CN110878427A - 单晶生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种能够抑制升华了的原料气体在原料表面再结晶化、并抑制在晶体生长的单晶内发生异种多形的单晶生长方法。该单晶生长方法包括：在具备用于收纳原料的内底部以及与所述内底部相对的晶体设置部的坩埚中，在所述内底部收纳原料的收纳工序；在所述收纳工序之后，从所述晶体设置部俯视，由金属碳化物粉末被覆所述原料的表面的至少一部分的被覆工序；以及在所述被覆工序之后，通过加热使所述原料升华，使设置于所述晶体设置部的单晶生长的晶体生长工序。

Description

单晶生长方法
技术领域
本发明涉及单晶生长方法。
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)具有导热率比硅(Si)高3倍左右等特性。碳化硅(SiC)被期待应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。
半导体等器件中，使用在SiC晶片上形成外延膜的SiC外延晶片。在SiC晶片上采用化学气相生长法(Chemical Vapor Deposition：CVD)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晶锭加工而得到的。
SiC晶锭可以采用升华再结晶法(以下称为升华法)等方法制作。升华法是通过使由原料升华的原料气体在晶种上再结晶化而得到大的单晶的方法。为了得到高品质的SiC晶锭，需求抑制缺陷、异种多形(多形的不同的晶体混合存在)的方法。
专利文献1记载了通过向SiC原料的表面添加Si原料，控制晶体生长面的原料气体的C与Si之比(C/Si比)，抑制缺陷、异种多形的方法。
在先技术文献
专利文献1：日本特开2010-275166号公报
发明内容
但是，有时进行了晶体生长的单晶内会包含异种多形，需求能够进一步抑制异种多形的方法。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供能够抑制升华的原料气体在原料表面再结晶化、并抑制在进行晶体生长的单晶内发生异种多形的单晶生长用坩埚和单晶生长方法。
本发明人发现如果在晶体生长后的原料表面产生析出物，则生长的单晶内容易发生异种多形。析出物是升华的原料气体的一部分以原料粉末为核进行再结晶化而形成的。因此，对于由难以吸附生成SiC的金属碳化物被覆产生析出物的原料的表面进行了研究。其结果发现能够抑制原料气体的一部分进行核生长，抑制析出物的产生，抑制在进行晶体生长的单晶内发生异种多形。
即、本发明为解决上述课题，提供以下技术方案。
(1)第1技术方案涉及的单晶生长方法，包括：在具备用于收纳原料的内底部以及与所述内底部相对的晶体设置部的坩埚中，在所述内底部收纳原料的收纳工序；在所述收纳工序之后，从所述晶体设置部俯视，由金属碳化物粉末被覆所述原料的表面的至少一部分的被覆工序；以及在所述被覆工序之后，通过加热使所述原料升华，使设置于所述晶体设置部的单晶生长的晶体生长工序。
(2)在上述技术方案涉及的单晶生长方法的所述被覆工序中，可以设为：由所述金属碳化物粉末被覆的区域包含所述原料的表面的中央区域。
(3)在上述技术方案涉及的单晶生长方法的所述被覆工序中，可以设为：所述金属碳化物粉末被覆所述原料的整个表面。
(4)在上述技术方案涉及的单晶生长方法中，可以设为：所述金属碳化物粉末的粒径为0.1mm以上且2.0mm以下。
(5)在上述技术方案涉及的单晶生长方法中，可以设为：所述金属碳化物粉末是碳化钽粉末。
(6)在上述技术方案涉及的单晶生长方法中，可以设为：在所述被覆工序中被覆的由金属碳化物粉末构成的被覆区域的平均厚度为1.0mm以上且30mm以下。
根据上述技术方案的单晶生长用坩埚和单晶生长方法，能够抑制升华的原料气体在原料表面再结晶化，抑制在晶体生长的单晶内发生异种多形。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式涉及的单晶生长方法的示意图。
图2是用于说明第1实施方式涉及的单晶生长方法的另一例的示意图。
附图标记说明
1 晶种
10 容器
11 内底部
12 晶体设置部
18 金属碳化物粉末
18a 表面
19 隔板
30 线圈
100 单晶生长装置
M 原料
Ma 原料表面
具体实施方式
以下，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。以下的说明中使用的附图，有时为了方便会将特征部分放大表示，各构成要素的尺寸比例等有时会与实际不同。以下的说明中例示的材质、尺寸等只是一例，并不限定本发明，可以在不改变其主旨的范围内适当变更而实施。
<单晶生长方法>
(第1实施方式)
图1是用于说明第1实施方式涉及的单晶生长方法的示意图。首先对单晶生长方法中使用的单晶生长装置100进行说明。图1所示的单晶生长装置100具有坩埚10和加热单元30。图1中同时示出坩埚10的内部结构。
坩埚10是围绕出内部空间的容器。坩埚10具备内底部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设置晶种1。例如晶体设置部12在从原料M侧观察时的中央的位置呈圆柱状向原料M突出。晶体设置部12可以使用石墨等碳材料。
加热单元30覆盖坩埚10的外周。作为加热单元30例如可以使用线圈。如果在线圈的内部流通电流，会在坩埚10产生感应电流从而加热原料M。
第1实施方式涉及的单晶生长方法使用上述的单晶生长装置100。以下，对使用单晶生长装置100的单晶生长方法进行说明。第1实施方式涉及的单晶生长方法具有收纳工序、被覆工序和晶体生长工序。
在收纳工序中，在坩埚10的内底部11收纳原料M。例如，将SiC的粉末原料填充于内底部11。为了提高相对于晶体设置部12的对称性，原料M的原料表面Ma优选平坦。所收纳的SiC粉末原料的平均粒径优选为0.05mm以上且1.0mm以下。
在被覆工序中，由金属碳化物粉末18覆盖原料M的原料表面Ma的至少一部分。
金属碳化物粉末18例如为碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)、碳化铌(NbC)、碳化钼(MoC)、碳化铪(HfC)等过渡金属碳化物。这些材料的耐热性、稳定性优异。另外，这些材料与原料M相比是难以吸附生成SiC的材料，能够防止产生成为再结晶化的起点的SiC的晶核。虽然原料粒子也会成为再结晶化的起点，但通过金属碳化物粉末18的被覆，能够防止对原料气体露出，抑制与再结晶化相伴的析出物的产生。
金属碳化物粉末18的平均粒径优选大于构成原料M的SiC粉末原料的平均粒径。金属碳化物粉末18的平均粒径例如优选为0.1mm以上且2.0mm以下。通过在坩埚10内产生的对流等，抑制金属碳化物粉末卷起上扬。另外，在金属碳化物粉末18之间确保充分的间隙，向晶种1有效地供给由原料M升华的原料气体。
金属碳化物粉末18优选覆盖原料表面Ma的中央区域。中央区域是从原料表面Ma的中央起算为20面积％的区域。中央区域的俯视形状设为与原料表面Ma的俯视形状相似的形状。
坩埚10的中央区域的温度比外周区域低。因此，与外周区域相比，原料气体的再结晶化更容易在中央区域发生。通过由金属碳化物粉末18被覆容易发生再结晶化的中央区域，并且金属碳化物粉末18不被覆原料M容易升华的外周区域，能够有效地向晶种1供给原料气体。
金属碳化物粉末18优选为覆盖比原料表面内最高温度低15℃以上的区域的状态。在原料表面Ma中，如果形成比原料表面内最高温度低20℃以上的区域，则容易在原料表面Ma产生析出物。如果金属碳化物粉末18对原料表面Ma的被覆面积提高，则析出防止效果提高。另一方面，如果金属碳化物粉末18对原料表面Ma的被覆面积提高，则有可能会阻碍升华气体向晶种侧流出。可以根据所需求的规格而适当设定金属碳化物粉末对原料表面Ma的被覆量。
金属碳化物粉末18可以覆盖比中央区域大的范围。例如，金属碳化物粉末18可以覆盖从中心起算为内底部11的50面积％以上的区域，也可以覆盖从中心起算为内底部11的80面积％以上的区域。
在金属碳化物粉末18仅被覆原料表面Ma的一部分的情况下，可以使用隔板19划分被覆的区域。通过使用隔板19，能够改变原料表面Ma的高度位置和金属碳化物粉末18的表面18a的高度位置。原料表面Ma与金属碳化物粉末18的表面18a的高度位置可以一致也可以不同。金属碳化物粉末18的表面18a优选在从原料表面Ma起算为20mm以内的区域。金属碳化物粉末18的表面18a可以位于比原料表面Ma靠上方(晶体设置部12侧)，也可以位于靠下方(内底部11侧)。
作为隔板19的例子，例如可举出由石墨、金属碳化物构成的环状结构。
另外，金属碳化物粉末18可以如图2所示覆盖原料M的整个表面。由原料M升华的原料气体从金属碳化物粉末18之间的间隙通过而到达晶种1。
由金属碳化物粉末18构成的被覆区域的平均厚度优选为1.0mm以上且30mm以下。通过将被覆区域的平均厚度设为预定的范围，能够有效地向晶种1供给原料气体，并且抑制原料气体在原料表面Ma的再结晶化。
金属碳化物粉末18的表面可以平坦，也可以是向坩埚10中央凸起的山形。
接着，在与原料M相对的位置的晶体设置部12设置晶种1。晶种1的设置可以在收纳原料M之前进行也可以在收纳之后进行。在收纳晶种1和原料M后，将坩埚10密封。
在晶体生长工序中，通过加热单元30进行加热。例如，对线圈通电。在坩埚10中产生来自线圈的感应电流从而发热。被坩埚10加热的原料升华，在晶种1的表面再结晶化，晶种1进行晶体生长。
根据第1实施方式涉及的单晶生长方法，能够抑制升华的原料气体在原料表面Ma再结晶化，能够抑制在晶体生长的单晶内发生异种多形。
坩埚10被线圈30从外侧加热。坩埚10的中央区域的温度比外侧低。被收纳在坩埚10内的原料M的升华主要在坩埚10的外周区域发生。外周区域是指在坩埚10的内部比中央区域靠外侧的区域。不存在金属碳化物粉末18的情况下，在外周区域中升华的原料气体的一部分会以位于中央区域的原料粒子为核进行晶体生长。以原料粒子为核进行再结晶化的产物，会在晶体生长后的原料表面作为析出物残留。为了稳定地进行单晶生长，需要使生长空间内的升华气体的C/Si比稳定。原料面的析出现象会使该C/Si比不稳定化，成为发生异种多形的原因。
与此相对，如果金属碳化物粉末18被覆原料表面Ma，则会抑制析出物的产生。金属碳化物粉末18是由难以吸附生成SiC的金属碳化物构成的。因此，也会抑制升华的原料气体在金属碳化物粉末18上再结晶化。也就是说，第1实施方式涉及的单晶生长装置100抑制析出物的产生，抑制在进行晶体生长的单晶内发生异种多形。
另外，由金属碳化物粉末18构成的被覆区域的大小可以自由调整。在采用构件的情况下，会存在大尺寸的加工等制约，但在采用粉末的情况下制约较少。
以上，对本发明的优选实施方式的一例进行详细说明，但本发明并不限定于该实施方式，可以在权利要求的范围内所记载的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。
实施例
<实施例1>
首先，准备在内部设有圆柱状的内部空间的晶体生长用坩埚。然后，向晶体生长用坩埚的内底部填充粉末状态的SiC粉末原料作为原料。接着，在所充填的SiC粉末原料上设置碳化钽粉末。碳化钽粉末被覆原料的中央区域。
然后，在晶体设置部设置4H-SiC的晶种，进行晶体生长得到6英寸的SiC晶锭。所制作的SiC晶锭全部为4H-SiC，不含异种多形。另外，在设置的碳化钽粉末上没有观察到析出物。
<比较例1>
比较例1中，在没有使用碳化钽粉末这一点上与实施例1不同。即、在没有被覆原料表面的状态下使SiC晶锭进行晶体生长。其它条件与实施例1同样地进行了单晶的晶体生长。
所制作的SiC晶锭，在4H-SiC中包含6H-SiC和菱面体晶的15R-SiC的异种多形。另外，在原料表面观察到许多析出物。

Claims (6)

1.一种单晶生长方法，包括：
在具备用于收纳原料的内底部以及与所述内底部相对的晶体设置部的坩埚中，在所述内底部收纳原料的收纳工序；
在所述收纳工序之后，从所述晶体设置部俯视，由金属碳化物粉末被覆所述原料的表面的至少一部分的被覆工序；以及
在所述被覆工序之后，通过加热使所述原料升华，使设置于所述晶体设置部的单晶生长的晶体生长工序。
2.根据权利要求1所述的单晶生长方法，
在所述被覆工序中，由所述金属碳化物粉末被覆的区域包含所述原料的表面的中央区域，
所述中央区域是从所述原料的表面的中央起算为20面积％的区域。
3.根据权利要求1或2所述的单晶生长方法，
在所述被覆工序中，所述金属碳化物粉末被覆所述原料的整个表面。
4.根据权利要求1或2所述的单晶生长方法，
所述金属碳化物粉末的粒径为0.1mm以上且2.0mm以下。
5.根据权利要求1或2所述的单晶生长方法，
所述金属碳化物粉末是碳化钽粉末。
6.根据权利要求1或2所述的单晶生长方法，
在所述被覆工序中被覆的由金属碳化物粉末构成的被覆区域的平均厚度为1.0mm以上且30mm以下。
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