CN110914485A - 基于硅的熔融组合物和使用其的碳化硅单晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

根据一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物在用于形成碳化硅单晶的溶液生长法中使用，包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)，并且以式1表示。在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。[式1]Si_aY_bFe_{c ^。}

Description

基于硅的熔融组合物和使用其的碳化硅单晶的制造方法

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年5月25日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0059815号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

(a)发明领域

本发明涉及基于硅的熔融组合物和用于使用其制造碳化硅单晶的方法。

(b)相关技术的描述

电力半导体装置是用于使用电能的下一代系统例如电动车辆和电力系统或者用于射频移动通信的关键装置。为此目的，需要选择适合于高电压、高电流和射频的材料。硅单晶已经被用作电力半导体材料，但由于物理特性的限制，具有小的能量损失并且可以在更极端的条件下驱动的碳化硅单晶受到高度关注。

为了生长碳化硅单晶，例如可以使用以下方法：使用碳化硅作为基础材料并在等于或大于2000度(℃)的高温下使其升华以生长单晶的升华法、用于应用拉晶法的溶液生长法和使用气体源的化学气相沉积法。

在使用化学气相沉积法的情况下，可以允许生长至厚度受限的薄膜水平，在使用升华法的情况下，可能产生诸如微管(micropipe)或堆叠误差的缺陷，因此从生产成本的角度来看存在限制。对具有低于升华法的晶体生长温度的晶体生长温度且有利于扩宽和高品质的溶液生长法的研究正在进行中。

发明内容

本发明致力于提供用于控制杂质的析出并允许长时间稳定的晶体生长过程的基于硅的熔融组合物。本发明还致力于提供用于提供具有优异的品质的碳化硅单晶的基于硅的熔融组合物。本发明还致力于提供用于使用基于硅的熔融组合物制造碳化硅单晶的方法。

本发明要实现的技术目的不限于上述技术目的。即，本发明所属领域的技术人员从以下描述中可以明显地理解未提及的其他技术目的。

本发明的一个示例性实施方案提供了在用于形成碳化硅单晶的溶液生长法中使用的基于硅的熔融组合物，所述基于硅的熔融组合物包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)，并且如式1所示：

[式1]

Si_aY_bFe_c

其中，在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。

b可以等于或大于0.2且等于或小于0.25，以及c可以等于或大于0.15且等于或小于0.20。

本发明的另一个实施方案提供了用于制造碳化硅单晶的方法，其包括：准备碳化硅晶种；制备包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)并且如式1所示的基于硅的熔融组合物；形成包含基于硅的熔融组合物和碳(C)的熔融溶液；以及由熔融溶液在碳化硅晶种上获得碳化硅单晶：

[式1]

Si_aY_bFe_c

其中，在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。

b可以等于或大于0.2且等于或小于0.25，以及c可以等于或大于0.15且等于或小于0.2。

在获得碳化硅单晶时，可以不析出硅化钇。

形成熔融溶液可以包括将基于硅的熔融组合物插入坩埚中并对其进行加热。

加热可以包括将熔融溶液加热至1800度(℃)。

熔融溶液的碳溶解度可以处于饱和状态。

可以相对于熔融溶液的表面形成-20℃/厘米的温度梯度，以及碳化硅晶种可以被允许接触熔融溶液的表面。

碳化硅单晶的生长速度可以等于或大于0.1mm/小时。

根据示例性实施方案的基于硅的熔融组合物可以在进行晶体生长过程的同时提供均匀的组合物，由此可以获得具有优异的品质的碳化硅单晶。

附图说明

图1示出了用于生长碳化硅单晶的制造装置的截面图。

图2示出了通过使用根据实施例的基于硅的熔融组合物析出的单晶图像。

图3示出了通过使用根据比较例的基于硅的熔融组合物析出的单晶图像。

具体实施方式

将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方案。在描述本发明时，将省略对已知功能或配置的描述以使本发明的主题更清楚。

为了清楚地描述本发明，省略了与描述不相关的部分，并且在整个本说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。为了更好地理解和易于描述，任意示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，但本发明不限于此。

在附图中，为了清楚起见，层、膜、面板、区域等的厚度被放大。为了更好地理解和易于描述，一些层和区域的厚度被放大。应理解，当元件例如层、膜、区域或基底被称为在另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者还可以存在中间元件。

现在将描述根据一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物。

根据一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物可以包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)。基于硅的熔融组合物可以表示为式1。

[式1]

Si_aY_bFe_c

在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。此外，根据实例，在式1中，a可以等于或大于0.6且等于或小于0.8，b可以等于或大于0.2且等于或小于0.25，以及c可以等于或大于0.15且等于或小于0.2。

换言之，基于硅的熔融组合物中硅的含量等于或大于40原子％且等于或小于80原子％，钇(Y)的含量等于或大于20原子％且等于或小于30原子％，以及铁(Fe)的含量等于或大于10原子％且等于或小于20原子％。根据实例，基于硅的熔融组合物中硅的含量可以等于或大于60原子％且等于或小于80原子％，钇(Y)的含量可以等于或大于20原子％且等于或小于25原子％，以及铁(Fe)的含量可以等于或大于15原子％且等于或小于20原子％。

当基于硅的熔融组合物中包含钇(Y)时，可以增加碳对熔融溶液的溶解度。钇(Y)在相对低的温度(例如1800度)下可以具有高的碳化硅单晶生长速度。因此，当包含钇时，单晶生长过程可以在低温下进行。此外，较少量的钇(Y)被投入到碳化硅单晶中，因此在具有高纯度的碳化硅单晶生长中可能是有利的。

当基于硅的熔融组合物中包含小于15原子％的钇(Y)的量时，基于硅的熔融组合物上的碳溶解度降低，因此碳化硅单晶生长速度可能显著降低。此外，当基于硅的熔融组合物中包含大于50原子％的钇(Y)的量时，由于过高的碳溶解度，碳化硅可能多晶化，并且碳化硅晶体的品质可能劣化。碳化硅单晶难以稳定生长，因此析出效率可能降低。

当基于硅的熔融组合物中包含铁(Fe)时，铁(Fe)可以减少由钇引起的杂质的析出。换言之，可以控制硅化钇的铁(Fe)析出，并且可以长时间稳定地析出碳化硅单晶。

当基于硅的熔融组合物包含硅和钇时，可能在熔融溶液的表面上产生固相硅化钇，并且熔融溶液中硅和钇的浓度由于产生的硅化钇而改变。由此，作为晶体生长区域的熔融溶液的表面上的碳溶解度突然改变，因此碳化硅多晶可能析出或者生长的晶种可能再次溶解，并且难以进行长期稳定的晶体生长过程。

根据一个示例性实施方案，当基于硅的熔融组合物包含铁时，可以控制硅化钇的析出。当进行单晶生长过程时，可以保持熔融溶液的组成，因此可以稳定地获得单晶。

当基于硅的熔融组合物中包含小于5原子％的铁(Fe)的量时，可能难以有效地执行用于控制硅化钇析出的功能。此外，当基于硅的熔融组合物中包含大于30原子％的铁(Fe)的量时，过度控制了通过钇(Y)增加碳溶解度的效果，并且基于硅的熔融组合物上的碳溶解度可能显著低。

根据一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物增加了硅(Si)和熔融溶液中的碳溶解度，并且包含用于在低温下容易地获得单晶的钇(Y)和用于控制包含钇的杂质的析出的铁(Fe)，从而获得具有优异的品质的碳化硅单晶。此外，根据一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物可以提供连续的单晶生长条件。

现在将参照图1的制造装置描述用于通过使用上述基于硅的熔融组合物获得碳化硅单晶的方法。图1示出了用于生长碳化硅单晶的制造装置的截面图。

参照图1，碳化硅单晶制造装置可以包括反应室100、设置在反应室100内部的坩埚300、延伸到坩埚300中的晶种210、连接至晶种210的晶种支撑件230、移动构件250和用于加热坩埚300的加热构件400。

反应室100具有包括空的内部空间的闭合和密封形式，并且内部空间可以保持在其气氛例如恒定压力中。虽然未示出，但真空泵和气氛控制气罐可以连接至反应室100。通过使用真空泵和气氛控制气罐，反应室100的内部可以变为真空状态，并且可以在其中充入惰性气体例如氩气。

碳化硅晶种210可以连接至晶种支撑件230和移动构件250并且可以设置在坩埚300内部，特别地，其可以设置成接触设置在坩埚300内部的熔融溶液。熔融溶液可以包含上述基于硅的熔融组合物，并且将不提供相同的描述。

根据一个示例性实施方案，可以在碳化硅晶种210的表面与熔融溶液之间形成弯液面。弯液面表示通过当碳化硅晶种210的下侧接触熔融溶液然后稍微抬起时产生的表面张力在熔融溶液上形成的弯曲侧。当形成弯液面以生长碳化硅单晶时，可以抑制多晶的产生以获得高品质的单晶。

碳化硅晶种210由碳化硅单晶制成。碳化硅晶种210的晶体结构对应于待制造的碳化硅单晶的晶体结构。例如，在制造4H多型碳化硅单晶的情况下，可以使用4H多型碳化硅晶种210。在使用4H多型碳化硅晶种210的情况下，晶体生长面可以为面(0001)或面(000-1)，或者从面(0001)或面(000-1)以等于或小于8度倾斜的面。

晶种支撑件230连接碳化硅晶种210和移动构件250。晶种支撑件230包括连接至移动构件250的第一端和连接至晶种210的第二端。

晶种支撑件230可以连接至移动构件250，并且可以沿坩埚300的高度方向在上下方向上移动。详细地，晶种支撑件230可以在用于生长碳化硅单晶的过程用的坩埚300内部移动，或者其可以在用于生长碳化硅单晶的过程完成之后在坩埚300外部移动。此外，本说明书描述了晶种支撑件230在上下方向上移动的实例，并且不限于此，其可以在任何方向上移动或旋转，并且其可以包括本领域技术人员已知的装置。

晶种支撑件230可以安装至移动构件250。为了获得碳化硅单晶，晶种支撑件230可以结合至移动构件250并且可以设置在坩埚300中，并且当单晶生长过程完成时，其可以与移动构件250分离。

移动构件250可以连接至传动器(未示出)，并且可以移动到室100中或在室100中旋转。移动构件250可以包括本领域技术人员已知的装置以上下移动或旋转。

坩埚300可以安装在反应室100中，其可以具有上侧敞开的容器形状，并且其可以包括除上侧之外的外周表面300a和下侧300b。坩埚300允许用于形成碳化硅单晶的任何形状，而不限于上述形状。可以通过投入熔融的基础材料例如硅或碳化硅粉末来装载(receive)坩埚300。

坩埚300可以由包含碳的材料例如石墨或碳化硅制成，具有这样的材料的坩埚300可以用作碳基础材料的来源。以另一方式，但不限于此，可以使用具有陶瓷材料的坩埚，在这种情况下，可以另外提供用于供应碳的材料或来源。

加热构件400可以通过对坩埚300进行加热来使装载在坩埚300中的材料熔化或加热。加热构件400可以使用电阻型加热装置或感应加热型加热装置。详细地，加热构件400可以形成为自加热电阻型，或者加热构件400可以形成有感应线圈并且允许射频电流流过感应线圈，因此坩埚300可以形成为感应加热型。然而，不限于上述方法，任何种类的加热构件都是可用的。

根据一个示例性实施方案的用于制造碳化硅的装置还可以包括旋转构件500。旋转构件500可以结合至坩埚300的下侧并且可以使坩埚300旋转。可以通过坩埚300的旋转来提供具有均匀组成的熔融溶液，因此可以在碳化硅晶种210上生长高品质的碳化硅单晶。

现在将描述使用上述基于硅的熔融组合物和用于制造碳化硅单晶的装置制造碳化硅单晶的方法。

将包含上述基于硅的熔融组合物的初始熔融的基础材料投入到坩埚300中。初始熔融的基础材料可以为粉末，但不限于此。当坩埚300包含碳材料时，初始熔融的基础材料可以不另外包含碳，并且不限于此，初始熔融的基础材料可以包含碳。

在稀有气氛例如氩气下通过使用加热构件400来加热供应有初始熔融的基础材料的坩埚300。在加热时，坩埚300中的初始熔融的基础材料变为包含碳(C)、硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)的熔融溶液。

可以对熔融溶液进行加热使得其可以达到预定温度(例如1800度)，并且熔融溶液中的碳溶解度在预定温度下可以处于饱和状态。此后，通过坩埚300和加热构件400的位置关系控制，形成温度从坩埚300中的熔融溶液的内部朝向表面降低的温度梯度。熔融溶液中的碳在晶种210周围变为过饱和状态，并且碳化硅单晶以过饱和度作为驱动力在晶种210上生长。

随着碳化硅单晶生长，用于从熔融溶液中析出碳化硅的条件可能改变。在这种情况下，随着时间的推移，可以通过添加硅和碳以满足熔融溶液的组成来使熔融溶液保持在预定范围内的组成。添加的硅和碳可以连续或不连续地投入。

当使用根据本发明的一个示例性实施方案的基于硅的熔融组合物时，熔融溶液中的碳溶解度增加，可以在低温下容易地获得单晶，并且抑制包含钇的杂质的析出，从而获得具有优异的品质的碳化硅单晶。

现在将参照图2和图3以及表1描述使用根据本发明的示例性实施方案和比较例的基于硅的熔融组合物析出的单晶。图2示出了通过使用根据实施例的基于硅的熔融组合物析出的单晶图像，图3示出了通过使用根据比较例的基于硅的熔融组合物析出的单晶图像。

将对应于比较例1至8和实施例1至3的原料投入到晶体生长炉中的石墨坩埚中，进行真空排气，并注入在1个大气压下的Ar气。熔融溶液通过以下过程制造：施加热直至作为生长温度的1800度(℃)，保持该温度，然后停留在该温度直至熔融溶液中的碳浓度达到饱和状态。相对于熔融溶液的表面向下形成-20℃/厘米的温度梯度，使4H的SiC晶种朝向熔融溶液的表面逐渐减少，然后使其接触该表面从而进行单晶生长十二个小时。在晶体生长完成之后，从熔融溶液中拉出晶种然后冷却以比较单晶生长速度、是否析出硅化钇和单晶的表面状态。通过使用作为热力学模拟的FactSage计算碳溶解度。

[表1]

参照表1，发现当基于硅的熔融组合物以比较例1的同样的方式包含硅和钇时，碳溶解度可以相对高(9.5％)，但硅化钇析出。硅化钇的析出阻碍单晶的生长，因此发现晶体生长的结果是表面缺陷。

如比较例2和比较例3所述，添加镍(Ni)和铝(Al)以控制硅化钇的析出，但发现硅化钇仍析出。在镍和铝的情况下，发现没有抑制硅化钇的析出。

在比较例4、比较例5、比较例6和比较例8的情况下，发现由于基于硅的熔融组合物包含铁，因此没有析出硅化钇。发现硅化钇的析出被铁抑制，并且从获得的单晶中没有观察到表面缺陷。然而，在比较例4、比较例5、比较例6和比较例8的情况下，根据包含的钇和铁的含量，观察到晶体生长速度显著慢。

当如比较例5中包含10原子％的钇时，包含非常少量的钇，因此发现由钇引起的碳溶解度的增加效果非常小。在比较例5的情况下，发现碳溶解度为约2.8％，因此非常低。

比较例6示出了包含40原子％的铁的情况，并且铁抑制了由钇引起的碳溶解度的增加效果，因此比较例6的情况显示出碳溶解度为约3.6％，这非常低。

比较例8示出了包含10原子％的钇的情况。比较例8显示出钇具有小的增加碳溶解度的效果，因此碳溶解度可能显著低(4.1％)，因此发现晶体生长缓慢。

比较例7示出了包含3原子％的铁，并且发现铁抑制硅化钇的析出的效果非常小。虽然基于硅的熔融组合物包含铁，但显示出硅化钇析出并且单晶的表面具有缺陷。

至于碳化硅单晶的表面，如图3所示，发现根据比较例1、比较例2、比较例4、比较例5和比较例7的表面状态不好。

相比之下，在实施例1至3的情况下，包含预定的钇，因此碳溶解度显示为14.5％、11.75％和9.8％，这与比较例相比是相对高的值。晶体生长速度为0.40mm/小时、0.35mm/小时和0.21mm/小时，因此发现晶体生长快速进行。根据本发明的一个示例性实施方案，单晶生长速度可以等于或大于约0.1mm/小时。

此外，发现由于包含适当量的铁(Fe)，因此抑制硅化钇的析出，并且如图2所示，单晶的品质良好。

虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施方案描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施方案。相反地，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种在用于形成碳化硅单晶的溶液生长法中使用的基于硅的熔融组合物，包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)，并且如式1所示：

[式1]

Si_aY_bFe_c

其中，在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。

2.根据权利要求1所述的基于硅的熔融组合物，其中

b等于或大于0.2且等于或小于0.25，以及c等于或大于0.15且等于或小于0.20。

3.一种用于制造碳化硅单晶的方法，包括：

准备碳化硅晶种；

制备包含硅(Si)、钇(Y)和铁(Fe)并且如式1所示的基于硅的熔融组合物；

形成包含所述基于硅的熔融组合物和碳(C)的熔融溶液；以及

由所述熔融溶液在所述碳化硅晶种上获得碳化硅单晶：

[式1]

Si_aY_bFe_c

其中，在式1中，a等于或大于0.4且等于或小于0.8，b等于或大于0.2且等于或小于0.3，以及c等于或大于0.1且等于或小于0.2。

4.根据权利要求3所述的方法，其中

b等于或大于0.2且等于或小于0.25，以及c等于或大于0.15且等于或小于0.2。

5.根据权利要求3所述的方法，其中

在获得碳化硅单晶时，不析出硅化钇。

6.根据权利要求3所述的方法，其中

熔融溶液的形成包括将所述基于硅的熔融组合物插入坩埚中并对其进行加热。

7.根据权利要求6所述的方法，其中

所述加热包括将所述熔融溶液加热至1800度(℃)。

8.根据权利要求6所述的方法，其中

所述熔融溶液的碳溶解度处于饱和状态。

9.根据权利要求8所述的方法，其中

相对于所述熔融溶液的表面形成-20℃/厘米的温度梯度，以及所述碳化硅晶种被允许接触所述熔融溶液的所述表面。

10.根据权利要求8所述的方法，其中

所述碳化硅单晶的生长速度等于或大于0.1mm/小时。

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