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公開番号2024094924
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-10
出願番号2022211848
出願日2022-12-28
発明の名称炭化ケイ素高含有成型品の製造方法、及び、炭化ケイ素高含有成型品を用いた炭化ケイ素単結晶の製造方法
出願人国立大学法人東北大学
代理人弁理士法人クオリオ,個人,個人
主分類C30B 29/36 20060101AFI20240703BHJP(結晶成長)
要約【課題】溶液法によるSiC単結晶の製造において、前記SiC単結晶のC源かつSi源として用いるSiC高含有成型品の製造方法であって、反応性含浸法を適用しながらも、所望の形状で、空隙も抑えた緻密なSiC高含有成型品を得ることができるSiC高含有成型品の製造方法を提供する。
【解決手段】溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素高含有成型品の製造方法であって、前記製造方法は、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融ケイ素を含浸させることにより、前記熱硬化性樹脂由来の炭素と前記溶融ケイ素とを反応させて炭化ケイ素を生成することを含む、炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素高含有成型品の製造方法であって、
前記製造方法は、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融ケイ素を含浸させることにより、前記熱硬化性樹脂由来の炭素と前記溶融ケイ素とを反応させて炭化ケイ素を生成することを含む、炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
続きを表示（約 660 文字）【請求項２】
前記熱硬化性樹脂が次の（ａ）～（ｆ）の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法：
（ａ）熱硬化性フェノール樹脂
（ｂ）熱硬化性エポキシ樹脂
（ｃ）熱硬化性ウレタン樹脂
（ｄ）熱硬化性尿素樹脂
（ｅ）熱硬化性アクリル樹脂、
（ｆ）熱硬化性アルキド樹脂
【請求項３】
前記熱硬化性樹脂が炭素元素と水素元素と酸素元素で構成される、請求項１又は２に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【請求項４】
前記造粒物中の前記炭化ケイ素粉末の含有量を９０質量％以下とする、請求項１又は２に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【請求項５】
前記炭化処理物の残炭率を１５質量％以上とする、請求項１又は２に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【請求項６】
前記炭化ケイ素高含有成型品が、前記の溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、溶液を収容する坩堝として用いられるものである、請求項１又は２に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【請求項７】
溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、請求項１又は２に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法により得られた炭化ケイ素高含有成型品を、溶液を収容する坩堝として用いることにより、前記坩堝を前記炭化ケイ素単結晶の炭素源かつケイ素源として機能させることを含む、炭化ケイ素単結晶の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として好適な炭化ケイ素高含有成型品の製造方法に関する。また、本発明は、炭化ケイ素高含有成型品を炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素単結晶の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は次世代パワー半導体材料として期待されている。例えば、ＳｉＣパワーデバイス市場は、世界的にみて年平均成長率３０％で拡大することが予想され、特に電気自動車（ＥＶ）のモータドライブ等の車載分野では年率１００％超の成長率が予想されている。しかし、ＳｉＣ基板はＳｉ基板に比べて高価であり、また、ＳｉＣ単結晶基板の欠陥の低減には現状の技術では制約がある。したがって、ＳｉＣ単結晶基板の高品質化が課題となっている。
【０００３】
Ｓｉ単結晶基板の場合には、Ｓｉの融点が常圧下で１４１４℃であるため、Ｓｉ融液から、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により高品質で大口径の単結晶を得ることができる。これに対し、ＳｉＣは常圧下では融解せず、加熱すると２０００℃程度の温度で昇華してしまうため、ＣＺ法やＦＺ法を適用することができない。そのため、ＳｉＣ単結晶は、主として昇華法により製造されている。昇華法は現時点で、ＳｉＣ単結晶の量産化の唯一の方法であり、この方法で製造された６インチ径のＳｉＣ単結晶基板が市販されている。また、８インチ径のＳｉＣ単結晶基板の量産化に向けて開発が進められている。しかし、昇華法は結晶成長速度が遅く、結晶成長環境の精密な温度管理が難しいこともあり、更なる欠陥低減は困難な状況にある。また、ＲＡＦ法（ＲｅｐｅａｔｅｄＡ－Ｆａｃｅ成長法）を適用することにより、原理的には高品質化が可能であるものの、コスト面で制約が生じてしまう。
【０００４】
昇華法に代わるＳｉＣ単結晶の結晶成長技術として、溶液法（種付け溶液成長法、ＴＳＳＧ：ＴｏｐＳｅｅｄｅｄＳｏｌｕｔｉｏｎＧｒｏｗｔｈ）が提案されている。溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造では、黒鉛坩堝内にＳｉ融液を収容し、坩堝からＣをＳｉ融液中に溶解せしめ、このＳｉ－Ｃ溶液に、ＳｉＣ種結晶を接触させ、ＳｉＣ種結晶上への溶液成長によってＳｉＣ単結晶を得ている。溶液法では、ＳｉＣの結晶成長が熱平衡に近い状態で進行し、昇華法に比べて低欠陥で高品質なＳｉＣ単結晶を得ることができる。上記のＳｉ融液へのＣの溶解度は１ａｔ％程度と極めて小さいため、一般に、Ｃの溶解量を高めるためにＳｉ融液中に遷移金属などを添加する。添加元素としては、ＴｉやＣｒ，Ｎｉ、Ｆｅなどの遷移金属などが挙げられる。
【０００５】
溶液法は高品質なＳｉＣ単結晶の製造技術として有望視されているが、課題もいくつか指摘されている。ＳｉＣの単結晶成長につれて、Ｓｉ－Ｃ溶液から徐々にＳｉ成分が失われる一方で、Ｃは継続的に坩堝から供給される。また、Ｓｉ－Ｃ溶液に含まれる遷移金属などの添加元素量は変動しないため、溶液中のＳｉの割合は減少してしまう。そのため、Ｓｉ－Ｃ溶液のＣ溶解度が高まり、経時的にＣが過剰に融け込むことになり、溶液中のＳｉ／Ｃ組成比が変化してしまう。結果、ＳｉＣの単結晶成長を、長時間、安定して継続することは難しくなる。また、Ｓｉ－Ｃ溶液中へのＣの過剰な融け込みは、坩堝の内壁に微細なＳｉＣ多結晶を生じ、このＳｉＣ多結晶がＳｉ－Ｃ溶液中を浮遊し、単結晶成長を阻害する問題も指摘されている。
【０００６】
溶液法において、上記のようなＳｉ－Ｃ溶液の組成変動を抑え、また、坩堝内壁に析出する多結晶の発生も抑える技術が提案されている。例えば特許文献１には、酸素含有量が１００ｐｐｍ以下の、ＳｉＣを主成分とする坩堝をＳｉ－Ｃ溶液の収容部として用いて、この坩堝を加熱して、前記Ｓｉ－Ｃ溶液と接触する坩堝表面の高温領域から該坩堝の主成分であるＳｉＣを源とするＳｉとＣの両方を前記Ｓｉ－Ｃ溶液中に溶出せしめ、前記坩堝の上部から、前記Ｓｉ－Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶を接触させて、該ＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させるＳｉＣ単結晶の製造方法が記載されている。特許文献１記載の技術によれば、Ｓｉ－Ｃ溶液の収容部である坩堝がＳｉとＣの両元素の供給源となり、溶液中のＳｉ／Ｃ組成比が安定し、ＳｉＣ単結晶を安定して長時間成長させることができる。また、坩堝の酸素含有量が１００ｐｐｍ以下であるため、Ｓｉ－Ｃ溶液中でのガス発生が抑制され、低欠陥で高品質なＳｉＣ単結晶を、長時間に亘って安定的に製造することが可能になるとされる。なお、特許文献１は、ＳｉＣを主成分とする坩堝を、必要により、Ｓｉを含浸させる熱処理に付しても良いことを記載しているが、含浸させたＳｉを坩堝内に存在する炭素（Ｃ）原料と反応させてＳｉＣを生成させることは記載されていない。
【０００７】
ＳｉＣを主成分とする成形品の製造に係る技術として、Ｃ原料を含む成型体にＳｉ融液を含浸させてＳｉＣを生成する方法（反応性含浸法）が知られている。例えば、非特許文献１には、ＳｉＣ粉末とＣ粉末の混合圧粉体にＳｉ融液を含浸させて、ＳｉＣを高含有する構造体を得たことが記載されている。また、非特許文献２には、結晶セルロースとフェノール樹脂とを混合し、これを炭化したカーボンプリフォームにＳｉ融液を含浸させてＳｉＣを高含有する構造体を得たことが記載されている。いずれの技術においても、ＳｉＣの含有量が８０％以上の構造体が得られている。なお、これらの技術において、ＳｉＣを除いた残部の大半はＳｉで構成され、僅かに未反応のＣが残存する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１７－３１０３６号公報
【非特許文献】
【０００９】
Ｓｕｙａｍａｅｔａｌ．，ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００３年，第１２巻，ｐ．１２０１－１２０４
Ｍａｒｇｉｏｔｔａｅｔａｌ．，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．２００８年，第２３巻，ｐ．１２３７－１２４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１に記載されるＣ粉末としては黒鉛を用いることが想定されるが、本発明者らが検討したところ、黒鉛が溶融Ｓｉと反応してＳｉＣを生成すると体積膨張が生じ、圧粉体の形状維持が困難となることがわかってきた。
また、非特許文献２記載の技術に関し本発明者らが検討を進めたところ、有機原料を炭化してＣ原料としているためにＣ原料のかさ密度を小さくでき、Ｓｉと反応してＳｉＣを生じた際に体積膨張を生じにくいこと、他方で、フェノール樹脂の硬化反応（脱水縮合）の際に生じる水分（水蒸気）の影響で、得られる成形品には多数の空隙が生じ、やはり所望の形状を精度高く維持することが難しいことがわかってきた。
（【００１１】以降は省略されています）

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