用于生长碳化硅单晶的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了利用溶液法制造碳化硅单晶的方法，包括将用于生长碳化硅的晶种基体与包括至少一种添加金属的Si-C合金溶液接触，并在生长碳化硅的晶种上生长碳化硅单晶，所述方法包括，随着反应的进行，当Si与添加金属的摩尔比低于最初设定的值时，将硅原料供给至合金溶液。当利用溶液生长法制造碳化硅单晶时，所述方法提高了晶体生长速度，维持该生长速度，并防止生长被动终止。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及利用溶液法制造碳化硅单晶的方法和该方法所用的制造单晶的装置。
技术介绍
因为具有比近年最频繁用作半导体材料的硅更好的特性，因此，化合物半导体材料如碳化硅、氮化镓(GaN)以及氮化铝作为下一代半导体材料，已经受到广泛研究。特别是，碳化硅具有优异的机械强度、热稳定性和化学稳定性，4W/cm2或更高的极高热传导性，以及650°C或更低的操作临界温度，其甚至高于硅的200°C或更低的操作临界温度。此外，当晶体结构为3C碳化硅、4H碳化硅以及6H碳化硅时，带隙为2.5eV或更大，这比硅的带隙高2倍，从而使得碳化硅作为半导体材料对于高电力低损耗转换装置非常有用，并且最近已经视为诸如LED的灯半导体和用于转换电力的半导体材料。通常，生长碳化硅单晶方法的实例包括使硅和碳在2000°C或更高的高温电炉中反应的艾其逊法(Acheson process),在2000°C或更高的高温下升华作为原材料的碳化娃以生长单晶的升华法，以及利用气体源进行化学沉积的化学气相沉积法。在所述方法中，利用艾其逊法制造高纯度碳化硅单晶非常困难，并且利用化学气相沉积法所生长的碳化硅单晶厚度有限，从而形成薄层。因此，碳化硅单晶生长的研究集中于使碳化硅在高温下升华以生长晶体的升华法。然而，升华法通常在2200°C或更高的高温下进行，并且发生各种故障的概率非常高，如微管和堆垛层错，因此在制造成本方面受到限制。采用直拉法(Czochralski process)的液相生长方法用于生长碳化娃单晶，从而避免升华法的缺点。碳化硅单晶的液相生长法通常包括在石墨坩埚中装入硅或碳化硅粉，将温度升高到约1600-1900°C，并且使置于坩埚上面的碳化硅晶种与熔化的液体接触，从而从碳化硅晶种的表面生长晶体。然而，该方法的经济效率低，这是因为晶体生长速度非常低，为50 μ m/hr或更低。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供制造碳化硅的方法，当利用溶液生长法制造碳化硅单晶时，所述方法提高晶体生长速度、维持生长速度并防止生长被动终止。本专利技术的另一目的是提供制造碳化硅的装置，从而在生长晶体的过程中有效和定期供给硅原料。技术方案在一个通用的方面，制造碳化硅单晶的方法包括，将用于生长碳化硅的晶种基体(substrate)与包括至少一种添加金属的S1-C合金溶液接触,并在用于生长碳化娃的晶种上生长碳化硅单晶，并且还包括随着反应进行，当Si与添加金属的摩尔比低于最初设定的值时，将硅原料供给到合金溶液中。可以使用选自娃、娃与碳的混合物以及碳化娃中的至少一种作为娃原料。硅原料的供给量可以取决于，根据随着反应进行碳化硅单晶的生长厚度而计算的合金溶液中娃的摩尔降低量。优选的是，基于坩埚中硅元素的量，考虑到熔化另外供给的硅原料和长成的碳化硅单晶的均质性，以高达0.02-15wt%的量进行数次硅原料的供给。可以在与i甘祸中的大气气体相同的大气气体中进行娃原料的供给。可以在高于坩埚中压力的压力下进行硅原料的供给。在另一个通用的方面，利用溶液生长法制造碳化硅单晶的装置包括，在生长炉中容纳包括至少一种添加金属的S1-C合金溶液的坩埚和包括用于生长碳化硅的晶种基体的晶种固定轴，并且还包括将硅原料供给到坩埚中的硅供给单元。考虑到旋转坩埚，硅供给单元可以包括具有通过晶种固定轴的至少一部分所形成的管状供给管。为了便于供应，硅供给单元可以包括具有与晶种固定轴分离的管状供给管。硅供给单元可以包括供应大 气气体的气体供应管。有益效果根据本专利技术制造碳化硅单晶方法一个通用的方面，将硅和另一金属进一步包括于合金溶液中，以防止单晶的生长速度降低并防止单晶的生长被动终止，从而提高单晶的生长速度。根据本专利技术用于制造碳化硅单晶装置另一个通用的方面，通过单独的供给入口供给硅原料，以防止晶种的单晶生长受到阻碍，并且随着反应进行而容易地另外供应硅，同时不降低反应坩埚中的大气压。附图说明通过下述结合附图的优选实施方案的描述，本专利技术的上述目的和其他目的、特征以及优点将变得显而易见，其中:图1是说明用于利用已知的溶液生长法制造碳化硅单晶的装置实例的示意图。图2根据本专利技术的第一实施方案用于制造碳化硅单晶的装置的示意图。图3是根据本专利技术的第二实施方案用于制造碳化硅单晶的装置的示意图。[主要要素的详细描述]I, 11: 合金溶液2, 12: 坩埚3, 13: 基体4, 14: 晶种固定轴5, 15: 散热体6，16: 生长炉7, 17: 下板51:娃原料供应管52:硅原料供应阀53:气体供应阀54:气体连接管55:硅原料储仓56:硅原料供给入口57:压力计具体实施例方式下文将参考附图详细描述本专利技术的实施方案。本专利技术涉及制造碳化硅单晶的方法，包括利用溶液生长法将用于生长碳化硅的晶种基体与包括至少一种添加金属的S1-C合金溶液接触，并在用于生长碳化硅的晶种上生长碳化硅单晶，所述制造碳化硅单晶的方法包括，随着反应的进行，当Si与添加金属的摩尔比低于最初设定的值时，将硅原料供给到合金溶液中。在上文和下文的描述中，应当理解到，术语“硅原料”包括不干扰合金溶液的反应并供应硅的所有原料，其实例可以包括硅、硅与碳的混合物或碳化硅，但不限于此。典型的碳化硅单晶溶液生长法包括，将碳化硅晶种与在含硅的溶液中溶解有碳的溶液(后文称“S1-C溶液”)接触以生长碳化硅单晶。与S1-C溶液接触的碳化硅晶种与晶种固定轴的前端接触，并且被晶种固定轴牵引，从而在碳化硅晶种上由S1-C溶液生长碳化硅单晶。 在碳化硅单晶的溶液生长法中，S1-C溶液的碳溶解度在所述溶液中低，且碳化硅在该溶液中的浓度低，从而造成晶体生长速度缓慢。已经进行了将至少一种添加金属加入至S1-C溶液以避免所述缺点的研究。Si与添加金属在合金溶液中的比例在很大程度上影响生长速度，为此已经对最佳组成比例和期望的金属类型进行了研究。添加金属包括考虑到单晶的生长速度而选择的各种过渡金属或其混合物，但不限于此，并且其实例可以包括T1、Cr、Al、Fe、Co、Dy或La。合金溶液中的硅是参与碳化硅单晶生长的金属元素，并且也可以使用其他金属元素作为添加金属。换而言之，添加除了硅以外的金属以减低熔点，并且不直接参与碳化硅单晶生长的反应。因此，随着反应进行，合金溶液中硅的浓度降低，从而打破Si与添加金属的最初设定比例的平衡。因此，单晶的生长速度明显被动降低，或者在极端情况下生长可以停止。因此，在本专利技术一个通用的方面，随着反应的进行，当Si与添加金属的摩尔比低于最初设定的值时，将硅原料供给到合金溶液中。术语“供给硅原料”不表示再供给或额外供给合金溶液，而是表示随着反应的进行，如果需要或定期仅将硅原料供给到发生主要反应的合金溶液中。当随着反应进行供给硅原料时，其量可以利用各种方法得出，所述方法的示例性而非限制性实例包括，根据碳化硅单晶的生长厚度计算随着反应进行而降低的合金溶液中Si摩尔量，并基于计算的Si降低的摩尔量确定预定范围内供给的硅的量。然而，因为合金溶液基本上熔化，从而在坩埚中不包括固体，因此当供给硅原料粉时，反应温度降低或合金溶液和硅原料粉未均匀混合，因此对长成的单晶的物理性质具有负面影响。鉴于这一点，优选的是，基于坩埚中硅元素的量，考虑到熔化另外供给的Si和长成的碳化硅单晶均质性，以高达0.02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】2010.10.21 KR 10-2010-01030461.制造碳化硅单晶的方法，包括将用于生长碳化硅的晶种基体与包括至少一种添加金属的S1-C合金溶液接触，并在用于生长碳化硅的晶种上生长碳化硅单晶，包括: 随着反应的进行，当Si与所述添加金属的摩尔比低于最初设定的值时，将硅原料供给到合金溶液中。2.如权利要求1所述的方法，其中使用选自娃、娃与碳的混合物和碳化娃中的至少一种作为硅原料。3.如权利要求1所述的方法，其中所述硅原料的供给量取决于，根据随着所述反应进行所述碳化硅单晶的生长厚度 而计算的合金溶液中硅的摩尔降低量。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中基于坩埚中硅元素的量，以高达0.02-15...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪性完，金荣率，
申请(专利权)人：SK新技术株式会社，
类型：
国别省市：