TW552325B - Method and apparatus for growing silicon carbide crystals - Google Patents

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552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 五、發明說明（1) 發明範疇 本發明與高溫生長的大型單結晶有關，尤其，本發明與 用來生長高品質單結晶碳化矽的方法及裝置有關。 發明背景 碳化矽是一種作為半導體材料使用的永久性合格材料。 碳化$夕具有寬帶隙、低介電常數，並且在比其他半導體材 料更高的溫度下仍然穩定，諸如矽在該溫度下會處於不穩 定狀態。這些特徵造成碳化矽具有優異的半導體性質。與 由諸如矽之類常用之半導體材料所製成的裝置相比，可預 期由碳化矽所製成的電子裝置尤其可在更高溫、更快速及 更高幅射密度下執行。 熟知的固態物理及半導體特性證明半導體材料必須具有 有利於作為製造電子裝置之材料的特定特性。在許多應用 中，所需要之單結晶必須具有較少的晶格瑕疵程度，以及 較少的不良化學及物理雜質程度。如果無法控制雜質，該 材料通常不適合在電子裝置中使用。既使是純材料，有瑕 苑的晶格結構也使該材料成為不能使用。 除了電氣性質以外，碳化矽還具有其他較佳的物理特 性，其非常堅硬，視多晶形物（即原子配置）及結晶方向而 定，其具有8. 5到9. 25 Mohs硬度。相比之下，鑽石具有 1 0 Mohs硬度。碳化矽非常光亮，視多晶形物而定，其具 有2. 5到2. 7 1的折射係數。相比之下，鑽石具有2 . 4折射 係數。另外，碳化矽是強韌又非常穩定的材料，在空氣中 可加熱到2 0 0 0 °C以上而不會發生損壞。這些物理特性使得 碳化矽成為天然寶石的理想代用品。碳化矽作為寶石使用

O:\66\66751-910430.ptc 第4頁 552325 .1^89121008 #：_Ά 曰 修正 五、發明說明（2) 揭露於美國專利案號 Hunter 等人 。 因此，並因為碳化 段時間，所以已有許 技術。這些技術一般 需要作簡單分類。第 中將反應劑與氣體加 與氣體會在適當基材 生長碳化矽結晶的 「昇華」定義所述， 材料’將其加熱至固 化砍原材料凝結在諸 產生所需的結晶多晶 實際生產有用的較 1 9 5 0 年，作者 j. A. Le 般觀點看，L e 1 y的技 槽加熱至内部碳化矽 向沿槽的内壁沉積。 L e 1 y的技術經過數 專利案號3，2 2 8，7 5 6 ( 華生長技術，利用碳 石夕生長成結晶。Herg 好，種籽結晶必須加 如此，種籽結晶在溫 Ozarow，美國專利 5，723, 391 及案號 5, 762, 896，作者為 矽的 多研 分成 一種 入系 生長 其他 昇華 體碳 如種 型物 佳結ly， 術讓 昇華 物理 究者 兩大 技術 統中 碳化 主耍 技術 化矽 籽結 〇 晶的 美國 碳化 特性及潛在用途已被公認一 提出一些製造碳化矽結晶的 然明白某些技術並不 學汽沉積（CVD)，其 系統内，該等反應劑 類，雖 稱為化 ’在該 石夕〇 方法通 通常使 昇華。 晶之類 常稱為昇華技術。如 用某種固體碳化矽原 然後，將蒸汽化的碳 的基材上，利用凝結 第一種昇華技術之一揭露於 專利案號2, 8 54, 3 64。從一 矽原材料與碳槽内面接觸。 後凝結，再結晶碳化矽會傾 位研究者改善。Hergenrother，美國 「Hergenrother’ 756」）討論其他昇 化矽種籽結晶，在其上凝結其他碳化 enrother’756’建議，為了促進良 熱至一適當溫度，一般超過2000 °C ， 度1 8 0 0至2 0 0 0 °C之間的期間最短。 案號3,236, 780(0zarow’780’ ）討論其

O:\66\66751-910430.ptc 第5頁 552325 _案號 89121008 _年月日__ 五、發明說明（3) 、 他未加晶種式昇華技術，其利用碳槽内襯碳化矽，

Ozarow’ 7 80 ’嘗試建立槽内襯的内部與外部之間徑向溫度 梯度。

Knippenberg-美國專利案號3, 615, 930 (Knippenberg’930’）&3,962,406(Knippenberg，406，）_ 討論生長較佳形狀碳化石夕的取代方法。K n i p p e n b e r g ’ 9 3 0 ’ 討論生長p-n接合碳化矽如由昇華生長的結晶。根據本專 利的討論’碳化矽在含移植型摻染原子的惰性氣體的密閉 空間中加熱。然後將摻染物質排出槽外，再加熱槽中積留 的接收體摻染劑。本技術的目的要造成鄰近結晶部份具有 反向導電性形式因而形成ρ-η接合。

Knippenberg’ 4 0 6’專利討論三步驟形成碳化矽的處理程 序，其中二氧化矽芯由粒狀碳化矽或製成碳化矽的物質完 全封裝。系統加熱至二氧化矽芯周圍形成碳化矽殼的溫 度，繼續加熱至碳化矽殼内的二氧化矽蒸發，系統繼續加 熱以利於成碳化矽内的碳化矽進一步成長。

Vodakov，美國專利案號4, 1 47, 5 7 2討論幾何導向昇華技 術其中固體碳化矽原材料及種籽結晶係平行相鄰配置。

Addamiano ，美國專利案號4,556,436(Addamiano’436’） 討論一種Le 1 y型加熱爐系統用於在碳化矽上形成召碳化 矽其特徵為急速泠卻從昇華溫度2 7 0 0 °C至2 3 0 0 °C之間降至 低於1 8 0 0 °C。Addamiano’ 4 3 6，說明大的單晶（/3 )碳化矽根_ 本沒有而碳化石夕或其他物質如矽或鑽石的生長非常困難。

Hsu，美國專利案號4, 664, 944，討論一種流動床技術用 於形成碳化矽結晶，即與一種化學汽沉積技術相似使用非

O:\66\66751-910430.ptc 第6頁 552325 修正 一案號 89121008 五、發明說明（4) 碳化石夕反應物質，但包括碳化矽粒在流動床上，因而有點 像昇華技術。 曰，門子公司，德國專利案號3，2 3 〇，7 2 7討論一種碳化矽 昇華技術其中強調的是減少碳化矽種籽與碳化矽原材料之 。間的溫度差。本專利建議限制溫度降每公分距離不超過2 〇 C ’距離係指反應槽内碳化矽種籽與碳化矽原材料之間的 距離。本專利也建議系統的總壓力維持在1至5mbar之間的 範圍内及較理想為丨· 5至2· 5mbar。

Davis ’ 美國專利案號Re. 34, 8 6 1 (Davis，，861，）討論一 種產生^裝置品質單結晶碳化矽的方法。本專利提出一種 加強$昇華方法並維持源物質的多晶形物的成分及尺寸分 佈不變°本專利也討論種籽結晶及生長表處理及控制碳化 石夕種籽與碳化矽原材料之間的熱變化。

Barrett ’ 美國專利案號5, 74 6, 8 27 (Barrett，82 7,）討論 種產生大直徑碳化石夕結晶需要二生長步驟。第一生長步 驟係絕熱生長種籽結晶至較大直徑。第二生長步驟為在熱 變化條件下種籽結晶生長成大直徑晶石。

Hopkins ’ 美國專利案號 5,873,937(H〇pkins，937，）討論 一種方法用於生長4 Η碳化矽結晶。本專利教導一種物理汽 輸送jPVT)系統其中結晶表面溫度維持小於2丨6〇及減少 PVT系統内壓力以補償較低的生長溫度。 曰Kjtoh ’美國專利案號5, 8 9 5, 5 2 6 (Kit〇h，5 2 6,）教導一種f 昇華方法用於生長一單結晶碳化矽結晶其中昇華源物質流 動與單晶基材的表面平行。 雖然過去幾年來已有重大的進步，碳化矽結晶的生產的

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552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 五、發明說明（5) 重要商業目標仍然存在尚未達成。例如，己研發的快速且 功能更強大的裝置，其需要大型碳化矽結晶，維持或提高 目前結晶的品質。足夠生產直徑50腿碳化碎晶圓的晶石為 目前商用可見到的碳化矽結晶生產的極限。良好品質的直 徑7 5腿晶圓已經展示但尚未量產，而且已有直徑1 0 0腿晶 圓的需求。許多碳化石夕結晶的生產技術完全無法以經濟且 一致方式來生產所需的尺寸及品質的結晶。大部份結晶生 產技術無法跟上商業要求的主要原因在於碳化矽的化學性 質。 碳化矽昇華及結晶的化學性導致己知碳化矽生長結晶的 方法成為困難，既使是成功完成。結晶過程的化學反應具 關鍵性又複雜，昇華汽中太多或太少矽或碳造成不良的多 晶形物或瑕疯例如微管。 同樣地，高操作溫度（一般為2 1 0 0 °C以上）及結晶生長系 統中所需的反應溫度差造成重大的操作困難。大部份昇華 系統利用的傳統石墨昇華容裝置有紅外線照射根據昇華容 器表面特性為.8 5至.9 5入等級。種籽結晶對紅外線照射熱 感應。所以，石墨昇華容器發射的紅外線光可能使種籽結 晶過熱導致昇華操作所需的溫度複雜化。 近年來，L i n k 〇 p i n g大學的碳化石夕組發表稱為高溫化學 汽沉積（’ Η T C V D ’）的生長碳化石夕技術，論文由0 . K 〇 r d i n a 及同僚撰寫，於1995年日本京都舉行的「國際碳化矽及其 相關材料會議」發表。也參考0. Kordina及同僚所著「應 用物理學論文」，1 4 5 6 ( 1 9 9 6 )。在此技術中，用諸如矽烷 之類的氣體來取代固體矽原材料。使用氣體原材料改善化

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案號 89121008 五、發明說明（6) 然 理論 义、，，只π /心礼肢艰狄丨u吵晶石蜱 ^ 生長。不幸，Η T C V D技術不能證明晶石生長的 、、只及延長 - 的商業利用， 在此特 學反應的控制。固體碳原材料也可用氣體取代如 而，本技術中利用的大部份碳係來自坦堝的石累丙燒 上，這種技術利用連續供應氣體讓碳化矽晶石$壁° 另外 主要因為反應破壞製程中使用的石墨坩堝 別製程中加入碳氫氣體導致產生外包碳化；g夕的^ 效率減少及S i與C連結改變系統的化學反應平衡1小滴造成 也許碳化矽生長的最困難點是矽在高溫時的' ° 與大部份昇華製程使用的石墨容器產生反應^性。矽 用的鼓勵，如上所述。這種反應很難控制及通某些應 的矽或太多的碳在系統内，導致不良改變处a 成太多 平衡。另外，矽侵蝕石墨容器壁造成損壞及甚1贫的化學 結晶。 產生碳灰污染 欲解決這些問題，一些研究者已經評估昇華/ 钽，如於1 9 9 5年9月日本京都第六届國際碳化秒糸^中使用 A. Vodakov及同僚發表的「使用钽容器材料利用議」Yu， 生長高品質的碳化矽結晶」，。一些研究者的立Γ華技術 J思見，飽的 存在有助於理想結晶生長的所需的化學平衡。這種咅見受 到論文的支持，昇華容器含钽較不易受反應矽侵蝕Γ ^ 在有關的應用中，W097/27350(Vodakov’350’）發表的技 術與美國專利案號4，1 4 7，5 7 2相似，並說明矽侵蝕昇華系 統的構造物件的問題。V 〇 d a k 〇 v ’ 3 5 0 ’說明一幾何導向昇華 技術其中固體矽源物質與種籽結晶相鄰平行放置。 Vodakov’350’的组容器内表面如上述為一種组，矽及碳合 金，1 1頁26行至1 2頁1 0行，Vo da kov申明該容器抗矽汽侵

O:\66\66751-910430.ptc 第9頁 552325 _案號 89121008_年月日__ 五、發明說明（7) 蝕及有助碳化矽良好生長。 不過，鈕的成本是昇華方法利用Vodakov所述容器的一 個缺點。固體钽製成的昇華容器非常貴而且與其他所有的 容器一樣最後會失效，長期使用不經濟。固體鈕製成的昇 華容器也不易加工。實際製作那樣一個容器是一件不簡單 的工作。最後，Vodakov’ 3 5 0’昇華方法具有其他固體源昇 華技術同樣的缺陷即不能有效產生大’南品質晶石供最新 發明的應用。 所以，需要一種提供控制、延長及可重複生長高品質碳 化矽結晶的方法。這種系統必須提供能耐矽侵蝕的容器。 這種系統也必須以經濟方式來實施及使用。 發明的目的及總結 因此，本發明的一項目的是提供一種用來控制、延長及 可重複生長所需之多晶形物之南品質碳化碎結晶的方法及 裝置。 本發明的’進一步目的是提供一種藉由控制結晶生長過程 化學計量來生長高品質碳化矽單結晶的方法。 本發明的進一步目的是提供一種藉由控制結晶生長過程 溫度來生長高品質碳化矽單結晶的方法。 本發明的進一步目的是提供一種藉由減少或消除系統 物理成分劣化引起的雜質來生長高品質碳化矽單結晶的方 法及裝置。 本發明還有進一步目的是提供一種生長抗石夕蒸汽反應 之碳化矽結晶的系統。 本發明*--種用於生長南品質碳化碎早結晶供製造電子

O:\66\66751-910430.ptc 第10頁 552325 案號 89121008 Λ月 修正 五、發明說明（8) 設備中使用並作為寶石使用的方法及裝置符合這些目的。 尤其，本發明包括將所需之多晶形物碳化矽單結晶種籽結 晶、碎源及碳源加入碳化碎結晶生長糸統中’該碳化碎結 晶生長系統通常包括一坩堝及一熔爐。然後，將矽源及碳 源的溫度升高到足以形成含有碳及矽之蒸汽的溫度。將種 籽結晶的溫度升高至接近但低於碳及矽蒸汽化溫度，並且 但低於碳源及矽源之溫度且低於在碳化矽結晶生長系統在 坩堝内氣體壓力條件下碳化矽昇華的溫度，以此方式在坩 堝内產生溫度梯度。 在坩堝内產生並維持適當流量的汽化物質，包含自矽 源及碳源衍生的碳及矽。將氣體流持續加入種籽結晶的生 長表面一段時間，直接足以在巨觀下產生需要量的肉眼可 見的單結晶碳化石夕，同時大致上防止石夕含有任何會與加入 之碳源以外的周圍環境反應之物質。 在考慮下列本發明的詳細說明及參考較佳具體實施例 的附圖即可明白本發明的前述及其他目的、優點及特徵， 及實現本發明目的、優點及特徵的方法，其中： 圖式簡單說明 圖1為根據本發明結晶生長系統的示意圖。 圖2為根據本發明申請範圍的方法使用的供應氣體昇華 系統的斷面圖。 詳細說明 因為熟知技藝人士很容易明白，下列揭露實際上很容易 配合及併入所有已知之製造碳化矽結晶的方法，因此，下 列詳細說明將以本發明的一般討論開始。之後的其他的具

O:\66\66751-910430.ptc 第11頁 552325 案號 89121008

_E 曰 修正 五、發明說明（9) 體實施例則是展示本發明的多樣性。 本發明一項較佳具體實施例為一供氣昇華 其中矽源及碳源為氣體。將氣態矽源及碳源 以利於氣態矽源及碳源在反應室中以高溫反 2 0 0 0 °C )，以產生含有矽及碳的蒸汽化物質< 外，該物質一般包括碳化矽，S i2C及碳化矽2 化物質在所需的多晶形物單結晶種籽結晶上 系統如圖1所示。 圖1的G F S系統包括一坩堝1 0。應明白，坩 密閉的結構，其類似於碳化矽昇華技術中通 式。參考 Barrett’827’ 的 竭 12 ; Hopkins 室10 ;及Davis’861’的圖1，4, 5及6所示的坩 限於，本發明的範例。這些參考也說明本技 昇華成長有許多變數。所以，本文除了本發 詳細解釋。坩堝1 〇 —般為圓筒型及包括一圓 表面12及内表面13。圓筒壁11為石墨製成外 化矽昇華溫度的材料。包覆材料也具呈化學 及氫該在溫度下反應。金屬碳化物並且尤其 給、銳、鈦、錯、鶴暨鈒，以及其混合物具 需的特性。金屬氮化物並且尤其是氮化钽、 锆、鎢暨釩，以及其混合物具有包覆材料所 外，如前述所列之金屬碳化物及金屬氮化物 作為包覆材料物質使用。為了容易討論及參 明將談論金屬碳化物，然而應明白本文討論 同樣適用於金屬氮化物包覆材料。 (GFS)系統， 加入反應室， 應（通常高於 ，除了矽及碳 。然後，蒸汽 面沉積。這種 堝1 0大體上是 常使用的型 ’9 3 7’的生長 堝作為，但不 藝中普遍了解 明特徵外不作 筒壁1 1具有外 覆熔點超過碳 惰性不會與矽 是碳化鈕、 有包覆材料所 铪、銳、鈦、 需的特性。另 的混合物可以 考，以下的說 的觀念及原理

O:\66\66751-910430.ptc 第12頁 552325 __案號 89121008_年月日_i±±_ 五、發明說明（10) 本文說明的所有例子，曝露於源物質的石墨組件均包覆 一層金屬碳化物膜。金屬碳化物膜可用任何現有商業包覆 材料方法完成例如Ultramet Corporation of Pacoima， California 或Advance Ceramics Corporation of Lakewood， Ohio, 所提供的方法。另外，本文所說的石墨 組件使用的石墨須具有與所選擇的金屬碳化物大約相同的 熱膨服係數。該種材料市場上已有出售。相當接近的熱膨 服係數係為加熱至特別高溫材料的特別要求。如此，在生 長過中石墨或金屬碳化物膜破裂會大幅減少及坩堝的壽 命增加。 圓筒壁11 内部1 8源氣 體物質在進 接近反應溫 應。同心源 具體實施例 及内源氣體 在標準昇 明的金屬碳 種情況上仍 部份所需的 源氣體包括 Cg碳氮化合 流也包括一 適當的石夕 體通路供 入反應區 度有助於 氣體通路 中，外源 通路1 8供 爭糸統中 化物m消 由包覆材 碳從外部 任何碳氫 物及特別 或更多栽 源氣體包 的反應區總稱為1 4。同心 應源氣體物質至反應區1 4 1 4之前能混合，各源氣體 防止矽源氣體與碳源氣體 隔開直到源氣體進入反應 氣體通路1 6供應碳源氣體 應矽源氣體。 ’掛堝的石墨壁作為碳源 除造種碳源出現，雖然存 料的石墨作為系統的碳源 來源供應，例如碳源氣體 化合物能與S i反應成為碳 乙稀（c2 H4)適合本發明使用 體氣體例如He或H2。 括任何與現有碳反應成碳 的外部1 6及 。雖然源氣 分開加熱至 產生副反 區1 4。在一 至反應區1 4 使用。本發 在，但在某 。所以，大 。適當的碳 化矽。C2至 。碳源氣體 化矽的氣

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552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 五、發明說明（11) 體。矽烷（S i H4)為最有名的可能矽源氣體及適合本發明使 用。其他適合的矽源包括氯矽烷（Si H4-xClx)及曱基氯矽烷 (C H3碳化矽13)。氯矽烷需要H2反應。矽源氣體流也包括適 當載體氣體如He。 一種籽結晶22固定在種籽架20上面及降下放入反應區 1 4。源氣體反應生成碳化矽蒸汽，最後沉積在種籽結晶2 2 上面形成晶石2 4。可以相信，至少一部份碳化矽首先沉積 在内表面1 3，然後昇華再凝結在生長表面（種籽結晶2 2或 晶石2 4 )。在大部份的情況下，種籽結晶2 2，較理想，為 與要求生長相同多晶形物碳化矽。 源氣體成分在生長過程中可以保持不變或根據結晶生長 系統所需的化學平衡、結晶型式及物理性質而變化。 熟悉固體、液體及氣體物理化學者明白，在大部份情況 下結晶生長傾向在一表面生長如果該表面溫度低於載運凝 結分子或原子的流體（氣體或液體）溫度。GFS系統沒有例 外。生長表面與源物質之間有愁梯度。雖然，熱梯度的確 實尺寸會根據系統壓力、所需的多晶形物、源氣體成分等 而改變，下列一般原理通常適用於各種碳化矽結晶生長方 法，包括GF S系統。矽源及碳源溫度必須升高至足以產生 汽化物質的溫度，雖然結晶生長表面溫度要接近矽源及碳 源溫度，但要矽源及碳源溫度及低於在使用的壓力條件下 碳化矽昇華比沉積快的溫度。 1

如上述，已知系統要決定適當溫度梯度有許多變數。不 過，系統如圖1所示已經證明操作良好的種籽溫度約為 1 9 0 0 °C至2 5 0 0 °C之間，及反應區内壁約比種籽熱約1 5 0 °C

O:\66\66751-910430.ptc 第14頁 552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 五、發明說明（12) 至2 0 0 °C。系統的最大生長率尚待決定。己知較高溫度導 致較快的生長率。較高溫度，不過，會造成種籽昇華，因 而改變系統平衡及需要額外源氣體及其他必要的調整。 圖1的GFS系統證明產生很大高品質碳化矽結晶的能力。 更重要，圖1的GF S系統證明抵抗最終破壞坩堝的矽成分侵 蝕的能力。一試驗石墨坩堝外覆厚度約30/zm的TaC膜在 簡陋的環境中經過一結晶生長期而無影響。只在幾次操作 後出現裂縫，通常發生在金屬碳化物包覆材料較少的銳角 處。不過，既使包覆材料破裂結晶生長系統也沒有通常因 石墨坩堝本體受損產生的碳灰。 這種令人驚奇性質的說明尚未完全明暸。雖然發明者不 願受任何特別理論限制，一種可能的解釋為未包覆材料石 墨受S i侵蝕，S i主要侵蝕石墨的衰弱部份，如，在粒的周 圍滲透進入孔内。S i形成碳化矽昇華後作為揮發物質而消 失。最後S i完全侵蝕石墨粒周圍留下粒子成為碳灰。可以 相信，金屬碳化物包覆材料滲透深入石墨孔導致S i侵蝕石 墨的狀況較均勻，因而避免產生碳灰。 令人驚奇，石墨坩堝一旦包覆金屬碳化物膜既使大部份 脫落後仍能防止產生碳灰。所以，本發明的另一具體實施 例為一 G F S系統包括一石墨掛禍一度包覆一層金屬碳化物 膜但使用後損失部份或全部金屬碳化物膜。這種系統能生 產品質碳化石夕結晶並無碳灰污染。 另外，圖1的GF S系統證明提供改善結晶生長系統内溫度 梯度控制的能力。如前述，種籽結晶對紅外線照射敏感及 石墨具有紅外線放射率根據石墨表面而約為· 8 5至· 9 5之

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O:\66\66751-910430.ptc 第15頁 552325 案號 89121008 _Ά 修正 五、發明說明（13) 間。反之，本發明的金屬化合的物膜的紅外線放射率的範 圍約ZrC為.4，TaC為.5 至NbC 為.6。本發明較低的金 屬化合的物膜紅外線放射率主要減少在結晶生長中碰撞種 籽結晶的紅外線放射量，結果造成種籽溫度比無包覆材料 石墨系統少1 0 0 °C或更多。減少紅外線放射量因而消除系 統的潛在過熱源，所以系統内溫度梯度的控制獲得改善。 熟悉本技藝者即會明白，利用如上所述的金屬碳化物膜 掛竭適合現有碳化碎結晶生長糸統。另外》使用根據本發 明的金屬碳化物膜坩堝並不限於碳化矽昇華生長。如此， 雖然本發明提供碳化矽生長的特別優點，包覆材料及包覆 材料坩堝，本文所述的反應槽反容裝置有構造及功能優點 用於其他物質生長，包括其他寬帶隙半導體材料如第3群 氮化物，及特別包括氮化鎵（GaN)。例如，某些研究者提 出報告，碳與發黃光GaN及合銦氮化物的不均勻電性能之 間的關聯。P e a r t ο η及同僚，G a N ··處理，瑕疯及裝置，8 6 應用物理期刊，1 ( 1 9 9 9年7月）。利用本發明的包覆材料裝 置及方法的優點為減少碳的存在作為Μ 0 C V D氮化物中的潛 在殘留的雜質。以下的進一步具體實施例證明本發明的多 樣性。 圖2為根據本發明的方法使用的其他G F S系統的斷面圖。 坩堝總稱為1 0。坩堝1 0位於總稱為8的爐内。方法及裝 置，例如爐，用來供應熱量於碳化矽及其他結晶生長系統 為熟悉本技藝者所知，因此不再作詳細說明。 坩堝10 —般為圓筒型及包括一蓋26及一底28及一幾乎密 閉的中間圓筒部份3 0。中間圓筒部份3 0包括一外筒3 2具有

O:\66\66751-910430.ptc 第16頁 552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 五、發明說明（14) 一頂及一底内直徑及一外直徑。位於外筒32的内直徑之内 為一内筒34也具有一頂及一底，及一内直徑及一外直徑。 外筒32及内筒34構成内38及外36同心氣體通路。 在一較佳具體實施例中，中間圓筒部份3 0也包括至少一 間隔環4 0位於外筒3 2與蓋2 6之間。間隔環4 0具有一内徑及 一外徑而其内徑大於内筒3 4的外徑。間隔環4 0及蓋2 6界定 一反應區42位於外筒32及内筒34之上。可以了解，間隔環 4 0為一選擇性元件。如果使用，不過，較理想，間隔環4 0 連結一根據本發明的耐火金屬碳化物膜。另外，外筒3 2可 延長代替間隔環4 0。不過，仍要建議使用間隔環或環因為 提供調適性可調節反應區4 2尺寸及相關的熱梯度。在另一 具體實施例中，間隔環4 0可連結其他型狀相似的設備使 用，例如一生長盤（一環具有一喷口使碳化石夕汽向上集焦 流動）或一收集盤（一多孔盤容許碳化矽汽向上流動同時收 集從坩堝壁掉落的固體粒子）。這些粒子收集在熱收集盤 上可以再昇華而有助於結晶生長。 從蓋2 6伸入反應區4 2為種籽結晶4 4由種籽座4 6及石墨桿 4 8支撐。種籽結晶4 4作為碳化矽生長成晶石5 0的基材。 兩種氣體源5 2及5 4用流體輸送方式注入内及外同心氣體 通路以提供碳化矽結晶生長系統使用的矽源及碳源氣體。 在一較佳具體實施例中，一氣體源5 2供應碳源氣體至外同 心氣體通路3 6及另一氣體源5 4供應矽源氣體至内同心氣體 通路3 8。形成碳化矽汽的反應及生長成晶石如先前圖1所 述。蓋26連接一氣體出口 27伸入種籽座46的下方作為從反 應區4 2排氣的裝置。

O:\66\66751-910430.ptc 第17頁 552325 案號 89121008 年 月 修正 五、發明說明（15) 另外可以明白，先前提示的系統（如Davis，Vodakov， 等）的相關部份可修改及改善本文所述包覆材料表面，反 應槽及系統，並且屬本發明參數之内。 本發明已經作了詳細說明及提示一些較佳的具體實施 例，以便讓讀者能實踐本發明而不必作不當的試驗。不 過，具有本技藝一般技能的人會承認許多元件及參數可以 修改及變化至一定的程度而不會背離本發明的範圍及精 神。另外，提供的題目，標題，等用以加強讀者對本文的 理解，不能看作限制本發明的範圍。所以，本發明的智慧 財產權僅限於下列申請專利範圍及其合理延伸。 Φ

O:\66\66751-910430.ptc 第18頁 552325 案號 89121008 年月曰 修正

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Claims (1)

1. 552325 _案號89121008_年月日__ 六、申請專利範圍 ~ 提供一矽烷源及一碳源氣體； 將矽烷源及碳源氣體之溫度升高到一足以形成碳化矽蒸汽 之溫度；其中 使一種籽結晶生長表面溫度升高至接近矽烷源及碳源 氣體之溫度，但低於碳源氣體及矽烷源之溫度且低於在碳 化矽結晶生長系統的氣體壓力條件下碳化矽昇華的溫度； 產生並維持適當流量的汽化物質，包含自矽烷源及碳 源氣體衍生的碳及矽；該汽化物質之流量持續加入種籽結 晶的生長表面一段時間，直到足以在巨觀下產生需要量的 單結晶碳化矽；其中 藉由將矽烷導入一包括被一材料包覆之石墨的碳化矽結晶丨· 生長系統中，以實質上避免矽烷與碳源氣體以外的周圍環 境反應，該材料之特性為具有高於碳化矽昇華溫度之熔 點、在昇華溫度相對於矽及氫之化學惰性、及一與石墨充 分類似之熱膨脹係數以防止石墨與包覆材料之間在昇華溫 度下破裂。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中該包覆石墨之材 料係一種财火金屬化合物，其係選自包括碳化组，碳化 給，碳化銳，碳化鈦，碳化錯，碳化鶬及碳化鈒；及氮化 i巨，氮化給，氮化銳，氮化鈦，氮化錯，氮化鎢及氮化鈒 及其混合物之群組。 6 .如申請專利範圍第5項之方法，其中該耐火金屬化合 物包括碳化钽。 7 .如申請專利範圍第4項之方法，其中該碳源氣體為乙

   O:\66\66751-910430.ptc 第21頁 552325 _案號89121008_年月日__ 六、申請專利範圍 _ 稀。 8 · —種於一碳化矽結晶生長系統中生長高品質碳化矽單 結晶之方法，該方法包括： 將一所須之聚合型式狀的單結晶種籽碳化矽結晶、矽 烧及一碳源氣體加入一碳化石夕結晶生長系統中，而該碳源 氣體與該矽烷直到加熱至約反應溫度前係分離的； 將矽烷源及碳源氣體之溫度升高到一足以形成碳化矽 蒸汽之溫度；其中 使一種籽結晶生長表面溫度升高至接近矽烷源及碳源 氣體之溫度，但低於碳源氣體及矽烷源之溫度且低於在碳 化石夕結晶生長糸統的氣體壓力條件下碳化石夕昇華的溫度； 產生並維持適當流量的汽化物質，包含自碎烧源及碳 源氣體衍生的碳及矽；該汽化物質之流量持續加入種籽結 晶的生長表面一段時間，直到足以在巨觀下產生需要量的 單結晶碳化矽；其中 藉由將矽烷導入一包括被一材料包覆之石墨的碳化矽 結晶生長系統中，以實質上避免矽烷與碳源氣體以外的周 圍環境反應，該材料之特性為具有高於碳化矽昇華溫度之 熔點、在昇華溫度相對於矽及氫之化學惰性、及一與石墨 充分類似之熱膨脹係數以防止石墨與包覆材料之間在昇華 溫度下破裂。 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中該包覆石墨之材 料係一種对火金屬化合物，其係選自包括碳化组，碳化 給，碳化銳，碳化鈦，碳化錯，碳化嫣及碳化鈒；及氮化

   O:\66\66751-910430.ptc 第22頁 552325 案號 89121008 年 月 曰 修正 六、申請專利範圍 组，氮化铪，氮化銳，氮化鈦，氮化 及其混合物之群組。 1 0.如申請專利範圍第9項之方法， 物包括碳化组。 1 1.如申請專利範圍第8項之方法， 乙稀。 1 2.如申請專利範圍第8項之方法， 之一碳化矽種籽結晶加入碳化矽結晶 一拋光碳化矽種籽結晶的步驟。 1 3.如申請專利範圍第8項之方法， 體的溫度升高的步驟包括將矽烷及碳 約 2 2 0 0 °C 與 2 4 0 0 °C 之間。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之方法 氣體的溫度升高的步驟包括將矽烷及 至約 2 3 0 0 °C 。 1 5.如申請專利範圍第8項之方法， 升高的步驟包括將種籽結晶溫度升高 之間。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之方法 度升高的步驟包括將種籽結晶溫度升 1 7.如申請專利範圍第8項之方法， 並維持大致一定流量的步驟，包括在 於反應區域之選擇的矽、碳成分大致 1 8.如申請專利範圍第8項之方法， 結，氮化鐫及氮化飢 其中該耐火金屬化合 其中該碳源氣體包括 進一步包括在將導入 生長系統之前，調製 其中將矽烷及碳源氣 源氣體的溫度升高至 其中將矽烷及碳源 碳源氣體的溫度升南 其中將種籽結晶溫度 至約 2 1 5 0 °C 與 2 2 5 0 °C 其中將種籽結晶溫 高至約2 2 0 0 °C。 其中使汽化物質產生 整個生長過程中使位 維持固定。 其中使汽化物質產生

   O:\66\66751-910430.ptc 第23頁 552325 _案號 89121008_年月日__ 六、申請專利範圍 ' 並維持大致一定流量之步驟，包括在整個生長過程中視需 要修正該選擇的矽、碳成分，以維持必要的晶圓生長。 1 9. 一種用於高溫碳化矽結晶生長之碳化矽結晶生長系 統，該系統包括用於接收一碳化矽種籽結晶、矽烷及一碳 源氣體之一容器，其中該容器包括： 一石墨芯； 一在該石墨芯上之包覆； 該包覆之特性為具有一高於碳化石夕昇華溫度之熔點、 在昇華溫度相對於矽及氫呈化學惰性、及一與石墨充分類 似之熱膨脹係數以防止石墨芯與該包覆之間，在加熱至碳 化矽之昇華溫度及自該碳化矽之昇華溫度冷卻該容器之過 程中破裂； 在加入該容器前將碎烧與碳源氣體分離及加熱之裝 置。 2 0.如申請專利範圍第1 9項之碳化矽結晶生長系統，其 中該包覆包括一耐火金屬化合物，其係選自包括碳化钽， 碳化铪，碳化鈮，碳化鈦，碳化鍅，碳化鎢及碳化釩；及 氮化鈕，氮化铪，氮化鈮，氮化鈦，氮化锆，氮化鎢及氮 化釩及其混合物之群組。 2 1.如申請專利範圍第2 0項之碳化矽結晶生長系統，其 中該而才火金屬化合物係碳化组。 2 2. —種用於一碳化矽結晶生長系統中控制及促進高品 0 質碳化矽單結晶之生長的方法，該方法包括： 將一矽烷流及一碳源氣體導入並維持於一反應區域，

   O:\66\66751-910430.ptc 第24頁 552325 _案號 89121008_年月日__ 六、申請專利範圍 同時將矽烷及碳源氣體加熱至大約反應溫度； 於該反應區域中將該矽烷及該碳源氣體反應，以形成 一包含碳與矽之汽化物質； 減少一碳化矽種籽結晶曝露在紅外線照射；同時 將該包含碳與矽之汽化物質的一流量，導入並維持於 一碳化矽種籽結晶，而該碳化矽種籽結晶係在碳化矽單結 晶會依該種籽結晶生成的溫度及壓力之情況下； 其中該減少一碳化矽種籽結晶曝露在紅外線照射的步 驟，包括加入該種籽結晶至一碳化矽結晶生長系統中，其 包括被一材料包覆之石墨，該材料之特性為具有高於碳化 矽昇華溫度之熔點、在昇華溫度相對於矽及氫之化學惰 性、及一與石墨充分類似之熱膨脹係數以防止石墨與包覆 材料之間在昇華溫度下破裂。 2 3.如申請專利範圍第2 2項之方法，其中該包覆石墨之 材料係一種财火金屬化合物，其係選自包括碳化组，碳化 給，礙化銳，碳化鈦，碳化錯，碳化鎮及碳化鈒；及氮化 组，氮化給，氮化銳，氮化鈦，氮化錯，氮化鎮及氮化叙 及其混合物之群組。 2 4.如申請專利範圍第2 3項之方法，其中該耐火金屬化 合物包括碳化钽。 2 5.如申請專利範圍第2 2項之方法，其中該碳源氣體包 括乙烯。 2 6. —種用於高溫碳化矽結晶生長之碳化矽結晶生長系 統，該系統包括用於接收一碳化矽種籽結晶、一矽源及一

   O:\66\66751-910430.ptc 第25頁 552325 案號 89121008 曰 修正 其中該容器包括： 而在該石墨芯上之 種材料之包覆已 \、申請專利範圍 碳源的一容器 一石墨芯 被移除； 該第二種材料之特性為具有高於碳化矽昇華溫度之熔 點、在昇華溫度相對於矽及氫之化學惰性、及一與該石墨 芯充分類似之熱膨脹係數以防止該石墨芯與該包覆之間 在，在加熱至碳化矽之昇華溫度及自該碳化矽之昇華溫度 冷卻該容器之過程中破裂。 2 7.如申請專利範圍第2 6項之碳化矽結晶生長系統，其 中該包覆包括一对火金屬化合物，其係選自包括碳化组， 碳化铪，碳化鈮，碳化鈦，碳化鍅，碳化鎢及碳化釩；及 氣化组，氮化給，氮化銳，氮化鈦，氣化結，氮化鶴及氮 化釩及其混合物之群組。 2 8.如申請專利範圍第2 7項之碳化矽結晶生長系統，其 中該而才火金屬化合物係碳化組。 Φ

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