制造若干个碳化硅单晶晶体的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于一种制造单晶晶体的装置及其方法，尤指一种制造多个碳化硅单晶晶 体的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 碳化硅在材料性质方面拥有仅次于钻石的极高硬度，且热传导系数（500W/m · K) 除了高于硅（150W/m · K)及砷化镓（50W/m · K)之外，在室温下比任何金属都要高，因此 使得碳化硅元件即使在高功率的环境下工作也能同时拥有高的散热效率。以4H结构 碳化硅与传统电子材料（Si、GaAs)及GaN的性质比较，可以得知在300K碳化硅的能隙 (2. 40-3. 25eV)高于硅（1. 12V)及砷化镓（1. 42eV)，因此碳化硅制成的电子元件可以在极 高的温度下工作，而不会受到固有传导效应的影响。此外，在崩溃电压方面，碳化硅能承受 的电压梯度，比硅及砷化镓高了 8倍，因此能应用在高电压的元件上。而碳化硅也因为拥有 较高的饱和电子漂流速，所以可在高频（RF和微波）下工作。
[0003] 正因为碳化硅具有许多优良的材料特性，因此国外从20几年前便开始对单晶碳 化硅的长晶技术及元件制程进行开发。国外的碳化硅产业供应链从最上游端的单晶材料到 元件制程与产品应用皆有国际大厂进行研究及发展。如此优异的材料为何至今仍无法取代 传统半导体材料呢？其原因为碳化硅单晶生长技术为元件制程中难度最高的技术，导致碳 化硅晶原材料目前仍处于严重的供不应求状况。
[0004] 经过这20多年来的发展，碳化硅单晶生长的方法有很多种，分别有下列几种方法 可以应用于碳化硅单晶的晶体生长，分述如下1.高温化学气相沉积法（HTCVD):由含碳和 硅原料的气相输送，令其蒸气直接在在腔体内的碳化硅晶种上长成碳化硅单晶。制程中温 度与成分比例除了影响长晶速度，也同时影响晶体的型态，仅有在适当长晶速度时所长成 的晶体才会是单晶，在低温或分压高时成长速度太快容易产生多晶的型态，而在高温或分 压低时，晶体受到侵蚀的速度会大于沉积的速度，晶体反而会缩小不会成长。2.液相磊晶 法（Liquid Phase Epitaxy，LPE) :LPE长晶法的驱动力是利用溶有碳的恪融态娃液体，通过 缓慢的降温让碳在硅中的溶解度降低，于是碳化硅便会在晶种的地方成核并成长。LPE法 发展上的困难在于因为碳在硅中的溶解度不高，所以为了提高溶解度必须要添加稀土元素 或过渡金属（例如Pr、Tb、Sc等）作为媒介，但因为添加额外的元素，所以如何克服产品的 纯度便是重要的课题。3.升华法（Sublimation Method):升华法又称为物理气相传输法 (Physical Vapor Transport)，为目前碳化娃晶体成长最成熟的技术，且在升华系统中所 形成的晶体，具有较低的缺陷水准，因此也是主要商业化量产的技术，在典型碳化硅生长技 术中，将碳化硅粉末加热至升华温度2200~2500°C，以感应线圈加热方式使其升华，于反 应的坩埚中产生温度梯度的方式加热，利用温度梯度使碳化硅粉末所产生的蒸汽相移动至 晶种，在温度较低的晶种位置慢慢沉积，而长成单晶晶体。该方法也可称作为物理蒸汽传送 (PVT) 〇
[0005] 根据美国专利第4, 866, 005号（再颁予第34, 861号）如图1，图1为升华系统的 截面示意图，从专利内容中可以得知在典型碳化硅生长技术中，坩埚100由石墨制成，由感 应线圈200加热方式使其升华，感应线圈为若干个，当施加电流经过线圈时，对坩埚具有加 热的效果，长晶的源粉末为碳化硅300,晶种400也为碳化硅，晶种在坩埚内的位置通常在 顶部，用于生长晶体的源粉末在坩埚内的位置，通常在下端，跟晶种面对面，加热坩埚后，利 用线圈与绝缘体的放置，可建立起一个可控制，并且是所需要的温度梯度，源粉末的蒸汽由 于温度梯度的关系，会冷凝在该晶种上，而长成单晶晶体500。从现有技术技术可以得知一 次只能生长一个晶体。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术中，以升华法的制备方式每次只能在一个坩埚中制备单一个晶 体，造成产量较低，成本较高的缺陷，本发明提供一种制造若干个碳化硅单晶晶体的装置， 包含：反应单元，包含圆柱型坩埚及对应该坩埚设置的圆形盖子；隔热材，配置于该反应单 元四周及上下；反应腔体，对应设置于该反应单元及该隔热材的外侧；加热系统，对应并环 绕于该反应腔体设置；其中，该坩埚一侧设有带动该圆柱型坩埚旋转的旋转机构，且配置于 该圆形盖子上的隔热材的厚度，由中心向外缘呈现内厚外薄的型态。
[0007] 其中，该圆形盖子固定放置若干片碳化硅晶种，且该碳化硅晶种直的径为2~8 吋。
[0008] 其中，该圆柱型坩埚及该圆形盖子的材质选自由石墨及钽所构成的群组。
[0009] 其中，该隔热材的材质为碳纤维。
[0010] 其中，该加热系统为环射频感应式加热器（Radio Frequency Heater)或电阻式加 热器（Resistance Heater)，并可对该反应单元加热至1900~2500°C。
[0011] 其中，该反应单元的上方设有一个或多个温度计。
[0012] 其中，该碳化硅晶种的晶体结构为3C、4H、6H、2H或15R多型体。
[0013] 其中，该反应腔体保持真空且其材质为石英管。
[0014] 其中，该反应腔体内进一步包含质流控制器。
[0015] 本发明另一方面提供一种利用如前任一项的装置以制造若干个碳化硅单晶晶体 的方法，包含：（i)于该反应单元的圆形盖子上配置若干片碳化硅晶种，并于对应的圆柱型 坩埚内填充足够生长所需晶体高度的碳化硅粉末；（ii)将该反应单元置入于该反应腔体， 且对放置该反应单元的反应腔体进行抽气，使该反应腔体内维持适当压力；（iii)使用该 加热系统将该反应单元加热至1900°C~2500°C温度区间，使该碳化硅粉末升华，于该若干 片碳化硅晶种上长成若干个碳化硅单晶晶体。
[0016] 本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的装置，通过坩埚一侧设有旋转机构，带动该 圆柱型坩埚旋转，且配置于该圆形盖子上的隔热材的厚度，由中心向外缘呈现内厚外薄的 型态，使加热系统对该反应单元加热时，反应单元内部的各个位置的温度场一致，因此，内 部的晶种片受热一致，从而能够同时在晶种片上长成碳化硅单晶晶体，突破以往一个反应 单元内仅能生长单一晶体的缺陷，提高了产量且降低了生产成本。
【附图说明】
[0017] 图1是现有技术制造碳化娃单晶晶体的不意图；
[0018] 图2为晶种配置在本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的装置一种具体实施例的 圆型盖子的示意图；
[0019] 图3为本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的装置一种具体实施例的操作示意图；
[0020] 图4为本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的装置一种具体实施例的的圆型盖子 上隔热材配置示意图；
[0021] 图5为本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的装置一种具体实施例的的圆型盖子 上2吋晶种温度分布示意图。
[0022] 附图标记：
[0023] 图 1 :
[0024] 100圆柱型坩埚
[0025] 200感应线圈
[0026] 300碳化硅粉末
[0027] 400 晶种
[0028] 500 晶体
[0029] 图 2-5 中：
[0030] 1 圆柱型坩埚
[0031] 2 感应线圈
[0032] 3 碳化硅粉末
[0033] 4 碳化硅晶种
[0034] 5 晶体
[0035] 6 圆形盖子
[0036] A1 2吋第1片晶种
[0037] A2 2吋第2片晶种
[0038] A3 2吋第3片晶种
[0039] A4 2吋第4片晶种
[0040] A5 2吋第5片晶种
[0041] A6 2时第6片晶种
[0042] A7 2吋第7片晶种
[0043] 14 隔热材
[0044] 14a三角形隔热材
[0045] 15 反应腔体
[0046] 16 温度计
[0047] 17 旋转机构
【具体实施方式】
[0048] 接下来将参照附图更清楚地描述，依据本发明某些具体实施例中，多片碳化硅单 晶来大量生长碳化硅单晶的制造方法，其中在每一图中，相同的元件被赋予相同的元件号 码，且不重复说明。为达成本发明先前叙述的目的，现列举以下实施例，并配合图示加以说 明。
[0049] 首先，请同时参阅图2及图3，本实施例中，本发明制造若干个碳化硅单晶晶体的 装置包含反应单元，该反应单元可同时容纳晶种以及碳化娃粉末，此反应单元具体而言具 有圆形盖子6,此圆形盖子6可配置若干个碳化硅晶种4并将其固定；反应单元进一步包含 圆柱型坩埚1，圆柱型坩埚1材质只要是耐高温、坚固且在高温下不会发生变化的均可，而 较佳选用石墨或钽材质，更佳选用石墨材质的圆柱型坩埚1，主要是希望长晶所使用的原料 和圆柱型坩埚1不要发生反应，因为在长晶过程中，晶种的品质、原料的纯度、坩埚及隔热 材的杂质含量应尽量越少越好，因此，若选择石墨材质，有以下原因：(a)耐高温及特殊的 热性能、（b)石墨在超高温条件下不软化而且强度反而增高、（c)石墨的热膨系数很小、（d) 优良的导电和导热性、（e)在极高温度时则趋于绝热状态。
[0050] 此反应单元可完全密封，碳化硅晶种4,或如图2中的2吋第1片晶种A1、2吋第2 片晶种A2、2吋第3片晶种A3、2吋第4片晶种A4、2吋第5片晶种A5、2吋第6片晶种A6、 2吋第7片晶种A7,配置在圆柱型坩埚1位置的上方的圆形盖子6上，碳化硅粉末3放置于 圆柱型坩埚1的底部；其中，碳化硅晶种的直径为2~8吋，碳化硅晶种的晶体结构可为3C、 4H、6H、2H或15R多型体。
[0051] 此实施例中，本发明的装置进一步在反应单元四周及上下配置隔热材14,其为了 使圆柱型坩埚1保持于高温状态，本实施例中所使用的隔热材14,为可耐高温的材料，较佳 为含碳元素所制成的隔热材，更佳是以碳纤维材质所制成的隔热材。
[0052] 此实施例中，该装置进一步包含反应腔体15,对应设置于该反应单元及隔热材14 外侧，可容纳一个反应单元。将反应单元置入一个具有真空状态的反应腔体15，接着可对此 反应腔体15进行抽气，并且可以以惰性气体对此反应腔体15进行充填，在生产的过程中， 并可使此反应腔体15内的压力维持在适当压力下；该反应腔体15较佳选用石英材质。
[0053] 此实施例中，该装置进一步包含加热系统，对应并环绕于该反应腔体15设置，该 加热系统可使用如射频感应线圈（RF coil)的方式或电阻式加热，本实施例中采用感应线 圈2,可见其被配置于隔热材14)的区域，但围绕着反应腔体15,因此可对内部的圆柱型坩 埚1加热到约1900°C~2500°C的温度。
[0054] 本