TW201638371A - 用於寬能帶隙結晶之種晶昇華的加熱爐 - Google Patents

Abstract

一種用於半導體結晶的物理氣相傳輸法生長之設備，其具有一圓柱狀真空罩，該圓柱狀真空罩定義一對稱軸；一反應室撐體，其用於支撐於該真空罩內部之一反應室；一圓柱狀反應室，其係由對RF能量為可透之材料所製成且具有沿該對稱軸定義之高度Hcell；一RF線圈，其經提供在該真空罩之外部周圍，環繞該對稱軸而對軸置中，其中該RF線圈係經組態以產生沿至少該高度Hcell之一均一RF場；以及，一絕緣，其經組態用來在該反應室內部沿該對稱軸產生熱梯度。沿該對稱軸測量之該RF感應線圈之高度與該高度Hcell的比率之範圍可從2.5至4.0或從2.8至4.0。

Description

用於寬能帶隙結晶之種晶昇華的加熱爐 【相關申請案之交叉引用】

本申請案主張於2015年2月5日申請的美國臨時專利申請案第62/112,622號之優先權及權益，全部內容以引用方式併入本文中。

本揭露係關於SiC的物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport,PVT)生長，以及更具體來說，關於該PVT設備(PVT apparatus)之建構。

碳化矽(SiC)係結晶半導體材料，熟習材料科學、電子學及物理學者公認其優勢在於寬能帶隙(wide band gap)性質，且優勢亦在於極端硬度、高導熱率以及化學惰性性質。該等性質讓SiC成為對於功率半導體裝置的製造而言非常有吸引力的半導體，使功率密度及性能提升優於由更普遍的材料如矽所製成的裝置。

SiC最普遍的形式由原子的立方或六方排列組成。Si及C層的堆疊可以許多形式呈現，稱之為多型體(polytype)。碳化矽結晶的類型係藉由如下所表示：表示出堆疊順序中重複單元數的數字，其後接續代表結晶型式的符號。舉例而言，3C-SiC多型體指3個重複單元且係立方(C)晶格， 而4H-SiC多型體指4個重複單元且係六方(H)晶格。

不同的碳化矽多型體在材料性質方面具有一些變異，最顯著的是電性質。4H-SiC多型體具有相對較大的能帶隙，3C-SiC具有較小的能帶隙，而大部分的其他多型體之能帶隙則落在兩者之間。對於高性能的功率裝置應用，當能帶隙較大時，理論上材料更有能力提供相對較高的高功率及導熱性能。

在自然中不會產生SiC結晶，故必須經合成而得。SiC結晶的生長可藉由昇華/物理氣相傳輸法(sublimation/physical vapor transport)或者化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)來執行。

藉由種晶昇華的SiC生長非常具有挑戰性。種晶昇華中，超過2000 C的溫度對於藉由昇華而產生Si/C物種的蒸氣流是必需的，這使得反應室(reaction cell)組件與加熱爐的設計存在相當大的限制。原本由如艾其遜法(Acheson method)的程序所形成的SiC研磨材料係被用作結晶的Si與C原子之來源，且隨著技術成熟，團隊研發特別用於SiC結晶生長的合成SiC來源粉末的手段。石墨容器藉由感應加熱。該容器經小心地絕緣處理，以在容積中建立受控的溫度梯度。使用晶種結晶，其通常成形為板狀或盤狀。該晶種結晶一般係定向為以其生長表面朝向來源材料。該晶種結晶在容器中的位置係設計為使容器在被加熱時，晶種係在相對較低溫度的位置，而Si-C來源材料係在較高溫度的位置。當該容器被加熱至足以使來源材料昇華之溫度時，蒸氣將流向較低溫度區域，並且在晶種上凝結。雖然在概念上看似簡單，實務上SiC的生長非常複雜，且實踐者公認其非常難以進行。

昇華生長之加熱爐設計已有報導。Duncan等人(Journal of Crystal Growth 11(1971),p.50-52)揭示用於結晶生長之感應加熱爐的設計。Potter與Sattelle(Journal of Crystal Growth 12(1972)245-248)報導了藉由雷利昇華方法(Lely sublimation method)之用於碳化矽結晶生長之RF感應加熱爐設計。Konstantinov(Properties of Silicon Carbide,G.L.Harris,ed.,Inspec,ISBN 0 85296 870 1,(1995),pp.170-3)詳述用於SiC種晶昇華生長之RF感應加熱爐之組態與用途。感應加熱爐係包含一非金屬圓柱形真空艙室(例如，石英或玻璃)，其可以是水冷或藉由使用一風扇之對流冷卻。一圓柱形感應線圈圍繞該真空艙室。也提供了供給受控量之氣體的手段。於SiC晶體生長中，該氣體一般是惰性氣體，如氬與摻雜氣體(doping gas)例如氮。反應室的溫度是藉由光學測高溫術(optical pyrometry)從頂部及或底部測量，且高溫計的輸出被遞送到一電腦控制器，其執行一程式以於生長期間控制RF功率、溫度、壓力及氣體流量。Konstantinov指出感應型加熱爐的重要優點是溫度場調節方便。在坩堝中溫度梯度的值和跡象兩者都可因該感應體線圈沿軸而相對於該反應室的位移而變化。

在歷史上，Lely(US 2854364-1958)首先敘述了以SiC昇華為基礎的結晶生長中的初始步驟，其未添加晶種的結晶生長方法產生小型六方SiC薄板。於1970及1980年代，製造第一個對於製造裝置而言有吸引力的尺寸之結晶的技術係於俄羅斯、由Tairov及Tsvetkov(Journal of Crystal Growth,52(1981)p.146-50 and Progress in Controlling the Growth of Polytypic Crystals in Crystal Growth and Characterization of Polytype Structures,P.Krishna,ed.,Pergammon Press,London,p.111(1983))所完成。他們的方法使用了雷利結晶(Lely crystal)做為晶種，並且藉由如上所述的昇華與傳輸來進行生長。該 等結果顯示了藉由選擇晶種、壓力控制及溫度梯度的多型體控制之方法。而後，Davis(US 4866005-1989)揭露藉由審慎地選擇來源材料以及梯度控制的改善。直至今日，仍持續有對於Tairov、Tsvetkov及Davis的方法之改良被揭露。

於碳化矽晶體生長之方法中，反應室一般由一緻密均靜壓石墨殼所建構，該殼被石墨絕緣所圍繞。於昇華生長之雷利昇華方法中，目的是為了最小溫度梯度來設計加熱爐與反應室。於種晶昇華方法中，結晶品質之最佳化係密切與建立生長期間軸向與輻射向溫度梯度控制之能力相鏈結。軸向梯度經調整而使得該晶種溫度僅比來源材料中之溫度稍冷。輻射向梯度經調整而使得於晶種結晶生長前部形狀是平坦至稍凸。該等梯度可以兩種方式建立，第一藉由RF場之控制以及於反應室該等場之耦合，以及第二，藉由於某些位置限制反應室之熱絕緣來強調熱損失。由於與晶種昇華結晶生長相關之高溫，無法直接監測於晶種結晶之溫度梯度，建立所需溫度梯度之反應室與線圈之設計一般是藉由有限元件分析模型進行。如Konstantinov所發現，石墨的性質是高度可變，且這將限制結晶生長之再現性。更重要的是，由於高溫時正確材料常數的不可得，該模型不可能正確預測熱流動。接著，這導致線圈與反應室之間、以及線圈與加熱爐幾何之間之模型化耦合的不正確。所有這些問題組合導致模型與生長結果之間的許多寄生誤差與不連續性。

當出現了製造較大結晶的方法，焦點亦轉向控制結晶中的缺陷。缺陷可被分類為內含物(inclusion)及結晶差排(dislocation)。在SiC晶體中的主要結晶缺陷係螺旋差排(screw dislocation)。其中，有被稱作一微管或空 心螺旋差排的特殊例子。此外，有基面差排(basal plane dislocation)及穿透刃狀差排(threading edge dislocation)。該等缺陷源自許多來源。舉例而言，在晶種結晶中所含有的缺陷可能被傳遞到新生長的結晶體。起因於溫度梯度及熱膨脹不匹配之壓力在生長時進入晶種與結晶可能導致差排的形成。在形成SiC所需的昇華蒸氣流中化學計量的偏差可能導致不穩定的多型體生長-結果造成在所生長的結晶中有多型體內含物，其造成在多型體邊界形成差排。甚至差排之間的交互作用可建立或消除差排。

藉由所識別方法所製造的SiC結晶具有高濃度的差排。在此申請時，通常所記述的螺旋差排值及基本平面濃度分別標稱為5000至10000/cm2。最常藉由將垂直於對稱結晶軸的平面中之結晶切片來評估差排。在350至500 C範圍中的溫度以如氫氧化鉀的熔鹽蝕刻所暴露的結晶表面將顯露出差排。各差排種類具有獨特的形狀，因此他們能夠獨特地被計數。通常將上述差排計數並記述為一除以檢測面積的數字。上述識別方法是有用的，因其能得到形成在結晶平面上的平面半導體裝置中所含有的缺陷之簡易相關性。在文獻中有許多實例顯示差排並未均勻地分布在所觀察的平面中。大量差排使得對於每一個單一差排進行計數非常不實際，尤其現今可能被要求在大於或等於直徑100mm之圓的區段上進行檢測。因此，對經蝕刻的區域進行採樣以判定差排的量。不正確的取樣方法可能導致在對與較大的結晶有關之差排濃度進行估計時出錯。在大部分的報告中並未提供取樣方法的細節，故雖非不可能，但通常可能難以複製結果。

對於固態物理及半導體裝置有經驗的科學家均知，差排會導致裝置性能低於材料的理論性質。因此，現今的努力聚焦在半導體SiC結 晶品質的改善，以期識別並控制可減少源自於結晶生長的缺陷之因素。

一旦產生足夠大的結晶，該結晶必須被切割並製成晶圓，以在使用平面製造方法製造半導體裝置的裝置中為有用。隨著許多半導體結晶(例如矽、砷化鎵)已成功地被開發並商業化為晶圓產品，由大體積的結晶製造晶圓的方法已為人所知。對於晶圓製造及標準識別方法之常用方式及要件的評介可在Wolf and Tauber,Silicon Processing for the VLSI Era,Vol.1-Process Technology,Chapter 1(Lattice Press-1986)中找到。

由於其硬度，與處理其他如矽或砷化鎵的常見半導體結晶相比，將SiC製造成晶圓基材存在獨特的挑戰。必須對機器進行修正，且磨料的選擇改變為非常用材料。為了適應SiC而對常見的晶圓製造技術所做之修正經常被其等之發明人保存為專有資訊。已有報導的是，可在經鏡磨的SiC晶圓上觀察到實質的次表面損傷，且可藉由使用與矽工業中所用之方法類似的經化學強化的機械研磨方法來減少或移除上述損傷(Zhou,L等人，Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide,J.Electrochem.Soc.,Vol.144,No.6,pp.1997-872(1967))。

為了在SiC晶圓上建造半導體裝置，必須將附加的結晶SiC膜沉積在晶圓上，以產生具有所需傳導性值及導體種類之裝置主動區域。這一般是使用化學氣相沉積(CVD)方法來完成。自1970年代起，在俄羅斯、日本及美國的團體已有發表藉由CVD磊晶之用於SiC生長的技術。最常見的藉由CVD的SiC生長之化學物係一含矽的來源氣體(例如單矽烷或氯矽烷)及含碳的來源氣體(例如烴氣)之混合物。對於低缺陷的磊晶層之生長的關鍵因素係基材表面從結晶對稱軸遠離斜置，以使化學原子以由基材 結晶所建立的堆疊順序附著至表面。當斜置不充分，CVD程序將在表面上造成三維的缺陷，且此種缺陷將導致無法運作的半導體裝置。表面的不完美如裂縫、次表面損傷、凹處、顆粒、擦痕或汙染將中斷藉由CVD程序的晶圓結晶結構之複製(例如參照Powell及Larkin,Phys.Stat.Sol.(b)202,529(1997))。重要的是用於製造晶圓的研磨和清潔程序使表面的不完美最小化。於存在該等表面不完美的情況下，在磊晶膜中可能產生許多缺陷，包括基面差排、以及立方SiC內含物(參照例如，Powell等人，Transactions Third International High-Temperature Electronics Conference,Volume 1,pp.II-3-II-8,Sandia National Laboratories, Albuquerque,NM USA,9-14 June 1996)。

已知SiC中的缺陷會限制或破壞在上述缺陷上所形成的半導體裝置的運作。Neudeck及Powell曾報告空心螺旋差排(微管(micropipe))嚴重地限制了SiC二極體中的電壓阻斷性能(P.G.Neudeck及J.A.Powell，IEEE Electron Device Letters,vol.15,no.2,pp.63-65,(1994))。於1994年，Neudeck評介了源自結晶(晶圓)以及磊晶之缺陷對功率裝置的影響，彰顯因螺旋差排及形態磊晶缺陷而造成的功率裝置功能的限制(Neudeck,Mat.Sci.Forum,Vols 338-342,pp.1161-1166(2000))。Hull報導了當在具有較低螺旋差排密度的基材上製造二極體時，於高電壓二極體逆向偏壓漏電流的分布轉移至較低值(Hull等人，Mat.Sci.forum,Vol.600-603,p.931-934(2009))。Lendenmann報導了雙極性二極體中正向電壓的縮減係連接至源自基材中的基面差排之磊晶層中的基面差排(Lendenmann等人，Mat.Sci.Forum,Vols 338-342,pp.1423-1426(2000))。

為了達成可再現製造寬能帶隙結晶，如SiC與AlN，必須達 成溫度梯度之控制。反應室材料與加熱爐之設計對該控制具有直接影響。

JP 2013216549A揭示一加熱線圈，其位於坩堝主體之一側邊部分的外側、並進行反應室、或坩堝之感應加熱，且包括一底部側加熱線圈，其位於坩堝主體之底部部分的外側，與開口相對，並進行坩堝之感應加熱。此排列宣稱對坩堝中之溫度梯度給予控制。

包括本揭露之以下發明內容係為了提供本發明的一些態樣及特徵的基本理解。此發明內容並非本發明的廣泛性概述，就此而言，其並非意欲特定地識別本發明的關鍵或重要元件，或者去描繪本發明的範疇。其唯一的目的係以簡化形式提出一些本發明的概念作為對於如下所呈現更詳細的說明之序言。

與JP 2013216549A相反，發明人已發現於種晶昇華中溫度梯度之有效控制最佳藉由下列達成：設計RF線圈而使得導致反應室中溫度梯度建立之RF場的擾動被最小化。發明人已出乎意料地發現有線圈軸向高度與反應室軸向高度的一關鍵比率。當此比率太低，線圈的端點會太靠近反應室且RF場變得非線性，而導致反應室中無法預測之溫度梯度。在此態樣中，線圈高度經定義成沿線圈軸之長度，而反應室之高度經定義成沿該室軸之長度，其不包括任何絕緣。反應室可以是容器主體，其持置來源與晶種材料或其可以是一基座容器(susceptor container)，其包封含來源與晶種材料之一內室。

根據所揭示之態樣，線圈經設計而使得用於提供均一溫度分佈而非建立一梯度。結果，溫度梯度之控制係主要藉由反應室之設計與在 反應室周圍的熱絕緣之放置所控制，而由非線圈所控制。藉由感應線圈與反應室之溫度梯度效果之去耦合，達成高度可再現結晶生長。此設計策略對生長具有直徑等於或大於100mm的結晶特別有效。

根據所揭示之實施例，提供了一種用於藉由種晶昇華生長來生長半導體結晶之感應加熱爐設備，其包含：一石英真空艙室；一RF感應線圈，其係定位在該石英真空艙室之外部周圍；一RF電力供應器，其係與該RF感應線圈耦合；一反應室，其經組態用於含置一晶種結晶以及來源材料，該反應室定義一軸向長度，該軸向長度經測量為沿該反應室的旋轉對稱軸之該反應室的高度；一撐體，其用於放置該反應室於該石英真空艙室內部；一在該反應室外側之絕緣包覆(insulation wrap)，其經組態用於在該反應室內部產生熱梯度；以及，其中該RF感應線圈係經組態用於產生該反應室之均一感應加熱。於一些實施例中，沿該對稱軸測量之該RF感應線圈之高度對該反應室之軸向長度的比率的範圍是從1.8至4.0、從2.0至5.0、從2.5至4.0、或從2.8至4.0。該反應室與該絕緣係以石墨製成。於一些實施例中，該反應室之直徑經組態以容納從76至200mm直徑的結晶之生長。沿該旋轉對稱軸測量之該RF感應線圈之高度，可小於沿該旋轉對稱軸測量之該石英真空艙室之高度，但比該反應室之該軸向長度更長。該反應室撐體可以是以RF場對其不有效耦合之材料製成。該RF感應線圈可具有從330至725mm或從330至550mm的內直徑。一水套(water jacket)可定位在該石英真空艙室之外壁上。該撐體可包含嚙合該石英真空艙室之一底部開口的鐵磁流體(ferrofluidic)封件。

根據進一步之實施例，提供了一種用於半導體結晶的物理氣 相傳輸法生長之設備，其包含：對RF輻射為可透之材料所製成之一圓柱狀真空罩(vacuum enclosure)，該真空罩定義一對稱軸；一反應室撐體，其係部分由對RF能量為可透之材料所製造，且係經組態用於支撐在該真空罩內部之一反應室，而使得該反應室係對該對稱軸軸向置中地定位；一圓柱狀反應室，其具有沿該對稱軸定義之一高度Hcell；一RF線圈，其經提供在該真空罩之外部周圍，環繞該對稱軸而對軸置中，其中該RF線圈係經組態以產生沿至少該高度Hcell之一均一RF場；以及，一絕緣，其經組態用來在該反應室內部產生熱梯度。沿該對稱軸測量之該RF感應線圈之高度與該高度Hcell的比率之範圍可從1.8至4.0、從2.0至5.0、從2.5至4.0或從2.8至4.0。該RF線圈可具有從330至725mm或從330至550mm的內直徑。該反應室撐體可以是RF場對其不有效耦合之材料製成。該反應室與該絕緣可以是石墨製成。該反應室撐體可包含嚙合該石英真空艙室之一底部開口的鐵磁流體封件。一水套可定位在該石英真空艙室之外壁上。

根據又進一步態樣，提供了一種用於半導體結晶的物理氣相生長之方法，其包含：放置一晶種以及來源材料於一反應室內部，該反應室具有一高度Hcell，該高度經定義為沿該反應室的對稱軸之高度；放置該反應室於一石英真空艙室內部；提供絕緣，該絕緣經組態以在該反應室內部產生熱梯度；在該石英真空艙室內部產生真空；以及，在該真空艙室內部產生一RF場，其中該RF場於一長度為均一，該長度至少跟該高度Hcell一樣長。該晶種結晶可以是一單晶SiC之六方多型體或一單晶氮化鋁。該RF場可被製成均一，其藉由將該RF線圈製成具有沿該對稱軸定義之一高度，該高度比該高度Hcell更長從1.8至4.0、從2.0至5.0、從2.6至4.0。

105‧‧‧機殼

110‧‧‧罩

111‧‧‧空氣泵

112‧‧‧空氣導管

113‧‧‧艙室蓋

115‧‧‧管狀基座

117‧‧‧頂部高溫計/高溫計

119‧‧‧X-Y平移台

120‧‧‧反應室

123‧‧‧絕緣

125‧‧‧加工艙室的內管/艙室內管/內管

127‧‧‧外套筒

130‧‧‧艙室底

135‧‧‧底部底板/底板

137‧‧‧封件適配器

140‧‧‧圓柱狀RF線圈/線圈

142‧‧‧空氣進氣口

144‧‧‧排氣連接

併入並組成說明書一部分之隨附圖式例示本發明之實施例，且與說明一同用以解釋及描述本發明之原則。該等圖式係以圖解方式意圖繪示例示性實施例之主要特徵。該等圖式並非意圖描繪實際實施例的每一個特徵，亦非所描繪元件的相對尺寸，且非依實際比例描繪。

圖1示意繪示根據一個實施例之一加熱爐建構造，而圖1A繪示一利用對流冷卻之實施例。

圖2是繪示於實例1之實驗期間溫度穩定性的標準差分佈圖。

圖3是實例1之切片晶圓弓之比較圖。

圖4是實例1之切片晶圓翹曲之比較圖。

圖5是比較與使用於實例2之各線圈種類相關之微管密度分佈之圖。

圖6是實例3之76至100mm n+4H-SiC經研磨晶圓的蝕刻坑密度分佈圖。

不同經揭示之實施例是關於一感應PVT反應加熱爐的設計。對於SiC之適當生長，必須建立熱梯度，其中來源材料所佔據之區域係比SiC晶種所佔據之區域熱。根據下面所揭示之實施例，係藉由設計一感應線圈，其於反應室所佔據之區域內產生一較均一之加熱場，而達成該熱梯度。然而，反應室與絕緣經設計以造成一從反應室之不均一熱損失。

根據一些具體實例，線圈高度與反應室高度之最小比率值的範圍定義成：比率=(線圈的軸向長度)/(反應室的軸向長度)， 為1.8至4.0、2.0至5.0、2.0至4.0、以及較佳值範圍為標稱2.8至4.0。較大的比率將不會影響結晶生長，但將會使得大的加熱爐的構造更昂貴且難以組裝與維修。當一加熱爐設計需要該應用容納較大結晶生長，已發現該關鍵長度比率(如上所定義)對增加之直徑是不變化的。

圖1繪示利用本發明之特徵之一生長艙室的一實施例。於圖1之實例中，一罩110係被機殼105所支撐，該機殼105形成設備的底。一撐體，呈管狀基座115形式，支撐反應室120，且在垂直方向上是可動。於圖1中，管狀基座115係以其縮回位置繪示。然而，於其延展位置，管狀基座115將反應室120放置在加工艙室的內管125內，其中底部底板135接觸並密封艙室底130，而使得艙室內管125可被維持在真空。艙室底130與底板135可以是水冷。亦，一外套筒(outer sleeve)127可經提供於內管125上以提供水冷卻，且一艙室蓋113密封內管125之頂部也可以是水冷。底板135可附接到一封件適配器(seal adapter)137，其可包含一鐵磁流體封件。封件適配器137亦可併入一旋轉馬達以在生長程序期間旋轉反應室，以及用於溫度量測之光纖高溫計頭(fiberoptic pyrometer head)。旋轉馬達與光纖高溫計頭都未具體於圖1中繪示。一頂部高溫計117測量在經絕緣反應室之頂部的溫度。於此實例中，高溫計117附接至一高溫計X-Y平移台119而使得能夠有在不同位置的測量。

圓柱狀RF線圈140係在內管125的周圍且同軸地對準內管125。線圈140經設計以在內管125內賦予均一電磁場。具體而言，線圈將建立一電磁場，而使得只要反應室經定位於靠近線圈的中心，因反應室的存在之該場的擾動會非常小。於圖1之實例中，線圈的軸向長度(標示為 ALcoil)與高度即反應室之軸向長度(標示為ALcell)之比率設定成2.0至4.0。以此方式，感應線圈設計之效果是使得反應室的設計(幾何、壁厚度、絕緣123、等)將主要判定昇華區中溫度的程度與均一性。為了最小化真空艙對該室中RF場的效果，該艙室的凸緣應是鋁或奧式等級(austenitic grade)的不鏽鋼製成。該艙室包括端蓋的高度與線圈之高度的比率應是ALcoil之1.7至2.0倍或更大。

根據揭示之實施例，該線圈設計產生沿內管之軸向長度之一均一場，其長度至少等於反應坩堝的高度。。接著將反應坩堝放置在此均一場內，達到結晶生長期間。於一些實施例中，該均一場係產生於較反應室之高度更長的一長度上方，以便提供安全邊限。

於一些實施例中，提供了一在石英真空艙室之外壁周圍的強迫空氣流動之機制。於圖1之實施例中，經強迫空氣機制包含耦合至空氣導管112且從底部往頂部遞送空氣之空氣泵111。該強迫空氣流動通過排氣連接144於頂部離開罩110。相反地，於圖1A中，空氣冷卻是藉由下列達成：將空氣進氣口142製造在艙室蓋的底部，而使得空氣能夠從底部進入，如箭頭所例示。於此實例中，空氣進氣口被百葉窗所覆蓋以協助層流動。一排氣連接144可經引導至一經鼓風機協助的排風系統，以協助熱空氣排放。

反應室之內直徑經設計以容納具有從76至200mm的直徑之結晶生長。類似地，RF感應線圈的內直徑經設計以容納此生長且可經設定成，例如，從330至550mm或從330至725mm。為了維持反應室中的RF場均一性，反應室的撐體係RF場對其不有效耦合之材料製成。

實例

實例1：使用一傳統線圈以及新感應線圈之76mm直徑的4H-SiC結晶生長。

二個相同的真空加熱爐係各自配有一不同的感應線圈。多個具有絕緣的反應室係相同地準備，以用於使用76mm 4H-SiC晶種之SiC昇華結晶生長。於「控制」線圈加熱爐中，線圈軸向長度與反應室軸向長度的比率是2.0，而於「新」線圈加熱爐中，線圈軸向長度與反應室軸向長度的比率是3.6。於各加熱爐中執行了用以生長摻雜N的4H-SiC結晶之相同程序。反應室於線圈之軸向長度內係置中、且經RF場對其不有效耦合之材料支撐。

針對在生長階段期間保持之穩態溫度值，追蹤各生長期間的溫度控制穩定性。各加熱爐中所有生長測試之此溫度值之標準差的分佈繪圖於圖2中。圖2顯示用「新」線圈(比率=3.6)改善了批次間(run-to-run)溫度穩定性。溫度以攝氏為單位。

晶圓係使用一多線切片系統，從所有使用一相同程序所製造之結晶上切下。各加熱爐相比，圖3顯示切片晶圓弓之分佈，而圖4顯示切片晶圓翹曲之分佈。弓與翹曲的單位是微米。圖3及圖4指出來自新加熱爐之結晶展現一緊密得多的弓分佈以及更低的翹曲值。由於切片程序對各晶圓賦予相同的表面傷害，於弓/翹曲分佈中之改變可以歸因於使用新加熱爐(比率=3.6)所製造之結晶中的一較低固有應力。

實例2：使用一控制線圈以及「新」感應線圈之76mm直徑的4H-SiC結晶生長。

二個相同的真空加熱爐係各自配有一不同的感應線圈。多個具有絕緣的反應室係相同地準備，以用於使用76mm 4H-SiC晶種之SiC昇華結晶生長。於「控制」線圈加熱爐中，線圈軸向長度與反應室軸向長度的比是2.0，而於「新」線圈加熱爐中，線圈軸向長度與反應室軸向長度的比率是3.6。於各加熱爐中執行了用以生長摻雜N的4H-SiC結晶之相同程序。反應室於線圈之軸向長度內係置中，且經RF場對其不有效耦合之材料支撐。

所製造之結晶經切割成片，且該等切片經完全加工成經研磨之晶圓。各晶圓使用一KLA-Tencor CS2雷射光掃描光譜儀系統檢查，該系統係能夠偵測於經研磨之晶圓中的微管(J.Wan,S.-H.Park,G.Chung,and M.JLoboda,「A Comparative Study of Micropipe Decoration and Counting in Conductive and Semi-Insulating Silicon Carbide Wafers,」J.Electronic Materials,Vol.34(10),p.1342(2005))。該量測判定於晶圓上之微管的總計數，並將該值除以總量測面積。於這些量測中，測量了整個晶圓，除了排除掉2mm邊緣。圖5比較與各線圈種類相關之微管密度之分佈。於圖5中，線圈種類「0」是「控制」線圈，而線圈種類「1」是「新」線圈。微管密度的單位是缺陷/cm2。對圖5的檢測揭示了用「新」線圈(比率=3.6)所製造之結晶一致地顯示較低的微管且具有較緊密的分佈。

實例3：使用一傳統線圈以及「新」感應線圈之76至100mm直徑4H-SiC的結晶生長。

相同的真空加熱爐組係各自配有2條不同感應線圈之一者。多個具有絕緣的反應室係相同地準備，以用於使用76mm 4H-SiC晶種 之SiC昇華結晶生長。另一組多個具有絕緣的反應室係相同地準備，以用於使用100mm 4H-SiC晶種之SiC昇華結晶生長。於「控制」線圈加熱爐中，針對76mm生長，線圈長度與反應室長度的比率是2.0，而於「新」線圈加熱爐中，線圈長度與反應室長度的比率是3.6。於「控制」線圈加熱爐中，針對100mm生長，線圈長度與反應室長度的比率是1.6，而於「新」線圈加熱爐中，線圈長度與反應室長度的比率是2.9。反應室於線圈之長度內係置中，且經RF場對其不有效耦合之材料支撐。所有生長之結晶摻雜有對應於0.016至0.028ohm-cm範圍之電阻率的氮。

從各結晶切割下切片並於熔融KOH中蝕刻，以顯露相應於基本、邊緣、及螺旋差排之差排蝕刻坑。差排蝕刻坑的總數係於各晶圓上的9個位置計數，接著將該總計數除以量測面積。圖6顯示蝕刻坑密度值之趨勢，其比較傳統與新RF線圈。

圖6顯示當線圈與反應室長度比率增加時，在4H-SiC結晶、76mm及100mm兩者的蝕刻坑密度有一相關聯之下降。差排降低係一般與生長期間結晶中之降低的應力相關。非均一RF場所導致之寄生溫度梯度之降低將引起結晶生長期間之應力的降低。

實例4：150mm直徑之4H-SiC結晶生長。

一感應加熱爐經建構以支撐至高200mm直徑之結晶之生長。一經絕緣反應室係使用一4H-SiC晶種晶圓來建構，且該設計係對應一約3.5之線圈與反應室的長度比率。所生長為一155mm直徑之經氮摻雜的4H-SiC結晶(6B13470010)。該結晶經切片成晶圓並藉由x-射線拓樸學(x-ray topography)檢查。螺旋差排與基本平面差排計數係於一經切片晶圓上的9個 位置評估。差排密度在各位點藉由將差排計數除以量測面積而經測定。基本平面差排密度係於範圍3.1至6.2×10³/cm²，且螺旋差排密度係於範圍從0.25至3.75×10²/cm²。

應理解的是，本文中所述的程序及技術並非固有地與任何特定設備有關，且可藉由任何適當的組件組合來實施。進而，可根據本文中所述之教示使用不同類型的通用裝置。其亦可證明建構特殊設備以進行本文中所述方法步驟之優點。

已參照特定實例敘述本發明，在任何方面其意為說明性而不是限制性的。所屬技術領域中具通常知識者將理解許多不同的硬體、軟體、及韌體之組合將會適合用於實施本發明。進而，考慮本文中所揭示發明的說明書及實務，其他本發明的實施態樣對所屬技術領域中具通常知識者來說是明顯的。說明書及實例係意欲僅作為例示性，本發明真正的範圍和精神係由如下請求項所示。

105‧‧‧機殼

110‧‧‧罩

111‧‧‧空氣泵

112‧‧‧空氣導管

113‧‧‧艙室蓋

115‧‧‧管狀基座

117‧‧‧頂部高溫計/高溫計

119‧‧‧X-Y平移台

120‧‧‧反應室

123‧‧‧絕緣

125‧‧‧加工艙室的內管/艙室內管/內管

127‧‧‧外套筒

130‧‧‧艙室底

135‧‧‧底部底板/底板

137‧‧‧封件適配器

140‧‧‧圓柱狀RF線圈/線圈

142‧‧‧空氣進氣口

144‧‧‧排氣連接

Claims (15)

1. 一種用於藉由種晶昇華生長來生長半導體結晶之感應加熱爐設備，其包含：一石英真空艙室；一圓柱狀RF感應線圈，其係與該石英真空艙室同軸地定位；一RF電力供應器，其係與該RF感應線圈耦合；一反應室，其經組態用於含置一晶種結晶以及來源材料，該反應室定義一軸向長度，該軸向長度經測量為沿該反應室的旋轉對稱軸之該反應室的高度；一在該室周圍之絕緣層排列，該絕緣層排列經組態用於在該反應室內部產生一熱梯度；一撐體，其用於放置該反應室於該石英真空艙室內部；其中該RF感應線圈係經組態用於當該反應室與該感應線圈同軸地、與該石英真空艙室同軸地、且相對於該線圈之軸向長度靠近該線圈之中心或在該線圈之中心來定位時，在該反應室周圍產生一均一電磁場。
2. 如請求項1之設備，其中沿該旋轉對稱軸測量之該RF感應線圈之高度與該反應室之該軸向長度的比率係從2.5至4.0。
3. 如請求項1之設備，其中沿該旋轉對稱軸測量之該RF感應線圈之高度與該反應室之軸向長度的比率係從2.8至4.0。
4. 如請求項1之設備，其中該反應室與該絕緣係石墨製成。
5. 如請求項1之設備，其進一步包含用於在該石英真空艙室之外壁周圍 的強迫空氣流動之一機制。
6. 如請求項1之設備，其中沿該旋轉對稱軸測量之該RF感應線圈之高度，係小於沿該旋轉對稱軸測量之該石英真空艙室之高度，但比該反應室之該軸向長度更長。
7. 如請求項6之設備，其中該石英真空艙室之該高度與該反應室之高度之比率的範圍從5.9至6.5。
8. 如請求項6之設備，其中該石英真空艙室之該高度與該反應室之高度之比率的範圍從7.1至7.8。
9. 如請求項1之設備，其中該RF感應線圈具有從330至725mm的一內直徑。
10. 如請求項1之設備，其進一步包含定位在該石英真空艙室之外壁上的一水套(water jacket)。
11. 一種用於半導體結晶的物理氣相傳輸法生長(physical vapor transport growth)之設備，其包含：對RF輻射為可透之材料所製成之一圓柱狀真空罩(vacuum enclosure)，該真空罩定義一對稱軸；一反應室撐體裝置，係經組態而使得其不會吸收來自該RF場之能量、且係用於支撐在該真空罩內部之一反應室，而使得該反應室係對該對稱軸軸向置中地定位；一圓柱狀反應室，其具有沿該對稱軸定義之一高度Hcell；一RF線圈，其經提供在該真空罩之外部周圍，環繞該對稱軸而對軸置中，其中該RF線圈係經組態以產生沿至少該高度Hcell之一均一 RF場；以及，一在該室周圍之絕緣排列，該絕緣排列經組態用於在該反應室內部產生一熱梯度。
12. 如請求項11之設備，其中沿該對稱軸測量之該RF感應線圈之高度與該高度Hcell的比率的範圍從2.5至4.0。
13. 如請求項12之設備，其中該RF線圈具有從330mm至550mm的內直徑。
14. 一種用於半導體結晶的物理氣相生長(physical vapor growth)之方法，其包含：放置一晶種以及來源材料於一反應室內部，該反應室具有一高度Hcell，該高度經定義為沿該反應室的對稱軸之高度；提供在該室周圍之一絕緣層排列，該絕緣層排列經組態以在該反應室內部產生熱梯度；放置該反應室於一石英真空艙室內部；在該石英真空艙室內部產生真空；以及，在該真空艙室內部產生一RF場，其中當該反應室被放置在靠近該線圈之中心時，該RF電磁場於至少與該高度Hcell一樣長之一區域係一致。
15. 如請求項14之方法，其中該RF場被製成均一，其藉由將該RF線圈製成具有沿該對稱軸定義之一高度，該高度比該高度Hcell更長從2.6至4.0。