(57)【要約】【課題】坩堝内に配置された原料の温度均一性を向上し、原料の有効活用することができるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法を提供する。【解決手段】坩堝の下部に、高熱伝導率原料からなる高熱伝導率原料層と、前記高熱伝導率原料層の上側又は下側の少なくとも一方に低熱伝導率原料からなる低熱伝導率原料層とを配置して原料部を形成し、前記高熱伝導率原料層中に原料部の最高温度がくるように加熱を行って、ＳｉＣ単結晶インゴットの成長を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華法によるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法であって、
坩堝の下部に、高熱伝導率原料を備える高熱伝導率原料層と、前記高熱伝導率原料層の上側又は下側の少なくとも一方に低熱伝導率原料を備える低熱伝導率原料層とを配置して原料部を形成し、
前記高熱伝導率原料層中に原料部の最高温度がくるように加熱を行って、ＳｉＣ単結晶インゴットの成長を行う、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【請求項２】
前記低熱伝導率原料層を、前記高熱伝導率原料層の上側と下側に配置して原料部を形成する、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【請求項３】
前記高熱伝導率原料層を構成する高熱伝導率原料粒は、前記低熱伝導率原料層を構成する低熱伝導率原料粒より粒径が大きい、請求項１又は２のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【請求項４】
前記高熱伝導率原料層は、前記低熱伝導率原料層よりも空隙率が小さい、請求項１又は２のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【請求項５】
前記坩堝内の底面に断熱材を配置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【請求項６】
前記坩堝の底部の外側に断熱材を配置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法に関する。
【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、ＳｉＣは、Ｓｉに比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため、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。
【０００３】
ＳｉＣデバイスは、昇華法等で成長させたＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られたＳｉＣ単結晶基板上に、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によってデバイスの活性領域となるエピタキシャル層（膜）を形成した、ＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製される。
なお、本明細書において、ＳｉＣウェハは、ＳｉＣ単結晶インゴットをウェハ状にスライスしたものをいい、ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣウェハにエピタキシャル膜を形成したものをいい、ＳｉＣデバイスは、ＳｉＣエピタキシャルウェハに対して素子形成したものをいう。
近年、市場の要求に伴い、ＳｉＣウェハの大口径化が求められている。そのためＳｉＣインゴット自体の大口径化、長尺化の要望も高まっている。
【０００４】
ＳｉＣ単結晶インゴット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、黒鉛製の坩堝内にＳｉＣ単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末（原料）から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きなＳｉＣ単結晶インゴットへ成長させる方法である。
【０００５】
坩堝内に収容した原料のＳｉＣは坩堝壁側から加熱されるため坩堝壁側が高温となりやすく、坩堝中心部が低温の温度分布となりやすい。この坩堝内の温度分布は、従来よりも大口径・長尺のＳｉＣインゴットを成長するために使用する、大型の坩堝で特に顕著である。坩堝内のこの温度分布により、高温に加熱される坩堝壁側付近から生じた昇華ガスが低温の中心部で結晶化してしまい、原料の有効活用が困難となる問題が生じる。すなわち、高品質なＳｉＣインゴットの成長と、高いスループットでのＳｉＣインゴットの成長と、を同時に満たすことが困難である。特に、多量の原料を必要とする大口径・長尺成長においては、坩堝中心部の結晶化が成長中盤以降の原料昇華を阻害し、成長速度を大きく低下させる。また、坩堝中心で析出した原料は、もとの粉末と状態が異なり、そのままでは再使用することができない。すなわち、大口径・長尺成長において、坩堝中心部の結晶化を抑え、原料を有効活用することが低コスト化の観点から望まれている。
【０００６】
特許文献１には、坩堝壁側と比べて温度が低くなりやすい坩堝中心部に原料を配置せずに熱伝導体を配置する構成の単結晶インゴットの製造方法および製造装置について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−５８７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されたＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法では、坩堝壁側部付近にしか原料を配置せず、一度に製造できるＳｉＣ単結晶インゴットの成長量を大きくできない。すなわち、特許文献１に記載されたＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法では、スループットが低い。
【０００９】
本発明は、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造中の坩堝内に配置された原料の温度均一性を向上し、原料の有効活用することができるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法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】
【００１０】
本発明者は、鋭意検討の結果、坩堝内に高熱伝導率の原料層と高熱伝導率の原料層の上側又は下側に低熱伝導率の原料層とを配置して原料部を形成し、高熱伝導率の原料層に最高温度がくるように加熱することで、原料部の温度分布均一性が向上することを見出した。本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。
【００１１】
（１）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、坩堝の下部に、高熱伝導率原料を備える高熱伝導率原料層と、前記高熱伝導率原料層の上側又は下側の少なくとも一方に低熱伝導率原料を備える低熱伝導率原料層とを配置して原料部を形成し、前記高熱伝導率原料層中に原料部の最高温度がくるように加熱を行って、ＳｉＣ単結晶インゴットの成長を行う。
【００１２】
（２）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、前記低熱伝導率原料層を、前記高熱伝導率原料層の上側と下側に配置して原料部を形成してもよい。
【００１３】
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法において、前記高熱伝導率原料層を構成する高熱伝導率原料粒は、前記低熱伝導率原料層を構成する低熱伝導率原料粒より粒径が大きくてもよい。
【００１４】
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法において、前記高熱伝導率原料層は、前記低熱伝導率原料層よりも空隙率が小さくてもよい。
【００１５】
（５）前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、前記坩堝内の底面に断熱材を配置してもよい。
【００１６】
（６）前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、前記坩堝の底部の外側に断熱材を配置してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
上記態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造中の坩堝内に配置された原料の温度均一性を向上し、原料の有効活用することができるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法によりＳｉＣ単結晶インゴットを製造する様子を示す断面模式図である。
【図２】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法におけるＳｉＣ原料の配置方法の一例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法におけるＳｉＣ原料の配置方法の一例を示す断面模式図である。
【図４】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法におけるＳｉＣ原料の配置方法の一例を示す断面模式図である。
【図５Ａ】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法におけるＳｉＣ単結晶インゴットを製造する様子の一例を示す断面模式図である。
【図５Ｂ】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法におけるＳｉＣ単結晶インゴットを製造する様子の一例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法によりＳｉＣ単結晶インゴットを製造している際の坩堝内の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図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質、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、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２０】
「ＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法」
本実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、昇華法によるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法であって、坩堝の下部に、高熱伝導率原料を備える高熱伝導率原料層と、高熱伝導率原料層の上側又は下側の少なくとも一方に低熱伝導率原料を備える低熱伝導率原料層とを配置して原料部を形成し、高熱伝導率原料層中に原料部の最高温度がくるように加熱を行って、ＳｉＣ単結晶インゴットの成長を行う。
【００２１】
図１は、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法でＳｉＣ単結晶インゴットを製造する様子の一例を示す断面模式図である。
昇華法は、天井部に台座１０を備える坩堝１内の台座１０上にＳｉＣ単結晶インゴットの原料からなる種結晶３を配置し、坩堝１の内定面に原料部２を充填し、坩堝１を加熱することで、原料で構成される原料部２から昇華するガス（Ｓｉ、Ｓｉ２Ｃ、ＳｉＣ２等）を種結晶３に供給し、種結晶３をより大きなＳｉＣ単結晶インゴットへ成長する方法である。
【００２２】
坩堝１の材料としては、例えば、黒鉛製、黒鉛にタンタルを被覆したもの等を用いることができる。坩堝１は、ＳｉＣ単結晶インゴット４成長時に高温となるため高温に耐えることのできる素材によって形成されている必要がある。例えば、黒鉛は昇華温度が３５５０℃と高く、成長時の高温にも耐えることができる。
【００２３】
坩堝１の加熱は坩堝１の外周を覆うように配置された加熱手段を用いて行う。加熱手段は限定されないが、例えば、高周波誘導加熱コイル５を用いて行うことができる。高周波誘導加熱コイル５に交流電圧を印加させ、坩堝１に誘導電流を生じさせ、発熱させる。よって、高周波誘導加熱コイル５に通電することで、坩堝１および坩堝１内に原料が充填された原料部２を加熱することができる。本明細書は、加熱手段として高周波誘導加熱コイル５を用いる場合を例にして記載する。
高周波誘導加熱コイル５の構成を調整することにより、坩堝１を加熱する際、坩堝１内の最高温度の点が高熱伝導率原料層２１内に存在するように加熱することが可能となる。例えば、高周波誘導加熱コイル５の高さを高熱伝導率層２１の高さに合わせて調節することで、前述の加熱が可能となる。高周波誘導加熱コイル５の高さは、坩堝１内の最高温度の点が高熱伝導率原料層２１の上下方向の中心位置となるように調整することが、温度分布の観点から好ましい。
図１に示す原料部２の場合、高熱伝導率原料層２１の原料の占める割合が最も高い。そのため、ＳｉＣ単結晶インゴット４の成長速度は高熱伝導率原料層２１の原料の昇華速度に大きく依存する。従って、坩堝１内の最高温度の点が高熱伝導率原料層２１に存在するように加熱することで、ＳｉＣ単結晶インゴット４の成長速度を高めることができる。
また、以下に示すが、低熱伝導率原料層２２（および２３）は、高熱伝導率原料層２１から、より低温側の上部または下部へ熱が流れ出ることを防止する断熱材の役割をし、高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性を向上させる。高熱伝導率原料層２１の温度分布が均一であると、原料を有効活用することができる。低熱伝導率原料層２２（および２３）が坩堝１内の最高温度の点になると、前述の断熱効果が充分に得られなくなるため、坩堝１内の最高温度の点は、高熱伝導率原料層２１内に存在するように坩堝１を加熱する。
【００２４】
坩堝１の周囲は図示しないチャンバーにより覆われている。チャンバーは、ガス導入口とガス排出口とを備える。ガス導入口は、アルゴンやドーパントガス等をチャンバー内に供給する。ガス排出口は、チャンバー内からこれらのガスを排出する。チャンバーの材料は、例えば、石英、ステンレス等を用いることができるが、高真空度を保つことの出来るものであればこれらに限定されない。
【００２５】
図２は、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法において、坩堝１内の原料部２の原料の収容状態を模式的に示した断面模式図である。
原料部２は２層に分かれて積層されている。種結晶３に近い側から順に低熱伝導率原料層２２、高熱伝導率原料層２１であり、どちらもＳｉＣ単結晶インゴット４の原料で形成される。低熱伝導率原料層２２は、高熱伝導率原料層２１を形成する原料よりも熱伝導率の低い原料で形成されている。なお、図中では、高熱伝導率原料層２１及び低熱伝導率原料層２２は層状に分離されているが、これはあくまでも模式図であり、実際には、高熱伝導率原料層２１を収容し、次いで低熱伝導率原料層２２を収容したときに生じる収容状態（積層状態）となっている。
【００２６】
原料部２を図２のように収容することで、高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性を向上することができる。また、高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性が向上することにより原料を有効活用することができる。
【００２７】
図３および図４は、本発明の他の実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法において、坩堝１内の原料部２の収容状態を模式的に示した断面模式図である。
図３に示すように、種結晶３に近い側から順に高熱伝導率原料層２１、低熱伝導率原料層２２を配置してもよい。当該構成でも、高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性を向上し、原料を有効活用することができる。
【００２８】
好ましくは、図４に示すように高熱伝導率原料層２１の上側に低熱伝導率原料層２２を配置し、さらに、高熱伝導率原料層２１の下側に低熱伝導率原料層２３を積層する。低熱伝導率原料層２２および２３を高熱伝導率原料層２１の上側および下側に配置することで、高熱伝導率原料層２１の上側または下側のどちらかに積層した場合と比べて高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性を一層向上することができる。従って、より原料を有効活用することができる。
【００２９】
高熱伝導率原料層２１は、低熱伝導率原料層２２および２３よりも熱伝導率が高くなるように原料を配置することによって形成することができる。低熱伝導率原料層２２および２３よりも熱伝導率の高くなるように原料を配置するとは、例えば、低熱伝導率原料層２２および２３と比して、粒径の大きい原料を配置することや、空隙率が小さくなるように原料を配置すること等ができる。
【００３０】
粒径の大きいものとは、例えば、粒径が３００〜８００μｍ程度のＳｉＣ原料のことをいう。
【００３１】
充填したＳｉＣ粉末原料の実効的な熱伝導率ｋeffは以下の［数１］の式によって、理論的に求めることができる（Ｑ.Ｓ. Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ.／Ｊｏｕｒｎａｌ ＯＦ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２３０  （２００１）  ２３９‐２４６）。
【００３２】
【数１】
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（εp：空隙率、ε：輻射率、ｄｐ：平均粒径、ｋsic：ＳｉＣの熱伝導率、ｋgas：ガスの熱伝導率、Ｔ：温度、σ：ステファンボルツマン定数）
【００３３】
熱伝導率を変更する方法の１つには、ＳｉＣ原料粉末の平均粒径を変更する方法がある。粒径の大きなＳｉＣ原料粉末を使用することで、熱伝導率を大きくすることができる。
また、［数１］から示される通り、空隙率を変更することも熱伝導率を変更する方法の１つである。そのため、本実施形態において、空隙率を変更することで、ＳｉＣ原料の熱伝導率を変更しても良い。
【００３４】
ＳｉＣ単結晶成長で使用するような温度域２０００℃〜２５００℃においては、空隙率を大きくするほど原料の熱伝導率は小さくなる。
【００３５】
高熱伝導率原料層には、短時間加熱したＳｉＣ原料を配置してもよい。原料は、短時間加熱すると、原料粒子の一部が癒着し、疑似的に平均粒径が大きくなる。すなわち、ＳｉＣ原料は短時間加熱することにより、熱伝導率が向上する。
【００３６】
高熱伝導率原料層２１は低熱伝導率原料層２２および２３よりも熱伝導率が高くなるように配置されればよく、原料の配置のされ方は限定されない。
高熱伝導率原料層２１の熱伝導率は、低熱伝導率原料層２２および２３と比して高いほど好ましい。
高熱伝導率原料層２１の厚みは、適宜選択できるが、高熱伝導率層は厚い方が好ましく、たとえば低熱伝導率層の２倍〜１０倍であることが好ましい。
【００３７】
低熱伝導率原料層２２および２３には、高熱伝導率原料層２１よりも熱伝導率が低くなるように原料を配置することができる。高熱伝導率原料層２１よりも熱伝導率の低くなるように原料を配置するとは、高熱伝導率原料層２１と比して、粒径の小さな原料を配置することや、空隙率が大きくなるように原料を配置することができる。長時間加熱したＳｉＣ単結晶インゴットの原料を配置してもよい。粒径や温度等によって所定時間が異なるが、ＳｉＣ原料は所定時間以上の時間で加熱されると、熱伝導率が低下する。ＳｉＣは加熱されることによって、蒸気圧の高いＳｉから優先的に脱離し昇華する。そのため、加熱昇華によって原料残渣は徐々にポーラスカーボン状になっていく。この状態変化は、［数１］における空隙率εｐの増加および粒径ｄｐの減少を意味し、原料の熱伝導率を低下させることになる。すなわち、このポーラスカーボン状となった原料残渣を低熱伝導率原料層２２または２３として使用してもよい。
低熱伝導率原料層２２および２３と、高熱伝導率原料層２１と、の熱伝導率の差は大きいほど好ましい。
低熱伝導率原料層２２および２３は、断熱効果を維持できるかぎり薄くすることが好ましい。
低熱伝導率原料層２２を高熱伝導率原料層２１の上側に形成する場合は、ポーラスな材質を用いることが好ましい。当該構成により、原料部２から昇華したガスを透過しやすくすることができる。
【００３８】
高熱伝導率原料層２１、低熱伝導率原料層２２および２３は、収容条件に合わせて、高熱伝導率原料層２１の温度分布均一性が向上するように、適宜選択することができる。
【００３９】
図５は、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法でＳｉＣ単結晶インゴットを成長させる様子の一例を示す断面模式図である。図５に示すように、原料部２と坩堝１との間には、断熱材３０を配置することが好ましい。断熱材３０を配置することにより、原料部２の熱が外部に逃げることを抑制する。そのため、外部から与える熱量の低減および原料部２の温度分布均一性の向上をすることができる。
【００４０】
また、断熱材３０は図５（Ａ）のように坩堝１の内部に配置してもよく、図５（Ｂ）のように坩堝１の外部に配置してもよい。好ましくは、ポーラスな材料を用いると空隙内にＳｉＣが析出することで熱伝導率に変化が起こる場合があるため、外部に配置する。
【００４１】
断熱材３０には、公知のものを使用することができる。好ましくは、低熱伝導率原料層よりも熱伝導率の小さい断熱材およびＳｉまたはＣで形成される断熱材３０を用いる。ＳｉまたＣからなる断熱材３０を用いることで、成長させるＳｉＣ単結晶インゴット４に不純物が混入することを抑制することができる。断熱材３０としては、例えば、フェルトや、可撓性黒鉛材、成型断熱材等を用いることができるが、これらに限定されない。また断熱材３０として、公知の断熱材を組み合わせて用いても良い。例えば、原料に近い側から順に、カーボン板、フェルト、可撓性黒鉛材等を組み合わせて配置してもよい。
【００４２】
図６は、本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法に用いられる製造装置において、坩堝１の周囲を囲む高周波誘導加熱コイル５により坩堝１を加熱した場合の坩堝内の温度分布のシミュレーションを行った結果を示す。薄い色の領域ほど高温であり、濃い色の領域ほど低温である。
このシミュレーションは、ＳＴＲ−Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ社製の気相結晶成長解析ソフト「Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ」を用いて行った。
シミュレーションに用いたモデルにおける坩堝１内の原料部２の収容状態は、（Ａ）は図２に示される収容状態であり、（Ｂ）は図３に示される収容状態であり、（Ｃ）は図４に示される収容状態であり、（Ｄ）は比較例として原料部２が単層に収容されたものである。尚、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示される領域は、図２〜図４の破線部の領域である。図６（Ｄ）に示される領域は、坩堝１の内底部に高熱伝導率原料層２１のみを充填したとき、図２の破線部に対応する領域である。
坩堝１および坩堝１の内部の構成は中心軸に対して対称に構成されるため、シミュレーション結果は坩堝１内全体の温度分布として扱うことができる。
【００４３】
シミュレーションにおいて高熱伝導率原料層２１の原料の熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋとし、低熱伝導率原料層２２および２３の熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋとした。比較例（Ｄ）の原料部２はすべて熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋの原料が収容されたものとする。
【００４４】
図６中の矢印は、坩堝１の原料が配置された領域の中心軸上において温度が２２７５℃である最端部の点を指す。配置された原料２は、高周波誘導加熱コイル５に近い領域程高温となるため図６中の矢印と矢印との間隔が広いもの程、坩堝内の温度分布均一性が高い。従って、シミュレーションの結果から、図２〜図４に示される原料の収容状態は、原料部２を単層に収容した場合よりも温度分布均一性が高いことがわかる。尚、温度分布均一性を高くするためには、図２および図４に示される収容状態が好ましく、図４に示される収容状態がより好ましい。
【００４５】
上述のように、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法によれば、高品質なＳｉＣ単結晶インゴットを従来の技術よりも高いスループットで成長することができる。すなわち、原料の有効活用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１    坩堝
２    原料部
３    種結晶
４    単結晶インゴット（ＳｉＣ単結晶インゴット）
５    高周波誘導加熱コイル
１０  台座
２１  高熱伝導率原料層
２２  低熱伝導率原料層
２３  低熱伝導率原料層
３０  断熱材
【図１】
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【図２】
2020083704.tif 000005
【図３】
2020083704.tif 000006
【図４】
2020083704.tif 000007
【図５Ａ】
2020083704.tif 000008
【図５Ｂ】
2020083704.tif 000009
【図６】
2020083704.tif 000010