SiC單晶的制造方法和制造裝置制造方法
【專利摘要】一種SiC單晶的制造方法,一邊在石墨坩堝內(nèi)的Si熔液內(nèi)維持從內(nèi)部到熔液面溫度降低的溫度梯度、一邊以接觸該熔液面的SiC籽晶為起點使SiC單晶生長,其中,在使成為SiC單晶的生長起點的SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸上述熔液面時,將熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度設(shè)定為從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。一種SiC單晶的制造裝置,具有:石墨坩堝;用于將上述坩堝內(nèi)的原料加熱熔化從而形成上述原料熔液并且維持SiC單晶的生長所需的溫度梯度的加熱單元;在下端保持籽晶的支持棒;和保持機構(gòu),其維持上述保持以使得熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度處于從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。
【專利說明】SiC單晶的制造方法和制造裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于熔液法的SiC單晶的制造方法和制造裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]基于熔液法的SiC單晶的制造方法,在石墨坩堝內(nèi)的Si熔液內(nèi)維持從內(nèi)部向熔液面且從下部向上部溫度降低的溫度梯度。在下方的高溫部從石墨坩堝熔化到Si熔液內(nèi)的C主要借著熔液的對流上升并到達(dá)熔液面附近的低溫部而變?yōu)檫^飽和。在支持棒(石墨制)的頂端保持SiC籽晶(晶種),使籽晶的下表面作為結(jié)晶生長面而使其接觸熔液,在籽晶的結(jié)晶生長面上從過飽和的熔液通過外延生長而生長SiC單晶。
[0003]但是,存在下述問題:從籽晶的下表面(結(jié)晶生長面)以外的面(籽晶的側(cè)面等)、或從石墨棒零散地生長多數(shù)的晶體,容易引起多晶化,產(chǎn)生的多晶侵入到單晶的區(qū)域,對長尺寸生長和徑擴大工序造成妨礙。
[0004]即,如圖1所示,以從支持棒的下端所保持的籽晶的側(cè)面向外方伸出的方式生成SiC多晶。圖1 (I)中,(A)為主視圖,(B)為仰視圖,示出了覆蓋由虛線所示的籽晶整體且SiC多晶以傘狀伸出的情況。圖1 (2)為同樣的例子,(A)為主視圖,(B)為縱剖圖,尤其是如(B)所示可知,從籽晶的側(cè)面生長的SiC多晶(黑色部分)覆蓋到在由虛線所示的籽晶的結(jié)晶生長面(下表面)上生長的單晶(淺灰)的區(qū)域。
[0005]這樣,一旦熔液潤升到籽晶的結(jié)晶生長面以外的部位(籽晶的側(cè)面、支持棒),則會從潤升的部分產(chǎn)生多數(shù)的晶核,引起多晶化(三維生長)。
[0006]而且,與Si單晶的熔液生長不同,在SiC單晶的熔液生長的情況下,對于從c面([0001]面或[000-1]面)以外的結(jié)晶面的生長而言,由于得不到高品質(zhì)的SiC單晶,所以從作為結(jié)晶生長面的C面以外的多`晶生成的問題可以說是SiC單晶的熔液生長所特有的問題。
[0007]在日本特開平4-321590號公報中公開了下述方法:通過將籽晶的至少與熔液接觸的部分形成為大致圓筒形,形成在籽晶和熔液之間的彎液面的傾斜角在籽晶的外周基本沒有偏差,抑制籽晶正下方的晶體缺陷的發(fā)生。
[0008]但是,在專利文獻(xiàn)I的方法中,對于從籽晶的結(jié)晶生長面以外的面、或從石墨棒零散地生長多數(shù)的晶體從而引起多晶化的現(xiàn)象,沒有任何考慮,不能夠防止多晶化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種SiC單晶的制造方法以及制造裝置,在基于熔液法的SiC單晶的制造方法中,防止了從籽晶的結(jié)晶生長面以外的面、或從支持籽晶的石墨棒零散地生長多數(shù)的晶體的多晶化。
[0010]上述的目的,根據(jù)本發(fā)明能夠通過一種SiC單晶的制造方法達(dá)到,該制造方法使用坩堝內(nèi)的S1-C熔液,以接觸到該熔液面的SiC籽晶為起點使SiC單晶生長,其特征在于,
[0011]在使成為SiC單晶的生長起點的SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸上述熔液面時,將熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度設(shè)定為從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。
[0012]另外,上述的目的能夠通過一種SiC單晶的制造裝置來達(dá)到,所述制造裝置是用于進(jìn)行本發(fā)明的SiC單晶的制造方法的裝置,其特征在于,具有:
[0013]用于收容原料熔液的石墨坩堝;
[0014]用于將上述坩堝內(nèi)的原料加熱熔化從而形成上述原料熔液并且維持SiC單晶的生長所需的溫度梯度的加熱單元;
[0015]在下端保持籽晶的支持棒;和
[0016]保持機構(gòu),其維持上述保持以使得熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度處于從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明,在使成為SiC單晶的生長起點的SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸上述熔液面時,將熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度設(shè)定為從結(jié)晶生長面生長的SiC單晶和從側(cè)面生長的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi),所以能夠防止由從籽晶的其他的部位和/或從支持籽晶的石墨棒的結(jié)晶生長所導(dǎo)致的多晶化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是表示 現(xiàn)有技術(shù)中的多晶發(fā)生的狀況的照片。
[0019]圖2是表示用于通過本發(fā)明的方法制造SiC單晶的裝置的基本構(gòu)成的模式圖。
[0020]圖3是比較地顯示現(xiàn)有技術(shù)(I)和本發(fā)明的最佳方式(2)中的籽晶和熔液面的關(guān)系的模式圖。
[0021]圖4是放大地詳細(xì)表示本發(fā)明的籽晶和熔液面的關(guān)系的模式圖。
[0022]圖5是對應(yīng)向籽晶側(cè)面的潤升高度為(I) 1mm、(2) 0.3mm、(3) Omm的情況,顯示生長了的SiC單晶有無宏觀缺陷的照片。
[0023]圖6是表示容易引起熔液的潤升的支持棒的下端形狀的典型例的模式圖。
[0024]圖7是表示改變提拉高度進(jìn)行了結(jié)晶生長的情況下的生長的狀況的照片。
[0025]圖8是表示SiC生長中的各部位之間的關(guān)系的模式圖。
[0026]圖9是表示提拉高度和擴大角度的關(guān)系的曲線圖。
[0027]圖10是表示通過本發(fā)明的方法進(jìn)行生長的SiC單晶的照片。
[0028]圖11是表示通過本發(fā)明的方法進(jìn)行生長的SiC單晶的照片。
[0029]圖12是表示提拉高度和擴大角度的關(guān)系的曲線圖。
[0030]圖13是對于使用不同的組成的熔液的情況,顯示提拉高度和擴大角度的關(guān)系的曲線圖。
[0031]圖14是表示通過本發(fā)明的方法進(jìn)行生長的SiC單晶的照片。
[0032]圖15是表示改變潤升高度來進(jìn)行生長的SiC單晶的照片。
【具體實施方式】
[0033]圖2中示出了適合于進(jìn)行本發(fā)明的方法的、基于熔液法的SiC單晶的生長裝置的基本構(gòu)造。[0034]通過包圍石墨樹禍10的周圍的聞頻加熱線圈12,對?甘禍10內(nèi)的原料進(jìn)行加熱溶化從而形成了熔液14,使在其上方支持于石墨制支持棒16的下端的SiC籽晶18接觸熔液14的熔液面S,在Ar氣等的惰性氣氛20中使SiC單晶在SiC籽晶18的下表面生長。
[0035]石墨坩堝10的整體由隔熱材料22覆蓋著。通過放射溫度計24以非接觸方式測定熔液面S的溫度,并且,通過W -Re等的熱電偶26以接觸方式測定籽晶18的背面溫度。
[0036]CXD照相機24設(shè)置在能夠直視熔液面S的熔液面上方的觀察窗上,能夠直接觀察SiC生長中的熔液面S。 [0037]將放射溫度計與CXD照相機24同樣地設(shè)置在能夠直視熔液面S的熔液面上方的觀察窗上,能夠?qū)κ棺丫?8接觸熔液14前后的熔液面溫度進(jìn)行測定。
[0038]對于熱電偶26,將其檢測端固定于被粘接籽晶18的石墨制支持棒16的下端內(nèi)側(cè)(距籽晶18的粘接面2mm左右的位置),能夠測定自從剛使籽晶18接觸熔液14后的籽晶溫度。
[0039]一般地,作為Si熔液的原料將Si投入石墨坩堝10內(nèi),通過高頻率加熱線圈12加熱而形成Si熔液。C從石墨坩堝10的內(nèi)壁向該Si熔液中熔化,形成S1-C熔液14。這樣,SiC的C源基本上為石墨樹禍10,但也能夠輔助性地投入石墨塊。另外,樹禍10也可以為SiC制,該情況下,必須投入石墨塊作為C源。
[0040]根據(jù)情況,為了提高生長速度,也能夠在最初向石墨坩堝10內(nèi)除了投入Si以外還投入例如Cr、Ni等,形成S1-Cr熔液、S1-Cr-Ni熔液等。
[0041]以上的構(gòu)成自以往就在使用,但本發(fā)明的特征在于,還具有控制裝置30,該控制裝置30用于以熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度處于從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)的方式維持并進(jìn)行生長。在最佳的方式中,僅使籽晶的生長面接觸熔液,使?jié)櫳叨葹镺。控制裝置30與未圖示的熔液面高度檢測器以及籽晶支持棒驅(qū)動裝置電連接和/或機械連接,從而將籽晶的結(jié)晶生長面距熔液面的高度時時刻刻控制為適當(dāng)值。
[0042]本發(fā)明的方法,是利用具有圖2的基本構(gòu)成的裝置,在石墨坩堝內(nèi)的Si熔液內(nèi),維持從內(nèi)部到熔液面溫度降低的溫度梯度,并且以接觸到該熔液面的SiC籽晶為起點使SiC單晶生長的方法,其特征在于,
[0043]僅使成為SiC單晶的生長起點的SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸上述熔液面。
[0044]將本發(fā)明的特征與現(xiàn)有技術(shù)對比來說明。
[0045]圖3 (I)中示意地示出了現(xiàn)有技術(shù)的熔液法中的籽晶和熔液面的關(guān)系。
[0046](A)首先,在支持棒16的下端保持籽晶18,使結(jié)晶生長面G接觸熔液14的熔液面
S。此時,如圖所示,結(jié)晶生長面G和熔液面S —致,或變?yōu)榻Y(jié)晶生長面G比熔液面S稍靠下方從而在熔液14中浸潰一點點的狀態(tài)。
[0047](B)當(dāng)在該狀態(tài)下保持時,熔液14沿籽晶18的側(cè)面潤升,如圖所示形成彎液面40。
[0048](C)籽晶18,其下表面為優(yōu)先生長取向[0001]或[000-1]的結(jié)晶生長面,側(cè)面不是SiC單晶的優(yōu)先生長取向,因此,從與側(cè)面接觸而形成彎液面40的部分開始成為由零散的取向的多數(shù)的單晶構(gòu)成的多晶42。即,引起如圖1所示那樣的多晶化。
[0049]因此,在本發(fā)明中,控制如圖3 (I)的(B)所示那樣的向籽晶側(cè)面的潤升高度,防止多晶化。在最佳的方式中,使?jié)櫳叨葹镺。[0050]即,在最佳的方式中,如圖3 (2)所示,在(A)所示的接觸時,一定使結(jié)晶生長面G和熔液面S —致,嚴(yán)格防止使得避免結(jié)晶生長面G處于熔液面S的下方從而引起向熔液14中的浸潰。并且,優(yōu)選:一引起(A)的接觸就立即(例如2分鐘以內(nèi))提拉一些(提拉高度h:圖4),如(B)所示,在結(jié)晶生長面G和熔液之間形成彎液面50,維持該狀態(tài)進(jìn)行SiC單晶的生長。更優(yōu)選:彎液面50和籽晶18的側(cè)面形成的接觸角α (圖4)為200度以下。由此,能夠有利地防止多晶化。[0051]在一般的方式中,維持使得熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度處于從籽晶的結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從籽晶的側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)來進(jìn)行生長。很多的情況下,從結(jié)晶生長面生長了的晶體和從側(cè)面生長了的晶體之間伴有宏觀缺陷而沒有一體化。這是一直以來的認(rèn)識,如在上述的最佳方式中說明的那樣,僅使結(jié)晶生長面接觸熔液面,能夠嚴(yán)密地避免熔液向側(cè)面的潤升。
[0052]與此相對,作為本發(fā)明的新穎性的見解,觀察到以下情況,即:即使?jié)櫳叨任幢厥?,也存在不伴有宏觀缺陷而從側(cè)面生長了的晶體(側(cè)面晶體)和從結(jié)晶生長面生長了的晶體(主晶體)一體化的情況。圖5中表示一例。
[0053]圖5 (I)為潤升聞度達(dá)到桿晶的聞度即Imm的情況,在側(cè)面晶體和主晶體之間廣生宏觀缺陷,會引起熔液的浸潤(包藏(inclusion)),側(cè)面晶體和主晶體作為分開的晶體生長。這不僅引起多晶化,還會阻礙SiC單晶的擴大生長。擴大生長對于具有實用的直胴部的形狀的SiC單晶的生長來說是必須的。
[0054]圖5 (2)為在籽晶的側(cè)面引起潤升到高度0.3mm的情況,但側(cè)面晶體和主晶體不伴有宏觀缺陷而作為一體的單晶生長。
[0055]圖5 (3)為作為最佳的方式的潤升高度0_的情況,即為僅結(jié)晶生長面接觸到熔液面的情況,沒有發(fā)生宏觀缺陷。
[0056]這樣可知,熔液向籽晶的側(cè)面的潤升高度存在容許的范圍。因此,進(jìn)行預(yù)實驗,求出有無發(fā)生宏觀缺陷和潤升聞度的關(guān)系,按照該關(guān)系調(diào)整提拉聞度等,由此能夠在潤升聞度的容許范圍內(nèi)進(jìn)行生長。這樣,生長的參數(shù)有容許幅度,這從工業(yè)上的SiC單晶的生長的觀點考慮是非常有意義的。
[0057]在本發(fā)明中,優(yōu)選:籽晶18的結(jié)晶生長面G和側(cè)面形成的角度β (圖4)為90度以下。由此,能夠有利地防止多晶化。
[0058]優(yōu)選:在提拉籽晶18而形成彎液面50后,開始籽晶18相對于熔液面S的旋轉(zhuǎn)。通過旋轉(zhuǎn),熔液的溫度和組成變得更均勻。
[0059]在熔液面S振動著的情況下,利用該振動也能夠進(jìn)行熔液面S和籽晶18的結(jié)晶生長面G的接觸。該情況下也是一接觸就立即提拉籽晶18來形成彎液面50。
[0060]進(jìn)而,優(yōu)選:保持籽晶18的支持棒16的下端的形狀,避免是容易引起熔液14的浸潤的形狀。
[0061]作為不良的典型例,如圖6 (A)所示,當(dāng)支持棒16的頂端面的籽晶安裝部分凹陷時,頂端面的其他的部分(凸部分)接近于熔液面S,如圖6 (B)所示,在使籽晶18的結(jié)晶生長面G接觸到熔液面S時,該凸部分也與熔液面S接觸,結(jié)果,在圖示的例中,籽晶的熔液14也與支持棒16的頂端部和籽晶18的側(cè)面接觸。
[0062]優(yōu)選支持棒16的頂端面為平坦的,最優(yōu)選籽晶18的外形和頂端面的外形一致。由此,對結(jié)晶生長給予直接影響的、從籽晶向支持棒的熱傳遞均勻化。
[0063]實施例
[0064]〔實施例1〕
[0065]使用了具有圖2所示的基本構(gòu)成的單晶生長裝置。
[0066]向坩堝10內(nèi)投入固體的S1、Cr、Ni,通過加熱線圈12進(jìn)行熔化,形成了S1-20Cr-5Ni熔液。這里,Cr、Ni是用于提高C的溶解度的添加元素,沒有混入到生長的SiC
單晶中。
[0067]SiC籽晶18,以[0001]面為結(jié)晶生長面,結(jié)晶生長面和側(cè)面的角度β最優(yōu)選為90°。
[0068]在投入的固體全部熔化而形成了上述的熔液后,在保持為熔液溫度1900°C的狀態(tài)下,僅使籽晶的結(jié)晶生長面接觸到熔液面。
[0069]接觸后,進(jìn)行兩小時的結(jié)晶生長。此時,將籽晶18的結(jié)晶生長面G距熔液面S的高度h改變?yōu)?a) Omm> (b) 1.5mm、(c) 2.5mm來進(jìn)行結(jié)晶生長。將得到的晶體的生長狀況示于圖7。
[0070](a)在提拉高度h = Omm的情況下,除了結(jié)晶生長面G,熔液14也潤升到支持棒16,結(jié)果從支持棒16也產(chǎn)生多晶42,并全部地覆蓋了籽晶18。
[0071](b)在提拉高度h = 1.5mm的情況下,沒有從支持棒16產(chǎn)生多晶,但從籽晶18的結(jié)晶生長面G以外的部位產(chǎn)生了多晶。
[0072](C)在提拉高度h = 2.5mm的情況下,僅從籽晶18的結(jié)晶生長面G引起結(jié)晶生長,能夠防止從支持棒16和籽晶18的側(cè)面開始的多晶化。
[0073]根據(jù)提拉高度h,籽晶18的側(cè)面和彎液面50所形成的接觸角α變化。除了上述的例子以外還將提拉高度h在O~3.5_的范圍變化時的接觸角α和多晶化的有無的關(guān)系不于表1中。
[0074]表1 (β=90。)
[0075]
【權(quán)利要求】
1.一種SiC單晶的制造方法,使用坩堝內(nèi)的S1-C熔液,以接觸到該熔液面的SiC籽晶為起點使SiC單晶生長,該制造方法的特征在于, 在使成為SiC單晶的生長起點的SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸所述熔液面時,將熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度設(shè)定為從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,僅使所述SiC籽晶的結(jié)晶生長面接觸所述熔液面,使所述潤升高度為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,以在所述籽晶的所述結(jié)晶生長面和所述熔液之間形成了彎液面的狀態(tài)進(jìn)行生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,所述彎液面和所述籽晶的側(cè)面形成的角度為200度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,通過所述籽晶的提拉軸和所述彎液面的角度控制生長的晶體的徑的擴大率或縮小率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,通過所述籽晶的提拉高度控制所述提拉軸和所述彎液面的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,預(yù)先作成表示所述提拉高度與所述提拉軸和所述彎液面的角度的關(guān)系的映射圖,使用該映射圖調(diào)節(jié)所述提拉高度,由此調(diào)節(jié)所述提拉軸和所述彎液面的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7的任一項所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,在該坩堝內(nèi)的S1-C熔液內(nèi),維持著從內(nèi)部到熔液面溫度降低的溫度梯度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8的任一項所`述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,所述籽晶的所述結(jié)晶生長面和所述側(cè)面形成的角度為90度以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~9的任一項所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,所述籽晶的所述結(jié)晶生長面為SiC晶體的[0001]面或[000-1]面。
11.根據(jù)權(quán)利要求2~10的任一項所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,一使所述籽晶的所述結(jié)晶生長面接觸到所述熔液面就立即提拉籽晶來形成所述彎液面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,在提拉所述籽晶形成彎液面后,開始所述籽晶相對于所述熔液面的旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1~12的任一項所述的SiC單晶的制造方法,其特征在于,在所述熔液面振動著的情況下,利用該振動進(jìn)行所述熔液面和所述籽晶的所述結(jié)晶生長面的接觸。
14.一種SiC單晶的制造裝置,是用于進(jìn)行權(quán)利要求1~13的任一項所述的SiC單晶的制造方法的裝置,其特征在于,具有: 用于收容原料熔液的石墨坩堝; 用于將所述坩堝內(nèi)的原料加熱熔化從而形成所述原料熔液并且維持SiC單晶的生長所需的溫度梯度的加熱單元; 在下端保持桿晶的支持棒;和 保持機構(gòu),其維持所述保持以使得熔液向SiC籽晶的側(cè)面的潤升高度處于從結(jié)晶生長面生長了的SiC單晶和從側(cè)面生長了的SiC單晶作為一體的SiC單晶而生長的范圍內(nèi)。
15.一種SiC單晶的生長方法,使用坩堝內(nèi)的S1-C熔液,以接觸到該熔液面的SiC籽晶為起點,通過SiC籽晶的徑擴大而使SiC單晶生長,該生長方法的特征在于,以該生長了的SiC單晶的側(cè)面和所述SiC籽晶的側(cè)面形成的角度達(dá)到200度以上的方式進(jìn)行生長。
16.一種SiC單晶的生長方法,使用坩堝內(nèi)的S1-C熔液,以接觸到該熔液面的SiC籽晶為起點,通過SiC籽晶的徑擴大而使SiC單晶生長,該生長方法的特征在于,通過從熔液面到SiC單晶的生長面的提拉 高度,控制所述徑擴大的擴大角度。
【文檔編號】C30B29/36GK103562443SQ201180069491
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】大黑寬典, 龜井一人 申請人:豐田自動車株式會社, 新日鐵住金株式會社