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JP4100228B2 - Silicon carbide single crystal and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP4100228B2
JP4100228B2 JP2003105567A JP2003105567A JP4100228B2 JP 4100228 B2 JP4100228 B2 JP 4100228B2 JP 2003105567 A JP2003105567 A JP 2003105567A JP 2003105567 A JP2003105567 A JP 2003105567A JP 4100228 B2 JP4100228 B2 JP 4100228B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
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炭化珪素(SiC)の良質な大型(バルク)単結晶を製造する方法に関し、特に操業上好ましい2000℃以下の温度でそのような炭化珪素単結晶を安定して製造し得る方法に関する。本発明はまた、こうして製造された良質な炭化珪素バルク単結晶にも関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(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倍大きいという特徴を有する。このような優れた特徴から、炭化珪素は、Siデバイスの物理的な限界を打破するパワーデバイスや、高温で動作する耐環境デバイスといった電子デバイスの基板材料としての応用が期待されている。
【0003】
一方、光デバイスにおいては、短波長化を目指した窒化ガリウム(GaN)系材料の開発が行われている。炭化珪素はGaNに対する格子不整合が他の化合物半導体に比べて格段に小さいので、GaN層のエピタキシャル成長用の基板材料として注目されている。
【0004】
炭化珪素には、原子の積層様式がc軸方向において異なる非常に多くの結晶多型 (ポリタイプ) が存在することはよく知られている。代表的なポリタイプは3C、6H、4H、15Rである。ここで、記号Cは立方晶、Hは六方晶、Rは菱面体構造を意味し、記号の前の数字は1周期の積層分子数を意味する。従って、3Cは3分子の積層を1周期とする立方晶を、4Hおよび6Hは、それぞれ4分子および6分子の積層を1周期とする六方晶を、15Rは15分子の積層を1周期とする菱面体構造を意味する。
【0005】
炭化珪素を電子または光デバイスに応用するには、欠陥がないか、非常に少ない良質の炭化珪素バルク単結晶が必要となる。後述する昇華法(一般的なSiC単結晶の製造方法)では、SiC単結晶の成長時に多型転移により他の結晶形が混入しやすい。それにより、マイクロパイプや積層欠陥といった格子欠陥が発生する。マイクロパイプとは、直径約2μm以上の中空貫通欠陥であり、結晶転移のバーガース・ベクトル(Burgers vector)が大きく、転移芯が中空状になったものである。積層欠陥は結晶転移による積層の乱れである。特にマイクロパイプは致命的な欠陥であるため、マイクロパイプ欠陥のある部分は基板として使用できない。
【0006】
従来より知られている炭化珪素単結晶の製造方法として、気相成長法に属する昇華法および化学気相成長(CVD)法、アチソン法、ならびに液相成長法(液相エピタキシャル[LPE]法とも呼ばれる)に属する溶液成長法が挙げられる。
【0007】
昇華法では、原料の炭化珪素粉末を2200〜2500℃の高温で昇華させ、低温部に配置した炭化珪素単結晶からなる種結晶基板上に炭化珪素を析出させる。CVD法では、原料としてシランガスと炭化水素系ガスとを用い、加熱したSiなどの基板上に気相化学反応により炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる。
【0008】
アチソン法は、炭素電極の周囲に無水珪酸と炭素を詰めて通電することにより2500〜2700℃の高温に加熱して炭化珪素を製造する方法であり、人造研磨剤用の炭化珪素結晶の工業生産に古くから利用されてきた。炭化珪素単結晶は副産物として生成する。
【0009】
溶液成長法は、黒鉛坩堝中でSiまたはSi含有合金を融解し、その融液中に黒鉛坩堝から炭素を溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上に炭化珪素単結晶層を液相析出によって成長させる方法である。Si含有合金を用いる溶液成長法として、溶融CrにCとSiとを溶かし込んだ溶液から同様に炭化珪素単結晶を成長させる方法もある。
【0010】
昇華法で成長させた炭化珪素単結晶は、マイクロパイプ欠陥や積層欠陥などの格子欠陥を多く含んでいる。昇華法では、昇華ガス中にSiCガスが存在せず、炭化珪素粉末から気化したSi、SiC、SiCと、黒鉛治具から気化したCとが存在する。昇華法で多数の格子欠陥が生じるのは、これらの各種のガス分圧を化学量論的に制御することが極めて困難である上、複雑な反応が関与することに起因する。
【0011】
しかし、後述するように、他の方法では炭化珪素バルク単結晶を安定して十分な成長速度で製造できないため、炭化珪素バルク単結晶の多くが昇華法により製造されてきた。昇華法では、製造された炭化珪素バルク単結晶が多数のマイクロパイプ欠陥を含んでいるため、数mm角の半導体デバイスを歩留り良く製造することは困難である。マイクロパイプ欠陥の低減を目指した昇華法の研究も精力的に行われているが、昇華法によりマイクロパイプ欠陥を実質的に持たないマイクロパイプ欠陥フリーの炭化珪素バルク単結晶が得られたとの報告は未だにない。
【0012】
CVD法は、原料をガス状態で供給するため原料供給量が少なく、炭化珪素基板を作製するのに必要なバルク単結晶の製造には向いていない。そのため、CVD法はもっぱら薄膜状の炭化珪素単結晶の成長法として利用されている。
【0013】
アチソン法は、原料中の不純物が多くて、高純度の炭化珪素単結晶を製造することができない上、基板材料に必要な大きさの単結晶を得ることができない。
溶液成長法は、熱的平衡状態下での結晶成長であるため、格子欠陥が非常に少なく、結晶性の良好な良質の炭化珪素単結晶が得られる。しかし、一般に融液内への黒鉛坩堝からの炭素の溶解濃度が低いので、炭化珪素結晶の成長速度は非常に遅い。Siを融液とするSi融液法では、融液温度1650℃で炭化珪素結晶の成長速度は5〜12μm/hrと言われている。この成長速度は、昇華法に比べて1〜2桁小さい。融液温度を2000℃以上に上げて、融液内に溶解し得る炭素濃度を高めることにより、成長速度を高めることが原理的には可能であるが、常圧下ではSi融液の蒸発が激しく、加圧すれば装置が大がかりになり、どちらも工業的製造には問題がある。
【0014】
Si融液の蒸発を抑制しつつ炭素濃度を上げて炭化珪素結晶の成長速度を増大させるため、CrやScなどの遷移金属または希土類金属を融液に添加することも行われる。しかし、そのようにしても、Si融液法では、現在まで厚さ数μm程度の薄膜しか実現されていない。そのため、CVD法と同様、溶液成長法は種結晶基板上に薄膜を形成する方法であって、バルク単結晶の成長には不向きであると考えられてきた。
【0015】
特開2000−264790号公報には、少なくとも1種の遷移金属とSiとCを含む原料を炭素質坩堝 (実際には黒鉛坩堝) 内で加熱溶融して融液とし、この融液を冷却するか、または融液に温度勾配を形成することによって、種結晶基板上に炭化珪素バルク単結晶を析出成長させることが開示されている。具体例として、原子比で31Mo−66Si−3C、54Cr−23Si−23Cまたは29Co−65Si−6Cの系において、成長温度1750〜2150℃での成長速度は、融液の温度勾配にも依存するが、平均で200〜800μm/hrであったと記載されている。
【0016】
しかし、この方法では、炭素は黒鉛坩堝からの溶解により供給するのではなく、炭素を所定割合で含む原料を黒鉛坩堝に仕込む。そのため、坩堝からの炭素と原料として仕込んだ炭素とが不可避的に競合して溶解する。その結果、原料として仕込んだ炭素の一部が融液中に溶け残り、この溶け残り炭素は炭化珪素析出の核となり得るため、融液中に浸漬した種結晶基板上への結晶成長を阻害し、新たに成長する炭化珪素結晶が多結晶化しやすくなる。また、2000℃以下の温度では、100μm/hr以下の成長速度しか得ることができないことが確かめられた。
【0017】
【特許文献1】
特開2000−264790号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、格子欠陥が少ない良質の炭化珪素バルク単結晶を実用的な成長温度と成長速度で安定して製造する方法を提供することを目的とする。具体的な目的は、2000℃以下という操業的に好ましい融液温度での溶液成長法により、実用的な成長速度で、マイクロパイプ欠陥が実質的に存在しない良質な炭化珪素バルク単結晶を安定して製造することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明により、SiとCとM(M:MnまたはTiの一方)とを含み、SiとMの原子比が、Si1−xなる式で表して、MがMnである場合は0.1≦x≦0.7、MがTiである場合は0.1≦x≦0.25である合金の未溶解のCを含有しない融液中に、炭化珪素の種結晶基板を浸漬し、少なくとも前記種結晶基板周辺における前記合金融液の過冷却によりSiCを過飽和状態とすることによって前記種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法が提供される。
【0020】
「少なくとも前記種結晶基板周辺における合金融液の過冷却」は、(1) 合金融液を冷却するか、または(2) 合金融液に温度勾配を設ける、ことにより達成することができる。以下では、(1) の方法を「冷却法」、そして(2) の方法を「温度勾配法」と言う。
【0021】
冷却法では、基板浸漬時の合金融液の温度が1650℃以上、2000℃以下であることが好ましく、より好ましくは1650〜1850℃である。冷却速度は好ましくは1〜6℃/minである。合金融液の冷却をその合金の固相線温度より高い温度で終了した後、融液の加熱と冷却を繰り返すことにより過冷却を繰り返し行って、基板上での炭化珪素単結晶の成長を続けることにより、大きな炭化珪素炭化珪素を製造することができる。
【0022】
温度勾配法では、合金融液の温度勾配を5〜100℃/cmとすることが好ましく、基板近傍の合金融液の温度(以下、成長界面温度という)は好ましくは1450℃以上、2000℃以下、より好ましくは1650〜1850℃である。
【0023】
どちらの方法においても、合金融液中のCは合金融液を収容している炭素質坩堝の溶解により供給されたものであることが好ましい。
本発明の方法により、従来は製造することができなかった、マイクロパイプ欠陥が実質的に存在しない炭化珪素バルク単結晶、好ましくは、溶融KOHによるエッチング後の光学顕微鏡による検査で直径約2μm以上のマイクロパイプが見られないという意味でのマイクロパイプ欠陥が存在しない炭化珪素バルク単結晶を提供することが可能となる。
【0024】
ここで「炭化珪素バルク単結晶」とは、厚さ50μm以上の炭化珪素単結晶であることを意味する。炭化珪素バルク単結晶の厚さは、機械的強度を考慮すると、基板材料の単結晶として取扱い易い200μm以上であることが好ましく、より好ましくは500μm以上であり、最も好ましくは1500μm以上である。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Si−C−Mの3元合金の融液からの炭化珪素単結晶の生成挙動について実験を重ねると共に、それらの三元系状態図の計算からの予測に基づいて、添加金属種M、組成比、SiC結晶成長速度、温度履歴などの条件について検討した。
【0026】
その結果、MがMnまたはTiであって、SiとMの原子比が、Si1−xなる式で表して、MがMnである場合には0.1≦x≦0.7、MがTiである場合には 0.1≦x≦0.25である条件で、2000℃以下の融液温度において、多型転移や格子欠陥の増加を招くことなく、炭化珪素バルク単結晶を実用に十分な成長速度で安定して製造することが可能となることを見出した。
【0027】
実験では、まず黒鉛坩堝にSiと各種金属から選んだ添加元素Mとを仕込み、坩堝をAr大気圧下の均熱炉で1700℃に1時間加熱して、坩堝からの炭素の溶出によりSi−C−M3元合金の融液を生成させた。その後、黒鉛坩堝を1 ℃/minの冷却速度で1500℃まで冷却し、1500℃以下は室温まで放冷した。得られた凝固塊をHF−HNO (1:1)で酸エッチングし、自然核発生で成長した炭化珪素結晶を回収した。得られた炭化珪素結晶のサイズから、炭化珪素単結晶の成長速度に及ぼす添加元素の有効性を判断した。比較のため、添加元素を用いることなくSiのみを仕込んだ融液でも同様に実験した。
【0028】
その結果、添加元素がMnまたはTiである場合に、Siのみを仕込んだ融液から晶出した結晶(数十μm)に比べて非常に大きな結晶(2mm以上)が得られた。これらの結晶は、溶融KOHエッチングによる組織観察によりマイクロパイプ欠陥を含んでおらず、TEM (透過型電子顕微鏡)観察により格子欠陥が非常に少ないことが判明した。
【0029】
Si−MnまたはSi−Tiを仕込んだ合金融液を用いて、炭化珪素単結晶からなる種結晶基板上に炭化珪素バルク単結晶を成長させたところ、SiとM(MはMnまたはTi)の原子比 (Si1−xにおけるx) が上記条件を満たす場合に、十分なC溶解度が確保でき、炭化珪素単結晶が初晶として晶出し、数百μm/hr以上の成長速度でマイクロパイプ欠陥が存在しない良質のバルク単結晶を製造することができることを確認した。
【0030】
添加元素MがMnである場合、Si1−xMnで表されるMnの原子比xが0.1未満であると、Cの溶解度が低く、炭化珪素単結晶の成長速度が小さくなる。一方、xが0.7を超えると、Cの溶解度が高くなりすぎ、種結晶基板上にCが晶出して炭化珪素の結晶成長が阻害される可能性が高くなる。Mnの原子比xは好ましくは0.35〜0.65の範囲である。xが0.35以上で、C溶解量の増大による炭化珪素の成長速度促進効果が顕著に現れる。xが0.65以下で、Cが晶出して炭化珪素の結晶成長を阻害する可能性が、より広い融液温度領域において小さくなる。より好ましいMnの原子比xは0.45〜0.65である。
【0031】
添加元素MがTiである場合、Si1−xTiで表したTiの原子比xが0.1 未満であると、Cの溶解度が低く、炭化珪素単結晶の成長速度が小さくなる。xが0.25を超えると、種結晶基板上にTi含有層が形成されやすくなり、炭化珪素単結晶層の成長が阻害される可能性が高くなる。このTi含有層は炭化チタン(TiC) であると考えられる。Tiの原子比xは好ましくは0.15〜0.25の範囲である。
【0032】
本発明の方法における炭化珪素バルク単結晶の成長は、上述した冷却法と温度勾配法のいずれによっても実施できる。原料のうちCは、融液に未溶解Cが存在しないようにするため、黒鉛坩堝といった炭素質坩堝からの溶解により融液中に供給することが好ましいが、未溶解Cを含有しない融液を形成できれば、Cの一部または全部を他の原料(SiおよびM)と一緒に坩堝に投入してもよい。以下では、主にCを黒鉛坩堝から供給する場合を例にとって説明する。
【0033】
冷却法の場合、原料のSiとTiまたはMnと場合によりCを、所定の割合で坩堝に投入した後、その組成の液相線温度以上に加熱して融解させ、融液を形成する。融液が生成した後も、黒鉛坩堝からのCの溶解により融液中のC濃度が飽和濃度またはその付近に達するまで一定温度で加熱を続ける均熱加熱を行う。Cを添加原料として坩堝に投入した場合には、Cが完全に溶解するまで加熱を続ける。
【0034】
MがMnとTiのいずれの場合も、融液温度は1650℃以上、2000℃以下とすることが好ましく、より好ましくは1650〜1850℃である。温度が1850℃より高温、特に2000℃より高温になると、融液の蒸発が顕著となり、炭化珪素結晶の安定成長を阻害する。融液温度が1650℃より低いと、C溶解量が少なくなり、炭化珪素単結晶の製造効率が低下する。また、MがTiである場合には、固相線温度に近ずくため、単結晶成長の安定性も低下する。
【0035】
生成したSiとM(M=MnまたはTi)とCとの合金の融液中に、製造すべき単結晶の結晶形と同じ結晶形(例、6H)のSiC単結晶からなる種結晶基板を浸漬する。種結晶基板は融液の加熱中のどの時点で浸漬してもよい。
【0036】
その後、合金融液を一定の冷却速度をゆっくり冷却して、融液温度が液相線温度より低いが、固相線温度よりは高い過冷却の状態とすることによってSiCを過飽和状態にする。それにより、種結晶基板上にSiC結晶がエピタキシャル成長し、基板と同じ結晶形の炭化珪素単結晶が基板上に生成する。この時の冷却速度は、成長速度を決定する重要な因子である。
【0037】
図1に、Si−Ti融液(Si0.8Ti0.2)を1850℃で、またはSi−Mn融液(Si0.4Mn0.6)を1650℃で、それぞれ黒鉛坩堝中で均熱加熱してCを飽和濃度まで溶解させた後の冷却速度と種結晶基板上での炭化珪素単結晶の成長速度との関係を示す。この図からわかるように、冷却速度が1℃/minより低いと炭化珪素結晶の成長速度が小さくなる。他方、冷却速度が6℃/minより高いと、自然核発生による炭化珪素の結晶成長が生じるようになり、そのような結晶成長が基板近傍で起こって、基板上で成長した炭化珪素結晶が多結晶化し易くなる。従って、冷却速度は1〜6℃/minの範囲とすることが好ましく、より好ましくは2〜5℃/minの範囲である。
【0038】
冷却が終了すると、炭化珪素晶出の駆動力が失われることになる。種結晶基板上に成長した炭化珪素単結晶が十分な大きさであれば、基板を融液から引き上げて、融液を必要であれば組成を調整してから次回の結晶成長に使用するか、あるいは固相線温度より低温に冷却して、全体を固化させる。
【0039】
しかし、通常は、1回の成長では十分な大きさの炭化珪素バルク単結晶を得ることはできない。その場合、基板を合金融液に浸漬したまま、または一旦融液から引き上げた後、融液を冷却前の均熱加熱温度まで再度昇温して黒鉛坩堝からCを溶解させ (および/またはCを添加して完全に溶解させ)、再び冷却または基板浸漬と冷却を繰り返すことにより、 基板上に成長させた炭化珪素単結晶の厚みを増加させることができる。この均熱加熱と冷却を多数回繰り返すことにより、基板上に厚さ方向に長いバルク単結晶(インゴット)を得ることもできる。その場合、成長厚みの増大に応じて、必要であれば、種結晶基板を上方に少しずつ移動させる。
【0040】
温度勾配法では、坩堝内のSiとM(M=MnまたはTi)とCとの合金の融液に温度勾配を形成し、温度勾配の低温部に浸漬した種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる。この温度勾配は、通常は上下方向の勾配とするが、水平方向の勾配とすることもできる。温度勾配は、坩堝の周囲に配置した加熱手段の制御により、場合により坩堝の低温部の周囲に配置した冷却手段を併用して、形成することができる。上下方向の温度勾配は、融液の上部を低温部とする方が、種結晶基板を高温部にさらさなくてすむため、好都合である。
【0041】
温度勾配法の成長界面温度(低温部の基板近傍の温度)は、M=Tiの場合、1650〜2000℃の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1650〜1850℃の範囲である。一方、M=Mnの場合は、液相線温度がより低いため、成長界面温度は1450〜2000℃の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1650〜1850℃の範囲である。高温部の温度は、成長界面温度との温度差が大きいほど融液内へのC溶解度が大きくなるため成長速度が高くなるが、温度差の制御性の観点から、高温部は成長界面温度より数℃〜数百℃高い温度に設定することが好ましい。高温部の温度が2000℃を大きく超えると、融液の蒸発等により安定成長が阻害されるので、成長界面温度が2000℃に近い場合は、温度勾配を小さくして、高温部の温度が2000℃を大きく超えないようにすることが好ましい。
【0042】
温度勾配は5〜100 ℃/cmの範囲が好ましい。5℃/cm未満では、融液内の溶質である炭化珪素の拡散の駆動力が小さく、炭化珪素結晶の成長速度が小さくなる。温度勾配が100 ℃/cmを超えると、基板近傍で自然核発生による炭化珪素結晶が生じて、基板上に成長した炭化珪素結晶が多結晶化しやすくなる。温度勾配はより好ましくは5〜50℃/cmである。
【0043】
Cを黒鉛坩堝等の炭素質坩堝の溶解により供給する場合には、冷却法と同様に、坩堝内に生成した融液の加熱を続けて、少なくとも高温部において融液中のCが飽和濃度またはその付近に達するようにする。その後又は融液の加熱中に、基板を坩堝の低温部に浸漬する。融液のC溶解量は融液温度に依存するため、融液の温度勾配に起因して融液中にCの濃度勾配が形成される。この濃度差が駆動力となって、融液内のCが高温側から低温側へ拡散する。拡散により輸送されたCは、液相線温度より低い過冷却状態の低温側の融液に浸漬されている炭化珪素種結晶基板上で過飽和となり、炭化珪素となって晶出し、炭化珪素単結晶が成長する。
【0044】
Cの一部または全部を坩堝に添加した場合も、融液に溶解するCの飽和濃度が温度に依存するため、融液中にCの濃度勾配が生成し、上記と同様の結果となる。この場合は、添加したCが完全に溶解してから、種結晶基板を融液の温度勾配の低温部に浸漬する。
【0045】
合金融液を収容する坩堝は、融液との反応による劣化のために融液の漏れを生じることがなく、かつ融液内に不純物として混入しない耐火製材料のものを利用し得る。Cを坩堝からの溶解により供給する場合には、炭素質坩堝、特に黒鉛坩堝が使用される。坩堝からCを溶解させる必要がない(Cの全量を添加する)場合には、黒鉛または他の耐火物製の坩堝を高純度炭化珪素で被覆した坩堝を使用することができる。
【0046】
融液の酸化を防止するため、坩堝やその加熱手段を含む結晶成長装置の周囲を密閉し、密閉空間内を非酸化性雰囲気 (例、希ガス雰囲気) とすることが好ましい。
【0047】
本発明の方法によりドープされた炭化珪素バルク単結晶を製造することもできる。例えば、炭化珪素をAlまたはBでドープするとp型半導体となり、NまたはPでドープするとn型半導体となる。ドープ元素は、坩堝に添加してよく、Nの場合は雰囲気ガスから導入することもできる。
【0048】
本発明の方法により製造された炭化珪素単結晶は、結晶多形が生じないことから、昇華法により製造された単結晶に比べて格子欠陥が著しく少ない。しかも、本発明の方法は、2000℃以下の操業上好ましい温度で実用に十分な成長速度で炭化珪素単結晶を製造できる。従って、本発明により、マイクロパイプ欠陥を含まない炭化珪素バルク単結晶を製造することが可能となる。この炭化珪素バルク単結晶は光デバイスや電子デバイス用の基板として好適である。
【0049】
【実施例1】
本実施例は、図2に示した結晶成長装置を用いた、冷却法による炭化珪素バルク単結晶の製造を例示する。
【0050】
図2に示した結晶成長装置は、合金融液1を収容した黒鉛坩堝3を備え、この坩堝3を高純度黒鉛製の抵抗加熱ヒータ2aが囲んでおり、この抵抗加熱ヒータ2aと黒鉛坩堝3が断熱材9で包囲されている。黒鉛坩堝3の側面は、ヒータ2aと断熱材9に設けられたのぞき穴を介して複数の光パイロメータ4により直接測温される。ヒータ2aはそれらのパイロメータ4の測温値に基づいて制御され、坩堝3はほぼ均一温度に加熱される。結晶成長装置内の雰囲気は、ガス導入口7とガス排出口8を利用してAr雰囲気に調整される。
【0051】
黒鉛坩堝3にSi0.8Ti0.2となる組成の合金原料(SiとTi)を装入し、大気圧のAr雰囲気中で坩堝を1850℃まで加熱して融解させた後、生成した融液中に黒鉛坩堝3の内壁からCが飽和濃度まで溶解するように1850℃の融液温度を5時間保持した。その後、黒鉛製の保持治具5で保持した6H−SiC単結晶からなる種結晶基板6を融液1中に浸漬した。黒鉛坩堝3と保持治具5は、互いに逆方向に回転させた。基板6の浸漬から1時間経過後、温度ヒータ2aの制御により0.5 ℃/minの速度で冷却を開始し、融液1全体の温度が1650℃になるまで冷却を続けた(冷却時間400分)。その後、保持治具5を上昇させて、融液1から基板6を引き上げて回収してから、坩堝を室温まで放冷した。
【0052】
基板上に成長した炭化珪素バルク単結晶の厚み(μm)を測定し、冷却時間(hr)で除して結晶成長速度(μm/hr)を求めた。
また、この炭化珪素バルク単結晶を切断・研磨して[0001]面を得た後、溶融KOH(450〜500℃)中で10分間処理し、その後十分に水洗し、光学顕微鏡によりマイクロパイプ欠陥に特有の約2μm以上の大きさの六角形のエッチピットの個数を数えた。マイクロパイプ欠陥は次の基準で判定した。
【0053】
◎:種結晶のマイクロパイプが閉塞され、マイクロパイプ欠陥が皆無。
○:種結晶のマイクロパイプが閉塞されて低減するが、マイクロパイプ欠陥が残存。
×:種結晶と同程度にマイクロパイプが見られる。
【0054】
【実施例2】
黒鉛坩堝3に装入したSi0.4Mn0.6の合金原料を1650℃で加熱溶融したことと、冷却をこの温度から1450℃まで行ったこと以外は実施例1と同様にして、冷却法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0055】
【実施例3】
冷却速度を2℃/minに増大させたことを除いて、実施例2と同様に冷却法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0056】
【実施例4】
本実施例は、図3に示した結晶成長装置を用いた、温度勾配法による炭化珪素バルク単結晶の製造を例示する。
【0057】
図3に示した結晶成長装置は、合金融液1を収容した黒鉛坩堝3を備え、この坩堝3は石英ガラス製の反応管10内に配置され、反応管10の外周には黒鉛坩堝3を誘導加熱するための高周波コイル2bが設けられている。図3の装置においても、坩堝3の側面は複数の光パイロメータ4によって直接測温される。高周波誘導加熱は、坩堝3の側面の測温値に基づいて制御される。坩堝3と高周波コイル2bとの相対的な位置関係によって坩堝3の上下方向に温度差が形成される。具体的には、コイル2bの巻き数と間隔を変えることによって形成される温度勾配を調整できる。また、大きな温度勾配を得るには、坩堝3の低温部を水冷治具によって強制的に冷却することが有効である。
【0058】
本例では、黒鉛坩堝3の上部が低温部になるようにした。低温部に浸漬される種結晶基板6近傍の融液1の温度は、坩堝3の基板位置レベルにおける側面の温度をパイロメータ4で測定することによって判定した。また、温度勾配は基板6の位置レベルと最も高温の位置レベルにおける側面温度の温度差と離間距離とから算出した。
【0059】
黒鉛坩堝3にSi0.8Ti0.2となる組成の合金原料(SiとTi)を装入し、大気圧のAr雰囲気下で、上部側の種結晶基板6を浸漬すべき位置レベルにおける側面温度 (成長界面温度) が1650℃になるように加熱して、合金原料を融解させた。コイル2bの巻き数と間隔の調節によって、基板6の位置レベルから、高温側である坩堝3の下部側に向けて、5℃/cmの温度勾配が設定された。坩堝下部の最高温度は約1660℃であった。
【0060】
黒鉛坩堝3内に生成した合金融液を、坩堝の内壁から融液中にCが飽和濃度まで溶解するように、上記温度勾配を保持したまま5時間加熱した。その後、黒鉛製の保持治具5で保持した6H−SiC単結晶からなる種結晶基板6を、融液上部の低温部 (側面温度が1650℃の位置レベル)に浸潰した。黒鉛坩堝3と単結晶保持した保持治具5は、互いに逆方向に回転させた。種結晶基板6の浸漬から20時間経過後に、支持治具5を上昇させて融液1から基板6を引き上げて回収してから、融液を室温まで放冷した。
【0061】
基板上に成長した炭化珪素バルク単結晶の厚み(μm)を測定し、成長(浸漬)時間(=20 hr)で除して結晶成長速度(μm/hr)を求めた。また、マイクロパイプ欠陥について、実施例1と同様に判定した。
【0062】
【実施例5】
黒鉛坩堝3に装入した合金原料がSi0.4Mn0.6となる組成であったことを除いて、実施例4と同様にして温度勾配法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0063】
【実施例6】
高温部の加熱温度を高めて温度勾配を20℃/cmに増大したことを除いて実施例5と同様にして、温度勾配法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0064】
【比較例1】
黒鉛坩堝3装入した合金原料がSi0.95Ti0.05となる組成であったことを除いて、実施例1と同様に冷却法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0065】
【比較例2】
黒鉛坩堝3装入した合金原料がSi0.95Mn0.05となる組成であったことを除いて、実施例2と同様に冷却法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0066】
【比較例3】
黒鉛坩堝3装入した合金原料がSi0.95Ti0.05となる組成であったことを除いて、実施例4と同様に温度勾配法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0067】
【比較例4】
黒鉛坩堝3装入した合金原料がSi0.95Mn0.05となる組成であったことを除いて、実施例5と同様に温度勾配法により炭化珪素バルク単結晶を種結晶基板6上に成長させた。
【0068】
以上の実施例と比較例について製造条件と基板上に成長した単結晶の測定結果を表1にまとめて示す。
【0069】
【表1】

Figure 0004100228
【0070】
表1から、本発明の方法により、冷却法と温度勾配法のいずれの結晶成長方法おいても、2000℃以下の融液温度で、マイクロパイプ欠陥を含んでいない炭化珪素バルク単結晶を実用に十分な成長速度で製造することができることがわかる。冷却速度または温度勾配を大きくすると、炭化珪素単結晶の成長速度が増大する。この結果から、合金融液中に溶解したCが基板表面に達する拡散が炭化珪素の結晶成長の律速過程になっているものと考察される。
【0071】
なお、実施例1〜3(冷却法)では、冷却による結晶成長を1回しか実施しなかったため、成長時間がより長い実施例4〜6(温度勾配法)より結晶の厚みは小さくなった。実施例1〜3においても、加熱と冷却を繰り返すことにより結晶の厚みを大きくできることはいうまでもない。
【0072】
実施例1〜6および比較例1〜4で得られた炭化珪素単結晶はいずれも、ラマン分光法および電子線回折により調べた結果、基板と同じ6H−SiCの結晶構造を有していた。
【図面の簡単な説明】
【図1】黒鉛坩堝中でSi0.8Ti0.2融液を1850℃で、又はSi0.4Mn0.6融液を1650℃で、坩堝から溶解したC濃度が飽和するまで均熱加熱した後に冷却して種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させた場合の冷却速度と成長速度との関係を示すグラフである。
【図2】冷却法により炭化珪素単結晶を製造するために利用し得る結晶成長装置の一例を示す模式的断面図である。
【図3】温度勾配法により炭化珪素単結晶を製造するために利用し得る結晶成長装置の一例を示す模式的断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a high-quality large (bulk) single crystal of silicon carbide (SiC) particularly suitable as a substrate material for optical devices and electronic devices, and in particular, such carbonization at a temperature of 2000 ° C. or less which is preferable for operation. The present invention relates to a method capable of stably producing a silicon single crystal. The invention also relates to a good quality silicon carbide bulk single crystal thus produced.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) is one of the thermally and chemically stable compound semiconductors. Compared to silicon (Si), the band gap is about 3 times, the breakdown voltage is about 10 times, and the electron saturation rate is It has the characteristics that the thermal conductivity is about twice as large as that of about twice. Because of these excellent features, silicon carbide is expected to be used as a substrate material for electronic devices such as power devices that break the physical limitations of Si devices and environmental devices that operate at high temperatures.
[0003]
On the other hand, in optical devices, gallium nitride (GaN) -based materials aiming at shorter wavelengths are being developed. Silicon carbide has attracted attention as a substrate material for epitaxial growth of a GaN layer, because lattice mismatch with GaN is much smaller than that of other compound semiconductors.
[0004]
It is well known that silicon carbide has a large number of crystal polymorphisms (polytypes) in which the stacking mode of atoms differs in the c-axis direction. Typical polytypes are 3C, 6H, 4H, 15R. Here, the symbol C represents a cubic crystal, H represents a hexagonal crystal, R represents a rhombohedral structure, and the number before the symbol represents the number of stacked molecules in one period. Therefore, 3C is a cubic crystal with a period of 3 molecules, 4H and 6H are hexagonal crystals with a period of 4 and 6 molecules, respectively, and 15R is a period of 15 molecules. Means rhombohedral structure.
[0005]
Application of silicon carbide to electronic or optical devices requires a good quality silicon carbide bulk single crystal that is free from defects or very few. In the sublimation method (a general method for producing a SiC single crystal) described later, other crystal forms are likely to be mixed due to polymorphic transition during the growth of the SiC single crystal. As a result, lattice defects such as micropipes and stacking faults are generated. A micropipe is a hollow penetration defect having a diameter of about 2 μm or more, a large Burgers vector for crystal transition, and a transition core that is hollow. A stacking fault is a disorder of stacking due to crystal transition. In particular, since a micropipe is a fatal defect, a portion with a micropipe defect cannot be used as a substrate.
[0006]
Conventionally known methods for producing a silicon carbide single crystal include sublimation, chemical vapor deposition (CVD), atchison, and liquid phase epitaxy (liquid phase epitaxy [LPE] methods) belonging to the vapor phase growth method. Solution growth method belonging to the above).
[0007]
In the sublimation method, silicon carbide powder as a raw material is sublimated at a high temperature of 2200 to 2500 ° C., and silicon carbide is deposited on a seed crystal substrate made of a silicon carbide single crystal arranged in a low temperature part. In the CVD method, a silane gas and a hydrocarbon gas are used as raw materials, and a silicon carbide single crystal is epitaxially grown on a heated substrate such as Si by a gas phase chemical reaction.
[0008]
The Atchison method is a method of manufacturing silicon carbide by heating it to a high temperature of 2500-2700 ° C by charging and energizing a silicic acid and carbon around the carbon electrode. Industrial production of silicon carbide crystals for artificial abrasives It has been used for a long time. A silicon carbide single crystal is produced as a by-product.
[0009]
In the solution growth method, Si or a Si-containing alloy is melted in a graphite crucible, carbon is dissolved in the melt from the graphite crucible, and a silicon carbide single crystal layer is liquid phase deposited on a seed crystal substrate placed in a low temperature part. It is a method of growing by. As a solution growth method using an Si-containing alloy, there is also a method in which a silicon carbide single crystal is similarly grown from a solution in which C and Si are dissolved in molten Cr.
[0010]
A silicon carbide single crystal grown by a sublimation method contains many lattice defects such as micropipe defects and stacking faults. In the sublimation method, there is no SiC gas in the sublimation gas, and Si and Si vaporized from the silicon carbide powder. 2 C, SiC 2 And C vaporized from the graphite jig. The large number of lattice defects generated in the sublimation method is due to the fact that it is extremely difficult to stoichiometrically control these various gas partial pressures and that complicated reactions are involved.
[0011]
However, as will be described later, since other methods cannot stably produce a silicon carbide bulk single crystal at a sufficient growth rate, many of the silicon carbide bulk single crystals have been produced by a sublimation method. In the sublimation method, since the manufactured silicon carbide bulk single crystal includes a large number of micropipe defects, it is difficult to manufacture a semiconductor device of several mm square with a high yield. Research on sublimation methods aimed at reducing micropipe defects has also been vigorously conducted, but it has been reported that micropipe defect-free silicon carbide bulk single crystals substantially free of micropipe defects were obtained by the sublimation method. Is not yet.
[0012]
The CVD method supplies a raw material in a gas state, so that the supply amount of the raw material is small and is not suitable for manufacturing a bulk single crystal necessary for manufacturing a silicon carbide substrate. Therefore, the CVD method is exclusively used as a method for growing a thin film silicon carbide single crystal.
[0013]
The Atchison method cannot produce a high-purity silicon carbide single crystal due to a large amount of impurities in the raw material and cannot obtain a single crystal having a size required for the substrate material.
Since the solution growth method is crystal growth under a thermal equilibrium state, a high-quality silicon carbide single crystal with very few lattice defects and good crystallinity can be obtained. However, since the dissolution concentration of carbon from the graphite crucible into the melt is generally low, the growth rate of the silicon carbide crystal is very slow. In the Si melt method using Si as a melt, the growth rate of silicon carbide crystals is said to be 5 to 12 μm / hr at a melt temperature of 1650 ° C. This growth rate is 1 to 2 orders of magnitude smaller than that of the sublimation method. Although it is possible in principle to increase the growth rate by raising the melt temperature to 2000 ° C or higher and increasing the carbon concentration that can be dissolved in the melt, the evaporation of the Si melt is intense under normal pressure. If the pressure is applied, the apparatus becomes large, both of which have problems in industrial production.
[0014]
In order to increase the carbon concentration and increase the growth rate of the silicon carbide crystal while suppressing the evaporation of the Si melt, a transition metal such as Cr or Sc or a rare earth metal is also added to the melt. However, even in such a case, only a thin film having a thickness of about several μm has been realized so far by the Si melt method. Therefore, like the CVD method, the solution growth method is a method of forming a thin film on a seed crystal substrate, and has been considered to be unsuitable for growing a bulk single crystal.
[0015]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-264790, a raw material containing at least one transition metal and Si and C is heated and melted in a carbonaceous crucible (actually a graphite crucible) to form a melt, and the melt is cooled. Alternatively, it is disclosed that a silicon carbide bulk single crystal is deposited and grown on a seed crystal substrate by forming a temperature gradient in the melt. As a specific example, in an atomic ratio of 31Mo-66Si-3C, 54Cr-23Si-23C or 29Co-65Si-6C, the growth rate at a growth temperature of 1750 to 2150 ° C. depends on the temperature gradient of the melt. The average was 200 to 800 μm / hr.
[0016]
However, in this method, carbon is not supplied by melting from the graphite crucible, but a raw material containing carbon in a predetermined ratio is charged into the graphite crucible. Therefore, carbon from the crucible and carbon charged as a raw material inevitably compete and dissolve. As a result, a part of the carbon charged as a raw material remains undissolved in the melt, and this unresolved carbon can become the nucleus of silicon carbide precipitation, thereby inhibiting crystal growth on the seed crystal substrate immersed in the melt. The newly grown silicon carbide crystal is easily polycrystallized. Further, it was confirmed that only a growth rate of 100 μm / hr or less can be obtained at a temperature of 2000 ° C. or less.
[0017]
[Patent Document 1]
JP 2000-264790 A
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for stably producing a high-quality silicon carbide bulk single crystal with few lattice defects at a practical growth temperature and growth rate. The specific purpose is to stabilize a high-quality silicon carbide bulk single crystal substantially free of micropipe defects at a practical growth rate by a solution growth method at an operationally favorable melt temperature of 2000 ° C. or less. Is to manufacture.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, Si, C, and M (M: one of Mn or Ti) are included, and the atomic ratio of Si and M is Si. 1-x M x When M is Mn, 0.1 ≦ x ≦ 0.7, and when M is Ti, 0.1 ≦ x ≦ 0.25. A silicon carbide single crystal is grown on the seed crystal substrate by immersing the seed crystal substrate and bringing SiC into a supersaturated state by supercooling the combined financial liquid at least around the seed crystal substrate A method for producing a single crystal is provided.
[0020]
“At least the cooling of the combined financial liquid around the seed crystal substrate” can be achieved by (1) cooling the combined financial liquid or (2) providing a temperature gradient in the combined financial liquid. Hereinafter, the method (1) is referred to as a “cooling method”, and the method (2) is referred to as a “temperature gradient method”.
[0021]
In the cooling method, the temperature of the combined financial liquid during substrate immersion is preferably 1650 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and more preferably 1650-1850 ° C. The cooling rate is preferably 1 to 6 ° C./min. After cooling the combined liquid at a temperature higher than the solidus temperature of the alloy, the supercooling is repeated by repeatedly heating and cooling the melt, and the growth of the silicon carbide single crystal on the substrate is continued. Thus, large silicon carbide can be produced.
[0022]
In the temperature gradient method, the temperature gradient of the financial solution is preferably 5 to 100 ° C./cm, and the temperature of the financial solution near the substrate (hereinafter referred to as the growth interface temperature) is preferably 1450 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower. More preferably, it is 1650-1850 degreeC.
[0023]
In either method, C in the combined financial liquid is preferably supplied by melting a carbonaceous crucible containing the combined financial liquid.
According to the method of the present invention, a silicon carbide bulk single crystal that has not been able to be produced in the prior art and is substantially free of micropipe defects, preferably having a diameter of about 2 μm or more by inspection with an optical microscope after etching with molten KOH. It becomes possible to provide a silicon carbide bulk single crystal free from micropipe defects in the sense that micropipes are not seen.
[0024]
Here, “silicon carbide bulk single crystal” means a silicon carbide single crystal having a thickness of 50 μm or more. In view of mechanical strength, the thickness of the silicon carbide bulk single crystal is preferably 200 μm or more, more preferably 500 μm or more, and most preferably 1500 μm or more, which is easy to handle as a single crystal of the substrate material.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors repeated experiments on the formation behavior of a silicon carbide single crystal from a melt of a ternary alloy of Si-C-M, and added based on predictions from calculations of their ternary phase diagrams. The conditions such as metal species M, composition ratio, SiC crystal growth rate, temperature history, etc. were studied.
[0026]
As a result, M is Mn or Ti, and the atomic ratio between Si and M is Si 1-x M x When M is Mn, 0.1 ≦ x ≦ 0.7, and when M is Ti, 0.1 ≦ x ≦ 0.25, the polymorphic transition at a melt temperature of 2000 ° C. or less. It has been found that a silicon carbide bulk single crystal can be stably produced at a growth rate sufficient for practical use without causing an increase in lattice defects.
[0027]
In the experiment, first, Si and an additive element M selected from various metals were charged into a graphite crucible, the crucible was heated to 1700 ° C. for 1 hour in a soaking furnace under Ar atmospheric pressure, and Si— was dissolved by elution of carbon from the crucible. A C-M ternary alloy melt was produced. Thereafter, the graphite crucible was cooled to 1500 ° C. at a cooling rate of 1 ° C./min, and the temperature below 1500 ° C. was allowed to cool to room temperature. The obtained coagulated mass is HF-HNO. 3 Acid etching was performed with (1: 1), and silicon carbide crystals grown by the generation of natural nuclei were recovered. The effectiveness of the additive element on the growth rate of the silicon carbide single crystal was judged from the size of the obtained silicon carbide crystal. For comparison, the same experiment was performed with a melt charged with only Si without using an additive element.
[0028]
As a result, when the additive element was Mn or Ti, a very large crystal (2 mm or more) was obtained as compared with a crystal (several tens of μm) crystallized from a melt charged with only Si. These crystals were found to contain no micropipe defects by microstructure observation by molten KOH etching, and were found to have very few lattice defects by TEM (transmission electron microscope) observation.
[0029]
When a silicon carbide bulk single crystal is grown on a seed crystal substrate made of a silicon carbide single crystal using a combined financial liquid charged with Si-Mn or Si-Ti, Si and M (M is Mn or Ti). Atomic ratio (Si 1-x M x When x) in the above condition satisfies the above conditions, sufficient C solubility can be ensured, a silicon carbide single crystal is crystallized as an initial crystal, and a high-quality bulk single crystal having no micropipe defects at a growth rate of several hundred μm / hr or more. It was confirmed that crystals could be produced.
[0030]
When the additive element M is Mn, Si 1-x Mn x When the atomic ratio x of Mn represented by is less than 0.1, the solubility of C is low and the growth rate of the silicon carbide single crystal is low. On the other hand, when x exceeds 0.7, the solubility of C becomes too high, and there is a high possibility that C crystallizes on the seed crystal substrate and the crystal growth of silicon carbide is hindered. The atomic ratio x of Mn is preferably in the range of 0.35 to 0.65. When x is 0.35 or more, the effect of promoting the growth rate of silicon carbide due to an increase in the amount of dissolved C appears significantly. When x is 0.65 or less, the possibility that C crystallizes and inhibits the crystal growth of silicon carbide is reduced in a wider melt temperature region. A more preferable atomic ratio x of Mn is 0.45 to 0.65.
[0031]
When the additive element M is Ti, Si 1-x Ti x When the atomic ratio x of Ti expressed by the formula is less than 0.1, the solubility of C is low, and the growth rate of the silicon carbide single crystal is low. When x exceeds 0.25, a Ti-containing layer is easily formed on the seed crystal substrate, and the possibility that the growth of the silicon carbide single crystal layer is hindered increases. This Ti-containing layer is considered to be titanium carbide (TiC). The atomic ratio x of Ti is preferably in the range of 0.15 to 0.25.
[0032]
The growth of the silicon carbide bulk single crystal in the method of the present invention can be carried out by either the cooling method or the temperature gradient method described above. In order to prevent undissolved C from being present in the melt, it is preferable that C of the raw material is supplied into the melt by melting from a carbonaceous crucible such as a graphite crucible. If it can be formed, a part or all of C may be put into a crucible together with other raw materials (Si and M). Hereinafter, a case where C is mainly supplied from a graphite crucible will be described as an example.
[0033]
In the case of the cooling method, raw materials Si and Ti or Mn and optionally C are charged into a crucible at a predetermined ratio, and then heated to the liquidus temperature or higher of the composition to melt, thereby forming a melt. Even after the melt is formed, soaking is continued at a constant temperature until the C concentration in the melt reaches or near the saturation concentration due to dissolution of C from the graphite crucible. When C is added to the crucible as an additive material, heating is continued until C is completely dissolved.
[0034]
When M is either Mn or Ti, the melt temperature is preferably 1650 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower, more preferably 1650 to 1850 ° C. When the temperature is higher than 1850 ° C., in particular, higher than 2000 ° C., the evaporation of the melt becomes remarkable and inhibits the stable growth of the silicon carbide crystal. When the melt temperature is lower than 1650 ° C., the amount of dissolved C is reduced, and the production efficiency of the silicon carbide single crystal is lowered. Further, when M is Ti, the stability of the single crystal growth is also lowered because the temperature is close to the solidus temperature.
[0035]
A seed crystal substrate made of a SiC single crystal having the same crystal form (eg, 6H) as that of the single crystal to be manufactured is melted in the melt of the alloy of Si, M (M = Mn or Ti), and C. Immerse. The seed crystal substrate may be immersed at any point during the heating of the melt.
[0036]
Thereafter, the combined financial liquid is slowly cooled at a constant cooling rate, so that the melt temperature is lower than the liquidus temperature but higher than the solidus temperature, thereby bringing SiC into a supersaturated state. Thereby, the SiC crystal is epitaxially grown on the seed crystal substrate, and a silicon carbide single crystal having the same crystal form as the substrate is generated on the substrate. The cooling rate at this time is an important factor that determines the growth rate.
[0037]
FIG. 1 shows a Si-Ti melt (Si 0.8 Ti 0.2 ) At 1850 ° C. or Si-Mn melt (Si 0.4 Mn 0.6 ) Is heated at 1650 ° C. in a graphite crucible to dissolve C to a saturated concentration, and the relationship between the growth rate of the silicon carbide single crystal on the seed crystal substrate is shown. As can be seen from this figure, when the cooling rate is lower than 1 ° C./min, the growth rate of the silicon carbide crystal decreases. On the other hand, when the cooling rate is higher than 6 ° C./min, crystal growth of silicon carbide due to the generation of natural nuclei occurs, and such crystal growth occurs in the vicinity of the substrate, and many silicon carbide crystals grown on the substrate. It becomes easy to crystallize. Accordingly, the cooling rate is preferably in the range of 1 to 6 ° C./min, more preferably in the range of 2 to 5 ° C./min.
[0038]
When cooling is completed, the driving force for crystallizing silicon carbide is lost. If the silicon carbide single crystal grown on the seed crystal substrate is large enough, pull the substrate out of the melt and adjust the composition if necessary to use the melt for the next crystal growth, Alternatively, the whole is solidified by cooling to a temperature lower than the solidus temperature.
[0039]
However, normally, it is not possible to obtain a sufficiently large silicon carbide bulk single crystal by one growth. In that case, while the substrate is immersed in the financial solution or once pulled out of the melt, the melt is again heated to a soaking temperature before cooling to dissolve C from the graphite crucible (and / or C Is added and completely dissolved), and the thickness of the silicon carbide single crystal grown on the substrate can be increased by repeating cooling or dipping and cooling the substrate again. By repeating this soaking and cooling many times, a bulk single crystal (ingot) that is long in the thickness direction can be obtained on the substrate. In that case, the seed crystal substrate is moved little by little as necessary as the growth thickness increases.
[0040]
In the temperature gradient method, a silicon carbide single crystal is formed on a seed crystal substrate formed in a melt of an alloy of Si, M (M = Mn or Ti) and C in a crucible and immersed in a low temperature portion of the temperature gradient. Grow. This temperature gradient is usually a vertical gradient, but can also be a horizontal gradient. The temperature gradient can be formed by controlling the heating means arranged around the crucible and optionally using the cooling means arranged around the low temperature part of the crucible. As for the temperature gradient in the vertical direction, it is more convenient for the upper part of the melt to be a low temperature part because the seed crystal substrate does not have to be exposed to the high temperature part.
[0041]
The growth interface temperature (temperature in the vicinity of the substrate in the low temperature portion) of the temperature gradient method is preferably in the range of 1650 to 2000 ° C., more preferably in the range of 1650 to 1850 ° C. when M = Ti. On the other hand, when M = Mn, since the liquidus temperature is lower, the growth interface temperature is preferably in the range of 1450 to 2000 ° C, more preferably in the range of 1650 to 1850 ° C. As the temperature difference between the temperature of the high temperature part and the growth interface temperature increases, the C solubility in the melt increases and the growth rate increases. From the viewpoint of controllability of the temperature difference, It is preferable to set the temperature higher by several ° C. to several hundred ° C. If the temperature of the high-temperature part greatly exceeds 2000 ° C, stable growth is hindered by the evaporation of the melt, etc. It is preferable not to greatly exceed ° C.
[0042]
The temperature gradient is preferably in the range of 5 to 100 ° C./cm. When the temperature is less than 5 ° C./cm, the driving force for diffusion of silicon carbide, which is the solute in the melt, is small, and the growth rate of the silicon carbide crystal is small. When the temperature gradient exceeds 100 ° C./cm, a silicon carbide crystal is generated near the substrate due to the generation of natural nuclei, and the silicon carbide crystal grown on the substrate is easily polycrystallized. The temperature gradient is more preferably 5 to 50 ° C./cm.
[0043]
When C is supplied by melting a carbonaceous crucible such as a graphite crucible, heating of the melt produced in the crucible is continued as in the cooling method, so that at least the C in the melt has a saturated concentration or Try to reach that vicinity. Subsequent or during heating of the melt, the substrate is immersed in the low temperature part of the crucible. Since the amount of C dissolved in the melt depends on the melt temperature, a C concentration gradient is formed in the melt due to the temperature gradient of the melt. This concentration difference becomes a driving force, and C in the melt diffuses from the high temperature side to the low temperature side. C transported by diffusion becomes supersaturated on a silicon carbide seed crystal substrate immersed in a low-temperature melt in a supercooled state lower than the liquidus temperature, and crystallizes as silicon carbide. Grow.
[0044]
Even when a part or all of C is added to the crucible, since the saturation concentration of C dissolved in the melt depends on the temperature, a C concentration gradient is generated in the melt, and the same result as above is obtained. In this case, after the added C is completely dissolved, the seed crystal substrate is immersed in the low temperature portion of the temperature gradient of the melt.
[0045]
The crucible containing the combined financial liquid may be made of a refractory material that does not cause leakage of the melt due to deterioration due to reaction with the melt and does not enter the melt as impurities. When supplying C by melting from a crucible, a carbonaceous crucible, particularly a graphite crucible, is used. When it is not necessary to dissolve C from the crucible (addition of the entire amount of C), a crucible in which a crucible made of graphite or other refractory is covered with high-purity silicon carbide can be used.
[0046]
In order to prevent oxidation of the melt, it is preferable that the periphery of the crystal growth apparatus including the crucible and its heating means is sealed and the inside of the sealed space is a non-oxidizing atmosphere (eg, a rare gas atmosphere).
[0047]
Doped silicon carbide bulk single crystals can also be produced by the method of the present invention. For example, when silicon carbide is doped with Al or B, it becomes a p-type semiconductor, and when doped with N or P, it becomes an n-type semiconductor. The doping element may be added to the crucible. In the case of N, the doping element can be introduced from the atmospheric gas.
[0048]
Since the silicon carbide single crystal produced by the method of the present invention does not produce crystal polymorphism, it has significantly fewer lattice defects than the single crystal produced by the sublimation method. Moreover, the method of the present invention can produce a silicon carbide single crystal at a growth rate sufficient for practical use at an operationally preferable temperature of 2000 ° C. or less. Therefore, according to the present invention, it is possible to produce a silicon carbide bulk single crystal that does not contain micropipe defects. This silicon carbide bulk single crystal is suitable as a substrate for optical devices and electronic devices.
[0049]
[Example 1]
This example illustrates the production of a silicon carbide bulk single crystal by a cooling method using the crystal growth apparatus shown in FIG.
[0050]
The crystal growth apparatus shown in FIG. 2 includes a graphite crucible 3 containing the combined financial liquid 1, and the crucible 3 is surrounded by a resistance heater 2 a made of high-purity graphite. The resistance heater 2 a and the graphite crucible 3 Is surrounded by a heat insulating material 9. The side surface of the graphite crucible 3 is directly measured by a plurality of optical pyrometers 4 through the observation holes provided in the heater 2 a and the heat insulating material 9. The heater 2a is controlled based on the temperature measurement values of the pyrometer 4, and the crucible 3 is heated to a substantially uniform temperature. The atmosphere in the crystal growth apparatus is adjusted to an Ar atmosphere using the gas inlet 7 and the gas outlet 8.
[0051]
Si in the graphite crucible 3 0.8 Ti 0.2 The alloy raw material (Si and Ti) having the following composition is charged, and the crucible is heated to 1850 ° C. in an Ar atmosphere at atmospheric pressure to melt it. Then, C is introduced into the generated melt from the inner wall of the graphite crucible 3. The melt temperature of 1850 ° C. was maintained for 5 hours so as to dissolve to the saturated concentration. Thereafter, a seed crystal substrate 6 made of 6H—SiC single crystal held by a graphite holding jig 5 was immersed in the melt 1. The graphite crucible 3 and the holding jig 5 were rotated in opposite directions. One hour after the immersion of the substrate 6, cooling was started at a rate of 0.5 ° C./min by controlling the temperature heater 2 a and continued until the temperature of the entire melt 1 reached 1650 ° C. (cooling time 400 minutes) . Thereafter, the holding jig 5 was raised, the substrate 6 was pulled up from the melt 1 and collected, and then the crucible was allowed to cool to room temperature.
[0052]
The thickness (μm) of the silicon carbide bulk single crystal grown on the substrate was measured and divided by the cooling time (hr) to obtain the crystal growth rate (μm / hr).
In addition, after cutting and polishing this silicon carbide bulk single crystal to obtain a [0001] plane, it was treated in molten KOH (450-500 ° C.) for 10 minutes, and then thoroughly washed with water. The number of hexagonal etch pits having a size of about 2 μm or more peculiar to the above was counted. Micropipe defects were determined according to the following criteria.
[0053]
A: The micropipe of the seed crystal is blocked and there are no micropipe defects.
○: The micropipe of the seed crystal is blocked and reduced, but micropipe defects remain.
X: A micropipe is seen as much as a seed crystal.
[0054]
[Example 2]
Si charged in the graphite crucible 3 0.4 Mn 0.6 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the cooling method in the same manner as in Example 1 except that the alloy raw material was heated and melted at 1650 ° C. and cooled from this temperature to 1450 ° C. I let you.
[0055]
[Example 3]
A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the cooling method in the same manner as in Example 2 except that the cooling rate was increased to 2 ° C./min.
[0056]
[Example 4]
This example illustrates the production of a silicon carbide bulk single crystal by the temperature gradient method using the crystal growth apparatus shown in FIG.
[0057]
The crystal growth apparatus shown in FIG. 3 is provided with a graphite crucible 3 containing the combined financial liquid 1, and this crucible 3 is arranged in a reaction tube 10 made of quartz glass, and the graphite crucible 3 is placed on the outer periphery of the reaction tube 10. A high frequency coil 2b for induction heating is provided. Also in the apparatus of FIG. 3, the side surface of the crucible 3 is directly measured by a plurality of optical pyrometers 4. The high frequency induction heating is controlled based on the temperature measurement value on the side surface of the crucible 3. Due to the relative positional relationship between the crucible 3 and the high frequency coil 2b, a temperature difference is formed in the vertical direction of the crucible 3. Specifically, the temperature gradient formed by changing the number of turns and the interval of the coil 2b can be adjusted. In order to obtain a large temperature gradient, it is effective to forcibly cool the low temperature portion of the crucible 3 with a water cooling jig.
[0058]
In this example, the upper part of the graphite crucible 3 is a low temperature part. The temperature of the melt 1 in the vicinity of the seed crystal substrate 6 immersed in the low temperature part was determined by measuring the temperature of the side surface at the substrate position level of the crucible 3 with the pyrometer 4. The temperature gradient was calculated from the temperature difference between the side surface temperature at the position level of the substrate 6 and the highest temperature level and the separation distance.
[0059]
Si in the graphite crucible 3 0.8 Ti 0.2 The side surface temperature (growth interface temperature) at the position level where the seed crystal substrate 6 on the upper side should be immersed in an Ar atmosphere at atmospheric pressure is 1650 ° C. The alloy raw material was melted by heating. By adjusting the number of turns of the coil 2b and the interval, a temperature gradient of 5 ° C./cm was set from the position level of the substrate 6 toward the lower side of the crucible 3 which is the high temperature side. The maximum temperature at the bottom of the crucible was about 1660 ° C.
[0060]
The combined liquid produced in the graphite crucible 3 was heated for 5 hours while maintaining the above temperature gradient so that C was dissolved in the melt from the inner wall of the crucible to the saturated concentration. After that, the seed crystal substrate 6 made of 6H—SiC single crystal held by the graphite holding jig 5 was immersed in the low temperature portion (side temperature is 1650 ° C. level) above the melt. The graphite crucible 3 and the holding jig 5 holding the single crystal were rotated in opposite directions. After 20 hours from the immersion of the seed crystal substrate 6, the support jig 5 was raised and the substrate 6 was pulled up and collected from the melt 1, and then the melt was allowed to cool to room temperature.
[0061]
The thickness (μm) of the silicon carbide bulk single crystal grown on the substrate was measured and divided by the growth (immersion) time (= 20 hr) to obtain the crystal growth rate (μm / hr). Moreover, it determined similarly to Example 1 about the micropipe defect.
[0062]
[Example 5]
The alloy raw material charged in the graphite crucible 3 is Si. 0.4 Mn 0.6 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the temperature gradient method in the same manner as in Example 4 except that the composition was as follows.
[0063]
[Example 6]
A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by a temperature gradient method in the same manner as in Example 5 except that the temperature gradient was increased to 20 ° C./cm by increasing the heating temperature of the high temperature part.
[0064]
[Comparative Example 1]
The alloy material charged in the graphite crucible 3 is Si 0.95 Ti 0.05 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the cooling method in the same manner as in Example 1 except that the composition was as follows.
[0065]
[Comparative Example 2]
The alloy material charged in the graphite crucible 3 is Si 0.95 Mn 0.05 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the cooling method in the same manner as in Example 2 except that the composition was as follows.
[0066]
[Comparative Example 3]
The alloy material charged in the graphite crucible 3 is Si 0.95 Ti 0.05 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the temperature gradient method as in Example 4 except that the composition was as follows.
[0067]
[Comparative Example 4]
The alloy material charged in the graphite crucible 3 is Si 0.95 Mn 0.05 A silicon carbide bulk single crystal was grown on the seed crystal substrate 6 by the temperature gradient method in the same manner as in Example 5 except that the composition was as follows.
[0068]
Table 1 summarizes the manufacturing conditions and the measurement results of the single crystal grown on the substrate for the above Examples and Comparative Examples.
[0069]
[Table 1]
Figure 0004100228
[0070]
From Table 1, by the method of the present invention, a silicon carbide bulk single crystal that does not contain micropipe defects is put to practical use at a melt temperature of 2000 ° C. or lower in both the cooling method and the temperature gradient method. It can be seen that it can be produced at a sufficient growth rate. Increasing the cooling rate or the temperature gradient increases the growth rate of the silicon carbide single crystal. From this result, it is considered that the diffusion of C dissolved in the combined financial liquid to the substrate surface is the rate-determining process of silicon carbide crystal growth.
[0071]
In Examples 1 to 3 (cooling method), the crystal growth by cooling was performed only once, so that the crystal thickness was smaller than in Examples 4 to 6 (temperature gradient method) having a longer growth time. In Examples 1 to 3, it goes without saying that the thickness of the crystal can be increased by repeating heating and cooling.
[0072]
All of the silicon carbide single crystals obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 had the same 6H—SiC crystal structure as the substrate as a result of investigation by Raman spectroscopy and electron diffraction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 Si in a graphite crucible 0.8 Ti 0.2 Melt at 1850 ° C or Si 0.4 Mn 0.6 The relationship between the cooling rate and the growth rate when a silicon carbide single crystal is grown on a seed crystal substrate by soaking at 1650 ° C. until the C concentration dissolved from the crucible is saturated and then cooled is shown. It is a graph.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crystal growth apparatus that can be used for producing a silicon carbide single crystal by a cooling method.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crystal growth apparatus that can be used for manufacturing a silicon carbide single crystal by a temperature gradient method.

Claims (8)

炭化珪素単結晶の製造方法であって、SiとCとM(M:MnまたはTiの一方)とを含み、SiとMの原子比が、Si1−xなる式で表して、MがMnである場合は . 35≦x≦0 . 65、MがTiである場合は . 15≦x≦0 . 25である合金の未溶解のCを含有しない融液中に、炭化珪素の種結晶基板を浸漬し、少なくとも前記種結晶基板周辺における前記合金融液の過冷却によりSiCを過飽和状態とすることによって前記種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする方法。A method for producing a silicon carbide single crystal, comprising Si, C and M (M: one of Mn or Ti), wherein the atomic ratio of Si and M is represented by the formula Si 1-x M x , in the melt but not containing C undissolved alloy when a Mn 0. 35 ≦ x ≦ 0 . 65, when M is Ti is 0. 15 ≦ x ≦ 0. 25, silicon carbide A method of growing a silicon carbide single crystal on the seed crystal substrate by immersing the seed crystal substrate and bringing SiC into a supersaturated state by supercooling the combined liquid at least around the seed crystal substrate . 前記合金融液の過冷却が合金融液の冷却により達成される、請求項1記載の方法。  The method of claim 1, wherein the supercooling of the combined financial liquid is achieved by cooling the combined financial liquid. 基板浸漬時の合金融液の温度が1650℃以上、2000℃以下の温度範囲であり、前記冷却の速度が1〜6℃/minである、請求項2記載の方法。  3. The method according to claim 2, wherein the temperature of the financial solution when immersed in the substrate is in a temperature range of 1650 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and the cooling rate is 1 to 6 ° C./min. 合金融液の冷却をその合金の固相線温度より高い温度で終了した後、融液の加熱と冷却を繰り返すことにより過冷却を繰り返し行い、基板上での炭化珪素単結晶の成長を続ける、請求項2記載の方法。  After the cooling of the combined liquid is finished at a temperature higher than the solidus temperature of the alloy, the supercooling is repeated by repeating heating and cooling of the melt, and the growth of the silicon carbide single crystal on the substrate is continued. The method of claim 2. 前記合金融液の過冷却が合金融液に設けた温度勾配により達成される、請求項1記載の方法。  The method according to claim 1, wherein the supercooling of the combined financial liquid is achieved by a temperature gradient provided in the combined financial liquid. 合金融液の前記温度勾配が5〜50℃/cmであり、種結晶基板近傍の前記合金融液の温度が1450℃以上、2000℃以下である、請求項5記載の方法。The method according to claim 5 , wherein the temperature gradient of the combined liquid is 5 to 50 ° C./cm , and the temperature of the combined liquid in the vicinity of the seed crystal substrate is 1450 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower. 前記温度範囲が1650〜1850℃である、請求項3または6記載の方法。  The method according to claim 3 or 6, wherein the temperature range is 1650 to 1850 ° C. 前記合金融液中のCが合金融液を収容している炭素質坩堝の溶解により供給されたものである、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。  The method according to claim 1, wherein C in the combined financial liquid is supplied by melting a carbonaceous crucible containing the combined financial liquid.
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