SE524279C2 - Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen - Google Patents

Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen

Info

Publication number
SE524279C2
SE524279C2 SE0301225A SE0301225A SE524279C2 SE 524279 C2 SE524279 C2 SE 524279C2 SE 0301225 A SE0301225 A SE 0301225A SE 0301225 A SE0301225 A SE 0301225A SE 524279 C2 SE524279 C2 SE 524279C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
gas
crystal
growth
downstream
hydrogen
Prior art date
Application number
SE0301225A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE0301225L (en
SE0301225D0 (en
Inventor
Erik Janzen
Alexandre Ellison
Peter Raaback
Original Assignee
Okmetic Oyj
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to SE0301225A priority Critical patent/SE524279C2/en
Application filed by Okmetic Oyj filed Critical Okmetic Oyj
Publication of SE0301225D0 publication Critical patent/SE0301225D0/en
Priority to DE602004001802T priority patent/DE602004001802T3/en
Priority to EP04008697A priority patent/EP1471168B2/en
Priority to AT04008697T priority patent/ATE335872T1/en
Priority to IT000245A priority patent/ITTO20040245A1/en
Priority to TW93111283A priority patent/TWI259214B/en
Priority to CNB2004100631433A priority patent/CN100414004C/en
Priority to US10/830,047 priority patent/US7361222B2/en
Priority to JP2004127482A priority patent/JP5093974B2/en
Publication of SE0301225L publication Critical patent/SE0301225L/en
Publication of SE524279C2 publication Critical patent/SE524279C2/en
Priority to US12/073,146 priority patent/US20080149020A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/301AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C23C16/303Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32Carbides
    • C23C16/325Silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/14Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36Carbides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi

Abstract

Preparing crystals of silicon carbide, group III-nitride and/or its alloys involves continuously feeding vapor species containing elements of the crystal through an upstream opening (22) of the growth surface of a seed crystal contained in a heated growth enclosure; removing the undeposited vapor species through a opening downstream (25a) of the growth surface and passing an additional gas flow containing a halogen. An independent claim is included for a device for preparing the crystals.

Description

20 25 30 35 40 524 279 2 ämnenas stökiometri under tillväxten. Instabiliteten i tillförseln av källmaterialet och drift av temperaturfördelningen i matningslagret för källmaterialet och i kristallisationszonen kommer, till exempel, att orsaka drift av odlingshastigheten och av införlivandet av dop- ningsämnen. 20 25 30 35 40 524 279 2 stoichiometry of the substances during growth. The instability in the supply of the source material and the operation of the temperature distribution in the feed layer for the source material and in the crystallization zone will, for example, cause operation of the growth rate and of the incorporation of dopants.

Om dessa drivande parametrar inte kontrolleras ordentligt tenderar de att kraftigt påverka verkningsgraden hos kristalltillväxtsprocessen. Som till exempel uppvisar fram till idag aluminiumdopade p-typ SiC-skivor, odlade genom sublimation, höga densiteter av defekter i form av mikroporer. Ur ett större perspektiv begränsar, i ett slutet PVT- system, uttömningen av källmateriallagret begränsar varaktigheten för en kontinuerlig odlingsprocess och sålunda kristallängden.If these driving parameters are not properly controlled, they tend to greatly affect the efficiency of the crystal growth process. For example, until today, aluminum-doped p-type SiC disks, grown by sublimation, show high densities of defects in the form of micropores. From a larger perspective, in a closed PVT system, the depletion of the source material stock limits the duration of a continuous cultivation process and thus the crystal length.

Dessa utmaningar må lösas av ytterligare förbättringar av sublimationsprocessen och möjligheten med tekniken eller varianter av denna, för att producera SiC-skivor i relativt stor skala är en mätare på dess industriella potential.These challenges may be solved by further improvements of the sublimation process and the possibility with the technology or variants thereof, to produce SiC disks on a relatively large scale is a measure of its industrial potential.

En alternativ teknik av industriellt intresse som erbjuder en kontinuerlig kontroll av källmaterialstillförseln samt har potential för odling av långa kristaller från gasfas introducerades 1995 genom det amerikanska patentet nr 5,704,985. Denna teknik beskrivs allmänt som High Temperature Chemical Vapour Deposition (HTCVD) och skiljer sig från förseglad PVT-konfiguration genom användandet av en öppen hetväggskonfigu- ration som erbjuder hög grad av frihet och kontroll över källmaterial- och dopnings- materialtillförsel. Särskilt tillförs åtminstone en av komponenterna hos det odlade materialet kontinuerligt i form av ett reglerat gasflöde och matas in i högtemperatur- zonen genom en ingångsöppning. Dessutom är en utloppsanordning tillhandahållen nedströms kristalliseringsområdet för att styra gasflödet längs de växande kristallytorna och släppa ut biprodukter som skapas i kristalliseringsprocessen. Denna teknik kan kallas för Chemical Vapour Deposition (CVD) baserat på dess konceptuella likhet med de CVD- tekniker som används för epitaxiell odling lager så tunna som ett par um eller mindre.An alternative technology of industrial interest which offers a continuous control of the source material supply and has the potential for culturing long crystals from gas phase was introduced in 1995 by U.S. Patent No. 5,704,985. This technology is commonly described as High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) and differs from sealed PVT configuration by the use of an open hot wall con som- gution that offers a high degree of freedom and control over source material and doping material supply. In particular, at least one of the components of the cultured material is continuously supplied in the form of a controlled gas fl and is fed into the high temperature zone through an inlet opening. In addition, an outlet device is provided downstream of the crystallization area to control the gas flow along the growing crystal surfaces and release by-products created in the crystallization process. This technique can be called Chemical Vapor Deposition (CVD) based on its conceptual similarity to the CVD techniques used for epitaxial culture layers as thin as a few μm or less.

Emellertid, liksom beskrivits i de amerikanska patenten nr 5,704,985 och nr 6,048,398, för att nå tillväxthastigheter som är ekonomiskt intressanta för tillverkning av stora kristaller, använder HTCVD-tekniken en storleksordning högre källgasmatningshastig- heter och flera hundra grader högre temperaturer än normala CVD processer. Till exempel kan man, i en apparat liknande den i de första figurerna i det amerikanska patentet nr 5,704,985 (Fig. 1), i det specifika SiC-fallet, genom att värma frökristallen 13 till en temperatur av 2250°C och genom ingång 15 mata in en gasblandning inne- hållandes 0,3 I/min silan och 0,1 I/min etylen utspätt i en heliumbärgas, uppnå en kristallisationshastighet på 0,5 mm/h.However, as described in U.S. Patent Nos. 5,704,985 and 6,048,398, to achieve growth rates that are economically interesting for large crystal production, the HTCVD technology uses an order of magnitude higher source gas feed rates and several hundred degrees higher temperatures than normal CVD processes. For example, in an apparatus similar to that of the first figures of U.S. Patent No. 5,704,985 (Fig. 1), in the specific SiC case, by heating the seed crystal 13 to a temperature of 2250 ° C and feeding it in into a gas mixture containing 0.3 I / min silane and 0.1 I / min ethylene diluted in a helium carrier gas, achieve a crystallization rate of 0.5 mm / h.

Emellertid, när man använder sig av metoden under ett flertal timmar, erfars experi- mentellt att SiC även kristalliseras runt frökristallsubstratet 13, på hållaren 12 gjord i exempelvis grafit, och på de exponerade ytorna vid utloppshålen 14 i Fig. 1. På ytorna i 10 15 20 25 30 35 40 524 279 3 den omedelbara närheten av frökristallen 13 kristalliserar SiC i en tät polykristallin kropp innehållandes 6H- och 15R-polytyper. Längre nedströms i utloppshålen 14, kristalliseras SiC i något mindre täta 3C-polytyp nålar. Den täta polykristallina depositionen kan skapas med cirka dubbla hastigheten jämfört med den monokristallina kristalliserings- hastigheten. Längre nedströms, allt eftersom temperaturen minskar och övermättnaden ökar, bildar 3C-kristallnålarna kärnor och tillväxer ännu snabbare i storlek och spärrar eventuellt gasutloppsvägen inom 2 till 4 timmar. När utloppsvägen nedströms frökristal- len är tillräckligt blockerad, byggs en tryckskillnad snabbt upp mellan källgasingången 15 och utloppsporten 16. Om tryckskillnaden tillåts nå några få mBar, är det reproducerbar konstaterat att en snabb försämring av den monokristallina polytypen och den struktu- rella kvaliteten uppträder. Källgaserna kan också börja flöda längs en väg med högre konduktans än den genom det blockerade utloppet 14, till exempel genom något poröst isolerande material som 15 i Fig. 1. De isolerande egenskaperna hos materialet försämras då snabbt på grund av reaktion med kisel, vilket tvingar odlingen att avbrytas. Alterna- tivt, då utloppsvägen 14 täpps till under förhållanden då källgaserna inte tillåts finna någon väg med högre konduktans, inträffar en mycket snabb blockering av gasingången genom polykristallin kiseldeposition. I detta fall måste odlingen också avbrytas eftersom inga källgaser kan tillföras monokristallen. Den parasitiska depositionen av fasta poly- kristallina faser leder alltså till ett katastrofalt skenande hos systemet som tvingar odlingsprocessen att avbrytas innan en kristall av önskvärd längd har producerats.However, when using the method for several hours, it is experimentally experienced that SiC is also crystallized around the seed crystal substrate 13, on the holder 12 made of, for example, graphite, and on the exposed surfaces at the outlet holes 14 in Fig. 1. On the surfaces in 10 The immediate vicinity of the seed crystal 13 crystallizes SiC in a dense polycrystalline body containing 6H and 15R polytypes. Further downstream in the outlet holes 14, SiC crystallizes in slightly less dense 3C-polytype needles. The dense polycrystalline deposit can be created at about twice the rate compared to the monocrystalline rate of crystallization. Further downstream, as the temperature decreases and the supersaturation increases, the 3C crystal needles form nuclei and grow even faster in size and possibly block the gas outlet path within 2 to 4 hours. When the outlet path downstream of the seed crystal is sufficiently blocked, a pressure difference builds up quickly between the source gas inlet 15 and the outlet port 16. If the pressure difference is allowed to reach a few mBar, it is reproducibly found that a rapid deterioration of the monocrystalline polytype and structural quality builds up. The source gases can also begin to flow along a path with a higher conductance than that through the blocked outlet 14, for example through some porous insulating material as in Fig. 1. The insulating properties of the material then deteriorate rapidly due to reaction with silicon, which forces cultivation to be discontinued. Alternatively, when the outlet path 14 is clogged under conditions where the source gases are not allowed to find any path with higher conductance, a very rapid blockage of the gas inlet occurs by polycrystalline silicon deposition. In this case, the cultivation must also be stopped because no source gases can be supplied to the single crystal. The parasitic deposition of solid polycrystalline phases thus leads to a catastrophic rampage of the system which forces the cultivation process to be stopped before a crystal of the desired length has been produced.

Ett försök till lösning av detta problem har beskrivits i PCT-ansökan WO 98/14644. I exemplet med SiC-kristallodling beskriver denna ansökan en apparat där Si- och C-inne- hållande processgaser är separerade från huvudvärmeelementet 7 i Fig. 2 genom en tunn innercylinder 25. En skyddande inert gas sätts att flöda mellan det huvudsakliga värme- elementet och innercylindern som avslutas ungefär lika högt som monokristallens till- växtfront. Den skyddande gasen som leds längs väggarna på huvudvärmeelementet nedströms monokristallens tillväxtfront, är ämnad att motverka eller kraftigt fördröja depositionen av polykristallint SiC på innen/äggarna nedströms och fördröja tillväxten av polykristallint SiC på fröhållaren 13 så att utloppsvägen 31 förblir fri. En liknande lösning beskrivs i den europeiska patentansökan nr 97100682.0 där en skyddande gas som flödar parallellt med processgasströmmen presenteras för vid en apparat som arbetar mellan 800°C och 2500°C.An attempt to solve this problem has been described in PCT application WO 98/14644. In the example of SiC crystal cultivation, this application describes an apparatus in which Si- and C-containing process gases are separated from the main heating element 7 in Fig. 2 by a thin inner cylinder 25. A protective inert gas is set to flow between the main heating element and the inner cylinder which terminates approximately as high as the growth front of the single crystal. The protective gas conducted along the walls of the main heating element downstream of the growth front of the monocrystalline is intended to counteract or greatly delay the deposition of polycrystalline SiC on the inner / eggs downstream and delay the growth of polycrystalline SiC on the seed holder 13 so that the outlet path 31 disappears. A similar solution is described in European Patent Application No. 97100682.0 where a shielding gas flowing parallel to the process gas stream is presented for an apparatus operating between 800 ° C and 2500 ° C.

Det har framkommit att en sådan lösning, liksom den beskrivs i eller är härledd från dessa dokument, inte löser det ovan beskrivna problemet i tillräcklig utsträckning för att odla SiC eller andra kristaller längre än några få mm. Experiment med användning av en inerta skyddande gas, som helium eller argon, har visat att tillväxten av 3C-nålar fort- farande sker nedströms monokristallens tillväxtfront. När helium används som skyddande gas uppnås lätt en ännu högre hastighet, medan användande av argon endast förskjuter depositionsregionen ett kort stycke nedströms. Detta oväntade resultat kan förklaras med ett ökat flöde av kol som bärs av den skyddande gasen när den passerar längs ett 10 15 20 25 30 35 40 524 279 4 obeklätt värmeelement och av skillnaden i termisk konduktivitet hos de två nämnda gaserna. I en kiselrik utloppsgasblandning leder varje ökning i koltillförsel till en ökning av den polykristallina SiC-tillväxten nedströms. Ett liknande fenomen iakttas vid an- vändandet av ett värmeelement 7 som beklätts med SiC. För att kringgå detta är det uppenbart, för en i sammanhanget erfaren person, att som förbättring använda ett värmeelement och en styrcylinder, antingen gjord av en metallkarbid eller av grafit som är beklädd med, som till exempel, TaC eller NbC. Helst skall de exponerade ytorna även ha en låg ytråhet för att erbjuda färre nukleationsplatser för polykristallint SiC. Under normala processförhållanden som leder till en tillväxthastighet i storleksordningen 0,5 mm/h till 1 mm/h hos monokristallen, är det dock observerat att en sådan design endast leder till en ytterligare förskjutning nedströms av läget för den okontrollerbara SiC-depositionen. Denna lilla förbättring av tiden för blockering är inte tillräcklig för att kontinuerligt odla flera cm' långa kristaller. Dessutom representerar användningen av metallkarbidtäckta delar en väsentlig extra kostnad för framställningsprocessen.It has been found that such a solution, as described in or derived from these documents, does not solve the above-described problem sufficiently to grow SiC or other crystals beyond a few mm. Experiments using an inert protective gas, such as helium or argon, have shown that the growth of 3C needles still takes place downstream of the growth front of the single crystal. When helium is used as a shielding gas, an even higher velocity is easily achieved, while the use of argon only displaces the deposition region a short distance downstream. This unexpected result can be explained by an increased flow of carbon carried by the shielding gas as it passes along an uncoated heating element and by the difference in thermal conductivity of the two mentioned gases. In a silicon-rich exhaust gas mixture, any increase in carbon supply leads to an increase in the polycrystalline SiC growth downstream. A similar phenomenon is observed when using a heating element 7 which is coated with SiC. To circumvent this, it is obvious, for a person experienced in the context, to use as an improvement a heating element and a control cylinder, either made of a metal carbide or of graphite coated with, for example, TaC or NbC. Preferably, the exposed surfaces should also have a low surface roughness to offer fewer nucleation sites for polycrystalline SiC. Under normal process conditions leading to a growth rate of the order of 0.5 mm / h to 1 mm / h of the single crystal, however, it is observed that such a design only leads to a further displacement downstream of the position of the uncontrollable SiC deposit. This small improvement in the time of blocking is not sufficient to continuously grow fl your cm 'long crystals. In addition, the use of metal carbide coated parts represents a significant additional cost to the manufacturing process.

I andra anordningar enligt känd teknik, skapade för att odla SiC-kristaller där åtminstone en komponent i det material som odlas matas som gas och biprodukterna från processen släpps ut genom ett utlopp, nämns ingen lösning för parasitisk deposition av den poly- kristallina form av materialet som odlas. Till exempel, beskriver det europeiska patentet 0554 047 Bl tillväxt av SiC-kristaller genom en apparat som använder silan och propan som källgaser, vilka reagerar i ett primärt reaktionsområde och bildar SiC-partiklar som därefter förgasas i en sublimationszon med lägre tryck. Biprodukterna från denna kristalliseringsprocess och bärgasen hävdas endast bli utsläppta genom ett utlopp. I patentet US 5,985,024, inlämnat 1997, visas en apparat där kiselgas tillförs från en värmd kiselsmälta och en kolvätegas, som exempelvis propan, tillförs tillväxtzonen genom en passage eller utloppskanal. I denna apparat hävdas också att den överblivna gasen nedströms det växande SiC-götet avlägsnas från odlingszonen genom en passage eller utloppskanal. Beroende på temperaturfördelning som krävs i fröhållaren för att tillåta tillväxt av SiC-kristallen att, anses det är det troligt att sådana passager oundvik- ligen kommer att bli föremål för en katastrofal blockering av endera polykristallint SiC, pyrolitisk grafit eller polykristallin Si-deposition. Ett liknande koncept beskrivs i det amerikanska patentet 6,048,398, inlämnat 1995, där en smält kiselmatningskälla i kombination med en kolvätegas kan användas som källgaser. De överblivna gaserna sugs ut nedströms frökristallhållaren som roteras och dras allteftersom monokristalltillväxten fortgår. Trots en fördelaktig rensningsfunktion för polykristallin deposition inducerad av rotationen hos fröhållaren skapas stress i endera rotationsmekanismen eller fröhållaren och de element som kommer i kontakt med denna. Detta kan leda till mekaniskt sammanbrott hos endera av de ovan nämnda delarna.In other prior art devices created to grow SiC crystals where at least one component of the material being cultured is fed as gas and the by-products of the process are discharged through an outlet, no solution is mentioned for parasitic deposition of the polycrystalline form of the material. which is grown. For example, European patent 0554 047 B1 describes the growth of SiC crystals by an apparatus which uses silane and propane as source gases, which react in a primary reaction zone to form SiC particles which are then gasified in a lower pressure sublimation zone. The by-products from this crystallization process and the carrier gas are claimed to be emitted only through an outlet. U.S. Patent 5,985,024, filed in 1997, discloses an apparatus in which silica gas is supplied from a heated silicon melt and a hydrocarbon gas, such as propane, is supplied to the growth zone through a passage or outlet channel. In this apparatus it is also claimed that the remaining gas downstream of the growing SiC ingot is removed from the culture zone through a passage or outlet channel. Depending on the temperature distribution required in the seed holder to allow the growth of the SiC crystal to be considered, it is considered likely that such passages will inevitably be subject to a catastrophic blockage of either polycrystalline SiC, pyrolytic graphite or polycrystalline Si deposit. A similar concept is described in U.S. Patent 6,048,398, filed in 1995, in which a molten silicon feed source in combination with a hydrocarbon gas can be used as source gases. The remaining gases are sucked out downstream of the seed crystal holder which is rotated and drawn as the monocrystalline growth continues. Despite an advantageous cleaning function for polycrystalline deposition induced by the rotation of the seed holder, stress is created in either the rotation mechanism or the seed holder and the elements which come into contact with it. This can lead to mechanical breakdown of either of the above mentioned parts.

I den amerikanska patentansökan nr 2002/0056411 A1, diskuteras en gasdepositions- apparat för höga temperaturer för tillverkning av SiC-göt där trycket hos gasblandningen i tillväxtområdet sätts högre än den hos gasblandningen vid utloppet för att öka 10 15 20 25 30 35 40 524 279 5 verkningsgraden hos processen. Denna tryckskillnad kan uppnås genom att utforma apparaten så att konduktansen hos inloppet är högre än den hos utloppet. Efter en låg konduktans förekommande nedströms monokristallens tillväxtområde, skapar ett sänkt tryck hos gasblandningen vid utloppet, vid konstant temperatur, en minskning av depositionshastigheten hos det parasitiska polykristallina materialet. Detta fördröjer all katastrofal blockering längs vägen nedströms det konduktanssänkta området för bland- ningen vid utloppet. Emellertid, liksom påpekat i den citerade ansökan, allteftersom temperaturen sjunker längs vägen nedströms, kommer deposition att ansamlas i ett givet område, beskrivet som en gasfälla. Att förhindra denna deposition, till och med i ett övervakat område, skulle medgiva en fortsatt process, under längre tid och därvid fram- bringa längre kristaller. Därtill kommer att, i den nämnda ansökan, systemet måste köras vid ett sänkt tryck, åtminstone nedströms det konduktanssänkande området. Det kan bli önskvärt att istället köra apparaten vid praktiskt taget atmosfärstryck, både i tillväxtområdet och i utloppsområdet, eftersom detta kan vara till fördel för både verkningsgrad och totalkostnad för systemet.In U.S. Patent Application No. 2002/0056411 A1, a high temperature gas deposition apparatus for manufacturing SiC ingots is discussed in which the pressure of the gas mixture in the growth region is set higher than that of the gas mixture at the outlet to increase. 5 the efficiency of the process. This pressure difference can be achieved by designing the apparatus so that the conductance of the inlet is higher than that of the outlet. After a low conductance occurring downstream of the growth area of the monocrystalline, a reduced pressure of the gas mixture at the outlet, at a constant temperature, creates a decrease in the deposition rate of the parasitic polycrystalline material. This delays any catastrophic blockage along the road downstream of the conductance lowered area of the mixture at the outlet. However, as pointed out in the cited application, as the temperature drops along the road downstream, deposit will accumulate in a given area, described as a gas trap. Preventing this deposition, even in a monitored area, would allow a continued process, for a longer period of time, thereby producing longer crystals. In addition, in the said application, the system must be operated at a reduced pressure, at least downstream of the conductance lowering area. It may be desirable to run the device at practically atmospheric pressure instead, both in the growth area and in the outlet area, as this may be to the advantage of both efficiency and total cost of the system.

Ursprunget för det ovan beskrivna problemet är i någon mening fundamental, eftersom den maximala masstransporten av reaktanter är ordnad till den växande kristallen, så kräver den höga temperaturen (2000°C - 2500°C) matning av en viss mängd frötempe- raturberoende Si-gas, som inte kommer att kristalliseras, för att kompensera för den kontinuerliga förångninngen av Si från den upphettade kristallen.The origin of the problem described above is in some sense fundamental, since the maximum mass transport of reactants is arranged to the growing crystal, so the high temperature (2000 ° C - 2500 ° C) requires feeding of a certain amount of seed temperature dependent Si gas , which will not crystallize, to compensate for the continuous evaporation of Si from the heated crystal.

Syfte med och sammanfattning av uppfinningen Denna uppfinning tillhandahåller en metod och en apparat för att odla, vid hög temperatur, i ett värmt utrymme (kallat susceptor eller degel) och från gasfas, en monokristall av antingen SiC, en grupp III-nitrid, eller legeringar av dessa, med en tillväxthastighet och över en tidsperiod tillräckliga för att tillverka en flera millimeter, eller helst flera centimeter, lång kristall.Object and Summary of the Invention This invention provides a method and apparatus for culturing, at high temperature, in a heated space (called a susceptor or crucible), a monocrystalline of either SiC, a Group III nitride, or alloys. of these, with a growth rate and over a period of time sufficient to produce a crystal several millimeters, or preferably several centimeters, long.

I synnerhet är det en avsikt med denna uppfinning att fördröja eller eliminera bildandet av polykristallin eller annan deposition i fast form nedströms monokristallens kristalli- seringsområde för att undvika en partiell eller fullständig blockering i någon av suscep- torns utloppsvägar av en gasblandning som matas till kristalliseringsområdet. Ett korre- laterat syfte med uppfinningen är att styra diametern hos den växande monokristallen och förhindra tillväxt av polykristallint material omkring den och därigenom förhindra uppkomst av strukturella defekter under högtemperaturtillväxtsfasen och den därpå följande nedkylningsfasen.In particular, it is an object of this invention to delay or eliminate the formation of polycrystalline or other solid deposition downstream of the crystallization area of the monocrystalline to avoid a partial or complete blockage in any of the outlet paths of a susceptor of a gas mixture fed to the crystallization area. A correlated object of the invention is to control the diameter of the growing single crystal and prevent the growth of polycrystalline material around it, thereby preventing the occurrence of structural defects during the high temperature growth phase and the subsequent cooling phase.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att minska koncentrationen av oönskade metall- orenheter i det epitaxiellt odlade materialet, genom att ur gasfasen avlägsna aktiva metallämnen som frigörs från delar som hettas upp nedströms kristalliseringsområdet. 10 15 20 25 30 35 40 524 279 6 För att förhindra skapandet av oönskad polykristallin deposition på ytor i närheten av och i områden nedströms monokristallens tillväxtområde, föreslår uppfinningen att den lokala övermättnaden av åtminstone en av det odlade materialets komponenter minskas, genom att införa, i närheten av dessa ytor, ett separat gasflöde som har den kemiska egenskapen att den etsar det odlade materialet. I fallet med SiC- eller GaN-kristallodling används med fördel ett gasflöde innehållandes minst ett halogenämne som till exempel klorväte, klor eller en blandning av väte och antingen klor eller klorväte som etsgas.A further object of the invention is to reduce the concentration of undesirable metal impurities in the epitaxially cultured material, by removing from the gas phase active metal substances which are released from parts which are heated downstream of the crystallization area. In order to prevent the creation of unwanted polycrystalline deposition on surfaces near and in areas downstream of the growth area of the monocrystalline, the invention proposes to reduce the local supersaturation of at least one of the components of the cultured material, by introducing, in the vicinity of these surfaces, a separate gas stream having the chemical property of etching the cultured material. In the case of SiC or GaN crystal culture, a gas stream containing at least one halogen substance such as hydrogen chloride, chlorine or a mixture of hydrogen and either chlorine or hydrogen chloride as an etching gas is advantageously used.

Såsom kommer att bli uppenbart från den detaljerade beskrivningen av uppfinningen kan andra gaser eller gasblandningar innehållandes halogener som Br, F eller I också använ- das i liknande syfte. Etsgasen kan också distribueras på ett sådant sätt att man aktivt kan styra formen på den växande kristallen. Ytterligare föredragna kännetecken och fördelar med uppfinningen kommer att uppenbaras och förklaras i de följande ritningar- na, beskrivningarna och patentkraven. Översiktlig beskrivning av ritningarna Figur 1 illustrerar en HTCVD-odlingsapparat enligt känd teknik.As will be apparent from the detailed description of the invention, other gases or gas mixtures containing halogens such as Br, F or I may also be used for similar purposes. The etching gas can also be distributed in such a way that one can actively control the shape of the growing crystal. Further preferred features and advantages of the invention will be disclosed and explained in the following drawings, descriptions and claims. General description of the drawings Figure 1 illustrates an HTCVD cultivation apparatus according to the prior art.

Figur 2 illustrerar en annan HTCVD-odlingsapparat enligt känd teknik.Figure 2 illustrates another prior art HTCVD cultivator.

Figur 3 är ett tvärsnitt av en apparat enligt uppfinningen.Figure 3 is a cross-section of an apparatus according to the invention.

Figur 4 är ett tvärsnitt av en modifierat apparat enligt uppfinningen.Figure 4 is a cross-section of a modified apparatus according to the invention.

Figur 5 visar förhållandet mellan övermättnaden av kondenserade komponenter av SiC (övre diagrammet), kol (mellersta) och kisel (nedre) vid en [Cl]/[H] kvot på 0,5.Figure 5 shows the relationship between the supersaturation of condensed components of SiC (upper diagram), carbon (middle) and silicon (lower) at a [Cl] / [H] ratio of 0.5.

Figur 6 visar förhållandet mellan övermättnaden av kondenserade komponenter av SiC, kol och kisel vid en [Cl]/[H] kvot på 1,2.Figure 6 shows the ratio of the supersaturation of condensed components of SiC, carbon and silicon at a [Cl] / [H] ratio of 1.2.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Fig. 3 visar schematiskt en förbättrad apparat innefattandes en tillväxtkammare i ett HTCVD-system baserat på koncepten beskrivna i de amerikanska patenten 5,704,985, 6,039,812 och 6,048,398. Denna apparat kommer även här att beskrivas, eftersom den uppfunna apparaten må ha en principiellt liknande konstruktion som den i de ovan nämnda dokumenten, men skiljer sig i de särskilda kännetecken och förbättringar som beskrivs i den aktuella uppfinningen. Apparaten i Fig. 3 är lämpad för att odla mono- kristaller av SiC, en grupp III-nitrid såsom GaN. Vissa delar är för enkelhetens skull schematiserade och det är uppenbart för en på det tekniska området erfaren person att apparaten även innefattar element såsom massflödesregulatorer, ventiler, pumpar, styrelektronik, gasrenare, en neutraliserare (eng. scrubber) och andra enheter som är normalt i CVD-system. 10 15 20 25 30 35 40 524 279 7 Högtemperaturångdeponeringsapparaten innefattar ett hölje 1 bestående av, till exempel, ett enkelväggs-kvartsrör 2 tätt monterat mellan en nedre fläns 3 och en övre fläns 4. Varje fläns innefattar ett fixerat hölje 3a och 4a samt ett rörligt nedre 3b och övre 4b lock som kan sänkas respektive höjas för åtkomst av de inre delarna av höljet 1 för i- och urladdning av apparatens hetzon. Höljet 1 kan alternativt bestå av ett dubbel- väggigt, vattenkylt kvartsrör eller kan omgivas av ett vattenkylt rostfritt stålhölje (ej visat). De inre delarna av höljet 1 består av ett värmeelement 7, även kallat susceptor eller degel i litteraturen, och är omgiven av ett lågkonduktivt termiskt isolerande material 10 som exempelvis grafitfilt eller andra typer av material kompatibla med processens temperaturområde och uppvärmingssätt. Värmeelementet 7 är axisymmetriskt och är gjort av ett material kompatibelt med höga temperaturer som exempelvis obeklädd eller beklädd grafit, en metallkarbid eller nitrid, eller en kombination av dessa. Värmeelemen- tet kan vara cylindrisktjdock kan värmeelementets diameter variera axiellt för att konvergera i vissa områden eller divergera i andra områden för att uppnå ett specifikt gasflödesmönster eller en särskild spatial temperaturdistribution i värmeelementet 7 och i närheten av kristallhållaren 12. Susceptorn 7 är värmd antingen genom RF-induktion via en spole 11, eller genom resistiv uppvärmning, till en temperatur över 1900°C (och företrädesvis i området 2000°C till 2600°C) för SiC-kristalltillväxt, eller över 1200°C (åtminstone 11oo°c och företrädesvis i området 12oo°c rm 22oo°c) for cam-kristall- tillväxt. En frökristall 13 är monterad mekaniskt eller kemiskt till en fröhållare 12 vilken är fysiskt fäst i ett skaft 16 som har minst en ihålig kanal genom vilken temperaturen hos fröhållaren kan mätas med en optisk pyrometer eller ett termoelement (ej visat). För att uppnå en önskvärd kristallisering på frökristallens yta snarare än på susceptorns 7 yta 26, hålls fröhållaren vid en lägre temperatur än ytan 26 och den övre delen av rum 33, och skapar på detta sätt en temperaturgradient.Detailed Description of the Invention Fig. 3 schematically shows an improved apparatus including a growth chamber in an HTCVD system based on the concepts described in U.S. Patents 5,704,985, 6,039,812 and 6,048,398. This apparatus will also be described here, since the invented apparatus may have a principle similar in construction to that in the above-mentioned documents, but differs in the particular features and improvements described in the present invention. The apparatus of Fig. 3 is suitable for culturing monocrystals of SiC, a group III nitride such as GaN. Some parts are schematic for simplicity and it is obvious to a person skilled in the art that the device also includes elements such as mass flow regulators, valves, pumps, control electronics, gas purifier, a neutralizer (scrubber) and other units that are normal in CVD -system. The high temperature vapor deposition apparatus comprises a housing 1 consisting of, for example, a single wall quartz tube 2 tightly mounted between a lower flange 3 and an upper flange 4. Each flange comprises a fixed housing 3a and 4a and a movable lower 3b and upper 4b lids which can be lowered and raised, respectively, for accessing the inner parts of the housing 1 for loading and unloading the hot zone of the apparatus. The housing 1 may alternatively consist of a double-walled, water-cooled quartz tube or may be surrounded by a water-cooled stainless steel housing (not shown). The inner parts of the housing 1 consist of a heating element 7, also called a susceptor or crucible in the literature, and are surrounded by a low-conductivity thermally insulating material 10 such as graphite blanket or other types of materials compatible with the process temperature range and heating method. The heating element 7 is axisymmetric and is made of a material compatible with high temperatures such as uncoated or coated graphite, a metal carbide or nitride, or a combination thereof. The heating element can be cylindrical, however, the diameter of the heating element can vary axially to converge in certain areas or diverge in other areas to achieve a specific gas flow pattern or a special spatial temperature distribution in the heating element 7 and in the vicinity of the crystal holder 12. The susceptor 7 is heated either by RF induction via a coil 11, or by resistive heating, to a temperature above 1900 ° C (and preferably in the range 2000 ° C to 2600 ° C) for SiC crystal growth, or above 1200 ° C (at least 110 ° C and preferably in range 12oo ° c rm 22oo ° c) for cam crystal growth. A seed crystal 13 is mounted mechanically or chemically to a seed holder 12 which is physically attached to a shaft 16 having at least one hollow channel through which the temperature of the seed holder can be measured with an optical pyrometer or a thermocouple (not shown). In order to achieve a desired crystallization on the surface of the seed crystal rather than on the surface 26 of the susceptor 7, the seed holder is kept at a lower temperature than the surface 26 and the upper part of chamber 33, thus creating a temperature gradient.

Kristalliseringsprocessen utförs genom att mata av en gasfas innehållandes de ämnen det tilltänkta materialet innehåller genom den uppvärmda Susceptorn 7 mot frökristallen.The crystallization process is carried out by feeding a gas phase containing the substances contained in the intended material through the heated Susceptor 7 against the seed crystal.

Mängden ämnen för det material som ska odlas väljs så att den värmda gasen blir övermättad när den når kristalliseringsfronten, här kallad tillväxtfronten 25a. I det speciella fallet med SiC-odling, är susceptorn 7 värmd till temperaturer från 2100°C till 2600°C medan fröhållaren hålls vid temperaturer från 2000°C till 2400°C, beroende på matningshastigheten av källmaterialet och dess C/Si-kvot, polytyp och den kristallo- grafiska orientering hos frökristallen. Ett önskvärt källmaterial för odling av SiC-göt består av en SiHxCly-gas eller vätska (x=O till 4, y=0 till 4) och ett kolväte som exempelvis metan, etylen eller propan. Såsom beskrivs i det amerikanska patentet nr 6,039,812, matas den Si-innehållande gasen eller vätskan genom en inre kanal 22.The amount of substances for the material to be grown is selected so that the heated gas becomes supersaturated when it reaches the crystallization front, here called the growth front 25a. In the particular case of SiC culture, the susceptor 7 is heated to temperatures from 2100 ° C to 2600 ° C while the seed holder is maintained at temperatures from 2000 ° C to 2400 ° C, depending on the feed rate of the source material and its C / Si ratio. polytype and the crystallographic orientation of the seed crystal. A desirable source material for growing SiC ingots consists of a SiHxCl 2 gas or liquid (x = 0 to 4, y = 0 to 4) and a hydrocarbon such as methane, ethylene or propane. As described in U.S. Patent No. 6,039,812, the Si-containing gas or liquid is fed through an inner channel 22.

Kolvätet kan antingen matas i samma inre kanal 22 eller i en koncentrisk ringformig kanal 23 som omsluter sagda inre kanal 22 och är avgränsad av en vattenkyld fläns 21 av rostfritt stål som är en del av det nedre locket 3b. En bärgas som till exempel väte, helium, argon eller en blandning av dessa matas också in i kanal 23 och släpps ut nedströms tillväxtfronten 25a via en utloppskanal 14. 10 15 20 25 30 35 40 524 279 8 För att förhindra deposition av polykristallin kiselkarbid längs ytorna 26 och 27 i utloppskanal 14, omfattar apparaten ytterligare matningsmöjligheter såsom kanaler mynnande i närheten av monokristallens tillväxtområde eller i uppvärmda delar ned- ströms som exponeras för Si- och C-innehållande gaser. En gasblandning med egen- skaper som kemiskt etsar SiC matas genom dessa tilläggskanaler. Det har erfarits att etsgasblandningen för SiC-odling skall innehålla minst ett halogenämne för att neutrali- sera de Si-innehållande gaskomponenterna. Etsgasblandningen skall helst också ha egenskapen att reagera med kolinnehållande gaskomponenter, såsom väte. Effektiva etsgasblandningar som skänker det önskade resultatet har erfarits vara gaser såsom klor (Cl2), klorväte (HCI) eller en blandning av väte (H2) och klorväte eller klor. En gasbland- ning innehållandes halogener som fluor (F) eller jod (I) och väte uppnår också den önskade etseffekten.The hydrocarbon can either be fed into the same inner channel 22 or into a concentric annular channel 23 which encloses said inner channel 22 and is delimited by a water-cooled stainless steel flange 21 which is part of the lower cover 3b. A carrier gas such as hydrogen, helium, argon or a mixture thereof is also fed into channel 23 and discharged downstream of the growth front 25a via an outlet channel 14. To prevent deposition of polycrystalline silicon carbide along surfaces 26 and 27 in outlet channel 14, the apparatus comprises further feeding possibilities such as channels opening in the vicinity of the growth area of the single crystal or in heated parts downstream which are exposed to Si- and C-containing gases. A gas mixture with properties that chemically etch SiC is fed through these additional channels. It has been experienced that the etch gas mixture for SiC cultivation must contain at least one halogen substance in order to neutralize the Si-containing gas components. The etching gas mixture should preferably also have the property of reacting with carbon-containing gas components, such as hydrogen. Effective etch gas mixtures that give the desired result have been found to be gases such as chlorine (Cl2), hydrogen chloride (HCl) or a mixture of hydrogen (H2) and hydrogen chloride or chlorine. A gas mixture containing halogens such as fluorine (F) or iodine (I) and hydrogen also achieves the desired etching effect.

För att sörja för etshastigheter jämförbara med de tillväxthastigheter för monokristallin och polykristallin SiC som brukas i uppfinningen (0,5 mm/h till 2 mm/h), matas minst en av etsgaserna in innan utloppsgaserna är nedkylda till en temperatur 600°C lägre än temperaturen hos monokristallens tillväxtfront 25a. I syfte att hålla utloppsvägen 14 öppen, skall etsgasblandningens matningsmedels position, mängderna av och förhållandet mellan de inmatade halogen- och vätegaserna väljas så att de matchar mängden Si- och C-innehållande gaskomponenter och temperaturen hos ytorna som exponeras för kondensation och konduktansen hos utloppsöppningen 14.To ensure etching rates comparable to the growth rates of monocrystalline and polycrystalline SiC used in the invention (0.5 mm / h to 2 mm / h), at least one of the etching gases is fed in before the exhaust gases are cooled to a temperature of 600 ° C lower than the temperature of the growth front 25a of the single crystal. In order to keep the outlet path 14 open, the position of the feed gas mixture, the amounts and the ratio of the halogen and hydrogen gases fed in must be selected to match the amount of Si and C containing gas components and the temperature of the surfaces exposed to condensation and the conductance of the outlet port 14. .

Såsom visas i Fig. 3 skapas lämpligen ett matninssystem genom matning av ett kontrol- lerat flöde av etsgasen genom den ihåliga kärnan hos skaften 16a och 16b och in i en inre kavitet som maskinellt skapats i fröhållaren 12. Etsgasblandningen tillåts strömma ut genom kanaler eller porer 28, placerade ovanför frökristallen 13, och blanda sig med Si- och C-innehållande gaser som har passerat tillväxtfronten 25a.As shown in Fig. 3, a feed system is suitably created by feeding a controlled flow of the etch gas through the hollow core of the shafts 16a and 16b and into an inner cavity mechanically created in the seed holder 12. The etch gas mixture is allowed to flow out through channels or pores 28, placed above the seed crystal 13, and mix with Si- and C-containing gases which have passed the growth front 25a.

Etsgasblandningen värms därigenom upp till en temperatur motsvarande fröhållarens temperatur, typiskt 2000°C till 2400°C, och reagerar därmed mycket effektivt med de Si- och C-innehållande gaskomponenterna. Det kan noteras att ett flertal matnings- konfigurationer kan användas i fröhållaren 12 för att uppnå en jämn etsgasdistribution.The etching gas mixture is thereby heated to a temperature corresponding to the temperature of the seed holder, typically 2000 ° C to 2400 ° C, and thus reacts very efficiently with the gas and C-containing gas components. It can be noted that a plurality of feed configurations can be used in the seed holder 12 to achieve an even etch gas distribution.

Till exempel kan ett flertal perifera hål med diametrar från 0,1 till flera mm distribueras längs den yttre ytan 26 av fröhållaren 12. En ring med hög porositet kan också användas, under förutsättning att den är gjord av ett material som är högtemperaturresistent och kemiskt inert mot etsgasblandningen (till exempel grafit när en ren halogengas som F2 eller Cl2 används). En viktig fördel hos detta första matningssätt är att allteftersom skaft 16 translaterar uppåt, med en hastighet liknande ett SiC-göts 15 tillväxthastighet, med hjälp av en dragmekanism (ej visad), så matas etsgasflödet från en fix position längs ytan 27 hos fröhållarmontaget i förhållande till kristallens tillväxtfront 25a. Detta skänker möjligheten att bibehålla ytan 27 fri från parasitiska fasta depositioner också när kristallen växer till längder på flera centimeter och dras motsvarande höjd uppåt. En 10 15 20 25 30 35 40 524 279 9 rekommenderad användning av uppfinningen inkluderar att dra fröhåliaren 12 längs en förutbestämd axiell temperaturprofil för att bibehålla en konstant temperatur hos kristal- liseringsytan 25a allteftersom kristallängden ökar. Allteftersom fröhåliaren 12 dras längs denna temperaturprofil kan etsgasflödet rampas över tiden för att bibehålla en konstant etshastighet. En annan fördel med detta första matningssätt är att temperaturskillnaden mellan fröhåliaren 12 och det lägre värmeelementet 7a kan ökas, utan att framkalla en högre depositionshastighet av polykristallint material nedströms monokristallen 15. Detta kan till exempel uppnås genom en sänkning av RF-effekten i induktionsspolens upp- strömsslingor 11a, samtidigt som en ökning av matningshastigheten för etsgasbland- ningen i skaftdelen 16 kompenserar den högre övermättnaden av Si- och C-innehållande gaser.For example, a plurality of peripheral holes with diameters from 0.1 to several mm may be distributed along the outer surface 26 of the seed holder 12. A high porosity ring may also be used, provided that it is made of a material which is high temperature resistant and chemically inert. against the etching gas mixture (for example graphite when a pure halogen gas such as F2 or Cl2 is used). An important advantage of this first feeding method is that as shaft 16 translates upward, at a rate similar to the growth rate of a SiC ingot 15, by means of a pulling mechanism (not shown), the etch gas flow is fed from a fixed position along the surface 27 of the seed holder assembly relative to to the growth front 25a of the crystal. This gives the possibility to keep the surface 27 free from parasitic solid deposits even when the crystal grows to lengths of several centimeters and is drawn correspondingly in height upwards. A recommended use of the invention includes pulling the seed holder 12 along a predetermined axial temperature profile to maintain a constant temperature of the crystallization surface 25a as the crystal length increases. As the seed holder 12 is drawn along this temperature profile, the etching gas flow can be ramped over time to maintain a constant etching rate. Another advantage of this first feeding method is that the temperature difference between the seed holder 12 and the lower heating element 7a can be increased, without inducing a higher deposition rate of polycrystalline material downstream of the single crystal 15. This can be achieved, for example, by lowering the RF power in the induction coil. current loops 11a, while an increase in the feed rate of the etch gas mixture in the shaft portion 16 compensates for the higher supersaturation of Si- and C-containing gases.

Ett andra matningssystem för etsgasblandningen, som uppfyller syftet med uppfinningen, beståri att mata etsgasen in i en kanal i den övre delen 7b av värmeelementet som omger frökristallhållaren 12. Flödeshastigheten hos etsgasen styrs genom ett externt flödesstyrdon 30 och matas in i höljet 4a genom en vakuumtät koppling till ett kvartsrör eller rör som är infört i det övre värmeelementet 7b vid anslutning 31 för matning av en intern ledning 32. Den interna ledningen 32 är lämpligen ringformig och kommunicerar med utloppskanalen 14 genom ett flertal hål eller ett poröst media. Den interna led- ningen 32 kommunicerar lämpligen med kanal 14 i ett område där depositionen av poly- kristallint material naturligt uppträder i apparater enligt känd teknik. I fall där parasitisk polykristallin deposition uppträder över ett brett område på ytan 26, skapas en andra, eller flera nya separata kanaler 32 i värmeelementet 7b för att ge lämpliga etsgasflöden över hela de ytor som önskas hållas fria från dylik deposition. Detta andra system för matning av etsgas tjänar två syften. Det första är att motverka nukleationen och till- växten av polykristallina korn längs ytorna 26. Flödeshastigheten hos etsgasen kan emellertid också justeras till ett högre värde än som är nödvändigt för att uppnå detta enda första syfte, för att också etsa sidorna 25b hos den växande monokristallen 15.A second supply system for the etching gas mixture, which fulfills the purpose of the invention, consists in feeding the etching gas into a channel in the upper part 7b of the heating element surrounding the seed crystal holder 12. The flow rate of the etching gas is controlled by an external fate controller 30 and fed into the housing 4a connection to a quartz tube or tube inserted in the upper heating element 7b at connection 31 for feeding an internal conduit 32. The internal conduit 32 is suitably annular and communicates with the outlet duct 14 through a plurality of holes or a porous media. The internal line 32 suitably communicates with channel 14 in an area where the deposition of polycrystalline material occurs naturally in prior art devices. In cases where parasitic polycrystalline deposition occurs over a wide area of the surface 26, a second, or several new separate channels 32 are created in the heating element 7b to provide suitable etch gas den over all the surfaces which are desired to be kept free from such deposition. This second etching gas supply system serves two purposes. The first is to counteract the nucleation and growth of polycrystalline grains along the surfaces 26. However, the flow rate of the etching gas can also be adjusted to a higher value than is necessary to achieve this single first purpose, to also etch the sides 25b of the growing monocrystalline 15.

Förhållandet mellan halogen och väte i denna andra gasblandning justeras till ett värde som skapar en slät, spegelliknande etsning av sidorna på den växande kristallen 15.The ratio of halogen to hydrogen in this second gas mixture is adjusted to a value which creates a smooth, mirror-like etching of the sides of the growing crystal.

Genom att variera etsgasens flödeshastighet styrs diametern hos den växande kristallen.By varying the flow rate of the etching gas, the diameter of the growing crystal is controlled.

I synnerhet tillåter ett lågt etsgasflöde kristallen att expandera med en radiell hastighet som bestäms av den valda balansen mellan etsgasflödet och käll- och bärgasernas matningshastighet in i värmeelementet 7a och den radiella temperaturgradienten i värmeelement 7b. Expansionshastigheten hos kristallen kan sänkas, eller till och med stannas av för att skapa en cylinderformad kristall genom att öka hastigheten hos etsgasflödet. Under denna process bör skaftenheten 16 helst roteras för att skapa en uniform radiell etsprofil.In particular, a low etch gas flow allows the crystal to expand at a radial velocity determined by the selected balance between the etch gas flow and the feed and carrier gas feed rate into the heating element 7a and the radial temperature gradient in heating element 7b. The rate of expansion of the crystal can be slowed down, or even stopped to create a cylindrical crystal by increasing the rate of etch gas flow. During this process, the shaft unit 16 should preferably be rotated to create a uniform radial etching profile.

En annan fördel med detta andra matningssystem, är att i uppfinningens temperatur- område bildar användandet av en etsgas innehållandes minst ett halogenelement, såsom Cl, stabila klorider med flera metalliska orenheter som oavsiktligt kan avsöndras in i 10 15 20 25 30 35 40 524 279 10 källgasblandningen. I synnerhet kan koncentrationen av kvarblivna metallorenheter i monokristallen 15 sänkas med upp till en faktor 100, till värden under vad som är mätbart med moderna SIMS-mätningar, när en liten mängd Cl-innehållande gas tillåts diffundera till SiC tillväxtfront 25a och 25b. ' Ett tredje matningssystem för etsgasblandningen, som uppfyller syftet med uppfinningen, omfattar matning av etsgasen längs ett periferiskt gap format mellan värmeelementets 7a innervägg och en koncentrisk, axelsymmetrisk inre degel 7c. Såsom visas i Fig. 4, stängs flödet av Si- och C-innehållande källgaser in i tillväxtområdet 33 tills dess flöde sveper över monokristallens 15 yttre yta 25b och släpps ut genom kanal 14, medan etsgasflödet är begränsat till det cirkelformade gapet 34 tills sagda etsgasflöde möter de kvarvarande Si- och C-innehållande gaserna i kanal 14. Liksom i det andra matnings- sättet tillåter denna tredje konfiguration av etsgasflöde att både bibehålla ytorna 26 och 27 fria från skadlig polykristallin deposition, samtidigt som den också ger möjlighet att påverka formen på den växande monokristallen. En cylindrisk yttre vägg på den inre degeln 7c är lämplig för att skapa ett väsentligen cylindrisk göt 15, medan en yttre vägg som divergerar åt något håll längs etsgasflödets riktning kan gynna en konkav tillväxtfront 25a.Another advantage of this second feed system is that in the temperature range of the invention the use of an etching gas containing at least one halogen element, such as Cl, forms stable chlorides with several metallic impurities which can be inadvertently secreted into the source gas mixture. In particular, the concentration of residual metal impurities in the single crystal can be lowered by up to a factor of 100, to values below what is measurable with modern SIMS measurements, when a small amount of Cl-containing gas is allowed to diffuse to SiC growth fronts 25a and 25b. A third supply system for the etching gas mixture, which fulfills the object of the invention, comprises feeding the etching gas along a peripheral gap formed between the inner wall of the heating element 7a and a concentric, shaft-symmetrical inner crucible 7c. As shown in Fig. 4, the flow of Si- and C-containing source gases is trapped in the growth region 33 until its flow sweeps over the outer surface 25b of the single crystal 15 and is discharged through channel 14, while the etch gas flow is limited to the circular gap 34 until said etch gas flow meets the remaining Si- and C-containing gases in channel 14. As in the second feed mode, this third configuration of etch gas flow allows both surfaces 26 and 27 to be kept free of harmful polycrystalline deposition, while also allowing the shape of the growing single crystal. A cylindrical outer wall of the inner crucible 7c is suitable for creating a substantially cylindrical ingot 15, while an outer wall which diverges in some direction along the direction of the etching gas flow may favor a concave growth front 25a.

Det ligger inom uppfinningens spännvidd att använda antingen det första, det andra eller det tredje matningssystemet som beskrivits ovan, antingen enskilt eller i någon kombina- tion. Uppfinningen praktiseras emellertid bäst genom att använda det första matnings- systemet under hela processtiden, vilken kan sträcka sig över flera tiotal timmar, medan det andra och tredje matningssättet helst bör användas därutöver, separata eller till- sammans, under olika processteg. Ett typiskt exempel kan vara ett expansionssteg för kristalldiametern baserat på matningssystem 1 och 2 som ett första steg, följt av en väsentligen cylindrisk tillväxt som även använder system 2 med ett lägre etsgasflöde eller i kombination med matningssystem 3.It is within the scope of the invention to use either the first, second or third feeding system described above, either individually or in any combination. However, the invention is best practiced by using the first feeding system throughout the process time, which may extend over several tens of hours, while the second and third feeding methods should preferably be used in addition, separately or together, during different process steps. A typical example may be an expansion step for the crystal diameter based on feed systems 1 and 2 as a first step, followed by a substantially cylindrical growth which also uses system 2 with a lower etch gas fate or in combination with feed system 3.

Det bör noteras att dessa särdrag kan användas för att uppnå den önskade lösningen för en uppsjö av konfigurationer av utloppskanalen 14, som exempelvis en utloppsriktning i motsatt riktning mot kristallens tillväxtriktning som i Fig. 2, eller ett utlopp rätvinkligt mot tillväxtriktningen eller godtycklig vinkel mellan sagda motsatta och rätvinkliga riktningar.It should be noted that these features can be used to achieve the desired solution for a variety of configurations of the outlet channel 14, such as an outlet direction in the opposite direction to the growth direction of the crystal as in Fig. 2, or an outlet perpendicular to the growth direction or any angle between said opposite and right angles.

En viktig tillämpning av metoden, som vi lär av den aktuella uppfinningen, involverar valet av halogen- och vätgasflödeshastigheter och deras respektive förhållanden. Fastän författarna inte önskar binda sig till någon teori, kan ändå lärdom dras från termodyna- miska övervägningar. Dessa är i det som följer givna l ett Si-C-H-Cl-system, men liknande rön kan iakttas för fallet med kristalltillväxt av III-nitrider genom att använda ett Ga-N-H-Cl- eller Al-N-H-Cl-system. 10 15 20 25 30 35 40 524 279 11 I det som följer ges det specifika fall då klor läggs till ett givet Si-C-H-system som bestäms av tillförseln av käll- och bärgasblandningar (till exempel SiH4, C3H8 och H2).An important application of the method, which we learn from the present invention, involves the choice of halogen and hydrogen flow rates and their respective conditions. Although the authors do not wish to commit to any theory, lessons can still be learned from thermodynamic considerations. These are in what follows given a Si-C-H-Cl system, but similar findings can be observed for the case of crystal growth of III nitrides by using a Ga-N-H-Cl or Al-N-H-Cl system. In the following, the specific case is given when chlorine is added to a given Si-C-H system which is determined by the supply of source and carrier gas mixtures (for example SiH4, C3H8 and H2).

Effekten av att lägga Cl till Si-C-H-system är känd från tidigare verk inom SiC CVD vid temperaturer i området 1500°C-1600°C och innebär endast en svag ökning av SiC- etshastigheten. Typiska etsförhållanden i tidigare hetväggiga CVD-system involverar Cl/H-kvoter på mindre än 0,03%, och etshastigheten visar ett svagare beroende på ökad HCl-införsel än ökande Hz-införsel [Zhang et al., Mat. Sci. Forums Vol. 389-393 (2002) s. 239]. I känd teknik är etshastigheterna för låga (mindre än 10 pm/h vid 1600°C) för att vara av någon praktisk nytta för den aktuella uppfinningen. Det kommer att visas här att uppfinningen skall användas med mycket högre Cl/H för att uppnå etshastigheter som sträcker sig från 0,1 mm/h till mer än 1 mm/h.The effect of adding Cl to Si-C-H systems is known from previous plants in SiC CVD at temperatures in the range 1500 ° C-1600 ° C and means only a slight increase in the SiC etching rate. Typical etching conditions in previously hot-walled CVD systems involve Cl / H ratios of less than 0.03%, and the etching rate shows a weaker due to increased HCl input than increasing Hz input [Zhang et al., Mat. Sci. Forums Vol. 389-393 (2002) pp. 239]. In the prior art, the etching rates are too low (less than 10 μm / h at 1600 ° C) to be of any practical use to the present invention. It will be shown here that the invention will be used with much higher Cl / H to achieve etching rates ranging from 0.1 mm / h to more than 1 mm / h.

En kvantifiering av minskningen i Övermättnad hos Si-C-H genom tillförsel av Cl kan översättas till en temperaturminskning: när Cl introduceras, hur mycket kan tempera- turen sjunka innan övermättnaden kvarstår på samma nivå? Den ursprungliga Si-C-H- kompositionen definieras genom den införda käll-Si-C-H-blandningen och beräkningarna är utförda genom att driva systemet till jämvikt. Jämviktstillståndet väljs som gasfas- jämvikt, vilket representerar ett svårare fall än en jämvikt som inkluderar fasta Si-, C- och SiC-faser. Den experimentella verkligheten ligger mellan dessa två fall, varigenom de följande beräkningarna i viss mån undervärderar etsningseffektiviteten. En given mängd Cl förs in i systemet, vilket sänker övermättnaden i systemet genom skapandet av, t ex., klorosilaner. Temperaturen tillåts sedan falla en mängd AT vilket ökar över- mättnaden. Systemet drivs sedan till en ny gasfasjämvikt och jämförs med det ursprung- liga systemet. Temperaturskillnaden AT, som motsvarar en given mängd av [Cl], kan därefter fås från övermättnadens (SS) isolinje lika med 1 i konturplottar som de i Fig. 5 och 6. Längs denna isolinje är SS(T, Si, C, H) = SS(T-AT, Si, C, H, Cl).A quantification of the reduction in supersaturation of Si-C-H by the addition of Cl can be translated into a temperature reduction: when Cl is introduced, how much can the temperature drop before the supersaturation remains at the same level? The original Si-C-H composition is defined by the introduced source-Si-C-H mixture and the calculations are performed by driving the system to equilibrium. The equilibrium state is selected as the gas phase equilibrium, which represents a more difficult case than an equilibrium that includes solid Si, C and SiC phases. The experimental reality lies between these two cases, whereby the following calculations to some extent underestimate the etching efficiency. A given amount of Cl is introduced into the system, which lowers the supersaturation in the system by the creation of, for example, chlorosilanes. The temperature is then allowed to drop an amount of AT, which increases the supersaturation. The system is then operated to a new gas phase equilibrium and compared with the original system. The temperature difference ATT, which corresponds to a given amount of [Cl], can then be obtained from the isolation line of the supersaturation (SS) equal to 1 in contour plots as those in Figs. 5 and 6. Along this isolation line is SS (T, Si, C, H) = SS (T-AT, Si, C, H, Cl).

Figur 5 visar resultatet i det fall ett system arbetar vid ett reducerat tryck på 0,12 bar och har en [Cl]/[H]-kvot på 0,5. I synnerhet indikerar Fig. 5 att problemet med blockering av kanal 14 åtminstone partiellt är löst i detta fall: tillväxten av fast SiC är rejält reducerad och tillväxten av Si är fullständigt stoppad. Tyvärr är effekten av CI mindre vid högre temperaturer där Si- och C-innehåll i gasfas är större. Vid 2200°C kan Cl möjliggöra uppskjutandet av väsentlig fast deposition längs ett temperaturfall AT på 200°C, samtidigt som detta fall vid 1900°C kan överstiga 600°C.Figure 5 shows the result in the case where a system operates at a reduced pressure of 0.12 bar and has a [Cl] / [H] ratio of 0.5. In particular, Fig. 5 indicates that the problem of blocking channel 14 is at least partially solved in this case: the growth of solid SiC is significantly reduced and the growth of Si is completely stopped. Unfortunately, the effect of CI is smaller at higher temperatures where the Si and C content in the gas phase is greater. At 2200 ° C, Cl can enable the postponement of a substantial fixed deposition along a temperature drop AT of 200 ° C, while this drop at 1900 ° C can exceed 600 ° C.

Genom att använda en [Cl]/[H]-kvot högre än 1, så att mindre Cl förbrukas för att bilda HCI, kan blockeringen av kanal 14 helt undvikas. Liksom visas i Fig. 6 där en [Cl]/[H]- kvot på 1.2 används vid samma tryck och ursprungskomposition som i Fig. 5 är inga fasta faser av SiC eller Si möjliga ens över ett temperaturfall AT på 600°C. En fast fas av C kan deponeras (till exempel pyrolitisk grafit) eftersom övermättnaden trots allt över- stiger 1. Om denna deposition är stor nog att möjligen blockera kanal 14 inom 20 till 40 timmar kan den avlägsnas genom utövande av uppfinningen, det vill säga genom att 10 15 20 25 i 524 279 12 tillföra ett ytterligare flöde av H2 i det svalare området där ingen mer fast SiC-deposition inträffar. Detta ytterligare flöde av väte kan matas i en särskilt avsedd kanal genom skaftdelen 16 eller i en separat kanal som löper genom värmeelementet 7, som tidigare beskrivits.By using a [Cl] / [H] ratio higher than 1, so that less Cl is consumed to form HCl, the blockage of channel 14 can be completely avoided. As shown in Fig. 6 where a [Cl] / [H] ratio of 1.2 is used at the same pressure and initial composition as in Fig. 5, no solid phases of SiC or Si are possible even over a temperature drop AT of 600 ° C. A solid phase of C can be deposited (for example pyrolytic graphite) because the supersaturation nevertheless exceeds 1. If this deposit is large enough to possibly block channel 14 within 20 to 40 hours, it can be removed by practicing the invention, i.e. by to supply an additional flow of H2 in the cooler region where no more solid SiC deposition occurs. This additional flow of hydrogen can be fed into a specially designed channel through the shaft part 16 or into a separate channel running through the heating element 7, as previously described.

De stora monokristaller somiodlas enligt denna uppfinning kan skivas och poleras till tunna skivor för halvledarapplikationer eller användas till andra applikationer. Beroende på den avsedda användningen av kristallerna är det givet att dessa kan dopas för att uppnå antingen låg n- eller p-typsresistivitet eller göras mycket rena för att uppnå en hög resistivitet. Dopämnen som kväve, aluminium eller andra element introduceras lämpligen till tillväxtrum 33 genom ett kontrollerat flöde av gas eller metallorganiskt källämne såsom brukligt är i SiC-CVD och grupp III-MOCVD av tunna lager för halvledar- applikationer.The large monocrystals somiodlas of this invention can be sliced and polished into thin sheets for semiconductor applications or used for other applications. Depending on the intended use of the crystals, it is a given that they can be doped to achieve either low n- or p-type resistivity or made very pure to achieve a high resistivity. Substances such as nitrogen, aluminum or other elements are conveniently introduced into growth chamber 33 by a controlled flow of gas or organometallic source material as is customary in SiC-CVD and Group III-MOCVD of thin layers for semiconductor applications.

Trots att det har indikerats i figurerna och i den ovanstående beskrivningen att källgas- flödet är riktat uppåt (väsentligen motriktat den lokala gravitationsvektorn), är det inom uppfinningens omfattning att arrangera apparaten i den motsatta riktningen, där frö- kristallen är placerad på botten av apparaten, eller att bruka en horisontell riktning, där fröhållaren är placerad antingen nedåt- eller uppåtriktad. I dess nuvarande beskrivning kan tillväxtrummet 33 antingen behållas vid väsentligen atmosfärstryck eller vid ett lågtryck i området 50 mBar till 800 mBar, dock kan det för andra orienteringar av apparaten krävas ett lågtryck, exempelvis mindre än 500 mBar, för att uppnå den önskade tillväxthastigheter hos monokristallen.Although it has been indicated in the figures and in the above description that the source gas flow is directed upwards (substantially opposite the local gravity vector), it is within the scope of the invention to arrange the apparatus in the opposite direction, where the seed crystal is placed on the bottom of the apparatus , or to use a horizontal direction, where the seed holder is placed either downwards or upwards. In its present description, the growth chamber 33 can be maintained either at substantially atmospheric pressure or at a low pressure in the range of 50 mBar to 800 mBar, however, for other orientations of the apparatus a low pressure, for example less than 500 mBar, may be required to achieve the desired monocrystalline growth rates. .

Det bör noteras att en inom tekniken erfaren person enkelt begriper att många kompo- nenter, former och processparametrar kan varieras eller förändras i en viss omfattning utan att göra avsteg från omfattningen och syftet med uppfinningen.It should be noted that a person skilled in the art easily understands that many components, shapes and process parameters can be varied or changed to a certain extent without departing from the scope and purpose of the invention.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 40 524 279 13 Patentkrav En metod för odling av stora, flerkomponentkristaller av monopolytyp av antingen a) kiselkarbid, b) en grupp III-nitrid c) Iegeringar av dessa, kännetecknad av att metoden innefattar stegen att: - tillhandahålla, i en värmd inneslutning innefattande en frökristall, en blandning av gaskomponenter innehållande minst elementen i flerkomponentkristallen, på ett sådant sätt att, åtminstone ett av elementen kontinuerligt tillförs inneslutningen genom en öppning uppströms en tillväxtyta av sagda kristall, - tillhandahålla en separat öppning nedströms tillväxtytan av sagda kristall för att avlägsna ett kontinuerligt flöde av överblivna gaskomponenter som inte har deponerats under förhållanden som bidrar till tillväxt av sagda kristall, - tillhandahålla ett extra gasflöde innehållande åtminstone ett halogenelement, på ett sådant sätt, att sagda gasflöde minskar en depositionshastighet av fasta faser nedströms tillväxtytan hos sagda kristall med en faktor åtminstone hälften av sagda tillväxthastighet hos kristallen. Metoden enligt patentkrav 1, omfattar vidare stegen att: - värma minst ett område av odlingsinneslutningen i närheten av, uppströms om, sagda kristall till en temperatur av åtminstone 1900°C, och företrädesvis i området 2ooo°c tm zsoo°c, - kontinuerligt mata åtminstone en kiselkällgas såsom silan, en klorosilan eller en metylsilan och en kolvätekällgas mot sagda öppning nedströms, - tillhandahålla sagda extra gasflöde företrädesvis innehållande minst Cl eller F. Metoden enligt patentkrav 2 innefattar vidare steget att: tillhandahålla sagda extra gasflöde bestående av klor (Cl2) eller klorväte (HCI) eller väte (H2) eller fluor (F2) eller en blandning av dessa. Metoden enligt patentkrav 1, innefattar vidare stegen att: - värma minst ett område av odlingsinneslutningen i närheten av, uppströms om, sagda kristall till en temperatur av åtminstone 1100°C och företrädesvis i området 1zoo°c un 2zoo°c, - kontinuerligt mata åtminstone en metallorganisk källgas av gallium eller aluminium och en kväveinnehållande gas mot sagda nedströmsöppning, - tillhandahålla sagda extra gasflöde företrädesvis innehållande minst Cl eller I. Metoden enligt patentkrav 4 innefattar vidare steget att: tillhandahålla sagda extra gasflöde bestående av klor (Cl2) eller klorväte (HCI) eller väte (H2) eller jodväte (HI) eller jod (12) eller en blandning av dessa. 10 15 20 25 30 35 40 10. 11. 12. 524 279 14 Metoden enligt något av patentkrav 1 till 5, innefattar vidare stegen att: fästa fröet på en fröhållare som monterats på ett roterande och draget skaft och mata sagda extra gasflöde verkande som en etsgas genom skaftet för att levereras nedströms tillväxtytan hos sagda kristall. Metoden enligt något av patentkrav 1 till 5, innefattar vidare stegen att: mata sagda extra gasflöde verkande som en etsgas in i minst en kanal som mynnar ur en uppvärmd degel in i ett område uppströms om ett initialläge hos frökristallen innan den dras under en väsentlig tidsrymd. Metoden enligt något av patentkraven 1 till 5, där sagda extra gasflöde verkande som en etsgas matas in i en ledning formad mellan ett yttre värmeelement och en inre degel, där sagda inre degel är utsträckt längs en symmetriaxel parallell med sagda kristalls tillväxtriktning och avslutad i den absoluta närheten av, uppströms om, det initiala frökristalläget. Metoden enligt något av patentkrav 1 till 5, där en bärgas kontinuerligt matas med gaskomponentblandningen innehållande minst elementen i flerkomponentkristal- len, sagda bärgas bestående av antingen väte, kväve, helium eller argon eller en blandning av dessa. Metoden enligt något av patentkrav 1 till 9, där en halogen-över-vätekvot hos gaserna i något av de individuella extra gasflödena verkande som en etsgas är justerat till ett värde som förhindrar formering av fasta depositioner längs ytorna som önskas bibehållas fria från fasta depositioner. Metoden enligt något av patentkrav 1 till 10, där sagda, extra etsgasflödeshastig- het och dess matningssystem används för att styra kristalldiametern, antingen hållandes kristallen väsentligen cylindrisk eller tillåtandes kristallen att expandera under processen. En anordning för att producera stora, flerkomponentkristaller av monopolytyp av antingen a) kiselkarbid, b) en grupp III-nitrid c) legeringar av dessa, denna apparat omfattandes: - en susceptor med periferiska väggar omslutandes ett rum för mottagning av en frökristall, - ett system för att kontinuerligt mata i gasfas eller i flytande form åtminstone ett av elementen i sagda kristall genom en öppning uppströms en tillväxtyta hos sagda kristall, - ett system för att kontinuerligt från rummet avlägsna det flöde av kvarvarande gaskomponenter som ej har deponerats under förhållanden som bidrar till tillväxt av sagda kristall, alltmedan ett fördefinierat tryck i odlingsrummet bibehålls, 10 15 20 25 30 35 40 13. 14. 15. 16. 524 279 15 - ett system för att värma susceptorn och därmed frökristallen till en förutbestämd processtemperatur kännetecknad av att, apparaten vidare innefattar någon eller någon kombination av: - ett system för kontinuerlig matning och styrning av en etsgasblandning som innefattar en halogen och väte in i en ledning hos en roterande axel som stödjer frökristallhållaren och sagda ledning kommunicerande med ett område nedströms frökristallen, - ett system för att kontinuerligt mata och styra en etsgasblandning innefattande en halogen och väte in i ledningar skapade för att mynna i ett rum nedströms susceptorn, sagda nedströms rum stående i kontakt med ett rum uppströms om susceptorn och utsträckt till den initiala positionen hos fröhållaren, - ett system för att kontinuerligt mata och styra en etsgasblandning som inne- fattar en halogen och väte in i en periferisk ledning begränsad av innerväggen hos rummet uppströms susceptorn och den yttre väggen hos en inre degel, sagda inre degel utsträckt längs en symmetriaxel parallell med sagda kristalls tillväxtriktning och avslutad l den omedelbara närheten av, uppströms om, den initiala frökristallpositionen. Anordningen enligt patentkrav 12, i vilken sagda element för odling av sagda flerkomponentkristall tillförs genom en gaskälla av silan, klorosilan eller metylsilan och genom en gaskälla av kolväte, eller genom en metallorganisk gaskälla inne- hållandes gallium eller aluminium och en gaskälla innehållande kväve. En anordning enligt patentkrav 12, innefattande medel för att oberoende justera och variera den till susceptorrummen nedströms och uppströms applicerade värmeenergin över tiden, sagda värmeenergi tillförd genom RF-induktion eller genom resistiv uppvärmning eller genom en kombination av dessa. En anordning enligt patentkrav 12, innefattande medel för att på ett kontrollerat sätt över tiden variera mängden och förhållandet mellan halogen- och vätekompo- nenter i etsgasblandningen. En anordning för att producera stora, flerkomponentkristaller av monopolytyp av antingen a) kiselkarbid, b) en grupp III-nitrid c) Iegerlngar av dessa, denna anordningen innefattande: - en degel med periferiska väggar omslutandes ett rum för mottagning av en frökristall i dess övre del och en fast källa, till exempel ett pulver, innehållande elementen hos den flerkomponenthalvledare som skall odlas, - medel för värmning av susceptorn och etablering av en temperaturgradient mellan källmaterial och frökristall, 524 279 16 - effusionsöppningar i degeln som tillåter, till exempel, styrningen av stökiometrin för den sublimerade gasfasen för den fasta källan kännetecknad av att, anordningen vidare innefattar medel för att mata eller diffundera ett kontinuerligt flöde av en gasblandning innehållandes minst ett halogenämne i den omedelbara närheten av sagda effusionsöppnlngar för att över tiotals timmar bibehålla sagda öppning fri från fasta depositioner resulterandes från kondensering av något ämne sublimerat från källmaterialet.A method for culturing large, multicomponent multicomponent crystals of either a) silicon carbide, b) a group III nitride c) alloys thereof, characterized in that the method comprises the steps of: - providing, in a heated enclosure comprising a seed crystal, a mixture of gas components containing at least the elements of the multicomponent crystal, in such a way that, at least one of the elements is continuously supplied with the enclosure through an opening upstream of a growth surface of said crystal, - providing a separate opening downstream the growth surface of said crystal to remove a continuous flow of residual gas components which have not been deposited under conditions conducive to growth of said crystal, - providing an additional gas flow containing at least one halogen element, in such a way that said gas flow reduces a deposition rate of solids phases downstream of the growth surface of said crystal with a fa at least half of said growth rate of the crystal. The method according to claim 1, further comprises the steps of: - heating at least one area of the culture enclosure in the vicinity of, upstream of, said crystal to a temperature of at least 1900 ° C, and preferably in the area of 200 ° C to 2 ° C, - continuously feeding at least one silicon source gas such as silane, a chlorosilane or a methylsilane and a hydrocarbon source gas towards said opening downstream, - providing said additional gas fl desirably containing at least Cl or F. The method of claim 2 further comprises the step of: providing said additional gas stream consisting of chlorine (Cl2) or hydrogen chloride (HCl) or hydrogen (H2) or fluorine (F2) or a mixture thereof. The method according to claim 1, further comprises the steps of: - heating at least one area of the culture enclosure in the vicinity of, upstream of, said crystal to a temperature of at least 1100 ° C and preferably in the range 1zoo ° c and 2zoo ° c, - continuously feeding at least an organometallic source gas of gallium or aluminum and a nitrogen-containing gas towards said downstream orifice, - providing said additional gas flow preferably containing at least Cl or I. The method of claim 4 further comprises the step of: providing said additional gas flow consisting of chlorine (Cl2) or hydrogen chloride (HCl) ) or hydrogen (H2) or iodine hydrogen (HI) or iodine (12) or a mixture thereof. The method according to any one of claims 1 to 5, further comprising the steps of: attaching the seed to a seed holder mounted on a rotating and drawn shaft and feeding said additional gas flow acting as an etching gas through the shaft to be delivered downstream of the growth surface of said crystal. The method of any one of claims 1 to 5, further comprising the steps of: feeding said additional gas stream acting as an etch gas into at least one channel opening from a heated crucible into an area upstream of an initial position of the seed crystal before being drawn for a substantial period of time . The method according to any one of claims 1 to 5, wherein said extra gas flow acting as an etching gas is fed into a conduit formed between an outer heating element and an inner crucible, wherein said inner crucible extends along an axis of symmetry parallel to said growth direction of crystal and terminated in the absolute proximity to, upstream of, the initial seed crystal state. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein a carrier gas is continuously fed with the gas component mixture containing at least the elements of the multicomponent crystal, said carrier gas consisting of either hydrogen, nitrogen, helium or argon or a mixture thereof. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein a halogen-over-hydrogen ratio of the gases in any of the individual additional gas verk acts acting as an etching gas is adjusted to a value which prevents the formation of solid deposits along the surfaces which are desired to be maintained free of solid deposits. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein said extra etch gas d velocity rate and its feed system are used to control the crystal diameter, either holding the crystal substantially cylindrical or allowing the crystal to expand during the process. A device for producing large, multicomponent crystals of monopoly type of either a) silicon carbide, b) a group III nitride c) alloys thereof, this apparatus comprising: - a susceptor with peripheral walls enclosing a space for receiving a seed crystal, - a system for continuously feeding in gas phase or in liquid form at least one of the elements of said crystal through an opening upstream of a growth surface of said crystal, - a system for continuously removing from space the flow of remaining gas components which have not been deposited under conditions which contribute to growth of said crystal, while maintaining a predefined pressure in the culture chamber, a system for heating the susceptor and thus the seed crystal to a predetermined process temperature characterized in that, the apparatus further comprises any or a combination of: - a system for continuous feeding and control of an etching gas mixture which comprises a halogen and hydrogen into a line of a rotating shaft supporting the seed crystal holder and said line communicating with an area downstream of the seed crystal, - a system for continuously feeding and directing an etch gas mixture comprising a halogen and hydrogen into lines created to open in a compartment downstream of the susceptor, said downstream compartment in contact with a compartment upstream of the susceptor and extending to the initial position of the seed holder, - a system for continuously feeding and controlling an etching gas mixture comprising a halogen and hydrogen into a peripheral conduit bounded by the inner wall of the space upstream of the susceptor and the outer wall of an inner crucible, said inner crucible extending along an axis of symmetry parallel to the direction of growth of said crystal and terminating in the immediate vicinity of, upstream of, the initial seed crystal position. The device according to claim 12, in which said element for culturing said multicomponent crystal is supplied through a gas source of silane, chlorosilane or methylsilane and through a gas source of hydrocarbon, or through an organometallic gas source containing gallium or aluminum and a gas source containing nitrogen. A device according to claim 12, comprising means for independently adjusting and varying the heat energy applied to the susceptor spaces downstream and upstream over time, said heat energy supplied by RF induction or by resistive heating or by a combination thereof. An apparatus according to claim 12, comprising means for varying the amount and ratio of halogen and hydrogen components in the etching gas mixture in a controlled manner over time. A device for producing large, multicomponent crystals of monopoly type of either a) silicon carbide, b) a group III nitride c) alloys thereof, this device comprising: - a crucible with peripheral walls enclosing a space for receiving a seed crystal in its upper part and a solid source, for example a powder, containing the elements of the multicomponent semiconductor to be grown, - means for heating the susceptor and establishing a temperature gradient between source material and seed crystal, 524 279 16 - effusion openings in the crucible which allow, for example, the control of the stoichiometry of the sublimated solid phase gas phase characterized in that the device further comprises means for feeding or diffusing a continuous flow of a gas mixture containing at least one halogen in the immediate vicinity of said effusion orifices to maintain said orifice free from tens of hours of said orifice. fixed deposits resulting from condensation of something t substance sublimated from the source material.
SE0301225A 2003-04-24 2003-04-24 Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen SE524279C2 (en)

Priority Applications (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0301225A SE524279C2 (en) 2003-04-24 2003-04-24 Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen
DE602004001802T DE602004001802T3 (en) 2003-04-24 2004-04-13 Apparatus and method for producing single crystals by vapor deposition
EP04008697A EP1471168B2 (en) 2003-04-24 2004-04-13 Device and method for producing single crystals by vapour deposition
AT04008697T ATE335872T1 (en) 2003-04-24 2004-04-13 DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SINGLE CRYSTALS BY VAPOR PHASE DEPOSITION
IT000245A ITTO20040245A1 (en) 2003-04-24 2004-04-20 DEVICE AND METHOD OF PRODUCTION OF SINGLE CRYSTALS FOR DEPOSITION BY STEAM PHASE
TW93111283A TWI259214B (en) 2003-04-24 2004-04-22 Device and method for producing single crystals by vapour deposition
JP2004127482A JP5093974B2 (en) 2003-04-24 2004-04-23 Single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method by vapor phase epitaxy
CNB2004100631433A CN100414004C (en) 2003-04-24 2004-04-23 Device and method for producing single crystals by vapor deposition
US10/830,047 US7361222B2 (en) 2003-04-24 2004-04-23 Device and method for producing single crystals by vapor deposition
US12/073,146 US20080149020A1 (en) 2003-04-24 2008-02-29 Device and method to producing single crystals by vapour deposition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0301225A SE524279C2 (en) 2003-04-24 2003-04-24 Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE0301225D0 SE0301225D0 (en) 2003-04-30
SE0301225L SE0301225L (en) 2004-07-20
SE524279C2 true SE524279C2 (en) 2004-07-20

Family

ID=20291135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0301225A SE524279C2 (en) 2003-04-24 2003-04-24 Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE524279C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006024572A1 (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Lpe S.P.A. Cleaning process and operating process for a cvd reactor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006024572A1 (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Lpe S.P.A. Cleaning process and operating process for a cvd reactor

Also Published As

Publication number Publication date
SE0301225L (en) 2004-07-20
SE0301225D0 (en) 2003-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1471168B1 (en) Device and method for producing single crystals by vapour deposition
JP4530542B2 (en) Production of bulk single crystals of aluminum nitride, silicon carbide, and aluminum nitride: silicon carbide alloys
US6048398A (en) Device for epitaxially growing objects
KR101146050B1 (en) Method and device for ain single crystal production with gas-permeable crucible walls
US7695565B2 (en) Sublimation chamber for phase controlled sublimation
JP4706565B2 (en) Method for producing silicon carbide single crystal
KR100723610B1 (en) Production of bulk single crystals of silicon carbide
US6830618B2 (en) Manufacturing method for producing silicon carbide crystal using source gases and apparatus for the same
KR20120082873A (en) Sublimation growth of sic single crystals
KR20070084283A (en) Method for producing gan or algan crystals
JP2007504081A (en) High purity crystal growth
JP4578964B2 (en) Formation of single crystal silicon carbide
CN111218716B (en) Method for producing SiC single crystal ingot
SE524279C2 (en) Preparing crystals of e.g. silicon carbide for semiconductors involves depositing vapor species containing elements of the crystals, to a seed crystal contained in a heated growth enclosure, followed by passing a gas containing a halogen
US20190085454A1 (en) Vertical deposition system
JP2017011182A (en) Silicon carbide semiconductor epitaxial growth apparatus
TWI259214B (en) Device and method for producing single crystals by vapour deposition
JP4309509B2 (en) Method for producing crucible for single crystal growth comprising pyrolytic graphite
JP5648604B2 (en) Silicon carbide single crystal manufacturing equipment
JP4222630B2 (en) Method for epitaxially growing objects and apparatus for performing such growth
JPH11513352A (en) Method for epitaxially growing an object and apparatus for such growth
KR100695536B1 (en) Chemical vapor deposition system having dual substrate
JP2013227167A (en) Silicon carbide single crystal manufacturing device
WO2008018319A1 (en) SINGLE CRYSTAL SiC, ITS FABRICATION METHOD, AND FABRICATION EQUIPMENT FOR SINGLE CRYSTAL SiC

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed