JP6051109B2 - Seed crystal holder, crystal manufacturing apparatus and crystal manufacturing method - Google Patents
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本発明は、炭化珪素の結晶を成長させるのに用いる種結晶保持体、それを用いた結晶製造装置および結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a seed crystal holder used for growing a silicon carbide crystal, a crystal manufacturing apparatus and a crystal manufacturing method using the same.
現在、トランジスタなどのデバイスを形成する基板材料として、炭素と珪素の化合物である炭化珪素(Silicon Carbide:SiC)が注目されている。炭化珪素は、バンドギャ
ップがシリコンと比べて幅広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きいことなどを理由に注目されている。炭化珪素の結晶は、炭素および珪素を含む溶液を用いて溶液成長法で製造される(例えば、特許文献1参照)。
Currently, silicon carbide (SiC), which is a compound of carbon and silicon, has attracted attention as a substrate material for forming devices such as transistors. Silicon carbide has attracted attention because of its wide band gap compared to silicon and high electric field strength leading to dielectric breakdown. Crystals of silicon carbide are manufactured by a solution growth method using a solution containing carbon and silicon (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載された発明では、例えば坩堝内の溶液の対流状況などによって、種結晶の下面のうち結晶が成長しやすい部分でのみ結晶が急激に成長し、種結晶の下面のうち結晶の成長が速い部分と結晶の成長が遅い部分との結晶の成長速度の差が大きくなり、成長した結晶に溝が形成される等の不具合が生じるおそれがある。 In the invention described in Patent Document 1, for example, due to the convection state of the solution in the crucible, the crystal grows rapidly only in the portion where the crystal tends to grow on the lower surface of the seed crystal, and the crystal of the lower surface of the seed crystal grows. The difference in the crystal growth rate between the fast-growing portion and the slow-growing portion becomes large, and there is a risk that defects such as formation of grooves in the grown crystal may occur.
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、成長した結晶に溝が形成される等の不具合の発生を抑制し、結晶の品質を向上させることを目的とする。 The present invention has been devised in view of such circumstances, and an object of the present invention is to suppress the occurrence of defects such as formation of grooves in a grown crystal and improve the quality of the crystal.
本発明の一実施形態に係る種結晶保持体は、上端に開口部を有する坩堝の内部に保持した炭素および珪素を含む溶液に炭化珪素からなる種結晶の下面を接触させて引き上げることによって、該種結晶の下面に前記溶液から炭化珪素の結晶を成長させる溶液成長法に用いられる柱状の種結晶保持体であって、下面に前記種結晶を保持するとともに、上面のうち外周部を除く領域に開口している空洞を有する第1保持体と、前記開口を塞ぐように前記第1保持体の上面の外周部に固定されている柱状の第2保持体とを有する。 The seed crystal holding body according to one embodiment of the present invention is formed by bringing the lower surface of a seed crystal made of silicon carbide into contact with a solution containing carbon and silicon held in a crucible having an opening at the upper end, and pulling up the seed crystal holder. A columnar seed crystal holder used in a solution growth method for growing a silicon carbide crystal from the solution on the lower surface of a seed crystal, holding the seed crystal on the lower surface, and in a region excluding the outer peripheral portion of the upper surface A first holding body having an open cavity; and a columnar second holding body fixed to an outer peripheral portion of an upper surface of the first holding body so as to close the opening.
本発明の一実施形態に係る結晶製造装置は、上述の種結晶保持体と、該種結晶保持体が挿入される開口を上端に有するとともに、内部に炭素および珪素を含む溶液を保持する坩堝とを備える。 A crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention includes the above-mentioned seed crystal holder, a crucible that holds an opening into which the seed crystal holder is inserted, and holds a solution containing carbon and silicon inside. Is provided.
本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法は、上記の種結晶保持体、ならびに内部に炭素および珪素を含む溶液を保持した坩堝を準備する工程と、前記種結晶保持体の前記第1保持体の下面に炭化珪素からなる種結晶を保持する保持工程と、前記種結晶保持体に保持した前記種結晶の下面を前記坩堝内に保持された前記溶液に接触させる接触工程と、前記種結晶を前記溶液から引き上げて、前記種結晶の下面に前記溶液から炭化珪素の結晶を成長させる結晶成長工程とを有する。 The method for producing a crystal according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing the seed crystal holder and a crucible holding a solution containing carbon and silicon therein, and the first holding of the seed crystal holder. A holding step of holding a seed crystal made of silicon carbide on the lower surface of the body, a contacting step of bringing the lower surface of the seed crystal held in the seed crystal holding body into contact with the solution held in the crucible, and the seed crystal And a crystal growth step of growing silicon carbide crystals from the solution on the lower surface of the seed crystal.
本発明によれば、第1保持体の内部に空洞を形成することによって、第1保持体内に断熱部が形成され、種結晶から第1保持体への伝熱が低減される。その結果、溶液と種結晶
との温度差が小さくなり、種結晶の下面に成長する結晶の成長速度の最大値を小さくすることができる。したがって、種結晶の下面のうち結晶の成長しやすい部分での結晶の急激な成長を抑制することができるため、種結晶の下面のうち結晶の成長が速い部分と結晶の成長が遅い部分との結晶の成長速度の差を小さくすることができ、ひいては成長した結晶に溝が形成される等の不具合の発生を抑制し、結晶の品質を向上させることができる。
According to the present invention, by forming a cavity in the first holding body, a heat insulating portion is formed in the first holding body, and heat transfer from the seed crystal to the first holding body is reduced. As a result, the temperature difference between the solution and the seed crystal is reduced, and the maximum value of the growth rate of the crystal growing on the lower surface of the seed crystal can be reduced. Therefore, rapid growth of the crystal at the portion where the crystal tends to grow can be suppressed on the lower surface of the seed crystal. The difference in the growth rate of the crystals can be reduced, and as a result, the occurrence of defects such as the formation of grooves in the grown crystals can be suppressed, and the quality of the crystals can be improved.
<種結晶保持体および結晶製造装置>
本発明の一実施形態に係る種結晶保持体およびこの種結晶保持体を備える結晶製造装置について、図1〜図7を参照しつつ説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
<Seed crystal holder and crystal manufacturing apparatus>
A seed crystal holding body and a crystal manufacturing apparatus including the seed crystal holding body according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
結晶製造装置1は、図1に示したように、主に溶液2が収容されて保持された坩堝3と、種結晶4を保持する種結晶保持体5とを備えている。このような構成であることによって、結晶製造装置1は、溶液2に種結晶4の下面を接触させて、種結晶4の下面に結晶を成長させ、結晶を製造することができる。
As shown in FIG. 1, the crystal manufacturing apparatus 1 includes a
なお、図1は、結晶製造装置1を模式的に示した断面図であり、結晶製造装置1の概略を示している。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the crystal manufacturing apparatus 1 and shows an outline of the crystal manufacturing apparatus 1.
溶液2は、種結晶4の下面に結晶を成長させるために、種結晶4の下面に成長させる結晶の原料を供給する機能を有する。溶液2は、成長させたい結晶と同じ材料を含んでなる。すなわち、炭化珪素の結晶を成長させたい場合には、溶液2は炭素と珪素とを含んでなる。本実施形態では、溶液2は炭素(溶質)が珪素(溶媒)に溶けて構成されている。
The solution 2 has a function of supplying a crystal raw material to be grown on the lower surface of the
溶質となる元素の溶解度は、溶媒となる元素の温度が高くなるほど大きくなる。このため、高温下の溶媒に多くの溶質を溶解させた溶液2が冷えると、熱的な平衡を境に溶質が析出する。本実施形態における溶液成長法では、この熱的平衡による析出を利用して、種結晶4の下面に炭化珪素の結晶を成長させる。
The solubility of the element that becomes the solute increases as the temperature of the element that becomes the solvent increases. For this reason, when the solution 2 in which many solutes are dissolved in a solvent at a high temperature is cooled, the solute is precipitated at the boundary of thermal equilibrium. In the solution growth method in the present embodiment, a silicon carbide crystal is grown on the lower surface of the
坩堝3は、製造する炭化珪素の結晶の原料を内部で融解させる器となる。本実施形態では、坩堝3の中で結晶の原料(炭素および珪素)を融解させて、溶液2として貯留する。坩堝3は、例えば炭素(黒鉛)によって構成されている。坩堝3を炭素で構成することで、溶液2に坩堝3の一部が溶け出し、溶液2に炭素を供給することができる。
The
坩堝3は、図1に示したように、結晶製造装置1が備える坩堝容器6の内部に配置されている。坩堝容器6は、坩堝3を保持する。この坩堝容器6と坩堝3との間には、保温材
7が坩堝3の周囲を囲んで配置されている。保温材7は、坩堝3からの放熱を抑制し、坩堝3の温度を安定して保つことに寄与している。
The
坩堝3には、加熱機構8によって、熱が加えられる。本実施形態の加熱機構8は、電磁波によって坩堝3を加熱する電磁誘導加熱方式を採用しており、コイル9および交流電源10を含んで構成されている。
Heat is applied to the
コイル9は、導体によって構成され、坩堝3の周囲を囲むように配置されている。交流電源10はコイル9に交流電流を流すためのものであり、交流電流の電流を大きくすることによって坩堝3内の設定温度までの加熱時間を短縮することができる。
The
本実施形態では、坩堝3を次のようにして加熱している。まず、交流電源10を用いてコイル9に電流を流して、保温材7を含む空間に磁場を発生させる。この磁場によって、坩堝3に誘導電流が流れる。坩堝3に流れた誘導電流は、電気抵抗によるジュール発熱およびヒステリシス損失による発熱などによって熱エネルギーに変換される。つまり、坩堝3は、誘導電流の熱損失によって加熱される。なお、この磁場によって溶液2自体に誘導電流を流して発熱させてもよい。このように溶液2自体を発熱させる場合は、坩堝3自体を発熱させなくてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、加熱機構8として電磁誘導加熱方式を採用しているが、他の方式を用いて加熱してもよい。加熱機構8は、例えばカーボンなどの発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する方式などの他の方式を採用することができる。この伝熱方式の加熱機構を採用する場合は、例えば坩堝3と保温材7との間に発熱抵抗体が配置される。
In the present embodiment, an electromagnetic induction heating method is employed as the
種結晶4は、結晶製造装置1で成長させる結晶の種となる。種結晶4は、例えば円板状であり、例えば炭素を含んだ種結晶接着材(不図示)を介して種結晶保持体5の下面に固定されている。種結晶4の材料は、成長させたい結晶と同じ材料からなる。すなわち、炭化珪素の結晶を成長させたい場合には、種結晶4は炭化珪素からなる。
The
種結晶4は、搬送機構11で上下方向に移動させられることによって溶液2に接触させられる。搬送機構11は、溶液2の中から製造した結晶を搬出する機能も担っている。搬送機構11は、図1に示したように、種結晶保持体5および動力源12を含んで構成されている。種結晶保持体5によって、種結晶4および種結晶4の下面に成長した結晶の搬入出が行なわれる。種結晶4は種結晶保持体5の下面に取り付けられており、この種結晶保持体5は、動力源12によって上下方向(Z軸方向)の移動が制御される。
The
本実施形態では、加熱機構8の交流電源10と搬送機構11の動力源12とが制御部13に接続されて制御されている。つまり、この結晶製造装置1は、制御部13によって、溶液2の加熱および温度制御と種結晶4の搬入出とが連動して制御されている。制御部13は、中央演算処理装置およびメモリなどの記憶装置を含んで構成されており、例えば公知のコンピュータからなる。
In the present embodiment, the
種結晶保持体5は、種結晶4および種結晶4の下面に成長する結晶を保持する機能を有する。種結晶保持体5は、柱状に形成されている。種結晶保持体5は、図2に示したように、種結晶4を保持する第1保持体14と、第1保持体14の上面に固定された第2保持体15とを有している。そして、第2保持体15の端部すなわち種結晶保持体5の端部は、結晶製造装置1内で動力源12に保持されている。
The seed
ここで、図2に、種結晶保持体5を上下方向に切断した縦断面の一部を拡大して示しており、第1保持体14の構造を詳細に示している。
Here, FIG. 2 shows an enlarged part of a longitudinal section of the
第1保持体14は、下面にて種結晶4を保持するものである。第1保持体14は、例えば炭素から構成されている。第1保持体14は、炭化珪素からなる種結晶4との熱膨張量の差を低減する観点から、炭素を主成分とする材料によって構成されていればよい。第1保持体14の炭素は、例えば炭素の多結晶体または炭素を焼成した焼成体などとして含まれている。
The
第1保持体14の下面の外形を規定する面の面積は、種結晶4の上面の面積よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。第1保持体14の下面の外形を規定する面の面積が種結晶4の上面の面積よりも大きい場合は、種結晶4の上面全体を固定することができるため、種結晶4が第1保持体14から剥離することを抑制することができる。一方、第1保持体14の下面の外形を規定する面の面積が、種結晶4の上面の面積よりも小さい場合には、種結晶4が種結晶接着材による熱収縮などの影響を受けにくくすることができる。本実施形態では、第1保持体14の下面の外形を規定する面の面積は、種結晶4の上面の面積よりも小さい。
The area of the surface that defines the outer shape of the lower surface of the first holding
第1保持体14の外形は、例えば円柱状、または四角形状もしくは六角形状などの多角形状の底面を持つ多角柱状などの形状となっている。本実施形態では、第1保持体14の外形は、半径が例えば5mm以上100mm以下である円が底面として設定され、高さが例えば5mm以上100mm以下に設定された円柱状に形成されている。
The outer shape of the first holding
第1保持体14は、図2に示したように、第1保持体14を上下方向に貫通して形成された第1貫通孔A1を有する。すなわち、第1保持体14は空洞Bを有する。
As shown in FIG. 2, the first holding
ここで、溶液成長法にて結晶を成長させる場合において、例えば坩堝3内の溶液2の対流状況などによって溶液2内が不規則な温度分布になると、成長する結晶の成長面が凸凹となって成長面に複数の結晶面ができることがある。このとき、成長する結晶の成長速度が結晶面ごとに異なるため、溶液2中の温度と種結晶4の温度との差が大きい場合には、成長しやすい結晶面にのみ溶液2中で過飽和状態になった炭化珪素が急激に析出し、結晶として急激に成長することがある。その結果、種結晶4の下面のうち結晶の成長が速い部分と結晶の成長が遅い部分との結晶の成長速度の差が大きくなり、成長した結晶に溝が形成される等の不具合が生じるおそれがある。
Here, when a crystal is grown by the solution growth method, for example, if the temperature in the solution 2 becomes irregular due to the convection state of the solution 2 in the
これに対して、本発明では、上述した構成を有することによって、第1保持体14に形成された空洞B(第1貫通孔A1)が第1保持体14内に断熱部を形成し、種結晶4から第1保持体14への伝熱が低減される。その結果、溶液2と種結晶4との温度差が小さくなり、溶液2中の炭化珪素の過飽和度を小さくできるため、種結晶4の下面に成長する結晶の成長速度の最大値を低減することができる。したがって、種結晶4の下面のうち結晶の成長しやすい部分での結晶の急激な成長を抑制することができるため、種結晶4の下面のうち結晶の成長が速い部分と結晶の成長が遅い部分との結晶の成長速度の差を小さくすることができ、ひいては成長した結晶に溝が形成される等の不具合の発生を抑制して、成長した結晶の品質を向上させることができる。
On the other hand, in the present invention, by having the above-described configuration, the cavity B (first through hole A1) formed in the first holding
また、空洞B(第1貫通孔A1)は、図2に示したように、第1保持体14の上面のうち外周部を除く領域に開口している。すなわち、第1保持体14の上面には、空洞Bによって第1開口C1が形成されている。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15との接触面積が小さくなるため、第1保持体14から第2保持体15への伝熱が低減する。その結果、種結晶4から伝わった熱が第1保持体14内に留まることから、種結晶4から第1保持体14への伝熱が抑制され、種結晶4の下面の一部における結晶の急激な成長を抑制することができる。
Further, as shown in FIG. 2, the cavity B (first through-hole A <b> 1) is open to a region excluding the outer peripheral portion of the upper surface of the first holding
第1開口C1は、例えば円形状、または四角形状もしくは六角形状などの多角形状に形成されている。本実施形態では、第1開口C1は円形状に形成されており、その面積は、例えば第1保持体14の上面の外形を規定する面の10%以上98%以下に設定されている。
The first opening C1 is formed in, for example, a circular shape or a polygonal shape such as a quadrangular shape or a hexagonal shape. In the present embodiment, the first opening C <b> 1 is formed in a circular shape, and the area thereof is set to, for example, 10% or more and 98% or less of the surface that defines the outer shape of the upper surface of the first holding
第1開口C1の面積は、図3に示したように、第1保持体14の上面(第1保持体14の上面の外形を規定する面から第1開口C1を除いた面)の面積よりも小さいことが望ましい。その結果、第1開口C1の面積が第1保持体14の上面の面積よりも大きい場合と比較して、第1保持体14の強度を向上させることができ、例えば空洞B内の空気の熱膨張などによって第1保持体14が割れることを防止することができる。
As shown in FIG. 3, the area of the first opening C1 is larger than the area of the upper surface of the first holding body 14 (the surface excluding the first opening C1 from the surface defining the outer shape of the upper surface of the first holding body 14). It is desirable to be small. As a result, compared with the case where the area of the first opening C1 is larger than the area of the upper surface of the first holding
ここで、図3は、第1保持体14の上面を示しており、第1保持体14の形状および第1開口C1の形状などを詳細に示している。
Here, FIG. 3 shows the upper surface of the first holding
空洞Bは、図2に示したように、第1保持体14を縦断面視したときに、幅が第1保持体14の下面から上面に向かって大きくなる第1傾斜領域R1を有することが望ましい。このような構成であることによって、種結晶4内の温度勾配を小さくできるため、結晶を均一に成長させやすくなる。すなわち、種結晶4内の温度勾配が大きすぎる場合は、種結晶4内の温度が低い部分のみに極端に結晶が成長してしまうおそれがあるが、上記構成によれば、空洞Bによって形成された断熱部のうち種結晶4に近接する断熱部が小さくなるので、断熱部の近接領域において種結晶4から第1保持体14への伝熱が断熱部の影響で低減され過ぎることを抑制することができる。その結果、断熱部によって種結晶4内の断熱部の近接領域において温度が極端に上昇することを抑制でき、種結晶4内の温度勾配を小さくすることできる。したがって、種結晶4の下面の一部分のみでの極端な結晶の成長を抑制し、ひいては成長した結晶に溝が形成される等の不具合の発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 2, the cavity B has a first inclined region R <b> 1 whose width increases from the lower surface to the upper surface of the first holding
一方、空洞Bが第1保持体14の上面に向かって大きくなることによって、第1保持体14と第2保持体15との接着面積を小さくすることができる。それゆえ、第1保持体14から第2保持体15への伝熱が低減し、種結晶4から第1保持体14への伝熱を抑制することができ、種結晶4の下面の一部における結晶の急激な成長を抑制することができる。
On the other hand, since the cavity B becomes larger toward the upper surface of the first holding
空洞Bは、図2に示したように、第1傾斜領域R1から第1保持体14の上面側に続くとともに、第1保持体14の側面に沿って伸びた垂直領域R2を有することが望ましい。このような構成であることによって、第1傾斜領域R1が第1保持体14の上面から下面にかけて形成されている場合と比較して、第1保持体14内の空洞Bの周囲を移動する熱の伝熱領域を小さくすることができる、その結果、種結晶4から伝わった熱が第1保持体14内に留まることから、種結晶4から第1保持体14への伝熱が抑制され、種結晶4の下面の一部における結晶の急激な成長を抑制することができる。
As shown in FIG. 2, the cavity B preferably has a vertical region R <b> 2 that extends from the first inclined region R <b> 1 to the upper surface side of the first holding
第1傾斜領域R1の高さ(Z軸方向に沿った長さ)は、図2に示したように、垂直領域R2の高さよりも小さいことが望ましい。このような構成であることによって、効果的に結晶4から伝わった熱を第1保持体14内に留め、種結晶4から第1保持体14への伝熱を抑えることができる。
The height (length along the Z-axis direction) of the first inclined region R1 is desirably smaller than the height of the vertical region R2, as shown in FIG. With such a configuration, heat transferred from the
空洞Bは、第1保持体14を縦断面視したときに、垂直領域R2から第1保持体14の上面側に続くとともに、幅が第1保持体14の上面に向かって小さくなる第2傾斜領域(不図示)を有していてもよい。このような構成である場合には、第1保持体14と第2保
持体15との接着面積が大きくなるため、第1保持体14と第2保持体15との接着強度を向上させることができる。
The cavity B continues from the vertical region R2 to the upper surface side of the first holding
空洞Bは、図2に示したように、1つの第1貫通孔A1から構成されていることが望ましい。このような構成であることによって、空洞Bが複数の第1貫通孔A1から構成されている場合と比較して空洞Bを小さくできるため、第1保持体14の強度を向上させることができ、例えば空洞B内の空気の熱膨張などによって第1保持体14が割れることを防止することができる。
As shown in FIG. 2, the cavity B is preferably composed of one first through hole A1. With such a configuration, the cavity B can be made smaller compared to the case where the cavity B is composed of a plurality of first through holes A1, so that the strength of the first holding
空洞Bは、上面視にて、第1保持体14の中心に対して点対称となるように配された複数の第1貫通孔A1で構成されていてもよい。このような構成である場合は、種結晶4から第1保持体14への伝熱を均一に近づけることができ、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができる。
The cavity B may be composed of a plurality of first through holes A1 arranged so as to be point-symmetric with respect to the center of the first holding
空洞Bは、図2に示したように、第1保持体14の中央部に形成されていることが望ましい。すなわち、空洞Bは、上面視にて第1保持体14の中心を含むように形成されていることが望ましい。このような構成であることによって、例えば種結晶保持体5を回転させつつ結晶を成長させる場合に、空洞Bが第1保持体14の中心から離れて形成されている場合と比較して、種結晶4内の温度を一定に保ちやすくなり、結晶を安定して成長させることができる。
As shown in FIG. 2, the cavity B is preferably formed in the center of the first holding
第1貫通孔A1によって第1保持体14の下面に形成された第2開口C2の面積は、図4に示したように、第1保持体14の下面(第1保持体14の下面の外形を規定する底面から第2開口C2を除いた面)の面積よりも小さいことが望ましい。このような構成であることによって、種結晶4の近接領域での断熱部が小さくなり、種結晶4への断熱の影響を小さくでき、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができる。
As shown in FIG. 4, the area of the second opening C2 formed in the lower surface of the first holding
ここで、図4は、第1保持体14の下面を示しており、第1保持体14の形状および第2開口C2の形状などを詳細に示している。
Here, FIG. 4 shows the lower surface of the first holding
第2開口C2は、例えば円形状、または四角形状もしくは六角形状などの多角形状に形成されている。本実施形態では、第2開口C2は、円形状に形成されており、その半径は、例えば第1保持体14の下面の外形を規定する底面の1%以上80%以下に設定されている。本実施形態では、第2開口C2の面積は、第1開口C1の面積よりも小さく設定されている。
The second opening C2 is formed in, for example, a circular shape, or a polygonal shape such as a quadrangular shape or a hexagonal shape. In the present embodiment, the second opening C2 is formed in a circular shape, and the radius thereof is set to, for example, 1% to 80% of the bottom surface that defines the outer shape of the lower surface of the first holding
第1保持体14には、図2に示したように、空洞Bの内面および第1保持体14の側面にわたって通気孔Dが形成されていることが望ましい。このような構成であることによって、空洞B内に閉じ込められた空気が坩堝3の加熱によって熱膨張し、第1保持体14または種結晶4が割れること、もしくは種結晶4が第1保持体14から剥がれることを防止することができる。
As shown in FIG. 2, the first holding
第2保持体15は、上端が動力源12に保持されて、下面にて第1保持体14を保持するものである。第2保持体15は、図5に示したように、第1保持体14の第1開口C1を塞ぐように第1保持体14の上面に固定されている。また、第2保持体15は、例えば炭素を含んでなる保持体接着材16を介して第1保持体14に固定されている。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15とが一体的に形成されている場合と比較して、第1保持体14と第2保持体15とが離れて配されるため、第1保持体14から第2保持体15への伝熱が低減する。その結果、種結晶4の下面の一部における結晶の急激な成長を抑制することができる。
The
ここで、図5は、図2に示した種結晶保持体5の縦断面の一部をさらに拡大した拡大図であり、第1保持体14と第2保持体15との固定部分を詳細に示している。
Here, FIG. 5 is an enlarged view in which a part of the longitudinal section of the seed
保持体接着材16は、第1保持体14の空洞B内に入り込んでいる。そして、図5に示したように、第1保持体14の空洞Bの内面および第2保持体15の下面にわたってメニスカスを形成していることが望ましい。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15との接着強度を向上させることができ、第1保持体14が第2保持体15から外れることを防止することができる。
The holding
保持体接着材16は、図5に示したように、第1保持体14の側面および第2保持体15の側面にわたって配されていることが望ましい。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15との接着強度を向上させることができる。
As shown in FIG. 5, the holding
保持体接着材16は、第1保持体14および第2保持体15の側面よりも内側に入り込んでいてもよい。このような構成である場合は、第1保持体14から第2保持体15への伝熱を低減させることができ、結晶の急激な成長を抑制することができる。
The holding body adhesive 16 may enter inside the side surfaces of the first holding
第2保持体15は、第1保持体7と同じ材料で構成されることが望ましい。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15とが異なる材料で構成される場合と比較して、第1保持体14と第2保持体15との熱膨張量の差が小さくなり、保持体接着材16に加わる熱応力が小さくなることから、第1保持体14の第2保持体15からの剥離を防止することができる。このような構成は、第1保持体14から第2保持体15への伝熱を低減するために第1保持体14と第2保持体15との接着面積を小さくしている場合に特に効果的である。
The
第2保持体15の下面の面積は、図2に示したように、第1保持体14の上面の外形を規定する面の面積と同じであることが望ましい。すなわち、上面透視したときに、第2保持体15の側面と第1保持体14の側面とが一致していることが望ましい。このような構成であることによって、第1保持体14と第2保持体15との接着強度を向上させつつ、第1保持体14から第2保持体15への伝熱を低減することができる。
As shown in FIG. 2, the area of the lower surface of the
第2保持体15は、例えば円柱状、または四角形状もしくは六角形状などの多角形状の底面をもつ多角柱状などに形成されている。本実施形態では、第2保持体15は、半径が例えば5mm以上100mm以下である円が底面として設定され、高さが例えば100mm以上1000mm以下に設定された円柱状に形成されている。なお、本実施形態では、第2保持体15の高さは、第1保持体14の高さよりも大きく設定されている。
The
(種結晶保持体の変形例1)
第1保持体14は、図6に示したように、長手方向の上下端面にわたる第2貫通孔A2(空洞B)を有する軸部17と、軸部17の下端面に第2貫通孔A2の開口を塞ぐように設けられた種結晶保持部18とを有していてもよい。このような構成であることによって、種結晶4の近傍領域での断熱部が小さくなり、種結晶4への断熱の影響を小さくでき、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができる。なお、本変形例では、軸部17の第2貫通孔A2が第1保持体14の空洞Bとなる。
(Variation 1 of seed crystal holder)
As shown in FIG. 6, the first holding
また、上記構成を有することによって、第1保持体14と種結晶4との接着面積が大きくなるため、第1保持体14と種結晶4との接着強度を向上させることができ、種結晶4の第1保持体14からの剥離を防止することができる。また、例えば通気孔Dがない場合に、空洞B内に閉じ込められた空気の熱膨張を押さえ込み、種結晶4の割れなどを防止す
ることができる。
Further, since the bonding area between the first holding
種結晶保持部18は、保持体接着材16を介して軸部17に固定されていることが望ましい。このような構成であることによって、軸部17と種結晶保持部18とが離れて配されるため、種結晶保持部18から軸部17への伝熱が低減する。その結果、結晶保持部18内において平面方向(XY平面方向)への伝熱を向上させることができるため、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができる。
The seed
種結晶保持部18と軸部17とは、一体的に形成されていてもよい。このような構成である場合には、種結晶保持部18と軸部17との熱膨張量の差によって種結晶保持部18が軸部17から剥がれることを防止することができる。
The seed
軸部17は、例えば円柱状、または四角形状もしくは六角形状などの多角形状の底面を持つ多角柱状などの形状となっている。本実施形態では、軸部17は、円柱状に形成されて、その高さが例えば第1保持体14の高さの60%以上90%以下に設定されている。
The shaft portion 17 has, for example, a cylindrical shape or a polygonal column shape having a polygonal bottom surface such as a quadrangular shape or a hexagonal shape. In the present embodiment, the shaft portion 17 is formed in a columnar shape, and the height thereof is set to, for example, 60% or more and 90% or less of the height of the first holding
種結晶保持部18は、例えば円形状または多角形状の板状等の形状となっている。本実施形態では、種結晶保持部18は、円板状に形成されて、その厚みが例えば第1保持体14の高さの10%以上40%以下に設定されている。本実施形態では、種結晶保持部18の厚みは軸部17の高さよりも小さい。
The seed
(種結晶保持体の変形例2)
第1保持体14は、図7に示したように、長手方向の上下端面にわたる第2貫通孔A2(空洞B)を有する軸部17と、軸部17の下端面に第2貫通孔A2の開口を塞ぐように設けられた種結晶保持部18と、軸部17の第2貫通孔A2内の中央部に配された柱部19とを有していてもよい。このような構成であることによって、種結晶4の中央部の温度が極端に大きくなることを低減することができ、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができる。なお、本変形例では、軸部17の第2貫通孔A2が第1保持体14の空洞Bとなる。
(Variation 2 of seed crystal holder)
As shown in FIG. 7, the first holding
柱部19は、図7に示したように、柱部19を縦断面視したときに、幅が柱部19の下面から上面に向かって小さくなる傾斜部20を有していることが望ましい。このような構成であることによって、柱部19の下面の面積が大きくなることから、種結晶4内の温度勾配を小さくすることができるとともに、柱部19の上面の面積が小さくなることから、種結晶4から第1保持体14への伝熱を低減することができる。
As shown in FIG. 7, the
柱部19は、図7に示したように、柱部19を縦断面視したときに、傾斜部20の柱部19の上面側に続くとともに、第2貫通孔A2の内面に沿って伸びた垂直部21を有していることが望ましい。このような構成であることによって、第1保持体14を伝わる熱の伝熱領域を小さくすることができるため、種結晶4から第1保持体14への伝熱を低減することができる。
As shown in FIG. 7, the
本実施形態では、柱部19の上端は、保持体接着材16を介して第2保持体15の下面に固定されている。また、柱部19の下端は、保持体接着材16を介して種結晶保持部18に固定されている。柱部19は、空洞Bに嵌め込まれていてもよい。
In the present embodiment, the upper end of the
<結晶の製造方法>
本発明の実施形態に係る結晶の製造方法について説明する。本実施形態の結晶の製造方法は、準備工程、保持工程、接触工程および供給工程を有している。
<Crystal production method>
A method for producing a crystal according to an embodiment of the present invention will be described. The crystal manufacturing method of the present embodiment includes a preparation process, a holding process, a contacting process, and a supplying process.
炭化珪素からなる結晶は、例えば結晶製造装置1によって製造することができる。結晶製造装置1は、主に、坩堝3、坩堝容器6、加熱機構8、搬送機構11および制御部13を有している。本実施形態の結晶の製造方法は、この結晶製造装置1で溶液成長法を用いて結晶の製造を行なうものである。
A crystal made of silicon carbide can be manufactured by, for example, the crystal manufacturing apparatus 1. The crystal manufacturing apparatus 1 mainly includes a
(準備工程および保持工程)
坩堝3と、坩堝3内に配置された、炭素を含む珪素の溶液2とを準備する。具体的には、珪素の原料となる珪素粒子と、炭素の原料となる炭素粒子とを坩堝3内に配置し、珪素の融点(約1414℃)以上に加熱する。これによって、坩堝3内に炭素を含む珪素の溶液2を配置して保持することができる。なお、溶液2に含まれる炭素は、黒鉛からなる坩堝3から供給してもよい。
(Preparation process and holding process)
A
次に、機械的加工によって空洞Bを形成した第1保持体14と第2保持体15とを準備し、第1保持体14の下面に炭化珪素からなる種結晶4を固定して保持する。そして、第1保持体14と第2保持体15とを保持体接着材16を用いて固定することによって種結晶保持体5を準備する。これにより、種結晶保持体5によって種結晶4が保持されることになる。
Next, the first holding
(接触工程)
その後、種結晶4の下面を溶液2に接触させる。種結晶4は、種結晶保持体5を上下方向(Z軸方向)に移動させることによって溶液2の液面に対する高さを変えて、溶液2に接触させる。なお、本実施形態では、溶液2および種結晶4を接触させる手段として種結晶4を移動させる手段を説明するが、坩堝3を移動させる手段、または種結晶4および坩堝3を移動させる手段を用いてもよい。
(Contact process)
Thereafter, the lower surface of the
種結晶4は、下面の少なくとも一部が溶液2に接触していればよい。そのため、種結晶4の下面全体が溶液2に接触するようにしてもよいし、種結晶4の側面または上面が浸かるように溶液2に接触させてもよい。種結晶4の側面または上面が浸かるように溶液2に入れた場合には、種結晶4の下面全体を確実に溶液2に接触させることができ、生産性を向上させることができる。
It suffices that at least a part of the lower surface of the
溶液2の温度は、例えば1400℃以上2000℃以下となるように設定されている。溶液2の温度が変動する場合には、溶液2の温度として、例えば一定時間において複数回測定した温度を平均した温度を用いることができる。溶液2の温度を測定する方法としては、例えば熱電対で直接的に測定する方法、またはレーザーを用いて間接的に測定する方法などを用いることができる。 The temperature of the solution 2 is set to be 1400 ° C. or more and 2000 ° C. or less, for example. When the temperature of the solution 2 fluctuates, as the temperature of the solution 2, for example, a temperature obtained by averaging temperatures measured a plurality of times in a certain time can be used. As a method for measuring the temperature of the solution 2, for example, a method of directly measuring with a thermocouple or a method of indirectly measuring with a laser can be used.
種結晶4の下面を溶液2に接触させることにより、下面とその付近の溶液2との間に温度差ができるため、下面に炭化珪素の結晶の成長を開始することができる。種結晶4の下面を接触させた後、種結晶4を上方向に少しずつ引き上げることによって、下面に成長した結晶を厚み方向に長尺化することができる。種結晶4を引き上げる速度は、例えば50μm/h以上に設定することができる。
By bringing the lower surface of the
種結晶4の下面に結晶が成長しているときは、溶液2内の炭素が結晶および雑晶で消費されることとなるが、炭素からなる坩堝3の内壁の一部が溶液2で溶解されるので、溶液2の炭素濃度がある程度の範囲で維持されることになる。そのため、結晶を連続的に成長させることができる。
When crystals grow on the lower surface of the
(結晶の製造方法の変形例1)
供給工程において、溶液2の粘度を小さくする材料であるガリウムなどを添加材として
供給してもよい。従来の結晶の製造方法では、結晶成長が終了して種結晶保持体5を引き上げた際に、溶液2の液滴が成長した結晶の下面に付着し、その液滴が乾燥するときの熱応力が成長した結晶との界面付近に発生することによって、成長した結晶が割れたり転位が新たに発生したりすることがあった。
(Variation 1 of crystal manufacturing method)
In the supplying step, gallium or the like which is a material for reducing the viscosity of the solution 2 may be supplied as an additive. In the conventional crystal manufacturing method, when the crystal growth is completed and the
そのため、結晶成長を終了するために種結晶4の下面に成長した結晶を引き上げる前に、溶液2の粘度を小さくする材料を供給することにより、成長した結晶の下面に溶液2の液滴が付着することを抑制することができる。ガリウムは、例えば溶液2に対して1質量%以上10質量%以下となるように供給することができる。
Therefore, before pulling up the crystal grown on the lower surface of the
また、溶液2の粘度を小さくするために珪素を供給してもよい。珪素を溶液2に供給することにより、溶液2の珪素の比率を高くして溶液2の粘度を小さくすることができる。珪素の供給量は、珪素を供給した後の溶液2に含まれる珪素が85質量%以上となるように設定すればよい。珪素を供給して溶液2の粘度を小さくする場合は、成長させる結晶に不純物が含まれにくくすることができる。 Further, silicon may be supplied to reduce the viscosity of the solution 2. By supplying silicon to the solution 2, the ratio of silicon in the solution 2 can be increased and the viscosity of the solution 2 can be decreased. What is necessary is just to set the supply amount of silicon so that the silicon contained in the solution 2 after supplying silicon may be 85 mass% or more. When silicon is supplied to reduce the viscosity of the solution 2, it is possible to prevent impurities from being contained in the crystal to be grown.
(結晶の製造方法の変形例2)
供給工程の後、成長した結晶の下面を溶液2から離し、溶液2の温度を珪素の融点以下に降下させ始めた後、離しておいた結晶の下面を溶液2に再度接触させる工程をさらに有していてもよい。
(Variation 2 of crystal production method)
After the supplying step, the method further comprises a step of separating the lower surface of the grown crystal from the solution 2, starting the temperature of the solution 2 below the melting point of silicon, and then bringing the separated lower surface of the crystal into contact with the solution 2 again. You may do it.
具体的には、溶液2の粘度を下げる材料を供給した後、成長した結晶を溶液2から離す。その後、溶液2の温度を珪素の融点以下に降下させて、溶液2を液体から固体へ相変換する。このように相変換を行なっている間または相変換後に、成長した結晶を再度溶液2に接触させることにより、下面に液滴が付着していた場合でも、この液滴を溶液2側に付着させることができる。これにより、下面に付着した液滴の量を少なくすることができ、その結果、液滴による熱応力を小さくすることができる。 Specifically, after supplying a material that lowers the viscosity of the solution 2, the grown crystal is separated from the solution 2. Thereafter, the temperature of the solution 2 is lowered below the melting point of silicon, and the solution 2 is phase-converted from a liquid to a solid. By contacting the grown crystal again with the solution 2 during or after the phase conversion as described above, even when the droplet is attached to the lower surface, the droplet is attached to the solution 2 side. be able to. As a result, the amount of droplets attached to the lower surface can be reduced, and as a result, the thermal stress caused by the droplets can be reduced.
成長した結晶を溶液2から離す工程では、結晶の下面が溶液2の液面から離れるように、結晶を上方向に引き上げる。成長した結晶を溶液2から離した後、結晶を液面から一定の高さとなる位置で維持する。このときの結晶の下面の液面からの高さは、結晶の下面が溶液2と接触しない位置であればよく、例えば1mm以上3cm以下となるように設定することができる。これにより、溶液2に近いほど溶液2の蒸気が結晶の下面に当たりやすくなるため、結晶の下面の表面温度が下がることを抑制することができ、成長した結晶の下面に雑晶が発生しにくくすることができる。 In the step of separating the grown crystal from the solution 2, the crystal is pulled upward so that the lower surface of the crystal is separated from the liquid surface of the solution 2. After the grown crystal is separated from the solution 2, the crystal is maintained at a position at a certain height from the liquid surface. At this time, the height of the lower surface of the crystal from the liquid level may be a position where the lower surface of the crystal does not come into contact with the solution 2, and can be set to be, for example, 1 mm or more and 3 cm or less. Thereby, since the vapor | steam of the solution 2 becomes easy to hit the lower surface of a crystal so that it is closer to the solution 2, it can suppress that the surface temperature of the lower surface of a crystal falls, and it makes it difficult to generate a miscellaneous crystal on the lower surface of the grown crystal. be able to.
また、供給工程の前に、成長した結晶の下面を溶液2から離す工程を有していてもよい。このように供給工程の前に成長した結晶を溶液2から離すことにより、供給工程の後に、原料または添加材が溶液2内に混ざる時間で進む結晶成長を中止することができる。成長した結晶を溶液2から離している時間は、原料を供給する場合には溶液2の炭素の濃度が飽和濃度となるまでの時間に設定してもよいし、炭素の濃度が特定の濃度となるまでの時間に設定してもよい。 Moreover, you may have the process of separating the lower surface of the grown crystal | crystallization from the solution 2 before a supply process. Thus, by separating the crystal grown before the supplying step from the solution 2, it is possible to stop the crystal growth that proceeds in the time when the raw material or additive is mixed in the solution 2 after the supplying step. The time during which the grown crystal is separated from the solution 2 may be set to a time until the carbon concentration of the solution 2 reaches a saturation concentration when the raw material is supplied. You may set to the time until.
(結晶の製造方法の変形例3)
供給工程の後、溶液2の温度を上昇させるために加熱する加熱工程を有してもよい。このような工程を有していることにより、原料または添加材を溶液2に供給した場合に、溶液2の温度が降下するのを抑制することができる。また、溶液2の溶解度を高くすることができるので、原料または添加材が溶解されやすくすることができる。
(
You may have the heating process heated in order to raise the temperature of the solution 2 after a supply process. By having such a process, when the raw material or the additive is supplied to the solution 2, it is possible to suppress the temperature of the solution 2 from dropping. Moreover, since the solubility of the solution 2 can be made high, a raw material or an additive can be made easy to melt | dissolve.
加熱工程は、溶液2の温度を接触工程における温度よりも高く且つ珪素の沸点(235
5℃)よりも低くする。溶液2を上昇させる温度としては、接触工程における溶液2の温度に対して、例えば40℃以上150℃以下とすることができる。溶液2の温度を上昇させる方法としては、コイル9に流す電流を大きくして坩堝3を加熱する電磁波を強くする方法を用いることができる。
In the heating step, the temperature of the solution 2 is higher than the temperature in the contact step, and the boiling point of silicon (235
Lower than 5 ° C.). As temperature which raises the solution 2, it can be 40 degreeC or more and 150 degrees C or less with respect to the temperature of the solution 2 in a contact process, for example. As a method for increasing the temperature of the solution 2, a method can be used in which the current flowing through the
溶液2の温度は、徐々に高くしていってもよいし、急激に高くしてもよい。溶液2の温度を徐々に高くしていく場合には、例えば5℃/h以上30℃/h以下となるように設定することができる。このように徐々に溶液2の温度を高くしていく場合には、坩堝3と溶液2との間の温度差が小さい状態で溶液2の温度を高くすることができるため、坩堝3と溶液2との界面付近における溶液2の蒸発を抑制することができる。
The temperature of the solution 2 may be gradually increased or may be rapidly increased. When the temperature of the solution 2 is gradually increased, for example, the temperature can be set to 5 ° C./h or more and 30 ° C./h or less. When the temperature of the solution 2 is gradually increased as described above, the temperature of the solution 2 can be increased while the temperature difference between the
1 結晶製造装置
2 溶液
3 坩堝
4 種結晶
5 種結晶保持体
6 坩堝容器
7 保温材
8 加熱機構
9 コイル
10 交流電源
11 搬送機構
12 動力源
13 制御部
14 第1保持体
15 第2保持体
16 保持体接着材
17 軸部
18 種結晶保持部
19 柱部
20 傾斜部
21 垂直部
A1 第1貫通孔
A2 第2貫通孔
B 空洞
C1 第1開口
C2 第2開口
D 通気孔
R1 第1傾斜領域
R2 垂直領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystal manufacturing apparatus 2
Claims (6)
下面に前記種結晶を保持するとともに、上面のうち外周部を除く領域に開口している空洞を有する第1保持体と、前記開口を塞ぐように前記第1保持体の上面の外周部に固定されている柱状の第2保持体とを有し、
前記第2保持体は、前記第1保持体よりも長い、種結晶保持体。 A silicon carbide crystal is grown from the solution on the lower surface of the seed crystal by pulling the lower surface of the seed crystal made of silicon carbide in contact with a solution containing carbon and silicon held in a crucible having an opening at the upper end. A columnar seed crystal holder used in a solution growth method,
A first holding body that holds the seed crystal on the lower surface and has a cavity opened in a region of the upper surface excluding the outer peripheral portion, and is fixed to the outer peripheral portion of the upper surface of the first holding body so as to close the opening. have a second holder of the columnar being,
The second holder is a seed crystal holder that is longer than the first holder .
前記空洞は、前記第1保持体を縦断面視したとき、幅が前記第1保持体の下面から上面に向かって大きくなる傾斜領域を有する種結晶保持体。 The seed crystal holder according to claim 1,
The hollow has a seed crystal holding body having an inclined region whose width increases from the lower surface to the upper surface of the first holding body when the first holding body is viewed in a longitudinal section.
前記第1保持体に、前記空洞の内面および前記第1保持体部の側面にわたって通気孔が形成されている種結晶保持体。 The seed crystal holder according to claim 1 or 2,
A seed crystal holder in which a ventilation hole is formed in the first holder over the inner surface of the cavity and the side surface of the first holder.
前記第1保持体は、長手方向の上下端面にわたる貫通孔を有する軸部と、該軸部の下端面に前記貫通孔の開口を塞ぐように設けられた種結晶保持部とを有し、
前記貫通孔が前記空洞である種結晶保持体。 In the seed-crystal holding body in any one of Claims 1-3,
The first holding body has a shaft portion having a through-hole extending over the upper and lower end surfaces in the longitudinal direction, and a seed crystal holding portion provided at the lower end surface of the shaft portion so as to close the opening of the through-hole,
A seed crystal holder in which the through hole is the cavity.
該種結晶保持体が挿入される開口を上端に有するとともに、内部に炭素および珪素を含む溶液を保持する坩堝とを備える結晶製造装置。 The seed crystal holder according to any one of claims 1 to 4,
A crystal manufacturing apparatus comprising an opening into which the seed crystal holder is inserted at an upper end and a crucible for holding a solution containing carbon and silicon inside.
前記種結晶保持体の前記第1保持体の下面に炭化珪素からなる種結晶を保持する保持工程と、
前記種結晶保持体に保持した前記種結晶の下面を前記坩堝内に保持された前記溶液に接触させる接触工程と、
前記種結晶を前記溶液から引き上げて、前記種結晶の下面に前記溶液から炭化珪素の結晶を成長させる結晶成長工程とを有する結晶の製造方法。 Preparing a crucible holding a seed crystal holder according to any one of claims 1 to 4 and a solution containing carbon and silicon inside;
A holding step of holding a seed crystal made of silicon carbide on a lower surface of the first holding body of the seed crystal holding body;
Contacting the lower surface of the seed crystal held in the seed crystal holder with the solution held in the crucible;
A crystal growth step of pulling up the seed crystal from the solution and growing a crystal of silicon carbide from the solution on the lower surface of the seed crystal.
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