JP4288792B2 - Single crystal manufacturing method and single crystal manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種結晶貼付部材に装着した種結晶上に単結晶を製造するにおいて、欠陥の少ない高品質な単結晶を製造する単結晶製造方法及びこれに適した単結晶製造装置に関し、特に高品質な炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶製造方法及び炭化珪素半結晶製造装置に用いて好適である。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素単結晶は、高耐圧、高電子移動度という特徴を有するため、パワーデバイス用半導体基板として期待されている。炭化珪素単結晶成長には、一般に、昇華法(改良レーリー法)と呼ばれる単結晶成長方法が用いられる。
【0003】
改良レーリー法は、黒鉛製るつぼ内に炭化珪素原料を挿入すると共にこの原料部と対向するように種結晶を黒鉛製るつぼの内壁に装着し、原料部を2200〜2400℃に加熱して昇華ガスを発生させ、原料部より数十〜数百℃低温にした種結晶に再結晶化させることで炭化珪素単結晶を成長させるものである。
【0004】
ここで、従来では、黒鉛製るつぼの内壁に直接、または、図5(a)に示すような黒鉛製るつぼ1の蓋材12の内壁に設けた突起部に、種結晶5を貼り付けた状態で結晶成長を行っていた。このため、図5(b)に示すように、種結晶5上においての炭化珪素単結晶7の成長に伴って、結晶成長空間に露出した黒鉛製るつぼ1の内壁表面に多結晶8が成長し、その多結晶8が所望の炭化珪素単結晶7の周囲に付着・融合して炭化珪素単結晶7の周囲7aが多結晶化するなどの悪影響を及ぼして炭化珪素単結晶7に欠陥が生じるという問題があった。
【0005】
このため、上記問題を解決するべく、特開平6−48898公報において、周囲の多結晶が所望の単結晶より大きくなる前に単結晶成長を一旦停止し、黒鉛製るつぼから単結晶の周囲の多結晶を除去した後、単結晶成長を再開するという工程を何度も繰り返すことが提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法においては、一個の単結晶インゴットを作製するにあたって上記工程を複数回繰り返さなければならず煩雑である。しかも、炭化珪素単結晶の製造のように、2000℃以上という高温下で単結晶を成長させなければならない場合には、昇温・降温に時間がかかるため、単結晶製造工程時間が多大となる。さらに、周囲の多結晶が所望の単結晶を超えないタイミング、つまり多結晶が単結晶に付着する直前のタイミングを見いだし、かつ、安定して再現することは非常に難しい。
【0007】
本発明は上記問題に鑑みて成され、種結晶表面に成長させる単結晶と、この単結晶の周囲に形成される多結晶とが付着することを防止し、高品質な単結晶を製造できるようにすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、種結晶貼付部材(12b)と容器(11、12a)によってるつぼ(1)が構成され、種結晶貼付部材が容器に囲まれていると共に、種結晶貼付部材(12b)を囲む容器(11、12a)の端面と種結晶貼付部材との間に所定間隔の隙間(d)が形成されるように配置されており、種結晶貼付部材のうち種結晶が取付けられる表面は、該種結晶貼付部材が配設された容器の一面よりも凹むように位置しており、種結晶貼付部材のうち容器に囲まれる面が、種結晶を取付けたときに、種結晶と容器とによって覆われるようになっていることを特徴としている。
【0009】
このような構成によると、種結晶貼付部材のうち容器に囲まれる面が、種結晶と容器によって覆われるため、つまり種結晶貼付部材の表面が成長空間において露出しないようになるため、種結晶貼付部材の表面から多結晶が成長しないようにできる。このため、種結晶貼付部材から成長した多結晶が種結晶上に成長した単結晶に付着することを防止でき、高品質な単結晶を成長させることができる。
【0010】
さらに、請求項1に記載の発明においては、種結晶貼付部材(12b)を囲む容器(11、12a)の端面と種結晶貼付部材との間に所定間隔の隙間(d)が形成されるように配置し、該隙間を通じて成長空間内の原料ガスの引き抜きが行えるように構成することを特徴としている。
【0011】
このように種結晶貼付部材と容器の端面との間に所定間隔の隙間を設け、この隙間から原料ガスの引き抜きが行えるようにすれば、原料ガスの流動によって種結晶貼付部材のうち容器に囲まれる面上に多結晶が形成されないため、単結晶と容器の一面に形成される多結晶が付着しないようにすることができる。これにより、高品質な単結晶を成長させることができる。
【0012】
例えば、請求項2に示すように、種結晶貼付部材と、該種結晶貼付部材を囲む容器の端面との間の間隔は、種結晶貼付部材の形状に沿って、0.1mmより大きく、1mmよりも小さくなっていることが好ましい。すなわち、この間隔が短すぎると種結晶貼付部材と容器の端面とを離間させた効果がなくなり、長すぎると離間させてできる間隙が実質的に成長空間と同等になるため、上記範囲とするのが好ましい。例えば、請求項2のように原料ガスの引き抜きを行う場合、間隔が長すぎると原料ガスの流動が緩やかになるため、ガスの流動によって単結晶に多結晶が付着することを防止するという効果が薄れる。
【0013】
また、請求項3に示すように、種結晶貼付部材と容器との間に、容器から種結晶貼付部材への熱伝達を抑制する断熱部材が備えられるようにしてもよい。
【0014】
このように構成すれば、容器から種結晶貼付部材への熱伝達が抑制されるため、種結晶貼付部材が配設された容器の一面と種結晶貼付部材とに温度差を設けることができる。
【0015】
この場合、請求項4に示すように、断熱部材として、原料ガスが通過できる材料を用いれば、請求項1に示す効果が得られる。このような断熱部材として、例えば、請求項5に示す多孔質黒鉛が挙げられる。
【0016】
請求項6に記載の発明においては、種結晶表面は、種結晶貼付部材が配設された容器の一面に対して面一となっているか、若しくは若干量突出していることを特徴としている。
【0017】
種結晶表面が容器の一面に対して窪んだ状態になっていると、種結晶の周縁に位置する容器の影響(例えば、容器の昇華ガスの影響)を大きく受けて、成長した単結晶の周縁に欠陥が形成される場合がある。このため、上記構成とすることにより、単結晶の周縁に欠陥が形成されることを防止でき、高品質な単結晶とすることができる。特に、容器の一面を炭化珪素材料や高融点金属炭化物で予め被覆しておくと、その効果が大きくなる。
【0018】
請求項7に記載の発明においては、種結晶貼付部材及び容器の形状は、種結晶の成長表面温度が、種結晶貼付部材が配設された容器の一面の表面温度よりも低くなるように構成されていることを特徴としている。
【0019】
これにより、種結晶の成長表面に優先的に結晶成長が行われるようにできる。具体的には、請求項8に示すように、種結晶貼付部材のうち、種結晶が取付けられる面の反対側にザグリを設けることによって、種結晶貼付部材及び容器の形状を、種結晶の成長表面温度と容器の一面の表面温度とに温度差を付けられる形状とすることができる。
【0020】
なお、請求項9に示すように、請求項1乃至8に記載の単結晶製造装置において、るつぼをカーボン材料で構成し、炭化珪素で構成された種結晶上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる炭化珪素単結晶製造装置として適用する場合には、高温度下で結晶成長を行うことになるため、特に好適である。
【0021】
この場合、請求項10に示すように、種結晶貼付部材が配設された容器の一面を高融点金属炭化物で被覆するようにすると、さらに成長させる単結晶に不純物や欠陥が入りにくいようにできる。なお、高融点金属として、請求項11に示すように、炭化ハフニウム(HfC)、炭化タンタル(TaC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化チタン(TiC)のうちの少なくとも1つを用いることができる。
【0025】
請求項12に記載の発明においては、種結晶貼付部材(12b)と、該種結晶貼付部材を囲む容器(11、12a)の端面との間に所定間隔の隙間(d)をもって配置させ、該隙間を通じて成長空間内の原料ガスの引き抜きを行いつつ、種結晶の成長表面に単結晶を成長させることにより、単結晶の周囲を多結晶にて所定間隔隔てた状態で囲むようにしつつ、単結晶と多結晶を共に成長させていく埋込成長を行うことを特徴としている。
【0026】
このように、種結晶貼付部材と容器の端面との間に所定間隔の隙間が設けられるようにすることにより、この隙間から原料ガスの引き抜きを行うことができる。このようにガスの流動が行われる部位においては、結晶成長を抑制することができるため、種結晶の成長表面上に形成される単結晶に容器の一面の表面に形成される多結晶が付着することを防止することができる。これにより、高品質な単結晶を成長させることができる。
【0027】
請求項13に示すように、種結晶の成長表面温度を、種結晶貼付部材が配設された容器の一面の表面温度より低くすれば、種結晶の成長表面上において優先的に結晶成長が行われるようにできる。
【0028】
例えば、請求項14に示すように、種結晶貼付部材のうち、種結晶が取るつけられた面の反対側に低温ガスを吹き付けることによって、種結晶の成長表面温度が容器の一面の表面温度よりも低くなるようにできる。
【0029】
この場合、請求項15に示すように、低温ガスとして、るつぼの成長空間内に導入させる不活性ガスと同じ不活性ガスを用いることができる。また、請求項16に示すように、低温ガスとして、るつぼの成長空間内に導入させる不活性ガスと同じ不活性ガスに単結晶の不純物となる元素を混入させれば、単結晶に所望の不純物をドーピングすることも可能である。例えば、不純物となる元素して、請求項17に示すように、N(窒素)、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、P(リン)、As(砒素)のうち少なくとも1つを用いることができる。
【0030】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態について説明する。
【0032】
図1に本実施形態において用いられる結晶成長装置としての黒鉛製るつぼ1を示す。この図は、黒鉛製るつぼ1内に備えられた炭化珪素原料2を熱処理によって昇華させ、炭化珪素単結晶層で構成された種結晶5上に炭化珪素単結晶7を結晶成長させたときにおける黒鉛製るつぼ1の断面図である。
【0033】
この黒鉛製るつぼ1は、上面が開口しているるつぼ本体11と、るつぼ本体11の開口部を塞ぐ蓋部材12とから構成されている。この黒鉛製るつぼ1のうち、蓋材12は種結晶5を支持する台座となる。
【0034】
この蓋材12は、蓋部12aと種結晶貼付部材12bとによって構成されている。蓋部12aは、蓋材12の外形を構成していると共に、中央部が円形状に開口した形状を成している。種結晶貼付部材12bは、蓋部12aの開口部において取り外し可能に構成され、種結晶5を取り付けるため表面を有して構成されている。この種結晶貼付部材12bは、略円筒形状で構成されていると共に、種結晶5が貼り付けられる側とは反対側の端部がフランジ形状で構成されている。そして、蓋材12aの中央の開口部分に種結晶貼付部材12bを配置した時に、フランジ部分が引っ掛かりとなって種結晶貼付部材12bが蓋材12aの所定位置に固定されるようになっている。
【0035】
また、蓋部12aの中央の開口部分の内径は、ほぼ種結晶貼付部12bの外径と同等になっており、蓋部12aに種結晶貼付部12bを取り付けた時に蓋部12aの開口部分の内周壁(端面)と種結晶貼付部材12bの外周壁との間が間隔dとなるようにしている。このとき、間隔dが0.1mmよりも大きく、1.0mmよりも小さくなるようにしている。これは、間隔dが小さくなり過ぎると実質的に間隔が空けられていないのと同様になってしまうためと、大きくなり過ぎると成長空間と同様に作用するためである。
【0036】
さらに、種結晶貼付部材12bの厚み(軸方向の長さ)は、蓋部12aの厚みよりもほぼ種結晶5の厚み分と同等乃至若干少な目な程度薄くなっている。つまり、蓋材12を全体的に見た時に、単結晶5が取り付けていない時には、その種結晶5が取り付けられる部分が凹みとなるように構成され、種結晶5を取り付けた時に、種結晶5の成長表面が蓋部12aの表面に対して面一となっているか、若しくは若干量突出するように構成されている。
【0037】
このように、蓋部12aの中央の開口部分の内径は、ほぼ種結晶貼付部12bの外径と同等にしているため、種結晶貼付部材12bのうち種結晶5が配置される面(蓋材12の凹みの底面)は、種結晶5を配置した時に、種結晶5によってほぼ完全に覆われ、外部に露出しないようになっている。
【0038】
また、種結晶5の成長表面が、隣接する蓋部12aより窪んだ位置にならないようになっているため、種結晶5に隣接する蓋部12aの端部から昇華した炭素ガスが種結晶5の成長表面に影響しないようにできる。
【0039】
また、炭化珪素貼付部材12bを蓋部12aから切り離すと共に、蓋部12aよりも薄く構成しているため、熱伝導の関係により、種結晶5の成長表面温度を蓋部12aの表面温度よりも若干低温にすることができる。このため、種結晶5の成長表面に優先的に結晶成長が生じるようにできる。
【0040】
なお、黒鉛製るつぼ1は、アルゴンガスが導入できる真空容器(加熱炉)の中でヒータにより加熱できるようになっており、このヒータのパワーを調節することによって種結晶5の温度が炭化珪素原料粉末2の温度よりも10〜100℃程度低温に保つことができる。
【0041】
このように構成された黒鉛製るつぼ1を用いて炭化珪素単結晶7を種結晶5の成長表面に成長させると、図1に示すように、炭化珪素単結晶7は、成長に伴い径方向に拡張されながら成長が進み、ある程度まで径が拡大したのちその後はほぼ同一径で成長が進む。このとき、蓋部12aの表面から多結晶8が炭化珪素単結晶7の成長に沿って同様に成長するが、この多結晶8は、炭化珪素単結晶7から所定間隔隔てた状態で炭化珪素単結晶7を囲むように成長することが判った。つまり炭化珪素単結晶7が多結晶8に埋め込まれたような状態で成長するという埋め込み成長をするのである。
【0042】
このように、単結晶及び多結晶を、略同等の高さの隣接する異なる成長面(本実施形態の場合には、種結晶5の表面と蓋部12aの表面)に成長させると、単結晶と多結晶が所定間隔隔てた状態で融合しないように成長させることができる。
【0043】
これにより、単結晶に多結晶が付着することに起因する結晶欠陥の発生を防止でき、高品質で大口径な炭化珪素単結晶7を製造することができる。
【0044】
次に、上記構成の黒鉛製るつぼ1を用いて、実際に種結晶5の表面に炭化珪素単結晶7をさせた実験結果について説明する。
【0045】
炭化珪素単結晶7の成長は、以下に示すように行った。
【0046】
まず、種結晶5として、アチソン法にて作製された炭化珪素単結晶から直径10mm、厚さ1mmに切り出し、表面を鏡面仕上げしたものを用いた。また、このとき、種結晶5の成長面が(000−1)ジャスト面となるように結晶方位を決めた。
【0047】
そして、この種結晶5を種結晶貼付部材12aに貼付けたのち、蓋部12aに取付けた。このとき、種結晶貼付部材12bと単結晶製造装置の蓋部12aとの間の隙間dは、0.5mmとした。
【0048】
これら蓋部12a及び種結晶貼付部材12bを、あらかじめ炭化珪素原料粉末2を入れたるつぼ本体11に装着した。そして、黒鉛製るつぼ1を加熱炉の中に設置し、炭化珪素原料粉末2の温度を2290℃、種結晶5の成長表面温度を2230℃、雰囲気圧力が1Torrとなる条件下で、24時間、昇華法により炭化珪素単結晶7を成長させた。
【0049】
これにより得られた炭化珪素単結晶7は、成長高さ約12mm、最大直径約15mmであった。また、種結晶貼付部材12bからの多結晶発生はほとんどなく、種結晶5周囲の単結晶製造装置表面から発生した多結晶8と成長した炭化珪素単結晶6とも完全に分離できていた。この炭化珪素単結晶7から切り出した炭化珪素単結晶基板の周縁部には、多結晶との融合によって生じる多結晶や亀裂もしくはサブグレイン状の欠陥はほとんどなかった。
【0050】
(第2実施形態)
本実施形態における黒鉛製るつぼ1は、第1実施形態に対して蓋材12の構成が異なるのみであるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【0051】
図2に、本実施形態における結晶成長装置としての黒鉛製るつぼ1の蓋材12の断面図を示す。また、図2に示す蓋材12の正面図及び裏面図をそれぞれ図3(a)、(b)に示す。
【0052】
本実施形態では、蓋材12を一部材で構成し、蓋材12の中央部に略円形状の凹み13を形成し、この凹み13によって第1実施形態における種結晶貼付部材12bを構成して、凹み13内に種結晶5が配置されるようにしている。
【0053】
また、蓋材12の凹み13の外周には蓋材12の所定深さの位置まで切欠き14が形成されていると共に、蓋材12の裏面側(種結晶5が配置される面の反対面側)には、切欠き14と連通するガス抜き孔15が複数箇所(図3では6箇所)に形成されている。
【0054】
これら切欠き14及びガス抜き孔15を通じて黒鉛製るつぼ1の中のガスが抜けるようになっている。なお、凹み13の深さは、種結晶5の厚みと同等乃至若干浅めに形成されており、また切欠き14の幅は第1実施形態における蓋部12aと種結晶貼付部材12bとの間と同様に間隔dとされている。
【0055】
次に、上記構成の黒鉛製るつぼ1を用いて、実際に種結晶5の表面に炭化珪素単結晶7をさせた実験結果について説明する。
【0056】
まず、第1実施形態の実験で用いたものと同様の種結晶5を用意し、この種結晶5を凹み13内に貼付け、あらかじめ炭化珪素原料粉末2を入れたるつぼ本体11に蓋材12を装着した。
【0057】
そして、黒鉛製るつぼ1を加熱炉の中に設置し、炭化珪素原料粉末2の温度を2300℃、種結晶15の成長表面温度を2230℃、雰囲気圧力が1Torrとなる条件下で、24時間、昇華法により炭化珪素単結晶7を成長させた。
【0058】
これにより得られた炭化珪素単結晶7は、成長高さ約15mm、最大直径約15mmであった。ガス抜き孔15を通過した昇華ガスの一部は、黒鉛製るつぼ1の他の部分に付着し多結晶化していた。
【0059】
また、種結晶貼付部材2からの多結晶発生はほとんどなく、種結晶5の周囲の蓋材12の表面から発生した多結晶8と成長した炭化珪素単結晶6とも完全に分離できていた。
【0060】
この炭化珪素単結晶7から切り出した炭化珪素単結晶基板の周縁部には、多結晶との融合によって生じる多結晶や亀裂もしくはサブグレイン状の欠陥はほとんどなかった。
【0061】
(第3実施形態)
本実施形態における黒鉛製るつぼ1は、第1実施形態に対して蓋材12の構成が異なるのみであるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【0062】
図4に、本実施形態における結晶成長装置としての黒鉛製るつぼ1の蓋材12の断面図を示す。
【0063】
本実施形態は、第1実施形態と同様に蓋材12を蓋部12aと種結晶貼付部材12bとで構成しているが、種結晶貼付部材12bのフランジ部の張り出し量を大きくすると共に、蓋部12aと種結晶貼付部12bとの間の間隔を広げ、この間に多孔質黒鉛を充填させた構成としている。この多孔質黒鉛は、断熱性を有していて蓋部12aから種結晶貼付部材12bへの熱伝導を抑制できると共に、黒鉛製るつぼ1内の原料ガスが通過できる程度の空孔を有している材料である。
【0064】
なお、その他、種結晶貼付部材12bの厚みなどの構成については、第1実施形態と同様である。
【0065】
次に、上記構成の黒鉛製るつぼ1を用いて、実際に種結晶5の表面に炭化珪素単結晶7をさせた実験結果について説明する。
【0066】
まず、第1実施形態の実験で用いたものと同様の種結晶5を用意する。続いて、多孔質黒鉛を挟んだ状態で蓋部12aの中央の開口部分に種結晶貼付部材12bを組付け、その後、種結晶15を種結晶貼付部材12bに取り付ける。
【0067】
そして、あらかじめ炭化珪素原料粉末2を入れたるつぼ本体1に蓋材12を装着した。
【0068】
そして、黒鉛製るつぼ1を加熱炉の中に設置し、炭化珪素原料粉末2の温度を2290℃、種結晶5の成長表面温度を2230℃、雰囲気圧力が1Torrとなる条件下で、24時間、昇華法により炭化珪素単結晶7を成長した。
【0069】
このようにして得られた炭化珪素単結晶7は、成長高さ約13mm、最大直径約18mmであった。第1実施形態での実験結果に比べて炭化珪素単結晶7の直径は大きくなった。また、第1実施形態と同様に、炭化珪素単結晶7から切り出した炭化珪素単結晶基板の周縁部には、多結晶との融合によって生じる多結晶や亀裂もしくはサブグレイン状の欠陥はほとんどなかった。
【0070】
(比較例)
参考として、図5に示す従来構造の黒鉛製るつぼ1を用いて炭化珪素単結晶を成長させた場合の実験結果を示す。
【0071】
まず、第1実施形態ど同様の構成の種結晶5を準備した。そして、この種結晶5を、図5に示すような黒鉛製るつぼ1の蓋部12の突起部に貼付け、あらかじめ炭化珪素原料粉末2を入れたるつぼ本体1に装着した。
【0072】
そして、黒鉛製るつぼ1を加熱炉の中に設置し、炭化珪素原料粉末2の温度を2290℃、種結晶5の成長表面温度を2230℃、雰囲気圧力が1Torrとなる条件下で、24時間、昇華法により炭化珪素単結晶7を成長させた。
【0073】
これにより得られた炭化珪素単結晶7は、成長高さ約12mm、最大直径約15mmであった。
【0074】
しかしながら、突起部周辺には多結晶8が発生しており、そこから炭化珪素単結晶7の周囲に沿った状態で多結晶8が成長していた。この炭化珪素単結晶7から切り出した炭化珪素単結晶基板の周縁部7aには、多結晶との融合によって生じる多結晶や亀裂もしくはサブグレイン状の欠陥が観察された。
【0075】
(他の実施形態)
上記各実施形態では、本発明を炭化珪素単結晶の結晶成長に用いた場合について説明したが、その他の結晶成長に用いることも可能である。
【0076】
また、上記実施形態では、黒鉛製るつぼ1そのものを単結晶成長装置に用いたが、黒鉛製るつぼ1の内壁を高融点金属及びその炭化物で被覆してもい。このように高融点金属で黒鉛製るつぼ1の内壁を被覆することにより、Si/C比が均一になり、より結晶欠陥のない炭化珪素単結晶7を形成することが可能である。なお、高融点金属炭化物としては、例えば、炭化ハフニウム(HfC)、炭化タンタル(TaC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化チタン(TiC)のいずれかを用いることができる。
【0077】
また、第3実施形態において、多孔質黒鉛を用いたがガスの通過が行えるものであれば、他のものであってもよい。
【0078】
さらに、上記実施形態では種結晶貼付部材12bへの熱伝達が行われにくくするために、多孔質黒鉛を蓋部12aと種結晶貼付部材12bとの間に配置したりしたが、種結晶5の成長表面温度が隣接する蓋部12aの表面温度よりも低くなるように、種結晶貼付部12bのうち種結晶5が配置される方と反対側(以下、裏面という)にザグリを設けたりしてもよい。また、種結晶貼付部材12bの裏面に低温ガスを吹き付け、種結晶5の成長表面が蓋部12aの表面よりも低温にすることもできる。このとき、低温のガスとしては、結晶成長時に黒鉛製るつぼ1内に導入される不活性ガスと同様のものを用いればよい。そして、炭化珪素単結晶7として所望のドープ単結晶を形成したい場合には、種結晶貼付部材12bに吹き付ける不活性ガスに、ドープするのに必要な元素を含ませるようにしてもよい。例えば、ドープする元素としてはN(窒素)、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、P(リン)、As(砒素)等のいずれかを不活性ガスに含ませる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における黒鉛製るつぼ1の断面構成を示す図である。
【図2】本発明の第2実施形態における蓋材12の断面構成を示す図である。
【図3】(a)は、図2に示す蓋材12の正面図、(b)は、図2に示す蓋材12の裏面図である。
【図4】本発明の第3実施形態における蓋材12の断面構成を示す図である。
【図5】(a)は従来における黒鉛製るつぼ1の断面構成を示す図であり、(b)は(a)に示す黒鉛製るつぼ1の蓋材12の近傍を拡大した図である。
【符号の説明】
1…黒鉛製るつぼ、2…炭化珪素原料、5…種結晶、7…炭化珪素単結晶、
8…多結晶、12…蓋材、12a…蓋部、12b…種結晶貼付部材、
13…凹み、14…切欠き、15…ガス抜き孔。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single crystal manufacturing method and a single crystal manufacturing apparatus suitable for the single crystal manufacturing method for manufacturing a high quality single crystal with few defects in manufacturing a single crystal on a seed crystal mounted on a seed crystal sticking member. It is suitable for use in a silicon carbide single crystal manufacturing method and a silicon carbide semi-crystal manufacturing apparatus for manufacturing a quality silicon carbide single crystal.
[0002]
[Prior art]
Since silicon carbide single crystal has characteristics of high breakdown voltage and high electron mobility, it is expected as a semiconductor substrate for power devices. A single crystal growth method called a sublimation method (improved Rayleigh method) is generally used for silicon carbide single crystal growth.
[0003]
In the modified Rayleigh method, a silicon carbide raw material is inserted into a graphite crucible and a seed crystal is mounted on the inner wall of the graphite crucible so as to face the raw material portion, and the raw material portion is heated to 2200 to 2400 ° C. to sublimate gas. A silicon carbide single crystal is grown by recrystallizing a seed crystal having a temperature lower by several tens to several hundreds of degrees Celsius than the raw material portion.
[0004]
Here, conventionally, a state in which the
[0005]
Therefore, in order to solve the above problem, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-48898, the single crystal growth is temporarily stopped before the surrounding polycrystal becomes larger than the desired single crystal, and the polycrystal around the single crystal is separated from the graphite crucible. It has been proposed to repeat the process of resuming single crystal growth after removing the crystal many times.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this method, the above process must be repeated a plurality of times in order to produce one single crystal ingot. In addition, when a single crystal must be grown at a high temperature of 2000 ° C. or more as in the case of manufacturing a silicon carbide single crystal, it takes time to raise and lower the temperature, and thus the single crystal production process takes a long time. . Furthermore, it is very difficult to find the timing when the surrounding polycrystal does not exceed the desired single crystal, that is, the timing immediately before the polycrystal adheres to the single crystal, and to reproduce it stably.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and prevents the single crystal grown on the surface of the seed crystal and the polycrystal formed around the single crystal from adhering, so that a high-quality single crystal can be produced. The purpose is to.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, the crucible (1) is constituted by the seed crystal sticking member (12b) and the container (11, 12a), and the seed crystal sticking member is surrounded by the container. In addition, the seed crystal sticking member is disposed such that a gap (d) having a predetermined interval is formed between the end face of the container (11, 12a) surrounding the seed crystal sticking member (12b) and the seed crystal sticking member. The surface to which the seed crystal is attached is positioned so as to be recessed from one surface of the container in which the seed crystal attaching member is disposed, and the surface surrounded by the container of the seed crystal attaching member is attached to the seed crystal. It is characterized by being covered with a seed crystal and a container.
[0009]
According to such a configuration, the surface of the seed crystal sticking member surrounded by the container is covered with the seed crystal and the container, that is, the surface of the seed crystal sticking member is not exposed in the growth space. Polycrystals can be prevented from growing from the surface of the member. For this reason, the polycrystal grown from the seed crystal sticking member can be prevented from adhering to the single crystal grown on the seed crystal, and a high-quality single crystal can be grown.
[0010]
Furthermore, in the first aspect of the invention, a gap (d) having a predetermined interval is formed between the end face of the container (11, 12a) surrounding the seed crystal sticking member (12b) and the seed crystal sticking member. And the material gas in the growth space can be extracted through the gap.
[0011]
In this way, if a gap of a predetermined interval is provided between the seed crystal sticking member and the end face of the container, and the source gas can be extracted from this gap, the seed crystal sticking member is surrounded by the container by the flow of the source gas. Since the polycrystal is not formed on the surface to be bonded, the single crystal and the polycrystal formed on the one surface of the container can be prevented from adhering. Thereby, a high quality single crystal can be grown.
[0012]
For example, as shown in
[0013]
Further, as shown in claim 3 , a heat insulating member that suppresses heat transfer from the container to the seed crystal sticking member may be provided between the seed crystal sticking member and the container.
[0014]
If comprised in this way, since the heat transfer from a container to a seed crystal sticking member is suppressed, a temperature difference can be provided in the one surface and the seed crystal sticking member in which the seed crystal sticking member was arrange | positioned.
[0015]
In this case, as shown in claim 4 , if a material through which the source gas can pass is used as the heat insulating member, the effect shown in claim 1 can be obtained. Examples of such a heat insulating member include porous graphite shown in
[0016]
The invention according to claim 6 is characterized in that the surface of the seed crystal is flush with or slightly protrudes from one surface of the container in which the seed crystal sticking member is disposed.
[0017]
If the seed crystal surface is recessed with respect to one surface of the container, the periphery of the grown single crystal is greatly affected by the influence of the container located at the periphery of the seed crystal (for example, the influence of the sublimation gas of the container). In some cases, defects may be formed. For this reason, by setting it as the said structure, it can prevent that a defect is formed in the periphery of a single crystal, and can be set as a high quality single crystal. In particular, when one surface of the container is previously coated with a silicon carbide material or a refractory metal carbide, the effect is increased.
[0018]
In the invention according to
[0019]
Thereby, crystal growth can be performed preferentially on the growth surface of the seed crystal. Specifically, as shown in
[0020]
In addition, as shown in claim 9 , in the single crystal manufacturing apparatus according to claims 1 to 8 , the crucible is made of a carbon material, and a silicon carbide single crystal is grown on a seed crystal made of silicon carbide. When applied as a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus, crystal growth is performed at a high temperature, which is particularly preferable.
[0021]
In this case, as shown in claim 10 , if one surface of the container in which the seed crystal sticking member is disposed is coated with a refractory metal carbide, impurities and defects can be prevented from entering the single crystal to be further grown. . As the refractory metal, as shown in
[0025]
In the invention described in
[0026]
In this manner, by providing a gap with a predetermined interval between the seed crystal sticking member and the end face of the container, the source gas can be extracted from this gap. Since the crystal growth can be suppressed at the portion where the gas flows in this way, the polycrystal formed on the surface of one surface of the container adheres to the single crystal formed on the growth surface of the seed crystal. This can be prevented. Thereby, a high quality single crystal can be grown.
[0027]
According to a thirteenth aspect of the present invention, if the growth surface temperature of the seed crystal is lower than the surface temperature of one surface of the container in which the seed crystal sticking member is disposed, the crystal growth is preferentially performed on the growth surface of the seed crystal. Can be
[0028]
For example, as shown in
[0029]
In this case, as shown in
[0030]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments shown in the drawings will be described.
[0032]
FIG. 1 shows a graphite crucible 1 as a crystal growth apparatus used in this embodiment. This figure shows graphite obtained when a silicon carbide
[0033]
The graphite crucible 1 is composed of a
[0034]
The
[0035]
Further, the inner diameter of the central opening portion of the
[0036]
Furthermore, the thickness (axial length) of the seed
[0037]
Thus, since the inner diameter of the central opening of the
[0038]
In addition, since the growth surface of the
[0039]
Moreover, since the silicon
[0040]
The graphite crucible 1 can be heated by a heater in a vacuum vessel (heating furnace) into which argon gas can be introduced. By adjusting the power of the heater, the temperature of the
[0041]
When the silicon carbide
[0042]
As described above, when the single crystal and the polycrystal are grown on the adjacent different growth surfaces (in the case of the present embodiment, the surface of the
[0043]
Thereby, generation | occurrence | production of the crystal defect resulting from a polycrystal adhering to a single crystal can be prevented, and the high quality and large diameter silicon carbide
[0044]
Next, experimental results in which the silicon carbide
[0045]
The growth of the silicon carbide
[0046]
First, as the
[0047]
And after attaching this
[0048]
The
[0049]
Silicon carbide
[0050]
(Second Embodiment)
The graphite crucible 1 in the present embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the
[0051]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
[0052]
In the present embodiment, the
[0053]
In addition, a
[0054]
The gas in the graphite crucible 1 is allowed to escape through the
[0055]
Next, experimental results in which the silicon carbide
[0056]
First, a
[0057]
Then, the graphite crucible 1 is placed in a heating furnace, the temperature of the silicon carbide
[0058]
Silicon carbide
[0059]
Moreover, there was almost no polycrystal generation from the seed
[0060]
The peripheral portion of the silicon carbide single crystal substrate cut out from the silicon carbide
[0061]
(Third embodiment)
The graphite crucible 1 in the present embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the
[0062]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the
[0063]
In the present embodiment, the
[0064]
Other configurations such as the thickness of the seed
[0065]
Next, experimental results in which the silicon carbide
[0066]
First, a
[0067]
And the lid | cover
[0068]
Then, the graphite crucible 1 is placed in a heating furnace, the temperature of the silicon carbide
[0069]
The thus obtained silicon carbide
[0070]
(Comparative example)
As a reference, experimental results when a silicon carbide single crystal is grown using the graphite crucible 1 having the conventional structure shown in FIG. 5 are shown.
[0071]
First, a
[0072]
Then, the graphite crucible 1 is placed in a heating furnace, the temperature of the silicon carbide
[0073]
Silicon carbide
[0074]
However, the
[0075]
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the case where the present invention is used for crystal growth of a silicon carbide single crystal has been described. However, the present invention can also be used for other crystal growth.
[0076]
In the above embodiment, the graphite crucible 1 itself is used in the single crystal growth apparatus. However, the inner wall of the graphite crucible 1 may be covered with a refractory metal and its carbide. By covering the inner wall of the graphite crucible 1 with a refractory metal in this manner, the silicon carbide
[0077]
In the third embodiment, porous graphite is used, but other materials may be used as long as gas can pass therethrough.
[0078]
Furthermore, in the above embodiment, in order to make it difficult for heat transfer to the seed
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a graphite crucible 1 in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a
3A is a front view of the
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a
5A is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional graphite crucible 1, and FIG. 5B is an enlarged view of the vicinity of the
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Graphite crucible, 2 ... Silicon carbide raw material, 5 ... Seed crystal, 7 ... Silicon carbide single crystal,
8 ... Polycrystal, 12 ... Lid, 12a ... Lid, 12b ... Seed crystal sticking member,
13 ... dent, 14 ... notch, 15 ... gas vent.
Claims (18)
前記種結晶貼付部材は前記容器に囲まれていると共に、前記容器のうち該種結晶貼付部材を囲んでいる部分の端面との間に所定間隔の隙間をもって配置され、該隙間を通じて前記成長空間内の原料ガスの引き抜きが行えるように構成されており、
前記種結晶貼付部材のうち前記種結晶が取付けられる表面は、該種結晶貼付部材が配設された前記容器の一面よりも凹むように位置しており、前記種結晶を取付けたときに、前記種結晶と前記容器とによって、前記成長空間に露出しないようになっていることを特徴とする単結晶製造装置。It has a crucible (1) provided with a container (11, 12a) in which a seed crystal sticking member (12b) is arranged on one surface, and attaches the seed crystal (5) to the surface of the seed crystal sticking member, A single crystal manufacturing apparatus for growing a single crystal on a growth surface of the seed crystal by introducing a single crystal source gas to be grown in a growth space in a crucible,
The seed crystal affixing member is surrounded by the container, and is disposed with a predetermined gap between the container and an end surface of the portion of the container surrounding the seed crystal affixing member. It is configured so that the source gas can be extracted,
The surface to which the seed crystal is attached of the seed crystal sticking member is positioned so as to be recessed from one surface of the container in which the seed crystal sticking member is disposed, and when the seed crystal is attached, The single crystal manufacturing apparatus, wherein the seed crystal and the container do not expose the growth space.
前記るつぼは、カーボン材料で構成されており、炭化珪素で構成された前記種結晶の成長表面に炭化珪素単結晶を結晶成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。In the single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 8 ,
The crucible is made of a carbon material, and a silicon carbide single crystal is grown on a growth surface of the seed crystal made of silicon carbide.
前記種結晶貼付部材を前記容器で囲むと共に、該種結晶貼付部材を囲む前記容器の端面との間に所定間隔の隙間をもって配置させ、該隙間を通じて前記成長空間内の原料ガスの引き抜きを行い、かつ、前記種結晶貼付部材のうち前記種結晶が取付けられる表面が、該種結晶貼付部材が配設された前記容器の一面よりも凹むように位置させると共に、前記種結晶を前記種結晶貼付部材に取付けたときに該種結晶と前記容器とによって全面覆われるようにさせて、前記種結晶上に前記単結晶を成長させることにより、前記単結晶の周囲を多結晶にて所定間隔隔てた状態で囲むようにしつつ、前記単結晶と前記多結晶を共に成長させていく埋込成長を行うことを特徴とする単結晶製造方法。After attaching the seed crystal (5) to the surface of the seed crystal sticking member of the crucible (1) provided with the container (11, 12a) in which the seed crystal sticking member (12b) is disposed on one surface, the inside of the crucible A single crystal manufacturing method in which a single crystal source gas and an inert gas to be grown in a growth space are introduced, the source gas is supplied to the seed crystal, and a single crystal is grown on the growth surface of the seed crystal. There,
Surrounding the seed crystal affixing member with the container, and placing the seed crystal affixing member with a predetermined gap between the end surface of the container surrounding the seed crystal affixing member, and drawing the source gas in the growth space through the gap, And the surface to which the said seed crystal is attached among the said seed crystal sticking members is located so that it may dent rather than the one surface of the said container by which this seed crystal sticking member was arrange | positioned, and the said seed crystal is said seed crystal sticking member The single crystal is grown on the seed crystal by covering the entire surface with the seed crystal and the container when attached to the single crystal, so that the single crystal is surrounded by a polycrystal at a predetermined interval. A method of manufacturing a single crystal comprising performing embedded growth in which the single crystal and the polycrystal are grown together while being surrounded by a circle .
前記種結晶として炭化珪素を用い、前記原料ガスとして炭化珪素原料ガスを前記るつぼの成長空間内に導入させることにより、前記種結晶の成長表面に炭化珪単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶製造方法。The method for producing a single crystal according to any one of claims 12 to 17 ,
Silicon carbide is used as the seed crystal, and a silicon carbide single crystal is grown on the growth surface of the seed crystal by introducing a silicon carbide source gas as the source gas into the growth space of the crucible. Silicon single crystal manufacturing method.
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