CN112176404A - 用于高效制造多个高质量半导体单晶的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高效制造多个高质量半导体单晶的系统和方法。具体地，本发明涉及一种用于通过物理气相传输(PVT)同时制造多于一个半导体材料单晶的系统及方法。PVT生长系统包括多个反应器，每个反应器具有用于容纳PVT生长结构以用于生长单个半导体晶体的内腔，以及其中所述多个反应器中的两个或更多个反应器通过公共真空通道彼此连接。所述公共真空通道可连接到真空泵系统，用于在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中创建和/或控制公共气相条件。所述气相条件可以包括所述气相的压力和/或组分。制造的单晶由至少包括碳化硅、4H‑SiC和具有III‑V族元素的半导体的组中的半导体材料制成。

Description

用于高效制造多个高质量半导体单晶的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于生长块状半导体单晶的系统及方法，更具体地，涉及基于物理气相传输同时生长多于一个块状半导体单晶(诸如碳化硅)的系统和方法。

背景技术

碳化硅(Silicon Carbide，SiC)被广泛用作大量应用(诸如电力电子、射频和发光半导体部件)中的电子部件的半导体衬底材料。

物理气相传输(Physical Vapor Transport，PVT)通常用于生长块状SiC单晶，特别是用于商业用途。碳化硅衬底是通过从块状碳化硅晶体(例如使用线锯)切割薄片并通过一系列抛光步骤精加工薄片表面来产生的。精加工的SiC衬底用于例如在外延过程中的半导体部件的制造，其中将合适的半导体材料(例如SiC、GaN)的薄单晶层沉积到SiC衬底上。沉积的单晶层及从其产生的部件的特性关键取决于底层衬底的质量和同质性。为此，SiC出色的物理、化学、电学和光学特性使其成为电力设备应用中的优选半导体衬底材料。

PVT是一种晶体生长方法，该方法主要包括将合适的原材料升华，然后在籽晶处再冷凝，在籽晶处发生单晶的形成。将原材料和籽晶放置在生长结构内部，在生长结构中通过加热升华原材料。然后，由于在原材料和籽晶之间建立了温度梯度，升华后的蒸汽以受控的方式扩散，并沉积到籽晶上使其长成为单晶。

常规的基于PVT的生长系统通常采用感应加热系统或电阻加热系统来升华原材料。在这两种情况下，基于PVT的生长系统的核心都是所谓的反应器。通常将由绝缘材料、石墨材料和碳材料制成的生长结构放置在反应器内部，并通过设置在反应器外部的感应线圈或设置在感应器内部的电阻加热器进行加热。生长结构内的温度通过一个或多个高温计或安装在生长结构前缘附近的一个或多个热电偶来测量。真空密封的反应器通过一个或多个真空泵抽成真空，并通过一种或多种气体进料部供应惰性气体或掺杂气体，以产生受控气体(气体混合物气氛)。所有的过程参数(压力、温度、气流等)均可通过计算机操作的系统控制器进行调节、控制和存储，该系统控制器与所有相关部件(例如变频器、高温计、真空控制阀、MFC、压力计，如下面将参照图3详细描述的相关部件)进行通信。

在感应加热的PVT系统的情况下，反应器通常包括一个或多个玻璃管，该一个或多个玻璃管可选地用水冷却并且在两端设置有凸缘以使反应器的内部与大气隔绝。在专利US8,865,324B2中描述了这类感应加热的PVT系统的示例。感应线圈安装在玻璃管外部，通常被“法拉第笼(Faraday cage)”包围以屏蔽电磁辐射。在常规的电阻加热的PVT系统中，加热电阻元件安装在反应器内部。如果反应器是由金属制成的，则该反应器可以用水或空气冷却。在公开的专利申请US 2016/0138185和US 2017/0321345中描述了电阻加热的PVT系统的示例。

目前，具有与上述部件相似的部件的这些和其它常规的PVT生长系统都是基于单个反应器概念，该单个反应器概念允许一次将仅一个生长结构引入反应器中。这限制了一次可生产的单晶的数量，并且在获得的晶体的质量同质性和经济成本方面导致了若干缺点。即，与常规PVT技术相关的生长速率通常在几百微米/小时的范围内，这对于满足大规模生产的需求是相当缓慢的。为了提高块状单晶的生产率，可以同时运行多个“隔离的”PVT系统。然而，这意味着为运行每个反应器需要提供单独的真空、气体供应和控制部件相关的高成本以及空间要求。

此外，使用“隔离的”PVT生长系统的概念也对其中产生的晶体的同质性产生负面影响。例如，通过将氮气引入反应器内腔而实现的SiC晶体的掺杂非常依赖于掺杂气体混合物的压力和流动参数。由于相同反应器系统中的过程波动或反应器系统之间的过程差异，这可能导致掺杂度的显著差异。SiC单晶的生长速率在很大程度上还取决于在反应器内部晶体生长过程中的主要压力(除了温度)。因此，当使用一组相同的控制参数(压力、温度、生长时间等)在类似的独立反应器系统中生产时，由于反应器系统之间的细微差异(例如泵的吸力、压力测量系统的偏差或漂移等)，在这种“隔离的”反应器系统中生产的单晶在其各自的特性(诸如掺杂度和晶体长度)上可能存在很大差异，或者由于生长过程中控制参数的波动，即使在同一反应器的不同的运行时也是如此。这导致不期望的废品以及产生的单晶的质量损失。

现有技术描述了用于晶体生长的系统，每个系统仅由一个反应器组成，对每个PVT结构提供该反应器，并且每个系统单独地通过相应的真空、加热、气体供应以及控制器来控制或供应。

到目前为止，已经接受了这种“隔离的”晶体生长系统(单个系统)带来的缺点。

发明内容

鉴于现有技术的不足和缺点而做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种通过物理气相传输(PVT)同时生长多于一个半导体材料单晶的系统以及制造具有改善的单晶质量的半导体材料单晶且具有成本效益的方法。

该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利的实施方式为从属权利要求的主题。

本发明的基本概念在于提供一种PVT生长系统，在该系统中，多个反应器经由公共真空通道连接，因此，可以使用公共真空泵系统来实现和控制所连接的各个反应器上的相似的气相条件。经由公共真空通道将各个反应器连接到同一真空泵系统，可以在生长过程开始之前在所有连接的反应器中达到基本相同的真空压力，并在向内腔提供掺杂和/或气态组分的生长阶段期间维持所有连接的反应器上的公共的压力条件。此外，为了改善对最终单晶的性能有重大影响的生长过程参数(诸如在生长期间反应器的内腔内部的掺杂和/或惰性气态气氛的压力和组分)的同质性，与每个反应器相关联的相应的过程参数系统(诸如压力测量和监测系统以及用于将掺杂和/或惰性气体供给到反应器内腔的气体供应系统)可以通过操作这些过程参数系统的公共系统控制器来集中控制以在所有连接的反应器上实现相同的生长参数。然后可以实现对所连接的反应器上的生长过程的同时和改进的控制。可以看出，根据本发明的PVT生长系统的另一优点是，它可以有利地扩展到所有已知的基于“隔离的”反应器概念的PVT生长系统。这意味着可以通过使用常规的PVT生长结构来同时制造多于一个半导体单晶梨晶，即不需要更改坩埚尺寸和/或原材料的量，与使用具有用于封闭多个籽晶的更大直径和增加的材料源的PVT生长结构的PVT生长系统相比，这节省了成本。

因此，本发明提供了一种用于通过物理气相传输(PVT)同时制造多于一个半导体材料单晶的系统，该系统包括：多个反应器，每个反应器具有用于容纳PVT生长结构以用于生长单个半导体晶体的内腔，其中，所述多个反应器中的两个或更多个反应器用于通过公共真空通道彼此连接，以及其中，所述公共真空通道可连接到真空泵系统，用于在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中创建和/或控制公共气相条件。

根据进一步的改进，所述系统还包括压力测量系统，该压力测量系统包括一个或多个压力传感器，所述一个或多个压力传感器设置在经由所述公共真空通道连接的所述两个或更多反应器中的至少一个反应器中，以执行指示在相应的内腔中达到的气相条件的压力的测量；其中，所述压力测量系统用于监测所述压力测量，并输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件，并且其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

根据进一步的改进，所述一个或多个压力传感器用于执行指示在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处的气相条件的压力的压力测量；和/或其中所述一个或多个压力传感器用于执行指示在所连接的两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道上的气相条件的压力的所述压力测量。

根据进一步的改进，所述系统还包括系统控制器，所述系统控制器用于控制所述多个反应器中的PVT生长过程参数，其中，所述PVT生长过程参数包括所述反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔的形成所述气相的掺杂和/或惰性气体的供应中的至少一者。

因此，为了确保对最终单晶的特性有重要影响的生长过程参数(诸如反应器内腔内的温度和/或压力)的同质性，与每个反应器相关联的过程参数系统(诸如压力测量、加热系统和/或冷却系统)可以通过公共系统控制器集中控制，该公共系统控制器以相同的生长控制参数操作几个或所有连接的反应器的过程参数系统。然后可以实现对所连接的反应器上的生长过程的同时和改进的控制。

根据进一步的改进，所述PVT生长结构包括容纳原材料的原材料隔室和至少一个籽晶，该至少一个籽晶用于从所述原材料生长至少一个单晶，其中，所述原材料为至少包括碳化硅、4H-SiC和具有III-V族元素的半导体的组中的半导体材料。

因此，本发明的原理可以有利地应用于制造许多不同的半导体单晶梨晶。

根据另一改进，所述多个反应器中的至少一者具有可移动的底部凸缘，该可移动的底部凸缘用于相对于相应反应器的纵向轴线移位以使所述PVT生长结构从下侧进入所述内腔中。

因此，可以容易地将PVT生长结构插入反应器中并从反应器中移除，从而便于在每次运行生长过程之后在所述多个反应器中更换PVT生长结构。

根据进一步的改进，所述多个反应器中的每一者都包括加热系统和冷却系统，所述加热系统用于对设置在所述反应器内的所述PVT生长结构加热，所述冷却系统用于消散来自所述反应器的热，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统之一，并且所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

根据进一步的改进，所述两个或更多个反应器以串联的方式连接到所述公共真空通道；和/或连接的所述两个或更多个反应器被设置成使得所述公共真空通道具有U形形状和环形形状之一。

这些配置允许连接多个反应器，从而具有增加空间节省的优势。

根据本发明，还提供了一种用于通过物理气相传输(PVT)同时制造多于一个半导体材料单晶的方法，该方法包括：经由公共真空通道将两个或更多个反应器连接到真空泵系统，每个反应器都具有用于容纳PVT生长结构以用于生长单个半导体晶体的内腔；以及利用所述真空泵系统在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中创建和/或控制公共气相条件。

根据进一步的改进，所述方法还包括使用设置在所连接的所述两个或更多个反应器中的至少一者中的一个或多个压力传感器来执行指示在所连接的所述两个或更多个反应器的内腔中达到的气相条件的压力的测量；以及监测所述压力测量，输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件，其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

根据进一步的改进，在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述公共真空泵系统的连接更远的反应器处执行指示所述气相条件压力的所述测量；和/或在所连接的两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道上执行指示所述气相条件压力的所述压力测量。

根据进一步的改进，所述方法还包括使用公共系统控制器控制所述两个或更多个反应器中的PVT生长过程参数，其中，所述PVT生长过程参数包括所述反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔的形成所述气相的掺杂和/或惰性气体的气体供应中的至少一者；和/或，其中，所述PVT生长结构包括容纳原材料的原材料隔室和至少一个籽晶，该至少一个籽晶用于从所述原材料生长至少一个单晶；其中，所述原材料为至少包括碳化硅、4H-SiC和III-V族元素的半导体的组中的半导体材料。

根据进一步的改进，所述方法还包括使所述两个或更多个反应器中的至少一者的可移动底部凸缘相对于相应反应器的纵向轴线移位以使所述PVT生长结构从下侧进入所述内腔中。

根据进一步的改进，所述方法还包括利用与所述相应反应器相关联的加热系统对设置在每个反应器中的PVT生长结构加热；利用与所述相应反应器相关联的冷却系统消散来自每个反应器的热；其中，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统之一；以及所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

根据进一步的改进，所述两个或更多个反应器以串联的方式连接到所述公共真空通道；和/或连接的所述两个或更多个反应器被设置成使得所述公共真空通道具有U形形状和环形形状之一。

为了解释本发明的原理，将附图并入本说明书并形成本说明书的一部分。附图仅出于示例如何进行并使用本发明的有利的且替选的示例的目的，并且不应被解释为将本发明仅限制为示例和描述的实施方式。

附图说明

从以下的如附图中所示的对本发明的更详细的描述中，其它的特征和优势将变得明显，其中：

图1为通过上述物理气相传输方法生长单晶的PVT生长结构的图解性截面图；

图2为用于通过PVT同时生长两个单晶的PVT生长结构的另一配置的图解性截面图；

图3为用于通过PVT生长半导体梨晶的常规系统的图解性截面图，该系统具有用于接收PVT生长结构的单个反应器以及相应的感应加热系统和水冷却系统；

图4为用于通过PVT生长半导体梨晶的另一常规系统的图解性截面图，该系统与图3的系统的不同之处在于该系统使用空气冷却系统；

图5为用于通过PVT生长半导体梨晶的另一常规系统的图解性截面图，该系统具有用于接收PVT生长结构的单个反应器以及相应的电阻加热系统和水冷却系统；

图6为根据一实施方式的包括连接到公共真空通道的两个反应器的PVT生长系统的图解性截面图；

图7为根据另一实施方式的包括连接到公共真空通道并共享气体供应进料的两个反应器的PVT生长系统的图解性截面图；

图8为示出图6和图7所示的PVT生长系统的共同概念的示意图；

图9为根据另一实施方式的具有经由线性公共真空通道连接的三个反应器以及用于每个反应器的单独电流源(例如，MF发电机)的PVT生长系统的示意图；

图10为根据又一实施方式的具有经由线性公共真空通道连接的三个反应器以及用于向这三个反应器供应电流的公共电流源(例如在公共壳体中的三个可控MF发电机)的PVT生长系统的示意图；

图11为根据再一实施方式的具有经由线性公共真空通道连接的N个反应器的PVT生长系统的示意图；

图12为根据另一实施方式的具有经由环形公共真空通道连接的N个反应器的PVT生长系统的示意图；以及

图13为根据又一实施方式的具有经由U形公共真空通道连接的N个反应器的PVT生长系统的示意图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限制于本文中所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将是充分和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿整个说明书，在附图中相同的标记表示相同的元件。在下文中将针对碳化硅来描述本发明，然而，将本发明的原理应用于通过物理气相传输方法使用其它半导体材料(诸如AIN和其它III-V族半导体材料)生长的单晶的生长是可以预见的。

如上所述，本发明的概念可以有利地扩展到所有已知的基于“隔离的”反应器概念并使用本领域已知的PVT生长结构(即一次仅可以接收一个用于生长(一个或多个)单晶的PVT结构)的PVT生长系统。

图1为用于通过物理气相传输方法生长单晶梨晶(未示出)(诸如SiC)的PVT生长结构100的图解性截面图。PVT生长结构100包括坩埚102，该坩埚102在坩埚102的下侧具有容纳SiC原材料106(例如粉末或颗粒形式)的原材料隔室104。籽晶108被设置在坩埚102的上侧的生长区域或生长隔室110中，与SiC原材料106相距一定距离。籽晶108通过在坩埚102的顶部上的相应的散热通道112冷却。可以通过位于散热通道112上或散热通道112附近的合适的温度传感器(未示出)(诸如高温计)来监测籽晶108的温度。坩埚102优选地由多孔材料(诸如石墨)制成，以允许气态形式的掺杂组分(诸如氮气或惰性气体)借助多孔性而穿过坩埚壁进入生长隔室110。通过利用位于PVT生长结构100外部的感应加热部件或电阻加热部件施加热来达到升华SiC原材料106所需的温度。坩埚102优选地由密度为例如至少1.75g/cm³的导电且导热的石墨坩埚材料制成。PVT生长结构100还包括一个或多个绝热层114，除了不覆盖散热通道112，该绝热层114几乎完全覆盖坩埚102。绝热层114可以由多孔的绝热材料(诸如泡沫状的石墨)制成，该多孔的绝热材料的孔隙率高于坩埚石墨材料的孔隙率。这种配置允许一次生长一个单晶梨晶。

图2示出了用于同时生长半导体材料(诸如SiC)的两个单晶梨晶(未示出)的PVT生长结构200的配置。PVT生长结构200包括坩埚202，在该坩埚202中，用于SiC原材料206的原材料隔室204设置在中心区域中，该中心区域将坩埚生长区域分隔为上生长隔室210A和下生长隔室210B。籽晶208A和籽晶208B分别设置在分开的上生长隔室210A和下生长隔室210B中，与原材料隔室204相距一定距离。每个籽晶208A、208B通过各自的散热通道212A、212B冷却以产生温度梯度，该温度梯度将从原材料206升华的SiC蒸汽朝着上生长隔室210A中的籽晶208A和下生长隔室210B中的籽晶208B传输。该PVT生长结构200允许由相同的SiC原材料206同时生长两个单晶梨晶。考虑到籽晶208A、籽晶208B相对于原材料隔室204的相对取向，单晶生长沿坩埚202的纵向轴线216的方向进行，在上生长隔室210A中从上到下进行生长，在下生长隔室210B中从下到上进行生长。上生长隔室210A和下生长隔室210B中的每一者可以通过气体可渗透的多孔屏障(未示出)与SiC原材料206分隔开，以确保只有气态的含有硅(Si)和碳(C)的组分进入上生长隔室210A和下生长隔室210B中。类似于以上参照图1描述的PVT生长结构100，坩埚202优选地由多孔材料(诸如石墨)制成，上生长隔室210A和下生长隔室210B通过该多孔材料接收掺杂气体或惰性气体。此外，PVT生长结构200可以包括一个或多个绝热层214，除了不覆盖散热通道212A和散热通道212B，该绝热层覆盖坩埚202。

下面参照图3至图5描述基于本发明的概念可以应用到的“隔离的”反应器概念的不同类型的常规PVT生长系统。以上参照图1至图2描述的PVT生长结构100、PVT生长结构200中的任一者可以用于这些生长系统中的任一者。

图3示出了常规PVT生长系统300，该PVT生长系统300具有带有内腔304的单个反应器302，在内腔中放置了这样的PVT生长结构306以用于在受控的温度和真空条件下生长(一个或多个)单晶。PVT生长系统300包括围绕反应器302布置的感应加热系统310，以将PVT生长结构306内部的原材料加热到合适的生长温度。感应加热系统310通常设置为感应线圈312，该感应线圈312沿着反应器的纵向轴线缠绕在反应器302的外部并连接到MF发电机/逆变器314，该MF发电机/逆变器314向感应线圈312提供受控的电流。该受控电流在感应线圈312中的流动引起PVT生长结构306的坩埚的导电壁中的电流流动，这产生了足够的热量以升华置于坩埚内部的原材料。例如，通常将超过2000℃的温度、特别是大约2200℃的温度用于SiC单晶的PVT生长。感应线圈312的高度可以调节，以允许微调原材料温度以及在PVT生长结构306内部建立的温度梯度。可以使用位于PVT生长结构306的散热通道附近的一个或多个温度传感器316(诸如高温计或热电偶)来测量PVT生长结构306内部达到的温度。

PVT生长系统300还包括一个或多个压力测量系统320，该压力测量系统可以是压力测量设备的组合，用于测量反应器内腔304内部达到的压力。为了创建适合于单晶生长的气氛，PVT生长系统300包括真空泵系统330，该真空泵系统具有一个或多个真空泵/抽出泵332(例如真空泵和/或高真空泵)以及用于控制真空泵332的抽吸力的可调节控制阀334。此外，PVT生长系统300包括气体供应部340，该气体供应部340用于将一种或多种气态化合物(诸如气态惰性元素和气态掺杂元素(例如Ar和N))供应到反应器内腔304以创建用于单晶生长的合适的掺杂或惰性气氛。气体供应部340可以是连接到现场提供的压缩气瓶或连接到中央气体供应部(未示出)的接口。视情况而定，由一个或多个MFC分别控制向反应器302的掺杂气体和惰性气体的供应。PVT生长系统300还包括水冷却系统350，该水冷却系统一般设置为两个同心且内部水冷的玻璃管352、玻璃管354，用于消散在反应器302中产生的热。

反应器302和感应加热系统310通常被封闭在屏蔽罩或法拉第笼370中以减少电磁辐射。PVT生长系统300的其它部件包括用于密封反应器302的金属凸缘，该其它部件包括用于通过高温计(未示出)测量温度的玻璃衬管。

PVT生长系统300的上述和其它可控过程参数系统由系统控制器380控制，该系统控制器380调节生长过程参数并记录单晶生长过程的所有数据，诸如压力、温度、感应线圈的位置、冷却水温度等。在专利US 8,865,324B2中完整的描述了图3所示类型的PVT生长系统的示例性操作，因此，在此将不再进一步描述。

图4示出了用于通过PVT生长半导体梨晶的另一常规系统300’。PVT生长系统300’与图3所示的PVT生长系统300不同之处主要在于，PVT生长系统300’包括具有单个玻璃管352’的反应器302’。在这种情况下，不是通过水冷却而是通过空气流来实现反应器302’的散热，该空气流以受控的方式围绕玻璃管352’的外边缘通过。

图5示出了PVT生长系统300”的另一配置，该PVT生长系统300”使用电阻加热系统360”代替上述的感应加热系统310。电阻加热系统360”包括安装在反应器302”内部的电阻加热元件362”、电阻加热元件364”。加热电流控制单元366”向电阻加热元件362”、电阻加热元件364”供应电流，从而以受控的方式对反应器内腔304”加热并达到合适的生长温度。反应器302”可以由金属壁306”制成，并设置有水冷却系统350(诸如上述参照图3描述的水冷却系统)。可替选地，可以使用空气冷却系统(诸如上述参照图4描述的空气冷却系统)。

上述描述的PVT晶体生长系统的其它组合和变化是已知的，但是这些PVT晶体生长系统都是基于单个“隔离的”反应器概念，并具有与其相关的缺点和弊端。

现在将参照图6至图13描述基于公共真空通道的概念的PVT晶体生长系统，该公共真空通道将多个反应器连接到公共真空系统并且，该多个反应器被进行集中控制以在生长过程开始时在所有反应器中实现基本相同的真空条件以及在所有反应器中同时生长单晶的过程中保持相同的气相条件。

图6示出了包括两个反应器600A和600B的PVT生长系统600，这两个反应器用于同时生长多于一个半导体单晶，并且这两个反应器经由公共真空通道605彼此连接。反应器600A、反应器600B优选为相同类型，例如以在单晶生长期间这两个反应器在相同的气相组分(N和/或Ar)和压力条件下操作。公共真空通道605以串联方式将两个反应器600A和600B连接到公共真空泵系统630，使得其中一个反应器直接连接到真空泵632，而其它(一个或多个)反应器经由公共真空通道605排空。这允许使用同一个泵系统630在内腔604中产生和控制气相组分(N和/或Ar)，同时确保在生长过程中在这两个反应器600A，600B中都可以实现并维持基本相同的气相组分(N和/或Ar)。内腔604中的真空条件和/或压力由系统控制器680经由可调节控制阀634集中控制，该可调节控制阀634设置在真空泵632和在真空通道605的更靠近真空泵632的端部处的反应器600B之间。因此，反应器600A、反应器600B的内腔604内的压力可以以集中的方式同时控制，而不是像基于“隔离的”反应器概念的常规PVT生长系统中那样，需要为每个反应器配备单独的真空系统和控制器。如图6所示，反应器600A和反应器600B可以具有与上述参照图3描述的PVT生长系统300相同的类型。然而，可以经由图6所示的公共真空通道将这种类型或其它类型的两个或更多个反应器(诸如上述PVT生长系统300’和PVT生长系统300”的反应器)连接到公共泵系统以实现本发明的优点。

PVT生长系统600还包括具有一个或多个压力传感器622的压力测量系统620，该一个或多个压力传感器622可以设置在反应器600A、600B的至少一者中以执行指示在相应的内腔604中达到的压力的测量。在每个反应器600A、600B的内腔中，通过经由来自气体供应部640的单独的气体进料供应气态组分来实现用于单晶生长的合适的掺杂或惰性气态气氛，该气态组分在内腔604中形成掺杂/惰性气态气氛，并且该气态组分由系统控制器经由专用的质量流量控制器(MFC)642单独控制。压力测量系统620监测由(一个或多个)压力传感器622测量的压力，并输出用于控制真空泵系统630的可调节控制阀634的真空控制参数，以将内腔604内的压力调节至预定的生长压力。压力测量系统620基于监测的压力，还输出用于MFC 642的气相控制参数，该MFC控制向内腔604供应气态组分，以实现并维持预定的气相条件(即掺杂/惰性气体气氛的组分的压力)，在经由公共真空通道605连接的所有内腔604中这些气相条件基本相同。

在图6的配置中，每个反应器600A、600B都设置有专用的加热系统610，以加热设置在反应器内腔604内部的PVT生长结构(未示出)，该加热系统610具有相同类型。加热系统610被控制成在两个反应器600A、600B中单独地并且针对每个反应器600A、600B使用单独的生长过程参数来达到所需的温度条件。加热系统610包括加热感应线圈612，该加热感应线圈由系统控制器经由专用的MF发电机614控制。可以使用由系统控制器控制的合适的温度传感器616来测量和监测内腔604中达到的温度。此外，反应器600A、600B设置有各自的由系统控制器单独地控制和/或监测的冷却系统650，以消散来自各自的反应器600A、600B的热。冷却系统650可以类似于上述参照图3描述的水冷却系统350，并且可以被单独地控制和/或监测以确保适当地消散来自反应器600A、600B的热。

感应加热系统610、冷却系统650和温度控制的操作与上述参照图3描述的常规PVT生长系统300的操作基本相同，并且可以单独控制或者使用公共控制器或PC进行控制，以节省空间和设备成本。然而，在生长的(一个或多个)单晶的最终性质中起主要的关键作用的生长过程参数，即掺杂/惰性气相的压力和组分由同一系统控制器680以集中的方式控制，该系统控制器在压力测量系统620的监测下通过控制连接到公共真空通道605的单个可调节控制阀634自适应地调节内腔604内的压力，并且通过控制各个MFC 642自适应地调节从气体供应部640进入内腔640的气态成分的量。与基于常规“隔离的”反应器概念的PVT生长系统相比，这可以实现更好地控制和再现关键的生长过程参数。

此外，每个反应器600A、600B都可以具有可移动的底部凸缘，即在真空通道605还连接到的反应器600A、600B的下侧上的底部凸缘，该底部凸缘可沿相应的反应器内腔604的纵向轴线移位以从该下侧移除PVT生长结构和/或使PVT生长结构进入内腔604中。因此，可以容易地将PVT生长结构插入到反应器内腔604中以及从反应器内腔604中移除，从而便于在每次运行生长过程之后在多个反应器中替换PVT生长结构，而无需拆卸通常在反应器600A、600B的上侧(即与真空通道605连接的位置相对的位置)提供的掺杂/惰性气体进料部。

为了确保供给到每个反应器600A、600B的掺杂或惰性气体的量基本相同，经由MFC642的单独控制供应到每个反应器600A、600B的(一种或多种)气体的单独控制可以被消除，并由公共MFC 642’代替，如图7的PVT生长系统600’所示。参照图7，PVT生长系统600’具有与参照图6所描述的那些部件基本相同的部件，即PVT生长系统600’包括两个相同类型的反应器600A、600B，这两个反应器经由公共真空通道605连接到公共真空泵系统630。PVT生长系统600’的不同之处在于，在单个MFC 642’的控制下，通过公共气体导管644’向每个反应器600A、600B供应掺杂或惰性气体。公共气体导管644’优选设置在反应器600A、600B的与设置有公共真空通道605的一侧相对的一侧上以便于将供应的气体分配到内腔604中。此外，通过仅设置在反应器600A、600B之一上的一个或多个压力传感器622’来执行内腔604中的压力的测量。优选地，(一个或多个)压力传感器622’测量与沿着公共真空路径605直接连接到真空泵系统630的反应器相距更远的反应器处的压力，该反应器对应于图7所示的配置中的反应器600A。(一个或多个)压力传感器622’优选地定位成测量反应器600A的顶侧上的压力。在可替选的配置中，(一个或多个)压力传感器622’还可以设置在反应器600A的底侧。在这种配置中，可以在同一MFC 642’的控制下，向所有反应器同时供应等量的掺杂气体或惰性气体，从而消除了由于各个MFC的响应略有差异而导致的供应差异，并便于生长过程控制。此外，可以通过仅位于反应器600A和600B之一上的压力传感器来执行内腔内的压力的测量和监测，而不会显著降低精度，还节省了空间和设备成本。

图8为示出上述PVT生长系统600和600’的共同概念的示意图，其中，两个反应器600A、600B经由公共的线性真空通道605(诸如管道或管线)连接到公共真空泵632，每个反应器中的真空条件通过系统控制器经由单个可调节控制阀634进行控制。压力测量系统620位于公共泵通道605的与直接连接到可调节控制阀634的一侧相对的一侧，以测量相对于直接连接到真空泵632更远的反应器处达到的压力。由于直接连接到真空泵632的反应器600B将比沿着公共真空通道605分布的反应器更快地达到所需压力，则可以确保仅在所有连接的反应器600A、600B上都达到相同的真空条件时才发生生长过程。在优选的实施方式中，压力测量系统620的(一个或多个)压力传感器被设置成在所连接的反应器600A、600B的下部区域上的公共真空通道605上进行压力测量。

图9为将图8的相同概念应用于三个反应器600A、600B和600C的PVT生长系统的示意图，这三个反应器600A、600B和600C经由同一线性真空通道605彼此连接并连接到真空泵632。除了通过公共真空泵系统控制所有的反应器600A、600B和600C的真空条件的优点之外，共同供应和控制掺杂和/或惰性气体供应以及对所有反应器共有的压力测量系统的优点还可以应用于具有三个或更多反应器的PVT生长系统结构。

图10为将图9的相同概念应用于三个反应器600A、600B和600C的PVT生长系统的示意图，这三个反应器600A、600B和600C经由同一线性真空通道605彼此连接并连接到真空泵632，其中，三个单独的MF发电机614设置在公共壳体中，这在空间和成本方面允许额外的节省。

图11为将图9的相同概念应用于N个反应器600A至600N的PVT生长系统的示意图，这N个反应器600A至600N经由同一线性真空通道605’彼此连接并连接到真空泵632。在这种情况下，公共真空通道605可以由多个真空管形成，每个真空管设置在N个反应器中的任何两个反应器之间，使得N个反应器的内腔以串联的方式连接到真空泵系统630。

图12为将图9的相同概念应用于N个反应器600A至600N的PVT生长系统的示意图，这N个反应器600A至600N经由环形线性真空通道605’彼此连接并连接到真空泵632。与上述配置类似，压力测量系统620(或压力传感器)位于公共真空通道605’的与真空泵系统630连接到的一侧相对的一侧，以便确保压力测量更准确地反映每个反应器600A至600N内达到的真空条件。

图13为将图9的相同概念应用于N个反应器600A至600N的PVT生长系统的示意图，这N个反应器600A至600N经由U形真空通道605”彼此连接并连接到真空泵632。在这种配置中，压力测量系统620(或压力传感器)设置在与公共真空通道605”的连接真空泵632的侧的同一侧。然而，由于反应器600A，600B，…，600N与真空通道605”串联，压力测量仍在距离沿真空通道605”与真空泵632的连接最远的反应器(即，反应器600N)上进行。

在图11至图13所示的PVT生长系统中，通过公共真空通道连接的反应器的数量N可以选择为2到20之间的任意整数，并且更优选地为6到10之间的任意整数。为了避免对真空泵系统630的排气能力提出高要求，同时允许在大多数应用可接受的时间内达到生长过程的合适的真空条件，对所连接的反应器的数量的这种限制可以是期望的。因此，基于“隔离的”反应器概念的常规PVT生长系统中使用的任何真空泵系统都可以有利地用作本发明的PVT生长系统中的真空泵系统630。

另一方面，连接到公共真空通道的反应器的数量N不需要是固定的，并且可以通过简单地增加或移除额外的或不必要的反应器到公共真空通道的真空连接而根据需要容易地增加或减少反应器的数量。

在以上参照图9至图13描述的实施方式中，优选在连接的反应器600A至600C的下部区域上的公共真空通道605上测量和/或监测所连接的反应器的内腔中的压力。

因此，本发明提供了用于同时制造多于一个半导体单晶梨晶的PVT生长系统的新颖概念，其中两个或更多个反应器通过公共真空通道连接并以集中方式控制以达到基本相同的生长条件。通过公共真空通道将反应器连接到同一泵系统，可以确保在生长过程开始之前，所有连接的反应器都达到基本相同的真空条件以及在生长过程中实现并维持内腔中惰性和/或掺杂气相的适当的预定条件(即气相压力和/或组分)。此外，由于本发明的PVT生长系统还可以设置有公共气体供应部以将掺杂或惰性气体供给到反应器内腔中，因此在所有连接的反应器的生长腔中更容易达到并保持相同的气态化合物组分。例如，可以以非常相似的掺杂度同时制造多个半导体单晶梨晶，这对半导体特性的电阻率有很大的影响。

因此，与在基于“隔离的”反应器概念的PVT生长系统中制造的半导体单晶相比，本发明使得可以提高具有均质高质量的半导体单晶的生产率，从而减少由于废品造成的损失。本发明的上述优点在成本和空间上也有影响，因为多个反应器可以使用对于所有连接的反应器公共的单个真空系统、气体供应系统和系统控制器同时控制，并节省空间布置。

尽管使用诸如“顶部”、“底部”、“下部”和“上部”之类的术语描述了上述示例性实施方式的特定特征，但是这些术语仅出于便于对各个特征及其在PVT生长系统内的相对取向进行描述的目的，并且不应解释为将要求保护的发明或其任何部件限制为特定的空间取向。

附图标记

Claims (15)

1.一种用于通过物理气相传输(PVT)同时制造多于一个半导体材料单晶的系统，该系统包括：

多个反应器，每个反应器具有用于容纳PVT生长结构以用于生长单个半导体晶体的内腔；

其中，所述多个反应器中的两个或更多个反应器用于通过公共真空通道彼此连接；以及

其中，所述公共真空通道能够连接到真空泵系统，用于在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中创建和/或控制公共气相条件。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

压力测量系统，所述压力测量系统包括一个或多个压力传感器，所述一个或多个压力传感器设置在经由所述公共真空通道连接的所述两个或更多个反应器中的至少一个反应器中，以执行指示在相应的内腔中达到的气相条件的压力的测量；

其中，所述压力测量系统用于监测所述压力测量，并输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件，以及

其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

3.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述一个或多个压力传感器用于执行指示在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处的气相条件的压力的压力测量；和/或

其中，所述一个或多个压力传感器用于执行指示在所连接的两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道的气相条件的压力的所述压力测量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括：

系统控制器，所述系统控制器用于控制所述多个反应器中的PVT生长过程参数，其中：

所述PVT生长过程参数包括所述反应器的所述内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔的形成所述气相的掺杂和/或惰性气体的气体供应中的至少一者。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中：

所述PVT生长结构包括容纳原材料的原材料隔室和至少一个籽晶，该至少一个籽晶用于从所述原材料生长至少一个单晶；

其中，所述原材料为至少包括碳化硅、4H-SiC和III-V族元素的半导体的组中的半导体材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中：

所述多个反应器中的至少一者具有可移动的底部凸缘，该可移动的底部凸缘用于相对于相应的反应器的纵向轴线移位以用于使所述PVT生长结构从下侧进入所述内腔中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中：

所述多个反应器中的每一者都包括加热系统和冷却系统，所述加热系统用于对设置在所述反应器内的所述PVT生长结构加热，所述冷却系统用于消散来自所述反应器的热；

所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统之一；

所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中：

所述两个或更多个反应器用于以串联的方式连接到所述公共真空通道；和/或

连接的所述两个或更多个反应器被设置成使得所述公共真空通道具有U形形状和环形形状之一。

9.一种用于通过物理气相传输(PVT)同时制造多于一个半导体材料单晶的方法，该方法包括：

经由公共真空通道将两个或更多个反应器连接到真空泵系统，每个反应器都具有用于容纳PVT生长结构以用于生长单个半导体晶体的内腔；以及

利用所述真空泵系统在连接的所述两个或更多个反应器的内腔中创建和/或控制公共气相条件。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

使用设置在所连接的所述两个或更多个反应器中的至少一者中的一个或多个压力传感器来执行指示在所连接的所述两个或更多个反应器的内腔中达到的气相条件的压力的测量；以及

监测所述压力测量，输出用于控制所述真空泵系统的真空控制参数以及输出用于控制气体供应系统以在所述内腔中供应形成所述气相的气态组分的气相控制参数，从而在所有连接的内腔中达到并维持基本相同的预定气相条件；

其中，所述气相条件包括所述气相的压力和/或组分。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

在连接的所述两个或更多个反应器中距离沿着所述公共真空通道与所述真空泵系统的连接更远的反应器处执行指示气相条件的压力的所述测量；和/或

在所连接的两个或更多个反应器的下部区域上的所述公共真空通道上执行指示所述气相条件的压力的所述压力测量。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，还包括：

使用公共系统控制器控制所述两个或更多个反应器中的PVT生长过程参数，其中：

所述PVT生长过程参数包括所述反应器的内腔内的压力、生长温度以及向所述内腔的形成所述气相的掺杂和/或惰性气体的气体供应中的至少一者；和/或

其中，所述PVT生长结构包括容纳原材料的原材料隔室和至少一个籽晶，该至少一个籽晶用于从所述原材料生长至少一个单晶；

其中，所述原材料为至少包括碳化硅、4H-SiC和III-V族元素的半导体的组中的半导体材料。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括：

使所述两个或更多个反应器中的至少一者的可移动底部凸缘相对于相应的反应器的纵向轴线移位以使所述PVT生长结构从下侧进入所述内腔中。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，还包括：

利用与每个反应器相关联的加热系统对设置在相应的所述反应器中的PVT生长结构加热；

利用与每个反应器相关联的冷却系统消散来自相应的所述反应器的热；

其中，所述加热系统为感应加热系统和电阻加热系统之一；以及

所述冷却系统为水冷却系统和空气冷却系统之一，或者为所述水冷却系统和所述空气冷却系统的组合。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中：

所述两个或更多个反应器以串联的方式连接到所述公共真空通道；和/或

连接的所述两个或更多个反应器被设置成使得所述公共真空通道具有U形形状和环形形状之一。

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