或者连接到中央气体供应部(未示出)的接口。掺杂气体和惰性气体到反应器301的供应由质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)342单独控制。提供了用于消散反应器301中产生的热的水冷却系统350，该水冷却系统350通常为两个同心且内部水冷的玻璃管(未示出)。

反应器301和感应加热系统310通常被封闭在屏蔽罩或法拉第笼370中以减少电磁辐射。PVT生长系统300的其它部件包括用于密封反应器301的金属凸缘，该其它部件也包括用于通过高温计(未示出)测量温度的玻璃衬管。

PVT生长系统300的上述和其它可控过程参数系统由系统控制器380控制，该系统控制器380调节生长过程参数并记录单晶生长过程的所有数据，诸如压力、温度、感应线圈的位置、冷却水温度等。在专利US 8,865,324B2中完整的描述了图3所示类型的PVT生长系统的示例性操作，因此，在此将不再进一步描述。

图4示出了根据一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器401的感应加热的PVT生长系统400。

感应加热的PVT生长系统400具有与上述感应加热的PVT生长系统300基本相同的特征，不同之处在于，该PVT生长系统400包括的反应器401取向为其纵向轴线418沿着垂直于重力的方向。反应器401的水平取向使得可以在内部容纳水平取向的单个PVT生长结构(诸如上述PVT生长结构200)，即该PVT生长结构的纵向轴线216与反应器401的纵向轴线418对准，使得现在位于水平取向的PVT生长结构200的左侧和右侧的单晶梨晶209A、单晶梨晶209B沿基本水平的方向生长。PVT生长结构200的生长方向和/或纵向轴线216不必一定与水平面(即垂直于如图4所示的重力F_g的方向的平面)成0℃的水平角(在一定误差容限内)。例如，反应器401和/或反应器401内部的PVT生长结构200可以取向成与水平面成小于预定值的水平角，而不脱离本发明的原理。优选地，反应器401和/或PVT生长结构200的水平角的值在-15°至+15°之间。在PVT生长结构200的这种取向下，PVT生长结构200的围绕半导体梨晶209A、209B的侧部内壁变得基本上垂直于重力方向，因此，从该侧部内壁释放的石墨/碳颗粒或者其至少大部分将通过重力落在PVT生长机构200的下部内壁上。因此，可以同时并且以高晶体质量来制造两个单晶梨晶209A、209B。类似于上述的PVT生长系统300，PVT生长系统400包括具有加热线圈412的专用感应加热系统410，该加热线圈412在系统控制器480的控制下由MF发电机414供应电流。可以使用由系统控制器480控制的合适的温度传感器416来测量和监测在反应器内腔中达到的温度。此外，反应器401还设置有冷却系统450，该冷却系统450由系统控制器480单独地控制和/或监测。

图5示出了根据另一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器501的感应加热的PVT生长系统500，该PVT生长系统500与图4所示的PVT生长系统400的主要不同之处在于该PVT生长系统500包括具有单个玻璃管的反应器501。在这种情况下，来自反应器501的热的消散不是通过水冷却而是通过空气流来实现的，该空气流以受控的方式围绕玻璃管的外边缘传递。类似于图4的实施方式，反应器501水平取向，从而以基本水平的取向容纳PVT生长结构(诸如上述的PVT生长结构200)，即该PVT生长结构200的纵向轴线216与该反应器的纵向轴线518对准。PVT生长系统500还包括过程控制系统，该过程控制系统包括感应加热系统510、压力测量系统520、真空泵系统530、气体供应系统540、感应加热系统和空气冷却系统，这些过程控制系统与参照上述PVT生长系统300所描述的那些过程控制系统类似并且由系统控制器580以类似的方式进行控制，在此将不再进一步描述这些过程控制系统。

图6示出了根据另一实施方式的具有用于水平生长(一个或多个)半导体梨晶的水平取向的反应器601的电阻加热的PVT生长系统600，该PVT生长系统600与上述的PVT生长系统400和上述的PVT生长系统500的主要不同之处在于，该PVT生长系统600使用电阻类型的加热系统660。反应器601具有内腔604，该内腔604容纳水平取向的PVT生长结构602，该水平取向的PVT生长结构602与上述PVT生长结构200类似、但是由于电阻加热而没有覆盖侧壁的绝缘材料。电阻加热系统660包括安装在反应器601内部的电阻加热元件662。加热电流控制单元664将电流供应至电阻加热元件662，从而以受控的方式加热该反应器的内腔604并达到合适的生长温度。反应器601可以用金属壁制成并且设置有相应的水冷却系统650。可替选地，可以使用空气冷却系统，诸如以上参照图5描述的空气冷却系统。PVT生长系统600还包括过程控制系统，诸如压力测量系统620、真空泵系统630和气体供应系统640，这些过程控制系统与参照上述PVT生长系统300所描述的那些过程控制系统类似并且由系统控制器680以类似的方式进行控制，因此，在此将不再进一步描述这些过程控制系统。

为了增大单晶的生产率，可以提供具有多个水平取向的反应器(诸如上述PVT生长系统400、500、600中的任一反应器)的PVT生长系统，并且这些反应器经由公共真空通道连接到公共真空系统。

图7示出了包括N个反应器700A至700N以用于同时生长多于一个半导体单晶的PVT生长系统700，并且这些反应器700A至700N经由公共真空通道705彼此连接。反应器700A至反应器700N是水平取向的，即反应器700A至反应器700N的纵向轴线基本上位于与重力方向垂直的水平面上，并且优选地反应器700A至反应器700N具有相同的类型以在单晶生长期间在相同的气相压力条件下操作。公共真空通道705将N个反应器700A至反应器700N以串联方式连接到公共真空泵系统730，使得其中一个反应器直接连接到真空泵732，而其它(一个或多个)反应器则通过公共真空通道705排空。这允许用同一个泵系统730在内腔704中产生并控制气相组分(N和/或Ar)，同时确保在生长过程中在所有的反应器700A至反应器700N中可以实现并维持基本相同的气相组分(N和/或Ar)。反应器内腔中的真空条件和/或压力由系统控制器780经由可调节控制阀734进行集中控制，该可调节控制阀734设置在真空泵732和在真空通道705的更靠近真空泵732的端部处的反应器700N之间。因此，可以以集中的方式同时控制反应器700A至700N的内腔内部的压力，而不需要用于每个反应器的单独的真空系统和控制器。

PVT生长系统700还包括具有一个或多个压力传感器的压力测量系统720，所述一个或多个压力传感器可以设置在反应器700A至700N的至少一者中以执行指示在各个反应器内腔中达到的压力的测量。通过经由来自气体供应部(未示出)的单独的气体进料来供应形成掺杂/惰性气态气氛的气态组分，在每个反应器700A至700N的内腔中实现了适于单晶生长的掺杂和/或惰性气态气氛，该气体供应部由系统控制器780经由专用质量流量控制器单独控制。压力测量系统720监测由(一个或多个)压力传感器测量的压力，并输出用于控制可调节控制阀734的真空控制参数，以将反应器内腔内的压力调节至预定压力。压力测量系统720基于监测到的压力，还输出气相控制参数，用于MFC控制向反应器内腔供应气态组分，从而在经由公共真空通道705连接的所有反应器中，实现并维持基本相同的预定气相条件(即，掺杂/惰性气态气氛的压力和组分)。

在图7的配置中，各个反应器700A至700N可以是任何类型的，诸如上文描述的PVT生长系统400、500、600的反应器401、501、601，针对每个反应器，提供相应的加热系统并且经由相应的MF发电机控制这些加热系统以分别达到每个反应器700A至700N中所需要的温度条件，并且针对每个反应器700A至700N使用单独的生长过程参数。可以在系统控制器780的控制下使用合适的温度传感器来测量和监测在反应器内腔中达到的温度。此外，反应器700A至700N设置有各自的冷却系统，该冷却系统由系统控制器780独立地控制和/或监测，以消散来自相应的反应器700A至700N的热。冷却系统可以基于水冷却或空气冷却系统，这取决于诸如上文描述的反应器的类型。感应加热系统、冷却系统和温度控制的操作与上文参照图3描述的常规PVT生长系统300中的操作基本相同，并且可以单独控制或使用公共控制器或PC控制以便节省空间和设备成本。然而，在生长的(一个或多个)单晶的最终特性中起主要关键作用的生长过程参数，即掺杂/惰性气相的压力和组分，是由同一个系统控制器780以集中的方式进行控制的，在压力测量系统720的监测下，系统控制器780通过控制连接到公共真空通道705的单个可调节控制阀734自适应地调节反应器内腔内的压力以及通过控制各个MFC自适应地调节从气体供应部供应到内腔的气态组分的量。与基于常规的“隔离”反应器概念的PVT生长系统相比，这可以实现更好地控制并再现关键生长过程参数。

优选地，(一个或多个)压力传感器测量反应器700A处的压力，反应器700A距离沿公共真空路径705直接连接到真空泵系统730的反应器700N较远。(一个或多个)压力传感器可以定位成测量反应器700A的顶侧上的压力。在可替选的配置中，(一个或多个)压力传感器还可以设置在反应器700A的底侧。可以在公共MFC的控制下通过公共气体导管同时向所有反应器提供一定量的掺杂气体或惰性气体，从而消除了由于来自各个MFC的响应的略微差异而导致的供应差异，并促进了生长过程控制。此外，可以通过仅位于其中一个反应器上的压力传感器来执行这些反应器内腔内的压力的测量和监测，而不会显著降低准确度，还节省了空间和设备成本。

在图7所示的PVT生长系统700中，通过公共真空通道705连接的反应器的数量N可以选择为2至20之间的任意整数，并且更优选地为6至10之间的任意整数。为了避免对真空泵系统730的排气能力提出高要求，同时允许在大多数应用可接受的时间内达到生长过程的合适的真空条件，对所连接的反应器的数量的这种限制可以是期望的。因此，在使用单个反应器的常规PVT生长系统中使用的任何真空泵系统都可以有利地用作PVT生长系统700中的真空泵系统730。

另一方面，连接到公共真空通道705的反应器的数量N不需要是固定的，并且可以根据需要通过简单地增加或移除额外的或不必要的反应器到公共真空通道的真空连接而容易地增加或减少反应器的数量。

因此，通过使用水平取向的PVT生长系统和/或水平取向的PVT生长反应器，本发明可以同时制造一个或多个单晶，同时减少或者甚至消除由于石墨/碳颗粒而引起的污染效应。水平取向还使得例如能够利用被设计为允许同时生长两个晶体的PVT生长结构(诸如上文参照图2描述的PVT生长结构)，而不会有较低的晶体被石墨/碳颗粒污染的缺点。

图8示出了当PVT生长结构200的取向为：(a)竖直取向；以及(b)相对于重力方向(F_g)而水平取向时，在上生长隔室210A和下生长隔室210B上同时生长两个半导体梨晶209A、209B期间，关于PVT生长结构200的坩埚202的石墨/碳污染的影响。

如图8的a)所示，与在上生长隔室210A中生长的在整个生长过程中基本不受石墨/碳污染影响的半导体梨晶209A相比，在下生长隔室210B中生长的半导体梨晶209B被由于重力的作用而向下部籽晶208B的方向掉落的释放的石墨/碳颗粒严重地污染。污染的石墨/碳颗粒来自例如下生长隔室210B的圆柱形壁(该圆柱形壁沿着坩埚的纵向轴线216围绕晶体209B同心地设置)、将原材料与下生长隔室210B分隔开的膜材料(未示出)和/或PVT生长结构的围绕晶体或在该晶体附近使用的其它部件。

在图8的b)所示的水平取向的坩埚202中，在晶体生长期间，污染的石墨/碳颗粒不再落在半导体梨晶209B的整个生长表面220B上。然而，取决于半导体梨晶209A的生长表面220A和半导体梨晶209B的生长表面220B的曲率，从坩埚202的侧壁和/或其它组成部件释放的一部分碳/石墨颗粒仍可以撞击生长表面220A、220B的至少一部分，并渗透到梨晶209A、209B中。这可能导致石墨/碳夹杂物在半导体梨晶209A、209B的沿纵向方向216的整个长度上，结合在半导体梨晶209A、209B二者上的给定厚度的侧部上层222A、222B中，如图8的b)所示，从而破坏了半导体梨晶209A、209B的上部外边缘处的晶体质量。

因此，为了将这种碳/石墨夹杂物层222A，222B的厚度减小到最小，生长过程可以遵循下面描述的工艺条件中的一个或两个工艺条件。

第一个工艺条件是，在整个生长时间内(其中，生长时间＝总工艺时间-籽上生长时间，该籽上生长时间对应于达到所需晶体纵向长度(通常大于5mm)所需的时间)，直径为s的梨晶209A、209B的横截面区域应当在与随后将由单晶梨晶209A、209B制成的衬底所需的直径基本上相对应的直径内无夹杂物。可以通过控制生长过程参数来实现该第一工艺条件，以使生长表面220A、220B的曲率相对于与直径为“s”的横截面相对应的圆弧段具有最大高度h，该高度h位于不会发生上述不利影响或至少使上述不利影响最小化的合适的高度范围内，合适的高度范围在最小值h_MIN＝2mm至最大值h_MAX＝8mm之间(更优选地在最小值h_MIN＝4mm至最大值h_MAX＝6mm之间)，该高度范围与最终衬底所需要的直径无关并且与基本上对应于梨晶209A、209B的直径的籽晶208A、208B的直径无关。

因此，在高度h低于h_MIN(例如，h＜2mm)的情况下，可能发生不希望的改动以及随之可能发生晶体质量的下降。

在高度h超过最大h_MAX(例如，h＞8mm)的情况下，从坩埚内壁和/或膜掉落的石墨/碳颗粒可以撞击到正在生长的晶体209B(或209A)上并形成夹杂物，这将导致水平生长的晶体的相当大的“上半部分”222B散布有石墨/碳颗粒，如图9的c)所示。

图9的a)和图9的b)示出了使用对应于h_MIN＝2mm和h_MAX＝8mm的曲率高度h的情况，因此，可以避免由于晶体表面220B的曲率太大或太小而会发生的不希望的改变。在这种情况下，石墨/碳颗粒仍然可以接触梨晶209B的生长表面220B，但是由于重力而落在生长坩埚202的下部内侧壁上，而没有结合到晶体209B本身。最多只可能影响半导体梨晶209B上的薄的上层222B。

为了确保将生长表面220A、220B的高度h保持在如上所述的预定范围[h_MIN；h_MAX]内，可以基于反应器以及相应坩埚的特性、半导体梨晶209A、209B所需要的直径和长度、衬底直径s以及PVT生长过程所需的温度，例如基于仿真分析，确定用于实现生长表面220A、220B的相应曲率的合适的生长过程参数，诸如坩埚202内部的温度梯度。

第二工艺条件是用于单晶生长的籽晶208A的底部的直径比无夹杂物的横截面的直径s大至少10％。该第二工艺条件解决了在梨晶209A的边缘区域中不能满足上述针对生长表面220A的曲率的第一工艺条件的要求的缺点。生长表面220A的在边缘区域中的局部曲率优选地显著更大，以避免梨晶209A与坩埚202的内壁生长在一起。然后，石墨/碳颗粒将总是在单晶梨晶的边缘区域中积聚，该边缘区域随后可通过将梨晶加工至最终衬底直径而被去除(例如，通过外圆磨削)。因此，使用的籽晶的直径必须基本上等于要在该籽晶中生长的单晶的外径且比要由该单晶制成的衬底的预定直径大至少10％，并且最优选地，籽晶的直径比衬底的预定直径大10％至35％。

因此，与在基于竖直取向的反应器和/或竖直坩埚的概念的PVT生长系统中制造的半导体单晶相比，本发明提供了用于在水平生长方向上制造一个半导体单晶梨晶或同时制造多于一个半导体单晶梨晶的PVT生长系统的新颖概念，这可以在确保均质的高质量晶体的同时增大半导体单晶的生产率，从而减少了由于废品造成的损失。

可以看出根据本发明的PVT生长系统的另一优点是，可以使用任何类型的竖直生长反应器来有利地实现根据本发明的PVT生长系统。此外，通过经由公共真空通道将多个水平反应器连接至公共真空泵系统，可以通过使用水平取向的常规坩埚来同时制造多于一个半导体单晶梨晶，即无需更换坩埚尺寸和/或原材料的量，与使用更大直径的坩埚来封闭多个籽晶以及使用更大的原材料的PVT生长系统相比，这节省了成本。

最后，尽管对图3-图7所示的实施方式的描述是通过参照PVT生长结构200进行的，该PVT生长结构允许同时生长两个半导体单晶，但是本发明的原理还可以有利地应用于除所述的那些PVT生长结构之外的其它类型的PVT生长结构，并且这些PVT生长结构具有允许一次生长一个或多于两个单晶的配置。

附图标记

Claims (16)

1.一种用于通过物理气相传输(PVT)制造半导体材料的一个或多个单晶的系统，该系统包括：

反应器，所述反应器具有用于容纳PVT生长结构的内腔，所述PVT生长结构用于在内部生长所述一个或多个单晶；

其中，所述反应器用于在相对于重力方向的一取向上容纳所述PVT生长结构，使得所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述水平角度为相对于与所述重力方向垂直的水平面在-15°至+15°之间的角度；和/或

所述反应器相对于所述重力方向水平取向以容纳所述PVT生长结构。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中：

所述PVT生长结构包括容纳原材料的中央原材料隔室以及在所述中央原材料隔室两侧的两个生长隔室，其中，在每个生长隔室上沿纵向轴线与所述中央原材料隔室相距一定距离处设置有一个籽晶，用于从相同的所述原材料生长相应的单晶；

其中，用于生长半导体材料的单晶的所述原材料选自至少包括碳化硅、4H-SiC和包含III-V族元素的半导体的组。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括：

多个反应器，每个反应器具有用于容纳各自的PVT生长结构的内腔，各自的PVT生长结构用于在内部生长一个或多个半导体单晶，其中，每个反应器和各自的PVT生长结构都相对于所述重力方向水平取向，使得所述PVT生长结构中的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或在所述水平角度内；

其中，所述多个反应器中的两个或更多个反应器用于通过公共真空通道彼此连接，所述公共真空通道能够连接到真空泵系统以在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中产生和/或控制公共气相条件。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括：

压力测量系统，所述压力测量系统包括一个或多个压力传感器，所述一个或多个压力传感器设置在经由所述公共真空通道连接的所述两个或更多个反应器中的至少一个反应器中，以执行指示在相应的内腔中达到的气相条件的压力的测量；

其中，所述压力测量系统用于监测所述压力测量，并输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件；以及

其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

6.根据权利要求5所述的系统，其中：

所述一个或多个压力传感器用于执行指示在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处的气相条件的压力的压力测量；和/或

其中，所述一个或多个压力传感器用于执行指示在连接的所述两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道的所述气相条件的压力的所述压力测量。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，还包括：

加热系统，所述加热系统用于对布置在所述反应器内部的所述PVT生长结构加热，其中，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统中的一者；

冷却系统，所述冷却系统用于消散来自所述反应器的热，其中，所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合；和/或

系统控制器，所述系统控制器用于控制一个或多个反应器中的PVT生长过程参数，其中：

所述PVT生长过程参数包括所述一个或多个反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔供应掺杂气体和/或惰性气体的气体供应中的至少一者。

8.一种用于通过物理气相传输(PVT)制造半导体材料的一个或多个单晶的方法，该方法包括：

在PVT生长结构中生长所述一个或多个单晶，所述PVT生长结构以相对于重力方向的一取向容纳在反应器的内腔中，使得在所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述水平角度为相对于与所述重力方向垂直的水平面在-15°至+15°之间的角度；和/或

所述反应器相对于所述重力方向水平取向以容纳所述PVT生长结构。

10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：

相对于生长的一个或多个单晶的预定横截面，将相应的单晶的生长表面的最大高度控制在给定高度范围内。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

所述给定高度范围为2mm到8mm，优选地4mm到6mm，以及

所述预定横截面为垂直于生长方向的截面区域，该截面区域的直径小于生长的单晶的外径且基本等于待由所述生长的单晶制成的衬底所需要的直径。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括：

在所述PVT生长结构内提供一个或多个籽晶，以相应地生长所述一个或多个单晶；

其中，每个籽晶的直径基本上等于待在该籽晶中生长的所述单晶的外径并且比待由所述单晶制成的衬底的预定直径大至少10％，其中，所述籽晶的直径优选比所述衬底的预定直径大10％至35％；和/或

其中，所述一个或多个单晶为选自至少包括碳化硅、4H-SiC和包含III-V族元素的半导体的组的半导体材料的单晶。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，还包括：

在经由公共真空通道彼此相连且连接到真空泵系统的两个或更多个反应器中生长多个单晶，每个反应器具有用于容纳PVT生长结构的内腔，该PVT生长结构用于在内部生长一个或多个半导体单晶；

其中，所述反应器用于在相对于所述重力方向的一取向上容纳所述PVT生长结构，使得所述PVT生长结构内部的所述一个或多个单晶的生长方向是基本上水平的或者在小于预定值的水平角度内；以及

利用所述真空泵系统在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中产生和/或控制公共气相条件。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

使用设置在所连接的所述两个或更多个反应器中的至少一者中的一个或多个压力传感器来执行指示在所连接的所述两个或更多个反应器的内腔中达到的气相条件的压力的测量；以及

监测所述压力测量，输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件；

其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处执行指示气相条件的压力的所述测量；和/或

在所连接的所述两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道上执行指示所述气相条件的压力的所述压力测量。

16.根据权利要求8至15中任一项所述的方法，还包括：

利用公共系统控制器控制所述两个或更多个反应器中的PVT生长过程参数；其中：

所述PVT生长过程参数包括所述反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔供应掺杂气体和/或惰性气体的气体供应中的至少一者；和/或

利用所述公共系统控制器控制每个反应器的加热系统和冷却系统，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统中的一者，并且所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

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