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JP2007197274A - Method for producing silicon carbide single crystal - Google Patents

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JP2007197274A
JP2007197274A JP2006019388A JP2006019388A JP2007197274A JP 2007197274 A JP2007197274 A JP 2007197274A JP 2006019388 A JP2006019388 A JP 2006019388A JP 2006019388 A JP2006019388 A JP 2006019388A JP 2007197274 A JP2007197274 A JP 2007197274A
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single crystal
crystal
carbide single
seed crystal
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JP2006019388A
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Ryochi Shintani
良智 新谷
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】溶液法による、成長速度の速い、所望の結晶構造を持つ炭化珪素単結晶を製造する方法を提供する。
【解決手段】SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む六方晶炭化珪素単結晶の製造方法において、種結晶基板として六方晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(000−1)炭素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部から種結晶基板と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させる。一方、種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(0001)珪素面を使用し、かつ種結晶温度を1700〜1900℃として結晶を成長させる。
【選択図】図1
A method for producing a silicon carbide single crystal having a desired crystal structure with a high growth rate by a solution method is provided.
In a method for producing a hexagonal silicon carbide single crystal, the method includes contacting a silicon carbide seed crystal substrate with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and growing a silicon carbide single crystal on the substrate. When a hexagonal silicon carbide single crystal substrate is used as the seed crystal substrate, the (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700-1900 ° C., and the surface in contact with the seed crystal substrate from the melt is used. Crystals are grown with a temperature gradient in the range of 1 to 5 ° C./mm. On the other hand, when a rhombohedral silicon carbide single crystal substrate is used as the seed crystal substrate, the (0001) silicon surface is used, and the crystal is grown at a seed crystal temperature of 1700 to 1900 ° C.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関し、詳細には、溶液法により所望の結晶構造を持つ炭化珪素単結晶を効率よく製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal, and more particularly to a method for efficiently manufacturing a silicon carbide single crystal having a desired crystal structure by a solution method.

炭化珪素は、熱的、化学的に非常に安定であり、耐熱性及び機械的強度に優れていることから、耐環境性半導体材料として用いられている。また、炭化珪素は結晶多形構造を有することが知られている。この結晶多形とは、化学組成が同じであっても多数の異なる結晶構造をとる現象であり、結晶構造においてSiとCとが結合した分子を一単位として考えた場合に、この単位構造分子が結晶のc軸方向([0001]方向)に積層する際の周期構造が異なることにより生ずる。   Silicon carbide is used as an environmentally resistant semiconductor material because it is very stable thermally and chemically and has excellent heat resistance and mechanical strength. Silicon carbide is known to have a crystalline polymorphic structure. This crystal polymorphism is a phenomenon that takes many different crystal structures even if the chemical composition is the same. When the molecule in which the Si and C are bonded in the crystal structure is considered as one unit, this unit structure molecule Is caused by the difference in the periodic structure when stacked in the c-axis direction ([0001] direction) of the crystal.

代表的な結晶多形としては、2H、3C、4H、6H及び15Rがある。ここで最初の数字は積層の繰り返し周期を示し、アルファベットは結晶系を表し、Hは六方晶系を、Rは菱面体晶系を、そしてCは立方晶系を表す。各結晶構造はそれぞれ物理的、電気的特性が異なり、その違いを利用して各種用途への応用が考えられている。例えば、4Hは高周波高耐電圧電子デバイス等の基板ウエハとして、また6Hはバンドギャップが約3eVと大きいため青色LEDの発光素子材料として用いられており、3Cは結晶の対称性が高く、電子の移動度も大きいため、高速で動作する半導体素子材料として期待されている。   Representative crystal polymorphs include 2H, 3C, 4H, 6H and 15R. Here, the first number represents the repetition period of the lamination, the alphabet represents the crystal system, H represents the hexagonal system, R represents the rhombohedral system, and C represents the cubic system. Each crystal structure has different physical and electrical characteristics, and application to various uses is considered using the difference. For example, 4H is used as a substrate wafer for high frequency, high withstand voltage electronic devices, etc., and 6H is used as a light emitting element material for blue LEDs because of its large band gap of about 3 eV. 3C has high crystal symmetry, Because of its high mobility, it is expected as a semiconductor element material that operates at high speed.

ところで従来、炭化珪素単結晶の成長方法としては、気相成長法、アチソン法、及び溶液成長法が知られている。   Conventionally, as a method for growing a silicon carbide single crystal, a vapor phase growth method, an atchison method, and a solution growth method are known.

気相成長法としては、昇華法(改良レリー法)と化学反応堆積法(CVD法)がある。昇華法は、炭化珪素粉末を原料として、2000℃以上の高温下で昇華させ、Si及びSi2C、SiC2ガスを低温にされた種結晶基板上で過飽和とさせ、単結晶を析出させる方法である。CVD法は、シランガスと炭化水素系のガスを用い、加熱したSiなどの基板上において化学反応により炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる方法であり、炭化珪素単結晶薄膜の製造に用いられている。 As the vapor phase growth method, there are a sublimation method (modified Lerry method) and a chemical reaction deposition method (CVD method). The sublimation method is a method in which silicon carbide powder is used as a raw material and is sublimated at a high temperature of 2000 ° C. or higher, and Si, Si 2 C, and SiC 2 gas are supersaturated on a low-temperature seed crystal substrate to precipitate a single crystal It is. The CVD method is a method of epitaxially growing a silicon carbide single crystal by a chemical reaction on a heated substrate such as Si using a silane gas and a hydrocarbon-based gas, and is used for manufacturing a silicon carbide single crystal thin film.

アチソン法は、無水ケイ酸と炭素を2000℃以上の高温に加熱して人造研磨剤を製造する方法であり、単結晶は副産物として生成する。   The Atchison method is a method for producing an artificial abrasive by heating silicic acid anhydride and carbon to a high temperature of 2000 ° C. or more, and a single crystal is produced as a by-product.

溶液法は、炭素を含む材料(一般には黒鉛)からなるルツボを用い、このルツボ内で珪素を融解して融液とし、この融液にルツボから炭素を溶解させ、低温部に配置された種結晶基板上に炭化珪素を結晶化させ、その結晶を成長させる方法である。   The solution method uses a crucible made of a material containing carbon (generally graphite), melts silicon in the crucible to form a melt, dissolves carbon from the crucible in the melt, and is placed in a low temperature part. In this method, silicon carbide is crystallized on a crystal substrate and the crystal is grown.

しかしながら、上記の昇華法により製造した単結晶にはマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥などの多種の格子欠陥が存在することが知られている。さらに昇華法では結晶成長条件と多形転移が密接に関わっているため、格子欠陥制御と多形制御を両立させることが困難であり、結晶多形が生じやすいという欠点を有する。   However, it is known that a single crystal produced by the above-described sublimation method has various lattice defects such as hollow through defects and stacking faults called micropipe defects. Furthermore, since the crystal growth conditions and polymorphic transition are closely related in the sublimation method, it is difficult to achieve both lattice defect control and polymorph control, and crystal polymorphism tends to occur.

またCVD法ではガスで原料を供給するために原料供給量が少なく、生成する炭化珪素単結晶は薄膜に限られ、デバイス用の基板材料としてバルク単結晶を製造することは困難である。   In addition, in the CVD method, since the raw material is supplied by gas, the raw material supply amount is small, and the generated silicon carbide single crystal is limited to a thin film, and it is difficult to produce a bulk single crystal as a substrate material for a device.

アチソン法では原料中に不純物が多く存在し、高純度化が困難であり、また大型の結晶を得ることができない。   In the Atchison method, there are many impurities in the raw material, and it is difficult to achieve high purity, and large crystals cannot be obtained.

一方、溶液法では、格子欠陥が少なく、また結晶多形が生ずることも少ないため、結晶性の良好な単結晶が得られるとされている(例えば、特許文献1及び2参照)。   On the other hand, in the solution method, since there are few lattice defects and crystal polymorphism rarely occurs, it is said that a single crystal with good crystallinity can be obtained (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2000−264790号公報JP 2000-264790 A 特開2002−356397号公報JP 2002356563 A

昇華法による単結晶の製造は、上記のようにマイクロパイプ欠陥が生じやすいという欠点がある。また単結晶の製造は特定方向に結晶を成長(積層)させて行うが、ある積層を境にしてこれまでとは異なる性質の単結晶が成長するという、結晶多形の変態が生ずる。従って、種結晶と同じ性質の単結晶を成長させるには積層中における結晶多形の変態を防ぐ必要があるが、上記のような昇華法では結晶多形の変態を防ぐことができなかった。一方、溶液法によれば、マイクロパイプ欠陥の発生を防ぎ、さらに結晶多形の変態を防ぐことができるが、得られる単結晶の成長面における平坦性は十分ではなく、かつ結晶成長速度も満足のいくものではなかった。   The production of a single crystal by the sublimation method has a drawback that micropipe defects are likely to occur as described above. A single crystal is produced by growing (stacking) crystals in a specific direction, but a crystal polymorphic transformation occurs in which a single crystal having a property different from that of the past grows at a certain stack. Therefore, in order to grow a single crystal having the same properties as the seed crystal, it is necessary to prevent the transformation of the crystal polymorph in the stack, but the sublimation method as described above cannot prevent the transformation of the crystal polymorph. On the other hand, the solution method can prevent the occurrence of micropipe defects and further prevent the transformation of crystal polymorphism, but the flatness on the growth surface of the obtained single crystal is not sufficient and the crystal growth rate is satisfactory. It wasn't going to be good.

本発明は、このような問題を解消し、溶液法による、成長速度の速い、結晶成長面における平坦性が良好な所望の結晶構造を持つ炭化珪素単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve such problems and to provide a method for producing a silicon carbide single crystal having a desired crystal structure with a high growth rate and good flatness on a crystal growth surface by a solution method. And

上記問題点を解決するために1番目の発明によれば、SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む六方晶炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶基板として六方晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(000−1)炭素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部から種結晶基板と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること、又は
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(0001)珪素面を使用し、かつ種結晶温度を1700〜1900℃として結晶を成長させること、
を特徴とする。
In order to solve the above problems, according to a first invention, a silicon carbide seed crystal substrate is brought into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and a silicon carbide single crystal is grown on the substrate. In the manufacturing method of the hexagonal silicon carbide single crystal containing,
When a hexagonal silicon carbide single crystal substrate is used as the seed crystal substrate, the (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700-1900 ° C., and the surface in contact with the seed crystal substrate from the melt is used. When growing a crystal with a temperature gradient in the range of 1 to 5 ° C./mm, or when using a rhombohedral silicon carbide single crystal substrate as a seed crystal substrate, use the (0001) silicon surface and use a seed crystal Growing the crystal at a temperature of 1700-1900 ° C.,
It is characterized by.

上記問題点を解決するために2番目の発明によれば、SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む六方晶炭化珪素単結晶の製造方法において、
まず種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(0001)珪素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃として結晶を成長させて六方晶炭化珪素単結晶を得ること、次いで
得られた六方晶炭化珪素単結晶の(000−1)炭素面を使用し、この六方晶炭化珪素単結晶の温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする。
In order to solve the above problems, according to a second invention, a silicon carbide seed crystal substrate is brought into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and a silicon carbide single crystal is grown on the substrate. In the manufacturing method of the hexagonal silicon carbide single crystal containing,
First, using a rhombohedral silicon carbide single crystal substrate as a seed crystal substrate, using the (0001) silicon surface, growing the crystal at a seed crystal temperature of 1700 to 1900 ° C. to obtain a hexagonal silicon carbide single crystal, Next, using the (000-1) carbon surface of the obtained hexagonal silicon carbide single crystal, the temperature of the hexagonal silicon carbide single crystal is set to 1700 to 1900 ° C., and the surface is in contact with the single crystal from the melt. The crystal is grown by setting the temperature gradient toward 1 to 5 ° C./mm.

上記問題点を解決するために3番目の発明によれば、SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む菱面体晶炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(000−1)炭素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする。
In order to solve the above problem, according to a third invention, a silicon carbide seed crystal substrate is brought into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and a silicon carbide single crystal is grown on the substrate. In the manufacturing method of the rhombohedral silicon carbide single crystal containing,
A rhombohedral silicon carbide single crystal substrate is used as a seed crystal substrate, its (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700 to 1900 ° C., and the surface in contact with the single crystal from the melt is used. The crystal is grown by setting the temperature gradient toward 1 to 5 ° C./mm.

上記問題点を解決するために4番目の発明によれば、SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む立方晶炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(000−1)炭素面を使用し、かつ種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を5〜50℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする。
In order to solve the above problems, according to a fourth invention, a silicon carbide seed crystal substrate is brought into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and a silicon carbide single crystal is grown on the substrate. In the manufacturing method of the cubic silicon carbide single crystal containing,
A rhombohedral silicon carbide single crystal substrate is used as a seed crystal substrate, its (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700-1900 ° C., and the surface is in contact with the single crystal from the melt. The crystal is grown by setting the temperature gradient toward to within a range of 5 to 50 ° C./mm.

本発明によれば、種結晶の結晶多形を選択し、所定の温度において所定の面に結晶を成長させることにより、平坦性に優れた所望の結晶構造を持つ炭化珪素単結晶を高速で得ることができる。   According to the present invention, a silicon carbide single crystal having a desired crystal structure excellent in flatness is obtained at high speed by selecting a crystal polymorph of a seed crystal and growing the crystal on a predetermined surface at a predetermined temperature. be able to.

以下、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を具体的に説明する。まず、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法に用いる製造装置の構成について図1を参照して説明する。この製造装置はチャンバー1を備え、このチャンバー1内にはルツボ2が挿入可能になっている。ルツボ2の内部の底面部には種結晶3が配置され、ルツボ2の内部には珪素粒と炭素、及び必要により追加元素を含む原料4が入れられる。ルツボ2として炭素質、例えば黒鉛製のルツボを用いる場合、炭素はこのルツボ2から溶融してくるため、原料に添加しなくてもよい。チャンバー1の周囲には高周波装置等の加熱装置5が配置され、ルツボ2の外底面部には冷却板6が配置されている。   Hereinafter, the method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention will be specifically described. First, the structure of the manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the silicon carbide single crystal of this invention is demonstrated with reference to FIG. This manufacturing apparatus includes a chamber 1, and a crucible 2 can be inserted into the chamber 1. A seed crystal 3 is arranged on the bottom surface inside the crucible 2, and a raw material 4 containing silicon grains, carbon, and, if necessary, additional elements is placed inside the crucible 2. When a crucible made of carbonaceous material, for example, graphite, is used as the crucible 2, the carbon melts from the crucible 2 and therefore does not need to be added to the raw material. A heating device 5 such as a high frequency device is disposed around the chamber 1, and a cooling plate 6 is disposed on the outer bottom surface of the crucible 2.

この製造装置を用いて炭化珪素単結晶を製造する方法について説明する。まず、ルツボ2内の底面に種結晶を入れ、ついで内部に原料4を充填する。その後ルツボ2をチャンバー1内に挿入し、チャンバー1内を真空にした後、例えばAr等の不活性ガス雰囲気にし、チャンバー1内を大気圧もしくはそれ以上に加圧する。次いで加熱装置5によりルツボ2を加熱し、原料4を溶融させ、珪素と炭素を含む融液を形成し、この融液と種結晶3を接触させる。   A method for producing a silicon carbide single crystal using this production apparatus will be described. First, a seed crystal is put on the bottom of the crucible 2 and then the raw material 4 is filled inside. After that, the crucible 2 is inserted into the chamber 1 and the inside of the chamber 1 is evacuated. Then, an atmosphere of an inert gas such as Ar is used, and the inside of the chamber 1 is pressurized to atmospheric pressure or higher. Next, the crucible 2 is heated by the heating device 5, the raw material 4 is melted, a melt containing silicon and carbon is formed, and the melt is brought into contact with the seed crystal 3.

この融液の温度は、融液の状態を確保するため、前記原料の融点以上であればよく、1700℃以上の温度域で最も安定した炭化珪素単結晶を得ることができる。また融液の温度は2300℃以下とすることが好ましい。2300℃を超えると、融液からSiが激しく蒸発する問題が生ずるからである。   The temperature of the melt may be equal to or higher than the melting point of the raw material in order to secure the melt state, and the most stable silicon carbide single crystal can be obtained in a temperature range of 1700 ° C. or higher. The melt temperature is preferably 2300 ° C. or lower. This is because if the temperature exceeds 2300 ° C., there will be a problem that Si evaporates violently from the melt.

こうして融液と種結晶を接触させた後、冷却板6を冷却し、種結晶3の温度を1700から1900℃とすることにより、前記融液が、その内部から種結晶と接触する表面に向かって温度勾配を形成し、種結晶3上に結晶が成長することになる。   After the melt and the seed crystal are brought into contact in this way, the cooling plate 6 is cooled, and the temperature of the seed crystal 3 is set to 1700 to 1900 ° C., so that the melt is directed from the inside to the surface in contact with the seed crystal. Thus, a temperature gradient is formed, and the crystal grows on the seed crystal 3.

図2は、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法に用いる他の製造装置の構成を示す。この製造装置は、トレー7上に炭素供給原料のダイス8をのせ、その上に原料9の板(珪素及び珪素合金)をのせ、さらにその上に種結晶3をのせる。ダイス8の上にはインナーサセプタ10を配置し、種結晶3と接するようにインナーパンチ11を配置する。これをダイ12に入れ、トレー7の下には加熱装置5を配置する。   FIG. 2 shows the configuration of another manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal of the present invention. In this manufacturing apparatus, a carbon supply raw material die 8 is placed on a tray 7, a raw material 9 plate (silicon and silicon alloy) is placed thereon, and a seed crystal 3 is placed thereon. An inner susceptor 10 is disposed on the die 8, and an inner punch 11 is disposed in contact with the seed crystal 3. This is placed in the die 12 and the heating device 5 is disposed under the tray 7.

この製造装置を用いて炭化珪素単結晶を製造する方法について説明する。ダイ12の内部を真空にした後、例えばAr等の不活性ガス雰囲気にし、ダイ12内を大気圧もしくはそれ以上に加圧する。次いで加熱装置5により加熱し、原料9を溶融させ、融液中にダイス中の炭素を固溶させる。一方、種結晶3をインナーパンチ11から冷却することにより、温度勾配が生じ、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させることができる。   A method for producing a silicon carbide single crystal using this production apparatus will be described. After the inside of the die 12 is evacuated, an inert gas atmosphere such as Ar is used, and the inside of the die 12 is pressurized to atmospheric pressure or higher. Next, the material is heated by the heating device 5 to melt the raw material 9, and the carbon in the die is dissolved in the melt. On the other hand, by cooling seed crystal 3 from inner punch 11, a temperature gradient is generated, and a silicon carbide single crystal can be grown on the seed crystal.

上記いずれの装置を用いる場合においても、本発明の方法では、種結晶の結晶形によって、結晶を成長させる面を変えることを特徴とする。すなわち、種結晶として六方晶炭化珪素単結晶を用いる場合、その(000−1)炭素面に結晶を成長させる。すなわち、図1に示す装置では、種結晶3を原料4と接する側が(000−1)炭素面となるようにルツボ2内に入れ、図2に示す装置では、種結晶3を原料9と接する側が(000−1)炭素面となるようにのせる。そしてこの際、種結晶の温度を1700〜1900℃とし、温度勾配を1〜5℃/mmとする。このような構成により、六方晶炭化珪素単結晶の種結晶上に六方晶炭化珪素単結晶が高い速度で成長し、また平坦性も優れたものとなる。   Whichever apparatus is used, the method of the present invention is characterized in that the surface on which the crystal is grown is changed depending on the crystal form of the seed crystal. That is, when a hexagonal silicon carbide single crystal is used as a seed crystal, the crystal is grown on the (000-1) carbon surface. That is, in the apparatus shown in FIG. 1, the seed crystal 3 is placed in the crucible 2 so that the side in contact with the raw material 4 is a (000-1) carbon surface, and in the apparatus shown in FIG. Place the side so that it is the (000-1) carbon surface. At this time, the temperature of the seed crystal is set to 1700 to 1900 ° C., and the temperature gradient is set to 1 to 5 ° C./mm. With such a configuration, the hexagonal silicon carbide single crystal grows at a high rate on the seed crystal of the hexagonal silicon carbide single crystal, and the flatness is excellent.

また、種結晶として菱面体炭化珪素単結晶を用いる場合、その(0001)珪素面に結晶を成長させる。すなわち、図1に示す装置では、種結晶3を原料4と接する側が(0001)珪素面となるようにルツボ2内に入れ、図2に示す装置では、種結晶3を原料9と接する側が(0001)珪素面となるようにのせる。そしてこの際、種結晶の温度を1700〜1900℃とするが、温度勾配は5℃/mm以上であってもよい。このような構成により、菱面体炭化珪素単結晶の種結晶上において変態して六方晶炭化珪素単結晶が高い速度で成長する。   When a rhombohedral silicon carbide single crystal is used as a seed crystal, the crystal is grown on the (0001) silicon surface. That is, in the apparatus shown in FIG. 1, the seed crystal 3 is placed in the crucible 2 so that the side in contact with the raw material 4 is a (0001) silicon surface, and in the apparatus shown in FIG. [0001] Place the silicon surface. At this time, the temperature of the seed crystal is 1700 to 1900 ° C., but the temperature gradient may be 5 ° C./mm or more. With such a configuration, the hexagonal silicon carbide single crystal grows at a high rate by transformation on the seed crystal of the rhombohedral silicon carbide single crystal.

さらに、種結晶として菱面体炭化珪素単結晶を用いる場合、その(000−1)炭素面に結晶を成長させてもよい。この際、種結晶の温度を1700〜1900℃とし、温度勾配は5℃/mm以上であってもよい。温度勾配が1〜5℃/mmである場合、菱面体炭化珪素単結晶上に菱面体炭化珪素単結晶が高い速度で成長し、一方温度勾配が5℃/mm以上の場合、菱面体炭化珪素単結晶種結晶上において立方晶炭化珪素単結晶が高い速度で成長する。   Further, when a rhombohedral silicon carbide single crystal is used as a seed crystal, the crystal may be grown on the (000-1) carbon surface. At this time, the temperature of the seed crystal may be 1700 to 1900 ° C., and the temperature gradient may be 5 ° C./mm or more. When the temperature gradient is 1 to 5 ° C./mm, the rhombohedral silicon carbide single crystal grows on the rhombohedral silicon carbide single crystal at a high rate, while when the temperature gradient is 5 ° C./mm or more, the rhombohedral silicon carbide. A cubic silicon carbide single crystal grows at a high rate on the single crystal seed crystal.

また、上記の方法を組み合わせ、菱面体炭化珪素単結晶を種結晶として用い、(0001)珪素面において変態させて六方晶炭化珪素単結晶を成長させ、次いで、得られた六方晶炭化珪素単結晶の(000−1)炭素面を使用して結晶を成長させ、六方晶炭化珪素単結晶を高い速度で成長させることができる。   Further, by combining the above methods, using a rhombohedral silicon carbide single crystal as a seed crystal, transforming on the (0001) silicon surface to grow a hexagonal silicon carbide single crystal, and then obtaining the obtained hexagonal silicon carbide single crystal The (000-1) carbon surface can be used to grow a crystal, and a hexagonal silicon carbide single crystal can be grown at a high rate.

実施例1
図1に示す装置を用い、種結晶としてレリー法によって製造した6H炭化珪素単結晶を用い、この種結晶の(000−1)炭素面を上面として黒鉛製ルツボの底に配置し、ルツボ内に珪素粒を所定量添加し、雰囲気温度1750℃で炭化珪素を溶融させ、温度勾配3℃/mmに設定し、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図3に示す。得られた単結晶は種結晶と同じ6Hであり、その成長速度は21μm/hrであり、表面の平坦性は良好であった。
Example 1
Using a 6H silicon carbide single crystal produced by the Lerry method as a seed crystal using the apparatus shown in FIG. 1, the (000-1) carbon surface of this seed crystal is placed on the bottom of a graphite crucible and placed in the crucible. A predetermined amount of silicon grains was added, silicon carbide was melted at an ambient temperature of 1750 ° C., a temperature gradient was set to 3 ° C./mm, and a silicon carbide single crystal was grown on the seed crystal. FIG. 3 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was the same 6H as the seed crystal, its growth rate was 21 μm / hr, and the surface flatness was good.

比較例1
6H炭化珪素種結晶を、その(0001)珪素面を上にしてルツボ内に配置することを除き、実施例1と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図4に示す。得られた単結晶は種結晶と同じ6Hであったが、単結晶の成長速度は8μm/hrであり実施例1と比較して遅く、また表面の平坦性も悪化していた。
Comparative Example 1
A silicon carbide single crystal was grown in the same manner as in Example 1 except that the 6H silicon carbide seed crystal was placed in the crucible with its (0001) silicon surface facing up. FIG. 4 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was the same 6H as the seed crystal, but the growth rate of the single crystal was 8 μm / hr, which was slower than that of Example 1, and the surface flatness was also deteriorated.

実施例2
炭化珪素種結晶として、レリー法によって製造した15R炭化珪素単結晶を用い、この種結晶の(0001)珪素面を上面として黒鉛製ルツボの底に配置することを除き、実施例1と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図5に示す。得られた単結晶は6Hに変態しており、その成長速度は12μm/hrであった。
Example 2
As in Example 1, except that a 15R silicon carbide single crystal produced by the Lerry method is used as the silicon carbide seed crystal, and the seed crystal is placed at the bottom of the graphite crucible with the (0001) silicon surface as the upper surface. A silicon carbide single crystal was grown. FIG. 5 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was transformed to 6H, and the growth rate was 12 μm / hr.

実施例3
炭化珪素種結晶として、レリー法によって製造した21R炭化珪素単結晶を用い、この種結晶の(0001)珪素面を上面として黒鉛製ルツボの底に配置することを除き、実施例1と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図6に示す。得られた単結晶は6Hに変態しており、その成長速度は15μm/hrであった。
Example 3
A 21R silicon carbide single crystal produced by the Lely method is used as the silicon carbide seed crystal, and the same is applied as in Example 1 except that the (0001) silicon surface of this seed crystal is used as the top surface and placed at the bottom of the graphite crucible. A silicon carbide single crystal was grown. FIG. 6 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was transformed to 6H, and the growth rate was 15 μm / hr.

実施例4
15R炭化珪素種結晶を、その(000−1)炭素面を上にしてルツボ内に配置することを除き、実施例2と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図7に示す。単結晶の成長速度は20μm/hrであり、また表面の平坦性も良好であったが、結晶多形は変態することなく種結晶と同じ15Rであった。
Example 4
A silicon carbide single crystal was grown in the same manner as in Example 2 except that the 15R silicon carbide seed crystal was placed in the crucible with its (000-1) carbon surface facing up. FIG. 7 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The growth rate of the single crystal was 20 μm / hr, and the surface flatness was good, but the crystal polymorph was 15R, the same as the seed crystal, without transformation.

実施例5
図2に示す装置を用い、種結晶としてレリー法によって製造した15R炭化珪素単結晶を用い、この種結晶の(0001)珪素面を下面として原料と接するように配置し、雰囲気温度1870℃で原料を溶融させ、温度勾配10℃/mmに設定し、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図8に示す。得られた単結晶は4Hに変態した。
Example 5
Using the apparatus shown in FIG. 2, a 15R silicon carbide single crystal produced by the Lerry process is used as a seed crystal, and the seed crystal is placed so that the (0001) silicon surface is in contact with the raw material, and the raw material is used at an ambient temperature of 1870 ° C. And a temperature gradient of 10 ° C./mm was set, and a silicon carbide single crystal was grown on the seed crystal. FIG. 8 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was transformed to 4H.

実施例6
雰囲気温度を1890℃とすることを除き、実施例4と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶の断面を図9に示す。得られた単結晶は6Hに変態した。
Example 6
A silicon carbide single crystal was grown in the same manner as in Example 4 except that the ambient temperature was 1890 ° C. FIG. 9 shows a cross section of the obtained silicon carbide single crystal. The obtained single crystal was transformed to 6H.

比較例2
種結晶として6H単結晶を用い、その(000−1)炭素面を下にして配置することを除き、実施例4と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた炭化珪素単結晶は6Hであったが、表面の平坦性は悪化していた。
Comparative Example 2
A silicon carbide single crystal was grown in the same manner as in Example 4 except that a 6H single crystal was used as a seed crystal, and the (000-1) carbon surface was disposed downward. The obtained silicon carbide single crystal was 6H, but the surface flatness was deteriorated.

実施例7
種結晶として15R単結晶を用いるが、その(000−1)炭素面を下にして配置することを除き、実施例4と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。得られた単結晶は3Cに変態していた。
Example 7
A 15R single crystal was used as a seed crystal, and a silicon carbide single crystal was grown in the same manner as in Example 4 except that the (000-1) carbon surface was placed downward. The obtained single crystal was transformed to 3C.

以上の結果を以下の表にまとめる。
The above results are summarized in the following table.

以上の結果から明らかなように、種結晶として六方晶炭化珪素単結晶を用いた場合、珪素面からの成長に比べて炭素面からの成長が速く、表面平坦性も良好であった。但し、温度勾配を5℃/mmより大きくすると表面平坦性が低下する傾向にあり、温度勾配は1〜5℃/mmとすることが好ましい。一方、種結晶として菱面体晶炭化珪素単結晶を用いた場合、珪素面からは六方晶に変態し、温度勾配の影響もなかった。また炭素面からは1〜5℃/mmの温度勾配では変態せず、5℃/mmより高い温度勾配では3Cに変態した。   As is clear from the above results, when a hexagonal silicon carbide single crystal was used as the seed crystal, growth from the carbon surface was faster than that from the silicon surface, and surface flatness was good. However, when the temperature gradient is larger than 5 ° C./mm, the surface flatness tends to decrease, and the temperature gradient is preferably 1 to 5 ° C./mm. On the other hand, when a rhombohedral silicon carbide single crystal was used as a seed crystal, it was transformed into a hexagonal crystal from the silicon surface and was not affected by the temperature gradient. Moreover, it did not transform from the carbon surface at a temperature gradient of 1 to 5 ° C./mm, but transformed to 3C at a temperature gradient higher than 5 ° C./mm.

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法に用いる製造装置の構成を示す略図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal of the present invention. 本発明の炭化珪素単結晶の製造方法に用いる製造装置の構成を示す略図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal of the present invention. 本発明により形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed by this invention. 比較例において形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed in the comparative example. 本発明により形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed by this invention. 本発明により形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed by this invention. 比較例において形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed in the comparative example. 本発明により形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed by this invention. 本発明により形成された単結晶の断面を示す図面に代わる写真である。It is the photograph replaced with drawing which shows the cross section of the single crystal formed by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 チャンバー
2 ルツボ
3 種結晶
4 原料
5 加熱装置
6 冷却板
7 トレー
8 ダイス
9 原料
10 インナーサセプタ
11 インナーパンチ
12 ダイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 2 Crucible 3 Seed crystal 4 Raw material 5 Heating device 6 Cooling plate 7 Tray 8 Die 9 Raw material 10 Inner susceptor 11 Inner punch 12 Die

Claims (4)

SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む六方晶炭化珪素単結晶の製造方法であって、
種結晶基板として六方晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(000−1)炭素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部から種結晶基板と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること、又は
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用いる場合、その(0001)珪素面を使用し、かつ種結晶温度を1700〜1900℃として結晶を成長させること、
を特徴とする六方晶炭化珪素単結晶の製造方法。
A method for producing a hexagonal silicon carbide single crystal, comprising bringing a silicon carbide seed crystal substrate into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and growing a silicon carbide single crystal on the substrate,
When a hexagonal silicon carbide single crystal substrate is used as the seed crystal substrate, the (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700-1900 ° C., and the surface in contact with the seed crystal substrate from the melt is used. When growing a crystal with a temperature gradient in the range of 1 to 5 ° C./mm, or when using a rhombohedral silicon carbide single crystal substrate as a seed crystal substrate, use the (0001) silicon surface and use a seed crystal Growing the crystal at a temperature of 1700-1900 ° C.,
A method for producing a hexagonal silicon carbide single crystal.
SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む六方晶炭化珪素単結晶の製造方法であって、
まず種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(0001)珪素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃として結晶を成長させて六方晶炭化珪素単結晶を得ること、次いで
得られた六方晶炭化珪素単結晶の(000−1)炭素面を使用し、この六方晶炭化珪素単結晶の温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
A method for producing a hexagonal silicon carbide single crystal, comprising bringing a silicon carbide seed crystal substrate into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and growing a silicon carbide single crystal on the substrate,
First, using a rhombohedral silicon carbide single crystal substrate as a seed crystal substrate, using the (0001) silicon surface, growing the crystal at a seed crystal temperature of 1700 to 1900 ° C. to obtain a hexagonal silicon carbide single crystal, Next, using the (000-1) carbon surface of the obtained hexagonal silicon carbide single crystal, the temperature of the hexagonal silicon carbide single crystal is set to 1700 to 1900 ° C., and the surface is in contact with the single crystal from the melt. A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein the crystal is grown with a temperature gradient toward 1 in a range of 1 to 5 ° C./mm.
SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む菱面体晶炭化珪素単結晶の製造方法であって、
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(000−1)炭素面を使用し、種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を1〜5℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする菱面体晶炭化珪素単結晶の製造方法。
A method for producing a rhombohedral silicon carbide single crystal, comprising bringing a silicon carbide seed crystal substrate into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and growing a silicon carbide single crystal on the substrate,
A rhombohedral silicon carbide single crystal substrate is used as a seed crystal substrate, its (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700 to 1900 ° C., and the surface in contact with the single crystal from the melt is used. A method for producing a rhombohedral silicon carbide single crystal, wherein the crystal is grown with a heading temperature gradient in a range of 1 to 5 ° C / mm.
SiとCを含む原料を融解した融液に炭化珪素種結晶基板を接触させ、前記基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを含む立方晶炭化珪素単結晶の製造方法であって、
種結晶基板として菱面体晶炭化珪素単結晶基板を用い、その(000−1)炭素面を使用し、かつ種結晶温度を1700〜1900℃とし、かつ融液内部からこの単結晶と接触する表面に向かう温度勾配を5〜50℃/mmの範囲内として結晶を成長させること
を特徴とする立方晶炭化珪素単結晶の製造方法。
A method for producing a cubic silicon carbide single crystal comprising bringing a silicon carbide seed crystal substrate into contact with a melt obtained by melting a raw material containing Si and C, and growing a silicon carbide single crystal on the substrate,
A rhombohedral silicon carbide single crystal substrate is used as a seed crystal substrate, its (000-1) carbon surface is used, the seed crystal temperature is set to 1700-1900 ° C., and the surface is in contact with the single crystal from the melt. A method for producing a cubic silicon carbide single crystal, wherein the crystal is grown with a temperature gradient toward the range of 5 to 50 ° C./mm.
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