CN1384892A - 碳化硅晶体生长的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种所需的多型高质量碳化硅芯棒可控的、长期的并可重复的生长的方法和装置,其采用涂有一薄层金属碳化物的石墨坩埚,并且碳化物从下列这组材料中选取:钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的碳化物。

Description

碳化硅晶体生长的方法和装置

技术领域

本发明涉及大型单晶体的高温生长，特别涉及高质量碳化硅单晶体生长的方法和装置。

背景技术

碳化硅经常被用作一种半导体材料。碳化硅具有很宽的带隙、很低的介电常数，并且在远高于其它半导体材料如硅已变得不稳定的温度下仍很稳定。这些以及其它特征使碳化硅具有优良的半导体特性。由碳化硅制成的电子设备相对于其它普通的半导体材料如硅制成的设备预期可在更高的温度、更快的速度和更高的辐射密度下工作。

那些对半导体固态物理学和性能都很熟悉的技术人员都知道半导体材料必须具有特定的性质才能用作电子设备的加工材料。在许多场合中，所需的单晶体要求具有较低的晶格缺陷以及较低的化学和物理杂质。如果不能有效地控制杂质浓度，材料通常将不能用于电子设备中。即使是一种纯的材料，具有缺陷的晶格结构也可能使该材料无法使用。

除了其电学性能外，碳化硅还具有其它良好的物理特性。碳化硅非常硬，根据多型的不同(即原子排到)和结晶方向的不同，其可具有在8.5-9.25Mohs之间的硬度。作为比较，金刚石具有10Mohs的硬度。碳化硅非常有光泽，根据多型的不同其折射系数在2.5-2.71之间。作为对比，钻石的折射系数为2.4。此外，碳化硅是一种非常艰硬并且极其稳定的材料，其可在空气中加热到2000℃以上而不会损坏。这些物理特性使得碳化硅成为一种理想的、天然宝石的替代物。在Hunter等人的美国专利文献US5,723,391和US5,762,896中就将碳化硅用作宝石。

因此，由于对碳化硅所具有的物理特性和潜在用途的认识，有许多研究人员提出了许多用以形成碳化硅晶体的技术。这些技术通常分为两大类，但我们也清楚某些技术的归类并不那么容易。第一种技术是公知的化学气相沉积法(CVD)，该方法中需将反应剂和气体引入一个系统中，在该系统中它们在一合适的基体上形成碳化硅晶体。

其它主要的碳化硅晶体生长技术通常为升华法。正如“升华”本身的含义，升华法通常采用某种固体碳化硅原材料，该材料被加热到固体碳化硅升华为止。然后气态的碳化硅原材料在一基体如籽晶上凝结，该凝结用以形成所需的晶体多型。

实际使用中能够产生较好晶体的第一种升华技术是在20世纪五十年代由J.A.Lely开发出来的，并在美国专利US2,854,364中公开。通常的观点是Lely的技术在碳容器内部衬上一层碳化硅原料，将容器加热到碳化硅升化的温度后再使之冷凝，再结晶的碳化硅就沿着容器的衬层沉积。

随后，Lely的升华技术被几个研究人员进行了修改和改进。Hergenrother的美国专利US3,228,756(“Hergenrother‘756”)中论述了另一种升华生长技术，其采用碳化硅籽晶，其它的碳化硅在其上凝结以生长晶体。Hergenrother‘756提出：为了促进晶体适度的生长，籽晶必须加热到一个合适的温度，该温度通常以这样的方式加热到超过2000℃，即籽晶处于1800℃到2000℃期间的时间最小。

Ozarow的美国专利US3,236,780(“Ozarow‘780”)中论述了另一种无籽晶升华技术，其在碳容器使用碳化硅衬层。Ozarow‘780试图在容器的碳化硅衬层的内部部分和容器的外部部分之间建立起一个径向的温度梯度。

Knippenberg的美国专利US3,615,930(“Knippenberg‘930”)和US3,962,406(“Knippenberg‘406”)中论述了另一种使碳化硅按所需形式生长的方法。Knippenberg‘930专利中论述了一种用升华法生长晶体在碳化硅中生长PN结的方法。根据该专利的论述，碳化硅在一封闭空间中加热，该空间中含有具有供体类型掺杂剂原子的隋性气体。之后掺杂材料由容器排出，容器在有受体掺杂剂的条件再次加热。该技术的目的是用来形成具有相反导电类型的相邻晶体部分从而形成PN结。

Knippenberg‘406专利论述了一种三步法来形成碳化硅，其中一个二氧化硅芯体完全包在周围碳化硅粒料中或者周围用来形成碳化硅的材料中。然后加热包裹在一起的碳化硅和二氧化硅。该系统加热到一个温度，该温度下二氧化硅芯体的周围形成一圈碳化硅壳体，然后该系统接着再加热从而使二氧化硅从碳化硅壳体中气化出来。最后，该系统进一步加热从而使其它的碳化硅继续在碳化硅壳体中生长。

Vodakov的美国专利US4,147,572中论述了一种定向升华技术，其中固体碳化硅原料和籽晶彼此之间平行并紧邻布置。

Addamiano的美国专利US4,556,436(“Addamiano‘436”)中论述了一种用来在α(alpha)碳化硅上形成β(beta)碳化硅薄膜的Lely型炉体系统，其特征在于从2300℃到2700℃之间的升华温度快速冷却到另一个低于1800℃的温度。Addamiano‘436指出大型的碳化硅立方(β)单晶体获得起来并不简单，而要获得碳化硅或其它材料如硅或钻石的生长则更加困难。

Hsu的美国专利US4,664,944中论述了一种形成碳化硅晶体的流化床技术，在其所用的非碳化硅反应剂中其仿效化学蒸气沉积技术，但是其在流化床中包含有碳化硅颗粒，因此这有点类似于升华技术。

西门子公司的德国(联邦共和国)专利3,230,727中论述了一种碳化硅升华技术，其中该技术所强调的是使碳化硅籽晶和碳化硅原料之间的温度梯度减到最小。该专利提出将反应容器中原料和籽晶之间的温度梯度限定到不超过20℃/cm。该专利还提出整个升华系统的蒸气压力保持在1到5毫巴之间，优选在大约1.5到2.5毫巴之间。

Davis的美国专利US.Re34,861(“Davis‘861”)中论述了一种形成大型设备质量级碳化硅单晶体的方法。该专利提出了一种升华方法，其改进为在原料中保持多型组分的恒定及尺寸分布。这些专利还论述了生长表面和籽晶特定的预处理方法以及原料和籽晶之间温度梯度的控制。

Barrett的美国专利US5,746,827(“Barrett‘827”)中论述了一种采用两级生长阶段来生产大直径碳化硅晶体的方法。第一生长阶段为籽晶等温生长到一个较大的直径。第二生长阶段为籽晶在一温度梯度下生长成大直径的芯棒。

Hopkins的美国专利US5,873,937(“Hopkins‘937”)中论述了一种4H碳化硅晶体的生长方法。该专利提出一种蒸气的物理输送(PVT)系统，这里晶体的表面温度保持在低于约2160℃，并且PVT系统内的压力降低以补偿较低的生长温度。

Kitoh的美国专利US5,895,526(“Kitoh‘526”)提出了一种生长碳化硅单晶体的升华方法，其中升华的原料平行于单晶体的基体表面流动。

尽管在过去的许多年中SiC晶体的生产已取得了很大的进步，然而商业上仍期望SiC晶体的生产能够不断进步。例如，现在正在研制的、更快、更大功率的设备原型就要求更大的SiC晶体能够保持现有的晶体质量或有所提高。其尺寸大到足以生产出50mm直径SiC晶片的芯棒(boule)是现有SiC商业生产的远端产品。75mm直径的高质量晶片已经出现但还没有商业化，现在已经存在100mm晶片的需要。许多SiC晶体的生产技术过于简单，不能经济地和一致地生产出所需尺寸和质量的晶体产品。现有的大多数晶体生产技术不能跟上市场需求的主要原因在于SiC的化学性质。

碳化硅升华和结晶的化学性质使得现有方法即使能够成功地实施其碳化硅晶体的生长也很困难。晶体生长的化学计量方法非常关键并且很复杂。在升华的蒸气中硅或碳过多或过少都可导致晶体形成不需要的多型或缺陷如微管。

同样，很高的操作温度，其通常高于2100℃，以及晶体生长系统中必须形成特定的温度梯度，这些都使操作变得非常困难。在大多数升华系统中所用的传统的石墨升华容器会形成0.85到0.95级的红外辐射，辐射系数取决于容器的表面特性。籽晶对红外辐射非常敏感。石墨容器发出的红外辐射能使籽晶过热从而使升华系统成功运行所需的、精确的温度梯度变得更为复杂。

最近，位于Linkping大学的SiC小组提出了一种所谓的高温化学气相沉积(High Temperature Chemical Vapor Deposition(“HTCVD”))的SiC生长技术。O.Kordina等人在日本京都的SiC和相关材料国际会议上提出了“High Temperature Chemical Vapor Deposition”；这可参见O.Kordina等人在69 Applied Physics Letters，1456(1996)中公开的内容。在该技术中，固体硅原料由气体如硅烷代替。采用气体原料可以提高对反应的化学计量的控制。固体碳原料也可由一种气体如丙烷代替，然而该技术中所用的大部分碳实际是来自于坩锅的石墨材料壁。从理论上讲，该技术采用连续的气流就可生长出连续外延的SiC芯棒。然而不幸的是，HTCVD技术在商业上的芯棒生长中并不好用，这主要是因为反应会损坏该过程中所用的石墨坩锅。此外，在该特定的处理过程中，碳氢化合物气体的加入会形成包有SiC硬壳的Si滴，其可使效率下降并束缚Si和C，从而改变系统的化学计量。

碳化硅生长最困难的一面可能是高温下硅的反应性。硅与大多数升华方法中所用的石墨容器反应，并且如上所述在某些场合中人们也希望这样。该反应控制起来很困难，并且常常会使系统中形成过多的硅或过多的碳，从而改变晶体生长过程的化学计量。此外，硅原子对石墨容器的攻击会在容器器壁上形成凹坑从而损坏容器并形成碳尘，该碳尘会污染晶体。

为了解决这些问题，某些研究提出在升华系统中使用钽，如Yu.A.Vodakov等人在1995年9月日本京都召开的第6次碳化硅国际会议中提出的“The Use of Tantalum Container Material for QualityImprovement of SiC Crystals Grown by the Sublimation Technique”。一些研究人员认为钽有助于保持最佳晶体生长所需的化学计量。这种意见得到了含钽升华容器不易被反应性的硅攻击的报告的支持。

在相关的申请中，Vodakov的WO97/27350(“Vodakov‘350”)提出了一种类似于美国专利US4,147,572的升华技术，并且该专利试图解决硅攻击升华系统中结构部件的问题。Vodakov‘350描述了一种几何定向的升华技术，其中固体碳化硅原料和籽晶彼此之间平行并紧挨着布置。Vodakov‘350采用了一种由固体钽材料制成得的升华容器。从第11页第26行到第12页第10行可以看出，Vodakov的钽容器的内表面是一种钽、硅和碳的合金。Vodakov要求这种容器能够阻挡住硅蒸气的攻击并能更好地形成碳化硅晶体。

然而，对于这种采用Vodakov所述容器的升华方法来说，钽的成本是一个缺点。固体钽材料的升华容器极其昂贵，并且像所有的升华容器一样，其最终损坏后将使其长期使用变得不够经济。此外，固体钽材料升华容器加工起来也很困难。从物理方法上形成这样一种容器并不是一件容易的事。最后，Vodakov‘350的升华方法还具有其它固体材料升华技术同样的问题，即在形成最新应用场合中所需的大型、高质芯棒时效率很低。

因此，需要一种高质量SiC晶体可控的、长期的并可重复的生长方法。该系统必须提供一种能够抵挡硅攻击的容器。该系统在实施和使用时还必须足够的经济。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种方法和装置，其用于所需高质量多型碳化硅晶体的可控的、长期的并且可重复的生长。

本发明的另一方面是提供一种通过控制晶体生长的化学计量来培养出高质量碳化硅单晶体的方法。

本发明的另一方面是提供一种通过控制晶体生长温度来生长出高质量碳化硅单晶体的方法。

本发明的另一方面是提供一种方法和装置，其通过减少或消除该系统物理部件退化形成的杂质来培养出高质量碳化硅单晶体。

本发明的另一方面是提供一种SiC晶体生长的系统，它能够阻挡与蒸发的硅进行反应。

为了满足这些目的，本发明提供一种方法和装置，其能用来培养生产电子设备中所用的大型SiC单晶体，并且能用作宝石。具体地，本发明包括：将一种所需多型的单晶体SiC籽晶和硅源以及碳源引到包括一坩锅和一个炉体的SiC晶体生长系统中。然后将硅源和碳源加热到一足以形成包括硅和碳的气化种(vaporized species)的温度。籽晶的加热温度接近但低于硅碳蒸气的温度，并且还低于SiC在坩锅的气压下升华速度大于沉积速度的温度，由此在坩锅内形成一温度梯度。

在坩锅内形成并保持一股气化种流，该气化种包括分别源自硅源和碳源的硅和碳。将蒸气流导到籽晶生长表面，并保持一定的时间，该时间应足以使SiC单晶体形成所需量的宏观生长，同时能基本防止任何含硅的种与SiC晶体生长系统所用的材料反应。

下面结合附图以及本发明的详细说明，本发明的前述和其它目的、优点和特征以及实现相同目的的方式将更加清楚。说明中所展示的是本发明的优选实施例和实施方式。

附图说明

图1示意性地说明了本发明的晶体生长系统；

图2为用于本发明方法的气体馈送升华系统的剖面图。

具体描述

本领域普通技术人员都知道下面的内容很容易就能适应或组合到所有公知的实际生产SiC晶体的方法中。因此，下面的详细说明从本发明的一般性论述开始。之后是展示本发明多样性的实施例。

本发明的一个优选实施例是一种气体馈送升华(GFS)系统，其中硅源和碳源为气态。将气态的硅源和硅源送到一个反应腔中，这里它们在高温，通常是高于2000℃的高温下反应从而形成含硅和碳的气化种。除了硅和碳以外，这些种通常包括SiC、Si₂C和SiC₂。然后将气化种沉积到一个所需的多型单晶体籽晶上。图1就是这种系统的示意图。

图1中的GFS系统包括坩锅10。显然坩锅10是一种类似于SiC升华技术中通常所用类型的、基本封闭的结构。其可参见Barrett‘827中的坩锅12，Hopkins‘937中的生长室10，Davis‘861中图1、4、5和6所示的坩锅，这些坩锅均为举例性质，并非用于限定本发明的坩锅、罐体或容器。这些参考文献还说明升华生长技术中的大量参数在此领域内已被人相当了解。因此这些内容在这里就不详细论述了，下面将详细论述的是本发明的特征。坩锅10通常为圆筒形，并包括一个具有一个外表面12和内表面13的筒壁11。筒壁11由石墨材料制成，并且石墨材料的表面涂有一层熔点高于SiC升华温度的材料。涂层材料的特征还在于其相对于硅和氢在相关温度下具有化学惰性。金属碳化物，特别是钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的碳化物及其混合物都具有所需的涂层特征。金属氮化物，特别是钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的氮化物及其混合物也具有所需的涂层特征。此外，上面所列的金属碳化物和金属氮化物可用作涂层的基体。为了便于讨论和引用，下面的说明将涉及金属碳化物，当然，这里讨论的概念和原理都等效适用于金属氮化物涂层。

在这里所描述的所有例子中，暴露于原料的石墨部件显然都涂有一层金属碳化物的涂层。金属碳化物涂层可以得自市场上可以获得的任何涂镀工艺，如加利福尼亚的Ultramet Corporation of Pacoima公司，或者是俄亥俄州的Advance Ceramics Corporation of Lakewood公司实施的方法。此外，这里描述的石墨部件的制作材料石墨几乎与所选择的金属碳化物具有相同的热膨胀系数。这种材料在市场上可以买到。对于那些需加热到这里所述的极高温度的材料来说，热膨胀系数的相似性是一个特别的要求。在这种情况下，石墨或金属碳化物涂层在晶体生长过程中出现裂缝的可能性大大降低，并且坩锅的使用寿命也有所增长。

筒壁11在径向包含一个反应区14，同心的内外原料气路16和18将原料气体供到反应区14。尽管原料气在进到反应区14之前可以进行混合，然而在这两种气体被加热到接近反应温度时一直保持这两种原料气体分离将有助于防止硅源气体和碳源气体之间形成任何不需要的副反应。同心的原料气体通路使原料气体彼此分开，直到原料气体进到反应区14为止。在一优选实施方案中，外侧的同心原料气路16将碳原料气体供到反应区14，而内侧的同心原料气路18则供应硅原料气体。

在典型的升华系统中，坩锅的石墨壁用作碳源。尽管本发明的金属碳化物涂层在特定的情况下仍可用作系统的某些碳源，但一般情况下该石墨涂层使得这类碳源无法获得。因此，这里所需的大多数碳是由一个外部碳源如碳源气体提供。适合的碳源气体包括任何能够与Si反应形成SiC的碳氢化合物。本发明最好使用C₂到C₈到碳氢化合物特别是乙烯(C₂H₄)。这种碳源蒸气还可包括一种或多种载气如He或H₂。

合适的硅源气体包括任何能与可获得的碳反应形成SiC的气体。本发明中，硅烷(SiH₄)可能是所有可能的硅源气体中最公知的一种。其它合适的硅源包括氯硅烷(SiH₄-xCl_x)和三氯甲硅烷(CH₃SiCl₃)。然而，氯硅烷需要H₂来反应。硅源蒸气还可包括一种合适的惰性载气如He。

籽晶22固定在一个籽晶夹头20上，其能下降到反应区14中。原料气体在反应区14中反应形成SiC蒸气，该蒸气最终会沉积到籽晶22表面形成芯棒24。显然，至少有一部分SiC首先沉积到内壁13上，然后升华后再凝结到生长表面(籽晶22或芯棒24)。在多数情况下，籽晶优选与所需培养的SiC多型相同。

原料气体的组分在生长过程中可保持恒定，或者根据所需的化学计量，即所需晶体的类型和晶体生长系统的物理特性进行调节。

那些对固体、液体和气体的物理化学性质非常熟悉的技术人员都知道只要生长表面的温度比载有待凝结分子或原子的流体(要么是气体要么是液体)的温度低一点，晶体在大多数情况会在该生长表面生长。GFS系统也不例外。生长表面和原料之间会建立起一个温度梯度。尽管温度梯度的具体值可根据系统压力、所需的多型、原料气体组分等因素的不同而有所不同，但下面所述的总的原则通常适用于所有类型的SiC晶体的生长工艺，包括GFS系统。硅源和碳源的温度应升到一个足以形成气化种的温度，而晶体生长表面的温度则应升到一个接近但低于硅源和碳源温度的温度，同时该温度应低于所用气压下SiC升华速度大于沉积速度的温度。

如上所述，有许多因素来确定给定系统所需的合适的温度梯度。然而现已发现：如图1所示的一个系统能够在籽晶温度约为1900℃到2500℃、反应区内壁温度约高于籽晶温度150℃到200℃的条件下运行良好。该系统的最大生长速率可确定下来。众所周知，温度越高，生长速率通常也就越大，然而过高的温度会导致籽晶的升华，并需要附加的原料气以及可能的其它调节措施，其中籽晶的升华会改变系统的动态平衡。

图1的GFS系统能够生产出很大的高质量SiC晶体。更为重要的是，图1的GFS系统能够经受住Si的化合物的攻击，这种攻击最终能损坏典型的石墨坩锅。涂有约30微米厚TaC涂层的石墨坩锅在测试中从晶体生长阶段取出，发现其并未受恶烈环境的影响。只有在运转数次后，测试坩锅才会出现裂缝，该裂缝通常出现在金属碳化物涂层小于最佳值的锐角附近。然而即使出现了涂层裂缝，晶体生长系统在石墨坩锅的整体性受到危害时也不会受到通常所形成的碳粉影响。

这一令人惊奇的特性现在还不能完全解释清楚。尽管发明人并不想被任何特定的理论束缚，但一种可能解释是当未涂覆的石墨被Si攻击时，Si主要是攻击石墨中薄弱的部分，即那些伸入孔隙的晶粒边界。Si形成SiC，SiC升华从而作为挥发性种被去掉。最终Si将晶粒周围的石墨完全侵蚀，使晶粒形成一个碳粉颗粒。据信，金属碳化物涂层深深地浸到石墨孔隙中从而使Si以一个更为均匀的方式攻击石墨，因此就避免了碳粉的形成。

令人惊奇的是，一旦石墨坩锅涂上一层金属碳化物，其就能阻挡碳粉的形成，甚至在金属碳化物涂层基本碎裂后也是如此。因此，本发明的另一实施方案是一种带有一石墨坩锅的GFS系统，该石墨坩锅曾一次性地涂上了金属碳化物，并且在之后的使用或其它情况下损失掉了全部或部分金属碳化物。这种系统能够生产出不受碳粉污染的合格的SiC晶体。

此外，图1中的GFS系统能够更好地控制晶体生长系统内的温度梯度。如前所述，籽晶对红外辐射非常敏感，而石墨则根据其表面的不同约具有0.85到0.95的红外线辐射系数。而本发明金属化合物涂层的红外辐射系数则从ZrC的约0.4到TaC的约0.5，再到NbC的约0.6。本发明金属化合物涂层较低的红外辐射系数可大大减少了晶体生长过程中辐射到籽晶的红外线的量，并能使籽晶的温度相比于没有涂层的石墨系统来说下降100℃或更多。红外辐射的减少消除了系统过热的可能，从而能够更好地控制系统中的温度梯度。

本领域普通技术人员都清楚上述采用金属碳化物涂层的坩锅很容易就能应用于已有的SiC晶体生长系统。此外，对于那些熟悉该领域的人员来说采用本发明涂有金属碳化物的坩锅并非仅限于SiC的升华生长方法。因此，尽管本发明所提供的特定优点是相对于SiC的，但这里所述的涂层或带有涂层的坩锅、罐体、容器也为其它材料包括其它宽带隙半导体材料如III组氮化物材料特别是氮化镓(GaN)的生长提供结构和功能方面的优点。例如，一些学者已报导出碳和GaN中发出的黄光以及内含氮化物中不一致的电学性质之间的联系。如Pearton等人在86 AppliedPhysics Reviews 1(1999年7月)中发表的GaN：Processing，Defectsand Devices。本发明采用带有涂层的装置和方法能够很好地降低碳在MOCVD氮化物中作为潜在沉积杂质的可能性。其它的实施方案可用来证明本发明的多样性。

图2所示为本发明方法中所用的另一个GFS系统的剖面图。坩锅总体上用坩锅10表示。坩锅10位于总体上由8表示的炉体中。将热量供给SiC和其它晶体生长系统的方法和装置如炉体是本领域普通技术人员公知的，因此这里不再详细论述。

坩锅10通常为筒形，其包括盖26和底28，它们将一个中间的筒部30基本封住。中间的筒部30包括一个具有顶和底以及内径和外径的外筒32。放在外筒32内径中的是一个同样具有顶和底以及内径和外径的内筒34。外筒32和内筒34形成同心的内外气路38和36。

在一优选实施方案中，中间的筒部30还包括至少一个间隔环40，该环位于外筒32和盖26之间。该间隔环40用内径和外径限定，其中所述内径小于内筒34的外径。间隔环40和盖26总体上在外筒32和内筒34上形成反应区42。显然，间隔环40是一个可选的部件。然而在使用时，间隔环40优选包含本发明的金属碳化物的耐高温涂层。作为选择，外筒32可以延伸并取代间隔环40。然而，这里推荐使用一个间隔环或多个垫圈，由此可以灵活地调节反应区42的尺寸以及温度梯度。在另一实施方案中，间隔环40可用来与其它类似形状的设备如生长盘(带有文丘里开口的环，该开口用来聚集向上流动的SiC蒸气)或收集盘(一种多孔盘，其允许SiC蒸气向上流动，同时收集从坩锅壁落下来的固体颗粒)相连。将这些颗粒收集到一个很热的收集盘上可以使它们再次升华从而有助于晶体的生长。

从盖26伸到反应区42中的是一个由籽晶夹头46和石墨杆48支撑的籽晶44。籽晶44用作SiC芯棒50生长的基体。

两气源52和54与同心的内外气路相通，用来提供SiC晶体生长过程所用的硅和碳的原料气体。在一优选实施方案中，一气源52将碳原料气供到同心的外侧气路36，另一个气源54将硅原料气供到同心的内侧气路38。如前面参考图1所述的那样，这之后反应形成SiC蒸气和所需的SiC芯棒。盖26中有一个气体出口27，该出口穿过下面的籽晶夹头46从而形成一个装置来排空反应区42的气体。

显然，前人(如，Davis、Vodakov等人)所提到的与该系统相关的部分在变更或改进后可结合到这里所述的带涂层的表面、容器和系统中，并落入本发明的范围内。

为了使读者不需做过多的实验就能实现本发明，上面参照特定的优选实施方案对本发明进行了详细地描述。然而，本领域普通技术人员都清楚许多组件和参数在不背离本发明范围和精神的情况可在一定范围内调节或改变。此外，题目、标题等类似内容是用来使读者更好地理解本发明，其并非用来限定本发明的保护范围。因此，本发明的知识产权仅由权利要求书、合理的外延及等同内容来确定。

Claims (27)

1、一种在SiC晶体生长系统中生长高质量SiC单晶体的方法，其包括：

将一个硅源和一个引入的碳源的温度提高到一个足以形成碳化硅蒸气的温度；同时

将一籽晶生长表面的温度提高到一个与硅源和碳源温度相接近的、但低于硅源和碳源温度的温度，同时该温度低于碳化硅在SiC晶体生长系统的气压条件下产生升华的温度；并且

生成并维持一股合适的、含有碳和硅的气化种的流，其中的碳和硅源自硅源和引入的碳源；将所述的蒸气流引到籽晶的生长表面，并维持一定的时间，该时间应足以生产出所需宏观生长量的碳化硅单晶体；同时

除了与引入的碳源反应外，基本防止任何含硅的种与周围物质反应。

2、根据权利要求1的方法，其中除了与引入的碳源反应外基本上防止任何含硅的种与周围物质反应这一步骤包括：将硅源和引入的碳源引到一个SiC晶体生长系统，该系统包括其上涂有一层材料的石墨，该材料的特征在于其熔点高于SiC的升华温度、并且在升华温度下相对于硅和氢具有化学惰性、以及其热膨胀系数与石墨非常类似从而能避免石墨和涂层在升华温度下出现裂缝。

3、根据权利要求1的方法，其中除了与引入的碳源反应外基本上防止任何含硅的种与周围物质反应这一步骤包括：将硅源和引入的碳源引到一个SiC晶体生长系统中，该系统包括其上涂有一层耐高温金属化合物的石墨，该金属化合物由下列一组材料中选取：钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的碳化物以及钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的氮化物以及这些化合物的混合物。

4、根据权利要求3的方法，其中所述的耐高温金属化合物包括钽的碳化物。

5、根据权利要求1的方法，其中硅源和碳源为包含硅烷和乙烯的气流。

6、根据权利要求1的方法，其中硅源和碳源包括碳化硅粉末。

7、根据权利要求1的方法，进一步包括：将所需多型的SiC单晶体籽晶、硅源以及碳源引到一个SiC晶体生长系统中，该晶体生长系统相对于硅基本具有化学惰性，从而除了与碳源反应外基本上防止任何含硅的种与生长系统反应。

8、根据权利要求1或7的方法，进一步包括在将碳化硅籽晶引入SiC晶体生长系统之前预先准备好一个抛光的碳化硅籽晶。

9、根据权利要求7的方法，其中提高硅源和碳源温度的步骤包括将硅源和碳源的温度大约升到2200℃到2400℃之间。

10、根据权利要求9的方法，其中提高硅源和碳源温度的步骤包括将硅源和碳源的温度大约升到2300℃。

11、根据权利要求1或7的方法，其中提高籽晶温度的步骤包括将籽晶的温度大约升到2150℃到2250℃之间。

12、根据权利要求11的方法，其中提高籽晶温度的步骤包括将籽晶的温度大约升到2200℃。

13、根据权利要求1或7的方法，其中生成并维持一股合适的、含有碳和硅的气化种流，其中的碳和硅源自硅源和引入的碳源，的步骤包括：引入至少一股具有选定硅和碳组分的气流，并且在整个生长过程中维持选定的硅和碳组分在该气流中基本恒定的步骤。

14、根据权利要求1或7的方法，其中生成并维持基本恒定流量的气化种的步骤包括：引入至少一股具有选定硅和碳组分的气流，并且在整个生长过程中根据需要改变该气流中选定组分的硅和碳从而保持所需晶体生长的步骤。

15、根据权利要求1或7的方法，其中生成并维持基本恒定流量的气化种的步骤包括：引入一具有选定碳化硅多型组分的原料粉末，并且在整个生长过程中维持选定的碳化硅多型组分在原料粉末中基本恒定的步骤。

16、一种表面，其特别适用于碳化硅晶体高温生长中所用的容器，所述表面包括：

一基体，和

所述基体上由一层很薄的、不同于基体材料的材料构成的涂层，该涂层的特征在于：其熔点高于SiC的升华温度，在升华温度下相对于硅和氢具有化学惰性，并且其热膨胀系数与所述基体非常类似从而使所述基体和所述涂层在所述表面加热到SiC升华温度并且从SiC升华温度冷却下来时不会出现裂缝。

17、根据权利要求16的表面，其中所述基体包含石墨。

18、根据权利要求17的表面，其中所述涂层是一种耐高温的金属化合物，该金属化合物由下列这组材料中选取：钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的碳化物以及钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的氮化物以及这些化合物的混合物。

19、根据权利要求18的表面，其中所述的耐高温金属化合物包含钽的碳化物。

20、一种用于SiC晶体生长的容器，所述容器至少有一个表面涂有权利要求16的涂层。

21、一种用于高温SiC晶体生长的SiC晶体生长系统，所述系统包括一个接收碳化硅籽晶的容器以及一个硅源和一个碳源，其中所述容器包括：

一个石墨芯体；以及

石墨芯体上根据权利要求16的一个涂层。

22、一种根据权利要求21的SiC晶体生长系统，其进一步包括：

一个加热元件，其用来加热所述容器；

一个籽晶夹头；以及

使含硅和碳的气化种进到所述系统并使碳化硅在所述籽晶夹头上的籽晶上升华生长的装置。

23、一种控制并促进高质量SiC单晶体在SiC晶体生长系统中生长的方法，该方法包括：减少SiC籽晶暴露于红外线辐射的程度，同时将一股包括碳和硅的气化种流在一温度和压力下导到SiC籽晶上并维持该气化种流，所述的温度和压力为籽晶引到权利要求21的SiC晶体生长系统时SiC单晶体在籽晶上形成生长的温度和压力。

24、根据权利要求1的方法，其进一步包括基本防止SiC晶体被碳粉污染的步骤。

25、根据权利要求24的方法，其中基本防止SiC晶体被碳粉污染的步骤包括：将硅源引到一个包含石墨的SiC晶体生长系统中，其中该石墨已一次性地涂有一种材料，该材料的特征在于其熔点高于SiC的升华温度、在升华温度下相对于硅和氢具有化学惰性、并且其热膨胀系数与石墨非常类似从而使石墨和涂层在升华温度下不会出现裂缝。

26、根据权利要求25的方法，其中用来涂覆石墨的材料从下列这组材料中选取：钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的碳化物以及钽、铪、铌、钛、锆、钨和钒的氮化物以及这些化合物的混合物。

27、根据权利要求26的方法，其中所述的耐高温金属化合物包括钽的碳化物。

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