WO2018055917A1 - SiC単結晶成長用坩堝 - Google Patents

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駿介 野口
信之 大矢
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昭和電工株式会社
株式会社デンソー
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    • C30B35/002Crucibles or containers

Definitions

  • the present invention relates to a crucible for SiC single crystal growth.
  • Silicon carbide (SiC) has characteristic properties. For example, as compared with silicon (Si), the breakdown electric field of silicon carbide (SiC) is one digit larger, the band gap is three times larger, and the thermal conductivity is about three times higher. Therefore, silicon carbide (SiC) is expected to be applied to power devices, high frequency devices, high temperature operation devices, and the like.
  • a sublimation method As one of the methods for producing a SiC single crystal, a sublimation method is widely known.
  • a seed crystal made of SiC single crystal is placed on a pedestal placed in a graphite crucible, and the sublimation gas sublimated from the raw material powder in the crucible is supplied to the seed crystal by heating the crucible. Is grown into a larger SiC single crystal.
  • the sublimation method it is required to efficiently grow a high-quality SiC single crystal.
  • Patent Document 1 describes a crucible having a channel formed symmetrically with respect to the central axis of the crucible. This crucible controls the gas flow generated due to the pressure difference between the inside and outside of the crucible, and enables high quality single crystal growth.
  • Patent Document 2 describes a crucible having a vaporized gas capture trap on the side opposite to the raw material installation section with respect to the single crystal installation section where the single crystal is installed.
  • This crucible defines the place where the polycrystal is produced and prevents the produced polycrystal and the single crystal from contacting each other. The contact between the polycrystal and the single crystal causes a defect or the like. Therefore, when crystal growth is performed using the crucible, a high-quality single crystal can be obtained.
  • Patent Document 3 describes a crucible in which the temperature distribution in the radial direction of the crucible is controlled. By controlling the temperature distribution in the radial direction of the crucible, it is possible to suppress degradation of the quality of the expanded portion when the diameter of the single crystal is expanded.
  • Patent Document 1 cannot perform efficient single crystal growth because the raw material gas flows out from the portion where the flow path is formed.
  • the crucibles described in Patent Documents 2 and 3 have been studied to increase the quality of single crystals, but have not been sufficiently studied to increase the efficiency of crystal growth.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a crucible for growing a SiC single crystal that can increase the growth efficiency of the SiC single crystal.
  • the present inventors have found that the crystal growth efficiency of a SiC single crystal can be increased by creating a difference in pressure within the crucible and applying a predetermined flow to the source gas. That is, this invention provides the following means in order to solve the said subject.
  • the SiC single crystal growth crucible according to the first aspect has a single crystal installation part and a raw material installation part inside, and is located on the raw material installation part side with respect to the single crystal installation part.
  • the gas permeability of the first wall of the crucible surrounding at least a part of one region is that of the crucible surrounding at least a part of the second region located on the opposite side of the raw material installation part with respect to the single crystal installation part. Lower than the gas permeability of the second wall.
  • the gas permeability of the first wall may be 90% or less of the gas permeability of the second wall.
  • At least a part of the first wall may have a gas shielding member.
  • the gas shielding member may be provided inside or on the outer periphery of the first wall.
  • the gas shielding member may be any of metal, metal carbide, and glassy carbon.
  • the first wall may be thicker than the second wall.
  • the density of the first wall may be higher than the density of the second wall.
  • the partition wall that divides the first region and the second region is a taper guide that expands from the single crystal installation part toward the raw material installation part. May be.
  • the SiC single crystal growth crucible according to one embodiment of the present invention can increase the growth efficiency of the SiC single crystal.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the SiC single crystal growth crucible according to the first embodiment.
  • the single crystal S and the SiC raw material G are shown at the same time.
  • the SiC single crystal growth crucible 10 is a crucible for producing an SiC single crystal by a sublimation method.
  • the SiC single crystal growth crucible 10 has a single crystal installation part 1 and a raw material installation part 2.
  • the raw material installation part 2 is the inner bottom part of the crucible 10 for SiC single crystal growth.
  • the single crystal installation unit 1 is disposed to face the raw material installation unit 2.
  • the raw material installation unit 2 stores the SiC raw material G.
  • the SiC raw material G is sublimated by heating and recrystallized on the single crystal S provided in the single crystal installation part 1 so as to face the SiC raw material G.
  • the inside of the SiC single crystal growth crucible 10 is divided into two regions by the partition 3.
  • One is the first region R1 formed on the raw material installation part 2 side with respect to the single crystal installation part 1, and the other is formed on the opposite side of the raw material installation part 2 with respect to the single crystal installation part 1. This is the second region R2.
  • the first region R1 is a region surrounded by the bottom surface, part of the side surface, and the partition wall 3 of the SiC single crystal growth crucible 10.
  • the second region R ⁇ b> 2 is a region surrounded by the upper surface (lid portion) of the SiC single crystal growth crucible 10, a part of the side surface, the single crystal installation portion 1, and the partition 3.
  • the first wall W1 forming the first region R1 has a gas shielding member W1a.
  • the second wall W2 forming the second region R2 does not have a gas shielding member. Therefore, the gas permeability of the first wall W1 is lower than the gas permeability of the second wall W2.
  • the gas permeability is an index for determining the amount of gas that can permeate through the first wall W1 and the second wall W2 regardless of the material type, and the first wall when a certain pressure difference is given. It means the amount of gas per unit area passing through W1 and the second wall. It is used separately from the gas permeability (gas permeability coefficient) unique to the material constituting the first wall W1 and the second wall W2.
  • the difference in gas permeability between the first wall W1 and the second wall W2 can be determined without measurement when the first wall W1 includes the gas shielding member W1a as shown in FIG.
  • the gas permeable member W1a is made of a material (a material that hardly allows gas to pass through) that is several hundred times lower in gas permeability than the material (graphite or the like) constituting the second wall W2. Therefore, by having the gas permeable member W1a in part, it can be confirmed that the gas permeability of the first wall W1 is lower than the gas permeability of the second wall W2.
  • the gas permeability is tested with respect to the first wall W1 and the second wall W2 of the crucible, and the value obtained by dividing the obtained gas transmission amount by the area is Compare. From this result, the difference in the average value of gas permeability can be obtained directly.
  • the first wall W1 means a portion that surrounds at least a part of the first region R1 and constitutes the outer wall of the SiC single crystal growth crucible 10, and is a part of the bottom and side walls of the SiC single crystal growth crucible 10.
  • the second wall W2 means a portion that surrounds at least a part of the second region R2 and constitutes the outer wall of the SiC single crystal growth crucible 10. Part.
  • the internal pressure of the first region R1 becomes higher than the internal pressure of the second region R2.
  • the internal pressure difference in the SiC single crystal growth crucible 10 generates a flow of the source gas sublimated from the SiC source G.
  • the source gas flows from the first region R1 having a high internal pressure to the second region R2 having a low internal pressure. That is, the source gas in the SiC single crystal growth crucible 10 is efficiently transported toward the single crystal S. Therefore, the growth of single crystal S is promoted, and a SiC single crystal can be obtained efficiently.
  • the gas shielding member W1a covers the entire inner surface of the first wall W1, but it is not always necessary to cover the entire inner wall, and a part thereof may be used. If at least a part of the first wall W1 is covered with the gas shielding member W1a, an internal pressure difference in the SiC single crystal growth crucible 10 is generated, and the flow of the source gas from the first region R1 to the second region R2 Is born.
  • the difference between the gas permeability of the first wall W1 and the gas permeability of the second wall W2 is preferably within a predetermined range.
  • the gas permeability of the first wall W1 is preferably 90% or less, more preferably 80% or less, and 50% or less of the gas permeability of the second wall W2. Further preferred.
  • the difference in gas permeability between the first wall W1 and the second wall W2 is 10% or more. If the difference in gas permeability between the first wall W1 and the second wall W2 is 10% or more, a sufficient internal pressure difference is generated, and the source gas is efficiently transported to the single crystal S.
  • the gas permeability of the first wall W1 is preferably as close to zero as possible.
  • the gas does not substantially permeate.
  • the gas permeability of the second wall W2 can be increased.
  • the source gas flows out from the SiC single crystal growth crucible 10 and the growth efficiency of the single crystal S is reduced. Therefore, a crucible in which an opening is provided in a part of the second wall W2 and the sublimation gas flows out is not preferable.
  • graphite is used as a base material for a crucible used for growing silicon carbide.
  • the gas permeability of graphite is about 10 ⁇ 1 to 10 ⁇ 2 cm 2 / sec, and the absolute value of the gas permeability of the second wall W2 is increased by sealing the second wall W2 with graphite. It won't be too much.
  • the gas shielding member W1a is made of a material having lower gas permeability than graphite. Generally, in order to sublimate the SiC raw material G, it is necessary to set the temperature as high as about 2400 ° C. Therefore, most of the SiC single crystal growth crucible 10 is made of graphite.
  • the gas shielding member W1a is made of a material having a gas permeability lower than that of graphite, thereby preventing the source gas from leaking from the inside of the SiC single crystal growth crucible 10 through the first wall W1.
  • the gas shielding member W1a is preferably any one of metal, metal carbide, and glassy carbon.
  • Glassy carbon means non-graphitized carbon that has both glass and ceramic properties.
  • the gas shielding member W1a containing these materials has an extremely high gas shielding property than graphite.
  • graphite constituting a crucible used for SiC crystal growth is said to have a gas permeability of about 10 ⁇ 1 to 10 ⁇ 2 cm 2 / sec.
  • the gas permeability of TaC film and glassy carbon which are examples of metal carbides, is said to be 10 ⁇ 7 cm 2 / sec or less.
  • the metal film does not substantially transmit gas and has a gas permeability of 10 ⁇ 10 cm 2 / sec or less.
  • said gas permeability is the gas permeability of nitrogen gas in an environment with a predetermined pressure difference. Even if the absolute value of the numerical value changes, the relative relationship of the gas permeability does not change greatly. Therefore, selection can be made based on the index even under other gas types and under different pressure difference conditions.
  • the melting point of the metal or metal carbide is preferably 2500 ° C. or higher.
  • the metal having a melting point of 2500 ° C. or higher for example, tantalum (Ta), osmium (Os), tungsten (W), molybdenum (Mo), rhenium (Re), or the like can be used.
  • the metal carbide having a melting point of 2500 ° C. or higher include tantalum carbide (TaC), hafnium carbide (HfC), tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC), vanadium carbide (VC), and molybdenum carbide (Mo 2 ). C) and the like can be used.
  • tantalum and tungsten are considered to be tantalum carbide, tungsten carbide and the like due to carbon supplied from the raw material gas in the process of epitaxial growth when used as a gas shielding member W1a as a single metal. For this reason, it is preferable to use these metals as single metals because the labor and cost required for metal carbonization can be reduced.
  • the thickness of the gas shielding member W1a is preferably 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less. Moreover, when using metal foil as gas shielding member W1a, it is preferable that it is 5 micrometers or more. The thickness of the gas shielding member W1a is obtained as an average value of film thicknesses at arbitrary 10 points. The thickness of the gas shielding member W1a can be measured using a step gauge or the like.
  • the thickness of the gas shielding member W1a is less than 1 ⁇ m, there may be a portion where the thickness of the gas shielding member W1a is very thin depending on the unevenness of the thickness of the gas shielding member W1a. From such a portion, the sublimation gas leaks to the outside, and the internal pressure difference in the SiC single crystal growth crucible 10 becomes small. Moreover, even if the thickness of the gas shielding member W1a is too thick, the gas shielding effect does not change greatly. Therefore, if the thickness of the gas shielding member W1a is too thick, it leads to an increase in cost due to an increase in the amount of expensive metal used. When a metal foil is used as the gas shielding member W1a, it is difficult to obtain one having a thickness of less than 5 ⁇ m.
  • the SiC single crystal growth crucible 10 As described above, according to the SiC single crystal growth crucible 10 according to the first embodiment, it is possible to generate a flow of the source gas accompanying the internal pressure difference in the crucible. As a result, the source gas can be efficiently transported to the single crystal S provided in the single crystal installation part 1, and the SiC single crystal can be grown efficiently.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of another example of the SiC single crystal growth crucible according to the first embodiment.
  • the gas shielding member W1b is provided inside the first wall W1.
  • a gas shielding member W1c is provided outside the first wall W1.
  • Other configurations are the same as those of the above-described SiC single crystal growth crucible 10 and are denoted by the same reference numerals.
  • the gas shielding members W1b and W1c are not in contact with the reaction space in which the SiC single crystal grows. Therefore, the inner surface of the crucible also functions as a carbon supply source, and the inside of the crucible can be prevented from becoming a Si-rich environment. When the inside of the crucible becomes Si-rich, Si droplets or the like are generated when a SiC single crystal is grown from the seed crystal, and defects are likely to occur.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of another example of the SiC single crystal growth crucible according to the first embodiment.
  • the SiC single crystal growth crucible 13 shown in FIG. 3 is provided with a gas shielding member W2a on a part of the second wall W2.
  • Other configurations are the same as those of the above-described SiC single crystal growth crucible 10 and are denoted by the same reference numerals.
  • the portion where the gas shielding member W2a is provided is a part of the second wall W2, and the average value of the gas permeability of the second wall W2 is larger than the average value of the gas permeability of the first wall W1.
  • the gas shielding member W ⁇ b> 2 a is provided in a portion overlapping the single crystal installation part 1 when viewed from the SiC raw material G installed in the raw material installation part 2. Therefore, the source gas flow f flows from the boundary between the first region R1 and the second region R2 toward a portion where the gas shielding member W2a is not provided. Therefore, the source gas that has not contributed to the crystal growth of the single crystal S becomes polycrystalline at the upper corner of the second region R2 shown in FIG.
  • the portion where the polycrystal grows is the position farthest from the single crystal S.
  • the polycrystal and the single crystal S that grows the crystal are in contact, defects or the like are generated in the single crystal S. Therefore, by separating the portion where the polycrystal grows from the single crystal S, the quality of the SiC single crystal for crystal growth can be improved.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross-section of the SiC single crystal growth crucible according to the second embodiment.
  • the crucible 14 for SiC single crystal growth according to the second embodiment is a taper guide 4 in which a partition partitioning the first region R1 and the second region R2 expands from the single crystal installation part 1 toward the raw material installation part 2.
  • Other configurations are the same as those of the above-described SiC single crystal growth crucible 10 and are denoted by the same reference numerals.
  • the gas permeability of the first wall W1 is lower than the gas permeability of the second wall W2. Therefore, an internal pressure difference is generated between the first region R1 and the second region R2, and the source gas is efficiently supplied to the single crystal S.
  • the source gas flows along the taper guide 4 and converges toward the single crystal S. Therefore, the source gas can be supplied to the single crystal S more efficiently.
  • the source gas flows between the single crystal S provided on the single crystal installation part 1 and the taper guide 4 according to the pressure difference.
  • crystal growth hardly occurs in such a direction as to block the flow of the raw material gas. That is, the channel through which the source gas flows between the single crystal S and the taper guide 4 is maintained even in the process of growing the single crystal S.
  • the SiC single crystal growth crucible 14 according to the second embodiment can supply the source gas to the single crystal S more efficiently because the partition wall is the tapered guide 4. Further, at this time, the polycrystal on the taper guide and the single crystal S which grows the crystal are in contact with each other, so that problems such as defects do not occur.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the SiC single crystal growth crucible according to the third embodiment.
  • the first wall W11 does not have a gas shielding member, and the thickness of the first wall W11 is thicker than the thickness of the second wall W12. This is different from the SiC single crystal growth crucible 10 according to FIG.
  • Other configurations are the same as those of the above-described SiC single crystal growth crucible 10 and are denoted by the same reference numerals.
  • the thickness of the first wall W11 is larger than the thickness of the second wall W12.
  • the thickness of the first wall W11 and the second wall W12 means an average thickness.
  • the difference in thickness between the first wall W11 and the second wall W12 creates a difference in gas permeability between the first wall W11 and the second wall W12.
  • the gas permeability of the first wall W11 is lower than the gas permeability of the second wall W12. Therefore, an internal pressure difference is generated between the first region R1 and the second region R2, and a raw material gas flows from the first region R1 having a high internal pressure to the second region R2 having a low internal pressure. That is, the SiC single crystal growth crucible 15 can promote the growth of the single crystal S and can efficiently grow the SiC single crystal.
  • the thickness of the first wall W11 is preferably 1.1 times or more, and more preferably 1.5 times or more the thickness of the second wall W12. If the difference in thickness between the first wall W11 and the second wall W12 is 10% or more, a sufficient internal pressure difference is generated in the SiC single crystal growth crucible 15, and the SiC single crystal can be grown more efficiently.
  • the minimum value of the thickness of the first wall W11 is preferably 10% or more larger than the minimum value of the thickness of the second wall W12.
  • the “minimum thickness value” means the thickness of the thinnest portion of the first wall W11 or the second wall W12.
  • the thinnest part When made of the same material, the thinnest part has the highest gas permeability.
  • the difference between the source gas flowing out from the portion having the highest gas permeability of the first wall W11 and the source gas flowing out from the portion having the highest gas permeability of the second wall W12 is determined from the first region R1 to the second region R2. Occupies most of the source gas flowing into Therefore, if this difference is 10% or more, the source gas can be sufficiently supplied to the SiC single crystal S existing in the process from the first region R1 to the second region R2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the SiC single crystal growth crucible according to the fourth embodiment.
  • the first wall W21 does not have a gas shielding member, and the density of the first wall W21 is higher than the density of the second wall W22. This is different from the SiC single crystal growth crucible 10 according to FIG.
  • Other configurations are the same as those of the above-described SiC single crystal growth crucible 10 and are denoted by the same reference numerals.
  • the density of the first wall W21 is higher than the density of the second wall W22.
  • the density of the first wall W21 and the second wall W22 means an average density.
  • the average density is not limited to the case where the same material is used.
  • An average density is calculated
  • graphite having different densities for the first wall W21 and the second wall W22.
  • the density difference between the first wall W21 and the second wall W22 creates a difference in gas permeability between the first wall W21 and the second wall W22.
  • the gas permeability of the first wall W21 is lower than the gas permeability of the second wall W22. Therefore, an internal pressure difference is generated between the first region R1 and the second region R2, and a raw material gas flows from the first region R1 having a high internal pressure to the second region R2 having a low internal pressure. That is, the SiC single crystal growth crucible 16 can promote the growth of the single crystal S and can efficiently grow the SiC single crystal.
  • the density of the first wall W21 is preferably 1.1 times or more, and more preferably 1.2 times or more that of the second wall W22. If the difference in density between the first wall W21 and the second wall W22 is 10% or more, a sufficient internal pressure difference is generated in the SiC single crystal growth crucible 16, and the SiC single crystal can be grown more efficiently.

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Abstract

このSiC単結晶成長用坩堝は、内部に単結晶設置部と、原料設置部とを有し、昇華法によりSiC単結晶を得るための坩堝であって、前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部側に位置する第1領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第1壁のガス透過度は、前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部と反対側に位置する第2領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第2壁のガス透過度より低い。

Description

SiC単結晶成長用坩堝
 本発明は、SiC単結晶成長用坩堝に関する。本願は、2016年9月23日に、日本に出願された特願2016-185952に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 炭化珪素(SiC)は、特徴的な特性を有する。例えば、シリコン(Si)と比べて、炭化珪素(SiC)の絶縁破壊電界は1桁大きく、バンドギャップは3倍大きく、熱伝導率は3倍程度高い。そのため炭化珪素(SiC)は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
 SiC単結晶を製造する方法の一つとして、昇華法が広く知られている。昇華法は、黒鉛製の坩堝内に配置した台座にSiC単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きなSiC単結晶へ成長させる方法である。昇華法では、高品質なSiC単結晶を、効率的に結晶成長させることが求められている。
 例えば、特許文献1には、坩堝の中心軸に対して軸対称に形成された流路を有する坩堝が記載されている。この坩堝は、坩堝内外の圧力差に起因して生じるガス流れを制御し、高品質な単結晶の結晶成長を可能にする。
 また例えば、特許文献2には、単結晶が設置される単結晶設置部を基準に原料設置部と反対側に気化ガス捕獲トラップを有する坩堝が記載されている。この坩堝は、多結晶が生成する場所を規定し、生成した多結晶と単結晶とが接触することを防ぐ。多結晶と単結晶の接触は欠陥等の発生原因となる。そのため、当該坩堝を用いて結晶成長を行うと、高品質な単結晶を得ることができる。
 また例えば、特許文献3には、坩堝の径方向の温度分布が制御された坩堝が記載されている。坩堝の径方向の温度分布を制御することで、単結晶の径が拡大する際に拡大する部分の品質が劣化することを抑制している。
特開2008-115033号公報 特表2013-504513号公報 特開2002-12500号公報
 しかしながら、特許文献1の坩堝は、流路が形成された部分から原料ガスが流出するため、効率的な単結晶の結晶成長を行うことができない。また特許文献2及び3に記載の坩堝は、単結晶の品質を高めることは検討されているが、結晶成長の効率を高めるということについて充分検討されていない。
 本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、SiC単結晶の成長効率を高めることができるSiC単結晶成長用坩堝を提供することを目的とする。
 本発明者らは、坩堝内に圧力差の違いを生み出し、原料ガスに所定の流れを与えることで、SiC単結晶の結晶成長効率を高めることができることを見出した。
 すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(1)第1の態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝は、内部に単結晶設置部と、原料設置部とを有し、前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部側に位置する第1領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第1壁のガス透過度は、前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部と反対側に位置する第2領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第2壁のガス透過度より低い。
(2)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記第1壁のガス透過度は、前記第2壁のガス透過度の90%以下であってもよい。
(3)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記第1壁の少なくとも一部がガス遮蔽部材を有する構成でもよい。
(4)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記ガス遮蔽部材が、前記第1壁の内部又は外周に設けられている構成でもよい。
(5)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記ガス遮蔽部材が、金属、金属炭化物、グラッシーカーボンのいずれかであってもよい。
(6)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記第1壁の厚みが、前記第2壁の厚みより厚い構成でもよい。
(7)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記第1壁の密度が、前記第2壁の密度より高い構成でもよい。
(8)上記態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝において、前記第1領域と前記第2領域とを区切る隔壁が、前記単結晶設置部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドであってもよい。
 本発明の一態様にかかるSiC単結晶成長用坩堝は、SiC単結晶の成長効率を高めることができる。
第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面図である。 第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の別の例の断面を模式的に示した断面図である。 第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の別の例の断面を模式的に示した断面図である。 第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の別の例の断面を模式的に示した断面図である。 第2実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面図である。 第3実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面図である。 第4実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面図である。
 以下、本実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
(SiC単結晶成長用坩堝)
[第1実施形態]
 図1は、第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面図である。図1では、理解を容易にするために、単結晶SとSiC原料Gを同時に図示している。
 SiC単結晶成長用坩堝10は、SiC単結晶を昇華法により作製するための坩堝である。SiC単結晶成長用坩堝10は、単結晶設置部1と、原料設置部2とを有する。図1において、原料設置部2はSiC単結晶成長用坩堝10の内底部である。単結晶設置部1は、原料設置部2に対向して配設されている。
 原料設置部2は、SiC原料Gを収納する。SiC原料Gは加熱により昇華し、SiC原料Gと対向して単結晶設置部1に設けられた単結晶S上で再結晶化する。
 SiC単結晶成長用坩堝10の内部は、隔壁3によって二つの領域に分けられている。
一つは単結晶設置部1を基準に原料設置部2側に形成された第1領域R1であり、もう一つは単結晶設置部1を基準に原料設置部2と反対側に形成された第2領域R2である。
 図1において第1領域R1は、SiC単結晶成長用坩堝10の底面と、側面の一部と、隔壁3とによって囲まれた領域である。また第2領域R2は、SiC単結晶成長用坩堝10の上面(蓋部)と、側面の一部と、単結晶設置部1と、隔壁3とによって囲まれた領域である。
 図1において第1領域R1を形成する第1壁W1は、ガス遮蔽部材W1aを有する。これに対し、第2領域R2を形成する第2壁W2は、ガス遮蔽部材を有さない。そのため、第1壁W1のガス透過度は第2壁W2のガス透過度よりも低い。
 ここで、ガス透過度は、材料種によらず第1壁W1及び第2壁W2を介して透過できるガス量の多少を判断する指標であり、一定圧力差を与えた際に、第1壁W1及び第2壁を通過する単位面積当たりのガス量を意味する。第1壁W1及び第2壁W2を構成する材料特有のガス透過率(ガス透過係数)とは区別して用いられる。
 第1壁W1と第2壁W2のガス透過度の違いは、図1に示すように第1壁W1がガス遮蔽部材W1aを備える場合は、測定しなくとも判断できる。ガス透過部材W1aは、第2壁W2を構成する材料(黒鉛等)よりガス透過率が数百倍以上低い材料(ガスが透過しにくい材料)により構成される。そのため、一部にガス透過部材W1aを有することで、第1壁W1のガス透過度が第2壁W2のガス透過度よりも低いことを確認できる。
 第1壁W1がガス透過部材W1aを有さない場合は、坩堝の第1壁W1及び第2壁W2に対してガス透過性を試験し、得られたガス透過量を面積で除した値を比較する。この結果から、ガス透過度の平均値の差を直接求めることができる。
 ここで、第1壁W1は、第1領域R1の少なくとも一部を囲み、SiC単結晶成長用坩堝10の外壁を構成する部分を意味し、SiC単結晶成長用坩堝10の底部と側壁の一部を意味する。また、第2壁W2は、第2領域R2の少なくとも一部を囲み、SiC単結晶成長用坩堝10の外壁を構成する部分を意味し、SiC単結晶成長用坩堝10の蓋部と側壁の一部を意味する。
 第1壁W1のガス透過度が第2壁W2のガス透過度よりも低いと、第1領域R1の内圧は第2領域R2の内圧より高くなる。SiC単結晶成長用坩堝10内の内圧差は、SiC原料Gから昇華した原料ガスの流れを生み出す。原料ガスは、内圧の高い第1領域R1から内圧の低い第2領域R2へ流れる。つまり、SiC単結晶成長用坩堝10内の原料ガスは、単結晶Sへ向かって効率的に輸送される。そのため、単結晶Sの成長が促進され、効率的にSiC単結晶を得ることができる。
 図1では、第1壁W1の内面全面をガス遮蔽部材W1aが覆っているが、必ずしも全部を覆っている必要はなく、一部でもよい。第1壁W1の少なくとも一部がガス遮蔽部材W1aで覆われていれば、SiC単結晶成長用坩堝10内の内圧差が生まれ、第1領域R1から第2領域R2へ向けた原料ガスの流れが生まれる。
 ここで、第1壁W1のガス透過度と第2壁W2のガス透過度の差は、所定の範囲内であることが好ましい。具体的には、第1壁W1のガス透過度は、第2壁W2のガス透過度の90%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましく、50%以下であることがさらに好ましい。
 第1壁W1のガス透過度が、第2壁W2のガス透過度の90%以下であると、第1壁W1と第2壁W2のガス透過度の差が10%以上となる。第1壁W1と第2壁W2のガス透過率の差が10%以上であれば、充分な内圧差が生まれ、原料ガスが単結晶Sに効率的に輸送される。
 第1壁W1と第2壁W2のガス透過度の差を大きくするためには、第1壁W1のガス透過度は、限りなくゼロに近いことが好ましい。例えば、ガス遮蔽部材W1aに金属を用い、第1壁W1全面を被覆すると、実質的にガスは透過しない。
 一方で、第1壁W1と第2壁W2のガス透過度の差を大きくするためには、第2壁W2のガス透過度を大きくすることもできる。しかしながら、第2壁W2のガス透過度が大きすぎると、SiC単結晶成長用坩堝10内から原料ガスが流出し、単結晶Sの成長効率が低下してしまう。そのため、第2壁W2の一部に開口を設け、昇華ガスが流出するような坩堝は好ましくない。なお、炭化珪素を成長させる際に用いられる坩堝の基材として黒鉛が用いられることが多い。黒鉛のガス透過率は10-1~10-2cm/sec程度であり、第2壁W2に黒鉛を用いて密閉状態にすることにより、第2壁W2のガス透過度の絶対値が大きくなりすぎるということはない。
 ガス遮蔽部材W1aは、黒鉛よりもガス透過性の低い材料からなる。一般に、SiC原料Gを昇華させるためには、2400℃程度の高温とする必要がある。そのため、SiC単結晶成長用坩堝10の多くは黒鉛により構成されている。ガス遮蔽部材W1aは、黒鉛よりもガス透過性の低い材料からなることで、SiC単結晶成長用坩堝10内から第1壁W1を介して原料ガスが外部に抜けることを防ぐ。
 ガス遮蔽部材W1aは、金属、金属炭化物、グラッシーカーボンのいずれかであることが好ましい。グラッシーカーボンは、ガラスとセラミックの性質を併せ持つ、非黒鉛化炭素を意味する。
 これらの材料を含むガス遮蔽部材W1aは、ガス遮蔽性が黒鉛よりも極めて高い。一般にSiCの結晶成長に用いられる坩堝を構成する黒鉛は、ガス透過率が10-1~10-2cm/sec程度と言われている。これに対し、金属炭化物の一例であるTaC被膜及びグラッシーカーボンのガス透過率は10-7cm/sec以下と言われている。さらに、金属膜は実質的にガスを透過せず、10-10cm/sec以下のガス透過率であると言える。第2壁W2を構成する材料によってガス透過部材W1aを選択することで、第2壁W2のガス透過度に対して第1壁W1のガス透過度を容易に低くすることができる。
 なお、上記のガス透過率は、所定の圧力差がある環境下における窒素ガスのガス透過率である。数値の絶対値が変化してもガス透過率の相対関係は大きく変化しないため、その他のガス種や異なる圧力差の条件下においても当該指標を基に選択できる。
 金属または金属炭化物の融点は、2500℃以上であることが好ましい。2500℃以上の融点を有する金属としては、例えば、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)等を用いることができる。また2500℃以上の融点を有する金属炭化物としては、例えば、炭化タンタル(TaC)、炭化ハフニウム(HfC)、炭化タングステン(WC)、炭化チタン(TiC)、炭化バナジウム(VC)、炭化モリブデン(MoC)等を用いることができる。
 例えばタンタル及びタングステン等は単体金属でガス遮蔽部材W1aとして用いると、エピタキシャル成長の過程で、原料ガスから供給されるカーボンにより炭化タンタル及び炭化タングステン等になると考えられる。そのため、これらの金属は単体金属で用いた方が、金属炭化処理に必要となる手間やコストを削減できるため好ましい。
 ガス遮蔽部材W1aの厚みは、1μm以上1000μm以下であることが好ましい。またガス遮蔽部材W1aとして、金属箔を用いる場合は、5μm以上であることが好ましい。ガス遮蔽部材W1aの厚みは、任意の10点の膜厚の平均値として求める。ガス遮蔽部材W1aの厚みは、段差計等を用いて測定することができる。
 ガス遮蔽部材W1aの厚みが1μm未満であると、ガス遮蔽部材W1aの面内の厚みのムラによっては、ガス遮蔽部材W1aの厚みが非常に薄い部分が存在し得る。このような部分からは昇華ガスが外部に漏洩し、SiC単結晶成長用坩堝10内の内圧差が小さくなる。またガス遮蔽部材W1aの厚みは、厚くしすぎてもガス遮蔽効果は大きく変化しない。そのため、ガス遮蔽部材W1aの厚みを厚すぎると、高価な金属の使用量が増加することによるコストアップにつながる。ガス遮蔽部材W1aとして、金属箔を用いる場合は、5μm未満のものは入手が難しい。
 上述のように、第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝10によれば、坩堝内の内圧差に伴う原料ガスの流れを生み出すことができる。その結果、単結晶設置部1に設けられた単結晶Sに原料ガスを効率的に輸送することができ、SiC単結晶を効率的に成長させることができる。
 本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
 図2は、第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の別の例の断面を模式的に示した断面図である。図2Aに示すSiC単結晶成長用坩堝11は、ガス遮蔽部材W1bが第1壁W1の内部に設けられている。また図2Bに示すSiC単結晶成長用坩堝12は、ガス遮蔽部材W1cが第1壁W1の外側に設けられている。その他の構成は、上述のSiC単結晶成長用坩堝10と同一であり、同一の符号を付している。
 図2A及び図2Bのいずれの構成においても、ガス透過度の違いに伴い、SiC単結晶成長用坩堝11,12内には、内圧差が生じる。そのため、単結晶Sへ向けて原料ガスが輸送され、SiC単結晶が効率的に成長する。
 また図2A及び図2Bに示すSiC単結晶成長用坩堝11,12は、ガス遮蔽部材W1b,W1cが、SiC単結晶が結晶成長する反応空間と接していない。そのため、坩堝の内面もカーボン供給源として機能し、坩堝内がSiリッチな環境となることを防ぐことができる。坩堝内がSiリッチとなると、種結晶からSiC単結晶を成長する際にSiドロップレット等が生じ、欠陥が生じやすくなる。
 また図3は、第1実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の別の例の断面を模式的に示した断面図である。図3に示すSiC単結晶成長用坩堝13は、第2壁W2の一部にガス遮蔽部材W2aが設けられている。その他の構成は、上述のSiC単結晶成長用坩堝10と同一であり、同一の符号を付している。ガス遮蔽部材W2aが設けられている部分は第2壁W2の一部であり、第2壁W2のガス透過度の平均値は、第1壁W1のガス透過度の平均値より大きい。
 ガス遮蔽部材W2aは、原料設置部2に設置されたSiC原料Gから見て単結晶設置部1と重畳する部分に設けられている。そのため、原料ガスの流れfは、第1領域R1と第2領域R2の境界部からガス遮蔽部材W2aが設けられていない部分に向かって流れる。
そのため、単結晶Sの結晶成長に寄与しなかった原料ガスは、図3に示す第2領域R2の上方の角部で多結晶となる。
 すなわち、多結晶が成長する部分が、単結晶Sから最も離れた位置となる。多結晶と結晶成長する単結晶Sが接すると、単結晶S内に欠陥等が生じる。そのため、多結晶が成長する部分を単結晶Sから離すことで、結晶成長するSiC単結晶の品質を高めることができる。
[第2実施形態]
 図4は、第2実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面模式図である。第2実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝14は、第1領域R1と第2領域R2とを区切る隔壁が、単結晶設置部1から原料設置部2に向かって拡径するテーパーガイド4である点が、第1実施形態に係るSiC単結晶成長用坩堝10と異なる。その他の構成は、上述のSiC単結晶成長用坩堝10と同一であり、同一の符号を付している。
 図4に示すSiC単結晶成長用坩堝14は、第1壁W1のガス透過度が第2壁W2のガス透過度より低い。そのため、第1領域R1と第2領域R2の間で内圧差が生じ、原料ガスは単結晶Sに効率的に供給される。また原料ガスはテーパーガイド4に沿って流れ、単結晶Sに向かって集束する。そのため、より原料ガスを効率的に単結晶Sに供給できる。
 また原料ガスは、単結晶設置部1上に設けられた単結晶Sとテーパーガイド4の間を圧力差に応じて流れる。原料ガスの流れが生まれている部分では、原料ガスの流れを堰き止める向きに結晶成長は生じにくい。すなわち、単結晶Sとテーパーガイド4の間では原料ガスが流れる流路は単結晶Sが結晶成長する過程においても保たれる。
 そのため、単結晶Sの成長が進んでも、テーパーガイド4上に成長した多結晶と単結晶Sが接触することが避けられる。多結晶は、単結晶Sの側面と接触することで、欠陥発生、異種多形発生、クラック発生の起因となる。
 上述のように、第2実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝14は、隔壁がテーパーガイド4であるため、より効率的に原料ガスを単結晶Sに供給できる。またこの際に、テーパーガイド上の多結晶と結晶成長する単結晶Sが接触し、欠陥等の問題が生じることもない。
[第3実施形態]
 図5は、第3実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面模式図である。第3実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝15は、第1壁W11がガス遮蔽部材を有さず、第1壁W11の厚みが第2壁W12の厚みより厚い点が、第1実施形態に係るSiC単結晶成長用坩堝10と異なる。その他の構成は、上述のSiC単結晶成長用坩堝10と同一であり、同一の符号を付している。
 第3実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝15は、第1壁W11の厚みが第2壁W12の厚みより厚い。ここで、第1壁W11及び第2壁W12の厚みは、平均厚みを意味する。
 第1壁W11と第2壁W12の厚み差は、第1壁W11と第2壁W12のガス透過度の差を生み出す。第1壁W11のガス透過度は、第2壁W12のガス透過度より低い。そのため、第1領域R1と第2領域R2の間には内圧差が生じ、内圧の高い第1領域R1から内圧の低い第2領域R2への原料ガスの流れが生じる。つまり、SiC単結晶成長用坩堝15は、単結晶Sの成長を促進し、効率的にSiC単結晶を成長させることができる。
 第1壁W11の厚みは、第2壁W12の厚みの1.1倍以上であることが好ましく、1.5倍以上であることがより好ましい。第1壁W11と第2壁W12の厚みの差が10%以上あれば、SiC単結晶成長用坩堝15内に十分な内圧差が生じ、より効率的にSiC単結晶を成長させることができる。
 また厚みの平均値のみならず、第1壁W11の厚みの最小値は、第2壁W12の厚みの最小値より10%以上大きいことが好ましい。ここで、「厚みの最小値」とは、第1壁W11又は第2壁W12の最も厚みの薄い部分の厚みを意味する。
 同一の材質からなる場合、最も厚みが薄い部分は最もガス透過度が高くなる。第1壁W11の最もガス透過度が高い部分から流出する原料ガスと、第2壁W12の最もガス透過度が高い部分から流出する原料ガスとの差分が、第1領域R1から第2領域R2へ流れる原料ガスの多くを占める。そのため、この差が10%以上であれば、第1領域R1から第2領域R2へ向かう過程に存在するSiC単結晶Sへ原料ガスを充分に供給できる。
[第4実施形態]
 図6は、第4実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝の断面を模式的に示した断面模式図である。第4実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝16は、第1壁W21がガス遮蔽部材を有さず、第1壁W21の密度が第2壁W22の密度より高い点が、第1実施形態に係るSiC単結晶成長用坩堝10と異なる。その他の構成は、上述のSiC単結晶成長用坩堝10と同一であり、同一の符号を付している。
 第4実施形態にかかるSiC単結晶成長用坩堝16は、第1壁W21の密度が第2壁W22の密度より高い。ここで、第1壁W21及び第2壁W22の密度は、平均密度を意味する。
 ここで平均密度は、同一の材料からなる場合に限られない。平均密度は、第1壁W21及び第2壁W22の重量を測定し、測定したそれぞれの重量をそれぞれの体積で割ることで求められる。すなわち、平均密度が高いということはその部分に空隙が少ないことを意味し、ガス透過度が低いことを意味する。そのため、第1壁W21及び第2壁W22の材料種によるものではない。一方で、界面の密着性、使用温度等を考慮すると、第1壁W21と第2壁W22は、密度の異なる黒鉛を用いることが好ましい。
 第1壁W21と第2壁W22の密度差は、第1壁W21と第2壁W22のガス透過度の差を生み出す。第1壁W21のガス透過度は、第2壁W22のガス透過度より低い。そのため、第1領域R1と第2領域R2の間には内圧差が生じ、内圧の高い第1領域R1から内圧の低い第2領域R2への原料ガスの流れが生じる。つまり、SiC単結晶成長用坩堝16は、単結晶Sの成長を促進し、効率的にSiC単結晶を成長させることができる。
 第1壁W21の密度は、第2壁W22の密度の1.1倍以上であることが好ましく、1.2倍以上であることがより好ましい。第1壁W21と第2壁W22の密度の差が10%以上あれば、SiC単結晶成長用坩堝16内に十分な内圧差が生じ、より効率的にSiC単結晶を成長させることができる。
 以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1:単結晶設置部
2:原料設置部
3:隔壁
4:テーパーガイド
10,11,12,13,14,15,16:SiC単結晶成長用坩堝
R1:第1領域
R2:第2領域
W1,W11,W21:第1壁
W2,W12,W22:第2壁
W1a,W1b,W1c,W2a:ガス遮蔽部材
S:単結晶
G:SiC原料

Claims (8)

  1.  内部に単結晶設置部と、原料設置部とを有し、昇華法によりSiC単結晶を得るための坩堝であって、
     前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部側に位置する第1領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第1壁のガス透過度は、前記単結晶設置部を基準に前記原料設置部と反対側に位置する第2領域の少なくとも一部を囲む前記坩堝の第2壁のガス透過度より低い、SiC単結晶成長用坩堝。
  2.  前記第1壁のガス透過度は、前記第2壁のガス透過度の90%以下である請求項1に記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  3.  前記第1壁の一部がガス遮蔽部材を有する請求項1又は2のいずれかに記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  4.  前記ガス遮蔽部材が、前記第1壁の内部又は外周に設けられている請求項3に記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  5.  前記ガス遮蔽部材が、金属、金属炭化物、グラッシーカーボンのいずれかである請求項3又は4のいずれかに記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  6.  前記第1壁の厚みが、前記第2壁の厚みより厚い請求項1~5のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  7.  前記第1壁の密度が、前記第2壁の密度より高い請求項1~6のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長用坩堝。
  8.  前記第1領域と前記第2領域とを区切る隔壁が、前記単結晶設置部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドである請求項1~7のいずれか一項に記載のSiC単結晶成長用坩堝。
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