затравочный кристалл для изготовления монокристаллов и способ изготовления монокристаллов карбида кремния

Формула изобретения

1. Затравочный кристалл (2) для изготовления монокристаллов с поверхностью (3), которая а) в первой частичной области (4) предусмотрена в качестве поверхности кристаллизации для наращивания монокристалла (6) из газовой фазы и б) по меньшей мере во второй частичной области (5) снабжена покрытием (7), выполненным из материала, который является в основном химически стойким относительно материала затравочного кристалла (2) и относительно газовой фазы с точкой плавления, лежащей выше температур роста.

2. Затравочный кристалл по п.1 из карбида кремния.

3. Затравочный кристалл по п. 1 или 2, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) в основном состоит из металла и/или соединения металла.

4. Затравочный кристалл по п. 3, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из силицида металла.

5. Затравочный кристалл по п. 3 или 4, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично, состоит из карбида металла.

6. Затравочный кристалл по любому из пп.3 - 5, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из нитрида металла.

7. Затравочный кристалл по любому из пп.3 - 6, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из тантала (Та) и/или соединения тантала.

8. Затравочный кристалл по любому из пп.3 - 7, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из молибдена (Мо) и/или соединения молибдена.

9. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из углерода.

10. Затравочный кристалл по п.9, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) по меньшей мере частично состоит из графита.

11. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, при котором покрытие (7) для второй частичной области (5) поверхности (3) содержит несколько расположенных друг на друге слоев.

12. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, при котором вторая частичная область (5) поверхности (3) расположена на обращенной от первой частичной области (4) стороне поверхности (3).

13. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, при котором покрытие (7) имеет толщину не более порядка 100 мкм.

14. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, при котором покрытие (7) имеет толщину не больше порядка 10 мкм.

15. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов толщиной, измеренной перпендикулярно поверхности кристаллизации, по меньшей мере 0,5 мм.

16. Затравочный кристалл по любому из предыдущих пунктов, который пригоден для использования при изготовлении монокристаллов карбида кремния в процессе сублимации.

17. Способ изготовления монокристаллов карбида кремния, при котором а) карбид кремния (SiC) в твердой фазе по меньшей мере частично сублимируют и б) из сублимированного карбида кремния в газовой фазе на первой предусмотренной в качестве поверхности кристаллизации частичной области (4) поверхности (3) затравочного кристалла (2) наращивают монокристалл SiC (6) при по меньшей мере одной заданной температуре роста, причем с) используют затравочный кристалл (2) согласно любому из пп.1 - 16.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к затравочному кристаллу для изготовления монокристаллов и к способу для изготовления монокристаллов карбида кремния или монокристаллических слоев карбида кремния.

Для выращивания монокристаллов карбида кремния (SiC) известными являются процессы сублимации (возгонки), при которых запас из карбида кремния в твердой форме сублимируют при температурах в основном выше 2000^oC и из сублимированного SiC в газовой фазе при температурах кристаллизации в основном между 1600 и 2500^oC на затравочном кристалле из Sic наращивают монокристалл SiC. Температуры сублимации на запасе лежат при этом выше, чем температуры роста на затравочном кристалле.

Проблемой при сублимационном выращивании SiC является качество кристаллов изготовленных таким образом монокристаллов SiC. В частности, трубчатые дефекты кристаллической решетки, так называемые "микротрубки" ("micropipes") или "игольчатые отверстия" ("pinholes"), ухудшают электронные характеристики выращенных монокристаллов SiC. Проблематика этих дефектов кристаллической решетки описана, например в Physica B, том 185, 1993, North-Holland, Elsevier Science Publishers, стр. 211 - 216.

В основе изобретения лежит задача указания особого затравочного кристалла для изготовления монокристаллов путем выкристаллизовывания из газовой фазы, с которым могут быть уменьшены дефекты кристаллической решетки в наращенном монокристалле. Затравочный кристалл должен быть применимым, в частности для выращивания монокристаллов SiC в процессе сублимации или для изготовления монокристаллических слоев Sic путем осаждения из паровой фазы (CVD). Далее указан способ для изготовления монокристаллов SiC.

Эта задача согласно изобретению решается признаками пункта 1 формулы изобретения или соответственно признаками пункта 17 формулы изобретения.

Затравочный кристалл для изготовления монокристаллов имеет поверхность, которая

a) в первой частичной области предусмотрена в качестве поверхности кристаллизации для наращивания монокристалла из газовой фазы и

b) по меньшей мере, во второй частичной области снабжена покрытием, которое выполнено из материала, в основном химически стойкого относительно материала затравочного кристалла и относительно газовой фазы с точкой плавления, лежащей выше температур роста на поверхности кристаллизации.

За счет применения особого затравочного кристалла снижаются дефекты игольчатых отверстий в наращенном на затравочном кристалле монокристалле.

Изобретение основано на знании того, что качество монокристалла, растущего при заданных температурах роста на затравочном кристалле, может ухудшаться за счет термического разложения (деградации) затравочного кристалла на его не служащей в качестве поверхности кристаллизации свободной поверхности. Такая деградация является проблематичной, в частности в случае затравочных кристаллов, которые состоят из неконгруэнтно сублимирующихся или испаряющихся соединений. Под ними понимают соединения из, по меньшей мере, двух компонентов, из которых одна компонента при одинаковой температуре имеет более высокое давление пара, чем другая, так что нарушается стехиометрическое соотношение компонентов в затравочном кристалле. Также диффузионные процессы с различными скоростями диффузии для различных компонентов или неоднородности в затравочном кристалле могут способствовать явлениям термического разложения. Большинство локальных деградаций начинаются на частичных областях поверхности, которые не покрыты как поверхности кристаллизации нарастающим монокристаллом, и могут в ходе процесса выращивания продолжаться внутрь затравочного кристалла. За счет этого затравочный кристалл может стать непригодным для дальнейших процессов выращивания кристалла или дефекты кристаллической решетки в затравочном кристалле могут переноситься в текущем или последующем процессе выращивания.

Путем нанесения покрытия на лежащую вне поверхности кристаллизации частичную область поверхности затравочного кристалла согласно изобретению деградации в затравочном кристалле с его поверхности сильно уменьшаются. Покрытие состоит из одного или нескольких материалов, которые являются химически стабильными относительно материала затравочного кристалла и, по меньшей мере, одного вещества в газовой фазе, а также не плавятся или не сублимируются при примененных температурах роста. За счет этого затравочный кристалл может применяться при практически неизменном качестве для многих, например от пяти до десяти, следующих друг за другом процессов выращивания (повторная применимость).

Предпочтительные формы выполнения затравочного кристалла следуют из зависимых от пункта 1 формулы изобретения пунктов формулы изобретения.

Согласно им затравочный кристалл в первой форме выполнения состоит из SiC и предусмотрен для изготовления монокристаллов карбида кремния, предпочтительно из -SiC, как 4H-SiC или 6H-SiC, в процессе сублимации или монокристаллических слоев SiC, предпочтительно из -SiC, как 4H-SiC или 6H-SiC, путем процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Затравочный кристалл имеет предпочтительно толщину, измеренную перпендикулярно поверхности кристаллизации, по меньшей мере, 0,5 мм и таким образом является самонесущим в противоположность эпитаксиальному слою.

Покрытие для второй частичной области поверхности состоит, предпочтительно, по меньшей мере, частично, из металла и/или соединения металла. Предпочтительно применяются тантал (Ta) и/или молибден (Mo) и/или соединения тантала и/или соединения молибдена. В качестве соединений металла могут использоваться силициды металла, карбиды металла или также нитриды металла.

Покрытие для второй частичной области поверхности затравочного кристалла может, однако, также состоять, по меньшей мере, частично, из углерода, предпочтительно из графита.

В особенно предпочтительной форме выполнения покрытие для второй частичной области поверхности содержит множество расположенных друг на друге слоев, которые могут состоять из одинаковых или различных материалов.

Предпочтительно покрытие является не толще, чем примерно 100 мкм. Предпочтительные толщины покрытия лежат между примерно 0,5 мкм и примерно 100 мкм.

Снабженная покрытием вторая частичная область поверхности затравочного кристалла расположена, предпочтительно, на обращенной от служащей в качестве поверхности кристаллизации первой частичной области стороне поверхности затравочного кристалла.

Для дальнейшего пояснения изобретения делается ссылка на чертеж, на единственной фигуре которого схематически представлен пример выполнения затравочного кристалла для выращивания монокристаллов SiC.

Затравочный кристалл обозначен цифрой 2, его поверхность 3, первая частичная область этой поверхности 3 цифрой 4, вторая частичная область поверхности 3 цифрой 5, третья частичная область поверхности 3 цифрой 8, монокристалл SiC цифрой 6, покрытие цифрой 7 и держатель затравки цифрой 9.

Затравочный кристалл 2 состоит предпочтительно из монокристаллического карбида кремния заданного политипа, в частности политипа 3C, 4H или 6H. Первая частичная область 4 поверхности 3 затравочного кристалла 2 предусмотрена в качестве поверхности кристаллизации для выкристаллизовывания (конденсации) SiC-монокристалла 6 из SiC в газовой фазе. Предусмотренная в качестве поверхности кристаллизации первая частичная область 4 может быть образована, в частности одной из двух полярных сторон (основные плоскости), то есть стороной кремния или стороной углерода, SiC-затравочного кристалла 2. К поверхности кристаллизации 4 подводят в газовой фазе SiC, который предпочтительно получают путем, по меньшей мере, частичного сублимирования твердого SiC из не представленного на чертеже запаса SiC. Сублимированный SiC в газовой фазе состоит в основном из компонентов Si, Si₂C и SiC₂, а также SiC в газообразном состоянии. На поверхности кристаллизации 4 при заданных температурах роста (температуры кристаллизации) из SiC в газовой фазе на затравочном кристалле 2 наращивается SiC-монокристалл 6. Типичные температуры роста на поверхности кристаллизации 4 лежат между порядка 1600 и порядка 2500^oC.

Затравочный кристалл 2 может иметь форму пластины и обычно расположен на держателе затравки 9. Держатель затравки 9 может быть выполнен, например, из графита. Затравочный кристалл 2 может быть расположен, в частности, в верхней части не представленного на чертеже реакционного сосуда, а запас SiC - в нижней части этого реакционного сосуда. Затравочный кристалл 2, в частности, в этой форме выполнения, закреплен тогда, предпочтительно, на держателе затравки 9, например, механически или с помощью раствора сахара в качестве "клея". Если затравочный кристалл 2 располагают в нижней части реакционного сосуда, затравочный кристалл 2 может быть только наложен на держателе затравки 9. Обращенная к держателю затравки 9 вторая частичная область 5 поверхности 3 затравочного кристалла 2 и предусмотренная в качестве поверхности кристаллизации первая частичная область 4 поверхности 3, предпочтительно, лежат на противоположных сторонах затравочного кристалла 2. Соединяющие первую частичную область 4 и вторую частичную область 5 боковые поверхности затравочного кристалла 2 образуют третью частичную область 8 поверхности 3 затравочного кристалла 2.

На не представленном на чертеже запасе SiC для сублимирования (испарения) SiC устанавливают температуру сублимации, которая, предпочтительно, является выше, чем температура кристаллизации на поверхности кристаллизации 4 затравочного кристалла 2 и в основном лежит между 2000 и 2600^oC. Между запасом SiC и затравочным кристаллом 2 устанавливается градиент температуры, который в своем ходе может дополнительно устанавливаться за счет дополнительных термических изоляций и/или нагревательных устройств и/или геометрического расположения затравочного кристалла 2 и запаса Sic относительно друг друга. Градиент температуры между запасом SiC и первой частичной областью 4 затравочного кристалла 2 имеет следствием то, что также между затравочным кристаллом 2 и держателем затравки 9 устанавливается градиент температуры, вследствие которого кремний может улетучиваться из карбида кремния затравочного кристалла 2.

Поверхность 3 затравочного кристалла 2 поэтому снабжена в обращенной к держателю затравки 9 второй частичной области 5 покрытием 7 так, что покрытие 7 расположено между второй частичной областью 5 поверхности 3 затравочного кристалла 2 и держателем затравки 9. Покрытие 7 герметизирует покрытую им вторую частичную область 5 поверхности 3 затравочного кристалла 2 и препятствует улетучиванию веществ из затравочного кристалла 2 вследствие высоких температур на второй частичной области 5 поверхности 3 и связанной с этим деградации затравочного кристалла 2. В частности за счет покрытия 7 предотвращается:

1) сублимация кремния (Si) из SiC в реакционный сосуд, например за счет пор в держателе затравки 9 или за счет возникших, в частности, при предшествующей механической обработке, промежуточных пространств между затравочным кристаллом 2 и держателем затравки 9,

2) диффузия, в частности кремния, из затравочного кристалла 2 в держатель затравки 9 и также

3) химическая реакция кремния из SiC затравочного кристалла 2 с материалом (например, графитом) держателя затравки 9.

Для покрытия 7 используют один или несколько не испаряющихся при примененных температурах роста материалов, которые не реагируют химически ни с SiC затравочного кристалла 2, ни также с SiC в газовой фазе в реакционном сосуде. Незначительные изменения состава или изменение кристаллографической модификации покрытия 7 во время процесса сублимации являются допустимыми, пока сохраняются названные характеристики покрытия 7.

Если покрытие 7, как представлено, соприкасается с держателем затравки 9, покрытие 7 должно быть также химически стойким относительно материала держателя затравки 9.

Подходящими материалами для покрытия 7 являются, например, тугоплавкие металлы, как вольфрам (W), тантал (Ta) или молибден (Mo) и соединения этих металлов между собой, например сплавы, а также с другими химическими элементами. Предпочтительными соединениями металлов являются силициды металла, карбиды металла и нитриды металла. В качестве карбида металла можно использовать, в частности карбид тантала, например TaC или Ta₂C, или карбид молибдена, например MoC, Mo₂C, MO₃C₂ или Mo₅C₅. В качестве нитрида металла является пригодным, в частности нитрид тантала TaN или Ta₂N. Кроме того, могут также применяться оксиды металлов.

Далее покрытие 7 может также, по меньшей мере, частично, состоять из элементарного углерода (C) различных модификаций, предпочтительно с высокой плотностью, в частности из графита (пирографита).

Покрытие 7 может наноситься путем наплавления, термического напыления в вакууме, термического напыления в вакууме, химического осаждения из паровой фазы (CVD), электронно-лучевого испарения, реакционного спекания, лазерной абляции, плазменного нанесения или также путем осаждения методом ионного распыления на вторую частичную область 5 поверхности 3 затравочного кристалла 2.

В предпочтительной форме выполнения покрытие 7 содержит множество отдельных слоев (покрытий), которые расположены друг на друге. Для такого многослойного покрытия могут при этом быть предусмотрены различные материалы, которые наслоены друг на друга по типу сэндвича. В случае многослойного покрытия является предпочтительным, если расположенный непосредственно на поверхности 3 затравочного кристалла 2, самый внутренний слой имеет большее содержание углерода (C), чем кремния (Si), чтобы препятствовать выносу кремния из затравочного кристалла 2.

Вследствие покрытия 7 между затравочным кристаллом 2 и держателем затравки 9 могут также быть большие промежутки. Требования к качеству механической обработки поэтому являются ниже, чем при подлежащем точной подгонке к держателю затравки 9 затравочном кристалле 2 без покрытия 7. В особой, не представленной на чертеже форме выполнения затравочный кристалл 2 не наложен на держатель затравки 9, а расположен в реакционном сосуде свободнонесуще.

В другой, не представленной на чертеже форме выполнения вне второй частичной области 5 также третья частичная область 8 поверхности 3 затравочного кристалла 2 снабжена покрытием. В представленной форме выполнения это может быть достигнуто, в частности, за счет того, что покрытие 7 продолжают также на боковые поверхности затравочного кристалла 2 так, что поверхность 3 затравочного кристалла 2 вне поверхности кристаллизации 4 практически полностью снабжена покрытием (герметизирована).

Хотя затравочный кристалл согласно изобретению был описан на примере выполнения для процесса сублимации SiC, снабженный покрытием, согласно изобретению затравочный кристалл 2 может использоваться для всех процессов выращивания кристаллов, в случае которых вследствие высоких температур роста на затравочном кристалле может происходить деградация затравочного кристалла, в частности также в процессе химического осаждения из паровой фазы (CVD) для изготовления монокристаллических слоев SiC (CVD = Chemical Vapour Deposition = химическое осаждение из паровой фазы). В случае CVD-процесса рабочие газы для подведения кремния (Si) и углерода (C) и в общем виде несущий газ, предпочтительно (H₂), направляются на поверхность кристаллизации затравочного кристалла. За счет химической реакции на затравочном кристалле при температурах типично между порядка 1000 и порядка 2500^oC осаждается монокристаллический SiC.