KR20060017810A - 탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템 - Google Patents

탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

기판들위에 탄화 규소 결정들을 성장시키기 위한 시스템이 설명되고 그 시스템은 축을 따라 연장하는 챔버(1)를 포함하고, 챔버(1)는 탄소 함유 기체들 및 규소 함유 기체들을 위한 분리된 입력 수단(2, 3), 챔버의 제1 단부 영역(Z1)에 배치된 기판 지지 수단(4), 지지 수단(4)의 근처에 배치되는 배출 출력 수단(5) 및 1800℃보다 높은 온도까지 챔버(1)를 가열하도록 적응된 가열 수단을 포함한다; 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단(2)은 규소 함유 기체들이 챔버의 제2 단부 영역(Z2) 내로 들어가는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해진다; 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단(3)은 탄소 및 규소가 제1 단부 영역(Z1) 및 제2 단부 영역(Z2) 양자로부터 멀리 떨어진 챔버의 중앙 영역(ZC)과 실질적으로 접촉하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해진다.

Description

탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템{SYSTEM FOR GROWING SILICON CARBIDE CRYSTALS}
본 발명은 제1 청구항의 전제부에 따른 탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템에 관한 것이다.
매우 높은 온도들(1800℃ 위)에서, 마이크로 전자공학 산업에서의 사용에 적합한 품질을 갖는 탄화규소 결정들의 성장(growth)에 관해 여러 가지 제안들이 과거에 제출되었다.
제1 기본 제안은 1992년에 니신 스틸(Nisshin Steel)에 의해 제출되었다; 이는 유럽 특허 EP554047에 개시된다. 니신 스틸의 개념은 규소 및 탄소를 포함하는 반응 기체들이 함께 혼합되어지고, 기체 혼합물이 높은 온도에서 반응 챔버(chamber)에 수용되고, 혼합된 탄소 및 규소가 기판상에 침착되어, 결정이 성장하는 것을 제공한다. 니신 스틸의 구현 예는 고체 탄화규소 입자들이 형성하는 중간 온도에서 예비 챔버를 제공한다.
이러한 개념은 오크메틱(OKMETIC)에 의해 1995년에 다시 받아들여졌다; OKMETIC의 해법은 국제 특허 출원 WO97/01658에 개시된다.
제2 기본 제안은 쥴리 마카로브(Jury Makarov)에 의해 1999년에 제출되었다; 이것은 국제 특허 출원 WO00/43577에 개시된다. 마카로브의 개념은 규소 및 탄소를 포함하는 반응 기체들이 높은 온도에서 반응 챔버에 분리되어 수용되고 기판의 근처에 접촉하여 놓여져 규소 및 탄소가 기판상에 직접 침착되어, 결정이 성장하는 것을 제공한다; 마카로브의 발명은 챔버의 벽들을 따른 탄화 규소의 침착들이 방지되는 것을 제안하였고, 따라서 탄화 규소가 기판 근처에서만 형성되는 것, 즉 결정의 성장을 제공하였다.
마카로브에 의해 제안된 해법의 연구에 있어서, 그 해법은 화학 운동학 및 유체 역학 관점들 양자에 있어 중요하다는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 목적은 선행하는 제안들과 다르며 그 제안들과 비교하여 개선된 제3 기본 제안을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 제1 독립 청구항에 설명된 특징들을 갖는 탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템에 의해 달성된다.
본 발명에 기초를 이루는 개념은 탄소를 포함하는 반응 기체들 및 규소를 포함하는 기체들이 분리된 입력 수단에 의해 챔버에 들어가도록 하고 그러한 기체들이 성장 기판으로부터 멀리 떨어진 챔버의 중앙 영역과 접촉하도록 하는 것이다.
따라서 농도 프로파일(concentration profile) 및 속도 프로파일(velocity profile)은 실질적으로 방사방향으로 일정하다(명백하게, 피할수 없는 에지 효과들이 있다); 따라서 일정한 성장률, 균일한(uniform) 결정체 구조, 및 균일한 화학 조성이 기판의 단면을 통해 달성된다.
본 발명의 유리한 특징들은 종속 청구항들에서 설명된다.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련하여 고려되는 다음 설명들로부터 더 명확해질 것이다:
도 1은 본 발명의 개시들의 설명에 대한 이해를 돕는 개략적인 분할도이다,
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 단순화된 분할도로 도시한다, 그리고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예를 단순화된 분할도로 도시한다.
본 발명에 따른 기판들상에 탄화규소 결정들의 성장을 위한 시스템은 축을 따라 연장되는 챔버를 포함한다; 전형적으로, 축은 수직이다; 챔버는:
-탄소 함유 기체들 및 규소 함유 기체들을 위한 분리된 입력 수단,
-챔버의 제1 단부 영역에 배치되는 기판 지지 수단,
-지지 수단의 근처에 배치되는 배출 출력 수단,
-1800℃보다 높은 온도로 챔버를 가열하도록 적응된 가열 수단;을 포함한다;
규소 함유 기체를 위한 입력 수단은 규소 함유 기체들이 챔버의 제2 단부 영역으로 들어가는 것과 같은 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지며,
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 탄소 및 규소가 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역 양자로부터 멀리 떨어진 챔버의 중앙 영역과 실질적으로 접촉하게 되도록 하는 방식으로 위치가 정해지고 형상화되고, 치수가 정해진다.
도 1에서, 챔버는 1로 표시되고, 챔버가 둘러싸는 공간은 10으로 표시되고, 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 2로 표시되고, 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 3으로 표시되고, 기판 지지 수단은 4로 표시되고(기판은 수단(4)에 고정되고 검은 선으로 표시되어 도시됨), 배출 출력 수단은 5로 표시되고, 수단(2)의 증발셀(이하 언급되고 설명되어질 것임)은 21로 표시되고, 수단(2)의 중앙 코어들의 두개의 가능한 실시예들(이하 언급되고 설명되어질 것임)은 22A 및 22B로 표시되고, 챔버의 제1 단부 영역의 레벨 표시는 Z1으로 표시되고, 챔버의 제2 단부 영역의 레벨 표시는 Z2로 표시되고, 챔버의 중앙 영역의 레벨 표시는 ZC로 표시된다. 게다가, 도 1에서, 수단(2, 3)으로부터 챔버로 들어가는 기체들의 표시하는 분배는 점선으로 도시되고 챔버의 대칭축은 체인선(chain line)으로 도시된다(그러나, 본 발명에 따른 시스템의 챔버는 축에 대해 대칭일 필요는 없다).
위에서 구체화된 시스템을 통과하는 농도 프로파일 및 속도 프로파일은 적어도 챔버의 제1 단부 영역에서 실질적으로 라디얼 방향으로 일정하다(명백히, 피할수 없는 에지 효과들이 있다); 따라서, 일정한 성장률, 균일한 결정체 구조, 및 균일한 화학 조성이 지지 수단 상에 배치되는 기판의 완전한 단면에 걸쳐서 얻어진다.
더구나, 규소 함유 기체들을 위한 입력 영역이 탄소 함유 기체들과 혼합되는 영역(중앙 영역 ZC)으로부터 멀리 떨어져 있고, 챔버가 매우 높은 온도에 있기 때문에, 챔버의 입력에서 또는 챔버의 입력의 상향에서 형성되는 어떤 액체 규소 입자들은 증발하게 되고 따라서 액체 입자들과의 탄소의 접촉으로 인해 고체 탄화규 소 입자들이 형성될 위험이 없다; 그러한 고체 탄화규소 입자들은 승화에 의해 깨지기 어렵고(특히 그것들이 크다면) 그것들이 그 표면을 친다면 그것들은 성장 결정을 돌이킬 수 없도록 망치기 때문에 매우 위험하다.
결국, 규소 함유 기체들을 위한 입력 영역이 탄소 함유 기체들과 혼합될 영역(중앙 영역 ZC)으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에, 그것들이 만나자마자, 규소 함유 기체들의 농도 프로파일 및 속도 프로파일이 실질적으로 방사방향으로 일정하게 되도록 배열하는 것이 가능하다(명백하게, 피할수 없는 에지 효과들이 있다).
본 발명에 따르면, 세개의 영역들은 챔버내에서 동일하다: 제1 단부 영역(Z1), 중앙 영역(ZC), 및 제2 단부 영역(Z2). 도면들에서 도시하는 모든 예들에 있어서(특히, 도 1에서), 챔버는 실질적으로 실린더형 모양을 갖고 주로 실질적으로 수직으로 연장된다(가장 유리한 선택); 제1 단부 영역(Z1)은 실린더의 상측 영역에 대응하고 제2 단부 영역(Z2)은 실린더의 하측 영역에 대응한다.
본 발명에 따른 시스템에서 낮은 기체 흐름들이 사용된다면(바람직하게), 챔버의 수직 배향은 어떤 액체 규소 입자들(특히 그것들이 크다면)로 하여금 그들이 증발할때까지 바닥에 남겨지는 경향이 있도록 한다.
예시적으로, 챔버의 내부 직경이 150mm라면, 제2 단부 영역은 바닥으로부터 위쪽으로 높이 약 50mm로 연장될 수 있고, 중앙 영역은 약 100mm 높이로부터 약 150mm 높이로 연장될 수 있고, 제1 단부 영역은 약 200mm 높이로부터 약 250mm 높이로 연장될 수 있다. 다양한 기체 출력 수단 및 기체 흐름의 흐름 비율들(flow-rates) 및 속도들에 대한 적합한 선택들로, 다양한 영역들의 길이들 및 다양한 영 역들간의 거리들은 절반보다 작게 상당히 감소될 수 있다.
명백하게, 규소 함유 화합물들 및 탄소 함유 화합물들이 기체 형태로 챔버에 들어가고 높은 온도로 인한 매우 큰 정도의 측면 확산이 있기 때문에, 그것들이 접촉하게 될 영역 및 혼합의 정도를 매우 정교하게 규정하는 것은 가능하지 않다.
배출 출력 수단은 모든 것을 방출하는 역할을 할 수 있다: 반응하지 않고 및/또는 침착되지 않는 원소들, 화합물들, 반응 부산물들, 운반 기체들, 에칭 기체들, 및 가능하다면, 챔버의 벽들 및/또는 성장 기체로부터 분리된 고체 입자들.
약 1800℃의 온도는 대략적으로 탄화규소 성장을 위한 일반적인 CVD 공정들의 온도 한계에 대응된다; 더구나, 약 1800℃의 이러한 온도는 경계 온도를 구성한다: 전형적으로, 1800℃ 아래에서 SiC의 3C-타입의 결정핵생성(nucleation)이 있고, 전형적으로 1800℃ 위의 온도에서 SiC의 6H-타입 또는 4H-타입의 결정핵생성이 있다; 결국, 약 1800℃의 이러한 온도는 규소가 유의한 압력 범위(0.1 - 1.0 대기) 및 희석들의 범위(1% - 20%)에서 기체 상태로 있다는 것을 보장한다.
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단이 탄소 및 규소가 챔버 벽들로부터 역시 멀리 떨어진 영역에 실질적으로 접촉하도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해진다면(부분적으로, 도1의 경우와 같이), 챔버의 내부 벽들을 따르는 탄화규소의 침착들이 더욱 더 제한적이게 된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템의 챔버는 반-결정핵생성(anti-nucleation) 기체를 위한 입력 수단을 포함할 수 있다; 이것들은 가능하게 서로 조합되는, 많은 다른 방법들로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있 다; 유리하게 염산[HCl]이 반-결정핵생성 기체로 사용될 수 있다; 이 화합물은 결정핵생성 현상을 막으면서 기체 상태로 규소와 반응한다; 유리하게 염산은 수소와의 조합으로 사용될 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템의 챔버는 에칭 기체를 위한 입력 수단을 포함한다; 이것들은 가능하게 서로 조합되는, 많은 다른 방법들로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다; 유리하게, 염소[HCl]가 에칭 기체로 사용될 수 있다; 이 화합물은 고체 침착들 및 고체 규소 및 탄화규소 입자들을 공격한다(특히 그것들이 다결정질이라면); 유리하게, 염산은 수소와 조합하여 사용될 수 있다.
에칭 기체를 위한 입력 수단은 챔버의 제1 단부 영역에 즉, 지지 수단 및 배출 출력 수단의 근처에서 기체를 수용하기 위해 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해진다(도 2 및 도 3의 실시예들과 같이). 이러한 수단은 물질의 침착들 때문에 배출 출력 수단이 방해되지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 도 2 및 도 3의 실시예들에서, 이러한 수단은 적당한 덕트(duct)와 통하며 챔버 내부쪽으로 마주보는 복수의 홀(hole)들을 갖는 공동의(hollow) 슬리브(sleeve)(역시 챔버의 상측 영역에서 챔버의 벽으로서 작용함)를 포함한다.
반-결정핵생성 기체를 위한 입력 수단은 챔버의 제2 단부 영역에 즉, 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단의 근처에서 기체를 수용하도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다(도 2의 실시예와 같이). 이러한 수단은 챔버, 특히 챔버의 제2 영역에서 액체 탄화규소 입자들의 존재를 감소시키 는 역할을 할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 이러한 수단은 챔버의 중앙쪽으로 약 45°각도로 배향되고 링으로 배열되는 복수의 노즐(nozzle)들을 포함한다.
반-결정핵생성 기체를 위한 입력 수단은 기체를 챔버의 중앙 영역으로 수용하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다. 이러한 수단은 챔버, 특히 챔버의 중앙 영역에서 액체 규소 입자들의 존재를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
에칭 기체를 위한 입력 수단은 실질적으로 챔버의 벽들을 따라서만 기체 흐름이 생성되는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다. 이러한 수단은 챔버의 벽들을 따르는 탄화규소의 침착들을 제거하고 및/또는 막는 역할을 할 수 있다; 그러나, 벽들을 따라 그러한 에칭 기체들의 흐름을 제공함에 있어서, 적절하게 보호되어야만 하는 챔버의 벽들에 대한 그 영향을 고려할 필요가 있다.
에칭 기체를 위한 입력 수단은 운반 기체, 전형적으로 수소(대안적으로 아르곤, 헬륨 또는 둘 또는 그 이상의 그러한 기체들의 혼합물)와 조합된 에칭 기체, 전형적으로는 염산이 챔버에 들어가게 하도록 적응될 수 있다; 에칭 기체 및 운반 기체사이의 비율들은, 예를 들어, 수소에 대해서는 10 slm 및 염산에 대해서는 1-2 slm 일 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템의 지지 수단은 역시 에칭 기체를 위한 입력 수단을 포함한다(도 2 및 도 3의 실시예들에서와 같이); 이들은 기판들 주변으로 기체를 수용하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다. 이러한 수단은 지지 수단의 주변부 지역에서 탄화규소(특히 다결정질 탄화규소)의 침착들을 제거하고 결정의 측부 성장을 제한하는 역할을 할 수 있다. 이 경우에, 지지 수단은, 예를 들어 내부 공동이 제공되고 공동과 통하는 튜브(tube)상에 장착된 두꺼운 디스크에 의해 구성될 수 있다(도 2 및 도 3의 실시예들에서와 같이); 튜브는 열적으로 절연되고 화학적으로 단절된다; 에칭 기체는 튜브로 주입되고, 공동을 통해 흐르고, 디스크의 주변에서 형성된 복수의 홀들로부터 빠져나온다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템은 성장 공정동안 지지 수단을 회전시키는 수단을 포함한다(도 2 및 도 3의 실시예들에서와 같이). 결정 표면 지역에서 성장 조건들의 증가된 균일성이 이에 따라 얻어진다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템은 성장 공정동안 지지 수단을 끌어들이는(retract) 수단을 포함한다(도 2 및 도 3의 실시예들에서와 같이). 따라서, 성장동안에, 결정 표면은 성장한 결정의 길이에 상관없이 항상 실질적으로 챔버의 동일한 위치에 있으며, 따라서 결정의 표면 지역에서 성장 조건을 제어하기 더 용이하다.
유리하게는, 지지 수단을 이동시키는 수단은 반응 챔버의 화학적 환경 및 열 양자로부터 보호될 수 있다(도 2 및 도 3의 실시예들에서와 같이).
도면들에 도시된 모든 실시예들에 있어서, 지지 수단은 단일의 기판을 지지할 수 있으며, 이는 가장 간단한 상황이다.
본 발명에 따라, 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 많은 다른 방법들로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다.
이러한 수단을 생성하는 가장 간단한 방법은 챔버의 제2 영역으로 열리는 덕트에 의하는 것이다; 챔버가 수직이고 실린더형이라면, 덕트는 전형적으로 수직이고 중심일 것이다. 이 덕트는 시스템의 챔버와 통하고, 따라서 챔버의 단부 부분보다는 낮을지라도 덕트의 단부 부분의 온도는 꽤 높을 것이다.
유리하게는, 챔버내에서 덕트의 마우스(mouth)는 속도 프로파일들을 균일하게 하고 측부 와동들(vortices)을 막도록 적응된 유체 역학적 분배자로 형성될 수 있다.
액체의 규소 입자들이 챔버내로 들어가는 것을 제한하기 위해, 유리하게 이러한 덕트는 덕트의 단부 부분의 지역에 규소 증발셀을 포함할 수 있다; 그러한 셀은 도 1에 개략적으로 도시되고 21로 표시된다; 액체의 규소 입자들을 증발시키는 가장 전형적이고 가장 간단한 방법은 열에 의한 것이다; 실제로 도 1은 유도(induction) 및 방사(radiation)에 의해 가열될 수 있는 적당한 물질로 덮여진 그래파이트(graphite) 슬리브를 개략적으로 도시한다.
규소 함유 기체들을 가열하기 위하여, 유리하게, 덕트가 덕트의 단부 부분의 지역에서 중앙 코어를 포함한다; 중앙 코어는 덕트의 벽들로부터의 방사에 의해 가열될 수 있다; 코어는 여러가지 형상들 및 크기들일 수 있다; 특히 형상들 및/또는 사이즈들은 덕트 벽들과 코어들 사이 및 코어와 기체 사이의 열 교환들이 최대화되도록 설계될 수 있다.
챔버내의 규소 포함 기체들의 분배를 개선하기 위하여, 유리하게 덕트는 덕 트의 단부 부분의 지역에서 중앙 코어를 포함할 수 있다; 코어는 여러가지 형상들 및 크기들일 수 있다; 특히 형상들 및/또는 크기들은 와동들을 방지하고 벽들을 따라 가능한 응축(condensation)을 제어하도록 설계될 수 있다.
중앙 코어가 적당하게 형상화되고 치수가 정해진다면, 그것은 기체들을 가열하고 분배하는 역할을 할 수 있다.
도 1은, 표시 방식으로, 그러한 코어들의 두개의 예들만을 도시한다(상세하게 하기 위하여, 이 도면은 덕트의 단부 부분에 장착되지 않고 단면으로 그들을 도시한다); 22A로 표시되는 제1 코어는 두개의 반구형 단부들을 갖는 실린더형 형상을 갖고 덕트의 단부 부분에서 완전하게 삽입될 수 있다; 22B로 표시되는 제2 코어는 원뿔의 꼭지점이 덕트에 삽입되지만 그것을 차단하지 않도록 하기 위해 바닥 지역에 구형 뚜껑을 갖는 역 원뿔 형상을 갖고 덕트의 출구 위로 배치될 수 있다.
액체 규소 입자들이 챔버내로 들어가는 것을 제한하기 위하여, 유리하게 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 덕트쪽으로 마주보고 있는 개구를 갖는 컵형상의 요소를 포함할 수 있다(도 3의 실시예에서와 같이). 따라서 컵은 챔버 벽들로부터의 방사에 의해 가열되고 컵을 통하여 흐르는 기체는 컵의 벽들에 의해 높은 온도로 빨리 가열된다; 규소가 규소 이슬점 아래의 온도에 있는 동안의 시간 및 그로 인한 규소 입자들의 성장시간(그리고 그에 따른 그들의 크기)이 그에 따라 줄어들기 때문에 빠른 가열은 매우 유리하다; 더구나, 어떤 입자들(특히, 액체 규소 입자들)은 그것들이 증발할 때까지 컵에 유지되는 경향이 있다. 덕트가 컵으로 연장되면 개선된 결과들이 얻어진다(도 3의 실시예에서와 같이); 갑작스러운 변화들은 덕 트로부터 챔버로 통하는 경로에 제공되어 따라서 실제로 충격에 의해 액체 규소 입자들을 제거하려는 경향이 있다.
도 3이 실린더형 컵을 도시하고 있을지라도, 컵은 외부면 및 내부면 양자에 대하여 적합하게 형상화되고 치수가 정해질 수 있다; 특히 형상들 및/또는 크기들이 와동들을 방지하고 챔버 벽들과 컵사이 및 컵과 기체사이의 열교환들을 최대화하고 벽들을 따라 가능한 응축을 제어하도록 설계될 수 있다.
본 발명에 따라, 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 많은 다른 방법들로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해질 수 있다.
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 링으로 배치된 복수의 노즐들 및 챔버의 제2 영역으로의 개구를 포함할 수 있다(노즐들이 실질적으로 위쪽과 마주하고 있는 도2의 실시예에서와 같이); 수직이며, 실린더형의 챔버에 있어서, 링 및 챔버는 전형적으로 동축을 갖고, 링은 전형적으로 실린더의 바닥상에 위치가 정해지거나(도 2의 실시예에서와 같이) 실린더 벽의 하측 부분상에 위치가 정해진다. 탄소 함유 기체의 분출이 챔버의 중앙 영역에 규소와 실질적으로 접촉하는 방식으로 노즐들이 형상화되고 치수가 정해져야 한다; 노즐의 형상은 기체 분출의 형상 및 방향을 결정한다.
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 링으로 배치되고 챔버의 중앙 영역으로 열려있는 복수의 덕트들을 포함할 수 있다(도 3의 실시예에서와 같이); 수직이며, 실린더형 챔버에 있어서, 링 및 챔버는 전형적으로 동축을 갖고 덕트들은 전형적으로 모두 동일하고 평행이다; 좋은 결과를 위하여, 링의 평균 직경은 대략적으 로 챔버 내부 직경의 2/3와 같도록 선택될 수 있다. 도 3의 실시예에서, 이러한 덕트들은 챔버의 바닥에 인접한 공동의 디스크와 통한다; 작은 덕트들의 시리즈들은 디스크의 공동내로 열린다; 작은 덕트들은 동축을 갖는 큰 덕트로부터의 가지들로서 연장된다.
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 챔버의 중앙 영역내로 열리는 링 형상의 덕트를 포함할 수 있다; 수직이며, 실린더형의 챔버에 있어서, 링 및 챔버는 전형적으로 동축을 갖는다; 규소 함유 기체들(챔버의 제2 영역내로 들어가는)이 양호한 분배가 되도록 하기 위해, 유리하게 링의 평균 직경이 챔버의 내부 직경보다 약간만 작다; 이 경우에, 챔버 벽들에 탄화규소 침착들이 전혀 없도록 유지하기 위해, 에칭 기체를 위한 링 형상의 덕트가 추가적으로 제공되어, 탄소 함유 기체들을 위한 링 형상의 덕트 주변 및 챔버의 벽들 가까이에 위치가 정해질 수 있다.
탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 규소 함유 기체들과 양호한 혼합 및 챔버의 기체들의 넓고 균일한 분배를 얻을 시도 및 와동들을 방지하는 시도를 하기 위해 설계되어야 한다; 규소 함유 기체들을 위한 입력쪽으로 탄소 함유 기체들의 가능한 확산을 고려하는 것 역시 유리하다.
규소 함유 기체들을 위한 입력 수단 및 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단 양자에 대하여, 목표는 챔버의 벽들위가 아니라 기판 지역으로 탄소 및 규소를 가져다주는 것이다.
전구체(precursor) 기체들(규소 또는 탄소를 포함하는)을 위한 입력 수단은 전형적으로 운반 기체와 연결되어서 희석되는 전구체 기체를 챔버로 수용하도록 적 응되며, 그 운반 기체는 수소, 아르곤, 헬륨 또는 그들 기체들의 둘 또는 그 이상의 혼합물일 수 있다; 전구체 기체와 운반 기체 사이의 비율들은, 예를 들면, 운반 기체들에 대해서는 10 slm 이고 전구체 기체에 대해서는 1-2 slm 일 수 있다.
규소를 운반하는 가장 전형적인 전구체 기체는 실란[SiH4]이다; 덕트의 어디든지 규소 방울들이 형성되는 것을 방지하기 위해(또는 적어도 제한하기 위해) 염산[HCl]과 실란[SiH4]을 혼합하는 것은 유리할 수 있다; 대안적으로, 디클로로실란[DCS], 트리클로로실란[TCS] 및 사염화 규소[SiC14]와 같이, 규소 및 염소 양자를 포함하는 화합물들이 사용될 수 있다.
탄소를 운반하는 전구체 기체들은 프로판[C3H8], 에틸렌[C2H4] 또는 아세틸렌[C2H2]일 수 있다; 이들 중에서, 높은 온도에 가장 적당한 화합물은 아세틸렌이고, 다루기에 가장 용이한 것은 프로판이고, 그 절충적인 화합물(compromise compound)은 에틸렌이다.
매우 높은 온도들은 챔버내에 유지되어야 하기 때문에, 유리하게 가열 수단은 유도 타입이고 챔버 벽들을 가열하도록 적응된다; 가열 수단은 어떤 도면들에서도 도시되지 않는다.
미리 결정된 온도 프로파일을 유지하는 것이 바람직하다; 특히, 유리하게 챔버의 중앙 영역의 온도는 매우 높으며(2200℃ - 2600℃), 반면에 탄화규소의 응축을 촉진시키기 위해 제1 영역의 온도(그리고 성장 결정들 및 기판의 온도)는 약간 낮다(1800℃ - 2200℃); 제1 영역(규소를 포함하는 기체들을 위한 입력 영역)의 온도는 매우 높아야(2200℃ - 2600℃) 하지만 역시 중앙 영역의 온도보다 약간만 낮을 수 있다(2000℃ - 2400℃).
제1 실시예에서, 따라서 가열 수단은 챔버 내에서 다음의 온도들을 발생하도록 적응될 수 있다:
- 제1 영역에서, 1800 - 2200도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2000도,
- 중앙 영역에서, 2200 - 2600 도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도,
- 제2 영역에서, 2000 - 2400 도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2200도.
제2 실시예에서, 따라서 가열 수단은 챔버 내에서 다음의 온도들을 발생하도록 적응될 수 있다:
- 제1 영역에서, 1800 - 2200 도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2000도,
- 중앙 영역에서, 2200 - 2600 도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도,
- 제2 영역에서, 2200 - 2600 도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도.
지지 수단이 온도 제어 수단을 포함하도록 배열하는 것은 유리하다. 본 발명에 따른 시스템의 지지 수단은 전형적으로 SiC 또는 TaC 층으로 코딩된 그래파이트로 만들어진다; 따라서 이들은 유도 효과 및 방사 효과 양자에 의한 가열 수단으로서 동작한다. 기체 흐름, 예를 들어, 수소의 기체 흐름은 유리하게 지지 수단의 온도를 제어하는데 사용된다; 25 slm의 수소 흐름은 주위 온도로부터 2000℃의 온도로 가열되기 위하여 1kW의 전력을 흡수한다. 이 경우, 지지 수단은, 예를 들어 내부 공동이 제공되고 공동과 연결된 튜브에 장착된 두꺼운 디스크에 의해 구성될 수 있다; 튜브는 열적으로 절연되고 화학적으로 단절된다; 냉각 기체는 튜브로 주입되고, 공동을 통하여 흐르며, 디스크의 주변부에 형성된 복수의 홀들로부터 빠져 나온다.
도 2 및 도 3의 실시예들에서, 유리하게 지지 수단 내부의 기체-흐름은 에칭 및 온도 제어 양자를 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 많은 구성요소 부분들은 그래파이트로 만들어질 수 있다; 전형적으로, 이러한 부분들은, 예를 들어 SiC 및 TaC(더 저항력이 있음)로 된 보호층에 의해 덮여져야 한다.
도 2 및 도 3에 있어서, 도 1의 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 기능들을 갖는 요소들을 나타내기 위해 사용되었다.
도면들이 본 발명의 두 개의 구체적인 실시예들만을 도시하고 있을지라도, 본 발명이 그 구성요소 수단으로 파악되는 많은 변형예들의 조합으로부터 생기는 매우 많은 다른 방법들로 구현될 수 있다는 것은 앞의 설명으로부터 명백하다.

Claims (21)

  1. 기판들위에 탄화규소 결정들을 성장시키기 위한 시스템으로서,
    축을 따라 연장하는 챔버를 포함하고,
    상기 챔버는;
    - 탄소 함유 기체들 및 규소 함유 기체들을 위한 분리된 입력 수단,
    - 상기 챔버의 제1 단부 영역에 배치된 기판 지지 수단,
    - 상기 지지 수단의 근처에 배치된 배출 출력 수단,
    - 대략 1800℃보다 높은 온도까지 상기 챔버를 가열하도록 적응된 가열 수단을 포함하고,
    상기 규소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 규소 함유 기체들이 상기 챔버의 제2 단부 영역으로 들어가는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 상기 시스템에 있어서,
    상기 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 상기 탄소 및 상기 규소가 상기 제1 단부 영역 및 상기 제2 단부 영역 양자와 멀리 떨어진 상기 챔버의 중앙 영역과 실질적으로 접촉하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 상기 탄소 및 상기 규소가 역시 상기 챔버의 벽들로부터 멀리 떨어진 영역에 실질적으로 접촉하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 챔버는 에칭 기체를 위한 입력 수단을 포함하고, 그 입력 수단은 기체가 상기 챔버의 제1 단부 영역에 수용되도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 반-결정핵생성 기체를 위한 입력 수단을 포함하고, 그 입력 수단은 기체가 상기 챔버의 제2 단부 영역내로 수용되도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 반-결정핵생성 기체를 위한 입력 수단을 포함하고, 그 입력 수단은 기체가 상기 챔버의 중앙 영역에 수용되도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 에칭 기체를 위한 입력 수단을 포함하고, 그 입력 수단은 기체- 흐름이 실질적으로 상기 챔버의 벽들을 따라서만 생기도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 수단은 에칭 기체를 위한 입력 수단을 포함하고, 그 입력 수단은 기체가 상기 기판들 주변으로 수용되도록 하는 방식으로 위치가 정해지고, 형상화되고, 치수가 정해지는, 시스템.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    성장 공정동안 상기 지지 수단을 회전시키는 수단을 포함하는, 시스템.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성장 공정동안 상기 지지 수단을 끌어들이는 수단을 포함하는, 시스템.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 함유 기체를 위한 입력 수단은 상기 챔버의 제2 영역으로 열린 덕트를 포함하는, 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 덕트는, 그 단부 영역의 지역에서, 규소 증발 셀을 포함하는, 시스템.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 덕트는, 그 단부 영역의 지역에서, 탄소 함유 기체들을 가열하고 및/또는 그것들을 상기 챔버에 배분하기 위한 중앙 코어를 포함하는, 시스템.
  13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 함유 기체를 위한 입력 수단은 상기 덕트쪽으로 마주보는 개구를 갖는 컵형상의 요소를 포함하는, 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 컵내부로 연장되는, 시스템.
  15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 링으로 배치되는 복수의 노즐들 및 상기 챔버의 제2 영역내로의 개구를 포함하는, 시스템.
  16. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 링으로 배치된 복수의 덕트들 및 상기 챔버의 중앙 영역내로의 개구를 포함하는, 시스템.
  17. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 기체들을 위한 입력 수단은 상기 챔버의 중앙 영역으로 열린 링 형상의 덕트를 포함하는, 시스템.
  18. 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 수단은 유도 타입이며 상기 챔버의 벽들을 가열하도록 적응된, 시스템.
  19. 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 챔버 내에서 다음 온도들을 발생하도록 적응되는, 시스템:
    - 제1 영역에서, 1800 - 2200도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2000도,
    - 중앙 영역에서, 2200 - 2600도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도,
    - 제2 영역에서, 2000 - 2400도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2200도.
  20. 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 챔버 내에서 다음 온도들을 발생하도록 적응되는, 시스템:
    - 제1 영역에서, 1800 - 2200도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2000도,
    - 중앙 영역에서, 2200 - 2600도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도,
    - 제2 영역에서, 2200-2600도 범위 내의 온도, 바람직하게는 약 2400도.
  21. 제1 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 수단은 온도 제어 수단을 포함하는, 시스템.
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