JP6060863B2 - SiC single crystal and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子として好適なSiC単結晶及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、厚みが大きく且つ欠陥が少ないSiC単結晶、及び溶液法によるSiC単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a SiC single crystal suitable as a semiconductor element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a SiC single crystal having a large thickness and few defects, and a method for manufacturing a SiC single crystal by a solution method.

SiC単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもSi単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有する。そのため、Si単結晶やGaAs単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能であり、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。   SiC single crystals are very thermally and chemically stable, excellent in mechanical strength, resistant to radiation, and have excellent physical properties such as higher breakdown voltage and higher thermal conductivity than Si single crystals. . Therefore, it is possible to realize high power, high frequency, withstand voltage, environmental resistance, etc. that cannot be realized with existing semiconductor materials such as Si single crystal and GaAs single crystal, and power devices that enable high power control and energy saving. Expectations are growing as next-generation semiconductor materials in a wide range of materials, high-speed and large-capacity information communication device materials, in-vehicle high-temperature device materials, radiation-resistant device materials and the like.

従来、SiC単結晶の成長法としては、代表的には気相法、アチソン(Acheson)法、及び溶液法が知られている。気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥等の格子欠陥及び結晶多形が生じやすいという欠点を有するが、結晶の成長速度が大きいため、従来、SiCバルク単結晶の多くは昇華法により製造されている。また、成長結晶の欠陥を低減する試みも行われており、昇華法により(11−20)面及び(1−100)面に、繰り返し結晶成長させることで、<0001>方向に伝搬する転位密度を低減する方法が提案されている(特許文献1)。アチソン法では原料として珪石とコークスを使用し電気炉中で加熱するため、原料中の不純物等により結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。   Conventionally, as a method for growing a SiC single crystal, a gas phase method, an Acheson method, and a solution method are typically known. Among the vapor phase methods, for example, the sublimation method has a defect that a grown single crystal is liable to cause a lattice defect such as a hollow through defect called a micropipe defect or a stacking fault and a crystal polymorphism, but the crystal growth. Due to the high speed, many of SiC bulk single crystals are conventionally produced by a sublimation method. Attempts have also been made to reduce defects in the grown crystal, and the dislocation density propagates in the <0001> direction by repeatedly growing crystals on the (11-20) plane and the (1-100) plane by the sublimation method. Has been proposed (Patent Document 1). In the Atchison method, since silica and coke are used as raw materials and heated in an electric furnace, it is impossible to obtain a single crystal with high crystallinity due to impurities in the raw materials.

溶液法は、黒鉛坩堝中でSi融液またはSi融液に合金を融解し、その融液中にCを溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上にSiC結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は気相法に比べ熱平衡に近い状態での結晶成長が行われるため、低欠陥化が期待できる。このため、最近では、溶液法によるSiC単結晶の製造方法がいくつか提案されており、平坦性の優れた成長表面を有するSiC単結晶を得る方法(特許文献2)、結晶欠陥が少ないSiC単結晶を得る方法(特許文献3)、多結晶の発生を抑制するためのSiC単結晶の製造装置(特許文献4)が提案されている。   In the solution method, an Si melt or an alloy is melted into the Si melt in a graphite crucible, C is dissolved in the melt, and a SiC crystal layer is deposited on a seed crystal substrate placed in a low temperature portion to grow. Is the method. Since the crystal growth is performed in the solution method in a state close to thermal equilibrium as compared with the gas phase method, it can be expected to reduce defects. For this reason, recently, several methods for producing a SiC single crystal by a solution method have been proposed. A method for obtaining a SiC single crystal having a growth surface with excellent flatness (Patent Document 2), a SiC single crystal with few crystal defects, and the like. A method of obtaining a crystal (Patent Document 3) and a SiC single crystal manufacturing apparatus (Patent Document 4) for suppressing the generation of polycrystals have been proposed.

特開2003−119097号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-119097 特開2007−197231号公報JP 2007-197231 A 特開平6−227886号公報JP-A-6-227886 特開2012−136386号公報JP 2012-136386 A

特許文献1〜4に記載されるように、昇華法または溶液法において、成長結晶の欠陥を低減する試みが行われている。しかしながら、半導体素子として使用することができる高品質のSiC単結晶を安定して得るためには、上記方法では未だ不十分であり、特に、貫通転位を含まないSiC単結晶を歩留よく製造することは依然として困難である。昇華法においては貫通転位をほぼ含まないかあるいは全く含まないSiC単結晶を得ることは困難であり、溶液法においても、種結晶の転位が伝搬しやすく、貫通転位をほぼ含まないかあるいは全く含まないSiC単結晶を得ることは難しい。さらには、貫通転位をほぼ含まないかあるいは全く含まず、且つ大きな厚みを有するSiC単結晶を得ることは非常に困難である。   As described in Patent Documents 1 to 4, attempts have been made to reduce defects in grown crystals in the sublimation method or the solution method. However, in order to stably obtain a high-quality SiC single crystal that can be used as a semiconductor element, the above method is still insufficient, and in particular, an SiC single crystal that does not contain threading dislocations is manufactured with a high yield. That is still difficult. In the sublimation method, it is difficult to obtain a SiC single crystal containing almost or no threading dislocations. In the solution method, the dislocation of the seed crystal is easily propagated, and almost or not including threading dislocations. It is difficult to obtain no SiC single crystal. Furthermore, it is very difficult to obtain a SiC single crystal that contains almost no threading dislocations or no threading dislocation and has a large thickness.

本発明は、上記課題を解決するものであり、貫通らせん転位、貫通刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥といった貫通転位密度が小さく且つ大きな成長厚みを有するSiC単結晶、及びそのようなSiC単結晶の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and has a small single threading dislocation density such as threading screw dislocations, threading edge dislocations, and micropipe defects, and a large growth thickness. An object is to provide a manufacturing method.

本発明は、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてSiC単結晶を成長させる、SiC単結晶の製造方法であって、
(1−100)面を成長面としてSiC単結晶を成長させている際に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を少なくとも1回大きくして、4mm以上の成長厚みを有するSiC単結晶を成長させる、
SiC単結晶の製造方法である。
The present invention is a method for producing a SiC single crystal, wherein a SiC single crystal is grown by bringing a SiC seed crystal substrate into contact with a Si-C solution having a temperature gradient that decreases in temperature from the inside toward the surface,
When the SiC single crystal is grown with the (1-100) plane as the growth surface, the SiC single crystal having a growth thickness of 4 mm or more is obtained by increasing the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution at least once. Grow,
It is a manufacturing method of a SiC single crystal.

本発明はまた、貫通転位密度が10個/cm2以下であり、且つ4mm以上の成長厚みを有する、SiC単結晶である。 The present invention is also a SiC single crystal having a threading dislocation density of 10 pieces / cm 2 or less and a growth thickness of 4 mm or more.

本発明によれば、貫通転位密度が小さく且つ大きな成長厚みを有するSiC単結晶を得ることができる。   According to the present invention, a SiC single crystal having a small threading dislocation density and a large growth thickness can be obtained.

図1は、SiC結晶成長を15時間連続して行った場合の、Si−C溶液の表面領域の温度勾配による、種結晶基板の厚みと結晶成長速度との関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the thickness of the seed crystal substrate and the crystal growth rate due to the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution when SiC crystal growth is continuously performed for 15 hours. 図2は、SiC結晶成長を24時間連続して行った場合の、Si−C溶液の表面領域の温度勾配による、種結晶基板の厚みと結晶成長速度との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the seed crystal substrate and the crystal growth rate according to the temperature gradient in the surface region of the Si—C solution when SiC crystal growth is continuously performed for 24 hours. 図3は、本発明において得られ得る結晶厚みと結晶成長速度との関係を表した模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the crystal thickness and the crystal growth rate that can be obtained in the present invention. 図4は、本発明において使用し得る単結晶製造装置の一例の断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an example of a single crystal production apparatus that can be used in the present invention. 図5は、実施例で成長させたSiC結晶の断面透過像である。FIG. 5 is a cross-sectional transmission image of the SiC crystal grown in the example. 図6は、実施例で成長させたSiC結晶の断面透過像である。FIG. 6 is a cross-sectional transmission image of the SiC crystal grown in the example. 図7は、実施例で用いた昇華法により作製された種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長させたSiC成長結晶のエッチング面の顕微鏡写真である。FIG. 7 is a photomicrograph of the etched surface of the seed crystal substrate produced by the sublimation method used in the example and the SiC growth crystal grown from the seed crystal substrate.

本明細書において、(1−100)面等の表記における「−1」は、本来、数字の上に横線を付して表記するところを「−1」と表記したものである。   In the present specification, “−1” in the notation of the (1-100) plane and the like is a place where “−1” is originally written with a horizontal line on the number.

上記特許文献1に記載されるように、従来、RAF成長法が結晶の低欠陥化に有効と考えられており、昇華法により(11−20)面(a面ともいう)成長及び(1−100)面(m面ともいう)成長を繰り返すことにより、転位を低減した結晶を作製することが行われている。しかしながら、RAF法によっても無転位の単結晶を得ることは難しく、また、(11−20)面及び(1−100)面の繰り返し成長が必要であり、より転位密度の低減が可能で且つ簡便な製造方法が望まれている。   As described in Patent Document 1, the RAF growth method has hitherto been considered effective for reducing defects in crystals, and (11-20) plane (also referred to as a-plane) growth and (1- A crystal with reduced dislocations is produced by repeating 100) plane (also referred to as m-plane) growth. However, it is difficult to obtain a dislocation-free single crystal even by the RAF method, and it is necessary to repeatedly grow the (11-20) plane and the (1-100) plane, and the dislocation density can be further reduced and simplified. New manufacturing methods are desired.

本発明者は、溶液法によるSiC単結晶の製造において、種結晶に起因して成長結晶に発生し得るらせん転位、刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥といった貫通転位密度が少なく且つ大きな成長厚みを有するSiC単結晶の製造方法について鋭意研究を行った。   The present inventors have a large growth thickness with a small threading dislocation density such as screw dislocations, edge dislocations, and micropipe defects that can occur in a grown crystal due to a seed crystal in the production of a SiC single crystal by a solution method. Intensive research was conducted on the production method of SiC single crystals.

その結果、種結晶の(1−100)面(m面ともいう)を基点としたm面成長を、溶液法を用いて行うことによって、種結晶よりも貫通転位密度が大幅に低いSiC単結晶が得られることを見出した。   As a result, an SiC single crystal having significantly lower threading dislocation density than the seed crystal is obtained by performing m-plane growth using the (1-100) plane (also referred to as m-plane) of the seed crystal as a base point using a solution method. It was found that can be obtained.

溶液法を用いてSiC単結晶をm面成長させることによって、貫通転位をほとんど含まないか全く含まないSiC単結晶が得ることができる。この方法によれば、成長面を変えて単結晶を繰り返し成長させる必要が無く、m面成長のみで、種結晶よりも、貫通転位を大幅に低減したSiC単結晶が得ることができる。   An SiC single crystal containing little or no threading dislocations can be obtained by growing the SiC single crystal by m-plane growth using a solution method. According to this method, there is no need to repeatedly grow the single crystal by changing the growth surface, and an SiC single crystal with significantly reduced threading dislocations compared to the seed crystal can be obtained only by m-plane growth.

さらには、(1−100)面を成長面としてSiC単結晶を成長させている際に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を少なくとも1回大きくすることが、大きな厚みを有するm面成長結晶を得るために有効であることが分かった。   Furthermore, when growing a SiC single crystal with the (1-100) plane as the growth surface, increasing the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution at least once increases the m-plane growth with a large thickness. It was found to be effective for obtaining crystals.

本発明は、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてSiC単結晶を成長させる、SiC単結晶の製造方法であって、(1−100)面を成長面としてSiC単結晶を成長させている際に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を少なくとも1回大きくして、4mm以上の成長厚みを有するSiC単結晶を成長させる、SiC単結晶の製造方法を対象とする。   The present invention is a method for producing a SiC single crystal, wherein a SiC single crystal is grown by bringing a SiC seed crystal substrate into contact with a Si-C solution having a temperature gradient that decreases in temperature from the inside toward the surface. 100) When the SiC single crystal is grown with the growth surface as the growth surface, the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution is increased at least once to grow a SiC single crystal having a growth thickness of 4 mm or more. The manufacturing method of a SiC single crystal is an object.

本発明に係るSiC単結晶の製造方法においては、溶液法が用いられる。SiC単結晶を製造するための溶液法とは、坩堝内において、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成することによってSi−C溶液の表面領域を過飽和にして、Si−C溶液に接触させた種結晶基板を基点として、種結晶基板上にSiC単結晶を成長させる方法である。   In the method for producing a SiC single crystal according to the present invention, a solution method is used. The solution method for producing a SiC single crystal is to supersaturate the surface region of the Si-C solution by forming a temperature gradient in the crucible that decreases in temperature from the inside of the Si-C solution toward the surface of the solution. In this method, an SiC single crystal is grown on the seed crystal substrate using the seed crystal substrate brought into contact with the Si-C solution as a base point.

本方法においては、SiC単結晶の製造に一般に用いられる品質のSiC単結晶を種結晶として用いることができる。例えば昇華法で一般的に作成したSiC単結晶を種結晶として用いることができる。このような昇華法で一般的に作成したSiC単結晶には、概して貫通転位が多く含まれている。   In this method, a SiC single crystal of a quality generally used for the production of an SiC single crystal can be used as a seed crystal. For example, a SiC single crystal generally prepared by a sublimation method can be used as a seed crystal. The SiC single crystal generally produced by such a sublimation method generally contains many threading dislocations.

本方法においては、(1−100)面を有するSiC種結晶を用いて、この(1−100)面を基点として溶液法を用いてSiC単結晶を(1−100)面成長させる。得られる(1−100)面成長したSiC単結晶の貫通転位密度は、種結晶の貫通転位密度よりも大幅に小さい。   In this method, an SiC seed crystal having a (1-100) plane is used, and a SiC single crystal is grown on a (1-100) plane by using the solution method with the (1-100) plane as a base point. The threading dislocation density of the obtained (1-100) plane grown SiC single crystal is significantly smaller than the threading dislocation density of the seed crystal.

本方法によれば、4mm以上の成長厚みを有し、且つ貫通らせん転位、貫通刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥を含む貫通転位密度が、10個/cm2以下、好ましくは5個/cm2以下、より好ましくは1個/cm2以下、さらに好ましくは0個/cm2であるSiC単結晶を得ることができる。 According to this method, the threading dislocation density having a growth thickness of 4 mm or more and including threading screw dislocations, threading edge dislocations, and micropipe defects is 10 pieces / cm 2 or less, preferably 5 pieces / cm 2. Hereinafter, it is possible to obtain a SiC single crystal that is more preferably 1 piece / cm 2 or less, and still more preferably 0 piece / cm 2 .

大きな厚みを有するm面成長結晶を得るためには、成長速度を大きくしたり、成長時間を長くする方法が挙げられる。しかしながら、m面成長においてはSi−C溶液のインクルージョンが発生しやすいため成長速度を速くすることは難しく、また成長時間を長くしても結晶成長に非常に長時間を要したり、あるいは所定の厚み以上に結晶成長しないことがあった。   In order to obtain an m-plane grown crystal having a large thickness, a method of increasing the growth rate or extending the growth time can be mentioned. However, in m-plane growth, it is difficult to increase the growth rate because Si-C solution inclusion is likely to occur, and even if the growth time is lengthened, the crystal growth takes a very long time, or a predetermined amount is required. Crystal growth sometimes did not exceed the thickness.

また、大きな厚みを有するm面成長結晶を得るために、複数回繰り返して成長を行う方法も挙げられる。ところが、複数回繰り返して成長を行っても、4mm以上の厚みにm面成長させる際に、非常に長時間を要したり、あるいは所定の厚み以上に結晶成長しないことがあった。   In addition, in order to obtain an m-plane grown crystal having a large thickness, a method in which growth is repeated a plurality of times can also be mentioned. However, even if the growth is repeated a plurality of times, it takes a very long time to grow the m-plane to a thickness of 4 mm or more, or the crystal does not grow beyond a predetermined thickness.

結晶成長の際に、非常に長時間を要したり、あるいは所定の厚み以上に結晶成長しないことの原因として、理論に束縛されるものではないが、SiC単結晶は、黒鉛軸よりも熱伝導率が高いため、結晶成長厚みが厚くなるほど、SiC結晶の成長面とSi−C溶液との界面領域の温度勾配が小さくなり、結晶成長速度が遅くなることが考えられる。   Although it is not bound by theory that the crystal growth takes a very long time or does not grow beyond a predetermined thickness, the SiC single crystal is more thermally conductive than the graphite axis. Since the rate is high, it is considered that as the crystal growth thickness increases, the temperature gradient in the interface region between the SiC crystal growth surface and the Si—C solution decreases, and the crystal growth rate decreases.

図1に、(1−100面)を成長面としてSiC結晶成長を15時間連続して行った場合の、Si−C溶液の表面領域の温度勾配による、結晶厚さと結晶成長速度との関係を示す。図1において、Si−C溶液の表面領域の温度勾配とは、Si−C溶液の表面から3mmの範囲の温度勾配の平均値であり、結晶厚さとは、成長開始前の種結晶として用いるSiC単結晶の厚みであり、結晶成長速度とは、15時間で成長した結晶の厚みを15時間で除した値であり、平均の結晶成長速度である。図1から、結晶厚さが大きくなるほど結晶成長速度が低下することが分かる。また、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を高くすることによって、結晶成長速度を高くすることができることも分かる。   FIG. 1 shows the relationship between the crystal thickness and the crystal growth rate depending on the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution when SiC crystal growth is continuously performed for 15 hours with (1-100 plane) as the growth surface. Show. In FIG. 1, the temperature gradient in the surface region of the Si—C solution is an average value of the temperature gradient in a range of 3 mm from the surface of the Si—C solution, and the crystal thickness is the SiC used as a seed crystal before the start of growth. The thickness of a single crystal, and the crystal growth rate is a value obtained by dividing the thickness of a crystal grown in 15 hours by 15 hours, and is an average crystal growth rate. FIG. 1 shows that the crystal growth rate decreases as the crystal thickness increases. It can also be seen that the crystal growth rate can be increased by increasing the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution.

図2に、SiC結晶成長を24時間連続して行ったこと以外は図1の場合と同じ条件で行った場合の、Si−C溶液の表面領域の温度勾配による、結晶厚さと結晶成長速度との関係を示す。図1のSiC結晶成長を15時間連続して行った場合と同様に、結晶厚さが大きくなるほど結晶成長速度は低下傾向を示す。   FIG. 2 shows the crystal thickness and the crystal growth rate depending on the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution when the SiC crystal growth was performed under the same conditions as in FIG. The relationship is shown. As in the case where the SiC crystal growth of FIG. 1 is continuously performed for 15 hours, the crystal growth rate tends to decrease as the crystal thickness increases.

m面成長がこのような傾向を有することが分かり、m面成長の途中で、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を少なくとも1回大きくすることが、大きな成長厚みを有するm面成長結晶を得る上で効果的である。この方法により4mm以上、好ましくは5mm以上、より好ましくは6mm以上、さらにより好ましくは7mm以上の厚みを有するm面成長結晶を良好に得ることができる。   It can be seen that m-plane growth has such a tendency, and in the middle of m-plane growth, increasing the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution at least once can produce an m-plane grown crystal having a large growth thickness. It is effective in obtaining. By this method, an m-plane grown crystal having a thickness of 4 mm or more, preferably 5 mm or more, more preferably 6 mm or more, and even more preferably 7 mm or more can be obtained satisfactorily.

本発明に係る方法によって(1−100)面成長させたSiC単結晶には、基底面転位及び積層欠陥は含まれ得るものの、貫通転位密度は非常に少ないかゼロであるため、このSiC単結晶の{0001}面を基点としてさらに結晶成長させると、貫通転位だけでなく基底面転位及び積層欠陥も含まない非常に高品質のSiC単結晶を得ることができる。   The SiC single crystal grown by (1-100) plane by the method according to the present invention may contain basal plane dislocations and stacking faults, but the threading dislocation density is very low or zero. When the crystal is further grown with the {0001} plane as the base point, a very high quality SiC single crystal not only containing threading dislocations but also containing basal plane dislocations and stacking faults can be obtained.

より具体的に説明すると、本発明に係る方法によって(1−100)面成長させたSiC単結晶から、{0001}面、好ましくは(000−1)面を露出させるように結晶を切り出して、種結晶として用いて、{0001}面成長、好ましくは(000−1)面成長を行うことができる。このようにして得られた{0001}面成長結晶、好ましくは(000−1)面成長結晶には、貫通転位、基底面転位、及び積層欠陥がほとんど含まれないか全く含まれない。   More specifically, from the SiC single crystal grown by (1-100) plane by the method according to the present invention, the crystal is cut out so as to expose the {0001} plane, preferably (000-1) plane, By using it as a seed crystal, {0001} plane growth, preferably (000-1) plane growth can be performed. The {0001} plane grown crystal, preferably the (000-1) plane grown crystal, obtained in this way contains little or no threading dislocations, basal plane dislocations, and stacking faults.

これは、種結晶の成長基点となる{0001}面における貫通転位が非常に少ないか全く含まれないため、種結晶から成長結晶に伝搬する貫通転位が非常に少ないか全く無いことと、種結晶に含まれ得る基底面転位及び積層欠陥は{0001}面成長結晶に伝搬しにくいためである。{0001}面成長は、溶液法を用いて行うことができ、あるいは昇華法を用いて行うことも可能である。{0001}面成長を昇華法により行う場合は、{0001}面より数度のオフ角を設けて成長してもよい。   This is because there are very few or no threading dislocations in the {0001} plane which is the growth base point of the seed crystal, so there is very little or no threading dislocation propagating from the seed crystal to the growing crystal, and This is because the basal plane dislocations and stacking faults that can be included in the crystal are difficult to propagate to the {0001} plane growth crystal. {0001} plane growth can be performed using a solution method, or can be performed using a sublimation method. When the {0001} plane growth is performed by the sublimation method, the growth may be performed with an off angle of several degrees from the {0001} plane.

したがって、m面成長させるSiC単結晶の成長厚みが厚いほど、大きな面積の(000−1)面を有するSiC結晶を得ることができるので、これを{0001}面成長用の種結晶として用いることによって、大きな口径を有し且つ欠陥をほとんど含まないか全く含まない{0001}面成長結晶を得ることができる。   Therefore, since the SiC crystal having a large (000-1) plane can be obtained as the growth thickness of the SiC single crystal grown on the m-plane is increased, use this as a seed crystal for {0001} plane growth. Thus, it is possible to obtain a {0001} plane grown crystal having a large diameter and containing little or no defects.

本発明に係る方法において、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくするとき、最初に設定した結晶成長速度を上回らないようにすることが好ましい。通常、結晶成長初期においては、インクルージョンが発生しない範囲で最も速い成長速度となるように、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を設定するためである。   In the method according to the present invention, when the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution is increased, it is preferable not to exceed the initially set crystal growth rate. Usually, at the initial stage of crystal growth, the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution is set so that the highest growth rate is obtained in a range where no inclusion occurs.

本発明に係る方法においては、Si−C溶液のインクルージョンが入らないように結晶成長させることが好ましい。インクルージョンの発生を抑制するためには、所定の成長速度以下で結晶成長させることが効果的であり、15時間連続で結晶成長させる場合には、93μm/h以下の平均成長速度で結晶成長させることが好ましく、24時間連続で結晶成長させる場合には、87μm/h以下の平均成長速度で結晶成長させることが好ましい。   In the method according to the present invention, it is preferable that the crystal is grown so that the inclusion of the Si—C solution does not enter. In order to suppress the occurrence of inclusion, it is effective to grow the crystal at a predetermined growth rate or lower. When the crystal is grown continuously for 15 hours, the crystal is grown at an average growth rate of 93 μm / h or lower. In the case where the crystal is grown continuously for 24 hours, the crystal is preferably grown at an average growth rate of 87 μm / h or less.

本発明に係る方法において、15時間連続または24時間連続で結晶成長させる場合には、SiC結晶の平均成長速度の下限は、0μm/hより大きく、好ましくは20μm/h以上であり、より好ましくは40μm/h以上であり、さらに好ましくは60μm/h以上であり、さらにより好ましくは80μm/h以上である。   In the method according to the present invention, when the crystal is grown continuously for 15 hours or 24 hours, the lower limit of the average growth rate of the SiC crystal is larger than 0 μm / h, preferably 20 μm / h or more, more preferably It is 40 μm / h or more, more preferably 60 μm / h or more, and even more preferably 80 μm / h or more.

15時間連続で結晶成長させる場合のSiC結晶の平均成長速度の上限は、好ましくは93μm/h以下であり、余裕を持って、90μm/h以下または80μm/h以下にしてもよい。24時間連続で結晶成長させる場合のSiC結晶の平均成長速度の上限は、好ましくは87μm/h以下であり、余裕を持って80μm/h以下または70μm/h以下にしてもよい。   The upper limit of the average growth rate of the SiC crystal when the crystal is grown continuously for 15 hours is preferably 93 μm / h or less, and may be 90 μm / h or less or 80 μm / h or less with a margin. The upper limit of the average growth rate of the SiC crystal when the crystal is grown continuously for 24 hours is preferably 87 μm / h or less, and may be 80 μm / h or less or 70 μm / h or less with a margin.

本発明に係る方法においては、SiC単結晶の成長厚みが4mmに到達する前に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくすることが好ましい。連続して結晶成長を行う場合、SiC単結晶の成長厚みが4mm程度になると、図1に示すように、成長速度が非常に小さくなるためである。   In the method according to the present invention, it is preferable to increase the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution before the growth thickness of the SiC single crystal reaches 4 mm. This is because when the crystal growth is performed continuously, the growth rate of the SiC single crystal becomes about 4 mm, as shown in FIG. 1, the growth rate becomes very small.

SiC単結晶の成長厚みが、より好ましくは3mmに到達する前、さらに好ましくは2mmに到達する前、さらにより好ましくは1mmに到達する前に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくしてもよい。例えば、成長厚みが1mm厚に到達する前に温度勾配を大きくし、その後、さらに成長厚みが1mm厚に到達する前に温度勾配を大きくしてもよい。   Before the SiC single crystal growth thickness reaches 3 mm, more preferably 2 mm, even more preferably 1 mm, the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution is increased. May be. For example, the temperature gradient may be increased before the growth thickness reaches 1 mm, and then the temperature gradient may be further increased before the growth thickness reaches 1 mm.

SiC結晶成長の際に成長厚みをモニタリングすることができない場合は、事前に、図1または図2に示すような、Si−C溶液の表面領域の温度勾配による、結晶厚さと結晶成長速度との関係を調べておき、所定の結晶厚さになるタイミングで、所定の結晶成長速度になるように、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を高くすればよい。   If the growth thickness cannot be monitored during the SiC crystal growth, the crystal thickness and the crystal growth rate due to the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution as shown in FIG. The relationship is investigated, and the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution may be increased so that a predetermined crystal growth rate is obtained at a timing when the predetermined crystal thickness is reached.

図1に示すような関係が得られている場合、例えば、2.6mm厚の種結晶を用意し、Si−C溶液の表面から3mmの深さの範囲の平均温度勾配を10℃/cmとして、93μm/hの平均成長速度で15時間成長させると、1.4mm結晶成長するので、4.0mmの結晶厚さが得られる。このままさらに15時間成長を続けると42μm/hの平均成長速度しか得られず、0.6mmの結晶成長により合計4.6mmの結晶厚さしか得られない。しかしながら、4.0mmの結晶厚さが得られたときに、Si−C溶液の表面から3mmの深さの範囲の平均温度勾配を21℃/cmに高くして、さらに15時間成長を続けると、平均85μm/hの成長速度で成長させることができ、1.3mm結晶成長するので、合計5.3mmの結晶厚さが得られる。   When the relationship shown in FIG. 1 is obtained, for example, a 2.6 mm thick seed crystal is prepared, and the average temperature gradient in the range of 3 mm depth from the surface of the Si—C solution is 10 ° C./cm. When grown at an average growth rate of 93 μm / h for 15 hours, the crystal grows 1.4 mm, so that a crystal thickness of 4.0 mm is obtained. If the growth is continued for another 15 hours, only an average growth rate of 42 μm / h can be obtained, and a total crystal thickness of 4.6 mm can be obtained by a crystal growth of 0.6 mm. However, when a crystal thickness of 4.0 mm is obtained, if the average temperature gradient in the depth range of 3 mm from the surface of the Si—C solution is increased to 21 ° C./cm and the growth is continued for another 15 hours. The crystal can be grown at an average growth rate of 85 μm / h, and the crystal grows 1.3 mm, so that a total crystal thickness of 5.3 mm is obtained.

また、事前に、より細かくデータをとっておき、例えば、図3に模式的に示すように、破線で示す上限成長速度以下の範囲でほぼ一定の結晶成長速度が得られるように、結晶長さ(または成長時間)及び温度勾配のプログラムを設定して、結晶成長させることもできる。   Further, data is collected in advance in advance, and, for example, as schematically shown in FIG. 3, the crystal length (or so as to obtain a substantially constant crystal growth rate within a range below the upper limit growth rate indicated by a broken line) It is also possible to grow a crystal by setting a program of a growth time) and a temperature gradient.

このように、本発明に係る方法においては、SiC結晶成長の際に、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくすることは、少なくとも1回または2回以上行うことができる。   As described above, in the method according to the present invention, it is possible to increase the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution at least once or twice or more during the SiC crystal growth.

SiC結晶成長の際に成長厚みをモニタリングすることができる場合は、結晶成長時間を測定して、結晶成長速度を算出することができる。そして、成長速度が落ちてきたら、所定の結晶成長速度になるように、Si−C溶液の表面領域の温度勾配の設定にフィードバックすることができる。例えば1時間以下等の短時間毎またはリアルタイムで結晶成長速度を測定して、結晶成長厚みによらず成長速度をほぼ一定に保つように、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくしてもよい。この場合、図3に示すような結晶成長、またはより成長速度が一定である結晶成長をより容易に行うことができる。1時間以下等の短時間毎またはリアルタイムで結晶成長速度を測定することができる場合、成長速度の上限は、好ましくは170μm/h以下である。   When the growth thickness can be monitored during the SiC crystal growth, the crystal growth rate can be calculated by measuring the crystal growth time. When the growth rate falls, it can be fed back to the setting of the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution so that a predetermined crystal growth rate is obtained. For example, the crystal growth rate is measured every short time such as 1 hour or less or in real time, and the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution is increased so as to keep the growth rate almost constant regardless of the crystal growth thickness. Also good. In this case, crystal growth as shown in FIG. 3 or crystal growth with a constant growth rate can be performed more easily. When the crystal growth rate can be measured in a short time such as 1 hour or less or in real time, the upper limit of the growth rate is preferably 170 μm / h or less.

SiC単結晶の成長速度は、Si−C溶液の過飽和度の制御によって行うことができる。Si−C溶液の過飽和度を高めればSiC単結晶の成長速度は増加し、過飽和度を下げればSiC単結晶の成長速度は低下する。   The growth rate of the SiC single crystal can be controlled by controlling the degree of supersaturation of the Si—C solution. Increasing the supersaturation degree of the Si—C solution increases the growth rate of the SiC single crystal, and decreasing the supersaturation degree decreases the growth rate of the SiC single crystal.

Si−C溶液の過飽和度は、主に、Si−C溶液の表面温度、及びSi−C溶液の表面領域の温度勾配により制御することができ、例えば、Si−C溶液の表面温度を一定にしつつ、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を小さくすれば過飽和度を小さくすることができ、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくすれば過飽和度を大きくすることができる。   The supersaturation degree of the Si-C solution can be controlled mainly by the surface temperature of the Si-C solution and the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution. For example, the surface temperature of the Si-C solution is kept constant. However, if the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution is reduced, the degree of supersaturation can be reduced, and if the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution is increased, the degree of supersaturation can be increased.

Si−C溶液の表面領域の温度勾配の制御方法は、後で図面を参照しながら詳細に説明するが、単結晶製造装置の坩堝周辺に配置された高周波コイル等の加熱装置の配置、構成、出力等を調整することによって、Si−C溶液の表面に垂直方向の所定の温度勾配を形成することができる。   The method for controlling the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution will be described in detail later with reference to the drawings, but the arrangement and configuration of a heating device such as a high-frequency coil arranged around the crucible of the single crystal manufacturing apparatus, By adjusting the output and the like, a predetermined temperature gradient in the vertical direction can be formed on the surface of the Si-C solution.

別法では、種結晶保持軸を冷却することによって、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくすることができる。種結晶保持軸を冷却する方法としては、例えば、種結晶保持軸に、ガスを吹き付けること、冷却水を流すこと、または低温部材を近づけることが挙げられる。また、成長したSiC単結晶を冷却することによっても、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくすることができる。成長したSiC単結晶を冷却する方法としては、例えば、成長結晶の少なくとも一部に、ガスを吹き付けること、または低温部材を近づけることが挙げられる。   Alternatively, the temperature gradient in the surface region of the Si—C solution can be increased by cooling the seed crystal holding shaft. Examples of the method for cooling the seed crystal holding shaft include blowing a gas, flowing cooling water, or bringing a low-temperature member closer to the seed crystal holding shaft. Moreover, the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution can be increased also by cooling the grown SiC single crystal. As a method of cooling the grown SiC single crystal, for example, a gas is blown onto at least a part of the grown crystal, or a low temperature member is brought closer.

本発明に係る方法に用いる種結晶は、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。種結晶の(1−100)面をSi−C溶液面に接触させる種結晶の下面として用いることができ、反対側の上面を黒鉛軸等の種結晶保持軸に保持させる面として用いることができる。   The seed crystal used in the method according to the present invention can have any shape such as a plate shape, a disk shape, a columnar shape, a prism shape, a truncated cone shape, or a truncated pyramid shape. The (1-100) plane of the seed crystal can be used as the lower surface of the seed crystal that makes contact with the Si-C solution surface, and the upper surface on the opposite side can be used as a surface that is held by a seed crystal holding shaft such as a graphite shaft. .

本発明に係る方法に用いられる種結晶基板の(1−100)面は、オフセット角度が好ましくは±10°以内、より好ましくは±5°以内、さらに好ましくは±1°以内の面を含み、さらにより好ましくはジャスト面である。   The (1-100) plane of the seed crystal substrate used in the method according to the present invention includes a plane having an offset angle of preferably within ± 10 °, more preferably within ± 5 °, and even more preferably within ± 1 °, Even more preferred is a just surface.

本明細書において、Si−C溶液の表面領域の温度勾配とは、Si−C溶液の表面の垂直方向の温度勾配であって、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配である。温度勾配は、低温側となるSi−C溶液の表面における温度Aと、Si−C溶液の表面から溶液側に垂直方向の所定の深さにおける高温側となる温度Bを、種結晶基板をSi−C溶液に接触させる前に熱電対を用いて事前に測定し、その温度差を、温度A及び温度Bを測定した位置間の距離で割ることによって平均値として算出することができる。例えば、Si−C溶液の表面と、Si−C溶液の表面から溶液側に垂直方向の深さDcmの位置との間の温度勾配を測定する場合、Si−C溶液の表面温度Aと、Si−C溶液の表面から溶液側に垂直方向の深さDcmの位置における温度Bとの差をDcmで割った次の式:
温度勾配(℃/cm)=(B−A)/D
によって算出することができる。
In this specification, the temperature gradient of the surface region of the Si—C solution is a temperature gradient in the vertical direction of the surface of the Si—C solution, and the temperature decreases from the inside of the Si—C solution toward the surface of the solution. It is a temperature gradient. The temperature gradient consists of a temperature A on the surface of the Si—C solution on the low temperature side, a temperature B on the high temperature side at a predetermined depth perpendicular to the solution side from the surface of the Si—C solution, and Si for the seed crystal substrate. It can be calculated as an average value by measuring in advance using a thermocouple before contacting with the -C solution and dividing the temperature difference by the distance between the positions where temperature A and temperature B are measured. For example, when measuring the temperature gradient between the surface of the Si—C solution and the position of the depth Dcm perpendicular to the solution side from the surface of the Si—C solution, the surface temperature A of the Si—C solution and Si -C Difference from temperature B at a position of depth Dcm perpendicular to the solution side from the surface of the solution divided by Dcm:
Temperature gradient (° C./cm)=(B−A)/D
Can be calculated.

温度勾配の制御範囲は、好ましくはSi−C溶液の表面から3mmの深さまでの範囲である。この場合、上記式において、Si−C溶液の表面温度Aと、Si−C溶液の表面から溶液側に垂直方向の深さ3mmの位置における温度Bとの差を3mmで割った値が温度勾配(℃/cm)となる。   The control range of the temperature gradient is preferably a range from the surface of the Si—C solution to a depth of 3 mm. In this case, in the above formula, the value obtained by dividing the difference between the surface temperature A of the Si—C solution and the temperature B at a depth of 3 mm perpendicular to the solution side from the surface of the Si—C solution by 3 mm is the temperature gradient. (° C./cm).

温度勾配の制御範囲が浅すぎると、温度勾配を制御する範囲が浅くCの過飽和度を制御する範囲も浅くなりSiC単結晶の成長が不安定になることがある。また、温度勾配を制御する範囲が深いと、Cの過飽和度を制御する範囲も深くなりSiC単結晶の安定成長に効果的であるが、実際、単結晶の成長に寄与する深さはSi−C溶液の表面のごく近傍であり、表面から数mmの深さまでの温度勾配を制御すれば十分である。したがって、SiC単結晶の成長と温度勾配の制御とを安定して行うために、上記深さ範囲の温度勾配を制御することが好ましい。   If the control range of the temperature gradient is too shallow, the range for controlling the temperature gradient is shallow and the range for controlling the degree of supersaturation of C becomes shallow, and the growth of the SiC single crystal may become unstable. Further, if the range for controlling the temperature gradient is deep, the range for controlling the degree of supersaturation of C is also deep and effective for stable growth of the SiC single crystal. In practice, however, the depth contributing to the growth of the single crystal is Si −. It is sufficient to control the temperature gradient very close to the surface of the C solution and from the surface to a depth of a few millimeters. Therefore, in order to stably perform the growth of the SiC single crystal and the control of the temperature gradient, it is preferable to control the temperature gradient in the depth range.

SiC結晶中のインクルージョンの有無の観察は、顕微鏡を用いて行うことができる。成長させたSiC結晶を1mm厚程度の厚みにスライスして、下から光をあてて観察すると、SiC単結晶部分は透明に見え、インクルージョンが存在する部分は黒く見えるため、インクルージョンの有無を容易に判断することができる。インクルージョンの有無を判別しやすい場合は、成長結晶を単に外観観察してもよい。   Observation of the presence or absence of inclusion in the SiC crystal can be performed using a microscope. When the grown SiC crystal is sliced to a thickness of about 1 mm and observed from below, the SiC single crystal portion appears transparent, and the portion where inclusion exists appears black. Judgment can be made. If it is easy to determine the presence or absence of inclusion, the appearance of the grown crystal may be simply observed.

SiC結晶中の貫通らせん転位、貫通刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥を含む貫通転位密度の測定は、SiC結晶の(0001)面から<1−100>方向に傾けた面を露出させるように鏡面研磨をして、溶融水酸化カリウム、過酸化ナトリウム等を用いた溶融アルカリエッチングを行って、転位を強調させて、エッチング面を顕微鏡観察することによって行われ得る。(0001)面から<1−100>方向に傾ける角度は2〜8°が好ましく、3〜8°がより好ましく、例えば4°であることができる。   Measurement of threading dislocation density including threading screw dislocations, threading edge dislocations, and micropipe defects in SiC crystal is mirror-exposed to expose a surface tilted in the <1-100> direction from the (0001) plane of SiC crystal. It can be performed by polishing and performing molten alkali etching using molten potassium hydroxide, sodium peroxide or the like, emphasizing dislocations, and observing the etched surface with a microscope. The angle inclined from the (0001) plane in the <1-100> direction is preferably 2 to 8 °, more preferably 3 to 8 °, and for example, 4 °.

単結晶製造装置への種結晶基板の設置は、上述のように、種結晶基板の上面を種結晶保持軸に保持させることによって行うことができる。種結晶基板の種結晶保持軸への保持には、カーボン接着剤を用いることができる。   As described above, the seed crystal substrate can be installed in the single crystal manufacturing apparatus by holding the upper surface of the seed crystal substrate on the seed crystal holding shaft. A carbon adhesive can be used for holding the seed crystal substrate on the seed crystal holding shaft.

種結晶基板のSi−C溶液への接触は、種結晶基板を保持した種結晶保持軸をSi−C溶液面に向かって降下させ、種結晶基板の下面をSi−C溶液面に対して並行にしてSi−C溶液に接触させることによって行うことができる。そして、Si−C溶液面に対して種結晶基板を所定の位置に保持して、SiC単結晶を成長させることができる。   The contact of the seed crystal substrate with the Si-C solution is such that the seed crystal holding axis holding the seed crystal substrate is lowered toward the Si-C solution surface, and the lower surface of the seed crystal substrate is parallel to the Si-C solution surface. Can be carried out by contacting the Si-C solution. Then, the SiC single crystal can be grown by holding the seed crystal substrate in a predetermined position with respect to the Si—C solution surface.

種結晶基板の保持位置は、種結晶基板の下面の位置が、Si−C溶液面に一致するか、Si−C溶液面に対して下側にあるか、またはSi−C溶液面に対して上側にあってもよい。種結晶基板の下面をSi−C溶液面に対して上方の位置に保持する場合は、一旦、種結晶基板をSi−C溶液に接触させて種結晶基板の下面にSi−C溶液を接触させてから、所定の位置に引き上げる。種結晶基板の下面の位置を、Si−C溶液面に一致するか、またはSi−C溶液面よりも下側にしてもよいが、多結晶の発生を防止するために、種結晶保持軸にSi−C溶液が接触しないようにすることが好ましい。これらの方法において、単結晶の成長中に種結晶基板の位置を調節してもよい。   The holding position of the seed crystal substrate is such that the position of the lower surface of the seed crystal substrate coincides with the Si-C solution surface, is below the Si-C solution surface, or is relative to the Si-C solution surface. It may be on the upper side. When the lower surface of the seed crystal substrate is held at a position above the Si-C solution surface, the seed crystal substrate is once brought into contact with the Si-C solution, and the Si-C solution is brought into contact with the lower surface of the seed crystal substrate. Then, pull it up to a predetermined position. The position of the lower surface of the seed crystal substrate may coincide with the Si-C solution surface or be lower than the Si-C solution surface, but in order to prevent the occurrence of polycrystals, It is preferable to prevent the Si—C solution from coming into contact. In these methods, the position of the seed crystal substrate may be adjusted during the growth of the single crystal.

種結晶保持軸はその端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であることができる。種結晶保持軸は、円柱状、角柱状等の任意の形状であることができ、種結晶基板の上面の形状と同じ端面形状を有する黒鉛軸を用いてもよい。   The seed crystal holding axis may be a graphite axis that holds the seed crystal substrate on its end face. The seed crystal holding shaft may be in an arbitrary shape such as a columnar shape or a prismatic shape, and a graphite shaft having the same end surface shape as the shape of the upper surface of the seed crystal substrate may be used.

本発明において、Si−C溶液とは、SiまたはSi/X(XはSi以外の1種以上の金属)の融液を溶媒とするCが溶解した溶液をいう。Xは一種類以上の金属であり、SiC(固相)と熱力学的に平衡状態となる液相(溶液)を形成できれば特に制限されない。適当な金属Xの例としては、Ti、Mn、Cr、Ni、Ce、Co、V、Fe等が挙げられる。Si−C溶液は、Si及びCrを含む組成を有することが好ましい。   In the present invention, the Si—C solution refers to a solution in which C is dissolved using a melt of Si or Si / X (X is one or more metals other than Si) as a solvent. X is one or more kinds of metals, and is not particularly limited as long as it can form a liquid phase (solution) in thermodynamic equilibrium with SiC (solid phase). Examples of suitable metals X include Ti, Mn, Cr, Ni, Ce, Co, V, Fe and the like. The Si—C solution preferably has a composition containing Si and Cr.

Si−C溶液は、Si/Cr/X(XはSi及びCr以外の1種以上の金属)の融液を溶媒とするSi−C溶液がより好ましい。さらに、原子組成百分率でSi/Cr/X=30〜80/20〜60/0〜10の融液を溶媒とするSi−C溶液が、Cの溶解量の変動が少なく、さらに好ましい。例えば、坩堝内にSiに加えて、Cr、Ni等を投入し、Si−Cr溶液、Si−Cr−Ni溶液等を形成することができる。   The Si—C solution is more preferably a Si—C solution using a melt of Si / Cr / X (X is one or more metals other than Si and Cr) as a solvent. Furthermore, a Si—C solution using a melt of Si / Cr / X = 30 to 80/20 to 60/0 to 10 in terms of atomic composition percentage as a solvent is more preferable because there is little variation in the dissolved amount of C. For example, in addition to Si, Cr, Ni, or the like can be charged into the crucible to form a Si—Cr solution, a Si—Cr—Ni solution, or the like.

本発明に係る方法においてSi−C溶液の温度とは、Si−C溶液の表面温度をいう。Si−C溶液の表面の温度の下限は好ましくは1800℃以上であり、上限は好ましくは2200℃であり、この温度範囲でSi−C溶液へのCの溶解量を多くすることができる。さらにn型SiC単結晶を成長させる場合、Si−C溶液中への窒素溶解量を高くすることができる点で、Si−C溶液の表面の温度の下限はより好ましくは2000℃以上である。   In the method according to the present invention, the temperature of the Si—C solution refers to the surface temperature of the Si—C solution. The lower limit of the surface temperature of the Si—C solution is preferably 1800 ° C. or higher, and the upper limit is preferably 2200 ° C. Within this temperature range, the amount of C dissolved in the Si—C solution can be increased. Furthermore, when growing an n-type SiC single crystal, the lower limit of the temperature of the surface of the Si—C solution is more preferably 2000 ° C. or higher in that the amount of nitrogen dissolved in the Si—C solution can be increased.

Si−C溶液の温度測定は、熱電対、放射温度計等を用いて行うことができる。熱電対に関しては、高温測定及び不純物混入防止の観点から、ジルコニアやマグネシア硝子を被覆したタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対が好ましい。   The temperature of the Si—C solution can be measured using a thermocouple, a radiation thermometer, or the like. Regarding the thermocouple, from the viewpoint of high temperature measurement and prevention of impurity contamination, a thermocouple in which a tungsten-rhenium strand coated with zirconia or magnesia glass is placed in a graphite protective tube is preferable.

図4に、本発明の方法を実施するのに適したSiC単結晶製造装置の一例を示す。図示したSiC単結晶製造装置100は、SiまたはSi/Xの融液中にCが溶解してなるSi−C溶液24を収容した坩堝10を備え、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成し、昇降可能な黒鉛軸12の先端に保持された種結晶基板14をSi−C溶液24に接触させて、SiC単結晶を成長させることができる。坩堝10及び黒鉛軸12を回転させることが好ましい。   FIG. 4 shows an example of a SiC single crystal manufacturing apparatus suitable for carrying out the method of the present invention. The illustrated SiC single crystal manufacturing apparatus 100 includes a crucible 10 containing a Si-C solution 24 in which C is dissolved in a Si or Si / X melt, and is provided on the surface of the solution from the inside of the Si-C solution. A SiC single crystal can be grown by forming a temperature gradient that decreases toward the surface and bringing the seed crystal substrate 14 held at the tip of the graphite shaft 12 that can be moved up and down into contact with the Si-C solution 24. It is preferable to rotate the crucible 10 and the graphite shaft 12.

Si−C溶液24は、原料を坩堝に投入し、加熱融解させて調製したSiまたはSi/Xの融液にCを溶解させることによって調製される。坩堝10を、黒鉛坩堝などの炭素質坩堝またはSiC坩堝とすることによって、坩堝10の溶解によりCが融液中に溶解し、Si−C溶液が形成される。こうすると、Si−C溶液24中に未溶解のCが存在せず、未溶解のCへのSiC単結晶の析出によるSiCの浪費が防止できる。Cの供給は、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体のC供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を利用してもよく、またはこれらの方法と坩堝の溶解とを組み合わせてもよい。   The Si-C solution 24 is prepared by charging a raw material into a crucible and dissolving C in a Si or Si / X melt prepared by heating and melting. By making the crucible 10 a carbonaceous crucible such as a graphite crucible or an SiC crucible, C is dissolved in the melt by melting the crucible 10 to form an Si-C solution. In this way, undissolved C does not exist in the Si—C solution 24, and waste of SiC due to precipitation of the SiC single crystal in the undissolved C can be prevented. The supply of C may be performed by, for example, a method of injecting hydrocarbon gas or charging a solid C supply source together with the melt raw material, or combining these methods with melting of a crucible. Also good.

保温のために、坩堝10の外周は、断熱材18で覆われている。これらが一括して、石英管26内に収容されている。石英管26の外周には、加熱用の高周波コイル22が配置されている。高周波コイル22は、上段コイル22A及び下段コイル22Bから構成されてもよく、上段コイル22A及び下段コイル22Bはそれぞれ独立して制御可能である。   In order to keep warm, the outer periphery of the crucible 10 is covered with a heat insulating material 18. These are collectively accommodated in the quartz tube 26. A high frequency coil 22 for heating is disposed on the outer periphery of the quartz tube 26. The high frequency coil 22 may be composed of an upper coil 22A and a lower coil 22B, and the upper coil 22A and the lower coil 22B can be independently controlled.

坩堝10、断熱材18、石英管26、及び高周波コイル22は、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、装置内をAr、He等に雰囲気調整することを可能にするために、ガス導入口とガス排気口とを備える。   Since the crucible 10, the heat insulating material 18, the quartz tube 26, and the high frequency coil 22 become high temperature, they are disposed inside the water cooling chamber. The water-cooled chamber includes a gas inlet and a gas outlet in order to make it possible to adjust the atmosphere in the apparatus to Ar, He, or the like.

Si−C溶液の温度は、通常、輻射等のためSi−C溶液の内部よりも表面の温度が低い温度分布となるが、さらに、高周波コイル22の巻数及び間隔、高周波コイル22と坩堝10との高さ方向の位置関係、並びに高周波コイル22の出力を調整することによって、Si−C溶液24に、種結晶基板14が浸漬される溶液上部が低温、溶液下部が高温となるようにSi−C溶液24の表面に垂直方向の所定の温度勾配を形成することができる。例えば、下段コイル22Bの出力よりも上段コイル22Aの出力を小さくして、Si−C溶液24に溶液上部が低温、溶液下部が高温となる所定の温度勾配を形成することができる。   The temperature of the Si—C solution usually has a temperature distribution in which the surface temperature is lower than the inside of the Si—C solution due to radiation or the like. Further, the number and interval of the high frequency coil 22, the high frequency coil 22 and the crucible 10 By adjusting the positional relationship in the height direction and the output of the high-frequency coil 22, the Si—C solution 24 is immersed in the Si—C solution 24 so that the upper part of the solution is low and the lower part of the solution is hot. A predetermined temperature gradient in the vertical direction can be formed on the surface of the C solution 24. For example, the output of the upper coil 22A can be made smaller than the output of the lower coil 22B, and a predetermined temperature gradient can be formed in the Si—C solution 24 such that the upper part of the solution is low and the lower part of the solution is high.

Si−C溶液24中に溶解したCは、拡散及び対流により分散される。種結晶基板14の下面近傍は、コイル22の上段/下段の出力制御、Si−C溶液24の表面からの放熱、及び黒鉛軸12を介した抜熱によって、Si−C溶液24の下部よりも低温となる温度勾配が形成されている。高温で溶解度の大きい溶液下部に溶け込んだCが、低温で溶解度の低い種結晶基板下面付近に到達すると過飽和状態となり、この過飽和度を駆動力として種結晶基板上にSiC単結晶が成長する。   C dissolved in the Si-C solution 24 is dispersed by diffusion and convection. The vicinity of the lower surface of the seed crystal substrate 14 is lower than the lower part of the Si—C solution 24 due to the output control of the upper / lower stages of the coil 22, the heat radiation from the surface of the Si—C solution 24, and the heat removal through the graphite shaft 12. A temperature gradient that is low in temperature is formed. When C dissolved in the lower part of the solution having a high solubility at a high temperature reaches near the lower surface of the seed crystal substrate having a low solubility at a low temperature, a supersaturated state is obtained, and an SiC single crystal grows on the seed crystal substrate using this supersaturation as a driving force.

いくつかの態様において、SiC単結晶の成長前に、SiC種結晶基板の表面層をSi−C溶液中に溶解させて除去するメルトバックを行ってもよい。SiC単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜などが存在していることがあり、SiC単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。溶解する厚みは、SiC種結晶基板の表面の加工状態によって変わるが、は加工変質層や自然酸化膜を十分に除去するために、およそ5〜50μmが好ましい。   In some embodiments, before the growth of the SiC single crystal, meltback may be performed to dissolve and remove the surface layer of the SiC seed crystal substrate in the Si—C solution. The surface layer of the seed crystal substrate on which the SiC single crystal is grown may have a work-affected layer such as dislocations or a natural oxide film, which must be dissolved and removed before the SiC single crystal is grown. However, it is effective for growing a high-quality SiC single crystal. Although the thickness to melt | dissolves changes with the processing state of the surface of a SiC seed crystal substrate, about 5-50 micrometers is preferable in order to fully remove a process deterioration layer and a natural oxide film.

メルトバックは、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が増加する温度勾配、すなわち、SiC単結晶成長とは逆方向の温度勾配をSi−C溶液に形成することにより行うことができる。高周波コイルの出力を制御することによって上記逆方向の温度勾配を形成することができる。   The meltback can be performed by forming a temperature gradient in the Si-C solution in which the temperature increases from the inside of the Si-C solution toward the surface of the solution, that is, a temperature gradient opposite to the SiC single crystal growth. it can. The temperature gradient in the reverse direction can be formed by controlling the output of the high frequency coil.

メルトバックは、Si−C溶液に温度勾配を形成せず、単に液相線温度より高温に加熱されたSi−C溶液に種結晶基板を浸漬することによっても行うことができる。この場合、Si−C溶液温度が高くなるほど溶解速度は高まるが溶解量の制御が難しくなり、温度が低いと溶解速度が遅くなることがある。   Melt back can also be performed by immersing the seed crystal substrate in a Si—C solution heated to a temperature higher than the liquidus temperature without forming a temperature gradient in the Si—C solution. In this case, the higher the Si-C solution temperature, the higher the dissolution rate, but it becomes difficult to control the amount of dissolution, and the lower the temperature, the slower the dissolution rate.

いくつかの態様において、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をSi−C溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のSi−C溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をSi−C溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は黒鉛軸ごと加熱して行うことができる。または、この方法に代えて、比較的低温のSi−C溶液に種結晶基板を接触させてから、結晶を成長させる温度にSi−C溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。   In some embodiments, the seed crystal substrate may be preheated before contacting the seed crystal substrate with the Si-C solution. When a low-temperature seed crystal substrate is brought into contact with a high-temperature Si—C solution, heat shock dislocation may occur in the seed crystal. Heating the seed crystal substrate before bringing the seed crystal substrate into contact with the Si—C solution is effective for preventing thermal shock dislocation and growing a high-quality SiC single crystal. The seed crystal substrate can be heated by heating the entire graphite axis. Alternatively, instead of this method, the Si—C solution may be heated to a temperature at which crystals grow after contacting the seed crystal substrate with a relatively low temperature Si—C solution. This case is also effective for preventing heat shock dislocation and growing a high-quality SiC single crystal.

本発明はまた、貫通らせん転位、貫通刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥を含む貫通転位密度が10個/cm2以下であり、且つ4mm以上の成長厚みを有する、SiC単結晶を対象とする。 The present invention is also directed to a SiC single crystal having a threading dislocation density including threading screw dislocations, threading edge dislocations, and micropipe defects of 10 pieces / cm 2 or less and a growth thickness of 4 mm or more.

本発明に係るSiC単結晶において、貫通転位密度は、好ましくは5個/cm2以下、より好ましくは1個/cm2以下、さらに好ましくは0個/cm2である。 In the SiC single crystal according to the present invention, the threading dislocation density is preferably 5 pieces / cm 2 or less, more preferably 1 piece / cm 2 or less, and further preferably 0 piece / cm 2 .

本発明に係るSiC単結晶を種結晶として用いて、SiC単結晶をさらに成長させることができる。本方法によって(1−100)面成長させたSiC単結晶は、貫通転位をほとんど含まないか全く含まないため、このSiC単結晶の(000−1)面を基点としてさらに結晶成長させると、貫通転位だけでなく基底面転位及び積層欠陥も含まない非常に高品質のSiC単結晶を得ることができる。これは、種結晶の成長基点となる(000−1)面における貫通転位が非常に少ないか全く含まれないため、種結晶から成長結晶に伝搬する貫通転位が非常に少ないか全く無いことと、種結晶に含まれ得る基底面転位及び積層欠陥は(000−1)面成長結晶に伝搬しにくいためである。   The SiC single crystal can be further grown using the SiC single crystal according to the present invention as a seed crystal. The SiC single crystal grown by (1-100) plane by this method contains little or no threading dislocations. Therefore, when the crystal is further grown from the (000-1) plane of this SiC single crystal, It is possible to obtain a very high quality SiC single crystal not including dislocations but also basal plane dislocations and stacking faults. This is because there is very little or no threading dislocations in the (000-1) plane which is the growth base point of the seed crystal, so there is very little or no threading dislocation propagating from the seed crystal to the growth crystal; This is because basal plane dislocations and stacking faults that can be included in the seed crystal are difficult to propagate to the (000-1) plane grown crystal.

(例1)
縦10mm、横10mm、及び厚みが1.5mmの直方体状の4H−SiC単結晶であって、下面が(1−100)面(ジャスト面)を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して種結晶基板として用いた。種結晶基板の上面を、円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。
(Example 1)
Prepared is a 4H-SiC single crystal in the shape of a rectangular parallelepiped having a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1.5 mm, and a bottom surface having a (1-100) plane (just plane). And used as a seed crystal substrate. The upper surface of the seed crystal substrate was bonded to the substantially central portion of the end surface of the columnar graphite shaft using a graphite adhesive.

図4に示す単結晶製造装置を用い、Si−C溶液24を収容する黒鉛坩堝に、Si/Cr/Niを原子組成百分率で50:40:10の割合で融液原料として仕込んだ。単結晶製造装置の内部の空気をヘリウムで置換した。黒鉛坩堝10の周囲に配置された高周波コイル22に通電して加熱により黒鉛坩堝10内の原料を融解し、Si/Cr/Ni合金の融液を形成した。そしてSi/Cr/Ni合金の融液に黒鉛坩堝10から十分な量のCを溶解させて、Si−C溶液24を形成した。   Using the single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 4, Si / Cr / Ni was charged as a melt raw material at a ratio of atomic composition percentage of 50:40:10 into a graphite crucible containing the Si—C solution 24. The air inside the single crystal manufacturing apparatus was replaced with helium. The high-frequency coil 22 disposed around the graphite crucible 10 was energized and heated to melt the raw material in the graphite crucible 10 to form a Si / Cr / Ni alloy melt. Then, a sufficient amount of C was dissolved from the graphite crucible 10 in the Si / Cr / Ni alloy melt to form a Si—C solution 24.

上段コイル22A及び下段コイル22Bの出力を調節して黒鉛坩堝10を加熱し、Si−C溶液24の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成した。所定の温度勾配が形成されていることの確認は、昇降可能な熱電対を用いて、Si−C溶液24の温度を測定することによって行った。高周波コイル22A及び22Bの出力制御により、Si−C溶液24の表面における温度を2000℃まで昇温させ、並びに溶液表面から3mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が10℃/cmとなるように高周波コイル22の出力を調節した。   The graphite crucible 10 was heated by adjusting the outputs of the upper coil 22A and the lower coil 22B to form a temperature gradient in which the temperature decreased from the inside of the Si—C solution 24 toward the surface of the solution. Confirmation that the predetermined temperature gradient was formed was performed by measuring the temperature of the Si-C solution 24 using a thermocouple capable of moving up and down. By controlling the output of the high frequency coils 22A and 22B, the temperature on the surface of the Si—C solution 24 is raised to 2000 ° C., and the temperature gradient is 10 to decrease from the inside of the solution toward the solution surface within a range of 3 mm from the solution surface. The output of the high-frequency coil 22 was adjusted to be ° C./cm.

黒鉛軸に接着した種結晶基板の下面(m面)をSi−C溶液面に並行に保ちながら、種結晶基板の下面の位置を、Si−C溶液の液面に一致する位置に配置して、Si−C溶液に種結晶基板の下面を接触させるシードタッチを行った。次いで、種結晶基板の下面の位置がSi−C溶液の液面よりも1.5mm上方に位置するように、黒鉛軸を引き上げた。1.5mm引き上げた位置で15時間保持して、SiC結晶を成長させた。   While maintaining the lower surface (m-plane) of the seed crystal substrate bonded to the graphite shaft in parallel with the Si-C solution surface, the position of the lower surface of the seed crystal substrate is arranged at a position corresponding to the liquid surface of the Si-C solution. Then, seed touch was performed in which the lower surface of the seed crystal substrate was brought into contact with the Si—C solution. Next, the graphite shaft was pulled up so that the position of the lower surface of the seed crystal substrate was located 1.5 mm above the liquid level of the Si—C solution. The SiC crystal was grown by holding for 15 hours at the position pulled up by 1.5 mm.

15時間の結晶成長後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したSiC結晶を、Si−C溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は単結晶であり、2.0mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは3.5mmであった。成長速度は133μm/hであった。   After crystal growth for 15 hours, the graphite axis was raised, and the SiC crystal grown from the seed crystal substrate and the seed crystal substrate as a base point was recovered separately from the Si-C solution and the graphite axis. The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 2.0 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 3.5 mm. The growth rate was 133 μm / h.

(例2)
例1で得られた3.5mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 2)
The 3.5 mm-thick SiC crystal obtained in Example 1 was grown as (1-100) planes under the same conditions as Example 1 by using it as a seed crystal without polishing.

得られた成長結晶は単結晶であり、0.9mmの成長厚みを有していた。種結晶と成長結晶の合計厚みは4.4mmであった。成長速度は60μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 0.9 mm. The total thickness of the seed crystal and the grown crystal was 4.4 mm. The growth rate was 60 μm / h.

(例3)
例2で得られた4.4mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、温度勾配を21℃/cmとし、成長時間を24時間としたこと以外は、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 3)
The 4.4 mm-thick SiC crystal obtained in Example 2 was used as a seed crystal without being polished as it was, except that the temperature gradient was 21 ° C./cm and the growth time was 24 hours. (1-100) plane growth was performed under the same conditions.

得られた成長結晶は単結晶であり、2.1mmの成長厚みを有していた。種結晶と成長結晶の合計厚みは6.5mmであった。成長速度は87μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 2.1 mm. The total thickness of the seed crystal and the grown crystal was 6.5 mm. The growth rate was 87 μm / h.

(例4)
例3で得られた6.5mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、温度勾配21℃/cmの条件としたこと以外は、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 4)
The same conditions as in Example 1 except that the 6.5 mm-thick SiC crystal obtained in Example 3 was used as a seed crystal without polishing, and the temperature gradient was 21 ° C./cm (1 -100) plane growth.

得られた成長結晶は単結晶であり、0.6mmの成長厚みを有していた。種結晶と成長結晶の合計厚みは7.1mmであった。成長速度は40μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 0.6 mm. The total thickness of the seed crystal and the grown crystal was 7.1 mm. The growth rate was 40 μm / h.

(例5)
10mm、横10mm、及び厚みが1.5mmの直方体状の4H−SiC単結晶であって、下面が(1−100)面(ジャスト面)を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して種結晶基板として用いた。温度勾配を13℃/cmとし、成長時間を10時間としたこと以外は、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 5)
A 4H-SiC single crystal having a rectangular parallelepiped shape having a size of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1.5 mm, and a SiC single crystal produced by a sublimation method having a (1-100) plane (just plane) on the bottom surface is prepared. Used as a seed crystal substrate. (1-100) plane growth was performed under the same conditions as in Example 1 except that the temperature gradient was 13 ° C./cm and the growth time was 10 hours.

得られた成長結晶は単結晶であり、1.7mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは3.2mmであった。成長速度は170μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 1.7 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 3.2 mm. The growth rate was 170 μm / h.

(例6)
例5で得られた3.2mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、成長時間を24時間としたこと以外は例5と同じ条件にて、(1−100)面成長させた。
(Example 6)
Under the same conditions as in Example 5 except that the 3.2 mm-thick SiC crystal obtained in Example 5 was used as a seed crystal without polishing, and the growth time was 24 hours, (1-100) The surface was grown.

得られた成長結晶は単結晶であり、0.8mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは4.0mmであった。成長速度は33μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 0.8 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 4.0 mm. The growth rate was 33 μm / h.

(例7)
例6で得られたSiC結晶の成長面を鏡面研磨して、厚さ3.7mmのSiC結晶を得て、種結晶として用いて、成長時間を24時間としたこと以外は、例5と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 7)
The growth surface of the SiC crystal obtained in Example 6 was mirror-polished to obtain an SiC crystal having a thickness of 3.7 mm, which was used as a seed crystal and was the same as Example 5 except that the growth time was 24 hours. (1-100) plane growth was performed under the conditions.

得られた成長結晶は単結晶であり、0.4mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは4.1mmであった。成長速度は17μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 0.4 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 4.1 mm. The growth rate was 17 μm / h.

(例8)
例7で得られた4.1mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、成長時間を15時間としたこと以外は例5と同じ条件にて、(1−100)面成長させた。
(Example 8)
Under the same conditions as in Example 5, except that the 4.1 mm-thick SiC crystal obtained in Example 7 was used as a seed crystal without polishing, and the growth time was set to 15 hours. (1-100) The surface was grown.

得られた成長結晶は単結晶であり、0.9mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは5.0mmであった。成長速度は60μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 0.9 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 5.0 mm. The growth rate was 60 μm / h.

(例9)
例8で得られた5.0mm厚のSiC結晶を、そのまま研磨を施すことなく種結晶として用いて、温度勾配を21℃/cmとし、成長時間を24時間としたこと以外は例5と同じ条件にて、(1−100)面成長させた。
(Example 9)
Same as Example 5 except that the SiC crystal of 5.0 mm thickness obtained in Example 8 is used as it is as a seed crystal without polishing, the temperature gradient is 21 ° C./cm, and the growth time is 24 hours. (1-100) plane growth was performed under the conditions.

得られた成長結晶は単結晶であり、1.3mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは6.3mmであった。成長速度は54μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 1.3 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 6.3 mm. The growth rate was 54 μm / h.

(例10)
10mm、横10mm、及び厚みが3.4mmの直方体状の4H−SiC単結晶であって、下面が(1−100)面(ジャスト面)を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して種結晶基板として用いた。温度勾配を21℃/cmとしたこと以外は、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 10)
A SiC single crystal having a rectangular parallelepiped 4H—SiC single crystal having a thickness of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 3.4 mm was prepared by a sublimation method having a (1-100) plane (just plane) on the bottom surface. Used as a seed crystal substrate. (1-100) plane growth was performed under the same conditions as in Example 1 except that the temperature gradient was 21 ° C./cm.

得られた成長結晶は単結晶であり、1.5mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは4.9mmであった。成長速度は100μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 1.5 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 4.9 mm. The growth rate was 100 μm / h.

(例11)
10mm、横10mm、及び厚みが2.9mmの直方体状の4H−SiC単結晶であって、下面が(1−100)面(ジャスト面)を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して種結晶基板として用いた。温度勾配を11℃/cmとしたこと以外は、例1と同じ条件にて(1−100)面成長させた。
(Example 11)
A SiC single crystal having a rectangular parallelepiped 4H-SiC single crystal having a thickness of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 2.9 mm was prepared by a sublimation method having a (1-100) plane (just plane) on the bottom surface. Used as a seed crystal substrate. (1-100) plane growth was performed under the same conditions as in Example 1 except that the temperature gradient was 11 ° C./cm.

得られた成長結晶は単結晶であり、1.4mmの成長厚みを有していた。種結晶基板と成長結晶の合計厚みは4.3mmであった。成長速度は93μm/hであった。   The obtained growth crystal was a single crystal and had a growth thickness of 1.4 mm. The total thickness of the seed crystal substrate and the grown crystal was 4.3 mm. The growth rate was 93 μm / h.

(貫通転位密度の評価)
各例で成長させたSiC単結晶の貫通転位密度の測定を行った。
(Evaluation of threading dislocation density)
The threading dislocation density of the SiC single crystal grown in each example was measured.

各例で成長させたSiC単結晶を、(0001)面から<1−100>方向に4°傾いた面を露出させるようにダイヤモンドソーで板状に1mm厚にスライスし、スライスした結晶を、2種類のダイヤモンドスラリー(スラリー粒径:6μm及び3μm)により研磨を行って鏡面仕上げをした。次いで、水酸化カリウム(ナカライテスク株式会社製)及び過酸化ナトリウム(和光純薬工業製)を混合した510℃の融液に、各SiC単結晶を5分間、浸漬してエッチングを行った。同様に、種結晶基板として用いた昇華法により作製したSiC単結晶についても、(0001)面から<1−100>方向に4°傾いた面について、エッチングを行った。エッチングした各SiC単結晶を混合融液から取り出し、純水中で超音波洗浄した後、顕微鏡観察(ニコン製)により、貫通転位の観察を行った。例1〜4で続けて成長させたSiC単結晶は連続した結晶であるが、各例で成長させた厚みが分かっているので、各例で成長させた部分の貫通転位密度をそれぞれ分析した。例5〜9で成長させたSiC単結晶の貫通転位密度についても同様に分析した。   The SiC single crystal grown in each example was sliced in a plate shape with a diamond saw so as to expose a surface inclined by 4 ° in the <1-100> direction from the (0001) plane, and the sliced crystal was Polishing was performed with two types of diamond slurries (slurry particle size: 6 μm and 3 μm) to finish a mirror surface. Next, etching was performed by immersing each SiC single crystal in a melt at 510 ° C. mixed with potassium hydroxide (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.) and sodium peroxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) for 5 minutes. Similarly, for a SiC single crystal produced by a sublimation method used as a seed crystal substrate, etching was performed on a surface inclined by 4 ° in the <1-100> direction from the (0001) plane. Each etched SiC single crystal was taken out of the mixed melt, ultrasonically washed in pure water, and then observed for threading dislocations by microscopic observation (manufactured by Nikon). Although the SiC single crystal grown continuously in Examples 1 to 4 is a continuous crystal, since the thickness grown in each example is known, the threading dislocation density of the portion grown in each example was analyzed. The threading dislocation density of the SiC single crystal grown in Examples 5 to 9 was similarly analyzed.

図7に、例1で用いた昇華法により作製された種結晶基板14、及び種結晶基板14を基点として例1で成長させた部分の成長結晶16の貫通転位を評価したエッチング面の顕微鏡写真を示す。直線破線は種結晶基板14と成長結晶16の界面を示している。種結晶基板14のエッチング面には、貫通らせん転位(TSD)及び貫通刃状転位(TED)が検出されたが、例1で成長させた部分の成長結晶16のエッチング面には、貫通転位は検出されなかった。同様に、例2〜11で成長させた部分のSiC単結晶のエッチング面にも、貫通転位は検出されなかった。   FIG. 7 is a micrograph of the etched surface in which the seed crystal substrate 14 produced by the sublimation method used in Example 1 and the threading dislocations of the grown crystal 16 in the portion grown in Example 1 using the seed crystal substrate 14 as a starting point were evaluated. Indicates. A straight broken line indicates an interface between the seed crystal substrate 14 and the grown crystal 16. Although threading screw dislocations (TSD) and threading edge dislocations (TED) were detected on the etched surface of the seed crystal substrate 14, threading dislocations were found on the etched surface of the grown crystal 16 in the portion grown in Example 1. Not detected. Similarly, threading dislocations were not detected on the etched surface of the SiC single crystal grown in Examples 2 to 11.

(インクルージョン有無の観察)
各例で成長させたSiC単結晶のインクルージョン有無の評価を行った。上記の貫通転位密度の測定に用いたSiC単結晶に、下から光をあてて顕微鏡観察を行い、断面透過像の観察を行った。
(Observation of inclusion)
The presence or absence of inclusion of the SiC single crystal grown in each example was evaluated. The SiC single crystal used for the measurement of the threading dislocation density was irradiated with light from below and observed with a microscope, and a cross-sectional transmission image was observed.

図5に、例1で成長させた部分のSiC結晶の断面透過像を示す。図5に示すように、例1で成長させた部分のSiC結晶にはインクルージョンが含まれていた。図6に、例2で成長させた部分のSiC結晶の断面透過像を示す。図6に示すように、例2で成長させた部分のSiC結晶には、インクルージョンが含まれていなかった。同様にして、例3〜11で成長させた部分のSiC結晶のインクルージョン有無の観察を行った結果を、次の表1に示す。   FIG. 5 shows a cross-sectional transmission image of a portion of the SiC crystal grown in Example 1. As shown in FIG. 5, the SiC crystal in the portion grown in Example 1 contained inclusions. FIG. 6 shows a cross-sectional transmission image of a portion of the SiC crystal grown in Example 2. As shown in FIG. 6, the SiC crystal in the portion grown in Example 2 did not contain inclusions. Similarly, the following Table 1 shows the results of observing the presence or absence of inclusion of SiC crystals in the portions grown in Examples 3 to 11.

例1〜11の成長条件、並びに成長結晶の厚み、成長速度、貫通転位密度、及びインクルージョンの有無について、表1にまとめた。   Table 1 summarizes the growth conditions of Examples 1 to 11, the thickness of the grown crystal, the growth rate, the threading dislocation density, and the presence or absence of inclusion.

例1、2、4、8、10、及び11における15時間成長を行った場合の、種結晶の厚みと結晶成長速度との関係を図1に示す。また、例3、6、7、及び9における24時間成長を行った場合の、種結晶の厚みと結晶成長速度との関係を図2に示す。   FIG. 1 shows the relationship between the thickness of the seed crystal and the crystal growth rate when the growth is performed for 15 hours in Examples 1, 2, 4, 8, 10, and 11. Further, FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the seed crystal and the crystal growth rate when the growth is performed for 24 hours in Examples 3, 6, 7, and 9.

m面成長において、結晶厚さが大きくなると結晶成長速度が低下する傾向がみられるが、Si−C溶液の表面領域の温度勾配を高くすることによって、成長速度を大きくすることができることが分かった。   In m-plane growth, the crystal growth rate tends to decrease as the crystal thickness increases, but it was found that the growth rate can be increased by increasing the temperature gradient in the surface region of the Si-C solution. .

10 黒鉛坩堝
12 黒鉛軸
14 種結晶基板
16 成長結晶
18 断熱材
22 高周波コイル
22A 上段高周波コイル
22B 下段高周波コイル
24 Si−C溶液
26 石英管
100 単結晶製造装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Graphite crucible 12 Graphite shaft 14 Seed crystal substrate 16 Growth crystal 18 Heat insulating material 22 High frequency coil 22A Upper high frequency coil 22B Lower high frequency coil 24 Si-C solution 26 Quartz tube 100 Single crystal manufacturing apparatus

Claims (5)

内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてSiC単結晶を成長させる、SiC単結晶の製造方法であって、
(1−100)面を成長面としてSiC単結晶を成長させている際に、前記Si−C溶液の表面領域の温度勾配を少なくとも1回大きくして、4mm以上の成長厚みを有するSiC単結晶を成長させる、
SiC単結晶の製造方法。
A method for producing a SiC single crystal, wherein a SiC single crystal is grown by bringing a SiC seed crystal substrate into contact with a Si-C solution having a temperature gradient that decreases from the inside toward the surface,
When a SiC single crystal is grown using the (1-100) plane as a growth surface, the temperature gradient of the surface region of the Si-C solution is increased at least once, and the SiC single crystal has a growth thickness of 4 mm or more. Grow,
A method for producing a SiC single crystal.
前記SiC単結晶の成長厚みが4mmに到達する前に、前記Si−C溶液の表面領域の温度勾配を大きくする、請求項1に記載のSiC単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the SiC single crystal of Claim 1 which enlarges the temperature gradient of the surface area | region of the said Si-C solution before the growth thickness of the said SiC single crystal reaches 4 mm. 前記SiC単結晶を15時間連続で成長をしたときの平均成長速度が、0μm/hより大きく93μm/h以下である、請求項1または2に記載のSiC単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the SiC single crystal of Claim 1 or 2 whose average growth rate when growing the said SiC single crystal continuously for 15 hours is larger than 0 micrometer / h and below 93 micrometer / h. 貫通転位密度が10個/cm2以下であり、且つ4mm以上の成長厚みを有する、SiC単結晶。 A SiC single crystal having a threading dislocation density of 10 pieces / cm 2 or less and a growth thickness of 4 mm or more. 貫通転位密度が0個/cm2である、請求項4に記載のSiC単結晶。 The SiC single crystal according to claim 4, wherein the threading dislocation density is 0 / cm 2 .
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