DE69622182T2

DE69622182T2 - METHOD FOR PRODUCING OBJECTS BY EPITACTICAL GROWTH AND DEVICE

Info

Publication number: DE69622182T2
Application number: DE69622182T
Authority: DE
Inventors: Christer Hallin; Erik Janzen; Olle Kordina; Marko Tuominen; Asko Vehanen; Rositza Yakimova
Original assignee: Okmetic Oy
Current assignee: Norstel Norrk?ping Se AB
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-10-03
Also published as: ATE220132T1; JPH11513353A; DE69622182T3; DE69622182D1; JP4222630B2

Description

TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION AND STATE OF THE ART

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum epitaktischen Wachsen von Gegenständen aus einem von a) SiC, b) einem Nitrid der Gruppe III und c) Legierungen davon auf einem Substrat, das in einem Suszeptor mit Umfangswänden aufgenommen ist, bei dem diese Wände und dadurch das Substrat und ein Quellenmaterial für das Wachstum über ein Temperaturniveau aufgeheizt werden, ab dem die Sublimation des gewachsenen Materials erheblich anzuwachsen beginnt, und eine Trägergasströmung in Richtung des Substrats in den Suszeptor hineingeführt wird, um das Quellenmaterial für das Wachstum zu dem Substrat zu tragen, sowie eine Einrichtung zum epitaktischen Wachsen derartiger Gegenstände gemäß dem Oberbegriff des beigefügten unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.The present invention relates to a method for epitaxially growing articles made of one of a) SiC, b) a Group III nitride and c) alloys thereof on a substrate received in a susceptor having peripheral walls, in which these walls and thereby the substrate and a source material for growth are heated above a temperature level at which sublimation of the grown material begins to increase significantly, and a carrier gas flow is introduced into the susceptor in the direction of the substrate to carry the source material for growth to the substrate, and to an apparatus for epitaxially growing such articles according to the preamble of the appended independent apparatus claim.

Entsprechend ist die Erfindung auf das Wachstum von SiC, Nitriden der Gruppe III und allen Arten von Legierungen davon anwendbar, aber das übliche Problem des Wachsens derartiger Gegenstände mit einer hohen Kristallqualität und bei einer sinnvollen Wachstumsrate aus kommerzieller Sicht wird nun anhand eines nicht beschränkenden Beispiels für SiC weiter erklärt.Accordingly, the invention is applicable to the growth of SiC, Group III nitrides and all kinds of alloys thereof, but the usual problem of growing such articles with a high crystal quality and at a reasonable growth rate from a commercial point of view will now be further explained using a non-limiting example of SiC.

SiC-Einkristalle werden insbesondere für die Verwendung in verschiedenen Arten von Halbleiterbauelementen gewachsen, wie beispielsweise für verschiedene Arten von Dioden, Transistoren und Thyristoren, die für Anwendungen vorgesehen sind, bei denen es möglich ist, von den überlegenen Eigenschaften des SiC im Vergleich mit insbesondere Si zu profitieren, nämlich der Fähigkeit des SiC, unter extremen Bedingungen gut zu funktionieren. Die große Energiebandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des SiC versetzt Bauelemente, die aus dem Material hergestellt sind, in die Lage, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, nämlich bis zu 1000 K.SiC single crystals are grown especially for use in various types of semiconductor devices, such as various types of diodes, transistors and thyristors, which are intended for applications where it is possible to benefit from the superior properties of SiC compared to Si in particular, namely the ability of SiC to perform well under extreme conditions. The large energy band gap between the valence band and the conduction band of SiC enables devices made from the material to operate at high temperatures, up to 1000 K.

Es sind verschiedene Techniken für das epitaktische Wachstum von Siliziumcarbid bekannt, von denen die Technik des Keimsublimationswachstums die derzeit üblicherweise für das Wachsen von Siliziumcarbidkristallen für eine anschließende Substratherstellung verwendete ist. Diese Technik ist sowohl hinsichtlich der Kristallqualität als auch der Reinheit beschränkt. Die durch dieses Verfahren hergestellten Substrate sind mit Löchern perforiert, die Mikroröhren genannt werden, und weisen zusätzlich eine Mosaikstruktur auf, die mit Körnern leicht unterschiedlicher Kristallorientierung zusammenhängt. Das Wachstum der Kristalle erfolgt durch Sublimieren eines Quellenpulvers von SiC in einem Behälter. Die SiC-Dämpfe werden durch einen künstlich angelegten thermischen Gradienten zu dem Keimkristall transportiert. Die Wachstumsrate ist durch den Grad der Übersättigung der Dämpfe in der Atmosphäre um den Keimkristall herum bestimmt, die ihrerseits wiederum durch die Temperatur, den angelegten Temperaturgradienten und den Druck in dem System bestimmt ist. Der Dampftransport ist somit durch Diffusionsprozesse und Konvektion charakterisiert. Somit werden geringe Drücke in dem Behälter benötigt, um den Transport des sublimierten SiC-Pulvers effektiv zu machen, während zu viele Kollisionen des SiC-Dampfs auf seinem Weg zu dem Keimkristall vermieden werden. Bei einem derartigen System liegen die erreichten Wachstumsraten in der Größenordnung von wenigen mm/h. Typische Temperaturen, Temperaturgradienten und Drücke liegen entsprechend in der Größenordnung von 2400ºC für das Quellmaterial, 10- 30ºC/cm und 5-50 Millibar. Die Umgebung ist normalerweise Ar. Der Vorteil bei diesem Verfahren ist seine Einfachheit. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist die beschränkte Kontrolle des Systems, die unbefriedigende Kristallqualität und die geringe Reinheit, welche größtenteils durch die Reinheit des Quellenmaterials beherrscht wird und die in der Tat durch die Wahl eines reineren Quellenmaterials verbessert werden kann. Aufgrund eines unvermeidbaren Entweichens von Si aus dem quasi abgeschlossenen Behälter kann das C/Si-Verhältnis des verdampften Quellenmaterials nicht während des gesamten Wachstums konstant gehalten werden. Dies beeinflusst das Wachstum auf negative Weise und verursacht Kristalldefekte. Um für eine anschließende Substratherstellung Kristalle einer signifikanten Größe zu wachsen, muss das Wachstum also von Zeit zu Zeit unterbrochen werden, um den Behälter wieder mit neuem Quellenmaterial zu füllen. Auch diese Unterbrechungen stören den wachsenden Kristall. Während des Wachstums verursacht die Anwesenheit des Temperaturgradienten an der Wachstumsgrenzfläche die Bildung von Kristalldefekten, wie beispielsweise Mikroröhren, Versetzungen und Punktdefektagglomerate.Several techniques are known for the epitaxial growth of silicon carbide, of which the technique of seed sublimation growth is currently the one commonly used for growing silicon carbide crystals for subsequent substrate preparation. This technique is limited in terms of both crystal quality and purity. The substrates produced by this method are perforated with holes called microtubes and additionally have a mosaic structure associated with grains of slightly different crystal orientation. The growth of the crystals occurs by sublimating a source powder of SiC in a container. The SiC vapors are transported to the seed crystal by an artificially applied thermal gradient. The growth rate is determined by the degree of supersaturation of the vapors in the atmosphere around the seed crystal, which in turn is determined by the temperature, the applied temperature gradient and the pressure in the system. Vapor transport is thus characterized by diffusion processes and convection. Thus, low pressures are required in the container to make the transport of the sublimed SiC powder effective, while avoiding too many collisions of the SiC vapor on its way to the seed crystal. In such a system, the achieved growth rates are in the order of a few mm/h. Typical temperatures, temperature gradients and pressures are accordingly in the order of 2400ºC for the source material, 10-30ºC/cm and 5-50 millibar. The environment is usually Ar. The advantage of this process is its simplicity. The disadvantage of this process is the limited control of the system, the unsatisfactory crystal quality and the low purity, which is largely controlled by the purity of the source material and which can in fact be improved by choosing a purer source material. Due to an unavoidable escape of Si from the quasi-sealed container, the C/Si ratio of the evaporated source material cannot be kept constant throughout the growth. This affects the growth in a negative way and causes crystal defects. In order to grow crystals of a significant size for subsequent substrate preparation, the growth must therefore be interrupted from time to time in order to refill the container with new source material. These interruptions also disturb the growing crystal. During growth, the presence of the temperature gradient at the growth interface causes the formation of crystal defects such as microtubes, dislocations and point defect agglomerates.

Eine weitere Technik, die für das epitaktische Wachstum von Siliziumcarbidschichten verwendet wird, ist die Technik der chemischen Gasphasenabscheidung, die hinsichtlich Reinheit und Kristallqualität der des Keimsublimationswachstums weit überlegen ist. Das für das Wachstum benötigte Gas wird durch ein Trägergas, das normalerweise Wasserstoff ist, zu dem Substrat transportiert. Die verwendeten Precursorgase sind in dem SiC-Fall normalerweise Silan und Propan. Die Precursorgase zerlegen sich oder werden aufgebrochen und die Silizium- und Kohlenstoffbestandteile wandern auf der wachsenden Kristalloberfläche, um einen geeigneten Gitterplatz zu finden. Die Temperatur des Systems wird normalerweise unter 1600ºC gehalten. In der Wachstumsfront des Kristalls liegt im Wesentlichen kein Temperaturgradient vor. Der Vorteil bei dem CVD-Prozess ist die Reinheit und die Kristallqualität, die hauptsächlich durch die Substratqualität begrenzt ist. Der Nachteil bei der CVD-Technik sind die geringen Wachstumsraten, die jegliche Möglichkeit des Wachsens von Kristallen für eine Substratherstellung durch diese Technik oder sogar von dicken hochqualitativen Schichten bei einer kommerziell interessanten Kapazität ausschließen. Die typischen Wachstumsraten von CVDgewachsenen epitaktischen SiC-Schichten liegen bei 1600ºC in der Größenordnung von mehreren um/h.Another technique used for the epitaxial growth of silicon carbide layers is the chemical vapor deposition technique, which is far superior to seed sublimation growth in terms of purity and crystal quality. The gas required for growth is transported to the substrate by a carrier gas, which is usually hydrogen. The precursor gases used in the SiC case are usually silane and propane. The precursor gases decompose or are broken up and the silicon and carbon constituents migrate on the growing crystal surface to find a suitable lattice site. The temperature of the system is normally kept below 1600ºC. There is essentially no temperature gradient in the growth front of the crystal. The advantage of the CVD process is the purity and crystal quality, which is mainly limited by the substrate quality. The disadvantage of the CVD technique is the low growth rates, which preclude any possibility of growing crystals for substrate production by this technique or even thick high quality layers at a commercially interesting capacity. The typical growth rates of CVD grown epitaxial SiC layers are on the order of several µm/h at 1600ºC.

Kürzlich wurde ein weiterer Prozess vorgestellt, nämlich der Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung bei Hochtemperatur (HTCVD) (Artikel über chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur, veröffentlicht im Technical Digest der Int'l Conf. on SiC and Related materials - ICSCRM-95 -, Kyoto; Japan, 1995, und WO-A-97/01658). Dieser Prozess ist technisch gesehen ein CVD-Prozess, der bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt wird, wo Sublimation und Ätzen des Keimkristalls (Substrat) und des wachsenden Kristalls oder der wachsenden Schicht signifikant ist. Es hat sich gezeigt, dass das Ätzen der wachsenden Oberfläche die Kristallqualität verbessert, und auch aufgrund der Reinheit der Precursorgase ist die Reinheit der gewachsenen Kristalle sehr hoch. Aufgrund der erhöhten Oberflächenmobilität der Atome, die dadurch schneller ihre korrekten Gitterplätze finden, kann die Wachstumsrate bis zu einer Größenordnung von einigen mm/h erhöht werden. Bei dem HTCVD-Prozess liegen die verwendeten Temperaturen in der Größenordnung von 1900ºC- 2500ºC. Der Vorteil bei dem HTCVD-Prozess ist die hohe Reinheit, die hohe Kristallqualität und auch die hohe Wachstumsrate. Der Nachteil bei der Technik ist die Schwierigkeit, auf künstliche Weise günstige Bedingungen für das Wachstum herzustellen, indem Silizium- und Kohlenstoff- Precursorgase zu jeder Zeit, d. h. während des Temperaturanstiegs bis zur Wachstumstemperatur und während des Wachstums, in einer korrekten Menge hinzugefügt werden. Wenn eine zu geringe Menge von Precursorgasen hinzugefügt wird, kann ein zu hoher Grad von Ätzen oder Sublimation auftreten, was dadurch eine Graphitisation der Kristalloberfläche verursachen kann, die Kristalldefekte verursacht oder ein Wachstum sogar vollständig verhindert. Wenn eine zu große Menge hinzugefügt wird, kann die Übersättigung für die Oberflächenmobilität zu hoch sein, und das Wachstum kann polykristallin sein. Die Bedingungen müssen somit künstlich nahe einem thermodynamischen Gleichgewicht gehalten werden, was sehr schwierig zu erreichen sein kann. Die Lösung zu diesem Problem wird in einer parallel anhängigen Patentanmeldung gegeben, die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung von der Anmelderin hinterlegt wurde. Diese Technik wurde beim Ausarbeiten der Oberbegriffe der beigefügten unabhängigen Ansprüche als den Stand der Technik bildend angesehen, obwohl die unten definierte erfindungsgemäße Technik in Wahrheit keine Art von CVD-Technik ist.Recently, another process has been introduced, namely the high temperature chemical vapor deposition (HTCVD) process (Article on High temperature chemical vapor deposition published in the Technical Digest of the Int'l Conf. on SiC and Related materials - ICSCRM-95 -, Kyoto; Japan, 1995, and WO-A-97/01658). This process is technically a CVD process carried out at very high temperatures, where sublimation and etching of the seed crystal (substrate) and the growing crystal or layer is significant. Etching of the growing surface has been shown to improve the crystal quality, and also due to the purity of the precursor gases, the purity of the grown crystals is very high. Due to the increased surface mobility of the atoms, which thereby find their correct lattice sites more quickly, the growth rate can be increased up to an order of a few mm/h. In the HTCVD process the temperatures used are in the order of 1900ºC- 2500ºC. The advantage of the HTCVD process is the high purity, the high crystal quality and also the high growth rate. The disadvantage of the technique is the difficulty of artificially creating favorable conditions for growth by adding silicon and carbon precursor gases in the correct amount at all times, i.e. during the temperature rise to the growth temperature and during growth. If too small a quantity of precursor gases is added, too high a degree of etching or sublimation may occur, which may thereby cause graphitization of the crystal surface, causing crystal defects or even preventing growth completely. If too large a quantity is added, the supersaturation may be too high for surface mobility and the growth may be polycrystalline. The conditions must thus be artificially kept close to thermodynamic equilibrium, which can be very difficult to achieve. The solution to this problem is given in a co-pending patent application filed by the applicant on the same date as the present application. This technique was considered to constitute the prior art in drafting the preambles of the appended independent claims, although the inventive technique defined below is in fact not a type of CVD technique.

Ein weiteres Problem ist der Transport von Quellenmaterial für das Wachstum zu dem Suszeptor, was bei dem HTCVD-Prozess, der zum Wachsen von SiC durchgeführt wird, der Transport von Silan ist. Das Silan kann sich in einem frühen Stadium zerlegen und in einer vollständigen oder teilweisen Verstopfung der zu dem Suszeptor führenden Gasröhre oder in einer vollständigen Erschöpfung des Gases resultieren, was ein Wachstum unmöglich macht. Des Weiteren besteht ein Explosionsrisiko, wenn Silan in hohen Konzentrationen verwendet wird.Another problem is the transport of source material for growth to the susceptor, which in the HTCVD process used to grow SiC is the transport of silane. The silane can decompose at an early stage and result in a complete or partial blockage of the gas tube leading to the susceptor. or result in complete exhaustion of the gas, making growth impossible. Furthermore, there is a risk of explosion if silane is used in high concentrations.

SUMMARY OF THE INVENTION

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lösung zu den letzteren, oben diskutierten Problemen vorzuschlagen, indem ein Verfahren und eine Einrichtung bereitgestellt werden, die es möglich machen Gegenstände, sowohl Schichten als auch Einkristallkörper aus SiC, aus einem Nitrid der Gruppe III oder aus Legierungen davon, bei hohen Wachstumsraten epitaktisch zu wachsen, wobei trotzdem eine hohe Kristallqualität des gewachsenen Gegenstandes erreicht wird, und die Probleme zu lösen.The object of the present invention is to propose a solution to the latter problems discussed above by providing a method and a device which make it possible to grow epitaxially articles, both layers and single crystal bodies, of SiC, of a group III nitride or of alloys thereof at high growth rates, while nevertheless achieving a high crystal quality of the grown article, and to solve the problems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Verfahren bereitgestellt wird, das in der Einleitung definiert ist, mit den weiteren Schritten des unabhängigen Anspruchs 1. In dem SiC-Fall ist es auf diese Weise möglich, eine vorzeitige Zerlegung des Silans in der zu der Wachstumskammer führenden Rohrleitung und/ oder eine vollständige Erschöpfung des Silans zu verhindern, indem Quellenmaterial im flüssigen oder festen Zustand auf diese Weise zu der Trägergasströmung hinzugegeben wird. Dieses Quellenmaterial kann beispielsweise Si, C, SiC, oder Kombinationen davon sein, vorzugsweise in einem festen Zustand als Pulver. Die am meisten bevorzugten Vorschläge sind, diese Zugaben als Si und C (Graphitpulver) oder als SiC-Pulver zu machen. Da die Schmelztemperatur von Si 1414ºC beträgt, wird das Si viel effizienter in die Wachstumskammer eingeführt ohne vorzeitige Reaktionen in der Rohrleitung, welche die Leitung vollständig blockieren könnten, wie in dem Fall, wenn Silan als der Precursor verwendet wird.This object is achieved according to the invention by providing a method as defined in the introduction, with the further steps of independent claim 1. In the SiC case, it is thus possible to prevent premature decomposition of the silane in the pipeline leading to the growth chamber and/or complete exhaustion of the silane by adding source material in liquid or solid state to the carrier gas flow in this way. This source material may be, for example, Si, C, SiC, or combinations thereof, preferably in a solid state as a powder. The most preferred proposals are to make these additions as Si and C (graphite powder) or as SiC powder. Since the melting temperature of Si is 1414°C, the Si is introduced into the growth chamber much more efficiently without premature reactions in the pipeline which could conduction completely, as in the case when silane is used as the precursor.

Dank dieser Zugaben, wird der Transport des Quellenmaterials viel effizienter sein, als wenn Silan als Quellenmaterial verwendet wird, da ein zu starkes Erhöhen des Gasdrucks von Silan in der dem Suszeptor zugeführten Gasmischung, um eine hohe Wachstumsrate zu erreichen, dazu führt, dass Silan ohne Aufbrechen und ohne jegliches Wachstum durch den Suszeptor transportiert wird. Mit Bezug auf die Keimsublimationstechnik kann auf diese Weise Quellenmaterial zu dem Trägergas hinzugegeben werden, so dass Kristalle von unbegrenzter Länge ohne Unterbrechung gewachsen werden können.Thanks to these additions, the transport of the source material will be much more efficient than when silane is used as the source material, since increasing the gas pressure of silane in the gas mixture supplied to the susceptor too much to achieve a high growth rate will result in silane being transported through the susceptor without breaking up and without any growth. With reference to the seed sublimation technique, in this way source material can be added to the carrier gas so that crystals of unlimited length can be grown without interruption.

Die EP 0 554 047 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren, bei dem Bestandteile der Gasmischung außerhalb eines Suszeptors in der Reaktionszone miteinander reagieren, um dort SiC in festem Zustand zu bilden, welches dann zu einer Sublimationszone transportiert wird.EP 0 554 047 describes a device and a method in which components of the gas mixture outside a susceptor in the reaction zone react with each other to form SiC in the solid state, which is then transported to a sublimation zone.

Die Definition "als das gewachsene Material" ist so zu interpretieren, dass, wenn beispielsweise SiC gewachsen wird, der Teil des Quellenmaterials SiC in einem festen Zustand ist. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Technik der chemischen Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur, die sie zu einem Hybrid dieser Technik und der Keimsublimationstechnik macht, wobei die Vorteile jeder dieser Techniken verwendet werden. Dank der Tatsache, dass diese Art von Quellenmaterial in einem festen Zustand in dem Behälter vorliegt, wird eine sehr gute Kontrolle eines weiten Parameterbereiches erreicht, so dass ein hochqualitativer Kristall mit einer hohen Wachstumsrate gewachsen werden kann.The definition "as the grown material" is to be interpreted in such a way that, for example, when SiC is grown, the part of the source material SiC is in a solid state. Thus, the process according to the invention is an improvement of the high temperature chemical vapor deposition technique, making it a hybrid of this technique and the seed sublimation technique, using the advantages of each of these techniques. Thanks to the fact that this type of source material is in a solid state in the container, a very good control of a wide range of parameters is achieved, so that a high quality crystal can be grown with a high growth rate.

Die Si und C enthaltenden Dämpfe, die entweder durch Ätzen oder durch Sublimation des SiC erzeugt werden, werden durch das Trägergas oder durch das Trägergas in Verbindung mit einem thermischen Gradienten zu dem Substrat gebracht. Somit können zu jeder Zeit und während des gesamten Wachstumszyklus Bedingungen nahe dem thermischen Gleichgewicht erreicht werden, vorausgesetzt, dass zu jeder Zeit eine signifikante Menge von SiC in der Wachstumskammer vorhanden ist. Somit sind während der Temperaturrampe bis zur Wachstumstemperatur keine künstlichen Mittel zum Erzeugen eines thermodynamischen Gleichgewichts erforderlich. Diese Verbesserung wird es einfach machen, ohne jeglichen Temperaturgradienten SiC-Einkristallkörper zu wachsen. Es wird möglich sein, von den Vorteilen der Keimsublimationstechnik, hohe Wachstumsraten zu erreichen, zu profitieren, ohne gezwungen zu sein, die Nachteile dieser Technik zu akzeptieren, die mit der Verwendung des Temperaturgradienten zum Erreichen des Transports des Quellenmaterials im gasförmigen Zustand verbunden sind, da die Trägergasströmung für diesen Transport verwendet wird. Das Einführen des Trägergases für den Transport des Quellenmaterialdampfes ist ein Schlüsselpunkt, und in dem vorliegenden Fall ist es überflüssig, dem Trägergas irgendwelche Precursorgase zuzugeben. In dem Fall keiner Zugabe von Quellenmaterial zu der Trägergasströmung stromaufwärts von dem Behälter wird das Wachstum stoppen, sobald die exponierte Oberfläche des SiC-Quellenmaterials zu klein wird, um als Übersättigung beibehalten zu werden. Der Trägergastransport zusammen mit einer vorgeschlagenen Modifikation beinhaltet eine Anzahl von Vorteilen:The Si and C containing vapors, generated either by etching or by sublimation of the SiC, are delivered to the substrate by the carrier gas or by the carrier gas in combination with a thermal gradient. Thus, conditions close to thermal equilibrium can be achieved at any time and during the entire growth cycle, provided that a significant amount of SiC is present in the growth chamber at any time. Thus, no artificial means of generating thermodynamic equilibrium are required during the temperature ramp up to the growth temperature. This improvement will make it easy to grow SiC single crystal bodies without any temperature gradient. It will be possible to benefit from the advantages of the seed sublimation technique to achieve high growth rates without being forced to accept the disadvantages of this technique associated with the use of the temperature gradient to achieve the transport of the source material in the gaseous state, since the carrier gas flow is used for this transport. The introduction of the carrier gas for the transport of the source material vapor is a key point and in the present case it is unnecessary to add any precursor gases to the carrier gas. In the case of no addition of source material to the carrier gas flow upstream of the vessel, the growth will stop as soon as the exposed surface of the SiC source material becomes too small to be maintained as supersaturation. The carrier gas transport together with a proposed modification involves a number of advantages:

Der Transport des Quellenmaterials wird viel effektiver sein, was bedeutet, dass die Wachstumsraten im Vergleich zu der Keimsublimationstechnik erheblich erhöht werden können. Zum Beibehalten hoher Wachstumsraten brauchen wesentlich kleinere Temperaturgradienten oder sogar überhaupt keine Temperaturgradienten angelegt zu werden, wobei somit eine signifikant verbesserte Kristallqualität ermöglicht wird. Durch Erhöhen oder Erniedrigen der Strömung des Trägergases kann der Dampftransport sehr leicht gesteuert werden. Der Grad von Übersättigung kann zu jeder Zeit auf einem kontrollierbaren Niveau gehalten werden. Wenn der thermische Gradient negativ gemacht wird, d. h. das Substrat ist auf einer höheren Temperatur als das Quellenmaterial, ist auch ein kontrolliertes Ätzen möglich. Sobald Wachstum gewünscht wird, verursacht der negative thermische Gradient kein Problem, da der Transport des Quellenmaterials durch ein Trägergas so viel effizienter als ein thermischer Gradient ist. In einer Weise ähnlich der des CVD können Dotierstoffe leicht zu dem Trägergas hinzugegeben werden. Da die Gase durch den Behälter hindurchströmen, wird viel Material verloren gehen und abgeschieden oder zu anderen Teilen des Behälters transportiert werden. Diese Verluste können jedoch sowohl für die Silizium- als auch für die Kohlenstoff enthaltenden Dämpfe im Wesentlichen gleich angenommen werden, was die Beibehaltung eines konstanten C/Si-Verhältnisses vereinfachen wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Wachstumsrate einfach durch Steuern der Temperatur, auf welche die Suszeptorwände aufgeheizt werden, und der Strömungsrate der Trägergasströmung gesteuert werden. Die Definition "Behälter" ist als ein Gegenstand zu interpretieren, der einen Raum in Verbindung mit dem Suszeptorraum definiert, in dem eine Temperatur oberhalb des Temperaturniveaus vorherrscht, ab dem die Sublimation des Materialwachstums erheblich anzusteigen beginnt. Somit kann ein Behälter das gleiche wie der Suszeptor sein oder neben dem Suszeptor außerdem einen Raum direkt stromaufwärts von dem Suszeptorraum umfassen. Es wird betont, dass die entsprechenden Schlussfolgerungen auch für die Fälle des Wachsens von Gegenständen aus anderen Materialien als SiC gelten.The transport of the source material will be much more effective, meaning that growth rates can be increased significantly compared to the seed sublimation technique. Much smaller temperature gradients, or even no temperature gradients at all, need to be applied to maintain high growth rates, thus allowing significantly improved crystal quality. By increasing or decreasing the flow of the carrier gas, the vapor transport can be controlled very easily. The degree of supersaturation can be kept at a controllable level at all times. If the thermal gradient is made negative, i.e. the substrate is at a higher temperature than the source material, controlled etching is also possible. Once growth is desired, the negative thermal gradient does not cause a problem, as the transport of the source material by a carrier gas is so much more efficient than a thermal gradient. In a manner similar to CVD, dopants can be easily added to the carrier gas. As the gases flow through the container, much material will be lost and deposited or transported to other parts of the container. However, these losses can be assumed to be substantially equal for both the silicon and carbon containing vapors, which will facilitate the maintenance of a constant C/Si ratio. In this embodiment, the growth rate can be controlled simply by controlling the temperature to which the susceptor walls are heated and the flow rate of the carrier gas flow. The definition "container" is to be interpreted as an object that defines a space in connection with the susceptor space in which a temperature prevails above the temperature level at which the sublimation of the material growth begins to increase significantly. Thus, a container may be the same as the susceptor or, in addition to the susceptor, may also comprise a space directly upstream of the susceptor space. It is emphasized that the corresponding conclusions also apply to the cases of growing objects from materials other than SiC.

Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass niemals das gesamte Quellenmaterial im festen Zustand im Behälter verbraucht werden wird, sondern dass immer ein Puffer von Quellenmaterial im festen Zustand des gewachsenen Materials im Behälter vorhanden sein wird, so dass es niemals schwierig sein wird, ein thermodynamisches Gleichgewicht in dem System beizubehalten. Falls günstige thermodynamische Bedingungen zu jeder Zeit künstlich erreicht werden können, kann man das SiC-Quellenmaterial in dem Behälter weglassen, und das System wird im Wesentlichen das gleiche sein wie die HTCVD in den Fällen, wenn das Quellenmaterial als Festkörper oder als Flüssigkeit zu dem Behälter hinzugegeben wird.In this way, it can be ensured that never all of the solid-state source material in the container will be consumed, but that there will always be a buffer of solid-state source material from the grown material in the container, so that it will never be difficult to maintain thermodynamic equilibrium in the system. If favorable thermodynamic conditions can be artificially achieved at any time, one can omit the SiC source material from the container, and the system will be essentially the same as HTCVD in cases where the source material is added to the container as a solid or as a liquid.

Die entsprechenden Eigenschaften und Vorteile davon werden in einer erfindungsgemäßen und in den beigefügten Einrichtungsansprüchen definierten Einrichtung zum epitaktischen Wachsen von Gegenständen gefunden.The corresponding properties and advantages thereof are found in an apparatus for epitaxially growing objects according to the invention and as defined in the appended apparatus claims.

Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens erscheinen aus der folgenden Beschreibung und den anderen abhängigen Ansprüchen.Further preferred features and advantages of the device and method according to the invention appear from the following description and the other dependent claims.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen folgt unten eine spezielle Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die als Beispiele zitiert sind.With reference to the accompanying drawings, there follows below a specific description of preferred embodiments of the invention, cited as examples.

In den Zeichnungen ist:In the drawings:

Fig. 1 eine Längsschnittsansicht einer Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a device according to a first embodiment of the invention,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in der Einrichtung von Fig. 1 verwendeten Suszeptors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, die zum epitaktischen Wachsen von Schichten ausgebildet ist, wobei Teile der Suszeptorwände weggebrochen sind, um das Innere des Suszeptors darzustellen,Fig. 2 is a perspective view of the susceptor used in the device of Fig. 1 according to a first preferred embodiment designed for epitaxial growth of layers, with portions of the susceptor walls broken away to show the interior of the susceptor,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2 eines Suszeptors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, der zum Wachsen von Einkristallkörpern durch das gleiche erfindungsgemäße Verfahren ausgebildet ist, wie es für das Wachstum in der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet wird, undFig. 3 is a view similar to Fig. 2 of a susceptor according to a second preferred embodiment, which is designed for growing single crystal bodies by the same inventive method as is used for growth in the embodiment according to Figs. 1 and 2, and

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2 und 3 eines Suszeptors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, die ausgebildet ist, um das Wachstum von Einkristallkörpern nahezu unbegrenzter Länge zu ermöglichen.Fig. 4 is a view similar to Figs. 2 and 3 of a susceptor according to a third preferred embodiment, designed to enable the growth of single crystal bodies of almost unlimited length.

DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum epitaktischen Wachsen von SiC mittels eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die ein Hybrid der Keimsublimation und der Gasphasenabscheidung bei Hochtemperatur ist, auf einem SiC-Substrat in einer vereinfachten Weise, und es ist offensichtlich, dass die fragliche Einrichtung auch andere Mittel umfasst, wie beispielsweise Pumpen, aber herkömmliche Ausrüstung, die nichts mit der Erfindung zu tun hat, wurde im Sinne der Klarheit und Konzentration auf die erfinderischen Eigenschaften weggelassen. Die Einrichtung umfasst ein Gehäuse 1, das aus einem sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Quarzrohr 2 und zwei gegenüberliegenden Endflanschen 3 und 4 gebildet ist. Der Endflansch 4 ist vorzugsweise abnehmbar, um Zugang zu dem Inneren des Rohrs 2 zu bekommen. Durch den unteren Endflansch 3 ist eine Leitung 5 zum Zuführen eines Stroms zumindest eines Trägergases eingeführt, der für den Transport von Quellenmaterial für das Wachstum zu dem Substrat im Inneren eines Suszeptors vorgesehen ist. Die Zusammensetzung und Aufgabe dieser Gasmischung, die zumindest ein Trägergas enthält, wird weiter unten detaillierter diskutiert. Die Leitung 5 ist mit separaten Leitungen 20-23 verbunden, die zu Quellen für verschiedene Zugaben von Quellenmaterial für das Wachstum zu dem Trägergas führen, und diese Leitungen sind mit nicht gezeigten Strömungsregulierungsmitteln versehen, um den Inhalt jeder Komponente in der Gasmischung wie gewünscht zu regulieren. Derartige Strömungsregulierungsmittel werden auch für die Trägergasströmung vorhanden sein. Um der Klarheit willen sind die Leitungen 20- 23 in Fig. 1 so dargestellt, dass sie nahe dem Gehäuse 1 in die Leitung 5 zusammenlaufen, in der Praxis werden sie sich wahrscheinlich jedoch in einem größeren Abstand davon befinden.Fig. 1 shows schematically a device according to a preferred embodiment of the invention for epitaxially growing SiC by means of a method according to a preferred embodiment of the invention, which is a hybrid of seed sublimation and high temperature vapor deposition, on a SiC substrate in a simplified manner, and it is obvious that the device in question also comprises other means, such as pumps, but conventional equipment unrelated to the invention has been omitted in the interests of clarity and concentration on the inventive features. The device comprises a housing 1 formed by a substantially vertically extending quartz tube 2 and two opposite end flanges 3 and 4. The end flange 4 is preferably removable in order to gain access to the interior of the tube 2. Through the lower end flange 3 a conduit 5 is introduced for supplying a flow of at least one carrier gas intended for transporting source material for growth to the substrate inside a susceptor. The composition and purpose of this gas mixture containing at least one carrier gas is discussed in more detail below. The line 5 is connected to separate lines 20-23 leading to sources for various additions of source material for growth to the carrier gas, and these lines are provided with flow regulating means (not shown) to control the content of each component in the gas mixture as desired. Such flow regulating means will also be provided for the carrier gas flow. For the sake of clarity, the conduits 20-23 are shown in Fig. 1 as merging into the conduit 5 close to the housing 1, but in practice they will probably be located at a greater distance therefrom.

Des Weiteren umfasst die Einrichtung einen Trichter 6, um den Gasstrom aus der Leitung 5 in einen Suszeptor 7 zu konzentrieren (siehe auch Fig. 2). Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Suszeptor 7 ist für das epitaktische Wachsen von SiC-Schichten ausgebildet. Der Suszeptor ist im Wesentlichen zylindrisch mit Umfangswänden 8 einer im Wesentlichen gleichförmigen Dicke. Die Wände sind aus Graphit gefertigt, sie sind im Inneren aber mit einer SiC-Schicht 9 beschichtet oder alternativ durch eine zylindrische, aus SiC gefertigte Platte bedeckt. Der den Suszeptor umgebende Raum ist abgeschlossen und zur thermischen Isolierung mit Graphitschaum 10 gefüllt, um das umgebende Quarzrohr 2 zu schützen. Ein Mittel 11 zum Abstrahlen eines HF-Feldes in Form einer HF-Spule umgibt das Rohr 2 entlang der Längserstreckung des Suszeptors 7. Dieses Aufheizmittel 11 ist angeordnet, um ein HF-Feld abzustrahlen, das die Wände 8 des Suszeptors und dadurch die in den Suszeptor eingeführte Gasmischung gleichmäßig aufheizt.Furthermore, the device comprises a funnel 6 to concentrate the gas flow from the line 5 into a susceptor 7 (see also Fig. 2). The susceptor 7 shown in Figs. 1 and 2 is designed for the epitaxial growth of SiC layers. The susceptor is essentially cylindrical with peripheral walls 8 of an essentially uniform thickness. The walls are made of graphite, but they are coated on the inside with a SiC layer 9 or alternatively covered by a cylindrical plate made of SiC. The space surrounding the susceptor is closed and filled with graphite foam 10 for thermal insulation in order to protect the surrounding quartz tube 2. A means 11 for radiating an RF field in the form of an RF coil surrounds the tube 2 along the longitudinal extension of the susceptor 7. This heating means 11 is arranged to radiate an RF field which uniformly heats the walls 8 of the susceptor and thereby the gas mixture introduced into the susceptor.

Der Suszeptor 7 umfasst einen Deckel 12 aus dem gleichen Material wie der Rest des Suszeptors, auf dessen unterer Seite ein SiC-Substrat 13 angeordnet ist und der von dem Rest des Suszeptors entfernt werden kann, um das Substrat zu entfernen, nachdem darauf eine Schicht gewachsen wurde. Der Deckel 12 ist mit an der Außenseite befindlichen Gasauslasslöchern 14 versehen, so dass eine zu bevorzugende laminare Gasströmung durch den unteren Einlass 15 in den Suszeptorraum 18 eintritt und nahe an dem Substrat vorbeiströmt und den Suszeptor durch die oberen Auslässe 14 verlässt und dann die Einrichtung durch eine Leitung 16 verlässt, die mit einer nicht gezeigten Pumpe verbunden ist. Die Temperatur im Inneren des Suszeptors 7 kann pyrometrisch geprüft werden, indem durch ein mit 17 bezeichnetes Fenster in den Suszeptor 7 geschaut wird.The susceptor 7 comprises a lid 12 made of the same material as the rest of the susceptor, on the lower side of which a SiC substrate 13 is arranged and which can be removed from the rest of the susceptor in order to remove the substrate after a layer has been grown thereon. The lid 12 is provided with Gas outlet holes 14 so that a preferable laminar gas flow enters the susceptor chamber 18 through the lower inlet 15 and flows close to the substrate and leaves the susceptor through the upper outlets 14 and then leaves the device through a line 16 connected to a pump, not shown. The temperature inside the susceptor 7 can be checked pyrometrically by looking into the susceptor 7 through a window designated 17.

Im unteren Teil des Suszeptors befindet sich zumindest ein Teil des Quellenmaterials für das Wachstum in Form eines SiC-Pulvers mit hoher Reinheit. Der Trichter 6 weist Umfangsöffnungen 25 für den Durchtritt der Strömung der Gasmischung in den Suszeptorraum 18 auf.In the lower part of the susceptor, at least part of the source material for growth is located in the form of a SiC powder with high purity. The funnel 6 has circumferential openings 25 for the passage of the flow of the gas mixture into the susceptor space 18.

Die Funktion der Einrichtung ist wie folgt:The function of the device is as follows:

Das Aufheizmittel 11 heizt die Suszeptorwände 8 und dadurch den Suszeptorraum 18 und das Substrat 13 und das darin enthaltene SiC-Pulver 24 auf eine Temperatur oberhalb des Temperaturniveaus auf, ab dem die Sublimation des SiC erheblich anzusteigen beginnt, im vorliegenden Fall auf eine Temperatur von ungefähr 2300ºC. Dies bedeutet, dass das SiC- Pulver und auch das SiC des Substrats sublimieren wird. Eine Gasströmung, die ein Trägergas enthält, das Ha, He oder Ar sein kann, wird durch die Leitung 5 und den Trichter 6 dem Suszeptorraum 18 zugeführt. Die Definition des Trägergases ist ein Gas, das nicht aktiv an dem Wachstum teilhat, d. h. das keine Bestandteile aufweist, die in den Gegenstand des Substrats hineingewachsen werden. He und Ar haben bezüglich H&sub2; den Vorteil, dass sie nicht mit reaktiven Elementen von aufgebrochenen Precursorgasen, wie beispielsweise Propan, reagieren, und He ist aufgrund seiner vergleichsweise hohen thermischen Leitfähigkeit verglichen mit Ar besonders gut geeignet, um für das Wachstum verwendet zu werden. Die Trägergasströmung trägt sublimiertes und im Dampfzustand in dem Suszeptorraum 18 vorliegendes SiC-Pulver in Richtung des Substrats 13, so dass kein Temperaturgradient für den Transport des SiC-Dampfes zu dem Substrat nötig ist. Das Entweichen von Si und C wird bei diesem System stark sein, es kann jedoch auf einem vernünftigen Niveau gehalten werden, da ein Betrieb bei Atmosphärendruck möglich ist. Der auf diese Weise zu dem Substrat getragene SiC-Dampf, bildet eine Atmosphäre mit einem bestimmten "SiC-Gasdruck" um das Substrat herum, die einer Sublimation des SiC von dem Substrat und einem Ätzen desselben entgegenwirkt. Auf diese Weise wird zu jeder Zeit sichergestellt, dass eine Übersättigung beibehalten wird und dass kein Ätzen des Substrats auftritt, so dass bei hohen Wachstumsraten ein SiC-Kristall von hoher Qualität auf dem Substrat gewachsen werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass es kein Problem sein wird, auf diese Weise bei 2300ºC einen Gegenstand von 0,5 mm/h zu wachsen, und wahrscheinlich können viel höhere Wachstumsraten ins Auge gefasst werden. Würde diese sogenannte SiC- Atmosphäre nicht um das Substrat herum bereitgestellt werden, kann folgendes passieren: Bei einer Temperatur, die hoch genug ist, beginnt das gesamte SiC zu sublimieren, was bedeuten würde, dass die SiC- Bestandteile von dem Substrat das Substrat mit einer höheren Rate als der Kohlenstoff verlassen werden, so dass eine Graphitschicht auf dem Substrat gebildet würde. Im Falle der chemischen Gasphasenabscheidung müssen Si und C enthaltende Precursorgase mit einem korrekten Verhältnis zugeführt werden, das zu Beginn des Wachstums schwer zu steuern ist. Wenn dies passiert, kann das Resultat des Wachstums sehr schlecht sein, oder das Wachstum wird im schlimmsten Fall unmöglich sein. Die zur Steuerung der Wachstumsrate benötigten Parameter können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht innerhalb eines weiten Parameterbereichs gesteuert werden, so dass eine angemessene Steuerung der relevanten Parameter immer sichergestellt ist. Es gibt zwei Hauptparameter zur Steuerung der Wachstumsrate, nämlich die Temperatur im Inneren des Suszeptors und die Strömungsrate des Trägergases. Die Temperatur im Inneren des Suszeptors kann durch ein Steuern des Aufheizmittels 11 kontrolliert werden, und die Wachstumsrate und die Qualität des gewachsenen Kristalls können mit der Temperatur erhöht werden. Höhere Temperaturen bringen aber auch das Risiko mit sich, dass Verunreinigungen aus den Wänden des Suszeptors heraus kommen. Die Strömungsrate des Trägergases wird die Strömung des verdampften SiC zu der Atmosphäre um das Substrat steuern. Die Wachstumsrate kann durch Steuern der Trägergasströmung sehr effektiv verändert werden, und die Einrichtung umfasst aus diesem Grunde ein schematisch angedeutetes Mittel 26, um eine Regulierung der Strömungsrate der Trägergasströmung zu erlauben. Eine höhere Strömungsrate des Trägergases wird eine höhere Wachstumsrate bedeuten, aber zu hohe Wachstumsraten können das Risiko einer verringerten Qualität des gewachsenen Materials mit sich bringen. Das Substrat sollte nicht eine höhere Temperatur als das SiC- Pulver aufweisen, da dies einen Temperaturgradienten bedeuten würde, der normalerweise in einem Transport des SiC zu dem kälteren Bereich resultiert, d. h. in Richtung des SiC-Pulvers. In diesem Fall ist die Trägergasströmung jedoch total dominierend und zwingt die Trägergasströmung "den SiC-Dampf" in die richtige Richtung, so dass immer ein positives Wachstum stattfindet, unabhängig von einem möglichen negativen Temperaturgradienten in dem Raum, was aufgrund der vertikalen Anordnung des Suszeptors leicht der Fall sein kann.The heating means 11 heats the susceptor walls 8 and thereby the susceptor space 18 and the substrate 13 and the SiC powder 24 contained therein to a temperature above the temperature level from which the sublimation of the SiC begins to increase significantly, in the present case to a temperature of approximately 2300°C. This means that the SiC powder and also the SiC of the substrate will sublimate. A gas flow containing a carrier gas, which may be Ha, He or Ar, is fed through the line 5 and the funnel 6 to the susceptor space 18. The definition of the carrier gas is a gas which does not actively participate in the growth, i.e. which does not have any components which are grown into the object of the substrate. He and Ar have the He has the advantage that it does not react with reactive elements of broken precursor gases such as propane, and He is particularly well suited to be used for growth due to its comparatively high thermal conductivity compared to Ar. The carrier gas flow carries sublimated SiC powder present in the vapor state in the susceptor chamber 18 towards the substrate 13, so that no temperature gradient is needed for the transport of the SiC vapor to the substrate. The escape of Si and C will be high in this system, but it can be kept at a reasonable level since operation at atmospheric pressure is possible. The SiC vapor thus carried to the substrate forms an atmosphere with a certain "SiC gas pressure" around the substrate, which counteracts sublimation of the SiC from the substrate and etching thereof. In this way it is ensured at all times that supersaturation is maintained and that no etching of the substrate occurs, so that at high growth rates a high quality SiC crystal can be grown on the substrate. It has been found that it will not be a problem to grow an object of 0.5 mm/h at 2300ºC in this way, and probably much higher growth rates can be envisaged. If this so-called SiC atmosphere were not provided around the substrate, the following can happen: At a high enough temperature, all the SiC will start to sublimate, which would mean that the SiC constituents from the substrate will leave the substrate at a higher rate than the carbon, so that a graphite layer would be formed on the substrate. In the case of chemical vapor deposition, precursor gases containing Si and C must be supplied at a correct ratio, which is difficult to control at the beginning of the growth. If this happens, the result of the growth may be very poor, or in the worst case, the growth will be impossible. The parameters needed to control the growth rate can be easily controlled within a wide range of parameters in the method according to the invention, so that adequate control of the relevant parameters is always ensured. There are two main parameters for controlling the growth rate, namely the temperature inside the susceptor and the flow rate of the carrier gas. The temperature inside the susceptor can be controlled by controlling the heating means 11, and the growth rate and the quality of the grown crystal can be increased with the temperature. Higher temperatures, however, also bring with them the risk of impurities coming out of the walls of the susceptor. The flow rate of the carrier gas will control the flow of the evaporated SiC to the atmosphere around the substrate. The growth rate can be very effectively varied by controlling the carrier gas flow, and the device for this reason comprises a schematically indicated means 26 to allow regulation of the flow rate of the carrier gas flow. A higher flow rate of the carrier gas will mean a higher growth rate, but too high growth rates may entail the risk of reduced quality of the grown material. The substrate should not have a higher temperature than the SiC powder, as this would mean a temperature gradient which would normally result in a transport of the SiC to the colder region, i.e. towards the SiC powder. In this case, however, the carrier gas flow is totally dominant and forces the carrier gas flow "the SiC vapor" in the right direction, so that positive growth always takes place, regardless of a possible negative Temperature gradients in the room, which can easily be the case due to the vertical arrangement of the susceptor.

Des Weiteren kann das Verhältnis von Si und C enthaltenden Molekülen durch Zugaben von Silan und Propan durch die Leitungen 22 und 23 zu dem Trägergas in dem Suszeptorraum 18 konstant gehalten werden. Das Silan kann auf seinem Weg zu dem Gehäuse 1 jedoch teilweise zerlegt oder aufgebrochen werden, was zu einer zumindest teilweisen Verstopfung der fraglichen Leitungen und zu einer herabgesetzten und weniger zuverlässigen Funktion der gesamten Einrichtung führt. Das Risiko eines solchen Aufbrechens ist höher bei geringen Gasströmungsraten. Dieses Problem wird jedoch gelöst, indem durch die Leitung 20 Si oder SiC als Pulver zu der Trägergasströmung hinzugegeben wird. Auf diese Weise könnte auch Kohlenstoff oder Graphit als Pulver hinzugegeben werden, falls sich dies als nötig erweisen sollte. Da Si bei einer solchen hohen Temperatur von ungefähr 1400ºC schmilzt, besteht kein Risiko einer Verstopfung der fraglichen Leitungen. Dies bedeutet, dass Silizium in Form von Si-Pulver in höheren Konzentrationen dem Suszeptorraum 18 zugeführt werden kann, als in Form von Silan. Des Weiteren ist auch das Risiko von Explosionen eliminiert. Alle Kombinationen von Zugaben von Bestandteilen zu der Trägergasströmung können verwendet werden, aber am meisten würde die Zugabe eines Pulvers, eventuell einer Flüssigkeit, eines Bestandteils, wie beispielsweise eines Si-Pulvers, zu der Trägergasströmung durch die Leitung 20 oder 21 bevorzugt. Es wäre ebenfalls möglich, ein Mittel vorzusehen, das angepasst ist, um die Gase, welche die Einrichtung durch die Leitung 16 verlassen, zu analysieren, um die Zugaben in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Analyse zu regulieren. Diese Art des Steuerns des für das Wachstum relevanten Verhältnisses, in dem SiC-Fall des C/Si-Verhältnisses, kann auch erfolgreich verwendet werden, wenn Gegenstände durch Verwendung der Technik der chemischen Gasphasenabscheidung gewachsen werden, d. h. wenn kein Quellenmaterial in der Form des zu wachsenden Materials in dem Suszeptorraum vorliegt.Furthermore, the ratio of Si and C containing molecules can be kept constant by adding silane and propane through the lines 22 and 23 to the carrier gas in the susceptor space 18. However, the silane can be partially decomposed or broken up on its way to the housing 1, resulting in at least partial blockage of the lines in question and in reduced and less reliable functioning of the entire device. The risk of such breakup is higher at low gas flow rates. However, this problem is solved by adding Si or SiC as a powder to the carrier gas flow through the line 20. In this way, carbon or graphite could also be added as a powder if this should prove necessary. Since Si melts at such a high temperature of about 1400°C, there is no risk of blockage of the lines in question. This means that silicon in the form of Si powder can be supplied to the susceptor space 18 in higher concentrations than in the form of silane. Furthermore, the risk of explosions is also eliminated. All combinations of additions of components to the carrier gas flow can be used, but the most preferred would be the addition of a powder, possibly a liquid, of a component such as Si powder to the carrier gas flow through the line 20 or 21. It would also be possible to provide a means adapted to analyse the gases leaving the device through the line 16 in order to regulate the additions depending on the result of this analysis. This way of controlling the ratio relevant for growth in which SiC case of the C/Si ratio, can also be successfully used when objects are grown by using the chemical vapor deposition technique, ie when no source material in the form of the material to be grown is present in the susceptor space.

Dank des oben beschriebenen Verfahrens kann die Anfangsphase des Wachstums, die von besonderer Wichtigkeit für die Qualität der bald danach gewachsenen Schichten ist, angemessen gesteuert werden, und sehr hohe Wachstumsraten sind danach erreichbar - gut in der Größenordnung von mm/h. Dank dem erreichten effizienten Transport kann bei diesen hohen Temperaturen eine hohe Wachstumsrate erreicht werden. Dank der Reinheit des durch das Trägergas dem Suszeptorraum zugeführten Si-Pulvers oder Silans und Graphits oder Propans ist die Einführung von unerwünschten kompensierenden Akzeptoren in die gewachsenen Schichten drastisch verringert bezüglich des epitaktischen Wachstums derartiger Schichten durch CVD bei normalen Temperaturen, was in einer signifikanten Verlängerung der Minoritätsträgerlebensdauer in den gewachsenen Kristallen resultiert. Dies ist eine wesentliche Verbesserung für die Herstellung von bipolaren Hochleistungsbauelementen. Auf diese Weise wird es ermöglicht werden, Kristalle mit der gleichen Wachstumsrate oder mit höheren Wachstumsraten zu wachsen, als wenn die Keimsublimationstechnik verwendet wird, aber mit einer viel höheren Kristallqualität und Reinheit.Thanks to the process described above, the initial phase of growth, which is of particular importance for the quality of the layers grown soon after, can be adequately controlled and very high growth rates are achievable thereafter - well in the order of mm/h. Thanks to the efficient transport achieved, a high growth rate can be achieved at these high temperatures. Thanks to the purity of the Si powder or silane and graphite or propane supplied to the susceptor chamber by the carrier gas, the introduction of undesirable compensating acceptors into the grown layers is drastically reduced compared to the epitaxial growth of such layers by CVD at normal temperatures, resulting in a significant extension of the minority carrier lifetime in the grown crystals. This is a significant improvement for the production of high-performance bipolar devices. In this way it will be possible to grow crystals at the same growth rate or higher growth rates than when using the seed sublimation technique, but with a much higher crystal quality and purity.

Fig. 3 zeigt einen Suszeptor 7' gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der angepasst ist, um Einkristallkörper 19 aus SiC auf einem Substrat in Form eines mit 13' bezeichneten Keimkristalls zu wachsen. Dieser Suszeptor ist vorgesehen, um in einer Einrichtung gemäß Fig. 1 in der gleichen Weise eingebaut zu werden wie der Suszeptor gemäß Fig. 2. Der Suszeptor gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 2 lediglich durch die Anordnung der Gasauslasslöcher 14' im unteren Teil des Suszeptors. Entsprechend wird die Gasströmung wie angedeutet den Bereich der gewachsenen SiC-Einkristallkörper dort erreichen, wo das Quellenmaterial abgeschieden werden wird, und die resultierenden Bestandteile davon werden zurückgeleitet und verlassen den Suszeptor durch die Löcher 14'.Fig. 3 shows a susceptor 7' according to a second preferred embodiment of the invention, which is adapted to grow single crystal bodies 19 of SiC on a substrate in the form of a seed crystal designated 13'. This susceptor is intended to be used in a device according to Fig. 1 in the same way as the susceptor according to Fig. 2. The susceptor according to Fig. 3 differs from that according to Fig. 2 only in the arrangement of the gas outlet holes 14' in the lower part of the susceptor. Accordingly, as indicated, the gas flow will reach the region of the grown SiC single crystal bodies where the source material will be deposited, and the resulting components thereof will be returned and leave the susceptor through the holes 14'.

Dank der verwendeten hohen Temperatur können auf diese Weise SiC- Einkristallkörper mit hoher Kristallqualität mit einer ausreichend hohen Wachstumsrate epitaktisch gewachsen werden. Wie bereits bemerkt wurde, wird es ein thermodynamisches Gleichgewicht in dem Suszeptorraum 18' geben, und das C/Si-Verhältnis darin kann durch jede geeignete Zugabe leicht konstant gehalten werden, wie oben bereits diskutiert wurde. Dies bedeutet, dass der Grad an Übersättigung, der sowohl die Wachstumsrate als auch die Bildung von Mikroröhren beeinflusst, ohne jeglichen thermischen Gradienten variiert werden kann.Thanks to the high temperature used, SiC single crystal bodies with high crystal quality can be epitaxially grown in this way with a sufficiently high growth rate. As already noted, there will be a thermodynamic equilibrium in the susceptor space 18' and the C/Si ratio therein can easily be kept constant by any suitable addition, as already discussed above. This means that the degree of supersaturation, which affects both the growth rate and the formation of microtubes, can be varied without any thermal gradient.

Fig. 4 zeigt einen Suszeptor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Suszeptor weist nur ein von den anderen beiden Ausführungsformen verschiedenes Hauptmerkmal auf, nämlich den Deckel 12", und durch den kann der gewachsene Kristall 19" konstant angehoben werden, vorzugsweise durch Rotation desselben, wie beispielsweise bei dem Czochralski-Wachstum. Ohne diese Möglichkeit wäre es nötig, einen viel längeren Suszeptorraum zum Wachsen langer Gegenstände aufzuheizen. Und die große Distanz zwischen dem festen Quellenmaterial und dem Kristall wäre auch hinsichtlich Abscheidungen auf den Suszeptorwänden vor Erreichen des Kristalls schädlich. Auf diese Weise kann es möglich sein, das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden, um Einkristallkörper aus SiC kontinuierlich mit der gleichen Qualität während des gesamten Wachstums bis zu einer unbegrenzten Länge zu wachsen. Bei dieser Ausführungsform wird das Quellenmaterial für das Wachstum stromaufwärts von dem Suszeptor 7 zu der Trägergasströmung hinzugegeben und in einem festen oder flüssigen Zustand durch die Trägergasströmung zu dem Suszeptor getragen, um eine kontinuierliche Zuführung von Quellenmaterial für das Wachstum sicherzustellen. Ein derartiges Material kann ein Pulver von Si, C und/oder SiC sein.Fig. 4 shows a susceptor according to a third preferred embodiment of the invention. This susceptor has only one main feature different from the other two embodiments, namely the lid 12", and through this the grown crystal 19" can be constantly lifted, preferably by rotation thereof, as for example in Czochralski growth. Without this possibility it would be necessary to heat a much longer susceptor space for growing long objects. And the large distance between the solid source material and the crystal would also be disadvantageous with regard to deposits. on the susceptor walls before reaching the crystal. In this way, it may be possible to use the method according to the invention to grow single crystal bodies of SiC continuously with the same quality throughout the growth to an unlimited length. In this embodiment, the source material for growth is added to the carrier gas flow upstream of the susceptor 7 and carried in a solid or liquid state by the carrier gas flow to the susceptor to ensure a continuous supply of source material for growth. Such material may be a powder of Si, C and/or SiC.

Ein Nachteil des erfindungsgemäßen Verfahrens können die größeren Materialverluste sein, die man im Vergleich zum Keimsublimationswachstum antreffen kann, dank dem Trägergastransport kann der Druck jedoch auf Atmosphärendruck gehalten werden, was dadurch diese Verluste auf ein gewisses Maß begrenzen wird. Die Verluste werden im Wesentlichen durch die Gasgeschwindigkeit beherrscht werden. Solange diese Verluste keine verminderte Funktion des Systems verursachen, beispielsweise durch ein Verstopfen von Filtern oder Röhren auf der stromabwärts gelegenen Seite, ist dies ein kleineres Problem, da zu jeder Zeit eine frische Zuführung von neuem Quellenmaterial aufrechterhalten werden kann.A disadvantage of the process according to the invention may be the greater material losses that can be encountered compared to seed sublimation growth, however, thanks to the carrier gas transport, the pressure can be kept at atmospheric pressure, which will thereby limit these losses to a certain extent. The losses will essentially be controlled by the gas velocity. As long as these losses do not cause reduced function of the system, for example by clogging filters or tubes on the downstream side, this is a minor problem, since a fresh supply of new source material can be maintained at all times.

Die Erfindung ist natürlich in keiner Weise auf die bevorzugten Ausführungsformen der oben beschriebenen Einrichtung und des oben beschriebenen Verfahrens beschränkt, sondern einem Fachmann würden sich mehrere Möglichkeiten zu Veränderungen daran erschließen, ohne dabei von der grundlegenden Idee der Erfindung abzuweichen.The invention is of course in no way limited to the preferred embodiments of the device and method described above, but a person skilled in the art would be able to make several possible changes to it without deviating from the basic idea of the invention.

Wie bereits bemerkt wurde, ist die Erfindung auch auf das Wachstum eines Nitrids der Gruppe III, einer Legierung von Nitriden der Gruppe III oder einer Legierung von SiC und einem oder mehreren Nitriden der Gruppe III anwendbar, für das das entsprechende positive Resultat erwartet werden kann.As already noted, the invention is also applicable to the growth of a Group III nitride, an alloy of Group III nitrides, or an alloy of SiC and one or more Group III nitrides, for which the corresponding positive result can be expected.

Die Definition "Gegenstand" in den Ansprüchen wird gemacht, um das epitaktische Wachstum aller Arten von Kristallen einzuschließen, beispielsweise von Schichten verschiedener Dicken und von dicken Einkristallkörpern.The definition of "subject matter" in the claims is made to include the epitaxial growth of all types of crystals, for example, of layers of various thicknesses and of thick single crystal bodies.

Alle Definitionen, die das Material betreffen, schließen natürlich auch unvermeidbare Verunreinigungen und beabsichtigte Dotierungen ein.All definitions concerning the material naturally include unavoidable impurities and intentional doping.

Es wäre natürlich möglich, aber kaum erwünscht, einen Teil des Quellenmaterials für das Wachstum in einem flüssigen oder einem Dampfzustand anstelle von einem festen Zustand in die Trägergasströmung hinzuzugeben, um es in dem Suszeptorraum in einen Dampfzustand (in dem Fall des flüssigen Zustands) zu bringen. Die Wahl eines Trägergases ist in keiner Weise auf die zwei oben genannten beschränkt.It would of course be possible, but hardly desirable, to add a portion of the source material for growth in a liquid or a vapor state instead of a solid state into the carrier gas flow in order to bring it into a vapor state (in the case of the liquid state) in the susceptor space. The choice of a carrier gas is in no way limited to the two mentioned above.

Es wird möglich sein, ein Quellenmaterial als das gewachsene Material in einem anderen Zustand als ein Pulver in dem Suszeptor bereitzustellen, beispielsweise in Stücken oder als Kombination von Pulver und Stücken. Wie bereits bemerkt wurde, kann dies auch erreicht werden, indem ein Suszeptor oder ein Behälter vorgesehen wird, der aus dem gewachsenen Material gefertigt ist oder im Inneren damit beschichtet ist.It will be possible to provide a source material other than the grown material in a state other than a powder in the susceptor, for example in pieces or as a combination of powder and pieces. As already noted, this can also be achieved by providing a susceptor or a container made from the grown material or coated internally with it.

Es wäre auch möglich, das zuletzt genannte Quellenmaterial in einem anderen Teil des Suszeptors als in dem unteren Teil desselben vorzusehen, und andere als vertikale Ausdehnungen des Suszeptors werden möglich sein.It would also be possible to provide the latter source material in a part of the susceptor other than the lower part thereof, and extensions of the susceptor other than vertical will be possible.

Der Kristall kann bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung auf andere Weise als durch Schrauben, zum Beispiel durch eine durch Ziehen verursachte Versetzung, in der Richtung aus dem Suszeptorraum hinaus bewegt werden.In an alternative embodiment of the invention, the crystal can be moved in the direction out of the susceptor space in a manner other than by screwing, for example by a displacement caused by pulling.

Die Definition "durch Aufheizen in dem Behälter in einen Dampfzustand gebracht" in den Ansprüchen umfasst auch den Fall, bei dem ein Suszeptorraum derart aufgeheizt wird, dass ein stromaufwärts davon gelegener Behälterraum indirekt auf eine derartige Temperatur aufgeheizt wird, dass das Quellenmaterial im festen Zustand in dem Behälter außerhalb des Suszeptors in einen Dampfzustand gebracht wird.The definition "brought to a vapor state by heating in the vessel" in the claims also includes the case where a susceptor space is heated in such a way that a vessel space upstream thereof is indirectly heated to a temperature such that the source material in the solid state in the vessel outside the susceptor is brought to a vapor state.

Die Definition "Bestandteil" soll als ein Teil des gewachsenen Materials verstanden werden und muss nicht das gleiche wie das gewachsene Material sein.The definition of "component" should be understood as a part of the grown material and does not have to be the same as the grown material.

Claims

1. A method for epitaxially growing articles (19) made of one of a) SiC, b) a Group III nitride or c) alloys thereof on a substrate (13); which is accommodated in a susceptor (7) with peripheral walls (8), in which these walls and thereby the substrate and a source material for growth are heated above a temperature level from which the sublimation of the grown material begins to increase significantly, a carrier gas flow is introduced into the susceptor in the direction of the substrate in order to carry the source material for growth to the substrate, wherein at least a part of the source material for growth is added to the carrier gas flow upstream of the susceptor (7) and is carried in a) solid state or b) liquid state by the carrier gas flow to the susceptor in order to be brought into a gaseous state by heating in the susceptor and which is carried in a gaseous state by the carrier gas flow to the substrate for growth, wherein at least a part (24) of the source material is present in a solid state as the grown material in the susceptor before growth is started and by heating into a gaseous state state and is carried in a gaseous state by the carrier gas flow for growth to the substrate (13), wherein the source material in the solid state is produced by a) manufacturing the susceptor from the grown material, b) coating the susceptor internally with the grown material or c) placing the grown material in the susceptor, wherein at least a portion of the source material in the gaseous state for growth is added to the carrier gas stream upstream of the susceptor (7) and is broken up by heating inside the susceptor to form a component of the grown material.

2. Method according to claim 1, characterized in that the part of the source material added to the carrier gas flow contains at least one component of the material to be grown.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that at least a part of the source material for growth is added to the carrier gas flow upstream of the susceptor (7) and is carried in a gaseous state by the carrier gas flow to the susceptor.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the grown material is SiC.

5. The method according to claim 4, characterized in that one of a) Si, b) C, c) SiC, d) Si and C, e) Si and SiC, f) C and SiC or g) SiC, C and Si is added as a powder to the carrier gas flow.

6. The method according to claim 1, characterized in that the part in the gaseous state is one of a) silane, b) propane or c) silane and propane.

7. A method according to claim 1, characterized in that the part (24) of the source material is in the solid state as one of a) powder, b) pieces or c) powder and pieces in the container.

8. Method according to claim 4, characterized in that the susceptor walls (8) are heated to a temperature above 1900°C.

9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pressure within the susceptor is maintained substantially at atmospheric pressure.

10. Apparatus for epitaxially growing articles made of one of a) SiC, b) a Group III nitride or c) alloys thereof on a substrate (13), comprising a susceptor (7) having peripheral walls (8) surrounding a space (18) for receiving the substrate, means (11) for heating the peripheral walls and thereby the substrate and the source material for growth above a temperature level at which sublimation of the grown material begins to increase significantly, and means (5) for feeding a carrier gas flow into the susceptor (7) towards the substrate to carry the source material for growth to the substrate (13), the apparatus further comprising a member (20, 21) for adding at least a portion of the source material for growth upstream of the susceptor (7) to the carrier gas flow, the feeding means (5) being adapted to cause the carrier gas flow to entrain this added source material in a) solid state or b) liquid state to the susceptor to carry, wherein the heating means is adapted to bring this added source material into a gaseous state by heating in the susceptor in order to carry this added source material in a gaseous state by the carrier gas flow for growth to the substrate, wherein the providing means is adapted to provide at least a part (24) of the source material in a solid state as the grown material in the susceptor before growth is started, wherein the heating means (11) is adapted for heating this source material in the solid state in order to bring it into a gaseous state in order to be carried by the carrier gas flow for growth to the substrate (13), wherein the providing means is adapted to provide the part of the source material in the solid state in the space (18) of the susceptor by either a) the susceptor being made of the grown material, or b) the susceptor being coated inside with the grown material, or c) a grown material in the Susceptor, the device further comprising a member (22, 23) for adding at least a portion of the source material for growth in the gaseous state above the susceptor to the carrier gas flow for breaking up by heating within the susceptor to form a component of the grown material.

11. Device according to claim 10, characterized in that it comprises a component (20, 21) for adding at least part of the source material for growth upstream of the container (7) to the carrier gas flow, and in that the supply means (5) is designed to cause the carrier gas flow to carry this added source material in a gaseous state to the susceptor.

12. Device according to claim 10 or 11, characterized in that the component (20, 21) is designed to add the part of the source material in the form of at least one component of the material to be grown to the carrier gas flow.

13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that it is adapted for the growth of SiC.

14. Device according to claim 13, characterized in that the component (20, 21) is designed to add one of a) Si, b) C, c) SiC, d) Si and C, e) Si and SiC, f) C and SiC or g) SiC, C and Si as powder to the carrier gas flow.

15. Device according to claim 10, characterized in that the providing means is designed to provide the part (24) of the source material in the solid state as one of a) powder, b) pieces or c) powder and pieces in the container.

16. Device according to claim 13, characterized in that the heating means (11) is designed to heat the susceptor walls to a temperature above 1900ºC.

17. Device according to claim 16, characterized in that the heating means (11) is designed to heat the susceptor walls to a temperature between 2000ºC and 2500ºC.

18. Device according to one of claims 10 to 17, characterized in that it comprises a means for maintaining substantially atmospheric pressure in the susceptor.

19. Device according to one of claims 10 to 18, characterized in that the supply means (5) is designed to supply the susceptor with one of a) noble gas, b) H₂ or c) noble gas and H₂ as carrier gas.

20. Device according to claim 19, characterized in that the feed means (5) is designed to feed helium as a carrier gas to the susceptor.

21. Device according to one of claims 10 to 20, characterized in that it comprises a means (26) for regulating the flow rate of the carrier gas flow.