JP6238249B2 - 炭化珪素単結晶及びその製造方法 - Google Patents
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Description
YTD(Xmax)=YTD(0)・exp(α・Xmax) ・・・(1)
−0.94≦α≦−0.19 ・・・(2)
YTOTAL(Xmax)=YTOTAL(0)・exp(γ・Xmax) ・・・(5)
−0.81≦γ≦−0.14 ・・・(6)
本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、図1及び図2に示す炭化珪素結晶成長装置を用いて炭化珪素単結晶を製造するものであり、原料及び装置内に設置してある断熱構造材に含まれる不純物を除去する脱ガス工程、表面研磨した炭化珪素種結晶表面に残留している加工変質層を除去するメルトバック工程、及び、炭化珪素単結晶を成長させる成長工程の3工程からなる。
図1及び図2は、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法で用いる結晶成長装置の全体構造を示す要部断面図であり、それぞれ上記成長工程及び上記脱ガス工程における結晶成長装置の状態を示している。
図2を適宜参照しながら、本実施形態における脱ガス工程について説明する。
上記脱ガス工程に続いて、密閉容器本体11内の圧力を成長圧力まで昇圧し、例えば1950℃程度まで昇温する。成長圧力は、溶液2の蒸発を抑制する観点から、0.1MPa以上であることが好ましく、例えば0.8MPa程度である。
結晶成長のメカニズムは以下のように説明される。
温度勾配(℃/cm)=(TA−TB)/(点A−B間の距離(cm))
なお、上記TA及びTBは、放射温度計及び熱伝対(成長中は測定しておらず別実験を行い測定)によって測定することができる。
本実施形態の炭化珪素単結晶は、インゴット状又はウエハ状の4H型炭化珪素単結晶である。インゴット状の炭化珪素単結晶は、上述の製造法により得られる円柱状の炭化珪素成長結晶5を炭化珪素種結晶3から切り離すことにより得ることができる。炭化珪素種結晶3から炭化珪素成長結晶5を切り離す際には、炭化珪素種結晶3と炭化珪素成長結晶5との界面から炭化珪素成長結晶5側に例えば約0.3mmの位置で切り離すことができる。また、ウエハ状の炭化珪素単結晶は、得られるインゴット状の炭化珪素単結晶を、所望の厚さにスライスすることにより得ることができる。
得られた炭化珪素単結晶の転位密度測定方法を、図3を参照しながら説明する。
YTD(Xmax)=YTD(0)・exp(α・Xmax) ・・・(1)
−0.94≦α≦−0.19 ・・・(2)
YBPD(Xmax)=YBPD(0)・exp(β・Xmax) ・・・(3)
−1.29≦β≦0.38 ・・・(4)
YTOTAL(Xmax)=YTOTAL(0)・exp(γ・Xmax) ・・・(5)
−0.81≦γ≦−0.14 ・・・(6)
[炭化珪素単結晶の作製]
図1に示す炭化珪素結晶成長装置を用いて、炭化珪素単結晶を成長させた。工程は、原料及び炉内に設置してある断熱材に含まれる不純物の脱ガス工程、表面研磨した種結晶表面に残留している加工変質層を除去するメルトバック工程、及び、炭化珪素単結晶を成長させる成長工程の3工程からなる。以下、用いた圧力単位はゲージ圧である。また、実施例中の温度は、黒鉛製原料容器底の温度であり、放射温度計により測定した。
成長雰囲気ガスとしてHeガスを用いた。溶液原料としてSi、Ti及びCを使用し、これらのうちCを除く原料(Si:Ti=80:20のモル比で総重量233g)を黒鉛製原料容器(円筒型るつぼ、内径50mm、外径70mm、高さ100mm)に充填した。Cは結晶成長中に黒鉛製原料容器から溶液内に供給される。この黒鉛製原料容器を結晶成長装置内に設置し、黒鉛製種結晶支持体の下方端面に存在する炭化珪素種結晶(円盤形状、直径22mm、厚さ0.5mm、成長面:(000−1)カーボン面ジャスト)を溶液液面から14.5cm上方に保持した。この状態で、装置内を−100kPa以下まで真空引きした後、真空排気しながら1050℃まで昇温した。
この後、成長圧力である800kPaまで昇圧、1950℃まで昇温し、種結晶を溶液液面に向けてゆっくり下降させ、種結晶表面が溶液にちょうど接触するところで下降を停止し、すぐに、その種結晶位置から1mm上方に種結晶を移動させた。この種結晶位置で、成長温度である2050℃まで昇温させることで、種結晶表面を含む種結晶の一部を溶融させた。1950℃から2050℃への昇温にともなう黒鉛製種結晶支持体の熱膨張を考慮すると、成長温度2050℃における種結晶表面と液面間の距離は1mm程度と見積もられる(メニスカス高さ:1mm)。
その後、種結晶を50μm/hの速度で上方に引き上げることで成長を開始した。成長中は、種結晶近傍の温度勾配を0.75℃/cm、ガス流量を0.5L/minとした。また、種結晶と原料容器は互いに逆方向に回転させており、種結晶の回転数を24rpm、原料容器の回転数を8rpmとした。種結晶を溶液に24時間浸漬した後、溶液から引き上げた。得られた単結晶(結晶A)の成長厚さは1.1mmであった。上記の成長条件をまとめて表1に示す。
結晶Aの転位密度を調べる目的で、溶融アルカリエッチング法を用いて各種転位に対応したエッチピットの密度を測定した。試料については、図3に示すように(0001)成長面に対し微傾斜をつけて種結晶側から結晶トップに向かって研磨加工したものを用いた。溶融アルカリエッチング処理は、ニッケル製のるつぼにNaOH、KOH及びKClを、NaOH:KOH:KCl=1:1:1のモル比で入れ、500℃にて加熱溶融させた後、単結晶試料をこの融液に5〜10分間浸けることにより、研磨面上にエッチピットを形成させた。エッチピットの形状から転位の種類を判断し、各種転位密度を計測した。貫通転位密度、基底面転位密度及び総転位密度に対応するエッチピットの密度(EPD)を、それぞれ図5、6及び7に示す。なお、図5〜7においては、縦軸を対数スケールで表示している。
y=D・exp(δ・x) ・・・(7)
結晶Aについて評価を行ったところ、その結晶構造は4H型であり、その他の多形の混入及び気泡欠陥は確認されなかった。
成長条件を、表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭化珪素単結晶(結晶B、C及びD)を得た。また、実施例1と同様にして転位密度を測定した。その結果を図5〜7に示す。また、実施例1と同様に、最小二乗法を用いた近似によって上記式(7)におけるD及びδを算出した結果を表2に示す。なお、結晶B、C及びDについて評価を行ったところ、結晶Aと同様に、その結晶構造は4H型であり、その他の多形の混入及び気泡欠陥は確認されなかった。
成長条件を、表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭化珪素単結晶(結晶E及びF)を得た。また、得られた結晶の転位密度を放射光トポグラフィーによって測定した。具体的には、(000−1)成長表面に入射光を照射し(11−28)反射を測定した。測定した放射光トポグラフ像には、直径6μm程度の白い円状スポット、直径3μm程度の白い円状スポット、湾曲した曲線状の白いラインが観測され、直径6μm程度の白い円状スポットが貫通螺旋転位、直径3μm程度の白い円状スポットが貫通刃状転位、湾曲した曲線状の白いラインが基底面転位であると同定されるため、これらの転位密度を各々算出した。貫通螺旋転位と貫通刃状転位の総称を貫通転位とした。このようにして測定された結果を図5〜7に示す。なお、結晶E及びFについて評価を行ったところ、結晶Aと同様に、その結晶構造は4H型であり、その他の多形の混入及び気泡欠陥は確認されなかった。
Claims (2)
- インゴット状又はウエハ状の4H型炭化珪素単結晶であって、
<0001>又は<000−1>方向における前記単結晶の厚さをX(単位:mm)、該厚さの位置における貫通転位密度をYTD(X)(単位:cm−2)としたときに、Xが0である位置における貫通転位密度YTD(0)、Xの最大値Xmax、及びXがXmaxである位置における貫通転位密度YTD(Xmax)が、下記式(1)及び(2)を満たす炭化珪素単結晶。
YTD(Xmax)=YTD(0)・exp(α・Xmax) ・・・(1)
−0.94≦α≦−0.35 ・・・(2) - インゴット状又はウエハ状の4H型炭化珪素単結晶であって、
<0001>又は<000−1>方向における前記単結晶の厚さをX(単位:mm)、該厚さの位置における総転位密度をYTOTAL(X)(単位:cm−2)としたときに、Xが0である位置における総転位密度YTOTAL(0)、Xの最大値Xmax、及びXがXmaxである位置における総転位密度YTOTAL(Xmax)が、下記式(5)及び(6)を満たす炭化珪素単結晶。
YTOTAL(Xmax)=YTOTAL(0)・exp(γ・Xmax) ・・・(5)
−0.81≦γ≦−0.14 ・・・(6)
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