JP5213096B2 - Single phase silicon carbide liquid phase epitaxial growth method, single crystal silicon carbide substrate manufacturing method, and single crystal silicon carbide substrate - Google Patents

Single phase silicon carbide liquid phase epitaxial growth method, single crystal silicon carbide substrate manufacturing method, and single crystal silicon carbide substrate Download PDF

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Description

本発明は、主要には、炭化ケイ素(SiC)を液相エピタキシャル成長させる方法に関する。   The present invention mainly relates to a method for liquid phase epitaxial growth of silicon carbide (SiC).

炭化ケイ素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線にも強く、不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅(6H型の単結晶SiCで約3.0eV、4H型の単結晶SiCで約3.3eV)を有するという特徴を備えている。従って、炭化ケイ素は、ケイ素(Si)やガリウムヒ素(GaAs)等の既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現することが可能であるとされ、次世代のパワーデバイス、高周波デバイス用半導体の材料として期待が高まっている。また、六方晶SiCは、窒化ガリウム(GaN)と格子定数が近く、GaNの基板として期待されている。   Silicon carbide (SiC) has excellent heat resistance and mechanical strength, is resistant to radiation, can easily control the valence electrons of electrons and holes by adding impurities, and has a wide band gap (6H-type single crystal SiC). About 3.0 eV, 4H type single crystal SiC having about 3.3 eV). Therefore, silicon carbide is said to be able to realize high temperature, high frequency, withstand voltage and environmental resistance that cannot be realized with existing semiconductor materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs). Expectations are growing as a material for semiconductors for devices and high-frequency devices. Further, hexagonal SiC has a lattice constant close to that of gallium nitride (GaN), and is expected as a GaN substrate.

例えば、特許文献1は、SiC単結晶の成長に昇華再結晶法(改良レーリー法)を使用することができる旨を開示する。この方法を説明すると、ルツボ内の低温側に単結晶SiC基板を種結晶として固定配置し、高温側に原料となるSiを含む粉末を配置して、ルツボを不活性雰囲気中で1450℃以上2400℃以下の高温に加熱する。これにより、Siを含む粉末を昇華させて低温側の種結晶の表面上でSiCを再結晶させる。このようにして、単結晶SiCの育成を行うというものである。
特開2005−97040号公報
For example, Patent Document 1 discloses that a sublimation recrystallization method (modified Rayleigh method) can be used for the growth of a SiC single crystal. This method will be described. A single-crystal SiC substrate is fixedly arranged as a seed crystal on the low temperature side in the crucible, and a powder containing Si as a raw material is arranged on the high temperature side, and the crucible is placed in an inert atmosphere at 1450 ° C. or higher and 2400 ° C. Heat to a high temperature below ℃. Thereby, the powder containing Si is sublimated, and SiC is recrystallized on the surface of the seed crystal on the low temperature side. In this way, single crystal SiC is grown.
Japanese Patent Laid-Open No. 2005-97040

しかし、特許文献1も指摘するように、上記の昇華再結晶法(改良レーリー法)、すなわち物理気相輸送法(Physical Vapor Transport法)は非常に高コストの製法である。   However, as pointed out in Patent Document 1, the above-mentioned sublimation recrystallization method (improved Rayleigh method), that is, the physical vapor transport method (Physical Vapor Transport method) is a very high cost production method.

SiC以外の半導体材料ウエハは、液相からの成長によって低コストで製造されているが、SiCでは未だに確立されていない。これは、SiCが非コングルエント反応(固相と液相が同じ組成で直接反応しない)であり、また、Siやそれらに金属を加えた合金を溶媒としたときに炭素の溶解度が非常に低いためである。   Semiconductor material wafers other than SiC are manufactured at low cost by growth from a liquid phase, but have not yet been established for SiC. This is because SiC is a non-congruent reaction (the solid phase and the liquid phase do not react directly with the same composition), and the solubility of carbon is very low when Si or an alloy obtained by adding a metal to them is used as a solvent. It is.

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、SiCを液相からエピタキシャル成長させる新規な方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a novel method for epitaxially growing SiC from a liquid phase.

課題を解決するための手段及び効果Means and effects for solving the problems

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。   The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems and the effects thereof will be described.

本発明の第1の観点によれば、単結晶炭化ケイ素からなるシード基板に対向して、このシード基板より自由エネルギーの高い炭素フィード基板を配置し、前記シード基板と前記炭素フィード基板との間にケイ素の極薄溶融層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理する準安定溶媒エピタキシー(MSE)法により、前記シード基板の表面に単結晶炭化ケイ素を液相エピタキシャル成長させる単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法が提供される。また、前記シード基板の結晶多形は、4H−SiC又は6H−SiCであり、前記炭素フィード基板は、前記シード基板と同じ結晶多形を有する単結晶炭化ケイ素基板である。そして、液相エピタキシャル成長を行う表面の結晶面方位は(000−1)C面であり、前記シード基板に対向する前記炭素フィード基板の表面の結晶面方位を(0001)Si面、(1−10n)面、(11−2n)面、(1−100)面、又は(11−20)面とする。なお、液相エピタキシャル成長を行う表面の結晶面方位を(0001)Si面として、前記シード基板に対向する前記炭素フィード基板の表面の結晶面方位を(1−10n)面、(11−2n)面、(1−100)面、又は(11−20)面とすることもできる。
According to a first aspect of the present invention, a carbon feed substrate having a higher free energy than the seed substrate is disposed opposite to a seed substrate made of single crystal silicon carbide, and between the seed substrate and the carbon feed substrate. The single crystal silicon carbide is formed by liquid phase epitaxial growth of single crystal silicon carbide on the surface of the seed substrate by a metastable solvent epitaxy (MSE) method in which an ultrathin molten layer of silicon is interposed as a solvent in a vacuum at a high temperature. A liquid phase epitaxial growth method is provided. The crystal polymorph of the seed substrate is 4H—SiC or 6H—SiC, and the carbon feed substrate is a single crystal silicon carbide substrate having the same crystal polymorph as the seed substrate. The crystal plane orientation of the surface on which the liquid phase epitaxial growth is performed is a (000-1) C plane, and the crystal plane orientation of the surface of the carbon feed substrate facing the seed substrate is a (0001) Si plane, (1-10 n ) Plane, (11-2n) plane, (1-100) plane, or (11-20) plane. The crystal plane orientation of the surface on which liquid phase epitaxial growth is performed is the (0001) Si plane, and the crystal plane orientation of the surface of the carbon feed substrate facing the seed substrate is the (1-10n) plane, (11-2n) plane , (1-100) plane, or (11-20) plane.

このMSE法では、温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるので、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができ、高品質なエピタキシャル成長層を得ることができる。また、様々な化学ポテンシャルの差に基づく自由エネルギーを駆動力として用いることができるので、炭化ケイ素を大面積エピタキシャル成長させることが容易である。更に、系に温度勾配を形成する必要がないので、プロセスを行うための装置構成を簡素化でき、プロセス制御も簡単になる。加えて、溶媒の厚みが極めて小さいために炭素フィード基板からの炭素の拡散が良好であり、温度上昇によりケイ素の溶融層(溶媒)に対する炭素の溶解度を上昇させる必要がないので、プロセスの低温化が容易である。以上により、エピタキシャル成長層の形成コストを低減することができる。   In this MSE method, growth kinetics is controlled only by a concentration gradient without a temperature gradient, so that epitaxial growth can be automatically stabilized and a high-quality epitaxial growth layer can be obtained. In addition, since free energy based on the difference in various chemical potentials can be used as a driving force, it is easy to epitaxially grow silicon carbide on a large area. Furthermore, since it is not necessary to form a temperature gradient in the system, the apparatus configuration for performing the process can be simplified, and the process control is also simplified. In addition, since the solvent thickness is extremely small, carbon diffusion from the carbon feed substrate is good, and it is not necessary to increase the solubility of the carbon in the molten layer (solvent) of silicon by increasing the temperature. Is easy. As described above, the formation cost of the epitaxial growth layer can be reduced.

前記の単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法においては、前記シード基板及び前記炭素フィード基板は、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に収納され、この収納容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなるようにして容器内の真空環境をシリコンの飽和蒸気圧で保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で加熱処理されることが好ましい。   In the liquid crystal epitaxial growth method of the single crystal silicon carbide, the seed substrate and the carbon feed substrate are made of a tantalum metal and are provided in a storage container in which the upper and lower sides are fitted so as to expose the tantalum carbide layer to the internal space. It is stored and heat-treated at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a state where the internal vacuum of the storage container is higher than the external pressure and the vacuum environment in the container is maintained at the saturated vapor pressure of silicon. preferable.

これにより、MSE法のプロセスを良好に且つ効率良く行うことができる。また、プロセス中に他の不純物が侵入することを防止できるので、高品質のエピタキシャル成長層を得ることができる。   Thereby, the process of MSE method can be performed favorably and efficiently. In addition, since other impurities can be prevented from entering during the process, a high quality epitaxial growth layer can be obtained.

前記の単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法においては、前記加熱処理は10-4Pa以下の減圧下で行われることが好ましい。 In the liquid phase epitaxial growth method of the single crystal silicon carbide, the heat treatment is preferably performed under a reduced pressure of 10 −4 Pa or less.

これにより、MSEプロセス中に他の不純物が収納容器に侵入することを防止でき、品質の良好なエピタキシャル成長層を得ることができる。   As a result, it is possible to prevent other impurities from entering the storage container during the MSE process, and an epitaxial growth layer with good quality can be obtained.

以下、本発明の液相エピタキシャル成長方法について詳細に説明する。本発明の液相エピタキシャル成長方法は、公知の溶媒移動法(Traveling Solvent法)と共通する部分を有しているが、本発明の方法は温度勾配を使用しない点で溶媒移動法と異なる。本発明の方法において溶媒移動の駆動力は、3C−SiC(炭素フィード側)と4H−SiC(シード側)の化学ポテンシャルの差である。以下、この原理を安定−準安定平衡ダブル状態図を用いて説明する。   Hereinafter, the liquid phase epitaxial growth method of the present invention will be described in detail. The liquid phase epitaxial growth method of the present invention has a part in common with the known solvent transfer method, but the method of the present invention is different from the solvent transfer method in that a temperature gradient is not used. In the method of the present invention, the driving force for solvent movement is the difference in chemical potential between 3C—SiC (carbon feed side) and 4H—SiC (seed side). Hereinafter, this principle will be described using a stable-metastable balanced double phase diagram.

まず、本発明のプロセスを行うときの構成例を、図1の模式図を用いて説明する。この図1に示すように、TaC製の坩堝である容器16の内部にSiCとSiのサンドイッチ構造が保持されている。具体的には、シード基板としての単結晶4H−SiC基板15を上下中央に配置し、その上側と下側に炭素フィード基板としての多結晶3C−SiC基板20,20をそれぞれ配置している。単結晶4H−SiC基板15と多結晶3C−SiC基板20,20の間には、それぞれシリコンプレート23,23が介在されている。   First, a configuration example when performing the process of the present invention will be described with reference to the schematic diagram of FIG. As shown in FIG. 1, a sandwich structure of SiC and Si is held inside a container 16 which is a TaC crucible. Specifically, a single crystal 4H—SiC substrate 15 as a seed substrate is arranged at the center in the vertical direction, and polycrystalline 3C—SiC substrates 20 and 20 as carbon feed substrates are arranged on the upper and lower sides, respectively. Between the single crystal 4H-SiC substrate 15 and the polycrystalline 3C-SiC substrates 20 and 20, silicon plates 23 and 23 are interposed, respectively.

この図1の積層構造において、多結晶3C−SiC基板20,20は炭素を供給する原料つまりフィード側として使用され、単結晶4H−SiC基板15は液相エピタキシャル成長の基板(シード側)として使用される。この構成で、容器16を高真空環境でタングステンヒータにより1800℃に均質に加熱する。すると、基板15,20の間に介在されていたシリコンプレート23は溶融し、シリコン融液が炭素を移動させるための溶媒として働く。この溶媒の厚みは極めて小さく、数十から数百μmである。容器16の加熱は数分から十分程度行われ、その後冷却される。   In the stacked structure of FIG. 1, the polycrystalline 3C-SiC substrates 20 and 20 are used as raw materials for supplying carbon, that is, the feed side, and the single crystal 4H-SiC substrate 15 is used as a substrate for liquid phase epitaxial growth (seed side). The With this configuration, the container 16 is uniformly heated to 1800 ° C. by a tungsten heater in a high vacuum environment. Then, the silicon plate 23 interposed between the substrates 15 and 20 is melted, and the silicon melt serves as a solvent for moving carbon. The thickness of this solvent is extremely small and is several tens to several hundreds μm. The container 16 is heated for several minutes to a sufficient degree and then cooled.

10分間の加熱処理後に冷却した場合の試料断面の走査電子顕微鏡像を図2に示す。この図2からは、上から順に、多結晶3C−SiC基板20、凝固した溶媒シリコン(シリコン融液)19、単結晶4H−SiCのエピタキシャル成長層15e、及び単結晶4H−SiC基板15の積層構造となっていることが判る。特に、4H−SiC基板15上に4H−SiCが25μm程エピタキシャル成長しているのを観察することができる。なお、試料の4H−SiC基板15には予め窒素をドープしてあるので、図2の顕微鏡像において単結晶4H−SiC基板15とエピタキシャル成長層15eとを明瞭に区別することができる。   FIG. 2 shows a scanning electron microscope image of the cross section of the sample when cooled after the heat treatment for 10 minutes. From FIG. 2, the stacked structure of the polycrystalline 3C-SiC substrate 20, the solidified solvent silicon (silicon melt) 19, the single crystal 4H-SiC epitaxial growth layer 15e, and the single crystal 4H-SiC substrate 15 is shown in this order from the top. It turns out that it is. In particular, it can be observed that 4H—SiC is epitaxially grown on the 4H—SiC substrate 15 by about 25 μm. Since the sample 4H-SiC substrate 15 is doped with nitrogen in advance, the single crystal 4H-SiC substrate 15 and the epitaxial growth layer 15e can be clearly distinguished in the microscopic image of FIG.

図2に示すように、多結晶3C−SiC基板20はエピタキシャル成長前ではより緻密であったが、界面から優先的に溶解し、加熱処理後にはまばらになっているのが観察される。エピタキシャル成長中は、液体シリコン19の部分が、フィード側の多結晶3C−SiC基板20からシード側の単結晶4H−SiC基板15へ炭素を供給する溶媒として働く。   As shown in FIG. 2, the polycrystalline 3C-SiC substrate 20 was more dense before the epitaxial growth, but is preferentially dissolved from the interface and is observed to be sparse after the heat treatment. During epitaxial growth, a portion of the liquid silicon 19 serves as a solvent for supplying carbon from the polycrystalline 3C—SiC substrate 20 on the feed side to the single crystal 4H—SiC substrate 15 on the seed side.

図2には、炭素の波長分散X線による濃度プロファイルが併せて示されている。このプロファイルで示すように溶媒シリコン19中の炭素濃度の限界は極めて低いが、溶媒の厚みが極めて小さいため、結晶成長に十分な量の炭素を拡散させることができる。   FIG. 2 also shows the concentration profile of the wavelength dispersion X-ray of carbon. As shown by this profile, the limit of the carbon concentration in the solvent silicon 19 is extremely low, but since the thickness of the solvent is extremely small, a sufficient amount of carbon can be diffused for crystal growth.

なお、図1に示した試料の構成のほか、多結晶3C−SiC基板20と単結晶4H−SiC基板15の位置関係が上下逆となるような試料構成でも実験を行ったが、この場合でも同様に4H−SiCのエピタキシャル成長が起こった。従って、系に意図しない温度勾配が生じており、それが本実験における駆動力になっているとは考えられない。   In addition to the sample configuration shown in FIG. 1, the experiment was also performed in a sample configuration in which the positional relationship between the polycrystalline 3C-SiC substrate 20 and the single crystal 4H-SiC substrate 15 is upside down. Similarly, epitaxial growth of 4H—SiC occurred. Therefore, an unintended temperature gradient is generated in the system, which cannot be considered as a driving force in this experiment.

この液相エピタキシャル成長プロセスの駆動力は、小学校の理科の授業で行われるミョウバンの結晶成長実験の場合と同じく、濃度勾配である。当該プロセスの駆動力を説明する前に、まず、よく似た装置構成を持った溶媒移動法(Traveling Solvent法)を、図3(a)を参照して説明する。   The driving force of this liquid phase epitaxial growth process is a concentration gradient, as in the case of alum crystal growth experiments conducted in elementary school science classes. Before explaining the driving force of the process, first, a solvent moving method (Traveling Solvent method) having a similar apparatus configuration will be described with reference to FIG.

溶媒移動法では図3(a)に示すように、SiCのフィード側とシード側とで薄いSi層を挟んだ積層構造が、Si層に垂直に温度勾配を持つように上側から加熱される。フィード側の界面はT+ΔTの温度であるので、図3(b)のSi−C系状態図から判るとおり、Siに対するSiCの溶解度はX+ΔX%である。一方、シード側の界面での温度Tでの溶解度限はX%である。なお、図面において溶解度はより高い濃度へ誇張して描かれている。   In the solvent transfer method, as shown in FIG. 3A, a laminated structure in which a thin Si layer is sandwiched between the SiC feed side and the seed side is heated from above so as to have a temperature gradient perpendicular to the Si layer. Since the interface on the feed side has a temperature of T + ΔT, the solubility of SiC in Si is X + ΔX%, as can be seen from the Si—C system phase diagram of FIG. On the other hand, the solubility limit at the temperature T at the seed side interface is X%. In the drawing, the solubility is exaggerated to a higher concentration.

この濃度勾配によって、過剰なSiCはフィード側の界面から溶解し、液体Si溶媒に拡散して、シード側の界面に析出する。従って、液体Si層はフィード側の下から上へと移動する。このように、溶媒移動法において溶媒を移動させる駆動力は、温度勾配から得られる濃度勾配である。   Due to this concentration gradient, excess SiC is dissolved from the interface on the feed side, diffuses into the liquid Si solvent, and precipitates on the interface on the seed side. Therefore, the liquid Si layer moves from the bottom to the top on the feed side. Thus, the driving force for moving the solvent in the solvent transfer method is a concentration gradient obtained from the temperature gradient.

一方、本発明のプロセスでは、結晶成長の間中、温度は空間的にも時間的にも一定に保たれる。この系での駆動力は、フィード側の3C−SiCの準安定性である。これは、図4(a)に模式的に示した各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系の安定・準安定平衡ダブル状態図から導かれる。ダブル状態図は、冶金学においてはFe−C系の如く馴染みの深いものであって、準安定相を含んだ系においては一般的に現れる。   On the other hand, in the process of the present invention, the temperature is kept constant both spatially and temporally during crystal growth. The driving force in this system is the metastability of 3C-SiC on the feed side. This is derived from the Si—C stable / metastable equilibrium double phase diagram schematically showing the carbon concentration and temperature range in which each phase exists, schematically shown in FIG. The double phase diagram is familiar in the metallurgy like the Fe-C system, and generally appears in a system including a metastable phase.

図4(a)に示すように、Siの液体をSiL、Siの固体をSiSとすると、SiL→SiS+SiC3Cの準安定共晶温度は、SiL→SiS+SiC4Hの安定共晶温度よりも低い温度になる。図4(b)は、対応する自由エネルギー濃度図を模式的に示したものである。それぞれの相の溶解度限は、図4(b)に示すように、共存相の自由エネルギーの共通接線で得られる。 As shown in FIG. 4A, when the liquid of Si is Si L and the solid of Si is Si S , the metastable eutectic temperature of Si L → Si S + SiC 3C is stable from Si L → Si S + SiC 4H . The temperature is lower than the eutectic temperature. FIG. 4B schematically shows a corresponding free energy concentration diagram. The solubility limit of each phase is obtained by the common tangent of the free energy of the coexisting phase, as shown in FIG.

温度Tにおいて、準安定3C−SiCの溶解度つまり準安定固溶限はC3Cであり、対応する液相線が図4(a)の破線で示されている。もう1つの安定4H−SiCの溶解度つまり安定固溶限はC4Hであり、図4(a)に実線で示した液相線に対応している。従って、3C−SiCと4H−SiCとの間に挟まれたSi薄膜に濃度勾配が得られる。この濃度勾配の模式的なプロファイルを図4(c)に示す。 At temperature T, the solubility of metastable 3C—SiC, that is, the metastable solid solubility limit, is C 3C , and the corresponding liquidus line is indicated by the broken line in FIG. The solubility of another stable 4H—SiC, that is, the stable solid solubility limit is C 4H , which corresponds to the liquidus shown by the solid line in FIG. Therefore, a concentration gradient is obtained in the Si thin film sandwiched between 3C—SiC and 4H—SiC. A schematic profile of this concentration gradient is shown in FIG.

図5(a)は、安定・準安定平衡化学ポテンシャル差による自由エネルギーの駆動力で、フィード側の3C−SiC基板表面から炭素原子Cがシード側の4H−SiC基板に移動する様子を示す概念図である。図5(b)は、各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系のダブル状態図である。   FIG. 5A is a concept showing how carbon atoms C move from the surface of the feed-side 3C-SiC substrate to the seed-side 4H-SiC substrate by the free energy driving force due to the difference between the stable and metastable equilibrium chemical potentials. FIG. FIG. 5B is a Si—C double state diagram showing the carbon concentration and temperature range where each phase exists.

フィード側の3C−SiCに接する溶媒Siの濃度が、図5(b)に矢印で示したとおり、破線で描かれる準安定液相線つまり準安定固溶限より低い場合には、フィード側の3C−SiC基板は溶出し、炭素が供給される。この炭素は、溶媒中に存在する濃度勾配によって拡散し、シード側の4H−SiC基板上に供給される。そして、シード側の4H−SiCに接する溶媒Siの濃度が、図5(b)において実線で描かれる安定液相線つまり安定固溶限よりも高い場合に析出が起こる。   When the concentration of the solvent Si in contact with 3C-SiC on the feed side is lower than the metastable liquidus line drawn with a broken line, that is, the metastable solid solubility limit, as indicated by an arrow in FIG. The 3C-SiC substrate is eluted and supplied with carbon. This carbon is diffused by the concentration gradient existing in the solvent, and is supplied onto the 4H—SiC substrate on the seed side. Precipitation occurs when the concentration of the solvent Si in contact with 4H—SiC on the seed side is higher than the stable liquidus line drawn with a solid line in FIG.

図6(a)は、プロセスの過程における濃度プロファイルの変化を模式的に示す図である。図6(b)は、各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系のダブル状態図である。   FIG. 6A is a diagram schematically showing changes in the concentration profile during the process. FIG. 6B is a Si—C-based double phase diagram showing the carbon concentration and temperature range in which each phase exists.

プロセスの開始時における濃度プロファイルは、図6(a)の実線で示すように、井戸のような形状をしている。そして、プロセス開始直後の初期においては、フィード側の3C−SiC基板に接するSi溶媒の炭素固溶度は準安定固溶限よりも低いため、溶出が起こる。これはシード側の4H−SiC基板においても同様であり、ここに接するSi溶媒の炭素固溶度は、プロセスの初期においては安定固溶限よりも低いため、溶出が起こる。このときの濃度プロファイルは、図6(a)に一点鎖線で描かれている。これによって、シード側4H−SiC基板の表面が洗われて、基板の活性化が行われる。   The concentration profile at the start of the process is shaped like a well, as shown by the solid line in FIG. In the initial stage immediately after the start of the process, elution occurs because the carbon solid solubility of the Si solvent in contact with the 3C-SiC substrate on the feed side is lower than the metastable solid solubility limit. This also applies to the seed-side 4H—SiC substrate. Since the carbon solid solubility of the Si solvent in contact therewith is lower than the stable solid solubility limit at the beginning of the process, elution occurs. The density profile at this time is drawn by a one-dot chain line in FIG. As a result, the surface of the seed side 4H—SiC substrate is washed, and the substrate is activated.

更に時間が経過すると溶出が進み、溶媒Si中の炭素濃度が上昇する。フィード側の3C−SiC基板に接する溶媒Siの炭素濃度は準安定固溶限であり、シード側の4H−SiC基板に接する溶媒Siの炭素濃度は安定固溶限であり、これらの間にある溶媒Siには図6(a)中に点線で示した濃度勾配ができる。この濃度勾配が、フィード側3C−SiC基板の溶出、溶媒Si中の炭素拡散、シード側4H−SiC基板の析出を駆動し、結晶成長が進む。   As time elapses, elution proceeds and the carbon concentration in the solvent Si increases. The carbon concentration of the solvent Si in contact with the 3C-SiC substrate on the feed side is in the metastable solid solubility limit, and the carbon concentration of the solvent Si in contact with the 4H-SiC substrate on the seed side is in the stable solid solubility limit and is between them. The solvent Si has a concentration gradient indicated by a dotted line in FIG. This concentration gradient drives elution of the feed side 3C-SiC substrate, carbon diffusion in the solvent Si, and precipitation of the seed side 4H-SiC substrate, and crystal growth proceeds.

図7は、本発明の原理とよく似た原理に基づく物理現象として古くから知られている、不安定な微細粒が消滅しより大きな粒が成長するオストワルド成長の原理を説明する図である。図7(a)は自由エネルギー濃度図で、溶媒の自由エネルギー(Gα)と、粒径の小さな析出粒の自由エネルギー(Gβ(S))と、粒径の大きな析出粒の自由エネルギー(Gβ(L))と、を表している。 FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of Ostwald growth in which unstable fine grains disappear and larger grains are known as a physical phenomenon based on a principle very similar to the principle of the present invention. FIG. 7A is a free energy concentration diagram, in which the free energy of the solvent (G α ), the free energy of the precipitated particles with a small particle size (G β (S)), and the free energy of the precipitated particles with a large particle size ( G β (L)).

粒径の大きさの違いによる自由エネルギーの高低差は、界面エネルギーに起因したギブス−トムソン効果によって発現する。粒径の小さな析出粒と平衡する溶媒の溶質濃度は、共通接線からxα(S)であり、粒径の大きな析出粒と平衡する溶媒の溶質濃度はxα(L)である。 The difference in free energy due to the difference in particle size is manifested by the Gibbs-Thomson effect due to the interfacial energy. The solute concentration of the solvent in equilibrium with the precipitated particles having a small particle size is x α (S) from the common tangent, and the solute concentration of the solvent in equilibrium with the precipitated particles having a large particle size is x α (L).

このような粒径の異なった析出粒と溶媒が共存する系では、図7(b)に示すような濃度プロファイルを示す。粒径の小さな析出粒に接する溶媒の溶質濃度はxα(S)であり、粒径の大きな析出粒に接する溶媒の溶質濃度はxα(L)である。この濃度勾配によって、粒径の小さな析出粒から溶質が溶出し、この溶質は溶媒中を拡散して、粒径の大きな析出粒に供給される。これによって、粒径の小さな析出粒は消失し、粒径の大きな析出粒が成長する。 In such a system in which precipitated particles having different particle diameters and a solvent coexist, a concentration profile as shown in FIG. 7B is shown. The solute concentration of the solvent in contact with the precipitated particles having a small particle size is x α (S), and the solute concentration of the solvent in contact with the precipitated particles having a large particle size is x α (L). Due to this concentration gradient, the solute is eluted from the precipitated particles having a small particle diameter, and this solute diffuses in the solvent and is supplied to the precipitated particles having a large particle diameter. As a result, the precipitated grains having a small particle size disappear, and the precipitated grains having a large particle size grow.

図1の場合のようにフィード側に多結晶SiC基板20を設置した場合には、その多結晶粒のそれぞれの先端は曲がっており、オストワルド成長における粒径の小さな析出粒に対応する。一方、シード側の単結晶SiC基板15は平面であり、曲率無限大の大きな析出粒に対応する。この曲率の差が自由エネルギーの差を誘起し、フィード側の多結晶SiC基板20からシード側の単結晶SiC基板15へ溶質の拡散を駆動し、オストワルド成長と同じ原理によってシード側の単結晶SiC基板15が成長する。   When the polycrystalline SiC substrate 20 is installed on the feed side as in the case of FIG. 1, the tips of the polycrystalline grains are bent, corresponding to the precipitated grains having a small grain size in the Ostwald growth. On the other hand, the single-crystal SiC substrate 15 on the seed side is flat and corresponds to large precipitated grains with infinite curvature. This difference in curvature induces a difference in free energy, drives diffusion of solute from the feed-side polycrystalline SiC substrate 20 to the seed-side single-crystal SiC substrate 15, and the seed-side single-crystal SiC is based on the same principle as the Ostwald growth. The substrate 15 grows.

以上に説明した本発明のプロセスを、本願発明者は、準安定溶媒エピタキシー法(Metastable Solvent Epitaxy Method)と名付けた。従って、本明細書でも、準安定溶媒エピタキシー法(略称MSE法)の名称を用いることとする。この準安定溶媒エピタキシー法は、シード側となる単結晶SiCの種基板に対向して、シード側よりも自由エネルギーの高い炭素フィード基板をフィード側として配置し、両基板の間に厚みの極めて小さいSiの溶融層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理することで、自由エネルギーの差に基づいてSi溶融層に発生する濃度勾配(温度勾配に基づかない濃度勾配)を駆動力として、種基板に単結晶SiCを液相エピタキシャル成長させる方法である。   The present inventor has named the process of the present invention described above as a metastable solvent epitaxy method (Metastable Solvent Epitaxy Method). Therefore, the name of the metastable solvent epitaxy method (abbreviation MSE method) is used also in this specification. In this metastable solvent epitaxy method, a carbon feed substrate having a higher free energy than the seed side is arranged as a feed side facing a seed substrate of single crystal SiC on the seed side, and the thickness is extremely small between both substrates. By performing heat treatment in a vacuum high temperature environment with a Si melt layer as a solvent, a concentration gradient (concentration gradient not based on a temperature gradient) generated in the Si melt layer based on the difference in free energy is used as a driving force. In this method, single crystal SiC is grown on a substrate by liquid phase epitaxial growth.

このMSE法において液相エピタキシャル成長の駆動力となる要因をまとめると、以下のとおりである。   The factors that become the driving force of liquid phase epitaxial growth in this MSE method are summarized as follows.

第1は準安定相の化学ポテンシャルの差である。シード側として6H−SiC基板を使用した場合、これに対してフィード側となり得る基板は、自由エネルギーの大きい順に挙げると、[1]グラファイト、[2]アモルファスSiC、[3]単結晶3C−SiC、[4]単結晶4H−SiCである。シード側として4H−SiC基板を使用した場合、これに対してフィード側となり得る基板は、自由エネルギーの大きい順に挙げると、[1]グラファイト、[2]アモルファスSiC、[3]単結晶3C−SiCである。   The first is the difference in chemical potential of the metastable phase. When a 6H-SiC substrate is used as the seed side, the substrates that can be the feed side are [1] graphite, [2] amorphous SiC, and [3] single crystal 3C-SiC, in order of increasing free energy. [4] Single crystal 4H—SiC. When a 4H-SiC substrate is used as the seed side, the substrates that can be the feed side are [1] graphite, [2] amorphous SiC, and [3] single crystal 3C-SiC, in order of increasing free energy. It is.

第2は界面曲率の化学ポテンシャルの差であり、これは古くから知られたオストワルド成長である。自由エネルギーの大きい順で基板を挙げると、[1]多結晶3C−SiC(粒径小)、[2]多結晶3C−SiC(粒径大)、[3]多結晶4H−SiCである。また、上述のとおり、多結晶SiC基板は単結晶SiC基板よりも自由エネルギーが大きくなる。   The second is the difference in chemical potential of the interface curvature, which is the Ostwald growth that has been known for a long time. When the substrates are listed in order of increasing free energy, they are [1] polycrystalline 3C-SiC (small particle size), [2] polycrystalline 3C-SiC (large particle size), and [3] polycrystalline 4H-SiC. Further, as described above, the polycrystalline SiC substrate has a larger free energy than the single crystal SiC substrate.

第3は界面面方位の化学ポテンシャルの差である。単結晶4H−SiC又は単結晶6H−SiCにおける代表的な面方位を自由エネルギーの大きい順に挙げると、[1](11−20)面、[2](1−100)面、[3](11−2n)面、[4](1−10n)面、[5](0001)面である。また、単結晶SiC基板表面の裏表に存在するSi面とC面との間にも化学ポテンシャルの差が存在し、自由エネルギーが大きい順に挙げると、[1](0001)Si面、[2](000−1)C面である。なお、六方晶SiCの(0001)Si面、(000−1)C面、(1−100)面、及び(11−20)面について図8(a)〜図8(c)に示した。   The third is the difference in chemical potential of the interface orientation. When representative plane orientations in single crystal 4H—SiC or single crystal 6H—SiC are listed in order of increasing free energy, [1] (11-20) plane, [2] (1-100) plane, [3] ( 11-2n) plane, [4] (1-10n) plane, and [5] (0001) plane. Further, there is a difference in chemical potential between the Si surface and the C surface existing on the front and back surfaces of the single-crystal SiC substrate surface. In order of increasing free energy, [1] (0001) Si surface, [2] (000-1) C plane. The (0001) Si face, (000-1) C face, (1-100) face, and (11-20) face of hexagonal SiC are shown in FIGS. 8A to 8C.

本発明のMSEプロセスは以上に示すように、前記準安定相の化学ポテンシャルの差、界面曲率の化学ポテンシャルの差、界面面方位の化学ポテンシャルの差、の数々の化学ポテンシャルの差による自由エネルギーを利用できるので、SiCを大面積エピタキシャル成長させるのに困難がなく、装置の単純性とあいまって、大口径ウエハの製造を可能にする。   As described above, the MSE process according to the present invention provides the free energy due to the difference in the chemical potential of the metastable phase, the chemical potential of the interface curvature, and the chemical potential of the interface orientation. Since it can be used, there is no difficulty in epitaxially growing SiC in a large area, and it is possible to manufacture a large-diameter wafer in combination with the simplicity of the apparatus.

また、本発明のMSE法は、前述の溶媒移動法と比較して、結晶成長中に空間的にも時間的にも温度勾配がないという特徴を備えている。例えば前述の溶媒移動法において界面の不安定性や多結晶が現れる大きな原因の1つはいわゆる組成的過冷却であり、この組成的過冷却は温度勾配と濃度勾配の制御の失敗によって生じる。この点、MSE法は温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるので、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができる。   In addition, the MSE method of the present invention is characterized in that there is no temperature gradient both spatially and temporally during crystal growth as compared with the solvent transfer method described above. For example, one of the major causes of the appearance of interface instabilities and polycrystals in the solvent transfer method described above is so-called compositional supercooling, and this compositional supercooling is caused by a failure in controlling the temperature gradient and concentration gradient. In this respect, the MSE method has no temperature gradient and the growth kinetics is controlled only by the concentration gradient, so that the epitaxial growth can be automatically stabilized.

また、本発明のMSE法は、液体Si溶媒が極めて薄いことも特徴である。液体Si溶媒中を炭素が拡散する間、例えば図5(b)の安定状態図から判るとおり炭素が過飽和であるため、溶媒は不安定である。従って、仮に溶媒の厚みが大きいと、シード側の基板以外で核生成する機会が生じ易くなってしまう。従って、液体Si溶媒は核生成を抑えるために薄くなければならない。   The MSE method of the present invention is also characterized in that the liquid Si solvent is extremely thin. While carbon diffuses in the liquid Si solvent, for example, as can be seen from the stable state diagram of FIG. 5B, the solvent is unstable because carbon is supersaturated. Therefore, if the thickness of the solvent is large, an opportunity to nucleate other than the seed side substrate is likely to occur. Therefore, the liquid Si solvent must be thin to suppress nucleation.

MSE法は、液体Si溶媒の厚みが極めて小さいため、プロセス中に溶媒内の対流が殆ど起こらない。また、溶媒が薄膜であることから、炭素の溶解度限が低いSi溶融層に対して炭素フィード基板側から十分な量の炭素を良好に拡散させ、SiCを円滑に液相エピタキシャル成長させることができる。   In the MSE method, since the thickness of the liquid Si solvent is extremely small, convection in the solvent hardly occurs during the process. Further, since the solvent is a thin film, a sufficient amount of carbon can be diffused satisfactorily from the carbon feed substrate side into the Si melt layer having a low carbon solubility limit, and SiC can be smoothly liquid phase epitaxially grown.

また、本発明のMSE法では前述のように炭素フィード基板側から十分な量の炭素をSi溶融層に拡散し得るので、温度を上昇させてSi溶融層に対する炭素の溶解度を上げる必要がない。従って、プロセスの低温化も容易である。加えて、溶媒の厚みが小さいのでSi溶融層が真空に晒される面積も少なくでき、プロセスを低温化できることともあいまって、Si溶融層の揮発量を良好に低減することができる。   Further, in the MSE method of the present invention, as described above, a sufficient amount of carbon can be diffused from the carbon feed substrate side into the Si molten layer, so that it is not necessary to raise the temperature and increase the solubility of carbon in the Si molten layer. Therefore, it is easy to lower the process temperature. In addition, since the thickness of the solvent is small, the area where the Si molten layer is exposed to vacuum can be reduced, and the volatilization amount of the Si molten layer can be favorably reduced, coupled with the fact that the process can be lowered in temperature.

図9(a)に前述の溶媒移動法のモデル図を示し、図9(b)に本発明のMSE法のモデル図を示す。溶媒移動法は図9(a)に示すように、温度勾配(温度場)を積極的に利用してエピタキシャル成長させる方法である。一方、本発明のMSE法は等温プロセスであり、利用するのは自由エネルギーの差による濃度勾配(濃度場)である。   FIG. 9A shows a model diagram of the above-described solvent transfer method, and FIG. 9B shows a model diagram of the MSE method of the present invention. As shown in FIG. 9A, the solvent transfer method is a method in which epitaxial growth is performed by positively utilizing a temperature gradient (temperature field). On the other hand, the MSE method of the present invention is an isothermal process and uses a concentration gradient (concentration field) due to a difference in free energy.

次に、前記MSE法における炭素の拡散の制御について説明する。即ち、図9(b)において矢印で模式的に示すように、本発明のMSE法では、フィード側とシード側とを近接させた部分(液体Si溶媒の薄い部分)では、離れている部分(液体Si溶媒の厚い部分)に比べて、フィード側からの炭素の拡散がより多く行われることになる。   Next, the control of carbon diffusion in the MSE method will be described. That is, as schematically shown by an arrow in FIG. 9B, in the MSE method of the present invention, a portion where the feed side and the seed side are brought close to each other (a portion where the liquid Si solvent is thin) is separated ( Compared with the thick portion of the liquid Si solvent, carbon is diffused more from the feed side.

また、MSE法では、自由エネルギーの違う基板ないし部材同士を様々に組み合わせて炭素の拡散をコントロールし、液相エピタキシャル成長を制御できることが期待される。   In addition, in the MSE method, it is expected that liquid phase epitaxial growth can be controlled by controlling the diffusion of carbon by variously combining substrates or members having different free energies.

例えば、図9(c)は、自由エネルギーが等しい基板同士を対向させたレイアウトを示す。この場合は、炭素の拡散は生じず、液相エピタキシャル成長は行われない。一方、図9(d)は、自由エネルギーが等しい基板同士を対向させるとともに、一方の基板の表面に当該基板よりも自由エネルギーが低い小部材を設置したレイアウトを示す。この場合、矢印に示すように、向かい合う両方の基板から炭素が拡散して前記小部材側へ析出することになる。   For example, FIG. 9C shows a layout in which substrates having the same free energy face each other. In this case, no carbon diffusion occurs and liquid phase epitaxial growth is not performed. On the other hand, FIG. 9D shows a layout in which substrates having the same free energy are opposed to each other and a small member having a lower free energy than that of the substrate is installed on the surface of one substrate. In this case, as indicated by the arrows, carbon diffuses from both substrates facing each other and precipitates on the small member side.

また、図9(e)は、自由エネルギーが小さい基板に、それよりも高い自由エネルギーを有する小部材を設置し、更に当該小部材と等しい自由エネルギーを有する基板を対向させたレイアウトを示す。この場合、矢印に示すように、自由エネルギーの高い側の基板及び小部材から炭素が拡散して、自由エネルギーの低い基板へ析出することになる。   FIG. 9E shows a layout in which a small member having a higher free energy is placed on a substrate having a lower free energy, and a substrate having a free energy equal to the smaller member is opposed to the substrate. In this case, as indicated by the arrows, carbon diffuses from the substrate and the small member on the higher free energy side and is deposited on the substrate having the lower free energy.

図10は、MSEプロセスにおける状態遷移と自由エネルギーの変化を示す模式的概念図である。この図10は、フィード側として多結晶3C−SiC基板20を用い、シード側に単結晶4H−SiC基板15(又は6H−SiC基板)を用いた場合に、MSEプロセスの各過程での自由エネルギーの遷移を示している。   FIG. 10 is a schematic conceptual diagram showing state transition and free energy change in the MSE process. FIG. 10 shows a case where a polycrystalline 3C-SiC substrate 20 is used on the feed side and a single crystal 4H-SiC substrate 15 (or 6H-SiC substrate) is used on the seed side, and free energy in each step of the MSE process. The transition is shown.

MSEプロセスでは、炭素の状態は大きく分けて、フィード側の多結晶SiC基板20に結晶している結晶状態、Si溶融液19に溶解している溶解状態、シード側の単結晶SiC基板15の表面に吸着している表面吸着状態、シード側の単結晶SiC基板15に結晶成長する結晶状態、の4つの状態をとり得る。そして、上記で述べたフィード側の結晶状態、溶解状態、表面吸着状態、シード側の結晶状態の順に自由エネルギーが小さくなっており、これがMSE法における状態遷移を起こす駆動力となっている。   In the MSE process, the carbon state is roughly divided into a crystal state crystallized on the feed-side polycrystalline SiC substrate 20, a dissolved state dissolved in the Si melt 19, and the surface of the seed-side single-crystal SiC substrate 15. The surface adsorption state adsorbed on the seed and the crystal state of crystal growth on the single-crystal SiC substrate 15 on the seed side can be taken. The free energy decreases in the order of the feed-side crystal state, the dissolved state, the surface adsorption state, and the seed-side crystal state described above, and this is the driving force that causes the state transition in the MSE method.

MSEプロセスにおける炭素の状態遷移について図10を参照して説明する。即ち、炭素はまず、フィード側の多結晶3C−SiC基板20に結晶している結晶状態から溶媒シリコン19へ溶出し、溶解状態となる(供給過程)。そして溶解状態の炭素は、溶媒シリコン19の濃度勾配により拡散し、シード側に移動する(輸送過程)。シード側の単結晶SiC基板15の表面において、溶媒シリコン19に溶解している炭素は脱溶媒和により表面吸着状態となり、更に結晶状態へ移行してエピタキシャル成長層15eとなる(表面カイネティックス過程)。   The carbon state transition in the MSE process will be described with reference to FIG. That is, carbon is first eluted from the crystalline state crystallized on the polycrystalline 3C-SiC substrate 20 on the feed side into the solvent silicon 19 and enters a dissolved state (supply process). The dissolved carbon diffuses due to the concentration gradient of the solvent silicon 19 and moves to the seed side (transport process). On the surface of the single-crystal SiC substrate 15 on the seed side, carbon dissolved in the solvent silicon 19 becomes a surface adsorption state by desolvation, and further shifts to a crystal state to become an epitaxial growth layer 15e (surface kinetic process). .

次に、本発明のMSEプロセスを行うのに好適な熱処理装置としての加熱炉の一例を、図11の模式断面図を参照して説明する。   Next, an example of a heating furnace as a heat treatment apparatus suitable for performing the MSE process of the present invention will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG.

図11に示すように、加熱炉1は、本加熱室2と、予備加熱室3と、この予備加熱室3から前記本加熱室2に続く部分にある前室4とを主要部分として備える。この構成で、単結晶SiC基板15等が収納された容器(熱処理容器)16が予備加熱室3から前室4、本加熱室2へと順次移動することで、単結晶SiC基板15を短時間で所定の温度(1500℃以上2300℃以下、好ましくは1600℃以上2100℃以下、更に好ましくは1700℃以上1900℃以下、例えば1800℃)で加熱できるようになっている。   As shown in FIG. 11, the heating furnace 1 includes a main heating chamber 2, a preheating chamber 3, and a front chamber 4 in a portion following the preheating chamber 3 to the main heating chamber 2 as main portions. With this configuration, the container (heat treatment container) 16 in which the single crystal SiC substrate 15 or the like is stored sequentially moves from the preheating chamber 3 to the front chamber 4 and the main heating chamber 2, so that the single crystal SiC substrate 15 can be moved in a short time. The heating can be performed at a predetermined temperature (1500 ° C. to 2300 ° C., preferably 1600 ° C. to 2100 ° C., more preferably 1700 ° C. to 1900 ° C., for example, 1800 ° C.).

この加熱炉1では、図11に示すように、本加熱室2と前室4との接続部分及び、前室4と予備加熱室3との接続部分が、それぞれ連通部を有して仕切られている。このため、上記の各室2,3,4は予め所定の圧力下に制御することが可能である。また、必要な場合には、各室毎にゲートバルブ7を設けることによって、単結晶SiC基板15等を収納した容器16の移動時において、外気に触れることなく、所定圧力下の炉内を適宜の移動手段(図略)によって移動させることができ、不純物の混入を抑制することができる。   In this heating furnace 1, as shown in FIG. 11, the connecting portion between the main heating chamber 2 and the front chamber 4 and the connecting portion between the front chamber 4 and the preheating chamber 3 are each partitioned with a communication portion. ing. For this reason, each of the chambers 2, 3, and 4 can be controlled under a predetermined pressure in advance. Further, if necessary, by providing a gate valve 7 for each chamber, the inside of the furnace under a predetermined pressure can be appropriately adjusted without touching the outside air when the container 16 containing the single crystal SiC substrate 15 or the like is moved. The moving means (not shown) can be moved, and contamination of impurities can be suppressed.

予備加熱室3には、予備加熱手段としてのハロゲンランプ6が設けられている。この構成により、約10-2Pa以下の減圧下で所定の範囲の温度(例えば、約800℃以上1000℃以下の範囲内)に急速に加熱することができる。また前述したように、予備加熱室3と前室4との接続部分にはゲートバルブ7が設けられて、予備加熱室3及び前室4の圧力制御を容易なものにしている。 The preheating chamber 3 is provided with a halogen lamp 6 as preheating means. With this configuration, it is possible to rapidly heat to a predetermined range of temperature (for example, within a range of about 800 ° C. to 1000 ° C.) under a reduced pressure of about 10 −2 Pa or less. As described above, the gate valve 7 is provided at the connecting portion between the preheating chamber 3 and the front chamber 4 to facilitate the pressure control of the preheating chamber 3 and the front chamber 4.

単結晶SiC基板15等が収納された容器16は、この予備加熱室3で、テーブル8上に載置された状態で約800℃(後述の本加熱時の温度より低い温度)に予め加熱される。その後、予備加熱室3と前室4との間で圧力調整が行われ、その調整が完了すると前記容器16は図略の搬送装置によって搬送されて、前室4に設けられている昇降式のサセプタ9に載置される。   The container 16 in which the single crystal SiC substrate 15 or the like is stored is preheated to about 800 ° C. (a temperature lower than the temperature at the time of main heating described later) while being placed on the table 8 in the preheating chamber 3. The After that, pressure adjustment is performed between the preheating chamber 3 and the front chamber 4, and when the adjustment is completed, the container 16 is transported by a transport device (not shown) and is a liftable type provided in the front chamber 4. Placed on the susceptor 9.

前室4に移動した容器16は、昇降式の移動装置10によって、サセプタ9とともに前室4から本加熱室2へ移動する。本加熱室2は、真空ポンプによって予め約10-4Paの減圧下に調整され、また、加熱ヒータ11によって所望の温度(例えば、1800℃)となるように温度調節されている。 The container 16 that has moved to the front chamber 4 is moved from the front chamber 4 to the main heating chamber 2 together with the susceptor 9 by the elevating type moving device 10. The main heating chamber 2 is preliminarily adjusted under a reduced pressure of about 10 −4 Pa by a vacuum pump, and the temperature is adjusted by the heater 11 so as to reach a desired temperature (for example, 1800 ° C.).

なお、前記本加熱室2の圧力環境は、上記のように約10-4Pa以下の真空とするのが好ましいが、例えば約10-2Pa以下の真空としても良い。また、例えば約10-2Pa以下の真空、好ましくは約10-4Pa以下の真空とした後に、若干の不活性ガスが導入された希薄ガス雰囲気下であっても良い。 The pressure environment of the main heating chamber 2 is preferably a vacuum of about 10 −4 Pa or less as described above, but may be a vacuum of about 10 −2 Pa or less, for example. Further, for example, after a vacuum of about 10 −2 Pa or less, preferably about 10 −4 Pa or less, a rare gas atmosphere into which some inert gas is introduced may be used.

上記本加熱室2の状態をこのように設定しておき、容器16を前室4から本加熱室2内へ前記移動装置10によって高速で移動させることによって、容器16を前記の所望の温度に急速に短時間で加熱することができる。   The state of the main heating chamber 2 is set in this way, and the container 16 is moved to the desired temperature by moving the container 16 from the front chamber 4 into the main heating chamber 2 at a high speed. It can be heated rapidly in a short time.

本加熱室2には、加熱ヒータ11の周囲に反射鏡12が設置されている。この反射鏡12は、加熱ヒータ11からの熱を反射して、当該加熱ヒータ11の内部に位置する単結晶SiC基板15側に熱が集中するようにしている。この反射鏡12は、金メッキしたW、Ta、Mo等の高融点金属や、WC、TaC、MoC等の高耐熱炭化物で形成されていることが好ましい。   In the main heating chamber 2, a reflecting mirror 12 is installed around the heater 11. The reflecting mirror 12 reflects the heat from the heater 11 so that the heat is concentrated on the single crystal SiC substrate 15 side located in the heater 11. The reflecting mirror 12 is preferably formed of gold-plated refractory metal such as W, Ta or Mo, or high heat resistant carbide such as WC, TaC or MoC.

また、本加熱室2には窓17が設けられており、本加熱室2の外部に設置された赤外線放射温度計18によって本加熱室2の内部温度を計測できるようになっている。   Further, a window 17 is provided in the main heating chamber 2, and the internal temperature of the main heating chamber 2 can be measured by an infrared radiation thermometer 18 installed outside the main heating chamber 2.

前記移動装置10は凸状の段付き部21を備える一方、本加熱室2は凹状の段付き部22を備えている。そして、移動装置10を駆動して容器16を前室4から本加熱室2へ移動させたときは、凸状の段付き部21が凹状の段付き部22に嵌合して、嵌合部25を形成するようになっている。前記凸状の段付き部21の各段部には図略のシール部材(例えば、Oリング)が設けられており、容器16を本加熱室2へ移動させたときに嵌合部25をシールして、本加熱室2を密閉できるように構成されている。   The moving device 10 includes a convex stepped portion 21, while the heating chamber 2 includes a concave stepped portion 22. When the moving device 10 is driven and the container 16 is moved from the front chamber 4 to the main heating chamber 2, the convex stepped portion 21 is fitted to the concave stepped portion 22, and the fitting portion 25 is formed. An unillustrated seal member (for example, an O-ring) is provided at each step portion of the convex stepped portion 21, and the fitting portion 25 is sealed when the container 16 is moved to the main heating chamber 2. And it is comprised so that this heating chamber 2 can be sealed.

本加熱室2の加熱ヒータ11の内側には、汚染物除去機構29が設けられている。この汚染物除去機構29は、熱処理中に単結晶SiC基板15等から容器16の外に排出される不純物を、加熱ヒータ11と接触しないように除去する。これによって、加熱ヒータ11が上記不純物と反応して劣化することを防止できる。なお、この汚染物除去機構29は、単結晶SiC基板15等から排出される不純物を吸着するものであれば、特に限定されない。   A contaminant removal mechanism 29 is provided inside the heater 11 of the main heating chamber 2. The contaminant removal mechanism 29 removes impurities discharged out of the container 16 from the single crystal SiC substrate 15 or the like during the heat treatment so as not to come into contact with the heater 11. Thereby, it is possible to prevent the heater 11 from being deteriorated by reacting with the impurities. The contaminant removal mechanism 29 is not particularly limited as long as it can adsorb impurities discharged from the single crystal SiC substrate 15 or the like.

加熱ヒータ11は、W又はTa等の金属製の抵抗加熱ヒータであり、前記サセプタ9側に設置されたベースヒータ11aと、本加熱室2側に設けられた上部ヒータ11bとで構成されている。前記移動装置10によって容器16がベースヒータ11aとともに本加熱室2側へ上昇移動すると、鎖線で図示するように容器16が加熱ヒータ11によって取り囲まれる形となる。このような加熱ヒータ11のレイアウトにより、前述の反射鏡12ともあいまって、加熱領域の温度分布を高精度で均一になるよう制御することができる。この結果、容器16を均一に加熱でき、容器16の内部に意図しない温度勾配が生じることを回避することができる。なお、本加熱室2の加熱方式としては、抵抗加熱ヒータに限定せず、例えば高周波誘導加熱式のものを採用することができる。   The heater 11 is a resistance heater made of metal such as W or Ta, and includes a base heater 11a installed on the susceptor 9 side and an upper heater 11b provided on the main heating chamber 2 side. . When the container 16 rises and moves to the main heating chamber 2 side together with the base heater 11a by the moving device 10, the container 16 is surrounded by the heater 11 as shown by a chain line. With such a layout of the heater 11, it is possible to control the temperature distribution in the heating region to be uniform with high accuracy in combination with the reflector 12 described above. As a result, the container 16 can be heated uniformly, and an unintended temperature gradient can be prevented from occurring inside the container 16. Note that the heating method of the main heating chamber 2 is not limited to the resistance heater, and for example, a high frequency induction heating type can be adopted.

次に、図12を参照しつつ、本実施形態のMSE法による液相エピタキシャル成長を行う際に用いられる容器16について説明する。図12は容器の上容器と下容器とを取り外した状態の斜視図である。   Next, the container 16 used when performing liquid phase epitaxial growth by the MSE method of this embodiment is demonstrated, referring FIG. FIG. 12 is a perspective view of the container with the upper and lower containers removed.

前述の容器16は、図12に示すような上容器16aと下容器16bとを備えている。容器16の形状は図示されるようにほぼ六面体状とされているが、これは一例であって、例えば円筒状に構成されていても良い。上容器16a及び下容器16bは、タンタル金属から構成されており、その表面全体を炭化タンタル層で覆った構成になっている。   The aforementioned container 16 includes an upper container 16a and a lower container 16b as shown in FIG. Although the shape of the container 16 is substantially hexahedral as shown in the figure, this is an example, and may be configured in a cylindrical shape, for example. The upper container 16a and the lower container 16b are made of tantalum metal, and the entire surface thereof is covered with a tantalum carbide layer.

そして、図13に示すように、単結晶SiC基板15を含むサンドイッチ構造を容器16内に配置する。このサンドイッチ構造は図1に示す構成と実質的に同様であって、シード側となる単結晶SiC基板15の上下に、フィード側となる多結晶SiC基板20をそれぞれ配置している。図13に示す実施形態では、この単結晶SiC基板15の結晶多形は4H−SiCとされるが、これに限定されない。単結晶SiC基板15と多結晶SiC基板20との間には、シリコンプレート23が介在されている。なお、図13の符号31は、上容器16a及び下容器16bの表面を覆っている前記炭化タンタル層である。   Then, as shown in FIG. 13, a sandwich structure including the single crystal SiC substrate 15 is disposed in the container 16. This sandwich structure is substantially the same as the structure shown in FIG. 1, and a polycrystalline SiC substrate 20 on the feed side is arranged above and below a single crystal SiC substrate 15 on the seed side. In the embodiment shown in FIG. 13, the crystal polymorph of the single crystal SiC substrate 15 is 4H—SiC, but is not limited thereto. A silicon plate 23 is interposed between the single crystal SiC substrate 15 and the polycrystalline SiC substrate 20. In addition, the code | symbol 31 of FIG. 13 is the said tantalum carbide layer which has covered the surface of the upper container 16a and the lower container 16b.

シード側の単結晶SiC基板15は、本実施形態では単結晶4H−SiC基板を使用しているが、例えば6H−SiC基板を用いても良い。また、フィード側の多結晶SiC基板20は、本実施形態では多結晶3C−SiC基板を使用しているが、他の基板を用いても良い。シード側とフィード側の基板は、上述のように化学ポテンシャルの高低差を発現するように選択される限り、任意の組合せを採用することができる。   As the single crystal SiC substrate 15 on the seed side, a single crystal 4H—SiC substrate is used in the present embodiment. However, for example, a 6H—SiC substrate may be used. Further, the polycrystalline SiC substrate 20 on the feed side uses a polycrystalline 3C-SiC substrate in this embodiment, but another substrate may be used. As long as the seed side substrate and the feed side substrate are selected so as to express the difference in height of the chemical potential as described above, any combination can be adopted.

容器16内の適宜位置にはシリコンペレット14が配置されている。この構成により、加熱処理時に前記シリコンペレット14が蒸発し、容器16内部にSi雰囲気を形成することができる。また、前述のサンドイッチ構造と下容器16bの内底面との間にはスペーサ13が介在されている。   Silicon pellets 14 are arranged at appropriate positions in the container 16. With this configuration, the silicon pellets 14 are evaporated during the heat treatment, and a Si atmosphere can be formed inside the container 16. A spacer 13 is interposed between the sandwich structure described above and the inner bottom surface of the lower container 16b.

以上の収納状態で容器16を加熱炉1にセットして加熱する。なお、MSE法を行う場合は、図13の基板配置例とすることに限定せず、他の様々な基板配置を採用することができる。また、図13の内部に設置されているシリコンペレット14を省略することができる。   In the above storage state, the container 16 is set in the heating furnace 1 and heated. In addition, when performing MSE method, it is not limited to the board | substrate arrangement | positioning example of FIG. 13, Other various board | substrate arrangement | positionings can be employ | adopted. Moreover, the silicon pellet 14 installed in FIG. 13 can be omitted.

加熱処理の温度制御例が図14に示される。この図14に示すように、本実施形態のプロセスにおいては、前記加熱炉1の予備加熱室3の温度を予め約800℃まで上昇させておき、また、本加熱室2の温度を予め約1800℃まで上昇させておく。そして、図13のように単結晶SiC基板15及び多結晶SiC基板20を収納した容器16を予備加熱室3に挿入し、数分から数十分程度加熱する(予備加熱)。その後、前述のように下容器16bを単結晶SiC基板15とともに本加熱室2に移動し、約1800℃の温度で数分から数十分程度加熱する(本加熱)。このとき、本加熱室2は、約10-2Pa以下の真空、好ましくは約10-4Pa以下の真空に保たれる。その後、加熱が停止された予備加熱室3へ容器16及び単結晶SiC基板15を戻し、自然冷却して取り出す。 An example of temperature control for heat treatment is shown in FIG. As shown in FIG. 14, in the process of the present embodiment, the temperature of the preheating chamber 3 of the heating furnace 1 is raised to about 800 ° C. in advance, and the temperature of the main heating chamber 2 is set to about 1800 in advance. Raise to ℃. Then, as shown in FIG. 13, the container 16 containing the single crystal SiC substrate 15 and the polycrystalline SiC substrate 20 is inserted into the preheating chamber 3 and heated for several minutes to several tens of minutes (preheating). Thereafter, as described above, the lower container 16b is moved to the main heating chamber 2 together with the single crystal SiC substrate 15, and heated at a temperature of about 1800 ° C. for several minutes to several tens of minutes (main heating). At this time, the main heating chamber 2 is maintained at a vacuum of about 10 −2 Pa or less, preferably about 10 −4 Pa or less. Thereafter, the container 16 and the single crystal SiC substrate 15 are returned to the preheating chamber 3 where the heating has been stopped, and are naturally cooled and taken out.

なお、上容器16aと下容器16bとを図13に示すように嵌め合わせたときの嵌合部分の遊びは、約2mm以下であることが好ましい。これによって、実質的な密閉状態が実現され、前記本加熱室2での加熱処理において容器16内のSi圧力を高めて外部圧力(本加熱室2内の圧力)よりも高い圧力とし、不純物がこの嵌合部分を通じて容器16内に侵入するのを防止することができる。   In addition, it is preferable that the play of a fitting part when the upper container 16a and the lower container 16b are fitted together as shown in FIG. 13 is about 2 mm or less. As a result, a substantially sealed state is realized, and in the heat treatment in the main heating chamber 2, the Si pressure in the container 16 is increased to a pressure higher than the external pressure (pressure in the main heating chamber 2). Intrusion into the container 16 through this fitting portion can be prevented.

また、本実施形態の容器16は上述したように、その表面が炭化タンタル層31に覆われており、炭化タンタル層31が容器16の内部空間に露出する構成になっている。従って、上述のように真空下で高温処理を続ける限りにおいて、容器16は炭化タンタル層31の表面から連続的に炭素分子を吸着して取り込む機能を奏する。この意味で、本実施形態の容器16は炭素分子吸着イオンポンプ機能(イオンゲッター機能)を有するということができる。   Further, as described above, the surface of the container 16 of the present embodiment is covered with the tantalum carbide layer 31, and the tantalum carbide layer 31 is exposed to the internal space of the container 16. Therefore, as long as the high-temperature treatment is continued under vacuum as described above, the container 16 has a function of continuously adsorbing and taking in carbon molecules from the surface of the tantalum carbide layer 31. In this sense, it can be said that the container 16 of the present embodiment has a carbon molecule adsorption ion pump function (ion getter function).

以上の加熱処理により、前記シリコンプレート23が融解して単結晶SiC基板15と多結晶SiC基板20との間に極薄(例えば、厚み10μm以上1000μm以下)のSi溶融層が形成される。このSi溶融層が溶媒として働くことにより、シード側の単結晶SiC基板15の表面に、MSE法による単結晶SiCの液相エピタキシャル成長層15eを形成することができる。これにより、マイクロパイプや結晶欠陥が存在しない、原子レベルに平坦な単結晶炭化ケイ素基板を得ることができる。   By the above heat treatment, the silicon plate 23 is melted to form an extremely thin (for example, a thickness of 10 μm to 1000 μm) Si melt layer between the single crystal SiC substrate 15 and the polycrystalline SiC substrate 20. By this Si melt layer acting as a solvent, a liquid crystal epitaxial growth layer 15e of single crystal SiC by the MSE method can be formed on the surface of the single crystal SiC substrate 15 on the seed side. Thereby, it is possible to obtain a single crystal silicon carbide substrate which is flat at the atomic level and does not have micropipes or crystal defects.

図15(a)〜図15(c)は、本発明のMSEプロセスを行った後の試料断面の走査電子顕微鏡像を示す。図15(a)は、シード基板として単結晶4H−SiCを使用し、炭素フィード基板として多結晶3C−SiCを使用した場合である。   FIG. 15A to FIG. 15C show scanning electron microscope images of sample cross sections after performing the MSE process of the present invention. FIG. 15A shows a case where single crystal 4H—SiC is used as a seed substrate and polycrystalline 3C—SiC is used as a carbon feed substrate.

図15(b1)及び図15(b2)は、何れもシード基板として単結晶4H−SiCを使用し、炭素フィード基板として単結晶3C−SiCを使用した場合である。ただし、図15(b1)では単結晶4H−SiCのSi面にエピタキシャル成長させており、図15(b2)ではC面にエピタキシャル成長させている。   FIG. 15B1 and FIG. 15B2 both show the case where single crystal 4H—SiC is used as the seed substrate and single crystal 3C—SiC is used as the carbon feed substrate. However, in FIG. 15 (b1), epitaxial growth is performed on the Si surface of single crystal 4H—SiC, and in FIG. 15 (b2), epitaxial growth is performed on the C surface.

図15(c)は、シード基板として単結晶6H−SiCを使用し、炭素フィード基板として単結晶4H−SiCを使用した場合である。   FIG. 15C shows the case where single crystal 6H—SiC is used as the seed substrate and single crystal 4H—SiC is used as the carbon feed substrate.

図15(a)〜図15(c)の何れの場合も、シード基板の表面にエピタキシャル成長層が形成されているのを観察することができる。   15A to 15C, it can be observed that an epitaxial growth layer is formed on the surface of the seed substrate.

図16は、本発明のMSEプロセスによって得られたエピタキシャル成長層の表面のAFM顕微鏡像(範囲10μm×10μm)である。この図16に示すように、本発明のMSE法によって形成されるエピタキシャル成長層は、その表面を極めて平坦化することが可能である。具体的には、エピタキシャル成長層は、その表面平坦度がサブナノオーダー(1nm未満)即ち原子レベルであり、表面平均粗さが1.0nm以下を実現することができる。また、エピタキシャル成長層の表面は、ステップの高さが0.5nm(即ち、結晶多形が4H−SiCの場合の積層順位方向に対するユニットセル長)以下である面形状を実現することができる。   FIG. 16 is an AFM micrograph (range 10 μm × 10 μm) of the surface of the epitaxial growth layer obtained by the MSE process of the present invention. As shown in FIG. 16, the surface of the epitaxial growth layer formed by the MSE method of the present invention can be extremely flattened. Specifically, the epitaxial growth layer has a surface flatness in the sub-nano order (less than 1 nm), that is, an atomic level, and can realize a surface average roughness of 1.0 nm or less. Further, the surface of the epitaxial growth layer can realize a surface shape having a step height of 0.5 nm or less (that is, the unit cell length with respect to the stacking order direction when the crystal polymorph is 4H—SiC) or less.

以上のように、本発明のMSEプロセスによって高品質なエピタキシャル成長層を形成した単結晶SiC基板は、例えば発光ダイオードや各種ダイオード、電子デバイス等として使用するのに好適である。   As described above, the single crystal SiC substrate on which a high-quality epitaxial growth layer is formed by the MSE process of the present invention is suitable for use as, for example, a light-emitting diode, various diodes, or an electronic device.

以上に本発明の好適な実施形態を説明したが、以上の構成は例えば以下のように変更することができる。   Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the above configuration can be modified as follows, for example.

予備加熱室3の温度は、800℃とすることに代えて、それより高い温度又は低い温度で予備加熱するように変更することができる。   The temperature of the preheating chamber 3 can be changed to be preheated at a temperature higher or lower than that at 800 ° C.

加熱処理は、図1に示す構成の加熱炉1に限定されず、他の構成の熱処理装置で行うことができる。   The heat treatment is not limited to the heating furnace 1 having the configuration shown in FIG. 1, and can be performed by a heat treatment apparatus having another configuration.

本発明の液相エピタキシャル成長プロセスを行うときの構成例を示す模式断面図。The schematic cross section which shows the structural example when performing the liquid phase epitaxial growth process of this invention. 液相エピタキシャル成長後の試料断面の走査電子顕微鏡像及び炭素濃度プロファイルを示す図。The figure which shows the scanning electron microscope image and carbon concentration profile of the sample cross section after liquid phase epitaxial growth. 図3(a)は溶媒移動法を説明するモデル図。図3(b)は各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系の模式的な状態図。FIG. 3A is a model diagram illustrating the solvent transfer method. FIG. 3B is a schematic state diagram of the Si—C system showing the carbon concentration and temperature range where each phase exists. 図4(a)は、Si−C系の安定・準安定平衡ダブル状態図。図4(b)は、準安定平衡ダブル状態図に対応する自由エネルギー濃度図。図4(c)は、Si溶媒の濃度勾配の模式的なプロファイルを示す図。FIG. 4A is a stable and metastable equilibrium double phase diagram of the Si—C system. FIG. 4B is a free energy concentration diagram corresponding to the metastable equilibrium double phase diagram. FIG.4 (c) is a figure which shows the typical profile of the concentration gradient of Si solvent. 図5(a)は、安定・準安定平衡化学ポテンシャル差による自由エネルギーの駆動力で、フィード側の3C−SiC基板表面から炭素原子Cがシード側の4H−SiC基板に移動する様子を示す概念図。図5(b)は、各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系のダブル状態図。FIG. 5A is a concept showing how carbon atoms C move from the surface of the feed-side 3C-SiC substrate to the seed-side 4H-SiC substrate by the free energy driving force due to the difference between the stable and metastable equilibrium chemical potentials. Figure. FIG.5 (b) is a Si-C type double state diagram showing the carbon concentration and temperature range where each phase exists. 図6(a)は、プロセスの過程における濃度プロファイルの変化を模式的に示す図。図6(b)は、各相の存在する炭素濃度と温度領域を表すSi−C系のダブル状態図。FIG. 6A is a diagram schematically showing changes in the concentration profile in the course of the process. FIG. 6B is a Si—C double state diagram showing the carbon concentration and temperature range in which each phase exists. 図7(a)は、オストワルド成長の原理を説明する自由エネルギー−濃度図。図7(b)は、粒径の異なった析出粒と溶媒が共存する系における濃度プロファイルを示す図。FIG. 7A is a free energy-concentration diagram illustrating the principle of Ostwald growth. FIG. 7B is a diagram showing a concentration profile in a system in which precipitated particles having different particle diameters and a solvent coexist. 図8(a)は、結晶構造が六方晶の単結晶SiCにおける(0001)Si面及び(000−1)C面を示す図。図8(b)は、(1−100)面を示す図。図9(c)は、(11−20)面を示す図。FIG. 8A is a view showing a (0001) Si plane and a (000-1) C plane in single crystal SiC having a hexagonal crystal structure. FIG. 8B shows the (1-100) plane. FIG. 9C shows the (11-20) plane. 図9(a)は溶媒移動法のモデル図。図9(b)は準安定溶媒エピタキシー法のモデル図。図9(c)〜図9(e)は、フィード側とシード側で様々な自由エネルギーの基板と小部材を組み合わせた場合における炭素の拡散の挙動を説明するモデル図。FIG. 9A is a model diagram of the solvent transfer method. FIG. 9B is a model diagram of the metastable solvent epitaxy method. FIG. 9C to FIG. 9E are model diagrams for explaining the behavior of carbon diffusion when various free energy substrates and small members are combined on the feed side and the seed side. MSEプロセスにおける状態遷移と自由エネルギーの変化を示す模式的概念図。The typical conceptual diagram which shows the state transition and change of free energy in a MSE process. 本発明の一実施形態に係る表面平坦化方法を行う加熱炉の一例を示す模式断面図。The schematic cross section which shows an example of the heating furnace which performs the surface planarization method which concerns on one Embodiment of this invention. 加熱炉にセットされる容器の構成を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the container set to a heating furnace. MSEプロセスを行う場合の容器内の基板配置例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of board | substrate arrangement | positioning in a container in the case of performing an MSE process. MSEプロセスを行う場合の加熱炉の温度制御例を示すグラフ図。The graph which shows the temperature control example of the heating furnace in the case of performing an MSE process. 図15(a)は、シード基板として単結晶4H−SiCを使用し、炭素フィード基板として多結晶3C−SiCを使用した場合の試料断面の走査電子顕微鏡像を示す図。図15(b1)及び図15(b2)は、シード基板として単結晶4H−SiCを使用し、炭素フィード基板として単結晶3C−SiCを使用した場合の試料断面の走査電子顕微鏡像を示す図。図15(c)は、シード基板として単結晶6H−SiCを使用し、炭素フィード基板として単結晶4H−SiCを使用した場合の試料断面の走査電子顕微鏡像を示す図。FIG. 15A shows a scanning electron microscope image of a sample cross section when single crystal 4H—SiC is used as a seed substrate and polycrystalline 3C—SiC is used as a carbon feed substrate. FIGS. 15B1 and 15B2 are diagrams showing scanning electron microscope images of a sample cross section when single crystal 4H—SiC is used as a seed substrate and single crystal 3C—SiC is used as a carbon feed substrate. FIG. 15C shows a scanning electron microscope image of a sample cross section when single crystal 6H—SiC is used as a seed substrate and single crystal 4H—SiC is used as a carbon feed substrate. 液相エピタキシャル成長膜表面のAFM顕微鏡像を示す図。The figure which shows the AFM microscope image of the liquid phase epitaxial growth film | membrane surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 加熱炉(熱処理装置)
2 本加熱室
3 予備加熱室
4 前室
5 単結晶SiC基板
6 ハロゲンランプ
7 ゲートバルブ
8 テーブル
9 サセプタ
10 移動手段
11 加熱ヒータ
12 反射鏡
13 スペーサ
14 シリコン
15 単結晶SiC基板(シード基板)
15e エピタキシャル成長層
16 容器
19 溶媒シリコン(Si溶融層)
20 多結晶SiC基板(炭素フィード基板)
23 シリコンプレート
29 汚染物除去機構
31 炭化タンタル層
1 Heating furnace (heat treatment equipment)
2 heating chamber 3 preheating chamber 4 front chamber 5 single crystal SiC substrate 6 halogen lamp 7 gate valve 8 table 9 susceptor 10 moving means 11 heating heater 12 reflector 13 spacer 14 silicon 15 single crystal SiC substrate (seed substrate)
15e Epitaxial growth layer 16 Container 19 Solvent silicon (Si molten layer)
20 Polycrystalline SiC substrate (carbon feed substrate)
23 Silicon plate 29 Pollutant removal mechanism 31 Tantalum carbide layer

Claims (4)

単結晶炭化ケイ素からなるシード基板に対向して、このシード基板より自由エネルギーの高い炭素フィード基板を配置し、前記シード基板と前記炭素フィード基板との間にケイ素の極薄溶融層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理する準安定溶媒エピタキシー(MSE)法により、前記シード基板の表面に単結晶炭化ケイ素を液相エピタキシャル成長させる単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法であって、
前記シード基板の結晶多形が4H−SiC又は6H−SiCであり、このシード基板において液相エピタキシャル成長を行う表面の結晶面方位は(000−1)C面であり、
前記炭素フィード基板は前記シード基板と同じ結晶多形を有する単結晶炭化ケイ素基板であり、前記シード基板に対向する前記炭素フィード基板の表面の結晶面方位は(0001)Si面、(1−10n)面、(11−2n)面、(1−100)面、又は(11−20)面であることを特徴とする単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法。
A carbon feed substrate having a higher free energy than the seed substrate is disposed opposite to the seed substrate made of single crystal silicon carbide, and an ultrathin silicon melt layer is interposed between the seed substrate and the carbon feed substrate as a solvent. A liquid crystal epitaxial growth method of single crystal silicon carbide, wherein liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide on the surface of the seed substrate is performed by a metastable solvent epitaxy (MSE) method in which heat treatment is performed in a vacuum high temperature environment ,
The crystal polymorph of the seed substrate is 4H—SiC or 6H—SiC, and the crystal plane orientation of the surface on which liquid phase epitaxial growth is performed in this seed substrate is a (000-1) C plane,
The carbon feed substrate is a single crystal silicon carbide substrate having the same crystal polymorph as the seed substrate, and the crystal plane orientation of the surface of the carbon feed substrate facing the seed substrate is a (0001) Si plane, (1-10 n ) Plane, (11-2n) plane, (1-100) plane, or (11-20) plane, and a liquid phase epitaxial growth method of single crystal silicon carbide.
単結晶炭化ケイ素からなるシード基板に対向して、このシード基板より自由エネルギーの高い炭素フィード基板を配置し、前記シード基板と前記炭素フィード基板との間にケイ素の極薄溶融層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理する準安定溶媒エピタキシー(MSE)法により、前記シード基板の表面に単結晶炭化ケイ素を液相エピタキシャル成長させる単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法であって、  A carbon feed substrate having a higher free energy than the seed substrate is disposed opposite to the seed substrate made of single crystal silicon carbide, and an ultrathin silicon melt layer is interposed between the seed substrate and the carbon feed substrate as a solvent. A liquid crystal epitaxial growth method of single crystal silicon carbide, wherein liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide on the surface of the seed substrate is performed by a metastable solvent epitaxy (MSE) method in which heat treatment is performed in a vacuum high temperature environment,
前記シード基板の結晶多形が4H−SiC又は6H−SiCであり、このシード基板において液相エピタキシャル成長を行う表面の結晶面方位は(0001)Si面であり、  The crystal polymorph of the seed substrate is 4H—SiC or 6H—SiC, and the crystal plane orientation of the surface on which liquid phase epitaxial growth is performed in this seed substrate is a (0001) Si plane,
前記炭素フィード基板は前記シード基板と同じ結晶多形を有する単結晶炭化ケイ素基板であり、前記シード基板に対向する前記炭素フィード基板の表面の結晶面方位は(1−10n)面、(11−2n)面、(1−100)面、又は(11−20)面であることを特徴とする単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法。  The carbon feed substrate is a single crystal silicon carbide substrate having the same crystal polymorph as the seed substrate, and the crystal plane orientation of the surface of the carbon feed substrate facing the seed substrate is a (1-10n) plane, (11− A method for liquid phase epitaxial growth of single crystal silicon carbide, characterized in that it is a 2n) plane, a (1-100) plane, or a (11-20) plane.
請求項1又は2に記載の単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法であって、
前記シード基板及び前記炭素フィード基板は、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に収納され、この収納容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなるようにして容器内の真空環境をシリコンの飽和蒸気圧で保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で加熱処理されることを特徴とする単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法。
Claim 1 or a liquid phase epitaxial growth method of a single crystal silicon carbide according to 2,
The seed substrate and the carbon feed substrate are made of tantalum metal and stored in a storage container fitted with upper and lower portions so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure. A liquid phase epitaxial growth method of single crystal silicon carbide, characterized in that heat treatment is performed at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a state where the vacuum environment in the container is maintained at a saturated vapor pressure of silicon so as to increase.
請求項に記載の単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法であって、前記加熱処理は10-4Pa以下の減圧下で行われることを特徴とする単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法。 4. The liquid crystal epitaxial growth method for single crystal silicon carbide according to claim 3 , wherein the heat treatment is performed under a reduced pressure of 10 −4 Pa or less. 5.
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