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公開番号2024112785
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-21
出願番号2024016507
出願日2024-02-06
発明の名称高品質の半導体単結晶を製造するためのシステム、および高品質の半導体単結晶を製造する方法
出願人サイクリスタルゲーエムベーハー
代理人個人,個人,個人
主分類C30B 23/06 20060101AFI20240814BHJP(結晶成長)
要約【課題】バルク半導体単結晶を成長させるための、より具体的には、物理的気相輸送に基づいて炭化ケイ素などのバルク半導体の単結晶を成長させるためのシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】昇華成長法により半導体材料の少なくとも1つの単結晶を成長させるための昇華システムは、長手軸(120)を有し、少なくとも1つのシード結晶(110)のための固定手段と、原材料(108)を収容するための少なくとも1つの原材料区画(104)とを備えた、坩堝(102)と、坩堝の円周の周りで、坩堝の長手軸に沿った1つまたは複数の定められた高さに、不規則な温度場を生成するように形成された加熱システムと、加熱システムに対する、長手軸を中心とした固定手段の回転運動を生じさせるように動作可能な回転駆動装置と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
昇華成長法により半導体材料の少なくとも１つの単結晶を成長させるための昇華システムであって、前記昇華システム（１００）が、
長手軸（１２０）を有し、少なくとも１つのシード結晶（１１０）のための固定手段と、原材料（１０８）を収容するための少なくとも１つの原材料区画（１０４）とを備えた、坩堝（１０２）と、
前記坩堝の円周の周りで、前記坩堝の前記長手軸に沿った１つまたは複数の定められた高さに、不規則な温度場を生成するように形成された加熱システムと、
前記加熱システムに対する、前記長手軸を中心とした前記固定手段の回転運動を生じさせるように動作可能な回転駆動装置と、を備える昇華システム。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記加熱システムが、電磁場を生成するように動作可能な誘導コイル（１１６）および／または抵抗加熱コイル（１１６）を備え、前記誘導コイル（１１６）および／または前記抵抗加熱コイル（１１６）が前記坩堝（１０２）を少なくとも部分的に取り囲んでいる、請求項１に記載の昇華システム。
【請求項３】
前記加熱システムが、前記電磁場を操作するための電磁場制御要素を備える、請求項２に記載の昇華システム。
【請求項４】
前記電磁場制御要素が、金属製の支柱部材および／または極片を備える、請求項３に記載の昇華システム。
【請求項５】
前記コイル（１１６）が、その巻き線の少なくとも１つに変形した断面を有する、および／または、前記コイル（１１６）が、隣り合う巻き線から異なる距離を有するように配置された少なくとも１つの巻き線を有する、請求項２から４の一項に記載の昇華システム。
【請求項６】
前記コイル（１１６）が、前記坩堝（１０２）に近接する軸方向位置に配置された、少なくとも１つの電気接点（１２４）を備える、請求項２から５の一項に記載の昇華システム。
【請求項７】
前記シード結晶（１１０）が前記坩堝（１０２）に対して回転可能となるように、前記回転駆動装置が前記固定手段に結合されている、および／または、前記坩堝（１０２）が前記加熱システムに対して回転可能となるように、前記回転駆動装置が前記坩堝（１０２）に結合されている、請求項１から６の一項に記載の昇華システム。
【請求項８】
前記昇華システム（１００）が熱絶縁要素を備え、前記回転駆動装置が、前記熱絶縁要素と前記坩堝（１０２）とに結合されており、それにより前記熱絶縁要素および前記坩堝（１０２）が前記加熱システムに対して回転可能である、請求項１から７の一項に記載の昇華システム。
【請求項９】
前記回転駆動装置が、１ｒｐｍから６０ｒｐｍの範囲の、好ましくは１０ｒｐｍの、回転速度を生じさせるように動作可能である、請求項１から８の一項に記載の昇華システム。
【請求項１０】
昇華成長法により半導体材料の少なくとも１つの単結晶を成長させる方法であって、
長手軸を有する坩堝（１０２）を用意し、少なくとも１つのシード結晶（１１０）を前記坩堝の固定手段に固定し、少なくとも１つの原材料区画（１０４）に原材料（１０８）を充填することと、
加熱システムを用いて、前記坩堝（１０２）の円周の周りに前記坩堝（１０２）の前記長手軸に沿って、不規則な温度場を生成することと、
前記成長する単結晶が時間変動する温度場に曝されるように、前記加熱システムに対する、前記長手軸を中心とした前記固定手段の回転運動を生じさせることと、を含む方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルク半導体単結晶を成長させるための、より具体的には、物理的気相輸送に基づいて炭化ケイ素などのバルク半導体の単結晶を成長させるためのシステムおよび方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、パワーエレクトロニクス、無線周波、および発光半導体部品などの幅広い用途の電子部品のための半導体基板材料として広く使用される。
【０００３】
物理的気相輸送（ＰＶＴ：physical vapor transport）は、一般に、バルクＳｉＣ単結晶を成長させるために、特に商業目的に使用される。ＳｉＣ基板は、バルクＳｉＣ結晶から（例えば、ワイヤソーを使用して）スライスを切り出し、そのスライス表面を一連の研磨工程で仕上げ加工することによって製造される。完成したＳｉＣ基板は、エピタキシャル工程などで半導体部品の製造に用いられ、そこで、適切な半導体材料（例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ）の薄い単結晶層がＳｉＣ基板上に堆積される。堆積される単分子層およびそれから製造される部品の特性は、基礎となる基板の品質および均質性に決定的に左右される。この理由から、ＳｉＣの優れた物理的、化学的、電気的および光学的性質は、それを、パワーデバイス用途に好ましい半導体基板材料にしている。
【０００４】
ＰＶＴは、基本的に、好適な材料の昇華とそれに続くシード結晶への再凝固を伴う結晶成長方法であり、シード結晶で単結晶の形成が起こる。原材料およびシード結晶が成長構造の内部に入れられ、原材料を加熱によって昇華させる。昇華した蒸気は次いで、原材料とシード結晶との間に設定された勾配を有する温度場に起因して制御された形で拡散し、シード上に堆積して単結晶として成長する。
【０００５】
従来のＰＶＴに基づく成長システムは、一般に、原材料を昇華させるために誘導加熱システムまたは抵抗加熱システムのいずれかを利用している。両方の場合とも、ＰＶＴに基づく成長システムの核となるのはいわゆる反応器である。基本的に、坩堝と、シード結晶のための固定手段とを備え、従来は絶縁のためのグラファイト材料および炭素材料から作られる成長構造は、反応器の内部に置かれ、反応器の外側に配置された誘導コイル、または反応器の外側もしくは内側に配置された抵抗ヒータのいずれかによって加熱される。成長構造内の温度は、成長構造のオーバーチュア（overture）の近くに設置された、１つもしくは複数の高温計または１つもしくは複数の熱電対によって測定される。真空シールされた反応器は、１つまたは複数の真空ポンプによって真空引きされ、１つまたは複数のガス供給を介して不活性ガスまたはドープガスの供給を受けて、制御されたガス（ガス混合物大気）を作り出す。すべてのプロセスパラメータ（圧力、温度、ガス流量等）は、コンピュータによって操作されるシステムコントローラによって調節、制御、および記憶することができ、コントローラは、すべての関連する構成要素（例えば、インバータ、高温計、真空制御弁、マスフロー制御（ＭＦＣ）、および圧力計）と通信する。
【０００６】
誘導加熱されるＰＶＴシステムの場合、反応器は、通常、１つまたは複数のガラス管を含み、このガラス管は、場合により水で冷却され、両端に反応器の内部を大気に対して封止するためのフランジが設けられている。そのような誘導加熱されるＰＶＴシステムの例が、特許、米国特許第８，８６５，３２４号明細書に記載されている。図８は、そのような従来の誘導加熱されるＰＶＴシステム８００を示す。
【０００７】
成長機構８００は成長坩堝８０２を備え、これはＳｉＣ供給領域８０４および結晶成長領域８０６を含んでいる。粉末状のＳｉＣ原材料８０８は、成長工程の開始前に、前加工された出発材料として成長坩堝８０２のＳｉＣ供給領域８０４に注入され、例えばＳｉＣ供給領域８０４に配置される。シード結晶８１０が、結晶成長領域８０６内の、成長坩堝８０２のＳｉＣ供給領域８０４に対向する内壁、例えば坩堝の蓋８１２に、提供される。成長させるバルクＳｉＣ単結晶は、結晶成長領域８０６内に形成されるＳｉＣ成長気相からの堆積によってシード結晶８１０の上に成長する。成長するバルクＳｉＣ単結晶とシード結晶８１０とは、およそ同じ直径を有してよい。
【０００８】
坩堝の蓋８１２を含む成長坩堝８０２は、導電性および伝熱性のグラファイトの坩堝材料から製造されてよい。その周囲に熱絶縁（図には図示せず）が配置され、これは、例えば気泡状のグラファイト絶縁材料を含んでよく、その空孔率は特に、グラファイト坩堝材料の空孔率よりも高い。
【０００９】
熱絶縁された成長坩堝８０２は、管状容器８１４の内部に置かれ、容器は、石英ガラス管として構成されてよく、オートクレーブまたは反応器を形成する。加熱コイル８１６の形態の誘導加熱装置が、容器８１４の周囲に配置されて、成長坩堝８０２を加熱する。成長坩堝８０２は、加熱コイル８１６により、２０００℃超の成長温度まで、特に約２２００℃まで、加熱される。加熱コイル８１６は、成長坩堝８０２の導電性の坩堝壁（いわゆるサセプタ）に、電流を誘導結合する。この電流は、実質的に、円形かつ中空で円筒形の坩堝壁の中を周方向に循環電流として流れ、その過程で成長坩堝８０２を加熱する。サセプタは、グラファイト、ＴａＣ、ＷＣ、Ｔａ、Ｗ、または他の耐熱金属から作られ得る。サセプタの主要な目的は、坩堝８０２の内側の熱源を提供することである。サセプタが誘導によって加熱されると、サセプタの表面は高い温度に達し、その温度が次いで、伝導および／または放射を通じて坩堝８０２の内側に移される。
【００１０】
上述したように、誘導コイル８１６は、ガラス管８１４の外側に取り付けられ、通常は、電磁放射を遮断するための電磁遮蔽を形成するファラデーケージ（図面では見えていない）によって包囲される。誘導コイル８１６には等距離の巻き線が巻かれ、各巻き線は、隣の巻き線から距離ｄ＿１の距離にある。
（【００１１】以降は省略されています）

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