制造碳化硅单晶的装置和方法与流程

本申请是于2011年12月16日申请的申请号为“201110431747.9”、发明名称为“制造碳化硅单晶的装置和方法”的专利申请的分案申请。

本发明涉及制造碳化硅(sic)单晶的装置和方法。

背景技术：

已经例如在jp-a-2007-176718中提出了一种sic单晶制造装置。在常规装置中，籽晶的直径通过升华蚀刻籽晶的可能存在很多缺陷和畸变的侧面和外缘来减小。然后，籽晶的直径通过在籽晶上生长sic单晶来增大至预定水平。具体地，这种常规装置包括导向件，其具有定位为面向籽晶外缘的内壁。导向件的内径小于籽晶的直径并且随着距籽晶的距离而增大以使得籽晶的直径能增大。

因而，这种常规装置可减少或防止籽晶的外缘上的缺陷和畸变。因此，由这种常规装置制造的sic单晶可具有较高的质量。

然而，籽晶的外缘通过升华蚀刻方法移除时，sic单晶和导向件之间的温差随着sic单晶的生长而降低。而且，sic单晶和导向件之间的间隙随着sic单晶的生长而增大。因此，sic原料气体变得难以流动，因此多晶能在sic单晶和导向件之间生长。因此，多晶粘附至sic单晶，因此sic单晶的外缘的质量能退化。

使用图6a和6b中所示的sic单晶制造装置可防止多晶粘附至sic单晶。在这种sic单晶制造装置中，sic单晶生长处的籽晶与多晶生长处的部分不重合。

具体地，在图6a中，籽晶j2放置于基部j1的突起j1a上。因而，在籽晶j2上生长的sic单晶j3能与在突起j1a周围生长的多晶j4不重合。然而，在单晶j3在籽晶j2上长长时，多晶j4在突起j1a周围生长。因此，多晶j4可粘附至单晶j3。在图6b中，突起j1a由护盖元件j1b包围以防止多晶j4在突起j1a周围生长。然而，当单晶j3在籽晶j2上长长时，多晶j4可粘附至护盖元件j1b上。护盖元件j1b上的多晶j4可粘附至单晶j3。

技术实现要素：

考虑到上述情况，本发明的目标是提供一种用于通过减少或防止多晶粘附至sic单晶来制造高质量sic单晶的装置和方法。

根据本发明的一个方面，一种制造碳化硅单晶的装置通过从籽晶的下面供应用于碳化硅的原料气体来在由碳化硅单晶基片制成的籽晶的表面上生长碳化硅单晶。该装置包括具有第一侧和与第一侧相反的第二侧的基部。籽晶安装于基部的第一侧上。该装置还包括用于支撑基部并且用于从基部的第二侧将净化气体供应至基部的净化气体引入机构。基部具有用于从基部朝着籽晶的外缘排出所供应净化气体的净化气体引入路径。

根据本发明的另一个方面，一种制造碳化硅单晶的方法在由碳化硅单晶基片制成的籽晶的表面上生长碳化硅单晶。该方法包括将籽晶安装于基部的第一侧上、从安装于基部的第一侧上的籽晶下面供应用于碳化硅的原料气体、从基部的与第一侧相反的第二侧将净化气体供应到基部、以及从基部朝着籽晶的外缘排出所供应的净化气体。

附图说明

上述和其他目标、特点和优点将从以下描述和附图中变得更明显，其中类似的参考标号指示类似的部件，在附图中：

图1是示出根据本发明第一实施例的sic单晶制造装置的横截透视图；

图2是示出图1的局部放大图的视图，示出sic单晶制造装置的基部；

图3是示出根据本发明第二实施例的sic单晶制造装置的基部的局部放大横截图的视图；

图4是示出根据本发明第三实施例的sic单晶制造装置的基部的局部放大横截图的视图；

图5是示出根据本发明第四实施例的sic单晶制造装置的基部的局部放大横截图的视图；并且

图6a和6b是示出相关技术的sic单晶制造装置的基部的局部放大横截图的视图。

具体实施方式

(第一实施例)

在下面参照图1描述根据本发明第一实施例的sic单晶制造装置1。

制造装置1具有原料气体入口2和原料气体出口4。原料气体入口2定位于制造装置1的底部，并且原料气体出口4定位于制造装置1的上部。由sic单晶基片制成的籽晶5放置于制造装置1中。用于sic的运载气体和原料气体3通过原料气体入口2导入制造装置1并且通过原料气体出口4从制造装置1排出以使得sic单晶20能在籽晶5上生长。原料气体3包括si和c。例如，原料气体3能是硅烷基气体(例如硅烷)和烃基气体(例如丙烷)的气体混合物。

具体地，制造装置1包括真空容器6、第一隔热体7、加热容器8、基部9、第二隔热体10、净化气体引入机构11、第一加热设备12以及第二加热设备13。

例如，真空容器6能由石英玻璃制成。真空容器6为圆柱形管状。原料气体入口2定位于真空容器6的底部，并且原料气体出口4定位于真空容器6的上部(例如，侧壁的上部)。运载气体和原料气体3通过原料气体入口2导入真空容器6的内部空间并且通过原料气体出口4从真空容器6的内部空间排出。真空容器6构造为使得内部空间中的压力能通过给内部空间抽真空来降低。制造装置1的一些部件容纳于真空容器6的内部空间中。

第一隔热体7为圆柱形管状并且限定与原料气体入口2相通的原料气体引入管道7a。第一隔热体7与真空容器6同轴地布置。例如，第一隔热体7能由石墨制成。在此情况下，第一隔热体7的表面能由耐火(即，高熔点)金属碳化物比如碳化钽(tac)涂覆。

加热容器8具有反应腔，其中sic单晶20在籽晶5的表面上生长。例如，加热容器8能由石墨制成。在此情况下，加热容器8的表面能由耐火金属碳化物比如碳化钽(tac)涂覆。加热容器8在原料气体3的流动方向上定位于基部9的上游侧上。因而，加热容器8移除包含于从原料气体入口2导入的原料气体3中的颗粒并且在原料气体3到达籽晶5之前分解原料气体3。

具体地，加热容器8为圆柱形管状。根据第一实施例，加热容器8具有带气体引入端口8a的底部。气体引入端口8a与第一隔热体7的气体引入管道7a相通以使得流过气体引入管道7a的原料气体3能通过气体引入端口8a导入加热容器8。

基部9与加热容器8同轴地布置。例如，基部9能由石墨制成。在此情况下，基部9的表面能由耐火金属碳化物比如碳化钽(tac)涂覆。籽晶5安装于基部9上，并且sic单晶20在籽晶5的表面上生长。基部9在下面参照图2详细描述。

如图2中所示，基部9包括结合至净化气体引入机构11的结合部分91、籽晶5安装于此的安装部分92以及用于保持安装部分92的保持部分93。

结合部分91具有第一圆柱形管91a、凸缘91b以及第二圆柱形管91c。第一圆柱形管91a结合至净化气体引入机构11的管道元件11a的顶端。凸缘91b在第一圆柱形管91a的径向向外方向上从第一圆柱形管91a的与结合至管道元件11a的端部相反的端部延伸。第二圆柱形管91c形成于凸缘91b的与第一圆柱形管91a形成于此的表面相反的表面的外部区域上。第一圆柱形管91a与第二圆柱形管91c同轴地布置。第二圆柱形管91c的内径大于第一圆柱形管91a的内径。

安装部分92具有沿着其中心轴线具有不同直径的实心圆柱形状。具体地，安装部分92包括大直径部分92a和小直径部分92b。小直径部分92b的直径小于大直径部分92a的直径。小直径部分92b与大直径部分92a同轴地布置。大直径部分92a和小直径部分92b的直径的每个小于第二圆柱形管91c的内径和保持部93的内径，以使得能在安装部分92与第二圆柱形管91c和保持部分93中的每个之间形成间隙。间隙用作净化气体引入路径94。小直径部分92b定位于大直径部分92a下面。小直径部分92b的顶端延伸超过保持部分93的下缘。

安装板92c附接至小直径部分92b的顶端并且定位于保持部分93的外侧。安装板92c的直径大于小直径部分92b的直径。籽晶5安装于安装板92c上。多个支撑元件92d围绕小直径部分92b以规则的间隔布置于大直径部分92a的下表面上。支撑元件92d定位于大直径部分92a和保持部分93之间以在保持部分93上支撑安装部分92。每个支撑元件92d具有预定的长度。因而，安装部分92通过支撑元件92d与保持部分93间隔开以使得能形成净化气体引入路径94。

保持部分93具有圆柱形管部分93a。结合部分91的第二圆柱形管91c装配入圆柱形管部分93a的第一端。在圆柱形管部分93a的第一端与第二圆柱形管91c之间施加粘合剂以使得结合部分91和保持部分93能固定在一起。圆柱形管部分93a的第二端设置有在圆柱形管部分93a的径向向内方向上延伸的变窄部分93b。变窄部分93b的内径小于圆柱形管部分93a的内径。支撑元件92d以如此的方式直立于变窄部分93b上以在保持部分93上支撑安装部分92以使得大直径部分92a与变窄部分93b间隔开。

返回参照图1，第二隔热体10包围容器8和基部9以将引至基部9的原料气体3的剩余部分朝着原料气体出口4引导。具体地，第二隔热体10构造为使得供应至籽晶5的原料气体3的剩余部分能通过基部9和第二隔热体10之间的间隙朝着原料气体出口4流动。

净化气体引入机构11构造为旋转和提升管道元件11a。具体地，管道元件11a的第一端连接至基部9的与籽晶5安装于此的表面相反的表面。管道元件11a的第二端连接至净化气体引入机构11。因而，净化气体引入机构11能连同基部9、籽晶5以及sic单晶20一起旋转和提升管道元件11a。净化气体引入机构11根据sic单晶20的生长通过旋转和提升管道元件11a从而保持sic单晶20的生长面处于适合于sic单晶20生长的温度。

而且，净化气体引入机构11将净化气体导入管道元件11a以将净化气体供应至连接至管道元件11a的基部9。例如，净化气体能是惰性气体(例如，氩、氦)、蚀刻气体(例如，h2、hcl)、或惰性气体和蚀刻气体的混合物。从净化气体引入机构11供应至基部9的净化气体在相对于基部9的中心轴线的径向向外方向上从籽晶5的外缘排出。

第一加热设备12和第二加热设备13的每个包围真空容器6。例如，第一加热设备12和第二加热设备13的每个能包括发热感应线圈、加热器等。第一加热设备12定位于对应于加热容器8的下部的位置，并且第二加热设备13定位于对应于基部9的位置。第一加热设备12和第二加热设备13独立地受控以使得sic单晶20的生长面能被调节至适合于sic单晶20生长的温度。

接着，在下面描述使用根据第一实施例的制造装置1制造sic单晶20的方法。

首先，籽晶5安装于基部9上。然后，第一加热设备12和第二加热设备13受控为在加热容器8中产生预定的温度分布。预定的温度分布设置为使得原料气体3能在籽晶5的表面处再结晶，以在籽晶5的表面上生长sic单晶20。而且，预定的温度分布设置为使得再结晶速度能低于加热容器8中的升华速度。

然后，真空容器6保持处于预定压力，并且原料气体3通过气体引入管道7a导入真空容器6。如果需要，运载气体(例如，惰性气体，比如氩、氦)或蚀刻气体(例如，h2、hcl)能连同原料气体3一起导入。因而，如由图1中的箭头a所示，原料气体3供应至籽晶5以使得sic单晶20能在籽晶5上生长。

此时，净化气体引入机构11将净化气体导入管道元件11a。因而，如由图2中的箭头b所示，净化气体通过净化气体引入路径94从籽晶5的背面供应至籽晶5并且然后在相对于基部9的中心轴线的径向向外方向上从籽晶5的外缘排出。

净化气体的这种流动减少或防止基部9的围绕籽晶5的一部分(例如，保持部分93的下表面和大直径部分92a的下表面)上形成多晶。因而，即使sic单晶20长长，也能减少或防止多晶粘附至sic单晶20的外缘。因此，sic单晶20能在没有sic单晶20的外缘的质量损失之下长长。

注意到，保持部分93的下表面与水平面平行。安装部分92的小直径部分92b向下延伸超过变窄部分93b，并且直径比小直径部分92b大的安装板92c附接至小直径部分92b的顶端。因而，净化气体引入路径94的出口(即，排出口)面对相对于基部9的中心轴线的径向向外方向以使得净化气体能在径向向外方向上从基部9排出。因此，排出的净化气体沿着保持部分93的下表面流动以使得能减少或防止在保持部分93的下表面上形成多晶。

如上所述，根据第一实施例，净化气体从籽晶5的背面供应至籽晶5并且相对于基部9的中心轴线在径向向外方向上从籽晶5的外缘排出。在这种方法中，净化气体的流动减少或防止在基部9的围绕籽晶5的部分(例如，保持部分93的下表面和大直径部分92a的下表面)上形成多晶。因而，即使当sic单晶20长长时，也能防止多晶粘附至sic单晶20的外缘。因此，sic单晶20能在没有sic单晶20的外缘的质量损失之下长长。

(第二实施例)

本发明的第二实施例在下面参照图3描述。第二实施例在基部9的形状上与第一实施例不同。

图3是示出根据第二实施例的sic单晶制造装置1的基部9的局部放大横截图的视图。如图3中所示，根据第二实施例，基部9的保持部分93的下表面是锥形的以使得变窄部分93b相对于基部9的中心轴线的直径能在sic单晶20的生长方向上增大。

如上所述，根据第二实施例，保持部分93的下表面是锥形的。在这种方法中，sic单晶20沿着保持部分93的锥形下表面生长以使得sic单晶20的直径能增大。而且，由于净化气体沿着保持部分93的锥形下表面流动，能防止或减少在保持部分93的锥形下表面上形成多晶。

(第三实施例)

本发明的第三实施例在下面参照图4描述。第三实施例在基部9的形状上与第一实施例不同。

图4是示出根据第三实施例的sic单晶制造装置1的基部9的局部放大横截图的视图。如图4中所示，根据第三实施例，基部9具有沿着其中心轴线具有不同直径的圆柱形状。具体地，基部9包括大直径部分95a和小直径部分95b。小直径部分95b的直径小于大直径部分95a的直径。小直径部分95b与大直径部分95a同轴地布置并且定位于大直径部分95a的下面。籽晶5安装于小直径部分95b的顶端上。也就是，小直径部分95b的顶端用作安装板92c。

而且，基部9具有净化气体引入路径95c。净化气体引入路径95c从大直径部分95a的背面延伸至小直径部分95b并且然后相对于基部9的中心轴线在径向向外方向上延伸穿过小直径部分95b。通过净化气体引入路径95c，净化气体从籽晶5的背面供应至籽晶5并且然后在径向向外方向上从籽晶5的外缘排出。

如上所述，根据第三实施例，基部9具有从大直径部分95a的背面延伸至小直径部分95b并且然后在径向向外方向上延伸穿过小直径部分95b的净化气体引入路径95c。在这种方法中，净化气体的流动减少或防止在基部9的位于籽晶5周围的部分(例如，大直径部分95a的下表面)上形成多晶。因而，即使在sic单晶20长长时，也能减少或防止多晶粘附至sic单晶20的外缘。因此，sic单晶20能在没有sic单晶20的外缘的质量损失之下长长。

(第四实施例)

本发明的第四实施例在下面参照图5描述。第四实施例类似于第三实施例。第三实施例与第四实施例之间的差异如下。

图5是示出根据第四实施例的sic单晶制造装置1的基部9的局部放大横截图的视图。如图5中所示，根据第四实施例，基部9除了大直径部分95a、小直径部分95b以及净化气体引入路径95c以外，还具有护盖部分95d。护盖部分95d覆盖大直径部分95a的下表面以及小直径部分95b的侧面。具体地，护盖部分95d从大直径部分95a的下表面延伸并且朝着小直径部分95b的侧面弯曲。护盖部分95d的第一端接合至大直径部分95a，并且护盖部分95d的第二端与小直径部分95b间隔开。流过净化气体引入路径95c的净化气体通过护盖部分95d与小直径部分95b之间的间隙从基部9排出以使得排出的净化气体能流动至籽晶5的外缘。

如上所述，根据第四实施例，基部9还具有覆盖大直径部分95a的下表面以及小直径部分95b的侧面的护盖部分95d。在这种方法中，净化空气的流动减少或防止在基部9的位于籽晶5周围的部分(例如大直径部分95a的下表面以及护盖部分95d的下表面)上形成多晶。因而，即使在sic单晶20长长时，也能减少或防止多晶粘附至sic单晶20的外缘。因此，sic单晶20能在没有sic单晶20的外缘的质量损失之下长长。

(变型)

上述实施例能以各种方式变型，例如，如下。

优选地基部9的表面由耐火金属碳化物比如碳化钽(tac)涂覆。在这种方法中，基部9的表面得到保护免受热蚀刻和蚀刻气体，以使得能减少或防止在基部9的表面上形成多晶。尤其，优选地保持部分93的变窄部分93b的下表面能由耐火金属碳化物涂覆。

净化气体能是惰性气体、蚀刻气体、用于碳化硅的掺杂气体、或惰性气体、蚀刻气体和掺杂气体中的至少两种的混合气体。例如，掺杂气体能是氮气(n2)。

这种改变和变型将理解为在本发明如由所附权利要求所限定的范围内。