(57)【要約】      （修正有）【課題】改良Ｌｅｌｙ法を用いた欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶インゴット、特に、４ＨタイプのＳｉＣ単結晶インゴットを安定して量産する製造装置及びその製造方法の提供。【解決手段】不活性ガスの入排出口１１，１２、真空排気口１３を備え、冷却水の循環通路となる石英二重管８構造からなり、高周波誘導加熱コイル１７で囲まれた真空容器７の中に、単結晶の粉末原料１を下部に収容し、この粉末原料１と対抗する上部に種結晶２が固定された黒鉛製坩堝３が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、断熱材を上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂとに分離し、これらを支える坩堝受け２２が、間隙を設けた黒鉛あるいは石英であり、単結晶の製造においては、圧力を０．５〜２ｔｏｒｒ、坩堝の蓋４の上部温度を２，０００〜２，４００℃に保持して結晶成長させるＳｉＣ単結晶の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造を有する石英からなる、高周波誘導加熱コイルで囲まれた真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、この粉末原料と対抗する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、断熱材が上部断熱材と下部断熱材に分離され、前記坩堝と前記断熱材を支える坩堝受けが、間隙を設けられた黒鉛からなることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記坩堝受けが、石英からなることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
二重管の最上部から、少なくとも二本の長さの異なる管を用いて冷却水を導入し、導入口と対抗する位置の二重管の最上部から冷却水を排水して、冷却水を循環させる構造であることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
高周波誘導加熱コイルの上下方向の長さが、坩堝の上下方向の内面の長さの１．２〜１．７倍であり、高周波誘導加熱コイルの最下端が坩堝の内面の最下端に一致するように配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の単結晶製造装置において、坩堝の上部温度を２，０００〜２，４００℃、真空容器内の圧力を０．５〜２ｔｏｒｒに保持して結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次世代パワー半導体で利用される、改良Ｌｅｌｙ法を用いた単結晶インゴットの製造装置及び製造方法に関するものである。特に、ＳｉＣ単結晶に適した製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶は、演算素子、記憶素子、発光素子、光学素子、エネルギー変換素子等、様々な電子デバイスに利用され、現代社会において不可欠な素材である。
その代表例は、Ｓｉ単結晶を薄く切断したウェハ基板から作られるＳｉ半導体である。ＩＣ、ＬＳＩ、太陽電池等に利用され、パソコン・家電製品、自動車等の民生分野から、電車・宇宙航空機、工場等の産業分野に亘り、あらゆるところで不可欠な存在となっている。また、ＧａＡｓやＩｎＰに代表される化合物半導体も、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光デバイスに適しており、ＣＤ、ＤＶＤ、各種表示機器として身近な製品に使用されてきた。
【０００３】
更に、Ｓｉ半導体は、モーター等の大きな電力を制御する必要がある産業機器分野においてもパワー半導体として利用され、特に、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、及び、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のパワートランジスタ等、応用範囲が最も広く、エアコン、冷蔵庫、洗濯機等のインバータ制御として省エネルギー化に貢献してきた。そして、現在も、半導体技術による省エネルギー化の促進を目指し、より大きな電力を、より細かく、より効率的に制御することが求められている。しかし、Ｓｉ系パワー半導体は、電力消費量に加え、電力が熱として放出される電力損失が大きいという問題があり、大きな改善が見込めない状況に直面している。
【０００４】
そこで、次世代のパワー半導体として、ＳｉＣ単結晶やＧａＮ単結晶を用いる直接遷移型のワイドバンドギャップ半導体が注目されている。これは、バンドギャップの広さだけでなく、破壊電界強度がＳｉ系半導体の１０倍程度ある上、熱伝導も大きく、素子の高速化・小型化・省力化が図れ、既に、ショットキーバリアーダイオード（ＳＢＤ）やＭＯＳＦＥＴ等として実用化された。また、発光素子としても、ＳｉやＧａＡｓ等の半導体では困難であった紫外〜青色〜緑色の発光を実現でき、青紫色ＬＥＤがブルーレイディスク用光源として、白色ＬＥＤが、液晶ディスプレイのバックライト、懐中電灯・自動車のヘッドライト、そして、一般照明として展開されつつある。
【０００５】
このように、実用化されてはいるが、欠陥のない良質なＳｉＣやＧａＮの単結晶インゴットを安価に製造することが極めて難しい。このため、ＳｉＣやＧａＮの場合、単結晶インゴットを切断したウェハを用いた半導体プロセスを構築できず、Ｓｉ半導体のような大幅なコストダウンによる市場拡大を図れないという問題がある。
【０００６】
このような状況において、例えば、現在の青色ＬＥＤでは、サファイア基板上にＡｌＮ、ＳｉＣ、金属酸化膜等のバッファー層を設けた上に、真空プロセスを用いた気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により膜として形成されたＧａＮ単結晶が用いられているものの、バッファー層、ＧａＮ単結晶膜を形成する工程に長時間が費やされている。そのため、ＧａＮ単結晶インゴットの研究開発が行われてきたが、ＧａＮが融液として存在する条件が限定されており、実用可能なバルクＧａＮ単結晶は得られる目途が付いていない（非特許文献１）。
【０００７】
それに対し、ＳｉＣ単結晶は、Ｊ．Ａ．Ｌｅｌｙの昇華法（非特許文献２）に始まり、改良Ｌｅｌｙ法（非特許文献３）が開発され、ＧａＮ単結晶と比較すれば、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造技術の方が進んでいる。現在では、気相成長法だけでなく液相成長法のいずれの方法でも、実用可能なＳｉＣ単結晶インゴットを製造することが可能となってきた（例えば、特許文献１及び２等）。
【０００８】
特に、生産性という観点から、溶液法よりも成長速度の大きい改良Ｌｅｌｙ法の実用化が進められており、様々な改良が施された。改良Ｌｅｌｙ法によるＳｉＣ単結晶は、ＳｉＣ粉末原料を高温下で昇華させて、坩堝内に充満させ、温度勾配により形成される濃度勾配によって拡散、輸送され、種結晶上へ到達し、再結晶化することで成長していく。そのため、図１に示したように、種結晶については、質、表面状態、形状、固定方法等（例えば、特許文献３及び４等）、坩堝については、大きさ、形状、材質、構造等（例えば、特許文献５及び６等）、ＳｉＣ原材料については、大きさ、形状、供給方法等（例えば、特許文献７及び８等）、数多くの改良が施されてきた。また、断熱方法（例えば、特許文献９及び１０等）、温度・圧力制御方法（例えば、特許文献１、１１、及び、１２等）等も種々検討されてきた。
【０００９】
しかしながら、温度、圧力等各パラメーターに求められる条件範囲が非常に狭く、これらを実質的に制御することは困難であり（例えば、特許文献３）、欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶を安定して量産する実用的な製造技術は未だ開発途上にある。
【００１０】
しかも、ＳｉＣは数多くの結晶多形を有する物質であり、単一のＳｉＣ結晶を製造することが困難である（例えば、特許文献１３）。代表的な結晶多形は、六方晶系の６Ｈタイプ（１周期毎に６分子）及び４Ｈタイプ（１周期毎に４分子）、立方晶系の３Ｃタイプ（１周期ごとに３分子）等があり、青色ＬＥＤでは、６Ｈタイプの単結晶が用いられるが、次世代パワー半導体に利用されるＳｉＣは、バンドギャップの大きい４Ｈタイプの単結晶が最も望ましい。しかし、図１に示したような従来の製造装置では、６Ｈタイプの単結晶が得られやすく、４Ｈタイプの単結晶を量産することは困難であり、不純物の添加（例えば、特許文献１３や１４）、原材料の精製（例えば、特許文献１５）、加熱方法（例えば、特許文献１６）等が検討されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】皿山正二，「真のバルクＧａＮ単結晶の必要性と研究開発動向」，科学技術動向、２００８年１１号，（２００８）２０．
【非特許文献２】Ｊ．Ａ．Ｌｅｌｙ，Ｂｅｒ．Ｄｅｕｔｏ  Ｋｅｒａｌｎｏ  Ｇｅｓ．，８（１９５５）２２９．
【非特許文献３】Ｙｕ．Ｍ．Ｔａｉｒｏｖ  ａｎｄ  Ｖ．Ｆ．Ｔｓｖｅｔｋｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，５２（１９８１）１４６．
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２７５１９０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１１６７０号公報
【特許文献３】特開２０１２−１７６８６７号公報
【特許文献４】特開２０１１−１８４２２４号公報
【特許文献５】特開２０１０−２０２４８５号公報
【特許文献６】特開２０１３−１２６９３１号公報
【特許文献７】特開２００７−２８４３０６号公報
【特許文献８】特開２００９−０７３６９６号公報
【特許文献９】特開２０１１−２１９２８７号公報
【特許文献１０】特開２０１４−０１２６４０号公報
【特許文献１１】特開２００２−２７４９９５号公報
【特許文献１２】特開２００２−２８４５９９号公報
【特許文献１３】特開平９−１５７０９１号公報
【特許文献１４】特開２００５−２３９４６５号公報
【特許文献１５】特開２０１０−２７００００号公報
【特許文献１６】特開２０１０−０９００１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、改良Ｌｅｌｙ法を用いたＳｉＣ単結晶インゴットの製造に係わる要因が極めて多く、欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶インゴット、特に、４ＨタイプのＳｉＣ単結晶インゴットを安定して量産する技術は現在も検討されている。
【００１４】
そこで、本発明は、改良Ｌｅｌｙ法における温度・圧力の制御に着目した単結晶の製造技術を提供するものであり、特に、４ＨタイプのＳｉＣ単結晶インゴットに適した製造装置及び製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、本発明は、不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造をなし、高周波誘導加熱コイルで囲まれた、石英からなる真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、この粉末原料と対抗する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、三つの特徴を有するものである。
【００１６】
第一に、上記断熱材が上部断熱材と下部断熱材に分離され、上記坩堝と上記断熱材を支える坩堝受けが、間隙を設けられた黒鉛からなるものであり、更に、好ましくは、石英からなるものであることを特徴としている。
【００１７】
第二に、上記二重管の最上部から、長さの異なる少なくとも二本の管を用いて冷却水を導入し、導入口と対抗する位置の二重管の最上部から冷却水を排水し、冷却水を循環させることを特徴とする。
【００１８】
第三に、上記高周波誘導加熱コイルの上下方向の長さ（Ｍ）が、上記黒鉛製坩堝の上下方向の内面の長さ（Ｎ）の１．２〜１．７倍であり、上記高周波誘導加熱コイルの最下端が上記黒鉛製坩堝の内面の最下端に一致するように配置することを特徴としている。
【００１９】
また、上述した課題を解決するために、本発明は、上記特徴を有する単結晶の製造装置において、上記黒鉛製坩堝の上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃、上記真空容器内の圧力を０．５〜２．０ｔｏｒｒ、更に好ましくは、０．５〜１．５ｔｏｒｒに保持して結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法である。更に、上記結晶成長期間を有し、その少なくとも１〜２時間前に、上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃に保持し、その後、上記真空容器内の圧力を毎分２〜１５ｔｏｒｒ、更に好ましくは、毎分５〜１０ｔｏｒｒの速度で降圧すると共に、結晶成長終了後少なくとも１〜２時間後まで、上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃に保持し、その後、上記真空容器内の圧力を毎分２〜１５ｔｏｒｒ、更に好ましくは、毎分５〜１０ｔｏｒｒの速度で昇圧することを特徴とする製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の製造装置により、ＳｉＣを始め、ＡｌＮやＧａＮ等のような高融点材料について、欠陥のない、良質な単結晶を安定して量産することができる。更に、本発明の製造装置に、本発明の製造方法を適用することによって、欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶インゴットを製造できる。特に製造困難な４ＨタイプのＳｉＣ単結晶インゴットを安定して量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のＳｉＣ単結晶インゴット製造装置の概略図である。
【図２】本発明の単結晶製造装置の概略図である。
【図３】本発明の単結晶製造装置における坩堝受けの平面図である。
【図４】図２に示した本発明の単結晶製造装置のＡ−Ｂ線で切断した断面図である。
【図５】本発明の４ＨタイプＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法の一例を示した、時間に対する温度・圧力プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の単結晶の製造装置及び製造方法について、図面を用いて具体的な実施の一形態を説明する。本発明の技術思想は、不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造をなし、高周波誘導加熱コイルで囲まれた、石英からなる真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、この粉末原料と対抗する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、断熱材の材質及び構造、冷却水の循環方法、及び、高周波誘導加熱コイルの適正配置にあると共に、この改良された単結晶の製造装置において、時間に対する温度・圧力プロファイルの制御にあり、以下の実施の形態に束縛されるものではない。
【００２３】
図２は、本発明の単結晶製造装置の概略図である。ＳｉＣ結晶粉末原料１を下部に収容し、この粉末原料１と対抗する上部に種結晶２が固定された黒鉛製坩堝３及び４が、真空容器７内に設置されており、この真空容器７には、ＳｉＣ結晶粉末原料１が昇華する際の圧力及び雰囲気を制御するために、不活性ガスの導入口１１及び排出口１２、真空排気装置１４につながる排気口１３が備えられている。また、ＳｉＣ結晶粉末原料１が昇華する際の温度を制御するために、この真空容器１の側面は、冷却水の循環可能な石英製二重管構造８となっており、高周波誘導加熱コイル１７で囲まれている。一方、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４は、ほぼ全体が炭素繊維等の耐熱性、耐久性等に優れた炭素系素材で作製された上部断熱材２１Ａ及び下部断熱材２１Ｂで包まれ、坩堝受け２２で支えられている。
【００２４】
図１に示した従来の単結晶製造装置と異なり、次のような三つの特徴、すなわち、改良点がある。
【００２５】
第一に、図１に示した従来の断熱材５は、上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂに分離され、上部断熱材２１Ａ及び下部断熱材２１Ｂ共に従来技術と同様の炭素系素材等で作製されたものであるが、図１に示した従来技術の坩堝受け６と異なり、坩堝受け２２が、図３（ａ）に示したような間隙を設けた黒鉛であることを特徴としている。更に、図３（ｂ）に示したような石英であることがより好ましい。ここで、坩堝受け２２の厚さは５〜３０ｍｍであることが好ましく、特に、黒鉛の場合、間隙率（＝間隙の面積／坩堝受け全面積×１００）は、５〜９０％であることが好ましい。
【００２６】
これは、ＳｉＣ等の高融点材料の単結晶製造技術が改良Ｌｅｌｙ法によって行われ、その加熱方式として、急速な高温までの加熱、真空雰囲気中における加熱、絶縁体を透過した加熱等が可能であるという特徴を有する高周波誘導加熱を用いざるを得ないことに起因している。高周波誘導加熱は、加熱コイルに高周波電流を流すと、被加熱体に交番磁束が形成され、被加熱体に高密度の渦電流が流れることによってジュール熱が発生し、急速に加熱されるものである。つまり、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４のみならず、導電性のある炭素系素材で作製された従来の断熱材５や坩堝受け６では全て加熱され、黒鉛製坩堝３の下部が急速に加熱されることになる。特に、結晶成長時に、コイルの位置と坩堝の位置の関係で、坩堝受け６が加熱され過ぎ、本来電力を投入し加熱すべき坩堝本体３及び４に効果的に電力が投入されず加熱されないことになる。一般に、結晶成長速度は坩堝下部に収容された原料１の温度や黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４内の温度勾配に比例する。従って、従来の製造装置では、原料温度が高くなりすぎると共に、温度勾配も大きくなりやすく、結晶成長の制御が困難となり、結晶性が低くなる。そのため、断熱材５の改良、例えば、断熱材の移動（特許文献９）や構造の工夫（特許文献１０）等が施されてきたが、ＳｉＣ等の高融点材料の単結晶製造技術特有の加熱方式に基づいておらず、本質的な温度制御の改良を施すことができなかった。
【００２７】
それに対し、本発明は、上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂに分離し、坩堝受け２２を間隙が設けられた黒鉛とすることによって、坩堝本体３及び４に効果的に電力が投入され、坩堝の適切な温度制御が可能となる。更に、石英では、導電性がないため、全く加熱されず、坩堝本体３及び４に効果的に電力が投入され、坩堝の温度制御がより適切なものとなる。
【００２８】
第二に、冷却水の循環装置に特徴を有する。従来は、図１から明らかなように、真空容器７の側面の石英二重管８の下部に冷却水導入口９を、その反対側上部に冷却水排出口１０を設け、特別な工夫が施されてこなかった。しかし、精密な温度制御が必要な単結晶製造装置においては、冷却効果を最大限に高める工夫が必要であることが分かった。つまり、本発明の第二の特徴は、図２及び３から明らかなように、冷却水導入口９を少なくとも２カ所設け、それぞれに冷却水導入管２３を差し込む構造にすることである。しかも、図には示していないが、長さの異なる冷却水導入管２３とすることである。この冷却水導入管２３の採用により、上記第一の特徴に基づく効果と相まって、真空容器７内の温度を制御し、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４の温度勾配を安定させることができ、欠陥のない良質な単結晶を生成することができる結晶成長速度とすることができた。特に、二重石英管８の冷却水の循環量は、１０〜５０&#8467;／ｍｉｎとすることが好ましい。
【００２９】
第三に、高周波誘導加熱コイル１７を設置する位置である。高周波誘導加熱コイルと坩堝の相対的な位置を変化させたり（特許文献１）、第二の高周波加熱コイルを設けたり（特許文献１６）されているが、高周波誘導加熱コイル１７の上下方向の長さ（Ｍ）が、坩堝の上下方向の内面の長さ（Ｎ）の１．２〜１．７倍とし、高周波誘導加熱コイル１７の最下端が坩堝の内面の最下端に一致するように配置することが最も黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４内の温度を安定させることができることを見出した。この原因については、明らかではないが、上記坩堝受け２２、冷却水導入管２３との相乗効果であると推測している。
【００３０】
さて、改良Ｌｅｌｙ法におけるＳｉＣの結晶成長は、ＳｉＣ結晶粉末原料１の温度、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４内の温度勾配、及び、真空容器７内の圧力等によって決まり、ＳｉＣ結晶粉末原料１の温度と坩堝内の温度勾配が大きく、且つ、圧力が低い程成長速度が速くなり、ＳｉＣの結晶性は悪くなる。逆に、成長速度が遅くなると、結晶性は良くなるが、工業的実用性に支障を来たす。従って、例えば、特許文献１、１１、１２、及び、１４等に開示されているように、坩堝の温度、結晶成長速度、坩堝内の温度勾配、真空容器内の圧力等、様々な温度及び圧力に関するパラメーターに言及されている。
【００３１】
しかし、単結晶製造時の温度制御は、真空容器７の上下に設けられている石英製温度測定用窓１９、断熱材５、２１Ａ、及び、２１Ｂの上下部に設けられた温度測定用穴２０を通して、赤外線放射温度計１８で、黒鉛製坩堝３の下部温度及び黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度を測定した結果に基づき、高周波電源（図示せず）にフィードバックをかけ、高周波誘導コイル１７に流す高周波電流量を制御して行っているだけであり、上記パラメーターを制御することは実質的に困難である（特許文献３）。
【００３２】
そこで、実質的に制御可能なパラメーターとして、時間に対する黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度と真空容器７内の圧力を精密に制御することによって、欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶を得ることができることを見出した。すなわち、図２に示した単結晶製造装置において、例えば、図５に示したような時間に対する温度及び圧力の制御を行うことによって、欠陥のない良質な、４Ｈタイプの結晶だけからなるＳｉＣ単結晶インゴットを得ることができた。
【００３３】
この実施例を図２及び５を用いてより具体的に説明する。まず、黒鉛製坩堝３の下部に、不純物元素の含有量が０．５ｐｐｍ以下であるＳｉＣ単結晶粉末原料１を入れ、黒鉛製坩堝の蓋４に固定した種結晶２の結晶成長面には、４ＨタイプのＳｉＣの（０００１）カーボン面を用いた。このように原材料を準備した黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４を炭素繊維製上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂで覆い、本発明の坩堝受け２２で支え、側面に冷却水を循環する石英製二重管８を有する真空容器７の中に配置する。そして、黒鉛製坩堝３の深さ（Ｎ）の１．４倍の長さ（Ｍ）の高周波誘導加熱コイルの最下端が黒鉛製坩堝３の底と一致する高さにくるように設置する。
【００３４】
次いで、真空容器７内を不活性ガスとしてアルゴンを用いて置換した後、真空排気装置１４で、真空容器７内が約６００ｔｏｒｒとし、高周波誘導加熱コイル１７に高周波電流を流すことにより、図５に示したプロファイルに従って昇温及び降圧する。結晶成長が開始する２時間前に２，１８０〜２，１８５℃となるように２０〜２２℃／分の昇温速度で昇温すると同時に、高真空排気を行い、約５ｔｏｒｒ／分の速度で排気した後、約４００ｔｏｒｒで約４０分保持し、更に、約１０ｔｏｒｒ／分の速度で排気して結晶の成長を開始する。
【００３５】
黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度を２，１８０〜２，１８５℃、真空容器７内の圧力を１〜２ｔｏｒｒに保持して、結晶成長を約３０時間行う。
【００３６】
その後、上記降圧プロファイルと逆のプロファイル、すなわち、約１０ｔｏｒｒ／分の速度で吸気した後、約４００ｔｏｒｒで約４０分保持し、更に、約５ｔｏｒｒ／分の速度で吸気して昇圧する。約６００ｔｏｒｒとなった時点で、黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度を約０．９℃／分の速度で降温し、更に、約４℃／分の速度で降温する。
【００３７】
このようにして製造されたＳｉＣ単結晶は、直径７．５ｃｍ、長さ１ｃｍに成長し、良質な４Ｈタイプの単結晶インゴットであった。
【００３８】
種結晶２として、６Ｈタイプの結晶成長面を用いれば、６Ｈタイプの結晶のみからなるＳｉＣ単結晶インゴットが製造できるように、種結晶２とＳｉＣ結晶粉末原料１の選択によって、所望の結晶の単結晶インゴットを製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の単結晶製造装置は、ＳｉＣの単結晶インゴットを製造するだけでなく、ＡｌＮ等の高融点材料の単結晶を昇華法により製造する装置として、幅広く利用することができる。更に、本発明の単結晶製造装置を用いた、時間に対する温度及び圧力プロファイルを採用することによって、一種類の結晶だけからなるＳｉＣ単結晶インゴットを安定して量産することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ＳｉＣ結晶粉末原料
２  種結晶
３  黒鉛製坩堝
４  黒鉛製坩堝の蓋
５  断熱材
６  坩堝受け
７  真空容器
８  二重石英管
９  冷却水導入口
１０  冷却水排出口
１１  不活性ガス導入口
１２  不活性ガス排気口
１３  排気口
１４  真空排気装置
１５  坩堝支持体
１６  坩堝支持体昇降装置
１７  高周波誘導加熱コイル
１８  赤外線放射温度計  
１９  石英製温度測定用窓
２０  温度測定用穴
２１Ａ  上部断熱材
２１Ｂ  下部断熱材
２２  坩堝受け
２３  冷却水導入管
【図１】
2015229623.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月14日(2014.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造を有する石英からなる、高周波誘導加熱コイルで囲まれた真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、前記粉末原料と対向する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置され、前記断熱材で囲まれた前記黒鉛製坩堝が坩堝受けを介して坩堝支持体で支えられる単結晶インゴットの製造装置において、前記黒鉛製坩堝と前記断熱材とを支える前記坩堝受けが、スリットを設けた黒鉛からなることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造を有する石英からなる、高周波誘導加熱コイルで囲まれた真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、前記粉末原料と対向する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置され、前記断熱材で囲まれた前記黒鉛製坩堝が坩堝受けを介して坩堝支持体で支えられる単結晶インゴットの製造装置において、前記黒鉛製坩堝と前記断熱材とを支える前記坩堝受けが、スリットを設けた石英からなることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項３】
前記高周波誘導加熱コイルの上下方向の長さが、前記黒鉛製坩堝の上下方向の内面の長さの１．２〜１．７倍であり、前記高周波誘導加熱コイルの最下端が前記黒鉛製坩堝の内面の最下端に一致するように配置することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
請求項１あるいは２に記載の単結晶製造装置において、結晶成長期間の少なくとも１〜２時間前に、前記黒鉛製坩堝上部の温度を２０００〜２４００℃に保持した後、前記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１，９００Ｐａの速度で降圧し、結晶成長終了後少なくとも１〜２時間後まで、前記黒鉛製坩堝上部の温度を２０００〜２４００℃に保持した後、前記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１，９００Ｐａの速度で昇圧することを特徴とする単結晶の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
上述した課題を解決するために、本発明は、不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造をなし、高周波誘導加熱コイルで囲まれた、石英からなる真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、この粉末原料と対向する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、三つの特徴を有するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
第一に、上記断熱材が上部断熱材と下部断熱材に分離され、上記坩堝と上記断熱材を支える坩堝受けが、スリットが設けられた黒鉛からなるものであり、更に、好ましくは、石英からなるものであることを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
第二に、上記二重管の最上部から、長さの異なる少なくとも二本の管を用いて冷却水を導入し、導入口と対向する位置の二重管の最上部から冷却水を排水し、冷却水を循環させることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、上述した課題を解決するために、本発明は、上記特徴を有する単結晶の製造装置において、上記黒鉛製坩堝の上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃、上記真空容器内の圧力を７０〜２７０Ｐａ、更に好ましくは、７０〜１９０Ｐａに保持して結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法である。更に、上記結晶成長期間を有し、その少なくとも１〜２時間前に、上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃に保持し、その後、上記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１９００Ｐａ、更に好ましくは、毎分７００〜１３００Ｐａの速度で降圧すると共に、結晶成長終了後少なくとも１〜２時間後まで、上部温度を２０００〜２４００℃、更に好ましくは、２１００〜２３００℃に保持し、その後、上記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１９００Ｐａ、更に好ましくは、毎分７００〜１３００Ｐａの速度で昇圧することを特徴とする製造方法である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
以下、本発明の単結晶の製造装置及び製造方法について、図面を用いて具体的な実施の一形態を説明する。本発明の技術思想は、不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造をなし、高周波誘導加熱コイルで囲まれた、石英からなる真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、この粉末原料と対向する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置された単結晶インゴットの製造装置において、断熱材の材質及び構造、冷却水の循環方法、及び、高周波誘導加熱コイルの適正配置にあると共に、この改良された単結晶の製造装置において、時間に対する温度・圧力プロファイルの制御にあり、以下の実施の形態に束縛されるものではない。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図２は、本発明の単結晶製造装置の概略図である。ＳｉＣ結晶粉末原料１を下部に収容し、この粉末原料１と対向する上部に種結晶２が固定された黒鉛製坩堝３及び４が、真空容器７内に設置されており、この真空容器７には、ＳｉＣ結晶粉末原料１が昇華する際の圧力及び雰囲気を制御するために、不活性ガスの導入口１１及び排出口１２、真空排気装置１４につながる排気口１３が備えられている。また、ＳｉＣ結晶粉末原料１が昇華する際の温度を制御するために、この真空容器１の側面は、冷却水の循環可能な石英製二重管構造８となっており、高周波誘導加熱コイル１７で囲まれている。一方、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４は、ほぼ全体が炭素繊維等の耐熱性、耐久性等に優れた炭素系素材で作製された上部断熱材２１Ａ及び下部断熱材２１Ｂで包まれ、坩堝受け２２で支えられている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
第一に、図１に示した従来の断熱材５は、上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂに分離され、上部断熱材２１Ａ及び下部断熱材２１Ｂ共に従来技術と同様の炭素系素材等で作製されたものであるが、図１に示した従来技術の坩堝受け６と異なり、坩堝受け２２が、図３（ａ）に示したようなスリットを設けた黒鉛であることを特徴としている。更に、図３（ｂ）に示したような石英であることがより好ましい。ここで、坩堝受け２２の厚さは５〜３０ｍｍであることが好ましく、特に、黒鉛の場合、開口率（＝スリットの面積／坩堝受け全面積×１００）は、５〜９０％であることが好ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
それに対し、本発明は、上部断熱材２１Ａと下部断熱材２１Ｂに分離し、坩堝受け２２をスリットが設けられた黒鉛とすることによって、坩堝本体３及び４に効果的に電力が投入され、坩堝の適切な温度制御が可能となる。更に、石英では、導電性がないため、全く加熱されず、坩堝本体３及び４に効果的に電力が投入され、坩堝の温度制御がより適切なものとなる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
第二に、冷却水の循環装置に特徴を有する。従来は、図１から明らかなように、真空容器７の側面の石英二重管８の下部に冷却水導入口９を、その反対側上部に冷却水排出口１０を設け、特別な工夫が施されてこなかった。しかし、精密な温度制御が必要な単結晶製造装置においては、冷却効果を最大限に高める工夫が必要であることが分かった。つまり、本発明の第二の特徴は、図２及び３から明らかなように、冷却水導入口９を少なくとも２カ所設け、それぞれに冷却水導入管２３を差し込む構造にすることである。しかも、図には示していないが、長さの異なる冷却水導入管２３とすることである。この冷却水導入管２３の採用により、上記第一の特徴に基づく効果と相まって、真空容器７内の温度を制御し、黒鉛製坩堝３及び黒鉛製坩堝の蓋４の温度勾配を安定させることができ、欠陥のない良質な単結晶を生成することができる結晶成長速度とすることができた。特に、二重石英管８の冷却水の循環量は、１０〜５０ｌ（リットル）／ｍｉｎとすることが好ましい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
次いで、真空容器７内を不活性ガスとしてアルゴンを用いて置換した後、真空排気装置１４で、真空容器７内が約８０ＫＰａとし、高周波誘導加熱コイル１７に高周波電流を流すことにより、図５に示したプロファイルに従って昇温及び降圧する。結晶成長が開始する２時間前に２，１８０〜２，１８５℃となるように２０〜２２℃／分の昇温速度で昇温すると同時に、高真空排気を行い、約７０Ｐａ／分の速度で排気した後、約５３ＫＰａで約４０分保持し、更に、約１３００Ｐａ／分の速度で排気して結晶の成長を開始する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度を２，１８０〜２，１８５℃、真空容器７内の圧力を１３０〜２７０Ｐａに保持して、結晶成長を約３０時間行う。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
その後、上記降圧プロファイルと逆のプロファイル、すなわち、約１３００Ｐａ／分の速度で吸気した後、約５３ＫＰａで約４０分保持し、更に、約７０Ｐａ／分の速度で吸気して昇圧する。約８０ＫＰａとなった時点で、黒鉛製坩堝の蓋４の上部温度を約０．９℃／分の速度で降温し、更に、約４℃／分の速度で降温する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2015229623.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月2日(2015.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスの入排出口、真空排気口を備え、冷却水の循環通路となる二重管構造を有する石英からなる、高周波誘導加熱コイルで囲まれた真空容器の中に、単結晶の粉末原料を下部に収容し、前記粉末原料と対向する上部に種結晶が固定された黒鉛製坩堝が断熱材に囲まれて配置され、前記断熱材で囲まれた前記黒鉛製坩堝が坩堝受けを介して坩堝支持体で支えられる単結晶インゴットの製造装置において、前記黒鉛製坩堝と前記断熱材とを支える前記坩堝受けが、スリットを設けた黒鉛からなることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記高周波誘導加熱コイルの上下方向の長さが、前記黒鉛製坩堝の上下方向の内面の長さの１．２〜１．７倍であり、前記高周波誘導加熱コイルの最下端が前記黒鉛製坩堝の内面の最下端に一致するように配置することを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
請求項１に記載の単結晶製造装置において、結晶成長期間の少なくとも１〜２時間前に、前記黒鉛製坩堝上部の温度を２０００〜２４００℃に保持した後、前記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１，９００Ｐａの速度で降圧し、結晶成長終了後少なくとも１〜２時間後まで、前記黒鉛製坩堝上部の温度を２０００〜２４００℃に保持した後、前記真空容器内の圧力を毎分２７０〜１，９００Ｐａの速度で昇圧することを特徴とする単結晶の製造方法。