СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ
METHOD OF GROWING SILICON CARBIDE MONOCRYSTALS

Предлагаемое техническое решение относится к выращиванию монокристаллов конденсацией испаряемого или сублимируемого материала, а также к монокристаллам на основе карбидов, в частности карбида кремния, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности.
Известен сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния (US Patent Application Publication №2009/053125, published Feb. 26, 2009, «Stabilizing 4H Polytype During Sublimation Growth of SiC Single Crystals»). Известный способ предусматривает размещение источника карбида кремния (в частности, поликристаллического карбида кремния) в нижней части ростовой камеры и герметизацию ростовой камеры с помощью верхней крышки, на которой закреплен затравочный кристалл. Для выращивания кристалла карбида кремния температура затравочного кристалла поддерживается ниже, чем температура источника карбида кремния. Температура источника карбида кремния и затравочного кристалла контролируется оптическим пирометром через отверстия в теплоизоляции, диаметр которых значительно меньше диаметра затравочного кристалла, причем наличие таких пирометрических отверстий практически не влияет на температуру затравочного кристалла.
Известный способ позволяет стабилизировать 4H-SiC политип за счет использования в процессе роста церия или его соединений в качестве добавок. Однако вследствие того, что требуемое распределение рабочих температур (градиент температур) внутри ростовой камеры, а также градиент температур внутри кристалла в процессе роста в известном способе обеспечиваются только нагревателем ростовой камеры, возможности регулирования скорости роста кристалла и формы кристалла ограничены.
Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности основных признаков является способ выращивания монокристаллов карбида кремния (US Patent №6428621, published August 6, 2002, «Method for growing low defect density silicon carbide»), включающий параллельное размещение в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией, одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного кристалла, а также создание в зоне роста поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного кристалла к источнику карбида кремния, обеспечивающих испарение источника кремния и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного кристалла за счет воздействия одновременно нагрева ростовой камеры нагревателем и охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры.
Известный способ позволяет получить кристаллы карбида кремния с низкой плотностью дислокаций и других дефектов и предусматривает стадии аксиального и поперечного наращивания.
Необходимое для проведения процесса роста распределение рабочих температур в ростовой камере в известном способе обеспечивается не только нагревом ростовой камеры нагревателем, а дополнительно - за счет охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры, диаметр которого приблизительно равен диаметру затравочного кристалла. Такие условия создания температурного градиента внутри ростовой камеры позволяют расширить диапазон режимов роста и, как следствие, повысить скорость роста кристалла, а также оказывать влияние на его форму. После завершения процесса роста, в процессе охлаждения, теплоотвод через пирометрическое отверстие в тепловой изоляции ростовой камеры продолжает оказывать влияние на температурный градиент в выращенном монокристалле, что сопровождается возрастанием в нем напряжений на разрыв и на срез. Возрастание напряжения на разрыв приводит к образованию в монокристалле трещин, а возрастание напряжения на срез - к образованию дислокаций.
Задача создания предлагаемого технического решения - повышение качества монокристаллов карбида кремния при одновременном повышении скорости роста кристаллов.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе выращивания монокристаллов карбида кремния, включающем параллельное размещение в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией, одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного кристалла, а также создание в зоне роста поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного кристалла к источнику карбида кремния, обеспечивающих испарение источника кремния и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного кристалла за счет воздействия одновременно нагрева ростовой камеры нагревателем и охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры, перед снижением температуры монокристалла в пирометрическое отверстие устанавливают теплоизолирующую заглушку, а затем снижают температуру кристалла со скоростью 30÷100°С в час уменьшением мощности нагревателя ростовой камеры.
В частных случаях реализации предлагаемого технического решения в пирометрическое отверстие устанавливают теплоизолирующую заглушку с диаметром центрального отверстия, не превышающим 2÷4 мм.
Наличие в пирометрическом отверстии теплоизолирующей заглушки с центральным диаметром отверстия 2÷4 мм позволяет контролировать с помощью пирометра через указанное отверстие температуру в ростовой камере не только в процессе роста, но и в процессе остывания кристалла. Однако в ряде случаев отверстие для контроля температуры может быть предусмотрено в нижней части ростовой камеры, а также могут быть использованы другие методы определения температуры, в частности расчетные.
Снижение напряжений на разрыв и срез в остывающем кристалле может быть достигнуто медленным снижением температуры в ростовой камере после завершения процесса роста. Однако снижение температуры роста со скоростью меньшей чем 30°С в час приводит к тому, что время проведения процесса значительно увеличивается и, как следствие, снижается рентабельность процесса в целом.
С другой стороны увеличение скорости снижения температуры более чем 100°С в час приводит к резкому возрастанию напряжений в остывающем кристалле и, как следствие, к образованию в кристалле трещин и дислокаций, то есть снижению качества и увеличению процента брака.
Однако, как показали подтвержденные экспериментально расчетные данные, в процессе остывания выращенного кристалла на распределение напряжений внутри кристалла и, как следствие, на качество кристалла, оказывает влияние не только градиент температур в ростовой камере, но и градиент температур по толщине самого кристалла на протяжении всего процесса остывания. При этом наибольшее влияние на качество кристалла оказывает градиент температур по его толщине в момент, когда средняя температура кристалла достигает критического значения 1100°С - температуры потери пластичности.
В соответствии с предлагаемым способом снизить напряжения на разрыв и срез в уже выращенном кристалле в процессе его остывания удается за счет уменьшения градиента температур по толщине кристалла. Для этого в пирометрическое отверстие, обеспечивающее теплоотвод от затравочного кристалла в процессе роста, перед снижением температуры монокристалла устанавливают теплоизолирующую заглушку. Температуру кристалла снижают со скоростью 30÷100°С в час при закрытой теплоизолирующей заглушке, уменьшая мощность нагревателя ростовой камеры.
Расчеты распределений температур и напряжений в кристалле в процессе снижения его температуры были поведены по известным зависимостям с помощью специально составленных компьютерных программ.
Результаты расчетов поясняются иллюстрациями, где Фиг.1 - Распределение температуры в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (температура потери пластичности):
а - пирометрическое отверстие открыто;
б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
Фиг.2 - Распределения напряжения на разрыв в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (момент потери пластичности):
а - пирометрическое отверстие открыто;
б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
Фиг.3 - Распределение напряжения на срез в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (момент потери пластичности):
а - пирометрическое отверстие открыто;
б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
На основании анализа данных, представленных на Фиг.1, можно сделать вывод, что в случае снижения температуры кристалла при открытом пирометрическом отверстии (а), перепад температуры по оси кристалла составляет 20°С, а в случае когда в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка (б) - 4°С, то есть меньше в 5 раз.
За счет снижения перепада температуры по оси кристалла снижаются напряжения на разрыв и на срез.
7
6
При открытом пирометрическом отверстии (Фиг.2а) наибольшее напряжение на разрыв, возникающее на краю кристалла, составляет 4,5·10 Па, а в случае когда в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка (Фиг.2б) - 5·10 Па, т.е. меньше почти на порядок. Поскольку напряжение на разрыв вызывает образование радиальных трещин в поперечном сечении кристалла в процессе снижения его температуры, снижение этого напряжения позволяет повысить качество кристаллов и снизить процент брака по данному параметру.
6
6
При открытом пирометрическом отверстии (Фиг.3а) наибольшее напряжение на срез возникает в зоне вблизи края кристалла и составляет 7·10 Па. При условии, что в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка, напряжение на срез в зоне вблизи края кристалла составляет 2·10 Па, т.е. меньше более чем в 3 раза. Поскольку напряжение на срез вызывает образование в поперечном сечении кристалла дислокаций, снижение этого напряжения также позволяет повысить качество кристаллов и снизить процент брака, определяемого количеством дислокаций.
-5
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении монокристаллов карбида кремния путем сублимационного выращивания в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией. В верхней части ростовой камеры устанавливали затравочный кристалл из карбида кремния диаметром 3 дюйма. В нижнюю часть ростовой камеры помещали порошок поликристаллического карбида кремния. Ростовую камеру откачивали до давления 1·10 Торр, а затем нагревали до температуры 1100°С, после чего напускали аргон до давления 450÷550 Торр. Затем ростовую камеру нагревали до рабочей температуры и откачивали аргон до рабочего давления 0,1÷100 Торр.
В верхней части ростовой камеры было предусмотрено пирометрическое отверстие в слое теплоизоляции диаметром 30 мм. Отверстие и затравочный кристалл были расположены осесимметрично. В общем случае величина диаметра пирометрического отверстия зависит от конкретных условий проведения процесса и конструктивных особенностей оборудования.
Распределение температур в ростовой камере в процессе роста кристалла обеспечивалось одновременно нагревом ростовой камеры нагревателем и охлаждением затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры. Рабочая температура затравочного кристалла составляла 2100°С, а рабочая температура источника карбида кремния - 2400°С. При таких условиях осуществляли процесс роста кристалла. Скорость роста составляла 300÷500 мкм/час. Время роста составляло 30 часов. После того как был выращен кристалл толщиной 15 мм, перед тем как начать снижение его температуры, в пирометрическое отверстие устанавливали теплоизолирующую заглушку, а затем постепенно снижали температуру в ростовой камере со скоростью 50°С/час уменьшением мощности нагревателя ростовой камеры.
После окончания процесса снижения температуры полученный кристалл извлекали из ростовой камеры.
Оценка качества кристалла, определяемого количеством трещин, осуществлялась визуально сразу после извлечения кристалла из ростовой камеры и в дальнейшем при распиливании на части необходимого размера. За счет использования предлагаемого способа процент брака по данному параметру удалось снизить на 40%.
Для оценки качества кристаллической решетки полученного кристалла, в частности наличия дислокаций, полученный кристалл нарезали на пластины, которые полировали со стороны (0001)Si, а затем травили в расплаве гидроокиси калия (KOH) при температуре 450°С в течение 15÷30 мин. За счет использования предлагаемого способа процент брака по данному параметру удалось снизить на 50%.