JP2964080B1 - 単結晶SiCおよびその製造方法 - Google Patents

単結晶SiCおよびその製造方法

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JP2964080B1 JP19729498A JP19729498A JP2964080B1 JP 2964080 B1 JP2964080 B1 JP 2964080B1 JP 19729498 A JP19729498 A JP 19729498A JP 19729498 A JP19729498 A JP 19729498A JP 2964080 B1 JP2964080 B1 JP 2964080B1
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Abstract

【要約】 【課題】 格子欠陥およびマイクロパイプ欠陥の非常に
少ない高品位の単結晶を非常に生産性よく製造すること
ができるようにする。 【解決手段】 α−SiC単結晶基板1とSi原子及び
C原子により構成されるβ−SiC多結晶板2とを両者
の対向面1a,2a間に微小隙間3を形成するように互
いに平行に対峙させた状態で、それら両板1,2を不活
性ガス雰囲気、かつ、SiC飽和蒸気圧の雰囲気下で、
α−SiC単結晶基板1側が低温に保たれるような温度
勾配を持たせて熱処理することにより、β−SiC多結
晶板2を構成するSi及びC原子を微小隙間3内に昇華
拡散させて低温のα−SiC単結晶基板1上で再結晶さ
せ、α−SiC単結晶基板1の結晶軸と同方位に配向さ
れた単結晶を一体に成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶SiCおよ
びその製造方法に関するもので、詳しくは、発光ダイオ
ードやX線光学素子、高温半導体電子素子の基板ウエハ
などとして用いられる単結晶SiCおよびその製造方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】SiC(炭化珪素)は、耐熱性および機
械的強度に優れているだけでなく、放射線にも強く、さ
らに不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御が容
易である上、広い禁制帯幅を持つ(因みに、6H型のS
iC単結晶で約3.0eV、4H型のSiC単結晶で
3.26eV)ために、Si(シリコン)やGaAs
(ガリウムヒ素)などの既存の半導体材料では実現する
ことができない高温、高周波、耐電圧、耐環境性を実現
することが可能で、次世代のパワーデバイス用半導体材
料として注目され、かつ期待されている。
【0003】この種のSiC単結晶の成長(製造)方法
として、従来、黒鉛るつぼ内で原料のSiC粉末を昇華
させ、その昇華ガスをるつぼ内の低温部に再結晶させる
昇華再結晶法(レーリー法)や、黒鉛るつぼ内の低温側
に種結晶を配置し、原料となるSiCから昇華したガス
を閉鎖空間内で拡散輸送させて低温に設定されている種
結晶上に再結晶させる改良型昇華再結晶法(改良レーリ
ー法)、さらにSi(シリコン)基板上に化学気相成長
法(CVD法)を用いてエピタキシャル成長させること
により立方晶のSiC単結晶(β−SiC)を成長させ
るエピタキシャル方法等が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の製造方法のうち、昇華再結晶法や改良型昇華再
結晶法にあっては、単結晶の大口径化に困難を伴うばか
りでなく、結晶成長の過程で同一結晶内に二つ以上のポ
リタイプ(結晶多形)が混在して、そのポリタイプ界面
に結晶欠陥が導入されやすい。近年では、改良型昇華再
結晶法の研究開発の進歩によって、結晶成長速度の進展
および単結晶の大型単結晶成長が可能になってきている
ものの、マイクロパイプ欠陥と呼ばれ半導体デバイスを
作製した際の漏れ電流等の原因となる結晶の成長方向に
貫通する直径数ミクロンのピンホールが100〜100
0/cm2 程度成長結晶中に残存しやすくて、品質的に
は未だ十分なものが得られないという問題がある。ま
た、エピタキシャル方法は、基板温度が高い上に、基板
が高温なため再蒸発量も多く、高純度の還元性雰囲気を
作ることも必要で設備的に非常に困難であり、さらに、
エピタキシャル成長のため結晶成長速度にも自ずと限界
があって、単結晶SiCの生産性が非常に悪いという問
題があり、このことが既述のようにSiやGaAsなど
の既存の半導体材料に比べて多くの優れた特徴を有しな
がらも、その実用化を阻止する要因になっている。
【0005】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、マイクロパイプ欠陥等の非常に少ない高品質かつ大
型の単結晶SiCと、このような高品質、大型の単結晶
を非常に生産性よく製造することができ、半導体材料と
しての実用化を可能とする単結晶SiCの製造方法を提
供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明に係る単結晶SiCは、種結
晶となるSiC単結晶基板とSi原子及びC原子により
構成された板材とを100μm以下の微小隙間を隔てて
互いに平行に対峙させた状態で、大気圧以下の不活性ガ
ス雰囲気、かつ、SiC飽和蒸気雰囲気下で、上記Si
C単結晶基板側が上記板材よりも低温に保たれるような
温度勾配を持たせて熱処理することにより、上記板材を
構成するSi原子及びC原子を上記微小隙間に昇華拡散
させるとともに、種結晶となる低温側の上記SiC単結
晶基板上で再結晶させて該SiC単結晶基板の結晶軸と
同方位に配向された単結晶が一体に成長されていること
を特徴とするものであり、また、請求項5に記載の発明
に係る単結晶SiCの製造方法は、種結晶となるSiC
単結晶基板とSi原子及びC原子により構成された板材
とを両者の対向面間に100μm以下の微小隙間を形成
するように互いに平行に対峙させた後、それらSiC単
結晶基板及び板材を大気圧以下の不活性ガス雰囲気、か
つ、SiC飽和蒸気雰囲気下で、上記SiC単結晶基板
側が上記板材よりも低温に保たれるような温度勾配を持
たせて熱処理することにより、上記板材を構成するSi
原子及びC原子を上記微小隙間に昇華拡散させ、この昇
華拡散されたSi原子及びC原子を種結晶となる低温側
の上記SiC単結晶基板上で再結晶させて該SiC単結
晶基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶を一体に育
成することを特徴とするものである。
【0007】上記のような構成要件を有する請求項1及
び請求項5に記載の発明によれば、種結晶となるSiC
単結晶基板とSi原子及びC原子により構成された板材
とが100μm以下の微小隙間を隔てて互いに平行に対
峙された状態で熱処理するといった超近接昇華法の採用
により、微小隙間を通じての伝熱作用によって両板全域
の昇温速度を全体的に早めて熱処理効率の向上を図りつ
つ、系外から対峙する両板間への不純物の侵入を防ぐこ
とが可能である。また、熱処理時にはSiC単結晶基板
側が上記板材よりも低温に保たれるような温度勾配を持
たせることによって、上記微小隙間に面する板材側から
微小隙間に昇華される該板材を構成するSi原子及びC
原子は大きな運動エネルギーを持って拡散され、それら
原子間配列を変えて低温側のSiC単結晶基板上で単結
晶に再結晶されるといったように、板材側から上記微小
隙間へのSi原子及びC原子の昇華拡散とそれら原子間
配列の変換を伴う低温側SiC単結晶基板上での再結晶
との繰り返しにより、板材を構成するSi原子およびC
原子の単結晶化率が向上されることになり、種結晶とな
るSiC単結晶基板上にその結晶軸と同方位に配向され
た良質の単結晶を一体に成長させることが可能である。
【0008】上記請求項1に記載の発明に係る単結晶S
iC及び請求項5に記載の発明に係る単結晶SiCの製
造方法において、SiC単結晶基板と対峙される板材と
しては、請求項2及び請求項6に記載のように、SiC
多結晶板、SiCアモルファスもしくは高純度焼結体の
いずれを使用する場合も、上記と同様に、微小隙間内で
のSi原子とC原子との昇華再結晶の繰り返しによって
高品質な単結晶SiCを生産性よく得ることが可能であ
る。
【0009】また、上記請求項2に記載の発明に係る単
結晶SiC及び請求項6に記載の発明に係る単結晶Si
Cの製造方法において、SiC多結晶板として、請求項
3及び請求項7に記載のように、熱化学蒸着法により板
状に製作されたものを使用することにより、SiC多結
晶板自体として不純物の少ない高純度なものを用いて、
SiC単結晶基板とSiC多結晶板との間に結晶粒界な
どを形成しないで、品質の一層高い単結晶SiCを得る
ことができる。
【0010】また、上記請求項1ないし3のいずれかに
記載の発明に係る単結晶SiC及び請求項5ないし7の
いずれかに記載の発明に係る単結晶SiCの製造方法に
おいて、上記SiC単結晶基板の上記板材と対向する結
晶面として、アチソン法により作られたSiC単結晶塊
からSiC単結晶基板を切り出したときの(0001)
面を(11- 2 0)面方向に約1.5〜10°傾斜させ
て研磨した面を使用することによって、結晶面の熱エッ
チングなどによる欠陥の発生がなくなり、SiC単結晶
の品質を一層高めることができる。
【0011】また、上記請求項5ないし8のいずれかに
記載の発明に係る単結晶SiCの製造方法において、上
記SiC単結晶基板とSi原子及びC原子により構成さ
れた板材との対向面間の微小隙間として、請求項9に記
載のように10μm以下に保持させて熱処理すること
が好ましい。それは、高温側の板より蒸発したSi,
C,SiC,SiC2 等の単原子、2〜3原子分子が飛
程中に相互に衝突し合体してクラスターを形成した後に
SiC単結晶基板の表面に付着すると、下地のSiC単
結晶基板表面に倣って再配列し難く、異常成長核とな
り、エピタキシャル成長を阻害する確率が高くなる。し
たがって、高温側の板から蒸発した原子、分子がSiC
単結晶基板の表面に到達する迄の間に互いに衝突する確
率を極力低減することが望ましく、両板の対向面間の微
小隙間は、蒸発原子、分子の平均自由工程(約10μ
m)以下であることが望ましい。実用上は高温度下での
熱変形等を考慮して100μm以下の適当な微小隙間に
設定することにより、高品質なSiC単結晶層を種結晶
の上面全域に形成し、その高品質再結晶面を種結晶とし
て用いることができるからである。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。図1は本発明に係る単結晶Si
Cの製造方法の実施の形態による熱処理前の状態を示す
模式図であり、この実施の形態で種結晶として使用する
六方晶系(6H型)のα−SiC単結晶基板1として
は、図3に示すように、アチソン法により作られたα−
SiC単結晶塊1´から多数の板状SiC単結晶片1A
を切出したとき、その切出された板状SiC単結晶片1
AのC軸方向の(0001)面を図4に明示するよう
に、(11- 2 0)面方向に1.5〜10°の角度
(θ)範囲、具体的には3.5°傾斜させて研磨加工し
てRMS1000オングストローム以下、好ましくは5
0オングストローム以下の表面粗度を持つ平滑な結晶面
1aに調整されたものを用いる。
【0013】また、Si原子及びC原子により構成され
る板材の一例としては、1300〜1900℃範囲の熱
化学蒸着法(以下、熱CVD法という)により別途製作
される立方晶系のβ−SiC多結晶板2を用いる。この
β−SiC多結晶板2は、図示省略する焼結黒鉛の上に
熱CVD法によって(111)面が高配向となる約1m
m厚さの膜を作製した後、上記黒鉛の焼却除去によって
単離させた0.8mm厚さの平板状材の両面2a,2a
をスリガラス状に研磨することでPV、即ち、Rma
x.0.3〜10μm範囲、好ましくは0.5μmの粗
面に形成されているものである。
【0014】上記α−SiC単結晶基板1をカーボン板
5上に載置するとともに、このα−SiC単結晶基板1
より外周辺のカーボン板5上に設けたスペーサ6を介し
て上記平板状のβ−SiC多結晶板2を上記α−SiC
単結晶基板1上に載置して互いに平行に対峙させること
により、上記α−SiC単結晶基板1の平滑な結晶面1
aとこれに対向する上記β−SiC多結晶板2の粗表面
2aとの間に100μm以下、好ましくは10μm以下
の微少隙間3を形成させる。
【0015】この状態で、上記α−SiC単結晶基板1
及びβ−SiC多結晶板2をカーボン製抵抗発熱炉(図
示省略する)内に上記カーボン板5が水平姿勢となるよ
うに挿入することにより、熱処理時には下側に位置する
上記α−SiC単結晶基板1側がβ−SiC多結晶板2
よりも低温に保たれるように配置し、その周囲にSiC
塊4…を配置充填するとともに、Arなどの不活性ガス
気流を1atom程度注入して炉の中心温度が2000〜2
300℃に達するまで10時間かけて平均速度で昇温さ
せ、かつ、その2000〜2300℃で5時間程度保持
させるといったように、不活性ガス雰囲気、かつ、Si
C飽和蒸気雰囲気下で熱処理を施すことにより、微小隙
間3に面するβ−SiC多結晶板2側から昇華されて微
小隙間3内に放出されたSi原子及びC原子は大きな運
動エネルギーを持って拡散されるとともに、それらSi
原子及びC原子の配列が変えられて低温側のα−SiC
単結晶基板1上で単結晶に再結晶される。
【0016】ここで、上記α−SiC単結晶基板1とβ
−SiC多結晶板2との対向面間の微小隙間3を100
μm以下、特に、高温側のβ−SiC多結晶板2から蒸
発したSi,C,SiC,SiC2 等の単原子、2〜3
原子分子の平均自由工程(約10μm)以下に設定する
ことによって、それら蒸発原子、分子がα−SiC単結
晶基板1の結晶面1aに到達する迄の間に互いに衝突す
る確率を低減して再配列しやすい条件とすることが可能
となり、これによって、高品質なSiC単結晶層を種結
晶の上面全域に形成することになる。
【0017】上記のように、β−SiC多結晶板2から
微小隙間3内にSi原子及びC原子が次々と昇華放出さ
れることと、それら昇華放出されたSi原子及びC原子
の拡散運動エネルギーによって格子振動が起こり、この
格子振動により原子間配列が変換されて低温側のα−S
iC単結晶基板1上で単結晶に再結晶されることとの繰
り返しにより、熱処理の進行に伴いβ−SiC多結晶板
2が次第に薄肉化されつつ、それを構成するSi原子お
よびC原子の単結晶化率が向上されることになり、その
結果、図2に示すように、種結晶となるα−SiC単結
晶基板1上にその結晶軸と同方位に配向された良質の単
結晶部分2´を一体に成長させることが可能である。
【0018】また、上記のような熱処理によるβ−Si
C多結晶板2の昇華、再結晶時において、互いに平行に
対峙された上記α−SiC単結晶基板1とβ−SiC多
結晶板2との間に形成されている微小隙間3は常にほぼ
一定の大きさに保持されることになるので、この微小隙
間3を通しての伝熱作用により、両板1,2全域の必要
熱処理温度までの昇温速度を全体的に早めて熱処理効率
の向上を図りつつ、系外から対峙する両板1,2間への
不純物の侵入を防いで、一体に成長された単結晶部分2
´内に不純物が入り込むことによる品質の低下も防止す
ることが可能である。
【0019】以上のように、対峙された両板1,2全域
の所定熱処理温度への昇温速度が早くなることと、β−
SiC多結晶板2のSi及びC原子を順次、α−SiC
単結晶基板1上に昇華再結晶(気相成長)させて良質の
単結晶部分2´を成長させることの相乗作用によって、
少ない熱エネルギーでβ−SiC多結晶板2の全域を効
率よく単結晶化して、格子欠陥およびマイクロパイプ欠
陥の非常に少ない高品質な単結晶SiCを生産性よく製
造することができる。
【0020】特に、上記実施の形態では、上記α−Si
C単結晶基板1の結晶面1aとして、アチソン法により
作られたSiC単結晶塊1´から切り出された板状Si
C単結晶片1AのC軸方向の(0001)面を(11-
2 0)面方向に3.5°の角度(θ)で傾斜させて研磨
加工した面を使用しており、これによって、結晶面1a
の熱エッチングなどによる欠陥の発生がなくなり、Si
C単結晶の品質を一層高めることができる。
【0021】なお、上記実施の形態では、上記α−Si
C単結晶基板1として6H型のものを用いたが、4H型
のものを使用してもよい。
【0022】また、上記実施の形態では、Si原子及び
C原子により構成される板材として、β−SiC多結晶
板2を用いたもので説明したが、これに代えて、高純度
(1014atm /cm3 以下)のSiCアモルファス板、
高純度SiC焼結体を使用しても、上記と同様な高品位
の単結晶SiCを得ることが可能である。
【0023】なお、本明細書の中で、(11- 2 0)面
と記載したものは、日本工業規格X0208号に定めら
れている文字以外の文字に相当するものであり、正式に
は次の通りである。
【0024】
【外1】
【0025】
【発明の効果】以上のように、請求項1及び請求項5に
記載の発明によれば、種結晶となるSiC単結晶基板と
Si原子及びC原子により構成された板材とを微小隙間
を隔てて互いに平行に対峙させた状態で熱処理するとい
った超近接昇華法の採用により、微小隙間を通じての伝
熱作用によって両板全域の昇温速度を全体的に早めて熱
処理効率の向上を図り得るとともに、系外から対峙する
両板間への不純物の侵入を防ぐことができる。また、S
iC単結晶基板側を上記板材よりも低温に保つような温
度勾配を持たせて熱処理することによって、板材側から
微小隙間に昇華されるSi原子及びC原子に大きな運動
エネルギーを与えてこれら原子を拡散させ、低温側のS
iC単結晶基板上に所定の原子配列を持つ単結晶を順次
再結晶させるといったように、板材側のSi原子及びC
原子の昇華拡散とそれら原子間配列を変換させて低温側
SiC単結晶基板上で再結晶させることの繰り返しによ
り、板材を構成するSi原子およびC原子の単結晶化率
の向上を図ることができる。したがって、Si原子とC
原子により構成される板材を少ない熱エネルギーで効率
よく単結晶化して、不純物の導入、格子欠陥およびマイ
クロパイプ欠陥の非常に少ない高品質な単結晶SiCを
非常に生産性よく得ることができ、これによって、Si
(シリコン)やGaAs(ガリウムヒ素)などの既存の
半導体材料に比べて高温、高周波、耐電圧、耐環境性に
優れパワーデバイス用半導体材料として期待されている
単結晶SiCの実用化を促進することができるという効
果を奏する。
【0026】特に、Si原子及びC原子により構成され
る板材として、熱CVD法により板状に製作されたもの
を使用する場合は、多結晶板自体として不純物の少ない
高純度なものの使用が可能となり、SiC単結晶基板と
多結晶板との間に結晶粒界などを形成しないで、品質の
一層高い単結晶SiCを得ることができる。
【0027】また、上記SiC単結晶基板の板材と対向
する結晶面として、アチソン法により作られたSiC単
結晶塊からSiC単結晶基板を切り出したときの(00
01)面を(11- 2 0)面方向に約1.5〜10°傾
斜させて研磨した面を使用する場合は、結晶面の熱エッ
チングなどによる欠陥の発生がなくなり、SiC単結晶
の品質を一層高めることができる。
【0028】さらに、上記SiC単結晶基板とSi原子
及びC原子により構成された板材との対向面間の微小隙
間を望ましくは10μm以下に保持させて熱処理する
ことによって、高温側の板より蒸発したSi,C,Si
C,SiC2 等の単原子、2〜3原子分子がSiC単結
晶基板の表面に到達する迄の間に互いに衝突する確率を
極力低減することが可能であり、これによって、原子、
分子のSiC単結晶基板表面での再配列を容易にして高
品質なSiC単結晶層を種結晶の上面全域に形成し、そ
の高品質再結晶面を種結晶として用い異常成長核のない
高品質な単結晶SiCを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る単結晶SiCの製造方法の実施の
形態による熱処理前の状態を示す模式図である。
【図2】同上実施の形態による熱処理後の状態を示す模
式図である。
【図3】同上実施の形態による単結晶SiCの製造方法
に使用するα−SiC単結晶基板の作製に際して作られ
たα−SiC単結晶塊の概略斜視図である。
【図4】同上実施の形態による単結晶SiCの製造方法
に使用するα−SiC単結晶基板を示す概略斜視図であ
る。
【符号の説明】
1 α−SiC単結晶基板 2 β−SiC多結晶板(Si原子とC原子により構成
される板材の一例) 3 微小隙間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平本 雅信 兵庫県三田市下内神字打場541番地の1 日本ピラー工業株式会社三田工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 種結晶となるSiC単結晶基板とSi原
    子及びC原子により構成された板材とを100μm以下
    微小隙間を隔てて互いに平行に対峙させた状態で、大
    気圧以下の不活性ガス雰囲気、かつ、SiC飽和蒸気雰
    囲気下で、上記SiC単結晶基板側が上記板材よりも低
    温に保たれるような温度勾配を持たせて熱処理すること
    により、上記板材を構成するSi原子及びC原子を上記
    微小隙間に昇華拡散させるとともに、種結晶となる低温
    側の上記SiC単結晶基板上で再結晶させて該SiC単
    結晶基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶が一体に
    成長されていることを特徴とする単結晶SiC。
  2. 【請求項2】 上記板材が、SiC多結晶板、SiCア
    モルファスもしくは高純度SiC焼結体の中から選択さ
    れた一種である請求項1に記載の単結晶SiC。
  3. 【請求項3】 上記SiC多結晶板として、熱化学蒸着
    法により板状に製作されたものを使用している請求項2
    に記載の単結晶SiC。
  4. 【請求項4】 上記SiC単結晶基板の上記板材と対向
    する結晶面として、 アチソン法により作られたSiC単結晶塊からSiC単
    結晶基板を切り出したときの(0001)面を(11-
    2 0)面方向に約1.5〜10°傾斜させて研磨した面
    を使用している請求項1ないし3のいずれかに記載の単
    結晶SiC。
  5. 【請求項5】 種結晶となるSiC単結晶基板とSi原
    子及びC原子により構成された板材とを両者の対向面間
    100μm以下の微小隙間を形成するように互いに平
    行に対峙させた後、 それらSiC単結晶基板及び板材を大気圧以下の不活性
    ガス雰囲気、かつ、SiC飽和蒸気雰囲気下で、上記S
    iC単結晶基板側が上記板材よりも低温に保たれるよう
    な温度勾配を持たせて熱処理することにより、上記板材
    を構成するSi原子及びC原子を上記微小隙間に昇華拡
    散させ、 この昇華拡散されたSi原子及びC原子を種結晶となる
    低温側の上記SiC単結晶基板上で再結晶させて該Si
    C単結晶基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶を一
    体に育成することを特徴とする単結晶SiCの製造方
    法。
  6. 【請求項6】 上記板材として、SiC多結晶板、Si
    Cアモルファスもしくは高純度SiC焼結体の中から選
    択された一種を使用する請求項5に記載の単結晶SiC
    の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記SiC多結晶板として、熱化学蒸着
    法により板状に製作されたものを使用する請求項6に記
    載の単結晶SiCの製造方法。
  8. 【請求項8】 上記SiC単結晶基板の上記板材と対向
    する結晶面として、 アチソン法により作られたSiC単結晶塊からSiC単
    結晶基板を切り出したときの(0001)面を(11-
    2 0)面方向に約1.5〜10°傾斜させて研磨した面
    を使用する請求項5ないし7のいずれかに記載の単結晶
    SiCの製造方法。
  9. 【請求項9】 上記SiC単結晶基板と上記板材との対
    向面間隔を10μm以下に保持させて熱処理が行なわれ
    る請求項5ないし8のいずれかに記載の単結晶SiCの
    製造方法。微小隙間を隔てて互いに平行に対峙さ
  10. 【請求項10】 上記熱処理温度は、2000〜230
    0℃の範囲に設定されている請求項5ないし9のいずれ
    かに記載の単結晶SiCの製造方法。
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