(57)【要約】本願は、大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶、基板及びその製造方法並びに製造用装置を提供し、炭化ケイ素単結晶、基板領域に属する。本願は、ＰＶＴ法の熱場分布を改良し、上の断熱孔により散熱することによって軸方向の温度勾配を作り出すという伝統的な方法を、壁の厚さの異なる坩堝及び厚さの異なる断熱構造を使用して軸方向の温度勾配を作り出すという方法に変えると同時に、坩堝の上側の断熱構造を変えるので、ラジカル方向の温度の分布が一致である熱場構造を作り出す。特に、大型サイズの坩堝の内部の熱場のラジカル方向の分布を均一にすることができる。電場応答性不純物元素は、温度勾配につれて成長して結晶体に入るので、このようなラジカル方向の温度の分布が均一である熱場構造は、電場応答性不純物元素がラジカル方向に沿って均一的に分布することに導く。よって、ラジカル方向の抵抗率が一致であり、応力が低い大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶及び単結晶基板を製造することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛坩堝、加熱ユニット、シード結晶ユニット及び断熱構造を含む炭化ケイ素単結晶の成長装置であって、
当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該黒鉛坩堝の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の側壁は、黒鉛坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項２】
当該黒鉛坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項３】
当該断熱構造の側部の璧部は、黒鉛坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項４】
当該黒鉛坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、前記第一の距離は、黒鉛坩堝の中心から黒鉛坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項５】
前記加熱ユニットは、黒鉛坩堝に対して誘導加熱方式を用いることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項６】
当該黒鉛坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有し、
当該第一の中心軸線は、当該黒鉛坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行し、
当該第一の中心軸線と当該黒鉛坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角と第二の夾角の値は、５〜３０°であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項７】
当該第一の距離の変化値は、５〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項８】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該黒鉛坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、黒鉛坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項９】
当該黒鉛坩堝の側壁の内表面は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか１つに記載の炭化ケイ素単結晶の成長装置を含むことを特徴とする結晶体成長装置。
【請求項１１】
坩堝と、加熱ユニットと、断熱構造とを含む炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造であって、
当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を有し、当該坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置し、
当該坩堝の側壁の開口領域の壁の厚さは、底部領域の壁の厚さより大きいであることを特徴とする炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造。
【請求項１２】
当該坩堝は、黒鉛坩堝であることを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項１３】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなることを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項１４】
当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることを特徴とする請求項１３に記載の熱場構造。
【請求項１５】
当該坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、前記第一の距離は、坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項１６】
当該第一の距離の変化値は、５〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載の熱場構造。
【請求項１７】
当該坩堝と当該断熱構造は、大体第一の中心軸線を共有し、
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と大体平行し、
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、及び／又は、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°であることを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項１８】
当該坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有し、
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行し、
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°であることを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項１９】
当該第一の夾角の値は、５〜３０°であり、当該第二の夾角の値は、５〜３０°であることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の熱場構造。
【請求項２０】
当該第一の夾角及び第二の夾角は、大体同じであることを特徴とする請求項１９に記載の熱場構造。
【請求項２１】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなり、
当該坩堝の側壁の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有することを特徴とする請求項１１に記載の熱場構造。
【請求項２２】
請求項１１〜２１の何れか１つに記載の熱場構造を含むことを特徴とする結晶体成長装置。
【請求項２３】
前記結晶体成長装置は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶を製造するために用いられることを特徴とする請求項２２に記載の結晶体成長装置。
【請求項２４】
請求項２１〜２１の何れか１つに記載の前記熱場構造又は請求項２２又は２３に記載の成長装置を用いて製造することを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２５】
炭化ケイ素の粉材料が充填された坩堝にシード結晶ユニットを取り付け、坩堝を密閉断熱構造のチャンバー内に置き、結晶体成長装置内に入れるという組立工程（１）と、
結晶体成長装置を密封し、真空排気し、不純物が除去された後に保護気体を入れるという不純物除去工程（２）と、
結晶体成長装置の加熱ユニットを用いて坩堝の温度を制御し、結晶を成長させることによって、高純度炭化ケイ素単結晶を製造するという結晶成長工程（３）と、を含むことを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２６】
前記炭化ケイ素の粉材料の純度は、９９．９９９９％以上であり、
前記炭化ケイ素の粉材料の中の浅いエネルギー準位ドナー不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、浅いエネルギーアクセプタ不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項２５に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２７】
前記結晶成長工程は、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で結晶体成長装置内の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で結晶体成長装置内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、５０〜１００ｈ維持することを含むことを特徴とする請求項２５に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２８】
当該坩堝と当該断熱構造により、坩堝内には、軸方向の温度勾配を有し、及び／又は、ラジアル方向の温度が均一であり、
当該坩堝は、黒鉛坩堝であることが好ましいことを特徴とする請求項２５に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項２９】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなり、
前記断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましいことを特徴とする請求項２５に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項３０】
当該坩堝と当該断熱構造は、大体第一の中心軸線を共有し、
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と大体平行し、
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、及び／又は、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、
当該第一の夾角＜９０°であり、当該第一の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましく、
当該第二の夾角＜９０°であり、当該第二の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましく、
当該第一の夾角及び第二の夾角は、大体等しいであることがより好ましいことを特徴とする請求項２９に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項３１】
当該坩堝の開口面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、当該坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加し、
当該第一の距離の変化値の範囲は、５〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項２９に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項３２】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなり、
当該坩堝の側部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有することを特徴とする請求項２９に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項３３】
請求項２５〜３２の何れか１つに記載の方法により製造されることを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶。
【請求項３４】
請求項２５〜３２の何れか１つに記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法と、製造された高純度炭化ケイ素単結晶を切断し、研削し、研磨することによって、高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造するという基板製造工程（４）と、を含むことを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法により製造されることを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、大型サイズ高純度炭化ケイ素単結晶、単結晶基板及びその製造方法並びに製造用装置に関し、炭化ケイ素単結晶及びその基板分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
半導体炭化ケイ素単結晶材料は、前世紀９０年代からの商業化以来、３０年間近くの発展を経て、パワー電子デバイス及びマイクロ波無線周波数デバイスの好ましい基板材料になりつつである。川下のデバイス技術の絶えない発展及び産業化レベルの絶えない向上に伴い、炭化ケイ素単結晶基板の品質に対するニーズも日によって厳しくなっている。
【０００３】
現在、最も成熟した炭化ケイ素単結晶の製造技術は、物理気相輸送法（ＰＶＴ法に略称される）であり、その基本原理は、コイルの中心に置かれる黒鉛坩堝を中間周波数誘導により加熱し、黒鉛坩堝壁が誘導加熱されると、熱量が内部の炭化ケイ素の粉材料に伝わって粉材料を昇華させる。黒鉛坩堝の上側の黒鉛断熱フェルトの中心には、貫通する円孔が設置されており、円孔により温度測定をすると同時に、熱量が円孔により散熱する。よって、坩堝には、下部の温度が高く、上部の温度が低いという軸方向の温度の勾配が形成されるので、昇華した気相を成長チャンバーの粉材料の領域から坩堝の頂部のシード結晶領域に移動して結晶するように駆動する。当該方法により製造された炭化ケイ素単結晶は、２インチから８インチまでに発展し、川下のデバイスにおいて絶えずに応用されるようになっている。
【０００４】
しかしながら、結晶体のサイズの絶えない増加に伴い、坩堝の直径も絶えずに大きくなる。中間周波数の誘導加熱方法は、坩堝壁を発熱源とし、坩堝壁と坩堝の中心のラジアル方向に沿う温度の勾配も絶えずに増加し、この他にＰＶＴ法では、坩堝の上側の断熱の中心の円孔を散熱の中心として軸方向の温度の勾配を作ることから、坩堝の内部の熱場は、ラジアル方向に沿う不均一性を更に引き起こし、結晶体は、ラジアル方向に沿って比較的大きな熱応力が存在し、不純物及び欠陥の分布が不均一である等の問題を招いてしまう。前者の存在する熱応力は、結晶体の加工過程において亀裂が生じ、基板加工過程において湾曲度、反り返り度の不合格等の深刻な品質問題を招きやすく、後者の不純物及び欠陥の分布の不均一も基板のラジアル方向に沿う抵抗率の均一性を厳しく制限する等の問題を招きやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した問題を解決するために、本願の一つの局面は、炭化ケイ素単結晶の成長装置を提供する。当該装置は、坩堝と黒鉛坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
当該炭化ケイ素単結晶の成長装置は、黒鉛坩堝、加熱ユニット、シード結晶ユニット及び断熱構造を含む。当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該黒鉛坩堝の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の側壁は、黒鉛坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【０００７】
当該シード結晶ユニットは、黒鉛坩堝の開口の上方の位置に設置されており、当該断熱構造は、開口構造を有せず、当該シード結晶ユニットは、炭化単結晶のシード結晶を含むことが好ましい。
【０００８】
当該黒鉛坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置することが好ましい。
【０００９】
当該断熱構造の側部の璧部は、黒鉛坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００１０】
当該黒鉛坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、黒鉛坩堝の中心から黒鉛坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することが好ましい。
【００１１】
前記加熱ユニットは、黒鉛坩堝に対する加熱方法が誘導加熱であることが好ましい。前記加熱ユニットは、中間周波数コイルを含むことが好ましい。
【００１２】
当該黒鉛坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有することが好ましい。
【００１３】
当該第一の中心軸線は、当該黒鉛坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行する。
【００１４】
当該第一の中心軸線と当該黒鉛坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角と第二の夾角の値は、５〜３０°である。更に、当該第一の夾角と第二の夾角の値の下限は、７°、１０°、１３°又は１５°から選択され、当該第一の夾角と第二の夾角の値の上限は、２８°、２５°、２３°、２０°又は１８°から選択される。
【００１５】
当該第一の夾角と第二の夾角の値は、１０〜２５°であることが好ましい。
【００１６】
当該第一の夾角と第二の夾角は、大体等しいであることが好ましい。
【００１７】
当該黒鉛坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、黒鉛坩堝の中心から黒鉛坩堝のエッジに向かって増加することが好ましい。１つの実施形態としては、前記断熱構造の頂部は、ドーム状である。
【００１８】
当該第一の距離の変化値の値は、５〜５０ｍｍであることが好ましい。当該第一の距離の変化値の範囲の下限は、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ又は３０ｍｍｍから選択され、当該第一の距離の変化値の範囲の上限は、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ又は４５ｍｍから選択されることが好ましい。
【００１９】
当該第一の距離の変化値の範囲は、１０〜４５ｍｍであることが好ましい。
【００２０】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該黒鉛坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、黒鉛坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなることが好ましい。
【００２１】
当該黒鉛坩堝の側部の内表面は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じの延伸方向を有する。
【００２２】
本願のもう１つの局面は、上述した任意の一項に記載の装置を含むことを特徴とする結晶体成長装置を提供する。
【００２３】
当該結晶体成長装置は、直径が４〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられることが好ましい。更に、当該結晶体成長装置は、直径が８インチより大きく且つ１２インチ以下である半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。
【００２４】
本願のもう１つの局面は、炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造を提供する。当該熱場構造は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場構造を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【００２５】
当該炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造は、坩堝と、加熱ユニットと、断熱構造とを含み、当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置する。
【００２６】
当該坩堝の側壁の開口領域の壁の厚さは、底部領域の壁の厚さより大きい。
【００２７】
当該坩堝と断熱構造により、坩堝内には、軸方向の温度勾配を有する及び／又はラジアル方向の温度勾配がゼロに近いことが好ましい。
【００２８】
当該坩堝は、黒鉛坩堝であることが好ましい。
【００２９】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００３０】
当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００３１】
当該坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、当該坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することが好ましい。
【００３２】
当該第一の距離の変化値の値は、５〜５０ｍｍであることが好ましい。当該第一の距離の変化値の範囲の下限は、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ又は３０ｍｍｍから選択され、当該第一の距離の変化値の範囲の上限は、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ又は４５ｍｍから選択される。
【００３３】
当該坩堝と当該断熱構造は、大体第一の中心軸線を共有することが好ましい。
【００３４】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と大体平行する。
【００３５】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°である。
【００３６】
更に、当該坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有する。
【００３７】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行する。
【００３８】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°である。
【００３９】
当該第一の夾角の値は、５〜３０°であり、当該第二の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましい。更に、当該第一の夾角及び第二の夾角の値の下限は、７°、１０°、１３°又は１５°から選択され、当該第一の夾角及び第二の夾角の値の上限は、２８°、２５°、２３°、２０°又は１８°から選択される。
【００４０】
当該第一の夾角及び第二の夾角は、大体等しいであることが好ましい。
【００４１】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口方向に向かい、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心の方向から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなることが好ましい。
【００４２】
当該坩堝の側壁の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有する。
【００４３】
当該熱場構造は、当該坩堝の開口の上方に設置されるシード結晶ユニットを更に含み、当該シード結晶ユニットは、炭化ケイ素単結晶シード結晶を含み、当該断熱構造は、開孔構造を有しないことが好ましい。
【００４４】
本願のもう一つの局面は、上述した任意の一項に記載の熱場構造を用いて製造することを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。
【００４５】
本願のもう一つの局面は、上述した任意の一項に記載の熱場構造を含むことを特徴とする結晶体成長装置を提供する。
【００４６】
当該結晶体成長装置は、直径が４〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられることが好ましい。更に、当該結晶体成長装置は、直径が８インチより大きく且つ１２インチ以下である半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。
【００４７】
本願のもう１つの局面は、炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。当該方法は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【００４８】
当該大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法は、
炭化ケイ素の粉材料が充填された坩堝にシード結晶ユニットを取り付け、坩堝を密閉断熱構造のチャンバー内に置き、結晶体成長装置内に入れるという組立工程（１）と、
結晶体成長装置を密封し、真空排気し、不純物が除去された後に保護気体を入れるという不純物除去工程（２）と、
結晶体成長装置の加熱ユニットを用いて坩堝の温度を制御し、結晶を成長させることによって、前記高純度炭化ケイ素単結晶を製造するという結晶成長工程（３）と、を含む。
【００４９】
前記炭化ケイ素の粉材料の純度は、９９．９９９９％以上であり、なお、前記炭化ケイ素の粉材料の中の浅いエネルギー準位ドナー不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、浅いエネルギーアクセプタ不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上下であることが好ましい。
【００５０】
更に、前記浅いエネルギー準位ドナー不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以下であり、前記浅いエネルギーアクセプタ不純物の濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以下である。
【００５１】
前記浅いエネルギー準位ドナー不純物は、窒素元素を含み、前記浅いエネルギーアクセプタ不純物は、ホウ素及びアルミニウムを含むことが好ましい。
【００５２】
前記結晶成長工程は、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で坩堝内の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で坩堝内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、５０〜１００ｈ維持することを含むことが好ましい。
【００５３】
更に、前記結晶成長工程は、３５〜４５ｍｂａｒ／ｈの速度で坩堝内の圧力を２０〜８０ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で坩堝内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、６０〜８０ｈ維持することを含む。
【００５４】
前記不純物除去工程は、坩堝内部の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、５〜１０ｈ維持した後、保護気体を入れることを含むことが好ましい。更に、坩堝内部の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、６〜９ｈ維持する。更に、前記包括気体は、アルゴン及びヘリウムである。
【００５５】
当該坩堝と当該断熱構造により、坩堝内には、軸方向温度勾配を有する及び／又はラジアル方向の温度が均一であることが好ましい。当該坩堝と当該断熱構造により、坩堝内のラジアル方向の温度勾配がゼロに近いことが好ましい。
【００５６】
前記坩堝は、黒鉛坩堝であることが好ましい。
【００５７】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００５８】
前記断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００５９】
当該坩堝と当該断熱構造は、大体第一の中心軸線を共有することが好ましい。
【００６０】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と大体平行する。
【００６１】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、及び／又は、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角＜９０°であり、当該第二の夾角＜９０°である。
【００６２】
更に、当該坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有する。
【００６３】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行する。
【００６４】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角＜９０°であり、当該第二の夾角＜９０°である。
【００６５】
当該第一の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましい。更に、当該第一の夾角の範囲の下限は、７°、１０°、１３°又は１５°から選択され、当該第一の夾角の範囲の上限は、２８°、２５°、２３°、２０°又は１８°から選択される。
【００６６】
第二の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましい。更に、当該第二の夾角の範囲の下限は、７°、１０°、１３°又は１５°から選択され、当該第二の夾角の範囲の上限は、２８°、２５°、２３°、２０°又は１８°から選択される。
【００６７】
当該第一の夾角と第二の夾角は、大体等しいことが好ましい。
【００６８】
当該坩堝の開口面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、当該坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することが好ましい。
【００６９】
当該第一の距離の変化値の範囲は、５〜５０ｍｍであることが好ましい。当該第一の距離の変化値の範囲の下限は、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ又は３０ｍｍから選択され、当該第一の距離の変化値の範囲の上限は、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ又は４５ｍｍから選択されることが好ましい。
【００７０】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなることが好ましい。
【００７１】
当該坩堝の側部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有する。
【００７２】
当該シード結晶ユニットは、坩堝の開口に設置され、当該シード結晶ユニットは、炭化ケイ素単結晶のシード結晶を含むことが好ましい。当該断熱構造は、開孔構造を有しないことが好ましい。
【００７３】
本願のもう一つの局面は、上述した方法で製造されることを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶を提供する。
【００７４】
本願のもう一つの局面は、大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板の製造方法を提供する。当該方法は、上述した任意の１つに記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法と、製造された高純度炭化ケイ素単結晶を切断し、研削し、研磨することによって、高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造するという基板製造工程（４）と、を含む。
【００７５】
本願のもう一つの局面は、上述した方法で製造されることを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板を提供する。
【００７６】
当該方法は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。更に、当該方法は、直径が８インチより大きく且つ１２インチ以下である半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。
【００７７】
本願においては、前記大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶、大型サイズの炭化ケイ素単結晶基板に記述の「大型サイズ」とは、直径が４〜１２インチであることを意味する。
【００７８】
本願においては、ＰＶＴ法とは、物理気相輸送法を指す。
【００７９】
従来技術においては、ＰＶＴ法により結晶体を成長させ、結晶体成長熱場は、坩堝壁により発熱された後に坩堝の内部に伝わる。坩堝の外壁から遠ければ遠いほど、温度が低いので、坩堝の内部に比較的大きなラジカル方向の温度勾配が生じることを招いてしまう。この状況は、坩堝と結晶体のサイズの増加に伴ってひどくなる。高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率は、結晶体の中の電場応答性不純物の濃度により決められ、なお、浅いドナー元素の窒素は、抵抗率の数値及び分布において決定的な役割を果たす。ＰＶＴ法で炭化ケイ素単結晶を製造する際の熱場の分布特徴により、結晶体の中心からエッジに至るまでの窒素の濃度は、段々と低くなるので、ラジカル方向において抵抗率が中心からエッジに向かって高くなる傾向が生じやすい。よって、同じ基板上の抵抗率の分布が不均一になってしまう。
【発明の効果】
【００８０】
本願の有益的な効果は、次を含むが、これらに限定されない。
【００８１】
本願の炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場構造を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶の品質のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【００８２】
本願の炭化ケイ素単結晶の製造方法を用いて高品質の大型サイズの高純度半絶縁単結晶及び単結晶基板を製造することができる。本願の製造方法は、壁の厚さの異なる坩堝及び厚さの異なる断熱構造を用いて軸方向の温度勾配を作り出すと同時に、黒鉛坩堝の上側の黒鉛断熱構造を変えることによって、ラジカル方向の温度の分布が一致である熱場構造を作り出し、大型サイズの坩堝の内部の熱場のラジカル方向の分布を均一にすることができる。
【００８３】
本願は、ＰＶＴ法の熱場分布を改良する。上の断熱孔により散熱することによって軸方向の温度勾配を作り出すという伝統的な方法を、壁の厚さの異なる坩堝及び厚さの異なる断熱構造を使用して軸方向の温度勾配を作り出すという方法に変えると同時に、坩堝の上側の黒鉛断熱のところにおいて断熱構造を変えるので、ラジカル方向の温度の分布が一致である熱場構造を作り出す。窒素元素は、温度勾配につれて成長して結晶体に入るので、このようなラジカル方向の温度の分布が均一である熱場構造は、窒素元素がラジカル方向に沿って均一的に分布することに導く。当該方法では、ラジカル方向の抵抗率が一致であり、応力が低い高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶及び単結晶基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
ここで説明する図面は、本願をより理解するためのものであり、本願の一部を構成する。本願の例示的実施例及びその説明は、本願を解釈するために用いられ、本願を制限しない。
【図１】図１は、本願の実施例による、坩堝を含む熱場構造の模式図である。
【図２】図２は、本願の実施例による、高純度炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率の分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
本願の全体的な構想をより分かりやすく説明するために、以下、明細書の図面を参照しながら、例示する方法で詳しく説明する。
【００８６】
本願の上述した目的、特徴及びメリットをより明確に理解するために、以下、図面及び具体的な実施例を参照しながら、本願を更に詳しく記載する。なお、衝突しない限り、本願の実施例及び実施例の中の特徴を互いに組み合わせることができる。
【００８７】
本願を十分に理解するために、以下の記載において沢山の具体的な細部を説明するが、本願は、ここの記載と異なる他の方式を用いて実現することもできる。よって、本願の保護範囲は、以下の開示する具体的な実施例に制限されない。
【００８８】
また、本願の記載においては、用語「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「内」、「外」、「軸方向」、「ラジアル方向」、「円周方向」等が示す方位又は位置関係は、図面に基づく方位又は位置関係であり、本願を記載しやすく、記載を簡略化するためのものに過ぎず、装置又は素子は、特定の方位を有し、特定の方位で構成されて操作されなければならないことを指示又は暗示しないことが理解されたく、本願に対する制限であると理解すべきではない。
【００８９】
また、用語「第一」、「第二」は、記載するために用いられるものであり、相対的な重要性を指示又は暗示又は指示する技術的特徴の数を明確に又は暗黙的に示すことであると理解すべきではない。よって、「第一」、「第二」と限定される特徴は、一つ又はより多くの当該特徴を明確的に又は暗黙的に含むことができる。本願の記載においては、「複数」は、他の明確的な限定を除き、２つ又は２つ以上を意味する。
【００９０】
本願においては、明確的な規定及び限定を除き、「取り付ける」、「繋がる」、「接続する」、「固定する」等の用語は、広い意味で理解すべきであり、例えば、固定接続しても良く、着脱可能に接続しても良く、又は、一体的になっても良く、機械的に接続しても良く、電気的に接続しても良く、通信的に接続しても良く、直接に接続しても良く、中間媒体により間接的に接続しても良く、２つの素子の内部の連通又は２つの素子の相互の作用関係であっても良い。当業者にとっては、具体的な状況に基づいて本願における上述した用語の具体的な意味を理解することができる。
【００９１】
本願においては、他の明確的な規定及び限定を除き、第一の特徴が第二の特徴の「上」又は「下」にあることは、第一と第二の特徴が直接に接触しても良く、又は、第一と第二の特徴が中間媒体により間接的に接触しても良い。本明細書の記載においては、参考用語「一つの実施例」、「幾つかの実施例」、「例示」、「具体的な例示」又は「幾つかの例示」等の記載は、当該実施例又は例示を参考して記載した具体的な特徴、構造、材料又は特長が本願の少なくとも１つの実施例又は例示に含まれることを意味する。本明細書においては、上述した用語の例示的な説明は、必ずしも同じ実施例又は例示に対するものではない。また、記載した具体的な特徴、構造、材料又は特長は、任意の１つ又は複数の実施例又は例示において適切な方法で組み合わせることができる。
【００９２】
図１に示すように、本願の実施例は、炭化ケイ素単結晶を成長させる、坩堝を含む熱場構造を開示している。当該熱場構造は、坩堝２、加熱ユニット及び断熱構造６を含む。坩堝２は、密閉する断熱構造６の内部に位置し、加熱ユニットは、誘導する方法で坩堝２の外壁を加熱し、断熱構造６の外周に設置されている。坩堝２内には、結晶体を成長させる原料１を置く。
【００９３】
本願の実施例は、炭化ケイ素単結晶を成長させる装置を開示する。当該装置は、坩堝の熱場構造及びシード結晶ユニット８を含み、当該熱場構造は、坩堝２、加熱ユニット及び断熱構造６を含む。当該装置は、密閉する断熱構造６の内部に位置する黒鉛坩堝２と、誘導する方法で黒鉛坩堝２の外壁を加熱し、断熱構造６の外周に設置されている加熱ユニットと、断熱構造６と、シード結晶ユニット８とを含む。黒鉛坩堝２内には、結晶体を成長させる原料１を置く。黒鉛坩堝２の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝２の側壁は、黒鉛坩堝２の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【００９４】
加熱ユニットは、坩堝２の外壁を加熱できれば良い。加熱ユニットは、電源コントローラと相応する中間周波数の誘導コイル４により構成され、誘導コイル４は、断熱構造６の側部の外周に位置し、断熱構造６を囲み、坩堝２と第一の中心軸線を共有する。中間周波数の誘導コイルは、誘導する方法で坩堝２を加熱する。
【００９５】
坩堝２は、黒鉛坩堝であっても良いが、黒鉛坩堝に限らず、炭化ケイ素単結晶を製造する任意の材料であっても良い。黒鉛坩堝２の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝２の側壁は、黒鉛坩堝２の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【００９６】
断熱構造６は、断熱材料により製造され、例えば、黒鉛断熱フェルトを使用して製造され、断熱構造６は、断熱側部６６、断熱底部６２及び断熱構造の頂部６４を含む。
【００９７】
更に、当該熱場構造は、黒鉛坩堝２の蓋の内側に設置されるシード結晶ユニット８を有し、当該断熱構造６は、開孔構造を有しない。当該シード結晶ユニット８は、炭化単結晶シード結晶を含む。
【００９８】
坩堝２と断熱構造６は、第一の中心軸線Ａを共有し、第一の中心軸線Ａは、坩堝２の側壁の内表面と断熱構造６の璧部の外表面と平行し、第一の中心軸線Ａと坩堝２の側壁の外表面である図の案内線Ｂは、第一の夾角を有し、第一の中心軸線Ａと断熱構造６の壁部の内表面である図１の案内線Ｃは、第二の夾角を有し、第一の夾角と第二の夾角＜９０°である。
【００９９】
本願の一つの実施形態としては、中間周波数で黒鉛坩堝２を加熱する表皮効果により、中間周波数で黒鉛坩堝２を加熱する際に黒鉛坩堝２の外壁は、発熱源となる。本実施例においては、黒鉛坩堝２の外壁は、台形状であり、黒鉛坩堝２の内側は、円筒形であり、黒鉛坩堝２の壁の厚さは、シード結晶から黒鉛坩堝２の底部に向かって薄くなる。黒鉛坩堝２の外周の黒鉛断熱フェルト６は、断熱フェルトの底部６２、断熱フェルトの頂部６４及び断熱フェルトの側部６６から構成される。断熱フェルトの底部６２は、規則的な円柱状である。断熱フェルトの側部６６の厚さは、黒鉛坩堝２の外径に沿って台形状構造を呈する。すなわち、黒鉛坩堝２の上部に近い断熱フェルトの側部６６の厚さは、最も小さく、断熱フェルトの側部６６の厚さは、黒鉛坩堝２の底部に近付けば近付くほど、段々と増加する。断熱フェルトの頂部６４は、黒鉛坩堝２よりの側は、ドーム状である。黒鉛坩堝２の開口面からその上方の断熱フェルトの頂部６４の璧部の内表面までは、第一の距離Ｘを有し、当該第一の距離Ｘの変化値の範囲は、５〜５０ｍｍであり、断熱フェルトの頂部６４は、温度測定円孔を残さない。更に、当該第一の距離Ｘの変化値は、２５ｍｍである。
【０１００】
本願の実施形態における黒鉛坩堝の円筒は、厚さが上から下へ線形的に薄くなり、なお、黒鉛坩堝は、内壁が垂直する直線であり、外壁が斜線状である。黒鉛坩堝の外壁の表層を誘導加熱することによって、黒鉛坩堝の上部の比較的厚い黒鉛壁が発熱してから熱量が黒鉛坩堝の内部のチャンバーに伝わる際、黒鉛坩堝の効率が黒鉛坩堝の下部の比較的薄い領域より小さいので、黒鉛坩堝のチャンバー内には、下部において比較的高い温度領域が形成され、上部において比較的低い温度領域が形成される。よって、軸方向の温度勾配を形成する。黒鉛坩堝の壁の内外側の断面の直線がなす角度は、５〜３０°に制限されるべきであり、すなわち、黒鉛坩堝の外表面と第一の中心軸線の第一の夾角は５〜３０°であり、当該第一の夾角は、形成される温度勾配と黒鉛坩堝の発熱効率をバランスさせることができる。さらに、黒鉛坩堝の外表面と第一の中心軸線の第一の夾角は、２０°である。
【０１０１】
更に、本願の実施形態における黒鉛坩堝の外側の断熱構造は、黒鉛フェルトにより製造され、当該断熱構造すなわち黒鉛フェルトの外側は、円柱状の構造を呈し、黒鉛フェルトの側部の外表面は、垂直な直線状を呈し、黒鉛フェルトの側部の内表面は、黒鉛坩堝の外壁と平行する。黒鉛フェルトの側部の内外表面の断面の夾角は、５〜３０°であり、すなわち、黒鉛フェルトの側部の内表面と第一の中心軸線の第二の夾角は、５〜３０°である。黒鉛坩堝の下部の比較的に薄い領域の外部は、比較的に厚い部分の黒鉛フェルトに覆われ、熱量の散失が減らされ、よって更に高温の領域が形成される。黒鉛坩堝の上部の比較的薄い領域は、比較的に薄い黒鉛フェルトに覆われ、熱量の散失が比較的に多く、よって低温領域が形成される。故に、黒鉛坩堝の黒鉛チャンバー内にさらに軸方向の温度勾配を形成することができる。
【０１０２】
更に、本願の実施形態においては、黒鉛坩堝の上側の黒鉛フェルトの、黒鉛坩堝に近い側は、アーク形状設計が用いられ、黒鉛坩堝の中心は、開孔を設置しない。前記黒鉛坩堝及び断熱フェルトの設計により、上側の断熱フェルトに設置されている中心穴を用いて散熱して軸方向の温度勾配を形成するという設計の代わりに、黒鉛坩堝のチャンバー内に軸方向の温度勾配を形成することができる。しかしながら、黒鉛坩堝の壁が発熱することが原因で、ラジアル方向においては黒鉛坩堝の壁に近い領域の温度が比較的高く、黒鉛坩堝の壁に遠いチャンバー中心の温度が比較的低いという温度勾配が依然として存在するので、ラジアル方向に温度勾配が存在することを招いてしまう。アーク形状設計を用いることによって、黒鉛坩堝の上側の中心から上側の断熱フェルトまでの距離が比較的近く、黒鉛坩堝のエッジから上側の断熱フェルトまでの距離が比較的遠いので、黒鉛坩堝は、中心の散熱が少なく、エッジの散熱が多く、黒鉛坩堝の壁の発熱状況と互いに補い、ラジアル方向の温度勾配を減少し、ひいてはなくすことができる。上側の断熱フェルトのアーク形状の高さの差は、５〜５０ｍｍに維持すべきであり、ラジアル方向の温度勾配を合理的に制御することができる。
【０１０３】
上述した方法で黒鉛断熱フェルトの断熱構造及び黒鉛坩堝の製造を完成すると、熱場構造を獲得し、炭化ケイ素単結晶を製造する際にラジアル方向の温度勾配がゼロに近い熱場構造を形成することができる。製造された熱場構造は、高純度炭化ケイ素単結晶の成長に用いられる。当該高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法は、次のステップ（１）、ステップ（２）、ステップ（３）、ステップ（４）及びステップ（５）を含む。
【０１０４】
ステップ（１）においては、一定の量の炭化ケイ素の粉材料を黒鉛坩堝内に置き、炭化ケイ素の粉材料の純度が９９．９９９９％以上であり、その中に含まれる、窒素のような浅いエネルギー準位ドナー不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、ホウ素、アルミニウム等のような浅いエネルギー準位アクセプタ不純物の濃度の合計は、１×１０１６ｃｍ−３以下である。
【０１０５】
ステップ（２）においては、炭化ケイ素単結晶を成長させるために用いられるシード結晶を黒鉛坩堝の内部の炭化ケイ素の粉材料の上部に置いた後、黒鉛坩堝を密封し、密封された黒鉛坩堝を黒鉛断熱フェルトの断熱構造の内部に置いた後、全体として単結晶成長装置内に移された後に炉を密封する。
【０１０６】
ステップ（３）においては、炉内の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、５〜１０ｈ維持することによって、炉内の残留の不純物を除去し、その後、徐々に炉内にアルゴンガス又はヘリウムガスのような保護雰囲気を入れる。
【０１０７】
ステップ（４）においては、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で炉の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で炉内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、この温度で５０〜１００ｈ維持し、炭化ケイ素単結晶の成長過程を完成する。
【０１０８】
ステップ（５）においては、単結晶成長過程が終わると、炉の加熱を停止し、炉の温度が自然と室温に下がった後、炉を開けて黒鉛坩堝を取り出すと、前記高純度炭化ケイ素単結晶が出来上がる。
【０１０９】
上述した方法で炭化ケイ素単結晶を製造し、図１は、具体的な製造パラメータが上述した方法との異なるところを示しており、高処炭化ケイ素単結晶１＃〜４＃を製造する
【表１】
2021502942.tif 000003
【０１１０】
製造された炭化ケイ素単結晶１＃、炭化ケイ素単結晶２＃、炭化ケイ素単結晶３＃、炭化ケイ素単結晶４＃、炭化ケイ素単結晶５＃、炭化ケイ素単結晶６＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶Ｄ３＃に対してそれぞれ同じような方法で切断し、研削し、研磨することによって、炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃のそれぞれを獲得する。炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃は、それぞれ４〜１２インチの規格を有する。
【０１１１】
製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の抵抗率の分布をそれぞれテストする。通常、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板のラジカル方向の抵抗率の差は、１桁以上であり、本願の実施例により製造された４〜８インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の抵抗率は、１×１０１０Ω・ｃｍ以上に達することができ、抵抗率のラジカル方向の分布は、１桁以内に制御し、更に、５０％以内に制御することができる。よって、炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率の均一の分布を実現することができる。炭化ケイ素単結晶Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ２＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ３＃の抵抗率の分布の均一性が悪く、抵抗率のラジカル方向の分布は、２桁より大きい。４インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃を例としてテストの構造を説明し、図２は、炭化ケイ素単結晶基板１＃の抵抗率の分布を示しており、炭化ケイ素単結晶基板１＃の抵抗率は、均一的に分布する。４インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板は、抵抗率の最も大きい値がエッジ領域にあり、最も小さい値が中心領域にあり、抵抗率の値がそれぞれ４．２４×１０１１Ω・ｃｍ及び４．８４×１０１１Ω・ｃｍであり、抵抗率の値の差が５０％より小さい。
【０１１２】
炭化ケイ素単結晶成長境界面のラジカル方向の温度は、一致であるように維持するので、結晶体成長過程における不純物及び真性点欠陥は、ラジカル方向の分布が均一であり、更に、抵抗率がラジカル方向に沿って均一的に分布するより大きいサイズの半絶縁高純度炭化ケイ素単結晶基板を実現することができる。
【０１１３】
製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の湾曲度及び反り返り度をそれぞれテストする。４〜８インチの製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の湾曲度及び反り返り度は、１０μｍ以内である。例えば、４インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃の基板は、基板湾曲度（ｂｏｗ）の値が３．０９μｍであり、反り返り度（ｗａｒｐ）が６．２０μｍであり、優れた表面形状品質を有する。
【０１１４】
当該坩堝は、減少されたラジカル方向の温度勾配を提供することができることにより、炭化ケイ素結晶体の内部応力も減るので、製造された炭化ケイ素単結晶基板は、比較的小さい応力を有し、その湾曲度及び反り返り度を下げることに有利であり、より高品質の炭化ケイ素単結晶基板を獲得することができる。８インチの炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の湾曲度及び反り返り度は、それぞれ２３．３９μｍ／３１．７４μｍ、１９．２７μｍ／２９．７３μｍ、２７．８４μｍ／４０．６６μｍであり、１０μｍより遥かに大きい。
【０１１５】
本願の実施例により製造された８〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の抵抗率は、１×１０１０Ω・ｃｍ以上に達し、抵抗率のラジカル方向の分布を一つのオーダー以内に制御することができ、更に、８０％以内に制御することができるので、炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率が均一的に分布することを実現する。８〜１２インチの炭化ケイ素単結晶基板に対して、その湾曲度及び反り返り度は、１０μｍ以内に制御することができる。
【０１１６】
上述した内容は、本願の実施例に過ぎない。本願の保護範囲は、これらの具体的な実施例に限定されず、本願の特許請求の範囲により決められる。当業者にとっては、本願に対して様々な変更及び変化を行うことができる。本願の技術的構想及び原理以内に行われた任意の補正、置換え、改良等は、何れも本願の保護範囲内に含まれる。
【図１】
2021502942.tif 000004
【図２】
2021502942.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月9日(2020.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、大型サイズ高純度炭化ケイ素単結晶、単結晶基板及びその製造方法並びに製造用装置に関し、炭化ケイ素単結晶及びその基板分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
半導体炭化ケイ素単結晶材料は、前世紀９０年代からの商業化以来、３０年間近くの発展を経て、パワー電子デバイス及びマイクロ波無線周波数デバイスの好ましい基板材料になりつつである。川下のデバイス技術の絶えない発展及び産業化レベルの絶えない向上に伴い、炭化ケイ素単結晶基板の品質に対するニーズも日によって厳しくなっている。
【０００３】
現在、最も成熟した炭化ケイ素単結晶の製造技術は、物理気相輸送法（ＰＶＴ法に略称される）であり、その基本原理は、コイルの中心に置かれる黒鉛坩堝を中間周波数誘導により加熱し、黒鉛坩堝壁が誘導加熱されると、熱量が内部の炭化ケイ素の粉材料に伝わって粉材料を昇華させる。黒鉛坩堝の上側の黒鉛断熱フェルトの中心には、貫通する円孔が設置されており、円孔により温度測定をすると同時に、熱量が円孔により散熱する。よって、坩堝には、下部の温度が高く、上部の温度が低いという軸方向の温度の勾配が形成されるので、昇華した気相を成長チャンバーの粉材料の領域から坩堝の頂部のシード結晶領域に移動して結晶するように駆動する。当該方法により製造された炭化ケイ素単結晶は、２インチから８インチまでに発展し、川下のデバイスにおいて絶えずに応用されるようになっている。
【０００４】
しかしながら、結晶体のサイズの絶えない増加に伴い、坩堝の直径も絶えずに大きくなる。中間周波数の誘導加熱方法は、坩堝壁を発熱源とし、坩堝壁と坩堝の中心のラジアル方向に沿う温度の勾配も絶えずに増加し、この他にＰＶＴ法では、坩堝の上側の断熱の中心の円孔を散熱の中心として軸方向の温度の勾配を作ることから、坩堝の内部の熱場は、ラジアル方向に沿う不均一性を更に引き起こし、結晶体は、ラジアル方向に沿って比較的大きな熱応力が存在し、不純物及び欠陥の分布が不均一である等の問題を招いてしまう。前者の存在する熱応力は、結晶体の加工過程において亀裂が生じ、基板加工過程において湾曲度、反り返り度の不合格等の深刻な品質問題を招きやすく、後者の不純物及び欠陥の分布の不均一も基板のラジアル方向に沿う抵抗率の均一性を厳しく制限する等の問題を招きやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した問題を解決するために、本願の一つの局面は、炭化ケイ素単結晶の成長装置を提供する。当該装置は、坩堝と黒鉛坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の１つの局面は、炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造を提供する。当該熱場構造は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場構造を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【０００７】
当該炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造は、坩堝と、加熱ユニットと、断熱構造とを含み、当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置する。
【０００８】
当該坩堝の側壁の開口領域の壁の厚さは、底部領域の壁の厚さより大きい。
【０００９】
当該坩堝と断熱構造により、坩堝内には、軸方向の温度勾配を有する及び／又はラジアル方向の温度勾配がゼロに近いことが好ましい。
【００１０】
当該坩堝は、黒鉛坩堝であることが好ましい。
【００１１】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００１２】
当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることが好ましい。
【００１３】
当該坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、当該坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加することが好ましい。
【００１４】
当該第一の距離の変化値の値は、５〜５０ｍｍであることが好ましい。当該第一の距離の変化値の範囲の下限は、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ又は３０ｍｍｍから選択され、当該第一の距離の変化値の範囲の上限は、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ又は４５ｍｍから選択される。
【００１５】
当該坩堝と当該断熱構造は、大体第一の中心軸線を共有することが好ましい。
【００１６】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と大体平行する。
【００１７】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°である。
【００１８】
更に、当該坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有する。
【００１９】
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行する。
【００２０】
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°である。
【００２１】
当該第一の夾角の値は、５〜３０°であり、当該第二の夾角の値は、５〜３０°であることが好ましい。更に、当該第一の夾角及び第二の夾角の値の下限は、７°、１０°、１３°又は１５°から選択され、当該第一の夾角及び第二の夾角の値の上限は、２８°、２５°、２３°、２０°又は１８°から選択される。
【００２２】
当該第一の夾角及び第二の夾角は、大体等しいであることが好ましい。
【００２３】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口方向に向かい、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心の方向から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなることが好ましい。
【００２４】
当該坩堝の側壁の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有する。
【００２５】
当該熱場構造は、当該坩堝の開口の上方に設置されるシード結晶ユニットを更に含み、当該シード結晶ユニットは、炭化ケイ素単結晶シード結晶を含み、当該断熱構造は、開孔構造を有しないことが好ましい。
【００２６】
本願のもう一つの局面は、上述した任意の一項に記載の熱場構造を用いて製造することを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。
【００２７】
本願のもう一つの局面は、上述した任意の一項に記載の熱場構造を含む結晶体成長装置を提供する。
【００２８】
当該結晶体成長装置は、直径が４〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられることが好ましい。更に、当該結晶体成長装置は、直径が８インチより大きく且つ１２インチ以下である半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。
【００２９】
炭化ケイ素単結晶の成長装置とする当該結晶体成長装置は、黒鉛坩堝、加熱ユニット、シード結晶ユニット及び断熱構造を含む。当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を含み、当該黒鉛坩堝の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝の側壁は、黒鉛坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【００３０】
当該シード結晶ユニットは、黒鉛坩堝の開口の上方の位置に設置されており、当該断熱構造は、開口構造を有せず、当該シード結晶ユニットは、炭化単結晶のシード結晶を含むことが好ましい。
【００３１】
前記加熱ユニットは、黒鉛坩堝に対する加熱方法が誘導加熱であることが好ましい。前記加熱ユニットは、中間周波数コイルを含むことが好ましい。
【００３２】
当該黒鉛坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、当該第一の距離は、黒鉛坩堝の中心から黒鉛坩堝のエッジに向かって増加することが好ましい。１つの実施形態としては、前記断熱構造の頂部は、ドーム状である。
【００３３】
本願のもう１つの局面は、炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。当該方法は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【００３４】
当該大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法は、
炭化ケイ素の粉材料が充填された坩堝にシード結晶ユニットを取り付け、坩堝を密閉断熱構造のチャンバー内に置き、結晶体成長装置内に入れるという組立工程（１）と、
結晶体成長装置を密封し、真空排気し、不純物が除去された後に保護気体を入れるという不純物除去工程（２）と、
結晶体成長装置の加熱ユニットを用いて坩堝の温度を制御し、結晶を成長させることによって、前記高純度炭化ケイ素単結晶を製造するという結晶成長工程（３）と、を含む。
【００３５】
前記炭化ケイ素の粉材料の純度は、９９．９９９９％以上であり、なお、前記炭化ケイ素の粉材料の中の浅いエネルギー準位ドナー不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、浅いエネルギーアクセプタ不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００３６】
更に、前記浅いエネルギー準位ドナー不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以下であり、前記浅いエネルギーアクセプタ不純物の濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以下である。
【００３７】
前記浅いエネルギー準位ドナー不純物は、窒素元素を含み、前記浅いエネルギーアクセプタ不純物は、ホウ素及びアルミニウムを含むことが好ましい。
【００３８】
前記結晶成長工程は、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で坩堝内の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で坩堝内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、５０〜１００ｈ維持することを含むことが好ましい。
【００３９】
更に、前記結晶成長工程は、３５〜４５ｍｂａｒ／ｈの速度で坩堝内の圧力を２０〜８０ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で坩堝内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、６０〜８０ｈ維持することを含む。
【００４０】
前記不純物除去工程は、坩堝内部の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、５〜１０ｈ維持した後、保護気体を入れることを含むことが好ましい。更に、坩堝内部の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、６〜９ｈ維持する。更に、前記保護気体は、アルゴン及びヘリウムである。
【００４１】
当該坩堝と当該断熱構造により、坩堝内には、軸方向温度勾配を有する及び／又はラジアル方向の温度が均一であることが好ましい。当該坩堝と当該断熱構造により、坩堝内のラジアル方向の温度勾配がゼロに近いことが好ましい。
【００４２】
前記坩堝は、黒鉛坩堝であることが好ましい。
【００４３】
本願のもう一つの局面は、上記何れか一つに記載の結晶体成長装置を用いて製造される、または、上述した方法で製造されることを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶を提供する。
前記大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶を含むことが好ましい。
【００４４】
本願のもう一つの局面は、大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板の製造方法を提供する。当該方法は、上述した任意の１つに記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法と、製造された高純度炭化ケイ素単結晶を切断し、研削し、研磨することによって、高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造するという基板製造工程（４）と、を含む。
【００４５】
本願のもう一つの局面は、上述した方法で製造される大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板を提供する。
【００４６】
当該方法は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。更に、当該方法は、直径が８インチより大きく且つ１２インチ以下である半絶縁炭化ケイ素単結晶及びその基板を製造するために用いられる。
【００４７】
本願においては、前記大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶、大型サイズの炭化ケイ素単結晶基板に記述の「大型サイズ」とは、直径が４〜１２インチであることを意味する。
【００４８】
本願においては、ＰＶＴ法とは、物理気相輸送法を指す。
【００４９】
従来技術においては、ＰＶＴ法により結晶体を成長させ、結晶体成長熱場は、坩堝壁により発熱された後に坩堝の内部に伝わる。坩堝の外壁から遠ければ遠いほど、温度が低いので、坩堝の内部に比較的大きなラジカル方向の温度勾配が生じることを招いてしまう。この状況は、坩堝と結晶体のサイズの増加に伴ってひどくなる。高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率は、結晶体の中の電場応答性不純物の濃度により決められ、なお、浅いドナー元素の窒素は、抵抗率の数値及び分布において決定的な役割を果たす。ＰＶＴ法で炭化ケイ素単結晶を製造する際の熱場の分布特徴により、結晶体の中心からエッジに至るまでの窒素の濃度は、段々と低くなるので、ラジカル方向において抵抗率が中心からエッジに向かって高くなる傾向が生じやすい。よって、同じ基板上の抵抗率の分布が不均一になってしまう。
【発明の効果】
【００５０】
本願の有益的な効果は、次を含むが、これらに限定されない。
【００５１】
本願の炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造は、坩堝と坩堝の外周を覆う断熱構造を新たに設計することによって、ラジアル方向に沿う均一の熱場構造を形成する。従って、炭化ケイ素単結晶の品質のラジアル方向の均一性が高まり、高品質の大型サイズの高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造が可能になる。
【００５２】
本願の炭化ケイ素単結晶の製造方法を用いて高品質の大型サイズの高純度半絶縁単結晶及び単結晶基板を製造することができる。本願の製造方法は、壁の厚さの異なる坩堝及び厚さの異なる断熱構造を用いて軸方向の温度勾配を作り出すと同時に、黒鉛坩堝の上側の黒鉛断熱構造を変えることによって、ラジカル方向の温度の分布が一致である熱場構造を作り出し、大型サイズの坩堝の内部の熱場のラジカル方向の分布を均一にすることができる。
【００５３】
本願は、ＰＶＴ法の熱場分布を改良する。上の断熱孔により散熱することによって軸方向の温度勾配を作り出すという伝統的な方法を、壁の厚さの異なる坩堝及び厚さの異なる断熱構造を使用して軸方向の温度勾配を作り出すという方法に変えると同時に、坩堝の上側の黒鉛断熱のところにおいて断熱構造を変えるので、ラジカル方向の温度の分布が一致である熱場構造を作り出す。窒素元素は、温度勾配につれて成長して結晶体に入るので、このようなラジカル方向の温度の分布が均一である熱場構造は、窒素元素がラジカル方向に沿って均一的に分布することに導く。当該方法では、ラジカル方向の抵抗率が一致であり、応力が低い高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶及び単結晶基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
ここで説明する図面は、本願をより理解するためのものであり、本願の一部を構成する。本願の例示的実施例及びその説明は、本願を解釈するために用いられ、本願を制限しない。
【図１】図１は、本願の実施例による、坩堝を含む熱場構造の模式図である。
【図２】図２は、本願の実施例による、高純度炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率の分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本願の全体的な構想をより分かりやすく説明するために、以下、明細書の図面を参照しながら、例示する方法で詳しく説明する。
【００５６】
本願の上述した目的、特徴及びメリットをより明確に理解するために、以下、図面及び具体的な実施例を参照しながら、本願を更に詳しく記載する。なお、衝突しない限り、本願の実施例及び実施例の中の特徴を互いに組み合わせることができる。
【００５７】
本願を十分に理解するために、以下の記載において沢山の具体的な細部を説明するが、本願は、ここの記載と異なる他の方式を用いて実現することもできる。よって、本願の保護範囲は、以下の開示する具体的な実施例に制限されない。
【００５８】
また、本願の記載においては、用語「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「内」、「外」、「軸方向」、「ラジアル方向」、「円周方向」等が示す方位又は位置関係は、図面に基づく方位又は位置関係であり、本願を記載しやすく、記載を簡略化するためのものに過ぎず、装置又は素子は、特定の方位を有し、特定の方位で構成されて操作されなければならないことを指示又は暗示しないことが理解されたく、本願に対する制限であると理解すべきではない。
【００５９】
また、用語「第一」、「第二」は、記載するために用いられるものであり、相対的な重要性を指示又は暗示又は指示する技術的特徴の数を明確に又は暗黙的に示すことであると理解すべきではない。よって、「第一」、「第二」と限定される特徴は、一つ又はより多くの当該特徴を明確的に又は暗黙的に含むことができる。本願の記載においては、「複数」は、他の明確的な限定を除き、２つ又は２つ以上を意味する。
【００６０】
本願においては、明確的な規定及び限定を除き、「取り付ける」、「繋がる」、「接続する」、「固定する」等の用語は、広い意味で理解すべきであり、例えば、固定接続しても良く、着脱可能に接続しても良く、又は、一体的になっても良く、機械的に接続しても良く、電気的に接続しても良く、通信的に接続しても良く、直接に接続しても良く、中間媒体により間接的に接続しても良く、２つの素子の内部の連通又は２つの素子の相互の作用関係であっても良い。当業者にとっては、具体的な状況に基づいて本願における上述した用語の具体的な意味を理解することができる。
【００６１】
本願においては、他の明確的な規定及び限定を除き、第一の特徴が第二の特徴の「上」又は「下」にあることは、第一と第二の特徴が直接に接触しても良く、又は、第一と第二の特徴が中間媒体により間接的に接触しても良い。本明細書の記載においては、参考用語「一つの実施例」、「幾つかの実施例」、「例示」、「具体的な例示」又は「幾つかの例示」等の記載は、当該実施例又は例示を参考して記載した具体的な特徴、構造、材料又は特長が本願の少なくとも１つの実施例又は例示に含まれることを意味する。本明細書においては、上述した用語の例示的な説明は、必ずしも同じ実施例又は例示に対するものではない。また、記載した具体的な特徴、構造、材料又は特長は、任意の１つ又は複数の実施例又は例示において適切な方法で組み合わせることができる。
【００６２】
図１に示すように、本願の実施例は、炭化ケイ素単結晶を成長させる、坩堝を含む熱場構造を開示している。当該熱場構造は、坩堝２、加熱ユニット及び断熱構造６を含む。坩堝２は、密閉する断熱構造６の内部に位置し、加熱ユニットは、誘導する方法で坩堝２の外壁を加熱し、断熱構造６の外周に設置されている。坩堝２内には、結晶体を成長させる原料１を置く。
【００６３】
本願の実施例は、炭化ケイ素単結晶を成長させる装置を開示する。当該装置は、坩堝の熱場構造及びシード結晶ユニット８を含み、当該熱場構造は、坩堝２、加熱ユニット及び断熱構造６を含む。当該装置は、密閉する断熱構造６の内部に位置する黒鉛坩堝２と、誘導する方法で黒鉛坩堝２の外壁を加熱し、断熱構造６の外周に設置されている加熱ユニットと、断熱構造６と、シード結晶ユニット８とを含む。黒鉛坩堝２内には、結晶体を成長させる原料１を置く。黒鉛坩堝２の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝２の側壁は、黒鉛坩堝２の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【００６４】
加熱ユニットは、坩堝２の外壁を加熱できれば良い。加熱ユニットは、電源コントローラと相応する中間周波数の誘導コイル４により構成され、誘導コイル４は、断熱構造６の側部の外周に位置し、断熱構造６を囲み、坩堝２と第一の中心軸線を共有する。中間周波数の誘導コイルは、誘導する方法で坩堝２を加熱する。
【００６５】
坩堝２は、黒鉛坩堝であっても良いが、黒鉛坩堝に限らず、炭化ケイ素単結晶を製造する任意の材料であっても良い。黒鉛坩堝２の内壁は、大体円柱状であり、当該黒鉛坩堝２の側壁は、黒鉛坩堝２の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる。
【００６６】
断熱構造６は、断熱材料により製造され、例えば、黒鉛断熱フェルトを使用して製造され、断熱構造６は、断熱側部６６、断熱底部６２及び断熱構造の頂部６４を含む。
【００６７】
更に、当該熱場構造は、黒鉛坩堝２の蓋の内側に設置されるシード結晶ユニット８を有し、当該断熱構造６は、開孔構造を有しない。当該シード結晶ユニット８は、炭化単結晶シード結晶を含む。
【００６８】
坩堝２と断熱構造６は、第一の中心軸線Ａを共有し、第一の中心軸線Ａは、坩堝２の側壁の内表面と断熱構造６の璧部の外表面と平行し、第一の中心軸線Ａと坩堝２の側壁の外表面である図の案内線Ｂは、第一の夾角を有し、及び／又は、第一の中心軸線Ａと断熱構造６の壁部の内表面である図１の案内線Ｃは、第二の夾角を有し、第一の夾角と第二の夾角＜９０°である。
【００６９】
本願の一つの実施形態としては、中間周波数で黒鉛坩堝２を加熱する表皮効果により、中間周波数で黒鉛坩堝２を加熱する際に黒鉛坩堝２の外壁は、発熱源となる。本実施例においては、黒鉛坩堝２の外壁は、台形状であり、黒鉛坩堝２の内側は、円筒形であり、黒鉛坩堝２の壁の厚さは、シード結晶から黒鉛坩堝２の底部に向かって薄くなる。黒鉛坩堝２の外周の黒鉛断熱フェルト６は、断熱フェルトの底部６２、断熱フェルトの頂部６４及び断熱フェルトの側部６６から構成される。断熱フェルトの底部６２は、規則的な円柱状である。断熱フェルトの側部６６の厚さは、黒鉛坩堝２の外径に沿って台形状構造を呈する。すなわち、黒鉛坩堝２の上部に近い断熱フェルトの側部６６の厚さは、最も小さく、断熱フェルトの側部６６の厚さは、黒鉛坩堝２の底部に近付けば近付くほど、段々と増加する。断熱フェルトの頂部６４は、黒鉛坩堝２よりの側は、ドーム状である。黒鉛坩堝２の開口面からその上方の断熱フェルトの頂部６４の璧部の内表面までは、第一の距離Ｘを有し、当該第一の距離Ｘの変化値の範囲は、５〜５０ｍｍであり、断熱フェルトの頂部６４は、温度測定円孔を残さない。更に、当該第一の距離Ｘの変化値は、２５ｍｍである。
【００７０】
本願の実施形態における黒鉛坩堝の円筒は、厚さが上から下へ線形的に薄くなり、なお、黒鉛坩堝は、内壁が垂直する直線であり、外壁が斜線状である。黒鉛坩堝の外壁の表層を誘導加熱することによって、黒鉛坩堝の上部の比較的厚い黒鉛壁が発熱してから熱量が黒鉛坩堝の内部のチャンバーに伝わる際、黒鉛坩堝の効率が黒鉛坩堝の下部の比較的薄い領域より小さいので、黒鉛坩堝のチャンバー内には、下部において比較的高い温度領域が形成され、上部において比較的低い温度領域が形成される。よって、軸方向の温度勾配を形成する。黒鉛坩堝の壁の内外側の断面の直線がなす角度は、５〜３０°に制限されるべきであり、すなわち、黒鉛坩堝の外表面と第一の中心軸線の第一の夾角は５〜３０°であり、当該第一の夾角は、形成される温度勾配と黒鉛坩堝の発熱効率をバランスさせることができる。さらに、黒鉛坩堝の外表面と第一の中心軸線の第一の夾角は、２０°である。
【００７１】
更に、本願の実施形態における黒鉛坩堝の外側の断熱構造は、黒鉛フェルトにより製造され、当該断熱構造すなわち黒鉛フェルトの外側は、円柱状の構造を呈し、黒鉛フェルトの側部の外表面は、垂直な直線状を呈し、黒鉛フェルトの側部の内表面は、黒鉛坩堝の外壁と平行する。黒鉛フェルトの側部の内外表面の断面の夾角は、５〜３０°であり、すなわち、黒鉛フェルトの側部の内表面と第一の中心軸線の第二の夾角は、５〜３０°である。黒鉛坩堝の下部の比較的に薄い領域の外部は、比較的に厚い部分の黒鉛フェルトに覆われ、熱量の散失が減らされ、よって更に高温の領域が形成される。黒鉛坩堝の上部の比較的厚い領域は、比較的に薄い黒鉛フェルトに覆われ、熱量の散失が比較的に多く、よって低温領域が形成される。故に、黒鉛坩堝の黒鉛チャンバー内にさらに軸方向の温度勾配を形成することができる。
【００７２】
更に、本願の実施形態においては、黒鉛坩堝の上側の黒鉛フェルトの、黒鉛坩堝に近い側は、アーク形状設計が用いられ、黒鉛坩堝の中心は、開孔を設置しない。前記黒鉛坩堝及び断熱フェルトの設計により、上側の断熱フェルトに設置されている中心穴を用いて散熱して軸方向の温度勾配を形成するという設計の代わりに、黒鉛坩堝のチャンバー内に軸方向の温度勾配を形成することができる。しかしながら、黒鉛坩堝の壁が発熱することが原因で、ラジアル方向においては黒鉛坩堝の壁に近い領域の温度が比較的高く、黒鉛坩堝の壁に遠いチャンバー中心の温度が比較的低いという温度勾配が依然として存在するので、ラジアル方向に温度勾配が存在することを招いてしまう。アーク形状設計を用いることによって、黒鉛坩堝の上側の中心から上側の断熱フェルトまでの距離が比較的近く、黒鉛坩堝のエッジから上側の断熱フェルトまでの距離が比較的遠いので、黒鉛坩堝は、中心の散熱が少なく、エッジの散熱が多く、黒鉛坩堝の壁の発熱状況と互いに補い、ラジアル方向の温度勾配を減少し、ひいてはなくすことができる。上側の断熱フェルトのアーク形状の高さの差は、５〜５０ｍｍに維持すべきであり、ラジアル方向の温度勾配を合理的に制御することができる。
【００７３】
上述した方法で黒鉛断熱フェルトの断熱構造及び黒鉛坩堝の製造を完成すると、熱場構造を獲得し、炭化ケイ素単結晶を製造する際にラジアル方向の温度勾配がゼロに近い熱場構造を形成することができる。製造された熱場構造は、高純度炭化ケイ素単結晶の成長に用いられる。当該高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法は、次のステップ（１）、ステップ（２）、ステップ（３）、ステップ（４）及びステップ（５）を含む。
【００７４】
ステップ（１）においては、一定の量の炭化ケイ素の粉材料を黒鉛坩堝内に置き、炭化ケイ素の粉材料の純度が９９．９９９９％以上であり、その中に含まれる、窒素のような浅いエネルギー準位ドナー不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、ホウ素、アルミニウム等のような浅いエネルギー準位アクセプタ不純物の濃度の合計は、１×１０１６ｃｍ−３以下である。
【００７５】
ステップ（２）においては、炭化ケイ素単結晶を成長させるために用いられるシード結晶を黒鉛坩堝の内部の炭化ケイ素の粉材料の上部に置いた後、黒鉛坩堝を密封し、密封された黒鉛坩堝を黒鉛断熱フェルトの断熱構造の内部に置いた後、全体として単結晶成長装置内に移された後に炉を密封する。
【００７６】
ステップ（３）においては、炉内の圧力を１０−５Ｐａに真空排気し、５〜１０ｈ維持することによって、炉内の残留の不純物を除去し、その後、徐々に炉内にアルゴンガス又はヘリウムガスのような保護雰囲気を入れる。
【００７７】
ステップ（４）においては、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で炉の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で炉内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、この温度で５０〜１００ｈ維持し、炭化ケイ素単結晶の成長過程を完成する。
【００７８】
ステップ（５）においては、単結晶成長過程が終わると、炉の加熱を停止し、炉の温度が自然と室温に下がった後、炉を開けて黒鉛坩堝を取り出すと、前記高純度炭化ケイ素単結晶が出来上がる。
【００７９】
上述した方法で炭化ケイ素単結晶を製造し、図１は、具体的な製造パラメータが上述した方法との異なるところを示しており、高純度炭化ケイ素単結晶１＃〜４＃を製造する。
【００８０】
【表１】
2021502942.tif 000006
【００８１】
製造された炭化ケイ素単結晶１＃、炭化ケイ素単結晶２＃、炭化ケイ素単結晶３＃、炭化ケイ素単結晶４＃、炭化ケイ素単結晶５＃、炭化ケイ素単結晶６＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶Ｄ３＃に対してそれぞれ同じような方法で切断し、研削し、研磨することによって、炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃のそれぞれを獲得する。炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃は、それぞれ４〜１２インチの規格を有する。
【００８２】
製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の抵抗率の分布をそれぞれテストする。通常、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板のラジカル方向の抵抗率の差は、１桁以上であり、本願の実施例により製造された４〜８インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の抵抗率は、１×１０１０Ω・ｃｍ以上に達することができ、抵抗率のラジカル方向の分布は、１桁以内に制御し、更に、５０％以内に制御することができる。よって、炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率の均一の分布を実現することができる。炭化ケイ素単結晶Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ２＃、炭化ケイ素単結晶Ｄ３＃の抵抗率の分布の均一性が悪く、抵抗率のラジカル方向の分布は、２桁より大きい。４インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃を例としてテストの構造を説明し、図２は、炭化ケイ素単結晶基板１＃の抵抗率の分布を示しており、炭化ケイ素単結晶基板１＃の抵抗率は、均一的に分布する。４インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板は、抵抗率の最も大きい値がエッジ領域にあり、最も小さい値が中心領域にあり、抵抗率の値がそれぞれ４．２４×１０１１Ω・ｃｍ及び４．８４×１０１１Ω・ｃｍであり、抵抗率の値の差が５０％より小さい。
【００８３】
炭化ケイ素単結晶成長境界面のラジカル方向の温度は、一致であるように維持するので、結晶体成長過程における不純物及び真性点欠陥は、ラジカル方向の分布が均一であり、更に、抵抗率がラジカル方向に沿って均一的に分布するより大きいサイズの半絶縁高純度炭化ケイ素単結晶基板を実現することができる。
【００８４】
製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃、炭化ケイ素単結晶基板２＃、炭化ケイ素単結晶基板３＃、炭化ケイ素単結晶基板４＃、炭化ケイ素単結晶基板５＃、炭化ケイ素単結晶基板６＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の湾曲度及び反り返り度をそれぞれテストする。４〜８インチの製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の湾曲度及び反り返り度は、１０μｍ以内である。例えば、４インチの炭化ケイ素単結晶基板１＃の基板は、基板湾曲度（ｂｏｗ）の値が３．０９μｍであり、反り返り度（ｗａｒｐ）が６．２０μｍであり、優れた表面形状品質を有する。
【００８５】
当該坩堝は、減少されたラジカル方向の温度勾配を提供することができることにより、炭化ケイ素結晶体の内部応力も減るので、製造された炭化ケイ素単結晶基板は、比較的小さい応力を有し、その湾曲度及び反り返り度を下げることに有利であり、より高品質の炭化ケイ素単結晶基板を獲得することができる。８インチの炭化ケイ素単結晶基板Ｄ１＃、炭化ケイ素単結晶基板Ｄ２＃及び炭化ケイ素単結晶基板Ｄ３＃の湾曲度及び反り返り度は、それぞれ２３．３９μｍ／３１．７４μｍ、１９．２７μｍ／２９．７３μｍ、２７．８４μｍ／４０．６６μｍであり、１０μｍより遥かに大きい。
【００８６】
本願の実施例により製造された８〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板１＃〜６＃の抵抗率は、１×１０１０Ω・ｃｍ以上に達し、抵抗率のラジカル方向の分布を一つのオーダー以内に制御することができ、更に、８０％以内に制御することができるので、炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率が均一的に分布することを実現する。８〜１２インチの炭化ケイ素単結晶基板に対して、その湾曲度及び反り返り度は、１０μｍ以内に制御することができる。
【００８７】
上述した内容は、本願の実施例に過ぎない。本願の保護範囲は、これらの具体的な実施例に限定されず、本願の特許請求の範囲により決められる。当業者にとっては、本願に対して様々な変更及び変化を行うことができる。本願の技術的構想及び原理以内に行われた任意の補正、置換え、改良等は、何れも本願の保護範囲内に含まれる。
【００８８】
［部品および図面における符号に関する説明］
１  原料、２  坩堝、４  誘導コイル４、６  断熱構造、６２  断熱底部、６４  断熱構造の頂部、６６  断熱側部、８  シード結晶ユニット。
【手続補正２】
【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】
坩堝と、加熱ユニットと、断熱構造とを含む炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造であって、
当該断熱構造は、断熱構造の頂部、断熱構造の側部及び断熱構造の底部を有し、当該坩堝は、当該断熱構造の密閉チャンバー内に位置し、
当該坩堝の側壁の開口領域の壁の厚さは、底部領域の壁の厚さより大きいであることを特徴とする炭化ケイ素単結晶を成長させる熱場構造。
【請求項２】
当該坩堝の側壁は、坩堝の底部から開口に向かう方向に沿って線形的に厚くなる一方、
当該断熱構造の側部の璧部は、坩堝の開口から底部に向かう方向に沿って線形的に厚くなることを特徴とする請求項１に記載の熱場構造。
【請求項３】
当該坩堝の開口の断面からその上方の断熱構造の頂部の内表面までは、第一の距離を有し、前記第一の距離は、坩堝の中心から坩堝のエッジに向かう方向に沿って増加し、
当該第一の距離の変化値は、５〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱場構造。
【請求項４】
当該坩堝と当該断熱構造は、第一の中心軸線を共有し、
当該第一の中心軸線は、当該坩堝の側壁の内表面及び／又は当該断熱構造の側部の外表面と平行し、
当該第一の中心軸線と当該坩堝の側壁の外表面は、第一の夾角を有し、当該第一の中心軸線と当該断熱構造の側部の内表面は、第二の夾角を有し、当該第一の夾角及び第二の夾角＜９０°であることを特徴とする請求項１に記載の熱場構造。
【請求項５】
当該第一の夾角の値は、５〜３０°であり、当該第二の夾角の値は、５〜３０°であり、
当該第一の夾角及び第二の夾角は、大体同じであることを特徴とする請求項４に記載の熱場構造。
【請求項６】
当該断熱構造の外表面は、円柱体であり、当該断熱構造の頂部は、開口を有せず、当該断熱構造の底部の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の底部からその開口に向かう方向に沿い、当該断熱構造の側部の内表面は、当該坩堝の中心軸線から離れる方向に沿って延び、当該断熱構造の頂部は、坩堝のエッジから中心に向かう方向に沿って厚くなり、
当該坩堝の側壁の内表面は、大体円柱状であり、当該坩堝の外壁は、当該断熱構造の側部の内表面と大体同じ延伸方向を有することを特徴とする請求項１に記載の熱場構造。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１つに記載の熱場構造を含み、
前記結晶体成長装置は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶を製造するために用いられることを特徴とする結晶体成長装置。
【請求項８】
請求項７に記載の結晶体成長装置を用いて製造する大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法であり、
炭化ケイ素の粉材料が充填された坩堝にシード結晶ユニットを取り付け、坩堝を密閉断熱構造のチャンバー内に置き、結晶体成長装置内に入れるという組立工程（１）と、
結晶体成長装置を密封し、真空排気し、不純物が除去された後に保護気体を入れるという不純物除去工程（２）と、
結晶体成長装置の加熱ユニットを用いて坩堝の温度を制御し、結晶を成長させることによって、高純度炭化ケイ素単結晶を製造するという結晶成長工程（３）と、を含み、
前記結晶成長工程は、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で結晶体成長装置内の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で結晶体成長装置内の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、５０〜１００ｈ維持することを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の結晶体成長装置を用いて製造される、または、請求項８に記載の方法により製造される大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶であり、
前記大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶は、直径が４〜１２インチである半絶縁炭化ケイ素単結晶を含むことを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶。
【請求項１０】
請求項９に記載の大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶を用いて製造される大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板であり、
その製造方法は、製造された高純度炭化ケイ素単結晶を切断し、研削し、研磨することによって、高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造すること、を含むことを特徴とする大型サイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板。
【国際調査報告】
2021502942.tif 000007
2021502942.tif 000008
2021502942.tif 000009
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