(57)【要約】【解決手段】  ＳｉＣブールの成長において、底部にＳｉＣ原料が装填され、頂部にＳｉＣ種結晶が装填された成長るつぼの内部に成長ガイドが提供される。成長ガイドは、この成長ガイド内の開口部の少なくとも一部を画定する内層と、るつぼ内で内層を支持する外層を有する。開口部は原料に面し、種結晶は、原料と反対側の開口部の端部に位置する。内層は、外層を形成する第２の異なる材料よりも高い熱伝導率を有する第１の材料から形成される。成長ガイド内の開口部を介して、成長るつぼ内で種結晶上に原料を昇華成長させ、それによって種結晶上にＳｉＣブールを形成する。【効果】本ＳｉＣ昇華結晶成長方法により、従来技術の誘導直径拡大成長の欠点、すなわち、蒸気による成長ガイドの浸食、ガイドの内表面上での多結晶ＳｉＣの堆積、および成長結晶のガイドへの付着が回避または排除される。【選択図】図６
2010515661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の（ａ）ステップおよび（ｂ）ステップを含むＳｉＣ結晶ブール成長方法：
（ａ）底部にＳｉＣ原料が装填され、頂部にＳｉＣ種結晶が装填された成長るつぼの内部に成長ガイドを提供するステップであって、前記成長ガイドは、前記成長ガイド内の開口部の少なくとも一部を画定する内層と、前記るつぼ内で前記内層を支持する外層を有し、前記開口部は前記原料に面し、前記種結晶は、前記原料とは反対側の開口部の端部に位置し、前記内層は、第２の異なる材料から形成される前記外層を形成する材料よりも高い熱伝導率を有する第１の材料から形成されているステップ
（ｂ）前記成長ガイド内の前記開口部を介して、前記成長るつぼ内で前記種結晶上に前記原料を昇華成長させ、それによって前記種結晶上にＳｉＣ結晶ブールを形成するステップ。
【請求項２】
前記開口部が、小直径端部と大直径端部を含む円錐形であり、
前記種結晶が、前記円錐形開口部の前記小直径端部に位置する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記成長ガイドの前記開口部の中心軸と少なくとも前記内層の内接面との間の角度が、６ＨポリタイプＳｉＣ結晶ブールの成長では４３．３°、４８．６°もしくは５４．７°であり、４Ｈポリタイプ結晶ブールの成長では４３．３°もしくは５１．５°である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
２０００℃で、
前記内層が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有し、
前記外層が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記内層が、２０重量パーセント未満の結合剤を有するアイソスタティック成形されたグラファイト、または結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイトから作製され、
前記外層が多孔性炭素から作製される、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記外層が、前記ＳｉＣ結晶ブールのＰＶＴ成長の間、ケイ素ゲッターとして働く、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記内層が２〜６ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記成長るつぼの前記頂部が、前記内層の少なくとも一部から２〜５ｍｍの間隙を置いて配置されている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記間隙が、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する材料で満たされている、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記間隙が、前記外層を形成する材料で満たされている、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
２０００℃で、
前記内層が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有し、
前記外層が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記内層が、前記外層の溝または凹部中に配置されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記開口部が、前記内層の表面と前記外層の表面の組合せによって画定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
グラファイト成長るつぼと、
前記成長るつぼ内部の底部に配置されたＳｉＣ原料と、
前記成長るつぼ内部の頂部に配置されたＳｉＣ種結晶と、
前記成長るつぼ内部の頂部に配置された成長ガイドであって、前記種結晶から前記原料に向かって延在する開口部を有し、前記開口部は、前記成長ガイドの第２層によって前記成長るつぼ内で支持されている前記成長ガイドの第１層の表面によって少なくとも部分的に画定され、前記成長ガイドの前記第１層は、第２の異なる材料から形成される前記第２層を形成する材料よりも高い熱伝導率を有する第１の材料から形成される、成長ガイドと、
前記ＳｉＣ原料を蒸発させて前記種結晶に移し、蒸発した原料をその種結晶において凝縮させることによりＳｉＣ結晶ブールを形成するのに十分な前記成長るつぼ内の温度勾配を形成させるための手段と
を含むＳｉＣ結晶ブール成長装置。
【請求項１５】
前記開口部が、小直径端部と大直径端部を含む円錐形であり、
前記種結晶が、前記円錐形開口部の前記小直径端部に位置し、
前記円錐形開口部の前記大直径端部が前記原料に面する、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記成長ガイドの前記開口部の中心軸と前記第１層の表面との間の角度が、６ＨポリタイプＳｉＣ結晶ブールの成長では４３．３°、４８．６°もしくは５４．７°であり、４Ｈポリタイプ結晶ブールの成長では４３．３°もしくは５１．５°である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
２０００℃で、
前記第１層が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）超の熱伝導率を有し、
前記第２層が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１層が、２０重量パーセント未満の結合剤を有するアイソスタティック成形されたグラファイト、または結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイトから作製され、
前記第２層が多孔性炭素から作製される、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記開口部が、前記第１層の表面と前記第２層の表面との組合せによって画定される、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記成長るつぼの前記頂部が、前記第１層の少なくとも一部から間隙を置いて配置されている、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層成長ガイドを用いてＳｉＣ結晶を成長させる方法およびこれに使用される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
４Ｈおよび６Ｈポリタイプの炭化ケイ素のウエハーは、ＳｉＣ系およびＧａＮ系半導体デバイスの製造に使用される、ＳｉＣおよびＧａＮのエピタキシャル層を成長させるための格子整合基板として機能する。そのような半導体デバイスの性能は、基板およびエピ層中の結晶欠陥によって強く影響される。ＳｉＣ基板の最も望ましくない欠陥としては、マイクロパイプ、転位および小角粒界が挙げられる。ＳｉＣおよびＧａＮ単結晶の高欠陥密度は、これらの単結晶から作製されるデバイスの性能に悪影響を与えることが一般に認識されている。
【０００３】
図１を参照すると、大きいＳｉＣ単結晶は、物理気相輸送（ＰＶＴ）と呼ばれる昇華技法によって一般に成長する。一般的なＰＶＴ成長システムには、多結晶ＳｉＣ原料３および一般にＳｉＣ単結晶であるＳｉＣ種結晶４が収容された一般にグラファイト製のるつぼ１が使用される。原料３は、るつぼ１の底部に配置され、種結晶４は、るつぼの蓋または頂部２に取り付けられる。るつぼ１は、断熱材６によって囲繞されている。ＲＦコイル７は、るつぼ１と電磁的に結合し、一般に１９００〜２４００℃のＳｉＣ成長温度にるつぼを加熱する。その上、または代わりに、抵抗ヒーター（図示されていない）を利用して、るつぼ１の内部をＳｉＣ成長温度に加熱することもできる。ＲＦコイル７は、原料３の温度が種結晶４の温度より高く、その温度差が数℃〜２００℃の間となるように、るつぼ１に対して配置される。原料３および種結晶４の温度は、断熱材６中に作製された開口部８を介して光高温計を使用して一般にモニターされる。
【０００４】
原料３は高温で気化し、揮発性分子であるＳｉ２Ｃ、ＳｉＣ２、およびＳｉでるつぼ１内を満たす。蒸気は、るつぼ１の内部の温度勾配によって促進されて種結晶４上に移動し、凝縮され、単結晶５を形成する。
【０００５】
ＰＶＴ成長についての従来技術の方法および装置は、以下の文献に開示されている：Ｙ．ＴａｉｒｏｖおよびＶ．Ｔｓｖｅｔｋｏｖ、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｇｏｔｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、４３巻（１９７８）、２０９〜２１２ページ；Ｄ．Ｎａｋａｍｕｒａら、「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４３０、１００９〜１０１２ページ、２００４；Ｄ．Ｎａｋａｍｕｒａら、「ＳｉＣ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ，Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ，ＳｉＣ  Ｗａｆｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  ａｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｆｉｌｍ，Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  Ｗａｆｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  ａｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｆｉｌｍ、ａｎｄ  ＳｉＣ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ」；Ｉ．Ｄ．Ｍａｔｕｋｏｖら、「Ｆａｃｅｔｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＳｉＣ  Ｂｕｌｋ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ  ４５７〜４６０（２００４）、６３〜６６ページ；ならびに米国特許文献第５，６８３，５０７号、同第５，６１１，９５５号、同第５，６６７，５８７号、同第５，７４６，８２７号、同第５，９６８，２６１号、同第５，９８５，０２４号、同第６，４２８，６２１号、同第６，５０８，８８０号、同第６，５３４，０２６号、同第６，８６３，７２８号、同第６，６７０，２８２号、同第６，７８６，９６９号、および同第６，８９０，６００号。
【０００６】
単結晶５などの六方晶の４Ｈおよび６Ｈ  ＳｉＣ結晶中の次元欠陥（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｄｅｆｅｃｔ）は、２つの部類、すなわち、「貫通」と「基底面」とに区分することができる。貫通転位は、六方晶のｃ軸に平行な転位線を有するものである。貫通欠陥の例には、貫通刃状転位（ＴＥＤ）、貫通らせん転位（ＴＳＤ）およびマイクロパイプが含まれる。基底面転位（ＢＰＤ）と基底面積層欠陥は、基底ｃ面に平行に位置するものである。
【０００７】
ＳｉＣ結晶がｃ方向に成長するとき（「軸上」または「垂直」成長としても知られる）、種結晶中に存在するＴＥＤ、ＴＳＤ、およびマイクロパイプは、成長結晶中で複製され、伝播するが、基底面欠陥は複製されない。ＳｉＣ結晶が、ｃ軸に垂直な方向に成長されるときには（ａ、ｍ、または六方晶のｃ軸に垂直な他の結晶方向で実施することができる「沿面」成長としても知られる）、状況は反対であり、基底面欠陥（ＢＰＤと積層欠陥）は、成長結晶中で複製され、伝播するが、貫通欠陥は複製されない。したがって、沿面成長と垂直成長との反復により、欠陥密度を低減し、結晶品質を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，６８３，５０７号
【特許文献２】米国特許第５，６１１，９５５号
【特許文献３】米国特許第５，６６７，５８７号
【特許文献４】米国特許第５，７４６，８２７号
【特許文献５】米国特許第５，９６８，２６１号
【特許文献６】米国特許第５，９８５，０２４号
【特許文献７】米国特許第６，４２８，６２１号
【特許文献８】米国特許第６，５０８，８８０号
【特許文献９】米国特許第６，５３４，０２６号
【特許文献１０】米国特許第６，８６３，７２８号
【特許文献１１】米国特許第６，６７０，２８２号
【特許文献１２】米国特許第６，７８６，９６９号
【特許文献１３】米国特許第６，８９０，６００号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｙ．ＴａｉｒｏｖおよびＶ．Ｔｓｖｅｔｋｏｖ、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｇｏｔｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、４３巻（１９７８）、２０９〜２１２ページ
【非特許文献２】Ｄ．Ｎａｋａｍｕｒａら、「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４３０、１００９〜１０１２ページ、２００４
【非特許文献３】Ｄ．Ｎａｋａｍｕｒａら、「ＳｉＣ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ，Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ，ＳｉＣ  Ｗａｆｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  ａｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｆｉｌｍ，Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  Ｗａｆｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  ａｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｆｉｌｍ、ａｎｄ  ＳｉＣ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ」
【非特許文献４】Ｉ．Ｄ．Ｍａｔｕｋｏｖら、「Ｆａｃｅｔｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＳｉＣ  Ｂｕｌｋ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ  ４５７〜４６０（２００４）、６３〜６６ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の一成長技法では、沿面結晶成長および垂直結晶成長は別々に実施され、毎回新規の種結晶、新規の原料、新規のるつぼなどを必要とする。しかし、この技法は、非常に複雑で長時間を要するので工業プロセスとして使用することができない。
【００１１】
図２を参照すると、一連の沿面成長および垂直成長は、成長結晶が、種結晶のサイズを超えて横方向に拡大するとき生じる。ＳｉＣ種結晶１０は、図１中のＳｉＣ種結晶４と同様に、その面が結晶ｃ面に平行にカットされており、図２中の点線で示される貫通欠陥（転位、マイクロパイプ）を含む。この図は、ステップ１、ステップ２およびステップ３と示した３つの連続した時間間隔の結晶成長も表す。ステップ１では、結晶は、種結晶１０から垂直に成長し、結晶層１１を形成する。層１１は、種結晶１０からのすべての貫通欠陥を受け継ぐが、基底面欠陥をまったく含まない。層１１の成長と同時に、ボリューム１２が形成される。ボリューム１２は、層１１から横方向に成長し、したがって貫通欠陥を含まない。しかし、これは基底面欠陥も含まない。これは、ボリューム１２のための種結晶として機能する層１１がこれらを含まないためである。
【００１２】
ステップ２では、層１３が層１１から垂直な方向に成長し、すべての貫通欠陥を受け継ぐ。同時に、ボリューム１４と１５が形成される。ボリューム１４は、ボリューム１２に垂直な方向に成長し、一方、ボリューム１５は横方向に成長する。ボリューム１４と１５の両方は、貫通欠陥も基底面欠陥も含まない。
【００１３】
ステップ３では、ボリューム１６、１７および１８が形成される。図から分かるように、ボリューム１６は貫通欠陥を含むが、ボリューム１７と１８は、貫通欠陥も基底面欠陥も含まない。
【００１４】
図から分かるように、種結晶１０の端を超えて横方向に拡大したＳｉＣブール部分は、ボリューム１２、１４、１５、１７および１８を含み、これらは、理想的には貫通欠陥も基底面欠陥も含まない。
【００１５】
結晶直径拡大の２つの可能な様式である自由拡大および誘導拡大を、それぞれ図３ＡおよびＢ、ならびにＣに概略的に示す。図３Ａ〜Ｃは、ＳｉＣ種結晶が、るつぼの蓋または頂部に取り付られた成長るつぼ（図１に示した成長るつぼと同様に）の上部の部分図（ｉｓｏｌａｔｅｄ  ｖｉｅｗ）をそれぞれ示す。自由拡大において、図３ＡとＢを特に参照すると、単結晶は、るつぼの壁またはるつぼの任意の他の内部部分（るつぼ頂部を除く）に接触しておらず、その形状と形態は、るつぼ内の温度勾配のみによって決定される。径方向の温度勾配が大きい場合、図３Ａに示したように、結晶は、多数の端部ファセット（ｅｄｇｅ  ｆａｃｅｔ）を有するレンズ形状を発達させる。この種類の拡大により、特に結晶ブールの端部付近で、高度の熱弾性応力が誘導され、転位が発生する。径方向の温度勾配が小さい場合、図３Ｂに示したように、種結晶周囲のるつぼの蓋上で、多結晶ＳｉＣが核となり、単結晶と隣り合って成長し、したがって単結晶拡大の程度を予測不可能にする。
【００１６】
ＳｉＣブール直径のいわゆる誘導拡大（ｇｕｉｄｅｄ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の概略図を図３Ｃに示す。この技法の他と異なる特徴は、円錐形の成長ガイド（ｇｒｏｗｔｈ  ｇｕｉｄｅ）であり、これは、種結晶を囲繞し、誘導直径拡大として知られるプロセスで、結晶をガイドの内部空洞の形状に強制的に至らせる。
【００１７】
図４Ａ〜Ｄを参照すると、図４Ａに示した理想的な場合の誘導直径拡大は、ＳｉＣ結晶が、成長中に、ガイドの内表面に接触することなく、これに沿って「滑らかに移動する」とき起こる。通常１〜２ｍｍ以下の幅の小さい間隙が、結晶と成長ガイドとの間に存在する。
【００１８】
しかし、誘導拡大の技法に問題がないわけではない。最も有害な問題を図４Ｂ、Ｃ、およびＤに例示する。図４Ｂは、ＰＶＴ成長の間にるつぼ内で生成される攻撃的なケイ素に富んだ蒸気によって生じる成長ガイドの浸食を表す。浸食の結果として、成長ガイドの内表面が不規則になり、したがって成長する単結晶の形状が不規則になる。成長する単結晶の端部付近の不規則な成長ゾーンは、多数の欠陥で占められている。
【００１９】
別の問題は、図４Ｃに示したように、成長ガイド上に多結晶ＳｉＣ堆積物が形成されることである。これらの堆積物により、気層から有効成分が消費され、その結果成長単結晶のサイズが小さくなる。
【００２０】
結晶と成長ガイドの間の一体化を図４Ｄに例示する。成長過程で、単結晶はガイドと接触し、これに付着し、端部で粗欠陥を発達させる。
単結晶と成長ガイドの一体化、および成長ガイド上への多結晶ＳｉＣの堆積を排除するためには、成長ガイドの内表面は、成長結晶の温度よりも高い温度で維持されるべきであると考えられる。これは、ヒーターまたは図１中のＲＦコイル７などのコイルの形状寸法を調整することにより、および／または特殊な（および複雑な）形状寸法の成長るつぼを使用することによって達成することができる。
【００２１】
ＰＶＴ成長は、「閉じた」プロセスであるため、るつぼ内部の温度は実験的に測定することはできず、モデル化によってのみ評価することができる。高温では、グラファイトおよびＳｉＣ結晶の熱的性質は、およそでしか知られていない。これにより、熱的モデル化の精度は低くなる。さらに、るつぼ内の熱状態は成長の間に変化する。
【００２２】
成長ガイドの浸食は、ＰＶＴ成長の間にるつぼ内で生成される攻撃的なケイ素に富んだ蒸気がガイド材料（通常グラファイト）を化学的に攻撃することによって生じる。一般に、ＳｉＣ昇華成長で使用されるるつぼ、遮熱材および他の部分は、高純度のアイソスタティック成形されたグラファイト製である。高純度グラファイトの耐化学性は、その構造に依存することがよく知られている。一般に、グラファイトは、グラファイトフィラー（コークス）を結合剤と混合することによって調製される。グラファイトコークスは、寸法で数十から数百ミクロンの範囲の小サイズグラファイト粒子からなる。結合剤は、石油残留物（ピッチ、タール）または高炭素樹脂からなる。調製された混合物は、乾留され、最大３０００℃の温度でグラファイト化される。グラファイト化後の最終構造物は、グラファイト化された結合剤によって囲繞されたグラファイト粒子からなる。グラファイト化された結合剤は、依然としていくらか非晶質である。すなわち、これは不規則な化学結合を含む。化学的攻撃の過程で、グラファイト化された結合剤が最初に浸食される（除去される）。グラファイト化された結合剤が除去されることにより、微視的なグラファイト粒子が遊離し、これは、空中浮遊性となり、成長ＳｉＣ結晶を汚染する。これにより、高結合剤含量のグラファイトは、低結合剤含量のグラファイトよりも、ガス／蒸気浸食が起こりやすくなる。
【００２３】
グラファイトをガス／蒸気浸食から保護するために、様々な炭素コーティングおよび耐熱コーティングが提案されている。炭素コーティングは、非晶質（ガラス状、ガラス質）炭素、または熱分解性結晶性グラファイトで構成することができる。これらの炭素コーティングは薄く、一般に厚さが４０〜５０ミクロン以下であり、ＳｉＣ昇華成長条件において、これらは、蒸気によって急速に浸食される。保護的な耐熱コーティングとして、炭化タンタルまたは炭化ニオブを挙げることができる。しかし、ＳｉＣ昇華成長条件において、これらの耐熱コーティングは不活性ではない。むしろ、これらは蒸気と反応し、剥離し、結晶を汚染する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
炭素／グラファイト材料製の成長ガイドは、内層またはスリーブ、および外層からなる。成長結晶に面する内層は、高熱伝導率グラファイト製であり、一方、外層は、低熱伝導率を有する多孔性炭素材料製である。この組合せがガイドの空洞中の熱輸送に影響を与え、その内表面上の温度が、成長結晶の温度より高くなる。結果として、多結晶ＳｉＣの堆積および成長結晶のガイドへの付着が回避され、または排除される。
【００２５】
成長ガイドは、蒸気浸食に対する耐性が改善されており、これは、低結合剤含量のグラファイトからガイドの内層を作製することによって達成される。浸食に対する成長ガイドの安定性は、蒸気から過剰のケイ素を除去することによってさらに改善される。この除去は、成長るつぼ内部にケイ素「ゲッター」を含めることによって達成される。このゲッターは、ケイ素に対して高い化学親和力を有する炭素材料であることが望ましい。
【００２６】
より具体的には、底部にＳｉＣ原料が装填され、頂部にＳｉＣ種結晶が装填された成長るつぼの内部に成長ガイドを提供することを含むＳｉＣ結晶ブール成長方法が開示される。成長ガイドは、この成長ガイド内の開口部の少なくとも一部を画定する内層と、るつぼ内で内層を支持する外層を有する。開口部は原料に面し、種結晶は、原料と反対側の開口部の端部に位置する。内層は第１の材料から形成され、この第１の材料は、第２の異なる材料から形成される外層を形成する材料よりも高い熱伝導率を有する。成長ガイド内の開口部を介して、成長るつぼ内で種結晶上に原料を昇華成長させ、それによって種結晶上にＳｉＣ結晶ブールを形成する。
【００２７】
開口部は、小直径端部と大直径端部とを有する円錐形状とすることができる。種結晶は円錐形開口部の小直径端部に位置することができる。
成長ガイドの開口部の中心軸と少なくとも内層の内接面との間の角度は、６ＨポリタイプＳｉＣ結晶ブールの成長について、４３．３°、４８．６°または５４．７°であり、または４Ｈポリタイプ結晶ブールの成長について、４３．３°または５１．５°である。
【００２８】
２０００℃で、内層は５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有することができ、外層は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有することができる。
内層は、２０重量パーセント未満の結合剤を有する、アイソスタティック成形されたグラファイト、または結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイト（ｍｅｓｏ−ｐｈａｓｅ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）から作製することができる。外層は、多孔性炭素から作製することができる。
【００２９】
外層は、ＳｉＣ結晶ブールのＰＶＴ成長の間、ケイ素ゲッターとして働くことができる。
内層は、２〜６ｍｍの厚さとすることができる。成長るつぼの頂部は、内層の少なくとも一部から２〜５ｍｍの間隙をおいて配置することができる。この間隙は、限定されないが、外層を形成する材料のような２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する材料で満たしてもよい。
【００３０】
２０００℃で、内層は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有することが望ましく、外層は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有することが望ましい。
内層は、外層内の溝または凹部中に配置することができる。開口部は、内層の表面と外層の表面の組合せによって画定することができる。
【００３１】
グラファイト成長るつぼと、成長るつぼ内部の底部に配置されたＳｉＣ原料と、成長るつぼの内部の頂部に配置されたＳｉＣ種結晶と、成長るつぼ内部の頂部に配置された成長ガイドであって、種結晶から原料に向かって延在し、前記成長ガイドの第２層によって成長るつぼ内に支持されている前記成長ガイドの第１層の表面によって少なくとも部分的に画定されている開口部を有し、前記成長ガイドの前記第１層は、第２の異なる材料から形成される第２層を形成する材料よりも高い熱伝導率を有する第１の材料から形成されている成長ガイドと、ＳｉＣ原料を蒸発させて種結晶に移し、そこで蒸発した原料が凝縮することによりＳｉＣ結晶ブールを形成するのに十分な成長るつぼ内の温度勾配を形成するための手段とを含むＳｉＣ結晶ブール成長装置も開示される。
【００３２】
開口部は、小直径端部と大直径端部とを有する円錐形状とすることができる。種結晶は円錐形開口部の小直径端部に位置することができる。円錐形開口部の大直径端部は原料に面することができる。
【００３３】
成長ガイドの開口部の中心軸と第１層の表面との間の角度は、６ＨポリタイプＳｉＣ結晶ブールの成長について、４３．３°、４８．６°もしくは５４．７°であり、または４Ｈポリタイプ結晶ブールの成長について、４３．３°もしくは５１．５°である。
【００３４】
２０００℃で、第１層は５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有することができ、第２層は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有することができる。
第１層は、２０重量パーセント未満の結合剤を有するアイソスタティック成形されたグラファイト、または結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイトから作製することができる。第２層は、多孔性炭素から作製することができる。
【００３５】
開口部は、第１層の表面と第２層の表面との組合せによって画定することができる。
成長るつぼの頂部は、第１層の少なくとも一部から間隔を置いて配置することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本ＳｉＣ昇華結晶成長方法により、従来技術の誘導直径拡大成長の欠点、すなわち、蒸気による成長ガイドの浸食、ガイドの内表面上での多結晶ＳｉＣの堆積、および成長結晶のガイドへの付着が回避または排除される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、種結晶上にＳｉＣ結晶を成長させるための、従来技術の物理気相輸送（ＰＶＴ）成長システムの断面概略図である。
【図２】図２は、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおける、一連の従来技術での種結晶上の成長ＳｉＣ結晶の沿面成長および垂直成長の概略図である。
【図３】図３Ａ〜Ｂは、それぞれ、大きい（または強い）径方向温度勾配および小さい径方向温度勾配の存在下での、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムで起こる、従来技術における種結晶上でのＳｉＣ結晶の自由拡大成長の断面概略図である。
【００３８】
図３Ｃは、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて種結晶上で起こる、従来技術におけるＳｉＣ結晶の誘導拡大成長の断面概略図である。
【図４】図４Ａは、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて種結晶上で起こる、従来技術におけるＳｉＣ結晶の理想的な誘導拡大成長の断面概略図である。
【００３９】
図４Ｂ〜Ｄは、それぞれ、誘導拡大成長で遭遇する一般的な問題、すなわち、ＰＶＴ成長の間に生成される攻撃的なケイ素に富んだ蒸気による成長ガイドの浸食、成長ガイド上のＳｉＣ堆積物、および成長ガイド上の多結晶ＳｉＣ堆積物の形成を示す、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて種結晶上で起こる、従来技術におけるＳｉＣ結晶の誘導拡大成長の断面概略図である。
【図５】図５Ａ〜Ｂは、それぞれ、成長ガイドの熱伝導率がゼロであり、成長ガイドが熱伝導性である、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて種結晶上で起こる、従来技術におけるＳｉＣ結晶の誘導拡大成長の断面概略図である。
【図６】図６は、本明細書で開示される種類の多層成長ガイドを利用する、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて起こる、種結晶上でのＳｉＣ結晶の誘導拡大成長の断面概略図である。
【図７】図７は、図６に示した種類の多層成長ガイドを利用する、図１に示したＰＶＴ成長システムのようなＰＶＴ成長システムにおいて成長した６Ｈ−ＳｉＣ結晶ブールの側部の写真である。
【図８】図８Ａ〜Ｂは、それぞれ、試料角度Ω（度）対ウエハーに沿った距離および半値全幅（ＦＷＨＭ）対ウエハーに沿った距離を示す、図７に示した結晶ブールから得たウエハー上の線形ロッキングカーブスキャン（ｌｉｎｅａｒ  ｒｏｃｋｉｎｇ  ｃｕｒｖｅ  ｓｃａｎ）の概略図である。
【図９】図９Ａ〜Ｃは、図７に示した結晶ブールの一端部、中心部および外側端部でのＸ線反射の概略図である。
【図１０】図１０Ａ〜Ｂは、それぞれ、図６の成長ガイドを用いずに成長させたＳｉＣウエハーおよび図６の成長ガイドを使用して成長させたＳｉＣウエハーから得た転位密度マップであり、濃い陰は転位密度が高いことを示し、薄い陰は転位密度が低いことを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本明細書に開示されるＳｉＣ昇華結晶成長では、その成長の間に結晶直径の誘導拡大を利用することによって、成長ガイドの浸食、ガイド上の多結晶ＳｉＣの堆積および結晶のガイドへの付着を排除または回避する。これは、大直径、高品質のＳｉＣ単結晶の製造に使用することができる。
【００４１】
成長ガイド設計物のその内表面温度に対する効果、および結晶温度とのその相関を理解するために、これから図５Ａ、Ｂおよび図６を参照する。図５Ａ、Ｂおよび図６は、それぞれ、非熱伝導性円錐形成長ガイド、熱伝導性円錐形成長ガイド、および本発明の実施形態による多層成長ガイドを有する、図１のるつぼ１のようなＳｉＣ結晶成長るつぼの上部を模式的に示す。各成長ガイドは、るつぼ頂部に配置され、ＳｉＣ種結晶および成長ＳｉＣ結晶ブールを囲繞する。
【００４２】
ＳｉＣ昇華成長の高温では、熱伝達の性質は主に輻射性であり、成長ガイドなどのグラファイト部分を通じた熱伝導性による寄与は小さい。原料温度は種結晶温度より高いという事実のために、それぞれ、図５Ａ、Ｂ、および図６中の矢印２１、３１、および４１によって模式的に示したように、るつぼ内の熱流の一般的な方向は上向き、すなわち原料から結晶方向である。るつぼから逃げる熱は、矢印２９、３９、および４９によって示されている。ＳｉＣ結晶の成長界面は、一般に等温線構成を有する。しかし、ファセットが形成されるために、成長界面は等温線から僅かに逸脱している。
【００４３】
図５Ａは、熱伝導率がゼロである、従来技術の円錐形成長ガイド２２の理想的な場合を表す。円錐形状の成長ガイド２２は、熱「漏斗」として働き、るつぼの軸２３（想像線で示される）に向かう熱流を集束させる。結果として、矢印２４で示した、成長ガイド２２の空洞内部の軸方向の熱流に加えて、矢印２５で示したように、径方向成分を有する熱流が現れる。これにより、成長ガイド２２の空洞内部、ならびに成長結晶２７と成長ガイド２２との間の界面に、るつぼ底部に向かって凸状である等温線が形成される。１本の凸状等温線２６を図５Ａに想像線で示す。成長ガイド２２の熱伝導率がゼロであるために、成長結晶２７と成長ガイド２２の円錐形内表面との間で熱交換はまったく生じない。これは、成長結晶２７の表面および成長ガイド２２の円錐形内表面の温度は、これらが接触し、または互いに十分に接近するあらゆる点で同じであることを意味する。
【００４４】
図５Ｂは、円錐形成長ガイド３２が、従来のアイソスタティック成形されたグラファイトなどの熱伝導性材料製である場合を例示する。成長ガイド３２全体にわたる熱伝導性により、るつぼの軸３３（想像線で示される）に平行な、矢印３４で示したガイド空洞内部の軸方向の熱流に加えて、矢印３５で示したように、外側に向いた径方向成分を有する熱流が現れる。熱交換は、成長中の結晶３７と成長ガイド３２の円錐形内表面との間で生じ、熱輸送は、結晶３７から成長ガイド３２に向いている。したがって、成長ガイド３２の内表面の温度は、結晶３７の温度より低い。したがって、成長ガイド３２上での多結晶ＳｉＣの堆積、および成長結晶３７のブールと成長ガイド３２の間での一体化が起こり得る。
【００４５】
図６を参照すると、本発明の実施形態による円錐形成長ガイド４２は、２つの別々の層からなり、これらは一緒に連結されて成長ガイド４２を形成する。この２つの層は、るつぼの内壁４８に面する外層４２ｂと成長結晶４７に面する内層４２ａを含む。外層４２ｂは、限定されないが、多孔性炭素などの低熱伝導率を有する材料から作製される。一方、内層４２ａは、限定されないが、グラファイトなどの高熱伝導率を有する材料から作製される。内層４２ａとるつぼの頂部または蓋５２との間に間隙５１が提供される。間隙５１は、図６に示したように、外層４２ｂの低熱伝導率材料、または任意の他の適当および／または望ましい非熱伝導性材料で満たされている。
【００４６】
成長ガイド４２の内層４２に沿った熱伝導性は、矢印４５ａ、４５ｂおよび４５ｃに示されている。この熱伝導性のために、成長ガイド４２の空洞内に径方向の熱流が現れる。成長ガイド４２の下部では、径方向の熱流は、矢印４５ａによって示したように外側に向いている。ＳｉＣ結晶４７が成長している成長ガイド４２の上部では、径方向の熱流は、矢印４５ｃによって示したように内側、すなわち、成長ガイド４２から結晶４７の方向に向いている。これは、成長ガイド４２の内表面温度は、結晶４７の温度より高いことを意味する。したがって、結晶４７の近傍における成長ガイド４２上での多結晶ＳｉＣの堆積、および成長結晶４７のブールと成長ガイド４２、特に内層４２ａとの間での一体化が起こるとは考えられない。
【００４７】
成長ガイド４２の外層４２ｂに使用される材料は、ＳｉＣ昇華成長温度で低熱伝導率を有する多孔性炭素材料であることが望ましい。成長ガイド４２の外層４２ｂの熱伝導率は、２０００℃で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であることが望ましく、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であることがより望ましい。
【００４８】
成長ガイド４２の内層４２ａに使用される材料は、ＳｉＣ昇華成長温度で高熱伝導率を有するアイソスタティック成形されたグラファイトであることが望ましい。成長ガイド４２の内層４２ａの熱伝導率は、２０００℃で５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きいことが望ましく、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きいことがより望ましい。
【００４９】
成長ガイド４２の内層４２ａは、望ましくは２〜６ｍｍの壁厚を有する薄壁円錐体として成形される。成長ガイド４２の内層４２ａとるつぼの蓋５２との間の間隙５１は、２〜５ｍｍの幅であり、限定されないが、成長ガイド４２の外層４２ｂを形成するのに使用される材料などの低熱伝導率材料で満たされていることが望ましい。
【００５０】
内層４２ａは、外層４２ｂ中に形成された溝または凹部５３中に配置され、その結果、るつぼの軸４３（想像線で示される）の方を向いている内層４２ａおよび外層４２ｂの表面は、同一平面上にあり、または実質的に同一平面上にあり、成長ガイド４２の円錐形内表面を一緒に画定することが望ましい。
【００５１】
ＰＶＴ成長中のガスまたは蒸気の浸食に対するグラファイトの安定性は、結合剤の含量に依存し、結合剤の含量が多いほど、グラファイトは浸食を受けやすい。図６に示し、これに関して上述した実施形態では、Ｓｉに富んだ蒸気による攻撃に対する成長ガイド４２の耐性は、望ましくは、高密度のアイソスタティック成形された低結合剤含量のグラファイトにより内層４２ａを作製することによって改善される。成長ガイド４２の内層４２ａを作製するのに使用されるグラファイトのグレードは、２０重量パーセント未満の結合剤を含有することが望ましい。成長ガイド４２の内層４２ａは、結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイト製であることがより望ましい。
【００５２】
ＳｉＣ昇華の非コングルエントな特性のために、ＳｉＣ上の気相はケイ素に富んでいる。温度に応じて、蒸気中のＳｉ：Ｃ原子比は、ＳｉＣ昇華成長の温度範囲で、１．３〜３となり得る。Ｓｉ：Ｃ比は、原料のＳｉＣ粒子サイズおよびポリタイプ組成（ｐｏｌｙｔｙｐｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）にも依存し得る。すなわち、Ｓｉ：Ｃ比は、より大きなサイズの粒子上よりも、微粉化したＳｉＣ粒子上の気相において高い。この比はまた、六方晶ポリタイプ上よりも、非六方晶ポリタイプ上で高い。ＳｉＣ昇華成長中の気相におけるＳｉ：Ｃ比が高いほど、グラファイトの浸食が強いことが観察された。
【００５３】
グラファイトへのＳｉに富んだ蒸気の攻撃性を減少させるために、過剰なケイ素が気相から除去されることが望ましい。これは、成長るつぼ内部にケイ素「ゲッター」５５を含めることにより達成することができる。ケイ素ゲッター５５（図６にブロックとして例示目的のためだけに示した）は、ケイ素に対して高い化学親和力を有する炭素材料から作製されることが望ましく、多孔性もしくは繊維性グラファイト、多孔性もしくは繊維性炭素、または炭化有機発泡体もしくはフェルトから作製されることがより望ましい。
【００５４】
成長した結晶は、成長の間のある特定の条件によって生じる高度の応力を示すことが多い。これらの条件として、温度勾配、ドーピングレベル、組成またはドーピングの不均一性、特定の成長機構および成長条件を挙げることができるが、これらに限定されない。程度の高すぎる成長関連応力により、引き続いて、成長した結晶ブールをウエハーに加工する際にクラックが生じる場合があることも知られている。
【００５５】
成長した結晶の応力および引き続くクラックは、成長中に結晶の端部に形成される端部ファセットの数および種類を低減することによって低減することができる。これを達成するために、円錐角、すなわち、六方晶ＳｉＣにおける主要な錐体ファセットの１つと六方晶ＳｉＣにおけるｃ軸との間に形成される角度に対応する、成長ガイド４２の中心軸４３と成長ガイド４２の内表面（限定されることはないが、例えば内層４２ａの内表面）との間の角度を有する円錐形成長ガイド４２が作製される。主要な錐体結晶ファセットは、｛１，０，−１，ｎ｝ファセット（ここで、６Ｈポリタイプについてはｎ＝４、５および６であり、４Ｈポリタイプについてはｎ＝３および４である）からなる群から選択されることが望ましい。６Ｈポリタイプについて、成長ガイド４２の対応する円錐角は、４３．３°、４８．６°および５４．８°の値から選択される。４Ｈポリタイプについて、成長ガイド４２の対応する円錐角は、４３．３°および５１．５°の値から選択される。
【００５６】
さらに、成長後のアニーリングなどのさらに慣例的な対策を、成長した結晶ブールおよび／またはスライスしたウエハーに適用することによっても、応力およびクラックを低減することができる。
【００５７】
要約すると、上記に説明した実施形態は、以下の特徴を有する。
１．ブール直径の誘導拡大を組み合わせたＳｉＣ昇華成長プロセスは、成長ブールの周囲に、かつこれと軸線が共通になるように配置された円錐形成長ガイドを使用して実施される。この成長ガイドは、２つの層、すなわち、高熱伝導率を有する内層と低熱伝導率を有する外層とからなる。
２．成長ガイドの内層は、アイソスタティック成形されたグラファイトなどの熱伝導性グラファイト製であることが望ましいが、これらに限定されない。望ましくは、成長ガイドの内層は、２０００℃で５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きく、より望ましくは８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい熱伝導率を有する。
３．成長ガイドの外層は、低熱伝導率を有する炭素材料製であることが望ましい。望ましくは、成長ガイドの外層は、２０００℃で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、より望ましくは１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する。
４．成長ガイドの内層は、厚さが２〜６ｍｍであることが望ましい。
５．成長ガイドの内層の上部（または端部）とるつぼの蓋との間に間隙が存在することが望ましい。この間隙は、幅が２〜５ｍｍであることが望ましい。この間隙は、ガイドの外層に使用される材料などの低熱伝導率を有する材料で満たされるが、この材料はこれらに限定されない。
６．成長ガイドの内層は、望ましくは２０重量パーセント未満の結合剤を含有するグラファイトグレード製であることが望ましい。ガイドの内層は、結合剤をまったく含有しないメソフェーズグラファイト製であることがより望ましい。
７．ＳｉＣ昇華成長は、気相から過剰のケイ素を除去することによって得られる、気相中の低減されたケイ素対炭素比を用いて実施されることが望ましい。
８．気相からの過剰のケイ素のｉｎ−ｓｉｔｕでの除去は、成長るつぼ内部に配置されたケイ素ゲッターを使用して達成されることが望ましい。このケイ素ゲッターは、ケイ素に対して高い化学親和力を有する多孔性炭素材料であることが望ましい。このケイ素ゲッターは、多孔性もしくは繊維性グラファイト、または炭化有機発泡体もしくはフェルトの形態での多孔性もしくは繊維性炭素であることがより望ましい。
９．円錐形成長ガイドは、円錐角（円錐表面と円錐軸の間の角度）を有し、これは、六方晶のｃ軸を有する６Ｈまたは４Ｈ結晶ポリタイプ中の錐体ファセットによって形成される角度から選択されることが望ましい。より具体的には、結晶ファセットは、｛１，０，−１，ｎ｝ファセット（ここで、６Ｈポリタイプについてはｎ＝４、５および６であり、４Ｈポリタイプについてはｎ＝３および４である）からなる群から選択されることが望ましい。成長ガイドの円錐角は、６Ｈポリタイプについては、４３．３°、４８．６°および５４．７°の値、４Ｈポリタイプについては、４３．３°および５１．５°の値から選択されることがより望ましい。
【００５８】
上述した誘導直径拡大を組み合わせたＳｉＣ結晶成長プロセスは、以下の利点を有する。
１．ＳｉＣブール直径の、欠陥を含まない沿面拡大。この利点により、ＳｉＣ基板直径を、現在の７６．２ｍｍ（３インチ）から近い将来では１００ｍｍ、より遠い将来では１２５〜１５０ｍｍに拡大することが可能になると想像されている。
２．粒子、マイクロパイプ、および転位などの基板端部での欠陥の密度の低減を含むＳｉＣ基板の結晶品質の改善。
【００５９】
上述した誘導直径拡大技法を使用して、６Ｈおよび４ＨポリタイプのいくつかのＳｉＣ単結晶を成長させた。１つのそのような結晶成長を次に説明する。
高密度のアイソスタティック成形されたグラファイト製のるつぼ内で、昇華結晶成長を実施した。直径６０ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣ種結晶は、その面を（０００１）結晶面に平行にカットして作製した。この種結晶を、炭素ベースの接着剤を使用して種結晶ホルダー（この例では、るつぼ頂部または蓋）に接着させた。ＳｉＣ原料は、サイズが１〜３ｍｍの高純度多結晶ＳｉＣ粒子であった。このＳｉＣ原料を、るつぼ底部に添加した。
【００６０】
円錐形内表面および４４°の円錐角を有する、上述した成長ガイド４２のような成長ガイドを作製した。図６で示したように、この成長ガイドは２つの層を含んでいた。３ｍｍの壁厚を有する薄壁円錐体は、１．７８ｇ／ｃｍ３の密度を有し、２０重量パーセント未満の結合剤を含有する、アイソスタティック成形されたグラファイトから機械加工した。この円錐体を、成長ガイドの内層として使用した。製造者からのデータによれば、このアイソスタティック成形されたグラファイトは、室温で約１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、および２０００℃で約８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有していた。ガイドの内層とるつぼの蓋の間に、２ｍｍの間隙を形成した。この間隙を、ガイドの外層に使用した材料で満たした。
【００６１】
ガイドの外層は、１．０ｇ／ｃｍ３に近い密度を有する多孔性グラファイト製であった。この材料の熱伝導率は、室温で約６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、および２０００℃で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であった。この材料は、ケイ素ゲッターとしても機能した。
【００６２】
成長は、標準的なＳｉＣ成長手順に従って行った。るつぼ内に原料および種結晶を入れ、成長ガイドをるつぼ内部に配置した。このるつぼは、軽量グラファイト発泡体製の断熱材で囲繞した。熱は、るつぼと共通の軸線を有するように配置したＲＦコイルによって供給した。
【００６３】
成長のための準備として、成長るつぼ内を排気し、純ヘリウムのような不活性ガスで流すことによって、酸素、窒素および水分を除去した。このとき流すガスは純ヘリウムには限定されない。次いで、５００Ｔｏｒｒのヘリウム圧下で、るつぼを所望の成長温度に加熱した。成長温度に到達したとき、成長るつぼ内部のヘリウム圧を５００Ｔｏｒｒから２０Ｔｏｒｒに下げた。加熱過程では、２１３０℃のるつぼ底部（原料）の温度、およびるつぼ頂部（種結晶）で２０９０℃が達成されるようにＲＦコイルの位置を調整した。光高温計を使用して、るつぼの頂部と底部の温度を測定した。成長の間、これらの温度を一定に維持した。
【００６４】
成長サイクルが完了したとき、るつぼを室温に冷却した。成長ガイドによって囲繞されている成長した結晶ブールを保持しているるつぼの蓋を回収した。目視検査により、成長した結晶ブールと成長ガイドの間に約１ｍｍの間隙が確認された。成長ガイドの内表面上にごく微量の浸食が検出されただけであった。成長ガイドを結晶から分離し、分析した。成長ガイドの内層には蒸気浸食による僅かな重量損失があったが、成長ガイドの外層は、気相からのケイ素の吸収により重量が増加していた。
【００６５】
アズグロウン６Ｈ−ＳｉＣ結晶ブールの写真を図７に示す。成長の間に、結晶ブールは、直径が６０ｍｍから約８５ｍｍに拡大した。この結晶ブールは、滑らかで光沢のある成長界面を有し、中心が平坦であり、端部で僅かに凸状であった。この結晶ブール表面上に、目視できる欠陥はまったく存在しなかった。
【００６６】
加工してウエハーにする前に、アズグロウン結晶ブールを、成長後アニーリングに付した。このアニーリングは等温であった。すなわち、結晶ブールは、内部の温度勾配が最小限となるように設計されたグラファイト筺体内に配置された。アニーリング条件は、当技術分野で既知の温度、圧力および継続時間の適当な組合せとした。
【００６７】
成長した結晶ブールを加工してウエハーにした。作製したウエハーを、Ｘ線ロッキングカーブの技法を使用して特徴づけた。Ｘ線測定は、二結晶回折計（ＣｕＫα１、１×１ｍｍ２のスポットサイズ、（０００６）ブラッグ反射）を使用して実施した。図８ＡおよびＢは、１枚のウエハー上で実施した線形ロッキングカーブスキャンの結果を示す。図８ＡのΩスキャンは、ウエハー直径にわたる試料角度Ωの変動は小さく、約０．１°であることを示す。これは、この結晶が方向を誤った亜結晶粒をまったく有さないことを示す。図８ＢのＦＷＨＭスキャンは、ロッキングカーブの幅（ＦＷＨＭ）が端部で１２５秒角未満および５０秒角未満であることを示す。ロッキングカーブの形状は、結晶品質の優れた尺度である。結晶品質が高いほど、反射が強く、そのＦＷＨＭが小さい。図７、図８ＡおよびＢに示した結果は、図６の多層成長グリッドを利用する、本明細書で説明した様式で成長させたすべてのＳｉＣ結晶に対して一般的に得られる。
【００６８】
図９Ａ〜Ｃは、それぞれ、成長したブールの一端部、成長したブールの中心部、および成長したブールの反対側の端部でのＸ線反射を示す。図から分かるように、成長したブールの端部で測定されたＸ線反射は、中心領域で測定されたＸ線反射よりも強く狭い。
【００６９】
図１０ＡおよびＢは、転位密度に対する誘導直径拡大の効果を示す。図１０Ａは、標準的なＰＶＴ成長プロセスを使用して、すなわち、誘導直径拡大を用いずに成長させたブールからスライスした、標準的な製造グレードの直径７６．２ｍｍ（３インチ）の半絶縁性６Ｈ−ＳｉＣウエハー上で測定した転位密度マップである。このマップは、１．２・１０５ｃｍ−２の平均転位密度を示す。１０６ｃｍ−２に到達する高転位密度の範囲が、ウエハー端部付近の濃い「暗影」として見ることができる。
【００７０】
図１０Ｂは、図６の多層成長グリッドを利用する、上述した誘導直径拡大を使用して成長させたブールからスライスした、７６．２ｍｍ（３インチ）ウエハーの転位密度マップを示す。このウエハー中の平均転位密度は、４．６・１０４ｃｍ−２である。図から分かるように、端部付近の転位密度は、中心範囲よりも低い。
【００７１】
図６の多層成長グリッドを利用する、本明細書で説明した誘導直径拡大の技法を使用して成長させたＳｉＣブールで得られた結果は、結晶の「拡大された」部分の結晶品質が高いことを示す。これにより、説明したＳｉＣ昇華成長プロセスが、大きく高品質のＳｉＣ単結晶の製造に有用であることがわかる。
【００７２】
以上のように、図６の多層成長グリッドを利用する、本明細書で説明したＳｉＣ昇華結晶成長では、軸方向成長とブール直径の沿面成長とが組み合わされ、この中で、沿面成長の程度および成長結晶形状は、成長ブールの周囲に、かつこれと軸線が共通となるように配置された円錐形ガイドによって決定される。図６の多層成長グリッドを利用する、本明細書で説明したＳｉＣ昇華結晶成長により、従来技術の誘導直径拡大成長の欠点、すなわち、蒸気による成長ガイドの浸食、ガイドの内表面上での多結晶ＳｉＣの堆積、および成長結晶のガイドへの付着が回避または排除される。
【００７３】
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明した。前述の詳細な説明を読み、理解すると、明らかな改変および変更が、当業者に見出されるであろう。本発明は、添付の特許請求の範囲またはこれらの均等物の範囲内に入る限り、すべてのそのような改変および変更を含むと解釈されることを意図している。
【図１】
2010515661.tif 000003
【図２】
2010515661.tif 000004
【図４】
2010515661.tif 000005
【図５】
2010515661.tif 000006
【図６】
2010515661.tif 000007
【図８】
2010515661.tif 000008
【図９】
2010515661.tif 000009
【図３】
2010515661.tif 000010
【図７】
2010515661.tif 000011
【図１０】
2010515661.tif 000012
【国際調査報告】
2010515661.tif 000013
2010515661.tif 000014
2010515661.tif 000015