CN112746315B - 晶体生长装置及晶体生长方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及晶体生长装置及晶体生长方法。本实施方式的晶体生长装置具备：坩埚；加热器，设置于所述坩埚的外侧，包围所述坩埚；及线圈，设置于所述加热器的外侧，包围所述加热器，所述加热器的所述坩埚侧的内表面具备第1区域和比所述第1区域远离所述坩埚的外侧面的第2区域。

Description

晶体生长装置及晶体生长方法

技术领域

本发明涉及晶体生长装置及晶体生长方法。

本申请基于2019年10月30日向日本提出了申请的日本特愿2019-197404号主张优先权，将其内容援引于此。

背景技术

碳化硅(SiC)与硅(Si)相比，绝缘击穿电场大1个数量级，带隙为3倍大。另外，碳化硅(SiC)具有与硅(Si)相比热导率为3倍左右高等的特性。因此，期待将碳化硅(SiC)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。因此，近年来，在上述那样的半导体器件中使用SiC外延晶片。

SiC外延晶片通过在SiC单晶基板上采用化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition：CVD)使成为SiC半导体器件的活性区域的SiC外延膜生长来制造。

SiC单晶基板通过切割SiC单晶来制作。该SiC单晶一般能够通过升华法来获得。升华法是下述方法：在配置于石墨制的坩埚内的台座上配置由SiC单晶构成的晶种，将通过加热坩埚而从坩埚内的原料粉末升华出的升华气体向晶种供给，使晶种生长成更大的SiC单晶。

近年来，伴随着市场的要求，SiC单晶的大口径化、长尺寸化的迫切期望也不断高涨。另外，在迫切期望SiC单晶的大口径化、长尺寸化的同时，也要求SiC单晶的高品质化以及生产效率的提高。

在专利文献1中记载了包围坩埚的周围的加热器在高度方向上分离，在分离的加热器之间存在棒状构件或中间隔热件的SiC单晶制造装置。通过棒状构件或中间隔热件，分离的加热器彼此被热分离。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-219294号公报

发明内容

发明要解决的课题

在坩埚内，若增大原料进行升华的原料侧的温度与升华气体进行再结晶化的晶种侧的温度的温度差，则SiC单晶的生长速度变快。即使如专利文献1所记载的SiC单晶制造装置那样将加热器分离，来自各加热器的辐射也会到达作为加热对象的坩埚，无法充分增大坩埚内的温度差。另外，通过将加热器分离，装置的部件数变多，作业性下降。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供能够控制坩埚内的温度分布的晶体生长装置及晶体生长方法。

用于解决课题的技术方案

本发明为了解决上述课题而提供以下的技术方案。

(1)第1方案的晶体生长装置具备：坩埚；加热器，设置于所述坩埚的外侧，包围所述坩埚；以及线圈，设置于所述加热器的外侧，包围所述加热器，所述加热器的所述坩埚侧的内表面具备第1区域和比所述第1区域远离所述坩埚的外侧面的第2区域。

(2)在上述方案的晶体生长装置中，可以是，所述加热器的所述内表面在所述第1区域与所述第2区域之间具有高低差。

(3)在上述方案的晶体生长装置中，可以是，所述加热器的所述内表面的所述第1区域与所述第2区域之间连续平滑地相连。

(4)在上述方案的晶体生长装置中，可以是以下结构：所述坩埚在内部具有原料设置区域和晶体设置部，所述原料设置区域和所述晶体设置部相对，所述第1区域包围所述晶体设置部，所述第2区域包围所述原料设置区域的周围。

(5)在上述方案的晶体生长装置中，可以是，所述第2区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离为所述第1区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离的2倍以上。

(6)第2方案的晶体生长方法是使用了晶体生长装置的晶体生长方法，所述晶体生长装置具备：坩埚；加热器，设置于所述坩埚的外侧，包围所述坩埚；以及线圈，设置于所述加热器的外侧，包围所述加热器，所述晶体生长方法中，根据部位而改变所述加热器与所述坩埚的距离，控制从所述加热器到达所述坩埚的辐射量。

发明效果

根据上述方案的晶体生长装置及晶体生长方法，能够控制坩埚内的温度分布。

附图说明

图1是示出第1实施方式的晶体生长装置的例子的剖视示意图。

图2是比较例的晶体生长装置的剖视示意图。

图3是示出第1变形例的晶体生长装置的例子的剖视示意图。

图4是示出第2变形例的晶体生长装置的例子的剖视示意图。

图5是示出实施例1、实施例2、比较例1的模拟结果的图。

附图标记说明

10…坩埚；10S…外侧面；11…晶体设置部；20、21、22、23…加热器；20A、21A、22A、23A…内表面；20A1、21A1、22A1、23A1…第1区域；20A2、21A2、22A2、23A2…第2区域；23A3…第3区域；30…线圈；100、101、102、103…晶体生长装置；C…单晶；G…原料；hp…加热中心；K…晶体生长空间；L1、L2…距离；p1…第1点；r1、r2…辐射；S…晶种；Sp…高低差。

具体实施方式

以下，关于本发明的晶体生长装置及坩埚的优选的本实施方式、例子，适当参照附图，详细地进行说明。在以下的说明中使用的附图，为了使本发明的特征容易理解而有时为了方便起见将成为特征的部分放大地示出，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材质、尺寸等是一例，本发明不限定于此，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。例如，在不脱离本发明的主旨的范围内，关于数量、量、位置、尺寸、种类、比率等，能够进行追加、省略、置换及其他变更。

(晶体生长装置)

图1是第1实施方式的晶体生长装置的剖视示意图。图1所示的晶体生长装置100具备坩埚10、加热器20及线圈30。在图1中，为了使理解容易，同时图示了原料G、晶种S、在晶种S上进行了晶体生长而得到的单晶C。

首先对方向进行定义。将在坩埚10内从原料G朝向晶种S的方向设为z方向。另外，将相对于z方向垂直且从坩埚10的中心扩展的方向设为径向。图1是以沿着坩埚10的中心轴的任意的截面切断时的剖视图。

坩埚10是在内部具有使单晶C进行晶体生长的晶体生长空间K的柱状体。坩埚10例如是圆柱状。坩埚10能够在z方向上分离，能够将原料G及晶种S设置于内部。在通过升华法使单晶C进行晶体生长时，在坩埚10的底部填充原料G。在与原料G相对的坩埚10的上部存在晶体设置部11。晶体设置部11与原料G相对。在通过升华法使单晶C进行晶体生长时，在晶体设置部11设置晶种S。通过从原料G升华的原料气体在晶种S的表面再结晶化，单晶C进行晶体生长。

坩埚10由能够耐受使单晶C生长时的高温的材料构成。坩埚10例如是石墨。石墨的升华温度极高，为3550℃，也能够耐受生长时的高温。

加热器20处于坩埚10的外侧。加热器20例如包围坩埚10的周围。加热器20在径向上处于线圈30与坩埚10之间。加热器20例如是在z方向上延伸的圆筒状。加热器20的z方向的高度例如比坩埚10的z方向的高度大。加热器20接受线圈30所产生的磁场而被感应加热。来自发热的加热器20的辐射将坩埚10加热。坩埚10经由加热器20而被间接加热。加热器20例如由石墨、TaC、被TaC包覆的石墨等构成。

加热器20的内表面20A面向坩埚10的外侧面10S。图1所示的加热器20的内表面20A被划分为第1区域20A1和第2区域20A2。第1区域20A1是内表面20A中的从坩埚10的外侧面10S离开了距离L1的部分。第2区域20A2是内表面20A中的从坩埚10的外侧面10S离开了距离L2的部分。图1所示的加热器20在第1区域20A1与第2区域20A2之间具有1个高低差Sp。通过该高低差，内表面20A具有2个不同的内径。

第2区域20A2比第1区域20A1远离坩埚10的外侧面10S。第2区域20A2与坩埚10的外侧面10S的距离L2比第1区域20A1与坩埚10的外侧面10S的距离L1大。第2区域20A2与坩埚10的外侧面10S的距离L2优选为第1区域20A1与坩埚10的外侧面10S的距离L1的2倍以上，更优选为4倍以上。所述L2/L1的上限能够任意选择，例如可以是1000倍以下、200倍以下、50倍以下、10倍以下。

第1区域20A1与坩埚10的外侧面10S的距离L1例如为0.1mm以上且50mm以下，优选设为1mm以上且20mm以下，更优选设为5mm以上且15mm以下。另外，第2区域20A2与坩埚10的外侧面10S的距离L2例如为10mm以上且200mm以下，优选设为20mm以上且150mm以下，更优选设为30mm以上且100mm以下。

第1区域20A1和第2区域20A2处于z方向的不同的位置。第1区域20A1例如包围坩埚10的上方。第1区域20A1例如包围坩埚10的晶体设置部11的周围。第1区域20A1例如处于比加热器20的z方向的高度中心靠晶体设置部11侧。第2区域20A2例如包围坩埚10的下方。第2区域20A2例如包围坩埚10的被填充原料G的原料设置区域的周围。第2区域20A2例如可以处于比加热器20的z方向的高度中心靠原料设置区域侧。

线圈30处于加热器20的外侧。线圈30在坩埚10及加热器20的周围缠绕。在向线圈30流入电流时，在线圈30的内侧产生磁场。所产生的磁场在加热器20内产生感应电流。加热器20通过感应电流而发热，被感应加热。线圈30例如是单线圈，由连续的一个配线构成。

第1实施方式的晶体生长装置100能够增大坩埚10的z方向的温度分布。

图2是比较例1的晶体生长装置101的剖视示意图。比较例1的晶体生长装置101在加热器21的内表面21A与坩埚10的外侧面10S的距离不管在z方向的哪个位置处都恒定这一点上与第1实施方式的晶体生长装置100不同。其他结构与图1所示的例子是同样的。

在比较例1的晶体生长装置101的情况下，加热器21的内表面21A和坩埚10的外侧面10S大致平行地相向。从加热器21的任何位置产生的辐射都能够到达坩埚10的外侧面10S。例如，在加热器21是均匀的厚度、长度的情况下，加热器21的z方向的中心成为加热中心hp。从加热中心hp各向同性地扩散的辐射到达坩埚10的外侧面10S的任何位置，坩埚10的外侧面10S被均匀地加热。

相对于此，在第1实施方式的晶体生长装置100中，加热器20的内表面20A与坩埚10的外侧面10S的距离根据部位而不同。因而，根据加热器20的辐射的产生部位，辐射不会到达坩埚10的外侧面10S。例如，从第2区域20A2的第1点p1各向同性地扩散的辐射中的朝向晶体设置部11侧的辐射r1不会到达成为高低差Sp的影子的坩埚10的外侧面10S，但朝向原料设置区域侧的辐射r2会到达坩埚10的外侧面10S。接受来自加热器20的很多位置的辐射的坩埚10的原料设置区域侧的温度比晶体设置部11侧的温度高，在坩埚10的侧面形成温度梯度。

若坩埚10的原料设置区域侧的温度比晶体设置部11侧的温度高，则原料G的升华被促进，且单晶C的再结晶化被促进。因而，第1实施方式的晶体生长装置100能够提高单晶C的生长速度。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了详述，但本发明不限定于特定的实施方式，能够在权利要求书内记载的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。

图3是示出第1变形例的晶体生长装置的例子的剖视示意图。在第1变形例的晶体生长装置102中，加热器22的形状与图1所示的晶体生长装置100不同。在图3中，关于与图1同样的结构标注同样的标号，省略说明。

加热器22的内表面22A具有第1区域22A1和第2区域22A2。第1区域22A1及第2区域22A2对应于图1的第1区域20A1及第2区域20A2。在图3所示的加热器22中，第1区域22A1和第2区域22A2连续平滑地相连。第1区域22A1和第2区域22A2连续地相连意味着在区域间不形成高低差而切平面的斜率在z方向上连续地变化。通过这样的平滑的结合，内表面22A具有2个不同的内径和在它们之间逐渐变化的内径。

此外，关于第1区域22A1和第2区域22A2的相对于坩埚10的位置、距坩埚10的外侧面10S的距离，可以具有与图1所示的第1区域20A1和第2区域20A2相同的条件、相同的距离关系。

第1变形例的晶体生长装置102能起到与第1实施方式的晶体生长装置100同样的效果。

图4是示出第2变形例的晶体生长装置的例子的剖视示意图。在第2变形例的晶体生长装置103中，加热器23的形状与图1所示的晶体生长装置100不同。在图4中，加热器23的高低差的数量是2个。在图4中，关于与图1同样的结构标注同样的标号，省略说明。

加热器23的内表面23A具有第1区域23A1、第2区域23A2及第3区域23A3。第1区域23A1、第2区域23A2及第3区域23A3各自与坩埚10的外侧面10S的距离分别不同。第2区域23A2比第1区域23A1远离坩埚10的外侧面10S，第3区域23A3比第2区域23A2远离坩埚10的外侧面10S。内表面23A具有3个不同的内径。

此外，关于第1区域23A1和第3区域23A3的相对于坩埚10的位置、距坩埚10的外侧面10S的距离，可以具有与图1所示的第1区域20A1和第2区域20A2相同的条件、相同的距离关系。

关于第2区域23A2，可以以处于第1区域23A1与第3区域23A3之间的位置的方式选择其位置、条件。另外，第2区域23A2可以包围晶体设置部11的周围，也可以不包围，另外，可以包围原料设置区域的周围的一部分，也可以不包围。

第2变形例的晶体生长装置103能起到与第1实施方式的晶体生长装置100同样的效果。

(晶体生长方法)

第2实施方式的晶体生长方法是使用了具备坩埚、加热器及线圈的晶体生长装置的晶体生长方法。加热器处于坩埚的外侧，包围坩埚。线圈处于加热器的外侧，包围加热器。在第2实施方式的晶体生长方法中，根据部位而改变加热器与坩埚的距离，控制从加热器到达坩埚的辐射量。

加热器与坩埚的距离越近，则辐射会越难以向坩埚的外侧面传播，坩埚的温度越下降。与此相对，若加热器与坩埚的距离远，则辐射会到达坩埚的外侧面，坩埚的温度变高。若如第1实施方式的晶体生长装置那样在晶体设置部11侧使坩埚10的外侧面10S与加热器20的内表面20A的距离比原料设置区域侧的坩埚10的外侧面10S与加热器20的内表面20A的距离近，则坩埚10的晶体设置部11侧的温度会比原料设置区域侧的温度低。例如，在基于升华法的SiC的单晶的生长的情况下，使晶种的周围的温度比原料的温度低是有用的。另外，不限于该情况，在因各种理由而存在想要变更坩埚内的温度的事由的情况下，能够通过加热器与坩埚的距离来控制坩埚内的温度。

【实施例】

(实施例1)

将图1所示的结构利用模拟进行再现，求出了加热坩埚时的坩埚的侧面上的温度。在模拟中使用了STR公司制的Virtual Reactor。该模拟在炉内的温度分布的模拟中广泛使用，确认了与实际的实验结果具有高相关性。

在模拟中，利用二维轴对象的模型进行计算，模拟的条件设为如下。

坩埚10的外侧面10S与第1区域20A1的距离：10mm

第1区域20A1中的加热器20的径向的内径：270mm

第1区域20A1中的加热器20的径向的宽度(厚度)：85mm

第1区域20A1中的坩埚10的z方向的长度：130mm

坩埚10的外侧面10S与第2区域20A2的距离：45mm

第2区域20A2中的加热器20的径向的内径：340mm

第2区域20A2中的加热器20的径向的宽度(厚度)：50mm

第2区域20A2中的坩埚10的z方向的长度：240mm

(实施例2)

实施例2在变更了以下的条件这一点上与实施例1不同。其他条件与实施例1同样地进行了模拟。

坩埚10的外侧面10S与第2区域20A2的距离：65mm

第2区域20A2中的加热器20的径向的内径：380mm

第2区域20A2中的加热器20的径向的宽度(厚度)：30mm

(比较例1)

比较例1中，将图2所示的结构利用模拟进行再现，求出了加热坩埚时的坩埚的侧面上的温度。如下示出比较例1中的模拟的条件。

坩埚10的外侧面10S与内表面21A的距离：45mm

内表面21A中的加热器21的径向的内径：340mm

内表面21A中的加热器21的径向的宽度(厚度)：50mm

在图5中示出实施例1、实施例2、比较例1的结果。图5的纵轴是坩埚10的外侧面10S上的温度，图5的横轴是从坩埚10的最上面向-z方向的距离。如图5所示，实施例1及实施例2与比较例1相比，z方向的温度变化大。尤其是，在与第1区域20A1重叠的z方向的位置处，坩埚10的外侧面10S的温度大幅下降。

Claims (8)

1.一种晶体生长装置，具备：

坩埚；

加热器，设置于所述坩埚的外侧，包围所述坩埚；以及

线圈，设置于所述加热器的外侧，包围所述加热器，

所述加热器的所述坩埚侧的内表面具备第1区域和比所述第1区域远离所述坩埚的外侧面的第2区域，

所述加热器的所述内表面在所述第1区域与所述第2区域之间具有高低差，

从所述第2区域向所述坩埚的与所述第1区域相对的部分的辐射被所述高低差遮挡。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，

所述加热器的所述内表面的所述第1区域和所述第2区域之间连续平滑地相连。

3.根据权利要求1或2所述的晶体生长装置，

所述坩埚在内部具有原料设置区域和晶体设置部，

所述原料设置区域和所述晶体设置部相对，

所述第1区域包围所述晶体设置部，

所述第2区域包围所述原料设置区域。

4.根据权利要求1或2所述的晶体生长装置，

所述第2区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离为所述第1区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离的2倍以上。

5.一种晶体生长方法，是使用了晶体生长装置的晶体生长方法，所述晶体生长装置具备：

坩埚；

加热器，设置于所述坩埚的外侧，包围所述坩埚；以及

线圈，设置于所述加热器的外侧，包围所述加热器，

所述晶体生长方法中，根据部位而改变所述加热器与所述坩埚的距离，控制从所述加热器到达所述坩埚的辐射量，

所述加热器的所述坩埚侧的内表面具备第1区域和比所述第1区域远离所述坩埚的外侧面的第2区域，

在所述第1区域与所述第2区域之间具有高低差，

从所述第2区域向所述坩埚的与所述第1区域相对的部分的辐射被所述高低差遮挡。

6.根据权利要求5所述的晶体生长方法，

所述第1区域与所述第2区域之间连续平滑地相连。

7.根据权利要求5或6所述的晶体生长方法，

所述坩埚在内部具有原料设置区域和晶体设置部，

所述原料设置区域和所述晶体设置部相对，

所述第1区域包围所述晶体设置部，

所述第2区域包围所述原料设置区域。

8.根据权利要求5或6所述的晶体生长方法，

所述第2区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离为所述第1区域与所述坩埚的所述外侧面的最短距离的2倍以上。