CN1284887C - 制造碳化硅单晶的方法和用于制造碳化硅单晶的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造SiC单晶的装置，包括：一Si设置部分，其中放有固态硅；一籽晶设置部分，其中放有SiC的籽晶；一合成容器，适合于容纳Si设置部分、籽晶设置部分和碳；加热构件，适合于加热Si设置部分和籽晶设置部分；和一控制部分，用于向加热构件输送一指令，以将硅加热到硅的蒸发温度或更高，和将籽晶加热到高于Si的温度；其中，由加热构件蒸发的Si适于达到籽晶设置部分；以及在所述硅设置部分内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，允许由所述加热构件蒸发的硅从此经过。本发明还涉及制造SiC单晶的方法。

Description

制造碳化硅单晶的方法和用于 制造碳化硅单晶的装置
技术领域
本发明涉及制造SiC单晶的方法和用于制造SiC单晶的装置，其中，生长适合于半导体电子元件的高质量SiC。
背景技术
作为对酸和碱等化学物质具有极佳抵抗能力，几乎不可能被高能辐射损坏、并且获得高耐久性的材料，SiC已用作一种半导体材料。
对于SiC，为了用作半导体材料，必须获得具有一定尺寸大小的高质量的单晶。传统的用来长成一定大小的SiC单晶的方法是采用化学反应的Acheson方法，和采用升华/重结晶技术的Lely方法。
具体地说，作为一种长成大块SiC单晶的方法，日本专利公开No.59-48792介绍了一种所谓修改的Lely方法，其中，在由石墨制成的一坩埚内，一合适尺寸的SiC单晶被用来当作一籽晶，而材料SiC粉在负压下被升华，从而在籽晶上重结晶，因此，可以长成预定大小的SiC单晶。
在上述传统的方法中，Acheson方法在一电炉中加热硅石(silica)和焦炭的混合物，并通过自然发生的核晶作用(nucleation)沉积晶体，所以，产生大量杂质，并且很难控制所得到的晶体和晶面的形式，因此，很难获得高质量的SiC单晶。
另外，当单晶是由Lely方法制成时，由于晶体是靠自然发生的核晶作用而长成的，很难控制晶体和晶面的形式。
另一方面，根据上述日本专利公开No.59-48792(它属于修改的Lely方法)中可以获得质量相当好的SiC单晶。然而，当SiC单晶是通过这种方法获得时，在晶体成长过程中，SiC晶体是从石墨坩埚自然形成。利用这种SiC晶体作为核，晶体可以快速成长，并抑止晶体从籽晶长成，因此，很难获得高度均匀的晶体。
另外，还有一个问题是，在热辐射的作用下，材料上表面的温度高于材料内部的温度，因此，在成长的初始升华的量大，当表面石墨化以后逐渐减小。为了克服该困难，日本专利申请公开No.5-105596建议使用一种包含碳的材料，并在材料表面部分形成一包含碳的层，因此，可以防止来自坩埚上部发生的热辐射。然而，既使采用这种方法，在合成过程中，也很难使材料在相同的蒸气压下不断地到达籽晶，因此，不可能获得高质量的SiC单晶。
另外，由于加热条件或坩埚的热辐射而使材料升华的区域不断从与坩埚接触的侧面或底面附近向位于中心部分的材料扩展。因为当升华面积扩展时，坩埚侧面或底面附近早期升华的材料变成高隔热煤烟类粉，材料中心部分的加热条件和热辐射明显减小，因此，中心部分材料的升华会突然减少或不会发生。具体地说，对于合成大面积单晶，用于装填材料的坩埚的直径也变大，因此，材料的径向变化将是很严重的问题。尽管，日本专利申请公开No.5-58774所介绍的装置通过在坩埚内安装一热导体来均匀加热材料，它不能限制材料升华，从而变成煤烟状粉末，因此不能按照原理随时间保持结晶速度不变，因此，该装置不能获得高质量的SiC单晶。
图5示出了碳(C)和SiC的蒸气压曲线，其中，纵坐标轴(对数坐标)和横坐标轴分别表示压力(Pa)和温度(℃)。如图5所示，在SiC形成过程中，Si的蒸气压比SiC2或Si2C大一个数量级。为了提高SiC形成速度，必须向籽晶提供足够量的Si和C。然而，此时，如果升高温度以增加蒸气压低的SiC2和Si2C的分压，从而提供足够的碳，硅系统的分压会太高，材料的化学配比(化学计量成份)和合成的晶体将会漂移。
WO 9713013A介绍了一种外延成长方法，其中，硅烷气体被高速喷射到高温热壁内的SiC基底上。利用这种技术可以高速长成SiC单晶。然而，由于硅是通过气体来提供的，在高温热壁内会发生氢气腐蚀SiC的问题。另外，硅烷气体会形成气相颗粒，从而污染设备的内部，并降低SiC单晶的质量。
图6示出了主反应器中的Si分压和温度的关系，其中，SiC以SiC的热CVD长成。从这个图中可以看出，当氢气分压升高时，发生SiC成长的逆反应，因此，SiC被蚀刻。一般地，当氢分压高时，很难形成高质量的SiC单晶。
发明内容
考虑到现有技术的上述问题，本发明的一个目的是提供一种制造SiC单晶的方法和用于制造SiC单晶的装置，其中，可以获得高质量的SiC单晶。
为了克服上述问题，本发明提供了一种制造SiC单晶的方法，该方法包括：一设置步骤，将固态Si设置在一第一温度区域T1内，和将一SiC籽晶设置在一比上述第一温度区域T1高的第二温度区域T2内；一Si蒸发步骤，从上述第一温度区域T1蒸发Si；一SiC形成气体生成步骤，通过使上述蒸发的硅与碳反应生成SiC形成气体；和一单晶形成步骤，使上述SiC形成气体到达上述籽晶，以形成上述SiC单晶。其中，一由碳、石英或SiC制成的屏障布置在所述第一温度区域T1内的所述固态Si的上表面；所述屏障控制所述Si的蒸气压。
首先，在本发明制造SiC单晶的方法中，固态硅由第一温度区域T1的加热而蒸发。这里，由于第一温度区域T1的温度被调节，Si的分压可以被调节。结果，这样蒸发的硅与碳反应，从而产生一SiC形成气体。当SiC形成气体到达SiC的籽晶时，形成SiC单晶。这里，如果将与蒸发的硅化合的碳的分压与由第一温度区域T1的温度所确定的Si的分压相同，就可以获得高质量的SiC单晶。
另外，因为所用的是固态硅源，气氛中氢气的分压减小，因此可以避免SiC单晶被蚀刻的问题。另外，由于不采用非稳态气体(如硅烷)作为SiC源，不会有气相气体分解产生颗粒的问题。结果，可以提供足够的Si，实现高速生长，并且可以防止由于颗粒的存在而使SiC单晶的质量降低。
这里，从图6可以看出，当氢气分压降低时，反应按SiC长成方向进行。因为SiC的流量(cm-1s-1)可以通过其分压来计算，假设所有的流量均用于生长，可以看出生长速率可以达到几百μm/h。
最好，在本发明制造SiC单晶的方法中，其中固态碳设置在一第三温度区域T3内，其温度比上述设置步骤中的上述第二温度区域T2的温度高；上述SiC形成气体是在所述SiC形成气体生成步骤中通过让上述Si蒸发步骤中蒸发的硅通过上述第三温度区域T3，并与碳反应形成的；上述SiC形成气体在所述单晶形成步骤中被引至上述籽晶，以形成SiC单晶。
即，此时，Si的分压可以通过调节第一温度区域T1的温度来调节，碳的分压可以通过调节第三温度区域T3的温度来使之与Si的分压基本相同。一般地，为了使碳的分压和硅的分压基本彼此相同，碳的温度必须高于硅的温度。这里，由于碳和硅的温度是彼此独立升高的，可以为籽晶提供足够量的碳，同时可以抑制Si的蒸发量。作为籽晶，也可以采用SiC的单晶基底。
图7示出了Si和C各自的蒸气压曲线，其中，纵坐标(对称坐标)和横坐标分别表示压力(Pa)和温度(℃)。从图7中可以看出，当在1400℃和更高温度下能获得足够蒸气压的Si通过加热到2000℃或更高温度的C(石墨)区域时，可以合成具有合适可控制性的SiC单晶。
另外，作为原材料的固态硅和C(石墨)的高纯度材料的价格不贵。因此，所合成的SiC单晶的杂质浓度降低。另外，和使用SiC粉末不同，由于Si和C都是单个元素，在合成过程中没有成份变化，因此，合成条件变得稳定，可以获得高质量SiC单晶。另外，由于在填充时材料不是呈粉末状而是固态(块状)的Si和石墨，填充率很高，因此，可以合成大的、长的SiC单晶。
据Silicon Carbide(碳化硅)-1973第135页(1973年9月17-20日在Miami Beach，Florida举行的碳化硅第三届国际会议会刊)介绍，当熔融硅的温度为2200℃，此时SiC形成的成长室的温度为2500℃，可以获得高质量的SiC单晶。然而，这些文献中所介绍的成长装置中所用的加热室仅有一个区，熔融硅的温度不是被迫调节的，而是设置为2200℃，在这方面，与本发明有很大的不同。
最好，在本发明中，一由碳、石英或SiC制成的隔热屏布置在第一温度区域T1内的液相硅和汽相硅之间的边界上，从而，控制硅的蒸气压。这里，作为碳，玻璃碳(glassy carbon)特别适合，在高温下，它会形成一极佳的隔热屏，不与硅反应。
最好，在第三温度区域T3内的上述隔热屏和固态碳是机械地彼此相连，使得当隔热屏由于第一温度区域T1内硅蒸发而导致硅量减少而改变其位置时，碳产生移动，以使所形成的单晶硅和碳之间的距离基本保持不变。采用这种结构可以在一长时间内稳定地形成SiC单晶。
最好，第三温度区域T3内的固态碳形成有一通孔，使蒸发的硅可从此通过。使用形成有一通孔(如毛细孔或槽)的碳可以增加蒸发硅与碳接触的面积，从而，允许Si和碳彼此充分反应。
最好，在本发明的制造SiC单晶的方法中，在上述设置步骤中，上述Si和所述的SiC籽晶布置在一含有碳的气体中；在上述SiC形成气体生成步骤中，上述蒸发的硅与上述气体中的碳元素反应，形成SiC形成气体；和在上述单晶形成步骤中，上述SiC形成气体被引至上述籽晶，从而形成上述SiC单晶。
即，此时，硅的分压可以通过调节第一温度区域T1的温度来调节，碳的分压可以通过调节包含碳的气体提供量来使之与Si的分压基本相同，因此，可以获得高质量SiC单晶基片。这里，作为籽晶，可以采用单晶SiC基片。
最好，一由碳、石英或SiC制成的隔热屏放在液相硅和汽相硅之间的边界上，从而，控制Si的蒸气压。这里，作为碳，玻璃碳特别适合，它在高温下，可以形成极佳的隔热屏，而不会与Si反应。
最好，Ar气用来作为从第一温度区域T1内蒸发的Si的载体气体。使用Ar气作为载体气体，可以防止产生副产品。
最好，在单晶形成步骤中，籽晶以100rpm或更高速度转动。因此，以高速转动籽晶可以减小膜厚度分布，进而可以实现高速成长。由于转动会减薄基底表面的扩散层，因此，增加了扩散的驱动力。结果，可以增加成长速率，而不要使用接近技术(proximity method)，例如夹层技术。
本发明的一种用于制造SiC单晶的装置包括：一Si设置部分，其中放有固态硅；一籽晶设置部分，其中放有SiC的籽晶；一合成容器，适合于容纳上述Si设置部分、上述籽晶设置部分和碳；加热构件，适合于加热上述Si设置部分和上述籽晶设置部分；和一控制部分，用于向上述加热构件输送一指令，以将上述硅加热到硅的蒸发温度或更高，和将上述籽晶加热到高于上述Si的温度；其中，由上述加热构件蒸发的Si适于达到上述籽晶设置部分；以及在所述硅设置部分内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，允许由所述加热构件蒸发的硅从此经过。
在本发明用于制造SiC单晶的装置中，Si是通过接受来自控制部分的指令的加热元件来蒸发的。这里，因为，Si的加热温度被调节，所以，硅的分压可以调节。结果，这样蒸发的Si与碳反应，从而产生SiC形成气体。接着，当SiC形成气体到达放在籽晶设置部分内的籽晶时，形成SiC单晶。这里，如果碳的分压与硅的分压基本相同，那么，就可以获得高质量SiC单晶。
最好，在本发明的用于制造SiC单晶的装置中，固态碳放在上述合成容器内的上述Si设置部分和籽晶设置部分之间；上述控制部分控制上述加热构件，以使上述固态碳的温度高于上述籽晶的温度；和由加热构件蒸发的上述硅适于通过上述固态碳到达上述籽晶。
当采用这种装置时，Si的分压可以通过调节Si的加热温度来调节，碳的分压可以通过调节碳的加热温度来使之与硅的分压基本相同，因此，可以获得高质量SiC单晶基底。
最好，本发明用于制造SiC单晶的装置的结构可以使合成容器可以用来容纳一包含有碳的气体，通过加热元件蒸发的Si与气体中的碳元素反应，从而产生SiC形成气体，SiC形成气体到达籽晶。
当采用这种结构时，Si的分压可以通过调节Si的加热温度来调节，碳的分压可以通过调节包含碳的气体提供量来使之与硅的分压基本相同，因此，可以获得高质量单晶硅。
最好，在本发明用于制造SiC单晶的装置中，合成容器的内表面由类金刚石碳或玻璃碳构成。这样可以防止在合成容器的内表面产生自然核晶作用，因此，可以合成高质量SiC单晶。
最好，由石墨制成的隔热屏放在合成容器的外侧。这样可以抑制由于热辐射所产生的热耗散。
最好，隔热屏是由多个矩形石墨片制成，这些石墨片彼此相邻且中间带有一间隙，从而获得总体基本为圆柱形结构。这样可以抑制由于高频加热所产生的感应电流。另外，如果多个这种隔热屏沿合成容器的径向布置，那么，还可以进一步抑制热耗散和诱导电流。
通过下面作为实例的附图(不能认为是本发明的限制)和下面的详细说明，可以更全面地理解本发明。
从下面的详细介绍中可以看出本发明的其它适用范畴。然而，必须理解的是详细介绍和具体实例(表明本发明的优选实施例)仅是实例性的，对于熟悉该技术的人来说，根据详细说明，在本发明的精神和范畴内可对本发明进行各种修改和变化。
附图说明
图1是一简单结构图，示出了本发明一第一实施例中用于制造SiC单晶的装置；
图2是用于制造SiC单晶的装置沿II-II方向的截面图；
图3是一简单结构图，示出了本发明一第二实施例中用于制造-SiC单晶的装置；
图4是用于制造SiC单晶的装置沿IV-IV方向的截面图；
图5示出了C和SiC的蒸气压曲线；
图6示出了SiC在其热CVD中长成的主反应器中Si颗粒温度和压力关系曲线；和
图7示出了C和SiC的蒸气压曲线。
具体实施方式
下面将详细介绍本发明制造SiC单晶的方法和本发明用于制造SiC单晶的装置的实施例。
(第一实施例)
图1示出了用于制造SiC单晶101的一种装置，相应地，图2是图1所示装置101沿II-II方向的截面图。在装置101中，一坩埚1，它是一由石墨制成的圆柱形合成容器，由一圆柱形上坩埚1a和一圆柱形下坩埚1b构成。上坩埚1a的上端由一盘形盖2封闭。另一方面，在下坩埚1b的里面，插有一由石墨制成的Si保持坩埚3，使得它可以沿轴向移动，其与下坩埚之间具有一小间隙。Si保持坩埚3的下部固定地连接到盘形坩埚支撑4的上表面，相应地，Si保持坩埚的下侧面提供有多个通孔3a，它们与上述间隙连通。这里，Si保持坩埚3和坩埚支撑4构成一硅沉积部分。一圆柱形支撑轴5固定地连接到坩埚支撑4下表面的中心部分上，圆柱形支撑轴5与一驱动源(未显示)连接。即，当支撑轴5上下运动时，Si保持坩埚3可以沿轴向运动。另外，由于支撑轴5是一中空圆柱形结构，Si保持坩埚3底面的温度可以用一双温度高温计测量。
坩埚1和Si保持坩埚3的内周表面是由具有高光滑度的类金刚石碳或玻璃碳(glass-like carbon)制成。最好，坩埚1和Si保持坩埚3的内周表面的表面粗糙度为Rmax＜10μm。
在坩埚1的外侧，同轴布置有三块隔热屏6，它们沿坩埚1的径向对齐。如图2所示，每个隔热屏6都是由多个基本为矩形(或条形)的石墨片6a构成，这些石墨片彼此相邻，中间间隔一个间隙，从而获得总体上基本为圆柱形形式，这里，相邻隔热屏6放置成使它们的间隙不会在径向叠置。由于隔热屏6不是由通常所用的会导致杂质污染的碳纤维或多孔石墨形成，所以，不必害怕会有杂质。另外，如图1所示，这些隔热屏6的上端用一由相同材料形成的盘形盖7来封闭。
在最外面的隔热屏6的外侧，与隔热屏6同轴布置有一由石英构成的圆柱形石英管8。一冷却剂(如水)允许通过石英管8内流动，从而保护石英管8。在石英管8的外侧，从上侧连续布置了起加热元件作用的射频工作线圈(RF work coil)17a，17b，17c，从而实现对坩埚1，Si保持坩埚3和类似器件的高频加热。另外，用于实现工作线圈17a至17c的温度调节的控制部分18连接在工作线圈上。
在坩埚1的上部穿过盖7和盖2的中心部分插有一籽晶支撑杆9，其可以沿轴向运动。一盘形籽晶座10固定地连接到籽晶支撑杆9的下端，从而封闭其下端开口。一SiC籽晶11用一由葡萄糖类(glucose)制成的糊固定地连接到起着一籽晶设置部分作用的的籽晶座10的下表面上，该葡萄糖糊在高温下熔融。由于籽晶支撑杆9是中空圆柱形结构，所以，籽晶11的温度可以用一双温度高温计来测量。另外，籽晶支撑杆9是这样放置的，可以以200rpm的速度沿轴向转动。籽晶支撑杆9构造成可以和坩埚1，坩埚支撑4和支撑杆5一起在石英管8的内壁所包围的范围内形成一真空状态。作为籽晶，可以将一SiC单晶基底设置在籽晶座10上。
另一方面，一圆柱体式Si源容纳在Si保持坩埚3中。在Si源12的上表面上安装有一由碳、石英或SiC制成的用于调节Si蒸气压的盘形屏障13。用于调节Si蒸气压的屏障13上形成有多个通孔13a，它们沿轴向穿过屏障13，从而允许Si蒸气从此通过。在用于调节Si蒸气压的屏障13的中心部分处，一用于调节Si蒸气压的辅助屏障14固定地连接到屏障13上，辅助屏障14的材料和用于调节Si蒸气压的屏障13的材料相同。用于调节Si蒸气压的辅助屏障14包括一中心轴和两个放在用于调节Si蒸气压的屏障13附近的盘。为了调节来自Si源12的蒸气压，用于调节Si蒸气压的屏障13和辅助屏障14可以分别控制在高温下熔融的液相硅和汽相硅之间边界面积和控制汽相硅的扩散。
一圆柱体式碳提供源(石墨)15固定地连接到用于调节Si蒸气压的辅助屏障14的上端部。碳提供源15上形成有多个沿轴向穿透的通孔15a，从而允许Si蒸气从此通过。Si在通过通孔15a的同时，与石墨反应，从而获得SiC形成气体，它是形成SiC的活性物(active species)。既使在Si保持坩埚13下降时，碳提供源15的下降运动受下降止动块16的限制，此止动块固定地设置于上坩埚1a的下内周边表面上。
在这种结构的装置101中，根据来自控制部分18的指令，可以实现加热控制，通过工作线圈17c使Si源12的温度设定为1300℃～1600℃，通过工作线圈17a使籽晶的温度设定为2000℃～2400℃，通过工作线圈17b使碳提供源的温度设定为2300℃～3000℃。一般地，这种装置的结构中坩埚1内形成三个区域：用于Si源12的低温区域(第一温度区域)T1；用于籽晶11的中温区域(第二温度区域)T2；和一用于碳提供源15的高温区域(第三温度区域)。
在这种装置101中，Si保持坩埚3的通孔3a的结构是这样的，可以使Si源在高温下熔融，从而从通孔3a中部分流出，并由于在与下坩埚1b的间隙处固化而阻塞这些通孔3a，因此，可以有效地向上引导硅蒸气。
下面将参考图1介绍使用这种用于制造SiC单晶的装置来制造SiC单晶的方法。
首先，在籽晶11，Si源12、碳提供源15和类似器件被设定在他们预定位置之后，籽晶支撑杆9被向上运动，以举取籽晶11，硅源12和Si保持坩埚3一起向下运动，然后，在由石英管8的内壁形成的空间内进行一个小时的抽真空。接着，Ar气被引入装置101中，从而获得一正常压力(760Torr)，并让冷却剂流过石英管8，坩埚1的温度设定为2800℃，并烘烤一小时，从而脱气。这里，碳提供源15的石墨可以烘烤相同时间，因为，由于碳提供源15的下降止动块16的作用，它可以保持在坩埚1内。
接着硅源12与Si保持坩埚3一起向上移动，从而获得图1所示状态，籽晶支撑杆9和籽晶11被向下运动至一预定位置，然后，使籽晶支撑杆9以100rpm的速度转动，操作控制部分8，来调节工作线圈17a～17c，从而，使籽晶、碳提供源15中的石墨和硅源12分别获得约2300℃、约2500℃和约1600℃的温度。由于温度设定是在常压下进行的，可以防止长成结晶度差的晶体。另外，硅源12和碳提供源15的温度设定成这样，使装置101中Si的分压和碳的分压彼此基本相同。
然后，石英管8内Ar气的压力降至5Torr，并保持这种状态，从而使Si蒸气通过用于调节Si蒸气压的屏障13上的通孔13a，并进一步通过碳提供源15的通孔15a，从而，得到一SiC形成气体。当SiC形成气体到达籽晶11时，一SiC单晶以1～2mm/h的速率在籽晶11的表面上生长。因此，根据该实施例，最终可以形成直径为2英寸的SiC单晶块。
在该实施例中，因为硅的分压和碳的分压基本彼此相同，所以，可以获得一高质量SiC单晶。另外，由于坩埚1和Si保持坩埚3的内周边表面是由上述类金刚石碳或玻璃碳制成，它们可以防止在上坩埚1a的内表面发生自然核晶过程，因此，可以形成高质量SiC单晶。
另外，由于使用一Si的固态源，坩埚1内氢气分压下降，因此，这里基本上没有SiC单晶被蚀刻的问题。另外，由于没有非稳态气体(如硅烷)被用作硅源，这里没有汽相气体分解产生颗粒的问题。结果，可以提供足够量的Si，从而实现高速成长，并可以防止由于颗粒而使SiC单晶恶化。
另外，由于石墨制成的隔热屏6放在坩埚1的外侧，可以防止由于热辐射所导致的热耗散。另外，由于隔热屏6包括多个石墨片6a，它们之间有一定的间隙，从而获得总体上基本为圆柱形结构，它可以防止由于高频加热而产生的诱导电流。另外，由于多个这种隔热屏6是沿坩埚1径向布置，还可以进一步抑制热耗散和诱导电流。
另外，由于碳提供源15形成有通孔15a，与蒸发的硅接触的面积增加，因此，允许硅和碳彼此高效地反应。另外，由于用于调节Si蒸气压的屏障13和碳提供源15彼此机械地连接，当硅源12减少时，碳提供源15向下运动，从而使合成SiC单晶和碳提供源15之间的距离基本保持不变，因此，在一长时间内，可以稳定地形成SiC单晶。
当考察这样所获得的SiC单晶的光致发光特性时，发现其最长的波长约为490nm，这表示它为6H型SiC单晶。
根据Hall测试，发现可以合成具有8Ω·cm电阻率，约3×1016cm-3的载流子浓度和n型导电性的高电阻、低载流子浓度的SiC单晶。
另外，这种SiC单晶块被切成厚度为400μm的晶片，然后用钻石磨料(diamond ground-stone)砂轮来抛光，从而使其两侧都获得镜面光洁度。结果，根据肉眼看，在2英寸的整个表面上是均匀的，据发现各边缘的多晶性和光的可传输性最适合于波长为2-5μm，这表示该晶格是一好晶格，其中没有大量的杂质。
在该实施例中，如上所述，因为Si源12和碳提供源15各自的温度独立升高，并且它们的蒸气压也被调整为它们相应的最佳温度，从而实现合成，可以在高温区域T3内设定一高温，而不依赖于Si提供的量，因此，可以有效地合成SiC单晶。另外，Si源12和碳提供源15可以由价格便宜的块状高纯度材料制成，这样可以大大降低杂质的浓度，可以合成大规模、加长的SiC单晶。另外，因为Si源12和碳提供源15的石墨都是单个元素，合成条件变得稳定，从而，可以获得高质量SiC单晶。另外，籽晶支撑杆9可以用高达200rpm的速度转动，可以提高平面均匀度，可以加速扩散，从而，提高成长速率。
尽管已根据上述实施例详细介绍了本发明制造SiC单晶的方法和用于制造SiC单晶的装置，但本发明并不限制于上述实施例。例如，因为用于加热合成容器(如坩埚、电阻加热器或类似)的元件可以用来代替RF工作线圈。另外，碳提供源中形成的Si蒸气用通孔没有必要为圆形截面，固态碳也可以形成有缝。
(第二实施例)
图3示出了用于制造根据本发明该实施例的SiC单晶的装置102；相应地，图4是图3所示装置沿IV-IV方向的剖视图。
在该装置102中，一热壁21(它是一由石墨制成的圆柱形合成容器)包括一圆柱形上热壁21a和一圆柱形下热壁21b。上热壁21a的上端用一盘形盖22封闭。另一方面，下热壁21b包括一双结构，其中，两个圆柱体沿径向彼此对准，之间带有一小间隙。上热壁21a和下热壁21b的内周边表面都是由具有高光滑度的类金刚石碳(diamond-like carbon)或玻璃碳(glass-likecarbon)构成。最好，上热壁21a和下热壁21b的内周表面的表面粗糙度Rmax＜10μm。
在下热壁21b内侧插有一Si容纳坩埚(Si设置部分)23，后者具有一由石墨制成的带底的圆筒结构，Si容纳坩埚23可以沿轴向移动，它与下热壁21b之间有一间隙。Si容纳坩埚23的下部固定地连接到可沿下热壁21b的内周边表面滑动的盘形坩埚支撑24的上表面，相应地，一连接到一驱动源(未显示)的圆柱形支撑轴25固定地连接到坩埚支撑24的下表面的中心部分。即，当支撑轴25上下运动时，Si容纳坩埚23可以沿轴向运动。另外，因为支撑轴25是一中空圆柱形结构，Si容纳坩埚23的底面的温度可以用一双温度高温计来测量。
支撑轴25、坩埚支撑24和坩埚23的中心部分提供有一Ar气体提供管26，用于提供作为载体气体的Ar气。另外，坩埚支撑24的外周边提供有多个碳氢化合物提供孔27，用于提供作为包含碳的气体的碳氢化合物，它们沿轴向穿过坩埚支撑24。
在坩埚23内，容纳有一固态Si源28。在硅源28的上表面安装有由碳、石英或SiC制成的用于调节Si蒸气压的盘形屏障29。用于调节Si蒸气压的屏障29形成有多个轴向穿透的通孔29a，以允许Si蒸气通过。该屏障29用于调节熔融液相Si和汽相Si之间的边界的面积，以控制来自Si源28的蒸气压。
一用于均匀提供Si蒸汽的盘形控制板30固定地连接到坩埚23的上部。该控制板30是由与屏障29相同的材料制成，使得垂直置于坩埚23上的一圆筒的上端提供有一盘，它形成有多个沿轴向穿透的通孔30a。
另一方面，在热壁21的上部插有一穿过盖22的中孔的圆柱形基底保持架支撑杆31，从而，可以沿轴向移动。一盘形基底保持架(籽晶设置部分)32固定地连接到基底保持架支撑杆31的下端，从而封闭其下端开口。一SiC单晶(它是一籽晶)形成的基底33用由葡萄糖(glucose)制成且在高温下熔融的糊固定地连接到基底保持架32的下表面上。因为支撑保持杆是一中空圆柱形结构，基底33的温度可以用一双温度高温计来测量。另外，基底保持杆可以以高达1500rpm的速度轴向转动。盖22的外周边提供有多个气体排出孔34，它们轴向穿过盖22，用于排出气体。
如图4所示，在热壁21的外侧同轴布置有三块隔热屏35，它们沿热壁21的径向对准。每个隔热屏35都是由多个彼此相邻且之间带有一定间隙的条形石墨片构成，从而获得总体上基本为圆柱形的结构，相应地，相邻的隔热屏35是这样定位的，它们的间隙径向不会重叠。因为隔热屏35不是由通常所用的且易产生杂质的碳纤维或多孔石墨形成的，所以，不必害怕会产生杂质污染。
最外端隔热屏35的外侧与隔热屏同轴布置有一由石英制成的圆柱形石英管36。一冷却剂(如水)允许通过石英管36，从而保护石英管。在石英管36的外侧，从上端连续布置有起加热元件作用的射频工作线圈37a，37b，37c，从而，实现热壁21和类似元件的高频加热。另外，工作线圈37a，37b上连接有调节其温度的控制部分38。
这里，热壁21、隔热屏35等的结构可以在石英管36内壁所包围的范围内整体上形成一真空状态。
在这种结构的装置中，根据控制部分38的指令，可以实现加热控制，通过工作线圈37b使Si源28的温度设定为1300℃～1600℃，通过工作线圈37a使基底33的温度设定为1500℃～2200℃。即，这种装置102的结构可以在热壁21内形成一用于Si源的低温区域(第一温度区域)T1和一用于基底33的高温区域(第二温度区域)T2。
下面将参考图3介绍通过用于制造一SiC单晶的这种结构的装置来制造一SiC单晶的方法。
首先，在硅源28、SiC单晶的基底和类似元件被设定到它们预定位置之后，基底保持架支撑杆31向上运动，以举起基底33，Si源28和坩埚23一起向下运动，然后，在石英管36的内壁形成的空间内形成一个小时的真空。接着，一Ar气流入装置101中，从而获得一常压(760Torr)，让冷却剂流过石英管36，热壁的温度设定在2800℃并烘烤一个小时，使之脱气。
接着，硅源28和坩埚23一起向上运动，从而获得图3所示的状态，基底保持架支撑杆31和基底33被向下运动到它们预定的位置，然后，让基底保持架支撑杆31以1000rpm的速度转动，操作控制部分38来调节工作线圈37a，37b，使基底33和硅源分别获得约2300℃和约1450℃的温度。因为温度设定是在常压下进行的，可以防止长成劣质结晶度的晶格。
然后，石英管16的内壁内Ar气压力降至5Torr，并保持这种状态，Ar气作为载体气体被从Ar气提供管26处引入，从而，使Si蒸汽流过屏障29的通孔29a，进而流过控制板30的通孔30a。此后，Si蒸汽与由碳氢化合物提供孔27所提供的碳氢化合物在基底33附近反应。接着，硅和碳氢化合物中所包含的碳成分之间的反应所生成的SiC形成气体到达基底33，从而，以100μm/h的速率在基底33的表面上生长一SiC单晶，因此，根据该实施例，最终形成一直径为2英寸，厚度为0.5mm的SiC单晶外延膜。
在该实施例中，通过调节碳氢化合物提供孔27所提供的碳氢化合物的量，由工作线圈37a的加热温度所确定的蒸汽Si的分压和碳氢化合物中所包含的碳的分压可以保持彼此基本相同。结果，可以获得高质量SiC单晶。
另外，上热壁21a和下热壁21b的内周表面是由如上所述的类金刚石碳或玻璃碳形成的，它们可以防止在热壁21的内表面形成自然核晶，因此，可以形成高质量的SiC单晶。
另外，由于使用的是固态Si源，所以，热壁21内氢气的分压降低，因此，基本没有SiC单晶被蚀刻的问题。另外，由于没有非稳态气体(如硅烷)被用来作为硅源，没有汽相气体分解形成颗粒的问题。结果，可以提供足够量的Si，以实现高速生长，可以防止由于颗粒的存在而降低SiC单晶的质量。
另外，由于由石墨制成的隔热屏35是放在热壁21的外侧，可以防止热辐射所产生的热耗散。另外，隔热屏包含多个彼此间带有一间隙的石墨片，因此，可以获得整体上基本为圆柱形结构，可以防止由于高频加热而产生的诱导电流。另外，由于多个这种隔热屏35是沿热壁21的径向布置，可以进一步防止热扩散和诱导电流。
另外，Si、碳氢化合物和类似的都可由高纯度材料制成，它们的价格也不贵，可以大大地降低外延生长膜中的杂质含量。另外，因为基底保持架支撑杆31和基底33是以100rpm或更高的速度转动，膜的厚度分布可以均匀，从而提高平面均匀度，加速扩散，提高生长速度。
当考查这样获得的外延膜的光致发光特性时，发现其最大波长为约490nm，这表明它是6H型SiC外延膜。另外，根据Hall测试，发现可以合成电阻为1000ohm·cm、载流子浓度约为3×1014cm-3和n型导电性的高电阻，低载流子浓度的外延膜。另外，当剥去后侧的基底，以考查这种外延膜的光传导性时，发现最合适的波长为2-5μm，这表明，这种外延膜是好晶体，其中不包含大量的杂质。
如上所述，在本发明的制造SiC单晶的方法和用于制造SiC单晶的装置中，因为固态硅的温度的升高不依赖于碳的温度，可以使硅的分压和碳的分压彼此基本相同，因此，可以获得高质量SiC单晶。
如上所述，很明显，本发明有多种变化方式。这些变化都包含在本发明的精神和范畴内，对于本领域的技术人员来说，很明显所有这些变化都包括在下面权利要求所规定的范畴内。

Claims (24)

1.一种制造SiC单晶的方法，包括：
一设置步骤，将固态Si设置在一第一温度区域T1内，和将一SiC籽晶设置在一比所述第一温度区域T1高的第二温度区域T2内；
一Si蒸发步骤，从所述第一温度区域T1蒸发Si；
一SiC形成气体生成步骤，通过使所述蒸发的硅与碳反应生成SiC形成气体；和
一单晶形成步骤，使所述SiC形成气体到达所述籽晶，以形成所述SiC单晶，
其中，一由碳、石英或SiC制成的屏障布置在所述第一温度区域T1内的所述固态Si的上表面；
所述屏障控制所述Si的蒸气压。
2.如权利要求1所述的制造SiC单晶的方法，其中：
固态碳设置在一第三温度区域T3内，其温度比所述设置步骤中的所述第二温度区域T2的温度高；
所述SiC形成气体是在所述SiC形成气体生成步骤中通过让所述Si蒸发步骤中蒸发的硅通过所述第三温度区域T3，并与碳反应形成的；
所述SiC形成气体在所述单晶形成步骤中被引至所述籽晶，以形成SiC单晶。
3.如权利要求2所述的制造SiC单晶的方法，其中，所述屏障和所述第三温度区域T3内的固态碳彼此机械连接，从而，当所述屏障由于所述第一温度区域T1内硅的蒸发而使Si量减少而改变其位置时，所述碳移动，以使所形成的SiC单晶和所述碳之间的距离基本保持不变。
4.如权利要求2-3中任一项所述的制造SiC单晶的方法，其中，所述第三温度区域T3内的所述碳上形成有一通孔，所述蒸发的硅通过该孔。
5.如权利要求2-3中任一项所述的制造SiC单晶的方法，其中，所述籽晶是一SiC单晶的基底。
6.如权利要求1所述的制造SiC单晶的方法，其中：
在所述设置步骤中，所述Si和所述的SiC籽晶布置在一含有碳的气体中；
在所述SiC形成气体生成步骤中，所述蒸发的硅与所述气体中的碳元素反应，形成SiC形成气体；和
在所述单晶形成步骤中，所述SiC形成气体被引至所述籽晶，从而形成所述SiC单晶。
7.如权利要求6所述的制造SiC单晶的方法，其中，一由碳、石英或SiC制成的屏障布置在所述第一温度区域T1内的液相硅和汽相硅之间的边界上；
所述屏障控制所述Si的蒸气压。
8.如权利要求1-3和6-7中任一项所述的制造SiC单晶的方法，其中，Ar气用作从所述第一温度区域T1蒸发的所述Si的载体气体。
9.如权利要求1-3和6-7中任一项所述的制造SiC单晶的方法，其中，所述籽晶以100rpm或更高的速度转动。
10.如权利要求1-3和6-7中任一项所述的制造SiC单晶的方法，其中，所述籽晶是一SiC单晶的基底。
11.一种用于制造SiC单晶的装置，在此装置中形成SiC单晶，所述装置包括：
一Si设置部分，其中放有固态硅；
一籽晶设置部分，其中放有SiC的籽晶；
一合成容器，适合于容纳所述Si设置部分、所述籽晶设置部分和碳；
加热构件，适合于加热所述Si设置部分和所述籽晶设置部分；和
一控制部分，用于向所述加热构件输送一指令，以将所述硅加热到硅的蒸发温度或更高，和将所述籽晶加热到高于所述Si的温度；
其中，由所述加热构件蒸发的Si适于达到所述籽晶设置部分，
在所述硅设置部分内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，允许由所述加热构件蒸发的硅从此经过。
12.如权利要求11所述的用于制造SiC单晶的装置，其中：
固态碳放在所述合成容器内的所述Si设置部分和籽晶设置部分之间；
所述控制部分控制所述加热构件，以使所述固态碳的温度高于所述籽晶的温度；和
由加热构件蒸发的所述硅适于通过所述固态碳到达所述籽晶。
13.如权利要求12所述的用于制造SiC单晶的装置，还包括连接元件，用于使所述屏障和所述固态碳之间彼此机械连接，
其中，当所述屏障由于在所述硅设置部分的蒸发所导致的硅量减少而改变其位置时，所述碳移动，从而使所述籽晶上形成的SiC单晶和所述碳之间的距离保持基本不变。
14.如权利要求12-13中任一项所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述固态碳形成有一通孔，所述蒸发的硅可从此通过。
15.如权利要求12所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述合成容器的内表面包括类金刚石碳或玻璃碳。
16.如权利要求12所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，一由石墨制成的隔热屏放在所述合成容器的外侧。
17.如权利要求12-13和15-16中任一项所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述隔热屏是由多个彼此相邻且中间带有一间隙的矩形石墨片构成，从而获得整体上基本为圆柱形的结构。
18.如权利要求12-13和15-16中任一项所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，多个所述隔热屏沿所述合成容器的径向布置。
19.如权利要求11所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述合成容器适合容纳一含碳的气体；
由所述加热构件所蒸发的所述硅与所述气体中的碳元素反应从而形成SiC形成气体，
所述SiC形成气体适于达到所述籽晶。
20.如权利要求18所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，在所述硅设置部分内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，允许由所述加热构件蒸发的硅从此经过。
21.如权利要求19所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述合成容器的内表面包括类金刚石碳或玻璃碳。
22.如权利要求19所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，一由石墨制成的隔热屏放在所述合成容器的外侧。
23.如权利要求22所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，所述隔热屏是由多个彼此相邻且中间带有一间隙的矩形石墨片构成，从而获得整体上基本为圆柱形的结构。
24.如权利要求22所述的用于制造SiC单晶的装置，其中，多个所述隔热屏沿所述合成容器的径向布置。
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