KR100806999B1

KR100806999B1 - 탄화규소（ＳｉＣ） 단결정의 제조 방법 및 이에 의해얻어진 탄화규소（ＳｉＣ）단결정

Info

Publication number: KR100806999B1
Application number: KR1020067017373A
Authority: KR
Inventors: 야스오 기타오카; 유스케 모리; 다카토모 사사키; 후미오 가와무라; 미노루 가와하라
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤; 오사카 유니버시티
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2008-02-25
Also published as: JPWO2006070749A1; EP1739211A4; US7419545B2; CN100567596C; KR20070069089A; JP5049590B2; CN1922346A; WO2006070749A1; US20070221122A1; EP1739211A1

Abstract

낮은 비용으로 대형 탄화규소(SiC) 단결정을 제조 가능한 제조 방법을 제공한다. 알칼리 금속 플럭스 내에서, 실리콘(Si)과 탄소(C)를 용해하고, 이들을 반응시킴으로써, 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시킨다. 상기 알칼리 금속으로는 리튬(Li)이 바람직하다. 이 방법에 의하면, 예를 들면 1500℃ 이하의 저온 조건이라도, 탄화규소 단결정이 제조 가능하다. 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 탄화규소 단결정의 일예를 도3(B)의 사진으로 도시한다.

Description

탄화규소（ＳｉＣ） 단결정의 제조 방법 및 이에 의해 얻어진 탄화규소（ＳｉＣ）단결정{METHOD FOR PRODUCING SILICON CARBIDE(SiC) SINGLE CRYSTAL AND SILICON CARBIDE(SiC) SINGLE CRYSTAL OBTAINED BY SUCH METHOD}

본 발명은 탄화규소(SiC) 단결정의 제조 방법 및 이에 의해 얻어진 탄화규소(SiC) 단결정에 관한 것이다.

탄화규소(SiC) 단결정은, 넓은 밴드갭, 높은 열 전도성, 높은 절연 전계, 큰 포화 전자 속도를 갖고 있는 유망한 반도체 재료이다. 이러한 특성을 가짐으로써, 탄화규소 단결정으로 제조한 반도체 디바이스는, 높은 동작 온도에서, 고속, 고출력 레벨로 동작시키는 것이 가능하므로, 예를 들면, 차재용 파워 디바이스나 에너지 디바이스용으로서 유망한 반도체 디바이스이다.

종래의 탄화규소 단결정의 성장 방법으로는, 승화법, 애치슨(Acheson)법, 액상 성장 등이 알려져 있다. 승화법은, SiC를 원료로 하고, 이를 가열하여 승화시켜 저온부에 단결정을 석출시키는 방법이다. 애치슨법은, 탄소와 규석을 고온에서 반응시키는 방법이다. 액상 성장은, 탄소 도가니 내에서 규소 화합물을 용해하고, 고온에서 탄소와 실리콘을 반응시켜, 단결정을 석출시키는 방법이다. 그러나, 종래의 성장 방법에는, 하기에 나타내는 바와 같이, 여러 가지 문제가 있다. 우선, 이들 방법에서 공통되는 문제점은, 결정 성장에 고온을 요하는 점이다. 그 밖에, 승화법은 얻어진 단결정에 마이크로 파이프, 적층 결함 등이 다수 존재하므로, 얻어지는 결정의 품질에 문제가 있다. 즉, 이는 승화시킬 때, 원료가, Si, SiC₂, Si₂C로 되어 기화하기 때문에, 이들 가스 분압을 화학량론적 조성으로 제어하는 것이 곤란하고, 이 때문에 전술의 결함이 형성된다고 생각된다. 또한, 액상 성장은, 규소 용액 중에서의 탄소 용해량이 적기 때문에 큰 결정을 성장시키는 것이 곤란하다.

최근, 전술의 문제를 해결하기 위해서, 액상 성장법에서, Si, C 및 천이 금속(transition elements)을 용융하여 융액(融液)으로 하고, 이 융액에 종(種)결정을 접촉시켜, SiC 단결정을 제조하는 방법이 보고되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 및 3 참조). 이 방법에서는, 흑연 도가니에 Si₀ _.8Ti₀ _.2로 되는 조성의 원료를 삽입하고, 대기압의 Ar 분위기 하에서 상기 도가니를 1850℃까지 가열하여 상기 원료를 용해시킨 후, 이 융액 내에 흑연이 용해되도록 1850℃에서 5시간 유지한다. 그 후, 6H-SiC 종결정을 상기 융액 내에 침지하고, 0.5℃/min의 속도로 1650℃까지 냉각시켜, 결정 성장시키는 방법이다. 이 방법에 의해, 두께 732㎛의 SiC 결정이 형성된 것이 보고되어 있다. 그러나, 이 방법에서도, 결정 성장에 고온을 요한다는 문제가 있다. 즉, Si의 융점이 1414℃, C의 융점이 3500℃, Ti의 융점이 1675℃, SiC의 융점이 2545℃이므로, 적어도 1700℃ 이상의 고온 조건이 필요해진다. 특히, Ti 등의 천이 금속을 이용한 경우, 이들의 융점이 높으므로, 저온에서의 결 정 성장이 곤란하다. 또한, 그 밖의 방법으로서, 액상 성장법에서는, 원료로서 SiC를 사용하여, 결정 성장시킴으로써 3C-SiC 단결정을 제조하는 방법이 보고되어 있는데(특허문헌 4), 고품질의 단결정을 얻기 위해서는 고온에서의 처리가 필요해진다. 한편, 일반적으로 고품질의 SiC 단결정 기판을, 낮은 비용으로 제작하기 위해서는, 1500℃ 이하의 저온 조건으로 상기 단결정을 제조할 필요가 있다고 한다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 2000-264790호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허공개 2002-356397호 공보

특허문헌 3 : 일본 특허공개 2004-2173호 공보

특허문헌 4 : 미국특허 제4349407호 명세서

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그래서, 본 발명은, 낮은 비용으로 큰 탄화규소(SiC) 단결정을 제조 가능한 탄화규소 단결정의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제조 방법은, 알칼리 금속 플럭스(flux) 내에서, 실리콘(Si)과 탄소(C)를 용해하고, 이들을 반응시킴으로써, 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 제조 방법이다.

또한, 본 발명의 탄화규소 단결정은, 상기 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 탄화규소 단결정이다.

(발명의 효과)

이와 같이, 본 발명의 제조 방법에서는, 알칼리 금속 플러스 내에서, 실리콘과 탄소를 용해하여, 이들을 반응시키기 때문에, 예를 들면, 저온(예를 들면, 1500℃ 이하)의 온도 조건이라도, 탄화규소 단결정의 제조가 가능하다. 이 때문에, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 낮은 비용으로 큰 탄화규소 단결정의 제조가 가능해진다.

도 1(A)는 본 발명의 제조 방법에 사용하는 제조 장치의 일예의 개략을 도시하는 구성도이고, 도 1(B)는 상기 제조 장치에서의 내압 내열 용기를 확대한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제조 방법의 하나의 실시예에서 얻어진 SiC 단결정의 집합체의 사진이다.

도 3(A) 및 (B)는 상기 SiC 단결정의 확대 사진이다.

도 4는 상기 실시예에서의 도가니 내의 생성물의 X선 회절 평가 결과를 도시하는 챠트도이다.

도 5(A)는 X선 회절의 수법을 도시하는 모식도이고, 도 5(B)는 상기 SiC 단결정의 X선 회절 평가 결과를 도시하는 챠트도이다.

도 6은 상기 SiC 단결정의 X선 회절 평가 결과를 도시하는 별도의 챠트도이다.

도 7은 본 발명의 그 밖의 실시예에서 얻어진 생성물의 X선 회절 평가 결과를 도시하는 챠트도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가스 탱크 12 : 압력 조정기

13 : 전기로 14 : 내압 내열 용기

15 : 도가니 16 : 리크용 밸브

본 발명의 제조 방법에서, 상기 실리콘 및 상기 탄소가 용해되어 있는 상기 알칼리 금속 플럭스를 냉각함으로써, 상기 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 것이 바람직하다. 즉, 예를 들면, 상기 실리콘, 상기 탄소 및 상기 알칼리 금속을 가열함으로써, 상기 알칼리 금속 플럭스 내에 상기 실리콘 및 상기 탄소를 용해시켜, 상기 가열 상태를 일정시간 유지한 후, 상기 가열 온도를 강하시킴으로써 상기 알칼리 금속 플럭스를 냉각시키는 것이 바람직하다. 이하, 이 방법을「온도 강하법」이라고 한다. 또한, 온도 강하법에서, 가열 처리의 초기 온도(성장 초기 온도), 강하 후의 최종 온도, 온도 강하 속도 등은 특별히 제한되지 않고, 적절히 결정할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 알칼리 금속 플럭스 내에 온도 구배(勾配)를 형성하고, 상기 온도 구배의 고온 영역에서, 상기 실리콘과 상기 탄소를 용해시키고, 상기 온도 구배의 저온 영역에서, 상기 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 것이 바람직하다. 이하, 이 방법을「온도 구배법」이라고 한다. 또한, 온도 구배법에서, 고온 영역 및 저온 영역의 온도는, 특별히 제한되지 않고, 적절히 결정할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 알칼리 금속 플럭스가, 리튬(Li)을 포함하는 것이 바람직하고, 특히 바람직한 것은, 리튬 단체(單體)의 플럭스이다. 또한, 본 발명은, 이에 제한되지 않고, 상기 플럭스는, 예를 들면, 나트륨(Na) 및 칼륨(K) 등 그 밖의 알칼리 금속이나, 알칼리 토류 금속(예를 들면, 칼슘(Ca) 등) 등, 그 밖의 원소를 포함해도 된다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 단결정의 생성 또는 성장이, 가열 분위기에서 행해지는 것이 바람직하다. 상기 가열 온도는, 예를 들면, 1500℃ 이하이고, 바람직한 것은 200∼1500℃의 범위이며, 보다 바람직한 것은 400∼1500℃의 범위이고, 더욱 바람직한 것은 600∼1400℃의 범위이다. 또한, 상기 가열 온도는, 예를 들면, 상기 플럭스의 조성에 의해 적절하게 결정할 수 있는데, 그 중에서도, 플럭스 성분의 증발을 보다 한층 억제할 수 있으므로, 상기 플럭스의 주성분이 되는 원소의 비점 이하가 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 후술과 같이, 상기 단결정의 생성 및 성장은, 가압 분위기에서 행하는 것이 바람직하고, 이 조건은 예를 들면 0.1∼100MPa의 범위이고, 바람직한 것은 0.1∼10MPa의 범위이고, 보다 바람직한 것은 0.1∼1MPa의 범위이다. 또한, 상기 단결정의 생성 또는 성장은, 불활성 가스 분위기에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 불활성 가스로는, 예를 들면, 아르곤(Ar) 가스 및 메탄 및 프로판 등의 탄화수소가스를 들 수 있고, 보다 바람직한 것은 아르곤 가스이다.

본 발명의 제조 방법에서, 플럭스 성분인 알칼리 금속 및 실리콘 및 탄소의 비율은, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 플럭스 성분으로서 리튬을 단체로 사용하는 경우, Li, Si 및 C의 비율(몰비)는, 예를 들면, Li : Si : C= 1 : (0.01 ∼100) : (0.01∼100)이고, 바람직한 것은 Li : Si : C= 1 : (0.01∼10):(0.01∼10)이고, 보다 바람직한 것은 Li : Si : C= 1 : (0.01∼1) : (0.01∼1)이다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 반응이, 반응 용기 내에서 행해지고, 상기 탄소가, 상기 반응 용기의 재료 성분으로부터 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 미리 준비한 탄화 규소 결정을 종결정(種結晶)으로 하고, 이 종결정을 핵으로 하여 새로운 탄화규소 단결정을 성장시키는 것이 바람직하다. 상기 종결정은, 기판 상태인 것이 바람직하고, 이 경우, 예를 들면, 별도 재질의 기판 표면에 박막상으로 탄화규소 결정이 형성된 것이어도 된다. 상기 종결정으로 하는 탄화규소 결정으로는, 예를 들면, 6H-SiC 결정 및 4H-SiC 결정 등이 바람직하고, 본 발명의 제조 방법에서, 6H-SiC 결정 기판상에 2H-SiC 단결정을 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 종결정으로는, 시판의 탄화규소 결정이나 탄화 결정 기판을 사용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 탄화규소 단결정으로는, 예를 들면, 6H-SiC 단결정, 4H-SiC 단결정, 3C-SiC 단결정 및 2H-SiC 단결정 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 밴드갭이 가장 크고, 전자 이동도도 높으므로, 실용성이 우수한 2H-SiC 단결정이 특히 바람직하다. 또한, 본 발명에서, 예를 들면, 2H-SiC 단결정이란, 실용상, 2H-SiC 단결정으로서 사용할 수 있는 것을 말하고, 엄밀히 2H-SiC만으로 형성되는 것에 한정되지 않는다. 또한, 3C-SiC 단결정이나 다른 단결정에 대해서도 동일하다.

또한, 본 발명의 제조 방법은, 예를 들면, 반도체 디바이스의 제조에 이용할 수 있다. 즉, 반도체 디바이스의 제조 방법에서, 예를 들면, 본 발명의 제조 방법을 이용해 기판상에 탄화규소 단결정을 형성함으로써, 탄화규소 단결정층을 포함하는 반도체 디바이스를 낮은 비용으로 제조할 수 있다. 상기 기판은, 예를 들면, 6H-SiC 결정 기판 및 4H-SiC 결정 기판 등을 들 수 있고, 또한, 상기 탄화규소 단결정은, 예를 들면, 2H-SiC 단결정이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 탄화규소 단결정은, 상기 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 탄화규소 단결정이다. 이 탄화규소 단결정은, 종래법에 의해 제조된 것보다 고품질이다.

다음에, 본 발명의 제조 방법에 대해서 예를 들어 설명한다.

도 1(A) 및 (B)에, 본 발명의 제조 방법에 사용하는 장치의 일예를 도시한다. 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, 이 장치는, 가스 탱크(11), 압력 조절기(12), 전기로(14) 및 내압 내열 용기(13)로 구성되어 있다. 전기로(14) 내에 내압 내열 용기(13)가 배치되고, 내압 내열 용기(13) 내에 도가니(15)가 배치되어 있다(도 1(B)). 상기 도가니(15) 내에, 플럭스 성분 및 원료인 실리콘 및 탄소를 배치한다. 가스 탱크(11)는, 파이프로 내압 내열 용기(13)와 연결되어 있고, 그 도중에 압력 조절기(12)가 배치되어 있고, 가스 탱크(11)에는, 예를 들면, 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스가 충전되고, 압력 조절기(12)에서, 상기 가스 압력을, 예를 들면, 1∼100atm(0.1∼10MPa)로 조정하여 내압 내열 용기(13) 내에 공급할 수 있다. 분위기 압력을 가압 조건으로 함으로써, 플럭스 성분(예를 들면, 리튬)의 증발을 억제할 수 있다. 또한, 동 도면에서, 16은 리크용 밸브이다. 상기 전기로(14)로는, 예를 들면, 저항 가열 히터 등을 들 수 있고, 또한, 저항 가열 히터 및 단열재로 구성되어 있어도 된다. 상기 저항 가열 히터에서의 발열체는, 1500℃까지 가열하는 경우는, 예를 들면, MoSi₂ 등을 사용할 수 있고, 한편, 1000℃ 이하에서 사용하는 경우는, 예를 들면, 칸탈선 등을 사용할 수 있으므로, 장치의 구성이 매우 간단해진다. 내압 내열 용기(13)는, 예를 들면, 스테인레스 용기 등이 사용되고, 전기로(14) 내에서 가열된다. 또한, 전기로(14) 내에 배치하는 용기는, 내압 내열 용기에 한정되지 않고, 예를 들면, 전기로 내의 압력과 전기로 내에 배치한 용기 내의 압력과의 차이를 조절함으로써, 내열 용기를 사용할 수 있다. 도가니(15)의 재료로는, 예를 들면, 텅스텐(W)이나 SUS 등의 리튬 금속에 내성이 있는 재료 등을 사용할 수 있다. 또한, 도가니(15)로서, 예를 들면, 흑연 도가니 등의 탄소계 소재로 형성된 도가니를 사용해도 되고, 리튬 금속에 내성이 있는 재료로 형성된 도가니 내에, 또한 흑연 도가니 등의 탄소계 소재로 형성된 도가니를 배치해도 된다. 이와 같이, 탄소계 소재로 형성된 도가니를 사용한 경우, 결정 원료가 되는 탄소를 도가니 재료로 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에서, 도가니(15) 내에, 실리콘 등에 추가해, 그 밖의 성분을 배치해도 되고, 예를 들면, 도핑용의 불순물을 첨가해도 된다. P형 도핑 재료로는, 예를 들면, Al 이나 B 등이 있고, N형 도핑 재료로는, 예를 들면, N이나 P 등이 있다.

이 장치를 이용한 SiC 단결정의 제조는, 예를 들면, 다음과 같이 하여 실시할 수 있다. 우선, 글로브 박스 내에서, 리튬과 실리콘과 탄소를 칭량하여 도가니 (15) 내에 넣고, 이 도가니(15)를 내압 내열 용기(13) 내에 설치한다. 그리고, 가스 탱크(11)로부터, 상기 내압 내열 용기(13) 내에 아르곤 가스를 공급한다. 이때, 압력 조절기(12)에 의해 소정의 압력으로 조절한다. 그리고, 전기로(14)에 의해서 내압 내열 용기(13) 내를 가열한다. 그렇게 하면, 도가니(15) 내에서는, 리튬의 비점이 1327℃이므로, 우선 리튬이 용해되어 플럭스(융액)가 형성되고, 그 안에 실리콘 및 탄소가 용해된다. 상기 가열 온도는, 예를 들면, 1500℃ 이하이고, 바람직하게는 상기 리튬의 비점 이하로 하고, 보다 바람직한 것은 1000℃ 이하이고, 더욱 바람직한 것은 950℃ 이하, 850℃ 이하이다. 예를 들면, 분위기 압력을 증가시킴으로써 더욱 융액 온도를 높일 수 있고, 이에 따라 실리콘이나 탄소의 용해도를 보다 한층 향상시키는 것이 가능하다. 분위기 압력은 전술과 같다. 분위기 가스로는, 아르곤 가스 이외에, 예를 들면, 메탄이나 프로판 등의 탄화 수소 가스 등을 이용할 수 있다. 그리고, 전술과 같은 온도 강하법을 채용하는 경우에는, 예를 들면, 융액의 온도를 일정하게 유지하여, 실리콘과 탄소를 충분히 용해시킨 후, 융액 온도를 강하시킴으로써, SiC 단결정을 생성 또는 성장시킬 수 있다. 상기 융액의 유지 온도는, 예를 들면, 200∼1500℃이고, 바람직한 것은 1000℃ 이하이고, 보다 바람직한 것은 950℃ 이하, 850℃ 이하이다. 온도 강하율(온도 강하 속도)은 예를 들면, 일정 속도가 바람직하고, 예를 들면, 0.1∼100℃/h의 범위인 것이 바람직하다. 이밖에, 전술의 온도 구배법과 같이, 상기 플럭스 내에 온도 구배를 형성하고, 결정 원료의 용해와, 단결정의 생성 또는 성장을, 동시에 실시하는 것도 가능하다. 이 온도 구배법은, 예를 들면, 상기 플럭스에서, 결정 원료가 용 해되는 온도 영역(고온 영역) 및 단결정이 생성 또는 성장하는 온도 영역(저온 영역)의 2종류의 온도가 다른 영역을 형성하는 방법이다. 상기 고온 영역과 저온 영역의 온도차는, 예를 들면, 10∼500℃의 범위가 바람직하다. 또한, 종결정을 사용하는 경우, 이 종결정 및 그 주위를 저온 영역으로 하는 것이 바람직하다. 상기 플럭스에서, 온도 구배를 형성하는 방법으로는, 예를 들면, 다음 방법이 있다. 즉, 우선, 플럭스(융액)가 들어간 도가니의 저부에는 원료인 실리콘 및 탄소를 충전하고, 도가니 상부에 종결정인 탄화규소를 고정한다. 가열 히터를 2존화하고, 원료부인 도가니 저부와, 종결정이 고정된 성장부의 온도에 차이를 형성한다. 도가니 저부를 고온으로 설정하고, 성장부를 저온으로 설정함으로써, 플럭스(융액) 내에 실리콘 및 탄소가 용해되고, 반응하여, 저온부에 있는 종결정 상에서 단결정이 성장한다.

본 발명의 제조 방법에 의해 2H-SiC 단결정을 제조하는 경우, 그 성장 영역의 가열 온도는, 예를 들면, 600∼850℃가 바람직하고, 보다 바람직한 것은 700∼850℃이다. 상기 온도 강하법으로 단결정을 육성하는 경우, 상기 성장 초기 온도는, 예를 들면, 750∼850℃가 바람직하고, 보다 바람직한 것은 800∼850℃이다. 이 초기 온도로, 예를 들면, 1∼100시간 유지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 10∼50시간이다. 그리고, 초기 온도로부터 서서히 온도를 강하하여 단결정을 성장시키고, 최종 온도는, 예를 들면, 600∼800℃로 설정하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 700∼800℃이다. 상기 온도 구배법으로 단결정을 육성하는 경우, 상기 고온 영역은, 예를 들면, 800℃ 이상이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 850℃ 이상이고, 상기 저온 영역은, 예를 들면, 600∼850℃가 바람직하고, 보다 바람직한 것은 700∼850℃이다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 3C-SiC 단결정을 제조하는 경우, 그 성장 영역의 가열 온도는, 예를 들면, 850∼1000℃가 바람직하고, 보다 바람직한 것은 850∼950℃이다. 상기 온도 강하법으로 단결정을 육성하는 경우, 상기 성장 초기 온도는, 예를 들면, 900∼1000℃가 바람직하다. 이 초기 온도로, 예를 들면, 1∼100시간 유지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 10∼50시간이다. 그리고, 초기 온도로부터 서서히 온도를 강하하여 단결정을 성장시키고, 최종 온도는, 예를 들면, 850∼950℃로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 온도 구배법으로 단결정을 육성하는 경우, 상기 고온 영역은, 예를 들면, 950℃ 이상이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 1000℃ 이상이고, 상기 저온 영역은, 예를 들면, 850∼1000℃가 바람직하고, 보다 바람직한 것은 850∼950℃이다. 또한, 성장 온도의 증가에 의해서, 예를 들면, 4H-SiC 단결정이나 6H-SiC 단결정 등의 탄화 규소 단결정에 대해서도, 종래보다 저온으로 성장시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 종래와 비교해 저온에서의 탄화 규소 단결정의 생성 또는 성장이 가능하다. 또한, 이들 온도 범위는 일예로서, 제한되는 것이 아니라, 예를 들면, 그 밖의 조건에 따라서 가열 온도를 적절하게 설정할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은, 하기의 실시예에 제한되지 않는다.

실시예 1

본 실시예는, 도 1(A) 및 (B)에 도시한 결정 성장 장치를 이용해 탄화규소 (SiC) 단결정을 제조한 예이다. 전기로(14)는, 저항 가열 히터 및 단열재에 의해 구성되어 있는 것을 사용했다. 전기로(14) 내에, 내압 내열 용기(13)를 배치하고, 내압 내열 용기(13) 내에는 텅스텐(W) 도가니(15)를 배치했다. W 도가니(15) 내에, 고순도의 흑연 도가니를 설치하고, 그 안에 금속 리튬(Li) 1.2g(=0.1739㏖) 및 실리콘(Si) 1.1g(=0.039㏖)을 배치했다. 또한, 결정의 원료가 되는 탄소(C)는, 상기 흑연 도가니의 재료 성분으로부터 공급된다. 내압 내열 용기(13) 내를 Ar 분위기로 치환하고, 내압 내열 용기(13) 내의 분위기는, 가스 봄베(11)로부터 공급되는 Ar 가스에 의해 압력과 함께 조정했다. 다음에, 전기로(14) 내의 온도를 850℃까지 가열하고, 리튬을 용해하여 플럭스(융액)를 형성하고, 또한 Li 플럭스 내에 실리콘 및 탄소를 과포화까지 용해시키기 위해서, 24시간 유지했다. 그 후, 700℃까지 72시간 냉각을 계속했다. 그 후, 실온까지 자연 냉각시켜, 목적으로 하는 탄화규소 단결정을 얻었다. 얻어진 단결정을, 도 2 및 도 3(A) 및 (B)의 사진에 도시한다. 도 2는, 흑연 도가니 측벽에 형성된 탄화규소 단결정의 집합체이고, 도 3(A) 및 (B)는 얻어진 탄화규소 단결정의 확대도이다. 우선, 도가니 내의 생성물을 꺼내 분말상으로 하고, 그 분말에 대해서 X선 회절 평가를 행했다. 그 결과를, 도 4에 도시한다. 도 4는 ω/2θ 스캔(결정과 검출기를 회전)의 결과를 도시하는 챠트이다. 도시와 같이, 2H-SiC의 피크 데이터와 일치하는 회절 피크가 확인되었기 때문에, 또한, 얻어진 단결정에 대해서, 도 5(A)의 모식도에 도시한 바와 같은 평행 빔법에 의해 X선 회절 평가를 했다. 도시와 같이, 이 평가에서는, X선을 3.7도에서 입사하고, 상기 단결정에서의 회절광을 검출기로 검출한다. 검출기의 앞에 는 평행 빔만을 추출하기 위한 솔라 슬릿(solar slit)이 배치되고, 높은 분해능으로 신호를 검출한다. 도 5(B)의 챠트에, 이 분석 결과를 도시한다. 도 6은 도 5(B)의 챠트의 백그라운드를 제거한 피크 데이터이다. 도시와 같이, 이 평가에 의해, 2H-SiC의 피크 데이터와 일치하는 회절 피크를 얻을 수 있다. 이들 결과에 의해, 상기 단결정이, 2H-SiC 단결정인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 X선 원(源)은, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, CuKα선 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 X선 회절에 사용하는 상기 제1 결정도 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, InP 결정이나 Ge 결정 등을 사용할 수 있다.

실시예 2

전기로(14) 내의 온도를 950℃까지 가열하여 24시간 유지한 후, 850℃까지 72시간 냉각을 한 이외는, 실시예 1과 동일하게 하여 탄화규소 단결정을 제조했다. 얻어진 도가니 내의 생성물에 대해서, 실시예 1과 동일하게 하여 X선 회절 평가를 했다. 도 9의 챠트에, 이 분석 결과를 도시한다. 이 결과에서, 3C-SiC 단결정의 생성을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 낮은 비용으로 큰 탄화규소 단결정을 제조 가능하다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 예를 들면, 낮은 비용으로 벌크 형상의 큰 탄화규소 단결정의 제조도 가능해진다. 본 발명의 제조방법에 의해 얻어진 탄화규소 단결정은, 예를 들면, 차재용 파워 디바이스나 에너지 디바이스용의 반도체 디바이스로서 바람직하게 사용할 수 있고, 그 용도는 제한되 지 않고, 광범위하다.

Claims

탄화규소(SiC) 단결정의 제조 방법으로서,

알칼리 금속 플럭스 내에서, 실리콘(Si)과 탄소(C)를 용해하고, 이들을 반응시킴으로써, 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 탄화규소 단결정이, 2H-SiC 단결정 또는 3C-SiC 단결정인, 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 및 상기 탄소가 용해되어 있는 상기 알칼리 금속 플럭스를 냉각시킴으로써, 상기 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 제조 방법.
청구항 3에 있어서, 상기 실리콘, 상기 탄소 및 상기 알칼리 금속을 가열함으로써, 상기 알칼리 금속 플럭스 내에 상기 실리콘 및 상기 탄소를 용해시키고, 상기 가열 상태를 일정 시간 유지한 후, 온도를 600~950℃까지 강하시킴으로써 상기 알칼리 금속 플럭스를 냉각시키는 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 금속 플럭스 내에 온도 구배를 형성하고, 상기 온도 구배의 고온 영역에서, 상기 실리콘과 상기 탄소를 용해시키고, 상기 온도 구배의 저온 영역에서, 상기 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 것을 포함하고,

상기 저온 영역의 온도는 600~1000℃이고, 상기 고온 영역의 온도는 상기 저온 영역의 온도보다 10~500℃ 높은 온도인 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 금속이, 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인, 제조 방법.
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청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 금속 플럭스가, 또한, 알칼리 토류 금속을 포함하는, 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 반응이 반응 용기 내에서 행해지고, 상기 탄소가, 상기 반응 용기의 재료 성분으로부터 공급되는, 제조 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 반응 용기가, 탄소계 소재로 형성된 용기인, 제조 방법.
청구항 10에 있어서, 상기 탄소계 소재가 흑연인, 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 미리 준비한 탄화규소 결정을 종결정(種結晶)으로 하고, 이 종결정을 핵으로 하여 새로운 탄화규소 단결정을 성장시키는 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 압력 0.1~100 MPa 분위기 하에서 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 불활성 가스 분위기 하에서 탄화규소 단결정을 생성 또는 성장시키는 제조 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 불활성 가스가, 아르곤(Ar) 가스 및 탄화수소 가스 중 적어도 하나인, 제조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 탄화수소 가스가, 메탄 가스 및 프로판 가스 중 적어도 하나인, 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 금속 플럭스가, 또한, 도핑용 불순물을 포함하고, 상기 도핑용 불순물이 P형 도핑 재료 또는 N형 도핑 재료인 제조 방법.
청구항 1의 방법에 의해 형성된 탄화규소 단결정으로서, 2H-SiC 또는 3C-SiC결정형태를 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
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