KR101635693B1

KR101635693B1 - 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축 및 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR101635693B1
Application number: KR1020147019242A
Authority: KR
Inventors: 모토히사 가도; 가즈히코 구스노키
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤; 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-07-01
Also published as: US20150013590A1; CN104066874B; CN104066874A; JP2013147397A; JP5801730B2; KR20140101862A; WO2013108567A1

Abstract

종래보다도 빠른 SiC 단결정의 성장을 가능하게 하는 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축 및 용액법에 의한 단결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축이며, 종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부가, 종결정 보유 지지축의 반사율보다도 큰 반사율을 갖는 반사 부재에 의해 덮여 있고, 반사 부재가, 반사 부재와 종결정 보유 지지축의 단부면에 보유 지지되는 종결정 사이에 간격을 두도록 배치되어 있는, 종결정 보유 지지축.

Description

단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축 및 단결정의 제조 방법 {SEED CRYSTAL ISOLATING SPINDLE FOR SINGLE CRYSTAL PRODUCTION DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SINGLE CRYSTALS}

본 발명은, 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축 및 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

SiC 단결정은, 열적, 화학적으로 매우 안정되고, 기계적 강도가 우수하고, 방사선에 강하고, 또한 Si 단결정에 비해 높은 절연 파괴 전압, 높은 열전도율 등의 우수한 물성을 갖는다. 그로 인해, Si 단결정이나 GaAs 단결정 등의 기존의 반도체 재료에서는 실현할 수 없는 고출력, 고주파, 내 전압, 내 환경성 등을 실현하는 것이 가능하고, 대전력 제어나 에너지 절약을 가능하게 하는 파워 디바이스 재료, 고속 대용량 정보 통신용 디바이스 재료, 차량 탑재용 고온 디바이스 재료, 내 방사선 디바이스 재료 등과 같은 넓은 범위에 있어서의, 차세대의 반도체 재료로서 기대가 높아지고 있다.

종래, SiC 단결정의 성장법으로서는, 대표적으로는 기상법, 애치슨(Acheson)법 및 용액법이 알려져 있다. 기상법 중, 예를 들어 승화법에서는, 성장시킨 단결정에 마이크로 파이프 결함이라 불리는 중공 관통 형상의 결함이나 적층 결함 등의 격자 결함 및 결정 다형이 발생하기 쉽다고 하는 결점을 갖지만, 결정의 성장 속도가 크기 때문에, 종래, SiC 벌크 단결정의 대부분은 승화법에 의해 제조되고 있고, 성장 결정의 결함을 저감하는 시도도 행해지고 있다(특허문헌 1). 애치슨법에서는, 원료로서 규석과 코크스를 사용하여 전기로 중에서 가열하므로, 원료 중의 불순물 등에 의해 결정성이 높은 단결정을 얻는 것은 불가능하다.

그리고, 용액법은, 흑연 도가니 중에서 Si 융액 또는 Si 융액에 합금을 융해하고, 그 용액 중에 흑연 도가니로부터 C를 용해시켜, 저온부에 설치한 종결정 기판 상에 SiC 결정층을 석출시켜 성장시키는 방법이다. 용액법은 기상법에 비해 열평형에 가까운 상태에서의 결정 성장이 행해지므로, 저결함화를 가장 기대할 수 있다. 이로 인해, 최근에는, 용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법이 몇 가지 제안되어 있다(특허문헌 2).

일본 특허 공개 제2003-119097호 공보 일본 특허 공개 제2008-105896호 공보

용액법에 있어서, 과포화도는 결정 성장의 구동력이 된다. 따라서, 과포화도를 높게 함으로써 결정의 성장 속도를 높일 수 있다. 용액법에 의한 SiC 단결정의 성장에 있어서는, 과포화도는, 결정 성장 계면 근방의 Si-C 용액의 온도를 Si-C 용액 내부의 온도보다도 저온으로 함으로써 설정된다. 따라서, SiC 단결정의 성장 속도를 증가시키기 위해서는, 결정 성장 계면 근방의 Si-C 용액의 온도를 보다 저온으로 하고, 보다 높은 과포화도를 확보할 필요가 있다. 그러나, 원하는 SiC 단결정의 성장 속도가 얻어지는 정도까지, Si-C 용액 내부의 온도를 높게 유지하면서, 결정 성장 계면 근방의 온도를 저온화하여, 온도차를 크게 하는 것은 어려웠다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것이며, 종래보다도 빠른 SiC 단결정의 성장을 가능하게 하는 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축 및 용액법에 의한 단결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축이며,

종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부가, 종결정 보유 지지축의 반사율보다도 큰 반사율을 갖는 반사 부재에 의해 덮여 있고,

반사 부재가, 반사 부재와 종결정 보유 지지축의 단부면에 보유 지지되는 종결정 사이에 간격을 두도록 배치되어 있는, 종결정 보유 지지축이다.

본 발명은 또한, 도가니의 주위에 배치된 가열 장치에 의해 도가니 중에서 내부로부터 표면을 향해 온도 저하되는 온도 구배를 갖도록 가열된 Si-C 용액에, 종결정 보유 지지축에 보유 지지된 SiC 종결정을 접촉시켜, 종결정을 기점으로 하여 SiC 단결정을 성장시키는, 용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법이며,

반사 부재가, 반사 부재와 종결정 사이에 간격을 두고 배치되어 있는, 제조 방법이다.

본 발명에 따르면, 단결정의 성장 속도를 빠르게 할 수 있다.

도 1은 본 발명을 실시할 수 있는 SiC 단결정 제조 장치의 구성 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 2는 종래부터 사용되고 있는 SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 있어서의 측면에 반사 부재를 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 형태에 있어서의 측면의 하부에 반사 부재를 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 형태에 있어서의 측면의 상부에 반사 부재를 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 있어서의 측면의 복수 개소에 반사 부재를 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 형태에 있어서의, 종결정 보유 지지축의 단부면과 동일한 형상의 상면을 갖는 종결정을 보유 지지하였을 때의 종결정과 반사 부재의 위치 관계를 도시하는 단면 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 형태에 있어서의, 종결정 보유 지지축의 단부면보다도 작은 형상의 상면을 갖는 종결정을 보유 지지하였을 때의 종결정과 반사 부재의 위치 관계를 도시하는 단면 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 형태에 있어서의, 종결정 보유 지지축의 단부면보다도 큰 형상의 상면을 갖는 종결정을 보유 지지하였을 때의 종결정과 반사 부재의 위치 관계를 도시하는 단면 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 형태에 있어서의 하측이 두껍고 상측이 얇은 형상을 갖는 반사 부재를 측면에 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 형태에 있어서의 두꺼운 반사 부재를 측면에 배치한 종결정 보유 지지축을 구비하는, SiC 단결정 제조 장치의 기본 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 12는 실시예 1에 있어서 얻어진 SiC 성장 결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진이다.
도 13은 비교예 1에 있어서 얻어진 SiC 성장 결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진이다.
도 14는 비교예 2에 있어서 얻어진 SiC 성장 결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진이다.
도 15는 비교예 3에 있어서 얻어진 SiC 성장 결정을 하면으로부터 관찰한 외관 사진이다.
도 16은 비교예 3에 있어서 얻어진 SiC 성장 결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진이다.

본 발명은, 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축이며,

용액법에 있어서, Si-C 용액 중에 용해된 C는, 확산 및 대류에 의해 분산된다. 종결정 기판의 하면 근방은, 종결정 보유 지지축을 통한 발열(拔熱), 가열 장치의 출력 제어 및 Si-C 용액의 표면으로부터의 방열 등에 의해, Si-C 용액의 내부보다도 저온으로 되는 온도 구배가 형성될 수 있다. 고온이며 용해도가 큰 용액 내부에 용해된 C가, 저온이며 용해도가 낮은 종결정 기판 부근에 도달하면 과포화 상태로 되고, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정 기판 상에 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.

따라서, SiC 단결정의 성장 속도를 증가시키기 위해서는, Si-C 용액 중에 있어서의 결정 성장 계면 바로 아래의 과포화도를 크게 하는 것이 유효하다. 그러나, 도 2에 나타내는 바와 같이, 도가니(10)로부터의 복사열(36)에 의해 종결정 보유 지지축(12)도 가열되므로, 종결정 보유 지지축(12)을 통한 발열이 작아져 Si-C 용액(24)의 내부와 결정 성장 계면 근방의 온도차를 크게 하는 것이 어려워, 과포화도에 영향을 미칠 수 있는 것을 알 수 있었다. 이와 같이, 종래의 방법에서는 종결정 보유 지지축을 통한 발열이 작아지기 쉬워, 결정 성장 계면 바로 아래의 저온화를 하기 어려워진다. 그리고, Si-C 용액의 내부와 결정 성장 계면 바로 아래의 온도차를 원하는 정도로 크게 하기 어렵기 때문에, 과포화도의 증가를 안정적으로 행하는 것이 어려워, SiC 단결정의 성장 속도를 증가시키는 것이 어려웠다.

상기 지식에 기초하여 SiC 단결정의 성장 속도를 증가시키기 위해 예의 연구한 결과, 본 발명자는, 종결정 보유 지지축을 통한 발열을 향상시키기 위해, 종결정 보유 지지축의 측면에 반사율이 높은 부재를 배치한 종결정 보유 지지축을 발견하였다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 종결정 보유 지지축(12)의 측면에 반사율이 높은 반사 부재(32)를 배치함으로써, 종결정 보유 지지축(12)에의 복사에 의한 입열을 저감시켜, 종결정 보유 지지축(12)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이에 의해, 종결정 보유 지지축(12)을 통한 발열을 향상시키고, Si-C 용액(24) 중에 있어서의 성장 계면 바로 아래의 온도를 저온화하여 과포화도를 향상시켜, SiC 단결정의 성장 속도를 증가시킬 수 있다.

반사 부재(32)는, 도가니 내에 삽입되어 있는 종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있고, 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같이 종결정 보유 지지축(12)의 측면의 거의 전체면을 덮어도 되고, 또는 도 4∼도 6에 나타내는 바와 같이, 종결정 보유 지지축(12)의 측면의 하부만, 상부만, 혹은 복수 개소를 덮어도 된다.

반사 부재(32)는, 종결정 보유 지지축(12)의 도가니(10) 내에 삽입되어 있는 부분이며 종결정 보유 지지축(12)의 측면의 면적의, 바람직하게는 50％ 이상, 보다 바람직하게는 60％ 이상, 더욱 바람직하게는 70％ 이상, 보다 더 바람직하게는 80％ 이상, 보다 더 바람직하게는 90％ 이상, 보다 더 바람직하게는 95％ 이상, 특히 바람직하게는 100％를 덮을 수 있다.

반사 부재(32)는, 종결정(14)에 직접 접촉하지 않도록 종결정(14)과의 사이에 간격을 두고 배치된다. 반사 부재(32)와 종결정(14)을 접촉시켜 배치하면, 종결정(14)으로부터 균일하게 발열되기 어려워지고, 결정 성장면 내의 발열 분포가 불균일해지기 쉬워, 성장 결정에 다결정 등의 매크로 결함이 발생할 수 있다. 한편, 반사 부재(32)를 종결정(14)과의 사이에 간격을 두고 배치함으로써, 종결정(14)으로부터 균일하게 발열되기 쉬워지므로, 결정 성장면 내의 발열 분포가 균일해지기 쉬워, 성장 결정에 있어서의 다결정 등의 매크로 결함의 발생을 억제할 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시하는 바와 같이 종결정 보유 지지축(12)의 단부면과 종결정(14)의 상면이 동일한 형상일 때, 반사 부재(32)와 종결정(14)이 접촉하지 않는 범위에서 반사 부재(32)를 종결정 보유 지지축(12)의 거의 하단부까지 피복시킬 수 있다. 또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면의 쪽이 종결정(14)의 상면보다도 커, 종결정(14)이 종결정 보유 지지축(12)의 단부면으로부터 밀려나오지 않는 형상일 때에는, 반사 부재(32)를 종결정 보유 지지축(12)의 하단부까지 완전히 피복시킬 수 있다. 혹은, 도 9에 도시하는 바와 같이, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면보다도 종결정(14)의 상면이 클 때에는, 반사 부재(32)가 종결정(14)에 접촉하지 않도록, 반사 부재(32)는 종결정 보유 지지축(12)의 하단부까지는 피복시키지 않고, 종결정(14)과의 사이에 간격을 두고 배치된다. 어느 형태에 있어서도, 반사 부재(32)와 종결정(14)은 접촉하지 않고, 반사 부재(32)와 종결정(14) 사이에서 종결정 보유 지지축(12)이 노출되어 있다.

본 종결정 보유 지지축을 사용한 단결정의 제조에 있어서는, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면과 동일하거나 그것보다 작은 상면을 갖는 종결정(14)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 종결정 보유 지지축(12)을 통해 종결정(14)의 상면으로부터 보다 균일하게 발열되므로, 결정 성장면 내의 발열 분포를 보다 균일하게 할 수 있다.

반사 부재(32)는, 종결정 보유 지지축(12)보다도 큰 반사율을 갖고 있고, 바람직하게는 0.4 이상, 보다 바람직하게는 0.5 이상, 더욱 바람직하게는 0.6 이상의 반사율을 갖고 있다.

본 명세서에 있어서, 반사율이라 함은, 열, 즉 적외선의 반사율(적외 반사율)을 의미하고, 예를 들어 푸리에 변환 적외 분광법에 의해 측정할 수 있다.

반사 부재(32)를 두껍게 함으로써, 도가니(10)로부터의 복사열에 의한 종결정 보유 지지축에의 입열을 저감시켜 종결정 보유 지지축(12)의 온도 상승을 억제하는 효과를 더 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시하는 바와 같은 두께의 반사 부재(32)보다도, 도 11에 도시하는 바와 같은 두꺼운 반사 부재(32)를 종결정 보유 지지축에 피복할 수 있다.

반사 부재(32)의 형상은, 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시하는 바와 같이, 종결정 보유 지지축(12)의 길이 방향에 걸쳐 균일한 두께를 가져도 되고, 또한 종결정 보유 지지축(12)의 길이 방향에 걸쳐 불균일한 두께를 가져도 된다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 반사 부재(32)가, 하측이 두껍고 상측이 얇은 형상을 가질 때, 반사 부재(32)에서 반사된 복사열(34)이 도가니(10) 내의 상방을 향하기 쉽고 Si-C 용액(24)의 표면을 향하기 어려워져, Si-C 용액(24)의 표면 온도가 저하되기 쉬워, 보다 큰 과포화도를 형성할 수 있다. 또한, 반사 부재(32)는 복수의 반사 부재를 조합하여 사용해도 되고, 복수의 반사 부재를 각각 접하도록 하여 종결정 보유 지지축(12)의 측면에 배치해도 되고, 도 6에 도시하는 바와 같이 복수의 반사 부재(32)를 각각 이격시켜 종결정 보유 지지축(12)의 측면에 배치해도 된다.

반사 부재(32)의 종결정 보유 지지축(12)의 측면에의 배치는, 흑연의 접착제를 사용하여 행해질 수 있다. 반사 부재(32)는, 종결정 보유 지지축(12)의 측면 주위에 접하도록 배치할 수 있고, 또는 종결정 보유 지지축(12)의 측면 주위에, 반사 부재(32)와 종결정 보유 지지축(12) 사이의 적어도 일부에 간극을 마련하여 배치해도 된다.

반사 부재(32)로서, 반사율이 0.5인 카본 시트, 반사율이 0.4인 탄탈, 반사율이 0.8인 탄탈 카바이드 등의, 반사율이 0.2인 종결정 보유 지지축보다도 고반사율을 갖는 재료가 사용되고, 바람직하게는 카본 시트가 사용된다.

카본 시트로서는 특별히 제한은 없고, 시판되는 것이 사용될 수 있다. 카본 시트는, 예를 들어 카본 섬유를 롤러에 걸쳐 탈수시킴으로써 얻어질 수 있다.

카본 시트의 평균 두께는, 바람직하게는 0.01㎜ 이상, 보다 바람직하게는 0.05㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2㎜ 이상일 수 있다. 카본 시트가 두꺼울수록, 도가니(10)로부터의 복사열에 의한 종결정 보유 지지축(12)에의 입열을 저감하여 종결정 보유 지지축(12)의 온도 상승을 억제하고, 결정 성장 계면으로부터의 발열을 높이는 효과를 더 얻을 수 있다.

카본 시트의 종결정 보유 지지축(12)의 측면부에의 피복은, 접착제, 적합하게는 흑연의 접착제를 사용하여 행해질 수 있다.

본 발명에 있어서, 반사 부재는 단열재와는 다른 것으로, 반사 부재 대신에 단열재를 사용해도 본 발명의 효과를 얻을 수는 없다. 단열재를 종결정 보유 지지축에 피복해도, SiC 단결정의 성장 속도의 원하는 향상을 얻을 수는 없고, 그 이유 중 하나로서, 단열재를 사용하면, 결정 성장 계면 부근도 보온되어 버려 저온화를 도모할 수 없어, 원하는 과포화도가 얻어지지 않는다고 하는 것을 들 수 있다.

종결정 보유 지지축은, 그 단부면에 종결정 기판을 보유 지지하는 흑연으로 이루어지는 축이며, 원기둥 형상, 각기둥 형상 등의 임의의 형상일 수 있고, 예를 들어 종결정의 상면의 형상과 동일한 단부면 형상의 흑연축을 사용할 수 있다. 종결정 보유 지지축은 통상 50∼1000㎜의 길이를 가질 수 있다.

본 종결정 보유 지지축은, 용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되고, 예를 들어 SiC, GaN, BaTiO₃ 등의 단결정의 제조 장치에 사용할 수 있고, 특히 SiC 단결정의 제조 장치에 사용할 수 있다.

SiC 단결정의 제조에 있어서는 Si-C 용액이 사용된다. Si-C 용액이라 함은, Si 또는 Si/X(X는 Si 이외의 1종 이상의 금속)의 융액을 용매로 하는 C가 용해된 용액을 말한다. X는 1종 이상의 금속이며, SiC(고상)와 열역학적으로 평형 상태로 되는 액상(용액)을 형성할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 적당한 금속 X의 예로서는, Ti, Mn, Cr, Ni, Ce, Co, V, Fe 등을 들 수 있다. 예를 들어, 도가니 내에 Si에 더하여, Cr, Ni 등을 투입하고, Si-Cr 용액, Si-Cr-Ni 용액 등을 형성할 수 있다.

Si-C 용액은, 그 표면 온도가, Si-C 용액에의 C의 용해량의 변동이 적은 1800∼2200℃인 것이 바람직하다.

Si-C 용액의 온도 측정은, 열전대, 방사 온도계 등을 사용하여 행할 수 있다. 열전대에 관해서는, 고온 측정 및 불순물 혼입 방지의 관점에서, 지르코니아나 마그네시아 유리를 피복한 텅스텐-레늄 소선을 흑연 보호관 중에 넣은 열전대가 바람직하다.

본 발명은 또한, 도가니의 주위에 배치된 가열 장치에 의해 도가니 중에서 내부로부터 표면을 향해 온도 저하되는 온도 구배를 갖도록 가열된 Si-C 용액에, 종결정 보유 지지축에 보유 지지된 SiC 종결정을 접촉시켜, 종결정을 기점으로 하여 SiC 단결정을 성장시키는, 용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법이며, 종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부가, 종결정 보유 지지축의 반사율보다도 큰 반사율을 갖는 반사 부재에 의해 덮여 있고, 반사 부재가, 반사 부재와 종결정 사이에 간격을 두고 배치되어 있는 제조 방법이다.

본 제조 방법에 의하면, 상술한 종결정 보유 지지축에 관한 설명과 마찬가지로 종결정 보유 지지축이 종결정 보유 지지축의 측면에 반사율이 높은 부재를 갖고 있어, 용액법에 의해 SiC 단결정을 제조시킬 때, 종결정 보유 지지축에의 복사에 의한 입열을 저감하여, 종결정 보유 지지축의 온도 상승을 억제할 수 있고, 종결정 보유 지지축을 통한 발열을 향상시켜, 단결정의 성장 계면 바로 아래의 Si-C 용액의 온도를 저온화하여 과포화도를 향상시켜 SiC 단결정의 성장 속도를 증가시킬 수 있다.

본 제조 방법에 있어서의, 반사 부재의 종결정 보유 지지축에의 배치 개소 및 배치 방법, 반사 부재의 반사율, 재료, 두께 및 형상 및 종결정 보유 지지축의 재료 및 형상 등에 관한 설명은, 상술한 종결정 보유 지지축에 관한 설명이 적용된다.

도 1에, 본 발명을 실시할 수 있는 SiC 단결정 제조 장치의 일례를 나타낸다. 도시한 SiC 단결정 제조 장치(100)는, Si 또는 Si/X의 용액 중에 C가 용해되어 이루어지는 Si-C 용액(24)을 수용한 도가니(10)를 구비하고, Si-C 용액의 내부로부터 용액의 표면을 향해 온도 저하되는 온도 구배를 형성하고, 승강 가능한 종결정 보유 지지축(12)의 선단에 보유 지지된 종결정 기판(14)을 Si-C 용액(24)에 접촉시켜, 종결정 기판(14)을 기점으로 하여 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다. 도가니(10) 및 종결정 보유 지지축(12)을 회전시키는 것이 바람직하다.

Si-C 용액(24)은, 원료를 도가니에 투입하고, 가열 융해시켜 제조한 Si 또는 Si/X의 융액에 C를 용해시킴으로써 제조된다. 도가니(10)를, 흑연 도가니 등의 탄소질 도가니 또는 SiC 도가니로 함으로써, 도가니(10)의 용해에 의해 C가 용액 중에 용해되어, Si-C 용액이 형성된다. 이와 같이 하면, Si-C 용액(24) 중에 미용해 C가 존재하지 않아, 미용해 C에의 SiC 단결정의 석출에 의한 SiC의 낭비를 방지할 수 있다. C의 공급은, 예를 들어 탄화수소 가스의 흡입, 또는 고체의 C 공급원을 융액 원료와 함께 투입하는 것과 같은 방법을 이용해도 되고, 또는 이들 방법과 도가니의 용해를 조합해도 된다.

보온을 위해, 도가니(10)의 외주는, 단열재(18)로 덮여 있다. 이들이 일괄적으로 석영관(26) 내에 수용되어 있다. 석영관(26)의 외주에는, 가열용 고주파 코일(22)이 배치되어 있다. 고주파 코일(22)은 상단 코일(22A) 및 하단 코일(22B)로 구성되어도 되고, 상단 코일(22A) 및 하단 코일(22B)은 각각 독립적으로 제어 가능하다.

도가니(10), 단열재(18), 석영관(26) 및 고주파 코일(22)은 고온으로 되므로, 수냉 챔버의 내부에 배치된다. 수냉 챔버는, 장치 내의 분위기 조정을 가능하게 하기 위해, 가스 도입구와 가스 배기구를 구비한다.

Si-C 용액의 온도는, 통상 복사 등을 위해 Si-C 용액의 내부보다도 표면의 온도가 낮은 온도 분포로 되지만, 또한 고주파 코일(22)의 권취수 및 간격, 고주파 코일(22)과 도가니(10)의 높이 방향의 위치 관계 및 고주파 코일의 출력을 조정함으로써, Si-C 용액(24)에 종결정 기판(14)이 접촉하는 용액 상부가 저온, 용액 하부(내부)가 고온으로 되도록 Si-C 용액(24)의 표면에 수직 방향의 온도 구배를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하단 코일(22B)의 출력보다도 상단 코일(22A)의 출력을 작게 하여, Si-C 용액(24)에 용액 상부가 저온, 용액 하부가 고온으로 되는 온도 구배를 형성할 수 있다. 온도 구배는, 용액 표면으로부터 깊이가 약 30㎜까지의 범위에서, 1∼100℃/cm가 바람직하고, 10∼50℃/cm가 보다 바람직하다.

몇 가지의 형태에 있어서, SiC 단결정의 성장 전에, 종결정 기판의 표면층을 Si-C 용액 중에 용해시켜 제거하는 멜트백을 행해도 된다. SiC 단결정을 성장시키는 종결정 기판의 표층에는, 전위 등의 가공 변질층이나 자연 산화막 등이 존재하고 있는 경우가 있고, SiC 단결정을 성장시키기 전에 이들을 용해하여 제거하는 것이, 고품질의 SiC 단결정을 성장시키기 위해 효과적이다. 용해하는 두께는, 종결정 기판의 표면 가공 상태에 따라 바뀌지만, 가공 변질층이나 자연 산화막을 충분히 제거하기 위해, 약 5∼50㎛가 바람직하다.

멜트백은, Si-C 용액의 내부로부터 용액의 표면을 향해 온도가 증가하는 온도 구배, 즉, SiC 단결정 성장과는 역방향의 온도 구배를 Si-C 용액에 형성함으로써 행할 수 있다. 고주파 코일의 출력을 제어함으로써 상기 역방향의 온도 구배를 형성할 수 있다.

멜트백은, Si-C 용액에 온도 구배를 형성하지 않고, 단순히 액상선 온도보다 고온으로 가열된 Si-C 용액에 종결정 기판을 침지함으로써도 행할 수 있다. 이 경우, Si-C 용액 온도가 높아질수록 용해 속도는 높아지지만 용해량의 제어가 어려워지고, 온도가 낮으면 용해 속도가 느려지는 경우가 있다.

몇 가지의 형태에 있어서, 미리 종결정 기판을 가열해 두고 나서 종결정 기판을 Si-C 용액에 접촉시켜도 된다. 저온의 종결정 기판을 고온의 Si-C 용액에 접촉시키면, 종결정에 열쇼크 전위가 발생하는 경우가 있다. 종결정 기판을 Si-C 용액에 접촉시키기 전에 종결정 기판을 가열해 두는 것이, 열쇼크 전위를 방지하고, 고품질의 SiC 단결정을 성장시키기 위해 효과적이다. 종결정 기판의 가열은 종결정 보유 지지축째 가열하여 행할 수 있다. 이 경우, 종결정 기판을 Si-C 용액에 접촉시킨 후, SiC 단결정을 성장시키기 전에 종결정 보유 지지축의 가열을 멈춘다. 또는, 이 방법 대신에, 비교적 저온의 Si-C 용액에 종결정을 접촉시키고 나서, 결정을 성장시키는 온도로 Si-C 용액을 가열해도 된다. 이 경우도, 열쇼크 전위를 방지하고, 고품질의 SiC 단결정을 성장시키기 위해 효과적이다.

실시예

(공통 조건)

실시예 1 및 비교예 1∼3에 공통되는 조건을 나타낸다. 각 예에 있어서, 도 1에 도시하는 단결정 제조 장치(100)를 사용하였다. 단, 반사 부재(32)의 유무, 위치 및 형상은 각 예에 있어서 다르다. Si-C 용액(24)을 수용하는 내경 40㎜, 높이 125㎜의 흑연 도가니(10)에 Si/Cr/Ni를 원자 조성 백분율로 54:40:6의 비율로 융액 원료로서 투입하였다. 단결정 제조 장치의 내부 공기를 아르곤으로 치환하였다. 흑연 도가니(10)의 주위에 배치된 고주파 코일(22)에 통전하여 가열에 의해 흑연 도가니(10) 내의 원료를 융해하고, Si/Cr/Ni 합금의 융액을 형성하였다. 그리고 흑연 도가니(10)로부터 Si/Cr/Ni 합금의 융액에, 충분한 양의 C를 용해시켜, Si-C 용액(24)을 형성하였다.

상단 코일(22A) 및 하단 코일(22B)의 출력을 조절하여 흑연 도가니(10)를 가열하고, Si-C 용액(24)의 내부로부터 용액의 표면을 향해 온도 저하되는 온도 구배를 형성하였다. 소정의 온도 구배가 형성되어 있는 것의 확인은, 승강 가능한, 지르코니아 피복 텅스텐-레늄 소선을 흑연 보호관 중에 넣은 열전대를 사용하여, Si-C 용액(24)의 온도를 측정함으로써 행하였다. 고주파 코일(22A 및 22B)의 출력 제어에 의해, Si-C 용액(24)의 표면에 있어서의 온도를 2000℃로 하였다. Si-C 용액의 표면을 저온측으로 하여, 종결정 기판을 침지 예정의 Si-C 용액의 표면에 있어서의 온도와, Si-C 용액(24)의 표면으로부터 용액 내부를 향해 수직 방향의 깊이 10㎜의 위치에 있어서의 온도의 온도차는 25K였다.

(실시예 1)

반사율이 0.2, 직경이 12㎜ 및 길이가 200㎜인 원기둥 형상의 흑연 종결정 보유 지지축(12)을 준비하고, 반사 부재(32)로서 반사율이 0.5이고 두께가 0.2㎜인 카본 시트[도모에 고교(巴工業)제]를 종결정 보유 지지축(12)의 측면 하단부로부터 5㎜의 위치로부터 상단부까지, 흑연의 접착제를 사용하여 배치하였다.

두께 1㎜, 직경 12㎜의 원반 형상 4H-SiC 단결정을 준비하여 종결정 기판(14)으로서 사용하였다. 종결정 기판(14)의 하면이 Si면으로 되도록 하여 종결정 기판(14)의 상면을, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면의 대략 중앙부에, 흑연의 접착제를 사용하여 접착하였다. 종결정 기판(14)의 상면이 종결정 보유 지지축(12)의 단부면으로부터 밀려나오지 않도록 하여 접착하였다. 이때, 종결정 기판(14)과 카본 시트는 접촉되어 있지 않고, 종결정 기판(14)의 상면과 카본 시트의 하단부는 5㎜의 간격을 갖고 있었다.

이어서, 종결정 기판(14)을 보유 지지한 종결정 보유 지지축(12)을 강하시키고, Si-C 용액(24)의 표면 위치에 종결정 기판(14)의 하면이 일치하도록 하여 종결정 기판(14)을 Si-C 용액(24)에 접촉시켜, 10시간, 결정을 성장시켰다. 이 동안, 각각 동일 방향으로, 흑연 도가니(10)를 5rpm, 종결정 보유 지지축(12)을 40rpm으로 회전시켰다. SiC 단결정의 성장 속도는 0.64㎜/h이고, 성장량은 6.4㎜였다. 얻어진 SiC 단결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진을 도 12에 나타낸다. 상부의 파선으로 둘러싸인 부분은 종결정 기판(14)이다. 얻어진 성장 결정에는, 다결정 등의 매크로 결함은 보이지 않았다.

(비교예 1)

반사 부재를 사용하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정을 성장시켰다. SiC 단결정의 성장 속도는 0.32㎜/h이고, 성장량은 3.2㎜였다. 얻어진 SiC 단결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진을 도 13에 나타낸다. 상부의 파선으로 둘러싸인 부분은 종결정 기판(14)이다. 얻어진 성장 결정에는, 다결정 등의 매크로 결함은 보이지 않았다.

(비교예 2)

반사 부재 대신에, 두께가 2㎜이고 카본 성형 단열재를, 종결정 보유 지지축(12)의 측면의 하단부로부터 5㎜의 위치로부터 상단부까지, 흑연의 접착제를 사용하여 배치하였다.

실시예 1과 동일한 종결정 기판(14)을 사용하여, 종결정 기판(14)의 하면이 Si면으로 되도록 하여 종결정 기판(14)의 상면을, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면의 대략 중앙부에, 흑연의 접착제를 사용하여 접착하였다. 종결정 기판(14)의 상면이 종결정 보유 지지축(12)의 단부면으로부터 밀려나오지 않도록 하여 접착하였다. 이때, 종결정 기판(14)과 단열재는 접촉하고 있지 않고, 종결정 기판(14)의 상면과 단열재의 하단부는 5㎜의 간격을 갖고 있었다.

이어서, 종결정 기판(14)을 보유 지지한 종결정 보유 지지축(12)을 강하시켜, Si-C 용액(24)의 표면 위치에 종결정 기판(14)의 하면이 일치하도록 하여 종결정 기판(14)을 Si-C 용액(24)에 접촉시켜, 10시간, 결정을 성장시켰다. 이 동안, 각각 동일 방향으로, 흑연 도가니(10)를 5rpm, 종결정 보유 지지축(12)을 40rpm으로 회전시켰다. SiC 단결정의 성장 속도는 0.13㎜/h이고, 성장량은 1.3㎜였다. 얻어진 SiC 단결정을 측면으로부터 관찰한 외관 사진을 도 14에 나타낸다. 상부의 파선으로 둘러싸인 부분은 종결정 기판(14)이다. 얻어진 성장 결정에는, 다결정 등의 매크로 결함은 보이지 않았다.

(비교예 3)

반사율이 0.2, 직경이 12㎜, 및 길이가 200㎜인 원기둥 형상의 흑연 종결정 보유 지지축(12)을 준비하고, 반사 부재(32)로서 반사율이 0.5이고, 두께가 0.2㎜인 카본 시트(도모에 고교제)를, 종결정 보유 지지축(12)의 측면의 전체면에 흑연의 접착제를 사용하여 배치하였다.

두께 1㎜, 직경 25㎜의 원반 형상 4H-SiC 단결정을 준비하여 종결정 기판(14)으로서 사용하였다. 종결정 기판(14)의 하면이 Si면으로 되도록 하여 종결정 기판(14)의 상면을, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면의 대략 중앙부에, 흑연의 접착제를 사용하여 접착하였다. 이때, 종결정 보유 지지축(12)의 단부면보다도 큰 종결정 기판(14)의 상면 부분과 카본 시트가 접촉하고 있었다.

이어서, 종결정 기판(14)을 보유 지지한 종결정 보유 지지축(12)을 강하시키고, Si-C 용액(24)의 표면 위치에 종결정 기판(14)의 하면이 일치하도록 하여 종결정 기판(14)을 Si-C 용액(24)에 접촉시켜, 10시간, 결정을 성장시켰다. 이 동안, 각각 동일 방향으로, 흑연 도가니(10)를 5rpm, 종결정 보유 지지축(12)을 40rpm으로 회전시켰다. SiC 단결정의 성장 속도는 0.60㎜/h였다. 얻어진 SiC 단결정을 하면으로부터 관찰한 외관 사진을 도 15에, 측면으로부터 관찰한 외관 사진을 도 16에 나타낸다. 도 15의 점선부는 종결정 바로 아래 영역(38)을 나타낸다. 얻어진 결정에는, 종결정 보유 지지축(12)과 카본 시트의 경계선에 대응하는 위치로부터 다결정 등의 매크로 결함이 발생되어 있었다.

100 : 단결정 제조 장치
10 : 도가니
12 : 종결정 보유 지지축
14 : 종결정 기판
18 : 단열재
22 : 고주파 코일
22A : 상단 고주파 코일
22B : 하단 고주파 코일
24 : Si-C 용액
26 : 석영관
32 : 반사 부재
34 : 반사 부재가 있을 때의 복사열
36 : 반사 부재가 없을 때의 복사열
38 : 종결정 바로 아래 영역

Claims

용액법에 의한 단결정의 제조 장치에 사용되는 종결정 보유 지지축이며,
상기 종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부가, 상기 종결정 보유 지지축의 반사율보다도 큰 반사율을 갖는 반사 부재에 의해 덮여 있고,
상기 반사 부재가, 상기 반사 부재와 상기 종결정 보유 지지축의 단부면에 보유 지지되는 종결정 사이에 간격을 두도록 배치되어 있는, 종결정 보유 지지축.
제1항에 있어서, 상기 종결정 보유 지지축의 측면의 50％ 이상이 상기 반사 부재에 의해 덮여 있는, 종결정 보유 지지축.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사 부재의 반사율이 0.4 이상인, 종결정 보유 지지축.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사 부재가 카본 시트인, 종결정 보유 지지축.
제4항에 있어서, 상기 카본 시트의 평균 두께가 0.05㎜ 이상인, 종결정 보유 지지축.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 종결정 보유 지지축이 흑연으로 이루어지는, 종결정 보유 지지축.
도가니의 주위에 배치된 가열 장치에 의해 상기 도가니 중에서 내부로부터 표면을 향해 온도 저하되는 온도 구배를 갖도록 가열된 Si-C 용액에, 종결정 보유 지지축에 보유 지지된 SiC 종결정을 접촉시켜, 상기 종결정을 기점으로 하여 SiC 단결정을 성장시키는, 용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법이며,
상기 종결정 보유 지지축의 측면의 적어도 일부가, 상기 종결정 보유 지지축의 반사율보다도 큰 반사율을 갖는 반사 부재에 의해 덮여 있고,
상기 반사 부재가, 상기 반사 부재와 상기 종결정 사이에 간격을 두고 배치되어 있는, 단결정의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 종결정 보유 지지축의 측면의 50％ 이상이 상기 반사 부재에 의해 덮여 있는, 단결정의 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 반사 부재의 반사율이 0.4 이상인, 단결정의 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 반사 부재가 카본 시트인, 단결정의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 카본 시트의 평균 두께가 0.05㎜ 이상인, 단결정의 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 종결정 보유 지지축이 흑연으로 이루어지는, 단결정의 제조 방법.