SE536605C2 - Odling av kiselkarbidkristall i en CVD-reaktor vid användning av klorineringskemi - Google Patents

Abstract

En metod för odling av kiselkarbid, där en kristall av kiselkarbid odlas på ett substrat i enreaktionskammare (1) med heta väggar, där reaktionskammaren (1) upphettas till entemperatur i området 1600 °C till 2000 °C, där processgaser fors in i reaktionskammaren (1)genom användning av åtminstone 3 gasflöden, ett primärgasflöde (16), ett sekundärt gasflöde(17) som omger primärgasflödet (16) och ett duschgasflöde (18), där duschgasflödet matasväsentligen vinkelrätt mot de primära (16) och sekundära (17) gasflödena och riktas motsubstratet, och sagda primära och sekundära flöden orienterade väsentligen parallellt med ytanpå substratet; en kiselkällgas fors in medelst det primära gasflödet (16), en kolvätekällgas försin i något av primärgasflödet (16), det sekundära gasflödet (17), duschgasflödet (18), eller inågon kombination av sagda flöden, och väte förs in huvudsakligen i det sekundära gasflödet(17) och duschgasflödet (18). En CVD-reaktionskammare (1) for användning vid processning av metoden visas också.

Description

25 30 536 605 odlingen är normalt runt 10 torr, vilket ger ett medelvärde på tillväxthastigheten kring 0,3 mm/h.

[0006] Vanligen har PVT vid start av odling en mycket lång upphettningsfas, vilken följs av en odlingsfas och en nedkylningsfas, som i vissa fall kan sträcka sig över en hel dag. Odlings- hastigheten under odlingsfasen varierar alltså, eftersom stökiometrin och axiella gradienter ändras. Material med den högsta kvaliteten erhålls vid mycket låga tillväxthastigheter (mindre än 0,3 mm/h) under odlingsfasen, men om hela cykeln tas i betraktande, blir tillväxthastig- heten lägre.

[0007] De extrema temperaturerna vid odling tar en hög tribut hos förbrukningsmaterialen och det krävs betydande energimängder för att upphetta och att sedan underhålla de höga temperaturema. Sublimationen av SiC är inte stökiometrisk, eftersom Si lämnar källan först och gör odlingen mycket Si-rik i början, för att därefter gradvis bli mer balanserad, men slutar som C-rik. Detta är speciellt förargligt när högrena Semi-isolerande (SI) kristaller odlas, efter- som de tenderar att vara av n-typ vid starten och p-typ i slutet, med ett mycket smalt band av SI-material i mitten . Det höga Si-trycket vid starten av odlingen har allvarliga följdverk- ningar på sättet som resten av SiC-kristallen odlas. Ofta inträffar polytyp-flippar orsakade av de höga Si-övertrycken med dislokationer och mikroporer associerade med dem.

[0008] Sammantaget är PVT-tekniken en robust teknik som ger små framsteg i termer av materialkvalitet. Material av högre kvalitet är mycket dyra och svåra att framställa. Den höga odlingstemperaturen gör tekniken kostsam i form av förbrukningsmaterial.

[0009] HTCVD är en annorlunda teknik, där styrningen är mycket precis. HTCVDn är också en sublimationsteknik och sålunda inte korrekt benämnd som en CVD-teknik vid höga tempe- raturer. Tekniken blev namngiven innan processen var helt förstådd och därav det olyckliga valet av namn. I princip har i denna teknik gaser ersatt källpulver.

[0010] Nonnalt används silan och etylen tillsammans med helium som bärargas. Silan och etylen sönderfaller och reagerar redan i entrezonen, där en injektor är placerad. Reaktionen bildar mikrokristaller av SixCy. Dessa mikrokristaller är mycket stabila och rör sig in i den heta zonen, där de sublimerar och bildar de normala sublimationsämnena Si, SiZC, och SiCz.

Vid den kallare groddkristallen kommer dessa ämnen att kondensera och forrnera kristallen 10 15 20 25 30 536 605 som i PVT-fallet. Styrningen är mycket precis i HTCVDn och renheten är enastående, men den är hämmad av driftfaktorer och dålig reproducerbarhet, vilket leder till lågt utbyte.

[0011] I teorin skulle HTCVD-tekniken vara ett mycket billigare altemativ jämfört med PVTn, men de för närvarande låga utbytena i processen gör den till en betydligt mycket dyrare teknik och användbar enbart för ultrahög renhet. Tillväxthastigheten är ungefär densamma som i PVT-fallet, grovt sett 0,3 mm/h. Styrningen gör den också bra i termer av att uppnå högre strukturell kvalitet. I själva verket är mer än 50% av mikroporema som har sitt ursprung från groddkristallen normalt tillslutna efter en köming i en HTCVD-process.

[0012] Emellertid opererar både PVT- och HTCVD-teknikema vid extrema temperaturer, där formering av dislokationer och följaktligen mikroporer är mycket sannolika. Detta kan jämföras med reguljär CVD, där mikroporema oftast tillsluts, och det inte heller bildas nya mikroporer, samt att tätheten av dislokationer vanligen sjunker med ökande tjocklek hos lagren. Mer allvarligt är de radiella gradientema över den växande kristallen. Om det inte förekommer en radial gradient över kristallen kommer det att finnas en stor risk för att man erhåller en konkav kristall (genom högre tillväxthastighet vid kanterna än i centrum) och detta är inte någon önskvärd situation. Vid starten kan kristallen också ha högre tillväxthastigheter lokalt på grund av variationer i fixeringen av groddkristallen. En konkav, eller lokalt konkav kristall, kommer att ge extremt dålig materialkvalitet med hög inbyggd stress och hög densitet av dislokationer. En högre radiell termisk gradient som leder till en konvex kristall är inte heller bra, eftersom tillväxten äger rum vid höga temperaturer. De strukturella egenskapema (huvudsakligen gitteravstånd) kommer att vara olika under odlingen för material som tillväxer vid kanterna jämfört med materialet som växer i centrum. När kristallen kyls ner kommer spänningar att byggas in, vilket i vissa fall förorsakar sprickor i kristallen, eller så kommer dislokationer att skapas. Odlingen av kristaller vid användning av PVT och även i stor utsträckning vid användning av HTCVD, är till stor del styrd av terrniska gradienter, vilket gör att strukturella ofullkomligheter och spänningar är mycket svåra att undvika. Den ideala situationen är att odla kristallen utan några terrniska gradienter, men att på något sätt etablera en kristall som är mycket svagt konvex.

[0013] Avseende epi-odling användes först väteklorid (HCl) före sj älva odlingen som en etsnings-process, i likhet med Si-odling. Emellertid användes HCI, redan år 2000, för att undanröja fysisk-kemiska problem, t.ex. flytande kisel i droppform, vilket begränsar 10 15 20 25 30 536 605 tillväxthastigheten. Användningen av klorinerade källgaser eller helt enkelt tillsats av HCl eller kloridrelaterade källgaser föreslogs i litteraturen. Se exempelvis dokumentet US7247513.

[0014] När väl klorinerad epitaxi med SiC började användas, tog det inte lång tid förrän extrema tillväxhastigheter kunde uppnås. En av de första studiema angav tillväxthastigheter upp till 90 um/h med metyltriklorsilan som källgas. HCl adderades också till en standardkemi för en epitaxiell odlingsprocess där SiH4 och C3Hg användes för att åstadkomma en tillväxt- hastighet omkring 20 um/h. Högre tillväxthastigheter kunde således uppnås, dock med en försämring av morfologin. Genom användning av SiCl4 och CgHg som källgaser, erhölls höga tillväxthastigheter (>100 um/h). Med introduktionen av HCl i depositionskamrnaren kunde tillväxthastigheten hos 4H-SiC epi-skikt höjas med en faktor runt 20. Introduktion av andra klorinnehållande ämnen har också testats, då inkluderande klorsilan-gaser, som triklorsilan.

Slutligen har odling vid användning av klonnetan (CHgCl) som källgas, i stället för CgHg, visat på en höjning av den erhållna tillväxthastigheten med en faktor 2.

[0015] Det finns endast två seriösa försök med kristallodling där klorinerad kemi utnyttjas.

Polyakov och medarbetare har rapporterat användning av klorinerade kisel-källgaser tillsammans med kolväten i gasforrn (först med Propan (CgHg) och senare med metan (CH4) för odling av enkristallint material (Polyakov m.fl., Mat. Sc. For. 527, 21 (2006)). De använde fördelen med HTCVD, ändring av Si-källgasen från silan till kiseltetraklorid (SiCl4), delade upp flödena av kisel och kol och kallade denna teknik för ”Halide Chemical Vapor Deposition” (HCVD). Att dela upp flödena var ett elegant trick för att hålla tillbaka nedbrytningen av SiCl4. Bärargasen för SiCl4 var Ar och gasen strömmade längs en yttre ledning hos en koaxial injektor. I den inre injektorn fördes kolvätet tillsammans med väte. Ar, som strömmade på utsidan skulle också tillhandahålla termisk isolation för kolvätet för att reducera parasitiska beläggningar av kol på väggarna hos injektom. För att bibehålla stabiliteten hos 4H-polytypen hölls odlingstemperaturen runt 2100 °C och tillväxthastigheten 100 um/h. Tillväxthastigheter nära 300 pm/h rapporterades för 6H-polytypen. I allt väsentligt är tekniken elegant men inte särskilt praktisk. Ingen av frågoma relaterade till HTCVD har lösts. Inga tjocka kristaller har förevisats och tillväxthastigheten för 4H-polytypen är mycket låg. De terrniska gradienterna manifesterades fortfarande och var nödvändiga för att erhålla tillväxt. 10 15 20 25 30 536 605 Ytterligare dokument som beskriver känd teknik är: US20l 1285933, US6297522, och WO0043577.

Ett relevant dokument som behandlar känd teknik är en rapport i ett forskningsprogram: E.

Janzén, O. Kordina, Chloride-based SiC growth , Linköping University, ref. nr. IFM-20l0- 00154. Sidan 8, §4 nämner skissartat en horisontell reaktor, men detaljerna för att åstadkomma en reaktor som fungerar praktiskt visas inte.

Ett ytterligare dokument som visar känd teknik är: S Leone, F C Beyer, A Henry, C Hemmingsson, O Kordina, och E Janzén. Chloríde-based SiC epitaxíal growth toward low temperature bulk growth. Crystal Growth and Design, 10(8):3743-3751, 2010.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN

[0016] Den föreliggande uppfinningen avser odling av kiselkarbidkristaller i en CVD-reaktor, där kristallen odlas i en atmosfär som innehåller klorämnen. I reaktorn enligt uppfinningen är ett huvudgasflöde orienterat väsentligen parallellt med ett substrat, där kristallen odlas.

Uppfinningen är riktad mot en anordning för sagda odling, såväl som en metod för odlingen av kristallen.

[0017] Simuleringsverktyg visar att det är möjligt att optimera beteendet hos de kemiska reaktionema och utförda experiment verifierar simuleringama. Som ett exempel: i en av de simulerade designerna används klorsilan och metylklorsilan tillsammans med etylen och Argon och låter dessa gaser passera över groddkristallen horisontellt. Nedbrytning av klor- silanet kommer att vara försumbart utan närvaron av väte. Het vätgas tillförs från ovan mot wafem genom ett fint duschhuvud. Nedbrytningen av klorsilanet uppträder rakt ovanför groddkristallen. Genom att använda lämpliga flöden och temperatur kan nästan all deponering fokuseras i området runt groddkristallen och sålunda minimera parasitiska deponeringar före och efter groddkristallen. En sådan konfiguration kan också bidra till att göra kristallformen korrekt genom en smart utforrrming av duschhuvudet som för in det heta vätet. Detta är en huvudprincip hos uppfinningen och i det följande visas en metod och en anordning för att omsätta dessa idéer till verklighet.

[0018] En anordning enligt en aspekt av uppfinningen har kärmetecknen enligt det oberoende patentkravet 1. 10 15 20 25 30 536 605

[0019] En ytterligare aspekt av uppflnningen definieras i enlighet med kännetecknen enligt det oberoende patentkravet l 1.

[0020] Ytterligare utföranden av uppfinningen beskrivs i de beroende patentkraven.

[0021] Kemisk ångdeponering (CVD) av SiC vid användning av klorinerad kemi has uppvisat enastående fördelar med avseende på framställning av material med mycket hög kvalitet vid oförutsedda tillväxthastigheter. Vid temperaturer så låga som 1600 °C har tillväxthastigheter om 200 um/h demonstrerats i en horisontell hetväggsreaktor. Samma kemi har prövats i ett vertikalt arrangemang med flödet av gaser vinkelrätt mot kristallytan. Deponeringen var då polkristallin. En temperatur på 1850 °C erfordrades för att erhålla ett lager av god kristallin kvalitet. Förklaringen ligger i gasflödet, som uppenbarligen kyler ytan hos den växande kris- tallen. Detta kunde dessutom verifieras genom formen hos kristallen som var kraftigt domfor- mad med signifikant högre tillväxthastighet i centrum av kristallen. Spridning av flödet ge- nom en diffusor eller liknande visade sig vara mindre bra, eftersom tillväxthastigheten försvann totalt. Flödet var nödvändigt för att få källgaserna till den växande kristallen, men det visade sig också vara negativt beroende på kylning.

[0022] Enligt den föreliggande uppfinningen visas därför att en horisontell orientering av en reaktor för odlingen föredras, eftersom det inte förekommer någon kylning av på grund av gasströmmen. Ändå kan källgaser föras nära ytan på den odlade kristallen genom en reduktion av gränsskiktet. Ett tunt gränsskikt (eller stagnationsskikt) bildas vid laminära strömningsförhållanden om flödet är högt eller om trycket är lågt. Ett problem med exempel på horisontell orientering av reaktom enligt känd teknik är att de huvudsakliga deponeringama uppkommer uppströms om groddkristallen. Detta är inget problem när skikt på upp till kanske 200 um odlas, men för tjockare kristallskikt på åtskilliga mm skulle en deponering uppströms och nedströms om kristallen vara ett problem.

[0023] För att lösa problemet med påbyggnad uppströms föredras en kemi där man använder sig av klorsilan, med till exempel SiCl4 som källgas. SiCl4 är det mest lämpliga valet, efter- som denna molekyl är väldigt stabil. Den är speciellt stabil vid frånvaron av väte, sålunda, enligt uppfinningen, transporteras källgasen SiCl4 i en inert bärargas med övervägande Ar som bärargas. Ar väljs hellre än He på grund av den lägre kostnaden, men också beroende på 10 15 20 25 30 536 605 den lägre terrniska konduktiviteten, vilket gör den ännu mindre benägen att brytas ned, efter- som temperaturen i gasfasen av processen kommer att vara lägre. Helium kan också användas som bärargas, men en nackdel är att dess terrniska konduktivitet är nära den hos väte. En blandning av He och Ar kan också användas för att perfekt balansera temperaturen i gasfasen.

[0024] Källgasen för kol är företrädesvis propan, etylen, metan eller metylklorid, vilka är vanliga källgaser i reguljära CVDer. När dessa transporteras i en inert gas eller som själv- bärande, bryts de ned termiskt, vilket vanligen resulterar i kolavlagringar eller som depone- ringar av pyrolytisk grafit. När de transporteras i väte, kommer emellertid dessa gaser att brytas ned och bilda andra kolväten som är specifika för omgivande temperatur. Så, enligt en aspekt av uppfinningen bör något väte användas tillsammans med det valda kolvätet för att förhindra parasitiska deponeringar av kol. Den specifika kolkemi som ska väljas beror mycket på temperaturen. Metan är ett utomordentligt val beroende på dess stabilitet, vilken bidrar till att förhindra parasitiska avlagringar, men metan är inte lämpligt i det lägre temperaturregist- ret, dvs. mellan 1500 °C och 1700 °C, där den vanligen producerar mycket grova skikt och skikt av låg kvalitet. Vid högre temperaturer, över 1700 °C, skulle metan vara ett mycket mer lämpligt val. Propan bryts ned mycket lätt och är förmodligen inte det bästa valet, men kan lika väl användas om mängden väte i bärargasen ät tillräckligt hög, dvs. mer än omkring tre till 10 gånger kolväteflödet. Sålunda kommer företrädesvis huvudflödet av gas att vara kiseltetraklorid (SiCl4), etylen (C2H4) som källgaser och Argon (Ar), Väte (H2) och som option något Helium (He).

[0025] SiCl4 sönderfaller till SiClg, vilken vid dessa temperaturer är ett stabilt ämne, och visat sig vara mycket användbar vid odlingen. För att snabba upp denna reaktion bör väte tillsättas i väsentliga mängder. Triklorsilan (TCS) kan också användas, men denna molekyl är inte så stabil som SiCl4 och kan sönderfalla för tidigt och ge upphov till parasitiska beläggningar uppströms kristallen. Ändå kan denna molekyl och andra klorsilaner (eller metyltriklorsilaner) komma ifrågai det lägre det lägre temperaturområdet, t.ex. mellan 1500 °C och 1700 °C, eftersom SiCl4 kan visa sig vara för stabil vid dessa temperaturer och sålunda på den ineffek- tiva sidan. För att styra reaktionshastigheten för klorsilaner kan väte tillföras huvudflödet i små mängder (omkring 1 till 10 gånger den för flödet av klorsilaner). Vätet kommer att snab- ba på reaktionen och öka den tenniska konduktiviteten hos gasblandningen och därigenom öka reaktionshastigheten. Diklorsilan är också en potentiell molekyl, som kan användas, men den är terrniskt mycket reaktiv och ger upphov till depositioner uppströms kristallen. Vätet 10 15 20 25 30 536 605 hjälper till genom att bilda förening med kloret från SiCl4 för att bilda HCl. Väte adderas, enligt uppfinningen ovanifrån i reaktorn, företrädesvis tillfört genom ett duschhuvud rakt ovanför substratet, där väte förvärms i taket på en het susceptor (reaktionskammare) och flödar ner mot substratet, där kristallen odlas. Detta flöde av väte får inte vara stort, så att det inte tillåts att skapa en kyleffekt. Ändå skall flödet av väte riktas med varsamhet, så att en god kristallform kan erhållas, dvs. lätt domforrnad. I ett ytterligare utförande av uppfinningen, adderas väte som ett sekundärt flöde koaxialt runt huvudflödet med källgaser och bärargaser.

De två flödena, huvudflöde och sekundärt flöde, får inte mötas för nära inloppen för huvud- flöde och sekundärflöde, eftersom reaktionerna mellan gaser i de två flödena då kommer att inträffa för tidigt. Som en stor fördel kommer detta arrangemang att förhindra huvudflödet från att nå ytorna hos susceptorn och härigenom reducera uppbyggnad av material före sub- stratet. En kombination av koaxialt väte (sekundärflödet) och vinkelrätt strömmande väte genom duschhuvudet riktat mot substratet är det mest föredragna arrangemanget. I ett ytter- ligare utförande adderas väte till huvudflödet för att öka temperaturen i huvudflödet. En förut- bestämd proportion mellan vätets flöden från det sekundära flödet och det vinkelräta flödet är av betydelse för att undvika uppbyggnad av beläggningar och för att uppnå optimala tillväxt- förhållanden runt substratet. Flödet i det sekundära flödet kan vara mellan tre gånger det för kiselkällgasens flöde och upp till 50 gånger det för kiselkällgasens flöde. Flödet i det vinkel- räta flödet kan vara mellan en gång det för kiselkällgasens flöde och tjugo gånger flödet hos kiselkällgasen. Flödena beror naturligtvis mycket på temperaturen som bestämts användas, geometrin och storleken på reaktionskammaren och valet av källgaser.

[0026] Kristallen skall roteras (för uniform tillväxt) och dras nedåt allteftersom kristallen växer. För att hålla en roterande hållare för groddkristallen fri från depositioner, kan en etsgas bestående av HCL och väte föras in. Denna attackerar SiCn, men när etsgasen kommer in i huvudgasflödet förlorar den sin etsande förmåga och späder helt enkelt ut blandningen av gaser i huvudflödet och gör denna något mer klorrik och väterik. Den ideala situationen är likväl att addera etsgasen med något Ar dessutom. För högt klorinnehåll i huvudgasströmmen är inte bra, eftersom det kommer att reducera tillväxthastigheten, speciell vid höga tillväxttemperaturer.

[0027] Nedströms den växande kristallen är det även fördelaktigt att addera en etsgas, t.ex. genom en porös grafitplatta med stora porer. Återigen, etsblandningen är endast effektiv så 10 15 20 25 30 536 605 länge den inte är blandad med huvudgasflödet. Nedströms kristallen är det inte nödvändigt att bekymra sig om för högt klorinnehåll i gasen, eftersom depositioner skall undvikas.

[0028] En huvudsaklig fördel med kristallodling enligt uppfinningen är att temperaturen kan hållas mellan 1600 - 2000 °C och parametrarna för gasflöde satta, så att tillväxthastigheter mellan 0,2 - 0,5 mrn/tim lätt kan uppnås. En ytterligare stor fördel är att radiella och axiella termiska gradienter över kristallen också kommer att vara minimala och sålunda väsentligt reducera bildningen och utvecklingen av dislokationer i materialet. Tillväxthastigheten styrs helt av flödet och reaktionen hos gaserna, mer än av terrniska gradienter så som är fallet i tekniker för kristallodling enligt känd teknik.

[0029] I ljuset av de höga tillväxthastigheterna som närmar sig dem hos bulktillväxt, vilken utförs vid mycket högre temperaturer, är det verkligen överraskande att kristallodling av SiC inte genomförs med en klorinerad kemi. Fördelarna är uppenbara, eftersom nästan alla mikro- pörema sluts, tätheten av dislokationer blir lägre och renheten blir av komponentkvalitet.

Genom användningen av processen så som beskriven blir det möjligt att nå kristaller möjliga att skiva och polera och att använda wafem sj älv som ett aktivt skikt. Härigenom är det endast nödvändigt att göra ett p-typ-skikt på en sida och ett n-typ-skikt på den andra sidan av wafern.

Blockspänningen hos sådana strukturer skulle grovt vara 10 - 30 kV beroende på hur tjocka wafers är skuma och den dopning de har.

FIGURBESKRIVNING Figuren visar i ett längsgående tvärsnitt en perspektivvy av en horisontellt arrangerad reaktor för användning enligt metoden i uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN I det följande beskrivs med stöd av den bilagda figuren ett antal varianter av utföranden av uppfinningen

[0030] Metoden för odling av kiselkarbid i en reaktor, företrädesvis horisontellt anordnad, enligt uppfinningen genomförs i en exemplifierad reaktor så som visad i utförandet illustrerat i figuren. I figuren är reaktionskammaren 1 visad i en perspektivvy. Reaktionskammaren 1 tillsammans med inloppsrören för att föra in källgaser, bärargaser och i detta fall också duschgaser är visade i ett längsgående tvärsnitt. Sålunda visas endast den bortre halvan av 10 15 20 25 30 536 605 reaktionskammaren och dess inloppsrör i figuren, men en främre halva, symmetrisk med den bortre halvan, kan lätt föreställas. Figuren visar inte heller några upphettningsanordningar för reaktionskammaren 1. Reaktionskammaren är av hetväggstypen och kan upphettas medelst en RF-spole runtom och längs reaktionskammaren på sätt som är känt vid anordningar enligt känd teknik. Andra medel för att upphetta reaktionskammaren 1 är tänkbara, t.ex. resistiva upphettningsmedel arrangerade runtom reaktionskammaren. Benämningen ”horisontell reak- tor” används baserad på det faktum att huvuddelen av gaserna som flödar genom reaktions- kammaren 1 strömmar horisontellt och parallellt med kristallytan. Ett vertikalt arrangemang kan föreställas, men kristallytan måste då fästas mot väggama på reaktom, så att huvudflödet är parallellt med kristallytan. Det finns fördelar med ett vertikalt arrangemang, så som att basytan av reaktom kan reduceras och, om flödet införs från botten, blir gränsskiktet tunnare, på grund av det faktum att gasens bärighet agerar i samverkan med huvudflödet. Trots detta är det så att enkelheten vid laddning och urladdning av den horisontella reaktom väger tyngre än fördelarna med det vertikala arrangemanget.

[0031] Reaktionskammaren 1 är utförd som ett utsträckt reaktionsrum 2 inneslutet av en bot- ten 3, ett topplock 4, och sidoväggar 5 som förenar botten och topplock. Endast den bortre sidoväggen 5 kan ses i figuren. Väggarna som innesluter reaktionskammaren 1 kan vara gjor- da av, som exempel, grafit täckt med kiselkarbid eller tantalkarbid. Topplocket 4 har i sitt centrum en upphöjning, företrädesvis cirkulär, och etablerar sålunda en kavitet i topplocket 4.

I den lägre delen av denna kavitet är ett duschhuvud monterat. Duschhuvudet 6 fungerar som en övre vägg till reaktionskammaren 1 åtminstone i området upptaget av duschhuvudet 6.

Mellan topplocket 4 och duschhuvudet 6 är en kammare 7 för gas inrättad. Vidare är dusch- huvudet 6 försett med trånga kanaler 8 som sammankopplar kammaren 7 för gas med det inre av reaktionskammaren 1, dvs. reaktionsrummet 2. Sagda trånga kanaler 8 är anordnade i ett önskat antal över duschhuvudets area. Öppningen 2b till höger i figuren är ett utlopp från reaktionskammaren för utförsel av de använda processgaserna.

[0032] Vid bottenväggen 3 av reaktionskammaren 1 finns en kavitet 9. Inuti denna kavitet är substrathållaren 10 arrangerad for att vara i nivå med det översta planet hos bottenväggen 3.

Substrathållaren 10 är monterad på toppen av en hållaraxel 1 1, vilken är inträdd genom bottenväggen 3 i centrum av bottenväggens kavitet 9. Detta arrangemang medger rotation av substrathållaren 10. Anledningen till att substrathållaren 10 roteras är att åstadkomma en så ensartad tillväxt som möjligt av en kristall som är anordnad att odlas på substrathållaren. 10 10 15 20 25 30 536 605 Hållaraxeln 11 kan vidare skjutas i en vertikal riktning upp eller ned för att medge att substrathållaren kan sänkas i takt med höj dtillväxten hos kristallen på substrathållaren 10.

[0033] Reaktionskammaren 1 har ett inlopp 12. En sekundär gasledning 13 är ansluten till sagda inlopp av reaktionskamrnaren 1. I det presenterade utförandet av en sekundär gasled- ning 13 visas denna med en rektangulär design. Avvikelser från denna är naturligtvis möjliga och beroende på den önskade gasflödeskonfigurationen i en slutlig mix av gaser som ström- mar in reaktionskammaren 1. Inuti den sekundära gasledningen 13, är en primär gasledning 14 riggad. Sagda primära gasledning 14 och den omgivande sekundära gasledningen 13 har företrädesvis symmetriska tvärsnitt och ekvidistant arrangerade i förhållande till varandra för att tillförsäkra ett ensartat flöde av gaser, när de strömmar in i inloppet 12 till reaktionskam- maren 1. En mynning hos den primära gasledningen 14 är lokaliserad framför en förträngning före inloppet 12. Lokaliseringen av sagda myrming kan justeras i längdriktningen för att åstadkomma ett lämpligt linjärt flöde av gaser, när gasema från primärgasledningen 14 och sekundära gasledningen 13 möts vid inloppet 12.

[0034] Ett rör 15 för duschgas löper genom reaktoms topplock 4 och ansluter till gaskam- maren 7. Genom detta arrangemang matas gas som sänds genom röret 15 och strömmar in i gaskammaren 7 ut från gaskammaren 7 genom de trånga kanalerna 8 i duschhuvudet 6.

Duschgas från duschhuvudet 6 blir sålunda riktat väsentligen vinkelrätt mot gasema som flödar från primärgasledningen 14 och sekundära gasledningen 13. Det ska nämnas här att någon modifierad design av de trånga kanalerna 8 kan vara fördelaktiga. Om ett specifikt mönster av duschgas önskas, till exempel vid en substrathållares yttre gräns, kan de trånga kanalerna utföras lutande eller tillhandahållas i ett tätare/ glesare antal vid dessa positioner.

Vidare kan de trånga kanalerna 8 ha olika tvärsnittsareor vid olika ställen på duschhuvudets yta. Duschhuvudet kan dessutom ersättas av en skiva med porer, företrädesvis i den centrala delen av duschhuvudet. Skivan skulle mildra flödet en aning och medge en större mängd väte att strömma genom denna ledning, vilket skulle stödja kristallform och reaktivitet.

[0035] Processen med att odla en kiselkarbidkristall så som beskrivits ovan med användning av reaktom enligt figuren presenteras i det följande. Processen kan genomföras enligt olika alternativa användningar av gaser för odlingen. I processen finns det tre flöden av gaser.

Dessa benämns primärgasflöde 16 ledd genom primärgasledningen 14, sekundärgasflöde 17 ledd genom sekundära gasledningen 13 och duschgasflöde sänt genom duschgasledningen 18. 11 10 15 20 25 30 536 605

[0036] En SiC groddkristall placeras på substrathållaren. Processen startas med upphettning av hetväggsreaktom på känt sätt. Reaktionskammaren upphettas till en temperatur mellan 1600 °C och 2000 °C. I ett påföljande steg leds gaser in i reaktionskammaren 1. [003 7] Användningen av processgaser för odlingen kan arrangeras enligt ett av följ ande altemativ: 1 .

Kolväten introduceras tillsammans med kiseltetraklorid, SiCl4, i huvudgasflödet (med huvudgasflöde avses summan av primärgasflöde och sekundärt gasflöde).

Eftersom kolväte måste föras fram tillsammans med en viss mängd väte, sänds en liten mängd väte också som en del av huvudgasflödet (ungefärligen tre till tio gånger flödet av kolväte). När väte strömmar tillsammans med SiCl4, påverkar vätet naturligtvis SiCh-gasen, varpå denna gas sönderfaller tidigt i gasflödet.

Detta är inte nödvändigtvis en nackdel, utan kan i stället betraktas som en väg till att styra reaktionshastigheten. Hursomhelst är huvudprincipen att SiCl4 trans- porteras tillsammans med Argon som bärargasen i primärflödet. Följaktligen, i detta altemativ introduceras SiCl4, kolväte, en bärargas som företrädesvis är Argon, och en liten mängd väte som primärgasflödet 16. Så som redan diskuterats kan bärargasen vara en blandning av Ar och He. Vidare, enligt detta altemativ, introduceras en specifik mängd väte i sekundärflödet 17, som omger primärgas- flödet 16, som skölden av väte enligt diskussionen ovan. Ytterligare, enligt detta altemativ, introduceras huvuddelen av väte till reaktionskammaren 1 som ett gasflöde riktat mot substrathållaren 10 vinkelrätt mot huvudgasflödet. Kolvätet som nämns här är företrädesvis C2H4, men skulle kunna vara CZHZ, CH4, CgHg, C2H6, CHgCl eller en mix a något av dessa kolväten. Det kolväte som används är vidare beroende av den önskade odlingstemperaturen.

Kolvätekoncentrationen är företrädesvis ungefårligen densamma som den för kiselkällgasen. Experiment visar att material av den högsta kvaliteten erhålls om C/Si-förhållandet hålls nära l eller svagt under 1. Koncentrationen av kiselkällgas eller Si/Hz-förhållandet är mellan 0,l% och 10%. Hg/Ar-förhållandet bör vara mellan 1 och 50. Absoluta flöden av kiselkällgaser är inte meningsfulla att ge, eftersom de beror stort på temperaturen, den exakta geometrin och storleken på reaktionszonen och vilken källgas som används. Cl/Si- förhållandet är också en viktig parameter. I det föreslagna temperaturområdet kan etseffekter noteras för 12 10 15 20 25 30 536 605 Cl/Si-förhållanden över 3 - 5. Ett Cl/Si-förhållande som uppgår till 10 är defini- tivt högt och etseffekter kan noteras. I detta fall, måste extra HCl adderas till flödet. Någon HCl kommer från ett etsgasflöde (se nedan) och kombinerar med huvudflödet och adderar till Cl/Si-förhållandet. Någon etsning av den växande kristallen behöver inte vara helt fel, eftersom etsningen övervägande sker på delar av kristallen som uppvisar lägre kristallin perfektion, men, om etsningen är för hög, dvs. vid höga Cl/Si-förhållande och vid höga temperaturer, blir tillväxthastig- heten märkbalt lägre. Ett Cl/ Si-förhållande under 2 kan inte rekommenderas, eftersom risken för bildning av små droppar av Si blir mycket hög. 2. Kolväte separeras från SiCl4 och transporteras tillsammans med väte som det sekundära gasflödet 17. I detta fall förs SiCl4 tillsammans med bärargasen, som också i detta alternativ är Ar eller en mix av Ar och He eller Ar och H2. Innehållet i duschgasflödet 18 är samma som i altemativ 1. Kolvätena kan också väljas som i altemativ 1.

Koncentrationema bör väljas lika som i altemativ 1. 3. Kolvätena förs i detta altemativ till reaktionskammaren 1 tillsammans med huvud- parten av vätgasflödet i duschgasflödet 18 och strömmar således vinkelrätt mot huvudgasflödet mot kristallen som odlas på ett substrat fäst på substrathållaren 10.

SiCl4-gasen förs som tidigare som primärgasflöde 16 tillsammans med Ar eller en mix av Ar och He eller Ar och H2. Det sekundära gasflödet 17 kan i detta fall bestå av enbart väte, men någon Ar skulle kunna användas här för att förhindra diffusion av Si-ämnen mot väggarna. Diffusiviteten genom Ar är låg och den kan av detta skäl användas för att skärma av Si-ämnen från de heta väggama, där de kan deponera som Si. Huvudparten av väte leds emellertid genom röret 15 för duschgasflödet tillsammans med kolvätet.

Koncentrationema bör vara desamma som i altemativ 1 och 2.

[0038] Så som diskuterats tidigare väljs kiseltetraklorid som kiselkällan med klor i den beskrivna processen. Andra kiselkällor med klor skulle kunna väljas, om så önskas, såsom triklorsilan, diklorsilan, monoklorsilan, silan och metyltriklorsilan. Diklorsilan, monoklorsilan och silan bryts ner tämligen lätt termiskt. Dessa källgaser behöver något tillägg av HCl, som adderats för att förhindra små droppar av Si att bildas, speciellt vid höga koncentrationer. 13 10 15 20 25 30 536 605

[0039] En liten andel väte kan även i altemativen 2 och 3 föras tillsammans med kiselkällan i primärgasflödet 16. Syftet med detta skulle vara att starta reaktionema mellan väte och kisel- källan lite tidigare. Detta skulle vara föredraget vid lägre reaktionstemperaturer (som startar från 1600 °C).

[0040] I altemativen enligt de beskrivna utföringsforrnerna förvärrns duschgasema som matas ut från duschhuvudet 6, eftersom denna gas passerar duschhuvudets kammare 7, som hålls vid den förutbestämda reaktionstemperaturen. Reaktorn, vari reaktionskammaren 1 är lokaliserad, är en hetväggsreaktor, varvid väggarna och topplocket 4 alla hålls vid processtemperaturen.

[0041] Det vinkelräta flödet av väte från väggen som vetter mot substratet på substrathållaren skyndar på gasfasreaktionema och ser till att en god kristallforrn upprätthålls.

[0042] Det koaxiala flödet av väte runt huvudflödet är arrangerat för att förhindra parasitiska deponeringar, men också för att stödja gasfasreaktionerna. Etsgas, HCl och H2 i moderata mängder stör inte odlingen på något specifikt sätt. Dessa förs in genom en central kanal 19 i substrathållarens skaft ll och passerar genom ledningar i substrathållaren 10 för att fylla ka- viteten 9 och strömma ut i spalten mellan bottenväggen 3 och substrathållaren 10. Processen beskriver en teknik för odling av en kristall med noll eller minimal termisk gradient och pro- ducerar materialkvalitet lika med de bästa epitaxiella materialen. Processen är vidare en me- tod för kristallodling vid låg temperatur utan någon sublimering, sålunda en ren CVD-process.

[0043] Processtrycket väljs företrädesvis tämligen lågt, eftersom gränsskiktet blir tunnare, på grund av att hastigheten är hög. Men, vid ett för lågt processtryck finns det en risk att reak- tionen inte kommer till stånd och källgasema sveps iväg ut oreagerade. Ett processtryck mellan 50 mbar upp till atmosfäriskt tryck är lämpligt. Ett snävare intervall skulle vara 75 mbar till 600 mbar och att ärmu smalare intervall mellan 100 och 400 mbar. Etseffekter blir också mer betydande vid tryck under 200 mbar, så trycket kan med fördel vara svagt högre vid högre temperaturer och/eller vid höga Cl/ Si-förhållanden. 14

Claims (9)

1. 0 15 20 25 30 536 605 PATENTKRAV En metod för odling av en kiselkarbidkristall på ett substrat i en reaktionskammare (1) av hetväggstyp, där reaktionskammaren (1) vänns till en temperatur i området 1600 °C till 2000 °C, där metoden kännetecknas av att: - processgaser förs in i reaktionskammaren (1) genom användning av åtminstone tre gasflöden, ett primärgasflöde (16), ett sekundärt gasflöde (17) som omger primärgas- flödet (16) och ett duschgasflöde (18), där sagda primära och sekundära gasflöden strömmar väsentligen parallellt med ytan på substratet, och där duschgasflödet matas väsentligen vinkelrätt mot de primära (16) och sekundära (17) gasflödena och riktas mot substratet, - en kiselkällgas med klor förs in i reaktionskammaren (1) medelst primärgasflödet (16) tillsammans med en bärargas och som option tillsammans med ett mått HCl, - en kolvätekällgas förs in i reaktionskammaren (1) enligt något av följ ande alternativ: a) tillsammans med kiselkällgasen och en liten flödesandel x väte i primärgasflödet (16), b) tillsammans med en flödesandel y väte, och som option ett mått Ar, i det sekundära gasflödet (17), c) tillsammans med en flödesandel z väte i duschgasflödet (18), d) som någon kombination av altemativen a) till c), och där flödesandelarna för väte är relaterade till varandra som x - enligt alla altemativen förs väte in i reaktionskammaren i det sekundära gasflödet (17) med en flödesandel y, och i duschgasflödet med en flödesandel z, varvid y Metoden enligt patentkrav 1, där en etsgas, företrädesvis HCl eller en mix av HCl och H2, förs in i reaktionskammaren (l) medelst ett etsgasflöde introducerat vid substrathållaren (10).

2. Metoden enligt patentkrav 1, där kiselkällgasen med klor företrädesvis är kiseltetra- klorid, SiCl4, eller som option triklorsilan HSiClg, en klorsilan, en metyltriklorsilan.

3. Metoden enligt patentkrav 1, där kolvätet företrädesvis är etylen, C2H4, eller som option är, C2H2, CH

4. , CgHg, C2H6, CHgCl, eller en mix av någon av dessa kolväten. 15 10 15 20 25 30 10. ll. 536 605 Metoden enligt patentkrav 1, där det sekundära gasflödet (17) är 3 till 50 gånger flödet för kiselkällgasen med klor och duschhuvudflödet (18) är 1 till 20 gånger flödetjör kiselkällgasen med klor. Metoden enligt patentkrav 1, där vätgasflödets andel av huvudgasflödet, det vill säga primärgasflöde och sekundära gasflödet tillsammans, är mellan 1 och 10 gånger flödet för kiselkällgasen med klor. Metoden enligt patentkrav 1, där trycket inuti reaktionskammaren (1) hålls vid ett tryck mellan 50 mbar och 1000 mbar, företrädesvis mellan 75 mbar och 600 mbar och mest föredraget mellan 100 mbar och 400 mbar. Metoden enligt något av föregående patentkrav, där C/Si förhållandet av det totala flödet in i reaktionskammaren (1) är mellan 0,3 och 1,5, eller företrädesvis 0,5 till 1,2 och mest föredraget 0,7 till 1,0. Metoden enligt något av patentkraven 1 till 7, där det totala Si/HZ flödesförhållandet är mellan 0,2 och 10% och det totala flödesförhållandet Hg/Ar är mellan 0,2 och 50. Metoden enligt något av patentkraven 1 till 7, där förhållandet Cl/Si är mellan 2 och 10 och mest föredraget mellan 3 och

5. En anordning för odling av kiselkarbid, där en kiselkarbidkristall odlas på ett substrat i en hetväggsreaktor med en företrädesvis horisontellt arrangerad reaktionskammare (1) enligt metoden i patentkrav 1, där reaktionskammaren är utforrnad som ett långsträckt reaktionsrum (2) omgivet av en bottenvägg (3), ett topplock (4), sidoväggar (5) som förbinder botten och topplock (4) och uppvärmningsanordningar som omger reaktions- kamrnaren (1) för att upphetta reaktionskamrnaren (1) till en processtemperatur, kännetecknad av att - bottenväggen (3) är försedd med en substrathållare (10), - topplocket (4) är försett med ett duschhuvud (6) som vetter mot substrathållaren (10), - en duschhuvudkammare (7) är utbildad mellan topplocket (4) och duschhuvudet (6), - en primärgasledning (14) är riktad mot ett inlopp (12) till reaktionsrummet (2), 16 10 15 20 25 30 12. 13. 14. 15. 1

6. 1

7. 1

8. 536 605 - en sekundärgasledning (13) är ansluten till reaktionsrummets (2) inlopp (12), och sagda sekundärgasledning omger primärgasledningen (14), - ett rör för duschgas (15) är anslutet till kammaren (7) för duschgas, och att primärgasledningen (14) och sekundärgasledningen (13) är arrangerade så att ett primärgasflöde (16) genom primärgasledningen (14) samt ett sekundärt gasflöde (17) genom sekundärgasledningen (13) strömmar väsentligen parallellt med ytan på substratet. Anordningen enligt patentkrav 11, där etsgas förs in genom en central kanal (19) i ett skaft (11) till substrathållaren och passerar genom ledningar i substrathållaren (10) för att fylla en hålighet (9) som hyser substrathållaren (10) i bottenväggen (3) för att släppa ut etsgas i en spalt mellan bottenväggen (3) och substrathållaren (10). Anordningen enligt patentkrav 11, där tvärsnitten hos primärgasledningen (14) och sekundärgasledningen (13) till reaktionsrummet (2) har rektangulär form. Anordningen enligt patentkrav ll, där substrathållaren (10) är roterbar och rörlig in eller ut i förhållande till reaktionsrummet (2). Anordningen enligt patentkrav 11, där inloppskanalen (12) är försedd med en íörträngning mellan sekundärgasledningen (13) och reaktionsrummet (2). Anordningen enligt patentkrav 15, där en mynning hos primärgasledningen (14) öppnas i in1oppskanalen(12) före sagda förträngning. Anordningen enligt patentkrav 11, där väggarna och topplocket hos reaktionskammaren (1) är gjorda av kiselkarbid eller tantalkarbid eller en annan värmebeständig karbid eller nitrid. Anordningen enligt patentkrav 11, där duschhuvudet (6) är försett med trånga kanaler (8), och sagda kanaler (8) fördelade enligt en förutbestämd geometri och sagda kanaler individuellt arrangerade vinkelrätt eller lutande i förhållande till substrathållaren (10). 17 536 605 1

9. Anordningen enligt patentkrav 18, där åtminstone en del av duschhuvudet (6) utgörs av en porös skiva. 18