JP2010280546A

JP2010280546A - 炭化珪素単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2010280546A
Application number: JP2009136425A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Motoyama; 剛元山
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】高温の焼鈍処理を施しても炭化に伴う欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛製坩堝１内に収容された炭素と炭化珪素との混合粉体５中に炭化珪素単結晶７を埋設した状態で、前記黒鉛製坩堝１を加熱して炭化珪素単結晶に焼鈍処理を施す炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記混合粉体５中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定している。
【選択図】図３

Description

本発明は、昇華再結晶法を利用して炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

炭化珪素単結晶は、一般的に使われている珪素単結晶と比較して物性面で優れており、ＬＥＤや半導体デバイス等において大幅な高性能化を実現できるため、次世代材料として大いに期待されている。そして、炭化珪素を含む種結晶および昇華用原料を用いて炭化珪素単結晶（以下、単結晶と適宜省略する）を製造する炭化珪素単結晶の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された方法は、炭化珪素からなる成長後の炭化珪素単結晶に、炭素及び水素を含む非腐食性雰囲気ガス中において、２０００℃〜２８００℃の温度で焼鈍処理を施すことによって、炭化珪素単結晶における残留応力の除去や半絶縁化を図ることを目的とするものである。

特開２００６−２９０７０５号公報

しかしながら、前述した従来技術では、成長後の炭化珪素単結晶に高温の焼鈍処理を施すことによって炭化に伴う欠陥が発生しやすく、良質な単結晶を得ることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、成長後の炭化珪素単結晶に高温の焼鈍処理を施しても炭化に伴う欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。

まず、本発明の第１の特徴は、坩堝（黒鉛製坩堝１）内に収容された炭素と炭化珪素との混合粉体（混合粉体５）中に炭化珪素単結晶（炭化珪素単結晶７）を埋設した状態で、前記坩堝を加熱して炭化珪素単結晶に焼鈍処理を施す炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記混合粉体中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定したことを要旨とする。

本発明の第１の特徴によれば、前記混合粉体中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定するため、成長後の炭化珪素単結晶に高温の焼鈍処理を施しても炭化に伴う欠陥の発生が生じることが少なくなる。

本発明の他の特徴は、前記混合粉体中の炭素の混合比率を３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を７０ｗｔ％〜４０ｗｔ％に設定したことを要旨とする。

本発明によれば、成長後の炭化珪素単結晶に高温の焼鈍処理を施しても炭化に伴う欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る黒鉛製坩堝の収納容器本体中に、炭素と炭化珪素との混合粉体を収納した状態を示す断面図である。図１の収納容器本体の混合粉体中に炭化珪素単結晶を埋設した状態を示す断面図である。黒鉛製坩堝の周囲を加熱している状態を示す断面図である。本発明の実施形態の変形例による収容容器を示す断面図である。

次に、本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施形態において、炭化珪素単結晶の製造方法を簡単に説明する。

まず、図１に示すように、黒鉛製坩堝１の収納容器本体３中に、炭素と炭化珪素との混合粉体５を収納し、図２に示すように、該混合粉体５中に成長した炭化珪素単結晶７のインゴットを埋設する。次いで、図３に示すように、前記黒鉛製坩堝の収納容器本体に蓋９をして、黒鉛製坩堝を外周側から加熱（図３の矢印参照）して炭化珪素単結晶に焼鈍処理（アニール処理）を施す。

前記混合粉体中における炭素（Ｃ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の粉末の混合比率は、重量比で、１０：９０〜８０：２０の範囲に設定する。即ち、炭素粉末の混合比率が１０ｗｔ％のときは炭化珪素粉末の混合比率は９０ｗｔ％であり、炭素粉末の混合比率が８０ｗｔ％のときは炭化珪素粉末の混合比率は２０ｗｔ％である。炭素が１０ｗｔ％未満の場合は、炭化珪素粉末との融着が激しくなり、炭素が８０ｗｔ％を超える場合は、炭化防止効果が低下する。なお、炭素（Ｃ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の粉末の混合比率は、３０：６０〜７０：４０○○の範囲が更に好ましい。２６００℃以上の高温で焼鈍する場合は炭素の比率が高いこと（例えば、５０ｗｔ％以上）が望ましく、炭化珪素粉末の粒径も大きい方が良く、例えば１００μｍ以上が好ましい。

また、炭素粉末は、粒径が３〜５００ｎｍ程度のカーボンブラックから粒径が数十μｍのカーボン粉が好ましい。一方、炭化珪素粉末の粒径は数μｍ〜数ｍｍが好ましい。炭化珪素はα型とβ型の双方とも採用可能であるが、α型の方が熱的に安定で好ましい。さらに、炭素粉末と炭化珪素粉末の純度は、特に限定されないが、不要なドーパントの汚染を避けるために窒素を除きドーパントをなりうる元素は１０ｐｐｍ以下が好ましい。

そして、焼鈍処理の温度は、高温の方が好ましく、具体的には２４００℃〜３１００℃が好ましい。圧力は、大気圧下が好ましく、雰囲気はアルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素等の不活性ガスが好ましい。なお、これらの不活性ガス同士を混合させて使用しても良い。

焼鈍処理の処理時間は、温度がより高温になればより短時間で良く、２４００℃で５時間以上、２６００℃で２時間、２８００℃では３０分以上が好ましい。冷却速度は、焼鈍処理の対象である炭化珪素単結晶中に大きな温度分布が発生しなければ速くても良いが、一般に５００℃／時以下の冷却速度が好ましい。

なお、前記実施形態では、収容容器を一重にした場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、収容容器を二重または三重にしても良い。例えば、図４に示すように、第１の収納容器１１中に炭素と炭化珪素との混合粉体５を収納し、該混合粉体５中に成長した炭化珪素単結晶７のインゴットを埋設する。そして、第１の収納容器１１の外周側に、第１の収納容器１１よりも大きい第２の収容容器１３を配置し、これらの第１の収納容器１１と第２の収容容器１３との間に混合粉体５を収容するようにしても良い。この場合は、外側に向かうにつれて混合粉体中における炭化珪素粉末の混合比率を低く設定し、最も外側の粉末は、炭素粉末のみにしても良い。

本発明の実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態における炭化珪素単結晶の製造方法は、黒鉛製坩堝１内に収容された炭素と炭化珪素との混合粉体５中に炭化珪素単結晶７を埋設した状態で、前記黒鉛製坩堝１を加熱して炭化珪素単結晶に焼鈍処理を施す炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記混合粉体５中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定している。

このように、前記混合粉体５中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定したため、成長後の炭化珪素単結晶に高温の焼鈍処理を施しても炭化に伴う欠陥の発生を抑制できる。

（２）前記混合粉体５中の炭素の混合比率を３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％とし、前記炭化珪素の混合比率を７０ｗｔ％〜４０ｗｔ％に設定すれば、前述した炭化に伴う炭化珪素単結晶の欠陥の発生が更に抑制される。

次いで、本発明を実施例を通して具体的に説明する。

[実施例１]
平均粒径が４０ｎｍで、灰分が１０ｐｐｍｗｔ％未満の市販のカーボンブラックと、平均粒径が１０μｍで純度が９９．９９９％以上のβ型炭化珪素粉末とを、重量比で１０：９０（カーボンブラックが１０ｗｔ％で、β型炭化珪素粉末が９０ｗｔ％）の割合で混合し、黒鉛製坩堝の収納容器に収納した。この混合粉末の中央部に、外径が約１００ｍｍの炭化珪素単結晶のインゴットを埋設した。収納容器本体にカーボンからなる蓋を載置し、２４００℃で大気圧のアルゴン雰囲気中で１０時間加熱を施した。加熱した後、１００℃／ｈの冷却速度で１０００℃まで冷却したのち、ヒータを切って室温まで冷却した。坩堝からインゴットを取り出してマルチワイヤーソーで切断した。

[実施例２]
平均粒径が４０ｎｍで、灰分が１０ｐｐｍｗｔ％未満の市販のカーボンブラックと、平均粒径が５０μｍで純度が９９．９９９％以上のα型炭化珪素粉末とを、重量比で５０：５０（カーボンブラックが５０ｗｔ％で、α型炭化珪素粉末が５０ｗｔ％）の割合で混合し、黒鉛製坩堝の収納容器に収納した。この混合粉末の中央部に、外径が約１００ｍｍの炭化珪素単結晶のインゴットを埋設した。収納容器本体にカーボンからなる蓋を載置し、２６００℃で大気圧のアルゴン雰囲気中で２時間加熱を施した。加熱した後、３００℃／ｈの冷却速度で１０００℃まで冷却したのち、ヒータを切って室温まで冷却した。坩堝からインゴットを取り出してマルチワイヤーソーで切断した。

[実施例３]
平均粒径が４０ｎｍで、灰分が１０ｐｐｍｗｔ％未満の市販のカーボンブラックと、平均粒径が３００μｍで純度が９９．９９９％以上のα型炭化珪素粉末とを、重量比で８０：２０（カーボンブラックが８０ｗｔ％で、α型炭化珪素粉末が２０ｗｔ％）の割合で混合し、黒鉛製坩堝の収納容器に収納した。この混合粉末の中央部に、外径が約７６ｍｍの炭化珪素単結晶のインゴットを埋設した。収納容器本体にカーボンからなる蓋を載置し、２８００℃で大気圧のアルゴン雰囲気中で２時間加熱を施した。加熱した後、３００℃／ｈの冷却速度で１０００℃まで冷却したのち、ヒータを切って室温まで冷却した。坩堝からインゴットを取り出してマルチワイヤーソーで切断した。

[比較例１]
外径が約１００ｍｍに形成された成長後の炭化珪素単結晶のインゴットを、焼鈍処理を施すことなくマルチワイヤーソーで切断した。

[比較例２]
黒鉛製坩堝の収納容器に外径が約１００ｍｍの炭化珪素単結晶のインゴットを収容し、収納容器本体にカーボンからなる蓋を載置し、２４００℃で大気圧のアルゴン雰囲気中で１０時間加熱を施した。加熱した後、１００℃／ｈの冷却速度で１０００℃まで冷却したのち、ヒータを切って室温まで冷却した。坩堝からインゴットを取り出してマルチワイヤーソーで切断した。

[比較例３]
平均粒径が４０ｎｍで、灰分が１０ｐｐｍｗｔ％未満の市販のカーボンブラック粉末のみを、黒鉛製坩堝の収納容器に収納した。このカーボンブラック粉末の中央部に、外径が約７６ｍｍの炭化珪素単結晶のインゴットを埋設した。収納容器本体にカーボンからなる蓋を載置し、２６００℃で大気圧のアルゴン雰囲気中で２時間加熱を施した。加熱した後、３００℃／ｈの冷却速度で１０００℃まで冷却したのち、ヒータを切って室温まで冷却した。坩堝からインゴットを取り出してマルチワイヤーソーで切断した。

これらの実験で得られた炭化珪素単結晶のインゴットにおける表面の炭化状態、マルチワイヤーソーでの割れの発生状態、およびウエハ形状での焼鈍処理による欠陥の有無を調べて、下記表１にまとめた。

表１から明らかなように、実施例１〜３については、インゴットにおける表面の炭化状態、マルチワイヤーソーでの割れの発生状態、およびウエハ形状での焼鈍処理による欠陥の有無の全てについて、比較例１〜３よりも良好な結果が得られた。

１…黒鉛製坩堝（坩堝）
３…収容容器
５…混合粉体
７…炭化珪素単結晶
９…蓋

Claims

坩堝内に収容された炭素と炭化珪素との混合粉体中に炭化珪素単結晶を埋設した状態で、前記坩堝を加熱して炭化珪素単結晶に焼鈍処理を施す炭化珪素単結晶の製造方法であって、
前記混合粉体中の炭素の混合比率を１０ｗｔ％〜８０ｗｔ％とし、
前記炭化珪素の混合比率を９０ｗｔ％〜２０ｗｔ％に設定したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
前記混合粉体中の炭素の混合比率を３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％とし、
前記炭化珪素の混合比率を７０ｗｔ％〜４０ｗｔ％に設定したことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。