大直徑高品質(zhì)的SiC單晶、方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】描述了用于形成適于生產(chǎn)直徑為100、125、150和200mm的高晶體品質(zhì)SiC基底的大直徑SiC單晶的方法和系統(tǒng)。SiC單晶通過接種升華技術(shù)在淺徑向溫度梯度的存在下生長。在SiC升華生長期間，過濾掉碳顆粒的帶有SiC的蒸氣通量通過置于晶種與帶有SiC的蒸氣源之間的分隔板基本限制于晶種表面的中心面積。分隔板包括被第二基本蒸氣不可透部件圍繞的第一基本蒸氣可透部件。長成的晶體具有平或微凸的生長界面。由長成的晶體制造的大直徑SiC晶片顯示出低晶格曲率和低密度的晶體缺陷如堆垛層錯、夾雜、微管和位錯。
【專利說明】大直徑高品質(zhì)的Sic單晶、方法和設(shè)備
[0001] 發(fā)明背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及4H和6H多型體的高品質(zhì)大直徑碳化硅（Sic)單晶及其升華生長方 法。本發(fā)明SiC單晶可用于半導(dǎo)體、電子和光電器件如大功率和高頻二極管和晶體管、超快 半導(dǎo)體光開關(guān)、在嚴苛環(huán)境中工作的檢測器以及許多其它器件中。
[0003]本發(fā)明是改進的SiC升華晶體生長方法。本發(fā)明的主要新方面是控制蒸氣傳輸和 溫度梯度，其中所述傳輸限制于生長的晶體的中心面積，而晶體及其周圍在接近零的徑向 溫度梯度條件下。這導(dǎo)致有利地成型生長界面，例如是平的或朝向來源輕微凸起的，降低的 晶體應(yīng)力和降低的晶體缺陷密度。
[0004]本發(fā)明其它新方面包括SiC源通過升華和蒸氣從源自SiC源的顆粒過濾而就地致 密化。作為任選特征，本發(fā)明包括由元素組分就地合成SiC源的步驟。
[0005] 通過本發(fā)明生長方法生長的SiC單晶適于制造4H和6H多型體、η型和半絕緣的 大直徑尚品質(zhì)SiC單晶基底，包括直徑為100mm、125mm、150mm和200mm的基底。
[0006] 相關(guān)枝術(shù)描沐
[0007] 過去十年來，在Sic晶體生長和基底制造中實現(xiàn)了顯著的進步。目前市售的最大 SiC基底是直徑為100mm的4H和6H SiC晶片。150mm基底正在開發(fā)中，目前有限量的150mm n型基底基于試驗或抽樣可得到^ 150mm直徑SiC基底以及未來200mm基底的廣泛實現(xiàn)能 賦予SiC-和GaN基半導(dǎo)體器件的顯著成本降低。
[0008] 開發(fā)級150mm η型晶片是本領(lǐng)域中已知的。然而，SiC基器件的進展仍受到市售 高品質(zhì)150_ SiC基底的稀缺性和200mm基底的不可得性制約。
[0009] Sic基底中的有害缺陷包括：位錯、微管、堆垛層錯、外來多型體的夾雜和碳夾雜。 SiC基底中的應(yīng)力是對器件性能和技術(shù)有害的另一因素。
[0010] 位錯和微管
[0011] 六方形SiC中的主要位錯類型是：螺紋螺型位錯（TSD)、螺紋刃型位錯（TED)和基 面位錯（BPD)。術(shù)語"螺紋"意指位錯線近似地平行于六方形〈〇〇〇1>軸。術(shù)語"基"意指位 錯線位于基礎(chǔ)六方形（〇〇〇1)平面中。TSD導(dǎo)致泄漏和器件劣化，而BH)導(dǎo)致偏移下堆垛層 錯的產(chǎn)生，以及隨后終端器件失效。TED視為相對良性缺陷。
[0012] 微管（MP)為具有超過3c的伯格斯矢量的空心TSD，其中c為晶格參數(shù)。4H SiC 均相外延層通常在4°切割基底上生長，由此存在的至少一部分位錯和微管從基底延伸到 外層（epilayer)中。MP為甚至在低偏壓下導(dǎo)致嚴重的電荷泄漏的"器件殺手"。
[0013] 在Κ0Η基熔劑中蝕刻通常用于顯示出由于位錯和MP導(dǎo)致的腐蝕坑一各位錯類型 產(chǎn)生具有特性幾何形狀的腐蝕坑。除蝕刻外，MP密度（MPD)可通過在偏光顯微鏡下研究拋 光的SiC晶片而光學(xué)上測定。在軸SiC晶片（即平行于六方形c面取向）或離軸幾度取向 的晶片上蝕刻時，各螺紋位錯和MP在晶片表面上產(chǎn)生一個腐蝕坑。因此，MP、TSD和TED密 度作為每lcm 2晶片表面的相應(yīng)腐蝕坑的數(shù)目測量。
[0014] Sic相關(guān)文獻和本公開內(nèi)容中所用術(shù)語'位錯密度'、'總位錯密度，和'晶片平均 位錯密度'應(yīng)當(dāng)理解為每lcm2晶片表面的腐蝕坑密度，因此表明螺紋位錯的密度。
[0015] BPD線在基面中，且產(chǎn)生的腐蝕坑BPD的數(shù)目取決于晶片切角。例如，BPD不產(chǎn)生 在軸晶片中的腐蝕坑。顯不BPD的最佳方法是通過X射線拓撲圖，其中它們作為多個曲線 可見。因此，BH)密度作為每總分析體積的基底（cm3)的bh)線總長度（cm)計算，即以 cm/ cm3為單位。
[0016]微管為具有超過3c的伯格斯矢量的空心TSD，其中c為晶格參數(shù)。微管是觸發(fā)圍 繞微管的BPD回路產(chǎn)生的應(yīng)力集中器。微觀是甚至在低偏壓下導(dǎo)致嚴重的電荷泄漏的"器 件殺手"。除蝕刻外，微管密度（MPD)可通過在偏光顯微鏡下研究拋光的SiC晶片而光學(xué)測 定。
[0017]幾個工業(yè)廠商論證了具有MPD = 0的3"和100mm SiC基底。然而，商業(yè)基底中的 平均MPD值通常為高于0. 1至〇. 2cm 2。
[0018] 堆垛層錯
[0019]對于4H和6H多型體,<0001〉方向中的正常堆積順序分別是'ABCB，和' ABCACB，。 堆垛層錯（SF)是違反理想堆積順序并由于非最佳化生長條件而顯現(xiàn)的二維缺陷。在4。切 割4H SiC基底上的均相外延生長期間，SF從基底傳播至外層（印ilayer)中。SF的存在可 通過X射線拓撲圖和光致發(fā)光檢測?；赬射線拓撲圖，SF密度可表示為SF占據(jù)的基底 面積的百分數(shù)。SF為器件的末端。
[0020] 外來多型體的夾雜
[0021] 各種SiC多型體的自由能是接近的，且在4H和6H晶體中通常觀察到多型體夾雜 如KR，當(dāng)生長條件非最佳化或者不穩(wěn)定時尤其如此。15R的點陣是菱面體，且六面形4H和 6H中KR夾雜導(dǎo)致粗缺陷，例如位錯壁和微管簇。
[0022] 碳夾雜
[0023]碳夾雜在SiC晶體中是常見的，且它們的來源通常指定為廢碳化SiC源。SiC的 蒸發(fā)與富含硅的蒸氣是不一致的。因此，在生長期間發(fā)生碳殘余物的逐步累積，其為輕且片 狀的物質(zhì)。來自殘余物的碳顆粒變成空氣傳播的，并通過蒸氣通量輸送，結(jié)合到生長的晶體 中?？蓙碜猿叽鐬閙m至幾 μηι的部分的碳夾雜通常在拋光晶片中作為光散射云可見。大 的碳夾雜導(dǎo)致微管，而小尺寸夾雜的云提高位錯密度。
[0024] X射線品質(zhì)
[0025] X射線搖擺曲線方法提供關(guān)于晶格曲率和X射線反射擴寬的定量信息。晶格曲率 表示為Δ Ω，其為晶片表面上的不同點之間的試樣角Ω的變化（Λ Ω = Ωμχ_Ωμιν)。高 Δ Ω值是強點陣變形的指示。在最高品質(zhì)SiC基底中，δ Ω為0. 1。以下，而在目前的商 業(yè)SiC基底中，通常觀察到高至0.2-0. 3。的ΛΩ值。
[0026] X射線反射擴寬表示為反射峰的半寬度（FWHM)。高FWHM值為點陣無序，例如高位 錯密度和小角晶粒的結(jié)果。對于最高品質(zhì)的4H SiC基底,FWHM值為約10-12角秒，且與入 射的單色X射線束的角發(fā)散相當(dāng)。在目前的商業(yè)SiC晶片中，F(xiàn)WHM值通常為15角秒以上 且至多75-100角秒。25-30角秒以上的FWHM值為次晶體品質(zhì)的信號。
[0027] 應(yīng)力
[0028]在SiC晶片中，技術(shù)人員可區(qū)別總晶片尺寸應(yīng)力和局部應(yīng)力。應(yīng)力值可通過拉曼 光譜法或特殊X射線方法量化。然而，簡單得多的定性技術(shù)例行地應(yīng)用于Sic晶片一在交 叉偏振器下目測檢查?；诮徊嫫衿鲗Ρ?，可定性地評估應(yīng)力水平和它的均勻性，并可發(fā) 現(xiàn)各種宏觀缺陷，例如位錯簇、多型體夾雜、晶界等。交叉偏振器對比通常定性分類成"低"、 "中"或"高"。
[0029] 現(xiàn)有技術(shù)的SiC升華生長
[0030] 物理蒸氣傳輸（PVT)升華技術(shù)廣泛用于商業(yè)級SiC單晶的生長?，F(xiàn)有技術(shù)的常規(guī) SiC升華生長池示意性地顯示于圖1中。該方法在通常由熔凝硅石制成的氣密室10中進 行。室10包括生長坩堝11和圍繞坩堝11的熱絕緣12。生長坩堝11通常由致密的細晶粒 石墨制成，而熱絕緣12由輕重量纖維石墨制成。最通常地，加熱通過電磁連接在坩堝11上 的單RF線圈16提供。然而，可想到使用電阻加熱。
[0031] 坩堝11包括SiC升華源14和SiC單晶晶種15。最通常地，源14 (多晶SiC晶粒） 置于坩堝11的底部，而晶種15在頂部，例如連接在坩堝蓋11a上。
[0032] 在生長溫度（通常2000-2400°C )下，SiC源14蒸發(fā)并將坩堝用Si2C、SiC2和Si 分子的蒸氣填充。在生長期間，源14的溫度保持高于晶種15,導(dǎo)致生長坩堝中的軸向和徑 向上均有約10-30°C /cm的溫度梯度。蒸氣遷移至晶種15中并沉淀在所述晶種上，導(dǎo)致晶 種15上SiC單晶17的生長。坩堝中的蒸氣傳輸在圖1中由箭頭19表示。為控制生長速 率和確保晶體品質(zhì)，升華生長在小的惰性氣體壓力，通常幾托至1〇〇托下進行。
[0033] 如SiC升華生長領(lǐng)域的技術(shù)人員所認識到的，兩個技術(shù)因素對晶體品質(zhì)而言是關(guān) 鍵的：生長SiC單晶17內(nèi)的徑向溫度梯度量值和晶體生長界面20的形狀。陡的徑向梯度 導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)力相關(guān)晶體缺陷外觀，例如BPD。凸或凹的強曲線生長界面導(dǎo)致界面上的粗大 步階外觀、堆垛層錯、外來多型體的夾雜和其它缺陷。朝向源為凹的（下文中，'凹'）界面 導(dǎo)致生長期間各種缺陷的產(chǎn)生和快速累積。通常認為平或朝向源微凸的（下文中，'凸'） 界面是最有助于局晶體品質(zhì)的。
[0034] 通常認為生長界面接近地遵循等溫線形狀：凹等溫線產(chǎn)生凹界面20,而凸等溫線 獲得凸界面20。當(dāng)溫度在徑向上從坩堝軸向坩堝壁提高時，徑向溫度梯度是正的。正徑向 溫度梯度產(chǎn)生凸等溫線。當(dāng)溫度在徑向上從坩堝軸向坩堝壁降低時，徑向溫度梯度是負的。 負徑向溫度梯度產(chǎn)生凹等溫線。零徑向梯度產(chǎn)生平等溫線。
[0035] 來自圖1的常規(guī)單線圈SiC升華生長裝置遭遇差的可控徑向溫度梯度，當(dāng)晶體直 徑大時尤其如此。隨著坩堝11和RF線圈16的直徑提高，坩堝11與RF線圈16之間的電 磁耦合變得不太有效，熱場較不均勻且徑向梯度更陡。旨在降低有害徑向梯度的SiC升華 生長方法公開于美國專利6, 800, 136 (下文中" ' 136專利"）中。
[0036] ' 136專利中公開的SiC升華生長系統(tǒng)使用兩個獨立的平板式加熱器，即源加熱器 和晶錠加熱器，其可以為感應(yīng)或電阻的。加熱器與坩堝共軸放置一源加熱器置于源材料之 下，而晶錠加熱器置于生長的晶體之上。為降低徑向熱損失，理想地降至零，'136專利的生 長設(shè)備包括厚圓柱形熱絕緣，其中一種選擇是另一圓柱形加熱器置于生長池周圍。'136專 利中公開的生長系統(tǒng)的缺點包括平線圈與圓柱形坩堝的連接差，而盤型電阻加熱器妨礙軸 向上的熱散逸,導(dǎo)致強負徑向梯度。
[0037] US 2010/0139552中公開的改進SiC升華生長方法顯示于圖2中。該生長設(shè)備包 括包含SiC源材料21、SiC晶種22和在晶種22上生長的SiC單晶23的圓柱形生長坩堝 20。坩堝20位于與坩堝20共軸放置的兩個電阻加熱器：頂部加熱器28與底部加熱器29 之間。生長坩堝20以及加熱器28和29被熱絕緣（未顯示）圍繞。
[0038]頂部加熱器28為在中心具有通孔28a的環(huán)形。底部杯型加熱器29包含兩個部 分：具有中心孔29b的環(huán)形部分29a和圓柱形部分29c。底部加熱器29置于下面并圍繞包 含在生長坩堝20中的源材料21。
[0039]圖2B顯示來自圖2A的生長池的模型化結(jié)果。3英寸直徑SiC晶體23的等溫線和 輪廓通過有限元模擬得到。坩堝2〇中的熱場可通過調(diào)整供入加熱器29和28中的電流而調(diào) 整以在晶體23內(nèi)產(chǎn)生正且淺徑向梯度。然而，當(dāng)該改進技術(shù)應(yīng)用于較大直徑晶錠如 150圓 直徑晶錠的生長時，生長界面是凹或波狀的，例如在中心是凹的而在邊界上是凸的。
[0040]這示于圖3中，其描述了類似于圖2A，但按比例放大的用于150畫晶體生長的生長 池。在SiC晶種34上生長的l5〇mm SiC晶體33的等溫線35和輪廓通過有限元模擬得到。 可以看出，盡管存在等溫線凸度，晶體33中心的生長界面是凹的。
[0041]實現(xiàn)凸生長界面的常用實踐路線進一步提高等溫線凸度。然而，強凸等溫線和與 其相關(guān)的陡的徑向梯度導(dǎo)致應(yīng)力和晶體缺陷。此處假定近似遵循等溫線形狀的生長界面的 一般理解是不準(zhǔn)確的，且界面形狀不僅由等溫線，而且還由蒸汽輸送的幾何形式?jīng)Q定。
[0042] -般而言，SiC源材料31內(nèi)的溫度分布隨著與坩堝壁相鄰的區(qū)域36中達到的最 高溫度是空間上不均勻的。在生長期間，源從這些較熱區(qū)域36中蒸發(fā)，留下碳殘余物，同時 在源材料31的較冷頂部區(qū)域中形成較致密的SiC體37。因此，來自源材料31的蒸氣主要 達到生長的SiC晶體33的邊界，如圖3中的箭頭34所示。蒸氣分子吸附在生長界面上并 在吸附狀態(tài)下向SiC單晶33晶錠的較冷中心擴散。用這一蒸氣傳輸幾何形式，生長的 SiC 晶體33中心的生長界面具有凹的傾向，當(dāng)晶錠直徑大時尤其如此。圖3中的參考數(shù)字38 和39分別對應(yīng)于圖2A和2B中的加熱器28和29。
[0043] 蒸氣傳輸幾何形式對晶體形狀的影響示于圖4A和4B中，其顯示出通過熱和質(zhì)量 傳輸?shù)挠邢拊M產(chǎn)生的兩個150mm晶淀輪廓。選擇熱邊界條件以產(chǎn)生零徑向梯度，gp平 的等溫線。在圖4A所示情況下，將蒸氣供入SiC單晶晶錠邊界，在晶錠中心獲得凹界面。在 圖4B所示情況下，將蒸氣供入SiC單晶晶錠中心，在晶錠中心獲得凸界面。
[0044] SiC升華生長的另一常見問題是源自廢（碳化）源的碳夾雜。
[0045]盡管SiC升華生長的現(xiàn)有技術(shù)是寬泛且大量的，仍需要可再現(xiàn)地獲得適于制造高 品質(zhì)大直徑如100mm、125mm、150mm和2〇Omm直徑的SiC基底的高品質(zhì)SiC單晶的方法。 [0046] 發(fā)明概述
[0047] 本文公開了制造 SiC單晶的方法,所述方法包括：(a)在溫度梯度的存在下在晶種 表面上升華生長SiC單晶，同時控制所述梯度以在晶體及其周圍實現(xiàn)基本淺的徑向梯度； 和（b)在步驟（a)期間，通過使帶有SiC的蒸氣的通量限制于晶種表面的中心面積而控制 所述通量。
[0048] 晶種表面的中心面積可以為基本圍繞晶種中心的晶種總表面積的30-60%。
[0049] 步驟（b)可包括通過借助置于晶種與帶有SiC的蒸氣的源之間的分隔板使帶有 SiC的蒸氣的通量限制于晶種表面的中心面積而控制所述通量。
[0050] 分隔板可與晶種隔開晶種直徑的約25-75%。
[0051 ] 分隔板可具有約4-10mm的厚度。
[0052] 分隔板可由對帶有SiC的蒸氣不呈反應(yīng)性的材料制成或者分隔板可包括涂層以 避免形成分隔板的材料與帶有SiC的蒸氣之間的接觸。
[0053] 分隔板可包括第一外部件，該第一外部件圍繞第二內(nèi)部件,所述第二內(nèi)部件與第 -外部件相比對帶有SiC的蒸氣顯著更可透。
[0054] 分隔板的第二內(nèi)部件可占分隔板總面積的2〇-50%。分隔板可由以下中的至少一 種制成：石墨、耐熔化合物、碳化鉭或碳化鈮。帶有SiC的蒸氣通過lcm 2分隔板內(nèi)部件面積 的質(zhì)量傳輸相對于帶有SiC的蒸氣通過lcm2分隔板外部件面積的質(zhì)量傳輸?shù)谋壤梢詾?不小于約50/1。
[0055] 可配置分隔板以從帶有SiC的蒸氣的通量中基本除去顆粒。
[0056] 步驟（a)可進一步包括通過在如下二者的存在下升華而生長SiC單晶：在面向帶 有SiC的蒸氣的源的方向上為凸的等溫線；和不大于約lOK/cm的徑向溫度梯度。
[0057] 長成的SiC單晶的中心與待在SiC單晶生長方向上從長成的SiC單晶上切下的晶 片的直徑之間的厚度差可以為不大于約6mm。
[0058] 該方法可進一步包括從長成的SiC單晶上切下具有一個或多個以下性能的晶片： 堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的約5%、2%或1% ;或者在晶片總面積上，晶格曲 率不大于約〇_2°、0· Γ或0_06° ;或在晶片總面積上，X射線反射半寬度（FWHM)不大于 約50、30或20角秒；或晶片平均微管密度（MPD)不大于約lcm'O. 2cm_2或0· lcnf2 ;或晶片 平均位錯密度不大于約1〇, 〇〇〇cm_2、5, 000cm 2或1，OOOcnf2。
[0059] 長成的SiC單晶可具有適于制造直徑為100-200mm(包括在內(nèi)）的晶片的直徑。
[0060] 該方法可進一步包括從長成的SiC單晶上切下具有一個或多個以下性能的晶片： 晶片平均微管密度不大于約lcnf 2的平均值；或從晶片中提取的無微管2X 2mm正方形模百 分數(shù)不小于約95%;或從晶片中提取的無微管5X5mm正方形模百分數(shù)不小于約90%;或晶 片平均位錯密度不大于約l〇 4cnf2 ;或螺紋螺型位錯密度不大于約l〇〇〇Cnr2 ;或基面位錯密 度不大于約300cm/cin3 ;或外來多型體夾雜密度為零；或總晶片面積的不大于約5°%的一個 或多個碳夾雜云；或邊對邊晶格曲率不大于約〇. 15° ;或在晶片總面積上，X射線反射半寬 度（FWHM)不大于約25角秒。
[0061] 還公開了 SiC升華生長系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：生長謝禍，構(gòu)造生長i甘禍以間隔關(guān)系 裝有SiC源材料和SiC晶種；和分隔板，所述分隔板將生長坩堝分隔成源室和結(jié)晶室，當(dāng)將 SiC源材料裝入生長坩堝中時SiC源材料居于源室中，當(dāng)將SiC晶種裝入生長坩堝中時SiC 晶種居于結(jié)晶室中，其中：分隔板包括第一中心部件，其被第二部件圍繞，所述第二部件在 SiC晶種上升華生長SiC晶體期間源自SiC源材料的帶有SiC的蒸氣具有比第一中心部件 低的滲透率；且?guī)в蠸iC的蒸氣通過分隔板的lcm 2內(nèi)部件面積的質(zhì)量傳輸相對于帶有Sic 的蒸氣通過分隔板的lcm2外部件面積的質(zhì)量傳輸之比不小于約50/1。
[0062] 分隔板可由以下至少一種制成：石墨、耐熔化合物、碳化鉭或碳化鈮。
[0063] 分隔板可以在SiC晶種以下與SiC晶種間隔理想地為晶種直徑的25-75%的距離。
[0064] 分隔板可包含碳化鉭或碳化鈮涂層，且涂層具有約20-40 μ m的厚度。
[0065] 分隔板的第一中心部件可包含各自具有約0. 1-1mm的最大直徑的通道。
[0066] 還公開了形成大直徑高品質(zhì)SiC晶體的方法，所述方法包括：提供具有頂部、底部 和在坩堝的頂部與坩堝底部之間延伸的側(cè)面的生長坩堝；將晶種提供在坩堝內(nèi)部的頂部， 所述晶種具有至少100mm的直徑，并將源材料提供在坩堝內(nèi)部的底部；加熱生長坩堝的內(nèi) 部使得源材料與晶種之間形成溫度梯度；將源材料加熱至升華溫度且溫度梯度足以確保升 華的源材料以蒸氣的形式輸送至晶種，其中蒸氣沉淀在晶種上，導(dǎo)致 SiC單晶在晶種上的 生長；在生長的sic單晶及其附近提供朝向源材料等溫線的凸起并控制生長的Sic單晶及 其附近的徑向溫度梯度使得它們不超過l〇K/cm ;提供用于從以蒸氣形式從源材料至晶種 輸送的升華的源材料的通量中除去碳顆粒的工具；控制升華的源材料至晶種的通量的幾何 形式使得在達到晶種時蒸氣通量通過將所述通量限制于晶種的中心面積而被控制，所述面 積理想地等于晶種面積的約30-60% ;和形成具有至少i〇0mm的直徑和平或凸生長界面的 SiC單晶晶錠使得在晶錠中心與在要從長成晶錠中切下的晶片的直徑處測量的晶錠厚度差 理想地為6mm以下。
[0067]升華的源材料至晶種的通量可通過分隔板限制，所述分隔板具有對升華期間產(chǎn)生 的蒸氣實質(zhì)性不同的不同區(qū)域。源材料可以為SiC。
[0068]從通向晶種的升華的源材料的通量中除去碳顆?？赏ㄟ^所述升華的源材料的通 量穿過分隔板的過濾實現(xiàn)。
[0069]分隔板可包括兩個部件，一個對SiC升華時產(chǎn)生的蒸氣基本不可透，另一個基本 蒸氣可透。蒸氣可透部件可軸對稱地置于不可透部件的中心。
[0070] 蒸氣可透部件可占據(jù)總板面積的2〇_5〇%。分隔板可由以下至少一種制成：石墨、 耐熔化合物、碳化鉭（TaC)或碳化鈮（NbC)。
[0071] 形成分隔板的材料可通過保護性涂層保護以防被所述蒸氣侵襲。
[0072] 分隔板可以置于生長坩堝中晶種之下理想地為晶種直徑的25_75%的距離。
[0073]多晶SiC源材料的合成可由元素碳和硅就地進行。
[0074]還公開了形成SiC單晶的高品質(zhì)大直徑晶片的方法，所述方法包括：提供具有頂 部、底部和在坩堝頂部與坩堝底部之間延伸的側(cè)面的生長坩堝；將晶種提供在坩堝內(nèi)部的 頂部并將源材料提供在坩堝內(nèi)部的底部；加熱生長坩堝內(nèi)部使得在源材料與晶種之間形成 溫度梯度，由此將源材料加熱至升華溫度且溫度梯度足以導(dǎo)致升華的源材料以蒸氣的形式 輸送至晶種，其中蒸氣沉淀在晶種上，導(dǎo)致SiC單晶在晶種上的生長；形成具有至少 100mm 的直徑的4H或6H多型體SiC單晶晶錠；將形成的4H或6H多型體SiC晶錠制造成具有至 少100mm的直徑且相對于結(jié)晶c軸"在軸"或"離軸"取向的錠；和從錠上切下晶片并將晶 片拋光。
[0075] 晶片可具有以下性能中的至少一個：至少100mm的直徑；通過X射線拓撲圖測定， 堆垛層錯的組合面積小于總晶片面積的5% ;通過X射線搖擺曲線測定，在整個晶片面積 上，晶格曲率不超過0.2° ;通過雙晶X射線搖擺曲線（具有10-12角秒的角發(fā)散和數(shù)_2的 入射束面積的單色Cu-Κα射束）測定，在整個晶片面積上，X射線反射半寬度（p WHM)不超 過50角秒；晶片平均微管密度（MPD)為Ι/cm2以下；和/或晶片平均位錯密度為 10,000cnf2 以下。
[0076]另外或者作為選擇，晶片可具有以下性能中的至少一個：通過X射線拓撲圖測定， 堆垛層錯的組合面積小于總晶片面積的2% ;通過X射線搖擺曲線測定，在整個晶片面積上 不超過〇· 1。的晶格曲率；通過雙晶X射線搖擺曲線（具有10-12角秒的角發(fā)散和數(shù)_2的 入射束面積的單色Cu-K a射束）測定，在整個晶片面積內(nèi)，不超過30角秒的X射線反射半 寬度；晶片平均微管密度（MPD)為0. 2/cm2以下；和/或晶片平均位錯密度為5, 000cm2以 下。
[0077]另外或者作為選擇，晶片可具有以下性能中的至少一個：通過X射線拓撲圖測定， 堆垛層錯的組合面積小于總晶片面積的1% ;通過X射線搖擺曲線測定，在整個晶片面積 上，晶格曲率不超過〇· 06° ;通過雙晶X射線搖擺曲線（具有10-12角秒的角發(fā)散和數(shù)mm2 的入射束面積的單色Cu-Κα射束）測定，在整個晶片面積內(nèi)，不超過20角秒的1射線反射 半寬度；晶片平均微管密度（MPD)為0. Ι/cm2以下；和/或晶片平均位錯密度為1，〇〇〇cm2 以下。
[0078] 還公開了 SiC升華生長方法，所述方法包括：(a)提供具有頂部、底部和在坩堝頂 部與坩堝底部之間延伸的側(cè)面的坩堝、以間隔關(guān)系置于坩堝頂部之上的第一電阻加熱器， 和第二電阻加熱器，所述第二電阻加熱器具有以間隔關(guān)系置于坩堝底部之下的第一電阻部 分和以間隔關(guān)系置于坩堝側(cè)面外部周圍的第二電阻部分；(b)將晶種提供在坩堝內(nèi)部的頂 部，并將源材料以間隔關(guān)系提供在晶種與坩堝底部之間的坩堝內(nèi)部；(c)提供分隔板，所述 分隔板將生長坩堝分成包含SiC源材料的源室和包含 SiC晶種的結(jié)晶室。
[0079] 所述板可對工藝氣體如氬氣、氮氣和氦氣以及SiC升華期間產(chǎn)生的蒸氣如Si、Si2C 和SiC2至少部分可透。所述板可由對SiC單晶的升華生長期間產(chǎn)生的蒸氣不呈反應(yīng)性或 者通過保護性涂層保護以防所述蒸氣侵襲的材料制成。
[0080] 所述板可包括至少兩個部件，一個是基本蒸氣不可透的且另一個是基本蒸氣可透 的。蒸氣可透部件軸對稱地置于蒸氣不可透部件的中心，所述蒸氣可透部件可占據(jù)總板面 積的 20-50%。
[0081] 所述板可由石墨、耐熔化合物、碳化鉭（TaC)和/或碳化鈮（NbC)制成。所述板可 具有4-10mm的厚度。所述板可以置于生長坩堝中晶種以下理想地為晶種直徑的25-75%的 距離。
[0082] 分隔板的中心蒸氣可透部件可包括多個通孔或通道。
[0083]方法可進一步包括將向第一和第二電阻加熱器應(yīng)用足夠程度的電力以使坩堝溫 度升高至SiC升華溫度并在坩堝內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，包括：坩堝晶種室中的溫度梯度，控制 所述晶種室溫度梯度以使其徑向分量為正（即在晶種室的中心較冷而鄰近坩堝壁較熱）且 不超過lOK/cm量級，和坩堝源室中的溫度梯度，所述源室溫度梯度具有足夠的量級以導(dǎo)致 初始源材料升華并在分隔板上凝結(jié)，由此形成致密多晶 SiC體。
[0084]方法可進一步包括保持對第一和第二電阻加熱器的電力以：導(dǎo)致致密化的多晶 SiC體升華并產(chǎn)生蒸氣；迫使致密化的多晶SiC體升華時產(chǎn)生的蒸氣移動通過分隔板的蒸 氣可透中心面積；迫使通過分隔板的蒸氣可透部分的蒸氣移向晶種的中心面積并在所述晶 種上凝結(jié)，導(dǎo)致晶體生長；和使晶種生長到所需尺寸。
[0085]所有步驟可在惰性氣體的存在下在1-100托的壓力下進行。
[0086]方法可進一步包括：向生長坩堝的通過分隔板與結(jié)晶室分離的源室中裝入元素 Si和C ;和在將SiC源材料加熱至升華溫度以前，將元素 Si和C加熱至低于升華溫度的溫 度以將元素 Si和C在源室中合成成固體SiC，所述固體Sic包含初始SiC源材料。
[0087] 通過以上方法長成的4H和6H多型體大直徑高品質(zhì)SiC基底可具有100-200mm(包 括在內(nèi)）的直徑，包括100mm、125mm、l5〇mm和200麵的半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直徑?；拙哂邢?對'于六方形基面（0001)的"在軸"取向，即具有平行于（0001)平面的晶片面；基底具有相 對于六方形基面（0001) "離軸"取向，即具有偏離（0001)平面4?；蚋〗嵌鹊木妗?[00 88]基底可具有低的延伸晶格缺陷濃度，包括：
[0089]低微管密度：通過在KOH基熔鹽中蝕刻或者通過合適的光學(xué)技術(shù)測定，不超過 IcnT2的微管相關(guān)腐蝕坑晶片平均密度；對于2X2mm2模，晶片表面上無微管正方形模百分 數(shù)超過％ % ;對于5 X 5mm2模，晶片表面上無微管正方形模百分數(shù)超過90%。
[0090]低位錯密度：通過在Κ0Η基熔鹽中蝕刻測定，不超過1 · 104Cnf2的位錯腐蝕坑晶 片平均總密度；通過在Κ0Η基熔鹽中蝕刻或者通過合適的x射線拓撲圖方法測定，不超過 lOOOcnf2的螺紋螺型位錯密度（TSD);通過合適的x射線拓撲圖方法測定，不超過 300cm/cm3 的基面位錯密度（BPD)。
[0091] 零外來多型體夾雜密度：
[0092]低碳夾雜密度：通過亮光檢查、光散射或其它合適光學(xué)技術(shù)如Candela測定，受微 觀碳夾雜云影響的晶片面積不超過總晶片面積的5% ;
[0093]高X射線品質(zhì)：通過義射線搖擺曲線掃描測定，不超過〇. 15°的邊對邊晶格曲率； 通過用X射線搖擺曲線（具有10-12角秒的角發(fā)散和數(shù)mm2的入射束面積的單色Cu-Κα射 束）掃描所測定，X射線反射的半寬度（FWHM)不超過25角秒/整個晶片面積。
[0094]還公開了 SiC物理蒸氣傳輸生長設(shè)備，所述設(shè)備包括：具有頂部、底部和在坩堝頂 部與坩堝底部之間延伸的側(cè)面的生長坩堝，所述坩堝適于在坩堝內(nèi)部的頂部負載晶種和在 坩堝內(nèi)部以間隔關(guān)系在晶種與坩堝底部之間負載源材料，源材料與晶種之間的空間通過分 隔板分成包含源材料的源室和包含晶種的結(jié)晶室，所述分隔板是對工藝氣體如氬氣、氮氣 和氦氣以及碳化硅升華時產(chǎn)生的蒸氣如SiC 2至少部分可透的；源材料與坩堝底 部之間的空間可限定坩堝內(nèi)部的空穴；第一電阻加熱器以間隔關(guān)系置于坩堝頂部之上；第 二電阻加熱器具有以間隔關(guān)系置于坩堝底部之下的第一部分和以間隔關(guān)系置于坩堝側(cè)面 外部周圍的第二部分。源材料和晶種可由SiC制成。
[0095]第一和第二電阻加熱器可對于在置于坩堝內(nèi)部的頂部的晶種上升華生長具有凸 生長界面的生長晶體是有效的，其中長成的SiC單晶的中心與待在SiC單晶的生長方向上 從長成的SiC單晶上切下的晶片的直徑之間的厚度差可以為不大于約 6mra。
[0096] 坩堝的頂部和底部可以為圓形的。第一電阻加熱器可以為盤型，且第二電阻加熱 器的第一部分可以為盤型。
[0097]第一加熱器和第二電阻加熱器的第一部分可具有生長坩堝的相應(yīng)頂部和底部的 外徑的110-130% (包括在內(nèi)）的外徑。
[0098] 第一電阻加熱器和第二電阻加熱器的第一部分可具有直徑為生長坩堝直徑的 25-75%的中心孔。
[00"] 坩堝的側(cè)面可以為圓柱形，且第二電阻加熱器的第二部分可以為圓柱形。
[0100]第二電阻加熱器的第二部分的頂部可置于坩堝高度的50-75%之間的位置上。 [0101] 第二電阻加熱器的第二部分的內(nèi)徑可與坩堝隔開10-25圓的徑向距離。
[0102]生長坩堝可被分隔板分成包含SiC源材料的源室和包含SiC晶種的結(jié)晶室。
[0103] 所述板可對工藝氣體如氬氣、氮氣和氦氣以及SiC升華期間產(chǎn)生的蒸氣如Si、si2c 和SiC2至少部分可透。所述板可由對SiC單晶的升華生長期間產(chǎn)生的蒸氣不呈反應(yīng)性或 者通過保護性涂層保護以防所述蒸氣侵襲的材料制成。
[0104] 所述板可包括兩個部件，一個是基本蒸氣不可透的，且另一個是基本蒸氣可透的。 基本蒸氣可透部件可軸對稱地置于基本蒸氣不可透部件的中心。基本蒸氣可透部件可占據(jù) 總板面積的20-50%。
[0105] 所述板可由石墨、耐熔化合物、碳化鉭（TaC)和/或碳化鈮（NbC)制成。所述板可 具有4-10mm的厚度。所述板可以置于生長坩堝中晶種以下理想地為晶種直徑的25-75%的 距離。
[0106] 蒸氣可透中心部件可由大晶粒開孔性多孔石墨制成。分隔板可通過高溫CVD涂覆 碳化鉭（TaC)或碳化鈮（NbC)而防止蒸氣侵蝕，涂層厚度理想地為20-40 μ m。
[0107] 蒸氣可透部件可由多孔石墨制成，該多孔石墨的表面和多孔本體理想地用碳化鉭 (TaC)獲碳化鈮（NbC)耐熔化合物CVD涂覆，所述涂層理想地具有20-40μηι的厚度。
[0108] 分隔板的中心蒸氣可透部件可包括多個通道或通孔，各自具有理想地0. 1-lmm的 最大直徑。
[0109] 分隔板的表面可通過CVD涂覆碳化鉭（TaC)或碳化鈮（NbC)耐熔化合物而防止蒸 氣侵蝕，所述涂層具有理想地20-40 μ m的厚度。
[0110] 還公開了形成高品質(zhì)Sic單晶晶片的方法，所述方法包括：在Sic單晶晶種上升 華生長具有足以切下100-200mm直徑的晶片的直徑的SiC單晶晶錠，其中所述升華生長在 受控的軸向和徑向溫度梯度和受控的升華源材料通量的存在下進行；和從所述SiC晶錠上 切下具有以下性能的SiC晶片：100-200_(包括在內(nèi)）的直徑；在晶片總面積上，不大于約 0.2°、0·?；?·〇 6°的晶格曲率；和在晶片總面積上，不大于約50、30或20角秒的X射 線反射半寬度（FWHM)。
[0111] Sic晶片可進一步包括：堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的約5%、2%或 1%。
[0112] SiC晶片可進一步包括以下中的至少一項：不大于約icnf2、〇. 2cnf2或0· 1cm-2的晶 片平均微管密度（MPD);或不大于約10, OOOcm'5, OOOcnT2或1，〇〇〇cm2的晶片平均位錯密 度。
[0113] 還公開了形成高品質(zhì)SiC單晶晶片的方法，所述方法包括：在SiC單晶晶種上升華 生長具有足以切下l〇〇-200mm直徑的晶片的直徑的SiC單晶晶錠，其中所述升華生長在受 控的軸向和徑向溫度梯度和受控的升華源材料通量的存在下進行；和從所述SiC晶錠上切 下堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的約5%、2%或1%的SiC晶片。
[0114] SiC晶片可進一步包括：在晶片總面積上，不大于約〇. 2。、〇. 1?；?· 06。的晶格 曲率。
[0115] SiC晶片可進一步包括：在晶片總面積上，不大于約5〇、3〇或20角秒的X射線反 射半寬度（FWHM)。
[0116] SiC晶片可進一步包括以下中的至少一項：不大于約lcm_2、0. 2cm 2或0· 1cm-2的晶 片平均微管密度（MPD);或不大于約10, 〇〇〇cm-2、5, 〇〇〇cm2或丨，000cm-2的晶片平均位錯密 度。
[0117] 還公開了具有100-200mm且包括以下中的至少一項的高品質(zhì)SiC單晶晶片：在晶 片總面積上，不大于約0·2。、〇·?；?.06。的晶格曲率；或在晶片總面積上，不大于約 50、30或20角秒的χ射線反射半寬度（FWHM);或堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的 約 5%、2%或 1%。
[0118] 晶體可包括4H多型體或6H多型體。
[0119] 附圖簡述
[0120] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)SiC升華生長池的截面示意圖；
[0121] 圖2A-2B為現(xiàn)有技術(shù)SiC升華生長池的截面示意圖，其各自包括現(xiàn)有技術(shù)頂部和 底部加熱器以避免SiC升華生長期間的徑向溫度梯度；
[0122] 圖3為圖2A的現(xiàn)有技術(shù)SiC升華生長池的截面示意圖，其顯示通過有限元模擬得 到的150mm直徑SiC晶鍵的等溫線和輪廓；
[0123] 圖4A-4B為長成的SiC晶體的分離視圖，其說明蒸氣進料對通過有限元模擬得到 的生長界面形狀的影響；
[0124] 圖5為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的SiC升華生長池；
[0125] 圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的SiC升華生長池；和
[0126] 圖7為圖6中所示分隔板的分離視圖。
[0127] 發(fā)明詳述
[0128] 本發(fā)明是可應(yīng)用于生長高品質(zhì)大直徑SiC晶體的改進的SiC升華生長方法。本發(fā) 明旨在通過控制生長池中的溫度梯度和升華的源材料的通量而產(chǎn)生平或微凸生長界面，其 中控制所述梯度以在晶體及其環(huán)境中產(chǎn)生不超過lOK/cm的正且基本淺的徑向梯度且其中 通過限制從源至晶錠中心面積的蒸氣傳輸而控制升華的源材料的通量。另外，公開了通過 升華和過濾供向生長的SiC晶體中的顆粒而使SiC源就地致密化，以及SiC源的任選就地 合成。
[0129] 第一實施方案
[0130] 本發(fā)明的原理闡述于圖5中。類似于常規(guī)SiC升華生長，圓柱形坩堝50包括置于 頂部的SiC晶種53和置于底部的SiC源材料51。蒸氣通量通過置于坩堝50中的源51與 晶種53之間的空間中的板56控制?；瘜W(xué)惰性分隔板56對蒸氣54是不透的且具有中心開 口 56a。在操作中，源51蒸發(fā)并產(chǎn)生蒸氣54,所述蒸氣向晶種53遷移。板56中的開口 56a 通過形成蒸氣柱57而限制蒸氣通量。柱57中的蒸氣向SiC晶種53遷移并基本在晶種53 的中心面積處到達所述晶種。蒸氣通量的這一幾何形式產(chǎn)生至凸生長界面的趨勢。為了簡 化，已從圖5中省去了構(gòu)成包括坩堝50的SiC升華生長池（例如圖1)的其余元件。
[0131] 第二實施方案
[0132] 參見圖6,圓柱形坩堝60由致密的細晶粒石墨或類似材料制備，所述石墨例如但 不限于可由 Mersen USA Bay City-MI Corp.900Harrison Street，Bay City，MI 48708 得 到的品級2〇20,可由 Toyo Tanso USA，Inc.2575NW Graham Circle，Troutdale，OR 97060得 到的品級IG-11。坩堝60的底部裝入SiC源材料61，如粒度理想地為0· l-2mm的合成（as synthesized)多晶SiC晶粒。SiC晶種63置于謝禍60的頂部。
[0133] 圖6顯示本發(fā)明的非限制性實施方案，其中在坩堝60底部裝入SiC源材料61。然 而可想到，作為選擇，SiC源材料61可以另外方式置于坩堝60中，例如但不限于與坩堝60 底部的間隔一段距離或者與坩堝60的壁間隔一段距離。
[0134] 制備分隔板66,其對由SiC源材料61升華產(chǎn)生的蒸氣64是化學(xué)惰性的。板66的 厚度理想地為4-10mm。板66包括兩個同心部件：環(huán)元件66a和中心元件66b。環(huán)元件66a 對SiC升華時產(chǎn)生的蒸氣具有基本低滲透率且理想地由高密度、小晶粒、低孔隙率石墨或 類似材料制成,所述石墨例如但不限于可由Mersen USA Bay City-MI Corp.900Harrison Street，Bay City, MI 487〇8 得到的品級 2020。
[0135]中心元件66b理想地由低密度、大晶粒、高孔隙率石墨或類似材料制成，所述石墨 例如但不限于可由 NEC-Morgan Porous Carbon and Graphite Products，200North Town Street, Fostoria，OH 44830得到的PG-25。換言之，環(huán)元件66a具有第一低孔隙率，同時中 心元件66b具有第二較高孔隙率。由于它具有開放的互連孔的多孔性質(zhì)，形成中心元件 66b 的材料對SiC升華時產(chǎn)生的蒸氣如Si、Si2C和SiC2蒸氣是基本可透的。因此，通過SiC源 材料(31升華產(chǎn)生的蒸氣Μ相對于環(huán)元件 66a優(yōu)先通過中心元件66b。就這點而言，分隔 板66控制到達SiC晶種63和生長的SiC晶體62的升華的源材料（蒸氣64)的通量。中 心元件66b的面積理想地為板66總面積的20-50%。
[0136]板66的化學(xué)惰性可通過在板表面上沉積耐熔化合物保護層而實現(xiàn)。理想地，將板 66的所有表面CVD涂覆30-40 μ m厚耐熔碳化物層，例如但不限于碳化鉭（TaC)或碳化鈮 (NbC)。理想地，板冊的多孔元件eeb的CVD涂層不實質(zhì)性降低它對SiC升華期間產(chǎn)生的 蒸氣的滲透率。
[0137] 板66在坩堝60內(nèi)置于SiC源材料61與SiC晶種63之間，由此將坩堝內(nèi)部基本 分成源室61a和生長室62a。板66與SiC晶種63以一定距離設(shè)置，理想地距離為晶種直徑 的 25-75%。
[0138] 將裝有SiC源材料61、分隔板66和SiC晶種63的坩堝60放入晶體生長室（未顯 示）中的在雙區(qū)電阻加熱組件內(nèi)部，所述雙區(qū)電阻加熱組件包含類似于圖3中的加熱器38 和39的加熱器48和49。圖6的加熱組件能夠通過在生長的SiC晶體62及其周圍中提供 基本淺且正的溫度梯度而控制坩堝60中的溫度梯度，所述梯度理想地為l〇°C /cm以下。
[0139] 坩堝6〇內(nèi)部的溫度分布可使用有限元模擬評估。使頂部和底部加熱器48和49 的構(gòu)造和流過所述加熱器的電流最佳化以確保晶體及其附近的徑向溫度梯度為正的且基 本淺的，所述溫度梯度理想地為l〇K/cm以下。
[0140] 在生長而準(zhǔn)備時，將坩堝60所置于其中的室，例如圖1中的室10抽空并用純惰性 氣體沖洗以消除痕量大氣氣體和濕氣。形成坩堝60的材料對大氣空氣和惰性氣體是基本 透明的，但不像對通過SiC源材料61升華產(chǎn)生的帶有Si和C的蒸氣物種而言一樣透明。
[0141] 接著，啟動加熱器48和49以升高坩堝溫度，理想地2000-240(TC?？刂扑鍪抑?惰性氣體的壓力以達到理想地幾托至100托?？刂祈敳亢偷撞考訜崞?8和49中的功率水 平使得坩堝60底部的溫度高于頂部溫度，產(chǎn)生理想地10-30K/cm的軸向溫度梯度。
[0142] 響應(yīng)于坩堝溫度提高至2000-2400°C，合成的（as synthesized) SiC源材料61蒸 發(fā)并以帶有Si和C的蒸氣物種Μ如Si、Si2C和SiC2填充源室61a，所述蒸氣物種向板6 6 遷移并沉淀在所述板66上以形成致密多晶SiC體65。理想地，合成的（as synthesized) 源61至SiC體65的完全再升華在生長的初始階段，大約生長的前24-36小時期間實現(xiàn)。
[0143] 致密多晶SiC體65也蒸發(fā)，其中源自所述SiC體65的蒸氣濾過板66的中心蒸氣 可透元件66b并向SiC晶種63移動，如箭頭67所示。由于板66的蒸氣可透元件66b占據(jù) 板66總面積的20-50%這一事實，蒸氣通量主要在SiC晶種63的中心面積達到所述SiC晶 種63,所述面積大致等于SiC晶種63總面積的30-60%。
[0144] 當(dāng)?shù)竭_SiC晶種63時，蒸氣6了沉淀在所述SiC晶種63上，導(dǎo)致SiC單晶62在晶 種63上生長。在基本淺且為正的徑向梯度的條件下，通過將蒸氣通量限制于生長的晶體的 中心面積而對蒸氣通量的這一控制導(dǎo)致平或微凸的生長界面。同時，源自SiC體65的蒸氣 在可透元件66b上的過濾導(dǎo)致消除或顯著降低了到達生長的晶體62的碳顆粒64a的數(shù)目。
[0145] 碳化硅的就地合成是任選步驟。制備元素碳和硅的混合物并置于坩堝60中的分 隔板66以下（代替預(yù)混合的SiC源材料61)。碳理想地為粉末的形式，同時硅理想地為尺 寸理想地為2-8mm的團塊的形式?；旌衔锏脑咏M成為非化學(xué)計量的，其中碳含量理想地 為55-70原子％。
[0146] 將坩堝60所置于其中的室（例如圖1中的室10)抽空并用惰性氣體填充至理想 地200-700托的壓力，所述壓力大于SiC升華生長的正常壓力。然后啟動加熱器48和49 并提高坩堝60的溫度以達到理想地1700-1800?的溫度，所述溫度低于SiC升華生長的正 常溫度。使坩堝在該溫度和該壓力下保溫理想地2-6小時。在該保溫期間，硅和碳反應(yīng)就 地形成SiC源材料61。惰性氣體的高壓使來自反應(yīng)混合物的蒸氣流出物，以及來自坩堝的 硅的蒸發(fā)損失最小化，同時分隔板66防止了合成期間產(chǎn)生的顆粒到達和污染晶種63的表 面?；旌衔镏羞^量的碳防止熔融硅損害石墨坩堝60的壁。
[0147] 在實現(xiàn)SiC的就地合成以后，使系統(tǒng)中的溫度和壓力達到SiC升華生長的正常值 (上文所述），且SiC單晶62在SiC單晶晶種63上的生長如上所述進行。
[0148] 分隔板66的非限制性實施方案顯示于圖7中。板理想地為4-10mra厚度且包括兩 個同心部件：環(huán)元件66a和中心元件66b。環(huán)元件66a由致密石墨或類似材料制成，但不限 于此，所述石墨例如可由 Mersen USA Bay City-MI Corp. 9〇OHarrison Street，Bay City， MI 48708得到的品級2020。中心元件66b由多孔石墨制成，所述石墨例如但不限于可由 NEC-Morgan Porous Carbon and Graphite Products,200North Town Street, Fostoria, OH 44830得到的PG-25。環(huán)元件66a與中心元件6?之間的緊密連接可使用但不限于高溫 含碳膠或者通過螺紋連接實現(xiàn)。蒸氣可透的中心元件66b的面積理想地為板66的總面積 的 20-50%。
[0149] 板66的整個表面理想地通過高溫CVD涂覆理想地3〇_40 μ m厚的TaC(如圖7中 的項目77所示）而保護以防蒸氣侵蝕。對由PG-25多孔石墨制成的TaC涂覆的板的研究 顯示TaC滲入石墨本體內(nèi)并涂覆孔的內(nèi)壁。該滲入改進了板66對SiC源材料61升華產(chǎn)生 的蒸氣64的惰性，同時不降低板66對蒸氣64的滲透率。
[0150] 由此描述的SiC升華生長方法得到具有平或微凸生長界面的SiC單晶62。界面曲 率通過在晶錠中心測量的晶錠厚度與待從長成的SiC單晶上切下的晶片的直徑處測量的 晶鍵厚度之差表征。理想地，該差小于6mm。
[0151] 石墨對SiC升華期間產(chǎn)生的蒸氣的滲透率
[0152] 板66的效用依賴于致密石墨（66a)相對于多孔石墨（66b)對SiC源材料 61升華時產(chǎn)生的蒸氣64的不同滲透率。為此，使用由可由Mersen USA Bay City-MI Corp. 900Harrison Street, Bay City，MI 487〇8 得到的致密細晶粒石墨 2020(下文"2020 石墨"）和可由 NEC-Morgan Porous Carbon and Graphite Products，200North Town Street，F(xiàn)ostoria，OH 44830得到的多孔石墨PG-25(下文"PG-25石墨"）制成的試驗?zāi)みM行 滲透率實驗。將試驗?zāi)こ尚统?50mm直徑和6麵厚的盤。將一些試驗?zāi)VD涂覆3〇_ 4〇 μπι 厚的TaC涂層。類似于圖6中的坩堝60,制備石墨坩堝并在底部裝入SiC源材料61。將 3mm厚的預(yù)稱重石墨板（下文"晶種板"）代替 Sic晶種連接在坩堝頂部。將試驗?zāi)ひ跃嚯x 晶種板50mm的距離放入坩堝中。滲透率試驗在2200Γ的溫度和10托的氬氣壓力下進行。 試驗持續(xù)時間為24小時。
[0153]在試驗期間，來自SiC源的蒸氣在試驗?zāi)ど夏Y(jié)，形成多晶siC的致密體或塊 (slug)。SiC塊蒸發(fā)，源自所述SiC塊的蒸氣濾過試驗?zāi)げ⒊恋碓诰ХN板上以形成致密多 晶SiC沉積物。在試驗以后，以試驗前后的晶種板的重量差計算沉積物的重量。結(jié)果顯示 于表1中。
[0154] 表1·致密和多孔石墨的蒸氣滲透率試驗結(jié)果
[0155]
【權(quán)利要求】
1. 制造SiC單晶的方法，其包括： (a) 在溫度梯度的存在下在晶種表面上升華生長SiC單晶；和 (b) 在步驟（a)期間，控制所述溫度梯度使得晶體中的徑向溫度梯度為正且基本淺的， 并通過使帶有SiC的蒸氣的通量基本限制于晶種表面的中心面積而控制所述通量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中晶種表面的中心面積為基本圍繞晶種中心的晶種總表 面積的30-60%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟（b)包括借助置于晶種與帶有SiC的蒸氣的源之 間的分隔板使帶有SiC的蒸氣的通量限制于晶種表面的中心面積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中： 分隔板與晶種間隔晶種直徑的約25-75% ;和 分隔板具有約4-10mm的厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中分隔板對帶有SiC的蒸氣不呈反應(yīng)性或者包括涂層以 避免分隔板與帶有SiC的蒸氣之間的接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中分隔板包括第一外部件，該第一外部件圍繞第二內(nèi)部 件，第二內(nèi)部件比第一外部件顯著更可透過帶有SiC的蒸氣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中： 分隔板的第二內(nèi)部件占分隔板總面積的20-50% ;或者 分隔板由石墨、耐熔化合物、碳化鉭或碳化鈮制成；或者 帶有SiC的蒸氣通過lcm2分隔板內(nèi)部件面積的質(zhì)量傳輸相對于帶有SiC的蒸氣通過 lcm2分隔板外部件面積的質(zhì)量傳輸?shù)谋壤恍∮诩s50/1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中配置分隔板以從帶有SiC的蒸氣的通量基本除去顆粒。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟（a)進一步包括在如下至少一項存在下升華生長 SiC單晶： 在面向帶有SiC的蒸氣的源的方向上等溫線為凸的；和 徑向溫度梯度不大于約l〇K/cm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中在SiC單晶的生長方向上SiC單晶中心與SiC單晶直 徑之間的厚度差不大于約6_。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進一步包括從長成的SiC單晶上切下具有如下中的一項 或多項的晶片： 堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的約5%、2%或1% ;或者 在晶片總面積上，晶格曲率不大于約0.2°、0.?；?.06° ;或者 在晶片總面積上，X射線反射半寬度（FWHM)不大于約50、30或20角秒；或者 晶片平均微管密度（MPD)不大于約l/cm 2、0. 2/cm2或0. Ι/cm2 ;或者 晶片平均位錯密度不大于約10, 〇〇〇cnT2、5, OOOcnT2或1，OOOcnT2。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中長成的SiC單晶具有約100-200mm的直徑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進一步包括從長成的SiC單晶上切下具有以下中一項或 多項的晶片： 晶片平均微管密度不大于約平均Ι/cm ;或者 從晶片提取的無微管2X2mm正方形模的百分數(shù)不小于約95% ;或 從晶片提取的無微管5X5mm正方形模的百分數(shù)不小于約90% ;或 晶片平均位錯密度不大于約l〇4/cm ;或 螺紋螺型位錯密度不大于約l〇〇〇/cm ;或 基面位錯密度不大于約300cm/cm3 ;或 外來多型體夾雜密度為零；或 不大于總晶片面積的約5%的一個或多個碳夾雜云；或 不大于約0.15°的邊對邊晶格曲率；或 在晶片總面積上，X射線反射半寬度（FWHM)不大于約25角秒。 14. SiC升華晶體生長系統(tǒng)，其包括： 配置用于以間隔關(guān)系裝入SiC源材料和SiC晶種的生長坩堝；和 分隔板，其將生長坩堝分隔成當(dāng)將SiC源材料裝入生長坩堝中時SiC源材料居于其中 的源室，和當(dāng)將SiC晶種裝入生長坩堝中時SiC晶種居于其中的結(jié)晶室，其中： 分隔板包括第一中心部件，該第一中心部件被第二部件圍繞，所述第二部件對在SiC 晶種上升華生長SiC晶體期間源自SiC源材料的帶有SiC的蒸氣具有比第一中心部件低的 滲透率；和 帶有SiC的蒸氣通過分隔板的內(nèi)部件的質(zhì)量傳輸相對于帶有SiC的蒸氣通過分隔板的 外部件的質(zhì)量傳輸?shù)谋壤恍∮诩s50/1。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中分隔板由以下中的至少一種制成：石墨、耐熔化合 物、碳化鉭或碳化銀。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中分隔板與SiC晶種間隔約20_70mm的距尚。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中分隔板包括碳化鉭或碳化鈮涂層，且涂層具有約 20-40 μ m的厚度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中分隔板的第一中心部件包括各自具有約0. 1-lmm的 最大直徑的通道。
19. 形成商品質(zhì)SiC單晶晶片的方法，其包括： 在SiC單晶晶種上升華生長具有足以切下100-200mm直徑的晶片的直徑的SiC單晶晶 錠，其中所述升華生長在受控的軸向和徑向溫度梯度和受控的升華源材料的通量的存在下 進行；和 從所述SiC晶錠上切下具有以下性能的SiC晶片： 100-200mm (包括在內(nèi)）的直徑； 在晶片總面積上，不大于約0.2°、0.?；?.06°的晶格曲率；和 在晶片總面積上，不大于約50、30或20角秒的X射線反射半寬度（FWHM)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中SiC晶片進一步包括：堆垛層錯的組合面積不大于 晶片總面積的約5%、2%或I1%。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中SiC晶片進一步包括以下中的至少一項： 晶片平均微管密度（MPD)不大于約lcm'O. 2cnT2或0. lcnT2 ;或 晶片平均位錯密度不大于約10, 〇〇〇cnT2、5, OOOcnT2或1，OOOcnT2。
22. 形成商品質(zhì)SiC單晶晶片的方法，其包括： 在SiC單晶晶種上升華生長具有足以切下100-200mm直徑的晶片的直徑的SiC單晶晶 錠，其中所述升華生長在受控的軸向和徑向溫度梯度和受控的升華源材料的通量的存在下 進行；和 從所述Sic晶錠上切下具有不大于晶片總面積的約5%、2%或1%的堆垛層錯的組合 面積的SiC晶片。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中SiC晶片進一步包括：在晶片總面積上，不大于約 0.2°、0· Γ或0.06°的晶格曲率。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中SiC晶片進一步包括：在晶片總面積上，不大于約 50、30或20角秒的X射線反射半寬度（FWHM)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中SiC晶片進一步包含以下中的至少一項： 晶片平均微管密度（MPD)不大于約lcm'O. 2cnT2或0. lcnT2 ;或 晶片平均位錯密度不大于約10, 〇〇〇cnT2、5, OOOcnT2或1，OOOcnT2。
26. 高品質(zhì)SiC單晶晶片，其具有100-200mm的直徑且包括以下中的至少一項： 在晶片總面積上，晶格曲率不大于約0.2°、0.?；?.06° ;或 在晶片總面積上，X射線反射半寬度（FWHM)不大于約50、30或20角秒；或 堆垛層錯的組合面積不大于晶片總面積的約5%、2%或1%。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的SiC單晶，其中晶體包括4Η多型體或6Η多型體。
【文檔編號】C30B11/14GK104246023SQ201380020815
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月20日
【發(fā)明者】I·茨維巴克, T·E·安德森, A·E·索茲, G·E·魯蘭德, A·K·古普塔, V·雷加拉詹, P·吳, X·徐 申請人:貳陸股份公司