(57)【要約】【課題】効率的かつ定常的に結晶成長させることができる炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】反応容器１１の内部に種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３を配置し、反応容器１１内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む原料ガスを導入することにより、基板１３から炭化珪素単結晶２１を成長させる。このとき、加熱装置（１５，１６，１７，２０）は、基板１３への原料ガスを基板１３での温度よりも高くなるように加熱する。反応容器１１は、加熱した原料ガスを用いて基板１３から結晶成長させた後の成長に寄与しなかった原料ガスを再び上流側に戻す。カーボン断熱材（吸収材）１２は、戻された原料ガスを加熱装置（１５，１６，１７，２０）により再び加熱した後の原料ガスを吸収する。【選択図】        図２
2004311649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器（１，１１）の内部に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（２，１３）を配置し、前記反応容器（１，１１）内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む原料ガスを導入することにより、前記種結晶となる炭化珪素単結晶基板（２，１３）から炭化珪素単結晶（３，２１）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
原料ガスの流れとして、種結晶となる炭化珪素単結晶基板（２，１３）の上流において原料ガスを加熱した後、それよりも低温に保持された種結晶となる炭化珪素単結晶基板（２，１３）から結晶成長させ、さらに、成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱した後、吸収材（４，１２）に吸収させるようにしたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶となる炭化珪素単結晶基板（２）の上流において加熱された原料ガスの温度が２３００〜２７００℃であり、前記炭化珪素単結晶（３）の成長表面の温度が２１００〜２６００℃であることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）において結晶成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱すべく、種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）に向かう原料ガスの流れに対し逆向きの原料ガスの流れを作るようにしたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
反応容器（１１）の内部において種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）の周囲に比べ当該基板（１３）を局所的に低温化したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）の上流において原料ガスを加熱して種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）へ導入するに際し、原料ガスを攪拌するようにしたことを特徴する炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記反応容器（１１）から排出されるガスをＳｉおよびＣを含有しないガスのみにしたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項７】
反応容器（１１）の内部に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）を配置し、前記反応容器（１１）内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む原料ガスを導入することにより、前記種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）から炭化珪素単結晶（２１）を成長させるための炭化珪素単結晶の製造装置であって、
前記種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）への原料ガスを当該種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）での温度よりも高くなるように加熱する加熱装置（１５，１６，１７，２０）と、
前記加熱装置（１５，１６，１７，２０）により加熱した原料ガスを用いて前記種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）から結晶成長させた後の成長に寄与しなかった原料ガスを再び上流側に戻す構造の反応容器（１１）と、
前記戻された原料ガスを前記加熱装置（１５，１６，１７，２０）により再び加熱した後の原料ガスを吸収する吸収材（１２）と、
を備えたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）内において種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）に向かって温度が下がる温度勾配を有することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）内において原料ガスが種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）に到達した後、原料ガスが反応容器（１１）の内壁に沿って排出されることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）は有蓋円筒状をなし、反応容器（１１）の開口部から原料ガスを反応容器（１１）の中央部において導入して種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）に到達後、反応容器（１１）の内壁に沿って上流側に戻り、反応容器（１１）の開口部から下流側に流れることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）が、加熱装置（１５，１６，１７，２０）における加熱した原料ガスを反応容器（１１）に向かって導出する筒体（１５）から分離されていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記反応容器（１１）と、加熱装置（１５，１６，１７，２０）における加熱した原料ガスを反応容器（１１）に向かって導出する筒体（１５）とは、別体構造をなし、種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）は、反応容器（１１）内において前記加熱装置（１５，１６，１７，２０）の筒体（１５）から接離する方向に移動可能に支持されていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
炭化珪素単結晶（２１）の成長表面と加熱装置（１５，１６，１７，２０）の筒体（１５）との間隔（Ｌ１）を２０ｍｍ以下にしたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
炭化珪素単結晶（２１）の成長表面と加熱装置（１５，１６，１７，２０）の筒体（１５）との間隔（Ｌ１）を５ｍｍ以下にしたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１５】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）の周辺に断熱部材（３４）を配置したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１６】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）を支持するパイプ材（１８）を通して冷却ガスを導入して、この冷却ガスと反応容器（１１）との間で熱交換を行って種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）をその周辺に比べ局所的に低温化したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１７】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記原料ガスの加熱装置（１５，１６，１７，２０）において原料ガスの通路に複数の透孔（３１）を有する板材（３０）を配置し、板材の透孔（３１）に原料ガスを通すことにより原料ガスを攪拌することを特徴する炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１８】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記吸収材（１２）として、多孔質カーボン、カーボンフェルト、カーボン断熱材の少なくともいずれかを用いたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１９】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
反応容器（１１）における原料ガスの出口（４０）に、水素のみを透過する水素分離膜（４１）を設置したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項２０】
請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記反応容器が、
筒体（５１）と、
種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１３）を支持し、かつ、前記筒体（５１）の内部を移動可能な台座（５０）と
からなることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法、および、これに適した炭化珪素単結晶の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素単結晶は、高耐圧、高電子移動度という特長を有するため、パワーデバイス用半導体基板として期待されている。炭化珪素単結晶には、一般に昇華法（改良レーリー法）と呼ばれる単結晶成長方法が用いられる。
【０００３】
改良レーリー法は、準密閉された黒鉛製ルツボ内に炭化珪素原料を配置すると共に、この原料部と対向するように種結晶を黒鉛ルツボの内壁に装着し、原料部を２２００〜２４００℃に加熱して昇華ガスを発生させ、原料部より数十〜数百℃低温にした種結晶に再結晶化させることで、炭化珪素単結晶を成長させるものである。
【０００４】
この改良レーリー法では、炭化珪素単結晶の成長に伴って炭化珪素原料が減少するため、成長させることができる量に限界がある。たとえ、成長中に原料を追加する手段をとったとしても、炭化珪素が昇華する際に、昇華ガス中のＳｉ／Ｃが１を超える比で昇華するため、成長中に原料を追加すると、ルツボ内の昇華ガスの濃度が揺らぎ、結晶を連続的に高品質に作製することの障害となる。
【０００５】
一方、ＣＶＤによって炭化珪素をエピタキシャル成長させる技術が、特許文献１に開示されている。図８，９はこの技術を用いた製造装置の概略断面図である。図８において、円筒形状のケース１００の中央付近に円筒形状のサセプタ１０１を配置している。このサセプタ１０１は高純度の黒鉛等からなる。サセプタ１０１の上端面には種結晶となる炭化珪素単結晶基板１０２が配置されている。ケース１００の外部におけるサセプタ１０１の外周に相当する位置には、サセプタ１０１内の気体を加熱するための加熱手段１０３が配置されている。サセプタ１０１の周囲は断熱材である多孔質の黒鉛１０４により充填されている。そして、サセプタ１０１の下端において、この断熱材（１０４）によって漏斗状の通路１０５が形成されている。ケース１００の下端には、炭化珪素単結晶の成長に必要なＳｉやＣを含有する原料ガスを供給する原料ガス導入管１０６が配置されている。また、サセプタ１０１の上端面には原料ガスが排気される通路１０７が形成されており、ケース１００の上部にはケース１００の外部に繋がる通路１０８が形成されている。このような構成の製造装置では、原料ガス導入管１０６から供給された原料ガスが断熱材（１０４）により形成された通路１０５を通ってサセプタ１０１内に移動し、原料ガスが加熱手段１０３により加熱されて種結晶（１０２）から炭化珪素単結晶としてエピタキシャル成長される。そして、残留した原料ガスは、サセプタ１０１の上端面の通路１０７を通り、ケース１００の上部に形成された通路１０８を通って排気される。
【０００６】
また、図９においても、円周壁を有するサセプタ２００および蓋２０１によって形成された成長空間に、原料となる原料ガスを導入し、基板２０２が昇華を始める温度にて、結晶成長を行う。結晶成長に供されなかった原料ガスは、ガス吐出穴２０３を通って系外に排出される。
【０００７】
この図８，９に示した方法では、成長期間中、Ｓｉ／Ｃ比を一定に保つことが可能であり、優れた結晶品質を有する単結晶を高い成長速度で成長させることが可能である。
【０００８】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の方法では、サセプタ１０１，２００が同じ温度に加熱されるため、成長空間に導入された原料ガスは、基板のみならず、サセプタ１０１，２００にも結晶を堆積させる。そのため、長尺な結晶を得ようとする際には、単結晶の収率が小さいのみならず、成長空間やガス吐出穴（１０７，２０３）が析出した結晶によって閉塞されてしまい、定常的な成長が実現できないという問題点があった。さらに、成長に寄与できずにサセプタ１０１，２００の外部へ放出された炭化珪素の原料ガスが排気経路において堆積し、導入ガスの経路が塞がれるため、定常的な成長ができないという問題もあった。
【０００９】
【特許文献１】
特表平１１−５０８５３１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、効率的かつ定常的に結晶成長させることができる炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法は、図１に示すごとく、反応容器１の内部に種結晶となる炭化珪素単結晶基板２を配置し、反応容器１内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む原料ガスを導入することにより、種結晶となる炭化珪素単結晶基板２から炭化珪素単結晶３を成長させる際に、原料ガスの流れとして、種結晶となる炭化珪素単結晶基板２の上流において原料ガスを加熱した後、それよりも低温に保持された種結晶となる炭化珪素単結晶基板２から結晶成長させ、さらに、成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱した後、吸収材４に吸収させるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、原料ガスの流れにおいて、種結晶となる炭化珪素単結晶基板２においては過飽和となる低温にして結晶が析出するとともに、その上流側および下流側においては未飽和となる高温にして結晶が析出しないようにすることができる。その結果、ガス流路の温度を均一にする方式（図８）に比べ炭化珪素単結晶３の収率を向上させることができるとともに、反応容器１内（成長空間）が析出した結晶によって閉塞されることを回避することができる。
【００１３】
また、成長に寄与しなかった原料ガスは吸収材４に吸収され、その他のガスは排気系へ導かれる。そのため、ガスの経路が塞がれることを回避することができる。その結果、反応容器１内（成長空間）を含めたガス流路が、析出した結晶によって閉塞されることがなく定常的な成長が実現できる。
【００１４】
請求項２に記載のように、図１に示すごとく、種結晶となる炭化珪素単結晶基板２の上流において加熱された原料ガスの温度が２３００〜２７００℃であり、炭化珪素単結晶３の成長表面の温度が２１００〜２６００℃であるとよい。
【００１５】
請求項３に記載のように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板において結晶成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱すべく、種結晶となる炭化珪素単結晶基板に向かう原料ガスの流れに対し逆向きの原料ガスの流れを作るようにすると、つまり、導入した原料ガスを種結晶となる炭化珪素単結晶基板にて反転させると、低温に保持される炭化珪素単結晶基板においては過飽和、原料ガスの加熱状態では未飽和とすることができ、請求項１での作用効果が得られる。
【００１６】
そのために、請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置を用いる。つまり、種結晶となる炭化珪素単結晶基板への原料ガスを当該種結晶となる炭化珪素単結晶基板での温度よりも高くなるように加熱する加熱装置と、加熱装置により加熱した原料ガスを用いて種結晶となる炭化珪素単結晶基板から結晶成長させた後の成長に寄与しなかった原料ガスを再び上流側に戻す構造の反応容器と、戻された原料ガスを加熱装置により再び加熱した後の原料ガスを吸収する吸収材と、を備えた炭化珪素単結晶の製造装置を使用する。
【００１７】
より具体的には、請求項８に記載の炭化珪素単結晶の製造装置を用いる。つまり、反応容器内において種結晶となる炭化珪素単結晶基板に向かって温度が下がる温度勾配を有するものとする。そのために、請求項９に記載のように、反応容器内において原料ガスが種結晶となる炭化珪素単結晶基板に到達した後、原料ガスが反応容器の内壁に沿って排出するようにする。より具体的には、請求項１０に記載のように、反応容器は有蓋円筒状をなし、反応容器の開口部から原料ガスを反応容器の中央部において導入して種結晶となる炭化珪素単結晶基板に到達後、反応容器の内壁に沿って上流側に戻り、反応容器の開口部から下流側に流れる炭化珪素単結晶の製造装置を使用する。
【００１８】
このようにして、反応容器の内壁に種結晶となる炭化珪素単結晶基板に向かって温度が低くなるような温度勾配を設定することによって、最も低温となっている種結晶となる炭化珪素単結晶基板から結晶を析出させた原料ガスは、そこで反転し、内壁に沿って流れる。反転した原料ガスは、炭化珪素単結晶基板より温度の高い内壁では未飽和となり、内壁に結晶を析出させないで系外へ放出される。
【００１９】
請求項１１に記載のように、反応容器が、加熱装置における加熱した原料ガスを反応容器に向かって導出する筒体から分離されていると、熱伝導が遮断され、反応容器と加熱装置の筒体の温度差を大きく設定することが可能となる。この温度差を大きく設定できると、種結晶となる炭化珪素単結晶基板での過飽和度を大きくすることができ、収率の高い結晶成長が可能となる。
【００２０】
請求項１２に記載のように、反応容器と、加熱装置における加熱した原料ガスを反応容器に向かって導出する筒体とは、別体構造をなし、種結晶となる炭化珪素単結晶基板は、反応容器内において前記加熱装置の筒体から接離する方向に移動可能に支持されているとよい。特に、請求項１３に記載のように、炭化珪素単結晶の成長表面と加熱装置の筒体との間隔を２０ｍｍ以下にするとよい。さらに、請求項１４に記載のように、炭化珪素単結晶の成長表面と加熱装置の筒体との間隔を５ｍｍ以下にするとよい。
【００２１】
請求項４に記載のように、反応容器の内部において種結晶となる炭化珪素単結晶基板の周囲に比べ当該基板を局所的に低温化すると、種結晶となる炭化珪素単結晶基板のみを局所的に低温にでき、単結晶の収率が向上する。また、こうすることにより、単結晶と周辺に生成する多結晶を分離でき、高品質な単結晶を成長させるためには好適である。そのために、請求項１５に記載のように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板の周辺に断熱部材を配置するとよい。また、請求項１６に記載のように、反応容器を支持するパイプ材を通して冷却ガスを導入して、この冷却ガスと反応容器との間で熱交換を行って種結晶となる炭化珪素単結晶基板をその周辺に比べ局所的に低温化するとよい。
【００２２】
請求項５に記載のように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板の上流において原料ガスを加熱して種結晶となる炭化珪素単結晶基板へ導入するに際し、原料ガスを攪拌すると、反応容器（成長空間）における原料ガスの攪拌が促進され、単結晶の収率を向上させることができる。そのために、例えば、請求項１７に記載のように、原料ガスの加熱装置において原料ガスの通路に複数の透孔を有する板材を配置し、板材の透孔に原料ガスを通すことにより原料ガスを攪拌する。こうして、板材の複数の透孔を通して成長空間に攪拌された原料ガスが導入される。
【００２３】
請求項１８に記載のように、吸収材として、多孔質カーボン、カーボンフェルト、カーボン断熱材の少なくともいずれかを用いるとよい。
請求項６に記載のように、反応容器から排出されるガスをＳｉおよびＣを含有しないガスのみにする。具体的には、請求項１９に記載のように、反応容器における原料ガスの出口に、水素のみを透過する水素分離膜を設置する。このようにして、反応容器（成長空間）に導入された原料ガスを排出する際に、水素のみを透過する水素分離膜を通すことにより、水素のみを選択的に排出する。これにより、結晶化できなかった原料ガスが再利用され、導入した原料ガスが高効率に結晶成長に寄与できる。即ち、特許文献１に記載の方法では単結晶として成長に寄与する原料の割合が小さく原料の利用効率が悪いが、この不具合を解消して原料の利用効率向上を図ることができることとなる。
【００２４】
請求項２０に記載のように、反応容器が、筒体と、種結晶となる炭化珪素単結晶基板を支持し、かつ、筒体の内部を移動可能な台座とからなると、単結晶の成長表面と筒体と加熱装置の相対的な位置を保った状態で成長を続けることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２６】
図２には、本実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。
図２において、真空容器１０は筒状をなし、立設した状態で配置されている。真空容器１０は例えば石英からなる。真空容器１０の内部には有蓋円筒状の反応容器１１が立設した状態で配置されている。反応容器１１は黒鉛製であり、円筒形状の筒部１１ａと、筒部１１ａの上端開口部を塞ぐ蓋部１１ｂからなる（筒部１１ａの下端は開口している）。反応容器１１の蓋部１１ｂの下面には、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３が取り付けられている。そして、この炭化珪素単結晶基板１３が種結晶となって反応容器１１の内部において炭化珪素単結晶２１が成長することとなる。
【００２７】
真空容器１０の内部において、反応容器１１の下方には断熱材１４が配置されている。断熱材１４には原料ガス供給通路１４ａが形成され、ここから上方の反応容器１１に向かって原料ガスが供給される。この原料ガスとしては、具体的には例えば、モノシラン（Ｓｉを含有するガス）とプロパン（Ｃを含有するガス）とキャリアガスを所定の割合で混合したものが使用される。
【００２８】
真空容器１０の内部において、断熱材（原料ガス供給部）１４の上端部には円筒状の筒体１５が立設した状態で配置され、筒体１５の下端開口部にはプレート材１６が同開口部を塞ぐように設けられている。プレート材１６にはその中央部にガス通過用透孔１６ａが形成されている。そして、断熱材１４の原料ガス供給通路１４ａからの原料ガスがプレート材１６の透孔１６ａを通して筒体１５の内部に導入される。筒体１５は黒鉛よりなり、望ましくは、原料ガスとの反応を防止するために炭化タンタルによって被覆されているとよい。
【００２９】
この筒体１５は反応容器１１の下端開口部に配置されている。つまり、反応容器１１と筒体１５の位置関係として、筒体１５に対して、有蓋円筒状をなす反応容器１１を、反応容器１１の下端開口部側から被せるように配置している。このとき、筒体１５の外周面と反応容器１１の筒部１１ａの内周面とは所定の距離ｄ１だけ離間している。具体的には、距離ｄ１は１〜５０ｍｍである。また、筒体１５の上端と反応容器１１の蓋部１１ｂとは離間している。
【００３０】
筒体１５の内部には邪魔板１７が水平方向に延びるように配置されて、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３の中心と断熱材１４の原料ガス供給通路１４ａの中心と邪魔板１７の中心が一致している。この邪魔板１７に原料ガスが当たり、原料ガスとの熱の授受が促進することとなる。プレート材１６と邪魔板１７は炭化タンタル、もしくは、炭化タンタルを被覆した黒鉛部材よりなる。
【００３１】
また、反応容器１１の蓋部１１ｂの上面にはパイプ材１８の下面が密着した状態で固設されており、反応容器１１がパイプ材１８に連結支持されている。パイプ材１８は上下方向に延びている。このパイプ材１８の上端部には回転・上下動機構（図示略）が設置され、この機構によりパイプ材１８を回転および上下動（昇降）できるようになっている。つまり、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３が反応容器１１内に配置された状態において成長時にパイプ材１８を回転させたり上動させることにより炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３を回転や上動させることができるようになっている。また、反応容器１１を支持するパイプ材１８の内部を通して冷却ガスが導入されてパイプ材１８の下端部に設けた透孔を通してパイプ材１８の外部に排出される。このようにして反応容器の蓋部１１ｂの裏面に冷却用のガスが導入されて、ガスの通過に伴ない冷却ガスと反応容器１１との間で熱交換が行われ、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３をその周辺に比べ局所的に低温化することができるようになっている。
【００３２】
図２において炭化珪素単結晶２１の成長時の炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３の配置高さにおける真空容器１０の外周部には高周波誘導コイル（ＲＦコイル）１９が巻回され、同コイル１９を通電することにより成長時において炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３を加熱することができるようになっている。
【００３３】
また、真空容器１０の外周部における前記高周波誘導コイル１９の下方には高周波誘導コイル（ＲＦコイル）２０が巻回され、同コイル２０を通電することにより筒体１５の内部を通過する原料ガスを加熱することができるようになっている。
【００３４】
本実施形態においては、高周波誘導コイル（ＲＦコイル）２０と筒体１５とプレート材１６と邪魔板１７によって、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３への原料ガスを種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３での温度よりも高くなるように加熱する加熱装置（高周波誘導加熱装置）が構成されている。つまり、高周波誘導コイル（ＲＦコイル）１９とは別に高周波誘導コイル（ＲＦコイル）２０が設けられ、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３に供給する原料ガスの温度を炭化珪素単結晶基板１３の温度とは独立に制御できる。
【００３５】
また、反応容器１１は、加熱装置（１５，１６，１７，２０）により加熱した原料ガスを用いて種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３から結晶成長させた後の成長に寄与しなかった原料ガスを再び上流側に戻す構造の反応容器となっている。詳しくは、図２において上下方向での温度分布で示すように反応容器１１内において種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に向かって温度が下がる温度勾配を有し、反応容器１１内において原料ガスが種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に到達した後、原料ガスが反応容器１１の内壁に沿って排出する。つまり、有蓋円筒状をなす反応容器１１の開口部から原料ガスを反応容器１１の中央部において導入して種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に到達後、反応容器１１の内壁に沿って上流側に戻り、反応容器１１の開口部から下流側に流れる。
【００３６】
一方、真空容器１０の内壁面にはカーボン断熱材１２が配置されている。このカーボン断熱材１２の内周面と円筒状反応容器１１の外周面とは所定の距離ｄ２だけ離間している。具体的には、距離ｄ２は１〜５０ｍｍである。このカーボン断熱材１２は本実施形態においては原料ガスの吸収材として機能する。
【００３７】
原料ガスは、断熱材１４の原料ガス供給通路１４ａから供給され、プレート材１６の透孔１６ａ、筒体１５の内部を経て反応容器１１の内部に入り、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に至る。さらに、向きを変えて筒体１５の外周面と筒部１１ａの内周面との間を通って反応容器１１の外部に至る。そして、再び向きを変えて筒部１１ａの外周面とカーボン断熱材（吸収材）１２の内周面との間を通って排気系に至る。この時、カーボン断熱材（吸収材）１２にて、戻された原料ガスを加熱装置（１５，１６，１７，２０）により再び加熱した後の原料ガスが吸収されることになる。
【００３８】
なお、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３から炭化珪素単結晶２１が成長する様子をモニターすることができるようになっている。具体的には、真空容器１０の外部から炭化珪素単結晶２１に対しＸ線を照射して真空容器１０を通過したＸ線を信号に変換してモニターしている。また、加熱装置の温度は、プレート材１６の底面を断熱材１４に設けた観測孔（貫通孔）２２を通してパイロメーターによって測定することができるようになっている。さらに、パイプ材１８の内部を通してパイロメーターにより、反応容器の蓋部１１ｂの上面での温度を測定することができるようになっている。また、本装置では、排気系にはポンプ（図示せず）が設けられ、このポンプへの排出弁（図示せず）の開度を調整することにより、雰囲気圧力を一定に調整できるようになっている。
【００３９】
次に、炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
まず、反応容器１１の内部に種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３を配置する。そして、真空容器１０内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む原料ガスを導入する。原料ガスの流量はマスフローコントローラにて制御される。この原料ガスは、原料ガスの加熱装置（１５，１６，１７，２０）により所望の温度まで加熱される。この加熱装置による温度は断熱材１４中の観測孔（貫通孔）２２を通してパイロメーターによって測定される。
【００４０】
高温に加熱された原料ガスは、反応容器１１の内部に導入され、それよりも低温に保持された種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３から炭化珪素単結晶２１が成長する。パイプ材１８の内部を通してパイロメーターにより反応容器１１の蓋部１１ｂの温度が測定され、炭化珪素単結晶基板１３の温度に換算される。単結晶成長時には、Ｘ線によって炭化珪素単結晶２１の成長量が検出され、その結果を反映させる形で反応容器１１（炭化珪素単結晶基板１３）を回転や上動させる。
【００４１】
より詳しくは、反応容器１１と、加熱装置（１５，１６，１７，２０）における加熱した原料ガスを反応容器１１に向かって導出する筒体１５とは、別体構造をなし、かつ、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３は、反応容器１１内において加熱装置の筒体１５から接離する方向に移動可能に支持されている。ここで、炭化珪素単結晶２１の成長表面と加熱装置の筒体１５との間隔Ｌ１を２０ｍｍ以下、好ましくは、５ｍｍ以下にする。
【００４２】
一方、結晶成長に寄与できなかった原料ガスは、炭化珪素単結晶基板１３で反転して、反応容器の筒部１１ａの内壁に沿って下側に流れる。つまり、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３において結晶成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱すべく、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に向かう原料ガスの流れに対し逆向きの原料ガスの流れが作られる。そして、反応容器の筒部１１ａの内周面と筒体１５の外周面との間の隙間（ｄ１）を通って反応容器１１（成長空間）の外に放出される。
【００４３】
このように、導入した原料ガスを種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３にて反転させると、原料ガスの流れにおいて、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３（およびその周辺の部位）においては過飽和となる低温して結晶が析出するとともに、その上流側および下流側においては未飽和となる高温にして結晶が析出しないようにすることができる。即ち、反応容器１１の内壁（側壁）において種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３に向かって温度が低くなるような温度勾配を設定することによって、最も低温となっている種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３から結晶を析出させた原料ガスは、そこで反転し、反応容器１１の内壁（側壁）に沿って流れる。反転した原料ガスは、炭化珪素単結晶基板１３より温度の高い反応容器内壁（側壁）では未飽和となり、内壁（側壁）に結晶を析出させないで反応容器１１の外へ放出される。その結果、ガス流路の温度を均一にする方式（図８）に比べ炭化珪素単結晶の収率を向上させることができるとともに、反応容器１１内（成長空間）が、析出した結晶によって閉塞されることを回避することができる。
【００４４】
また、反応容器１１の外周面には適当な間隔（図２のｄ２）をおいてカーボン断熱材（吸収材）１２が配置されており、結晶成長に寄与しなかった原料ガスが反応容器１１の外において吸収される。つまり、反応容器１１（成長空間）から排出された原料ガス中に残存する炭化珪素は、カーボン断熱材（吸収材）１２の中で析出する。詳しくは、加熱装置（１５，１６，１７，２０）およびコイル１９の駆動により、図３に示すように、反応容器１１の外周部に配置されたカーボン断熱材（吸収材）１２においては外側に向かって低温となる温度勾配が設定される。これを駆動力としてカーボン断熱材（吸収材）１２に吸収された炭化珪素は低温部に順次蓄積されていく。そのため、炭化珪素を回収できる。
【００４５】
一方、図２，３に示すごとく、反応容器１１から放出された原料ガス中に残存する炭化珪素以外のガスは、カーボン断熱材（吸収材）１２の内周面と反応容器１１の外周面との間の隙間を通って、ポンプ（図示せず）、即ち、排気系へ排気される。そのため、ガスの経路が塞がれることを回避することができる。
【００４６】
このようにして、原料ガスの流れとして、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３の上流において原料ガスを加熱した後、それよりも低温に保持された種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３から結晶成長させ、さらに、成長に寄与しなかった原料ガスを再び加熱した後、吸収材としてのカーボン断熱材１２に吸収させるようにした。その結果、炭化珪素単結晶２１の収率を向上させることができるとともに、反応容器１１内（成長空間）を含めたガス流路が、析出した結晶によって閉塞されることがなく定常的な成長が実現できる。
【００４７】
また、反応容器１１が、加熱装置（１５，１６，１７，２０）における加熱した原料ガスを反応容器１１に向かって導出する筒体１５から分離されているので、熱伝導が遮断され、反応容器１１と加熱装置の筒体１５の温度差を大きく設定することができる。この温度差を大きく設定できることにより、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３での過飽和度を大きくすることができ、収率の高い結晶成長が可能となる。また、結晶が長尺になるにしたがって成長面の温度等の成長環境が変化するが、これを最小限に抑制するために種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３を適宜、昇降、回転させるが、このことからも、反応容器１１と加熱装置（１５，１６，１７，２０）が分離されていることは重要である。
【００４８】
また、パイプ材１８の内部を通して冷却ガスが導入され、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３が低温化される。このように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３のみを局所的に低温にすることにより、単結晶の収率が向上する。また、こうすることにより、単結晶と周辺に生成する多結晶を分離でき、高品質な単結晶を成長させるためには好適である。
【００４９】
なお、吸収材としてカーボン断熱材１２を使用したが、多孔質カーボンやカーボンフェルトを用いてもよい。要は、吸収材は、多孔質カーボン、カーボンフェルト、カーボン断熱材の少なくともいずれかを用いる。
【００５０】
次に、炭化珪素単結晶の成長実験を行ったので説明する。
原料ガスとして、ＳｉＨ４（シラン）＝０．０１〜１０リットル／分、Ｃ３Ｈ８（プロパン）＝０．０１〜１０リットル／分、導入した。また、原料のキャリアガスとして、Ｈ２（水素）＝０〜１００リットル／分、Ａｒ（アルゴン）＝０〜１００リットル／分、Ｈｅ（ヘリウム）＝０〜１００リットル／分を、適宜、導入した。さらに、単結晶の電気的特性を制御することを目的に、必要に応じて、Ｎ２（窒素）＝０〜１０リットル／分、（ＣＨ３）３Ａｌ（トリメチルアルミニウム）＝０〜１０リットル／分、導入した。また、反応容器１１へは冷却ガスとして、Ａｒ（アルゴン）＝０〜１００リットル／分導入した。成長装置内（真空容器１０内）の圧力は１〜１００Ｋｐａの範囲で一定に制御した。原料ガスは、高周波誘導コイル２０等による加熱装置によって２３００〜２７００℃に加熱し、炭化珪素単結晶基板１３は高周波誘導コイル１９にて２１００〜２６００℃に保持した。その結果、炭化珪素単結晶基板１３から０．１〜１０ｍｍ／ｈの成長速度で炭化珪素単結晶２１が成長した。また、円筒状反応容器１１の天井以外には、多結晶が発達することなく、優れた品質の単結晶が効率的に成長した。また、カーボン断熱材１２に吸収された炭化珪素はガスの経路を塞ぐことなく、定常的な連続成長が実現した。
【００５１】
次に、炭化珪素単結晶の成長実験の一例を具体的数値を挙げて説明する。
［測定例］
上記製造装置を用いて、ＳｉＨ４＝１リットル／分、Ｃ３Ｈ８＝０．３３３リットル／分、Ｈ２＝１０リットル／分、Ｈｅ＝５リットル／分導入し、雰囲気圧＝５３Ｋｐａ、結晶基板温度＝２３００℃、原料ガスの加熱装置温度＝２４００℃とする。これにより、成長速度＝１ｍｍ／ｈのＳｉＣ単結晶成長が実現した。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５２】
図４には、本実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。
本実施の形態においては、原料ガスの加熱装置（１５，１６，２０）の構成部材として板材３０を用いている。板材３０は筒体１５内の原料ガスの通路に配置され、複数の透孔３１を有している。板材３０はタンタル製である。板材３０の透孔３１には原料ガスが通り原料ガスが攪拌される。こうして、板材３０の複数の透孔３１を通して反応容器１１（成長空間）に攪拌された原料ガスが導入される。このとき、原料ガスの流速が場所によって異なる。このように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３の上流において原料ガスを加熱して種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３へ導入するに際し、原料ガスを攪拌しており、これにより、反応容器１１（成長空間）における原料ガスの攪拌が促進され、単結晶の収率を向上させることができる。また、この部材（３０）は、効率よく、原料ガスの温度を上げる上でも有効である。
【００５３】
一方、反応容器１１の内部において、炭化珪素単結晶基板１３の周囲には黒鉛製部材３３が配置されている。この黒鉛製部材３３の上面には断熱部材３４が貼り合わされ、炭化珪素単結晶基板１３の周囲に断熱部材３４が配置されている。黒鉛製部材３３は炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３よりも高い温度となっている。このように、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３の周辺に断熱部材３４を配置することにより、反応容器１１の内部において種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３の周囲に比べ当該基板１３を局所的に低温化している。
【００５４】
図５を用いて詳しく説明する。
図５において、反応容器１１の天井面には突部１１ｃが形成され、この突部１１ｃに炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３が固定されている。この炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３の高さとほぼ同じ高さ位置において炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３の周囲には、黒鉛製部材３３および断熱部材３４が水平方向に延びる状態で設けられている。よって、上下方向での原料ガスの温度プロファイルとして、断熱部材３４の上下面で温度ギャップができる。つまり、黒鉛製部材３３および断熱部材３４が無い場合には、図５の温度分布として破線で示すようになるが、これが、実線で示すごとく、断熱部材３４において温度差が生じる。これにより、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３のみを局所的に低温にでき、単結晶の収率が向上する。また、こうすることにより、単結晶と周辺に生成する多結晶を分離でき、高品質な単結晶を成長させるためには好適である。
【００５５】
このような製造装置で成長実験を実施したところ、第１の実施の形態における［測定例］に比べて、２０〜４０％成長速度が向上した。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５６】
図６には、本実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。
反応容器１１の下側開口部は筒体１５の外周面との間が塞がれている。また、反応容器１１における下端部に原料ガスの出口（透孔）４０が形成され、この出口（透孔）４０に水素のみを透過する水素分離膜４１を設置している。このように反応容器１１（成長空間）に導入された原料ガスを排出する際に、水素のみを透過する水素分離膜４１を通すこととし、水素のみを選択的に排出している。つまり、反応容器１１から排出されるガスを水素のみにしている。広義には、反応容器１１から排出されるガスをＳｉおよびＣを含有しないガスのみにする。
【００５７】
これら構成により、反応容器１１内において、原料ガスの一部が循環する。詳しくは、筒体１５からの原料ガスが炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３に向かって流れ、さらに、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３において反転した原料ガスの一部が再び原料ガスと共に炭化珪素単結晶基板１３に供給される。これにより、導入した原料ガスを有効に結晶化させることができる。その結果、結晶化できなかった原料ガスが再利用され、導入した原料ガスが高効率に結晶成長に寄与できる。即ち、特許文献１に記載の方法では単結晶として成長に寄与する原料の割合が小さく原料の利用効率が悪いが、この不具合を解消して原料の利用効率向上を図ることができる。
【００５８】
以上のように、水素分離膜４１としてカーボンナノチューブ膜を設置することにより、原料ガスのほとんどが単結晶成長に寄与できた。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５９】
図７には、本実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。
本実施の形態においては、反応容器が、台座５０と筒体（円筒体）５１からなり、筒体５１は成長空間を形成する。台座５０と筒体５１は分離しており、別体構造をなしている。また、台座５０は、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１３を支持し、かつ、筒体５１の内部を移動可能である。これにより、炭化珪素単結晶基板１３および炭化珪素単結晶２１が筒体５１とは独立に移動が可能である。
【００６０】
これによって、炭化珪素単結晶２１の成長表面と、成長空間を形成する筒体５１と、原料ガス加熱装置（特に筒体１５）の相対的な位置を保った状態で成長を続けることができる。その結果、成長結晶が長尺となった場合の成長環境の変化を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明のための図。
【図２】第１の実施の形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図。
【図３】製造装置の一部を示すととも温度プロファイルを示す図。
【図４】第２の実施の形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図。
【図５】製造装置の一部を示すととも温度プロファイルを示す図。
【図６】第３の実施の形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図。
【図７】第４の実施の形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図。
【図８】従来の製造装置の概略断面図。
【図９】従来の製造装置の斜視図。
【符号の説明】
１…反応容器、２…炭化珪素単結晶基板、３…炭化珪素単結晶、４…吸収材、１１…反応容器、１２…カーボン断熱材（吸収材）、１３…炭化珪素単結晶基板、１５…筒体、１６…プレート材、１７…邪魔板、２０…高周波誘導コイル、２１…炭化珪素単結晶、３０…板材、３１…透孔、４０…出口、４１…水素分離膜、５０…台座、５１…筒体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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