KR101267135B1 - 탄화규소 단결정 성장용 종결정 및 그 제조 방법 및 탄화규소 단결정 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하고, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있는 탄화규소 단결정 성장용 종결정이 제공된다. 그와 같은 탄화규소 단결정 성장용 종결정으로서, 탄화규소 원료 분말이 충전된 흑연제 도가니의 덮개에 부착되는 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)이며, 일면이 화법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 성장면(4a)으로 된 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)과, 상기 종결정(4)의 상기 성장면의 반대측 면(4b)에 형성된 카본막(12)으로 이루어지고, 상기 카본막(12)의 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)을 사용한다.
Description
본 발명은, 탄화규소 단결정 성장용 종결정 및 그 제조 방법 및 탄화규소 단결정 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2008년 7월 4일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2008-176255호에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
탄화규소는 열전도도가 높은 재료이다. 또한, 일반적으로, 물리적, 화학적으로 안정적이며, 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 내방사선성도 높다. 그로 인해, 탄화규소는 고내압 저손실인 정류 소자나 스위칭 소자의 재료로서 이용되고 있다. 또한, 탄화규소는 에너지 밴드 갭[금제대(禁制帶) 폭]이 넓고, 특히 4H형의 탄화규소 단결정으로는 실온에서 약 3eV의 금제대 폭을 갖는다. 이상의 특성에 의해, 탄화규소는 고온 하에서도 사용 가능한 내환경 소자나 내방사선 소자의 재료 등으로서 이용 가능성이 있다.
탄화규소 단결정을 제조하는 방법으로서는, 통상, 원료인 탄화규소 분말을 고온 하에서 승화시키는 승화법이 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
승화법에 의한 탄화규소 단결정의 제조 방법에 있어서는, 불활성 가스 분위기 중에서 탄화규소 원료 분말을 충전하고, 탄화규소로 이루어지는 종결정의 기판을 부착한 도가니를 감압하고, 장치 전체를 1800 내지 2400℃로 승온한다. 가열에 의해 탄화규소 분말이 분해, 승화함으로써 발생한 가스(승화 화학종)는 성장 온도 영역으로 유지된 종결정의 기판 표면에 도달하고, 단결정으로서 에피택셜로 성장한다.
이 방법에 의해, 현재에는 직경 3인치 정도의 웨이퍼도 시판되고 있다.
승화법에서는, 원료 탄화규소를 2000℃ 초과의 고온으로 유지하여 Si, Si2C, SiC2, SiC 등의 가스(승화 화학종)를 발생시키는 한편, 도가니 내에서 원료 탄화규소의 온도보다도 50℃ 내지 200℃ 정도 저온이 되는 위치에 종결정을 배치한다. 이에 의해, 이들 가스(승화 화학종)가 탄화규소로 이루어지는 종결정 상에 퇴적하여, 탄화규소 단결정을 성장시킨다.
이때, 탄화규소로 이루어지는 종결정은 일부가 국소적으로 2000℃ 정도 이상의 고온으로 유지되는 경우가 있고, 그 부분이 승화하여 승화 가스를 발생시키고, 이것이 마이크로 파이프 등의 결정 내 공동 결함을 발생시키는 경우가 있다.
또한, 이 탄화규소로 이루어지는 종결정은, 통상, 흑연 등으로 이루어지는 부재에 접착제 등에 의해 부착되지만, 2000℃ 가까운 고온에서는, 흑연과 종결정 사이의 접착제가 기화하여 불순물 가스 등을 발생시킨다. 이 불순물 가스에 관련하여 종결정에서 승화 가스가 발생하고, 이것이 마이크로 파이프 등의 결정 내 공동 결함을 발생시키는 경우가 있다.
이와 같은 종결정의 승화에 의한 결정 결함의 발생의 억제 방법으로서는, 예를 들어, 종결정의 이면(흑연과 종결정 사이)에 보호막을 형성함으로써, 종결정의 계면측에서 승화에 의해 발생된 승화 가스를 가스 배리어하여, 종결정의 승화를 억제하여 결정 결함의 발생을 억제하는 방법이 있다.
특허문헌 1은, 단결정의 제조 방법 및 종결정에 관한 것이며, 단결정이 성장하는 면 이외의 표면을 탄소층(보호막) 등으로 피복함으로써, 거소적인 온도 구배를 완화시킴과 함께, 재결정화를 억제하여, 성장 결정의 품질을 향상시키는 것에 대하여 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 있어서 주로 권장되고 있는 SiC의 탄화(탄화 공정)에 의해 형성된 탄소 보호막에서는, 고온에 있어서 Si계의 휘발물이 발생하여 탄소 보호막이 다공질이 되기 쉽고, 종결정의 승화를 억제하기 위하여 필요 충분한 가스 배리어성을 얻을 수 없다. 그로 인해, 흑연과 종결정 사이의 접촉 부분의 기밀성을 유지하는 것이 어렵고, 종결정의 계면측에서 승화에 의한 결정 결함이 현저하게 발생한다.
또한, 특허문헌 1에서는, 상기 보호막을 탄탈 등의 금속막으로 형성하는 것에 대해서도 개시하고 있지만, 이와 같은 금속막은, 흑연과 종결정 사이에서 고온 환경에 노출되면 결과적으로 탄화물로 변화함으로써 체적 변화하여, 금이 발생하여, 밀착성에 문제가 있다. 그로 인해, 금속막의 가스 배리어성이 저하되어, 종결정의 승화를 억제하는 효과가 저하된다.
또한, 특허문헌 1에서는, 상기 보호막을 탄탈 등의 금속의 탄화물(금속 화합물)로 형성하는 것에 대해서도 개시하고 있지만, 상기 금속 화합물은 흑연과 열팽창차가 크기 때문에, 고온 환경 하에서는, 이에 기인하는 열응력이 발생하고, 보호막에 금이 발생하여, 밀착성에 문제가 있다. 그로 인해, 보호막의 가스 배리어성이 저하되고, 종결정의 승화를 억제하는 효과가 저하된다.
또한, 특허문헌 2는, 탄화규소 단결정 육성용 종결정과 탄화규소 단결정 잉곳 및 이들의 제조 방법에 관한 것이며, 종결정의 성장면 이면에 소정 범위 내의 두께의 유기 박막을 형성함으로써, 구조 결과의 매우 적은 고품질의 탄화규소 단결정 잉곳을 얻는 것에 대하여 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 유기 박막을 탄화 처리하여 보호막을 얻은 경우에는, 유기 박막을 탄화함으로써, 그 자체가 열분해하여 메탄이나 에틸렌과 같은 탄화수소계의 분해 생성 가스를 발생한다. 이 분해 생성 가스가 상기 보호막을 다공질로 하여, 가스 배리어성을 저하시킨다. 이에 의해, 종결정의 승화를 억제하는 효과가 저하된다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하고, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있는 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 종결정의 이면에 성막하는 카본막에 대하여 예의 검토를 거듭한 결과, 탄화규소 혹은 탄화수소막을 탄화할 때(탄화 공정)에는, 탄화에 의해 분해 생성 가스가 발생함으로써, 카본막이 다공질이 되고, 통기율이 높아지고, 그로 인해 가스 배리어성을 저하시킨다는 지식을 얻었다.
이에 기초하여, 상기와 같은 탄화 공정을 이용하지 않고, 종결정의 이면에 치밀하며 통기율이 작은 카본막을 높은 부착 강도로 탄화규소 기재 표면에 직접 형성함으로써, 종결정의 승화에 의한 결정 결함의 발생을 억제하는 구성에 상도하였다.
즉, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하의 구성을 채용하였다.
즉,
(1) 탄화규소 원료 분말이 충전된 흑연제 도가니의 덮개에 부착되는 탄화규소 단결정 성장용 종결정이며, 일면이 승화법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 성장면으로 된 탄화규소로 이루어지는 종결정과, 상기 종결정의 상기 성장면의 반대측 면에 형성된 카본막으로 이루어지고, 상기 카본막의 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
(2) 상기 카본막이 비정질막인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
(3) 상기 카본막의 두께가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
(4) 상기 카본막의 두께가 0.1㎛ 이상 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
(5) 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법이며, 탄화규소로 이루어지는 종결정의 일면에, 물리 증착법 또는 화학 증착법에 의해 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 카본막을 형성하는 카본막 형성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
(6) 상기 카본막을 스퍼터법, 이온 빔법 또는 플라즈마 CVD법 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 (5)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
(7) 상기 스퍼터법 전에 역스퍼터를 행하는 것을 특징으로 하는 (6)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
(8) 상기 역스퍼터를, 수소 가스 또는 산소 가스를 첨가한 불활성 가스를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 (7)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
(9) 상기 수소 가스 또는 상기 산소 가스가 상기 불활성 가스에 대하여 10% 이상의 농도인 것을 특징으로 하는 (8)에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
(10) 탄화규소 원료 분말이 충전되는 흑연제 도가니의 덮개에, (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 부착하고, 상기 흑연제 도가니를 가열하여 상기 탄화규소 원료 분말을 승화시켜, 탄화규소 단결정 성장용 종결정 상에 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.
(11) (10)에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법을 사용하여 형성되고, 마이크로 파이프 밀도가 10개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
상기한 구성에 따르면, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있는 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 제공할 수 있다.
본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정은, 일면이 승화법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 성장면으로 된 탄화규소로 이루어지는 종결정과, 상기 종결정의 상기 성장면의 반대측 면에 형성된 카본막으로 이루어지고, 상기 카본막의 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 구성이므로, 카본막의 강도를 높여, 충분히 경질인 막으로 할 수 있음과 함께, 치밀하고, 가스 배리어성이 우수한 막으로 할 수 있다. 카본막은 가스 배리어성이 우수하고, 또한 탄화규소와 밀착성이 높은, 비정질 카본막인 것이 바람직하다. 비정질 카본막은 탄소의 결합 상태에 의해 DLC(다이아몬드 라이크 카본)라고 불리는 것이나, 글래시 카본이라고 불리는 것이 있지만, 모두 그 비정질성에 의해 우수한 가스 배리어성과 탄화규소가 높은 밀착성을 갖는다. 그 밀도는, 대표적으로는, DLC가 1.2 내지 3.3g/㎤ 정도, 글래시 카본이 1.2 내지 3.3g/㎤ 정도이다. 이 치밀하며 가스 배리어성이 높고, 또한 탄화규소와의 밀착성이 높은 보호막을 종결정의 이면에 형성함으로써, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법은, 카본막을 스퍼터법, 이온 빔법 또는 플라즈마 CVD법 중 어느 하나에 의해 형성하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수한 카본막을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄화규소 단결정의 제조 방법은, 탄화규소 원료 분말이 충전되는 흑연제 도가니의 덮개에, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 부착하고, 상기 흑연제 도가니를 가열하여 상기 탄화규소 원료 분말을 승화시켜, 탄화규소 단결정 성장용 종결정 상에 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 탄화규소와 밀착성이 높은 카본막을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄화규소 단결정의 제조 방법은, 앞에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법을 사용하여 형성되고, 마이크로 파이프 밀도가 10개/㎠ 이하인 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 탄화규소와 밀착성이 높은 카본막을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 구비한 결정 성장 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 흑연제 도가니에 부착한 부분의 부분 확대도이다.
도 3은 종결정과 탄화규소 단결정과의 경계 부분을 나타내는 단면 사진으로, (a)는 카본막을 형성한 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 사용한 경우의 것이고, (b)는 카본막을 형성하지 않는 탄화규소로 이루어지는 종결정을 사용한 경우의 것이다.
도 4는 카본막을 형성한 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 사용한 경우의 단면 사진이다.
도 2는 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 흑연제 도가니에 부착한 부분의 부분 확대도이다.
도 3은 종결정과 탄화규소 단결정과의 경계 부분을 나타내는 단면 사진으로, (a)는 카본막을 형성한 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 사용한 경우의 것이고, (b)는 카본막을 형성하지 않는 탄화규소로 이루어지는 종결정을 사용한 경우의 것이다.
도 4는 카본막을 형성한 본 발명의 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 사용한 경우의 단면 사진이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 일례를 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 배치한 결정 성장 장치의 일례를 나타낸 단면 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 결정 성장 장치(100)는, 진공 용기(1)의 내부에, 단열재(2)로 덮인 흑연제 도가니(6)가 배치되어 개략 구성되어 있고, 덮개(22)와 본체부(21)로 이루어지는 흑연제 도가니(6)의 덮개(22)의 돌출부(10)의 일면(10a)에 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)이 접합되어 있다.
진공 용기(1)의 재료로서는, 고진공을 유지할 수 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 석영, 스테인리스 등을 들 수 있다.
또한, 흑연제 도가니(6) 및 단열재(2)의 재료로서는, 고온에서 안정적이고 불순물 가스의 발생이 적은 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 할로겐 가스에 의한 정제 처리를 행한 탄소 재료 등을 들 수 있다.
흑연제 도가니(6)는 덮개(22)와 본체부(21)로 구성되어 있고, 본체부(21) 내부에 공동부(20)를 구비하고 있다. 공동부(20)의 내부 상부에는, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)이 고정되어 있다. 또한, 공동부(20)의 내부 하부에는, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13) 상에 탄화규소 단결정을 결정 성장시키는 데 충분한 양의 탄화규소 원료 분말(5)이 충전되어 있다.
공동부(20)는 내부 하부에 충분한 양의 탄화규소 원료(5)를 구비함과 함께, 탄화규소 단결정을 결정 성장시키는 데 필요한 공간을 내부 상부에 확보하고 있다. 그로 인해, 승화법에 의해, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 성장면(4a) 상에, 내저면(20b)측을 향하여 탄화규소 단결정을 결정 성장시킬 수 있다.
진공 용기(1)의 주위에는 가열용 코일(3)이 감겨 있다. 이에 의해, 진공 용기(1)를 가열할 수 있고, 나아가 흑연제 도가니(6)를 가열할 수 있는 구성으로 되어 있다.
진공 용기(1)는 배출관(8)에 접속된 진공 펌프(도시 생략)를 통하여 공기가 배기되고, 진공 용기(1)의 내부를 감압할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 도입관(7)으로부터 임의의 가스를 진공 용기(1)의 내부에 공급할 수 있는 구성으로 되어 있다.
예를 들어, 배출관(8)으로부터 내부의 공기를 배기하여 감압 상태로 한 후, 고순도의 아르곤(Ar) 가스를 도입관(7)으로부터 진공 용기(1)의 내부에 공급하고, 다시 감압 상태로 함으로써, 진공 용기(1)의 내부를 아르곤(Ar) 분위기의 감압 상태로 할 수 있다.
흑연제 도가니(6)의 외측에는, 흑연제 도가니(6)를 둘러싸도록 가열 코일(3)이 설치되어 있다. 이 가열 코일(3)은 고주파 가열 코일이며, 전류를 흐르게 함으로써 고주파를 발생시켜, 진공 용기(1)를, 예를 들어 1900℃ 이상의 온도로 가열할 수 있다.
이에 의해, 진공 용기(1)의 내부 중앙에 설치된 흑연제 도가니(6)를 가열하여, 흑연제 도가니(6) 내의 탄화규소 원료 분말(5)을 가열하여, 탄화규소 원료 분말(5)로부터 승화 가스를 발생시킨다.
또한, 가열 코일(3)로서는, 저항 가열 방식의 코일을 사용해도 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 덮개(22)의 일면에는 돌출부(10)가 형성되어 있다. 본체부(21)가 덮개(22)에 의해 뚜껑이 덮어졌을 때, 돌출부(10)는 덮개(22)로부터 내저면(20b)측을 향하여 돌출된 원기둥 형상의 돌출 부분으로 되어 있다. 또한, 돌출부(10)는 내저면(20b)측에 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)을 배치하기 위한 일면(10a)을 갖고 있다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 배치의 일례를 설명하는 단면 모식도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)은, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)과 카본막(12)으로 이루어지고, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 일면이 탄화규소 단결정을 결정 성장시키는 성장면(4a)으로 되어 있고, 성장면의 반대측 면(4b)에는 카본막(12)이 형성되어 있다.
카본막(12)의 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)과 반대측 면(12b)은, 접착제(11)에 의해 흑연 부재로 이루어지는 돌출부(10)의 일면(10a)에 부착되는 접합면(12b)으로 되어 있다.
<종결정>
탄화규소로 이루어지는 종결정(4)으로서는, 탄화규소로 이루어지는 단결정(탄화규소 단결정)을 사용한다. 이 탄화규소 단결정으로서는, 애치슨법, 레일리법, 승화법 등으로 만들어진 원기둥 형상의 탄화규소 단결정을 짧은 방향으로, 두께 0.3 내지 2㎜ 정도로 원판 형상으로 절단한 후, 절단면의 연마를 행하여 성형한 것을 사용한다. 또한, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(4)의 최종 마무리로서, 이 연마 후에 연마 데미지를 제거하기 위하여, 희생 산화, 리액티브 이온 에칭, 화학 기계 연마 등을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 그 후, 유기 용제, 산성 용액 또는 알칼리 용액 등을 사용하여, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 표면을 청정화한다.
<카본막>
탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 접합면(4b)에는 카본막(12)이 형성되어 있다.
카본막(12)은 비정질의 막인 것이 바람직하다. 이에 의해, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 탄화규소와 밀착성이 높은 막으로 할 수 있다. 또한, 카본막(12)의 X선 회절을 측정함으로써 카본막(12)이 비정질인지 여부를 판단할 수 있다.
비정질인 카본막(12)으로서는, 예를 들어, 글래시 카본 또는 다이아몬드 라이크 카본의 막을 들 수 있다. 어느 쪽의 막이라도, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 탄화규소와 밀착성이 높은 카본막이 된다.
카본막의 막 밀도로서는, 1.2 내지 3.3g/㎤가 바람직하고, 1.8 내지 2.5g/㎤가 보다 바람직하다. 이에 의해, 카본막의 강도를 높여, 충분히 경질인 막으로 할 수 있음과 함께, 치밀하고, 가스 배리어성이 우수한 막으로 할 수 있다. 카본막의 막 밀도가 1.2g/㎤ 미만인 경우에는, 치밀성이 부족하여, 가스 배리어성도 떨어진다. 반대로, 카본막의 막 밀도가 3.3g/㎤를 초과하는 경우에는, 카본막의 강도가 부족해지고, 예를 들어 가열한 경우 탄화규소 결정과 카본막의 박리가 일어나기 쉬워지는 문제가 발생하여, 바람직하지 않다.
또한, 카본막(12)의 막 밀도는, 성막시의 가스 분위기 압력을 조절함으로써 조정할 수 있다. 또한, 카본막(12)의 막 밀도는, X선 반사율 측정법을 사용하여 측정할 수 있다.
카본막(12)의 막 두께는, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제할 수 있는 막 두께이면 특별히 한정되지 않지만, 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하가 바람직하고, 0.1㎛ 이상 20㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
카본막(12)의 막 두께가 지나치게 얇은 경우에는, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제할 수 없는 경우가 발생하므로 바람직하지 않다. 예를 들어, 카본막(12)의 막 두께가 0.1㎛ 미만인 경우에는, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 다른 면(4b) 전면에서 균일한 막을 얻는 것이 곤란해지고, 막 두께가 얇은 부분으로부터 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)이 승화하는 경우가 발생한다. 반대로, 카본막(12)의 막 두께가 100㎛를 초과하는 경우에는, 성막 속도가 느리므로 생산성이 극단적으로 악화되어 바람직하지 않다. 카본막(12)의 막 두께를 0.1㎛ 이상 20㎛ 이하로 제한함으로써, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제함과 함께, 카본막(12)의 강도 및 부착 강도를 보다 안정적으로 높게 유지할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법은, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 다른 면(4b)에, 물리 증착법 또는 화학 증착법에 의해 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 카본막을 형성하는 카본막 형성 공정을 갖는다.
<카본막 형성 공정>
비정질의 카본막(12)은 경질의 막이기 때문에, 2000℃ 정도 이상의 고온 환경 하에서 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)과 카본막(12) 사이에서 박리가 발생하지 않도록 밀착성을 높게 유지하기 위하여, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)에 대한 카본막(12)의 부착 강도를 높여 카본막(12)을 형성할 필요가 있다.
이와 같은 카본막(12)의 형성 방법으로서는, 스퍼터법, 이온 빔법, 레이저 애브레이션법, 이온 플레이팅법, 전자선 증착법 등의 물리 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD)이나, 마이크로파 CVD법, RF 플라즈마 CVD법, DC 플라즈마 CVD법, 열필라멘트 CVD법 등의 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 사용할 수 있다.
막의 품질, 비용의 면 및 부착 강도를 향상시키기 위한 역스퍼터에 의한 제작 전의 표면 처리를 행하기 쉬우므로, 스퍼터법이 보다 바람직하다.
특히, 글래시 카본으로 이루어지는 카본막(12)을 형성하는 경우는 스퍼터법이 적합하다. 또한, 다이아몬드 라이크 카본으로 이루어지는 카본막(12)을 형성하는 경우는 이온 빔법이나 플라즈마 CVD법이 적합하다.
<역스퍼터>
스퍼터법에 의해 카본막(12)을 형성하는 경우에는, 스퍼터법에 의해 카본막을 형성하기 전에, 역스퍼터를 행하는 것이 바람직하다.
역스퍼터라 함은, 통상의 스퍼터링법에 있어서의 타깃측의 전극과 기판측의 전극에 인가하는 전압의 크기를 반대로 하여 스퍼터하는 것을 말한다. 이에 의해, 고전압 인가에서 이온화된 불활성 가스를 기판에 충돌시켜, 기판 표면을 세정하거나, 스퍼터 에칭할 수 있다. 그로 인해, 역스퍼터를 행함으로써, 종결정(4)의 표면의 특성을 변화시키고, 카본막(12)과의 밀착성을 높여, 카본막(12)에 의한 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 보호 효과를 안정적으로 유지할 수 있다.
역스퍼터는, 수소 가스 또는 산소 가스를 첨가한 Ar(아르곤) 가스 등의 불활성 가스를 사용하여 행하는 것이 바람직하다. 불활성 가스에 수소 또는 산소 가스를 첨가하여 역스퍼터를 행하면, 카본막(12)이 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있고, 결정 결함의 발생의 억제 효과를 향상시킬 수 있다.
역스퍼터의 조건은, 예를 들어, 온도; 90 내지 120℃, Ar 가스압(Ar 가스 분위기 압력); 0.5Pa, Power; 40 내지 60kW로 한다.
상기 수소 가스 또는 상기 산소 가스는, 불활성 가스에 대하여 10% 이상의 농도인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, Ar(아르곤) 가스에 대하여, 10% 이상의 농도로 한다. 10% 미만의 경우에는, 카본막(12)이 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 밀착성을 향상시키는 효과가 작아, 결정 결함의 발생의 억제 효과를 발현시킬 수 없다.
이상의 조건에서, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 다른 면(4b)에 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 카본막(12)을 형성함으로써, 카본막(12)을 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수한 것으로 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정의 제조 방법은, 종결정 부착 공정과, 결정 성장 공정을 갖는다.
<종결정 부착 공정>
종결정 부착 공정은, 본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정을, 개구부와 연통된 공동부를 구비한 본체 용기와, 상기 개구부의 덮개로 이루어지는 흑연제 도가니의 상기 덮개에 부착하는 공정이다.
탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 성장면과 반대측 면(4b)에 형성된 카본막(12)의 접합면(12b)에 접착제(11)를 도포하여 흑연 부재로 이루어지는 돌출부(10)에 부착하여, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)을 덮개(22)에 부착한다. 이때, 본체부(21)에 덮개(22)를 덮었을 때, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 성장면(4a)이, 탄화규소 원료 분말(5)의 개구부측 면(5b)에 대하여 대향하도록 덮개(22)에 부착한다. 또한, 승화법에 의해 탄화규소 단결정을 결정 성장시키는 성장면(4a)으로서는 (0001)Si면 혹은 (000-1)C면을 사용하지만, 성장면(결정면)(4a)을 {0001}로부터 30° 정도까지 경사져 있는 면으로 해도 지장없다.
접착제(11)로서는, 공지의 일반적으로 사용되고 있는 것을 사용할 수 있고, 예를 들어 페놀계 수지 등을 들 수 있다.
카본막(12)이 형성되어 있지 않은 경우에는, 결정 성장시의 가열에 의해 접착제(11)가 열분해하여 탄소화되어 다공질 카본층을 형성한다. 이때, 종결정(4)인 탄화규소의 이면에서 발생한 승화 가스가 다공질 카본층으로부터 빠져 나가, 종결정 이면측으로부터 크고 작은 다양한 공동이 형성된다.
그러나, 카본막(12)을 형성한 경우는, 접착제(11)가 다공질 카본층으로 변화해도 가스 배리어성이 우수한 카본막(12)에 의해 종결정으로부터의 승화 가스가 차단되어, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)에 공동을 형성하지 않는다. 그로 인해, 탄화규소 단결정에 마이크로 파이프 등의 결정 내공동 결함을 발생시키지도 않는다.
<결정 성장 공정>
결정 성장 공정은, 상기 공동부에 탄화규소 원료 분말을 충전하고, 상기 덮개로 상기 개구부의 덮개를 덮은 후, 상기 흑연제 도가니를 가열하여 상기 탄화규소 원료 분말로부터 발생시킨 승화 가스를 사용하여, 탄화규소 단결정 성장용 종결정 상에 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 공정이다.
우선, 탄화규소 원료 분말(5)을 공동부(20)의 내저면(20b)측에 충전한다. 이때, 탄화규소 원료 분말(5)의 개구부측 면(5b)이 본체부(21)에 덮개(22)를 덮었을 때 덮개(22)에 설치된 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 성장면(4a)에 대하여 대향하도록 한다.
다음에, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)을 부착한 덮개(22)를, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)이 공동부(20)에 삽입되도록, 본체부(21)에 부착하고, 덮개(22)로 개구부(20a)의 덮개를 덮는다.
다음에, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)을 부착한 덮개(22)와, 덮개(22)가 부착된 본체부(21)로 이루어지는 흑연제 도가니(6) 전체를 덮도록 단열재(2)를 권취한다. 이때, 흑연제 도가니(6)의 하부 표면 및 상부 표면의 일부가 노출되도록 구멍부(2c, 2d)를 형성한다.
단열재(2)는 흑연제 도가니(6)를 안정적으로 고온 상태로 유지하기 위한 것이고, 예를 들어, 탄소 섬유제의 재료를 사용할 수 있다. 흑연제 도가니(6)를 필요로 할 정도로 안정적으로 고온 상태로 유지할 수 있는 경우에는, 단열재(2)는 부착하지 않아도 된다.
그 후, 단열재(2)를 권취한 흑연제 도가니(6)를 진공 용기(1)의 내부 중앙의 지지 막대(30) 상에 설치한다.
지지 막대(30)는 통 형상으로 되어 있고, 이 지지 막대(30)의 구멍부(30c)를 단열재(2)에 형성한 구멍부(2c)와 맞추도록 한다. 이에 의해, 진공 용기(1) 하에 배치된 방사 온도계(9)에 의해, 이 지지 막대(30)의 구멍부(30c) 및 단열재(2)의 하측 구멍부(2c)를 통하여, 흑연제 도가니(6)의 하부 표면의 온도를 관측할 수 있는 구성으로 되어 있다. 마찬가지로, 진공 용기(1) 상에 배치된 다른 방사 온도계(9)에 의해, 단열재(2)의 상측 구멍부(2d)를 통하여, 흑연제 도가니(6)의 상부 표면의 온도를 관측할 수 있는 구성으로 되어 있다.
다음에, 진공 용기(1)의 내부의 가스 교환을 행한다. 우선, 배출관(8)에 접속한 진공 펌프(도시 생략)를 사용하여, 진공 용기(1)의 내부의 공기를 배기하여, 예를 들어, 4×10-3Pa 이하의 감압 상태로 한다. 진공 펌프로서는, 예를 들어, 터보 분자 펌프 등을 사용할 수 있다.
그 후, 도입관(7)으로부터 진공 용기(1)의 내부에 고순도 Ar 가스를 10분간 도입하여, 진공 용기(1)의 내부를 Ar 분위기에서 9.3×104Pa라는 환경으로 한다.
다음에, 진공 용기(1)의 내부를 Ar 분위기에서 9.3×104Pa라는 환경으로 유지한 상태에서, 가열 코일(3)에 의해 진공 용기(1)를 서서히 가열하여, 진공 용기(1)의 내부의 온도를 실온으로부터 1800℃ 정도까지 서서히 올린다.
그 후, 흑연제 도가니(6) 내의 탄화규소 원료 분말(5)의 온도를 승화 온도인 2000℃ 내지 2400℃로 하여, 탄화규소 단결정의 결정 성장을 개시한다. 이 상태에서, 예를 들어, 50시간 정도 유지함으로써, Si, Si2C, SiC2, SiC 등의 승화 가스를 성장면(4a) 상에 서서히 퇴적시켜, 탄화규소 단결정을 성장시킬 수 있다.
또한, 이때, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 성장면(4a)의 온도는, 탄화규소 원료(5)의 온도보다 50℃ 내지 200℃ 낮은 온도, 즉, 1800 내지 2350℃가 되도록 조정한다. 이에 의해, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제시킬 수 있다.
이와 같이 흑연제 도가니(6)의 상부보다 하부의 온도를 높게 하는 온도 구배를 부여한 가열은, 가열 코일(3)의 위치, 감음 방법 및 감음수 등을 조절하여 조정한다.
그 후, 진공 용기(1)를 실온까지 냉각하여 탄화규소 단결정을 취출한다. 이에 의해, 통상, 탄화규소 단결정의 결정 성장 과정에서, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 마이크로 파이프 등의 결정 내 공동 결함이나 판 형상 공동 결함 등의 발생을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 파이프 밀도가 10개/㎠ 이하인 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
또한, 결정 성장시에 있어서, 필요에 따라서, 질소나 알루미늄과 같은 불순물을 첨가함으로써, 전기 전도성을 조절한 탄화규소 단결정을 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)은, 일면이 승화법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 성장면(4a)으로 된 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)과, 종결정(4)의 성장면의 반대측 면(4b)에 형성된 카본막(12)으로 이루어지고, 카본막(12)의 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 구성이므로, 카본막(12)의 강도를 높여, 충분히 경질의 막으로 할 수 있음과 함께, 치밀하고, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 막으로 할 수 있다. 이에 의해, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)은 카본막(12)이 비정질막인 구성이므로, 카본막(12)을 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 막으로 할 수 있다. 이에 의해, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)은, 카본막(12)의 두께가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하인 구성이므로, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제할 수 있다. 이에 의해, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)은 카본막(12)의 두께가 0.1㎛ 이상 20㎛ 이하인 구성이므로, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 승화를 억제함과 함께, 카본막(12)의 강도 및 부착 강도를 보다 안정적으로 높게 유지할 수 있다. 이에 의해, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 제조 방법은, 탄화규소로 이루어지는 종결정(4)의 일면(4b)에, 물리 증착법 또는 화학 증착법에 의해 막 밀도가 1.2 내지 3.3g/㎤인 카본막(12)을 형성하는 카본막 형성 공정을 갖는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 제조 방법은, 카본막(12)을 스퍼터법, 이온 빔법 또는 플라즈마 CVD법 중 어느 하나에 의해 형성하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 제조 방법은, 스퍼터법 전에 역스퍼터를 행하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 제조 방법은, 역스퍼터를 수소 가스 또는 산소 가스를 첨가한 불활성 가스를 사용하여 행하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)의 제조 방법은, 상기 수소 가스 또는 상기 산소 가스가 상기 불활성 가스에 대하여 10% 이상의 농도인 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정의 제조 방법은, 탄화규소 원료 분말(5)이 충전되는 흑연제 도가니(6)의 덮개(22)에, 앞에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13)을 부착하고, 흑연제 도가니(6)를 가열하여 탄화규소 원료 분말(5)을 승화시켜, 탄화규소 단결정 성장용 종결정(13) 상에 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태인 탄화규소 단결정의 제조 방법은, 앞에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법을 사용하여 형성되고, 마이크로 파이프 밀도가 10개/㎠ 이하인 구성이므로, 균일성이 우수하고, 치밀하며, 가스 배리어성이 우수하고 밀착성이 높은 카본막(12)을 형성하여, 종결정과 흑연의 계면으로부터 발생하는 결정 결함을 억제하여, 재현성 좋고, 결정 결함 밀도가 낮은 고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
우선, 기판 면적 약 1.5㎠, 두께 0.3㎜의 4H-탄화규소 단결정으로 이루어지는 탄화규소 종결정 기판을 준비하고, 이를 황산-과산화수소 혼합 용액에서 110℃, 10분, 초순수에 의한 유수 세정 5분, 암모니아-과산화수소 혼합 용액에서 10분, 세정 초순수에 의한 유수 세정 5분, 염산-과산화수소 혼합 용액에서 10분, 세정 초순수에 의한 유수 세정 5분, 다시 HF 용액으로 세정하였다. 그 후, 1200℃에서 표면을 산화한 후 다시 HF 세정을 행하였다.
다음에, 이 종결정 기판의 (000-1)면에 카본막을 성막하여, 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 형성하였다. 카본막의 성막 방법으로서는 직류 방전 스퍼터법을 사용하였다. 아르곤 분위기에서 5Pa의 환경 하, 투입 전력량 1.25kW, 타깃 기판 거리 110㎜ 기판 온도 100℃의 조건에서, 70분간 스퍼터함으로써 성막하였다.
카본막의 막 두께를 촉침식 표면 조도계(알박사제)로 측정한 결과 0.5㎛이었다. 또한, X선 반사율법을 사용하여 막 밀도를 측정한 결과 1.8g/㎤이었다. 또한, 카본막의 X선 회절을 시도한 결과, 결정 구조에 기인하는 피크가 명확하게는 나타나지 않았다. 그로 인해, 이 카본막은 비정질이라고 판단하였다.
다음에, 이 카본막을 형성한 종결정 기판(탄화규소 단결정 성장용 종결정)을, 접착제를 사용하여 흑연제 도가니의 덮개의 하면에 부착하였다.
다음에, 내경 50㎜, 깊이 95㎜의 흑연제 도가니의 본체부에, 탄화규소 원료 분말(쇼와 덴꼬제, #240)을 깊이 60㎜가 되도록 충전하였다.
그 후, 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 접착제를 사용하여 부착한 흑연제 도가니의 덮개를 흑연제 도가니의 본체부의 개구부에 막도록 배치하였다.
다음에, 이 흑연제 도가니 전체를 탄소 섬유제 단열재로 둘러쌌다. 그리고, 탄소 섬유제 단열재로 둘러싼 흑연제 도가니를 고주파 가열노 내의 진공 용기의 내부에 세트하였다.
고주파 가열노 내의 진공 용기에 장착된 배출관으로부터 배기하여, 진공 용기의 내부를 4×10-3Pa로 감압 후, 도입관으로부터 아르곤 가스(불활성 가스)를 충전하여 상압으로 하였다.
그 후, 다시, 배출관으로부터 4×10-3Pa까지 감압하여 반응 용기의 내부의 공기를 배기하고, 도입관으로부터 아르곤 가스를 충전하는 조작을 다시 행하여, 반응 용기의 내부를 아르곤 가스 분위기에서 9.3×104Pa로 하였다.
다음에, 고주파 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 이를 가열하여 흑연제 도가니를 승온하였다. 흑연제 도가니의 상부의 온도를 2200℃, 하부의 온도를 2250 내지 2300℃로 하였다.
그 후, 배출관으로부터 아르곤 가스를 배출하여, 7 내지 40×102Pa의 감압 상태로 하여 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하였다. 이때의 결정 성장 속도는 0.05 내지 0.5mm/h이었다.
그 후, 흑연제 도가니의 온도를 상온까지 냉각한 후, 흑연제 도가니로부터 탄화규소 단결정을 취출하였다.
얻어진 탄화규소 단결정을 성장 방향에 대하여 평행하게 절단하고, 그 절단면을 현미경 관찰하였다. 도 3의 (a)는 그 절단면을 나타내는 현미경 사진이며, 종결정과 탄화규소 단결정의 경계 부분을 나타내는 것이다. 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 탄화규소 단결정에는 공동 형상 결함이 거의 발생하지 않았다.
(비교예 1)
종결정에 카본막을 형성하지 않는 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 탄화규소 단결정을 형성하였다.
실시예 1과 마찬가지로, 얻어진 탄화규소 단결정을 성장 방향에 대하여 평행하게 절단하고, 그 절단면을 현미경 관찰하였다. 도 3의 (b)는 그 절단면을 나타내는 현미경 사진이며, 흑연 덮개와 종결정과 탄화규소 단결정의 경계 부분을 도시하는 것이다. 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 종결정에는 공동 형상 결함이 많이 발생하고, 탄화규소 단결정에 복수의 길게 신장한 마이크로 파이프 등의 결정 내 공동 결함을 형성하였다. 이들의 공동 형상 결함 및 마이크로 파이프 등의 결정 내 공동 결함은 연속해서 계속되고 있고, 종결정과 흑연 덮개의 계면으로부터 신장하고 있었다.
실시예 1과 비교예 1을 비교하여, 종결정과 흑연과 계면에 본 발명의 카본막을 형성함으로써, 종결정 중의 공동 형상 결함을 억제하고, 또한 탄화규소 단결정 중의 공동 형상 결함을 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
두께 0.8㎜의 4H-탄화규소 단결정의 (000-1)면을 성장면, (0001)면을 흑연과 접하는 측의 면으로 하여, (0001)면에 카본막을 형성한 탄화규소 단결정으로 이루어지는 성장용 종결정을 사용한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 탄화규소 단결정을 형성하였다.
얻어진 탄화규소 단결정을 성장 방향에 대하여 평행하게 절단하고, 그 절단면을 현미경 관찰하였다. 실시예 1과 마찬가지로, 탄화규소 단결정에는 공동 형상 결함이 거의 발생하지 않았다.
이에 의해, 탄화규소로 이루어지는 종결정의 2개의 면이 극성이 다른 경우에도, 결함을 억제하는 효과를 발휘할 수 있는 것을 확인하였다.
(실시예 3)
4H-탄화규소 단결정을 종결정으로서 사용하고, 스퍼터 전처리로서 Ar 분위기, 고주파 전력 50kW로 역스퍼터를 행한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 탄화규소 단결정을 형성하였다.
얻어진 탄화규소 단결정을 성장 방향에 대하여 평행하게 절단하고, 그 절단면을 현미경 관찰하였다. 도 4에 도시한 바와 같이, 탄화규소 단결정에는 공동 형상 결함이 발생하지 않았다.
(실시예 4)
4H-탄화규소 결정을 종결정으로서 사용하고, (0001)면을 흑연과 접하는 측의 면으로 하고, 이 면에 이온 빔법을 사용하여 카본막을 성막한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 탄화규소 단결정을 형성하였다. 또한, 카본막의 성막 조건은 원료 가스를 메탄, 분위기 압력을 1.3×10-2Pa, 애노드 전압 100V로 1시간 성막으로 하였다.
카본막의 막 두께는 0.4㎛이었다. 또한, X선 반사율 측정법을 사용하여 카본막의 막 밀도를 측정한 결과, 카본막의 막 밀도는 2.5g/㎤이었다. 또한, 카본막의 X선 회절을 시도한 결과, 결정 구조에 기인하는 피크가 명확하게는 나타나지 않았다. 그로 인해, 이 카본막은 비정질이라고 판단하였다.
얻어진 탄화규소 단결정을 성장 방향에 대하여 평행하게 절단하고, 그 절단면을 현미경 관찰하였다. 탄화규소 단결정에는 공동 형상 결함이 거의 발생하지 않았다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명은, 탄화규소 단결정 성장용 종결정 및 그 제조 방법 및 탄화규소 단결정 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히, 광 디바이스, 고내압 대전력용 반도체 소자, 다전력 파워 디바이스, 내고온 소자, 내방사선 소자, 고주파 소자 등에 사용 가능한 고품질의 탄화규소 단결정을 제조ㆍ이용하는 산업에 있어서 이용 가능성이 있다.
1: 진공 용기
2: 단열재
3: 가열 코일
4: 종결정
4a: 성장면
5: 탄화규소 원료 분말
6: 흑연제 도가니
7: 도입관
8: 배출관
9: 방사 온도계
10: 돌출부
11: 접착제
12: 카본막
12b: 접합면
13: 탄화규소 단결정 성장용 종결정
20: 공동부
20b: 내저면
20a: 개구부
21: 본체부
22: 덮개
30: 지지 막대
30c: 구멍부
2: 단열재
3: 가열 코일
4: 종결정
4a: 성장면
5: 탄화규소 원료 분말
6: 흑연제 도가니
7: 도입관
8: 배출관
9: 방사 온도계
10: 돌출부
11: 접착제
12: 카본막
12b: 접합면
13: 탄화규소 단결정 성장용 종결정
20: 공동부
20b: 내저면
20a: 개구부
21: 본체부
22: 덮개
30: 지지 막대
30c: 구멍부
Claims (11)
- 탄화규소 원료 분말이 충전된 흑연제 도가니의 덮개에 부착되는 탄화규소 단결정 성장용 종결정이며,
일면이 승화법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 성장면으로 된 탄화규소로 이루어지는 종결정과, 상기 종결정의 상기 성장면의 반대측 면에 형성된 카본막으로 이루어지고, 상기 카본막의 막 밀도가 1.8 내지 2.5g/㎤이며, 상기 카본막의 두께가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정. - 제1항에 있어서, 상기 카본막이 비정질막인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 카본막의 두께가 0.1㎛ 이상 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정.
- 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법이며, 탄화규소로 이루어지는 종결정의 일면에, 물리 증착법 또는 화학 증착법에 의해 막 밀도가 1.8 내지 2.5g/㎤인 카본막을 형성하는 카본막 형성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 카본막을 스퍼터법, 이온 빔법 또는 플라즈마 CVD법 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 스퍼터법 전에 역스퍼터를 행하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 역스퍼터를, 수소 가스 또는 산소 가스를 첨가한 불활성 가스를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 수소 가스 또는 상기 산소 가스가 상기 불활성 가스에 대하여 10% 이상의 농도인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장용 종결정의 제조 방법.
- 탄화규소 원료 분말이 충전되는 흑연제 도가니의 덮개에, 제1항 또는 제2항에 기재된 탄화규소 단결정 성장용 종결정을 부착하고, 상기 흑연제 도가니를 가열하여 상기 탄화규소 원료 분말을 승화시켜, 상기 탄화규소 단결정 성장용 종결정 상에 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.
- 제10항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법을 사용하여 형성되고, 마이크로 파이프 밀도가 10개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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