JP2015040146A - Single crystal production device and single crystal production method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体の単結晶の製造に関する。 The present invention relates to the manufacture of semiconductor single crystals.
炭化珪素(SiC)は熱的・化学的に優れた特性を有し、禁制帯幅が珪素(Si)半導体に比べ大きく電気的にも優れた特性を有する半導体材料として知られている。特に4H型の炭化珪素は電子移動度や飽和電子速度が大きなことから、パワーデバイス向け半導体材料として実用化が始まっている。 Silicon carbide (SiC) is known as a semiconductor material that has excellent thermal and chemical characteristics, has a forbidden band width larger than that of a silicon (Si) semiconductor, and has excellent characteristics. In particular, 4H-type silicon carbide has been put to practical use as a semiconductor material for power devices because of its high electron mobility and saturated electron velocity.
半導体の単結晶を得る方法として、改良レイリー法(昇華法)が広く用いられている。現在、直径100mmまでの基板が市販されており、直径150mmの基板も製品化されつつある。しかしながら、依然として結晶欠陥密度が高く、半導体デバイスとして用いるにはさらに結晶欠陥密度を下げる必要がある。 An improved Rayleigh method (sublimation method) is widely used as a method for obtaining a semiconductor single crystal. Currently, substrates with a diameter of up to 100 mm are commercially available, and substrates with a diameter of 150 mm are also being commercialized. However, the crystal defect density is still high, and it is necessary to further reduce the crystal defect density for use as a semiconductor device.
昇華法によるSiC単結晶の作成は、坩堝内に種結晶と原料を対向させて配置し、原料を約2300℃付近まで加熱して昇華させ、昇華により発生した原料ガスを種結晶上で再結晶化させることにより、結晶成長させる方法である。坩堝の加熱方法は、高周波による誘導加熱が一般的である。このため、坩堝の材質としては導電性があり、かつ高温で耐えうる必要があることから、グラファイトを用いるのが一般的である。また、坩堝の形状は、高周波誘導加熱による表皮効果に起因する温度不均一を無くし、さらに加工を容易にする観点から、円筒状が一般的である。さらに、坩堝からの熱輻射を抑制し、効率よく加熱するために、坩堝は断熱材で覆われている。この断熱材は導電性が無く、かつ2400℃の高温で耐えうる必要があるため、グラファイト断熱材が用いられる。 SiC single crystal by sublimation method is prepared by placing a seed crystal and a raw material facing each other in a crucible, heating the raw material to about 2300 ° C to sublimate, and recrystallizing the raw material gas generated by sublimation on the seed crystal. This is a method of growing a crystal. As a method for heating the crucible, induction heating by high frequency is generally used. Therefore, graphite is generally used as a material for the crucible because it is conductive and must be able to withstand at high temperatures. The crucible is generally cylindrical from the viewpoint of eliminating temperature non-uniformity due to the skin effect due to high frequency induction heating and facilitating processing. Furthermore, in order to suppress heat radiation from the crucible and heat efficiently, the crucible is covered with a heat insulating material. Since this heat insulating material is not conductive and needs to be able to withstand at a high temperature of 2400 ° C., a graphite heat insulating material is used.
SiC基板を低コスト化するためには、長尺なSiCインゴットを成長する必要があり、半導体デバイス用として用いるために、これが低欠陥密度である必要がある。低欠陥かつ長尺なSiCインゴットを成長させるために、様々な研究がなされ、数多くの報告がなされており、例えば特許文献1,2に示す方法が開示されている。
In order to reduce the cost of the SiC substrate, it is necessary to grow a long SiC ingot, and in order to use it for a semiconductor device, it is necessary to have a low defect density. In order to grow a low defect and long SiC ingot, various studies have been made and many reports have been made. For example, methods disclosed in
特許文献1,2に示す方法では、高品質な単結晶を成長させるために、ガイドを用いて原料ガスを効率良く台座上に導いている。これにより、単結晶部が多結晶部と一体化する独立して成長するようにしている。ガイド内壁に多結晶が析出すると単結晶部と一体化し、単結晶部の品質が劣化してしまうため、ガイドの温度を単結晶部よりも高くし、原料ガスを種結晶上に効率良く集め、ガイド内壁への多結晶の析出を防止する工夫を施していた。
In the methods shown in
特に、特許文献1に示す方法では、単結晶成長に関わらない原料ガスを、坩堝蓋の上に設けたチャンバーに導入し、当該チャンバー内で多結晶成長させることにより、多結晶が単結晶成長に干渉しないようにしている。
In particular, in the method disclosed in
しかしながら、台座の上にまでチャンバーを設けてしまうと、台座裏面からの放熱がチャンバー内で輻射する結果、ガイドと種結晶の温度差が小さくなってしまう。そのため、台座上に優先して結晶成長が行われず、ガイド内壁に多結晶が析出し、単結晶の品質が劣化してしまうという問題点があった。 However, if the chamber is provided even on the pedestal, the heat radiation from the back surface of the pedestal is radiated in the chamber, resulting in a small temperature difference between the guide and the seed crystal. Therefore, there is a problem that crystal growth is not performed on the pedestal preferentially, polycrystals are deposited on the inner wall of the guide, and the quality of the single crystal is deteriorated.
本発明は上述の問題に鑑み、高品質で長尺な単結晶を得る単結晶製造装置、およびこれを用いた単結晶製造方法の提供を目的としている。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a single crystal manufacturing apparatus for obtaining a high-quality and long single crystal, and a single crystal manufacturing method using the same.
本発明の単結晶製造装置は、単結晶の原料を収容する坩堝と、坩堝の上面を覆い、中心部に開口を有する坩堝蓋と、坩堝蓋の開口から背面を露出させて坩堝内に設けられ、種結晶を固定する台座と、結晶成長領域を囲うように坩堝の内壁に設けられ、原料が昇華してなる原料ガスを種結晶に導くガイドと、坩堝蓋の開口を避けて坩堝蓋上に環状に設けられ、坩堝蓋との間にチャンバーを形成する上蓋と、を備え、坩堝蓋には、台座の周囲にチャンバーに連通する貫通穴が設けられている。 The single crystal production apparatus of the present invention is provided in a crucible containing a raw material for a single crystal, a crucible lid that covers the upper surface of the crucible and has an opening in the center, and the back surface is exposed from the opening of the crucible lid. A base for fixing the seed crystal, a guide provided on the inner wall of the crucible so as to surround the crystal growth region, a guide for guiding the source gas formed by sublimation of the raw material to the seed crystal, and opening the crucible lid on the crucible lid And an upper lid that forms a chamber with the crucible lid, and the crucible lid is provided with a through hole that communicates with the chamber around the pedestal.
また、本発明の単結晶製造方法は、本発明の単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法であって、(a)単結晶製造装置の坩堝に原料を充填し、かつ台座に種結晶を取り付ける工程と、(b)原料を所定時間昇華させ、種結晶上に単結晶を成長させる工程と、を備える。 The single crystal production method of the present invention is a single crystal production method using the single crystal production apparatus of the present invention, wherein (a) a crucible of the single crystal production apparatus is filled with a raw material, and a seed crystal is placed on a pedestal. And (b) a step of sublimating the raw material for a predetermined time to grow a single crystal on the seed crystal.
本発明の単結晶製造装置は、単結晶の原料を収容する坩堝と、坩堝の上面を覆い、中心部に開口を有する坩堝蓋と、坩堝蓋の開口から背面を露出させて坩堝内に設けられ、種結晶を固定する台座と、結晶成長領域を囲うように坩堝の内壁に設けられ、原料が昇華してなる原料ガスを種結晶に導くガイドと、坩堝蓋の開口を避けて坩堝蓋上に環状に設けられ、坩堝蓋との間にチャンバーを形成する上蓋と、を備え、坩堝蓋には、台座の周囲にチャンバーに連通する貫通穴が設けられている。台座の熱をその背面からチャンバー外に放出する構成としたことにより、種結晶とガイドに温度差を設け、ガイドの内壁への多結晶の析出が抑制される。これにより、高品質で長尺な単結晶を得ることが可能である。 The single crystal production apparatus of the present invention is provided in a crucible containing a raw material for a single crystal, a crucible lid that covers the upper surface of the crucible and has an opening in the center, and the back surface is exposed from the opening of the crucible lid. A base for fixing the seed crystal, a guide provided on the inner wall of the crucible so as to surround the crystal growth region, a guide for guiding the source gas formed by sublimation of the raw material to the seed crystal, and opening the crucible lid on the crucible lid And an upper lid that forms a chamber with the crucible lid, and the crucible lid is provided with a through hole that communicates with the chamber around the pedestal. By adopting a structure in which the heat of the pedestal is released from the back surface to the outside of the chamber, a temperature difference is provided between the seed crystal and the guide, and precipitation of polycrystals on the inner wall of the guide is suppressed. Thereby, it is possible to obtain a high quality and long single crystal.
また、本発明の単結晶製造方法は、本発明の単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法であって、(a)単結晶製造装置の坩堝に原料を充填し、かつ台座に種結晶を取り付ける工程と、(b)原料を所定時間昇華させ、種結晶上に単結晶を成長させる工程と、を備える。本発明の単結晶製造装置は、台座の熱をその背面からチャンバー外に放出する構成としたことにより、種結晶とガイドに温度差を設け、ガイドの内壁への多結晶の析出が抑制される。これにより、高品質で長尺な単結晶を得ることが可能である。 The single crystal production method of the present invention is a single crystal production method using the single crystal production apparatus of the present invention, wherein (a) a crucible of the single crystal production apparatus is filled with a raw material, and a seed crystal is placed on a pedestal. And (b) a step of sublimating the raw material for a predetermined time to grow a single crystal on the seed crystal. The apparatus for producing a single crystal according to the present invention has a structure in which the heat of the pedestal is released from the back surface to the outside of the chamber, thereby providing a temperature difference between the seed crystal and the guide and suppressing the precipitation of the polycrystal on the inner wall of the guide . Thereby, it is possible to obtain a high quality and long single crystal.
<A.実施の形態1>
<A−1.構成>
図1は、実施の形態1に係る単結晶製造装置100の断面図である。
<A.
<A-1. Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view of single
単結晶製造装置100は、坩堝1、坩堝蓋3、台座5、ガイド6、ガイド断熱材10、上蓋8、上蓋断熱材9を備えている。坩堝1の形状は、高周波誘導加熱による表皮効果に起因する温度不均一を無くし、さらに加工を容易にする観点から、円筒状が一般的である。坩堝蓋3は坩堝1の上面を覆う部材であり、その上面の中心部に開口を有している。台座5は種結晶4sを固定する部材であり、坩堝蓋3の開口からその背面を露出した状態で坩堝蓋3に取り付けられている。種結晶4sには、<11−20>方向に8°のオフ角を有する4H−SiCカーボン面を用い、その直径は台座5の直径と等しく65mmとする。
The single
坩堝1には原料2が充填されており、坩堝1の加熱によって原料2を昇華させ、原料ガスを種結晶4s上で再結晶化させることにより、単結晶が形成される。
The
ガイド6は、単結晶の成長領域を囲うようにして、坩堝1の内壁または坩堝蓋3の内壁に取り付けられ、原料2から昇華した原料ガスを効率良く種結晶4sに導入する。図1は、種結晶4s側から原料2側にかけて内径が拡大するテーパー形状のガイド6を示しているが、種結晶4s側から原料2側にかけて内径が一定の形状であってもよい。
The
ガイド6と坩堝1または坩堝蓋3の間にはガイド断熱材10が設けられる。
A guide
坩堝蓋3の上部には、坩堝蓋3の開口を避けて環状に上蓋8が設けられ、坩堝蓋3と上蓋8とによりチャンバーが形成される。上蓋8の外径は、坩堝1の直径と等しく180mmとし、内径は40mmとする。坩堝蓋3において、台座5近傍の位置には貫通穴7が設けられており、台座5を通過した昇華ガスが貫通穴7を通ってチャンバー内に導入される。坩堝蓋3の開口を避けて上蓋8を設けることで、台座5の背面から放出される熱がチャンバー内で輻射しない構成となっている。
An
また、チャンバー内には上蓋断熱材9が設けられている。上蓋断熱材9によって、効果的にガイド6と台座5の温度差を大きくすることができ、ガイド6の内壁面に多結晶が析出することを抑制することができる。
An upper lid
坩堝1、坩堝蓋3、ガイド6、および上蓋8には、導電性と2400℃の耐高温性が求められるため、例えばグラファイトが用いられる。また、上蓋断熱材9とガイド断熱材10には、導電性がなく、2400℃の耐高温性を有する材料として、グラファイト断熱材が用いられる。
For the
ただし、上蓋断熱材9としてグラファイト断熱材を用いる場合は、原料ガスとの反応性が高いため、結晶内にカーボンインクルージョンが形成され、結晶品質を劣化させる可能性がある。このため、貫通穴7の寸法を慎重に決定する必要がある。
However, when a graphite heat insulating material is used as the upper lid
また、ガイド断熱材10にグラファイト断熱材を用いる場合は、原料ガスとの反応性が高く、エッチングされると単結晶内にカーボンインクルージョンが発生する原因となるため、原料ガスがガイド断熱材10に到達しない構造とする。
Further, when a graphite heat insulating material is used for the guide
図2は、図1に示す単結晶製造装置100のA−A線断面図である。貫通穴7の直径は2mmとし、図2に示すように、貫通穴7は台座5の外周に等間隔で16個配置される。あるいは、図3に示すように円を分割した形状であっても良い。貫通穴7の合計面積は、台座5の面積の0.7%以上6.0%未満とする。0.7%未満では十分に原料ガスをチャンバーに導くことができず、ガイド6内壁面に多結晶が析出するからである。また、6.0%以上とすると、原料ガスが上蓋8内に抜けすぎ、原料収率が大きく低下する。このため、長尺インゴット製造に時間がかかりすぎてしまう。さらには、原料ガスと上蓋8が反応することにより発生するカーボンインクルージョンが、ガス流から逆流して結晶内に取り込まれることがあり、結晶品質を劣化させる。
2 is a cross-sectional view taken along line AA of single
なお、炉や坩堝の構造によって成長速度は異なるが、成長速度が0.08〜0.25mm/hの範囲となるように、穴の面積と形状を決定すると、欠陥密度の低い高品質な結晶を容易に得ることができる。 Although the growth rate varies depending on the structure of the furnace or crucible, a high-quality crystal with a low defect density can be obtained by determining the hole area and shape so that the growth rate is in the range of 0.08 to 0.25 mm / h. Can be easily obtained.
台座5の周囲に多結晶が堆積すると、上蓋8への原料ガスの流れに抵抗が生じ、ガイド6の内壁面に多結晶が析出しやすくなる。このため、台座5周囲の空間は極力小さくなるように単結晶製造装置100を設計する必要がある。
When the polycrystal is deposited around the
ガイド6の内壁や上蓋8の内壁は原料ガスに曝されるので、エッチングされやすい。しかし、エッチングされると、結晶内にカーボンインクルージョンが形成される可能性が非常に高くなる。そのため、エッチングを防止する観点から、これらのグラファイト部品には、密度が1.9g/cm3以上の高密度なグラファイトを用いると良い。さらにはTaCなどの高融点金属膜でコーティングされたグラファイトを用いてもよく、またTa等の高融点金属の薄板を設置しても良い。
Since the inner wall of the
本実施の形態では、ガイド6の内壁面に厚さ50μmのTa板を設置した。ただし、単結晶成長中にTa板がグラファイトと反応すると、TaC板となり、寸法が大きくなる。TaCの外周長がガイド6の内周長より大きくなると、TaCがガイド内側に向かって折れ曲がり、単結晶と接触してその品質を劣化させる。このため、ガイド内壁にTaをはじめとする金属を配置する場合は、炭化後の寸法に留意する必要がある。また、金属コーティングや金属を設置する場合は、ガイド6に高密度グラファイトを用いる必要はない。
In this embodiment, a Ta plate having a thickness of 50 μm is installed on the inner wall surface of the
<A−2.製造工程>
次に、単結晶製造装置100によるSiC単結晶の製造工程を示す。
<A-2. Manufacturing process>
Next, the manufacturing process of the SiC single crystal by the single
まず、単結晶製造装置100に原料2を充填し、その台座5に種結晶4sを取り付ける。そして、単結晶製造装置100の周囲に断熱材(図示せず)を設置して炉内に配置し、炉内の圧力を10−4Pa台まで真空引きする。その後、炉内に不活性ガスのアルゴンを充填し、圧力を800hPaに保つ。圧力を保ったまま、誘導加熱により単結晶製造装置100の底部中心温度をSiC単結晶の成長温度である2400℃(パイロメーターで測定)まで上昇させる。続いて、単結晶製造装置100の温度を維持したまま、炉内の圧力をSiC単結晶の成長圧力である3.3hPaまで減圧し、その時点でSiCの単結晶成長が開始する。
First, the
単結晶成長を100時間行った後、炉内圧力を800hPaに戻す。さらに、24時間かけて炉内温度を室温まで下げた後、単結晶製造装置100を炉から取り出す。
After performing the single crystal growth for 100 hours, the pressure in the furnace is returned to 800 hPa. Further, after the furnace temperature is lowered to room temperature over 24 hours, the single
以上の工程を経た結果、ガイド6の内壁には多結晶が析出しておらず、単結晶部分のみが独立して成長した。得られたインゴットを、ワイヤーソーを用いて種結晶4sと平行に厚さ約1.5mmでスライスし、インゴット上部付近から得られたウェハのシリコン面に研削、研磨、CMP加工を施した。X線回析法を用いてロッキングカーブのマッピング測定を行うと、(0004)面回析のロッキングカーブ半値幅の平均は16.5秒と非常に高品質であった。また、同じサンプルに溶融KOHエッチング処理を行い、マイクロパイプ密度を求めると、0.06/cm2と非常に低かった。単結晶部が独立して成長し、多結晶等からの圧力を防止できたため、高品質な結晶を得ることが出来たと考えられる。
As a result of the above steps, no polycrystal was deposited on the inner wall of the
<A−3.効果>
実施の形態1の単結晶製造装置100は、原料2を収容する坩堝1と、坩堝1の上面を覆い、中心部に開口を有する坩堝蓋3と、坩堝蓋3の開口から背面を露出させて坩堝1内に設けられ、種結晶4sを固定する台座5と、結晶成長領域を囲うように坩堝1の内壁に設けられ、原料2が昇華してなる原料ガスを種結晶4sに導くガイド6と、坩堝蓋3の開口を避けて坩堝蓋3上に環状に設けられ、坩堝蓋3との間にチャンバーを形成する上蓋8と、を備えている。また、坩堝蓋3には、台座5の周囲にチャンバーに連通する貫通穴7が設けられている。上蓋8を環状に設けたことにより、台座5の裏面から効率よく放熱することができるため、ガイドと単結晶部の温度差を大きくすることができる。従って、結晶成長に寄与しない原料ガスを効率よくチャンバーに導入することができる。よって、ガイド6の内壁への多結晶の析出を抑制し、長尺で欠陥密度の低い高品質な単結晶を製造することができる。また、炭化珪素からなる種結晶4sを用いることにより、長尺で欠陥密度の低い高品質な炭化珪素の単結晶を製造することができる。
<A-3. Effect>
Single
また、貫通穴7の面積は、台座5の面積の0.7%以上6.0%未満とすれば、一定の原料収率を保ちながら、適切な量の原料ガスをチャンバーに導くことができ、長尺で欠陥密度の低い高品質な単結晶を製造することができる。
If the area of the through
また、単結晶製造装置100は、チャンバー内に上蓋断熱材9を設けることにより、効果的にガイド6と台座5の温度差を大きくすることができ、ガイド6の内壁面に多結晶が析出することをさらに抑制できる。さらに、ガイド6と坩堝1の内壁の間にガイド断熱材10を設けることによっても、同様の効果を奏する。
In addition, the single
また、ガイド6の材料を密度が1.9g/cm3以上のグラファイトとすることにより、原料ガスによるエッチングを抑制し、カーボンインクルージョンによる結晶の品質劣化を抑制することが可能である。
Further, by making the material of the
また、単結晶製造装置100は、ガイド6の結晶成長領域に対する面である内壁に配設された、高融点金属あるいはその化合物からなるガイド内壁部材を備えることにより、グラファイトからなるガイド6の原料ガスによるエッチングを抑制し、カーボンインクルージョンによる結晶の品質劣化を抑制することが可能である。
In addition, the single
また、単結晶製造装置100を用いた実施の形態1に係る単結晶製造方法は、(a)単結晶製造装置100の坩堝1に原料2を充填し、かつ台座5に種結晶4sを取り付ける工程と、(b)原料2を所定時間昇華させ、種結晶4s上に単結晶4を成長させる工程と、を備える。これにより、長尺で欠陥密度の低い高品質な単結晶を製造することができる。
In addition, the single crystal manufacturing method according to
また、上記工程(b)では、0.08mm/h以上0.25mm/h未満の速度で単結晶を成長させることにより、長尺で欠陥密度の低い高品質な単結晶を製造することができる。 Moreover, in the said process (b), a high quality single crystal with a long and low defect density can be manufactured by growing a single crystal at a speed | rate of 0.08 mm / h or more and less than 0.25 mm / h. .
<B.実施の形態2>
長尺なインゴットを製造する方法として、坩堝1に原料2を大量に充填し、成長時間を長くすることが考えられる。しかしながら、原料2を大量に充填するためには坩堝1を大型化する必要があり、単結晶製造装置が大型化する結果、コスト増になる。また、インゴットが長尺化するにつれて、成長初期と後期で坩堝1内の温度分布が変化するので、結晶成長に良好な温度分布を維持するのが困難となる。このため、実施の形態2では、一度結晶成長させた後、単結晶製造装置を炉から取り出して原料2を再充填し、良好な温度分布が得られるように坩堝を延長して、再び結晶成長を実施する。
<B. Second Embodiment>
As a method for producing a long ingot, it is conceivable that the
<B−1.構成>
図4は、実施の形態2に係る単結晶製造装置101の断面図である。単結晶製造装置101の構成は、実施の形態1に係る単結晶製造装置100と同様である。ただし、上蓋8が坩堝蓋3に対して取り外し可能に接合されている点と、坩堝1に延長坩堝11(図5)を組み合わせることによって坩堝1の側面を延長可能な点が異なる。
<B-1. Configuration>
FIG. 4 is a cross-sectional view of single
図5は、坩堝1に延長坩堝11を組み合わせた状態の単結晶製造装置101の構成を示している。延長坩堝11を坩堝1上に接合した上で、坩堝蓋3は坩堝1上ではなく延長坩堝11上に接合される。これにより、単結晶の成長領域を長くすることができ、長尺な単結晶を成長させることが可能である。また、坩堝1上に接合した延長坩堝11上に、さらに他の延長部材を接合することによって、単結晶の成長領域をさらに長くすることができる。このように、任意の数の延長部材を坩堝1に組み合わせる、つまり継ぎ足すことによって、適宜、単結晶の成長領域を任意の長さに延長することが可能である。
FIG. 5 shows a configuration of the single
<B−2.製造工程>
次に、実施の形態2に係る単結晶製造装置101を用いた単結晶製造方法について説明する。
<B-2. Manufacturing process>
Next, a single crystal manufacturing method using the single
まず、図4に示す単結晶製造装置101を用い、実施の形態1と同じ成長条件で144時間、1回目の単結晶成長を行う。ここで種結晶4sは、その直径を台座5の直径と等しく80mmとし、4H−SiCの(11−20)面を用いる。また、図2に示すように、台座5の周囲に貫通穴7を16カ所、等間隔に配置し、貫通穴7の直径は3mmとする。また、ガイド6の内壁には実施の形態1と同様に、厚さ50μmのTa薄板を取り付ける。1回目の単結晶成長の結果、中心部の高さが36.2mmの単結晶4(インゴット)が得られた。
First, using the single
次に、上蓋8と上蓋断熱材9を交換する。その理由は、長尺なインゴットを製造するために長時間結晶成長を行うと、チャンバー内に析出した多結晶によって原料ガスのチャンバー内への流れが低下するためである。単結晶の再成長毎に上蓋8を新品に交換することにより、原料ガスのチャンバーへの流れを低下させず、長尺な結晶を製造する際にも、ガイド6の内壁に多結晶が析出することを抑制する。なお、交換後の上蓋8の形状は交換前の上蓋8の形状と異なっていてもよく、交換前の上蓋8よりガス抜き効果が高い形状にしてもよい。
Next, the
また、図5に示すように延長坩堝11を坩堝1に組み合わせることにより、単結晶の成長領域を20mm延長する。また、ガイド6の延長部材として、延長坩堝11に延長ガイド12を取り付ける。そして、延長ガイド12の内壁に厚さ50μmのTa薄板を取り付け、延長ガイド12の結晶成長領域に対する面と反対側の面(外壁面)には延長ガイド断熱材13を配置する。なお、延長坩堝11は坩堝1と同じ材質であり、延長ガイド12はガイド6と同じ材質である。また、ガイド断熱材10と同様にカーボンインクルージョンを避けるため、原料ガスが延長ガイド断熱材13に到達しない構造とする。
Further, as shown in FIG. 5, by combining the
その後、1回目と同じ成長条件(成長温度、成長圧力)で、2回目の単結晶成長を199時間行う。その結果、単結晶4(インゴット)の中心部は34.1mm成長し、合計高さは70.3mmとなった。 Thereafter, the second single crystal growth is performed for 199 hours under the same growth conditions (growth temperature, growth pressure) as the first time. As a result, the central portion of the single crystal 4 (ingot) grew 34.1 mm, and the total height became 70.3 mm.
次に、上蓋8と上蓋断熱材9を交換する。
Next, the
また、図6に示すように、延長坩堝14を延長坩堝11と坩堝1の間に取り付け、単結晶の成長領域を20mm延長する。また、延長ガイド12の延長部材として、延長坩堝14に延長ガイド15を取り付ける。そして、延長ガイド15の内壁に厚さ50μmのTa薄板を取り付け、延長ガイド15の外壁面には延長ガイド断熱材16を配置する。なお、延長坩堝14は延長坩堝11と同じ材質であり、延長ガイド15は延長ガイド12と同じ材質である。また、ガイド断熱材10と同様にカーボンインクルージョンを避けるため、原料ガスが延長ガイド断熱材16に到達しない構造とする。
Moreover, as shown in FIG. 6, the
その後、坩堝1に原料2を2000g充填し、2回目と同じ成長条件(成長温度、成長圧力)で3回目の単結晶成長を120時間行う。その結果、単結晶4(インゴット)の中心部は18.8mm成長し、合計高さは89.1mmとなった。
Thereafter, the
以上、本実施の形態では長尺な結晶を得るために、合計3回の成長を実施した。どの成長においてもガイド6の内壁には多結晶は析出せず、単結晶部分のみが独立して成長した。得られた単結晶4(インゴット)を、成長方向と平行にワイヤーソーを用いて厚さ約1.5mmでスライスし、(0001)c面のウェハを得た。ウェハの両面を鏡面に研磨し、透過光を照射することによりカーボンインクルージョンの有無を評価すると、結晶内部にカーボンインクルージョンは観察されなかった。また、X線回折法によりロッキングカーブのマッピング測定を行うと、(0004)面回析のロッキングカーブ半値幅の平均は15.2秒と非常に高品質であった。さらに、同じサンプルに溶融KOHエッチング処理を施した上でマイクロパイプの個数を数えると、2個であり、非常に高品質であることが確認できた。
As described above, in this embodiment, a total of three times of growth was performed in order to obtain a long crystal. In any growth, polycrystal did not precipitate on the inner wall of the
なお、本実施の形態では2回の結晶再成長を行ったが、再成長の回数は必要に応じて増やしても良い。なお、再成長を行う度に上蓋8、上蓋断熱材9を交換し、延長坩堝、延長ガイド、延長ガイドを配置する。
In this embodiment, the crystal regrowth is performed twice. However, the number of regrowths may be increased as necessary. Each time re-growth is performed, the
なお、成長時間が経過する程、台座5の周囲に多結晶が堆積する他、単結晶部が成長することにより、ガイド6と単結晶4(インゴット)の間でガス流の抵抗が大きくなる。これらの現象により、再成長を繰り返す程、ガイド6の内壁に多結晶が析出しやすくなる。そのため、チャンバーへの原料ガス流の抵抗を下げる必要があり、再成長時には貫通穴7の面積を拡大しても良い。貫通穴7の面積を、台座5の面積の1.5〜10%の範囲で拡大すると、より効果的にガイド6内壁への多結晶の析出を抑制することができる。
As the growth time elapses, polycrystals are deposited around the
なお、本明細書では、SiC単結晶を製造する方法について説明したが、同様の方法で他の半導体の単結晶を製造することも可能である。 In the present specification, the method of manufacturing a SiC single crystal has been described. However, it is also possible to manufacture a single crystal of another semiconductor by a similar method.
<B−3.効果>
実施の形態2に係る単結晶製造装置101を用いた単結晶製造方法は、(a)単結晶製造装置101の坩堝1に原料2を充填し、かつ台座5に種結晶4sを取り付ける工程と、(b)原料2を所定時間昇華させ、種結晶4s上に単結晶4を成長させる工程と、(c)工程(b)の後、単結晶製造装置の上蓋8を交換する工程と、(d)工程(c)の後、原料2を所定時間昇華させ、単結晶4を再成長させる工程と、を備える。単結晶製造装置101は交換可能な上蓋8を備えるので、結晶成長を一旦停止し、上蓋8を交換した後再成長させることにより、原料ガスのチャンバーへの流れを低下させず、長尺な結晶を製造する際にも、ガイド6の内壁に多結晶が析出することを抑制する。
<B-3. Effect>
The single crystal manufacturing method using the single
また、実施の形態2に係る単決勝製造装置101の坩堝1は、延長坩堝11を継ぎ足すことにより側壁を延長することが可能な構成である。したがって、実施の形態2に係る単結晶製造装置101を用いた単結晶製造方法は、上記工程(b)と上記工程(d)の間に、延長坩堝11(延長部材)を坩堝1に継ぎ足す工程を備えることにより、長尺のインゴットを製造する場合でも、一貫して結晶成長に良好な温度分布を維持することが可能である。
Moreover, the
また、上記工程(b)と上記工程(d)の間に、貫通穴7の面積を、台座5の面積の1.5%以上10%未満の範囲で拡大する工程を備えれば、結晶再成長時にチャンバーへの原料ガス流の抵抗が下がり、よりガイド6内壁への多結晶の析出を抑制することができる。
In addition, if a step of expanding the area of the through
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 坩堝、2 原料、3 坩堝蓋、4 単結晶、4s 種結晶、5 台座、6 ガイド、7 貫通穴、8 上蓋、9 上蓋断熱材、10 ガイド断熱材、11,14 延長坩堝、12,15 延長ガイド、13,16 延長ガイド断熱材、100,101 単結晶製造装置。
1 crucible, 2 raw materials, 3 crucible lid, 4 single crystal, 4 s seed crystal, 5 pedestal, 6 guide, 7 through hole, 8 upper lid, 9 upper lid thermal insulation, 10 guide thermal insulation, 11, 14 extension crucible, 12, 15 Extension guide, 13, 16 Extension guide insulation, 100, 101 Single crystal manufacturing equipment.
Claims (14)
前記坩堝の上面を覆い、中心部に開口を有する坩堝蓋と、
前記坩堝蓋の前記開口から背面を露出させて前記坩堝内に設けられ、種結晶を固定する台座と、
結晶成長領域を囲うように前記坩堝の内壁に設けられ、前記原料が昇華してなる原料ガスを前記種結晶に導くガイドと、
前記坩堝蓋の前記開口を避けて前記坩堝蓋上に環状に設けられ、前記坩堝蓋との間にチャンバーを形成する上蓋と、
を備え、
前記坩堝蓋には、前記台座の周囲に前記チャンバーに連通する貫通穴が設けられている、
単結晶製造装置。 A crucible containing a raw material of a single crystal;
A crucible lid that covers the upper surface of the crucible and has an opening in the center;
A pedestal that is provided in the crucible with the back surface exposed from the opening of the crucible lid, and fixes a seed crystal;
A guide that is provided on the inner wall of the crucible so as to surround the crystal growth region, and guides the source gas formed by sublimation of the source material to the seed crystal;
An upper lid that is annularly provided on the crucible lid avoiding the opening of the crucible lid and forms a chamber with the crucible lid;
With
The crucible lid is provided with a through hole communicating with the chamber around the pedestal.
Single crystal manufacturing equipment.
請求項1に記載の単結晶製造装置。 The area of the through hole is 0.7% or more and less than 6.0% of the area of the pedestal.
The single crystal manufacturing apparatus according to claim 1.
請求項1又は2に記載の単結晶製造装置。 Further comprising an upper lid heat insulating material provided in the chamber,
The single crystal manufacturing apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 A guide heat insulating material provided between the guide and the inner wall of the crucible;
The single-crystal manufacturing apparatus of any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 The material of the guide is graphite having a density of 1.9 g / cm 3 or more.
The single-crystal manufacturing apparatus of any one of Claims 1-4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 A guide inner wall member made of a refractory metal or a compound thereof disposed on an inner wall which is a surface of the guide with respect to a crystal growth region;
The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 The upper lid is replaceable.
The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 6.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 The crucible can extend the side wall by adding an extension member,
The single-crystal manufacturing apparatus of any one of Claims 1-7.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。 The single crystal is made of silicon carbide;
The single-crystal manufacturing apparatus of any one of Claims 1-8.
(a)前記単結晶製造装置の前記坩堝に前記原料を充填し、かつ前記台座に前記種結晶を取り付ける工程と、
(b)前記原料を所定時間昇華させ、前記種結晶上に単結晶を成長させる工程と、
を備える、単結晶製造方法。 A single crystal manufacturing method using the single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 9,
(A) filling the crucible of the single crystal manufacturing apparatus with the raw material and attaching the seed crystal to the pedestal;
(B) sublimating the raw material for a predetermined time and growing a single crystal on the seed crystal;
A method for producing a single crystal.
請求項10に記載の単結晶製造方法。 The step (b) is a step of growing the single crystal at a rate of 0.08 mm / h or more and less than 0.25 mm / h.
The method for producing a single crystal according to claim 10.
(a)前記単結晶製造装置の前記坩堝に前記原料を充填し、かつ前記台座に前記種結晶を取り付ける工程と、
(b)前記原料を所定時間昇華させ、前記種結晶上に単結晶を成長させる工程と、
(c)前記工程(b)の後、前記単結晶製造装置の上蓋を交換する工程と、
(d)前記工程(c)の後、前記原料を所定時間昇華させ、前記単結晶を再成長させる工程と、
を備える、
単結晶製造方法。 A single crystal manufacturing method using the single crystal manufacturing apparatus according to claim 7,
(A) filling the crucible of the single crystal manufacturing apparatus with the raw material and attaching the seed crystal to the pedestal;
(B) sublimating the raw material for a predetermined time and growing a single crystal on the seed crystal;
(C) After the step (b), replacing the upper lid of the single crystal manufacturing apparatus;
(D) after the step (c), sublimating the raw material for a predetermined time to re-grow the single crystal;
Comprising
Single crystal manufacturing method.
(a)前記単結晶製造装置の前記坩堝に前記原料を充填し、かつ前記台座に前記種結晶を取り付ける工程と、
(b)前記原料を所定時間昇華させ、前記種結晶上に単結晶を成長させる工程と、
(c)前記工程(b)の後、前記単結晶製造装置の上蓋を交換する工程と、
(e)前記工程(b)の後、前記延長部材を前記坩堝1に継ぎ足す工程と、
(d)前記工程(c),(e)の後、前記原料を所定時間昇華させ、前記単結晶を再成長させる工程と、
を備える、
単結晶製造方法。 A single crystal manufacturing method using the single crystal manufacturing apparatus according to claim 8,
(A) filling the crucible of the single crystal manufacturing apparatus with the raw material and attaching the seed crystal to the pedestal;
(B) sublimating the raw material for a predetermined time and growing a single crystal on the seed crystal;
(C) After the step (b), replacing the upper lid of the single crystal manufacturing apparatus;
(E) after the step (b), adding the extension member to the crucible 1;
(D) After the steps (c) and (e), the step of sublimating the raw material for a predetermined time and re-growing the single crystal;
Comprising
Single crystal manufacturing method.
請求項12又は13に記載の単結晶製造方法。
(F) After the step (b), before the step (d), further comprising a step of expanding the area of the through hole in a range of 1.5% or more and less than 10% of the area of the pedestal.
The method for producing a single crystal according to claim 12 or 13.
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