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公開番号2024122949
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-10
出願番号2024016510
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 20060101AFI20240903BHJP(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(102)の円周の周りにおよび/または坩堝(102)の前記長手軸に沿って、不規則な温度場を生成するように形成された加熱システムと、坩堝(102)を少なくとも部分的に取り囲む熱絶縁ユニット(117)と、を備え、熱絶縁ユニット(117)は、不規則な温度場を補償するための径方向および/または軸方向に非対称的な形態を有する。
【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（１０２）の円周の周りにおよび／または前記坩堝（１０２）の前記長手軸に沿って、不規則な温度場を生成するように形成された加熱システムと、
前記坩堝（１０２）を少なくとも部分的に取り囲む熱絶縁ユニット（１１７）であって、前記熱絶縁ユニット（１１７）が、前記不規則な温度場を補償するための径方向および／または軸方向に非対称的な形態を有する、熱絶縁ユニット（１１７）と、
を備える昇華システム。
続きを表示（約 960 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む、請求項１に記載の昇華システム。
【請求項３】
前記熱絶縁ユニット（１１７）が、ニードル加工された炭素フェルトおよび／または高密度化された炭素短繊維を含む、請求項１または２に記載の昇華システム。
【請求項４】
前記熱絶縁ユニット（１１７）が炭素材料の屈曲可能なシートを備え、前記シートが、前記坩堝（１０２）の周りに巻かれ、縫い目（３０４）、少なくとも１つの留め具（３０６）、および／または重なり領域を備える、請求項１から３の一項に記載の昇華システム。
【請求項５】
前記加熱システムが、金属製の支柱部材を備える、請求項１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、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５の一項に記載の昇華システム。
【請求項７】
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６の一項に記載の昇華システム。
【請求項８】
前記熱絶縁ユニット（１１７）が、円周の周りで壁厚が変化する円筒形状を有する、請求項１から７の一項に記載の昇華システム。
【請求項９】
前記熱絶縁ユニット（１１７）が、少なくとも１つの間隙または溝を形成する１つまたは複数の細穴（３０８）を備える、請求項１から８の一項に記載の昇華システム。
【請求項１０】
前記熱絶縁ユニット（１１７）が、径方向および／または軸方向に延びる接続部を有するように組み立てられる複数の別個の部分によって形成される、請求項１から９の一項に記載の昇華システム。
（【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）基板は、電子デバイスの製造に広く使用される。適切な原材料を使用して、ＳｉＣ単結晶は、一般には、例えば米国特許出願公開第８８６５３２４（Ｂ２）号明細書に示されるように物理気相成長（ＰＶＴ）法によって成長させる。そして、フィラメント切断（sawing）または別の好適な分離法を使用して、そのバルク単結晶からＳｉＣ基板を製造し、次いでその表面が多段階の研磨工程で精密化される。続くエピタキシャル工程では、薄い単結晶層（例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ）が、ＳｉＣ基板上に堆積される。これらの層およびそれから製造される電子部品の性質は、ＳｉＣ基板の品質に決定的に左右される。
【０００３】
ＰＶＴによる結晶成長では、抵抗加熱または誘導加熱される結晶成長システムが通常使用される。昇華システムの核となるのはいわゆる反応器であり、この中で実際の結晶成長が行われる。絶縁体と、グラファイトおよび炭素材料または耐熱金属またはそれらの組合せから作られた坩堝と、シード材料と、原材料とからなる成長構造が、反応器の内側に置かれる。加熱は、反応器の外側に置かれた誘導コイルか、または反応器の内側に置かれた抵抗ヒータのいずれかによって提供される。坩堝の内側で、ＳｉＣ原材料を昇華させ、ＳｉＣシード結晶上に堆積させる（すなわち逆昇華させる）。このようにして、ＳｉＣ単結晶ブールを成長させる。図１１は、そのような従来の誘導加熱式ＰＶＴシステム８００を示す。
【０００４】
成長機構８００は、ＳｉＣ供給領域８０４と結晶成長領域８０６とを含んでいる成長坩堝８０２を備える。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。原材料８０８は、原材料の密度を高めるために、高密度化されるか、または部分的にもしくは完全に固体材料として提供されてもよい。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。
【０００５】
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、グラファイトの坩堝材料よりも高い。
【０００６】
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）内に電流を誘導結合する。この電流は実質的に、円形・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、またはその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。
【０００７】
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。
【０００８】
さらに、従来の抵抗加熱のＰＶＴシステムでは、加熱抵抗素子は、反応器の内側に取り付けられる。反応器が金属製である場合、それは水または空気によって冷却することができる。加熱抵抗ＰＶＴシステムの例は、公開特許出願である米国特許出願公開第２０１６／０１３８１８５（Ａ１）号明細書および米国特許出願公開第２０１７／０３２１３４５（Ａ１）号明細書に記載されている。
【０００９】
温度は、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することができる。さらに、システムは、１つまたは複数のガス供給ラインを介して不活性ガスまたはドープガスの供給を受けることができ、システム内の圧力は測定および制御され得る。すべてのプロセスパラメータ（圧力、温度、ガス流量等）は、コンピュータ化されたシステム制御装置によって設定、制御、および保管することができる。昇華システム制御装置は、関連するすべての構成要素（例えば、変換器、高温計、真空制御弁、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、圧力計）と通信する。
【００１０】
ＰＶＴ法でＳｉＣ単結晶を成長させるためには、可能な限り定められた均質な温度プロファイルが必要とされる。シード上へのケイ素原子および炭素原子ならびに化合物の堆積は、この温度場に従う。通常、成長ゾーン内の温度場は、縁部領域よりも中心部の方が長い凸状の結晶が形成されるように選択される。これは、成長する結晶がそれを包囲する反応器と接触することで発生し得るエッジ欠陥の内方成長を回避するためである。
（【００１１】以降は省略されています）

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