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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zum Aufwachsen von
Siliziumcarbideinkristallen durch Flüssigphasenablagerung.
Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufwachsen von
Siliziumcarbideinkristallen durch Flüssigphasenabscheidung
unter Verwendung einer neuen Lösung, wobei es das Verfahren
möglich macht, Makrodefekte in den Siliziumcarbideinkristallen
zu reduzieren.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Siliziumcarbideinkristalle
haben exzellente physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel eine
hohe thermische und chemische Stabilität, eine hohe mechanische
Stärke, eine hohe Strahlungshärte, eine höhere Durchbruchspannung
als die von Silizium und eine hohe thermische Leitfähigkeit.
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Die
Siliziumcarbideinkristalle, denen eine geeignete Verunreinigung
zugeführt wurde, stellen p-Leitfähigkeitstyp-
oder n-Leitfähigkeitstyp-Halbleiter bereit, die eine relativ
große verbotene Bandlücke aufweisen (ungefähr
3,0 eV, wenn ein Einkristall von 6H-SiC verwendet wird, ungefähr
3,3 eV, wenn ein Einkristall von 4H-SiC verwendet wird). Entsprechend
können Halbleitergeräte, die die Siliziumcarbideinkristalle
verwenden, unter Hochtemperatur- oder Hochfrequenzbedingungen verwendet
werden, und bieten eine hohe Spannungsfestigkeit und einen hohen
Widerstand gegen raue Umgebungen, der durch Halbleitergeräte,
die herkömmliche Halbleitermaterialien wie zum Beispiel
Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) verwenden, nicht erreicht werden
kann. Daher wird SiC (Siliziumcarbid) zunehmend als ein Halbleitermaterial
einer nächsten Generation erwartet.
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Typische
Verfahren zum Aufwachsen von Siliziumcarbideinkristallen beinhalten
zum Beispiel Dampfphasenablagerung oder Dampfphasenepitaxie (VPE),
das Achesonverfahren und die Flüssigphasenablagerung. Typische
Beispiele der Dampfphasenablagerung oder VPE-Verfahren enthalten
einen Sublimationsprozess und chemisches Dampfablagern (CVD). In
dem Sublimationsprozess ist es wahrscheinlich, dass verschiedene
Typen von Defekten in dem sich ergebenden Kristall auftreten, und
die Kristalle neigen dazu, polykristallin zu sein. Das CVD-Verfahren
nutzt nur gasförmige Ausgangsen als Zuführmaterialien;
deswegen nehmen die durch dieses Verfahren gebildeten Kristalle
die Form einer dünnen Schicht an. Es ist daher schwierig, Einkristalle
von großem Umfang durch das CVD-Verfahren zu produzieren.
Das Achesonverfahren nutzt Silica und Koks als Ausgangsmaterialien,
die in einem elektrischen Ofen erwärmt werden; deswegen
ist es aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen oder Ähnlichem
in den Materialien schwierig oder unmöglich, dass der resultierende
Kristall eine hohe Reinheit erreicht. In einem Beispiel eines Verfahrens
unter Verwendung einer Flüssigphasenablagerung wird eine
Silizium enthaltende Legierung in einer Schmelze in einem Graphittiegel
gelöst, Kohlenstoff wird von dem Graphittiegel in die Schmelze
aufgelöst, und dadurch wird die Schmelze zu einer Lösung
gemacht, sodass eine Siliziumcarbidkristallschicht abgelagert wird
und dadurch auf einem Einkristallsubstrat wächst, das in
einem Niedertemperaturabschnitt der Lösung platziert ist.
Obwohl Siliziumcarbideinkristalle mit einer niedrigen Rate durch
die Flüssigphasenablagerung aufgewachsen werden, mit anderen
Worten, Flüssigphasenproduktion von Siliziumcarbideinkristallen
unter einer niedrigen Wachstumsrate leidet, ist es eine vorteilhafte
Methode, um Einkristalle von großem Umfang zu erhalten.
Deswegen wurden in jüngster Zeit verschiedene Studien gemacht,
um zu versuchen, die Wachstumsrate in dem Wachstum der Siliziumcarbideinkristalle
durch Flüssigphasenablagerung zu erhöhen, die
nicht unter dem oben beschriebenen Problem leidet, wie sie in der
Dampfphasenablagerung und dem Achesonverfahren auftreten.
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In
einem Verfahren zum Herstellen eines Siliziumcarbideinkristalls,
wie es in
JP-A-2000-264790 beschrieben
wird, wird ein Ausgangsmaterial, das zumindest ein Element, das
aus den Übergangsmetallen, Si und C (Kohlenstoff) ausgewählt
ist, in eine Schmelze gelöst (d. h., C (Kohlenstoff) wird
in die Schmelze gelöst, die ein Lösemittel ist,
das zumindest ein aus den Übergangsmetallen und Silizium
ausgewähltes Element enthält), mit der ein Siliziumcarbidimpfkristall
in der Form eines Einkristalls in Kontakt gebracht wird, und die
Lösung wird in einen Zustand gekühlt, in dem die
Temperatur der Lösung geringer als die Liquiduslinie der
Lösung ist, sodass ein Siliziumcarbideinkristall abgelagert
wird und auf dem Impfkristall wächst. Während
die Übergangsmetalle, die als Beispiele in dieser Publikation
aufgelistet sind Fe, Co, Ni (die zu der Gruppe VIII gehören),
Ti, Zr, Hf (die zu der Gruppe IVb gehören), V, Nb, Ta (die
zu der Gruppe Vb gehören), und Cr, Mo, W (die zu der Gruppe
VIb gehören) sind, werden nur die Zusammensetzungen von
Materialien, die Mo, Cr, oder Co als ein Übergangsmetall
enthalten genau offenbart. In dieser Publikation gibt es keine Offenbarung eines
Verfahrens oder einer Einrichtung zum Messen und Auswerten der Qualität
des abgelagerten Einkristalls, und keine Beschreibung von Makrodefekten,
die auf einer Wachstumsoberfläche des gewachsenen Kristalls
gebildet sind.
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JP-A-2004-2173 offenbart
eine Schmelze einer Legierung, die Si, C und M (M: Mn oder Ti) enthält,
in der das atomare Verhältnis von Si und M dargestellt
wird durch Si
1-XM
X,
mit 0,1 ≤ X ≤ 0,7, wenn M Mn ist, und 0,1 ≤ X ≤ 0,25,
wenn M Ti ist. Die Schmelze enthält kein ungelöstes
C. C ist in die Schmelze von einem Graphittiegel hinein gelöst.
In einem Verfahren zum Herstellen von Siliziumcarbideinkristallen,
wie in
JP-A-2004-2173 beschrieben,
wird ein Substrat eines Siliziumcarbidimpfkristalls in die Lösung
getaucht, und die Legierung, die um das Impfkristallsubstrat herum
geschmolzen ist, wird unterkühlt, sodass die Lösung
mit Siliziumcarbid übersättigt ist, wodurch ein
Siliziumcarbideinkristall auf dem Impfkristallsubstrat gewachsen wird.
Mit Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines Siliziumcarbideinkristalls
wie in der oben identifizierten
JP-A-2000-264790 beschrieben, wird in
JP-A-2004-2173 festgestellt,
dass das Siliziumcarbid, das durch dieses Verfahren hergestellt
wird, wahrscheinlich wegen des Einschlusses von Kohlenstoff in dem
Ausgangsmaterial polykristallin ist.
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JP-A-2006-143555 offenbart
eine Schmelze (eine Lösung, die C enthält) einer
Legierung mit Si, C und M (M: Fe oder Co), in der ein Wert von [M]/([M]
+ [Si]) gleich oder größer als 0,2 ist und gleich
oder kleiner als 0,7 ist, wenn M Fe ist, und gleich oder größer
als 0,05 ist und gleich oder kleiner als 0,25 ist, wenn M Co ist, wobei
[M] die molare Konzentration von M und [Si] die molare Konzentration
von Si ist. In einem Verfahren zum Herstellen eines Siliziumcarbideinkristalls
wie in
JP-A-2006-143555 beschrieben,
wird ein aus Siliziumcarbid hergestelltes Impfkristallsubstrat in
die Schmelze der Legierung getaucht (der Lösung, die C
enthält), und die um das Impfkristallsubstrat geschmolzene
Legierung wird übersättigt mit Siliziumcarbid,
wodurch ein Siliziumcarbideinkristall auf dem Impfkristallsubstrat
gewachsen wird. Diese Beschreibung hat jedoch keine Beschreibung
von Mikrodefekten auf einer Wachstumsfläche des Kristalls.
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JP-A-2007-76986 offenbart
eine Lösung, die eine Schmelze enthält, die Si,
Ti, M (M: Co und/oder Mn) als ein Lösemittel enthält,
und C als einen gelösten Stoff, und erfüllt die
Beziehungen 0,17 ≤ y/x ≤ 0,33 und 0,90 ≤ (y
+ z)/x ≤ 1,80, wobei die Atomverhältnisse von
Si, Ti und M durch Si
xTi
yM
z repräsentiert werden, und eine
Lösung, die Si, Ti, M (M: Al) und C enthält, und
die Beziehungen 0,17 ≤ y/x ≤ 0,33 und 0,33 ≤ (y
+ z)/x ≤ 0,60, wobei die Atomverhältnisse von
Si, Ti und M durch Si
xTi
yM
z repräsentiert werden. In einem
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumcarbideinkristalls wie in
JP-A-2007-76986 beschrieben,
wird ein Impfkristallsubstrat zur Verwendung in dem Wachstum von
Siliziumcarbid in Kontakt mit der ersten oder der zweiten Lösung
gebracht, wie oben angegeben, und die Lösung um das Impfkristallsubstrat
wird unterkühlt, um so übersättigt mit Siliziumcarbid
zu sein, das in der Lösung gelöst ist, wodurch
ein Siliziumcarbideinkristall auf dem Impfkristallsubstrat aufgewachsen
wird. Diese Publikation hat jedoch keine Beschreibung von Makrodefekten
auf einer Wachstumsfläche des Kristalls.
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Wie
oben beschrieben, gibt es keine Beschreibung von Makrodefekten auf
Wachstumsflächen der Kristalle in den oben identifizierten
Publikationen, die die Verfahren zum Wachsen von Siliziumcarbideinkristallen
mit großem Umfang durch Flüssigphasenablagerung
beschreiben, und es war schwierig, eine Verbesserung in der Morphologie
von Oberflächen von Kristallwachstumsschichten zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUG
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Beim
Durchführen von Forschungen oder Studien, um ein Verfahren
zum Produzieren von Siliziumcarbideinkristallen mit einer hohen
Wachstumsrate durch Flüssigphasenablagerung zu entwickeln,
haben die Erfinder gefunden, dass eine relativ hohe Wachstumsrate
durch Hinzufügen einer gewissen Menge oder mehr von Cr
in einer Si-Cr-C Lösung erreicht werden kann, aber Makrodefekte,
wie Löcher oder Einschlüsse der Lösung
innerhalb einer Wachstumsschicht des sich ergebenden Siliziumcarbideinkristalls
vorhanden sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum
Wachsen eines Siliziumcarbideinkristalls durch Flüssigphasenablagerung
bereit, das es ermöglicht, die Makrodefekte in dem Siliziumcarbideinkristall
zu reduzieren, die aufgrund der Verwendung der Si-Cr-C Lösung
auftreten würden.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wachsen
eines Siliziumcarbideinkristalls auf einem Siliziumcarbideinkristallsubstrat
durch in Kontakt Bringen des Substrats mit einer Lösung, die
C enthält, und die vorbereitet wird durch Heizen und Schmelzen
von Si in einem Graphittiegel, und Lösen von C aus dem
Graphittiegel in eine Schmelze, die Si enthält. In diesem
Verfahren wird die Lösung, die C enthält, durch
Lösen von C in die Schmelze vorbereitet, die Cr und X enthält,
wobei X aus zumindest einem der Elemente Ce und Nd besteht, sodass
ein Verhältnis von Cr in einer Gesamtzusammensetzung der
Schmelze in einem Bereich von 30 bis 70 at-% ist, und ein Verhältnis
von X in der Gesamtzusammensetzung der Schmelze in einem Bereich
von 0,5 at-% bis 20 at-% in dem Fall ist, bei dem X Ce ist, oder
in einem Bereich von 1 at-% bis 25 at-% in dem Fall, in dem X Nd
ist, und der Siliziumcarbideinkristall wird aus der Lösung
gewachsen.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Wachsen
eines Siliziumcarbideinkristalls. In diesem Verfahren wird eine
Lösung, die C enthält durch Lösen von
C in eine Schmelze, die Si, Cr und X enthält, wobei X zumindest
ein Element aus Ce und Nd ist, zubereitet in einem Tiegel, wobei
der Tiegel geheizt wird, und ein Siliziumcarbideinkristallsubstrat
wird in Kontakt mit der Lösung gebracht, um so den Siliziumcarbideinkristall
auf dem Siliziumcarbideinkristallsubstrat zu wachsen. In diesem
Verfahren ist ein Verhältnis von Cr in der Gesamtzusammensetzung
der Schmelze in einem Bereich von 30 bis 70 at-%, und ein Verhältnis von
X in der Gesamtzusammensetzung der Schmelze ist in einem Bereich
von 0,5 at-% bis 20 at-% in dem Fall, dass X Ce ist, in einem Bereich
von 1 at-% bis 25 at-% in dem Fall, dass X Nd ist, oder in einem
Bereich von 0,5 at-% bis 25 at-% in dem Fall, dass X Ce und Nd ist.
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Gemäß dem
obigen ersten Aspekt und zweiten Aspekt der Erfindung ist es möglich,
einen Siliziumcarbideinkristall zu produzieren, wobei Makrodefekte
reduziert werden, die in einem Siliziumcarbideinkristall auftreten
würden, der aus einer Si-Cr-C Lösung durch Flüssigphasenablagerung
gebildet wird.
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In
dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
kann der Anteil von X in der Gesamtzusammensetzung der Schmelze
in einem Bereich von 1 at-% bis 20 at-% sein oder er kann in einem
Bereich von 1 at-% bis 10 at-% sein.
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Weil
die Oberflächenspannung und Oberflächenenergie
der Lösung sinkt und die Stabilität des Verhaltens
der Lösung schlechter wird, wenn die Menge von X wächst,
wird der Anteil von X vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 1
at-% bis 20 at-% noch bevorzugter in dem Bereich von 1 at-% bis
10 at-% gesteuert, um die Si-Cr-X-C Lösung zur Verwendung
in dem Wachstum des Siliziumcarbidkristalls bereitzustellen. X kann aus
sowohl Ce als auch Nd bestehen.
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Mit
Bezug auf den Anteil von Cr in der Si-Cr-C Lösung, wird
die Ablagerungsmenge des Siliziumcarbideinkristalls beträchtlich
reduziert, wenn Cr weniger als 30 at-% ist, und Polykristalle werden
wahrscheinlich um den Siliziumcarbideinkristall gebildet, wenn Cr
größer als 70 at-% ist, was es schwierig macht,
stabil einen Kristall aufzuwachsen, der nur aus einem einzelnen
Kristall besteht. Daher wird der Anteil von Cr in der Si-Cr-X-C
Lösung angemessen innerhalb des Bereichs von 30 at-% bis
70 at-% gesteuert. Auch werden Makrodefekte in dem sich ergebenden
Siliziumcarbideinkristall weniger effektiv reduziert, wenn der Anteil
von X in der Si-Cr-X-C Lösung weniger ist als die untere
Grenze des oben jeweils für Ce und Nd angegebenen Bereiches.
Wenn der Anteil von X in der Si-Cr-X-C Lösung größer
ist als die obere Grenze des oben jeweils für Ce und Nd
angegebenen Bereichs, wird ein Teil oder der ganze resultierende
Siliziumcarbidkristall polykristallin hergestellt, und ein stabiles
Wachstum eines Einkristalls ist weniger wahrscheinlich zu erreichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorgehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden offenbar aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften
Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen,
wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden um ähnliche
Elemente zu bezeichnen, und wobei:
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1 ein
Beispiel einer Produktionsvorrichtung zeigt, die zum Ausführen
eines Verfahrens der Erfindung verwendet wird;
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2 hat
die obere Ansicht, die einen Querschnitt eines im Vergleichsbeispiel
1 erhaltenen Siliziumcarbidkristalls zeigt, und die untere Ansicht,
die einen Querschnitt eines in Vergleichsbeispiel 2 erhaltenen Siliziumcarbidkristalls
zeigt;
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3 hat
die obere Ansicht, die einen Querschnitt eines in Beispiel 1 erhaltenen
Siliziumcarbidkristalls zeigt, und die untere Ansicht, die einen
Querschnitt eines in Beispiel 2 erhaltenen Siliziumcarbidkristalls
zeigt; und
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4 ist
eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Siliziumcarbideinkristalls
zeigt, der aus einer Si-Cr-C Lösung des Vergleichsbeispiels
1 in einem Zustand erhalten wurde, in dem der Anteil von Cr in der Summe
von Si und Cr 90 at-% ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf 1 beschrieben.
In 1 ist ein Einkristallsubstrat aus Siliziumcarbid
mit der Spitze eines Graphitstabs (der auch als „Graphitachse” bezeichnet
werden kann) als einem Beispiel eines Haltebauteils für
das Siliziumcarbideinkristallsubstrat verbunden und fixiert. Ein
Verfahren des Ausführungsbeispiels der Erfindung wie unten
beschrieben wird implementiert durch Eintauchen des Graphitstabs
in eine Lösung, sodass C in eine Schmelze gelöst
wird, die durch als eine Heizeinrichtung dienende Hochfrequenzspulen
erhitzt wird, sodass ein Siliziumcarbideinkristall auf dem Einkristallsubstrat aufgewachsen
wird.
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Wenn
eine Si-Cr-X Schmelze mit einer Zusammensetzung gemäß dem
Verfahren des Ausführungsbeispiels als die Schmelze verwendet
wird, wird die Wachstumsrate des Siliziumcarbideinkristalls relativ
hoch gehalten, und Makrodefekte in dem Siliziumcarbideinkristall
werden reduziert. Jedoch resultiert die Verwendung von nur einer
Si-Cr-C Lösung oder einer Si-Cr-C Lösung, der
ein anderes Element hinzugefügt wurde, in Löchern
oder Einschlüssen der Lösung in dem Inneren des
Kristalls. Solche Makrodefekte in dem Kristall können durch
Hinzufügen von X (Ce, Nd) zu der Si-Cr-C Lösung
reduziert werden, vorzugsweise durch gleichzeitiges Hinzufügen
von Cr und X zu der Lösung. Ähnlich können
Makrodefekte in dem Kristall durch Hinzufügen von X oder
gleichzeitiges Hinzufügen von X und einem anderen Element
zu einer Lösung aus vorzugsweise Si-Cr-Ni-C, Si-Cr-Co-C
oder Ähnlichem reduziert werden, anders als in dem oben
angegebenen Vierkomponentensystem. Zum Beispiel können
Cr und X gleichzeitig in der Si-Cr-Ni-X-C oder Si-Cr-Co-X-C Lösung
zugefügt werden. Auf der anderen Seite wird kein vorteilhafter
Effekt durch die Hinzufügung von X zu einer Si-Ti-Al-C
Lösung erkannt.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Si-Cr-X-C Lösung mit einer
Zusammensetzung gemäß dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels
zum Herstellen von Siliziumcarbideinkristallen ist nicht auf ein
bestimmtes Verfahren beschränkt. Zum Beispiel werden Si,
Cr und X anfangs als ein Ausgangsmaterial in einen Graphittiegel
hinzugefügt, der als ein Reaktor dient, und eine Schmelze
wird durch Schmelzen des Ausgangsmaterials gebildet, um eine Legierung
zu bilden, und die Legierung wird auf eine Temperatur größer
als die Soliduslinie der Legierung erhitzt, wodurch C in der Schmelze
gelöst wird, und die Si-Cr-X-C Lösung gebildet
wird. Zumindest ein Teil des C in der Lösung wird aus dem
Graphittiegel in die Schmelze gelöst. Während
es besonders vorteilhaft ist, dass das gesamte C durch Lösung
aus dem Graphittiegel zugeführt wird, kann ein Teil des
C auch in der Form eines Carbides oder Carbons, das in dem Ausgangsmaterial
der Lösung enthalten ist zugeführt werden, oder
ein Teil des C kann durch Einblasen eines Kohlenstoff enthaltenden
Gases wie zum Beispiel Methangas in die Schmelze oder die Lösung
zugeführt werden.
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Wenn
die Schmelze erhitzt gehalten wird, wird das aus Si, Cr und X bestehende
Ausgangsmaterial ausreichend geschmolzen, und C wird ausreichend
aus dem Graphittiegel gelöst, sodass die Konzentration von
Kohlenstoff in der sich ergebenden Lösung ein Niveau nahe
an der Sättigungskonzentration von Siliziumcarbid in der
Schmelze als einem Lösungsmittel erreicht und konstant
wird. Dann wird ein Einkristallsubstrat, das für das Wachstum
von Siliziumcarbid verwendet wird, in Kontakt mit der Lösung
gebracht und die Lösung um das Einkristallsubstrat wird
durch ein Temperaturgradientenverfahren, durch das die Lösung
einen Temperaturgradienten von ungefähr 5–50°C/cm
hat, oder durch ein Kühlverfahren zum Kühlen der
Lösung durch Steuern des Betriebs der Heizeinrichtung auf
eine Temperatur von 2100°C oder niedriger, insbesondere
eine Temperatur von ungefähr 1600–1800°C
unterkühlt. Als ein Ergebnis ist die Lösung übersättigt
mit darin gelöstem Siliziumcarbid, sodass ein Siliziumcarbideinkristall
auf dem Einkristallsubstrat aufgewachsen wird. Als das oben erwähnte
Einkristallsubstrat wird vorzugsweise ein Substrat mit derselben
Kristallform wie die des aufzuwachsenden Siliziumcarbids verwendet.
Zum Beispiel kann ein Einkristall von Siliziumcarbid, der in einem Sublimationsprozess
produziert wurde, verwendet werden.
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In
dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels können
bekannte Zustände oder Parameter wie zum Beispiel die Form
des Graphittiegels, ein Heizverfahren, eine zeitliche Heizperiode,
eine Atmosphäre, die Anstiegsrate der Temperatur und die
Kühlrate, von herkömmlichen Herstellverfahren
angewendet werden, die eine Flüssigphasenablagerung verwenden.
Zum Beispiel kann Hochfrequenzinduktionsheizen als das Heizverfahren
verwendet werden. Die Heizperiode (d. h. eine ungefähre
Zeitperiode von der Einführung des Ausgangsmaterials bis
zu der Zeit, wenn die Schmelze die Siliziumcarbidsättigungskonzentration
erreicht) kann ungefähr einige Stunden bis 10 Stunden (zum
Beispiel ungefähr 3 bis 7 Stunden) sein, wobei sie von
der Größe des Tiegels abhängt. Die Atmosphäre
kann aus den Edelgasen, wie zum Beispiel den Inertgasen He, Ne und
Ar, und aus Gasen, die erhalten werden, wenn ein Teil des Inertgases
durch N2 oder Methangas ersetzt wird, ausgewählt
werden.
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Gemäß dem
Verfahren des Ausführungsbeispiels können Siliziumcarbideinkristalle,
die im Wesentlichen frei von Polykristallen sind und vorzugsweise
n-Typ Siliziumcarbideinkristalle sind, mit im Wesentlichen der gleichen
oder einer höheren Wachstumsrate produziert werden verglichen
mit bekannten Verfahren zum Aufwachsen von Siliziumcarbideinkristallen
durch Flüssigphasenablagerung, die ein bekanntes Dreikomponentensystem
(zum Beispiel eine Si-Cr-C Lösung) oder Vierkomponentensystem
(zum Beispiel eine Si-Ti-Al-C Lösung, eine Si-Ti-Mn-C Lösung,
oder eine Si-Ti-Co-C Lösung) verwenden. Ferner können
nach dem Verfahren des Ausführungsbeispiels Siliziumcarbideinkristalle
mit reduzierten Makrodefekten in den Kristallen produziert werden.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele der Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen
erklärt. In jedem der folgenden Beispiele wurde ein Experiment über
das Wachstum eines Siliziumcarbideinkristalls unter Verwendung einer
Vorrichtung einschließlich des in 1 gezeigten
Graphittiegels als einem Reaktor verwendet. In jedem der Beispiele
der Erfindung wurde Si zu dem Graphittiegel hinzugefügt
und dann wurden Cr und X gleichzeitig in den Graphittiegel zugefügt.
Nachdem das Ausgangsmaterial aus Si, Cr und X für ungefähr
2 bis 3 Stunden erhitzt gehalten wurde und bei einer eingestellten
Temperatur gehalten wurde (1800 bis 2100°C), wurde ein
Siliziumcarbideinkristallsubstrat in eine Lösung getaucht,
in die C aus dem Graphittiegel gelöst war, sodass es die
Siliziumcarbidsättigungskonzentration erreichte. Nachdem
die Lösung an der eingestellten Temperatur gehalten wurde,
wurden die Hochfrequenzspulen, die als eine Heizeinrichtung dienten,
so gesteuert, dass sie das Einkristallsubstrat und die Frontfläche
des Kristalls unter Wachstum bei einem Temperaturgradienten von
0,8–3,0°C/mm bereitstellten, sodass aus der Lösung
stammendes Siliziumcarbid auf dem Einkristallsubstrat aufgewachsen
wurde. Nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit für das
Wachstum wurde der gewachsene Kristall vollständig aus
der Lösung gezogen, und der Tiegel wurde allmählich
auf die Raumtemperatur heruntergekühlt. Auf diese Weise
wurde ein aufgewachsener Siliziumcarbideinkristall erhalten. Ein Querschnitt
des in jedem der Beispiele der Erfindung erhaltenen Siliziumcarbideinkristalls
wurde mit einem Mikroskop oder SEM für eine Evaluierung
von Makrodefekten in dem Kristall beobachtet. Es wurde durch Röntgenstrahlen
(XRD) bestätigt, ob der in jedem Beispiel erhaltene Siliziumcarbidkristall
ein Einkristall oder ein Polykristall war.
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Vergleichsbeispiel 1
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Ein
Ausgangsmaterial, das aus Si und Cr im Verhältnis von 50
at-% (Si) und 50 at-% (Cr) bestand, wurde in einen Graphittiegel
hinzugefügt, in den weder Ce noch Nd hinzugefügt
wurden, und das Material wurde erhitzt und in eine Lösung
geschmolzen. Die Lösung wurde bei einer bestimmten Temperatur
gehalten, und ein Impfkristall wurde in die Lösung getaucht,
um ein Kristallwachstum auf dem Impfkristall zu ermöglichen.
Es wurde bestätigt, dass der sich ergebende Siliziumcarbidkristall
ein Einkristall war. Die Temperatur der Lösung usw. wurden
mit einem Strahlungsthermometer und einem Thermoelement gemessen.
Das Strahlungsthermometer war an einem Beobachtungsfenster installiert,
das oberhalb einer Oberfläche der Lösung angeordnet war,
um eine direkte Beobachtung der Lösungsoberfläche
zu ermöglichen, und war in der Lage, Temperaturen vor und
nach einem in Kontakt Bringen des Impfkristalls mit der Lösung
zu messen. Ferner war das Thermoelement an der Spitze des Graphitstabes,
mit dem das Einkristallsubstrat verbunden war installiert (z. B.
an einer Position 2 mm weg von dem Impfkristall auf dem Einkristallsubstrat),
und maß die Temperatur von der Zeit direkt nach einem in
Kontakt Bringen des Einkristalls mit der Lösung. Ein Ergebnis
einer Beobachtung eines Querschnitts des sich ergebenden Siliziumcarbidkristalls
ist in
2 (der oberen Ansicht) gezeigt. Man versteht von
2,
dass Makrodefekte in dem sich ergebenden Siliziumcarbideinkristall
beobachtet werden, wenn die Si-Cr-C Lösung verwendet wird.
Eine Tabelle unten zeigt die Ablagerungsmenge (dargestellt als die Wachstumsrate),
wenn die Anteile von Si und Cr variiert wurden, um einige Beispiele
von Einkristallen zu bilden. Wenn das Verhältnis von Cr
größer als 70 at-% war, zeigte das Ergebnis der
Beobachtung des Querschnitts des erhaltenen Siliziumcarbidkristalls,
dass Polykristalle um den Siliziumcarbideinkristall oder auf der ganzen
Fläche des Querschnitts gesehen wurden. Wenn der Anteil
von Cr kleiner war als 30 at-% war andererseits die Ablagerungsmenge
des Siliziumcarbideinkristalls verglichen mit den Zusammensetzungen
mit anderen Verhältnissen reduziert.
| Anteil
von Cr (at-%) | Wachstumsrate
(μm/h) | Bemerkungen |
| 3 | 0 | |
| 5 | 5 | |
| 10 | 5 | |
| 15 | 3 | |
| 20 | 27 | |
| 25 | 45 | |
| 30 | 160 | |
| 40 | 250 | |
| 50 | 300 | |
| 60 | 350 | |
| 70 | 310 | |
| 80 | 270 | |
| 90 | 180 | Der
Einkristallquerschnitt ist in FIG. 4 gezeigt |
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Vergleichsbeispiel 2
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Ein
Ausgangsmaterial, das aus Si, Cr und Sn in Verhältnissen
von 48 at-% (Si), 47 at-% (Cr) und 5 at-% (Sn) bestand, wurde in
einen Graphittiegel zugefügt und wurde erhitzt und geschmolzen.
Die Lösung wurde bei einer bestimmten Temperatur gehalten,
und ein Einkristallsubstrat wurde in die Lösung getaucht,
um ein Wachstum eines Kristalls auf dem Substrat in der gleichen
Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 zu ermöglichen. Es wurde
bestätigt, dass der sich ergebende Siliziumcarbidkristall
ein Einkristall war. Ein Ergebnis einer Beobachtung eines Querschnitts
des Siliziumcarbidkristalls ist in 2 (untere
Ansicht) gezeigt. Die obere Ansicht von 2 zeigt
nämlich den aus der Lösung von Si-Cr-C gebildeten
Kristall, und die untere Ansicht zeigt den aus der Lösung
von Si-Cr-Sn-C gebildeten Kristall. Man versteht von 2,
dass eine relativ kleine Anzahl von Makrodefekten in dem Siliziumcarbideinkristall
beobachtet wird, wenn eine andere Lösung als Ce und Nd
zu der Si-Cr-C Lösung hinzugefügt wird, um eine
Lösung bereitzustellen, die einen Einkristall bildet.
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Beispiel 1
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Ein
Ausgangsmaterial, das aus Si, Cr und Ce in Verhältnissen
von 50 at-% (Si), 45 at-% (Cr) und 5 at-% (Ce) besteht, wurde in
einen Graphittiegel hinzugefügt und wurde erhitzt und geschmolzen.
Die Lösung wurde bei einer gewissen Temperatur gehalten,
und ein Einkristallsubstrat wurde in die Lösung getaucht,
um ein Wachstum eines Kristalls auf dem Substrat zu ermöglichen.
Es wurde bestätigt, dass der sich ergebende Siliziumcarbidkristall
ein Einkristall war. Die Messung der Temperatur der Lösung
usw., Beobachtung eines Querschnitts des Siliziumcarbideinkristalls,
und die Messung der Wachstumsrate des Siliziumcarbideinkristalls wurde
in den gleichen Weisen durchgeführt wie im Vergleichsbeispiel
1. Ein Querschnitt des Kristalls ist in 3 (obere
Ansicht) gezeigt. Es wurde von 3 bestätigt,
dass die Verwendung der Si-Cr-Ce-C Lösung zu einer bemerkenswerten
Reduzierung von Makrodefekten in dem Siliziumcarbideinkristall führt.
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Beispiel 2
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Ein
Ausgangsmaterial, das aus Si, Cr und Nd in Verhältnissen
von 50 at-% (Si), 45 at-% (Cr) und 5 at-% (Nd) bestand, wurde in
einen Graphittiegel hinzugefügt und wurde erhitzt und geschmolzen.
Die Lösung wurde bei einer bestimmten Temperatur gehalten
und ein Einkristallsubstrat wurde in die Lösung getaucht,
um ein Wachstum eines Kristalls auf dem Substrat zu ermöglichen.
Es wurde bestätigt, dass der sich ergebende Siliziumcarbidkristall
ein Einkristall ist. Die Messung der Temperatur der Lösung
usw., Beobachtung eines Querschnitts des Siliziumcarbideinkristalls,
und die Messung der Wachstumsrate des Siliziumcarbideinkristalls wurden
auf die gleichen Weisen durchgeführt wie im Vergleichsbeispiel
1. Ein Querschnitt des Kristalls ist in 3 (untere
Ansicht) gezeigt. Es wurde aus 3 bestätigt,
dass die Verwendung der Si-Cr-Nd-C Lösung zu einer bemerkenswerten
Reduktion von Makrodefekten in dem Siliziumcarbideinkristall führt.
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Beispiele 3 bis 9
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Siliziumcarbidkristalle
von Beispielen 3 bis 9 der Erfindung wurden durch ein Kristallwachstum
in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer
dass die Anteile von Si, Cr und Ce in der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials,
das in den Graphittiegel zugegeben wurde, wie in Tabelle 1 unten
gezeigt variiert wurden. Ein Effekt eines Hinzufügens von
Ce in jedem Beispiel wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel
1 bestimmt. Die Ergebnisse bezüglich Beispielen 3 bis 9
sind in Tabelle 1 unten gezeigt.
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Vergleichsbeispiele 3 bis 6
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Siliziumcarbidkristalle
der Vergleichsbeispiele 3 bis 6 wurden durch Kristallwachstum in
der gleichen Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer dass
die Verhältnisse von Si, Cr und Ce in der Zusammensetzung
des Ausgangsmaterials, das in den Graphittiegel zugegeben wurde,
variiert wurden, so dass sie verschieden von denen der Beispiele
3 bis 9 waren, wie in Tabelle 1 unten angezeigt. Ein Effekt des
Hinzufügens von Ce in jedem Beispiel wurde in der gleichen
Weise wie in Beispiel 1 bestimmt. Die Ergebnisse bezüglich
der Vergleichsbeispiele 3 bis 6 sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1
| Beispiel
oder Vergleichsbeispiel | Vgl. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Vgl. | Vgl. | Vgl. |
| Nr. | 3 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 4 | 5 | 6 |
| Anteil
des zugefügten Elements Ce (at-%) | 0,2 | 0,5 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 | 20 | 23 | 25 | 30 |
| Anteil
des zugefügten Elements Si (at-%) | 50 | 50 | 50 | 49 | 48 | 48 | 45 | 40 | 39 | 38 | 32 |
| Anteil
des zugefügten Elements Cr (at-%) | 49,8 | 49,5 | 49 | 48 | 47 | 45 | 45 | 40 | 38 | 37 | 28 |
| Ergebnis
der Beobachtung des Einkristallquerschnitts | X1
| Δ | O | O | O | O | O | O | X2
| X2
| X2
|
- x1: Makrodefekte
wurden in dem Einkristall beobachtet.
- x2: Der Kristall war polykristallin.
- Δ: Makrodefekte in dem Einkristall verschwanden nicht
vollständig, aber ein gewisser Effekt, Defekte zu reduzieren,
wurde beobachtet.
- O: Makrodefekte in dem Einkristall verschwanden.
-
Beispiele 10 bis 17
-
Siliziumcarbidkristalle
der Beispiele 10 bis 17 der Erfindung wurden durch ein Kristallwachstum
in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 erhalten, außer
dass die Anteile von Si, Cr und Nd in der Zusammensetzung des in
den Graphittiegel hinzugefügten Ausgangsmaterials wie in
Tabelle 2 unten angezeigt variiert wurden. Ein Effekt eines Hinzufügens
von Nd in jedem Beispiel wurde in dergleichen Weise bestimmt wie
in Beispiel 2. Die Ergebnisse bezüglich Beispielen 10 bis
17 sind unten in Tabelle 2 gezeigt.
-
Vergleichsbeispiele 7 bis 9
-
Siliziumcarbidkristalle
der Vergleichsbeispiele 7 bis 9 wurden durch ein Kristallwachstum
in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 erhalten, außer
dass die Anteile von Si, Cr und Nd in der Zusammensetzung des in
den Graphittiegel hinzugefügten Ausgangsmaterials variiert
wurden, so dass sie verschieden von denen der Beispiele 10 bis 17
waren, wie unten in Tabelle 2 angezeigt. Ein Effekt des Hinzufügens
von Nd in jedem Beispiel wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel
2 bestimmt. Die Ergebnisse bezüglich der Vergleichsbeispiele 7
bis 9 sind unten in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
| Beispiel
oder Vergleichsbeispiel | Vgl. | Vgl. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Bsp. | Vgl. |
| Nr. | 7 | 8 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 9 |
| Anteil
des zugefügten Elements Nd (at-%) | 0,2 | 0,5 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 | 20 | 23 | 25 | 30 |
| Anteil
des zugefügten Elements Si (at-%) | 50 | 50 | 50 | 49 | 48 | 48 | 45 | 40 | 39 | 38 | 32 |
| Anteil
des zugefügten Elements Cr (at-%) | 49,8 | 49,5 | 49 | 48 | 47 | 45 | 45 | 40 | 38 | 37 | 28 |
| Ergebnis
der Beobachtung des Einkristallquerschnitts | X1
| X1
| P | O | O | O | O | O | Δ | Δ | X2
|
- x1: Makrodefekte
wurden in dem Einkristall beobachtet.
- x2: Der Kristall war polykristallin.
- Δ: Makrodefekte in dem Einkristall verschwanden, aber
der Kristall ist mehr oder weniger unbeständig.
- O: Makrodefekte in dem Einkristall verschwanden.
-
Zusammenfassung
-
In
einem Verfahren zum Aufwachsen eines Siliziumcarbideinkristalls
auf einem Siliziumcarbideinkristallsubstrat durch in Kontakt Bringen
des Substrats mit einer C enthaltenden Lösung, die durch
Lösen von C in die Schmelze hergestellt wird, die Cr und
X, wobei X zumindest aus einem der Elemente Ce und Nd besteht, sodass
ein Anteil von Cr in einer Gesamtzusammensetzung der Schmelze in
einem Bereich von 30 bis 70 at-% ist und ein Anteil von X in der
Gesamtzusammensetzung der Schmelze in dem Fall, in dem X Ce ist,
in einem Bereich von 0,5 at-% bis 20 at-% ist, oder in dem Fall,
in dem X Nd ist, in einem Bereich von 1 at-% bis 25 at-% ist, und
der Siliziumcarbideinkristall aus der Lösung gewachsen
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-264790
A [0005, 0006]
- - JP 2004-2173 A [0006, 0006, 0006]
- - JP 2006-143555 A [0007, 0007]
- - JP 2007-76986 A [0008, 0008]
