RU2557597C1 - METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC - Google Patents
METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC Download PDFInfo
- Publication number
- RU2557597C1 RU2557597C1 RU2014102032/05A RU2014102032A RU2557597C1 RU 2557597 C1 RU2557597 C1 RU 2557597C1 RU 2014102032/05 A RU2014102032/05 A RU 2014102032/05A RU 2014102032 A RU2014102032 A RU 2014102032A RU 2557597 C1 RU2557597 C1 RU 2557597C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sic
- plate
- holder
- seed
- single crystal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии получения монокристаллического SiC - широко распространенного материала, используемого при изготовлении интегральных микросхем.The invention relates to microelectronics and relates to a technology for producing single-crystal SiC, a widely used material used in the manufacture of integrated circuits.
Известен способ получения монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в тигле, на пластину затравочного монокристалла SiC (см., например: JP 2008074662, C30B 29/36, C30B 29/10, 2008; EP 1164211, C30B 23/00, C30B 29/36, 2001; JP 2006069851, C30B 29/36, C30B 29/10, 2006, SU 882247, C30B 23/00, C30B 29/36, 1973; SU 913762, C30B 23/02, C30B 29/36, 1996; RU 2330128, C30B 23/00, C30B 29/36, 2008).A known method for producing single-crystal SiC by sublimation of a source of SiC placed in a crucible onto a plate of a SiC seed single crystal (see, for example: JP 2008074662, C30B 29/36, C30B 29/10, 2008; EP 1164211, C30B 23/00, C30B 29 / 36, 2001; JP 2006069851, C30B 29/36, C30B 29/10, 2006, SU 882247, C30B 23/00, C30B 29/36, 1973; SU 913762, C30B 23/02, C30B 29/36, 1996; RU 2330128, C30B 23/00, C30B 29/36, 2008).
Однако целевой продукт, полученный данным способом, обладает низким структурным совершенством вследствие значительных механических напряжений, возникающих в пластине затравочного монокристалла SiC из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов пластины затравочного монокристалла SiC и его держателя и, как следствие, отсутствия надежного теплового контакта между пластиной затравочного монокристалла SiC и его держателем в широком диапазоне температур. Недостаточное структурное совершенство приводит к низкой надежности изготавливаемых из полученных монокристаллических слитков микроэлектронных схем.However, the target product obtained by this method has low structural perfection due to significant mechanical stresses arising in the plate of the SiC seed single crystal due to the difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the materials of the plate of the SiC seed single crystal and its holder and, as a result, the lack of reliable thermal contact between the plate seed crystal SiC and its holder in a wide temperature range. Insufficient structural perfection leads to low reliability of microelectronic circuits made from the obtained single-crystal ingots.
Для подавления развивающихся в пластине затравочного монокристалла SiC микродефектов и напряжений заднюю поверхность пластины затравочного монокристалла SiC и поверхность крышки ячейки, которая служит держателем пластины затравочного монокристалла SiC, выравнивают, а затем приводят в контакт (JP 2002308697, C30B 29/36, C30B 29/10, 2002).To suppress microdefects and stresses developing in the SiC seed crystal single wafer plate, the back surface of the SiC single crystal plate and the cell cover surface, which serves as the holder for the SiC seed single crystal plate, are aligned and then brought into contact (JP 2002308697, C30B 29/36, C30B 29/10 , 2002).
Другой путь улучшения качества целевого продукта заключается в выращивании слитка монокристаллического SiC в тепловом контакте с поликристаллическим карбидом кремния, окружающим монокристаллический слиток SiC, что обеспечивает выравнивание температуры поверхности целевого продукта для препятствия образованию микротрещин (JP 2001114598, C30B 29/36, C30B 29/10, 2001).Another way to improve the quality of the target product is to grow a single-crystalline SiC ingot in thermal contact with polycrystalline silicon carbide surrounding the single-crystal SiC ingot, which provides equalization of the surface temperature of the target product to prevent microcracks (JP 2001114598, C30B 29/36, C30B 29/10, 2001).
В качестве средства для выравнивания тепловых полей и, как следствие, снижения напряжений в пластине затравочного монокристалла SiC известен способ, использующий для присоединения пластины затравочного монокристалла SiC к основанию, служащему держателем, с достаточной связывающей силой кремниево-углеродный порошкообразный слой, который подвергают горячей прессовке (JP 11268994, C30B 29/36, C30B 29/10, 1999).As a means for equalizing thermal fields and, as a result, reducing stresses in the SiC seed single crystal wafer, a method is known that uses a silicon-carbon powder layer to be hot pressed to attach the SiC seed single crystal wafer to a base with sufficient binding force ( JP 11268994, C30B 29/36, C30B 29/10, 1999).
Однако целевой продукт, получаемый данными способами, продолжает содержать дефекты, обусловленные наличием напряжений в растущем монокристаллическом слитке SiC вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения пластины затравочного монокристалла SiC и ее держателя, изготовленного из графита, и недостаточно однородного теплового контакта между ними.However, the target product obtained by these methods continues to contain defects due to the presence of stresses in the growing single-crystal ingot SiC due to the difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the plate of the seed single crystal SiC and its holder made of graphite and insufficiently uniform thermal contact between them.
Для надежной фиксации пластины затравочного монокристалла SiC на графитовом держателе обычно применяется высокотемпературный клей-адгезив или физический прижим с помощью специальных механических приспособлений (скобок) (CN 103088411, C30B 23/00, C30B 29/36, 2013) или без них.To securely fix the SiC seed single crystal wafer on a graphite holder, high-temperature adhesive adhesive or physical pressure is usually applied using special mechanical devices (brackets) (without or without CN 103088411, C30B 23/00, C30B 29/36, 2013).
Для обеспечения высокой и однородной адгезии, а также для предупреждения появления в монокристаллическом слитке SiC прорастающих дефектов из пластины затравочного монокристалла SiC поверхность держателя предварительно обрабатывают. Так, известен способ, по которому поверхность держателя, предназначенная для установки пластины затравочного монокристалла SiC, полируется до зеркального блеска, после чего поверхности держателя и пластины затравочного монокристалла SiC подвергаются ионной бомбардировке в вакууме, приводятся в соприкосновение и сжимаются (US 2013000547, C30B 23/025, C30B 29/36, C30B 33/06, 2010). По другому способу поверхность держателя профилируется, на ней изготавливаются каналы определенного профиля и конфигурации (JP 2008044802, C09J 201/00; C30B 29/36, 2006) для однородной приклейки пластины затравочного монокристалла SiC.In order to ensure high and uniform adhesion, as well as to prevent the occurrence of germinating defects in the SiC single crystal ingot from the SiC seed single crystal plate, the holder surface is pre-treated. Thus, a method is known in which the surface of a holder intended to install a SiC seed crystal plate is polished to a mirror finish, after which the surfaces of the holder and SiC seed crystal are bombarded by ion, brought into contact and compressed (US 2013000547, C30B 23 / 025, C30B 29/36, C30B 33/06, 2010). In another way, the surface of the holder is profiled, channels of a certain profile and configuration are made on it (JP 2008044802, C09J 201/00; C30B 29/36, 2006) for uniformly bonding the SiC seed single crystal wafer.
Сопрягаемая поверхность держателя обычно полностью перекрывает соответствующую поверхность пластины затравочного монокристалла SiC или, по крайней мере, большую его часть (JP 2011184209, C30B 23/06; C30B 29/36, 2010).The mating surface of the holder usually completely overlaps the corresponding surface of the wafer of the SiC single crystal or at least most of it (JP 2011184209, C30B 23/06; C30B 29/36, 2010).
Весьма близкими к заявленному являются способы получения монокристаллического SiC, предусматривающие сублимацию источника SiC, размещенного в тигле, на пластину затравочного монокристалла SiC, размещенную на держателе с нанесенным на него материалом, минимизирующим различие в теплопроводностях материалов и выравнивающим температуру в различных точках поверхности пластины затравочного монокристалла SiC (US 7323051, C30B 25/12, 2008; JP 2012046425, C30B 23/02, C30B 29/36, 2011).Very close to the claimed are methods for producing single-crystal SiC, providing for the sublimation of a source of SiC placed in a crucible onto a plate of a SiC seed single crystal placed on a holder with a material deposited on it, which minimizes the difference in thermal conductivities of materials and evens the temperature at different points on the surface of a plate of a SiC seed single crystal (US 7323051, C30B 25/12, 2008; JP 2012046425, C30B 23/02, C30B 29/36, 2011).
Недостаток этих способов заключается в возникновении в пластине затравочного монокристалла SiC больших механических напряжений вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов пластины затравочного монокристалла SiC и ее держателя. В частности, предложенное в п.20 способа (US 7323051, C30B 25/12, 2008) для минимизации возникающих напряжений выборочное согласование коэффициентов термического расширения материалов пластины затравочного монокристалла SiC и ее держателя не может быть распространено на весь диапазон температур - от комнатной температуры до температуры роста монокристаллического слитка SiC (2000-2400°C).The disadvantage of these methods is the appearance of high mechanical stresses in the SiC seed crystal single wafer due to the difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the materials of the SiC seed single crystal wafer and its holder. In particular, the method proposed in clause 20 (US 7323051, C30B 25/12, 2008) to minimize the stresses that arise selectively matches the thermal expansion coefficients of the materials of the SiC seed single crystal plate and its holder cannot be extended to the entire temperature range from room temperature to the growth temperature of a single-crystal ingot SiC (2000-2400 ° C).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому качеству целевого продукта является способ получения монокристаллического SiC, предусматривающий сублимацию источника SiC, размещенного в тигле, на пластину затравочного монокристалла SiC (выполняющую функцию подложки), размещенную на графитовом держателе с использованием переходного слоя (RU 2433213, С30В 23/00, С30В 29/36, 2011), содержащего механическую смесь порошков углерода и карбида кремния в виде любых их модификаций, с добавлением связующего или без него.The closest to the claimed technical essence and the achieved quality of the target product is a method for producing monocrystalline SiC, which provides for the sublimation of a SiC source placed in a crucible onto a SiC seed single crystal plate (acting as a substrate) placed on a graphite holder using a transition layer (RU 2433213, С30В 23/00, С30В 29/36, 2011) containing a mechanical mixture of carbon and silicon carbide powders in the form of any modifications thereof, with or without a binder.
Недостаток данного способа также заключается в возникновении в пластине затравочного монокристалла SiC довольно значительных механических напряжений вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов пластины затравочного монокристалла SiC и ее держателя, что приводит к появлению дефектов в растущем монокристаллическом слитке SiC.The disadvantage of this method also lies in the emergence of rather significant mechanical stresses in the SiC seed crystal plate due to the difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the materials of the SiC seed crystal single crystal plate and its holder, which leads to defects in the growing single-crystal SiC ingot.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения монокристаллического SiC, обеспечивающего технический результат, заключающийся в улучшении качества целевого продукта вследствие снижения механических напряжений в пластине затравочного монокристалла SiC в процессе роста монокристаллического слитка и в обеспечении термохимической стабильности поверхности пластины затравочного монокристалла, не предназначенной для роста монокристаллического слитка SiC.The objective of the invention is to provide a method for producing single-crystal SiC, providing a technical result, which consists in improving the quality of the target product due to a decrease in mechanical stresses in the plate of a seed single crystal of SiC during the growth of a single crystal ingot and in ensuring thermochemical stability of the surface of the plate of a seed single crystal, not intended for growth of a single crystal ingot SiC.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения монокристаллического SiC, включающем сублимацию источника SiC, размещенного в тигле, на пластину затравочного монокристалла SiC, размещенную на держателе, держатель изготавливают в форме плоского кольца из упругомягкого материала, значения упругих модулей которого меньше значений упругих модулей монокристаллического SiC, на пластину затравочного монокристалла SiC наносят, по крайне мере, один защитный слой, обеспечивающий термохимическую стабильность этой поверхности, состоящий из синтетических смол, адгезива и растворителя, прикрепляют пластину затравочного монокристалла SiC со стороны нанесенного слоя к держателю, полностью перекрывая область, ограниченную внутренней боковой поверхностью кольца держателя, с образованием поверхности пластины затравочного монокристалла SiC, не предназначенной для роста монокристаллического слитка SiC, на которую дополнительно наносят несколько слоев, обеспечивающих заданные температурные условия на поверхностях пластины затравочного монокристалла SiC и состоящих из суспензии углерода с добавлением растворителя и пластификаторов,The essence of the invention lies in the fact that in the method of producing single-crystal SiC, including sublimation of a SiC source placed in a crucible onto a SiC seed single crystal placed on a holder, the holder is made in the form of a flat ring from an elastic soft material, the values of the elastic modules of which are less than the values of the elastic modules single-crystal SiC, at least one protective layer is applied to the SiC seed crystal wafer, which provides thermochemical stability of this surface, consisting of of synthetic resins, adhesive and solvent, attach the SiC seed crystal plate from the side of the deposited layer to the holder, completely overlapping the area bounded by the inner side surface of the holder ring, with the formation of the surface of the SiC seed crystal sheet not intended for growth of a single crystal SiC ingot onto which additionally, several layers are applied that provide the specified temperature conditions on the surfaces of the wafer of a SiC single crystal and consisting of suspensions uu carbon with the addition of solvent and plasticizers,
далее держатель с закрепленной на нем пластиной затравочного монокристалла SiC устанавливают в тигле таким образом, чтобы поверхность пластины, предназначенная для роста слитка монокристаллического SiC, была обращена внутрь тигля и контактировала при проведении сублимации с газовой средой внутри тигля.Next, the holder with the SiC single crystal seed plate fixed on it is mounted in the crucible so that the surface of the plate intended for the growth of the single crystal SiC is facing the inside of the crucible and is in contact with the gaseous medium inside the crucible.
В качестве упругомягкого материала используют углеграфитовые материалы, например терморасширенный графит, или графитовый войлок, или графитовую ткань, или композиты этих материалов.Carbon graphite materials, for example thermally expanded graphite, or graphite felt, or graphite fabric, or composites of these materials are used as an elastic soft material.
Пластина затравочного монокристалла SiC может иметь круглую или некруглую форму со значительной неплоскостностью поверхности.The SiC seed crystal single wafer may have a round or non-circular shape with significant non-flatness of the surface.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками и достигнутым снижением механических напряжений в пластине затравочного монокристалла SiC заключается в том, что упругомягкий материал держателя, на котором закрепляется пластина затравочного монокристалла, при изменении температуры системы «пластина затравочного монокристалла - держатель» не инжектирует в пластину затравочного монокристалла и в растущий монокристаллический слиток SiC упругих напряжений, так как этот материал, во-первых, обладает крайне низкими упругими модулями по сравнению с карбидом кремния, во-вторых, используется при изготовлении держателя в форме плоского кольца, к которому крепится пластина затравочного монокристалла, причем вдоль ее внешней кромки.A causal relationship between the distinguishing features and the achieved reduction in mechanical stresses in the SiC seed crystal single wafer plate is that the elastic soft material of the holder on which the seed single crystal wafer is attached does not inject into the seed single crystal wafer when the temperature of the system changes. and into a growing single-crystal ingot of SiC elastic stresses, since this material, firstly, has extremely low elastic ulyami compared with silicon carbide, and secondly, is used in the manufacture of the holder in the form of a flat ring, which is attached to the seed crystal plate, and along its outer edge.
Достигнутое снижение напряжений на границе раздела «пластина затравочного монокристалла - держатель» позволяет устранить пластическую деформацию и генерацию протяженных дефектов в растущем монокристаллическом слитке SiC.The achieved reduction in stresses at the interface between the seed plate of the single crystal - holder, eliminates the plastic deformation and the generation of extended defects in the growing single-crystal ingot SiC.
Также причинно-следственная связь между отличительными признаками и повышением качества целевого продукта заключается в том, что, по крайней мере, один слой, нанесенный на поверхность пластины затравочного монокристалла SiC, ограниченную внутренней боковой поверхностью кольца держателя, обеспечивает термохимическую стабильность поверхности пластины затравочного монокристалла, не предназначенную для роста монокристаллического слитка SiC, и тем самым препятствует разрушению растущего монокристаллического слитка SiC.Also, a causal relationship between the distinguishing features and improving the quality of the target product is that at least one layer deposited on the surface of the SiC seed single crystal plate, limited by the inner side surface of the holder ring, provides thermochemical stability of the surface of the seed single crystal plate, not intended for the growth of a single-crystal ingot SiC, and thereby prevents the destruction of a growing single-crystal ingot SiC.
Для создания держателя могут быть использованы различные материалы. В частности, это могут быть различные марки графита или металлическая фольга, стойкая в условиях высокотемпературного роста карбида кремния. Наиболее предпочтительным является использование углеграфитовых материалов с низкими упругими модулями, таких как терморасширенный графит (графитовая фольга) или графитовая ткань или графитовый войлок, так как эти материалы, во-первых, не инжектируют упругие напряжения в пластину затравочного монокристалла SiC и, во-вторых, легко обрабатываются и деформируются, позволяя закреплять на держателе пластины затравочных монокристаллов любой сложной формы со значительной неплоскостностью поверхности. Из представленных материалов наилучшим является терморасширенный графит, поскольку он обладает достаточно высокой плотностью, низкой газопроницаемостью и наиболее стабилен в процессе роста слитка.Various materials may be used to create the holder. In particular, it can be various grades of graphite or a metal foil that is stable under conditions of high-temperature growth of silicon carbide. Most preferred is the use of carbon-graphite materials with low elastic moduli, such as thermally expanded graphite (graphite foil) or graphite fabric or graphite felt, since these materials, firstly, do not inject elastic stresses into the SiC seed crystal wafer and, secondly, they are easily processed and deformed, allowing fixing on the plate holder the seed single crystals of any complex shape with significant non-flatness of the surface. Of the materials presented, thermally expanded graphite is the best, since it has a sufficiently high density, low gas permeability, and is most stable during the growth of the ingot.
Для реализации способа пластина затравочного монокристалла SiC должна полностью перекрывать отверстие в кольце держателя, то есть внутренний диаметр плоского кольца держателя должен быть меньше диаметра пластины затравочного монокристалла (в случае, если пластина выполнена круглой формы). Величина захода пластины затравочного монокристалла за края отверстия держателя может быть любой. В случае круглой пластины затравочного монокристалла SiC эта величина составляет половину разности между внутренним диаметром кольца держателя и диаметром пластины затравочного монокристалла. Для удобства механической фиксации пластины затравочного монокристалла SiC на держателе затравочного кристалла величина захода не может быть меньше 0,5 мм. Величина захода, толщина кольца держателя и его площадь желательно минимизировать. Во-первых, это необходимо для снижения напряжений, возникающих в пластине затравочного монокристалла при его фиксации на держателе. Во-вторых, это нужно для снижения неоднородности приклеивания пластины затравочного монокристалла к держателю. Для фиксации пластины затравочного монокристалла SiC на держателе используются адгезивы, сушка которых приводит к интенсивному газовыделению на границе раздела «пластина затравочного монокристалла SiC - держатель». Результатом неоднородного приклеивания является перераспределение температурных полей и массовых потоков на поверхности пластины затравочного монокристалла, предназначенной для роста слитка монокристаллического SiC, что приводит к возникновению напряжений в растущем монокристаллическом слитке, появлению различных групп дефектов и ухудшению свойств целевого продукта. По нашим оценкам величина захода пластины затравочного монокристалла за края отверстия держателя для держателя из терморасширенного графита не может превышать 5 мм во избежание ухудшения качества целевого продукта.To implement the method, the SiC seed single crystal wafer should completely cover the hole in the holder ring, i.e., the inner diameter of the flat holder ring should be less than the diameter of the seed single crystal wafer (if the wafer is round in shape). The magnitude of the entry plate of the seed single crystal beyond the edges of the holes of the holder can be any. In the case of a round plate of a SiC seed single crystal, this value is half the difference between the inner diameter of the holder ring and the diameter of the plate of the seed single crystal. For the convenience of mechanical fixation of the SiC seed single crystal wafer on the seed crystal holder, the approach value cannot be less than 0.5 mm. The magnitude of the approach, the thickness of the holder ring and its area, it is desirable to minimize. Firstly, it is necessary to reduce the stresses arising in the plate of the seed single crystal when it is fixed on the holder. Secondly, this is necessary to reduce the heterogeneity of bonding of the seed plate of the single crystal to the holder. Adhesives are used to fix the SiC seed single crystal plate on the holder, drying of which leads to intense gas evolution at the interface “SiC seed single crystal plate - holder”. The result of inhomogeneous bonding is the redistribution of temperature fields and mass flows on the surface of a seed single crystal wafer intended for the growth of a single-crystal SiC ingot, which leads to stresses in the growing single-crystal ingot, the appearance of various defect groups and the deterioration of the properties of the target product. According to our estimates, the size of the insert of the seed single crystal plate beyond the edges of the hole of the holder for the holder of thermally expanded graphite cannot exceed 5 mm in order to avoid deterioration of the quality of the target product.
При использовании пластин затравочных монокристаллов сложной (некруглой) формы внутренний профиль плоского кольца держателя повторяет форму внешнего края пластины затравочного монокристалла SiC, причем таким образом, чтобы обеспечить примерно одинаковую величину захода пластины затравочного монокристалла за края отверстия держателя во всех точках края пластины затравочного монокристалла.When using single-crystal seed crystals of complex (non-circular) shape, the internal profile of the holder’s flat ring repeats the shape of the outer edge of the SiC seed crystal single wafer in such a way as to ensure approximately the same amount of entry of the seed single crystal plate beyond the edges of the holder hole at all points of the edge of the seed single crystal plate.
Возможна модификация способа, при которой на одном держателе устанавливается несколько пластин затравочных монокристаллов. В этом случае изготавливается плоская заготовка держателя, обычно в форме круга, в которой прорезается ряд отверстий, по числу устанавливаемых пластин затравочных монокристаллов. Каждая из пластин затравочных монокристаллов фиксируется на свое отверстие и перекрывает свое отверстие, с образованием поверхностей пластин затравочных монокристаллов SiC, не предназначенных для роста монокристаллических слитков SiC. В этом случае в процессе сублимации на каждой из пластин затравочных монокристаллов выращивается свой слиток монокристаллического SiC.A modification of the method is possible in which several plates of seed single crystals are mounted on one holder. In this case, a flat holder blank is made, usually in the form of a circle, in which a series of holes is cut, according to the number of installed single crystal seed plates. Each of the plates of the seed single crystals is fixed to its hole and overlaps its hole, with the formation of the surfaces of the plates of the seed single crystals of SiC, not intended for the growth of single crystal SiC ingots. In this case, in the process of sublimation, a single ingot of single-crystal SiC is grown on each of the plates of seed single crystals.
На поверхность пластины затравочного монокристалла SiC, не предназначенную для роста слитка монокристаллического SiC, в область, ограниченную внутренней боковой поверхностью кольца держателя, должен быть нанесен по крайней мере один защитный слой, который обеспечивает термохимическую стабильность поверхности пластины затравочного монокристалла, то есть блокирует термическое испарение карбида кремния с поверхности пластины затравочного монокристалла, не предназначенной для роста слитка монокристаллического SiC. Кроме того, в процессе выращивания слитка монокристаллического SiC часть газообразных компонентов покидает внутреннюю полость тигля через имеющиеся в тигле поры и щели. Защитный слой, нанесенный на поверхность пластины затравочного монокристалла, препятствует химическому взаимодействию газообразных компонентов (в первую очередь кремния) с поверхностью пластины затравочного монокристалла. Такой слой обычно состоит из синтетических смол различной природы, адгезива и растворителя. В качестве растворителей использовали различные спирты (изопропиловый или изовиниловый или этиловый) или ацетон.At least one protective layer must be deposited on the surface of the SiC seed single crystal plate, not intended for growth of a single crystal SiC ingot, in the region bounded by the inner side surface of the holder ring, which ensures the thermochemical stability of the surface of the seed single crystal plate, i.e. it blocks the thermal evaporation of carbide silicon from the surface of the plate of the seed single crystal, not intended for the growth of an ingot of single-crystal SiC. In addition, during the growth of a single-crystal SiC ingot, some of the gaseous components leave the inner cavity of the crucible through the pores and slots in the crucible. The protective layer deposited on the surface of the plate of the seed single crystal prevents the chemical interaction of gaseous components (primarily silicon) with the surface of the plate of the seed single crystal. Such a layer usually consists of synthetic resins of various nature, adhesive and solvent. Various alcohols (isopropyl or isovinyl or ethyl) or acetone were used as solvents.
Количество наносимых защитных слоев, их состав и толщина могут быть, вообще говоря, произвольными. Слои могут наноситься как до фиксации пластины затравочного монокристалла на держателе, так и после фиксации. Также процесс нанесения слоя может быть совмещен с процессом приклеивания пластины затравочного монокристалла SiC на держатель. В этом случае в состав наносимого слоя может быть добавлен высокотемпературный клей, обычно на основе фенолформальдегидных смол, обеспечивающий высокую адгезию пластины затравочного монокристалла к держателю. В то же время, если раствор синтетической смолы позволяет достичь необходимой адгезии, высокотемпературный клей не используют.The number of applied protective layers, their composition and thickness can be, generally speaking, arbitrary. The layers can be applied both before fixing the seed single crystal plate on the holder, and after fixing. Also, the process of applying a layer can be combined with the process of gluing a plate of a seed single crystal SiC on the holder. In this case, a high-temperature glue, usually based on phenol-formaldehyde resins, can be added to the applied layer to ensure high adhesion of the seed single crystal plate to the holder. At the same time, if a solution of synthetic resin allows to achieve the necessary adhesion, high-temperature glue is not used.
На поверхность пластины затравочного монокристалла, не предназначенную для роста слитка монокристаллического SiC, в область, ограниченную внутренней боковой поверхностью кольца держателя, может быть нанесен также один или несколько слоев, обеспечивающих - за счет изменения условий поглощения теплового излучения - определенную температуру поверхностей пластины затравочного монокристалла. Такой слой обычно состоит из суспензии углерода (порошка графита или сажи) с добавлением растворителей и пластификаторов. Изменение толщины слоя и его степени черноты позволяет варьировать температуру пластины затравочного монокристалла и соответственно изменять скорость роста слитка монокристаллического SiC.One or several layers can also be deposited on the surface of the seed single crystal plate, not intended for growth of a single crystal SiC ingot, in the region bounded by the inner side surface of the holder ring, providing, due to changes in the absorption of thermal radiation, a certain temperature of the surfaces of the seed single crystal plate. Such a layer usually consists of a suspension of carbon (graphite powder or carbon black) with the addition of solvents and plasticizers. Changing the thickness of the layer and its degree of blackness allows you to vary the temperature of the plate of the seed single crystal and, accordingly, change the growth rate of the ingot of single crystal SiC.
Способ иллюстрируют чертежи.The method is illustrated by drawings.
На фиг.1 приведена схема тигля для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2, 3 и 4 изображены конструктивные решения держателей с прикрепленными пластинами затравочных монокристаллов и нанесенными слоями.Figure 1 shows a diagram of a crucible for implementing the proposed method; figure 2, 3 and 4 shows the structural solutions of the holders with attached plates of the seed single crystals and deposited layers.
В таблице указаны технические характеристики качества слитка монокристаллического SiC при различных значениях конструктивных параметров к приведенному примеру.The table shows the technical characteristics of the quality of the ingot of single-crystal SiC at various values of the structural parameters to the given example.
В качестве технического средства для осуществления предлагаемого способа может использоваться тигель (фиг.1), имеющий цилиндрический корпус, боковая стенка 1, дно 2 и крышка 3 которого выполнены из плотного графита МПГ-6. На боковой стенке 1 тигля снаружи последовательно расположены спираль 4 резистивного электронагревателя и теплоизоляционный слой 5, выполненный из графитового войлока. Элементы 1-5 помещены в цилиндрическую вакуумную камеру 6 сублимационной установки. В крышке тигля 3 выполнен круглый паз с уступом, на который установлен держатель в форме плоского кольца 7 с прикрепленной к нему пластиной затравочного монокристалла 8. На стороне пластины затравочного монокристалла SiC 8, не предназначенной для роста монокристаллического слитка SiC и обращенной вне тигля, предварительно создан один защитный слой 9. Такой слой состоит из синтетической смолы с добавлением растворителя, высокотемпературного клея (для обеспечения необходимой адгезии пластины затравочного монокристалла SiC к материалу держателя). Процесс нанесения защитного слоя 9 совмещен с процессом фиксации (приклейки) пластины затравочного монокристалла SiC на держателе. На дне 2 тигля располагают исходное сырье 10 - поликристаллы карбида кремния, служащие источником получаемого целевого продукта.As a technical means for implementing the proposed method can be used a crucible (figure 1) having a cylindrical body,
Фиг.2 иллюстрирует проведение способа, когда на поверхности пластины затравочного монокристалла 8 создан один защитный слой 9, позволяющий исключить испарение этой поверхности в условиях выращивания, а также на поверхности, не предназначенной для выращивания слитка и обращенной вне тигля, создан дополнительно слой 9а, обладающий необходимой степенью черноты для обеспечения нужной скорости выращивания.Figure 2 illustrates the method, when on the surface of the plate of the seed
Фиг.3 иллюстрирует проведение способа при последовательном нанесении 4 слоев - два из них 9 и 9а для исключения испарения пластины затравочного монокристалла, два других 9б и 9в - для обеспечения необходимой степени черноты поверхности. Нанесение первого слоя 9 совмещено с процессом фиксации пластины затравочного монокристалла SiC на держателе. Первый 9 и второй 9а слои состоят из синтетической смолы с добавлением растворителя. Третий 9б и четвертый 9в слои включают в себя суспензию порошка углерода, растворитель и пластификатор. Четвертый слой 9в нанесен не только на поверхность пластины затравочного монокристалла, не предназначенную для выращивания слитка и обращенную вне тигля, но и на всю поверхность плоского кольца держателя, обращенную вне тигля.Figure 3 illustrates the implementation of the method in successive application of 4 layers - two of them 9 and 9a to prevent evaporation of the seed single crystal plate, the other two 9b and 9c - to provide the necessary degree of blackness of the surface. The application of the
На фиг.4 представлены виды крепления пластин различной формы к держателю: фиг.4а - круглая пластина, фиг.4б - прямоугольная пластина.Figure 4 presents the types of fastening of plates of various shapes to the holder: figa - round plate, figb - rectangular plate.
Конструктивные параметры устройств, используемых при осуществлении действий способа, даны в приведенном примере.The design parameters of the devices used in carrying out the actions of the method are given in the above example.
Для экспериментальной проверки способа использовали пластину затравочного монокристалла 8 из SiC политипа 4H номинальной ориентации (0001) и отклонением в 8° в направлении азимута [11-20] со средней по поверхности плотностью микропор 10-30 см-2 диаметром 3 дюйма. Данный материал подвергали травлению в расплавленной щелочи КОН в течение 10 мин при 600°C и ультразвуковой отмывке в деионизованной воде для удаления дефектного поверхностного слоя, оставшегося после предварительной механической обработки пластины затравочного монокристалла. Для создания слоев различного функционального назначения, наносимых на поверхность пластины затравочного монокристалла SiC, не предназначенную для роста слитка монокристаллического SiC, использовали растворы синтетических фенолформальдегидных смол, в качестве источника углерода - высокочистый графитовый порошок фирмы Графи (Россия) и/или сажу производства Mitsubishi Chemical Corp. (Japan) и в качестве растворителя - различные спирты или ацетон. Для улучшения адгезионных свойств твердых поверхностей применяли раствор поливинилбутироля в спирте с добавлением синтетических смол.For experimental verification of the method, a plate of a
Компоненты каждого слоя смешивали в нужной пропорции и тщательно перемешивали. Нанесение слоев осуществляли на тщательно очищенную обезжиренную поверхность пластины затравочного монокристалла, не предназначенную для роста слитка монокристаллического SiC.The components of each layer were mixed in the desired proportion and mixed thoroughly. The deposition of layers was carried out on a thoroughly cleaned fat-free surface of a seed single crystal plate, not intended for growth of a single-crystal SiC ingot.
В приведенном примере (фиг.3) использовали пластину затравочного монокристалла с 4 последовательно нанесенными слоями.In the above example (FIG. 3), a seed single crystal wafer with 4 successive layers was used.
Держатель выполнен из терморасширенного графита толщиной 0,5 мм, с размерами внешнего и внутреннего диаметров кольца 82 на 70 мм соответственно. Таким образом, величина захода пластины затравочного монокристалла за края отверстия держателя составляет в среднем 3 мм.The holder is made of thermally expanded graphite with a thickness of 0.5 mm, with dimensions of the outer and inner diameters of the ring 82 by 70 mm, respectively. Thus, the magnitude of the approach of the seed plate of the single crystal over the edges of the holes of the holder is on average 3 mm
После нанесения первого слоя на поверхность пластины затравочного монокристалла SiC эту поверхность и поверхность держателя, изготовленного в виде плоского кольца, приводили в соприкосновение таким образом, чтобы пластина затравочного кристалла полностью перекрыла отверстие в держателе, а заход был примерно одинаков во всех точках пластины затравочного монокристалла и составлял примерно 3 мм. После этого проводили сушку пластины затравочного монокристалла, закрепленного на держателе, продолжительность и температурный режим которой зависели от природы используемой дисперсионной среды и связующего агента.After applying the first layer to the surface of the SiC seed single crystal wafer, this surface and the surface of the holder made in the form of a flat ring were brought into contact in such a way that the seed crystal plate completely overlapped the hole in the holder, and the approach was approximately the same at all points of the seed single crystal wafer and was approximately 3 mm. After this, the plate of the seed single crystal mounted on the holder was dried, the duration and temperature of which depended on the nature of the dispersion medium used and the binding agent.
После остывания на поверхность пластины затравочного монокристалла, не предназначенную для роста слитка монокристаллического SiC и ограниченную внутренней боковой поверхностью плоского кольца держателя, наносили второй слой и снова проводили сушку пластины затравочного монокристалла с закрепленным на нем держателем. Продолжительность и температурный режим сушки зависели от природы используемой дисперсионной среды и связующего агента.After cooling, a second layer was deposited onto the surface of the seed single crystal plate, not intended for growth of a single crystal SiC ingot and limited by the inner side surface of the flat ring of the holder, and the seed plate of the single crystal was again dried with the holder fixed on it. The duration and temperature of the drying process depended on the nature of the dispersion medium and binder used.
Аналогично проводили нанесение третьего и четвертого слоев.Similarly, the third and fourth layers were applied.
В тигель внутренним диаметром d=200 мм засыпали порошок SiC (фиг.1). В качестве порошка SiC использовали высокочистый предварительно спеченный порошкообразный карбид кремния производства фирмы Saint-Gobain (Norge), с размером зерна ≈100 мкм. В крышке тигля 3 устанавливали держатель 7 с приклеенной пластиной затравочного монокристалла 8 и нанесенными слоями. Вакуумную камеру 6 откачивали до давления 8·10-6 мм рт.ст., а тигель нагревали до 1000°C с помощью электроспирали 4 и выдерживали при данной температуре в течение 3 ч для удаления остаточных загрязнений. После этого вакуумную камеру 6 заполняли аргоном до давления 100 мм рт.ст. и нагревали до температуры источника SiC, равной 2250°C. Температура пластины затравочного монокристалла при этом составляет 2150°C. Выдерживали при указанных температуре и давлении в течение 1 ч, после чего производили откачку вакуумной камеры 6 до давления аргона 3 мм рт.ст., при котором происходит рост монокристаллического слитка SiC на пластине затравочного монокристалла 8 в течение 2-48 часов. По окончании выращивания монокристаллического слитка SiC вакуумную камеру 6 охлаждали до комнатной температуры и разгерметизировали. Из тигля извлекли монокристаллический слиток карбида кремния политипа 4H.SiC powder was poured into a crucible with an inner diameter d = 200 mm (Fig. 1). As SiC powder, high-purity pre-sintered powdery silicon carbide manufactured by Saint-Gobain (Norge), with a grain size of ≈100 μm, was used. A
Скорость роста слитка определяют прямым измерением толщины монокристаллического слитка, а также гравиметрически (по изменению веса держателя 7 с пластиной затравочного монокристалла 8 и наращенным на ней монокристаллическим слитком). Плотность микропор и дислокаций в монокристаллическом слитке определяют под микроскопом после разрезания слитка на пластины с последующим щелочным травлением поверхности монокристаллических пластин карбида кремния. Однородность теплового контакта оценивают визуально, методом экспертных оценок - по форме и однородности профиля роста монокристаллического слитка SiC на начальных стадиях выращивания (1-2 часа роста).The growth rate of the ingot is determined by direct measurement of the thickness of the single crystal ingot, as well as gravimetrically (by changing the weight of the
Результаты 8-кратных испытаний способа в среде аргона при указанных температурах источника SiC и пластины затравочного монокристалла, равных 2200°C и 2100°C соответственно, давлении в вакуумной камере 6, равном 3 мм рт.ст., и различных значениях конструктивных параметров приведены в таблице.The results of 8-fold tests of the method in an argon medium at the indicated temperatures of the SiC source and the seed single crystal plate, equal to 2200 ° C and 2100 ° C, respectively, the pressure in the
Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет получить коммерчески приемлемые скорости осаждения (до 0,8 мм/час) карбида кремния и необходимые плоские или выпуклые профили роста монокристаллического слитка SiC. Наиболее высокие скорости роста получены при использовании дополнительных слоев, содержащих наполнители (графит, сажа).As can be seen from the table, the proposed method allows to obtain commercially acceptable deposition rates (up to 0.8 mm / h) of silicon carbide and the necessary flat or convex growth profiles of a single crystal SiC ingot. The highest growth rates were obtained using additional layers containing fillers (graphite, soot).
По сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ характеризуется значительно меньшими плотностями микропор (до их полного отсутствия) и дислокаций (до 103 см-3) в слитке. Указанный эффект имеет место для любых предлагаемых материалов держателей. Локально повышенную плотность дефектов (дислокаций и малоугловых границ) наблюдали для держателя, выполненного из толстого графитового кольца (эксперимент 2), для высокой величины захода пластины затравочного монокристалла за края отверстия держателя (эксперимент 6), а также для пластины затравочного монокристалла SiC, изготовленного из материала, не прошедшего химическую обработку (эксперимент 7).Compared with the prototype method, the proposed method is characterized by significantly lower densities of micropores (to their complete absence) and dislocations (up to 10 3 cm -3 ) in the ingot. The specified effect takes place for any proposed materials holders. A locally increased density of defects (dislocations and small-angle boundaries) was observed for a holder made of a thick graphite ring (experiment 2), for a high penetration rate of the seed single crystal plate beyond the edges of the hole of the holder (experiment 6), as well as for a plate of a seed SiC single crystal made of material not chemically treated (experiment 7).
В целом, как видно из таблицы, использование предлагаемого способа позволяет получить заявленный технический результат. Кроме того, производным от достигнутого, является повышение производительности труда и выхода целевого продукта, а также снижение материалоемкости и трудоемкости способа.In general, as can be seen from the table, the use of the proposed method allows to obtain the claimed technical result. In addition, the derivative of the achieved is to increase labor productivity and yield of the target product, as well as reducing the material consumption and the complexity of the method.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014102032/05A RU2557597C1 (en) | 2014-01-22 | 2014-01-22 | METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014102032/05A RU2557597C1 (en) | 2014-01-22 | 2014-01-22 | METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2557597C1 true RU2557597C1 (en) | 2015-07-27 |
Family
ID=53762437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014102032/05A RU2557597C1 (en) | 2014-01-22 | 2014-01-22 | METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2557597C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621767C1 (en) * | 2016-06-15 | 2017-06-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
| RU2633909C1 (en) * | 2016-12-23 | 2017-10-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377223C1 (en) * | 2008-06-25 | 2009-12-27 | Закрытое акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий" (ЗАО "ИНУМиТ") | Method to produce composite carbon materials |
| RU2433213C1 (en) * | 2010-10-12 | 2011-11-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Гранник" | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
| WO2012165898A2 (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-06 | Lg Innotek Co., Ltd. | Apparatus and method for manufacturing ingot |
-
2014
- 2014-01-22 RU RU2014102032/05A patent/RU2557597C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377223C1 (en) * | 2008-06-25 | 2009-12-27 | Закрытое акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий" (ЗАО "ИНУМиТ") | Method to produce composite carbon materials |
| RU2433213C1 (en) * | 2010-10-12 | 2011-11-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Гранник" | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
| WO2012165898A2 (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-06 | Lg Innotek Co., Ltd. | Apparatus and method for manufacturing ingot |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ШУЛЕПОВ С.В., Физика углеграфитовых материалов, Москва, "МЕТАЛЛУРГИЯ", 1972, стр.66. КОСОЛАПОВА Т.Я, Карбиды, Москва, "МЕТАЛЛУРГИЯ", 1968, стр.44. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621767C1 (en) * | 2016-06-15 | 2017-06-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
| RU2633909C1 (en) * | 2016-12-23 | 2017-10-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102340110B1 (en) | Silicon carbide ingot, wafer and manufacturing method of the same | |
| JP2011020860A (en) | Crucible for producing silicon carbide single crystal and method for producing silicon carbide single crystal | |
| US20100028240A1 (en) | Process for producing silicon carbide single crystal | |
| JP2012214379A5 (en) | ||
| JP2003119098A (en) | Method of fixing seed crystal and method of estimating fixed state | |
| KR20120001606A (en) | Single-crystal diamond growth base material and method for manufacturing single-crystal diamond substrate | |
| JP2007119273A (en) | Method for growing silicon carbide single crystal | |
| CN105780107A (en) | Seed crystal processing method for improving growth quality of silicon carbide crystals, and method for growing silicon carbide crystals | |
| RU2557597C1 (en) | METHOD OF OBTAINING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| JP2011184224A (en) | Method for fixing silicon carbide seed crystal and method for producing silicon carbide single crystal | |
| JP6881357B2 (en) | Method for manufacturing silicon carbide single crystal | |
| CN115261992A (en) | Silicon carbide composite seed crystal and preparation method and application thereof | |
| CN112313369B (en) | Silicon carbide single crystal growth apparatus and method for producing silicon carbide single crystal | |
| EP3940122B1 (en) | Method of manufacturing sic wafer | |
| TWI772866B (en) | Wafer and manufacturing method of the same | |
| RU2433213C1 (en) | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| JP4982506B2 (en) | Method for producing single crystal diamond | |
| RU2633909C1 (en) | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| EP3916138A1 (en) | Method of manufacturing silicon carbide ingot and system for manufacturing silicon carbide ingot | |
| JP2005093519A (en) | Silicon carbide substrate and method of manufacturing the same | |
| CN113322520A (en) | Wafer and method for manufacturing the same | |
| JP5948988B2 (en) | Method for producing silicon carbide single crystal | |
| RU2454491C2 (en) | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| CN115142132B (en) | Silicon carbide crystal growth device and growth method of large-size silicon carbide crystal | |
| TWI725840B (en) | Adhesive layer of seed crystal, method of manufacturing a laminate applied the same and method of manufacturing a wafer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20171227 Effective date: 20171227 |