KR101960209B1 - 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 잉곳 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종결정과 성장 SiC 단결정의 계면 근방에서 발생하는 관통 나선 전위의 증대에 대하여, SiC 단결정의 성장에 따른 전위 밀도의 감소율을 향상시키고, 성장의 초기 단계에서 관통 나선 전위 밀도의 작은 SiC 단결정 잉곳을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명은 탄화규소 단결정으로 이루어지는 종결정의 성장면 상에 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 방법이며, 미리, 종결정의 성장면에 스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이며, 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하인 스텝 번칭을 형성한 후, 상기 종결정의 성장면에 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법이다.

Description

탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 잉곳 {METHOD FOR PRODUCING SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL INGOT AND SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL INGOT}

본 발명은 종결정 상에 승화 재결정법으로 탄화규소 단결정을 성장시키는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 잉곳에 관한 것이다.

탄화규소(이하, SiC라고 함)는, 2.2 내지 3.3eV의 넓은 금제대 폭을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체이며, 그 우수한 물리적, 화학적 특성으로부터, 내환경성 반도체 재료로서 연구 개발이 행해지고 있다. 특히 최근에는, 청색으로부터 자외에 이르기까지의 단파장 광 디바이스, 고주파 전자 디바이스, 고내압ㆍ고출력 전자 디바이스 등이 재료로서 주목받고 있어, SiC에 의한 디바이스(반도체 소자) 제작의 연구 개발이 활발해지고 있다.

SiC 디바이스의 실용화를 진행함에 있어서는, 대구경의 SiC 단결정을 제조하는 것이 불가결이며, 그 대부분은, 승화 재결정법(레일리법, 또는 개량형 레일리법)에 의해 벌크의 SiC 단결정을 성장시키는 방법이 채용되고 있다(비특허문헌 1 참조). 즉, 도가니 내에 SiC의 승화 원료를 수용하고, 도가니의 덮개에는 SiC 단결정으로 이루어지는 종결정을 매달아서, 원료를 승화시킴으로써, 재결정에 의해 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시킨다. 그리고, 대략 원주상을 한 SiC의 벌크 단결정(이하, SiC 단결정 잉곳)을 얻은 후, 일반적으로는, 300 내지 600㎛ 정도의 두께로 잘라냄으로써 SiC 단결정 기판이 제조되고, 전력 일렉트로닉스 분야 등에서의 SiC 디바이스의 제작에 제공되고 있다.

그런데, SiC 단결정 중에는, 마이크로 파이프라고 불리는 성장 방향으로 관통한 중공 홀 상 결함 이외, 전위 결함, 적층 결함 등의 결정 결함이 존재한다. 이들 결정 결함은 디바이스 성능을 저하시키기 때문에, 그의 저감이 SiC 디바이스의 응용상에 중요한 과제가 되고 있다. 이 중 전위 결함에는, 관통 날상 관통 전위, 기저면 전위 및 관통 나선 전위가 포함된다. 예를 들어, 시판되고 있는 SiC 단결정 기판에서는, 관통 나선 전위가 8×10² 내지 3×10³(개/㎠), 관통 날 전위가 5×10³ 내지 2×10⁴(개/㎠), 기저면 전위가 2×10³ 내지 2×10⁴(개/㎠) 정도 존재한다는 보고가 있다(비특허문헌 2 참조).

최근 들어, SiC의 결정 결함과 디바이스 성능에 관한 연구ㆍ조사가 진행되고, 관통 나선 전위 결함이 디바이스의 누설 전류 원인이 되는 것이나, 게이트 산화막 수명을 저하시키는 것 등이 보고되어 있고(비특허문헌 3 및 4 참조), 고성능 SiC 디바이스를 제작하기 위해서는, 관통 나선 전위 밀도를 저감시킨 SiC 단결정 잉곳을 구할 수 있다.

여기서, 승화 재결정법에 있어서의 관통 나선 전위의 거동에 대하여 보고한 예가 있다(비특허문헌 5 참조). 즉, 비특허문헌 5에 의하면, SiC 단결정으로 이루어지는 종결정과, 그 종결정 상에 성장한 SiC 단결정의 계면에 있어서, 상기 종결정 상에 성장한 SiC 단결정(이하, 「성장 SiC 단결정」이라고 함)측에서는 관통 나선 전위 밀도가 종결정측과 비교하여 일단 크게 증가한 후, SiC 단결정의 성장을 따라서 관통 나선 전위 밀도가 저하되어 간다. 그로 인하여, 관통 나선 전위 밀도가 저감된 SiC 단결정 잉곳을 얻는 방법의 하나로서, 이러한 계면에서의 전위의 거동을 가능한 한 빨리 발현시키는 것이 효과적이라고 생각된다.

일본 특허 공개 제2014-28736호 공보 일본 특허 공개 제2008-222509호 공보 일본 특허 공개 제2009-91222호 공보

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52(1981)pp. 146 내지 150 오타니 노보루, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제17회 강연회 예고집, 2008, p8 Q. Wahab et al. Appl. Phys. Lett 76(2000) 2725 덴소 케크니컬 리뷰 Vol. 16(2011) 90 A. Gupta et al. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1246(2010) 1246-B01-01

상술한 바와 같이, 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정 잉곳의 제조에서는, 종결정과 성장시키는 SiC 단결정의 계면에 있어서, 성장 SiC 단결정측의 전위 밀도가 증대되고, 그 후, SiC 단결정의 성장에 수반하여 전위 밀도는 감소해 가는 경향이 있지만, 어느 정도의 높이로 성장할 때까지는, 전위 밀도가 높은 영역이 계속되게 된다.

특허문헌 1은, 3.9kPa 이상 39.9kPa 이하의 제1 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만인 제1 성장 온도에서, 적어도 두께 0.5㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정에 의해, 나선 전위를 적층 결함에 구조 변환하는 탄화규소 단결정의 제조 방법을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 1에 개시된 상기 제조 방법은, SiC 단결정의 성장을 주로 행하기 위하여, 또한 제2 성장 공정을 행할 필요가 있다. 즉, 특허문헌 1은, SiC 단결정의 성장 초기 단계에 SiC 단결정을 고품질화하는 것을 과제로 하고 있지 않다.

특허문헌 2에 개시된 SiC 에피택셜막을 구비한 단결정 기판의 제조 방법은, SiC 단결정 기판 상에 SiC 에피택셜막을 성막한 후, SiC 에피택셜막의 표면에 스텝 번칭을 발생시킴으로써 결정 결함을 감소시키는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 특허문헌 2에 개시된 발명은, 에피택셜막 중에 존재하는 전위를 재배열함으로써, 에피택셜막 중의 결정 결함을 감소시키는 것을 기술적인 과제로 하고 있어, 벌크 상의 SiC 단결정의 성장 과정에서 결정 결함을 소멸시키는 것이 아니다. 특허문헌 2에 개시된 SiC 에피택셜막의 성막 속도는 약 5㎛/hr에 지나치지 않는다. 그로 인하여, 특허문헌 2에 개시된 결정 결함의 저감 방법을, 승화 재결정법에 의해 100㎛/hr이상의 성장 속도로 형성된 벌크 상의 SiC 단결정에 적용함으로써, 어느 정도의 효과가 얻어질지 불분명하다.

특허문헌 3은, 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 제조 방법을 개시하고 있다. 또한, 특허문헌 3은, 승화 재결정법에 의해 제작된 오프 각을 갖는 SiC 단결정 기판의 표면 개질을 목적으로 하여, 해당 기판 상에 SiC 단결정의 층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 3에는, 종결정 기판 상에 SiC 단결정을 1㎜ 정도의 두께로 형성하는 것은 개시되어 있지 않다. 그로 인하여, 특허문헌 3에 개시된 제조 방법은, SiC 단결정 기판 제조의 수율을 향상시키는 효과가 불충분하다. 또한, 특허문헌 3에 개시된 제조 방법은 스텝 번칭의 발생을 억제하고 있어, 스텝 번칭을 적극적으로 이용하는 것이 아니다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 종결정과 성장 SiC 단결정의 계면 근방에서 발생하는 관통 나선 전위 밀도가 SiC 단결정의 성장과 함께 저감할 수 있는 비율을 향상시키고, SiC 단결정의 성장 초기 단계로부터 관통 나선 전위 밀도의 작은 SiC 단결정 잉곳을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 승화 재결정법을 이용하여, 종결정으로 성장시킨 SiC 단결정의 계면에서의 관통 나선 전위의 증대 영향을 억제한 SiC 단결정 잉곳을 얻기 위한 수단에 대하여 예의 검토한 결과, 결정 성장면에 비교적 큰 스텝 번칭이 형성되어 있는 종결정을 사용하여, 승화 재결정법에 의해 SiC 단결정을 성장시킴으로써, SiC 단결정의 성장에 따라 관통 나선 전위 밀도가 감소하는 비율을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 탄화규소 단결정으로 이루어지는 종결정의 성장면 상에 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 방법이며, 스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이고, 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하인 스텝 번칭을 종결정의 성장면으로 형성하고, 승화 재결정법에 의해 종결정의 성장면 상에 탄화규소 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.

(2) 오프 각을 갖는 종결정의 성장면에 용액 성장법에 의해 두께 0.1㎜ 이상 3㎜ 이하의 탄화규소 단결정을 성장시킴으로써, 스텝 번칭을 형성하는 (1)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.

(3) 스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이며, 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하의 스텝 번칭이 형성된 성장면을 갖는 탄화규소 단결정의 종결정과, 상기 성장면 상에 형성된 탄화규소 단결정 영역을 갖고, 탄화규소 단결정 영역 중 잉곳 높이 방향의 60％ 이상의 결정 영역은, 관통 나선 전위 밀도가 500개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳.

본 발명의 SiC 단결정 잉곳의 제조 방법에 의하면, 승화 재결정법에 의한 성장의 초기 단계에서 관통 나선 전위 밀도의 작은 SiC 단결정을 얻을 수 있다. 그로 인하여, 본 발명에 의해 얻어진 SiC 단결정 잉곳이면, SiC 단결정의 성장 초기에도 디바이스 전용의 SiC 단결정 기판을 자를 수 있게 되기 때문에, SiC 단결정 기판 제조의 수율을 향상시킬 수 있는 등, 공업적으로 매우 유용하다.

도 1은 본 발명의 SiC 단결정 잉곳의 제조에 사용되는 종결정을 제작하기 위한 장치를 나타내는 단면 모식도.
도 2는 본 발명의 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 단결정 제조 장치를 나타내는 단면 모식도.
도 3은 도 3의 (a), (b)는, 실시예 및 비교예에서 얻어진 SiC 단결정 잉곳의 종결정 계면 근방에서의 관통 전위 밀도를 평가할 때에 사용한 평가용 SiC 단결정 기판을 자르는 모습을 나타낸 모식 설명도.
도 4는 실시예 및 비교예에서 얻어진 SiC 단결정 잉곳의 성장 높이에 대한 관통 나선 전위 밀도의 변화의 모습을 나타내는 그래프.
도 5는 실시예 및 비교예에서 얻어진 SiC 단결정 잉곳의 성장 높이에 대한 관통 날상 전위 밀도의 변화의 모습을 나타내는 그래프.
도 6은 스텝 번칭이 종결정의 성장면에 형성된 상태를 모식적으로 나타내는 설명도.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 승화 재결정법에 의해 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시킬 때, 종결정과 성장 SiC 단결정의 계면 부분에서 발생하는 관통 나선 전위의 밀도가 증대하는 것을 억제한다. 즉, 본 발명에서는, 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 성장에 따라 전위 밀도가 감소하는 비율을 높임으로써, 성장 초기의 단계로부터 전위 밀도가 낮은 SiC 단결정 잉곳을 얻는다.

통상, 종결정 표면은 연마되어서, 스텝 번칭이 제거되고, 연마 후의 종결정 표면에 남는 스텝의 높이는 3㎛ 이하, 테라스의 폭은 100㎛ 이하 정도이다. 일반적으로는, 이와 같이 스텝 번칭이 제거된 종결정의 표면 상에 SiC 단결정을 성장시키고 있었다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명자들은, 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 결정 성장 환경 하에서, 스텝 번칭을 성장면으로 형성된 종결정을 사용하여, 해당 종결정의 결정 성장면 상에 SiC 단결정을 성장시킴으로써, 관통 나선 전위 밀도가 저감되는 것을 알아내었다.

통상, 종결정의 성장면에 스텝 번칭이 형성되어 있으면, 상기 스텝 번칭의 스텝의 하단측의 테라스에 생성된 결정 성장 핵이 상기 스텝단에서 부정합을 발생하여, 스텝 번칭을 갖지 않는 일반적인 종결정을 사용했을 때보다도 관통 나선 전위가 발생하기 쉽게 된다. 또한, 상기 스텝 번칭이 커짐에 따라, 관통 나선 전위의 밀도도 커진다. 그런데, 더 많이 발생한 관통 나선 전위끼리는, 밀도가 높기 때문에 통상보다도 전위간의 거리가 작고, 정부의 전위끼리 쌍소멸하는 확률이 높아진다. 또한, 전위 밀도가 어느 정도 내려와도, 근거리에 전위가 남아, 쌍소멸이 발생하기 쉽기 때문에 SiC 단결정의 성장에 따라 관통 나선 전위 밀도의 감소하는 비율이 커진다고 생각된다(이하, SiC 단결정의 성장에 따라 관통 나선 전위 밀도의 감소하는 비율을 「전위 밀도의 감소율」이라고 함). 이와 같이 본 발명자들은, 종결정과 성장 결정의 계면 부분의 전위 증대를 억제하는 것이 아니라, 오히려 전위를 보다 많이 발생시킴으로써 쌍소멸시킨다는 역전의 발상에 이르러, 관통 나선 전위 밀도의 작은 SiC 단결정 잉곳을 얻었다.

여기서, 본 발명에서 사용되는 종결정의 성장면에는, 스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이고, 상기 스텝의 하단측의 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하인 사이즈를 갖는 스텝 번칭이 적어도 하나 형성된다. 승화 재결정법을 행할 때, 종결정의 온도 상승 과정에서 종결정 성장면의 최표면의 분해가 시작되지만, 스텝의 높이가 10㎛ 이상, 테라스의 폭이 200㎛ 이상이면, SiC의 승화 재결정 개시까지의 사이에 스텝 번칭이 소실되는 경우는 없다.

단, 스텝 번칭의 스텝의 높이 및 테라스의 폭 중 어느 것이 1㎜를 초과하면 정상적인 승화 재결정 성장을 방해할 수 있어서, 폴리 타입이 불안정화한다. 그로 인하여, 스텝의 높이 및 테라스의 폭 중 어느 것이 1㎜를 초과하는 스텝 번칭의 수는, 적은 쪽이 바람직하다.

또한, 스텝 번칭의 스텝의 높이가 10㎛ 미만, 혹은 상기 스텝의 하단측의 테라스의 폭이 200㎛ 미만이면 본 발명의 효과인 관통 나선 전위 밀도의 감소율이 커지지 않는다.

도 6은, 스텝 번칭의 설명도이며, SB1, SB2 등의 스텝 번칭이 종결정의 성장면에 형성된 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 형성된 스텝 번칭 SB1 및 SB2는 스텝의 높이 SBt1 및 SBt2가 모두 10㎛ 이상 1㎜ 이하이며, 테라스의 폭 SB1wa, SB1wb, SB2wa, SB2wb가 모두 200㎛ 이상 1㎜인 것이 가장 바람직하다.

성장 초기 단계에서 관통 나선 전위 밀도의 감소율을 더 크게 하기 위해서는, 바람직하게는 스텝 번칭의 스텝의 높이는 30㎛ 이상인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 50㎛ 이상인 것이 좋다. 또한, 상기 스텝의 하단측의 테라스의 폭은, 바람직하게는 400㎛ 이상인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 600㎛ 이상인 것이 좋다.

또한, 종결정 상에 상기 사이즈를 갖는 스텝 번칭을 형성하는 수단으로서, 바람직하게는 용액 성장법을 이용하는 것이 좋다. 용액 성장법에 의한 SiC 단결정의 성장에서는, 오프 각을 갖는 종결정 상의 결정 성장은 오프 각 제로의 저스트면 상의 결정 성장에 비하여 비교적 불안정하기 때문에, 오프 각을 갖는 종결정 상에 결정 성장을 행하면, 성장 높이 수십 내지 100㎛정도의 스텝 번칭이 생기는 것이 알려져 있다. 이 현상을 이용함으로써, 즉, 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 성장에 앞서, 오프 각을 갖는 종결정의 성장면에 용액 성장법에 의해 SiC 단결정을 성장시킴으로써, 상기 사이즈의 스텝 번칭이 형성된 종결정을 제작할 수 있다.

여기서, 상기 종결정의 두께를 증가함으로써, 상기 종결정의 성장면 상의 스텝 번칭 사이즈를 확대할 수 있다. 원하는 사이즈의 스텝 번칭을 형성하는 관점에서, 용액 성장법에 의해 SiC 단결정을 성장시키는 종결정의 두께는, 바람직하게는 0.1㎜ 이상인 것이 좋다. 그러나, 효과가 포화하는 것이나 경제성 등을 고려하면, 그 두께의 상한은 3㎜이다. 한편, 종결정의 오프 각에 대하여서는, 결정 표면의 스텝 번칭을 효율적으로 형성시키는 등의 관점에서, 바람직하게는 0.5˚ 이상 10˚ 이하인 것이 좋다.

또한, 용액 성장법에 대해서는, 공지의 방법을 이용할 수 있고, C를 용해시킨 Si 용매(Si-C 용액)에, 오프 각을 갖는 종결정을 침지하여 SiC 단결정을 성장시킴으로써, 전술한 바와 같은 큰 스텝 번칭을 형성할 수 있다. 전술한 사이즈의 스텝 번칭이 형성된 종결정을, 승화 재결정법을 이용한 단결정 성장 장치에 배치하여, 공지의 방법에 의해 SiC 단결정을 제조시킴으로써 본 발명의 SiC 단결정 잉곳을 얻을 수 있다. 또한, 승화 재결정법은 용액 성장법과 다르게, 종결정의 오프 각이 스텝 번칭의 크기를 현저하게 변화시키는 현상은 보이지 않기 때문에, 승화 재결정법을 이용하여 용액 성장법과 같은 큰 스텝 번칭을 형성하는 것은 곤란하다.

본 발명에 따르면, 승화 재결정법에 의한 성장의 초기 단계로부터 관통 나선 전위 밀도의 작은 SiC 단결정을 얻을 수 있다. 전술한 사이즈의 스텝 번칭이 형성된 종결정을 사용하는 이외에도, 승화 재결정법에 대해서는, 공지의 방법을 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 높이 방향으로 60％ 이상이 관통 나선 전위 밀도 500개/㎠ 이하의 고품질 결정 영역을 갖는 SiC 단결정 잉곳을 SiC 단결정의 성장 초기에 있어서 얻을 수 있기 때문에, 성장 초기의 SiC 단결정 잉곳으로부터도 디바이스 전용의 SiC 단결정 기판을 자를 수 있게 되어, SiC 단결정 기판 제조의 수율을 향상시킬 수 있다.

실시예

이하, 실시예 등에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예의 내용에 제한되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 SiC 단결정 잉곳의 결정 성장에 이용한 종결정의 준비를 행하기 위한 장치이며, 용액 성장법에 의한 단결정 성장 장치의 일례가 나타나고 있다. 이 단결정 성장 장치는, Si-C 용액(1)이 수용되는 흑연 도가니(2)를 구비하고, 이 흑연 도가니(2)는 수랭 스테인리스 챔버(3) 내에 배치되어 있다. 또한, 흑연 도가니(2)는, 시드 축(10)이 관통하는 도가니 덮개(4)에 의해 실질적으로 폐쇄되어, 도가니(2)의 외주는 단열재(5)에 의해 보온되어 있으며, 또한 그 외주에 유도 가열용 고주파 코일(6)이 설치되어 있다. 단결정 성장 장치 내의 분위기는, 가스 도입구(7)와 가스 배기구(8)를 이용하여 조정된다.

흑연 도가니(2)에, Si와 Ti를 융액 원료로서 투입하여, 고주파 코일(6)에 통전하여 유도 가열에 의해 도가니 내의 원료를 융해하여, Si-Ti 합금의 융액을 형성했다. 가열 중에 용기인 흑연 도가니(2)의 용해에 의해 탄소가 고온 용액에 융해하고, SiC의 고온 용액(Si-C 용액)이 형성되었다. 그리고, 승화 재결정법에 의해 얻어진 벌크의 SiC 단결정으로부터 구경 51㎜의 기판을 잘라내고, 경면 연마하여, (000-1)면에 4도의 오프 각을 갖는 종결정 기판(9)을 준비하였다.

이 종결정 기판(9)을 성장 온도보다도 50℃ 낮은 Si-C 용액(1)에 착액 후, 더욱 성장 온도 1940℃로 승온하여, 약 1시간 동안 가열했다. 성장 온도에 도달하고 나서 탄소가 도가니 용해에 의해 충분히 융액에 공급될 때까지는, 용액은 탄소가 미포화인 상태이다. 이 때문에 종결정 기판(9)의 표층은, 용액에 용해한다. 본 실시예 1에서는, 종결정 기판(9)의 표층이 용해한 만큼(용해 두께)은 약 30㎛였다. 용액의 탄소가 포화에 도달한 후는 종결정 기판(9) 상에 SiC 결정이 용액 성장했다. 결정 성장 시간은 종결정 기판(9)의 착액으로부터 15시간으로 했다. 그동안, 흑연 도가니(2)와 시드 축(10)은, 서로 반대 방향으로 10rpm으로 회전시켰다. 성장 종료 후, 시드 축(10)을 상승시키고, 종결정 기판(9)을 용액(1)에서 분리하여, 종결정을 회수했다.

얻어진 종결정은, 종결정 기판(9) 상에 용액 성장법에 따라 SiC 결정이 새롭게 약 500 내지 600㎛의 두께로 성장하고 있었다. 이 종결정의 성장 표면을 레이저 현미경에 의해 관찰한 결과, 스텝 높이 약 30㎛, 테라스 폭 약 300㎛의 스텝 번칭의 형성이 보였다.

또한, 도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 장치이며, 개량 레일리법에 의한 단결정 성장 장치의 일례를 나타낸다. 결정 성장은, SiC의 승화 원료(11)를 유도 가열에 의해 승화시켜, SiC 종결정(12) 상에 재결정시킴으로써 행해진다. 상기의 용액 성장법에 의해 성장면에 스텝 번칭이 형성된 종결정(12)을 단결정 성장 장치의 흑연 덮개(13)의 내면에 매달고, 승화 원료(11)를 충전한 흑연 도가니(14)에 세트했다. 흑연 도가니(14)를 열 실드를 위하여 흑연제 펠트(15)로 피복한 후, 흑연 지지막대(17) 상에 적재하고 이중 석영관(16)의 내부에 설치했다.

그리고, 이중 석영관(16)의 내부를 진공 배기 장치(18)에 의해 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스 및 질소 가스를, 배관(19)을 통해 매스 플로우 컨트롤러(20)로 제어하면서 유입시켜, 석영관 내 압력(성장 분위기 압력)을 진공 배기 장치(18)에서 80kPa로 했다. 이 압력 하에서, 워크 코일(21)에 전류를 흐르게 하여 온도를 올리고, 종결정(12)의 온도가 2200℃가 될 때까지 상승시켰다. 그 후, 30분 동안 성장 분위기 압력을 1.3kPa로 감압하여, 스텝 번칭이 형성된 종결정(12)의 (000-1)면을 결정 성장면으로 하는 30시간의 결정 성장을 행했다.

상기의 프로세스에 의해, 높이 9㎜, 구경 51㎜의 SiC 단결정 잉곳이 얻어졌다. 먼저, 해당 잉곳에서, 종결정(12)에서의 높이로 표현되는 성장 높이 3㎜의 위치에서, 종결정 표면에 평행하게(즉 4°의 오프 각을 갖도록) 평가용 기판 A를 잘라냈다.

얻어진 평가용 기판 A에 대하여, 520℃의 용융 KOH에 기판의 전체면이 잠기게 5분간 침지하여 용융 KOH 에칭을 행하고, 에칭된 평가용 기판 A의 표면을, 광학 현미경(배율: 80배)에서 관찰하여 전위 밀도를 계측했다. 여기에서는, J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, 135, (1994), 61-70에 기재되어 있는 방법에 따라, 조개형 피트를 기저면 전위, 소형의 6각형 피트를 관통 날상 전위, 중형ㆍ대형의 6각형 피트를 관통 나선 전위로서, 에치 피트 형상에 의한 전위 결함을 분류하고, 각 전위 밀도를 구했다. 그 결과, 평가용 기판 A의 외주로부터 직경비로 내측에 5％의 링상 영역(외주로부터 폭 2.55㎜의 영역)을 제외한 나머지 영역에서 거의 균일하게 전위 밀도가 분산되어 있는 것을 확인했다. 또한, 동일하게 하여 종결정에 대해서도 확인한 결과, 면 내에 전위 밀도는 균일하게 분포하고 있었다.

다음에, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 얻어진 잉곳을, 종결정(12)의 c축의 오프 방향과 반대 방향으로 4°기울어진 방향이 결정의 c축이 되도록 잘라내고, (0001)면에 종결정과 반대 방향으로 오프 각을 갖는 평가용 기판 B를 얻었다. 그 때, 평가용 기판 B가 종결정의 성장면 중심을 통과하도록 하여 잘라내고, 평가용 기판 B의 표면에는, 종결정 영역과 성장 SiC 단결정 영역이 포함되도록 하고, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 평가용 기판 B의 표면 상의 a변과 종결정의 직경 방향 상의 b변의 이루는 각이 8°이며, 높이 h의 직각 삼각형이 형성되도록 했다. 본 절단 방법을 이용함으로써, 성장에 따르는 전위 밀도의 변화를 연속적으로 관찰하는 것이 가능해진다. 또한, 성장 방향의 변화가 실질적으로 1/sin8°(약 7배)로 확대되기 때문에, 보다 상세한 고정밀도의 전위 밀도 계측을 행할 수 있다.

얻어진 평가용 기판 B에 대하여, 전번의 평가용 기판 A와 마찬가지로, 520℃의 용융 KOH에 기판의 전체면이 잠기게 5분간 침지하여 용융 KOH 에칭을 행하고, 에칭된 기판의 표면을, 성장 SiC 단결정의 높이(h)의 변화에 따르도록 하면서, 도 3의 (b)에 나타낸 a변(=h/sin8°) 상의 측정점을 광학 현미경(배율: 80배)에서 관찰하여 관통 전위 밀도를 계측했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 1)

비교예 1에서는, 종결정의 결정 성장면의 Si-C 용액에 의한 용액 성장을 행하지 않고, 승화 재결정법으로 얻어진 벌크의 SiC 단결정에서 구경 51㎜의 기판을 잘라내고, 경면 연마하여, (0001)면에 4˚의 오프 각을 갖는 종결정 기판을 그대로 사용하여, 승화 재결정법에 의해 SiC 단결정의 결정 성장을 행했다. 즉, 종결정의 용액 성장 공정을 행하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1에 따른 SiC 단결정 잉곳을 제조했다.

이 때, 종결정 기판의 결정 성장면 상에는 스텝 높이 10㎛ 이상 또는 테라스 폭 200㎛ 이상인 스텝 번칭은 보이지 않았다. 얻어진 SiC 단결정 잉곳은 실시예 1과 마찬가지로 (0001)면에 종결정과 반대 방향으로 오프 각을 갖도록 잘라내고, 평가용 기판 B를 얻고, 실시예 1과 마찬가지로 KOH 에칭을 행하고, 광학 현미경으로 전위 밀도를 계측했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

여기서, 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 종결정 기판의 결정 성장면 상의 각 측정점에서의 SiC 단결정의 성장 높이(h(㎜))와 관통 나선 전위 밀도(개/㎠)의 값의 관계를 도 4에 나타낸다. 도 5는, 실시예 1 및 비교예 1에 관해서, SiC 단결정의 상기 성장 높이(h(㎜))와 관통 날상 전위 밀도(개/㎠)의 값의 관계를 나타낸다. 또한, 도 4 및 도 5의 종축은, 대수 표시이다.

도 4 중에 그려진 실선 및 점선은 각각 실시예 1의 데이터 및 비교예 1의 데이터를 근사하는 1차 함수의 그래프이다. 이들 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 4 중에 그려진 실선의 기울기는, 점선의 기울기보다도 가파르다. 즉, 실시예 1에 있어서 전위 밀도의 감소율은, 비교예 1에서의 전위 밀도의 감소율보다도 크다. 또한, 종래법에 의해 제조된 비교예 1의 SiC 단결정 잉곳은, 성장 높이 1.9㎜로 관통 나선 전위 밀도가 약 1000개/㎠인 것에 대하여, 본 발명의 제조 방법을 이용하여 제조된 실시예 1의 SiC 단결정 잉곳에서는, 약 100개/㎠까지 감소하고 있다.

또한, 도 5의 실선 그래프(실시예 1의 데이터에 대응)와 점선 그래프(비교예 1의 데이터에 대응)의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법은 관통 날상 전위의 전위 밀도 변화에 아무런 악영향을 미치는 것이 아니고, 관통 날상 전위의 전위 밀도의 감소율을 증가시키고 있다. 종결정과의 계면 근방의 성장 초기는, 종래에는 관통 전위 밀도가 높고, SiC 단결정 기판의 잘라내기에는 적합하지 않다고 되어 있는 반면, 본 발명에 따르면, 성장 높이 약 2㎜로부터 종결정 이상의 품질의 SiC 단결정 기판을 자르는 것도 가능해진다.

또한, 도 4의 그래프 경향으로부터 보아, 성장 높이 1.5㎜ 이후에서는 관통 나선 전위 밀도가 500개/㎠ 이하를 달성할 수 있다고 생각되어, 실시예 1에 관한 잉곳의 성장 높이가 9㎜이기 때문에, 높이 방향에서의 결정 영역의 약 80％ 이상이 관통 나선 전위 밀도 500개/㎠ 이하를 만족시키는 SiC 단결정 잉곳이 얻어졌다고 할 수 있다.

1: Si-C 용액
2: 흑연 도가니
3: 스테인리스 챔버
4: 도가니 덮개
5: 단열재
6: 고주파 코일
7: 가스 도입구
8: 가스 배기구
9: 종결정 기판
10: 시드 축
11: SiC 승화 원료
12: 종결정
13: 흑연 덮개
14: 흑연 도가니
15: 흑연제 펠트
16: 이중 석영관
17: 흑연 지지막대
18: 진공 배기 장치
19: 배관
20: 매스 플로우 컨트롤러
21: 워크 코일

Claims (3)

1. 탄화규소 단결정으로 이루어지는 종결정의 성장면 상에 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 방법이며,
   상기 종결정의 성장면을 용액에 침지 또는 접촉시킴으로써,
   스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이며, 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하인 스텝 번칭을 상기 종결정의 성장면으로 형성하고,
   승화 재결정법에 의해 상기 종결정의 성장면 상에 탄화규소 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 오프 각을 갖는 종결정의 성장면에 용액 성장법에 의해 두께 0.1㎜ 이상 3㎜ 이하의 탄화규소 단결정을 성장시킴으로써, 상기 스텝 번칭을 형성하는, 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
3. 스텝의 높이가 10㎛ 이상 1㎜ 이하이며, 테라스의 폭이 200㎛ 이상 1㎜ 이하의 스텝 번칭이 용액에 침지 또는 접촉시킴으로써 형성된 성장면을 갖는 탄화규소 단결정의 종결정과,
   상기 성장면 상에 형성된 탄화규소 단결정 영역을 갖고,
   상기 탄화규소 단결정 영역 중 잉곳 높이 방향의 60％ 이상의 결정 영역은, 관통 나선 전위 밀도가 500개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳.

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