[发明专利]制造碳化硅单晶的方法

说明书

背景技术

1.技术领域

本发明涉及通过所谓的溶液法制造碳化硅(SiC)单晶的方法。

2.相关技术描述

SiC是表现出优异性能的半导体，例如，它的带隙是硅(Si)的大约三倍，并且它的介电击穿场强是Si的大约10倍，并且它对于功率器件的应用使得可以实现相比Si功率器件表现出较低功率损失的器件。此外，SiC功率器件不仅提供比Si功率器件低的功率损失，而且还能够具有比Si功率器件更高的温度和更快的运行。结果，通过使用SiC功率器件，对于电功率转换器件如逆变器等可以实现更高的效率和更小的尺寸。

升华法和溶液法可用于制造SiC单晶。

在溶液法中，将籽晶浸在其中溶解有原料的熔体中，并且使籽晶周围的溶解在熔体中的原料处于过饱和状态(例如，通过建立其中温度从熔体内朝熔体表面下降的温度梯度)并且由此析出在籽晶上。已经报道，通过利用溶液法在SiC单晶制造中的生长过程消除了存在于籽晶中的微管。由石墨形成的坩埚通常用在利用溶液法的SiC单晶制造中，并且从石墨坩埚向Si熔体供给碳(C)，所述碳(C)是SiC单晶的另一原料。结果，熔体中的碳浓度自然在石墨坩埚的壁附近处于其最大值。此外，熔体表面还具有与大气的界面，结果最大温度梯度易于出现在熔体表面附近。相应地，碳浓度在石墨坩埚的壁附近的熔体表面处呈现出过饱和状态，这产生易于析出粗SiC晶体(在下文称为多晶)的趋势。当例如在生长期间该多晶附着于籽晶及其附近时，这导致抑制从籽晶生长单晶(其为初始目的)的风险。结果，该多晶析出成为利用溶液法的单晶生长的主要问题。

日本专利申请公开7-69779(JP-A-7-69779)描述了一种单晶拉制设备，其中将坩埚设置在腔中，坩埚的内部通过圆筒形的分隔壁分为内部区域和外部区域，并且在将粒状原料连续进料到坩埚外部区域中的单晶原料熔体中的同时生长单晶。在生长期间在同心环绕单晶的圆筒体从腔的上部区域向下延伸，并且在该圆筒体的下端处连接有绝热环，所述绝热环具有沿向下的方向逐渐变细的截锥体形状。该单晶拉制设备的特征在于，该绝热环的壳由碳材料形成，并且该壳的内部填充有绝热材料。JP-A-7-69779进一步陈述，由于所描述的单晶拉制设备可以在分隔壁和熔体表面之间的界面附近保持高温，所以可以防止分隔壁附近的熔体凝固，可以提高单晶生长速率，并且因此可以获得提高的生产率。

日本专利申请公开2009-274887(JP-A-2009-274887)描述了通过在SiC籽晶上由溶解在Si-Cr熔体中的C的硅-铬-碳(Si-Cr-C)溶液生长SiC单晶来制造SiC单晶的方法，所述方法的特征在于向Si-Cr-C溶液施加直流磁场。

一种用于通过溶液法制造SiC单晶的设备描述在日本专利申请2009-030327(JP-A-2009-030327)中。该设备设置有容纳含Si熔体并且经插入的绝热材料设置在生长炉中的坩埚；设置在生长炉周围并且具有用于加热熔体和维持规定温度的高频线圈的外部加热设备；可垂直位移的碳棒；和在该碳棒尖端处的籽晶。碳棒下端的侧表面设置有抑制多晶制造的区域；该区域具有比碳棒低的熔体可润湿性。

一种通过溶液法制造单晶的方法描述在日本专利申请2009-256222中。该方法的特征在于使用设置有冷却籽晶的冷却区域和加热轴圆周的加热区域的轴以及通过加热轴圆周同时冷却籽晶而在籽晶和溶液接触之后生长单晶。

发明内容

在JP-A-7-69779中描述的单晶拉制设备中，绝热环设置在使其下端距熔体表面至少10mm的位置处。相应地，甚至当利用该设备实施SiC单晶制造时，多晶析出在石墨坩埚的内壁附近，结果不能充分防止多晶粘附在籽晶处及其附近。

JP-A-2009-274887陈述了多晶层状材料的产生通过向Si-Cr-C熔体施加直流磁场而被有效抑制。然而，即使利用JP-A-2009-274887中描述的方法也非常难以完全抑制该多晶层状材料的产生。

本发明提供一种制造SiC单晶的方法，通过其新型结构，可以防止多晶附着至籽晶及其附近。

本发明的一个方面涉及一种制造SiC单晶的方法。该方法包括通过将第一籽晶浸在坩埚中的原料熔体中，在保持在籽晶保持器下端处的所述第一籽晶上生长SiC单晶；和在所述第一籽晶之外的区域中实施促进多晶生长的处理。

在根据该方面的所述方法中所述促进多晶生长的处理可以包括形成呈现出从所述原料熔体的内部向所述原料熔体的液体表面的温度下降和从所述原料熔体的内部向所述坩埚的底部的温度下降的温度梯度的处理。