DE102021104600A1

DE102021104600A1 - Galliumoxidkristall-herstellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021104600A1
Application number: DE102021104600.9A
Authority: DE
Inventors: Keigo Hoshikawa; Takumi Kobayashi; Yoshio Otsuka; Toshinori Taishi
Original assignee: Fujikoshi Machinery Corp; Shinshu University NUC; Novel Crystal Technology Inc
Current assignee: Fujikoshi Machinery Corp; Shinshu University NUC; Novel Crystal Technology Inc
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-09-02
Also published as: CN113308728B; JP2021134140A; KR20210109470A; US11674239B2; RU2765034C1; TW202146714A; CN113308728A; US20210269941A1

Abstract

Eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung enthält einen Tiegel, um ein Galliumoxid-Quellenmaterial darin zu halten, eine Tiegelstütze, die den Tiegel von unten stützt, eine Tiegelstützenwelle, die mit der Tiegelstütze von unten verbunden ist und den Tiegel und die Tiegelstütze vertikal bewegbar stützt, ein rohrförmiges Ofenkernrohr, das den Tiegel, die Tiegelstütze und die Tiegelstützenwelle umgibt, ein rohrförmiges Ofeninnenrohr, des das Ofenkernrohr umgibt, und ein Widerstandsheizelement, das einen Wärmeerzeugungsteilbereich umfasst, der in einem Raum zwischen dem Ofenkernrohr und dem Ofeninnenrohr platziert ist. Schmelzpunkte des Ofenkernrohrs und des Ofeninnenrohrs sind nicht kleiner als 1900°C. Eine thermische Leitfähigkeit eines Teilbereichs des Ofenkernrohrs, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, ist höher als eine thermische Leitfähigkeit des Ofeninnenrohrs.

Description

Querverweis auf zugehörige Anmeldungen
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020/032482 , eingereicht am 27. Februar 2020, und der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020/032482 ist hierdurch durch Bezugnahme enthalten.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung.
Stand der Technik
Eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung zum Wachsen lassen bzw. Züchten von Kristall unter Verwendung des vertikalen Bridgman Verfahrens ist bekannt (siehe Patentliteratur 1). Bei der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung wird ein Tiegel durch ein Widerstandsheizelement erwärmt, um ein im Tiegel gehaltenes Galliumoxid-Quellenmaterial zu schmelzen.
Gemäß der Patentliteratur 1 wurde ein β-Ga₂O₃-Kristall mit einem Durchmesser von 2 Inches durch Verwenden eines Tiegels mit einem Innendurchmesser von 2 Inches erfolgreich erhalten, auch wenn es kein perfekter Einkristall war.
Literaturstellenliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2017/193466 A
Zusammenfassung der Erfindung
Um einen Einkristall guter Qualität durch das vertikal Bridgman Verfahren zu züchten, muss eine für eine Kristallzüchtung geeignete Temperaturverteilung um den Tiegel hergestellt werden und sind die Temperaturverteilungsbedingungen strenger, wenn die Größe eines zu züchtenden Kristalls größer ist.
Um eine beabsichtigte Temperaturverteilung herzustellen, muss die Vorrichtung konfiguriert sein, um einen Wärmestrom um den Tiegel geeignet zu regeln bzw. zu steuern. Daher wird es bei der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Herstellungsvorrichtung aufgrund ihrer Struktur als schwierig angesehen, einen Galliumoxid-Einkristall mit einer Größe von 2 Inches oder größer zu erhalten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die konfiguriert ist, um einen Galliumoxid-Einkristall zu erhalten, der eine große Größe hat und wenig Kristalldefekte, um eine Verschlechterung bezüglich einer kristallinen Qualität bei der Kristallzüchtung durch das vertikale Bridgman Verfahren zu verursachen, enthält.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine in nachstehenden [1] bis [7] definierte Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
[1] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung, umfassend:

einen Tiegel, um ein Galliumoxid-Quellenmaterial darin zu halten;
eine Tiegelstütze, die den Tiegel von unten stützt;
eine Tiegelstützenwelle, die mit der Tiegelstütze von unten verbunden ist und den Tiegel und die Tiegelstütze vertikal bewegbar stützt;
ein rohrförmiges Ofenkernrohr, das den Tiegel, die Tiegelstütze und die Tiegelstützenwelle umgibt;
ein rohrförmiges Ofeninnenrohr, das das Ofenkernrohr umgibt; und
ein Widerstandsheizelement, das einen Wärmeerzeugungsteilbereich umfasst, der in einem Raum zwischen dem Ofenkernrohr und dem Ofeninnenrohr platziert ist,
wobei Schmelzpunkte des Ofenkernrohrs und des Ofeninnenrohrs nicht kleiner als 1900°C sind, und
wobei eine thermische Leitfähigkeit eines Teilbereichs des Ofenkernrohrs, der in einer radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, höher als eine thermische Leitfähigkeit des Ofeninnenrohrs ist.

[2] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach oben dargelegtem [1], wobei das Ofenkernrohr einen ersten Teilbereich umfasst, der den Teilbereich enthält, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, und einen zweiten Teilbereich, der ein anderer als der erste Teilbereich ist, und die thermische Leitfähigkeit des ersten Teilbereichs höher als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Teilbereichs ist.
[3] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach oben dargelegtem [1] oder [2], umfassend:

ein plattenförmiges Element, das eine Öffnung an einem oberen Ende des Ofenkernrohrs bedeckt; und
ein an dem plattenförmigen Element platziertes Wärmerückhaltematerial.

[4] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der oben dargelegten [1] bis [3], wobei der Teilbereich des Ofenkernrohrs, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, eine auf Aluminiumoxid basierende Keramik oder eine auf Magnesiumoxid basierende Keramik umfasst und das Ofeninnenrohr eine auf Zirkonoxid basierende Keramik umfasst.
[5] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der oben dargelegten [1] bis [4], wobei der Tiegel eine auf Platin basierende Legierung umfasst.
[6] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach oben dargelegtem [5], wobei die Tiegelstütze einen ersten Block als den obersten Teilbereich umfasst, der eine auf Zirkonoxid basierende Keramik umfasst und direkt in Kontakt mit dem Tiegel ist, und einen unter dem ersten Block angeordneten zweiten Block, der eine auf Aluminiumoxid basierende Keramik umfasst und nicht in Kontakt mit dem Tiegel ist.
[7] Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der oben dargelegten [1] bis [6], wobei das Ofeninnenrohr von der Seite, von oben und von unten durch eine Wärmerückhalteschicht umgeben ist, die Wärmerückhalteschicht vertikal in zwei Abschnitte getrennt ist, nämlich eine obere Wärmerückhalteschicht und eine untere Wärmerückhalteschicht, die obere Wärmerückhalteschicht und die untere Wärmerückhalteschicht einen Spalt vertikal in Sandwichbauweise umgeben und der Spalt derart vorgesehen ist, dass er von der Innenseite zur Außenseite der Wärmerückhalteschicht nicht horizontal kontinuierlich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die konfiguriert ist, um einen Galliumoxid-Einkristall zu erhalten, der eine große Größe hat und wenig Kristalldefekte, um eine Verschlechterung bezüglich einer kristallinen Qualität bei der Kristallzüchtung durch das vertikale Bridgman Verfahren zu verursachen, enthält.
Figurenliste

1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein Ofenkernrohr und Elemente um dieses herum bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Tiegel, eine Tiegelstütze und eine Tiegelstützenwelle bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Heizelement bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4A ist eine Seitenansicht, die das Heizelement bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Modifikation einer Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung 1 bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Fotografie, die zwei β-Ga₂O₃-Einkristalle, die unter Galliumoxid-Einkristallen bei einem Beispiel sind und jeweils einen zirkulären säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einem Durchmesser von 2 Inches haben, und zwei aus ihnen ausgeschnittene Wafer zeigt.
7 ist ein Überwachungsbild, das durch Röntgentopografie erhalten ist und einen Galliumoxid-Einkristallwafer zeigt, der aus einem Galliumoxid-Einkristall beim Beispiel ausgeschnitten ist, mit 0.2 Mol-% Sn dotiert ist und eine (001)-Ebene auf einer Hauptoberfläche hat.
8A zeigt eine (001)-Ebenen-Beugungsspitze in einem Bereich 1 auf dem in 7 gezeigten Wafer, erhalten durch eine Röntgen-Schwenkkurvenmessung.
8B zeigt eine (001)-Ebenen-Beugungsspitze in einem Bereich 2 auf dem in 7 gezeigten Wafer, erhalten durch eine Röntgen-Schwenkkurvenmessung.
8C zeigt eine (001)-Ebenen-Beugungsspitze in einem Bereich 3 auf dem in 7 gezeigten Wafer, erhalten durch eine Röntgen-Schwenkkurvenmessung.
8D zeigt eine (001)-Ebenen-Beugungsspitze in einem Bereich 4 auf dem in 7 gezeigten Wafer, erhalten durch eine Röntgen-Schwenkkurvenmessung.
9 ist eine Fotografie, die einen Galliumoxid-Einkristallwafer bei einem Beispiel zeigt, der mit 0.2 Mol-% Sn dotiert ist und eine (001)-Ebene auf einer Hauptoberfläche hat.
10 ist eine Kurve, die durch eine Röntgen-Schwenkkurvenmessung erhalten ist und eine Verteilung einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze auf dem in 9 gezeigten Wafer zeigt.
11 ist eine Kurve, die eine Verteilung einer Versetzungsdichte auf dem in 9 gezeigten Wafer zeigt.
12A ist ein Überwachungsbild, das durch ein optisches Mikroskop aufgenommen ist und ein Beispiel eines auf einer Waferoberfläche erschienenen Ätzpits zeigt.
12B ist ein Überwachungsbild, das durch ein optisches Mikroskop aufgenommen ist und ein Beispiel eines auf einer Waferoberfläche erschienenen Ätzpits zeigt.
12C ist ein Überwachungsbild, das durch ein optisches Mikroskop aufgenommen ist und ein Beispiel eines auf einer Waferoberfläche erschienenen Ätzpits zeigt.
13A ist eine Kurve, die Verteilungen einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze und einer Versetzungsdichte bei einem oberen Abschnitt des in 9 gezeigten Wafers zeigt.
13B ist eine Kurve, die Verteilungen einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze und einer Versetzungsdichte bei einem mittleren Abschnitt des in 9 gezeigten Wafers zeigt.
13C ist eine Kurve, die Verteilungen einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze und einer Versetzungsdichte bei einem unteren Abschnitt des in 9 gezeigten Wafers zeigt.

(Ausführungsform)
(Konfiguration einer Herstellungsvorrichtung)
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die die Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung 1 bei einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Herstellungsvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung zum Wachsen lassen bzw. Züchten eines auf Galliumoxid basierenden Kristalls durch das vertikale Bridgman Verfahren. Galliumoxidkristall bedeutet hier einen β-Ga₂O₃-Kristall oder bedeutet einen β-Ga₂O₃-Kristall, der eine Substitutionsverunreinigung, wie beispielsweise Al, In, oder ein Dotierungsmittel, wie beispielsweise Sn, Si, enthält.
Die Herstellungsvorrichtung 1 enthält einen Tiegel 20, um ein Galliumoxid-Quellenmaterial darin zu halten, eine Tiegelstütze 21, die den Tiegel 20 von unten stützt, eine Tiegelstützenwelle 22, die mit der Tiegelstütze 21 von unten verbunden ist und den Tiegel 20 und die Tiegelstütze 21 vertikal bewegbar stützt, ein rohrförmiges Ofenkernrohr 10, das den Tiegel 20, die Tiegelstütze 21 und die Tiegelstützenwelle 22 umgibt, ein rohrförmiges Ofeninnenrohr 11, das das Ofenkernrohr 10 umgibt, und Heizelemente 23 jeweils mit Wärmeerzeugungsteilbereichen 231 platziert in einem Raum zwischen dem Ofenkernrohr 10 und dem Ofeninnenrohr 11.
Die Herstellungsvorrichtung 1 enthält auch eine Ofeninnenrohr-Stützplatte 12 als Basis des Ofeninnenrohrs 11, eine Wärmerückhalteschicht 13, die auf der äußeren Seite des Ofeninnenrohrs 11 angeordnet ist und einen Abfluss von Wärme zur Außenseite der Vorrichtung unterdrückt, indem sie einen Kristallzüchtungsraum innerhalb des Ofeninnenrohrs 11 von der Seite, von oben und von unten umgibt, ein Abluftrohr 16, das sich von der Innenseite der Herstellungsvorrichtung 1 zur Außenseite der Vorrichtung durch die Wärmerückhalteschicht 13 erstreckt, und einen Basiskörper 17, auf dem jede Komponente der Herstellungsvorrichtung 1 platziert ist. Zusätzlich kann die Außenseite der Wärmerückhalteschicht 13 mit einer Außenwand (nicht gezeigt) bedeckt sein.
Die Schmelzpunkte des Ofenkernrohrs 10 und des Ofeninnenrohrs 11 sind nicht kleiner als 1900°C und das Ofenkernrohr 10 und das Ofeninnenrohr 11 können eine hohe Temperatur aushalten, die zum Züchten von Galliumoxid verwendet wird. Zusätzlich ist ein Erweichungspunkt des Ofeninnenrohrs 11 bevorzugt nicht kleiner als 1800°C.
Allgemein ist es bei einer Kristallzüchtung durch das vertikale Bridgman Verfahren schwierig, ein Kristall guter Qualität zu züchten, wenn ein Gradient einer Temperaturverteilung um den Tiegel groß ist, und diese Neigung ist dann bedeutender, wenn ein Kristall mit größerer Größe gezüchtet wird. Bei der Herstellungsvorrichtung 1 kann eine Temperaturverteilung mit einem kleinen Gradienten, der zum Züchten von Galliumoxidkristall mit guter Qualität und großer Größe geeignet ist, um den Tiegel 20 durch Steuern eines Wärmestroms um den Tiegel 20 unter Verwendung des Ofenkernrohrs 10 erzeugt bzw. hergestellt werden.
Um eine Temperaturverteilung mit einem kleineren Gradienten um den Tiegel 20 zu erzeugen, hat das Ofenkernrohr 10 bevorzugt eine große thermische Leitfähigkeit und es ist bevorzugt, ein dichte und hochreine auf Aluminiumoxid basierende Keramik oder auf Magnesiumoxid basierende Keramik, etc., als Material zu verwenden. Zum Beispiel kann durch TEP Corporation hergestelltes 4NA als das Material des Ofenkernrohrs 10 geeignet verwendet werden.
Zusätzlich trennt das Ofenkernrohr 10 den Tiegel 20 vom Heizelement 23 und kann dadurch ein Enthaltensein von (einer Kontamination mit) Verunreinigungen, wie beispielsweise Si, Mo, vom Heizelement 23 unterdrücken.
Durch Verwenden des Ofeninnenrohrs 11 ist es möglich, einen Wärmestrom vom Heizelement 23 zu unterdrücken und eine Abnutzung des Heizelements 23 zu reduzieren. Aus diesem Grund ist das Ofeninnenrohr 11 bevorzugt ausgezeichnet in Bezug auf eine Wärmeschockbeständigkeit und hat bevorzugt eine niedrigere thermische Leitfähigkeit als diejenige des Ofenkernrohrs 10. Somit ist das Ofeninnenrohr 11 bevorzugt aus einem Material, wie beispielsweise poröser auf Zirkonoxid basierender Keramik, mit einer niedrigeren thermischen Leitfähigkeit als derjenigen einer dichten und hochreinen auf Aluminiumoxid basierenden Keramik oder auf Magnesiumoxid basierenden Keramik, die das Material des Ofenkernrohrs 10 ist, ausgebildet, und es ist möglich, z.B. durch TEP Corporation hergestelltes ZIR-Y als das Material des Ofenkernrohrs 10 geeignet zu verwenden.
Wenn die auf Zirkonoxid basierende Keramik als das Material des Ofeninnenrohrs 11 verwendet wird, ist das Ofeninnenrohr 11 so angeordnet, dass ein auf 1800°C zu erwärmender Teilbereich nicht in Kontakt mit anderen Elementen ist, da es wahrscheinlich ist, dass er mit anderen Materialien reagiert.
Das Ofeninnenrohr 11 kann auch ein lokales Sintern oder eine Verformung der Wärmerückhalteschicht 13 unterdrücken, die auf der äußeren Seite des Ofeninnenrohrs 11 angeordnet ist.
Das Ofenkernrohr 10 und das Ofeninnenrohr 11 haben typischerweise ein Rundrohrform. Das Ofenkernrohr 10 und das Ofeninnenrohr 11 können jeweils durch Stapeln kreisringförmiger (typischerweise zirkularer ringförmiger) Elemente mit unterschiedlichen Außen- und Innendurchmessern ausgebildet sein. Zusätzlich kann das das Ofeninnenrohr 11 bildende kreisringförmige Element eine Kombination aus mehreren geteilten Stücken sein, die durch mehrere gerade Linien geteilt sind, die sich von der Mitte des Rings zum äußeren Umfang erstrecken.
Die Wärmerückhalteschicht 13 ist so konfiguriert, dass mehrere Schichten von der Innenseite (der Seite des Tiegels 20) aus in Richtung zur Außenseite in einer verschachtelten Weise überlagert sind, wie es in 1 gezeigt ist, und sie ist bevorzugt so konfiguriert, dass die innerste Schicht unter den mehreren Schichten die höchste Wärmewiderstandstemperatur hat und die Schicht, die näher zur Außenseite ist, eine niedrigere Wärmewiderstandstemperatur hat. Ein für die Wärmerückhalteschicht 13 verwendetes Wärmerückhaltematerial ist teurer, wenn es eine höhere Wärmewiderstandstemperatur hat. Daher ist es durch Konfigurieren, wie es oben beschrieben ist, möglich, die Kosten zu reduzieren, während eine Wärmebeständigkeit der Wärmerückhalteschicht 13 sichergestellt wird.
Zum Beispiel ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel eine Schicht 131, die am innersten angeordnet ist, aus einer auf Aluminiumoxid basierenden Faserplatte ausgebildet, die eine Wärmewiderstandstemperatur von etwa 1800°C hat, ist eine Schicht 132 dort herum aus einer auf Aluminiumoxid basierenden Faserplatte ausgebildet, die eine Wärmewiderstandstemperatur von etwa 1700°C hat, und ist eine Schicht 133, die am äußersten angeordnet ist, aus einer auf einem anorganischen Material basierenden Faserplatte ausgebildet, die eine Wärmewiderstandstemperatur von 1400°C hat.
Die Schicht 131, die Schicht 132 und die Schicht 133 können jeweils durch Stapeln von kreisringförmigen (typischerweise zirkulären ringförmigen) Elementen mit unterschiedlichen Außen- und Innendurchmessern ausgebildet sein. Zusätzlich kann das die Schicht 131, die Schicht 132, die Schicht 133 bildende kreisringförmige Element eine Kombination aus mehreren geteilten Stücken sein, die durch mehrere gerade Linien geteilt sind, die sich von der Mitte des Rings zum Außenumfang erstrecken. In diesem Fall ist es, um Wärmerückhalteeigenschaften zu erhöhen, bevorzugt, die kreisringförmigen Elemente so zu stapeln, dass Grenzen der benachbarten geteilten Stücke der kreisringförmigen Elemente einander vertikal nicht überlagern und sich innerhalb und außerhalb nicht überlagern.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die das Ofenkernrohr 10 und Element um dieses herum zeigt. Wie es in 2 gezeigt ist, kann das Ofenkernrohr 10 so konfiguriert sein, dass ein Teilbereich 101, der einen Teilbereich enthält, der direkt am nächsten zu dem Tiegel 20 in einer radialen Richtung des Ofenkernrohrs 10 angeordnet ist, und ein übriger Teilbereich 120 aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
In diesem Fall hat der Teilbereich 101, der nahe zum Tiegel 20 ist, bevorzugt eine hohe thermische Leitfähigkeit, um eine erwünschte Temperaturverteilung um den Tiegel 20 zur Verfügung zu stellen, wie es oben beschrieben ist, und es ist bevorzugt, eine dichte und hochreine auf Aluminiumoxid basierende Keramik oder eine auf Magnesiumoxid basierende Keramik, etc., als Material zu verwenden. Andererseits ist der Teilbereich 102, der relativ weit weg vom Tiegel 20 ist, bevorzugt ausgezeichnet in Bezug auf einen Wärmeschockwiderstand und ist bevorzugt aus einem Material, wie beispielsweise einer porösen auf Zirkonoxid basierenden Keramik, mit einer niedrigeren thermischen Leitfähigkeit als derjenigen einer dichten und hochreinen auf Aluminiumoxid basierenden Keramik oder auf Magnesiumoxid basierenden Keramik, die das Material des Teilbereichs 101 ist, ausgebildet.
Wenn das Ofenkernrohr 10 aus dem Teilbereich 101 und dem Teilbereich 102 zusammengesetzt ist, ist die thermische Leitfähigkeit des Teilbereichs 101 höher als die thermische Leitfähigkeit des Teilbereichs 102. Zusätzlich ist ungeachtet der Konfiguration des Ofenkernrohrs 10 die thermische Leitfähigkeit des Teilbereichs des Ofenkernrohrs 10, der direkt am nächsten zum Tiegel 20 in einer radialen Richtung des Ofenkernrohrs 10 angeordnet ist, höher als die thermische Leitfähigkeit des Ofeninnenrohrs 11.
Zusätzlich kann ein Wärmerückhaltematerial 15 an dem Ofenkernrohr 10 platziert sein, wie es in 2 gezeigt ist. Ein Verwenden des Wärmerückhaltematerials 15 hilft zu verhindern, dass Wärme um den Tiegel 20 nach oben entweicht, und es ist dadurch einfach, eine erwünschte Temperaturverteilung herzustellen. Das Wärmerückhaltematerial 15 ist an einem plattenförmigen Element 14 platziert, das eine Öffnung an einem oberen Ende des Ofenkernrohrs 10 bedeckt. Zusätzlich können ein rohrförmiges Element 18, das eine Seite des Wärmerückhaltematerials 15 bedeckt, und ein plattenförmiges Element 19, das die obere Seite bedeckt, verwendet werden, um lokales Sintern oder eine Verformung des Wärmerückhaltematerials 15 zu unterdrücken. Das plattenförmige Element 14 und das plattenförmige Element 19 haben typischerweise eine Scheibenform.
Das Wärmerückhaltematerial 15 ist aus z.B. demselben Material wie die Schicht 131 der Wärmerückhalteschicht ausgebildet. Alle des plattenförmigen Elements 14, des rohrförmigen Elements 18 und des plattenförmigen Elements 19 sind aus einem Material ausgebildet, das einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 1900°C hat, wie beispielsweise einer auf Aluminiumoxid basierenden Keramik oder einer auf Magnesiumoxid basierenden Keramik.
Der Tiegel 20 ist aus einer auf Platin basierenden Legierung, wie beispielsweise einer Platin-Rhodium-Legierung, ausgebildet. Da die auf Platin basierende Legierung selbst in Sauerstoffatmosphäre kaum oxidiert, was ungleich Iridium ist, welches allgemein als Material eines Tiegels zum Züchten von Galliumoxidkristall verwendet wird, ist es möglich, Galliumoxid durch Verwenden des Tiegels 20, der aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgebildet ist, in Luftatmosphäre zu züchten. Galliumoxid hat wenig Oxidierungskraft und zerlegt sich bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt in Gallium und Sauerstoff, wenn Sauerstoff in der Atmosphäre nicht vorhanden ist. Jedoch ist es durch Durchführen eines Züchtens in einer Sauerstoff enthaltenden Luftatmosphäre möglich, einen Galliumoxid-Einkristall guter Qualität mit wenig Sauerstoffdefekten zu erhalten.
Der Tiegel 20 hat eine Form und eine Größe entsprechend einer Form und einer Größe eines zu züchtenden Galliumoxidkristalls. Wenn z.B. ein Kristall mit einem zirkulären säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser von 2 Inches gezüchtet wird, wird der Tiegel 20 mit einem zirkulären säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einem Innendurchmesser von 2 Inches verwendet. Derweil wird, wenn ein Kristall mit einem Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einer Form gezüchtet wird, die eine andere als die zirkuläre Säulenform ist, wie z.B. mit einer viereckigen Prismenform oder einer hexagonalen Prismenform, der Tiegel 20 mit einem viereckigen prismenförmigen oder hexagonalen prismenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser verwendet. Zusätzlich kann ein Deckel verwendet werden, um eine Öffnung des Tiegels 20 zu bedecken.
Die Tiegelstützenwelle 22 kann durch einen Antriebsmechanismus (der nicht gezeigt ist) vertikal bewegt werden und der durch die Tiegelstütze 21 gestützte Tiegel 20 kann dadurch innerhalb des Ofenkernrohrs 10 vertikal bewegt werden. Zusätzlich kann die Tiegelstützenwelle 22 durch den Antriebsmechanismus um eine vertikale Richtung drehbar bewegt werden. In diesem Fall kann der durch die Tiegelstütze 21 gestützte Tiegel 20 innerhalb des Ofenkernrohrs 10 gedreht werden.
Die Tiegelstütze 21 und die Tiegelstützenwelle 22 sind rohrförmige Elemente, innerhalb von welchen ein Thermoelement 26 zum Messen einer Temperatur des Tiegels in Betrieb ist. Jede der Tiegelstütze 21 und der Tiegelstützenwelle 22 ist aus z.B. einem Material ausgebildet, das einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 1900°C hat, wie beispielsweise aus wärmebeständiger Keramik.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Tiegel 20, die Tiegelstütze 21 und die Tiegelstützenwelle 22 zeigt. Die Tiegelstütze 21 hat vorzugsweise einen Block 21a als den obersten Teilbereich, der aus einer auf Zirkonoxid basierenden Keramik ausgebildet und direkt in Kontakt mit dem Tiegel 20 ist, und ein Block 21b, der darunter angeordnet ist, ist aus einer auf Aluminiumoxid basierenden Keramik ausgebildet und ist nicht in Kontakt mit dem Tiegel 20, wie es in 3 gezeigt ist. Zusätzlich kann der Block 21a aus mehreren Blöcken (Blöcken 211 - 213 bei dem in 3 gezeigten Beispiel) zusammengesetzt sein, die in der vertikalen Richtung verbunden sind. Gleichermaßen kann der Block 21b auch aus mehreren Blöcken (Blöcken 214 - 217 bei dem in 3 gezeigten Beispiel) zusammengesetzt sein, die in der vertikalen Richtung verbunden sind.
Die auf Aluminiumoxid basierende Keramik ist ausgezeichnet als Material der Tiegelstütze 21 in Bezug auf eine hohe thermische Leitfähigkeit, ist aber nachteilig diesbezüglich, dass sie mit einer Platin-Rhodium-Legierung unter Bedingungen hoher Temperatur reagiert und ihr Wärmeschockwiderstand niedrig ist. Daher ist es vorzuziehen, dass eine auf Zirkonoxid basierende Keramik, die selbst unter der Bedingung hoher Temperatur von mehr als 1830°C nicht mit einem Tiegel reagiert, der aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgebildet ist, und ausgezeichnet bezüglich eines Wärmeschockwiderstands ist, als das Material des Blocks 21a in Kontakt mit dem Tiegel 20 verwendet wird und eine auf Aluminiumoxid basierende Keramik als das Material des Blocks 21b verwendet wird, der unter dem Block 21a vorgesehen ist.
Es ist möglich, z.B. durch TEP Corporation hergestelltes ZIR-Y als das Material des Blocks 21a geeignet zu verwenden. Derweil ist es möglich, z.B. durch TEP Corporation hergestelltes 4NA als das Material des Blocks 21b geeignet zu verwenden. Diesbezüglich muss eine Verbindungsstellenposition zwischen dem aus der auf Zirkonoxid basierenden Keramik ausgebildeten Block 21a und dem aus der auf Aluminiumoxid basierenden Keramik ausgebildeten Block 21b eine Position sein, bei welcher eine Reaktion selbst bei einer hohen Temperatur nicht auftritt.
Die Tiegelstützenwelle 22 kann aus mehreren Blöcken zusammengesetzt sein, die in der vertikalen Richtung verbunden sind, obwohl es in 3 nicht gezeigt ist.
Die 4A und 4B sind jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht, die das Heizelement 23 zeigen. Das Heizelement 23 ist ein aus Molybdändisilizid (MoSi₂), etc., ausgebildetes Widerstandsheizelement, das auf eine hohe Temperatur von nicht weniger als 1800°C erwärmt werden kann. Das Heizelement 23 hat den U-förmigen Wärmeerzeugungsteilbereich 231, der einen kleinen Durchmesser hat und auf ein Anlegen eines elektrischen Stroms hin Wärme erzeugt, und Elektrodenteilbereiche 232, die einen größeren Durchmesser als der Wärmeerzeugungsteilbereich 231 haben und mit einer externen Vorrichtung verbunden sind, die einen Strom zum Heizelement 23 zuführt.
Zusätzlich ist das Heizelement 23 bei Biegeteilbereichen 233 der Elektrodenteilbereiche 232 in eine L-Form gebogen und ist in einem derartigen Zustand festgelegt, dass Teilbereiche nahe zu einem Ende auf der Seite der Elektrodenteilbereiche 232 relativ zu den Biegeteilbereichen 233 durch Löcher eingefügt sind, die das Ofeninnenrohr 11 und die Wärmerückhalteschicht 13 horizontal durchdringen. Bei der Herstellungsvorrichtung 1 sind mehrere (z.B. vier bis zwölf) Heizelemente 23 derart angeordnet, dass sie das Ofeninnenrohr 11 umgeben.
Bezüglich des Heizelements 23 sind ein Material des Wärmeerzeugungsteilbereichs 231, der Wärme hoher Temperatur erzeugt, und ein Material der Elektrodenteilbereiche 232, die dazu dienen, einen Strom zu einem solchen Wärmeerzeugungsteilbereich 231 zuzuführen und den Wärmeerzeugungsteilbereich 231 in einem inneren Raum des Ofens hoher Temperatur mechanisch stabil zu halten, bevorzugt dieselben oder im Wesentlichen dieselben, ist aber eine Dicke (Querschnittsbereich bzw. -fläche) des Elektrodenteilbereichs 232 bevorzugt mehrfach größer als diejenige des Wärmeerzeugungsteilbereich 231. Wenn zum Beispiel ein Verhältnis eines Durchmessers D1 des Wärmeerzeugungsteilbereichs 231 zu einem Durchmesser D2 des Elektrodenteilbereichs 232, D1/D2, einen Wert von nicht mehr als 0.5 hat, ist der Querschnittsbereich des Wärmeerzeugungsteilbereichs 231 nicht mehr als 1/4 des Querschnittsbereichs des Elektrodenteilbereichs 232. In einem solchen Fall ist die mechanische Festigkeit des Elektrodenteilbereichs 232 nicht weniger als das Vierfache der mechanischen Festigkeit des Wärmeerzeugungsteilbereichs 231 und ist die Menge einer Wärmeerzeugung pro Einheitslänge des Wärmeerzeugungsteilbereichs 231 nicht weniger als ein Vierfaches der Menge einer Wärmeerzeugung pro Einheitslänge des Elektrodenteilbereichs 232, was die Funktion des Heizelements 23 in Bezug auf sowohl die Menge an Wärmeerzeugung als auch die mechanische Festigkeit erfüllt. Daher ist D1/D2 bevorzugt nicht mehr als 0.5. Betrachtet man jedoch die erforderliche Menge von einem teuren Material ist D1/D2 bevorzugt nahe 0.5 und ist bevorzugt nicht kleiner als 0.4.
Zusätzlich wird der Teilbereich des Heizelements 23, der das Ofeninnenrohr 11 und die Wärmerückhalteschicht 13 durchdringt, bevorzugt in Rohre 24 eingefügt, die aus Saphir etc. ausgebildet sind. Durch Verwenden der Rohre 24 ist es möglich, das Heizelement 23 vom Ofeninnenrohr 11 thermisch und elektrisch zu isolieren und eine Reaktion zwischen dem Heizelement 23 und dem Ofeninnenrohr 11 zu unterdrücken. Wenn das Ofeninnenrohr 11 aus einer auf Zirkonoxid basierenden Keramik ausgebildet ist, kann ein Reaktion zwischen dem Ofeninnenrohr 11 und den Rohren 24 auch durch Verwenden der aus Saphir ausgebildeten Rohre 24 unterdrückt werden. Zusätzlich wird Saphir selbst bei hoher Temperatur von etwa 1800°C nicht weich und ist somit als Material der Rohre 24 bevorzugt. Zusätzlich ist es auch möglich, die Biegeteilbereiche bzw. gebogenen Teilbereiche 233 des Heizelements 23 durch die Rohre 24 mechanisch zu stützen und dadurch eine Beschädigung am Heizelement 23 zu unterdrücken.
Die Herstellungsvorrichtung 1 enthält auch Thermoelemente 25 zum Messen einer Temperatur der Heizelemente 23. Das Thermoelement 25 ist in die Vorrichtung durch ein Loch, das das Ofeninnenrohr 11 und die Wärmerückhalteschicht 13 durchdringt, auf solche Weise eingefügt, dass ein Spitze davon bei im Wesentlichen derselben Position wie der Wärmeerzeugungsteilbereich 231 des Heizelements 23 angeordnet ist.
5 ist ein vertikale Querschnittsansicht, die eine Herstellungsvorrichtung 2 zeigt, die ein Modifikation der Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung 1 bei der Ausführungsform der Erfindung ist. Die Herstellungsvorrichtung 2 ist von der Herstellungsvorrichtung hauptsächlich unterschiedlich bezüglich der Konfiguration der Wärmerückhalteschicht.
Die Wärmerückhalteschicht 13 bei der Herstellungsvorrichtung 2 ist vertikal in zwei Abschnitte getrennt, nämlich eine obere Wärmerückhalteschicht 13a und eine untere Wärmerückhalteschicht 13b. Typischerweise ist die Konfiguration so, dass die Wärmerückhalteschicht 13a die obere Seite des Ofeninnenrohrs 11 bedeckt und die Wärmerückhalteschicht 13b die lateralen und die untere Seite des Ofeninnenrohrs 11 bedeckt, wie es in 5 gezeigt ist.
Die Wärmerückhalteschicht 13a ist von der Wärmerückhalteschicht 13b durch Wärmerückhaltematerial-Stützplatten 31, 32, 33, 36 getrennt, auf welchen die Wärmerückhalteschicht 13a platziert ist, wobei ein Basiskörper 34 die äußerste Rückhaltematerial-Stützplatte 33 stützt und die obere Oberfläche der Wärmerückhalteschicht 13a bedeckt, und ein Aufhebungselement 35, das an dem Basiskörper 34 fixiert ist, setzt den Basiskörper 34 und die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 36 außer Kraft und setzt dadurch die gesamte Wärmerückhalteschicht 13a außer Kraft. Somit ist ein Spalt 36 zwischen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b ausgebildet und es ist dadurch möglich, einen Kontakt miteinander zu unterdrücken aufgrund einer vertikalen Expansion und Kontraktion der Schichten 131, 132, 133, verursacht durch einen Unterschied bezüglich eines thermisches Expansionskoeffizienten zwischen den Schichten 131, 132, 133, die die Wärmerückhalteschicht 13a bilden.
Genauer stützt in einem Bereich auf der äußeren Seite von Heizelementen 37 der Basiskörper 34, der sich vertikal bewegt, die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 33, auf welcher ein Teilbereich der Wärmerückhalteschicht 133, die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 32, ein Teilbereich der Wärmerückhalteschicht 132, die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 31 und ein Teilbereich der Wärmerückhalteschicht 131 in dieser Reihenfolge platziert sind. Dann ist ein Teilbereich der Wärmerückhalteschicht 131, der auf der inneren Seite des Heizelements 37 angeordnet ist, durch die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 131 gestützt, die durch das Aufhebungselement 35 außer Kraft gesetzt ist.
Zusätzlich haben Trennoberflächen, bei welchen die Schichten 131, 132, 133 zwischen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b getrennt sind, unterschiedliche Höhen, so dass die Trennoberflächen zwischen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b eine Stufenform bilden. Somit ist es durch derartiges Einstellen eines Spalts zwischen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b, dass der Spalt 36 zwischen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b von der Innenseite zur Außenseite der Wärmerückhalteschicht 13 nicht horizontal kontinuierlich ist, möglich, ein Austreten von Wärme durch den Spalt 36 zur Außenseite der Vorrichtung zu unterdrücken.
Diesbezüglich ist das Verfahren zum Anordnen der Wärmerückhalteschicht 13a und der Wärmerückhalteschicht 13b, um einen Spalt zu haben, nicht auf das oben angegebene Verfahren beschränkt, das in 5 gezeigt ist.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel werden die geraden Heizelemente 37 bei der Herstellungsvorrichtung 2 verwendet. Das Heizelement 37 hat einen Wärmeerzeugungsteilbereich 371 und einen Elektrodenteilbereich 372 gleich dem Wärmeerzeugungsteilbereich 231 und den Elektrodenteilbereichen 232 des Heizelements 23, ist in die Vorrichtung durch ein Loch eingefügt, das den Basiskörper 34, die Wärmerückhalteschicht 13a und die Wärmerückhaltematerial-Stützplatte 31 vertikal durchdringt, und ist festgelegt bzw. fixiert. Alternativ kann das L-förmige Heizelement 23, das durch ein Loch eingefügt ist, das in der Wärmerückhalteschicht 13a vorgesehen ist, auf dieselbe Weise wie bei der Herstellungsvorrichtung 1 verwendet werden.
(Verfahren zum Herstellen eines Galliumoxidkristalls)
Zuerst wird ein mit einem Galliumoxid-Quellenmaterial, wie beispielsweise β-Ga₂O₃, gesinterter Körper in den Tiegel 20 eingefügt. Um ein Kristall guter Qualität zu erhalten ist eine Reinheit des Galliumoxid-Quellenmaterials bevorzugt nicht weniger als 5N. Gleichzeitig kann ein Keimkristall auf dem Boden des Tiegels 20 platziert werden oder nicht.
Als nächstes wird durch Erwärmen der Innenseite der Herstellungsvorrichtung 1 (oder der inneren Seite der Wärmerückhalteschicht 13) unter Verwendung des Heizelements 23 ein Temperaturgradient um den Tiegel 20 erzeugt, so dass die Temperatur auf der oberen Seite hoch ist und die Temperatur auf der unteren Seite niedrig ist, um dadurch das Galliumoxid-Quellenmaterial im Tiegel 20 zu schmelzen. Insbesondere wird eine Temperaturverteilung erzeugt, bei welcher der Temperaturgradient entlang der vertikalen Richtung um den Schmelzpunkt von Galliumoxid (etwa 1795°C) 1 - 10°C/cm ist. Die mit dem Ofenkernrohr 10 und dem Ofeninnenrohr 11 versehene Herstellungsvorrichtung 1, 2 kann eine solche Temperaturverteilung mit einem niedrigen Temperaturgradienten stabil erzeugen und kann somit einen Galliumoxid-Einkristall züchten, der einen Teilbereich mit konstantem Durchmesser großer Größe mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches hat und wenig Kristalldefekte enthält.
Bei einem typischen Verfahren wird zuerst die Höhe des Tiegels 20 durch vertikales Bewegen der Tiegelstützenwelle 22 so eingestellt, dass eine Temperatur in einem oberen Bereich innerhalb des Tiegels 20 auf nicht weniger als den Schmelzpunkt von Galliumoxid angehoben wird. Ein oberer Teilbereich des Quellenmaterials innerhalb des Tiegels 20 wird dadurch geschmolzen. Als nächstes wird die Tiegelstützenwelle 22 aufwärtsbewegt, um das Quellenmaterial zur unteren Seite zu schmelzen, während der Tiegel 20 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (z.B. 1 - 15 mm/h) angehoben wird, um dadurch möglicherweise das gesamte Quellenmaterial und einen Teilbereich des Keimkristalls zu schmelzen. Als nächstes wird die Tiegelstützenwelle 22 abwärtsbewegt, um die Schmelze von der unteren Seite (der Keimkristallseite) zu kristallisieren, während der Tiegel 20 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (z.B. 1 - 15 mm/h) abgesenkt wird, um dadurch einen Einkristall wachsen zu lassen bzw. zu züchten. Optional kann während eines Schmelzens des Quellenmaterials oder einer Kristallisation der Schmelze die Temperatur innerhalb der Herstellungsvorrichtung 1 durch Steuern einer Temperatur von Wärme, die durch das Heizelement 23 erzeugt ist, zusätzlich zu einem Anheben und Absenken des Tiegels 20 erhöht oder erniedrigt werden. Nachdem die Galliumoxidschmelze vollständig kristallisiert ist, wird der Tiegel 20 entfernt und wird ein gezüchteter Kristall herausgenommen.
Die obige Kristallzüchtung von Galliumoxid wird in einer Luftatmosphäre oder in einer Mischgasatmosphäre von einem O₂-Gas und einem inerten Gas oder neutralen Gas durchgeführt. Zusätzlich ist es dann, wenn eine Sauerstoffkonzentration in einer Zone hoher Temperatur von nicht weniger als 1770°C durch Zuführen eines Sauerstoffkonzentrations-Einstellgases in einem Bereich von mehr als 20% und nicht mehr als 50% aufrechterhalten wird, möglich, einen Kristall mit weniger Sauerstoffdefekten als dann zu züchten, wenn man ihn in einer Luftatmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 20% züchtet.
(Charakteristiken eines Galliumoxidkristalls und eines Wafers)
Ein Galliumoxid-Einkristall (Ingot) mit einem zirkularen säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches kann durch Kristallzüchtung unter Verwendung der oben beschriebenen Herstellungsvorrichtungen 1, 2 bei der vorliegenden Ausführungsform erhalten werden, und ein zirkularer Galliumoxid-Einkristallwafer mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches kann aus ihm ausgeschnitten werden.
Zusätzlich ist es durch eine Kristallzüchtung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtungen 1, 2 bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, einen Galliumoxid-Einkristall mit einem zirkulären säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einem Durchmesser bis zu etwa 8 Inches zu erhalten.
Zum Beispiel ist es durch Installieren des Ofeninnenrohrs 11, in welches der Tiegel 20 mit einer erwünschten Größe in Inches eingefügt werden kann, und durch entsprechendes Vergrößern des Innendurchmessers der Wärmerückhalteschicht 13 in einer radialen Richtung möglich, einen Galliumoxid-Einkristall mit einem Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit irgendeinem Durchmesser bis zu etwa 8 Inches zu erhalten.
Es ist auch möglich, einen Kristall mit einem polygonalen prismenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser zu züchten. In diesem Fall ist es möglich, einen Kristall so zu züchten, dass eine Größe eines Querschnitts des Teilbereichs mit konstantem Durchmesser orthogonal zur Kristallzüchtungsrichtung innerhalb eines Kreises von nicht weniger als 2 Inches passt, so dass ein zirkularer Wafer mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches ausgeschnitten werden kann. Wenn man z.B. einen Kristall mit einem viereckigen prismenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser züchtet, ist es vorzuziehen, einen Kristall zu züchten, bei welchem ein Querschnitt orthogonal zur Kristallzüchtungsrichtung quadratisch bzw. viereckig mit einer Seite von nicht weniger als 2 Inches ist.
Eine Konzentration von Ir, die in einem Galliumoxid-Einkristall enthalten ist, der unter Verwendung der Herstellungsvorrichtung 1 oder 2 erhalten ist, und ein aus ihm ausgeschnittener Wafer ist bei der vorliegenden Ausführungsform nicht mehr als 0.01 ppm. ppm ist hier ein Gewichtsverhältnis. 0.01 ppm ist die untere Grenze einer Erfassung durch eine GDMS-(Glow-Discharge Mass Spectrometry(=Glimmentladungs-Massenspektrometrie))Messvorrichtung und nicht mehr als 0.01 ppm bedeutet, dass Ir durch die GDMS-Messvorrichtung nicht erfasst werden kann.
Da der aus einer auf Platin basierenden Legierung, die Ir nicht enthält, ausgebildete Tiegel 20 verwendet wird, ist die Ir-Konzentration im Galliumoxid-Einkristall und im Wafer bei der vorliegenden Ausführungsform niedrig. Diesbezüglich beträgt dann, wenn ein aus Ir ausgebildeter Tiegel anstelle des Tiegels 20 verwendet wird, die Ir-Konzentration bei dem erhaltenen Galliumoxid-Einkristall einige bis einige zehn ppm.
Da die Ir-Konzentration im Galliumoxid-Einkristall und im Wafer bei der vorliegenden Ausführungsform niedrig ist, wird eine Erniedrigung bezüglich einer Trägermobilität aufgrund einer Verunreinigungsstreuung unterdrückt. Zusätzlich gibt es deshalb, weil die Ir-Konzentration niedrig ist, wenig Gasblasen. Es wird davon ausgegangen, dass ein durch das EFG-Verfahren unter Verwendung eines aus Ir ausgebildeten Tiegels gezüchteter Galliumoxid-Einkristall aufgrund einer hohen Ir-Konzentration viele Gasblasen enthält. Zusätzlich gibt es deshalb, weil eine Lichtstreuung durch Ir reduziert wird, wenn die Ir-Konzentration niedrig ist, Vorteile bei optischen Anwendungen.
Der Galliumoxid-Einkristallwafer bei der vorliegenden Ausführungsform enthält mehrere Bereiche von 1 mm x 1 mm mit einer Versetzungsdichte von nicht mehr als 1000/cm². Dann ist die Halbwertsbreite einer XRD-Brechungsspitze von einer (001)-Ebene des Galliumoxid-Einkristalls und des Wafers bei der vorliegenden Ausführungsform nicht mehr als 20 Bogensekunden.
Wenn der Tiegel 20 verwendet wird, der aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgebildet ist, fällt eine Rh-Konzentration im Galliumoxid-Einkristall und im Wafer bei der vorliegenden Ausführungsform innerhalb eines Bereichs von nicht weniger als 10 ppm und nicht mehr als 40 ppm. Rh in Galliumoxid agiert als Akzeptor und ist somit vorteilhaft, wenn es als Material eines Substrats mit hohem Widerstand verwendet wird.
Zusätzlich ist die Rh-Konzentration beim Galliumoxid-Einkristall bei der vorliegenden Ausführungsform dadurch charakterisiert, dass sie entlang einer Längenrichtung (der Kristallzüchtungsrichtung) und einer radialen Richtung einheitlich ist. Da ein Gradient der Rh-Konzentration in der Längenrichtung des Galliumoxid-Einkristalls am größten ist und die Rh-Konzentration im Galliumoxid-Einkristall innerhalb eines Bereichs von nicht weniger als 10 ppm und nicht mehr als 40 ppm fällt, wie es oben beschrieben ist, ist eine Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten der Rh-Konzentration in der Längenrichtung nicht mehr als 30 ppm. Zusätzlich ist eine Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten der Rh-Konzentration in der radialen Richtung weit kleiner als die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten der Rh-Konzentration in der Längenrichtung. Daher ist die Konzentration von Rh auf gleicher Ebene im Wafer, der aus dem Galliumoxid-Einkristall ausgeschnitten ist, im Wesentlichen einheitlich, und es gibt wenig Variation bezüglich der Rh-Konzentration zwischen Wafern. Wenn zum Beispiel ein Galliumoxidsubstrat mit hohem Widerstand ausgebildet wird, wird allgemein Fe oder Mg hinzugefügt. Eine Einheitlichkeit der Rh-Konzentration in der Richtung auf gleicher Ebene im Galliumoxid-Einkristall bei der vorliegenden Ausführungsform ist höher als eine Einheitlichkeit der Fe- oder Mg-Konzentration in der Richtung auf gleicher Ebene in einem solchen Fall.
Zusätzlich ist es bei einer Kristallzüchtung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtungen 1, 2 bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, einen Galliumoxid-Einkristall zu züchten, der eine Größe hat, die groß genug ist, um den oben beschriebenen Wafer mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches auszuschneiden, und der keine Kristallzwillinge enthält.
Zusätzlich ist bei einer Kristallzüchtung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtung 1, 2 bei der vorliegenden Ausführungsform, wenn während eines Züchtens nicht weniger als 0.1 Mol% von Sn zum Galliumoxid-Quellenmaterial mit einer Reinheit von nicht weniger als 5N hinzugefügt wird, eine n-Typ-Trägerkonzentration im Galliumoxid-Einkristall und im Wafer nicht weniger als 3×10¹⁸ cm^-3. Es kann gesagt werden, dass diese Trägerkonzentration als eine Trägerkonzentration in einem n-Typ-Halbleitersubstrat mit niedrigem Widerstand geeignet ist, das zum Herstellen einer Schottky-Diode erforderlich ist.
Effekte der Ausführungsform
Mit den Herstellungsvorrichtungen 1 und 2, die das Ofenkernrohr 10 und das Ofeninnenrohr 11 enthalten, bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, einen Galliumoxid-Einkristall zu züchten, der eine großen Größe hat, die ausreichend dafür ist, einen zirkulären Wafer mit einem Durchmesser von nicht weniger als 2 Inches auszuschneiden, und der wenig Kristalldefekte enthält, die eine kristalline Qualitätsverschlechterung verursachen.
(Beispiel)
Als nächstes werden die Ergebnisse eines Auswertens der Charakteristiken eines Galliumoxid-Einkristalls (Ingots), der durch eine Kristallzüchtung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtung 1 bei der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform erhalten ist, und eines ausgeschnittenen Wafers beschrieben werden. Jeder von Galliumoxid-Einkristallen bei dem vorliegenden Beispiel ist ein β-Ga₂O₃-Einkristall, der unter Verwendung eines Keimkristalls gezüchtet ist, der aus einem β-Ga₂O₃-Einkristall ausgebildet ist, der auf dem Boden des Tiegels 20 aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit einem zirkularen säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser platziert ist.
6 ist eine Fotografie, die zwei β-Ga₂O₃-Einkristalle zeigt, die unter Galliumoxid-Einkristallen bei dem vorliegenden Beispiel sind und jeweils einen zirkularen säulenförmigen Teilbereich mit konstantem Durchmesser mit einem Durchmesser von 2 Inches haben, und zwei aus ihnen ausgeschnittene Wafer. Die zwei in 6 gezeigten Galliumoxid-Einkristalle haben beide eine (001)-Ebene am Querschnitt des Teilbereichs mit konstantem Durchmesser, genommen in der radialen Richtung, und Wafer, die eine (001)-Ebene auf der Hauptoberfläche haben, können aus ihnen durch Schneiden in Scheiben in der radialen Richtung ausgeschnitten werden.
7 ist ein Überwachungsbild, das durch Röntgentopografie erhalten ist und einen Galliumoxid-Einkristallwafer zeigt, der aus einem Galliumoxid-Einkristall bei dem vorliegenden Beispiel ausgeschnitten ist, mit 0.2 Mol% Sn dotiert ist und eine (001)-Ebene auf der Hauptoberfläche hat. Die 8A bis 8D zeigen jeweils (001)-Ebenen-Beugungsspitzen 1 bis 4 auf dem in 7 gezeigten Wafer, erhalten durch Röntgenschwenkkurvenmessung.
Tabelle 1 zeigt eine Halbwertsbreite (Grad, Bogensekunde) von (001)-Ebenen-Beugungsspitzen, die von den Bereichen 1 bis 4 sind und in den 8A bis 8D gezeigt sind.
Tabelle 1

Halbwertsbreite

Grad Bogensekunde

Bereich 1 0.0048 17.3

Bereich 2 0.0024 8.6

Bereich 3 0.0066 23.8

Bereich 4 0.0048 17.3

Durchschnitt 0.0047 16.8
9 ist eine Fotografie, die einen Galliumoxid-Einkristallwafer beim vorliegenden Beispiel zeigt, der mit 0.2 Mol% Sn dotiert ist und eine (001)-Ebene auf einer Hauptoberfläche hat. 10 ist eine Kurve, die durch eine Röntgenschwenkkurvenmessung erhalten ist und die eine Verteilung einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze auf dem in 9 gezeigten Wafer zeigt. „Oberer Abschnitt“, „Mittlerer Abschnitt“ und „Unterer Abschnitt“ in 10 zeigen eine Halbwertsbreite von Beugungsspitzen an, die jeweils in Intervallen von 1 mm × 1 mm entlang gerader Linien A, B und C in 9 gemessen sind.
Es wird davon ausgegangen, dass Kristalldefekte bei Positionen mit hoher Halbwertsbreite vorhanden sind. Es wird daher davon ausgegangen, dass, gemäß 10, Kristalldefekte im oberen Abschnitt nicht vorhanden sind, Kristalldefekte in einem Bereich von 20 bis 25 mm im mittleren Abschnitt vorhanden sind und Kristalldefekte in einem Bereich von -10 bis -5 mm, 0 bis 5 mm und 15 bis 20 mm im unteren Abschnitt vorhanden sind. Diesbezüglich beeinflusst eine Sn-Konzentration im Galliumoxid-Einkristallwafer die Halbwertsbreite der Beugungsspitze nicht.
11 ist eine Kurve, die eine Verteilung einer Versetzungsdichte auf dem in 9 gezeigten Wafer zeigt. „Oberer Abschnitt“, „Mittlerer Abschnitt“ und „Unterer Abschnitt“ in 11 zeigen eine bei Intervallen von 1 mm × 1 mm jeweils entlang den geraden Linien A, B und C in 9 gemessene Versetzungsdichte an. Um die Versetzungsdichte zu messen, wurde die Oberfläche des Wafers mit Kaliumhydroxid (KOH) geätzt und wurden ausgebildete Ätzpits überwacht. Gemäß 11 sind mehrere Bereiche von 1 mm × 1 mm mit einer Versetzungsdichte von nicht mehr als 1000/cm² im Wafer enthalten.
Die 12A bis 12C sind Überwachungsbilder, die durch ein optisches Mikroskop aufgenommen sind und die Beispiele von auf Waferoberflächen erschienenen Ätzpits zeigen. Hier wurde bestimmt, dass kugelförmige Ätzpits mit Kernen, wie es in den 12A und 12B gezeigt ist, durch Versetzungen verursacht sind, und die Anzahl von solchen Ätzpits wurde als die Anzahl von Versetzungen gezählt. Andererseits wurde nicht bestimmt, dass jeweilige Ätzpits ohne Kerne, die in 12C gezeigt sind, durch Versetzungen verursacht sind. Vergrößerungen der Überwachungsbilder in den 12A bis 12C sind dieselben.
Die 13A, 13B und 13C sind Kurven, die Verteilungen von jeweils einer Halbwertsbreite einer (001)-Ebenen-Beugungsspitze und einer Versetzungsdichte beim oberen Abschnitt, beim mittleren Abschnitt und beim unteren Abschnitt des in 9 gezeigten Wafers zeigen. Gemäß den 13A, 13B und 13C wird davon ausgegangen, dass die Halbwertsbreite der (001)-Ebenen-Beugungsspitze und der Versetzungsdichte zueinander in Korrelation sind, da die Versetzungsdichte bei Positionen mit besonders hoher Halbwertsbreite der (001)-Ebenen-Beugungsspitze mehr als 1000/cm² ist und beide ähnliche bzw. gleiche Verteilungstendenzen haben. Obwohl Verteilungstendenzen um -10 mm in 13C nicht passen, wird als der Grund dafür in Erwägung gezogen, dass Einsenkungen, die durch Faktoren verursacht sind, die andere als eine Kristallinität ist (verursacht durch Polieren von Flecken bzw. Markierungen), als Ätzpits bestimmt wurden, die durch Versetzungen verursacht sind.
Konzentrationen von Verunreinigungen, die in Galliumoxid-Einkristallen beim vorliegenden Beispiel enthalten sind und durch GDMS gemessen sind, sind nachstehend gezeigt. Tabelle 2 zeigt Konzentrationen von Verunreinigungen, die in Galliumoxid-Einkristallwafern enthalten sind, die nicht absichtlich mit Sn dotiert sind, Tabelle 3 zeigt Konzentrationen von Verunreinigungen, die in Galliumoxid-Einkristallwafern enthalten sind, die mit 0.05 Mol% Sn dotiert sind, Tabelle 4 zeigt Konzentrationen von Verunreinigungen, die in Galliumoxid-Einkristallwafern enthalten sind, die mit 0.1 Mol% Sn dotiert sind, und Tabelle 5 zeigt Konzentrationen von Verunreinigungen, die in Galliumoxid-Einkristallwafern enthalten sind, die mit 0.2 Mol% Sn dotiert sind. Zusätzlich ist eine Einheit einer Konzentration „ppm“ ein Gewichtsverhältnis.

Tabelle 2

Element	Konzentration [ppm]
Element	Erstarrungsgeschwindigkeit g=0.5	Erstarrungsgeschwindigkeit g=0.9
Na	0.02	0.04
Mg	0.01	0.02
AI	0.44	0.41
Si	2.0	2.3
Ca	0.19	0.52
Fe	1.3	2.3
Zr	1.0	2.1
Sn	0.20	0.50
Pt	0.03	0.02
Rh	29	32

Tabelle 3

Element Konzentration [ppm]

Na < 0.02

Al 0.34

Si 2.6

Ca 0.38

Fe 1.2

Zr 1.3

Rh 28

Sn 14

Ir < 0.01

Pt 0.01
Tabelle 4

Element Konzentration [ppm]

Na 0.40

Al 0.92

Si 6.2

Ca 0.39

Fe 2.4

Zr 10

Rh 27

Sn 73

Ir < 0.01

Pt 0.01
Tabelle 5

Element Konzentration [ppm]

Na 0.02

Al 0.97

Si 3.1

Ca 0.15

Fe 3.5

Zr 0.32

Rh 23

Sn 66

Ir < 0.01

Pt < 0.01
Wie es in den Tabellen 3 bis 5 gezeigt ist, war die Konzentration von in diesen Galliumoxid-Einkristallen enthaltenem Ir nicht mehr als 0.01 ppm. Zusätzlich fiel, wie es in den Tabellen 2 bis 5 gezeigt ist, die Konzentration von in diesen Galliumoxid-Einkristallen enthaltenem RH innerhalb eines Bereichs von nicht weniger als 10 ppm und nicht mehr als 50 ppm. Es wird davon ausgegangen, dass dies deshalb so ist, weil der Tiegel 20 verwendet wurde, der aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgebildet ist, die Ir nicht enthält.
Zusätzlich ist gemäß der Tabelle 2 die Rh-Konzentration bei einer Position mit einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 0.5 gleich der Rh-Konzentration bei einer Position mit einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 0.9.
Als nächstes werden Charakteristiken von neun Galliumoxid-Wafern (Proben A bis I) beim vorliegenden Beispiel in Tabelle 6 gezeigt. In Tabelle 6 zeigt „Dotierungsmenge“ eine Sn-Dotierungsmenge an. Dann zeigt „UID“ an, dass keine absichtliche Dotierung mit Sn erfolgt ist. Zusätzlich zeigt „Erstarrungsgeschwindigkeit“ eine Erstarrungsgeschwindigkeit eines Teilbereichs des Galliumoxid-Einkristalls (Ingots) an, aus welchem der Wafer ausgeschnitten wurde.

Probe	Dotierungsmenge [Mol%]	Erstarrungsgeschwindigkeit	Sn-Konzentration [ppm]	Trägerkonzentration [/cm³1	Mobilität [cm²/V·s]
A	0.1	0.1	-	3.6×10¹⁸	60
B	0.1	0.6	73	1.5×10¹⁸	77
C	0.05	0.25	14	5.0×10¹⁷	107
D	0.2	0.01	66	-	-
E	0.2	0.10	22	-	-
F	0.2	0.70	23	7.3×10¹⁷	84
G	0.2	0.95	7.0	-	-
H	UID	0.50	0.2	-	-
I	UID	0.87	0.5	-	-

Als nächstes werden Charakteristiken von vier Galliumoxid-Einkristallen (Proben J bis M) beim vorliegenden Beispiel in Tabelle 7 gezeigt. In der Tabelle 7 zeigt „UID“ an, dass keine absichtliche Dotierung mit Si und Sn erfolgt ist.

Probe	Dotierungsmittel	Trägerkonzentration [/cm³]	Mobilität [cm²/V·s]	Spezifischer Widerstand [Ω·m]	Messtemperatur [°C]
J	UID	3.1×10⁸	33	8.8×10⁸	25
K	Si	3.0×10¹⁸	80	2.6×10^-2	25
L	Sn	2.2×10¹⁸	72	3.9×10^-2	25
M	Sn	2.8×10¹⁸	34	6.6×10^-2	400

Gemäß den Tabellen 6 und 7 ist bei der Probe A und der Probe K die Trägerkonzentration nicht weniger als 3×10¹⁸ cm^-3. Das bedeutet, dass es bei einer Kristallzüchtung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtungen 1, 2 bei der Ausführungsform der Erfindung möglich ist, einen Galliumoxid-Einkristall mit einer n-Typ-Trägerkonzentration von nicht weniger als 3×10¹⁸ cm^-3 zu züchten, und einen aus ihm ausgeschnittenen Wafer.
Obwohl die Ausführungsform und das Beispiel der Erfindung beschrieben worden sind, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsform und das Beispiel beschränkt, und die verschiedenen Arten von Modifikationen können implementiert werden, ohne vom Wesentlichen der Erfindung abzuweichen.
Zusätzlich beschränken die Ausführungsform und das Beispiel, die oben beschrieben sind, die Erfindung gemäß den Ansprüchen nicht. Weiterhin ist bitte zu beachten, dass nicht alle Kombinationen der in der Ausführungsform und dem Beispiel beschriebenen Merkmale nötig sind, um das Problem der Erfindung zu lösen.
Bezugszeichenliste

1,2: HERSTELLUNGSVORRICHTUNG
10: OFENKERNROHR
11: OFENINNENROHR
14: PLATTENFÖRMIGES ELEMENT
15: WÄRMERÜCKHALTEMATERIAL
20: TIEGEL
21: TIEGELSTÜTZE
22: TIEGELSTÜTZENWELLE
23: HEIZELEMENT
231: WÄRMEERZEUGUNGSTEILBEREICH

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020/032482 [0001]
JP 2017193466 A [0005]

Claims

Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung, umfassend: einen Tiegel, um ein Galliumoxid-Quellenmaterial darin zu halten; eine Tiegelstütze, die den Tiegel von unten stützt; eine Tiegelstützenwelle, die mit der Tiegelstütze von unten verbunden ist und den Tiegel und die Tiegelstütze vertikal bewegbar stützt; ein rohrförmiges Ofenkernrohr, das den Tiegel, die Tiegelstütze und die Tiegelstützenwelle umgibt; ein rohrförmiges Ofeninnenrohr, des das Ofenkernrohr umgibt; und ein Widerstandsheizelement, das einen Wärmeerzeugungsteilbereich umfasst, der in einem Raum zwischen dem Ofenkernrohr und dem Ofeninnenrohr platziert ist, wobei Schmelzpunkte des Ofenkernrohrs und des Ofeninnenrohrs nicht kleiner als 1900°C sind, und wobei eine thermische Leitfähigkeit eines Teilbereichs des Ofenkernrohrs, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, höher als eine thermische Leitfähigkeit des Ofeninnenrohrs ist.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ofenkernrohr einen ersten Teilbereich umfasst, der den Teilbereich enthält, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, und einen zweiten Teilbereich, der ein anderer als der erste Teilbereich ist, und eine thermische Leitfähigkeit des ersten Teilbereichs höher als eine thermische Leitfähigkeit des zweiten Teilbereichs ist.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: ein plattenförmiges Element, das eine Öffnung an einem oberen Ende des Ofenkernrohrs bedeckt; und ein an dem plattenförmigen Element platziertes Wärmerückhaltematerial.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Teilbereich des Ofenkernrohrs, der in der radialen Richtung des Ofenkernrohrs direkt am nächsten zum Tiegel angeordnet ist, eine auf Aluminiumoxid basierende Keramik oder eine auf Magnesiumoxid basierende Keramik umfasst und das Ofeninnenrohr eine auf Zirkonoxid basierende Keramik umfasst.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Tiegel eine auf Platin basierende Legierung umfasst.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Tiegelstütze einen ersten Block als den obersten Teilbereich umfasst, der eine auf Zirkonoxid basierende Keramik umfasst und direkt in Kontakt mit dem Tiegel ist, und einen unter dem ersten Block angeordneten zweiten Block, der eine auf Aluminiumoxid basierende Keramik umfasst und nicht in Kontakt mit dem Tiegel ist.
Galliumoxidkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ofeninnenrohr von der Seite, von oben und von unten durch eine Wärmerückhalteschicht umgeben ist, die Wärmerückhalteschicht vertikal in zwei Abschnitte getrennt ist, nämlich eine obere Wärmerückhalteschicht und eine untere Wärmerückhalteschicht, die obere Wärmerückhalteschicht und die untere Wärmerückhalteschicht einen Spalt vertikal in Sandwichbauweise umgeben und der Spalt derart vorgesehen ist, dass er von der Innenseite zur Außenseite der Wärmerückhalteschicht nicht horizontal kontinuierlich ist.