專利名稱：制造碳化硅單晶的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造碳化硅(SiC)單晶的裝置和方法。
技術(shù)背景
已經(jīng)例如在JP-A-2007-176718中提出了一種SiC單晶制造裝置。在常規(guī)裝置中， 籽晶的直徑通過升華蝕刻籽晶的可能存在很多缺陷和畸變的側(cè)面和外緣來減小。然后，籽晶的直徑通過在籽晶上生長SiC單晶來增大至預(yù)定水平。具體地，這種常規(guī)裝置包括導(dǎo)向件，其具有定位為面向籽晶外緣的內(nèi)壁。導(dǎo)向件的內(nèi)徑小于籽晶的直徑并且隨著距籽晶的距離而增大以使得籽晶的直徑能增大。
因而，這種常規(guī)裝置可減少或防止籽晶的外緣上的缺陷和畸變。因此，由這種常規(guī)裝置制造的SiC單晶可具有較高的質(zhì)量。
然而，籽晶的外緣通過升華蝕刻方法移除時，SiC單晶和導(dǎo)向件之間的溫差隨著 SiC單晶的生長而降低。而且，SiC單晶和導(dǎo)向件之間的間隙隨著SiC單晶的生長而增大。 因此，SiC原料氣體變得難以流動，因此多晶能在SiC單晶和導(dǎo)向件之間生長。因此，多晶粘附至SiC單晶，因此SiC單晶的外緣的質(zhì)量能退化。
使用圖6A和6B中所示的SiC單晶制造裝置可防止多晶粘附至SiC單晶。在這種 SiC單晶制造裝置中，SiC單晶生長處的籽晶與多晶生長處的部分不重合。
具體地，在圖6A中，籽晶J2放置于基部Jl的突起Jla上。因而，在籽晶J2上生長的SiC單晶J3能與在突起Jla周圍生長的多晶J4不重合。然而，在單晶J3在籽晶J2 上長長時，多晶J4在突起Jla周圍生長。因此，多晶J4可粘附至單晶J3。在圖6B中，突起Jla由護蓋元件Jlb包圍以防止多晶J4在突起Jla周圍生長。然而，當(dāng)單晶J3在籽晶 J2上長長時，多晶J4可粘附至護蓋元件Jlb上。護蓋元件Jlb上的多晶J4可粘附至單晶 J3。發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明的目標是提供一種用于通過減少或防止多晶粘附至SiC 單晶來制造高質(zhì)量SiC單晶的裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種制造碳化硅單晶的裝置通過從籽晶的下面供應(yīng)用于碳化硅的原料氣體來在由碳化硅單晶基片制成的籽晶的表面上生長碳化硅單晶。該裝置包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)的基部。籽晶安裝于基部的第一側(cè)上。該裝置還包括用于支撐基部并且用于從基部的第二側(cè)將凈化氣體供應(yīng)至基部的凈化氣體引入機構(gòu)?；烤哂杏糜趶幕砍丫У耐饩壟懦鏊?yīng)凈化氣體的凈化氣體引入路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種制造碳化硅單晶的方法在由碳化硅單晶基片制成的籽晶的表面上生長碳化硅單晶。該方法包括將籽晶安裝于基部的第一側(cè)上、從安裝于基部的第一側(cè)上的籽晶下面供應(yīng)用于碳化硅的原料氣體、從基部的與第一側(cè)相反的第二側(cè)將凈化氣體供應(yīng)到基部、以及從基部朝著籽晶的外緣排出所供應(yīng)的凈化氣體。


上述和其他目標、特點和優(yōu)點將從以下描述和附圖中變得更明顯，其中類似的參考標號指示類似的部件，在附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SiC單晶制造裝置的橫截透視圖2是示出圖1的局部放大圖的視圖，示出SiC單晶制造裝置的基部；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的SiC單晶制造裝置的基部的局部放大橫截圖的視圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的SiC單晶制造裝置的基部的局部放大橫截圖的視圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的SiC單晶制造裝置的基部的局部放大橫截圖的視圖；并且
圖6A和6B是示出相關(guān)技術(shù)的SiC單晶制造裝置的基部的局部放大橫截圖的視圖。
具體實施方式
(第一實施例)
在下面參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SiC單晶制造裝置1。
制造裝置1具有原料氣體入口 2和原料氣體出口 4。原料氣體入口 2定位于制造裝置1的底部，并且原料氣體出口 4定位于制造裝置1的上部。由SiC單晶基片制成的籽晶5放置于制造裝置1中。用于SiC的運載氣體和原料氣體3通過原料氣體入口 2導(dǎo)入制造裝置1并且通過原料氣體出口 4從制造裝置1排出以使得SiC單晶20能在籽晶5上生長。原料氣體3包括Si和C。例如，原料氣體3能是硅烷基氣體(例如硅烷)和烴基氣體 (例如丙烷)的氣體混合物。
具體地，制造裝置1包括真空容器6、第一隔熱體7、加熱容器8、基部9、第二隔熱體10、凈化氣體引入機構(gòu)11、第一加熱設(shè)備12以及第二加熱設(shè)備13。
例如，真空容器6能由石英玻璃制成。真空容器6為圓柱形管狀。原料氣體入口 2 定位于真空容器6的底部，并且原料氣體出口 4定位于真空容器6的上部(例如，側(cè)壁的上部)。運載氣體和原料氣體3通過原料氣體入口 2導(dǎo)入真空容器6的內(nèi)部空間并且通過原料氣體出口 4從真空容器6的內(nèi)部空間排出。真空容器6構(gòu)造為使得內(nèi)部空間中的壓力能通過給內(nèi)部空間抽真空來降低。制造裝置1的一些部件容納于真空容器6的內(nèi)部空間中。
第一隔熱體7為圓柱形管狀并且限定與原料氣體入口 2相通的原料氣體引入管道 7a。第一隔熱體7與真空容器6同軸地布置。例如，第一隔熱體7能由石墨制成。在此情況下，第一隔熱體7的表面能由耐火(即，高熔點)金屬碳化物比如碳化鉭(TaC)涂覆。
加熱容器8具有反應(yīng)腔，其中SiC單晶20在籽晶5的表面上生長。例如，加熱容器8能由石墨制成。在此情況下，加熱容器8的表面能由耐火金屬碳化物比如碳化鉭(TaC) 涂覆。加熱容器8在原料氣體3的流動方向上定位于基部9的上游側(cè)上。因而，加熱容器 8移除包含于從原料氣體入口 2導(dǎo)入的原料氣體3中的顆粒并且在原料氣體3到達籽晶5 之前分解原料氣體3。
具體地，加熱容器8為圓柱形管狀。根據(jù)第一實施例，加熱容器8具有帶氣體引入端口 8a的底部。氣體引入端口 8a與第一隔熱體7的氣體引入管道7a相通以使得流過氣體引入管道7a的原料氣體3能通過氣體引入端口 8a導(dǎo)入加熱容器8。
基部9與加熱容器8同軸地布置。例如，基部9能由石墨制成。在此情況下，基部 9的表面能由耐火金屬碳化物比如碳化鉭(TaC)涂覆。籽晶5安裝于基部9上，并且SiC單晶20在籽晶5的表面上生長?；?在下面參照圖2詳細描述。
如圖2中所示，基部9包括結(jié)合至凈化氣體引入機構(gòu)11的結(jié)合部分91、籽晶5安裝于此的安裝部分92以及用于保持安裝部分92的保持部分93。
結(jié)合部分91具有第一圓柱形管91a、凸緣91b以及第二圓柱形管91c。第一圓柱形管91a結(jié)合至凈化氣體引入機構(gòu)11的管道元件Ila的頂端。凸緣91b在第一圓柱形管 91a的徑向向外方向上從第一圓柱形管91a的與結(jié)合至管道元件Ila的端部相反的端部延伸。第二圓柱形管91c形成于凸緣91b的與第一圓柱形管91a形成于此的表面相反的表面的外部區(qū)域上。第一圓柱形管91a與第二圓柱形管91c同軸地布置。第二圓柱形管91c的內(nèi)徑大于第一圓柱形管91a的內(nèi)徑。
安裝部分92具有沿著其中心軸線具有不同直徑的實心圓柱形狀。具體地，安裝部分92包括大直徑部分9 和小直徑部分92b。小直徑部分92b的直徑小于大直徑部分9 的直徑。小直徑部分92b與大直徑部分92a同軸地布置。大直徑部分9 和小直徑部分 92b的直徑的每個小于第二圓柱形管91c的內(nèi)徑和保持部93的內(nèi)徑，以使得能在安裝部分 92與第二圓柱形管91c和保持部分93中的每個之間形成間隙。間隙用作凈化氣體引入路徑94。小直徑部分92b定位于大直徑部分9 下面。小直徑部分92b的頂端延伸超過保持部分93的下緣。
安裝板92c附接至小直徑部分92b的頂端并且定位于保持部分93的外側(cè)。安裝板 92c的直徑大于小直徑部分92b的直徑。籽晶5安裝于安裝板92c上。多個支撐元件92d 圍繞小直徑部分92b以規(guī)則的間隔布置于大直徑部分92a的下表面上。支撐元件92d定位于大直徑部分9 和保持部分93之間以在保持部分93上支撐安裝部分92。每個支撐元件92d具有預(yù)定的長度。因而，安裝部分92通過支撐元件92d與保持部分93間隔開以使得能形成凈化氣體引入路徑94。
保持部分93具有圓柱形管部分93a。結(jié)合部分91的第二圓柱形管91c裝配入圓柱形管部分93a的第一端。在圓柱形管部分93a的第一端與第二圓柱形管91c之間施加粘合劑以使得結(jié)合部分91和保持部分93能固定在一起。圓柱形管部分93a的第二端設(shè)置有在圓柱形管部分93a的徑向向內(nèi)方向上延伸的變窄部分93b。變窄部分93b的內(nèi)徑小于圓柱形管部分93a的內(nèi)徑。支撐元件92d以如此的方式直立于變窄部分9 上以在保持部分 93上支撐安裝部分92以使得大直徑部分92a與變窄部分93b間隔開。
返回參照圖1，第二隔熱體10包圍容器8和基部9以將引至基部9的原料氣體3 的剩余部分朝著原料氣體出口 4引導(dǎo)。具體地，第二隔熱體10構(gòu)造為使得供應(yīng)至籽晶5的原料氣體3的剩余部分能通過基部9和第二隔熱體10之間的間隙朝著原料氣體出口 4流動。
凈化氣體引入機構(gòu)11構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)和提升管道元件11a。具體地，管道元件Ila的第一端連接至基部9的與籽晶5安裝于此的表面相反的表面。管道元件Ila的第二端連接至凈化氣體引入機構(gòu)11。因而，凈化氣體引入機構(gòu)11能連同基部9、籽晶5以及SiC單晶 20 一起旋轉(zhuǎn)和提升管道元件11a。凈化氣體引入機構(gòu)11根據(jù)SiC單晶20的生長通過旋轉(zhuǎn)和提升管道元件Ila從而保持SiC單晶20的生長面處于適合于SiC單晶20生長的溫度。
而且，凈化氣體引入機構(gòu)11將凈化氣體導(dǎo)入管道元件Ila以將凈化氣體供應(yīng)至連接至管道元件Ila的基部9。例如，凈化氣體能是惰性氣體(例如，氬、氦)、蝕刻氣體(例如，H2、HC1)、或惰性氣體和蝕刻氣體的混合物。從凈化氣體引入機構(gòu)11供應(yīng)至基部9的凈化氣體在相對于基部9的中心軸線的徑向向外方向上從籽晶5的外緣排出。
第一加熱設(shè)備12和第二加熱設(shè)備13的每個包圍真空容器6。例如，第一加熱設(shè)備 12和第二加熱設(shè)備13的每個能包括發(fā)熱感應(yīng)線圈、加熱器等。第一加熱設(shè)備12定位于對應(yīng)于加熱容器8的下部的位置，并且第二加熱設(shè)備13定位于對應(yīng)于基部9的位置。第一加熱設(shè)備12和第二加熱設(shè)備13獨立地受控以使得SiC單晶20的生長面能被調(diào)節(jié)至適合于 SiC單晶20生長的溫度。
接著，在下面描述使用根據(jù)第一實施例的制造裝置1制造SiC單晶20的方法。
首先，籽晶5安裝于基部9上。然后，第一加熱設(shè)備12和第二加熱設(shè)備13受控為在加熱容器8中產(chǎn)生預(yù)定的溫度分布。預(yù)定的溫度分布設(shè)置為使得原料氣體3能在籽晶5 的表面處再結(jié)晶，以在籽晶5的表面上生長SiC單晶20。而且，預(yù)定的溫度分布設(shè)置為使得再結(jié)晶速度能低于加熱容器8中的升華速度。
然后，真空容器6保持處于預(yù)定壓力，并且原料氣體3通過氣體引入管道7a導(dǎo)入真空容器6。如果需要，運載氣體(例如，惰性氣體，比如氬、氦)或蝕刻氣體(例如，H2、HC1) 能連同原料氣體3—起導(dǎo)入。因而，如由圖1中的箭頭A所示，原料氣體3供應(yīng)至籽晶5以使得SiC單晶20能在籽晶5上生長。
此時，凈化氣體引入機構(gòu)11將凈化氣體導(dǎo)入管道元件11a。因而，如由圖2中的箭頭B所示，凈化氣體通過凈化氣體引入路徑94從籽晶5的背面供應(yīng)至籽晶5并且然后在相對于基部9的中心軸線的徑向向外方向上從籽晶5的外緣排出。
凈化氣體的這種流動減少或防止基部9的圍繞籽晶5的一部分(例如，保持部分 93的下表面和大直徑部分92a的下表面)上形成多晶。因而，即使SiC單晶20長長，也能減少或防止多晶粘附至SiC單晶20的外緣。因此，SiC單晶20能在沒有SiC單晶20的外緣的質(zhì)量損失之下長長。
注意到，保持部分93的下表面與水平面平行。安裝部分92的小直徑部分92b向下延伸超過變窄部分93b，并且直徑比小直徑部分92b大的安裝板92c附接至小直徑部分 92b的頂端。因而，凈化氣體引入路徑94的出口(即，排出口)面對相對于基部9的中心軸線的徑向向外方向以使得凈化氣體能在徑向向外方向上從基部9排出。因此，排出的凈化氣體沿著保持部分93的下表面流動以使得能減少或防止在保持部分93的下表面上形成多晶。如上所述，根據(jù)第一實施例，凈化氣體從籽晶5的背面供應(yīng)至籽晶5并且相對于基部9的中心軸線在徑向向外方向上從籽晶5的外緣排出。在這種方法中，凈化氣體的流動減少或防止在基部9的圍繞籽晶5的部分(例如，保持部分93的下表面和大直徑部分9 的下表面)上形成多晶。因而，即使當(dāng)SiC單晶20長長時，也能防止多晶粘附至SiC單晶 20的外緣。因此，SiC單晶20能在沒有SiC單晶20的外緣的質(zhì)量損失之下長長。
(第二實施例)
本發(fā)明的第二實施例在下面參照圖3描述。第二實施例在基部9的形狀上與第一實施例不同。
圖3是示出根據(jù)第二實施例的SiC單晶制造裝置1的基部9的局部放大橫截圖的視圖。如圖3中所示，根據(jù)第二實施例，基部9的保持部分93的下表面是錐形的以使得變窄部分9 相對于基部9的中心軸線的直徑能在SiC單晶20的生長方向上增大。
如上所述，根據(jù)第二實施例，保持部分93的下表面是錐形的。在這種方法中，SiC 單晶20沿著保持部分93的錐形下表面生長以使得SiC單晶20的直徑能增大。而且，由于凈化氣體沿著保持部分93的錐形下表面流動，能防止或減少在保持部分93的錐形下表面上形成多晶。
(第三實施例)
本發(fā)明的第三實施例在下面參照圖4描述。第三實施例在基部9的形狀上與第一實施例不同。
圖4是示出根據(jù)第三實施例的SiC單晶制造裝置1的基部9的局部放大橫截圖的視圖。如圖4中所示，根據(jù)第三實施例，基部9具有沿著其中心軸線具有不同直徑的圓柱形狀。具體地，基部9包括大直徑部分和小直徑部分95b。小直徑部分％b的直徑小于大直徑部分95a的直徑。小直徑部分％b與大直徑部分95a同軸地布置并且定位于大直徑部分95a的下面。籽晶5安裝于小直徑部分95b的頂端上。也就是，小直徑部分95b的頂端用作安裝板92c。
而且，基部9具有凈化氣體引入路徑95c。凈化氣體引入路徑95c從大直徑部分 95a的背面延伸至小直徑部分95b并且然后相對于基部9的中心軸線在徑向向外方向上延伸穿過小直徑部分95b。通過凈化氣體引入路徑95c，凈化氣體從籽晶5的背面供應(yīng)至籽晶 5并且然后在徑向向外方向上從籽晶5的外緣排出。
如上所述，根據(jù)第三實施例，基部9具有從大直徑部分9 的背面延伸至小直徑部分95b并且然后在徑向向外方向上延伸穿過小直徑部分95b的凈化氣體引入路徑95c。在這種方法中，凈化氣體的流動減少或防止在基部9的位于籽晶5周圍的部分(例如，大直徑部分95a的下表面)上形成多晶。因而，即使在SiC單晶20長長時，也能減少或防止多晶粘附至SiC單晶20的外緣。因此，SiC單晶20能在沒有SiC單晶20的外緣的質(zhì)量損失之下長長。
(第四實施例)
本發(fā)明的第四實施例在下面參照圖5描述。第四實施例類似于第三實施例。第三實施例與第四實施例之間的差異如下。
圖5是示出根據(jù)第四實施例的SiC單晶制造裝置1的基部9的局部放大橫截圖的視圖。如圖5中所示，根據(jù)第四實施例，基部9除了大直徑部分95a、小直徑部分95b以及凈化氣體引入路徑95c以外，還具有護蓋部分95d。護蓋部分95d覆蓋大直徑部分9如的下表面以及小直徑部分95b的側(cè)面。具體地，護蓋部分95d從大直徑部分95a的下表面延伸并且朝著小直徑部分％b的側(cè)面彎曲。護蓋部分95d的第一端接合至大直徑部分95a，并且護蓋部分95d的第二端與小直徑部分95b間隔開。流過凈化氣體引入路徑95c的凈化氣體通過護蓋部分95d與小直徑部分％b之間的間隙從基部9排出以使得排出的凈化氣體能流動至籽晶5的外緣。
如上所述，根據(jù)第四實施例，基部9還具有覆蓋大直徑部分％a的下表面以及小直徑部分％b的側(cè)面的護蓋部分95d。在這種方法中，凈化空氣的流動減少或防止在基部9的位于籽晶5周圍的部分(例如大直徑部分95a的下表面以及護蓋部分95d的下表面)上形成多晶。因而，即使在SiC單晶20長長時，也能減少或防止多晶粘附至SiC單晶20的外緣。 因此，SiC單晶20能在沒有SiC單晶20的外緣的質(zhì)量損失之下長長。
(變型)
上述實施例能以各種方式變型，例如，如下。
優(yōu)選地基部9的表面由耐火金屬碳化物比如碳化鉭(TaC)涂覆。在這種方法中， 基部9的表面得到保護免受熱蝕刻和蝕刻氣體，以使得能減少或防止在基部9的表面上形成多晶。尤其，優(yōu)選地保持部分93的變窄部分93b的下表面能由耐火金屬碳化物涂覆。
凈化氣體能是惰性氣體、蝕刻氣體、用于碳化硅的摻雜氣體、或惰性氣體、蝕刻氣體和摻雜氣體中的至少兩種的混合氣體。例如，摻雜氣體能是氮氣(N2)。
這種改變和變型將理解為在本發(fā)明如由所附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造碳化硅單晶00)的裝置，通過從由碳化硅單晶基片制成的籽晶( 的下面供應(yīng)用于碳化硅的原料氣體C3)來在籽晶的表面上生長碳化硅單晶，該裝置包括基部(9)，其具有第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)，籽晶安裝于基部的第一側(cè)上；以及凈化氣體引入機構(gòu)(11)，其用于支撐基部并且用于從基部的第二側(cè)將凈化氣體供應(yīng)至基部，其中基部具有用于從基部朝著籽晶的外緣排出所供應(yīng)凈化氣體的凈化氣體引入路徑(94， 95c)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中凈化氣體引入路徑的出口指向相對于基部的中心軸線徑向向外的方向，以使得凈化氣體從籽晶的外緣排出并且沿著基部的下表面流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中凈化氣體是惰性氣體，蝕刻氣體，用于碳化硅的摻雜氣體，或者惰性氣體、蝕刻氣體以及摻雜氣體中的至少兩種的混合氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任何一個的裝置，其中基部的表面由耐火金屬碳化物涂覆。
5.一種通過在由碳化硅單晶基片制成的籽晶( 的表面上生長碳化硅單晶來制造碳化硅單晶的方法，該方法包括將籽晶安裝于基部(9)的第一側(cè)上；從安裝于基部的第一側(cè)上的籽晶下面供應(yīng)用于碳化硅的原料氣體(3)；從基部的與第一側(cè)相反的第二側(cè)將凈化氣體供應(yīng)至基部；以及從基部朝著籽晶的外緣排出所供應(yīng)的凈化氣體。
全文摘要
一種制造碳化硅單晶(20)的裝置通過從籽晶的下面供應(yīng)用于碳化硅的原料氣體(3)來在由碳化硅單晶基片制成的籽晶(5)的表面上生長碳化硅單晶。該裝置包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)的基部(9)。籽晶安裝于基部的第一側(cè)上。該裝置還包括用于支撐基部并且用于從基部的第二側(cè)將凈化氣體供應(yīng)至基部的凈化氣體引入機構(gòu)(11)。基部具有用于從基部朝著籽晶的外緣排出所供應(yīng)凈化氣體的凈化氣體引入路徑(94，95c)。
文檔編號C30B29/36GK102534795SQ20111043174
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者原一都, 徳田雄一郎 申請人:株式會社電裝