TWI229155B - Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride - Google Patents

Description

1229155 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬之技術領域】 相關的申請案 此申請案主張2001年12月24曰所聲稱的美國臨時專利 5 申請序號60/344,672，發表名稱為“巨大單結晶之氮化銘的 製造方法（METHOD FOR PRODUCING LARGE SINGLECRYSTALS OF ALUMINUM NITRIDE)，，之權利。 政府資助 10 遵循由海軍研究部（Office of Naval Research)所授予的 SBIR契約N00014-98-C-0053，由空軍研究實驗驗（Air

Force Research Laboratory)所授予的 SBIR契約 F336I5 〇〇 C-553 1及由飛彈防禦局（Missile Defense Agency)所於予、 美國政府在本發明+

SBIR契約 F33615-00-C-5425， 定的權利。 15 發明領域 本發明係關於單結晶氮化鋁（A1N)之生長，更特別、 是，係關於相當巨大的單結晶A1N ’其可利用昇華_再;疑铁 以超過0.5毫米/小時的生長速率生長。 t先前技術】 發明背景 且不責 理想的 佶用商業J：矸購得的基材之ΙΠ·氮化物的技敗狀t 有數種型式的材料常使用來形成半導體基材。 為受歡迎的基材’因為可從商業上購得相當高品質 的藍寶石基材。但是，對GaN磊晶來說藍寶石非為 20 1229155 玖、發明說明 基材。其對GaN的晶格失配大（約16%)，且其在+及-[〇〇〇1] 方向間有些微差異，此會引起在GaN的磊晶薄膜中有+/-c-軸晶疇，而且其不同的熱膨脹會導致元件在製造製程後之 冷卻製程期間斷裂。雖然有那些問題，最近，尼奇亞 5 (Nichia)有限公司（曰本）已宣佈使用藍寶石基材製造出第一 批具有商業可能性（多於10,000小時的操作壽命）之紫色雷 射。現在，LDs(雷射二極體）的銷售每個約$2,000。使用藍 寶石基材導致昂貴的製造製程，因為其需要生長緩衝層及 使用橫向磊晶過生長技術（LEO)。即使此宣佈非常有前途 10 ，尼奇亞的雷射仍然具有一些問題。某些來源聲稱在這些 雷射中當它們發光時會發展出熱。具有非常低導熱度的藍 寶石會捕集該熱，此缺點為此會觸發向下燒壞路徑。為了 建立甚至更耐用的藍光雷射，尼奇亞及其他人已研究其它 代用品，諸如無基座（free_standing)基材。在此技術中，在 15該厚GaN層已生長在藍寶石頂上後，移除該基材。此方法 會遺留下GaN作為建立雷射用之基礎。此基礎除了可與上 述合金層相配外，在消除熱上應該較好。但是，此替代品 會增加製造成本。

SiC的單結晶基材由於其封閉晶格在垂直於c_軸的平 20面（所謂的e-平面）上與AlN/GaN相符且有高導熱度而具吸 引力。此外，SiC基材可製成具導電性，此對某些應用（諸 如LEDs及LDs)來說具吸引力。但是，π sic(符合GaN的 2H結晶結構）無法獲得，且沿著e_軸在〇&1^與411及611以匸 二者間有大量的晶格失配。此外，在Sic的IV族元素與氮 1229155 玖、發明說明 化物之III族或V族元素間的化學鍵預計會於介面處產生潛 的將導致電子能階之成核問題。 對使用GaN或Gai_xInxN的元件來說，名義上最想要的 基材為大面積的GaN單晶晶圓。已提議數種生長巨大GaN 5 結晶的方法。雖然此可能性在最近數年中已變得更具吸引 力’但似乎無法在短時間内商業上可行地製造出大的巨大 GaN結晶。 因此想要的是提供另一種基材（諸如A1N)來製造以氮 化物為基底（例如，GaN)的商業元件。史列克（Slack)及麥 10 克耐里（McNelly)(G.A.史列克及T.麥克耐里，J. Cryst. Growth ，263( 1976)及ϋ，560(1977)，於此之後稱為“史 列克參考資料”)發展出可用於A1N結晶生長的昇華-再凝結 技術。在此技術中，將多晶來源材料放置在坩堝的熱端中 ’同時另一端保持較冷。當該坩堝移動通過該溫度梯度時 15 ，會在尖端處形成晶體核且生長。當該結晶生長艙維持在 1大氣壓（100千帕）的N2時，此方法闡明會有相當慢（0.3毫 米/小時）的結晶生長。為了使此基材在商業上可行，想要 的是增加生長速率。一些熟知此技藝之發現家已檢驗出其 可能性。 20 但是，在此領域的大部分人士將其工作放在由追伯夫 (Dryburgh)(利用直接昇華之氮化鋁結晶的最大生長速率之 估計，J. Crystal Growth 125，65(1992))所推導出的速率方 程式（其似乎過度評估A1N的生長速率）上，他特別建議最 大生長條件為接近化學計量的蒸氣條件，即，應該調整A1 1229155 玖、發明說明 及N2的分壓以便使A1的分壓為N2的兩倍。此例如在美國專 利案號：5,858,085 ; 5,972，109 ; 6,045,612 ; 6,048,813 ; 6,063，185 ; 6,086,672 ;及6,296,956中有明顯的教導（全部 由漢特（Hunter))。此外，該技藝教導N2分壓應該維持在小 5 於大氣壓。 但是，不幸地，大部分在此化學計量及/或次大氣壓 條件下增加A1N結晶生長速率的企圖已滿足經受限制的成 功。此外，漢特在他的專利中揭示出低於一大氣壓之氮氣 壓力，此已顯示出無法獲得生長速率或電子等級的品質。 10 其它的A1N操作則由西構（Segal)等人（A.s.西構，SYu. 卡波夫（Karpov)，Yu.N·馬卡羅夫（Makarov)，Ε·Ν·馬克霍夫 (Mokhov)，A.D·羅恩克夫（Roenkov)，M.G·憐（Ramm)，

Yu.A.伏達克夫（Vodakov)，“A1N巨大結晶的昇華生長機制” ’ J· Crystal Growth 211，68(2000))完成。雖然此操作接著 15本發明之概念而公告，但此似乎為第一篇出現建議追伯夫 的生長方程式不正確之回顧公告。但是，西構等人教導的 生長條件及實驗為開放式（其允許A1蒸氣流出）。此方法將 不利地難以生長大的A1N晶柱’因為：⑴生長控制困難（因 為其將遍及表面到處不均勻），（ii)將浪費大量Ai，（丨⑴過 20量的A1將在爐的基座中產生問題（因為其高反應性）及（iv)在 來源與生長結晶表面間難以維持高的溫度差（△”。 因此’需要可解決先前提及的缺點之電子等級的A1N 基材。 !229155 玖、發明說明 發明概要 本發明之觀點包括一種用來生長巨大的單晶氮化鋁之 裝置。該裝置包含一定出生長艙輪廓之外罩，該外罩包含 一氣體排出口（配備用來選擇性抽空且排出該生長艙）、一 5氣體注入口（配備用來加壓該生長艙）及一觀察埠（配備用來 以高溫計監視在生長艙内的晶生長溫度）。無線電輻射頻 率（rf)線圈則配置在該生長艙内而配備用來在其中誘發電 磁場。石英管則同軸地配置在該線圈内。第一擋板組則同 軸地配置在該石英管内，其包含約5至約7的同中心熱解氮 10化硼（PBN)圓柱，每根PBN圓柱之壁厚大於約〇 〇5英吋 (0.13公分），每根圓柱沿著縱軸之長度尺寸大於線圈的長 度尺寸。第二擋板組則同軸地配置在該第一擋板組内，第 二擋板組包含二個同中心之開口接合的鎢圓柱，每根鎢圓 柱之壁厚少於約0.005英吋（0.013公分）；每根鎢圓柱沿著 15縱軸之長度尺寸小於rf線圈的長度尺寸。推送管及同軸地 配置在δ亥第一擋板組内；該推送管具有一基側邊及一頂端 邊，該頂端邊包含一組具有中心孔洞（其提供給高溫計來 監視結晶生長溫度）的金屬擋板，該基側邊包含另一組金 屬擔板。掛瑪則同軸地配置在該推送管内，該掛竭具有一 20圓錐形頂端及一基侧端；該坩堝可定出結晶生長室輪廓； 該基側端包含一高純度的多晶氮化鋁來源材料，該頂端配 備用來生長巨大的單晶氮化鋁。該推送管配置在一推桿配 件（配備用來沿著縱軸移動該坩堝及該推送管）上。配備第 一擒板組及第二擔板組以在掛竭腔内提供大於約1⑼。C /公 10 1229155 玖、發明說明 分的軸向熱梯度。 本發明的另一個觀點包括一種用來生長巨大的單晶氮 化鋁之方法。該方法包括使用上述描述的裝置，藉由抽空 遠生長艙至壓力少於或等於約〇〇1毫巴（丨帕），再以實質上 5純的氮氣充填該生長艙至壓力約1巴（1〇〇千帕）來清洗該生 長艙。然後，將該生長艙排空至壓力少於或等於約〇 〇1毫 巴（1帕），然後以包含约95%的氮及約5%的氫之氣體加壓 至約1巴（100千帕）。將該艙加熱至第一溫度，該加熱包括 將孩坩堝的圓錐形上端之溫度在約丨5分鐘内跳躍至約1 10 C。然後，將該生長艙以包含約95%的氮及約5%的氫之氣 體加壓至約1.3巴（130千帕），且加熱至生長溫度。然後， 將忒坩堝的頂端在約5小時内跳躍至約22〇〇 t。以每小時 約0.6至約〇.9耄米的速率軸向地移動該推送管及該坩堝通 過該生長艙，於其中生長單晶氮化鋁。 15 本發明的進一步觀點包括一種用來生長巨大的單晶氮 化鋁之方法。该方法包括抽空一生長艙，以包含約的 氮及約5%的氫之氣體加壓該生長艙至約丨巴，及在結晶生 長至的基側端中放置多晶A1N來源。該方法更包括將結晶 生長至頂端放置在生長艙的高溫區域中，將該高溫區域跳 2〇躍至約1800°C，將生長艙的壓力維持在約1.3巴，且將該 高溫區域跳躍至約2200t。該結晶生長室的末端以每小時 約〇·6至約0.9毫米的速率朝向生長艙之低溫區域移動，其 中單晶氮化鋁在結晶生長室的頂端處生長。 本發明的仍然進一步觀點包括一種製造巨大的單晶 1229155 玖、發明說明 A1N之方法，其包括在結晶生長室中提供能形成巨大結晶 的A1及N2蒸氣，在結晶生長室中維持乂分壓大於相對於… 之化學計量的壓力，維持該結晶生長室中的總蒸氣壓在超 大氣壓力，及在結晶生長室中提供至少一個成核位置。該 5方法亦包括冷卻在結晶生長室中的成核位置（相對於其它 場所），且在能生長源自於成核位置處的單結晶1N之條件 下 >儿積该蒸氣。此觀點的變化包括藉由切割從巨大單晶來 的晶圓或圓柱而產生一經製備的基材；在能容納磊晶層的 晶圓或圓柱上製備一表面；及在該表面上沉積一磊晶層或 10 一完全的結晶晶柱。 本發明亦包括一種用來製造巨大的單晶AiN之系統。 該系統包括一八丨及乂蒸氣來源，一用來包含該蒸氣的結晶 生長室及在該結晶生長室中至少一個成核位置。該結晶生 長室具有一選擇性障礙物，其裝配以讓N2經由其而漂移， 15且實質上防止A1經由其而漂移。配備一加壓系統以維持結 曰曰生長室中的乂分壓大於相對於A1之化學計量的壓力，且 維持結晶生長室中的總蒸氣壓在超大氣壓力下。配備一選 擇性加熱系統以維持該成核位置的溫度低於結晶生長室的 其它場所。 20圖式簡單說明 本發明之上述及其它特徵和優點將從讀取下列本發明 所採用的不同觀點之詳細說明與相伴隨的圖形而更容易明 瞭，其中： 第1圖為根據本發明之觀點所決定的結晶生長速率（為 12 1229155 玖、發明說明 氮氣壓力的函數）之圖式表示圖； 第2圖為本發明之裝置的具體實施例之圖式正視圖； 第3圖為本發明之第2圖中有用的裝置部分之另一個具 體實施例的圖式正視圖； 5 第4圖為顯示在第3圖之具體實施例的部分放大比例之 圖式正視圖；及 第5圖為顯示在第3圖之本發明部分的另一個具體實施 例之圖式正視圖。

【實施方式：J 10 較佳實施例之詳細說明 本發明包括一種用來製造氮化鋁（A1N)基材之方法及 裝置，該基材與GaN有利地具有相當小的晶格失配（約 2.2%)，及具有幾乎相同的熱膨脹（從室溫至i〇〇〇d。這些 A1N結晶亦可有利地具有與GaN相同的纖鋅礦（2H)結晶結 15 構及名義上相同型式的壓電極性。同樣地，與GaN的化學 相容性其亦比SiC更好。此外，A1N基材趨向於對需要較高 的A1濃度之AlxGai _XN元件有吸引力（例如，用於高溫、高 功率、輻射硬化及紫外光（UV)波長之應用）。 以GaN及AlxGauxN層的磊晶生長為基礎之射出光電子 20 及電子元件可從此改良的基材中明顯地獲利。潛在的市場 大小（特別是藍色-紫色發光二極體（LEDs)及雷射二極體 (LDs))及根據可獲得的基材（藍寶石及SiC)之元件的現在發 展狀態皆對將A1N提供作為另一種與現在可獲得的那些競 爭之基材顯現出重大的可能性。同樣地，高品質的A1N單 13 1229155 玖、發明說明 晶基材之可獲得性能在其它應用上打開新的可能性。 本發明之觀點為該認知與先述技藝之教導相反，可使 用大於大氣壓之壓力以有利地以相當高的生長速率及結晶 品質來製造單結晶的A1N。本發明包括控制在a1N來源材 5料與生長結晶表面間之溫度差、在來源材料與生長結晶表 面間之距離及NAAl之部分蒸氣壓的比率。本發明包括將 鼠氣壓力增加至超過化學計量的壓力，此由於會增加在生 長結晶與蒸氣間之介面的反應速率而強迫結晶以相當高的 速率生長。此在生長速率上的增加已經證明可隨著分壓 10增加而繼續增加，直到A1從來源擴散至生長結晶（即，負 影響/效應需要求A1物種以擴散通過凡氣體）變成速率限制 步驟時。本發明亦包括一種用來建立合適於結晶生長的氣 氣壓力之技術，此將在下文中更詳細地討論。再者，使用 此較高的氮氣壓力可具有額外的利益，其將減低生長㈣ 内部的銘分愿。此可導致較長的_壽命及減低爐基座的 磨損（由於減低由A1蒸氣（其非故意地流出掛瑪）之腐姓）。 本發明亦包括-種裝置(其包含-結晶生長室或㈣ ’其能提供-相當陡峭的熱曲線(即，沿著相當短的軸距 離有相當大的熱梯度）用以昇華及再凝結/成核。配備該掛 2〇堝以在内部超大氣壓力下操作。在操作期間該結晶會在 成核位置(例如，在坩堝尖端)處形成晶核，且當該坩堝相 對於溫度梯度移動時會以相當高的速率生長。如於本文中 所使用的名稱‘軸，指為相對於本發明之裝置的方向，其實 質上平行於如第2圖所顯示之推桿17。再者，名稱‘成核位 14 1229155 玖、發明說明 置’指為已播晶種或未播晶種的結晶生長場所。 在詳細說明裝置及操作方法之前，依序說明本發明之 發展及理論。早至1998，本發明家發展一摻入n2&a1以生 長A1N結晶的模型。此模型的特別觀點將更詳細在下文中 5 論述。已發現&分子相當難以摻入結晶生長，此導致此分 子只有小的凝結係數。為此理由，當該結晶與A1及N2的混 合蒸氣平衡時，A分子與A1N表面的碰撞速率（即，n2流量） 更大於當該結晶在真空中加熱至相同溫度時沁從表面蒸發 的速率（所謂的蘭穆爾（Langmuir)蒸發速率）。僅使用平衡壓 10力及所測量的蘭穆爾蒸發速率，該模型能夠正褚地預測 A1N結晶在N2大氣壓下可能的最大生長速率。更重要的是 ，該模型顯示出在昇華-再凝結生長中，若僅由凡摻入的表 面動力學限制，則該結晶生長速率直接與凡壓力（可上至高 壓其可如200巴（20百萬帕）一般南）成比例。此結果與大部 15分的結晶生長系統相當不同，大部分的系統為當在生長結 晶表面上之氣體混合物具有與生長結晶相同的化學計量時 ’在表面處的動力學限制生長速率為最大化。我們亦發現 在大氣壓下’蘭穆爾蒸發速率幾乎比預測的Α1Ν結晶生長 速率快1000倍（甚至當忽略擴散時）。一般的觀察為藉由進 2〇行至化學計量的氣體混合物應該能夠獲得可與蘭穆爾蒸發 比較之生長速率。但是，Α1Ν結晶生長系統非常不同，因 為難以將&分子打斷成Ν原子然後摻入生長結晶。 當不意欲由特別的理論約束時，本發明之教導使此結 果能夠藉由認知下列而了解：在穩定狀態的結晶生長期間 15 1229155 玖、發明說明 ，在生長種晶上的再凝結速率與多晶A1N起始材料的蒸發 速率相配。A1N起始材料將化學計量地昇華而產生八丨及队 蒸氣（其它氣體物種的濃度咸信太低而難以衝擊生長速率） 。因此，藉由外部地控制氮氣壓力，可提高A1分壓直到於 5在熱表面處的蒸發與在冷表面處的再凝結間達成穩定狀態 。因為N2的低凝結係數，已發現當來源材料為A1N陶瓷時 ’蒸發/再凝結速率（為溫度函數）在超過A1N的平均化學計 量壓力之氮氣壓力下較大。 在相當低的A壓力下，對在多晶起始材料（11，第2圖） 1〇與晶種（7，第2圖）間之實際可行的溫度差來說，此效應導 致相對減低的生長速率。此與藉由昇華/再凝結當二物種 具有接近的整體調節係數（諸如在Sic的實例中）之結晶生長 為非常不同的狀況。 不幸地，對已提供的鋁分壓來說，當氮氣壓力超過化 15學計量的分壓時（當化學計量為PN2=(1/2)PAI)，通常需要… 到生長結晶表面的質量傳輸（相對於氮氣體）。因此，在某 些點’生長速率變成由A1原子擴散通過氣相而限制，即使 表面動力學將繼續預測該結晶生長速率會隨著n2壓力增加 而增加。根據我們現在對所包含的表面動力學之了解，已 20發現對已由史列克及共同工作者在先前提及的史列克參考 資料中所使用之生長幾何學來說，此交叉點在僅稍微大於 1大軋壓處，如第1圖所顯示。但是，在本發明的發展期間 ，已發現此交叉點亦視A1傳輸所需的擴散長度而定（其在 先則的操作中約為2至5公分）。藉由減低在本發明的具體 16 1229155 玖、發明說明 實施例中（其已經特別地配備而可在操作區域中產生非常 陡峭的熱曲線）之此（轴）長度，已發現可明顯增加生長速率 (相對於先前方法）。 現在轉至第1圖，預測的A1N生長速率以N2壓力的函數 5 顯示。該以方形及打叉標定之曲線顯示該生長速率假定由 無對流之A1擴散（各別為2.5公分或1公分的擴散長度）所限 制，同時第三曲線顯示出該預測的生長速率假定其生長速 率由氮摻入的表面動力學（忽略氣相擴散）所限制。該模型 假定A1N來源材料在2300°C，同時生長結晶維持在2200°C 10 。這些計算亦假定蒸發表面與生長結晶的面積相等及其擴 政效應可忽略。此最後的假設（如顯示）在足夠高的n2壓力 下並不真實。交叉點通常依實驗幾何學而定。 本發明之具體實施例已說明可藉由提供一大於由蒸發 及再凝結製程簡單發生之氣流的淨氣流（其從來源（丨丨，第2 15圖）朝向生長結晶（7，第2圖）），而至少部分阻遏上述描述 的擴散問題。此當使用薄壁鎢坩堝（9，第2圖）時可獲得， 亦可以其它能通過氮氣的掛禍材料或以其它型式的選擇性 障礙物（諸如開口 20,21，描述在與第3_5圖有關的下文中） 來獲彳于此效應。氮能在所使用的結晶生長溫度（〜23⑼。c)下 20以相當兩的速率擴散通過薄壁鎢（W)坩堝。A1通過w壁的 擴政速率更低。因此，在平衡條件下，坩堝内部的氮分壓 與外部相同（例如，在第2圖的艙2中）坩堝，同時坩堝内部 的氣體總壓力會由於A1蒸氣之分壓而較高。 但疋，一旦結晶開始生長且將A1N來源的溫度維持在 17 1229155 玖、發明說明 比生長結晶高時，在坩堝的冷端（例如，生長結晶7的場所 19)處之氮分壓趨向於變成大於在熱端處，然而對銘壓力 來說則為相&的狀況。_，掛堝内冑的總氣體壓力實質 上仍然均勻的遍及以維持機械平衡。（如於本文中所使用 5的名稱‘機械平衡’指為内部及外部的總蒸氣壓實質上與結 晶生長艙相等之例子）。因此，在坩堝冷端19處的氮分壓 趨向於超過坩堝外部（在艙2内）的氮氣壓力，同時在熱端的 情況則相反。為此理由，氮在冷端趨向於擴散出坩堝而在 熱端擴散進入坩堝，因此在坩堝中產生從A1N來源朝向生 10 長結晶的混合物淨氣流。 雖然此操作之認知為新的，其效應與由史列克及麥克 耐里（在先前提及的史列克參考資料中）所獲得的實驗結果 一致，因為所觀察到的〇·3毫米/小時之結晶生長速率名義 上在其他方面已無法獲得。此外，史列克及麥克耐里觀察 15到當在它們使用的CVD W坩堝中形成針孔時，全部的Α1Ν 蒸氣將流出。已由本申請人發現，此因為（如上述解釋）掛 堝中的總氣體壓力大於坩堝外部的氮氣壓力而發生。一旦 針孔開放，在坩堝中的氣體混合物（包括α1&ν2)開始推出 孔洞。但是’於此時，氮氣會繼續從外部擴散通過掛堝壁 20 ’因為Ν2的分壓比其在掛螞外部的低。因此，掛塌中的壓 力可保持高於外部，甚至當氣體混合物繼續從針孔排出坩 禍時。該製程典型地會持續直到坩堝内部的Α1蒸氣實質上 全部用盡。 另一個額外的氣流來源可由Α1選擇性地由坩堝壁吸附 18 1229155 玖、發明說明 而產生。 因此，在本發明的特別具體實施例中，坩堝可提供一 個或多個開口（例如，20,21)以使坩堝的氮氣壓力容易控制/ 保持平衡，如將更詳細地在與第3·5圖相關之下文中討論。 5 生長速率模剞 如上述提及，本發明之觀點已了解合適於表面動力學 。Α1與Ν摻入Α1Ν生長的速率已通常塑造為二種途徑的模 型。首先，假定氮分子&具有相當低的凝結係數（與乂原 子比較，由於結構障礙）。第二途徑，假定為沁分子物理 10 吸附到Α1Ν表面上。然後，假定這些ν2分子會動力學地阻 冰Ν原子（其然後可摻入Α1Ν結晶）之產生。我們已做出二種 途徑的模型而二種模型皆導致相同的結果。 鋁的表面濃度[Α1]之改變速率可由下式提供： d[Al] —dt

PaiPai-Cai[AI}-B

[All [Nl

15 同樣地，氮原子的表面濃度[N]之改變速率為： d\m ( κ \ ~λΓ~ = ^^Ν2^Ν2 ~^[Λ^]2 -5 [^/]~_£. dt ν m) (2) 在這些方程式中，第一項代表從蒸氣加入分子。已假 定全部的Α1原子已黏住，但是僅有部分丫之沁分子凝結在 表面。βί項代表經改質的赫茲（Herz)·那得森（Knudsen)因子 ，其與第i種物種（其中i代表A1或N2)的質量平方根除以溫 度成比例。在此模型中的凝結係數γ並無下標，因為我們 假定其僅應用至Ν2分子。 19 1229155 玖、發明說明 在上述方程式中，第二項代表分子蒸發成蒸氣。所引 進的Ci項參數用以說明第i種物種之速率蒸發。應注意的是 N2分子以在表面之[N]濃度的平方進行蒸發。最後，該最後 項代表A1及N原子摻入（或溶解）結晶，於此導入另一參數b 5 。我們假定[A1]及[N]在表面上維持一平衡濃度，以遵守 [Al]· [N] =KS (3) 其中Ks為平衡常數。我們亦假定表面上的^^與八丨原子 非常快速地到達平衡，此模型可將B假設成非常大。此趨 向於限制[A1]與[N]濃度幾乎精確地遵守方程式（3)。從平 1〇衡來的偏差趨向於僅有足夠大，所以一旦達成穩定狀態， [A1]與[N]的時間衍生物等於〇 的實際值在這些情況下 典型地無關。 這些速率方程式導致相當簡單的立方方程式，其描述 到A1N結晶表面上/去除之淨流量Fain， 15 ’ ElPm ^AlP.s

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(4) 明顯地，顯露在此立方方程式中的唯一參數為蘭穆爾 蒸發速率EL及化學計量的氮氣壓力ps。相當值得注意的是 ，在非常大的B之限制下，顯露在方程式及中的5個 自由參數，在方程式（4)僅要二個參數來決定在任何氮及鋁 20分壓下之淨流量。這二參數已經實驗性測定，雖然實質上 如較早所指出在蘭穆爾蒸發速率中有不確定性。 這些方程式因此支持使用增加超過化學計量的壓力之 氮氣壓力，其與上述討論之先前教導相反。在小γ值的限 20 1229155 玖、發明說明 制中（級數10·5)，可線性化此表示式以提供Fain作為pN2的 線性函數。該生長速率可藉由下列設定而決定： fain(Th) = -Fain(Tc) (5) 對此生長速率來說，我們已決定一種簡單的表示式， 5其依溫度差ATsTh-Tc及氮氣壓力而定（此可各自獨立地控 制）。若忽略擴散效應（所以在來源與晶種間之區域中的N2 與A1分壓為常數），為了提供at&n2壓力，A1壓力趨向於 自身調整至某一中間值以平衡在熱及冷表面處的A1壓力， 以便強迫方程式（5)為真實。於此實例中， 10 Fain = Α〇(ΔΤ9ΤΗ)ΡΝ2 (6) FAIN值在ΔΤΌ1〇〇°(：的ΔΤ下為線性。我們發現Fain對 Pm的線性依賴性在0至200巴的氮氣間有用（在1%内），用 以在2000°C<TH<250(TC溫度範圍内實驗地測量El及Ps值。 我們已決定 15 A〇(AT=50°C，TH=2300°C)=0.156毫米-小時人巴-1 ⑺ 使用波加（Bolgar)等人（A.S.波加，s.P·溝狄安扣 (Gordienko)，E.A.里克利（Ryklis)及 V.V·菲昇扣（Fesenko)， 在“Khim. Fiz· Nitridov，，，p.l51-6(1968)[Chem. Abstr. 71， 34003j( 1969)])的資料。對蘭穆爾蒸發速率（259亳米/小時） 20 及平衡來說，氮氣壓力的化學計量可從JANAF表決定 (M.W·雀斯（Chase)專人 JANAF 熱化學表（Thermochemical Tables)，，，第三版（1985)，參閱 J· Phys. Chem· Ref. Data 14 ，Supplement No.1(1985))，PS(2300°C)=0.13巴。若全部的 氮及銘黏附至表面沒有再蒸發且PA1=2PN2==ps，此平衡壓力 21 1229155 玖、發明說明 將導致18.9公尺/小時的有效生長速率，諸如第1圖所顯示 。這些計算結果假定蒸發表面與生長結晶的面積相等，且 擴散效應可忽略。此最後的假設相當重要，及如第1圖所 顯示，在足夠高的N2壓力下並不真實。 5 在史列克參考資料中，對在TH=2300°C及Tc〜2200。(：， 於0.95巴的&加上0.05巴的&中進行時所觀察到之生長速 率為0·3毫米/小時。此應該可與理論測定的生長速率〇·32 t米/小時有比較。此在蘭穆爾蒸發速率用之實驗資料中 與在由史列克及麥克耐里的測量生長速率中明顯一致地提 10供不確定性。需注意的是，在此理論發展方面上並無可調 整的參數，該理論僅有依經實驗測量的平衡壓力與所測量 的蘭穆爾蒸發速率而定。亦應注意的是，該實驗在生長結 晶表面小於蒸發A1N來源材料之坩堝中進行。此趨向於導 致放大所觀察的生長速率。亦應該注意的是，在化學計量 15的氮氣壓力（0.13巴）、在來源溫度23〇(Γ(：：&Δ1^5〇χ：τ， 這些方程式預測一0.020毫米/小時的理論生長速率。 【實施方式】 結晶生長爐 現在轉至第2圖，說明本發明之裝置（例如，爐卜如顯 20示，該爐包括一熱源6 ,諸如無線電輻射頻率線圈，其可 在生長艙2内誘發電磁（EM)場。此EM場會與同中心地位於 線圈内部之金屬載盤（推送管）3轉合，而藉由焦耳效應導致 在其中產生熱。（雖然在一個有用的具體實施例中，載盤/ 管3為圓柱（即，具有圓形轴截面），如本文中所使用之名稱 22 !229155 玖、發明說明 苔或管狀’亦包括非圓形轴截面的管）。與擋板元件及線 圈有關之推送管的相對位置及尺寸會沿著載盤3壁（即，在 轴方向上）產生熱梯度。坩堝9同中心地配置在管3内，且 在其基側端處包含高純度的來源材料1多晶a1n)，最終 5 A1N結晶7會生長在其頂端（例如，在尖端19)。 掛禍9可從具有諸如上述討論之壁的材料來製造（諸如 鶴或鍊或氮化鈕），其足夠地薄以形成一可選擇性地各別 准許及防止氮及鋁擴散過其之障礙物。再者，該坩堝可配 備有開口（其配備用以達成類似的選擇性），如將在下文中 10 更詳細地討論。 金屬擋板13,4各別配置在基侧（例如底部）及頂端（例如 上端）以幫助沿著塥軸控制該溫度梯度^可選擇地將一 些擋板從頂端（相對於基側端）移開而獲得想要的溫度梯度 。頂端擋板組可包含一中央孔洞，使得可容易地使用習知 15的高溫計1在坩堝的尖端處測量溫度。就壓力、溫度及掛 堝相對於梯度之位移速率而論，若操作條件適當，單晶晶 柱7會在坩堝9的頂端（尖端19)處形成。 本發明之觀點為在允許沿著推送管3的壁設定一足夠 的熱梯度之系統中安排該擋板元件。如顯示，繞著推送管 20有二組可區別的擋板元件。第一組包括二個同中心開口接 合的鎢圓柱8，在想要的具體實施例中每個厚度少於約 0.005”。熟知的人士將了解可使用其它耐火性金屬（諸如鉬 或銖）取代W。名稱‘開口接合，指為該圓柱8具有一開口的 縱接縫（即，圓柱不完全延展360度），所以繞著該圓柱並無 23 1229155 玖、發明說明 連續的電路徑。此可幫助防止圓柱與幵場耦合而變成太熱 及/或吸收意欲用來加熱坩堝的能量。選擇開口接合及厚 度二者以減少在這些金屬部份與450MHz rf電磁場間之耦 合。此外，圓柱8的軸較佳地比rf線圈6短且名義上位於線 5圈6的中心（例如，二者與線圈6同心且與其二（軸）末端等距 )，以避免在擋板8上誘發局部的非軸對稱熱點。第二擋板 組10想要包括熱解的氮化硼（pBN)圓柱（在特別的具體實施 例中，例如約5至7個圓柱），其厚度在想要的具體實施例 中為至少0.050英吋（1.3毫米）且比rf線圈6長數公分。雖然 10 PBN擋板10的目的為熱絕緣該管3以在操作區域中獲得所 扁的溫度，金屬擋板8的使命為二倍。擋板8可提供作為熱 反射器而造成熱區域中心的溫度比線圈末端更高。此外， 它們提供保護推送管3使其不獲得因pBN擋板1〇連續昇華 而產生的侧。（若蝴濃度超過某一值時，硼在本發明所使 15用的生長溫度下與鎢具有共熔點。一旦推送管獲得的硼高 於其值，此會趨向於在推送管表面層上形成液相而導致破 壞）。上述描述的擋板安排可有利地在掛螞9中產生一陡山肖 的熱梯度（例如，超過l〇(TC/公分），當其尖端19軸向地移 動超出金屬擋板8時。如上述討論，此相當大的梯度已顯 20示出可使大的生長速率容易。亦如顯示，擋板g，1〇可封閉 在由石英或其它合適的材料製造之介電管（5)中，以將該線 圈6與系統的金屬元素絕緣及防止與其產生電弧等等。 亦如顯示，該爐包括一配置在推送管3内的坩堝台座 12，用來在管3内與掛禍9支持地喃合。推送管;3其自身由 24 1229155 玖、發明說明 推送管台座14支持，其因此由推桿17嚙合而用來軸驅動。 擋板台座15可與PBN擋板1〇支持地嚙合，氣體排出口及注 入口 16及18則可各別地抽真空/排出及加壓。 在本發明的另一個具體實施例中，如以虛擬顯示，本 5發明之裝置可包括一控制器24(諸如一個或多個電腦或微 處理器及合適的操作組件（例如，軟體乃，其可與致動器及 其類似物結合而足以自動化爐的全部或部分操作。如顯示 ，例如控制器24可通訊地連結至加熱器6及高溫計丨以形成 一習知的閉合迴路系統，其能將艙2維持在想要的溫度以 10藉由控制器因應執行不同例行的溫度跳躍。控制器24可類 似地連結至習知的真空泵28，及配置在氣體排出口 16之可 電子起動的閥30 ,以自動地達成艙2的排空及排出。控制 器24亦可連結至配置在氣體注入口 18的閥32以達成加壓艙 ，同時该控制器亦可連結至致動器34以自動地控制推桿i 7 15之操作。熟知的人士將了解控制器24可連結至習知配置在 艙2内之壓力及位置感應器（無顯示），以提供閉合迴路回饋 而控制氣體壓力及推桿位置。 在仍然進一步的具體實施例中，坩堝9可提供一個或 多個開口20或21，其允許坩堝内部的氮分壓可由外部坩堝 20的氮（NO壓力控制，同時減少從坩堝9流出之八丨蒸氣量。 此目標可藉由讓氮擴散通過相當薄的鎢坩堝壁而達成 ，諸如在史列克參考資料中所使用。此w掛螞可焊接焊縫 ，如此A1流出坩堝的路徑僅有藉由擴散通過該壁。因為凡 能夠比A1更快速地擴散通過w，故此程序為有效。在此事 25 1229155 玖、發明說明 件中，該坩堝壁需要保持相當地薄以允許可在合理的時間 $内平衡内部A與外部&。其他方面，所需的平衡時間（ 即，通過相當厚的坩堝壁）會過高。但是，相當薄的w坩堝 壁不利地趨向於具有太短的壽命而難以生長出相當大的結 5晶。此薄壁方法的其它缺點包括需要在電子束焊接前抽空 坩堝，及此焊接的損失。 因此，本發明之具體實施例提供一允許氮平衡同時減 少A1蒸氣流出之機械方法。現在轉至第3_4圖，其顯示一 種使用二片坩堝9’的方法，其包括一與尖端部分27螺紋地 10嚙合之基礎部分25。此方法包括在坩堝9,中提供（例如，藉 由鑽孔）孔洞20，以讓氮可在加熱階段4〇,44(描述在下文中 )期間OIL動，但疋其足夠小以便一旦掛螞中的總壓力等於 坩堝外的總壓力時，僅讓最小量的A1蒸氣擴散通過孔洞。 如第4圖的最好顯示，在特別典型的具體實施例中，此可 15藉由在坩堝9’的基側端25鑽入直徑25密耳（〇·63毫米）之孔 洞20而達成（然而此亦可提供到別處，諸如在頂端27)，然 後使用直徑20密耳（0.50毫米）的金屬23插入該孔洞。名義 上由此配件提供的0.13毫米空隙（第4圖的最佳顯示）已顯示 出可在生長之前及在生長期間成功地讓氮氣壓力平衡。再 20 者’其足夠小，所以A1蒸氣以可接受地低的擴散通過此， 或其如此小以便在生長期間可有效地變成栓插，以實質上 防止A1擴散。熟練的人士將了解的是此掛禍9,可使用有或 沒有孔洞20及金屬23。 現在轉至第5圖，如上述提及，其提供一種使用二片 26 1229155 玖、發明說明 坩堝9”的水平-密封（開口）21之另一種方法，其包括該包含 來源11之基側端25,及該包含結晶7之頂端27，。形成密封2ι 的二末端之接合面組裝成足夠平滑，所以有些微（若有任 何的話）可讓氣體擴散過那裏的能力（若坩堝的内部及外部 5壓力平衡）。但是，若壓力不實質上相等時，密封21將准 許（即，無法阻擋）氣體從坩堝内部或坩堝外部流動。如顯 示，將密封21配置在實質上坩堝的中央區域，例如藉由在 結晶生長期間將該密封配置在坩堝9,的最熱區域，其中將 無A1N沉積發生。此密封的配置可有效地防止Am從密封 10 21開口處生長，因此准許無法接受地高程度之八丨蒸氣擴散 過它。 本發明的原理及裝置已描述，現在伴隨著下列表^說 明操作方法（即，使用上述描述的系統之實際生長製程）。 表1 30 "^搶 " ~~~- 32 以氮氣再充滿該艙 34 i覆步驟30,32 ~-- 36 37 將來源材料放置在掛瑪的基側端 38 40 將坩堝尖端的溫度跳躍至約1800°Γ 42 將氣體維持在預定的超大氣壓力 44 將溫度跳躍至生長溫度 46 If25^ fe1 48 違的生頂長端 50 在步驟48期間維持固定的壓力 52 停止移動推桿17 54 將爐跳躍至室溫 27 15 !229155 玖、發明說明 推送管向上移動（即，朝向爐2的頂端）時，尖端19變成比來 源材料11冷，此促進從來源材料u至掛竭的較冷尖端19之 有效的質量傳輸。（如顯示及說明，推送管3(包括配置在其 中之掛瑪9)在驅動推桿17後抽向地移動。但是，推桿^可 5再配備成相對於管3轴向地移動掛禍9，而沒有離開本發明 之精神及範圍）。 在生長製程期間，將壓力維持在固定的預定值。此壓 力之最適當的值典型地依在來源材料丨丨與生長結晶了之（最 接近）表面間的軸間隔，和氮擴散通過坩堝壁或流動通過 10預鑽的孔洞之速率而定。在結晶生長期間，亦可適當積極 地將耽體壓力調整在相當窄的範圍内，以補償在昇華來源 的表面與生長結晶表面間之間隔中的任何改變。 在特別的具體實施例中，已使用18psi的值來說明0.9 笔米/小時的生長速率，其來源11與結晶表面7的間隙約2 “ n使用cVD w(化學氣相沉積的鎢）或粉末冶金的w坩 堝（諸如描述在共同讓予的美國專利申請序案號10/251106 中，發表名稱為“冶金嫣坩瑪用於A1N結晶生長之能力”， 其70王以參考方式併入本文於本文）。來源與生長結晶表 面的距離在生長進行期間可變化，若生長結晶表面的面積 20與來源材料的表面積不同時，根據此改變需調整生長速率 (即掛瑪移動通過溫度梯度的軸速率）。但是，典型地將 來源與生長結晶表面的表面積名義上保持固定及約相同的 尺寸，所以在大部分的生長期間於來源與生長結晶表面間 之間隙將保持約固定。 29 1229155 玖、發明說明 最後地，停止52移動及建立冷卻跳躍54，以將系統帶 至室溫。使用範圍在100千帕至150千帕（1大氣壓至1.5大氣 壓）的壓力，單晶晶柱以在0.6至0.9毫米/小時間變化之軸推 速率生長。藉由調整在來源材料與生長結晶表面間之距離 5 及調整溫度梯度，可獲得其它有用的生長條件。因此，熟 練的人士可有用地使用本發明的不同具體實施例，其總搶 壓力從50千帕至1百萬帕（〇·5大氣壓至1〇大氣壓）及軸推/生 長速率為0.5至約3毫米/小時。 本發明之具體實施例可有利地提供一種A1N結晶生長 10 系統，其能無關於A1分壓而控制N2分壓，同時實質上防止 明顯的A1量從生長坩堝中漏出。因此，這些具體實施例教 導及促進使用大於化學計量的氮分壓，及使用在超大氣壓 力程度（即，大於1( 一）大氣壓）下之總蒸氣壓。 雖然前述的描述係關於A1N結晶生長，熟練的人士將 15 了解可使用前述描述的不同觀點來製造其它結晶基材，諸 如ZnO、LiGa〇2、MgAhO4或Si，而沒有離開本發明之精 神及範圍。 巨大的單晶A1N之生長已主要地描述於本文，而藉由 所明通常指為“昇華’’技術來達成，其中當結晶固體A1N或 2〇其它包含A1N、A1或N之固體或液體較佳地昇華時，至少 部分產生該來源蒸氣。但是，亦如本文所揭示，該來源蒸 氣可全部或部分藉由注入來源氣體或類似的技術（其某些 將指為“高溫化學氣相沉積，，）而獲得。同樣地，有時可使 用其它名稱來描述這些及其它根據本發明使用來生長巨大 30 1229155 玖、發明說明 的單結晶A1N之技術。因此，名稱“沉積，，、“沉積氣相物種 ”及類似的名稱有時將使用於本文，以通常涵蓋那些遵循 本發明之結晶生長技術。 再者，使用上述描述的具體實施例製造之A1N晶柱可 5使用來製造一種已製備的基材，從該巨大的單晶切割一晶 圓或圓柱，以熟知的方式在該晶圓或圓柱上製備一能容納 磊晶層的表面，及使用習知的沉積技術在該表面上沉積一 遙晶層。 熟練的人士將亦了解雖然於本文中已描述本發明的不 10同具體實施例（如使用種晶來促進結晶生長），於本文的教 導亦可使用於無晶種的結晶生長而沒有離開本發明之範圍 及精神。 上述描述之本發明的不同觀點之改質僅為典型。需了 解的是將容易由熟知此技藝之人士對所闡明的具體實施例 15進行其它改質。此些改質及變化全部視為在如由伴隨的申 請專利範圍所定義之本發明的範圍及精神内。 【圖式簡單說明】 本發明之上述及其它特徵和優點將從讀取下列本發明 所採用的不同觀點之詳細說明與相伴隨的圖形而更容易明 20 瞭，其中： 第1圖為根據本發明之觀點所決定的結晶生長速率（為 氮氣壓力的函數）之圖式表示圖； 第2圖為本發明之裝置的具體實施例之圖式正視圖； 第3圖為本發明之第2圖中有用的裝置部分之另一個具 31 1229155 玖、發明說明 體實施例的圖式正視圖； 第4圖為顯示在第3圖之具體實施例的部分放大比例之 圖式正視圖；及 第5圖為顯示在第3圖之本發明部分的另一個具體實施 5 例之圖式正視圖。 【圈式之主要元件代表符號表】 1…南溫計 15…擋板台座 2…生長艙 16…氣體排出口 3…推送管 17…推桿 4、13…金屬擔板 18···氣體注入口 5…介電管 19…:禍、冷端 6…線圈 20···孑匕洞 7…早晶晶柱 21…密封 8…圓柱 23…金屬 9···坩堝 24…控制器 9’…二片坩堝 25、25，···基側端 10··· pBN擔板 27、27，···頂端 11…來源材料 28…真空栗 12…坩堝台座 30…閥 14…推送管台座 34···致動器

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Claims (1)

1229155 二 拾、申請專利範圍. _ ν' *ΤΊ 第91137050號專利申請案申請專利範圍修正本93 〇6 〇4 1 · 一種生長巨大的單晶氮化鋁之裝置，其包括： 一定出一生長艙輪廓之外罩，該外罩包括一氣體 排出口（裝配用來選擇地抽空及排出該生長艙），一氣體 注入口（裝配用來加壓該生長艙）及一觀察埠（裝配給高 /JEL计用來監視該生長艙内的結晶生長溫度），· 一配置在該生長艙内的無線電輻射頻率線圈，其 裝配用來在其中誘發電磁場； 該線圈包含一縱軸及一沿著該縱軸的長度尺寸； 一同軸地配置在該線圈内之石英管； 一同軸地配置在該石英管内之第一擋板組，該第 —擋板組包括從5至7個同中心的ρΒΝ圓柱，該ρΒΝ圓柱 每根的壁厚大於0.05英忖（0.13公分），該圓柱每根沿著 该縱軸的長度尺寸大於該線圈的長度尺寸； 15 一同軸地配置在該第一擋板組内之第二擋板組， 该第二擔板組包括二個同中心的開口接合之鶴圓柱， 泫鎢圓柱每根之壁厚少於〇 〇〇5英吋（〇 〇13公分” 該嫣圓柱每根沿著該縱軸的長度尺寸小於該線圈 的長度尺寸； 20 同軸地配置在遠第二擋板組内的推送管；該推 送管具有-基側邊及-頂端邊，該頂端邊包括一組具 有中心孔洞（其提供給高溫計用來監視結晶生長溫度） 的金屬檔板，該基側邊包括另一組金屬擔板； —同轴地配置在該推送管内的料，該堆網具有 33 1229155 拾、申請專利範圍 圓錐形頂端及一基側端；該坩堝可定出一結晶生長 室輪廓； ' ϋ亥基側端包括一多晶的氮化鋁來源材料，該頂端 $配用來生長該巨大的單晶氮化銘； -中。亥推送官配置在一推桿配件上，其配備用來 /σ著邊縱軸移動該掛禍及該推送管；及 其中该第一擋板組及該第二擋板組可在該坩堝腔 内/σ著该縱軸提供大於100°c/公分的熱梯度。 2·種生長巨大的單晶氮化鋁之方法，該方法包括： 10 使用如申請專利範圍第1項之裝置； 清洗該生長艙；該清洗包括抽空該生長艙至壓力 )於或等於G.G1毫巴（1帕），以實質上純的氮氣再充滿 該生長艙至壓力1巴（100千帕）； 抽空該生長艙至壓力少於或等於〇 〇1毫巴（1帕）； 15 以包含95至99%的氮及1至5%的氫之氣體加壓該生 長艙至1巴（1〇〇千帕）； 加熱該艙至第一溫度，該加熱包括在丨5分鐘内將 邊掛禍的圓錐形上端之溫度跳躍至1800°C ; 以包含95-99%的氮及1-5%的氫之氣體加壓該生長 20 艙至1·3巴（130千帕）； 進一步加熱該艙至生長溫度，該進一步加熱包括 在5小時内將坩堝的頂端溫度]Ε兆躍至2200°C ; 沿著縱軸移動該推送管及坩堝； 其中以每小時0.6至〇·9毫米的推送速率生長該單晶 34 1229155 拾、申請專利範圍 氮化鋁。 3· —種生長巨大的單晶氮化鋁之方法，該方法包含·· (a) 抽空一生長艙； (b) 以包含95%的氮及5%的氫之氣體加壓該生長艙 5 至1巴（100千帕）； (0在結晶生長室的基側端中放置多晶的A1N來源； (d) 將結晶生長室的頂端放置在該生長艙的高溫區 域中； (e) 將該高溫區域跳躍至18001 ; 10 ⑴將該生長艙的壓力維持在1.3巴（130千帕）；將該 咼溫區域跳躍至2200°C ; (g)將結晶生長室的頂端以每小時〇.6至〇.9毫米之 速率朝向生長艙之低溫區域移動； 其中在該結晶生長室頂端處生長單晶氮化鋁。 15 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中該生長速率（忽略 擴散）可由方程式決定： FAin = Α〇(ΔΤ，ΤΗ)ΡΝ2 其中ΔΤ為在坩堝的熱與冷端間之溫度差，且 100°C ; 2〇 PN2為氣氣壓力，其範圍從0至200巴（〇至2〇百萬帕） :及 Τη為氮氣在掛禍的熱端處之溫度，及範圍2〇〇〇。〇 至 2500°C。 5 · —^重早結晶A〗N之製造方法，其步驟包括： 35 1229155 拾、申請專利範圍 (a) 在一結晶生長室中提供A1及N2蒸氣； (b) 在該結晶生長室中，將κ分壓維持在大於相對 於A1之化學計量的壓力； (C)將該結晶生長室的總蒸氣壓維持在超大氣壓力 ⑷在該結晶生長室中提供至少_個成核位置，· ⑷冷卻在結晶生長室令的成核位置（㈣於其它場 所）；及 (f)在此生長來自《核位置的單結晶A1N之條件下沉 積該蒸氣。 6·如申請專利範圍第5項之方法，其中該冷卻⑷包含將該 結晶生長室放置在溫度梯度内。 15 20 7·如申请專利範圍第6項之方法，其包括在該沉積⑴期間 將該結晶生長室移動通過該溫度梯度。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其包括將該結晶生長室 移動通過該溫度梯度，以速率從至少〇5毫米/小時至3 亳米/小時。 之方法，其包括將該結晶生長室 ’以速率從至少0.6毫米/小時至 9·如申請專利範圍第7項 移動通過該溫度梯度 0.9亳米/小時。 10. 如申請專利範圍第5項 .,α ^ 方法’其包括貫質上防止Α1在 該沉積期間從蒸氣生長室中擴散出。 其中該成核位置已種晶 如申請專利範圍第5項之方法 種0 36 11. 1229155 拾、申請專利範圍 12·如申請專利範圍第5項之方法，其中該提供的蒸氣包括 昇華固體來源材料。 13.如申請專利範圍第12項之方法，其包括將該固體來源 材料配置在結晶生長室中，及相對於該成核位置加敎 5 ⑽料’於此該已昇華的蒸氣會漂移至該成核位置/ 14·如申請專利範圍第12項之方法，其包括藉由至少-個I 管狀成員疊置的線圈加熱器來加熱該固體來源材料。 15.如申請專利範圍第14項之方法，其中該加熱器實質上 配置成與該管狀成員同中心。 1〇丨6·如中請專利範圍第12項之方法，其中該固體來源材料 包含多晶的A1N。 17.如申請專利範圍第5項之方法，其中該提供蒸氣步驟包 括從固體A1N蒸發A1及N2。 18·如申請專利範圍第5項之方法，其中該提供蒸氣步驟包 15 括注入一來源氣體。 19·如：請專利範圍第5項之方法’其中該維持⑷更包含在 二μ生長至中維持—總蒸氣壓’其至少$奸帕（〇 5大氣 壓）及最高1百萬帕（丨0大氣壓）。 20·如申請專利範圍第19項之方法，其中該維持⑷更包含 2〇 在結晶生長室中維持-總蒸氣壓，其至少100千帕(1大 氣壓）及最高15〇千帕（15大氣壓）。 21.一種用來製造巨大的單晶趟之系統，該系統包括： 一 Α]&Ν2蒸氣來源； 一用來包含該蒸氣之結晶生長室； 37 ί合、申請專利範匱 在該結晶生長室中至少一個成核位置； 該結晶生長室具有一選擇性障礙物，其配備用以 准許Ν2漂移過它且實質上防止八丨漂移過它；及 一加壓系統，其配備用以維持結晶生長室中的Ν2 5 分壓大於相對於Μ之化學計量的壓力；及將結晶生長 室中的總蒸氣壓維持在超大氣壓力；及 遠擇性加熱系統，其配備以將該成核位置維持 在溫度低於結晶生長室中的其它場所。 22•如申請專利範圍第21項之系統，其中該選擇性障礙物 包含一從嫣製造的壁。 1〇 23·如申請專利範圍第21項之系統，其中該選擇性障礙物 在該結晶生長艙内包含一開口，其已定出尺寸且塑形 而准許Ν2擴散同時實質上防止八丨擴散過它。 24·如申請專利範圍第23項之系統，其中該開口包含一延 15 伸通過该結晶生長艙壁之孔洞，該孔洞已定出尺寸且 塑形以准許&擴散同時實質上防止A1擴散過它。 25·如申請專利範圍第21項之系統，其中該選擇性障礙物 包含一密封，其配備用來選擇性地打開及關閉。 26·如申請專利範圍第25項之系統，其中配備該密封以實 20 質上防止蒸氣通過它（當該結晶生長艙内部及外部的蒸 氣壓於機械平衡時）及准許蒸氣通過它（當蒸氣壓非機械 平衡時）。 27· —種製造一經製備的基材之方法，其步驟包括： 在一包含結晶生長表面的結晶生長室中提供八丨及 38 1229155 拾、申請專利範圍 N2蒸氣； 將孩結曰曰生長室中的N2分壓維持在大於相對 之化學計量的壓力； 將4、纟σ 0曰生長室中的總蒸氣壓維持在超大氣壓力； 5 在結晶生長表面上，於能支配在上面生長單結晶 Α1Ν合金之條件下沉積八1及乂蒸氣；及 從該巨大的單晶切割一晶圓或圓柱； 在该晶圓或圓柱上製備一能容納一磊晶層之表面 ;及 10 在該表面上沉積一磊晶層或結晶晶柱。 28·—種單結晶Α1Ν的製造方法，其步驟包括： (幻在一結晶生長室中提供能形成結晶的Α1及Ν2蒸 氣； (b) 在該結晶生長室中維持沁分壓大於相對於Α1之 15 化學計量的壓力； (c) 在該結晶生長室中提供至少一個成核位置； (d) 冷卻該成核位置（相對於結晶生長室中的其它場 所）； (e) 產生一巨觀的乂及沁蒸氣氣流通過該成核位置 20 ;及 (f) 在該成核位置處沉積該蒸氣以形成一單結晶A1N。 29·如申請專利範圍第28項之方法，其中該維持（b)包括將 N2分壓維持在大於A1分壓。 30.如申請專利範圍第28項之方法，其中該產生（e)包括將 39 1229155 拾 31. 5 32. 10 33. 34. 15 、申請專利範圍 4、、、。生長室配置在主要充滿N2的環境内，提供該結 晶生長艙一選擇性障礙物，其配備以實質上防止A1蒸 氣通過且准許％蒸氣通過它。 如申請專利範圍第30項之方法，其中該選擇性障礙物 匕έ鎢壁，其已定出尺寸以准許Ν2擴散同時實質上 防止Α1擴散過它。 如申请專利範圍第30項之方法，其中該選擇性障礙物 在該結晶生長艙内包含一開口，其已定出尺寸且塑形 以准許&擴散同時實質上防止A1擴散過它。 如申請專利範圍第32項之方法，其中該開口包含一延 伸通過該結晶生長搶壁的孔洞。 如申請專利範圍第32項之方法，其中該開口包含一配置 在戎結晶生長驗中之密封，配備該密封以實質上防止墓 氣通過它（當該結晶生長艙的内部及外部蒸氣壓非機械 平衡時）及准許蒸氣通過它（當蒸氣壓非機械平衡時）。 40