JP2013032254A - Method for manufacturing single-crystal silicon carbide substrate - Google Patents

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佳孝 瀬戸口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for forming a high-quality, uniform epitaxial film of single-crystal silicon carbide by suppressing the generation of sticking, thermal strain, and dislocation.SOLUTION: A method for manufacturing a single-crystal silicon carbide substrate includes: a step of forming a silicon thin film on one side of a carbon material or a single-crystal silicon-carbide substrate; a step of putting a silicon thin film between a carbon material and a single-crystal silicon carbide substrate, and of arranging a silicon substrate, a support, and the single-crystal silicon carbide substrate as laminated in a crucible in this order from its bottom and arranging a carbon material support and the carbon material, which are bonded, in the crucible in this order from the side of its lid so that the arrangement satisfies a predetermined formula; a step of melting the silicon substrate and the silicon thin film by heating the crucible that is lidded with its lid at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon, and further lowering the crucible lid to the height of the inner wall of the crucible; and a step of forming an epitaxial film of single-crystal silicon carbide on the single-crystal silicon carbide substrate that is suspendedly held by the surface tension of the molten silicon, by heating the crucible at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the epitaxial film of the single-crystal silicon carbide.

Description

本発明は、準安定溶媒エピタクシー法(Metastable Solvent Epitaxy法:MSE法)を用いた単結晶炭化珪素基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a single crystal silicon carbide substrate using a metastable solvent epitaxy method (Metastable Solvent Epitaxy method: MSE method).

近年の電気機器の高効率化に対する厳しいユーザの要求の下、半導体デバイスにおいても一層の耐圧特性を有する半導体材料の開発が進められている。特に、単結晶炭化珪素を用いた半導体は、その物性値からシリコンと比較して低損失で高温動作可能なデバイスへの応用が期待されている。   In recent years, development of a semiconductor material having higher withstand voltage characteristics has been promoted under the severe user demand for higher efficiency of electrical equipment. In particular, a semiconductor using single crystal silicon carbide is expected to be applied to a device capable of operating at a high temperature with low loss as compared with silicon because of its physical properties.

単結晶炭化珪素デバイスは、昇華法等を用いて作製されたバルク結晶から加工した単結晶炭化珪素基板を用い、この上に半導体デバイスの活性領域となる単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することにより作製され、従来より、気相から原料を供給して所望のエピタキシャル膜を形成する気相成長法が主流であった。   A single crystal silicon carbide device uses a single crystal silicon carbide substrate processed from a bulk crystal manufactured using a sublimation method or the like, and a single crystal silicon carbide epitaxial film serving as an active region of a semiconductor device is formed thereon. Conventionally, a vapor phase growth method in which a desired epitaxial film is formed by supplying a raw material from a vapor phase has been mainly used.

このような気相成長法に対して、原料を液相から供給してエピタキシャル成長を行う液相成長法があり、GaAs等の化合物半導体には採用されていたが、炭化珪素は温度に対して非常に安定であり、安定した液相状態を形成することが困難なために、液相成長法を用いて高品質な単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することは困難であった。   In contrast to such a vapor phase growth method, there is a liquid phase growth method in which raw materials are supplied from a liquid phase and epitaxial growth is performed, which has been adopted for compound semiconductors such as GaAs. Therefore, it is difficult to form a high quality single crystal silicon carbide epitaxial film by using the liquid phase growth method.

そこで、本出願人は、先に、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成方法として、単結晶炭化珪素基板と炭素供給原料との間にシリコン原料を挟み、坩堝内で高温加熱することによりシリコンを融解させて、単結晶炭化珪素基板上に高速で良質な単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成させる準安定溶媒エピタクシー法(MSE法)を提案した(特許文献1)。   Therefore, the present applicant firstly melted silicon by sandwiching a silicon raw material between a single crystal silicon carbide substrate and a carbon supply raw material and heating the crucible at a high temperature as a method for forming a single crystal silicon carbide epitaxial film. Thus, a metastable solvent epitaxy method (MSE method) for forming a high-quality single-crystal silicon carbide epitaxial film on a single-crystal silicon carbide substrate at high speed has been proposed (Patent Document 1).

従来のMSE法による単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成につき、図2を用いて具体的に説明する。図2に示すように、坩堝14内に、支持台16、カーボン原料12、スペーサ20、単結晶炭化珪素基板11、シリコン基板18が順に積層されており、その上に重石19が配置されている。   The formation of a single crystal silicon carbide epitaxial film by the conventional MSE method will be specifically described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, a support base 16, a carbon raw material 12, a spacer 20, a single crystal silicon carbide substrate 11, and a silicon substrate 18 are sequentially laminated in a crucible 14, and a weight stone 19 is disposed thereon. .

ここで、スペーサ20は、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の厚みをコントロールするために設けられている。   Here, the spacer 20 is provided to control the thickness of the single crystal silicon carbide epitaxial film.

そして、坩堝蓋15をかぶせた後、加熱することにより、シリコン基板18が融解してスペーサ20により形成された単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12との間の空間に流れ込み、シリコン融液層を形成する。そして、シリコン融液層中において、カーボン原料12から溶け出した炭素と反応することにより、単結晶炭化珪素基板11上に単結晶炭化珪素エピタキシャル膜が形成される。   Then, after covering the crucible lid 15, the silicon substrate 18 is melted by heating and flows into the space between the single crystal silicon carbide substrate 11 formed by the spacer 20 and the carbon raw material 12, and the silicon melt layer Form. Then, a single crystal silicon carbide epitaxial film is formed on single crystal silicon carbide substrate 11 by reacting with carbon dissolved from carbon raw material 12 in the silicon melt layer.

なお、上記においては、シリコン基板18の融解によりシリコン融液層を形成させているが、予め、スペーサ20により形成される単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12との間の空間にシリコン原料を配置しておいて、シリコン融液層を形成させてもよい。   In the above, the silicon melt layer is formed by melting the silicon substrate 18, but the silicon raw material is previously formed in the space between the single crystal silicon carbide substrate 11 formed by the spacer 20 and the carbon raw material 12. The silicon melt layer may be formed by being disposed.

特開2005−126249号公報JP 2005-126249 A

しかし、上記した従来のMSE法を用いて単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成した場合、スペーサ20が多結晶炭化珪素やカーボンにより形成されていることにより、単結晶炭化珪素基板11とスペーサ20、あるいはカーボン原料12とスペーサ20とが固着するため、この固着部分を切断等により除去しなければならないという問題があった。   However, when the single crystal silicon carbide epitaxial film is formed using the above-described conventional MSE method, the single crystal silicon carbide substrate 11 and the spacer 20 or the spacer 20 is formed because the spacer 20 is formed of polycrystalline silicon carbide or carbon. Since the carbon raw material 12 and the spacer 20 are fixed, there is a problem that the fixed part must be removed by cutting or the like.

また、単結晶炭化珪素基板11には重石19により荷重がかけられているため、加熱時、熱歪が発生して単結晶炭化珪素基板11に反りを生じさせ、前記固着部分付近に大きな応力が発生することにより、形成される単結晶炭化珪素エピタキシャル膜に新たな転位が生じて、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の特性に悪影響を及ぼすという問題があった。   In addition, since the single crystal silicon carbide substrate 11 is loaded with the weight 19, thermal strain is generated during heating, causing the single crystal silicon carbide substrate 11 to warp, and a large stress is generated in the vicinity of the fixed portion. As a result, new dislocations are generated in the formed single crystal silicon carbide epitaxial film, which adversely affects the characteristics of the single crystal silicon carbide epitaxial film.

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成におけるスペーサによる固着の発生を防止すると共に、熱歪や新たな転位の発生を充分に抑制して、高品質で均一な単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することができる単結晶炭化珪素基板の製造方法を提供することを課題とする。   Accordingly, in view of the above problems, the present invention prevents the occurrence of sticking by spacers in the formation of a single crystal silicon carbide epitaxial film, and sufficiently suppresses the occurrence of thermal strain and new dislocations, thereby achieving high quality. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a single crystal silicon carbide substrate capable of forming a uniform single crystal silicon carbide epitaxial film.

本発明者は、上記課題の解決につき鋭意検討する中で、シリコン融液の表面張力に着目し、以下に示す方法により上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems, paying attention to the surface tension of the silicon melt, has found that the above problems can be solved by the following method, and has completed the present invention.

即ち、請求項1に記載の発明は、
予め、カーボン原料または単結晶炭化珪素基板の片面に、所定の厚みのシリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、
前記カーボン原料と前記単結晶炭化珪素基板との間に前記シリコン薄膜が配置されて下記式を満足するように、坩堝内に、下から順に、シリコン基板、支持台、単結晶炭化珪素基板を積層して配置すると共に、坩堝蓋の内側に、坩堝蓋側から順に、カーボン原料支持台、カーボン原料を接合して配置する材料配置工程と、
前記坩堝蓋をかぶせた前記坩堝をシリコンの融点温度以上に加熱して、前記シリコン基板および前記シリコン薄膜を融解させると共に、前記坩堝蓋を前記坩堝の内壁高さまで下降させるシリコン融解工程と、
前記坩堝をさらに単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の成長温度以上に加熱して、前記シリコン薄膜の融解により形成されたシリコン融液の表面張力により前記カーボン原料に懸垂、保持された前記単結晶炭化珪素基板上に、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成させる単結晶炭化珪素エピタキシャル膜形成工程と
を備えていることを特徴とする単結晶炭化珪素基板の製造方法である。
That is, the invention described in claim 1
A silicon thin film forming step for forming a silicon thin film having a predetermined thickness on one surface of a carbon raw material or a single crystal silicon carbide substrate in advance,
A silicon substrate, a support base, and a single crystal silicon carbide substrate are stacked in order from the bottom in the crucible so that the silicon thin film is disposed between the carbon raw material and the single crystal silicon carbide substrate and satisfies the following formula. And arranging the carbon raw material support base and the carbon raw material in order from the crucible lid side, inside the crucible lid,
A silicon melting step of heating the crucible covered with the crucible lid to a temperature equal to or higher than a melting point temperature of silicon to melt the silicon substrate and the silicon thin film, and lowering the crucible lid to the height of the inner wall of the crucible;
The single-crystal silicon carbide substrate is further suspended and held on the carbon raw material by the surface tension of a silicon melt formed by melting the silicon thin film by further heating the crucible above the growth temperature of the single-crystal silicon carbide epitaxial film. A method for producing a single crystal silicon carbide substrate, further comprising a single crystal silicon carbide epitaxial film forming step for forming a single crystal silicon carbide epitaxial film.

Figure 2013032254
Figure 2013032254

本発明によれば、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成における固着の発生を防止すると共に、熱歪や新たな転位の発生を充分に抑制して、高品質で均一な単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent the occurrence of sticking in the formation of a single crystal silicon carbide epitaxial film, and to sufficiently suppress the occurrence of thermal strain and new dislocations, thereby producing a high quality and uniform single crystal silicon carbide epitaxial film. Can be formed.

本発明による単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining formation of the single crystal silicon carbide epitaxial film by this invention. 従来の単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成を説明する図である。It is a figure explaining formation of the conventional single crystal silicon carbide epitaxial film.

以下、実施の形態に基づき、図面を用いて本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, based on an embodiment, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

本発明者は、従来のMSE法における固着や熱歪の発生が、スペーサの使用や重石の荷重の影響によるものであることに鑑み、スペーサを用いず、重石の荷重が影響しない単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成方法として、単結晶炭化珪素基板をシリコン融液の表面張力により保持した状態で単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成を行うことを考えた。以下、具体的に説明する。   In view of the fact that the occurrence of sticking and thermal strain in the conventional MSE method is due to the use of spacers and the influence of the weight of the heavy stone, the present inventor does not use the spacer and does not affect the weight of the heavy stone. As a method for forming the epitaxial film, it was considered that the single crystal silicon carbide epitaxial film was formed while the single crystal silicon carbide substrate was held by the surface tension of the silicon melt. This will be specifically described below.

1.シリコン薄膜形成工程
最初に、シリコン薄膜形成工程について説明する。
1. Silicon Thin Film Forming Process First, the silicon thin film forming process will be described.

本工程は、単結晶炭化珪素基板またはカーボン原料の片面に、シリコン薄膜を予め、形成する工程であり、具体的には、真空中でシリコンを蒸着する方法や、シリコンターゲット上でプラズマを発生させて、ターゲット原料であるシリコンを対面の基板に付着させるスパッタ蒸着法などを用いて形成することができる。形成されたシリコン薄膜は、後述するように、加熱により溶融してシリコン融液を形成する。   This step is a step of forming a silicon thin film in advance on one surface of a single crystal silicon carbide substrate or a carbon raw material. Specifically, a silicon deposition method in a vacuum or a plasma is generated on a silicon target. Then, it can be formed using a sputtering deposition method in which silicon as a target material is attached to a facing substrate. As will be described later, the formed silicon thin film is melted by heating to form a silicon melt.

2.材料配置工程
次に、材料配置工程について説明する。
2. Material Arrangement Step Next, the material arrangement step will be described.

図1は、本発明による単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成を説明する模式図であって、シリコンを融解させる前の状態を模式的に示している。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the formation of a single crystal silicon carbide epitaxial film according to the present invention, and schematically shows a state before silicon is melted.

図1において、14は坩堝、15は坩堝蓋であり、内部で温度差がほとんど発生しないように、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成ができる範囲で小さな容積に作製されている。坩堝14(内壁高さ:l)には、下から順に、シリコン基板18(厚み:t18)、カーボン製の支持台16(高さ:l)、および単結晶炭化珪素基板11(厚み:t11)が積層されている。一方、坩堝蓋15には、坩堝蓋15側から順に、カーボン原料支持台17(高さ:l)およびカーボン原料12(厚み:t12)が接合されている。そして、上記シリコン薄膜形成工程において形成されたシリコン薄膜13(厚み:t13)は、単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12との間に位置するように配置される。 In FIG. 1, reference numeral 14 denotes a crucible, and reference numeral 15 denotes a crucible lid. The crucible lid and the crucible lid 15 are produced in a small volume within a range where a single crystal silicon carbide epitaxial film can be formed so that a temperature difference hardly occurs inside. In the crucible 14 (inner wall height: l 1 ), in order from the bottom, a silicon substrate 18 (thickness: t 18 ), a carbon support 16 (height: l 3 ), and a single crystal silicon carbide substrate 11 (thickness). : T 11 ) are laminated. On the other hand, a carbon raw material support 17 (height: l 2 ) and a carbon raw material 12 (thickness: t 12 ) are joined to the crucible lid 15 in this order from the crucible lid 15 side. The silicon thin film 13 (thickness: t 13 ) formed in the silicon thin film forming step is arranged so as to be positioned between the single crystal silicon carbide substrate 11 and the carbon raw material 12.

このとき、各材料の厚みや高さと、坩堝内壁の高さとの間には、下式に示す関係を満足している。   At this time, the relationship shown by the following formula is satisfied between the thickness and height of each material and the height of the inner wall of the crucible.

Figure 2013032254
Figure 2013032254

即ち、坩堝内壁の高さ(l)は、支持台16の高さ(l)、シリコン薄膜13の厚み(t13)、単結晶炭化珪素基板11の厚み(t11)、カーボン原料支持台17の高さ(l)、およびカーボン原料12の厚み(t12)のトータル厚み(l+l+t11+t12+t13)より大きな値に、また、前記合計厚みにシリコン基板18の厚み(t18)を加えた厚み(l+l+t11+t12+t13+t18)より小さな値になるように設定されている。 That is, the height (l 1 ) of the inner wall of the crucible is the height of the support 16 (l 3 ), the thickness of the silicon thin film 13 (t 13 ), the thickness of the single crystal silicon carbide substrate 11 (t 11 ), and the carbon raw material support. The height (l 2 ) of the base 17 and the total thickness (l 2 + l 3 + t 11 + t 12 + t 13 ) of the thickness (t 12 ) of the carbon raw material 12 are larger than the total thickness of the silicon substrate 18. It is set to be smaller than the thickness plus the thickness (t 18) (l 2 + l 3 + t 11 + t 12 + t 13 + t 18).

3.シリコン融解工程
次に、シリコン融解工程について説明する。
3. Silicon melting step Next, the silicon melting step will be described.

まず、坩堝蓋15を坩堝14にかぶせる。このとき、前記したように、坩堝14の内壁の高さ(l)は、支持台16、シリコン基板18、シリコン薄膜13、単結晶炭化珪素基板11、カーボン原料支持台17、およびカーボン原料12のトータル厚み(l+l+t11+t12+t13+t18)より小さな値に設定されているため、坩堝蓋15は坩堝14の内壁の上端から離れた状態となり、各部材は密着された状態になっている。 First, the crucible lid 15 is put on the crucible 14. At this time, as described above, the height (l 1 ) of the inner wall of the crucible 14 is such that the support base 16, the silicon substrate 18, the silicon thin film 13, the single crystal silicon carbide substrate 11, the carbon raw material support base 17, and the carbon raw material 12. Is set to a value smaller than the total thickness (l 2 + l 3 + t 11 + t 12 + t 13 + t 18 ), so that the crucible lid 15 is separated from the upper end of the inner wall of the crucible 14 and the respective members are in close contact with each other. It has become.

このため、坩堝蓋15をかぶせた状態では、坩堝蓋15および坩堝蓋15に接合されたカーボン原料支持台17、カーボン原料12が、従来のMSE法における重石と同様に機能して、搬送時や坩堝の設置時の傾きなどにより発生する各部材の配置のズレを充分に抑制することができる。   For this reason, in the state where the crucible lid 15 is covered, the carbon raw material support base 17 and the carbon raw material 12 joined to the crucible lid 15 and the carbon raw material 12 function in the same manner as the weight stone in the conventional MSE method, It is possible to sufficiently suppress the displacement of the arrangement of each member that occurs due to the inclination during the crucible installation.

ここで、従来のMSE法の材料の配置において、単結晶炭化珪素基板上にシリコン原料を配置する替わりに、所定の厚み、例えば、100μmの蒸着シリコン膜を利用する方法も考えられるが、この方法の場合、搬送時や坩堝の設置時の傾きなどにより配置にズレが生じることがある。しかし、本実施の形態によれば、上記のように、坩堝蓋を含めて狭い容積にも拘わらず、比較的重い重石として働くため、これらのズレの発生を抑制することができる。   Here, in the arrangement of the material of the conventional MSE method, a method of using a deposited silicon film having a predetermined thickness, for example, 100 μm, instead of arranging the silicon raw material on the single crystal silicon carbide substrate is also conceivable. In this case, the arrangement may be shifted due to an inclination during conveyance or crucible installation. However, according to the present embodiment, as described above, since it functions as a relatively heavy weight in spite of a small volume including the crucible lid, the occurrence of these deviations can be suppressed.

次に、この坩堝蓋15をかぶせた状態のまま、坩堝全体をMSE装置内に入れて加熱する。坩堝内の温度がシリコンの融点(約1410℃)を越えると、シリコン薄膜13及びシリコン基板18が融解する。このとき、前記したように、坩堝の容積は単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成ができる範囲で小さく作製されているため、製作坩堝内部で温度差がほとんど発生せず、シリコン薄膜13とシリコン基板18の双方がほぼ同時に融解する。   Next, with the crucible lid 15 covered, the entire crucible is placed in the MSE apparatus and heated. When the temperature in the crucible exceeds the melting point of silicon (about 1410 ° C.), the silicon thin film 13 and the silicon substrate 18 are melted. At this time, as described above, the volume of the crucible is made small as long as the single crystal silicon carbide epitaxial film can be formed. Therefore, there is almost no temperature difference inside the production crucible, and the silicon thin film 13 and the silicon substrate 18 are not generated. Both melt at about the same time.

融解したシリコン薄膜13は、単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12との間に、シリコン融液層を形成する。   The melted silicon thin film 13 forms a silicon melt layer between the single crystal silicon carbide substrate 11 and the carbon raw material 12.

一方、シリコン基板18が融解すると、支持台16が自重で下降していき、それに併せて坩堝蓋15が下降する。しかし、前記したように、坩堝14の内壁の高さ(l)は、支持台16、シリコン薄膜13、単結晶炭化珪素基板11、カーボン原料支持台17およびカーボン原料12のトータル厚み(l+l+t11+t12+t13)より大きい値に設定されて、坩堝蓋15が坩堝14の内壁高さ以上には下降しないようにされているため、坩堝14の内壁高さまで下降した坩堝蓋15と坩堝14により、坩堝内部が密閉状態とされる。 On the other hand, when the silicon substrate 18 is melted, the support 16 is lowered by its own weight, and the crucible lid 15 is lowered accordingly. However, as described above, the height (l 1 ) of the inner wall of the crucible 14 is the total thickness (l 2 ) of the support base 16, the silicon thin film 13, the single crystal silicon carbide substrate 11, the carbon raw material support base 17, and the carbon raw material 12. + L 3 + t 11 + t 12 + t 13 ), and the crucible lid 15 is prevented from descending beyond the inner wall height of the crucible 14, so that the crucible lid 15 lowered to the inner wall height of the crucible 14. And the crucible 14 seals the inside of the crucible.

さらに、そのまま加熱を続けると、シリコン基板18がさらに融解していき、支持台16が下降する。しかし、坩堝蓋15は坩堝14の内壁によって保持されてもはや下降しないため、坩堝14に積層された支持台16と坩堝蓋15にカーボン原料支持台17を介して接合されたカーボン原料12との間に隙間が生じ、この隙間が徐々に広がっていく。   Furthermore, when heating is continued as it is, the silicon substrate 18 is further melted and the support base 16 is lowered. However, since the crucible lid 15 is held by the inner wall of the crucible 14 and no longer descends, the gap between the support base 16 stacked on the crucible 14 and the carbon raw material 12 joined to the crucible lid 15 via the carbon raw material support base 17 is provided. A gap is formed in this, and this gap gradually widens.

このとき、単結晶炭化珪素基板11は、支持台16と共には下降せず、単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12との間形成されたシリコン融液層の表面張力により、カーボン原料12に懸垂された状態で保持される。   At this time, the single crystal silicon carbide substrate 11 does not descend together with the support 16 and is suspended from the carbon raw material 12 by the surface tension of the silicon melt layer formed between the single crystal silicon carbide substrate 11 and the carbon raw material 12. It is held in the state.

これは、シリコン融液層の表面張力が大きく、単結晶炭化珪素基板11に掛かる重力に比べて遙かに大きな力で単結晶炭化珪素基板11を保持する(持ち上げる)ことができるからである。   This is because the surface tension of the silicon melt layer is large, and the single crystal silicon carbide substrate 11 can be held (lifted) with a force much larger than the gravity applied to the single crystal silicon carbide substrate 11.

具体的には、シリコン融液の表面張力は約760mN/mであり、例えば、厚み350μm、直径3インチの単結晶炭化珪素基板11をシリコン融液の表面張力が保持する(持ち上げる)力fは、f=4πrγ(γ:シリコン融液の表面張力、r:単結晶炭化珪素基板の半径)から約0.36Nと計算される。一方、この単結晶炭化珪素基板11に掛かる重力は、単結晶炭化珪素基板11の密度を3.22g/cmと見込めば、約0.05Nと計算される。この結果より、単結晶炭化珪素基板11を保持する(持ち上げる)力fは、単結晶炭化珪素基板11に掛かる重力の7倍以上であり、単結晶炭化珪素基板11がシリコン融液層によりカーボン原料12に懸垂された状態で充分に保持されることが分かる。 Specifically, the surface tension of the silicon melt is about 760 mN / m. For example, the force f that the surface tension of the silicon melt holds (lifts) the single crystal silicon carbide substrate 11 having a thickness of 350 μm and a diameter of 3 inches is F = 4πrγ (γ: surface tension of the silicon melt, r: radius of the single crystal silicon carbide substrate), and is calculated to be about 0.36N. On the other hand, the gravity applied to single crystal silicon carbide substrate 11 is calculated to be about 0.05 N if the density of single crystal silicon carbide substrate 11 is expected to be 3.22 g / cm 3 . From this result, the force f for holding (lifting) the single crystal silicon carbide substrate 11 is 7 times or more the gravity applied to the single crystal silicon carbide substrate 11, and the single crystal silicon carbide substrate 11 is made of carbon raw material by the silicon melt layer. As can be seen from FIG.

また、シリコン融液の表面張力により、単結晶炭化珪素基板11とカーボン原料12とは正対した位置に配置されるため、搬送時や坩堝の設置時の傾きなどにより単結晶炭化珪素基板とカーボン原料との間に若干のズレが生じていても、自動的に正対した位置に補正される。   In addition, since the single crystal silicon carbide substrate 11 and the carbon raw material 12 are arranged in a position facing each other due to the surface tension of the silicon melt, the single crystal silicon carbide substrate and the carbon are arranged depending on the inclination at the time of transportation or crucible installation. Even if there is a slight deviation from the raw material, it is automatically corrected to the directly facing position.

4.単結晶炭化珪素エピタキシャル膜形成工程
次に、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜形成工程について説明する。
4). Single Crystal Silicon Carbide Epitaxial Film Formation Step Next, the single crystal silicon carbide epitaxial film formation step will be described.

上記したシリコン融解工程に引き続いて、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の成長温度である1600℃から2000℃まで昇温して、所定時間この温度に保持することにより、カーボン原料12に懸垂、保持された単結晶炭化珪素基板11上に単結晶炭化珪素エピタキシャル膜が形成され、成長する。温度保持時間を適宜調整することにより、所望する厚みの単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することができる。   Subsequent to the silicon melting step described above, the temperature was raised from 1600 ° C., which is the growth temperature of the single crystal silicon carbide epitaxial film, to 2000 ° C., and held at this temperature for a predetermined time. A single crystal silicon carbide epitaxial film is formed and grown on single crystal silicon carbide substrate 11. A single crystal silicon carbide epitaxial film having a desired thickness can be formed by appropriately adjusting the temperature holding time.

このように、本実施の形態によれば、スペーサを用いることなく単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することができるため、従来のMSE法と異なり、固着が発生することがない。   Thus, according to the present embodiment, since a single crystal silicon carbide epitaxial film can be formed without using a spacer, sticking does not occur unlike the conventional MSE method.

また、このとき、カーボン原料12は単結晶炭化珪素基板11を懸垂、保持しているが、下降することができない坩堝蓋15に接合されているため、カーボン原料12には荷重がかからず、上記したスペーサを用いないことと相俟って、熱歪による反りの発生が抑制される。このため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の形成に際して、大きな応力が発生することがなく、形成される単結晶炭化珪素エピタキシャル膜に新たな転位が生じることが充分に抑制される。   At this time, the carbon raw material 12 suspends and holds the single crystal silicon carbide substrate 11 but is bonded to the crucible lid 15 that cannot be lowered, so that no load is applied to the carbon raw material 12. In combination with the absence of the spacer, the occurrence of warpage due to thermal strain is suppressed. For this reason, when a single crystal silicon carbide epitaxial film is formed, a large stress is not generated, and generation of new dislocations in the formed single crystal silicon carbide epitaxial film is sufficiently suppressed.

この結果、単結晶炭化珪素基板11上に、高品質で均一な単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成することができる。   As a result, a high quality and uniform single crystal silicon carbide epitaxial film can be formed on single crystal silicon carbide substrate 11.

なお、形成される単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の厚みに影響するシリコン薄膜13の厚みは、前記した真空蒸着法などを用いることにより、従来のMSE法におけるスペーサの間隔、即ち、10〜100μm程度の厚みに、容易に制御することができる。   Note that the thickness of the silicon thin film 13 that affects the thickness of the single crystal silicon carbide epitaxial film to be formed is about 10 to 100 μm between the spacers in the conventional MSE method by using the above-described vacuum deposition method or the like. The thickness can be easily controlled.

5.各材料について
最後に本発明において使用される各材料について説明するが、これらの材料は、従来のMSE法において使用されている材料と同様の材料であり、コストの上昇を抑制することができる。
5). Each material Finally, each material used in the present invention will be described. However, these materials are the same materials as those used in the conventional MSE method, and an increase in cost can be suppressed.

即ち、単結晶炭化珪素基板11としては、例えば、従来から公知の方法により作製された単結晶炭化珪素インゴットから切断した後の基板などを用いることができる。また、市販の単結晶炭化珪素基板を用いてもよい。   That is, as the single crystal silicon carbide substrate 11, for example, a substrate after being cut from a single crystal silicon carbide ingot produced by a conventionally known method can be used. A commercially available single crystal silicon carbide substrate may also be used.

そして、カーボン原料12としては、シリコン融液中にカーボンを供給できるものであれば特に限定されず、例えば、単結晶炭化珪素基板、多結晶炭化珪素基板、炭素基板、ポーラス炭化珪素基板、焼結炭化珪素基板、非晶質炭化珪素基板等を用いることができる。   The carbon raw material 12 is not particularly limited as long as carbon can be supplied into the silicon melt. For example, a single crystal silicon carbide substrate, a polycrystalline silicon carbide substrate, a carbon substrate, a porous silicon carbide substrate, a sintered material is used. A silicon carbide substrate, an amorphous silicon carbide substrate, or the like can be used.

また、坩堝14および坩堝蓋15としては、カーボン等の高温耐性のある材料を用いて作製されたものが用いられる。   In addition, as the crucible 14 and the crucible lid 15, those manufactured using a material having a high temperature resistance such as carbon is used.

以上、実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。   While the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made to the above-described embodiment within the same and equivalent scope as the present invention.

11 単結晶炭化珪素基板
12 カーボン原料
13 シリコン薄膜
14 坩堝
15 坩堝蓋
16 支持台
17 カーボン原料支持台
18 シリコン基板
19 重石
20 スペーサ
11 Monocrystalline silicon carbide substrate 12 Carbon raw material 13 Silicon thin film 14 Crucible 15 Crucible lid 16 Support base 17 Carbon raw material support base 18 Silicon substrate 19 Weight 20 Spacer

Claims (1)

予め、カーボン原料または単結晶炭化珪素基板の片面に、所定の厚みのシリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、
前記カーボン原料と前記単結晶炭化珪素基板との間に前記シリコン薄膜が配置されて下記式を満足するように、坩堝内に、下から順に、シリコン基板、支持台、単結晶炭化珪素基板を積層して配置すると共に、坩堝蓋の内側に、坩堝蓋側から順に、カーボン原料支持台、カーボン原料を接合して配置する材料配置工程と、
前記坩堝蓋をかぶせた前記坩堝をシリコンの融点温度以上に加熱して、前記シリコン基板および前記シリコン薄膜を融解させると共に、前記坩堝蓋を前記坩堝の内壁高さまで下降させるシリコン融解工程と、
前記坩堝をさらに単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の成長温度以上に加熱して、前記シリコン薄膜の融解により形成されたシリコン融液の表面張力により前記カーボン原料に懸垂、保持された前記単結晶炭化珪素基板上に、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を形成させる単結晶炭化珪素エピタキシャル膜形成工程と
を備えていることを特徴とする単結晶炭化珪素基板の製造方法。
Figure 2013032254
A silicon thin film forming step for forming a silicon thin film having a predetermined thickness on one surface of a carbon raw material or a single crystal silicon carbide substrate in advance,
A silicon substrate, a support base, and a single crystal silicon carbide substrate are stacked in order from the bottom in the crucible so that the silicon thin film is disposed between the carbon raw material and the single crystal silicon carbide substrate and satisfies the following formula. And arranging the carbon raw material support base and the carbon raw material in order from the crucible lid side, inside the crucible lid,
A silicon melting step of heating the crucible covered with the crucible lid to a temperature equal to or higher than a melting point temperature of silicon to melt the silicon substrate and the silicon thin film, and lowering the crucible lid to the height of the inner wall of the crucible;
The single-crystal silicon carbide substrate is further suspended and held on the carbon raw material by the surface tension of a silicon melt formed by melting the silicon thin film by further heating the crucible above the growth temperature of the single-crystal silicon carbide epitaxial film. A method for producing a single crystal silicon carbide substrate, comprising: a single crystal silicon carbide epitaxial film forming step for forming a single crystal silicon carbide epitaxial film.
Figure 2013032254
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