CN109715868A - SiC单晶生长用坩埚 - Google Patents

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Abstract

一种SiC单晶生长用坩埚，是在内部具有单晶设置部和原料设置部、且用于采用升华法得到SiC单晶的坩埚，所述坩埚的第1壁的透气度低于所述坩埚的第2壁的透气度，所述坩埚的第1壁包围第1区域的至少一部分，所述坩埚的第2壁包围第2区域的至少一部分，所述第1区域是以所述单晶设置部为基准而位于所述原料设置部侧的区域，所述第2区域是以所述单晶设置部为基准而位于与所述原料设置部相反侧的区域。

Description

SiC单晶生长用坩埚
技术领域
本发明涉及SiC单晶生长用坩埚。本申请基于在2016年9月23日在日本申请的专利申请2016－185952要求优先权，在此援引其内容。
背景技术
碳化硅(SiC)具有特征性的特性。例如，与硅(Si)相比，碳化硅(SiC)的绝缘击穿电场大一个数量级，带隙大3倍，热导率高3倍左右。因而，期待着碳化硅(SiC)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。
作为制造SiC单晶的方法之一，升华法是广为人知的。升华法是下述方法：在配置于石墨制的坩埚内的台座上，配置由SiC单晶构成的晶种，通过加热坩埚而将从坩埚内的原料粉末升华的升华气体向晶种供给，使晶种向更大的SiC单晶生长。对于升华法而言，要求高效率地结晶生长出高品质的SiC单晶。
例如，在专利文献1中记载了具有相对于坩埚的中心轴呈轴对称地形成的流路的坩埚。该坩埚控制起因于坩埚内外的压力差而产生的气体流动，能够进行高品质的单晶的结晶生长。
另外，例如，在专利文献2中记载了以设置单晶的单晶设置部为基准，在与原料设置部相反侧具有气化气体捕获收集器的坩埚。该坩埚规定多晶体生成的场所，防止生成的多晶体与单晶接触。多晶体和单晶的接触成为缺陷等的产生原因。因此，当使用该坩埚进行结晶生长时，能够得到高品质的单晶。
另外，例如，在专利文献3中记载了对坩埚的径向的温度分布进行了控制的坩埚。通过控制坩埚的径向的温度分布，在单晶的直径扩大时，抑制了扩大的部分的品质的劣化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008－115033号公报
专利文献2:日本特表2013－504513号公报
专利文献3:日本特开2002－12500号公报
发明内容
然而，专利文献1的坩埚，由于从形成有流路的部分流出原料气体，所以不能够进行高效率的单晶的结晶生长。另外，专利文献2和3所记载的坩埚，虽然研究了提高单晶的品质，但是对于提高结晶生长的效率，没有充分研究。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供能够提高SiC单晶的生长效率的SiC单晶生长用坩埚。
本发明人发现：通过在坩埚内产生压力差的差异，对原料气体给予规定的流动，能够提高SiC单晶的结晶生长效率。
即，为了解决上述问题，本发明提供以下的技术方案。
(1)第一方式涉及的SiC单晶生长用坩埚，在内部具有单晶设置部和原料设置部，所述坩埚的第1壁的透气度低于所述坩埚的第2壁的透气度，所述坩埚的第1壁包围第1区域的至少一部分，所述坩埚的第2壁包围第2区域的至少一部分，所述第1区域是以所述单晶设置部为基准而位于所述原料设置部侧的区域，所述第2区域是以所述单晶设置部为基准而位于与所述原料设置部相反侧的区域。
(2)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，所述第1壁的透气度可以是所述第2壁的透气度的90％以下。
(3)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，可以是所述第1壁的至少一部分具有气体隔断构件的结构。
(4)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，可以是所述气体隔断构件设置于所述第1壁的内部或外周的结构。
(5)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，所述气体隔断构件可以是金属、金属碳化物、玻璃碳中的任一种。
(6)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，可以是所述第1壁的厚度比所述第2壁的厚度厚的结构。
(7)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，可以是所述第1壁的密度比所述第2壁的密度高的结构。
(8)在上述方式涉及的SiC单晶生长用坩埚中，将所述第1区域和所述第2区域划分开的隔壁可以是直径从所述单晶设置部朝向所述原料设置部扩大的锥形引导件。
本发明的一方式涉及的SiC单晶生长用坩埚，能够提高SiC单晶的生长效率。
附图说明
图1是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。
图2A是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的另一例的截面的截面图。
图2B是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的另一例的截面的截面图。
图3是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的另一例的截面的截面图。
图4是示意地表示第2实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。
图5是示意地表示第3实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。
图6是示意地表示第4实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。
具体实施方式
以下，对于本实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚，一边适当地参照附图，一边详细地说明。在以下的说明中使用的附图，为了容易理解本发明的特征，为方便起见有时放大地示出成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材质、尺寸等为一例，本发明并不被它们限定，能够在不变更其主旨的范围适当地变更来实施。
(SiC单晶生长用坩埚)
[第1实施方式]
图1是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。在图1中，为了容易理解，同时地图示了单晶S和SiC原料G。
SiC单晶生长用坩埚10，是用于利用升华法制作SiC单晶的坩埚。SiC单晶生长用坩埚10具有单晶设置部1和原料设置部2。在图1中，原料设置部2是SiC单晶生长用坩埚10的内底部。单晶设置部1与原料设置部2对向地配置。
原料设置部2收纳SiC原料G。SiC原料G通过加热而升华，并在与SiC原料G对向地设置于单晶设置部1的单晶S上进行再结晶。
SiC单晶生长用坩埚10的内部由隔壁3分成两个区域。
一个区域是以单晶设置部1为基准而形成于原料设置部2侧的第1区域R1，另一个区域是以单晶设置部1为基准而形成于与原料设置部2相反侧的第2区域R2。
在图1中，第1区域R1是由SiC单晶生长用坩埚10的底面、侧面的一部分、和隔壁3包围的区域。另外，第2区域R2是由SiC单晶生长用坩埚10的上面(盖部)、侧面的一部分、单晶设置部1、和隔壁3包围的区域。
在图1中，形成第1区域R1的第1壁W1具有气体隔断构件W1a。与此相对，形成第2区域R2的第2壁W2不具有气体隔断构件。因此，第1壁W1的透气度低于第2壁W2的透气度。
在此，透气度是不管材料种类而判断能够经由第1壁W1和第2壁W2透过的气体量的多少的指标，意指在给予一定压力差时通过第1壁W1以及第2壁的每单位面积的气体量。与构成第1壁W1以及第2壁W2的材料所特有的气体透过率(气体透过系数)区别地使用。
第1壁W1和第2壁W2的透气度的差异，在如图1所示，在第1壁W1具备气体隔断构件W1a的情况下，即使不测定也能够判断。气体透过构件W1a由气体透过率比构成第2壁W2的材料(石墨等)低数百倍以上的材料(气体难以透过的材料)构成。因此，通过在一部分具有气体透过构件W1a，能够确认第1壁W1的透气度低于第2壁W2的透气度。
在第1壁W1不具有气体透过构件W1a的情况下，对坩埚的第1壁W1及第2壁W2试验透气性，对将得到的气体透过量除以面积所得到的值进行比较。能够由该结果直接求出透气度的平均值的差。
在此，第1壁W1意指包围第1区域R1的至少一部分、且构成SiC单晶生长用坩埚10的外壁的部分，且意指SiC单晶生长用坩埚10的底部、和侧壁的一部分。另外，第2壁W2意指包围第2区域R2的至少一部分、且构成SiC单晶生长用坩埚10的外壁的部分，且意指SiC单晶生长用坩埚10的盖部、和侧壁的一部分。
当第1壁W1的透气度低于第2壁W2的透气度时，第1区域R1的内压变得高于第2区域R2的内压。SiC单晶生长用坩埚10内的内压差产生从SiC原料G升华的原料气体的流动。原料气体从内压高的第1区域R1向内压低的第2区域R2流动。也就是说，SiC单晶生长用坩埚10内的原料气体朝向单晶S高效率地输送。因此，能够促进单晶S的生长，能够高效率地得到SiC单晶。
在图1中，气体隔断构件W1a覆盖着第1壁W1的内表面整个面，但未必需要覆盖全部，也可以覆盖一部分。如果第1壁W1的至少一部分被气体隔断构件W1a覆盖，则产生SiC单晶生长用坩埚10内的内压差，产生原料气体从第1区域R1向第2区域R2的流动。
在此，第1壁W1的透气度与第2壁W2的透气度之差优选在规定的范围内。具体而言，第1壁W1的透气度优选为第2壁W2的透气度的90％以下，更优选为第2壁W2的透气度的80％以下，进一步优选为第2壁W2的透气度的50％以下。
当第1壁W1的透气度为第2壁W2的透气度的90％以下时，第1壁W1与第2壁W2的透气度之差变为10％以上。如果第1壁W1与第2壁W2的气体透过率之差为10％以上，则产生充分的内压差，原料气体被高效率地输送到单晶S。
为了增大第1壁W1与第2壁W2的透气度之差，优选第1壁W1的透气度无限地接近于零。例如，当作为气体隔断构件W1a使用金属，且覆盖第1壁W1整个面时，实质上气体不会透过。
另一方面，为了增大第1壁W1与第2壁W2的透气度之差，也可增大第2壁W2的透气度。但是，当第2壁W2的透气度过大时，原料气体从SiC单晶生长用坩埚10内流出，单晶S的生长效率降低。因此，像在第2壁W2的一部分设置开口而流出升华气体那样的坩埚是不优选的。再者，作为在使碳化硅生长时使用的坩埚的基材，使用石墨的情况较多。石墨的气体透过率为10-1～10-2cm2/秒左右，通过作为第2壁W2使用石墨而成为密闭状态，第2壁W2的透气度的绝对值不会过大。
气体隔断构件W1a由透气性比石墨低的材料构成。一般而言，为了使SiC原料G升华，需要设为2400℃左右的高温。因此，SiC单晶生长用坩埚10的许多部分由石墨构成。气体隔断构件W1a通过由透气性比石墨低的材料构成，防止原料气体从SiC单晶生长用坩埚10内经由第1壁W1向外部逸出。
气体隔断构件W1a优选为金属、金属碳化物、玻璃碳中的任一种。玻璃碳意指兼具玻璃和陶瓷的性质的非石墨化碳。
包含这些材料的气体隔断构件W1a，其气体隔断性与石墨相比极高。一般而言，构成用于SiC的结晶生长的坩埚的石墨，其气体透过率被认为是10-1～10-2cm2/秒左右。与此相对，作为金属碳化物的一例的TaC被膜以及玻璃碳的气体透过率被认为是10-7cm2/秒以下。而且，可以说，金属膜实质上不透过气体，为10-10cm2/秒以下的气体透过率。通过根据构成第2壁W2的材料来选择气体透过构件W1a，能够相对于第2壁W2的透气度使第1壁W1的透气度容易地降低。
再者，上述的气体透过率是在具有规定的压力差的环境下的氮气的气体透过率。即使数值的绝对值变化，气体透过率的相对关系也不会较大地变化，因此即使在其它的气体种类、不同的压力差的条件下也能够以该指标为基础来选择。
金属或金属碳化物的熔点优选为2500℃以上。作为具有2500℃以上的熔点的金属，可使用例如钽(Ta)、锇(Os)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)等。另外，作为具有2500℃以上的熔点的金属碳化物，可使用例如碳化钽(TaC)、碳化铪(HfC)、碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钒(VC)、碳化钼(Mo2C)等。
例如钽和钨等当以单质金属用作为气体隔断构件W1a时，可以认为会在外延生长的过程中由于从原料气体供给的碳而变为碳化钽以及碳化钨等。因此，这些金属以单质金属来使用能够削减金属碳化处理所需要的工时和成本，因而是优选的。
气体隔断构件W1a的厚度优选为1μm以上且1000μm以下。另外，在作为气体隔断构件W1a使用金属箔的情况下，优选为5μm以上。气体隔断构件W1a的厚度，作为任意的10个点的膜厚的平均值而求出。气体隔断构件W1a的厚度能够使用台阶仪等来测定。
当气体隔断构件W1a的厚度小于1μm时，由于气体隔断构件W1a的面内的厚度的不均匀，可能存在气体隔断构件W1a的厚度非常薄的部分。升华气体从这样的部分向外部泄漏，SiC单晶生长用坩埚10内的内压差变小。另外，即使气体隔断构件W1a的厚度过于增厚，气体隔断效果也不会较大地变化。因此，若使气体隔断构件W1a的厚度过厚，则会导致由于高价格的金属的使用量增加引起的成本上升。在作为气体隔断构件W1a使用金属箔的情况下，厚度小于5μm的金属箔难以得到。
如上述那样，根据第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚10，能够产生与坩埚内的内压差相伴的原料气体的流动。其结果，能够高效率地向设置于单晶设置部1的单晶S输送原料气体，能够使SiC单晶高效率地生长。
本实施方式未必限定于上述构成，能够在不脱离主旨的范围内加以各种变更。
图2是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的另一例的截面的截面图。图2A所示的SiC单晶生长用坩埚11，气体隔断构件W1b设置于第1壁W1的内部。另外，图2B所示的SiC单晶生长用坩埚12，气体隔断构件W1c设置于第1壁W1的外侧。其它的构成与上述的SiC单晶生长用坩埚10相同，并附带了相同的标记。
不论在图2A和图2B的哪个构成中，随着透气度的不同，在SiC单晶生长用坩埚11、12内产生内压差。因此，向单晶S输送原料气体，SiC单晶高效率地生长。
另外，图2A和图2B所示的SiC单晶生长用坩埚11、12，气体隔断构件W1b、W1c不与SiC单晶进行结晶生长的反应空间接触。因此，坩埚的内表面也作为碳供给源发挥作用，能够防止坩埚内成为富Si的环境。若坩埚内变为富Si，则在从晶种使SiC单晶生长时产生Si微滴(droplet)等，容易发生缺陷。
另外，图3是示意地表示第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的另一例的截面的截面图。图3所示的SiC单晶生长用坩埚13，在第2壁W2的一部分设置有气体隔断构件W2a。其它的构成与上述的SiC单晶生长用坩埚10相同，并附带了相同的标记。设置有气体隔断构件W2a的部分是第2壁W2的一部分，第2壁W2的透气度的平均值大于第1壁W1的透气度的平均值。
气体隔断构件W2a设置在从设置于原料设置部2的SiC原料G观看时与单晶设置部1重叠的部分。因此，原料气体的流动f，是从第1区域R1与第2区域R2的边界部朝向未设置气体隔断构件W2a的部分流动。
因此，无助于单晶S的结晶生长的原料气体在图3所示的第2区域R2的上方的角部变为多晶体。
即，多晶体生长的部分为最远离单晶S的位置。若多晶体与进行结晶生长的单晶S接触，则会在单晶S内发生缺陷等。因此，通过使多晶体生长的部分远离单晶S，能够提高进行结晶生长的SiC单晶的品质。
[第2实施方式]
图4是示意地表示第2实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。第2实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚14，将第1区域R1和第2区域R2划分开的隔壁是直径(口径)从单晶设置部1朝向原料设置部2扩大的锥形引导件4，这一点与第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚10不同。其它的构成与上述的SiC单晶生长用坩埚10相同，并附带了相同的标记。
图4所示的SiC单晶生长用坩埚14，第1壁W1的透气度低于第2壁W2的透气度。因此，在第1区域R1与第2区域R2之间产生内压差，原料气体被高效率地供给到单晶S。另外，原料气体沿着锥形引导件4流动，朝向单晶S会聚。因此，能够更高效率地向单晶S供给原料气体。
另外，原料气体根据压力差而在设置于单晶设置部1上的单晶S与锥形引导件4之间流动。在产生了原料气体的流动的部分中，在拦住原料气体的流动的朝向上难以发生结晶生长。即，在单晶S与锥形引导件4之间，原料气体流动的流路即使在单晶S进行结晶生长的过程中也被保持。
因此，即使单晶S的生长进展，也能避免在锥形引导件4上生长的多晶体与单晶S接触。多晶体通过与单晶S的侧面接触而成为缺陷发生、异种多型发生、裂纹发生的起因。
如上述那样，第2实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚14，由于隔壁为锥形引导件4，因此能够更高效率地向单晶S供给原料气体。另外，此时，也不会锥形引导件上的多晶体与结晶生长的单晶S接触而发生缺陷等问题。
[第3实施方式]
图5是示意地表示第3实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。第3实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚15，第1壁W11不具有气体隔断构件，且第1壁W11的厚度比第2壁W12的厚度厚，这一点与第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚10不同。其它的构成与上述的SiC单晶生长用坩埚10相同，并附带了相同的标记。
第3实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚15，第1壁W11的厚度比第2壁W12的厚度厚。在此，第1壁W11以及第2壁W12的厚度是指平均厚度。
第1壁W11与第2壁W12的厚度差产生出第1壁W11与第2壁W12的透气度的差。第1壁W11的透气度低于第2壁W12的透气度。因此，在第1区域R1与第2区域R2之间产生内压差，产生原料气体从内压高的第1区域R1向内压低的第2区域R2的流动。也就是说，SiC单晶生长用坩埚15能够促进单晶S的生长，使SiC单晶高效率地生长。
第1壁W11的厚度优选为第2壁W12的厚度的1.1倍以上，更优选为第2壁W12的厚度的1.5倍以上。如果第1壁W11和第2壁W12的厚度之差为10％以上，则会在SiC单晶生长用坩埚15内产生充分的内压差，能够使SiC单晶更高效率地生长。
另外，优选不仅厚度的平均值，而且第1壁W11的厚度的最小值比第2壁W12的厚度的最小值大10％以上。在此，“厚度的最小值”意指第1壁W11或第2壁W12的厚度最薄的部分的厚度。
在由同一材质构成的情况下，厚度最薄的部分的透气度最高。从第1壁W11的透气度最高的部分流出的原料气体和从第2壁W12的透气度最高的部分流出的原料气体的差量，占据从第1区域R1向第2区域R2流动的原料气体的许多部分。因此，如果该差为10％以上，则能够在从第1区域R1朝向第2区域R2的过程中向存在的SiC单晶S充分供给原料气体。
[第4实施方式]
图6是示意地表示第4实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚的截面的截面图。第4实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚16，第1壁W21不具有气体隔断构件，且第1壁W21的密度比第2壁W22的密度高，这一点与第1实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚10不同。其它的构成与上述的SiC单晶生长用坩埚10相同，并附带了相同的标记。
第4实施方式涉及的SiC单晶生长用坩埚16，第1壁W21的密度比第2壁W22的密度高。在此，第1壁W21以及第2壁W22的密度是指平均密度。
在此，平均密度不限于由相同材料构成的情况。平均密度是通过测定第1壁W21和第2壁W22的重量，将测定出的各自的重量除以各自的体积而求出的。即，平均密度高意指在该部分中空隙少，意指透气度低。因此，并不是取决于第1壁W21和第2壁W22的材料种类。另一方面，当考虑界面的密合性、使用温度等时，第1壁W21和第2壁W22优选使用密度不同的石墨。
第1壁W21和第2壁W22的密度差产生出第1壁W21和第2壁W22的透气度的差。第1壁W21的透气度低于第2壁W22的透气度。因此，在第1区域R1与第2区域R2之间产生内压差，发生原料气体从内压高的第1区域R1向内压低的第2区域R2的流动。也就是说，SiC单晶生长用坩埚16能够促进单晶S的生长，使SiC单晶高效率地生长。
第1壁W21的密度优选为第2壁W22的密度的1.1倍以上，更优选为第2壁W22的密度的1.2倍以上。如果第1壁W21和第2壁W22的密度的差为10％以上，则会在SiC单晶生长用坩埚16内产生充分的内压差，能够使SiC单晶更高效率地生长。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于特定的实施方式，能够在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内进行各种的变形、变更。
附图标记说明
1：单晶设置部；
2：原料设置部；
3：隔壁；
4：锥形引导件；
10、11、12、13、14、15、16：SiC单晶生长用坩埚；
R1：第1区域；
R2：第2区域；
W1、W11、W21：第1壁；
W2、W12、W22：第2壁；
W1a、W1b、W1c、W2a：气体隔断构件；
S：单晶；
G：SiC原料。

Claims (8)

1.一种SiC单晶生长用坩埚，是在内部具有单晶设置部和原料设置部、且用于采用升华法得到SiC单晶的坩埚，
所述坩埚的第1壁的透气度低于所述坩埚的第2壁的透气度，所述坩埚的第1壁包围第1区域的至少一部分，所述坩埚的第2壁包围第2区域的至少一部分，所述第1区域是以所述单晶设置部为基准而位于所述原料设置部侧的区域，所述第2区域是以所述单晶设置部为基准而位于与所述原料设置部相反侧的区域。
2.根据权利要求1所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述第1壁的透气度为所述第2壁的透气度的90％以下。
3.根据权利要求1或2所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述第1壁的一部分具有气体隔断构件。
4.根据权利要求3所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述气体隔断构件设置于所述第1壁的内部或外周。
5.根据权利要求3或4所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述气体隔断构件为金属、金属碳化物、玻璃碳中的任一种。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述第1壁的厚度比所述第2壁的厚度厚。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的SiC单晶生长用坩埚，
所述第1壁的密度比所述第2壁的密度高。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的SiC单晶生长用坩埚，
将所述第1区域和所述第2区域划分开的隔壁是直径从所述单晶设置部朝向所述原料设置部扩大的锥形引导件。
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