JP2020508277A - シリコン系溶融組成物及びこれを用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法 - Google Patents

シリコン系溶融組成物及びこれを用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、シリコンカーバイド単結晶を形成するための溶液成長法に用いられ、シリコン、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含む下記式1で表されるシリコン系溶融組成物に関する。SiaM1bSccAld(式1)前記式1において、前記aは0.4超0.8未満であり、前記bは0.2超0.6未満であり、前記cは0.01超0.1未満であり、前記dは0.01超0.1未満である。

Description

関連出願との相互引用
本出願は、2017年6月29日付韓国特許出願第10−2017−0082781号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、シリコン系溶融組成物及びこれを用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法に関する。
電力半導体素子は、電気自動車、電力システム、高周波移動通信など電気エネルギを用いる次世代システムにおいて核心素子である。このためには高電圧、大電流、高周波数などに適した素材の選定が必要である。シリコン単結晶が電力半導体物質として使用されてきたが、物性的な限界によってエネルギ損失が少なく、より極限の環境で駆動できるシリコンカーバイド単結晶が注目されている。
シリコンカーバイド単結晶の成長のために、一例にシリコンカーバイドを原料として2000度(℃)以上の高温で昇華させて単結晶を成長させる昇華法、結晶引き上げ法を応用した溶液成長法、及び気体ソースを使用する化学的気相蒸着法などが用いられている。
化学的気相蒸着法を用いる場合、厚さが制限された薄膜水準に成長させ得、昇華法を用いる場合、マイクロパイプ及び積層欠陥のような欠陥が発生する可能性が多いため、生産単価的側面から限界がある。結晶成長温度が昇華法に比べて低く、大口径化及び高品質化に有利であると知らされている溶液成長法に対する研究が進められている。
本発明は、速い結晶成長速度の提供により工程時間及びコストを節減させるシリコン系溶融組成物を提供する。また、優れた品質のシリコンカーバイド単結晶を提供できるシリコン系溶融組成物を提供する。また、前述したシリコン系溶融組成物を用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法を提供する。
また、本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は、下記の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解され得る。
前述した課題を達成するためのシリコン系溶融組成物は、シリコンカーバイド単結晶を形成するための溶液成長法に用いられ、シリコン、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含む下記式1で表される。
SiM1ScAl (式1)
前記式1において、前記aは0.4超0.8未満であり、前記bは0.2超0.6未満であり、前記cは0.01超0.1未満であり、前記dは0.01超0.1未満である。
前記第1金属(M1)は、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ホウ素(B)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、及びプラセオジム(Pr)からなる群より選ばれた少なくとも一つを含み得る。
式1において、前記aは0.5超0.7未満であり、前記bは0.2超0.4未満であり、前記dは0.01超0.05未満であり得る。
前記シリコン系溶融組成物の炭素溶解度は、5%以上であり得る。
前記スカンジウムは、シリコン系溶融液に対する炭素の溶解度を増加させ得る。
一実施例によるシリコンカーバイド単結晶の製造方法は、シリコンカーバイド種結晶を準備する段階と、シリコン(Si)、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含み、下記式1で表されるシリコン系溶融組成物を準備する段階と、前記シリコン系溶融組成物に炭素(C)を追加して溶融液を形成する段階と、前記溶融液を過冷却させて前記種結晶上にシリコンカーバイド単結晶を成長させる段階とを含む。
SiM1ScAl (式1)
前記式1において、前記aは0.4超0.8未満であり、前記bは0.2超0.6未満であり、前記cは0.01超0.1未満であり、前記dは0.01超0.1未満である。
前記シリコンカーバイドの成長速度は、80μm/h以上であり得る。
一実施例によるシリコン系溶融組成物は、速い結晶成長速度の提供により工程時間及びコストを節減させることができる。また、優れた品質のシリコンカーバイド単結晶を提供することができる。
一実施例によるシリコンカーバイド単結晶の製造装置の概略的な断面図である。 比較例1により析出された凝固物の断面イメージである。 比較例2により析出された凝固物の断面イメージである。 実施例1により析出された凝固物の断面イメージである。 実施例2により析出された凝固物の断面イメージである。 実施例3により析出された凝固物の断面イメージである。 (a)、(b)及び(c)は、それぞれ比較例1、比較例2及び実施例1の炭素溶解度を調べるためのAIMDシミュレーションイメージである。 図3中の(a)、(b)、(c)の比較例1、比較例2及び実施例1に対する炭素原子の平均二乗変位(MSD)を分析したグラフである。 比較例によるシリコンカーバイド単結晶の成長イメージである。 実施例によるシリコンカーバイド単結晶の成長イメージである。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。ただし、本記載を説明することにおいて、すでに公知された機能あるいは構成に対する説明は、本記載の要旨を明瞭にするために省略する。
本記載を明確に説明するために説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては、同じ参照符号を付する。また、図面に示す各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜上任意に示したので、本記載は必ず示されたところに限定されない。
以下、一実施例によるシリコン系溶融組成物について説明する。
一実施例によるシリコン系溶融組成物は、シリコン(Si)、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含み得る。シリコン系溶融組成物は、下記式1で表される。第1金属(M1)は、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ホウ素(B)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、及びプラセオジム(Pr)からなる群より選ばれた少なくとも一つを含み得る。
SiM1ScAl (式1)
式1において、前記aは0.4超0.8未満であり得、前記bは0.2超0.6未満であり得、前記cは0.01超0.1未満であり得、前記dは0.01超0.1未満であり得る。
言い換えると、シリコン系溶融組成物でシリコンの含有量は、40at%超80at%未満であり得、第1金属(M1)の含有量の和は、20at%超60at%未満であり得る。第1金属(M1)の含有量が20at%以下である場合、シリコン系溶融組成物に対する炭素の溶解度が低くなるので、シリコンカーバイド単結晶の成長速度が顕著に減少する。第1金属(M1)の含有量が80at%以上の場合、金属とシリコンの化合物が生成されたりシリコン系溶融液内の炭素がシリコンカーバイドでない黒鉛形態で析出され得、過度に高い炭素溶解度によってシリコンカーバイドの多結晶化が起きてシリコンカーバイド結晶の品質が低下し得る。
スカンジウム(Sc)は、前記式1で表されるシリコン系溶融組成物で1at%超10at%未満で含まれ得る。スカンジウム(Sc)は、シリコン系溶融液の炭素溶解度を向上させてシリコンカーバイド単結晶の成長速度を向上させ得る。スカンジウム(Sc)が1at%以下で含まれればシリコン系溶融液に対する炭素溶解度を向上させる効果が微々たり得、10at%以上で含まれればシリコン系溶融液の不安定を招いて溶融液がルツボの外部に溶出するなど工程の信頼性が低くなる。
アルミニウム(Al)は、前記式1で表されるシリコン系溶融組成物で1at%超10at%未満の含有量で含まれ得る。アルミニウム(Al)は、シリコンカーバイド単結晶の成長工程で多結晶の生成を抑制させて取得されるシリコンカーバイド単結晶の結晶性を向上させ得る。アルミニウム(Al)は、シリコンカーバイド単結晶の成長表面全体にかけて均一な結晶核を提供する。これにより平坦な形状を有するシリコンカーバイド単結晶が取得され得る。成長表面が不均一な結晶核を含む場合、シリコンカーバイド多結晶が成長する。
一実施例によるシリコン系溶融組成物は、シリコン(Si)、溶融液に対する炭素溶解度を増加させる第1金属(M1)、溶融液に対する炭素の溶解度を増加させるスカンジウム(Sc)及びシリコンカーバイド単結晶の結晶性を向上させるアルミニウム(Al)を所定の含有量で含むことによって、より優れた品質のシリコンカーバイド単結晶を取得し得る。また、一実施例によるシリコン系溶融組成物は速い単結晶成長速度を提供できるので、取得のための所要時間及びコストを減少させることができる。
以下、前述したシリコン系溶融組成物を用いてシリコンカーバイド単結晶を取得する方法について、図1の製造装置を参照して説明する。図1はシリコンカーバイド単結晶を成長させる時使用される製造装置の概略的な断面図である。
図1を参照すれば、一実施例によるシリコンカーバイド単結晶製造装置は、反応チャンバー100、反応チャンバー100の内部に位置するルツボ300、ルツボ300の内部に延びる種結晶210、種結晶210と連結される種結晶支持部230、移動部材250及びルツボ300を加熱する加熱部材400を含み得る。
反応チャンバー100は、空の内部空間を含む密閉された形態であり、その内部が一定の圧力などの雰囲気で維持され得る。図面に示していないが、反応チャンバー100に真空ポンプ及び雰囲気制御用ガスタンクが連結され得る。真空ポンプ及び雰囲気制御用ガスタンクを用いて反応チャンバー100の内部を真空状態にした後、アルゴン気体のような非活性気体を充電し得る。
シリコンカーバイド種結晶210は、種結晶支持部230及び移動部材250に連結されてルツボ300の内側に位置し得、特にルツボ300の内部に提供される溶融液と接触するように配置され得る。このような溶融液は、前述したシリコン系溶融組成物を含み得る。
一実施例によれば、シリコンカーバイド種結晶210の表面と溶融液との間にメニスカスが形成され得る。メニスカスとは、シリコンカーバイド種結晶210の下部面が溶融液と接触した以後、少し持ち上げられて発生する表面張力によって溶融液上に形成される曲面をいう。メニスカスを形成してシリコンカーバイド単結晶を成長させる場合、多結晶の発生を抑制してより高品質の単結晶を取得し得る。
シリコンカーバイド種結晶210は、シリコンカーバイド単結晶からなる。シリコンカーバイド種結晶210の結晶構造は、製造しようとするシリコンカーバイド単結晶の結晶構造と同一である。例えば、4H多型のシリコンカーバイド単結晶を製造する場合、4H多型のシリコンカーバイド種結晶210を用いることができる。4H多型のシリコンカーバイド種結晶210を用いる場合、結晶成長面は(0001)面または(000−1)面であるか、(0001)面または(000−1)面から8度以下の角度で傾いた面であり得る。
種結晶支持部230は、シリコンカーバイド種結晶210と移動部材250を連結する。種結晶支持部230の一端は移動部材250に連結され、他端は種結晶210に連結され得る。
種結晶支持部230は、移動部材250に連結されてルツボ300の高さ方向に沿って上下方向に移動し得る。具体的に種結晶支持部230は、シリコンカーバイド単結晶の成長工程のためにルツボ300の内側に移動したりシリコンカーバイド単結晶の成長工程が終了した後ルツボ300の外側に移動し得る。また、本明細書は、種結晶支持部230が上下方向に移動する実施例を説明したが、これに制限されず、いかなる方向にも移動したり回転し得、そのための公知の手段を含み得る。
種結晶支持部230は、移動部材250に脱着され得る。シリコンカーバイド単結晶を取得するために移動部材250に結合されてルツボ300の内側に提供され得、単結晶の成長工程が終了した以降には移動部材250から分離され得る。
移動部材250は、駆動部(図示せず)に連結されてチャンバー100の内部を移動するか回転し得る。移動部材250は上下移動するか回転するための公知の手段を含み得る。
ルツボ300は、反応チャンバー100の内部に備えられ、上側が開放された容器形態であり得、上部面を除いた外周面300a及び下部面300bを含み得る。ルツボ300は、前述した形態に制限なしにシリコンカーバイド単結晶を形成するためのいかなる形態も可能であることは勿論である。ルツボ300は、シリコンまたはシリコンカーバイド粉末のような溶融原料が装入されて収容され得る。
ルツボ300は、グラファイト、シリコンカーバイドのように炭素を含有する材質であり得、このような材質のルツボ300自体は炭素原料の供給源として活用され得る。またはこれに制限されず、セラミック材質のルツボを用いることができ、この時、炭素を提供する物質または供給源を別途提供できる。
加熱部材400は、ルツボ300を加熱してルツボ300に収容された物質を溶融させるか加熱し得る。加熱部材400は、抵抗式発熱手段または誘導加熱式発熱手段を用い得る。具体的に、加熱部材400自体が発熱する抵抗式で形成されるか、加熱部材400がインダクションコイルで形成され、インダクションコイルに高周波電流を流れるようにすることによって、ルツボ300を加熱する誘導加熱方式で形成されることもできる。しかし、前述した方法に制限されず、いかなる加熱部材も用い得ることは勿論である。
一実施例によるシリコンカーバイド製造装置は、回転部材500をさらに含み得る。回転部材500は、ルツボ300の下側面に結合されてルツボ300を回転させ得る。ルツボ300の回転により均一な組成の溶融液の提供が可能であるため、シリコンカーバイド種結晶210で高品質のシリコンカーバイド単結晶が成長できる。
以下、前述したシリコン系溶融組成物及びシリコンカーバイド単結晶の製造装置を用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法について説明する。
まず、前述したシリコン系溶融組成物を含む初期溶融原料をルツボ300内に投入する。初期溶融原料は、粉末形態であり得るが、これに制限されない。ルツボ300が炭素材質を含む場合、初期溶融原料は、炭素を別途に含まなくてもよいが、これに制限されず、初期溶融原料は炭素を含んでもよい。
初期溶融原料を実装しているルツボ300をアルゴン気体のような不活性雰囲気で加熱部材400を用いて加熱する。加熱によりルツボ300内の初期溶融原料は、炭素(C)、シリコン(Si)及び金属(第1金属、スカンジウム、アルミニウム)を含む溶融液に変わる。
ルツボ300が所定の温度に到達した後、ルツボ300内の溶融液の温度は徐々に低下し、溶融液内の炭素の溶解度が小さくなる。そのため、種結晶210付近でシリコンカーバイド過飽和状態になると、この過飽和度を駆動力にして種結晶210上にシリコンカーバイド単結晶が成長する。
シリコンカーバイド単結晶が成長することによって、溶融液からシリコンカーバイドを析出する条件が変わり得る。この時、時間の経過に応じて溶融液の組成に合うようにシリコン及び炭素を添加して溶融液を一定範囲内の組成に維持し得る。添加されるシリコン及び炭素は、連続的にまたは非連続的に投入され得る。
本発明の一実施例によるシリコン系溶融組成物を用いる場合、取得される単結晶の成長速度が速い場合もあるので、工程に所要される時間及びコストを節減できる。
以下、図2a〜図5bを参照して本発明の実施例及び比較例について説明する。
図2a、図2b、図2c、図2d及び図2eそれぞれは、比較例1、比較例2、実施例1、実施例2及び実施例3により徐冷法で析出された凝固物の表面及び断面イメージである。具体的に図2aは、Si0.56Cr0.4Al0.04を含む比較例1に対するイメージであり、図2bはSi0.56Cr0.2Sc0.2Al0.04を含む比較例2に対するイメージである。図2cはSi0.56Cr0.38Sc0.02Al0.04を含む実施例1に対するイメージであり、図2dはSi0.56Cr0.36Sc0.04Al0.04を含む実施例2に対するイメージであり、図2eはSi0.56Cr0.32Sc0.08Al0.04を含む実施例3に対するイメージである。
黒鉛材質のルツボの内部に前述した比較例1、比較例2、実施例1、実施例2及び実施例3の化学組成による初期原料を約30%体積で装入する。その後、1900度(℃)で2時間溶融させた後、分当り1度(℃)の速度で1600度(℃)まで冷却させた後、急冷して凝固物が形成されたルツボを得た。その後、ルツボを切開して各比較例及び実施例による炭素溶解度特性とシリコンカーバイド結晶化特性を観察した。凝固物の炭素溶解度は、C−S analyzerを用いた。
まず、図2aを参照して比較例1(Si0.56Cr0.4Al0.04)を調べると、安定した形態の凝固物を得ることができるが、凝固物の表面に六角形状を有するシリコンカーバイド析出物が発見されず、ルツボの浸食程度が小さいことを確認した。ルツボの浸食程度は、溶融液に対する炭素溶解度が低いことを示し、具体的に比較例1の炭素溶解度は約4.3%で測定された。
次に、図2bに示す比較例2(Si0.56Cr0.2Sc0.2Al0.04)の場合、黒鉛ルツボが相当部分侵食されているが、溶融液がルツボ壁を伝って溢れ、凝固物がほとんど残存していないことを確認した。つまり、当該組成の工程による安定した工程を行うことは困難であることを確認した。
図2cに示す実施例1(Si0.56Cr0.38Sc0.02Al0.04)は、比較例1に対してルツボの浸食程度が大きくないが、凝固物の表面にシリコンカーバイド結晶が析出されることを肉眼で観察することができた。また、凝固物の炭素溶解度分析結果、約5.7%の炭素溶解度を示し、比較例1に対して高い炭素溶解度を示すことを確認した。
図2dに示す実施例2(Si0.56Cr0.36Sc0.04Al0.04)の場合、ルツボの角部が侵食されたことを確認でき、凝固物の表面に約8mmほどの非常に大きい大きさのシリコンカーバイド単結晶が析出されることを確認した。実施例2に対する凝固物の炭素溶解度は約7.9%で測定された。
図2eに示す実施例3(Si0.56Cr0.32Sc0.08Al0.04))の場合、実施例1、実施例2に対してルツボの内壁の浸食がかなりの程度であり、炭素溶解度が優れることを確認できた。実施例3に対する凝固物の炭素溶解度は、約10.6%で測定され、凝固物の表面に多量の六角形シリコンカーバイド単結晶が析出されることを確認した。
以下、図3及び図4を調べる。図3中の(a)、(b)及び(c)それぞれは、比較例1(Si0.56Cr0.42Al0.04)、比較例2(Si0.56Sc0.32Al0.04)及び実施例1(Si0.46Cr0.43Sc0.08Al0.04)の炭素溶解度を調べるためのAIMDシミュレーションイメージであり、図4は図3中の(a)、(b)、(c)の比較例1、比較例2及び実施例1に対する炭素原子の平均二乗変位(MSD)を分析したグラフである。
比較例1、比較例2及び実施例1の炭素溶解度特性のためにDFT(密度汎関数理論)でそれぞれSi96Cr72Al144、Si96Sc48Al144及びSi96Cr90Sc16Al144インターフェースモデルを最適化した後AIMD(第1原理分子動力学)を用いた炭素のMSD(平均二乗変位)シミュレーションを実施した。短時間で炭素原子の移動及び変化を観察するために4000Kで5ps間のAIMD計算を行った。
比較例1、比較例2及び実施例1の組成に対するシミュレーションの結果、いずれも5psが経過した後下部黒鉛の炭素原子がシリコン系溶融液の内部に拡散することを確認できた。特に、炭素原子が拡散する程度は、実施例1が最も著しく現れ、比較例2及び比較例1順に低くなることを確認した。
また、図4に示すように比較例1及び比較例2に対して実施例1の場合、炭素原子の平均二乗変位値が高いことを確認した。これは、クロム−スカンジウム(Cr 43at%−Sc 8at%)を用いた溶融組成物がクロム(Cr 42at%)またはスカンジウム(32at%)を単独で用いた化学組成より高い炭素溶解度を有して結晶成長速度を向上させる可能性があることを意味する。
以下、図5a及び図5bを参照して比較例及び実施例について説明する。図5aは比較例(Si0.56Cr0.4Al0.04)によるシリコンカーバイド単結晶の成長イメージであり、図5bは実施例(Si0.56Cr0.36Sc0.04Al0.04)によるシリコンカーバイド単結晶の成長イメージである。
2インチSiC種結晶を用いてTSSG法で1900°Cで6時間シリコンカーバイド単結晶を成長させた結果である。具体的に高純度黒鉛ルツボに比較例及び実施例による初期原料を装入し、誘導加熱によって溶融させる。溶融液の上部温度が下部より低温になるようにルツボに垂直方向に10°C/minの温度勾配を発生させて結晶成長を行った。その結果、比較例の場合、分当り60μm/h、実施例の場合、150μm/hの成長速度を得ることができた。
前述した内容によれば、本発明の一実施例によるシリコン系溶融組成物の場合、高い品質のシリコンカーバイド単結晶を提供することは勿論、速い成長速度により工程に所要される時間及びコストを節減できることを確認した。
以上、本発明の特定の実施例を説明し、図示したが、本発明は、記載された実施例に限定されるものでなく、本発明の思想及び範囲を外れない範囲で、多様に修正及び変形できることは、この技術分野における通常の知識を有する者に自明である。したがって、かかる修正例または変形例は、本発明の技術的な思想や観点から個別的に理解されてはならず、変形された実施例は本発明の特許請求の範囲に属するものとしなければならない。
100:反応チャンバー
210:種結晶
300:ルツボ
400:加熱部材
500:回転部材

Claims (11)

  1. シリコンカーバイド単結晶を形成するための溶液成長法に用いられ、
    シリコン、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含む下記式1で表されるシリコン系溶融組成物:
    SiM1ScAl (式1)
    前記式1において、前記aは0.4超0.8未満であり、前記bは0.2超0.6未満であり、前記cは0.01超0.1未満であり、前記dは0.01超0.1未満である。
  2. 前記第1金属(M1)は、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ホウ素(B)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、及びプラセオジム(Pr)からなる群より選ばれた少なくとも一つを含む、請求項1に記載のシリコン系溶融組成物。
  3. 前記式1において、前記aは0.5超0.7未満であり、前記bは0.2超0.4未満であり、前記dは0.01超0.05未満である、請求項1または2に記載のシリコン系溶融組成物。
  4. 前記シリコン系溶融組成物の炭素溶解度は、5%以上である、請求項1から3のいずれか一項に記載のシリコン系溶融組成物。
  5. 前記スカンジウムは、シリコン系溶融液に対する炭素の溶解度を高める、請求項1から4のいずれか一項に記載のシリコン系溶融組成物。
  6. シリコンカーバイド種結晶を準備する段階と、
    シリコン(Si)、第1金属(M1)、スカンジウム(Sc)及びアルミニウム(Al)を含み、下記式1で表されるシリコン系溶融組成物を準備する段階と、
    前記シリコン系溶融組成物に炭素(C)を追加して溶融液を形成する段階と、
    前記溶融液を過冷却させて前記シリコンカーバイド種結晶上にシリコンカーバイド単結晶を成長させる段階とを含むシリコンカーバイド単結晶の製造方法:
    SiM1ScAl (式1)
    前記式1において、前記aは0.4超0.8未満であり、前記bは0.2超0.6未満であり、前記cは0.01超0.1未満であり、前記dは0.01超0.1未満である。
  7. 前記第1金属(M1)は、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ホウ素(B)、セリウム(Ce)、ランタン(La)、及びプラセオジム(Pr)からなる群より選ばれた少なくとも一つを含む、請求項6に記載のシリコンカーバイド単結晶の製造方法。
  8. 前記式1において、前記aは0.5超0.7未満であり、前記bは0.2超0.4未満であり、前記dは0.01超0.05未満である、請求項6または7に記載のシリコンカーバイド単結晶の製造方法。
  9. 前記シリコン系溶融組成物の炭素溶解度は、5%以上である、請求項6から8のいずれか一項に記載のシリコンカーバイド単結晶の製造方法。
  10. 前記スカンジウムは、シリコン系溶融液に対する炭素の溶解度を高める、請求項6から9のいずれか一項に記載のシリコンカーバイド単結晶の製造方法。
  11. 前記シリコンカーバイド単結晶の成長速度は、80μm/h以上である、請求項6から10のいずれか一項に記載のシリコンカーバイド単結晶の製造方法。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115478324A (zh) * 2022-08-31 2022-12-16 昆明理工大学 一种助溶剂法生长单晶或多晶SiC晶体的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007277049A (ja) * 2006-04-07 2007-10-25 Toyota Motor Corp SiC単結晶の製造方法
JP2009184879A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Toyota Motor Corp p型SiC半導体単結晶の製造方法
WO2014189008A1 (ja) * 2013-05-20 2014-11-27 日立化成株式会社 炭化珪素単結晶及びその製造方法
JP2016169126A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 京セラ株式会社 結晶の製造方法
WO2017073984A1 (ko) * 2015-10-26 2017-05-04 주식회사 엘지화학 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용한 sic 단결정의 제조 방법

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3876628B2 (ja) 2001-02-07 2007-02-07 株式会社デンソー 炭化珪素単結晶の製造方法および炭化珪素単結晶
JP4453348B2 (ja) * 2003-11-25 2010-04-21 トヨタ自動車株式会社 炭化珪素単結晶の製造方法
JP4419937B2 (ja) 2005-09-16 2010-02-24 住友金属工業株式会社 炭化珪素単結晶の製造方法
JP5244007B2 (ja) * 2009-03-26 2013-07-24 国立大学法人名古屋大学 3C−SiC単結晶の製造方法
JP5218348B2 (ja) 2009-09-03 2013-06-26 新日鐵住金株式会社 炭化珪素単結晶の製造方法
EP2484815B1 (en) * 2009-09-29 2014-12-24 Fuji Electric Co., Ltd. METHOD FOR PRODUCING SiC SINGLE CRYSTAL
JP5273130B2 (ja) * 2010-11-26 2013-08-28 信越化学工業株式会社 SiC単結晶の製造方法
JP5273131B2 (ja) 2010-11-26 2013-08-28 信越化学工業株式会社 SiC単結晶の製造方法
JP6128588B2 (ja) 2013-02-28 2017-05-17 国立研究開発法人産業技術総合研究所 SiC単結晶、その製造方法およびその表面清浄化方法
US9896778B2 (en) * 2013-05-31 2018-02-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Apparatus for producing SiC single crystals and method of producing SiC single crystals using said production apparatus
JPWO2015072136A1 (ja) 2013-11-12 2017-03-16 新日鐵住金株式会社 SiC単結晶の製造方法
WO2016121577A1 (ja) * 2015-01-29 2016-08-04 京セラ株式会社 結晶の製造方法
JP2016185884A (ja) 2015-03-27 2016-10-27 京セラ株式会社 結晶の製造方法
WO2018062689A1 (ko) 2016-09-29 2018-04-05 주식회사 엘지화학 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007277049A (ja) * 2006-04-07 2007-10-25 Toyota Motor Corp SiC単結晶の製造方法
JP2009184879A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Toyota Motor Corp p型SiC半導体単結晶の製造方法
WO2014189008A1 (ja) * 2013-05-20 2014-11-27 日立化成株式会社 炭化珪素単結晶及びその製造方法
JP2016169126A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 京セラ株式会社 結晶の製造方法
WO2017073984A1 (ko) * 2015-10-26 2017-05-04 주식회사 엘지화학 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용한 sic 단결정의 제조 방법

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