CN102630257A

CN102630257A - 碳化硅单晶的制造方法

Info

Publication number: CN102630257A
Application number: CN2010800538103A
Authority: CN
Inventors: 增田隆; 小古井久雄; 桥本胜彦
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Lishennoco Co ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN102630257B; WO2011065151A1; EP2508655A1; JP5346788B2; KR101392639B1; KR20120094034A; EP2508655A4; US20120234231A1; EP2508655B1; JP2011111378A

Abstract

本发明的碳化硅单晶的制造方法，具有通过向配置在台座上的碳化硅晶种供给碳化硅原料的升华气体，在所述碳化硅晶种上生长碳化硅单晶的工序，在所述台座和所述碳化硅晶种之间配置由碳化硅构成的隔离构件，将该隔离构件以非粘结的方式利用支持构件保持在所述台座上，在所述隔离构件的与所述台座相反的一侧的面上粘结所述碳化硅晶种，以所述隔离构件和所述碳化硅晶种的粘结面与所述支持构件的最下位置在垂直方向上间隔5mm以上的方式，相对地配置所述隔离构件和所述支持构件。

Description

碳化硅单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及碳化硅单晶的制造方法。本发明特别是涉及供给碳化硅原料的升华气体在碳化硅晶种上生长碳化硅单晶的碳化硅单晶的制造方法。

本申请基于在2009年11月30日在日本提出的专利申请2009-271712号要求优先权，将其内容援引于本申请中。

背景技术

碳化硅具有热导率高，耐热性和机械强度也优异，对辐射线耐性强等，在物理、化学上稳定，并且能带隙（禁带宽度）宽的特征。因此，期待着向发光元件、大电力功率器件、耐高温元件、耐辐射线元件、高频元件等的应用。

作为碳化硅单晶的制造方法，已知在台座上配置碳化硅晶种，供给碳化硅原料的升华气体，在碳化硅晶种上生长碳化硅单晶的方法。作为在台座上保持碳化硅晶种的方法，已知：使用粘结剂使碳化硅晶种在台座上密着贴附的方法（专利文献1）、和不使用粘结剂贴附而是机械性地支持碳化硅晶种的方法（专利文献2）。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-120419号公报

专利文献2：日本专利第4275308号公报

发明内容

但是，在使用粘结剂使碳化硅晶种在台座上密着贴附的方法中，基于热膨胀系数的大小的不同，会从台座对碳化硅晶种施加热应力，对碳化硅晶种给予应变，因此存在在其上生长的碳化硅单晶具有应变，成为裂纹产生的原因的问题。另外，在机械性地支持碳化硅晶种的方法中，在该支持构件和晶种之间生长出多晶，其以覆盖单晶的外周的方式生长，存在该多晶对碳化硅单晶给予应力，使应变产生的问题，

本发明是鉴于上述状况完成的，其目的在于提供一种碳化硅单晶的制造方法，该制造方法避免在支持构件上生长的多晶与生长中的碳化硅单晶接触，并且，不会从台座对碳化硅晶种施加应力，因此可以制造没有应变的高品质的碳化硅单晶。

本发明提供以下的手段。

（1）一种碳化硅单晶的制造方法，具有通过向配置在台座上的碳化硅晶种供给碳化硅原料的升华气体，在上述碳化硅晶种上生长碳化硅单晶的工序，其中，

在上述台座和上述碳化硅晶种之间配置由碳化硅构成的隔离（离间）构件，

将该隔离构件以非粘结的方式利用支持构件保持在上述台座上，

在上述隔离构件的与上述台座相反的一侧的面上粘结上述碳化硅晶种，

以上述隔离构件的与上述碳化硅晶种粘结的粘结面与上述支持构件的最下位置在垂直方向上间隔5mm以上的方式，相对地配置上述隔离构件和上述支持构件。

在此，所谓「将隔离构件以非粘结的方式利用支持构件保持在上述台座上」，包括：隔离构件与台座接触的情况、和隔离构件不与台座接触而是与台座间隔地配置的情况。

（2）根据前项（1）所述的碳化硅单晶的制造方法，上述隔离构件的上述粘结面，与上述碳化硅晶种的翘曲形状一致地进行了曲率加工。

在此，所谓「曲率加工」中的「曲率」，是将“翘曲”用曲率半径或曲率表现时的该曲率的意思。

（3）根据前项（1）或（2）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，上述隔离构件和上述碳化硅晶种的翘曲的大小之差为±5μm以下。

在此，所谓「翘曲的大小」，是将「翘曲」用距离平坦面的高度表现时的该高度的意思。即，所谓「翘曲的大小」，是指：将具有翘曲的隔离构件或碳化硅晶种，以翘曲了的凸侧的面为上而置于平坦面时，从该平坦面到隔离构件或碳化硅晶种的该凸部的顶点（最高的点）的距离。

（4）根据前项（1）~（3）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，上述隔离构件由多晶、单晶或者烧结体的任一种形成。

（5）根据前项（1）~（4）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，上述隔离构件由多个层构成。

（6）根据前项（5）所述的碳化硅单晶的制造方法，在上述多个层之间具备有缓冲层。

（7）根据前项（1）~（6）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，

上述隔离构件在其外周具备支持接受部（受支持部），

上述支持构件在其下部具备钩部，

上述隔离构件的上述支持接受部被上述支持构件的钩部支持。

（8）根据前项（1）~（7）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，

在上述支持构件的内周形成有内螺纹（阴螺纹），

在上述台座的外周形成有与上述内螺纹螺合的外螺纹（阳螺纹），

通过将上述支持构件和/或上述台座相对转动能够调整上述台座和上述隔离构件的间隔。

（9）根据前项（1）~（8）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，所述支持构件由石墨构成。

（10）根据前项（1）~（9）的任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，在上述台座和上述隔离构件之间具备有缓冲构件。

（11）根据前项（10）所述的碳化硅单晶的制造方法，上述缓冲构件由格拉夫石墨（GRAFOIL）、碳毡或者高熔点金属构成。

根据上述的构成，可以提供一种不受多晶的影响地制造没有应变的高品质的碳化硅单晶的碳化硅单晶的制造方法。

附图说明

图1是表示碳化硅单晶生长装置的一例的截面模式图。

图2是放大了台座附近的截面模式图。

图3是放大了碳化硅单晶在碳化硅晶种上生长了时的台座附近的截面模式图。

图4是放大了台座和支持构件的接触部分的截面模式图。

具体实施方式

以下，对于作为应用了本发明的一实施方式的碳化硅单晶的制造方法，使用附图详细地说明。再者，为易于明白其特征，在以下的说明中使用的附图有时为方便起见将成为特征的部分放大地表示，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。

图1是用于说明作为本发明的一实施方式的碳化硅单晶的制造方法的图，是示出碳化硅单晶生长装置的一例的截面模式图。

如图1所示，碳化硅单晶生长装置100，由真空容器1、在真空容器1的内部配置的坩埚6、和包围真空容器1而配置的加热线圈3概略构成。

在本发明的碳化硅单晶的制造方法中，在台座10和碳化硅晶种13之间配置由碳化硅构成的隔离构件11，将隔离构件11以非粘结的方式利用支持构件12保持在台座10上，在隔离构件11的与台座10相反的一侧的面11b上粘结碳化硅晶种13，以隔离构件11的与碳化硅晶种13的粘结面11b，与支持构件12的最下位置15在垂直方向上间隔5mm以上的方式，相对地配置隔离构件11和支持构件12，使碳化硅单晶生长。

真空容器1具有在其内部与内壁面1c间隔地配置坩埚6的收容部1a，在收容部1a连接有导入管7和排气管8。通过导入管7和排气管8，可以将任意的气体导入到收容部1a中和从中排出。另外，在排气管8上安装有涡轮分子泵（turbo molecular pump）等真空泵（省略图示），可以从排气管8排气将收容部1a形成为高真空的状态。例如，通过从排出管8排出内部的空气形成为减压状态后，从导入管7向收容部1a供给高纯度的氩（Ar）气，再次形成为减压状态，由此可以将收容部1a形成为氩（Ar）气氛的减压状态。

再者，导入到真空容器1的内部的气体，优选为氩（Ar）、氦（He）等的惰性气体或者氮（N₂）气。这些气体不与碳化硅发生特别的反应，并且，具有作为冷却材料的效果。

在真空容器1的外周配置有加热线圈3。通过加热加热线圈3，可以加热真空容器1，进而可以加热坩埚6。

通过调整加热装置的功率，可以使坩埚6内的碳化硅晶种的温度保持在比碳化硅原料粉末低的温度。

以覆盖坩埚6整体的方式在坩埚6上卷绕有绝热材料2。绝热材料2是用于将坩埚6稳定地维持在高温状态的材料。在能够将坩埚6稳定地维持在高温状态的情况下，也可以不安装绝热材料2。

在绝热材料2中，以坩埚6的下部表面和上部表面的一部分露出的方式形成有孔部2c、2d。另外，在绝热材料2的下部表面配置有具备孔部30c的支持棒30。孔部30c和孔部2c连通着，通过在真空容器1的外部配置的辐射温度计9，可以测定坩埚6的表面温度。

再者，坩埚6的表面温度，也可以通过向孔部2c、2d插入热电偶，使坩埚6的表面接触热电偶的前端来测定。

如图1所示，坩埚6由主体部21和晶种保持构件（盖部）22构成。主体部21是圆筒形状（省略图示），具有挖成圆柱状形成的空洞部20。

在空洞部20的内底面20b侧填充有碳化硅粉末5。另外，在空洞部20的开口部20a侧，确保有使碳化硅单晶锭生长所需要的空间。

晶种保持构件（盖部）22的一面侧，中央部突出成圆柱状，形成为台座10。在主体部21利用晶种保持构件（盖部）22盖上盖时，台座10在空洞部20的上部向内底面20b侧突出。在台座10上，隔着由碳化硅构成的隔离构件11保持有碳化硅晶种13。碳化硅晶种13没有与台座10直接接触，因此不会从台座10受到基于碳化硅晶种13和台座10的热膨胀系数之差的热应力。另一方面，隔离构件11由碳化硅构成，并且通过粘结剂14与碳化硅晶种13相接。因而，碳化硅晶种13受到的热应力是基于碳化硅晶种13和隔离构件11的热膨胀系数之差的热应力，其值比在碳化硅晶种13和台座10直接接触的结构中产生的热应力的值小。

由碳化硅构成的隔离构件11，无论是多晶、单晶或者烧结体的哪一个，热膨胀系数都相等，因此可得到同样的效果。另外，隔离构件11也可以由多个层、即与碳化硅晶种热膨胀系数相等的多个材料（例如，单晶、多晶、烧结体）的层构成。此时，也可以在层间夹持由热导率低的材料形成的缓冲层。通过在各层间夹有热导率低的材料层，可以使晶种的温度梯度均一。另外，通过作为多个层使用热膨胀系数与碳化硅晶种相等的碳化硅材料，消除了热膨胀系数差，抑制了对晶种施加的热应力。

作为缓冲层的材料，优选格拉夫石墨、碳毡。

作为碳化硅单晶13，可以使用：将采用艾奇逊法、瑞利法、升华法等制成的圆柱状的碳化硅单晶沿径向以例如厚度0.3~2mm左右切断后，进行切断面的研磨而成形了的圆板形状物。再者，为了在该研磨之后除去研磨损伤，作为晶种13的最终加工，优选进行牺牲氧化（sacrificial oxidation）、反应离子蚀刻、化学机械研磨等。进而，优选在其后使用有机溶剂、酸性溶液或碱性溶液等，将晶种13的表面清洁化。

作为粘结剂14，可以使用公知的粘结剂，例如，可以举出酚系树脂等。

作为坩埚6的主体部21的材料，优选使用在高温下稳定的、杂质气体的产生少的材料，优选使用石墨（graphite）、碳化硅、或者由碳化硅或TaC被覆了的石墨（graphite）等。

晶种保持构件（盖部）22，优选由石墨（graphite）、无定形碳、碳纤维、有机化合物碳化物、金属碳化物的至少任一种构成。由这些材料形成的晶种保持构件22，可以使用化学方法容易地除去。

再者，在本实施方式中，将盖部整体作为晶种保持构件22，但也可以使用：将盖部分割为台座10、和突出部以外的部分，仅将台座10作为晶种保持构件22的结构。通过使用该结构，在作为制品的碳化硅单晶锭制造后除去晶种保持构件22时，即使台座10以外的部分未被除去的情况下，通过除去晶种保持构件22，也可以分离台座10以外的部分和碳化硅单晶锭。

图2表示放大了台座10附近的截面模式图。

由碳化硅构成的隔离构件11，以非粘结的方式（不使用粘结剂）利用支持构件12机械性地保持在台座10上。具体地讲，隔离构件11在其外周具备支持接受部11a，另一方面，支持构件12在其下部具备例如向径内方向折曲成L字形的钩部12a，隔离构件11的支持接受部11a被支持构件的钩部12a支持着。

支持构件12优选由石墨构成。

在隔离构件11的面11b上通过粘结剂14粘结有碳化硅晶种13。优选：面11b与碳化硅晶种13的翘曲形状一致地进行了曲率加工。此外，优选隔离构件11和碳化硅晶种13的翘曲的大小之差为±5μm以下。

面11b的曲率加工，例如可以通过车床加工将表面呈圆周状地进行凸面或者凹面化来进行。

这样，通过例如牛顿环或者激光扫描仪来测定碳化硅晶种13的翘曲，以对应于该翘曲形状的方式，通过车床加工来加工面11b，由此可以制作具有理想的面11b的隔离构件11。

隔离构件11具有从该面11b到支持构件12的最下位置15的距离d在垂直方向上为5mm以上那样的厚度。通过面11b和支持构件12的最下位置15间隔5mm以上，如图3所示，即使在支持构件12和隔离构件11之间生长多晶16，该多晶也不会到达碳化硅晶种13的生长面13a。另外，也不会：妨碍碳化硅晶种13上的碳化硅单晶17的生长给予应变。这样，本发明具有将在支持构件12和隔离构件11之间生长的多晶16、和在碳化硅晶种13上生长的碳化硅单晶17完全地分离的构成。

在台座10和隔离构件11之间，也可以具备缓冲构件。优选：缓冲构件由格拉夫石墨、碳毡或者高熔点金属构成。

格拉夫石墨和碳毡是柔软性石墨片，因此不对晶种施加应力，具有缓冲作用。另外，高熔点金属可以防止台座和隔离构件的反应。

图4表示放大了台座10和支持构件12的接触部分的截面模式图。

如图4所示，也可以在支持构件12的内周形成有内螺纹12b，在台座10的外周形成有与内螺纹12b螺合的外螺纹10a。如果采用该螺纹结构，则可以通过将支持构件12相对于台座10相对转动来调整台座10和隔离构件11的间隔。另外，也可以采用通过转动台座10，或者通过转动支持构件12和台座10两者，来调整台座10和隔离构件11的间隔的结构。

碳化硅单晶的制造例如如以下那样地实施。

使用如上述那样构成的碳化硅单晶生长装置，将碳化硅原料粉末的温度加热到2400~2500℃。并且，通过加热装置的调整等以碳化硅晶种的温度比碳化硅原料粉末的温度低的方式在坩埚内设置温度梯度。接着，当将坩埚内的压力设为1~30Torr开始升华法生长时，碳化硅原料粉末升华成为升华气体，到达碳化硅晶种基板。结果，碳化硅单晶在与碳化硅原料粉末侧相比为相对低的温度的碳化硅晶种的表面上生长。

此时，在支持着由碳化硅构成的隔离构件的支持构件上也生长碳化硅的多晶。但是，由于通过隔离构件，碳化硅晶种和支持构件之间保持有充分的距离，因此碳化硅单晶生长不会受到碳化硅的多晶的影响。另外，台座和隔离构件没有使用粘结剂贴附，并且隔离构件和碳化硅晶种为相同程度的热膨胀系数，因此碳化硅晶种13受到的热应力被充分地缓和。结果，可以制造无裂纹且高品质的碳化硅单晶。

实施例

使用在图1和图2中示出的碳化硅单晶生长装置进行碳化硅单晶的生长。

作为晶种，使用直径为76mm（3英寸Ф）、厚度为0.8mm的碳化硅单晶晶片，作为隔离构件，使用厚度为8mm的碳化硅单晶物。隔离构件和晶种，使用碳膏作为粘结剂来粘结。

将碳化硅原料粉末的温度加热到2450℃，通过加热装置的调整等以碳化硅晶种的温度比碳化硅原料粉末的温度低的方式在坩埚内设置温度梯度，将晶种的温度设为2250℃。接着将坩埚内的压力设为3Torr，以0.5mm/H的生长速度进行晶体生长。

在这样的通常采用的条件下进行晶体生长，形成了厚度为20mm的碳化硅单晶。

在该碳化硅单晶生长时另行生长的多晶（在图3中模式地示出的多晶16），从支持构件的最下位置向下方具有3mm的长度。

但是，由于在台座和晶种之间夹有厚度为8mm的隔离构件，因此生长出的多晶没有到达晶种，生长晶体和多晶被完全地分离，没有产生裂纹。产业上的利用可能性

本发明的碳化硅单晶的制造方法，可以应用于没有应变的高品质的碳化硅单晶的制造。

附图标记说明

10台座

10a外螺纹

11隔离构件

11a支持接受部

12支持构件

12a钩部

12b内螺纹

13碳化硅晶种

14粘结剂

15最下位置

16多晶

17碳化硅单晶

Claims

1.一种碳化硅单晶的制造方法，具有通过向配置在台座上的碳化硅晶种供给碳化硅原料的升华气体，在所述碳化硅晶种上生长碳化硅单晶的工序，其中，

在所述台座和所述碳化硅晶种之间配置由碳化硅构成的隔离构件，

将该隔离构件以非粘结的方式利用支持构件保持在所述台座上，

在所述隔离构件的与所述台座相反的一侧的面上粘结所述碳化硅晶种，

以所述隔离构件和所述碳化硅晶种的粘结面与所述支持构件的最下位置在垂直方向上间隔5mm以上的方式，相对地配置所述隔离构件和所述支持构件。

2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，所述隔离构件的所述粘结面，与所述碳化硅晶种的翘曲形状一致地进行了曲率加工。

3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，所述隔离构件和所述碳化硅晶种的翘曲的大小之差为±5μm以下。

4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，所述隔离构件由多晶、单晶或者烧结体的任一种形成。

5.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，所述隔离构件由多个层构成。

6.根据权利要求5所述的碳化硅单晶的制造方法，在所述多个层之间具备有缓冲层。

7.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，

所述隔离构件在其外周具备支持接受部，

所述支持构件在其下部具备钩部，

所述隔离构件的所述支持接受部被所述支持构件的钩部支持。

8.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，

在所述支持构件的内周形成有内螺纹，

在所述台座的外周形成有与所述内螺纹螺合的外螺纹，

通过将所述支持构件和/或所述台座相对转动，能够调整所述台座和所述隔离构件的间隔。

9.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，所述支持构件由石墨构成。

10.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，在所述台座和所述隔离构件之间具备有缓冲构件。

11.根据权利要求10所述的碳化硅单晶的制造方法，所述缓冲构件由格拉夫石墨、碳毡或者高熔点金属构成。