RU2603159C1

RU2603159C1 - Method of producing monocrystalline sic

Info

Publication number: RU2603159C1
Application number: RU2015130674/05A
Authority: RU
Inventors: Алексей Юрьевич Фадеев; Андрей Олегович Лебедев; Дмитрий Дмитриевич Авров; Юрий Михайлович Таиров; Виктор Викторович Лучинин
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2016-11-20

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to technology of producing monocrystalline SiC - wide-band gap semiconductor material, used for making integrated microcircuits. Method involves sublimation of SiC source 6 on inoculating plate 5 of monocrystalline SiC, fixed on cover 3 of a growth cell inside a cylindrical channel, formed in a growth cell, when source of SiC 6 is placed in cavity, formed by walls of growth cell, cylindrical channel and bottom 4 of growth cell, and passage of vapour phase of SiC source through wall of cylindrical channel, wherein growth cell is made of multiple, arranged in series one above another, sections 1 for arrangement of SiC source 6 and section 2 for forming ingot of monocrystalline SiC, in form of hollow graphite cylinder, on which there is cover 3 of growth cell with inoculating plate 5 of monocrystalline SiC, and each of sections 2 for arrangement of SiC source 6 is composed of two cylinders, located coaxially one inside another with radial clearance, inside of which lower edges of cylinders are tightly connected to bottom to form circular chamber for placement of SiC source 6 and inner cylindrical channel of section, wherein height of outer cylinder exceeds height of inner cylinder, and cylindrical channel of growth cell is formed, coaxially in series while placing section 1 for placement of SiC source 6 and section 2 for forming ingot of monocrystalline SiC 4 at bottom of growth cell. Furthermore, costs of carrying out method are reduced due to possibility of repeated use of growth cell by replacing separate degraded sections of growth cell with new ones.

EFFECT: invention increases growth rate of ingot of monocrystalline SiC without deterioration of quality, which increases output of ingots of monocrystalline SiC per unit time.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.The invention relates to a technology for producing single-crystal SiC, a wide-gap semiconductor material used to create integrated circuits based on it.

Известен способ получения монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в нижней части ростовой ячейки, на затравочную пластину из монокристаллического SiC (DE 102009009614, C30B 23/02, C30B 29/36, 2010; US 2007000432, C30B 23/00, C30B 25/00, C30B 28/12, C30B 28/14, 2007; WO 2008056761, C30B 29/36, 2008).A known method for producing single-crystal SiC by sublimation of a SiC source located in the lower part of the growth cell onto a single crystal SiC seed plate (DE 102009009614, C30B 23/02, C30B 29/36, 2010; US 2007000432, C30B 23/00, C30B 25 / 00, C30B 28/12, C30B 28/14, 2007; WO 2008056761, C30B 29/36, 2008).

Такой способ характеризуются неэффективным использованием источника SiC, который вследствие наличия радиального температурного градиента сублимирует не равномерно, а преимущественно из более нагретой области, располагающейся вблизи стенок ростовой ячейки. Также вследствие наличия радиального температурного градиента происходит эстафетная пересублимация зерен источника SiC из области, прилегающей к стенкам ростовой ячейки в сторону области, располагающейся вблизи оси ростовой ячейки, с уменьшением площади свободной поверхности источника SiC. Это приводит к уменьшению количества сублимировавшего SiC в единицу времени и, соответственно, уменьшению скорости роста слитка монокристаллического SiC. Кроме того, слиток монокристаллического SiC, выращенный с помощью такого способа, характеризуется наличием микропор и углеродных включений, которые возникают вследствие переноса мелкодисперсных слабосвязанных частиц углерода, образовавшихся в результате нестехиометрической сублимации источника SiC, с поверхности источника SiC на поверхность растущего слитка монокристаллического SiC. Это приводит к ухудшению качества слитка монокристаллического SiC и, как следствие, снижению надежности изготавливаемых из него микроэлектронных схем.Such a method is characterized by inefficient use of a SiC source, which due to the presence of a radial temperature gradient does not sublimate evenly, but mainly from a warmer region located near the walls of the growth cell. Also, due to the presence of a radial temperature gradient, relay re-sublimation of the grains of the SiC source occurs from the region adjacent to the walls of the growth cell towards the region located near the axis of the growth cell, with a decrease in the free surface area of the SiC source. This leads to a decrease in the amount of sublimated SiC per unit time and, accordingly, to a decrease in the growth rate of a single-crystal SiC ingot. In addition, a single-crystal SiC ingot grown using this method is characterized by the presence of micropores and carbon inclusions, which arise as a result of the transfer of finely dispersed weakly bound carbon particles formed as a result of non-stoichiometric sublimation of the SiC source from the surface of the SiC source to the surface of a growing single-crystal SiC ingot. This leads to a deterioration in the quality of a single-crystal SiC ingot and, as a consequence, to a decrease in the reliability of microelectronic circuits made from it.

Известен способ получения монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в нижней части ростовой ячейки, на затравочную пластину из монокристаллического SiC, в котором для уменьшения радиального температурного градиента в источнике SiC в нижней части ростовой ячейки под источником SiC размещают дополнительные теплоизоляционные элементы различной формы (JP 2006143497, C30B 29/36, 2006).A known method for producing single-crystal SiC by sublimation of a SiC source located in the lower part of the growth cell onto a single crystal SiC seed plate, in which additional heat-insulating elements of various shapes are placed below the SiC source to reduce the radial temperature gradient in the SiC source under the SiC source (JP 2006143497, C30B 29/36, 2006).

Также известен способ получения монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в нижней части ростовой ячейки, на затравочную пластину из монокристаллического SiC, в котором для уменьшения радиального температурного градиента в источнике SiC нагреватель располагают не только вокруг ростовой ячейки, но и под ее дном (US 20130255568, C30B 23/06, C30B 23/02, 2013).There is also a method for producing single-crystal SiC by sublimation of a SiC source located at the bottom of the growth cell onto a single crystal SiC seed plate, in which, to reduce the radial temperature gradient in the SiC source, the heater is placed not only around the growth cell, but also under its bottom (US 20130255568, C30B 23/06, C30B 23/02, 2013).

В таких способах благодаря размещению дополнительных теплоизоляционных элементов или дополнительного нагревателя под дном ростовой ячейки источник SiC прогревается более равномерно, и радиальный температурный градиент в источнике SiC выравнивается. За счет этого лишь незначительно уменьшается радиальный температурный градиент на поверхности источника SiC, так как такие способы подразумевают теплоизоляцию или дополнительный нагрев только нижней части ростовой ячейки, что ведет к уменьшению радиального температурного градиента, главным образом, на дне ростовой ячейки с незначительным его уменьшением на поверхности источника SiC. Такие способы также характеризуются неэффективным использованием источника SiC и наличием пересублимировавшей части источника SiC вблизи оси ростовой ячейки с малой площадью свободной поверхности источника SiC, что также ведет к уменьшению скорости роста слитка монокристаллического SiC. Кроме того, слитки монокристаллического SiC, полученные такими способами, характеризуются наличием микропор и углеродных включений, которые возникают вследствие переноса мелкодисперсных слабосвязанных частиц углерода, образовавшихся в результате нестехиометрической сублимации источника SiC, с поверхности источника SiC на поверхность растущего слитка монокристаллического SiC. Это приводит к ухудшению качества слитков монокристаллического SiC и, как следствие, снижению надежности изготавливаемых из него микроэлектронных схем.In such methods, by placing additional heat-insulating elements or an additional heater under the bottom of the growth cell, the SiC source warms up more evenly and the radial temperature gradient in the SiC source is leveled. Due to this, the radial temperature gradient on the surface of the SiC source only slightly decreases, since such methods involve thermal insulation or additional heating of only the lower part of the growth cell, which leads to a decrease in the radial temperature gradient, mainly at the bottom of the growth cell with a slight decrease on the surface SiC source. Such methods are also characterized by inefficient use of the SiC source and the presence of a sublimated part of the SiC source near the axis of the growth cell with a small free surface area of the SiC source, which also leads to a decrease in the growth rate of a single-crystal SiC ingot. In addition, single-crystal SiC ingots obtained by these methods are characterized by the presence of micropores and carbon inclusions, which arise as a result of the transfer of finely dispersed weakly bound carbon particles formed as a result of non-stoichiometric sublimation of the SiC source from the surface of the SiC source to the surface of a growing single-crystal SiC ingot. This leads to a deterioration in the quality of single-crystal SiC ingots and, as a consequence, to a decrease in the reliability of microelectronic circuits made from it.

Известен способ получения монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в верхней части ростовой ячейки, на затравочную пластину из монокристаллического SiC, размещенную в нижней части ростовой ячейки, в которых источник SiC располагается в объеме, образованным стенкой ростовой ячейки, крышкой ростовой ячейки и стенками высокопористого графитового вкладыша, выполненного в форме двухчастного полого цилиндра, у которого наружный диаметр нижней части соответствует внутреннему диаметру ростовой ячейки, наружный диаметр верхней части меньше внутреннего диаметра ростовой ячейки, а внутренний диаметр - постоянный для обеих частей, превышает диаметр затравки и затравкодержателя и формирует ростовой канал (US 4866005, H01L 21/205, H01L 21/36, 1989; JPH 08143397, B28D 5/00, C30B 23/06, C30B 29/36, C30B 33/00, H01L 21/02, 1996).A known method for producing single-crystal SiC by sublimation of a SiC source located in the upper part of the growth cell onto a single crystal SiC seed plate located in the lower part of the growth cell, in which the SiC source is located in the volume formed by the wall of the growth cell, the growth cell lid and the walls of the highly porous graphite liner made in the form of a two-part hollow cylinder, in which the outer diameter of the lower part corresponds to the inner diameter of the growth cell, the outer diameter p of the upper part is smaller than the inner diameter of the growth cell, and the inner diameter is constant for both parts, exceeds the diameter of the seed and the seed holder and forms a growth channel (US 4866005, H01L 21/205, H01L 21/36, 1989; JPH 08143397, B28D 5/00 , C30B 23/06, C30B 29/36, C30B 33/00, H01L 21/02, 1996).

Такой способ характеризуется увеличением эффективности использования источника SiC за счет его расположения в более нагретой области вблизи стенок ростовой ячейки, что позволяет снизить влияние радиального температурного градиента и проводить сублимацию источника равномерно. Для такого способа характерна увеличенная площадь поверхности источника SiC, за счет чего количество сублимировавшего SiC увеличивается, что приводит к увеличению скорости роста монокристаллического слитка SiC. Перенос мелкодисперсных слабосвязанных частиц углерода, образовавшихся в источнике SiC в результате его нестехиометрической сублимации, на поверхность растущего монокристаллического слитка SiC затруднен вследствие размещения источника в квазизакрытой полости. Однако размещение затравки в нижней части ростовой ячейки приводит к тому, что на ее поверхность могут падать частицы слабосвязанного углерода, образовавшиеся в результате травления пористого графитового вкладыша кремнийсодержащими реагентами газовой фазы, что является причиной формирования микропор и углеродных включений в растущем слитке. Это приводит к ухудшению качества слитков монокристаллического SiC и, как следствие, снижению надежности изготавливаемых из него микроэлектронных схем. Кроме того, несмотря на равномерную сублимацию источника SiC, использование высокопористого вкладыша позволяет увеличить скорость роста монокристаллического слитка SiC только на начальном этапе роста. Вследствие наличия радиального температурного градиента поры в графитовом вкладыше начинают зарастать поликристаллическим SiC и скорость роста слитка монокристаллического SiC резко уменьшается.This method is characterized by an increase in the efficiency of using the SiC source due to its location in a warmer region near the walls of the growth cell, which allows one to reduce the influence of the radial temperature gradient and to sublimate the source uniformly. This method is characterized by an increased surface area of the SiC source, due to which the amount of sublimated SiC increases, which leads to an increase in the growth rate of a single-crystal SiC ingot. The transfer of finely dispersed weakly bound carbon particles formed in the SiC source as a result of its non-stoichiometric sublimation to the surface of a growing single-crystal SiC ingot is difficult due to the source being placed in a quasi-closed cavity. However, the placement of the seed in the lower part of the growth cell leads to the fact that particles of weakly bound carbon formed as a result of etching of the porous graphite insert with silicon-containing reagents of the gas phase can fall onto its surface, which causes the formation of micropores and carbon inclusions in the growing ingot. This leads to a deterioration in the quality of single-crystal SiC ingots and, as a consequence, to a decrease in the reliability of microelectronic circuits made from it. In addition, despite the uniform sublimation of the SiC source, the use of a highly porous insert allows one to increase the growth rate of a single-crystal SiC ingot only at the initial stage of growth. Due to the presence of a radial temperature gradient, the pores in the graphite liner begin to grow with polycrystalline SiC and the growth rate of a single-crystal SiC ingot decreases sharply.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения монокристаллического SiC, представленный в статье (Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov, Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals, Journal of Crystal Growth 43 (1978) 209-212), включающий сублимацию источника SiC на затравочную пластину из монокристаллического SiC, размещенную в верхней части ростовой ячейки, в котором источник SiC располагается в полости, образованной стенкой, крышкой и дном ростовой ячейки и стенкой тонкостенного графитового вкладыша, выполненного в форме полого цилиндра, внутренний диаметр которого соответствует диаметру затравочной пластины из монокристаллического SiC с возможностью ее размещения в полости этого вкладыша. Таким образом, источник SiC размещается вблизи стенки ростовой ячейки, а центральная часть ростовой ячейки остается незаполненной, образуя цилиндрический канал, через поры которого выходит паровая фаза источника SiC. Такое расположение источника SiC в более нагретой области вблизи стенки ростовой ячейки позволяет снизить влияние радиального температурного градиента и проводить сублимацию источника равномерно. В процессе роста слитка монокристаллического SiC пары сублимирующего источника SiC проникают сквозь поры тонкостенного графитового вкладыша и осаждаются на поверхность затравочной пластины из монокристаллического SiC.Closest to the claimed is a method for producing single-crystal SiC presented in the article (Yu.M. Tairov, VF Tsvetkov, Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals, Journal of Crystal Growth 43 (1978) 209-212), including sublimation SiC source onto a single-crystal SiC seed plate placed in the upper part of the growth cell, in which the SiC source is located in the cavity formed by the wall, cover and bottom of the growth cell and the wall of a thin-walled graphite insert made in the form of a hollow cylinder, the inner diameter of which corresponds to there is a diameter of a single-crystal SiC seed plate with the possibility of its placement in the cavity of this insert. Thus, the SiC source is located near the wall of the growth cell, and the central part of the growth cell remains unfilled, forming a cylindrical channel through the pores of which the vapor phase of the SiC source exits. Such an arrangement of the SiC source in a warmer region near the wall of the growth cell allows one to reduce the effect of the radial temperature gradient and to sublimate the source uniformly. During the growth of a single-crystal SiC ingot, pairs of a sublimating SiC source penetrate the pores of a thin-walled graphite insert and are deposited on the surface of a single-crystal SiC seed plate.

Недостатком такого способа является то, что в процессе роста слитка монокристаллического SiC поры тонкостенного графитового вкладыша зарастают поликристаллическим SiC, что приводит к снижению скорости роста слитка монокристаллического SiC и последующей невозможности дальнейшего его выращивания. Кроме того, при заполнении порошкообразным источником SiC полости, образованной стенкой, крышкой, дном ростовой ячейки и стенкой тонкостенного графитового вкладыша, часть источника SiC, располагающегося вокруг растущего слитка монокристаллического SiC, сублимирует неэффективно и спекается, что препятствует извлечению источника SiC из ростовой ячейки после проведения ростового процесса. Таким образом, повторное использование ростовой ячейки невозможно, и для проведения нового ростового процесса необходимо использовать новую ростовую ячейку, что делает способ неэкономичным.The disadvantage of this method is that during the growth of a single-crystal SiC ingot, the pores of a thin-walled graphite insert are overgrown with polycrystalline SiC, which leads to a decrease in the growth rate of a single-crystal SiC ingot and its subsequent inability to further grow it. In addition, when filling with a powder SiC source a cavity formed by a wall, a lid, the bottom of a growth cell and the wall of a thin-walled graphite insert, a part of the SiC source located around a growing ingot of single-crystal SiC sublimates inefficiently and sintering, which prevents the extraction of the SiC source from the growth cell after growth process. Thus, the reuse of the growth cell is impossible, and for a new growth process it is necessary to use a new growth cell, which makes the method uneconomical.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения монокристаллического SiC, который позволяет достигнуть технического результата, заключающегося в увеличении скорости роста слитка монокристаллического SiC и снижении затрат на проведение способа за счет возможности многократного использования ростовой ячейки путем замены отдельных деградированных секций ростовой ячейки на новые.The objective of the invention is to provide a method for producing single-crystal SiC, which allows to achieve a technical result, which consists in increasing the growth rate of a single-crystal SiC ingot and reducing the cost of carrying out the method due to the possibility of multiple use of the growth cell by replacing individual degraded sections of the growth cell with new ones.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе получения монокристаллического SiC, включающем сублимацию источника SiC на затравочную пластину из монокристаллического SiC, закрепленную на крышке ростовой ячейки внутри цилиндрического канала, сформированного в ростовой ячейке, при размещении источника SiC в полости, образованной стенками ростовой ячейки, цилиндрического канала и дном ростовой ячейки, и прохождении паровой фазы источника SiC через стенку цилиндрического канала, ростовая ячейка выполнена из нескольких, расположенных последовательно друг над другом, секций для размещения источника SiC и секции для формообразования слитка монокристаллического SiC, выполненной в виде полого графитового цилиндра, на которой расположена крышка ростовой ячейки с затравочной пластиной из монокристаллического SiC, а каждая из секций для размещения источника SiC выполнена в виде двух цилиндров, расположенных соосно один внутри другого с радиальным зазором, внутри которого нижние кромки цилиндров герметично соединены дном с образованием кольцевой полости для размещения источника SiC и внутреннего цилиндрического канала секции, при этом высота внешнего цилиндра превышает высоту внутреннего цилиндра, а цилиндрический канал ростовой ячейки формируют, соосно последовательно располагая секции для размещения источника SiC и секцию для формообразования слитка монокристаллического SiC на дне ростовой ячейки.The essence of the invention lies in the fact that in a method for producing single-crystal SiC, comprising sublimating a SiC source onto a single crystal SiC seed plate mounted on the lid of the growth cell inside a cylindrical channel formed in the growth cell, when the SiC source is placed in the cavity formed by the walls of the growth cell , a cylindrical channel and the bottom of the growth cell, and the passage of the vapor phase of the SiC source through the wall of the cylindrical channel, the growth cell is made of several sections sequentially arranged one above the other for placing the SiC source and sections for shaping a single-crystal SiC ingot made in the form of a hollow graphite cylinder on which there is a cell growth cover with a single-crystal SiC seed plate, and each of the sections for placing the SiC source two cylinders arranged coaxially one inside the other with a radial clearance, inside of which the lower edges of the cylinders are hermetically connected by the bottom with the formation of an annular cavity for eniya SiC source and the internal cylindrical channel section, with height greater than the height of the outer cylinder the inner cylinder, a cylindrical passage formed cell growth, coaxially positioning section for sequentially placing SiC source and the section for forming SiC single crystal ingot at the bottom of the cell growth.

Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что сублимацию источника SiC проводят в ростовой ячейке, сформированной из секций особой конструкции. Конструктивное решение секций для размещения источника SiC при их расположении соосно последовательно друг над другом позволяет облегчить выход паровой фазы источника SiC в цилиндрический канал, образованный секциями, с последующим осаждением на затравочной пластине из монокристаллического SiC. В отличие от конструктивного решения прототипа, в котором паровая фаза источника SiC выходит в цилиндрический канал через поры тонкостенного графитового цилиндра, характеризующиеся малым размером, конструктивное решение секций в заявляемом способе позволяет сформировать зазоры достаточного размера для свободного выхода паровой фазы источника SiC. Такое конструктивное решение исключает возможность зарастания зазоров в отличие от пор прототипа. Также конструктивное решение секции позволяет увеличить площадь поверхности источника SiC, с которой происходит сублимация. Благодаря проведению способа с использованием таким образом организованной ростовой ячейки повышается скорость роста слитка монокристаллического SiC.A distinctive feature of the proposed method is that the sublimation of the source of SiC is carried out in a growth cell formed from sections of a special design. The constructive solution of the sections for placing the SiC source when they are arranged coaxially sequentially one above the other makes it possible to facilitate the exit of the vapor phase of the SiC source into the cylindrical channel formed by the sections, followed by deposition on the seed plate of single-crystal SiC. In contrast to the design solution of the prototype, in which the vapor phase of the SiC source enters the cylindrical channel through the pores of a thin-walled graphite cylinder, characterized by a small size, the constructive solution of the sections in the present method allows the formation of gaps of sufficient size for the free exit of the vapor phase of the SiC source. This constructive solution eliminates the possibility of overgrowing of gaps in contrast to the pores of the prototype. Also, the constructive solution of the section allows to increase the surface area of the SiC source with which sublimation occurs. Thanks to the method using the thus organized growth cell, the growth rate of a single-crystal SiC ingot is increased.

Проведение способа с использованием составной ростовой ячейки обеспечивает его удешевление ввиду возможности замены секции в случае ее деградации. Размещение секции для формообразования слитка монокристаллического SiC в виде полого графитового цилиндра вокруг растущего слитка позволяет повысить общую эффективность использования источника SiC за счет удаления источника SiC из области неэффективной сублимации.The implementation of the method using a composite growth cell provides its cost reduction due to the possibility of replacing the section in case of its degradation. Placing a section for shaping a single-crystal SiC ingot in the form of a hollow graphite cylinder around a growing ingot allows increasing the overall efficiency of using the SiC source by removing the SiC source from the area of ineffective sublimation.

Способ иллюстрируют:The method is illustrated by:

Фиг. 1 - Конструкция ростовой ячейки, размещенной в вакуумной камере.FIG. 1 - The design of the growth cell placed in a vacuum chamber.

Фиг. 2 - Конструкция секции для размещения источника SiC.FIG. 2 - Section design for placement of a SiC source.

В качестве технического средства для осуществления предлагаемого способа может использоваться ростовая ячейка, размещенная в вакуумной камере (фиг. 1), содержащая секции для размещения источника SiC 1, секцию для формообразования слитка монокристаллического SiC 2, крышку 3, дно ростовой ячейки 4. Дно ростовой ячейки 4 выполнено в виде круглой пластины, диаметром, соответствующим внешнему диаметру секции для размещения источника SiC 1, причем край пластины снабжен буртиком для соединения с устанавливаемой на него секцией для размещения источника SiC 1. На крышке 3 размещена затравочная пластина из монокристаллического SiC 5. В полостях секций для размещения источника SiC 1 размещен порошкообразный источник SiC 6. Снаружи ростовой ячейки последовательно расположены спираль 7 резистивного электронагревателя и теплоизоляционный слой 8, выполненный из графитового войлока. Элементы 1-8 помещены в цилиндрическую вакуумную камеру 9. Секция для размещения источника SiC 1 (фиг. 2) состоит из внешнего 10 и внутреннего 11 цилиндров, размещенных с радиальным зазором, внутри которого нижние кромки цилиндров герметично соединены дном 12 с образованием кольцевой полости для размещения источника SiC 13 и внутреннего цилиндрического канала секции 14, при этом высота внешнего цилиндра превышает высоту внутреннего цилиндра.As a technical means for implementing the proposed method, a growth cell placed in a vacuum chamber can be used (Fig. 1), containing sections for placing a SiC 1 source, a section for forming an ingot of single-crystal SiC 2, a cover 3, a bottom of a growth cell 4. The bottom of a growth cell 4 is made in the form of a round plate with a diameter corresponding to the outer diameter of the section for receiving the SiC 1 source, and the edge of the plate is provided with a shoulder for connecting to the section to be installed on it SiC 1. The cover plate 3 is placed seed of monocrystalline SiC 5. The cavities accommodate sections for SiC source 1 is placed powdered SiC source 6. Outside the cell growth sequentially arranged resistive coil 7 of the electric heater and the heat insulation layer 8 is made of graphite felt. Elements 1-8 are placed in a cylindrical vacuum chamber 9. The section for placing the SiC 1 source (Fig. 2) consists of an external 10 and an internal 11 cylinders placed with a radial clearance, inside which the lower edges of the cylinders are hermetically connected by the bottom 12 with the formation of an annular cavity for placing the source of SiC 13 and the inner cylindrical channel of section 14, while the height of the outer cylinder exceeds the height of the inner cylinder.

Перед проведением способа определяют количество секций для размещения источника SiC 1 и в каждую из них засыпают порошкообразный источник SiC 6, полностью используя объем полости 13. Затем эти секции размещают соосно последовательно друг над другом, фиксируя между собой нижний и верхний торцы внешних цилиндров верхней и нижней секции, соответственно, например, соединением в замок 15 (фиг. 2) или резьбовым соединением, причем нижнюю секцию размещают на дне ростовой ячейки 4. Над собранными секциями для размещения источника SiC 1 таким же образом располагают секцию для формообразования слитка монокристаллического SiC 2. Собранные таким образом и установленные на дне ростовой ячейки 4 секции формируют цилиндрический канал в ростовой ячейке, образующийся из цилиндрических каналов секций 14 и полости секции для формообразования слитка монокристаллического SiC 2, на которую размещают крышку 3 с закрепленной на ней затравочной пластиной из монокристаллического SiC 5 так, что пластина располагается внутри цилиндрического канала. Собранную ростовую ячейку размещают в вакуумной камере 9 и проводят процесс роста слитка монокристаллического SiC.Before carrying out the method, the number of sections is determined to accommodate the source of SiC 1 and a powder source of SiC 6 is poured into each of them, making full use of the volume of the cavity 13. Then these sections are placed coaxially sequentially one above the other, fixing the lower and upper ends of the outer cylinders of the upper and lower sections, respectively, for example, by connecting to the lock 15 (Fig. 2) or by a threaded connection, the lower section being placed at the bottom of the growth cell 4. Above the assembled sections to accommodate the SiC 1 source in the same way a section for forming a single-crystal SiC 2 ingot is assumed. 4 sections so assembled and mounted on the bottom of the growth cell form a cylindrical channel in the growth cell formed from the cylindrical channels of the sections 14 and the cavity of the forming section of a single-crystal SiC 2 ingot, onto which the lid 3 is fixed on it a seed plate of single-crystal SiC 5 so that the plate is located inside the cylindrical channel. The assembled growth cell is placed in a vacuum chamber 9 and a single-crystal SiC ingot growth process is carried out.

Конструктивные элементы ростовой ячейки выполнены из конструкционного графита. Высота секции для формообразования слитка должна быть не менее предполагаемой высоты выращиваемого слитка. Высота стенки внешнего цилиндра секции для размещения источника SiC выбирают из диапазона от 0,5d до 1,0d, где d - диаметр затравочной пластины монокристаллического SiC. Переход нижней границы диапазона характеризуется значительным уменьшением высоты выращиваемого слитка монокристаллического SiC, ввиду быстрого истощения источника SiC. Переход верхней границы диапазона характеризуется неэффективным использованием источника SiC ввиду сложности выхода паров источника SiC, располагающегося в нижней части полости секции для размещения источника SiC. Толщина конструктивных элементов секции для размещения источника SiC должна быть не менее 5 мм. Уменьшение толщины приводит к увеличению хрупкости конструкции и возможному ее разрушению.The structural elements of the growth cell are made of structural graphite. The height of the section for shaping the ingot should be not less than the estimated height of the grown ingot. The wall height of the outer cylinder of the section for placing the SiC source is selected from the range from 0.5d to 1.0d, where d is the diameter of the seed plate of single-crystal SiC. The transition of the lower boundary of the range is characterized by a significant decrease in the height of the grown ingot of single-crystal SiC, due to the rapid depletion of the source of SiC. The transition of the upper boundary of the range is characterized by inefficient use of the SiC source due to the complexity of the vapor output of the SiC source located in the lower part of the cavity of the section to place the SiC source. The thickness of the structural elements of the section to accommodate the source of SiC should be at least 5 mm. Reducing the thickness leads to an increase in the fragility of the structure and its possible destruction.

Величина зазора между нижним торцом внутреннего цилиндра вышерасположенной секции и верхним торцом внутреннего цилиндра нижерасположенной секции должна быть не менее 10 мм. Экспериментально показано, что снижение величины зазора ниже этого значения может приводить к зарастанию зазора и последующему прекращению роста слитка монокристаллического SiC.The gap between the lower end of the inner cylinder of the upstream section and the upper end of the inner cylinder of the downstream section must be at least 10 mm. It has been experimentally shown that a decrease in the gap value below this value can lead to overgrowing of the gap and subsequent cessation of growth of a single-crystal SiC ingot.

Диаметр цилиндрического канала, сформированного в ростовой ячейке из цилиндрических каналов секций для размещения источника SiC и полости секции для формообразования слитка монокристаллического SiC соответствует диаметру затравочного кристалла монокристаллического SiC с возможностью его размещения в нем.The diameter of the cylindrical channel formed in the growth cell from the cylindrical channels of the sections to accommodate the source of SiC and the cavity of the section for shaping a single-crystal SiC ingot corresponds to the diameter of the seed crystal of single-crystal SiC with the possibility of its placement in it.

Для экспериментальной проверки способа использовали затравочную пластину из монокристаллического SiC политипа 4Н ориентации (0001) и отклонением в 4° в направлении азимута [11-20] со средней по поверхности плотностью микропор ~10 см^-2. Затравочная пластина из монокристаллического SiC была предварительно подвергнута последовательной двусторонней шлифовке и полировке на алмазных пастах с уменьшением величины зерна абразива до 0,25 мкм с последующим травлением в расплаве KOH в течение 10 мин при 550°C и ультразвуковой отмывкой в деионизованной воде.For experimental verification method used seed plate single crystal SiC polytype 4H orientation (0001), and a deviation of 4 ° in the azimuth direction [11-20] with an average density on the surface of micropores of ~ 10 ^cm2. A single-crystal SiC seed plate was previously subjected to sequential double-sided grinding and polishing on diamond pastes with a decrease in the abrasive grain size to 0.25 μm, followed by etching in KOH melt for 10 min at 550 ° C and ultrasonic washing in deionized water.

В качестве источника SiC использовали высокочистый порошкообразный карбид кремния производства фирмы Saint-Gobain (Норвегия) с размером зерна ~100 мкм. Порошкообразный источник SiC размещали в полостях секций для размещения источника SiC (фиг. 1). Количество и высоту секций (высота внешнего цилиндра секции для размещения источника SiC и высота секции для формообразования слитка монокристаллического SiC) для разных экспериментов (см. Таблицу) изменяли таким образом, чтобы общая высота ростовой ячейки, а, значит, и значение осевого температурного градиента, были постоянными. На крышке закрепляли затравочную пластину из монокристаллического SiC, после чего ростовую ячейку помещали в вакуумную камеру таким образом, чтобы дно ростовой ячейки находилось в самой горячей точке вакуумной камеры. Вакуумную камеру откачивали до давления ~10^-5мм рт.ст., а ростовую ячейку нагревали до 1000°C с помощью спирали резистивного нагревателя и выдерживали при данной температуре в течение 1 ч для удаления остаточных загрязнений. Далее вакуумную камеру заполняли аргоном до давления 100 мм рт.ст. и нагревали до достижения температуры источника SiC значения 2200°C. Температура затравочной пластины из монокристаллического SiC при этом составляла 2050°C. Выдерживали при указанных температуре и давлении в течение 1 ч, после чего производили откачку вакуумной камеры до давления аргона 5 мм рт.ст., при котором происходит рост слитка монокристаллического SiC посредством сублимации источника SiC с последующим осаждением паровой фазы источника SiC на затравочной пластине из монокристаллического SiC в течение 20 часов. По окончании выращивания слитка монокристаллического SiC вакуумную камеру охлаждали до комнатной температуры и разгерметизировали. Из ростовой ячейки был извлечен слиток монокристаллического SiC политипа 4Н.A high-purity powdered silicon carbide manufactured by Saint-Gobain (Norway) with a grain size of ~ 100 μm was used as a SiC source. A powdered source of SiC was placed in the cavities of the sections to accommodate the source of SiC (Fig. 1). The number and height of sections (the height of the outer cylinder of the section to place the SiC source and the height of the section for shaping a single-crystal SiC ingot) for different experiments (see the Table) was changed so that the total height of the growth cell, and, therefore, the value of the axial temperature gradient, were permanent. A single-crystal SiC seed plate was fixed on the lid, after which the growth cell was placed in a vacuum chamber so that the bottom of the growth cell was at the hottest point of the vacuum chamber. The vacuum chamber was pumped out to a pressure of ~ 10 ^-5 mm Hg, and the growth cell was heated to 1000 ° C using a resistance heater coil and kept at this temperature for 1 h to remove residual contaminants. Next, the vacuum chamber was filled with argon to a pressure of 100 mm Hg. and heated until the temperature of the SiC source reaches 2200 ° C. The temperature of the single-crystal SiC seed plate was 2050 ° C. It was held at the indicated temperature and pressure for 1 h, after which the vacuum chamber was evacuated to an argon pressure of 5 mm Hg, at which a single-crystal SiC ingot grew by sublimation of the SiC source, followed by vapor deposition of the SiC source on a single crystal seed plate SiC for 20 hours. At the end of the growth of the single-crystal SiC ingot, the vacuum chamber was cooled to room temperature and depressurized. An ingot of a single-crystal SiC 4H polytype was extracted from the growth cell.

Результаты 7-кратных испытаний способа в среде аргона при температурах источника SiC (дна нижней секции ростовой ячейки) и затравочной пластины (крышки ростовой ячейки) из монокристаллического SiC, равных 2200°C и 2050°C, соответственно, давлении в вакуумной камере 8, равном 5 мм рт.ст., диаметре монокристаллической затравки SiC, равном 76 мм, диаметре и высоте ростовой ячейки, равными 228 мм и 309 мм, соответственно, толщине конструктивных элементов секций для размещения источника SiC и толщине дна ячейки, равных 5 мм, и различных высоте, количестве секций ростовой ячейки и величине зазоров для вывода паров (зазор между нижним торцом внутреннего цилиндра вышерасположенной секции и верхним торцом внутреннего цилиндра нижерасположенной секции), приведены в Таблице. Для сравнения в таблице также приведены результаты для конструктивного решения ростовой ячейки прототипа с диаметром и высотой, равными 228 мм и 309 мм, соответственно, внутренний диаметр тонкостенного графитового вкладыша составил 76 мм, толщина стенки вкладыша - 5 мм.The results of 7-fold tests of the method in argon at temperatures of the source of SiC (bottom of the lower section of the growth cell) and the seed plate (cover of the growth cell) of single-crystal SiC equal to 2200 ° C and 2050 ° C, respectively, the pressure in the vacuum chamber 8, equal 5 mm Hg, SiC single crystal seed diameter equal to 76 mm, growth cell diameter and height equal to 228 mm and 309 mm, respectively, the thickness of the structural elements of the sections to accommodate the SiC source and the cell bottom thickness equal to 5 mm, and various height, number of sections of ro cell and the size of the gaps for the output of vapors (the gap between the lower end of the inner cylinder of the upstream section and the upper end of the inner cylinder of the downstream section) are shown in the Table. For comparison, the table also shows the results for a structural solution of the prototype growth cell with a diameter and height of 228 mm and 309 mm, respectively, the inner diameter of the thin-walled graphite liner was 76 mm, the liner wall thickness was 5 mm.

Скорость роста слитка монокристаллического SiC определяли прямым измерением высоты слитка с учетом времени процесса роста. Плотность микропор в слитке монокристаллического SiC определяли под микроскопом после травления в расплаве KOH при температуре 550°C поверхности пластин, отрезанных от слитка монокристаллического SiC.The growth rate of an ingot of single-crystal SiC was determined by direct measurement of the height of the ingot taking into account the time of the growth process. The density of micropores in a single-crystal SiC ingot was determined under a microscope after etching in a KOH melt at a temperature of 550 ° C on the surface of plates cut off from a single-crystal SiC ingot.

Как видно из Таблицы, увеличение общей площади поверхности источника SiC ведет к увеличению скорости роста слитка монокристаллического SiC. Увеличение высоты секции для размещения источника SiC при сохранении общего числа секций незначительно влияет на увеличение скорости роста, в основном, за счет большего времени работы до истощения источника SiC. Использование большего количества секций для размещения источника SiC меньшей высоты, позволяет увеличить скорость роста слитка монокристаллического SiC, однако, из-за меньшего объема источника SiC, размещаемого в таких секциях, время роста и конечная высота слитка монокристаллического SiC ограничиваются истощением источника SiC. Использование ячейки из 6 секций для размещения источника SiC высотой 0,5d (38 мм) и 1 секции для формообразования слитка монокристаллического SiC высотой d (76 мм) позволяет увеличить скорость роста слитка монокристаллического SiC в 2,5 раза по сравнению с использованием конструктивного решения ростовой ячейки прототипа такой же высоты (309 мм). Изменение количества микропор в выращенных слитках монокристаллического SiC в зависимости от конструкции ячейки было незначительным.As can be seen from the Table, an increase in the total surface area of the SiC source leads to an increase in the growth rate of a single-crystal SiC ingot. Increasing the height of the section to accommodate the SiC source while maintaining the total number of sections does not significantly affect the increase in growth rate, mainly due to the longer time until the source of SiC is depleted. The use of a larger number of sections to accommodate a SiC source of lower height allows an increase in the growth rate of a single-crystal SiC ingot, however, due to the smaller volume of the SiC source placed in such sections, the growth time and the final height of a single-crystal SiC ingot are limited by the depletion of the SiC source. Using a cell of 6 sections to place a SiC source with a height of 0.5 d (38 mm) and 1 section for shaping a single-crystal SiC ingot with a height of d (76 mm) can increase the growth rate of a single-crystal SiC ingot by 2.5 times compared to using the structural solution of the growth prototype cells of the same height (309 mm). The change in the number of micropores in the grown ingots of single-crystal SiC depending on the cell structure was insignificant.

Таким образом, заявляемый способ позволяет увеличить скорость роста слитка монокристаллического SiC без ухудшения качества, что приводит к увеличению выхода слитков монокристаллического SiC в единицу времени. Кроме того, снижаются затраты на проведение способа за счет возможности многократного использования ростовой ячейки путем замены отдельных деградированных секций ростовой ячейки на новые.Thus, the inventive method allows to increase the growth rate of a single-crystal SiC ingot without deterioration, which leads to an increase in the yield of single-crystal SiC ingots per unit time. In addition, the cost of carrying out the method is reduced due to the possibility of multiple use of the growth cell by replacing individual degraded sections of the growth cell with new ones.

Claims

Способ получения монокристаллического SiC, включающий сублимацию источника SiC на затравочную пластину из монокристаллического SiC, закрепленную на крышке ростовой ячейки внутри цилиндрического канала, сформированного в ростовой ячейке, при размещении источника SiC в полости, образованной стенками ростовой ячейки, цилиндрического канала и дном ростовой ячейки, и прохождении паровой фазы источника SiC через стенку цилиндрического канала, отличающийся тем, что ростовая ячейка выполнена из нескольких, расположенных последовательно друг над другом, секций для размещения источника SiC и секции для формообразования слитка монокристаллического SiC, выполненной в виде полого графитового цилиндра, на которой расположена крышка ростовой ячейки с затравочной пластиной из монокристаллического SiC, а каждая из секций для размещения источника SiC выполнена в виде двух цилиндров, расположенных соосно один внутри другого с радиальным зазором, внутри которого нижние кромки цилиндров герметично соединены дном с образованием кольцевой полости для размещения источника SiC и внутреннего цилиндрического канала секции, при этом высота внешнего цилиндра превышает высоту внутреннего цилиндра, а цилиндрический канал ростовой ячейки формируют, соосно последовательно располагая секции для размещения источника SiC и секцию для формообразования слитка монокристаллического SiC на дне ростовой ячейки. A method for producing monocrystalline SiC, comprising sublimating a SiC source onto a single crystal SiC seed plate mounted on the lid of the growth cell inside a cylindrical channel formed in the growth cell when the SiC source is placed in the cavity formed by the walls of the growth cell, the cylindrical channel and the bottom of the growth cell, and passage of the vapor phase of the SiC source through the wall of the cylindrical channel, characterized in that the growth cell is made of several, arranged in series above each other og, sections for placing the SiC source and sections for shaping a single-crystal SiC ingot made in the form of a hollow graphite cylinder on which there is a growth cell lid with a seed plate of single-crystal SiC, and each of the sections for placing the SiC source is made in the form of two cylinders located coaxially one inside the other with a radial clearance, inside which the lower edges of the cylinders are hermetically connected by the bottom with the formation of an annular cavity to accommodate the source of SiC and the inner cylinder of the channel of the section, the height of the outer cylinder exceeding the height of the inner cylinder, and the cylindrical channel of the growth cell is formed by coaxially sequentially arranging the sections for placing the SiC source and the section for shaping a single-crystal SiC ingot at the bottom of the growth cell.