TW202227682A - 用於製備碳化矽單晶的裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於製備碳化矽單晶之器件，其具有爐(401)及帶有坩堝(403)及種晶(405)之腔室(402)，該腔室(402)容納於該爐(401)中，其中含有碳化矽之基礎材料(407)配置於該坩堝(403)中，其中該基礎材料(407)含有碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)之混合物。

Description

用於製備碳化矽單晶的裝置
本發明係關於用於製備碳化矽單晶之器件及方法。
對於許多技術應用而言，單晶現在係以工業規模製備。基於導致晶體之相變，可在自熔體、溶液及氣相之生長之間進行區分。在自氣相生長之情形中，可在昇華及/或物理氣相沈積之製備方法與化學氣相沈積之方法之間進行進一步區分。在物理氣相沈積之情形中，欲生長之物質藉助加熱汽化，使得其轉變為氣相。給定適宜條件，氣體可在種晶上再昇華，由此發生晶體之生長。通常以多晶形式存在之原材料(粉末或顆粒)由此重結晶。化學氣相沈積係以相似方式工作。在此製程中，欲生長之物質至氣相之轉變只能借助該物質自身所化學結合之輔助物質進行，因為否則蒸氣壓將太低。因此，與輔助物質組合達成朝向種晶之較高傳輸速率。
碳化矽單晶引起極大興趣，特定地由於其半導體性質。其製備係在具有坩堝及種晶之爐中實施，其中在坩堝中加熱碳化矽原材料且在種晶上藉助累積進行進一步晶體生長。此外，製程腔室之內部經抽真空。帶有坩堝之最內層製程腔室所用之材料係石墨。碳化矽源材料之狀態對碳化矽單晶之品質具有重要意義。
本發明之目標係克服現有技術之缺點並提供器件，借助該器件更高品質單晶之製備成為可能。
此目標係借助根據申請專利範圍之器件及方法達成。
本發明用於製備碳化矽單晶之器件設計為具有爐及帶有坩堝及種晶之腔室，該腔室容納於爐中，其中含有碳化矽之基礎材料配置於坩堝中，且其中基礎材料含有碳化矽粉末及碳化矽團塊之混合物。
就此而言，若碳化矽團塊之粒度具有在1 mm至10 mm範圍內之值且若碳化矽粉末之粒度具有在150 µm至1000 µm範圍內之值，則係有利的。
根據器件之有利進步，提供為，基於總質量，基礎材料含有混合比率選自在25 wt.%碳化矽粉末對75 wt.%碳化矽團塊與55 wt.%碳化矽粉末對45 wt.%碳化矽團塊之間之範圍的碳化矽粉末及碳化矽團塊。
若基於總質量，基礎材料含有混合比率為40 wt.%碳化矽粉末對60 wt.%碳化矽團塊之碳化矽粉末及碳化矽團塊，則係特別有利的。
亦有利的係，基礎材料之碳化矽具有大於5N之材料純度。
根據較佳實施例，提供為，基礎材料在基礎材料高度之不同範圍內具有碳化矽粉末及碳化矽團塊之不同混合比率。
就此而言，若在基礎材料高度之第一、下三分之一中，以選自55%碳化矽粉末對45%碳化矽團塊與70%碳化矽粉末對30%碳化矽團塊之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末及碳化矽團塊，證明係特別有利的。
且進一步，若在基礎材料高度之第二、中三分之一中，以選自40%碳化矽粉末對60%碳化矽團塊與55%碳化矽粉末對45%碳化矽團塊之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末及碳化矽團塊。
若在基礎材料高度之第三、上三分之一中，以選自25%碳化矽粉末對75%碳化矽團塊與40%碳化矽粉末對60%碳化矽團塊之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末及碳化矽團塊，亦係有利的。
根據替代進步，提供為，基礎材料係以丸粒形式製備。
其中除碳化矽外基礎材料含有元素矽、尤其若含有呈矽粉末形式之元素矽之實施例亦係有利的。
其他有利進步提供為，元素矽以一或多個儲存器之形式形成基礎材料。
若具有元素矽之儲存器形成為連續環，則係特別較佳的。
若元素矽構成基礎材料總質量的5 wt.%至50 wt.%範圍內之比例，則係特別有利的。
器件之替代設計提供為，形成用於粉末元素矽之儲存容器及引導至坩堝之進料管線。
若坩堝係由石墨製成，則亦係有利的。
首先，應注意的係，在所闡述之不同實施例中，相同部分提供有相同參考編號及/或相同組件名稱，其中包含在整個說明書中之揭示內容可類似地轉移至具有相同參考編號及/或相同組件名稱之部分。此外，在說明書中所選位置之規範(例如在頂部、在底部、在側面)參考直接闡述及繪示之圖且在位置改變之情形中，該等位置規範將類似地轉移至新的位置。
圖1顯示用於藉助物理氣相沈積製備單晶之爐401。爐401包含可抽真空之腔室402，其中坩堝403容納於其中。坩堝403設計為基本上罐形，其中上端區域由蓋404封閉。就此而言，坩堝403之蓋404的底部側經構形以緊固種晶405。在坩堝403之底部區域406中，存在基礎材料407，該基礎材料用作在種晶405上晶體生長之原材料且在製備製程期間逐漸消耗。
基礎材料407至氣相之轉變係藉由借助加熱器408加熱達成。根據此實例性實施例，基礎材料407及坩堝403藉助加熱器408之加熱係以感應方式實施。此外，配置於腔室402中之坩堝403由絕緣材料409包封用於熱絕緣。藉助絕緣材料409，同時防止坩堝403之熱損失，並在坩堝403內部達成有利於晶體在種晶405上之生長過程之熱分佈。
腔室402之材料較佳係玻璃材料、尤其石英玻璃。坩堝403及環繞其之絕緣材料409較佳由石墨組成，其中絕緣材料409係由石墨氈形成。
由於基礎材料407之原子及/或分子因基礎材料407之加熱而轉變為氣相，因此原子及/或分子可擴散至坩堝403內部之種晶405並在其上累積，從而發生晶體生長。在此製程中，以形成儘可能不含雜質之單晶為目標。在種晶405上所形成晶體之品質取決於基礎材料407與種晶405之間之溫度梯度以及基礎材料407之汽化速率。後者進而取決於在坩堝403中所提供基礎材料407之原材料的形式。就此而言，若基礎材料407係由粉末狀原材料及以團塊形式存在之原材料之混合物形成，則證實係有利的。
圖2顯示根據圖1之爐401之坩堝403的細節。在此實例性實施例中，提供碳化矽作為基礎材料407之原材料。就此而言，基礎材料407之碳化矽包含團塊410及粉末411二者。就此而言，碳化矽之團塊410及粉末411鬆散地分層於坩堝403之底部區段406中。如根據圖2之影像中所示，粉末411及團塊410係作為混合物存在。若在底部區段406之不同高度範圍內，基礎材料407以團塊410及粉末411之不同混合比率存在，則此處證實係有利的。
碳化矽單晶之製備製程在爐401中之持續時間通常持續數天。就此而言，基礎材料407之原材料的消耗亦取決於由加熱器408在基礎材料407中所產生之溫度分佈，其中原材料之汽化速率可在製程之持續時間內相應地改變。此係由於基礎材料407之初始鬆散分佈的原材料之粒子因表面熔化而逐漸壓實。碳化矽團塊410及碳化矽粉末411在由其填充之底部區段406之不同填充範圍及/或不同高度範圍中之不同混合比率可有助於在整個結晶製程之相應長持續時間期間儘可能穩定之汽化速率。團塊410及粉末411之混合比率甚為重要，此乃因原材料之粉末411與大的表面積同義且因此汽化速率高，與此同時，總表面積較小之團塊410導致較低汽化速率。
在根據圖2之實例性實施例中，團塊410及粉末411以不同混合比率分層直至高度412。就此而言，在基礎材料407之高度412之第一、下三分之一中含有55重量%至70重量%之比例之碳化矽粉末411。與此相應互補地，在高度412之下三分之一中含有30%至45%之比例之碳化矽團塊410。在基礎材料407之高度412之第二、中三分之一中，含有40 wt.%至55 wt.%之比例的粉末411且以相應地互補比例含有45 wt.%至60 wt.%之團塊410。最後，在基礎材料407之高度412之第三、上三分之一中，含有25%至40%之比例的粉末411且與此互補的，含有60%至75%之碳化矽團塊410。
碳化矽粉末411之粒度具有在300 µm與1000 µm間之範圍內的值。碳化矽團塊410之粒度具有在1 mm與5 mm間之範圍內的值。就此而言，進一步提供為，使用高純度之碳化矽。對於碳化矽團塊410及粉末411二者，提供大於5 N之材料純度。
基於在製程開始時填充於坩堝403之底部區域406中之整體基礎材料407的總質量，提供40 wt.%碳化矽粉末411對60 wt.%碳化矽團塊410之混合比率之碳化矽粉末411及碳化矽團塊410。然而，在25 wt.%碳化矽粉末411對75 wt.%碳化矽團塊410直至55 wt.%碳化矽粉末411對45 wt.%碳化矽團塊410之變化範圍內的混合比率亦係適宜的。
圖3顯示根據圖1用於製備單晶之器件的第二實例性實施例。在其中，再次僅顯示具有底部區段406之坩堝403之細節。在此情形中，填充於坩堝403之底部區域406中之碳化矽混合物的基礎材料407係由丸粒413形成。該丸粒413之基礎材料407亦係由碳化矽粉末411及碳化矽團塊410之混合物組成。正如在根據圖2之實例性實施例中，提供團塊410及粉末411之混合比率在高度412之進展上的可變分佈。為製備丸粒413，在在先製備製程中將碳化矽團塊410及碳化矽粉末411壓製成壓實體。亦可實施基礎材料407之碳化矽混合物之熱處理(燒結製程)以製備丸粒413。
圖4顯示根據圖1用於製備單晶之器件之第三實例性實施例。就此而言，基礎材料407之碳化矽團塊410及碳化矽粉末411的混合物另外含有元素矽414。該矽414較佳以細粒度顆粒及/或粉末之形式混合於基礎材料407中，且亦具有高材料純度。元素矽414較佳具有大於5 N之材料純度。藉由將矽414添加於基礎材料407，可平衡及/或補償在結晶製程之持續時間內在基礎材料407之碳化矽混合物中產生之矽缺陷。在此實例性實施例中，元素矽414所構成基礎材料407之總質量的重量比例具有在5 wt.%與50 wt.%間之範圍內之值。此較佳在其高度412之第二、中三分之一及第三、上三分之一中混合於基礎材料407中。
圖5顯示具有坩堝403之爐401的第四實例性實施例。坩堝403在其底部區段406之容納空間形成體積，該體積基本上關於軸415及/或圓柱體旋轉對稱。此外，基礎材料407係由丸粒413形成，該丸粒係由碳化矽之團塊410及粉末411製成。另外，具有元素矽414之儲存器416及/或貯器形成及/或圍封於丸粒413之體積中。丸粒413中之儲存器416較佳含有粉末狀矽414。添加至丸粒413之矽414的數量較佳以環狀連接儲存器416之形式圍封於該丸粒中。矽414之體積可例如以環及/或環面之形式儲存於基礎材料407之丸粒413中。
圖6顯示用於製備碳化矽單晶之器件之其他替代實例性實施例。就此而言，爐401之影像僅顯示其坩堝403及另外用於粉末狀及/或顆粒狀矽414之儲存容器417。以已經借助圖2闡述之相同方式，在此實例性實施例中，基礎材料407初始同樣係由碳化矽之團塊410及粉末411的混合物形成，且此混合物鬆散地灌注及/或分層於坩堝403之底部區段406中。由於具有元素矽414之儲存容器417之配置，在結晶製程之過程期間，除碳化矽以外，亦可將不同相之元素矽414供應至基礎材料407。出於此目的，將進料管線418提供於配置在坩堝403外部之儲存容器417與坩堝403之內部之間，藉助該進料管線418輸送矽414。此可例如藉助螺旋輸送機(未顯示)進行，該螺旋輸送機將矽414進給至管線418及/或通過其輸送矽414。
實例性實施例顯示可能的實施例變化形式，且為此應注意，本發明並不限於本發明之該等特定圖解說明之實施例變化形式，而是個別實施例變化形式之各種組合亦係可能的，且此變化之可能性由於本發明所提供之技術動作之教示而在熟習此技術領域之技術者之能力範圍內。
保護範圍係由申請專利範圍決定。然而，應引用說明書及附圖來解釋申請專利範圍。來自所顯示及闡述之不同實例性實施例之個別特徵或特徵組合可代表獨立的創造性解決方案。獨立之發明解決方案所基於之目標可自描述中得出。
在本說明書中關於值範圍之所有指示應理解為使得該等亦包含來自其之隨機及所有部分範圍，例如，指示1至10應理解為使得其包含基於下限1及上限10之所有部分範圍，即，所有部分範圍均以1或更大之下限開始且以10或更小之上限結束，例如1至1.7、或3.2至8.1或5.5至10。
最後，作為形式問題，應注意，為易於理解結構，元件部分地未按比例繪示及/或放大及/或縮小尺寸。
401:爐 402:腔室 403:坩堝 404:蓋 405:種晶 406:底部區域/底部區段 407:基礎材料 408:加熱器 409:絕緣材料 410:碳化矽團塊/團塊 411:碳化矽粉末/粉末 412:高度 413:丸粒 414:元素矽/矽/粉末狀矽 415:軸 416:儲存器 417:儲存容器 418:進料管線/管線
出於更好地理解本發明之目的，將藉助下圖更詳細地說明。 該等分別以極簡化之示意圖顯示： 圖1   用於藉助物理氣相沈積製備單晶之器件； 圖2   根據圖1之器件之坩堝的細節； 圖3   用於單晶製備之器件的第二實例性實施例，其中基礎材料形成為丸粒； 圖4   用於單晶製備之器件的第三實例性實施例； 圖5   用於單晶製備之器件的第四實例性實施例； 圖6   用於單晶製備之器件的第五實例性實施例。
401:爐
402:腔室
403:坩堝
404:蓋
405:種晶
406:底部區域
407:基礎材料
408:加熱器
409:絕緣材料
412:高度

Claims (18)

  1. 一種用於製備碳化矽單晶之器件，其具有爐(401)及帶有坩堝(403)及種晶(405)之腔室(402)，該腔室(402)容納於該爐(401)中，其中含有碳化矽之基礎材料(407)配置於該坩堝(403)中，其特徵在於該基礎材料(407)含有碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)之混合物。
  2. 如請求項1之器件，其中該等碳化矽團塊(410)之粒度具有在1 mm至10 mm範圍內之值。
  3. 如請求項1之器件，其中該碳化矽粉末(411)之粒度具有在300 µm至1000 µm範圍內之值。
  4. 如請求項1至3中任一項之器件，其中基於總質量，該基礎材料(407)含有混合比率選自介於25 wt.%碳化矽粉末(411)對75 wt.%碳化矽團塊(410)與55 wt.%碳化矽粉末(411)對45 wt.%碳化矽團塊(410)之間之範圍的碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)。
  5. 如請求項4之器件，其中基於總質量，該基礎材料(407)含有混合比率為40 wt.%碳化矽粉末(411)對60 wt.%碳化矽團塊(410)之碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)。
  6. 如請求項1至3中任一項之器件，其中該基礎材料(407)之該碳化矽(410、411)具有大於5N之材料純度。
  7. 如請求項1至3中任一項之器件，其中該基礎材料(407)在該基礎材料(407)之高度(412)之不同範圍中具有碳化矽粉末(411)對碳化矽團塊(410)之不同混合比率。
  8. 如請求項7之器件，其中在該基礎材料(407)之該高度(412)之第一、下三分之一中，以選自介於55%碳化矽粉末(411)對45%碳化矽團塊(410)與70%碳化矽粉末(411)對30%碳化矽團塊(410)之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)。
  9. 如請求項7之器件，其中在該基礎材料(407)之該高度(412)之第二、中三分之一中，以選自介於40%碳化矽粉末(411)對60%碳化矽團塊(410)與55%碳化矽粉末(411)對45%碳化矽團塊(410)之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)。
  10. 如請求項7之器件，其中在該基礎材料(407)之該高度(412)之第三、上三分之一中，以選自介於25%碳化矽粉末(411)對75%碳化矽團塊(410)與40%碳化矽粉末(411)對60%碳化矽團塊(410)之間之範圍的混合比率含有碳化矽粉末(411)及碳化矽團塊(410)。
  11. 如請求項1至3中任一項之器件，其中該基礎材料(407)係以丸粒(413)之形式製備。
  12. 如請求項1至3中任一項之器件，其中除該碳化矽以外，該基礎材料(407)含有元素矽(414)。
  13. 如請求項12之器件，其中含有呈矽粉末(411)之形式之該元素矽(414)。
  14. 如請求項12之器件，其中該元素矽(414)係形成為呈一或多個儲存器形式之該基礎材料(407)。
  15. 如請求項12之器件，其中具有該元素矽(414)之儲存器係形成為連續環。
  16. 如請求項12之器件，其中該元素矽(414)構成該基礎材料(407)之總質量的5 wt.%至50 wt.%範圍之比例。
  17. 如請求項12之器件，其中形成用於該粉末元素矽(414)之儲存容器(417)及引導至該坩堝(403)之進料管線(418)。
  18. 如請求項1至3中任一項之器件，其中該坩堝(403)係由石墨製成。
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