特開 2024-8877 結晶成長炉システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024008877

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】結晶成長炉システム

(51)【国際特許分類】

   C30B 23/06 20060101AFI20240112BHJP

   C30B 29/36 20060101ALI20240112BHJP

【ＦＩ】

C30B23/06

C30B29/36 A

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023107899

(22)【出願日】2023-06-30

(31)【優先権主張番号】63/359,212

(32)【優先日】2022-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】515087558

【氏名又は名称】環球晶圓股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｆｅｒｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．８ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅａｓｔ Ｒｏａｄ ２，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｃｉｔｙ， Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100204490

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 葉子

(72)【発明者】

【氏名】林 欽山

(72)【発明者】

【氏名】王 業鈞

(72)【発明者】

【氏名】劉 建成

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BE08

4G077DA02

4G077DA18

4G077EG18

4G077EH06

4G077SA04

4G077SA08

4G077SA11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】結晶の厚さを増やし、品質を改善することのできる結晶成長炉システムを提供する。
【解決手段】結晶成長炉システム１００は、外部加熱モジュール１１０、炉１２０、第１駆動装置１３０、第２駆動装置１４０、および制御装置１５０を含む。炉は、外部加熱モジュール内に移動可能に配置される。第１駆動装置は、軸Ａ１に沿って移動するように炉を駆動する。第２駆動装置は、軸を中心に回転するように炉を駆動する。制御装置は、第１駆動装置、第２駆動装置、および外部加熱モジュールに電気接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部加熱モジュールと、
前記外部加熱モジュール内に移動可能に配置された炉と、
軸に沿って移動するように前記炉を駆動する第１駆動装置と、
前記軸を中心に回転するように前記炉を駆動する第２駆動装置と、
前記第１駆動装置、前記第２駆動装置、および前記外部加熱モジュールに電気接続された制御装置と、
を含む結晶成長炉システム。

【請求項2】

前記制御装置が、前記第１駆動装置および前記第２駆動装置を同時に、または非同時に動作するように制御するため、前記炉が、前記外部加熱モジュール内で移動または／および回転する請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項3】

前記第１駆動装置が、前記軸に沿って２００ｍｍ以下の最大移動距離で移動するように前記炉を駆動する請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項4】

前記第１駆動装置が、前記軸に沿って０．１μｍ以上の最小移動距離で移動するように前記炉を駆動する請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項5】

前記第１駆動装置が、前記軸に沿って０．０５ｍｍ／時間～１００ｍｍ／分の速度で移動するように前記炉を駆動する請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項6】

前記第２駆動装置が、前記軸を中心に２０ｒｐｍ未満の最大回転速度で回転するように前記炉を駆動する請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項7】

前記外部加熱モジュールが、加熱コイル群であり、前記加熱コイル群が、前記軸に沿って移動する前記炉の移動範囲を覆う請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項8】

前記炉を覆い、前記炉に連結された断熱層をさらに備えた請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項9】

前記炉の下方に位置し、前記炉の重量を測定するための重量計をさらに備えた請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【請求項10】

前記炉が、原料で充填され、前記炉の内部上壁に種結晶が提供された請求項１に記載の結晶成長炉システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、結晶成長炉システムに関するものであり、特に、移動可能かつ回転可能な炉を備えた結晶成長炉システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の結晶成長炉は、固定型と可動型に分けることができる。その違いは、固定型結晶成長炉の炉と外部加熱モジュールがいずれも固定されるのに対し、可動型結晶成長炉の外部加熱モジュールは移動可能であることである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

一般的に、固定型結晶成長炉は、炉の加熱が不均一であるという従来の問題を抱えている。炉の加熱が不均一であると、生成された結晶の前と後の端面間の温度差が大きくなるため、前と後の端面間の応力差が増大し、結晶の厚さおよび品質に影響を及ぼす。

【0004】

可動型結晶成長炉は、移動可能な外部加熱モジュールにより不均一な加熱の問題を改善することができるが、外部加熱モジュールの動きを制御する昇降機構が外部加熱モジュールの電磁誘導を不均一にするため、改善効果に影響を及ぼし、結晶の厚さおよび品質を低下させることにもなる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、移動可能および／または回転可能な炉によって炉が均一に加熱されるようにすることで、結晶両端部の温度差および応力差を減らし、それにより、結晶の厚さを増やし、品質を改善することのできる結晶成長炉システムを提供する。

【0006】

本発明の結晶成長炉システムは、外部加熱モジュール、炉、第１駆動装置、第２駆動装置、および制御装置を含む。炉は、外部加熱モジュール内に移動可能に配置される。第１駆動装置は、軸に沿って移動するように炉を駆動する。第２駆動装置は、軸を中心に回転するように炉を駆動する。制御装置は、第１駆動装置、第２駆動装置、および外部加熱モジュールに電気接続される。

【0007】

本発明の１つの実施形態において、制御装置は、第１駆動装置および第２駆動装置を同時に、または非同時に動作するように制御するため、炉は、外部加熱モジュール内で移動および／または回転する。

【0008】

本発明の１つの実施形態において、第１駆動装置は、軸に沿って２００ｍｍ以下の最大移動距離で移動するように炉を駆動する。

【0009】

本発明の１つの実施形態において、第１駆動装置は、軸に沿って０．１μｍ以上の最小移動距離で移動するように炉を駆動する。

【0010】

本発明の１つの実施形態において、第１駆動装置は、軸に沿って０．０５ｍｍ／時間～１００ｍｍ／分の速度で移動するように炉を駆動する。

【0011】

本発明の１つの実施形態において、第２駆動装置は、軸を中心に２０ｒｐｍ未満の最大回転速度で回転するように炉を駆動する。

【0012】

本発明の１つの実施形態において、外部加熱モジュールは、加熱コイル群であり、加熱コイル群は、軸に沿って移動する炉の移動範囲を覆う。

【0013】

本発明の１つの実施形態において、結晶成長炉システムは、さらに、炉を覆い、炉に連結された断熱層を含む。

【0014】

本発明の１つの実施形態において、結晶成長炉システムは、さらに、炉の下方に配置され、炉の重量を測定するための重量計を含む。

【0015】

本発明の１つの実施形態において、炉は、原料で充填され、炉の内部上壁に種結晶が提供される。

【発明の効果】

【0016】

以上のように、本発明の結晶成長炉システムは、外部加熱モジュール内に移動可能に配置された炉を含み、第１駆動装置および第２駆動装置により炉を移動および／または回転させる。このような設計にすることによって、炉を均一に加熱することができるため、結晶が均一に加熱され、品質が改善された厚い結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の１つの実施形態に係る結晶成長炉システムの概略図である。

【図2】本発明の１つの実施形態に基づいて形成された結晶の概略図である。

【図3】複数の時間点における図２の結晶の端面温度と結晶半径位置の間の関係の概略図である。

【図4A】複数の時間点における従来の固定型結晶成長炉で形成された結晶の端面温度と結晶半径位置の間の関係の概略図である。

【図4B】複数の時間点における従来の可動型結晶成長炉で形成された結晶の端面温度と結晶半径位置の間の関係の概略図である。

【図5】球状化後の図２の結晶のインゴットである。

【図6】切断、研削、および研磨後の図５のインゴットのウェハである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、本発明の１つの実施形態に係る結晶成長炉システムの概略図である。図１を参照すると、結晶成長炉システム１００は、外部加熱モジュール１１０、炉１２０、第１駆動装置１３０、第２駆動装置１４０、および制御装置１５０を含む。外部加熱モジュール１１０は、電源１０に電気接続される。炉１２０は、外部加熱モジュール１１０内に移動可能に配置され、ガスパイプでガスボンベ５０に接続される。第１駆動装置１３０は、軸Ａ１に沿って移動するように炉１２０を駆動する。第２駆動装置１４０は、軸Ａ１を中心に回転するように炉１２０を駆動する。制御装置１５０は、第１駆動装置１３０、第２駆動装置１４０、外部加熱モジュール１１０、電源１０、および温度計４０に電気接続される。

【0019】

制御装置１５０は、第１駆動装置１３０および第２駆動装置１４０を同時に、または非同時に動作するように制御するため、炉１２０は、外部加熱モジュール１１０内で移動および／または回転する。例えば、炉１２０は、まず、上下に移動してから、同じ高さで回転し、最終的に、上下移動の過程において同時に回転することができる。

【0020】

したがって、従来の可動型結晶成長炉の外部加熱モジュールが炉に対して上下にしか移動できないのに対し、本発明の結晶成長炉システム１００の炉１２０は、外部加熱モジュール１１０に対して上下に移動するだけでなく、外部加熱モジュール１１０に対して回転することもできるため、結晶成長炉システム１００は、移動と回転を制御して、同時に、または非同時に動作することができる。このような設計にすることによって、炉１２０をより均一に加熱することができるため、結晶２００がより均一に加熱され、品質が改善された厚い結晶２００を得ることができる。

【0021】

さらに、本実施形態において、外部加熱モジュール１１０は、加熱コイル群であり、加熱コイル群は、軸Ａ１に沿って移動する炉１２０の移動範囲を覆う。

【0022】

一方、本実施形態において、第１駆動装置１３０は、軸Ａ１に沿って２００ｍｍ以下の最大移動距離、０．１μｍ以上の最小可動距離、および０．０５ｍｍ／時間～１００ｍｍ／分の移動速度で移動するように炉１２０を駆動する。さらに、第２駆動装置１４０は、軸Ａ１を中心に２０ｒｐｍ未満の最大回転速度、および０．０１ｒｐｍ以上の最小調整可能な回転速度で回転するように炉１２０を駆動する。

【0023】

図１に示すように、結晶成長炉システム１００は、さらに、炉１２０を覆い、炉１２０に連結された断熱層１６０を含み、炉１２０の温度を維持することよって、炉１２０の温度差が大きくなりすぎるのを防ぐ。一方、結晶成長炉システム１００は、さらに、炉１２０の下部に位置する重量計１７０を含み、炉１２０、断熱層１６０、結晶２００、および炭化ケイ素原料２０の合計重量を計量する。このような設計にすることによって、抽出されて蒸発した炭化ケイ素原料２０の重量損失を検出することができる。本実施形態において、重量計１７０が耐えることのできる最大荷重は、３ｋｇ以上、例えば、５ｋｇまたは１０ｋｇであり、重量計１７０によって解決することのできる最小重量損失率は、０．１ｇ／時間以上である。

【0024】

再度図１を参照すると、結晶成長炉システム１００を使用して結晶２００を形成するための結晶成長方法を実施したとき、結晶成長炉システム１００の炉１２０は、炭化ケイ素原料２０で充填され、炉１２０の内部上壁に種結晶３０が提供される。一定期間の後、種結晶３０の下方に結晶２００を形成することができる。

【0025】

図２は、本発明の実施形態に基づいて形成された結晶の概略図である。図２を参照すると、種結晶３０は、複数の時間点の後に第１方向Ｆ１に沿って結晶２００を形成する。結晶２００は、第１方向Ｆ１に沿って積み重ねられた複数のサブ結晶２１０ａ～２１０ｌを含む。対応するサブ結晶２１０ａ～２１０ｌは、各時間点において形成される。本実施形態において、サブ結晶２１０ａ～２１０ｌの数は、１２であり、時間点の間の間隔は、１０時間であるが、数および間隔はこれに限定されない。サブ結晶の数は、２０であってもよく、時間間隔は、１０時間であってもよい。別の実施形態において、サブ結晶の数は、１０であってもよく、時間間隔は、５時間であってもよく、これらは製造設計に応じて調整可能であるため、本発明はこれに限定されない。サブ結晶２１０ａ～２１０ｌは、種結晶３０から離れた複数の端面２２０ａ～２２０ｌを含む。具体的に説明すると、端面２２０ａ～２２０ｌは、固体、すなわち、結晶２００と昇華プロセス中のガスの間の界面である。各端面２２０ａ～２２０ｌの中心Ｏ１は、それぞれ端面２２０ａ～２２０ｌに対応する第１方向Ｆ１の交点に位置する。注意すべきこととして、図２は、１つの実施形態にすぎない。別の実施形態において、中心Ｏ１から最大結晶半径位置Ｏ２までのサブ結晶２１０ａ～２１０ｌの大きさは、同じであっても、異なっていてもよく、本発明はこれに限定されない。

【0026】

図３は、複数の時間点における図２の結晶２００の端面の温度と結晶半径位置の関係の概略図である。図３に示すように、各線は、第１方向Ｆ１に沿って積み重ねられたサブ結晶２１０ａ～２１０ｌおよびサブ結晶２１０ａ～２１０ｌの各端面２２０ａ～２２０ｌにおいて測定された温度を示し、水平軸上の結晶半径位置０ｍｍは、各端面２２０ａ～２２０ｌの中心Ｏ１を示し、残りの結晶半径位置は、中心Ｏ１に対する半径方向Ｒ１に沿った端面２２０ａ～２２０ｌの中心Ｏ１からの距離である。注意すべきこととして、時間点の後に種結晶３０が結晶２００を形成するプロセスは、第１方向Ｆ１に沿って成長することと、半径方向Ｒ１に沿って成長することと、を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。

【0027】

端面２２０ａ～２２０ｌの温度曲線において、端面２２０ａ～２２０ｌの自身の温度差を比較すると、つまり、端面２２０ａ～２２０ｌの中心Ｏ１から最大結晶半径位置Ｏ２まで、端面２２０ａは、最も小さい温度差を有し、その温度差は、約３度～５度である。端面２２０ｌは、最も大きい温度差を有し、その温度差は、約１０度～１５度である。一方、同じ結晶半径位置において端面２２０ａ～２２０ｌの温度差を比較すると、端面２２０ａ～２２０ｌの中心Ｏ１は、比較的小さい温度差を有し、その温度差は、約０度～３度である。端面２２０ａ～２２０ｌの最大結晶半径位置Ｏ２は、比較的大きな温度差を有し、その温度差は、約１０度～２０度である。言い換えれば、端面２２０ａ～２２０ｌの中で、同じ半径であるか異なる半径であるかに関わらず、任意の２つの温度の間の差値は、約２０度以下、例えば、１５度、１０度、５度、または２度である。言い換えれば、結晶２００が第１方向Ｆ１に沿ってサブ結晶２１０ａ～２１０ｌのうちのどれに積み重ねられても、任意の位置を任意の時間において測定したとき、任意の２つの温度の間の差値は、約２０度以下である。本実施形態の結晶２００の成長プロセスの間、熱場の温度勾配変化を減らすことによって、応力の小さい高品質かつ大型で厚みのある結晶２００およびウェハ４００（図６）が成長する。

【0028】

図４Ａは、複数の時間点における従来の固定型結晶成長炉において形成された結晶の端面の温度と結晶半径位置の関係の概略図である。図４Ａを参照すると、端面２２０ａ～２２０ｌの温度曲線において、端面２２０ａ～２２０ｌの自身の温度差を比較したとき、端面２２０ａは、最も小さい温度差を有し、その温度差は、約５度である。端面２２０ｌは、最も大きい温度差を有し、その温度差は、約１５度である。一方、同じ結晶半径位置における端面２２０ａ～２２０ｌの温度差を比較したとき、端面２２０ａ～２２０ｌの中心部分の温度差は、最大で、約７０度であり、端面２２０ａ～２２０ｌの最大結晶半径位置Ｏ２の最大温度差は、約８０度である。

【0029】

図４Ｂは、複数の時間点における従来の可動型結晶成長炉において形成された結晶の端面の温度と結晶半径位置の関係の概略図である。図４Ｂを参照すると、端面２２０ａ～２２０ｌの温度曲線において、端面２２０ａ～２２０ｌの自身の温度差を比較したとき、端面２２０ａは、最も小さい温度差を有し、その温度差は、約５度である。端面２２０ｌは、最も大きい温度差を有し、その温度差は、約１５度である。一方、同じ結晶半径位置における端面２２０ａ～２２０ｌの温度差を比較したとき、端面２２０ａ～２２０ｌの中心部分の温度差は、最大で、約１２度であり、端面２２０ａ～２２０ｌの最大結晶半径位置Ｏ２の最大温度差は、約２０度以上である。

【0030】

図３、図４Ａ、および図４Ｂの結果からわかるように、結晶２００を形成するための結晶成長方法を結晶成長炉システム１００によって実施したとき、端面２２０ａ～２２０ｌの自身の温度差と結晶２００の端面２２０ａ～２２０ｌ間の温度差が大幅に減少する。その結果、結晶２００間の応力差が減少するため、厚さＴ１およびサイズが増加し、結晶２００の品質が向上する。

【0031】

図５は、球状化の後の図２の結晶のインゴットである。図５に示したインゴット３００は、結晶成長方法によって球状化の後に形成された結晶２００の完成品であり、インゴット３００は、結晶２００の好ましい厚さおよび品質の利点を有する。したがって、インゴット３００のインゴット本体３１０の直径Ｄ１は、１５０ｍｍ以上であり、厚さＴ１は、１５ｍｍ以上である。例えば、直径Ｄ１は、１５０ｍｍであり、厚さＴ１は、２５ｍｍ以上である。または、直径Ｄ１は、２００ｍｍであり、厚さＴ１は、１５ｍｍ以上である。

【0032】

図６は、図５のインゴットを切断、研削、および研磨した後のウェハである。図６に示したウェハ４００の直径Ｄ２は、図５に示したインゴット３００の直径Ｄ１に近い。したがって、ウェハ４００のウェハ本体４１０の直径Ｄ２は、１５０ｍｍ以上または２００ｍｍ以上である。

【0033】

また、切断、研削、および研磨した後のウェハ４００も、インゴット３００の好ましい品質を有する。したがって、ウェハ本体４１０の基底面転位（basal plane dislocation, BPD）は、１０００ｅａ／ｃｍ^２以下であり、ウェハ本体４１０のバー積層欠陥（bar stacking fault）は、１００ｅａ／ｗｆ以下である。ＢＰＤは、例えば、５００ｅａ／ｃｍ^２以下、３００ｅａ／ｃｍ^２以下、または２００ｅａ／ｃｍ^２以下である。バー積層欠陥は、例えば、５０ｅａ／ｗｆ以下、３０ｅａ／ｗｆ以下、または１０ｅａ／ｗｆ以下である。

【0034】

一方、ウェハ本体４１０の湾曲度（bow）は、プラスまたはマイナス１５μｍ、プラスまたはマイナス３０μｍ、またはプラスまたはマイナス５０μｍの間である。ウェハ本体４１０の反り（warp）は、５０μｍ以下、３０μｍ以下、または１０μｍ以下である。

【0035】

以上のように、本発明の結晶成長炉システムは、第１駆動装置と第２駆動装置により外部加熱モジュール内で移動および／または回転するように炉を駆動するため、炉を均一に加熱することができる。このような設計にすることによって、得られた結晶の異なる位置における温度差が減少し、結晶の異なる位置の間の応力差も減少するため、結晶全体の厚さを増やし、品質を向上させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明の結晶成長炉システムは、結晶を加熱するための炉に適用することができる。

【符号の説明】

【0037】

Ａ１ 軸
Ｆ１ 第１方向
Ｄ１、Ｄ２ 直径
Ｏ１ 中心
Ｏ２ 結晶の最大半径位置
Ｒ１ 半径方向
Ｔ１ 厚さ
１０ 電源
２０ 炭化ケイ素原料
３０ 種結晶
４０ 温度計
５０ ガスシリンダー
１００ 結晶成長炉システム
１１０ 外部加熱モジュール
１２０ 炉
１３０ 第１駆動装置
１４０ 第２駆動装置
１５０ 制御装置
１６０ 絶縁層
１７０ 重量計
２００ 結晶
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅ、２１０ｆ、２１０ｇ、２１０ｈ、２１０ｉ、２１０ｊ、２１０ｋ、２１０ｌ サブ結晶
２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅ、２２０ｆ、２２０ｇ、２２０ｈ、２２０ｉ、２２０ｊ、２２０ｋ、２２０ｌ 端面
３００ インゴット
３１０ インゴット本体
４００ ウェハ
４１０ ウェハ本体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】