專利名稱：用于有氣體可滲透坩堝壁的ain單晶生產(chǎn)的方法和設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種制備氮化鋁(AlN)單晶，特別是大塊單晶(Volumeneinkristall)的方法，該方法中，至少一種氣相至少部分地從源材料產(chǎn)生，該源材料位于坩堝的貯存區(qū)內(nèi)并含有AlN單晶的至少一種成分，該AlN單晶在坩堝的結(jié)晶區(qū)內(nèi)通過生長而從氣相產(chǎn)生。此外，本發(fā)明還涉及一種制備AlN單晶，特別是大塊單晶的設備，該設備包括至少一個帶有坩堝壁和被坩堝壁包圍的內(nèi)區(qū)的坩堝，該內(nèi)區(qū)含有至少一個容納源材料的貯存區(qū)(該源材料含有AlN單晶的至少一種成分)以及至少一個結(jié)晶區(qū)，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)AlN單晶從氣相中生長。EP 1270768 A1公開了一種這樣的設備。
單晶氮化鋁(AlN)是一種具有突出性能的III-V-復合半導體。尤其是6.2eV的很高的能帶寬度使該半導體材料在電子和光電領域顯得很有前途。只是到現(xiàn)在為止還不能夠以半導體工業(yè)所要求的尺寸以及品質(zhì)制備AlN單晶。因此就目前而言，將氮化鋁擴大化為電子或光電元件的基本半導體材料還受到限制。
為了制備AlN單晶，已公開多種方法以及相關的設備。已描述了迄今最常用的培養(yǎng)方法，該方法中，AlN單晶從具有含鋁和氮的氣體種類的氣相中結(jié)晶，也是生長。在此，可使用物理、化學以及混合的物理-化學分離方法(PVT(＝物理氣相傳輸)、CVD(＝化學氣相沉積)...)。該氣相可借助固態(tài)(例如多晶的)AlN的升華而產(chǎn)生。特別是在EP 1270768A1中對此進行了描述。不過，此外也可以蒸發(fā)液態(tài)的鋁并加入氣態(tài)的氮，如US6045612的一個實施例所描述的。最后，也可借助濺射(sputter)技術(shù)從固態(tài)或液態(tài)靶產(chǎn)生氣相。WO 02/44443A1公開了該實施例。與上述方法不同，在US 6066205公開的方法中，AlN單晶不是從氣相生長，而是從與氣態(tài)氮混合的液態(tài)鋁的熔融體生長。將晶種浸入熔融體中。
G.A.Slack和T.F.McNelly在1970年代已進行了制備單晶AlN的基礎性研究，結(jié)果發(fā)表在專業(yè)文章“AlN單晶”，J.Cryst.Growth 42(1977)，560-563頁，以及在綜述文章“高純AlN晶體的生長”，J.Cryst.Growth 34(1976)，263-279頁中。兩作者特別描述了一種用封閉，即密封的培養(yǎng)坩堝進行的升華方法(＝PVT方法)，該方法中沒有使用單獨的晶種。指出用于培養(yǎng)坩堝的特別有利的材料是鎢、錸以及鎢-錸合金。同樣使用封閉坩堝的類似升華方法描述在J.C.Rojo等“對于大塊氮化鋁的生長和后續(xù)基體的制備的報告(Report on the Growth of Bulk Aluminium Nitride and Subsequent SubstratePreparation)”，J.Crys.Growth 231(1001)，317-321頁，G.A.Slack“AlN單晶的生長”MRS Symp.Proc.512(1998)，35-40頁以及L.J Schowalter等“單晶氮化鋁基體的制備和表征”MRS 1999 Fall Meeting，Paper W 6.7(2000)的專業(yè)文章中。這些作者在文中都分別引用了Slack和McNelly的基礎性工作。在這些方法中，用封閉的坩堝處理，(不考慮借助安裝在坩堝外的加熱裝置進行的溫度改變)，則在密封坩堝后，實際上不可能再可控地干涉坩堝內(nèi)區(qū)的過程氣氛。因此限制了對AlN單晶生長施加影響。
在EP 1270768A1中還描述了一種在封閉的培養(yǎng)坩堝中的升華方法。在實施例的范圍內(nèi)還公開了一種未封閉的坩堝，其中，在坩堝壁設置了開口，這樣，原則上坩堝內(nèi)區(qū)和外區(qū)可以進行交換。借助于在坩堝內(nèi)區(qū)中培養(yǎng)過程加以調(diào)整和針對性調(diào)節(jié)的外區(qū)氮氣壓力，可防止含鋁和氮的氣相的成分經(jīng)過開口從內(nèi)區(qū)到達外區(qū)，也防止氮氣從外區(qū)進入內(nèi)區(qū)。
其他的升華方法借助敞口的培養(yǎng)坩堝工作，這樣，借助設置在坩堝壁的開口能夠發(fā)生坩堝內(nèi)區(qū)和外區(qū)之間的氣體交換。這樣的一種方法例如公開在US 6045612中。開口是單獨的排氣系統(tǒng)的組成部分，以促使氣相中原子或分子雜質(zhì)或非化學計量部分從生長的AlN單晶的生長表面引導走。使用開口坩堝的其他方法和設備描述在C.M.Balkas等“大塊氮化鋁單晶的升華生長和表征”，J.Cryst.Growth 179(1997)，363-370頁，R.Schlesser等“通過在氮氣氛中蒸發(fā)鋁而生長大塊AlN晶體”，J.Cryst.Growth 234(2002)，349-353頁和R.Schlesser等“通過升華進行AlN大塊單晶的籽晶生長”，J.Cryst.Growth 241(2002)，416-420頁的專業(yè)文章中。在采用敞口的坩堝工作的這些方法中，由于有針對性調(diào)節(jié)以及尤其是連續(xù)的氣流，導致氣相中在生長表面區(qū)域形成不希望的且不利晶體生長的層狀流或湍流。此外，由于氣相成分不斷地輸入和輸出，故而氣流也干擾生長表面的化學計量。同時影響到坩堝的溫度區(qū)，受到因氣流引起的對流的負面影響。
借助或未借助晶種來培養(yǎng)AlN單晶的方法是已知的。這樣的晶種用來在早期支持晶體生長。如Y.Shi等“Influence of Buffer Layer and 6H-SiCSubstrate Polarity on the Nucleation of AlN Grown by the Sublimation SandwichTechnique”，J.Cryst.Growth 233(2001)，177-186頁，L.Liu“Growth Mode andDefects in Aluminium Nitride Sublimed on(0001)6H-SiC Substrates”，MRSInternet J.Nitride Semicond.Res.6，7(2001)和Y.Shi等“New Technique forSublimation Growth of AlN Single Crystals”，MRS Intemet Nitride Semicond.Res.6，5(2001)的專業(yè)文章可知，此時既可使用涂層的晶種也可使用不涂層的晶種，該晶種尤其是來自半導體材料碳化硅(SiC)。其中，涂層可包括至少一種AlN-、SiC-或混合的AlNxSiC1-x-外延層。
盡管對制備單晶AlN進行了各種各樣的工作，但迄今還不能成功制得足夠尺寸和品質(zhì)的單晶。這還特別在于培養(yǎng)期間對過程條件有很高的要求。AlN培養(yǎng)是一個難以控制的PVT過程。
本發(fā)明的任務在于，提供一種方法和一種設備，通過該方法和設備，能夠以滿足大工業(yè)和經(jīng)濟的AlN元件制備所要求的尺寸和品質(zhì)來制備AlN單晶。
為了實現(xiàn)本方法所涉及的任務，提供一種與獨立權(quán)利要求1的特征相應的方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法，涉及一種制備開頭所述領域的AlN單晶的方法，其特征在于，至少一種氣態(tài)成分至少有時候借助坩堝外區(qū)和坩堝內(nèi)區(qū)之間的第一次擴散而進行傳輸。
為了實現(xiàn)設備所涉及的任務，提供一種與獨立權(quán)利要求8的特征相應的設備。
根據(jù)本發(fā)明的設備，涉及一種制備開頭所述領域的AlN單晶的設備，其特征在于，至少在透氣的部分區(qū)域中這樣形成坩堝壁，使得至少一種氣態(tài)成分，特別是一部分存在于氣相中的成分的擴散能夠發(fā)生在坩堝外區(qū)和坩堝內(nèi)區(qū)之間。
本發(fā)明基于以下認識借助例如通過所用坩堝的坩堝壁進行的、參與培養(yǎng)的氣相成分的擴散，能夠達到對坩堝內(nèi)部的過程比例的明顯改善的控制和調(diào)節(jié)。作為氣相成分，除了含鋁和氮的氣體種類外，尤其還可考慮摻雜氣體、惰性氣體和載氣。以擴散為條件的氣體交換特別地可在兩個方向進行，即從外向內(nèi)和反方向。首先允許對坩堝內(nèi)區(qū)的生長條件，特別是壓力比例進行很精確的調(diào)節(jié)。因此能夠制備很高品質(zhì)和大體積的AlN單晶。由于上述改變壓力的可能性，還允許有針對性地調(diào)節(jié)生長速度。
由于氣體成分通過坩堝壁緩慢流進或流出，因此氣相從貯存區(qū)到結(jié)晶區(qū)的傳輸流以及AlN單晶受控的生長都基本上不受溫度梯度的干擾，即負面影響。透氣的實施方式以及緩慢的(即尤其沒有層狀流或湍流流過)擴散機理使內(nèi)區(qū)的壓力改變很小，尤其是無限小的。因此，AlN單晶的培養(yǎng)實際上在平衡附近的每個時間點進行，也就是說在準穩(wěn)態(tài)條件下進行。
而且，擴散對于氣相內(nèi)部的化學計量和生長表面的化學計量(所謂生長表面即氣相和AlN單晶之間的相界面)產(chǎn)生積極影響。雖然允許有針對性地影響化學計量，但與采用密封的坩堝，因此不可能從外面施加影響的已知方法相比，則基本上是有利的。不過這會出現(xiàn)一直遵循準靜態(tài)的過程比例，即接近平衡狀態(tài)，因此，不會對生長表面區(qū)域的平衡狀態(tài)產(chǎn)生不希望的強烈干擾。與之相反，采用敞口坩堝的已知方法由于生長表面上的強烈氣流而一定會存在危險。
還能夠通過簡單方式且有針對性地控制生長的AlN單晶的摻雜。除了含Al和N的氣體成分外，同樣也可計劃使摻雜物擴散到內(nèi)區(qū)。因此，生長的AlN單晶的摻雜情況可對其他界面產(chǎn)生影響。不僅n型傳導而且p型傳導以及半絕緣性能都可被毫無問題地調(diào)節(jié)。
氣相借助擴散對于內(nèi)區(qū)的影響例如可按照確定的當前要求在培養(yǎng)過程中發(fā)生改變。特別是可以暫時進行。應在監(jiān)測下確定內(nèi)區(qū)內(nèi)部的氣相中缺少某些成分，這樣可正好有針對性地后加入這些成分。另一方面，如果氣相實際上已滿足使AlN單晶很好生長的條件，則也可停止這樣的擴散。
總之，根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的設備在大體積地培養(yǎng)的同時還能培養(yǎng)很高品質(zhì)的AlN單晶。因此，為大工業(yè)和經(jīng)濟的規(guī)模制備基于AlN的電子或光電元件創(chuàng)造了條件。
本發(fā)明方法和設備的有利的實施方案在所附權(quán)利要求的權(quán)利要求1或權(quán)利要求8中給出。
在第一個有利的方案中使用可透氣的坩堝形式，源材料特別地在真正制備AlN單晶之前進行純化。此時，不希望的雜質(zhì)通過透氣的坩堝壁從內(nèi)向外擴散。前置的純化明顯提高了隨后生長的AlN單晶的品質(zhì)。
有利地，進行擴散的坩堝壁的某些部分區(qū)域含有透氣的，特別是多孔的坩堝材料或者由其組成，該坩堝材料優(yōu)選允許擴散，但不允許直接流動。
用于透氣的坩堝材料優(yōu)選使用陶瓷材料、金屬泡沫體或燒結(jié)金屬，特別是其分別具有50％-95％的相對密度。在該密度范圍內(nèi)，材料既非不透氣的，但也只是可發(fā)生緩慢擴散的透氣。
此外，當透氣的坩堝材料的開口孔率為0.1％-10％時是有利的。該范圍的開口孔率是特別突出的，一方面，由于通過透氣的坩堝材料對于所希望的過程影響有足夠高的材料傳輸，另一方面，由于有足夠高的“擴散阻力”，有助于避免特別是在坩堝內(nèi)區(qū)中的結(jié)晶區(qū)域有不希望的氣流。對通過透氣的坩堝材料的材料傳輸很重要的擴散機理是很緩慢地進行。
剛好在優(yōu)選的孔道直徑為1μm-100μm的情況下，透氣的坩堝材料實際上表現(xiàn)為傳輸限制，但未完全阻止材料傳輸。由此進一步降低了通過擴散對過程氣氛的直接影響。
作為透氣的坩堝材料優(yōu)選使用的陶瓷材料含有碳化硅(SiC)或氮化物，如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)或氮化硅(Si3N4)，或者一種其他的非氧化物陶瓷。也就是說，氧不應作為所用陶瓷材料的組成部分，為了減少不可控的混入氧的危險，氧首先在從透氣的坩堝材料中擴散的過程中溶出，作為生長的AlN單晶中的摻雜物。
但也可使用多孔的金屬，例如金屬泡沫體或燒結(jié)金屬形式作為透氣的坩堝材料使用?？商貏e純地制備這樣的多孔金屬，這樣，通過這種多孔金屬的擴散不會使雜質(zhì)由此進入內(nèi)區(qū)。此外，這樣的多孔金屬對于坩堝內(nèi)區(qū)中的氣相成分是惰性的。如果該多孔金屬是基于耐火金屬如鎢(W)或鉭(Ta)形成的，則是特別合適的。不但鎢(W)而且鉭(Ta)都是高溫穩(wěn)定的，因此非常好地適合用于培養(yǎng)AlN單晶期間的高的工藝溫度下。由耐火材料(特別是鎢或鉭)的合金組成的多孔金屬，例如碳化鉭(TaC)合金同樣可以。
另一方案也是有利的，該方案中，在貯存區(qū)和結(jié)晶區(qū)之間存在透氣的擴散膜。這樣，由源材料所得的氣相成分借助通過擴散膜的擴散傳輸?shù)浇Y(jié)晶區(qū)。由此實現(xiàn)向生長的AlN單晶特別均勻的氣體傳輸。特別地，當從外部向內(nèi)區(qū)擴散的氣相成分首先到達貯存區(qū)時，這些成分在其通向生長的AlN單晶的路徑上還穿過擴散膜。氣相成分也經(jīng)歷兩次擴散，由此額外改善了均勻性，并且進一步降低了培養(yǎng)參數(shù)對氣相負面影響的危險。擴散膜也優(yōu)選由上述有利的透氣的坩堝材料之一組成。
以下借助附圖詳細地說明本發(fā)明優(yōu)選但絕非限制性的實施方案。為了清楚起見，附圖不是按比例給出的，某些方面是示意性的。各個附圖為

圖1-3借助透氣的坩堝培養(yǎng)AlN單晶的設備，和圖4培養(yǎng)更多AlN單晶的設備在圖1-4中彼此相應的部分用同一附圖標記表示。
圖1表示用于升華培養(yǎng)氮化鋁(AlN)單晶32的設備101的剖面圖，該單晶特別是以大塊單晶形式在晶種31上生長。為了升華培養(yǎng)，使用坩堝10，其具有一個被坩堝壁14圍成的內(nèi)區(qū)11。晶體生長發(fā)生在內(nèi)區(qū)11的結(jié)晶區(qū)13。將晶種31安放于坩堝10的上界壁。在坩堝底部的貯存區(qū)12中有由源材料30組成的貯存物，該源材料優(yōu)選在2000℃以上的過程溫度下進行升華。由此形成AlN氣相，其含有作為氣體種類的含Al和N的成分。AlN氣相的這些成分通過氣相傳輸26從貯存區(qū)12傳輸?shù)浇Y(jié)晶區(qū)13，并在那里在生長的AlN單晶32的結(jié)晶表面或生長表面33結(jié)晶出來。源材料30的上界面和生長表面33之間的優(yōu)選凈寬約為5-25mm。不過該值并不受限于此。大于25mm的間隔同樣是完全可能的。
特別是基于內(nèi)區(qū)11存在的軸向溫度梯度，氣相傳輸26還借助從熱的貯存區(qū)12到冷的結(jié)晶區(qū)13的溫降進行調(diào)節(jié)。優(yōu)選將該溫度梯度調(diào)節(jié)至10-30℃/cm的值。原則上更大或更小的值也可以。
貯存區(qū)12的源材料30不僅可以由堅實的AlN材料塊組成，特別是由燒結(jié)的AlN粉末組成，或也由粒徑優(yōu)選為10-250μm的優(yōu)選高純粉末形式的AlN組成。其中，AlN可以為多晶或單晶。在圖1的實施例中，用多晶AlN粉末作為源材料30。此外，只有一部分原料以固體形式存在的實施方案也適合。尤其是AlN氣相所需的氮組分在此至少部分以氣體形式加入。在第一個這樣的實施方案中，源材料30是由金屬鋁組成的，而氮是隨后通過在坩堝10的外區(qū)15通入N2氣，然后經(jīng)坩堝壁14擴散而提供的。在另一實施方案中，在貯存區(qū)12中存在由固態(tài)AlN和Al組成的混合物作為源材料30，額外加入NH3氣，這是為了保證AlN生長有足夠的氮供應。
借助一種特別的感應加熱裝置16將坩堝10加熱到優(yōu)選2000-2300℃的過程溫度。但該過程溫度也可為1800-2000℃，或者為2300-2400℃。在圖1的實施例中，加熱裝置16包括在外殼50外設置的加熱線圈，借助該線圈在坩堝壁14中產(chǎn)生感應電流，該電流加熱坩堝壁14，因而加熱整個坩堝10。原則上也可考慮其他加熱裝置，例如電阻加熱裝置，或者感應部分加熱裝置和電阻部分加熱裝置的結(jié)合。在加熱裝置16和坩堝10之間設置有熱絕緣體18，其優(yōu)選由石墨泡沫體組成，目的是為了盡可能好地保護坩堝10不通過熱輻射而造成熱量損失。也可與圖1所示不同，將電阻加熱裝置安裝在外殼50的內(nèi)部。
生長的AlN單晶區(qū)32的范圍內(nèi)的溫度可通過高溫計(未畫出)監(jiān)測。為此，在設置不透氣殼體的外殼50、絕緣體18和坩堝10中設置高溫計管道43。所獲得的有關溫度的信息特別用于控制加熱裝置16。
作為晶種31，優(yōu)選使用AlN晶種，其中生長表面33不僅可以相應于Al面，而且可以相應于N面，即結(jié)晶學的Al或N方向。與結(jié)晶學主軸有0-6°角度的細小錯位(＝方向偏離)額外有利于AlN單晶32的生長。此外作為晶種31，同樣可使用碳化硅(SiC)晶種，例如多型的6H、4H或15R。作為生長表面33可考慮Si面或C面，其同樣具有上述角度值范圍內(nèi)的可能錯位。此外，原則上SiC晶格內(nèi)部其他任意方向也可以。SiC晶種也可以通過任意的外延方法(例如MOCVD、CVD、VPE、PVD或其他方法)事先進行涂覆。涂層優(yōu)選由(AlN)x/(SiC)y合金(x∈
且y＝100-x)形成。
晶種31借助一個未畫出的支架固定在坩堝10的上界壁上。作為支架的材料，可使用緊密燒結(jié)的陶瓷，特別是由氮化硼(BN)組成。其他的陶瓷材料如AlN、Si3N4或SiC同樣可以。不過也可使用分別為單晶或多晶形式的金屬如鎢、鉭或其合金。此外，該支架也可由涂覆鉭(Ta)或碳化鉭(TaC)的石墨材料組成。
坩堝壁14是由透氣的坩堝材料組成的，氣態(tài)成分(特別是在過程氣氛中存在的成分)的擴散27可發(fā)生在內(nèi)區(qū)11和位于坩堝10外的外區(qū)15之間。借助這樣的擴散機理，允許從外面控制以及有針對地調(diào)節(jié)內(nèi)區(qū)11，特別是結(jié)晶區(qū)13中的過程氣氛，若非如此，則向結(jié)晶區(qū)13的材料傳輸，以及特別是對生長表面33的平衡狀態(tài)將產(chǎn)生負面影響。外區(qū)15和內(nèi)區(qū)11之間的氣體交換借助氣體分子的擴散實現(xiàn)，氣體分子的擴散是通過坩堝壁14的透氣坩堝材料的孔進行的。但尤其是不發(fā)生氣體成分直接流入內(nèi)區(qū)11。該交換其實經(jīng)歷了很漫長的擴散過程。由此，得到一種特別是坩堝壁14的透氣坩堝材料和傳輸?shù)臍怏w成分之間的有利的交換作用，該交換作用通過坩堝壁14減少物質(zhì)傳輸。反之，經(jīng)過坩堝壁14的開口(盡管很小)與外區(qū)15的交換，也會導致對氣相傳輸26，尤其是還對生長表面33的平衡狀態(tài)產(chǎn)生不希望的干擾。
坩堝壁14由透氣的特別是多孔的坩堝材料組成。在此優(yōu)選使用分別具有50％-95％相對密度和0.1％-10％開口孔率的陶瓷材料或金屬泡沫體。在圖1的實施例中，坩堝壁14是由氮化硼(BN)陶瓷組成的，其孔道直徑為1μm-100μm。不過，原則上由氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)組成的陶瓷或者其他非氧化物陶瓷也適合。反之，氧化物陶瓷首先是不利的，因為不能控制從坩堝壁14的透氣坩堝材料產(chǎn)生的氧作為摻雜物混入生長的AlN單晶中。特別地，當坩堝壁14是由電絕緣材料例如上述的氮化硼(BN)-陶瓷組成，并安裝感應加熱裝置16時，可在外殼50的內(nèi)部額外設置一個未在圖1示出的導電的感受體。其優(yōu)選為管狀的，并圍繞坩堝10?；蛘咭部梢圆挥酶袘訜嵫b置16，而在坩堝10和絕緣體18之間安裝電阻加熱裝置。那么則額外的感受體是非必需的。
擴散27特別地通過所述透氣的坩堝材料的孔率實現(xiàn)。開口孔率以及規(guī)定的優(yōu)選孔道直徑能夠保證，一般孔道中總有一定份數(shù)用于通過坩堝壁的材料傳輸，并且材料傳輸不會直接或非間接地向另一側(cè)進行，而是很緩慢地并經(jīng)過擴散范圍內(nèi)通常的彎路進行。
與坩堝10不同，外殼50是不透氣的?？捎刹Ａ?、石英玻璃或金屬如鋼類組成。圖1的實施例中外殼是由石英玻璃制得的。
借助所述的坩堝壁14中的擴散機理，可起到控制過程參數(shù)的作用。這樣能改變特別是內(nèi)區(qū)11中的壓力(晶體生長的一個決定性參數(shù))，并精確調(diào)節(jié)實際所希望的值。一般在200-600毫巴壓力下進行AlN生長。不過，1-200毫巴，以及600-1000毫巴之間的值同樣適于AlN-晶體培養(yǎng)。
內(nèi)區(qū)11的壓力除了通過含Al和N的氣體種類確定外，還通過過程氣體確定。為此，惰性氣體如氬氣(Ar)、氦氣(He)或氙氣(Xe)是適合的。在培養(yǎng)含氮的單晶的本實施例中，也采用含氮的過程氣體剛好是有利的。因此，特別有利的過程氣體是N2氣本身。但同樣也可采用氮氣與一種惰性氣體的混合物。也可使用NH3或N/Cl化合物組成的氣體。
在真正培養(yǎng)過程開始前排除設備101中的空氣，優(yōu)選抽成高真空。由此使不希望的雜質(zhì)從內(nèi)區(qū)11通過擴散27從內(nèi)向外排除。任選進行其他純化步驟后，內(nèi)區(qū)11中的培養(yǎng)壓力通過從外向內(nèi)擴散的惰性氣體或過程氣體而調(diào)節(jié)。在培養(yǎng)過程中，由于坩堝壁14透氣的結(jié)構(gòu)，還可進入更多惰性氣體或過程氣體。借助供氣管線41，過程氣體到達外區(qū)15，并從那里通過已經(jīng)描述的擴散機理到達內(nèi)區(qū)11。
外區(qū)15以及內(nèi)區(qū)11的氣氛可通過另一與(真空)泵相連的管線42進行控制。供氣管線41以及泵管線42穿過不透氣的外殼50，也穿過絕緣體18。泵特別用來產(chǎn)生進行其他純化情況下所需要的高真空。
正如對過程氣體所描述的那樣，也可將摻雜物首先加入外區(qū)15，然后通過坩堝壁14加入內(nèi)區(qū)11。作為摻雜物，硫(S)、硅(Si)和氧(O)用于AlN單晶培養(yǎng)是合適的。所有的三種所述元素在AlN中起到供體作用，其中，硅還能發(fā)揮受體功能。其他二價、三價、五價或六價元素作為摻雜物原則上同樣可以所述方法和方式引進內(nèi)區(qū)11。因此，允許以n型傳導、p型傳導或半絕緣形式制得AlN單晶32?？捎嗅槍π缘乜刂艫lN單晶32的摻雜。
坩堝10的透氣形式除了具有所述優(yōu)點外，還可以在真正培養(yǎng)過程前純化源材料30。為此，如已描述的那樣，在外區(qū)15進而在內(nèi)區(qū)11產(chǎn)生高真空。內(nèi)區(qū)11內(nèi)部氣氛中的氣態(tài)雜質(zhì)以及源材料30中至少部分的雜質(zhì)擴散到外區(qū)15，并從那里被吸走。隨后用惰性氣體或過程氣體吹掃設備101。任選在最高1000℃下進行溫度處理，在此溫度下，其他吸附性雜質(zhì)從源材料30溶出，并借助擴散27和抽吸而除去。因此，透氣的坩堝壁14能夠進行很有利的純化處理，特別是在純化和真正培養(yǎng)過程之間不再打開設備101，因此必須排除重新產(chǎn)生雜質(zhì)的危險。借助該前置的純化過程，可以明顯降低源材料30中的雜質(zhì)含量，進而降低生長出的AlN單晶32中的雜質(zhì)含量。
圖2是培養(yǎng)AlN單晶32的另一設備102。與圖1的設備101不同，坩堝10不是完全透氣的，而是只在部分容器141范圍內(nèi)制成透氣的。反之，區(qū)域145中坩堝壁14的其余部分形成不透氣的。
部分容器141由所述有利的透氣的坩堝材料組成。在圖2的實施例中，設置一個多孔的SiC陶瓷。部分容器141包括貯存區(qū)12，用來容納源材料30。
與之相反，壁區(qū)域145是由不透氣的坩堝材料組成的，例如可以金屬形成。在圖2的實施例中，用鎢(W)作為不透氣的坩堝材料。不過可選地還可使用鉭(Ta)。鎢以及鉭也可額外地以鎢合金或者鉭合金(例如碳化鉭)形式供給。原則上，其他的，特別是高熔融的，即在處理溫度下熔融的耐火金屬也適合用作不透氣的坩堝材料。該金屬可以單晶或多晶形式使用。
作為所述金屬的替代品，還可使用陶瓷材料作為不透氣的坩堝材料，該陶瓷材料的密度優(yōu)選超過90％，特別是超過95％。一種熱且在高壓下燒結(jié)的氮化硼(BN)陶瓷(＝熱等靜壓的BN)是有利的，其開口孔率可以忽略，實際上為0％。不過原則上具有相應的較高密度和極小的開口孔率的陶瓷也適用，該陶瓷由借助其他方法制得的緊密的氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或者一種別的非氧化物組成。設置有鈍化保護層的氧化鋁(Al2O3)陶瓷也可作為不透氣的坩堝材料。該層可以由氮化鋁(AlN)、鉭(Ta)或碳化鉭(TaC)所組成的層組成。該層特別用來防止Al2O3材料的氧與內(nèi)區(qū)11中的過程氣氛直接接觸。
通過源材料30的升華產(chǎn)生的氣相成分通過部分容器141的上界壁擴散，并到達生長的AlN晶體32。因此，將結(jié)晶區(qū)13與貯存區(qū)12隔開的部分容器141的上界壁是一種擴散膜20。從貯存區(qū)12到結(jié)晶區(qū)13的氣相傳輸26基本上完全由通過擴散膜20的擴散28所決定。擴散膜20特別有助于抑制渦流，并有助于使氣相傳輸26均勻化。
從外區(qū)15向坩堝10的內(nèi)區(qū)11的擴散27主要是在部分容器141的區(qū)域中實現(xiàn)的，該區(qū)域位于源材料30上界面和擴散膜20之間。從外區(qū)15擴散進來的成分只借助再次的擴散28到達結(jié)晶區(qū)13。兩次擴散都要求均勻化，并額外降低來自外區(qū)15的區(qū)域的所不希望的影響的危險。
在圖3所示的另一設備103的情況下，坩堝壁14基本上由一種上述優(yōu)選的不透氣坩堝材料組成，特別是由具有碳化鉭涂層的鎢組成，并只含有一個由透氣的坩堝材料組成的透氣部件142，在圖3的實施例中其由鉭金屬泡沫體組成。從外區(qū)15到內(nèi)區(qū)11的擴散27通過該部件142進行。此外，設備103包括一個擴散膜21，其位于源材料30和部件142上部生長的AlN單晶32之間，其同樣由透氣的坩堝材料組成，在圖3的實施例中其由氮化鋁(AlN)陶瓷組成的。擴散膜21的材料的相對密度為50％-95％，在圖3的實施例中為80％。原則上，部件142和擴散膜21由不同的透氣的坩堝材料組成，特別是還具有不同的相對密度和/或具有不同程度的開口孔率和/或具有不同的孔道直徑。
總之，在設備103的情況下，發(fā)生基本上完全類似于前面圖2的實施例所述的擴散行為。
圖1-3所示的設備101-103分別被設計用于培養(yǎng)單個的AlN單晶32。不過同樣可良好地適用于可允許同時培養(yǎng)多個AlN單晶的其他實施方案?？赏瑫r升華培養(yǎng)多個AlN單晶的這種設備104如圖4所示。并非限制其普遍適用性，在圖4的實施例中只表示了用來在上面生長AlN單晶321或322的兩個晶種311和312。圖4的設備104除了含有共有的擴散膜22外，還含有多個擴散段221和222。擴散段221和222分別歸屬于一個AlN單晶321或322。各個擴散段221和222控制著分別向歸屬的AlN單晶321或322的氣相傳輸26。
采用圖1-4所示的設備101-104，能夠制得獨特品質(zhì)以及尺寸的鋁單晶32、321和322?？珊翢o問題地達到10-30mm的晶體長度，其中，長度和直徑的比例為0.25-1。所得的晶體直徑特別是大于10mm。因此，從培養(yǎng)的AlN單晶32能夠得到用于元件制備的晶片，其具有2英寸或3英寸以及更大的直徑。生長速度為50-500μm/h，但也可調(diào)節(jié)為更大的值。
權(quán)利要求
1.制備至少一種AlN單晶(32)的方法，其中，至少a)一種氣相至少部分地由源材料(30)產(chǎn)生，該源材料位于坩堝(10)的貯存區(qū)(12)中并含有AlN單晶的至少一種成分，和b)坩堝(10)的結(jié)晶區(qū)(13)中的AlN單晶(32)借助生長從氣相中產(chǎn)生，其特征在于，c)至少一種氣態(tài)成分至少有時候借助坩堝(10)的外區(qū)(15)和坩堝(10)的內(nèi)區(qū)(11)之間的第一次擴散(27)而進行傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，氣相中存在的成分的至少一部分借助第一次擴散(27)從坩堝(10)的外部進入內(nèi)區(qū)(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，通過至少一種雜質(zhì)成分借助第一次擴散(27)從內(nèi)區(qū)(11)進入外區(qū)(15)來純化源材料(30)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的方法，其中，使用坩堝(10)，在該坩堝中，第一次擴散(27)在坩堝壁(14)的整個區(qū)域中進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的方法，其中，使用坩堝(10)，在該坩堝中，第一次擴散(27)在坩堝壁(14)的透氣的部分區(qū)域(141，142)中進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的方法，其中，在貯存區(qū)(12)和結(jié)晶區(qū)(13)之間設置透氣的擴散膜(20，21)，以調(diào)節(jié)氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，至少一部分借助第一次擴散(27)到達內(nèi)區(qū)(11)的氣相成分，借助通過透氣的擴散膜(20、21)的第二次擴散(28)傳輸?shù)浇Y(jié)晶區(qū)(13)。
8.制備至少一種AlN單晶(32)的設備，該設備包括至少a)一個坩堝(10)，其具有坩堝壁(14)和一個被坩堝壁(14)圍成的內(nèi)區(qū)(11)，該內(nèi)區(qū)含有a1)至少一個容納源材料(30)的貯存區(qū)(12)，該源材料(30)含有AlN單晶的至少一種成分，和a2)至少一個結(jié)晶區(qū)(13)，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)AlN單晶(32)從氣相中生長，其特征在于，b)至少在透氣的部分區(qū)域(14、141，142)中這樣形成坩堝壁(14)，使得至少一種氣態(tài)成分，特別是存在于氣相中的成分的一部分的擴散(27)，能夠發(fā)生在坩堝(10)的外區(qū)(15)和坩堝(10)的內(nèi)區(qū)(11)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設備，其中，部分區(qū)域(141，142)由透氣的坩堝材料組成，或者至少含有一種這樣的透氣的坩堝材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的設備，其中，部分區(qū)域(141，142)由透氣的坩堝材料組成或者至少含有一種這樣的透氣的坩堝材料，該坩堝材料具有50％-95％的相對密度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10之一的設備，其中，部分區(qū)域(141，142)由透氣的坩堝材料組成或者至少含有一種這樣的透氣的坩堝材料，該坩堝材料具有特別是0.1％-10％的開口孔率。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11之一的設備，其中，部分區(qū)域(141，142)由透氣的坩堝材料組成或者至少含有一種這樣的透氣的坩堝材料，該坩堝材料具有1μm-100μm的孔道直徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12之一的設備，其中，透氣的坩堝材料是一種陶瓷材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設備，其中，陶瓷材料由碳化硅、氮化物組成，優(yōu)選由氮化硼、氮化鋁或氮化硅組成，或者由一種其他的非氧化物陶瓷組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-12之一的設備，其中，透氣的坩堝材料是一種多孔的金屬，特別是一種金屬泡沫體或一種燒結(jié)金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設備，其中，多孔的金屬泡沫體由一種耐火金屬或耐火金屬的合金組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的設備，其中，多孔的金屬由鎢或鉭，或者鎢或鉭的合金組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求8-17之一的設備，其中，形成的坩堝壁(14)全部是透氣的。
19.根據(jù)權(quán)利要求8-17之一的設備，其中，設置一個封閉的透氣的部分容器(141)作為透氣的部分區(qū)域，其也被指定用來容納貯存區(qū)(12)。
20.根據(jù)權(quán)利要求8-17之一的設備，其中，在坩堝壁(14)中設置一個透氣的部件(142)作為透氣的部分區(qū)域。
21.根據(jù)權(quán)利要求8-20之一的設備，其中，在貯存區(qū)(12)和結(jié)晶區(qū)(13)之間安裝一個透氣的擴散膜(20，21)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設備，其中，擴散膜(21)由透氣的坩堝材料，優(yōu)選由陶瓷材料或多孔金屬，特別是金屬泡沫體或燒結(jié)金屬組成，或者至少含有一種這樣的透氣的坩堝材料。
全文摘要
本方法和設備用于制備AlN單晶(32)。從AlN源材料(30)的成分產(chǎn)生氣相，該源材料位于坩堝(10)的貯存區(qū)(12)。AlN單晶(32)在坩堝(10)的結(jié)晶區(qū)(13)中從氣相長出。至少一種氣相成分，例如存在于氣相中的各成分的一部分可以在坩堝(10)的外區(qū)(15)和坩堝(10)的內(nèi)區(qū)(11)之間擴散，特別是在兩個方向擴散。
文檔編號C30B29/40GK1717508SQ200480001580
公開日2006年1月4日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者邁克爾·拉思普, 歐文·施米特, 托馬斯·斯特勞賓格爾, 邁克爾·沃格爾 申請人:Si晶體股份公司