JP5793815B2 - Seed material for liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide and liquid crystal epitaxial growth method of single crystal silicon carbide - Google Patents

Seed material for liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide and liquid crystal epitaxial growth method of single crystal silicon carbide Download PDF

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本発明は、単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材及びそれを用いた単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法に関する。   The present invention relates to a seed material for liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide and a liquid phase epitaxial growth method of single crystal silicon carbide using the seed material.

炭化ケイ素(SiC)は、ケイ素(Si)やガリウムヒ素(GaAs)等の従来の半導体材料では実現できない高温耐性、高耐電圧性、耐高周波性及び高耐環境性を実現することが可能であると考えられている。このため、炭化ケイ素は、次世代のパワーデバイス用の半導体材料や高周波デバイス用半導体材料として期待されている。   Silicon carbide (SiC) can realize high temperature resistance, high voltage resistance, high frequency resistance, and high environmental resistance that cannot be realized by conventional semiconductor materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs). It is believed that. For this reason, silicon carbide is expected as a semiconductor material for next-generation power devices and a semiconductor material for high-frequency devices.

従来、単結晶炭化ケイ素を成長させる方法として、例えば、下記の特許文献1などにおいて、昇華再結晶法(改良レーリー法)が提案されている。この改良レーリー法では、坩堝内の低温側領域に単結晶炭化ケイ素からなるシード材を配置し、高温側領域に原料となるSiを含む原料粉末を配置する。そして、坩堝内を不活性雰囲気とした上で、1450℃〜2400℃の高温に加熱することにより、高温側領域に配置されている原料粉末を昇華させる。その結果、低温側領域に配置されているシード材の表面上に炭化ケイ素をエピタキシャル成長させることができる。   Conventionally, as a method for growing single crystal silicon carbide, for example, the following Patent Document 1 proposes a sublimation recrystallization method (an improved Rayleigh method). In this improved Rayleigh method, a seed material made of single-crystal silicon carbide is disposed in the low temperature side region in the crucible, and a raw material powder containing Si as a raw material is disposed in the high temperature side region. And after making the inside of a crucible into inert atmosphere, the raw material powder arrange | positioned in the high temperature side area | region is sublimated by heating to the high temperature of 1450 to 2400 degreeC. As a result, silicon carbide can be epitaxially grown on the surface of the seed material disposed in the low temperature region.

しかしながら、改良レーリー法は、気相中で温度勾配を設けることにより炭化ケイ素結晶を成長させる方法である。このため、改良レーリー法を用いた場合、炭化ケイ素のエピタキシャル成長に大型の装置を要し、かつ、炭化ケイ素エピタキシャル成長のプロセス制御が困難となる。よって、炭化ケイ素エピタキシャル成長膜の製造コストが高くなるという問題がある。また、気相中における炭化ケイ素エピタキシャル成長は、非平衡である。このため、形成される炭化ケイ素エピタキシャル成長膜に結晶欠陥が生じやすく、また、結晶構造に荒れが生じやすいという問題がある。   However, the improved Rayleigh method is a method of growing silicon carbide crystals by providing a temperature gradient in the gas phase. For this reason, when the improved Rayleigh method is used, a large apparatus is required for epitaxial growth of silicon carbide, and process control of silicon carbide epitaxial growth becomes difficult. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost of the silicon carbide epitaxial growth film is increased. Also, silicon carbide epitaxial growth in the gas phase is non-equilibrium. For this reason, there are problems that crystal defects are likely to occur in the formed silicon carbide epitaxially grown film and that the crystal structure is likely to be rough.

改良レーリー法以外の炭化ケイ素のエピタキシャル成長法としては、例えば特許文献2などで提案されている、液相において炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる方法である準安定溶媒エピタキシー(Metastable Solvent Epitaxy:MSE)法が挙げられる。   As an epitaxial growth method of silicon carbide other than the modified Rayleigh method, for example, there is a metastable solvent epitaxy (MSE) method proposed in Patent Document 2 or the like, which is a method of epitaxially growing silicon carbide in a liquid phase. .

MSE法では、単結晶炭化ケイ素や多結晶炭化ケイ素などの結晶性炭化ケイ素からなるシード材と、炭化ケイ素からなるフィード材とを、例えば100μm以下といった小さな間隔をおいて対向させ、その間にSiの溶融層を介在させる。そして、真空高温環境で加熱処理することにより、シード材の表面上に炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる。   In the MSE method, a seed material made of crystalline silicon carbide such as single crystal silicon carbide or polycrystalline silicon carbide and a feed material made of silicon carbide are opposed to each other with a small interval of, for example, 100 μm or less, and Si is interposed therebetween. A molten layer is interposed. And silicon carbide is epitaxially grown on the surface of the seed material by heat treatment in a vacuum high temperature environment.

このMSE法では、シード材の化学ポテンシャルと、フィード材の化学ポテンシャルとの差に起因して、Si溶融層に溶解する炭素の濃度勾配が生じることにより炭化ケイ素エピタキシャル成長膜が形成されるものと考えられている。このため、改良レーリー法を用いる場合とは異なり、シード材とフィード材との間に温度差を設ける必要が必ずしもない。従って、MSE法を用いた場合、簡素な装置で、炭化ケイ素のエピタキシャル成長プロセスを容易に制御できるばかりか、高品位な炭化ケイ素エピタキシャル成長膜を安定して形成することができる。   In this MSE method, it is considered that a silicon carbide epitaxial growth film is formed by the concentration gradient of carbon dissolved in the Si melt layer due to the difference between the chemical potential of the seed material and the chemical potential of the feed material. It has been. For this reason, unlike the case of using the improved Rayleigh method, it is not always necessary to provide a temperature difference between the seed material and the feed material. Therefore, when the MSE method is used, the silicon carbide epitaxial growth process can be easily controlled with a simple apparatus, and a high-quality silicon carbide epitaxial growth film can be stably formed.

また、大きな面積を有するシード基板の上にも炭化ケイ素エピタキシャル成長膜を形成できるという利点、Si溶融層が極めて薄いため、フィード材からの炭素が拡散しやすく
、炭化ケイ素のエピタキシャル成長プロセスの低温化を図れるという利点もある。
In addition, an advantage that a silicon carbide epitaxial growth film can be formed on a seed substrate having a large area, and since the Si melt layer is extremely thin, carbon from the feed material is easily diffused, and the temperature of the epitaxial growth process of silicon carbide can be reduced. There is also an advantage.

従って、MSE法は、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長法として極めて有用な方法であると考えられており、MSE法に関する研究が盛んに行われている。   Therefore, the MSE method is considered to be an extremely useful method as an epitaxial growth method of single crystal silicon carbide, and research on the MSE method is actively conducted.

特開2005−97040号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-97040 特開2008−230946号公報JP 2008-230946 A

上述のように、MSE法においては、フィード材の自由エネルギーがシード材の自由エネルギーよりも高くなるように、フィード材及びシード材を選択する必要があるものと考えられている。このため、例えば上記特許文献2には、フィード基板とシード基板との結晶多形を異ならしめることにより、フィード基板とシード基板とで自由エネルギーを異ならしめることが記載されている。具体的には、フィード基板を多結晶3C−SiC基板により構成した場合は、3C−SiC基板よりも低い自由エネルギーを有する単結晶4H−SiC基板などによりシード基板を構成することが記載されている。   As described above, in the MSE method, it is considered that the feed material and the seed material need to be selected so that the free energy of the feed material is higher than the free energy of the seed material. For this reason, for example, Patent Document 2 describes that the free energy is made different between the feed substrate and the seed substrate by making the crystal polymorph of the feed substrate and the seed substrate different. Specifically, it is described that when the feed substrate is constituted by a polycrystalline 3C-SiC substrate, the seed substrate is constituted by a single crystal 4H-SiC substrate having a lower free energy than that of the 3C-SiC substrate. .

ここで、多結晶3C−SiC基板は、CVD法により容易に作製できる。このため、特許文献2に記載のように、3C−SiC基板をフィード基板として用いることにより、炭化ケイ素エピタキシャル成長膜の形成コストを低く抑えることができる。   Here, the polycrystalline 3C-SiC substrate can be easily manufactured by a CVD method. For this reason, as described in Patent Document 2, by using a 3C—SiC substrate as a feed substrate, the formation cost of the silicon carbide epitaxial growth film can be kept low.

しかしながら、4H−SiC基板や3C−SiC基板などの炭化ケイ素基板のなかで、3C−SiC基板が最も高い自由エネルギーを有する。このため、自由エネルギーが低いことが要求されるシード基板として3C−SiC基板を用いることはできないと考えられていた。従って、特許文献2では、製造が困難で高コストな単結晶4H−SiC基板がシード基板として用いられており、炭化ケイ素エピタキシャル成長層の形成コストが高くなっているという問題がある。   However, among silicon carbide substrates such as 4H—SiC substrates and 3C—SiC substrates, 3C—SiC substrates have the highest free energy. For this reason, it has been considered that a 3C—SiC substrate cannot be used as a seed substrate that requires low free energy. Therefore, in Patent Document 2, a single crystal 4H—SiC substrate that is difficult to manufacture and is expensive is used as a seed substrate, and there is a problem that the formation cost of the silicon carbide epitaxial growth layer is high.

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価な炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an inexpensive seed material for silicon carbide liquid phase epitaxial growth.

本発明者は、鋭意研究の結果、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素材の中に、ケイ素溶融層への溶出が生じやすいものと溶出が生じにくいものがあり、ケイ素溶融層への溶出が生じにくいものは、炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長のシード材として好適に用いることができることを見出した。その結果、本発明者は、本発明を成すに至った。   As a result of diligent research, the present inventor has some polycrystalline silicon carbide materials whose crystal polymorph is 3C, those that are likely to elute into the silicon molten layer and those that are less likely to elute. It has been found that those which are less likely to be eluted can be suitably used as seed materials for liquid phase epitaxial growth of silicon carbide. As a result, the present inventor came to make the present invention.

すなわち、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材は、単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法に用いられるシード材である。本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む表層を有する。表層のX線回折により、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面の少なくとも一つに対応した1次回折ピークが観察される。少なくとも一つの1次回折ピークから算出される平均結晶子径が、700Åより大きい。このため、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材からは、ケイ素溶融層への溶出が生じにくい。よって、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材を用いることにより、ケイ素溶融層における濃度勾配を好適に形成することができ、炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長を好適に行うこ
とができる。なお、平均結晶子径が700Åより大きい場合にケイ素溶融層への溶出が生じにくくなるのは、表層において多結晶炭化ケイ素結晶の高い反応性を有する粒界が占める割合が少なくなるためであると考えられる。
That is, the seed material for liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide according to the present invention is a seed material used for the liquid phase epitaxial growth method of single crystal silicon carbide. The seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention has a surface layer containing polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C. A first-order diffraction peak corresponding to at least one of the (111) crystal plane, the (200) crystal plane, the (220) crystal plane, and the (311) crystal plane is observed by X-ray diffraction of the surface layer. The average crystallite diameter calculated from at least one first-order diffraction peak is greater than 700 mm. For this reason, the single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth seed material according to the present invention is less likely to elute into the silicon melt layer. Therefore, by using the seed material for single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention, a concentration gradient in the silicon melt layer can be suitably formed, and liquid phase epitaxial growth of silicon carbide can be suitably performed. In addition, when the average crystallite diameter is larger than 700 mm, the elution into the silicon melt layer is less likely to occur because the ratio of the grain boundaries having high reactivity of the polycrystalline silicon carbide crystal in the surface layer decreases. Conceivable.

なお、本発明において、「結晶子径」は、下記の式(1)に示すHallの式に基づいて算出された結晶子径をいう。   In the present invention, the “crystallite diameter” refers to a crystallite diameter calculated based on the Hall formula shown in the following formula (1).

β・(cosθ)/λ=2η・(sinθ)/λ+1/ε ……… (1)
但し、
β:半値幅、
θ:回折線のブラック角、
λ:測定に用いたX線の波長、
η:結晶の不均一歪みの値、
ε:結晶子径の平均の大きさ、
である。
β · (cos θ) / λ = 2η · (sin θ) / λ + 1 / ε (1)
However,
β: half width,
θ: Black angle of diffraction line,
λ: wavelength of X-ray used for measurement,
η: value of non-uniform strain of the crystal,
ε: average size of crystallite diameter,
It is.

また、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材の表層は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含むものである。このため、表層を、結晶多形が4Hや6Hなどである多結晶炭化ケイ素を含むものとしたり、単結晶炭化ケイ素からなるものとしたりする場合とは異なり、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により容易かつ安価に製造することができる。   Moreover, the surface layer of the seed material for single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention contains polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C. Therefore, unlike the case where the surface layer includes polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 4H, 6H, or the like, or is made of single crystal silicon carbide, the surface layer is easily and easily formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. It can be manufactured at low cost.

すなわち、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材を用いることにより、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長膜を容易かつ安価に形成することができる。   That is, by using the seed material for single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention, an epitaxial growth film of single crystal silicon carbide can be formed easily and inexpensively.

本発明において、「液相エピタキシャル成長方法」とは、シード材とフィード材とをケイ素溶融層を介して対向させた状態で加熱することによりケイ素溶融層中に溶融する黒鉛の濃度勾配を形成し、その濃度勾配により、シード材の上に単結晶炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる方法をいう。   In the present invention, the “liquid phase epitaxial growth method” means that a concentration gradient of graphite that melts in the silicon melt layer is formed by heating the seed material and the feed material in a state of facing each other through the silicon melt layer, A method of epitaxially growing single crystal silicon carbide on a seed material by the concentration gradient.

本発明において、「X線回折」とは、8.048keVであるX線(CuKα線)を用いた回折をいう。 In the present invention, “X-ray diffraction” refers to diffraction using X-rays (CuK α- rays) of 8.048 keV.

本発明において、「フィード材」とは、例えば、Si、C、SiCなどの単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長の材料となるものを供給する部材をいう。一方、「シード材」とは、表面上に単結晶炭化ケイ素が成長していく部材をいう。   In the present invention, a “feed material” refers to a member that supplies a material for epitaxial growth of single crystal silicon carbide such as Si, C, and SiC. On the other hand, the “seed material” refers to a member in which single crystal silicon carbide grows on the surface.

少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度に対する(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度の比(((111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度)/(少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度))は、5以上であることが好ましい。この構成によれば、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長速度を高めることができる。これは、ケイ素溶融層への溶出が生じにくい(111)結晶面の露出割合が高まるので、ケイ素溶融層における濃度勾配が大きくなるためであると考えられる。   Ratio of the intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane to the total intensity of at least one first-order diffraction peak ((the intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane) / (at least one 1 The total intensity of the next diffraction peak)) is preferably 5 or more. According to this configuration, the epitaxial growth rate of single crystal silicon carbide can be increased. This is considered to be because the concentration gradient in the silicon melt layer increases because the exposure ratio of the (111) crystal plane, which is less likely to elute into the silicon melt layer, increases.

また、優れた特性を有する六方晶の単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長膜を形成することが可能となる。これは、(111)結晶面が六方晶の(0001)結晶面と等価であるため、スタッキングエラーが容易に生じる。この結果、(111)結晶面が多く露出している場合、六方晶の単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長が好適に進行すると考えられる。   In addition, an epitaxially grown film of hexagonal single crystal silicon carbide having excellent characteristics can be formed. This is because a (111) crystal plane is equivalent to a hexagonal (0001) crystal plane, and stacking errors easily occur. As a result, when many (111) crystal planes are exposed, it is considered that the epitaxial growth of hexagonal single crystal silicon carbide suitably proceeds.

本発明において、表層のX線回折により観察される(111)結晶面のうち、配向角度が67.5°以上であるものの占める割合が80%以上であることが好ましい。この構成によれば、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長速度をさらに効果的に高めることができる。これは、(111)結晶面を露出させている結晶の、(111)結晶面よりも安定性が低い面の露出度を低くすることができるため、(111)結晶面を露出させている結晶の溶出を抑制できるためであると考えられる。   In the present invention, it is preferable that the proportion of the (111) crystal planes observed by surface X-ray diffraction with the orientation angle of 67.5 ° or more is 80% or more. According to this configuration, the epitaxial growth rate of single crystal silicon carbide can be further effectively increased. This is because the degree of exposure of the surface having a lower stability than the (111) crystal face of the crystal exposing the (111) crystal face can be lowered, so that the crystal exposing the (111) crystal face is exposed. It is thought that this is because the elution of can be suppressed.

本発明において、表層は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を主成分として含むことが好ましく、実質的に、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素からなることが好ましい。この構成によれば、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長速度をさらに効果的に高めることができる。   In the present invention, the surface layer preferably contains polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorphism of 3C as a main component, and is preferably substantially composed of polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorphism of 3C. According to this configuration, the epitaxial growth rate of single crystal silicon carbide can be further effectively increased.

なお、本発明において、「主成分」とは、50質量%以上含まれる成分のことをいう。   In the present invention, the “main component” refers to a component contained by 50% by mass or more.

本発明において、「実質的に、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素からなる」とは、不純物以外に、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素以外の成分を含まないことを意味する。通常、「実質的に、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素からなる」場合に含まれる不純物は、5質量%以下である。   In the present invention, “substantially consists of polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C” means that it contains no components other than impurities other than polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C. To do. Usually, the impurity contained in the case of “substantially consisting of polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C” is 5% by mass or less.

本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材は、支持材と、支持材の上に形成されており、表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜とを備えていてもよい。その場合において、多結晶炭化ケイ素膜の厚みは、30μm〜800μmの範囲内にあることが好ましい。   The seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention may include a support material and a polycrystalline silicon carbide film that is formed on the support material and forms a surface layer. In that case, the thickness of the polycrystalline silicon carbide film is preferably in the range of 30 μm to 800 μm.

また、本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む多結晶炭化ケイ素基板により構成されていてもよい。   Moreover, the seed material for single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to the present invention may be composed of a polycrystalline silicon carbide substrate containing polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C.

本発明に係る単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長方法では、上記本発明に係る単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材の表層と、炭化ケイ素からなる表層を有するフィード材の表層とをケイ素溶融層を介して対向させた状態で加熱することによりシード材の表層上に単結晶炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる。この方法によれば、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長膜を安価に形成することができる。また、シード材とフィード材との間に温度差を設ける必要が必ずしもない。従って、簡素な装置で、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長プロセスを容易に制御できるばかりか、高品位な単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜を安定して形成することができる。   In the method of liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide according to the present invention, the surface layer of the seed material for liquid crystal epitaxial growth of single crystal silicon carbide according to the present invention and the surface layer of the feed material having a surface layer made of silicon carbide are fused with silicon. The single crystal silicon carbide is epitaxially grown on the surface layer of the seed material by heating in a state of being opposed to each other. According to this method, an epitaxially grown film of single crystal silicon carbide can be formed at low cost. Further, it is not always necessary to provide a temperature difference between the seed material and the feed material. Therefore, the single crystal silicon carbide epitaxial growth process can be easily controlled with a simple apparatus, and a high-quality single crystal silicon carbide epitaxial growth film can be stably formed.

本発明によれば、安価な炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材を提供することができる。   According to the present invention, an inexpensive seed material for silicon carbide liquid phase epitaxial growth can be provided.

本発明の一実施形態における単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the epitaxial growth method of the single crystal silicon carbide in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるフィード基板の略図的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the feed board | substrate in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるシード基板の略図的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a seed substrate in an embodiment of the present invention. 変形例におけるフィード基板の略図的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the feed board | substrate in a modification. 変形例におけるシード基板の略図的断面図である。It is schematic-drawing sectional drawing of the seed substrate in a modification. サンプル1〜4のX線回折チャートである。It is an X-ray diffraction chart of samples 1 to 4. (111)結晶面の配向性の測定方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the measuring method of the orientation of a (111) crystal plane. サンプル1における(111)結晶面の配向性を示すグラフである。4 is a graph showing the orientation of (111) crystal plane in Sample 1. サンプル2における(111)結晶面の配向性を示すグラフである。4 is a graph showing the orientation of (111) crystal plane in Sample 2. サンプル3における(111)結晶面の配向性を示すグラフである。4 is a graph showing the orientation of (111) crystal plane in Sample 3. サンプル4における(111)結晶面の配向性を示すグラフである。6 is a graph showing the orientation of a (111) crystal plane in Sample 4. サンプル1,2及び4における単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜の成長速度を示すグラフである。It is a graph which shows the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film in samples 1, 2 and 4. サンプル3,4における単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜の成長速度を示すグラフである。5 is a graph showing the growth rate of single crystal silicon carbide epitaxial growth films in samples 3 and 4. FIG. 実施例における液相エピタキシャル成長実験実施後のシード基板(サンプル3)のSEM写真である。It is a SEM photograph of a seed substrate (sample 3) after execution of a liquid phase epitaxial growth experiment in an example. 比較例における液相エピタキシャル成長実験実施後のシード基板(サンプル2)のSEM写真である。It is a SEM photograph of a seed substrate (sample 2) after execution of a liquid phase epitaxial growth experiment in a comparative example.

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示である。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。   Hereinafter, an example of the preferable form which implemented this invention is demonstrated. However, the following embodiments are merely examples. The present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、本実施形態における単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長方法を説明するための模式図である。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an epitaxial growth method of single crystal silicon carbide in the present embodiment.

本実施形態では、MSE法を用いて単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長膜を形成する例について説明する。   In the present embodiment, an example of forming an epitaxially grown film of single crystal silicon carbide using the MSE method will be described.

本実施形態では、図1に示すように、容器10内において、シード材としてのシード基板12と、フィード材としてのフィード基板11とを、シード基板12の主面12aとフィード基板11の主面11aとがシリコンプレートを介して対向するように配置する。その状態でシード基板12及びフィード基板11とを加熱し、シリコンプレートを溶融する。そうすることにより、シード基板12とフィード基板11とがケイ素溶融層13を介して対向した状態となる。この状態を維持することにより、シード基板12側からケイ素、炭素、炭化ケイ素などの原料がケイ素溶融層13に溶出する。これにより、ケイ素溶融層13に濃度勾配が形成される。その結果、シード基板12の主面12a上に単結晶炭化ケイ素がエピタキシャル成長し、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20が形成される。なお、ケイ素溶融層13の厚みは、極めて薄く、例えば、10μm〜100μm程度とすることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, in a container 10, a seed substrate 12 as a seed material and a feed substrate 11 as a feed material are combined with a main surface 12 a of the seed substrate 12 and a main surface of the feed substrate 11. It arrange | positions so that 11a may oppose through a silicon plate. In this state, the seed substrate 12 and the feed substrate 11 are heated to melt the silicon plate. By doing so, the seed substrate 12 and the feed substrate 11 are opposed to each other with the silicon melt layer 13 therebetween. By maintaining this state, raw materials such as silicon, carbon and silicon carbide are eluted from the seed substrate 12 side into the silicon melt layer 13. As a result, a concentration gradient is formed in the silicon melt layer 13. As a result, single crystal silicon carbide is epitaxially grown on main surface 12a of seed substrate 12, and single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 is formed. In addition, the thickness of the silicon molten layer 13 is very thin, for example, can be about 10 μm to 100 μm.

(シード基板12)
シード基板12は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む表層を有する。具体的には、図3に示すように、本実施形態では、シード基板12は、黒鉛からなる支持材12bと、多結晶炭化ケイ素膜12cとを有する。黒鉛からなる支持材12bは、炭化ケイ素のエピタキシャル成長プロセスに十分に耐えることのできる高い耐熱性を有している。また、黒鉛からなる支持材12bは、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20と似通った熱膨張率を有する。従って、黒鉛からなる支持材12bを用いることにより、炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20を好適に形成することができる。
(Seed substrate 12)
The seed substrate 12 has a surface layer containing polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C. Specifically, as shown in FIG. 3, in the present embodiment, the seed substrate 12 includes a support material 12b made of graphite and a polycrystalline silicon carbide film 12c. The support 12b made of graphite has high heat resistance that can sufficiently withstand the epitaxial growth process of silicon carbide. The support material 12b made of graphite has a thermal expansion coefficient similar to that of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20. Therefore, silicon carbide epitaxial growth film 20 can be suitably formed by using support material 12b made of graphite.

なお、黒鉛の具体例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチコークス、カーボンブラック、メソカーボン等が挙げられる。黒鉛からなる支持材12bの製造方法は、例えば、特開2005−132711号公報に記載の製造方法などが挙げられる。   Specific examples of graphite include natural graphite, artificial graphite, petroleum coke, coal coke, pitch coke, carbon black, and mesocarbon. Examples of the method for producing the support material 12b made of graphite include the production method described in JP-A-2005-132711.

多結晶炭化ケイ素膜12cは、支持材12bの主面及び側面を覆うように形成されている。多結晶炭化ケイ素膜12cは、多結晶炭化ケイ素を含む。この多結晶炭化ケイ素膜12cによって、シード基板12の表層が形成されている。なお、本実施形態における多結晶炭化ケイ素膜12cは、多結晶3C−SiCを主成分として含むことが好ましく、実質的に多結晶3C−SiCからなることが好ましい。すなわち、本実施形態において、シード基板12の表層は、多結晶3C−SiCを主成分として含むことが好ましく、実質的に多結晶3C−SiCからなることが好ましい。そうすることにより単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度を高めることができる。   Polycrystalline silicon carbide film 12c is formed to cover the main surface and side surfaces of support material 12b. Polycrystalline silicon carbide film 12c includes polycrystalline silicon carbide. The surface layer of the seed substrate 12 is formed by the polycrystalline silicon carbide film 12c. Note that the polycrystalline silicon carbide film 12c in the present embodiment preferably includes polycrystalline 3C—SiC as a main component, and is preferably substantially composed of polycrystalline 3C—SiC. That is, in the present embodiment, the surface layer of the seed substrate 12 preferably includes polycrystalline 3C—SiC as a main component, and is preferably substantially composed of polycrystalline 3C—SiC. By doing so, the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be increased.

多結晶炭化ケイ素膜12cの厚みt12は、30μm〜800μmの範囲内にあることが好ましく、40μm〜600μmの範囲内にあることがより好ましく、100μm〜300μmの範囲内にあることがさらに好ましい。多結晶炭化ケイ素膜12cの厚みt12が薄すぎると、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の形成時に、黒鉛からなる支持材12bが露出し、支持材12bからの溶出に起因して好適な単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20が得られなくなる場合がある。一方、多結晶炭化ケイ素膜12cの厚みt12が厚すぎると、多結晶炭化ケイ素膜12cにクラックが生じやすくなる場合がある。   Thickness t12 of polycrystalline silicon carbide film 12c is preferably in the range of 30 μm to 800 μm, more preferably in the range of 40 μm to 600 μm, and still more preferably in the range of 100 μm to 300 μm. If the thickness t12 of the polycrystalline silicon carbide film 12c is too thin, the support material 12b made of graphite is exposed when the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 is formed, and suitable single crystal carbonization due to elution from the support material 12b. The silicon epitaxial growth film 20 may not be obtained. On the other hand, if the thickness t12 of the polycrystalline silicon carbide film 12c is too thick, cracks may easily occur in the polycrystalline silicon carbide film 12c.

多結晶炭化ケイ素膜12cの形成方法は特に限定されない。多結晶炭化ケイ素膜12cは、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法や、スパッタリング法などにより形成することができる。特に、本実施形態では、多結晶炭化ケイ素膜12cが多結晶3C−SiCを含むものであるため、CVD法により緻密な多結晶炭化ケイ素膜12cを容易かつ安価に形成することができる。   The method for forming polycrystalline silicon carbide film 12c is not particularly limited. The polycrystalline silicon carbide film 12c can be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method. In particular, in this embodiment, since the polycrystalline silicon carbide film 12c contains polycrystalline 3C-SiC, a dense polycrystalline silicon carbide film 12c can be easily and inexpensively formed by the CVD method.

シード基板12の表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜12cは、X線回折により、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面の少なくとも一つに対応した1次回折ピークが観察され、それら少なくとも一つの1次回折ピークから算出される平均結晶子径が、700Åより大きいものである。   The polycrystalline silicon carbide film 12c constituting the surface layer of the seed substrate 12 is at least one of (111) crystal plane, (200) crystal plane, (220) crystal plane, and (311) crystal plane by X-ray diffraction. A first order diffraction peak corresponding to is observed, and an average crystallite diameter calculated from at least one of the first order diffraction peaks is larger than 700 mm.

ところで、従来、上述のように、フィード材の自由エネルギーがシード材の自由エネルギーよりも高くなるように、フィード材及びシード材を選択する必要があり、自由エネルギーの低い3C−SiC基板をフィード基板として用いた場合は、3C−SiC基板をシード基板として用いることができず、4H−SiC基板や6H−SiC基板などの他の結晶多形を有する炭化ケイ素基板をシード基板として用いる必要があるものと考えられていた。   By the way, conventionally, as described above, it is necessary to select the feed material and the seed material so that the free energy of the feed material is higher than the free energy of the seed material, and the 3C-SiC substrate having a low free energy is used as the feed substrate. When used as a substrate, a 3C-SiC substrate cannot be used as a seed substrate, and a silicon carbide substrate having another crystal polymorphism such as a 4H-SiC substrate or a 6H-SiC substrate must be used as a seed substrate. It was thought.

しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、3C−SiC基板のなかにも、ケイ素溶融層への溶出が生じやすいものとケイ素溶融層への溶出が生じにくいものとがあり、ケイ素溶融層への溶出が生じにくいものは、炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長のシード材として好適に用いることができることを見出した。そして、本発明者は、さらなる鋭意研究の結果、平均結晶子径が大きいほどケイ素溶融層への溶出が生じにくくなることを見出した。この知見に従い、本発明者は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む表層の平均結晶子径が700Å以下である基板をシード基板12として用いた。そうすることにより、表層が多結晶3C−SiCを含み、CVD法により安価に作製できるシード基板12を用いた際にも炭化ケイ素を好適に液相エピタキシャル成長させることができた。この理由としては、平均粒子径が大きくなるほど、表層において多結晶炭化ケイ素結晶の高い反応性を有する粒界が占める割合が少なくなり、表層のケイ素溶融層への溶出がより生じにくくなることが考えられる。   However, as a result of earnest research, the present inventor has some 3C-SiC substrates that are likely to be eluted into the silicon molten layer and those that are less likely to be eluted into the silicon molten layer. It has been found that those that are less likely to be eluted can be suitably used as seed materials for liquid phase epitaxial growth of silicon carbide. As a result of further diligent research, the present inventor has found that elution into the silicon melt layer is less likely to occur as the average crystallite size is larger. In accordance with this finding, the present inventor used a substrate having a surface layer containing polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C and having an average crystallite diameter of 700 mm or less as the seed substrate 12. By doing so, silicon carbide could be suitably grown by liquid phase epitaxy even when using the seed substrate 12 whose surface layer contains polycrystalline 3C-SiC and can be produced at low cost by the CVD method. The reason for this is that as the average particle size increases, the proportion of polycrystalline silicon carbide crystals with high reactivity in the surface layer decreases, and elution of the surface layer into the silicon melt layer is less likely to occur. It is done.

また、多結晶炭化ケイ素膜12cのX線回折により観察される少なくとも一つの1次回
折ピークの合計強度に対する(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度の比(((111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度)/(少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度))は、5以上であることが好ましい。この場合、単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長速度を高めることができる。これは、ケイ素溶融層への溶出が生じにくい(111)結晶面の露出割合が高まるためであると考えられる。また、この場合には、優れた特性を有する六方晶の単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長膜20を形成することが可能となる。これは、(111)結晶面が六方晶の(0001)結晶面と等価であるため、(111)結晶面が多く露出している場合、六方晶の単結晶炭化ケイ素のエピタキシャル成長が好適に進行するためであると考えられる。
The ratio of the intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane to the total intensity of at least one first-order diffraction peak observed by X-ray diffraction of the polycrystalline silicon carbide film 12c (((111) crystal plane The intensity of the first-order diffraction peak corresponding to) / (total intensity of at least one first-order diffraction peak)) is preferably 5 or more. In this case, the epitaxial growth rate of single crystal silicon carbide can be increased. This is considered to be because the exposure ratio of the (111) crystal plane is less likely to be eluted into the silicon melt layer. In this case, it is possible to form the hexagonal single crystal silicon carbide epitaxially grown film 20 having excellent characteristics. This is because the (111) crystal face is equivalent to the (0001) crystal face of hexagonal crystal, and when many (111) crystal faces are exposed, the epitaxial growth of hexagonal single crystal silicon carbide suitably proceeds. This is probably because of this.

なお、六方晶の単結晶炭化ケイ素の代表例としては、結晶多形が4Hまたは6Hである単結晶炭化ケイ素が挙げられる。これらの結晶多形が4Hまたは6Hである単結晶炭化ケイ素(4H−SiC、6H−SiC)は、他の結晶多形の炭化ケイ素と比較して、バンドギャップが広く、優れた耐熱性を有する半導体デバイスの実現が可能となるという利点を有する。   A typical example of the hexagonal single crystal silicon carbide is single crystal silicon carbide whose crystal polymorph is 4H or 6H. Single crystal silicon carbide (4H-SiC, 6H-SiC) whose crystal polymorph is 4H or 6H has a wide band gap and excellent heat resistance compared to other crystal polymorphs of silicon carbide. There is an advantage that a semiconductor device can be realized.

また、多結晶炭化ケイ素膜12cは、X線回折により観察される(111)結晶面のうち、配向角度が67.5°以上であるものの占める割合が80%以上であるものであることが好ましい。この場合、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度をさらに効果的に高めることができる。これは、(111)結晶面を露出させている結晶の、(111)結晶面よりも安定性が低い面の露出度を低くすることができるため、(111)結晶面を露出させている結晶の溶出を抑制できるためであると考えられる。   The polycrystalline silicon carbide film 12c preferably has a ratio of 80% or more of the (111) crystal plane observed by X-ray diffraction having an orientation angle of 67.5 ° or more. . In this case, the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be further effectively increased. This is because the degree of exposure of the surface having a lower stability than the (111) crystal face of the crystal exposing the (111) crystal face can be lowered, so that the crystal exposing the (111) crystal face is exposed. It is thought that this is because the elution of can be suppressed.

(フィード基板11)
本実施形態においては、フィード基板11は、シード基板12よりもケイ素溶融層13への溶出が生じにくいものである限りにおいて特に限定されない。このため、フィード基板11としては、例えば、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む表層を有し、その表層のX線回折により、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面の少なくとも一つに対応した1次回折ピークが観察され、それら少なくとも一つの1次回折ピークから算出される平均結晶子径が、700Å以下である基板を好適に用いることができる。
(Feed substrate 11)
In the present embodiment, the feed substrate 11 is not particularly limited as long as it is less likely to elute into the silicon molten layer 13 than the seed substrate 12. For this reason, as the feed substrate 11, for example, it has a surface layer containing polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C, and (111) crystal plane, (200) crystal plane, ( 220) A first-order diffraction peak corresponding to at least one of the crystal plane and (311) crystal plane is observed, and a substrate having an average crystallite diameter calculated from at least one first-order diffraction peak of 700 mm or less is preferable. Can be used.

図2に、本実施形態のフィード基板11の略図的断面図を示す。図2に示すように、本実施形態では、具体的には、フィード基板11は、黒鉛からなる支持材11bと、多結晶炭化ケイ素膜11cとを有する。黒鉛からなる支持材11bは、炭化ケイ素のエピタキシャル成長プロセスに十分に耐えることのできる高い耐熱性を有している。また、黒鉛からなる支持材11bは、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20と似通った熱膨張率を有する。従って、黒鉛からなる支持材11bを用いることにより、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20を好適に形成することができる。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the feed substrate 11 of the present embodiment. As shown in FIG. 2, in this embodiment, specifically, the feed substrate 11 includes a support material 11b made of graphite and a polycrystalline silicon carbide film 11c. The support material 11b made of graphite has high heat resistance that can sufficiently withstand the epitaxial growth process of silicon carbide. The support material 11b made of graphite has a thermal expansion coefficient similar to that of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20. Therefore, the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be suitably formed by using the support material 11b made of graphite.

なお、黒鉛の具体例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチコークス、カーボンブラック、メソカーボン等が挙げられる。黒鉛からなる支持材11bの製造方法は、例えば、特開2005−132711号公報に記載の製造方法などが挙げられる。   Specific examples of graphite include natural graphite, artificial graphite, petroleum coke, coal coke, pitch coke, carbon black, and mesocarbon. Examples of the method for producing the support material 11b made of graphite include the production method described in JP-A-2005-132711.

多結晶炭化ケイ素膜11cは、支持材11bの主面及び側面を覆うように形成されている。多結晶炭化ケイ素膜11cは、多結晶炭化ケイ素を含む。この多結晶炭化ケイ素膜11cによって、フィード基板11の表層が形成されている。なお、多結晶炭化ケイ素膜11cは、多結晶3C−SiCを主成分として含むことが好ましく、実質的に多結晶3C−SiCからなることが好ましい。すなわち、フィード基板11の表層は、多結晶3C−S
iCを主成分として含むことが好ましく、実質的に多結晶3C−SiCからなることが好ましい。そうすることにより単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度を高めることができる。
Polycrystalline silicon carbide film 11c is formed so as to cover the main surface and side surfaces of support material 11b. Polycrystalline silicon carbide film 11c includes polycrystalline silicon carbide. The surface layer of the feed substrate 11 is formed by the polycrystalline silicon carbide film 11c. The polycrystalline silicon carbide film 11c preferably contains polycrystalline 3C—SiC as a main component, and is preferably substantially made of polycrystalline 3C—SiC. That is, the surface layer of the feed substrate 11 is polycrystalline 3C-S.
It is preferable that iC is contained as a main component, and it is preferable that it substantially consists of polycrystalline 3C-SiC. By doing so, the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be increased.

多結晶炭化ケイ素膜11cの厚みt11は、30μm〜800μmの範囲内にあることが好ましく、40μm〜600μmの範囲内にあることがより好ましく、100μm〜300μmの範囲内にあることがさらに好ましい。多結晶炭化ケイ素膜11cの厚みt11が薄すぎると、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の形成時に、黒鉛からなる支持材11bが露出し、支持材11bからの溶出に起因して好適な単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20が得られなくなる場合がある。一方、多結晶炭化ケイ素膜11cの厚みt11が厚すぎると、多結晶炭化ケイ素膜11cにクラックが生じやすくなる場合がある。   Thickness t11 of polycrystalline silicon carbide film 11c is preferably in the range of 30 μm to 800 μm, more preferably in the range of 40 μm to 600 μm, and still more preferably in the range of 100 μm to 300 μm. If the thickness t11 of the polycrystalline silicon carbide film 11c is too thin, the support material 11b made of graphite is exposed when the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 is formed, and suitable single crystal carbonization due to elution from the support material 11b. The silicon epitaxial growth film 20 may not be obtained. On the other hand, if the thickness t11 of the polycrystalline silicon carbide film 11c is too thick, cracks may easily occur in the polycrystalline silicon carbide film 11c.

多結晶炭化ケイ素膜11cの形成方法は特に限定されない。多結晶炭化ケイ素膜11cは、例えばCVD法や、スパッタリング法などにより形成することができる。特に、本実施形態では、多結晶炭化ケイ素膜11cが多結晶3C−SiCを含むものであるため、CVD法により緻密な多結晶炭化ケイ素膜11cを容易かつ安価に形成することができる。   The method for forming polycrystalline silicon carbide film 11c is not particularly limited. The polycrystalline silicon carbide film 11c can be formed by, for example, a CVD method or a sputtering method. In particular, in this embodiment, since the polycrystalline silicon carbide film 11c contains polycrystalline 3C-SiC, a dense polycrystalline silicon carbide film 11c can be formed easily and inexpensively by the CVD method.

フィード基板11の表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜11cは、X線回折により、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面の少なくとも一つに対応した1次回折ピークが観察され、それら少なくとも一つの1次回折ピークから算出される平均結晶子径が、700Å以下であるものである。従って、本実施形態においては、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20を高い成長速度で形成することができる。これは、平均粒子径が小さくなるほど、表層において多結晶炭化ケイ素結晶の高い反応性を有する粒界が占める割合が多くなり、表層のケイ素溶融層への溶出がより生じやすくなるためであると考えられる。   The polycrystalline silicon carbide film 11c constituting the surface layer of the feed substrate 11 is at least one of (111) crystal plane, (200) crystal plane, (220) crystal plane and (311) crystal plane by X-ray diffraction. 1 is observed, and the average crystallite diameter calculated from at least one of the first diffraction peaks is 700 mm or less. Therefore, in this embodiment, the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be formed at a high growth rate. This is considered to be because the smaller the average particle size, the greater the proportion of polycrystalline silicon carbide crystals in the surface layer, which has high reactivity, and the elution of the surface layer into the silicon melt layer is more likely to occur. It is done.

また、多結晶炭化ケイ素膜11cは、X線回折により観察される(111)結晶面のうち、配向角度が67.5°以上であるものの占める割合が80%未満であるものであることが好ましい。この場合、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度をさらに効果的に高めることができる。これは、(111)結晶面を露出させている結晶の、(111)結晶面よりも安定性が低い面の露出度が高くなるため、(111)結晶面を露出させている結晶の反応性が高くなるためであると考えられる。   The polycrystalline silicon carbide film 11c is preferably such that the proportion of the (111) crystal plane observed by X-ray diffraction with the orientation angle of 67.5 ° or more is less than 80%. . In this case, the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 can be further effectively increased. This is because the degree of exposure of the crystal having the (111) crystal plane exposed is higher because the degree of exposure of the surface having a lower stability than the (111) crystal plane is high. It is thought that this is because

なお、上記実施形態では、フィード基板11及びシード基板12のそれぞれが支持材11b、12bと、多結晶炭化ケイ素膜11c、12cとによって構成されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図4に示すように、フィード基板11は、炭化ケイ素を含む炭化ケイ素基板により構成されていてもよい。また、図5に示すように、シード基板12は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む多結晶ケイ素基板により構成されていてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which each of the feed substrate 11 and the seed substrate 12 is configured by the support materials 11b and 12b and the polycrystalline silicon carbide films 11c and 12c has been described. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, as shown in FIG. 4, feed substrate 11 may be formed of a silicon carbide substrate containing silicon carbide. Further, as shown in FIG. 5, the seed substrate 12 may be constituted by a polycrystalline silicon substrate containing polycrystalline silicon carbide whose crystal polymorph is 3C.

なお、炭化ケイ素基板は、例えば、黒鉛基材にCVD法により多結晶炭化ケイ素を被覆し、その後、黒鉛を機械的あるいは化学的に除去することにより作製することができる。また、炭化ケイ素基板は、黒鉛材とケイ酸ガスとを反応させて黒鉛材を炭化ケイ素に転化させることによっても作製することができる。また、炭化ケイ素基板は、炭化ケイ素粉末に焼結助剤を添加して1600℃以上の高温で焼結させることによっても作製することができる。   The silicon carbide substrate can be produced, for example, by coating a graphite base material with polycrystalline silicon carbide by a CVD method and then mechanically or chemically removing the graphite. The silicon carbide substrate can also be produced by reacting a graphite material with a silicate gas to convert the graphite material into silicon carbide. The silicon carbide substrate can also be produced by adding a sintering aid to silicon carbide powder and sintering at a high temperature of 1600 ° C. or higher.

以下、具体例に基づいて、本発明についてさらに説明するが、本発明は、以下の具体例に何ら限定されない。   Hereinafter, the present invention will be further described based on specific examples, but the present invention is not limited to the following specific examples.

(作製例1)
かさ密度1.85g/cm、灰分5ppm以下である高純度等方性黒鉛材料からなる黒鉛材(15mm×15mm×2mm)を基材として用いた。この基材をCVD反応装置内に入れ、CVD法により基材上に厚み30μmの多結晶炭化ケイ素被膜を形成し、サンプル1を作製した。なお、原料ガスとしては、四塩化ケイ素及びプロパンガスを用いた。成膜は、常圧、1200℃で行った。成膜速度は、30μm/hとした。
(Production Example 1)
A graphite material (15 mm × 15 mm × 2 mm) made of high purity isotropic graphite material having a bulk density of 1.85 g / cm 3 and an ash content of 5 ppm or less was used as a base material. This base material was put in a CVD reactor, and a polycrystalline silicon carbide film having a thickness of 30 μm was formed on the base material by a CVD method to prepare Sample 1. Note that silicon tetrachloride and propane gas were used as the source gas. Film formation was performed at normal pressure and 1200 ° C. The deposition rate was 30 μm / h.

(作製例2)
反応温度を1400℃とし、成膜速度を60μm/hとしたこと以外は、上記作製例1と同様にして黒鉛材の表面上に50μmの多結晶炭化ケイ素被膜を形成し、サンプル2を作製した。
(Production Example 2)
A sample 2 was produced by forming a 50 μm polycrystalline silicon carbide film on the surface of the graphite material in the same manner as in Production Example 1 except that the reaction temperature was 1400 ° C. and the film formation rate was 60 μm / h. .

(作製例3)
反応温度を1250℃とし、成膜速度10μm/hとし、四塩化ケイ素に代えてCHSiClを用いたこと以外は、上記作製例1と同様にして黒鉛材の表面上に50μmの多結晶炭化ケイ素被膜を形成し、サンプル3を作製した。
(Production Example 3)
Polycrystalline 50 μm on the surface of the graphite material in the same manner as in Preparation Example 1 except that the reaction temperature was 1250 ° C., the film formation rate was 10 μm / h, and CH 3 SiCl 3 was used instead of silicon tetrachloride. A silicon carbide coating was formed to prepare Sample 3.

(作製例4)
四塩化ケイ素及びプロパンガスに代えてジクロロシラン(SiHCl)及びアセチレンを用い、反応温度を1300℃とし、成膜速度10μm/hとしたこと以外は、上記作製例1と同様にして黒鉛材の表面上に50μmの多結晶炭化ケイ素被膜を形成し、サンプル4を作製した。なお、サンプル4では、多結晶炭化ケイ素被膜の厚みは、約1mmであった。
(Production Example 4)
Graphite was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and acetylene were used instead of silicon tetrachloride and propane gas, the reaction temperature was 1300 ° C., and the film formation rate was 10 μm / h. A sample 4 was prepared by forming a 50 μm polycrystalline silicon carbide coating on the surface of the material. In Sample 4, the thickness of the polycrystalline silicon carbide film was about 1 mm.

(X線回折測定)
上記作製のサンプル1〜4の表層のX線回折を行った。なお、X線回折は、リガク社製アルティマ(Ulutima)を用いて行った。測定結果を図6に示す。また、サンプル1〜4における、観察された回折ピークと、(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度を100としたときの各結晶面に対応した回折ピークの相対強度をまとめる。
(X-ray diffraction measurement)
X-ray diffraction was performed on the surface layers of Samples 1 to 4 prepared above. X-ray diffraction was performed using Rigak Ultima. The measurement results are shown in FIG. Also, the relative intensities of the diffraction peaks corresponding to each crystal plane when the intensity of the observed diffraction peak and the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane are set to 100 in samples 1 to 4 are summarized.

Figure 0005793815
Figure 0005793815

なお、(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度)/(少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度)は、サンプル1〜4では、それぞれ、100/(100+13+12+12)=0.730、100/(100+40+51+47)=0.420、100/(100+0+0+1)=0.990、100/(100+0+0+0)=1.00であった。   Note that the intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane) / (total intensity of at least one first-order diffraction peak) is 100 / (100 + 13 + 12 + 12) = 0.730 in samples 1 to 4, respectively. 100 / (100 + 40 + 51 + 47) = 0.420, 100 / (100 + 0 + 0 + 1) = 0.990, 100 / (100 + 0 + 0 + 0) = 1.00.

(平均結晶子径の算出)
上記X線回折測定の結果に基づいて、Hallの式を用いて、サンプル1〜4のそれぞれの平均結晶子径を算出した。なお、算出には、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面に関する回折ピークのデータを用いた。結果を、下記の表2に示す。
(Calculation of average crystallite size)
Based on the result of the X-ray diffraction measurement, the average crystallite diameter of each of Samples 1 to 4 was calculated using the Hall equation. For the calculation, data of diffraction peaks related to the (111) crystal plane, the (200) crystal plane, the (220) crystal plane, and the (311) crystal plane were used. The results are shown in Table 2 below.

Figure 0005793815
Figure 0005793815

上記表2に示す結果から、サンプル1,2では、平均結晶子径が700Å以下、より詳細には、500Å以下である一方、サンプル3,4では、平均結晶子径が700Åより大きく、より詳細には、1000Å以上であった。   From the results shown in Table 2, samples 1 and 2 have an average crystallite size of 700 mm or less, more specifically 500 mm or less, while samples 3 and 4 have an average crystallite diameter of more than 700 mm. Was over 1000 kg.

((111)結晶面の配向性評価)
次に、サンプル1〜4について、図7に示すように、サンプルを回転させながら(111)面の回折ピークが現れる角度を測定した。結果を図8〜図11に示す。なお、図8〜図11に示すグラフにおいて、横軸は、図7に示す配向角度(α)である。縦軸は強度である。
(Evaluation of orientation of (111) crystal plane)
Next, for Samples 1 to 4, as shown in FIG. 7, the angle at which the diffraction peak of the (111) plane appears was measured while rotating the sample. The results are shown in FIGS. In the graphs shown in FIGS. 8 to 11, the horizontal axis is the orientation angle (α) shown in FIG. 7. The vertical axis is intensity.

また、下記の表3に、配向角度(α)が15°〜90°における全領域の強度積分値に対する配向角度(α)が67.5°以上の領域の強度積分値の割合((配向角度(α)が67.5°以上の領域の強度積分値)/(配向角度(α)が15°〜90°における全領域の強度積分値))を示す。なお、((配向角度(α)が67.5°以上の領域の強度積分値)/(配向角度(α)が15°〜90°における全領域の強度積分値))は、X線回折により観察された(111)結晶面のうち、配向角度が67.5°以上であるものの占める割合に相当する。   Table 3 below shows the ratio of the intensity integral value of the region where the orientation angle (α) is 67.5 ° or more with respect to the intensity integral value of the entire region when the orientation angle (α) is 15 ° to 90 ° ((orientation angle (Α) is the integrated intensity value of the region where 67.5 ° or more) / (intensity integrated value of the entire region when the orientation angle (α) is 15 ° to 90 °)). In addition, ((intensity integrated value of region where orientation angle (α) is 67.5 ° or more) / (intensity integrated value of whole region when orientation angle (α) is 15 ° to 90 °)) is obtained by X-ray diffraction. This corresponds to the proportion of the observed (111) crystal plane with an orientation angle of 67.5 ° or more.

Figure 0005793815
Figure 0005793815

図8及び図9並びに上記表3に示すように、サンプル1,2では、配向角度(α)が67.5°未満の領域にも大きな強度分布が存在し、(111)結晶面のうち、配向角度(α)が67.5°以上であるものの割合が80%未満であった。それに対して、サンプル3,4では、図10及び図11並びに上記表3に示すように、配向角度(α)が67.5°未満の領域には大きな強度分布が存在せず、配向角度(α)が67.5°以上であるものの割合が80%以上であった。   As shown in FIGS. 8 and 9 and Table 3 above, in Samples 1 and 2, there is a large intensity distribution even in the region where the orientation angle (α) is less than 67.5 °, and among the (111) crystal planes, The ratio of those having an orientation angle (α) of 67.5 ° or more was less than 80%. On the other hand, in samples 3 and 4, as shown in FIGS. 10 and 11 and Table 3 above, there is no large intensity distribution in the region where the orientation angle (α) is less than 67.5 °, and the orientation angle ( The ratio of α) being 67.5 ° or more was 80% or more.

(単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長膜の成長速度評価)
上記実施形態において説明した液相エピタキシャル成長方法により、サンプル1〜4をフィード基板として用い、下記の条件で単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20を作製した。そして、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の断面を光学顕微鏡を用いて観察することにより、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の厚みを測定した。測定された厚みを炭化ケイ素エピタキシャル成長を行った時間で除算することにより、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度を求めた。
(Growth rate evaluation of single crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth film)
Using the liquid phase epitaxial growth method described in the above embodiment, a single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 was produced under the following conditions using Samples 1 to 4 as a feed substrate. Then, the thickness of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 was measured by observing a cross section of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 using an optical microscope. The growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 was determined by dividing the measured thickness by the time during which the silicon carbide epitaxial growth was performed.

結果を図12及び図13に示す。なお、図12及び図13において、縦軸は、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度であり、横軸はケイ素溶融層13の厚み(L)の逆数(1/L)である。   The results are shown in FIGS. 12 and 13, the vertical axis represents the growth rate of the single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20, and the horizontal axis represents the reciprocal (1 / L) of the thickness (L) of the silicon melt layer 13.

図12及び図13に示す結果から、フィード基板11の表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜11cにおける平均結晶子径が700Å以下であるサンプル1,2を用いた場合は、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度が高かった。一方、フィード基板11の表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜11cにおける平均結晶子径が700Åより大きなサンプル3,4を用いた場合は、単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度が低かった。このことから、サンプル3,4からは、ケイ素溶融層13への溶出が生じにくいことが分かる。   From the results shown in FIGS. 12 and 13, when samples 1 and 2 having an average crystallite diameter of 700 mm or less in the polycrystalline silicon carbide film 11c constituting the surface layer of the feed substrate 11 are used, single crystal silicon carbide The growth rate of the epitaxial growth film 20 was high. On the other hand, when samples 3 and 4 having an average crystallite diameter larger than 700 mm in polycrystalline silicon carbide film 11c constituting the surface layer of feed substrate 11 were used, the growth rate of single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20 was low. . From this, it can be seen from Samples 3 and 4 that elution into the silicon melt layer 13 hardly occurs.

(単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜20の成長速度の測定条件)
シード基板:結晶多形が4Hである炭化ケイ素基板
雰囲気の圧力:10−6〜10−4Pa
雰囲気温度:1900℃
(Measurement conditions of growth rate of single crystal silicon carbide epitaxial growth film 20)
Seed substrate: silicon carbide substrate with crystal polymorph 4H atmosphere pressure: 10 −6 to 10 −4 Pa
Atmospheric temperature: 1900 ° C

(実施例)
上記作製のサンプル1をフィード基板11として用い、上記作製のサンプル3をシード基板12として用い、上記成長速度評価実験と同様の条件で単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長実験を行った。その後、シード基板12としてのサンプル3の表面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影した。サンプル3の表面のSEM写真を図14に示す。図14に示す写真より、平均結晶子径が700Åより大きく、(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度)/(少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度)が25であるサンプル3をシード基板12として用いることにより、六方晶である単結晶炭化ケ
イ素エピタキシャル成長膜を得ることができることが分かる。
(Example)
Using the sample 1 prepared as the feed substrate 11 and the sample 3 prepared as the seed substrate 12, a liquid crystal epitaxial growth experiment of single crystal silicon carbide was performed under the same conditions as the growth rate evaluation experiment. Thereafter, a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the sample 3 as the seed substrate 12 was taken. An SEM photograph of the surface of Sample 3 is shown in FIG. From the photograph shown in FIG. 14, Sample 3 whose average crystallite diameter is larger than 700 mm and whose intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane) / (total intensity of at least one first-order diffraction peak) is 25. It can be seen that a hexagonal single crystal silicon carbide epitaxial growth film can be obtained by using as a seed substrate 12.

(比較例)
上記作製のサンプル1をフィード基板として用い、上記作製のサンプル2をシード基板として用い、上記成長速度評価実験と同様の条件で単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長実験を行った。その後、シード基板としてのサンプル2の表面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影した。サンプル2の表面のSEM写真を図15に示す。図15に示す写真より、平均結晶子径が700Å以下であるサンプル2をシード基板として用いた場合は、ほとんどエピタキシャル成長が進行しないことが分かる。
(Comparative example)
Using the sample 1 prepared as a feed substrate and the sample 2 prepared as a seed substrate, a liquid crystal epitaxial growth experiment of single crystal silicon carbide was performed under the same conditions as the growth rate evaluation experiment. Thereafter, a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of sample 2 as a seed substrate was taken. An SEM photograph of the surface of Sample 2 is shown in FIG. From the photograph shown in FIG. 15, it can be seen that when sample 2 having an average crystallite diameter of 700 mm or less is used as a seed substrate, epitaxial growth hardly proceeds.

10…容器
11…フィード基板
11a…主面
11b…支持材
11c…多結晶炭化ケイ素膜
12…シード基板
12a…主面
12b…支持材
12c…多結晶炭化ケイ素膜
13…ケイ素溶融層
20…単結晶炭化ケイ素エピタキシャル成長膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Container 11 ... Feed substrate 11a ... Main surface 11b ... Support material 11c ... Polycrystalline silicon carbide film 12 ... Seed substrate 12a ... Main surface 12b ... Support material 12c ... Polycrystalline silicon carbide film 13 ... Silicon molten layer 20 ... Single crystal Silicon carbide epitaxial growth film

Claims (9)

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、ケイ素溶融層を介してフィード材と対向させて用いられるシード材であって、
結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む表層を有し、
前記表層のX線回折により、(111)結晶面、(200)結晶面、(220)結晶面及び(311)結晶面の少なくとも一つに対応した1次回折ピークが観察され、
前記少なくとも一つの1次回折ピークから算出される平均結晶子径が、700Åより大きい、単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。
Oite the liquid phase epitaxial growth method of a single crystal silicon carbide, a seed material used to face the feed material through the silicon melt layer,
Having a surface layer comprising polycrystalline silicon carbide having a crystalline polymorph of 3C;
A first-order diffraction peak corresponding to at least one of (111) crystal plane, (200) crystal plane, (220) crystal plane and (311) crystal plane is observed by X-ray diffraction of the surface layer,
A seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth, wherein an average crystallite diameter calculated from the at least one first-order diffraction peak is greater than 700 mm.
前記少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度に対する前記(111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度の比(((111)結晶面に対応した1次回折ピークの強度)/(少なくとも一つの1次回折ピークの合計強度))が5以上である、請求項1に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   Ratio of the intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane to the total intensity of the at least one first-order diffraction peak ((intensity of the first-order diffraction peak corresponding to the (111) crystal plane) / (at least one The seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to claim 1, wherein the total intensity of two first-order diffraction peaks)) is 5 or more. 前記表層のX線回折により観察される前記(111)結晶面のうち、配向角度が67.5°以上であるものの占める割合が80%以上である、請求項1または2に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   3. The single crystal carbonization according to claim 1, wherein a proportion of the (111) crystal planes observed by X-ray diffraction of the surface layer, whose orientation angle is 67.5 ° or more, is 80% or more. Seed material for silicon liquid phase epitaxial growth. 前記表層は、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を主成分として含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   The seed material for liquid crystal epitaxial growth of a single crystal silicon carbide according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface layer includes polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C as a main component. 前記表層は、実質的に、結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素からなる、請求項4に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   The seed material for liquid crystal epitaxial growth of a single crystal silicon carbide according to claim 4, wherein the surface layer is substantially made of polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C. 支持材と、前記支持材の上に形成されており、前記表層を構成している多結晶炭化ケイ素膜とを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   The single-crystal silicon carbide liquid phase according to any one of claims 1 to 5, comprising a support material and a polycrystalline silicon carbide film that is formed on the support material and forms the surface layer. Seed material for epitaxial growth. 前記多結晶炭化ケイ素膜の厚みは、30μm〜800μmの範囲内にある、請求項6に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   The seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to claim 6, wherein the polycrystalline silicon carbide film has a thickness in a range of 30 μm to 800 μm. 結晶多形が3Cである多結晶炭化ケイ素を含む多結晶炭化ケイ素材により構成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材。   The seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to any one of claims 1 to 5, wherein the seed material is composed of a polycrystalline silicon carbide material containing polycrystalline silicon carbide having a crystal polymorph of 3C. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の単結晶炭化ケイ素液相エピタキシャル成長用シード材の表層と、炭化ケイ素からなる表層を有するフィード材の表層とをケイ素溶融層を介して対向させた状態で加熱することにより前記シード材の表層上に単結晶炭化ケイ素を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。   The state in which the surface layer of the seed material for single-crystal silicon carbide liquid phase epitaxial growth according to any one of claims 1 to 8 and the surface layer of the feed material having a surface layer made of silicon carbide are opposed to each other through a silicon melt layer A liquid crystal epitaxial growth method of single crystal silicon carbide, in which single crystal silicon carbide is epitaxially grown on a surface layer of the seed material by heating at a temperature.
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