JP4053125B2 - Method for synthesizing SiC single crystal - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SiC単結晶の製造方法に係り、特に半導体電子部品に適した高品質なSiCを効率良く成長させるためのSiC単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
SiCは、酸およびアルカリ等の耐薬品性に優れ、かつ高エネルギー線に対する損傷も受けにくく、耐久性に優れた材料であり、半導体材料としても使用されている。
【0003】
ところで、SiCを半導体材料として使用するためには、ある程度の大きさを有する高品質な単結晶を得る必要がある。このため、従来から、アチェソン法と呼ばれる化学反応を利用する方法、レーリー法と呼ばれる昇華再結晶法を利用する方法、あるいはこれらの方法によって得られたSiCの単結晶を基板として用い、その基板上に気相エピタキシャル成長法または液相エピタキシャル成長法によって目的規模のSiC単結晶を成長させる方法が利用されている。
【0004】
特に、バルク状のSiC単結晶を成長させる方法として、グラファイト製の坩堝の中で、適当な大きさのSiC単結晶を種結晶とし、原料のSiC粉末を減圧雰囲気下で昇華させることにより、種結晶上に再結晶させて目的規模のSiC単結晶を成長させる、いわゆる改良型レーリー法が、例えば特公昭第59ー48792号公報および特開平2ー30699号公報に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法のうち、アチェソン法は、珪石とコークスの混合物を電気炉で熱し、自然発生的な核形成によって結晶を析出させるので、不純物が多く、得られる結晶の形および結晶面の制御が困難である。
【0006】
また、気相エピタキシャル成長法や液相エピタキシャル成長法では、結晶の形および結晶面の制御は可能であるが、結晶成長速度が極めて遅く、大型のSiC単結晶を得ることが困難である。
【0007】
さらに、レーリー法では、自然核発生的な核形成によって結晶が成長するので、結晶の形及び結晶面の制御が困難である。
【0008】
一方、改良型レーリー法である特公昭59ー48792号公報記載の発明では、良質なSiC単結晶を得ることが可能である。しかし、この方法によってSiC単結晶を得る場合、結晶の成長期間中にグラファイト製坩堝からSiC結晶が自然発生する。そして、それを核として結晶が急成長し、種結晶からの結晶成長を阻害するので、目的の規模の結晶が得られなかったり、均質性の高い結晶を得ることが困難であり、さらに単結晶を取り出す時に多結晶部分を切り取る必要性が生じ、工程の煩雑化を招いている。
【0009】
特開平2ー30699号公報記載の発明では、目的の規模で均質性の高いSiC単結晶を得ることができる。しかし、坩堝等の製造装置が複雑となり、かつ精密な加工が必要であるので、大変な手間がかかり、実用上問題がある。
【0010】
また、レーリー法や改良レーリー法において原料のSiCから昇華する主なガスは、Si、SiC2及びSi2Cであることが知られているが、Siの蒸気圧がSiC2及びSi2Cの蒸気圧に比べて1桁高く、Siが坩堝から逃げてしまうため、合成中に原料の組成が次第に変化して合成条件がずれていくという問題がある。
【0011】
さらに、原料の上面は坩堝からの熱輻射の影響で原料の内部より温度が上がり、成長初期に昇華量が大きく、表面がグラファイト化して次第に昇華量が下がってしまうという問題もある。この問題を解決するために、特開平5ー105596号公報では、原料にカーボンを含有せしめ、さらにその原料の表面部分にカーボンを含有する層を形成させて、坩堝上部からの熱輻射を防ぐ試みが示されている。しかし、この方法でも、合成中、一貫して同じ蒸気圧で原料が種結晶に到達するように制御することは困難である。
【0012】
また、坩堝からの熱伝導あるいは熱輻射により加熱されて原料が昇華する領域は、坩堝の側面や底面に接する付近の原料から、中心部にある原料へと次第に広がっていく。しかし、昇華領域の拡大とともに底面付近あるいは側壁付近の初期に昇華した坩堝の原料が、断熱性の高い煤状粉末に変化するため、中心部にある原料への熱伝導や熱輻射が急激に減少して、中心部にある原料の昇華が急激に低下したり、また起こらなくなる。特に、大面積単結晶を合成する場合、原料をチャージする坩堝の径も大きくする必要があり、原料の径方向の変質が大きな問題となる。特開平5ー58774号公報記載の成長装置では、坩堝の内部に熱伝導体を設置して原料の均熱加熱を目指しているが、SiC原料が昇華されて煤状粉末に変化していくことは抑制できないので、原理的に結晶速度の経時変化を避けることはできない。
【0013】
図2は、炭素(C)とSiCの蒸気圧曲線を示すグラフであり、縦軸(対数)に圧力(Pa)を、横軸に温度(℃)をとったものである。図2からも判るように、前述のごとくSiの蒸気圧がSiC2やSi2Cの蒸気圧に比べて1桁高い。合成速度を上昇させるためには十分な量のSiとCを種結晶に供給する必要があるが、Cを十分に供給しようとして、蒸気圧の低いSiC2及びSi2Cの分圧を上げるために原料の温度を上げると、Si系の分圧が高くなり過ぎ、原料および合成結晶のストイキオメトリがずれるという問題がある。
【0014】
また、原料のSiCとしてアチェソン法で合成されたものを用いると、珪石からの不純物が多く、また通常、粉末の形で利用するため、その粉砕工程で粉砕装置からの原料へ金属汚染が発生する。例えば、Ti、V、Fe、Ni等の不純物を全体で1000ppm以上含んでいるのが一般的である。
【0015】
この問題を解決するために、特開昭63ー50393号公報には、アチェソン法で合成された結晶を、高真空中で昇華させ、再結晶させて不純物量を低減する方法が提案されている。この方法によれば、高真空で再結晶化された原材料は再結晶処理前の原材料に比べて不純物濃度が1/2以下程度にはなるが、2桁や3桁のオーダーでの不純物低下にはならない。
【0016】
また、この不純物の問題を解決するために、原料としてCVD法でガスから合成したSiCを用いる方法、あるいは、珪素とグラファイトの粉末を混ぜて高温で処理してSiCの原料にする方法が提案されている(例えば、V.B.Shields等、ジャーナル・オブ・アプライドフィジックス・レターズ Vo.62,No.19.1919-1921)。しかし、これらの方法は、原料準備の新たな工程があるため、工程が煩雑になる。
【0017】
さらに、粉末を原料に用いると、原料の充填率が下がるため、大型のSiC単結晶を合成する場合、坩堝を大型化する必要があり、装置の大型化とそれに伴う温度制御の困難を来すという問題がある。
【0018】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高品質で大型のSiC単結晶を容易にしてかつ早い成長速度で安価に得ることができるSiC単結晶の合成方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、SiC単結晶を合成するにあたり、合成装置内に3つの温度領域T1、T2、T3を形成するとともに、各領域の温度をT1<T2<T3とし、低温領域T1に固体のSi、中温領域T2にSiCの種結晶またはSiC単結晶基板、高温領域T3に固体の炭素をそれぞれ設置して、低温領域T1からSiを蒸発させ、その蒸発させたSiを高温領域T3を通過させることにより炭素と反応させてSiC形成ガスを形成させ、SiC形成ガスを中温領域T2の種結晶またはSiC単結晶基板に到達させることを特徴とする。
【0020】
すなわち、本発明は、SiとCとを個別に昇温し、それぞれの最適な温度で蒸気圧を制御して合成するもので、高温領域T3においてはSiの供給量とは独立して高い温度を設定できるため、十分なCを種結晶またはSiC単結晶基板に供給することができる。
【0021】
図3は、SiとCのそれぞれの蒸気圧曲線を示すグラフであり、縦軸(対数)に圧力(Pa)を、横軸に温度(℃)をとったもので、図3から判るように、1400℃から十分な蒸気圧が得られるSiを2000℃以上に加熱したC(グラファイト)の領域を通過させることにより、SiC単結晶を制御性良く合成することができる。
【0022】
また、本発明において用いる原料の固体のSiおよびC(グラファイト)は、それぞれ高純度な材料が安価に入手できる。このため、合成するSiC単結晶の不純物濃度を大幅に低減することができる。
【0023】
さらに、原料のSiおよびCはそれぞれ単一元素であるので、SiC粉末を用いる場合と違って、合成中に原料の組成変化が生じないため、合成条件が安定し、高品質なSiC単結晶を得ることができる。
【0024】
また、充填時の原料は、粉末ではなく、Siとグラファイトの固体(バルク)であるので、充填率が高く、大型で長尺なSiC単結晶を合成することができる。
【0025】
本発明においては、低温領域T1における液相のSiと気相のSiとの界面に、炭素、石英またはSiCからなるシールドを設けてSiの蒸気圧を制御するとよい。ここで、炭素としては、特にガラス状炭素(グラシーカーボン)が適しており、高温でもSiと反応せず、優れたシールドとなる。
【0026】
また、シールドと高温領域T3の炭素とを機械的に連結し、低温領域T1のSiの蒸発によるSi量の減少に伴って、シールドの位置が変化する高温領域T3の炭素が移動するようにし、合成されたSiC単結晶と炭素との間の距離が一定となるようにするとよい。これにより、長時間に安定した合成が可能となる。
【0027】
高温領域T3の炭素に細管またはスリットを設けることにより炭素の表面積を増大させることで、低温領域T1から飛来するSiと炭素とを効率的に反応させることができる。
【0028】
また、低温領域T1、中温領域T2および高温領域T3を形成する坩堝の少なくとも内面を、ダイヤモンドライクカーボンまたはガラス状炭素(グラシーカーボン)により形成するとよい。これにより、自然核発生を抑制することができ、高品質なSiC単結晶の合成が可能となる。
【0029】
さらに、低温領域T1、中温領域T2および高温領域T3を形成する坩堝の外側に、グラファイトからなる熱シールドを配置することにより、熱輻射による放熱を抑制することができる。
【0030】
また、熱シールドを、複数の短冊状のグラファイト板を隙間を設けて隣接配置して全体形状が略円筒形状となるように形成すれば、高周波加熱による誘導電流を抑制でき、熱シールドを坩堝の径方向に複数配置すると、放熱の抑制および誘導電流の抑制の点でさらによい。
【0031】
【発明の実施の形態】
本実施の形態で使用する合成装置を図1に示す。この合成装置において、グラファイトからなる円筒状の坩堝1は、それぞれ円筒状の上部坩堝1aと下部坩堝1bとから構成されている。また、上部坩堝1aの上端は円板状の蓋2により閉塞されている。一方、下部坩堝1bの内側には、グラファイトからなる円筒状のSi保持用坩堝3が下部坩堝1bと僅かな隙間をもって軸方向に移動自在に挿入されている。Si保持用坩堝3の下部は、円板状の坩堝支持台4の上面に固設されており、Si保持用坩堝3の下部側面には、上記隙間に通じる貫通孔3aが複数設けられている。坩堝支持台4の下面中心部には、図示を省略した駆動源に接続された円筒状の支持軸5が固設されている。つまり、この支持軸5の上下動に伴って、Si保持用坩堝3は軸方向に移動可能になっている。また、支持軸5は中空の円筒状であるので、Si保持用坩堝3の底面の温度を2温度パイロメータで測定することができる。
【0032】
さらに、坩堝1およびSi保持用坩堝3の内周面は、平滑性の高いダイヤモンドライクカーボンまたはガラス状炭素(グラシーカーボン)により形成されている。坩堝1およびSi保持用坩堝3の内周面の表面粗さは、Rmax<10μmが好ましい。
【0033】
坩堝1の外側には、3個の熱シールド6が坩堝1の径方向に同心状に配置されている。各熱シールド6は、複数の短冊状のグラファイト板を隙間を設けて隣接配置して全体形状がそれぞれ略円筒状に形成されており、隣り合う熱シールド6はその隙間が径方向に重ならないように設けられている。また、熱シールド6は、一般に良く用いられる不純物汚染の原因となる炭素繊維や多孔質グラファイトにより形成されていないので、不純物汚染の心配がない。さらに、これら熱シールド6の上端は、同一材料で形成された円板状の蓋7により閉塞されている。
【0034】
最外周の熱シールド6の外側には、熱シールド6と同心状にして石英からなる円筒状の石英筒8が配置されている。この石英筒8の内部には、水などの冷却水が流れるようになっており、石英筒8が保護されるようになっている。さらに、石英筒8の外側には、図示は省略したが、坩堝1およびSi保持用坩堝3などを高周波加熱できるように、RFワークコイルが配設されている。
【0035】
坩堝1内には、その上部に蓋7および蓋2の中心部を貫通する円筒状の種結晶支持棒9が軸方向に移動自在に挿入されている。この種結晶支持棒9の下端には、その下端開口部を閉塞するようにして円板状の種結晶ホルダ10が固設されている。そして、この種結晶ホルダ10の下面には、SiCの種結晶11がグルコースを高温融解させたペーストにより固着されている。種結晶支持棒9は、中空の円筒状であるので、種結晶11の温度を2温度パイロメータで測定することができる。また、種結晶支持棒9は、軸回りに200rpmまで回転できるように設けられている。この種結晶支持棒9は、坩堝1、坩堝支持台4および支持棒5とともにその全体が石英筒8の内壁に囲まれる範囲で真空状態にできるように構成されている。
【0036】
一方、Si保持用坩堝3内には、円柱状バルク体のSi源12が収容されている。そして、このSi源12の上面には、炭素、石英またはSiCからなる円板状のSi蒸気圧制御用シールド13が載置されている。このSi蒸気圧制御用シールド13には、Siの蒸気が通過できるように、軸方向に貫通する複数の通過孔13aが形成されている。また、Si蒸気圧制御用シールド13の上面中心部には、Si蒸気圧制御用シールド13と同一材料により形成された、Si蒸気圧制御用補助シールド14が固設されている。このSi蒸気圧制御用補助シールド14は、中心軸と、Si蒸気圧制御用シールド13側に設けられた2枚の円板とから構成されている。Si蒸気圧制御用シールド13およびSi蒸気圧制御用補助シールド14は、それぞれSi源12からの蒸気圧を制御するため、高温溶融の液相のSiと気相のSiとの界面の面積および気相のSiの拡散を制御するものである。
【0037】
また、Si蒸気圧制御用補助シールド14の上端部には、円柱状バルク体の炭素供給源(グラファイト)15が固設されている。炭素供給源15には、軸方向に貫通する通過孔15aが形成されており、Siの蒸気が通過できるようになっている。Siは、その通過孔15aを通過する間に、グラファイトと反応してSiC合成の活性種であるSiC形成ガスとなる。この炭素供給源15は、上部坩堝1aの下部内周面に固設した落下ストッパ16により、Si保持用坩堝3が下降しても下降が制限されるようになっている。
【0038】
このような構成の合成装置においては、図示を省略したワークコイルにより、Si源12の温度は1300℃〜1600℃に、種結晶11の温度は2000℃〜2400℃に、炭素供給源15の温度は2300℃〜3000℃にそれぞれ加熱制御できるようになっている。すなわち、この合成装置は、坩堝1内において、Si源12の低温領域T1と、種結晶11の中温領域T2と、炭素供給源15の高温領域T3との3つの領域が形成できるように構成されている。
【0039】
なお、この合成装置において、Si保持用坩堝3の貫通孔3aは、Si源12が高温により融けて貫通孔3aからその一部が流れ出し、下部坩堝1bとの間で凝固することによって塞がり、Siの蒸気が効率良く上方へ導かれるようになっている。
【0040】
上記構成の合成装置を用いて、SiC単結晶の合成する方法を以下に説明する。
【0041】
まず、種結晶11、Si源12および炭素供給源15などを所定位置にセットした後、種結晶支持棒9を上方に移動させて種結晶11を上昇させるとともに、Si保持用坩堝3とともにSi源12を下方に移動させた後、石英筒8の内壁内側で形成される空間において真空排気を1時間行った。次に、Arガスを装置内に流入して常圧(760Torr)にし、石英筒8内に冷却水を流しながら、坩堝1を2800℃にして、1時間空焼きを行い、ガス出しを行った。このとき、炭素供給源15のグラファイトは、炭素供給源15の落下ストッパ16により坩堝1内に残っているため、同時に空焼きができる。
【0042】
次に、Si保持用坩堝3とともにSi源12を上方に移動させて図1に示す状態とし、種結晶支持棒9および種結晶11を所定位置に下降させた後、種結晶支持棒9を100rpmで回転させつつ、高周波加熱用のワークコイル(図示省略)を調整して、それぞれ種結晶11を2300℃、炭素供給源15のグラファイトを2500℃、およびSi源12を1600℃とした。このような常圧で温度設定を行うことで、結晶性の悪い結晶が成長することを防止できる。
【0043】
この後、坩堝1内を含む石英筒8の内壁内側の圧力をArガス雰囲気で5Torrまで下げて、この状態を維持することにより、Siの蒸気をSi蒸気圧制御用シールド13の通過孔13aを通過させ、さらに炭素供給源15の通過孔15aを通過させることによりSiC形成ガスを形成させ、そのSiC形成ガスを種結晶11に到達させて、種結晶11の表面に1〜2mm/hの速度でSiC単結晶を成長させ、最終的に2インチφのSiC単結晶のバルクを合成した。
【0044】
このようにして得られたSiC単結晶のフォトルミネッセンス特性を調べたところ、そのピーク波長は約490nmであり、6HタイプのSiC単結晶であることが判明した。
【0045】
また、ホール測定を行ったところ、電気特性は、比抵抗が8Ωcm、キャリア密度が約3×1016cmー3、導電型n型と高抵抗、低キャリア密度のSiC単結晶を合成できたことが判った。
【0046】
さらに、このSiC単結晶のバルクを厚さ400μmのウェハ状にスライスして、ダイヤモンド砥石で研磨を行い、両面鏡面仕上げを行った。その結果、目視において、2インチ全面で均質であり、端からの多結晶化、結晶の光透過性を調べたところ、2〜5μmの波長に対して良好であり、この結晶は不純物の取込みの少ない、良好な結晶であることが判明した。
【0047】
以上のように、本実施形態によれば、Si源12と炭素供給源15とを個別に昇温し、それぞれの最適な温度で蒸気圧を制御して合成するので、高温領域T3においてSiの供給量とは独立して高い温度を設定できるため、効率良くSiC単結晶を合成することができる。また、Si源12および炭素供給源15は、バルク体で高純度な材料が安価に入手することができ、不純物濃度を大幅に低減することができる上、大型で長尺なSiC単結晶を合成することができる。また、Si源12および炭素供給源15のグラファイトは、単一元素であるので、合成条件が安定し、高品質なSiC単結晶を得ることができる。
【0048】
また、種結晶支持棒9は、200rpmまで回転できるので、面内均一性を高めることができるとともに、拡散を促進して成長速度を上げることができる。
【0049】
また、Si蒸気圧制御用シールド13と炭素供給源15とは、機械的に連結されているので、Si源12の減少に伴って炭素供給源15が下降し、合成されたSiC単結晶と炭素供給源15との間の距離が一定となり、長時間安定した合成を行うことができる。
【0050】
さらに、坩堝1などの内面が、ダイヤモンドライクカーボンまたはグラシーカーボンからなるので、自然核発生が抑制され、高品質なSiC単結晶を得ることができる。
【0051】
なお、熱シールド6により、熱輻射による放熱が抑制されるとともに、高周波加熱による誘導電流が抑制される。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、本発明のSiC単結晶の合成方法によれば、単一元素である固体のSiとCとを個別に昇温することとしたので、高品質で大型のSiC単結晶を容易にしてかつ早い成長速度で安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態で使用した合成装置を示す概略構成図である。
【図2】CとSiCの蒸気圧曲線を示すグラフである。
【図3】SiとCの蒸気圧曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
1…坩堝、3…Si保持用坩堝、6…熱シールド、9…種結晶支持棒、10…種結晶ホルダ、11…種結晶、12…Si源、13…Si蒸気圧制御用シールド、14…Si蒸気圧制御用補助シールド、15…炭素供給源、T1…低温領域、T2…中温領域、T3…高温領域。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a SiC single crystal, and more particularly to a method for producing a SiC single crystal for efficiently growing high-quality SiC suitable for semiconductor electronic components.
[0002]
[Prior art]
SiC is excellent in chemical resistance such as acid and alkali, is not easily damaged by high energy rays, has excellent durability, and is also used as a semiconductor material.
[0003]
By the way, in order to use SiC as a semiconductor material, it is necessary to obtain a high-quality single crystal having a certain size. For this reason, conventionally, a method using a chemical reaction called the Acheson method, a method using a sublimation recrystallization method called the Rayleigh method, or a SiC single crystal obtained by these methods is used as a substrate. In addition, a method of growing a SiC single crystal of a target scale by a vapor phase epitaxial growth method or a liquid phase epitaxial growth method is used.
[0004]
In particular, as a method of growing a bulk SiC single crystal, an appropriate size SiC single crystal is used as a seed crystal in a graphite crucible, and the raw SiC powder is sublimated in a reduced-pressure atmosphere. A so-called improved Rayleigh method for recrystallizing on a crystal to grow a SiC single crystal of a target scale is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 59-48792 and Japanese Patent Laid-Open No. 2-30699.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, among the conventional methods described above, the Acheson method heats a mixture of silica and coke in an electric furnace and precipitates crystals by spontaneous nucleation, so there are many impurities, and the shape and crystal plane of the crystals obtained are large. It is difficult to control.
[0006]
Further, in the vapor phase epitaxial growth method and the liquid phase epitaxial growth method, the crystal shape and crystal plane can be controlled, but the crystal growth rate is extremely slow, and it is difficult to obtain a large SiC single crystal.
[0007]
Furthermore, in the Rayleigh method, crystals grow by natural nucleation nucleation, so it is difficult to control the crystal shape and crystal plane.
[0008]
On the other hand, in the invention described in Japanese Patent Publication No. 59-48792, which is an improved Rayleigh method, it is possible to obtain a high-quality SiC single crystal. However, when an SiC single crystal is obtained by this method, the SiC crystal is naturally generated from the graphite crucible during the crystal growth period. Then, the crystal grows rapidly using it as a nucleus and inhibits crystal growth from the seed crystal, so that it is difficult to obtain a crystal of the desired scale or to obtain a crystal with high homogeneity. Therefore, it is necessary to cut out the polycrystalline portion when taking out the material, which complicates the process.
[0009]
In the invention described in JP-A-2-30699, a SiC single crystal with high homogeneity can be obtained on a target scale. However, since a manufacturing apparatus such as a crucible is complicated and precise processing is required, it takes a lot of time and is problematic in practice.
[0010]
In addition, it is known that the main gases sublimated from the raw material SiC in the Rayleigh method and the modified Rayleigh method are Si, SiC 2 and Si 2 C, but the vapor pressure of Si is SiC 2 and Si 2 C. Since Si escapes from the crucible by an order of magnitude higher than the vapor pressure, there is a problem in that the composition of raw materials gradually changes during synthesis and the synthesis conditions shift.
[0011]
In addition, the temperature of the upper surface of the raw material rises from the inside of the raw material due to the influence of heat radiation from the crucible, and the amount of sublimation is large at the initial stage of growth, and the surface becomes graphitized and gradually decreases. In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-105596 discloses an attempt to prevent heat radiation from the upper part of the crucible by adding carbon to the raw material and further forming a layer containing carbon on the surface of the raw material. It is shown. However, even in this method, it is difficult to control the raw material to reach the seed crystal throughout the synthesis at the same vapor pressure.
[0012]
Further, the region where the raw material is sublimated by being heated by heat conduction or thermal radiation from the crucible gradually spreads from the raw material in contact with the side or bottom surface of the crucible to the raw material at the center. However, as the sublimation region expands, the raw material of the crucible that was sublimated at the beginning near the bottom surface or near the side wall changes to a highly heat-insulating rod-like powder, so the heat conduction and heat radiation to the raw material in the center decrease sharply. As a result, the sublimation of the raw material in the central portion rapidly decreases or does not occur. In particular, when a large-area single crystal is synthesized, it is necessary to increase the diameter of the crucible for charging the raw material, and the deterioration of the raw material in the radial direction becomes a big problem. In the growth apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-58774, a heat conductor is installed inside the crucible to aim for soaking of the raw material, but the SiC raw material is sublimated and changed into a bowl-shaped powder. In principle, it is impossible to avoid changes in the crystal speed over time.
[0013]
FIG. 2 is a graph showing vapor pressure curves of carbon (C) and SiC, with the vertical axis (logarithm) representing pressure (Pa) and the horizontal axis representing temperature (° C.). As can be seen from FIG. 2, the vapor pressure of Si is one digit higher than the vapor pressure of SiC 2 or Si 2 C as described above. In order to increase the synthesis rate, it is necessary to supply a sufficient amount of Si and C to the seed crystal, but in order to increase the partial pressure of SiC 2 and Si 2 C having a low vapor pressure in an attempt to sufficiently supply C. However, when the temperature of the raw material is raised, there is a problem that the partial pressure of the Si system becomes too high and the stoichiometry of the raw material and the synthetic crystal shifts.
[0014]
In addition, if SiC synthesized by the Acheson method is used as raw material SiC, there are many impurities from silica stone, and since it is usually used in the form of powder, metal contamination occurs in the raw material from the pulverizer during the pulverization process. . For example, it generally contains 1000 ppm or more of impurities such as Ti, V, Fe, and Ni.
[0015]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-50393 proposes a method for reducing the amount of impurities by sublimating and recrystallizing crystals synthesized by the Acheson method in a high vacuum. . According to this method, the raw material recrystallized in a high vacuum has an impurity concentration of about ½ or less compared to the raw material before the recrystallization process, but the impurity is reduced by two or three orders of magnitude. Must not.
[0016]
In order to solve this problem of impurities, a method of using SiC synthesized from a gas by a CVD method as a raw material or a method of mixing silicon and graphite powder at a high temperature to form a SiC raw material has been proposed. (For example, VB Shields et al., Journal of Applied Physics Letters Vo.62, No.19.1919-1921). However, these methods involve a new process for preparing raw materials, and thus the process becomes complicated.
[0017]
Furthermore, when powder is used as a raw material, the filling rate of the raw material is lowered. Therefore, when synthesizing a large SiC single crystal, it is necessary to enlarge the crucible, resulting in the enlargement of the apparatus and the associated temperature control. There is a problem.
[0018]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a method for synthesizing a SiC single crystal that can easily obtain a high-quality and large-sized SiC single crystal and can be obtained at a low cost at a high growth rate. With the goal.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention forms three temperature regions T 1 , T 2 , T 3 in a synthesis apparatus and synthesizes the temperature of each region by T 1 <T when synthesizing a SiC single crystal. 2 <a T 3, solid Si in the low temperature range T 1, SiC seed crystal or the SiC single crystal substrate intermediate temperature range T 2, solid carbon each placed in a high temperature region T 3, Si from the low temperature area T 1 The evaporated Si is allowed to react with carbon by passing through the high temperature region T 3 to form a SiC forming gas, and the SiC forming gas reaches the seed crystal or SiC single crystal substrate in the intermediate temperature region T 2 . It is characterized by that.
[0020]
That is, in the present invention, Si and C are individually heated and synthesized by controlling the vapor pressure at each optimum temperature. In the high temperature region T 3 , the Si supply amount is high independently. Since the temperature can be set, sufficient C can be supplied to the seed crystal or the SiC single crystal substrate.
[0021]
FIG. 3 is a graph showing respective vapor pressure curves of Si and C. The pressure (Pa) is taken on the vertical axis (logarithm), and the temperature (° C.) is taken on the horizontal axis. As can be seen from FIG. A SiC single crystal can be synthesized with good controllability by passing through a C (graphite) region heated to 2000 ° C. or higher through Si that provides a sufficient vapor pressure from 1400 ° C.
[0022]
In addition, as the raw material solid Si and C (graphite) used in the present invention, high-purity materials can be obtained at low cost. For this reason, the impurity concentration of the SiC single crystal to be synthesized can be greatly reduced.
[0023]
Furthermore, since Si and C of the raw material are each a single element, unlike the case of using SiC powder, the composition of the raw material does not change during the synthesis, so that the synthesis conditions are stable and a high-quality SiC single crystal is produced. Obtainable.
[0024]
Moreover, since the raw material at the time of filling is not a powder but a solid (bulk) of Si and graphite, it is possible to synthesize a large and long SiC single crystal with a high filling rate.
[0025]
In the present invention, the vapor pressure of Si may be controlled by providing a shield made of carbon, quartz or SiC at the interface between the liquid phase Si and the gas phase Si in the low temperature region T 1 . Here, glassy carbon (glassy carbon) is particularly suitable as carbon, and does not react with Si even at a high temperature, thus providing an excellent shield.
[0026]
Also, mechanically connecting the carbon of the shield and the high temperature area T 3, with a decrease of Si content by evaporation of Si in the low temperature range T 1, the carbon in the high temperature region T 3 the position of the shield is changed to move Thus, it is preferable that the distance between the synthesized SiC single crystal and carbon be constant. Thereby, stable synthesis can be achieved for a long time.
[0027]
By increasing the surface area of the carbon by providing a thin tube or slit in the carbon in the high temperature region T 3 , Si and carbon flying from the low temperature region T 1 can be reacted efficiently.
[0028]
Further, at least the inner surface of the crucible for forming the low temperature region T 1 , the medium temperature region T 2 and the high temperature region T 3 may be formed of diamond-like carbon or glassy carbon (glassy carbon). Thereby, the generation of natural nuclei can be suppressed, and a high-quality SiC single crystal can be synthesized.
[0029]
Furthermore, by disposing a heat shield made of graphite outside the crucibles forming the low temperature region T 1 , the medium temperature region T 2, and the high temperature region T 3 , it is possible to suppress heat dissipation due to thermal radiation.
[0030]
In addition, if the heat shield is formed by arranging a plurality of strip-shaped graphite plates adjacent to each other with a gap therebetween so that the overall shape becomes a substantially cylindrical shape, induction current due to high frequency heating can be suppressed, and the heat shield can be attached to the crucible. More than one in the radial direction is better in terms of suppression of heat dissipation and induction current.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a synthesis apparatus used in this embodiment. In this synthesis apparatus, a cylindrical crucible 1 made of graphite is composed of a cylindrical upper crucible 1a and a lower crucible 1b, respectively. Further, the upper end of the upper crucible 1 a is closed by a disc-shaped lid 2. On the other hand, a cylindrical Si holding crucible 3 made of graphite is inserted inside the lower crucible 1b so as to be movable in the axial direction with a slight gap from the lower crucible 1b. The lower part of the Si holding crucible 3 is fixed to the upper surface of the disc-shaped crucible support 4, and the lower side surface of the Si holding crucible 3 is provided with a plurality of through holes 3 a leading to the gap. . A cylindrical support shaft 5 connected to a drive source (not shown) is fixed at the center of the lower surface of the crucible support base 4. That is, as the support shaft 5 moves up and down, the Si holding crucible 3 is movable in the axial direction. Further, since the support shaft 5 has a hollow cylindrical shape, the temperature of the bottom surface of the Si holding crucible 3 can be measured with a two-temperature pyrometer.
[0032]
Furthermore, the inner peripheral surfaces of the crucible 1 and the Si holding crucible 3 are formed of diamond-like carbon or glassy carbon (glassy carbon) having high smoothness. The surface roughness of the inner peripheral surfaces of the crucible 1 and the Si holding crucible 3 is preferably Rmax <10 μm.
[0033]
Three heat shields 6 are concentrically arranged in the radial direction of the crucible 1 outside the crucible 1. Each heat shield 6 has a plurality of strip-shaped graphite plates arranged adjacent to each other with a gap therebetween, and the overall shape is formed in a substantially cylindrical shape. The adjacent heat shields 6 do not overlap in the radial direction. Is provided. Moreover, since the heat shield 6 is not formed of carbon fiber or porous graphite that causes impurity contamination that is often used in general, there is no fear of impurity contamination. Furthermore, the upper ends of these heat shields 6 are closed by a disk-shaped lid 7 made of the same material.
[0034]
A cylindrical quartz tube 8 made of quartz is disposed outside the outermost heat shield 6 so as to be concentric with the heat shield 6. Cooling water such as water flows inside the quartz cylinder 8 so that the quartz cylinder 8 is protected. Further, although not shown, an RF work coil is disposed outside the quartz cylinder 8 so that the crucible 1 and the Si holding crucible 3 can be heated at a high frequency.
[0035]
In the crucible 1, a cylindrical seed crystal support rod 9 penetrating the center part of the lid 7 and the lid 2 is inserted into the crucible 1 so as to be movable in the axial direction. A disc-shaped seed crystal holder 10 is fixed to the lower end of the seed crystal support rod 9 so as to close the lower end opening. An SiC seed crystal 11 is fixed to the lower surface of the seed crystal holder 10 with a paste obtained by melting glucose at a high temperature. Since the seed crystal support rod 9 has a hollow cylindrical shape, the temperature of the seed crystal 11 can be measured with a two-temperature pyrometer. The seed crystal support rod 9 is provided so as to be able to rotate up to 200 rpm around the axis. The seed crystal support rod 9 is configured to be in a vacuum state within a range surrounded by the inner wall of the quartz cylinder 8 together with the crucible 1, the crucible support base 4 and the support rod 5.
[0036]
On the other hand, the Si holding crucible 3 contains a cylindrical bulk Si source 12. A disk-shaped Si vapor pressure control shield 13 made of carbon, quartz or SiC is placed on the upper surface of the Si source 12. The Si vapor pressure control shield 13 is formed with a plurality of passage holes 13a penetrating in the axial direction so that Si vapor can pass therethrough. Further, an Si vapor pressure control auxiliary shield 14 made of the same material as that of the Si vapor pressure control shield 13 is fixed at the center of the upper surface of the Si vapor pressure control shield 13. The Si vapor pressure control auxiliary shield 14 is composed of a central axis and two discs provided on the Si vapor pressure control shield 13 side. The Si vapor pressure control shield 13 and the Si vapor pressure control auxiliary shield 14 control the vapor pressure from the Si source 12, respectively. It controls the diffusion of Si in the phase.
[0037]
A cylindrical bulk carbon supply source (graphite) 15 is fixed to the upper end of the Si vapor pressure control auxiliary shield 14. The carbon supply source 15 is formed with a passage hole 15a penetrating in the axial direction so that Si vapor can pass therethrough. While passing through the passage hole 15a, Si reacts with graphite to become SiC forming gas which is an active species for SiC synthesis. The carbon supply source 15 is restricted from being lowered even when the Si holding crucible 3 is lowered by a drop stopper 16 fixed to the lower inner peripheral surface of the upper crucible 1a.
[0038]
In the synthesizing apparatus having such a configuration, the temperature of the Si source 12 is set to 1300 ° C. to 1600 ° C., the temperature of the seed crystal 11 is set to 2000 ° C. to 2400 ° C., and the temperature of the carbon supply source 15 by a work coil (not shown). Can be heated and controlled at 2300 ° C. to 3000 ° C., respectively. That is, the synthesis apparatus can form three regions in the crucible 1, that is, a low temperature region T 1 of the Si source 12, a medium temperature region T 2 of the seed crystal 11, and a high temperature region T 3 of the carbon supply source 15. It is configured.
[0039]
In this synthesizing apparatus, the through hole 3a of the Si holding crucible 3 is blocked by melting the Si source 12 due to high temperature, partly flowing out of the through hole 3a, and solidifying with the lower crucible 1b. The steam is efficiently guided upward.
[0040]
A method for synthesizing a SiC single crystal using the synthesizer having the above configuration will be described below.
[0041]
First, after setting the seed crystal 11, the Si source 12, the carbon supply source 15 and the like at predetermined positions, the seed crystal support rod 9 is moved upward to raise the seed crystal 11, and the Si source together with the Si holding crucible 3. After moving 12 downward, evacuation was performed for 1 hour in the space formed inside the inner wall of the quartz cylinder 8. Next, Ar gas was flowed into the apparatus to normal pressure (760 Torr), and the crucible 1 was heated to 2800 ° C. while flowing cooling water into the quartz cylinder 8 and baked for 1 hour to degas. . At this time, the graphite of the carbon supply source 15 remains in the crucible 1 due to the drop stopper 16 of the carbon supply source 15, so that it can be baked simultaneously.
[0042]
Next, the Si source 12 is moved upward together with the Si holding crucible 3 to the state shown in FIG. 1, the seed crystal support rod 9 and the seed crystal 11 are lowered to predetermined positions, and then the seed crystal support rod 9 is moved to 100 rpm. The work coil for high-frequency heating (not shown) was adjusted while rotating at a temperature of 2300 ° C. for the seed crystal 11, 2500 ° C. for the graphite of the carbon supply source 15, and 1600 ° C. for the Si source 12. By setting the temperature at such a normal pressure, it is possible to prevent a crystal having poor crystallinity from growing.
[0043]
Thereafter, the pressure inside the inner wall of the quartz cylinder 8 including the inside of the crucible 1 is lowered to 5 Torr in an Ar gas atmosphere, and this state is maintained, so that the Si vapor is passed through the passage hole 13a of the Si vapor pressure control shield 13. The SiC forming gas is formed by passing through the passage hole 15a of the carbon supply source 15, and the SiC forming gas reaches the seed crystal 11, and the surface of the seed crystal 11 has a speed of 1 to 2 mm / h. Then, a SiC single crystal was grown and finally a bulk of a 2 inch φ SiC single crystal was synthesized.
[0044]
When the photoluminescence characteristics of the SiC single crystal thus obtained were examined, the peak wavelength was about 490 nm, and it was found to be a 6H type SiC single crystal.
[0045]
In addition, as a result of Hall measurement, it was possible to synthesize a SiC single crystal having a specific resistance of 8 Ωcm, a carrier density of about 3 × 10 16 cm −3 , a conductivity type n-type, a high resistance, and a low carrier density. I understood.
[0046]
Furthermore, this SiC single crystal bulk was sliced into a wafer having a thickness of 400 μm, polished with a diamond grindstone, and double-sided mirror finished. As a result, it was visually uniform over the entire surface of 2 inches, and when polycrystallized from the end and the light transmittance of the crystal were examined, it was good for a wavelength of 2 to 5 μm. It was found that there were few good crystals.
[0047]
As described above, according to this embodiment, the temperature of the Si source 12 and carbon supply source 15 individually heated, so synthesized by controlling the vapor pressure at the respective optimum temperatures, Si in the high temperature region T 3 Since a high temperature can be set independently of the supply amount of SiC, a SiC single crystal can be synthesized efficiently. In addition, the Si source 12 and the carbon supply source 15 can be obtained in a bulky and high-purity material at a low cost, greatly reduce the impurity concentration, and synthesize a large and long SiC single crystal. can do. Moreover, since the graphite of the Si source 12 and the carbon source 15 is a single element, the synthesis conditions are stable, and a high-quality SiC single crystal can be obtained.
[0048]
Further, since the seed crystal support rod 9 can be rotated up to 200 rpm, it can improve the in-plane uniformity, and can promote the diffusion and increase the growth rate.
[0049]
Further, since the Si vapor pressure control shield 13 and the carbon supply source 15 are mechanically connected, the carbon supply source 15 is lowered as the Si source 12 decreases, and the synthesized SiC single crystal and carbon The distance to the supply source 15 is constant, and stable synthesis can be performed for a long time.
[0050]
Furthermore, since the inner surface of the crucible 1 or the like is made of diamond-like carbon or glassy carbon, generation of natural nuclei is suppressed, and a high-quality SiC single crystal can be obtained.
[0051]
The heat shield 6 suppresses heat radiation due to heat radiation and suppresses induced current due to high frequency heating.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for synthesizing a SiC single crystal according to the present invention, since single Si and C, which are single elements, are individually heated, a high-quality and large-sized SiC single crystal can be easily obtained. And can be obtained inexpensively at a high growth rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a synthesis apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing vapor pressure curves of C and SiC.
FIG. 3 is a graph showing vapor pressure curves of Si and C.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crucible, 3 ... Si holding crucible, 6 ... Heat shield, 9 ... Seed crystal support rod, 10 ... Seed crystal holder, 11 ... Seed crystal, 12 ... Si source, 13 ... Si vapor pressure control shield, 14 ... Si vapor pressure control auxiliary shield, 15 ... carbon source, T 1 ... a low-temperature region, T 2 ... intermediate temperature range, T 3 ... high-temperature region.

Claims (6)

合成装置内に3つの温度領域T、T、Tを形成するとともに、各領域の温度をT<T<Tとし、低温領域Tに固体のSi、中温領域TにSiCの種結晶またはSiC単結晶基板、高温領域Tに固体の炭素をそれぞれ設置して、前記低温領域T における液相のSiと気相のSiとの界面に、炭素、石英またはSiCからなるシールドを設けて前記Siの蒸気圧を制御しながら前記低温領域TからSiを蒸発させ、その蒸発させたSiを前記高温領域Tを通過させることにより前記炭素と反応させてSiC形成ガスを形成させ、前記SiC形成ガスを前記中温領域Tの種結晶またはSiC単結晶基板に到達させてSiC単結晶を合成することを特徴とするSiC単結晶の合成方法。Three temperature regions T 1 , T 2 , T 3 are formed in the synthesizer, and the temperature of each region is set to T 1 <T 2 <T 3 , so that the low temperature region T 1 is solid Si and the medium temperature region T 2 is Solid carbon is placed in each of a SiC seed crystal or a SiC single crystal substrate and the high temperature region T 3 , and carbon, quartz or SiC is formed on the interface between the liquid phase Si and the gas phase Si in the low temperature region T 1 . the composed shield is provided to evaporate the Si from the low temperature region T 1 while controlling the vapor pressure of the Si, is reacted with the carbon SiC forming gas by a Si obtained by its evaporation passing said high temperature region T 3 to form a method of synthesizing SiC single crystal, characterized in that said the SiC-forming gas to reach the seed crystal or the SiC single crystal substrate of the intermediate temperature range T 2 to synthesize SiC single crystal. 前記シールドと前記高温領域Tの炭素とを機械的に連結し、前記低温領域TのSiの蒸発によるSi量の減少に伴って、前記シールドに連結された前記高温領域Tの炭素が移動し、合成されたSiC単結晶と前記炭素との距離が一定となることを特徴とする請求項記載のSiC単結晶の合成方法。And said shield and said high temperature region T 3 carbon mechanically coupled, the with the decrease of the Si amount due to evaporation of the low-temperature region T 1 of the Si, the carbon of the high temperature region T 3 which is connected to the shield move, synthesized SiC synthetic methods SiC single crystal according to claim 1, wherein the distance between the single crystal and the carbon is characterized by a constant. 前記高温領域Tの炭素に細管またはスリットを設けることにより前記炭素の表面積を増大させ、前記低温領域Tから飛来するSiと前記炭素とを効率的に反応させることを特徴とする請求項1または2記載のSiC単結晶の合成方法。Claim 1, wherein the increasing the surface area of the carbon by providing a capillary or slit to the carbon of a high temperature region T 3, characterized in that to efficiently react with Si and the carbon coming from the low temperature region T 1 Or the synthesis method of the SiC single crystal of 2 . 前記低温領域T、中温領域Tおよび高温領域Tを形成する坩堝の少なくとも内面が、ダイヤモンドライクカーボンまたはガラス状炭素からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のSiC単結晶の合成方法。The low temperature region T 1, at least the inner surface of the crucible to form the intermediate temperature range T 2 and the high-temperature region T 3 is, in any one of claims 1 to 3, characterized in that it consists of diamond-like carbon or glassy carbon A method for synthesizing a SiC single crystal. 前記低温領域T、中温領域Tおよび高温領域Tを形成する坩堝の外側に、グラファイトからなる熱シールドを配置したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載のSiC単結晶の合成方法。The low temperature region T 1, the outside of the crucible to form the intermediate temperature range T 2 and the high-temperature region T 3, SiC single of any one of claims 1 to 4, characterized in that a heat shield made of graphite Crystal synthesis method. 前記熱シールドを、複数の短冊状のグラファイト板を隙間を設けて隣接配置して全体形状が略円筒形状となるように形成し、前記坩堝の径方向に複数配置したことを特徴とする請求項記載のSiC単結晶の合成方法。The heat shield is formed by arranging a plurality of strip-shaped graphite plates adjacent to each other with a gap therebetween so that the overall shape becomes a substantially cylindrical shape, and a plurality of the heat shields are arranged in a radial direction of the crucible. 5. A method for synthesizing a SiC single crystal according to 5 .
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