[發明專利]改進的軸向梯度傳輸(AGT)生長工藝和利用電阻加熱的裝置

有效

• 申請號: 200980149325.3
• 申請日: 2009-12-08
• 公開（公告）號: CN102245813A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 瓦拉塔拉詹·倫加拉詹;伊利婭·茨維巴克;邁克爾·C·諾蘭;布賴恩·K·布魯哈德
• 申請（專利權）人: II-VI有限公司
• 主分類號: C30B15/14
• 分類號: C30B15/14;C30B15/10;C30B29/06
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 顧紅霞;段斌

技術領域

本發明涉及通過升華來生長工業規模的SiC單晶體，更具體而言，涉及通過軸向梯度傳輸(AGT)的技術來進行這種生長。

背景技術

六角形4H和6H多型的碳化硅(SiC)晶片用作晶格匹配基底來生長用于制造運用在電力電子和微波電子應用中的SiC基和GaN基半導體器件的SiC和GaN外延層。

通常，利用物理氣相傳輸(PCT)技術通過升華來生長大型SiC單晶體。圖1示出了普通PVT布置的示意圖。PVT生長在通常由石墨制成的豎向坩堝11中進行。升華源材料13設置在坩堝底部，同時生長晶體(或晶錠)15在位于坩堝頂部且例如附接在坩堝蓋12的內部的籽晶14上生長。最常見地，將具有單RF(射頻)線圈的感應加熱系統運用于PVT生長。該加熱系統的布置如圖1所示，其包括與生長坩堝11同軸布置的圓筒形RF線圈19。

通常在2000℃至2400℃之間的溫度進行PVT生長。為了控制蒸汽傳輸速率，PVT生長在惰性氣體(如，氦和/或氬)的低氣壓(通常在1Torr至100Torr之間)下來進行。

按照這些溫度和氣壓，源材料13蒸發并且揮發的分子物質，諸如Si、Si₂C和SiC₂充滿坩堝11的內部。生長晶體15在籽晶14上生長的期間，源材料13的溫度保持為比籽晶14的溫度典型地高10至200℃。此溫差迫使蒸汽移向并且凝結在籽晶14上，從而促使生長晶體15生長。

PVT生成的SiC晶體的質量取決于生長條件，諸如坩堝11內生長晶體15進行生長的上部中徑向溫度梯度的符號和數值。生長晶體15中的強溫度梯度，尤其是徑向溫度梯度產生熱彈性應力，并且在生長晶體15中產生缺陷并出現裂紋。

在SiC升華生長技術中已知，晶體生長界面緊隨晶體及其附近的等溫線形狀。正徑向梯度(生長坩堝的內部溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向增加)產生凸形(朝向源材料13)生長界面。負徑向梯度(溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向降低)產生凹形(朝向源材料13)生長界面。零徑向梯度(溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向不變)產生平面生長界面。

彎曲的生長界面，如凸形或凹形，會導致在生長界面上出現粗糙的大臺階，從而使多型不穩定并產生缺陷。

因此，普遍認為，平面生長界面最宜于生長高質量晶體，諸如生長晶體15。

通常，如圖1所示的傳統PVT加熱系統幾何結構在坩堝11中創建具有難于控制的強徑向溫度梯度的軸對稱熱場。

圖1所示的單RF線圈PVT加熱系統的另一個問題是，難于按比例擴大以適應更大直徑晶體的生長。隨著坩堝直徑和線圈直徑的增加，徑向梯度變得更陡，而線圈與坩堝之間的電磁耦合變得更弱。

美國專利No.6,800,136(下文中簡稱“′136專利”)披露了一種被稱為軸向梯度傳輸(AGT)的PVT升華生長技術，該技術目的在于減小不適宜的徑向溫度梯度。圖2中示出了′136專利中的AGT生長幾何結構的概念圖。

AGT技術使用兩個獨立的平板加熱器，即源加熱器和晶錠加熱器。這些加熱器可以為感應式或電阻式。加熱器與坩堝同軸布置，其中源加熱器布置在源材料下方，而晶錠加熱器布置在生長晶體上方。

AGT技術包括降低徑向熱流，期望降至0的裝置。該裝置包括圍繞AGT生長室布置的圓筒形熱絕緣件和額外的加熱器。適當地調整圓筒形熱絕緣件與該加熱器的組合可以將徑向熱損失降至0。據說，圖2所示的AGT幾何結構確實使軸向熱流產生大致為0的徑向梯度。

′136專利中詳細描述了使用感應加熱系統的AGT裝置，該專利通過引用并入本文。圖3示出了該感應加熱式AGT的布置。其采用兩個平板式RF線圈，即頂部線圈30a和底部線圈30b。圓筒形坩堝31包括源材料32和生長著生長晶體35的籽晶33，并且圓筒形坩堝31布置在這些線圈之間，以便坩堝的頂部和底部用作平板式RF感受器。箭頭34表示生長坩堝中蒸汽沿從源至晶體的方向傳輸。

圖3中所示的AGT室設計的缺點與平板式線圈30a和30b與坩堝31的平板頂部和底部之間的RF耦合特性有關。存在兩種主要類型的平板式RF線圈，即通常所說的“蝸形”線圈和“蛇形”線圈。如圖3所示，當與盤狀感受器耦合時，由于集膚效應，“蝸形”線圈將在感受器緣部沉積其大部分RF能量。這種耦合導致坩堝中徑向溫度梯度可控性很差?！吧咝巍本€圈的能量沉積更均勻，但整體耦合效率低。

′136專利中還披露了一種使用平板電阻加熱器的AGT裝置。在源材料升華溫度下，熱量從加熱器傳遞至坩堝的主要機理是輻射。因此，平板電阻加熱器應該沒有平板式RF線圈的缺點。