JP6839526B2 - SiC single crystal growth device, SiC single crystal growth method and SiC single crystal - Google Patents

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Description

本発明は、SiC単結晶成長装置、SiC単結晶成長方法及びSiC単結晶に関する。
The present invention relates to a SiC single crystal growth apparatus, a SiC single crystal growth method, and a SiC single crystal.

炭化珪素(SiC)は、特徴的な特性を有する。例えば、シリコン(Si)と比べて、絶縁破壊電界は1桁大きく、バンドギャップは3倍大きく、熱伝導率は3倍程度高い。そのため炭化珪素(SiC)は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
特に近年、一枚の基板から多くの半導体デバイスを得るために、SiC単結晶基板の大口径化が求められている。そのためSiC単結晶自体の大口径化の要望も高まっている。
Silicon carbide (SiC) has characteristic properties. For example, the dielectric breakdown electric field is an order of magnitude larger, the band gap is three times larger, and the thermal conductivity is about three times higher than that of silicon (Si). Therefore, silicon carbide (SiC) is expected to be applied to power devices, high frequency devices, high temperature operation devices and the like.
In particular, in recent years, in order to obtain many semiconductor devices from a single substrate, it has been required to increase the diameter of the SiC single crystal substrate. Therefore, there is an increasing demand for a larger diameter of the SiC single crystal itself.

SiC単結晶基板は、SiCインゴットを切り出して作製する。SiCインゴットは、一般に昇華法によって得られる。昇華法は、黒鉛製の坩堝内に配置した台座にSiC単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きなSiCインゴットへ成長させる方法である。 The SiC single crystal substrate is produced by cutting out a SiC ingot. SiC ingots are generally obtained by the sublimation method. In the sublimation method, a seed crystal composed of a SiC single crystal is placed on a pedestal placed in a graphite crucible, and by heating the crucible, sublimation gas sublimated from the raw material powder in the crucible is supplied to the seed crystal. Is a method of growing a larger SiC ingot.

しかしながら、小さな種結晶から直接大きなSiCインゴットを得ることは難しい。そのため、まず種結晶を大きなSiC単結晶に成長させ、そのSiC単結晶を用いてSiCインゴットを作製することが一般的である。 However, it is difficult to obtain a large SiC ingot directly from a small seed crystal. Therefore, it is common to first grow a seed crystal into a large SiC single crystal and then use the SiC single crystal to prepare a SiC ingot.

大きなSiC単結晶を得る手段は、種々の方法が検討されている。
例えば、特許文献1は、テーパーガイドを用いる方法が記載されている。テーパーガイドに沿ってSiC単結晶が成長し、大きなSiC単結晶が作製されている。
Various methods have been studied as means for obtaining a large SiC single crystal.
For example, Patent Document 1 describes a method using a taper guide. A SiC single crystal grows along the taper guide, and a large SiC single crystal is produced.

また特許文献2には、大きなSiC単結晶を得る手段として、RAF(Repeated a−face)法が記載されている。RAF法とは、a面成長を少なくとも1回以上行った後に、c面成長を行うという方法である。 Further, Patent Document 2 describes a RAF (Repeated a-face) method as a means for obtaining a large SiC single crystal. The RAF method is a method in which c-plane growth is performed after a-plane growth is performed at least once.

また特許文献3には、SiC単結晶の原料を炉内の外周側に配置し、SiC単結晶をa軸方向とc軸方向に結晶成長させる方法が記載されている。 Further, Patent Document 3 describes a method of arranging a raw material of a SiC single crystal on the outer peripheral side of the furnace and growing the SiC single crystal in the a-axis direction and the c-axis direction.

特開2002−60297号公報JP-A-2002-60297 特許第3745668号公報Japanese Patent No. 37455668 特開平11−268990号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-268990

しかしながら、上述の方法では、a軸方向への口径拡大を容易に実現することが難しいという問題があった。 However, the above method has a problem that it is difficult to easily expand the diameter in the a-axis direction.

例えば、特許文献1に記載のテーパーガイドを用いた方法では、c軸方向にも結晶が成長するため効率的ではない。またテーパーガイドに付着した多結晶は、単結晶と接触すると、欠陥発生の原因となる。そのため、得られる単結晶の品質が悪くなる場合がある。 For example, the method using the taper guide described in Patent Document 1 is not efficient because crystals grow in the c-axis direction as well. Further, when the polycrystal attached to the taper guide comes into contact with the single crystal, it causes defects. Therefore, the quality of the obtained single crystal may deteriorate.

一方で、特許文献2のRAF法を用いると、螺旋転位及び積層欠陥をほとんどもたない非常に高品質な大型のSiC単結晶を作製できる。しかしながら、a軸方向の結晶成長と、c軸方向の結晶成長をそれぞれ行うため、大型化するための工程が多い。また、結晶方位を利用した作製方法であるため、大型で円形の単結晶を得ることが難しいという問題もある。 On the other hand, when the RAF method of Patent Document 2 is used, a very high-quality large-sized SiC single crystal having almost no spiral dislocations and stacking defects can be produced. However, since crystal growth in the a-axis direction and crystal growth in the c-axis direction are performed respectively, there are many steps for increasing the size. Further, since the production method utilizes the crystal orientation, there is also a problem that it is difficult to obtain a large and circular single crystal.

また特許文献3に記載の方法は、a軸方向とc軸方向のそれぞれに結晶成長が進むため、結晶に対してa軸方向とc軸方向の両方の温度勾配を制御する必要がある。またa軸とc軸に同時に結晶成長すると、得られる単結晶の品質が悪くなる場合がある。例えばa軸方向に成長する部分は螺旋転位を有さないため、c軸方向に結晶成長する際に異種多形を生み出す場合がある。 Further, in the method described in Patent Document 3, since crystal growth proceeds in each of the a-axis direction and the c-axis direction, it is necessary to control the temperature gradients in both the a-axis direction and the c-axis direction with respect to the crystal. Further, if crystals grow on the a-axis and the c-axis at the same time, the quality of the obtained single crystal may deteriorate. For example, since the portion growing in the a-axis direction does not have a helical dislocation, a heterogeneous polymorph may be produced when the crystal grows in the c-axis direction.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、容易に口径拡大できる単結晶成長装置及び単結晶成長方法を提供することを目的とする。また単結晶成長装置及び単結晶成長方法によって得られる特徴ある単結晶を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a single crystal growth apparatus and a single crystal growth method capable of easily expanding the diameter. Another object of the present invention is to provide a characteristic single crystal obtained by a single crystal growth apparatus and a single crystal growth method.

本発明者らは、鋭意検討の結果、単結晶のc面を保護し、c軸方向への結晶成長を抑制することで、単結晶の口径拡大を容易にできることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of diligent studies, the present inventors have found that the diameter of a single crystal can be easily expanded by protecting the c-plane of the single crystal and suppressing crystal growth in the c-axis direction, and completed the present invention. It was.
That is, the present invention provides the following means for solving the above problems.

(1)一実施態様にかかる単結晶成長装置は、単結晶の第1面と第1面に対向する第2面とを保護できる保護面を有し、前記単結晶を前記保護面で挟み保持できる単結晶保持部と、前記保護面により前記単結晶を挟む第1の方向から見て、前記単結晶保持部の外周を覆う炉体と、前記炉体内において、前記単結晶保持部より前記第1の方向と交差する径方向の外側に設けられた原料設置部と、前記炉体の前記径方向の外側を中央部より高温に加熱する加熱手段と、を備え、前記単結晶保持部が保持する単結晶を前記径方向の外側に向かって結晶成長させることができる。 (1) The single crystal growth apparatus according to one embodiment has a protective surface capable of protecting the first surface of the single crystal and the second surface facing the first surface, and holds the single crystal sandwiched between the protective surfaces. A single crystal holding portion that can be formed, a furnace body that covers the outer periphery of the single crystal holding portion when viewed from the first direction in which the single crystal is sandwiched by the protective surface, and the first in the furnace body from the single crystal holding portion. A raw material installation portion provided on the outer side in the radial direction intersecting the direction 1 and a heating means for heating the outer side in the radial direction of the furnace body to a higher temperature than the central portion are provided, and the single crystal holding portion holds the single crystal. The single crystal to be grown can be grown outward in the radial direction.

(2)上記態様にかかる単結晶成長装置における前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記径方向に延在するガイドリングをさらに備えてもよい。 (2) In the furnace body of the single crystal growth apparatus according to the above aspect, a guide ring extending in the radial direction from the single crystal holding portion may be further provided.

(3)上記態様にかかる単結晶成長装置は、前記炉体内に前記単結晶保持部から前記径方向に延在するガイドリングをさらに備え、前記単結晶保持部と前記ガイドリングとの間に隙間があってもよい。 (3) The single crystal growth apparatus according to the above aspect further includes a guide ring extending in the radial direction from the single crystal holding portion in the furnace body, and a gap between the single crystal holding portion and the guide ring. There may be.

(4)上記態様にかかる単結晶成長装置における前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドをさらに備えてもよい。 (4) In the furnace body of the single crystal growth apparatus according to the above aspect, a taper guide that expands the diameter from the single crystal holding portion toward the raw material installation portion may be further provided.

(5)上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記単結晶保持部と前記原料設置部との前記径方向の間に設けられ、前記単結晶保持部に保持される前記単結晶の外周を囲む遮蔽リングをさらに備えてもよい。
(5) In the single crystal growth apparatus according to the above aspect, the single crystal growing apparatus is provided between the single crystal holding portion and the raw material setting portion in the radial direction and surrounds the outer periphery of the single crystal held by the single crystal holding portion. An additional shielding ring may be provided.

(6)上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記単結晶保持部を中心に、前記第1の方向に対称であってもよい。 (6) In the single crystal growth apparatus according to the above aspect, the single crystal holding portion may be centered and symmetrical in the first direction.

(7)一実施形態にかかる単結晶成長方法は、上記態様にかかる単結晶成長装置を用いた単結晶成長方法であって、単結晶のc軸方向の両面を前記保護面で挟み、前記単結晶を保持する工程と、前記原料設置部に設けられた原料を前記加熱手段で加熱し、前記単結晶のc軸と交差する径方向に前記単結晶を成長させる工程と、を有する。 (7) The single crystal growth method according to one embodiment is a single crystal growth method using the single crystal growth apparatus according to the above embodiment, in which both sides of the single crystal in the c-axis direction are sandwiched between the protective surfaces. It includes a step of holding a crystal and a step of heating the raw material provided in the raw material setting portion by the heating means and growing the single crystal in the radial direction intersecting the c-axis of the single crystal.

(8)上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記原料を、前記単結晶保持部を中心に、前記第1の方向に対称に設置してもよい。 (8) In the single crystal growth method according to the above aspect, the raw material may be placed symmetrically in the first direction with the single crystal holding portion as the center.

(9)上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記単結晶を成長させる際に、前記単結晶保持部を介して前記単結晶に蓄積された熱を排熱してもよい。 (9) In the single crystal growth method according to the above embodiment, when the single crystal is grown, the heat accumulated in the single crystal may be exhausted through the single crystal holding portion.

(10)一実施形態にかかる単結晶成長方法は、単結晶のc軸方向の両面を保護し、前記c軸方向への成長を抑制しつつ、前記c軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させる。 (10) The single crystal growth method according to one embodiment protects both sides of the single crystal in the c-axis direction, suppresses the growth in the c-axis direction, and suppresses the growth of the single crystal in the radial direction intersecting the c-axis direction. To grow.

(11)一実施形態にかかる単結晶は、結晶構造のc軸方向から見て、中央部から6方向に放射状に延在するファセット成長領域を有する。 (11) The single crystal according to one embodiment has faceted growth regions extending radially in six directions from the central portion when viewed from the c-axis direction of the crystal structure.

(12)上記態様にかかる単結晶は、c軸方向から見て円形であり、同心円状に不連続領域を有してもよい。 (12) The single crystal according to the above aspect is circular when viewed from the c-axis direction, and may have concentric discontinuous regions.

(13)上記態様に係る単結晶は、前記不連続領域の外周に拡大部を有し、拡大部が積層欠陥を有してもよい。 (13) The single crystal according to the above aspect may have an enlarged portion on the outer periphery of the discontinuous region, and the enlarged portion may have a stacking defect.

本実施形態にかかる単結晶成長装置及び単結晶成長方法によれば、高品質で口径の大きな単結晶を容易にえることができる。 According to the single crystal growth apparatus and the single crystal growth method according to the present embodiment, a high quality single crystal having a large diameter can be easily obtained.

結晶方位及び結晶面について説明するための模式図を示す。A schematic diagram for explaining the crystal orientation and the crystal plane is shown. 第1実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。It is sectional drawing of the single crystal growth apparatus which concerns on 1st Embodiment. 複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程を模式的に示した図である。It is a figure which showed typically the growth process of a single crystal in the case of expanding the diameter of a single crystal by dividing it into a plurality of times. 複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程の別の例を模式的に示した図である。It is a figure which showed another example of the growth process of a single crystal in the case of expanding the diameter of a single crystal in a plurality of times. 本実施形態にかかる単結晶の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the single crystal which concerns on this embodiment. シミュレーションを行った際の原料ガスの流れと等温面とを示す図である。It is a figure which shows the flow of the raw material gas and the isotherm surface at the time of performing a simulation. シミュレーションにより結晶成長を行った後の単結晶成長装置の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the single crystal growth apparatus after crystal growth was performed by the simulation.

以下、単結晶成長装置、単結晶成長方法及び単結晶について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the single crystal growth apparatus, the single crystal growth method, and the single crystal will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. is there. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof.

まず結晶の方位及び方向について定義する。図1は、結晶方位及び結晶面について説明するための模式図である。単結晶には、主要な結晶面として{0001}面(c面)と、c面に垂直な{1−100}面(m面)及び{11−20}面(a面)が知られている。ここで、面指数において「−」の記号は通常数字の上に付されるが、本明細書及び図面では便宜上数字の左側に付した。また結晶方位を示す<0001>、<1−100>及び<11−20>についても同様の取り扱いとする。 First, the orientation and direction of the crystal are defined. FIG. 1 is a schematic view for explaining a crystal orientation and a crystal plane. The {0001} plane (c plane), the {1-100} plane (m plane) and the {11-20} plane (a plane) perpendicular to the c plane are known as the main crystal planes of the single crystal. There is. Here, in the surface index, the symbol "-" is usually attached above the number, but in the present specification and drawings, it is attached to the left side of the number for convenience. Further, <0001>, <1-100> and <11-20> indicating the crystal orientation are treated in the same manner.

尚、面を表す指数を示すかっこ{}、方向を表す指数を示すかっこ<>は、等価な対称性を持つ面及び方向を示すものであるので、向きを区別しない。本願では、面や方向を区別する時に、「向き」により区別する場合がある。例えば、{11−20}面を表裏面にもつ結晶の、一方の面を表面とすれば、裏面を反対の向きの面などという場合がある。 The parentheses {} indicating the exponent representing the surface and the parentheses <> indicating the exponent indicating the direction indicate the surface and the direction having equivalent symmetry, and therefore the directions are not distinguished. In the present application, when distinguishing faces and directions, they may be distinguished by "direction". For example, if one side of a crystal having {11-20} planes on the front and back surfaces is the front surface, the back surface may be the surface in the opposite direction.

(単結晶成長装置)
図2は、本実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。図2に示す単結晶成長装置100は、単結晶保持部10と、炉体20と、原料設置部30と、加熱手段40と、ガイドリング50と、テーパーガイド60と、遮蔽リング70とを備える。図2は、理解を容易にするために、単結晶保持部10に単結晶Sが保持され、原料設置部30に原料Gが設置された状態を図示している。
(Single crystal growth device)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the single crystal growth apparatus according to the present embodiment. The single crystal growth apparatus 100 shown in FIG. 2 includes a single crystal holding portion 10, a furnace body 20, a raw material setting portion 30, a heating means 40, a guide ring 50, a taper guide 60, and a shielding ring 70. .. FIG. 2 illustrates a state in which the single crystal S is held in the single crystal holding unit 10 and the raw material G is installed in the raw material setting unit 30 for easy understanding.

図2において、単結晶Sを挟む第1の方向をz方向とし、z方向に対し垂直な一方向をx方向、z方向及びx方向に垂直な方向をy方向とする。また第1の方向に交差する方向であって、単結晶保持部10を中心にxy面が広がる方向を「径方向」と言うことがある。また単結晶成長装置100の径方向外側を「外周側」、径方向内側を「中央部」と言うことがある。以下、単結晶成長装置100の各構成について具体的に説明する。 In FIG. 2, the first direction sandwiching the single crystal S is the z direction, one direction perpendicular to the z direction is the x direction, and the z direction and the direction perpendicular to the x direction are the y direction. Further, a direction that intersects the first direction and in which the xy plane spreads around the single crystal holding portion 10 may be referred to as a "diameter direction". Further, the radial outer side of the single crystal growth apparatus 100 may be referred to as an "outer peripheral side", and the radial inner side may be referred to as a "central portion". Hereinafter, each configuration of the single crystal growth apparatus 100 will be specifically described.

単結晶保持部10は、単結晶Sの第1面と第1面に対向する第2面とを保護できる保護面10aを有する。保護面10aが単結晶Sを両面から押えることで、単結晶保持部10は単結晶Sを保持する。 The single crystal holding portion 10 has a protective surface 10a capable of protecting the first surface of the single crystal S and the second surface facing the first surface. The protective surface 10a presses the single crystal S from both sides, so that the single crystal holding portion 10 holds the single crystal S.

単結晶保持部10は、z方向に延在する単結晶保持部10の中心軸を中心に回転できる構成を有してもよい。単結晶保持部10に保持される単結晶Sには、外周側から原料ガスが供給される。単結晶保持部10が回転することで、径方向への結晶成長速度が均等化される。 The single crystal holding portion 10 may have a configuration capable of rotating about the central axis of the single crystal holding portion 10 extending in the z direction. The raw material gas is supplied to the single crystal S held by the single crystal holding unit 10 from the outer peripheral side. By rotating the single crystal holding portion 10, the crystal growth rate in the radial direction is equalized.

単結晶保持部10には、排熱機構を設けてもよい。単結晶Sは高温で結晶成長するため、単結晶Sと接触する単結晶保持部10も高温になる。単結晶保持部10に蓄積された熱を効率的に排熱すると、単結晶成長装置100の外周側と中央部の温度勾配をより大きくすることができる。その結果、単結晶Sの径方向への成長速度が高まる。 The single crystal holding portion 10 may be provided with a heat exhaust mechanism. Since the single crystal S grows at a high temperature, the single crystal holding portion 10 in contact with the single crystal S also becomes high temperature. When the heat accumulated in the single crystal holding portion 10 is efficiently exhausted, the temperature gradient between the outer peripheral side and the central portion of the single crystal growth apparatus 100 can be further increased. As a result, the growth rate of the single crystal S in the radial direction increases.

排熱機構は、公知のものを用いることができる。例えば、外部から強制的に冷却する機構を設けてもよいし、熱伝導率の高い物質を接触させてもよい。 A known heat exhaust mechanism can be used. For example, a mechanism for forcibly cooling from the outside may be provided, or a substance having high thermal conductivity may be brought into contact with the substance.

炉体20は、z方向から見て、単結晶保持部10の外周を覆う。すなわち、炉体20は、単結晶Sが単結晶保持部10から露出している部分を覆う。炉体20により単結晶Sが成長する空間が閉じた空間となり、原料Gの利用効率が高まる。 The furnace body 20 covers the outer periphery of the single crystal holding portion 10 when viewed from the z direction. That is, the furnace body 20 covers the portion where the single crystal S is exposed from the single crystal holding portion 10. The space in which the single crystal S grows becomes a closed space by the furnace body 20, and the utilization efficiency of the raw material G is enhanced.

原料設置部30は、炉体20内の径方向の外側に設けられている。原料設置部30は、原料Gを単結晶保持部10に対して径方向の外側に設置できれば、その構成は特に問わない。原料設置部30に原料Gを設置し加熱することで、単結晶保持部10に対して外周側から原料ガスが供給される。原料設置部30は、単結晶保持部10を中心にz方向対称に原料Gを設置できることが好ましい。 The raw material setting portion 30 is provided on the outside of the furnace body 20 in the radial direction. The structure of the raw material setting unit 30 is not particularly limited as long as the raw material G can be installed on the outer side in the radial direction with respect to the single crystal holding unit 10. By installing the raw material G in the raw material setting unit 30 and heating it, the raw material gas is supplied to the single crystal holding unit 10 from the outer peripheral side. It is preferable that the raw material setting unit 30 can install the raw material G symmetrically in the z direction with the single crystal holding unit 10 as the center.

加熱手段40は、炉体20内の温度を周方向の外周側が中央部より高温になるように制御する。加熱手段40は、公知のヒーター等を用いることができる。加熱手段40において加熱された炉体20の各部分の温度は、放射温度計等で測温できる。なお、図2においては炉体の上下にヒーターを設けているが、外周にヒーターを配置してもよい。 The heating means 40 controls the temperature inside the furnace body 20 so that the outer peripheral side in the circumferential direction is higher than the central portion. As the heating means 40, a known heater or the like can be used. The temperature of each part of the furnace body 20 heated by the heating means 40 can be measured with a radiation thermometer or the like. Although heaters are provided above and below the furnace body in FIG. 2, heaters may be arranged on the outer periphery.

ガイドリング50は、単結晶保持部10から径方向に延在するリング状の部材である。ガイドリング50を設けると、単結晶S近傍の原料ガスの流れが制御される。 The guide ring 50 is a ring-shaped member extending in the radial direction from the single crystal holding portion 10. When the guide ring 50 is provided, the flow of the raw material gas in the vicinity of the single crystal S is controlled.

ガイドリング50は、単結晶Sの外周面に対して略垂直な方向から原料ガスが供給されるように、原料ガスの流れを制御する。原料ガスの流れを制御すると、単結晶Sの径方向への結晶成長速度が高まる。またガイドリング50を有すると、成長した単結晶Sが単結晶保持部10から突出した場合でも、安定的に径方向へ結晶成長する。 The guide ring 50 controls the flow of the raw material gas so that the raw material gas is supplied from a direction substantially perpendicular to the outer peripheral surface of the single crystal S. Controlling the flow of the raw material gas increases the radial crystal growth rate of the single crystal S. Further, when the guide ring 50 is provided, even when the grown single crystal S protrudes from the single crystal holding portion 10, the crystal grows stably in the radial direction.

ガイドリング50と単結晶保持部10との間には、隙間を設けることが好ましい。隙間を介して原料ガスの一部を空間Rへ逃がすことにより、原料ガスの滞留を防ぐことができる。 It is preferable to provide a gap between the guide ring 50 and the single crystal holding portion 10. By letting a part of the raw material gas escape to the space R through the gap, the retention of the raw material gas can be prevented.

原料ガスが滞留すると、所望の部分以外の場所に結晶が成長する。例えば、原料設置部30から単結晶保持部10へ向かって原料ガスが流れる流路の途中に、不要な結晶が生じると、原料ガスの流れを乱す。またこの不要な結晶が、成長する単結晶Sと接触すると、結晶欠陥の原因となる。 When the raw material gas stays, crystals grow in places other than the desired portion. For example, if unnecessary crystals are generated in the middle of the flow path in which the raw material gas flows from the raw material setting unit 30 to the single crystal holding unit 10, the flow of the raw material gas is disturbed. Further, when this unnecessary crystal comes into contact with the growing single crystal S, it causes a crystal defect.

テーパーガイド60は、炉体20内において、単結晶保持部10から原料設置部30に向かって拡径する部材である。原料設置部30に設置された原料Gで生じた原料ガスは、テーパーガイド60に沿って単結晶保持部10へ供給される。そのため、原料設置部30から単結晶保持部10に向かって原料ガスが収束するようにテーパーガイド60を配置することで、単結晶Sへの原料ガスの供給効率を高めることができる。 The taper guide 60 is a member that expands in diameter from the single crystal holding portion 10 toward the raw material setting portion 30 in the furnace body 20. The raw material gas generated by the raw material G installed in the raw material setting unit 30 is supplied to the single crystal holding unit 10 along the taper guide 60. Therefore, by arranging the taper guide 60 so that the raw material gas converges from the raw material setting unit 30 toward the single crystal holding unit 10, the efficiency of supplying the raw material gas to the single crystal S can be improved.

遮蔽リング70は、単結晶保持部10と原料設置部30との径方向の間に設けられ、単結晶保持部10に保持される単結晶Sの径方向の外周を囲む部材である。遮蔽リング70は、周囲の部材からの熱輻射を遮蔽する。熱輻射による単結晶Sの温度上昇を抑制することで、単結晶Sが設置されている炉体20の中央部の温度を低くすることができる。その結果、炉体20の外周側と中央部の温度勾配を大きくし、単結晶Sの径方向への成長速度を高めることができる。 The shielding ring 70 is a member provided between the single crystal holding portion 10 and the raw material setting portion 30 in the radial direction and surrounding the outer circumference of the single crystal S held by the single crystal holding portion 10 in the radial direction. The shielding ring 70 shields heat radiation from surrounding members. By suppressing the temperature rise of the single crystal S due to thermal radiation, the temperature of the central portion of the furnace body 20 in which the single crystal S is installed can be lowered. As a result, the temperature gradient between the outer peripheral side and the central portion of the furnace body 20 can be increased, and the growth rate of the single crystal S in the radial direction can be increased.

また遮蔽リング70は、熱輻射を遮蔽し、単結晶S近傍における等温面をz方向と略平行にする。単結晶Sは、等温面に対して垂直に結晶成長する。そのため、等温面がz方向と略平行となることにより、単結晶Sの径方向への結晶成長速度がz方向で均一化する。そのため、単結晶Sの径方向への結晶成長がより安定化する。 Further, the shielding ring 70 shields heat radiation and makes the isothermal surface in the vicinity of the single crystal S substantially parallel to the z direction. The single crystal S grows perpendicular to the isothermal plane. Therefore, the isothermal plane becomes substantially parallel to the z direction, so that the crystal growth rate of the single crystal S in the radial direction becomes uniform in the z direction. Therefore, the crystal growth of the single crystal S in the radial direction is more stable.

単結晶保持部10、炉体20、原料設置部30、加熱手段40、ガイドリング50、テーパーガイド60及び遮蔽リング70を構成する材料は、耐熱性を有する材料であれば、特に問わない。例えば、カーボン、炭化タンタル(TaC)等を用いることができる。 The materials constituting the single crystal holding portion 10, the furnace body 20, the raw material setting portion 30, the heating means 40, the guide ring 50, the taper guide 60, and the shielding ring 70 are not particularly limited as long as they are heat resistant materials. For example, carbon, tantalum carbide (TaC) and the like can be used.

ガイドリング50、テーパーガイド60及び遮蔽リング70は必須の構成ではないが、これらを有することで単結晶Sの径方向への結晶成長をより効率的に行うことができる。また炉体20内に断熱材80を設け、熱効率を高めてもよい。 The guide ring 50, the taper guide 60, and the shielding ring 70 are not essential configurations, but by having them, the crystal growth of the single crystal S in the radial direction can be performed more efficiently. Further, the heat insulating material 80 may be provided in the furnace body 20 to increase the thermal efficiency.

単結晶成長装置100は、単結晶保持部10を中心に、z方向に対称であることが好ましい。単結晶成長装置100がz方向に対称であると、単結晶保持部10にz方向均一に原料ガスを供給できる。その結果、単結晶保持部10に保持される単結晶Sのz方向の成長を均一にできる。 The single crystal growth apparatus 100 is preferably symmetrical in the z direction with the single crystal holding portion 10 as the center. When the single crystal growth apparatus 100 is symmetrical in the z direction, the raw material gas can be uniformly supplied to the single crystal holding portion 10 in the z direction. As a result, the growth of the single crystal S held in the single crystal holding portion 10 in the z direction can be made uniform.

(単結晶成長装置の動作、単結晶成長方法)
次いで、単結晶成長装置の動作と共に、単結晶成長方法について具体的に説明する。本実施形態にかかる単結晶成長方法は、単結晶のc軸方向の両面を保護し、c軸方向への成長を抑制しつつ、c軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させる方法である。以下、図2に示す単結晶成長装置100を用いて、単結晶を結晶成長させる場合を例に、具体的に説明する。
(Operation of single crystal growth device, single crystal growth method)
Next, the single crystal growth method will be specifically described together with the operation of the single crystal growth apparatus. The single crystal growth method according to the present embodiment is a method of growing a single crystal in the radial direction intersecting the c-axis direction while protecting both sides of the single crystal in the c-axis direction and suppressing growth in the c-axis direction. is there. Hereinafter, a case where a single crystal is crystal-grown using the single crystal growth apparatus 100 shown in FIG. 2 will be specifically described as an example.

まず、基礎となる単結晶Sを準備する。以下、この基礎となる単結晶を種結晶と言うことがある。種結晶は、公知の方法で作製された単結晶を切り出して得られる。
単結晶Sの種類は特に問わないが、例えば、炭化ケイ素(SiC)、シリコン等を用いることができる。
First, a single crystal S as a base is prepared. Hereinafter, the single crystal that forms the basis of this may be referred to as a seed crystal. The seed crystal is obtained by cutting out a single crystal produced by a known method.
The type of the single crystal S is not particularly limited, and for example, silicon carbide (SiC), silicon, or the like can be used.

種結晶の形状は問わないが、例えば超音波加工により円柱状に切り出す。円柱の高さ方向は、結晶のc軸方向と略一致させる。このように切り出すことで、円柱状の種結晶の底面及び頂面は、c面又はオフセット角を有するc面となる。 The shape of the seed crystal does not matter, but it is cut into a columnar shape by, for example, ultrasonic processing. The height direction of the cylinder is substantially the same as the c-axis direction of the crystal. By cutting out in this way, the bottom surface and the top surface of the columnar seed crystal become a c-plane or a c-plane having an offset angle.

切り出された円柱状の種結晶は、研磨及びエッチング処理を施すことが好ましい。研磨は、ラップ研磨、化学機械研磨(CMP)等を用いることができる。 The cut out columnar seed crystal is preferably subjected to polishing and etching treatment. For polishing, lap polishing, chemical mechanical polishing (CMP), or the like can be used.

研磨及びエッチング処理を行うと、種結晶が有するダメージ層を除去することができる。ダメージ層とは、切断・研削・研磨等の外力により結晶構造に乱れが生じ、内部応力がかかっている層である。そのため、ダメージ層は、結晶成長時の歪みを生み出し、転位や積層欠陥等の原因となる。 The damaged layer of the seed crystal can be removed by polishing and etching. The damaged layer is a layer in which the crystal structure is disturbed by external forces such as cutting, grinding, and polishing, and internal stress is applied. Therefore, the damaged layer produces distortion during crystal growth, which causes dislocations, stacking defects, and the like.

ダメージ層は、本来の安定構造からズレが生じている部分である。そのため、その他の部分より構造的にやや不安定であり、化学的なエッチングにより優先的に除去できる。 The damage layer is the part where the original stable structure is deviated. Therefore, it is structurally slightly unstable than other parts and can be preferentially removed by chemical etching.

ダメージ層が除去されたかどうかは、結晶構造の乱れをX線トポグラフィーやX線ロッキングカーブで観察することで確認できる。結晶構造の乱れは、本来の構造からズレが生じた部位を含んでいるため、回折角が変化する。そのため、X線トポグラフィーではコントラストから、X線ロッキングカーブからは、ピークの半値幅(FWHM)の増加から判断することができる。 Whether or not the damaged layer has been removed can be confirmed by observing the disorder of the crystal structure by X-ray topography or X-ray locking curve. Since the disorder of the crystal structure includes a portion where the original structure is deviated, the diffraction angle changes. Therefore, it can be judged from the contrast in the X-ray topography and from the increase in the half width (FWHM) of the peak from the X-ray locking curve.

次いで、円柱状に加工した種結晶の底面と頂面を保護面10aで挟み、種結晶を保持する。上述のように、円柱状の種結晶の高さ方向はc軸方向と略一致するため、保護面10aは種結晶のc軸方向の両面を保護する。 Next, the bottom surface and the top surface of the seed crystal processed into a columnar shape are sandwiched between the protective surfaces 10a to hold the seed crystal. As described above, since the height direction of the columnar seed crystal substantially coincides with the c-axis direction, the protective surface 10a protects both sides of the seed crystal in the c-axis direction.

保護面10aは、保持される種結晶より径方向に突出していないことが好ましい。保護面10aが種結晶より径方向に突出していると、種結晶が結晶成長する際に、保護面10aから多結晶が析出し、品質が劣化する。この際、温度や部材の配置が適切であれば、c軸方向の両面は保護面10aで保護されているため、径方向のみへの結晶成長が実現できる。 It is preferable that the protective surface 10a does not project radially from the retained seed crystal. If the protective surface 10a protrudes in the radial direction from the seed crystal, polycrystals are precipitated from the protective surface 10a when the seed crystal grows, and the quality deteriorates. At this time, if the temperature and the arrangement of the members are appropriate, both sides in the c-axis direction are protected by the protective surface 10a, so that crystal growth can be realized only in the radial direction.

また単結晶成長装置100の原料設置部30に原料Gを設置する。原料Gは、SiC単結晶を結晶成長させる場合は、焼結したSiC粉末原料を用いることができる。 Further, the raw material G is installed in the raw material installation unit 30 of the single crystal growth apparatus 100. As the raw material G, a sintered SiC powder raw material can be used when the SiC single crystal is crystal-grown.

原料Gを炉体20の外周に沿った原料設置部30に設置する手順として、例えば以下の手順が挙げられる。 Examples of the procedure for installing the raw material G in the raw material installation unit 30 along the outer circumference of the furnace body 20 include the following procedure.

まず炉体20のz方向上面を開放し、炉体20内に炉体20の直径より小さい径の円筒を挿入する。そして、挿入した円筒と、炉体20の外周との間に、原料Gを充填する。充填後に、挿入した円筒を静かに取り除き、炉体20のz方向上面を塞ぐ。原料Gは、固形であり、加熱時にも溶融する訳ではない。そのため、このような手順で原料Gを原料設置部30に設置することができる。 First, the upper surface of the furnace body 20 in the z direction is opened, and a cylinder having a diameter smaller than the diameter of the furnace body 20 is inserted into the furnace body 20. Then, the raw material G is filled between the inserted cylinder and the outer circumference of the furnace body 20. After filling, the inserted cylinder is gently removed to close the upper surface of the furnace body 20 in the z direction. The raw material G is solid and does not melt even when heated. Therefore, the raw material G can be installed in the raw material installation unit 30 by such a procedure.

また充填する原料Gが微細な粉末等であり、挿入した円筒を取り除くことが難しい場合は、円筒に原料ガスが通過できるポーラス孔を設ける。原料ガスがポーラス孔を通して通過できるため、挿入した円筒を取り除く必要が無くなる。この場合、挿入する円筒は、耐熱性を有する必要がある。そのため、SiC単結晶を成長させる場合には、例えばカーボン等からなる円筒を用いることができる。 If the raw material G to be filled is fine powder or the like and it is difficult to remove the inserted cylinder, a porous hole through which the raw material gas can pass is provided in the cylinder. Since the raw material gas can pass through the porous holes, it is not necessary to remove the inserted cylinder. In this case, the cylinder to be inserted needs to have heat resistance. Therefore, when growing a SiC single crystal, for example, a cylinder made of carbon or the like can be used.

原料Gは、単結晶保持部10を中心にz方向に対称に設置することが好ましい。原料Gがz方向に対称に設置されることで、単結晶保持部10にz方向均一に原料ガスを供給できる。つまり、単結晶の径方向への成長速度をz方向で均一にすることができる。 The raw material G is preferably installed symmetrically in the z direction with the single crystal holding portion 10 as the center. By installing the raw material G symmetrically in the z direction, the raw material gas can be uniformly supplied to the single crystal holding portion 10 in the z direction. That is, the growth rate of the single crystal in the radial direction can be made uniform in the z direction.

上述のように、種結晶及び原料Gを単結晶成長装置100内に設置した後、加熱手段40により外部から炉体20を加熱する。この際、炉体20の外周側を中央部より高温になるように加熱する。そして、加熱により炉体20の外周側と中央部との間に温度勾配が形成される。 As described above, after the seed crystal and the raw material G are installed in the single crystal growth apparatus 100, the furnace body 20 is heated from the outside by the heating means 40. At this time, the outer peripheral side of the furnace body 20 is heated so that the temperature is higher than that of the central portion. Then, a temperature gradient is formed between the outer peripheral side and the central portion of the furnace body 20 by heating.

この際、単結晶保持部10と原料設置部30との間に、遮蔽リング70を設置することが好ましい。上述のように遮蔽リング70を設けることで、温度勾配の等温面の位置を制御することができる。また熱輻射の影響を遮断し、温度勾配を大きくすることができる。 At this time, it is preferable to install the shielding ring 70 between the single crystal holding portion 10 and the raw material setting portion 30. By providing the shielding ring 70 as described above, the position of the isothermal surface of the temperature gradient can be controlled. In addition, the influence of heat radiation can be blocked and the temperature gradient can be increased.

また単結晶保持部10には排熱手段を設けることが好ましい。すなわち、単結晶を成長させる際に、単結晶保持部10を介して単結晶Sに蓄積された熱を排熱することが好ましい。単結晶保持部10を排熱することで、炉体20の外周側と中央部との間の温度勾配が大きくなる。 Further, it is preferable that the single crystal holding portion 10 is provided with heat exhausting means. That is, when growing a single crystal, it is preferable to exhaust the heat accumulated in the single crystal S via the single crystal holding portion 10. By exhausting the heat of the single crystal holding portion 10, the temperature gradient between the outer peripheral side and the central portion of the furnace body 20 becomes large.

原料設置部30に設置された原料Gは、加熱により原料ガスを生じる。発生した原料ガスは、炉体20の外周側と中央部の温度勾配に従い、単結晶保持部10へ向かう。テーパーガイド60を設けると、原料ガスを効率的に単結晶保持部10へ供給できる。 The raw material G installed in the raw material installation unit 30 generates a raw material gas by heating. The generated raw material gas goes to the single crystal holding portion 10 according to the temperature gradients of the outer peripheral side and the central portion of the furnace body 20. When the taper guide 60 is provided, the raw material gas can be efficiently supplied to the single crystal holding portion 10.

そして、ガイドリング50に沿って流れた原料ガスは、単結晶保持部10に保持された種結晶近傍で冷やされ再結晶化する。その結果、種結晶が径方向に拡大し、大型の単結晶が得られる。 Then, the raw material gas flowing along the guide ring 50 is cooled and recrystallized in the vicinity of the seed crystal held in the single crystal holding portion 10. As a result, the seed crystal expands in the radial direction, and a large single crystal is obtained.

ガイドリング50と単結晶保持部10との間に隙間を有する場合は、過剰に供給された原料ガスの一部は、隙間を介して空間Rに流れる。空間Rに流れた原料ガスは、空間R内で再結晶化し、空間R内に蓄積する。図2において、空間Rは単結晶保持部10のz方向上下方向の位置に存在する。そのため、空間Rで再結晶化した結晶が、種結晶の結晶成長に影響を及ぼすことはない。 When there is a gap between the guide ring 50 and the single crystal holding portion 10, a part of the excessively supplied raw material gas flows into the space R through the gap. The raw material gas flowing into the space R is recrystallized in the space R and accumulated in the space R. In FIG. 2, the space R exists at a position of the single crystal holding portion 10 in the vertical direction in the z direction. Therefore, the crystal recrystallized in the space R does not affect the crystal growth of the seed crystal.

単結晶の径方向への拡大は、一度に行ってもよいが、複数回に分けて行うことが好ましい。以下、図3を用いて複数回に分けて拡大する場合について説明する。図3は、複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程を模式的に示した図である。 The expansion of the single crystal in the radial direction may be performed at one time, but it is preferably performed in a plurality of times. Hereinafter, a case of enlarging in a plurality of times will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing the growth process of a single crystal when the diameter of the single crystal is expanded in a plurality of times.

図3に示すように、単結晶Sは、単結晶保持部10によりz方向の両面を保護されているため、径方向に結晶成長する。単結晶Sが径方向に拡大し続けると、いずれ単結晶Sの径方向の外周端は、単結晶保持部10より径方向の外側に位置する。この状態で、単結晶Sの径方向への拡大を進めると、第1拡大部S1が形成される。 As shown in FIG. 3, since the single crystal S is protected on both sides in the z direction by the single crystal holding portion 10, the crystal grows in the radial direction. When the single crystal S continues to expand in the radial direction, the outer peripheral end of the single crystal S in the radial direction is located radially outside the single crystal holding portion 10. In this state, if the single crystal S is expanded in the radial direction, the first enlarged portion S1 is formed.

第1拡大部S1は、z方向の両面が保護されていない状態で成長するため、z方向にも少し成長する。z方向への成長量は、例えば遮蔽リング70の配置等により等温面を制御したり、ガイドリング50により原料ガスの流れを制御することで、ある程度制御できる。しかしながら、結晶成長を続けると、z方向への成長量は無視できなくなる。 Since the first enlarged portion S1 grows in a state where both sides in the z direction are not protected, it grows a little in the z direction as well. The amount of growth in the z direction can be controlled to some extent by controlling the isothermal surface by, for example, arranging the shielding ring 70, or by controlling the flow of the raw material gas by the guide ring 50. However, if the crystal growth is continued, the amount of growth in the z direction cannot be ignored.

そこで、第1拡大部S1がある程度の大きさまで成長したら、一度成長を止める。そして、単結晶Sを単結晶保持部10から取り外す。取り外した単結晶Sは、単結晶保持部10で保護されていた部分と、第1拡大部S1とでz方向の厚みが異なる。そこで、研削、CMP研磨等により第1拡大部S1の突出部Pを除去し、z方向の厚みを均一にする。この段階で、初期の単結晶Sより口径は拡大している。 Therefore, once the first enlarged portion S1 grows to a certain size, the growth is stopped once. Then, the single crystal S is removed from the single crystal holding portion 10. The removed single crystal S has a different thickness in the z direction between the portion protected by the single crystal holding portion 10 and the first enlarged portion S1. Therefore, the protruding portion P of the first enlarged portion S1 is removed by grinding, CMP polishing, or the like to make the thickness in the z direction uniform. At this stage, the diameter is larger than that of the initial single crystal S.

次いで、口径が拡大した単結晶Sを再度、単結晶保持部10で保持する。この際、単結晶保持部10の大きさは、一回目の単結晶保持部10より大きなサイズとする。また単結晶保持部10の大きさは、口径拡大後の単結晶Sより大きくする。 Next, the single crystal S having an enlarged diameter is held again by the single crystal holding unit 10. At this time, the size of the single crystal holding portion 10 is set to be larger than that of the first single crystal holding portion 10. Further, the size of the single crystal holding portion 10 is made larger than that of the single crystal S after the diameter is expanded.

そして、この状態で単結晶Sを結晶成長させると、第2拡大部S2が形成される。そして、第2拡大部S2がある程度成長したら、再度、単結晶保持部10を取外し、突出部Pを研磨する。 Then, when the single crystal S is crystal-grown in this state, the second enlarged portion S2 is formed. Then, when the second enlarged portion S2 grows to some extent, the single crystal holding portion 10 is removed again and the protruding portion P is polished.

このような工程を繰り返すことで、段階的に口径を拡大することができる。複数回に分けて段階的に口径を拡大すると、z方向の厚みを均一に保つことが容易になる。また、一度に口径拡大する場合と比較して歪が生じにくく、単結晶Sが成長過程において割れることを防ぐことができる。 By repeating such a process, the diameter can be gradually increased. If the diameter is gradually increased in a plurality of times, it becomes easy to keep the thickness in the z direction uniform. In addition, distortion is less likely to occur as compared with the case where the diameter is expanded at one time, and it is possible to prevent the single crystal S from cracking in the growth process.

また複数回に分けて口径拡大を行う場合は、図4に示すような手順で行ってもよい。図4は、複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程の別の例を模式的に示した図である。 Further, when the diameter is expanded in a plurality of times, the procedure as shown in FIG. 4 may be performed. FIG. 4 is a diagram schematically showing another example of the growth process of a single crystal when the diameter of the single crystal is expanded in a plurality of times.

図4は、単結晶Sを径方向に拡大した第1拡大部S1の突出部Pを除去するまでは、図3に示す手順と同じである。 FIG. 4 is the same as the procedure shown in FIG. 3 until the protruding portion P of the first enlarged portion S1 in which the single crystal S is enlarged in the radial direction is removed.

図4に示す手順では、突出部Pを除去した後に、一度c軸方向へ結晶成長を行う。第1拡大部S1に欠陥が生じた場合、同一の結晶方位に成長を進めるとその欠陥は引き継がれる。成長方向を変えることで、生じた欠陥を取り除くことができる。 In the procedure shown in FIG. 4, after removing the protruding portion P, crystal growth is once performed in the c-axis direction. When a defect occurs in the first enlarged portion S1, the defect is inherited when the growth proceeds in the same crystal orientation. By changing the growth direction, the generated defects can be removed.

例えば、単結晶Sがオフセット角を有する場合は、発生した欠陥Dはオフセット下流側に伝搬する。そのため、ある程度c軸方向に結晶成長を進めると、欠陥Dを除去することができる。そこで、欠陥Dが除去された領域を切り出し、第2の単結晶S’とする。 For example, when the single crystal S has an offset angle, the generated defect D propagates to the downstream side of the offset. Therefore, the defect D can be removed by advancing the crystal growth in the c-axis direction to some extent. Therefore, the region from which the defect D has been removed is cut out and used as the second single crystal S'.

第2の単結晶S’を利用することで、再度口径拡大を行う際に欠陥が結晶中に残ることを避けることができる。つまり、上記の工程を繰り返すことで、欠陥が少なく大型の単結晶を得ることができる。 By using the second single crystal S', it is possible to prevent defects from remaining in the crystal when the diameter is expanded again. That is, by repeating the above steps, a large single crystal with few defects can be obtained.

上述のように、本実施形態にかかる単結晶成長方法によれば、c軸方向への結晶成長を抑制しつつ、c軸と交差する径方向への結晶成長を行うことができる。そのため、容易に口径の大きな単結晶を得ることができる。またc軸方向への成長がほとんどないため、温度勾配を径方向のみに限定することができ、成長中の温度差による割れ等の発生も低減できる。さらに、種結晶の形状や、成長面がオフセット角を有するか等を問わず、単結晶の口径拡大を実現できる。 As described above, according to the single crystal growth method according to the present embodiment, it is possible to carry out crystal growth in the radial direction intersecting the c-axis while suppressing crystal growth in the c-axis direction. Therefore, a single crystal having a large diameter can be easily obtained. Further, since there is almost no growth in the c-axis direction, the temperature gradient can be limited only in the radial direction, and the occurrence of cracks due to the temperature difference during growth can be reduced. Further, regardless of the shape of the seed crystal and whether the growth surface has an offset angle, it is possible to expand the diameter of the single crystal.

また本実施形態にかかる単結晶成長装置によれば、上記の単結晶成長方法を容易に実現することができる。また炉体20の径方向のサイズを大きくすれば、単結晶の拡大量を大きくすることができる。 Further, according to the single crystal growth apparatus according to the present embodiment, the above-mentioned single crystal growth method can be easily realized. Further, if the size of the furnace body 20 in the radial direction is increased, the amount of expansion of the single crystal can be increased.

(単結晶)
図5は、本実施形態にかかる単結晶の平面模式図である。図5に示すように、本実施形態にかかる単結晶Sは、結晶構造のc軸方向から見て、中央部から6方向に放射状に延在するファセット成長領域Fを有する。
(Single crystal)
FIG. 5 is a schematic plan view of a single crystal according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the single crystal S according to the present embodiment has a facet growth region F extending radially from the central portion in 6 directions when viewed from the c-axis direction of the crystal structure.

「ファセット」とは、結晶の幾何学的規則性に沿って原子的なスケールでみて平坦な結晶面であり、結晶成長の際に成長機構の違いから平坦な面として現れる面をいう。例えば、{0001}面と平行な{0001}面ファセット(c面ファセット)、{11−20}面と平行な{11−20}面ファセット(a面ファセット)、{1−100}面と平行な{1−100}面ファセット(m面ファセット)等がある。これらは、結晶成長の際に平面として現れる。 A "facet" is a crystal plane that is flat on an atomic scale along the geometrical regularity of a crystal, and is a plane that appears as a flat plane due to a difference in the growth mechanism during crystal growth. For example, {0001} plane facet parallel to {0001} plane (c plane facet), {11-20} plane facet parallel to {11-20} plane (a plane facet), parallel to {1-100} plane. There are {1-100} plane facets (m plane facets) and the like. These appear as planes during crystal growth.

また「ファセット成長領域F」は、成長過程のSiCインゴットの最表面にファセットが形成された部分の集合体からなる領域をいう。ファセット成長領域Fは、ステップフロー成長するその他の領域と比べて、その成長機構の違いから不純物濃度が異なる。そのため、成長後の結晶からファセット成長領域Fを判別することもできる。 Further, the "facet growth region F" refers to a region composed of an aggregate of portions in which facets are formed on the outermost surface of the SiC ingot during the growth process. The facet growth region F has a different impurity concentration due to the difference in its growth mechanism as compared with other regions in which step flow growth occurs. Therefore, the facet growth region F can be discriminated from the grown crystal.

図1に示すように、単結晶は、c軸方向から見ると正六角形の各面に結晶面(a面、m面)を有する。そのため、単結晶を径方向にのみ拡大させると、各結晶面の位置にファセット成長領域Fが形成される。すなわち、中央の基礎となる単結晶S0から径方向に口径拡大した第1拡大部S1及び第2拡大部S2では、基礎となる単結晶S0から6方向に放射状に延在するファセット成長領域Fが形成される。そのため、上述の単結晶成長方法によって得られる単結晶は、基礎となる単結晶S0から6方向に放射状に延在するファセット成長領域Fを有する。 As shown in FIG. 1, a single crystal has crystal planes (a-plane and m-plane) on each plane of a regular hexagon when viewed from the c-axis direction. Therefore, when the single crystal is expanded only in the radial direction, a facet growth region F is formed at the position of each crystal plane. That is, in the first expansion portion S1 and the second expansion portion S2 whose diameters are expanded in the radial direction from the central base single crystal S0, the facet growth region F extending radially in the six directions from the base single crystal S0 It is formed. Therefore, the single crystal obtained by the above-mentioned single crystal growth method has a faceted growth region F extending radially from the base single crystal S0 in six directions.

また基礎となる単結晶S0がc軸方向から見て円形の場合、基礎となる単結晶S0から均一に口径拡大すると、第1拡大部S1及び第2拡大部S2は同心円状に形成される。複数回結晶成長を行った界面は、一度成長を止めているため、不連続領域dcが形成される。そのため、基礎となる単結晶S0、第1拡大部S1及び第2拡大部S2の界面には、不連続領域dcが存在する。不連続領域dcは、第1拡大部S1及び第2拡大部S2の形状と同様に同心円状に配置する。 Further, when the base single crystal S0 is circular when viewed from the c-axis direction, the first expansion portion S1 and the second expansion portion S2 are formed concentrically when the diameter is uniformly expanded from the base single crystal S0. Since the interface where the crystal growth has been performed a plurality of times has stopped growing once, a discontinuous region dc is formed. Therefore, a discontinuous region dc exists at the interface between the underlying single crystal S0, the first enlarged portion S1 and the second enlarged portion S2. The discontinuous region dc is arranged concentrically in the same manner as the shapes of the first enlarged portion S1 and the second enlarged portion S2.

ここで円形とは、完全な真円に限られない。例えば、局所的に発生するファセット部に直線部がある略円形であってもよい。円形基板を作製する場合は通常周辺部を研削する加工を行うので、このような場合も実質的に円形として扱うことができる。 Here, the circle is not limited to a perfect circle. For example, it may be a substantially circular shape in which a locally generated facet portion has a straight portion. When a circular substrate is produced, the peripheral portion is usually ground, so that such a case can also be treated as a substantially circular shape.

本実施形態にかかる単結晶成長装置を用いると、単結晶のc軸方向の両面を保護し、c軸方向への成長を抑制しつつ、c軸方向と交差する径方法に単結晶が成長する。すなわち、基礎となる単結晶S0に対し不連続領域dcを介して外周側に成長する拡大部(第1拡大部や第2拡大部)はc面に対して垂直な方向に成長する。その界面である不連続領域には積層欠陥があり、この積層欠陥は応力を緩和させる効果がある。 When the single crystal growth apparatus according to the present embodiment is used, the single crystal grows in a diameter method that intersects the c-axis direction while protecting both sides of the single crystal in the c-axis direction and suppressing the growth in the c-axis direction. .. That is, the enlarged portion (first enlarged portion or second enlarged portion) that grows on the outer peripheral side via the discontinuous region dc with respect to the base single crystal S0 grows in the direction perpendicular to the c-plane. There is a stacking defect in the discontinuous region at the interface, and this stacking defect has the effect of relaxing stress.

不連続領域で(0001)面と平行となる積層欠陥が生成され、生成された積層欠陥は拡大部に引き継がれる。特開2012−72034には、(0001)面と成す角度が30°〜150°となる面に成長することで、(0001)面に積層欠陥の多い「積層欠陥生成領域」を作成する方法が記載されている。この不連続領域の上に成長される拡大部には(0001)面の積層欠陥が形成されやすい。すなわち、本実施形態にかかる単結晶は、不連続領域の外周に位置する拡大部に積層欠陥を有する。 A stacking defect parallel to the (0001) plane is generated in the discontinuous region, and the generated stacking defect is taken over by the enlarged portion. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-72034, there is a method of creating a "stacked defect generation region" having many stacking defects on the (0001) plane by growing into a plane having an angle of 30 ° to 150 ° with the (0001) plane. Have been described. Stacking defects on the (0001) plane are likely to be formed in the enlarged portion grown on this discontinuous region. That is, the single crystal according to the present embodiment has a stacking defect in the enlarged portion located on the outer periphery of the discontinuous region.

特開2012−72034では、(0001)面から4°より大きく30°より小さい所定角度傾斜し、一部に(0001)面と平行な積層欠陥が形成された積層欠陥生成領域を有する種結晶を用い、その上にSiC単結晶を成長させ、積層欠陥生成領域から積層欠陥を引き継がせる成長を行うことにより、貫通転位を低減できることが記載されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-72034, a seed crystal having a stacking defect generation region which is inclined by a predetermined angle larger than 4 ° and smaller than 30 ° from the (0001) plane and has a stacking defect generation region parallel to the (0001) plane is partially formed. It is described that the penetration dislocation can be reduced by growing a SiC single crystal on the SiC single crystal and carrying out the growth in which the stacking defect is inherited from the stacking defect generation region.

傾斜した面上への成長では、積層欠陥により成長方向側でらせん転位が引き継がれなくなることが推定され、このことは実験的に確認されている。本実施形態の単結晶は、結晶の外側である拡大部に積層欠陥を有する。そのため、(0001)面から所定の角度傾斜した種結晶を作製し、その上にSiC単結晶を成長させると、積層欠陥による貫通転位の排出効果が得られる。すなわち、当該種結晶は、SiCインゴット等のSiC単結晶の作製に好適に用いることができる。 In the growth on the inclined surface, it is estimated that the spiral dislocations cannot be taken over on the growth direction side due to the stacking defect, which has been experimentally confirmed. The single crystal of the present embodiment has a stacking defect in the enlarged portion outside the crystal. Therefore, when a seed crystal inclined at a predetermined angle from the (0001) plane is produced and a SiC single crystal is grown on the seed crystal, the effect of discharging through dislocations due to stacking defects can be obtained. That is, the seed crystal can be suitably used for producing a SiC single crystal such as a SiC ingot.

本実施形態にかかる単結晶は、c軸を軸に径方向への結晶成長を行った場合の特徴として得られるものである。そのため、当該特徴を有する単結晶は、上述の単結晶成長装置又は単結晶成長方法によって作製されたものと推定される。 The single crystal according to this embodiment is obtained as a feature when crystal growth is carried out in the radial direction about the c-axis. Therefore, it is presumed that the single crystal having the above-mentioned characteristics was produced by the above-mentioned single crystal growth apparatus or single crystal growth method.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and varies within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be transformed / changed.

(実施例1)
図2の構成を基準に単結晶成長装置を想定し、シミュレーションにより検討を行った。シミュレーションの条件は以下とした。
(Example 1)
A single crystal growth apparatus was assumed based on the configuration shown in FIG. 2, and a simulation was conducted. The conditions of the simulation were as follows.

単結晶:有効なオフセット角を有さないon−axis単結晶
単結晶保持状態:c面の両面を保持
炉体のサイズ:径方向の幅が30cm
加熱温度:炉体外周端の温度が2350℃、単結晶保持部中央の温度が2250℃
テーパーガイド:あり
遮蔽リング:あり
結晶成長時間:30時間
Single crystal: on-axis single crystal without effective offset angle Single crystal holding state: Holds both sides of c-plane Reactor size: Width in radial direction is 30 cm
Heating temperature: The temperature at the outer peripheral edge of the furnace body is 2350 ° C, and the temperature at the center of the single crystal holding portion is 2250 ° C.
Taper guide: Yes Shielding ring: Yes Crystal growth time: 30 hours

図6は、上記の条件でシミュレーションを行った際の原料ガスの流れと等温面とを示す図である。また図7は、シミュレーションにより結晶成長を行った後の単結晶成長装置の断面を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the flow of the raw material gas and the isothermal surface when the simulation is performed under the above conditions. Further, FIG. 7 is a diagram showing a cross section of the single crystal growth apparatus after crystal growth has been performed by simulation.

図6に示すように、単結晶の側面に対して略垂直に原料ガスの流れが形成された。また等温面は、単結晶の側面と略平行になった。この結果、図7に示すように、単結晶は径方向へ結晶成長した。 As shown in FIG. 6, the flow of the raw material gas was formed substantially perpendicular to the side surface of the single crystal. The isothermal surface was substantially parallel to the side surface of the single crystal. As a result, as shown in FIG. 7, the single crystal grew in the radial direction.

また過剰に供給された原料ガスの一部は、単結晶保持部とガイドリングの間の隙間を介した空間Rに流れ込んでいる。そのため、図7に示すように、空間中の最も低温な角部には、結晶が成長している。このように原料ガスの滞留を防ぐことにより、単結晶Sはその他の部材と固着することが無かった。 Further, a part of the excessively supplied raw material gas flows into the space R through the gap between the single crystal holding portion and the guide ring. Therefore, as shown in FIG. 7, crystals grow at the coldest corners in the space. By preventing the retention of the raw material gas in this way, the single crystal S did not stick to other members.

ついで、実際に装置により同様の条件で単結晶を結晶成長させた。
まずa面成長したon−axisのSiC単結晶を作製した。そして、SiC単結晶を、底面と頂面がc面となるように円柱状に加工し、外周面を鏡面研磨した。そして円柱状のSiC単結晶のc面を保護面で保持し、単結晶保持部に設置した。そして、炉体外周端の温度が2350℃、単結晶保持部中央の温度が2250℃となるように、ヒーターで炉体を加熱し、原料ガスを昇華させた。原料ガスは、原料として準備した焼結したSiC粉末を用いた。その結果、クラック等が発生することなく、SiC単結晶を径方向に12mm拡大することができた。この結果は、シミュレーションの結果と一致した。
Then, a single crystal was actually grown by the apparatus under the same conditions.
First, an a-plane-grown on-axis SiC single crystal was prepared. Then, the SiC single crystal was processed into a columnar shape so that the bottom surface and the top surface were c-planes, and the outer peripheral surface was mirror-polished. Then, the c-plane of the cylindrical SiC single crystal was held by a protective surface and installed in the single crystal holding portion. Then, the furnace body was heated with a heater so that the temperature at the outer peripheral edge of the furnace body was 2350 ° C. and the temperature at the center of the single crystal holding portion was 2250 ° C., and the raw material gas was sublimated. As the raw material gas, sintered SiC powder prepared as a raw material was used. As a result, the SiC single crystal could be enlarged by 12 mm in the radial direction without causing cracks or the like. This result was in agreement with the simulation result.

(実施例2)
実施例2では、テーパーガイド及び遮蔽リングが無い状態でシミュレーションを行った点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様にした。
(Example 2)
The second embodiment is different from the first embodiment in that the simulation is performed without the taper guide and the shielding ring. Other conditions were the same as in Example 1.

シミュレーションの結果、単結晶が径方向に6mm拡大した。この際に、径方向に拡大する単結晶は、単結晶保持部以外の部分に固着することはなかった。そのため、実際に作製した場合に、クラックや異種多形が生じることはないと考えられる。 As a result of the simulation, the single crystal was enlarged by 6 mm in the radial direction. At this time, the single crystal expanding in the radial direction did not stick to the portion other than the single crystal holding portion. Therefore, it is considered that cracks and heterogeneous polymorphisms do not occur when actually produced.

実施例1が、実施例2と比較して径拡大量が多いのは、テーパーガイド及び遮蔽リングにより単結晶に対して効率的に原料ガスを供給できたためと考えられる。 It is considered that the reason why the diameter expansion amount of Example 1 is larger than that of Example 2 is that the raw material gas can be efficiently supplied to the single crystal by the taper guide and the shielding ring.

(実施例3)
実施例3では、単結晶としてオフセット角(4°)を有する単結晶を用いてシミュレーションを行った点が実施例2と異なる。その他の条件は、実施例2と同様にした。
(Example 3)
Example 3 is different from Example 2 in that the simulation is performed using a single crystal having an offset angle (4 °) as the single crystal. Other conditions were the same as in Example 2.

シミュレーションの結果、単結晶が径方向に6mm拡大した。この際に、径方向に拡大する単結晶は、単結晶保持部以外の部分に固着することはなかった。そのため、実際に作製した場合に、クラックや異種多形が生じることはないと考えられる。 As a result of the simulation, the single crystal was enlarged by 6 mm in the radial direction. At this time, the single crystal expanding in the radial direction did not stick to the portion other than the single crystal holding portion. Therefore, it is considered that cracks and heterogeneous polymorphisms do not occur when actually produced.

実施例3では、実施例2と同等の結果が得られた。すなわち、当該単結晶成長装置は、オフセット角を有する単結晶でも、径拡大を行うことができる。 In Example 3, the same result as in Example 2 was obtained. That is, the single crystal growth apparatus can expand the diameter even of a single crystal having an offset angle.

(比較例1)
比較例1では、単結晶のc面を保護面で保護しないでシミュレーションを行った点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。その結果、径方向に単結晶は拡大したが、同時にz軸方向(c軸方向)にも拡大した。径方向に拡大した部分には螺旋転位が含まれないことが想定されるため、c軸方向への成長部分は異種多形の発生確率が高まる。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is different from Example 1 in that the simulation was performed without protecting the c-plane of the single crystal with a protective surface. Other conditions were the same as in Example 1. As a result, the single crystal expanded in the radial direction, but at the same time, it expanded in the z-axis direction (c-axis direction). Since it is assumed that the portion expanded in the radial direction does not include spiral dislocations, the probability of occurrence of heterogeneous polymorphism increases in the portion growing in the c-axis direction.

10…単結晶保持部、10a…保護面、20…炉体、30…原料設置部、40…加熱手段、50…ガイドリング、60…テーパーガイド、70…遮蔽リング、80…断熱材、100…単結晶成長装置、S…単結晶、G…原料、R…空間、S1…第1拡大部、S2…第2拡大部、P…突出部、D…欠陥、S’…第2の単結晶、F…ファセット成長領域、dc…不連続領域 10 ... Single crystal holding part, 10a ... Protective surface, 20 ... Furnace, 30 ... Raw material installation part, 40 ... Heating means, 50 ... Guide ring, 60 ... Tapered guide, 70 ... Shielding ring, 80 ... Insulation material, 100 ... Single crystal growth apparatus, S ... single crystal, G ... raw material, R ... space, S1 ... first expansion part, S2 ... second expansion part, P ... protrusion, D ... defect, S'... second single crystal, F ... faceted growth region, dc ... discontinuous region

Claims (13)

単結晶の第1面と第1面に対向する第2面とを保護できる保護面を有し、前記単結晶を前記保護面で挟み保持できる単結晶保持部と、
前記保護面により前記単結晶を挟む第1の方向から見て、前記単結晶保持部の外周を覆う炉体と、
前記炉体内において、前記単結晶保持部より前記第1の方向と交差する径方向の外側に設けられた原料設置部と、
前記炉体の前記径方向の外側を中央部より高温に加熱する加熱手段と、を備え、
前記単結晶保持部が保持する単結晶を前記径方向の外側に向かって結晶成長させることができる、SiC単結晶成長装置。
A single crystal holding portion having a protective surface capable of protecting the first surface of the single crystal and the second surface facing the first surface and capable of sandwiching and holding the single crystal between the protective surfaces.
A furnace body that covers the outer periphery of the single crystal holding portion when viewed from the first direction in which the single crystal is sandwiched by the protective surface.
In the furnace body, a raw material installation portion provided outside the single crystal holding portion in the radial direction intersecting the first direction, and
A heating means for heating the outer side of the furnace body in the radial direction to a higher temperature than the central portion is provided.
A SiC single crystal growth apparatus capable of growing a single crystal held by the single crystal holding portion toward the outside in the radial direction.
前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記径方向に延在するガイドリングをさらに備える請求項1に記載のSiC単結晶成長装置。 The SiC single crystal growth apparatus according to claim 1, further comprising a guide ring extending in the radial direction from the single crystal holding portion in the furnace body. 前記単結晶保持部と前記ガイドリングとの間に隙間がある請求項2に記載のSiC単結晶成長装置。 The SiC single crystal growth apparatus according to claim 2, wherein there is a gap between the single crystal holding portion and the guide ring. 前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドをさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長装置。 The SiC single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a taper guide that expands the diameter from the single crystal holding portion toward the raw material installation portion in the furnace body. 前記単結晶保持部と前記原料設置部との前記径方向の間に設けられ、前記単結晶保持部に保持される前記単結晶の外周を囲む遮蔽リングをさらに備える請求項1からのいずれか一項に記載のSiC単結晶成長装置。 Any of claims 1 to 4 , further comprising a shielding ring provided between the single crystal holding portion and the raw material setting portion in the radial direction and surrounding the outer periphery of the single crystal held by the single crystal holding portion. The SiC single crystal growth apparatus according to item 1. 前記単結晶保持部を中心に、前記第1の方向に対称である請求項1から5のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長装置。 The SiC single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 5, which is symmetrical with respect to the single crystal holding portion in the first direction. 請求項1から6のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長装置を用いたSiC単結晶成長方法であって、
単結晶のc軸方向の両面を前記保護面で挟み、前記単結晶を保持する工程と、
前記原料設置部に設けられた原料を前記加熱手段で加熱し、前記単結晶のc軸と交差する径方向に前記単結晶を成長させる工程と、を有するSiC単結晶成長方法。
A method for growing a SiC single crystal using the SiC single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 6.
A step of sandwiching both sides of the single crystal in the c-axis direction with the protective surface to hold the single crystal, and
A SiC single crystal growth method comprising a step of heating a raw material provided in the raw material setting portion by the heating means and growing the single crystal in a radial direction intersecting the c-axis of the single crystal.
前記原料を、前記単結晶保持部を中心に、前記第1の方向に対称に設置する請求項7に記載のSiC単結晶成長方法。 The SiC single crystal growth method according to claim 7, wherein the raw material is placed symmetrically in the first direction with the single crystal holding portion as the center. 前記単結晶を成長させる際に、前記単結晶保持部を介して前記単結晶に蓄積された熱を排熱する請求項7または8のいずれかに記載のSiC単結晶成長方法。 The SiC single crystal growth method according to claim 7 or 8, wherein when the single crystal is grown, the heat accumulated in the single crystal is exhausted through the single crystal holding portion. c軸方向に高さ方向を有する円柱状の単結晶のc軸方向の両面を保護し、前記c軸方向への成長を抑制しつつ、前記c軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させるSiC単結晶成長方法。 The single crystal grows in the radial direction intersecting the c-axis direction while protecting both sides of the columnar single crystal having a height direction in the c-axis direction in the c-axis direction and suppressing the growth in the c-axis direction. A method for growing a SiC single crystal. c面上に、中央部から6方向に放射状に延在するファセット成長領域を有するSiC単結晶。 A SiC single crystal having a faceted growth region extending radially from the central portion in six directions on the c-plane. c軸方向から見て円形であり、同心円状に不連続領域を有する請求項11に記載のSiC単結晶。 The SiC single crystal according to claim 11, which is circular when viewed from the c-axis direction and has concentric discontinuous regions. 前記不連続領域の外周に拡大部を有し、拡大部が積層欠陥を有する請求項12に記載のSiC単結晶。 The SiC single crystal according to claim 12, which has an enlarged portion on the outer periphery of the discontinuous region and the enlarged portion has a stacking defect.
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