DE112013002107B4

DE112013002107B4 - SiC-Einkristall-Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112013002107B4
Application number: DE112013002107.2T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Danno Katsunori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2033-04-06
Also published as: JPWO2013157418A1; CN104246026A; DE112013002107T5; JP5839117B2; US10428440B2; CN104246026B; US20150128847A1; WO2013157418A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls durch ein Lösungs-Verfahren, wobei ein SiC-Impfkristall mit einer Si-C-Lösung mit einem Temperaturgradienten in Kontakt gebracht wird, in der die Temperatur vom Inneren zur Oberfläche hin abnimmt, um einen SiC-Einkristall wachsen zu lassen und wobei das Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls umfasst:Beschränken des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung, der von der Oberfläche der Si-C-Lösung bis zu einer Tiefe von 20 mm reicht, auf nicht mehr als 10°C/cm,in Kontakt Bringen der (1-100) Ebene des SiC-Impfkristalls mit der Si-C-Lösung, undWachsen lassen eines SiC-Einkristalls auf der (1-100) Ebene des Impfkristalls mit einem Verhältnis von weniger als 20×10cm/h*°C für die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls in Bezug auf den Temperaturgradienten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um einen SiC-Einkristall, der für ein Halbleiterelement geeignet ist, herzustellen, und insbesondere offenbart ist auch einen Hochqualitäts-SiC-Einkristall mit niedriger Schraubenversetzung und ein Verfahren zum Herstellen eines Hochqualitäts-SiC-Einkristalls mittels eines Lösungs-Verfahrens.
Stand der Technik
SiC-Einkristalle sind thermisch und chemisch sehr stabil, weisen eine überlegene mechanische Stärke und Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlung auf, und sie weisen auch im Vergleich zu Si-Einkristallen überlegene physische Eigenschaften, wie eine hohe Durchschlagsspannung und hohe thermische Leitfähigkeit auf. Sie sind daher in der Lage, eine hohe Leistungsabgabe, eine hohe Frequenz, einen Spannungswiderstand und eine Umgebungswiderstandsfähigkeit zu bieten, die nicht mit gegenwertigen Halbleitermaterialien, wie Si-Einkristallen und GaAs-Einkristallen erzielt werden können und die als noch vielversprechender als Halbleitermaterialien der nächsten Generation für einen weiten Bereich von Anwendungen angesehen werden, einschließlich der Materialien für stromführende Vorrichtungen, die es ermöglichen, eine Steuerung hoher Leistung und Energieeffizienz zu erzielen, Materialien für Vorrichtungen für Hochgeschwindigkeits-Hochvolumen-Informationskommunikation, Hochtemperaturmaterialien für Vorrichtungen für Fahrzeuge, strahlungsbeständige Materialien für Vorrichtungen und dergleichen umfasst.
Typische Wachstumsverfahren zum Wachsenlassen von SiC-Einkristallen, die im Stand der Technik bekannt sind, umfassen Gasphasenverfahren, das Acheson-Verfahren tionsverfahren den Nachteil, dass die gewachsenen Einkristalle zu hohlen durchdringenden Defekten, die als „Mikrorohrdefekte“ bekannt sind, Gitterdefekten, wie Stapelfehlern, und einer Erzeugung polymorpher Kristalle neigen. Allerdings werden aufgrund der hohen Kristallwachstumsrate die meisten Massenproduktions-SiC-Einkristalle herkömmlich durch Sublimationsverfahren erzeugt. Es wurde auch versucht, die Defekte in gewachsenen Kristallen zu reduzieren, und es wurde ein Verfahren des Reduzierens einer Dislokationsdichte, die sich in der <0001> Richtung ausdehnt, durch Wiederholen eines Kristallwachstums in der (11-20) Ebene und (1-100) Ebene durch Verwenden eines Sublimationsverfahrens (PTL 1) vorgeschlagen. Beim Acheson-Verfahren wird ein Erhitzen in einem elektrischen Ofen durchgeführt, wobei Siliciumdioxidsteine und Koks als Ausgangsmaterialien verwendet werden, und es war daher aufgrund von Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien nicht möglich, Einkristalle mit hoher Kristallinität zu erhalten.
Lösungs-Verfahren sind Verfahren, in denen geschmolzenes Si oder eine Legierung, die in geschmolzenem Si geschmolzen wird, in einem Graphittiegel platziert wird und C in der geschmolzenen Flüssigkeit gelöst wird und eine SiC-Kristallschicht auf einem Impfkristallsubstrat, das in der Niedrigtemperatursektion angeordnet ist, abgelagert und wachsen gelassen wird. Von den Lösungs-Verfahren kann erwartet werden, dass sie die Defekte reduzieren, da das Kristallwachstum im Vergleich zu Gasphasenverfahren in einem Zustand von nahezu thermischem Gleichgewicht durchgeführt wird. In den vergangenen Jahren wurden daher verschiedene Verfahren zum Herstellen von SiC-Einkristallen durch Lösungs-Verfahren vorgeschlagen (PTL 2), und auch Verfahren zum Erhalten von SiC-Einkristallen mit wenigen Kristalldefekten wurden vorgeschlagen (PTL 3). Ferner offenbart sind Verfahren zur Herstellung eines p-Typ-SiC-Halbleiter-Einkristalls, umfassend: Verwenden einer Lösung, in der C in einer Si-Schmelze gelöst ist (PTL 4) und ein Verfahren zur Herstellung eines gereinigten SiC-Einkristalls (30), wobei das Verfahren N-Wachstumsschritte enthält, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist (PTL 5).
Liste zitierter Druckschriften
Patentliteratur

(PTL 1) Nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung No. 2003-119097
(PTL 2) Nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung No. 2008-105896
(PTL 3) Nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung HEI No. 6-227886
(PTL 4) Nicht geprüfte US Patentveröffentlichung US 2009 / 0 194 017 A1
(PTL 5) Nicht geprüfte deutsche Patentveröffentlichung DE 102 47 017 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben
Wie in PTL 1 bis 3 beschrieben, wurde versucht, die Defekte in gewachsenen Kristallen durch Sublimationsverfahren oder Lösungs-Verfahren zu reduzieren. Allerdings sind die zuvor genannten Verfahren immer noch ungeeignet, um stabil Hochqualitäts-SiC-Einkristalle zu erhalten, die als Halbleiterelemente verwendet werden können, und es bleibt schwierig, effizient SiC-Einkristalle herzustellen, die keine schraubenförmigen Versetzungen enthalten. In Sublimationsverfahren ist es schwierig, einen Einkristall zu enthalten, der nahezu oder absolut keine schraubenförmigen Versetzungen enthält. Auch in Lösungs-Verfahren ist es, da sich Impfkristallversetzungen wahrscheinlich fortsetzen, schwierig, einen Einkristall zu erhalten, der nahezu oder absolut keine schraubenförmigen Versetzungen in dem gewachsenen Kristall in der Richtung enthält, die senkrecht zu der Wachstumsoberfläche des Impfkristalls steht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Aufgaben zu lösen und einen Hochqualitäts-SiC-Einkristall, der eine geringe Dichte an schraubenförmigen Versetzungen, wie schraubenförmigen Schraubenversetzungen, schraubenförmigen Stufenversetzungen und Mikrorohrdefekten aufweist, durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen SiC-Einkristalls bereitzustellen.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls durch ein Lösungs-Verfahren, wobei ein SiC-Impfkristall mit einer Si-C-Lösung mit einem Temperaturgradienten in Kontakt gebracht wird, in der die Temperatur vom Inneren zur Oberfläche hin abnimmt, um einen SiC-Einkristall wachsen zu lassen und wobei das Verfahren zum Herstellen des SiC-Einkristalls umfasst:

Begrenzen eines Temperaturgradienten in dem Oberflächenbereich der Si-C-Lösung, der von der Oberfläche der Si-C-Lösung bis zu einer Tiefe von 20 mm reicht, auf nicht mehr als 10 °C/cm,
in Kontakt bringen der (1-100) Ebene des SiC-Impfkristalls mit der Si-C-Lösung, und

Wachsen lassen eines SiC-Einkristalls an der (1-100) Ebene des Impfkristalls mit einer Rate von weniger als 20 × 10^-4 cm²/h · °C für die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls in Bezug auf den Temperaturgradienten (Einkristallwachstumsrate /Temperaturgradient).
Offenbart ist auch ein SiC-Einkristall, der auf einem SiC-Impfkristall wachsen gelassen wurde, wobei die Dichte schraubenförmiger Versetzungen in der (0001) Ebene des SiC-Einkristalls niedriger ist als die Dichte schraubenförmiger Versetzungen in der (0001) Ebene des Impfkristalls.
Wirkung der Erfindung
Nach der Erfindung ist es möglich, einen SiC-Einkristall mit geringer Dichte schraubenförmiger Versetzungen in der (0001) Ebene zu erhalten.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittszeichnung einer Einkristallherstellungsapparatur, die auf einem Lösungs-Verfahren basiert, die für die Erfindung verwendet werden kann.
2 ist eine Fotografie der äußeren Erscheinung der Wachstumsoberfläche eines durch die Erfindung erhältlichen SiC-Einkristalls, der auf der (1-100) Ebene wachsen gelassen wurde.
3 ist eine Mikroskopfotografie einer (0001) Ebene, die durch Ausschneiden der (0001) Ebene aus einem durch die Erfindung erhältlichen Kristall, der auf der (1-100) Ebene auf einem Impfkristall wachsen gelassen wurde und Durchführen eines Ätzens mit geschmolzenem Alkali erhalten wurde.
4 ist eine Fotografie, die eine vergrößerte Ansicht des Impfkristallanteils aus 3 darstellt.
5 ist eine Fotografie, die eine vergrößerte Ansicht des Anteils des gewachsenen Kristalls aus 3 darstellt.
6 ist eine Fotografie der äußeren Erscheinung der Wachstumsoberfläche eines Kristalls, der auf der (11-20) Ebene wachsen gelassen wurde.
7 ist eine Fotografie der äußeren Erscheinung der Wachstumsoberfläche eines Kristalls, der in der (1-100) Ebene wachsen gelassen wurde.
8 ist ein Graph, der den Bereich für die Wachstumsbedingungen entsprechend des Temperaturgradienten in dem Oberflächenbereich der Si-C-Lösung und des Einkristallwachstumsrate/Temperaturgradientverhältnisses für ein (1-100)-Ebenen-Wachstum darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Durchgehend durch die vorliegende Beschreibung wird die Angabe „-1“ in einem Ausdruck wie (1-100) Ebene verwendet, wo normalerweise eine querlaufende Linie über der Zahl angeordnet wird.
Wie in der oben zitierten PTL 1 beschrieben, wurden RAF-Wachstumsverfahren herkömmlich als effektiv für niedrige Versetzung von Kristallen angesehen und ein Wiederholen eines Wachstums in der (11-20) Ebene (auch bekannt als die a-Oberfläche) und eines Wachstums an der (1-100) Ebene (auch bekannt als die m-Oberfläche) durch ein Sublimationsverfahren wird ausgeführt, um Kristalle mit reduzierter Versetzung herzustellen. Allerdings ist es sogar durch RAF-Verfahren schwierig, Einkristalle ohne Versetzung zu erhalten, und zusätzlich erfordern diese auch wiederholtes Wachstum an der (11-20) Ebene und der (1-100) Ebene. Daher ist ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren wünschenswert, das eine weitere Reduktion der Versetzungsdichte ermöglicht.
Der Erfinder hat ein Verfahren des Herstellens von Hochqualitäts-SiC-Einkristallen durch Lösungs-Verfahren genau erforscht, die es ermöglichen, dass die Dichte schraubenförmiger Versetzungen, wie Schraubenversetzung, Stufenversetzung und Mikrorohrdefekte, die aufgrund der Impfkristalle in gewachsenen Kristallen erzeugt werden, niedriger ist als im Stand der Technik.
Als ein Ergebnis wurde festgestellt, dass durch Durchführen eines m-Oberflächenwachstums durch ein Lösungs-Verfahren unter Verwendung der (1-100) Ebene (auch bekannt die m-Oberfläche) des Impfkristalls anstelle eines a-Oberflächenwachstums, das typischerweise im Stand der Technik durchgeführt wird, ein SiC-Einkristall erhalten werden kann, der eine geringere Dichte schraubenförmiger Versetzungen aufweist als der Impfkristall. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Verwenden dieses Verfahrens einen SiC-Einkristall mit drastisch geringerer Dichte schraubenförmiger Versetzungen als der Impfkristall durch einmaliges m-Oberflächenwachstum hervorbringen kann, ohne wiederholtes Wachstum des Einkristalls zu erfordern.
Zusätzlich wurde bestätigt, dass der Temperaturgradient im Oberflächenbereich der SiC-Lösung und die Wachstumsrate des Einkristalls in Bezug auf den Temperaturgradient jeweils die Flachheit der Wachstumsoberfläche des SiC-Einkristalls beeinflussen. Darüber hinaus wurde ein Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls entdeckt, das die Bedingungen des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung und die Wachstumsrate des Einkristalls umfasst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls durch ein Lösungs-Verfahren, wobei ein SiC-Impfkristall mit einer Si-C Lösung mit einem Temperaturgradient in Kontakt gebracht wird, in der die Temperatur vom Inneren zur Oberfläche hin abnimmt, um einen SiC-Einkristall wachsen zu lassen und wobei das Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls umfasst:

Beschränken des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung, der von der Oberfläche der Si-C-Lösung bis zu einer Tiefe von 20 mm reicht, auf nicht mehr als 10°C/cm,
in Kontakt bringen der (1-100) Ebene des SiC-Impfkristalls mit der Si-C-Lösung, und

Wachsenlassen eines SiC-Einkristalls auf der (1-100) Ebene des Impfkristalls mit einer Rate von weniger als 20 × 10^-4 cm²/h · °C für die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls in Bezug auf den Temperaturgradienten (Einkristallwachstumsrate/ Temperaturgradient).
Nach dem vorliegenden Verfahren wird es möglich, einen auf einem Impfkristall gewachsenen SiC-Einkristall zu erhalten, der eine flache Wachstumsoberfläche aufweist und eine geringere Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene aufweist als die Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene des Impfkristalls, wobei der SiC-Einkristall bevorzugt eine Dichte schraubenförmiger Verwerfungen von nicht mehr als 1/cm² und stärker bevorzugt eine Dichte schraubenförmiger Versetzungen von Null aufweist.
Ein Lösungs-Verfahren wird im Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls nach der Erfindung verwendet. Ein Lösungs-Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls ist ein Verfahren, bei dem der Oberflächenbereich der Si-C-Lösung aufgrund der Bildung eines Temperaturgradienten, bei dem die Temperatur vom Inneren der Si-C-Lösung zur Oberfläche der Lösung in einem Tiegel abnimmt, übersättigt wird, und ein SiC-Einkristall an einem Impfkristall, der mit der Si-C-Lösung in Kontakt steht, wachsen gelassen wird.
Im vorliegenden Verfahren kann ein SiC-Einkristall mit einer Qualität die für gewöhnlich zur Herstellung von SiC-Einkristallen verwendet wird, als Impfkristall verwendet werden. Es kann zum Beispiel ein SiC-Einkristall, der für gewöhnlich durch ein Sublimationsverfahren gebildet wird, als der Impfkristall verwendet werden. Ein SiC-Einkristall, der für gewöhnlich durch ein solches Sublimationsverfahren gebildet wird, enthält im Allgemeinen zahlreiche schraubenförmige Versetzungen und Grundebenenversetzungen.
Im vorliegenden Verfahren wird ein SiC-Impfkristall mit einer (1-100) Ebene verwendet, um einen (1-100) Ebenen SiC-Einkristall durch Verwenden eines Lösungs-Verfahrens wachsen zu lassen. Die Dichte schraubenförmiger Verwerfungen auf der (0001) Ebene des auf der (1-100) Ebene gewachsenen SiC-Einkristalls ist geringer als die Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene des Impfkristalles, wobei die Dichte schraubenförmiger Verwerfungen bevorzugt nicht größer als 1/cm² ist und die Dichte schraubenförmiger Versetzungen stärker bevorzugt Null ist. Der Impfkristall kann jegliche erwünschte Form haben, wie plattenartig, diskusförmig, zylindrisch, säulenförmig, abgeschnitten und konisch oder abgeschnitten pyramidenförmig. Die (1-100) Ebene des Impfkristalls kann als die Bodenoberfläche des Impfkristalls verwendet werden, die mit der Oberfläche der Si-C-Lösung in Kontakt steht, und die obere Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite kann als die Oberfläche verwendet werden, die an der Impfkristallhaltespindel, wie einer Graphitspindel, gehalten wird.
Der Temperaturgradient im Oberflächenbereich in der Si-C-Lösung ist der Temperaturgradient in der Richtung, die senkrecht zu der Oberfläche der Si-C-Lösung steht, was ein Temperaturgradient ist, bei dem die Temperatur vom Inneren der Si-C-Lösung zur Oberfläche der Lösung hin sinkt. Der Temperaturgradient kann durch Messen der Temperatur A an der Oberfläche der Si-C-Lösung, welche die Niedrigtemperaturseite ist, und der Temperatur B, welche die Hochtemperaturseite ist, auf einer vorgeschriebenen Tiefe von der Oberfläche der Si-C-Lösung in der Richtung, die senkrecht zur Lösungsseite ist, durch Verwenden eines Thermoelements und Teilen der Temperaturdifferenz durch den Abstand zwischen den Positionen an denen die Temperatur A und die Temperatur B gemessen wurde, berechnet werden. Zum Beispiel kann, wenn der Temperaturgradient zwischen der Oberfläche der Si-C-Lösung und der Position in der Tiefe D cm von der Oberfläche der Si-C-Lösung in der Richtung senkrecht zu der Lösungsseite gemessen wird, eine Berechnung nach der folgenden Formel durchgeführt werden: $Temperaturgradient (° C/cm) = (B - A) / D$
welches die Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur A der Si-C-Lösung und der Temperatur B an einer Position in der Tiefe D cm von der Oberfläche der Si-C-Lösung in der Richtung senkrecht zu der Lösungsseite geteilt durch D cm ist.
Im vorliegenden Verfahren beträgt der Temperaturgradient im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung 10°C/cm oder weniger. Es wurde festgestellt, dass ein Beschränken des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung auf diesen Bereich es einfacher macht, einen SiC-Einkristall zu erhalten, der keine schraubenförmigen Versetzungen enthält und der eine flache Oberfläche aufweist.
Ein hoher Temperaturgradient nahe dem Impfkristallsubstrat kann die Wachstumsrate für den SiC-Einkristall beschleunigen. Wenn der Temperaturgradient zu groß ist, wird es allerdings schwierig sein, eine flache Wachstumsoberfläche zu erhalten. Daher muss Temperaturgradientenbereich wie oben beschrieben geregelt werden.
Es gibt keine besondere Beschränkung für die untere Grenze des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung und er kann zum Beispiel 2°C/cm oder größer, 4°C/cm oder größer, 6°C/cm oder 8°C/cm oder größer sein.
Der Bereich, in dem der Temperaturgradient geregelt wird, kann zum Beispiel bis zu einer Tiefe von 3 mm reichen, und reicht für die Zwecke der beanspruchten Erfindung bis zu einer Tiefe von 20 mm von der Oberfläche der Si-C-Lösung.
Wenn der Regelbereich des Temperaturgradienten zu flach ist, wird der Bereich, in dem der Grad der Übersättigung von C geregelt ist auch zu flach und das Wachstum des SiC-Einkristalls kann instabil werden. Wenn der Regelbereich des Temperaturgradienten zu tief ist, wird der Bereich, in dem der Grad der Übersättigung von C geregelt wird, der effektiv für ein stabiles Wachstum des SiC-Einkristalls ist, auch zu tief. Allerdings ist in Wirklichkeit die Tiefe, welche zum Einkristallwachstum beiträgt, ein Bereich bis zu einer Tiefe von einigen Millimetern von der Oberfläche der Si-C-Lösung. Dementsprechend ist es bevorzugt, den Temperaturgradienten innerhalb des oben beschriebenen Tiefenbereichs zu regeln, um ein stabiles Einkristallwachstum und eine Temperaturgradientenregelung durchzuführen.
Die Regelung des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung wird unten detaillierter mit Bezug auf die angehängten Figuren beschrieben. Es ist möglich, den beschriebenen Temperaturgradienten in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche der Si-C-Lösung durch Anpassen der Platzierung, Konstruktion und Leistungsabgabe der Heizvorrichtung, wie einer Hochfrequenzspule, die um den Tiegel der Einkristallherstellungsvorrichtung angeordnet ist, zu bilden.
Im vorliegenden Verfahren wird zum Wachstum des SiC-Einkristalls das Verhältnis der SiC-Einkristallwachstumsrate (µm/h) in Bezug auf den Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung (°C/cm) (Einkristallwachstumsrate/ Temperaturgradient) auf weniger als 20 × 10^-4 cm²/h · °C und bevorzugt weniger als 12 × 10^-4 cm²/h · °C. Es wurde festgestellt, dass zusätzlich zum Regeln des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung ein Beschränken der Einkristallwachstumsrate in Bezug auf den Temperaturgradienten auf den oben beschriebenen Bereich ermöglicht, stabil einen SiC-Einkristall zu erhalten, der keine schraubenförmigen Versetzungen enthält und eine flache Oberfläche aufweist.
Die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls kann durch Regeln des Grades der Übersättigung der Si-C-Lösung angepasst werden. Wenn der Grad der Übersättigung der Si-C-Lösung gesteigert wird, steigt die SiC-Einkristallwachstumsrate, und wenn der Grad der Übersättigung gesenkt wird, sinkt die SiC-Einkristallwachstumsrate.
Der Grad der Übersättigung der Si-C-Lösung kann hauptsächlich durch die Oberflächentemperatur der Si-C-Lösung und den Temperaturgradient in dem Oberflächenbereich der Si-C-Lösung geregelt werden. Zum Beispiel kann der Grad der Übersättigung durch Reduzieren des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung gesenkt werden, oder der Grad der Übersättigung kann durch Vergrößern des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung gesteigert werden, während eine konstante Oberflächentemperatur der Si-C-Lösung aufrechterhalten wird.
Wenn der Wärmeverlust durch die Impfkristallhaltespindel verändert wird, kann sich der Grad der Übersättigung der Si-C-Lösung nahe des Impfkristalls verändern, was die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls verändert. Somit kann die thermische Leitfähigkeit durch Wählen des Materials für die Impfkristallhaltespindel verändert werden, und der Durchmesser der Impfkristallhaltespindel kann auch verändert werden, um den Grad des Wärmeverlustes zu verändern, wodurch es ermöglicht wird, die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls zu verändern.
Das Vorliegen oder Fehlen von schraubenförmigen Versetzungen kann durch Durchführen eines Spiegelpolierens, bei dem die (0001) Ebene freigelegt wird, und Durchführen eines Ätzens mit geschmolzenem Alkali unter Verwendung von geschmolzenem Kaliumhydroxid, Natriumperoxid oder dergleichen, um die Versetzungen zu betonen, und Untersuchen der Oberfläche des SiC-Einkristalls mit einem Mikroskop eingeschätzt werden.
Die Platzierung des Impfkristalls in der Einkristallherstellungsvorrichtung kann wie oben beschrieben durch Halten der oberen Oberfläche des Impfkristalls an der Impfkristallhaltespindel durchgeführt werden.
Der Kontakt des Impfkristalls mit der Si-C-Lösung kann durch Absenken der Impfkristallhaltespindel, die den Impfkristall hält, zu der Si-C-Lösungsoberfläche und in Kontaktbringen desselben mit der Si-C-Lösung durchgeführt werden, während die Bodenfläche des Impfkristalls parallel zu der Si-C-Lösungsoberfläche gehalten wird. Der Impfkristall kann für das Wachstum des SiC-Einkristalls auch in einer vorgeschriebenen Position relativ zu der Si-C-Lösungsoberfläche gehalten werden.
Die Halteposition des Impfkristalls kann so sein, dass die Position der Bodenfläche des Impfkristalls der Si-C-Lösungsoberfläche entspricht, oder so, dass sie unterhalb der Si-C-Lösungsoberfläche oder über der Si-C-Lösungsoberfläche ist. Wenn er so gehalten wird, dass die Bodenfläche des Impfkristalls in einer Position oberhalb der Si-C-Lösungsoberfläche ist, wird der Impfkristall einmal mit der Si-C-Lösung in Kontakt gebracht, so dass die Si-C-Lösung mit der Bodenfläche des Impfkristalls in Kontakt kommt, und er wird dann in die vorgeschriebene Position angehoben. Die Position der Bodenflächen des Impfkristalls kann der Si-C-Lösungsoberfläche entsprechen oder niedriger liegen als die Si-C-Lösungsoberfläche, es ist aber, um die Erzeugung von Polykristallen zu verhindern, bevorzugt so, dass die Si-C-Lösung nicht in Kontakt mit der Impfkristallhaltespindel gerät. In solchen Verfahren kann die Position des Impfkristalls während des Wachstums des Einkristalls angepasst werden.
Die Impfkristallhaltespindel kann eine Graphitspindel sein, die das Impfkristallsubstrat an einer Endoberfläche hält. Die Impfkristallhaltespindel kann jegliche erwünschte Form, wie zylindrisch oder säulenartig, aufweisen und eine Graphitspindel mit der gleichen Endflächenform wie die Oberseite des Impfkristalls kann verwendet werden.
Ein durch das vorliegende Verfahren gewachsener SiC-Einkristall kann als ein Impfkristall für weiteres Wachstum des SiC-Einkristall verwendet werden. Während ein SiC-Einkristall, der auf der (1-100) Ebene durch das vorliegende Verfahren gewachsen ist, ein geringes Maß an Grundflächenversetzung enthält, ist die schraubenförmige Versetzung sehr minimal oder Null und daher kann weiteres Kristallwachstum unter Verwendung der (000-1) Fläche des SiC-Einkristalls als Ursprung einen sehr hochqualitativen SiC-Einkristall hervorbringen, der nicht nur frei von schraubenförmigen Versetzungen, sondern auch von Grundflächenversetzungen ist. Dies liegt daran, dass sehr wenig oder absolut keine schraubenförmigen Versetzungen an der (000-1) Fläche vorliegen, die der Wachstumsursprung des Impfkristalls ist, und das sich daher sehr wenige oder absolut keine schraubenförmigen Versetzungen vom Impfkristall in den gewachsenen Kristall fortsetzen, während jegliche Grundflächenversetzung, die im Impfkristall vorliegen könnte, sich nicht einfach in die (000-1) Fläche des gewachsenen Kristalls vorsetzt. Dies kann durch ein Lösungs-Verfahren durchgeführt werden oder es kann durch ein Sublimationsverfahren durchgeführt werden.
Nach der Erfindung ist eine Si-C-Lösung eine Lösung, in der C gelöst ist, wobei das Lösungsmittel eine geschmolzene Flüssigkeit aus Si oder Si/X ist (X ist ein oder mehrere andere Metalle als Si). X ist nicht sonderlich beschränkt, solange es ein oder mehrere Metalle ist und eine flüssige Phase (Lösung) bilden kann, die sich in einem Zustand thermodynamischen Gleichgewichts mit SiC (Festphase) befindet. Geeignete Beispiele von X Metallen umfassen Ti, Mn, Cr, Ni, Ce, Co, V und Fe.
Die Si-C-Lösung ist bevorzugt eine Si-C-Lösung, bei der das Lösungsmittel eine geschmolzene Flüssigkeit aus Si/Cr/X ist (wobei X für ein oder mehrere Metalle außer Si und Cr steht). Eine Si-C-Lösung, bei der das Lösungsmittel eine geschmolzene Flüssigkeit mit einem Atomzusammensetzungsprozentverhältnis von Si/Cr/X = 30-80/20-60/0-10 ist, weist eine geringe Veränderlichkeit der C-Lösung auf und ist daher bevorzugt. Zum Beispiel können Cr, Ni und dergelichen zusätzlich zu Si in den Tiegel eingebracht werden, um eine Si-Cr Lösung, Si-Cr-Ni Lösung und dergleichen zu bilden.
Die Si-C-Lösung weist bevorzugt eine Oberflächentemperatur von 1800°C bis 2200°C auf, was Fluktuationen des Ausmaßes der Auflösung von C in die Si-C-Lösung minimieren wird.
Die Temperaturmessung der Si-C-Lösung kann durch Verwenden eines Thermoelements oder Strahlungsthermometers durchgeführt werden. Im Hinblick auf die Hochtemperaturmessung und das Verhindern von Einschlüssen und Verunreinigungen ist das Thermoelement bevorzugt ein Thermoelement, das einen mit Zirkon oder Magnesiumoxidglas bedeckten Wolfram-Rheniumdraht umfasst, der in einem Graphitschutzrohr angeordnet ist.
1 stellt ein Beispiel einer SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung dar, die zum Durchführen des Verfahrens der Erfindung geeignet ist. Die abgebildete Einkristallherstellungsvorrichtung 100 umfasst einen Tiegel 10, wobei der Tiegel 10 eine Si-C-Lösung 24 aufnimmt, in der C in einer geschmolzenen Flüssigkeit aus Si oder Si/X gelöst ist, ein Temperaturgradient ausgebildet ist, in dem die Temperatur vom Inneren der Si-C-Lösung zur Oberfläche der Lösung hin abnimmt, und das Impfkristallsubstrat 14, das an der Spitze in der senkrecht beweglichen Graphitspindel 12 gehalten wird, in Kontakt mit der Si-C-Lösung 24 gebracht wird, um ein Wachstum des SiC-Einkristalls zu ermöglichen. Der Tiegel 10 und die Graphitspindel 12 werden bevorzugt in Rotation versetzt.
Die Si-C-Lösung 24 wird durch Einbringen der Ausgangsmaterialien in den Tiegel, Schmelzen derselben durch Erhitzen zum Herstellen geschmolzener Si oder Si/X Flüssigkeit und darin Lösen von C hergestellt. Wenn der Tiegel 10 ein kohlenstoffhaltiger Tiegel ist, wie ein Graphittiegel oder ein SiC-Tiegel, wird sich C durch Lösen des Tiegels 10 in der geschmolzenen Flüssigkeit lösen, wodurch sich eine Si-C-Lösung bildet. Dies wird das Vorliegen von ungelöstem C in der Si-C-Lösung 24 verhindern und Verschwendung von SiC durch Ablagerung des SiC-Einkristalls an das ungelöste C vermindern. Die Zufuhr von C kann durch Anwenden eines Verfahrens von zum Beispiel Einblasen von Kohlenwasserstoffgas oder Einbringen einer festen C-Quelle zusammen mit den Ausgangsmaterialien der geschmolzenen Flüssigkeit durchgeführt werden oder diese Verfahren können zusammen mit der Lösung des Tiegels kombiniert werden.
Zur thermischen Isolierung ist die äußere Peripherie des Tiegels 10 mit einem wärmeisolierenden Material 18 bedeckt. Diese sind zusammen in einem Quarzrohr 26 angeordnet. Eine Hochfrequenzspule 22 zum Erhitzen ist um die äußere Peripherie des Quarzrohres 26 angeordnet. Die Hochfrequenzspule 22 kann mit einer Spule einer oberen Ebene 22A und einer Spule einer unteren Ebene 22B ausgelegt sein. Die Spule der oberen Ebene 22A und die Spule der unteren Ebene 22B können unabhängig steuerbar sein.
Da die Temperaturen des Tiegels 10, des wärmeisolierenden Materials 18, des Quarzrohres 26 und der Hochfrequenzspule 22 hoch werden, sind sie in einer Wasserkühlkammer angeordnet. Die Wasserkühlkammer ist mit einem Gaseinlass und einer Gasablassöffnung versehen, um atmosphärische Veränderungen in der Vorrichtung zu Ar, He oder dergleichen zu ermöglichen.
Die Temperatur der Si-C-Lösung weist für gewöhnlich aufgrund thermischer Abstrahlung und dergleichen eine Temperaturverteilung mit einer geringeren Temperatur an der Oberfläche der Si-C-Lösung als im Inneren davon auf. Ferner kann in der Richtung, die senkrecht zur Oberfläche der Si-C-Lösung 24 ist, durch Anpassen der Anzahl von Spulen und Beabstandung der Hochfrequenzspule 22, des Anordnungszusammenhangs der Hochfrequenzspule 22 und des Tiegels 10 in der Höhenrichtung und der Leistungsabgabe der Hochfrequenzspule ein vorgeschriebener Temperaturgradient in der Si-C-Lösung 24 ausgebildet werden, sodass ein oberer Bereich der Lösung in den das Impfkristallsubstrat 14 eingetaucht ist, eine niedrige Temperatur aufweist und ein unterer Bereich der Lösung eine hohe Temperatur aufweist. Zum Beispiel kann die Leistungsabgabe der Spule der oberen Ebene 22A geringer sein, als die Leistungsabgabe der Spule der unteren Ebene 22B, um einen vorgeschriebenen Temperaturgradienten in der Si-C-Lösung 24 auszubilden, bei dem ein oberer Bereich der Lösung bei einer niedrigeren Temperatur vorliegt und ein unterer Bereich der Lösung bei einer hohen Temperatur vorliegt.
Das in der Si-C-Lösung 24 gelöste C wird durch Diffusion und Konvektion verteilt. In der Nähe der Bodenfläche des Impfkristallsubstrats 14 wird durch Nutzen der Leistungsabgaberegelung der Spule 22 der oberen Ebene und unteren Ebene, der Wärmeabstrahlung von der Oberfläche der Si-C-Lösung und des Wärmeverlustes durch die Graphitspindel 12 ein Temperaturgradient ausgebildet, bei dem die Temperatur im Vergleich zu einem unterem Bereich der Si-C-Lösung 24 geringer ist. Wenn C, das im unteren Bereich der Lösung gelöst ist, wo die Temperatur und die Löslichkeit hoch sind, den Bereich nahe der Bodenflächen des Impfkristallsubstrates erreicht, wo die Temperatur und die Löslichkeit gering sind, entsteht ein übersättigter Zustand und ein SiC-Einkristall wird an dem Impfkristallsubstrat durch eine Wirkung der Übersättigung als treibende Kraft zum Wachsen gebracht.
In manchen Ausführungsformen kann ein Rückschmelzen durchgeführt werden, bei dem die Oberflächenschicht des SiC-Impfkristallsubstrats in die Si-C-Lösung gelöst und vor dem Wachstum eines SiC-Einkristalls entfernt wird, da die Oberflächenschicht des Impfkristallsubstrats, an dem der SiC-Einkristall zum Wachsen gebracht wird, eine beeinträchtigte Schicht, wie eine Versetzung, einen natürlichen Oxidfilm oder dergleichen, aufweisen kann und ein Entfernen dergleichen durch Lösen vor dem Wachstum eines SiC-Einkristalls effektiv zum Wachsenlassen eines Hochqualitäts-SiC-Einkristalls ist. Auch wenn die Dicke einer zu lösenden Schicht von Verarbeitungsbedingungen der Oberfläche eines SiC-Impfkristallsubstrats abhängt, beträgt sie bevorzugt ungefähr 5 bis 50 µm für eine effiziente Entfernung einer beeinträchtigten Schicht und eines natürlichen Oxidfilms.
Das Rückschmelzen kann durch Bilden eines Temperaturgradienten in der Si-C-Lösung durchgeführt werden, indem die Temperatur vom Inneren der Si-C-Lösung zur Oberfläche der Lösung hin zunimmt, d. h. durch Bilden eines Temperaturgradienten in umgekehrter Richtung zum Fall des SiC-Einkristallwachstums. Der Temperaturgradient in der umgekehrten Richtung kann durch Regeln der Leistungsabgabe der Hochfrequenzspule gebildet werden.
Das Rückschmelzen kann auch ohne Bilden eines Temperaturgradienten in der Si-C-Lösung durch einfaches Eintauchen des Impfkristallsubstrats in die Si-C-Lösung durchgeführt werden, die auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die über der Verflüssigungstemperatur liegt. In diesem Fall steigt die Lösungsrate mit höherer Si-C-Lösungstemperatur aber die Steuerung des Ausmaßes der Lösung wird schwierig, während eine geringe Temperatur die Lösungsrate verlangsamen kann.
In manchen Ausführungsformen kann das Impfkristallsubstrat vorab vorgeheizt werden und daraufhin wird selbiges in Kontakt mit der Si-C-Lösung gebracht. Wenn das Impfkristallsubstrat mit einer niedrigen Temperatur in Kontakt mit der Si-C-Lösung mit einer hohen Temperatur gebracht wird, können Hitzeschockversetzungen in dem Impfkristall erzeugt werden. Ein Vorheizen des Impfkristallsubstrats vor dem in Kontakt Bringen des Impfkristallsubstrats mit der Si-C-Lösung verhindert Hitzeschockversetzungen und ist effektiv zum Wachsenlassen eines Hochquali-täts-SiC-Einkristalls. Das Impfkristallsubstrat kann zusammen mit der Graphitspindel erhitzt werden. Andernfalls kann die Si-C-Lösung auf die Temperatur für das Kristallwachstum aufgeheizt werden, nachdem der Impfkristall mit der Si-C-Lösung bei einer relativ niedrigen Temperatur in Kontakt gebracht wurde. Dies ist ebenfalls effektiv zum Verhindern von Hitzeschockversetzungen und zum Wachsenlassen eines Hochqualitäts-SiC-Einkristalls.
Die Offenbarung betrifft auch einen auf einem Impfkristall gewachsenen SiC-Einkristall, wobei die Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene des SiC-Einkristalls geringer ist als die Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene des Impfkristalls. Die Dichte schraubenförmiger Versetzungen auf der (0001) Ebene des SiC-Einkristalls ist bevorzugt nicht großer als 1/cm² und stärker bevorzugt null.
[Beispiele]
(Beispiel 1)
Ein durch ein Sublimationsverfahren gebildeter SiC-Einkristall, der ein 10 mm-Quadrat 4H-SiC-Einplattenkristall mit einer Dicke von 0,8 mm und der Bodenfläche als der (1-100) Ebene war, wurde für die Verwendung als ein Impfkristallsubstrat vorbereitet. Die Oberendfläche des Impfkristallsubstrats wurde unter Verwendung eines Graphithaftmittels auf solche Weise, dass die Endfläche der Graphitspindel innerhalb der Oberseitenfläche des Impfkristalls war und die Endfläche der Graphitspindel nicht über die Oberendfläche des Impfkristalls hinausragte, an ungefähr den zentralen Bereich der Endfläche einer zylindrischen Graphitspindel mit einer Länge von 20 cm und einem Durchmesser von 12 mm angebracht.
Es wurde eine Einkristallherstellungsvorrichtung verwendet, wie in 1 dargestellt, und Si/Cr/Ni wurden als Materialien der geschmolzenen Flüssigkeit mit einem Atomzusammensetzungsprozentverhältnis von 50:40:10 in einem Graphit-Tiegel mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Höhe von 185 mm zum Aufnehmen einer Si-C-Lösung eingebracht. Die Luft in der Einkristallherstellungsvorrichtung wurde gegen Argon ausgetauscht. Die Hochfrequenzspule wurde mit Strom versorgt, um das Ausgangsmaterial in dem Graphit-Tiegel durch Erhitzen zu Schmelzen, wodurch eine geschmolzene Flüssigkeit einer Si/Cr/Ni Legierung gebildet wurde. Daraufhin wurde eine ausreichende Menge C von dem Graphit-Tiegel in der geschmolzenen Si/Cr/Ni Legierungsflüssigkeit gelöst, sodass sich eine Si-C-Lösung bildete.
Die Leistungsabgaben der Spule der oberen Ebene und der Spule der unteren Ebene wurden so angepasst, dass sie den Graphit-Tiegel aufheizten, wobei sie die Temperatur an der Oberfläche des Si-C-Lösung auf 1820°C steigerten. Die Temperatur wurde durch Verwenden eines vertikal bewegbaren, einen Wolfram-Rheniumdraht umfassenden Thermoelements gemessen, das in einem Graphitschutzrohr angeordnet war. Ein Impfkontakt wurde durchgeführt, bei dem die Position der Bodenfläche des Impfkristalls in einer Position angeordnet war, die der Flüssigkeitsoberfläche der Si-C-Lösung entsprach, und die Bodenfläche des Impfkristalls wurde mit der Si-C-Lösung in Kontakt gebracht, während die Bodenfläche des Impfkristalls, die mit der Graphitspindel verbunden war, parallel zu der Si-C-Lösungsoberfläche gehalten wurde.
Die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung wurde weiter auf 1930°C angehoben und der Temperaturgradient, bei dem die Temperatur vom Inneren der Lösung zu der Lösungsoberfläche hin in einem Bereich von 20 mm von der Lösungsoberfläche fiel, wurde für das Wachstum eines Kristalls auf 8,6°C/cm geregelt.
Bei Fertigstellung des Kristallwachstums wurde die Graphitspindel angehoben und der Impfkristall und der SiC-Kristall, der an dem Impfkristall gewachsen war, wurden von der Si-C-Lösung und der Graphitspindel getrennt und gewonnen. Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 45 µm/h. 2 stellt eine Fotographie des gewachsenen Einkristalls dar, der von der Wachstumsoberfläche betrachtet wurde. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, wie in 2 dargestellt.
(Beispiel 2)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 2030°C und der Temperaturgradient 9,0°C/cm betrug.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 100 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
(Beispiel 3)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1920°C und der Temperaturgradient 9,3°C/cm betrug.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 80 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
(Beispiel 4)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1920°C und der Temperaturgradient 9,0°C/cm betrug.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 60 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
(Beispiel 5)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass ein durch ein Sublimationsverfahren gebildetes SiC-Einkristallsubstrat, das eine 10 mm-Quadrat 4H-SiC-Einkristallplatte mit einer Dicke von 3,5 mm und der Bodenfläche als der (1-100) Ebene war, für die Verwendung als ein Endkristallsubstrat vorbereitet wurde, die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 2000°C betrug, der Impfkontakt durch in Kontaktbringen der Bodenfläche des Impfkristalls mit der Si-C-Lösung bei 2000°C durchgeführt wurde und der Temperaturgradient 10,0°C/cm betrug.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 60 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
(Beispiel 6)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 5 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass ein durch ein Sublimationsverfahren gebildetes SiC-Einkristallsubstrat, das eine 10 mm-Quadrat 4H-SiC-Einkristallplatte mit einer Dicke von 2,0 mm und der Bodenfläche als der (1-100) Ebene war, für die Verwendung als ein Impfkristallsubstrat vorbereitet wurde.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 101 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
(Beispiel 7)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 5 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass ein durch ein Sublimationsverfahren gebildetes SiC-Einkristallsubstrat, das eine 10 mm-Quadrat 4H-SiC-Einkristallplatte mit einer Dicke von 1,5 mm und der Bodenfläche als der (1-100) Ebene war, für die Verwendung als ein Impfkristallsubstart vorbereitet wurde.
Der erhaltene gewachsene Kristall war ein Einkristall mit einer Wachstumsrate von 132 µm/h. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Einkristalls war flach, ähnlich wie bei dem Einkristall, der in Beispiel 1 gewachsen war.
Beobachtung von schraubenförmigen Versetzungen
SiC-Einkristalle, die in den Beispielen 1 bis 7 gewachsen waren, wurden jeweils mit einer Diamantsäge geschnitten, um die (0001) Ebene freizulegen und mit zwei verschiedenen Diamantschlemmen poliert (Schlemmenpartikeldurchmesser: 6 µm und 3 µm) um ein Spiegel-Finish zu erzeugen. Als nächstes wurde jeder gewachsene SiC-Einkristall für 5 Minuten in eine geschmolzene Flüssigkeit mit 500°C getaucht, die ein Gemisch von Kaliumhydroxid (Produkt von Nacalai Tesque, Inc.) und Kaliumperoxid (Produkt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) umfasste, um zu ätzen. Jeder SiC-Einkristall wurde aus der gemischten geschmolzenen Flüssigkeit genommen und einer Ultraschallreinigung in gereinigtem Wasser unterworfen und dann wurde ein Mikroskop (Produkt der Nikon Corp.) verwendet, um die Verwerfungen zu untersuchen.
3 bis 5 stellen Mikroskopfotografien der mit geschmolzenen Alkali geätzten (0001) Ebenen der Einkristalle dar, die in Beispiel 1 erhalten wurden. 3 ist eine Fotografie in der Gesamtheit einschließlich des Impfkristalls 14 und des gewachsenen Kristalls 30, 4 zeigt eine vergrößerte Fotografie einer Stelle 32 in dem Impfkristall 14 aus 3 und 5 zeigt eine vergrößerte Fotografie einer Stelle 34 in dem gewachsenen Kristall 30. Schraubenförmige Schraubenersetzungen (SSCHV) und schraubenförmige Stufenversetzungen (SSTV) wurden beim Untersuchen des Impfkristalls ermittelt. Auch wenn eine leichte Grundebenenversetzung (GEV) in dem gewachsenen Kristall beobachtet wurde, wurden keine schraubenförmigen Versetzungen wie schraubenförmige Schraubenversetzungen (SSCHV), schraubenförmige Stufenversetzungen (SSTV) und Mikrorohrdefekte ermittelt, und es lag keine schraubenförmige Versetzung vor. Gleichsam wurde keine schraubenförmige Versetzung in den Einkristallen ermittelt, die in den Beispielen 2 bis 7 gewachsen waren, was zeigt, dass keine schraubenförmige Versetzung vorlag.
(Vergleichsbeispiel 1)
Eine 10 mm-Quadrat 4H-SiC-Einkristallplatte mit einer Dicke von 1 mm und (11-20) Ebenen wurde vorbereitet und sie wurde als ein Impfkristallsubstrat mit der (11-20) Ebene als Bodenfläche verwendet. Die Oberendfläche des Impfkristallsubstrats wurde unter Verwendung eines Grafithaftmittels ähnlich wie in Beispiel 1 mit ungefähr dem Zentralbereich der Endfläche einer Grafitspindel verbunden.
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1930°C und der Temperaturgradient 8,2°C/ cm² betrugen.
6 stellt eine Fotografie des gewachsenen Kristalls dar, der von der Wachstumsoberfläche betrachtet wurde. Die Wachstumsoberfläche des erhaltenen Kristalls war, wie in 6 dargestellt, grob rau ohne Bildung einer flachen Oberfläche und es trat kein Einkristallwachstum auf.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1890°C betrug und der Temperaturgradient 10,3°C/cm betrug.
Die Wachstumsrate des erhaltenen Kristalls betrug 83 µm/h. 7 stellt eine Fotografie des gewachsenen Kristalls dar, der von der Wachstumsoberfläche beobachtet wurde. Auch wenn der erhaltene Kristall ein Einkristall war, wie in 7 dargestellt, war die Wachstumsoberfläche rau und eine flache Oberfläche konnte nicht erhalten werden.
(Vergleichsbeispiel 3)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1870°C betrug und der Temperaturgradient 12,0°C/cm betrug.
Die Wachstumsrate des erhaltenen Kristalls betrug 144 µm/h. Auch wenn der erhaltene Kristall ein Einkristall war, war die Wachstumsoberfläche ähnlich wie in Vergleichsbeispiel 2 rau und eine flache Oberfläche konnte nicht erhalten werden.
(Vergleichsbeispiel 4)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 2000°C betrug und der Temperaturgradient 15,0°C/cm betrug.
Die Wachstumsrate des erhaltenen Kristalls betrug 144 µm/h. Auch wenn der erhaltene Kristall ein Einkristall war, war die Wachstumsoberfläche ähnlich wie in Vergleichsbeispiel 2 rau und eine flache Oberfläche konnte nicht erhalten werden.
(Vergleichsbeispiel 5)
Ein Kristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wachsen gelassen und gewonnen, abgesehen davon, dass die Temperatur der Oberfläche der Si-C-Lösung während des Wachstums des Kristalls 1990°C betrug und der Temperaturgradient 8,6°C/cm betrug.
Die Wachstumsrate des erhaltenen Kristalls betrug 172 µm/h. Auch wenn der erhaltene Kristall ein Einkristall war, war die Oberfläche ähnlich wie in Vergleichsbeispiel 2 rau und eine flache Oberfläche konnte nicht erhalten werden.

Tabelle 1 stellt die Wachstumsoberflächen, Temperaturen der Oberflächen der Si-C-Lösung, Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung, Arten von erhaltenen Kristallen, Kristallwachstumsraten und Wachstumsrate/Temperaturgradient-Verhältnisse für die Beispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 dar. 8 zeigt den optimalen Bereich für die Wachstumsbedingungen des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung und des Einkristallwachstumsrate/ Temperaturgradient-Verhältnisses für (1-100)-Ebenen-Wachstum in den Beispielen 1 bis 7 und den Vergleichsbeispielen 2 bis 5. Tabelle 1

	Wachstumsfache	ImpfKristalldicke (mm)	Art gewachsenen Kristalls	Impfkontakttemperatur (°C)	Wachstumstemperatur (°C)	Temperaturgradient (°C/cm)	Wachstumsgeschwindigkeit (µm/h)	Wachstums geschwindigkeit/ TemperaturGradient (10^-4cm²/(h °C))
Beispiel 1	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1930	8,6	45	5,2
Beispiel 2	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	2030	9,0	100	11,1
Beispiel 3	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1920	9,3	80	8,6
Beispiel 4	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1920	9,0	60	6,7
Beispiel 5	(1-100)	3,5	Einkristall	2000	2000	10,0	60	6,0
Beispiel 6	(1-100)	2,0	Einkristall	2000	2000	10,0	101	10,1
Beispiel 7	(1-100)	1,5	Einkristall	2000	2000	10,0	132	13,2
Vergleichsbeispiel 1	(11-20)	0,8	Einkristall	1820	1930	8,2	-	-
Vergleichsbeispiel 2	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1890	10,3	83	8,1
Vergleichsbeispiel 3	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1870	12,0	144	12,0
Vergleichsbeispiel 4	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	2000	15,0	144	9,6
Vergleichsbeispiel 5	(1-100)	0,8	Einkristall	1820	1990	8,6	172	20,0

Mit (11-20)-Ebenen-Wachstum wurde kein Einkristall erhalten, aber durch Wachstum auf der (1-100) Ebene wurde ein Einkristall erhalten. Zusätzlich wurde durch ein Durchführen eines Kristallwachstums unter Bedingungen mit dem Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung begrenzt auf nicht mehr als 10°C/cm und dem Verhältnis der Kristallwachstumsrate in Bezug auf den Temperaturgradienten (Wachstumsrate/ Temperaturgradient) mit weniger als 20 ((10^-4 cm²)/(h · °C)), ein Einkristall mit einer flachen Oberfläche und mit keinen schraubenförmigen Versetzungen auf der (0001) Ebene erhalten.
Bezugszeichenliste

100:: Einkristallherstellungsvorrichtung
10:: Grafit-Tiegel
12:: Grafitspindel
14:: Impfkristallsubstrat
18:: wärmeisolierendes Material
22:: Hochfrequenzspule
22A:: Hochfrequenzspule der oberen Ebene
22B:: Hochfrequenzspule der unteren Ebene
24:: Si-C-Lösung
26:: Quarzrohr
30:: gewachsener SiC-Einkristall
32:: Stelle in einem Impfkristallbereich
34:: Stelle in einem Bereich des gewachsenen Kristalls

Claims

Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls durch ein Lösungs-Verfahren, wobei ein SiC-Impfkristall mit einer Si-C-Lösung mit einem Temperaturgradienten in Kontakt gebracht wird, in der die Temperatur vom Inneren zur Oberfläche hin abnimmt, um einen SiC-Einkristall wachsen zu lassen und wobei das Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls umfasst: Beschränken des Temperaturgradienten im Oberflächenbereich der Si-C-Lösung, der von der Oberfläche der Si-C-Lösung bis zu einer Tiefe von 20 mm reicht, auf nicht mehr als 10°C/cm, in Kontakt Bringen der (1-100) Ebene des SiC-Impfkristalls mit der Si-C-Lösung, und Wachsen lassen eines SiC-Einkristalls auf der (1-100) Ebene des Impfkristalls mit einem Verhältnis von weniger als 20×10^-4 cm²/h*°C für die Wachstumsrate des SiC-Einkristalls in Bezug auf den Temperaturgradienten.
Verfahren zum Herstellen eines SiC-Einkristalls, das einen Schritt des Verwendens des durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten SiC-Einkristalls als den Impfkristall zum Durchführen des Kristallwachstums auf der (000-1) Ebene des Impfkristalls umfasst.