CN112166210A - 碳化硅单晶制造装置及碳化硅单晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

碳化硅单晶制造装置具备：筒形状的坩埚(9)，具有构成反应室的中空部；台座(10)，被配置在坩埚的中空部内，在一面设置SiC单晶(6)的生长用的籽晶(5)，并且配置籽晶的一面为圆形状。此外，具备：气体供给机构(2、3)，从比台座靠下方向籽晶的表面供给用来使SiC单晶生长的SiC原料气体(3a)；以及加热装置(12)，将SiC原料气体加热并分解。并且，具备：旋转机构(11)，通过使台座旋转，从而一边使籽晶旋转一边进行SiC单晶的生长；使台座的中心轴从该台座的旋转中心(R)偏心。

Description

碳化硅单晶制造装置及碳化硅单晶的制造方法

关联申请的相互参照

本申请基于2018年5月25日提出的日本专利申请第2018－100904号，在此通过参照引用其记载内容。

技术领域

本公开涉及通过对由碳化硅(以下称作SiC)单晶构成的籽晶供给原料气体从而进行SiC单晶的制造的SiC单晶制造装置及SiC单晶的制造方法。

背景技术

以往，提出了将SiC原料气体向由SiC单晶构成的籽晶的生长面供给、使SiC单晶在籽晶之上生长的、基于气体生长法的SiC单晶制造装置及SiC单晶的制造方法(例如参照专利文献1)。

在籽晶中，使用生长面从{0001}C面以规定的偏离角(off angle)倾斜的偏斜基板，通过使籽晶的生长面上台阶流动(step flow)生长，从而使SiC单晶生长。此外，为了SiC单晶的生长表面的温度分布的缓和等，通过旋转机构使粘贴籽晶的台座旋转，进行SiC单晶的生长。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014－240336号公报

发明内容

当使SiC单晶生长时，作为晶体生长中的缺陷的异种多形及异方位结晶的几乎全部都在生长面中的作为与{0001}C面一致的面的小平面(facet、刻面)中发生。如上述那样，当在作为偏斜基板的籽晶之上使SiC单晶生长时，在SiC单晶的偏向外缘部的一部分的位置形成小平面，在该位置发生作为缺陷的原因的异种多形及异方位结晶。并且，在气体生长法中，在一边使籽晶与台座一起旋转一边使SiC单晶生长的情况下，由于台座及籽晶与将它们包围的圆筒状的加热容器的距离被设为均等，所以小平面在距加热容器的壁面较近的位置处被形成。

在SiC单晶的生长表面的周围，加热容器的壁面是均匀的温度较理想，但实际上存在温度偏差。此外，关于被从气体供给口供给的SiC原料气体，理想的是对于SiC单晶的生长面的中心没有偏差而均等地、即以旋转对称的方式供给，但是在实际上是存在供给偏差。特别是，根据在比台座靠上方具备的气体排出口的配置位置而SiC原料气体的流动方式变动，SiC原料气体的供给不再均等地被进行。这样，加热容器的壁面的温度偏差及气体流动的偏差等生长条件的变动因素较大，提高了在小平面中发生异种多形或异方位结晶的概率。

本公开的目的是提供能够使小平面上的异种多形或异方位结晶发生的概率下降的SiC单晶制造装置及SiC单晶的制造方法。

本公开的1个观点中的SiC单晶制造装置具有：筒形状的坩埚，具有构成反应室的中空部；台座，被配置在坩埚的中空部内，在一面设置SiC单晶的生长用的籽晶，并且配置籽晶的一面为圆形状；气体供给机构，从比台座靠下方，向籽晶的表面供给用来使SiC单晶生长的SiC原料气体；加热装置，将SiC原料气体加热而分解；以及旋转机构，通过使台座旋转，从而一边使籽晶旋转，一边进行SiC单晶的生长；台座的中心轴从该台座的旋转中心偏心。

这样，使台座的中心轴从台座的旋转中心偏心。因此，当将籽晶中的偏离方向的下游侧位于的点配置到台座中的距旋转中心最近侧而使SiC单晶生长，则使SiC单晶中的形成小平面的一侧从坩埚的内壁面离开。因而，能够缓和坩埚的壁面的温度偏差的影响，并且还能够缓和气体流动的偏差的影响。因此，能够使SiC单晶的小平面上的异种多形及异方位结晶发生的概率降低。

此外，本公开的另1个观点的SiC单晶的制造方法，包括：在具有构成反应室的中空部的筒形状的坩埚(9)内设置台座(10)，所述台座(10)其一面为圆形状，并且在该一面设置有SiC单晶(6)的生长用的籽晶(5)；以及通过从比台座靠下方供给被加热分解的SiC原料气体(3a)并使台座旋转，从而一边使籽晶旋转，一边在该籽晶的表面上进行SiC单晶的生长。并且，通过进行生长，使台座及籽晶的中心轴从该台座的旋转中心偏心；通过配置设置有籽晶的台座，作为籽晶而使用表面相对于{0001}C面具有规定的偏离角的偏斜基板，并且，将在台座上设置有籽晶的结构配置到坩埚内，以使该籽晶中的偏离方向的下游侧位于的部分比其相反侧更接近于旋转中心。通过为这样的制造方法，使SiC单晶中的形成小平面的一侧从坩埚的内壁面离开。因而，能够缓和坩埚的壁面的温度偏差的影响，并且还能够缓和气体流动的偏差的影响。因此，能够使SiC单晶的小平面上的异种多形及异方位结晶发生的概率降低。

另外，各构成要素等带有的带括号的标号表示该构成要素等与在后述的实施方式中记载的具体的构成要素等的对应关系的一例。

附图说明

图1是有关第1实施方式的SiC单晶制造装置的剖视图。

图2是表示将籽晶向台座贴合时的状况的图。

图3是表示籽晶中的作为形成小平面的一侧的点A和作为其相反侧的点B的轨迹的图。

图4是表示在籽晶的生长面上SiC单晶生长的状况的图。

图5是有关第2实施方式的SiC单晶制造装置的剖视图。

图6是有关第3实施方式的SiC单晶制造装置的剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的实施方式进行说明。另外，在以下的各实施方式相互中，对于相互相同或等同的部分赋予相同的标号而进行说明。

(第1实施方式)

图1所示的SiC单晶制造装置1被用于通过长条生长来制造SiC单晶块，使图1的纸面上下方向朝向天地方向而设置。

具体而言，SiC单晶制造装置1通过经由气体供给口2使来自气体供给源3的包含SiC原料气体的供给气体3a流入，并且经由气体排出口4将未反应气体排出，从而使SiC单晶6在由SiC单晶基板构成的籽晶5上生长。

在SiC单晶制造装置1中，具备气体供给源3、真空容器7、隔热件8、加热容器9、台座10、旋转拉起机构11及第1、第2加热装置12、13。

气体供给源3将含有Si及C的SiC原料气体，例如硅烷等的硅烷系气体与丙烷等的碳化氢类气体的混合气体与载体气体一起从气体供给口2供给。由该气体供给源3等构成对于籽晶5从下方供给SiC原料气体的气体供给机构。

真空容器7由石英玻璃等构成，呈具有中空部的筒形状，在本实施方式的情况下呈圆筒形状，为能够进行供给气体3a的导入导出的构造。此外，真空容器7为收容SiC单晶制造装置1的其他的构成要素、并且能够通过将其收容的内部空间的压力抽真空而减压的构造。在该真空容器7的底部设有供给气体3a的气体供给口2，在上部、具体而言在侧壁的上方位置形成有贯通孔7a，在该贯通孔7a内嵌入着供给气体3a中的未反应气体等的排气气体的气体排出口4。

隔热件8呈具有中空部的筒形状，在本实施方式的情况下呈圆筒形状，相对于真空容器7同轴地配置。隔热件8为与真空容器7相比直径被缩小的圆筒形状，被配置在真空容器7的内侧，从而抑制了从隔热件8的内侧的空间向真空容器7侧的传热。隔热件8例如仅由石墨、或者将表面用TaC(碳化钽)或NbC(碳化铌)等的高熔点金属碳化物涂覆的石墨等构成，使其不易被热侵蚀。

加热容器9构成作为反应容器的坩埚，由具有中空部的筒形状构成，在本实施方式的情况下由圆筒形状构成。通过加热容器9的中空部，构成使SiC单晶6在籽晶5的表面生长的反应室。加热容器9例如仅由石墨、或者将表面用TaC或NbC等的高熔点金属碳化物涂覆的石墨等构成，使其不易被热侵蚀。该加热容器9以将台座10包围的方式配置。并且，经由加热容器9的内周面与籽晶5及台座10的外周面之间，将供给气体3a中的未反应气体等的排气气体向气体排出口4侧引导。通过该加热容器9，将供给气体3a中的SiC原料气体分解，直到将来自气体供给口2的供给气体3a引导到籽晶5。

另外，在隔热件8及加热容器9中的上部，具体而言在侧壁的上方位置，形成有贯通孔，通过使气体排出口4嵌入在贯通孔内，能够从加热容器9的内侧向真空容器7的外侧进行排气气体的排出。

台座10是用来设置籽晶5的部件。台座10其设置籽晶5的一面为圆形状，台座10的中心轴被配置在相对于加热容器9的中心轴或后述的旋转拉起机构11的轴11a的中心轴偏心的位置。台座10例如仅由石墨、或者将表面用TaC或NbC等的高熔点金属碳化物涂覆的石墨等构成，使其不易被热侵蚀。籽晶5被粘贴在该台座10的气体供给口2侧的一面，使SiC单晶6在籽晶5的表面生长。台座10中的被粘贴籽晶5的面为与籽晶5的形状对应的形状，在本实施方式的情况下，将台座10用与籽晶5相同直径的圆柱形状部件来构成，从而设置籽晶5的一面为圆形状。此外，在台座10的与籽晶5被配置的面相反侧的面中与轴11a连结，随着轴11a的旋转而旋转，随着轴11a被拉起，能够被向纸面上方拉起。

关于台座10的中心轴与加热容器9的中心轴之间的距离是任意的，只要根据台座10的直径适当设定就可以。但是，使台座10的中心轴从加热容器9的中心轴偏心，由此台座10的外周的一部分与加热容器9的内壁面靠近。考虑这一点，在台座10中的与加热容器9的内壁面的距离最短的位置中，优选的是使台座10与加热容器9之间的距离为20mm以上。通过这样做，能够抑制加热容器9的温度给SiC单晶6带来的影响，能够抑制SiC单晶6的多结晶化等。

旋转拉起机构11经由管件等所构成的轴11a进行台座10的旋转及拉起。轴11a在本实施方式中构成为上下延伸的直线状，一端与台座10中的与籽晶5的粘贴面相反侧的面连接，另一端与旋转拉起机构11的主体连接。该轴11a例如也仅由石墨、或者将表面用TaC或NbC等的高熔点金属碳化物涂覆的石墨等构成，使其不易被热侵蚀。通过这样的结构，能进行台座10、籽晶5及SiC单晶6的旋转及拉起，使SiC单晶6的生长面成为希望的温度分布，并且能够随着SiC单晶6的生长而将其生长表面的温度调整为适合于生长的温度。

第1、第2加热装置12、13构成为例如包括感应加热用线圈或直接加热用线圈等的加热线圈，以将真空容器7的周围包围的方式配置。在本实施方式的情况下，将第1、第2加热装置12、13由感应加热用线圈构成。这些第1、第2加热装置12、13构成为，能够将对象场所分别独立地进行温度控制，第1加热装置12被配置在与加热容器9的下方位置对应的位置，第2加热装置13被配置在与台座10对应的位置。因而，能够由第1加热装置12对加热容器9的下方部分的温度进行控制，将SiC原料气体加热而分解。此外，能够由第2加热装置13将台座10、籽晶5及SiC单晶6的周围的温度控制为适合于SiC单晶6的生长的温度。

这样，构成了有关本实施方式的SiC单晶制造装置1。接着，对于使用有关本实施方式的SiC单晶制造装置1的SiC单晶6的制造方法，除了图1以外还参照图2～图4进行说明。

首先，在台座10的一面粘贴籽晶5。如图2所示，籽晶5是与台座10相反侧的一面、即SiC单晶6的生长面为相对于{0001}C面具有例如4°或8°等的规定的偏离角的偏斜基板。并且，关于籽晶5，设籽晶5中的偏离方向的下游侧位于的部分为点A，设其相反侧为点B，以分别将点A配置在台座10的外周中的距轴11a的中心轴最近侧的部分、将点B配置在较远侧的部分的方式，粘贴于台座10偏离方向。即，以籽晶5中的偏离方向的下游侧位于的部分比其相反侧更靠旋转中心侧的方式，将籽晶5设置于台座10。另外，所述的偏离方向，是指“与将生长面的法线矢量、在本实施方式的情况下作为相对于{0001}C面的法线矢量的<0001>方向的矢量投影在籽晶5的表面所得到的矢量平行的方向”。此外，所述的偏离方向的下游侧，是定义其中的一侧的，是指“将生长面的法线矢量投影在籽晶5的表面所得到的矢量的前端朝向的一侧”。

接着，将台座10及籽晶5配置到加热容器9内。并且，对第1、第2加热装置12、13进行控制，设置希望的温度分布。即，供给气体3a中包含的SiC原料气体被加热分解而被向籽晶5的表面供给，并且，籽晶5的表面中SiC原料气体被再结晶化，并且在加热容器9内为升华速率比再结晶化速率高那样的温度分布。通过这样做，例如能够使加热容器9的底部的温度为2400℃，使籽晶5的表面的温度为2200℃左右。

此外，使真空容器7成为希望压力，并且一边根据需要而将由Ar或He等的惰性气体形成的载体气体、H₂或HCl等的侵蚀气体导入，一边经由气体供给口2将包含SiC原料气体的供给气体3a导入。由此，供给气体3a如用图1中的箭头表示那样流动，被向籽晶5供给，基于该气体供给，使SiC单晶6在籽晶5的表面生长。

并且，通过旋转拉起机构11，一边经由轴11a使台座10、籽晶5及SiC单晶6旋转，一边匹配于SiC单晶6的生长速率而拉起。由此，SiC单晶6的生长表面的高度被保持为大致一定，能够控制性良好地对生长表面温度的温度分布进行控制。此外，由于向高温的加热容器9投入而使SiC单晶6生长，所以能够防止籽晶5的表面以外的结晶的附着，能够防止气体排出口4的堵塞，并且能够连续地使SiC单晶6生长。

这里，如上述那样，使台座10的中心轴相对于轴11a的中心轴偏心，将籽晶5相对于该台座10粘贴。因此，如图3所示，当通过旋转拉起机构11使台座10旋转时，籽晶5的中心C以相对于作为籽晶5及台座10的旋转中心R的轴11a的中心轴公转的方式移动，成为点A的轨迹L1进入到点B的轨迹L2的内侧的状态。即，与不使台座10的中心轴相对于轴11a的中心轴偏心的情况相比，点A成为在籽晶5及台座10的旋转中心R的附近移动的轨迹。另外，在以下的说明中，将籽晶5及台座10的旋转中心R简单称作旋转中心R。

如图4所示，在使SiC单晶6在籽晶5的生长面上生长时，成为与{0001}C面一致的小平面F被形成在点A的位置上。关于该点A，由于如上述那样与不使台座10的中心轴相对于轴11a的中心轴偏心的情况相比，该点A描绘移动到旋转中心R的附近的轨迹，所以能够离开距加热容器9的内壁面的距离。

因此，在形成小平面F的点A的附近，加热容器9的壁面的温度偏差的影响被缓和。此外，由于在使SiC单晶6的中心相对于轴11a的中心轴偏心的状态下旋转，所以与在SiC单晶6的中心与轴11a的中心轴一致的状态下旋转的情况相比，朝向小平面F的气体流动的偏差的影响被缓和。即，成为小平面F在从加热容器9的壁面离开的位置处运动，即使在加热容器9的壁面附近有气体流动的偏差，结果气体流动的偏差的影响也被缓和。此外，通过形成小平面F的点A的附近的台座10与加热容器9之间的间隙扩大，气体流动的偏差的影响被缓和。进而，由于使台座10的直径与SiC单晶6的直径匹配，所以使台座10与加热容器9之间的间隙也随着台座10的旋转而变化。因此，能够随之使气体流动变化，与在相同的气体流动的状态下发生偏差的情况相比，能够将气体流动的偏差平均地降低。

如以上说明，在本实施方式的SiC单晶制造装置1中，通过使台座10的中心轴相对于轴11a的中心轴偏心，使得籽晶5及SiC单晶6的生长面的中心从旋转中心R偏心。并且，将籽晶5中的偏离方向的下游侧位于的点A配置在台座10中的距轴11a的中心轴最近侧。

由此，能够使在SiC单晶6上形成小平面F的点A侧从加热容器9的内壁面离开，能够缓和加热容器9的壁面的温度偏差的影响，并且还能够缓和气体流动的偏差的影响。因而，能够使SiC单晶6的小平面F上的异种多形及异方位结晶发生的概率降低。

(第2实施方式)

对第2实施方式进行说明。本实施方式相对于第1实施方式，变更了使台座10的中心轴从旋转中心R偏心的构造，关于其他结构，与第1实施方式是同样的，所以仅对与第1实施方式不同的部分进行说明。

如图5所示，在本实施方式中，不是将轴11a全部做成直线状，而做成具有弯曲部11b的构造。弯曲部11b通过在轴11a的途中位置、即从真空容器7的上表面到台座10之间使轴11a成为弯曲的形状而构成。具体而言，弯曲部11b在台座10位于最下方位置的状态下被形成在从真空容器7的上表面离开的位置。并且，以使在由旋转拉起机构11将台座10与轴11a一起拉起时、弯曲部11b也不与真空容器7的上表面抵接的方式，决定弯曲部11b的形成位置。

此外，关于台座10，使得台座10的中心轴与轴11a中的位于比弯曲部11b靠下方的部分的中心轴一致，该台座10被固定在轴11a上。

在为这样的结构的情况下，轴11a中的位于比弯曲部11b靠上方的部分的中心轴成为旋转中心R。因此，轴11a中的比弯曲部11b靠下方部分、即安装台座10的部分相对于旋转中心R被偏心，成为台座10的中心轴也相对于旋转中心R被偏心的状态。因而，如果为本实施方式的构造，也能够得到与第1实施方式同样的效果。

(第3实施方式)

对第3实施方式进行说明。本实施方式也是相对于第1实施方式变更了使台座10的中心轴从旋转中心R偏心的构造，关于其他结构，与第1实施方式是同样的，所以仅对与第1实施方式不同的部分进行说明。

如图6所示，在本实施方式中，不是使轴11a全部为直线状，而是使其在轴11a的途中位置、即从真空容器7的上表面到台座10之间弯曲、具备相对于加热容器9的中心轴倾斜的倾斜部11c。具体而言，倾斜部11c在台座10位于最下方位置的状态下被形成在从真空容器7的上表面离开的位置。并且，以由旋转拉起机构11将台座10与轴11a一起拉起时倾斜部11c也不与真空容器7的上表面抵接的方式，决定倾斜部11c的形成位置。此外，成为倾斜部11c中的安装台座10的下端的中心从旋转中心R偏心的状态。

另一方面，关于台座10，使得台座10的中心轴与轴11a中的倾斜部11c的下端的中心一致，该台座10被固定在轴11a上。

在为这样的结构的情况下，轴11a中的位于比倾斜部11c靠上方的部分的中心轴成为旋转中心R。因此，成为台座10的中心轴相对于旋转中心R偏心的状态。因而，如果做成本实施方式的构造，也能够得到与第1实施方式同样的效果。

(其他实施方式)

将本公开依据上述实施方式进行了记述，但并不限定于该实施方式，也包含各种的变形例及等同范围内的变形。除此以外，各种的组合及形态，进而在它们中仅包含一要素、其以上或其以下的其他的组合及形态也落入在本公开的范畴或思想范围中。

例如，在上述各实施方式中，通过使台座10的中心轴从旋转中心R偏心，从而使得籽晶5的中心从旋转中心R偏心。但是，这只不过表示了一例，也可以通过其他的结构使籽晶5的中心从旋转中心R偏心。例如，使得台座10的中心轴与旋转中心R一致，并且使台座10的直径比籽晶5的直径大，以籽晶5的中心相对于台座10的中心错移的方式将籽晶5粘贴到台座10上。这样，也能够使籽晶5的中心从旋转中心R偏心。但是，在为这样的构造的情况下，成为在籽晶5的周围存在在台座10的表面上什么都没有粘贴的部分，有可能带来在其表面上生长出多结晶并附着到SiC单晶6上等的不良影响。因此，优选的是如上述各实施方式那样使台座10的直径与籽晶5的直径一致。

此外，举出了能够进行台座10的旋转和拉起的双方的旋转拉起机构11为例，但只要是至少使台座10旋转的旋转机构就可以。

上述各实施方式中，作为SiC单晶制造装置1，举出将供给气体3a向SiC单晶6的生长表面供给后经过SiC单晶6的外周表面及台座10的横侧而向进一步上方排出的方式即向上流动方式为例进行了说明。但是，并不限于此，也可以是将供给气体3a向SiC单晶6的生长表面供给后再次向与其供给方向相同方向送回的方式即返回流动方式。此外，也可以是将供给气体3a向SiC单晶6的生长表面供给后向加热容器9的外周方向排出的方式即侧流动方式。

Claims (5)

1.一种碳化硅单晶制造装置，

具有：

筒形状的坩埚(9)，具有构成反应室的中空部；

台座(10)，被配置在上述坩埚的上述中空部内，在一面设置碳化硅单晶(6)的生长用的籽晶(5)，并且配置上述籽晶的一面为圆形状；

气体供给机构(2、3)，从比上述台座靠下方向上述籽晶的表面供给用来使上述碳化硅单晶生长的碳化硅原料气体(3a)；

加热装置(12)，将上述碳化硅原料气体加热并分解；以及

旋转机构(11)，使上述台座旋转，从而一边使上述籽晶旋转，一边进行上述碳化硅单晶的生长；

上述台座的中心轴从上述台座的旋转中心(R)偏心。

2.如权利要求1所述的碳化硅单晶制造装置，

上述旋转机构具有使上述台座旋转的轴(11a)；

上述轴为直线状，并且上述台座的中心相对于上述轴的中心轴偏心。

3.如权利要求1所述的碳化硅单晶制造装置，

上述旋转机构具有使上述台座旋转的轴(11a)；

上述轴通过形成弯曲部(11b)，从而使上述轴中的安装上述台座的下方部分从上述旋转中心偏心；

上述台座使上述台座的中心轴与上述轴中的上述下方部分的中心轴一致。

4.如权利要求1所述的碳化硅单晶制造装置，

上述旋转机构具有使上述台座旋转的轴(11a)；

上述轴具有相对于上述轴的旋转轴倾斜的倾斜部(11c)，并且上述倾斜部的下端从上述旋转中心偏心；

上述台座使上述台座的中心轴与上述轴中的上述下端的中心一致。

5.一种碳化硅单晶的制造方法，

包括：

在具有构成反应室的中空部的筒形状的坩埚(9)内配置台座(10)，该台座(10)的一面为圆形状，并且在上述一面设置碳化硅单晶(6)的生长用的籽晶(5)；以及

从比上述台座靠下方供给被加热分解的碳化硅原料气体(3a)，并且使上述台座旋转，从而一边使上述籽晶旋转，一边在上述籽晶的表面上进行上述碳化硅单晶的生长；

在进行上述生长中，使上述台座及上述籽晶的中心轴从上述台座的旋转中心偏心；

在配置设置有上述籽晶的上述台座中，使用表面相对于{0001}C面具有规定的偏离角的偏斜基板作为上述籽晶，并且，以使上述籽晶中的偏离方向的下游侧所位于的部分比该部分的相反侧更接近于上述旋转中心的方式，将在上述台座上设置有上述籽晶的结构配置到上述坩埚内。

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