(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と外管との間に冷却水流路が形成された二重石英管を側壁とする真空排気容器と、この真空排気容器に配置された坩堝とを備え、前記坩堝内に収容された炭化珪素原料を昇華させて原料ガスを発生させ、この原料ガスを坩堝内に取り付けた種結晶上に供給して炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置であって、
前記二重石英管を構成する内管の前記坩堝側外面及び前記冷却水流路側内面には、透明性を有する粘着シートが剥離可能に貼着されていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項２】
前記粘着シートが、互いに剥離可能に積層された複数の粘着シート部材からなる積層粘着シートであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素原料を昇華させ、種結晶上に炭化珪素結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。ＳｉＣは、化学組成が同じでも、多数の異なった結晶構造を取る結晶多形(ポリタイプ)構造を持つ代表的物質である。ポリタイプとは、結晶構造においてＳｉとＣの結合した分子を一単位として考えた場合、この単位構造分子が結晶のｃ軸方向([0001]方向)に積層する際の周期構造が異なることにより生じる。代表的なポリタイプとしては、６Ｈ、４Ｈ、１５Ｒ又は３Ｃがある。ここで、最初の数字は積層の繰り返し周期を示し、アルファベットは結晶系(Hは六方晶系、Rは菱面体晶系、Cは立方晶系)を表す。各ポリタイプは、それぞれ物理的、電気的特性が異なり、その違いを利用して各種用途への応用が考えられている。例えば、６Ｈは、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス用基板として用いられ、４Ｈは、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしての応用が考えられている。
【０００３】
研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、ＳｉＣが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約２０%もあること等により、多くの欠陥(〜107cm-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶[0001]面基板を種結晶として用いて昇華再結晶を行う、改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献1)。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。
【０００５】
図１を用いて、改良レーリー法の原理、及びこの改良レーリー法を実施してSiC単結晶を製造する炭化珪素単結晶製造装置の概要を説明する。
黒鉛製あるいはタンタル等の高融点金属製（通常は黒鉛製である。）の坩堝３内には、その上部に種結晶１となるSiC単結晶が配置され、また、その下部に原料２となるSiC粉末が収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気(133〜13.3kPa)中で２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料 (SiC粉末)２側に比べて種結晶(SiC単結晶)１側がやや低温になるように温度勾配が設定される。原料２は加熱されて昇華し、また、昇華して生成した原料ガスは、原料２と種結晶１との間の温度勾配により形成される濃度勾配により、種結晶１方向へと拡散し、輸送される。SiC単結晶の成長は、原料２から昇華して種結晶１に到着した原料ガスが種結晶１上で再結晶化することにより実現される。この際、結晶の体積抵抗率は、不活性ガスからなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、あるいは、SiC原料粉末中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、SiC単結晶構造中のシリコン又は炭素原子の位置を不純物元素にて置換させて(ドーピング)制御できる。SiC単結晶中の置換型不純物として代表的なものに、窒素(n型)、ホウ素、アルミニウム(p型)がある。これらの不純物によりキャリア型及び濃度を制御しながら、SiC単結晶を成長させることができる。現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から口径3インチ(76.2mm)から6インチ(150mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル薄膜成長、デバイス作製に供されている。
【０００６】
そして、このような黒鉛製の坩堝は、真空排気容器12の内部に、黒鉛製の支持棒５により設置され、また、この坩堝３の周囲には、熱シールドのための黒鉛製の断熱材６が設置されている。真空排気容器12内は真空排気装置11により高真空排気(10-3Pa以下)の雰囲気とされ、また、この内部雰囲気はその圧力がガス配管９及びガス流量調節計10を通って導入されるArガスにより制御される。この際、各種ド−ピングガス(窒素、トリメチルアルミニウム、トリメチルボロン)も、ガス流量調節計10を通して導入することができる。
【０００７】
また、前記真空排気容器12は、その側壁を構成する二重石英管４と、この二重石英管４の外周を取り囲むように設置されたワークコイル８と、前記二重石英管４の上下両端を閉じる上蓋7a及び下蓋7bとで構成されており、前記二重石英管４の下蓋7bが前記真空排気装置11に接続されている。前記ワークコイル８に高周波電流を流すことにより、黒鉛製の坩堝３を加熱し、原料２及び種結晶１を加熱することができる。ここで、前記真空排気容器12の側壁を構成する二重石英管４は、内管4aと外管4bとからなる二重構造となっており、また、これら内管4aと外管4bとの間が、SiC単結晶の製造時に坩堝３が高温に加熱された際に、この坩堝３を収容した真空排気容器12の冷却を行う冷却水循環のための冷却水流路4cとなっている。なお、坩堝温度の計測は、坩堝３の上部及び下部を覆う断熱材６の中央部にそれぞれ直径２〜４mmの光路（図示せず）を設け、坩堝３の上部及び下部からの光を取り出し、二色温度計を用いて行う。
【０００８】
上記したように、SiC単結晶の製造に際しては、黒鉛製坩堝内にて高温下で原料のSiC粉末を昇華させ、生成した原料ガスを温度勾配（濃度勾配）によって拡散させ、種結晶上へ到達させ、そこで再結晶化させてSiC単結晶を成長させることが行われている。このため、実際のSiC単結晶の成長に際しては、不可避的に原料ガスが坩堝の外部に漏れ出て拡散し、SiC単結晶の製造時に冷却されている二重石英管の内壁面、すなわち内管の坩堝側外面に付着し、膜状に堆積して次回のSiC単結晶製造の準備作業時（例えば、二重石英管の清掃作業等のメンテナンス作業時等）に様々な問題を引き起こす原因になる。
【０００９】
そこで、本発明者らは、先にこの問題を解決する手段として、二重石英管の内壁面に透明性を有すると共に剥離可能な粘着シートを貼り付け、これによって二重石英管のメンテナンス作業時における清掃作業時間を著しく短縮化できる炭化珪素単結晶の製造装置を提案し、装置維持費の低減化等において一定の成果を収めている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2011-032,109号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V.F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52 (1981) pp.146-150.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、実際のSiC単結晶の製造に際しては、たとえ前記特許文献１で提案した粘着シートによる対策を採用した場合でも、昇華再結晶法で結晶成長操作を行う回数を重ねるうちに、二重石英管の内壁面（内管の坩堝側外面）への付着物の問題以外に、二重石英管の内管の冷却水流路面側に付着物が堆積し、操業に際して二重石英管自体にストレスを与えて破損に至る危険性が増すため、高価な部品でありながら一定頻度で新品に交換せざるを得ない、という別の問題が顕在化した。
【００１３】
そこで、本発明者らは、更にこの問題の原因を突き止めて解決すべく鋭意検討した結果、意外なことには、「二重石英管の内壁面への付着物」の問題以外に、結晶成長時に二重石英管自体が加熱され、これに伴って冷却水中に含まれる様々な成分が加熱されて分解し、徐々にではあるが固化して二重石英管を構成する内管の冷却水流路側内面にも堆積物として析出することが判明した。特に、二重石英管を構成する内管の坩堝側外面では、かなり高温に加熱されているものと考えられる。そして、この二重石英管を構成する内管の冷却水流路側内面への付着物の問題は、結晶成長操作の回数を重ねるごとに堆積物が増加して顕在化し、また、堆積物が加熱・冷却のサイクルを経るにつれて二重石英管それ自体にストレスを与えることになるため、堆積物が多くなった時点で二重石英管を新品に交換しなければならず、特に二重石英管は大型になればなるほど非常に高価になることから、装置維持費の低減化等を目的に更なる改善が求められていた。
【００１４】
そこで、本発明では、上記の問題を解決し、清掃作業時間を著しく短縮でき、装置維持費の低減化を図ることができると共に製造効率に優れた炭化珪素単結晶製造装置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】
【００１５】
すなわち、本発明の要旨は、次の通りである。
(1)  内管と外管との間に冷却水流路が形成された二重石英管を側壁とする真空排気容器と、この真空排気容器に配置された坩堝とを備え、前記坩堝内に収容された炭化珪素原料を昇華させて原料ガスを発生させ、この原料ガスを坩堝内に取り付けた種結晶上に供給して炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置であって、
前記二重石英管を構成する内管の前記坩堝側外面及び前記冷却水流路側内面には、透明性を有する粘着シートが剥離可能に貼着されていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。
(2)  前記粘着シートが、互いに剥離可能に積層された複数の粘着シート部材からなる積層粘着シートであることを特徴とする前記(1)に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の炭化珪素単結晶製造装置は、真空排気容器の側壁を構成する二重石英管について、その内壁面（すなわち、二重石英管を構成する内管の坩堝側外面）だけでなく、二重石英管を構成する内管の冷却水流路側内面についても、結晶成長時に形成される堆積物を容易に除去することができ、定期的に二重石英管を交換する期間を大幅に延長することができ、また、装置維持費の大幅な削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、改良レ−リ−法の原理、及びこの改良レーリー法を実施してSiC単結晶を製造する炭化珪素単結晶製造装置の概要を説明するための説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１に係る炭化珪素単結晶製造装置の概要を説明するための説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の炭化珪素単結晶製造装置について、より詳細に説明する。
本発明の炭化珪素単結晶製造装置は、例えば図２に示すように、真空排気容器12の側壁を構成する二重石英管４の内管4aには、この内管4aの坩堝３側外面（すなわち、二重石英管４の内壁面）に剥離可能な透明性粘着シート13が貼り付けられていると共に、この内管4aの冷却水流路4c側内面にも剥離可能な透明性粘着シート13が貼り付けられており、炭化珪素単結晶製造装置のメンテナンス時には、前記透明性粘着シート13を剥がすことにより、真空排気容器12の側壁を構成する二重石英管４の内管4aの坩堝３側外面及び冷却水流路4c側内面の表面に付着した堆積物を前記透明性粘着シート13とともに容易に除去することができる。
【００１９】
上記の剥離可能な透明性粘着シート13は、二重石英管４の内外両面の表面に貼り付けられていて、メンテナンス時には剥がされるものであることから、好ましくは人力で簡単に剥がせる程度の粘着力を有する粘着シートであることが好ましい。また、この粘着シートの材質については、坩堝３の加熱時にワークコイル８からの高周波を遮ることがなく、坩堝３の加熱を損なうことのない電気絶縁性材料である必要があり、更に、SiC単結晶の結晶成長操作時には二重石英管４の内管4aと外管4bとの間の冷却水流路4c内を冷却目的の水が循環しており、また、この冷却水はその温度が２００℃を越えないものの高温になるので、耐久性の観点から好ましくは耐熱温度が２００℃以上であり、繰り返し使用が可能になることからより好ましくは２５０℃以上であるのがよい。このような剥離可能な透明性粘着シートのシート基材としては、例えば、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等の耐熱樹脂であることが好ましい。また、前記耐熱樹脂には、粘土等の無機充填剤（無機粉末）や無機質繊維が混合されていてもよい。また、剥離可能な透明性粘着シートの粘着剤については、耐熱温度が２００℃以上、好ましくは２５０℃以上であるのがよく、具体的にはゴム系粘着剤、アクリル系粘着剤、ウレタン系粘着剤、シリコーン系粘着剤等を例示することができ、好ましくは耐熱温度が２５０℃以上のシリコーン系粘着剤である。
【００２０】
また、本発明の炭化珪素単結晶の製造装置は、その操業の安全上、真空排気容器12内の坩堝３やこの坩堝３を取り巻く断熱材６の状態を目視観察できることが望ましいので、本発明で用いる剥離可能な透明性粘着シート13は、真空排気容器12の側壁を構成する二重石英管４の内管4aに貼着されることから、二重石英管４内部の観察ができる程度の透明性を有することが望ましい。
【００２１】
更に、本発明の剥離可能な透明性粘着シートについては、剥離可能な透明性粘着シートの複数枚が互いに剥離可能に積層された複数の粘着シート部材からなる積層粘着シートであってもよい。このような剥離可能な透明性の積層粘着シートが前記二重石英管４の内管4aの内外面（すなわち、坩堝側外面及び冷却水流路側内面）に剥離可能に貼り付けられていると、前回のSiC単結晶の結晶成長操作が終了して次回のSiC単結晶の結晶成長操作に移る際のメンテナンス作業時に、貼り付けられた前記積層粘着シートの上層の粘着シート部材の１枚を剥がすとその下層の新しい粘着シート部材が現れるので、このメンテナンス作業時には新たな粘着シートを貼り付ける作業を省略することができ、それだけメンテナンス作業の作業効率、すなわち製造効率がより向上する。前記積層粘着シートにおいて、互いに積層される粘着シート部材の数（積層枚数）については、特に限定されるものではないが、積層粘着シートにおける透明性を損なわない数であることが必要であり、２０枚程度までがよい。
【実施例】
【００２２】
以下に、実施例及び比較例に基づいて、本発明の炭化珪素単結晶製造装置について述べる。
〔実施例１〕
実施例１においては、図２に示す炭化珪素単結晶製造装置を用いて、SiC単結晶の製造を行った。
この実施例１においては、先ず、種結晶１として口径150mmの(0001)面を有した4HポリタイプのSiC単結晶ウェハを用い、この種結晶１を黒鉛製の坩堝３の内部上面に取り付けた。次に、坩堝３の内部にアチソン法で作製したSiC粉末からなる原料２を充填した。また、坩堝３を黒鉛製フェルトからなる断熱材６で被覆した後、黒鉛製支持棒５の上に乗せ、真空排気容器12の二重石英管４の内部に設置した。
【００２３】
真空排気容器12については、その側壁を構成する二重石英管４の内管4aの内外面（坩堝３側外面及び冷却水流路4c側内面）のそれぞれに、その全体を被覆するように、剥離可能な透明性粘着シート（ウノン技研社製K-1000A、耐熱温度：260℃、シート基材：ポリイミド樹脂、粘着剤：耐熱アクリル粘着剤；以下、「粘着シート」という。）13を貼り付けた。この粘着シート13は、２０枚の剥離可能なシートが積層された構造からなるものである。
【００２４】
このようにして準備された真空排気容器12の内部を真空排気装置11で真空排気した後、ワークコイル８に電流を流し、前記坩堝３内の原料２を加熱して２０００℃まで昇温させ、また、真空排気容器12の内部には雰囲気ガスとして高純度のArガス(純度99.9995%)を流入させ、SiC単結晶の結晶成長操作の間の全体を通じて、この真空排気容器12内の圧力を１．３kPaに保った。この圧力下において、原料２の加熱温度を２０００℃から目標温度の２４００℃まで上昇させ、その後、昇温後の温度を保って４５時間かけて結晶成長を行った。この結晶成長の時間中、窒素ガスを０．５×１０-6m3/secの流量で流し、種結晶１上に窒素濃度１×１０19cm-3のSiC単結晶インゴットを得た。
【００２５】
このようなSiC単結晶の結晶成長操作を２０回繰り返した後、二重石英管４の内管4aの内外面に貼り付けた粘着シート13を観察したところ、広い面積に渡って堆積物が膜状に付着していた。ここで、二重石英管４の内管4aの内外面から粘着シート13を剥がして回収したところ、回収された粘着シート13には堆積物が付着していた。これにより二重石英管４の前記坩堝側外面および冷却水流路側内面は全く付着物の無い新たな粘着シート13で覆われ、二重石英管4自体はそのまま使用可能となり、交換不要であった。
【００２６】
〔比較例１〕
二重石英管４の内管4aの内外面（坩堝３側外面及び冷却水流路4c側内面）に粘着シート13を貼り付けなかったこと以外は、全て実施例１と同様にしてSiC単結晶の結晶成長を行った。
このようなSiC単結晶の結晶成長を２０回繰り返した後、二重石英管４の内管4aの内外面を観察したところ、広い面積に渡って堆積物が膜状に付着しており、メンテナンス作業の際に、これら付着した堆積物を二重石英管４の内管4aの内外面から、特に内管4aの冷却水流路4c側内面に付着した堆積物の除去が困難でこの二重石英管にかかるストレスによるクラック発生等の危険性が増すため、二重石英管自体を新品に交換せざるを得なかった。
【符号の説明】
【００２７】
１…種結晶(SiC単結晶)、２…原料(SiC粉末)、３…坩堝、４…二重石英管、4a…内管、4b…外管、4c…冷却水流路、５…支持棒、６…断熱材(黒鉛製フェルト)、7a…上蓋、7b…下蓋、８…ワークコイル、９…ガス配管、10…ガス流量調節計、11…真空排気装置、12…真空排気容器、13…粘着シート。
【図１】
0006594238.tif 000002
【図２】
0006594238.tif 000003