JP6598111B2 - Method for producing SiC single crystal - Google Patents

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Description

本発明は溶液法を用いるSiC単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a SiC single crystal using a solution method.

SiCは次世代のパワーデバイス用材料として注目されている。このSiCを電子デバイス用の材料として使用するためには高品質のSiCの単結晶を得る必要がある。単結晶の製造方法には様々あるが、溶液法(溶液引上げ法)は融液法により単結晶を製造するシリコンの単結晶の製造に類似し、高品質で大型の単結晶を効率的に製造する方法として有効である。しかしながら、SiCの単結晶の製造に溶液法を適用する場合に、SiCを出発材料とすると、SiCは常圧下で加熱した場合、2000℃で昇華してしまい、融液とならない。したがって、単に一般的な溶液法を利用する方法ではSiCの単結晶を作製することができない。   SiC is attracting attention as a material for next-generation power devices. In order to use this SiC as a material for electronic devices, it is necessary to obtain a high-quality SiC single crystal. There are various methods for producing single crystals, but the solution method (solution pulling method) is similar to the production of single crystals of silicon that produce single crystals by the melt method, and efficiently produces large single crystals of high quality. It is an effective way to do this. However, when the solution method is applied to the production of a single crystal of SiC, if SiC is used as a starting material, SiC is sublimated at 2000 ° C. when heated under normal pressure, and does not become a melt. Therefore, a single crystal of SiC cannot be produced simply by a method using a general solution method.

このため、溶液法によってSiC単結晶を製造する方法として従来行われている手法は、黒鉛からなるるつぼに、組成材料であるシリコン(Si)を供給し、Siを融解してSiC単結晶を製造する方法である。この製造方法では、るつぼから黒鉛(C)がSiの融液に溶け出すことでSiにCが供給され、SiCの単結晶が成長する。
しかしながら、黒鉛のるつぼからSiの融液へ溶け出すC(カーボン)の量は僅かであり(1500℃で0.01%以下、2050℃で約0.45%)、SiC単結晶の成長速度を向上させるには、Siの融液により多くのCを溶解させる必要がある。Siの融液に効率的にCを溶解させる方法として考えられている方法が、CrやTi、AlをSiの融液に加えることによりCがSiの融液に溶け込みやすくする方法である(特許文献1、2、3)。この方法であれば、黒鉛のるつぼから効率的にSiの融液にCを溶解させることができ、SiCの単結晶を形成することができる。
For this reason, the conventional method for producing a SiC single crystal by the solution method is to supply silicon (Si), which is a composition material, to a crucible made of graphite, and then melt the Si to produce a SiC single crystal. It is a method to do. In this manufacturing method, graphite (C) is melted into a Si melt from a crucible, so that C is supplied to Si and a SiC single crystal grows.
However, the amount of C (carbon) that dissolves from the graphite crucible into the Si melt is very small (less than 0.01% at 1500 ° C and about 0.45% at 2050 ° C), so that the growth rate of SiC single crystals can be improved. It is necessary to dissolve more C in the Si melt. A method that is considered as a method for efficiently dissolving C in the Si melt is a method that makes C easily dissolve in the Si melt by adding Cr, Ti, or Al to the Si melt (patent) Literature 1, 2, 3). According to this method, C can be efficiently dissolved in a Si melt from a graphite crucible, and a SiC single crystal can be formed.

しかしながら、黒鉛のるつぼを使う方法では、SiCが結晶成長するにしたがってSi-Cの溶液から次第にSi成分が失われ、溶液の組成が変化してしまうという問題がある。また、黒鉛のるつぼから過剰にCが融液中に溶け出してSi-Cの溶液の組成が変化するという問題や、溶液の組成が変化することにより結晶転位が生じて完全な単結晶にならないという問題もある。
これらの問題を解消する方法として、SiC成長開始後にSiCを補給する方法(特許文献4)や、SiCを主成分とするるつぼを使用する方法(特許文献5)等がある。
However, the method using a graphite crucible has a problem that as the SiC grows, Si components are gradually lost from the Si-C solution and the composition of the solution changes. In addition, there is a problem that excessive dissolution of C from the graphite crucible into the melt causes a change in the composition of the Si-C solution, and a crystal dislocation occurs due to the change in the solution composition, resulting in a complete single crystal. There is also a problem.
As a method for solving these problems, there are a method of supplying SiC after the start of SiC growth (Patent Document 4), a method of using a crucible containing SiC as a main component (Patent Document 5), and the like.

特開2000−264790号公報JP 2000-264790 A 特開2004−2173号公報JP 2004-2173 A 特開2008−303125号公報JP 2008-303125 A 特開2011−98853号公報JP 2011-98553 A 特開2015−110501号公報JP2015-110501A

本発明は、溶液法によりSiC単結晶を製造する方法において、溶液中のSiとCの組成の変化を生じさせずにSiC単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for producing an SiC single crystal by a solution method without causing a change in the composition of Si and C in the solution.

本発明に係るSiC単結晶の製造方法は、SiCからなる材料を使用し、前記材料と溶剤金属とを用いて、溶液法によりSiCの単結晶を製造する方法であって、前記材料の上に前記溶剤金属のみを配置して加熱し、前記材料の上部に前記溶剤金属の融液を位置させ、前記溶剤金属の融液にSiCの種結晶を接触させ、前記溶剤金属の融液中に前記材料からSiとCを溶出させることにより、前記種結晶にSiCを析出させてSiCの単結晶を成長させることを特徴とする。 A method for producing a SiC single crystal according to the present invention is a method for producing a SiC single crystal by a solution method using a material made of SiC and using the material and a solvent metal, on the material. Place and heat only the solvent metal, position the solvent metal melt on top of the material, contact a SiC seed crystal with the solvent metal melt, and place the solvent metal melt in the solvent metal melt. By eluting Si and C from the material, SiC is precipitated on the seed crystal to grow a single crystal of SiC.

本発明に係るSiC単結晶の製造方法においては、材料と溶剤金属とをるつぼに収容してSiC単結晶を成長させる方法と、るつぼを使用せずにSiC単結晶を成長させる方法が可能である。
るつぼを使用する方法では、るつぼの底部側に前記材料を配置し、該材料の上に前記溶剤金属を配置して加熱することにより、SiCの単結晶を成長させる。
るつぼとしては、黒鉛からなるるつぼが好適に使用できる。本方法では、黒鉛からなるるつぼを使用し、るつぼから前記溶剤金属の融液にカーボンが溶出することを抑制してSiC単結晶を成長させることができる。
In the method for producing a SiC single crystal according to the present invention, a method for growing a SiC single crystal by containing a material and a solvent metal in a crucible and a method for growing a SiC single crystal without using a crucible are possible. .
In the method using a crucible, the SiC single crystal is grown by disposing the material on the bottom side of the crucible, disposing the solvent metal on the material and heating.
As the crucible, a crucible made of graphite can be suitably used. In this method, a SiC single crystal can be grown by using a crucible made of graphite and suppressing the dissolution of carbon from the crucible into the solvent metal melt.

るつぼを使用しない方法では、前記材料として、ブロック形状のSiCからなる固化体を使用し、前記材料の上に前記溶剤金属のみを配置して加熱し、前記材料の上部で前記溶剤金属の融液を保持することにより、るつぼを使用することなく、SiCの単結晶を成長させる。
この方法では、溶剤金属の融液は材料の上面で表面張力によって保持される。材料に保持された融液に種結晶を接触させることによりSiCの単結晶を成長させることができる。材料をブロック状とした固化体とは、材料として保形性を保つことができる材料を使用するという意味であり、固化体の形態としては円柱状、角柱状等の任意の立体形状とすることができ、固化体の形成方法は焼結方法に限らず適宜方法により固化体としたものが使用できる。
In the method not using a crucible, a solidified body made of block-shaped SiC is used as the material, and only the solvent metal is placed on the material and heated, and the melt of the solvent metal is formed on the material. By holding, a single crystal of SiC is grown without using a crucible.
In this method, the solvent metal melt is held by surface tension on the top surface of the material. A SiC single crystal can be grown by bringing the seed crystal into contact with the melt held in the material. The solidified body in the form of a block means that a material capable of maintaining shape retention is used as the material, and the solidified body has an arbitrary three-dimensional shape such as a columnar shape or a prismatic shape. The formation method of the solidified body is not limited to the sintering method, and a solidified body can be used as appropriate.

溶剤金属には、材料からSiCを溶出させることができる金属が用いられる。溶剤金属に求められる性質としては下記の1)〜5)が挙げられる。
1)溶剤金属の融液にSiとCを固溶することができるもの。特に、Si及びCの固溶限が高く、ほぼ同等であるものが好ましい。
2)溶剤金属成分がSiC結晶中に偏析しにくい(取り込まれない)、あるいは混入量が極めて低いもの。
3)溶剤金属成分とSiおよびCが化合物を形成しにくいもの、あるいは、SiCの方が溶剤金属との化合物よりも形成されやすいもの。
4)高温下で溶剤金属成分単独、あるいはSiやCとの化合物の状態で、蒸発あるいは昇華しにくいもの。
5)溶剤金属の融点がSiCの分解点(2780℃)以下であるもの。
これらの条件を満足する溶剤金属の例として、Cr(クロム)とNi(ニッケル)等が挙げられる。
As the solvent metal, a metal capable of eluting SiC from the material is used. The following 1) to 5) are listed as properties required for the solvent metal.
1) A material capable of dissolving Si and C in a solvent metal melt. In particular, those having a high solid solubility limit of Si and C and being almost equivalent are preferable.
2) Solvent metal component is difficult to segregate in SiC crystal (not taken in) or has a very low amount of contamination.
3) A solvent metal component and Si and C are less likely to form a compound, or SiC is easier to form than a compound with a solvent metal.
4) Those which are difficult to evaporate or sublime at high temperatures in the form of a solvent metal component alone or a compound with Si or C.
5) The melting point of the solvent metal is below the decomposition point of SiC (2780 ° C).
Examples of solvent metals that satisfy these conditions include Cr (chromium) and Ni (nickel).

本発明に係るSiC単結晶の製造方法によれば、結晶育成工程において、溶液中のSiとCの組成比を変えずにSiC単結晶を製造することができる。溶液中のSiとCの組成比が変化しないことにより、高品質のSiC単結晶が製造できる。   According to the method for producing a SiC single crystal according to the present invention, the SiC single crystal can be produced without changing the composition ratio of Si and C in the solution in the crystal growth step. Since the composition ratio of Si and C in the solution does not change, a high-quality SiC single crystal can be produced.

SiC単結晶の製造方法の第1の実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 1st Embodiment of the manufacturing method of a SiC single crystal. るつぼに材料としてSiCセラミックスと溶剤金属を収納し、溶剤金属を溶融した後、室温まで降温させた状態におけるるつぼの断面写真である。It is a cross-sectional photograph of a crucible in a state where SiC ceramics and a solvent metal are housed in a crucible and the solvent metal is melted and then cooled to room temperature. 室温まで降温させた後のるつぼ表面のEPMA(電子線マイクロアナライザ)の分析結果(カーボンの分布)を示す図である。It is a figure which shows the analysis result (carbon distribution) of EPMA (electron beam microanalyzer) of the crucible surface after temperature-falling to room temperature. 室温まで降温させた後のるつぼ表面のEPMAの分析結果(クロムの分布)を示す図である。It is a figure which shows the analysis result (chromium distribution) of the EPMA of the crucible surface after temperature-falling to room temperature. 室温まで降温させた後のるつぼ表面のEPMAの分析結果(シリコンの分布)を示す図である。It is a figure which shows the analysis result (silicon distribution) of the EPMA of the crucible surface after making it cool to room temperature. 結晶成長実験後の支持軸の端面の写真(a)と、端面のラマンスペクトル(b)である。They are a photograph (a) of the end face of the support shaft after the crystal growth experiment and a Raman spectrum (b) of the end face. 結晶成長実験後のるつぼの種結晶直下の写真(a)と、ラマンスペクトル(b)である。They are a photograph (a) and a Raman spectrum (b) immediately below the seed crystal of the crucible after the crystal growth experiment. SiC単結晶の製造方法の第2の実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of a SiC single crystal.

(第1の実施の形態)
本発明に係るSiC単結晶の製造方法は、溶液引上げ法によりSiCの単結晶を製造する方法に係るものであり、材料としてSiCからなる固体を使用し、SiCの固体と溶剤金属とを用いてSiCの単結晶を製造する。
図1は、本発明に係るSiC単結晶の製造方法についての第1の実施の形態の構成を示す。図1に示すSiC単結晶の製造方法においては、黒鉛(カーボン)からなるるつぼ10に、SiCの固体(焼結体)からなる材料20を収納し、材料20の上に溶剤金属30を配置してSiCの単結晶を製造する。
(First embodiment)
The method for producing a SiC single crystal according to the present invention relates to a method for producing a SiC single crystal by a solution pulling method, using a solid made of SiC as a material, and using a solid of SiC and a solvent metal. Manufacture single crystals of SiC.
FIG. 1 shows the configuration of a first embodiment of a method for producing a SiC single crystal according to the present invention. In the method for producing an SiC single crystal shown in FIG. 1, a material 20 made of SiC solid (sintered body) is housed in a crucible 10 made of graphite (carbon), and a solvent metal 30 is placed on the material 20. SiC single crystal is manufactured.

図1において、るつぼ10は円筒状に形成された抵抗加熱型のカーボンヒータ12の内側にセットされ、るつぼ10の中心位置の上方にSiCの種結晶14を支持する支持手段16が配置される。支持手段16は種結晶14の昇降位置を位置決めする昇降機構を備える。種結晶14は支持手段16の下端部に取り付けられる。   In FIG. 1, a crucible 10 is set inside a resistance-heating type carbon heater 12 formed in a cylindrical shape, and a support means 16 for supporting a SiC seed crystal 14 is disposed above the center position of the crucible 10. The support means 16 includes an elevating mechanism that positions the elevating position of the seed crystal 14. The seed crystal 14 is attached to the lower end of the support means 16.

図1に示す結晶製造方法において特徴とする構成は、るつぼ10の底部にSiCからなる材料20を配置し、材料20の上に溶剤金属30を配置して加熱することにより、溶剤金属30の融液と材料20とを接触させ、溶剤金属30の融液に材料からSiとCを溶出させてSiCの単結晶を成長させるようにした点にある。
種結晶14は、溶剤金属30の融液の表面近傍で溶剤金属30の融液に浸漬するように支持手段16により高さ位置を制御する。溶剤金属30の融液に材料20からSiとCが溶出して種結晶14にSiCが析出し、種結晶からSiCの単結晶が成長する。
The characteristic feature of the crystal manufacturing method shown in FIG. 1 is that a material 20 made of SiC is placed on the bottom of the crucible 10, a solvent metal 30 is placed on the material 20 and heated, thereby melting the solvent metal 30. The liquid and the material 20 are brought into contact with each other, and Si and C are eluted from the material into the melt of the solvent metal 30 to grow a SiC single crystal.
The height of the seed crystal 14 is controlled by the support means 16 so as to be immersed in the melt of the solvent metal 30 in the vicinity of the surface of the melt of the solvent metal 30. Si and C are eluted from the material 20 into the melt of the solvent metal 30 and SiC is deposited on the seed crystal 14, and a SiC single crystal grows from the seed crystal.

本実施形態のSiCの単結晶の製造方法においては、材料20と溶剤金属30を収容するるつぼとして黒鉛からなるるつぼ10を使用している。したがって、SiCの単結晶を成長させている際にるつぼ10から溶剤金属30の融液にカーボンが溶け込む可能性がある。
図2は、るつぼAに材料としてSiCセラミックスBを収納し、SiCセラミックBの上に溶剤金属CとしてCrの粉体を供給し、約1950℃に加熱した後、室温まで降温させた後のるつぼの断面写真である。
図2で、溶剤金属とSiCの材料との界面部分(破線の四角:D部分)を見ると、SiCセラミックスの表面が凹凸状となり、SiCセラミックスから溶剤金属(Cr)の融液にSiCが溶出したことを示す。
In the method for producing a single crystal of SiC according to the present embodiment, a crucible 10 made of graphite is used as a crucible containing the material 20 and the solvent metal 30. Therefore, carbon may be dissolved from the crucible 10 into the melt of the solvent metal 30 during the growth of the SiC single crystal.
Figure 2 shows a crucible after containing SiC ceramic B as a material in crucible A, supplying Cr powder as solvent metal C onto SiC ceramic B, heating to about 1950 ° C, and then cooling to room temperature. FIG.
In Fig. 2, when the interface part between the solvent metal and the SiC material (dotted square: D part) is seen, the surface of the SiC ceramic becomes uneven, and SiC elutes from the SiC ceramic into the melt of the solvent metal (Cr). Indicates that

一方、カーボン製のるつぼの内面(内壁面の四角の部分:E部分)と溶剤金属との界面を見ると、るつぼの内面の形態がそのままの形状で残っており、るつぼから溶剤金属の融液にカーボンが溶出した痕跡が見られない。
この実験結果は、上記実験条件においては、るつぼから溶剤金属(Cr)の融液へカーボンが溶解することが抑制されており、SiCの焼結体から溶剤金属の融液にSiとCが優先的に溶解されることを示す。
On the other hand, when looking at the interface between the inner surface of the carbon crucible (the square part of the inner wall: E portion) and the solvent metal, the shape of the inner surface of the crucible remains as it is, and the melt of solvent metal from the crucible remains. There is no trace of carbon leaching.
This experimental result shows that, under the above experimental conditions, the dissolution of carbon from the crucible into the solvent metal (Cr) melt is suppressed, and Si and C are prioritized from the SiC sintered body to the solvent metal melt. It is dissolved.

すなわち、黒鉛からなるるつぼに、SiCからなる材料と溶剤金属とをセットしてSiCの単結晶を製造する方法によれば、るつぼから溶剤金属の融液中にカーボンを溶出させることを抑制して、るつぼに収容したSiCからなる材料からSiとCを優先的に融液に溶出させることができる。SiCからなる材料から優先的に溶剤金属の融液中にSiCが溶出され、るつぼからカーボンが溶出されることが抑制されることから、単結晶の育成工程中において、融液中におけるSiとCの組成比がほとんど変化することがなく、したがって高品質のSiC単結晶を製造することが可能になる。   That is, according to the method of producing a SiC single crystal by setting a SiC material and a solvent metal in a graphite crucible, it is possible to suppress elution of carbon from the crucible into the solvent metal melt. Si and C can be preferentially eluted into the melt from the material made of SiC contained in the crucible. Since SiC is preferentially eluted from the material composed of SiC into the solvent metal melt and carbon from the crucible is suppressed, Si and C in the melt are prevented during the single crystal growth process. Therefore, it is possible to produce a high-quality SiC single crystal.

図3、4、5は、図2に示したサンプル表面(融液が固化した部分の表面の中央部)におけるEPMA(電子線マイクロアナライザ)による分析結果を示す。図3はC(カーボン)、図4はCr(クロム)、図5はシリコン(Si)の元素分布を示す。図3、4、5から、シリコンとカーボンの分布が完全に一致し、シリコンとカーボンの分布域では、クロムと比較してシリコンとカーボンの分布が高いことがわかる。この測定結果は、溶融操作によりSiCが形成されたことを示している。すなわち、図2に示す形態において、溶剤金属の融液にSiCの種結晶を浸漬することにより、融液中からSiCが析出しSiCの単結晶が育成されることを示唆する。   3, 4 and 5 show the results of analysis by EPMA (electron beam microanalyzer) on the sample surface shown in FIG. 2 (the central portion of the surface of the melted solidified portion). 3 shows the element distribution of C (carbon), FIG. 4 shows the element distribution of Cr (chromium), and FIG. 5 shows the element distribution of silicon (Si). 3, 4, and 5, it can be seen that the distribution of silicon and carbon is completely the same, and in the distribution region of silicon and carbon, the distribution of silicon and carbon is higher than that of chromium. This measurement result shows that SiC was formed by the melting operation. That is, in the form shown in FIG. 2, it is suggested that SiC is crystallized from the melt by immersing the SiC seed crystal in the solvent metal melt and a SiC single crystal is grown.

上記のように、SiCからなる材料を使用し、材料の上に溶剤金属を配置して溶剤金属を溶融させ、溶剤金属の融液に種結晶を接触させて種結晶からSiCの単結晶を製造する方法によれば、融液中のSiとCの組成比をほとんど変化させることなくSiCの単結晶を育成することができ、従来の溶液法においては、るつぼからCが融液中に溶出するために、SiとCの融液の組成が単結晶の育成中に変化してしまうという問題を解消することができる。   As described above, using SiC material, placing the solvent metal on the material, melting the solvent metal, and contacting the seed crystal with the solvent metal melt to produce SiC single crystal from the seed crystal According to this method, it is possible to grow a SiC single crystal with almost no change in the composition ratio of Si and C in the melt. In the conventional solution method, C is eluted from the crucible into the melt. Therefore, the problem that the composition of the Si and C melt changes during the growth of the single crystal can be solved.

また、図2に示すように、材料の上部(上面)に配置する溶剤金属の分量を、溶剤金属の融液によってSiCからなる材料の上面が薄く覆われる程度(融液の深さが浅くなる)に設定することにより、融液中におけるSiとCの分量比(融液の分量に対するSiとCの溶解量)が大きくすることができ、種結晶にSiCが析出しやすくなり、結晶成長速度を向上させ、より効率的にSiC単結晶を製造することが可能となる。   Further, as shown in FIG. 2, the amount of the solvent metal disposed on the upper portion (upper surface) of the material is such that the upper surface of the material made of SiC is covered thinly by the melt of the solvent metal (the depth of the melt becomes shallow). ) Can increase the ratio of Si and C in the melt (the amount of Si and C dissolved with respect to the melt), making it easier for SiC to precipitate on the seed crystal, and the crystal growth rate. The SiC single crystal can be manufactured more efficiently.

本実施形態のSiC単結晶製造方法では、材料の上部に溶融金属の融液が常時存在する状態が維持されながら種結晶にSiCが析出する。したがって、材料は上部側から徐々に溶剤金属の融液に溶出して高さ方向に縮小するとともに、SiCの単結晶が成長していく。すなわち、SiCからなる材料の分量が減る(材料の高さが低くなる)とともに、SiCの単結晶が成長していくことになる。溶剤金属として、SiCの単結晶に取り込まれないか、取り込まれたとしても取り込まれる量がきわめて微小で、単結晶の育成工程中での蒸発量が僅かな金属を使用することにより、溶剤金属の分量を抑えながら、効率的にSiCからなる材料の全量を使用してSiCの単結晶を育成することができる。   In the SiC single crystal manufacturing method of this embodiment, SiC is deposited on the seed crystal while maintaining a state in which a molten metal melt is always present above the material. Therefore, the material gradually elutes from the upper side into the solvent metal melt and shrinks in the height direction, and a SiC single crystal grows. That is, the amount of SiC material is reduced (the height of the material is reduced), and the SiC single crystal grows. As a solvent metal, by using a metal that is not taken into the SiC single crystal, or even if it is taken in, the amount taken up is very small, and the amount of evaporation during the growth process of the single crystal is small. A single crystal of SiC can be grown efficiently using the whole amount of material made of SiC while suppressing the amount.

SiCの単結晶の製造に用いる材料としては、SiCセラミックスのような焼結体として提供されるもの、SiCの粉体、SiCの粉体を粉末成形したもの等の他に、SiCの単結晶を製造する過程で生じたSiCの多結晶等の製品に用いられなかった部分を材料として用いることもできる。
また、上記実施形態では、材料と溶剤金属を収容する容器として黒鉛のるつぼを使用する例を示したが、SiCからなるるつぼを容器として使用することも可能である。
In addition to materials provided as sintered bodies such as SiC ceramics, SiC powders, powdered SiC powders, etc., SiC single crystals can be used for the production of SiC single crystals. Parts that have not been used in products such as SiC polycrystals produced during the manufacturing process can also be used as materials.
Moreover, although the example which uses a graphite crucible as a container which accommodates a material and a solvent metal was shown in the said embodiment, it is also possible to use the crucible which consists of SiC as a container.

(実験例)
るつぼにSiCの焼結体からなる材料と、その上に溶剤金属としてCrを配置し、溶剤金属を溶融させた状態で、融液にSiCの種結晶を接触させる方法によりSiC単結晶を成長させる実験を行った。
結晶成長温度1800℃、成長時間120min、単結晶を支持する支持軸の回転速度2.0rpm、るつぼの軸線の回りの回転速度-2.0rpmとした。なお、結晶成長温度は図1のるつぼ10の下部の温度(るつぼを支持する支持部の温度)である。溶融金属を供給した部位の温度はこれよりも高く、1950℃程度と推定される。単結晶を支持する支持軸は高純度炭素材からなり、支持軸とるつぼは軸線の回りに相互に逆向きに回転させた。
(Experimental example)
A SiC single crystal is grown by a method in which a material composed of an SiC sintered body is placed in a crucible and Cr is placed as a solvent metal on the crucible, and a SiC seed crystal is brought into contact with the melt while the solvent metal is melted. The experiment was conducted.
The crystal growth temperature was 1800 ° C., the growth time was 120 min, the rotation speed of the support shaft supporting the single crystal was 2.0 rpm, and the rotation speed around the crucible axis was −2.0 rpm. The crystal growth temperature is the temperature below the crucible 10 in FIG. 1 (the temperature of the support portion that supports the crucible). The temperature of the part to which the molten metal is supplied is higher than this, and is estimated to be about 1950 ° C. The support shaft for supporting the single crystal was made of a high-purity carbon material, and the crucible for supporting the shaft was rotated around the axis in opposite directions.

図6は、実験後にるつぼから引き上げた支持軸の端面の写真(図6(a))と端面のラマンスペクトル(図6(b))を示す。種結晶には円板状のSiCの単結晶を使用した。写真のpoint-1で示した部位は種結晶の部位、point-2は結晶成長した部位である。
図6(b)では、SiC単結晶のスペクトルを参照スペクトルとして示した。種結晶の部位(point-1)ではSiC単結晶と同様なシャープなスペクトルが得られている。また、結晶成長した部位(point-2)では、SiCの単結晶と比較するとシャープではないが、SiCの単結晶に対応するピークが見られ、SiC単結晶が成長したことがわかる。
FIG. 6 shows a photograph (FIG. 6 (a)) of the end face of the support shaft lifted from the crucible after the experiment and a Raman spectrum (FIG. 6 (b)) of the end face. A disk-like SiC single crystal was used as a seed crystal. The part indicated by point-1 in the photo is the seed crystal part, and point-2 is the part where the crystal has grown.
In FIG. 6B, the spectrum of the SiC single crystal is shown as a reference spectrum. A sharp spectrum similar to that of a SiC single crystal is obtained at the seed crystal site (point-1). In addition, although the crystal growth site (point-2) is not sharp compared to the SiC single crystal, a peak corresponding to the SiC single crystal is seen, indicating that the SiC single crystal has grown.

図7は、実験後のるつぼ側における、種結晶直下の写真(図7(a))とるつぼの上部のラマンスペクトル(図7(b))を示す。point-3は種結晶が残っている部位、point-4、point-5は結晶成長したと思われる部位である。point-3ではSiC単結晶のラマンスペクトルと同等のシャープなピークが見られている。point-4、point-5でシャープなピークが見られないが、SiC単結晶に対応するピークが見られている。   FIG. 7 shows a Raman spectrum (FIG. 7 (b)) of the upper part of the crucible on the side of the crucible after the experiment, a photograph just below the seed crystal (FIG. 7 (a)). Point-3 is the part where the seed crystal remains, and point-4 and point-5 are the parts where the crystal growth seems to have occurred. At point-3, a sharp peak equivalent to the Raman spectrum of SiC single crystal is observed. Sharp peaks are not seen at point-4 and point-5, but peaks corresponding to SiC single crystals are seen.

材料の上で溶融している溶剤金属の融液にSiCの単結晶を接触させて結晶成長させる方法は、SiCの単結晶を融液の表面に正確に接触させる位置決め制御が難しい。上記実験結果は、位置決め制御が必ずしも正確ではなかったために、完全なSiC単結晶を成長させるまでには至らなかったが、SiCの種結晶とるつぼの双方に部分的にではあるが、SiCの単結晶が成長した結果を認めることができた。すなわち、溶融金属の融液にSiCの種結晶を接触させる方法によりSiC単結晶を育成する可能性を示すものである。   In the method of growing a crystal by bringing a SiC single crystal into contact with a melt of a solvent metal melted on the material, it is difficult to control the positioning of the SiC single crystal accurately in contact with the surface of the melt. The above experimental results did not lead to the growth of a complete SiC single crystal because the positioning control was not always accurate, but it was partially in both the SiC seed crystal and the crucible. The result of crystal growth could be observed. That is, the possibility of growing a SiC single crystal by a method of bringing a SiC seed crystal into contact with a molten metal melt is shown.

(第2の実施の形態)
図8は、溶液法によりSiCの単結晶を製造する第2の実施形態を示す。
上述した第1の実施の形態においては、黒鉛のるつぼ10にSiCからなる材料20と溶剤金属30とを収容してSiCの単結晶を製造した。本実施形態においては、材料を収容するるつぼを用いずにSiCの単結晶を製造する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 shows a second embodiment for producing a SiC single crystal by a solution method.
In the first embodiment described above, a SiC single crystal was manufactured by accommodating a material 20 made of SiC and a solvent metal 30 in a graphite crucible 10. In the present embodiment, a SiC single crystal is manufactured without using a crucible containing the material.

本実施形態のSiCの単結晶の製造装置は、図3に示すように、円筒状の抵抗加熱型のカーボンヒータ12と、カーボンヒータ12の内側に配置した支持手段16とを備える。支持手段16は種結晶14の昇降位置を位置決めする昇降機構を備える。種結晶14は支持手段16の下端部に取り付けられる。   As shown in FIG. 3, the SiC single crystal manufacturing apparatus of this embodiment includes a cylindrical resistance heating type carbon heater 12 and support means 16 disposed inside the carbon heater 12. The support means 16 includes an elevating mechanism that positions the elevating position of the seed crystal 14. The seed crystal 14 is attached to the lower end of the support means 16.

本実施形態においては、SiCの単結晶を作製するための材料20aとして保形性を備えるSiCの固化体を使用し、SiCの固化体からなる材料20aの上部(上面)に溶剤金属30を配置してSiCの単結晶を製造する。
本実施形態では、材料20aを、上面を平坦面とした円柱体状に形成しているが、材料20aの形態及び大きさは適宜設定することが可能であり、円柱体状の他に、角柱状、多角柱状等の任意の立体形状としたものを使用することができる。
SiCの固化体としては、SiCセラミックスのようなSiCの焼結体として形成したものの他、粉末成形等によって一定の保形性を備えるものとして形成されたものを使用することができる。
In the present embodiment, a solidified SiC body having shape retention is used as the material 20a for producing a SiC single crystal, and the solvent metal 30 is disposed on the top (upper surface) of the material 20a made of the solidified SiC body. Thus, a SiC single crystal is manufactured.
In the present embodiment, the material 20a is formed in a cylindrical shape having a flat upper surface, but the shape and size of the material 20a can be set as appropriate. What was made into arbitrary solid shapes, such as column shape and polygonal column shape, can be used.
As the solidified body of SiC, in addition to those formed as SiC sintered bodies such as SiC ceramics, those formed as having a certain shape retaining property by powder molding or the like can be used.

材料20aは、その上部(上面)に溶剤金属30を配置するとともに、溶剤金属30の融液をその上部で保持しながらSiCの単結晶を製造する。溶剤金属30の融液を材料20aの上面で支持するため、材料20aは溶剤金属30を保持する保持面が水平方向となるように保持する。溶剤金属30の融液は表面張力によって材料20aの上面に支持されるから、材料20aの上部(上面)に供給する溶剤金属30の分量は、材料20aの上面で保持できる量に合わせて供給する。   The material 20a produces a SiC single crystal while disposing the solvent metal 30 on the upper portion (upper surface) and holding the melt of the solvent metal 30 on the upper portion. In order to support the melt of the solvent metal 30 on the upper surface of the material 20a, the material 20a holds the holding surface for holding the solvent metal 30 in a horizontal direction. Since the melt of the solvent metal 30 is supported on the upper surface of the material 20a by surface tension, the amount of the solvent metal 30 supplied to the upper portion (upper surface) of the material 20a is supplied in accordance with the amount that can be held on the upper surface of the material 20a. .

SiCの単結晶を育成する際は、図8に示すように、カーボンヒータ12で溶剤金属30を溶融し、溶剤金属30の融液の表面に種結晶14が接触するように支持手段16の昇降位置を制御する。
材料20aと溶剤金属30の融液との界面では、融液中に材料20aからSiとCが徐々に溶出し、種結晶13にSiCが析出してSiCの単結晶が成長する。溶剤金属30の融液に材料20aからSiCが溶出してSiCの単結晶が育成される作用は第1の実施の形態と同様である。
When growing the SiC single crystal, as shown in FIG. 8, the solvent metal 30 is melted by the carbon heater 12, and the support means 16 is moved up and down so that the seed crystal 14 contacts the surface of the melt of the solvent metal 30. Control the position.
At the interface between the material 20a and the melt of the solvent metal 30, Si and C are gradually eluted from the material 20a into the melt, and SiC is deposited on the seed crystal 13 to grow a SiC single crystal. The action of SiC eluting from the material 20a into the melt of the solvent metal 30 to grow a SiC single crystal is the same as in the first embodiment.

本実施形態においては、材料を収容する容器(るつぼ)を使用せず、材料20aと溶剤金属30のみを使用してSiC単結晶を製造するから、SiC単結晶を製造する過程で材料20aと溶剤金属30以外の材料が混入することがない。すなわち、本方法によれば、るつぼからカーボンが融液中に溶出するといった、過剰な炭素が溶解し、混入するという問題を排除してSiCの単結晶を製造することができる。溶剤金属30の融液中のSiとCの組成比がSiC単結晶の育成工程においてまったく変化しないことにより、高品質のSiC単結晶を製造することが可能である。   In the present embodiment, since a SiC single crystal is manufactured using only the material 20a and the solvent metal 30 without using a container (crucible) for storing the material, the material 20a and the solvent are produced in the process of manufacturing the SiC single crystal. No material other than the metal 30 is mixed. That is, according to this method, it is possible to produce a SiC single crystal by eliminating the problem that excessive carbon is dissolved and mixed, such as the dissolution of carbon from the crucible into the melt. Since the composition ratio of Si and C in the melt of the solvent metal 30 does not change at all in the growth process of the SiC single crystal, it is possible to manufacture a high-quality SiC single crystal.

本実施形態においては、材料20aの上部で溶剤金属30の融液を保持しながらSiCの単結晶を製造するから、作製しようとするSiCの単結晶の大きさに合わせてSiCの固化体からなる材料20aを用意する必要がある。   In this embodiment, since the SiC single crystal is manufactured while holding the melt of the solvent metal 30 on the upper portion of the material 20a, the SiC single crystal is formed in accordance with the size of the SiC single crystal to be manufactured. It is necessary to prepare the material 20a.

なお、上記各実施形態では材料と溶剤金属を加熱する手段として、カーボンヒータ12を使用したが、材料と溶剤金属とを加熱する手段はカーボンヒータを用いる例に限られるものではない。例えば、高周波コイルと発熱体を用いて高周波加熱する方法を利用することももちろん可能である。また、加熱炉の構造、SiC単結晶の育成工程における温度制御等についても適宜方法を利用することができる。   In each of the above embodiments, the carbon heater 12 is used as a means for heating the material and the solvent metal, but the means for heating the material and the solvent metal is not limited to the example using the carbon heater. For example, it is of course possible to use a high-frequency heating method using a high-frequency coil and a heating element. Also, methods can be used as appropriate for the structure of the heating furnace, temperature control in the SiC single crystal growth process, and the like.

10 るつぼ
12 カーボンヒータ
14 種結晶
16 支持手段
20、20a 材料
30 溶剤金属
10 Crucible 12 Carbon heater 14 Seed crystal 16 Support means 20, 20a Material 30 Solvent metal

Claims (5)

SiCからなる材料を使用し、前記材料と溶剤金属とを用いて、溶液法によりSiCの単結晶を製造する方法であって、
前記材料の上に前記溶剤金属のみを配置して加熱し、前記材料の上部に前記溶剤金属の融液を位置させ、
前記溶剤金属の融液にSiCの種結晶を接触させ、前記溶剤金属の融液中に前記材料からSiとCを溶出させることにより、前記種結晶にSiCを析出させてSiCの単結晶を成長させることを特徴とするSiC単結晶の製造方法。
A method for producing a single crystal of SiC by a solution method using a material comprising SiC and using the material and a solvent metal,
Place and heat only the solvent metal on the material, position the solvent metal melt on top of the material,
The SiC seed crystal is brought into contact with the melt of the solvent metal, and Si and C are eluted from the material in the melt of the solvent metal, so that SiC is deposited on the seed crystal to grow a SiC single crystal. A method for producing a SiC single crystal, characterized by comprising:
るつぼの底部側に前記SiCからなる材料を配置し、該材料の上に前記溶剤金属を配置して加熱することにより、SiCの単結晶を成長させることを特徴とする請求項1記載のSiC単結晶の製造方法。   The SiC single crystal according to claim 1, wherein a SiC single crystal is grown by disposing the SiC material on the bottom side of the crucible, disposing the solvent metal on the material and heating the material. Crystal production method. 前記るつぼとして、黒鉛からなるるつぼを使用することを特徴とする請求項2記載のSiC単結晶の製造方法。   The method for producing a SiC single crystal according to claim 2, wherein a crucible made of graphite is used as the crucible. 前記材料として、ブロック形状のSiCからなる固化体を使用し、
前記材料の上に前記溶剤金属のみを配置して加熱し、前記材料の上部で前記溶剤金属の融液を保持することにより、るつぼを使用することなく、SiCの単結晶を成長させることを特徴とする請求項1記載のSiC単結晶の製造方法。
As the material, using a solidified body made of block-shaped SiC,
The SiC single crystal is grown without using a crucible by placing and heating only the solvent metal on the material and holding the solvent metal melt on top of the material. The method for producing a SiC single crystal according to claim 1.
前記溶剤金属としてCrを用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載のSiC単結晶の製造方法。   The method for producing a SiC single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein Cr is used as the solvent metal.
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