JP2010090015A - Production apparatus and production method of silicon carbide single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法に係り、特に、成長効率がよく、より高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができ、より実用的な炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法に関する。 The present invention relates to a manufacturing apparatus and manufacturing method for a silicon carbide single crystal, and more particularly, a silicon carbide single crystal having a high growth efficiency and capable of obtaining a higher quality silicon carbide single crystal. Regarding the method.
炭化ケイ素は、ケイ素に比し、バンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れることから、小型で高出力の半導体等の電子デバイス材料として注目されている。また、炭化ケイ素は、光学的特性に優れた他の化合物半導体との接合性に優れることから、光学デバイス材料としても注目されてきている。かかる炭化ケイ素の結晶の中でも、炭化ケイ素単結晶は、炭化ケイ素多結晶に比し、ウエハ等のデバイスに応用した際にウエハ内特性の均一性等に特に優れるという利点がある。 Silicon carbide is attracting attention as a small and high-power electronic device material such as a semiconductor because it has a larger band gap and is superior in dielectric breakdown characteristics, heat resistance, radiation resistance, and the like. In addition, silicon carbide has been attracting attention as an optical device material because it has excellent bonding properties with other compound semiconductors having excellent optical characteristics. Among such silicon carbide crystals, a silicon carbide single crystal has an advantage that it is particularly excellent in uniformity of characteristics in a wafer when applied to a device such as a wafer, compared to a silicon carbide polycrystal.
炭化ケイ素単結晶の製造方法として昇華法が用いられている。例えば、改良レーリー法においては、黒鉛坩堝の中に原料粉と種結晶を対抗する位置に配置し、2000[℃]以上の高温に加熱し、さらに13332[Pa]以下に減圧することで原料粉を昇華させ種結晶上に炭化ケイ素を再結晶化させる。結晶成長において重要なパラメータとなるのは、成長する結晶の温度、原料ガス(昇華ガス:Si、Si2C、SiC2等)の供給量、並びに成長雰囲気の圧力等であるが、成長中の坩堝内の様子を観察する方法はなく、成長結晶の温度は、成長結晶にできるだけ近い位置での黒鉛坩堝外面の温度を測定することにより推測するしかない。また、原料ガスの供給量や雰囲気圧は、原料粉に近い位置での黒鉛坩堝外面の温度と坩堝の外の雰囲気圧から類推するしかない。 A sublimation method is used as a method for producing a silicon carbide single crystal. For example, in the modified Rayleigh method, the raw material powder and the seed crystal are placed in a graphite crucible at a position facing each other, heated to a high temperature of 2000 [° C.] or higher, and further reduced in pressure to 13332 [Pa] or lower. To recrystallize silicon carbide on the seed crystal. The important parameters in crystal growth are the temperature of the crystal to be grown, the supply amount of the source gas (sublimation gas: Si, Si 2 C, SiC 2 etc.), the pressure of the growth atmosphere, etc. There is no method for observing the inside of the crucible, and the temperature of the grown crystal can only be estimated by measuring the temperature of the outer surface of the graphite crucible at a position as close as possible to the grown crystal. Further, the supply amount of the source gas and the atmospheric pressure can only be inferred from the temperature of the outer surface of the graphite crucible at a position close to the raw material powder and the atmospheric pressure outside the crucible.
坩堝は準閉止状態であるため、昇華ガスが坩堝外に漏洩することはほとんど無く、同時に坩堝内外で圧力やガス成分に顕著な差が生じており、坩堝内の環境が分からなくなっている。コンピュータによるシミュレーション等を活用することにより、ブラックボックスとなった坩堝内の様子を推定できるようになってきているが、十分な精度が得られるには至っていない。 Since the crucible is in a semi-closed state, the sublimation gas hardly leaks outside the crucible, and at the same time, there are significant differences in pressure and gas components inside and outside the crucible, making it difficult to understand the environment inside the crucible. It has become possible to estimate the inside of the crucible that has become a black box by utilizing a computer simulation or the like, but sufficient accuracy has not been obtained.
また、黒鉛坩堝内に原料粉を封入して加熱するのだが、原料粉充填部の温度を均一にすることは難しく、現実には原料粉充填部に温度分布が生じている。そのため、高温な部位からの昇華が早く、成長初期には原料ガスの供給量が多く、高温部の原料が減っていくにつれて原料ガスの供給量が減少していくという問題点があった。そのため、均一な速度での結晶成長が難しいために均一な結晶を成長することが困難であった。また、原料粉充填部の比較的低温な部位に再結晶化してしまい原料が効率よく種結晶に輸送できない恐れがあり、収率向上の妨げとなっていた。 Further, the raw material powder is enclosed in the graphite crucible and heated, but it is difficult to make the temperature of the raw material powder filling portion uniform, and in reality, a temperature distribution is generated in the raw material powder filling portion. Therefore, there is a problem that the sublimation from the high temperature portion is fast, the supply amount of the raw material gas is large at the initial stage of growth, and the supply amount of the raw material gas is reduced as the raw material in the high temperature part is reduced. Therefore, it is difficult to grow a uniform crystal because it is difficult to grow a crystal at a uniform speed. In addition, recrystallization occurs at a relatively low temperature portion of the raw material powder filling portion, which may prevent the raw material from being efficiently transported to the seed crystal, which hinders improvement in yield.
このような課題を改良する手段として、例えば特開2001−233697号公報「炭化珪素単結晶」には、炭化ケイ素単結晶を備える坩堝内に、二酸化ケイ素超微粒子および炭素微粒子をキャリアガスと共に供給して、炭化ケイ素種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させる方法が提案されている。 As means for improving such problems, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-233697 “Silicon carbide single crystal”, silicon dioxide ultrafine particles and carbon fine particles are supplied together with a carrier gas into a crucible provided with a silicon carbide single crystal. Thus, a method for growing a silicon carbide single crystal on a silicon carbide seed crystal has been proposed.
また、特開2002−154899号公報「炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置」には、炭化ケイ素種結晶を備える坩堝内にシランガスとプロパンガスを供給して、炭化ケイ素種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させ得る方法が提案されている。
総じて昇華法の改良レーリー法においては、結晶の成長温度や坩堝内部の圧力を間接的に見積もることしかできず、原料の供給量(昇華量)を成長プロセス全体を通じて一定にするのが難しく、また、成長プロセスを通して昇華ガスの成分を一定にするのが難しいという課題がある。 In general, in the modified Rayleigh method of the sublimation method, it is only possible to indirectly estimate the crystal growth temperature and the pressure inside the crucible, and it is difficult to make the supply amount (sublimation amount) of the raw material constant throughout the growth process. However, there is a problem that it is difficult to keep the components of the sublimation gas constant throughout the growth process.
このような課題を改良するべく提案された特許文献1に開示された技術においては、比較的に原料の供給量や加熱雰囲気を制御し易いという利点もあるが、原料内に酸素が含まれており、炭化ケイ素単結晶内に不純物が取り込まれる可能性があった。また、原料内の酸素と黒鉛製の坩堝とが反応し、坩堝が激しく損傷する可能性があった。 In the technique disclosed in Patent Document 1 proposed to improve such a problem, there is an advantage that the supply amount of the raw material and the heating atmosphere are relatively easy to control, but oxygen is contained in the raw material. Thus, there is a possibility that impurities are taken into the silicon carbide single crystal. In addition, oxygen in the raw material may react with the graphite crucible, and the crucible may be severely damaged.
また、特許文献2に開示された技術においても、比較的に原料の供給量や加熱雰囲気を制御し易いという利点もあるが、シランガスとプロパンガスの化学反応を経由するため収率が悪いという問題があった。 The technique disclosed in Patent Document 2 also has an advantage that it is relatively easy to control the supply amount of raw materials and the heating atmosphere, but the problem is that the yield is poor because of the chemical reaction between silane gas and propane gas. was there.
以上のように、炭化ケイ素の単結晶成長において一般的に用いられている改良レーリー法では、坩堝を使っているために温度、圧力およびガス成分といった環境の制御が難しいという課題があり、所定環境(温度、圧力およびガス成分)で、且つ所定速度で単結晶成長させ得る、より実用的な炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法が望まれていた。 As described above, the modified Rayleigh method generally used in the single crystal growth of silicon carbide has a problem that it is difficult to control the environment such as temperature, pressure, and gas components because the crucible is used. A more practical silicon carbide single crystal production apparatus and production method capable of growing a single crystal at a predetermined rate (temperature, pressure and gas components) have been desired.
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、成長効率がよく、より高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができ、より実用的な炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, has a high growth efficiency, can obtain a higher quality silicon carbide single crystal, and a more practical silicon carbide single crystal production apparatus and production It aims to provide a method.
上記目的を達成するために、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造装置は、昇華用原料微粉末をキャリアガスと共に坩堝内に供給する供給口と、前記昇華用原料微粉末を加熱し昇華したガスを炭化ケイ素種結晶上に供給する流路を備えた坩堝本体と、前記キャリアガスの排出口と、を備える坩堝と、前記坩堝内部の前記排出口側に配置され、前記炭化ケイ素種結晶を設置する炭化ケイ素種結晶配置部と、前記坩堝の外周に配置され、該坩堝を加熱して前記昇華用原料微粉末を昇華させる加熱手段と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造装置において、前記昇華用原料微粉末としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることを特徴とする。また、炭化ケイ素種結晶配置部は、前記坩堝の長手方向軸を中心に回転することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the silicon carbide single crystal production apparatus of the present invention comprises a supply port for supplying a sublimation raw material fine powder into a crucible together with a carrier gas, and a gas obtained by heating and sublimating the sublimation raw material fine powder. A crucible body having a flow path for supplying the silicon carbide seed crystal onto the silicon carbide seed crystal, a crucible having the carrier gas discharge port, and the silicon carbide seed crystal disposed on the discharge port side inside the crucible In the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus, comprising: a silicon carbide seed crystal disposing portion; and a heating means disposed on an outer periphery of the crucible and heating the crucible to sublimate the raw material powder for sublimation. Silicon fine powder and carbon fine powder are used as the raw material fine powder. In addition, the silicon carbide seed crystal arrangement portion rotates about the longitudinal axis of the crucible.
また、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、昇華用原料微粉末をキャリアガスと共に炭化ケイ素種結晶を設置した坩堝内に供給する第1の工程と、前記昇華用原料微粉末を加熱して昇華させる第2の工程と、昇華したガスを前記炭化ケイ素種結晶上に供給して該炭化ケイ素種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させる第3の工程と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造方法において、前記昇華用原料微粉末としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることを特徴とする。また、前記炭化ケイ素種結晶を結晶成長方向軸を中心に回転させつつ前記炭化ケイ素種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする。 The method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention includes a first step of supplying a sublimation raw material fine powder into a crucible in which a silicon carbide seed crystal is installed together with a carrier gas, and heating the sublimation raw material fine powder. And a third step of supplying the sublimated gas onto the silicon carbide seed crystal to grow the silicon carbide single crystal on the silicon carbide seed crystal. In the production method, silicon fine powder and carbon fine powder are used as the sublimation raw material fine powder. In addition, a silicon carbide single crystal is grown on the silicon carbide seed crystal while rotating the silicon carbide seed crystal about a crystal growth direction axis.
上記特徴の本発明の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法によれば、従来の密閉型構造の炉に対して供給口を備えた一部開放型構造の炉であるので、例えば放射温度計等により炭化ケイ素種結晶や成長結晶の表面温度を測定することができ、炉内の昇華雰囲気を的確に把握して高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。また、昇華用原料微粉末の供給量を調整することにより昇華ガスの供給量を容易に調整することができ、炭化ケイ素単結晶の成長速度を一定に制御することができる。また、昇華用原料微粉末を連続供給できる構造であるため、炭化ケイ素単結晶の長尺化を図ることができる。 According to the silicon carbide single crystal production apparatus and production method of the present invention having the above characteristics, since it is a partially open type furnace having a supply port with respect to a conventional closed type furnace, for example, a radiation thermometer Thus, the surface temperature of the silicon carbide seed crystal and the grown crystal can be measured, and a high-quality silicon carbide single crystal can be obtained by accurately grasping the sublimation atmosphere in the furnace. Further, by adjusting the supply amount of the sublimation raw material fine powder, the supply amount of the sublimation gas can be easily adjusted, and the growth rate of the silicon carbide single crystal can be controlled to be constant. In addition, since the raw material fine powder for sublimation can be continuously supplied, the length of the silicon carbide single crystal can be increased.
また、炭化ケイ素種結晶配置部を坩堝の長手方向軸を中心に回転させることにより、炭化ケイ素種結晶や成長結晶の表面に対して均一に昇華ガスを供給することができ、高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。さらに、昇華用原料微粉末としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることにより、粒度分布の狭い均質な粉体を原料に用いることができ、原料コストを低減できると共により高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。 In addition, by rotating the silicon carbide seed crystal arrangement portion about the longitudinal axis of the crucible, the sublimation gas can be supplied uniformly to the surface of the silicon carbide seed crystal and the growth crystal, and high quality silicon carbide A single crystal can be obtained. Furthermore, by using silicon fine powder and carbon fine powder as raw material fine powder for sublimation, homogeneous powder with narrow particle size distribution can be used as raw material, which can reduce raw material cost and higher quality silicon carbide single crystal Can be obtained.
以下、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法の実施例について、〔実施例1〕、〔実施例2〕の順に図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, examples of the manufacturing apparatus and the manufacturing method of the silicon carbide single crystal of the present invention will be described in detail in the order of [Example 1] and [Example 2] with reference to the drawings.
〔実施例1〕
図1は本発明の実施例1に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置の構成図である。
[Example 1]
FIG. 1 is a configuration diagram of a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
同図において、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置1は、昇華用原料微粉末5をキャリアガス3と共に坩堝10内に供給する供給口13、昇華用原料微粉末5から昇華したガスを炭化ケイ素種結晶配置部12に設置された炭化ケイ素種結晶2上に供給する流路を備えた坩堝本体(黒鉛円筒)11、並びにキャリアガス排出口16を備える坩堝10と、該坩堝10内部のキャリアガス排出口16側に配置され、炭化ケイ素種結晶2を設置して坩堝10の長手方向軸を中心に回転する炭化ケイ素種結晶配置部12と、坩堝10の外周に配置され、坩堝本体11の流路の昇華用原料微粉末5を加熱して昇華させる誘導加熱コイル(特許請求の範囲にいう加熱手段)32と、を備えて構成されている。
In this figure, the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of the present embodiment uses a
なお、供給口13としては、キャリアガス供給口14および昇華用原料微粉末供給口15を備えており、キャリアガス供給口14は、当該炭化ケイ素単結晶の製造装置1の長手方向端部に設けられ、また、昇華用原料微粉末供給口15は、キャリアガス供給口14からやや下流の坩堝本体11の側部に設けられている。また、キャリアガス排出口16は、当該炭化ケイ素単結晶の製造装置1においてキャリアガス供給口14とは反対の長手方向端部に設けられている。
The
また、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置1では、坩堝10に係わる治具として、坩堝10と誘導加熱コイル32の間に、坩堝10の外側から誘導加熱コイル32に向かって順に、断熱材(カーボン断熱材)30、石英菅21、水菅(冷却水菅)22および石英菅23を備えている。また、該炭化ケイ素単結晶の製造装置1の長手方向の両端部にそれぞれフランジ24,25を備えている。
Further, in the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of the present embodiment, as a jig related to the
さらに、炭化ケイ素種結晶配置部12は、図示しない駆動手段を作動させることで坩堝10の長手方向中心軸(炭化ケイ素単結晶の結晶成長方向軸)を中心に回転させる。なお、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置1は横型構造であることから、炭化ケイ素種結晶配置部12に炭化ケイ素種結晶2を設置する際、炭化ケイ素種結晶2を固定するために接着剤等の固定手段を用いる必要がある。接着剤としては、例えば樹脂、炭水化物または耐熱性微粒子等を用いる。
Further, the silicon carbide seed
また、坩堝本体11の流路延長上で当該炭化ケイ素単結晶の製造装置1の長手方向端部付近には、炭化ケイ素種結晶2や成長結晶の表面温度を測定する放射温度計34が設置されている。
In addition, a
本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置1では、以上のような構造により、昇華用原料微粉末供給口15から投入された昇華用原料微粉末5は、キャリアガス供給口14から供給されるキャリアガス3の流れに沿って坩堝本体15の内部を流動する。その際、昇華用原料微粉末5は誘導加熱コイル32により加熱されて昇華し、該昇華ガスは炭化ケイ素種結晶2上に供給されて炭化ケイ素単結晶として成長することとなる。なお、キャリアガス3は、キャリアガス排出口16から当該炭化ケイ素単結晶の製造装置1の外部に排出される。
In the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of the present embodiment, the sublimation raw material fine powder 5 introduced from the sublimation raw material fine
次に、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置1による炭化ケイ素単結晶の製造方法について説明する。まず、炭化ケイ素種結晶2を坩堝10内の炭化ケイ素種結晶配置部12に設置し、誘導加熱コイル32により坩堝10を高温に加熱して、供給口13から昇華用原料微粉末5をキャリアガス3に乗せて投入する。すると、坩堝本体11の流路で昇華用原料微粉末5が昇華し、昇華ガスとなって炭化ケイ素種結晶2の表面に輸送され、炭化ケイ素種結晶2を坩堝本体11よりもやや低温に維持することによって炭化ケイ素種結晶2の表面に結晶を成長させる。
Next, the manufacturing method of the silicon carbide single crystal by the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of the present embodiment will be described. First, the silicon carbide seed crystal 2 is installed in the silicon carbide seed
すなわち、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、(イ)昇華用原料微粉末5をキャリアガス3と共に炭化ケイ素種結晶2を設置した坩堝10内に供給する第1の工程と、(ロ)昇華用原料微粉末5を加熱して昇華させる第2の工程と、(ハ)昇華したガスを炭化ケイ素種結晶2上に供給して該炭化ケイ素種結晶2上に炭化ケイ素単結晶を成長させる第3の工程と、を含む。以下、各工程について詳細に説明する。
That is, the manufacturing method of the silicon carbide single crystal of this example includes (a) a first step of supplying the sublimation raw material fine powder 5 into the
(イ)炭化ケイ素単結晶の製造装置1において、まず、キャリアガス3をキャリアガス供給口14から、また、昇華用原料微粉末5を昇華用原料微粉末供給口15から、それぞれ坩堝10内に供給する。
(A) In the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1, first, the
ここで、キャリアガス3としては、昇華用原料微粉末5の昇華に影響を与えない不活性ガス、例えばアルゴンガスや窒素ガスを用いるのが望ましい。ここではアルゴンガスを用いることとする。キャリアガス3の供給量は、昇華用原料微粉末5の供給量が1〜5[g/時間]となるように供給するのが望ましく、より適切にはxxx〜yyy[g/時間]となるように供給するのが特に好ましい。
Here, as the
また、炭化ケイ素単結晶成長における結晶昇華用原料としては、炭化ケイ素微粉末を用いるのが一般的であるが、ここでは、ケイ素微粉末および炭素微粉末を用いる。ケイ素微粉末と炭素微粉末の重量比は、ケイ素微粉末:炭素微粉末=1:0.43〜1:2であることが望ましい。ケイ素微粉末の重量が上記下限値よりも低いとケイ素ガスの分圧を上げることが困難となり、また上記上限値よりも高いとケイ素が十分に昇華しなくなる恐れがあるからである。また、より適切にはケイ素微粉末と炭素微粉末の重量比を、ケイ素微粉末:炭素微粉末=1:0.8〜1:1.4となるように供給するのが特に好ましい。なお、昇華用原料微粉末5として、ケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることによる効果等については後述する。 Further, as a raw material for crystal sublimation in silicon carbide single crystal growth, silicon carbide fine powder is generally used, but here, silicon fine powder and carbon fine powder are used. The weight ratio of the silicon fine powder to the carbon fine powder is preferably silicon fine powder: carbon fine powder = 1: 0.43 to 1: 2. This is because if the weight of the silicon fine powder is lower than the lower limit, it is difficult to increase the partial pressure of silicon gas, and if it is higher than the upper limit, silicon may not be sufficiently sublimated. Further, it is particularly preferable that the weight ratio of the silicon fine powder and the carbon fine powder is more suitably supplied so that the silicon fine powder: carbon fine powder = 1: 0.8 to 1: 1.4. In addition, the effect etc. by using a silicon fine powder and a carbon fine powder as the sublimation raw material fine powder 5 are mentioned later.
(ロ)次に、誘導加熱コイル32を作動させ、昇華用原料微粉末5を加熱して昇華させる。ここで、加熱温度は、昇華用原料微粉末5が昇華する温度であれば特に制限はないが、2200〜2500[℃]とするのが望ましい。加熱温度が上記下限値よりも低いと昇華用原料微粉末5が昇華しづらく、加熱温度が上記上限値よりも高いと経済的でなく、また装置を傷めやすくなるからである。また、より適切には加熱温度を2300〜2400[℃]とするのが特に好ましい。
(B) Next, the
(ハ)次に、加熱により昇華した昇華ガスを炭化ケイ素種結晶2上に供給し、該炭化ケイ素種結晶2上に炭化ケイ素単結晶を成長させる。ここで、炭化ケイ素種結晶2としては、特に制限なく、使用目的に応じて適宜定まり、例えば6Hのレーリー結晶や6Hのアチソン結晶等、種々の炭化ケイ素種結晶を用いることができる。ここでは、例えば6Hのレーリー結晶(結晶厚:0.9[mm]、直径20[mm])を用いる。 (C) Next, a sublimation gas sublimated by heating is supplied onto the silicon carbide seed crystal 2 to grow a silicon carbide single crystal on the silicon carbide seed crystal 2. Here, the silicon carbide seed crystal 2 is not particularly limited and is appropriately determined according to the purpose of use. For example, various silicon carbide seed crystals such as 6H Rayleigh crystal and 6H Atchison crystal can be used. Here, for example, a 6H Rayleigh crystal (crystal thickness: 0.9 [mm], diameter 20 [mm]) is used.
なお、炭化ケイ素単結晶を成長させる際に、炭化ケイ素種結晶配置部12を坩堝10の長手方向中心軸(炭化ケイ素単結晶の結晶成長方向軸)を中心に回転させつつ、炭化ケイ素種結晶2上に炭化ケイ素単結晶を成長させるのが望ましい。昇華ガスが均一に炭化ケイ素種結晶2上に供給されることで、高品質な炭化ケイ素単結晶を成長させることができるからである。
When growing the silicon carbide single crystal, the silicon carbide seed crystal 2 is rotated while rotating the silicon carbide seed
次に、本発明の特徴である昇華用原料微粉末5について説明する。上述のように、昇華用原料としては、炭化ケイ素粉末を用いるのが一般的であり、昇華用原料微粉末5として、炭化ケイ素微粉末、あるいはケイ素微粉末を添加した炭化ケイ素微粉末を用いることが可能である。この場合、炭化ケイ素には結晶構造の異なる多型が複数存在し、単一の多型で構成された原料粉を入手することは困難である。また、異種多型の炭化ケイ素は昇華する温度や圧力が異なるため、異種多型が異なる比率で混入した原料粉体を用いた場合には、炉心の黒鉛円筒、即ち坩堝本体11の温度を調整する必要がある。
Next, the sublimation raw material fine powder 5 which is a feature of the present invention will be described. As described above, silicon carbide powder is generally used as the sublimation raw material, and silicon carbide fine powder or silicon carbide fine powder to which silicon fine powder is added is used as the sublimation raw material fine powder 5. Is possible. In this case, silicon carbide has a plurality of polymorphs having different crystal structures, and it is difficult to obtain raw material powder composed of a single polymorph. Also, since different types of silicon carbides have different sublimation temperatures and pressures, the temperature of the graphite cylinder of the core, that is, the
また、炭化ケイ素は極めて硬い物質であるため粒度が極めて細かい微粉を得ることが難しい。万一、粒径の大きな粒が混じっていた場合には、炭化ケイ素種結晶2に到達するまでに完全に昇華することができず、固体のまま炭化ケイ素種結晶2の表面に付着して多結晶の核となる恐れがある。さらに、炭化ケイ素微粉末は非常に高価であるという問題点もある。またさらに、入手可能な炭化ケイ素微粉末は窒素を多く含有しているものが多く、通常の方法ではn型の結晶しか成長させることができない。なお、窒素含有量の少ない高純度の炭化ケイ素微粉末も市販されているが、非常に高価な上。粒径が大きく粒度分布も広いという事情がある。 Moreover, since silicon carbide is a very hard substance, it is difficult to obtain a fine powder with a very fine particle size. In the unlikely event that grains having a large particle diameter are mixed, they cannot be sublimated completely until they reach the silicon carbide seed crystal 2, and adhere to the surface of the silicon carbide seed crystal 2 as a solid. There is a risk of becoming the nucleus of the crystal. Furthermore, there is a problem that the silicon carbide fine powder is very expensive. Furthermore, many silicon carbide fine powders that can be obtained contain a large amount of nitrogen, and only n-type crystals can be grown by ordinary methods. High purity silicon carbide fine powder with a low nitrogen content is also commercially available, but it is very expensive. There is a circumstance that the particle size is large and the particle size distribution is wide.
本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法では、昇華用原料微粉末5として、炭化ケイ素微粉末、或いはケイ素微粉末を添加した炭化ケイ素微粉末の代わりに、ケイ素微粉末および炭素微粉末を用いる。炭素微粉末の場合には、炭化ケイ素微粉末よりもさらに細かい超微粉末を入手することが可能であり、これにより、ケイ素ガスとの反応によって炭素微粒子を残さず昇華させることができ、炭化ケイ素微粉末、或いはケイ素微粉末を添加した炭化ケイ素微粉末を昇華用原料微粉末5として用いた場合と同様の結晶成長をすることができる。 In the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method of the present example, instead of the silicon carbide fine powder or the silicon carbide fine powder to which the silicon fine powder is added as the sublimation raw material fine powder 5, the silicon fine powder and the carbon fine powder are used. Use powder. In the case of carbon fine powder, it is possible to obtain a finer powder that is finer than silicon carbide fine powder, which allows sublimation without leaving carbon fine particles by reaction with silicon gas. Crystal growth similar to that when the fine powder or the fine silicon carbide powder to which the fine silicon powder is added is used as the fine powder 5 for sublimation can be performed.
また、炭化ケイ素微粉末よりも高純度なケイ素微粉末および炭素微粉末が入手可能であるため、成長結晶の純度を向上させることができる。また、成長過程において意図的に必要な元素をドープすることも可能であり、n型、p型またはアンドープの炭化ケイ素単結晶を自由に作り分けることが可能になる。例えば、n型の炭化ケイ素単結晶の場合にはキャリアガス3に窒素を混ぜ、p型の炭化ケイ素単結晶の場合にはアルミニウムをドープしたケイ素微粉末を用いるといった種々の手法が考えられる。
Moreover, since silicon fine powder and carbon fine powder having higher purity than silicon carbide fine powder are available, the purity of the grown crystal can be improved. In addition, it is possible to intentionally dope the necessary elements in the growth process, and it becomes possible to freely make n-type, p-type or undoped silicon carbide single crystals. For example, in the case of an n-type silicon carbide single crystal, various techniques such as mixing nitrogen with the
さらに、ケイ素微粉末および炭素微粉末を用いる場合には、炭化ケイ素微粉末のように異種多型の問題がなく、坩堝本体11の温度調整が比較的容易となる。また、ケイ素微粉末および炭素微粉末は、粒度分布の狭い均質な粉体を容易に入手可能であり、炭化ケイ素微粉末に比べ格段に安価であることから、原料コストを低減できると共により高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。
Further, when silicon fine powder and carbon fine powder are used, there is no problem of different types of polymorphs unlike silicon carbide fine powder, and the temperature adjustment of the
次に、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法により得られる炭化ケイ素単結晶について説明しておく。炭化ケイ素単結晶は非破壊で光学的に画像検出した結晶欠陥(パイプ欠陥)が100[個/cm2]以下であることが望ましく、より適切には10[個/cm2]以下であることが特に好ましい。なお、結晶欠陥は広く知られた公知の技術により検出することができる。 Next, the silicon carbide single crystal obtained by the silicon carbide single crystal production apparatus and production method of this example will be described. The silicon carbide single crystal preferably has a crystal defect (pipe defect) of 100 [pieces / cm 2 ] or less, more suitably 10 [pieces / cm 2 ] or less, which is nondestructive and optically image-detected. Is particularly preferred. The crystal defect can be detected by a well-known technique.
本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法により得られる炭化ケイ素単結晶は、異種多型の混入がなく、すべてが単一の多型(6H)で構成されていた。また、得られた結晶のマイクロパイプ密度を上述の手法により計測したところ、3回の試作において、5〜10個[個/cm2]であり、良質の単結晶が得られた。そのため、耐高電圧、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れた電子デバイス、特にパワーデバイスや発光ダイオード等に好適に用いられる。 The silicon carbide single crystal obtained by the silicon carbide single crystal production apparatus and production method of the present example was not mixed with different polymorphs, and all consisted of a single polymorph (6H). Moreover, when the micropipe density of the obtained crystal was measured by the above-described method, it was 5 to 10 [pieces / cm 2 ] in three trial manufactures, and a high-quality single crystal was obtained. Therefore, it is suitably used for electronic devices excellent in high voltage resistance, dielectric breakdown characteristics, heat resistance, radiation resistance and the like, particularly power devices and light emitting diodes.
また、昇華用微粉末にケイ素微粉末を添加した炭化ケイ素微粉末(研磨剤として市販)を用いたところ、成長結晶には、200〜500[ppm]のN(窒素)が含まれていたが、高純度のケイ素微粉末と炭素微粉末を昇華用原料微粉末に用いた成長結晶では、Nが50[ppm]以下に減少しており、純度の大幅な改善がみられた。原料起因のN含有量を低減したことにより、キャリアガス密度に流量を制御した窒素ガスを混入することによって、自由に成長結晶の電気伝導率を変えることが可能となる。 Moreover, when silicon carbide fine powder (commercially available as an abrasive) obtained by adding silicon fine powder to fine powder for sublimation was used, the growth crystal contained 200 to 500 [ppm] N (nitrogen). In the growth crystal using high-purity silicon fine powder and carbon fine powder as the sublimation raw material fine powder, N decreased to 50 ppm or less, and a significant improvement in purity was observed. By reducing the N content attributable to the raw material, it is possible to freely change the electrical conductivity of the grown crystal by mixing nitrogen gas whose flow rate is controlled into the carrier gas density.
以上説明したように、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置では、昇華用原料微粉末5をキャリアガス3と共に坩堝内に供給する供給口13(14,15)と、昇華用原料微粉末5を加熱し昇華したガスを炭化ケイ素種結晶2上に供給する流路を備えた坩堝本体11と、キャリアガス3の排出口16と、を備える坩堝10と、坩堝10内部の排出口16側に配置され、炭化ケイ素種結晶2を設置する炭化ケイ素種結晶配置部12と、坩堝10の外周に配置され、該坩堝10を加熱して昇華用原料微粉末5を昇華させる誘導加熱コイル(加熱手段)32と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造装置において、昇華用原料微粉末5としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いる。また、炭化ケイ素種結晶配置部12は坩堝10の長手方向軸を中心に回転する。
As described above, in the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment, the supply port 13 (14, 15) for supplying the sublimation raw material fine powder 5 together with the
また、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造方法では、昇華用原料微粉末5をキャリアガス3と共に炭化ケイ素種結晶2を設置した坩堝10内に供給する第1の工程と、昇華用原料微粉末5を加熱して昇華させる第2の工程と、昇華したガスを炭化ケイ素種結晶2上に供給して該炭化ケイ素種結晶2上に炭化ケイ素単結晶を成長させる第3の工程と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造方法において、昇華用原料微粉末5としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いる。また、結晶成長方向軸を中心として炭化ケイ素種結晶2を回転させつつ炭化ケイ素種結晶2上に炭化ケイ素単結晶を成長させる。さらに、ケイ素微粉末と前記炭素微粉末の重量比は、ケイ素微粉末:炭素微粉末=1:0.8〜1:1.4であることが望ましい。
Moreover, in the manufacturing method of the silicon carbide single crystal of the present embodiment, the first step of supplying the sublimation raw material fine powder 5 into the
このように、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法では、従来の密閉型構造の炉に対して供給口13を備えた一部開放型構造の炉であるので、例えば放射温度計34等により炭化ケイ素種結晶2や成長結晶の表面温度を測定することができ、炉内の昇華雰囲気を的確に把握して高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。また、昇華用原料微粉末5の供給量を調整することにより昇華ガスの供給量を容易に調整することができ、炭化ケイ素単結晶の成長速度を一定に制御することができる。また、昇華用原料微粉末5を連続供給できる構造であるため、炭化ケイ素単結晶の長尺化を図ることができる。
Thus, in the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method of the present embodiment, since it is a partially open type furnace provided with the
また、炭化ケイ素種結晶配置部12を坩堝の長手方向軸を中心に回転させることにより、炭化ケイ素種結晶2や成長結晶の表面に対して均一に昇華ガスを供給することができ、高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。さらに、昇華用原料微粉末5としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることにより、粒度分布の狭い均質な粉体を原料に用いることができ、原料コストを低減できると共により高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。
In addition, by rotating the silicon carbide seed
〔実施例2〕
次に、本発明の実施例2に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法について説明する。図2は本発明の実施例2に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置の構成図である。
[Example 2]
Next, an apparatus and a method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to Example 2 of the present invention will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
同図において、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置101は、昇華用原料微粉末105をキャリアガス103と共に坩堝110内に供給する供給口、昇華用原料微粉末105から昇華したガスを炭化ケイ素種結晶配置部112に設置された炭化ケイ素種結晶102上に供給する流路を備えた坩堝本体(黒鉛円筒)111、並びにキャリアガス排出口116を備える坩堝110と、該坩堝110内部のキャリアガス排出口116側に配置され、炭化ケイ素種結晶102を設置して坩堝110の長手方向軸を中心に回転する炭化ケイ素種結晶配置部112と、坩堝110の外周に配置され、坩堝本体111の流路の昇華用原料微粉末105を加熱して昇華させる誘導加熱コイル(特許請求の範囲にいう加熱手段)132と、を備えて構成されている。
In the figure, the silicon carbide single
なお、供給口としては、キャリアガス供給口114および昇華用原料微粉末供給口115を備えており、キャリアガス供給口114は、当該炭化ケイ素単結晶の製造装置101の長手方向(上方)端部に設けられ、また、昇華用原料微粉末供給口115は、キャリアガス供給口114からやや下流の坩堝本体111の側部に設けられている。また、キャリアガス排出口116は、当該炭化ケイ素単結晶の製造装置101においてキャリアガス供給口114とは反対の長手方向(下方)端部に設けられている。
As the supply ports, a carrier
また、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置101では、坩堝110に係わる治具として、坩堝110と誘導加熱コイル132の間に、坩堝110の外側から誘導加熱コイル132に向かって順に、断熱材(カーボン断熱材)130、石英菅121、水菅(冷却水菅)122および石英菅123を備えている。また、該炭化ケイ素単結晶の製造装置2の長手方向の両端部にそれぞれフランジ124,125を備えている。
In addition, in the silicon carbide single
さらに、炭化ケイ素種結晶配置部112は、図示しない駆動手段を作動させることで坩堝110の長手方向中心軸(炭化ケイ素単結晶の結晶成長方向軸)を中心に回転させる。また、坩堝本体111の流路延長上で当該炭化ケイ素単結晶の製造装置101の長手方向端部付近には、炭化ケイ素種結晶102や成長結晶の表面温度を測定する放射温度計134が設置されている。
Further, the silicon carbide seed
本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置は、横型である実施例1の構造を縦型の構造としたものであり、各構成要素の詳細については実施例1とほぼ同等である。また、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置101による炭化ケイ素単結晶の製造方法についても実施例1とほぼ同等である。したがって、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置および製造方法においても実施例1と同等の効果を奏することができる。
The apparatus for producing a silicon carbide single crystal of this example has a horizontal structure as the horizontal structure of Example 1, and the details of each component are substantially the same as those of Example 1. In addition, the silicon carbide single crystal manufacturing method by the silicon carbide single
なお、実施例1の炭化ケイ素単結晶の製造装置1においては、横型構造であることから、炭化ケイ素種結晶配置部12に炭化ケイ素種結晶2を設置する際、炭化ケイ素種結晶2を固定するために接着剤等の固定手段を用いる必要があったが、本実施例の炭化ケイ素単結晶の製造装置101は縦型構造であることから、炭化ケイ素種結晶配置部112上の長手方向の中心軸(回転軸)に炭化ケイ素種結晶102を合わせて置くだけでよく、接着剤等の固定手段の使用や固定工程を省略することができる。また、キャリアガス103により炭化ケイ素種結晶102が動く恐れのある場合には、炭化ケイ素種結晶配置部112に炭化ケイ素種結晶102よりやや大きいサイズの溝を設け、そこに種結晶102を配置することで、炭化ケイ素種結晶102を所定の位置に固定することができる。
In addition, since silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of Example 1 has a horizontal structure, silicon carbide seed crystal 2 is fixed when silicon carbide seed crystal 2 is placed in silicon carbide seed
〔変形例〕
なお、実施例1の炭化ケイ素単結晶の製造装置1においては、キャリアガス供給口14と放射温度計134による計測のための観察口を同じものとし、実施例2の炭化ケイ素単結晶の製造装置101においては別個のものとして、異なる構造を持たせているが、実施例1は実施例2と同様の構造に、また実施例2は実施例1と同様の構造に、それぞれ置き換えることも可能である。
[Modification]
In the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 1 of the first embodiment, the carrier
1,101 炭化ケイ素単結晶の製造装置
2,102 炭化ケイ素種結晶
3,103 キャリアガス
5,105 昇華用原料微粉末
10,110 坩堝
11,111 坩堝本体
12,112 炭化ケイ素種結晶配置部
13 供給口
14,114 キャリアガス供給口
15,115 昇華用原料微粉末供給口
16,116 キャリアガス排出口
21,121 石英菅
22,122 水菅
23,123 石英菅
24,25,124,125 フランジ
32,132 誘導加熱コイル(加熱手段)
34,134 放射温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Production apparatus of silicon carbide single crystal 2,102 Silicon carbide seed crystal 3,103 Carrier gas 5,105 Fine powder for sublimation 10,110 Crucible 11,111 Crucible body 12,112 Silicon carbide seed
34,134 Radiation thermometer
Claims (5)
前記坩堝内部の前記排出口側に配置され、前記炭化ケイ素種結晶を設置する炭化ケイ素種結晶配置部と、
前記坩堝の外周に配置され、該坩堝を加熱して前記昇華用原料微粉末を昇華させる加熱手段と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造装置において、
前記昇華用原料微粉末としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造装置。 A supply port for supplying the fine powder for sublimation together with a carrier gas into the crucible, a crucible body provided with a flow path for supplying a gas obtained by heating and sublimating the fine powder for sublimation to the silicon carbide seed crystal, and the carrier A crucible comprising a gas outlet;
A silicon carbide seed crystal disposition portion that is disposed on the discharge port side inside the crucible and in which the silicon carbide seed crystal is disposed;
In a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus comprising: a heating means disposed on an outer periphery of the crucible, and heating the crucible to sublimate the raw material powder for sublimation.
A silicon carbide single crystal production apparatus using silicon fine powder and carbon fine powder as the sublimation raw material fine powder.
前記昇華用原料微粉末を加熱して昇華させる第2の工程と、
昇華したガスを前記炭化ケイ素種結晶上に供給して該炭化ケイ素種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させる第3の工程と、を備えた炭化ケイ素単結晶の製造方法において、
前記昇華用原料微粉末としてケイ素微粉末および炭素微粉末を用いることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。 A first step of supplying a fine powder for sublimation into a crucible in which a silicon carbide seed crystal is installed together with a carrier gas;
A second step of heating and sublimating the sublimation raw material fine powder;
A third step of supplying a sublimated gas onto the silicon carbide seed crystal to grow the silicon carbide single crystal on the silicon carbide seed crystal, and a method for producing a silicon carbide single crystal comprising:
A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein silicon fine powder and carbon fine powder are used as the sublimation raw material fine powder.
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|---|---|---|---|---|
| DE102010029755B4 (en) | 2010-06-07 | 2023-09-21 | Sicrystal Gmbh | Manufacturing process for a SiC bulk single crystal without facet and single crystal SiC substrate with homogeneous resistance distribution |
-
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- 2008-10-10 JP JP2008263898A patent/JP2010090015A/en active Pending
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