RU2811353C1 - METHOD FOR PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811353C1 RU2811353C1 RU2023120970A RU2023120970A RU2811353C1 RU 2811353 C1 RU2811353 C1 RU 2811353C1 RU 2023120970 A RU2023120970 A RU 2023120970A RU 2023120970 A RU2023120970 A RU 2023120970A RU 2811353 C1 RU2811353 C1 RU 2811353C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon carbide
- source
- holes
- cylindrical insert
- ingot
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 121
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 88
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 75
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 44
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003923 SiC 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000005130 seeded sublimation method Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии получения монокристаллического SiC - широко распространенного материала, используемого при изготовления интегральных микросхем.The invention relates to microelectronics and concerns the technology for producing monocrystalline SiC - a widespread material used in the manufacture of integrated circuits.
Слитки монокристаллического SiC обычно выращивают методом сублимации-конденсации (так называемый модифицированный метод Лели). В соответствии с этим методом в ростовом тигле, обычно выполненном из графита, размещают напротив друг друга сверху пластину затравочного монокристалла SiC и снизу источник карбида кремния (порошок карбида кремния) (см. Фиг.1). Перенос частиц карбида кремния из источника карбида кремния на поверхность пластины затравочного монокристалла SiC осуществляют при высоких температурах (обычно выше 2000 °С) в вакууме или атмосфере остаточного инертного газа (аргон, с давлением 50 Па…1000 Па), для чего создают температурный градиент (так называемый аксиальный градиент температуры) между более горячим источником карбида кремния и менее нагретой пластиной затравочного монокристалла SiC (разность температур 20 К…200 К). Single-crystalline SiC ingots are usually grown by the sublimation-condensation method (the so-called modified Lely method). In accordance with this method, in a growth crucible, usually made of graphite, a SiC seed single crystal plate and a silicon carbide source (silicon carbide powder) are placed opposite each other on top (see Fig. 1). The transfer of silicon carbide particles from a silicon carbide source to the surface of a SiC seed single crystal wafer is carried out at high temperatures (usually above 2000 °C) in a vacuum or an atmosphere of residual inert gas (argon, with a pressure of 50 Pa...1000 Pa), for which a temperature gradient is created ( the so-called axial temperature gradient) between a hotter silicon carbide source and a less heated SiC seed single crystal plate (temperature difference 20 K...200 K).
Для наиболее эффективной работы источника в процессе выращивания источник должен целиком располагаться в температурной зоне, при одной и той же температуре. В случае, если это условие не выполняется, порошок карбида кремния в одной области источника может испаряться, а конденсироваться в другой части источника. В результате скорость роста слитка уменьшается. Кроме того, источник срабатывается неравномерно - наблюдается интенсивная графитизация отдельных частей источника, приводящая к попаданию графитовых частиц в объем газовой фазы и на поверхность растущего слитка.For the most efficient operation of the source during the growing process, the source must be located entirely in the temperature zone, at the same temperature. If this condition is not met, silicon carbide powder in one area of the source may evaporate and condense in another part of the source. As a result, the growth rate of the ingot decreases. In addition, the source operates unevenly - intense graphitization of individual parts of the source is observed, leading to the entry of graphite particles into the volume of the gas phase and onto the surface of the growing ingot.
Выращиваемый слиток монокристаллического карбида кремния должен обладать минимумом структурных дефектов, для чего в процессе выращивания вся ростовая поверхность слитка должна иметь плоскую или слабовыпуклую форму. Наличие вогнутых участков на поверхности слитка монокристаллического SiC приводит к деградации слитка - возникновению кустов дислокаций и сбою растущего политипа. Перенос карбида кремния в процессе выращивания осуществляется в зазоре между источником и пластиной затравочного монокристалла. Для того, чтобы обеспечить слабовыпуклую поверхность растущего слитка монокристаллического карбида кремния, необходимо обеспечить одинаковую температуру поверхности источника, обращенной к пластине затравочного монокристалла, а также создать относительно небольшой градиент температуры вдоль по поверхности пластины затравочного монокристалла (так называемый латеральный градиент температуры - для разращивания слитка), с минимальной температурой в центре пластины затравочного монокристалла (см. Фиг.2, стрелками указано направление переноса паров карбида кремния). Таким образом, аксиальный температурный градиент в центре пластины затравочного монокристалла немного выше, чем на периферии пластины.The grown ingot of single-crystalline silicon carbide must have a minimum of structural defects, for which, during the growth process, the entire growth surface of the ingot must have a flat or slightly convex shape. The presence of concave areas on the surface of a single-crystal SiC ingot leads to degradation of the ingot - the appearance of dislocation clusters and failure of the growing polytype. The transfer of silicon carbide during the growth process occurs in the gap between the source and the seed single crystal plate. In order to ensure a slightly convex surface of a growing single-crystalline silicon carbide ingot, it is necessary to ensure the same temperature of the source surface facing the seed single-crystal plate, as well as to create a relatively small temperature gradient along the surface of the seed single-crystal plate (the so-called lateral temperature gradient - for growing the ingot) , with a minimum temperature in the center of the seed single crystal plate (see Figure 2, arrows indicate the direction of silicon carbide vapor transfer). Thus, the axial temperature gradient at the center of the seed single crystal wafer is slightly higher than at the periphery of the wafer.
Резистивные нагревательные элементы обычно размещают с внешней стороны от боковых стенок ростового тигля. Таким образом, в процессе выращивания слитка наиболее сильно нагреваются боковые стенки ростового тигля, а также периферийные части источника, прилегающие к боковым стенкам ростового тигля. Глубинные части источника прогреваются за счет теплопроводности порошка карбида кремния.Resistive heating elements are usually placed on the outside of the side walls of the growth crucible. Thus, during the process of growing an ingot, the side walls of the growth crucible, as well as the peripheral parts of the source adjacent to the side walls of the growth crucible, heat up most strongly. The deep parts of the source are heated due to the thermal conductivity of the silicon carbide powder.
Известно, что карбид кремния в виде объемного монокристалла обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью (до 120-150 Вт/м⋅К), однако существенно уменьшается при температурах выше 1000 °С [Кхин Маунг Сое Композиционная керамика на основе карбида кремния с эвтектическими добавками в системах Al2O3-TiO2-MnO, Al2O3-MnO-SiO2, MgO-SiO2, Al2O3(MgO)-MgO-SiO2// Дисс. на соискание...канд.техн.наук. М., РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2019. 109 с.]. Теплопроводность спеченных порошков карбида кремния относительно невелика (λ = 13 Вт/(м⋅К) при температуре 2200 К) [https://shaxsu.ru/runy/karborund-formula.html], причем с трудом поддается аналитическому расчету [Волченко Т.С., Яловец А.П. Расчет эффективной теплопроводности порошковых материалов из сферических частиц в газовой атмосфере// Журнал технической физики. 2016. Том 86, вып. 3. С.8-19]. В ростовом тигле обычно возникают температурные неоднородности - как в объеме источника, так и на его поверхности, обращенной к пластине затравочного монокристалла (см. Фиг.3, T1>T2). В результате, в центральной части поверхности источника, обращенной к пластине затравочного монокристалла, температура ниже, соответствующий аксиальный градиент также будет ниже, как и скорость роста слитка карбида кремния в центральной части пластины затравочного монокристалла. Соответственно, перенос паров будет происходить не только в направлении пластины затравочного монокристалла, но и с периферии источника в его центральную часть (см. Фиг.3, показан стрелками). На поверхности источника это приведет к нарастанию материала на поверхности источника, в центральной ее части, и к быстрому обуглероживанию периферийной части поверхности источника. Слиток карбида кремния будет иметь вогнутость в центральной части, что приведет к появлению многочисленных дефектов в виде кустов дислокаций или сбоя растущего политипа. Кроме того, скорость роста слитка снизится, уменьшится и эффективность использования источника. Рассмотренный эффект незначителен для небольших диаметров ростового тигля (соответственно, для небольших, до 76 мм в диаметре пластин затравочных кристаллов). Для бόльших диаметров пластин затравочных кристаллов (от 100 мм в диаметре и выше) провал по скорости роста в центральной части слитка уже будет существенным, вследствие значительного удаления нагревателя от центральной части слитка.It is known that silicon carbide in the form of a bulk single crystal has extremely high thermal conductivity (up to 120-150 W/m⋅K), but decreases significantly at temperatures above 1000 °C [Khin Maung Soe Composite ceramics based on silicon carbide with eutectic additives in Al systems 2 O 3 -TiO 2 -MnO, Al 2 O 3 -MnO-SiO 2 , MgO-SiO 2 , Al 2 O 3 (MgO)-MgO-SiO 2 // Diss. for the candidate...candidate of technical sciences. M., Russian Chemical Technical University named after. DI. Mendeleev. 2019. 109 p.]. The thermal conductivity of sintered silicon carbide powders is relatively low (λ = 13 W/(m⋅K) at a temperature of 2200 K) [https://shaxsu.ru/runy/karborund-formula.html], and is difficult to calculate analytically [Volchenko T S.S., Yalovets A.P. Calculation of the effective thermal conductivity of powder materials from spherical particles in a gas atmosphere // Journal of Technical Physics. 2016. Volume 86, issue. 3. P.8-19]. Temperature inhomogeneities usually occur in the growth crucible - both in the volume of the source and on its surface facing the plate of the seed single crystal (see Figure 3, T 1 >T 2 ). As a result, in the central part of the source surface facing the seed single crystal wafer, the temperature is lower, the corresponding axial gradient will also be lower, as well as the growth rate of the silicon carbide ingot in the central part of the seed single crystal wafer. Accordingly, vapor transfer will occur not only in the direction of the seed single crystal plate, but also from the periphery of the source to its central part (see Fig. 3, shown by arrows). On the surface of the source, this will lead to the growth of material on the surface of the source, in its central part, and to rapid carbonization of the peripheral part of the surface of the source. The silicon carbide ingot will have a concavity in the central part, which will lead to the appearance of numerous defects in the form of dislocation bushes or failure of the growing polytype. In addition, the growth rate of the ingot will decrease, and the efficiency of using the source will also decrease. The effect considered is insignificant for small diameters of the growth crucible (correspondingly, for small plates of seed crystals, up to 76 mm in diameter). For larger diameters of seed crystal plates (from 100 mm in diameter and above), the dip in growth rate in the central part of the ingot will already be significant, due to the significant distance of the heater from the central part of the ingot.
Известны способы получения монокристаллического SiC, позволяющие частично избавиться от этих недостатков.There are known methods for producing single-crystal SiC that make it possible to partially eliminate these disadvantages.
Так, известен способ выращивания монокристаллов карбида кремния, в котором нагрев источника (порошка карбида кремния) осуществляется с помощью двух коаксиальных нагревателей, один из которых расположен с внешней стороны ростового тигля, а второй - в центральной части ростового тигля, в зоне размещения порошка (RU2770838, С30В23/00, C30B33/02, C30B29/36, 2021). При установке пластины затравочного монокристалла на заданном расстоянии от поверхности источника могут быть минимизированы такие дефекты как политипные включения, дислокации, микропоры и включения графита. Очевидно, что такой способ, при правильно подобранной мощности на обоих нагревателях позволяет частично выровнять вогнутость в центральной части слитка, но не решает проблему целиком, так как поверхность источника между нагревателями также будет иметь неоднородности по температуре, только меньшие по абсолютной величине. Кроме того, способ трудоемок вследствие необходимости подбора мощности на нагревателях. Создание центрального нагревателя, который должен иметь относительно небольшие размеры и оперировать в пространстве вакуумной камеры, представляет значительные сложности.Thus, there is a known method for growing silicon carbide single crystals, in which the source (silicon carbide powder) is heated using two coaxial heaters, one of which is located on the outside of the growth crucible, and the second in the central part of the growth crucible, in the area where the powder is placed (RU2770838 , C30B23/00, C30B33/02, C30B29/36, 2021). When installing a seed single crystal plate at a given distance from the source surface, defects such as polytype inclusions, dislocations, micropores and graphite inclusions can be minimized. Obviously, this method, with correctly selected power on both heaters, makes it possible to partially level out the concavity in the central part of the ingot, but does not solve the problem entirely, since the surface of the source between the heaters will also have temperature inhomogeneities, only smaller in absolute value. In addition, the method is labor-intensive due to the need to select power on the heaters. Creating a central heater, which must be relatively small in size and operate in the space of a vacuum chamber, presents significant difficulties.
Другим путем улучшения структурного качества слитков монокристаллического SiC является выращивание слитка монокристаллического карбида кремния в тепловом контакте с поликристаллическим SiC, что обеспечивает выравнивание температуры поверхности слитка монокристаллического SiC, для препятствия образованию микротрещин и других дефектов (JP 2001114598, С30В 29/36, С30В 29/10, 2001). Способ частично решает проблему неоднородностей по температуре, но малоэффективен для пластин затравочных кристаллов больших диаметров. Кроме того, контакт с поликристаллом может привести к инжекции напряжений в растущий слиток монокристаллического SiC и к его последующей деградации.Another way to improve the structural quality of single-crystalline SiC ingots is to grow a single-crystalline silicon carbide ingot in thermal contact with polycrystalline SiC, which equalizes the surface temperature of the single-crystalline SiC ingot to prevent the formation of microcracks and other defects (JP 2001114598, C30B 29/36, C30B 29/10 , 2001). The method partially solves the problem of temperature inhomogeneities, but is ineffective for large-diameter seed crystal plates. In addition, contact with a polycrystal can lead to stress injection into the growing single-crystalline SiC ingot and its subsequent degradation.
В качестве средства для выравнивания аксиального градиента температуры по площади поверхности растущего слитка монокристаллического SiC и - соответственно - для роста слитка с плоской или слабовыпуклой поверхностью известно использование теплового экрана в виде набора экранирующих пластин из различных марок графита, установленных в пространстве переноса паровой фазы SiC (JP 2000264795, С30В 23/00, С30В 29/36, С30В 29/10, 2000). Такой способ способствует уменьшению температурной неоднородности, но обладает малой воспроизводимостью, поскольку экран сложно установить достаточно точно. Кроме того, экран обрастает поликристаллом карбида кремния и эффективно снижает полезную скорость роста слитка монокристаллического SiC. Также, использование экрана приводит к эффективному перераспределению паровых потоков в ростовом тигле, что увеличивает вероятность появления дефектов в растущем слитке монокристаллического SiC.As a means for leveling the axial temperature gradient over the surface area of a growing single-crystalline SiC ingot and, accordingly, for the growth of an ingot with a flat or slightly convex surface, it is known to use a heat screen in the form of a set of shielding plates made of different grades of graphite installed in the SiC vapor phase transfer space (JP 2000264795, С30В 23/00, С30В 29/36, С30В 29/10, 2000). This method helps to reduce temperature inhomogeneity, but has low reproducibility, since the screen is difficult to install accurately enough. In addition, the screen becomes overgrown with polycrystalline silicon carbide and effectively reduces the useful growth rate of the single-crystalline SiC ingot. Also, the use of a screen leads to an effective redistribution of vapor flows in the growth crucible, which increases the likelihood of defects appearing in the growing single-crystal SiC ingot.
Эффективное выравнивание аксиального температурного градиента может быть выполнено с использованием барьерных уловителей углерода, расположенных между источником карбида кремния и пластиной затравочного монокристалла SiC. Барьерный уловитель в виде перегородки из пористого углерода, установленный в пространстве между источником карбида кремния и затравочным монокристаллом SiC (US 4866005, H01L 21/205, H01L 21/36, 1989; CN 202430332, С30В 23/02, С30В 29/02, 2012), выравнивает аксиальный температурный градиент по площади поверхности затравочного монокристалла карбида кремния, но эффективно снижает скорость роста слитка монокристаллического SiC до коммерчески неприемлемых значений. Такие же недостатки имеет барьерный уловитель в виде двух и более перекрывающихся пластин из жаропрочного материала (RU 2405071, С30В 23/00, С30В 29/36, 2010), вследствие увеличения пути потока. Кроме того, сами барьерные уловители в пространстве внутри ростового тигля могут являться источником загрязнения растущего слитка монокристаллического карбида кремния частицами углерода или тугоплавких металлов.Effective equalization of the axial temperature gradient can be achieved using barrier carbon traps located between the silicon carbide source and the SiC seed single crystal wafer. A barrier trap in the form of a partition made of porous carbon, installed in the space between the silicon carbide source and the seed SiC single crystal (US 4866005, H01L 21/205, H01L 21/36, 1989; CN 202430332, C30B 23/02, C30B 29/02, 2012 ), evens out the axial temperature gradient over the surface area of the seed single crystal of silicon carbide, but effectively reduces the growth rate of the single-crystal SiC ingot to commercially unacceptable values. The barrier trap in the form of two or more overlapping plates made of heat-resistant material (RU 2405071, C30B 23/00, C30B 29/36, 2010) has the same disadvantages, due to an increase in the flow path. In addition, the barrier traps themselves in the space inside the growth crucible can be a source of contamination of the growing single-crystalline silicon carbide ingot with particles of carbon or refractory metals.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ получения слитка монокристаллического SiC (JP2015212207 (A), “Method for manufacturing silicon carbide single crystal ingot”, C30B29/36, 2015), в котором выращивают монокристалл карбида кремния методом сублимации, а на поверхности источника, в центральной ее части, располагают графитовый элемент, имеющий форму пластины или конуса, направленного острием вниз. Элемент лежит на поверхности источника или частично зарыт в источник и служит для более эффективного использования материала источника при выращивании слитков большого диаметра.The closest to the claimed technical essence is a method for producing a single crystal SiC ingot (JP2015212207 (A), “Method for manufacturing silicon carbide single crystal ingot”, C30B29/36, 2015), in which a single crystal of silicon carbide is grown by sublimation, and on the surface of the source , in its central part, a graphite element is placed in the shape of a plate or cone, pointing downwards. The element lies on the surface of the source or is partially buried in the source and serves for more efficient use of the source material when growing large-diameter ingots.
Способ-прототип частично решает задачу корректировки профиля роста слитка монокристаллического SiC в центральной его части, но также характеризуется недостаточно высоким качеством выращенных слитков монокристаллического карбида кремния. The prototype method partially solves the problem of adjusting the growth profile of a single-crystalline SiC ingot in its central part, but is also characterized by insufficiently high quality of the grown single-crystalline silicon carbide ingots.
Во-первых, графитовый элемент лежит на поверхности и не затрагивает распределение температур в глубине источника. В середине источника по-прежнему наблюдается перенос материала источника с периферии источника в центральную область. Firstly, the graphite element lies on the surface and does not affect the temperature distribution deep in the source. In the middle of the source, there is still a transfer of source material from the periphery of the source to the central region.
Во-вторых, графитовая пластина, лежащая на поверхности источника, будет обрастать поликристаллическим карбидом кремния, что также снижает скорость роста слитка монокристаллического SiC и уменьшает эффективность источника.Secondly, a graphite plate lying on the surface of the source will be overgrown with polycrystalline silicon carbide, which also reduces the growth rate of the single-crystalline SiC ingot and reduces the efficiency of the source.
В-третьих, графитовый элемент на поверхности источника активно изменяет направление движения газовых потоков в пространстве между пластиной затравочного монокристалла и поверхностью источника, что может привести к инжекции различных дефектов или включений углерода в поверхность растущего слитка монокристаллического карбида кремния.Thirdly, the graphite element on the surface of the source actively changes the direction of movement of gas flows in the space between the plate of the seed single crystal and the surface of the source, which can lead to the injection of various defects or carbon inclusions into the surface of the growing single-crystal silicon carbide ingot.
В-четвертых, поверхность графитового элемента, лежащая напротив поверхности растущего слитка монокристаллического SiC, может служить источником включений в растущий слиток монокристаллического карбида кремния.Fourth, the surface of the graphite element lying opposite the surface of the growing single-crystalline SiC ingot can serve as a source of inclusions in the growing single-crystalline silicon carbide ingot.
Таким образом, способ-прототип создает новые источники дефектов в растущем слитке монокристаллического SiC и - кроме того - снижает эффективность источника. Thus, the prototype method creates new sources of defects in a growing ingot of single-crystal SiC and - in addition - reduces the efficiency of the source.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения слитков монокристаллического SiC, обеспечивающего технический результат, заключающийся в улучшении качества слитков монокристаллического SiC при снижении затрат на проведение способа.The objective of the present invention is to create a method for producing single-crystalline SiC ingots, providing a technical result consisting in improving the quality of single-crystalline SiC ingots while reducing the cost of carrying out the method.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения монокристаллического SiC, включающем сублимацию источника карбида кремния на пластину затравочного монокристалла SiC диаметром D, в нижней части ростового тигля размещают цилиндрическую вставку из плотного графита радиусом R, в которой конструктивно выполнены вертикальные отверстия, для размещения в них источника - порошка карбида кремния, с характерными размерами отверстий d1, такими, что d1 < R, и зазорами между отверстиями с размерами d2, такими, что d2 ≥ 0,1R, причем суммарная площадь сечения всех отверстий составляет не менее 40% от площади торца цилиндрической вставки, а расстояние H между верхней поверхностью цилиндрической вставки и пластиной затравочного монокристалла выбирается из приближенного условия d1 < H < D.The essence of the invention lies in the fact that in the method of producing single-crystal SiC, including sublimation of a source of silicon carbide onto a plate of a seed SiC single crystal with a diameter D, a cylindrical insert of dense graphite with a radius R is placed in the lower part of the growth crucible, in which vertical holes are structurally made for placement in source - silicon carbide powder, with characteristic hole sizes d1, such that d1 < R, and gaps between holes with sizes d2, such that d2 ≥ 0.1R, and the total cross-sectional area of all holes is at least 40% of the area the end of the cylindrical insert, and the distance H between the upper surface of the cylindrical insert and the plate of the seed single crystal is selected from the approximate condition d1 < H < D.
Цилиндрическая вставка изготавливается из плотного конструкционного графита с высоким значением теплопроводности (> 100 Вт/(м⋅К)) и имеет диаметр, позволяющий разместить ее внутри ростового тигля, в нижней его части.The cylindrical insert is made of dense structural graphite with a high thermal conductivity (> 100 W/(m⋅K)) and has a diameter that allows it to be placed inside the growth crucible, in its lower part.
На верхнем торце цилиндрической вставки конструктивно выполнены сквозные или глухие отверстия круглой формы, которые не приводят к потере целостности цилиндрической вставки, то есть выполнены с зазорами между ними. В случае, если круглые отверстия имеют разный диаметр, под размером d1 понимается диаметр максимального отверстия. Также могут быть выполнены отверстия с формой, отличной от круглой, например, пазы. В этом случае характерным размером отверстия d1 является меньший из размеров паза. В случае, если пазы имеют разный размер, под d1 подразумевается меньший размер наиболее широкого паза.At the upper end of the cylindrical insert, through or blind holes of a round shape are structurally made, which do not lead to loss of integrity of the cylindrical insert, that is, they are made with gaps between them. If round holes have different diameters, size d1 refers to the diameter of the maximum hole. Holes with a shape other than round, for example grooves, can also be made. In this case, the characteristic hole size d1 is the smaller of the groove dimensions. If the grooves have different sizes, d1 means the smaller size of the widest groove.
Зазоры между отверстиями могут иметь различные размеры, но для реализации заявленного способа размер наименьшего из них должен удовлетворять примерному условию d2 ≥ 0,1R.The gaps between the holes can have different sizes, but to implement the claimed method, the size of the smallest of them must satisfy the approximate condition d2 ≥ 0.1R.
Цилиндрическая вставка может быть предварительно покрыта пленкой карбида тантала или пироуглерода.The cylindrical insert can be pre-coated with a film of tantalum carbide or pyrolytic carbon.
Предлагаемый способ обладает отличиями, позволяющими улучшить качество выращиваемых слитков монокристаллического SiC при уменьшении затрат на проведение способа.The proposed method has differences that make it possible to improve the quality of grown single-crystalline SiC ingots while reducing the cost of carrying out the method.
В пространстве внутри ростового тигля, в нижней его части размещают цилиндрическую вставку из плотного конструкционного графита, обладающего высокой теплопроводностью. Во всех отверстиях, выполненных в этой вставке, размещается порошок карбида кремния - источник, разделенный на секции. Применение теплопроводящей цилиндрической вставки с учетом геометрических ограничений на отверстия и зазоры между ними позволяет эффективно выровнять температуру всех частей источника, размещенных во всех секциях, и устранить температурные неоднородности - как в объеме всех частей источника, так и на их поверхности. В результате, на верхнем торце цилиндрической вставки температура во всех точках, как в центральной части, так и на периферии, будет примерно одинакова. Соответственно, при постоянстве температуры во всех точках пластины затравочного монокристалла перенос паров будет происходить только в направлении от цилиндрической вставки к пластине затравочного монокристалла. При выполнении ограничений на размеры отверстий, зазоры между ними и на расстояние от пластины затравочного монокристалла до верхнего торца цилиндрической вставки растущий слиток монокристаллического SiC будет иметь слабовыпуклую или плоскую форму во всех точках поверхности, что приведет к снижению плотностей дефектов, таких как дислокации, микропоры и включения других политипов и улучшению качества слитков монокристаллического SiC. В то же время, чтобы обеспечить примерно равномерную плотность отверстий по площади цилиндрической вставки, суммарная площадь сечения всех отверстий (секций источника) должна составлять не менее 40% от площади торца цилиндрической вставки.In the space inside the growth crucible, in its lower part, a cylindrical insert made of dense structural graphite, which has high thermal conductivity, is placed. All holes made in this insert contain silicon carbide powder - a source divided into sections. The use of a heat-conducting cylindrical insert, taking into account geometric restrictions on the holes and gaps between them, makes it possible to effectively equalize the temperature of all parts of the source located in all sections and eliminate temperature inhomogeneities - both in the volume of all parts of the source and on their surface. As a result, at the upper end of the cylindrical insert the temperature at all points, both in the central part and at the periphery, will be approximately the same. Accordingly, at a constant temperature at all points of the seed single crystal plate, vapor transfer will occur only in the direction from the cylindrical insert to the seed single crystal plate. When restrictions are met on the size of the holes, the gaps between them and on the distance from the seed single crystal plate to the upper end of the cylindrical insert, the growing ingot of single crystal SiC will have a slightly convex or flat shape at all points of the surface, which will lead to a decrease in the density of defects such as dislocations, micropores and inclusion of other polytypes and improving the quality of single-crystal SiC ingots. At the same time, in order to ensure an approximately uniform density of holes over the area of the cylindrical insert, the total cross-sectional area of all holes (source sections) must be at least 40% of the end area of the cylindrical insert.
Предлагаемый способ обладает отличиями, позволяющими снизить затраты на проведение способа. The proposed method has differences that make it possible to reduce the cost of carrying out the method.
При выравнивании температуры на поверхности и в объеме источника при использовании цилиндрической вставки источник срабатывается равномерно, отсутствует массоперенос из одной части источника в другую (например, с периферии в центральную область единого источника), скорость роста слитка монокристаллического карбида кремния даже при меньшем объеме источника возрастает, что увеличивает ресурс источника в часах и снижает таким образом затраты на проведение способа. Наличие зазоров между отверстиями может снизить суммарную площадь поверхности источника и уменьшить скорость роста слитка монокристаллического SiC, поэтому суммарная площадь сечения всех отверстий (секций источника) должна быть не менее 40% от площади торца цилиндрической вставки.When the temperature on the surface and in the volume of the source is equalized when using a cylindrical insert, the source operates evenly, there is no mass transfer from one part of the source to another (for example, from the periphery to the central region of a single source), the growth rate of a single-crystalline silicon carbide ingot increases even with a smaller volume of the source, which increases the source resource in hours and thus reduces the cost of carrying out the method. The presence of gaps between the holes can reduce the total surface area of the source and reduce the growth rate of the single-crystal SiC ingot, therefore the total cross-sectional area of all holes (source sections) must be at least 40% of the end area of the cylindrical insert.
Предлагаемое изобретение иллюстрируют следующие чертежи.The present invention is illustrated by the following drawings.
Фиг.1 - схематичное изображение ростового тигля с внешним нагревателем и единым источником, вид сбоку в разрезе;Figure 1 is a schematic representation of a growth crucible with an external heater and a single source, cross-sectional side view;
Фиг.2 - схематичное изображение ростового тигля с выращенным слитком монокристаллического SiC малого диаметра с единым источником, вид сбоку в разрезе;Figure 2 is a schematic representation of a growth crucible with a grown ingot of single-crystalline SiC of small diameter with a single source, side sectional view;
Фиг.3 - схематичное изображение ростового тигля с выращенным слитком монокристаллического SiC большого диаметра с единым источником, вид сбоку в разрезе;Figure 3 is a schematic representation of a growth crucible with a grown ingot of large-diameter single-crystalline SiC with a single source, side sectional view;
Фиг.4 - схематичное изображение ростового тигля с выращенным слитком монокристаллического SiC с цилиндрической вставкой, (а) - вид сбоку в разрезе, (б) - разрез секционированного источника;Figure 4 is a schematic representation of a growth crucible with a grown ingot of single-crystal SiC with a cylindrical insert, (a) a side view in section, (b) a section of a sectioned source;
Фиг.5 - цилиндрическая вставка с отверстиями, вид сверху с характеристическими размерами;Figure 5 - cylindrical insert with holes, top view with characteristic dimensions;
Фиг.6 - цилиндрическая вставка с пазами, вид сверху с характеристическими размерами.Fig.6 - cylindrical insert with grooves, top view with characteristic dimensions.
Цифрами на фигурах (Фиг.1-6) обозначены: 1 - ростовой тигель, 2 - источник, 3 -держатель затравки, 4 - пластина затравочного монокристалла, 5 - внешний нагреватель, 6 - теплоизоляционный экран, 7 -отверстие в теплоизоляционном экране, 8 - слиток монокристаллического карбида кремния, 9 - цилиндрическая вставка, 10 - отверстия в цилиндрической вставке.The numbers in the figures (Fig. 1-6) indicate: 1 - growth crucible, 2 - source, 3 - seed holder, 4 - seed monocrystal plate, 5 - external heater, 6 - heat-insulating screen, 7 - hole in the heat-insulating screen, 8 - ingot of monocrystalline silicon carbide, 9 - cylindrical insert, 10 - holes in the cylindrical insert.
Буквами на фигурах (Фиг.1-6) обозначены: H - расстояние от верхнего торца источника 2 или верхнего торца цилиндрической вставки 9 до пластины затравочного монокристалла 4, d1 - характерный размер отверстий 10, d2 - размер зазоров между отверстиями 10, R - радиус цилиндрической вставки, T1, T2 - температуры различных участков источника.The letters in the figures (Fig. 1-6) indicate: H is the distance from the upper end of the source 2 or the upper end of the cylindrical insert 9 to the seed single crystal plate 4, d1 is the characteristic size of the holes 10, d2 is the size of the gaps between the holes 10, R is the radius cylindrical insert, T1, T2 - temperatures of different sections of the source.
Стрелками в ростовом тигле показаны направления массовых потоков в разных частях источника.Arrows in the growth crucible show the directions of mass flows in different parts of the source.
Конструкция ростового тигля, исторически используемая для выращивания слитков монокристаллического карбида кремния, схематично представлена на Фиг.1 [Tairov Yu.M. Growth of bulk SiC // Materials Science and Engineering: B. 1995. Vol.29. N1-3. P.83-89]. Внутри ростового тигля 1 обычно располагаются: в нижней части ростового тигля 1 - источник 2 (порошок карбида кремния), держатель затравки 3 с пластиной затравочного монокристалла 4, а также теплоизоляционный экран 6 с отверстием 7 для формирования аксиального и латерального градиентов. Нагрев осуществляется с помощью резистивного нагревателя 5, расположенного вблизи наружной боковой стенки ростового тигля 1.The design of a growth crucible, historically used for growing single-crystalline silicon carbide ingots, is schematically presented in Figure 1 [Tairov Yu.M. Growth of bulk SiC // Materials Science and Engineering: B. 1995. Vol.29. N1-3. P.83-89]. Inside the growth crucible 1 there are usually located: in the lower part of the growth crucible 1 - source 2 (silicon carbide powder), a seed holder 3 with a seed single crystal plate 4, as well as a heat-insulating screen 6 with hole 7 for the formation of axial and lateral gradients. Heating is carried out using a resistive heater 5 located near the outer side wall of the growth crucible 1.
Выращенный слиток монокристаллического SiC 8, имеющий диаметр менее 76 мм и выпуклую поверхность ростовой поверхности во всех ее точках, схематично показан на Фиг.2. Слиток монокристаллического SiC с диаметром 100 мм и более, имеющий вогнутый участок в центральной части ростовой поверхности, схематично представлен на Фиг.3.A grown single-crystalline SiC 8 ingot having a diameter of less than 76 mm and a convex growth surface at all points is shown schematically in FIG. 2. An ingot of single-crystalline SiC with a diameter of 100 mm or more, having a concave section in the central part of the growth surface, is shown schematically in Fig. 3.
В качестве технического средства для осуществления предлагаемого способа может быть использован ростовой тигель 1 (Фиг.4 а, б), имеющий цилиндрический корпус из плотного конструкционного графита. В нижней части ростового тигля 1 размещена цилиндрическая вставка 9, также из плотного конструкционного графита, с высокой теплопроводностью (> 100 Вт/(м⋅К)). Внешний диаметр цилиндрической вставки немного меньше внутреннего диаметра ростового тигля 1, что обеспечивает свободную посадку цилиндрической вставки 9 в теле ростового тигля 1. Цилиндрическая форма вставки 9 определяется цилиндрической симметрией нагревателя 5 и ростового тигля 1 и обеспечивает равномерность нагрева вставки во всех направлениях, нормальных к оси ростового тигля 1.As a technical means for implementing the proposed method, growth crucible 1 (Figure 4 a, b), having a cylindrical body made of dense structural graphite, can be used. In the lower part of the growth crucible 1 there is a cylindrical insert 9, also made of dense structural graphite, with high thermal conductivity (> 100 W/(m⋅K)). The outer diameter of the cylindrical insert is slightly smaller than the inner diameter of the growth crucible 1, which ensures a free fit of the cylindrical insert 9 in the body of the growth crucible 1. The cylindrical shape of the insert 9 is determined by the cylindrical symmetry of the heater 5 and the growth crucible 1 and ensures uniform heating of the insert in all directions normal to the axis growth crucible 1.
В теле цилиндрической вставки 9 со стороны верхнего торца конструктивно выполнены вертикальные отверстия 10. Во всех отверстиях 10 размещают источник 2 - порошок карбида кремния. Над цилиндрической вставкой 9 на расстоянии H от верхнего края цилиндрической вставки размещают графитовый держатель затравки 3 с приклеенной пластиной затравочного монокристалла 4. Над держателем затравки 3 располагают теплоизоляционный экран 6, выполненный из графитового войлока, с отверстием 7 - для формирования аксиального и латерального градиентов в области пластины затравочного монокристалла 4.In the body of the cylindrical insert 9, on the upper end side, vertical holes 10 are structurally made. In all holes 10, a source 2 is placed - silicon carbide powder. A graphite seed holder 3 with a glued plate of a seed single crystal 4 is placed above the cylindrical insert 9 at a distance H from the upper edge of the cylindrical insert. A heat-insulating screen 6 made of graphite felt is placed above the seed holder 3, made of graphite felt, with a hole 7 - to form axial and lateral gradients in the area plates of seed single crystal 4.
В процессе выращивания на пластине затравочного монокристалла 4 формируется слиток карбида кремния 8.During the growth process, a silicon carbide ingot 8 is formed on the seed single crystal plate 4.
Отверстия 10 могут иметь произвольную форму. Наиболее технологичными и простыми в изготовлении являются отверстия круглой формы (Фиг.5) или в форме пазов (Фиг.6). Отверстия 10 могут быть сквозными или глухими. The holes 10 can have any shape. The most technologically advanced and easiest to manufacture are round-shaped holes (Fig. 5) or in the form of grooves (Fig. 6). Holes 10 can be through or blind.
Цилиндрическая вставка 9 характеризуется радиусом R, а также характеристическими размерами отверстий d1 и зазоров между ними d2. В случае круглых отверстий d1 - диаметр отверстия, для пазов d1 - ширина паза. The cylindrical insert 9 is characterized by a radius R, as well as the characteristic dimensions of the holes d1 and the gaps between them d2. In the case of round holes, d1 is the diameter of the hole; for grooves, d1 is the width of the groove.
Ограничение, накладываемое на величину отверстий (d1 < R), а также на суммарную площадь отверстий (не менее 40% от площади торца цилиндрической вставки), определяет примерно равномерное распределение отверстий (секций источника) по площади торца цилиндрической вставки.The limitation imposed on the size of the holes (d1 < R), as well as on the total area of the holes (at least 40% of the end area of the cylindrical insert), determines the approximately uniform distribution of holes (source sections) over the end area of the cylindrical insert.
Ограничение, накладываемое на величину зазоров между отверстиями (d2 ≥ 0,1R), определяет условия для выравнивания температуры по поверхности верхнего торца и всему объему цилиндрической вставки, а, следовательно, по объему всех секций источника.The limitation imposed on the size of the gaps between the holes (d2 ≥ 0.1R) determines the conditions for equalizing the temperature over the surface of the upper end and the entire volume of the cylindrical insert, and, consequently, over the volume of all sections of the source.
Ограничение, накладываемое на расстояние H между верхней поверхностью цилиндрической вставки и пластиной затравочного монокристалла, ограничивает область применения изобретения:The limitation imposed on the distance H between the upper surface of the cylindrical insert and the seed single crystal plate limits the scope of the invention:
1) Для устранения неоднородности скорости роста слитка монокристаллического SiC, вызванной наличием дискретных отверстий в теле цилиндрической вставки (наличием секций источника) необходимо, чтобы H > d1;1) To eliminate the heterogeneity in the growth rate of a single-crystal SiC ingot caused by the presence of discrete holes in the body of the cylindrical insert (the presence of source sections), it is necessary that H > d1;
2) Для предупреждения потери эффекта выравнивания скорости роста слитка монокристаллического SiC и потери в величине скорости роста вследствие слишком большого расстояния от секций источника до пластины затравочного монокристалла SiC необходимо, чтобы H < D.2) To prevent the loss of the effect of equalizing the growth rate of the single-crystal SiC ingot and the loss in the value of the growth rate due to too large a distance from the source sections to the seed single-crystal SiC wafer, it is necessary that H < D.
Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.
Предварительно создают цилиндрическую вставку 9 из плотного конструкционного графита (обычно изостатического) с радиусом R, позволяющим разместить ее в теле ростового тигля 1. В теле цилиндрической вставки 9 формируют отверстия 10. Цилиндрическая вставка 9 характеризуется радиусом R, характерным размером отверстий d1 и характерным размером зазоров между отверстиями d2, причемA cylindrical insert 9 is first created from dense structural graphite (usually isostatic) with a radius R, allowing it to be placed in the body of the growth crucible 1. Holes 10 are formed in the body of the cylindrical insert 9. The cylindrical insert 9 is characterized by a radius R, a characteristic hole size d1 and a characteristic gap size between holes d2, and
d2 ≥ 0,1R и d1 < R.d2 ≥ 0.1R and d1 < R.
Далее цилиндрическую вставку 9 покрывают пленкой пассивирующего материала (например, карбида тантала или пироуглерода) - для предотвращения коррозии графитовых поверхностей в атмосфере ростового тигля 1 в процессе роста слитка монокристаллического SiC, причем обрабатывают как внешние поверхности цилиндрической вставки 9, так и внутренние поверхности отверстий 10. После этого цилиндрическую вставку 9 размещают внутри ростового тигля 1, на его дне. Во все отверстия 10 засыпают порошок - источник 2, по уровню до верхнего торца цилиндрической вставки 9.Next, the cylindrical insert 9 is covered with a film of passivating material (for example, tantalum carbide or pyrocarbon) to prevent corrosion of graphite surfaces in the atmosphere of the growth crucible 1 during the growth of the single-crystal SiC ingot, and both the outer surfaces of the cylindrical insert 9 and the inner surfaces of the holes 10 are treated. After this, the cylindrical insert 9 is placed inside the growth crucible 1, at its bottom. Powder - source 2 - is poured into all holes 10, level to the upper end of the cylindrical insert 9.
Пластина затравочного материала 4 предварительно подвергается травлению в расплаве щелочи и отмывке от загрязнений. На сторону пластины затравочного монокристалла 4, не предназначенную для роста слитка монокристалла SiC, наносятся защитные слои, которые предотвращают ее испарение в процессе роста слитка монокристаллического SiC.The plate of seed material 4 is preliminarily etched in molten alkali and washed from contaminants. On the side of the seed single crystal plate 4, not intended for the growth of a single crystal SiC ingot, protective layers are applied that prevent its evaporation during the growth of the single crystal SiC ingot.
Держатель затравки 3 конической или цилиндрической формы со дном, изготовленный из графита, также подвергается обработке посредством нанесения слоя пассивирующего материала, после чего на его дне, с внутренней стороны, фиксируется пластина затравочного монокристалла 4. Сам держатель затравки 3 устанавливается в пространстве ростового тигля 1 таким образом, что пластина затравочного монокристалла оказывается во внутреннем пространстве, ограниченном держателем затравки 3 и цилиндрической вставкой 9. Расстояние H между верхним торцом цилиндрической вставки 9 и пластиной затравочного монокристалла 4 определяется высотой боковой стенки держателя затравки 3, причемA seed holder 3 of a conical or cylindrical shape with a bottom, made of graphite, is also processed by applying a layer of passivating material, after which a seed single crystal plate 4 is fixed on its bottom, on the inside. The seed holder 3 itself is installed in the space of the growth crucible 1 like this in such a way that the plate of the seed single crystal appears in the internal space limited by the seed holder 3 and the cylindrical insert 9. The distance H between the upper end of the cylindrical insert 9 and the plate of the seed single crystal 4 is determined by the height of the side wall of the seed holder 3, and
d1 < H < D,d1 < H < D,
где D - диаметр пластины затравочного монокристалла.where D is the diameter of the seed single crystal plate.
Над держателем затравки 3, в верхней части ростового тигля 1 размещается теплоизоляционный экран 6 с отверстием 7, для формирования необходимых градиентов - аксиального и латерального.Above the seed holder 3, in the upper part of the growth crucible 1, a heat-insulating screen 6 with a hole 7 is placed to form the necessary gradients - axial and lateral.
Ростовой тигель 1 размещают в вакуумной камере, внутри пространства нагревателя 5 цилиндрической формы.Growth crucible 1 is placed in a vacuum chamber, inside the space of a cylindrical heater 5.
Проводят выращивание слитка монокристаллического SiC 8, после чего ростовой тигель 1 охлаждают, после напуска аргона извлекают из вакуумной камеры и разбирают. Извлекают слиток монокристаллического SiC 8 и измеряют форму фронта кристаллизации. После распиловки слитка на пластины определяют средние плотности дислокаций, методом жидкостного селективного травления в расплаве щелочи с последующим микроскопическим исследованием картин травления. Паразитные включения политипов определяют визуально, по цвету различных участков пластин на свету.An ingot of single-crystalline SiC 8 is grown, after which the growth crucible 1 is cooled and, after filling with argon, removed from the vacuum chamber and disassembled. An ingot of single-crystalline SiC 8 is removed and the shape of the crystallization front is measured. After sawing the ingot into plates, the average dislocation density is determined using the method of selective liquid etching in molten alkali, followed by microscopic examination of the etching patterns. Parasitic inclusions of polytypes are determined visually, by the color of various sections of the plates in the light.
Примеры реализации предлагаемого способа представлены ниже.Examples of implementation of the proposed method are presented below.
Пример. Способ проводили в ростовом тигле 1 высотой 400 мм и внутренним диаметром 170 мм, изготовленном из плотного конструкционного графита МПГ-8. Цилиндрическая вставка 9, также изготовленная из графита МПГ-8, имела наружный радиус 84 мм и высоту 200 мм. Цилиндрическая вставка 9 имела вид, представленный на фиг.5. Размеры сквозных отверстий составляли d1 = 50 мм, зазоров d2 = 8,5 мм. Суммарное сечение отверстий составляет 62% от площади торца цилиндрической вставки. Example. The method was carried out in growth crucible 1 with a height of 400 mm and an internal diameter of 170 mm, made of dense structural graphite MPG-8. Cylindrical insert 9, also made of MPG-8 graphite, had an outer radius of 84 mm and a height of 200 mm. The cylindrical insert 9 had the form shown in Fig.5. The dimensions of the through holes were d1 = 50 mm, the gaps d2 = 8.5 mm. The total cross-section of the holes is 62% of the end area of the cylindrical insert.
Для размеров отверстий выполняется условие For hole sizes, the following condition is met:
d1 = 50 мм < R = 84 мм,d1 = 50 mm < R = 84 mm,
а для зазоров, соответственно,and for gaps, respectively,
d2 = 8,5 мм ≥ 0,1R = 8,4 мм.d2 = 8.5 mm ≥ 0.1R = 8.4 mm.
Поверхности цилиндрической вставки предварительно пассивировали, покрывая тонкой пленкой поликристаллического карбида тантала (20-30 мкм толщиной) - для защиты от действия паров карбида и увеличения срока службы цилиндрической вставки 9. Далее цилиндрическую вставку 9 размещали внутри ростового тигля, в сквозные отверстия засыпали источник 10 - порошок карбида кремния собственного производства (крупностью 200 - 300 мкм, насыпной плотности 1,2 г/см3), по уровню - до верхнего торца цилиндрической вставки, общей массой 3100 г. The surfaces of the cylindrical insert were pre-passivated, covered with a thin film of polycrystalline tantalum carbide (20-30 microns thick) - to protect against the action of carbide vapors and increase the service life of the cylindrical insert 9. Next, the cylindrical insert 9 was placed inside a growth crucible, and the source 10 was poured into the through holes - Silicon carbide powder of our own production (size 200 - 300 microns, bulk density 1.2 g/cm 3 ), level - up to the upper end of the cylindrical insert, with a total weight of 3100 g.
Изготавливали держатель затравки 3 в форме усеченного конуса, с дном ( см. фиг.1-4) высотой 80 мм. Использовали пластины затравочного монокристалла SiC 4 из карбида кремния политипа 4Н номинальной ориентации (0001) и отклонением в 4° в направлении азимута [11-20] со средней по поверхности плотностью микропор в пластине затравочного монокристалла SiC порядка 10 см-2, диаметром 105 мм. Подготовленную пластину затравочного монокристалла 4 приклеивали на дно держателя затравки 3 таким образом, чтобы при установке держателя затравки 3 в ростовой тигель 1 в соответствии с фиг.1 пластина затравочного монокристалла 4 оказалась во внутренней полости, образованной верхним торцом цилиндрической вставки 9 и внутренними стенками и дном держателя 3 пластины затравочного монокристалла 4.A seed holder 3 was made in the shape of a truncated cone, with a bottom (see Fig. 1-4) 80 mm high. We used SiC 4 seed single crystal plates made of silicon carbide of the 4H polytype with a nominal orientation (0001) and a deviation of 4° in the azimuth direction [11-20] with an average surface density of micropores in the SiC seed single crystal plate of the order of 10 cm -2 , with a diameter of 105 mm. The prepared plate of the seed single crystal 4 was glued to the bottom of the seed holder 3 in such a way that when installing the seed holder 3 into the growth crucible 1 in accordance with Fig. 1, the plate of the seed single crystal 4 ended up in the internal cavity formed by the upper end of the cylindrical insert 9 and the inner walls and bottom holder 3 of the seed single crystal plate 4.
В этом случае расстояние от поверхности пластины затравочного монокристалла 4 до верхнего торца цилиндрической вставки 9 составляет H = 80 мм. Выполняются условия:In this case, the distance from the surface of the seed single crystal plate 4 to the upper end of the cylindrical insert 9 is H = 80 mm. Conditions are met:
d1 = 50 мм < H = 80 мм < D = 105 мм.d1 = 50 mm < H = 80 mm < D = 105 mm.
Проводили сборку верхней части ростового тигля 1, посредством установки теплоизоляционного экрана 6 на внешнюю поверхность держателя 3 пластины затравочного монокристалла 4.The upper part of the growth crucible 1 was assembled by installing a heat-insulating screen 6 on the outer surface of the holder 3 of the seed single crystal plate 4.
После этого ростовой тигель 1 в сборе помещали в ростовую камеру и проводили выращивание слитка монокристаллического карбида кремния. Для этого ростовую камеру вакуумировали с использованием вакуумной системы, заполняли инертным газом с помощью системы газонапуска, нагревали с помощью нагревательных элементов 5, обеспечивающих температуру, достаточную для сублимации источника карбида кремния 2. При температуре, достаточной для сублимации источника карбида кремния 2 (Т=2000..2200°С), проводили термостабилизацию ростового тигля в течение 2-3 часов. Давление инертного газа в ростовой камере составляло 10-50 кПа. После этого производили откачку инертного газа до давлений, при которых возможен рост слитка монокристаллического SiC с приемлемой скоростью (0,4-0,5 мм/час). Продолжительность процесса выращивания слитка монокристаллического SiC составляла 10 часов.After this, the growth crucible 1 assembly was placed in the growth chamber and an ingot of single-crystalline silicon carbide was grown. To do this, the growth chamber was evacuated using a vacuum system, filled with inert gas using a gas injection system, and heated using heating elements 5, providing a temperature sufficient for sublimation of the silicon carbide source 2. At a temperature sufficient for sublimation of the silicon carbide source 2 (T = 2000 ..2200°C), thermal stabilization of the growth crucible was carried out for 2-3 hours. The inert gas pressure in the growth chamber was 10-50 kPa. After this, the inert gas was pumped out to pressures at which the growth of a single-crystalline SiC ingot was possible at an acceptable speed (0.4-0.5 mm/hour). The duration of the process of growing a single-crystal SiC ingot was 10 hours.
После проведения процесса выращивания слитка монокристаллического карбида кремния 8 ростовой тигель 1 охлаждали и после напуска аргона извлекали из ростовой камеры. Далее ростовой тигель 1 разбирали, извлекали слиток монокристаллического карбида кремния 8 и цилиндрическую вставку 9 с отработанным источником 2. Отработанный источник карбида кремния 2 отправляли на отжиг, который осуществляли на воздухе, при температуре 900°С, в течение 4-10 часов для удаления углерода. После этого источник карбида кремния использовали повторно, при добавлении свежего порошка карбида кремния, для восстановления массы источника.After the process of growing the single-crystalline silicon carbide ingot 8, the growth crucible 1 was cooled and, after filling with argon, was removed from the growth chamber. Next, the growth crucible 1 was disassembled, an ingot of single-crystalline silicon carbide 8 and a cylindrical insert 9 with a spent source 2 were removed. The spent source of silicon carbide 2 was sent for annealing, which was carried out in air at a temperature of 900°C for 4-10 hours to remove carbon . The silicon carbide source was then reused with the addition of fresh silicon carbide powder to restore the mass of the source.
Слиток монокристаллического карбида кремния 8 отделяли от держателя затравки 3. Скорость роста слитка монокристаллического карбида кремния 8 определяли прямым измерением толщины слитка, а также гравиметрически (по изменению веса держателя 3 с пластиной затравочного монокристалла SiC 4 и выращенным на ней слитком монокристаллического SiC 8). Профиль фронта роста слитка монокристаллического SiC, а также наличие или отсутствие вогнутости в центральной части фронта роста слитка определяли с использованием микрометрического стола. The ingot of single-crystalline silicon carbide 8 was separated from the seed holder 3. The growth rate of the ingot of single-crystalline silicon carbide 8 was determined by direct measurement of the thickness of the ingot, as well as gravimetrically (by the change in the weight of holder 3 with the plate of the seed single crystal SiC 4 and the ingot of single-crystal SiC 8 grown on it). The profile of the growth front of a single-crystal SiC ingot, as well as the presence or absence of concavity in the central part of the growth front of the ingot, was determined using a micrometer table.
Слиток подвергали стандартной механической обработке (калибрование, резка на пластины, шлифовка и полировка).The ingot was subjected to standard mechanical processing (calibration, cutting into plates, grinding and polishing).
Плотность микропор и дислокаций в пластинах карбида кремния (и, соответственно, в слитке монокристаллического карбида кремния) определяли под микроскопом после щелочного травления поверхности пластин из карбида кремния (KOH, 500 °С, 20 минут). Паразитные включения политипов определяли визуально, по цвету материала на свету или в условиях УФ облучения.The density of micropores and dislocations in silicon carbide wafers (and, accordingly, in an ingot of single-crystalline silicon carbide) was determined under a microscope after alkaline etching of the surface of silicon carbide wafers (KOH, 500 °C, 20 minutes). Parasitic inclusions of polytypes were determined visually, by the color of the material in the light or under UV irradiation.
Скорость роста слитка монокристаллического карбида кремния составила 0,5 мм/час, плотность микропор в пластинах выращенного слитка монокристаллического SiC составляла величину менее 5 см-2. The growth rate of the single-crystalline silicon carbide ingot was 0.5 mm/hour, the density of micropores in the plates of the grown single-crystalline SiC ingot was less than 5 cm -2 .
Слиток имеет выпуклый фронт роста (20-30 мм от края), в центральной части фронт роста визуально плоский (40-50 мм в центре, кривизна не определяется).The ingot has a convex growth front (20-30 mm from the edge), in the central part the growth front is visually flat (40-50 mm in the center, curvature is not determined).
Результаты испытаний способа для различных значений конструктивных параметров представлены в таблице (цилиндрическая вставка высотой 200 мм, радиусом R=84 мм, диаметр пластины затравочного монокристалла карбида кремния D=105 мм).The test results of the method for various values of design parameters are presented in the table (cylindrical insert with a height of 200 mm, radius R = 84 mm, diameter of the silicon carbide seed single crystal plate D = 105 mm).
Технические характеристики способа в зависимости от конструктивных параметровTable.
Technical characteristics of the method depending on design parameters
см-2 Micro-pore density,
cm -2
3,162
3.1
2,957
2.9
1,940
1.9
4,9100
4.9
3,162
3.1
3,162
3.1
2,250
2.2
3,467
3.4
2,650
2.6
2,150
2.1
1,325
1.3
Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет устранить наличие вогнутого участка в центральной части фронта роста слитка монокристаллического карбида кремния 8, по сравнению со способом-прототипом (без цилиндрической вставки, пример 4). As can be seen from the table, the proposed method eliminates the presence of a concave section in the central part of the growth front of an ingot of single-crystalline silicon carbide 8, compared to the prototype method (without a cylindrical insert, example 4).
В процессе испытания способа были установлены предельные значения конструктивных параметров установки, обеспечивающих эффективность предложенного способа. При уменьшении расстояния от поверхности пластины затравочного монокристалла 4 до верхнего торца цилиндрической вставки 9 ниже значения d1 (H < d1, где d1 - характерный размер отверстия) на поверхности растущего слитка монокристаллического карбида кремния 8 начинают проявляться множественные вогнутые участки, вызванные неравномерной инжекцией материала на поверхность растущего слитка монокристаллического карбида кремния 8. В этом случае скорость роста слитка монокристаллического SiC может быть измерена усредненно и очень приблизительно. При увеличении расстояния H выше значения D (H > D, где D - диаметр пластины затравочного монокристалла карбида кремния 4) эффективность способа уменьшается, так как в этом случае профиль фронта роста зависит уже только от общего распределения температур в ростовом тигле 1.During testing of the method, the limiting values of the design parameters of the installation were established to ensure the effectiveness of the proposed method. When the distance from the surface of the wafer of the seed single crystal 4 to the upper end of the cylindrical insert 9 decreases below the value d1 (H < d1, where d1 is the characteristic size of the hole), multiple concave areas begin to appear on the surface of the growing single-crystal silicon carbide ingot 8 caused by uneven injection of material onto the surface of a growing single-crystalline silicon carbide ingot 8. In this case, the growth rate of a single-crystalline SiC ingot can be measured on average and very approximately. As the distance H increases above the value D (H > D, where D is the diameter of the silicon carbide seed single crystal plate 4), the efficiency of the method decreases, since in this case the growth front profile depends only on the general temperature distribution in the growth crucible 1.
Уменьшение величины зазоров d2 ниже определенного значения (d2 < 0,1R, где R - радиус цилиндрической вставки 9) приводит к недостаточному выравниванию температуры по площади источника, что не дает возможность устранить провал скорости роста в центральной части слитка (вогнутый участок). Снижение суммарной площади сечения всех отверстий ниже примерно 40% от площади торца цилиндрической вставки позволяет реализовать способ, но значительно уменьшает скорость роста, ниже коммерчески приемлемых значений. Кроме того, при низких значениях суммарной площади сечения отверстий распределение скорости по поверхности слитка монокристаллического карбида кремния 8 будет зависеть от равномерности (или неравномерности) расположения отверстий в торце цилиндрической вставки 9.Reducing the size of the gaps d2 below a certain value (d2 < 0.1R, where R is the radius of the cylindrical insert 9) leads to insufficient temperature equalization over the source area, which does not make it possible to eliminate the dip in the growth rate in the central part of the ingot (concave section). Reducing the total cross-sectional area of all holes below approximately 40% of the end area of the cylindrical insert makes it possible to implement the method, but significantly reduces the growth rate, below commercially acceptable values. In addition, at low values of the total cross-sectional area of the holes, the velocity distribution over the surface of the single-crystalline silicon carbide ingot 8 will depend on the uniformity (or unevenness) of the arrangement of the holes at the end of the cylindrical insert 9.
Наличие вогнутых участков на поверхности растущего слитка монокристаллического карбида кремния всегда сопровождается политипными включениями и увеличением плотности микропор в растущем слитке.The presence of concave areas on the surface of a growing ingot of single-crystalline silicon carbide is always accompanied by polytype inclusions and an increase in the density of micropores in the growing ingot.
Таким образом заявляемый способ обеспечивает технический результат, заключающийся в улучшении качества слитков монокристаллического SiC при снижении затрат на проведение способа.Thus, the proposed method provides a technical result consisting in improving the quality of single-crystalline SiC ingots while reducing the cost of carrying out the method.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811353C1 true RU2811353C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119663428A (en) * | 2024-12-17 | 2025-03-21 | 通威微电子有限公司 | Carbon-silicon self-balancing crystal growth device and crystal growth method |
| CN120425457A (en) * | 2025-07-08 | 2025-08-05 | 浙江晶越半导体有限公司 | A large-size silicon carbide single crystal growth device and a silicon carbide single crystal preparation method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2094547C1 (en) * | 1996-01-22 | 1997-10-27 | Юрий Александрович Водаков | Sublimation method for growing silicon carbide monocrystals and silicon carbide source involved |
| US5989340A (en) * | 1995-11-14 | 1999-11-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Process and device for sublimation growing of silicon carbide monocrystals |
| DE19842109A1 (en) * | 1998-09-08 | 2000-03-09 | Forschungsverbund Berlin Ev | Apparatus for growing silicon carbide monocrystals comprises shielding element which is movable along the axis of symmetry of the apparatus for adjustment of a local temperature field |
| RU2411195C1 (en) * | 2009-06-04 | 2011-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Полупроводниковые кристаллы" | Method of growing silicon carbide monocrystals |
| JP2015212207A (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-26 | 新日鐵住金株式会社 | Method for manufacturing silicon carbide single crystal ingot |
| RU2770838C1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-04-22 | Юрий Николаевич Макаров | Method for growing single crystals of silicon carbide with n-type conductivity |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5989340A (en) * | 1995-11-14 | 1999-11-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Process and device for sublimation growing of silicon carbide monocrystals |
| RU2094547C1 (en) * | 1996-01-22 | 1997-10-27 | Юрий Александрович Водаков | Sublimation method for growing silicon carbide monocrystals and silicon carbide source involved |
| DE19842109A1 (en) * | 1998-09-08 | 2000-03-09 | Forschungsverbund Berlin Ev | Apparatus for growing silicon carbide monocrystals comprises shielding element which is movable along the axis of symmetry of the apparatus for adjustment of a local temperature field |
| RU2411195C1 (en) * | 2009-06-04 | 2011-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Полупроводниковые кристаллы" | Method of growing silicon carbide monocrystals |
| JP2015212207A (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-26 | 新日鐵住金株式会社 | Method for manufacturing silicon carbide single crystal ingot |
| RU2770838C1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-04-22 | Юрий Николаевич Макаров | Method for growing single crystals of silicon carbide with n-type conductivity |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119663428A (en) * | 2024-12-17 | 2025-03-21 | 通威微电子有限公司 | Carbon-silicon self-balancing crystal growth device and crystal growth method |
| CN120425457A (en) * | 2025-07-08 | 2025-08-05 | 浙江晶越半导体有限公司 | A large-size silicon carbide single crystal growth device and a silicon carbide single crystal preparation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8313720B2 (en) | Guided diameter SiC sublimation growth with multi-layer growth guide | |
| JP7464265B2 (en) | Silicon carbide wafer, method for manufacturing silicon carbide ingot, and method for manufacturing silicon carbide wafer | |
| CN113089084B (en) | Preparation method of hexagonal crystal form seed crystal | |
| EP2664695B1 (en) | Physical vapor transport growth system for simultaneously growing more than one SiC single crystal, and method of growing | |
| JP5897834B2 (en) | Method for manufacturing SiC epitaxial wafer | |
| JP2015514673A (en) | Large diameter high quality SiC single crystal, method and apparatus | |
| CN111088524B (en) | Large-size silicon carbide single crystal, substrate, preparation method and used device | |
| JP7400451B2 (en) | Method for manufacturing SiC single crystal | |
| TWI837924B (en) | Method of manufacturing silicon carbide wafer and method of manufacturing silicon carbide ingot | |
| TWI772866B (en) | Wafer and manufacturing method of the same | |
| TW202113954A (en) | Method for manufacturing SiC substrate | |
| CN111074348A (en) | Annealing treatment method and device for reducing internal stress of crystal | |
| JP6069545B2 (en) | Evaluation method of SiC epitaxial wafer | |
| KR102253607B1 (en) | Heat shield member, single crystal pulling device, and single crystal silicon ingot manufacturing method | |
| RU2633909C1 (en) | METHOD OF PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| RU2811353C1 (en) | METHOD FOR PRODUCING MONOCRYSTALLINE SiC | |
| KR101724291B1 (en) | Apparatus for growing silicon carbide single crystal using the method of reversal of Physical Vapor Transport | |
| KR102325007B1 (en) | Apparatus for growing silicon carbide single crystal | |
| JP2024509229A (en) | System and method for manufacturing single crystal layers on substrates | |
| TW202100817A (en) | Crystal growth apparatus and crystal growth method | |
| JP2023529341A (en) | Silicon carbide ingot manufacturing method, silicon carbide ingot and its growth system | |
| CN121295336A (en) | Silicon carbide single crystal growth crucible with stress release structure and growth method | |
| CN113638047A (en) | Method for preventing silicon carbide crystal edge dislocation from slipping inwards | |
| JP2023501774A (en) | A method for reducing structural damage on the surface of a single-crystal aluminum nitride substrate and a single-crystal aluminum nitride substrate manufactured by the method |