(57)【要約】      （修正有）【課題】歪みのない高品質の炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】台座１０に配置された炭化珪素種結晶１３に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、炭化珪素種結晶１３上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、台座１０と前記炭化珪素種結晶１３との間に炭化珪素からなる離間部材１１を配置して、離間部材１１を前記台座１０上に非接着で支持部材１２によって機械的に保持し、離間部材１１の前記台座１０と反対側の面に炭化珪素種結晶１３を接着し、離間部材１１の炭化珪素種結晶１３との接着面が支持部材１２の最下位置から鉛直方向に５ｍｍ以上離間するように、離間部材１１と支持部材１２とを相対的に配置して、炭化珪素単結晶を成長させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、
前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、
前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に５ｍｍ以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記離間部材の前記接着面が、前記炭化珪素種結晶の反り形状に合わせて曲率加工されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記離間部材と前記炭化珪素種結晶の反りの大きさの差は±５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記離間部材は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれかでなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記離間部材は複数の層からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記複数の層の間に緩衝層を備えることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記離間部材はその外周に支持受け部を備え、前記支持部材はその下部にフック部を備え、前記離間部材は前記支持受け部を前記支持部材のフック部によって支持されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記支持部材の内周に雌ねじが形成され、前記台座の外周に前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成され、前記支持部材及び／又は前記台座を相対回動することによって前記台座と前記離間部材との間隔を調整できることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記支持部材が黒鉛からなることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記台座と前記離間部材との間に緩衝部材を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記緩衝部材がグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなることを特徴とする請求項１０に記載の炭化珪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、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。本発明は特に、炭化珪素原料の昇華ガスを供給して炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は、熱伝導度が高く、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線にも強いなど、物理的、化学的に安定であるとともに、エネルギーバンドギャップ（禁制帯幅）が広いという特徴を有する。そのため、発光素子、大電力パワーデバイス、耐高温素子、耐放射線素子、高周波素子等への応用が期待されている。
【０００３】
炭化珪素単結晶の製造方法として、台座に炭化珪素種結晶を配置し、炭化珪素原料の昇華ガスを供給して炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる方法が知られている。台座上に炭化珪素種結晶を保持する方法として、炭化珪素種結晶を台座に接着剤を用いて密着させ貼り付ける方法（特許文献１）や、接着剤を用いて貼り付けず、炭化珪素種結晶を機械的に支持する方法（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２０４１９号公報
【特許文献２】特許第４２７５３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、炭化珪素種結晶を台座に接着剤を用いて密着させ貼り付ける方法では、熱膨張係数の大きさの違いに基づき台座から炭化珪素種結晶に熱応力がかかり、炭化珪素種結晶に歪みを与えてしまうため、その上に成長した炭化珪素単結晶が歪みを有し、クラック発生の原因になるという問題があった。また、炭化珪素種結晶を機械的に支持する方法では、その支持部材と種結晶との間に多結晶が成長し、それが単結晶の外周を覆うように成長し、その多結晶が炭化珪素単結晶に応力を与え、歪みを生じさせてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、支持部材に成長する多結晶が成長中の炭化珪素単結晶に接触することが回避され、かつ、台座から炭化珪素種結晶に応力がかかることがないため、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪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】
【０００７】
本発明は、以下の手段を提供する。
（１）台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に５ｍｍ以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
ここで、「離間部材を前記台座上に…保持し」とは、離間部材が台座に接触している場合と、離間部材が台座に接触せずに台座から離間して配置する場合とを含む。
（２）前記離間部材の前記接着面が、前記炭化珪素種結晶の反り形状に合わせて曲率加工されていることを特徴とする前項（１）に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
ここで、「曲率加工」における「曲率」とは、“反り”を曲率半径又は曲率で表現したときのその曲率の意である。
（３）前記離間部材と前記炭化珪素種結晶の反りの大きさの差は±５μｍ以下であることを特徴とする前項（１）または（２）のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
ここで、「反りの大きさ」とは、“反り”を平坦面からの高さで表現したときのその高さの意であり、反りを有する離間部材又は炭化珪素種結晶を、反った凸側の面を上にして平坦面に置いたとき、その平坦面から離間部材又は炭化珪素種結晶のその凸の頂点（最も高い点）までの距離をいう。
（４）前記離間部材は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれかでなることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（５）前記離間部材は複数の層からなることを特徴とする前項（１）から（４）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（６）前記複数の層の間に緩衝層を備えることを特徴とする前項（５）に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（７）前記離間部材はその外周に支持受け部を備え、前記支持部材はその下部にフック部を備え、前記離間部材は前記支持受け部を前記支持部材のフック部によって支持されることを特徴とする前項（１）から（６）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（８）前記支持部材の内周に雌ねじが形成され、前記台座の外周に前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成され、前記支持部材及び／又は前記台座を相対回動することによって前記台座と前記離間部材との間隔を調整できることを特徴とする前項（１）から（７）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（９）前記支持部材が黒鉛からなることを特徴とする前項（１）から（８）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（１０）前記台座と前記離間部材との間に緩衝部材を備えることを特徴とする前項（１）から（９）のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
（１１）前記緩衝部材がグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなることを特徴とする前項（１０）に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成によれば、多結晶の影響を受けず、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】炭化珪素単結晶成長装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】台座近傍を拡大した断面模式図である。
【図３】炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶が成長したときの台座近傍を拡大した断面模式図である。
【図４】台座と支持部材との接触部分を拡大した断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した一実施形態である炭化珪素単結晶の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。  
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態である炭化珪素単結晶の製造方法を説明するための図であって、炭化珪素単結晶成長装置の一例を示した断面模式図である。
図１に示すように、炭化珪素単結晶成長装置１００は、真空容器１と、真空容器１の内部に配置されたルツボ６と、真空容器１を取り囲んで配置された加熱コイル３と、から概略構成されている。
【００１２】
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、台座１０と炭化珪素種結晶１３との間に炭化珪素からなる離間部材１１を配置して、離間部材１１を台座１０上に非接着で支持部材１２によって保持し、離間部材１１の台座１０と反対側の面１１ｂに炭化珪素種結晶１３を接着し、離間部材１１の炭化珪素種結晶１３との接着面１１ｂが支持部材１２の最下位置１５から鉛直方向に５ｍｍ以上離間するように、離間部材１１と支持部材１２とを相対的に配置して、炭化珪素単結晶を成長させる。
【００１３】
真空容器１は、その内部にルツボ６を内壁面１ｃから離間して配置する収容部１ａを備えており、収容部１ａには導入管７と排気管８が接続されている。導入管７と排気管８により、任意のガスを収容部１ａに導入・排気することができる。また、排気管８には、ターボ分子ポンプなど真空ポンプ（図示略）が取り付けられており、排気管８から排気して収容部１ａを高真空の状態にすることができる。たとえば、排出管８から内部の空気を排気して減圧状態とした後、高純度のアルゴン（Ａｒ）ガスを導入管７から収容部１ａに供給し、再び減圧状態とすることにより、収容部１ａをアルゴン（Ａｒ）雰囲気の減圧状態とすることができる。
【００１４】
なお、真空容器１の内部に導入するガスは、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスまたは窒素（Ｎ２）ガスが好ましい。これらのガスは、炭化珪素と特別な反応を起こさず、また、冷却材としての効果もある。
【００１５】
真空容器１の周囲には加熱コイル３が取り巻くように配置されている。加熱コイル３を加熱することにより、真空容器１を加熱することができ、さらには、ルツボ６を加熱することができる構成とされている。
ルツボ６は、加熱装置のパワーを調整することによって炭化珪素種結晶の温度を炭化珪素原料粉末より低温に保たれるようにすることが出来る。
【００１６】
ルツボ６全体を覆うように断熱材２がルツボ６に巻きつけられている。断熱材２は、ルツボ６を安定的に高温状態に維持するためのものである。ルツボ６を安定的に高温状態に維持することができる場合には、断熱材２は取り付けなくてもよい。
【００１７】
断熱材２には、ルツボ６の下部表面および上部表面の一部が露出するように孔部２ｃ、２ｄが形成されている。また、ルツボ６は、孔部３０ｃを備えた支持棒３０上に配置されている。孔部３０ｃと孔部２ｃは連通されており、真空容器１の外部に配置された放射温度計９により、ルツボ６の表面温度を測定できる。
なお、ルツボ６の表面温度は、孔部２ｃ、２ｄに熱電対を差し込んで表面に熱電対の先端が触れるように配置して測定してもよい。
【００１８】
図１に示すように、ルツボ６は、本体部２１とその種結晶保持部材（蓋部）２２とから構成されている。本体部２１は、円筒形状（図示略）であり、円柱状に掘り込まれて形成された空洞部２０を備えている。
空洞部２０の内底面２０ｂ側には、炭化珪素粉末５が充填される。また、空洞部２０の開口部２０ａ側には、炭化珪素単結晶インゴットを成長させるのに必要な空間が確保されている。
【００１９】
種結晶保持部材（蓋部）２２の一面側は中央部が円柱状に突出され、台座１０とされている。本体部２１が種結晶保持部材（蓋部）２２により蓋をされたとき、台座１０は、空洞部２０の上部で内底面２０ｂ側へ向けて突出している。台座１０上には、炭化珪素からなる離間部材１１を介して炭化珪素種結晶１３が保持されている。炭化珪素種結晶１３は台座１０には直接接していないので、台座１０との熱膨張係数の差に基づく熱応力を台座１０から受けることはない。他方、炭化珪素種結晶１３が接着剤１４を介して接する離間部材１１は炭化珪素からなるので、炭化珪素種結晶１３が受ける熱応力は台座１０に直接接する構成に比べて緩和されている。
【００２０】
炭化珪素からなる離間部材１１は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれであっても熱膨張係数は等しいので、同様の効果を有する。また、離間部材１１は複数の層すなわち、炭化珪素種結晶と熱膨張係数の等しい複数の素材（例えば、単結晶、多結晶、焼結体）の層からなってもよい。このとき、層間に熱伝導率の低い材料でなる緩衝層を挟んでもよい。各層間に熱伝導率の低い材料層を介在することで種結晶の温度勾配を均一にすることができ、また、複数の層としては炭化珪素種結晶と熱膨張係数の等しい炭化珪素でなる素材を用いることで熱膨張係数差をなくすことにより、種結晶にかかる熱応力を抑制している。
緩衝層の材料としては、グラフォイル、カーボンフェルトが好ましい。
【００２１】
炭化珪素単結晶１３としては、アチソン法、レーリー法、昇華法などで作られた円柱状の炭化珪素単結晶を短手方向に、例えば、厚さ０．３〜２ｍｍ程度で円板状に切断した後、切断面の研磨を行って成型したものを用いる。なお、この研磨の後に研磨ダメージを取り除くために、種結晶１３の最終仕上げとして、犠牲酸化、リアクティブイオンエッチング、化学機械研磨などを行う事が望ましい。さらに、その後、有機溶剤、酸性溶液またはアルカリ溶液などを用いて、種結晶１３の表面を清浄化することが好ましい。
【００２２】
接着剤１４としては、公知の接着剤を用いることができ、たとえば、フェノール系樹脂などを挙げることができる。
【００２３】
ルツボ６の本体部２１の材料としては、高温で安定であり不純物ガスの発生の少ない材料を用いることが好ましく、黒鉛（グラファイト）、炭化珪素もしくは炭化珪素またはＴａＣによって被覆された黒鉛（グラファイト）などを用いることが好ましい。
【００２４】
種結晶保持部材（蓋部）２２は、黒鉛（グラファイト）、アモルファスカーボン、炭素繊維、有機化合物炭化物、金属炭化物の少なくともいずれかからなることが好ましい。これにより、化学的方法を用いて容易に除去することができる。
なお、本実施形態では、蓋部全体を種結晶保持部材２２としているが、蓋部を台座１０と突出部以外の部分とに分割して、台座１０のみを種結晶保持部材２２とする構成としてもよい。この構成とすることによっても、後述する種結晶保持部材２２の除去工程で、台座１０以外の部分が除去されない場合でも、種結晶保持部材２２が除去されることにより、台座１０以外の部分と炭化珪素単結晶インゴットを分離することができる。
【００２５】
図２に、台座１０近傍を拡大した断面模式図を示す。
炭化珪素からなる離間部材１１は台座１０に非接着（接着剤を用いない）で支持部材１２によって機械的に保持されている。具体的には、離間部材１１はその外周に支持受け部１１ａを備え、他方、支持部材１２はその下部に例えば、径内方にL字型に屈曲したフック部１２ａを備え、離間部材１１は支持受け部１１ａを支持部材のフック部１２ａによって支持されている。
支持部材１２は黒鉛からなるのが好ましい。
【００２６】
離間部材１１の面１１ａには接着剤１４によって炭化珪素種結晶１３が接着されている。離間部材１１の接着面１１ａは炭化珪素種結晶１３の反り形状に合わせて曲率加工されているのが好ましい。さらに、離間部材１１と炭化珪素種結晶１３の反りの大きさの差は±５μｍ以下であるのが好ましい。
離間部材１１の面１１ａの曲率加工は例えば、旋盤加工により、表面を円周状に凸面もしくは凹面化させることにより行うことができる。
こうして、炭化珪素種結晶１３の反りを例えば、ニュートンリングもしくはレーザースキャニングによって測定し、その反り形状に対応するように、旋盤加工によって面１１ａを加工することによって、好ましい面１１ａを有する離間部材１１を作製できる。
【００２７】
離間部材１１は、その接着面１１ｂから支持部材１２の最下位置１５までの距離ｄが鉛直方向に５ｍｍ以上となるような厚さを有する。５ｍｍ以上離間されていることにより、図３に示すように、支持部材１２と離間部材１１との間に多結晶１６が成長しても、その多結晶は炭化珪素種結晶１３の成長面１３ａに届くことはなく、炭化珪素種結晶１３上の炭化珪素単結晶１７の成長を妨げて歪みを与えることはない。このように、支持部材１２と離間部材１１との間に成長してしまう多結晶１６と、炭化珪素種結晶１３上に成長する炭化珪素単結晶１７とを完全に分離する構成となっている。
【００２８】
台座１０と離間部材１１との間には、緩衝部材を備えてもよい。緩衝部材はグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなるのが好ましい。
グラフォイル及びカーボンフェルトは柔軟性黒鉛シートであるため、種結晶に応力がかからず、緩衝作用を有する。また、高融点金属は、台座と離間部材との反応を妨ぐことができる。
【００２９】
図４に、台座１０と支持部材１２との接触部分を拡大した断面模式図を示す。
図４に示すように、支持部材１２の内周に雌ねじ１２ｂが形成され、台座１０の外周に雌ねじ１２ｂに螺合する雄ねじ１０ａが形成されてもよい。このねじ構造によって、支持部材１２を台座１０に対して相対回動することによって台座１０と離間部材１１との間隔を調整することができる。台座１０を回動することにより、または、支持部材１２及び台座１０の両方を回動することよって台座１０と離間部材１１との間隔を調整する構成であってもよい。
【００３０】
炭化珪素単結晶の製造は例えば、以下のように実施する。
上記の通り構成された炭化珪素単結晶成長装置を用いて、炭化珪素原料粉末の温度を２４００〜２５００℃に加熱する。そして、加熱装置の調整等により炭化珪素種結晶の温度が炭化珪素原料粉末の温度よりも低くなるように、ルツボ内に温度勾配を設ける。次に、ルツボ内の圧力を１〜３０Ｔｏｒｒとして、昇華法成長を開始すると炭化珪素原料粉末が昇華して昇華ガスとなり、炭化珪素種基板に到達し、炭化珪素原料粉末側より相対的に低温となる炭化珪素種結晶の表面上に炭化珪素単結晶が成長する。
この際、炭化珪素からなる離間部材を支持している支持部材上にも炭化珪素の多結晶が成長する。しかしながら、離間部材により炭化珪素種結晶と支持部材の間には十分距離が保たれているため、炭化珪素の単結晶成長に炭化珪素の多結晶の影響を受けることはない。また、台座と離間部材は接着剤を用いて貼り付けられておらず、また離間部材と炭化珪素種結晶は同程度の熱膨張係数であるため、応力緩和が十分なされ、クラックフリーでかつ高品質な炭化珪素単結晶を製造することができる。
【実施例】
【００３１】
図１及び図２で示した炭化珪素単結晶成長装置を用いて炭化珪素単結晶の成長を行った。
種結晶としては直径７６ｍｍ（３インチφ）、厚さ０．８ｍｍの炭化珪素単結晶ウェーハを用い、離間部材としては厚さ８ｍｍの炭化珪素単結晶からなるものを用いた。離間部材と種結晶は、カーボンペーストを接着剤として接着した。
炭化珪素原料粉末の温度を２４５０℃に加熱し、加熱装置の調整等により炭化珪素種結晶の温度が炭化珪素原料粉末の温度よりも低くなるようにルツボ内に温度勾配を設け、種結晶の温度を２２５０℃にし、次にルツボ内の圧力を３Ｔｏｒｒとして、成長速度０．５ｍｍ／Ｈで結晶成長を行った。
このような通常用いられる条件で結晶成長を行い、厚さ２０ｍｍの炭化珪素単結晶を形成した。
この成長時に成長した多結晶（図３で模式的に示した多結晶１６）は、支持部材の最下位置から下方に３ｍｍの長さを有していた。
しかしながら、台座と種結晶との間には厚さ８ｍｍの離間部材が挟まれていたので、成長した多結晶は種結晶まで届かず、成長結晶と多結晶は完全に分離されており、クラックは発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶の製造に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  台座
１０ａ  雄ねじ
１１  離間部材
１１ａ  支持受け部
１２  支持部材
１２ａ  フック部
１２ｂ  雌ねじ
１３  炭化珪素種結晶
１４  接着剤
１５  最下位置
１６  多結晶
１７  炭化珪素単結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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