KR20090037379A - 단결정 ＳｉＣ, 그 제조 방법 및 단결정 ＳｉＣ의 제조 장치 - Google Patents

단결정 ＳｉＣ, 그 제조 방법 및 단결정 ＳｉＣ의 제조 장치 Download PDF

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KR20090037379A
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도루 가네니와
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

성장 속도가 빠르며, 마이크로파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 긴, 대구경의 단결정 SiC의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 적합하게 사용 가능한 제조 장치이다. 본 발명의 단결정 SiC의 제조 방법은, SiC 종자단결정이 고정된 서셉터 및 원료 공급관을 도가니 내에 배치하는 공정, 가열 유지된 상기 SiC 종자단결정에 상기 원료 공급관을 통해 단결정 SiC 제조용 원료를 외부로부터 공급하는 공정 및 상기 SiC 종자단결정 상에 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하며, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

단결정 ＳｉＣ, 그 제조 방법 및 단결정 ＳｉＣ의 제조 장치{SINGLE-CRYSTAL SiC, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME AND SINGLE-CRYSTAL SiC PRODUCTION APPARATUS}
본 발명은 반도체 소자용 재료나 LED용 재료로서 이용되는 단결정 SiC, 그 제조 방법 및 단결정 SiC의 제조 장치에 관한 것이다.
단결정 SiC(탄화규소)는 결정의 결합 에너지가 크며, 절연 파괴 전계가 크고, 또한, 열전도율도 크기 때문에, 내(耐)가혹환경용 소자나 파워 소자용의 재료로서 유용하다. 또한, 그 격자 정수가 GaN의 격자 정수와 가깝기 때문에, GaN-LED용의 기판 재료로서도 유용하다.
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, 캐리어 가스에 의해 가스 공급원을 가열된 SiC 종자단결정에 수송하며, 결정 표면에서 화학 반응시키면서 에피택셜 성장시키는 CVD법, 흑연 도가니 내에서 SiC 분말과 SiC 종자단결정을 근접시킨 상태로 SiC 분말을 SiC 종자단결정 표면 상에 에피택셜로 재결정 성장시키는 승화 근접법 등이 있다.
그런데 현황에서는, 이들 각 단결정 SiC의 제조 방법에는 모두 문제가 있다고 되어 있다. 레일리법에서는, 결정성의 양호한 단결정 SiC를 제조할 수 있지만, 자연 발생적인 핵 형성을 바탕으로 결정 성장하기 때문에, 형상 제어나 결정면 제어가 곤란하며, 또한 대구경 웨이퍼를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.
개량 레일리법에서는, 수 100 ㎛/h 정도의 고속에서 대구경의 단결정 SiC 잉곳을 얻을 수 있지만, 결정이 나선형으로 에피택셜 성장하기 때문에, 결정 내에 다수의 마이크로파이프라고 불리는 결정을 관통하는 미소한 구멍이 발생한다고 하는 문제가 있다. CVD법에서는, 고순도로 저결함 밀도인 양질의 단결정 SiC를 제조할 수 있지만, 희박한 가스 공급원을 이용하여 에피택셜 성장시키기 때문에, 성장 속도가 수 10 ㎛/h 정도로 느리며, 긴 단결정 SiC 잉곳을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.
승화 근접법에서는, 비교적 간단한 구성으로 고순도의 SiC 에피택셜 성장을 실현할 수 있지만, 구성 상의 제약으로부터, 긴 단결정 SiC 잉곳을 얻는 것은 불가능하다는 문제가 있다.
최근, 가열 상태로 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 보고되었다(특허문헌 1 참조). 이 방법에서는, 마이크로파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 단결정 SiC를 고속으로 얻을 수 있다고 기재되어 있다.
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 가지의 다형태, 크기, 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 에피택셜로 배열되는 것을 기대하고 있는 것이다.
그런데 실제로는, 특허문헌 1에 개시된 제조 방법에서, 단결정 SiC의 결정 성장을 장시간 계속하는 것은 어렵다. SiC 종자단결정 상에, 원료가 되는 이산화규소 초미립자와 탄소 초미립자를 100퍼센트의 확률로 공급하는 것은 사실상 불가능으로서, 직접 SiC 종자단결정 상에 공급할 수 없던 잔류 원료는, 불활성 캐리어 가스의 기류에 실어, 그대로 가열 도가니의 내부에서 대류하며, 그동안 도가니 내의 가장 저온부에서 과포화 상태가 되고, SiC 종자단결정의 존재의 유무에 관계없이, 이산화규소가 탄소로 환원되어, 순차적으로 다결정 SiC를 석출해 나가기 때문이다.
이 석출하는 다결정 SiC는 여러 가지 문제를 유발한다. 예컨대, 가열 도가니 내를 덥히고 있는 복사가 빠져나가는 구멍이 있으면, 사실 상, 그곳이 가열 도가니 내에서 가장 저온부가 되며, 그 구멍부만이 선택적으로 과포화 상태가 되어 버리기 때문에, 그 구멍부를 폐색하도록 석출 성장하여 버린다.
그런데 가열 도가니에 어느 정도 구멍이 존재하지 않으면, 잇달아 연속 공급되어 오는 불활성 캐리어 가스나 반응에 의해 생성된 일산화탄소 가스가 가열 도가니 내에 충만하며, 이윽고 고체 반응이 정지하여 버린다고 하는 문제가 있다. 그 이유는 명확히는 알 수 없지만, 식 (1)의 평형 반응의 우변의 분압이 지나치게 올라, 좌변으로부터 우변에의 화학 반응이 발생하지 않게 되기 때문으로 추정된다.
3C + SiO2 ↔ SiC + 2CO↑ 식 (1)
[특허문헌 1] 일본 특허 제3505597호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 성장 속도가 빠르며, 마이크로파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 대구경의 단결정 SiC를 길게 제조하는 방법 및 상기 제조 방법에 의해 얻어지는 단결정 SiC를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 다른 목적은 상기 제조 방법에 적합하게 사용 가능한 단결정 SiC의 제조 장치를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기한 과제는 이하의 <1>, <6> 및 <7>에 기재된 수단에 의해 해결되었다. 바람직한 실시형태인 <2>∼<5>와 함께 이하에 기재한다.
<1> SiC 종자단결정이 고정된 서셉터 및 원료 공급관을 도가니 내에 배치하는 공정 및 가열 상태로 유지된 상기 SiC 종자단결정에 상기 원료 공급관을 통해 단결정 SiC 제조용 원료를 외부로부터 공급하며, 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하고, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 방법,
<2> 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관과 도가니를 공간적으로 분리함으로써 상기 개구부가 마련되는 <1>에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,
<3> 상기 서셉터의 대략 반경을 Rs, 상기 원료 공급관의 대략 반경을 Rf로 하며, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관이 공간적으로 분리되면서 상기 도가니에 삽입되는, 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때, (Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하인 <2>에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,
<4> 상기 개구부의 면적이 9 ㎠ 이상 75 ㎠이하인 <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,
<5> 상기 단결정 SiC 제조용 원료가 실리카 입자 및 카본 입자인 <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 기재된 단결정 SiC의 제조 방법,
<6> <1> 내지 <5> 중 어느 하나에 기재된 방법에 의해 제조된 단결정 SiC,
<7> 도가니가 구비된 챔버 및 도가니를 가열하는 수단, 도가니 내에 SiC 종자단결정을 고정하는 서셉터 및 SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 원료 공급관을 가지며, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 장치.
발명의 효과
본 발명에 따르면, 성장 속도가 빠르며, 마이크로파이프 등의 결함을 억제한 고품질의 대구경의 단결정 SiC를 길게 제조하는 방법 및 상기 제조 방법에 의해 얻어지는 단결정 SiC를 제공할 수 있다. 또한, 상기 단결정 SiC의 제조 방법에 적합하게 사용 가능한 단결정 SiC의 제조 장치를 제공할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 단결정 SiC를 제조하기 위한 장치의 일례이다.
도 2는 본 발명의 단결정 SiC를 제조하기 위한 장치의 다른 일례이다.
<부호의 설명>
1, 1': 밀폐 챔버
2, 2': 원통 도가니
3, 3': 고주파 유도 가열 코일
4, 4': 종자단결정 웨이퍼
5, 5': 서셉터
6, 6': 원료 공급관
7, 7', 9, 9': 원료 저장조
8, 8', 10, 10': 조절 밸브
A: 캐리어 가스
Rs: 서셉터의 대략 반경
Rf: 원료 공급관의 대략 반경
Rh: 서셉터, 또는 원료 공급관의 삽입구의 대략 반경
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명의 단결정 SiC의 제조 방법은, SiC 종자단결정이 고정된 서셉터 및 원료 공급관을 도가니 내에 배치하는 공정 및 가열 상태로 유지된 상기 SiC 종자단결정에 상기 원료 공급관을 통해 단결정 SiC 제조용 원료를 외부로부터 공급하며, 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하고, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 도가니가 갖는 개구부는 서셉터 또는 원료 공급관이 삽입되기 위한 삽입부를 제외한 영역에 마련된 개구부를 의미하는 것이다. 즉, 도가니는 서셉터 및 원료 공급관이 도가니 내에 배치된 상태여도, 수직 방향 상부에 개구부를 갖는다.
본 발명에서, 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖기 때문에, 장시간 연속하여 단결정 SiC를 성장시켜도 도중에 도가니 내부가 폐색하는 일 없이, 긴 단결정 SiC를 얻을 수 있다. 특히, 개구부가 도가니의 수직 방향 상부에 마련되어 있기 때문에, 도가니 내부에서 반응에 기여하지 않은 원료나, 반응 생성 CO 가스 등이 대류하여도, 이들 원료나 가스를 가열 상승 기류에 실어, 순차적으로 도가니 밖으로 연속 배출시킬 수 있기 때문에, 고품질의 단결정 SiC를 연속하여 제조할 수 있으며, 긴 단결정 SiC를 연속 성장시킬 수 있다.
또한, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관과 상기 도가니를 공간적으로 분리함으로써 개구부가 마련되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 서셉터 또는 원료 공급관 중 어느 하나가 도가니의 수직 방향 상부로부터 삽입되어 있으며, 수직 방향 상부로부터 삽입된 서셉터 또는 원료 공급관이 도가니와 공간적으로 분리되어 있음으로써 개구부가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서셉터의 대략 반경을 Rs, 상기 원료 공급관의 대략 반경을 Rf로 하며, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관이 공간적으로 분리되면서 상기 도가니에 삽입되는, 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때, (Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
여기서, 대략 반경이란, 단면적으로부터 산출한 원 상당 반경을 의미한다. 즉, 원 상당 반경을 r로 하였을 때, r과 단면적에는, 단면적=πr2이 성립하며, 이 식으로부터 원 상당 반경을 산출할 수 있다.
(Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 상기 범위 내이면, 연속하여 장시간 단결정 SiC를 제조하여도 성장이 정지하는 일 없이, 또한, 가열 도가니 내의 온도가 원하는 온도에 도달하기 때문에, 고품질의 단결정 SiC를 제조할 수 있기 때문에 바람직하다.
이들 중에서도, 서셉터가 도가니의 수직 방향 상부로부터 삽입되어 있으며, 서셉터와 도가니가 공간적으로 분리되어 있음으로써 개구부가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
상기 개구부의 면적은 9 ㎠ 이상 75 ㎠이하인 것이 바람직하다.
상기 개구부의 면적이 상기 범위 내이면, 연속하여 장시간 단결정 SiC를 제조하여도 성장이 정지하는 일 없이, 또한, 가열 도가니 내의 온도가 원하는 온도에 도달하기 때문에, 고품질의 단결정 SiC를 제조할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이, 서셉터가 도가니의 수직 방향 상부로부터 삽입되어 있으며, 서셉터와 도가니가 공간적으로 분리되어 있음으로써 개구부가 마련되어 있는 경우, 개구부의 면적은 9 ㎠ 이상 75 ㎠이하인 것이 바람직하며, 12 ㎠ 이상 75 ㎠이하인 것이 보다 바람직하다.
상기 단결정 SiC 제조용 원료는 실리카 입자 및 카본 입자로 이루어지는 것이 바람직하다. 실리카 입자, 카본 입자는 각각 입자 형상으로 원료 공급관으로부터 공급되는 것이 바람직하다.
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.
본 발명에 사용하는 카본 입자의 종류, 입자 지름, 입자 형상 등은 특히 한정되지 않으며, 예컨대 시판의 고순도 카본 블랙 등을 적합하게 이용할 수 있다.
상기 실리카 입자 및 카본 입자의 공급량의 비율은 특히 한정되지 않으며, 원하는 조성비를 적절하게 선택할 수 있다. 상기 실리카 입자 및 카본 입자 모두 2종 이상의 것을 혼합하여 사용하여도 된다. 또한, 상기 실리카 입자 및 카본 입자는 필요에 따라, 전처리를 행하거나, 다른 성분을 미량 첨가하여도 된다.
상기 실리카 입자 및 카본 입자의 SiC 종자단결정에의 공급은, 도중에서 끊기는 일 없이 연속하여 공급되는 방법인 것이 바람직하며, 공지의 어떠한 방법도 사용할 수 있다. 구체적으로는 시판되는 파우더 공급기와 같이 연속하여 분체를 수송할 수 있는 것을 예시할 수 있다. 또한, 캐리어 가스에 의해 연속 공급하여 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단결정 SiC 제조용 원료의 공급 시에는, 산소 혼입을 방지하기 위해, 불활성 가스로 치환된 밀봉 구조로 해두는 것이 바람직하다.
캐리어 가스로서는, 불활성 캐리어 가스가 바람직하며, 예컨대 헬륨 가스나 아르곤 가스를 예시할 수 있다. 이들 중에서도 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 아르곤 가스는 입수가 용이하고, 또한 취급이 용이하기 때문에 바람직하다.
상기 실리카 입자 및 카본 입자의 SiC 종자단결정에의 공급 조건에 대해서는, 이들 단결정 SiC 제조용 원료가 SiC 종자단결정에 혼합된 상태로 공급되면 되며, 미리 상기 단결정 SiC 제조용 원료를 혼합해 두어도, 별개로 공급하여 SiC 종자단결정 상에서 혼합하여도 된다.
또한, 단결정 SiC 내에 도핑을 행하는 경우는, 상기 단결정 SiC 제조용 원료에 고체 공급원으로서 혼합하여도 되며, 단결정 SiC 제조 장치 내의 분위기 내에 가스 공급원으로서, 상기 도핑 성분을 혼합하여도 된다. 도핑 성분으로서는 질소, Al(CH3)3, B2H6을 예시할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 SiC 종자단결정은 SiC 종자단결정 웨이퍼인 것이 바람직하며, 그 종류, 크기, 형상은 특히 한정되지 않고, 목적으로 하는 단결정 SiC의 종류, 크기, 형상에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대 개량 레일리법에 의해 얻어진 SiC 단결정이나, 필요에 따라 이를 전처리한 SiC 종자단결정 웨이퍼를 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명에서, 단결정 SiC를 얻기 위해 사용하는 단결정 SiC 제조 장치의 구성은 특히 한정되지 않는다. 즉 크기나 가열 방법, 재질, 원료 공급 방법, 분위기 조정 방법, 압력 제어 방법, 온도 제어 방법 등은 목적으로 하는 단결정 SiC의 크기나 형상, 종류, 단결정 SiC 제조용 원료의 종류나 양 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
단, 본 발명에서, 단결정 SiC의 제조 장치는, 도가니가 구비된 챔버 및 도가니를 가열하는 수단, 도가니 내에 SiC 종자단결정을 고정하는 서셉터 및 SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 원료 공급관을 가지며, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 한다.
장치의 분위기는 산소 혼입을 방지하기 위해, 아르곤 가스 등의 불활성 가스로 치환되어 있는 것이 바람직하며, 밀폐 구조인 것이 바람직하다.
또한, 단결정 SiC 제조 온도는 특히 한정되지 않으며, 목적으로 하는 단결정 SiC의 크기나 형상, 종류, 단결정 SiC 제조용 원료의 종류나 양 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 바람직한 제조 온도는 1,600℃ 이상 2,400℃ 이하(본 발명에서, 「1,600℃ 이상 2,400℃ 이하」를 「1,600∼2,400℃」 또는 「1,600℃∼2,400℃」라고도 기재하는 것으로 한다. 이하, 동일.)의 범위이며, 예컨대 도가니 외측의 온도를 가리킨다. 본 발명에 사용하는 제조 장치는 상기 온도 범위에서, 온도 제어 가능한 장치인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 가열 방법에 특히 한정은 없으며, 어떠한 가열 방법도 사용할 수 있고, 고주파 유도 가열이나 전기 저항 가열을 예시할 수 있다.
SiC 종자단결정을 유지하는 서셉터의 형상은 특히 한정되지 않으며, 목적으로 하는 단결정 SiC의 크기나 형상에 맞추어 적절하게 선택할 수 있다. 단, 상기 서셉터의 재질은 사용 온도 범위를 고려하여 그래파이트제인 것이 바람직하다.
도가니의 수직 방향 상부의 개구부를 도가니와 서셉터 또는 원료 공급관과의 공간적 분리에 의해 마련하는 경우, 핫 존인 가열원(도가니)과, SiC 종자단결정을 유지하는 서셉터 또는 원료 공급관과의 공간적인 분리 방법은 적절하게 선택할 수 있다. 제조 비용을 고려하면, 원통 도가니(가열원)와 원통 서셉터 또는 원통 원료 공급관이 동심원 형상으로 분리되어 있는 것이 바람직하지만, 본 발명의 작용을 저해하지 않는 범위이면, 임의의 분리 형상을 선택하는 것도 가능하다.
단, 상기 서셉터에 회전 기구를 부여하는 경우에는, 회전을 저해하지 않는 범위에서 도가니(가열원)와 서셉터 사이를 공간적으로 분리시켜 둘 필요가 있다.
또한, 본 발명에서, 도가니는 수직 방향 상부에 개구부를 갖지만, 개구부는 상기 도가니와 서셉터 또는 원료 공급관과의 공간적 분리에 의해 마련되는 것에 한정되지 않는다.
도가니 내를 단결정 SiC의 제조에 알맞은 원하는 온도로 유지할 수 있는 범위에서, 개구부의 위치, 형상 등은 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 서셉터 또는 원료 공급관의 삽입부의 동심원 형상에 간극을 마련하여 개구부로 하는 것을 예시할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 단결정 SiC를 제조하기 위한 장치의 일례이며, 서셉터와 원료 공급관의 위치 관계가 각각 상하 반대로 되어 있다.
여기서는 고주파 유도 가열로를 예에 이용하고 있다. 수냉된 밀폐 챔버(1, 1') 내에 카본제의 원통 도가니(2, 2')(직경 120 ㎜, 높이 150 ㎜)가 배치되며, 상기 수냉된 밀폐 챔버의 외측에 고주파 유도 가열 코일(3, 3')을 배치하였다.
도 1에서는, 상기 원통 도가니 내의 상부에는 SiC 종자단결정(4)을 유지하기 위한 서셉터(5)가 삽입되어 있으며, 상기 원통 도가니 내의 하부에는 단결정 SiC 제조용 원료를 연속 공급하기 위한 원료 공급관(6)이 삽입되어 있다.
이와는 반대로, 도 2에서는, 원통 도가니 내의 상부에 단결정 SiC 제조용 원료를 연속 공급하기 위한 원료 공급관(6')이 삽입되어 있으며, 원통 도가니 내의 하부에 SiC 종자단결정(4')을 유지하기 위한 서셉터(5')가 삽입되어 있다.
이때, 도 1에서는, 원통 도가니(2)는 수직 방향 상부에 개구부를 갖고 있다. 또한, 개구부는 서셉터(5)와 원통 도가니(2)가 공간적으로 분리됨으로써 마련되어 있다. 상기 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하는 서셉터의 대략 반경을 Rs로 하며, 상기 SiC 종자단결정을 고정하는 서셉터가 삽입되어 있는 부분의 상기 원통 도가니의 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때의 이들의 차(Rh-Rs)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하로 설계되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 도 2에서는, 원료 공급관(6')과, 원통 도가니(2)'가 공간적으로 분리되어 있다. 이에 따라, 원통 도가니(2)'는 수직 방향 상부에 개구부를 갖고 있다. 원료 공급관의 대략 반경을 Rf, 상기 원료 공급관이 삽입되어 있는 부분의 상기 원통 도가니의 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때, (Rh-Rf)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하로 설계되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 도 1 및 도 2에서, 상기 서셉터는 원통 도가니의 외측까지 신장되어 있으며, 도시하지 않은 회전 기구에 의해 상기 서셉터의 중심축을 회전축으로 하여 회전 가능하다. 또한, 상기 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하기 위한 원료 공급관은 서셉터와 반대측의 원통 도가니로부터 외측에 신장되어 있으며, 그대로 상기 밀폐 챔버의 외측까지 이어져, 상기 고주파 유도 가열로의 외측에 배치되어 있어, 독립적으로 공급량이 조절 가능한 조절 밸브(8, 8', 10, 10')를 갖는 복수의 원료 저장조(7, 7', 9, 9')와, 유량 조절 가능한 캐리어 가스 공급원(도시하지 않음)에 각각 연결되어 있다. 미리 혼합된 단결정 SiC 제조용 원료를 사용하는 경우는 1개의 원료 저장조를 이용하며, 공급관 내부에서 혼합시키는 경우에는, 실리카 분말과 카본 분말을 각각 독립적으로 원료 저장조에 충전하며, 각각의 저장층으로부터의 공급량을 조절한 뒤에, 캐리어 가스(A)를 유량 조정하면서 흘림으로써 상기 원통 도가니 내부에 단결정 SiC 제조용 원료를 적당량씩 연속 공급할 수 있다.
고주파 유도 가열로는 도시하지 않은 진공 배기계 및 압력 조절계에 의해 압력 제어가 가능하며, 또한, 도시하지 않은 불활성 가스 치환 기구를 구비하고 있다.
또한, 도 1, 도 2의 실시예에서는 원료 공급관과 서셉터의 위치 관계가 상하 대향 방향이지만, 본 발명의 작용이 변하지 않는 범위 내에서, 각각 횡 방향의 대향 관계로 배치하는 것도 가능하며, 원료 공급관과 서셉터가 상호 비스듬하거나 직각 관계가 되도록 배치하는 것도 가능하다. 단, 본 발명에서, 도가니는 수직 방향 상부에 개구를 갖기 때문에, 원료 공급관 및 서셉터의 쌍방이 수직 방향 상부로부터 삽입되어 있지 않은 경우이면, 도가니의 수직 방향 상부에 독립적으로 개구부를 갖는 것은 물론이다.
이하 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1 또는 도 2에 도시하는 고주파 유도 가열로를 이용하여 이하의 조건에서 단결정 SiC의 제조를 행하였다.
상기 서셉터의 원통 도가니 내에 관통 삽입되어 있는 서셉터의 단부에 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하였다. 여기서 사용한 SiC 종자단결정 웨이퍼는 레일리법으로 제조된 대략 사방 10 ㎜의 부정형 단결정 SiC와 개량 레일리법으로 제조된 직경 2인치의 단결정 SiC 양쪽을 사용하였다. 또한, 저스트면, 경사면, C면, Si면 각각을 종자단결정으로서 준비, 사용하였다.
단결정 SiC 제조용 원료인 카본(미쓰비시카가쿠제 카본 블랙 MA600)과 실리카(니혼아에로질제 아에로질 380)를 각각 독립적으로 원료 저장조에 충전하였다. 또한, 각각의 공급량비는 실리카/카본=1.5∼5.0(중량비)로 조정하였다.
고주파 유도 가열로 내부를 진공 처리한 후, 불활성 가스(고순도 아르곤 또는 고순도 헬륨)로 상기 고주파 유도 가열로 내부를 치환하였다. 계속해서 상기 고주파 유도 가열 코일에 의해, 상기 카본제의 밀폐 도가니를 가열하며, 상기 도가니의 외측 표면 온도가 1,600∼2,400℃의 범위가 되도록 조정하였다.
계속해서 SiC 종자단결정 웨이퍼가 고정된 상기 서셉터를 0 rpm∼20 rpm의 회전 속도로 회전시켰다. 이 상태에서 상기 불활성 캐리어 가스(고순도 아르곤)를 유속 0.5∼10 l/분의 범위로 조정하여 흘려, 상기 단결정 SiC 제조용 원료를 상기 원료 공급관 내부를 통해, 상기 밀폐 도가니 내에 배치된 상기 SiC 종자단결정 웨이퍼 표면 상에 연속하여 공급시키며, 단결정 SiC의 제조를 행하였다.
이때, 상기 SiC 종자단결정 웨이퍼를 고정하는 서셉터의 대략 반경을 Rs, 상기 원료 공급관의 대략 반경을 Rf로 하여, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관이 공간적으로 분리되면서 상기 도가니 내에 삽입되는, 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때의 이들의 차(Rh-Rs)가 3 ㎜, 5 ㎜, 10 ㎜, 15 ㎜, 25 ㎜, 30 ㎜ 및 (Rh-Rf)가 3 ㎜, 6.5 ㎜, 10 ㎜이 되는 조건에서, 각각 단결정 SiC의 제조를 행하였다.
또한, 상기 (Rh-Rs)가 3 ㎜, 5 ㎜, 10 ㎜, 15 ㎜, 25 ㎜, 30 ㎜ 각각일 때의 간극의 대략 면적은 각각 7 ㎠, 12 ㎠, 25 ㎠, 40 ㎠, 75 ㎠, 94 ㎠였다. 또한, 상기 (Rh-Rf)가 3 ㎜, 6.5 ㎜, 10 ㎜ 각각일 때의 대략 면적은 4 ㎠, 9 ㎠, 14 ㎠였다.
제조 결과를 표 1 및 표 2에 기초하여 설명한다. 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖지 않는 경우((Rh-Rs)가 0 ㎜)의 경우에는, 다결정 SiC가 제조되며, 또한, 2분간에서 막힘이 생기고, 단결정 SiC를 제조할 수 없었다. (Rh-Rs)가 3 ㎜, 5 ㎜, 10 ㎜, 15 ㎜, 25 ㎜ 또는 (Rh-Rf)가 3 ㎜, 6.5 ㎜, 10 ㎜ 어느 쪽의 경우에도 평균 성장 속도는 50∼500 ㎛/h로 동등이었다. 단, (Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 3 ㎜의 조건에서는, 공급 개시 후 10 분에서 성장이 정지하여 버렸다. 한편 (Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하의 조건에서는, 어느 쪽의 경우에도 3 h의 연속 제조의 도중에서 성장이 정지하지 않으며, 마이크로파이프 등의 결함이 적은, 양호한 긴 단결정 SiC를 제조할 수 있었다. 그러나, (Rh-Rs)가 30 ㎜인 경우는 온도가 충분히 상승하지 못하며, 사방정의 단결정 SiC를 제조하였을 때에는 다결정화하여 버렸다. 단, 입방정의 단결정 SiC는 문제없이 제조할 수 있었다.
Rh-Rs(mm) 0 3 5 10 15 25 30
개구부 면적(cm2) 0 7 12 25 40 75 94
성장 속도(μm/h) 50∼500 50∼500 50∼500 50∼500 50∼500 50∼500 50∼200
결정성 다결정 투명단결정 투명단결정 투명단결정 투명단결정 투명단결정 입방정만 투명단결정 그외에는 다결정
성장 시간 2분에서 배관 막힘 10분에서 정지 3시간에서 정지하지 않음 3시간에서 정지하지 않음 3시간에서 정지하지 않음 3시간에서 정지하지 않음 3시간에서 정지하지 않음(입방정만)
성장 두께 < 10 μm ∼80 μm ∼1.5 mm ∼1.5 mm ∼1.5 mm ∼1.5 mm ∼0.6 mm (입방정)
종합 판정 × △ ○ ○ ○ ○ △
Rh-Rf(mm) 3 6.5 10
개구부 면적(cm2) 4 9 14
성장 속도(μm/h) 50∼500 50∼500 50∼500
결정성 투명단결정 투명단결정 투명단결정
성장 시간 10분에서 정지 3시간에서 정지하지 않음 3시간에서 정지하지 않음
성장 두께 ∼80 μm ∼1.5 mm ∼1.5 mm
종합 판정 △ ○ ○

Claims (7)

  1. SiC 종자단결정이 고정된 서셉터 및 원료 공급관을 도가니 내에 배치하는 공정 및,
    가열 상태로 유지된 상기 SiC 종자단결정에 상기 원료 공급관을 통해 단결정 SiC 제조용 원료를 외부로부터 공급하며, 단결정 SiC를 성장시키는 공정을 포함하고,
    상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관과 도가니를 공간적으로 분리함으로써 상기 개구부가 마련되어 있는 것인 단결정 SiC의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 서셉터의 대략 반경을 Rs, 상기 원료 공급관의 대략 반경을 Rf로 하며, 상기 서셉터 또는 상기 원료 공급관이 공간적으로 분리되면서 상기 도가니에 삽입되는, 삽입구의 대략 반경을 Rh로 하였을 때,
    (Rh-Rs) 또는 (Rh-Rf)가 5 ㎜ 이상 25 ㎜ 이하인 것인 단결정 SiC의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구부의 면적이 9 ㎠ 이상 75 ㎠ 이하인 것인 단결정 SiC의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 SiC 제조용 원료가 실리카 입자 및 카본 입자인 것인 단결정 SiC의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 단결정 SiC.
  7. 도가니가 구비된 챔버 및 도가니를 가열하는 수단,
    도가니 내에 SiC 종자단결정을 고정하는 서셉터, 및
    SiC 종자단결정에 단결정 SiC 제조용 원료를 공급하는 원료 공급관
    을 가지며, 상기 도가니가 수직 방향 상부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 SiC의 제조 장치.
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