JP2002326897A - 炭化珪素単結晶 - Google Patents
炭化珪素単結晶Info
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Abstract
炭化珪素単結晶を得る。 【解決手段】 炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結
晶を成長させてなる炭化珪素単結晶において、珪素含有
液状化合物と炭素含有液状化合物とナトリウム化合物と
を均一に混合させて乾燥、粉砕、及び炭化処理が施され
た原料粉を、略大気圧の不活性ガス雰囲気中に加熱状態
で保持された炭化珪素種結晶表面に向けて供給し、前記
原料粉中の二酸化珪素が炭化珪素種結晶表面において軟
化されて流動する液状二酸化珪素を該炭化珪素種結晶表
面に密着させ、炭化珪素種結晶表面において前記液状二
酸化珪素を炭素によって還元することにより、炭化珪素
単結晶を炭化珪素種結晶表面に成長させてなる炭化珪素
単結晶。
Description
係り、詳しくは、炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶を
成長させてなる炭化珪素単結晶に関するものである。
板、発光素子用基板、耐環境用デバイス、パワーデバイ
ス等の半導体デバイス用の材料として有用であり、その
製造方法としては種々の方法が用いられている。炭化珪
素は、常圧での液相が存在せず、シリコン単結晶の引き
上げ法のような液相からの結晶化が困難であり、従来は
Ｓｉ２Ｃ、ＳｉＣ２，Ｓｉ等の気相からの結晶化である
昇華法による製造が一般的であった。
とコークス等の固体の炭素源とを高温加熱し、発生した
蒸気と炭素源との反応により炭化珪素単結晶を製造する
アチソン法や、黒鉛坩堝内で炭化珪素単結晶を再結晶化
するレーリー法、改良レーリー法等がある。アチソン法
は、得られる単結晶の大きさが小さい上、半導体デバイ
ス用としては純度が低く、レーリー法や改良レーリー法
は、炭化珪素の化学量論的組成のガスが存在しないこと
から、再結晶化の機構は複雑であり、制御が困難である
という問題がある。
晶表面に供給されて結晶が１層毎に成長するため、いず
れの方法も単結晶の成長速度が１ｍｍ／時間程度と、シ
リコンの引き上げ法による成長速度の１００ｍｍ／時間
に比べて著しく遅く、収率も悪いという問題点がある。
炭化珪素単結晶の主流の製法としては昇華再結晶法が用
いられていた（例えば、特許第３０８７０６５号公
報）。
炭化珪素を原料とする気相法であり、マイクロパイプ等
の貫通孔が発生し易い点で難点があった。本発明の目的
は、従来では困難とされていた液相からの結晶化を実現
させることにより、マイクロパイプ等の貫通孔の発生が
解消された炭化珪素単結晶を得る点にある。
晶において、珪素含有液状化合物と炭素含有液状化合物
とナトリウム化合物とを均一に混合させて乾燥、粉砕、
及び炭化処理が施された原料粉を、略大気圧の不活性ガ
ス雰囲気中に加熱状態で保持された炭化珪素種結晶表面
に向けて供給し、原料粉中の二酸化珪素が炭化珪素種結
晶表面において軟化されて流動する液状二酸化珪素を炭
化珪素種結晶表面に密着させ、炭化珪素種結晶表面にお
いて液状二酸化珪素を炭素によって還元することによ
り、炭化珪素単結晶を炭化珪素種結晶表面に成長させて
なることを特徴とする炭化珪素種結晶である。
微粒子として互いに均一に混合されて、しかも適量のナ
トリウムが含まれるため、この原料が種結晶表面におい
て加熱されると原料粉中の二酸化珪素が先ず液状化して
種結晶表面に液状膜を形成し、その後に、その液状膜中
で二酸化珪素と炭素とが反応して炭化珪素に変換される
ので、マイクロパイプ等の貫通孔の無い単結晶が育成で
きるようになる。ナトリウムを含まない原料では、軟化
流動して液状膜ができる以前に原料粉中で炭化珪素の合
成が進むため、種結晶表面にエピタキシャルに成長し難
く、粉体を焼結した層が種結晶表面に付着する。
物としては、二酸化珪素超微粒子又は珪素アルコキシド
が望ましい。二酸化珪素超微粒子の種類、粒子形状等の
構成は特に限定されず、例えば種類としてはフュームド
シリカ等が挙げられる。珪素アルコキシドとしては、例
えばＳｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４、又は
これらの重縮合物が挙げられる。粒径は、１μｍ以下、
望ましくは１００ｎｍ以下が良い。
は、炭素超微粒子又は熱分解により炭素に変換できる、
例えばフェノール樹脂が望ましい。炭素超微粒子の種
類、粒子形状等の構成は特に限定されず、例えば種類と
してはチャンネルブラックやファーネスブラック等のカ
ーボンブラックが挙げられる。粒径は１μｍ以下、好ま
しくは１００ｎｍ以下がよい。
ては、常温で水等の溶媒に溶解・混合し易いＮａＯＨ、
ＮａＣｌ、Ｎａ２ＣＯ３等が望ましい。炭化珪素種結晶
の表面温度は１７００〜２３００℃に設定されているの
が望ましい。
ウム化合物との混合液は、これに含有される二酸化珪素
の重量の０．１〜２．０重量％のナトリウムが含まれる
ことになるように、ナトリウム化合物の混合量を設定す
るのが望ましい。
の供給量の比率は適宜選択できる。二酸化珪素含有化合
物、炭素含有化合物のいずれも２種以上のものを混合し
て使用しても良い。又、二酸化珪素含有化合物、炭素含
有化合物は、必要に応じて、本発明の作用を阻害しない
範囲で、前処理を施したり他の成分を微量添加しても良
い。
説明する。
主として用いられてきた。 ＳｉＯ２（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ） （１） ＳｉＯ（ｇ）＋２Ｃ（ｓ）→ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ） （２） しかし（１）は固体間の接触点で起こる反応であり反応
速度の制御が困難であり、合成されるＳｉＣの粒径分布
も広くなり、異常に大きな粒子が生成される事を防ぐこ
とが困難であった。そこで近年では粒径分布の狭い、サ
イズの揃ったＳｉＣ微粒子を合成するために、二酸化珪
素と炭素を極力微小な（例えば数ｎｍ程度の）粒子と
し、極めて均一に混合された原料粉として調整し、この
原料粉に熱エネルギーを与える事によって互いに隣接し
て存在する二酸化珪素超微粒子と炭素超微粒子に下記の
直接反応（３）を起こさせてＳｉＣ微粒子を合成する事
が研究されている。 ＳｉＯ２（ｓ，ｌ）＋３Ｃ（ｓ）→ＳｉＣ（ｓ）＋２ＣＯ（ｇ） （３）
珪素粉が微粒子であるほど容易であるが、１μｍ程度以
上の炭化珪素粉の焼結には硼素、アルミニウム等の焼結
助剤が必要である。炭化珪素単結晶の育成を炭化珪素種
結晶と炭化珪素微粒子を燒結する過程と見なすと、粒子
径が少なくとも１μｍより小さく、望ましくは１００ｎ
ｍより小さな炭化珪素の超微粒子を炭化珪素種結晶表面
に密着させて必要な温度に加熱しなければならない。
た方法によって可能であるが、そのような微粒子の炭化
珪素を炭化珪素種結晶表面に供給して加熱しても炭化珪
素種結晶の上に炭化珪素の多結晶体が形成され、炭化珪
素種結晶が成長することはなかった。これは炭化珪素微
粒子と炭化珪素種結晶表面の相互作用が弱く、炭化珪素
微粒子同士の焼結による粒子成長が優先的に進行するた
めと考えられる。
結晶表面に密着した状態で炭化珪素微粒子を発生させ、
炭化珪素微粒子同士が合体して粒子成長が起こる前に炭
化珪素微粒子を炭化珪素種結晶表面に合体させなければ
ならない。これを実現するために、本発明の育成法にお
いては、００１１において述べたように複合原料粉に適
宜の量のナトリウムを添加する事により、複合原料粉中
の二酸化珪素の軟化点温度を低下させ、（３）式で示さ
れる炭化珪素の合成反応が進行する以前に、炭化珪素種
結晶表面に、複合原料粉中の二酸化珪素による液状膜を
形成させ、引き続きその液状膜の中で（３）式の反応に
より炭化珪素の超微粒子を合成すると同時に表面エネル
ギーの作用により炭化珪素種結晶表面にエピタキシャル
に合体させる事を試み、これに成功した。
る手段としては、キャリアガスを用いる、自由落下させ
る、静電気力を利用する等が考えられるが００１７に述
べたように合成された炭化珪素の超微粒子が表面エネル
ギーの作用により炭化珪素種結晶表面にエピタキシャル
に合体される速度を超えて供給すると超微粒子同士が合
体して粒成長が進行し、単結晶化が困難となり多結晶と
なるので本発明の方法による炭化珪素単結晶の成長速度
は炭化珪素種結晶表面に炭化珪素の超微粒子が取り込ま
れる速度により定まる。
して、図１に示すような製造装置を用いて炭化珪素単結
晶の製造を行った。図１の製造装置は、耐熱容器として
円筒形で密閉状のカーボン外囲器２を、誘導加熱コイル
１内に配置したものであり、カーボン外囲器２内に配置
された試料受台３の上に、単結晶を作るための反応容器
４が置かれている。反応容器４内の底には炭化珪素の種
結晶６が投入されるとともに、不活性ガスの一例である
アルゴンガスが入れられた状態で蓋５が装着される。
チルシリケート１１８ｇ（含有二酸化珪素＝６０ｇ）
と、炭素含有化合物としてフェノール９４ｇ（含有炭素
＝３６ｇ）と、ＮａＯＨ１ｇとを、適宜の量の水を加え
てよく攪拌して混合した後に、脱水、乾燥してから粉砕
し、約３００℃で炭化処理して原料粉を作成する。この
原料粉７を、大気圧のアルゴンガス中で１７００〜２３
００℃に加熱された種結晶６上に供給することにより、
エピタキシャルに成長した炭化珪素を得ることができ
た。
結晶の表面に液状膜を形成し、その後にその液状膜中に
おける二酸化珪素と炭素との反応によって炭化珪素に変
換されるので、炭化珪素種結晶表面上にマイクロパイプ
等の貫通孔の無い炭化珪素単結晶が成長できるようにな
った。
製造装置の一例を示す概要図。
Claims (6)
- 【請求項１】 炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶を成
長させてなる炭化珪素単結晶であって、 二酸化珪素含有化合物と炭素含有化合物とナトリウム化
合物とを含有する原料粉を、略大気圧の不活性ガス雰囲
気中に加熱状態で保持された炭化珪素種結晶表面に供給
し、所定時間保持し、前記原料粉中の二酸化珪素が炭化
珪素種結晶表面において軟化されて流動する液状二酸化
珪素を該炭化珪素種結晶表面に密着させ、炭化珪素種結
晶表面において前記液状二酸化珪素を炭素によって還元
することにより、炭化珪素単結晶を炭化珪素種結晶表面
に成長させてなる炭化珪素単結晶。 - 【請求項２】 炭化珪素種結晶の表面温度が１７００〜
２３００℃に設定されている請求項１に記載の炭化珪素
単結晶。 - 【請求項３】 前記原料粉はこれに含有される二酸化珪
素の重量の０．１〜２．０重量％のナトリウムが含まれ
ることになるように、ナトリウム化合物の混合量が設定
されている請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶。 - 【請求項４】 二酸化珪素含有化合物が二酸化珪素超微
粒子又は珪素アルコキシドである請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の炭化珪素単結晶。 - 【請求項５】 炭素含有化合物が炭素超微粒子又は炭化
処理されたフェノール樹脂である請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の炭化珪素単結晶。 - 【請求項６】 ナトリウム化合物がＮａＯＨ又はＮａＣ
ｌ又はＮａ２ＣＯ３である請求項１〜３のいずれか１項
に記載の炭化珪素単結晶。
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| JP2001134822A JP3631976B2 (ja) | 2001-05-02 | 2001-05-02 | 炭化珪素単結晶の育成法 |
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Publications (2)
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| JP2002326897A true JP2002326897A (ja) | 2002-11-12 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3631976B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7419545B2 (en) | 2004-12-28 | 2008-09-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for producing silicon carbide (SiC) single crystal and silicon carbide (SiC) single crystal obtained by such method |
| WO2010143748A1 (ja) * | 2009-06-11 | 2010-12-16 | 日本碍子株式会社 | Iii族金属窒化物単結晶の育成方法およびこれに用いる反応容器 |
-
2001
- 2001-05-02 JP JP2001134822A patent/JP3631976B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2010143748A1 (ja) * | 2009-06-11 | 2010-12-16 | 日本碍子株式会社 | Iii族金属窒化物単結晶の育成方法およびこれに用いる反応容器 |
| US8568532B2 (en) | 2009-06-11 | 2013-10-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for growing single crystal of group III metal nitride and reaction vessel for use in same |
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