KR20170068554A

KR20170068554A - 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 장치, 및 그것에 이용되는 도가니

Info

Publication number: KR20170068554A
Application number: KR1020177012760A
Authority: KR
Inventors: 가즈히토 가메이; 유타카 기시다; 가즈히코 구스노키; 히로노리 다이코쿠; 마사요시 도이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤; 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-06-19
Also published as: US20170306522A1; WO2016059790A1; CN107075725A; JPWO2016059790A1

Abstract

Si-C 용액을 교반 및 가열하기 쉬운 SiC 단결정의 제조 장치를 제공한다. Si-C 용액(7)을 수용 가능한 도가니(5)와, 시드 샤프트(6)와, 유도 가열 장치(3)를 구비한다. 도가니(5)는, Si-C 용액(7)의 수용이 가능하다. 도가니(5)는, 통부(51)와 바닥부(52)를 포함한다. 통부(51)는 외주면(51A)과 내주면(51B)을 포함한다. 바닥부(52)는, 통부(51)의 하단에 배치된다. 바닥부(52)는, 도가니(5)의 내부 바닥면(52B)을 형성한다. 시드 샤프트(6)는, 하단에 종결정(8)을 부착 가능하다. 유도 가열 장치(3)는, 도가니(5)의 통부(51)의 둘레에 배치된다. 유도 가열 장치(3)는, 도가니(5) 및 Si-C 용액(7)을 가열한다. 외주면(51A)은, 통부(51)의 둘레방향과 교차하여 연장되는 홈(10)을 포함한다.

Description

용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 장치, 및 그것에 이용되는 도가니{SiC SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS USING SOLUTION GROWTH METHOD, AND CRUCIBLE TO BE USED IN SiC SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS USING SOLUTION GROWTH METHOD}

본 발명은, 단결정의 제조 장치 및 그것에 이용되는 도가니에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 장치 및 그것에 이용되는 도가니에 관한 것이다.

SiC 단결정의 제조 방법은 예를 들어, 용액 성장법이 있다. 용액 성장법에서는, 도가니에 수용된 Si-C 용액에, 시드 샤프트에 부착된 종결정을 접촉시킨다. Si-C 용액 중, 종결정의 근방 부분을 과냉각 상태로 하여, 종결정 상의 결정 성장면에 SiC 단결정을 성장시킨다.

Si-C 용액은, Si 또는 Si 합금의 융액에 카본(C)이 용해된 용액이다. Si-C 용액의 생성 방법은 예를 들면, 흑연 도가니에 Si를 넣고, 유도 가열 장치로 도가니를 가열하는 방법이 있다. 유도 가열 장치는 예를 들어, 고주파 코일이다. 생성된 Si-C 용액에, 시드 샤프트에 부착된 종결정의 결정 성장면을 접촉시키고, SiC 단결정을 성장시킨다.

Si-C 용액은, 용액 중의 조성 및 용액의 온도 분포를 균일하게 하기 위해서, 결정 성장 중에 교반되는 것이 바람직하다. 고주파 코일에 의한 가열은, Si-C 용액에 로런츠 힘을 부여한다. 그 때문에, Si-C 용액은 유동해, 교반된다.

그러나, Si-C 용액의 교반이 충분하지 않으면, 용액 중의 조성 및 용액의 온도 분포가 균일을 유지하기 어렵다. 이 경우, SiC 다결정이 발생하기 쉽다. SiC 단결정의 결정 성장면에 SiC 다결정이 부착되면, SiC 단결정의 성장이 저해된다.

다결정의 생성을 억제하는 제조 방법 및 제조 장치는, 일본국 특허 공개 2005-179080호 공보(특허 문헌 1)에 개시되어 있다.

특허 문헌 1에 개시된 제조 방법 및 제조 장치는, 원료 용액을 수용하는 도가니를 상전도(常傳導) 코일로 가열한다. 이 경우, 상전도 코일은 융액에 로런츠 힘을 부여한다. 로런츠 힘에 의해, 융액은 돔상으로 융기된다. 그 결과, 다결정의 성장이나 결정 결함의 증가를 발생시키지 않고, 벌크 SiC 단결정을 안정적으로 제조할 수 있다고 특허 문헌 1에는 기재되어 있다.

일본국 특허 공개 2005-179080호 공보

그러나, 특허 문헌 1의 제조 방법 및 제조 장치에서는, 융액을 돔상에 융기 시키기 위해, 슬릿을 형성한 구리제의 측벽부가 별도로 필요하다.

그런데, 근년, SiC 단결정은, 다양한 용도로 이용할 수 있기 때문에, 대구경의 SiC 단결정의 수요가 높아지고 있다. 대구경의 SiC 단결정을 제조하기 위해서는, 도가니의 직경을 크게 할 필요가 있다. 유도 가열 장치가 고주파 코일인 경우, 일반적으로, 고주파 코일은 도가니의 둘레에 배치된다. 따라서, 도가니의 직경을 크게 하면, 고주파 코일의 직경도 커진다.

유도 가열 장치에 의한 가열은, 도가니 내부에 자속을 발생시킨다. 자속은, 전자 유도에 의해, Si-C 용액에 로런츠 힘과 줄 열을 발생시킨다. 로런츠 힘은, Si-C 용액을 교반한다. 줄 열은, Si-C 용액을 가열한다. 로렌트 힘 및 줄 열의 크기는, 도가니 내부에 침투하는 자속의 세기에 의해서 정해진다. 고주파 코일의 경우, 고주파 코일 직경이 커지면, 고주파 코일 중심에서의 자속은 약해진다. 그 때문에, Si-C 용액의 교반 및 가열이 불충분해지는 경우가 있다. Si-C 용액의 교반 및 가열이 불충분한 경우, SiC 다결정이 발생해, SiC 단결정의 성장이 저해되는 경우가 있다.

본 발명의 목적은, Si-C 용액을 교반 및 가열하기 쉬운 SiC 단결정의 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조 장치는, Si-C 용액을 수용 가능한 도가니와, 시드 샤프트와, 유도 가열 장치를 구비한다. 도가니는, Si-C 용액의 수용이 가능하다. 도가니는, 통부와 바닥부를 포함한다. 통부는 제1 외주면과 내주면을 포함한다. 바닥부는, 통부의 하단에 배치된다. 바닥부는, 도가니의 내부 바닥면을 형성한다. 시드 샤프트는, 하단에 종결정을 부착 가능하다. 유도 가열 장치는, 도가니의 통부의 둘레에 배치된다. 유도 가열 장치는, 도가니 및 Si-C 용액을 가열한다. 제1 외주면은, 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되는 제1의 홈을 포함한다.

본 발명에 의한 SiC 단결정의 제조 장치는, Si-C 용액을 교반 및 가열하기 쉽다.

도 1은, 본 실시형태의 SiC 단결정의 제조 장치의 전체도이다.
도 2는, 도 1 중의 도가니의 사시도이다.
도 3은, 도 1 중의 도가니의 연직방향 단면도이다.
도 4는, 본 실시형태의 도가니의 수평방향 단면도이다.
도 5는, 제2의 실시형태의 도가니의 연직방향 단면도이다.
도 6은, 열유동 해석에 의한 온도 분포도(제2의 실시형태의 도가니)이다.
도 7은, 열유동 해석에 의한 반경방향의 온도 분포도이다.
도 8은, 열유동 해석에 의한 연직방향의 온도 분포도이다.
도 9는, 열유동 해석에 의한 반경방향의 속도 분포도이다.
도 10은, 열유동 해석에 의한 연직방향의 속도 분포도이다.
도 11은, 도가니 E1에 의해 제조된 SiC 단결정의 확대 사진이다.
도 12는, 도가니 E2에 의해 제조된 SiC 단결정의 확대 사진이다.

본 실시형태의 SiC 단결정의 제조에 이용하는 도가니는, 통부의 제1 외주면에 제1의 홈을 포함한다. 제1의 홈은, 통부의 둘레방향과 교차하여 연장된다. 이 경우, 유도 가열 장치가 발생시켜, 유도 가열 장치의 축방향을 향하는 자속은, 도가니 내부에 침투하기 쉬워진다. 그 때문에, Si-C 용액의 교반 및 가열이 촉진된다.

바람직하게는, 제1의 홈은, 통부의 축방향으로 연장된다.

이 경우, 자속에 의해서 도가니벽 내에 유기되는 유도 전류는 제1의 홈과 교차하지 않는다. 그 때문에, 유도 전류는 도가니의 보다 내측을 흘러, 자속은 도가니 내부에 보다 침투하기 쉽다.

바람직하게는, 제1의 홈의 하단은, Si-C 용액의 액면보다 하방에 배치된다.

이 경우, 측면에서 봤을 때, 제1의 홈의 일부가, 도가니 내의 Si-C 용액과 중복된다. 그 때문에, 자속은 Si-C 용액에 직접 침투한다. 따라서, Si-C 용액은 로런츠 힘을 더욱 받기 쉬워져, Si-C 용액의 교반이 촉진된다. 또한, 고주파 코일에 의한 유도 전류가 커지기 때문에, Si-C 용액의 가열이 촉진된다.

바람직하게는, 통부의 외주면의 홈은, 측면에서 봤을 때, 적어도 도가니의 내부 바닥면에서부터 Si-C 용액의 액면까지 연장된다.

이 경우, Si-C 용액의 교반 및 가열이 더욱 촉진된다.

바람직하게는, 도가니의 바닥부는, 제2 외주면과 외부 바닥면을 포함한다. 제2 외주면은, 통부의 제1 외주면과 이어진다. 외부 바닥면은, 제2 외주면의 하단에 배치된다. 바닥부의 내부 바닥면은, 오목 형상이다. 제2 외주면은, 제2의 홈을 포함한다. 제2의 홈은, 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되고, 외부 바닥면을 향해 깊어진다.

이 경우, 오목형상의 내부 바닥면 근방까지 제2의 홈이 형성된다. 그로 인해, 오목형상의 내부 바닥면 근방의 Si-C 용액의 교반 및 가열을 촉진할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 의한 도가니는, 상술한 SiC 단결정의 제조 장치에 이용된다.

본 발명의 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조 방법은, 상술한 SiC 단결정의 제조 장치를 준비하는 준비 공정과, 유도 가열 장치에 의해, 도가니 내의 Si-C 용액의 원료를 가열하여 용융해, Si-C 용액을 생성하는 생성 공정과, Si-C 용액에 종 결정을 접촉시키고, 유도 가열 장치에 의해 Si-C 용액을 가열 및 교반하면서, 종 결정 상에서 SiC 단결정을 성장시키는 성장 공정을 구비한다.

이하, 본 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조 장치 및 그것에 이용되는 도가니에 대해서 상세하게 기술한다.

상술한 바와 같이, 고주파 코일에 의한 자속이, 도가니의 내부에 침투할수록, Si-C 용액은 교반 및 가열되기 쉽다. 결정 성장시, Si-C 용액의 교반 및 가열은, SiC 다결정의 발생을 억제한다. 이하, 이 점에 대해서 상술한다.

결정 성장 중의 Si-C 용액의 조성이 균일하면, SiC 다결정의 발생을 억제하기 쉽다. Si-C 용액의 조성 및 온도를 균일하게 하려면, Si-C 용액의 교반과 가열이 필요하다. 또, 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조에서는, Si-C 용액 중의 탄소를 SiC 단결정의 결정 성장면에 공급하는 것이 중요하다. 결정 성장 중의 SiC 단결정의 결정 성장면에 탄소가 공급되면, SiC 단결정의 성장이 촉진된다. 그 때문에, SiC 단결정의 결정 성장 속도의 관점으로부터도 Si-C 용액의 교반은 필요하다.

Si-C 용액의 교반 방법은 예를 들어, 고주파 코일에 의한 전자 교반이 있다. 고주파 코일에 교류 전류를 흐르게 한 경우, 고주파 코일의 내측에 자속이 발생한다. 교류 전류에 의해, 자속의 방향 및 세기는 변화하기 때문에, Si-C 용액은 로런츠 힘을 받는다. 도가니 내의 Si-C 용액은, 로런츠 힘에 의해 유동해, 교반된다. 따라서, 자속이 도가니 내부에 침투할수록, Si-C 용액이 받는 로런츠 힘이 커져, Si-C 용액은 교반되기 쉽다.

자속은, 도가니 및 Si-C 용액에 유도 전류를 발생시킨다. 그 때문에, 도가니 및 Si-C 용액에는, 줄 열이 발생한다. 따라서, 자속이 도가니 내부에 침투할수록, 도가니 및 Si-C 용액에 발생하는 줄 열은 커져, 도가니 및 Si-C 용액은 가열되기 쉽다.

고주파 코일의 중심의 자속의 세기는, 코일 반경에 반비례한다. 즉, 코일 반경이 클수록, 코일에 발생하는 자속의 세기는 작아진다. 자속의 세기가 작아짐에 따라, 로렌트 힘 및 줄 열의 크기도 작아진다.

상술한 바와 같이, 도가니 내의 Si-C 용액을 교반 및 가열하려면, 자속을 도가니 내부에 침투시킬 필요가 있다. 그러나, 도가니의 통부에는 두께가 있어서 자속의 침투가 방해된다. 그 때문에, 도가니 내의 Si-C 용액은 교반 및 가열되기 어렵다.

본 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조에 이용되는 도가니의 통부의 외주면에는, 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되는 홈이 형성된다. 홈이 형성된 부분의 통부의 두께는 얇다. 그 결과, 고주파 코일에 의한 자속이 도가니의 내부에 침투하기 쉬워져, Si-C 용액이 교반 및 가열되기 쉽다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여해 그 설명은 반복하지 않는다.

［제조 장치］

도 1은, 본 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조 장치의 전체도이다. 도 1을 참조하여, 제조 장치(1)는, 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조에 이용된다. 제조 장치(1)는, 챔버(2), 유도 가열 장치(3), 단열재(4), 도가니(5), 시드 샤프트(6), 구동 장치(9) 및 회전 장치(200)를 구비한다.

챔버(2)는, 유도 가열 장치(3), 단열재(4) 및 도가니(5)를 수용한다. SiC 단결정을 제조할 때, 챔버(2)는 냉각된다.

단열재(4)는, 하우징형상이다. 단열재(4)는, 도가니(5)를 내부에 수납하고, 보온한다. 단열재(4)는, 상측 덮개 및 바닥부의 중앙에 관통 구멍을 갖는다. 상측 덮개의 관통 구멍에는, 시드 샤프트(6)가 통과시켜진다. 바닥부의 관통 구멍에는, 회전 장치(200)가 통과시켜진다.

시드 샤프트(6)는, 챔버(2)의 상방으로부터 하방을 향해 연장된다. 시드 샤프트(6)의 상단은, 구동 장치(9)에 부착된다. 시드 샤프트(6)는, 챔버(2) 및 단열재(4)를 관통한다. 결정 성장시, 시드 샤프트(6)의 하단은, 도가니(5) 내에 배치된다. 시드 샤프트(6)는, 하단에 종결정(8)을 부착 가능하고, SiC 단결정의 제조시에, 하단에 종결정(8)이 부착된다. 종결정은, SiC 단결정인 것이 바람직하다. 구동 장치(9)에 의해, 시드 샤프트(6)는 승강하는 것이 가능하다. 또한, 시드 샤프트(6)는, 구동 장치(9)에 의해 축 둘레로 회전하는 것이 가능하다.

회전 장치(200)는, 도가니(5)의 외부 바닥부(52C)에 부착된다. 회전 장치(200)는, 단열 용기(4)의 하면 및 챔버(2)의 하면을 관통한다. 회전 장치(200)는, 도가니(5)를 도가니 중심축 둘레로 회전시키는 것이 가능하다. 회전 장치(200)는, 도가니(5)를 승강시키는 것도 가능하다.

유도 가열 장치(3)는, 도가니(5)의 둘레, 보다 구체적으로는, 단열재(4)의 둘레에 배치된다. 유도 가열 장치(3)는 예를 들면, 고주파 코일이다. 이 경우, 고주파 코일의 축은 제조 장치(1)의 연직방향을 향한다. 바람직하게는, 고주파 코일은, 시드 샤프트(6)와 동축에 배치된다.

도가니(5)는, Si-C 용액(7)을 수용한다. 바람직하게는, 도가니(5)는, 탄소를 함유한다. 이 경우, 도가니(5)는, Si-C 용액(7)으로의 탄소의 공급원이 된다. 도가니(5)는 예를 들면, 흑연제이다. 도가니(5)는, 유도 가열 장치(3)에 의해 가열된다. 그로 인해, Si-C 용액의 생성시나 SiC 단결정의 결정 성장시, 도가니(5)는 Si-C 용액(7)을 가열하는 열원이 된다.

Si-C 용액(7)은, SiC 단결정의 원료이며, 실리콘(Si)과 탄소(C)를 함유한다. Si-C 용액(7)은 또한, Si 및 C 이외의 다른 금속 원소를 함유해도 된다. Si-C 용액(7)은, Si 또는 Si과 다른 금속 원소의 혼합물(Si 합금)의 융액에, 탄소(C)가 용해됨으로써, 생성된다.

SiC 단결정을 제조할 때, 시드 샤프트(6)를 하강시켜, 종결정(8)을 Si-C 용액(7)에 침지한다. 이때, 도가니(5) 및 그 주변은, 결정 성장 온도로 유지된다. 결정 성장 온도는, Si-C 용액의 조성에 의존한다. 일반적인 결정 성장 온도는 1600~2000℃이다. Si-C 용액을 결정 성장 온도로 유지하면서, SiC 단결정을 성장시킨다.

［제1의 실시형태］

［도가니(5)의 형상］

도 2는, 도 1 중의 도가니(5)의 사시도이다. 도 3은, 도 2 중의 도가니(5)의 III-III면에서의 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 도가니(5)는, 통부(51)와 바닥부(52)를 구비한다. 통부(51)는 통형상이며, 예를 들면 원통이다. 통부(51)는, 외주면(51A) 및 내주면(51B)을 포함한다. 통부(51)의 내경은, 시드 샤프트(6)의 외경보다 충분히 크다. 바닥부(52)는, 외주면(52A), 내부 바닥면(52B) 및 외부 바닥면(52C)을 포함한다. 외주면(52A)은, 외주면(51A)과 매끄럽게 이어진다. 내부 바닥면(52B)은, 내주면(51B)와 매끄럽게 이어진다. 외부 바닥면(52C)은, 내부 바닥면(52B)의 반대측에 배치된다.

도 2 및 도 3에서는, 바닥부(52)는 원판형상이다. 통부(51)와 바닥부(52)는 일체 성형되어 있어도 되고, 별개의 부재여도 된다.

통부(51)의 외주면(51A)은, 복수의 홈(10)을 갖는다. 홈(10)은, 통부(51)의 둘레방향과 교차하여 연장된다. 도 2 및 도 3에서는, 홈(10)은, 통부(51)의 원주방향에 대해 수직(즉, 도가니(5)의 연직방향)으로 연장된다.

도 4는, 도 2 중의 도가니(5)의 IV-IV면에서의 단면도이다. 도 4를 참조하여, 복수의 홈(10)은, 외주면(51A)의 둘레방향으로 배열된다. 도 4에서는, 복수의 홈(10)은, 등간격으로 배열된다.

상술한 바와 같이, 통부(51) 중, 홈(10)이 형성된 부분의 두께는, 홈(10)이 형성되어 있지 않은 부분의 두께보다 얇다. 그 때문에, 홈(10)이 형성되어 있지 않은 경우에 비해, 유도 전류가 도가니의 보다 내측을 흐르므로, 고주파 코일에 의한 자속이, 도가니(5)의 내부까지 침투하기 쉽다. 그 때문에, Si-C 용액이 교반되기 쉽다.

여기서, 고주파 코일에 의해 발생하는 자속의 방향은, 코일축과 같은 방향이다. 즉, 자속의 방향은, 통부(51)의 둘레방향과 직교한다. 그 때문에, 홈(10)이 통부(51)의 둘레방향과 교차하는 경우, 자속은, 홈(10)과 교차한다. 즉, 자속은, 통부(51)의 두께가 작은 부분과 교차하기 때문에, 도가니 내부에 침투하기 쉽다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 홈(10)이 통부(51)의 축방향으로 연장되어 있으면(통부(51)의 둘레방향과 직각으로 교차하고 있으면), 자속은, 홈(10)과 교차하지 않고, 도가니 내부에 침투한다. 이 경우, 자속은, 통부(51)의 두께가 큰 부분을 통과하지 않기 때문에, 더욱 도가니 내부에 침투하기 쉽다.

자속이 침투하기 쉬워지면 또한, 도가니 중심 부근에서 Si-C 용액(7)에 발생하는 유도 전류도, 홈(10)이 형성되어 있지 않은 경우에 비해 커진다. 그 때문에, Si-C 용액(7)에 발생하는 줄 열이 커져, Si-C 용액(7)의 가열이 촉진된다.

홈(10)의 깊이의 하한은, 통부(51)의 두께의 10%가 바람직하다. 홈(10)의 깊이의 상한은, 통부(51)의 두께의 90%가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 홈(10)의 깊이의 하한은, 통부(51)의 두께의 30%이며, 상한은 70%이다. 홈(10)의 단면 형상은, 직사각형으로 한정되지 않는다. 홈(10)의 단면 형상은, 반원, 반타원 등이어도 된다. 요컨대, 홈(10)의 단면 형상은, 통부(51)의 두께를 부분적으로 얇게 해, 자속을 도가니 내부에 침투하기 쉽게 할 수 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 도 4에서는, 외주면(51A)에 8개의 홈(10)이 형성된다. 그러나, 홈(10)의 수는 특별히 한정되지 않는다. 외주면(51A)에 형성되는 홈(10)이 1개여도, 어느 정도의 효과를 얻을 수 있다. 홈(10)은 복수(2 이상)여도 된다.

바람직하게는, 홈(10)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 외주면 51의 둘레에 등간격으로 배치된다. 이 경우, 자속은 둘레방향으로 균일하게 침투하므로, Si-C 용액(7)은 둘레방향으로 균일하게 교반 및 가열되기 쉽다.

도 2 및 도 3에서는, 홈(10)의 하단은, Si-C 용액(7)의 액면(71)보다 하방에 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 홈(10)은, 측면에서 봤을 때, 적어도 내부 바닥면(52B)에서부터 Si-C 용액(7)의 액면(71)까지 연장된다.

이 경우, 측면에서 봤을 때, 홈(10)이 Si-C 용액(7)과 중복된다. 그로 인해, 자속은 Si-C 용액부에 직접 침투하기 쉬워, Si-C 용액(7)의 교반 및 가열이 더욱 촉진된다.

도 4에서는, 홈(10)이 내부 바닥면(52B)에서부터 액면(71)까지 연장된다. 그러나, 홈(10)이 연장되는 위치는 내부 바닥면(52B)에서부터 액면(71)까지로 한정되지 않는다. 측면에서 봤을 때 홈(10)이 Si-C 용액(7)과 중복되지 않아도, 자속은 Si-C 용액(7)에 어느 정도 침투한다. 단, 홈(10)의 하단이 액면(71)보다 하방에 배치되어, 홈(10)의 적어도 일부가 Si-C 용액(7)과 중복되는 것이, 자속이 Si-C 용액(7)에 침투하기 쉽다.

［제2의 실시형태］

［도가니(50)의 형상］

도가니의 내부 바닥면은, 오목형상인 경우가 있다. 내부 바닥면이 오목형상인 경우, 내부 바닥면 근방의 Si-C 용액을 더욱 교반할 수 있는 것이 바람직하다.

도 5는, 제2의 실시형태에 의한 SiC 단결정의 제조 장치에 이용되는 도가니(50)의 종단면도이다. 도 5를 참조하여, 도가니(50)는, 통부(51)와, 바닥부(520)를 구비한다. 도가니(50)의 통부(51)는, 도 2 및 도 3에 나타낸 도가니(5)의 통부(51)와 동일하다.

바닥부(520)는, 바닥부(52)의 평탄한 내부 바닥면(52B) 대신에, 오목형상의 내부 바닥면(520B)을 구비한다. 도 5에서는, 내부 바닥면(520B)의 종단면 형상은 활형상이며, 오목형상으로 만곡한다.

오목형상의 내부 바닥면(520B) 내를 채우는 Si-C 용액(7)을 교반하기 위해서는, 내부 바닥면(520B) 근방까지 홈이 형성되는 것이 바람직하다. 그래서, 바닥부(520)의 외주면(52A)은, 복수의 홈(100)을 구비한다. 홈(100)은 홈(10)과 마찬가지로, 통부(51)의 둘레방향과 교차하여 연장된다. 홈(100)은 또한, 바닥부(520)의 상부로부터 외부 바닥면(52C)을 향해 깊어진다. 구체적으로는, 홈(100)의 하부(외부 바닥면(52C) 근방)의 깊이(DB)는, 홈(100)의 상부의 깊이(DU)보다 크다.

이 경우, 홈(100)이, 오목형상의 내부 바닥면(520B) 근방까지 형성된다. 그로 인해, 오목형상의 내부 바닥면(520B) 내를 채우는 Si-C 용액(7)에도 자속이 침투해, 교반 및 가열이 촉진된다.

제1의 실시형태와 마찬가지로, 홈(100)이 통부(51)의 축방향으로 연장되어 있으면(통부(51)의 둘레방향과 직각으로 교차하고 있으면), 자속은, 더욱 도가니(50) 내부에 침투하기 쉬워진다.

［제조 방법］

본 실시형태에 의한 제조 방법은, 준비 공정과, 생성 공정과, 성장 공정을 구비한다. 준비 공정에서는, 제조 장치(1)를 준비하여, 종결정(8)을 시드 샤프트(6)에 부착한다. 생성 공정에서는, 유도 가열 장치(3)를 이용해 Si-C 용액(7)을 생성한다. 성장 공정에서는, 종결정(8)을 Si-C 용액(7)에 접촉시켜, SiC 단결정을 성장시킨다. 이하, 각 공정을 설명한다.

［준비 공정］

도 1을 참조하여, 준비 공정에서는, 상술한 제조 장치(1)를 준비한다. 이어서, 제조 장치(1)의 시드 샤프트(6)의 하단에 종결정(8)을 부착한다.

［생성 공정］

생성 공정에서는, 도가니(5) 내의 Si-C 용액(7)의 원료를 가열해, Si-C 용액(7)을 생성한다. 챔버(2) 내의 회전 장치(200) 위에, 도가니(5)를 배치한다. 도가니(5)는, Si-C 용액(7)의 원료를 수용한다. 도가니(5)는, 회전 장치(200)와 동축에 배치되는 것이 바람직하다. 단열 용기(4)는, 도가니(5)의 둘레에 배치된다. 유도 가열 장치(3)는, 단열 용기(4)의 둘레에 배치된다.

이어서, 챔버(2) 내에 불활성 가스를 충전한다. 불활성 가스는 예를 들어, 헬륨이나 아르곤이다. 챔버(2) 내의 압력은 대기압이 바람직하다. 챔버(2) 내의 압력이 대기압 미만(감압) 또는 챔버(2) 내가 진공인 경우, 도가니(5) 내의 Si-C 용액(7)이 증발되기 쉽다. Si-C 용액(7)이 증발되면, Si-C 용액(7)의 액면의 변동량이 커져 SiC 단결정의 성장이 불안정해진다. 유도 가열 장치(3)는, 도가니(5) 및 도가니(5) 내의 Si-C 용액(7)의 원료를 가열한다. Si-C 용액의 원료는, 예를 들면, Si 또는 Si와 다른 금속 원소의 혼합물(Si 합금)이다. 가열된 Si-C 용액(7)의 원료는, 융해된다. 이 융액에, 예를 들면 흑연으로 이루어지는 도가니(5)로부터 탄소가 용해됨으로써, Si-C 용액(7)이 생성된다.

［성장 공정］

Si-C 용액(7)이 생성된 후, 종결정(8)을 Si-C 용액(7)에 침지한다. 구체적으로는, 시드 샤프트(6)를 강하시켜, 시드 샤프트(6)의 하단에 부착된 종결정(8)을, Si-C 용액(7)에 접촉시킨다. 종결정(8)을 Si-C 용액(7)에 접촉시킨 후, 유도 가열 장치(3)는, 도가니(5) 및 Si-C 용액(7)을 가열해 결정 성장 온도로 유지한다. 결정 성장 온도는, Si-C 용액(7)의 조성에 의존한다. 일반적인 결정 성장 온도는 1600~2000℃이다.

이어서, 종결정(8)의 근방의 Si-C 용액(7) 부분을 과냉각해, SiC를 과포화 상태로 한다. 과냉각하는 방법은 예를 들어, 유도 가열 장치(3)를 제어하여, 종결정(8)의 근방의 온도를, Si-C 용액(7)의 다른 부분의 온도보다 낮게 한다. 종결정(8)의 근방을 냉매에 의해 냉각해도 된다. 구체적으로는, 시드 샤프트(6)의 내부에 냉매를 순환시킨다. 냉매는 예를 들어, 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 가스이다.

실시예 1

홈의 형상이 상이한 복수의 도가니를 상정하고, 각 도가니에서의 Si-C 용액의 열유동을 시뮬레이트했다.

［시뮬레이트 방법］

시뮬레이션에서는, 도 1에 나타낸 제조 장치(1)와 동일한 구성을 갖는 SiC 단결정의 제조 장치를 상정했다. 축대칭 RZ 좌표계를 이용하여, 열유동 해석을 행했다. 유도 가열 장치(3)를 고주파 코일로 했다. 고주파 코일에 인가하는 교류 전류를 6kHz로 했다. 전류값은 520~565A의 범위로 했다.

열유동 해석에서는, 홈의 형상이 상이한 3개의 도가니(S1~S3)를 계산 모델에 설정했다. S1의 도가니는, 홈을 갖지 않았다. S2의 도가니는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 통부의 외주면에 통부 하단에서부터 상단까지 연장되는 홈을 가졌다. 홈은, 통부의 둘레방향과 직각으로 교차하는 형상이며, 통부 둘레방향으로 등간격으로 8개 배치된 형상이었다. S3의 도가니는, 도 5에 나타낸 도가니(50)와 마찬가지로, S2의 도가니에 또한, 바닥부에 홈을 추가한 형상이었다. S2 및 S3의 홈의 치수는, 폭 6mm, 깊이 4mm, 길이 155mm였다. 또한, S3의 홈의 깊이(DB)(도 5 참조)는 30mm였다.

상기 설정 조건으로, 시뮬레이션에 의한 열유동 해석을 실시했다. 시뮬레이션에는, 범용의 열유동 해석 어플리케이션(COMSOL사 제조, 상품명 COMSOL-Multiphysics)을 이용했다.

［시뮬레이트 결과］

시뮬레이트 한 결과를 도 6에 나타냈다. 도 6은, 도가니 S3으로 시뮬레이트 한 경우의 온도 분포도이다. 도 6 중에는, 등온선이 그려져 있다.

도 6을 참조하여, 도 6 중의 Si-C 용액(7) 내의 등온선은 적다. 따라서, 도가니 S3 내의 Si-C 용액(7)의 영역은, 온도 변화가 작아 균열되었다.

［가열 효과에 대해서］

도 7은, S1~S3의 Si-C 용액 표면의 반경방향의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 횡축은, 도가니 중심으로부터의 반경방향의 거리(mm)를 나타낸다. 종축은, Si-C 용액의 표면 온도(℃)를 나타낸다. 도 7 중의 파선은, S1의 결과를 나타낸다. 실선은 S2의 결과를 나타낸다. 일점쇄선은, S3의 결과를 나타낸다.

도 7을 참조하여, 통부의 외주면에 홈을 갖는 S2 및 S3의 반경방향의 표면 온도는, 홈을 갖지 않는 S1에 비해, 균일했다. 또한, S2 및 S3의 도가니 중앙의 Si-C 용액의 표면 온도는, S1에 비해 높았다.

도 8은, S1~S3의 도가니 내의 도가니 중심축부의 연직방향의 온도 분포를 나타낸다. 횡축은, 도가니 내부 바닥면으로부터의 연직방향의 거리를 나타낸다. 종축은 온도를 나타낸다. 도 8 중의 파선은 S1의 결과를 나타낸다. 실선은 S2의 결과를 나타낸다. 일점쇄선은 S3의 결과를 나타낸다.

도 8을 참조하여, S2 및 S3에서는, Si-C 용액의 온도는 깊이방향에 있어서도, S1에 비해 균일했다. 이에 대해, S1에서는, 깊이방향의 Si-C 용액의 온도가 불균일하며, 내부 바닥을 향함에 따라서, 온도가 저하되었다.

［교반 효과에 대해서］

도 9는, S1~S3에 있어서의 Si-C 용액의 용액 표면에서의 반경방향의 속도 분포를 나타낸다. 횡축은, 도가니 중심으로부터의 반경방향의 거리를 나타낸다. 종축은, 반경방향의 속도 성분을 나타낸다. 여기서, 양의 값의 속도는, 도가니중심으로부터 외주면을 향하는 방향을 나타낸다. 도 9 중의 파선은 S1의 결과를 나타낸다. 실선은 S2의 결과를 나타낸다. 일점쇄선은 S3의 결과를 나타낸다. 도 9를 참조하여, 반경방향의 속도 성분은 S3이 가장 컸다. 다음으로 S2이며, S1이 가장 작았다.

도 10은, S1~S3의 도가니 내의 도가니 중심축부의 연직방향의 속도 분포를 나타낸다. 횡축은, 도가니 내부 바닥면으로부터의 연직방향의 거리를 나타낸다. 종축은, 연직방향의 속도 성분을 나타낸다. 도 10 중의 파선은 S1의 결과를 나타낸다. 실선은 S2의 결과를 나타낸다. 일점쇄선은 S3의 결과를 나타낸다. 도 10을 참조하여, 연직방향의 속도 성분은 S3이 가장 컸다. 다음으로 S2이며, S1이 가장 작았다.

유동 해석에 의해 산출한, Si-C 용액의 최대 유속의 절대치는, S1은 0.198m/s, S2는 0.215m/s, S3은 0.268m/s였다. 이 결과로부터, 본 실시형태의 도가니는, 홈을 갖지 않는 도가니 S1에 비해, Si-C 용액에 보다 큰 로런츠 힘을 가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 실시형태의 도가니는, 홈을 갖지 않는 도가니 S1에 비해, Si-C 용액을 보다 교반할 수 있었다.

실시예 2

실시예 2에서는, 외주면의 홈의 형상을 변경한 도가니(E1 및 E2)를 이용하여, SiC 단결정을 제조했다. 그리고, 제조된 SiC 단결정의 질을 평가했다.

도가니 E1은, 흑연제로, 내경 110mm, 외경 130mm의 원통형이었다. 도가니 E1의 내부 바닥면은 반구상으로 패여 있었다. 본 실시예에서 이용한 종 결정은, SiC 단결정이었다. 시드 샤프트에 부착된 SiC종 결정의 직경은 2인치였다. Si-C 용액의 원료는, 원자비로, Si:Cr=6:4였다. SiC종 결정 근방의 온도는 1950도였다. 결정 성장 시간은 10시간이었다.

도가니 E2는, 도가니 E1의 통부의 외주면에, 통부의 축방향을 따라서, 통부의 하단에서부터 상단까지 연장되는 8개의 홈을 가졌다. 각 홈은, 통부의 축둘레에 등간격으로 배치되었다. 홈의 치수는, 폭 6mm, 깊이 4mm, 길이 155mm였다. 그 밖의 도가니 E2의 구성은, 도가니 E1의 구성과 동일했다. 또한, SiC 단결정의 제조 조건은, 도가니 E1을 이용한 SiC 단결정의 제조시의 제조 조건과 동일했다.

［평가］

제조된 SiC 단결정의 결정 성장면의 표면을, 광학 현미경을 이용하여 관찰했다.

도 11은, E1의 도가니에서 제조된 SiC 단결정의 결정 성장면의 표면의 확대 사진이다. 도 11을 참조하여, 결정 표면에는 많은 SiC 다결정의 부착을 확인할 수 있었다.

도 12는, E2의 도가니에서 제조된 SiC 단결정의 결정 성장면의 표면의 확대 사진이다. 도 12를 참조하여, 결정 표면에는 SiC 다결정의 부착은, 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. 본 실시형태의 SiC 단결정의 제조 방법에서는, 종래보다 내경이 큰 도가니를 이용해도, 양질의 SiC 단결정을 제조할 수 있었다.

이상, 본 실시형태에 대해서 상술해 왔는데, 이들은 어디까지나 예시이며, 본 발명은, 상술한 실시형태에 의해서 전혀 한정되지 않는다.

3:유도 가열 장치
5, 50:도가니
51:통부
51A:통부 외주면
52, 520:바닥부
52A:바닥부 외주면
52B, 520B:바닥부 내부 바닥면
52C:바닥부 외부 바닥면
7:Si-C 용액
10, 100:홈

Claims

용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 장치로서,
제1 외주면 및 내주면을 포함하는 통부와, 상기 통부의 하단에 배치되고 내부 바닥면을 형성하는 바닥부를 포함하고, Si-C 용액을 수용 가능한 도가니와,
하단에 종결정을 부착 가능한 시드 샤프트와,
상기 도가니의 상기 통부의 둘레에 배치되고, 상기 도가니 및 상기 Si-C 용액을 가열하는 유도 가열 장치를 구비하고,
상기 제1 외주면은, 상기 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되는 제1의 홈을 포함하는, SiC 단결정의 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1의 홈은 상기 통부의 축방향으로 연장되는, SiC 단결정의 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1의 홈의 하단은 상기 Si-C 용액의 액면보다 하방에 배치되는, SiC 단결정의 제조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1의 홈은, 측면에서 봤을 때, 적어도 상기 도가니의 상기 내부 바닥면에서부터 상기 Si-C 용액의 액면까지 연장되는, SiC 단결정의 제조 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바닥부는,
상기 제1 외주면과 연결되는 제2 외주면과,
상기 제2 외주면의 하단에 배치되는 외부 바닥면을 포함하고,
상기 내부 바닥면은 오목 형상을 갖고,
상기 제2 외주면은 상기 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되고, 상기 외부 바닥면을 향해 깊어지는 제2의 홈을 포함하는, SiC 단결정의 제조 장치.
용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 장치에 이용되고, Si-C 용액을 수납 가능한 도가니로서,
제1 외주면 및 내주면을 포함하는 통부와,
상기 통부의 하단에 배치되고 내부 바닥면을 형성하는 바닥부를 포함하고
상기 통부는,
상기 제1 외주면에, 상기 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되는 제1의 홈을 포함하는, 도가니.
청구항 6에 있어서,
상기 제1의 홈은 상기 통부의 축방향으로 연장되는, 도가니.
청구항 6에 있어서,
상기 제1의 홈의 하단은 상기 Si-C 용액의 액면보다 하방에 배치되는, 도가니.
청구항 8에 있어서,
상기 제1의 홈은, 측면에서 봤을 때, 적어도 상기 도가니의 상기 내부 바닥면에서부터 상기 Si-C 용액의 액면까지 연장되는, SiC 단결정의 제조에 이용되는 도가니.
청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바닥부는,
상기 제1 외주면과 연결되는 제2 외주면과,
상기 제2 외주면의 하단에 배치되는 외부 바닥면을 포함하고,
상기 내부 바닥면은 오목 형상이며,
상기 제2 외주면은 상기 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되고, 상기 외부 바닥면을 향해 깊어지는 제2의 홈을 포함하는, 도가니.
용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법으로서,
제1 외주면 및 내주면을 포함하는 통부와, 상기 통부의 하단에 배치되고 내부 바닥면을 형성하는 바닥부를 포함하고, Si-C 용액의 원료가 수용되는 도가니와, 하단에 종결정이 부착된 시드 샤프트와, 상기 도가니의 상기 통부의 둘레에 배치되고, 상기 도가니 및 상기 Si-C 용액을 가열하는 유도 가열 장치를 구비하고, 상기 제1 외주면은, 상기 통부의 둘레방향과 교차하여 연장되는 제1의 홈을 포함하는, SiC 단결정의 제조 장치를 준비하는, 준비 공정과,
상기 도가니 내의 상기 원료를 가열하여 용융해, 상기 Si-C 용액을 생성하는 생성 공정과,
상기 Si-C 용액에 상기 종결정을 접촉시키고, 상기 유도 가열 장치에 의해 상기 Si-C 용액을 가열 및 교반하면서, 상기 종결정 상에서 상기 SiC 단결정을 성장시키는 성장 공정을 포함하는, 제조 방법.