(57)【要約】【課題】６Ｈ型の結晶多形単一で形成される炭化ケイ素単結晶を製造する。【解決手段】昇華用原料が昇華する温度Ｔ１まで坩堝が加熱された後、坩堝内の不活性雰囲気の圧力が大気圧よりも低い圧力Ｐ１まで減圧され、種結晶上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成されるまで圧力Ｐ１が維持される工程Ｓ１と、不活性雰囲気の圧力が圧力Ｐ１よりも上昇させられる工程Ｓ２と、工程Ｓ２の後、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２まで坩堝が加熱された後、昇華用原料の昇華が始まるまで坩堝内の不活性雰囲気の圧力が減圧される工程Ｓ３とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素を含む種結晶と、前記炭化ケイ素を含む昇華用原料とが坩堝に収容された状態で、不活性雰囲気下において前記昇華用原料が昇華され、前記昇華用原料が前記種結晶上に再結晶されることによって６Ｈ型の炭化ケイ素単結晶が製造される６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、
前記昇華用原料が昇華する第１温度まで前記坩堝が加熱された後、前記坩堝内の前記不活性雰囲気の圧力が大気圧よりも低い第１圧力まで減圧され、前記種結晶上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成される第１工程と、
前記不活性雰囲気の圧力が前記第１圧力よりも上昇させられる第２工程と、
前記第２工程の後、前記第１温度よりも高い第２温度まで前記坩堝が加熱された後、前記昇華用原料の昇華が始まるまで前記坩堝内の前記不活性雰囲気の圧力が減圧される第３工程と
を有する６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第１工程では、前記炭化ケイ素単結晶のステップフロー成長が可能になるまで前記第１圧力が維持される請求項１に記載の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程では、前記炭化ケイ素単結晶の成長が停止するまで、前記不活性雰囲気の圧力が前記第１圧力よりも上昇させられる請求項１に記載の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第２工程では、前記不活性雰囲気の圧力が大気圧まで上昇させられる請求項３に記載の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記第１温度は、２０００℃以上２１００℃以下である請求項１に記載の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記第２温度は、２２００℃以上２４００℃以下である請求項１に記載の６Ｈ型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、単一の結晶多形で形成された炭化ケイ素単結晶を製造する炭化ケイ素単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素単結晶は、４Ｈ型、６Ｈ型、１５Ｒ型などの結晶多形を有している。また、炭化ケイ素単結晶は、化学的に安定で、結晶多形によって特有の半導体特性を有する。そのため、炭化ケイ素単結晶は、用途に応じて、最適な結晶多形により形成される。
【０００３】
例えば、４Ｈ型の炭化ケイ素単結晶を昇華再結晶法により製造する方法が開示されている（特許文献１参照）。具体的に、特許文献１の製造方法では、１５Ｒ型の炭化ケイ素が種結晶として用いられる。所定の温度条件及び雰囲気圧力下で昇華された炭化ケイ素原料が１５Ｒ型の種結晶上に再結晶され、４Ｈ型の炭化ケイ素単結晶が成長する。
【特許文献１】特開平７−３３０４９３号公報（段落［００１１］〜[００１３]）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、炭化ケイ素は、上述のように多くの結晶多形を有するため、結晶多形間の作り分けが困難である。特に、昇華再結晶法により、炭化ケイ素単結晶を製造する場合には、結晶の成長過程において結晶多形間の転移が生じやすい。
【０００５】
例えば、１５Ｒ型の結晶成長条件は、６Ｈ型に近い。そのため、特許文献１の製造方法のように、種結晶の結晶多形を適宜選択しても、６Ｈ型の炭化ケイ素単結晶を製造する工程の成長初期段階において、１５Ｒ型の炭化ケイ素単結晶が成長し易いという問題点があった。
【０００６】
炭化ケイ素単結晶に異なる結晶多形が存在する欠陥は、半導体デバイスとしての性能を低下させるため好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明は、６Ｈ型の結晶多形単一で形成される炭化ケイ素単結晶を製造する６Ｈ型炭化ケイ素単結晶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】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、炭化ケイ素を含む種結晶と、前記炭化ケイ素を含む昇華用原料とが坩堝に収容された状態で、不活性雰囲気下において前記昇華用原料が昇華され、前記昇華用原料が前記種結晶上に再結晶されることによって６Ｈ型の炭化ケイ素単結晶が製造される６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、前記昇華用原料が昇華する第１温度まで前記坩堝が加熱された後、前記坩堝内の前記不活性雰囲気の圧力が大気圧よりも低い第１圧力まで減圧され、前記種結晶上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成される第１工程と、前記不活性雰囲気の圧力が前記第１圧力よりも上昇させられる第２工程と、前記第２工程の後、前記第１温度よりも高い第２温度まで前記坩堝が加熱された後、前記昇華用原料の昇華が始まるまで前記坩堝内の前記不活性雰囲気の圧力が減圧される第３工程とを有することを要旨とする。
【０００９】
本発明の第１の特徴によれば、昇華用原料が昇華する第１温度及び第１圧力において、種結晶上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成された後、不活性雰囲気の圧力が第１圧力よりも上昇させられて、結晶の成長が一旦停止する。その後、第１温度よりも高い第２温度の下で、結晶の成長が再度開始される。
【００１０】
すなわち、第１工程において、第１温度及びの第１圧力の下で、種結晶の平面上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成されるまで、緩やかに炭化ケイ素単結晶を成長させられる。続いて、第２工程において、炭化ケイ素単結晶の成長を一旦停止させる。その後、第３工程の温度条件下において、炭化ケイ素単結晶を成長させるので、特に、種結晶の平面上に炭化ケイ素単結晶の凸面が形成されるまでの初期段階において、６Ｈ型の炭化ケイ素単結晶中に１５Ｒ型の炭化ケイ素単結晶が生じる多形欠陥の発生が抑制される。
【００１１】
従って、６Ｈ型の結晶多形単一の炭化ケイ素単結晶を製造することができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記第１工程では、前記炭化ケイ素単結晶のステップフロー成長が可能になるまで前記第１圧力が維持されることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記第２工程では、前記炭化ケイ素単結晶の成長が停止するまで、前記不活性雰囲気の圧力が前記第１圧力よりも上昇させられることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記第２工程では、前記不活性雰囲気の圧力が大気圧まで上昇させられることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第５の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記第１温度は、２０００℃以上２１００℃以下であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第６の特徴は、本発明の第1の特徴に係り、前記第２温度は、２２００℃以上２４００℃以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、６Ｈ型の結晶多形単一で形成される炭化ケイ素単結晶を製造する６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明に係る６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。具体的には、（１）製造装置の構成、（２）６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法、（３）実施例、（４）作用・効果、（５）その他の実施形態について説明する。
【００１９】
（１）製造装置の構成
図１を用いて、本発明の実施形態として示す炭化ケイ素単結晶の製造装置１を説明する。図１に示すように、炭化ケイ素単結晶の製造装置１は、黒鉛製坩堝１０と、黒鉛製坩堝１０の少なくとも側面を覆う石英管２０と、石英管２０の外周に配置された誘電加熱コイル３０とを有する。
【００２０】
黒鉛製坩堝１０は、支持棒４０により、石英管２０の内部に固定される。黒鉛製坩堝１０は、断熱材（不図示）で覆われている。黒鉛製坩堝１０は、反応容器本体５０と、蓋部６０とを有する。反応容器本体５０は、炭化ケイ素を含む種結晶７０と、種結晶７０の成長に用いられる昇華用原料８０とを収容する。
【００２１】
反応容器本体５０は、少なくとも内部が円筒状である。反応容器本体５０の内側には、種結晶７０が配設される。具体的に、種結晶７０は、蓋部６０の内側表面６１に接着される。蓋部６０は、反応容器本体５０に螺合により着脱自在に設けられる。
【００２２】
反応容器本体５０の内部は、例えば、アルゴン等の不活性ガスが充填されて、不活性雰囲気になっている。反応容器本体５０の内部の圧力及び温度は、変更可能である。
【００２３】
種結晶７０は、４Ｈ型，６Ｈ型,１５Ｒ型などの炭化ケイ素単結晶である。また、昇華用原料８０は、炭化ケイ素を含む炭化ケイ素原料である。黒鉛製坩堝１０の内部が所定の温度条件及び圧力条件になると、昇華用原料８０は、昇華し、種結晶７０上に再結晶し、炭化ケイ素単結晶１００を形成する。
【００２４】
炭化ケイ素単結晶１００は、成長が進むにつれて、凸面１００ａを形成し、やがて、反応容器本体５０の内部に従って成長し、円筒状の炭化ケイ素単結晶が形成される。
【００２５】
（２）６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法
図２は、６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法を示す説明図である。図２に示すように、６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法は、工程Ｓ１と、工程Ｓ２と、工程Ｓ３とを有する。
【００２６】
図３は、６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法における温度条件と圧力条件の変化を説明する模式図である。各工程における温度条件と圧力条件とは、図３に基づく。図３において、Ｔｒは、室温を示し、Ｐ０は、大気圧を示す。
【００２７】
工程Ｓ１では、室温Ｔ０から昇華用原料８０が昇華する温度Ｔ１まで黒鉛製坩堝１０が加熱される。その後、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力が大気圧Ｐ０よりも低い圧力Ｐ１まで減圧される。ここで、温度Ｔ１は、２０００℃以上２１００℃以下であることが好ましい。
【００２８】
圧力Ｐ１は、種結晶７０上に炭化ケイ素単結晶の凸面１００ａが形成されるまで維持される。具体的には、工程Ｓ１では、種結晶７０上において、炭化ケイ素単結晶のステップフロー成長が可能になるまで圧力Ｐ１が維持される。
【００２９】
工程Ｓ２では、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力が圧力Ｐ１よりも上昇させられる。具体的に、工程Ｓ２では、炭化ケイ素単結晶の成長が停止するまで、不活性雰囲気の圧力が圧力Ｐ１よりも上昇させられる。工程Ｓ２では、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力を大気圧まで上昇させてもよい。
【００３０】
工程Ｓ３では、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２まで黒鉛製坩堝１０が加熱される。その後、再び昇華用原料８０の昇華が始まるまで、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力が減圧される。工程Ｓ３では、圧力Ｐ２まで減圧される。本実施形態において、温度Ｔ２は、第２温度を構成する。ここで、温度Ｔ２は、２２００℃以上２４００℃以下であることが好ましい。
【００３１】
工程Ｓ３では、圧力Ｐ２まで減圧されることにより、炭化ケイ素単結晶１００の成長が再開される。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態の炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、昇華用原料８０が昇華する温度Ｔ１及び圧力Ｐ１において、種結晶７０上に炭化ケイ素単結晶１００の凸面１００ａが形成された後、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力が圧力Ｐ１よりも上昇させられるため、炭化ケイ素単結晶１００の成長が一旦停止する。その後、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の下で昇華用原料８０の昇華が始まり、炭化ケイ素単結晶１００の成長が再開される。
【００３３】
（３）実施例
上述した炭化ケイ素単結晶の製造方法に基づいて炭化ケイ素単結晶を製造した。製造に係る条件を変えて、炭化ケイ素単結晶を製造し、成長レートと結晶性とを比較した。製造に係る条件を以下に示す。
【００３４】
＜実施例１＞
工程Ｓ１：温度Ｔ１＝２０５０℃、及び圧力Ｐ１＝５ｋＰａで２０時間保持した。
工程Ｓ２：黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力＝大気圧
工程Ｓ３：温度Ｔ２＝２３００℃、及び圧力Ｐ２＝１０ｋＰａで５０時間保持した。
【００３５】
＜比較例１＞
黒鉛製坩堝１０内の温度を２３００℃とし、不活性雰囲気の圧力＝１０ｋＰａで７０時間保持した。
【００３６】
＜比較例２＞
黒鉛製坩堝１０内の温度を２０５０℃とし、不活性雰囲気の圧力＝５ｋＰａで７０時間保持した。
【００３７】
上記条件において生成された炭化ケイ素単結晶に対して成長レートと結晶性を測定した。結果を表１に示す。なお、結晶性の評価には、Ｘ線回折による半価幅を用いた。半価幅は、値が小さいほど結晶性が良好であることを示す。
【表１】
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【００３８】
表１に示されるように、実施例１の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、比較例と比べて、結晶性が良好であるとともに、成長レートも工業的な製造に適した値とすることができることがわかった。
【００３９】
（４）作用・効果
本実施形態の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、昇華用原料８０が昇華する温度Ｔ１及び圧力Ｐ１において、種結晶７０上に炭化ケイ素単結晶の凸面１００ａが形成された後、黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力が圧力Ｐ１よりも上昇させられて、炭化ケイ素単結晶の成長が一旦停止する。その後、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の下で、炭化ケイ素単結晶の成長が再開する。
【００４０】
すなわち、本実施形態の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、工程Ｓ１において、温度Ｔ１及び圧力Ｐ１の下で、種結晶７０上に炭化ケイ素単結晶の凸面１００ａが形成されるまで、緩やかに炭化ケイ素単結晶が成長させられる。続いて、工程Ｓ２において、炭化ケイ素単結晶の成長を一旦停止させる。その後、工程Ｓ３の温度条件下において、炭化ケイ素単結晶を成長させるので、特に、種結晶７０の平面上に炭化ケイ素単結晶の凸面１００ａが形成されるまでの間に、６Ｈ型の炭化ケイ素単結晶中に１５Ｒ型の炭化ケイ素単結晶が生じる多形欠陥の発生が抑制される。
【００４１】
従って、６Ｈ型の結晶多形単一の炭化ケイ素単結晶を製造することができる。
【００４２】
また、本実施形態の６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法では、炭化ケイ素単結晶の結晶品質の乱れやすい成長初期において、結晶品質が向上しやすい温度条件、すなわち、２０００℃以上２１００℃以下で炭化ケイ素単結晶を成長させ、結晶品質の安定し易いステップフロー成長が可能な凸面１００ａが形成されたとき、２２００℃以上２４００℃以下で炭化ケイ素単結晶を成長させることにより、結晶品質の劣化防止と、成長レートの向上とを両立することができる。
【００４３】
（５）その他の実施形態
本発明の一実施形態により本発明の内容を開示した。しかし、本発明は、上述した論述及び図面に限定されない。上述した論述及び図面を基に当業者にとって明らかになる様々な実施形態は、全て本発明に含まれる。
【００４４】
本実施形態の工程Ｓ１では、昇華用原料が昇華する温度Ｔ１まで坩堝が加熱された後、坩堝内の不活性雰囲気の圧力が大気圧よりも低い圧力Ｐ１まで減圧されるとした。しかし、坩堝内の不活性雰囲気の圧力が大気圧よりも低い圧力Ｐ１まで減圧された後、昇華用原料が昇華する温度Ｔ１まで坩堝が加熱されてもよい。加熱と減圧とが同時に行われてもよい。
【００４５】
本実施形態では、工程Ｓ２の終了時における黒鉛製坩堝１０内の不活性雰囲気の圧力は、大気圧Ｐ０よりも小さい値であるとして説明したが、大気圧Ｐ０であってもよい。また、圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１より大きい値であると説明したが、工程Ｓ２の終了時において圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１より小さい値であっても良い。
【００４６】
なお、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置を説明する構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法を説明するフローチャートである。
【図３】本願発明の実施形態に係る６Ｈ型炭化ケイ素単結晶の製造方法における温度条件と圧力条件の変化を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…炭化ケイ素単結晶の製造装置、１０…黒鉛製坩堝、２０…石英管、３０…誘電加熱コイル、４０…支持棒、５０…反応容器本体、６０…蓋部、６１…内側表面、７０…種結晶、８０…昇華用原料、１００…炭化ケイ素単結晶、１００ａ…凸面、Ｔｒ…室温、Ｐ０…大気圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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