KR20120025554A

KR20120025554A - 탄화규소 결정의 제조 방법, 탄화규소 결정, 및 탄화규소 결정의 제조 장치

Info

Publication number: KR20120025554A
Application number: KR1020117031190A
Authority: KR
Inventors: 다로 니시구치
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-03-15
Also published as: JP2011178621A; TW201139766A; US20120107218A1; JP5526866B2; CA2765856A1; CN102471930A; EP2543753A4; EP2543753A1; WO2011108356A1

Abstract

SiC 결정(10)의 제조 방법은 이하의 공정을 포함한다. 도가니(101)와, 도가니(101)의 외주를 덮는 단열재(121)를 포함하는 제조 장치(100)를 준비한다. 도가니(101) 내에 원료(17)를 배치한다. 도가니(101) 내에서, 원료(17)와 대향하도록 종결정(11)을 배치한다. 도가니(101) 내에서, 원료(17)를 가열함으로써 승화시켜, 종결정(11)에 원료 가스를 석출함으로써 SiC 결정(10)을 성장시킨다. 제조 장치(100)를 준비하는 공정은 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131, 132)를 배치하는 공정을 포함한다.

Description

탄화규소 결정의 제조 방법, 탄화규소 결정, 및 탄화규소 결정의 제조 장치{METHOD FOR PRODUCING SILICON CARBIDE CRYSTAL, SILICON CARBIDE CRYSTAL, AND DEVICE FOR PRODUCING SILICON CARBIDE CRYSTAL}

본 발명은 탄화규소(SiC) 결정의 제조 방법, SiC 결정, 및 SiC 결정의 제조 장치에 관한 것이다.

SiC 결정은 밴드갭이 크고, 또한 최대 절연 파괴 전계 및 열전도율은 실리콘(Si)과 비교하여 큰 한편, 캐리어의 이동도는 Si와 같은 정도로 크고, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 그 때문에, 고효율화, 고내압화 및 대용량화가 요구되는 반도체 디바이스에의 적용이 기대된다.

이러한 반도체 디바이스 등에 이용되는 SiC 결정은, 예컨대 기상성장법의 승화법에 의해 제조된다[예컨대, 비특허문헌 1(G. AUGUSTINE et al., "Physical Vapor Transport Growth and Properties of SiC Monocrystals", Phys.stat.sol.(b) vol. 202(1997), p.137-139)]. 도 6은 비특허문헌 1에 개시된 SiC의 제조 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6을 참조하여, 비특허문헌 1에 개시된 SiC 결정의 제조 장치 및 성장 방법에 관해서 설명한다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 비특허문헌 1에 개시된 SiC의 제조 장치는 도가니(101)와, 도가니(101)의 외주를 덮는 단열재(121)를 구비한다. 도가니(101)의 하부에는 SiC 결정의 원료(17)가 배치된다. 도가니(101)의 상부에는 종결정(11)이 원료(17)와 서로 마주보도록 배치된다. 단열재(121)는 도가니(101)의 내부에 배치된 종결정(11)측에, 단열재(121)의 외주까지 관통하도록 형성된 개구부(121a)와, 도가니(101)의 내부에 배치된 원료(17)측에, 단열재(121)의 외주까지 관통하도록 형성된 개구부(121b)를 갖고 있다.

이 상태에서, 원료(17)가 승화하는 온도까지 원료(17)가 가열된다. 이 가열에 의해, 원료(17)가 승화하여 승화 가스가 생성되고, 원료(17)보다 저온에 설치되어 있는 종결정(11)의 표면에 SiC 결정이 성장한다.

G. AUGUSTINE et al., "Physical Vapor Transport Growth and Properties of SiC Monocrystals", Phys.stat.sol.(b) vol. 202(1997), p.137-139

상기 비특허문헌 1과 같이, 단열재(121)가 종결정(11)측에 개구부(121a)를 갖고 있는 경우, SiC 결정의 성장이 시작된 시점에서는 열을 소산시킬 수 있기 때문에, 개구부(121a)의 온도는 낮아진다. 그러나, 도가니(101)로부터 누출된 원료 가스가 부착되면, 개구부(121a)의 온도는 낮기 때문에, 개구부(121a)에 SiC 결정이 부착된다. 이 때문에, 개구부(121a)가 메워져 버리는 경우가 있다. 단열재(121)에 형성된 개구부(121a)가 성장 도중에 메워지면, 성장 조건이 변화되어 버린다. 이 때문에, 성장하는 SiC 결정의 결정성이 악화되게 된다.

따라서, 본 발명은, SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있는 SiC 결정의 제조 방법, SiC 결정, 및 SiC 결정의 제조 장치에 관한 것이다.

본 발명의 SiC 결정의 제조 방법은 이하의 공정을 포함한다. 도가니와, 도가니의 외주를 덮는 단열재를 포함하는 제조 장치를 준비한다. 도가니 내에 원료를 배치한다. 도가니 내에서, 원료와 대향하도록 종결정을 배치한다. 도가니 내에서, 원료를 가열함으로써 승화시켜, 종결정에 원료 가스를 석출함으로써 탄화규소(SiC) 결정을 성장시킨다. 제조 장치를 준비하는 공정은 도가니의 종결정측의 외표면과 단열재 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부를 배치하는 공정을 포함한다.

본 발명의 SiC 결정의 제조 장치는 SiC를 포함하는 원료를 승화시키고, 승화된 원료 가스를 종결정에 석출시킴으로써 SiC 결정을 성장시키는 장치이며, 도가니와, 단열재와, 방열부와, 가열부를 구비한다. 도가니는 원료 및 종결정을 내부에 배치한다. 단열재는 도가니의 외주를 덮는다. 방열부는 도가니의 종결정측의 외표면과 단열재 사이에 배치되며, 공간으로 이루어진다. 가열부는 도가니의 내부를 가열한다.

본 발명의 SiC 결정의 제조 장치 및 제조 방법에 따르면, 도가니의 종결정측의 외표면 상의 방열부를 단열재로 덮는다. 이에 따라, 도가니로부터 누출된 가스가 방열부에 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, SiC 결정의 성장에 있어서 방열부가 메워지는 것을 억제할 수 있다. 방열부를 공간으로서 유지할 수 있기 때문에, SiC 결정의 성장 온도에 있어서, 도가니의 종결정측의 열을 복사에 의한 열전도에 의해 제조 장치의 외부로 방출할 수 있다. 이 때문에, SiC 결정의 성장 동안, 종결정의 온도가 변화되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, SiC 결정의 성장 중에 성장 조건이 변화되는 것을 억제할 수 있기 때문에, SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

상기 SiC 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 제조 장치를 준비하는 공정에서는, 탄소(C)를 주성분으로 하는 단열재를 준비한다. 상기 SiC 결정의 제조 장치에 있어서 바람직하게는, 단열재는 C를 주성분으로 한다.

이에 따라, SiC 결정을 성장시키는 분위기에 있어서 안정적인 재료로 이루어지는 단열재를 이용할 수 있기 때문에, SiC 결정의 성장 동안의 성장 조건의 변화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 제조하는 SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

상기 SiC 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 복수 장의 단열 시트를 적층한 단열재로 도가니의 외주가 덮여 있는 제조 장치를 준비한다.

상기 SiC 결정의 제조 장치에 있어서 바람직하게는, 단열재는 복수 장의 단열 시트가 적층되어 있다.

복수 장의 단열 시트 중 적어도 1장의 단열 시트에 개구부를 형성하고, 다른 단열 시트로 개구부를 덮음으로써, 방열부를 용이하게 형성할 수 있다.

상기 SiC 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, SiC 결정을 성장시키는 공정에서는, 고주파 가열법 또는 저항 가열법에 의해 원료를 가열한다.

상기 SiC 결정의 제조 장치에 있어서 바람직하게는, 가열부는 고주파 가열 코일 또는 저항 가열 히터이다.

고주파 가열 코일 및 저항 가열 히터는 온도 제어가 용이하기 때문에, SiC 결정의 성장 동안의 온도 변화를 억제할 수 있다. 이 때문에, SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

상기 SiC 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 제조 장치를 준비하는 공정에서는, C를 주성분으로 하는 도가니를 준비한다. 상기 SiC 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 도가니는 C를 주성분으로 한다.

이에 따라, SiC 결정을 성장시키는 분위기에 있어서 안정적인 재료로 이루어지는 도가니를 이용할 수 있기 때문에, SiC 결정의 성장 동안의 성장 조건의 변화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 제조하는 SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

본 발명의 SiC 결정은 상기 어느 하나에 기재한 SiC 결정의 제조 방법에 의해 제조된다. 본 발명의 SiC 결정은 결정 성장 동안의 성장 조건의 변화를 억제하여 제조되기 때문에, 결정성을 양호하게 할 수 있다.

상기 SiC 결정에 있어서 바람직하게는, 결정다형(폴리타입)이 4H-SiC이다. 이에 따라, 고내압의 디바이스 재료를 실현할 수 있다.

본 발명의 SiC 결정의 제조 방법, SiC 결정, 및 SiC 결정의 제조 장치에 따르면, 방열부에 의해, SiC 결정의 성장 동안 성장 조건의 변화를 억제할 수 있기 때문에, SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 SiC 결정을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태의 변형예 1에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치의 도가니 주변을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태의 변형예 2에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치의 도가니 주변을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는 비교예에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치의 도가니 주변을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6은 비특허문헌 1에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치의 도가니 주변을 개략적으로 도시하는 단면도이다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 한편, 이하의 도면에 있어서 동일하거나 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.

우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 SiC 결정(10)에 관해서 설명한다. SiC 결정(10)은 결정성이 양호하다. SiC 결정(10)의 폴리타입은 특별히 한정되지 않지만, 4H-SiC인 것이 바람직하다.

이어서, 도 2를 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치(100)에 관해서 설명한다. 이 제조 장치(100)는 승화법에 의해 SiC 결정을 성장시키는 장치이다. 즉, 제조 장치(100)는 SiC를 포함하는 원료(17)를 승화시켜, 승화된 원료 가스를 종결정(11)에 석출시킴으로써 SiC 결정(10)을 성장시키는 장치이다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 제조 장치(100)는 도가니(101)와, 단열재(121)와, 반응 용기(123)와, 가열부(125)와, 방열부(131)를 주로 구비한다.

도가니(101)는 종결정(11) 및 원료(17)를 내부에 배치한다. 이 도가니(101)는 C를 주성분으로 하는 것이 바람직하며, C를 주성분으로 하고, 잔부(殘部)가 불가피적인 불순물로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 도가니(101)는 SiC 결정의 성장 조건에 있어서 안정적인 재료로 이루어지기 때문에, SiC 결정의 성장 동안의 성장 조건의 변화를 억제할 수 있다. 이에, 제조하는 SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다. 이러한 재료로서, 도가니(101)는 예컨대 그래파이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 그래파이트는 고온에서 안정적이기 때문에, 도가니(101)의 균열을 억제할 수 있다. 또한, 도가니(101)를 구성하는 C는 SiC 결정의 구성 원소이기 때문에, 만일 도가니(101)가 승화하여 SiC 결정에 혼입된 경우라도, 불순물로 되는 것을 억제할 수 있다. 이에, 제조하는 SiC 결정의 결정성을 보다 양호하게 할 수 있다.

단열재(121)는 이 도가니(101)의 외주를 덮는다. 단열재(121)는 C를 주성분으로 하는 것이 바람직하며, C를 주성분으로 하고, 잔부가 불가피적인 불순물로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 이러한 재료로서, 단열재는 예컨대 카본 펠트로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우도, 단열 효과를 지니고, 또한 SiC 결정 성장 동안의 성장 조건의 변화를 억제할 수 있기 때문에, 제조하는 SiC 결정의 결정성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 단열재(121)의 원료(17)측에는 온도 측정 구멍(121c)이 형성되어 있다.

방열부(131)는 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에 배치되어 있다. 바꿔 말해서, 방열부(131)는 도가니(101)에서 종결정(11)이 배치되는 내표면과 대향하는 외표면(101a)[종결정(11)이 배치되는 면의 이면의 외표면(101a)]에 접하도록 형성된다. 또 다시 말해서, 방열부(131)는 도가니(101)와, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)을 덮는 단열재(121)와의 사이에 형성된 공간이다.

방열부(131)는 공간으로 이루어진다. 이 공간은 SiC 결정의 성장 동안에는, 질소(N₂) 가스, 헬륨(He) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등의 분위기 가스가 충전된다.

방열부(131)의 중심과 도가니(101)의 중심은 일치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 종결정(11)의 가로 방향의 열 전달의 변동을 억제할 수 있다.

방열부(131)는 원료(17)측에서 볼 때, 배치되는 종결정(11)을 도가니(101)의 외표면(101a)에 투영한 모든 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 방열부(131)로부터의 방열에 의해 온도의 면내 균일성을 높이는 효과가 높다. 단, 방열부(131)는 원료(17)측에서 볼 때, 배치되는 종결정(11)을 도가니(101)의 외표면(101a)에 투영한 일부의 영역을 포함하여도 좋으며, 모든 영역을 포함하지 않아도 좋다. 또한, 배치되는 종결정(11)은 원료(17)측에서 볼 때, 방열부(131)를 도가니(101)의 외표면(101a)에 투영한 모든 영역을 포함하여도 좋다.

이 단열재(121)의 둘레에는 반응 용기(123)가 설치된다. 반응 용기(123)의 양단부에는, 반응 용기(123) 내에 예컨대 분위기 가스를 흘리기 위한 가스 도입구(123a)와, 반응 용기(123)의 외부로 분위기 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(123b)가 형성되어 있다.

도가니(101)의 외측[본 실시형태에서는 반응 용기(123)의 외측 중앙부]에는, 도가니(101)의 내부를 가열하기 위한 가열부(125)가 설치된다. 가열부(125)는 특별히 한정되지 않지만, 고주파 가열 코일 또는 저항 가열 히터인 것이 바람직하다. 한편, 가열부(125)로서 고주파 가열 코일을 이용하는 경우에는, 고주파 가열 코일은 단열재(121)의 외주에 설치되는 것이 바람직하다. 가열부(125)로서 저항 가열 히터를 이용하는 경우에는, 저항 가열 히터를, 단열재(121)의 내측이며 또한 도가니(101)의 외측에 설치하는 것이 바람직하다.

반응 용기(123)의 상부 및 하부에는, 도가니(101)의 상측 및 하측의 온도를 측정하기 위한 방사 온도계(127b, 127a)가 설치된다. 방사 온도계(127a)는 도가니(101)의 원료(17)측의 외표면(101b)을 덮는 단열재(121)의 일부에 형성된 온도 측정 구멍(121c)을 통해서 측정된다. 온도 측정 구멍(121c)은 형성되지 않더라도 좋다.

도 3을 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치(100)의 변형예 1에 관해서 설명한다. 도 3에 도시하는 변형예 1의 제조 장치는, 기본적으로는 도 2에 도시하는 제조 장치(100)와 같은 구성을 갖추고 있지만, 도가니(101)의 원료(17)측의 외표면(101b)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(132)가 더 형성되어 있다는 점, 및 단열재(121)에 온도 측정 구멍(121c)이 형성되어 있지 않다는 점에서 다르다.

도 4를 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 SiC 결정의 제조 장치(100)의 변형예 2에 관해서 설명한다. 도 4에 도시하는 변형예 2의 제조 장치는 기본적으로는 도 2에 도시하는 제조 장치(100)와 같은 구성을 갖추고 있지만, 단열재(121)에 온도 측정 구멍(121c)이 형성되어 있지 않다는 점에서 다르다.

한편, 상기 제조 장치(100)는 상기 이외의 여러 가지 요소를 포함하여도 좋지만, 설명의 편의상 이들 요소의 도시 및 설명은 생략한다.

이어서, 도 1?도 4를 참조하여, 본 실시형태 및 변형예 1, 2에 있어서의 SiC 결정의 제조 방법을 설명한다.

먼저, 도 2?도 4에 도시하는 바와 같이, 도가니(101)와, 도가니(101)의 외주를 덮는 단열재(121)를 포함하는 제조 장치(100)를 준비한다. 이 공정에서는, 도가니(101)의 종결정(11)이 위치하는 쪽의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131)를 배치한다. 이 공정에서는, 전술한 도 2?도 4에 도시하는 제조 장치(100)를 준비한다.

구체적으로는, C를 주성분으로 하는 단열재(121)를 준비하는 것이 바람직하다. C를 주성분으로 하는 도가니(101)를 준비하는 것이 바람직하다. 고주파 가열 코일 또는 저항 가열 히터인 가열부(125)를 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 복수 장의 단열 시트를 적층한 단열재(121)로 도가니(101)의 외주가 덮여 있는 제조 장치(100)를 준비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 복수의 단열 시트 중 적어도 1장에 구멍을 형성하고, 구멍이 형성된 단열 시트를 도가니(101)에 접하도록 배치하며, 이 구멍을 덮도록 나머지 단열 시트를 배치한다. 이에 따라, 단열 시트의 구멍이 방열부(131)가 된다.

이어서, 도 2?도 4에 도시하는 바와 같이, 도가니(101) 내에 원료(17)를 배치한다. 원료(17)는 분말이라도, 소결체라도 좋으며, 예컨대 다결정의 SiC 분말 또는 SiC 소결체를 준비한다. 본 실시형태에서는, 원료(17)는 도가니(101)의 하부에 설치된다.

이어서, 도 2?도 4에 도시하는 바와 같이, 도가니(101) 내에서, 원료(17)와 대향하도록 종결정(11)을 배치한다. 본 실시형태에서는, 원료(17)와 서로 대향하도록 종결정(11)을 도가니(101)의 상부에 배치한다. 종결정(11)의 결정 구조는 특별히 한정되지 않고, 성장하는 SiC 결정과 동일한 결정 구조라도 좋고, 다른 결정 구조라도 좋다. 성장하는 SiC 결정의 결정성을 향상시킨다는 관점에서, 동일한 결정 구조인 SiC 결정을 종결정(11)으로서 준비하는 것이 바람직하다.

이어서, 도가니(101) 내에서, 원료(17)를 가열함으로써 승화시키고, 종결정(11)에 원료 가스를 석출함으로써 SiC 결정을 성장시킨다.

구체적으로는, 원료(17)가 승화하는 온도까지 원료(17)를 가열부(125)에 의해 가열한다. 가열 방법은 특별히 한정되지 않지만, 고주파 가열법 또는 저항 가열법을 이용하는 것이 바람직하다. 이 가열에 의해, 원료(17)가 승화하여 승화 가스(원료 가스)를 생성한다. 이 승화 가스를, 원료(17)보다 저온에 설치되어 있는 종결정(11)의 표면에 재차 고화시킨다. 성장 온도의 일례를 들면, 예컨대 원료(17)의 온도를 2300℃?2400℃로 유지하고, 종결정(11)의 온도를 2100℃?2200℃로 유지한다. 이에 따라, 종결정(11) 상에 SiC 결정이 성장한다.

SiC 결정을 성장시키는 공정에 있어서, 방열부(131)에는, 반응 용기(123)의 가스 도입구(123a)로부터 반응 용기(123) 안으로 흐르는 분위기 가스가 충전된다. SiC 결정을 성장시키는 고온 조건에서는, 방열부(131)에 의한 복사에 의한 열전도가 지배적이다. 이 때문에, 이 방열부(131)에 의해, 도가니(101)에서 종결정(11)이 배치되어 있는 측의 외표면(101a)으로부터 열을 방열시킬 수 있다. 또한, 방열부(131)는 단열재(121)로 덮여 있기 때문에, SiC 결정의 성장을 계속하더라도, 방열부(131)의 내부에 SiC 결정이 퇴적되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, SiC 결정을 성장하는 동안에, 종결정(11)의 온도가 변화되는 등의 성장 조건의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, 의도한 폴리타입의 SiC 결정을 제조할 수 있는 등, 결정성이 양호한 SiC 결정을 성장할 수 있다.

이어서, 제조 장치(100)의 내부를 실온까지 냉각한다. 그리고, 제조 장치(100)로부터 제조한 SiC 결정을 꺼낸다. 이에 따라, 종결정(11)과, 종결정(11) 상에 형성된 SiC 결정을 구비한, 도 1에 도시하는 SiC 결정(10)(SiC 잉곳)을 제조할 수 있다.

한편, SiC 잉곳으로부터 종결정(11)을 제거함으로써, 도 1에 도시하는 SiC 결정(10)을 제조하더라도 좋다. 제거하는 경우에는, 종결정(11)만을 제거하더라도 좋고, 종결정(11) 및 성장시킨 SiC 결정의 일부를 제거하더라도 좋다.

제거하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 절단, 연삭, 벽개 등 기계적인 제거 방법을 이용할 수 있다. 절단이란, 전착 다이아몬드 휠의 외주날을 갖는 슬라이서 등으로 기계적으로 SiC 잉곳으로부터 적어도 종결정(11)을 제거하는 것을 말한다. 연삭이란, 지석을 회전시키면서 표면에 접촉시켜, 두께 방향으로 깎아내는 것을 말한다. 벽개란, 결정 격자면을 따라서 결정을 분할하는 것을 말한다. 한편, 에칭 등 화학적인 제거 방법을 이용하더라도 좋다.

또한, 제조한 SiC 결정(10)의 두께가 큰 경우에는, 성장한 SiC 결정으로부터 복수 장의 SiC 결정을 잘라냄으로써, 도 1에 도시하는 SiC 결정(10)을 제조하더라도 좋다. 이 경우에는, 1장당 SiC 결정(10)의 제조 비용을 저감할 수 있다.

그 후, 필요에 따라서, 결정의 일면 또는 양면을 연삭, 연마 등에 의해 평탄화하더라도 좋다.

이어서, 본 실시형태에서의 SiC 결정의 제조 방법 및 제조 장치(100)의 효과에 관해서, 도 5 및 도 6에 도시하는 비교예 및 비특허문헌 1의 SiC 결정의 제조 방법 및 제조 장치와 비교하여 설명한다.

우선, 도 5에 도시하는 비교예의 SiC 결정의 제조 장치는 도 2에 도시하는 본 실시형태의 제조 장치(100)와 기본적으로는 같은 구성을 갖추고 있지만, 방열부(131)를 갖추고 있지 않다는 점에서 다르다. 즉, 비교예의 제조 장치는 종결정(11)측의 외표면(101a)을 포함하는 도가니(101) 전면(全面)을 단열재(121)로 덮고 있다.

비교예에서는, 종결정(11)측의 온도가 원료(17)의 온도보다 낮게 되도록 가열하려고 해도, 도가니(101) 내부가 고온으로 가열되기 때문에, 종결정(11)의 온도도 점차로 높아진다. 이 때문에, 원료(17)의 승화 가스를 적절히 제어하여 종결정(11)측에 석출시키기 어렵게 되어, SiC 결정의 성장이 곤란하게 된다.

이어서, 도 6에 도시하는 비특허문헌 1의 SiC 결정의 제조 장치는 도 2에 도시하는 본 실시형태의 제조 장치(100)와 기본적으로는 같은 구성을 갖추고 있지만, 방열부(131)가 단열재(121)에 형성된 관통 개구부(121a)라는 점에서 다르다.

비특허문헌 1에서는, SiC 결정의 성장 초기 단계에서는, 개구부(121a)로부터 열을 소산시킬 수 있기 때문에, 개구부(121a)측에 위치하는 종결정(11)의 온도는 낮아진다. 그러나, SiC 결정의 성장에 있어서, 도가니(101)로부터 누출된 원료 가스가 흘러들어오면, 개구부(121a)의 온도는 낮기 때문에, 개구부(121a)에 결정이 부착된다. 이 때문에, 단열재(121)에 형성된 개구부(121a)가 SiC 결정의 성장 도중에 메워진다. 이에 따라, SiC 결정의 성장 온도가 성장 도중에 변화되어 버린다. 이 때문에, 성장하는 SiC 결정의 폴리타입이 의도한 것에서 변화되는 등, 결정성이 악화되어 버린다.

한편, 본 실시형태 및 그 변형예 1, 2의 SiC 결정의 제조 장치 및 제조 방법에 따르면, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a) 상에 배치된 방열부(131)를 단열재(121)로 덮고 있다. 이에 따라, 도가니(101)로부터 가스가 누출되어 방열부(131)에 혼입된 경우라도, 방열부(131)의 온도 저하를 억제할 수 있으므로, 방열부(131)에 SiC 결정이 퇴적되는 것[즉, 방열부(131)가 SiC 결정으로 메워지는 것]을 억제할 수 있다. SiC 결정을 성장시키는 고온의 조건에서는, 방열부(131)를 형성함으로써 생기는 복사에 의한 열전도가 지배적인 것을 본 발명자는 예의 연구한 결과 알아냈다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, SiC 결정의 성장에 있어서 방열부(131)를 공간으로서 유지할 수 있기 때문에, SiC 결정의 성장 온도에 있어서, 도가니(101)의 종결정(11)측의 열을 복사에 의한 열전도에 의해 제조 장치(100)의 외부로 방출할 수 있다. 즉, 방열부(131)를 통해, 도가니(101)로부터의 방열을 크게 유지할 수 있다. 이 때문에, SiC 결정의 성장 동안에 종결정(11)의 온도가 높아지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 종결정(11)의 온도를 원료(17)의 온도보다 낮게 유지할 수 있다. 즉, SiC 결정의 성장 초기의 종결정(11)의 온도와 성장 중기(또는 종기)의 종결정(11)의 온도와의 차를, 본 실시형태는 비특허문헌 1보다 작게 할 수 있다. 따라서, SiC 결정의 성장 동안에, 종결정(11)의 온도가 변화되는 등, 성장 조건의 변화를 억제할 수 있기 때문에, 결정성이 양호한 SiC 결정을 제조할 수 있다.

실시예

본 실시예에서는, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131)를 배치하는 것의 효과에 관해서 조사했다.

(본 발명예 1 및 2)

본 발명예 1 및 2에서는, 도 2에 도시하는 전술한 실시형태의 제조 장치(100)를 이용하여, 전술한 실시형태의 제조 방법에 따라서 SiC 결정을 제조했다.

구체적으로는, 먼저 그래파이트로 제조되고, 중공인 원통형의 도가니(101)를 준비했다. 도가니(101)의 외경은 140 mm이며, 내경은 120 mm이고, 높이는 100 mm였다.

또한, 10 mm의 두께를 지니고, 카본 펠트로 이루어지는 단열 시트를 각각 3장 준비했다. 3장의 단열 시트 중, 2장의 단열 시트에, 본 발명예 1에서는 외경이 20 mm, 본 발명예 2에서는 외경이 30 mm인 개구부를 각각 형성했다. 그리고, 개구부가 형성된 2장의 단열 시트를, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a) 상에 배치하고, 그 위에, 개구부가 형성되지 않은 1장의 단열 시트를 배치했다. 이 때, 개구부의 중심과 도가니(101)의 중심을 일치시켰다. 이에 따라, 방열부(131)로서, 2장의 단열 시트에 형성된 개구부 및 개구부가 형성되지 않은 단열 시트에 둘러싸인 공간을 형성했다. 즉, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131)를 배치했다. 또한, 단열 시트는 단열재(121)를 구성했다.

도가니(101), 방열부(131) 및 단열재(121)를 반응 용기(123) 내부에 수용하고, 반응 용기(123)의 외주에, 가열부(125)로서의 고주파 가열 코일을 배치했다.

또한, 도가니(101) 내의 하부에 원료(17)를 배치했다. 원료(17)는 SiC 파우더를 이용했다. 또한, 도가니(101) 내의 상부에, 원료(17)와 대향하도록 종결정(11)을 배치했다. 종결정(11)은 75 mm의 외경을 갖는 4H-SiC를 이용했다.

이어서, 반응 용기(123) 속에 분위기 가스로서, 유량이 0.5 slm인 He 가스와 유량이 0.1 slm인 N₂ 가스를 흘리고, 가열부(125)로서의 고주파 가열 코일을 이용하여 도가니(101) 내의 온도를 승온했다. 도가니(101)의 원료(17)측의 온도를 측정하는 방사 온도계(127a)의 지시 값이 규정된 성장 온도, 예컨대 2400℃에 도달한 후, 도가니(101) 내의 압력을 20 Torr로 했다. 이 때 종결정(11)측의 온도는 원료(17)측의 온도보다 낮은, 예컨대 2200℃가 되도록, 고주파 가열 코일의 파워를 제어했다. 이에 따라, 원료(17)로부터 SiC 가스를 승화시키고, 성장 시간을 50시간으로 하여, 종결정(11) 상에 SiC 결정을 성장시켰다. 의도한 폴리타입은 4H-SiC였다. 그 후, 제조 장치(100) 내부의 온도를 실온까지 냉각했다. 이에 따라, SiC 결정을 제조했다.

(비교예 1?5)

비교예 1?5의 SiC 결정의 제조 장치 및 제조 방법은 기본적으로는 본 발명예 1 및 2와 마찬가지지만, 방열부가 단열재를 관통하고 있다는 점에서 달랐다. 구체적으로는, 3장의 단열 시트 전부에 하기의 표 1에 기재한 동일한 크기의 개구부를 형성하고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 각각의 개구부를 겹쳐, 단열재를 관통하는 개구부(121a)를 형성했다. 또, 비교예 1?5에는, 도가니(101)의 원료(17)측에, 단열재(121)의 외주까지 관통하도록 형성된 개구부(121b)는 형성하지 않았다.

(측정 방법)

비교예 1?5에 대해서, SiC 결정을 성장시키기 전의 방열부(개구부)의 면적에 대하여, SiC 결정을 성장시킨 후의 폐색된 방열부(개구부)의 면적의 비율(폐색율)을 구했다. 그 결과를 하기의 표 1에 기재한다.

또한, 성장한 SiC 결정으로부터, 10장의 SiC 결정 기판을 잘라내어, 그 10장에 대해서, 4H-SiC 이외의 폴리타입이 발생하였는지의 여부를 눈으로 확인함으로 관찰했다. 색이 변한 것이 하나라도 있으면, 4H-SiC 이외의 폴리타입이 발생하였다고 판단하여, 폴리타입 이상(異常)으로 간주했다. 10장의 SiC 결정 기판 중, 폴리타입 이상이 발생한 장 수를 측정했다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.

(측정 결과)

표 1에 나타내는 바와 같이, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131)를 배치한 본 발명예 1 및 2의 제조 장치(100) 및 제조 방법에서는, 50시간의 SiC 결정의 성장 동안, 방열부(131)가 메워지는 일은 없었다. 이에, SiC 결정의 성장 동안 성장 조건이 변화하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 성장한 SiC 결정으로부터 잘라낸 SiC 결정 기판에는 폴리타입 이상인 것이 1장도 포함되어 있지 않았다.

한편, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)에, 20 mm?60 mm 지름의 관통 개구부(121a)를 갖는 단열재(121)를 설치한 비교예 1?5의 제조 장치에서는, 50시간의 SiC 결정의 성장 도중에 방열부인 개구부(121a)의 적어도 일부가 결정에 의해 메워졌다. 이 때문에, 성장 도중에 성장 조건이 변화됨으로써, SiC 결정으로부터 잘라낸 SiC 결정 기판에는 폴리타입 이상인 것이 포함되어 있었다.

또한, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)에, 40 mm?60 mm 지름의 개구부(121a)를 갖는 단열재(121)를 설치한 비교예 3?5의 제조 장치에서는, 성장 초기 단계에서는, 종결정(11)측의 도가니(101)의 외표면(101a)으로부터의 방열이 지나치게 컸다. 이에, 종결정(11)의 온도 저하가 격심하였기 때문에, 폴리타입 이상인 SiC 결정 기판이 더욱 증가했다.

이상에서, 본 실시예에 따르면, 도가니(101)의 종결정(11)측의 외표면(101a)과 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131)를 배치함으로써, 결정성이 향상된 SiC 결정을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 각 실시형태 및 실시예의 특징을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정되어 있다. 또한, 이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태 및 실시예가 아니라 특허청구범위에 의해서 정해지며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10 : SiC 결정 11 : 종결정
17 : 원료 100 : 제조 장치
101 : 도가니 101a, 101b : 외표면
121 : 단열재 121a, 121b : 개구부
121c : 온도 측정 구멍 123 : 반응 용기
123a : 가스 도입구 123b : 가스 배출구
125 : 가열부 127a, 127b : 방사 온도계
131, 132 : 방열부

Claims

도가니(101)와, 상기 도가니(101)의 외주를 덮는 단열재(121)를 포함하는 제조 장치(100)를 준비하는 공정과,
상기 도가니(101) 내에 원료(17)를 배치하는 공정과,
상기 도가니(101) 내에서, 상기 원료(17)와 대향하도록 종결정(11)을 배치하는 공정과,
상기 도가니(101) 내에서, 상기 원료(17)를 가열함으로써 승화시켜, 상기 종결정(11)에 원료 가스를 석출함으로써 탄화규소 결정(10)을 성장시키는 공정
을 포함하고,
상기 제조 장치(100)를 준비하는 공정은, 상기 도가니(101)의 상기 종결정(11)측의 외표면(101a)과 상기 단열재(121) 사이에, 공간으로 이루어지는 방열부(131, 132)를 배치하는 공정을 포함하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제조 장치(100)를 준비하는 공정에서는, 탄소를 주성분으로 하는 상기 단열재(121)를 준비하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제조 장치(100)를 준비하는 공정에서는, 복수 장의 단열 시트를 적층한 상기 단열재(121)로 상기 도가니(101)의 외주가 덮여 있는 상기 제조 장치(100)를 준비하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 탄화규소 결정(10)을 성장시키는 공정에서는, 고주파 가열법 또는 저항 가열법에 의해 상기 원료(17)를 가열하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제조 장치(100)를 준비하는 공정에서는, 탄소를 주성분으로 하는 상기 도가니(101)를 준비하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 방법.
제1항에 기재한 탄화규소 결정(10)의 제조 방법에 의해 제조되는 탄화규소 결정(10).
제6항에 있어서, 결정다형이 4H-SiC인 탄화규소 결정(10).
탄화규소를 포함하는 원료(17)를 승화시키고, 승화된 원료 가스를 종결정(11)에 석출시킴으로써 탄화규소 결정(10)을 성장시키는 장치에 있어서,
상기 원료(17) 및 상기 종결정(11)을 내부에 배치하기 위한 도가니(101)와,
상기 도가니(101)의 외주를 덮는 단열재(121)와,
상기 도가니(101)의 상기 종결정(11)측의 외표면(101a)과 상기 단열재(121) 사이에 배치되며, 공간으로 이루어지는 방열부(131, 132)와,
상기 도가니(101)의 내부를 가열하기 위한 가열부(125)
를 구비한 탄화규소 결정(10)의 제조 장치(100).
제8항에 있어서, 상기 단열재(121)는 탄소를 주성분으로 하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 장치(100).
제8항에 있어서, 상기 단열재(121)는 복수 장의 단열 시트가 적층되어 있는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 장치(100).
제8항에 있어서, 상기 가열부(125)는 고주파 가열 코일 또는 저항 가열 히터인 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 장치(100).
제8항에 있어서, 상기 도가니(101)는 탄소를 주성분으로 하는 것인 탄화규소 결정(10)의 제조 장치(100).