JP4986342B2 - Silicon carbide single crystal and method for producing the same - Google Patents

Silicon carbide single crystal and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に使用可能な炭化ケイ素単結晶及びその効率的な製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化ケイ素は、ケイ素に比し、バンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れることから、小型で高出力の半導体等の電子デバイス材料として、また、光学的特性に優れることから、光学デバイス材料として注目されてきている。かかる炭化ケイ素の結晶の中でも、炭化ケイ素単結晶は、炭化ケイ素多結晶に比し、ウエハ等のデバイスに応用した際にウエハ内特性の均一性等に特に優れるという利点がある。
前記炭化ケイ素単結晶の製造方法としては、黒鉛製坩堝を用い、炭化ケイ素粉末を昇華させ、炭化ケイ素単結晶の種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させる改良レーリー法(改良昇華再結晶法)が知られているが、不純物元素(1989年IUPAC無機化学命名法改訂版の周期律表における1族から17族元素に属しかつ原子番号3以上(但し、炭素原子、窒素原子、酸素原子及びケイ素原子を除く)である元素をいう。以下同じ。)の含有量が1.0質量ppm以下である炭化ケイ素単結晶を製造する方法はあまり知られていない。
一方、前記不純物元素ではない窒素原子を多く含有する炭化ケイ素粉末を用いて得た炭化ケイ素単結晶は、窒素が炭化ケイ素結晶に対しドナー原子として電子導電性を付与するため、n型半導体としては利用することができるものの半絶縁体乃至絶縁体としては利用することができない。このため、高周波用途のMESFETなど一部のデバイスでは、基板の高周波損失を抑える等の目的から高絶縁性基板の使用が望まれているが、このような高絶縁性基板として好適な炭化ケイ素単結晶の製造方法は、未だ提供されていないのが現状である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであり、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、前記不純物元素の含有量が少なく、かつ前記不純物元素でない窒素等の元素の含有量も少なく、半絶縁体乃至絶縁体として使用可能であり、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に使用可能な炭化ケイ素単結晶、及び、該炭化ケイ素単結晶を効率よく製造し得る炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
<1> 窒素含有量が100質量ppm以下であり、かつ不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<2> 炭化ケイ素粉末の窒素含有量が50質量ppm以下である前記<1>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<3> 窒素含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<4> 炭化ケイ素粉末が、ケイ素源とキシレン系樹脂とを少なくとも含有する混合物を焼成して得られる前記<1>から<3>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<5> ケイ素源が、アルコキシシラン化合物である前記<4>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<6> 混合物が、ケイ素源に酸を添加した後、キシレン系樹脂を添加して得られる前記<4>又は<5>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<7> 焼成の際、混合物における、キシレン系樹脂に含まれる炭素とケイ素源に含まれるケイ素との比が1.8以下である前記<4>から<6>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<8> 炭化ケイ素粉末の体積平均径が50〜400μmである前記<1>から<7>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<9> 炭化ケイ素粉末が、結晶多型がベータ型(3C)である炭化ケイ素粉末を30質量%以下含有する前記<1>から<8>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<10> 炭化ケイ素単結晶を、その全成長過程を通して、その成長面の全面を凸形状に保持したまま成長させる前記<1>から<9>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<11> 炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶を略山形に成長させる前記<1>から<10>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<12> 炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶が、炭化ケイ素単結晶のみからなる前記<1>から<11>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<13> 炭化ケイ素粉末を反応容器内に収容し、該反応容器内の該炭化ケイ素粉末に略対向する端部に炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、
炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶の成長が、該端部における、該反応容器内の周側面部との隣接部を除く領域でのみ行われる前記<1>から<12>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<14> 炭化ケイ素粉末を反応容器内の一端部側に収容し、該反応容器内の他端部側に炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、
前記一端部側に配置した第一加熱手段により、該炭化ケイ素粉末が昇華可能となるように昇華雰囲気を形成し、
前記他端部側に配置した第二加熱手段により、前記第一加熱手段により昇華された炭化ケイ素が前記炭化ケイ素単結晶の種結晶近傍でのみ再結晶可能となるように再結晶雰囲気を形成し、該炭化ケイ素を前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上に再結晶させる前記<1>から<13>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<15> 第一加熱手段及び第二加熱手段が誘導加熱可能なコイルである前記<14>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<16> 第一加熱手段における誘導加熱電流の電流値が、第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値よりも大きい前記<15>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<17> 第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値を、成長する炭化ケイ素単結晶の径が大きくなるにつれて、連続的又は段階的に小さくする前記<15>又は<16>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<18> 反応容器内の、炭化ケイ素粉末を収容した一端部側の温度をTとし、炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置した他端部側の温度をTとし、該他端部側における、反応容器の内周側面部との隣接部の温度Tとした時、T−T及びT−Tが連続的又は段階的に大きくなる前記<14>から<17>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<19> 前記<1>から<18>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造されることを特徴とする炭化ケイ素単結晶である。
<20> 非破壊で光学的に画像検出した中空パイプ状の結晶欠陥が100個/cm以下である前記<19>に記載の炭化ケイ素単結晶である。
<21> 不純物元素の総含有量が10質量ppm以下である前記<19>又は<20>に記載の炭化ケイ素単結晶である。
<22> 体積抵抗値が1×10Ω・cm以上である前記<19>から<21>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶である。
<23> 窒素含有量が0.01質量ppm以下である前記<19>から<22>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶である。
【0005】
前記課題を解決するための手段としては、更に以下のものが挙げられる。即ち、
<24> 焼成が、非酸化性雰囲気下、100〜1000℃/hで1300〜1600℃まで昇温し、その後50〜300℃/hで1800〜2100℃まで昇温後、1800〜2100℃で240分以内保持することで行われる前記<4>から<18>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<25> 焼成の際、ケイ素源及び炭素源に対しハロゲン又はハロゲン化水素1〜5容量%が添加される前記<4>から<18>及び<24>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<26> 焼成の後、加熱による後処理が行われる前記<4>から<18>及び<23>から<25>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<27> 後処理が2150〜2400℃で行われる前記<26>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<28> 後処理がアルゴン雰囲気で3〜8時間行われる前記<26>又は<27>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<29> 炭化ケイ素粉末の体積平均粒径(D50)が0.5〜800μmである前記<1>から<18>及び<23>から<28>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<30> 炭化ケイ素粉末の粒度分布(D90/D10)が4以下である前記<1>から<18>及び<23>から<29>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<31> 反応容器内において、再結晶雰囲気の温度が昇華雰囲気の温度よりも30〜300℃低い前記<12>から<18>及び<23>から<30>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<32> 反応容器が、石英管内に配置された坩堝である前記<12>から<18>及び<23>から<31>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<33> 他端部における、該反応容器内の周側面部との隣接部の表面が、ガラス状カーボンである前記<12>から<18>及び<23>から<32>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<34> 第一加熱手段と第二加熱手段との間に、誘導電流を通電可能であり、該誘導電流を通電することにより該第一加熱手段と該第二加熱手段との間における干渉を防止する干渉防止手段が配置される前記<12>から<18>及び<23>から<33>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<35> 干渉防止手段が、冷却水を流通可能なコイルである前記<34>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<36> 一端部が下端部であり、他端部が上端部である前記<12>から<18>及び<23>から<35>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
<37> 他端部における、炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域と、該領域の外周に位置し反応容器の内周側面部と隣接する領域とが、別の部材で形成されており、かつ該炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域を形成する部材における、一端が反応容器の内部に露出し、他端が反応容器の外部に露出している前記<12>から<18>及び<23>から<36>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法である。
【0006】
前記<1>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、窒素含有量が100質量ppm以下であり、かつ不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させるため、再結晶される炭化ケイ素単結晶中の窒素含有量が低い。このため、製造された炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適である。
【0007】
前記<2>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>において、前記炭化ケイ素粉末の窒素含有量が50質量ppm以下であるので、再結晶される炭化ケイ素単結晶中の窒素含有量が極めて低い。このため、製造された炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である。
【0008】
前記<3>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、窒素含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させるので、再結晶される炭化ケイ素単結晶中の窒素含有量が極めて低い。このため、製造された炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である。
【0009】
前記<4>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<3>のいずれかにおいて、前記炭化ケイ素粉末が、ケイ素源とキシレン系樹脂とを少なくとも含有する混合物を焼成して得られ、該炭化ケイ素粉末の窒素含有量が低いので、製造される炭化ケイ素単結晶中の窒素含有量が低い。このため、製造される炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である。
【0010】
前記<5>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>において、前記ケイ素源がテトラアルコキシシラン重合体である。このため、前記炭化ケイ素粉末が、低コストで容易に得られる。
【0011】
前記<6>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>又は<5>において、混合物が、ケイ素源に酸を添加した後、キシレン系樹脂を添加して得られる。このため、均一な状態の前記混合物が極めて容易に得られ、効率よく炭化ケイ素単結晶が製造される。
【0012】
前記<7>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>から<6>のいずれかにおいて、焼成の際、混合物における、キシレン系樹脂に含まれる炭素とケイ素源に含まれるケイ素との比が1.8以下であり、前記炭化ケイ素粉末における遊離炭素が少ないので、高品質の炭化ケイ素単結晶が得られる。
【0013】
前記<8>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<7>のいずれかにおいて、炭化ケイ素粉末の体積平均径が50〜400μmであり、CVD法等により製造された炭化ケイ素粉末よりも体積平均粒径が大きく、取扱い易く、炭化ケイ素単結晶の製造効率に優れる。
【0014】
前記<9>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<8>のいずれかにおいて、炭化ケイ素粉末が、結晶多型がベータ型(3C)である炭化ケイ素粉末を30質量%以下しか含有しないので、CVD法等により製造されたベータ型炭化ケイ素粉末よりも体積平均粒径が大きいことに加え、昇華が安定して行なわれるために取扱い易く、炭化ケイ素単結晶の製造効率に優れる。
【0015】
前記<10>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<9>において、前記炭化ケイ素単結晶を、その全成長過程を通して、その成長面の全面を凸形状に保持したまま成長させる。ここでは、成長する炭化ケイ素単結晶における成長面の全面において、その成長方向と反対方向に前記陥没した凹部が輪状に形成されることがない。このため、割れ等の破損がなく、多結晶や多型の混入やマイクロパイプ等の結晶欠陥が存在しない高品質の炭化ケイ素単結晶が製造される。
【0016】
前記<11>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<10>において、炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶を略山形に成長させるので、成長する炭化ケイ素単結晶において、その成長方向と反対方向に前記陥没した凹部が全く存在しない。このため、割れ等の破損がなく、多結晶や多型の混入やマイクロパイプ等の結晶欠陥が存在しない高品質の炭化ケイ素単結晶が製造される。
【0017】
前記<12>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<11>のいずれかにおいて、前記炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶が、炭化ケイ素単結晶のみからなる。このため、大きな径の炭化ケイ素単結晶が得られ、該炭化ケイ素単結晶を炭化ケイ素多結晶等から分離等する必要がない。
【0018】
前記<13>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<12>において、反応容器内に前記炭化ケイ素粉末を収容し、該反応容器内の該炭化ケイ素粉末に略対向する端部に前記炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、前記炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶の成長が、該端部における、該反応容器内の周側面部との隣接部を除く領域でのみ行われる。このため、成長する炭化ケイ素単結晶において、その成長方向と反対方向に前記陥没した凹部が輪状に形成されることがなく、また、炭化ケイ素多結晶が、前記端部における、該反応容器内の周側面部に接触した状態で成長することもない。このため、成長した炭化ケイ素単結晶を室温まで冷却した際に、炭化ケイ素多結晶側から炭化ケイ素単結晶側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加されることがなく、得られる炭化ケイ素単結晶に割れ等の欠陥が生じてしまうことがない。その結果、割れ等の破損がなく、多結晶や多型の混入やマイクロパイプ等の結晶欠陥が存在しない高品質の炭化ケイ素単結晶が効率よくかつ確実に製造される。
【0019】
前記<14>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<13>のいずれかにおいて、前記反応容器内の一端部側に前記炭化ケイ素粉末を収容し、該反応容器内の他端部側に前記炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、前記一端部側に配置した第一加熱手段により、該炭化ケイ素粉末を昇華可能となるように昇華雰囲気を形成し、前記他端部側に配置した第二加熱手段により、前記第一加熱手段により昇華された炭化ケイ素が炭化ケイ素単結晶の種結晶近傍でのみ再結晶可能となるように再結晶雰囲気を形成し、該炭化ケイ素を前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上に再結晶させる。
この炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、前記炭化ケイ素粉末を昇華可能となるように昇華雰囲気を形成するための加熱を前記第一加熱手段で行い、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上でのみ再結晶化を可能とする再結晶雰囲気の形成を前記第二加熱手段で行うことにより、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上乃至その近傍でのみ選択的に再結晶化を行うことができ、前記炭化ケイ素多結晶が、前記端部における、該反応容器内の周側面部に接触した状態で成長することがない。成長した炭化ケイ素単結晶を室温まで冷却した際に、炭化ケイ素多結晶側から炭化ケイ素単結晶側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加されることがなく、得られる炭化ケイ素単結晶に割れ等の欠陥が生じてしまうことがない。その結果、割れ等の破損がなく、多結晶や多型の混入やマイクロパイプ等の結晶欠陥が存在しない高品質の炭化ケイ素単結晶が製造される。
【0020】
前記<15>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<14>において、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段が誘導加熱可能なコイルである。このため、該コイルによる誘導加熱により、前記昇華雰囲気の形成のための前記第一加熱手段の温度制御、及び前記再結晶雰囲気の形成のための前記第二加熱手段の温度制御が容易にかつ確実に行われる。
【0021】
前記<16>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<15>において、第一加熱手段における誘導加熱電流の電流値が、第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値よりも大きい。このため、前記昇華雰囲気の温度よりも前記種結晶上近傍での再結晶雰囲気の温度の方が低く維持され、再結晶化が容易に行われる。
【0022】
前記<17>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<15>又は<16>において、前記第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値を、成長する炭化ケイ素単結晶の径が大きくなるにつれて、連続的又は段階的に小さくする。このため、前記炭化ケイ素単結晶が成長するにつれて前記第二加熱手段による加熱量が小さく制御されるので、成長を続ける前記炭化ケイ素単結晶の近傍でしか再結晶が行われず、該炭化ケイ素単結晶の周囲に多結晶が生ずることがない。
【0023】
前記<18>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<14>から<17>のいずれかにおいて、前記反応容器内の、炭化ケイ素粉末を収容した一端部側の温度をTとし、炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置した他端部側の温度をTとし、該他端部側における、反応容器の内周側面部との隣接部の温度Tとした時、T−T及びT−Tが連続的又は段階的に大きくなる。T−Tが連続的又は段階的に大きくなると、経時的に、炭化ケイ素単結晶が前記一端部側に向かって成長を続けても、該炭化ケイ素単結晶の結晶成長先端側は常に再結晶が起こり易い状態に維持される。一方、T−Tが連続的又は段階的に大きくなると、経時的に、炭化ケイ素単結晶が前記他端部側における外周方向に向かって成長を続けても、該炭化ケイ素単結晶の結晶成長外周端側は常に再結晶が起こり易い状態に維持される。その結果、炭化ケイ素多結晶の生成が効果的に抑制され、該炭化ケイ素単結晶は、その径を拡大しながらその厚みを増す方向に成長を続け、最終的には、炭化ケイ素多結晶等の混入がない状態で大径の炭化ケイ素単結晶が得られる。
【0024】
前記<19>に記載の炭化ケイ素単結晶は、前記<1>から<18>のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造される。このため、得られる炭化ケイ素単結晶は、窒素含有量が低く、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である。
【0025】
前記<20>に記載の炭化ケイ素単結晶は、前記<19>において、非破壊で光学的に画像検出した中空パイプ状の結晶欠陥が100個/cm以下である。このため、該炭化ケイ素単結晶は、極めて高品質であり、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に特に優れ、半導体ウエハ等の電子デバイス、発光ダイオード等の光学デバイスなどに特に好適である。
【0026】
前記<21>に記載の炭化ケイ素単結晶は、前記<19>又は<20>において、前記不純物元素の総含有量が10質量ppm以下である。このため、該炭化ケイ素単結晶は、極めて高品質である。
【0027】
前記<22>に記載の炭化ケイ素単結晶は、前記<19>から<21>のいずれかにおいて、体積抵抗値が1×10Ω・cm以上である。このため、該炭化ケイ素単結晶は、半絶縁体乃至絶縁体である。
【0028】
前記<23>に記載の炭化ケイ素単結晶は、前記<19>から<22>のいずれかにおいて、窒素含有量が0.01質量ppm以下であるので、再結晶される炭化ケイ素単結晶中の窒素含有量が極めて低い。このため、製造された炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である。
【0029】
前記<24>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>から<18>のいずれかにおいて、焼成が、非酸化性雰囲気下、100〜1000℃/hで1300〜1600℃まで昇温し、その後50〜300℃/hで1800〜2100℃まで昇温後、1800〜2100℃で240分以内保持することで行われる。このため、効率よく炭化ケイ素単結晶が製造される。
【0030】
前記<25>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>から<18>及び<24>のいずれかにおいて、焼成の際、ケイ素源及び炭素源に対しハロゲン又はハロゲン化水素1〜5容量%が添加される。このため、得られる炭化ケイ素単結晶においては、不純物元素の量が効果的に低く抑制される。
【0031】
前記<26>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<4>から<18>及び<23>から<25>のいずれかにおいて、焼成の後、加熱による後処理が行われる。このため、不純物元素が除去され、高純度で高品質な炭化ケイ素単結晶が効率よく製造される。
【0032】
前記<27>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<26>において、後処理が2150〜2400℃で行われるので、不純物元素が除去され、高純度で高品質な炭化ケイ素単結晶が効率よく製造される。
【0033】
前記<28>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<26>又は<27>において、後処理がアルゴン雰囲気で3〜8時間行われるので、不純物元素が除去され、高純度で高品質な炭化ケイ素単結晶が効率よく製造される。
【0034】
前記<29>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<18>及び<23>から<28>のいずれかにおいて、炭化ケイ素粉末の体積平均粒径(D50)が100〜500μmであるので、昇華が効率よく行われ、炭化ケイ素単結晶が効率よく製造される。
【0035】
前記<30>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<1>から<18>及び<23>から<29>のいずれかにおいて、炭化ケイ素粉末の粒度分布(D90/D10)が4以下であるので、昇華が効率よく行われ、炭化ケイ素単結晶が効率よく製造される。
【0036】
前記<31>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<30>において、前記反応容器内において、再結晶雰囲気の温度が前記昇華雰囲気の温度よりも30〜300℃低い。このため、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上乃至その近傍で容易にかつ円滑に再結晶化が行なわれる。
【0037】
前記<32>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<31>のいずれかにおいて、前記反応容器が、石英管内に配置された坩堝である。このため、該石英管内の密閉系で前記炭化ケイ素粉末の昇華と再結晶、前記炭化ケイ素単結晶の成長が行われるので、これらの制御が容易である。
【0038】
前記<33>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<32>のいずれかにおいて、前記他端部における、該反応容器の内周側面部との隣接部の表面が、ガラス状カーボンである。このため、前記他端部における、該反応容器の内周側面部との隣接部は、該隣接部以外の領域よりも再結晶化が起こり難い。その結果、前記他端部における、前記隣接部では炭化ケイ素の結晶が成長せず、該隣接部以外の領域でのみ選択的に炭化ケイ素単結晶が再結晶化し成長する。
【0039】
前記<34>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<33>のいずれかにおいて、前記第一加熱手段と前記第二加熱手段との間に、誘導電流を通電可能であり、該誘導電流を通電することにより該第一加熱手段と該第二加熱手段との間における干渉を防止する干渉防止手段が配置される。このため、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段による誘導加熱を同時に行った際に、該干渉防止手段に誘導電流が流れ、該干渉防止手段が両者間における干渉を極小化し防止する。
【0040】
前記<35>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<34>において、前記干渉防止手段が、冷却可能なコイルである。該コイルに誘導電流が流れ加熱されたとしても該コイルは冷却されるので、該コイルが前記反応容器を加熱することがない。このため、前記反応容器の温度制御が容易である。
【0041】
前記<36>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<35>のいずれかにおいて、前記一端部が下端部であり、前記他端部が上端部である。このため、前記炭化ケイ素粉末が前記反応容器内の下方に収容され、該炭化ケイ素粉末の昇華が円滑に行われ、また、前記炭化ケイ素単結晶は、下方に向かって、即ち重力方向に向かって余分な負荷がかからない状態で成長する。
【0042】
前記<37>に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、前記<12>から<18>及び<23>から<36>のいずれかにおいて、前記炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域と、該領域の外周に位置し前記反応容器の内周側面部と隣接する領域とが、別の部材で形成されており、かつ該炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域を形成する部材における、一端が反応容器の内部に露出し、他端が反応容器の外部に露出している。前記炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域(内側領域)と、該領域の外周に位置し前記反応容器の内周側面部と隣接する領域(外側領域)とが、別の部材で形成されているので、前記第二加熱手段により加熱を行った場合には、該第二加熱手段側に位置する前記外側領域は容易に加熱されるものの、前記内側領域は、該外側領域との接触抵抗の差により容易に加熱されることはない。このため、前記第二加熱手段で加熱を行ったとしても、前記外側領域と前記内側領域との間で温度差が生じ、前記内側領域の方が前記外側領域よりも加熱され難いため、温度が低く維持され、前記炭化ケイ素の再結晶が容易に行われる。また、前記内側領域を形成する部材における前記反応容器の内部と反対側が、該反応容器の外部に露出し、該反応容器外部に熱を放熱し易いため、前記第二加熱手段により加熱を行った場合、前記内側領域は前記外側領域に比べて加熱され難く、前記外側領域と前記内側領域との間で温度差が生じ、前記内側領域の方が前記外側領域よりも温度が低く維持され、前記炭化ケイ素の再結晶が容易に行われる。その結果、前記外側領域では炭化ケイ素単結晶が成長し難く、該内側領域でのみ選択的に炭化ケイ素単結晶が再結晶化し成長する。
【0043】
【発明の実施の形態】
(炭化ケイ素単結晶の製造方法)
本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、窒素含有量が100質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させる。
【0044】
−炭化ケイ素粉末−
前記炭化ケイ素粉末としては、窒素含有量が100質量ppm以下であり、かつ不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下であるもの、又は、窒素含有量が0.1質量ppm以下であるものが挙げられる。
【0045】
前記炭化ケイ素粉末の窒素含有量としては、100質量ppm以下である必要があり、50質量ppm以下であるのが好ましく、40質量ppm以下であるのがより好ましく、0.1質量ppm以下であるのが特に好ましい。
前記窒素含有量が100質量ppm以下、50質量ppm以下及び40質量ppm以下である場合、更に前記不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下であることが必要であり、この場合、高抵抗の炭化ケイ素単結晶が得られ、該炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に利用可能であり、一方、前記窒素含有量が0.1質量ppm以下である場合には、前記不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下の場合に限らなくとも、高抵抗の炭化ケイ素単結晶が得られ、該炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に利用可能である。
なお、前記窒素含有量は、例えば、酸素窒素同時分析装置、二次イオン質量分析装置、グロー放電質量分析装置、フォトルミネッセンス測定装置等を用いて測定することができる。
【0046】
前記炭化ケイ素粉末における前記不純物元素それぞれの含有量としては、0.3質量ppm以下が好ましく、0.1質量ppm以下がより好ましい。
前記不純物元素の各含有量が、0.3質量ppm以下である場合、更に前記窒素含有量が0.1質量ppm以下であることが必要であり、この場合、極めて高抵抗の炭化ケイ素単結晶が得られ、該炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に利用可能であり、一方、前記不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下である場合には、前記窒素含有量が0.1質量ppm以下の場合に限らなくとも、半絶縁体乃至絶縁体の炭化ケイ素単結晶が得られ、該炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に利用可能である。
【0047】
前記炭化ケイ素粉末としては、4H、6H、15R、3C、これらの混合物等のいずれであってもよい。なお、前記3Cの炭化ケイ素粉末のグレードとしては、特に制限はなく、一般に市販されているものでもよいが、高純度のものであることが好ましい。
【0048】
前記炭化ケイ素粉末の体積平均粒径(D50)としては、0.5〜800μmが好ましく、50〜400μmがより好ましい。
前記体積平均粒径(D50)が、0.5〜800μmであると炭化ケイ素単結晶を製造する場合における作業性に優れ、充填時のパッキングも良好である点で有利であり、50〜400μmであると、CVD法等で製造された微粉に比べて更に作業性に優れ、充填時のパッキングも更に良好である点で有利である。
【0049】
前記炭化ケイ素粉末の粒度分布(D90/D10)(体積平均粒径基準)としては、該炭化ケイ素粉末の均一性の観点からは4.0以下であるのが好ましく、3.5以下であるのがより好ましい。
【0050】
前記炭化ケイ素粉末としては、昇華速度の安定化の点で、β−SiC(結晶多型としては「3C」のもの)を30質量%以下含有しているのが好ましく(α−SiCを70質量%超含有しているのが好ましく)、10質量%以下含有しているのがより好ましい(α−SiCを90質量%超含有しているのがより好ましい)。
該α−SiC又はβ−SiCであるか否かは、ATSMライブラリーデータにおけるマッチングピーク等から判断することができる。
【0051】
前記炭化ケイ素粉末は、ケイ素源とキシレン系樹脂とを少なくとも含有する混合物を焼成して得られる。
【0052】
−−ケイ素源−−
前記ケイ素源としては、ケイ素化合物が挙げられる。
前記ケイ素化合物としては、液状のものであってもよいし、固体のものであってもよく、これらを併用してもよいが、該液状のものを少なくとも1種使用するのが好ましい。
【0053】
前記液状のものとしては、アルコキシシラン化合物などが好適に挙げられる。
前記アルコキシシラン化合物としては、例えば、アルコキシシラン、アルコキシシランオリゴマー、アルコキシシランポリマーなどが挙げられる。
前記アルコキシシラン、前記アルコキシシランオリゴマー、及び前記アルコキシシランポリマーにおけるアルコキシシラン又はアルコキシシランユニットとしては、モノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、テトラアルコキシシランのいずれであってもよいが、テトラアルコキシシランが好ましい。
【0054】
前記アルコキシシランとしては、例えば、メトキシシラン、エトキシシラン、プロポキシシラン、ブトキシシラン等が挙げられ、これらの中でもハンドリングの点でエトキシシランが好ましい。
【0055】
前記アルコキシシランオリゴマーは、重合度が2〜15程度の低分子量重合体であり、その具体例としては、メトキシシランオリゴマー、エトキシシランオリゴマー、プロポキシシランオリゴマー、ブトキシシランオリゴマー等が挙げられ、これらの中でもハンドリングの点でエトキシシランオリゴマーが好ましい。
【0056】
前記アルコキシシランポリマーは、重合度が15程度を超える高分子量重合体であり、その具体例としては、メトキシシランポリマー、エトキシシランポリマー、プロポキシシランポリマー、ブトキシシランポリマー等が挙げられ、これらの中でもハンドリングの点でエトキシシランポリマーが好ましい。
【0057】
前記固体のものとしては、例えば、SiO、シリカゾル(コロイド状超微細シリカ含有液、内部にOH基やアルコキシル基を含む)、二酸化ケイ素(シリカゲル、微細シリカ、石英粉末)等の酸化ケイ素が挙げられる。
【0058】
本発明において、前記ケイ素化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよいが、該ケイ素化合物の中でも、均質性やハンドリング性が良好な点で、エトキシシランオリゴマー、エトキシシランポリマー、エトキシシランオリゴマーと微粉末シリカとの混合物などが好ましく、エトキシシランダイマー、エトキシシランポリマーなどがより好ましい。
【0059】
前記ケイ素化合物としては、高純度であるのが好ましく、不純物元素が20質量ppm以下であるのが好ましく、5質量ppm以下であるのがより好ましい。
ここで、前記不純物元素とは、1989年IUPAC無機化学命名法改訂版の周期律表における1族から17族に属しかつ原子番号3以上(但し原子番号6〜8及び同14を除く)である元素をいう(以下同じ)。
【0060】
−−キシレン系樹脂−−
前記キシレン系樹脂は、残炭率が高く、前記不純物元素の含有量が少なく、その合成プロセスにおいて窒素を殆ど含有しない。該キシレン系樹脂は炭素源として用いられる。
前記キシレン系樹脂としては、キシレン単独重合体(以下、単に「キシレン重合体」と略称する)、キシレン共重合体などが挙げられるが、前記不純物元素の混入の観点からはキシレン重合体が好ましく、レゾール型キシレン重合体がより好ましい。
前記キシレン系樹脂は、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
【0061】
前記キシレン系樹脂としては、オリゴマーであってもよいし、ポリマーであってもよく、その重合度としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記オリゴマーの場合には該重合度が3〜15であるのが好ましく、前記ポリマーの場合には該重合度が15〜1200であるのが好ましい。
前記重合度は、例えば、一般的なゲル透過クロマトグラフィー、浸透圧法、GC−MS等により測定することができる。
【0062】
前記キシレン系樹脂としては、高純度であるのが好ましく、前記不純物元素が20質量ppm以下であるのが好ましく、5質量ppm以下であるのがより好ましい。
【0063】
−−混合物−−
前記混合物は、前記ケイ素源と前記キシレン系樹脂とを含有する。
【0064】
前記混合物における前記ケイ素源と前記キシレン系樹脂との量比としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、得られた炭化ケイ素粉末中の遊離炭素の量が少なくなるように予め前記ケイ素源と前記キシレン系樹脂との量比を決定しておくのが好ましい。
【0065】
なお、前記遊離炭素の量は、前記混合物における、前記キシレン系樹脂に含まれる炭素と前記ケイ素源に含まれるケイ素との比(以下「C/Si比」と称する)を適宜調節することにより制御することができる。
ここで、前記C/Si比は、次式、C/Si=(前記キシレン系樹脂の量(g)×残炭率/12.011)/0.4×(前記ケイ素源の量(g)/60.0843)、で表される(ただし、前記「キシレン系樹脂の量」は、該キシレン系樹脂が溶液とされている場合には該溶液中に含まれる前記キシレン系樹脂の量を意味し、前記「ケイ素源の量」は、該ケイ素源が溶液である場合には該溶液中に含まれる前記ケイ素源の量を意味する。)。
なお、前記C/Si比は、前記混合物を1000℃にて炭化して得られる炭化物中間体を元素分析することにより測定することができる。
化学量論的には、前記C/Si比が3.0の時に得られた炭化ケイ素粉末中の前記遊離炭素が0%となるが、実際には、同時に生成するSiOガスの揮散により前記C/Si比が小さな値である場合でも前記遊離炭素は発生することがある。
【0066】
前記混合物の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ケイ素源に酸を添加した後、前記キシレン系樹脂を添加する方法が特に好ましい。この場合、該ケイ素源と該キシレン系樹脂とを均一に混合することができ、相分離状態を生ずることがない点で有利である。
前記混合物の調製方法として、前記ケイ素源に酸を添加した後、前記キシレン系樹脂を添加する方法以外の方法を採用する場合、該ケイ素源と該キシレン系樹脂とを均一に混合することができず相分離状態が生ずることがあるが、この場合、加熱を行うと、該相分離状態の混合物を均一な混合物にすることができる。
【0067】
前記混合物は、通常、ハロゲン化合物が添加されることなく調製されるが、超高純度の炭化ケイ素粉末を得る場合には、該混合物に対しハロゲン化合物が0.5〜5質量%添加されて調製されてもよい。
前記混合物に前記ハロゲン化合物を添加すると、該混合物に混入した前記不純物元素がハロゲン化されて次の焼成により気化し飛散することにより効果的に除去されるため、超高純度の炭化ケイ素粉末が得られる。具体的には、前記ハロゲン化合物を添加することにより、得られる炭化ケイ素粉末における前記不純物元素それぞれの含有量を0.1質量ppm以下にすることができる。
前記ハロゲン化合物を添加した場合、前記混合物を、添加した該ハロゲン化合物の分解温度近傍で10〜30分間反応させ、次の焼成の温度まで昇温するのが、前記不純物元素の除去の観点からは好ましい。
【0068】
前記ハロゲン化合物は、前記混合物が液状である場合、塩化アンモニウム、塩酸水溶液等の液状ハロゲン化合物が該混合物に添加されるのが好ましく、前記混合物が固体状である場合(前記キシレン系樹脂として、熱可塑性キシレン系樹脂等を含有し、前記ケイ素源として固体状のものを含有する場合)、ポリ塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、ポリクロロプレン等のハロゲン含有ポリマー等の固体状ハロゲン化合物が該混合物に添加されるのが好ましい。
【0069】
なお、前記混合物は、固体状であってもよいし、液状であってもよいが、液状である場合には、前記焼成の前に硬化させて固体状にしてもよい。
前記硬化の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、加熱により架橋する方法、硬化触媒により硬化する方法、電子線や放射線による方法などが挙げられる。
【0070】
前記加熱は、50℃以上程度の温度で1時間以上程度の時間行われる。
前記硬化触媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、トルエンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、しゅう酸、塩酸、硫酸等の酸類、などが挙げられるが、これらの中でも窒素原子を含まないものが好ましい。
【0071】
前記混合物は、前記焼成の前に、非酸化性雰囲気下で500〜1000℃にて加熱されるのが好ましく、非酸化性雰囲気下、500〜600℃で10〜30分間加熱した後、非酸化性雰囲気下、800〜1000℃で30分間〜2時間加熱されるのがより好ましい。
前記非酸化性雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、窒素、アルゴン等の雰囲気などが挙げられるが、これらの中でもアルゴンが好ましい。
【0072】
−−焼成−−
前記焼成は、その方法、条件等については特に制限はなく、得ようとする炭化ケイ素粉末の粒径等に応じて適宜選択することができるが、炭化ケイ素粉末のより効率的な製造の観点からは、前記混合物を、非酸化性雰囲気下、100〜1000℃/hで1300〜1600℃まで昇温し、その後50〜300℃/hで1900〜2100℃まで昇温後、1900〜2100℃で240分以内保持することで行うのが好ましい。
【0073】
なお、前記混合物を800〜1000℃で加熱することにより、ケイ素及び炭素の炭化物が得られる。このとき、前記炭化物の前記混合物に対する収率としては、特に制限はないが高い程好ましく、50質量%以上であるのが好ましい。
【0074】
前記非酸化性雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気などが挙げられるが、高温でも非反応性である点でアルゴン雰囲気が好ましい。
【0075】
前記焼成の際、前記混合物を収容する反応容器内に前記不活性ガスを導入するのが好ましい。この場合、前記焼成の際に発生する、前記不純物元素を含むSiOガスやCOガス等を該反応容器外へ排出乃至除去することができる点で有利である。
【0076】
前記焼成の際、前記ケイ素源及び前記キシレン系樹脂に対し、1〜5容積%のハロゲン又はハロゲン化水素が添加されるのが、得られる炭化ケイ素粉末に含まれる前記不純物元素の量を抑制することができる点で好ましい。
【0077】
前記焼成の際における前記C/Si比としては、該焼成の際の圧力により変動し得るので一概に規定することはできないが、前記遊離炭素の発生を効果的に抑制することができる点で、1.85以下であるのが好ましく、1.55以下であるのがより好ましい。
【0078】
−−その他の処理−−
その他の処理としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、以下の後処理などが好適に挙げられる。
【0079】
前記後処理としては、前記焼成の後、2000℃以上で行われるのが好ましく、2100℃以上で行われるのがより好ましく、2150〜2400℃で行われるのが特に好ましい。
前記後処理の時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、通常5分以上であり、3〜8時間程度が好ましく、4〜6時間程度がより好ましい。
前記後処理は、前記非酸化性雰囲気下で行われるのが好ましく、該非酸化性雰囲気の中でも、高温でも非反応性である点でアルゴン雰囲気が好ましい。
前記後処理により、前記不純物元素が除去され、高純度であり、粒径が大きく、粒度分布が狭く、高品質な炭化ケイ素粉末が得られる点で有利である。
【0080】
前記炭化ケイ素粉末の製造に用いる装置等については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記炭化ケイ素粉末の製造は、連続処理の態様で実施してもよいし、バッチ処理の態様で実施してもよい。また、前記焼成と前記後処理とは、1つの加熱炉内で連続処理的に行われてもよいし、別々の加熱炉内でバッチ処理的に行われてもよい。
【0081】
なお、前記炭化ケイ素粉末は、上述の通りであるが、本発明においては、前記炭化ケイ素粉末に代えて、該炭化ケイ素粉末と該炭化ケイ素粉末の焼結体との混合物、又は、該炭化ケイ素粉末の焼結体を使用してもよい。
【0082】
前記炭化ケイ素粉末の昇華及び再結晶は、反応容器内で行うことができる。
前記反応容器としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、内部に前記炭化ケイ素粉末を収容することができ、該炭化ケイ素粉末に略対向する位置に前記炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置可能な端部を有していることが好ましい。
前記端部の形状としては、特に制限はないが、例えば、略平面形状であるのが好ましい。
【0083】
前記炭化ケイ素粉末が収容される部位としては特に制限はないが、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置可能な端部に略対向する端部であるのが好ましい。この場合、前記反応容器の内部は筒形状となるが、該筒形状の軸としては、直線状であってもよいし、曲線状であってもよく、該筒形状の軸方向に垂直な断面形状としては、円形であってもよいし、多角形であってもよい。該円形状の好ましい例としては、その軸が直線状であり、かつ該軸方向に垂直な断面形状が円形であるものが好適に挙げられる。
前記反応容器の内部に2つの端部が存在する場合、一端部側に前記炭化ケイ素粉末が収容され、他端部側に前記炭化ケイ素単結晶の種結晶が配置される。以下、前記一端部を「炭化ケイ素粉末収容部」と称することがあり、前記他端部を「種結晶配置部」と称することがある。
前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)の形状としては、特に制限はなく、平面形状であってもよいし、均熱化を促すための構造(例えば凸部等)を適宜設けてもよい。
【0084】
前記反応容器においては、前記他端部(種結晶配置部)側が着脱可能に設計されているのが好ましい。この場合、該他端部(種結晶配置部)を脱離するだけで、成長した炭化ケイ素単結晶を容易に該反応容器から分離することができる点で有利である。
このような反応容器としては、例えば、炭化ケイ素粉末を収容可能な容器本体と、該容器本体に対し着脱可能であり、該容器本体に装着された際に該容器本体内に収容された前記炭化ケイ素粉末に対向する面の略中央に炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置可能な蓋体とを備えた反応容器などが好適に挙げられる。
【0085】
前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)と前記他端部(種結晶配置部)との位置関係としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)が下端部であり、前記他端部(種結晶配置部)が上端部である態様、即ち、該一端部(炭化ケイ素粉末収容部)と該他端部(種結晶配置部)とが重力方向に位置しているのが好ましい。この場合、前記炭化ケイ素粉末の昇華が円滑に行われ、また、前記炭化ケイ素単結晶の成長が、下方に向かって、即ち重力方向に向かって余分な負荷がかからない状態で行われる点で好ましい。
【0086】
なお、前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)側には、例えば、前記炭化ケイ素粉末の昇華を効率よく行う目的で、伝熱性に優れた材料で形成した部材を配置してもよい。
該部材としては、例えば、外周が前記反応容器内の周側面部と密接可能であり、内部が、前記他端部(種結晶配置部)に近づくにつれてその径が漸次増加するような逆錐形状乃至逆錐台形状である部材、などが好適に挙げられる。
【0087】
なお、前記反応容器の外部に露出する部分には、目的に応じて、ねじ切り、測温用凹部等が設けられていてもよく、該測温用凹部は、前記一端部側及び前記他端部側の少なくとも一方の部分に設けられているのが好ましい。
【0088】
前記反応容器の材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、耐久性、耐熱性、伝熱性等に優れた材料で形成されているのが好ましく、これらに加えて更に不純物の発生による多結晶や多型の混入等が少なく、前記炭化ケイ素粉末の昇華と再結晶の制御が容易である等の点で黒鉛製であるのが特に好ましい。
【0089】
前記反応容器は、単独の部材で形成されていてもよいし、2以上の部材で形成されていてもよく、目的に応じて適宜選択することができるが、2以上の部材で形成されている場合としては、前記他端部(種結晶配置部)が2以上の部材で形成されているのが好ましく、前記他端部(種結晶配置部)の中心部とその外周部とが別の部材で形成されているのが、温度差乃至温度勾配を形成できる点でより好ましく、具体的には、該中心部としての、炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域(内側領域)と、該外周部としての、前記内側領域の外周に位置し反応容器の内周側面部と隣接する領域(外側領域)とが別の部材で形成され、かつ該内側領域を形成する部材における、一端が反応容器の内部に露出し、他端が反応容器の外部に露出しているのが特に好ましい。
【0090】
この場合、前記他端部(種結晶配置部)をその外側から加熱した場合、前記外側領域は容易に加熱されるものの、前記内側領域は、該外側領域との接触抵抗により加熱され難くなるため、前記外側領域と前記内側領域との間で温度差が生じ、該内側領域の方が該外側領域よりも若干温度が低く維持されるため、該内側領域の方が該外側領域よりも炭化ケイ素が再結晶し易くすることができる。更に、前記内側領域を形成する部材における前記他端が前記反応容器の外部に露出しているので、該内側領域は前記反応容器の外部に熱を放熱し易いため、該内側領域の方が該外側領域よりも炭化ケイ素が再結晶を生じ易くさせることができる。
【0091】
なお、前記内側領域を形成する部材における前記他端が前記反応容器の外部に露出している態様としては、特に制限はなく、該内側領域を底面とし前記反応容器の外部に向けて連続的又は不連続的にその径が変化する(大きくなる又は小さくなる)形状などが挙げられる。
このような形状としては、具体的には、前記内側領域を底面とする柱形状(円柱状、角柱状等が挙げられ、円柱状が好ましい)、前記内側領域を底面とする錐台形状(円錐台状、角錐台状、逆円錐台状、逆角錐台状等が挙げられ、逆円錐台状が好ましい)などが挙げられる。
【0092】
前記反応容器は、前記他端部(種結晶配置部)における、前記炭化ケイ素単結晶の成長が行われる領域(内側領域)の外周に位置し反応容器の内周側面部と隣接する領域(外側領域)の表面が、ガラス状カーボン乃至アモルファスカーボンであるのが好ましい。この場合、前記外側領域の方が前記内側領域よりも再結晶化が起こり難い点で好ましい。
【0093】
前記反応容器は、断熱材等で囲まれているのが好ましい。この場合、前記反応容器における前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)及び前記他端部(種結晶配置部)の略中央は、測温用窓を形成する目的で、前記断熱材等が設けられていないのが好ましい。また、前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)の略中央に前記測温用窓が設けられている場合には、前記断熱材粉等の落下を防ぐための黒鉛製カバー部材等が更に設けられているのが好ましい。
【0094】
前記反応容器は、石英管内に配置されるのが好ましい。この場合、前記炭化ケイ素粉末の昇華及び再結晶化のための加熱エネルギーの損失が少ない点で好ましい。
なお、前記石英管は高純度品が入手可能であり、高純度品を用いると金属不純物の混入が少ない点で有利である。
【0095】
−昇華−
前記炭化ケイ素粉末の昇華は、再結晶化を行うのに必要な加熱を行うための加熱手段と同じ加熱手段を用いて行ってもよいが、別個の加熱手段を用いて行うのが加熱手段の精密制御、独立制御、干渉防止等の点で好ましい。このような態様の場合、加熱手段の数は、2以上となるが、本発明においては2つが好ましい。
前記加熱手段が2つの好ましい態様の場合、前記炭化ケイ素粉末を昇華可能とする昇華雰囲気を形成するための加熱手段が第一加熱手段であり、昇華された炭化ケイ素が前記炭化ケイ素単結晶の種結晶近傍でのみ再結晶可能とする前記再結晶雰囲気を形成するための加熱手段が第二加熱手段である。
【0096】
前記第一加熱手段は、前記反応容器の一端部(炭化ケイ素粉末収容部)側に配置され、前記炭化ケイ素粉末が昇華可能となるように昇華雰囲気を形成し、前記炭化ケイ素粉末を加熱して昇華させる。
前記第一加熱手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、誘導加熱手段、抵抗加熱手段などが挙げられるが、温度制御が容易な点で誘導加熱手段が好ましく、該誘導加熱手段の中でも、誘導加熱可能なコイルであるのが好ましい。
【0097】
前記第一加熱手段が誘導加熱可能なコイルである場合、その環巻された巻数としては、特に制限はなく、前記第二加熱手段との距離、前記反応容器の材料等により加熱効率や温度効率が最適となるように決定することができる。
【0098】
−炭化ケイ素単結晶の成長−
前記炭化ケイ素単結晶の成長は、前記反応容器の前記他端部(種結晶配置部)に配置された炭化ケイ素単結晶の種結晶上で行われる。
前記炭化ケイ素単結晶の種結晶としては、その結晶の多型、大きさ等については、目的に応じて適宜選択することができるが、前記結晶の多型としては、通常、得ようとする炭化ケイ素単結晶の多型と同じ多型が選択される。
【0099】
前記炭化ケイ素単結晶を前記種結晶上に再結晶化し、成長させるには、前記炭化ケイ素粉末が昇華する温度よりも低い温度にし、昇華した前記炭化ケイ素粉末が前記種結晶近傍でのみ再結晶可能となるような再結晶雰囲気(換言すれば、前記種結晶が配置される面の径方向において、中心部(内側領域の中心)に近づくほど温度が低くなるような温度分布となる雰囲気)を形成するのが好ましい。
【0100】
前記再結晶雰囲気の形成は、前記第二加熱手段により好適に行うことができる。このような第二加熱手段は、前記反応容器の他端部(種結晶配置部)側に配置され、前記第一加熱手段により昇華された前記炭化ケイ素粉末が炭化ケイ素単結晶の種結晶近傍でのみ再結晶可能となるように再結晶雰囲気を形成し、該炭化ケイ素粉末を前記炭化ケイ素単結晶の種結晶上に再結晶させる。
【0101】
前記第二加熱手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、誘導加熱手段、抵抗加熱手段などが挙げられるが、温度制御が容易な点で誘導加熱手段が好ましく、該誘導加熱手段の中でも、誘導加熱可能なコイルであるのが好ましい。
【0102】
前記第二加熱手段が誘導加熱可能なコイルである場合、その環巻された巻数としては、特に制限はなく、前記第一加熱手段との距離、前記反応容器の材料等により加熱効率や温度効率が最適となるように決定することができる。
【0103】
前記第二加熱手段に通電する誘導加熱電流の量は、前記第一加熱手段に通電する誘導加熱電流の量との関係で適宜決定することができ、両者の関係としては、前記第一加熱手段における誘導加熱電流の電流値が、前記第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値よりも大きくなるように設定するのが好ましい。この場合、前記炭化ケイ素粉末が昇華する雰囲気の温度よりも前記種結晶上近傍での再結晶雰囲気の温度の方が低く維持され、再結晶化が容易に行われる点で有利である。
【0104】
また、前記第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値としては、成長する炭化ケイ素単結晶の径が大きくなるにつれて、連続的又は段階的に小さくなるように制御するのが好ましい。この場合、前記炭化ケイ素単結晶が成長するにつれて前記第二加熱手段による加熱量が小さく制御されるので、成長を続ける前記炭化ケイ素単結晶の近傍でしか再結晶が行われず、該炭化ケイ素単結晶の周囲に多結晶が生ずることが効果的に抑制される点で有利である。
【0105】
なお、前記第二加熱手段における誘導加熱電流の電流値としては、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶の径が大きい場合には小さくなるように制御し、該径が小さい場合には大きくなるように制御するのが好ましい傾向がある。
【0106】
本発明においては、前記第二加熱手段は、前記第一加熱手段とは独立にその制御を行うことができるので、炭化ケイ素単結晶の成長速度に応じて、該第二加熱手段の加熱量を適宜調節することにより、炭化ケイ素単結晶の全成長過程を通して好ましい成長速度を維持することができる。
【0107】
前記第二加熱手段により形成される再結晶雰囲気の温度としては、前記第一加熱手段により形成される前記昇華雰囲気の温度よりも、30〜300℃低いのが好ましく、30〜150℃低いのがより好ましい。
【0108】
前記第二加熱手段により形成される再結晶雰囲気の圧力としては、10〜100Torr(1330〜13300Pa)が好ましい。なお、この圧力条件にする場合には、低温においては減圧にせず、設定温度にまで加熱をしてから減圧を行い、前記所定の数値範囲内になるように圧力条件を調整するのが好ましい。
また、前記再結晶雰囲気は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気にしておくのが好ましい。
【0109】
本発明においては、前記第一加熱手段により制御される、前記反応容器内の、炭化ケイ素粉末を収容した一端部(昇華原料収容部)側の温度と、前記第二加熱手段により制御される、前記反応容器内の、前記炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置した他端部(種結晶配置部)側における中心部の温度及び該中心部の外側に位置し反応容器の内周側面部との隣接部の温度とを、以下のような関係で制御するのが、大径の炭化ケイ素単結晶を得る観点からは好ましい。即ち、炭化ケイ素粉末を収容した一端部側の温度をTとし、炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置した他端部側の温度をTとし、該他端部側における、反応容器の内周側面部との隣接部の温度をTとした時、T−T及びT−Tが連続的又は段階的に大きくなるように制御するのが好ましい。
【0110】
この場合、T−Tが連続的又は段階的に大きくなるので、経時的に、炭化ケイ素単結晶が前記一端部側に向かって成長を続けても、該炭化ケイ素単結晶の結晶成長先端側は常に再結晶が起こり易い状態に維持される。一方、T−Tが連続的又は段階的に大きくなるので、経時的に、炭化ケイ素単結晶が前記他端部側における外周方向に向かって成長を続けても、該炭化ケイ素単結晶の結晶成長外周端側は常に再結晶が起こり易い状態に維持される。その結果、炭化ケイ素多結晶の生成が効果的に抑制され、該炭化ケイ素単結晶は、その径を拡大しながらその厚みを増す方向に成長を続け、最終的には、炭化ケイ素多結晶等の混入がなく、大径の炭化ケイ素単結晶が得られる点で有利である。
【0111】
本発明においては、前記炭化ケイ素単結晶は、第一の態様から第三の態様により再結晶し成長するのが好ましい。
【0112】
前記第一の態様においては、前記炭化ケイ素単結晶を、その全成長過程を通して、その成長面の全面を凸形状に保持したまま成長させる。この場合、前記炭化ケイ素単結晶の成長面の全面において、前記他端部(種結晶配置部)側に陥没した凹部が輪状に形成されることがない。
【0113】
前記第二の態様においては、前記炭化ケイ素単結晶の成長が、前記反応容器の前記端部における、該反応容器内の周側面部との隣接部を除く領域(内側領域)でのみ行われる。この場合、炭化ケイ素多結晶が、前記他端部(種結晶配置部)における、該反応容器内の周側面部に、接触した状態で成長することがない。このため、成長した炭化ケイ素単結晶を室温まで冷却した際に、炭化ケイ素多結晶側から炭化ケイ素単結晶側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加されることがなく、得られる炭化ケイ素単結晶に割れ等の破損が生じてしまうことがない。
【0114】
前記第三の態様においては、前記炭化ケイ素単結晶を、その全成長過程を通して、その成長面の全面を凸形状に保持したまま、かつ前記反応容器の前記端部における、該反応容器内の周側面部との隣接部を除く領域(内側領域)でのみ行われる。
この場合、前記炭化ケイ素単結晶の成長面の全面において、前記反応容器の前記他端部(種結晶配置部)側に陥没した凹部が輪状に形成されることがなく、また、炭化ケイ素多結晶が、前記他端部(種結晶配置部)における、該反応容器内の周側面部に、接触した状態で成長することがない。このため、成長した炭化ケイ素単結晶を室温まで冷却した際に、炭化ケイ素多結晶側から炭化ケイ素単結晶側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加されることがなく、得られる炭化ケイ素単結晶に割れ等の破損が生じてしまうことがない。
【0115】
成長する前記炭化ケイ素単結晶の形状としては、その成長面の全面がその成長方向側に凸形状であるのが好ましく、前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)と前記他端部(種結晶配置部)とが対向している場合には、前記炭化ケイ素粉末側、即ち前記一端部(炭化ケイ素粉末収容部)側に向かってその成長面の全面が凸形状であるのが好ましい。
この場合、多結晶や多型の混入が多く、熱膨張差による応力が集中し易いと考えられるところの、前記他端部(種結晶配置部)側に陥没した凹部が存在しない点で好ましい。
【0116】
なお、成長する前記炭化ケイ素単結晶の形状としては、その成長面の全面がその成長方向側と反対側に凹形状となっている部分を含まない限り、前記凸形状となっていなくても平坦な個所が一部に含まれていてもよい。
【0117】
また、炭化ケイ素単結晶を含む炭化ケイ素の結晶の形状としては、前記炭化ケイ素粉末側、即ち前記一端部側に向かって略山形であるのが好ましく、その径が漸次小さくなる略山形であるのがより好ましい。
なお、前記略山形である炭化ケイ素の結晶における裾野部分、即ち外周部分においては、炭化ケイ素多結晶や多型が混入することがあるが、この混入は、前記種結晶の厚み、大きさ、形状等と、前記第二加熱手段による加熱量との条件の組み合わせにより、その発生を防止することができる。該炭化ケイ素多結晶や多型の混入を防止すると、前記炭化ケイ素を含む炭化ケイ素の結晶が、炭化ケイ素単結晶のみからなるものとすることができるので好ましい。
【0118】
なお、本発明においては、前記反応容器内の周側面部にリング状の板部材を前記他端部(種結晶配置部)と略平行に固定配置してもよい。この場合、前記炭化ケイ素単結晶を前記種結晶上に再結晶し成長させる際、前記種結晶上には前記炭化ケイ素単結晶のみを再結晶し成長させることができ、炭化ケイ素多結晶を発生させないか、あるいは前記リング状の板部材上に選択的に析出させることができる。なお、この場合、得られる炭化ケイ素単結晶の径は、前記リング状の板部材の分だけ制約を受ける。
【0119】
本発明においては、前記炭化ケイ素単結晶の効率的な成長を行う目的で、前記第一加熱手段と前記第二加熱手段との間の干渉を防止するための干渉防止手段を用いることが好ましい。
【0120】
前記干渉防止手段としては、特に制限はなく、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段の種類等に応じて適宜選択することができるが、例えば、干渉防止コイル、干渉防止板などが挙げられ、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段が前記誘導加熱可能なコイルである場合には、干渉防止コイルなどが好適に挙げられる。
【0121】
前記干渉防止コイル(単に「コイル」と称することがある)は、誘導電流を通電可能であり、誘導電流を通電することにより、該第一加熱手段と該第二加熱手段との間における干渉を防止する機能を有するものが好ましい。
【0122】
前記干渉防止コイルは、前記第一加熱手段と前記第二加熱手段との間に配置されるのが好ましい。この場合、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段による誘導加熱を同時に行った際に、該干渉防止コイルに誘導電流が流れ、該干渉防止コイルが両者間における干渉を極小化し防止することができる点で好ましい。
【0123】
前記干渉防止コイルは、それ自身に流れる誘導電流により加熱されないように設計するのが好ましく、それ自身冷却可能であるのがより好ましく、水等の冷却媒体を流通可能なのが特に好ましい。この場合、該干渉防止コイルに前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段における誘導電流が流れたとしても、該干渉防止コイルが加熱されることがなく、このため前記反応容器を加熱することもない点で好ましい。
【0124】
前記干渉防止コイルの環巻された巻数としては、特に制限はなく、前記第一加熱手段及び前記第二加熱手段の種類、これらに通電される電流の量等により異なり一概に規定することはできないが、一重程度であっても十分である。
【0125】
以上、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法によると、窒素含有量が低く、高品質であり、半絶縁体乃至絶縁体であり、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適な炭化ケイ素単結晶を効率よく製造することができる。
【0126】
(炭化ケイ素単結晶)
本発明の炭化ケイ素単結晶は、前記本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造される。
【0127】
本発明の炭化ケイ素単結晶は、非破壊で光学的に画像検出した結晶欠陥(パイプ欠陥)が100個/cm以下であるのが好ましく、50個/cm以下であるのがより好ましく、10個/cm以下であるのが特に好ましい。
前記結晶欠陥は、例えば、以下のようにして検出することができる。即ち、該炭化ケイ素単結晶に対し、反射照明に適当量の透過照明を加えた照明を当て、該炭化ケイ素単結晶の表面の結晶欠陥(パイプ欠陥)の開口部に顕微鏡焦点を合わせた際に、該パイプ欠陥の内部へと続く部分が該開口部の像よりも弱い影として該開口部につながって観察することができる条件下で、該炭化ケイ素単結晶の全面を走査して顕微鏡画像を得た後、該顕微鏡画像を画像処理することにより、該パイプ欠陥に特長的な形状のみを抽出してその数を計測することにより、該パイプ欠陥を検出することができる。
【0128】
なお、上記の検出によると、前記炭化ケイ素単結晶の表面に付着した異物や研磨傷、空隙欠陥などの前記パイプ欠陥以外の欠陥が混在する中から、前記パイプ欠陥のみを非破壊で正確に検出することができ、しかも、例えば0.35μm程度の微小な前記パイプ欠陥までも正確に検出することができる。一方、従来から、溶融アルカリにより前記パイプ欠陥部分を選択的にエッチングし、拡大して検出する方法が行われているが、この方法の場合には、隣接する前記パイプ欠陥同士がエッチングにより互いに合一し、結果として前記パイプ欠陥の数が少なく検出されてしまうという問題がある。
【0129】
本発明の炭化ケイ素単結晶の体積抵抗値としては、1×10Ω・cm以上であるのが好ましく、1×10Ω・cm以上であるのがより好ましく、1×10Ω・cm以上であるのが特に好ましい。
前記体積抵抗値が前記範囲内であると、該炭化ケイ素単結晶が半絶縁性乃至絶縁性であり、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適である点で有利である。
【0130】
前記炭化ケイ素単結晶の窒素含有量としては、0.1質量ppm以下であるのが好ましく、0.01質量ppm以下であるのがより好ましい。
前記窒素含有量が前記数値範囲内であると、該炭化ケイ素単結晶は半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適である点で有利である。
なお、前記窒素含有量は、例えば、酸素窒素同時分析装置、二次イオン質量分析装置、グロー放電質量分析装置、フォトルミネッセンス測定装置等を用いて測定することができる。
【0131】
前記炭化ケイ素単結晶における前記不純物元素の総含有量としては、10質量ppm以下であるのが好ましい。
【0132】
本発明の炭化ケイ素単結晶は、窒素含有量が低く、高品質であり、半絶縁体乃至絶縁体であり、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として特に好適に使用することができる。
【0133】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【0134】
(実施例1)
図1に示す炭化ケイ素単結晶の製造装置1を用いて炭化ケイ素単結晶を製造した。炭化ケイ素単結晶の製造装置1は、炭化ケイ素粉末40を収容可能な容器本体12、及び容器本体12に対し螺合により着脱可能であり、容器本体12に装着された際に容器本体12内に収容された炭化ケイ素粉末40に対向する面の略中央に炭化ケイ素単結晶の種結晶50を配置可能な蓋体11を備えた黒鉛製坩堝10と、黒鉛製坩堝10を石英管30の内部に固定させる支持棒31と、石英管30の外周であって黒鉛製坩堝10における炭化ケイ素粉末40が収容された部分に配置された第一誘導加熱コイル21と、石英管30の外周であって黒鉛製坩堝10における蓋体11が位置する部分に配置された第二誘導加熱コイル20とを備える。なお、黒鉛製坩堝10は、断熱材(図示せず)で覆われている。
【0135】
炭化ケイ素粉末40は、以下のようにして調製した。即ち、SiO2含有量40質量%の高純度テトラエトキシシラン212gに対し、触媒として高純度マレイン酸34gを加えた後、50質量%高純度液体のレゾール型キシレン樹脂(三菱ガス化学(株)製、ニカノールPR−1440M)127gを混合すると、高粘度の飴状混合物が得られた。この飴状混合物を70℃で熱硬化させて、均質な樹脂状固形物を得た。この樹脂状固形物300gを真空下、900℃にて1時間炭化し、129gの炭化物を得た(収率43%)。なお、前記樹脂状固形物における前記C/Si比は、計算値で、(127g×0.5×0.4/12.011)/(0.4×212g/60.0843)=1.5、であり、元素分析の結果は1.52であった。
この炭化物129gを炭素製容器に入れ、800℃/時間で1600℃まで昇温した後、100℃/時間で1900℃まで昇温し、その後1900℃で2時間保持して焼成を行い、β−SiCを得た。この時の収率は35質量%であった。更にこの粉末をアルゴン雰囲気下で2350℃まで昇温し、6時間保持し、高純度の炭化ケイ素粉末(100質量%α−SiCである)を得た。得られた炭化ケイ素粉体40は淡緑灰色であった。また、グロー放電質量分析装置等を用いても、0.1質量ppmを超える不純物元素は検出されなかった。
【0136】
炭化ケイ素粉末40における窒素含有量を、酸素窒素同時分析装置(LECO社製、TC436)を用いて測定したところ、40質量ppm未満であった。
また、炭化ケイ素粉末40における前記不純物元素の分析を、該炭化ケイ素粉末40を、フッ酸、硝酸及び硫酸を含む混酸で加圧熱分解した後、ICP−質量分析法及びフレームレス原子吸光法で行ったところ、前記不純物元素としてのB、Na、K、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、W、Ti、及び、Caの含有量は、それぞれ0.1質量ppm以下であった。
また、炭化ケイ素粉末40の体積平均粒径(D50)及び粒度分布(D90/D10)(体積平均粒径基準)を、粒度分布測定装置(COULTER LS230)にて測定したところ、体積平均粒径(D50)が300μmであり、粒度分布(D90/D10)(体積平均粒径基準)は3.4であり、一山の分布であった。
【0137】
次に、炭化ケイ素単結晶の製造装置1において、第一誘導加熱コイル21に電流を通電させこれを加熱した。その熱で炭化ケイ素粉末40を加熱し、2500℃にまで加熱した後、アルゴンガス雰囲気で圧力を50Torr(6645Pa)に減圧、維持した。炭化ケイ素粉末40は、所定の温度(2500℃)にまで加熱されて昇華した。昇華した炭化ケイ素粉末40は、再結晶化温度にまで冷却されない限り再結晶しない。ここで、蓋体11側は、第二誘導加熱コイル20により加熱されており、炭化ケイ素粉末40側よりも温度が低く(種結晶の温度は2400℃)、昇華した炭化ケイ素粉末40が再結晶し得る再結晶雰囲気(圧力は50Torr(6645Pa))に維持されているため、炭化ケイ素単結晶の種結晶50上近傍にのみ炭化ケイ素が再結晶し、炭化ケイ素の結晶が成長した。
【0138】
このとき、図2に示す通り、炭化ケイ素単結晶の種結晶50上には炭化ケイ素単結晶60が再結晶し成長し、炭化ケイ素単結晶の種結晶50の外周縁部には炭化ケイ素多結晶70が再結晶し成長した。炭化ケイ素単結晶60の成長は、その全成長過程において炭化ケイ素粉末40側に向かって凸形状が維持され、蓋体11側に陥没した凹部が輪状に形成されることがなく、また、炭化ケイ素多結晶70が、容器本体12内の周側面部13に接触した状態で成長することもなかった。
【0139】
その結果、図3に示す通り、成長した炭化ケイ素単結晶60を室温まで冷却した際に、炭化ケイ素多結晶70側から炭化ケイ素単結晶60側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加されることがなく、得られる炭化ケイ素単結晶60に割れ等の破損が生じてしまうこともなかった。
【0140】
得られた炭化ケイ素単結晶60について、評価したところ、多結晶や多型の結晶の混入がなく、マイクロパイプの結晶欠陥も4個/cmとほとんど存在せず極めて高品質であった。
なお、前記マイクロパイプの結晶欠陥の検出は、得られた炭化ケイ素単結晶60を厚み0.4mmに切断し、鏡面研磨により表面粗さ0.4nmのウエハとし、アルカリ洗浄により表面の異物を極力除去した後に、後述の通り検出した。即ち、アルカリ洗浄後の前記ウエハに対し、反射照明に適当量の透過照明を加えた照明を当て、前記ウエハ表面のマイクロパイプの開口部に顕微鏡焦点を合わせた際に、該マイクロパイプの内部へと続く部分が該開口部の像よりも弱い影として該開口部につながって観察することができる条件下で、前記ウエハの全面を走査して顕微鏡画像を得た後、該顕微鏡画像を画像処理することにより、該マイクロパイプに特長的な形状のみを抽出してその数を計測することにより、該マイクロパイプを検出した。なお、この検出では、0.35μm程度の微小なマイクロパイプまでも非破壊で正確に検出した。
【0141】
また、得られた炭化ケイ素単結晶60を、フッ酸及び硝酸を含む混酸で加圧・熱分解し、得られた溶液を10倍以上に濃縮してICP−質量分析及びフレームレス原子吸光分析を用いて前記不純物元素の分析を行ったところ、前記不純物元素としてのB、Na、K、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、W、Ti、及び、Caの含有量は、それぞれ15質量ppb以下であった。
また、得られた炭化ケイ素単結晶60の体積抵抗値を測定したところ、4×10Ω・cmであった。
なお、得られた炭化ケイ素単結晶60の窒素含有量につき、フォトルミネッセンス測定装置を使用して測定したところ、0.01質量ppmであった。
【0142】
(実施例2)
実施例1において、黒鉛製坩堝10を図4に示す黒鉛製坩堝10に変更した以外は実施例1と同様にした。その結果、実施例1と同様の結果が得られた。図4に示す黒鉛製坩堝10は、蓋体11に内側領域形成部15が設けられている点でのみ、実施例1で使用した図1に示す黒鉛製坩堝10と相違する。内側領域形成部15は、図4に示す通り、炭化ケイ素単結晶の種結晶が配置される前記内側領域を底面とする円柱状であり、その一端が黒鉛製坩堝10の外部に露出している。内側領域形成部15の材料は、熱伝導度が117J/m/s/℃(W/m・K)であり、内側領域形成部15以外の蓋体11の材料は、熱伝導度が129J/m/s/℃(W/m・K)であった。
実施例2の場合、前記内側領域が前記外側領域とは別の部材(内側領域形成部15)で形成されているため、接触抵抗の差により加熱され難くなっており、また、内側領域形成部15の一端が外部に露出しているので熱を外部に放熱し易くなっているので、炭化ケイ素の再結晶が容易に行われた。
【0143】
(実施例3)
実施例1において、黒鉛製坩堝10を図5に示す黒鉛製坩堝10に変更し、図8に示す炭化ケイ素単結晶の製造装置80を用いた以外は実施例1と同様にした。その結果、実施例1と同様の結果が得られた。図5に示す黒鉛製坩堝10は、蓋体11に内側領域形成部15が設けられている点でのみ、実施例1で使用した図1に示す黒鉛製坩堝10と相違する。内側領域形成部15は、図5に示す通り、炭化ケイ素単結晶の種結晶が配置される前記内側領域を底面とし前記外部に向けて不連続的に2段階その径が大きくなる階段状を底面とする形状であり、その一端が外部に露出している。内側領域形成部15の材料は、熱伝導度が117J/m/s/℃(W/m・K)であり、内側領域形成部15以外の蓋体11の材料は、熱伝導度が129J/m/s/℃(W/m・K)であった。
実施例3の場合、前記内側領域が前記外側領域とは別の部材で形成されているため、接触抵抗の差により加熱され難くなっており、また、内側領域形成部15の一端が外部に露出しているので熱を外部に放熱し易くなっているので、炭化ケイ素の再結晶が容易に行われた。
【0144】
(実施例4)
実施例1において、以下の点が相違する以外は実施例1と同様にした。即ち、得られた炭化ケイ素粉末が、6H、平均粒径が300μmであり、炭化ケイ素単結晶の種結晶50は、実施例1で得られたバルクの炭化ケイ素単結晶を切断し、全面を鏡面研磨して得られた15Rのウエハ(直径40mm・厚み0.5mm)である。
そして、第一誘導加熱コイル21に20kHzの電流を通電させこれを加熱し、第二誘導加熱コイル20に40kHzの電流を通電させこれを昇温し、加熱した。黒鉛製坩堝10の下部(炭化ケイ素粉末40の収容部)を2312℃、黒鉛製坩堝10の上部(蓋体11における炭化ケイ素単結晶の種結晶50の配置部)を2290℃にそれぞれ加熱した。このとき、第一誘導加熱コイル21への供給電力は10.3kWであり、誘導加熱電流(LC回路への供給電流)は260Aであり、第二誘導加熱コイル20への供給電力は4.6kWであり、誘導加熱電流は98Aであった。圧力を常圧から1時間かけて20Torr(2658Pa)に減圧し、20時間維持したところ、図6に示すように、炭化ケイ素粉末40側に向かって凸形状が維持された炭化ケイ素単結晶60が得られた。このとき、炭化ケイ素単結晶60における該凸形状の先端までの高さは12mmであり、炭化ケイ素単結晶60とその周囲に形成された炭化ケイ素多結晶とを含む炭化ケイ素の成長結晶の直径は87mmであった。炭化ケイ素単結晶60においては、蓋体11方向に陥没する凹部が輪状に形成されることがなかった。また、炭化ケイ素単結晶60は、黒鉛製坩堝10の容器本体12の周側面部13に接触した状態で成長することはなかった。更に、炭化ケイ素単結晶60は、その周囲に炭化ケイ素多結晶70が僅かしか発生していなかった。
【0145】
(実施例5)
実施例4において、以下の点が相違する以外は実施例1と同様にした。即ち、炭化ケイ素単結晶の種結晶50の直径が20mm・厚み0.5mmであり、黒鉛製坩堝10の下部(炭化ケイ素粉末40の収容部)を2349℃に加熱し、黒鉛製坩堝10の上部(蓋体11における炭化ケイ素単結晶の種結晶50の配置部)の加熱温度が2317℃であり、その際の第二誘導加熱コイル20への供給電力が5.5kWであり、誘導加熱電流が118Aであり、炭化ケイ素単結晶60とその周囲に形成された炭化ケイ素多結晶とを含む炭化ケイ素の成長結晶の直径は60mmであったこと以外は、実施例4と同様であり、実施例4と同様の良好な結果が得られた。
【0146】
(実施例6)
実施例1において、以下の点が相違する以外は実施例1と同様にした。即ち、干渉防止コイル22を内部に水が流れ、冷却可能な干渉防止コイル22を用いた。得られた炭化ケイ素粉末が、6H、平均粒径が250μmであり、炭化ケイ素単結晶の種結晶50は、実施例4で得られたバルクの炭化ケイ素単結晶を切断し、全面を鏡面研磨して得られた直径25mm・厚み2mmのウエハ(6H)である。
そして、第一誘導加熱コイル21に20kHzの電流を通電させこれを加熱し、第二誘導加熱コイル20に40kHzの電流を通電させこれを加熱した。黒鉛製坩堝10の下部(炭化ケイ素粉末40の収容部)及び上部(蓋体11における炭化ケイ素単結晶の種結晶50の配置部)を2510℃まで、それぞれ昇温し、1時間加熱した。そして、黒鉛製坩堝10の下部は同温度(T)を維持したまま、第二誘導加熱コイル20への供給電力を徐々に低下(5.8kW、120Aから4.2kW、90Aまで低下)させることにより、黒鉛製坩堝10の蓋体11における種結晶配置部の温度を20時間かけて2350℃(T)まで、蓋体11における種結晶配置部の外周部の温度は計算値の推定温度で2480℃(T)まで、それぞれ低下させた。このとき、同時に圧力を常圧から1時間かけて20Torr(2658Pa)に減圧したところ、図7に示すように、炭化ケイ素粉末40側に向かって凸形状が維持された炭化ケイ素単結晶60が得られた。このとき、炭化ケイ素単結晶60における該凸形状の先端までの高さは18mmであった。炭化ケイ素単結晶60においては、蓋体11方向に陥没する凹部が輪状に形成されることがなかった。また、炭化ケイ素単結晶60は、黒鉛製坩堝10の容器本体12の周側面部13に接触した状態で成長することはなかった。更に、炭化ケイ素単結晶60は、その周囲に炭化ケイ素多結晶70が隣接して発生乃至成長することがなかった。
【0147】
(実施例7)
実施例1において、以下の点が相違する以外は実施例1と同様にした。即ち、第二誘導加熱コイル20及び第一誘導加熱コイル21を図8に示す従来の炭化ケイ素単結晶の製造装置80における誘導加熱コイル25に代え、黒鉛製坩堝の蓋体11における、容器本体12の内部と対向する側の面(炭化ケイ素単結晶の成長が行われる面)の内、中心から半径60mmの円の外側領域のみに、X線回折にてガラス状乃至アモルファス状であると判断されるカーボン薄膜を、以下の方法により厚み1〜10μmの厚みに成膜した。蓋体11における前記外側領域だけを露出した状態で真空チャンバー内に設置し、ベンゼン雰囲気下、チャンバー内の圧力を0.23Paに調節した。その後、蓋体11を2.5kVの負電位に保ち、フィラメントとアノードとの対向部分に発生させたアーク放電プラズマでベンゼンを分解することによりプラズマ中で生じた正イオンを高速で、蓋体11における前記外側領域に衝突させることにより、成膜を行った。
実施例7では、蓋体11における容器本体12の内部と対向する側の面において、ガラス状カーボン乃至アモルファス状カーボンの成膜を行った部分には炭化ケイ素の結晶が成長せず、成膜を行わなかった中心部分(直径60mmの円形部分)のみに、炭化ケイ素粉末40側に向かってその成長面の全面が凸形状に維持された炭化ケイ素単結晶60が成長していた。このため、炭化ケイ素単結晶60は、黒鉛製坩堝10の容器本体12の周側面部13に接触した状態で成長することはなく、室温まで冷却した際に、割れ等の破損が生ずることがなかった。
【0148】
(実施例8)
図8に示す炭化ケイ素単結晶の製造装置80を用いた以外は、実施例1と同様にして炭化ケイ素単結晶を製造した。
【0149】
具体的には、石英管30の外周であって黒鉛製坩堝10における蓋体11が位置する部分に配置された第一誘導加熱コイル21及び第二誘導加熱コイル20にを、石英管30の外周であって黒鉛製坩堝10が位置する部分に略等間隔に螺旋状に環巻された状態で配置された誘導加熱コイル25に代え、干渉防止コイル22を用いなかった以外は実施例1と同様にした。
【0150】
実施例8では、図9に示す通り、蓋体11における、容器本体12内部と対向する側の全表面は炭化ケイ素の結晶で覆われ、蓋体11の外周縁部に炭化ケイ素多結晶70が容器本体12の内部周側面に接触した状態で成長した。この状態において、室温にまで冷却を行うと、炭化ケイ素多結晶70側から炭化ケイ素単結晶60側に熱膨張差に基づく応力が集中して印加され、図9に示す通り、炭化ケイ素単結晶60に割れが生じた。
【0151】
(比較例1)
実施例1において、炭化ケイ素粉末40の製造の際に用いたレゾール型キシレン樹脂をレゾール型フェノール樹脂に代えた以外は、実施例1と同様にして炭化ケイ素粉末40を製造した。得られた炭化ケイ素粉末における窒素含有量は、500質量ppm以上であった。
この炭化ケイ素粉末40を用いて炭化ケイ素単結晶60を製造し、実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。ただし、炭化ケイ素単結晶60の体積抵抗値は0.02Ω・cmであり、窒素含有量は160質量ppmであった。
【0152】
【発明の効果】
本発明によると、前記不純物元素の含有量が少なく、かつ前記不純物元素でない窒素等の元素の含有量も少なく、半絶縁体乃至絶縁体として使用可能であり、半絶縁性乃至絶縁性単結晶基板等として好適に使用可能な炭化ケイ素単結晶、及び、該炭化ケイ素単結晶を効率よく製造し得る炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法における初期状態を説明するための概略図である。
【図2】図2は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により炭化ケイ素単結晶を製造している状態を説明するための概略図である。
【図3】図3は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造された本発明の炭化ケイ素単結晶の概略図である。
【図4】図4は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法に用いた坩堝の一例を示す概略説明図である。
【図5】図5は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法に用いた坩堝の他の例を示す概略説明図である。
【図6】図6は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造された本発明の炭化ケイ素単結晶の概略図である。
【図7】図7は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造された本発明の炭化ケイ素単結晶の概略図である。
【図8】図8は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により炭化ケイ素単結晶を製造している状態を説明するための概略図である。
【図9】図9は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造された炭化ケイ素単結晶の概略図である。
【符号の説明】
1 炭化ケイ素単結晶の製造装置
10 黒鉛製坩堝
11 蓋体
12 容器本体
13 周側面部
15 内側領域形成部
20 第二誘導加熱コイル
21 第一誘導加熱コイル
22 干渉防止コイル
25 誘導加熱コイル
30 石英管
31 支持棒
40 炭化ケイ素粉末
50 炭化ケイ素単結晶の種結晶
60 炭化ケイ素単結晶
70 炭化ケイ素多結晶
71 凹部
80 炭化ケイ素単結晶の製造装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide single crystal that can be suitably used as a semi-insulating or insulating single crystal substrate and the like, and an efficient manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide has a larger band gap and superior dielectric breakdown characteristics, heat resistance, radiation resistance, etc., compared to silicon, so it is excellent as an electronic device material such as a small and high-power semiconductor, and also has excellent optical characteristics. Therefore, it has been attracting attention as an optical device material. Among such silicon carbide crystals, a silicon carbide single crystal has an advantage that it is particularly excellent in uniformity of characteristics in a wafer when applied to a device such as a wafer, compared to a silicon carbide polycrystal.
As a method for producing the silicon carbide single crystal, an improved Rayleigh method (an improved sublimation recrystallization method) in which a graphite crucible is used to sublimate silicon carbide powder and a silicon carbide single crystal is grown on a silicon carbide single crystal seed crystal. In the periodic table of the 1989 IUPAC Inorganic Chemical Nomenclature Revision, the impurity element belongs to the group 1 to group 17 and has an atomic number of 3 or more (provided that the carbon atom, nitrogen atom, oxygen atom and silicon There are few known methods for producing silicon carbide single crystals whose content is 1.0 mass ppm or less.
On the other hand, a silicon carbide single crystal obtained using a silicon carbide powder containing a large amount of nitrogen atoms, which is not the impurity element, gives electron conductivity as a donor atom to the silicon carbide crystal. Although it can be used, it cannot be used as a semi-insulator or insulator. For this reason, in some devices such as MESFETs for high frequency applications, the use of a highly insulating substrate is desired for the purpose of suppressing the high frequency loss of the substrate, but a silicon carbide single layer suitable as such a highly insulating substrate is desired. The present condition is that the manufacturing method of a crystal is not yet provided.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed in view of this present condition, and makes it a subject to achieve the following objectives. That is, the present invention has a low content of the impurity element and a low content of an element such as nitrogen that is not the impurity element, and can be used as a semi-insulator or insulator. It is an object of the present invention to provide a silicon carbide single crystal that can be suitably used as a substrate and the like, and a method for producing a silicon carbide single crystal capable of efficiently producing the silicon carbide single crystal.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> Growing a silicon carbide single crystal by sublimating and recrystallizing a silicon carbide powder having a nitrogen content of 100 mass ppm or less and each impurity element content of 0.1 mass ppm or less. Is a method for producing a silicon carbide single crystal.
<2> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <1>, wherein the nitrogen content of the silicon carbide powder is 50 ppm by mass or less.
<3> A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein a silicon carbide single crystal having a nitrogen content of 0.1 mass ppm or less is sublimated and then recrystallized to grow a silicon carbide single crystal.
<4> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <3>, wherein the silicon carbide powder is obtained by firing a mixture containing at least a silicon source and a xylene-based resin.
<5> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <4>, wherein the silicon source is an alkoxysilane compound.
<6> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <4> or <5>, wherein the mixture is obtained by adding an acid to a silicon source and then adding a xylene-based resin.
<7> The silicon carbide according to any one of <4> to <6>, wherein a ratio of carbon contained in the xylene-based resin to silicon contained in the silicon source is 1.8 or less during firing. This is a method for producing a single crystal.
<8> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <7>, wherein the volume average diameter of the silicon carbide powder is 50 to 400 μm.
<9> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <8>, wherein the silicon carbide powder contains 30% by mass or less of silicon carbide powder whose crystal polymorph is a beta type (3C). It is.
<10> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <9>, wherein the silicon carbide single crystal is grown through the entire growth process while maintaining the entire growth surface in a convex shape. It is.
<11> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <10>, wherein a silicon carbide crystal including the silicon carbide single crystal is grown in a substantially chevron shape.
<12> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <11>, wherein the silicon carbide crystal including the silicon carbide single crystal is composed only of the silicon carbide single crystal.
<13> A silicon carbide powder is accommodated in a reaction vessel, and a seed crystal of a silicon carbide single crystal is disposed at an end portion substantially opposed to the silicon carbide powder in the reaction vessel,
The growth of a silicon carbide crystal including a silicon carbide single crystal is performed only in a region other than a portion adjacent to the peripheral side surface portion in the reaction vessel at the end portion. It is a manufacturing method of the silicon carbide single crystal of description.
<14> The silicon carbide powder is accommodated on one end side in the reaction vessel, and a silicon carbide single crystal seed crystal is disposed on the other end side in the reaction vessel,
By the first heating means arranged on the one end side, a sublimation atmosphere is formed so that the silicon carbide powder can be sublimated,
The second heating means arranged on the other end side forms a recrystallization atmosphere so that the silicon carbide sublimated by the first heating means can be recrystallized only in the vicinity of the seed crystal of the silicon carbide single crystal. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <13>, wherein the silicon carbide is recrystallized on a seed crystal of the silicon carbide single crystal.
<15> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <14>, wherein the first heating unit and the second heating unit are coils capable of induction heating.
<16> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <15>, wherein the current value of the induction heating current in the first heating unit is larger than the current value of the induction heating current in the second heating unit.
<17> The silicon carbide according to <15> or <16>, wherein the current value of the induction heating current in the second heating means is decreased continuously or stepwise as the diameter of the growing silicon carbide single crystal increases. This is a method for producing a single crystal.
<18> The temperature on one end side containing the silicon carbide powder in the reaction vessel is T 1 And the temperature on the other end side where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is arranged is T 2 And the temperature T of the adjacent portion to the inner peripheral side surface portion of the reaction vessel on the other end portion side. 3 T 3 -T 2 And T 1 -T 2 The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <14> to <17>, wherein is increased continuously or stepwise.
<19> A silicon carbide single crystal produced by the method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <18>.
<20> Non-destructive optical image detection of hollow pipe-like crystal defects of 100 / cm 2 The silicon carbide single crystal according to <19>, which is the following.
<21> The silicon carbide single crystal according to <19> or <20>, wherein the total content of impurity elements is 10 ppm by mass or less.
<22> Volume resistance value is 1 × 10 7 The silicon carbide single crystal according to any one of <19> to <21>, which is Ω · cm or more.
<23> The silicon carbide single crystal according to any one of <19> to <22>, wherein the nitrogen content is 0.01 mass ppm or less.
[0005]
Examples of means for solving the above-described problems further include the following. That is,
<24> Firing is heated to 1300 to 1600 ° C. at 100 to 1000 ° C./h in a non-oxidizing atmosphere, then heated to 1800 to 2100 ° C. at 50 to 300 ° C./h, and then 1800 to 2100 ° C. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <4> to <18>, wherein the method is carried out by holding within 240 minutes.
<25> The silicon carbide single crystal according to any one of <4> to <18> and <24>, wherein 1 to 5% by volume of halogen or hydrogen halide is added to the silicon source and the carbon source during firing. It is a manufacturing method.
<26> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <4> to <18> and <23> to <25>, wherein post-treatment by heating is performed after firing.
<27> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <26>, wherein the post-treatment is performed at 2150 to 2400 ° C.
<28> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <26> or <27>, wherein the post-treatment is performed in an argon atmosphere for 3 to 8 hours.
<29> Volume average particle diameter of silicon carbide powder (D 50 ) Is 0.5 to 800 μm. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <18> and <23> to <28>.
<30> Particle size distribution of silicon carbide powder (D 90 / D 10 ) Is 4 or less. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <18> and <23> to <29>.
<31> In the reaction vessel, the temperature of the recrystallization atmosphere is 30 to 300 ° C. lower than the temperature of the sublimation atmosphere, and the silicon carbide single unit according to any one of <12> to <18> and <23> to <30> It is a manufacturing method of a crystal.
<32> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <12> to <18> and <23> to <31>, wherein the reaction vessel is a crucible disposed in a quartz tube.
<33> The surface of the other end portion adjacent to the peripheral side surface portion in the reaction vessel is glassy carbon according to any one of the items <12> to <18> and <23> to <32>. This is a method for producing a silicon carbide single crystal.
<34> An induction current can be passed between the first heating means and the second heating means, and interference between the first heating means and the second heating means is caused by passing the induced current. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <12> to <18> and <23> to <33>, wherein interference preventing means for preventing is arranged.
<35> The method for producing a silicon carbide single crystal according to <34>, wherein the interference prevention unit is a coil capable of circulating cooling water.
<36> The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <12> to <18> and <23> to <35>, wherein one end is a lower end and the other end is an upper end. .
<37> The region where the silicon carbide single crystal is grown at the other end and the region located on the outer periphery of the region and adjacent to the inner peripheral side surface of the reaction vessel are formed of different members, And, in the member forming the region where the silicon carbide single crystal is grown, one end is exposed inside the reaction vessel and the other end is exposed outside the reaction vessel. The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of <23> to <36>.
[0006]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <1> includes sublimating a silicon carbide powder having a nitrogen content of 100 mass ppm or less and each impurity element content of 0.1 mass ppm or less. Since the silicon carbide single crystal is grown by recrystallization from the above, the nitrogen content in the recrystallized silicon carbide single crystal is low. For this reason, the manufactured silicon carbide single crystal is suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0007]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <2>, since the nitrogen content of the silicon carbide powder is 50 mass ppm or less in <1>, nitrogen in the silicon carbide single crystal to be recrystallized Very low content. For this reason, the manufactured silicon carbide single crystal is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0008]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to the above <3>, the silicon carbide single crystal having a nitrogen content of 0.1 mass ppm or less is sublimated and then recrystallized to grow the silicon carbide single crystal. The nitrogen content in the crystallized silicon carbide single crystal is very low. For this reason, the manufactured silicon carbide single crystal is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0009]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <4>, in any one of <1> to <3>, the silicon carbide powder is obtained by firing a mixture containing at least a silicon source and a xylene-based resin. Since the silicon carbide powder has a low nitrogen content, the nitrogen content in the produced silicon carbide single crystal is low. For this reason, the manufactured silicon carbide single crystal is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0010]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <5>, in the <4>, the silicon source is a tetraalkoxysilane polymer. For this reason, the silicon carbide powder can be easily obtained at low cost.
[0011]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <6> is obtained by adding a xylene-based resin after adding an acid to a silicon source in the above <4> or <5>. For this reason, the said mixture of a uniform state is obtained very easily, and a silicon carbide single crystal is manufactured efficiently.
[0012]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <7>, in any one of <4> to <6>, the carbon contained in the xylene-based resin in the mixture and the silicon contained in the silicon source in firing The ratio is less than or equal to 1.8 and there is little free carbon in the silicon carbide powder, so that a high-quality silicon carbide single crystal can be obtained.
[0013]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <8>, the volume average diameter of the silicon carbide powder is 50 to 400 μm in any one of <1> to <7>, and is produced by a CVD method or the like. It has a volume average particle size larger than that of silicon carbide powder, is easy to handle, and is excellent in production efficiency of silicon carbide single crystals.
[0014]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <9>, in any one of <1> to <8>, the silicon carbide powder is a silicon carbide powder whose crystal polymorph is a beta type (3C). Since it contains less than mass%, it has a larger volume average particle size than beta-type silicon carbide powder produced by CVD method, etc., and it is easy to handle due to stable sublimation, producing silicon carbide single crystal Excellent efficiency.
[0015]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <10>, in the above <1> to <9>, the entire surface of the growth surface of the silicon carbide single crystal is held in a convex shape throughout the entire growth process. Let it grow. Here, the depressed recess is not formed in a ring shape in the direction opposite to the growth direction on the entire growth surface of the growing silicon carbide single crystal. For this reason, a high-quality silicon carbide single crystal free from damage such as cracks and free from crystal defects such as polycrystals, polymorphs, and micropipes is produced.
[0016]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <11>, since the silicon carbide crystal including the silicon carbide single crystal is grown in a substantially chevron shape in <1> to <10>, the silicon carbide single crystal to be grown , There is no depressed recess at all in the direction opposite to the growth direction. For this reason, a high-quality silicon carbide single crystal free from damage such as cracks and free from crystal defects such as polycrystals, polymorphs, and micropipes is produced.
[0017]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <12>, in any one of the items <1> to <11>, the silicon carbide crystal including the silicon carbide single crystal is composed only of the silicon carbide single crystal. For this reason, a silicon carbide single crystal having a large diameter is obtained, and it is not necessary to separate the silicon carbide single crystal from a silicon carbide polycrystal or the like.
[0018]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <13>, the silicon carbide powder is accommodated in a reaction vessel in <1> to <12>, and substantially opposed to the silicon carbide powder in the reaction vessel. A seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed at an end portion of the silicon carbide crystal, and the growth of the silicon carbide crystal containing the silicon carbide single crystal excludes a portion of the end portion adjacent to the peripheral side surface portion in the reaction vessel. Only done in the area. Therefore, in the growing silicon carbide single crystal, the depressed recess is not formed in a ring shape in the direction opposite to the growth direction, and the silicon carbide polycrystal is not formed in the reaction vessel at the end. It does not grow in contact with the peripheral side surface. Therefore, when the grown silicon carbide single crystal is cooled to room temperature, stress based on the thermal expansion difference is not concentrated and applied from the silicon carbide polycrystal side to the silicon carbide single crystal side. Defects such as cracks do not occur in the single crystal. As a result, a high-quality silicon carbide single crystal free from damage such as cracks and free from crystal defects such as polycrystals, polymorphs, and micropipes can be produced efficiently and reliably.
[0019]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <14>, in any one of <1> to <13>, the silicon carbide powder is accommodated on one end side in the reaction vessel, A seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed on the other end side of the substrate, and a sublimation atmosphere is formed by the first heating means disposed on the one end side so that the silicon carbide powder can be sublimated. The second heating means arranged on the end side forms a recrystallization atmosphere so that the silicon carbide sublimated by the first heating means can be recrystallized only in the vicinity of the seed crystal of the silicon carbide single crystal, Silicon is recrystallized on the seed crystal of the silicon carbide single crystal.
In this method for producing a silicon carbide single crystal, heating for forming a sublimation atmosphere is performed by the first heating means so that the silicon carbide powder can be sublimated, and only on the seed crystal of the silicon carbide single crystal. By performing formation of a recrystallization atmosphere that enables recrystallization with the second heating means, recrystallization can be selectively performed only on or near the seed crystal of the silicon carbide single crystal, Silicon carbide polycrystal does not grow in contact with the peripheral side surface in the reaction vessel at the end. When the grown silicon carbide single crystal is cooled to room temperature, stress based on the difference in thermal expansion is not concentrated and applied from the silicon carbide polycrystal side to the silicon carbide single crystal side. Defects such as cracks do not occur. As a result, a high-quality silicon carbide single crystal free from breakage such as cracks and free from crystal defects such as polycrystals, polymorphs, and micropipes is produced.
[0020]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <15> is the coil according to <14>, wherein the first heating unit and the second heating unit are induction-heatable. For this reason, the temperature control of the first heating means for forming the sublimation atmosphere and the temperature control of the second heating means for forming the recrystallization atmosphere are easily and reliably performed by induction heating by the coil. To be done.
[0021]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <16>, in <15>, the current value of the induction heating current in the first heating unit is larger than the current value of the induction heating current in the second heating unit. For this reason, the temperature of the recrystallization atmosphere in the vicinity of the seed crystal is maintained lower than the temperature of the sublimation atmosphere, and recrystallization is easily performed.
[0022]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <17>, in <15> or <16>, the current value of the induction heating current in the second heating unit is set so that the diameter of the growing silicon carbide single crystal is large. As it becomes, it decreases continuously or stepwise. For this reason, since the heating amount by the second heating means is controlled to be small as the silicon carbide single crystal grows, recrystallization is performed only in the vicinity of the silicon carbide single crystal that continues to grow. No polycrystal is formed around
[0023]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <18>, in any one of <14> to <17>, the temperature on one end side containing the silicon carbide powder in the reaction vessel is set to T 1 And the temperature on the other end side where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is arranged is T 2 And the temperature T of the adjacent portion to the inner peripheral side surface portion of the reaction vessel on the other end portion side. 3 T 3 -T 2 And T 1 -T 2 Increases continuously or stepwise. T 1 -T 2 If the silicon carbide single crystal continues to grow toward the one end portion over time, the crystal growth tip side of the silicon carbide single crystal is always prone to recrystallization. Maintained. On the other hand, T 3 -T 2 When the silicon carbide single crystal grows continuously or stepwise, even if the silicon carbide single crystal continues to grow toward the outer peripheral direction on the other end side, the crystal growth outer peripheral end side of the silicon carbide single crystal always re-appears. A state in which crystallization is likely to occur is maintained. As a result, the formation of silicon carbide polycrystal is effectively suppressed, and the silicon carbide single crystal continues to grow in the direction of increasing its thickness while expanding its diameter. A large-diameter silicon carbide single crystal can be obtained without contamination.
[0024]
The silicon carbide single crystal according to <19> is manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to any one of <1> to <18>. For this reason, the silicon carbide single crystal obtained has a low nitrogen content and is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0025]
The silicon carbide single crystal according to <20> has 100 hollow crystal defects / cm in non-destructive optical image detection in the above <19>. 2 It is as follows. Therefore, the silicon carbide single crystal has extremely high quality, is particularly excellent in dielectric breakdown characteristics, heat resistance, radiation resistance, etc., and is particularly suitable for electronic devices such as semiconductor wafers, optical devices such as light emitting diodes, and the like. .
[0026]
The silicon carbide single crystal according to <21> has a total content of the impurity elements of 10 mass ppm or less in the <19> or <20>. For this reason, the silicon carbide single crystal has an extremely high quality.
[0027]
The silicon carbide single crystal according to <22> has a volume resistance value of 1 × 10 in any one of <19> to <21>. 7 Ω · cm or more. For this reason, the silicon carbide single crystal is a semi-insulator or insulator.
[0028]
The silicon carbide single crystal according to <23> has a nitrogen content of 0.01 mass ppm or less in any one of the above items <19> to <22>. The nitrogen content is very low. For this reason, the manufactured silicon carbide single crystal is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0029]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <24>, in any one of <4> to <18>, the firing is performed in a non-oxidizing atmosphere at 100 to 1000 ° C./h to 1300 to 1600 ° C. The temperature is raised, and then the temperature is raised to 1800 to 2100 ° C. at 50 to 300 ° C./h, and then maintained at 1800 to 2100 ° C. within 240 minutes. For this reason, a silicon carbide single crystal is efficiently manufactured.
[0030]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <25>, in any one of <4> to <18> and <24>, halogen or hydrogen halide 1 is used for the silicon source and the carbon source during firing. ~ 5% by volume is added. For this reason, in the obtained silicon carbide single crystal, the amount of the impurity element is effectively suppressed to be low.
[0031]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <26>, in any of the above <4> to <18> and <23> to <25>, post-treatment by heating is performed after firing. For this reason, the impurity element is removed, and a high-purity and high-quality silicon carbide single crystal is efficiently produced.
[0032]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <27>, since the post-treatment is performed at 2150 to 2400 ° C. in <26>, the impurity element is removed, and the silicon carbide single crystal has high purity and high quality. Is efficiently manufactured.
[0033]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <28>, the post-treatment in <26> or <27> is performed in an argon atmosphere for 3 to 8 hours. A quality silicon carbide single crystal is efficiently produced.
[0034]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <29> is the volume average particle diameter (D) of the silicon carbide powder in any one of the items <1> to <18> and <23> to <28>. 50 ) Is 100 to 500 μm, the sublimation is efficiently performed, and the silicon carbide single crystal is efficiently manufactured.
[0035]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <30>, in any one of the items <1> to <18> and <23> to <29>, the particle size distribution (D 90 / D 10 ) Is 4 or less, sublimation is efficiently performed, and a silicon carbide single crystal is efficiently produced.
[0036]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <31>, in the above <12> to <18> and <23> to <30>, the temperature of the recrystallization atmosphere is the sublimation atmosphere in the reaction vessel. 30-300 ° C. lower than temperature. For this reason, recrystallization is performed easily and smoothly on or near the seed crystal of the silicon carbide single crystal.
[0037]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <32> is a crucible in which the reaction vessel is disposed in a quartz tube in any one of the items <12> to <18> and <23> to <31>. is there. For this reason, since the silicon carbide powder is sublimated and recrystallized and the silicon carbide single crystal is grown in the closed system in the quartz tube, these controls are easy.
[0038]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <33>, in any one of <12> to <18> and <23> to <32>, is the inner peripheral side surface of the reaction vessel at the other end The surface of the part adjacent to the part is glassy carbon. For this reason, in the said other end part, an adjacent part with the inner peripheral side part of this reaction container is less likely to recrystallize than areas other than this adjacent part. As a result, a silicon carbide crystal does not grow in the adjacent portion at the other end, and a silicon carbide single crystal selectively recrystallizes and grows only in a region other than the adjacent portion.
[0039]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <34>, in any one of the items <12> to <18> and <23> to <33>, the first heating unit and the second heating unit In the meantime, an induction current can be applied, and an interference preventing means for preventing interference between the first heating means and the second heating means by supplying the induced current is disposed. For this reason, when induction heating by the first heating means and the second heating means is performed simultaneously, an induction current flows through the interference prevention means, and the interference prevention means minimizes and prevents interference between the two.
[0040]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <35>, in the <34>, the interference prevention unit is a coil that can be cooled. Even if an induced current flows through the coil and is heated, the coil is cooled, so that the coil does not heat the reaction vessel. For this reason, temperature control of the reaction vessel is easy.
[0041]
The method for producing a silicon carbide single crystal according to <36>, in any one of <12> to <18> and <23> to <35>, the one end is a lower end, and the other end Is the upper end. For this reason, the silicon carbide powder is accommodated in the lower part of the reaction vessel, and the silicon carbide powder is smoothly sublimated, and the silicon carbide single crystal is directed downward, that is, in the direction of gravity. It grows with no extra load.
[0042]
In the method for producing a silicon carbide single crystal according to <37>, in any one of <12> to <18> and <23> to <36>, a region in which the silicon carbide single crystal is grown; One end of the member that is located on the outer periphery of the region and that is adjacent to the inner peripheral side surface of the reaction vessel is formed of another member and that forms a region where the silicon carbide single crystal is grown. Is exposed inside the reaction vessel and the other end is exposed outside the reaction vessel. A region where the silicon carbide single crystal is grown (inner region) and a region located on the outer periphery of the region and adjacent to the inner peripheral side surface portion (outer region) are formed of different members. Therefore, when heating is performed by the second heating unit, the outer region located on the second heating unit side is easily heated, but the inner region has a contact resistance with the outer region. It is not easily heated by the difference. For this reason, even if heating is performed by the second heating means, a temperature difference is generated between the outer region and the inner region, and the inner region is less likely to be heated than the outer region. It is kept low and the silicon carbide is easily recrystallized. In addition, since the side opposite to the inside of the reaction vessel in the member forming the inner region is exposed to the outside of the reaction vessel and heat is easily radiated to the outside of the reaction vessel, heating is performed by the second heating unit. In this case, the inner region is less likely to be heated than the outer region, a temperature difference occurs between the outer region and the inner region, and the inner region is maintained at a lower temperature than the outer region, Recrystallization of silicon carbide is easily performed. As a result, the silicon carbide single crystal hardly grows in the outer region, and the silicon carbide single crystal selectively recrystallizes and grows only in the inner region.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Method for producing silicon carbide single crystal)
In the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention, a silicon carbide single crystal having a nitrogen content of 100 mass ppm or less is sublimated and then recrystallized to grow a silicon carbide single crystal.
[0044]
-Silicon carbide powder-
The silicon carbide powder has a nitrogen content of 100 mass ppm or less and a content of each impurity element of 0.1 mass ppm or less, or a nitrogen content of 0.1 mass ppm or less. Things.
[0045]
The nitrogen content of the silicon carbide powder needs to be 100 mass ppm or less, preferably 50 mass ppm or less, more preferably 40 mass ppm or less, and 0.1 mass ppm or less. Is particularly preferred.
When the nitrogen content is 100 mass ppm or less, 50 mass ppm or less, and 40 mass ppm or less, it is necessary that each content of the impurity element is 0.1 mass ppm or less. Resistive silicon carbide single crystal is obtained, and the silicon carbide single crystal can be suitably used as a semi-insulating or insulating single crystal substrate or the like, while the nitrogen content is 0.1 mass ppm or less Even if each content of the impurity elements is not limited to 0.1 mass ppm or less, a high-resistance silicon carbide single crystal is obtained, and the silicon carbide single crystal is a semi-insulating or insulating single crystal substrate. Etc. can be suitably used.
The nitrogen content can be measured using, for example, an oxygen-nitrogen simultaneous analyzer, a secondary ion mass spectrometer, a glow discharge mass spectrometer, a photoluminescence measuring device, or the like.
[0046]
The content of each impurity element in the silicon carbide powder is preferably 0.3 mass ppm or less, and more preferably 0.1 mass ppm or less.
When each content of the impurity element is 0.3 mass ppm or less, it is necessary that the nitrogen content is 0.1 mass ppm or less. In this case, an extremely high resistance silicon carbide single crystal The silicon carbide single crystal can be suitably used as a semi-insulating or insulating single crystal substrate or the like, and on the other hand, when each content of the impurity element is 0.1 mass ppm or less, Even if the nitrogen content is not more than 0.1 mass ppm, a semi-insulator or insulator silicon carbide single crystal is obtained, and the silicon carbide single crystal is used as a semi-insulator or insulating single crystal substrate or the like. It can be suitably used.
[0047]
The silicon carbide powder may be any of 4H, 6H, 15R, 3C, a mixture thereof, and the like. In addition, there is no restriction | limiting in particular as a grade of the said 3C silicon carbide powder, Although what is generally marketed may be sufficient, it is preferable that it is a high purity thing.
[0048]
Volume average particle diameter of the silicon carbide powder (D 50 ) Is preferably 0.5 to 800 μm, more preferably 50 to 400 μm.
The volume average particle diameter (D 50 ) Is 0.5 to 800 μm, it is advantageous in terms of excellent workability in producing a silicon carbide single crystal and good packing at the time of filling, and if it is 50 to 400 μm, it is advantageous in the CVD method or the like. Compared with the fine powder produced, it is advantageous in that the workability is further improved and the packing at the time of filling is further improved.
[0049]
Particle size distribution of the silicon carbide powder (D 90 / D 10 ) (Volume average particle diameter standard) is preferably 4.0 or less, and more preferably 3.5 or less, from the viewpoint of uniformity of the silicon carbide powder.
[0050]
The silicon carbide powder preferably contains 30% by mass or less of β-SiC (the crystal polymorph is “3C”) in terms of stabilization of the sublimation rate (70% by mass of α-SiC). More preferably 10% by mass or less (more preferably 90% by mass of α-SiC).
Whether it is α-SiC or β-SiC can be determined from a matching peak or the like in the ATSM library data.
[0051]
The silicon carbide powder is obtained by firing a mixture containing at least a silicon source and a xylene-based resin.
[0052]
--Silicon source--
Examples of the silicon source include silicon compounds.
The silicon compound may be liquid or solid, and these may be used in combination, but it is preferable to use at least one liquid.
[0053]
As said liquid thing, an alkoxysilane compound etc. are mentioned suitably.
Examples of the alkoxysilane compound include alkoxysilanes, alkoxysilane oligomers, and alkoxysilane polymers.
The alkoxysilane or alkoxysilane unit in the alkoxysilane, the alkoxysilane oligomer, and the alkoxysilane polymer may be any of monoalkoxysilane, dialkoxysilane, trialkoxysilane, and tetraalkoxysilane. Silane is preferred.
[0054]
Examples of the alkoxysilane include methoxysilane, ethoxysilane, propoxysilane, and butoxysilane. Among these, ethoxysilane is preferable in terms of handling.
[0055]
The alkoxysilane oligomer is a low molecular weight polymer having a degree of polymerization of about 2 to 15, and specific examples thereof include methoxysilane oligomer, ethoxysilane oligomer, propoxysilane oligomer, butoxysilane oligomer, etc. An ethoxysilane oligomer is preferable in terms of handling.
[0056]
The alkoxysilane polymer is a high molecular weight polymer having a degree of polymerization exceeding about 15, and specific examples thereof include a methoxysilane polymer, an ethoxysilane polymer, a propoxysilane polymer, a butoxysilane polymer, and the like. From this point, an ethoxysilane polymer is preferable.
[0057]
Examples of the solid material include silicon oxide such as SiO, silica sol (colloidal ultrafine silica-containing liquid, containing OH group or alkoxyl group inside), silicon dioxide (silica gel, fine silica, quartz powder), and the like. .
[0058]
In the present invention, the silicon compound may be used alone or in combination of two or more. Among the silicon compounds, an ethoxysilane oligomer is preferable in terms of good homogeneity and handling properties. , An ethoxysilane polymer, a mixture of an ethoxysilane oligomer and fine powder silica, and the like, and an ethoxysilane dimer, an ethoxysilane polymer, and the like are more preferable.
[0059]
The silicon compound preferably has a high purity, the impurity element is preferably 20 ppm by mass or less, and more preferably 5 ppm by mass or less.
Here, the impurity element belongs to groups 1 to 17 in the periodic table of the 1989 IUPAC inorganic chemical nomenclature revised edition and has an atomic number of 3 or more (except for atomic numbers 6 to 8 and 14). Refers to an element (the same applies hereinafter).
[0060]
-Xylene resin-
The xylene-based resin has a high residual carbon ratio, a small content of the impurity element, and hardly contains nitrogen in the synthesis process. The xylene-based resin is used as a carbon source.
Examples of the xylene-based resin include a xylene homopolymer (hereinafter simply referred to as “xylene polymer”), a xylene copolymer, and the like. From the viewpoint of mixing of the impurity elements, a xylene polymer is preferable. A resol type xylene polymer is more preferable.
The xylene-based resin may be appropriately synthesized or may be a commercially available product.
[0061]
The xylene-based resin may be an oligomer or a polymer, and the degree of polymerization is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, in the case of the oligomer The polymerization degree is preferably 3 to 15, and in the case of the polymer, the polymerization degree is preferably 15 to 1200.
The degree of polymerization can be measured by, for example, general gel permeation chromatography, osmotic pressure method, GC-MS and the like.
[0062]
The xylene-based resin preferably has a high purity, the impurity element is preferably 20 ppm by mass or less, and more preferably 5 ppm by mass or less.
[0063]
--Mixture--
The mixture contains the silicon source and the xylene-based resin.
[0064]
The amount ratio between the silicon source and the xylene-based resin in the mixture is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. However, the amount of free carbon in the obtained silicon carbide powder decreases. As described above, it is preferable to determine the quantity ratio between the silicon source and the xylene-based resin in advance.
[0065]
The amount of the free carbon is controlled by appropriately adjusting the ratio of carbon contained in the xylene-based resin to silicon contained in the silicon source (hereinafter referred to as “C / Si ratio”) in the mixture. can do.
Here, the C / Si ratio is expressed by the following formula: C / Si = (amount of the xylene-based resin (g) × residual carbon ratio / 12.011) /0.4× (amount of the silicon source (g) (Wherein “amount of xylene-based resin” means the amount of the xylene-based resin contained in the solution when the xylene-based resin is in solution) In the case where the silicon source is a solution, the “amount of silicon source” means the amount of the silicon source contained in the solution.
The C / Si ratio can be measured by elemental analysis of a carbide intermediate obtained by carbonizing the mixture at 1000 ° C.
Stoichiometrically, the free carbon in the silicon carbide powder obtained when the C / Si ratio is 3.0 is 0%, but in practice, the C Even when the / Si ratio is a small value, the free carbon may be generated.
[0066]
The method for preparing the mixture is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. However, the method of adding the xylene-based resin after adding an acid to the silicon source is particularly preferable. In this case, it is advantageous in that the silicon source and the xylene-based resin can be mixed uniformly and a phase separation state does not occur.
When a method other than the method of adding the xylene-based resin after adding an acid to the silicon source is adopted as a method of preparing the mixture, the silicon source and the xylene-based resin can be uniformly mixed. In some cases, phase separation may occur. In this case, the mixture in the phase separation state can be made uniform by heating.
[0067]
The mixture is usually prepared without adding a halogen compound. However, when obtaining ultra-high purity silicon carbide powder, 0.5 to 5% by mass of a halogen compound is added to the mixture. May be.
When the halogen compound is added to the mixture, the impurity element mixed in the mixture is halogenated and effectively removed by vaporization and scattering in the next firing, so that an ultra-high purity silicon carbide powder is obtained. It is done. Specifically, the content of each of the impurity elements in the obtained silicon carbide powder can be reduced to 0.1 mass ppm or less by adding the halogen compound.
When the halogen compound is added, the mixture is reacted for 10 to 30 minutes in the vicinity of the decomposition temperature of the added halogen compound, and the temperature is raised to the next firing temperature from the viewpoint of removing the impurity element. preferable.
[0068]
When the mixture is liquid, the halogen compound is preferably added to the mixture with a liquid halogen compound such as ammonium chloride or aqueous hydrochloric acid. When the mixture is solid (as the xylene-based resin, Solid halogen compounds such as halogen-containing polymers such as polyvinyl chloride, chlorinated polyethylene, and polychloroprene are added to the mixture. It is preferable.
[0069]
The mixture may be in a solid state or in a liquid state, but when it is in a liquid state, it may be cured to be in a solid state before the firing.
The curing method is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a method of crosslinking by heating, a method of curing with a curing catalyst, and a method of electron beam or radiation.
[0070]
The heating is performed at a temperature of about 50 ° C. or more for a time of about 1 hour or more.
The curing catalyst is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include acids such as toluenesulfonic acid, toluenecarboxylic acid, acetic acid, oxalic acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid. Among these, those not containing a nitrogen atom are preferable.
[0071]
The mixture is preferably heated at 500 to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere before the firing, and after heating at 500 to 600 ° C. for 10 to 30 minutes in a non-oxidizing atmosphere, the mixture is then non-oxidized. It is more preferable to heat at 800 to 1000 ° C. for 30 minutes to 2 hours in a neutral atmosphere.
There is no restriction | limiting in particular as said non-oxidizing atmosphere, According to the objective, it can select suitably, For example, atmospheres, such as nitrogen and argon, etc. are mentioned, Among these, argon is preferable.
[0072]
--Baking--
The firing is not particularly limited with respect to the method, conditions, and the like, and can be appropriately selected depending on the particle size of the silicon carbide powder to be obtained. From the viewpoint of more efficient production of the silicon carbide powder. The temperature of the mixture was raised to 1300-1600 ° C. at 100 to 1000 ° C./h in a non-oxidizing atmosphere, then raised to 1900 to 2100 ° C. at 50 to 300 ° C./h, and then 1900 to 2100 ° C. It is preferable to carry out by holding within 240 minutes.
[0073]
In addition, the said carbide | carbonized_material is obtained by heating the said mixture at 800-1000 degreeC. At this time, although there is no restriction | limiting in particular as a yield with respect to the said mixture of the said carbide | carbonized_material, it is so preferable that it is high and it is preferable that it is 50 mass% or more.
[0074]
The non-oxidizing atmosphere is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon, but it is non-reactive even at high temperatures. And an argon atmosphere is preferred.
[0075]
In the firing, the inert gas is preferably introduced into a reaction vessel containing the mixture. In this case, it is advantageous in that the SiO gas, CO gas, and the like containing the impurity element generated during the firing can be discharged or removed out of the reaction vessel.
[0076]
In the firing, 1 to 5% by volume of halogen or hydrogen halide is added to the silicon source and the xylene-based resin to suppress the amount of the impurity element contained in the obtained silicon carbide powder. It is preferable in that
[0077]
The C / Si ratio at the time of firing can vary depending on the pressure at the time of firing, so it cannot be defined unconditionally, but the generation of the free carbon can be effectively suppressed, It is preferably 1.85 or less, and more preferably 1.55 or less.
[0078]
-Other processing-
There is no restriction | limiting in particular as another process, Although it can select suitably according to the objective, For example, the following post-processing etc. are mentioned suitably.
[0079]
The post-treatment is preferably performed at 2000 ° C. or higher after the firing, more preferably performed at 2100 ° C. or higher, and particularly preferably performed at 2150 to 2400 ° C.
There is no restriction | limiting in particular as time of the said post-processing, Although it can select suitably according to the objective, Usually, it is 5 minutes or more, about 3 to 8 hours are preferable, and about 4 to 6 hours are more preferable.
The post-treatment is preferably performed in the non-oxidizing atmosphere, and among the non-oxidizing atmospheres, an argon atmosphere is preferable in that it is non-reactive even at high temperatures.
The post-treatment is advantageous in that the impurity element is removed, high purity, large particle size, narrow particle size distribution, and high quality silicon carbide powder can be obtained.
[0080]
There is no restriction | limiting in particular about the apparatus etc. which are used for manufacture of the said silicon carbide powder, According to the objective, it can select suitably.
The production of the silicon carbide powder may be performed in a continuous processing mode or a batch processing mode. Moreover, the said baking and the said post-processing may be performed by continuous processing in one heating furnace, and may be performed by batch processing in a separate heating furnace.
[0081]
The silicon carbide powder is as described above. In the present invention, instead of the silicon carbide powder, a mixture of the silicon carbide powder and a sintered body of the silicon carbide powder, or the silicon carbide A powdered sintered body may be used.
[0082]
Sublimation and recrystallization of the silicon carbide powder can be performed in a reaction vessel.
The reaction vessel is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. However, the silicon carbide powder can be accommodated therein, and the silicon carbide single-piece can be provided at a position substantially opposite to the silicon carbide powder. It is preferable to have an end where a crystal seed crystal can be arranged.
Although there is no restriction | limiting in particular as a shape of the said edge part, For example, it is preferable that it is a substantially planar shape.
[0083]
Although there is no restriction | limiting in particular as a site | part in which the said silicon carbide powder is accommodated, It is preferable that it is an edge part substantially opposite to the edge part which can arrange | position the seed crystal of the said silicon carbide single crystal. In this case, the inside of the reaction vessel has a cylindrical shape, and the cylindrical axis may be linear or curved, and a cross section perpendicular to the axial direction of the cylindrical shape. The shape may be circular or polygonal. Preferable examples of the circular shape include those having a straight axis and a circular cross-sectional shape perpendicular to the axial direction.
When two ends are present inside the reaction vessel, the silicon carbide powder is accommodated on one end side, and the seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed on the other end side. Hereinafter, the one end portion may be referred to as a “silicon carbide powder containing portion”, and the other end portion may be referred to as a “seed crystal arrangement portion”.
There is no restriction | limiting in particular as a shape of the said one end part (silicon carbide powder accommodating part), A planar shape may be sufficient, and the structure (for example, convex part etc.) for promoting soaking | uniform-heating may be provided suitably.
[0084]
In the reaction vessel, it is preferable that the other end portion (seed crystal placement portion) side is designed to be detachable. In this case, it is advantageous in that the grown silicon carbide single crystal can be easily separated from the reaction vessel by simply detaching the other end (seed crystal arrangement portion).
As such a reaction container, for example, a container main body that can store silicon carbide powder, and the carbonization powder that is detachable from the container main body and is stored in the container main body when mounted on the container main body. Preferable examples include a reaction vessel provided with a lid capable of disposing a seed crystal of a silicon carbide single crystal substantially at the center of the surface facing the silicon powder.
[0085]
The positional relationship between the one end portion (silicon carbide powder containing portion) and the other end portion (seed crystal placement portion) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. A mode in which the silicon powder accommodating portion is a lower end portion and the other end portion (seed crystal arranging portion) is an upper end portion, that is, the one end portion (silicon carbide powder accommodating portion) and the other end portion (seed crystal arranging portion). Are preferably located in the direction of gravity. In this case, the silicon carbide powder is preferably sublimated smoothly, and the silicon carbide single crystal is grown in a state where no excessive load is applied downward, that is, in the direction of gravity.
[0086]
In addition, you may arrange | position the member formed with the material excellent in heat conductivity in order to perform the sublimation of the said silicon carbide powder efficiently, for example in the said one end part (silicon carbide powder accommodating part) side.
As the member, for example, an inverted cone shape in which the outer periphery can be in close contact with the peripheral side surface portion in the reaction vessel and the diameter gradually increases as the inside approaches the other end portion (seed crystal placement portion). A member having an inverted frustum shape or the like is preferable.
[0087]
The portion exposed to the outside of the reaction vessel may be provided with threading, a temperature measuring recess, or the like, depending on the purpose, and the temperature measuring recess has the one end side and the other end. It is preferable to be provided in at least one part on the side.
[0088]
The material for the reaction vessel is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. However, it is preferably formed of a material excellent in durability, heat resistance, heat transfer property, and the like. Further, it is particularly preferable that it is made of graphite in that polycrystals and polymorphs due to the generation of impurities are few, and the sublimation and recrystallization of the silicon carbide powder are easy to control.
[0089]
The reaction vessel may be formed of a single member, or may be formed of two or more members, and can be appropriately selected according to the purpose, but is formed of two or more members. In some cases, the other end portion (seed crystal placement portion) is preferably formed of two or more members, and the central portion of the other end portion (seed crystal placement portion) and the outer peripheral portion thereof are separate members. It is more preferable that a temperature difference or a temperature gradient can be formed. Specifically, a region (inner region) where silicon carbide single crystal is grown as the central portion, and the outer periphery are formed. As a part, a region (outer region) adjacent to the inner peripheral side surface portion of the reaction vessel located on the outer periphery of the inner region is formed of another member, and one end of the member forming the inner region is a reaction vessel The other end is exposed to the outside of the reaction vessel It is particularly preferred.
[0090]
In this case, when the other end portion (seed crystal arrangement portion) is heated from the outside, the outside region is easily heated, but the inside region is hardly heated due to contact resistance with the outside region. A temperature difference occurs between the outer region and the inner region, and the inner region is maintained at a slightly lower temperature than the outer region, so that the inner region is more silicon carbide than the outer region. Can be easily recrystallized. Further, since the other end of the member forming the inner region is exposed to the outside of the reaction vessel, the inner region easily dissipates heat to the outside of the reaction vessel. Silicon carbide can cause recrystallization more easily than the outer region.
[0091]
In addition, the aspect in which the other end of the member forming the inner region is exposed to the outside of the reaction vessel is not particularly limited. Examples include a shape whose diameter changes discontinuously (increases or decreases).
Specifically, as such a shape, a columnar shape having a bottom surface in the inner region (a cylindrical shape, a prismatic shape, etc. are preferable, and a columnar shape is preferable), and a frustum shape having a bottom surface in the inner region (conical shape) A trapezoidal shape, a truncated pyramid shape, an inverted truncated cone shape, an inverted truncated pyramid shape and the like, and an inverted truncated cone shape is preferable.
[0092]
The reaction vessel is located on the outer periphery of the region (inner region) where the silicon carbide single crystal is grown in the other end portion (seed crystal arrangement portion) and is adjacent to the inner peripheral side surface portion (outer side) of the reaction vessel The surface of the region is preferably glassy carbon or amorphous carbon. In this case, the outer region is preferable in that recrystallization is less likely to occur than the inner region.
[0093]
The reaction vessel is preferably surrounded by a heat insulating material or the like. In this case, the heat insulating material or the like is provided in the approximate center of the one end portion (silicon carbide powder containing portion) and the other end portion (seed crystal placement portion) in the reaction vessel for the purpose of forming a temperature measuring window. Preferably not. In addition, when the temperature measuring window is provided at substantially the center of the one end portion (silicon carbide powder containing portion), a graphite cover member or the like is further provided to prevent the heat insulating material powder from falling. It is preferable.
[0094]
The reaction vessel is preferably arranged in a quartz tube. In this case, it is preferable in that the loss of heating energy for sublimation and recrystallization of the silicon carbide powder is small.
In addition, the said quartz tube can obtain a high purity product, and when a high purity product is used, it is advantageous at the point with few mixing of a metal impurity.
[0095]
-Sublimation-
The sublimation of the silicon carbide powder may be performed using the same heating means as the heating means for performing the heating necessary for performing recrystallization, but the heating means is performed using a separate heating means. This is preferable in terms of precision control, independent control, interference prevention and the like. In such an embodiment, the number of heating means is two or more, but two is preferable in the present invention.
When the heating means is two preferred embodiments, the heating means for forming a sublimation atmosphere that allows the silicon carbide powder to be sublimated is the first heating means, and the sublimated silicon carbide is a seed of the silicon carbide single crystal. The heating means for forming the recrystallization atmosphere that allows recrystallization only in the vicinity of the crystal is the second heating means.
[0096]
The first heating means is disposed on one end portion (silicon carbide powder containing portion) side of the reaction vessel, forms a sublimation atmosphere so that the silicon carbide powder can be sublimated, and heats the silicon carbide powder. Sublimate.
The first heating means is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include induction heating means and resistance heating means. However, induction heating means is preferable in terms of easy temperature control. Among the induction heating means, a coil capable of induction heating is preferable.
[0097]
In the case where the first heating means is a coil capable of induction heating, the number of turns wound around the first heating means is not particularly limited, and the heating efficiency and temperature efficiency depend on the distance from the second heating means, the material of the reaction vessel, and the like. Can be determined to be optimal.
[0098]
-Growth of silicon carbide single crystals-
The growth of the silicon carbide single crystal is performed on a seed crystal of the silicon carbide single crystal disposed at the other end (seed crystal disposition portion) of the reaction vessel.
As the seed crystal of the silicon carbide single crystal, the polymorph, size, etc. of the crystal can be appropriately selected according to the purpose, but the polymorph of the crystal is usually the carbonization to be obtained. The same polymorph as the polymorph of the silicon single crystal is selected.
[0099]
In order to recrystallize and grow the silicon carbide single crystal on the seed crystal, the temperature is lower than the temperature at which the silicon carbide powder sublimes, and the sublimated silicon carbide powder can be recrystallized only in the vicinity of the seed crystal. (In other words, in the radial direction of the surface on which the seed crystal is arranged, an atmosphere having a temperature distribution in which the temperature decreases as it approaches the center (center of the inner region)) is formed. It is preferable to do this.
[0100]
The recrystallization atmosphere can be suitably formed by the second heating means. Such second heating means is arranged on the other end (seed crystal arrangement part) side of the reaction vessel, and the silicon carbide powder sublimated by the first heating means is near the seed crystal of the silicon carbide single crystal. A recrystallization atmosphere is formed so as to allow recrystallization only, and the silicon carbide powder is recrystallized on the seed crystal of the silicon carbide single crystal.
[0101]
There is no restriction | limiting in particular as said 2nd heating means, According to the objective, it can select suitably, For example, although an induction heating means, a resistance heating means, etc. are mentioned, an induction heating means is a point with easy temperature control. Among the induction heating means, a coil capable of induction heating is preferable.
[0102]
When the second heating means is a coil that can be induction-heated, the number of turns wound around the second heating means is not particularly limited, and the heating efficiency and temperature efficiency depend on the distance from the first heating means, the material of the reaction vessel, and the like. Can be determined to be optimal.
[0103]
The amount of the induction heating current energized to the second heating means can be appropriately determined in relation to the amount of the induction heating current energized to the first heating means, and the relationship between the two includes the first heating means It is preferable that the current value of the induction heating current in is set to be larger than the current value of the induction heating current in the second heating means. In this case, it is advantageous in that the temperature of the recrystallization atmosphere in the vicinity of the seed crystal is maintained lower than the temperature of the atmosphere in which the silicon carbide powder is sublimated, and recrystallization is easily performed.
[0104]
Further, the current value of the induction heating current in the second heating means is preferably controlled so as to decrease continuously or stepwise as the diameter of the growing silicon carbide single crystal increases. In this case, as the silicon carbide single crystal grows, the amount of heating by the second heating means is controlled to be small, so that recrystallization is performed only in the vicinity of the silicon carbide single crystal that continues to grow. It is advantageous in that the formation of polycrystals around is effectively suppressed.
[0105]
In addition, the current value of the induction heating current in the second heating means is controlled to be small when the diameter of the seed crystal of the silicon carbide single crystal is large, and is large when the diameter is small. There is a tendency to favor control.
[0106]
In the present invention, since the second heating means can be controlled independently of the first heating means, the heating amount of the second heating means is set according to the growth rate of the silicon carbide single crystal. By appropriately adjusting, a preferable growth rate can be maintained throughout the entire growth process of the silicon carbide single crystal.
[0107]
The temperature of the recrystallization atmosphere formed by the second heating means is preferably 30 to 300 ° C., and 30 to 150 ° C. lower than the temperature of the sublimation atmosphere formed by the first heating means. More preferred.
[0108]
The pressure of the recrystallization atmosphere formed by the second heating means is preferably 10 to 100 Torr (1330 to 13300 Pa). In the case of this pressure condition, it is preferable that the pressure condition is adjusted so as to be within the predetermined numerical range by heating to the set temperature and then reducing the pressure, not at a low temperature.
The recrystallization atmosphere is preferably an inert gas atmosphere such as argon gas.
[0109]
In the present invention, controlled by the first heating unit, the temperature on the one end (sublimation raw material storage unit) side containing the silicon carbide powder in the reaction vessel, and controlled by the second heating unit, The temperature of the central portion on the other end portion (seed crystal disposing portion) side where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed in the reaction vessel and the inner peripheral side surface portion of the reaction vessel located outside the central portion Control of the temperature of the adjacent portion with the following relationship is preferable from the viewpoint of obtaining a large-diameter silicon carbide single crystal. That is, the temperature on one end side containing the silicon carbide powder is T 1 And the temperature on the other end side where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is arranged is T 2 And the temperature at the other end portion adjacent to the inner peripheral side surface of the reaction vessel is T 3 T 3 -T 2 And T 1 -T 2 Is preferably controlled to increase continuously or stepwise.
[0110]
In this case, T 1 -T 2 Since the size of the silicon carbide single crystal continues to grow continuously or stepwise, even if the silicon carbide single crystal continues to grow toward the one end, the crystal growth tip side of the silicon carbide single crystal is always easily recrystallized. Maintained in a state. On the other hand, T 3 -T 2 Therefore, even if the silicon carbide single crystal continues to grow toward the outer peripheral direction on the other end side over time, the crystal growth outer peripheral end side of the silicon carbide single crystal is always The state where recrystallization is likely to occur is maintained. As a result, the formation of silicon carbide polycrystal is effectively suppressed, and the silicon carbide single crystal continues to grow in the direction of increasing its thickness while expanding its diameter. This is advantageous in that a large-diameter silicon carbide single crystal can be obtained without contamination.
[0111]
In the present invention, the silicon carbide single crystal is preferably recrystallized and grown according to the first to third aspects.
[0112]
In the first aspect, the silicon carbide single crystal is grown through the entire growth process while the entire growth surface is held in a convex shape. In this case, the concave portion depressed on the other end portion (seed crystal arrangement portion) side is not formed in a ring shape over the entire growth surface of the silicon carbide single crystal.
[0113]
In the second aspect, the growth of the silicon carbide single crystal is performed only in a region (inner region) excluding a portion adjacent to the peripheral side surface in the reaction vessel at the end of the reaction vessel. In this case, the silicon carbide polycrystal does not grow in contact with the peripheral side surface portion in the reaction vessel at the other end portion (seed crystal arrangement portion). Therefore, when the grown silicon carbide single crystal is cooled to room temperature, stress based on the thermal expansion difference is not concentrated and applied from the silicon carbide polycrystal side to the silicon carbide single crystal side. No damage such as cracking occurs in the single crystal.
[0114]
In the third aspect, the silicon carbide single crystal is kept in a convex shape throughout the entire growth process, while maintaining the entire growth surface in a convex shape, and at the end of the reaction vessel. It is performed only in the region (inner region) excluding the adjacent portion with the side surface portion.
In this case, the concave portion depressed on the other end portion (seed crystal arrangement portion) side of the reaction vessel is not formed in a ring shape over the entire growth surface of the silicon carbide single crystal, and the silicon carbide polycrystal However, it does not grow in contact with the peripheral side surface portion in the reaction vessel at the other end portion (seed crystal arrangement portion). Therefore, when the grown silicon carbide single crystal is cooled to room temperature, stress based on the thermal expansion difference is not concentrated and applied from the silicon carbide polycrystal side to the silicon carbide single crystal side. No damage such as cracking occurs in the single crystal.
[0115]
As the shape of the silicon carbide single crystal to be grown, the entire growth surface is preferably convex in the growth direction side, and the one end (silicon carbide powder containing portion) and the other end (seed crystal arrangement) Part) is preferably convex toward the silicon carbide powder side, that is, toward the one end (silicon carbide powder containing part) side.
In this case, polycrystals and polymorphs are often mixed, and stress due to a difference in thermal expansion is considered to be concentrated, but this is preferable in that there is no recessed portion depressed on the other end portion (seed crystal arrangement portion) side.
[0116]
The shape of the growing silicon carbide single crystal is flat even if it does not have the convex shape unless the entire growth surface includes a concave shape on the opposite side of the growth direction. Some parts may be included.
[0117]
Further, the shape of the silicon carbide crystal including the silicon carbide single crystal is preferably a substantially chevron shape toward the silicon carbide powder side, that is, toward the one end side, and is a substantially chevron shape whose diameter gradually decreases. Is more preferable.
In addition, silicon carbide polycrystals and polymorphs may be mixed in the base portion, that is, the outer peripheral portion of the silicon carbide crystal having the approximately chevron shape, and this mixing is caused by the thickness, size, and shape of the seed crystal. Etc. and the combination of conditions of the amount of heating by the second heating means can prevent the occurrence. It is preferable to prevent the silicon carbide polycrystals and polymorphs from being mixed because the silicon carbide crystal containing silicon carbide can be made of only a silicon carbide single crystal.
[0118]
In the present invention, a ring-shaped plate member may be fixedly disposed substantially parallel to the other end portion (seed crystal disposing portion) on the peripheral side surface portion in the reaction vessel. In this case, when the silicon carbide single crystal is recrystallized and grown on the seed crystal, only the silicon carbide single crystal can be recrystallized and grown on the seed crystal, and no silicon carbide polycrystal is generated. Alternatively, it can be selectively deposited on the ring-shaped plate member. In this case, the diameter of the obtained silicon carbide single crystal is limited by the amount of the ring-shaped plate member.
[0119]
In the present invention, it is preferable to use an interference preventing means for preventing interference between the first heating means and the second heating means for the purpose of efficient growth of the silicon carbide single crystal.
[0120]
The interference preventing means is not particularly limited and can be appropriately selected according to the types of the first heating means and the second heating means. Examples thereof include an interference preventing coil and an interference preventing plate. In the case where the first heating unit and the second heating unit are coils capable of induction heating, an interference prevention coil or the like is preferably used.
[0121]
The interference prevention coil (sometimes simply referred to as a “coil”) can be supplied with an induced current. By passing an induced current, interference between the first heating means and the second heating means is prevented. What has the function to prevent is preferable.
[0122]
The interference preventing coil is preferably disposed between the first heating unit and the second heating unit. In this case, when induction heating by the first heating means and the second heating means is simultaneously performed, an induction current flows through the interference prevention coil, and the interference prevention coil can minimize and prevent interference between the two. It is preferable in that it can be performed.
[0123]
The interference preventing coil is preferably designed so as not to be heated by an induced current flowing through itself, more preferably cooled by itself, and particularly preferably capable of circulating a cooling medium such as water. In this case, even if an induced current in the first heating unit and the second heating unit flows through the interference prevention coil, the interference prevention coil is not heated, and thus the reaction vessel can be heated. It is preferable in that there is no.
[0124]
There are no particular restrictions on the number of turns of the interference prevention coil, and the number of turns is different depending on the type of the first heating means and the second heating means, the amount of current passed through them, and cannot be specified unconditionally. However, even a single layer is sufficient.
[0125]
As described above, according to the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention, silicon carbide having a low nitrogen content, high quality, a semi-insulator or insulator, and suitable as a semi-insulator or insulator single crystal substrate or the like A single crystal can be produced efficiently.
[0126]
(Silicon carbide single crystal)
The silicon carbide single crystal of the present invention is produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
[0127]
The silicon carbide single crystal of the present invention has non-destructive and optically detected crystal defects (pipe defects) of 100 / cm. 2 The following is preferable, 50 / cm 2 More preferably, it is 10 / cm 2 It is particularly preferred that
The crystal defects can be detected as follows, for example. That is, when the silicon carbide single crystal is illuminated with an appropriate amount of transmitted illumination in addition to reflected illumination, and the microscope focus is focused on the opening of a crystal defect (pipe defect) on the surface of the silicon carbide single crystal. The entire surface of the silicon carbide single crystal is scanned under a condition in which a portion continuing to the inside of the pipe defect can be observed as a shadow that is weaker than the image of the opening and connected to the opening. After obtaining the image, the microscopic image is subjected to image processing, and only the shape characteristic of the pipe defect is extracted and the number thereof is measured, whereby the pipe defect can be detected.
[0128]
In addition, according to the above detection, only the pipe defects can be accurately detected in a non-destructive manner from the presence of foreign matters, polishing scratches, void defects, and other defects attached to the surface of the silicon carbide single crystal. Moreover, even a minute pipe defect of, for example, about 0.35 μm can be accurately detected. On the other hand, conventionally, a method has been used in which the pipe defect portion is selectively etched by molten alkali and enlarged and detected. In this method, adjacent pipe defects are joined together by etching. However, there is a problem that the number of the pipe defects is detected as a result.
[0129]
The volume resistivity of the silicon carbide single crystal of the present invention is 1 × 10 0 It is preferably Ω · cm or more, 1 × 10 3 More preferably Ω · cm or more, 1 × 10 7 It is especially preferable that it is Ω · cm or more.
When the volume resistance value is within the above range, the silicon carbide single crystal is semi-insulating or insulating, which is advantageous in that it is suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
[0130]
The nitrogen content of the silicon carbide single crystal is preferably 0.1 mass ppm or less, and more preferably 0.01 mass ppm or less.
When the nitrogen content is within the numerical range, the silicon carbide single crystal is advantageous in that it is particularly suitable as a semi-insulating or insulating single crystal substrate.
The nitrogen content can be measured using, for example, an oxygen-nitrogen simultaneous analyzer, a secondary ion mass spectrometer, a glow discharge mass spectrometer, a photoluminescence measuring device, or the like.
[0131]
The total content of the impurity elements in the silicon carbide single crystal is preferably 10 mass ppm or less.
[0132]
The silicon carbide single crystal of the present invention has a low nitrogen content, is of high quality, is a semi-insulator or insulator, and can be particularly suitably used as a semi-insulator or insulator single crystal substrate.
[0133]
【Example】
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[0134]
Example 1
A silicon carbide single crystal was manufactured using the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 shown in FIG. The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 is detachable by screwing to the container body 12 that can contain the silicon carbide powder 40 and the container body 12. A graphite crucible 10 provided with a lid 11 capable of disposing a seed crystal 50 of a silicon carbide single crystal at the approximate center of the surface facing the accommodated silicon carbide powder 40, and the graphite crucible 10 inside the quartz tube 30. The support rod 31 to be fixed, the first induction heating coil 21 disposed on the outer periphery of the quartz tube 30 and the portion of the graphite crucible 10 containing the silicon carbide powder 40, and the outer periphery of the quartz tube 30 and the graphite And a second induction heating coil 20 disposed in a portion of the crucible 10 where the lid 11 is located. The graphite crucible 10 is covered with a heat insulating material (not shown).
[0135]
The silicon carbide powder 40 was prepared as follows. That is, SiO 2 After adding 34 g of high-purity maleic acid as a catalyst to 212 g of high-purity tetraethoxysilane having a content of 40% by mass, a 50% by mass high-purity liquid resol-type xylene resin (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., Nikanol PR- 1440M) When 127 g was mixed, a highly viscous bowl-like mixture was obtained. This cage-like mixture was heat-cured at 70 ° C. to obtain a homogeneous resinous solid. 300 g of this resinous solid was carbonized at 900 ° C. under vacuum for 1 hour to obtain 129 g of carbide (43% yield). In addition, the said C / Si ratio in the said resin-like solid substance is a calculated value, (127g * 0.5 * 0.4 / 12.011) / (0.4 * 212g / 60.0843) = 1.5 The result of elemental analysis was 1.52.
129 g of this carbide is placed in a carbon container, heated to 1600 ° C. at 800 ° C./hour, then heated to 1900 ° C. at 100 ° C./hour, and then held at 1900 ° C. for 2 hours for firing. SiC was obtained. The yield at this time was 35% by mass. Further, this powder was heated to 2350 ° C. in an argon atmosphere and held for 6 hours to obtain a high-purity silicon carbide powder (100% by mass α-SiC). The obtained silicon carbide powder 40 was light green gray. Further, no impurity element exceeding 0.1 mass ppm was detected even when a glow discharge mass spectrometer or the like was used.
[0136]
When the nitrogen content in the silicon carbide powder 40 was measured using an oxygen-nitrogen simultaneous analyzer (manufactured by LECO, TC436), it was less than 40 ppm by mass.
Further, the impurity element in the silicon carbide powder 40 is analyzed by pressure pyrolysis of the silicon carbide powder 40 with a mixed acid containing hydrofluoric acid, nitric acid and sulfuric acid, and then by ICP-mass spectrometry and flameless atomic absorption. As a result, the contents of B, Na, K, Al, Cr, Fe, Ni, Cu, W, Ti, and Ca as the impurity elements were each 0.1 ppm by mass or less.
Further, the volume average particle size (D 50 ) And particle size distribution (D 90 / D 10 ) (Volume average particle size standard) was measured with a particle size distribution measuring device (COULTER LS230), the volume average particle size (D 50 ) Is 300 μm, and the particle size distribution (D 90 / D 10 ) (Volume average particle size standard) was 3.4, which was a distribution of peaks.
[0137]
Next, in the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1, a current was passed through the first induction heating coil 21 to heat it. The silicon carbide powder 40 was heated with the heat and heated to 2500 ° C., and then the pressure was reduced to 50 Torr (6665 Pa) and maintained in an argon gas atmosphere. Silicon carbide powder 40 was heated to a predetermined temperature (2500 ° C.) and sublimated. The sublimated silicon carbide powder 40 does not recrystallize unless cooled to the recrystallization temperature. Here, the lid 11 side is heated by the second induction heating coil 20, the temperature is lower than the silicon carbide powder 40 side (the temperature of the seed crystal is 2400 ° C.), and the sublimated silicon carbide powder 40 is recrystallized. Since the possible recrystallization atmosphere (pressure is 50 Torr (6645 Pa)), the silicon carbide was recrystallized only in the vicinity of the seed crystal 50 of the silicon carbide single crystal, and the silicon carbide crystal was grown.
[0138]
At this time, as shown in FIG. 2, a silicon carbide single crystal 60 recrystallizes and grows on the seed crystal 50 of the silicon carbide single crystal, and a silicon carbide polycrystal is formed on the outer periphery of the seed crystal 50 of the silicon carbide single crystal. 70 recrystallized and grew. In the growth of the silicon carbide single crystal 60, a convex shape is maintained toward the silicon carbide powder 40 side in the whole growth process, and a concave portion depressed on the lid body 11 side is not formed in a ring shape. The polycrystal 70 did not grow in contact with the peripheral side surface portion 13 in the container body 12.
[0139]
As a result, as shown in FIG. 3, when the grown silicon carbide single crystal 60 is cooled to room temperature, stress based on the thermal expansion difference is concentratedly applied from the silicon carbide polycrystal 70 side to the silicon carbide single crystal 60 side. The resulting silicon carbide single crystal 60 did not break or break.
[0140]
When the obtained silicon carbide single crystal 60 was evaluated, there was no mixing of polycrystals or polymorphic crystals, and the crystal defects of the micropipes were 4 / cm2. 2 It was extremely high quality with almost no presence.
The micropipe crystal defects are detected by cutting the obtained silicon carbide single crystal 60 into a thickness of 0.4 mm, mirror-polishing a wafer with a surface roughness of 0.4 nm, and removing foreign matter on the surface by alkali cleaning as much as possible. After removal, detection was performed as described below. That is, when the wafer subjected to the alkali cleaning is irradiated with an appropriate amount of transmitted illumination in addition to reflected illumination, and the microscope is focused on the opening of the micropipe on the surface of the wafer, the inside of the micropipe is introduced. And scanning the entire surface of the wafer to obtain a microscopic image under a condition that the following part can be observed as a shadow that is weaker than the image of the opening and connected to the opening. Thus, the micropipes were detected by extracting only the characteristic shapes of the micropipes and measuring the number of the shapes. In this detection, even a micropipe of about 0.35 μm was accurately detected without destruction.
[0141]
Further, the obtained silicon carbide single crystal 60 is pressurized and thermally decomposed with a mixed acid containing hydrofluoric acid and nitric acid, and the resulting solution is concentrated 10 times or more to perform ICP-mass spectrometry and flameless atomic absorption analysis. As a result of analysis of the impurity elements, the contents of B, Na, K, Al, Cr, Fe, Ni, Cu, W, Ti, and Ca as the impurity elements are each 15 mass ppb or less. Met.
Further, when the volume resistance value of the obtained silicon carbide single crystal 60 was measured, 4 × 10 7 It was Ω · cm.
In addition, it was 0.01 mass ppm when it measured about the nitrogen content of the obtained silicon carbide single crystal 60 using the photoluminescence measuring device.
[0142]
(Example 2)
Example 1 was the same as Example 1 except that the graphite crucible 10 was changed to the graphite crucible 10 shown in FIG. As a result, the same result as in Example 1 was obtained. The graphite crucible 10 shown in FIG. 4 is different from the graphite crucible 10 shown in FIG. 1 used in Example 1 only in that the lid 11 is provided with an inner region forming portion 15. As shown in FIG. 4, the inner region forming portion 15 has a cylindrical shape with the inner region where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed as a bottom surface, and one end thereof is exposed to the outside of the graphite crucible 10. . The material of the inner region forming part 15 has a thermal conductivity of 117 J / m / s / ° C. (W / m · K), and the material of the lid 11 other than the inner region forming part 15 has a thermal conductivity of 129 J / m. m / s / ° C. (W / m · K).
In the case of Example 2, since the inner region is formed of a member (inner region forming portion 15) different from the outer region, it is difficult to be heated due to a difference in contact resistance, and the inner region forming portion. Since one end of 15 is exposed to the outside, it is easy to dissipate heat to the outside, so that the silicon carbide can be easily recrystallized.
[0143]
Example 3
In Example 1, the graphite crucible 10 was changed to the graphite crucible 10 shown in FIG. 5, and the same procedure as in Example 1 was used except that the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 80 shown in FIG. 8 was used. As a result, the same result as in Example 1 was obtained. The graphite crucible 10 shown in FIG. 5 is different from the graphite crucible 10 shown in FIG. 1 used in Example 1 only in that the lid 11 is provided with the inner region forming portion 15. As shown in FIG. 5, the inner region forming portion 15 has a stepped shape in which the inner region where the seed crystal of the silicon carbide single crystal is disposed is the bottom surface and the diameter increases discontinuously in two steps toward the outside. One end of the shape is exposed to the outside. The material of the inner region forming part 15 has a thermal conductivity of 117 J / m / s / ° C. (W / m · K), and the material of the lid 11 other than the inner region forming part 15 has a thermal conductivity of 129 J / m. m / s / ° C. (W / m · K).
In the case of Example 3, since the inner region is formed of a member different from the outer region, it is difficult to be heated due to a difference in contact resistance, and one end of the inner region forming portion 15 is exposed to the outside. Therefore, since it is easy to dissipate heat to the outside, recrystallization of silicon carbide was easily performed.
[0144]
Example 4
Example 1 was the same as Example 1 except for the following differences. That is, the obtained silicon carbide powder has 6H and an average particle diameter of 300 μm, and the silicon carbide single crystal seed crystal 50 is obtained by cutting the bulk silicon carbide single crystal obtained in Example 1 and mirroring the entire surface. This is a 15R wafer (diameter 40 mm, thickness 0.5 mm) obtained by polishing.
Then, a current of 20 kHz was passed through the first induction heating coil 21 to heat it, and a current of 40 kHz was passed through the second induction heating coil 20 to raise the temperature and heat it. The lower part of graphite crucible 10 (container of silicon carbide powder 40) was heated to 2312 ° C., and the upper part of graphite crucible 10 (arrangement part of silicon carbide single crystal seed crystal 50 in lid 11) was heated to 2290 ° C., respectively. At this time, the power supplied to the first induction heating coil 21 is 10.3 kW, the induction heating current (supply current to the LC circuit) is 260 A, and the power supplied to the second induction heating coil 20 is 4.6 kW. And the induction heating current was 98A. When the pressure was reduced from normal pressure to 20 Torr (2658 Pa) over 1 hour and maintained for 20 hours, as shown in FIG. 6, the silicon carbide single crystal 60 having a convex shape maintained toward the silicon carbide powder 40 side was obtained. Obtained. At this time, the height of the silicon carbide single crystal 60 to the tip of the convex shape is 12 mm, and the diameter of the silicon carbide growth crystal including the silicon carbide single crystal 60 and the silicon carbide polycrystal formed therearound is It was 87 mm. In the silicon carbide single crystal 60, the concave portion recessed in the direction of the lid 11 was not formed in a ring shape. In addition, the silicon carbide single crystal 60 did not grow in contact with the peripheral side surface portion 13 of the container body 12 of the graphite crucible 10. Furthermore, the silicon carbide single crystal 60 had only a few silicon carbide polycrystals 70 around it.
[0145]
(Example 5)
Example 4 was the same as Example 1 except for the following differences. That is, the diameter of the seed crystal 50 of the silicon carbide single crystal is 20 mm and the thickness is 0.5 mm, and the lower part of the graphite crucible 10 (container of the silicon carbide powder 40) is heated to 2349 ° C., and the upper part of the graphite crucible 10 is heated. The heating temperature of the silicon carbide single crystal seed crystal 50 in the lid 11 is 2317 ° C., the power supplied to the second induction heating coil 20 at that time is 5.5 kW, and the induction heating current is The diameter of the growth crystal of silicon carbide including the silicon carbide single crystal 60 and the silicon carbide polycrystal formed around the silicon carbide single crystal 60 is the same as that of Example 4 except that the diameter is 60 mm. Good results similar to those obtained were obtained.
[0146]
(Example 6)
Example 1 was the same as Example 1 except for the following differences. That is, the interference preventing coil 22 that can be cooled by allowing water to flow through the interference preventing coil 22 was used. The obtained silicon carbide powder had 6H and an average particle diameter of 250 μm. The silicon carbide single crystal seed crystal 50 was obtained by cutting the bulk silicon carbide single crystal obtained in Example 4 and mirror-polishing the entire surface. This is a wafer (6H) having a diameter of 25 mm and a thickness of 2 mm.
Then, a current of 20 kHz was passed through the first induction heating coil 21 to heat it, and a current of 40 kHz was passed through the second induction heating coil 20 to heat it. The lower part of the graphite crucible 10 (accommodating part of the silicon carbide powder 40) and the upper part (arrangement part of the seed crystal 50 of the silicon carbide single crystal in the lid 11) were respectively heated to 2510 ° C. and heated for 1 hour. The lower part of the graphite crucible 10 is at the same temperature (T 1 ), The seed power in the lid 11 of the graphite crucible 10 is gradually reduced (from 5.8 kW, 120 A to 4.2 kW, 90 A) while the power supplied to the second induction heating coil 20 is gradually reduced. The temperature of the arrangement part is 2350 ° C. (T 2 ) Until the temperature of the outer peripheral portion of the seed crystal arrangement portion in the lid 11 is an estimated temperature of 2480 ° C. (T 3 ). At this time, when the pressure was reduced from normal pressure to 20 Torr (2658 Pa) over 1 hour, a silicon carbide single crystal 60 having a convex shape maintained toward the silicon carbide powder 40 side was obtained as shown in FIG. It was. At this time, the height to the tip of the convex shape in the silicon carbide single crystal 60 was 18 mm. In the silicon carbide single crystal 60, the concave portion recessed in the direction of the lid 11 was not formed in a ring shape. In addition, the silicon carbide single crystal 60 did not grow in contact with the peripheral side surface portion 13 of the container body 12 of the graphite crucible 10. Further, the silicon carbide single crystal 60 did not generate or grow adjacent to the silicon carbide polycrystal 70 around it.
[0147]
(Example 7)
Example 1 was the same as Example 1 except for the following differences. That is, the second induction heating coil 20 and the first induction heating coil 21 are replaced with the induction heating coil 25 in the conventional silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 80 shown in FIG. 8, and the container body 12 in the lid 11 of the graphite crucible. Of the surface facing the inside of the substrate (surface on which the silicon carbide single crystal is grown), only the outer region of the circle having a radius of 60 mm from the center is determined to be glassy or amorphous by X-ray diffraction. A carbon thin film having a thickness of 1 to 10 μm was formed by the following method. It installed in the vacuum chamber in the state which exposed only the said outer side area | region in the cover body 11, and adjusted the pressure in a chamber to 0.23 Pa in benzene atmosphere. Thereafter, the lid body 11 is kept at a negative potential of 2.5 kV, and positive ions generated in the plasma are decomposed at a high speed by decomposing benzene with arc discharge plasma generated at the opposed portion of the filament and the anode. The film was formed by colliding with the outer region.
In Example 7, on the surface of the lid body 11 facing the inside of the container main body 12, silicon carbide crystals do not grow on the portion where the glassy carbon or amorphous carbon film is formed, and the film is formed. The silicon carbide single crystal 60 in which the entire growth surface was maintained in a convex shape toward the silicon carbide powder 40 side was grown only in the center portion (circular portion having a diameter of 60 mm) that was not performed. For this reason, the silicon carbide single crystal 60 does not grow in contact with the peripheral side surface portion 13 of the container body 12 of the graphite crucible 10, and breakage such as cracks does not occur when cooled to room temperature. It was.
[0148]
(Example 8)
A silicon carbide single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the silicon carbide single crystal production apparatus 80 shown in FIG. 8 was used.
[0149]
Specifically, the first induction heating coil 21 and the second induction heating coil 20 arranged at the outer periphery of the quartz tube 30 and the portion where the lid 11 is located in the graphite crucible 10 are connected to the outer periphery of the quartz tube 30. In the same manner as in Example 1, except that the interference preventing coil 22 was not used in place of the induction heating coil 25 that was spirally wound around the portion where the graphite crucible 10 was located at substantially equal intervals. I made it.
[0150]
In Example 8, as shown in FIG. 9, the entire surface of the lid 11 on the side facing the inside of the container main body 12 is covered with silicon carbide crystals, and the silicon carbide polycrystal 70 is formed on the outer peripheral edge of the lid 11. The container body 12 grew in contact with the inner peripheral side surface. In this state, when cooling to room temperature, stress based on the thermal expansion difference is concentrated and applied from the silicon carbide polycrystal 70 side to the silicon carbide single crystal 60 side, and as shown in FIG. Cracking occurred.
[0151]
(Comparative Example 1)
In Example 1, the silicon carbide powder 40 was produced in the same manner as in Example 1 except that the resol type xylene resin used in the production of the silicon carbide powder 40 was replaced with a resol type phenol resin. The nitrogen content in the obtained silicon carbide powder was 500 mass ppm or more.
When silicon carbide single crystal 60 was produced using this silicon carbide powder 40 and the same evaluation as in Example 1 was performed, the same result as in Example 1 was obtained. However, the volume resistance value of the silicon carbide single crystal 60 was 0.02 Ω · cm, and the nitrogen content was 160 mass ppm.
[0152]
【Effect of the invention】
According to the present invention, the content of the impurity element is small and the content of an element such as nitrogen that is not the impurity element is small, and the semiconductor element can be used as a semi-insulator or insulator. It is possible to provide a silicon carbide single crystal that can be suitably used as a method, and a method for producing a silicon carbide single crystal that can efficiently produce the silicon carbide single crystal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view for explaining an initial state in a method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a state in which a silicon carbide single crystal is produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of the silicon carbide single crystal of the present invention produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 4 is a schematic explanatory view showing an example of a crucible used in the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view showing another example of a crucible used in the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of the silicon carbide single crystal of the present invention produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view of the silicon carbide single crystal of the present invention produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a state in which a silicon carbide single crystal is manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide single crystal of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of a silicon carbide single crystal produced by the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Production equipment for silicon carbide single crystals
10 Graphite crucible
11 Lid
12 Container body
13 circumferential side
15 Inner region forming part
20 Second induction heating coil
21 First induction heating coil
22 Interference prevention coil
25 Induction heating coil
30 quartz tube
31 Support rod
40 Silicon carbide powder
50 Seed crystal of silicon carbide single crystal
60 Silicon carbide single crystal
70 Polycrystalline silicon carbide
71 recess
80 Silicon carbide single crystal manufacturing equipment

Claims (3)

窒素含有量が100質量ppm以下であり、かつ不純物元素の各含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。  A silicon carbide single crystal is grown by sublimating a silicon carbide powder having a nitrogen content of 100 mass ppm or less and each impurity element content of 0.1 mass ppm or less and then recrystallizing. A method for producing a silicon carbide single crystal. 炭化ケイ素粉末の窒素含有量が50質量ppm以下である請求項1に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。  The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein the silicon carbide powder has a nitrogen content of 50 mass ppm or less. 窒素含有量が0.1質量ppm以下である炭化ケイ素粉末を昇華させてから再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。  A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein a silicon carbide single crystal having a nitrogen content of 0.1 mass ppm or less is sublimated and then recrystallized to grow a silicon carbide single crystal.
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