CN110878424A - SiC单晶的制造方法和被覆构件 - Google Patents

Abstract

一种SiC单晶的制造方法和被覆构件，所述SiC单晶的制造方法具有收纳工序、设置工序和晶体生长工序，所述收纳工序中，在能够收纳原料且能够在与所述原料相对的位置安置籽晶的坩埚的内底部收纳粉末的原料，所述设置工序中，在所述原料的所述籽晶侧的第1面的至少一部分配置多孔体，所述晶体生长工序中，通过加热使所述原料升华，在所述籽晶上生长晶体，所述多孔体由碳或碳化物构成，所述多孔体的孔径小于所述原料的平均粒径。

Description

SiC单晶的制造方法和被覆构件

技术领域

本发明涉及SiC单晶的制造方法和被覆构件。

本申请基于2018年9月6日在日本提出申请的专利申请2018-167065号主张优先权，将其内容引用于此。

背景技术

碳化硅(SiC)的绝缘击穿电场比硅(Si)大1个数量级，带隙比硅(Si)大3倍。另外，碳化硅(SiC)具有热传导率比硅(Si)高3倍左右等特性。期待碳化硅(SiC)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。

半导体等器件使用在SiC晶片上形成了外延膜的SiC外延晶片。采用化学气相生长法(Chemical Vapor Deposition：CVD)在SiC晶片上设置的外延膜成为SiC半导体器件的活性区域。SiC晶片是对SiC锭进行加工而得到的。

SiC锭能够采用升华再结晶法(以下称为升华法)等方法制作。升华法是通过在籽晶上使从原料升华出的原料气体进行再结晶化来得到大的单晶的方法。为了得到高品质SiC锭，要求抑制缺陷和异种多型(多型不同的晶体混合存在)的方法。

专利文献1中记载了使用SiC的多孔质烧结体作为原料。通过使用多孔质烧结体，能够防止升华气体组成的变动，抑制升华速度的时间变化。

专利文献2记载了使用金属杂质的含有率不同的2种原料的SiC单晶的制造方法。利用杂质含有率少的原料来覆盖杂质含有率高的原料。如果采用专利文献2所记载的制造方法，则可抑制金属杂质混入SiC单晶中。

但是，有时在结晶生长出的单晶内包含缺陷等，要求进一步提高SiC单晶的品质的方法。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2016-179920号公报

专利文献2：日本特开2009-051700号公报

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种SiC单晶的制造方法和被覆构件，抑制了因Si先从原料粉末升华而残存的碳粉的飞舞。

本发明人发现，通过利用被覆构件来覆盖收纳于坩埚内的原料粉末的表面，可抑制原料粉末的飞舞。

即，本发明为了解决上述课题，提供以下手段。

(1)第1方案的SiC单晶的制造方法，具有收纳工序、设置工序和晶体生长工序，所述收纳工序中，在能够收纳原料、且能够在与所述原料相对的位置安置籽晶的坩埚的内底部收纳粉末的原料，所述设置工序中，在所述原料的所述籽晶侧的第1面的至少一部分配置多孔体，所述晶体生长工序中，通过加热使所述原料升华，在所述籽晶上生长晶体，所述多孔体由碳或碳化物构成，所述多孔体的孔径小于所述原料的平均粒径。

上述第1方案的SiC单晶的制造方法优选包含下述特征(2)～(5)。这些特征也优选组合2个以上。

(2)在上述方案的SiC单晶的制造方法中，可以是：所述多孔体覆盖所述原料的所述第1面的70％以上。

(3)在上述方案的SiC单晶的制造方法中，可以是：所述多孔体在中央部具有开口部，所述多孔体覆盖所述原料的所述第1面的外侧。

(4)在上述方案的SiC单晶的制造方法中，可以是：所述多孔体具有位于所述籽晶侧的A面和位于所述原料侧的B面，且具有在厚度方向上从所述A面连通到所述B面的多个孔部。

(5)在上述方案的SiC单晶的制造方法中，可以是：所述多孔体的厚度小于被收纳的所述原料的高度的40％。

(6)第2方案的被覆构件，是晶体生长用的被覆构件，其被设置在采用升华法生长单晶时所使用的坩埚的内部，对收纳于所述坩埚的原料的表面进行被覆，所述被覆构件由碳或碳化物的多孔体构成，所述多孔体的孔径小于被收纳的所述原料的平均粒径。

根据上述方案的SiC单晶的制造方法和被覆构件，能够抑制因Si先从原料粉末升华而残存的碳粉的飞舞。

附图说明

图1是表示用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的例子的概略截面图。

图2是表示用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的另一例的概略截面图。

图3是表示用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的另一例的概略截面图。

图4是表示实施例2的研讨结果的坐标图。

图5是表示实施例3的研讨结果的坐标图。

附图标记说明

1 籽晶

10 坩埚

11 内底部

12 晶体设置部

20、21、22 多孔体

21A 孔部

21a 第1面(A面)

21b 第2面(B面)

22A 开口部

30 加热部

M 原料

Ma 第1面

具体实施方式

以下，适当参照附图对本实施方式的优选例进行详细说明。为方便起见，以下说明中使用的附图有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下说明中例示的材质、尺寸等为一例，本发明没有限定于此，在不变更其主旨的范围能够适当变更地实施。例如，只要没有特别限制，数目、形状、大小、长度等就可以根据需要变更、追加、省略。

“SiC单晶的制造方法”

(第1实施方式)

图1是用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的截面图。首先，对SiC单晶的制造方法中使用的坩埚10进行说明。图1图示了坩埚10的内部构造和加热坩埚10的加热部30。

坩埚10是包围内部空间的容器。图1所示坩埚10具有内底部11以及与内底部11相对的晶体设置部12。在内底部11收纳原料M。在晶体设置部12设置籽晶1。例如晶体设置部12从原料M侧观察在中央位置以圆柱状向原料M突出。在晶体设置部12，例如可以使用石墨等碳材料。晶体设置部12未必需要，也可以在坩埚10的内部的上表面设置籽晶1。

加热部30覆盖着坩埚10的外周。作为加热部30，可以使用例如高频加热线圈。能够通过对线圈流通高频电流，通过电磁感应来加热坩埚10。

第1实施方式的SiC单晶的制造方法使用上述坩埚10。第1实施方式的单晶生长方法具有收纳工序、设置工序和晶体生长工序。

<收纳工序>

收纳工序中，在坩埚10的内底部11收纳原料M。例如，向内底部11填充SiC的粉末原料。为了提高对于籽晶1的对称性，优选原料M的籽晶1侧的第1面Ma变得平坦、即具有平坦的表面。

构成被收纳的原料M的粉末粒子的平均粒径可以任意选择，但优选为30μm以上且1000μm以下。更优选为90μm以上且600μm以下，进一步优选为200μm以上且400μm以下。

粉末粒子的平均粒径是例如采用粒度分布测定得到的分布曲线中的累计值为50％的粒子的直径(D50)。粒子的粒度分布能够由使用了激光衍射散射法(微跟踪法)的粒度分布测定装置来测定。

<设置工序>

设置工序中，在原料M的第1面Ma的至少一部分配置多孔体20。图1所示多孔体20在整个面覆盖原料M的第1面Ma。多孔体20是内部具有孔的被覆构件。

多孔体20由碳或碳化物构成。碳化物可以任意选择，可优选地举出SiC、TaC等作为例子。

例如，碳化物的烧结体(SiC烧结体、TaC烧结体)是多孔体20的一例。

多孔体20为SiC烧结体等SiC的情况下，也能够作为原料发挥作用。

多孔体20的孔径小于构成原料M的粉末粒子的平均粒径。优选多孔体20的孔径为构成原料M的粉末粒子的平均粒径的70％以下，更优选为60％以下，进一步优选为50％以下。上述比率的下限值可以任意选择，可以为例如5％以上、10％以上、20％以上或40％以上，但不仅限定于此。多孔体20的孔径采用例如水银压入法求得。

多孔体20的孔隙率可以任意选择，但优选为40％以上且60％以下，更优选为43％以上且55％以下，进一步优选为45％以上且50％以下。多孔体20的孔隙率由下式求得。

“孔隙率(％)”＝{1-(“多孔体20的实测质量(g)”/“构成多孔体20的材料的理论密度(g/cm³)”)/“多孔体20的体积(cm³)”}×100

多孔体20的厚度优选为从晶体生长前的原料M的第1面Ma向内底部11下垂的垂线的高度的40％以下。所述比率可以为35％以下，也可以为30％以下。即使经由多孔体20也能够向籽晶1供给足够的原料气体，籽晶1的晶体生长速度可被维持。所述比率的下限可以任意选择。例如所述比率可以为1％以上，可以为5％以上，可以为10％以上，也可以为15％以上。

<晶体生长工序>

在与原料M相对的位置的晶体设置部12设置籽晶1。籽晶1的设置可以在收纳原料M之前也可以在收纳原料M之后。在收纳籽晶1和原料M之后，将坩埚10密闭。

晶体生长工序中，通过对加热部30流通高频电流来使坩埚10产生感应电流，从而使坩埚10发热。被坩埚10加热了的原料M升华，在籽晶1的表面发生再结晶化，使籽晶1结晶生长。

在结晶生长时，原料M的硅比碳更容易升华。因此，有时在原料M的第1面Ma残存碳粉。从原料M升华出的气体朝向籽晶1，因此在坩埚10内发生对流。碳粉由于对流而卷起。在没有多孔体20的情况下，与存在多孔体20的情况相比，碳粉的卷起量多。被卷起了的碳粉混入结晶生长的单晶内(包碳体)。单晶中的包碳体成为缺陷、异种多型的原因，使单晶的品质下降。

相对于此，根据本实施方式的SiC单晶的制造方法，多孔体20能够防止碳粉的卷起。多孔体20的孔径小于构成原料M的粉末粒子的平均粒径，因此能够抑制碳粉到达籽晶1。

以上，对本发明的优选实施方式的一例进行了详细说明，但本发明不限定于该实施方式。在专利请求保护的范围内所记载的本发明主旨的范围内，能够进行各种变形和变更。

(变形例1)

图2是用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的另一例的截面图。变形例1中多孔体21的结构与图1所示多孔体20不同。其他结构与图1所示结构相同，省略说明。

图2所示多孔体21具有在厚度方向上从第1面21a(A面)连通到第2面21b(B面)的多个孔部21A。第1面21a(A面)是多孔体21的籽晶1侧的面，第2面21b是多孔体21的原料M侧的面。

孔部21A在制作成致密的烧结体后被形成为烧结体。孔部21A的孔径和形状可以自由设计。例如，孔部21A可以相对于第1面21a(A面)和第2面21b(B面)大致垂直地形成。

孔部21A的形状可以在俯视下为例如圆形或大致圆形等，但不仅限定于这些例子。孔部21A的形状和尺寸在俯视下的确认时可以全部相同。在将原料M的第1面Ma的面积设为100％时，孔部21A的合计面积优选为5％以上，可以为10％以上，也可以为20％以上。另外，孔部21A的合计面积的上限值优选尽量大。如果考虑多孔体21的强度，则优选为50％以下，可以为40％以下，也可以为30％以下。不过不仅限定于这些例子。

孔部21A的孔径小于构成原料M的粉末粒子的平均粒径。优选孔部21A的孔径为构成原料M的粉末粒子的平均粒径的70％以下，更优选为60％以下，进一步优选为50％以下。上述比率的下限值可以任意选择，可以为例如5％以上、10％以上、20％以上或40％以上，但不仅限定于此。孔部21A的孔径可以采用水银压入法测定。另外，所述孔径可以作为沿着多孔体21的面内方向的切截面上的任意10个孔的平均值来求得。

变形例1的情况下，多孔体21的孔隙率没有特别限定。形成孔部21A的部分以外可以是致密的且没有孔隙。

孔部21A的孔径优选在多孔体21的厚度方向上大致恒定。另外，优选多个孔部21A各自的孔径大致恒定。大致恒定是指在孔径最大的部分与最小的部分，孔径的变动率小于10％。

孔径的变动率利用{1-(“最小径”/“最大径”)×100求得。

如上所述，在变形例1中，能够抑制碳粉的卷起。另外，多孔体21的孔部21A可以自由设计，能够调整来自原料M的原料气体的供给量等。

(变形例2)

图3是用于说明第1实施方式的SiC单晶的制造方法的坩埚的另一例的截面图。变形例2中，多孔体22的结构与图1所示多孔体20不同。变形例2具有在多孔体20的中央开孔的结构。其他结构与图1所示结构相同，省略说明。

图3所示多孔体22没有覆盖原料M的第1面Ma的整个面，这点与图1不同。在将第1面Ma的面积设为100％时，多孔体22优选覆盖原料M的第1面Ma的70％以上。所述比率可以任意选择，多孔体22可以覆盖80％以上，可以覆盖90％以上，也可以覆盖95％以上。所述比率的上限可以任意选择，例如所述比率可以为98％以下，可以为95％以下，也可以为90％以下。

多孔体22在中央部具有1个开口部22A。图3所示多孔体22覆盖着原料M的第1面Ma的外侧。

坩埚10被加热部30从外侧加热，坩埚10的中央部的温度低于外侧。被收纳于坩埚10内的原料M的升华主要在坩埚10的外周部发生。因此，通过原料M的升华而产生的碳粉容易在外周部产生。

如上所述，在变形例2中，也能够抑制碳粉的卷起。另外，通过在中央部设置开口部22A，能够调整难以升华的中央部与容易升华的外周部的升华量。

实施例

“实施例1”

首先，准备了在内部设置有圆柱状内部空间的坩埚。然后，向坩埚的内底部填充了粉末状态的SiC粉末原料作为原料。粉末粒子的粒径设为300μm。

接着，在原料粉末上设置了由SiC烧结体构成的多孔体。将原料的表面整体用所述多孔体覆盖。多孔体的平均孔径为150μm。多孔体的平均孔径对采用光学显微镜计测的预定范围内的孔的平均孔径进行了测定。该值与使用水银测孔仪计测出的值差异不大。再者，多孔体孔隙率为45％。多孔体的厚度设为从原料的表面向内底部下垂的垂线的高度的15％。

然后，在晶体设置部设置籽晶，使6英寸的SiC锭结晶生长。对制作出的SiC锭中的包碳体密度进行了测定。包碳体密度是将SiC锭切片为1mm的厚度后，使用透射型光学显微镜计数预定面积中存在的包碳体的数目来求得的。实施例1的包碳体密度为5.7×10³个/cm³。

“比较例1”

比较例1在没有设置多孔体这点上与实施例1不同。其他条件与实施例1相同。比较例1的包碳体密度为8.2×10⁴个/cm³。

如果比较实施例1和比较例1，则实施例1的包碳体密度低。认为这是由于SiC原料升华后残存的碳粉的卷起得到抑制的缘故。

“实施例2”

实施例2中，使用图3所示变形例2的多孔体22，变更多孔体的原料表面的被覆率。其他条件与实施例1相同。多孔体的原料被覆率分别为0％(对应于比较例1)、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％(对应于实施例1)。

图4表示实施例2的研讨结果。图4的横轴是多孔体的原料表面的被覆率。图4的纵轴是将被覆率为0％(对应于比较例1)时的包碳体密度设为100％时各自被覆率的包碳体密度之比。

如图4所示，如果用多孔体被覆原料的表面，则包碳体密度降低。另外，如果被覆率超过70％，则包碳体密度之比明显下降。

“实施例3”

实施例3中，改变多孔体的厚度相对于从收纳了的原料表面向内底部下垂的垂线的高度之比。其他条件与实施例1相同。在将多孔体的厚度设为从收纳了的原料的表面向内底面下垂的垂线的高度的10％的例子、设为20％的例子、设为30％的例子、设为40％的例子、设为50％的例子中，分别求得包碳体密度(图中的三角)和原料的升华量(图中的圆)。

图5表示实施例3的研讨结果。图5的横轴是多孔体的厚度相对于从收纳了的原料的表面向内底部下垂的垂线的高度之比。图4的左侧纵轴是将被覆率为0％(对应于比较例1)时的包碳体密度设为100％时的包碳体密度之比。另外，图4的右侧纵轴是将被覆率为0％(对应于比较例1)时的升华量设为100％时的升华量之比。

如图5所示，如果多孔体的厚度增加，则包碳体密度降低。另一方面，原料的升华量随着多孔体厚度的增加而减少。多孔体厚度在从收纳了的原料的表面向内底部下垂的垂线的高度小于40％的区域，升华量的降低少。

产业上的可利用性

能够提供抑制了由于Si先从原料粉末升华而残存了的碳粉的飞舞的、SiC单晶的制造方法和被覆构件。

Claims (14)

1.一种SiC单晶的制造方法，具有收纳工序、设置工序和晶体生长工序，

所述收纳工序中，在能够收纳原料、且能够在与所述原料相对的位置安置籽晶的坩埚的内底部收纳粉末的原料，

所述设置工序中，在所述原料的所述籽晶侧的第1面的至少一部分配置多孔体，

所述晶体生长工序中，通过加热使所述原料升华，在所述籽晶上生长晶体，

所述多孔体由碳或碳化物构成，

所述多孔体的孔径小于所述原料的平均粒径。

2.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体覆盖所述原料的所述第1面的70％以上。

3.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体在中央部具有开口部，

所述多孔体覆盖所述原料的所述第1面的外侧。

4.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体具有位于所述籽晶侧的A面和位于所述原料侧的B面，且具有在厚度方向上从所述A面连通到所述B面的多个孔部。

5.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体的厚度小于被收纳的所述原料的高度的40％。

6.一种被覆构件，是晶体生长用的被覆构件，其被设置在采用升华法生长单晶时所使用的坩埚的内部，对收纳于所述坩埚的原料的表面进行被覆，

所述被覆构件由碳或碳化物的多孔体构成，

所述多孔体的孔径小于被收纳的所述原料的平均粒径。

7.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体覆盖着所述原料的第1面整体。

8.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体的孔径为构成原料的粉末粒子的平均粒径的70％以下。

9.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体的孔隙率为40％以上且60％以下。

10.根据权利要求1所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体的孔隙率为45％以上且50％以下。

11.根据权利要求4所述的SiC单晶的制造方法，

所述多孔体是在致密的烧结体中形成了所述孔部的多孔体，

所述孔部的孔径为构成原料的粉末粒子的平均粒径的70％以下。

12.根据权利要求6所述的被覆构件，

所述多孔体由SiC烧结体或TaC烧结体构成，

所述多孔体的孔隙率为40％以上且60％以下。

13.根据权利要求6所述的被覆构件，

所述多孔体在中央部具有开口部。

14.根据权利要求6所述的被覆构件，

所述多孔体具有位于所述籽晶侧的A面和位于所述原料侧的B面，且具有在厚度方向上从所述A面连通到所述B面的多个孔部。

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