KR20180037204A

KR20180037204A - SiC 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180037204A
Application number: KR1020187004560A
Authority: KR
Inventors: 나오후미 신야; 유 하마구치; 노리오 야마가타; 오사무 야마다; 다케히사 미노와
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-04-11
Also published as: CN107849734A; JP2017031034A; TWI747834B; WO2017022535A1; US20180230623A1; TW201718959A; EP3333287A1; EP3333287A4

Abstract

본 발명에서는, 용액법으로 SiC 단결정을 제조할 때, Si-C 용액의 수용부로서 사용하는 도가니로서, SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용한다. 또한, 다른 형태에서는, Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용한다. 이들 주성분인 SiC는 Si 및 C의 원이 되고, 가열에 의해 Si-C 용액 중에 Si 및 C가 용출되지만, 산소 함유량이 100ppm 이하이기 때문에 Si-C 용액 중에서의 가스 발생이 억제된다. 그 결과, 저결함이며 고품질인 SiC 단결정을 장시간에 걸쳐 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다.

Description

SiC 단결정의 제조 방법

본 발명은 탄화규소(SiC)의 결정 성장 기술에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 저결함이며 고품질인 SiC 단결정을 장시간에 걸쳐 안정적으로 제조하는 것을 가능하게 하는 기술에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 와이드 밴드 갭 반도체 재료이며, 열전도성 및 화학적 안정성이 우수하고, 절연 파괴 특성 및 포화 드리프트 속도 등의 트랜지스터 특성의 관점에서도, 파워 디바이스로서의 우수한 기본적 물리 특성을 갖고 있다. 이러한 이유에 의해, SiC는, 차세대의 파워 디바이스용 재료로서의 기대가 높아지고 있고, SiC 파워 디바이스의 제품화도 보고되고 있다.

그러나, SiC 기판은, Si 기판에 비해 고가일 뿐 아니라, 단결정 기판의 저결함화·고품질화가 충분하지 않다는 문제가 있다.

저결함이며 고품질인 SiC 단결정 기판의 제조가 어려운 주된 이유는, 상압 하에서는 융해되지 않는 데 있다. 반도체 디바이스용 기판으로서 널리 사용되는 Si의 경우, 상압 하에서의 융점은 1414℃이고, 이 Si 융액으로부터, CZ법이나 FZ법에 의해 저결함·고품질이며 대구경인 단결정을 얻을 수 있다.

이에 비해, SiC의 경우, 상압 하에서 가열하면, 2000℃ 정도의 온도에서 승화되어버리기 때문에, CZ법이나 FZ법에 의한 결정 성장 방법은 채용할 수 없다. 그 때문에, 현재는, SiC 단결정은, 주로, 개량 렐리(Lely)법을 비롯한 승화법에 의해 제조되고 있다. 승화법은, 현시점에서 SiC 단결정 양산화의 유일한 방법이며, 이 방법으로 제조된 4인치 직경의 SiC 단결정 기판은 널리 시판되고 있으며, 6인치 직경의 SiC 단결정 기판을 양산화한다는 보고도 있다.

그러나, 승화법에 의해 얻어진 SiC 단결정을 사용하여 파워 디바이스를 제작해도, 그 특성은 반드시 충분하다고는 할 수 없다. 그 원인은, SiC 단결정의 저결함화가 용이하지 않은 데 있다. 승화법에 의한 결정 성장은, 기상으로부터의 석출 현상이며, 성장 속도는 늦고, 반응 공간 내의 온도 관리도 어렵다. 근년에는, 각종 연구 개발 기관에 의한 정력적인 개량·개선의 결과, 마이크로 파이프의 전이 밀도는 저감되고 있기는 하지만, 관통 나선 전이나 날 형상 전이, 기저면 전이 등의, 디바이스의 전기 특성에 영향을 주는 격자 결함에 대해서는, 아직, 높은 밀도에서 내재하고 있는 상황에 있다.

그래서, 최근에는, 용액법에 의한 탄화규소의 결정 성장 방법이 주목되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 3 등을 참조). 상술한 바와 같이, SiC 그 자체는, 상압 하에서는 융해되지 않는다. 그래서, 용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법에서는, 흑연 도가니 내의 Si 융액에, 도가니의 하방 고온부로부터 C를 용해시키고, 이 Si-C 융액에 SiC 종결정을 접촉시켜, SiC 종결정 상에 에피택셜 성장시켜 SiC 단결정을 얻고 있다. 이러한 용액법에서는, SiC의 결정 성장이, 열평형에 지극히 가까운 상태에서 진행되기 때문에, 승화법으로 얻어진 SiC 단결정과 비교하여, 저결함의 것이 얻어진다.

SiC 단결정을 얻기 위한 용액법에는, 다양한 방법이 있고, 비특허문헌 1(SiC 파워 디바이스 최신 기술)에서는, (a) 용매 이동 결정 성장법(TSM: Traveling Solvent Method), (b) 서냉법(SCT: Slow Cooling Technique), (c) 증기 기상 고상법(VLS: Vapor Liquid Solid), (d) 교배 용액 성장법(TSSG: Top Seeded Solution Growth)의 4가지로 크게 구별되어 있다. 본 명세서에서 사용하는 「용액법」이라는 용어는, 교배 용액 성장법(TSSG: Top Seeded Solution Growth)을 의미한다.

용액법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법에서는, 흑연 도가니 내에 Si 융액을 형성하지만, Si 융액으로의 C의 용해도는 1at％ 정도로 매우 작기 때문에, 일반적으로, C를 용해시키기 쉽게 하기 위해 Si 용액 중에 전이 금속 등을 첨가한다(특허문헌 1 내지 3 등을 참조). 첨가 원소로서는, Ti나 Cr, Ni, Fe 등의 전이 금속을 비롯하여, Al이나 Sn, Ga 등의 저융점 금속, 나아가 각종 희토류 원소 등이 보고되어 있다.

이러한 첨가 원소의 종류와 양은, C의 용해를 조장시키는 것, 용액으로부터 SiC가 초기 결정으로서 석출되고 잔부가 액상으로서 순조롭게 평형되는 것, 첨가 원소가 탄화물이나 그 밖의 상을 석출시키지 않는 것, SiC의 결정 다형 중 목적으로 하는 다형이 안정되게 석출되는 것, 나아가 가능한 한 단결정의 성장 속도를 높게 하는 용액 조성으로 하는 것 등을 고려하여 결정된다.

종래법의 용액법에 의한 SiC 단결정의 성장은, 일반적으로, 하기와 같은 수순에 의해 행해진다. 우선, 탄소 또는 흑연을 포함하는 도가니에 Si 원료를 수용하고, 이것을 불활성 가스 분위기 하에서 가열하여 융해시킨다. C 성분은 도가니로부터 Si 용액 중에 공급되어, Si-C 용액이 된다. Si 원료와 함께 탄소 화합물을 도가니에 수용하고, 이것을 용융시키는 경우도 있다. 이러한 Si-C 용액에 C 성분이 충분히 용해된 후에 SiC의 종단결정을 용액에 접촉시키고, 용액 전체에 형성시킨 온도 구배를 이용하여 단결정을 성장시킨다.

그러나, 이와 같은 종래의 용액법에는, 하기와 같은 문제점이 있다.

제1은, SiC의 단결정 성장에 따라서, Si-C 용액으로부터 서서히 Si 성분이 상실되어, 용액 조성이 점차 변화되어버리는 문제이다. SiC의 단결정 성장 중에 용액 조성이 변화되면, 당연히 SiC의 석출 환경은 변화된다. 그 결과, SiC의 단결정 성장을, 장시간 안정되게 계속하는 것은 어려워진다.

제2는, 도가니로부터의 C가 과잉으로 융해되는 문제이다. SiC의 단결정 성장에 따라서 Si-C 용액으로부터 서서히 Si 성분이 상실되는 한편, C는 계속적으로 도가니로부터 공급된다. 그 때문에, Si-C 용액에는, 상대적으로 C가 과잉으로 융해되는 결과가 되어, 용액 중의 Si/C 조성비가 변화되어버린다.

제3은, Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면(내벽면)에서의 SiC 다결정의 석출 문제이다. 상술한 바와 같이, 도가니로부터 Si-C 용액 중에 C가 과잉으로 융해되면, 도가니 내벽면에 미세한 SiC 다결정이 발생하기 쉬워진다. 그리고, 이러한 SiC 다결정(잡결정)은, SiC 용액 중에 부유하며, 결정 성장 중의 SiC 단결정과 Si-C 용액의 고액 계면 근방에 다다라, 단결정 성장을 저해하는 결과가 된다.

일본 특허 공개 제2000-264790호 공보 일본 특허 공개 제2004-002173호 공보 일본 특허 공개 제2006-143555호 공보

「SiC 파워 디바이스 최신 기술」 제1절 1.2 SiC 용액 성장의 방법 41 내지 43페이지(사이언스&테크놀로지 가부시키가이샤, 2010년 5월 14일 간행).

본 발명은, 이러한 종래법이 안고 있는 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 종래의 흑연 도가니를 사용하는 방법에 비해, S-C 용액의 조성 변동을 적게 하고, 도가니의 내벽에 석출되는 다결정의 발생도 억제함으로써, 저결함이며 고품질인 SiC 단결정을 얻기 위한 기술을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 제1 형태의 SiC 단결정의 제조 방법은, 용액법에 의한 탄화규소의 결정 성장 방법이며, Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용하고, 상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면의 고온 영역으로부터 해당 도가니의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고, 상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제2 형태의 SiC 단결정의 제조 방법은, 용액법에 의한 탄화규소의 결정 성장 방법이며, Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용하고, 상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 소결체 표면으로부터 해당 소결체의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고, 상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 Si-C 용액에는, 해당 Si-C 용액 중으로의 C 용해도를 높이는 효과를 갖는 금속 원소 M이 미리 첨가된다.

예를 들어, 상기 금속 M은, 제1 금속 원소 M1(M1은, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소)과 제2 금속 원소 M2(M2는, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소) 중 적어도 한쪽의 금속 원소이다.

바람직하게는, 상기 금속 M은, 상기 제1 금속 원소 M1과 상기 제2 금속 원소 M2의 양쪽의 금속 원소이며, 해당 금속 M의 상기 Si-C 용액 중의 총 함유량을 1at％ 내지 80at％로 한다.

또한, 바람직하게는, 상기 제1 금속 원소 M1의 상기 Si-C 용액 중의 함유량을 10at％ 이상으로 하고, 상기 제2 금속 원소 M2의 상기 Si-C 용액 중의 함유량을 1at％ 이상으로 한다.

다른 형태에서는, 상기 금속 M은, Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Zn의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소이다.

바람직하게는, 상기 가열에 의해, 상기 Si-C 용액을 1300℃ 내지 2300℃의 온도 범위로 제어한다.

다른 형태에서는, 상기 가열이, 상기 도가니를 내열성 탄소 재료를 포함하는 제2 도가니 내에 수용한 상태에서 행해진다.

본 발명에서는, 용액법으로 SiC 단결정을 제조할 때, Si-C 용액의 수용부로서 사용하는 도가니로서, SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용한다. 또한, 다른 형태에서는, Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용한다.

이들 주성분인 SiC는 Si 및 C의 원이 되고, 가열에 의해 Si-C 용액 중에 Si 및 C가 용출되지만, 산소 함유량이 100ppm 이하이기 때문에 Si-C 용액 중에서의 가스 발생이 억제된다. 그 결과, 저결함이며 고품질인 SiC 단결정을 장시간에 걸쳐 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다. 이와 같이 하여 얻어지는 SiC 단결정은, 파워 디바이스 등의 SiC 반도체 소자에 적합하다. 즉, 본 발명에서 사용하는 SiC 도가니나 소결체는, SiC 반도체 소자 용도의 단결정 제조에 적합하다.

도 1은, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, 결정 성장 장치의 주요부의 제1 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, 결정 성장 장치의 주요부의 제2 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, SiC 도가니의 벽면으로부터 Si-C 용액 중에 Si 및 C가 용출되는 모습을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 예비 실험에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진(도 4의 (A)), 표면의 광학 사진(도 4의 (B)), 및 보이드 벽면을 XPS 분석했을 때의 스펙트럼(도 4의 (C))이다.
도 5는, 실시예 1에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진(도 5의 (A)) 및 표면의 광학 사진(도 5의 (B))이다.
도 6은, 실시예 2에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진(도 6의 (A)) 및 표면의 광학 사진(도 6의 (B))이다.
도 7은, 비교예 2에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진(도 7의 (A)) 및 표면의 광학 사진(도 7의 (B))이다.
도 8은, 실시예 3(도 8의 (A)), 실시예 4(도 8의 (B)), 비교예 3(도 8의 (C)) 및 비교예 4(도 8의 (D))에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진이다.
도 9는, SiC 도가니에 함유되어 있던 산소의 농도와 결정 중의 보이드의 밀도와의 상관을 나타내는 그래프이다.

이하에, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 SiC 단결정의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이후 설명에 있어서는, 도가니의 가열을 고주파로 행하는 형태로 설명하지만, 가열 방법은 고주파에 의한 것에 한정될 필요는 없고, Si-C 용액의 제어 온도 등에 따라서, 저항 가열 등의 다른 방법에 의해도 된다.

본 발명자들은, 상술한 바와 같은 종래의 용액법의 문제점을 감안하여, Si-C 용액의 조성 변동을 적게 하고, 도가니의 내벽에 석출하는 다결정의 발생도 억제함으로써, 저결함이며 고품질인 단결정 탄화규소를 얻기 위한 기술 검토를 진행하여 왔다.

본 발명자들의 검토에 의하면, Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 도가니(SiC 도가니)를 사용하거나, Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 소결체(SiC 소결체)를 수용하고, Si-C 용액과 접촉하는 SiC 도가니 표면 또는 SiC 소결체의 표면으로부터, 이들 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 Si-C 용액 중에 용출시키고, 도가니의 상부로부터, Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 것으로 하면, 종래의 것과 비교하여, 저결함이며 고품질인 단결정 탄화규소를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 이와 같이 하여 얻어지는 SiC 단결정은, 파워 디바이스 등의 SiC 반도체 소자에 적합하다. 즉, 본 발명에서 사용하는 SiC 도가니나 소결체는, SiC 반도체 소자 용도의 단결정 제조에 적합하다.

상기 방법에 의해, 고품질의 SiC 단결정을 장시간에 걸쳐 안정적으로 제조하는 것이 가능해지는 이유는, 하기와 같이 정리할 수 있다.

종래의 용액법에서는, 흑연 도가니로 대표되는 내열성 탄소 재료를 포함하는 도가니를 사용하고, 이 도가니에 용액을 수용함과 함께, 도가니로부터 C를 용출시켜 용액 중에 C를 보급한다. 그러나, SiC의 결정 성장이 진행됨에 따라서, 용액 중의 Si 성분의 조성비의 저하는 피할 수 없다.

이에 비해, 상기 방법에서는, 상술한 SiC 도가니나 SiC 소결체의 주성분인 SiC를 원으로 하여 Si와 C를 용액 중에 공급한다. 이 경우, 종결정 상에 SiC가 결정 성장해도, 그것에 의해 상실된 용액 중의 Si와 C는 SiC 도가니나 SiC 소결체로부터 공급되고, 그 결과, 용액의 조성 변화가 억제되어, SiC 단결정을 안정되게 장시간 성장시킬 수 있다.

이러한 결정 성장 방법은, FZ법과 유사한 결정 성장 방법, 또는 일종의 FZ법이라고도 할 수 있다. FZ법에 있어서는, 다결정부의 용융과 단결정부의 성장이, Si 용융부를 통해 진행된다. 상기 결정 성장 방법에 있어서도, 다결정부에 상당하는 도가니나 소결체가 가열에 의해 융해되고, 상기 용융부에 상당하는 Si와 C를 포함하는 용액을 통해, 종결정 상에 SiC 단결정이 성장한다.

그러나, 얻어진 SiC 단결정을 보다 상세하게 조사하면, 결정 내에 다수의 보이드가 확인되었다. 본 발명자들은, 이러한 보이드의 발생 원인에 대하여 검토를 진행하여, 이 원인이, SiC를 주성분으로 하는 도가니나 소결체 중에 도입되어 있는 산소일 것이라는 결론에 이르렀다. 상세한 메커니즘은 불분명하지만, 본 발명자들은 하기 2가지의 가능성을 생각하고 있다.

하나는, SiC 도가니나 SiC 소결체 중에 포함되는 산소가 산화물(SiO)을 형성하고 있으며, 이 SiO의 비점이 1880℃ 근방이기 때문에, Si-C 용액의 온도가 당해 비점 이상인 경우에는, SiC의 용출에 수반하여 용출된 SiO가 Si-C 용액 중에서 가스화되고, 이것이 Si-C 용액과 성장 중인 SiC 단결정의 계면(고액 계면)에 다다라 결정 성장 표면에 있어서 도입되어, 보이드를 발생시키고 있다는 것이다.

또 하나는, SiC 도가니나 SiC 소결체 중에 포함되는 산소가, SiC의 용출에 수반하여 Si-C 용액 중에 용출되고, Si-C 용액의 온도가 SiO의 비점 이하인 경우에는, Si-C 용액 중의 Si와 반응하여 SiO를 형성하고, 이것이 Si-C 용액과 성장 중인 SiC 단결정의 계면(고액 계면)에 다다라 결정 성장 표면에 있어서 도입되어, 보이드를 형성시키고 있다는 것이다.

이러한 지견에 기초하여, 본 발명에서는, 상술한 SiC 도가니나 SiC 소결체의 산소 함유량을 100ppm 이하로 함으로써, 보이드의 발생을 현저하게 억제한다.

즉, 본 발명에서는, 용액법에 의해 SiC 단결정을 제조할 때, Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용하고, 상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면의 고온 영역으로부터 해당 도가니의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고, 상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시킨다.

다른 형태에서는, 용액법에 의해 SiC 단결정을 제조할 때, Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용하고, 상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 소결체 표면으로부터 해당 소결체의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고, 상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시킨다.

도 1은, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, 결정 성장 장치의 주요부의 제1 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도면 중, 부호 1은 Si-C 용액의 수용부인 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니, 부호 2는 이 SiC 도가니(1)를 수용하는 내열성 탄소 재료를 포함하는 제2 도가니, 부호 3은 종결정으로서의 SiC 단결정, 부호 4는 SiC 도가니(1) 내에 형성되는 Si-C 용액, 부호 5는 SiC의 결정 성장 중에 도가니(1)(및 도가니(2))를 회전시키기 위한 도가니 회전축, 부호 6은 종결정(3)을 유지하며 또한 SiC의 결정 성장 중에 종결정(3)을 회전시키기 위한 종결정 회전축, 부호 7은 흑연 재료 등으로 형성된 서셉터, 부호 8은 동일하게 흑연 재료 등으로 형성된 단열재, 부호 9는 Si-C 용액의 증발을 억제하기 위한 상부 덮개, 그리고, 부호 10은 SiC 도가니(1)를 가열함과 함께 SiC 용액(4) 내를 바람직한 온도 분포로 하기 위한 고주파 코일이다.

또한, 도시하지는 않지만, 노 내의 분위기를 진공으로 하기 위한 배기구 및 배기 밸브, 가스 도입을 위한 가스 도입구 및 가스 도입 밸브가 설치되어 있다. 또한, 가열 전의 SiC 도가니(1)에는 Si가 충전되지만, C원을 함께 충전해두어도 된다.

또한, 도 1에 도시한 형태에서는, 도가니(1)로서 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용했지만, 이것을 대신하여, Si-C 용액의 수용부로서 흑연 등의 도가니를 사용하고, 이 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용하도록 해도 된다.

도 2는, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, 결정 성장 장치의 주요부의 제2 구성예를 설명하기 위한 도면이며, 도면 중에 부호 11을 붙여 나타낸 것은, SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체(SiC 소결체)이며, 이 형태에서는, 도가니(1)는, 도 1의 형태와 동일하게, SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니여도 되고, 흑연 등의 도가니여도 된다.

또한, 상기 구성예에서는, 도가니(1)를 수용하는 내열성 탄소 재료를 포함하는 제2 도가니를 사용하고 있지만, 이 제2 도가니(2)는 본 발명에 있어서 반드시 필수인 것은 아니다. 그러나, 이와 같은 제2 도가니(2)를 사용함으로써 Si-C 용액 중의 온도 분포를 적합한 것으로 제어하는 것이 용이해지는 이점이 있다.

본 발명에서는, 고주파 코일(10)로부터의 도가니(1)의 유도 가열에 의해, Si-C 용액(4)에, 결정 성장에 적합한 온도 분포를 형성함과 함께, 이 Si-C 용액(4)과 접촉하는 도가니(1)의 표면 또는 SiC 소결체(11)의 표면으로부터, 그 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 Si-C 용액(4) 내에 용출시킨다. 그리고, 도가니(1)의 상부로부터, Si-C 용액(4)에 SiC 종결정(3)을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정(3) 상에 SiC 단결정을 성장시킨다. 통상, 결정 성장 시의 Si-C 용액 온도는 1300℃ 내지 2300℃의 온도 범위로 제어한다.

따라서, 적어도, SiC 도가니를 사용하는 경우에는 Si-C 용액과 접촉하는 도가니 내벽의 온도, 또한 SiC 소결체를 사용하는 경우에는 Si-C 용액과 접촉하는 SiC 소결체의 표면 온도는, 그 주성분인 SiC의 구성 원소인 Si 및 C를 Si-C 용액(4) 내에 용출시키기에 충분할 정도로 높은 온도가 된다. 또한, SiC 종결정(3)과 Si-C 용액(4)의 고액 계면 근방의 온도는, SiC 종결정(3) 상에 SiC가 단결정으로서 성장하기 위해 충분할 정도의 온도로 된다.

도 3은, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화규소를 결정 성장시킬 때의, SiC 도가니의 벽면으로부터 Si-C 용액 중에 Si 및 C가 용출되는 모습을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.

상술한 온도 분포를 형성하면, Si-C 용액(4)과 접촉하는 SiC 도가니(1)의 표면(의 고온 영역)으로부터, 해당 도가니(1)의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C가 Si-C 용액(4) 내에 용출된다. 당연하지만, 이 용출된 Si 및 C는, Si-C 용액(4)의 새로운 Si 성분 및 C 성분이 되고, SiC 종결정(3) 상에서 성장하는 단결정의 원이 된다. 또한, 도면 중에 M으로 나타낸 것은, Si-C 용액(4) 중으로의 C 용해도를 높이는 효과를 갖는 금속 원소이며, 첨가되는 금속 원소는 1종에 한정되지 않고, 복수종의 금속 원소를 첨가하는 경우도 있다.

이러한 SiC 도가니(1)로부터의 Si 및 C의 Si-C 용액(4)으로의 용출이 발생하는 환경 하에 있어서는, Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면에서의 SiC 다결정의 석출 문제는 발생하지 않는다. 왜냐하면, 도가니(1)의 주성분인 SiC가 Si 및 C로서 Si-C 용액(4)에 용출되는 조건 하에서는, Si와 C가 SiC로서 석출될 여지는 없기 때문이다. 즉, Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 도가니를 사용함으로써, Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면에서의 SiC 다결정의 석출이 억제된다.

덧붙여, SiC 도가니를 사용함으로써, 첨가 금속 원소 M과 탄소 C가 결합하여 형성되는 금속 탄화물의 형성이 억제된다는 효과도 있다. 흑연 도가니를 사용한 경우에는, Si-C 용액 중의 Si 조성비가 저하되거나 C가 과잉으로 용해되거나 하여 Si/C 조성비가 작아지면, 탄소 C의 용해를 용이화하기 위해 첨가되고 있는 금속 원소 M이 탄소 C와 결합되기 쉬워져 금속 탄화물이 형성되는 경향이 있다. 이러한 금속 탄화물의 융점은 높고, Si-C 용액 중을 떠돌아 종결정 표면 근방에 다다라, SiC의 단결정화를 저해하는 요인이 된다. 이에 비해, SiC 도가니를 사용한 경우에는, Si-C 용액 중에 탄소 C가 과잉으로 용해되는 일이 없고, 그 결과, 상기 금속 탄화물의 형성이 억제되어, 육성하는 SiC 결정의 단결정화가 용이한 것이 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 탄화규소의 결정 성장 방법에 있어서, Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 도가니를 사용한 경우, Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면에서의 SiC 다결정의 석출이 억제된다는 이점이 있다. 또한, SiC 도가니를 사용하지 않고, 흑연 도가니 내에 수용한 SiC 소결체를 결정 성장원으로서 사용하는 경우에는 상기 효과는 저하되지만, SiC 소결체를 도가니 내부에 수용한 결과, 흑연 도가니와 SiC 용액의 접촉 면적은 저하되기 때문에, 종래의 방법과 비교하면, SiC 다결정의 석출 억제 효과가 있다.

도가니로부터는 계속적으로 Si와 C가 용출되지만, 통상, 도가니와 종결정을 회전시키면서 단결정의 육성을 행하기 때문에, Si-C 용액은 교반 효과에 의해 용액 내 조성의 균일화가 도모된다. 그 결과, 도 3에 도시한 바와 같은, 용액 내에서의 상태가 실현되게 된다.

또한, SiC 단결정의 성장 프로세스 중, 고주파 코일(10)로부터의 유도 가열 조건을 적절하게 제어하여, 상술한 온도 분포를 적합한 것으로 하는 것은 물론, 도가니(1)의 위치를 상하로 이동시키거나, 도가니(1)나 종결정(3)을 회전시키거나 하여, SiC 단결정의 성장 속도와 SiC 용액(4) 중으로의 Si 및 C의 용출 속도를 적절하게 제어하고, SiC 단결정의 성장에 수반하여 Si-C 용액(4)으로부터 상실된 Si 및 C만 도가니(1)로부터 공급되도록 하면, Si-C 용액(4)의 조성 변동을 억제할 수 있다. 이 점은, SiC 도가니를 사용하지 않고, SiC 소결체를 사용한 경우에도, 동일하다.

상술한 바와 같이, 도 3 중에 M으로 나타낸 Si-C 용액(4) 중으로의 C 용해도를 높이는 효과를 갖는 금속 원소는 1종에 한정되지 않고, 복수종의 금속 원소를 첨가하는 경우도 있다.

이러한 금속 원소로서, 예를 들어 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소를 예시할 수 있다.

또한, 예를 들어 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소도 예시할 수 있다.

또한, 예를 들어 Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Zn의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소를 예시할 수도 있다.

또한, 상기 금속 원소의 조합으로 해도 되고, 예를 들어 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소 M1과, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소 M2의 조합이어도 된다.

통상은, 이러한 금속 원소의 첨가는, Si-C 용액 중의 총 함유량을 1at％ 내지 80at％로 한다.

예를 들어, 상술한 제1 금속 원소 M1의 Si-C 용액 중의 함유량을 10at％ 이상으로 하고, 제2 금속 원소 M2의 Si-C 용액 중의 함유량을 1at％ 이상으로 한다.

실시예

이하에, 실시예에 의해, 본 발명의 결정 성장 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

[예비 실험] (비교예 1)

닛본 파인세라믹스사제의 SiC 소결 도가니(φ90/80×H90/80mm, 이론 밀도 96％)를 사용하고, 도 1에 도시한 구성의 장치에서 결정 성장을 행하였다. La를 20at％와 Cr을 20at％를 첨가하고, Si를 잔량으로서 도가니에 투입하였다. 투입량은 각종 밀도 계산을 행하고, Si-C 용액의 깊이가 27mm가 되도록 조정하였다. 종결정은 φ2인치×t0.4mm의 단결정(폴리타입: 4H)을 φ47mm의 흑연제 시드축에 육성면이 C면이 되도록 접착한 것을 사용하였다.

아르곤 분위기 중에서 2000℃×20hr, 인상 속도 0.1mm/hr로 하고, 도가니는 20rpm 그리고 시드축은 20rpm으로 대향하도록 회전시켜 결정 성장을 행하였다.

얻어진 결정을 평가한 결과, 잡결정이 없는 평탄한 결정이 얻어지기는 했지만, 육성면 및 단면에 다수의 보이드의 발생이 확인되었다.

도 4는, 상기 결정의 단면의 광학 사진(도 4의 (A)), 표면의 광학 사진(도 4의 (B)), 및 보이드 벽면을 XPS 분석했을 때의 스펙트럼(도 4의 (C))이다. 이 XPS 분석에 의하면, 보이드의 벽면으로부터는, 23％나 되는 SiO가 검출되고 있다.

그래서, 보이드의 발생 원인을 구명하기 위해 이하의 검토를 행하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명자들은, 이 보이드의 발생 원인이, 도가니 내에서 발생하는 가스라고 가정하고, 그 가스원은 무엇인가를 추찰하였다.

상기 결정 육성에 사용했을 때의 SiC 도가니의 불순물을 글로우 방전 질량 분석법(GDMS법)으로 분석한 결과, 산소를 160ppm 포함하고 있음을 알았다. 이 산소는 Si와의 화합물로 되어 있을 가능성이 높고, 이것이 Si-C 용액 중의 Si와 반응하면 SiO를 생성한다. 이 SiO의 비점은 1880℃이므로, Si-C 용액 중에서 가스화하여 보이드의 발생 원인이 될 가능성이 높다. 이것이, XPS 분석에서 확인된 보이드의 벽면으로부터의 23％나 되는 SiO의 원으로 생각된다.

가령 SiC 도가니에 50g이 Si-C 용액으로서 용출되면, 이론적으로는 4ml의 SiO 가스가 발생하기 때문에, 보이드 발생에는 충분한 양이라고 생각된다. 즉, SiC 도가니 중의 함유 산소량을 억제함으로써, 보이드의 발생을 막을 수 있다고 생각된다. 동일한 것을, SiC 소결체를 사용한 경우에도 말할 수 있다.

[실시예 1]

산소량을 15ppm까지 억제한 SiC 도가니를 사용한 것 이외에는 상술한 예비 실험(비교예 1)과 동일한 조건에서 결정 육성을 행하였다.

도 5는, 실시예 1에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진(도 5의 (A)) 및 표면의 광학 사진(도 5의 (B))이다. 도 5의 (A)로부터는 보이드의 발생은 확인되지 않고, 도 5의 (B)도 평활한 결정 성장면인 것을 나타내고 있다.

[실시예 2 및 비교예 2]

상기 결과를 근거로, SiC 중의 산소가 보이드의 발생 원인인 것을 확인하기 위해서, 산소량이 다른 SiC판을 상술한 SiC 소결체로서 준비하고, 결정 성장을 행하였다. 성장 조건은, 내경 50mm의 카본 도가니의 저부에, 실시예 2로서 산소량 90ppm의 SiC판(φ49mm×t5mm)을, 비교예 2로서 산소량 170ppm의 SiC판(φ49mm×t5mm)을 배치하고, 도 2에 도시한 구성의 장치에서 결정 성장을 행하였다. La를 20at％와 Cr을 20at％로 첨가하고, Si를 잔량으로서 도가니에 투입하였다. 투입량은 각종 밀도 계산을 행하고, Si-C 용액의 깊이가 27mm가 되도록 조정하였다. 종결정은 φ2인치×t0.4mm의 단결정(폴리타입: 4H)을 φ47mm의 흑연제 시드축에 육성면이 C면이 되도록 접착한 것을 사용하였다.

아르곤 분위기 중에서 2000℃×10hr, 인상 속도 0.1mm/hr로 하고, 도가니는 20rpm 그리고 시드축은 20rpm으로 대향하도록 회전시켜 결정 성장을 행하였다.

얻어진 결정을 평가한 결과, 산소량이 90ppm인 SiC판을 배치한 결정(실시예 2)에는 보이드의 발생이 없었던 것에 비해, 산소량이 170ppm인 SiC판을 카본 도가니에 배치한 결정(비교예 2)에는 보이드가 확인되었다.

도 6의 (A) 및 도 6의 (B)는, 실시예 2에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진 및 표면의 광학 사진이다. 또한, 도 7의 (A) 및 도 7의 (B)는, 비교예 2에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진 및 표면의 광학 사진이다.

[실시예 3, 4 및 비교예 3, 4]

SiC 도가니 중의 산소량과 보이드 발생의 관계를 밝히기 위해서, 산소 함유량이 14 내지 360ppm인 SiC 도가니를 준비하고, 비교예 1과 동일한 조건에서 결정 육성 시험을 실시하였다. 얻어진 육성 결정의 단면 관찰로부터 보이드의 유무 및 개수를 세었다.

도 8의 (A) 내지 (D)에, 실시예 3(도 8의 (A)), 실시예 4(도 8의 (B)), 비교예 3(도 8의 (C)) 및 비교예 4(도 8의 (D))에서 얻어진 결정의 단면의 광학 사진을 나타낸다.

또한, 도 9는, 상기 결과를 정리한, SiC 도가니에 함유되어 있던 산소의 농도와 결정 중의 보이드의 밀도와의 상관을 나타내는 그래프이다.

표 1에, 각 실시예 및 비교예에서의, SiC 도가니 중의 산소 함유량과 보이드 밀도의 관계를 정리하였다.

이들 결과에 의하면, SiC 도가니에 함유되어 있던 산소의 농도가 100ppm을 초과한 것에는 보이드의 발생이 확인되었다. 특히 산소 농도가 360ppm인 것에서는 결정 단면 전체에 다수의 보이드가 확인되었다.

한편, 산소 농도가 100ppm 이하인 것은 보이드의 발생은 확인되지 않았다.

이들 결과로부터, SiC 도가니의 산소량을 100ppm 이하로 억제함으로써 보이드의 발생을 억제할 수 있음을 알았다. 이 결과로 도출되는 결론은, SiC 소결체를 사용한 경우에도 동일하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄화규소의 결정 성장 방법에 의하면, 종래의 흑연 도가니를 사용하는 방법에 비해, 저결함이며 고품질인 단결정 탄화규소가 얻어진다.

본 발명에 의해, 저결함이며 고품질인 단결정 탄화규소가 제공된다. 이러한 SiC 단결정은, 파워 디바이스 등의 SiC 반도체 소자에 적합하다. 즉, 본 발명에서 사용하는 SiC 도가니는, SiC 반도체 소자 용도의 단결정 제조에 적합하다.

1 SiC를 주성분으로 하는 도가니
2 내열성 탄소 재료를 포함하는 제2 도가니
3 종결정
4 Si-C 용액
5 도가니 회전축
6 종결정 회전축
7 서셉터
8 단열재
9 상부 덮개
10 고주파 코일
11 SiC 소결체

Claims

용액법에 의한 탄화규소의 결정 성장 방법으로서,
Si-C 용액의 수용부로서 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 도가니를 사용하고,
상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 도가니 표면의 고온 영역으로부터 해당 도가니의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고,
상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정의 제조 방법.
용액법에 의한 탄화규소의 결정 성장 방법으로서,
Si-C 용액의 수용부로서의 도가니 내에 SiC를 주성분으로 하는 산소 함유량이 100ppm 이하인 소결체를 수용하고,
상기 도가니를 가열하여, 상기 Si-C 용액과 접촉하는 소결체 표면으로부터 해당 소결체의 주성분인 SiC를 원으로 하는 Si 및 C를 상기 Si-C 용액 중에 용출시키고,
상기 도가니의 상부로부터, 상기 Si-C 용액에 SiC 종결정을 접촉시켜, 해당 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Si-C 용액에는, 해당 Si-C 용액 중으로의 C 용해도를 높이는 효과를 갖는 금속 원소 M이 미리 첨가되는, SiC 단결정의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 금속 M은, 제1 금속 원소 M1(M1은, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소)과 제2 금속 원소 M2(M2는, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소) 중 적어도 한쪽의 금속 원소인, SiC 단결정의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 금속 M은, 상기 제1 금속 원소 M1과 상기 제2 금속 원소 M2의 양쪽의 금속 원소이며, 해당 금속 M의 상기 Si-C 용액 중의 총 함유량을 1at％ 내지 80at％로 하는, 탄화규소의 결정 성장 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 금속 원소 M1의 상기 Si-C 용액 중의 함유량을 10at％ 이상으로 하고, 상기 제2 금속 원소 M2의 상기 Si-C 용액 중의 함유량을 1at％ 이상으로 하는, 탄화규소의 결정 성장 방법.
제3항에 있어서, 상기 금속 M은, Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Zn의 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 원소인, SiC 단결정의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열에 의해, 상기 Si-C 용액을 1300℃ 내지 2300℃의 온도 범위로 제어하는, 탄화규소의 결정 성장 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열이, 상기 도가니를 내열성 탄소 재료를 포함하는 제2 도가니 내에 수용한 상태에서 행해지는, SiC 단결정의 제조 방법.