JP2014114169A - Production method of silicon carbide crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素結晶の製造方法に関するものであり、より特定的には、大口径の炭化珪素結晶の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide crystal, and more specifically to a method for manufacturing a large-diameter silicon carbide crystal.
炭化珪素（ＳｉＣ）結晶は、バンドギャップが大きく、また最大絶縁破壊電圧および熱伝導率はシリコン（Ｓｉ）と比較して大きい一方、キャリアの移動度はＳｉと同程度に大きく、電子の飽和ドリフト速度および耐圧も大きい。そのため、高効率化、高耐圧化、および大容量化が要求される半導体デバイスへの適用が期待される。 Silicon carbide (SiC) crystal has a large band gap, and the maximum breakdown voltage and thermal conductivity are large compared to silicon (Si), while the carrier mobility is as large as that of Si, and the saturation drift of electrons. Speed and pressure resistance are also great. Therefore, application to a semiconductor device that requires high efficiency, high breakdown voltage, and large capacity is expected.
このような半導体デバイス等に用いられるＳｉＣ結晶の製造方法は、たとえば特開２０１１−１６２４１４号公報（以下、特許文献１という）に開示されている。具体的には、特許文献１には、グラファイト製の坩堝内にＳｉＣを含む原料および種結晶を配置し、坩堝内を加熱することにより原料を昇華させ、種結晶上において原料ガスを析出させてＳｉＣ結晶を成長させることが開示されている。
A method for producing an SiC crystal used for such a semiconductor device or the like is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-162414 (hereinafter referred to as Patent Document 1). Specifically, in
一般に、４インチ以下の小口径のＳｉＣ結晶の成長は、アルゴン（Ａｒ）ガスを含む雰囲気中においてＳｉＣ原料を昇華させ、発生した原料ガスを種結晶において析出させることにより行われる。また、一定値以上の成長速度を確保するため、成長方向における温度差を一定値以上に大きくした状態で結晶成長が行われる。しかし、４インチを超える大口径のＳｉＣ結晶を小口径のＳｉＣ結晶と同様の条件により成長させた場合には、小口径のＳｉＣ結晶の場合に比べて結晶の品質が低下するという問題があった。 In general, the growth of a SiC crystal having a small diameter of 4 inches or less is performed by sublimating a SiC raw material in an atmosphere containing argon (Ar) gas and precipitating the generated raw material gas in a seed crystal. Further, in order to secure a growth rate of a certain value or more, crystal growth is performed in a state where the temperature difference in the growth direction is made larger than a certain value. However, when a large-diameter SiC crystal exceeding 4 inches is grown under the same conditions as a small-diameter SiC crystal, there is a problem that the quality of the crystal is lower than that of a small-diameter SiC crystal. .
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高品質な大口径の炭化珪素結晶を効率的に製造することが可能な炭化珪素結晶の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for producing a silicon carbide crystal capable of efficiently producing a high-quality large-diameter silicon carbide crystal. .
本発明に従った炭化珪素結晶の製造方法は、炭化珪素からなる種結晶を準備する工程と、準備された種結晶を成長容器内に配置する工程と、成長容器内に配置された種結晶上に炭化珪素結晶層を成長させる工程とを備えている。炭化珪素結晶層を成長させる工程では、ヘリウムを含む雰囲気中において炭化珪素結晶層を成長させることにより、炭化珪素結晶層の成長方向から見た幅の最大値が４インチを超える炭化珪素結晶が形成される。 A method for producing a silicon carbide crystal according to the present invention includes a step of preparing a seed crystal made of silicon carbide, a step of placing the prepared seed crystal in a growth vessel, and a step of placing the prepared seed crystal in the growth vessel. And a step of growing a silicon carbide crystal layer. In the step of growing the silicon carbide crystal layer, the silicon carbide crystal layer is grown in an atmosphere containing helium to form a silicon carbide crystal whose maximum width as viewed from the growth direction of the silicon carbide crystal layer exceeds 4 inches. Is done.
本発明者は、大口径のＳｉＣ結晶を高品質でかつ高効率に製造するための方策について詳細な検討をした結果、以下のような知見を得た。すなわち、大口径のＳｉＣ結晶では、小口径のＳｉＣ結晶に比べて結晶内における温度差が大きくなり易いため、クラックや転位などの欠陥が発生し易くなる。また、このような欠陥の発生を抑制するためには成長方向における温度差を小さくする必要があるところ、これにより成長速度が低下するという問題が生じる。つまり、本発明者は、大口径のＳｉＣ結晶の成長では、結晶の成長速度を維持しつつ欠陥の発生を抑制することが困難であるという課題を見出し、当該課題を解決するための手段として本発明に想到した。 As a result of detailed investigations on measures for producing a large-diameter SiC crystal with high quality and high efficiency, the present inventor has obtained the following knowledge. That is, in a large-diameter SiC crystal, a temperature difference in the crystal tends to be larger than that in a small-diameter SiC crystal, so that defects such as cracks and dislocations are likely to occur. Further, in order to suppress the occurrence of such defects, it is necessary to reduce the temperature difference in the growth direction, which causes a problem that the growth rate is lowered. In other words, the present inventor has found that it is difficult to suppress the occurrence of defects while maintaining the growth rate of the crystal in the growth of a large-diameter SiC crystal. I came up with the invention.
本発明に従った炭化珪素結晶の製造方法では、ヘリウムを含む雰囲気中において種結晶上に炭化珪素結晶層を成長させることにより、４インチを超える大口径の炭化珪素結晶が形成される。そのため、ヘリウムよりも原子半径が大きいアルゴン雰囲気中において結晶成長が行われる場合に比べて、昇華した炭化珪素がより拡散し易い雰囲気において結晶成長を行うことができる。その結果、欠陥の発生を抑制するために成長方向における温度差を小さくした場合でも必要な成長速度を確保することが可能となる。したがって、本発明に従った炭化珪素結晶の製造方法によれば、高品質な大口径の炭化珪素結晶を効率的に製造することができる。 In the method for manufacturing a silicon carbide crystal according to the present invention, a silicon carbide crystal layer having a large diameter exceeding 4 inches is formed by growing a silicon carbide crystal layer on a seed crystal in an atmosphere containing helium. Therefore, crystal growth can be performed in an atmosphere in which sublimated silicon carbide is more easily diffused than in a case where crystal growth is performed in an argon atmosphere having an atomic radius larger than that of helium. As a result, a necessary growth rate can be ensured even when the temperature difference in the growth direction is reduced in order to suppress the occurrence of defects. Therefore, according to the method for producing a silicon carbide crystal according to the present invention, a high-quality large-diameter silicon carbide crystal can be produced efficiently.
上記炭化珪素結晶の製造方法は、種結晶を成長容器内に配置する工程の後、炭化珪素結晶層を成長させる工程の前に成長容器内を昇温する工程をさらに備えていてもよい。そして、成長容器内を昇温する工程では、ヘリウムよりも原子半径が大きい希ガスを含む雰囲気中において成長容器内が昇温されてもよい。また、上記希ガスは、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびラドンからなる群より選択される少なくとも一種の希ガスであってもよい。 The silicon carbide crystal manufacturing method may further include a step of raising the temperature in the growth vessel after the step of placing the seed crystal in the growth vessel and before the step of growing the silicon carbide crystal layer. In the step of raising the temperature in the growth vessel, the temperature in the growth vessel may be raised in an atmosphere containing a rare gas having an atomic radius larger than that of helium. The rare gas may be at least one rare gas selected from the group consisting of neon, argon, krypton, xenon, and radon.
これにより、ヘリウム雰囲気中において昇温する場合に比べて、上記成長容器内を昇温する工程における炭化珪素の拡散を抑制することができる。その結果、炭化珪素結晶層の成長を開始する前に種結晶上において炭化珪素が析出し、結晶核などが形成されることが抑制されるため、より高品質な炭化珪素結晶を製造することが可能となる。 Thereby, compared with the case where it heats up in helium atmosphere, the spreading | diffusion of the silicon carbide in the process which heats up the inside of the said growth container can be suppressed. As a result, silicon carbide is prevented from precipitating on the seed crystal and starting to form crystal nuclei and the like before starting the growth of the silicon carbide crystal layer, so that a higher quality silicon carbide crystal can be manufactured. It becomes possible.
上記炭化珪素結晶の製造方法において、炭化珪素結晶層を成長させる工程では、成長容器において種結晶が配置される上面における温度をＴ１とし、当該上面に対向する成長容器の底面における温度をＴ２とし、当該底面から当該上面に向かう方向における当該上面と当該底面との間の距離をＬとした場合に、（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌの値（温度勾配）が８℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下とされてもよい。 In the method for manufacturing the silicon carbide crystal, in the step of growing the silicon carbide crystal layer, a temperature of T 1 in the upper surface of the seed crystal is placed in the growth container, the temperature at the bottom of the growth vessel facing to the top surface T 2 When the distance between the top surface and the bottom surface in the direction from the bottom surface toward the top surface is L, the value (temperature gradient) of (T 2 −T 1 ) / L is 8 ° C./cm or more and 12 It may be set to ° C./cm or less.
４インチを超える大口径の炭化珪素結晶の成長において、上記温度勾配が１２℃／ｃｍを超える場合には、炭化珪素結晶にクラックなどの欠陥が発生し易くなる。一方、上記温度勾配が８℃／ｃｍ未満である場合には、必要な結晶成長の速度を確保することが困難になる。このような理由から、上記温度勾配は、８℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下であることが好ましい。 In the growth of a silicon carbide crystal having a large diameter exceeding 4 inches, if the temperature gradient exceeds 12 ° C./cm, defects such as cracks are likely to occur in the silicon carbide crystal. On the other hand, when the temperature gradient is less than 8 ° C./cm, it is difficult to ensure a necessary crystal growth rate. For this reason, the temperature gradient is preferably 8 ° C./cm or more and 12 ° C./cm or less.
上記炭化珪素結晶の製造方法において、炭化珪素結晶層を成長させる工程では、０．３ｍｍ／ｈ以上の成長速度で炭化珪素結晶層が成長してもよい。これにより、炭化珪素結晶をより高効率に製造することができる。 In the silicon carbide crystal manufacturing method, in the step of growing the silicon carbide crystal layer, the silicon carbide crystal layer may be grown at a growth rate of 0.3 mm / h or more. Thereby, a silicon carbide crystal can be manufactured more efficiently.
上記炭化珪素結晶の製造方法において、炭化珪素結晶層を成長させる工程では、誘導加熱により成長容器内が加熱されて炭化珪素結晶層が成長してもよい。 In the silicon carbide crystal manufacturing method, in the step of growing the silicon carbide crystal layer, the inside of the growth vessel may be heated by induction heating to grow the silicon carbide crystal layer.
抵抗加熱による結晶成長は、放電を防止するためにヘリウム雰囲気において行われる必要がある一方、誘導加熱による結晶成長は、安価なアルゴンを用いて行われることが一般的である。このように、放電の防止という要請がない誘導加熱による結晶成長において、敢えて本発明のようにヘリウム雰囲気を用いることにより、高品質な大口径の炭化珪素結晶を効率的に製造することが可能となる。 Crystal growth by resistance heating needs to be performed in a helium atmosphere to prevent discharge, while crystal growth by induction heating is generally performed using inexpensive argon. Thus, in crystal growth by induction heating that does not require the prevention of discharge, it is possible to efficiently produce high-quality large-diameter silicon carbide crystals by using a helium atmosphere as in the present invention. Become.
上記炭化珪素結晶の製造方法において、炭化珪素結晶層を成長させる工程では、炭化珪素結晶層における種結晶側とは反対側の成長面の曲率半径が２０ｃｍ以上１００ｃｍ以下となってもよい。 In the silicon carbide crystal manufacturing method, in the step of growing the silicon carbide crystal layer, the curvature radius of the growth surface on the opposite side of the seed crystal side of the silicon carbide crystal layer may be 20 cm or more and 100 cm or less.
上記曲率半径が１００ｃｍを超える場合には、炭化珪素結晶の端部などにおいて形状不良が発生して品質が低下する。一方、上記曲率半径が２０ｃｍ未満である場合には、炭化珪素結晶に加わる熱応力が大きくなりクラックや転位などの欠陥が発生する。このような理由から、上記曲率半径は、２０ｃｍ以上１００ｃｍ以下であることが好ましい。 When the radius of curvature exceeds 100 cm, a shape defect occurs at the end of the silicon carbide crystal and the quality deteriorates. On the other hand, when the curvature radius is less than 20 cm, the thermal stress applied to the silicon carbide crystal is increased, and defects such as cracks and dislocations are generated. For this reason, the curvature radius is preferably 20 cm or more and 100 cm or less.
以上の説明から明らかなように、本発明に従った炭化珪素結晶の製造方法によれば、高品質な大口径の炭化珪素結晶を効率的に製造することが可能な炭化珪素結晶の製造方法を提供することができる。 As is apparent from the above description, according to the method for manufacturing a silicon carbide crystal according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a silicon carbide crystal capable of efficiently manufacturing a high-quality large-diameter silicon carbide crystal. Can be provided.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
まず、本発明の一実施の形態に係る炭化珪素（ＳｉＣ）結晶の製造方法において用いられるＳｉＣ結晶の製造装置の構造について説明する。図１を参照して、ＳｉＣ結晶の製造装置１は、昇華法によりＳｉＣ結晶を成長する装置である。つまり、ＳｉＣ結晶の製造装置１は、ＳｉＣを含む原料１１を昇華させ、発生した原料ガスを種結晶１０上に析出させてＳｉＣ結晶層１２を成長させることにより、ＳｉＣインゴット１３（ＳｉＣ結晶）を製造するための装置である。ＳｉＣ結晶の製造装置１は、坩堝２（成長容器）と、断熱材３と、石英管４と、高周波加熱コイル５と、放射温度計６，７とを主に備えている。
First, the structure of a SiC crystal manufacturing apparatus used in a method for manufacturing a silicon carbide (SiC) crystal according to an embodiment of the present invention will be described. Referring to FIG. 1, SiC
坩堝２は、種結晶１０および原料１１を内部に配置するためのものである。坩堝２は、たとえばグラファイトよりなることが好ましい。グラファイトは高温で安定であるため、坩堝２の割れを抑制することができる。また、坩堝２を構成するカーボン（Ｃ）は、ＳｉＣ結晶の構成元素である。そのため、仮に、坩堝２が昇華してＳｉＣ結晶に混入した場合であっても、不純物となることを抑制することができる。このため、製造されるＳｉＣ結晶の結晶性をより良好なものとすることができる。
The crucible 2 is for arranging the
図２を参照して、坩堝２は、原料１１を内部に収容するための底部２ａと、種結晶１０を内部に配置するための蓋部２ｂとを有している。蓋部２ｂの先端部は、底部２ａとの嵌め合わせを可能とするため、底部２ａの内周側に接するように折れ曲がっている。底部２ａと蓋部２ｂとは、接続部２ｃにおいて接続されている。
Referring to FIG. 2,
図１を参照して、断熱材３は、坩堝２の外周を覆うように配置されている。断熱材３は、たとえばカーボンフェルトよりなることが好ましい。カーボンフェルトは、断熱効果を有し、かつＳｉＣ結晶の成長中における成長条件の変化を抑制できるので、製造されるＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる。
With reference to FIG. 1, the
石英管４は、断熱材３の周りに設けられている。石英管４の両端部には、石英管４内へ雰囲気ガスを流すためのガス導入口８と、石英管４の外部へ雰囲気ガスを排出するためのガス放出口９とが形成されている。
The quartz tube 4 is provided around the
放射温度計６，７は、坩堝２の下方および上方の温度を測定するためのものであって、石英管４の下部および上部にそれぞれ設けられている。具体的には、放射温度計７は、坩堝２において種結晶１０が配置される上面２ｄにおける温度（Ｔ１）を測定し、放射温度計６は、当該上面２ｄに対向する坩堝２の底面２ｅにおける温度（Ｔ２）を測定する。なお、断熱材３には、温度測定のための穴（図示しない）が設けられており、当該穴を通して温度（Ｔ１）および温度（Ｔ２）を測定することができる。
The
高周波加熱コイル５は、石英管４の外周部に巻き付けられるように配置されている。高周波加熱コイル５は、誘導加熱により坩堝２の内部を加熱する。これにより、坩堝２の内部に配置された種結晶１０および原料１１を加熱することが可能となっている。
The high
次に、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法のプロセスについて説明する。本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法では、図１を参照して、種結晶１０上にＳｉＣ結晶層１２を成長させることによりＳｉＣインゴット１３（ＳｉＣ結晶）が製造される。図３を参照して、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）として、原料準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図１を参照して、たとえば多結晶のＳｉＣ粉末またはＳｉＣ焼結体からなる原料１１が準備され、坩堝２内の底面２ｅ側に配置される。
Next, a process of the SiC crystal manufacturing method according to the present embodiment will be described. In the SiC crystal manufacturing method according to the present embodiment, referring to FIG. 1, SiC ingot 13 (SiC crystal) is manufactured by growing
次に、工程（Ｓ２０）として、種結晶準備工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図４を参照して、図示しないインゴットをスライスすることにより、ＳｉＣからなる種結晶１０が準備される。そして、図２を参照して、準備された種結晶１０は、坩堝２内の上面２ｄ側に配置される。これにより、種結晶１０および原料１１は、坩堝２の内部において互いに対向した状態とされる。
Next, as a step (S20), a seed crystal preparation step is performed. In this step (S20), referring to FIG. 4,
図４を参照して、種結晶１０は、径方向における幅Ｗ１が４インチ以上であり、たとえば６インチである。種結晶１０の結晶構造は、特に限定されず、成長するＳｉＣ結晶層と同じ結晶構造であってもよく、異なる結晶構造であってもよい。成長するＳｉＣ結晶層の結晶性を向上する観点から、同じ結晶構造である種結晶１０を準備することが好ましい。
Referring to FIG. 4,
次に、工程（Ｓ３０）として、昇温工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１を参照して、まず、ガス導入口８から石英管４内へアルゴン（Ａｒ）ガスが流入する。これにより、石英管４内にＡｒガスが充填される。また、坩堝２の内部にも接続部２ｃ（図２参照）からＡｒガスが流入し、坩堝２の内部もＡｒガスにより充填される。一方、高周波加熱コイル５を用いた誘導加熱により坩堝２が加熱される。これにより、Ａｒを含む雰囲気中において坩堝２内が昇温され、原料１１および種結晶１０がＳｉＣの結晶成長温度にまで加熱される。
Next, a temperature raising step is performed as a step (S30). In this step (S30), referring to FIG. 1, first, argon (Ar) gas flows from the
図５を参照して、この工程（Ｓ３０）をより詳細に説明する。図５上段は、坩堝内の温度（Ｙ軸）と時間（Ｘ軸）との関係を示し、図５中段は、雰囲気ガスの全体流量に対するＨｅガスの流量の割合（Ｙ軸）と時間（Ｘ軸）との関係を示し、また図５下段は、坩堝内の圧力（Ｙ軸）と時間（Ｘ軸）との関係を示している。また、図５に示すタイムチャートにおいて、この工程（Ｓ３０）は時間０〜ｔ１に相当する。この工程（Ｓ３０）では、圧力がＰ０に維持されたＡｒ雰囲気中において（図５下段）、ＳｉＣの結晶成長温度Ｔｃにまで坩堝内が昇温する（図５上段）。また、この工程（Ｓ３０）では、Ａｒガスのみが流入され、Ｈｅガスは流入されないため、坩堝内に流入する雰囲気ガスの全体流量に対するＨｅガスの流量の割合は０である（図５中段）。 With reference to FIG. 5, this step (S30) will be described in more detail. The upper part of FIG. 5 shows the relationship between the temperature in the crucible (Y axis) and the time (X axis), and the middle part of FIG. 5 shows the ratio of the flow rate of He gas (Y axis) to the total flow rate of the atmospheric gas (Y axis) and time (X The lower part of FIG. 5 shows the relationship between the pressure in the crucible (Y axis) and time (X axis). Further, in the time chart shown in FIG. 5, this step (S30) corresponds to the time 0 to t 1. In this step (S30), in an Ar atmosphere pressure is maintained at P 0 (Fig. 5 bottom), the crucible to the crystal growth temperature T c of SiC is warm (Fig. 5 top). In this step (S30), only Ar gas is introduced and He gas is not introduced. Therefore, the ratio of the flow rate of He gas to the total flow rate of the atmospheric gas flowing into the crucible is 0 (middle in FIG. 5).
また、この工程（Ｓ３０）では、Ｈｅよりも原子半径が大きい希ガスを含む雰囲気中において坩堝２内が昇温されればよく、Ａｒガスには限定されない。たとえばネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）およびラドン（Ｒｎ）からなる群より選択される少なくとも一種の希ガスを含む雰囲気中において坩堝２内が昇温されてもよい。
Further, in this step (S30), the inside of the
次に、工程（Ｓ４０）として、結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１を参照して、坩堝２内を減圧しつつガス導入口８からＨｅガスの流入を開始する。これにより、坩堝２内がＨｅを含む雰囲気とされる。一方、坩堝２内が減圧されることにより原料１１が昇華し、ＳｉＣの原料ガスが生成する。そして、原料ガスが種結晶１０の表面１０ａ上において析出することにより、ＳｉＣ結晶層１２が成長する。このように、Ｈｅを含む雰囲気中においてＳｉＣ結晶層１２が成長することにより、種結晶１０とＳｉＣ結晶層１２とを含むＳｉＣインゴット１３（ＳｉＣ結晶）が形成される。また、図６を参照して、ＳｉＣインゴット１３は、当該ＳｉＣインゴット１３の成長方向から見た幅Ｗ２の最大値が４インチを超える（６インチである）大口径のＳｉＣ結晶である。
Next, as a step (S40), a crystal growth step is performed. In this step (S40), referring to FIG. 1, the inflow of He gas is started from the
図５を参照して、この工程（Ｓ４０）をより詳細に説明する。図５に示すタイムチャートにおいて、この工程（Ｓ４０）は、時間ｔ１以降に相当する工程である。この工程（Ｓ４０）では、坩堝内の温度がＴｃに維持された状態において（図５上段）、坩堝内を減圧しつつＡｒガスの流量を減らしてＨｅガスの流入を開始する。これにより、坩堝内の圧力がＰ０からＰ１にまで低下し（図５下段）、かつ雰囲気ガスの全体流量に対するＨｅガスの流量が増加する（図５中段）。 With reference to FIG. 5, this process (S40) is demonstrated in detail. In the time chart shown in FIG. 5, this step (S40) is a step corresponding to a time t 1 later. In this step (S40), in a state where the temperature in the crucible is maintained at Tc (the upper stage in FIG. 5), the flow of Ar gas is reduced while the pressure in the crucible is reduced, and the inflow of He gas is started. As a result, the pressure in the crucible decreases from P 0 to P 1 (lower part in FIG. 5), and the flow rate of He gas relative to the total flow rate of the atmospheric gas increases (middle part in FIG. 5).
この工程（Ｓ４０）では、図１を参照して、坩堝２において種結晶１０が接触して配置される上面２ｄにおける温度をＴ１とし、上面２ｄに対向する坩堝２の底面２ｅにおける温度をＴ２とし、底面２ｅから上面２ｄに向かう方向における上面２ｄと底面２ｅとの間の距離をＬとした場合に、（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌの値（温度勾配）が８℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下とされる。温度Ｔ１，Ｔ２は、放射温度計６，７を用いてそれぞれ測定することが可能であり、また断熱材３の厚みを変更することにより調整することも可能である。また、上記温度勾配は、好ましくは９℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下であり、より好ましくは１０℃／ｃｍ以上１２℃以下であり、さらに好ましくは１１℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下である。また、ＳｉＣ結晶層１２の成長速度は、好ましくは０．２ｍｍ／ｈ以上であり、より好ましくは０．３ｍｍ／ｈ以上である。
In this step (S40), with reference to FIG. 1, the temperature at the
また、この工程（Ｓ４０）では、ＳｉＣ結晶層１２における成長面１２ａ（種結晶１０側とは反対側の面）の曲率半径が２０ｃｍ以上１００ｃｍ以下となるようにＳｉＣ結晶層１２を成長させる。ここで、上記曲率半径は、たとえば以下のようにして算出される。まず、成長面１２ａ上の任意の２点において、ＳｉＣインゴット１３の高さ（種結晶１０の表面１０ａからＳｉＣ結晶層１２の成長面１２ａまでの距離）を測定する。そして、当該任意の２点におけるＳｉＣインゴット１３の高さの差から、成長面１２ａに対応する円弧の半径を算出し、これを上記曲率半径とする。以上のようにして上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ４０）が実施されることによりＳｉＣインゴット１３が製造され、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法が完了する。また、製造されたＳｉＣインゴット１３から種結晶１０が除去されてもよい。また、図７を参照して、ＳｉＣインゴットをスライスすることにより、所望の厚みおよび面方位を有するＳｉＣ基板１４を得ることができる。
In this step (S40),
以上のように、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法は、ＳｉＣからなる種結晶１０を準備する工程（Ｓ２０）と、準備された種結晶１０を坩堝２内に配置する工程（Ｓ２０）と、坩堝２内に配置された種結晶１０上にＳｉＣ結晶層１２を成長させる工程（Ｓ４０）とを備えている。そして、工程（Ｓ４０）では、Ｈｅを含む雰囲気中においてＳｉＣ結晶層１２を成長させることにより、ＳｉＣ結晶層１２の成長方向から見た幅の最大値が４インチを超えるＳｉＣインゴット１３が形成される。
As described above, the SiC crystal manufacturing method according to the present embodiment includes a step of preparing
本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法では、Ｈｅを含む雰囲気中において種結晶１０上にＳｉＣ結晶層１２を成長させることにより、４インチを超える大口径のＳｉＣインゴット１３が形成される。そのため、Ｈｅよりも原子半径が大きいＡｒ雰囲気中において結晶成長が行われる場合に比べて、昇華したＳｉＣがより拡散し易い雰囲気において結晶成長を行うことができる。その結果、クラックや転位などの欠陥の発生を抑制するために成長方向における温度差を小さくした場合においても必要な成長速度を確保することが可能となる。したがって、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法によれば、高品質な大口径のＳｉＣインゴット１３を効率的に製造することができる。
In the SiC crystal manufacturing method according to the present embodiment,
また、上述のように、本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法は、種結晶１０を坩堝２内に配置する工程（Ｓ２０）の後、ＳｉＣ結晶層１２を成長させる工程（Ｓ４０）の前に、坩堝２内を昇温する工程（Ｓ３０）を備えている。そして、この工程（Ｓ３０）では、Ｈｅよりも原子半径が大きい希ガスであるＡｒを含む雰囲気中において坩堝２内が昇温される。
In addition, as described above, the SiC crystal manufacturing method according to the present embodiment is performed after the step of placing
これにより、Ｈｅ雰囲気中において昇温する場合に比べて、坩堝２内を昇温する工程におけるＳｉＣの拡散を抑制することができる。その結果、ＳｉＣ結晶層１２の成長を開始する前に種結晶１０上においてＳｉＣが析出し、結晶核などが形成されることが抑制されるため、より高品質なＳｉＣインゴット１３を製造することが可能となる。
Thereby, compared with the case where it heats up in He atmosphere, the spreading | diffusion of SiC in the process which heats up the inside of the
また、上述のように、工程（Ｓ４０）では、（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌの値（温度勾配）が８℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下とされてもよい。４インチを超える大口径のＳｉＣ結晶の成長において、上記温度勾配が１２℃／ｃｍを超える場合には、ＳｉＣ結晶にクラックや転位などの欠陥が発生し易くなる。一方、上記温度勾配が８℃／ｃｍ未満である場合には、必要な結晶成長の速度を確保することが困難になる。このような理由から、上記温度勾配は、８℃／ｃｍ以上１２℃／ｃｍ以下であることが好ましい。 Further, as described above, in the step (S40), the value (temperature gradient) of (T 2 −T 1 ) / L may be 8 ° C./cm or more and 12 ° C./cm or less. In the growth of a SiC crystal having a large diameter exceeding 4 inches, if the temperature gradient exceeds 12 ° C./cm, defects such as cracks and dislocations are likely to occur in the SiC crystal. On the other hand, when the temperature gradient is less than 8 ° C./cm, it is difficult to ensure a necessary crystal growth rate. For this reason, the temperature gradient is preferably 8 ° C./cm or more and 12 ° C./cm or less.
また、上述のように、工程（Ｓ４０）では、高周波加熱コイル５を用いた誘導加熱により坩堝２内が加熱されてＳｉＣ結晶層１２が成長してもよい。抵抗加熱による結晶成長は、放電を防止するためにＨｅ雰囲気において行われる必要がある一方、誘導加熱による結晶成長は、安価なＡｒを用いて行われることが一般的である。このように、放電の防止という要請がない誘導加熱による結晶成長において、敢えて本実施の形態のようにＨｅ雰囲気を用いることにより、高品質な大口径のＳｉＣインゴット１３を効率的に製造することが可能となる。
Further, as described above, in the step (S40), the inside of the
また、上述のように、工程（Ｓ４０）では、ＳｉＣ結晶層１２における種結晶１０側とは反対側の成長面１２ａの曲率半径が２０ｃｍ以上１００ｃｍ以下となっていてもよい。上記曲率半径が１００ｃｍを超える場合には、ＳｉＣインゴット１３の端部が凹形状になる等、形状不良が発生するため品質が低下する。一方、上記曲率半径が２０ｃｍ未満である場合には、ＳｉＣインゴット１３が凸状に成長するため大きな熱応力が加わり、その結果クラックや転位などの欠陥が発生し易くなる。このような理由から、上記曲率半径は、２０ｃｍ以上１００ｃｍ以下であることが好ましい。
Further, as described above, in the step (S40), the curvature radius of the
ＳｉＣ結晶の成長速度および品質について本発明の効果を確認する実験を行った。まず、上記本実施の形態に係るＳｉＣ結晶の製造方法と同様のプロセスによりＳｉＣインゴットを作製した。ＳｉＣインゴットは、４インチおよび６インチのものをそれぞれ作製した。また、ＳｉＣ結晶層を成長させる際の成長方向における温度勾配（（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌ）は、５℃／ｃｍ、７℃／ｃｍ、８℃／ｃｍ、９℃／ｃｍ、１０℃／ｃｍ、１１℃／ｃｍ、１２℃／ｃｍ、１３℃／ｃｍ、および１５℃／ｃｍとした。また、ＳｉＣ結晶層は、Ａｒ雰囲気中およびＨｅ雰囲気中においてそれぞれ成長させた。そして、それぞれの成長条件においてＳｉＣ結晶層の成長速度、およびＳｉＣインゴットにおけるクラックの有無を調査した。クラックの有無は、ＳｉＣインゴットをスライスして得た基板に背面から光を照射し、目視によりクラックを確認することにより調査した。表１は、６インチのＳｉＣインゴットを作製した場合の成長速度およびクラックの有無を調査した結果を示している。また、表２は、４インチのＳｉＣインゴットを作製した場合の成長速度およびクラックの有無を調査した結果を示している。 Experiments were conducted to confirm the effect of the present invention on the growth rate and quality of SiC crystals. First, a SiC ingot was produced by the same process as the SiC crystal production method according to the present embodiment. SiC ingots were prepared as 4 inches and 6 inches, respectively. Further, the temperature gradient ((T 2 −T 1 ) / L) in the growth direction when growing the SiC crystal layer is 5 ° C./cm, 7 ° C./cm, 8 ° C./cm, 9 ° C./cm, 10 ° C. / Cm, 11 ° C./cm, 12 ° C./cm, 13 ° C./cm, and 15 ° C./cm. The SiC crystal layer was grown in an Ar atmosphere and a He atmosphere. Then, the growth rate of the SiC crystal layer and the presence or absence of cracks in the SiC ingot were investigated under each growth condition. The presence or absence of cracks was investigated by irradiating light from the back to the substrate obtained by slicing the SiC ingot and visually confirming the cracks. Table 1 shows the results of investigating the growth rate and the presence or absence of cracks when a 6-inch SiC ingot was produced. Table 2 shows the results of investigating the growth rate and the presence or absence of cracks when a 4-inch SiC ingot was produced.
表１および表２に示すように、４インチの場合にはクラックが発生しなかったのに対して、６インチの場合には温度勾配が１２℃／ｃｍを超えるとクラックの発生が確認された。この結果より、６インチの場合には４インチの場合に比べてクラックなどの欠陥がより発生し易いこと、およびクラックの発生を防止するために６インチの場合には温度勾配を１２℃／ｃｍ以下とする必要があることが分かった。また、表１に示すように、Ａｒ雰囲気においては温度勾配を１２℃／ｃｍ以下とした場合に成長速度が０．３ｍｍ／ｈ未満にまで低下するのに対して、Ｈｅ雰囲気においては温度勾配を８℃／ｃｍ以上とした場合に０．３ｍｍ／ｈ以上の成長速度を確保することができた。この結果より、６インチの大口径ＳｉＣインゴットを作製する場合においても、Ｈｅ雰囲気を採用することにより高効率な結晶成長が可能であることが分かった。 As shown in Tables 1 and 2, cracks did not occur in the case of 4 inches, whereas cracks were confirmed in the case of 6 inches when the temperature gradient exceeded 12 ° C / cm. . From this result, it is found that defects such as cracks are more likely to occur in the case of 6 inches than in the case of 4 inches, and in order to prevent cracks, the temperature gradient is 12 ° C./cm in the case of 6 inches. It turns out that it is necessary to: As shown in Table 1, the growth rate decreases to less than 0.3 mm / h when the temperature gradient is 12 ° C./cm or less in the Ar atmosphere, whereas the temperature gradient is reduced in the He atmosphere. When the temperature was 8 ° C./cm or more, a growth rate of 0.3 mm / h or more could be secured. From this result, it was found that even when a 6-inch large-diameter SiC ingot was produced, high-efficiency crystal growth was possible by adopting a He atmosphere.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
本発明の炭化珪素結晶の製造方法は、大口径の炭化珪素結晶の製造方法において特に有利に適用され得る。 The method for producing a silicon carbide crystal of the present invention can be applied particularly advantageously in a method for producing a large-diameter silicon carbide crystal.
１ 炭化珪素（ＳｉＣ）結晶の製造装置、２ 坩堝、２ａ 底部、２ｂ 蓋部、２ｃ 接続部、２ｄ 上面、２ｅ 底面、３ 断熱材、４ 石英管、５ 高周波加熱コイル、６，７ 放射温度計、８ ガス導入口、９ ガス放出口、１０ 種結晶、１０ａ 表面、１１ 原料、１２ 結晶層、１２ａ 成長面、１３ インゴット、１４ ＳｉＣ基板、Ｗ１，Ｗ２ 幅。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
準備された前記種結晶を成長容器内に配置する工程と、
前記成長容器内に配置された前記種結晶上に炭化珪素結晶層を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素結晶層を成長させる工程では、ヘリウムを含む雰囲気中において前記炭化珪素結晶層を成長させることにより、前記炭化珪素結晶層の成長方向から見た幅の最大値が４インチを超える炭化珪素結晶が形成される、炭化珪素結晶の製造方法。 Preparing a seed crystal made of silicon carbide;
Placing the prepared seed crystal in a growth vessel;
Growing a silicon carbide crystal layer on the seed crystal disposed in the growth vessel,
In the step of growing the silicon carbide crystal layer, by growing the silicon carbide crystal layer in an atmosphere containing helium, silicon carbide having a maximum width as viewed from the growth direction of the silicon carbide crystal layer exceeding 4 inches A method for producing a silicon carbide crystal, wherein the crystal is formed.
前記成長容器内を昇温する工程では、ヘリウムよりも原子半径が大きい希ガスを含む雰囲気中において前記成長容器内が昇温される、請求項１に記載の炭化珪素結晶の製造方法。 After the step of placing the seed crystal in the growth vessel, further comprising the step of raising the temperature in the growth vessel before the step of growing the silicon carbide crystal layer,
The method for producing a silicon carbide crystal according to claim 1, wherein in the step of raising the temperature in the growth vessel, the temperature in the growth vessel is raised in an atmosphere containing a rare gas having an atomic radius larger than that of helium.
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