JP2021187728A - 炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素インゴット製造用システム - Google Patents

Abstract

【課題】インゴット中心と縁の高さの偏差を最小化し、結晶品質を向上させる炭化珪素インゴット製造方法、及び炭化珪素インゴット製造用システムの提供。【解決手段】インゴットを成長させるステップにおいて、加熱手段６００を所定の速度で移動させることで、反応容器の内部の温度分布をインゴットの成長に応じて変化させる製造方法。さらに、該製造方法に関する製造システムおよび得られる炭化珪素を提供する。【選択図】図１

Description

具現例は、炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素インゴット製造用システムに関する。

炭化珪素は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定しているので、半導体材料として注目を集めている。近年、高電力素子などの基板として炭化珪素単結晶基板の需要が高まっている。

このような炭化珪素単結晶を製造する方法として、液相蒸着法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＬＰＥ）、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）、物理的気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ；ＰＶＴ）などがある。その中で物理的気相輸送法は、坩堝内に炭化珪素原料を装入し、坩堝の上端には炭化珪素単結晶からなる種結晶を配置した後、坩堝を誘導加熱方式で加熱して原料を昇華させることで、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる方法である。

物理的気相輸送法は、高い成長率を有することによってインゴットの形態の炭化珪素を作製することができるので、最も広く用いられている。ただし、坩堝の誘導加熱時に、温度勾配条件、加熱手段の相対位置、坩堝の上下部の温度差などに応じて坩堝内部の温度分布が変化して、製造される炭化珪素インゴットの品質に影響を及ぼし得る。

そこで、炭化珪素インゴットの結晶品質を向上させ、インゴットの製造再現性を確保するために、成長ステップで坩堝内部の温度分布に影響を及ぼし得る因子について十分に考慮する必要がある。

前述した背景技術は、発明者が具現例の導出のために保有していたか、または導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本発明の出願前に一般公衆に公開された公知技術であるとは限らない。

関連先行技術として、韓国公開特許公報第１０−２０１３−０１２４０２３号に開示された"大口径単結晶成長装置及びこれを用いる成長方法"がある。

具現例の目的は、炭化珪素インゴットの製造過程において、本格的にインゴットを成長させるステップにて、加熱手段を所定の速度で移動させることで、反応容器の内部の温度分布をインゴットの成長に応じて変化させる炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素インゴット製造用システムを提供することにある。

具現例の目的は、前記炭化珪素インゴットの製造方法などを通じて、炭化珪素インゴットの中心と縁との高さの偏差を最小化し、結晶品質を向上させる炭化珪素インゴットの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、一具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法は、炭化珪素原料及び種結晶が配置された反応容器の内部空間を高真空雰囲気に調節する準備ステップと；不活性気体を前記内部空間に注入し、前記反応容器を取り囲む加熱手段を介して昇温して前記炭化珪素原料が昇華され、前記種結晶上に炭化珪素インゴットが成長するように誘導する進行ステップと；前記内部空間の温度を常温に冷却する冷却ステップと；を含み、前記進行ステップは、前記加熱手段が移動する過程を含み、前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。

一具現例において、前記進行ステップは、前成長過程及び成長過程を順次含み、前記前成長過程は、前記準備ステップの高真空雰囲気を不活性雰囲気に変更する第１過程と、前記加熱手段を用いて前記内部空間の温度を昇温する第２過程と、前記内部空間の圧力を成長圧力に達するように減圧し、前記内部空間の温度が成長温度になるように昇温する第３過程とを順次含み、前記成長過程は、前記内部空間を前記成長温度及び前記成長圧力に維持し、前記インゴットが成長するように誘導する過程であり、前記加熱手段の移動は前記成長過程で行われてもよい。

一具現例において、最大加熱領域は、加熱手段の中央に対応する位置の前記内部空間の領域であり、前記最大加熱領域の温度は２１００℃〜２５００℃であってもよい。

一具現例において、前記内部空間は副加熱領域を有し、前記副加熱領域の温度は、前記最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度であり、前記加熱手段は、前記副加熱領域の温度を維持するように移動することができる。

一具現例において、温度差は、前記内部空間の上部温度と前記内部空間の下部温度との差であり、前記第１過程において前記温度差は４０℃〜６０℃であってもよい。

一具現例において、前記加熱手段の総移動距離は１０ｍｍ以上であってもよい。

一具現例において、温度差は、前記内部空間の上部温度と前記内部空間の下部温度との差であり、前記成長過程において温度差は、前記第１過程において温度差よりも７０℃〜１２０℃大きくてもよい。

一具現例において、前記炭化珪素インゴットは、後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差が０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であってもよい。

一具現例において、前記炭化珪素インゴットは、マイクロパイプ密度が１／ｃｍ^２以下であってもよく、基底面転位密度が１３００／ｃｍ^２以下であってもよく、エッチピット密度が１２０００／ｃｍ^２以下であってもよい。

上記の目的を達成するために、一具現例に係る炭化珪素インゴットは、後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差が０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であり、マイクロパイプ密度が１／ｃｍ^２以下であり、基底面転位密度が１３００／ｃｍ^２以下であり、エッチピット密度が１２０００／ｃｍ^２以下であってもよい。

上記の目的を達成するために、一具現例に係る炭化珪素インゴット製造用システムは、内部空間を有する反応容器と；前記反応容器の外面に配置されて前記反応容器を取り囲む断熱材と；前記反応容器又は前記内部空間の温度を調節する加熱手段と；を含み、前記内部空間の上部に炭化珪素種結晶が位置し、前記内部空間の下部に原料が位置し、前記加熱手段及び前記反応容器間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を含み、前記種結晶から炭化珪素インゴットを成長させ、前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。

一具現例において、前記加熱手段の移動時の温度は、最大加熱領域を基準として２１００℃〜２５００℃であり、前記最大加熱領域は、前記炭化珪素原料と種結晶とを結ぶ任意の線を基準として、前記加熱手段の中央から両端に向かって所定の長さを有する加熱手段の内部領域であり、前記内部空間の上部に副加熱領域が位置し、前記副加熱領域は、前記炭化珪素原料と種結晶とを結ぶ任意の線を基準として、加熱手段の両端から中央に向かって所定の長さを有する加熱手段の内部領域であり、前記副加熱領域の温度は、前記最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度の領域であってもよい。

一具現例において、前記炭化珪素インゴットは、後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差が０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であってもよい。

一具現例において、前記炭化珪素インゴットは、マイクロパイプ密度が１／ｃｍ^２以下であってもよく、基底面転位密度が１３００／ｃｍ^２以下であってもよく、エッチピット密度が１２０００／ｃｍ^２以下であってもよい。

一実施例に係る炭化珪素インゴットの製造方法、炭化珪素インゴット製造用システムなどは、炭化珪素インゴットの成長ステップで反応容器と加熱手段の相対位置を所定の速度で調節して、製造される炭化珪素インゴットの中心と縁との高さの偏差を最小化し、結晶品質を向上させることができる。

一実施例によって製造された炭化珪素インゴットは、マイクロパイプ、基底面転位、エッチピットなどの欠陥密度の数値が低く、クラックや結晶多形がほとんど発生しないという利点がある。

具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法が適用される製造装置の一例を示す概念図である。 具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法において、時間に対する温度、圧力、アルゴン気体の圧力の推移を示すグラフである。 具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法を通じて製造されたインゴット、及びインゴットの前面の高さの差を示す概念図である。 具現例に係る炭化珪素インゴットの製造装置の一例を示す概念図である。 具現例に係る炭化珪素インゴットの製造装置の一部を示す概念図である。

以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、一つ以上の具現例について添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、具現例は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。明細書全体にわたって類似の部分に対しては同一の図面符号を付した。

本明細書において、ある構成が他の構成を「含む」とするとき、これは、特に反対の記載がない限り、それ以外の他の構成を除くものではなく、他の構成をさらに含むこともできることを意味する。

本明細書において、ある構成が他の構成と「連結」されているとするとき、これは、「直接的に連結」されている場合のみならず、「それらの間に他の構成を介在して連結」されている場合も含む。

本明細書において、Ａ上にＢが位置するという意味は、Ａ上に直接当接してＢが位置するか、またはそれらの間に別の層が位置しながらＡ上にＢが位置することを意味し、Ａの表面に当接してＢが位置することに限定されて解釈されない。

本明細書において、マーカッシュ形式の表現に含まれた「これらの組み合わせ」という用語は、マーカッシュ形式の表現に記載された構成要素からなる群から選択される１つ以上の混合又は組み合わせを意味するものであって、前記構成要素からなる群から選択される１つ以上を含むことを意味する。

本明細書において、「Ａ及び／又はＢ」の記載は、「Ａ、Ｂ、又は、Ａ及びＢ」を意味する。

本明細書において、「第１」、「第２」又は「Ａ」、「Ｂ」のような用語は、特に説明がない限り、同一の用語を互いに区別するために使用される。

本明細書において、単数の表現は、特に説明がなければ、文脈上解釈される単数又は複数を含む意味で解釈される。

発明者らは、炭化珪素インゴットの欠陥、クラックなどの発生を最小化し、結晶品質を向上させることができる方案について考慮する中で、炭化珪素インゴットの成長ステップで反応容器と加熱手段との相対位置を所定の速度で変更させる炭化珪素インゴットの製造方法を発明し、具現例を提示する。

炭化珪素インゴットの製造方法
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法は、炭化珪素原料３００及び種結晶１１０が配置された反応容器２００の内部空間を高真空雰囲気に調節する準備ステップ（Ｓａ）と；不活性気体を前記内部空間に注入し、前記反応容器を取り囲む加熱手段６００を介して昇温して前記炭化珪素原料が昇華され、前記種結晶上に炭化珪素インゴット１００が成長するように誘導する進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）と；前記内部空間の温度を常温に冷却する冷却ステップ（Ｓ２）と；を含み、前記進行ステップは、前記加熱手段が移動する過程を含み、前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。

前記加熱手段６００と前記反応容器２００は、上下方向に相対位置の変化が可能なように設置され得る。前記相対位置は、前記移動手段を介して変化し得、加熱手段及び反応容器のいずれか１つ以上が移動して変化し得る。前記反応容器の位置が移動するものではなく、前記加熱手段が移動することを通じて前記相対位置を変えることが、より安定した炭化珪素インゴットの成長に有利である。

図１、図４及び図５に炭化珪素インゴットの製造装置の一例を示した。これを参照して、具現例に係る炭化珪素インゴットの製造方法を説明する。

前記準備ステップ（Ｓａ）は、内部空間を有する反応容器２００に原料３００と炭化珪素種結晶１１０を互いに対向するように配置し、高真空雰囲気に調節するステップである。

前記準備ステップ（Ｓａ）は、前記内部空間の圧力が５０ｔｏｒｒ以下、１０ｔｏｒｒ以下、または５ｔｏｒｒ以下になるように減圧することができ、１ｔｏｒｒ以上の圧力になるように減圧することができる。このような高真空雰囲気の準備ステップを経る場合、よりディフェクトが減少したインゴットを製造することができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の炭化珪素種結晶１１０は、目的とするインゴットのサイズに応じて適切なサイズのものを適用することができ、例示的に炭化珪素ウエハが適用されてもよい。前記炭化珪素種結晶のＣ面（（０００−１）面）が前記原料３００の方向に向かうようにすることができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の炭化珪素種結晶１１０は、４インチ以上の４Ｈ炭化珪素を含むことができ、または６インチ以上の４Ｈ炭化珪素を含むことができる。

前記炭化珪素種結晶１１０が種結晶ホルダ（図示せず）に付着される形態である場合、前記炭化珪素種結晶は、後面上に配置された接着層をさらに含むことができる。前記炭化珪素種結晶が種結晶ホルダに直接接着されない形態である場合、前記炭化珪素種結晶は、後面上に配置される保護層をさらに含むことができる。このような場合、より欠陥の少ない炭化珪素インゴットの成長を誘導することができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の炭化珪素原料３００は、炭素源と珪素源を有する粉末形態の原料が適用され得、前記原料は炭化珪素粉末を含むことができる。

前記炭化珪素原料３００は、互いにネッキング処理された炭化珪素粉末、または表面を炭化処理した炭化珪素粉末を含むことができる。このような場合、成長過程などにおいてより安定した炭化珪素の昇華を誘導して、より効率的な炭化珪素の成長を助けることができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の反応容器２００は、炭化珪素インゴットの成長反応に適切な容器であれば適用可能であり、具体的に黒鉛坩堝を適用できる。例えば、前記反応容器は、内部空間及び開口部を含む本体２１０と、前記開口部と対応して前記内部空間を密閉する蓋２２０とを含むことができる。前記坩堝蓋は、前記坩堝蓋と一体又は別途に種結晶ホルダをさらに含むことができ、前記種結晶ホルダを通じて、炭化珪素種結晶１１０と炭化珪素原料３００とが対向するように、炭化珪素種結晶を固定することができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の反応容器２００は、外面に配置されて前記反応容器を取り囲む断熱材４００を含むことができ、このとき、前記断熱材は、前記反応容器と接するか、または所定の間隔を有することができる。石英管のような反応チャンバ５００内に前記反応容器を取り囲んだ断熱材が位置するようにすることができ、前記断熱材及び反応チャンバの外部に備えられた加熱手段６００により、前記反応容器２００の内部空間の温度などを制御することができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の断熱材４００は、気孔度が７２％〜９５％であってもよく、７５％〜９３％であってもよく、または８０％〜９１％であってもよい。前記気孔度を満たす断熱材を適用する場合、成長する炭化珪素インゴットのクラックの発生をさらに減少させることができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の断熱材４００は、圧縮強度が０．２ＭＰａ以上であってもよく、０．４８ＭＰａ以上であってもよく、または０．８ＭＰａ以上であってもよい。また、前記断熱材は、圧縮強度が３ＭＰａ以下であってもよく、または２．５ＭＰａ以下であってもよい。前記断熱材がこのような圧縮強度を有する場合、熱的／機械的安定性に優れ、アッシュ（ａｓｈ）が発生する確率が低下するので、より優れた品質の炭化珪素インゴットを製造することができる。

前記準備ステップ（Ｓａ）の断熱材４００は、炭素系フェルトを含むことができ、具体的に黒鉛フェルトを含むことができ、レーヨン系黒鉛フェルトまたはピッチ系黒鉛フェルトを含むことができる。

前記反応チャンバ５００は、反応チャンバの内部と連結され、反応チャンバの内部の真空度を調節する真空排気装置７００と、反応チャンバの内部と連結され、反応チャンバの内部に気体を流入させる配管８１０と、気体の流入を制御するマスフローコントローラ８００とを含むことができる。これらを通じて、後続の成長ステップ及び冷却ステップにおいて不活性気体の流量を調節できるようにする。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、不活性気体を前記内部空間に注入し、前記内部空間の温度、圧力及び雰囲気を調節して前記原料を昇華させ、これによって、前記炭化珪素種結晶１１０から炭化珪素インゴット１００の成長を誘導する。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、前記内部空間を実質的に不活性気体雰囲気に変更することができる。前記不活性気体雰囲気は、炭化珪素原料３００と種結晶１１０の配置などの過程後、大気雰囲気である反応容器の内部空間を減圧して実質的に真空雰囲気に誘導した後、不活性気体を注入する方式で形成されてもよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）において不活性気体雰囲気ということは、成長ステップで内部空間の雰囲気が大気雰囲気ではないことを意味し、不活性気体雰囲気を基本とするが、炭化珪素インゴットのドーピングなどを目的として微量の気体を注入することも含む。前記不活性気体雰囲気は、不活性気体を適用し、例示的にアルゴン、ヘリウム、またはこれらの混合気体であってもよい。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、前記加熱手段６００によって前記反応容器２００又は反応容器の内部空間を加熱して進行することができ、前記加熱と同時又は別途に内部空間を減圧して真空度を調節し、不活性気体を注入しながら進行することができる。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、前記炭化珪素原料３００の昇華、及び前記炭化珪素種結晶１１０の一面上で炭化珪素インゴット１００が成長するように誘導する。

前記加熱手段６００は、前記反応容器２００の周囲に配置され、炭化珪素種結晶１１０から原料３００に向かう任意の線と実質的に平行に上下方向に移動可能に設置され得、前記加熱手段及び前記反応容器間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を含むことができる。これによって、反応容器と加熱手段との相対的な位置が変わり得、内部空間の温度勾配を誘導することができる。特に、前記加熱手段は、内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０に温度差を加えることができる。

前記加熱手段６００は、前記反応容器２００又は反応容器を取り囲んだ断熱材４００の外周面に沿って螺旋状のコイルで形成した誘導加熱手段が適用されてもよいが、これに限定されるものではない。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、前成長過程（Ｓｂ）及び成長過程（Ｓ１）を順次含むことができ、前記前成長過程は、前記準備ステップの高真空雰囲気を不活性雰囲気に変更する第１過程（Ｓｂ１）と、前記加熱手段６００を用いて前記内部空間の温度を昇温する第２過程（Ｓｂ２）と、前記内部空間の圧力を成長圧力に達するように減圧し、前記内部空間の温度が成長温度になるように昇温する第３過程（Ｓｂ３）とを順次含むことができる。

前記成長過程（Ｓ１）は、前記内部空間を前記成長温度及び前記成長圧力に維持し、前記炭化珪素インゴットが成長するように誘導する過程である。

前記第１過程（Ｓｂ１）は、アルゴンなどの不活性気体を注入して進行することができる。このとき、前記内部空間の圧力は５００ｔｏｒｒ〜８００ｔｏｒｒであってもよい。

前記第２過程（Ｓｂ２）は、前記内部空間の下部２４０が事前成長開始温度である１５００℃〜１７００℃の温度になるように昇温される過程である。前記第２過程（Ｓｂ２）の昇温は、１℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの速度で進行することができる。

前記第３過程（Ｓｂ３）は、前記内部空間の下部２４０が成長温度である２１００℃〜２５００℃の温度になるように昇温が行われ得、１ｔｏｒｒ〜５０ｔｏｒｒの成長圧力まで減圧が進行し得る。前記第３過程（Ｓｂ３）の昇温は、１℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎの速度で進行することができる。

前記第２過程及び第３過程の前記昇温速度及び圧力の範囲で、目的とする結晶以外の多形の発生を防止し、安定的に成長するように誘導することができる。

図５を参照すると、内部空間の上部２３０は、炭化珪素種結晶１１０又はインゴットの表面と近い内部空間の一領域であり、内部空間の下部２４０は、原料３００の表面と近い内部空間の領域である。具体的には、前記内部空間の上部２３０は、炭化珪素種結晶又はインゴットの表面の下方に約５ｍｍ以上離れた位置、より具体的には約５ｍｍで測定した温度であり、前記内部空間の下部２４０は、原料３００の表面から上方に約１０ｍｍ以上離れた位置、より具体的には約１０ｍｍで測定した温度である。前記内部空間の上部又は前記内部空間の下部が、坩堝の長手方向に見たときに同じ位置であるとき、それぞれ測定する位置ごとに測定された温度が異なれば、中央部の温度を基準とする。

前記成長過程（Ｓ１）で前記反応容器を基準として加熱手段の相対位置が移動する過程が含まれ得る。

前記成長過程（Ｓ１）において成長圧力を維持するという意味は、減圧された圧力で炭化珪素インゴットの成長を止めていない範囲で、必要に応じて流入ガスの圧力を多少調節する場合まで含む。また、成長圧力を維持するという意味は、炭化珪素インゴットの成長を維持できる限度内で、前記内部空間の圧力が所定の範囲内で維持されるということを意味する。

前記前成長過程（Ｓｂ）は、前記内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０に所定の温度差を加えることができ、前記事前成長開始温度において温度差は４０℃〜６０℃であってもよく、または５０℃〜５５℃であってもよい。前記成長温度において温度差は１１０℃〜１６０℃であってもよく、または１３５℃〜１５０℃であってもよい。このような温度差を有するので、初期の炭化珪素インゴットの形成時に、目的とする結晶以外の多形の発生を最小化し、安定したインゴットの成長が可能なようにすることができる。

前記第３過程（Ｓｂ３）の昇温速度は、前記第２過程（Ｓｂ２）と第３過程（Ｓｂ３）全体の平均昇温速度よりも小さくてもよい。前記第２過程と第３過程全体の平均昇温温度は、第２過程の昇温開始時点での温度と第３過程終了時点での温度との差を、かかった時間で割った値であり、前記第３過程の昇温速度は、第３過程の各時点において昇温速度を意味する。

前記加熱手段６００は最大加熱領域を有することができ、前記最大加熱領域は、前記加熱手段によって加熱される内部空間の雰囲気の中で、温度が最も高い部分を意味する。前記加熱手段が螺旋状のコイルの形態で反応容器の側面を取り囲む場合、前記加熱手段の中央に対応する前記内部空間が最大加熱領域となる。例示的に、前記炭化珪素原料３００と種結晶１１０との中央を結ぶ垂直方向の線（垂直中央線）、及び前記加熱手段の高さの中央から水平方向に延びた面（加熱手段の中央面）を仮定する場合、前記最大加熱領域は、前記垂直中央線と加熱手段の水平面との交点が位置する領域であってもよい。

前記第２過程（Ｓｂ２）及び第３過程（Ｓｂ３）は、前記加熱手段の最大加熱領域が前記反応容器の下部、原料の表面２４０となるように位置させて進行することができ、前記加熱手段が螺旋状のコイル形状である場合、巻数及び厚さなどを変更して、目的とする前記内部空間の上部と内部空間の下部との温度差を加えるようにすることができる。

前記成長過程（Ｓ１）は、前記第３過程（Ｓｂ３）で成長温度に昇温後、本格的に原料を昇華させて炭化珪素インゴットを形成するようにする。このとき、前記成長温度を維持して炭化珪素インゴットを形成するようにすることができる。成長温度を維持するという意味は、必ず固定された進行温度で進行しなければならないということを意味するものではなく、絶対温度に多少変化があっても、実質的に炭化珪素インゴットの成長が止まる程度に温度を変化しない範囲で炭化珪素を成長させるということを意味する。

前記成長過程（Ｓ１）において前記反応容器に対する加熱手段６００の相対位置は、種結晶１１０を基準として０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。前記相対位置は、種結晶１１０を基準として０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができ、または０．２ｍｍ／ｈｒ〜０．３ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。前記速度範囲は非常に低速であるもので、このような速度で相対位置を変化させる場合、成長した炭化珪素インゴットに、目的とする結晶以外の多結晶が混入されることを防止することができ、より欠陥の少ない炭化珪素インゴットを成長させることができる。

前記成長過程（Ｓ１）において前記反応容器２００、種結晶１１０に対する加熱手段６００の相対位置の変更は、前記成長温度に到達した後に進行することができ、または成長温度に到達した後、１時間〜１０時間後に進行することができる。

前記成長過程（Ｓ１）において、内部空間の上部２３０は、前記反応容器内で最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度を有する副加熱領域を有することができる。前記副加熱領域の温度は、前記最大加熱領域の温度よりも１３５℃〜１５０℃低い温度であってもよい。

前記副加熱領域は、前記加熱手段によって加熱される内部空間の雰囲気の中で、温度が相対的に低い部分を意味する。前記加熱手段が螺旋状のコイルの形態で反応容器の側面を取り囲む場合、前記副加熱領域は、前記最大加熱領域よりも上部に位置することができる。

前記炭化珪素原料３００と種結晶１１０との中央を結ぶ垂直方向の線（垂直中央線）、及び前記加熱手段の高さの中央から水平方向に延びた面（加熱手段の中央面）を仮定する場合、前記副加熱領域は、前記最大加熱領域と前記炭化珪素種結晶又はインゴットの表面との間に位置する領域であり得、好ましくは、前記副加熱領域の少なくとも一部が前記内部空間の上部に重なり得る。

前記加熱手段６００は、前記加熱手段及び前記反応容器２００間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を通じて、前記反応容器を基準として上下に移動可能である。すなわち、前記反応容器に配置された種結晶１１０から炭化珪素原料３００に向かう任意の線を基準として、実質的に並んだ方向に移動可能である。

前記成長過程（Ｓ１）の加熱手段６００は、前記速度で前記反応容器を基準として下降しながら移動することができる。

前記成長過程（Ｓ１）の成長温度は、最大加熱領域を基準として２１００℃〜２５００℃であってもよく、または２２００℃〜２４００℃であってもよい。また、前記成長過程の温度は、前記内部空間の上部２３０を基準として１９００℃〜２３００℃であってもよく、または２１００℃〜２２５０℃であってもよい。

前記成長過程（Ｓ１）の間の前記加熱手段の総移動距離が１０ｍｍ以上であってもよく、または１５ｍｍ以上であってもよい。前記総移動距離は、４５ｍｍ以下であってもよく、または３０ｍｍ以下であってもよい。

前記成長過程（Ｓ１）は、５時間〜２００時間進行することができ、または７５時間〜１００時間進行することができる。

前記前成長過程（Ｓｂ）及び／又は成長過程（Ｓ１）は、前記反応容器２００が上下方向を軸として回転しながら進行することができ、炭化珪素インゴットの成長にさらに有利な温度勾配が形成されるように誘導することができる。

前記進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）は、前記反応容器２００の外部に所定流量の不活性気体を加えることができる。前記不活性気体は、前記反応容器２００の内部空間で気体の流れが形成され得、前記原料３００から前記炭化珪素種結晶１１０の方向に気体の流れが誘導され得る。これによって、前記反応容器及び内部空間の安定した温度勾配を形成できるようにする。

前記冷却ステップ（Ｓ２）は、前記進行ステップを通じて成長した炭化珪素インゴットを所定の冷却速度及び不活性気体の流量の条件で冷却するステップである。

前記冷却ステップ（Ｓ２）は、１℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの速度で冷却が進行してもよく、または１℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎの速度で冷却が進行してもよい。

前記冷却ステップ（Ｓ２）は、前記反応容器２００の内部空間の圧力の調節が同時に進行してもよく、または前記冷却ステップと別途に圧力の調節が進行してもよい。前記圧力は、前記内部空間の圧力が最大８００ｔｏｒｒになるように調節され得る。

前記冷却ステップ（Ｓ２）は、前記進行ステップと同様に、前記反応容器２００の内部に所定流量の不活性気体を加えることができる。前記不活性気体は、前記反応容器の内部空間でその流れが形成され得、前記炭化珪素原料３００から前記炭化珪素種結晶１１０の方向にその流れが形成され得る。

前記冷却ステップ（Ｓ２）は、前記反応容器２００の内部空間の圧力が大気圧以上になるように加圧し、前記内部空間の温度が上部２３０を基準として１５００℃〜１７００℃になるように冷却させる１次冷却過程と；前記１次冷却過程の後、前記内部空間の温度を常温に冷却させる２次冷却過程と；を含むことができる。

前記冷却ステップ（Ｓ２）の回収は、前記種結晶１１０と接する炭化珪素インゴットの後面を切断して行われ得る。このように切断された炭化珪素インゴットは、成長した末端の中心と縁との間に良好な高さ差を示し、低減された欠陥密度を有することができ、具体的な炭化珪素インゴットの形態及び欠陥密度は後述する。

炭化珪素インゴット製造用システム
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素インゴット製造用システムは、内部空間を有する反応容器２００と；前記反応容器の外面に配置されて前記反応容器を取り囲む断熱材４００と；前記反応容器又は前記内部空間の温度を調節する加熱手段６００と；を含み、前記内部空間の上部に炭化珪素種結晶１１０が位置し、前記内部空間の下部に原料３００が位置し、前記加熱手段及び前記反応容器間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を含み、前記種結晶から炭化珪素インゴットを成長させ、前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。

前記炭化珪素インゴット１００は、前記炭化珪素種結晶１１０から分離された後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差が０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であってもよい。

前記炭化珪素インゴット１００は、マイクロパイプ（Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ）密度が１／ｃｍ^２以下であり、基底面転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）密度が１３００／ｃｍ^２以下であり、エッチピット（Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ）密度が１２０００／ｃｍ^２以下であってもよい。

前記反応容器２００は、図４を参照すると、内部空間及び開口部を含む本体２１０と、前記開口部と対応して前記内部空間を密閉する蓋２２０とを含むことができ、その他の事項は、上述した通りである。

前記断熱材４００の材料、物性などは、上述した通りである。

前記炭化珪素インゴット製造用システムは、前記断熱材４００で取り囲まれた反応容器２００を内部に位置させた反応チャンバ５００を含むことができる。このとき、前記加熱手段６００は、前記反応チャンバの外部に備えられて前記反応容器の内部空間の温度を制御することができる。

前記反応チャンバ５００は、反応チャンバの内部と連結され、反応チャンバの内部の真空度を調節する真空排気装置７００と、反応チャンバの内部と連結され、反応チャンバの内部に気体を流入させる配管８１０と、気体の流入を制御するマスフローコントローラ８００とを含むことができる。これらを通じて、成長ステップ及び冷却ステップにおいて不活性気体の流量を調節できるようにする。

前記加熱手段６００は、図５を参照すると、前記反応容器２００に対して前記加熱手段の相対位置は、０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができ、０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができ、または０．２ｍｍ／ｈｒ〜０．３ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかることができる。前記移動速度を満足するようにして、インゴットが成長して表面の位置が変化しても安定した温度差及び温度勾配を加えることができるようにし、目的とする結晶以外の多結晶の形成を防止するようにする。

前記加熱手段６００の移動は、前記内部空間の温度、圧力及び雰囲気を調節して前記原料を昇華させ、前記種結晶から成長した炭化珪素インゴットを設ける進行ステップで進行することができ、例示的に、進行ステップの前成長過程である第２過程及び第３過程と成長過程で進行することができ、このようなステップ及び過程は、上述した通りである。

前記加熱手段６００及び前記反応容器２００間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を含むことで、前記成長ステップにて前記速度で、図１に示したように下降しながら移動することができる。

前記加熱手段６００は、最大加熱領域が内部空間の下部に位置するようにすることができる。最大加熱領域は、加熱手段の中央に対応する位置の前記内部空間の領域である。前記加熱手段が螺旋状のコイル形状である場合、前記炭化珪素原料と種結晶１１０とを結ぶ任意の線を基準として、前記加熱手段の中央から両端に向かって所定の長さを有する加熱手段の内部領域が最大加熱領域であり得る。前記最大加熱領域の温度は、２１００℃〜２５００℃であってもよく、または２２００℃〜２４００℃であってもよい。

前記加熱手段６００は、前記成長ステップで前記内部空間の上部２３０が前記最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度、または１３５℃〜１５０℃低い温度となるように移動することができる。前記加熱手段が螺旋状のコイルの形態である場合、前記内部空間の上部は、前記最大加熱領域である中心よりも上部に位置し得る。前記内部空間の上部の温度は、１９００℃〜２３００℃であってもよく、または２１００℃〜２２５０℃であってもよい。

前記炭化珪素インゴット製造用システムは、上述した準備ステップ（Ｓａ）、進行ステップ（Ｓｂ，Ｓ１）及び冷却ステップ（Ｓ２）などが順次行われ得る。

炭化珪素インゴット
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素インゴット１００は、炭化珪素種結晶１１０から切断された後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差が、０．０１ｍｍ〜３ｍｍであってもよく、または０．０１ｍｍ〜２．９ｍｍであってもよい。

前記炭化珪素インゴット１００は、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であってもよく、１８ｍｍ以上であってもよく、または２１．６ｍｍ以上であってもよい。

前記炭化珪素インゴット１００は、マイクロパイプ（Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ）密度が１／ｃｍ^２以下であってもよく、０．８／ｃｍ^２以下であってもよく、または０．５９／ｃｍ^２以下であってもよい。

前記炭化珪素インゴット１００は、基底面転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）密度が１３００／ｃｍ^２以下であってもよく、１１００／ｃｍ^２以下であってもよく、または９８０／ｃｍ^２以下であってもよい。

前記炭化珪素インゴット１００は、エッチピット（Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ）密度が１２０００／ｃｍ^２以下であってもよく、または１００００／ｃｍ^２以下であってもよい。

前記マイクロパイプ、基底面転位及びエッチピットは、前記炭化珪素インゴット１００を切断してウエハを設けた後、ウエハを５００℃、５分の条件で溶融水酸化カリウム（ＫＯＨ）中に浸漬してエッチングさせた後、その表面の単位面積当たりの欠陥を光学顕微鏡などを通じて測定して、密度を計算することができる。

前記炭化珪素インゴット１００は、前記欠陥密度の範囲を満たすことで、欠陥の少ないウエハを提供できるようにし、これを素子に適用する際、電気的特性又は光学的特性に優れた素子を製造することができる。

以下、具体的な実施例を通じてより具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の理解を助けるための例示に過ぎず、本発明の範囲がこれに限定されるものではない。

＜実施例−炭化珪素インゴットの製造＞
図４及び図５に炭化珪素インゴットの製造装置の一例を示したように、反応容器２００の内部空間の下部２４０に原料３００である炭化珪素粉末を装入し、内部空間の上部２３０に炭化珪素種結晶を配置した。このとき、炭化珪素種結晶は、直径６インチの４Ｈ炭化珪素結晶からなるものを適用し、Ｃ面（（０００−１）面）が内部空間の下部の炭化珪素原料に向かうように通常の方法により固定した。

反応容器２００を密閉し、その外部を断熱材４００で取り囲んだ後、外部に加熱手段６００である加熱コイルが備えられた石英管５００内に反応容器を配置した。

図１に示したように、前記反応容器２００の内部空間を減圧して真空雰囲気に調節し、アルゴン気体を注入して前記内部空間が７６０ｔｏｒｒに到達するようにし、前記内部空間の温度を、下部を基準として１６００℃まで１０℃／ｍｉｎの速度で昇温させた。その次に、事前成長過程として、減圧と同時に３℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、内部空間の下部の温度が、前記加熱手段の最大加熱領域の温度である２３５０℃になるようにした。以降、同一の条件を維持して、炭化珪素インゴットを表１の加熱手段の移動速度、時間、及び移動距離の条件で成長させた。

成長後、前記内部空間の温度を５℃／ｍｉｎの速度で２５℃まで冷却させ、同時に、内部空間の圧力が７６０ｔｏｒｒになるようにアルゴン気体を注入した。その次に、形成された炭化珪素インゴットを種結晶から切断して分離した。

＜比較例−加熱手段の移動速度の変更＞
前記実施例において、加熱手段の移動速度、時間及び移動距離を、表１の条件に変更した以外は、前記実施例と同様に進行した。

＜実験例−製造された炭化珪素インゴットの高さ、高さの差及びクラックの有無の測定＞
それぞれの実施例及び比較例で製造された炭化珪素インゴットの正面から、成長末端の前面の中心の高さをハイトゲージで測定し、前記炭化珪素インゴットの外郭の高さを測定し、インゴットの切断面である種結晶面のクラックの発生の有無を目視で把握して、表１に示した。

＜実験例−ウエハの欠陥密度の測定＞
それぞれの実施例及び比較例で製造された炭化珪素インゴットを、切断面である種結晶面と４°のオフ角を有するように切断し、３６０μｍの厚さを有するウエハサンプルを設けた。

前記設けられたウエハサンプルの最大外径に対して９５％の外径を有する領域から５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに切断し、これを、５００℃、５分の条件で溶融水酸化カリウム（ＫＯＨ）中に浸漬してエッチングさせ、その表面の欠陥を光学顕微鏡などを通じて撮影した。貝殻型ピットを基底面転位（ＢＰＤ）、黒色の巨大な６角形の貫通されたピットをマイクロパイプ（ＭＰ）として分類した。

切断されたウエハサンプル内の５００×５００μｍの領域を任意に１２回指定して、前記それぞれの領域で欠陥の個数を把握し、単位面積当たりの平均欠陥数を計算し、欠陥密度を求め、その結果を表１に示した。

インゴットの高さの差＊：インゴットの後面を基準として反対面である前面の中心の高さと縁の高さとの差
ＭＰ＊：マイクロパイプ、Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ
ＢＰＤ＊：基底面転位、Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ
ＥＰＤ＊：エッチピット密度、Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ

表１を参照すると、加熱手段の移動速度が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒである実施例の場合、インゴットの後面（種結晶面）を基準として反対面である前面の中心の高さが２０ｍｍ以上であり、前記中心の高さと縁の高さとの差が２ｍｍ〜３ｍｍを示し、インゴットから製造されたウエハの欠陥密度の数値も良好であることを確認した。

加熱手段が移動しないか、または０．５ｍｍ／ｈｒである比較例では、前記中心の高さが１１ｍｍ以下を示し、比較例１の場合、インゴットの後面（種結晶面）のクラックが発生し、インゴットから製造されたウエハの欠陥密度の数値が比較的高い数値を示した。

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態もまた本発明の権利範囲に属する。

１００ 炭化珪素インゴット
１１０ 種結晶
２００ 反応容器
２１０ 本体
２２０ 蓋
２３０ 内部空間の上部
２４０ 内部空間の下部
３００ 原料
４００ 断熱材
５００ 反応チャンバ、石英管
６００ 加熱手段
７００ 真空排気装置
８００ マスフローコントローラ
８１０ 配管

Claims (10)

1. 炭化珪素原料及び種結晶が配置された反応容器の内部空間を高真空雰囲気に調節する準備ステップと；
   不活性気体を前記内部空間に注入し、前記反応容器を取り囲む加熱手段を介して昇温して前記炭化珪素原料が昇華され、前記種結晶上に炭化珪素インゴットが成長するように誘導する進行ステップと；
   前記内部空間の温度を常温に冷却する冷却ステップと；を含み、
   前記進行ステップは、前記加熱手段が移動する過程を含み、
   前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかる、炭化珪素インゴットの製造方法。
2. 前記進行ステップは、前成長過程及び成長過程を順次含み、
   前記前成長過程は、前記準備ステップの高真空雰囲気を不活性雰囲気に変更する第１過程と、前記加熱手段を用いて前記内部空間の温度を昇温する第２過程と、前記内部空間の圧力を成長圧力に達するように減圧し、前記内部空間の温度が成長温度になるように昇温する第３過程とを順次含み、
   前記成長過程は、前記内部空間を前記成長温度及び前記成長圧力に維持し、前記インゴットが成長するように誘導する過程であり、
   前記加熱手段の移動は前記成長過程で行われる、請求項１に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
3. 最大加熱領域は、加熱手段の中央に対応する位置の前記内部空間の領域であり、
   前記最大加熱領域の温度は２１００℃〜２５００℃である、請求項２に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
4. 前記内部空間は副加熱領域を有し、
   前記副加熱領域の温度は、前記最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度であり、
   前記加熱手段は、前記副加熱領域の温度を維持するように移動する、請求項３に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
5. 温度差は、前記内部空間の上部温度と前記内部空間の下部温度との差であり、
   前記第１過程において前記温度差は４０℃〜６０℃である、請求項２に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
6. 前記加熱手段の総移動距離は１０ｍｍ以上である、請求項１に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
7. 温度差は、前記内部空間の上部温度と前記内部空間の下部温度との差であり、
   前記成長過程において温度差は、前記第１過程において温度差よりも７０℃〜１２０℃大きい、請求項２に記載の炭化珪素インゴットの製造方法。
8. 前面、及びその反対面である後面を含み、
   前記後面は、種結晶から切断された面であり、
   前記後面を基準として前面の中心の高さと縁の高さとの差が０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面に垂直な方向に最大高さが１５ｍｍ以上であり、
   マイクロパイプ密度が１／ｃｍ^２以下であり、基底面転位密度が１３００／ｃｍ^２以下であり、エッチピット密度が１２０００／ｃｍ^２以下である、炭化珪素インゴット。
9. 内部空間を有する反応容器と；
   前記反応容器の外面に配置されて前記反応容器を取り囲む断熱材と；
   前記反応容器又は前記内部空間の温度を調節する加熱手段と；を含み、
   前記内部空間の上部に炭化珪素種結晶が位置し、
   前記内部空間の下部に原料が位置し、
   前記加熱手段及び前記反応容器間において上下方向に相対位置を変化させる移動手段を含み、
   前記種結晶から炭化珪素インゴットを成長させ、
   前記加熱手段の移動は、前記種結晶を基準とする相対位置が０．１ｍｍ／ｈｒ〜０．４８ｍｍ／ｈｒの速度で遠ざかる、炭化珪素インゴット製造用システム。
10. 前記加熱手段の移動時の温度は、最大加熱領域を基準として２１００℃〜２５００℃であり、
    前記最大加熱領域は、前記炭化珪素原料と種結晶とを結ぶ任意の線を基準として、前記加熱手段の中央から両端に向かって所定の長さを有する加熱手段の内部領域であり、
    前記内部空間の上部に副加熱領域が位置し、
    前記副加熱領域は、前記炭化珪素原料と種結晶とを結ぶ任意の線を基準として、加熱手段の両端から中央に向かって所定の長さを有する加熱手段の内部領域であり、
    前記副加熱領域の温度は、前記最大加熱領域の温度よりも１１０℃〜１６０℃低い温度の領域である、請求項９に記載の炭化珪素インゴット製造用システム。

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