專利名稱：引晶的氮化鋁晶體生長中的缺陷減少的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶A1N的制備，且更特別涉及具有較低的面 缺陷密度的單晶AIN的制備。
背景技術(shù)：
氮化鋁(AIN)很有希望作為用于多種用途的半導(dǎo)體材料， 例如光電子器件例如短波長發(fā)光二極管(LED)和激光器、光學(xué)存儲介 質(zhì)中的介電層、電子襯底和必需高熱導(dǎo)率的芯片栽體等。原則上，AIN 的性能可允許實現(xiàn)低至約200納米(nm)波長的光發(fā)射。由于高熱導(dǎo) 率和低電導(dǎo)率，使用AIN襯底還可望改善由氮化物半導(dǎo)體制成的高功 率射頻(rf)器件。解決各種挑戰(zhàn)可有助于增加這樣的器件的商業(yè)實 用性。例如，大直徑塊體AIN晶體(例如，使用在美國申請No. 11/503660中所述的技術(shù)生長，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文，以 下稱為"，660申請")在一些情況下可長有直徑為約0. 5毫米(mm) 且厚度為0. lmm的六方柱形空腔缺陷。在從這些大直徑晶錠切成0. 5mm厚的A1N切片中觀察到了高達100cn^的面積濃度。在其它六方晶體例 如SiC的生長中觀察到相似類型的缺陷，并且將其統(tǒng)稱為面缺陷。對 于氮化物基電子器件的進一步的開發(fā)，這些缺陷可成為問題。特別地， 當(dāng)它們與表面相交時，它們通常導(dǎo)致襯底的表面粗糙化。它們還可散 射光，這對于在210 ~ 4500nm的光學(xué)波長上受益于A1N襯底的透明性 的許多光電子應(yīng)用可成為問題。面缺陷還可降低缺陷周圍的熱導(dǎo)率， 這是其中A1N的高的固有熱導(dǎo)率是有用的高功率器件通常不希望的效 應(yīng)。它們還可將小角度晶界引入A1N晶體，并由此通過增加從晶片的 一側(cè)穿到另一側(cè)(所謂的螺位錯)并使表面處理品質(zhì)劣化的位錯的有 效密度使晶體的品質(zhì)劣化。因此，如果減少或消除面缺陷，那么可增 加A1N襯底對于高性能、高功率光電子器件和電子器件的應(yīng)用。通常地，通過物理氣相傳輸(PVT)生長的晶體中的面缺陷 形成是由在生長晶體中被捕獲并且通過晶體暴露的熱梯度移動和成形 的空隙所導(dǎo)致。在SiC晶體生長中確定的共認(rèn)原因是差的籽晶固定， 其中任何類型的微觀空隙將通常導(dǎo)致面缺陷的形成(參見例如， T. A. Kuhr， E. K. Sanchez, M. Skowronski， W. M. Vetter an線Dudley, /.場/. 89， 4625 (2001 ) (2001);和Y. I. Khlebnikov， R. V.
Drachev， C， A.Rhodes, D.I. Cherednichenko， I. I. Khlebnikov and T. S. Sudarshan， Mat. Res. Soc. Pro" Vol. 640， p. H5. 1. 1歸S 2001),通過引用將這兩篇文章的全部內(nèi)容并入本文)。特別地，差的 籽晶固定可導(dǎo)致在籽晶和籽晶保持器之間出現(xiàn)空隙，或者可留下沒有 得到充分保護的籽晶的后表面，從而允許A1N材料從該表面升華。對 于A1N晶體生長，坩鍋的不規(guī)則部例如壁空隙結(jié)構(gòu)或者存在空隙或可 形成空隙的籽晶安裝臺也可能是空隙的誘因。在圖1中示意性地示出典型的面缺陷10。在一些情況下， 面缺陷的形狀不是完美的六邊形，而是根據(jù)AlN的面空隙和c-面{0001} 之間的傾斜被改變、畸變并且甚至為三角形。另外，通常存在如示意 圖所示的面缺陷的尾痕中的小角度晶界20，在下文討論其起源。面缺 陷具有高度h,，并且留下向后延伸到面缺陷起源(通常為籽晶的背面)的長度h的面缺陷尾痕。圖2a和圖2b表示在精細(xì)機械拋光之后獲得的2英寸直徑、 c-面(即的c-軸的取向與晶片的表面法線平行)A1N襯底的光學(xué)顯微 照片圖像。右側(cè)圖像(圖2b)表示與以截面分析儀-偏光器(AP)模 式獲得的左側(cè)圖像(圖2a)相同的位置。面缺陷尺寸為寬度O. l~2mm 并且深度達0.5mm,然而它們通常趨于更薄(~0. lmm)。但是，面缺 陷的基部通常相對于整個晶體錯向(通常關(guān)于c軸有較小的旋轉(zhuǎn))， 因此在原始晶體和面缺陷下方的稍微錯向材料之間存在邊界。該邊界 由導(dǎo)致面缺陷下方的材料錯向的位錯所限定。
面缺陷的原因如果以允許籽晶背面的材料在溫度梯度下移動的方式較差 地固定A1N籽晶，那么該材料的移動可導(dǎo)致空隙"進入"籽晶。該效 應(yīng)是由于每個空隙具有驅(qū)動材料被蒸發(fā)并然后在空隙內(nèi)再凝結(jié)的小的 但被限定的軸向梯度。可能由于表面能量形成中的各向異性，因此進 入A1N塊體材料的空隙形成了良地限定的六方柱形狀。
熱梯度中的面缺陷的遷移和導(dǎo)致的晶體劣化參照圖3a和圖3b,證明了面缺陷內(nèi)部的生長。圖3b中的 生長刻面明顯，表明面缺陷內(nèi)的刻面生長模式?？堂嫔L模式通常導(dǎo) 致高品質(zhì)晶體。因此，可以期望面缺陷內(nèi)的材料品質(zhì)高并且可以沒有 位錯。隨著晶體生長，由于空隙內(nèi)的軸向溫度梯度，因此面缺陷 有效地向生長界面遷移。由于跨面高度的軸向梯度，因此面缺陷從籽 晶向生長界面行進。作為該移動的結(jié)果，面缺陷可留下具有非常小的 錯向角度的晶界的"尾痕"(或印痕)。這些小角度晶界是明顯的， 并且根據(jù)面缺陷對稱性成形。在圖4中表示并在下文討論其例子。根據(jù)小角度晶界的常規(guī)Read模型，邊界通常包含位于邊界 面中的純?nèi)行臀诲e。因此，在刻蝕之后，邊界可望表現(xiàn)出大量的分離 的蝕坑。坑之間的距離越大，那么錯向角度將越小?？赏ㄟ^使用Frank公式得到晶界角度
上二2shA， (1)
其中D是位錯(蝕坑)之間的距離，b是位錯的柏氏矢量，且e是錯向 角。在圖4中，蝕坑之間的最近距離為~12微米(pm)，與{0001} 面垂直的純?nèi)行臀诲e的柏氏矢量等于"a"晶格常數(shù)即0. 3111nm。因 此，面缺陷壁的方位錯向角可望為約0. 0004。(或1.44弧秒)。因此，除了由面缺陷的物理存在所導(dǎo)致的問題以外，生長 期間的晶體中的面缺陷的形成和移動還可使整個晶體品質(zhì)劣化。該劣 化起因于面缺陷體和A1N塊體材料之間的稍微錯向。如圖l所示，當(dāng) 面缺陷移動穿過晶體時，它在背后留下晶界。對于各個面缺陷，這些 晶界通常顯示約2弧秒的錯向。但是，如果面缺陷的密度高，那么這 些隨機錯向的晶界中的每一個可累加并導(dǎo)致顯著更高的"有效"錯向， 并因此導(dǎo)致顯著更低的晶體品質(zhì)。觀察晶體品質(zhì)的劣化的替代方式是 考慮由于面缺陷導(dǎo)致的螺位錯密度的增加。從圖4所示的顯微照片可 以計算，各面缺陷可在其尾跡中產(chǎn)生超過1(T位錯/cm2。
由面缺陷導(dǎo)致的表面制備的問題面缺陷可影響A1N晶片的制備和拋光。與A1N樣品表面相 交的面缺陷的尖緣可削去(chip off)并導(dǎo)致劃痕。另外，在機械化 學(xué)拋光(CMP)處理期間，與小角度晶界(SAGB)有關(guān)的面缺陷可導(dǎo)致 表面粗糙化(形貌)。圖5示出包含面缺陷和LAGB的A1N的表面和塊體深度，其 中圖像是在同一位置上獲得的。明顯地，面缺陷和SAGB導(dǎo)致表面粗糙 化，該表面粗糙化進而影響外延生長。
光學(xué)透明性和熱導(dǎo)率的問題由于晶體內(nèi)的附加界面(該界面將具有不同折射率的區(qū)域分開)的引入導(dǎo)致它們散射光，因此面缺陷可對"N晶片的光學(xué)透過 性能具有負(fù)面影響。另外，雖然A1N襯底由于它們的高熱導(dǎo)率(在室 溫下可超過280W/m-K)而具有吸引力，但是，由于在面缺陷邊界處插 入的額外的界面以及面缺陷本身的體積的熱阻，面缺陷可導(dǎo)致在面缺 陷正上方的位置中熱導(dǎo)率降低。A1N襯底的這種熱阻局部增加可降低 A1N襯底在需要高功率耗散應(yīng)用中的適用適用性，這些應(yīng)用例如為高 功率RF放大器和高功率、高亮度LED及激光二極管。
現(xiàn)有方法的局限如，660申請所述，大直徑(即大于20mm) A1N晶體的制備 通常需要經(jīng)引晶的生長。但是，如下文所討論的，籽晶保持器和在保 持器上的籽晶安裝技術(shù)是制備的A1N晶錠中的面缺陷的主要來 源。，660申請公開了用于A1N籽晶固定和隨后的晶體生長的方法。參 照圖6, A1N陶資基、高溫的粘結(jié)劑將A1N籽晶粘合到保持器板上，并 同時保護A1N籽晶的背面免于升華。特別地，使用A1N基粘結(jié)劑140 將A1N籽晶100安裝到保持器板130上。A1N陶瓷粘結(jié)劑可包含至少 75%的A1N陶資和提供粘結(jié)性能的硅酸鹽溶液。這樣的粘結(jié)劑的一個適 當(dāng)例子是可從Aremco Product, Inc得到的Ceramabond-865。
在特別的形式中，使用以下的過程安裝A1N籽晶 (1 )混合A1N粘結(jié)劑并且使用刷子將其施加到保持器板上，以達 到不超過約0. 2ram的厚度；
(2) 將A1N籽晶放在粘結(jié)劑上；然后
(3) 將保持器板與籽晶一起放在真空腔室內(nèi)持續(xù)約12小時并然 后將它們加熱到95。C持續(xù)約2小時。已證明該方法可成功提供高品質(zhì)、大直徑A1N晶錠。但是， 將形成圖2所示的面缺陷。導(dǎo)致該問題的原因是，由于硅酸鹽溶液被 蒸發(fā)或者被A1N籽晶吸收或者因Al通過籽晶保持器逃逸而留下空隙。在，660申請中所述的用于A1N籽晶固定和隨后的晶體生長 的替代方法包括在保持器板上的薄Al箔上安裝A1N籽晶。隨著爐子的溫度升高到高于660°C ( Al的熔點溫度)，Al熔融，由此濕潤并予晶的 背面和保持器板。隨著溫度進一步升高，Al與爐子中的化反應(yīng)形成 A1N,該A1N將籽晶固定到保持器板上。該技術(shù)可能要求A1N籽晶保持 在適當(dāng)位置(通過重力或以機械方式)直到足夠量的Al反應(yīng)以形成 A1N,然后，不需要進一步的機械支撐。該技術(shù)也導(dǎo)致面缺陷。Al箔可熔融并球化(ball up), 從而在液體Al的聚結(jié)物之間留下空間。然后聚結(jié)的液體Al金屬可反 應(yīng)以形成氮化物，從而在籽晶和籽晶保持器之間留下空間。 一旦在籽 晶上開始晶體生長，這些空間進而可導(dǎo)致面缺陷。A1N籽晶和籽晶保 持器之間的相互作用也可造成缺陷。通常地，在用于晶體生長的溫度 下發(fā)生一定量的Al或N(或兩者)擴散到籽晶保持器中。例如，鎢(W) 籽晶保持器可在生長溫度下吸收Al和N，這可導(dǎo)致在籽晶中形成面缺 陷并導(dǎo)致從籽晶生長得到的晶錠。另外，籽晶保持器可能具有與A1N 晶體不同的熱膨脹系數(shù)，這可在經(jīng)引晶的晶體中導(dǎo)致缺陷，或者在可 引起籽晶/籽晶保持器界面處敞開的空隙，從而在隨后的晶錠生長中導(dǎo) 致面缺陷。另一種將籽晶固定到籽晶保持器上的方式是在使得籽晶保 持在籽晶背襯上的條件下(例如，通過在該過程期間在壓著晶體的適 當(dāng)?shù)奈矬w下放置籽晶)運行熱循環(huán)并將晶體加熱到高于1800°C (并優(yōu) 選高于2000。C)的溫度以允許籽晶在熱學(xué)上、化學(xué)上和/或機械上與 籽晶保持器材料接合。這里，該方法被稱為燒結(jié)接合。但是，燒結(jié)過 程可能難以控制在不損傷籽晶的情況下發(fā)生良好的接合。另外，可能 難以避免在籽晶和籽晶保持器之間留下 一 些空間?？梢栽谔幚砥陂g用 大部分來自籽晶的A1N填充該空間(即使當(dāng)通過在燒結(jié)過程期間使坩 鍋中存在A1N陶資來供給Al的蒸氣和&時)，并且，該A1N可引起 在籽晶中形成面缺陷，該面缺陷可擴展到在籽晶上生長的單晶錠中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方案允許在塊體氮化鋁(A1N )晶體即晶錠的生長期間減少或消除面缺陷。特別地，在一些實施方案中，面缺陷面
密度降低到小于100/cra纟且優(yōu)選小于l/cm2。結(jié)果，使得能夠制備具有 大于20mm的直徑、0. 1 ~ lmm的厚度并且具有小于lcnf2的面缺陷密度 的晶態(tài)A1N晶片。使得能夠生長經(jīng)引晶的、大直徑的、高品質(zhì)的A1N晶體的 關(guān)鍵因素包括
1. )籽晶本身沒有面缺陷，以及沒有形成空隙的其它類型缺陷(通 常在晶體生長溫度下發(fā)展成面缺陷)。要考慮的缺陷是可通過切割和 拋光過程引入籽晶中的亞表面損傷。
2. )以防止在籽晶和籽晶保持器之間形成空隙的方式將籽晶固定 到籽晶保持器上(籽晶保持器在，660申請中被限定，并且在上文參照 圖6被詳細(xì)說明)?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)靥幚碜丫У暮蟊砻?與用于引晶塊 體晶體生長的籽晶前表面相對，也稱為籽晶的安裝表面)以及籽晶保 持器表面來實現(xiàn)這一點。然后向籽晶的背面施加膜，從而在微觀上與 籽晶的后表面以及籽晶保持器一致。該膜優(yōu)選是完全致密的(即沒有 樣"見空隙)。
3. )籽晶保持器對于鋁傳輸是相對不可滲透的，以便在生長的A1N 晶體中不形成空隙。在一些實施例中，用于將籽晶固定到籽晶保持器 的膜本身是對于鋁傳輸不可滲透的。在以下說明的一些實施方式中， 籽晶保持器僅在 一 定的時間段內(nèi)對于鋁傳輸是不可滲透的。該時間限 制通常限制可生長的A1N晶錠的長度。
由于A1N晶體補償Al擴散出晶體的主要方式是通過形成面缺陷， 因此可對于給定的面缺陷密度估計傳輸通過籽晶保持器組件的最大可 允許速率。例如，為了保持面缺陷的密度低于100/cm2,在生長A1N 晶體的時間段內(nèi)，可允許擴散通過籽晶保持器組件的最大可允許的Al 原子數(shù)量通?！磍()2Vcm2。為了保持面缺陷密度低于1/cm2， Al擴散優(yōu) 選保持低于1018個Al原子/cm2。
4. )減少籽晶保持器組件和籽晶之間的應(yīng)力。這可通過如下來實 現(xiàn)(i)在從室溫到生長溫度(~ 2200°C)的溫度范圍內(nèi)籽晶保持器組件的熱膨脹幾乎與A1N籽晶的熱膨脹匹配、或(ii)籽晶保持器組 件在機械上足夠柔韌以通過變形吸收熱膨脹不匹配同時減少籽晶和得 到的A1N晶錠上的應(yīng)變。該因素通常不允許通過簡單地使籽晶保持器 較厚來實現(xiàn)以上的第三因素。
5.)通常地，還希望籽晶保持器組件具有足夠的機械強度以能夠 支撐生長的A1N晶錠，同時向用于容納A1N材料和Al蒸氣的坩鍋提供 密封表面(如在，660申請中所述)。但是，需要的機械強度通常依賴 于使用的晶體生長幾何外形。如果將籽晶放在晶體生長坩鍋的底部， 那么可需要較小的機械強度；但是，該幾何外形可能需要更緊密地控 制A1N源材料，以防止從源材料上落下的顆粒在生長晶體中使缺陷成 核0此外，如，660申請中所述，優(yōu)選遵循用于高品質(zhì)A1N晶體 生長的條件。特別地，可成功地利用超大氣壓力以便以相對高的生長 速度和晶體品質(zhì)制備A1N單晶。為了實現(xiàn)這一點，可以控制以下方面 中的一個或多個(i) A1N源材料和生長中的晶體表面之間的溫差； (ii)源材料和生長中的晶體表面之間的距離；和(iii) &與Al蒸 氣分壓之比。由于生長晶體和蒸氣之間的界面上的增加的反應(yīng)速率，
因此增加N2壓力使其超過化學(xué)計量比的壓力可促使晶體以相對高的速
率生長。已表明，隨著增加N2分壓，這種生長速率的增加繼續(xù)，直到 Al從源至生長晶體的擴散(即，需要Al物質(zhì)通過N2氣體擴散的負(fù)面 效應(yīng))變?yōu)樗俾氏拗撇襟E。使用較高壓力的氮氣可具有減少生長坩鍋 內(nèi)的鋁分壓的附加益處，這可減少常常由非有意逸出坩鍋的Al蒸氣導(dǎo) 致的爐內(nèi)腐蝕。為了生長高品質(zhì)A1N晶體，通常希望非常高的溫度， 例如超過2100。C的溫度。同時，需要高的熱梯度以從源材料向籽晶提 供足夠的物質(zhì)傳輸。如果不被適當(dāng)選擇，那么這些生長條件可導(dǎo)致籽 晶材料的蒸發(fā)或其完全破壞或損失?？梢允褂酶呒兌華1N源在鴒坩鍋 中實施A1N引晶的塊體晶體生長。將鴒坩鍋放在感應(yīng)加熱爐中，使得 源和籽晶材料之間的溫度梯度驅(qū)使蒸氣物質(zhì)從較熱的高純度A1N陶資 源向較冷的籽晶移動。為了在籽晶上使高品質(zhì)單晶材料成核并且不破壞A1N籽晶，如果必要的話，監(jiān)視和仔細(xì)調(diào)節(jié)籽晶界面上的溫度和溫 度梯度。下面，詳細(xì)說明實現(xiàn)這些概念的幾種方式，并提供實施方
式的具體實施例。在一個方面中，本發(fā)明的實施方案可包含A1N的塊體單晶，
該A1N塊體單晶具有大于20mm的直徑、大于0. lmm的厚度和小于或等
于100cm—2的面缺陷面密度?？梢园韵绿卣髦械囊粋€或更多個?？赏ㄟ^對塊體單晶
中的所有面缺陷進行計數(shù)并除以處在與其生長方向垂直的平面中的塊 體單晶的橫截面面積來測量面缺陷面密度。塊體單晶可以為具有大于
5mm厚度的晶錠的形式。面缺陷面密度可小于或等于lcnf2。單晶A1N可以為晶片的形式。面缺陷面密度可小于或等于
10cm—2。與晶片的頂面和底面中的每一個相交的面缺陷的面缺陷面密度
可小于或等于lcm—2。在另一方面中，本發(fā)明的實施方案可包括一種包含A1N塊
體單晶的晶錠，其具有大于20mm的直徑、大于5mm的厚度，并在處于
與晶體生長方向垂直的平面中的塊體單晶的各截面中具有小于或等于
106cnf2的螺位錯面密度。在一些實施方案中，螺位錯面密度可小于或
等于104cnf2。在另一方面中，本發(fā)明的實施方案的特征在于一種晶錠， 該晶錠包含具有足夠的厚度以使得能夠由之形成至少五個晶片的A1N 的塊體單晶，各晶片具有至少0. lmm的厚度、至少20mm的直徑和小于 或等于106cm—2的螺位錯密度。在一些實施方案中，各晶片可具有小于 或等于1(Tcm—2的螺位錯密度。在另一方面中，本發(fā)明的實施方案包括一種晶錠，該晶錠 包含基本呈圓柱形的A1N塊體單晶，其具有至少20mm的直徑并具有足 以能夠由之形成至少五個晶片的厚度，各晶片具有至少O.lmm的厚度、 至少20mm的直徑和對于(0002 )反射的小于50弧秒半峰寬(FWHM) 的三晶X射線搖擺曲線。各晶片具有基本與各其它晶片相同的直徑。
在另一方面中，本發(fā)明的實施方案包含用于生長單晶氮化 物(A1N)的方法。該方法包括提供包含背襯板的保持器，該保持器(i) 尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在其中接納A1N籽晶，并且(ii)包含與背襯板 接合的A1N基底。在籽晶和A1N基底之間插入Al箔。將A1箔熔融以 均勻地用Al層濕潤基底。在保持器內(nèi)放置A1N籽晶。在適合于生長源 于籽晶的單晶A1N的條件下將鋁和氮沉積到籽晶上?？梢园韵绿卣髦械囊粋€或多個?？梢哉{(diào)節(jié)背板以減少 背板對于A1的滲透率。籽晶可以是具有至少20mm直徑的晶片。生長 的單晶A1N可限定其直徑與籽晶的直徑近似相同的晶錠。在另一方面中，本發(fā)明的實施方案的特征在于一種用于生 長單晶氮化物(A1N)的方法。該方法包括提供尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在 其中接納A1N籽晶的保持器，該保持器基本由基本上不可滲透的背襯 板構(gòu)成。在保持器內(nèi)放置A1N籽晶。在籽晶和背襯板之間插入Al箔。 將A1箔熔融以均勻地用Al層濕潤背襯板和A1N籽晶的背面。在適合 于生長源于籽晶的單晶A1N的條件下將鋁和氮沉積到籽晶上。


在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記通常在不同的視圖中表示相同 的特征。并且，附圖未必按比例，而重點通常放在解釋本發(fā)明的原理 上。在以下的說明中，參照以下的

本發(fā)明的各實施方案，其 中，
圖1是顯示通常呈現(xiàn)為A1N晶體中的六邊形空隙的理想化面缺陷 的示意圖2a和圖2b是包含面缺陷的A1N單晶樣品的光學(xué)顯微照片a) 示出一個面缺陷的光學(xué)圖像；和b)以雙折射襯度從同一位置中獲得 的圖像，該圖像示出表面正下方的多個面缺陷；
圖3a和圖3b是顯示由于在晶體生長期間面缺陷的移動導(dǎo)致的面 缺陷內(nèi)的生長特征的顯微照片，圖3a為光學(xué)顯微照片，圖3b為在 Nomarski Differential Image Contrast (腿C)中取得的顯微照片；圖4是通過與位錯相關(guān)的各蝕坑標(biāo)記的面缺陷尾跡和晶界的NDIC 顯微照片；
圖5a和圖5b是示出由于表面拋光上的面缺陷導(dǎo)致的小角度晶界 的效果的顯微照片，圖6a是在CMP過程之后取得的，圖6b是顯示面
缺陷的來自同一位置的雙折射襯度圖像；
圖6是使用高溫A1N陶資基粘結(jié)劑的A1N籽晶安裝技術(shù)的示意圖7是示出與穿過晶錠的切片的表面相交的面缺陷的密度的軸向 分布(沿生長軸)晶片#1最接近生長界面，而晶片#4最接近籽晶；
圖8是示出A1N籽晶與籽晶保持器的接合的示意圖(在優(yōu)選實施 方式中，該籽晶保持器由W背襯板上的A1N基底構(gòu)成)；
圖9是示出用于將A1N籽晶接合到籽晶保持器上的技術(shù)的示意圖， 在優(yōu)選實施方式中其使用Al箔氮化作用；
圖IO是示出組裝的晶體生長坩鍋的示意圖。
詳細(xì)i兌明根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，可以采取下文所述的措施中 的一種或多種以減少在例如晶錠的經(jīng)引晶A1N生長期間的缺陷的產(chǎn) 生。如本文所使用的，晶錠意指主要具有(多于50%)單一取 向的A1N的生長態(tài)晶體。為了在技術(shù)上可用，晶錠優(yōu)選具有至少20mm 的直徑和大于5mm的長度，且取向優(yōu)選跨晶錠的寬度改變不大于1.5°。如本文所使用的，晶片意指從晶錠切取的A1N的切片。通 常地，晶片具有0. lmm~ lmm的厚度和大于20mm的直徑。但是，比0. lmm 薄的晶片盡管易碎但是可在技術(shù)上對于一些專門的應(yīng)用(例如，在穿 過晶片的光學(xué)透射是重要的應(yīng)用中)是有用的。這里公開具有低的面缺陷密度的高品質(zhì)塊體單晶A1N及其 形成方法。重新參照圖4,各面缺陷可在其尾跡中產(chǎn)生超過104位錯 /cm2。因此，為了制備具有低于107cm2的螺位錯密度(TDD)的A1N 晶片(從塊體晶體上切取的通常厚0. l-lmm的薄片)，如果TDD保持低于10Vcra2,那么面缺陷面密度(定義為穿過塊體晶體中的單位面積 的面缺陷的數(shù)量)通常保持低于100/cm2或低于l/cm2?？赏ㄟ^對塊體 單晶中的所有面缺陷進行計數(shù)并除以處在與其生長方向垂直的平面中 的塊體單晶的橫截面面積來測量面缺陷面密度。由于沿晶體高度的溫
度梯度向著籽晶增加，因此面缺陷的密度通常可望向著生長界面(冠 部)減小。在圖7中表示A1N晶錠中的該效果的圖解，其顯示與晶片 的表面相交的面缺陷密度的軸向分布(沿生長軸)，晶片#1最接近生 長界面(冠部)，而晶片#4最接近籽晶。與晶片#1的表面相交的面缺 陷穿過由晶片#4表示的晶錠區(qū)域，這可通過刻蝕它們的尾跡觀察到， 如圖4所示。由于可能難以看到厚晶錠中的所有面缺陷，因此可通過 從與生長方向垂直的晶錠切割薄切片(0. 1~0. 8mm厚)并用任何各向 異性刻蝕拋光切片的兩個表面來測量面密度。然后，可通過計算在切 片中(在表面上和在表面下)觀察的面缺陷的數(shù)量和由于缺陷的優(yōu)先 刻蝕在切片的表面上觀察的面缺陷尾跡的數(shù)量的總數(shù)，然后除以切片 的面積，來估計面缺陷面密度。如圖7所示，在原始籽晶附近的切片 中測量的面缺陷的面密度通常比在冠部附近測量的面密度高。因此， 為了得到真實的面缺陷面密度(因此確定可從晶錠切割的低缺陷晶片 的數(shù)量)，優(yōu)選從晶錠的籽晶側(cè)附近選擇來自晶錠的切片?？梢园聪?同的方式測量從晶錠切割的晶片或籽晶板中的面缺陷的面密度。高分 辨率x射線衍射(XRD)搖擺曲線是晶體品質(zhì)的常用指示，并且可被用 于估計位錯密度。參見Lee等人，"Effect of threading dislocations on the Bragg peakwidths of GaN， AlGaN， and A1N heterolayers，" Appl. Phys. Lett. 86， 241904 ( 2005 )，通過引用將其全部內(nèi)容并 入本文?；谠撐恼驴梢怨烙嫞瑸榱藢τ?0002 )反射(c-面晶片) 的三晶x射線搖擺曲線獲得小于50孤秒的半峰寬(FWHM)，面缺陷面 密度優(yōu)選低于100/cm2。可通過減少晶錠中的面缺陷的面密度并通過增加晶錠的長 度來增加來由晶錠的產(chǎn)量(可從滿足尺寸和缺陷規(guī)范的晶錠切割的晶片數(shù)量)。優(yōu)選地，在技術(shù)上有用的晶錠產(chǎn)生至少5個滿足尺寸和缺 陷規(guī)范的晶片。
1.籽晶的制備在以下討論的實施方式中，制備了高品質(zhì)A1N籽晶。優(yōu)選 從如本文所述的生長的單晶晶錠(即，被用于形成用于隨后的晶體生 長的籽晶板的所得晶錠的一部分或全部)切割A(yù)1N籽晶。通常地，籽 晶被切割為直徑為約2英寸(50 ~ 60mm)并且厚度為0. 2 ~ 5. Omm的圓 形板。但是，也可制備更小面積的籽晶，以便能夠選擇由不均勻品質(zhì) 晶錠的非常高品質(zhì)區(qū)域形成的籽晶，或者由于希望不同的晶體取向。 可從如本文所述的A1N晶錠開發(fā)這些更小直徑的籽晶。也可通過切割 由其它技術(shù)例如在，660申請中所述技術(shù)制備的A1N晶錠來制備籽晶板 或更小面積的籽晶，其中，如該申請的圖7所示，由自成核形成的高 品質(zhì)嵌埋A1N籽晶被用于引晶A1N晶體的生長，并且晶體生長坩鍋被 配置為將得到的A1N晶錠的直徑擴展到2英寸的直徑。在所有情況下， 由于(一個或多個)籽晶中的缺陷可在要制備的A1N晶錠中被復(fù)制， 因此選擇高品質(zhì)的、幾乎沒有缺陷的籽晶是十分重要的。特別地，籽 晶中的面缺陷的面密度優(yōu)選低于100cm2,并且，更加優(yōu)選低于lcm—2。 如果同時使用多個小面積籽晶，那么優(yōu)選仔細(xì)控制各籽晶的取向，使 得當(dāng)所述籽晶被安裝在籽晶保持器上時它們相匹配。籽晶板(或較小籽晶)的取向通常為，c軸與該板的表面 法線平行(所謂的c軸籽晶板)，但其它的取向和尺寸也是合適的。 將面向籽晶保持器組件(籽晶后側(cè))的A1N籽晶的表面優(yōu)選是平滑且 平整的，且總厚度變化(TTV)小于5pm并優(yōu)選小于lpm，使得籽晶和 籽晶保持器組件之間的間隙減小。本文所使用的"平滑表面"是當(dāng)在 200x放大倍數(shù)下用光學(xué)顯微鏡觀察時沒有可見劃痕的表面，并且，在 10x10拜2面積中用原子力顯微鏡(AFM)測量的均方根(RMS)粗糙度 小于lnm。光學(xué)測量技術(shù)對于測量TTV是有效的。 A1N籽晶的頂面(將用作A1N晶錠的成核位置)優(yōu)選是平滑的。另外，在將籽晶固定到籽晶保持器上之前，優(yōu)選去除由切割或
拋光籽晶所產(chǎn)生的在A1N籽晶頂面中的任何晶體損傷。可依照美國No. 11/363， 816 (以下稱為"，816申請")和No. 11/448， 595 (以下稱為 "，595申請，，)中所述的方法去除該亞表面損傷(SSD)層，通過引 用將這兩篇申請的全部內(nèi)容并入本文。示例性方法包括通過施力。研磨 劑懸浮液在基本由氫氧化物構(gòu)成的溶液中執(zhí)行CMP步驟。另一示例性 方法是CMP處理，其包括使用漿料來拋光襯底并產(chǎn)生適于外延生長的 精加工表面，所述漿料包括在能夠?qū)⒁r底的表面材料改性溶液中的研 磨劑懸浮物?；钚匀芤菏挂r底的表面化學(xué)改性，從而形成比下方的襯 底材料軟的化合物。選擇研磨劑使其比新產(chǎn)生的化合物硬，但比襯底 材料軟，從而它拋光去除新形成的層，同時留下新的和高度拋光的原 生襯底表面。SSD去除的特定方法依賴于籽晶取向。SSD層的去除是重要 的，因為SSD層優(yōu)先熱刻蝕，從而在籽晶和所得A1N晶錠之間留下空 隙和缺陷空間以及不規(guī)則的形貌，這可有損晶體生長并可導(dǎo)致面缺陷。 特別地，籽晶拋光的改善可通過減少熱循環(huán)期間的缺陷來改善晶錠生 長的品質(zhì)。適當(dāng)?shù)淖丫⒕哂衅矫婧?或延長的空隙，這些空隙在與籽 晶的任一表面相交時小于1/cm2、在10x10 pm2 AFM掃描中具有小于一 個的10nm深劃痕并小于1裂紋/cm2。優(yōu)選避免的其它缺陷包括蝕坑、晶界(包括極性反轉(zhuǎn))和 裂紋。另外，由于例如拋光、操縱和氧化導(dǎo)致的表面污染是不希望的。 來包含劃擦材料的空隙形成是有風(fēng)險的。具有SSD的區(qū)域更可能在籽 晶安裝加熱循環(huán)期間發(fā)生熱刻蝕。A1N籽晶或背襯材料的熱刻蝕可產(chǎn) 生空隙空間。另外，SSD代表籽晶內(nèi)的受損晶格。籽晶內(nèi)的有缺陷的 晶格通常被復(fù)制在生長的晶錠內(nèi)并可產(chǎn)生從該晶錠切割的較低品質(zhì)晶 片。通過使用較低安裝溫度(較低安裝溫度可減少熱刻蝕)或通過氣 體物類/壓力選擇(高壓扎/氬氣/氙氣等可抑制熱刻蝕)可緩解籽晶的 熱刻蝕，但是可留下將在引晶生長中被復(fù)制的SSD。存在于籽晶材料中的空隙可在生長成的晶錠中產(chǎn)生空隙。與籽晶的后表面相交的空隙可導(dǎo)致籽晶安裝困難。與籽晶保持器或籽 晶的生長界面相交的空隙會存在污染問題(夾雜的材料)。因此，理
想地，要么從通過這些無空隙方法生長的晶錠切割要么從通過在，660 申請中所述的自成核技術(shù)產(chǎn)生的A1N晶錠切割用于引晶生長的籽晶。
〖0049]特別地，如在，660申請中所討論的，可考慮兩種條件以在 A1N晶錠的制備中利用自成核。首先，對于鎢上的A1N生長，存在成 核障礙。換言之，鴒坩鍋上方的蒸氣趨于超飽和，除非A1N核可用于 生長。為了利用這一點，引晶區(qū)域可占據(jù)被未引晶的棵露區(qū)域包圍的 全直徑籽晶安裝板的某些部分。由于在沉積到棵露坩鍋壁上時有利于 鋁和氮從蒸氣中吸附到籽晶上，因此有利于籽晶的橫向擴展從而有利 于緊鄰籽晶產(chǎn)生新的自引晶的臨界核。在適當(dāng)控制的條件下，該過程 可被用于增加每個生長周期的引晶面積。第二，晶體生長的過程需要 被系統(tǒng)中的絕緣體/加熱器的配置控制的熱提取。適當(dāng)?shù)卦O(shè)置絕緣，使 得籽晶是上坩鍋的最冷部分，并且比生長期間的源更冷，這對于該過 程是重要的。當(dāng)在生長期間使用小的待擴展籽晶時進一步調(diào)節(jié)該絕緣 有助于通過使得籽晶比未引晶的橫向區(qū)域更冷來擴展籽晶。該熱配置 使得鄰近籽晶的自引晶成核較少受到跟制熱提取的影響。當(dāng)晶體在高 溫下生長并且具有足夠的源材料時，在生長進行期間給予足夠的時間 以達到平衡點，那么晶體的界面將遵循系統(tǒng)的等溫線(絕緣/加熱器 等)。有利于籽晶擴展的適宜界面形狀是在生長方向稍微凸出；梯度 的曲率有利于擴展。中所述，使 用KOH蒸氣/溶液或利用KOH增強的CMP可以識別殘余SSD，并且可以 揭示其它缺陷例如螺位錯(TDD)。在這些缺陷刻蝕中測量的坑密度被 稱為蝕坑密度(EPD)。對于引晶生長，通常希望以具有小于104 EDP 的籽晶開始。可以改善長成晶錠超過籽晶的品質(zhì)，但是優(yōu)選從高品質(zhì)籽晶開始。避免籽晶的開裂也是重要的。
2.籽晶制備的詳細(xì)實施例如在，816申請和，595申請中所述，用于處理籽晶表面的程 序依賴于其晶體學(xué)取向。簡言之，如這些申請所述，晶體學(xué)取向影響 CMP處理之前的襯底表面的機械處理；對于最佳襯底處理存在顯著的 差異。例如，在A1N襯底的情況下，沿著非極性面，Al終止的c面不 與水反應(yīng)，但是N終止的c面與水反應(yīng)。在濕法研磨和拋光期間，在 適于機械拋光非Al極性面或Al極性面的相同條件下，Al極性面趨于 碎裂，其中c軸的取向離開襯底的表面法線20度或更多。在這里，我們說明用于制備c軸籽晶板的示例性過程，其 中氮極性面(N面)將被固定到籽晶保持器組件上，而鋁極性面(Al 面)將被用于使A1N晶錠成核。在使用金剛石線鋸從A1N晶錠切割適 當(dāng)取向的籽晶板(切割籽晶板，使得c軸處于表面法線的5。內(nèi))之后， 表面被磨平，然后使用金剛石漿料(具有逐漸減小的金剛石尺寸)以 進一步機械拋光籽晶板的兩個表面。更具體而言，使剛切割的A1N晶 片的N面經(jīng)受研磨(以600金剛石粒度)、拋光(6pm金剛石漿料)， 并用lnm金剛石漿料進行精細(xì)機械拋光。然后，如在，816申請中所述， 將晶片翻轉(zhuǎn)過來，并且A1面經(jīng)受研磨(用600和1800金剛石粒度)、 拋光(6)Lim和3)tim金剛石漿料)，并用ljtim金剛石漿料進行精細(xì)機械 拋光，隨后進行CMP，其中使用在KOH溶液中的高pH氧化硅懸浮液以 留下沒有SSD的Al極性、c面的表面。在這些機械拋光步驟之后可接著在籽晶的N面(在本實施 例中為將面向籽晶保持器組件安裝的后表面)上進行CMP步驟。適宜 的漿料為利用活性化學(xué)溶液的1拜A1203漿料(該漿料由每1升溶液中 100克的lpm Ah03磨料制成，該溶液在蒸餾水(1升)中包含0. 5M 的KOH并添加50mL的乙二醇)。在軟質(zhì)復(fù)合鐵拋光平臺(例如來自 Lapmaster, Inc.的AX05)上使用該漿料，從而留下對于眼睛高度反 射并且沒有缺陷例如劃痕或坑或開放裂紋的表面。磨料選擇和A1N與強堿(KOH)之間的活性化學(xué)反應(yīng)對于產(chǎn)生具有低缺陷密度的表面是重 要的。在用AFM掃描時優(yōu)選的表面在每10nW上具有小于1個的深于 10nm的劃痕，并且用AFM測量的RMS粗糙度在10x10pm區(qū)域中小于 lnm。另外，籽晶表面的后側(cè)優(yōu)選具有小于5網(wǎng)且更優(yōu)選小于lpm的 TTV。由于即使在顯微水平下表面形貌也可導(dǎo)致形成于籽晶中的面缺 陷，因此這是重要的；這些缺陷可在隨后的生長期間擴展到晶錠中。 使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)平整和單色光源(590nm下的鈉燈)檢查拋光表面的 平整性。在ljum金剛石拋光步驟之后，使用來自Cabot Industries 的氧化硅懸浮液(Cabot 43)使Al面經(jīng)受最終的CMP步驟。在，816 申請和，595申請中說明了用于處理籽晶表面的另外技術(shù)。例如，如上 所述，CMP過程可包括使用在溶液中包含研磨劑懸浮物的漿料拋光襯 底并產(chǎn)生適于外延生長的精加工表面，所述溶液能夠使襯底的表面材 料改性。該活性溶液可使襯底的表面改性，從而形成比下方的襯底材 料軟的化合物?？蛇x擇研磨劑為比新產(chǎn)生的化合物硬，但比襯底材料 軟，使得它將新形成的層拋光去除，而留下新鮮的和高度拋光的原生 襯底表面。在一些CMP過程中，漿料可在基本由氫氧化物構(gòu)成的溶液 中包含研磨劑懸浮物。現(xiàn)在籽晶準(zhǔn)備好在下述的籽晶安裝組件之一上進行安裝， 且優(yōu)選將其仔細(xì)存儲在氮氣氣氛手套箱中以避免生長前的任何污染。
3.籽晶保持器板對于籽晶保持器板已開發(fā)出不同的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的方法依賴 于用于晶體生長的具體環(huán)境。
3.1沉積于背襯板上的織構(gòu)化A1N參照圖8，在一個實施方案中，籽晶保持器800可包含沉 積于金屬背襯板820例如W箔上的相對厚且高度織構(gòu)化的A1N層即基 底810。保持器800的尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以便在其中接納A1N籽晶。
21優(yōu)選實施方案的制備可包括以下三個特征中的一個或多個
a. )使用包含與適當(dāng)?shù)谋骋r板接合的A1N基底(在優(yōu)選實施方案 中，該背襯板為W箔)的籽晶保持器；
b. )適當(dāng)調(diào)整背襯板，使得它幾乎不使Ai擴散通過該板；和/或
c. )使用Al箔形成粘結(jié)劑140以便按如下方式將籽晶接合到A1N 陶瓷或籽晶板上，通過足夠快地將籽晶板/A1箔/A1N籽晶加熱到高溫， 使得Al首先熔融并在轉(zhuǎn)變成AIN之前以非常薄的Al層均勻濕潤AIN。在一個實施方案中,W箔具有20mil ~ 5mil ( 510 ~ 130— 的厚度。較薄的W箔是期望的以減少由于A1N和安裝籽晶的W板之間 的熱膨脹不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力，籽晶板會將該應(yīng)力施加到籽晶和得到的 晶錠上?？梢赃x擇用于安裝板的箔的厚度，使得特定供貨商/批次的W 箔對于鋁和/或氮提供相對不可滲透的障礙。該W背襯或阻擋層優(yōu)選由 高密度材料(對于鎢而言>98°/。理論密度)制成，并且可由多層晶粒制 成，從而允許晶粒膨脹至接近晶界之間的快速擴散路徑。在美國專利 申請11/728， 027 (下文稱為"，027申請")中也說明了后一種方法， 通過引用將其并入本文。如其中所討論的，對包含鎢晶粒且基本上沒 有柱晶組織的粉末冶金棒進行機加工是形成有助于防止鋁透過鎢材料 的多層和/或三維名義上隨機的鎢晶粒的示例性方法。另外，該W背襯 板可由沒有任何晶界擴散的單晶鎢制成。優(yōu)選在晶體生長之前用鋁清潔和調(diào)節(jié)W箔。可通過施加添 加劑例如Pt、 V、 Pd、 Mo、 Re、 Hf或Ta進一步調(diào)節(jié)該箔。可以使用較 厚的鴒層以限制Al擴散穿過背襯板，但是這些層將遭受增大的材料之 間的熱膨脹不匹配，從而導(dǎo)致在長成的A1N晶體中產(chǎn)生更高的裂紋密 度。多晶W箔優(yōu)選由晶粒層構(gòu)成。這些層疊和壓縮的純W晶粒 包含晶粒之間的通路(晶粒在此與相鄰的晶粒接觸)，其允許晶粒之 間的擴散路徑。鋁的損失主要是通過這些晶界，并且導(dǎo)致A1N中的空 隙(平面的或延伸的)。在時間上，隨著這些W晶粒吸收通過擴散進 入W晶粒的A1原子，W晶粒將膨脹5y。，因為Al是W中的替代型雜質(zhì)并具有約5°/。的溶解度。如在，027申請中所詳述的，這些膨脹的晶粒將 降低晶界擴散率?？梢酝ㄟ^與所述的A1N基底處理類似的處理在生長 溫度下實現(xiàn)A1調(diào)節(jié)。除了使用A1調(diào)節(jié)W箔以外，可以使用其它材料 例如Pt、 V、 Pd、 Mo、 Re、 Hf或Ta,以便通過膨脹、填充或減少W背 襯板中的晶界密度來減少通過晶界的A1損失量。在Pt、 V或Pd的情況下，可以向W箔施加(涂敷、濺射、 鍍覆或以箔的形式添加)這些元素并優(yōu)選在高于所添加材料的熔點但 低于鴒熔點的溫度下運行加熱循環(huán)，以允許添加元素熔融，從而引起 與W晶粒的反應(yīng)。這往往引起W晶粒膨脹并且減少進一步膨脹晶粒所 需要的時間和Al以及減少通過晶界擴散導(dǎo)致的Al損失。在Mo和Re的情況下，這些元素可與W混合形成合金。這 些合金在Al存在下在生長條件下具有較低的共晶點。這意味著由這些 合金構(gòu)成的背襯材料可能不適于與純鵠一樣高的生長溫度。較低的共 晶點意味著在相同的Al暴露條件下過度的晶粒生長往往比純W更快。 雖然必須注意保證在這些合金箔中存在足夠的晶粒層，但是晶粒的表 面層在暴露于Al蒸氣時將快速膨脹，這將防止沿它們晶界的進一步 Al擴散。具有鴒的Mo和Re合金的另外優(yōu)點在于，這些合金可與A1N 具有較小的熱膨脹不匹配，這將改善裂紋量(即更少的晶錠會開裂)。在Hf和Ta的情況下，W箔上的施加層可反應(yīng)在W箔上形 成附加膜或阻擋層，這將有助于填充W箔中的晶界?？赏ㄟ^添加粉末、 箔、濺射或鍍覆來向W箔表面施加Hf或Ta。覆蓋在多晶W箔上的純 元素然后可與氮或碳反應(yīng)形成HfN、 HfC、 TaC或TaN，這將有助于密 封晶界并降低通過W箔的晶界擴散率。如果可以將這些氮化物或碳化 物化合物施加成連續(xù)的層，則也可以直接施加這些氮化物或碳化物化 合物，從而形成最小的通過該層的附加路徑或晶界。參照圖9，通過使用配重900將單晶籽晶100固定到籽晶 保持器800上。通過例如粘結(jié)劑140將單晶籽晶100固定到籽晶保持 器800上。該方法的重要要素是U ) A1N基底(如果適當(dāng)形成)提 供與生長中的A1N晶錠幾乎完美的熱膨脹匹配以及優(yōu)異的化學(xué)匹配；(ii )背襯板(當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)時)對于Al擴散提供幾乎不可滲透的阻擋； 和(iii ) Al箔的快速熱處理連同A1N籽晶和A1N基底的優(yōu)異拋光在 基底和籽晶之間提供緊密且致密的接合，這將有助于防止形成面缺陷。
4.優(yōu)選的實施方式在優(yōu)選實施方案中，通過在，660申請中所述的升華-再凝 結(jié)技術(shù)制備多晶A1N基底，其中將相對厚的(3~5mm)的A1N材料層 直接沉積到金屬箔或板上。該過程包含升華，其中當(dāng)A1N的結(jié)晶固體 或包含A1N、 Al或N的其它固體或液體優(yōu)先升華時，至少部分地產(chǎn)生 源蒸氣。源蒸氣在生長中的籽晶上再凝結(jié)?？赡芟Ｍ笰1N沉積物的 厚度超過金屬板厚度的10倍，使得A1N層的相對剛度基本超過金屬板 的剛度。這樣，來自金屬板和A1N基底加籽晶(加生長之后的晶錠) 之間的任何熱膨脹不匹配的大部分應(yīng)變會由金屬板承擔(dān)。由于較大的 厚度可限制待生長的最終晶錠的尺寸，因此可能希望不使基底層的厚 度太大。出于該原因，厚度優(yōu)選限制為小于20mm。我們發(fā)現(xiàn)，在，660 申請中所述的典型生長條件下的A1N沉積可導(dǎo)致高度織構(gòu)化的A1N膜。 在本文中，織構(gòu)化膜意指幾乎所有的A1N以c軸(在使用六方晶體的 標(biāo)準(zhǔn)命名時為
方向)取向與生長膜的表面法線平行的晶體形式 生長。與生長方向垂直(即與
晶體學(xué)方向垂直)的平面中的晶 粒直徑通常為0. l~2mm。該高度織化膜的優(yōu)點在于其源自A1N具有依 賴于晶體學(xué)方向的各種熱膨脹系數(shù)的有益效果。當(dāng)其從約2200。C的生
長溫度循環(huán)到室溫時，其中各單個晶粒隨機取向的多晶膜可能開裂。雖然A1N被沉積于W箔上，但是W箔的表面可變得對Al 飽和，我們觀察到這將大大減少Al通過所述箔的進一步擴散。在，027 申請中說明了該現(xiàn)象，其中注意到，在鎢晶粒由于通過塊體內(nèi)擴散吸 納A1而膨脹之后，沿晶界的鋁滲透速率減小。可希望形成多晶W箔， 使得它包含多層W晶粒。我們發(fā)現(xiàn)，0. 020 ~ 0. 005英寸厚的W箔(例 如，由Schwarzkopf, HC Starck， H Cross提供的材料)對于這種目 的是令人滿意的。其它的金屬箔或板也是合適的；它們包含Hf、 HfN、HfC、 W-Re (<25%) 、 W-Mo (< 10%)、熱解BN (也稱為CVD-BN)、Ta、 TaC、 TaN、 Ta2N、碳(玻璃質(zhì)、玻璃狀、CVD或P0C0)和涂覆有Ta/TaC、 Hf/HfC和BN的碳。我們還發(fā)現(xiàn)，在A1N層大量沉積于箔的頂部上之前通過將W箔暴露于Al蒸氣中并使表面層對于Al飽和來預(yù)調(diào)節(jié)W箔也是有幫助的(取決于箔的晶粒結(jié)構(gòu))。在背襯材料(或生長態(tài)基底)上的多晶A1N層的生長和冷卻之后，可檢查基底以確定剛生長的基底進一步用于籽晶安裝中的適宜性。在一些實施方案中，適宜的A1N基底不表現(xiàn)出裂紋或表現(xiàn)出少的裂紋(<1裂紋/cm2)、不表現(xiàn)出面空隙或表現(xiàn)出少的面空隙(< 1個與表面相交的面空隙/cm2)、并且不表現(xiàn)出或表現(xiàn)出少的薄AIN沉積區(qū)域(具有足夠的生長厚度可拋光到規(guī)范)。在籽晶安裝區(qū)域后面包含裂紋、空隙或薄層可在籽晶后面產(chǎn)生空隙空間。如上文所述，該空隙空間可遷移從而使籽晶和長成的A1N晶錠劣化。在所述的配置中，A1N基底層可用于通過使長成的A1N晶錠的熱收縮匹配來減少由長成的晶錠上的熱膨脹不匹配產(chǎn)生的力。保持器板(W箔的背襯層)充當(dāng)對于鋁和/或氮相對不可滲透的阻擋層，防止導(dǎo)致空隙形成的晶體材料的遷移。在如上文所述沉積A1N層之后，優(yōu)選將其拋光為平滑且平整的表面。如上所述，本文中的"平滑表面"意指在光學(xué)顯微鏡(200x放大倍數(shù))中沒有可見的劃痕，并且在10xlOpm區(qū)域中用原子力顯微鏡(AFM)測量的均方根(RMS)粗糙度小于lnm。由于即使顯微水平下的表面形貌也可導(dǎo)致在籽晶中形成面缺陷，因此這是重要的；在隨后的生長期間這些缺陷可擴展到晶錠中。使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)平整和單色光源(590nm下的鈉燈)檢查拋光基底表面的平整性?；妆砻鎯?yōu)選跨籽晶區(qū)域是平整的，好于5jxm并優(yōu)選好于lpm。例如，如，816申請中所述，以單晶A1N襯底的精細(xì)機械處理的方式拋光W籽晶背襯箔上的生長態(tài)A1N基底層。在示例性CMP過程中，可以用在溶液中包含研磨劑懸浮物的漿料拋光襯底，使得漿料能夠刻蝕襯底表面并產(chǎn)生適于外延生長的精加工表面?？梢允褂迷跉溲趸锶芤褐械难趸钁腋∥?，例如現(xiàn)有技術(shù)中已知的K0H基CMP漿料，如可從CabotMicroelectronics得到的SS25 ( Semi-Sperse 25 )，或可從Monsanto得到的Syton漿料。可使用適當(dāng)?shù)陌惭b粘結(jié)劑(例如，Veltech的Valtron-AD4010-A/AD4015-B-50CC熱環(huán)氧化物)將A1N/W基底(生長態(tài))的W箔背襯側(cè)安裝到拋光夾具。可通過利用粗糙機械步驟拋光A1N層使復(fù)合物的粗糙形狀變平。適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ窃阡搾伖馄脚_(例如，具有規(guī)則鋼平臺的Lapmaster 12"或Engis LM15)上使用15)im金剛石漿料。該粗糙機械步驟之后可以是使用在K0H溶液中的ljumAl203漿料(該漿料由每l升溶液中100克的lnmAl203磨料制成，所述溶液由在蒸餾水(1升)中的0. 5M K0H構(gòu)成且具有另外50mL的乙二醇)的精細(xì)機械處理。在軟質(zhì)復(fù)合鐵拋光平臺(例如來自Lapmaster， Inc.的AX05)上用該漿料拋光所述復(fù)合物，從而留下對于眼睛高度反射并且沒有缺陷如劃痕或坑或開放裂紋的表面。磨料選擇和A1N與強堿(K0H)之間的活性化學(xué)反應(yīng)對于產(chǎn)生缺陷少的表面是十分重要的。優(yōu)選的表面在每lOnm見方掃描(AFM)中具有小于1個的深于10nm的劃痕，并跨引晶區(qū)域中具有小于5nm的TTV。除了提供這種平整的、無劃痕的表面以外，溶液的化學(xué)反應(yīng)性以及磨料和平臺材料的低硬度(相對于A1N)提供足夠低的SSD，以避免熱刻蝕A1N基底。在適當(dāng)?shù)膾伖膺^程之后，在涉及箔和籽晶的所述籽晶安裝階段之前，對基底進行化學(xué)清洗以除去拋光殘留物。
4.1.使用Al箔氮化的A1N-A1N接合現(xiàn)在通過使用Al箔氮化將A1N籽晶接合到A1N基底上。將Al箔放在籽晶和基底之間，并將其加熱到足以將整個Al箔氮化的溫度，由此在A1N籽晶和A1N基底之間產(chǎn)生薄的A1N接合膜。換言之，將A1箔插入籽晶和基底之間，并熔融以用Al層均勻濕潤基底。Al箔氮化具有清潔度和產(chǎn)生籽晶后側(cè)的微觀保形覆蓋的優(yōu)點，從而導(dǎo)致低的面缺陷密度。用于保護籽晶的任何背襯材料的密度和化學(xué)穩(wěn)定性是重要的。如果背襯材料在化學(xué)上是不穩(wěn)定的(例如，對于A1蒸氣)，那么在Al蒸氣和背襯材料之間的所得反應(yīng)可導(dǎo)致分解并由此導(dǎo)致空隙。如果背襯材料不夠致密，那么Al蒸氣可通過其升華，從而留下擴展的空隙和/或面缺陷。如果背襯材料在A1N晶體生長條件下具有高的蒸氣壓力，那么它將遷移，從而允許空隙形成并將可能變?yōu)榫уV污染物。在圖8中示出該結(jié)構(gòu)的示意圖。眾所周知，A1N籽晶在暴露于空氣、濕氣期間以及在化學(xué)清洗期間(舍水和無水的化學(xué)品包含足以對給定的A1N性能產(chǎn)生影響的水)會形成氧化物和氫氧化物。因而，處理并清洗過的籽晶表面可具有 一些在籽晶安裝期間出現(xiàn)的氧化物或氫氧化物的再生層。使用液體熔劑(將鋁金屬熔融，并且在形成氮化物之前保持為液體且在所述處理期間變成固體)的一個優(yōu)點是，該液體在反應(yīng)之前使籽晶表面氧化物溶解，并將氧化物轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的形式和/或分布。籽晶表面上的氧化物和/或氫化物的層可在生長條件下具有高的蒸氣壓力從而可導(dǎo)致空隙形成。A1N c-軸晶片(N面)的更大化學(xué)活性側(cè)將形成厚度可〉10nm的氫IUt物。示例性過程的起始材料是拋光的A1N基底籽晶保持器、拋光的A1N籽晶和Al箔(10mil厚，來自Alfa Aesar )。首先，清潔這些材料以產(chǎn)生再生且清潔的表面。對按如上所述制備的A1N基底籽晶保持器進行如下處理
1. HC1:H20[1: l]煮，以去除拋光殘留物(20分鐘)
2. 蒸餾水沖洗
3. 室溫HF (49%溶液)浸漬(15分鐘)
4. 無水甲醇沖洗3次
5. 在無水甲醇中存放，同時組裝籽晶安裝臺。
6. 在從無水甲醇中取出時仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污。將A1N籽晶(在如上所述處理以后)以如下方式處理1. HC1煮，以去除來自晶錠處理的殘留的環(huán)氧化物殘留物(20分鐘)2. 室溫HF (49%溶液)浸泡以去除Si02和拋光殘留物(15分鐘)及表面氧化物/氫氧化物層。
3. 無水曱醇沖洗3次
4. 在無水甲醇中存放，同時組裝籽晶安裝臺
5. 在從無水甲醇中取出時仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污。將Al箔以如下方式處理(Al箔由Alfa Aesar提供的10jxm厚、99. 9%純度的箔是優(yōu)選實施方案)
1. 切割成足以覆蓋籽晶區(qū)域的正方形
2. 滴入(1分鐘)HF:冊03溶液(RT ) 1分鐘-去除油和氧化物
3. 無水曱醇沖洗3次
4. 在無水曱醇中存放，同時組裝籽晶安裝臺
5. 在從無水甲醇中取出時仔細(xì)干燥以避免溶劑玷污采用清潔的構(gòu)件
1. 從無水甲醇中取出基底
2. 從無水甲醇中取出Al箔
3. 將箔的無光澤面朝下且平滑面朝上放在基底上
4. 從箔的后面消除任何氣泡，使得薄/軟箔無空隙地處在基底上。
5. 從無水曱醇中取出籽晶
6. 將籽晶(確定的極性)放到箔上
7. 用清潔的剃刀片從籽晶周圍修剪過多的箔將籽晶、箔和基底疊放到爐子中(與圖8所示的取向顛倒，以獲得圖9所示的取向,使得重力將籽晶和箔壓在基底上)。然后將清潔的W配重900疊放在籽晶上，以保證在熔融階段期間籽晶壓向安裝表面以減小間隙。在示例性實施方案中，每2"晶片約0.6kg的W質(zhì)量。在使用前以如下方式清潔W配重在爐子中在還原氣氛(通常使用具有3%氫氣的合成氣體)中加熱到比籽晶安裝溫度更高的溫度持續(xù)幾個小時，并且通過與基底和籽晶處理/設(shè)備類似的機械拋光處理將其拋光平整。當(dāng)配重、籽晶、箔和基底的堆疊體位于爐子中時，該工段(station)被抽空到基礎(chǔ)壓力〈l(Tmbar，優(yōu)選<10—6mbar，并用清潔氣體(過濾的UHP級合成氣體(3%的112和97%的N2)-低于lppm的濕氣、氧、烴的雜質(zhì))重新填充。優(yōu)選地，使用能夠使高純氣體流過安裝籽晶的反應(yīng)區(qū)域的工段。流動氣體趨于充當(dāng)清潔氣體的幕簾，從而將腔室內(nèi)污染物保持遠(yuǎn)離籽晶安裝區(qū)域。籽晶安裝過程的污染可導(dǎo)致形成氧化物、碳化物、純A1N以外的材料，并且，純籽晶背襯材料可引入在晶體生長期間可遷移的不穩(wěn)定物質(zhì)，從而留下會允許空隙形成的空間。籽晶安裝或接合的污染(氧化物形成)可在籽晶后面/周圍產(chǎn)生較低熱導(dǎo)率的區(qū)域。對于維持良好的引晶生長來說，在籽晶周圍以及與籽晶背襯保持一致且高品質(zhì)的熱接觸是重要的。氧化物和其它雜質(zhì)趨于在晶體生長期間具有較高的蒸氣物質(zhì)，從而導(dǎo)致引起空隙空間的污染物的遷移/升華。如上所述，氣流是一種改善籽晶安裝臺純度的方式。第二種方式是引入吸氣劑，且當(dāng)前最好的實踐是同時使用氣流和吸氣劑材料。優(yōu)選的吸氣材料是釔金屬和鉿金屬。它們用于在安裝期間吸收籽晶周圍的污染物的局部氣氛。釔金屬在1522°C下熔融(在A1箔籽晶安裝過程的上升期間)并且擴展以對寬的表面區(qū)域吸氣。使用材料的薄箔往往是最有效的(例如，Alfa Aesar， 0. lmm厚，99. 999%純度Y箔)。此外，在典型的A1N生長條件下氧化釔是穩(wěn)定的，這意味著，如果在生長期間該吸氣劑維持于籽晶安裝臺，那么氧化釔僅將低蒸氣壓的氧化物污染物返回到晶體生長環(huán)境中。鉿-金屬吸氣劑在所述籽晶安裝臺條件下將不熔融(熔點〉2200。C),但是趨于同時與氧化物和氮發(fā)生表面反應(yīng)。因此，對于本申請來說，粉末形式的鉿是優(yōu)選的(例如，Alfa Aesar， -325篩目，99.9%金屬基純度)?？梢栽谑褂弥扒鍧嵾@些吸氣劑中的每一種，或者按足以用于所述應(yīng)用的純度(目前實際中為99.9%或更純)購買它。在各種情況下，將吸氣劑材料放在籽晶保持器邊緣的籽晶安裝區(qū)域周圍，以避免雜質(zhì)進入籽晶接合反應(yīng)區(qū)域。在鉿粉末的情況下，鉿在所述過程中易于氮化。在粉末水 平上或在形成HfN層的較高溫度下(當(dāng)Hf在2205。C下熔融并鋪展開 時)產(chǎn)生HfN層。觀察到，即使在Al蒸氣存在下的長久加熱循環(huán)之后， HfN層也能防止W構(gòu)件粘在一起。該性能允許制備不粘在一起的表面， 無論是否很好的拋光并且在熱/還原氣氛中非常清潔。在這些步驟之后，籽晶安裝機構(gòu)準(zhǔn)備好進行加熱循環(huán)。在 優(yōu)選實施方案中，將籽晶安裝堆疊體快速加熱(<5分鐘)到約1600°C 并在30分鐘內(nèi)升到1650。C。其目的是快速熔融Al箔以允許Al液體 容易地以低表面張力流動，從而允許Al熔融以便容易地均勻濕潤A1N 籽晶和A1N基底，即，熔融Al箔以均勻地用Al層濕潤基底。在起始 籽晶和A1N基底之間形成高密度A1N。允許加熱循環(huán)保持在低溫(低 于約1100。C)持續(xù)過長時間可能容許液體Al結(jié)珠并且在Al開始氮化 時形成多孔A1N陶瓷，由此在籽晶后面產(chǎn)生空隙空間。一旦處在1650°C 下，使該溫度保持〉1小時以允許Al熔體為完全氮化，從而形成與籽 晶接合并與A1N基底接合的高密度A1N陶瓷。在1650°C下均熱>1小 時之后，該工段在另外的2小時內(nèi)回到室溫。在該熱循環(huán)/氮化安裝之后，從組裝的籽晶-籽晶保持器移 去剩余的吸氣劑材料和籽晶安裝配重900。這時，將籽晶和籽晶保持 器組件準(zhǔn)備好如圖8所示的那樣顛倒，并且組裝以便用于晶體生長循 環(huán)。如圖10所示組裝晶體生長坩鍋。特別地，在晶體生長坩鍋1100 中如所示的那樣組裝A1N籽晶100和籽晶保持器組件(包含粘結(jié)劑 140、基底810和背襯板820 )?？梢允褂酶呒兌華1N源1120在鎢坩 鍋1100中進行A1N引晶的塊體晶體生長。如上文所述將A1N籽晶100 安裝到籽晶保持器組件上。在適于生長以籽晶起源的單晶A1N的條件下，適過將鋁和 氮沉積到A1N籽晶IOO上形成單晶氮化鋁。例如，可以通過如下方式 開始生長將坩鍋與籽晶安裝臺和源材料一起加熱到約2300°C的最大 溫度并且在徑向測量的梯度小于50。C/cm而豎向梯度大于1。C/cm但小于50°C/cm。在初始升溫到生長溫度的過程中，可希望定位籽晶和源 材料，使得它們處于大致相同的溫度(籽晶平衡位置)，從而使在生 長之前籽晶的表面上的任何雜質(zhì)被蒸發(fā)掉。 一旦達到生長溫度，就可 希望移動坩鍋組件使得衧晶暫時比源材料更熱，或者希望在開始于籽 晶上生長之前暫時降低氮氣分壓以便蒸發(fā)籽晶的 一部分表面?？赏ㄟ^ 降低爐內(nèi)氣體的總壓力或者在保持爐內(nèi)總壓力恒定的同時向爐內(nèi)添加 惰性氣體例如Ar，來降低爐內(nèi)的氮氣分壓。通過該方法形成的A1N的塊體單晶可具有大于20mm的直 徑、大于0. lmm的厚度和《100cn^的缺陷面密度。該方法可使得能夠 形成晶錠形式的塊體單晶A1N，該晶錠具有大于20mm的直徑、大于5mm 的厚度并且在處在與晶體的生長方向垂直的平面中的塊體單晶的各截 面中的螺位錯面密度《10、m—2，或甚至《l(TcnT2。晶錠可包括具有足夠 的厚度以允許由之形成至少五個晶片的A1N塊體單晶，各晶片具有至 少0. lmm的厚度、至少20mm的直徑并且螺位錯密度《l(^cnT2，優(yōu)選《 IOW。通過本文所述的方法形成的晶錠可以是基本為圓柱形的 A1N塊體單晶，該塊體單晶具有至少20mm的直徑并具有足以使得能夠 由之形成至少五個晶片的厚度，各晶片具有至少0. lmm的厚度、至少 20mm的直徑以及對于(0002 )反射小于50弧秒FWHM的三晶X射線搖 擺曲線，且各晶片具有與各個其它晶片基本相同的直徑。
4.2多籽晶安裝可希望在A1N陶瓷上同時安裝若干籽晶。例如，可能難以 荻得具有足夠高品質(zhì)的足夠大的籽晶以覆蓋A1N陶瓷的整個區(qū)域。在 這種情況下，可希望使用同時安裝在A1N陶瓷上的多個籽晶。這可通 過如上所述制備籽晶實現(xiàn)，所有籽晶具有相同的取向。然后，可如上 所述將這些籽晶安裝在金屬背襯板上的A1N陶瓷(或下文所述的其它 籽晶保持器組件)上，并仔細(xì)注意對準(zhǔn)它們的方位軸。在較小籽晶的 情況下，可以在生長進行中使用熱梯度擴展籽晶。橫向擴展的籽晶通常避免面空隙的籽晶安裝源，但仍可能需要低孔隙率的籽晶背襯阻擋 物以避免面缺陷在長成的晶錠內(nèi)形成貫通空隙。另外，能夠足夠精確
地設(shè)置小籽晶的補綴物(patch work)或拼制物，使得在較小的引晶 區(qū)域之間以適當(dāng)?shù)娜∠蛏L得到大直徑晶錠，以便產(chǎn)生一致的2"晶 片。對于c軸AlN引晶生長，優(yōu)選通過制備具有m面解理邊緣的籽晶 來實現(xiàn)籽晶的對準(zhǔn)。A1N在m面上解理產(chǎn)生與c軸垂直的非常直的邊 緣。因此，通過將平整m面解理對準(zhǔn)相鄰的籽晶截面使籽晶可很好地 相對于彼此取向。從小籽晶拼制方法，可容易地產(chǎn)生2"晶片可用區(qū)域 的一部分，但是也可以通過該方法對整個2"區(qū)域引晶。使用多于一個 籽晶的特別重要的實施例是當(dāng)2"籽晶開裂并且安裝該籽晶使兩半精 確對準(zhǔn)以用于晶錠生長。通過將這種m面解理面對準(zhǔn)方法用于c軸引 晶生長，能夠?qū)崿F(xiàn)<0. 5度m面和c軸結(jié)晶對準(zhǔn)。由于難以獲得全部精 確對準(zhǔn)的籽晶并且難以在方位軸的對準(zhǔn)中避免一些錯誤，因此該方法 通常產(chǎn)生比單一籽晶更高的缺陷密度。但是，該方法可用于以較小的 籽晶尺寸獲得較大的A1N晶錠。
4.3可用于補充優(yōu)選實施方式的其它方法 4.3.1使用相對不可滲透膜保護A1N籽晶可通過沉積高溫、相對不可滲透的材料例如W來保護A1N 籽晶的背面?？赏ㄟ^濺射、CVD、離子沉積或鍍覆(對于導(dǎo)電襯底)來 沉積該阻擋層。 一旦已執(zhí)行初始沉積，就可使用鍍覆來開始或加厚籽 晶后部密封劑的沉積層。例如，可使用濺射到A1N籽晶背面的W箔來 保護A1N籽晶的背面，然后使用上述技術(shù)中的任何技術(shù)將其安裝到籽 晶保持器上。也可通過將A1N籽晶固定(如上所述，使用通過氮化A1 的薄箔形成的A1N的粘結(jié)劑)到W箔上來保護其背面。W箔可以為單 晶以降低A1擴散。因而顯著減少面缺陷的密度?？赏哂羞m宜性能以 用作相對不可滲透阻擋物的其它材料包括Hf 、 HfN、 HfC、 W-Re( <25% )、 W-Mo (< 10%)、熱解BN (也稱為CVD-BN) 、 Ta、 TaC、 TaN、 Ta2N、 碳(玻璃質(zhì)、玻璃狀、CVD、 POCO)以及涂覆有Ta/TaC、 Hf/HfC和BN的碳。有待沉積在后表面上的合適材料的關(guān)鍵屬性包括
a. 溫度穩(wěn)定性(>2100°C)
b. 在生長環(huán)境(Al蒸氣、N2、 H2)中是化學(xué)穩(wěn)定的，在約latra 壓力下，在N2、 N2-H2 (<10%) 、 Ar中，在〉2100。C溫度下，蒸氣壓力 <lmbar
c. Al穿過背襯材料的低擴散率，通過在物理上對于氣流不可滲 透(這通常意指材料是致密的，沒有空隙)并且對于Al具有小的擴散 常數(shù)。由于沿晶界的擴散通常比穿過晶界的擴散高得多，因此可希望 使晶粒膨脹以致隨著Al擴散到材料中而變得更致密(如在，207申請 中所述的"自密封"晶粒膨脹)。材料可例如在被用作籽晶保持器板之前暴露于Al蒸氣中， 以限制在板中通過晶粒膨脹的Al擴散率。在典型的生長溫度下，生長 氣氛中的蒸氣壓力為約0. lbar Al蒸氣并且測得W中的平衡(原子 -wt%) Al水平為~5%，因此優(yōu)選的背襯將沒有空隙，在進行期間將不 蒸發(fā)或遷移，并且在期望的生長溫度下將使其表面預(yù)飽和具有該材料 的平衡Al含量。
4.3.2沿離軸方向的塊體AIN單晶的生長可平行于至少15±5°離軸的方向生長A1N塊體晶體。離軸 生長包括界面與非極性面{1100}和半極性面{ioTi}、 (lTo2)和(ioT3)平行 的晶體生長。在非極性生長的情況下，晶面的生長速率與當(dāng)軸上或稍 微離軸地生長晶體時相同面的生長速率不同。因此，即使籽晶的后表 面可能未得到完美保護，然而仍可將面缺陷形成分解為產(chǎn)生其它缺陷 (例如堆垛層錯、孿晶等)以減少其影響。
4. 3. 3背襯板(外密封)背面的保護除了如上所述將A1N籽晶安裝到籽晶保持器上以外，可保 護形成坩鍋蓋(即坩鍋外側(cè))的籽晶保持器(即圖8中的背襯板820 ) 的外側(cè)以抑制Al通過坩鍋蓋的傳輸。出于這里的目的，可以施加高溫碳基粘結(jié)劑、涂料或涂層。通常地，通過刷涂或噴涂施加這些材料并 然后進行熱循環(huán)，以改善它們的密度和結(jié)構(gòu)，但也可以將它們?yōu)R射或
電鍍。例如，如果使用薄(<0. 005英寸)W箔作為坩鍋蓋并且將A1N 籽晶安裝在一側(cè)，那么可以按這種方式保護W箔的另一側(cè)。保護該蕩 外側(cè)的優(yōu)點是可以使用更寬范圍的高溫材料(涂層、涂料等)作為保 護層，因為在Al蒸氣和保護材料之間存在較低的相互作用風(fēng)險。該方 法還允許使用較薄的金屬蓋，這在減少晶體上因蓋材料和A1N之間的 熱膨脹不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)力方面是有利的。
4. 3.4在多種氣體物質(zhì)流中的籽晶接合固化如上所述，在典型的Al箔籽晶安裝過程中，液體A1箔清 除籽晶表面的氧化物并且反應(yīng)以形成A 1203。為了實現(xiàn)更少的空隙和更 好品質(zhì)的生長，可能需要更加完全地去除該籽晶氧化物層。延長允許 Al箔熔體與該氧化物層反應(yīng)的時間是實現(xiàn)這一點的一種方法。通過減 少可用于與形成固體氮化物的熔融Al金屬反應(yīng)的氮的量，可以實現(xiàn)更 長的A1熔融階段?？梢栽谌缦聴l件執(zhí)行該過程在氬氣氣氛中，在加 熱到適宜的反應(yīng)溫度(根據(jù)希望的去除速率/物類為1000 ~ 1800。C) 期間并保持足夠長的時間以從籽晶去除氧化物和氬氧化物的層。隨后， 可以向流過籽晶安裝區(qū)域的流體添加氮。這時氮可與自由Al熔體反應(yīng) 并形成氮化物籽晶粘結(jié)劑。在該熔融A1階段期間，籽晶保持器(當(dāng)僅由W制成時)將 可能是氧化物物質(zhì)的擴散膜。這種機制將允許通過A1金屬實現(xiàn)從籽晶 吸除氧化物，通過W層清潔該金屬，然后從Al熔體氮化得到高密度 A1N，從而形成高品質(zhì)的籽晶粘結(jié)劑。
4.3.6在沒有A1N層的情況下籽晶直接與籽晶板接合
除了使用A1N陶資層和背襯板的組合，還可以在沒有中間 A1N陶瓷層的情況下使籽晶直接與適當(dāng)?shù)淖丫О褰雍稀＿@可提供的優(yōu) 點是，消除A1N陶瓷層中的缺陷遷移到生長中的A1N晶錠中的可能性。但是，仔細(xì)選擇背襯板以便不因籽晶板和A1N之間的熱膨脹不匹配而 向籽晶和A1N晶錠上引入太多的應(yīng)力。這可通過如下方式來實現(xiàn)使 用非常薄的板，其易于容易響應(yīng)來自A1N晶體的應(yīng)力而變形(對于通 過板的Al傳輸仍然相對不可滲透)，或者使用從室溫一直到~ 2200°C 的生長溫度相對接近地匹配A1N的熱膨脹的板。作為替代，可以將A1N 籽晶安裝在背村板上，然后可將該背襯板安裝到織構(gòu)化的A1N陶資上。 該后一種方法是有吸引力的，因為使用的籽晶背襯板可對于Al擴散提 供相對不可滲透的阻擋并防止來自A1N陶瓷的缺陷擴散到生長中的晶 體中。但是，A1N陶瓷可提供保持生長中的晶錠的機械強度。
可能的選擇包含
i. W箔
ii. W-Re箔
iii. W-Mo箔
iv. 用Pt、 V、 Y、碳處理的W箔(坩鍋專利文獻)
v. 單晶-W背襯
vi. HfC-燒結(jié)的液相
vii. 涂覆TaC的Ta
viii. 涂覆TaC的pBN
ix. 涂覆TaC的W箔
x. 涂覆Hf N的W箔
xi. HfC (碳化鉿)
xii. 涂覆HfC的W
xiii. 涂覆BN的石墨盡管W具有與A1N不同的熱膨脹系數(shù)，但薄W箔和薄單晶 W可比適當(dāng)厚度的A1N晶錠更容易地機械變形，從而減少由于熱膨脹 不匹配導(dǎo)致的晶體上的應(yīng)力。可以選擇W/Re和W/Mo的合金，使得從 生長溫度一致到室溫籽晶保持器和A1N的總熱膨脹將為零。可以使用 (所有)這些材料的組合和借助于元素例如Pt、 V、 Y、碳進行處理來 改變背襯材料的晶粒生長行為，以便在暴露于A1和高溫梯度時減少與時間相關(guān)的材料晶粒生長。上文關(guān)于A1N陶瓷基底所述的類似拋光制備過程對于直接 箔安裝(沒有A1N基底)也是適用的。為了進一步在金屬背襯的情況 下改善表面光潔度，通常希望在l|timAl203平臺步驟之后進行1200粒 度的墊步驟，該步驟在較軟金屬材料上產(chǎn)生鏡面光潔度同時維持平整 性和少的劃痕。以下示意性說明用于該籽晶安裝過程的爐子操作。將粘結(jié) 劑層放在制備的籽晶保持器上并將籽晶放在粘結(jié)劑層上。為了使用Al 箔基籽晶安裝粘結(jié)劑，在能夠達到至少1650。C的工段內(nèi)，將圖6的籽 晶保持器組裝并同時顛倒。對于A1箔以外的材料，在下文說明單獨的 加熱循環(huán)，然而相同的考慮適用于維持高品質(zhì)引晶生長的結(jié)果。將適當(dāng)?shù)奈锪戏旁谧丫?粘結(jié)劑/籽晶保持器組件的頂部。 在一個實施方案中，可以使用在合成氣體流下通過重復(fù)的加熱循環(huán)仔 細(xì)除去污染物的拋光(平整)的鴒直圓柱。該塊體以大于150g/cm2的 壓力壓在拋光(平整)的籽晶面上。在這種情況下，可充分將平整的、 應(yīng)力減少的籽晶緊密地保持在籽晶保持器上。更大的單位面積壓力將 有助于改善有缺陷的籽晶/籽晶保持器的平整性使材料變形到質(zhì)量負(fù) 載因超過在室溫或更高的溫度下的臨界分解剪應(yīng)力(CRSS)而可引起 籽晶/籽晶保持器斷裂的點。在籽晶組裝之前，通常使用光學(xué)平整度測量技術(shù)例如光學(xué) 平整和單色光源(435nm鈉燈)來檢查籽晶和籽晶保持器的適宜平整 性。匹配表面之間的間隙優(yōu)選小5jam，優(yōu)選更小，且部分形狀是規(guī)則 的(避免凹陷或內(nèi)陷(boxed)的工件，優(yōu)選具有好于5jim的變形)。
4.3.7其它可能的籽晶安裝粘結(jié)劑除了 A1N陶資基粘結(jié)劑之外，還能夠使用任何其它高溫粘 結(jié)劑，例如碳基粘結(jié)劑或甚至水基碳涂料例如Aquadag E、鉬懸片、 (例如來自Aremco Products, Inc.)鉬粉末或箔、鉬濺射或鍍覆的 涂層，類似于各種鉬形式包括基礎(chǔ)元素鋁、錸、釩、釔。也可以使用在AlN生長條件下具有各種高溫穩(wěn)定性/適用性的其它膠，例如基于氮 化硼、氧化鋯、氧化釔和氧化鋁的膠。碳基方法已成功用于引晶SiC晶體生長。但是，由于A1蒸 氣侵蝕石墨形成碳化鋁(ALC3)，因此已證明它們對于A1N晶體生長 是不成功的。
4.3.8使用液體或分離(break away)的籽晶安裝 [103]如上文所討論的，從安裝在對于Al傳輸幾乎不可滲透的籽 晶保持器上的籽晶來生長塊體A1N的困難之一是由籽晶和籽晶保持器 板之間的熱膨脹不匹配引起的應(yīng)變?？赏ㄟ^使用液態(tài)或接近液態(tài)的膜 將籽晶保持到籽晶保持器板上來避免來自熱膨脹不匹配的應(yīng)力。金屬 鎵(Ga)可代替上述的固體膠之一并且將在30。C下熔融。在高溫
(〉1000。C)下，Ga的氮化物是不穩(wěn)定的，因此Ga將在A1N籽晶和籽 晶保持器板之間保持為液體，并且因此不能向生長中的A1N晶錠傳輸
(由于熱膨脹不匹配引起的)任何剪應(yīng)力。但是，當(dāng)晶體冷卻到室溫 時，液體Ga通常形成氮化物。這可以通過如下方式來避免使用背襯 板，當(dāng)該背襯板冷卻時GaN將從其分離；或使用惰性氣體(例如Ar ) 取代生長腔室中的氮氣，使得Ga將不會暴露于足夠的氮氣中以形成接 合籽晶和籽晶保持器板的固體氮化物。當(dāng)然，該方法不可能提供保持 籽晶的任何機械強度，因此優(yōu)選通過將籽晶安裝在生長坩鍋底部來使 用它。Ga的相對高的蒸氣壓力可引起生長中A1N晶錠的污染。這 可通過使用金和鍺的共晶物來克服。AUxGe卜x在x- 0. 72時具有在361°C 下熔融的共晶物。在A1N生長溫度下該材料也不具有任何穩(wěn)定的氮化 物，并因此保持為液體。另外，其蒸氣壓力是相同溫度下的Ga蒸氣壓 力的約1/30。
4. 3. 9沒有保持器板的籽晶安裝可通過使用幾乎不可滲透的涂層涂覆籽晶其后表面并且使用籽晶本身密封晶體生長坩鍋，來安裝大的、低缺陷的籽晶。通過使
得該涂層為薄，可以使來自涂層和A1N籽晶之間的熱膨脹不匹配的機 械應(yīng)力最小化。在該方法的優(yōu)選實施方案中，首先在DAG中將籽晶涂 覆，并然后在150。C下烘焙，以便在整個籽晶周圍提供碳涂層(也可 使用替代性的碳涂層方案)。涂覆碳的A1N籽晶從而具有沉積于其上 的熱解BN的薄層(該層優(yōu)選為約100nm厚)。在這種處理之后，如 上文在籽晶制備部分中所述拋光A1N籽晶的前表面，使得基本上去除 前表面的所有BN和石墨，并且如在該部分中所述，該前表面是平滑的 并且相對沒有缺陷。然后直接安裝該組合的籽晶和籽晶保持器組件作 為A1N晶體生長坩鍋的蓋。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，這里列出的所有參數(shù)意味著
用。因此應(yīng)當(dāng)理解，僅以舉例的方式給出以上的實施方案，并且在所 附的權(quán)利要求及其等效物的范圍內(nèi)，可以按具體說明以外的方式實施 本發(fā)明。權(quán)利要求如下
權(quán)利要求
1.AlN的塊體單晶，其具有大于20mm的直徑、大于0.1mm的厚度和≤100cm-2的面缺陷面密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的塊體單晶，其中通過如下方式測量面缺陷面 密度對塊體單晶中的所有面缺陷進行計數(shù)并除以處在與其生長方向 垂直的平面中的塊體單晶的橫截面面積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的塊體單晶，其中塊體單晶的形式為具有大于 5mm厚度的晶錠。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的塊體單晶，其中面缺陷面密度^lcm—2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的塊體單晶，其中單晶A1N的形式為晶片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的塊體單晶，其中面缺陷面密度《10cnf2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5的塊體單晶，其中與晶片的頂面和底面中的每 一個相交的面缺陷的面缺陷面密度是《lcnf2。
8. 包含A1N塊體單晶的晶錠，其具有大于Mmm的直徑、大于5mm 的厚度，并且在處于與晶體生長方向垂直的平面中的塊體單晶的每個 橫截面中的螺位錯的面密度《106cnf2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的晶錠，其中螺位錯的面密度^l(rcm—2。
10. 包含A1N塊體單晶的晶錠，該A1N塊體單晶具有足以能夠從 其形成至少五個晶片的厚度，各晶片具有至少0. lmm的厚度、至少20mm的直徑和《106cm—2的螺位錯密度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的晶錠，其中各晶片具有^L0Vnf2的螺位錯 密度。
12. 晶錠，該晶錠包含基本呈圓柱形的A1N塊體單晶，該塊體單 晶具有至少20mm的直徑并具有足以能夠從其形成至少五個晶片的厚 度，各晶片具有至少0. lmm的厚度、至少20mm的直徑以及對于(0002 ) 反射的小于50弧秒半峰寬(FWHM)的三晶X射線搖擺曲線，其中各晶 片具有與各個其它晶片基本相同的直徑。
13. 用于生長單晶氮化鋁(A1N)的方法，該方法包括以下步驟 (a )提供包含背村板的保持器，保持器(i )尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在其中接納A1N籽晶，且(ii)包括與背襯板接合的A1N基底；(b) 在籽晶和A1N基底之間插入A1箔；(c) 熔融Al箔以便用Al層均勻地濕潤基底；(d) 將A1N籽晶放置在保持器內(nèi)；和(e) 在適合于生長源于該籽晶的單晶A1N的條件下將鋁和氮沉 積到籽晶上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括調(diào)節(jié)背襯板以降低背板對于 Al的滲透性的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中籽晶是具有至少20mm直徑的 晶片。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中生長成的單晶A1N限定出直徑 與籽晶的直徑近似相同的晶錠。
17.用于生長單晶氮化鋁(A1N)的方法，該方法包括以下步驟(a) 提供尺寸和形狀經(jīng)設(shè)定以在其中接納A1N籽晶的保持器， 該保持器基本由基本上不可滲透的背襯板構(gòu)成；(b) 將A1N籽晶放置在保持器內(nèi)；(c) 在籽晶和背襯板之間插入Al箔；(d) 熔融Al蕩以便用Al層均勻地濕潤背襯板和AIN籽晶的背 面；和(e) 在適合于生長源于該籽晶的單晶A1N的條件下將鋁和氮沉 積到籽晶上。
全文摘要
提供了面缺陷面密度≤100cm^-2的氮化鋁(AlN)塊體單晶。用于生長單晶氮化鋁的方法包括使鋁箔熔融以便用鋁層均勻地濕潤基底，對于有待由于AlN生長的AlN籽晶，該基底形成AlN籽晶保持器的一部分。該保持器可基本上由基本不可滲透的背襯板構(gòu)成。
文檔編號C30B29/40GK101680115SQ200880005464
公開日2010年3月24日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者G·A·斯萊克, K·E·摩根, L·J·肖沃爾特, R·T·邦德科夫 申請人:晶體公司