ТИГЕЛЬ ДЛЯ ЭПИТАКСИИ КАРБИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C30B23/00 C30B29/36 

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к технологии производства монокристаллов карбида кремния эпитаксией из газовой фазы.

Карбид кремния SiC - один из перспективных материалов для таких областей техники, как опто-, силовая и СВЧ электроника. Современный процесс выращивания слитков монокристаллического SiC из газовой фазы выглядит следующим образом (И.В.Грехов. "Силовая электроника на основе карбида кремния". Письма в ЖТФ, т.28, №3, 2002 г.). В танталовый закрытый контейнер помещают графитовый контейнер. Контейнер состоит из корпуса и крышки. Крышка снабжена специальным пьедесталом (держателем), на котором расположена подложка из монокристаллического SiC (затравка). В корпусе контейнера находится источник паров - порошок чистого SiC, объем которого должен в 3.5-5 раз, а диаметр примерно вдвое превышать расчетный объем и диаметр выращиваемого кристалла. Между подложкой и порошком SiC оставлен ростовой зазор. Подобная конструкция тигля приведена и в книге И.Г.Пичугина "Технология полупроводниковых приборов", Москва, "Высшая школа", 1984. Процесс роста проводится в атмосфере чистого аргона с давлением 1-100 Торр при температуре до 2300 градусов Цельсия. Обычно имеется возможность раздельного регулирования температуры источника паров и подложки для создания между ними перепада температуры порядка 100 градусов. В начале процесса температуру подложки устанавливают выше, чем источника, и тонкий поверхностный слой подложки испаряется вместе с загрязнениями и поверхностными дефектами, затем температуру источника устанавливают выше, чем подложки, и начинается рост монокристалла (МК) на подложке из паров источника. В зависимости от метода выращивания SiC крышка тигля может быть различной конструкции. Например, при выращивании МК методом сублимации свободно зарождающихся "Лели" кристаллов на дне воронки на крышке тигля образуют конусообразную воронку, основание которого направлено к источнику паров. При этом кристалл начинает расти по высоте, заполняя объем конуса, одновременно увеличиваясь по высоте. Недостатком данного метода является то, что в процессе роста кристалла не удается обеспечить оптимальный теплоотвод от растущего кристалла, так как между боковой поверхностью кристалла и конусов в крышке остается щель, препятствующая тепловому контакту. Это приводит к тому, что кристалл, достигнув определенной высоты, перестает расти, так как процессы кристаллизации SiC на поверхности и процессы роста кристалла компенсируют друг друга.

При выращивании МК SiC непосредственно на поверхности крышки тигля происходит одновременно хаотическое образование на остальной поверхности крышки поликристаллов (ПК) SiC. Так как скорость роста ПК в стороны и по высоте превышает скорость роста МК SiC, то вскоре поликристаллы становятся препятствием росту МК в диаметральном направлении, и монокристаллический рост переходит в поликристаллический.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ выращивания МК на пьедестале. При этом крышка тигля в его центральной части снабжена возвышенностью (пьедесталом), на котором и закрепляют затравку. Недостаток способа заключается в том, что МК растет по высоте, не увеличиваясь в диаметре, так как выход МК за пределы пьедестала не возмещен из-за уменьшения теплоотвода от SiC к пьедесталу. ПК, растущие на остальной поверхности крышки тигля, вследствие того что скорость их роста выше, чем скорость роста МК по высоте, в определенный момент достигают по высоте уровень монокристалла и растут дальше, превышая уровень пьедестала с растущим на нем монокристаллом. Это приводит к тому, что края монокристалла вскоре захватываются поликристаллическими сростками, которые препятствуют росту ПК.

Целью данного изобретения является разработка технологии выращивания МК как по высоте, так и диаметрально, несмотря на наличие вокруг него паразитных поликристаллических сростков. Достигается поставленная цель путем изменением градиента температуры "засыпка-крышка". Изменение градиента температуры осуществляется увеличением температуры поверхности той части крышки, на которой растут ПК. Увеличение температуры осуществляется на определенной стадии роста МК при помощи колец из графита, вставляемых в концентрические пазы, образованные в крышке тигля. При этом происходит увеличение количества тепла, передаваемого от нагревателя к той части крышки, которая находится вне пьедестала. Как известно, на поверхности, у которой температура выше, рост кристалла существенно замедляется.

Конструкция тигля приведена на чертежах.

На фиг.1 приведен момент, когда поликристалл и монокристалл в процессе роста достигли одной высоты. На фиг.2 приведен момент, когда монокристалл разрастается по диаметру, используя поверхность поликристаллов.

Конструкция тигля включает корпус 1, закрываемый крышкой 2. По центру крышки заодно с ней сделан пьедестал 3, на котором закреплена затравка монокристалла 4, 5 - поликристаллические сростки. В корпусе тигля находится источник паров 6 - порошок чистого SiC. Крышка снабжена концентрическими пазами 7, в которые вставляются съемные теплопередающие элементы 8. Теплопередающие элементы выполнены из того же материала, что и крышка тигля, и конструктивно могут быть выполнены в форме кольца.

Монокристалл выращивают следующим образом.

В начальных циклах выращивания монокристаллической подложки SiC ПК сростки 5 на поверхности крышки 2 достигают по высоте растущий МК 4 (Фиг.1). Далее, изменяя величину теплоотвода крышки при помощи колец, вставляемых в концентрические вырезы крышки (фиг.2), меняют градиент температуры "засыпка-крышка", что приводит к торможению роста ПК (увеличивают температуру площади крышки, занимаемой ПК). Выращиваемый монокристаллический SiC начинает расти одновременно и в направлении грани (0001), используя при этом поверхность ПК как продолжение пьедестала. Учитывая, что скорость роста SiC в направлении 90 градусов к грани SiC подложки гораздо ниже скорости роста в направлении (0001), то за несколько циклов монокристалл увеличивается в диаметре, занимая всю поверхность крышки, и продолжает расти по высоте.

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к технологии производства монокристаллов карбида кремния эпитаксией из газовой фазы. Тигель содержит корпус и крышку с пьедесталом, при этом крышка снабжена концентрическими пазами, в которые вставляются теплопередающие элементы, которые увеличивают температуру части поверхности крышки, на которой растут поликристаллы, что замедляет их рост. В результате выращиваемый монокристаллический SiC начинает расти одновременно и в направлении 90 градусов к грани (0001), используя при этом поверхность поликристаллов как продолжение пьедестала. Учитывая, что скорость роста SiC в направлении 90 градусов к грани SiC подложки гораздо выше скорости роста в направлении (0001), то за несколько циклов монокристалл увеличивается в диаметре, занимая всю поверхность крышки, и продолжает расти по высоте, несмотря на наличие вокруг него паразитных поликристаллических сростков. 2 ил.

Тигель для эпитаксии карбида кремния, включающий корпус и крышку с пьедесталом, отличающийся тем, что крышка снабжена концентрическими пазами, в которые вставляются теплопередающие элементы.