Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СУБЛИМАЦИОННЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ И ИСТОЧНИК КАРБИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
СУБЛИМАЦИОННЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ И ИСТОЧНИК КАРБИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

СУБЛИМАЦИОННЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ И ИСТОЧНИК КАРБИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в технологии изготовления полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния, включающий параллельное размещение друг напротив друга испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности по меньшей мере одного затравочного монокристалла карбида кремния заданного политипа, образующих зону роста, создание в зоне роста пониженного давления и поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного монокристалла к источнику, обеспечивающих испарение карбида кремния источника и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного монокристалла, отличающийся тем, что зону роста герметизируют до достижения в ней рабочих температур, при этом процесс ведут в присутствии в зоне роста твердого раствора тантала и кремния в тантале и их химических соединений. При этом источник карбида кремния и затравочный монокристалл помещают в контейнер, выполненный с возможностью герметизации, материал внутренней поверхности которого представляет собой твердый раствор карбидов тантала и кремния в тантале и их химические соединения, а объем контейнера ограничен плоскостью закрепления затравочного монокристалла, а с боковых сторон периметром зоны роста и источника может быть использован монокристалл карбида кремния политипа 4Н, при этом в зону роста дополнительно вводят пары олова. В качестве материала источника для выращивания монокристаллов порошка при температуре, обеспечивающей частичную пересублимацию зерен карбида кремния. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2094547
Класс(ы) патента: C30B23/00, C30B29/36
Номер заявки: 96101450/25
Дата подачи заявки: 22.01.1996
Дата публикации: 27.10.1997
Заявитель(и): Водаков Юрий Александрович; Мохов Евгений Николаевич; Рамм Марк Григорьевич; Роенков Александр Дмитриевич; Макаров Юрий Николаевич; Карпов Сергей Юрьевич; Рамм Марк Спиридонович; Темкин Леонид Иосифович
Автор(ы): Водаков Юрий Александрович; Мохов Евгений Николаевич; Рамм Марк Григорьевич; Роенков Александр Дмитриевич; Макаров Юрий Николаевич; Карпов Сергей Юрьевич; Рамм Марк Спиридонович; Темкин Леонид Иосифович
Патентообладатель(и): Водаков Юрий Александрович; Мохов Евгений Николаевич; Рамм Марк Григорьевич; Роенков Александр Дмитриевич; Макаров Юрий Николаевич; Карпов Сергей Юрьевич; Рамм Марк Спиридонович; Темкин Леонид Иосифович
Описание изобретения: Изобретение относится к области получения монокристаллических материалов, а именно карбида кремния, и может быть использовано в технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе карбида кремния. Карбид кремния (SiC) широкозонный полупроводниковый материал, пригодный для создания источников света, силовых диодов и полевых транзисторов, фотодиодов, отличающихся высокой стабильностью и способностью работать при повышенных температурах. Параметры этих приборов в значительной степени определяются чистотой материала и его структурными характеристиками.
Наиболее распространенными способами производства монокристаллов карбида кремния являются основанные на Лели-методе, сублимационные методы, путем кристаллизации из паровой фазы, образованной испарением твердого карбида кремния (источника пара) (1).
Рост монокристалла карбида кремния из пара без образования второй фазы реализуется в том случае, когда внешний поток кремния (Si) на ростовую поверхность превышает поток углерода.
Величина необходимого избыточного потока кремния зависит от температуры растущей поверхности и определяется, в случае сублимационного способа, составом пара вблизи указанной поверхности роста. Условия однофазного (без включений второй фазы) роста монокристалла карбида кремния реализуются при составе паров близком к системе SiC-Si. Экспериментально показано, что несоблюдение этого условия приводит к резкому увеличению плоскости дислокаций, пор, каналов в растущем монокристалле. Так как максимальную концентрацию в газовой фазе имеют молекулы кремния, то любые потери вещества из зоны роста в окружающее пространство приводят к обеднению паровой фазы в зоне роста кремнием, т.е. обогащению ее углеродом, и, следовательно, в конечном счете, приводят к графитизации источника, снижению качества монокристаллов и прекращению их роста. Смещение состава паров в зоне роста к паровой фазе, соответствующей системе SiC-Si, существенно улучшает рост и структурное совершенство выращиваемых монокристаллов карбида кремния. Это связано с тем, что такая система (SiC-Si) препятствует образованию второй фазы графита и графитизации источника и ростовой поверхности затравочного монокристалла. Однако, также известно, что избыток кремния в зоне роста может привести как к образованию дефектов на ростовой поверхности монокристалла карбида кремния, вследствие оседания на нее капель избыточного кремния, так и к образованию политипов, отличающихся от политипа затравочного монокристалла.
В патенте (2) для сохранения в течение некоторого времени требуемого состава паровой фазы предлагается единоразово помещать в зону роста в качестве источника паров карбида кремния порошок карбида кремния определенной зернистости в массе, превышающей более чем в три раза массу выращиваемого монокристалла. При этом обеспечивается относительно постоянный состав паровой фазы внутри зоны роста вследствие того, что уход паров карбида кремния в пространство вне зоны роста, который должен приводить к постоянному обогащению паровой фазы атомами углерода, компенсируется созданием большого количества паров карбида кремния, поскольку паровая фаза существенно обогащена атомами кремния по сравнению с атомами углерода. В результате, в течение какого-то определенного времени удается поддерживать относительную стабильность состава паровой фазы вблизи ростовой поверхности монокристалла карбида кремния. Но продолжительность стабильного ростового процесса ограничена, и с течением времени в большей части объема зоны роста реализуется система SiC-C, что, как было показано ранее, неблагоприятно для ростового процесса. Большой расход порошка карбида кремния увеличивает стоимость выращиваемых монокристаллов.
В патенте (1) был предложен прием, позволяющий практически неограниченно увеличивать продолжительность ростового процесса, путем непрерывной подачи в определенную температурную зону ростовой камеры заданных небольших порций порошка карбида кремния определенной зернистости. Но и в этом случае масса расходуемого материала источника паров карбидов кремния будет существенно превосходить массу выращиваемого монокристалла вследствие ухода карбида кремния за пределы зоны роста, поскольку ростовая камера сообщается с окружающим ее пространством, что делает данный способ, как и способ по (2), неэкономичным. Потери материала источника карбида кремния обусловлены также геометрией зоны роста, а именно, относительно большим (около 10 см) расстоянием между испаряющей поверхностью источника паров карбида кремния и ростовой поверхностью затравочного монокристалла, которое значительно превосходит длину пробега молекул Si, Si2C, SiC2 при рабочем давлении в зоне роста.
Наиболее близким к предлагаемому является сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния, ("сэндвич-метод"), согласно которому испаряющую поверхность источника карбида кремния и ростовую поверхность затравочного монокристалла карбида кремния располагают, образуя зону роста, параллельно друг другу на расстоянии, не превышающем 0,2 максимального линейного размера источника (3). Рост монокристаллов ведут в графитовом тигле в среде инертного газа при температурах 1600 2000oC с осевым температурным градиентом 5 200oC/см в направлении от затравочного монокристалла к источнику. При малых зазорах между источником карбида кремния и затравочным монокристаллом удается существенно снизить потери паров карбида кремния из зоны роста и направить их поток по кратчайшему пути от источника до ростовой поверхности затравочного монокристалла. При этом зона роста экранируется от внешних источников примесей, что обеспечивает снижение концентрации примесей в выращиваемом монокристалле. Кроме того, небольшой относительно размера источника карбида кремния зазор между испаряющей поверхностью источника и ростовой поверхностью затравочного монокристалла, позволяет поддерживать однородную температуру вдоль их поверхностей и контролировать перепад температур между ними.
Однако, указанный способ имеет ряд недостатков. Одним из них является малый объем выращиваемых монокристаллов (толщина менее 1 мм), связанный с резким замедлением скорости роста при увеличении времени кристаллизации вследствие улетучивания кремния по краям зоны роста за ее пределы и, как следствие, выделения избыточного углерода на испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности выращиваемого монокристалла, тормозящего процесс роста. При этом монокристаллы, полученные указанным методом, имеют дефекты в виде включений 2-ой фазы (преимущественно графита), пор, имеющих плотность больше 100 на см2 и дислокаций не менее 10-4 на см2, а также имеют относительно низкую чистоту по остаточным примесям (бор, кислород и др.).
Кроме того известно положительное влияние танталла на процесс роста монокристаллов карбида кремния. В частности, теоретические исследования сублимационного роста монокристалла карбида кремния с "сендвич-ячейкой" в танталовом контейнере, показали, что паровая среда, создаваемая в зоне роста, близка к SiC-Si системе с частичным давлением паров кремния, немного превышающим давление в SiC-Si системе. При этом положительное влияние присутствия Та сказывается как при проведении процесса в среде инертного газа, так и в вакууме.
Однако, как было обнаружено авторами, на начальных стадиях процесса роста возможно выделение тантала или его соединений в виде включений 2-й фазы, а также повышенная концентрация растворенного тантала в выращиваемом монокристалле карбида кремния, наличие которого в качестве легирующей монокристалл примеси нежелательно. При этом, даже в присутствии тантала, в случае большей, чем 5 часовой продолжительности процесса роста, проводимого в соответствии с указанным способом, качество выращиваемого монокристалла постепенно ухудшается вкраплениями углеродной пыли, оседающими на растущий монокристалл. Последнее вызвано уже упомянутым механизмом обогащения паровой фазы углеродом вследствие ухода кремния за пределы зоны роста. При этом также имеют место потери материала источника 15 20% от веса перенесенного вещества.
Кроме того, на начальном этапе процесса роста возможно взаимодействие паров кремния, образующихся при испарении источника карбида кремния, с материалом танталового контейнера, приводящее к образованию сплава тантала с кремнием, обладающего низкой температурой плавления и, как следствие, разрушение контейнера при рабочих температурах роста.
В известных сублимационных методах выращивания монокристаллов карбида кремния в качестве источника паров карбида кремния используется либо порошок карбида кремния заданной дисперсности, предварительно синтезированный из смеси кремния и графита спектральной чистоты, либо пластина поли- или монокристаллического карбида кремния, полученного, например, Лели-методом. При этом для получения больших объемов выращиваемых монокристаллов требуется постоянная подача в зону роста источника паров карбида кремния. Использование в качестве источника карбида кремния порошка карбида кремния более экономично, чем поли- или монокристаллов карбида кремния, стоимость которых значительно выше, чем порошка. Однако, обеспечение непрерывной подачи порошка в зону роста является достаточно сложной задачей.
Кроме того, при синтезе порошка карбида кремния, как правило, кристаллическими крупинками порошка карбида кремния захватываются примеси в виде крупных фракций, такие как графитовая или иная пыль. При этом в процессе роста монокристаллов карбида кремния одновременно с транспортировкой углерод- и кремнийсодержащих молекул карбида кремния происходит перенос пыли к растущей поверхности, что значительно ухудшает структурное совершенство монокристаллов карбида кремния, приводит к высокой плотности микропор и дислокаций в монокристалле, В результате, качество выращиваемых монокристаллов карбида кремния может оказаться неприемлемым для изготовления на их основе полупроводниковых приборов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является использование в качестве источника карбида кремния поли- или монокристаллов карбида кремния (3). Отсутствие в составе таких источников карбида кремния примесей в виде грубых фракций, обеспечивают более высокое качество выращиваемых монокристаллов карбида кремния. Однако, как указывалось, поли- или монокристаллы карбида кремния имеют достаточно высокую стоимость, что делает их использование в качестве источника карбида кремния неэкономичным.
В основу настоящего изобретения положена задача создать сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния, и источник карбида кремния для указанного способа такие, чтобы в зоне роста при минимальном количестве посторонних примесей и минимальных потерях материала источника заданное время поддерживался оптимальный для выращивания монокристаллов состав паров карбида кремния, соответствующий системе SiC Si, и тем самым обеспечить экономичное производство высококачественных монокристаллов карбида кремния желаемого размера.
Поставленная задача решается тем, что в сублимационном способе выращивания монокристаллов карбида кремния, включающем параллельное размещение друг напротив друга испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности по меньшей мере одного затравочного монокристалла карбида кремния заданного политипа, образующих зону роста, создание в зоне роста пониженного давления и поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного монокристалла к источнику, обеспечивающих испарение карбида кремния источника и его кристаллизацию из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного монокристалла, согласно изобретению, зону роста герметизируют до достижения в ней рабочих температур, при этом процесс ведут в присутствии в зоне роста твердого раствора карбидов тантала и кремния в тантале и их химических соединений.
Авторами установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что вакуум-плотная изоляция зоны роста от остального пространства значительно снижает потери материла источника (до нескольких процентов), а наличие в зоне роста твердого раствора карбида тантала и кремния в тантале и их химических соединений, то есть соединения переменного состава Ta-Si-C, выполняющего роль катализатора, сдвигает состав паровой фазы от системы SiC-C к системе SiC-Si. Указанное соединение переменного состава Ta-Si-C остается в неизменном состоянии длительное время, и тем самым, обеспечивает постоянный состав паровой фазы в зоне роста, что позволяет повысить качество и размеры выращиваемых монокристаллов. Кроме того, герметизация зоны роста от внешней среды обеспечивает снижение концентрации примесей в выращиваемом монокристалле. При этом параллельное расположение испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного монокристалла карбида кремния, а также осевой градиент температур обеспечивают кратчайщий путь от источника до затравочного кристалла, что позволяет снизить потери материала источника от осаждения паров карбида кремния вне ростовой поверхности затравочного монокристалла, поддерживать однородные температуры вдоль испаряющей поверхности источника и ростовой поверхности затравочного монокристалла и контролировать перепад температур между этими поверхностями.
Целесообразно источник карбида кремния и по меньшей мере один затравочный монокристалл поместить в контейнер, выполненный с возможностью герметизации, материал внутренней поверхности которого представляет собой твердый раствор карбида тантала и кремния в тантале и их химические соединения, при этом целесообразно, чтобы объем контейнера был ограничен по плоскости закрепления затравочного монокристалла, а с боковых сторон по периметру зоны роста и источника карбида кремния.
Расположение источника карбида кремния и затравочных монокристаллов карбида кремния в контейнере, выполненном с возможностью герметизации и выполнение внутренней поверхности стенок из указанного материала, являются наиболее технологичным способом герметизации зоны роста и введения в нее твердого раствора карбида кремния в тантале и их химических соединений.
Указанная геометрия контейнера, замыкающего зону роста, является оптимальной для уменьшения потерь источника карбида кремния.
В случае выращивания монокристаллов карбида кремния политипа 4Н, когда в качестве затравочного монокристалла используют монокристалл политипа 4Н, целесообразно, в зону роста дополнительно вводить пары олова.
Известно, что при выращивании монокристаллов карбида кремния политипа 4Н высока вероятность спонтанного их преобразования в политип 3С.
Авторами установлено, что присутствие паров олова в зоне роста монокристалла карбида кремния политипа 4Н обеспечивает стабильное воспроизведение политипа 4Н затравочного монокристалла.
Поставленная задача решается тем, что в качестве источника карбида кремния для сублимационного способа выращивания монокристаллов, в виде твердого материала карбида кремния, согласно изобретению, использована керамика карбида кремния.
Использование в качестве источника карбида кремния керамики карбида кремния, по сравнению с поли- и монокристаллами карбида кремния, удешевляет способ выращивания монокристаллов, поскольку стоимость получения керамики карбида кремния значительно ниже, чем поли- и монокристаллов карбида кремния. При этом может быть обеспечено также более высокое качество выращиваемых монокристаллов карбида кремния, чем при использовании в качестве источника порошка карбида кремния, благодаря снижению в процессе изготовления керамики карбида кремния содержания в ней пылевой компоненты.
Кроме того, при изготовлении керамики легко вводить в источник карбида кремния необходимые дополнительные компоненты, такие как легирующие примеси или присадки, улучшающие ростовой процесс монокристалла карбида кремния.
По мере роста монокристалла карбида кремния, проще обеспечить необходимую для длительного процесса роста монокристалла карбида кремния непрерывную подачу источника карбида кремния в виде керамического стержня, чем порошка.
Целесообразно в качестве керамики карбида кремния использовать керамику, полученную спеканием порошка при температуре, обеспечивающей частичную пересублимацию зерен карбида кремния.
При этом достигается еще большая очистка источника от посторонних примесей.
Спекание порошка карбида кремния с частичной пересублимацией зерен карбида кремния, сопровождается очисткой порошка от основных фоновых примесей и пылевого состава, а также его частичным связыванием.
Плотное спекание препятствует переносу пылевого состава с испаряющей поверхности источника в паровую фазу, что обеспечивает снижение содержания пылевой компоненты и других примесей в зоне роста.
На фиг. 1 изображает контейнер с заключенной в нем зоной роста; на фиг. 2 контейнер с заключенной в нем зоной роста, помещенный в герметизирующий кожух.
Согласно изобретению выращивание кристаллов осуществляют следующим образом.
Источник 1 (фиг. 1) карбида кремния, и затравочный монокристалл 2 карбида кремния заданного политипа устанавливают в контейнере 3, с параллельным расположением друг относительно друга испаряющей поверхности источника 1 и ростовой поверхности затравочного монокристалла 2, образующих между собой зону 4 роста. В случае использования нескольких затравочных монокристаллов 2 (фиг. 2), их ростовые поверхности располагают в одной плоскости параллельно испаряющей поверхности источника 1. При этом количество затравочных монокристаллов 2 в зоне 4 роста определяется поставленной задачей.
Расстояние между испаряющей поверхностью источника 1 и ростовой поверхностью затравочного монокристалла 2 не должно значительно превышать длину пробега молекул карбида кремния с тем, чтобы предотвратить диффузию молекул, снижающую скорость роста монокристалла и потери материала источника карбида кремния от осаждения его паров вне ростовых поверхностей затравочных монокристаллов.
В качестве материала источника 1 карбида кремния наиболее экономично использовать керамику карбида кремния, полученную, например, путем спекания порошка карбида кремния при температуре, обеспечивающей частичную пересублимацию зерен карбида кремния. Спекание порошка карбида кремния может быть осуществлено, например, в атмосфере инертного газа, в частности аргона, в температурном диапазоне 1500 2300oC.
Спекание порошка с частичной пересублимацией зерен карбида кремния сопровождается очисткой порошка от основных фоновых примесей и пылевого состава, а также его частичным связыванием. При этом плотное спекание препятствует свободному переносу пылевого состава с испаряющей поверхностью источника 1 в паровую зону.
Возможно также изготовление керамики путем прессования порошка карбида кремния.
Кроме того в процессе изготовления керамики возможно преднамеренное введение в керамику карбида кремния легирующей примеси в заданной пропорции с целью получения желаемого легирования выращиваемого монокристалла карбида кремния. При этом не вызывает затруднений достижение равномерного распределения легирующей примеси по всему объему керамики карбида кремния при ее изготовлении, что позволяет получать равномерно легированные монокристаллы высокого качества.
Возможен вариант реализации способа, в котором в качестве источника использован поли- и монокристалл карбида кремния. Однако такой способ будет менее экономичным.
Источник 1 карбида кремния, как показано на Фиг. 1, может быть установлен непосредственно на дне контейнера 3, а затравочный монокристалл 2 закреплен на его крышке. С боковых сторон контейнер 3 замыкает по периметру источник 1 карбида кремния и, соответственно, зону 4 роста.
Кроме того, как показано на Фиг. 2 источник 1 карбида кремния может быть закреплен в верхней части контейнера 3 (на его крышке), а затравочные монокристаллы 2 карбида кремния на дне контейнера.
Возможны и другие варианты крепления источника 1 и затравочного монокристалла 2 в контейнере. Однако, для предотвращения потерь материала источника карбида кремния от осаждения паров карбида кремния вне ростовых поверхностей затравочных монокристаллов, внутренний объем контейнера 3 не должен быть намного больше объема зоны 4 роста.
Контейнер 3, выполняют из тантала, при этом материал внутренней поверхности контейнера 3 представляет собой твердый раствор карбидов тантала и кремния в тантале и их химические соединения.
Для получения указанного материала внутренних поверхностей контейнера, их, до начала использования, подвергают специальной обработке комплексному легированию. Сперва контейнер нагревают в порошке графита, постепенно повышая температуру до 2200-2500oC, и выдерживают 1 3 ч. Затем контейнер постепенно нагревают в присутствии карбида кремния до температур 2500oC и выдерживают в течение 1 3 часов. В результате такой обработки танталовый контейнер, как было установлено авторами, имея переменный по глубине состав Ta-Si-C, теряет способность абсорбции паров карбида кремния в процессе роста монокристалла карбида кремния и приобретает свойства катализатора, поддерживающего состав паровой фазы, соответствующий системе SiC-Si. Кроме того, образующееся после указанной обработки соединение переменного состава Ta-Si-C, является тугоплавким материалом, выдерживающим рабочие температуры роста монокристалла карбида кремния.
Возможны и другие способы легирования контейнера углеродом и кремнием.
Контейнер 3 выполнен с возможностью вакуумирования и герметизации. Возможны различные конструкции контейнера, обеспечивающие его вакуумирование и герметизацию. Для герметизации контейнера 3 может быть также использован герметизирующий кожух 5 (Фиг. 2) из графита, в который заключают контейнер 3.
Контейнер 3 (Фиг. 1) с источником 1 карбида кремния и затравочным монокристаллом 2, образующими между своими поверхностями зону 4 роста, помещают в высокотемпературную печь для выращивания монокристаллов (не показано), позволяющую создать в зоне 4 роста поле рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного монокристалла 2 к источнику 1, обеспечивающих испарение карбида кремния источника 1 и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного монокристалла 2. Создают в печи пониженное давление (не выше 10-5 Торр) и производят нагрев источника 1 и затравочного монокристалла 2 для создания рабочих температур в зоне 4 роста. При этом, до достижения рабочих температур в зоне 4 роста, контейнер 3 герметизируют. В зависимости от конструкции контейнера 3 возможны различные способы герметизации, например, вакуумной сварки. Возможно также производить вакуумирование и герметизацию контейнера 3 до установки в высокотемпературную печь.
При использовании кожуха 5 (Фиг. 2) герметизацию кожуха 5 можно также производить (в зависимости от конструкции кожуха 5) как непосредственно в печи, так и до установки контейнера 3 с кожухом 5 в печь.
В случае длительного процесса, при выращивании больших монокристаллов, происходит постепенное увеличение толщины растущего монокристалла и соответствующее уменьшение толщины источника 1. Для поддержания процесса работы роста наиболее удобно использовать в качестве источника 1 керамический стержень карбида кремния, который непрерывно подают в зону 4 роста. При этом в зоне 4 роста в течение всего процесса должен поддерживаться постоянный температурный режим. Это возможно осуществить различными способами, как раздельным нагревом источника 1 и растущего монокристалла 2, так и перемещением контейнера внутри печи в соответствии с наперед известной скоростью роста, определяемой выбранным температурным режимом, создающим заданный градиент температур.
Авторами установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что вакуумно-плотная изоляция зоны 4 роста от остального пространства высокотемпературной печи до начала сублимационного процесса значительно снижает потери материала источника 1 (до нескольких процентов) и предотвращает попадание из внешней среды в зону 4 роста посторонних примесей. Наличие в изолированной от внешней среды зоне 4 роста твердого раствора карбидов тантала и кремния в тантале и их химических соединений, то есть соединения переменного состава Ta-Si-C, выполняющего роль катализатора, сдвигает состав паровой фазы от системы SiC-C к системе SiC-Si. Указанное соединение переменного состава Ta-Si-C остается в неизменном состоянии длительное время, и тем самым, обеспечивает постоянный состав паровой фазы в зоне 4 роста, что позволяет повысить качество и размеры выращиваемых монокристаллов.
В случае выращивания монокристалла карбида кремния политипа 4Н в качестве затравочного монокристалла 2 используют монокристалл этого политипа, и рост ведут в присутствии паров олова, которое вводят в контейнер 3 до его герметизации. При этом обеспечивается стабильное воспроизведение политипа 4Н затравочного монокристалла.
Ниже приведены конкретные примеры реализации предлагаемого способа, иллюстрирующие его преимущества в отношении высокого качества и размеров полученных монокристаллов карбида кремния.
Выращивание монокристаллов карбида кремния велось по способу, описанному выше при следующих режимах.
Расстояние между испаряющей поверхностью источника 1 и ростовой поверхностью затравочного монокристалла 2, мм 3 9
Рабочие температуры, oC 1800 2200
Осевой температурный градиент, град/см 20 50
Скорость роста, мм/ч 0,7 1,2
Политип затравочного монокристалла:
6H SiC в направлении роста [0001] Si,
4H SiC в направлении роста [0001] C,
6H SiC в направлении, находящемся под углом 5 градусов к направлению [0001]
Выращенные монокристаллы имели следующие характеристики.
Толщина слоя монокристалла, мм 10
Диаметр монокристалла, мм 20 40
Плотность дислокаций (в зависимости от легирования), см-2 - 102 104
Плотность микропайпов, не более, см-2 10
Плотность включений второй фазы (углерод, кремний), см-3 10
Концентрация фоновых примесей, см-3:
Азота 1016
Бора 1016
Тантала 1016 1017
Графитизация источника и ростовой поверхности в течение 10 часовой длительности процесса при 2000oC и пониженном давлении (10-5 Торр) - отсутствует
Потери вещества источника, 5 10
Воспроизводимость политипа затравочного монокристалла,
Политип 6H SiC в направлении роста [0001] Si 80
Политип 4H SiC в направлении роста [0001] C 70
Политип 6H SiC в направлении, находящемся под углом 5 градусов к направлению [0001] 100
Расход электроэнергии на 1 г выращенного монокристалла SiC (соответственно, для диаметра полученных монокристаллов 40 и 20 мм), квт·ч - 2 5
Таким образом, из приведенных характеристик видно, что предлагаемый способ выращивания монокристаллов карбида кремния позволяет обеспечить рост высококачественных монокристаллов в течение длительного времени, практически без замедления скорости роста.
Формула изобретения: 1. Сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния, включающий параллельное размещение одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности по меньшей мере одного затравочного монокристалла карбида кремния заданного политипа, образующих зону роста, создание в зоне роста пониженного давления и поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного монокристалла к источнику, обеспечивающих испарение карбида кремния источника и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного монокристалла, отличающийся тем, что зону роста герметизируют до достижения в ней рабочих температур, при этом процесс ведут в присутствии в зоне роста твердого раствора карбидов тантала и кремния в тантале и их химических соединений.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник карбида кремния и затравочный монокристалл помещают в контейнер, выполненный с возможностью герметизации, материал внутренней поверхности которого представляет собой твердый раствор карбидов тантала и кремния в тантале и их химические соединения, при этом объем контейнера ограничен плоскостью закрепления затравочного монокристалла, а с боковых сторон периметром зоны роста и источника карбида кремния.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве затравочного монокристалла используют монокристалл карбида кремния политипа 4Н, при этом в зону роста дополнительно вводят пары олова.
4. Источник для сублимационного способа выращивания монокристаллов карбида кремния в виде твердого материала карбида кремния, отличающийся тем, что в качестве материала источника используют керамику карбида кремния.
5. Источник по п.4, отличающийся тем, что керамику карбида кремния получают спеканием порошка при температуре, обеспечивающей частичную пересублимацию зерен карбида кремния.