DE602004001802T3

DE602004001802T3 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Einkristallen durch Dampfphasenabscheidung

Info

Publication number: DE602004001802T3
Application number: DE602004001802T
Authority: DE
Inventors: Erik Janzen; Peter Raback; Alexandre Ellison
Original assignee: Norstel AB
Current assignee: STMicroelectronics Silicon Carbide AB
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: CN100414004C; US7361222B2; CN1570225A; US20050000406A1; JP2004323351A; ITTO20040245A1; DE602004001802T2; ATE335872T1; EP1471168B2; EP1471168A1; EP1471168B1; DE602004001802D1; JP5093974B2; US20080149020A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen durch Hochtemperaturabscheidung aus der Gasphase. Insbesondere kann das Verfahren dafür verwendet werden, um große Bulk-Kristalle und Bulk-Kristalle von hoher Qualität aus a) Siliziumcarbid, b) einem Gruppe III-Nitrid, z. B. GaN oder AlN, oder c) einer Legierung aus SiC und einem Gruppe III-Nitrid herzustellen.
Hintergrund und Stand der Technik
Halbleiter-Kristalle mit großen Bandlücken wie Siliziumcarbid (SiC), Gruppe III-Nitride wie z. B. Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumnitrid (AlN) bieten zahlreiche attraktive elektronische und physikalische Eigenschaften für schnelle Stromschaltvorrichtungen („fast switching power devices”) und optoelektronische Geräte. Diese Halbleiter mit großen Bandlücken und ihre Legierungen unterscheiden sich ebenfalls von weiteren wichtigen Halbleitern wie z. B. Silizium oder Galliumarsenid durch die Tatsache, dass sie zur Zeit nicht direkt aus der Schmelze oder einer flüssigen Lösung unter praktisch und ökonomisch interessanten Bedingungen gezüchtet werden können. Statt dessen werden Rohlinge von SiC, GaN oder AlN normalerweise aus der Gasphase durch die epitaxiale Abscheidung eines übersättigten Gasstroms („vapour flux”) auf einen Keimkristall gezüchtet.
Im Fall von SiC ist die erste Methode, die entwickelt wurde, um Halbleiterqualitäts-SiC-Kristalle (ebenfalls Rohlinge oder Einkristallkörper („boules”) genannt) herzustellen, deren Durchmesser und Länge ausreichend war, um Wafer für Geräteanwendungen herzustellen, eine Sublimationsmethode, die ebenfalls als physikalischer Gastransport („physical vapour transport”) (PVT) bekannt ist. Das Kernkonzept dieses Verfahrens wurde von Lely 1955 eingeführt (Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, 32–8, Seite 229 (1955)) und wurde von Tairov und Tsvetkov 1978 modifiziert (J. Cryst. Growth 52, Seite 146 (1981)), um einheitliche Halbleiterqualitäts-SiC-Kristalle herzustellen, wobei Schlüsseleigenschaften wie der Polytyp und die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls gesteuert werden können. Kurzgesagt, das Verfahren basiert auf der Verwendung eines versiegelten Schmelztiegels, in welchem ein Temperaturgradient zwischen einer Hochtemperaturzone, in welchem das feste Quellmaterial wie z. B. ein SiC-Pulver sublimiert wird und einer Niedrigtemperaturregion, in welchem die sublimierte Spezies auf einem Keimkristall kristallisiert, erzeugt wird.
Das Sublimationsverfahren wird gegenwärtig ebenfalls durch verschiedene Gruppen für die Züchtung von AlN und GaN Bulk-Kristallen entwickelt, während Hydridgasphasen Epitaxie und Flüssigphasentechniken ebenfalls für die Züchtung von Bulk GaN Kristallen untersucht werden.
Das Sublimationsverfahren erlaubt heute die Herstellung von SiC-Wafern von Durchmessern von 50 und bis zu 100 mm mit Einstiegsqualitäten („entry quality”) und Kosten ausreichend, um eine industrielle Herstellung von Geräten wie z. B. LEDs und Schottky-Dioden zu ermöglichen.
Trotz dieser Erfolge gibt es jedoch einige Herausforderungen und Grenzen in der Sublimationstechnik. Z. B. begrenzt die anfängliche Masse des Rohmaterials die Dauer des kontinuierlichen Kristallwachstumsprozesses und somit die Kristalllänge, solange kein kontinuierlicher Zufuhrmechanismus eingeführt werden kann. Eine Schwierigkeit kann z. B. sein, dass es einen Bedarf gibt zur Steuerung der Änderung der Sublimationsrate und einer Drift der Stöchiometrie der sublimierten Spezies während des Wachstums. Instabilitäten in der Versorgung mit dem Quellmaterial und Drifts in der Temperaturverteilung des Quellmaterials können z. B. Abweichungen in der Wachstumsgeschwindigkeit und in der Einbindung von Dotierungsspezies verursachen. Wenn sie nicht ordnungsgemäß gesteuert werden, neigen solche Abweichungen dazu, dass sie die Ausbeute des Kristallwachstumsverfahrens negativ beeinflussen.
Diese Herausforderungen können durch weitere Verbesserungen des Sublimationsverfahrens gelöst werden und im Falle von SiC ist die Tauglichkeit der Technik, Wafer in relativ großen Mengen herzustellen, ein Zeichen für sein industrielles Potential.
Eine alternative, industriell anwendbare Technik, welche eine kontinuierliche Steuerung der Zufuhr des Quellmaterials zusammen mit dem Potential zum Wachstum von langen Kristallen aus der Gasphase erlaubt, wurde 1995 durch US-Patent Nr. 5,704,985 eingeführt. Diese Technik wird im Allgemeinen beschrieben als Hochtemperatur chemische Gasphasenabscheidung („High Temperature Chemical Vapour Deposition (HTCVD)) und unterscheidet sich von der abgeschlossenen PVT Konfiguration durch Verwendung einer offenen hot-wall Konfiguration, welche eine genaue Steuerung in der Zufuhr der Quell- und der Dotierungsmaterialien erlaubt. Insbesondere wird mindestens eine der Komponenten des gezüchteten Materials kontinuierlich in Form eines regulierten Gasstroms zugeführt und in eine Hochtemperaturregion durch eine Einlassöffnung zugeführt. Zusätzlich wird ein Auslass („exhaust”) nachgelagert der Kristallisationsregion bereitgestellt, um den Gasfluss entlang der wachsenden Kristalloberfläche zu kontrollieren und die Nebenprodukte, die aus dem Kristallisationsverfahren resultieren, abzuführen. Die Technik kann als chemische Gasphasenabscheidung („Chemical Vapour Deposition” (CVD)) beschrieben werden, die ihre konzeptionellen Ähnlichkeiten mit den CVD-Techniken aufweist, die verwendet werden, um epitaxiale Schichten von 0,1 bis 200 μm Dicke zu züchten. Die HTCVD-Technik verwendet jedoch, wie in US-Patenten Nr. 5,704,985 und 6,048,398 gelehrt, um Wachstumsgeschwindigkeiten zu erreichen, die ökonomisch interessant sind, für die Herstellung von großen Bulk-Kristallen eine Größenordung höhere Zufuhrgeschwindigkeit der Quellgase und einige hundert Grad höhere Temperaturen als normale CVD-Verfahren.
Z. B. wird in einer Vorrichtung ähnlich zu einer der ersten Figuren von US-Patent Nr. 5,704,985 (1) in dem spezifischen Fall von SiC durch Heizen des Keimkristalls (13) auf eine Temperatur von 2250°C und die Zufuhr einer Gasmischung durch Einlass 15, der 0,3 L/Min Silan und 0,1 L/Min Ethylen in einem Trägergas verdünnt zuführt, eine Wachstumsrate von 0,5 mm pro Stunde erzielt.
Wenn jedoch das Verfahren für mehrer Stunden durchgeführt wird, wird experimentell beobachtet, dass SiC ebenfalls um das Keimkristallsubstrat (13) herum, auf dem Halter (12) der z. B. aus Graphit gemacht ist und auf den exponierten Oberflächen der Auslasslöcher (14) in 1 SiC kristallisiert. Auf den Oberflächen in unmittelbarer Nachbarschaft des Keimkristalls (13) kristallisiert SiC als ein dichter polykristalliner Feststoff, der hauptsächlich 6H und 15R Polytypen umfasst. Weiter nachgelagert in den Auslasslöchern 14 kristallisiert SiC in etwas weniger dichten polykristallinen Körnern, welche häufig nadelförmig und aus dem 3C Polytyp sind. Die dichte polykristalline Ablagerung kann bei Geschwindigkeiten erhalten werden, welche ungefähr zweimal der der Einkristall-Kristallisationsgeschwindigkeit entspricht. Weiter nachgelagert, wo die Temperaturen abfallen und die Übersättigung zunimmt, scheidet sich das weniger dichte polykristalline Material sogar schneller ab und versperrt letztendlich innerhalb von 2 bis 4 Stunden den Gasauslassweg. Sobald der nachgelagerte Auslassweg des Keimkristalls genügend versperrt ist, wird schnell eine Druckdifferenz zwischen den Quellgaseinlass 15 und dem Auslass 16 aufgebaut. Wenn die Druckdifferenz einige wenige hundert Pa (mbar) erreicht hat, erfolgt eine schnelle Minderung des Polytyps und der strukturellen Qualitäten des Einkristalls. Die Quellgase können ebenfalls beginnen, entlang des Weges höherer Strömungsleitwerte („conductance”) zu fließen als dasjenige des versperrten Auslasses 14, z. B. durch jegliches poröse Isolationsmaterial wie 15 in 1. Die thermischen Eigenschaften des Isolationsmaterials werden dann schnell gemindert aufgrund der Reaktion mit Silizium, was eine Unterbrechung des Wachstums erzwingt. Alternativ, wenn der Auslassweg 14 versperrt wird, unter Bedingungen, welche es den Quellgasen nicht erlaubt, einen Weg mit höherem Strömungsleitwerk („conductance”) zu finden, wird eine sehr schnelle Blockade des Gaseinlasses durch Abscheidung von polykristallinen Silizium stattfinden. In diesem Fall muss das Wachstum ebenfalls unterbrochen werden, da kein Quellgas zu dem Einkristall zugeführt werden kann.
Die schädliche Abscheidung von polykristallinen Festphasen führt daher zu einem katastrophalen Ausreißer des Systems, was zu einer Beendigung des Wachstumsprozesses führt, bevor ein Kristall mit der gewünschten Länge hergestellt ist.
Eine vorläufige Lösung, um dieses Problem zu lösen, wurde in der PCT-Anmeldung WO 98/14644 präsentiert. An dem Beispiel des SiC-Kristallwachstums beschreibt die Anmeldung eine Vorrichtung, worin die Silizium und C-enthaltenden Verfahrensgase von dem Hauptheizelement 7 in 2 durch einen dünnen inneren Zylinder 25 getrennt sind. Ein schützendes („blanketing”) Inertgas wird gezwungen zwischen dem Hauptheizelement und dem inneren Zylinder zu fließen, wobei der innere Zylinder bei einer Distanz ungefähr entsprechend der Einkristallwachstumsfront endet. Nachgelagert der Einkristallwachstumsfront wird das Schutzgas („blanketing gas”) entlang der Wände des Hauptheizzylinders geführt und soll die Abscheidung von polykristallinem SiC auf den nachgelagerten inneren Wänden verhindern oder wesentlich herabsetzen und das Wachstum von polykristallinem SiC auf dem Keimhalter 13 herabsetzen, so dass der Auslassweg 31 frei bleibt. Eine ähnliche Lösung wird in der EP-Patentanmeldung Nr. 787,822 A1 vorgestellt, wo das Inertschutzgas parallel zu den Verfahrensgasstrom fließt, wobei eine Vorrichtung vorgestellt wird, die zwischen 800 und 2500°C arbeitet.
Es ist gefunden worden, dass diese Lösung, so wie sie in diesen Dokumenten vorgestellt oder aus ihnen abgeleitet wird, nicht das Problem, welches oben beschrieben ist, in einem Maße löst, ausreichend, um SiC oder andere Kristalle von einer Länge von mehr als von einigen mm zu züchten. Experimente, die ein Inertschutzgas, wie Helium oder Argon verwenden, zeigten, dass zu schnelle Abscheidung von Polykristallinem immer noch in den nachgelagerten Regionen der Einkristallwachstums auftraten. Wenn Helium als Schutzgas verwendet wurde, wurde sogar leicht eine nach höhere Wachstumsrate von Polykristallem erhalten, wobei die Verwendung von Argon lediglich die Abscheidungsregionen in einer kurzen nachgelagerten Distanz fördert. Dieses unerwartete Ergebnis kann durch den zusätzlichen Fluss von Kohlenstoff, der durch das Schutzgas erzeugt wurde, wenn es entlang eines aus Graphit hergestellten, unbeschichteten Heizelementes passiert und durch die unterschiedliche thermische Leitfähigkeit der zwei betrachteten Gase erklärt werden. In einer Silizium-reichen Abgasmischung führt jegliche zusätzliche Kohlenstoffzufuhr zu einem Anstieg des nachgelagerten Wachstums von polykristallinem SiC. Ein ähnliches Phänomen ist beobachtet worden, wenn ein Heizelement 7, dass mit SiC beschichtet ist, verwendet wird. Um dieses zu umgehen, ist es offensichtlich für den Fachmann, als Verbesserung ein Heizelement zu verwenden und mit einem Metallcarbid wie z. B. TaC oder NbC zu beschichten („guide coated”). Bevorzugt werden die exponierten Oberflächen ebenfalls eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen, um geringe Nukleationsstellen für polykristallines SiC anzubieten. Unter typischen Verfahrensbedingungen, die zu einer Einkristallwachstumsrate von 0,5 bis 1 mm pro Stunde führen, ist jedoch beobachtet worden, dass ein solches Design lediglich zu unkontrollierbaren Abscheidungen von polykristallinen SiC an einem weiter nachgelagerten Ort führt. Diese kleine Verbesserung der Blockierungszeit ist nicht ausreichend, um kontinuierlich einige cm lange Kristalle zu züchten.
In anderen Vorrichtungen des Standes der Technik, die geschaffen sind, um SiC Kristalle zu züchten, wo mindestens eine Komponente des Materials, das gezüchtet werden soll, als Gas zugeführt wird und die Nebenprodukte des Verfahrens durch eine Öffnung in dem Schmelztiegel abgeführt werden, ist keine Lösung zur schädlichen Abscheidung von polykristallinen Formen des Materials, das gezüchtet werden soll, erwähnt. Z. B. lehrt EP 554,047 B1 , die Züchtung von SiC-Kristallen durch eine Vorrichtung, unter Verwendung von Silan und Propan als Quellgase, welche in einer ersten Reaktionszone reagieren, um SiC-Partikel zu bilden, welche anschließend in einer Niedrigdrucksublimationszone verdampft werden. Die Nebenprodukte des Kristallisationsverfahrens und des Trägergases werden durch den Auslass abgeführt. In US-Patent 5,985,024 , angemeldet in 1997, wird eine Vorrichtung offenbart, in welcher Siliziumdampf aus einer erhitzten Siliziumschmelze zur Verfügung gestellt wird und ein Kohlenwasserstoffgas wie z. B. Propan durch eine Gaszuführungsöffnung in die Wachstumszone zugeführt wird. In dieser Vorrichtung wird das überschüssige Gas nachgelagert des wachsenden SiC-Rohlings ebenfalls von der Wachstumszone mit Hilfe eines Durchgangs oder eines Auslasskanals entfernt. Da eine abnehmende Temperaturverteilung in oder neben dem Keimhalter erforderlich ist, um das Wachstum des SiC-Einkristalls zu fördern, wird angenommen, dass solche Durchgänge unweigerlich zu einer katastrophalen Blockierung entweder durch Abscheidung von polykristallinem SiC, pyrolytischem Graphit oder polykristallinem Silizium unterliegen. Ein ähnliches Konzept wird in US-Patent 6,048,398 beschrieben, dass 1995 angemeldet wurde, worin geschmolzenes Silizium-Rohmaterial in Kombination mit einem Kohlenwasserstoffgas als Quellgase verwendet wurden. Die überschüssigen Gase wurden nach dem Keimkristallhalter abgeführt, welcher rotiert und herausgezogen wurde während das Wachstum des Einkristalls fortschreitet. Trotz der vorteilhaftigen Reinigungsaktion von polykristallinen Abscheidungen, induziert durch die Rotation des Keimhalters, induziert eine solch mechanische Reinigung Belastungen entweder im Rotationsmechanismus oder in dem Keimhalter und den Elementen, die mit ihm in Kontakt kommen. Dieses kann zum mechanischen Versagen von jedem der oben genannten Teile führen.
In US-Patentanmeldungsnummer 2002/0056411 A1 wird ein Hochtemperaturgasphasenabscheidungsapparat diskutiert, um SiC-Rohlinge herzustellen, wobei der Druck der Gasmischung in der Wachstumsregion höher gesetzt ist als der der Mischung der abgeführten Gase, um die Ausbeute des Verfahrens zu erhöhen. Diese Druckdifferenz kann durch das Design des Apparates erreicht werden, so dass der Strömungsleitwert („conductance”) am Einlass höher gesetzt wird als der am Auslass. Nachdem sich ein niedriger Strömungsleitwert nachgelagert der Einkristallwachstumszone befindet, verursacht der verringerte Druck der Mischung der abgeführten Gase, bei konstanter Temperatur, eine Verringerung der Abscheidungsrate von schädlichen polykristallinen Material. Dieses verlangsamt jegliches katastrophales Blockieren entlang des nachgelagerten Weges der Strömungsleitwert-reduzierenden Zone des Auslasses. Wie jedoch in der zitierten Anmeldung hervorgehoben, werden Ablagerungen sich wiederum in einer gegebenen Region ansammeln, die als Gasfalle („gas trap”) beschrieben wird, wenn die Temperaturen entlang dieses nachgelagerten Weges abnehmen. Die Verhinderung dieser Ablagerung würde es erlauben, das Verfahren länger auszuführen und längere Kristalle zu produzieren. Weiterhin muss das System in dieser Anmeldung bei verringertem Druck zumindest in dem nachgelagertem Teil der Strömungsleitwert-reduzierten Region betrieben werden. Es kann wünschenswert sein, die Vorrichtung stattdessen bei im wesentlichen Atmosphärendrücken zu betreiben, in beiden, in der Wachstumszone und in der Auslasszone, da dieses sowohl beides höhere Ausbeuten und geringere Kosten des ganzen Systems begünstigen kann.
Dokument JP 2002-362998 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von gewachsenen SiC-Kristallen unter Verwendung von stationären Arbeitsbedingungen, wobei das Verstopfen von Abgasauslässen durch das Einführen eines Ätzgases erreicht wird.
Es soll erwähnt werden, dass der Ursprung des oben beschriebenen Problems in gewissem Sinne fundamental ist, auch wenn der maximale Massentransport von Si-Spezies an der Einkristallwachstumsfront eingerichtet ist. Da das Wachstum bei höheren Temperaturen stattfindet, wird, um hohe Wachstumsraten und hohe Kristallqualität zu fördern, um die Oberfläche davor zu schützen, dass sie graphitisiert („graphitized”) wird, eine Menge an Si-Dampf, der mindestens gleich dem Gleichgewichts Si-Druck der beheizten Kristalloberfläche ist, kontinuierlich nachgelagert der Wachstumsfront abgeführt.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit, um bei einer hohen Temperatur in einem beheizten Raum (Suszeptor oder Schmelztiegel genannt) aus der Gasphase einen Einkristall von entweder SiC, einem Gruppe III-Nitrid oder Legierungen davon bei Wachstumsraten und für eine Zeit zu züchten, die ausreichend ist, um einen Kristall von einigen mm oder bevorzugt einigen cm Länge herzustellen.
Insbesondere ist es die Aufgabe dieser Erfindung, die Bildung von polykristallinen oder weiteren festen Abscheidungen nachgelagert des Einkristallkristallisationsbereiches zu verringern oder zu eliminieren, um einen teilweisen oder vollständigen Verschluss eines Suszeptorauslassweges durch eine Gasmischung zu verhindern, die dem Kristallisationsbereich zugeführt wird. Eine entsprechende Aufgabe der Erfindung ist die Steuerung des Durchmessers des wachsenden Einkristalls und die Verhinderung des Wachstums von polykristallinen Material darum herum und dadurch die Verhinderung der Bildung von strukturellen Defekten während entweder der Hochtemperaturwachstumsphase oder der nachfolgenden Abkühlungsphase.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Konzentration von unerwünschten metallischen Verunreinigung in dem wachsenden Einkristall durch Entfernen der Gasphasenaktiven metallischen Elemente, die von Teilen freigesetzt werden, die nachgelagert dem Kristallisationsbereich erhitzt werden, zu verringern.
Um die Bildung von unerwünschten, polykristallinen Abscheidungen auf Oberflächen in der Nachbarschaft und in jeder Region nachgelagert den Einkristallwachstumsbereich zu verhindern, schlägt die Erfindung vor, die lokale Übersättigung von mindestens einer Komponente des Materials, durch Einführen eines separaten Gasstroms, der die chemische Eigenschaften des Ätzens der Abscheidungen aufweist, in der Nähe dieser Oberflächen zu verringern. Im Fall von SiC oder GaN Kristallwachstum wird ein Gasstrom, der mindestens ein Halogenelement wie z. B. Chlorwasserstoff, Chlor oder eine Mischung von Wasserstoff und entweder Chlor oder Chlorwasserstoff enthält, bevorzugt als Ätzmittel eingesetzt. Wie aus der detaillierten Beschreibung dieser Erfindung offensichtlich werden wird, können weitere Gase oder Gasmischungen, die Halogene wie z. B. Br, F oder I enthalten, ebenso für ähnliche Zwecke eingesetzt werden. Das Ätzgas kann ebenfalls in einer Art und Weise verteilt werden, um aktiv die Form des Kristallwachstums zu steuern. Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich und beschrieben in den folgenden Zeichnungen Beschreibungen und Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine HTCVD Wachstumsvorrichtung des Standes der Technik dar.
2 stellt eine weitere HTCVD Wachstumsvorrichtung des Standes der Technik dar.
3 ist ein Querschnitt einer Vorrichtung zur Verwendung gemäß dem Verfahren der Erfindung.
4 ist ein Querschnitt einer modifizierten Vorrichtung zur Verwendung gemäß dem Verfahren der Erfindung.
5 zeigt das Verhältnis der Übersättigung von SiC (obere Grafik), Kohlenstoff (mittlere Grafik) und Silizium (untere Grafik) kondensierten Spezies mit einem [Cl]/[H] Verhältnis von 0,5.
6 zeigt das Verhältnis der Übersättigung von SiC, Kohlenstoff und Silizium kondensierten Spezies mit einem [Cl]/[H] Verhältnis von 1,2.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
3 zeigt schematisch eine verbesserte Vorrichtung, die eine Wachstumskammer eines HTCVD-Systems umfasst, basierend auf den Konzepten, die in US-Patenten Nr. 5,704,985 , 6,039,812 und 6,048,398 beschrieben sind. Diese Vorrichtung wird hier ebenfalls als die Vorrichtung zur Verwendung gemäß dem Verfahren der Erfindung beschrieben und kann eine ähnliche prinzipielle Konstruktion wie die in den zuvor erwähnten Dokumenten aufweisen, unterscheidet sich aber in den bestimmten Merkmalen und Verbesserungen, die in dieser Erfindung beschrieben sind. Die Vorrichtung von 3 ist geeignet, um Einkristalle von SiC oder von einem Gruppe III-Nitrid zu züchten. Einige Teile sind der Einfachheit halber schematisiert und es ist offensichtlich für den Fachmann in dem technischen Gebiet, dass die Vorrichtung ebenfalls Elemente wie einen Mengenregler („mass flow controller”), Ventile, Pumpen, Steuerungselektronik, Reinigungsmittel („purifiers”) ein System zum Gaswaschen („scrubbing system”) und weitere Elemente, die normalerweise in CVD-Systemen verwendet werden, aufweist.
Die hochtemperaturchemischen Gasabscheidungsvorrichtungen umfassen ein Gehäuse 1, z. B. bestehend aus einer einwandigen Quarzröhre 2, welche fest zwischen einem unteren Flansch 3 und einem oberen Flansch 4 befestigt ist. Jeder Flansch umfasst ein befestigtes Gehäuse 3a und 4a und eine bewegliche untere 3b und obere 4b Klappe („lids”), welche herabgesetzt oder angehoben werden kann, je nachdem um Zugang zu dem inneren des Gehäuses 1 zum Beladen oder Entladen der Heißzone („hot zone”) der Vorrichtung zu ermöglichen. Das Gehäuse 1 kann alternativ aus einem doppelwandigen, wassergekühlten Quarzrohr bestehen oder kann umgeben sein von einem Wasser-gekühlten rostfreien Stahlgehäuse (nicht gezeigt). Das innere des Gehäuses 1 umfasst ein Heizelement 7, ebenfalls in der Literatur Suszeptor oder Schmelztiegel genannt, und ist umgeben von thermisch isolierendem Material 10 mit niedriger Leitfähigkeit wie z. B. Kohlenstofffilz („carbon felt”) oder weiteren Formen oder Materialen welche kompatibel mit den Temperaturbereichen des Verfahrens und ihren Heizmitteln sind. Das Heizelement 7 ist achsensymmetrisch und ist hergestellt aus einem Material, welches kompatibel ist mit hohen Temperaturen wie z. B. unbeschichteten oder beschichteten Graphit, einem Metallcarbid oder Nitrid oder einer Kombination davon. Das Heizelement kann von zylindrischer Form sein, jedoch kann der Durchmesser des Heizelementes axial variieren, um in bestimmten Regionen zu konvergieren oder in anderen Regionen zu divergieren, um ein spezifisches Gasströmungsmuster oder eine spezifische räumliche Temperaturverteilung in dem Heizelement 7 und in der Nähe des Kristallhalters 12 zu erzielen. Der Suszeptor 7 wird entweder durch RF Induktion durch eine Spule 11 oder durch Widerstandsheizung auf eine Temperatur oberhalb von 1900°C (und bevorzugt im Bereich von 2000°C bis 2600°C) für SiC-Kristallwachstum, oder oberhalb von 1200°C (mindestens 1100°C bevorzugt im Bereich von 1200°C bis 2200°C) für GaN Kristallwachstum erwärmt. Ein Keimkristall 13 wird mit mechanischen oder chemischen Mitteln auf einen Keimhalter 12 aufgebracht, welcher physikalisch an den Schaft 16 befestigt ist, der mindestens einen hohlen Kanal aufweist, durch welchen die Temperatur des Keimhalters durch ein optisches Pyrometer oder Thermoelement (nicht gezeigt) gemessen werden kann. Um eine bevorzugte Kristallisation auf der Keimkristalloberfläche eher als auf der Oberfläche 24 des Suszeptors 7 zu erhalten, wird der Keimhalter bei einer niedrigeren Temperatur als die Oberfläche 24 und der obere Teil des Raums 33 gehalten, wodurch ein Temperaturgradient erzeugt wird. Das Kristallisationsverfahren wird durch Zufuhr einer Gasphase, die die Elemente des Materials, das gezüchtet werden soll, durch den erhitzten Suszeptor 7 hin zu dem Keimkristall, durchgeführt. Die Mengen der Elemente des Kristalls, der gezüchtet werden sollen, werden so ausgewählt, dass die geheizten Dämpfe übersättigt werden, wenn sie die Kristallisationsfront, hier Wachstumsfront 25a genannt, erreichen. In dem spezifischen Fall des SiC-Wachstums, wird der Suszeptor 7 auf Temperaturen im Bereich von 2100 bis 2600°C erhitzt, während der Keimhalter bei einer Temperatur im Bereich von 2000 bis 2400°C gehalten wird, abhängig von der Quellmaterialzufuhrrate und seinem C/Si-Verhältnis, dem Polytyp und der kristallographischen Orientierung des Keimkristalls. Ein bevorzugtes Quellmaterial für das Wachstum von SiC-Rohlingen besteht aus einem SiH_xCl_y Gas oder Flüssigkeit (x = 0 bis 4; y = 0 bis 4) und einem Kohlenwasserstoff wie z. B. Methan, Ethylen oder Propan. Wie in US-Paten 6,039,812 beschrieben, wird das Si-enthaltende Gas oder Flüssigkeit über einen inneren Kanal 22 zugeführt. Das Kohlenwasserstoffgas kann entweder über den gleichen inneren Kanal 22 oder über einen konzentrischen ringförmigen Kanal 23, die den inneren Kanal 22 umschließt, zugeführt werden und durch einen Wasser-gekühlten rostfreien Stahlflansch 21, welches Teil der unteren Klappe 3b ist getrennt werden. Ein Trägergas wie z. B. Wasserstoff, Helium, Argon oder eine Mischung davon wird ebenfalls in den Kanal 23 zugeführt und nachgelagert der Wachstumsfront 25a durch einen Auslasskanal 14 ausgestoßen. Die Zufuhrmittel für jeden Precursor und Gas, die im wesentlichen bei Raumtemperatur gelagert werden, schließen Mengenflusskontroller, Ventile und weitere Komponenten, die gewöhnlicherweise in CVD-Systemen eingesetzt werden, ein. Das Quellmaterial kann alternativ aus einer Kombination aus Gasprecursoren und Elementen bestehen, die aus einer flüssigen oder festen Quelle verdampft werden, die in dem unteren Teil des Suszeptors 7a oder in einem separaten Schmelztiegel gelagert werden, wie z. B. Kohlenstoff oder Siliziumcarbid-Pulver.
Alternativ, im Falle des GaN Wachstums, wird eine metallorganische Quelle wie z. B. Trimethylgallium (TMG) und ein Stickstoff-enthaltendes Gas als Quellmaterialen verwendet.
Um die Abscheidung von polykristallinem Siliziumcarbid entlang der Oberflächen 26 und 27 des Auslasskanals 14 zu verhindern, umfasst die Vorrichtung zusätzliche Abgabemittel („delivery means”) wie z. B. Kanäle, die in der Nachbarschaft der Einkristallwachstumszone oder in jedem nachgelagerten beheizten Teil, der den SiC enthaltenden Gasen ausgesetzt ist, heraustritt. Eine Gasmischung, die die Eigenschaften aufweist, SiC chemisch zu ätzen, wird durch diese zusätzlichen Kanäle zugeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Ätzgasmischung im Fall vom SiC Wachstum mindestens ein Halogenelement einschließen soll, um die Si enthaltenden Gasspezies zu neutralisieren. Die Ätzgasmischung weist bevorzugt ebenfalls die Eigenschaft auf, mit den Kohlenstoff-enthaltenden Gasspezies, wie z. B. Wasserstoff, zu reagieren. Geeignete Ätzgasmischungen, die das gewünschte Ergebnis liefern, sind Gase wie z. B. Chlor (Cl₂), Chlorwasserstoff (HCl) oder eine Mischung von Wasserstoff (H₂) und Chlorwasserstoff oder Chlor. Eine Gasmischung, die Halogene enthält, wie z. B. Fluor (F) oder Iod (I) und Wasserstoff erzielt ebenfalls den gewünschten Ätzeffekt.
Um Ätzraten bereitzustellen, die vergleichbar sind zu den Wachstumsraten des monokristallinen und polykristallinen SiC, die in der Erfindung erreicht werden (0,5 bis 2 mm/Std. oder mehr), wird mindestens ein Teil des Ätzgases zugeführt bevor die Abgase auf eine Temperatur von 600°C niedriger als die Temperatur der Einkristallwachstumsfront 25a abgekühlt werden. Um den Auslasspfad 14 freizuhalten, soll die Positionierung der Ätzgasmischung Zufuhrmittel, die Mengen und Verhältnisse von Halogen und Wasserstoffgasen, die eingeführt werden, der Menge an Si und C-enthaltenden Gasspezies und der Temperatur der Oberfläche, die der Kondensation ausgesetzt ist und den Strömungsleitwerten („conductance”) des Auslassspalts 14 entsprechen.
Wie in 3 gezeigt, wird ein bevorzugtes Abgabemittel durch Bereitstellung eines kontrollierten Flusses an Ätzgas durch den hohlen Kern des Schaftes 16a und 16b in einen inneren Abgabehohlraum, der in den Keimhalter 12 gefräst („machined”) ist, realisiert. Die Ätzgasmischung kann durch die Kanäle oder Poren 28, die Oberhalb des Keimkristalls 13 angeordnet sind, entweichen und sich mit den Si und C-enthaltenden Gasen, die durch die Wachstumsfront 25a geführt wurden, vermischen.
Die Ätzgasmischung wird dadurch aufgeheizt auf eine Temperatur, die ähnlich ist zu der Temperatur des Keimhalters, normalerweise 2000 bis 2400°C und reagiert daher sehr effizient mit dem Si und C-enthaltenden Gasspezies. Es soll erwähnt werden, dass eine Vielzahl von Abgabekonfigurationen in dem Keimhalter 12 verwendet werden können, um eine gleichmäßige Verteilung des Ätzgases zu erreichen. Z. B. können eine Vielzahl von umlaufenden Löchern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis zu einigen mm entlang der äußeren Oberfläche 26 des Keimhalters 12 erteilt sein. Es kann ebenfalls ein hochporöser Ring verwendet werden, vorausgesetzt er ist aus einem hochtemperaturbeständigen Material, das chemisch inert ist gegenüber der Ätzgasmischung (z. B. Graphit, wenn reines Halogengas wie z. B. F₂ oder Cl₂ verwendet wird). Ein wichtiger Vorteil dieses ersten Abgabemittels ist, dass der Schaft 16 durch eine Zugeinheit (nicht gezeigt), nach oben versetzt wird mit einer ähnlichen Geschwindigkeit wie die Wachstumsrate des SiC-Rohlings 15, wobei der Ätzgasfluss auf eine festgelegte Position in Bezug auf die Kristallwachstumsfront 25a entlang der Oberfläche 26 der Keimhalteranordung abgegeben wird. Dieses ermöglicht es, die Oberfläche 27 frei von schädlichen Feststoffablagerungen zu halten, selbst wenn der Kristall bis zu einer Länge von einigen cm wächst und auf eine entsprechende Höhe aufwärts gezogen wird. Ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung schließt das Ziehen des Keimhalters 12 entlang eines vorgegebenen axialen Temperaturprofils ein, um die Temperatur der Kristallisationsoberfläche 25a konstant zu halten, während die Kristalllänge wächst. Während der Keimhalter 12 entlang dieses Temperaturprofils gezogen wird, kann die Ätzgasflussrate mit der Zeit erhöht werden, um eine konstante Ätzrate zu erhalten. Ein weiterer Vorteil dieses ersten Abgabemittels ist, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Keimhalter 12 und dem unteren Heizelement 7a erhöht werden kann, ohne eine höhere Abscheidungsrate von polykristallinem Material, das dem Einkristall 15 nachgelagert ist, zu bewirken. Dieses kann z. B. durch eine Verringerung der RF Energie in den vorgelagerten Windungen 11a der Induktionsspule erreicht werden, während die Zufuhrrate der Ätzgasmischung in der Schafteinheit 16 erhöht wird, um die höhere Übersättigung von Si und C-enthaltenden Gasen zu kompensieren.
Ein zweites Abgabemittel für die Ätzgasmischung, die die Zwecke dieser Erfindung erfüllt, umfasst das Zuführen des Ätzgases in einen Kanal in den oberen Teil 7b des Heizelements, das den Einkristallhalter 12 umschließt. Die Ätzgaszuführungsrate wird durch einen externen Flusskontroller 30 gesteuert und in das Gehäuse 4a durch ein Anschlussstück zugeführt, das mit einem Quarzrohr oder Leitung verbunden ist, wobei das das obere Heizelement 7b bei Verbindung 31 zugeführt wird, um den internen Kanal 32 zu versorgen. Der interne Kanal 32 hat bevorzugt eine ringförmige Form und steht in Verbindung mit dem mit Auslasskanal 14 durch eine Vielzahl von Löchern oder durch ein poröses Medium. Der interne Kanal 32 steht bevorzugt mit Kanal 14 in einer Region in Verbindung, wo die Abscheidung des polykristallinen Feststoffs normalerweise in den Geräten des Standes der Technik stattfinden. In dem Fall, wo die schädliche, polykristalline Abscheidung über einen weiten Bereich auf der Oberfläche 26 stattfindet, werden ein zweiter oder mehr separate Kanäle 32 in das Heizelement 7b gefräst („machined”), um geeignete Ätzgasflüsse über die gesamte Oberfläche zuzuführen, welche gewünscht wird, frei von solchen Ablagerungen zu sein. Dieses zweite Ätzgasflusszufuhrsystem dient zwei Zwecken. Der erste ist die Verhinderung der Nukleation und des Wachstums von polykristallinen Körnern entlang den Oberflächen 26 und 27. Die Ätzgasflussrate kann jedoch ebenfalls auf einen höheren Wert angepasst werden für diesen alleinigen ersten Zweck, um ebenfalls die Seite 25b des wachsenden Einkristalls 15 zu ätzen. Das Halogen zu Wasserstoffverhältnis dieser zweiten Gasmischung wird auf einen Wert angepasst, um einen ebene („smooth”) spiegelähnliche Ätzung der Seiten des wachsenden Kristalls 15 zu erzeugen. Durch Variation der Ätzgasflussraten wird der Durchmesser des wachsenden Kristalls gesteuert. Insbesondere ein niedriger Ätzfluss erlaubt dem Kristall mit einer radialen Rate zu expandieren, die durch das gewählte Verhältnis von Ätzgasfluss gegenüber den Quell- und Trägergasen Zuführungsraten in das Heizelement 7a und des radialen Temperaturgradienten des Heizelements 7b gewählt wird. Die Expansionsrate des Kristalls kann durch Erhöhung der Ätzgasflussrate verringert oder sogar gestoppt werden, um einen zylindrisch geformten Kristall zu erzeugen. Während dieses Verfahrens wird die Schafteinheit 16 bevorzugt rotiert, um eine einheitliche radiale Form zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil dieses zweiten Abgabemittels ist, dass in dem Temperaturbereich der Erfindung die Verwendung eines Ätzgases, welches mindestens ein Halogenelement, wie z. B. Chlor aufweist, stabile Chloride mit einigen metallischen Verunreinigungen bildet, welche unbeabsichtigter Weise in die Quellgaszufuhrmischung abgegeben werden. Insbesondere die Konzentration von restlichen metallischen Verunreinigungen in dem Einkristall 15 könnte um den Faktor bis zu 100 erniedrigt werden, unterhalb des Wertes, der durch heutige SIMS Messungen detektierbar ist, wenn eine geringe Menge an Chlor-enthaltenden Gas zu der Einkristallwachstumsfront 25a und 25b diffundieren kann.
Ein drittes Abgabemittel für die Ätzgasmischung, die die Zwecke der vorliegenden Erfindung erfüllt, umfasst das Zuführen des Ätzgases entlang der umlaufenden Lücke, die gebildet wird zwischen der inneren Wand des Heizelementes 7a und eines konzentrischen, axial symmetrischen inneren Schmelztiegels 7c. Wie in 4 gezeigt, wird ein Fluss an Si und C-enthaltenden Quellgas auf die innere Wachstumszone 33 eingedämmt, bis sein Fluss über die äußere Oberfläche 25b des Einkristalls 15 hinausgeht und in Kanal 14 abgeführt wird, während der Ätzgasfluss in der ringförmigen Lücke 34 eingedämmt ist, bis der Ätzgasfluss die restlichen Si und C-enthaltenden Gase in Leitung 14 trifft. Wie in dem zweiten Abgabemittel erlaubt die dritte Konfiguration des Ätzgasflusses beides, das Freihalten der Oberflächen 26 und 27 von störenden, polykristallinen Abscheidungen, während es ebenfalls den Einfluss auf die Form des wachsenden Einkristalls erlaubt. Eine zylindrische externe Wand des inneren Schmelztiegels 7c wird bevorzugt einen im wesentlichen zylindrischen Rohling 15 erzeugen, während eine externe Wand, die entlang der Ätzgasflussrichtung divergiert, eine konkave Wachstumsfront 25a begünstigen kann.
Es ist im Gereicht der Erfindung, entweder das erste, zweite oder dritte Abgabemittel, die oben beschrieben sind, individuell oder in jeder Kombination einzusetzen. Die Erfindung kann jedoch am besten ausgeführt werden, unter Verwendung des ersten Abgabemittels während der gesamten Dauer des Verfahrens, welches sich auf einige 10 Stunden ausdehnen kann, wobei das zweite und dritte Abgabemittel vorzugsweise zusätzliche verwendet werden können, separat oder zusammen, in verschiedenen Stadien des Verfahrens. Ein typischen Beispiel kann eine Kristalldurchmesserexpansionsphase sein, basierend auf Abgabemittel 1 und 2 in einer ersten Stufe, gefolgt von einem im wesentlichen zylindrischen Wachstum unter Verwendung von Mittel 2 mit einem geringeren Ätzgasfluss oder in Kombination mit Abgabemittel 3.
Es soll erwähnt werden, dass diese Merkmale verwendet werden können, um die gewünschte Lösung für eine Vielzahl von Auslasskanälen 14 Konfigurationen zu erzielen, wie z. B. eine Auslassrichtung entgegengesetzt zu der Einkristallwachstumsrichtung wie in 2, oder ein Auslass senkrecht zu der Wachstumsrichtung oder jedem dazwischen liegenden Winkel zwischen der entgegengesetzten und rechtwinkligen Richtung.
Ein wichtiges Verfahren des Prozesses, der in der vorliegenden Erfindung gelehrt wird, schließt die Auswahl der Halogen und Wasserstoffgasflussraten und ihrer entsprechenden Verhältnisse ein. Obgleich die Autoren sich rächt auf eine Theorie festlegen wollen, kann die Lehre in dem Verfahren aus thermodynamischen Betrachtungen gewonnen werden. Diese sind im folgenden in dem Si-C-H-Cl System gegeben, jedoch können ähnliche Beobachtungen gemacht werden für den Fall von Gruppe III-Nitrid Kristallwachstum unter Verwendung z. B. der Ga-N-H-Cl oder des Al-N-H-Cl Systems.
Im folgenden wird der spezielle Fall der Zugabe von Chlor zu einem vorgegebenen Si-C-H System, dass durch die Eingabequelle und Trägergasmischungen (z. B. SiH₄, C₃H₈ und H₂) gegeben ist, bestimmt. Der Effekt der Zugabe von Cl zu dem Si-C-H System ist von SiC CVD Verfahren des Standes der Technik bei Temperaturen im Bereich von 1500 bis 1600°C bekannt, dass es nur schwach die SiC Ätzrate erhöht. Typische Ätzbedingungen im Stand der Technik verwendeter Hot-Wall CVD Systeme schließen Cl/H Verhältnisse von weniger als 0,03% ein und zeigen eine schwächere Abhängigkeit der Ätzrate mit steigenden HCl Eintrag als mit steigenden H₂ Zufuhrraten [Zhang et al., Mat. Sci. Forums Vols. 389–393 (2002) p. 239]. Im Stand der Technik sind die Ätzraten zu gering (kleiner als 10 μm/Std. bei 1600°C), um eine sinnvolle Anwendung der vorliegenden Erfindung zu erlauben. Es wird hier gezeigt werden, dass die Erfindung unter Verwendung viel höherer Cl/H Verhältnisse durchgeführt werden soll, um Ätzraten im Bereich von 0,1 bis mehr als 1 mm/h zu erhalten.
Eine Quantifizierung der Übersättigungsabnahme in dem Si-C-H-System durch Zugabe von Cl kann durch einen Temperaturabfall quantifiziert werden: Wenn Cl hinzugegeben wird, um wie viel kann die Temperatur abfallen, bis die Übersättigung wieder auf den ursprünglichen Wert angestiegen ist? Die ursprüngliche Si-C-H Zusammensetzung wird definiert durch den Eintrag der Quellmischung und den Berechnungen, die durchgeführt wurden, um das System zum Gleichgewicht zu treiben. Eine gegebene Menge von Chlor wird zu dem System hinzugegeben, welches die Übersättigung des Systems verringert, durch Bildung von z. B. Chlorsilanen. Die Temperatur fällt dann um einen Betrag ΔT ab, welches das Maß an Übersättigung ansteigen lässt. Das System wird dann zu einem neuen Gasphasengleichgewicht getrieben und mit dem Ausgangszustand verglichen. Die Temperaturdifferenz ΔT entspricht einer bestimmten Menge an [Cl], welche dann von Übersättigungs-(„supersaturation”(SS))Isolinien gleich 1 in den Kontur-Plots wie denjenigen von 5 und 6 erhalten werden. Entlang dieser Isolinie ist SS(T, Si, C, H) = SS(T – ΔT, Si, C, H, Cl).
5 zeigt das Ergebnis im Falle eines Systems, dass bei einem reduzierten Druck von 12 kPa (0,12 bar) und einem [Cl]/[H] Verhältnis von 0,5 gefahren wurde. Insbesondere zeigt 5, dass das Problem des Blockierens von Kanal 14 mindestens teilweise in diesem Fall gelöst ist. Das Wachstum von festem SiC wird stark reduziert und das Wachstum Si ist insgesamt gestoppt. Bei hohen Temperaturen, bei denen der Si und C-Gehalt in der Gasphase unglücklicherweise hoch ist, ist der Effekt von Cl geringer. Bei 2200°C kann das Cl jegliche wesentliche Festphasenabscheidungen entlang eines 200°C Temperaturabfalls ΔT verzögern, während bei 1900°C dieser Abfall 600°C übersteigen kann.
Unter Verwendung einer Ätzgasmischung mit einem Verhältnis von [Cl]/[H] größer als 1 kann die Bildung von festen Ablagerungen vollständig entfernt werden. Wie in 6 gezeigt, wo ein [Cl]/[H] Verhältnis von 1,2 für den gleichen Druck und anfängliche Zusammensetzung wie in 5 verwendet wurde, sind sogar entlang des Temperaturabfalls ΔT von 600°C keine festen Phasen von SiC oder Si möglich. Eine feste Phase von C kann jedoch abgelagert werden (z. B. pyrolitischer Graphit) wenn die C-Übersättigung höher als 1 ist. Wenn diese Ablagerung groß genug ist, um eventuell den Kanal 14 innerhalb eines Zeitrahmens von 20 bis 40 Stunden zu blockieren, kann es entfernt werden durch Ausführen der Erfindung, dass heißt durch Zufuhr von zusätzlichen Fluss an H₂ in die kühlere Region, wo keine festen SiC Ablagerungen erfolgen. Dieser zusätzlicher Fluss an Wasserstoff kann durch einen der vorgesehenen Kanäle, die durch die Schafteinheit 16 gehen oder in einem separaten Kanal, welcher durch das Heizelement 7 geht, zugeführt werden, unter Verwendung der zuvor beschriebenen Prinzipien.
Die großen Einkristalle, die gemäß dieser Erfindung gezüchtet werden, können in dünne Wafer für Halbleiteranwendungen geschnitten oder poliert werden oder können für weitere Anwendungen verwendet werden. Abhängig von der beabsichtigten Verwendung der Kristalle, ist es verständlich, dass diese dotiert werden können, um entweder niedrige n- oder p-Typ Widerstände zu erzielen oder sehr rein gemacht werden können, um einen hohen Widerstand zu erzielen. Dotierungsmittel wie z. B. Stickstoff, Aluminium oder weitere Elemente werden bevorzugt in der Wachstumskammer 33 eingeführt durch einen gesteuerten Fluss eines Gases oder metallorganischen Precursors wie es normalerweise in SiC CVD und Gruppe III MOCVD Verfahren von dünnen Schichten für Halbleiterapplikationen üblich ist.
Außerdem kann die Erfindung ebenfalls in einem Sublimations- oder PVT-System angewendet werden, um die Strömungswege frei von Ablagerungen zu halten, die verwendet werden, um entweder Verunreinigungen oder nicht-stöchiometrische Komponenten des Dampfes, der von einer festen oder flüssigen Quelle sublimiert wird, von der Kristallisationsfront zu entfernen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Schmelztiegel mit seinen umlaufenden Wänden, die den Raum umgeben, angeordnet, um den Keimkristall in seinem nachgelagerten Teil aufzunehmen und um ein festes Quellmaterial, z. B. ein Pulver, das die Elemente der Halbleiter-Verbindung, die gezüchtet werden soll, enthält, aufnimmt. Die Mittel zum Heizen des Suszeptors werden ebenfalls eine Temperatur zwischen dem Quellmaterial und dem Keimkristall etablieren und der Schmelztiegel hat Strömungsöffnungen („effusion openings”) in denn Schmelztiegel. Diese Ausführungsform wird dadurch charakterisiert, dass die Vorrichtung ferner Mittel umfasst, um einen kontinuierlichen Fluss einer Gasmischung, die mindestens ein Halogenelement enthält in die unmittelbare Nähe der Strömungsöffnungen zuzuführen oder diffundieren, so, dass über einen gewünschten Zeitraum diese Öffnung frei von festen Ablagerungen bleibt, die aus der Kondensation von jeglichen Dampfen resultiert, die aus den Quellmaterialien sublimiert werden.
Obgleich es in den Figuren und in der obigen Beschreibung angezeigt ist, dass der Fluss des Quellgases nach oben gerichtet ist (im wesentlichen entgegengesetzt der Richtung des lokalen Gravitationsvektors), ist es im Bereicht der Erfindung, die Vorrichtung in der entgegengesetzten Richtung anzuordnen, wobei der Keimkristall auf dem Boden der Vorrichtung angeordnet ist oder sie in horizontaler Richtung anzuordnen, wobei der Keimhalter entweder vor – oder nachgelagert ist. In der vorliegenden Beschreibung kann die Wachstumskammer 33 entweder im wesentlichen bei Atmosphärendruck oder bei einem niedrigen Druck im Bereich von 5 bis 80 kPa (50 bis 800 mbar) gehalten werden, jedoch kann für weitere Orientierungen der Vorrichtung, ein geringer Druck, z. B. weniger als 50 kPa (500 mbar) erforderlich sein, um die gewünschten Einkristallwachstumsraten zu erzielen.
Es soll erwähnt werden, dass der Fachmann sofort erkennen wird, das zahlreiche Komponenten, Formen und Verfahrensparameter verändert werden oder in einem gewissen Ausmaß modifiziert werden können, ohne von dem Bereich und den Zielen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Züchten von großen, Verbindungskristallen (15) eines einzigen Polytyps von einem von a) Siliziumcarbid, b) einem Gruppe III-Nitrid, c) Legierungen davon, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Breitstellen einer Mischung von Gasspezies in einem beheizten Wachstumsgehäuse („growth enclosure”) (7) umfassend einen Keimkristall (13), enthaltend mindestens die Elemente des Verbindungskristalls, in der Weise, dass mindestens eines der Elemente kontinuierlich durch eine Öffnung (22, 23) vorgelagert zu der Wachstumsoberfläche des Kristalls (15) in das Gehäuse (7) zugeführt wird, – Bereitstellen einer separaten Öffnung (14) nachgelagert der Wachstumsoberfläche des Kristalls (15), um einen kontinuierlichen Fluss von restlichen Gasspezies zu entfernen, die sich unter den Bedingungen, die das Wachstum des Kristalls erzielen, nicht abgeschieden haben, charakterisiert dadurch, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst: – Bereitstellen eines zusätzlichen Gasflusses, der mindestens ein Halogenelement enthält, in der Art, dass der Gasfluss erhitzt wird und nachgelagert der Wachstumsfläche des Kristalls eine Abscheidungsrate von festen Phasen verringert und die Seiten (25b) des Kristalls (15) ätzt, und – Kontrollieren eines Durchmessers des Kristalls (15) durch Variieren des zusätzlichen Gasflusses.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: – Erhitzen mindestens einer Region des Wachstumsgehäuses (7) in der vorgelagerten Nähe des Kristalls auf eine Temperatur von mindestens 1900°C und bevorzugt im Bereich von 2000 bis 2600°C, – kontinuierliches Zuführen mindestens eines Siliziumgasprecursors durch ein Silan, ein Chlorsilan oder ein Methylsilan und entweder ein Kohlenwasserstoffprecursor oder eine Kombination davon mit Dampf, der sublimiert ist von einem Feststoff oder Flüssigkeitsquelle zu dem Kristall (15) hin, – Bereitstellen des zusätzlichen Ätzgasflusses, der bevorzugt mindestens Chlor oder Fluor enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: – Bereitstellen des zusätzlichen Ätzgasflusses, bestehend aus Chlor (Cl₂) oder Chlorwasserstoff (HCl) oder Wasserstoff (H₂) oder Fluor (F₂) oder einer Mischung davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: – Heizen mindestens einer Region des Wachstumsgehäuses (7) in der vorgelagerten Nähe des Kristalls (15) auf eine Temperatur von mindestens 1100°C, und bevorzugt im Bereich von 1200 bis 2200°C, – kontinuierlichem Zuführen von mindestens einem Gallium- oder Aluminiummetallorganischen Precursor und einem Stickstoff-enthaltenden Gas zu dem Kristall (15) hin, – Bereitstellen des zusätzlichen Ätzgasflusses, der bevorzugt mindestens Cl oder I enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Bereitstellen des zusätzlichen Ätzgasflusses bestehend aus Chlor (Cl₂) oder Chlorwasserstoff (HCl) oder Wasserstoff (H₂) oder Iodwasserstoff (HI) oder Iod (I₂) oder einer Mischung davon.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Platzieren des Keimkristalls (13) auf einem Keimhalter (12), welcher auf einem rotierenden und gezogenen („pulled”) Schaft (16) aufgebracht ist und Zuführen des zusätzlichen Ätzgasflusses durch den Schaft (16), um der Wachstumsoberfläche des Kristalls (15) nachgelagert zugeführt zu werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Zuführen des zusätzlichen Ätzgasflusses in mindestens einen Kanal (32) entstehend aus dem erhitzten Suszeptor (7) in einer vorgelagerten Region zu der anfänglichen Position des Keimkristalls (13) bevor er für einen wesentlichen Zeitraum gezogen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zusätzliche Ätzgasfluss in einen Kanal (34) zugeführt wird, gebildet zwischen einem äußeren Heizelement (7a) und einem inneren Suszeptor (7c), wobei der innere Suszeptor (7c) sich entlang einer Symmetrieachse parallel zu der Kristallwachstumsrichtung erstreckt und in der unmittelbaren vorgelagerten Nähe der anfänglichen Keimkristall(13)-Position terminiert ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Trägergas kontinuierlich mit der Gasspeziesmischung, die mindestens ein Element des Verbindungskristalls enthält, zugeführt wird, wobei das Trägergas entweder Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Argon oder eine Mischung davon ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Halogen zu Wasserstoff-Verhältnis der Gase von irgendeinem der individuellen zusätzlichen Ätzgasflüsse auf einen Wert eingestellt wird, der die Bildung von festen Ablagerungen entlang der Oberfläche (26, 27) verhindert, welche erwünscht wird, frei von festen Abscheidungen zu bleiben.
Verfahren gemäß einem Ansprüche 1 bis 10, wobei die zusätzliche Ätzgasflussrate und seine Abgabemittel (28, 32, 34) verwendet werden, um den Kristalldurchmesser zu steuern, entweder den Kristall im wesentlichen zylindrisch zu halten oder es dem Kristall während des Verfahrens erlaubt wird, zu expandieren.