用于生产单晶的晶体生长单元制造技术

本发明专利技术涉及一种晶体生长单元，其包含用于生产和/或扩大单晶(4)的坩埚。所述晶体生长单元包括具有第一热导率的第一隔热体(5)和具有第二热导率的第二隔热体(12)。所述坩埚具有坩埚底、坩埚侧壁和坩埚盖。坩埚侧壁间接或直接被第一隔热体(5)包围。第二隔热体(12)间接或直接布置在坩埚盖上方。第二热导率高于第一热导率。导率。导率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生产单晶的晶体生长单元
[0001]本专利技术涉及一种包含用于生产单晶的坩埚的晶体生长单元。该晶体生长单元特别能够扩大在生长坩埚中提供的单晶。本专利技术还涉及一种在晶体生长单元的生长坩埚中生产和/或扩大单晶的方法。
[0002]在实践中，根据所谓的PVT(物理气相传输)法通过在高温下蒸发源材料并在稍冷的点沉积或结晶，生产用于电子元件或用作半宝石的许多单晶。
[0003]由碳化硅借助PVT法生产单晶的原理是科学出版物Yu.M.Tairov,V.F.Tsvetkov,Investigation of Growth Processes of Ingots of Silicon Carbide Single Crystals,Journal of Crystal Growth 43(1978)209
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212中已知的。科学出版物P.J.Wellmann,Review of SiC crystal growth technology,Semiconductor Science and Technology 33,103001以碳化硅为例给出关于单晶生产的当前研究的综述。
[0004]为了使结晶过程均匀进行，在源材料和生长的单晶之间设置轴向温度梯度。这确保了一方面，(i)较热的源材料蒸发并在生长中的单晶上的较冷点结晶，另一方面，(ii)在结晶生长前沿释放的结晶热(＝潜热)通过生长中的单晶消散。同时，重要的是使径向温度梯度保持尽可能小。否则，在生长的单晶中发生热致应力。这些应力导致位错并入生长的单晶中。在径向温度梯度过大的情况下，生长的单晶中的晶体缺陷密度因此提高。在根据现有技术状况的方法的情况下，径向温度梯度只能以有限的精度设置。这特别在大单晶的生产过程中造成困难。
[0005]本专利技术的目的是克服现有技术的缺点。特别地，指定包含生长坩埚的晶体生长单元和方法，借此可以设置垂直于轴向的特别均匀的温度分布。由此特别在大单晶的生产过程中改进品质。
[0006]根据本专利技术，通过根据权利要求1的主题的晶体生长单元和通过根据权利要求29的主题的方法实现这一目的。在从属权利要求中规定本专利技术在这方面的有利实施方案。
[0007]根据本专利技术，晶体生长单元包含用于生产和/或扩大单晶的坩埚。优选使用PVT法生产和/或扩大单晶。坩埚优选成型为圆柱形或基本圆柱形。或者，坩埚可以成型为立方形或基本立方形。晶体生长单元包括具有第一热导率的第一隔热体和具有第二热导率的第二隔热体。第一和第二隔热体的提供有利地使坩埚的热绝缘成为可能，优选能够可设置地(settably)将坩埚热绝缘。第一隔热体优选是高隔热体。第一隔热体优选由第一隔热材料，特别是第一高温隔热材料组成。这是固体材料，例如石墨毡和/或石墨泡沫。第二隔热体优选是中高隔热体。第二隔热体优选由第二隔热材料，特别是第二高温隔热材料组成。这是固体材料，例如石墨泡沫和/或多孔石墨。该坩埚具有坩埚底、坩埚侧壁和坩埚盖。坩埚底可被称为底坩埚壁(lower crucible wall)，坩埚侧壁被称为侧坩埚壁(lateral crucible wall)，坩埚盖被称为上坩埚壁(upper crucible wall)。坩埚侧壁间接或直接被第一隔热体包围。坩埚侧壁优选间接或直接地完全被第一隔热体包围。第一隔热体优选成型为空心圆柱体。第二隔热体间接或直接布置在坩埚盖上方。第二隔热体优选成型为实心圆柱体或基本成型为实心圆柱体。第二隔热体优选被第一隔热体径向包围，特别是被第一隔热体完全径向包围。第二隔热体特别优选直接被第一隔热体包围。第二隔热体优选直接接触第一
隔热体。根据本专利技术，第二热导率高于第一热导率。
[0008]在本申请的意义内，如果物体和隔热体之间没有其它物体，特别是如果物体和隔热体部分接触或在整个表面上接触，则物体被隔热体直接包围。在本申请的意义内，如果物体和隔热体之间存在其它物体和/或足够大的空腔，则物体被隔热体间接包围。空腔在此是指充满空气和/或惰性气体的空间和/或真空空间。在本申请的意义内，例如，如果在坩埚侧壁和第一隔热体之间布置电阻加热单元，则坩埚侧壁被第一隔热体间接包围。
[0009]本专利技术利用了可以通过使用具有不同热导率的隔热材料控制从热区域到较冷区域的热流的大小和方向的事实。
[0010]通过本专利技术有利地实现轴向上的均匀热流。通过提供第一和第二隔热体并相应地设置热量输出，可以设置垂直于轴向的极其均匀的温度分布。当材料从气相、熔体或溶液中结晶时产生的结晶热可以从坩埚中均匀消散。由此可以使结晶材料中的热致应力最小化。
[0011]生长中的单晶的生长相边界的形状有利地相对于气体空间，即从源材料的角度看是微凸的。这优选通过在坩埚内提供类似凸形弯曲的等温线实现。通过热流控制等温线的形状。基本热流优选取决于(i)加热区的几何布置(基于下面进一步解释的电阻加热单元和/或电感耦合加热区)，(ii)坩埚的结构，(iii)周围的隔热体和/或(iv)晶体生长单元的较冷内壁。
[0012]本专利技术旨在将热流在空间上从热生长池向较冷的周围区域引导。通过由此优化的温度分布，使结晶材料中的径向温度梯度保持非常小并因此减少径向上的热致应力。通过向外热流的限定设置，也可将轴向温度梯度减至最小。
[0013]本专利技术基于坩埚周围的隔热的限定空间布置，其由具有不同隔热性质，即具有不同热导率的几个区域组成。由此可将径向温度梯度减小到小于或等于0.1K/cm的值。通过调整第二隔热体可以在0.1K/cm至大于20K/cm的宽界限内以限定方式设置仍存在的轴向温度梯度
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独立于径向温度梯度。
[0014]已经表明，单晶的生长速率和生长动力学，即例如晶体缺陷的发生，特别取决于单晶表面的温度。在温度过高的单晶表面区域中，不发生气态前体材料吸附到单晶上。在温度过低的情况下，气态前体材料的吸附过快，因此生长缺陷会越来越多出现。
[0015]可通过提供具有不同热导率的周围隔热材料来设置温度梯度。提供具有不同热导率的周围隔热材料可影响坩埚内的热传导和对流。原则上经过所有固体、液体和气体实现热传导。其可通过傅立叶定律进行描述。对流由运动的气体和液体引起。此外，提供具有不同热导率的周围隔热材料可影响坩埚内的辐射传热。辐射传热对下面进一步描述的空腔和下面进一步描述的核腔特别重要。在晶体生长过程中，辐射传热通常在T>500℃下显著并在T>1000℃下占主导地位。
[0016]借助本专利技术，可以根据温度梯度有利地设置单晶的生长边界面处的温度。这一温度优选设置在1750℃至2500℃的范围内，特别优选在1900℃至2300℃的范围内。温度梯度优选具有0.1K/cm至10K/cm的值。此外，借助本专利技术可以实现对材料传输或材料流动而言最佳的温度场和合适的气相组成。
[0017]借助本专利技术可能有利地在坩埚内部有针对性地设置最佳热流。由此可以防止生长缺陷，例如位错。根据本专利技术的方法因此特别适用于生产大单晶，例如直径为150毫米、200毫米、250毫米、300本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.晶体生长单元，其包含用于生产和/或扩大单晶(4)的坩埚、其中所述晶体生长单元包括具有第一热导率的第一隔热体(5)和具有第二热导率的第二隔热体(12)，其中所述坩埚具有坩埚底、坩埚侧壁和坩埚盖，其中坩埚侧壁间接或直接被第一隔热体(5)包围，其中第二隔热体(12)间接或直接布置在坩埚盖上方，其中第二热导率高于第一热导率。2.根据权利要求1的晶体生长单元，其中在坩埚中提供的源材料(2)可以被加热、蒸发和沉积，其中优选提供SiC，特别优选SiC粉末和/或SiC实心体作为源材料(2)。3.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中第一隔热体(5)另外间接或直接布置在坩埚底的下方，结果使得第一隔热体(5)优选成型为底部封闭的空心圆柱体。4.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中第一热导率在0.05至5W/(m*K)的范围内，优选在0.1至2W/(m*K)的范围内，特别优选为0.5W/(m*K)，和/或其中第二热导率在2至50W/(m*K)的范围内，优选在5至20W/(m*K)的范围内，特别优选为10W/(m*K)。5.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中所述晶体生长单元包含布置在坩埚盖和第二隔热体(12)之间的空腔(18)。6.根据权利要求5的晶体生长单元，其中毗邻空腔(18)的第一隔热体(5)的表面具有预定的第一辐射率(ε)，和/或毗邻空腔(18)的第二隔热体(12)的表面具有预定的第二辐射率(ε)，和/或毗邻空腔(18)的坩埚盖的表面具有预定的第三辐射率(ε)，其中第一、第二和/或第三辐射率(ε)优选设置在0.05至0.5的范围内，特别优选在0.2至0.4的范围内，特别设置为大约0.3。7.根据权利要求5或6的晶体生长单元，其中毗邻空腔(18)的坩埚盖的表面和/或毗邻空腔(18)的第一隔热体(5)的表面和/或毗邻空腔(18)的第二隔热体(12)的表面具有预定浮雕(22)。8.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中借助核悬挂装置(24)安置单晶(4)，并且其中所述晶体生长单元包含布置在单晶(4)和坩埚盖之间的坩埚内的核腔。9.根据权利要求8的晶体生长单元，其中毗邻核腔的核悬挂装置(24)的表面具有预定的第四辐射率(ε)，和/或毗邻核腔的坩埚盖的表面具有预定的第五辐射率(ε)，和/或毗邻核腔的单晶(4)的表面具有预定的第六辐射率(ε)。10.根据权利要求8或9的晶体生长单元，其中毗邻核腔的坩埚盖的表面和/或毗邻核腔的核悬挂装置(24)的表面和/或毗邻核腔的单晶(4)的表面具有预定的进一步的浮雕(29)。11.根据权利要求8至10之一的晶体生长单元，其中用固体材料填充核腔，其中所述固体材料优选由SiC粉末、多晶或单晶SiC晶体和/或多孔或实心石墨组成。12.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中所述晶体生长单元包含用于加热坩埚的加热装置，其中所述加热装置优选包含感
应加热单元(6)和/或电阻加热单元(9)。13.根据权利要求12的晶体生长单元，其中将所述加热装置布置在坩埚底与第一隔热体(5)之间和/或在坩埚侧壁与第一隔热体(5)之间。14.根据前述权利要求之一的晶体生长单元，其中所述晶体生长单元包含第一(14)和/或第二(15)高温计通道，其中第一高温计通道(14)穿透第二隔热体(12)直至坩埚盖，优选沿着坩埚的旋转轴，和/或其中第二高温计通道(15)穿透第一隔热体(5)和/或加热装置直至坩埚...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：埃朗根纽伦堡弗里德里希亚历山大大学，
类型：发明
国别省市：