(57)【要約】      （修正有）【課題】欠陥の少ない良質なSiC単結晶インゴットを、再現性良く製造し得る製造方法を提供する。【解決手段】結晶成長用坩堝３を用いて炭化珪素単結晶よりなる種結晶１上に炭化珪素単結晶を成長させてバルク状の炭化珪素単結晶インゴットを製造する昇華再結晶法による製造方法において、坩堝３を被覆する断熱材が、合計厚さ5mm以上200mm以下で、且つ2枚以上100枚以下の黒鉛製フェルト７の積層構造で構成する。得られた炭化珪素単結晶インゴットは、インゴットの口径が50mm以上300mm以下であり、さらにエッチピット密度が1×104cm-2以下である。【選択図】図２
2008110907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長用坩堝を用いて炭化珪素単結晶よりなる種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させてバルク状の炭化珪素単結晶インゴットを製造する製造方法において、上記結晶成長用坩堝の外壁面が断熱材で被覆されており、断熱材が、合計厚さ5mm以上200mm以下で、且つ2枚以上100枚以下の黒鉛製フェルトの積層構造であることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【請求項２】
前記断熱材が、合計厚さ5mm以上200mm以下で、且つ4枚以上100枚以下の黒鉛製フェルトの積層構造である請求項1に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の製造方法により得られた炭化珪素単結晶インゴットであって、該インゴットの口径が50mm以上300mm以下であり、さらにエッチピット密度が1×104cm-2以下であることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴット。
【請求項４】
請求項3に記載の炭化珪素単結晶インゴットを切断し、研磨してなる炭化珪素単結晶基板。
【請求項５】
請求項4に記載の炭化珪素単結晶基板に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長してなる炭化珪素エピタキシャルウェハ。
【請求項６】
請求項4に記載の炭化珪素単結晶基板に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム又はこれらの混晶をエピタキシャル成長してなる薄膜エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素単結晶インゴット及びその製造方法に係わり、特に、電子デバイスの基板ウェハとなる良質で大型の単結晶インゴット及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、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。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波・高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしてSiC単結晶基板の需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。
【０００３】
従来、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%あること等により、積層欠陥等の結晶欠陥が入り易く、高品質のSiC単結晶を得ることは難しい。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶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(非特許文献1)、多くの研究機関で実施されている。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133Pa〜1.33kPa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を説明する。種結晶となるSiC単結晶と原料となるSiC結晶粉末は、坩堝(通常、黒鉛製)の中に収納され、アルゴン(Ar)等の不活性ガス雰囲気中(133〜13.3kPa)、2000〜2400℃に加熱される。この際、原料粉末に比べ、種結晶がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配(温度勾配により形成される)により種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。この際、結晶の抵抗率は、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、制御可能である。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(p型)、アルミニウム(p型)がある。改良レーリー法を用いれば、SiC単結晶の結晶多形(6H型、4H型、15R型等)及び形状、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。
【０００６】
上記したように、SiC単結晶は坩堝内にて高温下で昇華した原料が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、そこで再結晶化することで成長する。このため、結晶成長における坩堝内の温度分布の制御は極めて重要な技術となる。改良レーリー法によるSiC単結晶成長において必要となる、坩堝を2000〜2400℃の高温に加熱する方法としては、高周波印加による誘導加熱が一般的に使用されている。具体的には、高周波により導電性材料中に発生する誘導電流によって導電性材料自体が発熱することを利用する。坩堝の形状としては、高周波誘導電流による発熱が導電性材料のキャリアによる遮蔽効果のため内部に浸透せず導電性材料の表面で生じることから(表皮効果)、坩堝内での温度分布を均等にし易いとして、円柱型の坩堝が常用される。
【０００７】
また、発熱体である坩堝からの熱損失を抑え2000℃以上の高温を維持させる目的で、断熱材で坩堝周囲を覆うことが一般的に行われている。この際、高周波が直接坩堝に作用するように、断熱材としては導電性の無い材料を用いるか、誘導電流の発生し難い構造にする必要がある。実際には、導電性が低く、断熱性が高い黒鉛製フェルト(通常、厚さ数mm〜十数mm、幅1ｍ程度、長さ数ｍから十ｍ程度)が断熱材として一般的に用いられている。
【０００８】
実際に黒鉛製フェルトを使用する場合、断熱保温する対象である坩堝(通常、黒鉛製)を直接黒鉛製フェルトで覆う形で設置する。しかしながら、現時点で2000℃を超す高温において再現性良く且つ均一性良く坩堝からの熱輻射、熱伝導を遮蔽できる断熱技術は、未だ確立されていない。一般的に高周波印加による誘導加熱により実施されるSiC単結晶成長においては、断熱性の再現性、均一性は、得られる単結晶の質量や形状のバラツキのみに留まらず、単結晶の品質にまで影響を及ぼしている。具体的には、断熱材の変動により、温度分布のみならず絶対温度の変化が生じるため、高品質な結晶を得るための結晶成長速度や結晶成長中の形状制御(対称性の良好な凸型形状の維持が重要)に乱れが発生し易くなり、結果として目的とする良質な結晶が得られる歩留まりの低下といった深刻な事態を招くことになる。
【０００９】
また、近年のSiC単結晶の品質向上に伴い低損失パワー素子用基板としての実用化研究が本格化するなか、基板口径に対しても従来の2インチ(50.8mm)口径をさらに大口径化(3インチ(76.2mm)あるいは100mm口径化)したいという要求が一段と高まっている。このため、SiC単結晶成長に用いられる坩堝も口径拡大に向け一層大型化の方向にあるが、坩堝が大型になるほど内部の温度分布制御技術の重要性も増大する。このため、結晶成長プロセスにおいて安定した温度分布を再現性よく実現できる断熱材技術が必要である。これらの理由により、改良レーリー法によるSiC単結晶成長技術において、より安定した坩堝内部温度分布を実現する断熱材技術の開発が強く要望されるようになった。
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, Vol.52 (1981) pp.146-150
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上述べてきたように、改良レーリー法において坩堝内部の温度分布の変動を大きくしている原因は、加熱する際に被加熱体である坩堝からの熱損失を遮蔽する役目を果している断熱材による断熱効果の再現性と均一性が乏しい点にある。特に、断熱材として多く用いられている黒鉛製フェルトは、その製品間あるいは製品内(一枚の黒鉛製フェルト内)の断熱性のバラツキが大きい。このような黒鉛製フェルトをSiC単結晶成長に用いると、結晶成長毎の黒鉛製フェルトの変動により坩堝内の温度分布が変化してしまい、結晶成長の再現性を得ることが困難となる。
【００１１】
そこで、本発明では、断熱材の構造を改良することにより上記問題を解決し、再現性のある坩堝内温度分布を実現する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】
【００１２】
本発明は、
（1）結晶成長用坩堝を用いて炭化珪素（SiC）単結晶よりなる種結晶上にSiC単結晶を成長させてバルク状のSiC単結晶インゴットを製造する製造方法において、上記結晶成長用坩堝の外壁面が断熱材で被覆されており、断熱材が、合計厚さ5mm以上200mm以下で、且つ2枚以上100枚以下の黒鉛製フェルトの積層構造であることを特徴とするSiC単結晶インゴットの製造方法、
（2）前記断熱材が、合計厚さ5mm以上200mm以下で、且つ4枚以上100枚以下の黒鉛製フェルトの積層構造である(1)に記載のSiC単結晶インゴットの製造方法、
（3）(1)又は(2)に記載の製造方法により得られたSiC単結晶インゴットであって、該インゴットの口径が50mm以上300mm以下であり、さらにエッチピット密度が1×104cm-2以下であることを特徴とするSiC単結晶インゴット、
（4）(3)に記載のSiC単結晶インゴットを切断し、研磨してなるSiC単結晶基板、
（5）(4)に記載のSiC単結晶基板に、SiC薄膜をエピタキシャル成長してなるSiCエピタキシャルウェハ、
（6）(4)に記載のSiC単結晶基板に、窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化インジウム（InN）又はこれらの混晶をエピタキシャル成長してなる薄膜エピタキシャルウェハ、
である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、特に高周波印加による誘導加熱を用いた改良レーリー法によるSiC単結晶成長においても、使用する坩堝の温度分布の安定性を向上させることができ、その結果、結晶性の良好なSiC単結晶を高い歩留まりで成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明においては特に誘導加熱を用いたSiC単結晶成長において、断熱材を、2枚以上、より好ましく4枚以上の黒鉛製フェルトの積層構造で構成することにより、被加熱体である坩堝内部の温度分布を安定させ、結果として良質なSiC単結晶を安定的に成長させることができる。
実施形態を以下に説明する。
【００１５】
前述したように、改良レーリー法では、通常｛0001｝面を結晶成長面とするSiC種結晶と原料となるSiC結晶粉末(通常、アチソン(Acheson)法で製造された研磨材を洗浄・前処理したものが使用される)は、坩堝(通常、黒鉛製)の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(133Pa〜13.3kPa)、2000〜2400℃に加熱される。この際、原料粉末に比べ種結晶がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配(温度勾配により形成される)により、種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。
【００１６】
ここで、坩堝の形状としては、種結晶を保持でき、原料粉末を収容できれば、円柱、円錐、多角柱、多角錐等のどのような形状でも良いが、坩堝から外部への放熱に関して、周方向における放熱量の均一性において優れている円柱形が最適である。上記改良レーリー法において、坩堝を2000〜2400℃の高温に保持するためには、坩堝の周囲（具体的には坩堝の外壁面）を黒鉛製フェルトで覆い、坩堝からの熱輻射、熱伝導を遮蔽する。
【００１７】
一般に黒鉛製フェルトは、フェルト状に縫製したレーヨンなどの化学繊維を黒鉛化することにより製造されるが、その断熱性の再現性あるいは均一性については、かなり注意して製造した黒鉛製フェルトにおいても、その原料や製法に起因してバラツキが生じることが知られている(黒鉛製フェルトの断熱性の製品間バラツキ、製品内バラツキは共に10%程度)。このように断熱性がばらついた黒鉛製フェルトを、2000℃を超える高温でプロセスを行う改良レーリー法によるSiC単結晶成長に適用した場合、良質のSiC単結晶を安定的に成長させることは困難になる。そこで、発明者らは、このようなバラツキを有する断熱材(黒鉛製フェルト)を用いても、充分な再現性、安定性を持って、SiC単結晶成長が行える断熱構造を数多くの実験を基に探索したところ、断熱材として黒鉛製フェルトを複数枚重ねた積層構造を用いることにより、SiC単結晶成長の安定性、再現性を格段に向上できることを見出した。
【００１８】
先にも述べたように、黒鉛製フェルトは製品間のバラツキがあるだけでなく、1枚の製品内においても断熱性のバラツキが存在する。したがって、このようなフェルトで黒鉛坩堝を覆い、SiC単結晶成長に用いた場合には、例えば、坩堝の上下方向、周方向あるいは径方向において断熱性のムラが生じ、再現性の高い結晶成長を行うことが困難になる。しかしながら、複数枚の黒鉛製フェルトを積層した場合には、黒鉛製フェルトの積層の仕方に工夫を凝らすことにより、フェルト製品内のバラツキの影響を小さくすることができる。これは、発明者らが数多くの結晶成長実験から見出した、黒鉛製フェルトのバラツキにはある方向性が存在する、という知見に基づく。具体的には、黒鉛製フェルトの断熱性は、坩堝の上下方向、周方向あるいは径方向に沿って、ほぼ一様に減少あるいは増加する特性を有する。これは、原材料となるレーヨンなどの化学繊維を縫製する際に、厚みや密度の変動が、フェルトの長手方向に沿ってほぼ一様に生じるためである。したがって、2枚の黒鉛製フェルトを重ね合わせる際に、その向きを逆向きにすることによって、この一方向性の断熱性のバラツキを打ち消すことができる。この断熱性バラツキの打消し効果は、2枚以上の黒鉛製フェルトを積層することによって実現できるが、黒鉛製フェルトの積層枚数を増やしていくと、製品内のバラツキだけでなく、製品間のバラツキも打ち消すことができる。これは、積層枚数を増やしていくと、それぞれの黒鉛製フェルトが有していたバラツキが平均化され、積層ロット間では変動が小さくなるためと考えられる。この黒鉛製フェルト積層の効果は結晶成長の再現性、安定性向上に大幅に貢献する。
【００１９】
複数枚重ねる黒鉛製フェルトの枚数については、最低2枚から本発明に記載の効果が期待できるが、断熱材の合計厚さは5mm以上とすることが望ましい。5mm未満になると、充分な断熱効果が得られ難く、坩堝の温度制御が困難となる。断熱材の最大合計厚さについては、特に制限はないものと思われるが、200mm程度が実効的な上限値のように考えられる。理由は、断熱材が厚くなると、断熱材を含めたホットゾーン部材の外形寸法が大きくなり、それに伴って炉内寸法が大きな結晶成長炉が必要になるためである(必要以上に大型の結晶成長炉の導入は製造コストの上昇に繋がる)。これに対応する黒鉛製フェルトの最大積層枚数としては、黒鉛製フェルトの厚さにもよるが、100枚程度と見積もられる。
【００２０】
本発明のSiC単結晶インゴットの製造方法によれば、SiC単結晶成長中の結晶成長速度を高精度に制御することが可能となる。結晶成長速度の高精度制御は、欠陥抑制の観点から極めて重要である。SiC単結晶成長における結晶成長様式は、成長初期の核発生様式と、成長中盤・後半のステップフロー様式に大別されるが、結晶成長速度を高精度に制御することは、特に、成長初期の核発生様式の結晶成長において重要となっている。核発生様式による結晶成長において、結晶成長面上で発生する結晶核の結晶性は、単位時間当たりに結晶成長面上に飛来する結晶構成原子の数、即ち結晶成長速度に大きく依存する。結晶成長速度が小さい場合には、構成原子が飛来する時間間隔が大きいので、構成原子は結晶成長面上、充分な時間を持って安定原子位置を占めることができるが、結晶成長速度が大きくなると、構成原子が飛来する時間間隔が減少し、安定位置を占めるための時間を充分に取れなくなる。その結果、結晶核の結晶性が劣化し、転位欠陥等が導入される。
【００２１】
結晶成長速度は小さくなり過ぎても、結晶核の結晶性の劣化をもたらす。これは、結晶構成原子の単位時間当たりの飛来数がある値を下回ると、結晶成長面上への不純物原子の飛来数が結晶構成原子に比して無視できなくなり、結晶核の不純物濃度が大幅に増加するためである。
【００２２】
上記したように、SiC単結晶成長において、結晶成長速度は厳密に制御されるべき成長パラメータである。断熱材による断熱効果の変動等により結晶成長速度が変動すると、結晶核の結晶性が劣化し、転位欠陥等が多数導入される。本発明による断熱材を採用することで、結晶成長中、結晶成長速度を随時適切な値に高精度に制御することが可能となり、その結果、結晶成長速度の変動による転位欠陥の導入を抑制でき、高品質なSiC単結晶の結晶成長が可能となる。通常、SiC単結晶中の転位欠陥の密度は、SiC単結晶の(0001)オフ面(例えば、オフ方向:[11-20]方向、オフ角度:8°)上に現れる、転位に起因したエッチピット密度によって評価されるが、本発明の製造方法で得られたSiC単結晶は、このエッチピット密度が1×104cm-2以下であるという特徴を有する。
【００２３】
また、本発明による断熱材を採用することで、結晶成長用坩堝の口径が大きくなっても坩堝内部の温度分布を安定して制御することができ、大口径のSiC単結晶基板、具体的には50mm以上300mm以下の口径の基板を得ることが可能になる。このようにして得られた本発明のSiC単結晶基板は、50mm以上300mm以下の口径を有しているので、この基板を用いて各種デバイスを製造する際、工業的に確立されている従来の半導体(Si、GaAs等)基板用の製造ラインを使用することができ、量産に適している。また、この基板のエッチピット密度が1×104cm-2以下と低く高品質であるため、特に、大電流、高出力のデバイス製造に適している。さらに、このSiC単結晶基板上にCVD法等によりエピタキシャル薄膜を成長して作製されるSiC単結晶エピタキシャルウェハ、あるいはGaN、AlN、InN及びこれらの混晶薄膜エピタキシャルウェハは、その基板となるSiC単結晶の品質が高く安定しているために、良好な特性(耐電圧、エピタキシャル薄膜の表面モフォロジー等)を有するようになる。
【実施例１】
【００２４】
(実施例1)
以下に、本発明の実施例を述べる。
図2は、本発明におけるSiC単結晶インゴットの製造方法に用いた製造装置であり、種結晶を用いた改良型レーリー法によって、SiC単結晶を成長させる装置の一例である。まず、この単結晶成長装置について簡単に説明する。結晶成長は、種結晶として用いたSiC単結晶1の上に原料であるSiC粉末2を昇華再結晶化させることにより行われる。種結晶のSiC単結晶1は、黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けられる。原料のSiC粉末2は、黒鉛製坩堝3の内部に充填されている。このような黒鉛製坩堝3は、二重石英管5の内部に、黒鉛の支持棒6により設置される。黒鉛製坩堝3の周囲には、熱シールドのための黒鉛製フェルト7が設置されている。二重石英管5は、真空排気装置11により高真空排気(10-3 Pa以下)することができ、かつ、内部雰囲気をArガスあるいはArと窒素の混合ガスにより圧力制御することができる。また、二重石英管5の外周には、ワークコイル8が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝3を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝上部及び下部を覆うフェルトの中央部に直径2〜4mmの光路を設け、坩堝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。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種結晶温度とする。
【００２５】
次に、この結晶成長装置を用いたSiC単結晶の製造について、実施例を説明する。まず、予め成長しておいたSiC単結晶インゴットから、口径50mm、厚さ1mmの｛0001｝面を主面とした4H型のSiC単結晶片を種結晶として切り出し、両面を研磨した。このようにして用意したSiC単結晶種結晶1を、黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝3の内部には、原料2を充填した。次いで、原料を充填した黒鉛製坩堝3を、種結晶を取り付けた蓋4で閉じ、黒鉛製フェルト7で被覆した。この際、厚さ5mmの黒鉛製フェルトを2枚、断熱性が均一になるよう重ねて（具体的にはフェルトの長手方向及びその垂直方向が、2枚のフェルトで逆向きになるように重ねた）、坩堝の上下面及び側面（外壁面）に配置した。その後、黒鉛製支持棒6の上に乗せ、二重石英管5の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイルに電流を流し、原料温度を2000℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして窒素を10%含むArガスを流入させ、石英管内圧力を約80kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である2400℃まで上昇させた。成長圧力である1.3kPaには約30分かけて減圧し、その後、約50時間成長を続けた。結晶の成長速度は平均で約0.60mm/時であった。得られた結晶の口径は51.5mmで、高さは30mm程度であった。
【００２６】
こうして得られたSiC単結晶インゴットについて、実験回数20回での質量のバラツキ(結晶成長速度のバラツキを反映する)を調べたところ、平均となる質量からの質量差が最大でも±12%以内に抑えられており、後述の同じ合計厚さの黒鉛製フェルト1枚を用いた場合と比較して確実にバラツキが低減された。また、結晶成長速度、結晶成長中の形状制御の影響が大きい結晶性についても、20回の結晶成長において16回が乱れのない、種結晶と同一の結晶多形を維持した安定成長となっており、結晶成長としての歩留まりも80%と良好な値を示し、温度分布の安定性を反映した結果が得られた。
【００２７】
次に、上記した、結晶成長中の乱れがなかったSiC単結晶インゴットの一つから、口径51mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板を2枚切出し、鏡面研磨した。基板の面方位は(0001)Si面で[11-20]方向に8°オフとした。その後、これらSiC単結晶基板2枚の内の1枚を、約530℃の溶融KOHでエッチングし、転位欠陥に起因するエッチピットの密度を顕微鏡により調べたところ、9.5×103cm-2という値を得た。
【００２８】
さらに、残りの1枚のSiC単結晶基板を用いて、SiCのエピタキシャル成長を行った。SiCエピタキシャル薄膜の成長条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH4)、プロパン(C3H8)、水素(H2)の流量が、それぞれ5.0×10-9m3/sec、3.3×10-9m3/sec、5.0×10-5m3/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は2時間で、膜厚としては約5μm成長した。
【００２９】
エピタキシャル薄膜成長後、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に渡って非常に平坦で、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。
【００３０】
また、上記SiC単結晶インゴットから同様にして、オフ角度が0°の(0001)Si面SiC単結晶基板を切り出し、鏡面研磨した後、その上にGaN薄膜を有機金属化学気相成長(MOCVD)法によりエピタキシャル成長させた。成長条件は、成長温度1050℃、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)をそれぞれ、54×10-6モル/min、4リットル/min、22×10-11モル/min流した。また、成長圧力は大気圧とした。成長時間は60分間で、n型のGaNを3μmの膜厚で成長させた。
【００３１】
得られたGaN薄膜の表面状態を調べる目的で、成長表面をノマルスキー光学顕微鏡により観察した。ウェハ全面に渡って非常に平坦なモフォロジーが得られ、全面に渡って高品質なGaN薄膜が形成されているのが分かった。
【実施例２】
【００３２】
(実施例2)
厚さ5mmの黒鉛製フェルトを4枚、断熱性が均一になるように重ねて（具体的にはフェルトの長手方向及びその垂直方向が、4枚のフェルト内2枚づつ逆向きになるように重ねた）、坩堝の上下面及び側面（外壁面）に配置した以外は実施例1と同様にして、改良レーリー法によりSiC単結晶成長を行った。
【００３３】
こうして得られたSiC単結晶インゴットについて、実験回数20回での質量のバラツキ(結晶成長速度のバラツキを反映する)を調べたところ、平均となる質量からの質量差が最大でも±10%以内に抑えられており、後述の黒鉛製フェルト1枚のみを用いた場合と比較して確実にバラツキが低減された。また、結晶成長速度、結晶成長中の形状制御の影響が大きい結晶性についても、20回の結晶成長において18回が乱れのない、種結晶と同一の結晶多形を維持した安定成長となっており、結晶成長としての歩留まりも90%と良好な値を示し、温度分布の安定性を反映した結果が得られた。
【００３４】
次に、上記した、結晶成長中の乱れがなかったSiC単結晶インゴットの一つから、口径51mm、厚さ0.4mmの[0001]面SiC単結晶基板を2枚切出し、鏡面研磨した。基板の面方位は(0001)Si面で[11-20]方向に8°オフとした。その後、これらSiC単結晶基板2枚の内の1枚を、約530℃の溶融KOHでエッチングし、転位欠陥に起因するエッチピットの密度を顕微鏡により調べたところ、8.2×103cm-2という値を得た。
【００３５】
さらに、残りの1枚のSiC単結晶基板を用いて、SiCのエピタキシャル成長を行った。SiCエピタキシャル薄膜の成長条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH4)、プロパン(C3H8)、水素(H2)の流量が、それぞれ5.0×10-9m3/sec、3.3×10-9m3/sec、5.0×10-5m3/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は2時間で、膜厚としては約5μm成長した。
【００３６】
エピタキシャル薄膜成長後、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に渡って非常に平坦で、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。
【００３７】
また、上記SiC単結晶インゴットから同様にして、オフ角度が0°の(0001)Si面SiC単結晶基板を切り出し、鏡面研磨した後、その上にGaN薄膜を有機金属化学気相成長(MOCVD)法によりエピタキシャル成長させた。成長条件は、成長温度1050℃、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)をそれぞれ、54×10-6モル/min、4リットル/min、22×10-11モル/min流した。また、成長圧力は大気圧とした。成長時間は60分間で、n型のGaNを3μmの膜厚で成長させた。
【００３８】
得られたGaN薄膜の表面状態を調べる目的で、成長表面をノマルスキー光学顕微鏡により観察した。ウェハ全面に渡って非常に平坦なモフォロジーが得られ、全面に渡って高品質なGaN薄膜が形成されているのが分かった。
【００３９】
(比較例)
黒鉛製フェルト(厚さ:10mm)1枚のみを坩堝の上下面及び側面（外壁面）に配置した以外は実施例と同様にして、改良レーリー法によりSiC単結晶成長を行った。
【００４０】
こうして得られたSiC単結晶インゴットについて、実験回数20回での質量のバラツキを調べたところ、平均となる質量からの質量差が最大で+33%、-42%となり、実験毎の坩堝温度分布のバラツキが大きいことを反映した結果となった。また、結晶成長速度、結晶成長中の形状制御の影響が大きい結晶性についても、20回の結晶成長中9回にて結晶成長の乱れ(異種結晶多形の発生に伴う結晶性の劣化)が発生し、結晶成長としての歩留まりは55%と低い値を示し、温度分布の不安定性を反映した結果が得られた。
【００４１】
次に、上記した、結晶成長中に乱れが発生したSiC単結晶インゴットの一つから、口径51mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板を1枚切出し、鏡面研磨した。基板の面方位は(0001)Si面で[11-20]方向に8°オフとした。その後、このSiC単結晶基板を、約530℃の溶融KOHでエッチングし、転位欠陥に起因するエッチピットの密度を顕微鏡により調べたところ、2.5×104cm-2という値を得た。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】改良レーリー法の原理を説明する図
【図２】本発明の製造方法に用いられる単結晶成長装置の一例を示す構成図
【符号の説明】
【００４３】
1    種結晶(SiC単結晶)
2    SiC粉末原料
3    黒鉛製坩堝
4    黒鉛製坩堝蓋
5    二重石英管
6    支持棒
7    黒鉛製フェルト
8    ワークコイル
9    Arガス配管
10   Arガス用マスフローコントローラ
11   真空排気装置
【図１】
2008110907.tif 000003
【図２】
2008110907.tif 000004