JP6915526B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、SiCの結晶成長は、昇華させるために高温が必要で、成長装置は高温での温度制御が必要とされる。また、昇華した物質の圧力を安定させるために、容器内の圧力の安定した制御が必要とされる。またSiCの結晶成長は、昇華速度によるものであり、Siのチョクラルスキー法やGaAsなどのLPE製法などと比較して、相対的にかなり成長速度が遅い。したがって、長い時間をかけて成長する。幸いに、昨今の制御機器の発達、コンピュータ、パソコン等の発達で、圧力、温度の調節を長期間安定して行うことが可能である。
成長容器104は、真空の石英管内か真空のチャンバー内に配置されて、一度、活性の低いガスで満たされており、その雰囲気は、SiCの昇華速度を上げるために、大気圧より低い。
成長容器104の外側には、断熱材105が配置されている。断熱材105の一部には、温度測定器(パイロメーター)107で温度測定するための穴106が少なくともひとつある。それにより多少の熱が穴からもれる。
成長容器は、主にカーボン材料からなり、通気性があり、成長容器内外の圧力は等しくなる。しかし昇華を開始することで、成長容器の外部に昇華した気体が漏れる。
多くの場合は、4H種上には4Hが成長するというように同じタイプの単結晶が成長する(特許文献2)。
このような貫通欠陥が存在する基板を用いた素子では、その性能が著しく低下する。例えば、発光ダイオードを製作した場合にリーク電流の増加および光度の低下が起こる。また、高出力素子では、耐圧が保たれないことが報告されている。したがって、SiC単結晶基板を用いた素子の性能を向上させたり、ウェーハ内の歩留りを上げるためには、この貫通欠陥を低減することが重要となる。
前記断熱材の温度測定用の穴の中心の位置と前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心の位置がずれるように、前記温度測定用の穴を、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心に対して外周側の位置にずらして設け、
前記種結晶基板として、基底面である{0001}面からオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用い、
前記成長容器内の前記種結晶基板の中心と前記断熱材の前記温度測定用の穴の中心を含む断面視において、前記種結晶基板の基底面の法線ベクトルの前記種結晶基板の主面と平行な成分の方向と、前記温度測定用の穴の中心の前記種結晶基板の中心に対する偏芯方向とが、逆方向になるように前記種結晶基板を前記成長容器内に配置して、前記炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
図1は、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるSiC成長装置の一例を示す概略断面図である。
図1に示すように、SiC成長装置1は、種結晶基板2及び炭化珪素原材料3(SiC原料ともいう)を収容する成長容器4と、該成長容器4を囲う断熱材5と、該断熱材5に貫通して設けた温度測定用の穴(以下、単に穴ともいう)6を通して、成長容器4内の温度を測定する温度測定器7と、SiC原料を加熱するヒーター8とを備えている。
種結晶基板は成長容器内に配置されており、より詳しくは、図1に示すように成長容器内の上部の中心に配置されている。
また、温度測定用の穴は断熱材の上部に設けられている。より詳しくは、図1に示すように穴の中心の位置C2と、成長容器内の上記種結晶基板の中心の位置C1(成長容器上部の中心位置とも言い換えられる)がずれるように、種結晶基板の中心C1に対して外周側の位置にずらして穴が設けられている。
なお、断熱材上部に設けられた断熱材の外側と内側を結ぶ貫通孔である、この温度測定用の穴の中心の位置C2は、ここでは、断熱材の内側(種結晶基板側)の口における中心位置を指す。
また、図1に示す例では、穴は垂直方向に設けられているが、これに限定されず、例えば、穴の形状に関して別態様である図2に示すように、斜め方向に設けていても良い。いずれにしても、種結晶基板の中心位置C1と穴の中心位置C2とが上記関係を満たしていればよい。この他、穴の大きさなどについては、例えば温度測定のし易さ等を考慮して適宜決定することができる。
まず、図1のような、温度測定用の穴6の位置がずれているSiC成長装置1を用意する(工程1)。すなわち、温度測定用の穴6の中心位置C2と、後に配置する種結晶基板2の中心の位置C1(成長容器上部の中心位置)がずれるように、穴6を、種結晶基板2の中心位置C1に対して外周側の位置にずらして設けた装置を用意する。
ところで、温度測定用の穴の中心の位置C2について考えると、前述したように種結晶基板の穴の中心の位置C1からずれており、このずれの方向をここでは偏芯方向Dと定義する。この例では、偏芯方向Dは右向きである。
本発明においては、図4に示すように、上記のNp(ここでは左向き)とD(ここでは右向き)とが逆方向になるように、種結晶基板の向きを調整して配設する。なお、NpとDの方向は図4に示す方向に限定されるものではなく、当然、これとは逆に、それぞれNpが右向き、Dが左向きとなるように各々配置することもできる。
このとき、図4に冷却点と記載しているように、種結晶基板2において、温度測定用の穴6の位置に対応する箇所が最も低温となり、該最も低温となる位置が炭化珪素単結晶の成長の起点となる。図4の場合、冷却点よりも左側の範囲の方が、冷却点よりも右側の範囲よりも広くなっており、この広い範囲では、主面に平行な方向において、ステップフロー方向と逆向きに結晶が成長していくことになる。
そして、このような本発明の製造方法によって、貫通欠陥の少ない良好な炭化珪素単結晶を製造することができる。また、従来法では製造した炭化珪素単結晶の面内で生じていた歪みを抑制することができる。
(実施例)
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法により、図1に示すSiC成長装置を用いて、以下の成長条件で直径4インチ(100mm)のSiC単結晶を成長させた。
<条件>
種結晶基板…主面が{0001}面から<11−20>方向に4°傾いた直径4インチ(100mm)のSiC単結晶基板
成長温度…2200℃
圧力…10Torr(1.3×10hPa)
雰囲気…アルゴンガス、窒素ガス
このとき、図5に示す種結晶基板の面内の温度測定位置と温度の関係は、
Tr2<Tc<Tr1<Te1であり、かつ、Tr2<Te2
であった。すなわち、温度測定用の穴の位置に対応する箇所が最も温度が低かった(冷却点)。
なお、図5の種結晶基板は成長面が紙面の表側であり基底面の結晶成長方向の法線ベクトルの種結晶基板の主面と平行な成分は左方向となる。
後述する比較例に比べて、面内中央部及び外周部の歪みが弱まっていることが分かる。
その結果、0.02個/cm2であり、後述する比較例よりもマイクロパイプが大幅に減少した。
図8のようなSiC成長装置を用意し、従来の炭化珪素単結晶の製造方法で炭化珪素単結晶を製造した。図8に示すように、温度測定用の穴の中心位置が種結晶基板の中心に一致するように、穴が開けられている装置を用い、主面が{0001}面のSiC単結晶基板を種結晶基板として用いたことを除き、実施例と同じ条件で直径4インチ(100mm)のSiC単結晶を成長させた。
このとき、図5に示す種結晶基板の面内の温度測定位置と温度の関係は、
Tc<Tr1=Tr2<Te1=Te2
であった。すなわち、温度測定用の穴の位置に対応する箇所(中心)が最も温度が低かった(冷却点)。このときの、種結晶基板と冷却点との関係を図9に示す。
実施例に比べて中央部及び外周部に歪みが見られる。
また、実施例と同様にしてマイクロパイプを実体顕微鏡で数えたところ2.4個/cm2であった。
2a、102a…炭化珪素単結晶、 3、103…炭化珪素原材料、
4、104…成長容器、 5、105…断熱材、 6、106…温度測定用の穴、
7、107…温度測定器、 8、108…ヒーター、 9…成長室、 10…昇華室、
C1…種結晶基板の中心の位置、 C2…温度測定用の穴の中心の位置、
N…種結晶基板の基底面の法線ベクトル、
Nv…法線ベクトルの主面と垂直な方向の成分、
Np…法線ベクトルの主面と平行な方向の成分、
D…温度測定用の穴の偏芯方向。
Claims (3)
- 温度測定用の穴を上部に設けた断熱材によって成長容器を囲い、該成長容器内の上部の中心に種結晶基板を配置し、前記成長容器の下部に炭化珪素原材料を配置し、前記炭化珪素原材料を昇華させて前記種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
前記断熱材の温度測定用の穴の中心の位置と前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心の位置がずれるように、前記温度測定用の穴を、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心に対して外周側の位置にずらして設け、
前記種結晶基板として、基底面である{0001}面から<11−20>方向にオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用い、
前記成長容器内の前記種結晶基板の中心と前記断熱材の前記温度測定用の穴の中心を含む断面視において、前記種結晶基板の基底面の法線ベクトルの前記種結晶基板の主面と平行な成分の方向と、前記温度測定用の穴の中心の前記種結晶基板の中心に対する偏芯方向とが、逆方向になるように前記種結晶基板を前記成長容器内に配置して、前記炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。 - 前記種結晶基板のオフ角を、0.5〜10度とすることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
- 前記断熱材の温度測定用の穴を、該穴の中心が、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心から、該種結晶基板の半径の1/3の位置よりも外周側に位置するように設けることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
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