JP2008100890A - Method for producing SiC single crystal - Google Patents
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Abstract
【課題】大口径、高品質SiC単結晶を安価に安定して連続成長させることができるSiC単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】坩堝に収容されたSi合金の融液を溶媒とするSiC溶液に種結晶基板を接触させて基板上にSiCをエピタキシャル成長させる液相成長法によるSiC単結晶の製造において、種結晶基板としてサファイア結晶基板を使用する。溶媒は、Si−Al合金またはSi−Al−M合金(MはTi,Mn,Fe,Co,Cr,Cu及びVから選ばれた1種以上の添加元素)とする。
【選択図】図4The present invention provides a method for producing a SiC single crystal capable of stably and stably growing a large-diameter, high-quality SiC single crystal at low cost.
In production of a SiC single crystal by a liquid phase growth method in which SiC is epitaxially grown on a substrate by bringing the seed crystal substrate into contact with a SiC solution using a Si alloy melt contained in a crucible as a solvent, the seed crystal substrate As a sapphire crystal substrate. The solvent is a Si-Al alloy or a Si-Al-M alloy (M is one or more additive elements selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cr, Cu and V).
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、特に光デバイスおよび電子デバイスの基板材料として好適な、高品質で大口径の炭化珪素(SiC)単結晶を安価に製造でき、その工業的製造を可能にするSiC単結晶の製造方法に関する。 The present invention can produce a high-quality, large-diameter silicon carbide (SiC) single crystal, which is particularly suitable as a substrate material for optical devices and electronic devices, at a low cost, and enables the industrial production thereof. About.
SiCは、熱的および化学的に安定な化合物半導体の1種であり、シリコン(Si)に比べて、バンドギャップが約3倍、絶縁破壊電圧が約10倍、電子飽和速度が約2倍、熱伝導率が約3倍大きいという、Siよりも有利な物性上の特長を有している。このような優れた特性から、SiCは、Siデバイスの物性的な限界を打破するパワーデバイスや高温で動作する対環境デバイスといった電子デバイス材料としての応用が期待されている。 SiC is one type of thermally and chemically stable compound semiconductor, and has a band gap of about 3 times, a breakdown voltage of about 10 times, an electron saturation speed of about 2 times, compared to silicon (Si), It has a physical property advantage over Si that its thermal conductivity is about three times larger. Due to such excellent characteristics, SiC is expected to be applied as an electronic device material such as a power device that overcomes the physical limitations of Si devices and an environmental device that operates at high temperatures.
一方、光デバイスにおいては、短波長化を目指した窒化物系材料(GaN,AlN)の開発がなされている。SiCは窒化物系材料に対する格子不整合が他の化合物半導体に比べて小さいので、窒化物系材料のエピタキシャル成長用の基板材料としても注目されている。 On the other hand, for optical devices, nitride-based materials (GaN, AlN) aiming at shorter wavelengths have been developed. SiC has attracted attention as a substrate material for epitaxial growth of nitride-based materials because it has a smaller lattice mismatch to nitride-based materials than other compound semiconductors.
ところで、SiCは多くの結晶多形(ポリタイプ)を呈する材料として有名である。結晶多形とは、化学量論的には同じ組成でありながら、原子の積層様式が、C軸方向に異なる結晶構造をとる現象である。SiCの代表的な結晶多形には、6H(Si−C6層を1周期とする六方晶)、4H(Si−C4層を1周期とする六方晶)、3C(Si−C3層を1周期とする立方晶)がある。2種類以上の結晶多形の混在はデバイスとしての応用上好ましくない。 By the way, SiC is famous as a material exhibiting many crystal polymorphs (polytypes). Crystal polymorphism is a phenomenon in which the stacking mode of atoms takes a different crystal structure in the C-axis direction, while having the same stoichiometric composition. Typical crystal polymorphs of SiC include 6H (hexagonal crystal with one Si-C6 layer), 4H (hexagonal crystal with one Si-C4 layer), and 3C (one Si-C3 layer). And cubic crystal). Mixing two or more types of crystal polymorphs is not preferable for application as a device.
SiCを電子デバイスや光デバイスに応用するには、結晶形が単一で(結晶多形の混在がなく)、かつ結晶欠陥が皆無または非常に少ない、良質なSiCバルク単結晶および薄膜が必要となる。また、得られる1枚の基板から採取できるデバイスの数量を増大させ、工業的な生産性をあげる観点からは、大口径のSiC単結晶基板が必要となる。 Application of SiC to electronic devices and optical devices requires high-quality SiC bulk single crystals and thin films that have a single crystal form (no intermingling of crystal polymorphs) and have few or very few crystal defects. Become. Further, from the viewpoint of increasing the number of devices that can be collected from one obtained substrate and increasing industrial productivity, a large-diameter SiC single crystal substrate is required.
SiC単結晶は、Si単結晶などの既存の半導体デバイス基板材料と比べると、現時点では結晶欠陥が多く、品質面で問題がある。また、生産性の低さから価格が高く、SiCデバイスは高性能が期待されるものの、適用できる領域が限定される。そこで、良質かつ安価な4インチ径以上の大口径SiC単結晶が強く求められている。 Compared with existing semiconductor device substrate materials such as Si single crystal, SiC single crystal has many crystal defects at present and has a problem in quality. Moreover, although the price is high due to low productivity, and the SiC device is expected to have high performance, the applicable area is limited. Therefore, there is a strong demand for high-quality and inexpensive large-diameter SiC single crystals having a diameter of 4 inches or more.
従来から知られているSiCの製造方法としては、気相成長法に属する昇華再結晶化法および化学反応堆積法(CVD法)と、液相成長法(LPE法)とが挙げられる。
昇華再結晶化法では、原料のSiCの粉末を2200℃から2500℃の超高温で昇華させ、低温部に配置したSiC単結晶からなる種結晶基板上にSiC単結晶を再結晶化させる。この方法では、主として、4H−SiC、6H−SiCが得られる。
Conventionally known SiC production methods include a sublimation recrystallization method and a chemical reaction deposition method (CVD method) belonging to a vapor phase growth method, and a liquid phase growth method (LPE method).
In the sublimation recrystallization method, raw SiC powder is sublimated at an ultrahigh temperature of 2200 ° C. to 2500 ° C., and the SiC single crystal is recrystallized on a seed crystal substrate made of an SiC single crystal arranged in a low temperature portion. In this method, 4H—SiC and 6H—SiC are mainly obtained.
昇華再結晶化法は成長速度が比較的速く、バルク結晶が得られやすいことから、現在のSiC単結晶ウエハーの工業的な生産にはこの方法が主に利用されている。しかし、結晶成長が熱力学的非平衡条件下で進行するため、昇華再結晶化法により成長させたSiC単結晶には、マイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通欠陥や螺旋転位、積層欠陥などの結晶欠陥が生じやすく、結晶の品質に問題がある。また、ウエハーの口径ついては、現在量産され市販されているものは3インチ径までに限られている。さらに、基板に用いるSiC単結晶の価格が既存の半導体基板材料と比べるとはるかに高いことも、大きな問題点である。 Since the sublimation recrystallization method has a relatively high growth rate and a bulk crystal can be easily obtained, this method is mainly used for industrial production of the present SiC single crystal wafer. However, because crystal growth proceeds under thermodynamic non-equilibrium conditions, SiC single crystals grown by sublimation recrystallization have crystal defects such as hollow through defects called micropipe defects, screw dislocations, and stacking faults. Is likely to occur and there is a problem with the quality of the crystals. As for the diameter of the wafer, what is currently mass-produced and marketed is limited to a diameter of 3 inches. Furthermore, it is a big problem that the price of the SiC single crystal used for the substrate is much higher than that of the existing semiconductor substrate material.
CVD法では、原料にシラン系ガスと炭化水素系ガスとを用いて、SiまたはSiC単結晶からなる基板上に、SiCをエピタキシャル成長させる。CVD法は、昇華再結晶化法に比べて成長速度が遅いことから、主に薄膜のSiC単結晶の成長に利用されている。種結晶基板にSiを用いる場合、Si融点以下の温度で成長を行うことから、低温安定相である3C−SiC単結晶を得ることができる。 In the CVD method, SiC is epitaxially grown on a substrate made of Si or SiC single crystal using silane-based gas and hydrocarbon-based gas as raw materials. Since the CVD method has a slower growth rate than the sublimation recrystallization method, it is mainly used for the growth of a thin film SiC single crystal. When Si is used for the seed crystal substrate, the growth is performed at a temperature not higher than the Si melting point, so that a 3C—SiC single crystal that is a low-temperature stable phase can be obtained.
薄膜のSiC単結晶は種結晶基板の影響を受けるため、Si基板を用いることで、6インチ径程度の大面積の薄膜単結晶を得ることができる上、昇華再結晶化法に比べて相対的に製造単価を抑えることができるという利点がある。しかし、約20%に及ぶ大きな格子定数の不整合を有するSiCをSi基板上に成長させると、成長層に積層欠陥などの結晶欠陥が生じやすく、結晶品質に問題を生ずる。一方、種結晶基板にSiC単結晶を用いた場合には、種結晶基板と同一の結晶多形(例、4H−SiC,6H−SiC)のSiC単結晶を成長させることが可能となる。しかし、この種結晶基板が現状では昇華再結晶化法で作製されていて、上記のように品質に問題があるため、SiC単結晶薄膜の高品質化には制約がある。 Since the thin film SiC single crystal is affected by the seed crystal substrate, it is possible to obtain a large area thin film single crystal having a diameter of about 6 inches by using the Si substrate, and also relative to the sublimation recrystallization method. There is an advantage that the manufacturing unit price can be suppressed. However, when SiC having a large lattice constant mismatch of about 20% is grown on a Si substrate, crystal defects such as stacking faults are likely to occur in the growth layer, resulting in a problem in crystal quality. On the other hand, when an SiC single crystal is used for the seed crystal substrate, it is possible to grow an SiC single crystal having the same crystal polymorphism (eg, 4H—SiC, 6H—SiC) as the seed crystal substrate. However, since this seed crystal substrate is currently produced by the sublimation recrystallization method and there is a problem with the quality as described above, there is a limitation in improving the quality of the SiC single crystal thin film.
液相成長法は、SiまたはSi合金の融液中に炭素を溶解させて、該融液を溶媒とするSiC溶液を調製する。このSiC溶液に種結晶基板を浸漬し、少なくとも基板近傍の溶液を過冷却状態にすることによってSiC過飽和状態を作り出し、SiC単結晶を種結晶基板上にエピタキシャル成長させる。液相成長法では、分子の再配列に伴うエネルギー変化が小さいため、気相成長により得られた単結晶に比べて、結晶多形の転移を生じる可能性が小さく、一般に結晶欠陥が少ない良質のSiC単結晶を成長させることができる。 In the liquid phase growth method, carbon is dissolved in a melt of Si or Si alloy, and an SiC solution using the melt as a solvent is prepared. A seed crystal substrate is immersed in this SiC solution, and at least a solution in the vicinity of the substrate is brought into a supercooled state to create a SiC supersaturated state, and an SiC single crystal is epitaxially grown on the seed crystal substrate. In the liquid phase growth method, the change in energy associated with molecular rearrangement is small, so there is less possibility of causing crystal polymorphic transitions compared to single crystals obtained by vapor phase growth. A SiC single crystal can be grown.
本発明者らは先に、SiとTiまたはSiとMnとの合金を溶媒とする液相成長法によるSiC単結晶の製造方法を開発し、高品質なSiCバルク単結晶を得ることに成功した(特開2004−2173号公報)。この方法では、Siのみを溶媒とする場合に比べて、生産性を示す結晶成長速度が数倍高くなる。この方法に対して、いわゆる坩堝加速回転法(ACRT:Accelerated Crucible Rotation Technique)を適用すると、融液内の攪拌効果が向上し、SiC単結晶の成長速度を更に高速化させることができる(特開2006−117441号公報)。 The present inventors have previously developed a method for producing a SiC single crystal by a liquid phase growth method using Si and Ti or an alloy of Si and Mn as a solvent, and succeeded in obtaining a high-quality SiC bulk single crystal. (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-2173). In this method, the crystal growth rate showing productivity is several times higher than when only Si is used as a solvent. When a so-called crucible accelerated rotation technique (ACTR) is applied to this method, the stirring effect in the melt is improved and the growth rate of the SiC single crystal can be further increased (Japanese Patent Application Laid-Open (JP-A)). 2006-117441).
別の方法として、冷却坩堝を用いてSiC等の単結晶を液相成長させる方法も提案した(特開2005−179080号公報)。この方法では、融液の電磁攪拌が促進されるため、融液温度が概ね均一となる上、坩堝の表層温度が低温であるため、大きな温度勾配条件下で結晶成長が実現でき、やはりSiC単結晶の成長速度を高めることができる。 As another method, a method of liquid-phase growth of a single crystal such as SiC using a cooling crucible was also proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-179080). In this method, electromagnetic stirring of the melt is promoted, so that the melt temperature becomes substantially uniform and the surface temperature of the crucible is low, so that crystal growth can be realized under a large temperature gradient condition. The crystal growth rate can be increased.
しかし、いずれの技術においても種結晶基板には、SiC単結晶を用いており、前述のとおり、種結晶基板として使用できるSiCバルク単結晶自体が高価であることから、製造単価が比較的大きくなり、コスト面での改善が望まれていた。
本発明の目的は、大口径、高品質SiC単結晶を成長させることができる安価なSiC単結晶の製造方法を提供することである。より具体的には、液相成長法によりこの目的を達成することである。 An object of the present invention is to provide an inexpensive method for producing a SiC single crystal capable of growing a large-diameter, high-quality SiC single crystal. More specifically, this purpose is achieved by a liquid phase growth method.
本発明によれば、種結晶基板としてサファイア結晶を使用し、かつSiC溶液の溶媒として特定のSi合金を使用することにより、液相成長法による高品質なSiC単結晶の安価な製造が可能となる。 According to the present invention, by using a sapphire crystal as a seed crystal substrate and using a specific Si alloy as a solvent of an SiC solution, it is possible to inexpensively manufacture a high-quality SiC single crystal by a liquid phase growth method. Become.
高純度のアルミナ(Al2O3)単結晶であるサファイア単結晶は、非常に優れた光学透過性、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性、熱伝導性、絶縁性を合わせ持った材料である。サファイア結晶は、CZ法、ベルヌーイ法、EFG(Edge-defined Film fed Growth)法などにより工業的に製造されており、量産性に優れることから安価で、かつ欠陥が非常に少ない良質な結晶である。また、6インチ径以上の大口径の単結晶サファイアが既に市販されている。 Sapphire single crystal, a high-purity alumina (Al 2 O 3 ) single crystal, is a material that combines extremely excellent optical transparency, heat resistance, wear resistance, chemical resistance, thermal conductivity, and insulation. is there. Sapphire crystals are industrially manufactured by the CZ method, Bernoulli method, EFG (Edge-defined Film fed Growth) method, etc., and are high-quality crystals that are inexpensive and have very few defects due to their excellent mass productivity. . In addition, single crystal sapphire having a large diameter of 6 inches or more is already on the market.
高品質なSiC単結晶を得るためには、種結晶基板とSiC単結晶との格子不整合が小さいことが必要である。サファイア結晶は、SiCとの格子定数不整合が16%と、SiとSiCの格子定数不整合に比べると小さいので、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を、Si単結晶上に成長させる場合に比べると低減させることができる。さらに、液相成長法によりSiC結晶成長を行うことで、成長進行とともに、SiC/サファイア界面に発生した結晶欠陥の劇的な低減が期待でき、長時間の連続成長を行い厚膜化することで、最終的には結晶欠陥の少ない高品質なSiC単結晶を成長させることが可能となる。また、サファイア基板は、大口径な結晶が市販されていることから、大口径のSiC単結晶を成長させることが可能である。 In order to obtain a high-quality SiC single crystal, it is necessary that the lattice mismatch between the seed crystal substrate and the SiC single crystal is small. The sapphire crystal has a lattice constant mismatch with SiC of 16%, which is small compared to the lattice constant mismatch between Si and SiC. Therefore, when crystal defects caused by the lattice mismatch are grown on the Si single crystal. Can be reduced compared to. Furthermore, by performing SiC crystal growth by the liquid phase growth method, it is possible to expect dramatic reduction of crystal defects generated at the SiC / sapphire interface as the growth progresses. Finally, it becomes possible to grow a high-quality SiC single crystal with few crystal defects. Moreover, since a large-diameter crystal is commercially available, a large-diameter SiC single crystal can be grown on the sapphire substrate.
これまで、サファイア結晶上へのSiC単結晶のヘテロエピタキシャル技術については、CVD法で僅かに報告があるが、いずれも基礎的な研究であり、SiC単結晶を得るためのものではない。サファイア結晶上へのSiC単結晶の液相成長に関しては、現在までに報告はなく、それが可能であることも知られていない。 Up to now, the SiC single crystal heteroepitaxial technology on the sapphire crystal has been reported slightly by the CVD method, but all are basic studies and are not for obtaining the SiC single crystal. There has been no report on the liquid phase growth of SiC single crystal on sapphire crystal, and it is not known that this is possible.
本発明者らは、サファイア結晶上へのSiC単結晶の液相成長に関して、種結晶基板のサファイア結晶を融液に接触させた場合に起こりうるサファイアと融液との反応を考慮した研究を重ね、ある特定のSi合金を使用した場合に、高品質なSiC単結晶の成長が可能となることを見出し、本発明に至った。 The present inventors have repeatedly studied the liquid phase growth of a SiC single crystal on a sapphire crystal in consideration of the reaction between sapphire and the melt that can occur when the sapphire crystal of the seed crystal substrate is brought into contact with the melt. The inventors have found that when a specific Si alloy is used, a high-quality SiC single crystal can be grown, and the present invention has been achieved.
本発明は、坩堝に収容されたSi合金の融液を溶媒とするSiC溶液に種結晶基板を接触させて該基板上にSiCをエピタキシャル成長させる液相成長法によるSiC単結晶の製造方法であって、
前記種結晶基板がサファイア結晶基板であり、
前記Si合金が、Si−Al合金(即ち、SiとAlとの合金)、またはSi−Al−M合金(即ち、SiとAlと添加元素Mとの合金、Mは、Ti,Mn,Fe,Co,Cr,Cu及びVから選ばれた1種以上の元素)である、
ことを特徴とするSiC単結晶の製造方法である。
The present invention relates to a method for producing a SiC single crystal by a liquid phase growth method in which a seed crystal substrate is brought into contact with a SiC solution containing a Si alloy melt contained in a crucible as a solvent and SiC is epitaxially grown on the substrate. ,
The seed crystal substrate is a sapphire crystal substrate;
The Si alloy is a Si—Al alloy (that is, an alloy of Si and Al) or a Si—Al—M alloy (that is, an alloy of Si, Al, and an additive element M, where M is Ti, Mn, Fe, One or more elements selected from Co, Cr, Cu and V).
It is the manufacturing method of the SiC single crystal characterized by the above-mentioned.
また、サファイア種結晶基板の表層には、SiCとの格子整合性が更に小さIII族元素窒化物(AlN、GaN、InN、InGaN、InAlN、InGaAlNなど)を、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)などの気相成長法によって薄膜ヘテロエピタキシャル成長させることが可能である。このようなIII族元素窒化物の薄膜をサファイア表層にヘテロエピタキシャル成長させたIII族元素窒化物/サファイア基板を、SiC結晶成長用基板として用いることもできる。こうすると、SiCとの格子不整合に起因して成長初期に発生する結晶欠陥自体を減少させることができる。 Further, on the surface layer of the sapphire seed crystal substrate, a group III element nitride (AlN, GaN, InN, InGaN, InAlN, InGaAlN, etc.) having a smaller lattice matching with SiC, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), etc. Thin film heteroepitaxial growth is possible by the vapor phase growth method. A group III element nitride / sapphire substrate obtained by heteroepitaxially growing such a group III element nitride thin film on a sapphire surface layer can also be used as a substrate for SiC crystal growth. In this way, it is possible to reduce crystal defects themselves that occur in the early stage of growth due to lattice mismatch with SiC.
液相成長法による種結晶基板へのSiCのエピタキシャル成長は、少なくとも種結晶基板周辺のSiC溶液を過飽和状態とすることによって行われる。この過飽和状態を創出するための手段は特に制限されず、液相成長法において一般に利用可能な任意な手段を採用することができる。そのような手段としては、(1)溶液全体を実質的に一様に徐冷して過飽和状態とする、いわゆる徐冷法、(2)種結晶基板が接触する部分の溶液だけを僅かに低温化させる温度差法、並びに(3)溶媒を蒸発させて溶液全体を過飽和状態にする蒸発法、が挙げられる。 The epitaxial growth of SiC on the seed crystal substrate by the liquid phase growth method is performed by at least bringing the SiC solution around the seed crystal substrate into a supersaturated state. The means for creating this supersaturated state is not particularly limited, and any means generally available in the liquid phase growth method can be adopted. As such means, (1) so-called slow cooling method in which the whole solution is gradually cooled to be supersaturated substantially uniformly, (2) only the temperature of the solution in the part where the seed crystal substrate contacts is slightly lowered There are a temperature difference method and (3) an evaporation method in which the solvent is evaporated to bring the whole solution into a supersaturated state.
溶液全体を過飽和にする徐冷法と蒸発法は、バッチ操作となるため、薄膜単結晶の製造に適している。一方、温度差法は、連続的に結晶成長を行うことが可能であるため、バルク単結晶を得るのに適した方法であるが、成長時間を短時間化することにより薄膜単結晶を温度差法で製造することも可能である。温度差の創出は、例えば、溶液表面の中央付近に種結晶基板を接触させ、種結晶基板の保持治具を冷却することにより、この保持具から種結晶基板を介して基板周辺の溶液を冷却することにより達成できる。この場合、水平方向(溶液が隆起している場合には溶液表面)に温度差が作られる。別の方法として、溶液を収容する坩堝の周囲に配した加熱手段を制御するか、或いは単に溶液と接する雰囲気ガスからの冷却によって、溶液の上下方向に温度差を作ることも可能である。 The slow cooling method and evaporation method that supersaturate the entire solution are batch operations and are suitable for the production of thin film single crystals. On the other hand, the temperature difference method is suitable for obtaining a bulk single crystal because it allows continuous crystal growth. However, the temperature difference method can be applied to a thin film single crystal by shortening the growth time. It is also possible to manufacture by the method. The temperature difference is created by, for example, bringing the seed crystal substrate into contact with the center of the solution surface and cooling the holding jig for the seed crystal substrate to cool the solution around the substrate from the holder through the seed crystal substrate. This can be achieved. In this case, a temperature difference is created in the horizontal direction (the surface of the solution when the solution is raised). As another method, it is also possible to create a temperature difference in the vertical direction of the solution by controlling the heating means arranged around the crucible containing the solution, or simply by cooling from the atmospheric gas in contact with the solution.
SiC溶液の溶媒の選定は、種結晶基板のサファイア結晶をSiC溶液に接触させた場合に起こりうるサファイアと融解した溶媒(融液)との反応を考慮した上で決定される。すなわち、サファイア結晶が融液と反応し、生成した反応生成物が単結晶成長温度で液相を呈するものであれば、基板のサファイア結晶が融液中に溶解することを意味する。この場合、サファイア基板表面におけるSiC結晶核の生成が起こりにくい。一方、サファイア結晶が融液と反応して生成した反応生成物が単結晶成長温度で固相を呈し、しかもその反応生成物がAl2O3であれば最も好ましい。この時は、種結晶基板の溶解が抑制され、SiC結晶成長を進行させることができる。そのため、溶媒は、Siのほかに少なくともAlを含有する必要がある。すなわち、溶媒は少なくともSiとAlを含むSi合金とし、このSi合金は場合によりさらに添加元素Mを含有することができる。 The selection of the solvent for the SiC solution is determined in consideration of the reaction between sapphire and the melted solvent (melt) that may occur when the sapphire crystal of the seed crystal substrate is brought into contact with the SiC solution. That is, if the sapphire crystal reacts with the melt and the produced reaction product exhibits a liquid phase at the single crystal growth temperature, it means that the sapphire crystal of the substrate is dissolved in the melt. In this case, generation of SiC crystal nuclei on the surface of the sapphire substrate hardly occurs. On the other hand, it is most preferable that the reaction product produced by the reaction of the sapphire crystal with the melt exhibits a solid phase at the single crystal growth temperature, and the reaction product is Al 2 O 3 . At this time, dissolution of the seed crystal substrate is suppressed, and SiC crystal growth can proceed. Therefore, the solvent needs to contain at least Al in addition to Si. That is, the solvent is a Si alloy containing at least Si and Al, and the Si alloy can further contain the additional element M in some cases.
また、SiC結晶を成長させる際のSiC溶液温度(以下、融液温度という)も重要なプロセス因子である。融液温度が高いほど、融液中のSiC濃度を増大させることができる。しかし、融液温度が高すぎると、融液とサファイアとの反応生成物が液相となることが多く、サファイア基板の溶解が激しくなる。このため、融液温度は1500℃以下とすることが適当である。溶媒のSi合金が高融点金属、例えばCr,Vを合金元素とする場合には、液相線温度を低下させる目的で、低融点金属、例えばCu,Mnなどを同時に融液に添加するとよい。 Further, the SiC solution temperature (hereinafter referred to as melt temperature) when growing the SiC crystal is also an important process factor. The higher the melt temperature, the more the SiC concentration in the melt can be increased. However, if the melt temperature is too high, the reaction product of the melt and sapphire often becomes a liquid phase, and dissolution of the sapphire substrate becomes severe. For this reason, it is appropriate that the melt temperature is 1500 ° C. or lower. When the solvent Si alloy has a high melting point metal such as Cr or V as an alloy element, a low melting point metal such as Cu or Mn may be simultaneously added to the melt for the purpose of lowering the liquidus temperature.
このように、サファイア結晶上にSiC単結晶を成長させるための最適な結晶成長条件を知るには、液相の組成や結晶成長条件を種々に変化させた成長実験から、いかなる現象が生じるかを子細に検討する必要がある。また、サファイアと液相との反応を考慮しなくてはならず、従来技術からの知見はほとんど参考にならない。 In this way, in order to know the optimum crystal growth conditions for growing a SiC single crystal on a sapphire crystal, what phenomenon will occur from growth experiments with various changes in the liquid phase composition and crystal growth conditions? It is necessary to consider carefully. In addition, the reaction between sapphire and the liquid phase must be considered, and the knowledge from the prior art is hardly helpful.
Alを含有するSi合金を溶媒とする液相成長によりサファイア結晶上にSiC単結晶を安定してヘテロエピタキシャル成長させることが可能となり、それにより液相成長法による高品質かつ大口径のSiC単結晶の工業的製造が実現可能となることは、従来技術からは全く予想することができなかったことである。 Liquid phase growth using a Si alloy containing Al as a solvent makes it possible to stably heteroepitaxially grow a SiC single crystal on a sapphire crystal, which makes it possible to produce high-quality and large-diameter SiC single crystals by liquid phase growth. The fact that industrial production is feasible is completely impossible to predict from the prior art.
融解させたSi合金である溶媒(融液)中にCを溶解させることによりSiC溶液を形成する。Cの供給源となる炭素含有材料は、融液に溶解可能であれば特に制限されるものではないが、融液中への不純物の導入を避けるために、黒鉛のような純炭素材料またはSiとCとの化合物であるSiCを使用することが好ましい。Cは、融液を収容している坩堝の少なくとも一部を構成する材質を炭素含有材料とし、この材質の溶解により供給してもよく、あるいは融液に投入した炭素含有材料の溶解により供給してもよい。 A SiC solution is formed by dissolving C in a solvent (melt) which is a melted Si alloy. The carbon-containing material that is a supply source of C is not particularly limited as long as it can be dissolved in the melt, but in order to avoid introduction of impurities into the melt, a pure carbon material such as graphite or Si It is preferable to use SiC which is a compound of C and C. C is a material containing at least a part of the crucible containing the melt as a carbon-containing material, and may be supplied by dissolving the material, or supplied by dissolving the carbon-containing material charged into the melt. May be.
融液を収容する坩堝としては、少なくとも坩堝の側壁部の一部に水冷手段を組み込んだ、いわゆる冷却坩堝(cold crucible、低温坩堝ともいう)を利用することができる。側壁部は少なくとも一部にスリットを有し、坩堝周囲には常伝導コイル(高周波コイル)を配置する。この坩堝を利用して、誘導コイルに高周波の交流電流を通電すると、坩堝内の融液にローレンツ力が作用して融液がドーム状に隆起し、気相と融液との接触界面が増大すると同時に、融液は側壁部とはあまり接触しなくなる。この場合、融液中へのCの溶解は、融液を下から支える坩堝の融液保持部(底部とその周辺部分)に炭素を含有した坩堝材料(例、黒鉛)を用い、そこから溶解させるとよい。 As the crucible for storing the melt, a so-called cooling crucible (also called a cold crucible) in which water cooling means is incorporated at least in a part of the side wall of the crucible can be used. The side wall portion has a slit at least partially, and a normal coil (high frequency coil) is disposed around the crucible. When a high-frequency alternating current is applied to the induction coil using this crucible, the Lorentz force acts on the melt in the crucible and the melt rises like a dome, increasing the contact interface between the gas phase and the melt. At the same time, the melt does not make much contact with the side wall. In this case, C is dissolved in the melt by using a crucible material (eg, graphite) containing carbon in the melt holding part (bottom part and its peripheral part) of the crucible that supports the melt from below. It is good to let them.
この融液保持部は消耗品となるが、融液が坩堝側面の実質部分とは接触せずに結晶成長を進行でき、側壁部は非消耗部分として長期にわたり使用可能となることから、坩堝全体を消耗品となる炭素含有材料から構成した坩堝に融液を収容する場合に比べて、SiC単結晶の製造単価を下げることが可能となる。 Although this melt holding part becomes a consumable item, the melt can proceed with crystal growth without contacting the substantial part of the side of the crucible, and the side wall part can be used as a non-consumable part for a long time. Compared to the case where the melt is stored in a crucible made of a carbon-containing material that becomes a consumable, it is possible to reduce the production unit cost of the SiC single crystal.
また、上記構造の冷却坩堝を使用した場合、スリットが絶縁部となるため、融液は、コイルへの通電による電磁誘導で発生した電磁攪拌を効果的に受けることができる。交流電流の通電は、直流電流の通電に比べて、ローレンツ力により隆起した形状が安定化すると同時に、ジュール熱による融液の加熱効果も期待できる。界面の面積増加と電磁攪拌によって、溶質であるSiCの種結晶基板の近傍への輸送を促進させることができ、サファイア結晶上でのSiC結晶成長が安定して進行する。 Further, when the cooling crucible having the above structure is used, since the slit becomes an insulating portion, the melt can be effectively subjected to electromagnetic stirring generated by electromagnetic induction by energization of the coil. Compared with direct current application, the alternating current supply stabilizes the shape raised by the Lorentz force, and at the same time, the effect of heating the melt by Joule heat can be expected. By increasing the area of the interface and electromagnetic stirring, transport of SiC as a solute to the vicinity of the seed crystal substrate can be promoted, and SiC crystal growth on the sapphire crystal proceeds stably.
本発明に使用できる他の形態の坩堝は、融液を収容する坩堝自体全てが炭素を含有する材料から構成された坩堝である。この種の坩堝を使用すると、融液へのCの供給を坩堝からの溶解によって行うことができる。このような坩堝としては、黒鉛坩堝のほかに、SiC製坩堝、さらには内壁がSiCでコーティングされた坩堝(坩堝本体は耐火金属またはセラミック製でよい)が挙げられる。 Another form of the crucible that can be used in the present invention is a crucible in which the crucible containing the melt itself is made of a material containing carbon. When this type of crucible is used, C can be supplied to the melt by melting from the crucible. Examples of such a crucible include a graphite crucible, a SiC crucible, and a crucible whose inner wall is coated with SiC (the crucible body may be made of refractory metal or ceramic).
黒鉛製の坩堝を使用した場合は、高周波加熱により発生する誘導電流の大部分は坩堝で消費されてしまうため、融液自身に働く電磁攪拌の効果は小さくなる。そのため、炭素を含有した坩堝を使用する場合は、坩堝の回転数または回転数および回転方向を周期的に変化させることによって融液の攪拌を強化し、溶質であるSiCの種結晶基板への輸送を促進させることができる。また、坩堝内の底部に融液攪拌のための攪拌棒などを設置することも可能である。 When a graphite crucible is used, most of the induced current generated by high-frequency heating is consumed by the crucible, so that the effect of electromagnetic stirring on the melt itself is reduced. Therefore, when using a crucible containing carbon, stirring of the melt is strengthened by periodically changing the rotation speed or rotation speed and rotation direction of the crucible, and transporting SiC as a solute to the seed crystal substrate Can be promoted. It is also possible to install a stirring rod for stirring the melt at the bottom of the crucible.
この実施形態では、高温の融液を収容する炭素含有材料製の坩堝は、使用中に少しずつ溶解して損傷するため、坩堝全体が消耗品となる。そのため、SiC単結晶の価は、冷却坩堝を用いる場合に比べると若干高くなる。しかし、本発明では、種結晶基板として、従来にSiC単結晶に比べると安価なサファイア単結晶を使用するため、製造単価を下げることが可能である。 In this embodiment, a crucible made of a carbon-containing material that contains a high-temperature melt is melted and damaged little by little during use, so that the entire crucible becomes a consumable item. Therefore, the value of the SiC single crystal is slightly higher than when a cooling crucible is used. However, in the present invention, since the sapphire single crystal, which is less expensive than the conventional SiC single crystal, is used as the seed crystal substrate, the manufacturing unit cost can be reduced.
本発明の方法によれば、従来のSiC単結晶基板に比べて安価で良質の結晶が容易に入手できるサファイア結晶を種結晶基板に使用するため、成長させるSiC単結晶の製造単価を大幅に下げることが可能となる。また、サファイア結晶は、Si単結晶に比べると、SiCとの格子不整合が小さいので、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を低減させることができる。さらに液相成長でSiC結晶成長を行うことで、結晶成長の成長進行とともに、SiC/サファイア界面に発生した結晶欠陥を劇的に低減させることができる。それにより、長時間の連続成長を行って厚膜化(バルク化)した場合には、最終的には結晶欠陥の少ない高品質なSiC単結晶を成長させることが可能である。 According to the method of the present invention, since the sapphire crystal, which is cheaper and can easily obtain a good quality crystal than the conventional SiC single crystal substrate, is used for the seed crystal substrate, the production unit cost of the SiC single crystal to be grown is greatly reduced. It becomes possible. Further, since the sapphire crystal has a smaller lattice mismatch with SiC than the Si single crystal, the generation of crystal defects due to the lattice mismatch can be reduced. Further, by performing SiC crystal growth by liquid phase growth, crystal defects generated at the SiC / sapphire interface can be dramatically reduced as the crystal growth progresses. As a result, when the film is made thick (bulk) by continuous growth for a long time, it is possible to grow a high-quality SiC single crystal with few crystal defects.
SiCの結晶成長速度は、結晶成長に用いる融液の組成を選択するとともに、結晶成長中において融液内の流動を強化することで増加させることができる。サファイア基板は、大口径な結晶が市販されていることから、大口径のSiC単結晶を成長させることが可能である。 The crystal growth rate of SiC can be increased by selecting the composition of the melt used for crystal growth and enhancing the flow in the melt during crystal growth. Since a large-diameter crystal is commercially available, a large-diameter SiC single crystal can be grown on the sapphire substrate.
このように、本発明は良質で大口径のバルクまたは薄膜SiC単結晶のヘテロエピタキシャル成長に初めて成功したものである。良質で大口径のSiC単結晶の安価な製造が実現可能となることにより、新しい高周波デバイス用基板としてのSiC単結晶の利用分野が拡大することが期待される。従って、本発明の工業上の寄与は非常に顕著である。 Thus, the present invention is the first successful heteroepitaxial growth of a high quality, large diameter bulk or thin film SiC single crystal. It is expected that the field of application of SiC single crystals as new high-frequency device substrates will be expanded by making it possible to realize low-cost production of high-quality and large-diameter SiC single crystals. Therefore, the industrial contribution of the present invention is very significant.
以下、本発明のSiC単結晶製造方法の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説明では、SiC溶液のことを融液と言うこともある。
本発明の第1の実施形態では、図1および図2に示した単結晶製造装置を用いてSiC単結晶を成長させる。図示の単結晶製造装置において、坩堝の側壁部1は概略円筒形状で、その内径は約100mm、高さは約150mmであり、銅材質から成る。図2に示すとおり、この側壁部1は、常伝導コイル8の巻き高さよりは長い長さで鉛直方向に延びるスリット14を介して分割された、複数のセグメント16から組み立てられている。このスリット14が絶縁機能を示すため、側壁部1のセグメント16は、スリットを介して周方向で絶縁される。常伝導コイルの巻き高さは100mm、スリット14の長さは約200mmである。
Hereinafter, a preferred embodiment of a method for producing a SiC single crystal of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the SiC solution may be referred to as a melt.
In the first embodiment of the present invention, a SiC single crystal is grown using the single crystal manufacturing apparatus shown in FIGS. In the illustrated single crystal manufacturing apparatus, the
複数のセグメント16の内部には、図2に示すように二重管が配置され、それに冷却水を流すことにより側壁部1を水冷することが可能である。側壁部1の上部には、種結晶基板保持治具5を坩堝内に挿入することを可能にする内径約100mmの円形断面の開口部12が設けられている。
As shown in FIG. 2, double pipes are arranged inside the plurality of segments 16, and the
坩堝の側壁部1の内部には、その内壁と一部接触する状態で、坩堝の融液保持部3が挿入されている。坩堝の側壁部と融液保持部との間隔は、広いところで1mm、狭いところで0mm(両者は接触している)である。融液保持部は黒鉛質であってその素材は炭素である。
A crucible melt holding portion 3 is inserted inside the
坩堝の側壁部の外周には、銅材質で中空円形断面の常伝導コイル8が、その一巻きが概略水平面に含まれるように4乃至5巻き程度の多重螺旋構造に配置されている。つまり、スリット14と常伝導コイル8は概略直交した、ねじれの位置関係にある。常伝導コイル8と坩堝側壁部1が接触して導通が可能となる点は存在せず、両者の間隔は接近しているところで約1mm、離れているところで、約10mmの距離がある。常伝導コイル8は、ブスバーを介して高周波電源(図示せず)に接続されている。高周波電源は、最大出力が300kWで、周波数は5kHzから30kHzの間で可変である。
On the outer periphery of the side wall of the crucible, a normal coil 8 made of copper and having a hollow circular cross section is arranged in a multiple spiral structure of about 4 to 5 turns so that one turn is included in a substantially horizontal plane. That is, the
開口部12から坩堝に挿入される結晶保持治具5の直径は、高さに応じて30mmから60mmの間で変化し、長さは約500mmで、主に炭素からなる材質(例、黒鉛質)のものである。結晶保持治具5の先端には、サファイア結晶からなる種結晶基板6が保持されている。
The diameter of the
坩堝の側壁部と融液保持部、種結晶基板保持治具の一部、常伝導コイルの一部などは、加減圧、気体の供給および排出が可能な、一部水冷構造のチャンバー11に収容されており、チャンバー11は気体供給装置(図示せず)、真空ポンプ、排ガス処理装置(図示せず)などと結合されている。チャンバー11は気密性と耐圧性を有しており、材質はステンレス鋼である。チャンバー11には、運転に必要なバルブ、圧力計、流量計、熱電対挿入口、輻射温度計窓、観察窓などが適宜装着されている。
The side wall and melt holding part of the crucible, part of the seed crystal substrate holding jig, part of the normal conductive coil, etc. are accommodated in a partially water-cooled
融液9は、SiとAlと場合により1種類以上の添加元素MとからなるSi合金を溶媒とするSiC溶液である。この融液9は、側壁部1の内部に融液保持部3を挿入して作製された坩堝内に、SiとAlと場合により添加元素Mとを原料として装入し、加熱して原料を融解させ、生じた融液中に融液保持部3からCを溶解させることにより形成したものである。
The melt 9 is a SiC solution in which a Si alloy composed of Si and Al and optionally one or more kinds of additive elements M is used as a solvent. This melt 9 is charged in a crucible produced by inserting the melt holding part 3 into the
本実施形態では、坩堝内の材料の加熱は、常伝導コイル8に高周波交流電流を通電することによる誘導加熱により行われる。側壁部1に設けたスリットによる絶縁性のため、誘導電流は側壁部で消費されず、坩堝内に収容した材料の誘導加熱に効率よく利用される。この加熱により装入原料(SiとAlと場合により1種以上の添加元素M)が融解すると、生じた融液は、コイルに通電することにより発生したローレンツ力によってドーム状に隆起する。融液を所定温度に保持するようにコイルへの通電出力および周波数を調整して加熱を続けると、その間に融液保持部3の溶解によりCが融液(融解した溶媒)中に溶け込み、融液はSiC溶液となる。
In the present embodiment, the material in the crucible is heated by induction heating by passing a high-frequency alternating current through the normal coil 8. Due to the insulation provided by the slits provided in the
加熱を続けて融液中のSiC濃度がほぼ飽和濃度に達したら、融液に結晶成長に必要な温度を創出する。この温度差の創出は、例えば、常伝導コイル8の巻き数や間隔を調整することによって、融液に上下方向に温度差を形成することにより達成できる。それにより、基板を接触させる融液の液面近傍が過冷却状態となり、その部分のSiC濃度は過飽和となる。その後、結晶保持治具5を下降させて、その先端に取り付けたサファイア種結晶基板6を、隆起した融液9の頂部に接触させると、基板上へのSiC単結晶のエピタキシャル成長が起こる。
When heating is continued and the SiC concentration in the melt reaches a substantially saturated concentration, a temperature necessary for crystal growth is created in the melt. The creation of this temperature difference can be achieved, for example, by forming a temperature difference in the melt in the vertical direction by adjusting the number of turns and the interval of the normal coil 8. Thereby, the vicinity of the liquid surface of the melt with which the substrate is brought into contact is in a supercooled state, and the SiC concentration in that portion becomes supersaturated. Thereafter, when the
温度差を創出する別の方法として、融液全体を均熱加熱し続ける場合には、結晶保持治具5に水冷構造を組み込むなどして、この治具からの抜熱を強化することにより、サファイア結晶基板6と接する部分の融液の温度を低温化させてもよい。この場合には、まず結晶保持治具5を下降させて、先端に取付けたサファイア種結晶基板6が隆起した融液9の頂部と接触させる。それにより、基板6と接触した部分の融液9が、冷却された結晶保持治具5からの抜熱により冷却されて過冷却状態となり、SiC濃度が過飽和となるので、基板上のSiCのエピタキシャル成長が始まる。
As another method of creating a temperature difference, when the entire melt is kept soaking, by incorporating a water-cooled structure into the
いずれの方式でも、SiC単結晶の成長中にCが消費されるが、消費されたCは融液保持部3の溶解により補給される。基板に成長した単結晶7が厚くなるにつれて、必要に応じて結晶保持治具5を引き上げることにより、連続成長を行うことができる。最後に、結晶保持治具5をその先端の成長結晶7が融液から離脱するように引き上げて成長を終了し、種結晶基板6からSiC単結晶を切断して回収する。
In any method, C is consumed during the growth of the SiC single crystal, but the consumed C is replenished by melting the melt holding unit 3. As the
溶媒へのAlの添加は、サファイア種結晶基板6の表面状態を安定化させて、SiC単結晶の成長を安定して持続するのに必須である。従って、溶媒は少なくともAlを含有するSi合金、すなわち、Si−Al合金またはSi−Al−M合金とする。添加元素Mは融液中の炭素溶解量を増大させるために場合により添加されるものであり、Ti,Mn,Fe,Co,Cr,Cu及びVから選ばれた1種以上の元素である。 The addition of Al to the solvent is essential for stabilizing the surface state of the sapphire seed crystal substrate 6 and stably maintaining the growth of the SiC single crystal. Therefore, the solvent is a Si alloy containing at least Al, that is, a Si—Al alloy or a Si—Al—M alloy. The additive element M is optionally added in order to increase the amount of carbon dissolved in the melt, and is one or more elements selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cr, Cu, and V.
溶媒がSi−Al合金である場合、そのモル濃度での組成が、次式を満たすAl含有量となるようにすることが好ましい。
0.01≦[Al]/([Al]+[Si])≦0.7。
When the solvent is a Si—Al alloy, it is preferable that the composition at the molar concentration has an Al content satisfying the following formula.
0.01 ≦ [Al] / ([Al] + [Si]) ≦ 0.7.
溶媒がSi−Al−M合金である場合も、モル濃度での組成が、
Al含有量については上記と同様に、[Al]/([Al]+[Si])の値が0.01以上、0.7以下となることが好ましく、
添加元素Mの含有量については、[M]/([M]+[Si])の値がM元素ごとに次の範囲内となるようにすることが好ましい:
MがTiでは0.1以上、0.25以下;
MがMnでは0.1以上、0.7以下;
MがFeでは0.2以上、0.7以下;
MがCoでは0.05以上、0.25以下;
MがCrでは0.2以上、0.6以下;
MがCuでは0.05以上、0.5以下;
MがVでは0.1以上、0.45以下。
Even when the solvent is a Si-Al-M alloy, the composition in molar concentration is
As for the Al content, the value of [Al] / ([Al] + [Si]) is preferably 0.01 or more and 0.7 or less, as described above.
Regarding the content of the additive element M, it is preferable that the value of [M] / ([M] + [Si]) be within the following range for each M element:
When M is Ti, 0.1 or more and 0.25 or less;
When M is Mn, 0.1 or more and 0.7 or less;
When M is Fe, 0.2 or more and 0.7 or less;
When M is Co, 0.05 or more and 0.25 or less;
When M is Cr, 0.2 or more and 0.6 or less;
When M is Cu, it is 0.05 or more and 0.5 or less;
When M is V, it is 0.1 or more and 0.45 or less.
Mが2以上の元素を含有する場合には、各元素が上記範囲内となるようにすればよい。
上記範囲よりAl、Mの量が少ないと、融液中に溶解する炭素溶解量(したがって溶質SiC濃度)が低下し、SiC結晶成長速度が低下する。一方、上記範囲よりAl、Mの量が多くなると、炭化物、黒鉛など、SiCとは異なる化合物が融液から晶出し、SiCの結晶成長が進行しないことがある。
When M contains two or more elements, each element may be set within the above range.
If the amount of Al or M is less than the above range, the amount of carbon dissolved in the melt (and hence the solute SiC concentration) decreases, and the SiC crystal growth rate decreases. On the other hand, when the amount of Al or M is larger than the above range, a compound different from SiC, such as carbide and graphite, may crystallize from the melt, and SiC crystal growth may not proceed.
本発明の第2の実施形態では図3に示す単結晶製造装置を使用する。この単結晶製造装置は、融液21を収容した坩堝22を備え、融液21には昇降可能な結晶保持治具23の先端に保持されたサファイア種結晶基板24が浸漬されている。坩堝22は、直径が約200mm、高さが約200mmで、炭素を含有する材質からなる。このような坩堝の材質としては、黒鉛のほかに、SiCやSiCを坩堝内壁にコーティングしたものなどが使用可能である。
In the second embodiment of the present invention, the single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 3 is used. This single crystal manufacturing apparatus includes a
この融液は、例えば、坩堝22に黒鉛坩堝を使用する場合は、坩堝にSiとAlまたは、SiとAlに1種類以上の添加元素Mを装入し、坩堝を過熱して融液状態とし、加熱をさらに続けて、黒鉛坩堝から炭素を溶解させることにより調整することができる。黒鉛坩堝からの溶解で融液中に炭素を供給するこの方法は、未溶融の炭素が融液中に残留しない点で好ましい。黒鉛坩堝からの溶解とは別に融液に黒鉛粒等を添加することもできるが、この場合は、融液中で未溶融状態の黒鉛粒が存在しないように添加量を厳密に調整する必要がある。万一、未溶融の黒鉛粒が融液中に残留すると、SiC結晶が自然核発生してしまい、単結晶成長を阻害する恐れがある。Alおよび添加元素Mの種類と量は上記と同様である。
For example, when a graphite crucible is used for the
坩堝22は坩堝軸25の先端に取り付けられた坩堝台26の上に配置されている。坩堝軸25は回転可能である。坩堝軸25は回転数または回転数および回転方向を周期的に変化させることによって、坩堝内の融液21を攪拌させることが、溶質SiCの成長界面への輸送を促進するので好ましい。
The
坩堝22は、結晶保持治具23が貫通する坩堝蓋27により実質的に閉鎖され、保温のために坩堝22の外周は断熱材28で覆われている。断熱材28の外周には坩堝22を誘導加熱するための多重螺旋構造の常伝導コイル29が配置されている。常伝導コイル29は高周波電源(図示せず)接続されている。高周波電源の最大出力60kW、周波数は、6kHzである。
The
結晶保持治具23は、炭素材(例えば、黒鉛)からなる。結晶保持治具の直径は、先端に保持するサファイア基板の大きさに応じて、50mmから150mmの間で変化し、長さも約150mmから400mmの間で変化するものである。
The
結晶成長を温度差法により行う場合には、常伝導コイル29の巻き数や間隔を調整することによって、融液に上下方向に温度差(温度勾配)を形成するか、もしくは、融液全体を均熱な融液とした場合は、結晶保持治具23に水冷構造を組み込んで結晶保持治具からの抜熱を強化することにより、サファイア種結晶基板24と接する部分の融液の温度を低温化させるとよい。これら坩堝22、断熱材28、常伝導コイル29は高温になるので、水冷チャンバー30の内部に配置される。水冷チャンバー30は、装置内の雰囲気を調整可能にするために、ガス導入口31とガス排出口32とを備える。水冷チャンバーは、真空排気装置(図示せず)と結合されている。運転に必要なバルブ、圧力計、流量計、熱電対装入口、輻射温度計窓、観察窓などが装着されている。
When crystal growth is performed by the temperature difference method, a temperature difference (temperature gradient) is formed in the melt in the vertical direction by adjusting the number of turns and the interval of the
この黒鉛坩堝を使用したSiC単結晶成長では、加熱のために常伝導コイル29への通電を行うと、黒鉛坩堝は誘導加熱され発熱するが、黒鉛坩堝で磁束浸透が減衰するため、電磁撹拌効果は図1、2に示したローレンツ力を利用して融液を隆起させる方式に比べると小さくなり、その結果、成長速度も相対的に遅くなる。しかし、この場合には、上述したように、坩堝を回転させ、その回転数または回転数と回転方向を周期的に変化させることによって、融液を効果的に撹拌することができ、それによりSiC単結晶の成長速度を増大させることができる。装入原料、加熱方法および温度差の創出方法などは、第1の実施形態と同様でよい。
In the SiC single crystal growth using this graphite crucible, when the
(実施例1)
本実施例では、図1および図2に示した単結晶製造装置を用いたサファイア種結晶基板上へのSiC単結晶の液相成長法による製造を例示する。
(Example 1)
In this example, the production of an SiC single crystal on a sapphire seed crystal substrate using the single crystal production apparatus shown in FIGS. 1 and 2 by the liquid phase growth method is exemplified.
上に説明したように、高さ方向の一部がスリットにより複数のセグメントに分割された、水冷管内蔵型の銅製の側壁部と、黒鉛製の融液保持部とから構成される坩堝内の自由空間に、Si、Ti、Cu、Alからなる固体原料を1kg装入した。装入原料の組成は、Tiモル濃度を[Ti]、Cuモル濃度[Cu]、Alモル濃度[Al]、Siモル濃度[Si]として、[Ti]/([Ti]+[Si])、[Cu]/([Cu]+[Si])、[Al]/([Al]+[Si])の値が、それぞれ値が0.23、0.14、0.05となるようにした。 As described above, a part of the height direction is divided into a plurality of segments by slits, and a water-cooled tube built-in copper side wall portion and a graphite melt holding portion are included in the crucible. In a free space, 1 kg of a solid material composed of Si, Ti, Cu, and Al was charged. The composition of the charged raw materials is [Ti] / ([Ti] + [Si]) where Ti molar concentration is [Ti], Cu molar concentration [Cu], Al molar concentration [Al], and Si molar concentration [Si]. , [Cu] / ([Cu] + [Si]), [Al] / ([Al] + [Si]) so that the values are 0.23, 0.14, and 0.05, respectively. did.
チャンバー内を約0.13Paまで減圧した後、チャンバー内にArガスからなる気体を供給するとともに、供給分を排気して、チャンバー内の圧力を約0.2MPaに維持した。続いて高周波電源を用いて、常伝導コイルに周波数10kHz、出力100kWの高周波交流電流を供給した。数分で固体原料は昇温、融解し、融液に変化するとともに、融液はドーム状に隆起して、その周囲が低温壁と接触しないよう態様に保持された。同時に、融液は電磁撹拌の影響を受けて撹拌された。 After reducing the pressure in the chamber to about 0.13 Pa, a gas composed of Ar gas was supplied into the chamber and the supply was exhausted to maintain the pressure in the chamber at about 0.2 MPa. Subsequently, a high frequency alternating current having a frequency of 10 kHz and an output of 100 kW was supplied to the normal conducting coil using a high frequency power source. In a few minutes, the solid raw material was heated and melted and changed into a melt, and the melt was raised in a dome shape and held in such a manner that its periphery did not contact the cold wall. At the same time, the melt was stirred under the influence of electromagnetic stirring.
この条件で、約5時間運転して、融液中に十分な量の炭素を溶解させた後、結晶保持治具の先端に50mm直径のサファイア種結晶基板をその(0001)面が融液面と対向するように固定した。結晶保持治具の下降を開始し、サファイア基板がドーム状に隆起した融液の頂点に接触した時点で結晶保持治具の下降を停止し、10時間連続して運転を行った。結晶成長の推進力となる温度差は、常伝導コイルの巻き数や間隔を調整することによって、融液に上下方向に創出した。 Under this condition, after operating for about 5 hours to dissolve a sufficient amount of carbon in the melt, a 50 mm diameter sapphire seed crystal substrate is placed on the melt holding surface at the tip of the crystal holding jig. It was fixed so as to face. The descent of the crystal holding jig was started, and the descent of the crystal holding jig was stopped when the sapphire substrate came into contact with the apex of the melt that rose like a dome, and the operation was continued for 10 hours. The temperature difference, which is the driving force for crystal growth, was created in the melt in the vertical direction by adjusting the number of windings and intervals of the normal coil.
その後、結晶保持治具を上方に引き上げ、融液と成長結晶を分離した後、徐々に降温して単結晶を取り出した。この間、融液は坩堝の融液保持部および気体とは常時接触していたが、坩堝の側壁部と接触することはなかった。その結果、直径50mmのサファイア結晶上の全面に新たにSiC単結晶が約0.4mm厚さで成長していた。 Thereafter, the crystal holding jig was pulled upward to separate the melt and the grown crystal, and then the temperature was gradually lowered to take out the single crystal. During this time, the melt was always in contact with the melt holding portion of the crucible and the gas, but was not in contact with the side wall of the crucible. As a result, a new SiC single crystal was grown to a thickness of about 0.4 mm on the entire surface of the sapphire crystal having a diameter of 50 mm.
TEM(透過型電子顕微鏡)およびラマン分光分析の結果、成長したSiC結晶は他の結晶多形が混在していない3C−SiC単相であることが確認できた。実施例1で得られたSiC結晶のサファイア基板との界面の断面TEM像を図4示す。異種材料のため、SiC/サファイア界面には結晶欠陥が確認されるが、SiC結晶厚みの増加に伴い結晶欠陥が減少しており、数ミクロン厚程のSiC結晶成長で、高品質なSiC結晶が得られることが分かった。また、結晶方位解析からは、サファイア基板上に成長したSiC結晶は、(111)3C−SiC//(0001)サファイアの関係でサファイア基板上にエピタキシャル成長していることも分かった。 As a result of TEM (transmission electron microscope) and Raman spectroscopic analysis, it was confirmed that the grown SiC crystal was a 3C-SiC single phase in which other crystal polymorphs were not mixed. FIG. 4 shows a cross-sectional TEM image of the interface between the SiC crystal obtained in Example 1 and the sapphire substrate. Due to the dissimilar materials, crystal defects are confirmed at the SiC / sapphire interface, but the crystal defects are reduced as the SiC crystal thickness is increased. It turns out that it is obtained. From the crystal orientation analysis, it was also found that the SiC crystal grown on the sapphire substrate was epitaxially grown on the sapphire substrate in the relationship of (111) 3C-SiC // (0001) sapphire.
(実施例2)
本実施例では、図3に示した単結晶製造装置を用いたサファイア種結晶基板上へのSiC単結晶の液相成長法による製造を例示する。
(Example 2)
In this example, the production of an SiC single crystal on a sapphire seed crystal substrate using the single crystal production apparatus shown in FIG. 3 by the liquid phase growth method is exemplified.
黒鉛坩堝にSiとAlとからなる固体原料を1kg装入した。装入原料は、Alモル濃度を[Al]、Siモル濃度を[Si]として、[Al]/([Al]+[Si])の値が0.3となるようにした。 A graphite crucible was charged with 1 kg of a solid material composed of Si and Al. The charge material was such that the Al molar concentration was [Al] and the Si molar concentration was [Si], and the value of [Al] / ([Al] + [Si]) was 0.3.
チャンバー内を3×10-4Paまで減圧した後、チャンバー内にHeガスからなる気体を供給するとともに供給分をチャンバー外へ排出して、チャンバー内の圧力を約0.11MPaに維持した。続いて、高周波電源を用いて、常伝導コイルに、周波数6kHz、出力30kWの高周波交流電流を供給した。黒鉛坩堝が誘導加熱された後、坩堝内の固体原料が融解し、融液に変化した。融液は目に見えるほどの隆起を起こさなかった。 After reducing the pressure in the chamber to 3 × 10 −4 Pa, a gas consisting of He gas was supplied into the chamber and the supply was discharged out of the chamber to maintain the pressure in the chamber at about 0.11 MPa. Subsequently, a high frequency alternating current having a frequency of 6 kHz and an output of 30 kW was supplied to the normal conducting coil using a high frequency power source. After the graphite crucible was induction heated, the solid raw material in the crucible melted and changed to a melt. The melt did not cause any visible bumps.
この条件で約1時間運転して、融液中に十分な炭素を溶解させた後、結晶保持治具の先端に50mm直径のサファイア基板をその(0001)面が融液面と対向するように固定した。結晶保持治具の下降を開始し、サファイア基板を融液面に着液させた。この状態で10時間連続して運転を行った。結晶成長の推進力となる温度差は、常伝導コイルと黒鉛坩堝との相対的な位置関係を調節することにより上下方向に創出した。 After operating for about 1 hour under these conditions to dissolve enough carbon in the melt, a 50 mm diameter sapphire substrate is placed at the tip of the crystal holding jig so that its (0001) surface faces the melt surface. Fixed. The descent of the crystal holding jig was started, and the sapphire substrate was deposited on the melt surface. The operation was continued for 10 hours in this state. The temperature difference, which is the driving force for crystal growth, was created in the vertical direction by adjusting the relative positional relationship between the normal coil and the graphite crucible.
その後、結晶保持治具を上方に引き上げ、融液から成長結晶を分離した後、徐々に降温して単結晶を取り出した。その結果、直径50mmのサファイア結晶上の全面に、新たにSiC単結晶が約0.15mm厚さで成長していた。TEMおよびラマン分光分析の結果、成長したSiC結晶は他の結晶多形が混在しない3C−SiC単相であることが確認できた。 Thereafter, the crystal holding jig was pulled upward to separate the grown crystal from the melt, and then the temperature was gradually lowered to take out the single crystal. As a result, a new SiC single crystal was grown to a thickness of about 0.15 mm on the entire surface of the sapphire crystal having a diameter of 50 mm. As a result of TEM and Raman spectroscopic analysis, it was confirmed that the grown SiC crystal was a 3C—SiC single phase in which other crystal polymorphs were not mixed.
(比較例)
本比較例は、Alを含有しないSi合金を溶媒として、図3に示した単結晶製造装置を用いてサファイア種結晶基板上へのSiC単結晶の液相成長法を試みた例を示す。
(Comparative example)
This comparative example shows an example in which a liquid crystal growth method of a SiC single crystal on a sapphire seed crystal substrate is attempted using a single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 3 using a Si alloy not containing Al as a solvent.
黒鉛坩堝にSiとMnとからなる固体原料を1kg装入した。装入原料は、Mnモル濃度を[Mn]、Siモル濃度を[Si]として、[Mn]/([Mn]+[Si])の値が0.3となるようにした以外は実施例2と同様にして、液相成長法によるSiCの結晶成長を行った。その結果、直径50mmのサファイア結晶上の全面にSiC単結晶が成長していた。 A graphite crucible was charged with 1 kg of a solid material composed of Si and Mn. The charging raw material was an example except that the Mn molar concentration was [Mn], the Si molar concentration was [Si], and the value of [Mn] / ([Mn] + [Si]) was 0.3. In the same manner as in Example 2, SiC crystal growth was performed by a liquid phase growth method. As a result, a SiC single crystal grew on the entire surface of the sapphire crystal having a diameter of 50 mm.
しかし、サファイア/SiC界面にはSi−Mn−Oからなる複合酸化物が存在し、また、TEM観察の結果では、SiC結晶とサファイアとの結晶方位の整合性は見出されず、SiC結晶はサファイア上にエピタキシャル成長していないことが分かった。 However, there is a complex oxide composed of Si-Mn-O at the sapphire / SiC interface, and the TEM observation does not show the matching of crystal orientation between the SiC crystal and sapphire. It was found that no epitaxial growth occurred.
(実施例3)
サファイア種結晶基板が融液の液面に接触したと同時に、黒鉛坩堝を回転させ、回転数および回転方向を周期的に変化させた以外は、実施例2と同様にして液相成長法によるSiCの結晶成長を行った。
(Example 3)
At the same time when the sapphire seed crystal substrate was in contact with the melt surface, the graphite crucible was rotated, and the rotational speed and direction of rotation were changed periodically. Crystal growth was performed.
サファイア基板が融液表面に接触するまで結晶保持治具を降下させた後、黒鉛坩堝をまずは左回転させた。到達回転数を20rpmとし、設定回転数に到達するまでの時間を5秒とした。到達回転数に到達した後、10秒間その回転数で回転を行い、その後、5秒で停止させた。次に坩堝を右方向に回転させ、上記と同様に5秒で、20rpmに到達させ、20rpmの回転を10秒間保持した後に、5秒で回転を停止した。以上を1サイクルとし、結晶成長中は前記サイクルを繰り返しながら10時間連続して運転を行った。1サイクルの時間は、40秒である。その後、結晶保持治具を上方に引き上げ、融液から成長結晶を分離した。その後、徐々に降温して単結晶を取り出した。 After lowering the crystal holding jig until the sapphire substrate contacts the melt surface, the graphite crucible was first rotated counterclockwise. The reached rotation speed was 20 rpm, and the time until reaching the set rotation speed was 5 seconds. After reaching the reached rotation speed, the rotation was performed at the rotation speed for 10 seconds, and then stopped at 5 seconds. Next, the crucible was rotated rightward, and reached 20 rpm in 5 seconds in the same manner as described above. After maintaining the rotation at 20 rpm for 10 seconds, the rotation was stopped in 5 seconds. The above was one cycle, and the operation was continued for 10 hours while repeating the cycle during crystal growth. The time for one cycle is 40 seconds. Thereafter, the crystal holding jig was pulled upward to separate the grown crystal from the melt. Thereafter, the temperature was gradually lowered to take out the single crystal.
その結果、直径50mmのサファイア結晶上の全面に、新たにSiC単結晶が約0.4mm厚さで成長していた。TEMおよびラマン分光分析の結果、成長したSiC結晶は他の結晶多形が混在しない3C−SiC単相であることが確認できた。 As a result, a new SiC single crystal was grown to a thickness of about 0.4 mm on the entire surface of the sapphire crystal having a diameter of 50 mm. As a result of TEM and Raman spectroscopic analysis, it was confirmed that the grown SiC crystal was a 3C—SiC single phase in which other crystal polymorphs were not mixed.
実施例3では、実施例2に比べて、成長速度の増大効果が見られた。これは、黒鉛坩堝を回転させて回転数および回転方向を周期的に変化させると融液の攪拌を促進することができ、その結果、溶質SiCの成長界面への輸送を促進することができるためと考えられる。 In Example 3, compared with Example 2, the growth rate was increased. This is because if the graphite crucible is rotated to periodically change the rotation speed and the rotation direction, stirring of the melt can be promoted, and as a result, transport to the growth interface of the solute SiC can be promoted. it is conceivable that.
以上の実施例で成長させたSiC単結晶は、いずれも図1に示したような同様の品質を有し、半導体材料に適した良好な品質のものであることが分かった。種結晶基板に安価なサファイア結晶を使用することから、高品質なSiC単結晶を安価に成長させることが可能となる。また、このサファイア基板上のSiC単結晶を長尺化することもできる。 It was found that the SiC single crystals grown in the above examples all have the same quality as shown in FIG. 1 and have good quality suitable for semiconductor materials. Since an inexpensive sapphire crystal is used for the seed crystal substrate, a high-quality SiC single crystal can be grown at a low cost. Moreover, the SiC single crystal on this sapphire substrate can be lengthened.
実施例では、サファイア基板の口径2インチ径と小さいが、6インチ口径程度のサファイア基板が市販されているので、大口径化は容易である。大口径のSiC単結晶を成長させ、これを種結晶基板として、液相成長法、化学反応堆積法(CVD法)および昇華再結晶化法でSiCバルク単結晶を製造することもできる。 In the embodiment, the diameter of the sapphire substrate is as small as 2 inches, but since a sapphire substrate having a diameter of about 6 inches is commercially available, it is easy to increase the diameter. A SiC bulk single crystal can also be produced by growing a large-diameter SiC single crystal and using this as a seed crystal substrate by a liquid phase growth method, a chemical reaction deposition method (CVD method), and a sublimation recrystallization method.
以上に、本発明を特定の形態について説明したが、ここに開示した実施形態および実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求項の範囲と均等な意味および範囲内ですべての変更例が含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated about the specific form, embodiment and the Example which were disclosed here are illustrations in all the points, Comprising: It is not restrictive. The scope of the present invention includes all modifications within the meaning and range equivalent to the scope of the claims.
1:坩堝側壁部、3:融液保持部、5、23:結晶保持治具、6、24:種結晶基板、7:成長結晶、8、29:常伝導コイル、9、21:融液(SiC溶液)、10:成長界面、11、30:チャンバー、14:スリット、22:坩堝、25:坩堝回転軸、26:坩堝台、27:坩堝蓋、28:断熱材 1: crucible side wall, 3: melt holding section, 5, 23: crystal holding jig, 6, 24: seed crystal substrate, 7: growth crystal, 8, 29: normal coil, 9, 21: melt ( SiC solution), 10: growth interface, 11, 30: chamber, 14: slit, 22: crucible, 25: crucible rotating shaft, 26: crucible base, 27: crucible lid, 28: heat insulating material
Claims (8)
前記種結晶基板がサファイア結晶基板であり、
前記Si合金が、Si−Al合金またはSi−Al−M合金(Mは、Ti,Mn,Fe,Co,Cr,Cu及びVから選ばれた1種以上の元素)である、
ことを特徴とするSiC単結晶の製造方法。 A method for producing a SiC single crystal by a liquid phase growth method in which a seed crystal substrate is brought into contact with a SiC solution containing a Si alloy melt contained in a crucible as a solvent and SiC is epitaxially grown on the substrate,
The seed crystal substrate is a sapphire crystal substrate;
The Si alloy is a Si—Al alloy or a Si—Al—M alloy (M is one or more elements selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cr, Cu and V).
A method for producing a SiC single crystal.
前記Si−Al−M合金のモル濃度での組成が、[Al]/([Al]+[Si])の値が0.01以上、0.7以下となるAl含有量と、[M]/([M]+[Si])の値がM元素ごとに次の範囲内となるM元素の含有量を有する、請求項1記載のSiC単結晶の製造方法。
MがTiでは0.1以上、0.25以下;
MがMnでは0.1以上、0.7以下;
MがFeでは0.2以上、0.7以下;
MがCoでは0.05以上、0.25以下;
MがCrでは0.2以上、0.6以下;
MがCuでは0.05以上、0.5以下;
MがVでは0.1以上、0.45以下。 The composition at a molar concentration of the Si-Al alloy has an Al content such that a value of [Al] / ([Al] + [Si]) is 0.01 or more and 0.7 or less, or the Si The composition of the Al-M alloy at the molar concentration is such that the Al content is such that the value of [Al] / ([Al] + [Si]) is 0.01 or more and 0.7 or less, and [M] / ( The method for producing a SiC single crystal according to claim 1, wherein the value of [M] + [Si]) has a content of M element that falls within the following range for each M element.
When M is Ti, 0.1 or more and 0.25 or less;
When M is Mn, 0.1 or more and 0.7 or less;
When M is Fe, 0.2 or more and 0.7 or less;
When M is Co, 0.05 or more and 0.25 or less;
When M is Cr, 0.2 or more and 0.6 or less;
When M is Cu, it is 0.05 or more and 0.5 or less;
When M is V, it is 0.1 or more and 0.45 or less.
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