Устройство для получения совершенных монокристаллов карбида кремния с дополнительными регулирующими контурами индукционного нагрева

Полезная модель относится к микроэлектронике и ее целью является предлагаемое новое устройство для получения монокристаллического карбида кремния - SiC. Современная микроэлектроника и силовая электроника, в отличие от существующей элементной базы требует создания приборов, работающих в жестких температурных и радиационных условиях. Разработка и изготовление диодов, светодиодов, транзисторов, микросхем и спецприборов являются необходимой составляющей элементной базы нового поколения силовой микроэлектроники. Эффективные светодиоды на основе SiC уже широко используются в автомобилестроении, во многих энергосберегающих технологиях, силовых приборах и осветительных устройствах. Карбид кремния обладает уникальными свойствами, такими как химическая инертность, термическая стойкость, высокая теплопроводность, высокое напряжение электрического пробоя, механическая прочность и другими важными характеристиками [Гнесин Г.Г. «Карбидокремниевые материалы». М., 1977]. Совершенные монокристаллы SiC являются незаменимыми материалами при изготовлении подложек, буферных слоев, пленок в упомянутых выше устройствах и приборах силовой электроники.
Существующие устройства для получения монокристаллов SiC путем сублимации их из газовой фазы выглядят следующим образом: в ростовой камере (тигле), снабженной теплоизоляцией размещают параллельно одна напротив другой испаряющую поверхность источника SiC и ростовую поверхность затравочного монокристаллического SiC, расположенного на графитовом держателе. В ростовой камере создается поле рабочих температур порядка 2500°С с осевым градиентом от затравочного монокристалла к источнику [Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лебедев А.О., Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе. №1 - 2(13-14)/2011, стр. 11-19]. Недостатком этих устройств является то, что при использовании сильнотокового (более 1000А) омического нагрева отсутствует надежное управление градиентами полей температур, и, как следствие, в образцах появляется большое количество механических напряжений, примесей и дефектов.
Известно устройство, в котором реализуется сублимационный рост монокристаллов карбида кремния [US Patent Application Publication №2009/053125, published Feb. 26, 2009, «Stabilizing 4H Poly type During Sublimation Growth of SiC Single Crystals»]. Данное устройство 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. При выращивании кристалла карбида кремния температура затравочного кристалла поддерживается ниже, чем температура источника карбида кремния. Температура источника карбида кремния и затравочного кристалла контролируются 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. Использование этого устройства 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 внутри ростовой камеры, а также градиент температур внутри кристалла в процессе роста в этом устройстве обеспечиваются только нагревателем в основании ростовой камеры, возможности регулирования режимами сублимации кристалла ограничены.
Известно устройство для выращивания монокристаллов карбида кремния, представленное в патенте [US Patent №6428621, published August 6, 2002, «Method for growing low defect density siliconcarbide»]. Это устройство включает параллельное размещение в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией, одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного монокристалла. Рабочая температура имеет значение порядка 2500°С, предпочтительный градиент температур составляет 1÷4°С/мм. При этом необходимое распределение рабочих температур в ростовой камере обеспечивается не только нагревом ростовой камеры нагревателем, но и 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 выращивания кристаллов и, как следствие, повысить скорость их роста, а также оказывать влияние на геометрическую форму кристалла. Однако при завершении 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 механических напряжений на разрыв и на срез. При этом возрастание механических напряжений в монокристалле на разрыв и на срез приводит к образованию в нем трещин и дислокаций.
Прототипом предлагаемого устройства по совокупности основных признаков является устройство для выращивания монокристаллов карбида кремния, представленное в патенте KR 20140041250 А, 04.04.2014, которое содержит тигель, где находится исходный материал в виде подготовленных зерен кристалла; первая и вторая нагревательные катушки, установленные снаружи тигля и подсоединенные к одному источнику энергии. Расстояние между катушками изменяется, поэтому для любой части тигля обеспечивается хорошая регуляция теплового режима. Однако, необходимые точные значения линейного градиента температур с плавным распределением по длине оси тигля, трудно обеспечить только одним дополнительным контуром.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в получении более совершенных монокристаллов карбида кремния, с минимальным количеством механических напряжений, трещин и примесей.
Указанный технический результат достигается за счет:
введения в нагревательную систему тигля четырех дополнительных управляемых регулирующих колебательных контуров с подстроечными конденсаторами, расположенных равномерно на оси тигля параллельно друг к другу и перпендикулярно оси тигля, обеспечивающих необходимый градиент температур, питающихся от основного нагревательного контура за счет индукционной связи и осуществляющих плавную и точную подстройку текущих значений градиента температур на оси тигля в ходе сублимации, что является наиболее существенным признаком процесса роста совершенного кристалла;
неподвижного закрепления четырех управляемых регулирующих контуров, что позволяет оптимизировать значения полей температур нагрева в распределенной системе в отличие от перемещаемого контура прототипа (патент KR 20140041250 А, 04.04.2014).
Структура устройства для получения совершенных монокристаллов карбида кремния показана на фигуре 1, где 1 - источник карбида кремния; 2 - корпус ростовой камеры (тигель); 3 - основной нагревательный контур; 4 - четыре дополнительных колебательных управляемых регулирующих контура; 5 - затравочный монокристалл (ростовая поверхность); 6 - крышка тигля.
Основной нагревательный контур 3 представляет собой высокочастотный индукционный нагреватель на мощных IGBT транзисторах. Дополнительные управляемые регулирующие колебательные контура 4 позволяют поддерживать необходимый градиент температуры с высокой точностью за счет подстроечных конденсаторов, обеспечивающих резонансный режим с основным нагревательным контуром. Стабильность режима сублимации поддерживается путем изменения электрических параметров дополнительных управляемых регулирующих колебательных контуров.
В предлагаемом устройстве стабильные значения градиента температуры 1÷4°С/мм с высокой точностью обеспечиваются путем измерения текущих температур с накоплением их значений в базе данных внешней памяти и дальнейшей автоматизированной обработкой полученной информации. Это необходимо для обеспечения коррекции траектории оптимального режима сублимации совершенного монокристалла с минимальным количеством примесей и внутренних механических напряжений. Качество кристалла проверяется после каждого рабочего цикла. В дальнейшем при повторении реализации процесса роста монокристалла используется наработанная база данных использованных режимов. При этом пользователем выбирается траектория режимных значений, позволяющая достичь наилучшего качества кристалла автоматически.
В зоне роста создаются стабильные поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного монокристалла 5 к источнику карбида кремния 1. Это обеспечивает равномерное испарение источника карбида кремния 1 и кристаллизацию SiC из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного монокристалла 5 SiC за счет поддержания стабильных градиентов температур в ростовой камере и постоянных значений температур около поверхности затравочного монокристалла 5. Тигель предлагаемого устройства состоит из корпуса 2 и крышки 6 с пьедесталом для затравочного монокристалла 5. В результате, выращиваемый монокристаллический SiC, при наличии стабильных градиентов температуры равномерно растет как однородное продолжение пьедестала, обладая высокой степенью совершенства.
Необходимая точность регулирования сублимационного процесса по текущим значениям температур с заданным градиентом достигается путем обработки результатов измерений и фиксацией в базе данных, что позволяет с высокой точностью поддерживать оптимальное значение градиентов температуры. Предлагаемое устройство позволяет реализовать получение совершенных монокристаллов SiC. Практическое использование предлагаемого устройства не ограничивается применением для получения совершенных монокристаллов карбида кремния, а может быть применено и для получения других кристаллов тугоплавких материалов, например нитридов.