KR20090021144A - Single-crystal sic, process for producing the same, and apparatus for producing single-crystal sic - Google Patents

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KR20090021144A
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마사노리 이카리
도루 가네니와
다카오 아베
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

This invention provides a single-crystal SiC for use as a semiconductor device material or an LED material, and a process for producing the same, and an apparatus for producing a single-crystal SiC. In the single-crystal SiC, defects such as micropipes have been suppressed, and the single-crystal SiC has a high quality, is continuous, and has a large diameter. The process for producing a single-crystal SiC comprises the step of fixing an SiC seed single-crystal wafer onto a susceptor, and the step of externally continuously supplying a raw material for single-crystal SiC production onto the SiC seed single-crystal wafer and growing single-crystal SiC. The process is characterized in that the average temperature gradient of the susceptor, SiC seed single-crystal, and single-crystal SiC having a thickness increased with the growth thereof in the vertical direction (longitudinal direction) of the susceptor is not less than 0.5°C/mm and not more than 9°C/mm.

Description

단결정 SiC 및 그 제조 방법과 단결정 SiC의 제조 장치{SINGLE-CRYSTAL SiC, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND APPARATUS FOR PRODUCING SINGLE-CRYSTAL SiC}SINGLE-CRYSTAL SiC, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND APPARATUS FOR PRODUCING SINGLE-CRYSTAL SiC}

본 발명은 반도체 소자용 재료나 LED용 재료로서 이용되는 단결정 SiC 및 그 제조 방법 및 단결정 SiC의 제조 장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a single crystal SiC used as a material for a semiconductor element or a material for an LED, a method for producing the same, and an apparatus for producing a single crystal SiC.

단결정 SiC는 결정의 결합 에너지가 크며, 절연 파괴 전계가 크고, 또, 열전도율도 크기 때문에, 내(耐)가혹환경용 소자나 파워 소자용의 재료로서 유용하다. 또, 그 격자 정수가 GaN의 격자 정수와 가깝기 때문에, GaN-LED용의 기판 재료로서도 유용하다.Single crystal SiC has a large binding energy of crystals, a large dielectric breakdown electric field, and a high thermal conductivity, and thus is useful as a material for harsh environmental devices and power devices. Moreover, since the lattice constant is close to the lattice constant of GaN, it is also useful as a substrate material for GaN-LED.

종래 이 단결정 SiC의 제조에는, 흑연 도가니 내에서 SiC 분말을 승화시키며, 흑연 도가니 내벽에 단결정 SiC를 재결정화시키는 레일리법이나, 이 레일리법을 베이스로 원료 배치나 온도 분포를 최적화하며, 재결정화시키는 부분에 SiC 종자단결정을 배치하여 에피택셜로 재결정 성장시키는 개량 레일리법, 가스 공급원을 캐리어 가스에 의해, 가열된 SiC 종자단결정 상에 수송하며 결정 표면에서 화학 반응시키면서 에피택셜 성장시키는 CVD법, 흑연 도가니 내에서 SiC 분말과 SiC 종자단결정을 근접시킨 상태에서 SiC 분말을 SiC 종자단결정 상에 에피택셜로 재결정 성장시키는 승화 근접법 등이 있다.Conventionally, in the production of single crystal SiC, the Rayleigh method of subliming SiC powder in a graphite crucible and recrystallizing the single crystal SiC on the inner wall of the graphite crucible. An improved Rayleigh method of disposing epitaxially growing SiC seed single crystals, CVD method of transporting a gas source via a carrier gas onto a heated SiC seed single crystal and epitaxially growing a chemical reaction at the crystal surface, in a graphite crucible There is a sublimation proximity method in which SiC powder is epitaxially recrystallized on SiC seed single crystal while SiC powder and SiC seed single crystal are in close proximity.

그런데 현 상황에서는, 이들 각 단결정 SiC 제조 방법에는 모두 문제가 있다고 되어 있다. 레일리법에서는, 결정성이 양호한 단결정 SiC를 제조할 수 있지만, 자연 발생적인 핵 형성을 바탕으로 결정이 성장하기 때문에, 형상 제어나 결정면 제어가 곤란하며, 또한 대구경 웨이퍼를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.In the present situation, however, these single crystal SiC manufacturing methods are all said to have problems. In the Rayleigh method, single crystal SiC having good crystallinity can be produced, but since crystals grow based on naturally occurring nucleation, shape control and crystal surface control are difficult, and there is a problem that a large diameter wafer cannot be obtained. .

개량 레일리법에서는, 수100 ㎛/h 정도의 고속에서 대구경의 단결정 SiC 잉곳을 얻을 수 있지만, 결정이 나선형으로 에피택셜 성장하기 때문에, 결정 내에 다수의 마이크로 파이프라고 불리는 결정을 관통하는 미소한 구멍이 발생한다고 하는 문제가 있다. CVD법에서는, 고순도로 저결함 밀도의 양질인 단결정 SiC를 제조할 수 있지만, 결정을 희박한 가스 공급원을 이용하여 에피택셜 성장시키기 때문에, 성장 속도가 수10 ㎛/h 정도로 느리며, 긴 단결정 SiC 잉곳을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.In the improved Rayleigh method, a large diameter single crystal SiC ingot can be obtained at a high speed of about 100 µm / h. However, since the crystals are epitaxially grown in a spiral, a small hole penetrating through a crystal called a plurality of micropipes in the crystal is formed. There is a problem that occurs. In the CVD method, high-quality single crystal SiC with high purity and low defect density can be produced, but since the crystals are epitaxially grown using a lean gas source, the growth rate is slow to about 10 µm / h and a long single crystal SiC ingot is produced. There is a problem that cannot be obtained.

승화 근접법에서는, 비교적 간단한 구성으로 고순도의 SiC 에피택셜 성장을 실현할 수 있지만, 구성 상의 제약 때문에, 긴 단결정 SiC 잉곳을 얻는 것은 불가능하다는 문제가 있다.In the sublimation proximity method, high-purity SiC epitaxial growth can be realized with a relatively simple configuration, but there is a problem that it is impossible to obtain a long single crystal SiC ingot due to configuration limitations.

최근, 가열 유지된 SiC 종자단결정 상에 이산화규소 초미립자와 탄소 초미립자를 불활성 캐리어 가스로 공급하며, SiC 종자단결정 상에서 이산화규소를 탄소로 환원함으로써, 단결정 SiC를 SiC 종자단결정 상에 에피택셜로 고속 성장시키는 방법이 발명되었다(특허문헌 1 참조). 이 방법에서는, 마이크로 파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 단결정 SiC를 고속으로 얻을 수 있다고 기재되어 있다.Recently, silicon dioxide ultrafine particles and carbon ultrafine particles are supplied as an inert carrier gas onto a heated SiC seed single crystal, and silicon dioxide is reduced to carbon on the SiC seed single crystal, thereby rapidly growing epitaxially monocrystalline SiC on the SiC seed single crystal. The method was invented (refer patent document 1). In this method, high quality single crystal SiC which suppresses defects such as micropipes can be obtained at high speed.

특허문헌 1에 개시된 제조 방법은, 단결정 SiC 제조용 원료로서, 고체의 이산화규소 초미립자와 고체의 탄소 초미립자를 이용하는 점에서, 연마재용 SiC 제조법으로서 유명한 애치슨법(Acheson process)과 비슷하다. 애치슨법은 무수규산과 탄소원을 2,000℃ 이상으로 가열하여, 무수규산을 탄소로 환원함으로써, 체적 수축을 수반하면서 단결정 SiC를 제조하는 방법이다. 애치슨법은 반응이 복잡하기 때문에, 여러 가지 다형태, 사이즈, 방향의 SiC 다결정체가 제조된다. 이에 대하여, 특허문헌 1에 개시된 제조 방법은, 이산화규소 초미립자와 탄소 초미립자로 이루어지는 단결정 SiC 제조용 원료를, 가열 유지된 SiC 종자단결정 상에 공급함으로써, 체적 수축을 수반하면서 제조되는 단결정 SiC의 방향이나 다형태를 제어하며, SiC 종자단결정 상에 SiC 단결정이 에피택셜로 배열되는 것을 기대하고 있는 것이다.The manufacturing method disclosed in patent document 1 is similar to the Acheson process which is famous as a SiC manufacturing method for abrasives, in terms of using solid silicon dioxide ultrafine particles and solid carbon ultrafine particles as raw materials for producing single crystal SiC. The Acheson method is a method for producing single crystal SiC with volume shrinkage by heating silicic anhydride and a carbon source to 2,000 ° C or higher and reducing silicic anhydride to carbon. Since the Acheson method is complicated in reaction, SiC polycrystals of various polymorphs, sizes and directions are produced. On the other hand, the manufacturing method disclosed in patent document 1 is the direction of the single crystal SiC manufactured while accompanying volume shrinkage by supplying the raw material for single-crystal SiC manufacture which consists of ultra-fine silicon dioxide and ultrafine carbon particles on a heated and held SiC seed single crystal. The shape is controlled and the SiC single crystal is expected to be epitaxially arranged on the SiC seed single crystal.

그런데 실제로는, 특허문헌 1에 개시된 제조 방법에서, 단결정 SiC의 결정 성장을 제어하는 것은 어렵다. 고체의 이산화규소 초미립자 1 ㏖과 고체의 탄소 초미립자 3 ㏖이 고상 반응하면, 식 (1)의 반응에 의해, 1 ㏖의 SiC가 제조되는 것 외에, 2 ㏖의 일산화탄소 가스가 발생한다. 이 일산화탄소 가스는 반응이 진행되는 SiC 종자단결정 상에서 발생한다고 추정된다.In reality, however, in the production method disclosed in Patent Document 1, it is difficult to control the crystal growth of single crystal SiC. When 1 mol of solid silicon dioxide ultrafine particles and 3 mol of solid carbon ultrafine particles react in solid phase, 1 mol of SiC is produced by the reaction of Formula (1), and 2 mol of carbon monoxide gas is generated. This carbon monoxide gas is assumed to occur on the SiC seed single crystal in which the reaction proceeds.

SiO2+3C→SiC+2CO↑…(1)SiO 2 + 3C → SiC + 2CO ↑. (One)

따라서, 조속히 SiC 종자단결정 상에서 제거하지 않으면, SiC 종자단결정과 반응 성장층이, 이 일산화탄소 가스에 의해 분단되게 된다. 그 결과, SiC 종자단결정 표면의 결정 배열 정보가 반응 성장층에 전달되지 않게 되는 것이 원인이라고 생각된다.Therefore, unless it is promptly removed from the SiC seed single crystal, the SiC seed single crystal and the reaction growth layer are divided by this carbon monoxide gas. As a result, it is thought that the cause is that the crystal arrangement information on the surface of the SiC seed single crystal is not transferred to the reaction growth layer.

[특허문헌 1] 일본 특허 제3505597호 명세서[Patent Document 1] Japanese Patent No. 3505597

발명의 개시Disclosure of the Invention

발명이 해결하고자 하는 과제Problems to be Solved by the Invention

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 긴, 대구경의 단결정 SiC 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명은 상기 제조 방법에 적합하게 사용할 수 있는 단결정 SiC의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.This invention is made | formed in order to solve the said subject, The objective of this invention is providing the high quality long, large diameter single crystal SiC which suppressed defects, such as a micropipe, and its manufacturing method. Moreover, an object of this invention is to provide the manufacturing apparatus of single crystal SiC which can be used suitably for the said manufacturing method.

과제를 해결하기 위한 수단Means to solve the problem

상기 과제는 이하의 <1>, <4> 및 <5>에 기재된 수단에 의해 해결되었다. 바람직한 실시형태인 <2> 및 <3>과 함께 이하에 기재한다.The said subject was solved by the means as described in <1>, <4>, and <5>. It describes below with <2> and <3> which are preferable embodiment.

<1> 단결정 SiC를 제조하는 방법으로서, SiC 종자단결정 웨이퍼를 서셉터에 고정하는 공정 및 외부로부터 단결정 SiC 제조용 원료를 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에 연속 공급하여 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하며, 상기 서셉터, SiC 종자단결정 및 성장함에 따라 두꺼워진 단결정 SiC의, 서셉터의 축 방향의 평균 온도 구배를 0.5 ℃/㎜ 이상 9 ℃/㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 방법,A method of manufacturing <1> single crystal SiC, the method comprising: fixing a SiC seed single crystal wafer to a susceptor; and growing a single crystal SiC by continuously supplying a raw material for producing single crystal SiC from the outside onto a SiC seed single crystal wafer; A method for producing single crystal SiC, wherein the average temperature gradient in the axial direction of the susceptor is 0.5 ° C./mm or more and 9 ° C./mm or less of the susceptor, SiC seed single crystal, and thickened with growth.

<2> 상기 단결정 SiC 제조용 원료가 실리카 및 카본인 <1>에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,The manufacturing method of single crystal SiC as described in <1> whose <2> raw material for manufacturing said single crystal SiC is silica and carbon,

<3> 상기 평균 온도 구배가 0.5 ℃/㎜ 이상 3 ℃/㎜ 이하인 <1> 또는 <2>에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,The manufacturing method of single crystal SiC as described in <1> or <2> whose <3> above-mentioned average temperature gradient is 0.5 degreeC / mm or more and 3 degrees C / mm or less,

<4> <1>∼<3> 중 어느 하나에 기재된 방법에 의해 제조된 단결정 SiC,<4> Single crystal SiC manufactured by the method in any one of <1>-<3>,

<5> 도가니를 설치한 챔버 및 도가니를 가열하는 수단, 도가니 내에 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하는 서셉터 및 SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 수단을 가지며, 상기 서셉터가 제어 가능한 열교환 기능을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 장치.&Lt; 5 > A chamber having a crucible and a means for heating the crucible, a susceptor for fixing the SiC seed single crystal wafer in the crucible, and a means for supplying raw material for producing single crystal SiC to the SiC seed single crystal, wherein the susceptor can be controlled. The manufacturing apparatus of single-crystal SiC characterized by the above-mentioned.

발명의 효과Effects of the Invention

본 발명에 따르면, 성장 속도가 크며, 저비용인 단결정 SiC 및 그 제조 방법과 단결정 SiC의 제조 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide single crystal SiC having a high growth rate and low cost, a method for producing the same, and an apparatus for producing single crystal SiC.

본 발명에 의해 얻어진 단결정 SiC는 마이크로 파이프의 발생이 저감되어 있으며, 고품질이다. 또한, 본 발명에 따르면, 대구경의 양호한 단결정 SiC를 제공할 수 있다.The single crystal SiC obtained by the present invention has a low generation of micropipes and is of high quality. Moreover, according to this invention, the favorable single crystal SiC of large diameter can be provided.

도 1은 본 발명의 단결정 SiC를 제조하기 위한 장치의 일례이다.1 is an example of an apparatus for producing the single crystal SiC of the present invention.

<부호의 설명><Description of the code>

1: 밀폐 챔버1: hermetic chamber

2: 밀폐 도가니2: hermetically sealed crucible

3: 고주파 유도 가열 코일3: high frequency induction heating coil

4: 종자단결정 웨이퍼4: seed single crystal wafer

5: 서셉터5: susceptor

6: 공급관6: supply line

7, 7': 원료 저장조7, 7 ': raw material reservoir

8, 8': 조절 밸브8, 8 ': regulating valve

9: 성장층9: growth layer

10: 서셉터 수직 방향10: susceptor vertical direction

A: 불활성 캐리어 가스A: inert carrier gas

발명을 실시하기 위한 최량의 형태Best Mode for Carrying Out the Invention

본 발명의 단결정 SiC의 제조 방법은, SiC 종자단결정 웨이퍼를 서셉터에 고정하는 공정, 외부로부터 단결정 SiC 제조용 원료를 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에 연속 공급하여 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하며, 상기 서셉터, SiC 종자단결정 및 성장함에 따라 두꺼워진 단결정 SiC의, 서셉터의 축 방향의 평균 온도 구배를 0.5 ℃/㎜ 이상 9 ℃/㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 한다.The manufacturing method of single-crystal SiC of this invention includes the process of fixing a SiC seed single crystal wafer to a susceptor, and the process of continuously supplying the raw material for single-crystal SiC manufacture from outside to a SiC seed single crystal wafer, and growing single crystal SiC. The average temperature gradient in the axial direction of the susceptor of the single crystal SiC thickened as the acceptor, the SiC seed single crystal and grows is set to 0.5 ° C / mm or more and 9 ° C / mm or less.

평균 온도 구배는 0.5 ℃/㎜ 이상 9 ℃/㎜ 이하이지만, 0.5 ℃/㎜ 이상 3 ℃/㎜ 이하인 것이 바람직하다.Although average temperature gradient is 0.5 degreeC / mm or more and 9 degrees C / mm or less, it is preferable that they are 0.5 degreeC / mm or more and 3 degrees C / mm or less.

평균 온도 구배는 SiC 단결정의 성장층이 고온이 되며, 서셉터측이 저온이 되도록 평균 온도 구배를 설정한다.The average temperature gradient sets an average temperature gradient so that the growth layer of the SiC single crystal becomes a high temperature and the susceptor side becomes a low temperature.

평균 온도 구배를 0.5 ℃/㎜ 이상 9 ℃/㎜ 이하로 함으로써, 제조되는 단결정 SiC를 에피택셜로 성장시킬 수 있다. 이는, SiC 종자단결정 표면의 결정 배열 정보가 SiC 단결정의 성장층에 전달되기 위해서라고 생각된다.By making an average temperature gradient into 0.5 degreeC / mm or more and 9 degrees C / mm or less, the single crystal SiC manufactured can be grown epitaxially. This is considered to be because crystal arrangement information on the surface of the SiC seed single crystal is transferred to the growth layer of the SiC single crystal.

또한 상세히 서술하면, 평균 온도 구배를 서셉터측에서 낮게, 성장층측에서 높게 하기 때문에, SiC 종자단결정 표면보다도, 성장 단결정 SiC 표면의 온도가 높다. 이와 같이 온도 구배를 설정함으로써, 반응 생성물인 일산화탄소 가스가, 열확산에 의해 조속히 성장 단결정 SiC 표면으로 이동하며, 도가니 내에 방출된다. 즉, 성장 단결정 SiC 내부에, 생성한 일산화탄소 가스가 체류하지 않으며, SiC 종자단결정과 반응 성장층이 일산화탄소 가스에 의해 분단되는 일이 없다. 그 결과, SiC 종자단결정 표면의 결정 배열 정보가 반응 성장층에 양호하게 전달되기 때문이고 생각된다.In detail, since the average temperature gradient is made low on the susceptor side and high on the growth layer side, the temperature of the growth single crystal SiC surface is higher than that of the SiC seed single crystal surface. By setting the temperature gradient in this manner, the carbon monoxide gas, which is the reaction product, moves to the growth single crystal SiC surface quickly by thermal diffusion and is released into the crucible. That is, the generated carbon monoxide gas does not stay inside the growth single crystal SiC, and the SiC seed single crystal and the reaction growth layer are not divided by the carbon monoxide gas. As a result, it is considered that the crystal arrangement information on the surface of the SiC seed single crystal is well transmitted to the reaction growth layer.

단, 온도 구배가 9 ℃/㎜보다 커지면, SiC 종자단결정 표면의 과포화도가 커지며, SiC 종자단결정 표면의 결정 배열 정보와 무관한 다형 핵이 발생하고, 단결정을 얻을 수 없다. 한편, 온도 구배가 0.5 ℃/㎜보다 작으면, 성장 속도가 저하하며, 반대로 에칭이 발생하는 경우가 있다.However, when the temperature gradient is greater than 9 ° C / mm, the supersaturation degree of the surface of the SiC seed single crystal increases, and polymorphic nuclei irrelevant to the crystal arrangement information on the surface of the SiC seed single crystal are generated, and a single crystal cannot be obtained. On the other hand, when the temperature gradient is smaller than 0.5 ° C / mm, the growth rate decreases, and conversely, etching may occur.

본 발명에서, 평균 온도 구배는 이하와 같이 하여 측정할 수 있다.In the present invention, the average temperature gradient can be measured as follows.

온도 구배는 서셉터측(저온측) 및 성장층측(고온측)에서 측정하며, 이 온도 차를 서셉터의 열교환기부에 설치된 온도 센서로부터 성장층 표면까지의 거리로 나눈 값이다. 구체적으로는, 서셉터의 열교환기가 부여되어 있는 부분에 온도 센서를 설치하여 온도 측정하며, 저온측의 온도로 한다. 또, SiC 종자단결정 표면의 온도와 밀폐 도가니 외측 표면의 온도와의 상관을 미리 측정해 두고, 실제로는 밀폐 도가니 외측 표면의 온도를 방사 온도계로 측정하며, 산출된 온도를 성장층 표면의 온도로 간주하고, 고온측의 온도로 한다. 이들 온도 및 온도 센서에서 서셉터 표면까지 거리, 종자단결정의 두께 및 SiC 단결정의 성장 속도로부터, 평균 온도 구배를 산출할 수 있다.The temperature gradient is measured on the susceptor side (low temperature side) and the growth layer side (high temperature side), and this temperature difference is a value obtained by dividing the distance from the temperature sensor provided in the heat exchanger portion of the susceptor to the growth layer surface. Specifically, the temperature sensor is provided at a portion to which the heat exchanger of the susceptor is provided to measure the temperature, and the temperature is set at the low temperature side. In addition, the correlation between the temperature of the SiC seed single crystal surface and the temperature of the outer surface of the sealed crucible is measured in advance, and in practice, the temperature of the outer surface of the sealed crucible is measured with a radiation thermometer, and the calculated temperature is regarded as the temperature of the growth layer surface. It is set to the temperature on the high temperature side. From these temperatures and the distance from the temperature sensor to the susceptor surface, the thickness of the seed single crystal and the growth rate of the SiC single crystal, an average temperature gradient can be calculated.

평균 온도 구배를 상기 범위로 하기 위해서는, 어떠한 방법도 사용할 수 있지만, 서셉터가 제어 가능한 열교환 기능을 가짐으로써, 온도 구배를 제어하는 것이 바람직하다.In order to make an average temperature gradient into the said range, although any method can be used, it is preferable to control a temperature gradient by having a heat exchange function which a susceptor can control.

구체적으로는, 고온측의 온도는 단결정 SiC의 제조 온도로 고정하며, 온도 구배 조정은 저온측(서셉터의 열교환기가 부여되어 있는 측)의 온도 조정을 갖고 행하는 것을 예시할 수 있다. 온도 구배는 서셉터와 열교환기의 접촉 면적이나 열교환 용량을 조정하며, 저온측의 온도를 제어함으로써 조정이 가능하다.Specifically, the temperature on the high temperature side is fixed at the production temperature of single crystal SiC, and the temperature gradient adjustment can be exemplified by the temperature adjustment on the low temperature side (side to which the heat exchanger of the susceptor is applied). The temperature gradient can be adjusted by adjusting the contact area or heat exchange capacity of the susceptor and the heat exchanger, and controlling the temperature on the low temperature side.

또한, 상기 제조 장치를 온도 구배를 부착하지 않고 사용하는 경우에는, 열교환기를 정지시킴과 동시에, 서셉터와 열교환기 사이에 단열재를 삽입함으로써, 온도 구배의 제어를 하지 않고 다른 용도로 사용하는 것도 가능하다.In addition, when the manufacturing apparatus is used without a temperature gradient, the heat exchanger is stopped and a heat insulating material is inserted between the susceptor and the heat exchanger, whereby it can be used for other purposes without controlling the temperature gradient. Do.

상기 단결정 SiC 제조용 원료는 실리카 및 카본으로 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the raw material for monocrystal SiC manufacture consists of silica and carbon.

본 발명에 사용하는 실리카 입자의 종류, 입자 지름, 입자 형상 등은 특히 한정되지 않으며, 예컨대 화염 가수분해법으로 얻어지는 고순도 실리카 등을 적합하게 이용할 수 있다.The kind, particle diameter, particle shape, etc. of the silica particle used for this invention are not specifically limited, For example, the high purity silica obtained by the flame hydrolysis method etc. can be used suitably.

본 발명에 사용하는 카본 입자의 종류, 입자 지름, 입자 형상 등은 특히 한정되지 않으며, 예컨대 시판의 고순도 카본 블랙 등을 적합하게 이용할 수 있다.The kind, particle diameter, particle shape, etc. of the carbon particle used for this invention are not specifically limited, For example, commercially available high purity carbon black etc. can be used suitably.

상기 실리카 입자 및 카본 입자의 연속 공급량의 비율은 특히 한정되지 않으며, 원하는 조성비를 적절하게 선택할 수 있다. 상기 실리카 입자 및 카본 입자 모두 2종 이상의 것을 혼합하여 사용해도 된다. 또, 상기 실리카 입자 및 카본 입자는 필요에 따라, 전처리를 행하거나, 다른 성분을 미량 첨가해도 된다.The ratio of the continuous supply amount of the silica particles and the carbon particles is not particularly limited, and the desired composition ratio can be appropriately selected. You may mix and use 2 or more types of said silica particle and carbon particle. Moreover, the said silica particle and carbon particle may be pretreated as needed, or a trace amount of another component may be added.

상기 실리카 입자 및 카본 입자의 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에의 공급은, 도중에 끊기는 일 없이 연속하여 공급되는 방법이면 특히 한정되지 않으며, 공지의 어떠한 방법도 사용할 수 있다. 구체적으로는 시판의 파우더 공급기와 같이 연속하여 분체를 수송할 수 있는 것을 예시할 수 있다.The supply of the silica particles and the carbon particles onto the SiC seed single crystal wafer is not particularly limited as long as it is a method of supplying continuously without interruption, and any known method can be used. Specifically, there can be exemplified one that can transport the powder continuously like a commercially available powder feeder.

또한, 상기 단결정 SiC 제조용 원료의 공급 시에는, 산소 혼입을 방지하기 위해, 아르곤 치환이나 질소 치환된 밀봉 구조로 해두는 것이 바람직하다.In addition, when supplying the raw material for single-crystal SiC production, in order to prevent oxygen mixing, it is preferable to set it as the sealing structure in which argon substitution and nitrogen substitution were carried out.

상기 실리카 입자 및 카본 입자의 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에의 공급 조건에 대해서는, 이들 단결정 SiC 제조용 원료가 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에 혼합된 상태로 공급되면 되며, 미리 상기 단결정 SiC 제조용 원료를 혼합해 두어도, 별개로 공급하여 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에서 혼합해도 된다.About the supply conditions of the said silica particle and the carbon particle on the SiC seed single crystal wafer, these raw material for single crystal SiC manufacture should just be supplied in the state mixed on the SiC seed single crystal wafer, Even if the raw material for manufacturing single crystal SiC is mixed previously, You may supply separately and mix on a SiC seed single crystal wafer.

또, 단결정 SiC 내에 도핑을 행하는 경우는, 상기 단결정 SiC 제조용 원료에 고체 공급원으로서 혼합해도 되며, 단결정 SiC 제조 장치 내의 분위기 내에 가스 공급원으로서, 상기 도핑 성분을 혼합해도 된다.Moreover, when doping in single crystal SiC, you may mix with the said raw material for single crystal SiC manufacturing as a solid supply source, and may mix the said doping component as a gas supply source in the atmosphere in a single crystal SiC manufacturing apparatus.

본 발명에서 사용하는 SiC 종자단결정 웨이퍼의 종류, 사이즈, 형상은 특히 한정되지 않으며, 목적으로 하는 단결정 SiC의 종류, 사이즈, 형상에 의해 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대 개량 레일리법에 의해 얻어진 SiC 단결정이나, 필요에 따라 이것을 전처리한 SiC 종자단결정 웨이퍼를 적합하게 이용할 수 있다.The type, size, and shape of the SiC seed single crystal wafer used in the present invention are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the type, size, and shape of the target single crystal SiC. For example, the SiC single crystal obtained by the improved Rayleigh method and the SiC seed single crystal wafer which pretreated this as needed can be used suitably.

본 발명에서, 단결정 SiC를 얻기 위해 사용하는 단결정 SiC 제조 장치의 구성은 특히 한정되지 않는다. 즉 사이즈나 가열 방법, 재질, 원료 공급 방법, 분위기 조정 방법, 온도 제어 방법 등은, 목적으로 하는 단결정 SiC의 사이즈나 형상, 종류, 단결정 SiC 제조용 원료의 종류나 양 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다.In this invention, the structure of the single crystal SiC manufacturing apparatus used for obtaining single crystal SiC is not specifically limited. That is, a size, a heating method, a material, a raw material supply method, an atmosphere adjustment method, a temperature control method, etc. can be suitably selected according to the size and shape, a kind, and the kind and quantity of the raw material for monocrystal SiC manufacture, etc. of the target single crystal SiC.

장치의 분위기는 산소 혼입을 방지하기 위해, 아르곤 치환이나 질소 치환되어 있는 것이 바람직하며, 밀폐 구조인 것이 바람직하다.In order to prevent oxygen mixing, the atmosphere of the device is preferably argon-substituted or nitrogen-substituted, and preferably a sealed structure.

또, 단결정 SiC 제조 온도는 특별히 한정되지 않으며, 목적으로 하는 단결정 SiC의 사이즈나 형상, 종류, 단결정 SiC 제조용 원료의 종류나 양 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 바람직한 제조 온도는 1,600℃∼2,400℃의 범위이며, 예컨대 밀폐 도가니 외측의 온도를 가리킨다. 본 발명에 사용하는 제조 장치는 상기 온도 범위에서, 온도 제어 가능한 장치인 것이 바람직하다.In addition, the temperature for producing single crystal SiC is not particularly limited, and can be appropriately set according to the size and shape, type, and type and amount of the raw material for producing single crystal SiC. Preferable manufacturing temperature is the range of 1,600 degreeC-2,400 degreeC, and points out the temperature of the outside of a sealed crucible, for example. It is preferable that the manufacturing apparatus used for this invention is an apparatus which can control temperature in the said temperature range.

본 발명에서, 가열 방법에 특히 한정은 없으며, 어떠한 가열 방법도 사용할 수 있고, 고주파 유도 가열이나 전기 저항 가열을 예시할 수 있다.In the present invention, the heating method is not particularly limited, any heating method can be used, and high frequency induction heating or electric resistance heating can be exemplified.

SiC 종자단결정 웨이퍼를 유지하는 서셉터의 재질은 사용 온도 범위를 고려하여 그래파이트제인 것이 바람직하며, 또, 서셉터의 축 방향에 열류를 발생시키는 냉각 기구가 부여되어 있는 것이 바람직하다. 상기 냉각 방법은 특히 한정되지 않지만, 목적으로 하는 단결정 SiC의 사이즈나 형상, 종류에 따라, 각각 바람직한 온도 구배를 선택할 수 있도록 설계되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the material of the susceptor holding the SiC seed single crystal wafer is made of graphite in consideration of the use temperature range, and a cooling mechanism for generating heat flow in the axial direction of the susceptor is preferably provided. Although the said cooling method is not specifically limited, It is preferable that it is designed so that a preferable temperature gradient can be selected respectively according to the size, shape, and kind of target single crystal SiC.

본 발명에서, SiC 단결정의 제조 장치는 도가니를 마련한 챔버 및 도가니를 가열하는 수단, 도가니 내에 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하는 서셉터 및 SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 수단을 가지며, 상기 서셉터가 제어 가능한 열교환 기능을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 장치인 것이 특히 바람직하다.In the present invention, the apparatus for producing SiC single crystal has a chamber provided with a crucible and a means for heating the crucible, a susceptor for fixing the SiC seed single crystal wafer in the crucible, and a means for supplying a raw material for producing single crystal SiC to the SiC seed single crystal. It is especially preferable that it is a manufacturing apparatus of single-crystal SiC characterized by the fact that a acceptor has a controllable heat exchange function.

도 1은 본 발명의 단결정 SiC를 제조하기 위한 장치의 일례이며, 여기서는 고주파 유도 가열로를 이용하고 있다.1 is an example of an apparatus for producing single crystal SiC of the present invention, in which a high frequency induction heating furnace is used.

수냉된 밀폐 챔버(1) 내에 카본제의 밀폐 도가니(2)(직경 100 ㎜, 높이 150 ㎜)가 배치되며, 상기 수냉된 밀폐 챔버의 외측에 고주파 유도 가열 코일(3)을 배치하였다.A carbon sealed crucible 2 (100 mm in diameter and 150 mm in height) is disposed in the water-cooled sealed chamber 1, and a high frequency induction heating coil 3 is disposed outside the water-cooled sealed chamber.

상기 밀폐 도가니 내의 하부에는, SiC 종자단결정 웨이퍼(4)를 유지하기 위한 서셉터(5)가 관통 삽입되어 있다. 이 서셉터는 밀폐 도가니의 하측까지 연장되어 있으며, 도시하지 않은 회전 기구에 의해 상기 서셉터의 중심축을 회전축으로 하여 회전 가능하다.A susceptor 5 for holding the SiC seed single crystal wafer 4 is inserted through the lower portion of the sealed crucible. This susceptor extends to the lower side of the hermetically sealed crucible and can be rotated by using a rotation mechanism (not shown) with the central axis of the susceptor as the rotation axis.

또, 이 서셉터의 도시되지 않은 하단에는, 제어 가능한 열교환 기능이 부여되어 있으며, 상기 서셉터축 방향(10)으로 열류를 발생할 수 있다. 또, 상기 열유량의 조정이 가능한 구성으로 되어 있다.In addition, a controllable heat exchange function is provided at the lower end of the susceptor, which is not shown, and heat flow can be generated in the susceptor shaft direction 10. In addition, the heat flux can be adjusted.

또한, 서셉터 상단의 SiC 종자단결정 웨이퍼를 유지하는 표면의 법선 방향은, 상기 서셉터의 수직 방향과 대략 평행에서 최대 45°경사까지 자유롭게 설정할 수 있다.In addition, the normal direction of the surface holding the SiC seed single crystal wafer on the upper end of the susceptor can be freely set up to an inclination of up to 45 ° in substantially parallel to the vertical direction of the susceptor.

상기 밀폐 도가니 내의 상부에는, 단결정 SiC 제조용 원료 입자를 공급하기 위한 공급관(6)이 관통 삽입되어 있다. 또한 상기 공급관은 상기 고주파 유도 가열로의 외측에 배치되어 있으며, 독립적으로 공급량이 조절 가능한 복수의 원료 저장조(7 및 7')와, 유량 조절 가능한 불활성 캐리어 가스 공급원(도시하지 않음)에 각각 연결되어 있다.At an upper portion of the sealed crucible, a feed pipe 6 for supplying raw material particles for producing single crystal SiC is inserted therethrough. In addition, the supply pipe is disposed outside the high frequency induction heating furnace, and is connected to a plurality of raw material reservoirs 7 and 7 ', each of which can be independently supplied, and an inert carrier gas supply source (not shown). have.

미리 혼합된 단결정 SiC 제조용 원료를 사용하는 경우는 1개의 원료 저장조를 이용하며, 공급관 내부에서 혼합시키는 경우에는, 실리카와 카본 가루를 각각 독립적으로 원료 저장조에 충전한다. 각각의 저장층으로부터의 공급량을 조절 밸브(8 및 8')로 조절한 뒤에, 불활성 캐리어 가스(A)를 유량 조정하면서 흘림으로써, 상기 밀폐 도가니 내부에 단결정 SiC 제조용 원료를 적당량씩 연속 공급할 수 있다. 불활성 캐리어 가스로서는 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등을 예시할 수 있지만, 질소 가스 및 아르곤 가스가 바람직하며, 아르곤 가스가 보다 적합하게 사용 가능하다.In the case of using a premixed raw material for producing single crystal SiC, one raw material storage tank is used. When mixing inside the supply pipe, silica and carbon powder are respectively filled in the raw material storage tank independently. After adjusting the supply amount from each storage layer with the control valves 8 and 8 ', by flowing the inert carrier gas A while adjusting the flow rate, the raw material for manufacturing single crystal SiC can be continuously supplied in an appropriate amount in the sealed crucible. . Although nitrogen gas, helium gas, argon gas, etc. can be illustrated as an inert carrier gas, nitrogen gas and argon gas are preferable, and argon gas can be used more suitably.

이와 같이 하여, SiC 종자단결정 웨이퍼(4) 상에 성장함에 따라 두꺼워진 단결정 SiC층(성장층)(9)이 형성된다.In this manner, the thicker single crystal SiC layer (growth layer) 9 is formed as the SiC seed single crystal wafer 4 grows.

고주파 유도 가열로는 도시하지 않은 진공 배기계 및 압력 조절계에 의해 압력 제어가 가능하며, 또, 도시하지 않은 불활성 가스 치환 기구를 구비하고 있다.The high frequency induction heating furnace is capable of controlling pressure by a vacuum exhaust system and a pressure regulator not shown, and is provided with an inert gas replacement mechanism not shown.

또한, 도 1의 실시예에서는 공급관을 위에, 서셉터를 밑에 배치하였지만, 본 발명의 작용이 변하지 않는 범위 내에서, 상하 반대로 배치하는 것도 가능하며, 공급관을 서셉터에 대하여 경사나 횡 방향으로 배치하는 것도 가능하다.In addition, in the embodiment of FIG. 1, the supply pipe is disposed above and the susceptor is disposed below, but it is also possible to arrange the supply pipe in an inclined or transverse direction with respect to the susceptor within a range in which the operation of the present invention does not change. It is also possible.

실시예Example

이하 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

상기 고주파 유도 가열로를 이용하여 이하의 조건에서 단결정 SiC의 제조를 행하였다.Single-crystal SiC was manufactured on the following conditions using the said high frequency induction heating furnace.

상기 서셉터 상단에 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하였다. 여기서 사용한 SiC 종자단결정 웨이퍼는 레일리법으로 제조된 대략 사방 10 ㎜의 부정형 단결정 SiC와 개량 레일리법으로 제조된 직경 2센티의 단결정 SiC의 양방이다. 또, 저스트면, 경사면, C면, Si면 각각을 종자단결정으로서 준비하여, 사용하였다.An SiC seed single crystal wafer was fixed on top of the susceptor. The SiC seed single crystal wafers used here are both approximately 10 mm of amorphous single crystal SiC produced by the Rayleigh method and single-crystal SiC having a diameter of 2 centimeters produced by the improved Rayleigh method. Moreover, each of the just surface, the inclined surface, the C surface, and the Si surface was prepared as a seed single crystal and used.

단결정 SiC 제조용 원료인 카본(미쓰비시카가쿠제 카본 블랙 MA600)과 실리카(니혼아에로질제 아에로질 380)를 각각 독립적으로 원료 저장조에 충전하였다. 또, 각각의 공급량비는 실리카/카본=1.5∼5.0(중량비)로 조정하였다. 이때, 필요에 따라 SiC 가루를 별도 공급할 수도 있다.Carbon (carbon black MA600 made by Mitsubishi Chemical Co., Ltd.) and silica (Aerosil 380 made by Nippon Aerosol), which are raw materials for producing single crystal SiC, were each independently filled in a raw material storage tank. In addition, each supply amount ratio was adjusted to silica / carbon = 1.5-5.0 (weight ratio). At this time, SiC powder may be supplied separately as needed.

고주파 유도 가열로 내부를 진공 처리 후, 불활성 가스(고순도 아르곤 또는 고순도 질소)로 상기 고주파 유도 가열로 내부를 치환하였다. 계속해서 상기 고주파 유도 가열 코일에 의해, 상기 카본제의 밀폐 도가니를 가열하며, 상기 SiC 종자단결정 웨이퍼 표면 온도가 1,600℃∼2,390℃의 범위가 되도록 조정하였다.After the vacuum treatment inside the high frequency induction furnace, the inside of the high frequency induction furnace was replaced with an inert gas (high purity argon or high purity nitrogen). Subsequently, the said carbonaceous sealing crucible was heated with the said high frequency induction heating coil, and it adjusted so that the SiC seed single crystal wafer surface temperature might be in the range of 1,600 degreeC-2,390 degreeC.

계속해서 SiC 종자단결정 웨이퍼가 고정된 상기 서셉터를 0 rpm∼20 rpm의 회전 속도로 회전시켰다. 이 상태로 상기 불활성 캐리어 가스(고순도 아르곤 또는 고순도 질소)를 유속 0.5 l/분∼10 l/분의 범위로 조정하여 흘리며, 상기 단결정 SiC 제조용 원료를 상기 공급관 내부를 통해, 상기 밀폐 도가니 내 하부에 배치된 상기 SiC 종자단결정 웨이퍼 표면 상에 연속하여 공급시키고, 약 2시간 단결정 SiC 의 제조를 행하였다. 이에 따라, 두께가 약 1 ㎜인 단결정 SiC를 얻을 수 있었다.Subsequently, the susceptor on which the SiC seed single crystal wafer was fixed was rotated at a rotation speed of 0 rpm to 20 rpm. In this state, the inert carrier gas (high-purity argon or high-purity nitrogen) is adjusted to flow in a range of 0.5 l / min to 10 l / min, and the raw material for producing the single crystal SiC is lowered in the sealed crucible through the inside of the supply pipe. It was continuously supplied on the surface of the SiC seed single crystal wafer thus arranged, and monocrystalline SiC was produced for about 2 hours. As a result, single crystal SiC having a thickness of about 1 mm was obtained.

이때, 서셉터 하단의 열교환 기구를 조정하며, 서셉터축 방향의 평균 온도 구배가 0.2 ℃/㎜, 0.5 ℃/㎜, 3 ℃/㎜, 9 ℃/㎜, 10 ℃/㎜가 되는 조건으로, 각각 단결정 SiC의 제조를 행하였다.At this time, the heat exchange mechanism at the lower end of the susceptor is adjusted so that the average temperature gradient in the susceptor axis direction is 0.2 ° C / mm, 0.5 ° C / mm, 3 ° C / mm, 9 ° C / mm, and 10 ° C / mm. Single crystal SiC was produced, respectively.

제조 결과를 표 1에 기초하여 설명한다. 서셉터축 방향의 평균 온도 구배가 0.5 ℃/㎜ 이상인 경우는 평균 성장 속도는 50 ㎛/h∼500 ㎛/h로 동등하였다. 단, 상기 평균 온도 구배가 0.2 ℃/㎜인 조건에서는, 성장 속도가 저하하며, 심한 경우에는 반대로 에칭되어 버렸다. 또, 평균 온도 구배가 10 ℃/㎜인 조건에서는, 얻어진 SiC는 SiC 종자단결정 웨이퍼의 대략 법선 방향에 기둥 형상으로 성장한 다결정이 되어 있으며, SiC 종자단결정 웨이퍼 상에 에피택셜 성장되어 있지 않았다. 또, 평균 온도 구배가 9 ℃/㎜인 조건에서는 에피택셜 성장이 되었지만, 마이크로 파이프의 발생량이 많아졌다. 한편, 평균 온도 구배가 0.5 ℃/㎜ 및 3 ℃/㎜인 조건에서는, 제조된 단결정 SiC 중에 다결정의 혼재가 없으며, 마이크로 파이프 등의 결함이 적은, 고품질의 단결정 SiC를 제조할 수 있었다.A manufacturing result is demonstrated based on Table 1. When the average temperature gradient in the susceptor axis direction was 0.5 ° C / mm or more, the average growth rate was equivalent to 50 µm / h to 500 µm / h. However, on the condition that the said average temperature gradient is 0.2 degreeC / mm, a growth rate falls and in severe cases, it etched in reverse. Moreover, on the conditions whose average temperature gradient is 10 degrees C / mm, the obtained SiC becomes polycrystal which grew in columnar shape in the substantially normal direction of a SiC seed single crystal wafer, and was not epitaxially grown on the SiC seed single crystal wafer. Moreover, although epitaxial growth was made on the conditions of an average temperature gradient of 9 degree-C / mm, the generation amount of a micropipe increased. On the other hand, under the conditions of an average temperature gradient of 0.5 ° C./mm and 3 ° C./mm, it was possible to produce high-quality single crystal SiC that had no polycrystal mixed in the produced single crystal SiC and had few defects such as micropipes.

평균 온도 구배 (℃/mm)Average temperature gradient (℃ / mm) 0.20.2 0.50.5 33 99 1010 성장 속도 (㎛/h)Growth rate (μm / h) -50∼100-50 to 100 50∼50050 to 500 50∼50050 to 500 50∼50050 to 500 50∼50050 to 500 결정성Crystallinity 에칭 발생Etching occurs 투명 단결정Transparent monocrystalline 투명 단결정Transparent monocrystalline 투명 단결정Transparent monocrystalline 기둥형 다결정Columnar polycrystalline 결함flaw -- 마이크로 파이프 적음Micro Pipe Less 마이크로 파이프 적음Micro Pipe Less 마이크로 파이프 많음Micro pipe plenty --

Claims (5)

단결정 SiC를 제조하는 방법으로서,As a method of manufacturing single crystal SiC, SiC 종자단결정 웨이퍼를 서셉터에 고정하는 공정, 및Fixing the SiC seed single crystal wafer to the susceptor, and 외부로부터 단결정 SiC 제조용 원료를 SiC 종자단결정 웨이퍼 상에 연속 공급하여 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하며,It includes a step of growing a single crystal SiC by continuously supplying the raw material for producing single crystal SiC on the SiC seed single crystal wafer from the outside, 상기 서셉터, SiC 종자단결정 및 성장함에 따라 두꺼워진 단결정 SiC의, 서셉터의 축 방향의 평균 온도 구배를 0.5 ℃/㎜ 이상 9 ℃/㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 방법.A method for producing single crystal SiC, wherein the average temperature gradient in the axial direction of the susceptor is 0.5 ° C./mm or more and 9 ° C./mm or less of the susceptor, SiC seed single crystal, and thickened with growth. 제1항에 있어서, 상기 단결정 SiC 제조용 원료가 실리카 및 카본인 단결정 SiC의 제조 방법.The method for producing single crystal SiC according to claim 1, wherein the raw materials for producing single crystal SiC are silica and carbon. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평균 온도 구배가 0.5 ℃/㎜ 이상 3 ℃/㎜ 이하인 단결정 SiC의 제조 방법.The method for producing single crystal SiC according to claim 1 or 2, wherein the average temperature gradient is 0.5 ° C / mm or more and 3 ° C / mm or less. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 단결정 SiC.Single-crystal SiC manufactured by the method of any one of Claims 1-3. 도가니를 마련한 챔버 및 도가니를 가열하는 수단,Means for heating the crucible and the chamber provided with the crucible, 도가니 내에 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하는 서셉터 및,A susceptor for fixing the SiC seed single crystal wafer in the crucible, SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 수단을 가지며,Means for supplying a raw material for producing single crystal SiC to the SiC seed single crystal, 상기 서셉터가 제어 가능한 열교환 기능을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 장치.An apparatus for producing single crystal SiC, wherein the susceptor has a heat exchange function that can be controlled.
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