使用硅碳化物晶种来生产大块硅碳化物的方法和器具的制作方法
【专利说明】使用枯碳化物晶种来生产大块枯碳化物的方法和器具
[0001] [相关案之交互参照]
[0002] 本发明基本上设及美国临时专利申请案第61/874,620号，申请日为2013年9月6 日，该申请的完整内容在此参引合并。
技术领域
[0003] 本发明基本上设及升华炉与形成具有低瑕疵密度之大块娃碳化物之方法。
【背景技术】
[0004] 因优异的化学、物理、和电子上的特性，娃碳化物（Si 1 icon carbide，SiC)近年来 引起高度的兴趣。特别是大块单晶SiC业已证明在其半导体上的应用是有用的，其包括如作 为在电力电子产品中之材料和元件之基板和LED。其它关于此材料的应用也逐步浮现。
[000引在本领域中，娃碳化物可使用多种已知的方法进行制备。举例而言，大型单晶娃碳 化物可使用物理气相传输法(physical vapor transport ,PVT)进行制备。在此方法中，来 源(如娃碳化物粉末），系提供至长晶炉之高溫区中并且加热。此外，晶种（如娃碳化物单晶 晶圆），被提供至低溫区。该娃碳化物被加热至升华，并且所产生之蒸气将抵达该较低溫且 材料将沉积于其上娃碳化物晶种。另外，该来源可为娃颗粒和碳颗粒之混合物，其在加热 时，将反应W形成SiC并随之升华且再结晶于该晶种上。
[0006] 当大型的娃碳化物胚晶W长晶炉制成时，该工艺通常是难W控制的。举例而言，工 艺的条件，如在该来源和晶种之间的溫度梯度是至关重要的，其在长晶程序中需维持恒定， 且其通常需在超过2000°C的条件下而历时数天，W为了产生具有完整而一致特性的胚晶。 工艺上微小的变化也可导致生长的娃碳化物胚晶的品质产生巨大的改变。此外，在生长持 续时，若工艺条件没有妥善的控制，也可能发生晶种和/或生长结晶的升华。另外，产物的品 质可被使用于晶体生长腔室的组件的类型所影响，因此，取决于生长条件，有些可能会分解 进而在生长时造成化学干扰。如此一来，在升华炉中的娃碳化物生长通常会使结晶中含有 瑕疵，如低角度晶界、错位、娃和碳的第二相夹杂、不同的多型夹杂（different polパype inclusions)、和微型管(micropipes )，其将影响材料的表现性能。此外，即使用W长晶的特 定条件可被维持W生成高品质的产物，但批次之间的变异仍会产生。因此，举例而言，任何 设备的来源、晶种、和组件的变异性产生不一致的产品。
[0007] 由于迄今仍然没有可靠且可重复的娃碳化物升华炉或可有效地且具成本效益地 生成高品质的大型娃碳化物结晶的方法。因此，改良娃碳化物生长设备和方法在产业界仍 有迫切的需要。
【发明内容】
[0008] 本发明设及一种生产娃碳化物的方法。该方法包括提供提供一个升华炉，其包括 炉壳、至少一个位于炉壳外侧的加热元件、和位于炉壳内且由绝热体包围的热区等步骤。该 热区包括具有上区域和下区域的相蜗、密封该相蜗的相蜗罩、位于相蜗的下区域的娃碳化 物前驱物、和位于相蜗的上区域的晶种模块，该晶种模块包括具有顶面和暴露于该相蜗之 上区域之底面之娃碳化物晶种，该底面面向该娃碳化物前驱物。本方法还包括W该加热元 件加热该热区，W升华该娃碳化物前驱物且形成娃碳化物于该娃碳化物晶种之底面。较佳 地，该晶种模块包括具有至少一个蒸气释放开口的晶种持件，且该晶种模块位于该晶种持 件内。另外，较佳地，该娃碳化物晶种包括至少一晶种保护层于该晶种之顶面。本方法的各 种实施例将会进行陈述。
[0009] 本发明还设及用于形成娃碳化物的升华炉，其包括炉壳、至少一个位于炉壳外侧 的加热元件、和位于炉壳内且由绝热体包围的热区。该热区包括具有上区域和下区域的相 蜗、密封该相蜗的相蜗罩、位于相蜗的下区域的娃碳化物前驱物、和晶种模块，该晶种模块 包括位于相蜗的上区域的娃碳化物晶种，该娃碳化物晶种具有顶面和底面，该底面面向该 娃碳化物前驱物。
[0010] 本发明还设及制备用于形成娃碳化物于升华炉中的晶种模块的方法。此方法包括 提供具有顶面和底面的娃碳化物晶种，并将该娃碳化物晶种置于具有至少一蒸气释放环的 晶种持件中W生产该晶种模块等步骤。本发明还设及该晶种模块本身W及该娃碳化物晶 种。
[0011] 应该理解的是，上方广义的叙述和下方细节的叙述两者皆仅为示例性和解释性 的，而仅意在提供本发明的进一步解释，如所请求的。
【附图说明】
[0012] 图la和化为用于本发明各个实施例的娃碳化物晶种持件之斜视图。
[0013] 图2为用于本发明各个实施例的升华炉之示意图。
[0014] 图3a和3b为用于本发明各个实施例的升华炉的热区的各种视图。
[0015] 图4为本发明各个实施例所生成的娃碳化物胚晶之剖视图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明设及用于生产娃碳化物之方法和设备。
[0017] 在本发明之形成娃碳化物之方法中，提供一升华炉，其包括炉壳、热区、和包围位 于该炉壳内的该热区的绝热体。该炉壳可为本领域任何已知用于高溫结晶炉者，包括含有 外壁和定义出用于冷却流体循环（如水）的冷却通道的内壁之石英外壳。此外，该炉壳也可 为W空气冷却（如从壳底部至顶部）的单壁石英壳。该炉壳由至少一个加热元件所环绕，该 加热元件提供热W促使并控制晶体生长。
[0018] 该热区包括具有相蜗罩或相蜗盖的相蜗，且娃碳化物前驱物(在本文有时简称为 娃碳化物来源)和娃碳化物晶种两者皆位于该相蜗内。其将各自于后方进行详细的叙述。当 绝热体被置于该炉壳内时，该绝热体围绕该热区，且可为任何于本领域已知的具有低热导 度且可承受该炉中的溫度和条件的材料，其包括，如石墨。较佳地，该绝热体包括多个纤维 绝热体，如石墨拉，且该多个层可依据如层的厚度、该炉壳的尺寸、该相蜗的尺寸和形状、该 结晶生长条件、W及成本进行变化。较佳地，该绝热体的形状和尺寸符合所使用之相蜗之形 状和尺寸且提供足够低的热导度W维持用于长晶所欲的热梯度。举例而言，对于圆柱形相 蜗而言，该绝热体较佳地包括具有甜甜圈形状(donut shape)的纤维绝热材料层其被堆迭 w环绕该相蜗。较佳地，由绝热体围绕的该热区被封闭于持有容器中，如石英容器，w易于 进行处理且维持一致的低热导度。任何存在于该持有容器之外侧和该炉壳的内侧表面之间 的间隙可W填入惰性气体或混合气体(如氣气和氮气的组合）。
[0019] 对于本方法，该炉壳、热区、和绝热体可W各种方式组合。举例而言，在一个实施例 中，该绝热体被设置在一顶部开放的持有容器中且置于该炉壳内（如在可动或固定的底座 上），其具有围绕该外壳外侧的加热元件，W及包括W该相蜗罩密封且包含该娃碳化物前驱 物和该娃碳化物晶种的该相蜗的该热区，其位于该绝热体内W使该绝热体围绕该热区。或 者，在另一个实施例中，该绝热体位于该炉壳内，较佳地位于持有容器内，而该相蜗位于该 绝缘层内。该娃碳化物来源和该娃碳化物晶种接着置于该相蜗内，其接着可W该相蜗密封。 此外，在另一个实施例中，该绝热体位在该热区周围，无论是否含有该来源和该晶种，而该 热区和该绝热体一起被置于该炉壳内，其中较佳地系使用该持有容器。无论顺序为何，该热 区较佳地沿着该外壳的垂直中屯、轴而水平地(举例而言，为轴向地)置于该炉壳的中屯、。沿 着此中屯、轴进行的垂直定位取决于，例如，该加热元件的类型和位置，其将如下所述，W及 该所欲生成的热梯度。较佳地，该热区为设置在该炉壳之中屯、或之上且环绕该炉壳的该等 加热元件之中屯、。特定的垂直定位可进行调整W最佳化长晶表现。在该相蜗被提供该娃碳 化物来源和该晶种后，该相蜗可接着W该相蜗罩密封。其它实施例也为可能的且可由习知 本领域者所理解。视情况而定，多孔过滤器(如多孔石墨过滤器)可置于该娃碳化物前驱物 和该娃碳化物晶种之间。
[0020] -旦升华炉被组装，本发明之方法还包括下列步骤：W该加热元件加热该热区，W 升华该娃碳化物前驱物，从而形成娃碳化物于该娃碳化物晶种之上。该加热元件可为任意 在本领域已知可用于改变该炉壳内之溫度者，或更具体地，为该相蜗内之溫度，W使该来源 升华。该加热元件可为单一元件，或包括多个元件，其较佳地用于增加控制。较佳地，对于本 发明来说，该加热元件为感应加热器，其包覆该炉壳的外围且可与该炉壳内的组件(尤其是 该相蜗)进行感应禪合。此外，为了量测、维护、和/或控制该相蜗内之溫度，该热区可还包括 至少一个位于该相蜗上的热成像管。该热成像管较佳地为穿过该相蜗罩而至位于娃碳化物 晶种之上。溫度值可从此处量测，且若有需要，至该加热元件之功率可被改变，W确保所欲 之晶体生长条件可被维持。
[0021] 如上所述，该热区包括相蜗、相蜗罩、娃碳化物前驱物、和娃碳化物晶种。该相蜗可 为任何本领域已知可承受该升华炉内之条件者。较佳地，该相蜗和该相蜗盖包含石墨。此 夕h该相蜗可具有任何的形状或尺寸，其取决于，举例而言，该炉壳的形状和尺寸、使用之娃 碳化物晶种的量、W及将生成之娃碳化物产物所欲之形状和尺寸。举例而言，该相蜗可实质 上为圆柱形。该相蜗具有上区域(于该相蜗之顶部的区域)和该下区域(于该相蜗之底部的 区域），且运些区域可具有相同或不同的形状和/或截面积。例如，该上区域和该下区域皆实 质上为圆柱形，而该上区域之直径较下区域之直径大。在此示例中，该绝热体可紧贴该上区 域和该下区域，从而与该相蜗之外表面完整地接触，或较佳地，该绝热体可紧贴该上区域而 不紧贴该下区域，从而在该相蜗之下部和该绝热体之间留下间隙。该娃碳化物前驱物系置 于该相蜗之下区域