JP2009073696A - SINGLE CRYSTAL SiC AND ITS PRODUCTION METHOD - Google Patents

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真憲 碇
Toru Kaneniwa
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義弘 野島
Takao Abe
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing single crystal SiC by which single crystal SiC having unconventionally extremely high quality and large surface area can be stably, continuously and epitaxially grown, and to provide the high quality single crystal SiC obtained by the method. <P>SOLUTION: The method for producing the single crystal SiC includes: an arrangement process for arranging a susceptor 5 to which a SiC seed crystal 4 is fixed and a raw material feeding tube 6 in a crucible 2; and a growth process for growing the single crystal SiC 9 by feeding raw materials for producing the single crystal SiC together with an inert gas A onto the SiC seed crystal 4 in the crucible 2 having a high temperature atmosphere. In the growth process, a process for feeding three raw material components comprising SiC particles, SiO<SB>2</SB>particles and carbon particles as the raw materials for producing the single crystal SiC is included. In the method, the tip end of the raw material feeding tube 6 is processed to have an inner diameter of ≥80% of the crystal diameter of the SiC seed crystal 4. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体デバイス用材料やLED用材料として利用される単結晶SiC及びその製造方法に関する。   The present invention relates to single crystal SiC used as a semiconductor device material or LED material, and a method for manufacturing the same.

単結晶SiC(炭化ケイ素)は結晶の結合エネルギーが大きく、絶縁破壊電界が大きく、また熱伝導率も大きいため、耐苛酷環境用デバイスやパワーデバイス用の材料として有用である。またその格子定数がGaNの格子定数と近いため、GaN−LED用の基板材料としても有用である。   Single crystal SiC (silicon carbide) has a large crystal bond energy, a large dielectric breakdown electric field, and a high thermal conductivity, and thus is useful as a material for a device for harsh environments and power devices. Moreover, since the lattice constant is close to the lattice constant of GaN, it is also useful as a substrate material for GaN-LED.

従来この単結晶SiCの製造には、黒鉛坩堝内でSiC粉末を昇華させ、黒鉛坩堝内壁に単結晶SiCを再結晶化させるレーリー法や、このレーリー法をベースに原料配置や温度分布を最適化し、再結晶化させる部分にSiC種単結晶を配置してエピタキシャルに再結晶成長させる改良レーリー法、ガスソースをキャリアガスによって加熱されたSiC種単結晶上に輸送し結晶表面で化学反応させながらエピタキシャル成長させるCVD法、密閉された黒鉛坩堝内でSiC粉末とSiC種単結晶を近接させた状態でSiC粉末をSiC種単結晶上にエピタキシャルに再結晶成長させる昇華近接法などがある(非特許文献1第4章参照)。   Conventionally, for the production of single crystal SiC, the Rayleigh method in which SiC powder is sublimated in a graphite crucible and single crystal SiC is recrystallized on the inner wall of the graphite crucible, and the raw material arrangement and temperature distribution are optimized based on this Rayleigh method. An improved Rayleigh method in which a SiC seed single crystal is placed in the recrystallized portion and epitaxially recrystallized, and the gas source is transported onto the SiC seed single crystal heated by the carrier gas and epitaxially grown while chemically reacting on the crystal surface. There is a CVD method, a sublimation proximity method in which SiC powder is epitaxially recrystallized on the SiC seed single crystal in a state where the SiC powder and the SiC seed single crystal are brought close to each other in a closed graphite crucible (Non-patent Document 1). (See Chapter 4).

ところで現状では、これらの各単結晶SiC製造方法にはいずれも問題があるとされている。レーリー法では、結晶性の良好な単結晶SiCが製造できるものの、自然発生的な核形成をもとに結晶成長するため、形状制御や結晶面制御が困難であり、且つ大口径ウエハが得られないという問題がある。改良レーリー法では、SiC固体原料を昇華再結晶させる方法であって、数100μm/h程度の高速で大口径の単結晶SiCインゴットを得ることができるものの、螺旋状にエピタキシャル成長するため、結晶内に多数のマイクロパイプが発生するという問題がある。さらにバッチ育成方式であるため、連続して長尺の単結晶SiCインゴットを製造することには限界がある。CVD法では、高純度で低欠陥密度の良質な単結晶SiCが製造できるものの、希薄なガスソースでのエピタキシャル成長のため、成長速度が〜10μm/h程度と遅く、長尺の単結晶SiCインゴットを得られないという問題がある。昇華近接法では、比較的簡単な構成で高純度のSiCエピタキシャル成長が実現できるが、構成上の制約から長尺の単結晶SiCインゴットを得ることは不可能という問題がある。   By the way, at present, each of these single crystal SiC manufacturing methods is considered to have a problem. Although the Rayleigh method can produce single crystal SiC with good crystallinity, crystal growth is based on spontaneous nucleation, so that shape control and crystal surface control are difficult, and a large-diameter wafer can be obtained. There is no problem. In the improved Rayleigh method, a SiC solid raw material is sublimated and recrystallized, and a single crystal SiC ingot having a large diameter can be obtained at a high speed of about several hundreds μm / h. There is a problem that a large number of micropipes are generated. Furthermore, since it is a batch growth method, there is a limit to continuously producing a long single crystal SiC ingot. The CVD method can produce high-quality single crystal SiC with high purity and low defect density, but because of epitaxial growth with a dilute gas source, the growth rate is as slow as about 10 μm / h, and a long single crystal SiC ingot is formed. There is a problem that it cannot be obtained. In the sublimation proximity method, high-purity SiC epitaxial growth can be realized with a relatively simple structure, but there is a problem that it is impossible to obtain a long single-crystal SiC ingot due to structural restrictions.

また最近、加熱保持されたSiC種単結晶上に、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを不活性キャリアガスで供給し、SiC種単結晶上で二酸化ケイ素を炭素で還元することで、式(1)の反応により単結晶SiCをSiC種単結晶上にエピタキシャルに高速成長させる方法が報告された(特許文献1参照)。
SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑ ・・・ (1)
Also, recently, by supplying silicon dioxide ultrafine particles and carbon ultrafine particles with an inert carrier gas onto a heated SiC seed single crystal, and reducing the silicon dioxide with carbon on the SiC seed single crystal, the formula ( A method has been reported in which single-crystal SiC is epitaxially grown at a high speed on a SiC seed single crystal by the reaction of 1) (see Patent Document 1).
SiO 2 + 3C → SiC + 2CO ↑ (1)

特許第3505597号公報Japanese Patent No. 3505597 松波弘之編著、「半導体SiC技術と応用」、日刊工業新聞社(2003年3月初版発行)Edited by Hiroyuki Matsunami, “Semiconductor SiC Technology and Applications”, Nikkan Kogyo Shimbun (published first edition in March 2003)

上記の特許文献1に開示された単結晶SiCの製造方法では、微粒子状の固体原料を供給するため原料濃度を高く保つことができ、マイクロパイプ等の欠陥発生を抑制することができる。しかしながら、特許文献1に開示された製造方法では、SiC種結晶表面において二酸化珪素を炭素により還元して単結晶SiCを得る化学反応を利用してSiC単結晶をSiC種結晶上に成長させる方法であるために、化学反応にともなう体積変化や温度変化、さらに供給されながら単結晶SiC成長に寄与しなかった原料の複数箇所での析出による複雑な流れの変化や分圧濃度のばらつき等、さまざまな不安定要素を抱えている。そのため安定して高品位の単結晶SiCを成長させることが難しい。   In the method for producing single crystal SiC disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, since the fine solid material is supplied, the raw material concentration can be kept high, and the occurrence of defects such as micropipes can be suppressed. However, the manufacturing method disclosed in Patent Document 1 is a method in which a SiC single crystal is grown on a SiC seed crystal using a chemical reaction in which silicon dioxide is reduced with carbon on the surface of the SiC seed crystal to obtain single crystal SiC. Therefore, various changes such as volume change and temperature change due to chemical reaction, complicated flow change due to precipitation at multiple locations of raw material that did not contribute to single crystal SiC growth while being supplied, and variations in partial pressure concentration etc. Has unstable elements. Therefore, it is difficult to stably grow high-quality single crystal SiC.

本発明の第1の目的は、上記知見をベースに、課題であった、従来にない極めて安定した高品質な単結晶SiCをエピタキシャルに連続成長させることが可能な単結晶SiC製造方法、及びその結果得られる高品質な単結晶SiCを提供することにある。
本発明の他の1つの目的は、更に極めて安定した製法であることを利用して、より大きな面積のSiC種結晶上に高品質の単結晶SiCを連続して厚く製造できる単結晶SiCの製造方法、及びその結果得られる高品質な大面積単結晶SiCを提供することである。
A first object of the present invention is a single-crystal SiC manufacturing method capable of epitaxially continuously growing an extremely stable high-quality single-crystal SiC, which has been a problem, based on the above knowledge, and its The object is to provide the resulting high quality single crystal SiC.
Another object of the present invention is to produce a single-crystal SiC capable of continuously producing a high-quality single-crystal SiC on a larger area SiC seed crystal by utilizing the extremely stable production method. The method and the resulting high quality large area single crystal SiC.

上記の課題は、以下の<1>又は<5>に記載の手段によって解決された。好ましい実施態様である<2>〜<4>と共に以下に記載する。
<1>高温加熱保持することができる坩堝内に、SiC単結晶を成長させるための種結晶、及び、単結晶SiC製造用原料を供給するための原料供給管を配置する配置工程、並びに、高温雰囲気とした該坩堝内に該単結晶SiC製造用原料を不活性ガスと共に原料供給管を通して供給してSiC単結晶を成長させる成長工程を含み、該単結晶SiC製造用原料として、SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子の原料3成分を供給する工程を含み、該原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されていることを特徴とする単結晶SiCの製造方法、
<2>原料3成分を、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.43から1:1.2の範囲内となり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内となるように供給する<1>に記載の単結晶SiCの製造方法、
<3>原料3成分を、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.54から1:1の範囲内になり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内となるように供給する<1>に記載の単結晶SiCの製造方法、
<4>前記不活性ガスがArガスである<1>〜<3>いずれか1つに記載の単結晶SiCの製造方法、
<5><1>〜<4>いずれか1つに記載の製造方法により製造された単結晶SiC。
Said subject was solved by the means as described in <1> or <5> below. It is described below together with <2> to <4> which are preferred embodiments.
<1> An arrangement step of arranging a seed crystal for growing a SiC single crystal and a raw material supply pipe for supplying a raw material for producing single crystal SiC in a crucible capable of being heated and maintained at a high temperature, and a high temperature A growth step of growing the SiC single crystal by supplying the raw material for manufacturing the single crystal SiC together with an inert gas through the raw material supply pipe into the crucible in an atmosphere, and the SiC crystal, SiO Including a step of supplying two raw materials and three raw materials of carbon (C) particles, wherein the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is processed so as to be 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal. Method for producing single crystal SiC,
<2> The three raw materials have a molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles in the range of 1: 0.43 to 1: 1.2, and the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is 1. : The method for producing single-crystal SiC according to <1>, wherein the single crystal SiC is supplied so as to be in a range of 2 to 1: 3,
<3> The three raw materials have a molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles in the range of 1: 0.54 to 1: 1, and the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is 1: The method for producing single-crystal SiC according to <1>, wherein the single-crystal SiC is supplied so as to be within a range of 2 to 1: 3,
<4> The method for producing single crystal SiC according to any one of <1> to <3>, wherein the inert gas is Ar gas,
<5> Single-crystal SiC manufactured by the manufacturing method according to any one of <1> to <4>.

本発明によれば、大面積のSiC種単結晶を用いて、該SiC種単結晶よりも欠陥密度の少ない高品質な大面積(種単結晶と同サイズ)の単結晶SiCを安定して再現性良くエピタキシャルに連続成長させることが可能な単結晶SiCの製造方法、及び、その結果得られる高品質な単結晶SiCを提供することができた。   According to the present invention, a large-area SiC seed single crystal is used to stably reproduce a high-quality large-area single crystal SiC (same size as the seed single crystal) with a smaller defect density than the SiC seed single crystal. It was possible to provide a method for producing single-crystal SiC capable of epitaxial growth with good quality and high-quality single-crystal SiC obtained as a result.

本発明の単結晶SiCの製造方法は、高温加熱保持することができる坩堝内に、SiC単結晶を成長させるためのSiC種結晶、及び、単結晶SiC製造用原料を供給するための原料供給管を配置する配置工程、並びに、高温雰囲気とした該坩堝内に該単結晶SiC製造用原料を不活性ガスと共に原料供給管を通して供給してSiC単結晶を成長させる成長工程を含み、該成長工程において、単結晶SiC製造用原料として、SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子の原料3成分を供給する工程を含み、該原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されていることを特徴とする。 The method for producing single crystal SiC according to the present invention includes a SiC seed crystal for growing a SiC single crystal and a raw material supply pipe for supplying a raw material for producing single crystal SiC in a crucible capable of being heated at high temperature. And a growth step of growing the SiC single crystal by supplying the raw material for producing the single crystal SiC together with an inert gas through the raw material supply pipe into the crucible having a high-temperature atmosphere. Including a step of supplying three raw materials of SiC particles, SiO 2 particles and carbon (C) particles as a raw material for producing single crystal SiC, the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe being 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal It is processed so that it becomes.

本発明によれば、特許文献1に開示された単結晶SiCの製造方法で問題となっていた、温度やキャリアガスの流れの変化や分圧濃度のばらつき等のさまざまな不安定要素に起因すると考えられる、製造単結晶SiCの結晶品質に関する安定再現性の低さを解決できる。   According to the present invention, it is caused by various unstable factors such as changes in temperature and carrier gas flow and variations in partial pressure concentration, which have been a problem in the method for producing single crystal SiC disclosed in Patent Document 1. It is possible to solve the low stability reproducibility related to the crystal quality of the manufactured single crystal SiC.

上記の安定製造の優れた再現性は、当業者が予期することができないものである。極めて高い歩留りを達成することができる原因は、品質の良好な製造ウィンドウがかなり広いためと推定される。現在この安定再現性が発現するメカニズムにつき学術的に考察を進めているが、正確にはまだ解明できていない。但し、この学術的な機構解明とは無関係に、本発明のSiC単結晶の製造方法は、上記<1>に記載のように特定することができ、これにより本発明は完成された。   The excellent reproducibility of the above stable production is something that one skilled in the art cannot expect. It is estimated that the reason why extremely high yield can be achieved is that the manufacturing window with good quality is considerably wide. We are currently studying the mechanism of this stable reproducibility, but we have not yet clarified exactly. However, irrespective of this academic mechanism elucidation, the method for producing a SiC single crystal of the present invention can be specified as described in the above <1>, thereby completing the present invention.

本発明によれば、大面積のSiC種結晶の表面全体に均一にSiC製造用原料が供給できるようにSiC製造用原料の供給面積を規定しているため、大面積のSiC種結晶を用いても結晶品質が低下せず、また結晶品質の面内ムラも発生せずに、極めて高品質な大面積の単結晶SiCが再現性良く製造できると推定される。   According to the present invention, since the supply area of the SiC manufacturing raw material is defined so that the SiC manufacturing raw material can be supplied uniformly over the entire surface of the large area SiC seed crystal, the large area SiC seed crystal is used. However, it is presumed that an extremely high quality large-area single-crystal SiC can be manufactured with good reproducibility without deterioration of crystal quality and in-plane unevenness of crystal quality.

本発明の単結晶SiCの製造方法は、高温加熱保持することができる坩堝内に、SiC単結晶を成長させるためのSiC種結晶、及び、単結晶SiC製造用原料を供給するための原料供給管を配置する配置工程を有する。
以下にこの配置工程を説明する
The method for producing single crystal SiC according to the present invention includes a SiC seed crystal for growing a SiC single crystal and a raw material supply pipe for supplying a raw material for producing single crystal SiC in a crucible capable of being heated at high temperature. And an arranging step of arranging.
The arrangement process will be described below.

本発明の単結晶SiCの製造方法は、最初に、高温加熱保持することができる坩堝内にSiC単結晶を成長させるためのSiC種結晶、及び、単結晶SiC製造用原料を供給するための原料供給管を配置する配置工程を有する。また、該原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されているのが特徴である。
なお、原料粉末を予め適当な方法で坩堝内に収納できる場合には、原料供給管を、不活性ガスのみを供給する不活性ガス供給管として使用してもよい。
The method for producing single-crystal SiC according to the present invention includes a SiC seed crystal for growing a SiC single crystal in a crucible that can be heated and maintained at a high temperature, and a raw material for supplying a raw material for producing single-crystal SiC. An arrangement step of arranging the supply pipe; In addition, the raw material supply pipe is processed so that the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal.
In addition, when raw material powder can be previously stored in the crucible by an appropriate method, the raw material supply pipe may be used as an inert gas supply pipe for supplying only an inert gas.

本発明で使用する坩堝は、単結晶SiC製造温度である1,600〜2,400℃に昇温してこの温度を維持することができるものであれば良い。坩堝の形状は、その外形については特に限定されず、目的とする単結晶SiCのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。当該坩堝の材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。   The crucible used in the present invention may be any crucible that can raise the temperature to 1,600 to 2,400 ° C., which is a single crystal SiC production temperature, and maintain this temperature. The shape of the crucible is not particularly limited as to its outer shape, and can be appropriately selected according to the size and shape of the target single crystal SiC. The material of the crucible is preferably made of graphite in consideration of the operating temperature range.

本発明の製造方法で使用するSiC種結晶は、好ましくはSiC種単結晶であり、さらに好ましくはSiC種単結晶ウエハであり、その種類、サイズ、形状は特に限定されず、目的とする単結晶SiCの種類、サイズ、形状によって適宜選択できる。例えば改良レーリー法によって得られたSiC種単結晶を必要に応じて前処理したSiC種単結晶ウエハが好適に利用できる。種結晶は、ジャスト基板でもよく、また、オフ角基板でもよい。SiC種単結晶として、ジャスト面のSi面基板や数度のオフ角を有する(0001)Si面基板が例示できる。   The SiC seed crystal used in the production method of the present invention is preferably a SiC seed single crystal, more preferably a SiC seed single crystal wafer, the type, size and shape are not particularly limited, and the target single crystal It can be appropriately selected depending on the type, size, and shape of SiC. For example, a SiC seed single crystal wafer obtained by pretreating a SiC seed single crystal obtained by an improved Rayleigh method as necessary can be suitably used. The seed crystal may be a just substrate or an off-angle substrate. Examples of the SiC seed single crystal include a just-surface Si surface substrate and a (0001) Si surface substrate having an off angle of several degrees.

本発明に係る製造方法の配置工程において、原料供給管は、坩堝壁を貫通して坩堝外から坩堝内のSiC種結晶近傍に届くように挿入される。この原料供給管は、不活性ガスをキャリアとして流し、単結晶SiC製造用原料であるSiC粒子、SiO2(シリカ)粒子及びカーボン粒子の原料3成分の混合物を不活性ガスに同伴させて、SiC種結晶に供給するためのものである。原料供給管の内径と断面形状は特に限定されず、製造する単結晶SiCのサイズや形状に合わせて、適宜選択できる。断面形状は円形であることが好ましい。当該原料供給管の他端は、不活性ガスの貯蔵タンクに接続され、配管の途中に適宜流量調節弁を設けて不活性ガスの流量を調節することが好ましい。坩堝内及び坩堝近辺の原料供給管の材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。 In the arrangement step of the manufacturing method according to the present invention, the raw material supply pipe is inserted so as to penetrate the crucible wall and reach the vicinity of the SiC seed crystal in the crucible from the outside of the crucible. This raw material supply pipe flows an inert gas as a carrier, and a mixture of three raw materials of SiC particles, SiO 2 (silica) particles, and carbon particles, which are raw materials for producing single crystal SiC, is accompanied by an inert gas. It is for supplying to the seed crystal. The inner diameter and cross-sectional shape of the raw material supply pipe are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size and shape of the single crystal SiC to be manufactured. The cross-sectional shape is preferably circular. It is preferable that the other end of the raw material supply pipe is connected to an inert gas storage tank, and a flow rate adjusting valve is provided in the middle of the pipe to adjust the flow rate of the inert gas. The material of the raw material supply pipe in the crucible and in the vicinity of the crucible is preferably made of graphite in consideration of the operating temperature range.

該原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されている。ここで、原料供給管は、不活性ガスの供給源から、原料貯蔵槽接続部を経て坩堝内部まで挿入される配管部と種結晶近傍の先端部とからなる。配管部は、原料3成分を輸送するのが目的であり、その内径はSiC種結晶の結晶径の50%以下、好ましくは10〜50%である。原料供給管の先端部は、輸送されてきた原料3成分を、前記の化学反応(1)又はSiCの昇華を伴いながら、SiC種結晶に供給する部分である。本発明者等は、原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上、好ましくは80〜120%となるように加工されていることが有用であることを見いだした。   Processing is performed so that the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal. Here, the raw material supply pipe is composed of a pipe portion inserted from the supply source of the inert gas to the inside of the crucible through the raw material storage tank connection portion and a tip portion near the seed crystal. The piping portion is intended to transport the three raw materials, and the inner diameter thereof is 50% or less, preferably 10 to 50%, of the crystal diameter of the SiC seed crystal. The tip portion of the raw material supply pipe is a portion that supplies the three raw material components that have been transported to the SiC seed crystal while accompanying the chemical reaction (1) or sublimation of SiC. The inventors have found that it is useful that the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is processed so as to be 80% or more, preferably 80 to 120% of the crystal diameter of the SiC seed crystal.

図1は、本発明の単結晶SiCを製造するための装置の一例を示す概念的概略図である。詳細な説明は後述する。SiC種結晶4の結晶径dも図示されている。原料供給管先端の内径rは、r≧0.8dであり、好ましくは、2.0d≧r≧0.8dであり、より好ましくは1.2d≧r≧0.8dである。
原料供給管の先端は、その端部形状が円形であることが好ましく、また先端円形部はSiC種結晶の近傍に配置されており、種結晶表面とほぼ平行であることが好ましい。
比較的細い配管部から比較的広い先端部への加工の仕方は任意に選択できる。図2には、具体的な先端部の形状(1)〜(5)を模式的に例示した。
原料供給管は、先端部及び坩堝近辺の配管部については、使用温度範囲を考慮して、その材質がグラファイト製であることが好ましい。
FIG. 1 is a conceptual schematic diagram showing an example of an apparatus for producing the single crystal SiC of the present invention. Detailed description will be given later. The crystal diameter d of the SiC seed crystal 4 is also illustrated. The inner diameter r of the tip of the raw material supply pipe is r ≧ 0.8d, preferably 2.0d ≧ r ≧ 0.8d, and more preferably 1.2d ≧ r ≧ 0.8d.
The tip of the raw material supply pipe preferably has a circular end shape, and the tip circular portion is disposed in the vicinity of the SiC seed crystal and is preferably substantially parallel to the seed crystal surface.
A method of processing from a relatively thin pipe portion to a relatively wide tip portion can be arbitrarily selected. FIG. 2 schematically illustrates specific tip shapes (1) to (5).
The material supply pipe is preferably made of graphite in consideration of the operating temperature range for the tip and the piping near the crucible.

本発明の単結晶SiCの製造方法は、上記の配置工程に引き続いて単結晶SiCの成長工程を含む。
成長工程は、高温雰囲気とした該坩堝内に単結晶SiC製造用原料である、SiC粒子、シリカ粒子及びカーボン粒子の原料3成分を不活性ガスと共にSiC種結晶上に供給して単結晶SiCを成長させる工程である。
The method for producing single-crystal SiC of the present invention includes a single-crystal SiC growth step subsequent to the above-described arrangement step.
In the growth step, single-crystal SiC is produced by supplying three raw materials of SiC particles, silica particles, and carbon particles, which are raw materials for producing single-crystal SiC, together with an inert gas into the crucible in a high-temperature atmosphere. It is a process of growing.

本発明の製造方法において使用する原料SiC粒子としては、いかなる結晶多形のSiC結晶も使用でき、3C(立方晶)−SiC、4H(六方晶)−SiC、及び6H(菱面体)−SiCが含まれる。これらの中でも市販の3C−SiCが好適に利用できる。また上記SiC粒子は、必要に応じて前処理を施してもよい。市販の3C−SiC粒子は、微粒子で高純度であり、入手が容易であるので好ましい。   As the raw material SiC particles used in the production method of the present invention, any crystalline polymorphic SiC crystal can be used. included. Among these, commercially available 3C—SiC can be suitably used. In addition, the SiC particles may be pretreated as necessary. Commercially available 3C—SiC particles are preferable because they are fine particles, have high purity, and are easily available.

前記SiC粒子の粒子径は400nm以下の微粒子が好ましく、100nm以下の微粒子がより好ましく、10〜100nmの超微粒子が更に好ましく、10〜85nmの超微粒子が特に好ましい。尚、SiC粒子の粒子径とは、一次粒子の重量平均粒子径を意味する。また前記SiC粒子の粒子形状は特に限定されない。SiC一次粒子は、凝集体として供給することが好ましい。   The SiC particles have a particle diameter of preferably 400 nm or less, more preferably 100 nm or less, still more preferably 10 to 100 nm, and particularly preferably 10 to 85 nm. The particle diameter of SiC particles means the weight average particle diameter of primary particles. The particle shape of the SiC particles is not particularly limited. The SiC primary particles are preferably supplied as aggregates.

SiO2粒子の種類、粒子形状等は特に限定されない。粒子径は100nm以下の微粒子が好ましく、10〜100nmの超微粒子が更に好ましく、10〜50nmの超微粒子が特に好ましい。例えば火炎加水分解法で得られる高純度シリカ(いぶしシリカ fumed silica)が前記粒子径の範囲を満たしており、且つ高純度でもあるため好適に利用できる。 The kind of SiO 2 particles, the particle shape, etc. are not particularly limited. The fine particle having a particle size of 100 nm or less is preferable, an ultrafine particle of 10 to 100 nm is more preferable, and an ultrafine particle of 10 to 50 nm is particularly preferable. For example, high-purity silica obtained by a flame hydrolysis method can be suitably used because it satisfies the particle diameter range and has high purity.

カーボン(C)粒子の種類、粒子形状等は特に限定されない。粒子径は100nm以下の微粒子が好ましく、10〜100nmの超微粒子が更に好ましく、10〜50nmの超微粒子が特に好ましい。例えば高純度アセチレンブラックが前記粒子径の範囲を満たしており、且つ高純度でもあるため好適に利用できる。   The kind of carbon (C) particle | grains, particle shape, etc. are not specifically limited. The fine particle having a particle size of 100 nm or less is preferable, an ultrafine particle of 10 to 100 nm is more preferable, and an ultrafine particle of 10 to 50 nm is particularly preferable. For example, high-purity acetylene black can be suitably used because it satisfies the above particle diameter range and has high purity.

上記SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子のいずれも2種以上のものを混合して使用してもよいし、それぞれを混合して一体化してもよい。また上記SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン粒子は、必要に応じて、前処理を施してもよい。 Any of the above SiC particles, SiO 2 particles, and carbon (C) particles may be used as a mixture of two or more thereof, or may be mixed and integrated. Further, the SiC particles, the SiO 2 particles, and the carbon particles may be pretreated as necessary.

上記SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子からなる原料3成分の供給比率は、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.43から1:1.2の範囲内になり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内になることが好ましく、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.54から1:1の範囲内であり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内になることが更に好ましい。 The feed ratio of the three raw materials composed of the SiC particles, SiO 2 particles and carbon (C) particles is such that the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles is in the range of 1: 0.43 to 1: 1.2. In addition, the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is preferably in the range of 1: 2 to 1: 3, and the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles is 1: 0.54 to 1: 1. More preferably, the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is in the range of 1: 2 to 1: 3.

上記SiC製造用原料であるSiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子で構成される供給物(以下、「原料3成分」ともいう。)のSiC種単結晶上への供給は、途切れることなく連続して供給することができる方法であることが好ましく、その具体的な方法は特に限定されない。例えば市販のパウダフィーダのように連続して粉体輸送できるものが使用できる。但し、供給管及び単結晶SiC製造装置内部は酸素混入を防止するため、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスにより、好ましくはアルゴンガスにより、置換されたハーメチック構造にしておくことが好ましい。 The supply of the supply material (hereinafter also referred to as “raw material 3 component”) composed of SiC particles, SiO 2 particles and carbon (C) particles, which are the raw materials for producing SiC, is interrupted on the SiC seed single crystal. It is preferable that the method can be continuously supplied, and the specific method is not particularly limited. For example, a commercially available powder feeder that can continuously transport powder can be used. However, the inside of the supply pipe and the single crystal SiC manufacturing apparatus preferably has a hermetic structure replaced with an inert gas such as argon or helium, preferably with argon gas, in order to prevent oxygen contamination.

また単結晶SiC中にドーピングをおこなう場合は、p型であれば原料粒子に例えばAl23粒子を高濃度(0.1〜0.2%)に混合することが簡便である。また、ガスソースとしてAl(CH33、B26等を使用してもp型単結晶SiCを製造できるし、雰囲気中に窒素ガスを導入すればn型単結晶SiCが簡単に製造できる。 In addition, when doping is performed in single crystal SiC, if it is p-type, it is easy to mix, for example, Al 2 O 3 particles at a high concentration (0.1 to 0.2%) with raw material particles. Moreover, p-type single crystal SiC can be produced even if Al (CH 3 ) 3 , B 2 H 6, etc. are used as a gas source, and n-type single crystal SiC can be easily produced by introducing nitrogen gas into the atmosphere. it can.

単結晶SiC製造温度は特に限定されず、目的とする単結晶SiCのサイズや形状、種類等に応じて適宜設定できるが、好ましい製造温度は1,600〜2,400℃の範囲であり、この温度は例えば坩堝外側の温度として測定できる。
本発明の単結晶SiCの製造方法に使用する単結晶SiC製造装置の構成は、特に限定されない。すなわち種結晶サイズ、坩堝加熱方法、坩堝材質、原料粒子供給方法、雰囲気調整方法、成長圧力、温度制御方法などは、目的とする単結晶SiCのサイズや形状、種類、SiC粒子の種類や量等に応じて適宜選択できる。例えば、温度測定と温度制御にはPID温度制御技術を使用することができる。
The single crystal SiC production temperature is not particularly limited, and can be appropriately set according to the size, shape, type, etc. of the target single crystal SiC, but the preferred production temperature is in the range of 1,600 to 2,400 ° C. The temperature can be measured, for example, as the temperature outside the crucible.
The structure of the single crystal SiC manufacturing apparatus used for the single crystal SiC manufacturing method of the present invention is not particularly limited. That is, the seed crystal size, crucible heating method, crucible material, raw material particle supply method, atmosphere adjustment method, growth pressure, temperature control method, etc. are the target single crystal SiC size, shape, type, SiC particle type, amount, etc. It can be appropriately selected depending on the situation. For example, PID temperature control technology can be used for temperature measurement and temperature control.

SiC種単結晶を保持するサセプタの形状は特に限定されず、目的とする単結晶SiCのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。尚、当該サセプタの材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。SiC種結晶は、サセプタの端面にカーボン接着剤により直接固定することができる。   The shape of the susceptor holding the SiC seed single crystal is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size and shape of the target single crystal SiC. The material of the susceptor is preferably made of graphite in consideration of the operating temperature range. The SiC seed crystal can be directly fixed to the end surface of the susceptor with a carbon adhesive.

SiC種結晶をサセプタに保持する場合に、SiC種結晶に応力が加わらない保持方法は好ましい。すなわち、SiC種結晶をサセプタにカーボン接着剤等によって直接固定することなく、SiC種結晶の自重によりSiC種結晶の保持手段上に静かに置かれる構造とすることが好ましい。保持手段は、SiC種結晶の周縁全体又は周縁の一部を鉛直方向下方から支えるものが好ましい。接着、挟み込み、楔等による固定を使用せずに、単にSiC種結晶を保持手段上に載置できる構造であることが好ましい。
このような条件を満たすサセプタの保持手段としては、3本の爪型保持具、及びリング型保持具が例示できる。
ここで、爪形保持具は、サセプタの端面周縁から鉛直に降下し先端で内側にほぼ直角に折り曲げられた3本(又は4本)の爪部を有している。
また、リング型保持具は、中央部に貫通穴を有した円形(リング)形状を有し、断面がL字状であって、SiC種結晶の周縁をL字部の水平部分で支持する保持具である。
尚、当該サセプタに接続される保持手段の材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。
When holding the SiC seed crystal on the susceptor, a holding method in which no stress is applied to the SiC seed crystal is preferable. That is, it is preferable that the SiC seed crystal is not fixed directly to the susceptor with a carbon adhesive or the like, but is gently placed on the SiC seed crystal holding means by its own weight. The holding means preferably supports the entire periphery of the SiC seed crystal or a part of the periphery from below in the vertical direction. It is preferable that the SiC seed crystal be simply placed on the holding means without using bonding, sandwiching, fixing with a wedge or the like.
Examples of susceptor holding means that satisfy such conditions include three claw-type holders and a ring-type holder.
Here, the claw-shaped holder has three (or four) claw portions that descend vertically from the periphery of the end surface of the susceptor and are bent substantially perpendicularly to the inside at the tip.
The ring-type holder has a circular (ring) shape with a through hole in the center, has a L-shaped cross section, and supports the periphery of the SiC seed crystal at the horizontal portion of the L-shaped portion. It is a tool.
The material of the holding means connected to the susceptor is preferably made of graphite in consideration of the operating temperature range.

また、前記サセプタは単結晶SiCの成長による厚み増加と共に、単結晶SiC製造用原料を連続供給する原料供給管との相対距離を随時離して、常に好ましい距離が保てるような分離独立制御構造であることが好ましい。   In addition, the susceptor has a separate independent control structure in which a preferable distance is always maintained by separating the relative distance from the raw material supply pipe for continuously supplying the raw material for producing single crystal SiC as the thickness increases due to the growth of single crystal SiC. It is preferable.

前記単結晶SiC製造用原料を連続供給する原料供給管の形状は、外形は特に限定されず、目的とする単結晶SiCのサイズや形状に合わせ適宜選択できるが、原料供給管先端の内径については、既に述べたように、使用するSiC種単結晶の結晶径に対して、その80%以上の大きさが確保されていることが好ましく、80〜120%の範囲内に入るようにすることがより好ましい。   The shape of the raw material supply tube for continuously supplying the raw material for producing single crystal SiC is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size and shape of the target single crystal SiC. As already mentioned, it is preferable that the size of the SiC seed single crystal to be used is 80% or more of the crystal diameter, so that it falls within the range of 80 to 120%. More preferred.

原料供給管の原料供給方向(先端部の中心軸方向)とSiC種単結晶表面の法線方向は、略平行から最大直角方向までの範囲で自由に配置することができる。   The raw material supply direction of the raw material supply pipe (the central axis direction of the tip) and the normal direction of the surface of the SiC seed single crystal can be freely arranged in a range from substantially parallel to the maximum perpendicular direction.

図1は、本発明の単結晶SiCを製造するための装置の一例を示す概念的断面図であり、ここでは高周波誘導加熱炉10を用いている。
水冷された円筒型チャンバ1内にカーボン製の円筒坩堝2(直径130mm、高さ180mm)が配置され、前記水冷された円筒型チャンバ1の外側に高周波誘導加熱コイル3を配置してある。
前記円筒坩堝2内の上部には、SiC種結晶4を保持するためのサセプタ5が貫通挿入されている。このサセプタ5は円筒坩堝の内部まで伸びており、図示しない回転機構により該サセプタの中心軸を回転軸として回転可能である。
またこのサセプタの図示されない上端には、制御可能な熱交換機構が付与されており、該サセプタ鉛直方向(長手方向)に熱流を発生することができる。また前記熱流量の調整が可能な構成となっている。尚、SiC種結晶の保持部は、該サセプタの鉛直方向と略平行から最大45°傾斜まで自由に設定することができる。SiC種結晶4の上にSiC単結晶の成長層9を成長させる。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view showing an example of an apparatus for producing single-crystal SiC of the present invention. Here, a high-frequency induction heating furnace 10 is used.
A carbon-made cylindrical crucible 2 (diameter 130 mm, height 180 mm) is disposed in a water-cooled cylindrical chamber 1, and a high-frequency induction heating coil 3 is disposed outside the water-cooled cylindrical chamber 1.
A susceptor 5 for holding the SiC seed crystal 4 is inserted through the upper portion of the cylindrical crucible 2. The susceptor 5 extends to the inside of the cylindrical crucible, and can be rotated about the central axis of the susceptor by a rotation mechanism (not shown).
Further, a controllable heat exchange mechanism is provided at the upper end (not shown) of the susceptor, and a heat flow can be generated in the vertical direction (longitudinal direction) of the susceptor. The heat flow rate can be adjusted. The SiC seed crystal holding portion can be freely set from approximately parallel to the vertical direction of the susceptor to a maximum inclination of 45 °. A SiC single crystal growth layer 9 is grown on the SiC seed crystal 4.

前記円筒坩堝2内の下部には、単結晶SiC製造用原料3成分を供給するための原料供給管6が貫通挿入されている。ここで原料供給管の先端部の内径は使用するSiC種単結晶の結晶径の80%以上の径となるよう設計されている。また前記原料供給管6は、前期高周波誘導加熱炉10の外側に延設されていて、調節弁8、8’、8’’により独立に供給量が調節可能な複数の原料貯蔵槽7、7’、7’’と、流量調節可能な不活性キャリアガスAの供給源(図示せず)にそれぞれ連結している。供給された不活性キャリアガスは、円筒型チャンバ1に設けられたダクト(図示せず)から排出される。   In the lower part of the cylindrical crucible 2, a raw material supply pipe 6 for supplying three raw materials for producing single crystal SiC is inserted through. Here, the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is designed to be 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed single crystal to be used. The raw material supply pipe 6 extends outside the previous high frequency induction heating furnace 10 and has a plurality of raw material storage tanks 7, 7 whose supply amounts can be adjusted independently by the control valves 8, 8 ', 8' '. ', 7' 'and a supply source (not shown) of an inert carrier gas A whose flow rate can be adjusted. The supplied inert carrier gas is discharged from a duct (not shown) provided in the cylindrical chamber 1.

図2は、本発明の単結晶SiCを製造するために使用できる装置の他の一例を示す概念的断面図である。図2では、SiC種結晶4をサセプタ5が保持する種結晶保持手段として、3本の爪型保持具を使用している点で、図1に示した装置と異なる。その他の構成は図1に示す装置と同様であり、符号の説明も図1と共通である。   FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view showing another example of an apparatus that can be used to manufacture the single crystal SiC of the present invention. 2 is different from the apparatus shown in FIG. 1 in that three claw-shaped holders are used as seed crystal holding means for holding the SiC seed crystal 4 by the susceptor 5. Other configurations are the same as those of the apparatus shown in FIG. 1, and the description of the reference numerals is also the same as that of FIG.

高周波誘導加熱炉は、図示しない真空排気系及び圧力調節系により圧力制御が可能であり、また図示しない不活性ガス置換機構を備えている。尚、図1又は図2の実施例では供給管とサセプタの法線方向が略平行な構成の高周波誘導加熱炉を示したが、本発明の作用が変わらない範囲内で、供給管をサセプタに対し斜めや横向きに配置することも可能である。   The high-frequency induction heating furnace can be controlled by a vacuum exhaust system and a pressure control system (not shown), and includes an inert gas replacement mechanism (not shown). In the embodiment of FIG. 1 or FIG. 2, a high-frequency induction heating furnace having a configuration in which the normal direction of the supply pipe and the susceptor is substantially parallel is shown, but the supply pipe is used as a susceptor within the range where the operation of the present invention does not change. On the other hand, it can be arranged obliquely or horizontally.

以下に実施例と比較例をもとに更に説明する。始めに実施例について説明する。
前記高周波誘導加熱炉を用いて、以下の条件にて単結晶SiCの製造をおこなった。
図1を参照して説明する。
(株)エネテック総研製3C−SiC粒子(商品名NanoPowder、平均粒径45、55、82nm)と、シリカ(SiO2粒子)(日本アエロジル(株)製アエロジル380)と、カーボン(C)粒子(電気化学工業(株)製、デンカブラック粉状品(アセチレンブラック))を、それぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比は表1に記載のごとくなるようそれぞれ調整した。
In the following, further description will be given based on examples and comparative examples. First, examples will be described.
Using the high frequency induction heating furnace, single crystal SiC was manufactured under the following conditions.
A description will be given with reference to FIG.
3C-SiC particles (trade name NanoPowder, average particle size 45, 55, 82 nm), silica (SiO 2 particles) (Aerosil 380 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), carbon (C) particles Denka black powder (acetylene black) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was filled in the raw material storage tank independently. Each supply ratio was adjusted to be as shown in Table 1.

Figure 2009073696
Figure 2009073696

前記サセプタ下端にSiC種単結晶ウエハを配置した。ここで使用したSiC種単結晶ウエハは、改良レーリー法で製造された大面積の4インチ単結晶SiC基板とした。また該SiC種単結晶のサセプタへのセットは、接着工程等を介さず、種結晶に応力がかからないようにおこなった。予め先端の内径がφ80mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の80%)、φ100mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の100%)、φ120mm(4インチ単結晶SiCの結晶径以上)に加工しておいた3種類の原料供給管をそれぞれ繰り返し、高周波誘導加熱炉内にセットした。その後毎回、高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス(高純度アルゴン)で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の円筒坩堝を加熱し、前記SiC種単結晶ウエハ表面温度が1,600〜2,400℃の範囲となるように調整した。   An SiC seed single crystal wafer was disposed at the lower end of the susceptor. The SiC seed single crystal wafer used here was a large-area 4-inch single crystal SiC substrate manufactured by an improved Rayleigh method. The SiC seed single crystal was set on the susceptor so that no stress was applied to the seed crystal without going through an adhesion process or the like. The tip has an inner diameter of φ80 mm (80% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), φ100 mm (100% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), and φ120 mm (greater than the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC). Each of the three types of raw material supply pipes was repeated and set in a high frequency induction heating furnace. Each time after that, the inside of the high frequency induction heating furnace was evacuated, and then the inside of the high frequency induction heating furnace was replaced with an inert gas (high purity argon). Next, the carbon cylindrical crucible was heated by the high-frequency induction heating coil, and the surface temperature of the SiC seed single crystal wafer was adjusted to be in the range of 1,600 to 2,400 ° C.

次いでSiC種単結晶ウエハがセットされた前記サセプタを0〜20rpmの回転速度で回転させた。この状態で前記不活性キャリアガス(高純度アルゴン)を流速0.05〜10L/minの範囲に調整して流し、前記単結晶SiC製造用原料(3C−SiC粒子、シリカ(SiO2粒子)、カーボン(C)粒子)を、前記原料供給管内部を通して、前記円筒坩堝内上部に配置された前記SiC種単結晶ウエハ表面上に連続して供給させ、単結晶SiCの製造をおこなった。また前記原料供給管は単結晶SiCの製造に伴いその成長レートに合わせた速度で前記サセプタから離れる方向に移動させた。尚、それぞれの実施例の条件(No.1から4)について、それぞれ3種類の原料供給管を用いて単結晶SiCの製造を10回ずつ繰り返した。つまり都合120回の製造をおこなった。製造厚みはすべて略1mmで揃えた。 Next, the susceptor on which the SiC seed single crystal wafer was set was rotated at a rotation speed of 0 to 20 rpm. In this state, the inert carrier gas (high purity argon) is adjusted to flow in a range of 0.05 to 10 L / min, and the raw material for producing single crystal SiC (3C-SiC particles, silica (SiO 2 particles), Carbon (C) particles) were continuously supplied on the surface of the SiC seed single crystal wafer disposed in the upper part of the cylindrical crucible through the raw material supply pipe, thereby producing single crystal SiC. The raw material supply pipe was moved in a direction away from the susceptor at a speed in accordance with the growth rate of the single crystal SiC. In addition, about the conditions (No. 1 to 4) of each Example, manufacture of single crystal SiC was repeated 10 times each using three types of raw material supply pipes. In other words, production was performed 120 times. The production thickness was all about 1 mm.

その後概観目視検査、反射型X線トポグラフィー及び、溶融KOHエッチング(450〜550℃、3〜10分)後の断面の光学顕微鏡観察により、欠陥密度並びに欠陥密度の面内バラツキの測定をおこなった。4インチウエハの1mm厚単結晶SiC製造の評価結果を表2にまとめた。ここで、それぞれの測定結果は、各原料モル比で10回ずつ製造をおこなった中で最大の欠陥密度だったバッチのそれぞれが、どの程度の範囲内に収まったかを表示することとした。また予めSiC種単結晶ウエハの欠陥密度も測定しておき、本特許の単結晶SiCの製造方法で前記SiC種単結晶ウエハ上に製造した単結晶SiCの欠陥密度と比較し、結晶品質が劣化したのか、同等なのか、改善したのかを判定した。   Thereafter, the defect density and the in-plane variation of the defect density were measured by visual inspection, reflection X-ray topography, and optical microscope observation of the cross section after molten KOH etching (450 to 550 ° C., 3 to 10 minutes). . Table 2 summarizes the evaluation results of the production of 1 mm thick single crystal SiC on a 4-inch wafer. Here, each measurement result is to display the extent to which each of the batches having the highest defect density in 10 times each of the raw material molar ratios is contained. In addition, the defect density of the SiC seed single crystal wafer is also measured in advance, and compared with the defect density of the single crystal SiC manufactured on the SiC seed single crystal wafer by the single crystal SiC manufacturing method of this patent, the crystal quality is deteriorated. It was judged whether it was equivalent, improved or improved.

Figure 2009073696
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上記結果より、得られたすべてのSiC単結晶において、全面に渡り面内色ムラや微小な多結晶領域の発生等は見られなかった。   From the above results, in all of the obtained SiC single crystals, no in-plane color unevenness or generation of a minute polycrystalline region was observed over the entire surface.

更に単結晶SiC製造用原料の混合割合をSiC粒子とSiO2粒子がモル比で1:0.67から1:1の範囲で、且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3に調整した場合には、製造した単結晶SiCの結晶品質がSiC種単結晶よりも向上することが確認された。
また単結晶SiC製造用原料の混合割合をSiC粒子とSiO2粒子がモル比で1:0.43から1:1.2の範囲で、且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3に調整した場合でも、製造した単結晶SiCの結晶品質はSiC種単結晶と同等であることが確認された。
Furthermore, the mixing ratio of the raw material for producing single crystal SiC is in the range of 1: 0.67 to 1: 1 in terms of the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles, and 1: in the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles. When adjusted from 2 to 1: 3, it was confirmed that the crystal quality of the produced single crystal SiC was improved as compared with the SiC seed single crystal.
In addition, the mixing ratio of the raw material for producing single crystal SiC is in the range of 1: 0.43 to 1: 1.2 in terms of the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles, and in the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles. Even when adjusted from 1: 2 to 1: 3, it was confirmed that the crystal quality of the manufactured single crystal SiC was equivalent to that of the SiC seed single crystal.

次に比較例1について説明する。
前記高周波誘導加熱炉を用いて、以下の条件にて単結晶SiCの製造をおこなった。
(株)エネテック総研製3C−SiC粒子(商品名NanoPowder、平均粒径45、55、82nm)と、シリカ(SiO2粒子)(日本アエロジル(株)製アエロジル380)と、カーボン(C)粒子(電気化学工業(株)製、デンカブラック粉状品(アセチレンブラック))を、それぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比は前記表1に記載のごとくなるようそれぞれ調整した。
Next, Comparative Example 1 will be described.
Using the high frequency induction heating furnace, single crystal SiC was manufactured under the following conditions.
3C-SiC particles (trade name NanoPowder, average particle size 45, 55, 82 nm), silica (SiO 2 particles) (Aerosil 380 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), carbon (C) particles Denka black powder (acetylene black) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was filled in the raw material storage tank independently. Each supply amount ratio was adjusted so as to be as described in Table 1 above.

前記サセプタ下端にSiC種単結晶ウエハを配置した。ここで使用したSiC種単結晶ウエハは、改良レーリー法で製造された大面積の4インチ単結晶SiC基板とした。また該SiC種単結晶のサセプタへのセットは、接着工程等を介さず、無理な応力がかからないようにおこなった。予め内径がφ60mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の60%)、φ40mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の40%)、φ20mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の20%)に加工しておいた3種類の原料供給管をそれぞれ繰り返し、高周波誘導加熱炉内にセットした。その後毎回、高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス(高純度アルゴン)で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の円筒坩堝を加熱し、前記SiC種単結晶ウエハ表面温度が1,600〜2,400℃の範囲となるように調整した。   An SiC seed single crystal wafer was disposed at the lower end of the susceptor. The SiC seed single crystal wafer used here was a large-area 4-inch single crystal SiC substrate manufactured by an improved Rayleigh method. In addition, the SiC seed single crystal was set on the susceptor so that an excessive stress was not applied without an adhesion process or the like. Processed in advance to an inner diameter of φ60 mm (60% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), φ40 mm (40% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), and φ20 mm (20% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC). Each of the three types of raw material supply pipes was repeated and set in a high frequency induction heating furnace. Each time after that, the inside of the high frequency induction heating furnace was evacuated, and then the inside of the high frequency induction heating furnace was replaced with an inert gas (high purity argon). Next, the carbon cylindrical crucible was heated by the high-frequency induction heating coil, and the surface temperature of the SiC seed single crystal wafer was adjusted to be in the range of 1,600 to 2,400 ° C.

次いでSiC種単結晶ウエハがセットされた前記サセプタを0〜20rpmの回転速度で回転させた。この状態で前記不活性キャリアガス(高純度アルゴン)を流速0.05〜10L/minの範囲に調整して流し、前記単結晶SiC製造用原料(3C−SiC粒子、シリカ(SiO2粒子)、カーボン(C)粒子)を、前記原料供給管内部を通して、前記円筒坩堝内上部に配置された前記SiC種単結晶ウエハ表面上に連続して供給させ、単結晶SiCの製造をおこなった。また前記原料供給管は単結晶SiCの製造に伴いその成長レートに合わせた速度で前記サセプタから離れる方向に移動させた。尚、それぞれの実施例の条件(No.1から4)について、それぞれ3種類の原料供給管を用いて単結晶SiCの製造を10回ずつ繰り返した。つまり都合120回の製造をおこなった。製造厚みはすべて略1mmで揃えた。 Next, the susceptor on which the SiC seed single crystal wafer was set was rotated at a rotation speed of 0 to 20 rpm. In this state, the inert carrier gas (high purity argon) is adjusted to flow in a range of 0.05 to 10 L / min, and the raw material for producing single crystal SiC (3C-SiC particles, silica (SiO 2 particles), Carbon (C) particles) were continuously supplied on the surface of the SiC seed single crystal wafer disposed in the upper part of the cylindrical crucible through the raw material supply pipe, thereby producing single crystal SiC. The raw material supply pipe was moved in a direction away from the susceptor at a speed in accordance with the growth rate of the single crystal SiC. In addition, about the conditions (No. 1 to 4) of each Example, manufacture of single crystal SiC was repeated 10 times each using three types of raw material supply pipes. In other words, production was performed 120 times. The production thickness was all about 1 mm.

その後概観目視検査、反射型X線トポグラフィー及び、溶融KOHエッチング(450〜550℃、3〜10分)後の断面の光学顕微鏡観察により、欠陥密度並びに欠陥密度の面内バラツキの測定をおこなった。4インチウエハの1mm厚単結晶SiC製造の評価結果を表3にまとめた。ここで、それぞれの測定結果は、各原料モル比で10回ずつ製造をおこなった中で最大の欠陥密度だったバッチのそれぞれが、どの程度の範囲内に収まったかを表示することとした。また予めSiC種単結晶ウエハの欠陥密度も測定しておき、本特許の単結晶SiCの製造方法で前記SiC種単結晶ウエハ上に製造した単結晶SiCの欠陥密度と比較し、結晶品質が劣化したのか、同等なのか、改善したのかを判定した。表3に4インチウエハ×1mm厚単結晶SiC製造の評価結果をまとめた。   Thereafter, the defect density and the in-plane variation of the defect density were measured by visual inspection, reflection X-ray topography, and optical microscope observation of the cross section after molten KOH etching (450 to 550 ° C., 3 to 10 minutes). . Table 3 summarizes the evaluation results of the production of 1 mm-thick single crystal SiC on a 4-inch wafer. Here, each measurement result is to display the extent to which each of the batches having the highest defect density in 10 times each of the raw material molar ratios is contained. In addition, the defect density of the SiC seed single crystal wafer is also measured in advance, and compared with the defect density of the single crystal SiC manufactured on the SiC seed single crystal wafer by the single crystal SiC manufacturing method of this patent, the crystal quality is deteriorated. It was judged whether it was equivalent, improved or improved. Table 3 summarizes the evaluation results of 4 inch wafer × 1 mm thick single crystal SiC production.

Figure 2009073696
Figure 2009073696

上記結果より、得られたすべてのSiC単結晶において、殊に外周部において面内色ムラや微小な多結晶領域の群発発生が確認された。   From the above results, it was confirmed that in all of the obtained SiC single crystals, in-plane color unevenness and clustering of minute polycrystalline regions were generated particularly in the outer peripheral portion.

更に単結晶SiC製造用原料の混合割合をSiC粒子とSiO2粒子がモル比で1:0.43から1:1.2の範囲で、且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3に調整したすべての場合において、製造した単結晶SiCの結晶品質がSiC種単結晶よりも著しく劣ることが確認された。 Furthermore, the mixing ratio of the raw material for producing single crystal SiC is such that the SiC particles and the SiO 2 particles have a molar ratio of 1: 0.43 to 1: 1.2, and the molar ratio of the SiO 2 particles to the carbon (C) particles. In all cases adjusted from 1: 2 to 1: 3, it was confirmed that the crystal quality of the produced single crystal SiC was significantly inferior to that of the SiC seed single crystal.

更に比較例2について説明する。
前記高周波誘導加熱炉を用いて、以下の条件にて単結晶SiCの製造をおこなった。
(株)エネテック総研製3C−SiC粒子(商品名NanoPowder、平均粒径45、55、82nm)と、シリカ(SiO2粒子)(日本アエロジル(株)製アエロジル380)と、カーボン(C)粒子(電気化学工業(株)製、デンカブラック粉状品(アセチレンブラック))を、それぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比は前記表4に記載のごとくなるようそれぞれ調整した。
Further, Comparative Example 2 will be described.
Using the high frequency induction heating furnace, single crystal SiC was manufactured under the following conditions.
3C-SiC particles (trade name NanoPowder, average particle size 45, 55, 82 nm), silica (SiO 2 particles) (Aerosil 380 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), carbon (C) particles Denka black powder (acetylene black) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was filled in the raw material storage tank independently. Each supply ratio was adjusted to be as described in Table 4 above.

Figure 2009073696
Figure 2009073696

前記サセプタ下端にSiC種単結晶ウエハを配置した。ここで使用したSiC種単結晶ウエハは、改良レーリー法で製造された大面積の4インチ単結晶SiC基板とした。また該SiC種単結晶のサセプタへのセットは、接着工程等を介さず、無理な応力がかからないようにおこなった。予め内径がφ80mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の80%)、φ100mm(4インチ単結晶SiCの結晶径の100%)、φ120mm(4インチ単結晶SiCの結晶径以上)に加工しておいた3種類の原料供給管をそれぞれ繰り返し、高周波誘導加熱炉内にセットした。その後毎回、高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス(高純度アルゴン)で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の円筒坩堝を加熱し、前記SiC種単結晶ウエハ表面温度が1,600〜2,400℃の範囲となるように調整した。   An SiC seed single crystal wafer was disposed at the lower end of the susceptor. The SiC seed single crystal wafer used here was a large-area 4-inch single crystal SiC substrate manufactured by an improved Rayleigh method. In addition, the SiC seed single crystal was set on the susceptor so that an excessive stress was not applied without an adhesion process or the like. The inner diameter is previously processed to φ80 mm (80% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), φ100 mm (100% of the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC), and φ120 mm (greater than the crystal diameter of 4 inch single crystal SiC). The three types of raw material supply pipes were repeatedly set in a high-frequency induction heating furnace. Each time after that, the inside of the high frequency induction heating furnace was evacuated, and then the inside of the high frequency induction heating furnace was replaced with an inert gas (high purity argon). Next, the carbon cylindrical crucible was heated by the high-frequency induction heating coil, and the surface temperature of the SiC seed single crystal wafer was adjusted to be in the range of 1,600 to 2,400 ° C.

次いでSiC種単結晶ウエハがセットされた前記サセプタを0〜20rpmの回転速度で回転させた。この状態で前記不活性キャリアガス(高純度アルゴン)を流速0.05〜10L/minの範囲に調整して流し、前記単結晶SiC製造用原料(3C−SiC粒子、シリカ(SiO2粒子)、カーボン(C)粒子)を、前記原料供給管内部を通して、前記円筒坩堝内上部に配置された前記SiC種単結晶ウエハ表面上に連続して供給させ、単結晶SiCの製造をおこなった。また前記原料供給管は単結晶SiCの製造に伴いその成長レートに合わせた速度で前記サセプタから離れる方向に移動させた。尚、それぞれの実施例の条件(No.5から9)について、それぞれ3種類の原料供給管を用いて単結晶SiCの製造を10回ずつ繰り返した。つまり都合150回の製造をおこなった。製造厚みはすべて略1mmで揃えた。 Next, the susceptor on which the SiC seed single crystal wafer was set was rotated at a rotation speed of 0 to 20 rpm. In this state, the inert carrier gas (high purity argon) is adjusted to flow in a range of 0.05 to 10 L / min, and the raw material for producing single crystal SiC (3C-SiC particles, silica (SiO 2 particles), Carbon (C) particles) were continuously supplied on the surface of the SiC seed single crystal wafer disposed in the upper part of the cylindrical crucible through the raw material supply pipe, thereby producing single crystal SiC. The raw material supply pipe was moved in a direction away from the susceptor at a speed in accordance with the growth rate of the single crystal SiC. In addition, about the conditions (No. 5 to 9) of each Example, manufacture of single crystal SiC was repeated 10 times each using three types of raw material supply pipes. In other words, it was manufactured 150 times. The production thickness was all about 1 mm.

その後概観目視検査、反射型X線トポグラフィー及び、溶融KOHエッチング(450〜550℃、3〜10分))後の断面の光学顕微鏡観察により、欠陥密度並びに欠陥密度の面内バラツキの測定をおこなった。4インチウエハの1mm厚単結晶SiC製造の評価結果を表5にまとめた。ここで、それぞれの測定結果は、各原料モル比で10回ずつ製造をおこなった中で最大の欠陥密度だったバッチのそれぞれが、どの程度の範囲内に収まったかを表示することとした。また予めSiC種単結晶ウエハの欠陥密度も測定しておき、本特許の単結晶SiCの製造方法で前記SiC種単結晶ウエハ上に製造した単結晶SiCの欠陥密度と比較し、結晶品質が劣化したのか、同等なのか、改善したのかを判定した。表5に4インチウエハの1mm厚単結晶SiC製造の評価結果を示した。   Thereafter, the defect density and the in-plane variation of the defect density were measured by visual inspection, reflection X-ray topography, and optical microscope observation of the cross section after molten KOH etching (450 to 550 ° C., 3 to 10 minutes). It was. Table 5 summarizes the evaluation results of the production of 1 mm thick single crystal SiC on a 4-inch wafer. Here, each measurement result is to display the extent to which each of the batches having the highest defect density in 10 times each of the raw material molar ratios is contained. In addition, the defect density of the SiC seed single crystal wafer is also measured in advance, and compared with the defect density of the single crystal SiC manufactured on the SiC seed single crystal wafer by the single crystal SiC manufacturing method of this patent, the crystal quality is deteriorated. It was judged whether it was equivalent, improved or improved. Table 5 shows the evaluation results of manufacturing a 1 mm thick single crystal SiC of a 4-inch wafer.

Figure 2009073696
Figure 2009073696

上記結果より、得られたすべてのSiC単結晶において、全面に渡り面内色ムラや微小な多結晶領域の発生等は見られなかったが、単結晶SiC製造用原料の混合割合がモル比でSiC粒子1に対してSiO2粒子0.33以下(且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3)でも2.33以上(且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3)でも、製造した単結晶SiCの結晶品質がSiC種単結晶よりも劣ること、原料2成分を供給したNo.5又はNo.9よりは優れていることが確認された。 From the above results, in all of the obtained SiC single crystals, in-plane color unevenness and generation of minute polycrystalline regions were not observed over the entire surface, but the mixing ratio of raw materials for producing single crystal SiC was in molar ratio. Even if SiO 2 particles are 0.33 or less (and the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is 1: 2 to 1: 3) with respect to SiC particles 1, they are 2.33 or more (and SiO 2 particles and carbon (C ) Even when the molar ratio of the particles is 1: 2 to 1: 3), the crystal quality of the produced single crystal SiC is inferior to that of the SiC seed single crystal, and the No. 1 that supplied the two raw materials. 5 or No. It was confirmed to be superior to 9.

以上の結果から、原料供給管の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されており、且つ単結晶SiC製造用原料の混合割合がSiC粒子とSiO2粒子のモル比で1:0.67から1:1の範囲で、且つSiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比で1:2から1:3に調整すると、大面積のSiC種単結晶上に該種結晶と同等以上の結晶品質の大面積単結晶SiCを製造することが可能であることが確認された。しかも本発明の製造方法では原料を外部から連続的に供給することが可能であるため、理論上SiC種単結晶の結晶品質以上の単結晶SiCをどこまでも厚く製造することが可能である。 From the above results, the raw material supply pipe is processed so that the inner diameter is 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal, and the mixing ratio of the raw material for producing single crystal SiC is the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles. When the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is adjusted from 1: 2 to 1: 3 in the range of 1: 0.67 to 1: 1, the seeds are formed on a large-area SiC seed single crystal. It was confirmed that it is possible to produce large-area single-crystal SiC having a crystal quality equivalent to or higher than that of crystals. In addition, since the raw material can be continuously supplied from the outside in the manufacturing method of the present invention, it is theoretically possible to manufacture single-crystal SiC having a crystal quality higher than that of the SiC seed single crystal as much as possible.

本発明の単結晶SiCを製造するための装置の一例を示す概念的断面図である。It is a conceptual sectional view showing an example of an apparatus for manufacturing single crystal SiC of the present invention. 本発明の単結晶SiCを製造するための装置の他の一例を示す概念的断面図である。It is a conceptual sectional view showing another example of an apparatus for manufacturing single crystal SiC of the present invention. 本発明に使用する原料供給管の配管部から先端部への形状の具体例を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the specific example of the shape from the piping part of the raw material supply pipe | tube used for this invention to a front-end | tip part.

符号の説明Explanation of symbols

1 円筒型チャンバ
2 円筒坩堝
3 高周波誘導加熱コイル
4 SiC種結晶
5 サセプタ
6 原料供給管
7、7’、7’’ 原料貯蔵槽
8、8’、8’’ 調節弁
9 成長層
10 高周波誘導加熱炉
A 不活性キャリアガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical chamber 2 Cylindrical crucible 3 High frequency induction heating coil 4 SiC seed crystal 5 Susceptor 6 Raw material supply pipe 7, 7 ', 7''Raw material storage tank 8, 8', 8 '' Control valve 9 Growth layer 10 High frequency induction heating Furnace A Inert carrier gas

Claims (5)

高温加熱保持することができる坩堝内に、SiC単結晶を成長させるためのSiC種結晶、及び、単結晶SiC製造用原料を供給するための原料供給管を配置する配置工程、並びに、
高温雰囲気とした該坩堝内に該単結晶SiC製造用原料を不活性ガスと共に原料供給管を通して供給してSiC単結晶を成長させる成長工程を含み、
該成長工程において、単結晶SiC製造用原料として、SiC粒子、SiO2粒子及びカーボン(C)粒子の原料3成分を供給する工程を含み、
該原料供給管先端の内径がSiC種結晶の結晶径の80%以上となるように加工されていることを特徴とする
単結晶SiCの製造方法。
An arrangement step of arranging a SiC seed crystal for growing a SiC single crystal and a raw material supply pipe for supplying a raw material for producing single crystal SiC in a crucible capable of being heated and maintained at a high temperature, and
Including a growth step of growing the SiC single crystal by supplying the raw material for producing the single crystal SiC together with an inert gas through the raw material supply pipe into the crucible in a high temperature atmosphere,
The growth step includes a step of supplying three raw materials of SiC particles, SiO 2 particles and carbon (C) particles as raw materials for producing single crystal SiC.
A process for producing single-crystal SiC, wherein the inner diameter of the tip of the raw material supply pipe is processed to be 80% or more of the crystal diameter of the SiC seed crystal.
原料3成分を、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.43から1:1.2の範囲内になり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内になるように供給する請求項1に記載の単結晶SiCの製造方法。 The three raw material components have a molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles in the range of 1: 0.43 to 1: 1.2, and the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is 1: 2. The method for producing single crystal SiC according to claim 1, wherein the single crystal SiC is supplied so as to fall within a range of 1: 3. 原料3成分を、SiC粒子とSiO2粒子のモル比が1:0.54から1:1の範囲内になり、且つ、SiO2粒子とカーボン(C)粒子のモル比が1:2から1:3の範囲内になるように供給する請求項1に記載の単結晶SiCの製造方法。 The three raw material components are such that the molar ratio of SiC particles to SiO 2 particles is in the range of 1: 0.54 to 1: 1, and the molar ratio of SiO 2 particles to carbon (C) particles is from 1: 2 to 1. The method for producing single crystal SiC according to claim 1, wherein the single crystal SiC is supplied so as to fall within a range of 3: 前記不活性ガスがArガスである請求項1から3いずれか1つに記載の単結晶SiCの製造方法。   The method for producing single crystal SiC according to any one of claims 1 to 3, wherein the inert gas is Ar gas. 請求項1から4いずれか1つに記載の製造方法により製造された単結晶SiC。   Single crystal SiC manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4.
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