CN111218716B

CN111218716B - SiC单晶锭的制造方法

Info

Publication number: CN111218716B
Application number: CN201911139201.9A
Authority: CN
Inventors: 藤川阳平
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Lishennoco Co ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: JP7242978B2; CN111218716A; JP2020083704A; US11761114B2; US20200165743A1

Abstract

本发明的SiC单晶锭的制造方法中，在坩埚的下部配置由高热传导率原料构成的高热传导率原料层，并在所述高热传导率原料层的上侧和下侧的至少一侧配置由低热传导率原料构成的低热传导率原料层，从而形成原料部，以原料部的最高温度处于所述高热传导率原料层中的方式进行加热，进行SiC单晶锭的生长。

Description

SiC单晶锭的制造方法

技术领域

本发明涉及SiC单晶锭的制造方法。

本申请基于2018年11月26日在日本提出的专利申请2018-220719号主张优先权，将其内容引用于此。

背景技术

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

SiC器件使用SiC外延晶片制作，所述SiC外延晶片采用化学气相生长法(ChemicalVapor Deposition：CVD)等在SiC单晶基板上形成成为器件活性区域的外延层(膜)，所述SiC单晶基板是由采用升华法等生长出的SiC的体单晶加工而得到的。

再者，在本说明书中，SiC晶片是指将SiC单晶锭切片为晶片状而得到的晶片，SiC外延晶片是指在SiC晶片形成外延膜而得到的晶片，SiC器件是指对SiC外延晶片形成了元件的器件。

近年，随着市场需求，要求SiC晶片的大口径化。为此，SiC锭本身的大口径化、长尺寸化的要求也在提高。

作为制造SiC单晶锭的方法之一，众所周知的是升华法。升华法是在石墨制坩埚内配置由SiC单晶构成的籽晶，并加热坩埚，由此向籽晶供给由坩埚内的原料粉末(原料)升华出的升华气体，使籽晶向更大的SiC单晶锭生长的方法。

收纳于坩埚内的原料的SiC从坩埚壁侧被加热，因此坩埚壁侧容易变为高温，坩埚中心部容易变为低温的温度分布。该坩埚内的温度分布在为了生长与以往相比大口径和长尺寸的SiC锭而使用的大型坩埚中特别显著。由于坩埚内的该温度分布，从被加热到高温的坩埚壁侧附近产生的升华气体会在低温的中心部结晶化，出现难以有效利用原料的问题。即，难以同时满足高品质的SiC锭生长和高生产率下的SiC锭生长。特别是在需要大量原料的大口径和长尺寸生长中，坩埚中心部的结晶化阻碍生长中间阶段以后的原料升华，使生长速度大大下降。另外，在坩埚中心析出的原料的状态与原本的粉末不同，无法原样地再次使用。即，大口径和长尺寸生长中，从低成本化的观点出发，希望抑制坩埚中心部的结晶化，有效利用原料。

专利文献1中记载了一种单晶锭的制造方法和制造装置，其结构是在与坩埚壁侧相比温度容易变低的坩埚中心部配置热传导体而不配置原料。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平5-58774号公报

发明内容

但是，专利文献1所记载的SiC单晶锭的制造方法中，仅在坩埚壁侧部附近配置原料，无法增大一次能够制造的SiC单晶锭的生长量。即，专利文献1所记载的SiC单晶锭的制造方法中，生产率低。

本发明的目的是提供一种SiC单晶锭的制造方法，能够提高配置在SiC单晶锭制造中的坩埚内的原料的温度均匀性，有效利用原料。

本发明人专心研究的结果，发现了通过在坩埚内配置高热传导率的原料层并在高热传导率的原料层的上侧或下侧配置低热传导率的原料层而形成原料部，以使最高温度处于高热传导率的原料层的方式进行加热，由此原料部的温度分布均匀性提高。本发明为了解决上述课题，提供以下手段。

(1)本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法，在坩埚的下部配置具备高热传导率原料的高热传导率原料层，并在所述高热传导率原料层的上侧和下侧的至少一侧配置具备低热传导率原料的低热传导率原料层，形成原料部，以原料部的最高温度处于所述高热传导率原料层中的方式进行加热，进行SiC单晶锭的生长。

(2)本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法，可以将所述低热传导率原料层配置在所述高热传导率原料层的上侧和下侧，形成原料部。

(3)所述(1)或(2)所述的SiC单晶锭的制造方法中，构成所述高热传导率原料层的高热传导率原料粒子的粒径可以大于构成所述低热传导率原料层的低热传导率原料粒子的粒径。

(4)所述(1)～(3)中任一项所述的SiC单晶锭的制造方法中，所述高热传导率原料层的孔隙率可以小于所述低热传导率原料层的孔隙率。

(5)所述(1)～(4)中任一项所述的SiC单晶锭的制造方法，可以在所述坩埚内的底面配置隔热材料。

(6)所述(1)～(5)中任一项所述的SiC单晶锭的制造方法，可以在所述坩埚的底部的外侧配置隔热材料。

根据上述方案的SiC单晶锭的制造方法，能够提供一种SiC单晶锭的制造方法，其能够提高配置在SiC单晶锭的制造中的坩埚内的原料的温度均匀性，有效利用原料。

附图说明

图1是表示采用本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法制造SiC单晶锭的样子的截面示意图。

图2是表示本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法中的SiC原料的配置方法一例的截面示意图。

图3是表示本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法中的SiC原料的配置方法一例的截面示意图。

图4是表示本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法中的SiC原料的配置方法一例的截面示意图。

图5A是表示制造本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法中的SiC单晶锭的样子的一例的截面示意图。

图5B是表示制造本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法中的SiC单晶锭的样子的一例的截面示意图。

图6是表示采用本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法制造SiC单晶锭时的坩埚内的温度分布的图。

附图标记说明

1 坩埚

2 原料部

3 籽晶

4 单晶锭(SiC单晶锭)

5 高频感应加热线圈

10 基座

21 高热传导率原料层

22 低热传导率原料层

23 低热传导率原料层

30 隔热材料

具体实施方式

以下，一边适当参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。为了容易理解本发明的特征，以下说明中使用的附图有时出于方便起见而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，本发明不限定于此，在不变更其主旨的范围能够适当变更地实施。

“SiC单晶锭的制造方法”

本实施方式的SiC单晶锭的制造方法是采用升华法进行的SiC单晶锭的制造方法，在坩埚的下部配置具备高热传导率原料的高热传导率原料层并在高热传导率原料层的上侧和下侧的至少一侧配置具备低热传导率原料的低热传导率原料层而形成原料部，以原料部的最高温度处于高热传导率原料层中的方式进行加热，进行SiC单晶锭的生长。

图1是表示采用本实施方式的SiC单晶锭的制造方法制造SiC单晶锭的样子的一例的截面示意图。

升华法是以下方法：在顶棚部具备基座10的坩埚1内的基座10上配置由SiC单晶锭原料构成的籽晶3，在坩埚1的内底面填充原料部2，并加热坩埚1，由此将从由原料构成的原料部2升华的气体(Si、Si₂C、SiC₂等)向籽晶3供给，使籽晶3向更大的SiC单晶锭生长。

作为坩埚1的材料，可以使用例如石墨制、对石墨被覆了钽而成的材料等。由于在SiC单晶锭4生长时变为高温，因此坩埚1需要由能够耐受高温的原料形成。例如，石墨的升华温度高达3550℃，在生长时的高温下也能够耐受。

坩埚1的加热使用配置为覆盖坩埚1的外周的加热单元进行。加热单元没有限定，可以使用例如高频感应加热线圈5进行。对高频感应加热线圈5施加交流电压，使坩埚1产生感应电流，使其发热。因而，通过对高频感应加热线圈5通电，能够对坩埚1和坩埚1内填充有原料的原料部2进行加热。本说明书例示出作为加热单元使用高频感应加热线圈5的情况。

通过调整高频感应加热线圈5的结构，在加热坩埚1时，能够以坩埚1内的最高温度点存在于高热传导率原料层21内的方式进行加热。

例如，通过配合高热传导率层21的高度来调节高频感应加热线圈5的高度，能够进行前述加热。从温度分布的观点出发，优选调整高频感应加热线圈5的高度，以使坩埚1内的最高温度点变为高热传导率原料层21的上下方向的中心位置。

图1所示原料部2的情况下，高热传导率原料层21的原料所占的比例最高。因此，SiC单晶锭4的生长速度大大依赖于高热传导率原料层21的原料的升华速度。因此，通过以坩埚1内的最高温度点存在于高热传导率原料层21的方式进行加热，能够提高SiC单晶锭4的生长速度。

另外，示于以下，低热传导率原料层22(和23)发挥隔热材料的作用，防止热从高热传导率原料层21向更低温侧的上部或下部流出，从而提高高热传导率原料层21的温度分布均匀性。如果高热传导率原料层21的温度分布均匀，则能够有效利用原料。如果低热传导率原料层22(和23)变为坩埚1内的最高温度，则变得无法充分获得前述的隔热效果，因此，以坩埚1内的最高温度点存在于高热传导率原料层21内的方式加热坩埚1。

坩埚1的周围被未图示的腔室遮盖。腔室具备气体导入口和气体排出口。气体导入口向腔室内供给氩和/或掺杂气体等。气体排出口将这些气体从腔室内排出。腔室的材料可以使用例如石英、不锈钢等，只要能够保持高真空度就不限定于此。

图2是在本实施方式的SiC单晶锭的制造方法中，示意地表示坩埚1内的原料部2的原料的收纳状态的截面示意图。

原料部2分为2层来层叠。从接近于籽晶3一侧起依次为低热传导率原料层22、高热传导率原料层21，它们全都由SiC单晶锭4的原料形成。低热传导率原料层22是由热传导率低于形成高热传导率原料层21的原料的原料形成的。再者，图中，高热传导率原料层21和低热传导率原料层22被分离为层状，但这不过是示意图，实际上，成为收纳高热传导率原料层21，接着收纳低热传导率原料层22时产生的收纳状态(层叠状态)。

通过如图2所示地收纳原料部2，能够提高高热传导率原料层21的温度分布均匀性。另外，通过高热传导率原料层21的温度分布均匀性提高，能够有效利用原料。

图3和图4是在本发明另一实施方式的SiC单晶锭的制造方法中，示意地表示坩埚1内的原料部2的收纳状态的截面示意图。

如图3所示，可以从接近于籽晶3一侧起依次配置高热传导率原料层21、低热传导率原料层22。该结构中，也能够提高高热传导率原料层21的温度分布均匀性，有效利用原料。

优选如图4所示，在高热传导率原料层21的上侧配置低热传导率原料层22，进而在高热传导率原料层21的下侧层叠低热传导率原料层23。通过将低热传导率原料层22和23配置在高热传导率原料层21的上侧和下侧，与层叠在高热传导率原料层21的上侧或下侧中某一侧时相比，能够进一步提高高热传导率原料层21的温度分布均匀性。因此，能够更加有效利用原料。

高热传导率原料层21可以通过以热传导率变得高于低热传导率原料层22和23的方式配置原料来形成。以热传导率变得高于低热传导率原料层22和23的方式配置原料是指，例如与低热传导率原料层22和23相比，配置粒径更大的原料和/或以孔隙率更小的方式配置原料等。

粒径大是指例如粒径为300～800μm左右的SiC原料。

填充的SiC粉末原料的实效热传导率k_eff可以通过以下的[数1]的式子，理论性地求得(Q.S.Chen et al./Journal OF Crystal Growth 230(2001)239-246)。

[数1]

(ε_p：孔隙率、ε：辐射率、d_p：平均粒径、k_sic：SiC的热传导率、k_gas：气体的热传导率、T：温度、σ：斯蒂芬-波滋曼常数(stefan-boltzmann constant))

变更热传导率的方法之一有变更SiC原料粉末的平均粒径。通过使用粒径大的SiC原料粉末，能够增大热传导率。

另外，如由[数1]所示，变更孔隙率也是变更热传导率的方法之一。因此，在本实施方式中，可以通过变更孔隙率来变更SiC原料的热传导率。

在SiC单晶生长中使用的温度范围2000℃～2500℃中，孔隙率越增大，原料的热传导率就变得越小。

高热传导率原料层可以配置短时间加热了的SiC原料。原料在短时间加热时，原料粒子的一部分粘结，平均粒径拟似性地变大。即，SiC原料通过短时间加热，热传导率提高。

高热传导率原料层21被配置为热传导性高于低热传导率原料层22和23即可，原料的配置方式没有限定。

高热传导率原料层21的热传导率与低热传导率原料层22和23相比越高越好。

高热传导率原料层21的厚度可以适当选择，但优选高热传导率层厚，优选为例如低热传导率层的2倍～10倍。

低热传导率原料层22和23能够以热传导率低于高热传导率原料层21的方式配置原料。以热传导率低于高热传导率原料层21的方式配置原料是指，与高热传导率原料层21相比，配置粒径更小的原料、和/或以孔隙率更大的方式配置原料。可以配置长时间加热了的SiC单晶锭的原料。预定时间根据粒径和温度等而不同，但如果SiC原料在预定时间以上的时间被加热，则热传导率下降。通过加热SiC，从蒸气压高的Si优先脱离并升华。因此，原料残渣通过加热升华而逐渐变为多孔碳状。该状态变化意味着[数1]中的孔隙率ε_p的增加和粒径d_p的减少，使原料的热传导率下降。即，可以将变为该多孔碳状的原料残渣用作低热传导率原料层22或23。

低热传导率原料层22和23与高热传导率原料层21的热传导率之差越大越好。

低热传导率原料层22和23只要能够维持隔热效果就优选薄。

在将低热传导率原料层22形成于高热传导率原料层21的上侧的情况下，优选使用多孔材质。通过该结构，能够使从原料部2升华出的气体容易透过。

高热传导率原料层21、低热传导率原料层22和23能够配合于收纳条件，以高热传导率原料层21的温度分布均匀性提高的方式适当选择。

图5是表示采用本实施方式的SiC单晶锭的制造方法生长SiC单晶锭的样子的一例的截面示意图。如图5所示，优选在原料部2与坩埚1之间配置隔热材料30。通过配置隔热材料30，能够抑制原料部2的热向外部逃散。因此，能够降低从外部给予的热量并提高原料部2的温度分布均匀性。

另外，隔热材料30可以如图5(A)所示地配置在坩埚1的内部，也可以如图5(B)所示地配置在坩埚1的外部。优选的是，由于使用多孔材料时通过在空隙内析出SiC来使热传导率产生变化，因此配置在外部。

隔热材料30可以使用公知材料。优选的是，使用热传导率小于低热传导率原料层的隔热材料和由Si或C形成的隔热材料30。通过使用由Si和C构成的隔热材料30，能够抑制杂质混入到生长的SiC单晶锭4中。作为隔热材料30，可以使用例如毡、柔性石墨材料、成型隔热材料等，但不限定于此。另外，作为隔热材料30，可以组合使用公知的隔热材料。例如，可以从接近于原料一侧依次组合配置碳板、毡、柔性石墨材料等。

图6表示在本发明一方案的SiC单晶锭的制造方法所使用的制造装置中，通过包围坩埚1的周围的高频感应加热线圈5加热坩埚1时的坩埚内的温度分布的模拟结果。色彩越淡的区域温度越高，色彩越深的区域温度越低。

该模拟使用STR-GroupLtd公司制的气相结晶生长分析软件“Virtual Reactor”进行。

作为用于模拟的模型中的坩埚1内的原料部2的收纳状态，图6(A)是图2所示收纳状态，图6(B)是图3所示收纳状态，图6(C)是图4所示收纳状态，图6(D)是作为比较例的原料部2以单层收纳的状态。再者，图6(A)～(C)所示区域是图2～图4的虚线部的区域。图6(D)所示区域是向坩埚1的内底部仅填充高热传导率原料层21时，与图2的虚线部对应的区域。

坩埚1和坩埚1的内部结构相对于中心轴对称地构成，因此模拟结果可以作为坩埚1内整体的温度分布来对待。

在模拟中高热传导率原料层21的原料的热传导率为5W/m·K，低热传导率原料层22和23的热传导率为2W/m·K。比较例(D)的原料部2全都收纳热传导率为5W/m·K的原料。

图6中的箭头是指在配置有坩埚1的原料的区域的中心轴上，温度为2275℃的最端部的点。配置了的原料2是越接近于高频感应加热线圈5的区域温度就变得越高，因此图6中的箭头与箭头的间隔越大，坩埚内的温度分布均匀性就越高。因此，根据模拟的结果可知，图2～图4所示原料的收纳状态与将原料部2以单层收纳的情况相比，温度分布均匀性高。再者，为了提高温度分布均匀性，优选图2和图4所示收纳状态，更优选图4所示收纳状态。

如上所述，根据本实施方式的SiC单晶锭的制造方法，能够以比现有技术高的生产率生长高品质的SiC单晶锭。即，能够有效利用原料。

Claims

1.一种SiC单晶锭的制造方法，是采用升华法制造SiC单晶锭的方法，

在坩埚的下部配置具备高热传导率原料的高热传导率原料层，并在所述高热传导率原料层的上侧配置具备低热传导率原料的低热传导率原料层，形成原料部，

所述原料部中，所述高热传导率原料层的原料所占的比例最高，

所述低热传导率原料层为多孔材质，

以原料部的最高温度处于所述高热传导率原料层中的方式进行加热，进行SiC单晶锭的生长。

2.根据权利要求1所述的SiC单晶锭的制造方法，

将所述低热传导率原料层配置在所述高热传导率原料层的上侧和下侧，形成原料部。

3.根据权利要求1或2所述的SiC单晶锭的制造方法，

构成所述高热传导率原料层的高热传导率原料粒子的粒径大于构成所述低热传导率原料层的低热传导率原料粒子的粒径。

4.根据权利要求1或2所述的SiC单晶锭的制造方法，

所述高热传导率原料层的孔隙率小于所述低热传导率原料层的孔隙率。

5.根据权利要求1或2所述的SiC单晶锭的制造方法，

在所述坩埚内的底面配置隔热材料。

6.根据权利要求1或2所述的SiC单晶锭的制造方法，

在所述坩埚的底部的外侧配置隔热材料。