TWM655005U - 生長碳化矽晶體之裝置 - Google Patents

Abstract

本揭示內容提供一種生長碳化矽晶體之裝置。裝置包括坩堝、石墨蓋子及加熱線圈。坩堝被配置以容納碳化矽源及晶種，以及坩堝包括第一石墨層、第二石墨層及金屬碳化物層，其中金屬碳化物層夾置於第一石墨層與第二石墨層之間。石墨蓋子位於坩堝上。加熱線圈位於坩堝的側部及底部外。

Description

生長碳化矽晶體之裝置

本揭示內容是關於一種生長碳化矽晶體之裝置。

碳化矽（silicon carbide, SiC）是現今半導體產業常用的半導體材料之一。然而，生長碳化矽晶體使用的物理氣相傳輸（physical vapor transport, PVT）製程可能因裝置的溫度控制不如預期而導致碳化矽晶體的品質不佳。因此，需要一種新穎的裝置以更有效地控制裝置的溫度，並生長品質更加優良的碳化矽晶體。

本揭示內容提供一種生長碳化矽晶體之裝置。裝置包括坩堝、石墨蓋子及加熱線圈。坩堝被配置以容納碳化矽源及晶種，以及坩堝包括第一石墨層、第二石墨層及金屬碳化物層，其中金屬碳化物層夾置於第一石墨層與第二石墨層之間。石墨蓋子位於坩堝上。加熱線圈位於坩堝的側部及底部外。

在一些實施方式中，金屬碳化物層為碳化鉭層、碳化鉿層或碳化鉭-碳化鉿層。

在一些實施方式中，金屬碳化物層藉由第一石墨層與坩堝的內表面隔開，以及金屬碳化物層藉由第二石墨層與坩堝的外表面隔開。

在一些實施方式中，金屬碳化物層從坩堝的底部連續延伸至坩堝的側部。

在一些實施方式中，金屬碳化物層的上表面與第一石墨層的上表面及第二石墨層的上表面對齊。

在一些實施方式中，第一石墨層具有第一厚度、第二石墨層具有第二厚度，金屬碳化物層具有第三厚度，以及第一厚度、第二厚度及第三厚度的厚度比為5～25：3～15：5～25。

在一些實施方式中，第三厚度為6 mm至8 mm。

在一些實施方式中，金屬碳化物層包括靠近坩堝的頂部的第一部分、靠近坩堝的底部的第二部分及位於第一部分與第二部分之間的第三部分，第一部分的第一部分厚度小於第三部分的第三部分厚度，以及第三部分厚度小於第二部分的第二部分厚度。

在一些實施方式中，第一部分厚度為3 mm至5 mm、第二部分厚度為15 mm至20 mm，以及第三部分厚度為8 mm至10 mm。

在一些實施方式中，第一部分在坩堝的底部的投影位於第三部分在坩堝的底部的投影內，以及第三部分在坩堝的底部的投影位於第二部分在坩堝的底部的投影內。

為了使本揭示內容的敘述更加詳細，下文針對實施方式的態樣做出說明性的描述，然這並非限制本揭示內容的實施方式為唯一形式。本揭示內容的實施方式在有益的情形下可能相互結合和/或取代，且在未進一步說明的情況下可能附加其他實施方式。空間相對用語，例如上方及下方等，可在本揭示內容中描述一個元件與圖中另一個元件的關係。除了圖中描述的方向，空間相對用語旨在涵蓋裝置在使用和/或操作時的不同方向，例如裝置可能以其他方式定向（例如旋轉90度等），因此本揭示內容的空間相對用語也可相對應地解釋。本揭示內容使用的「約」、「基本上」及「實質上」等包括所述數值（或所述特徵）與所屬技術領域中通常知識者可理解的數值（或特徵）的偏差範圍。例如，考慮到數值（或特徵）可能具有誤差等，這些用語可表示所述數值的標準偏差內的值（例如在±30%、±20%、±15%、±10%或±5%內的值）或是表示所述特徵在實務操作上涵蓋的偏差（例如「實質上平行」的敘述可表示實務上接近平行而非理想上完美的平行）。此外，可依據測量的性質或其它性質等來選擇可接受的偏差範圍。

本揭示內容提供一種生長碳化矽晶體之裝置。裝置包括坩堝101、石墨蓋子102及加熱線圈103。坩堝101被配置以容納碳化矽源104及晶種105，以及坩堝101包括第一石墨層101A、第二石墨層101B及金屬碳化物層101C，其中金屬碳化物層101C夾置於第一石墨層101A與第二石墨層101B之間。石墨蓋子102位於坩堝101上。加熱線圈103位於坩堝101的側部及底部外。本揭示內容的坩堝101因具有置於第一石墨層101A及第二石墨層101B之間的金屬碳化物層101C而可更有效地吸收從加熱線圈103提供的熱能，並將熱能有效且避免過度耗散地傳遞至坩堝101內的碳化矽源104，以使碳化矽源104被均勻地加熱而昇華，並使昇華的氣體可在晶種105處生長成純度高且缺陷低的碳化矽晶體。接下來根據一些實施方式詳細說明本揭示內容的裝置。

首先說明坩堝101。坩堝101是內部具有空間可容納碳化矽源104及晶種105的容器。在一些實施方式中，坩堝101較佳為具有圓柱狀的側部的容器。除此之外，坩堝101具有從暴露出坩堝101內部空間的內表面101I延伸至位於坩堝101外部的外表面101O的多層結構，其中此多層結構包括第一石墨層101A、第二石墨層101B及金屬碳化物層101C。第一石墨層101A及第二石墨層101B將金屬碳化物層101C夾置於之間。相較於僅包括石墨層的坩堝來說，金屬碳化物層101C可提升坩堝101的熔點及熱傳導率，並降低坩堝101熱耗散的速率，因此可有效且均勻地加熱碳化矽源104，並使得晶種105處生長的碳化矽晶體的純度提高及缺陷降低。而且由於坩堝101的耐熱性更佳，可以更高的溫度加熱坩堝101。以及由於坩堝101的熱耗散速率較慢，可避免坩堝101因受環境冷熱變化大和/或因自身溫度變化過大而造成損傷。在一些實施方式中，金屬碳化物層101C較佳地為包括碳化鉭的碳化鉭層、包括碳化鉿的碳化鉿層，或是包括由碳化鉭和碳化鉿所組成的合金的碳化鉭-碳化鉿層，以更加顯著地提升金屬碳化物層101C的熔點及熱傳導率，並更加顯著地降低坩堝101的熱耗散速率。在一些實施方式中，第一石墨層101A及第二石墨層101B各自獨立包括石墨。在一些實施方式中，碳化矽源104包括碳化矽粉末，以及至少99.99%的粉末的粒徑為200 µm至500 µm，例如200 µm、300 µm、400 µm或500 µm等。在一些實施方式中，晶種105包括碳化矽晶種。

繼續說明坩堝101。在一些實施方式中，夾置於第一石墨層101A及第二石墨層101B之間的金屬碳化物層101C藉由第一石墨層101A及第二石墨層101B與坩堝101的內表面101I及外表面101O空間上隔開，例如金屬碳化物層101C分別藉由第一石墨層101A及第二石墨層101B與坩堝101的內表面101I及外表面101O隔開，使得第一石墨層101A相對於第二石墨層101B更接近坩堝101的內部。如此，坩堝101的保溫效果得到更顯著地提升。舉例來說，當坩堝僅包括石墨層而未包括金屬碳化物層101C時，坩堝降溫至室溫的時間約為8小時至10小時。然而，與僅包括石墨層的坩堝相比，本揭示內容的坩堝101降溫至室溫的時間約為15小時。此外，在一些實施方式中，第一石墨層101A及第二石墨層101B分別與金屬碳化物層101C直接接觸。

繼續說明坩堝101。在一些實施方式中，坩堝101的內表面101I的全部暴露出坩堝101的第一石墨層101A。由於第一石墨層101A的成分除了碳之外實質上未包括其他成分，因此在坩堝101的內表面101I係暴露出第一石墨層101A的情況下於坩堝101的內部生長碳化矽晶體並不會因坩堝101的材質裂解和/或氣化而污染形成碳化矽晶體的純度。此外，在一些實施方式中，坩堝101的外表面101O的全部暴露出坩堝101的第二石墨層101B。

繼續說明坩堝101。在一些實施方式中，坩堝101中的金屬碳化物層101C從坩堝101的底部連續延伸至坩堝101的側部，以更有效地對置於坩堝101內部的底部上的碳化矽源104提供更全面且均勻地加熱效果。連續延伸的金屬碳化物層101C也可更加提升坩堝101的保溫效果。在一些實施方式中，從坩堝101的底部連續延伸至坩堝101的側部的金屬碳化物層101C還連續延伸至使得金屬碳化物層101C的上表面S1與第一石墨層101A的上表面S2及第二石墨層101B的上表面S3對齊。因此，金屬碳化物層101C還可有效地對從碳化矽源104中昇華的氣體及在晶種105處形成碳化矽晶體的結晶反應提供溫度控制，因此顯著提升形成碳化矽晶體的效率及品質。

繼續說明坩堝101。在一些實施方式中，第一石墨層101A的第一厚度T1較佳為1.25 mm至15 mm（例如1.25 mm、5 mm、8 mm、9 mm、10 mm、12 mm、12.5 mm或15 mm等），以及第二石墨層101B的第二厚度T2較佳為1.25 mm至15 mm（例如1.25 mm、5 mm、8 mm、9 mm、10 mm、12 mm、12.5 mm或15 mm等），其中第一厚度T1及第二厚度T2各自可以在坩堝101中為實質上一致且均勻的（如第1圖所示），或是可以在坩堝101中具有變化的（如第2圖至第3圖所示）。在一些實施方式中，第一厚度T1可與第二厚度T2相同或不同。在一些實施方式中，金屬碳化物層101C的第三厚度T3較佳為3 mm至20 mm（例如3 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、15 mm或20 mm等），其中第三厚度T3可以在坩堝101中為實質上一致且均勻的（如第1圖所示），或是可以在坩堝101中具有變化的（如第2圖至第3圖所示）。詳細地說，當金屬碳化物層101C如第1圖所示時，此時的第三厚度T3較佳為6 mm至8 mm（例如6 mm、7 mm或8 mm等），以及第一厚度T1比上第二厚度T2比上第三厚度T3的厚度比較佳為5～25：3～15：5～25，其中更佳為5～6：3～4：5～6（例如當第三厚度T3是8 mm時，厚度比可以是10：8：10、11：8：11或12：8：12等，或是在任何上述範圍的厚度比）。當金屬碳化物層101C如第2圖至第3圖所示時，金屬碳化物層101C從坩堝101的頂部至坩堝101的底部依序包括具有不同的第三厚度T3的第一部分P1、第三部分P3及第二部分P2，其中第一部分P1的第一部分厚度PT1小於第三部分P3的第三部分厚度PT3，以及第三部分P3的第三部分厚度PT3小於第二部分P2的第二部分厚度PT2，使得坩堝101內部的溫度具有從坩堝101的底部減少至坩堝101的頂部的溫度梯度（例如坩堝101的頂部的溫度可能少於坩堝101的底部的溫度約100 °C），並使得在坩堝101的頂部處的晶種105上生成純度可更高且更無缺陷的碳化矽晶體。

詳細說明如第2圖至第3圖所示的金屬碳化物層101C。在一些實施方式中，第一部分P1被配置以根據晶種105所在的位置而環繞晶種105、第二部分P2被配置以根據碳化矽源104所在的位置而環繞碳化矽源104且位於碳化矽源104下方，以及第三部分P3位於第一部分P1及第二部分P2之間。也就是說，第一部分P1、第二部分P2及第三部分P3分別對應坩堝101內部碳化矽晶體生長的地方、碳化矽源104被加熱而昇華的地方，以及昇華氣體擴散的地方。當第一部分P1的第一部分厚度PT1小於第三部分P3的第三部分厚度PT3以及第三部分P3的第三部分厚度PT3小於第二部分P2的第二部分厚度PT2時，第一部分P1環繞的地方的溫度將小於第三部分P3環繞的地方的溫度以及第三部分P3環繞的地方的溫度將小於第二部分P2環繞的地方的溫度，即生長碳化矽晶體的地方的溫度將小於擴散昇華氣體的地方的溫度以及擴散昇華氣體的地方的溫度將小於加熱及昇華碳化矽源104的地方的溫度。在一些實施方式中，第一部分P1被配置以環繞晶種105的全部。在一些實施方式中，第二部分P2被配置以環繞碳化矽源104的全部。在一些實施方式中，第一部分P1直接接觸第三部分P3，以及第三部分P3直接接觸第二部分P2。

繼續說明如第2圖至第3圖所示的金屬碳化物層101C。在一些實施方式中，第一部分厚度PT1較佳為3 mm至5 mm（例如3 mm、4 mm或5 mm等）、第二部分厚度PT2較佳為15 mm至20 mm（例如15 mm、17.5 mm或20 mm等），以及第三部分厚度PT3較佳為8 mm至10 mm（例如8 mm、9 mm或10 mm等）。在一些實施方式中，第一部分厚度PT1在第一部分P1中為實質上一致且均勻的。在一些實施方式中，第二部分厚度PT2在第二部分P2中為實質上一致且均勻的。在一些實施方式中，第三部分厚度PT3在第三部分P3中為實質上一致且均勻的。在一些實施方式中，第一部分P1在坩堝101的底部的投影較佳為位於第三部分P3在坩堝101的底部的投影內，以及第三部分P3在坩堝101的底部的投影較佳為位於第二部分P2在坩堝101的底部的投影內，以使得坩堝101的溫度從靠近內表面101I至靠近外表面101O具較平均的溫度分佈。在一些實施方式中，第一部分P1至坩堝101內表面101I的距離實質上等於第一部分P1至坩堝101外表面101O的距離；第三部分P3至坩堝101內表面101I的距離實質上等於第三部分P3至坩堝101外表面101O的距離；以及第二部分P2至坩堝101內表面101I的距離實質上等於第二部分P2至坩堝101外表面101O的距離。在一些實施方式中，包括第一部分P1、第三部分P3及第二部分P2的金屬碳化物層101C與第一石墨層101A的介面具有階梯形狀。在一些實施方式中，包括第一部分P1、第三部分P3及第二部分P2的金屬碳化物層101C與第二石墨層101B的介面具有階梯形狀。

接著說明石墨蓋子102。石墨蓋子102位於坩堝101上，以可將坩堝101內部的空間密封，且可更有效率且避免浪費熱能地對坩堝101內部進行溫度控制。此外，石墨蓋子102也有助於使得坩堝101內位於上部的空間具有相對於位於下部的空間來說具有減少的溫度（例如溫度相對來說可減少100 °C），以有助於在坩堝101內位於上部的空間處形成純度高且缺陷低的碳化矽晶種。在一些實施方式中，石墨蓋子102為實質上僅包括石墨的蓋子。

接著說明加熱線圈103。加熱線圈103作為熱源環繞於坩堝101的側部外且位於坩堝101的底部外。在一些實施方式中，加熱線圈103為電磁線圈。

在一些實施方式中，裝置可更包括絕緣材料（未圖示）包覆於坩堝101及石墨蓋子102外且位於加熱線圈103與坩堝101及石墨蓋子102之間，以有助於可更有效地控制坩堝101內的溫度變化，並避免熱量過度耗散。

本揭示內容的坩堝可有效地吸收從加熱線圈提供的熱能，並將熱能有效且避免過度耗散地傳遞至坩堝內的碳化矽源，以使碳化矽源被均勻地加熱而昇華，並使昇華的氣體可在晶種處生長成純度高且缺陷低的碳化矽晶體。此外，本揭示內容的裝置使得坩堝內的溫度具變化，以可更有效地得到純度高且缺陷低的碳化矽晶體。

本揭示內容相當詳細地藉由一些實施方式進行描述，但其它實施方式也可能是可行的。因此不應以本揭示內容所含的實施方式限制所附申請專利範圍欲涵蓋的範圍和精神。對於所屬技術領域中通常知識者來說，可在不偏離本揭示內容的範圍和精神下對本揭示內容進行修改和/或變更。只要這些修改和/或變更屬於所附申請專利範圍的範圍和精神，本揭示內容即涵蓋這些修改和/或變更。

101:坩堝 101A:第一石墨層 101B:第二石墨層 101C:金屬碳化物層 101I:內表面 101O:外表面 102:石墨蓋子 103:加熱線圈 104:碳化矽源 105:晶種 P1:第一部分 P2:第二部分 P3:第三部分 PT1:第一部分厚度 PT2:第二部分厚度 PT3:第三部分厚度 S1～S3:上表面 T1:第一厚度 T2:第二厚度 T3:第三厚度

閱讀本揭示內容的附圖時，建議從下文瞭解本揭示內容的各個面向。需注意的是，按照產業的標準做法，各種特徵尺寸可能未依比例繪製。且為了使討論更清晰，各種特徵尺寸可能被任意增加或減小。此外，為了簡化圖式，慣用結構與元件可能在圖中以簡單示意的方式繪示。 第1圖是根據本揭示內容一些實施方式的生長碳化矽晶體的裝置的剖面示意圖。 第2圖是根據本揭示內容另一些實施方式的生長碳化矽晶體的裝置的剖面示意圖。 第3圖是根據第2圖的在坩堝的側部的金屬碳化物層的上視示意圖。

101:坩堝

101A:第一石墨層

101B:第二石墨層

101C:金屬碳化物層

101I:內表面

101O:外表面

102:石墨蓋子

103:加熱線圈

104:碳化矽源

105:晶種

S1~S3:上表面

T1:第一厚度

T2:第二厚度

T3:第三厚度

Claims (10)

1. 一種生長碳化矽晶體之裝置，包括： 一坩堝，被配置以容納一碳化矽源及一晶種，以及該坩堝包括： 一第一石墨層； 一第二石墨層；以及 一金屬碳化物層，其中該金屬碳化物層夾置於該第一石墨層與該第二石墨層之間； 一石墨蓋子，位於該坩堝上；以及 一加熱線圈，位於該坩堝的一側部及一底部外。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該金屬碳化物層為一碳化鉭層、一碳化鉿層或一碳化鉭-碳化鉿層。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該金屬碳化物層藉由該第一石墨層與該坩堝的一內表面隔開，以及該金屬碳化物層藉由該第二石墨層與該坩堝的一外表面隔開。
4. 如請求項1所述之裝置，其中該金屬碳化物層從該坩堝的該底部連續延伸至該坩堝的該側部。
5. 如請求項4所述之裝置，其中該金屬碳化物層的一上表面與該第一石墨層的一上表面及該第二石墨層的一上表面對齊。
6. 如請求項1所述之裝置，其中該第一石墨層具有一第一厚度、該第二石墨層具有一第二厚度，該金屬碳化物層具有一第三厚度，以及該第一厚度、該第二厚度及該第三厚度的一厚度比為5～25：3～15：5～25。
7. 如請求項6所述之裝置，其中該第三厚度為6 mm至8 mm。
8. 如請求項1所述之裝置，其中該金屬碳化物層包括靠近該坩堝的一頂部的一第一部分、靠近該坩堝的該底部的一第二部分及位於該第一部分與該第二部分之間的一第三部分，該第一部分的一第一部分厚度小於該第三部分的一第三部分厚度，以及該第三部分厚度小於該第二部分的一第二部分厚度。
9. 如請求項8所述之裝置，其中該第一部分厚度為3 mm至5 mm、該第二部分厚度為15 mm至20 mm，以及該第三部分厚度為8 mm至10 mm。
10. 如請求項8所述之裝置，其中該第一部分在該坩堝的該底部的一投影位於該第三部分在該坩堝的該底部的一投影內，以及該第三部分在該坩堝的該底部的該投影位於該第二部分在該坩堝的該底部的一投影內。

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