JP7184836B2 - 高品質半導体単結晶の水平成長のためのシステム、およびそれを製造する方法 - Google Patents
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Description
102、202、602 るつぼ
104、204 原材料区画
106、206 原材料
108、208A、208B 種結晶
109、209A、209B 単結晶ボウル
110、210A、210B 成長区画
112、212A、212B 放熱チャネル
114、214 断熱材層
116、216 PVT成長構造の縦軸
220A、220B 単結晶ボウルの成長面
222A、222B 含有層
318、418、518、618 反応炉の縦軸
300、400、500、600、700 PVT成長システム
301、401、501、601 反応炉
304、404、504、604 内側チャンバ
606 反応炉金属壁
310、410、610、710 誘導加熱システム
312、412、512 誘導コイル
314、414、514 MFジェネレータ/インバータ
316、416、516、616 温度センサ
320、420、520、620、720 圧力測定システム
622 圧力センサ
330、430、530、630、730 真空ポンプシステム
332、432、532、632、732 真空ポンプ
334、434、534、634、734 調整可能な制御弁
340、440、540、640 ガス供給源
342、442、542、642 MFC(マスフローコントローラ)
350、450、650 水冷システム
660 抵抗加熱システム
662 抵抗加熱要素
664 加熱用電流制御ユニット
370 シールド
380、480、580、680、780 システムコントローラ
700Aから700N 反応炉
705 共通の真空チャネル
Claims (16)
- 物理的気相輸送(PVT)によって半導体材料からなる1つまたは複数の単結晶を製造するためのシステムであって、
前記1つまたは複数の単結晶を内側で成長させるためのPVT成長構造を収容するようになされた内側チャンバを有する反応炉を備え、
前記反応炉は、前記PVT成長構造の内側の前記1つまたは複数の単結晶の成長方向が、ほぼ水平である、または所定の値よりも小さい水平角度の範囲内であるように重力の方向に対してある向きで前記PVT成長構造を収容するようになされており、
前記反応炉におけるPVT成長プロセスのパラメータを制御するようになされているシステムコントローラをさらに備え、
前記PVT成長プロセスパラメータは、前記反応炉の前記内側チャンバの内側の圧力、成長温度、ならびに前記内側チャンバへのドーピングガスおよび/または不活性ガスのガス供給源のうちの少なくとも1つを含むものであり、
前記PVT成長プロセスのパラメータは、前記1つまたは複数の単結晶の成長面の最大高さを、それぞれの成長している前記単結晶の所定の断面に関連して所与の高さ範囲内にあるように制御され、
前記所与の高さ範囲は、2mmから8mmまでであり、
前記所定の断面は、成長している前記単結晶の外径よりも小さく、および成長した前記単結晶から作製される基板についての所望の直径にほぼ等しい直径の前記成長方向を横切る断面領域である、
システム。 - 前記水平角度は、前記重力の方向に直交する水平平面に対して-15°から+15°の間の角度である、および/または
前記反応炉は、前記PVT成長構造を収容するように前記重力方向に対して水平に向けられている、請求項1に記載のシステム。 - 前記PVT成長構造は、原材料を収める中央の原材料区画と、中央の前記原材料区画の側面に1つずつ2つの成長区画とを備え、同じ前記原材料からそれぞれの単結晶を成長させるために、成長区画ごとに、および中央の前記原材料から前記PVT成長構造の重力を横切る方向に沿った縦軸に沿ってある距離に1つの結晶種が用意され、
前記原材料は、少なくとも炭化けい素、4H-SiC、およびIII~V族元素を含有する半導体を含む群から半導体材料の単結晶を成長させるために選択される、請求項1または2に記載のシステム。 - 複数の反応炉をさらに備え、各反応炉は、1つまたは複数の半導体単結晶を内側で成長させるためのそれぞれのPVT成長構造を収容するようになされた内側チャンバを有し、各反応炉およびそれぞれのPVT成長構造は、前記PVT成長構造内の前記1つまたは複数の単結晶の前記成長方向が、ほぼ水平である、または前記水平角度の範囲内であるように前記重力の方向に対して水平に向けられており、
前記複数の反応炉のうちの2つ以上の反応炉は、共通の真空チャネルによって互いに接続されるようになされ、前記共通の真空チャネルは、接続された前記2つ以上の反応炉の前記内側チャンバ内に共通の気相条件を生成するおよび/または制御するための真空ポンプシステムに接続可能である、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。 - それぞれの前記内側チャンバにおいて到達した前記気相条件の圧力を示す測定を行うように前記共通の真空チャネルを介して接続された前記2つ以上の反応炉のうちの少なくとも1つに配置された1つまたは複数の圧力センサを備える圧力測定システムをさらに備え、
前記圧力測定システムは、前記圧力測定を監視し、前記真空ポンプシステムを制御するための真空制御パラメータ、およびガス供給システムを制御するための気相制御パラメータを出力して、全ての接続された内側チャンバ内でほぼ同じ所定の気相条件に到達し維持するように前記内側チャンバ内に前記気相を形成するガス成分を供給するようになされており、
前記気相条件は、前記気相の圧力および/または組成を含む、請求項4に記載のシステム。 - 前記1つまたは複数の圧力センサは、前記共通の真空チャネルに沿って前記真空ポンプシステムとの接続からより離れている接続された前記2つ以上の反応炉のうちの一の反応炉における前記気相条件の前記圧力を示す圧力測定を実行するようになされており、および/または
前記1つまたは複数の圧力センサは、接続された前記2つ以上の反応炉の下領域に関して前記内側チャンバのそれぞれに到達する前記気相条件の前記圧力を示す前記圧力測定を実行するようになされている、請求項5に記載のシステム。 - 前記反応炉の内側に配置された前記PVT成長構造を加熱するようになされた加熱システムであって、誘導加熱システムおよび抵抗加熱システムのうちの一方である加熱システム、および
前記反応炉から熱を放散するようになされている冷却システムであって、水冷システムと空冷システムのうちの一方またはその組合せである冷却システム
を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記システムコントローラは、1つまたは複数の反応炉における前記PVT成長プロセスのパラメータを制御するようになされており、
前記PVT成長プロセスパラメータは、前記1つまたは複数の反応炉の前記内側チャンバの内側の圧力、成長温度、ならびに前記内側チャンバへのドーピングガスおよび/または不活性ガスのガス供給源のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のシステム。 - 物理的気相輸送(PVT)によって半導体材料からなる1つまたは複数の単結晶を製造する方法であって、
PVT成長構造の内側の前記1つまたは複数の単結晶の成長方向が、ほぼ水平である、または所定の値よりも小さい水平角度の範囲内であるように重力の方向に対してある向きで反応炉の内側チャンバ内に収容されている前記PVT成長構造内に前記1つまたは複数の単結晶を成長させるステップを含み、
前記1つまたは複数の単結晶の成長面の最大高さを、それぞれの成長している前記単結晶の所定の断面に関連して所与の高さ範囲内にあるように制御するものであって、
前記所与の高さ範囲は、2mmから8mmまでであり、
前記所定の断面は、成長している前記単結晶の外径よりも小さく、および成長した前記単結晶から作製される基板についての所望の直径にほぼ等しい直径の前記成長方向を横切る断面領域である、
方法。 - 前記水平角度は、前記重力の方向に直交する水平平面に対して-15°から+15°の間の角度である、および/または
前記反応炉は、前記PVT成長構造を収容するように前記重力方向に対して水平に向けられている、請求項9に記載の方法。 - 前記所与の高さ範囲は、4mmから6mmまでである、請求項9または10に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の単結晶をそれぞれ成長させるために前記PVT成長構造の内側に1つまたは複数の種結晶を用意するステップをさらに含み、
各種結晶は、内部に成長させられる前記単結晶の外径とほぼ等しい直径を有し、前記種結晶の直径は、前記単結晶から作製される基板についての所定の直径よりも少なくとも10%大きい直径を有し、または、前記基板の前記所定の直径よりも10%から35%大きい直径を有し、ならびに/あるいは
前記1つまたは複数の単結晶は、少なくとも炭化けい素、4H-SiC、およびIII~V族元素を含有する半導体を含む群からの半導体材料の単結晶である、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。 - 互いに接続されているとともに共通の真空チャネルを介して真空ポンプシステムに接続されている2つ以上の反応炉に複数の単結晶を成長させるステップであって、各反応炉は、1つまたは複数の半導体単結晶を内側で成長させるためのPVT成長構造を収容するようになされた内側チャンバを有しており、前記反応炉は、前記PVT成長構造の内側の前記1つまたは複数の単結晶の成長方向が、ほぼ水平である、または所定の値よりも小さい水平角度の範囲内であるように前記重力の方向に対してのある向きで前記PVT成長構造を収容するようになされている、ステップと、
接続された前記2つ以上の反応炉の前記内側チャンバ内に、前記真空ポンプシステムを用いて、共通の気相条件を生成するおよび/または制御するステップと
をさらに含む、請求項9から12のいずれか一項に記載の方法。 - 接続された前記2つ以上の反応炉のうちの少なくとも1つに配置された1つまたは複数の圧力センサを用いて、接続された前記2つ以上の反応炉の前記内側チャンバにおいて到達した前記気相条件の圧力を示す測定を実行するステップと、
前記圧力測定を監視し、前記真空ポンプシステムを制御するための真空制御パラメータを出力し、ガス供給システムを制御するための気相制御パラメータを出力して、全ての接続された内側チャンバ内でほぼ同じ所定の気相条件に到達し維持するように前記内側チャンバ内に前記気相を形成するガス成分を供給するステップとをさらに含み、
前記気相条件は、前記気相の圧力および/または組成を含む、請求項13に記載の方法。 - 前記共通の真空チャネルに沿って前記真空ポンプシステムとの接続からより離れている接続された前記2つ以上の反応炉のうちの一の反応炉における前記気相条件の圧力を示す前記測定が、実行され、および/または
前記気相圧力を示す前記圧力測定が、接続された前記2つ以上の反応炉の下領域に関する前記共通の真空チャネルに関して実行される、請求項14に記載の方法。 - 共通のシステムコントローラを用いて2つ以上の前記反応炉における前記PVT成長プロセスのパラメータを制御するステップであって、
前記PVT成長プロセスパラメータは、前記反応炉の前記内側チャンバの内側の圧力、成長温度、ならびに前記内側チャンバへのドーピングガスおよび/または不活性ガスのガス供給源のうちの少なくとも1つを含む、ステップ、ならびに/あるいは
前記共通のシステムコントローラを用いて各反応炉の加熱システムおよび冷却システムを制御するステップであって、前記加熱システムは、誘導加熱システムおよび抵抗加熱システムのうちの一方であり、前記冷却システムは、水冷システムと空冷システムのうちの一方またはその組合せである、ステップ
をさらに含む、請求項9から15のいずれか一項に記載の方法。
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