JP2007204309A - Single crystal growth device and single crystal growth method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素等の単結晶の製造装置及び単結晶の成長方法に関するものであり、成長速度が大きく、且つ高品質な単結晶を得ることができる。 The present invention relates to an apparatus for producing a single crystal such as silicon carbide and a method for growing a single crystal, and a high-quality single crystal having a high growth rate can be obtained.
炭化珪素(SiC)は、大きな熱伝導率、低い誘電率、広いバンドギャップを有し、熱的、機械的に安定した特性を持っている。従って、炭化珪素を用いた半導体素子は、従来のシリコン(Si)を用いた半導体素子よりも高い性能を持つ。その利用範囲は、高温の環境で使用される耐環境デバイス材料、耐放射線デバイス材料、電力制御用パワーデバイス材料、高周波デバイス材料などが期待されている。この炭化珪素単結晶の製造方法として、昇華再結晶法(「改良レーリー法」とも呼ばれる)が主に採用されている。 Silicon carbide (SiC) has a large thermal conductivity, a low dielectric constant, a wide band gap, and has thermally and mechanically stable characteristics. Therefore, a semiconductor element using silicon carbide has higher performance than a semiconductor element using conventional silicon (Si). The range of use is expected to be environment-resistant device materials, radiation-resistant device materials, power device materials for power control, high-frequency device materials, etc. used in high-temperature environments. As a method for producing this silicon carbide single crystal, a sublimation recrystallization method (also called “improved Rayleigh method”) is mainly employed.
図9は、この昇華再結晶法に用いられる装置の概略図で、炭化珪素原料4として炭化珪素粉末が収容してある坩堝2と、種結晶支持部を備えた坩堝蓋部1より構成されており、炭化珪素種結晶3は、種結晶支持部に炭化珪素原料4に対向するように配置されている。この状態で、炭化珪素原料4側が高温に、炭化珪素種結晶3側が低温になるように加熱され、炭化珪素原料4の昇華ガスが低温の炭化珪素種結晶3上で再結晶化することにより炭化珪素単結晶5が成長する。
FIG. 9 is a schematic view of an apparatus used for this sublimation recrystallization method, which is composed of a
前記加熱の加熱方法としては、通常、反応管の周囲に螺旋状に巻かれたコイル7に高周波電流を流すことにより、坩堝に電流を発生させ発熱させる高周波誘導加熱が用いられる。この際、この炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度勾配は、単結晶の成長速度に大きく寄与し、温度勾配が大きいほど単結晶の成長速度は大きくなる。産業上の実用性を考えた場合、単結晶の成長速度は、数100μm/hour以上は必要であると考えられる。従って、上記の炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度勾配も、この成長速度が可能である程度に大きくしなければならない。従来は、コイル7と坩堝2の相対位置を変化させて炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度および温度勾配(温度差)を制御する(非特許文献1)。
As a heating method for the heating, high-frequency induction heating is generally used in which a high-frequency current is passed through a
また、炭化珪素を昇華再結晶法で成長させる場合は、炭化珪素の昇華に必要な2000℃以上に加熱する必要があるが、2000℃以上の高温では、温度の4乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝2および坩堝上蓋1を断熱材8で覆う必要がある。
In addition, when silicon carbide is grown by the sublimation recrystallization method, it is necessary to heat to 2000 ° C. or higher necessary for sublimation of silicon carbide, but at a high temperature of 2000 ° C. or higher, radiant heat is proportional to the fourth power of the temperature. Since it is lost, it is necessary to cover the
一方、図10に示すように、原料4と種結晶3間に筒状(コーン状)ガスガイド部9を配置することで、昇華ガスを種結晶3に導き、効率良く単結晶5を成長させ、且つ高品質な単結晶5を得る技術が開示されている(特許文献1)。この技術において重要であるのは、坩堝内、特に前記ガスガイド部9内の等温線10の形状である(非特許文献2)。昇華ガスは、等温線10に直交する方向で低温側に移動するため、等温線10とガスガイド部9の成す角θが90°より大きいと、図10(a)に示すように、ガスガイド部9へ向かう昇華ガスはなく、効率良く種結晶に輸送され、単結晶5のみが成長する。しかし図10(b)に示すように、等温線10とガスガイド部9の成す角θが90°より小さいと、昇華ガスの一部が、ガスガイド部9へ輸送され、ガスガイド部9に多結晶6が付着する。この多結晶6が単結晶5に接触すると、単結晶5の成長を阻害するとともに、単結晶5に歪を与えて、結晶欠陥が単結晶5内に発生し、結晶品質を著しく悪化させる。このように、上記等温線10とガスガイド部9の成す角θを最適(90°より大きく)にすることが、高品質な単結晶を得るために不可欠である。
しかしながら、発明者らが検討した結果、特許文献1に関して以下のような問題があった。前述のように、加熱の際は、炭化珪素原料4側が高温に、炭化珪素種結晶3側が低温になるように加熱しなければならず、この炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度勾配は、単結晶の成長速度に大きく寄与する。従来は、コイル7と坩堝2の相対位置を変化させて炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度および温度勾配を制御しており、炭化珪素原料4側が高温に、炭化珪素種結晶3側が低温に、且つこれらの温度勾配を大きくするには、坩堝2に対してコイル7の位置を下げなければならない。
However, as a result of investigations by the inventors, there is the following problem with respect to
しかし、発明者らの実験において、坩堝2に対してコイル7の位置を下げるとガスガイド部9に多結晶6が付着しやすくなった。そしてガスガイド部9に多結晶6が付着した結果、成長した単結晶5とガスガイド部9に付着した多結晶6が接触し、多結晶6が単結晶5に歪を与えて、クラックや転位といった結晶欠陥が単結晶5に発生した。シミュレーションにより、坩堝2内の温度分布を調べた結果、図7および図8に示すように、上記のガスガイド部9への多結晶6付着の原因は、坩堝2に対してコイル7位置を下げることで、上記の等温線10とガスガイド部9の成す角θが90°より小さくなり、原料ガスの一部がガスガイド部9に輸送されたためであることがわかった。
However, in the experiments by the inventors, when the position of the
つまり、単結晶5の結晶成長速度を大きくしようと、坩堝2に対してコイル7位置を下げて、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4の温度勾配を大きくすると、ガスガイド部9に多結晶6が付着し、単結晶5の結晶品質を著しく悪化させるという問題がある。
In other words, if the temperature of the
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガスガイド部に多結晶を付着させること無く、原料と種結晶の温度勾配を大きくし、高品質、且つ成長速度の大きい単結晶を得る方法を提供する。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. A single crystal having a high quality and a high growth rate is obtained by increasing the temperature gradient between the raw material and the seed crystal without attaching polycrystals to the gas guide portion. Provide a way to get.
前記課題を解決するために、本発明の単結晶成長装置は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、前記種結晶と原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、を備え、
前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴としたものである。
In order to solve the above problems, the single crystal growth apparatus of the present invention stores a raw material for growing a single crystal in a crucible, heats and sublimates the raw material of the single crystal, and supplies the raw material onto a seed crystal made of a single crystal. In the single crystal growth apparatus for growing a single crystal on the seed crystal, a cylindrical seed crystal support portion for supporting the seed crystal on the crucible lid portion at a position facing the raw material of the crucible, and the seed crystal A conical gas guide portion having an opening at a predetermined distance and a raw material side having a larger diameter than the seed crystal side, and
A heat insulating material having a predetermined thickness covering the entire crucible body, and a high-frequency coil disposed outside the heat insulating material disposed around the entire crucible body to heat the seed crystal and the raw material. ,
The heat insulating material disposed on the crucible lid portion is disposed with a predetermined distance from the crucible lid portion.
また、本発明の単結晶成長装置は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、当該種結晶に対し距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、前記種結晶と炭化珪素原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に当該坩堝に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、を備え、前記坩堝を覆って配置される前記断熱材は、当該坩堝に接して設置され、2000℃における熱伝導率が0.5から1.5W/m・Kであり、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴としたものである。 Further, the single crystal growth apparatus of the present invention accommodates a raw material for growing a single crystal in a crucible, heats and sublimates the raw material of the single crystal, and supplies the single crystal on a seed crystal. In a single crystal growth apparatus for growing a single crystal, a cylindrical seed crystal support portion that supports the seed crystal on the crucible lid portion at a position facing the raw material of the crucible, and a distance from the seed crystal. In order to heat the seed crystal and the silicon carbide raw material having an opening and a conical gas guide portion whose raw material side is larger in diameter than the seed crystal side, a heat insulating material having a predetermined thickness covering the entire crucible body A high-frequency coil disposed outside the heat insulating material disposed in the crucible around the entire crucible body, the heat insulating material disposed so as to cover the crucible is disposed in contact with the crucible, and 2000 Thermal conductivity at 0 ° C is 0.5 to 1.5 W / m The thickness of the heat insulating material at the upper part of the crucible lid portion is set to be thinner than the thickness of the heat insulating material covering the other crucible portions.
また、本発明の単結晶成長方法は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴としたものである。
The single crystal growth method of the present invention also includes a seed made of a single crystal by containing a raw material for growing a single crystal in a crucible and heating and sublimating the raw material using a high-frequency coil outside a heat insulating material around the crucible. In a single crystal growth method of supplying on a crystal and growing a single crystal on the seed crystal,
A cone-shaped gas guide portion having an opening having a predetermined distance from the seed crystal and having a larger diameter on the raw material side than the seed crystal side is disposed, and the high-frequency coil position for heating the crucible body is a crucible at the time of heating. An isotherm is disposed at a position where the angle formed by the conical inner wall of the gas guide portion is substantially perpendicular, and the heat insulating material disposed on the crucible lid portion has a predetermined distance from the crucible lid portion. It is characterized by being arranged.
また、本発明の単結晶成長方法は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴としたものである。
The single crystal growth method of the present invention also includes a seed made of a single crystal by containing a raw material for growing a single crystal in a crucible and heating and sublimating the raw material using a high-frequency coil outside a heat insulating material around the crucible. In a single crystal growth method of supplying on a crystal and growing a single crystal on the seed crystal,
A cone-shaped gas guide portion having an opening having a predetermined distance from the seed crystal and having a larger diameter on the raw material side than the seed crystal side is disposed, and the high-frequency coil position for heating the crucible body is a crucible at the time of heating. A heat insulating material that is disposed at a position where the angle formed between the inner isotherm and the conical inner wall of the gas guide portion is substantially perpendicular, and covers the other crucible portion with the thickness of the heat insulating material at the upper portion of the crucible lid portion It is characterized in that it is set to be thinner than the thickness.
以下に、本発明を用いた単結晶の成長装置及び成長方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。また、単結晶として炭化珪素を用いて説明するが、他の単結晶の成長にも適用できることは当然である。 Embodiments of a single crystal growth apparatus and growth method using the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, although silicon carbide is used as the single crystal, it is naturally applicable to the growth of other single crystals.
図1は、実施例1で用いた成長装置の概略図である。坩堝2内に炭化珪素原料4(炭化珪素粉末)を収容し、坩堝蓋部1の種結晶支持部に固定した炭化珪素種結晶3を、炭化珪素原料4に対向するように配置した。炭化珪素種結晶3としては、マイクロパイプ密度が約30個/cm2、エッチピット密度が約3×104個/cm2の4H型の炭化珪素単結晶を用い、結晶成長面は、(000−1)面とした。また、種結晶支持部の種結晶貼付け面は、直径20mmの円形であり、炭化珪素種結晶3も同じく直径20mmの円形とした。
FIG. 1 is a schematic view of a growth apparatus used in Example 1. Silicon carbide raw material 4 (silicon carbide powder) was housed in
炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の間には、炭化珪素原料4から昇華したガスを種結晶3に効率良く導くために、炭化珪素原料4側が炭化珪素種結晶3側より大径の円錐状のガスガイド部9を配置している。この際、炭化珪素種結晶3とガスガイド部9の炭化珪素種3結晶側端との間に距離を設けている。この距離が0.5mmより小さいと、炭化珪素種結晶3外周部から成長する炭化珪素単結晶5、あるいは坩堝蓋体1の種結晶支持部側壁面から成長する炭化珪素多結晶6により、この隙間が塞がれてしまう場合がある。
Between the silicon carbide
また、上記の距離が2mmより大きいと、炭化珪素原料4の昇華ガスのうち、坩堝蓋体1下面へ向かう昇華ガスの割合が多くなり、炭化珪素単結晶5の成長に寄与する昇華ガスの割合が少なくなる。そのため、炭化珪素単結晶5の成長速度が遅くなってしまう。更には、坩堝蓋体1下面からの炭化珪素多結晶6の伸長速度が大きくなるため、数10時間の結晶成長を行うと、坩堝蓋1下面から伸長する炭化珪素多結晶6が、坩堝蓋体1の種結晶支持部の高さより高くなり、種結晶3から成長する炭化珪素単結晶5と接触して炭化珪素単結晶5に歪を与え、結晶品質を悪化させる。従って、炭化珪素種結晶3とガスガイド部の炭化珪素種3結晶側端との間に距離は、0.5mm以上、2mm以下であることが望ましい。本実施例では、具体的には、炭化珪素種結晶3とガスガイド部の炭化珪素種3結晶側端との間の距離を、1.0mmとした。
If the distance is larger than 2 mm, the ratio of the sublimation gas toward the lower surface of the
昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶成長では、炭化珪素原料4を昇華させるために2000℃以上の高温が必要である。2000℃以上の高温では、温度の4乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝2および坩堝蓋部1を断熱材8で覆う必要がある。この際、坩堝蓋部1と断熱材8との間に距離を設けた。
In silicon carbide single crystal growth using the sublimation recrystallization method, a high temperature of 2000 ° C. or higher is required to sublimate the silicon carbide
図2に示すように、この距離を設けることにより、坩堝内の等温線10を最適な形状に維持したまま、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4間の温度勾配を大きくすることができる。即ち、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、また、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4間の温度勾配を大きくすることができる。
As shown in FIG. 2, by providing this distance, the temperature gradient between the silicon
また、断熱材8の2000℃における熱伝導率が0.5から1.5W/m・Kで、坩堝蓋部1上の断熱材8の厚さが、10mmより大きく、50mm以下であり、坩堝蓋部1と断熱材8との距離が5mm以上、40mm以下であれば、図3(a)に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θが略直角で、且つ炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間の温度勾配を、適度な10℃/cmから30℃/cmとすることができる。坩堝蓋部1と断熱材8との距離が5mmより小さい場合は、図3(b)に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間の温度勾配が小さすぎる。また、坩堝蓋部1と断熱材8との距離が40mmより大きい場合は、図3(c)に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間の温度勾配が大きすぎる。
The heat conductivity of the
更に、炭化珪素原料4の温度を2200℃から2300℃、炭化珪素炭化珪素種結晶3の温度を2100℃から2200℃、成長時の圧力を0.665kPaから3.99kPaとすることで、成長速度も好適な200μm/hourから600μm/hourとすることができる。結晶成長速度が200μm/hourより小さいと、成長した結晶からウェハを作成した場合にコストが高くなり、産業的に実用性がない。また成長速度が600μm/hourより大きいと、成長した結晶内に歪や結晶欠陥が発生したり、また異種のポリタイプが混入し、結晶品質が悪くなる。結晶成長速度が200μm/hourから600μm/hourの範囲内であれば、歪や結晶欠陥の発生、および異種ポリタイプの混入がなく、炭化珪素単結晶を成長させることができる。
Furthermore, the growth rate is adjusted by setting the temperature of the silicon carbide
本実施例では、具体的には、坩堝蓋部1側の断熱材8として日本カーボン(株)製のFGL−203SH(真空時、2000℃における熱伝導率は約0.55W/m・K)を用い、厚さは25mm、坩堝蓋部1との隙間を10mmとした。
In this embodiment, specifically, FGL-203SH manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd. as the
この断熱材8で覆った坩堝2及び坩堝蓋部1を、石英製の反応管11内に配置した。この反応管11は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水12を流して冷却している。また反応管11の上部にガス導入口13が、下部にはガス排気口14が設けられている。
The
その後、反応管11内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、純度などの面から、アルゴン(Ar)が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口14から反応管11内を高真空排気し、その後、ガス導入口13から不活性ガスを常圧まで充填した。
Thereafter, the inside of the reaction tube 11 is replaced with an inert gas, and argon (Ar) is suitable as the inert gas in terms of cost, purity, and the like. In this inert gas replacement, first, the inside of the reaction tube 11 was evacuated to a high vacuum from the
その後、反応管11の周囲に螺旋状に巻かれたコイル7に高周波電流を流すことにより、坩堝2および坩堝蓋部1を高周波加熱し昇温した。
Thereafter, the
通常、このコイル7と前述の坩堝2との相対位置は、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4の温度勾配を決定するものであり、昇華法の場合、炭化珪素原料4の温度を炭化珪素種結晶3より高くする必要がある。更に、この温度勾配は、単結晶の結晶成長速度に大きく影響し、温度勾配が大きいほど結晶成長速度は大きくなる。そのため、坩堝2に対してコイル7の位置を下げて、温度勾配を大きくする必要がある。しかし、既に述べたように、坩堝2に対してコイル7の位置を下げると、ガスガイド部9に多結晶が付着しやすく、成長する単結晶と、この多結晶が接触することで、単結晶の結晶品質を著しく悪化させる。しかし、本実施例では、前述のように、坩堝蓋部1と断熱材8との間に所定の距離を設けて、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の温度勾配を決定している。従って、坩堝2とコイル7の相対位置で、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4の温度勾配を完全に制御する必要がないため、坩堝2とコイル7の相対位置は、坩堝内の等温線10とガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、ガスガイド部9に多結晶が付着しないように、坩堝内温度分布のシミュレーションおよび事前実験により決定している。
Usually, the relative position of this
加熱時は、反応管11上下部に設けられている石英製の温度測定用窓15、及び断熱材8の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計16で、坩堝2下部、及び坩堝蓋部1上部の温度を測定している。本実施例では、このうち坩堝蓋部1上部の温度を高周波電源(図示せず)にフィードバックし、コイル7に流す高周波電流を制御して温度制御を行っている。その時の坩堝2の下部温度は、前述の坩堝蓋部1と断熱材8との間の距離により決まる。本実施例では、坩堝2下部温度(炭化珪素原料4温度)を2250℃、坩堝蓋部1上部温度(炭化珪素炭化珪素種結晶3温度)を2150℃とした。
At the time of heating, the
昇温時には、反応管11内部は、数10kPa程度の圧力にしておく必要がある。これは、低温時(所望の結晶成長温度以下)における炭化珪素原料4の昇華を防ぎ、結晶成長を開始させないようにするためである。
When raising the temperature, the inside of the reaction tube 11 needs to be kept at a pressure of about several tens of kPa. This is to prevent sublimation of the silicon carbide
このようにして、所望の温度まで昇温した後、徐々に圧力を下げて結晶成長を開始させる。本実施例では、反応管11内部の圧力を1.33kPaにし、40時間保持して結晶成長を行った。 Thus, after raising the temperature to a desired temperature, the pressure is gradually reduced to start crystal growth. In this example, the pressure inside the reaction tube 11 was 1.33 kPa, and the crystal growth was carried out by holding for 40 hours.
結晶成長終了時は、成長開始時とは逆に、反応管11内部の圧力を80kPaまで1時間かけて昇圧して、炭化珪素原料4の昇華を止め、その後、常温までゆっくりと冷却した。
At the end of crystal growth, contrary to the start of growth, the pressure inside the reaction tube 11 was increased to 80 kPa over 1 hour to stop the sublimation of the silicon carbide
上記のようにして成長を行った結果、ガスガイド部には、全く多結晶が付着しておらず、単結晶のみが、ほぼガスガイド部9の円錐形状に沿って成長していた。また単結晶の結晶成長速度は、約400μm/hourと速い結晶成長速度であった。得られた単結晶を成長方向に垂直にスライスし、表裏両面を鏡面研磨した後、透過偏光顕微鏡で観察した。その結果、ガスガイド部9に多結晶が付着することなく、単結晶のみが独立して成長していたため、単結晶に歪は観察されなかった。また、500℃の溶融KOHに5分間浸漬し、その後、顕微鏡でマイクロパイプ密度およびエッチピット密度を測定した。その結果、種結晶上では、両者とも種結晶とほぼ同等の値を示したが、口径拡大部では、マイクロパイプは全く無く、またエッチピットに関しても数個程度しか観察されなかった。
As a result of the growth as described above, no polycrystal was attached to the gas guide part, and only a single crystal was grown substantially along the conical shape of the
以上のように、坩堝蓋部と、この坩堝蓋部上に配置される断熱材との間に所定の距離を設けて炭化珪素原料と炭化珪素種結晶間の温度勾配を制御する成長装置が、速い結晶成長速度で単結晶を成長させ、且つ、ガスガイド部への多結晶付着を抑制に有効であり、その結果、速い結晶成長速度で、高品質な炭化珪素単結晶を得られることが確認できた。 As described above, the growth apparatus for controlling the temperature gradient between the silicon carbide raw material and the silicon carbide seed crystal by providing a predetermined distance between the crucible lid and the heat insulating material disposed on the crucible lid, It is effective to grow a single crystal at a high crystal growth rate and suppress polycrystal adhesion to the gas guide, and as a result, it is confirmed that a high-quality silicon carbide single crystal can be obtained at a high crystal growth rate. did it.
図4は、実施例2で用いた成長装置の概略図である。坩堝2内に炭化珪素原料4を収容し、坩堝蓋部1の種結晶支持部に固定した炭化珪素種結晶3を、炭化珪素原料4に対向するように配置した。炭化珪素種結晶3としては、マイクロパイプ密度が約30個/cm2、エッチピット密度が約3×104個/cm2の4H型の炭化珪素単結晶を用い、結晶成長面は、(000−1)面とした。また、種結晶支持部の種結晶貼付け面は、直径20mmの円形であり、炭化珪素種結晶3も同じく直径20mmの円形とした。
FIG. 4 is a schematic view of a growth apparatus used in Example 2. Silicon carbide
炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3の間には、炭化珪素原料4から昇華したガスを種結晶3に効率良く導くために、炭化珪素原料4側が炭化珪素種結晶3側より大径の円錐状のガスガイド部9を配置している。この際、炭化珪素種結晶3とガスガイド部9の炭化珪素種3結晶側端との間に距離を設けている。この距離が0.5mmより小さいと、炭化珪素種結晶3外周部から成長する炭化珪素単結晶5、あるいは坩堝蓋体1の種結晶支持部側壁面から成長する炭化珪素多結晶6により、この隙間が塞がれてしまう場合がある。
Between the silicon carbide
また、上記の距離が2mmより大きいと、炭化珪素原料4の昇華ガスのうち、坩堝蓋体1下面へ向かう昇華ガスの割合が多くなり、炭化珪素単結晶5の成長に寄与する昇華ガスの割合が少なくなる。そのため、炭化珪素単結晶5の成長速度が遅くなってしまう。更には、坩堝蓋体1下面からの炭化珪素多結晶6の伸長速度が大きくなるため、数10時間の結晶成長を行うと、坩堝蓋1下面から伸長する炭化珪素多結晶6が、坩堝蓋体1の種結晶支持部の高さより高くなり、種結晶3から成長する炭化珪素単結晶5と接触して炭化珪素単結晶5に歪を与え、結晶品質を悪化させる。従って、炭化珪素種結晶3とガスガイド部の炭化珪素種3結晶側端との間に距離は、0.5mm以上、2mm以下であることが望ましい。本実施例では、具体的には、炭化珪素種結晶3とガスガイド部の炭化珪素種3結晶側端との間の距離を、1.0mmとした。
If the distance is larger than 2 mm, the ratio of the sublimation gas toward the lower surface of the
昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶成長では、炭化珪素原料を昇華させるために2000℃以上の高温が必要である。2000℃以上の高温では、温度の4乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝2および坩堝蓋部1を断熱材8で覆う必要がある。この際、図5および6に示したように、断熱材8の2000℃における熱伝導率が0.5から1.5W/m・Kであり、坩堝蓋部1上部の断熱材8の厚さが5mm以上、10mm以下の範囲であれば、坩堝内の等温線10を最適な形状に維持したまま、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間が適度な温度勾配になる。即ち、図5および図6に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θが略直角を維持したまま、炭化珪素種結晶3と炭化珪素原料4間の温度勾配を、適度な10℃/cmから30℃/cmとすることができる。坩堝蓋部1上部の断熱材8の厚さが5mmより小さい場合は、図6(a)に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間の温度勾配が大きすぎる。
In silicon carbide single crystal growth using the sublimation recrystallization method, a high temperature of 2000 ° C. or higher is necessary to sublimate the silicon carbide raw material. At a high temperature of 2000 ° C. or higher, the radiant heat is lost in proportion to the fourth power of the temperature. Therefore, it is necessary to cover the
また、坩堝蓋部1上部の断熱材8の厚さが10mmより大きい場合は、図6(c)に示したように、坩堝内の等温線10が、ガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料4と炭化珪素種結晶3間の温度勾配が小さすぎる。
When the thickness of the
更に、炭化珪素原料4の温度を2200℃から2300℃、炭化珪素炭化珪素種結晶3の温度を2100℃から2200℃、成長時の圧力を0.665kPaから3.99kPaとすることで、成長速度も好適な200μm/hourから600μm/hourとすることができる。結晶成長速度が200μm/hourより小さいと、成長した結晶からウェハを作成した場合にコストが高くなり、産業的に実用性がない。また成長速度が600μm/hourより大きいと、成長した結晶内に歪や結晶欠陥が発生したり、また異種のポリタイプが混入し、結晶品質が悪くなる。結晶成長速度が200μm/hourから600μm/hourの範囲内であれば、歪や結晶欠陥の発生、および異種ポリタイプの混入がなく、炭化珪素単結晶を成長させることができる。
Furthermore, the growth rate is adjusted by setting the temperature of the silicon carbide
本実施例では、具体的には、坩堝蓋部1側の断熱材8として日本カーボン(株)製のFGL−203SH(真空時、2000℃における熱伝導率は約0.55W/m・K)を用い、その厚さを10mmとした。
In this embodiment, specifically, FGL-203SH manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd. as the
この断熱材8で覆った坩堝2及び坩堝蓋部1を、石英製の反応管11内に配置した。この反応管11は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水12を流して冷却している。また反応管11の上部にガス導入口13が、下部にはガス排気口14が設けられている。
The
その後、反応管11内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、純度などの面から、アルゴン(Ar)が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口14から反応管11内を高真空排気し、その後、ガス導入口13から不活性ガスを常圧まで充填した。
Thereafter, the inside of the reaction tube 11 is replaced with an inert gas, and argon (Ar) is suitable as the inert gas in terms of cost, purity, and the like. In this inert gas replacement, first, the inside of the reaction tube 11 was evacuated to a high vacuum from the
その後、反応管11の周囲に螺旋状に巻かれたコイル7に高周波電流を流すことにより、坩堝2および坩堝蓋部1を高周波加熱し昇温した。このコイル7と坩堝2の相対位置は、実施例1と同様に、坩堝内の等温線10とガスガイド部9の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、ガスガイド部9に多結晶が付着しないように、坩堝内温度分布のシミュレーションおよび事前実験により決定している。
Thereafter, the
加熱時は、反応管11上下部に設けられている石英製の温度測定用窓15、及び断熱材8の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計16で、坩堝2下部、及び坩堝蓋部1上部の温度を測定している。本実施例では、このうち坩堝蓋部1上部の温度を高周波電源(図示せず)にフィードバックをかけ、コイル7に流す高周波電流を制御して温度制御を行っている。その時の坩堝2下部温度は、前述の坩堝蓋部1側の断熱材の厚さにより決まる。本実施例では、坩堝2下部温度(炭化珪素原料4温度)を2250℃、坩堝蓋部1上部温度(炭化珪素炭化珪素種結晶3温度)を2150℃とした。
At the time of heating, the
それ以後は、実施例1と全く同様にして、結晶成長を行った。 Thereafter, crystal growth was performed in the same manner as in Example 1.
上記のようにして成長を行った結果、ガスガイド部9には、全く多結晶が付着しておらず、単結晶のみが、ほぼテーパー形状に沿って成長していた。また単結晶の結晶成長速度は、実施例1とほぼ同じく約400μm/hourと速い結晶成長速度であった。得られた単結晶を成長方向に垂直にスライスし、表裏両面を鏡面研磨した後、透過偏光顕微鏡で観察した。その結果、ガスガイド部に多結晶が付着することなく、単結晶のみが独立して成長していたため、単結晶には歪は観察されなかった。また、500℃の溶融KOHに5分間浸漬し、その後、顕微鏡でマイクロパイプ密度およびエッチピット密度を測定した。その結果、種結晶上では、両者とも種結晶とほぼ同等の値を示したが、口径拡大部では、マイクロパイプは全く無く、またエッチピットに関しても数個程度しか観察されなかった。
As a result of the growth as described above, no polycrystal was adhered to the
以上のように、坩堝蓋部上の断熱材の厚さにより、炭化珪素原料と炭化珪素種結晶間の温度勾配を制御する成長装置が、速い結晶成長速度で単結晶を成長させ、且つ、ガスガイド部への多結晶付着を抑制に有効であり、その結果、速い結晶成長速度で、高品質な炭化珪素単結晶を得られることが確認できた。 As described above, the growth apparatus that controls the temperature gradient between the silicon carbide raw material and the silicon carbide seed crystal according to the thickness of the heat insulating material on the crucible lid portion grows a single crystal at a high crystal growth rate, and gas It was effective in suppressing polycrystal adhesion to the guide part, and as a result, it was confirmed that a high-quality silicon carbide single crystal could be obtained at a high crystal growth rate.
本発明にかかる単結晶の成長装置及び成長方法は、成長速度が速く、且つ高品質な単結晶を得ることができるため、昇華法により成長できる単結晶である硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化亜鉛(ZnS)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)などにも適用できる。 The apparatus and method for growing a single crystal according to the present invention has a high growth rate and can obtain a high-quality single crystal. Therefore, cadmium sulfide (CdS) and cadmium selenide, which are single crystals that can be grown by a sublimation method. It can also be applied to (CdSe), zinc sulfide (ZnS), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), and the like.
1 坩堝蓋部
2 坩堝
3 炭化珪素種結晶
4 炭化珪素原料
5 炭化珪素単結晶
6 炭化珪素多結晶
7 コイル
8 断熱材
9 ガスガイド部
10 等温線
11 反応管
12 冷却水
13 ガス導入口
14 ガス排気口
15 温度測定用窓
16 放射温度計
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、
前記種結晶と原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、
を備え、
前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴とする単結晶成長装置。 In a single crystal growth apparatus in which a raw material for growing a single crystal is contained in a crucible, the raw material of the single crystal is heated and sublimated, supplied onto a seed crystal made of a single crystal, and a single crystal is grown on the seed crystal.
A columnar seed crystal support that supports the seed crystal on the crucible lid at a position facing the raw material of the crucible;
A conical gas guide portion having a predetermined distance from the seed crystal and having an opening having a larger diameter on the raw material side than the seed crystal side;
A heat insulating material having a predetermined thickness covering the entire crucible body;
A high-frequency coil disposed outside a heat insulating material disposed around the entire crucible body to heat the seed crystal and the raw material;
With
The single crystal growth apparatus, wherein the heat insulating material disposed on the crucible lid portion is disposed at a predetermined distance from the crucible lid portion.
前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、
当該種結晶に対し距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、
前記種結晶と炭化珪素原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に当該坩堝に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、
を備え、
前記坩堝を覆って配置される前記断熱材は、当該坩堝に接して設置され、2000℃における熱伝導率が0.5から1.5W/m・Kであり、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴とする単結晶成長装置。 In a single crystal growth apparatus in which a raw material for growing a single crystal is contained in a crucible, the raw material of the single crystal is heated and sublimated, supplied onto a seed crystal made of a single crystal, and a single crystal is grown on the seed crystal.
A columnar seed crystal support that supports the seed crystal on the crucible lid at a position facing the raw material of the crucible;
A conical gas guide portion having an opening apart from the seed crystal and having a larger diameter on the raw material side than the seed crystal side;
A heat insulating material having a predetermined thickness covering the entire crucible body;
A high-frequency coil disposed outside a heat insulating material disposed in the crucible around the entire crucible body to heat the seed crystal and the silicon carbide raw material;
With
The heat insulating material disposed so as to cover the crucible is placed in contact with the crucible, has a thermal conductivity of 0.5 to 1.5 W / m · K at 2000 ° C., and is provided at the upper part of the crucible lid. A single crystal growth apparatus characterized in that a thickness of a heat insulating material is set to be thinner than a thickness of a heat insulating material covering another crucible portion.
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、
前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、
前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴とする単結晶成長方法 A raw material for growing a single crystal is housed in a crucible, and the raw material is heated and sublimated using a high-frequency coil outside a heat insulating material around the crucible and supplied onto a seed crystal made of a single crystal. In a single crystal growth method for growing a single crystal,
Disposed a predetermined distance away from the seed crystal, and provided a conical gas guide portion having a larger diameter than the seed crystal side on the raw material side,
The high-frequency coil position for heating the crucible body is disposed at a position where the angle formed by the isotherm in the crucible during heating and the conical inner wall of the gas guide portion is substantially perpendicular,
The single crystal growth method, wherein the heat insulating material disposed on the crucible lid portion is disposed at a predetermined distance from the crucible lid portion.
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、
前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、
且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴とする単結晶成長方法。 A raw material for growing a single crystal is housed in a crucible, and the raw material is heated and sublimated using a high-frequency coil outside a heat insulating material around the crucible and supplied onto a seed crystal made of a single crystal. In a single crystal growth method for growing a single crystal,
Disposed a predetermined distance away from the seed crystal, and provided a conical gas guide portion having a larger diameter than the seed crystal side on the raw material side,
The high-frequency coil position for heating the crucible body is disposed at a position where the angle formed by the isotherm in the crucible during heating and the conical inner wall of the gas guide portion is substantially perpendicular,
And the thickness of the heat insulating material of the said crucible lid part upper part is set thinner than the thickness of the heat insulating material which covers another crucible part, The single crystal growth method characterized by the above-mentioned.
The single crystal growth method according to claim 5 or 6, wherein the predetermined distance between the seed crystal and the conical gas guide portion is 0.5 mm or more and 2 mm or less.
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