TW201938854A - 碳化矽單晶的製造方法及製造裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種碳化矽單晶的製造方法及製造裝置，係以至少包含成長容器及隔熱容器的碳化矽單晶成長裝置使碳化矽原料昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板上，該隔熱容器具有位於該成長容器的周圍而為溫度測量用的孔，其中該碳化矽單晶的成長時係通過該溫度測量用的孔而測量該成長容器的溫度，該碳化矽單晶的成長結束而將該碳化矽單晶予以冷卻之際，以遮蔽構件塞住該溫度測量用的孔，藉此，使碳化矽單晶錠及晶圓的破裂及裂縫減少。

Description

碳化矽單晶的製造方法及製造裝置
本發明係關於一種藉由昇華法進行碳化矽的單晶成長的碳化矽單晶的製造方法及製造裝置。
近年來，隨著逆變器（Inverter）電路被大量使用於電動車或電冷暖器具，由於電力損失少且能夠獲取較使用半導體Si結晶的元件更高的耐壓的特性，使得碳化矽（以下亦稱SiC）的半導體結晶被需要。
作為使SiC等的熔點高的結晶及液相成長不易的結晶之具代表性且實際的成長方法係為昇華法。於容器內以2000℃前後乃至2000℃以上的高溫使固體原料昇華，而使結晶成長於對向的晶種上的方法（專利文獻1）。
然而，為了昇華，SiC的結晶成長必須要高溫，成長裝置必須要有高溫時的溫度控制。此外，為了使經昇華的物質的壓力穩定，穩定容器內的壓力的控制係為必要。此外SiC的結晶成長係依照昇華速度而定，與矽（Si）的柴氏（Czochralski）法或GaAs等的LPE製法等比較，成長速度相對地非常緩慢。故耗費長時間成長。所幸如今控制機器的發達，計算機、個人電腦等的發達，使得長時間穩定地進行壓力、溫度的調節係為可能。
在此針對過去的SiC單晶的製造方法及裝置，使用圖8及圖9進行說明。
SiC單晶製造裝置101如圖8所示，包含一碳石墨製的成長容器104，該碳石墨製的成長容器由收納SiC原料102的容器本體及配置SiC晶種基板（亦稱晶種基板晶圓）103的蓋體所組成。此外，SiC單晶製造裝置101係包含位於成長容器104的外側且由隔熱材所組成的隔熱容器105，並包含位於更外側用以將成長容器104減壓的石英管或真空艙室等的外部容器106及加熱SiC原料102的高頻加熱線圈等的加熱器107。再加上包含用以測量成長容器104內的溫度的溫度測量感測器等的溫度測量器108，並包含位於隔熱容器105上部的溫度測量用的孔109（亦稱上部溫度測量孔）。除此之外，包含SiC結晶成長之際，供給Ar等的惰性氣體的未圖示的供給口及用以排氣的排氣口。
其次，使用圖9的流程圖說明SiC的製造方法。一開始如圖9的（a）所示，將SiC原料102及SiC晶種基板103配置於成長容器104內。其次如圖9的（b）所示，將成長容器104配置於隔熱容器105內。其次如圖9的（c）所示，將整個隔熱容器105配置於外部容器106內。其次如圖9的（d）所示，將外部容器106內抽真空，在保持預定壓力的同時並予以升溫。其次如圖9的（e）所示，藉由昇華法進行SiC單晶的成長。此時，如圖10所示，熱會藉由輻射而自溫度測量用的孔109散失，故在孔109的正下方溫度會變得最低。因此，作為晶種的中心而成長係從這裡開始，SiC單晶會仿照溫度分布而成長為凸狀。
最後如圖9的（f）所示，提升減壓壓力而中止昇華，停止成長，讓溫度慢慢下降而冷卻。此時也會如圖11所示，經成長的SiC單晶錠的中心係被冷卻至最冷。
另外，所謂SiC單晶，係有立方晶、六方晶等，再加上六方晶之中，亦有4H、6H等作為代表性的聚合型而廣為人知。
多數場合，如同4H成長於4H晶種上般，係成長同類型的單晶（專利文獻2）。
以這樣的製造裝置下所製造出來的SiC單晶錠會有產生裂縫、切片加工時產生晶圓破裂及裂縫的問題。
［先前技術文獻］
［專利文獻］
［專利文獻1］日本特開2000-191399號公報
［專利文獻2］日本特開2005-239465號公報
［發明所欲解決之問題］
有鑑於上述問題點，本發明提供一種碳化矽單晶的製造方法及製造裝置，係使碳化矽單晶錠及晶圓的破裂及裂縫減少。
［解決問題之技術手段］
為達成上述目的，本發明提供一種碳化矽單晶的製造方法，係以至少包含成長容器及隔熱容器的碳化矽單晶成長裝置使碳化矽原料昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板上，該隔熱容器具有位於該成長容器的周圍而為溫度測量用的孔，其中該碳化矽單晶的成長時係通過該溫度測量用的孔而測量該成長容器的溫度，該碳化矽單晶的成長結束而將該碳化矽單晶予以冷卻之際，以遮蔽構件塞住該溫度測量用的孔。
如此地於碳化矽單晶的成長結束而將該碳化矽單晶予以冷卻之際以遮蔽構件塞住該溫度測量用的孔，能夠防止自孔的散熱而能夠使冷卻中的碳化矽單晶的溫度均一，故能夠得到殘留歪斜為少的SiC單晶錠，能夠抑制破裂及裂縫。
此外，本發明提供一種碳化矽單晶製造裝置，係至少包含成長容器、隔熱容器及加熱器，並且藉由昇華法使碳化矽單晶成長，該隔熱容器具有於該成長容器的周圍的溫度測量用的孔，其中該碳化矽單晶製造裝置係具有塞住該溫度測量用的孔的遮蔽構件。
若為這樣的碳化矽單晶製造裝置，能夠於碳化矽單晶冷卻時以遮蔽構件塞住溫度測量用的孔，能夠於碳化矽單晶冷卻時防止自孔的散熱，能夠使冷卻中的碳化矽單晶內部的溫度為均一，故能夠減少碳化矽單晶的殘留歪斜，能夠抑制破裂及裂縫。
此外，該遮蔽構件為包含碳、鈦或鉭之中任一種材質者為佳。
若為這些材質，便能夠承受2000℃以上的高溫且能夠遮蔽高溫的真空下的輻射光。
此外，該遮蔽構件進一步包含碳纖維、鋁纖維或發泡碳等的多孔構造的隔熱材者為佳。
若為包含這樣的隔熱材的遮蔽構件，能夠讓隔熱效果更高且冷卻中的結晶內的溫度更均一。
此外，本發明的碳化矽單晶製造裝置能夠具有使塞住該溫度測量用的孔的遮蔽構件升降、旋轉或滑動的移動機構。
如此便能夠於碳化矽單晶成長時，通過該溫度測量用的孔而測量成長容器的溫度，當碳化矽單晶成長結束而將碳化矽單晶予以冷卻之際，以遮蔽構件簡單地塞住該溫度測量用的孔。
［對照先前技術之功效］
如上述般，若為本發明的碳化矽單晶的製造方法及製造裝置，於碳化矽單晶成長結束而將碳化矽單晶予以冷卻之際以遮蔽構件塞住該溫度測量用的孔，能夠防止自孔的散熱而能夠使冷卻中的碳化矽單晶的溫度為均一，故能夠得到殘留歪斜為少的SiC單晶錠，能夠抑制破裂及裂縫。
如上所述，使用過去的SiC單晶製造裝置製造SiC單晶的場合，會有於SiC單晶錠產生裂縫，或於切片加工時晶圓產生破裂及裂縫的問題。
本發明人為了解決此問題而反覆討論的結果，找出了於SiC單晶錠冷卻時塞住溫度測量用的孔，就能夠防止自孔的散熱且能夠使冷卻中的錠內的溫度為均一，能夠減少SiC單晶錠及晶圓的破裂及裂縫，進而完成本發明。
以下針對本發明，作為實施型態的一範例，參考圖式並進行詳細說明，然而本發明不限於此。
圖1係表示本發明的碳化矽單晶的製造方法的一範例的流程圖。
圖2係表示本發明的碳化矽單晶製造裝置的一範例的示意截面圖。
首先，針對本發明的碳化矽單晶製造裝置進行說明。
如圖2所示，本發明的碳化矽單晶製造裝置1，包含一碳石墨製的成長容器4，該成長容器由容置有SiC原料2的容器本體及配置有SiC晶種基板3的蓋體所組成。此外，SiC單晶製造裝置1係包含位於成長容器4的外側且由隔熱材所組成的隔熱容器5，並包含位於更外側用以將成長容器4減壓的石英管或真空艙室等的外部容器6及加熱SiC原料2的高頻加熱線圈等的加熱器7。再加上包含用以測量成長容器4內的溫度的溫度測量感測器等的溫度測量器8，並包含位於隔熱容器5上部的溫度測量用的孔9。除此之外，包含SiC結晶成長之際，供給Ar等的惰性氣體的未圖示的供給口及用以排氣的排氣口。至此為止的構成係與過去的裝置大致相同，然而本發明中，設置有塞住隔熱容器5的溫度測量用的孔9的遮蔽構件10。
為了能夠於SiC單晶成長中自溫度測量用的孔9測量成長容器4的溫度而開放孔9並能夠於單晶的成長結束後的冷卻中塞住孔9，此遮蔽構件10係構成為得以移動。
此外，作為遮蔽構件10的移動機構，雖然沒有特別限制，可為藉由馬達、油壓缸或氣缸等進行升降、旋轉或滑動的機構。例如示於圖3的使遮蔽構件10滑動的場合，示於圖4的藉由升降讓遮蔽構件10嵌入孔的場合。
該遮蔽構件10可用碳、鈦或鉭等作為材料。若為這些材料，便能夠承受2000℃以上的高溫且能夠遮蔽高溫的真空下的輻射光。
此外，遮蔽構件10進一步包含碳纖維所構成的隔熱材、鋁纖維所構成的隔熱材或發泡碳等的多孔構造的隔熱材者為佳。若為包含這樣的隔熱材的遮蔽構件，能夠讓隔熱效果變得更高且冷卻時的結晶內的溫度更均一。
如上所述，若為本發明的碳化矽單晶製造裝置，能夠於碳化矽單晶錠11的冷卻時以遮蔽構件10簡單地塞住溫度測量用的孔9，能夠於碳化矽單晶的冷卻時防止自孔9的散熱，能夠讓冷卻中的碳化矽單晶的內部的溫度為均一，故能夠減少碳化矽單晶的殘留歪斜，能夠抑制破裂及裂縫。
其次，針對使用上述的本發明的碳化矽單晶製造裝置的本發明的碳化矽單晶的製造方法進行說明。
如圖1的（a）所示，將SiC原料2及SiC晶種基板3配置於成長容器4內。其次如圖1的（b）所示，將成長容器4配置於隔熱容器5內。其次如圖1的（c）所示，將整個隔熱容器5配置於外部容器6內。其次如圖1的（d）所示，將外部容器6內抽真空，在保持預定壓力的同時並予以升溫。此時溫度係2000℃以上，壓力係100 Torr（1.3×102 hPa）以下為佳。其次如圖1的（e）所示，藉由昇華法進行SiC單晶11的成長。另外，SiC單晶成長時，通過設置於隔熱容器5的溫度測量用的孔9而測量成長容器4的溫度。換言之，溫度測量用的孔9在SiC單晶成長時係為開放。
最後如圖1的（f）所示，等同一般的昇華法的停止方法，將真空背壓予以升壓，降低昇華氣體的分壓而停止成長。到此為止的昇華法係與一般的過去的昇華法的升溫及壓力控制沒有兩樣。使結晶成長停止後，如圖2所示以遮蔽構件10塞住溫度測量用的孔9。
若為這樣的製造方法，因為於成長後的SiC單晶錠11冷卻時塞住溫度測量用的孔9，故能夠防止自孔9的散熱，使冷卻中的SiC單晶錠11內部的溫度成為均一。以這種方式回到常溫，能夠得到殘留歪斜為少的SiC單晶錠。根據這樣的本發明的製造方法，能夠減少SiC單晶錠的殘留歪斜，能夠抑制破裂及裂縫。
［實施例］
以下表示實施例與比較例而更具體地說明本發明，然而本發明不限於此。
（實施例）
藉由本發明的碳化矽單晶的製造方法，使用示於圖2的碳化矽單晶製造裝置1，在以下的成長條件下使直徑4英吋（100mm）的SiC單晶成長。
＜條件＞
晶種基板…主要面係自｛0001｝面朝＜11-20＞方向傾斜4°的直徑4英吋（100mm）的SiC單晶基板
成長溫度…2200℃
壓力…10 Torr（1.3×10 hPa）
氛圍…氬氣、氮氣
依照示於圖1的順序，於成長後的SiC單晶冷卻時以遮蔽構件10塞住溫度測量用的孔9，製造了五條SiC單晶錠。經調查五條SiC單晶錠的裂縫產生狀況的結果，五條皆未產生裂縫。針對其中四條，各自切片出四片晶圓而調查裂縫產生狀況，十六片全部沒有裂縫的產生。晶圓的照片示於圖5。此外，調查晶圓的應力分布的結果示於圖7。以拉曼法測量應力分布，並將沒有應力的SiC的小切片作為基準的相對的應力予以顯示。
（比較例）
依照示於圖9的順序製造了五條SiC單晶錠。除了於冷卻時沒有塞住溫度測量用的孔之外，與實施例為同樣的條件。
經調查五條SiC單晶錠的裂縫產生狀況的結果，確認了五條中的一條有裂縫的產生。針對沒有裂縫的四條，各自切片出四片晶圓而調查裂縫產生狀況，十六片全部產生裂縫。晶圓的照片示於圖6的（a）及（b）。此外，調查晶圓的應力分布的結果示於圖7。
從示於圖7的結果可明顯得知，在實施例中遠離晶圓中心的地方，應力並未如比較例般增加，根據本發明的碳化矽單晶的製造方法及製造裝置，則能夠得到殘留歪斜為少的SiC單晶矽錠。
此外，如上所述，可得知根據本發明，相較於比較例，能夠減少所製造的碳化矽單晶錠的破裂及裂縫。
進一步，從圖5及圖6可得知，根據本發明，能夠抑制晶圓的破裂及裂縫。
另外，本發明並不限於上述的實施型態。上述實施型態為舉例說明，凡具有與本發明的申請專利範圍所記載之技術思想及實質上同樣構成而產生相同的功效者，不論為何物皆包含在本發明的技術範圍內。
1‧‧‧SiC單晶製造裝置
2‧‧‧SiC原料
3‧‧‧SiC晶種基板
4‧‧‧成長容器
5‧‧‧隔熱容器
6‧‧‧外部容器
7‧‧‧加熱器
8‧‧‧溫度測量器
9‧‧‧孔
10‧‧‧遮蔽構件
11‧‧‧碳化矽單晶錠（SiC單晶錠）
101‧‧‧SiC單晶製造裝置
102‧‧‧SiC原料
103‧‧‧SiC晶種基板
104‧‧‧成長容器
105‧‧‧隔熱容器
106‧‧‧外部容器
107‧‧‧加熱器
108‧‧‧溫度測量器
109‧‧‧孔
111‧‧‧碳化矽單晶錠（SiC單晶錠）
圖1係表示本發明的碳化矽單晶的製造方法的一範例的流程圖。
圖2係表示本發明的碳化矽單晶製造裝置的一範例的示意截面圖。
圖3係表示使本發明的遮蔽構件滑動而塞住溫度測量用的孔的場合的示意圖。
圖4係表示使本發明的遮蔽構件升降而塞住溫度測量用的孔的場合的示意圖。
圖5係表示實施例中製造的晶圓的範例的照片。
圖6係表示比較例中製造的晶圓的範例的照片。
圖7係表示實施例及比較例的晶圓內的應力分布的圖表。
圖8係表示過去的碳化矽單晶的製造裝置的一範例的示意截面圖。
圖9係表示過去的碳化矽單晶的製造方法的一範例的流程圖。
圖10係表示過去的碳化矽單晶的製造方法及裝置中溫度測量用的孔周邊的導熱及溫度分布的示意截面圖。
圖11係表示藉由過去的碳化矽單晶的製造方法及裝置所成長的SiC單晶錠內的溫度分布的示意截面圖。

Claims (5)

  1. 一種碳化矽單晶的製造方法，係以至少包含成長容器及隔熱容器的碳化矽單晶成長裝置使碳化矽原料昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板上，該隔熱容器具有位於該成長容器的周圍而為溫度測量用的孔，其中 該碳化矽單晶的成長時係通過該溫度測量用的孔而測量該成長容器的溫度， 該碳化矽單晶的成長結束而將該碳化矽單晶予以冷卻之際，以遮蔽構件塞住該溫度測量用的孔。
  2. 一種碳化矽單晶製造裝置，係至少包含成長容器、隔熱容器及加熱器，並且藉由昇華法使碳化矽單晶成長，該隔熱容器具有於該成長容器的周圍的溫度測量用的孔， 其中該碳化矽單晶製造裝置係具有塞住該溫度測量用的孔的遮蔽構件。
  3. 如請求項2所述之碳化矽單晶製造裝置，其中該遮蔽構件為包含碳、鈦及鉭中任一種材質者。
  4. 如請求項3所述之碳化矽單晶製造裝置，其中該遮蔽構件為進一步包含碳纖維、氧化鋁纖維或多孔構造的隔熱材者。
  5. 如請求項2至4中任一項所述之碳化矽單晶製造裝置，其中該碳化矽單晶製造裝置具有使塞住該溫度測量用的孔的遮蔽構件升降、旋轉或滑動的移動機構。
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