(57)【要約】【課題】結晶成長用容器の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるＳｉＣ単結晶製造装置を提供する。【解決手段】ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器と、前記結晶成長用容器を覆い、貫通孔を有する断熱材と、前記結晶成長用容器を加熱する加熱器と、前記貫通孔を介して、前記結晶成長用容器の温度を測定する温度測定器と、を備え、前記断熱材の前記貫通孔の内壁面が、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆されているＳｉＣ単結晶製造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器と、
前記結晶成長用容器を覆い、貫通孔を有する断熱材と、
前記結晶成長用容器を加熱する加熱器と、
前記貫通孔を介して、前記結晶成長用容器の温度を測定する温度測定器と、を備え、
前記断熱材の前記貫通孔の内壁面が、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆されていることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造装置。
【請求項２】
前記耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物が、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ニオブ、チタン、ジルコニウム、タングステン、バナジウムからなる群より選択される少なくとも一種の金属の炭化物又は窒化物である請求項１に記載のＳｉＣ単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。
【０００３】
ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板上に化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）を用いてＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって製造される。
【０００４】
ＳｉＣ単結晶基板は、ＳｉＣ単結晶を切り出して作製する。このＳｉＣ単結晶を製造する方法の一つとして、昇華法が広く知られている。昇華法は、種結晶をより大きなＳｉＣ単結晶へ成長させる方法である。昇華法では、一般に、ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器（るつぼ）を用いる。この結晶成長用容器を加熱して、ＳｉＣ原料を昇華させ、生成した昇華ガスを、種結晶に供給することによって種結晶をＳｉＣ単結晶へ成長させる。ＳｉＣ原料を昇華させるときの温度は、通常、２０００℃以上と高温である。この結晶成長用容器の熱の拡散を抑えて、容器内部の温度を一定に維持するために、結晶成長用容器は断熱材で被覆されている。断熱材としては、炭素繊維を３次元的に配向させた炭素繊維フェルトが一般的に利用されている。
【０００５】
昇華法を用いて、サイズが大きく、高品位なＳｉＣ単結晶を製造するためには、結晶成長用容器の内部温度が適切な範囲となるように温度管理することが必要となる。このため、上記の断熱材の厚み方向に温度測定用の貫通孔（測温孔）を設けて、放射温度計を用いて、結晶成長用容器の温度を測定することが行われている。
【０００６】
しかしながら、断熱材に設けた貫通孔は、ＳｉＣ単結晶の製造中に閉塞することがある。すなわち、結晶成長用容器から昇華ガスが外部に漏出し、その漏出した昇華ガスが断熱材の貫通孔の内壁面に接触して冷却されることによって、ＳｉＣが析出して、貫通孔を閉塞することがある。特に、断熱材として一般的に使用されている炭素繊維フェルトでは、貫通孔の内壁面に炭素繊維が露出して、凹凸が多くなるため、ＳｉＣが析出しやすい傾向がある。
【０００７】
ＳｉＣの析出による貫通孔の閉塞を抑えるために、特許文献１には、断熱材の温度測定用の貫通孔の内周に、断熱材の他の部分よりもかさ密度が高く、かつ、研磨された内壁部を形成することが開示されている。この特許文献１には、内壁部の材質の例として黒鉛（グラファイト）が記載されている。
特許文献２には、断熱材の貫通孔に、黒鉛製の円筒状部材を配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２０６８７５号公報
【特許文献２】特開２０１７−１５４９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
断熱材の貫通孔の内壁面へのＳｉＣの析出を抑えるために、貫通孔の内壁面を被覆材で被覆して炭素繊維の露出を抑えることは有用な方法である。しかしながら、本発明者の検討によると、断熱材の貫通孔の内壁面を、特許文献１、２に記載されている黒鉛で被覆すると、時間の経過とともに、貫通孔の内壁面にＳｉＣが析出しやすくなることがあることが判明した。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、断熱材の貫通孔の内壁面へのＳｉＣの析出が抑えられ、結晶成長用容器の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるＳｉＣ単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、断熱材の貫通孔の内壁面を、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆することによって、上記の課題を解決することが可能となることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１２】
（１）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶製造装置は、ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器と、前記結晶成長用容器を覆い、貫通孔を有する断熱材と、前記結晶成長用容器を加熱する加熱器と、前記貫通孔を介して、前記結晶成長用容器の温度を測定する温度測定器と、を備え、前記断熱材の前記貫通孔の内壁面が、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆されていることを特徴とする。
【００１３】
（２）上記態様に係るＳｉＣ単結晶製造装置において、前記耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物が、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ニオブ、チタン、ジルコニウム、タングステン、バナジウムからなる群より選択される少なくとも一種の金属の炭化物又は窒化物である構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、断熱材の貫通孔の内壁面へのＳｉＣの析出が抑えられ、結晶成長用容器の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるＳｉＣ単結晶製造装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
図１に示すＳｉＣ単結晶成長装置１０１は、結晶成長用容器１０と、断熱材２０と、加熱器３０と、温度測定器４０とを備える。
【００１８】
結晶成長用容器１０は、原料収容部１１と蓋部１２とを有する。原料収容部１１は、ＳｉＣ原料１を収容する。蓋部１２は、種結晶２を支持する種結晶支持部１３が配置されている。原料収容部１１と蓋部１２の材料としては、例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。
【００１９】
断熱材２０は、結晶成長用容器１０を覆うように、結晶成長用容器１０の周囲に配置されている。断熱材２０は、蓋部１２を覆う頂部２０aに貫通孔２１が形成されている。断熱材２０としては、特に制限はなく、炭素繊維フェルトなどのＳｉＣ単結晶製造装置用の断熱材として利用されている公知の断熱材を用いることができる。
【００２０】
断熱材２０の貫通孔２１の内壁面は、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材２２で被覆されている。耐熱性金属炭化物及び耐熱性金属窒化物は、融点又は分解温度が１９００℃以上で、且つ昇華ガス（主にＳｉ、Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２）との反応性が乏しいものであることが好ましい。貫通孔の内壁面を、黒鉛を含む被覆材で被覆した場合は、貫通孔の内壁面（黒鉛）と昇華ガスとが接触することによって、反応が進行し部分的に分解することによって、内壁面に凹凸が形成され、その凹凸を起点としてＳｉＣが析出しやすくなると考えられる。これに対して、上記の耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材２２で被覆した場合は、貫通孔２１の内壁面と昇華ガスとが接触しても、反応が起こりにくいので、内壁面に凹凸が形成されにくい。このため、貫通孔２１の内壁面に長期間にわたって、ＳｉＣが析出しにくくなる。
【００２１】
耐熱性金属炭化物及び耐熱性金属窒化物は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、からなる群より選択される少なくとも一種の金属の炭化物又は窒化物である好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆは第４族元素であり、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａは第５族元素であり、Ｍｏ、Ｗは第６族元素である。これらの第４族〜第６族の元素は融点が高く、その炭化物又は窒化物は耐熱性が高く、化学的に安定である。よって、これらの第４族〜第６族の元素の炭化物又は窒化物を被覆材２２の材料として用いることによって、昇華ガスと接触しても、被覆材２２に凹凸が生成しにくくなる。
【００２２】
貫通孔２１の内壁面に被覆材２２を形成する方法としては、例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＣＶＲ法を用いることができる。また、被覆材２２を形成する方法として、貫通孔２１の内壁面に金属の薄膜を形成し、次いでその金属薄膜を炭化物又は窒化物に変化させる方法を用いることができる。被覆材２２の厚さは、特に制限はないが、一般に０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内である。
【００２３】
加熱器３０としては、特に制限はなく、抵抗加熱器や誘導加熱器などのＳｉＣ単結晶製造装置用の加熱器として利用されている公知の加熱器を用いることができる。なお、図1に示す加熱器３０は、高周波コイルを用いた誘導加熱器である。
【００２４】
温度測定器４０は、貫通孔２１を介して、蓋部１２の温度を測定する非接触式温度測定器である。温度測定器４０としては、放射温度計を用いることができる。
【００２５】
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０１では、加熱器３０によって結晶成長用容器１０が加熱される。この加熱によって、結晶成長用容器１０の原料収容部１１に収容されたＳｉＣ原料１が昇華して昇華ガスが生成する。昇華ガスは、蓋部１２の種結晶支持部１３に支持された種結晶２に接触して種結晶２をＳｉＣ単結晶へ成長させる。
【００２６】
一方、結晶成長用容器１０から流出した昇華ガスは、結晶成長用容器１０と断熱材２０との間を介して、断熱材２０の貫通孔２１を通過する。本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０１では、貫通孔２１の内壁面が被覆材２２で被覆されているので、昇華ガスが貫通孔２１の内壁面（被覆材２２）と接触しても、反応が起こりにくい。このため、貫通孔２１の内壁面（被覆材２２）は長期間にわたって、平滑性が高い状態で維持され、ＳｉＣの析出による閉塞が起こりにくい。よって、温度測定器４０により、結晶成長用容器１０の蓋部１２の温度を長期間にわたって安定して測定することができ、これより、結晶成長用容器１０の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができる。
【００２７】
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０１によれば、結晶成長用容器１０の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるので、サイズが大きく、高品位なＳｉＣ単結晶を製造することが可能となる。
【００２８】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
図２に示すＳｉＣ単結晶成長装置１０２は、断熱材２０の頂部２０ａの結晶成長用容器１０側の面（内側面）が被覆材２３で被覆されている点で、上記第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０１と相違する。なお、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０２と上記第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０１とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
被覆材２３は、被覆材２２と同じ材料で形成することが好ましい。被覆材２３は、被覆材２２と連続していることが好ましい。
【００３０】
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０２によれば、断熱材２０の頂部２０ａの内側面にＳｉＣが析出しにくくなる。このため、断熱材２０の内側面に析出したＳｉＣを起点してＳｉＣが成長して、貫通孔２１が閉塞することが抑制される。
【００３１】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
図３に示すＳｉＣ単結晶成長装置１０３は、断熱材２０の頂部２０ａの結晶成長用容器１０側と反対側の面（外側面）が被覆材２４で被覆されている点で、上記第２実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０２と相違する。なお、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０３と上記第２実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０２とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
被覆材２４は、被覆材２２及び被覆材２３と同じ材料で形成することが好ましい。被覆材２４は、被覆材２２及び被覆材２３と連続していることが好ましい。
【００３３】
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０３によれば、断熱材２０の頂部２０ａの外側面にＳｉＣが析出しにくくなる。このため、断熱材２０の外側面に析出したＳｉＣを起点してＳｉＣが成長して、貫通孔２１が閉塞することが抑制される。
【００３４】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置の断面模式図である。
図４に示すＳｉＣ単結晶成長装置１０４は、断熱材２０の頂部２０ａに、２つの貫通孔２１ａ、２１ｂが形成されて、２つの温度測定器４０ａ、４０ｂがそれぞれ、貫通孔２１ａ、２１ｂを介して結晶成長用容器１０の蓋部１２の温度を測定できるようにされている点で上記第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０１と相違する。なお、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０４と上記第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長装置１０１とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長装置１０４によれば、結晶成長用容器１０の蓋部１２の温度を２カ所で測定することができるので、結晶成長用容器１０の内部温度の分布を管理することができる。また、２つの貫通孔２１ａ、２１ｂは、それぞれ被覆材２２で被覆されているので、長期間にわたって安定して、結晶成長用容器１０の内部温度の分布を管理することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、断熱材２０の頂部２０ａに、２つの貫通孔２１ａ、２１ｂが形成されているが、この貫通孔の数に制限はない。例えば、貫通孔の数を３個以上としてもよい。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について、貫通孔２１を断熱材２０の頂部２０ａに形成した場合を例にとって説明したが、貫通孔２１の形成場所は特に制限はない。例えば、貫通孔２１を、断熱材２０の底部あるいは側部に形成してもよい。
【実施例】
【００３８】
［実施例１］
炭素繊維フェルト製の断熱材を用意した。この断熱材の頂部に貫通孔（内径：３０ｍｍ）を１つ形成し、その貫通孔の内壁面にＴａＣからなる被覆材（厚さ：０．０３０ｍｍ）を形成した。被覆材は、蒸着法により形成した。この断熱材を用いて、図１に示す構成のＳｉＣ単結晶製造装置を作製した。
【００３９】
［実施例２］
断熱材の貫通孔の内壁面と、断熱材の頂部の内側面にＴａＣからなる被覆材を形成したこと以外は実施例１と同様にして、図２に示す構成のＳｉＣ単結晶製造装置を作製した。
【００４０】
［実施例３］
断熱材の貫通孔の内壁面と、断熱材の頂部の内側面及び外側面にＴａＣからなる被覆材で被覆したこと以外は実施例１と同様にして、図３に示す構成のＳｉＣ単結晶製造装置を作製した。
【００４１】
［比較例１］
貫通孔の内壁面を被覆材で被覆しなかったこと以外は実施例１と同様にして、ＳｉＣ単結晶製造装置を作製した。
【００４２】
［比較例２］
断熱材の頂部に貫通孔（内径：４０ｍｍ）を１つ形成し、その貫通孔の内壁面に黒鉛から被覆材（厚さ：５ｍｍ）を形成したこと以外は、実施例１と同様にしてＳｉＣ単結晶製造装置を作製した。黒鉛からなる被覆材は、黒鉛ペーストを貫通孔の内壁面に塗布し、次いで黒鉛ペーストを乾燥した後、黒鉛表面を研磨することによって形成した。
【００４３】
［評価］
（断熱材の貫通孔の閉塞時間）
下記の製造方法よりＳｉＣ単結晶を製造しながら、温度測定器（パイロメーター）を用いて、貫通孔を介して蓋部の温度を測定した。ＳｉＣ単結晶の製造開始（加熱器による加熱開始）から、貫通孔が閉塞して、温度測定器にて蓋部の温度を測定できなくなるまでの時間を閉塞時間として計測した。
【００４４】
（ＳｉＣ単結晶の製造方法）
ＳｉＣ単結晶製造装置の結晶成長用容器の原料収容部にＳｉＣ原料を投入し、蓋部の種結晶支持部に種結晶を配置した。次いで、加熱器の電源を入れ、蓋部の温度が２０００℃以上となるように加熱した。
【００４５】
【表１】
2020040845.tif 000003
【００４６】
上記表１に示すように、断熱材の貫通孔の内壁面に、耐熱性金属炭化物であるＴａＣからなる被覆材を形成した実施例１〜３は、ＳｉＣ単結晶の製造開始から３００時間経過しても、貫通孔は閉塞しなかった。これに対して、内壁面に被覆材を形成しなかった比較例１は、閉塞時間が１００時間であった。また、内壁面に黒鉛からなる被覆材を形成した比較例２は閉塞時間が２００時間であり、実施例１〜３と比較すると短くなった。
【００４７】
比較例２の閉塞時間が実施例１〜３と比較して短くなったのは、貫通孔の内壁面（黒鉛）と昇華ガスとが接触することによって、反応が進行し部分的に分解することによって、内壁面に凹凸が形成され、その凹凸を起点としてＳｉＣが析出したためであると考えられる。これに対して、実施例１〜３では、被覆材が耐熱性金属炭化物であるＴａＣからなり、昇華ガスと接触しても反応が起こりにくいので、貫通孔の内壁面に凹凸が形成されにくい。このため、実施例１〜３は閉塞時間が長くなったと考えられる。
【００４８】
また、ＳｉＣ単結晶の製造後、断熱材の頂部の内側面を観察したところ、実施例２と実施例３の断熱材は、断熱材の頂部の内側面にＳｉＣの析出物が見られなかった。この結果から、特に、実施例２と実施例３では断熱材の劣化が抑制され、安定してサイズが大きく、高品位なＳｉＣ単結晶を製造することが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００４９】
１  ＳｉＣ原料
２  種結晶
１０  結晶成長用容器
１１  原料収容部
１２  蓋部
１３  種結晶支持部
２０  断熱材
２０a  頂部
２１、２１ａ、２１ｂ  貫通孔
２２  被覆材
２３  被覆材
２４  被覆材
３０  加熱器
４０、４０ａ、４０ｂ  温度測定器
１０１、１０２、１０３、１０４  ＳｉＣ単結晶成長装置
【図１】
2020040845.tif 000004
【図２】
2020040845.tif 000005
【図３】
2020040845.tif 000006
【図４】
2020040845.tif 000007