(57)【要約】【課題】坩堝の内側面上に形成された金属炭化物を含む膜の割れを抑制することができる炭化珪素単結晶の製造装置を提供する。【解決手段】本開示の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第１部分と第２部分とを有する坩堝と、第１膜と、第２膜とを備える。坩堝は、グラファイト製である。第１部分には、炭化珪素原料が収納される。第２部分は、第１部分の上端に連なっている。第１膜は、グラファイトよりも硬度が低い炭素材料で第２部分の内側面上に形成されている。第２膜は、第１膜上に形成され、かつ金属炭化物を含有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素原料を収納する第１部分と、前記第１部分の上端に連なる第２部分とを有するグラファイト製の坩堝と、
前記グラファイトよりも硬度が低い炭素材料で前記第２部分の内側面上に形成された第１膜と、
前記第１膜上に形成され、かつ金属炭化物を含有する第２膜とを備える、炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記第１膜の厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記第２膜の厚みは１０μｍ以上２００μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記坩堝は、前記第２部分の前記内側面から突出するように形成された突出部をさらに有し、
前記突出部は、上面を含み、
前記第１膜は、前記突出部よりも上方にある前記第２部分の前記内側面上及び前記上面上に形成されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記突出部は、下面をさらに含み、
前記下面は、前記炭化珪素原料に対して露出されている、請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特開２０１３−７５８１４号公報（特許文献１）に記載の黒鉛坩堝が知られている。特許文献１に記載の黒鉛坩堝の内側面上には、金属炭化物を含有する膜が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７５８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示の目的は、坩堝の内側面上に形成された金属炭化物を含む膜の割れを抑制することができる炭化珪素単結晶の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、坩堝と、第１膜と、第２膜とを備える。坩堝は、グラファイト製である。坩堝は、第１部分と、第２部分とを有している。第１部分には、炭化珪素原料が収納される。第２部分は、第１部分の上端に連なっている。第１膜は、グラファイトよりも硬度が低い炭素材料で第２部分の内側面上に形成されている。第２膜は、第１膜上に形成され、かつ金属炭化物を含有している。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造装置によると、金属炭化物を含有する第２膜の割れを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の断面図である。
【図２】図１の領域ＩＩにおける拡大図である。
【図３】第１実施形態に係る第１膜及び第２膜の形成方法を示す工程図である。
【図４】第１塗布工程における第１実施形態に係る坩堝の部分的な断面図である。
【図５】炭化工程における第１実施形態に係る坩堝の部分的な断面図である。
【図６】第２塗布工程における第１実施形態に係る坩堝の部分的な断面図である。
【図７】比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置の部分的な断面図である。
【図８】第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
【０００９】
（１）本開示の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第１部分と第２部分とを有する坩堝と、第１膜と、第２膜とを備える。坩堝は、グラファイト製である。第１部分には、炭化珪素原料が収納される。第２部分は、第１部分の上端に連なっている。第１膜は、グラファイトよりも硬度が低い炭素材料で第２部分の内側面上に形成されている。第２膜は、第１膜上に形成され、かつ金属炭化物を含有している。
【００１０】
上記（１）の炭化珪素単結晶の製造装置によると、第２膜の割れを抑制することができる。
【００１１】
（２）上記（１）の炭化珪素単結晶の製造装置において、第１膜の厚さは、１０μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。
【００１２】
上記（２）の炭化珪素単結晶の製造装置によると、第２膜の割れをさらに抑制することができる。
【００１３】
（３）上記（１）又は（２）の炭化珪素単結晶の製造装置において、第２膜の厚さは、１０μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。
【００１４】
上記（３）の炭化珪素単結晶の製造装置によると、第２膜の割れをさらに抑制することができる。
【００１５】
（４）上記（１）〜（３）の炭化珪素単結晶の製造装置において、坩堝は、第２部分の内側面から突出する突出部をさらに有していてもよい。突出部は、上面を含んでいてもよい。第１膜は、突出部よりも上方にある第２部分の内側面上及び上面上に形成されていてもよい。
【００１６】
上記（４）の炭化珪素単結晶の製造装置によると、第２膜の割れを抑制することが可能となる。
【００１７】
（５）上記（４）の炭化珪素単結晶の製造装置において、突出部は、下面をさらに含んでいてもよい。下面は、炭化珪素原料に対して露出されている。
【００１８】
上記（５）の炭化珪素単結晶の製造装置によると、第１膜及び第２膜で突出部の下面からの輻射による炭化珪素原料の加熱が妨げられてしまうことを抑制できる。
【００１９】
［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。
【００２０】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の構成を説明する。
【００２１】
図１は、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の断面図である。図２は、図１の領域ＩＩにおける拡大図である。図１及び図２に示されるように、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、坩堝１と、第１膜２と、第２膜３とを有している。なお、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、ヒータ４と、筐体５とをさらに有している。
【００２２】
坩堝１は、グラファイト製である。坩堝１は、第１部分１１と、第２部分１２とを有している。第１部分１１は、炭化珪素原料６が収納される部分である。炭化珪素原料６は、例えば、多結晶炭化珪素の粉末である。第１部分１１は、例えば、下端が底壁１３で閉塞された筒状の形状を有している。第２部分１２は、第１部分１１の上端に連なっている。第２部分１２は、例えば、筒状の形状を有している。第２部分１２は、内側面１２ａを有している。
【００２３】
坩堝１は、台座１４をさらに有している。台座１４は、第２部分１２の上端に配置されている。種結晶７は、台座１４に固定されることにより、坩堝１の内部に収納されている。種結晶７は、炭化珪素単結晶である。
【００２４】
第１膜２は、炭素材料で構成されている。第１膜２は、例えば有機材料を炭化させた膜である。第１膜２は、フォトレジストを炭化させた膜であってもよい。第１膜２を構成する炭素材料は、坩堝１を構成するグラファイトよりも硬度が低い。坩堝１を構成する炭素材料及び坩堝１を構成するグラファイトの硬度は、ＩＳＯ１４５７７に準拠したナノインデンテーション法で測定される。
【００２５】
第１膜２を構成する炭素材料は、坩堝１を構成するグラファイトよりも密度が低い。第１膜２を構成する材料及び坩堝１を構成するグラファイトの密度が高くなるほど、第１膜２を構成する材料及び坩堝１を構成するグラファイトの硬度が高くなる。そのため、第１膜２を構成する材料及び坩堝１を構成するグラファイトの硬度を測定し、それらを対比することで、第１膜２を構成する材料の密度と坩堝１を構成するグラファイトの密度との大小関係を決定することができる。第１膜２の厚さＴ１は、１０μｍ以上２００μｍである。
【００２６】
第１膜２は、内側面１２ａ上に形成されている。なお、第１膜２は、内側面１２ａの少なくとも一部の上に形成されていればよく、第１膜２が内側面１２ａの全てを覆っている必要はない。
【００２７】
底壁１３から台座１４に向かう方向を、高さ方向という。坩堝１は、高さ方向において第１位置Ｐ１よりも下方に炭化珪素材料を収納するように構成されている。坩堝１は、高さ方向において第２位置Ｐ２に種結晶７を保持するように構成されている。第１膜２は、第１位置Ｐ１よりも上方かつ第２位置Ｐ２よりも下方にある内側面１２ａ上に形成されていることが好ましい。なお、「下方」とは、高さ方向において比較対象となる位置よりも底壁１３に近い位置にあることをいい、「上方」とは高さ方向において比較対象となる位置よりも台座１４に近い位置にあることをいう。
【００２８】
第２膜３は、金属炭化物を含有している。金属炭化物は、例えば、炭化タンタル（ＴａＣ又はＴａ２Ｃ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ又はＮｂ２Ｃ）、炭化タングステン（ＷＣ又はＷ２Ｃ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ又はＨｆ２Ｃ）等である。但し、金属炭化物はこれに限られるものではなく、融点がグラファイトよりも高いものであればよい。第２膜３は、例えば、金属炭化物の焼結膜である。
【００２９】
第２膜３は、第１膜２上に形成されている。なお、第２膜３は、第１膜２上に形成されていない部分を有していてもよい。すなわち、第２膜３のある部分が第１膜２上に形成されていれば、第２膜３の他の部分が第１膜２上に形成されていなくても（第１膜２を介さずに内側面１２ａ上に直接形成されていても）、「第２膜３が第１膜２上に形成されている」ことになる。第２膜３の厚さＴ２は、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
ヒータ４は、坩堝１の周囲に配置されている。より具体的には、ヒータ４は、第１部分１１及び第２部分１２の外周を取り囲むように配置されている。ヒータ４は、さらに、底壁１３及び台座１４の近傍に配置されていてもよい。ヒータ４は、グラファイト等の導電性の材料で形成されており、通電されることにより発熱する。この発熱により、坩堝１の温度が上昇し、炭化珪素原料６が昇華する。昇華した炭化珪素原料６が台座１４に固定された種結晶７の表面において再結晶化することにより、種結晶７上に炭化珪素単結晶が成長する。すなわち、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、昇華法に用いられる炭化珪素単結晶の製造装置である。筐体５は、坩堝１及びヒータ４を収納している。
【００３１】
第１膜２及び第２膜３の形成方法を説明する。
図３は、第１実施形態に係る第１膜２及び第２膜３の形成方法を示す工程図である。図３に示されるように、第１膜２及び第２膜３は、第１塗布工程Ｓ１、炭化工程Ｓ２、第２塗布工程Ｓ３及び焼結工程Ｓ４にしたがって形成される。
【００３２】
図４は、第１塗布工程Ｓ１における第１実施形態に係る坩堝１の部分的な断面図である。図４に示されるように、第１塗布工程Ｓ１においては、内側面１２ａ上に第３膜２ａが塗布される。第３膜２ａは、例えば、フォトレジスト等の有機膜である。
【００３３】
図５は、炭化工程Ｓ２における第１実施形態に係る坩堝１の部分的な断面図である。図５に示されるように、炭化工程Ｓ２においては、第３膜２ａが炭化されることにより、第１膜２が形成される。第３膜２ａの炭化は、不活性ガス雰囲気下において坩堝１を所定の温度に昇温することにより行われる。不活性ガスは、例えば窒素（Ｎ２）ガスである。所定の温度は、例えば５００℃である。
【００３４】
図６は、第２塗布工程Ｓ３における第１実施形態に係る坩堝１の部分的な断面図である。図６に示されるように、第２塗布工程Ｓ３においては、第１膜２上に第４膜３ａが塗布される。第４膜３ａは、例えば、金属炭化物の粉末を含有するスラリーである。
【００３５】
焼結工程Ｓ４においては、第４膜３ａが焼結されることにより、第２膜３が形成される。第４膜３ａの焼結は、坩堝１を所定の温度に昇温することにより行われる。所定の温度は、例えば２０００℃である。以上の工程により、第１膜２及び第２膜３が形成された坩堝１の構造（図１及び図２参照）が形成される。
【００３６】
第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の効果を、比較例と対比しながら説明する。
【００３７】
比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第１膜２を除き、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置と同一の構成となっている。図７は、比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置の部分的な断面図である。図７に示すように、比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第１膜２を有していない。すなわち、比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、内側面１２ａ上に、第２膜３が直接形成されている。
【００３８】
坩堝１を構成する材料（グラファイト）の熱膨張係数と第２膜３を構成する材料（金属炭化物）の熱膨張係数とは、互いに異なっている。この熱膨張係数の違いに起因して、第２膜３には、熱応力が作用する。そのため、比較例に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、この熱応力に起因して、第２膜３に割れが生じてしまうおそれがある。
【００３９】
なお、第２膜３に割れが生じると、割れが生じた箇所において坩堝１が露出する。坩堝１が露出している部分は、炭化珪素単結晶を成長させる過程において劣化が生じやすく、劣化が生じた坩堝１の部分から異物が発生するおそれがある。このような異物の発生は、炭化珪素単結晶中に異種ポリタイプを生じさせたり、炭化珪素単結晶中に転位等の欠陥を生じさせる原因となる。
【００４０】
他方で、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、第１膜２が内側面１２ａ上に形成されており、第２膜３が第１膜２上に形成されている。すなわち、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、坩堝１と第２膜３との間に、第１膜２が介在している。
【００４１】
第１膜２を構成する材料は、坩堝１を構成する材料よりも密度が低い（硬度が低い）。すなわち、第１膜２は、坩堝１よりも、相対的に変形能が高い材料で形成されている。そのため、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、第１膜２が変形することにより、坩堝１と第２膜３との間の熱応力が緩和される。その結果、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、第２膜３の割れを抑制することができ、ひいては炭化珪素単結晶中の異種ポリタイプの発生、欠陥の発生を抑制することができる。
【００４２】
第１膜２は、有機材料等を炭化することで形成されているため、第１膜２の表面粗さは、内側面１２ａにおける坩堝１の表面粗さよりも大きい。そのため、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置においては、第２膜３が内側面１２ａ上に直接形成されている場合と比較して、アンカー効果により第２膜３の密着性を高めることができる。
【００４３】
厚さＴ１が１０μｍ以上２００μｍ以下、厚さＴ２が１０μｍ以上２００μｍ以下である場合には、第２膜３に発生する熱応力を第１膜２の変形により十分に緩和することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の構成を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
【００４５】
図８は、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の断面図である。図８に示されるように、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置と同様に、坩堝１と、第１膜２と、第２膜３と、ヒータ４と、筐体５とを有している。
【００４６】
しかしながら、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、坩堝１の構成の詳細、第１膜２の構成の詳細に関して、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置と異なっている。
【００４７】
坩堝１は、突出部１５をさらに有している。突出部１５は、内側面１２ａから高さ方向と交差する方向に沿って突出するように形成されている。互いに対向する突出部１５の先端部は、離間している。
【００４８】
突出部１５は、上面１５ａと、下面１５ｂとを有している。上面１５ａは、台座１４側を向いている面である。下面１５ｂは、上面１５ａの反対面である。すなわち、下面１５ｂは、底壁１３側を向いている（第１部分１１に収納された炭化珪素原料６側を向いている）面である。
【００４９】
突出部１５は、坩堝１が加熱された際の下面１５ｂからの輻射により第１部分１１に収納された炭化珪素原料６を加熱するために設けられている。昇華した炭化珪素原料６は、互いに対向する突出部１５の先端部の間を通って、台座１４に固定されている種結晶に向かう。
【００５０】
第１膜２は、突出部１５よりも上方にある内側面１２ａ上に形成されている。また、第１膜２は、上面１５ａ上にも形成されている。突出部１５よりも上方にある内側面１２ａ上及び上面１５ａ上に形成された第１膜２上には、第２膜３がさらに形成されている。しかしながら、第１膜２及び第２膜３は、下面１５ｂ上には形成されていない。すなわち、下面１５ｂは、第１部分１１に収納された炭化珪素原料に対して露出している。
【００５１】
第２実施形態における第１膜２及び第２膜３の形成方法は、第１実施形態に係る第１膜２及び第２膜の形成方法と同様であるため、その説明は省略する。
【００５２】
第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の効果を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
【００５３】
金属炭化物を含有する第２膜３の放射率は、坩堝１を構成する材料であるグラファイトの放射率よりも低い。そのため、第１膜２及び第２膜３が下面１５ｂ上に形成されている場合、下面１５ｂからの輻射による炭化珪素原料６の加熱が妨げられることになる。
【００５４】
しかしながら、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置において、第１膜２及び第２膜３は、上面１５ａ上には形成されているが、下面１５ｂ上には形成されていない。そのため、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置によると、第１膜２及び第２膜３で下面１５ｂからの輻射による炭化珪素原料６の加熱が妨げられてしまうことを抑制できる。
【００５５】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内での全て変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５６】
１  坩堝
２  第１膜
２ａ  第３膜
３  第２膜
３ａ  第４膜
４  ヒータ
５  筐体
６  炭化珪素原料
７  種結晶
１１  第１部分
１２  第２部分
１２ａ  内側面
１３  底壁
１４  台座
１５  突出部
１５ａ  上面
１５ｂ  下面
Ｐ１  第１位置
Ｐ２  第２位置
Ｓ１  第１塗布工程
Ｓ２  炭化工程
Ｓ３  第２塗布工程
Ｓ４  焼結工程
Ｔ１，Ｔ２  厚さ
【図１】
2020026367.tif 000003
【図２】
2020026367.tif 000004
【図３】
2020026367.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020026367.tif 000007
【図６】
2020026367.tif 000008
【図７】
2020026367.tif 000009
【図８】
2020026367.tif 000010