專利名稱：單晶SiC及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單晶SiC及其制造方法，更詳細地說，涉及用于發(fā)光二極管、X射線光學元件、開關元件、放大元件、光傳感器等高溫半導體電子元件的襯底晶片等的單晶SiC及其制造方法。
背景技術：
SiC(碳化硅)與Si(硅)或GaAs(砷化鎵)等現(xiàn)有的半導體材料相比，不僅耐熱性能及機械強度好，放射線強，而且通過添加雜質，容易控制電子或空穴的價電子，具有較寬的禁帶寬度(順便提一下，在6H型的SiC單晶的情況下約為3.0eV，在4H型的SiC單晶的情況下為3.26eV)，所以能實現(xiàn)用上述現(xiàn)有的半導體材料所不能實現(xiàn)的大容量、高頻特性、耐壓特性、耐環(huán)境特性等，作為下一代功率器件用的半導體材料SiC引人注目，深受期盼。
作為這種SiC單晶的制造(生長)方法，現(xiàn)在已知有用籽晶通過升華再結晶法生長SiC單晶的方法、以及在高溫情況下用化學氣相淀積生長法(CVD法)在硅襯底上進行外延生長得到立方晶系的SiC單晶(β-SiC)的方法。
可是，上述這些現(xiàn)有的制造方法不僅結晶生長速度都非常低，僅為1微米/小時，而且在升華再結晶的情況下，存在這樣的問題，即在生長的晶體中存在100～1000/cm2左右的稱為微泡(micropipe)的缺陷、沿晶體生長方向貫通的直徑達數(shù)微米的針孔，這都成為制造半導體器件時產生漏電流的原因。如上所述，與Si或GaAs等現(xiàn)有的半導體材料相比，SiC雖然具有許多優(yōu)點，但上述問題卻成為阻礙其實用化的主要原因。
另外，在高溫CVD法的情況下，襯底溫度高達1700～1900℃，且需要在高純度的還原性氣氛下操作，設備方面存在很大困難。而且，由于進行外延生長，所以在生長速度方面自然也存在受限制的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是鑒于上述現(xiàn)有技術背景而完成的，其目的在于提供一種微泡缺陷等非常少的高質量大型單晶SiC，以及能制造這樣的高質量大型單晶SiC、設備和操作簡易、生產率高、且能促進半導體材料的實用化的單晶SiC的制造方法。
根據本發(fā)明第一方面的單晶SiC的特征在于通過平滑表面將SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片重疊起來構成復合體，通過對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體相變而變成單晶。
如果采用這樣的結構，則不僅能用簡易的設備和操作方法對由SiC單晶基體材料和多晶片重疊而成的復合體進行熱處理，而且能使多晶片的多晶體發(fā)生相變而高效地生長單晶體。而且由于通過平滑的表面對構成復合體的SiC單晶基體材料和多晶片進行熱處理，所以在進行該熱處理時雜質不會從系統(tǒng)外進入兩者的界面，故不僅沒有晶格缺陷及微泡缺陷，而且不會發(fā)生由于雜質的進入而形成的晶界，能獲得高質量的單晶SiC。因此，與Si(硅)或GaAs(砷化鎵)等現(xiàn)有的半導體材料相比，具有以下效果不僅高溫特性、高頻特性、耐壓特性、耐環(huán)境特性等好，而且能使作為功率器件用半導體材料而被期待的單晶SiC實用化。
根據本發(fā)明的單晶SiC的特征在于將相鄰側面接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片重疊起來構成復合體，對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而成為單晶。
如果采用這樣的結構，通過對復合體進行熱處理不僅能獲得晶格缺陷、微泡缺陷及晶界的產生都非常少的高質量單晶SiC，而且能容易地將多個SiC單晶基體材料的側面熔融在一起而獲得大面積的單晶SiC，具有以下效果能將具有各種比現(xiàn)有的半導體材料更優(yōu)良性能的單晶SiC作為從小型制品到大型制品的半導體材料而廣泛地使用。
另外，作為本發(fā)明的單晶SiC的制造方法，最好是使SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片的至少一個表面平整化，通過這些表面使SiC單晶基體材料和多晶片重疊，對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而生長成單晶。
這樣的制造方法具有以下效果能容易地、而且有效地使上述情況的晶格缺陷、微泡缺陷及晶界等非常少的高質量的單晶SiC生長，能以工業(yè)規(guī)模穩(wěn)定地制造并供給性能非常好的能作為半導體材料使用的單晶SiC。
另外，作為本發(fā)明的單晶SiC的制造方法，通過將相鄰側面接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片重疊，并對該復合體進行熱處理，能使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而生長成單晶。
這樣的制造方法具有以下效果能有效地使上述情況的晶格缺陷、微泡缺陷及晶界等非常少的高質量大面積的單晶SiC生長，能以工業(yè)規(guī)模穩(wěn)定地制造并供給性能非常好的同時作為半導體材料使用范圍大的單晶SiC。
另外，上述各制造方法具有以下效果在形成復合體的多晶片采用在多個SiC單晶基體材料的表面上利用熱化學蒸鍍法成膜的非晶片或β-SiC多晶片、且將該非晶片或β-SiC多晶片的熱化學蒸鍍溫度設定在1300～1900℃的情況下，能抑制雜質進入多個SiC單晶基體材料及其表面的多晶片之間，并能抑制該雜質擴散，能獲得雜質和晶格缺陷等比SiC單晶基體材料更少的高純度、高質量的單晶SiC。
另外，上述制造方法具有以下效果在使用對復合體熱處理后獲得的單晶SiC用作側面接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料的情況下，再次使用通過一次熱處理獲得的大面積的單晶SiC，反復進行熱處理，能容易地制造面積及厚度都非常大的大型單晶SiC作為最后制品，能進一步擴大高質量的半導體材料的使用范圍。
附圖的簡單說明

圖1是表示本發(fā)明第一實施例中單晶SiC在熱處理前的狀態(tài)示意圖。
圖2是表示本發(fā)明第一實施例中單晶SiC在熱處理后的狀態(tài)示意圖。
圖3是表示本發(fā)明第二實施例中單晶SiC在熱處理前的狀態(tài)的平面圖。
圖4是表示本發(fā)明第三實施例中單晶SiC在熱處理前的狀態(tài)的示意圖。
圖5是圖4的簡略的仰視圖。
圖6是表示本發(fā)明第三實施例中單晶SiC在熱處理前的主要部分的放大圖。
圖7是表示本發(fā)明第三實施例中單晶SiC在熱處理后的主要部分的放大圖。
圖8是表示本發(fā)明第四實施例中單晶SiC在熱處理前的狀態(tài)的示意圖。
最佳實施方案以下說明第一實施例。圖1示意地表示單晶SiC在熱處理前的復合體M，在該圖中，1是片狀的六方晶系(6H型、4H型)的α-SiC單晶基體材料，該α-SiC單晶基體材料1是利用升華法或艾奇遜法制作的，其表面1a被研磨得平滑。2是利用1300～1900℃范圍的熱化學蒸鍍法(以下稱熱CVD法)另外制作的立方晶系的β-SiC多晶片，其一側表面2a被研磨得平滑，將該β-SiC多晶片2和上述α-SiC單晶基體材料1通過其各自的研磨表面2a、1a以緊密接觸狀態(tài)重疊，使結晶狀態(tài)互不相同的晶體表面接觸，形成具有呈直線狀的明顯的界面3的復合體M。
此后，使上述整個復合體M在1850℃以上、最好在2200～2400℃的溫度范圍內，而且在SiC飽和蒸汽壓的氣氛中保持8小時左右，進行熱處理，使上述β-SiC多晶片2相變而成單晶，如圖2所示，該β-SiC多晶片2的多晶體成為與上述α-SiC單晶基體材料1的晶軸同方位取向的單晶部分2’，該單晶部分2’與上述α-SiC單晶基體材料1的單晶一體地生長成大單晶。另外，熱處理前明顯地出現(xiàn)的界面3在熱處理后通過熔合成一體而消失。
如上所述，由于對通過被研磨成平滑的表面1a、2a緊密接觸的、由α-SiC單晶基體材料1和β-SiC多晶片2構成的復合體M熱處理，在上述界面3引起晶格振動，使其發(fā)生以改變原子之間排列的固相生長為主的晶體生長，能以高的生產率制造完全不含微泡缺陷且其它晶格缺陷也幾乎沒有(每1cm210個以下)的高質量的單晶SiC。另外，如果在β-SiC多晶片2中，對α型晶體相變用的α-SiC單晶基體材料1進行研磨或切除，則能獲得電子元件用的高質量晶片。
其次，說明第二實施例。如圖3所示，將表面被研磨得平滑的多個α-SiC單晶基體材料1…排成一列，使相鄰(α-SiC單晶基體材料1、1…的側面1b、1b…緊密接觸，將β-SiC多晶片2重疊在該排成一列的多個α-SiC單晶基體材料1…的研磨面上，并與該研磨面緊密接觸，然后使該復合體在1850℃以上、最好在2200～2400℃的溫度范圍內，以及在SiC飽和蒸汽壓的氣氛中保持8小時左右，進行熱處理，使上述β-SiC多晶片2相變而成單晶，并生長成與上述多個α-SiC單晶基體材料1…的晶軸同方位取向的單晶成為一體，同時使相鄰的α-SiC單晶基體材料1、1…之間緊密接觸的側面1b熔融成一體，通過反復這樣處理，能獲得大面積的單晶SiC。
其次，說明第三實施例。圖4是表示單晶SiC在熱處理前的狀態(tài)的示意圖，圖5是其簡略的仰視圖，將六方晶系(6H型、4H型)的多個α-SiC單晶基體材料1…排成一列，使相鄰側面1b、1b…緊密接觸，同時采用1300～1900℃范圍內的熱CVD法，在這多個α-SiC單晶基體材料1…的全部表面上呈層狀地形成立方晶系的β-SiC多晶片2。在該β-SiC多晶片2的成膜階段，圖6中的顯微鏡斷面觀察照片表明，在含有晶格缺陷的α-SiC單晶基體材料1…的表面上生長出無間隙地排成一列的多個β-SiC柱狀單晶構成的多晶體4，在結晶形態(tài)互不相同的晶面上與α-SiC單晶基體材料1相接觸形成具有界面3的復合體M。
此后，上述復合體M在1900～2400℃、最好在2000～2200℃的溫度范圍內，而且在SiC飽和蒸汽壓下進行熱處理，使上述多個α-SiC單晶基體材料1…相鄰的緊密接觸的側面1b、1b熔融成一體，同時上述β-SiC片2的多晶體4發(fā)生相變成為α-SiC單晶并生長成與上述α-SiC單晶基體材料1…的晶軸同方位取向、與基體材料1的單晶呈一體的大單晶5。
在如上所述的相鄰側面緊密接觸且排成一列的多個α-SiC單晶基體材料1…的表面上，利用熱CVD法使β-SiC多晶片2的多晶體4生長，通過對長成的復合體M進行熱處理，使得面積非常大，而且在上述界面3上引起晶格振動，發(fā)生以改變原子之間排列的固相生長為主的晶體生長，圖7中的顯微鏡斷照片表明，能容易地制造幾乎沒有晶格缺陷及微泡缺陷(每1cm210個以下)的高質量的單晶SiC1’。
其次，說明第四實施例。在該第四實施例中，再次將在上述第三實施例中所述制造的高質量單晶SiC1’作為α-SiC單晶基體材料使用。即，如圖8所示，使多個上述單晶SiC1’…相鄰側面1’b、1’b…緊密接觸且排成一列配置，同時在這多個單晶SiC1’…的整個表面上利用熱CVD法形成由無間隙排列的立方晶系β-SiC單晶構成的具有取向性的多晶片2，形成復合體M’后，與上述實施例3一樣，在1900～2400℃、最好在2000～2200℃的溫度范圍內，而且在SiC飽和蒸汽壓下對該復合體M’熱處理，最后的制品能容易地制造所希望大小的高質量的單晶SiC。
另外，在上述各實施例中，雖然使用α-SiC單晶基體材料1作為SiC單晶基體材料，但除此以外，還可以使用例如α-SiC燒結體或β-SiC單晶體等，另外，在上述各實施例中，雖然使用β-SiC晶片2作為由Si原子和C原子構成的多晶片，但除此以外，還可以使用例如α-SiC多晶片、高純度的SiC燒結體、或低于高純度(1014個原子/cm3)的非晶片，都能獲得與上述各實施例同樣的高質量的單晶SiC。
另外，作為上述各實施例中的α-SiC單晶基體材料1，也可以使用6H型、4H型的任意一種，在使用6H型的單晶基體材料1時，β-SiC晶片2的多晶體伴隨著熱處理容易轉化成與6H型的單晶相同形態(tài)的α-SiC的單晶，而在使用4H型的單晶基體材料1時，伴隨著熱處理容易轉化成與4H型的單晶基體材料1相同形態(tài)的單晶。
另外，上述復合體M的熱處理溫度為1850～2400℃，最好在2000～2200℃的范圍內。如果熱處理溫度低于1850℃，就不能將原子的動能供給形成界面的多個SiC。另外，如果超過2400℃，供給的熱能就會遠遠超過SiC的分解能，致使SiC晶體本身被分解。
工業(yè)上的可利用性如上所述，本發(fā)明是這樣一種技術，即通過平滑研磨面將SiC單晶基體材料和多晶片以緊密接觸的狀態(tài)重疊起來或者在側面接觸排成一列配置的多個SiC單晶基體材料的表面上，利用熱CVD法形成多晶片而構成復合體，并對該復合體進行熱處理，使多晶片的多晶體相變?yōu)閱尉?，生成與SiC單晶基體材料的晶軸同方位取向的呈一體的大單晶，從而不僅熱性能及機械強度優(yōu)異，而且能容易且高效率地制造微泡缺陷和晶格缺陷非常少的高質量大型單晶SiC。
權利要求
1．一種單晶SiC，其特征在于該單晶SiC是通過平整化的表面將SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片層疊起來構成復合體，并對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而長成的。
2．根據權利要求1所述的單晶SiC，其特征在于形成上述復合體的SiC單晶基體材料是α-SiC單晶。
3．根據權利要求1所述的單晶SiC，其特征在于形成上述復合體的多晶片是非晶片或β-SiC多晶片。
4．一種單晶SiC，其特征在于該單晶SiC是通過將相鄰側面互相接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片層疊起來構成復合體，并對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而長成的。
5．根據權利要求4所述的單晶SiC，其特征在于形成上述復合體的多個SiC單晶基體材料和上述多晶片是通過平整化的表面重疊起來的。
6．根據權利要求4所述的單晶SiC，其特征在于形成上述復合體的多個SiC單晶基體材料都是α-SiC單晶。
7．根據權利要求4所述的單晶SiC，其特征在于形成上述復合體的多晶片是在多個SiC單晶基體材料的表面上利用熱化學蒸鍍法形成膜而得到的非晶片或β-SiC多晶片。
8．一種單晶SiC的制造方法，其特征在于使SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片的至少一個表面平整化，通過這些表面將SiC單晶基體材料和多晶片重疊起來，然后，對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而長成單晶。
9．根據權利要求8所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于形成上述復合體的SiC單晶基體材料采用α-SiC單晶。
10．根據權利要求8所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于形成上述復合體的多晶片采用非晶片或β-SiC多晶片。
11．根據權利要求8所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于在1850℃以上的溫度下以及在SiC飽和蒸汽壓或其附近的氣氛中進行上述熱處理。
12．根據權利要求8所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于在2200～2400℃的溫度范圍內以及在SiC飽和蒸汽壓或其附近的氣氛中進行上述復合體的熱處理。
13．一種單晶SiC的制造方法，其特征在于將相鄰側面互相接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料和由Si原子及C原子構成的多晶片層疊起來，然后，對該復合體進行熱處理，使上述多晶片的多晶體發(fā)生相變而生成單晶。
14．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于使形成上述復合體的多個SiC單晶基體材料和上述多晶片的至少一個表面平整化，通過這些表面使上述SiC單晶基體材料和上述多晶片重疊起來。
15．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于形成上述復合體的SiC單晶基體材料采用α-SiC單晶。
16．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于上述側面互相接觸且排成一列的多個SiC單晶基體材料采用對復合體熱處理后獲得的單晶SiC。
17．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于形成上述復合體的多晶片采用在多個SiC單晶基體材料的表面上利用熱化學蒸鍍法成膜得到的非晶片或β-SiC多晶片。
18．根據權利要求17所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于利用1300～1900℃范圍內的熱化學蒸鍍法在多個SiC單晶基體材料的表面上成膜得到上述非晶片或β-SiC多晶片。
19．根據權利要求17所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于上述復合體的熱處理溫度比形成非晶片或β-SiC多晶片時的熱化學蒸鍍溫度高，而且在SiC飽和蒸汽壓下進行處理。
20．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于在1850℃以上的溫度下以及在SiC飽和蒸汽壓或其附近的氣氛中進行上述復合體的熱處理。
21．根據權利要求13所述的單晶SiC的制造方法，其特征在于在2200～2400℃的溫度范圍內以及在SiC飽和蒸汽壓或其附近的氣氛中進行上述復合體的熱處理。
全文摘要
本發(fā)明是在α－SiC單晶基體材料(1)的表面上通過研磨面以緊密接觸的狀態(tài)重疊、或利用熱CVD法層狀成膜的方式層疊β－SiC多晶片(2)形成復合體(M),然后對所形成的復合體(M)在1850～2400℃的溫度范圍內進行熱處理,使β－SiC多晶片(2)的多晶體相變成為單晶體,生成與α－SiC單晶基體材料(1)的晶軸同方位取向的單晶。該方法能容易且高效地制造沒有微泡缺陷、晶格缺陷、也不會由于雜質進入而形成晶界等的高質量的大型單晶SiC。
文檔編號C30B33/00GK1231003SQ98800898
公開日1999年10月6日 申請日期1998年6月23日 優(yōu)先權日1997年6月27日
發(fā)明者谷野吉彌 申請人:日本皮拉工業(yè)株式會社