(57)【要約】【課題】炭化珪素の結晶成長速度を向上させると供に、原料消耗の均一化を同時に達成し、高品質単結晶を効率良く製造することができ、特に高品質な炭化珪素単結晶基板を効率よく製造できる単結晶製造方法を提供する。【解決手段】黒鉛からなる熱伝導体を、原料粉末の内部に黒鉛製坩堝に接しないよう配置して原料粉末により固定する。熱伝導体は円柱形状または円筒形状がのぞましく、熱伝導体の上端が単結晶成長空間に露出せずに原料粉末に埋没していることがのぞましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛製坩堝と、
前記黒鉛製坩堝の内部に固定された種結晶と、
前記黒鉛製坩堝内に配置された原料粉末と、
前記黒鉛製坩堝および前記原料粉末を加熱するための高周波ワークコイルを備えた単結晶製造装置において、
熱伝導部材を前記黒鉛製坩堝の内壁に接しないように前記原料粉末の内部に配置することを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材は、前記単結晶の成長温度よりも高い融点をもつ金属または金属炭化物であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材は、黒鉛であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材は、円柱形状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項６】
前記熱伝導部材は、軸対称形状であり、その外径が４〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項４又は５に記載の単結晶製造装置。
【請求項７】
前記単結晶は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項８】
円筒状の黒鉛製坩堝と前記坩堝を密閉するための黒鉛製の蓋の内部に種結晶を固定し、
前記黒鉛製坩堝内部に前記種結晶と同じ成分から成る原料を規定量よりも少ない量を入れた後、
熱伝導体配置治具を用いて熱伝導部材を前記黒鉛製坩堝内部の内壁に接しないように前記黒鉛製坩堝内部に置き、
さらに黒鉛製坩堝内部に前記原料を規定量まで入れ、
前記黒鉛製の蓋と前記黒鉛製坩堝とを密閉した黒鉛製容器とし、
前記黒鉛製容器の外側に配置した高周波ワークコイルに電流を流すことにより前記種結晶を成長させて単結晶を得る単結晶製造方法。
【請求項９】
前記配置用治具は、前記熱伝導部材を前記黒鉛製坩堝の中心に配置するためのガイド部と、前記原料粉末を投入する開口部を有することを特徴とする請求項８に記載の単結晶製造方法。
【請求項１０】
前記熱伝導部材は、前記単結晶の成長温度よりも高い融点をもつ金属または金属炭化物であることを特徴とする請求項８に記載の単結晶製造方法。
【請求項１１】
前記熱伝導部材は、黒鉛であることを特徴とする請求項８に記載の単結晶製造方法。
【請求項１２】
前記熱伝導部材は、円柱形状であることを特徴とする請求項８に記載の単結晶製造方法。
【請求項１３】
前記熱伝導部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項８に記載の単結晶製造方法。
【請求項１４】
前記熱伝導部材は、軸対称形状であり、その外径が４〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の単結晶製造方法。
【請求項１５】
前記単結晶は、炭化珪素単結晶であることを特徴とする請求項８乃至１０に記載の単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶製造用の坩堝に関し、特に炭化珪素単結晶の製造に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭化珪素単結晶を成長させる方法として、昇華法が広く用いられている。昇華法は改良レーリー法とも呼ばれる。黒鉛製坩堝内に配置した黒鉛台座に炭化珪素単結晶で構成される種結晶基板および原料粉末を配置し、黒鉛製坩堝を加熱することで原料粉末から昇華ガスが発生し、原料粉末と単結晶基板との間で、昇華ガスの濃度差が生じるため、昇華ガスが単結晶基板まで拡散し、単結晶基板近傍での過飽和が駆動力となり単結晶成長が進行する。炭化珪素を原料とした場合に発生する昇華ガスの組成は、Ｓｉ、ＳｉＣ２、Ｓｉ２Ｃ、Ｓｉ２、Ｓｉ３等であり、特にＳｉ、ＳｉＣ２、Ｓｉ２Ｃは平衡分圧が大きく重要と考えられている。
【０００３】
一般的な昇華法炭化珪素単結晶成長方法を、図８を用いて詳細に説明する。黒鉛製坩堝１は、坩堝下部材１ａ、坩堝中部材１ｂおよび坩堝上部材１ｃで構成され、坩堝下部材１ａに原料粉末２を収納し、坩堝上部材１ｃの種結晶取り付け部１ｄに炭化珪素単結晶で構成される種結晶３を取り付ける。黒鉛製坩堝１、原料粉末２および種結晶３に囲まれて形成される単結晶成長空間４において、単結晶成長が進行する。
【０００４】
黒鉛製部材１の材料として、高融点物質や、高融点物質コーティング黒鉛など、黒鉛以外の物質が部分的に用いられる場合もあるが、通常はほとんどの部材が黒鉛で構成されるため、ここでは黒鉛製坩堝１と呼ぶこととする。なお、坩堝設計は自由度があるので、坩堝部材数が図８のように３ではない場合もあるが、機能面から、原料粉末を配置する坩堝下部材、単結晶成長空間を形成する坩堝中部材、種結晶を固定する坩堝上部材と、前記と同様の分類をすることが可能である。原料粉末２としては、炭化珪素粉末を用いるのが一般的であるが、目的に応じて、炭化珪素にシリコン、カーボン、あるいはドーパントを加えてもよい。
【０００５】
坩堝１の周囲を取り囲むように、断熱材５を配置し、高周波ワークコイル６に例えば２０ｋＨｚの高周波電流を数百Ａ流すことで、黒鉛製坩堝１を２０００℃以上に誘導加熱する。黒鉛製坩堝１の設計、断熱材５の設計、高周波ワークコイル６との位置関係等により、温度分布を制御することができ、坩堝下部材１ａを２２００〜２５００℃に、坩堝上部材１ｃを坩堝下部材１ａより５０〜２００℃低い温度に加熱する。このような温度分布により、原料粉末２から種結晶３へ昇華ガスが安定的に輸送され、安定な成長が行われる。温度計測は非接触温度計により行う。
【０００６】
単結晶成長後の模式図を図９に示すが、単結晶を成長する際には、種結晶３上に成長した成長単結晶３ａと、坩堝内壁に付着した炭化珪素多結晶７が接触しないように成長する（以下、単結晶分離成長と呼ぶ。）ことが重要であり、坩堝設計や条件を変えて単結晶分離成長を行い、高品質な炭化珪素を製造することが従来から知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
なお、単結晶分離成長でない場合の模式図を図１０に示す。種結晶３上に成長した成長単結晶３ａと、坩堝内壁に付着した炭化珪素多結晶７が接触すると、成長単結晶３ａ中に応力が加わり転位やクラックが生じる、あるいは炭化珪素多結晶７中の結晶欠陥が成長単結晶３ａ中に伝播しやすくなるため、高品質の炭化珪素を製造することが困難になる。
【０００８】
しかしながら、以上に示した昇華法による炭化珪素単結晶成長では、結晶の成長速度が遅いという課題がある。結晶の成長速度は主に成長温度、成長圧力、坩堝設計により決定されるが、成長温度および成長圧力は、結晶多形を維持するための最適条件が存在し、この最適条件を外れると異種結晶多形の混入により結晶品質が低下しやすくなる。そのため、成長温度および成長圧力は、目的の結晶多形に応じて、ほぼ決められた条件にする必要があり、坩堝設計は、単結晶分離成長の観点からの制約条件があるので、自由な設計を行うことが難しい。
【０００９】
したがって、従来の技術では、炭化珪素単結晶の成長速度を向上させることは困難であった。特に単結晶口径が大きくなるほど、成長速度は遅くなるため、この結晶成長の速度向上は重要な課題である。さらに、原料粉末２の温度が不均一であるため、原料の消耗の仕方が不均一であり、発生する昇華ガスも不均一となるという課題も生じている。
【００１０】
これらの課題に対して、図１１に示すように、黒鉛製坩堝に概ね軸対称の熱伝導体を設置することで、黒鉛坩堝内の中心部の温度を高めて、原料消耗を均一化し、使用効率を改善させる技術が記載されている（例えば、特許文献３参照。）。
また、黒鉛坩堝中に、上部が細く、下部が太い中空状伝熱体を設置することにより、黒鉛坩堝内の温度を均一化し、原料消耗の変化を抑え長時間成長させた場合でも昇華ガスの均一性を確保して、原料の使用効率を向上する技術が記載されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平０１―１０８２００号公報
【特許文献２】特開平０５―３１９９９８号公報
【特許文献３】特開平５―５８７７４号公報
【特許文献４】特開２００１―７２４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の構成では、原料消耗の不均一と成長速度の課題を、同時に改善することが困難である。例えば、特許文献３に記載の技術では、結晶の成長速度を向上させることはできない。また、特許文献４に記載の技術では、伝熱体の内部が中空であるため原料粉末充填量が大きく減少するため、成長速度が低下しやすい。さらに、単結晶大型化・長尺化への対応が難しく、一般の量産装置には適さない。
【００１２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、成長速度向上と原料消耗の均一化を同時に満たすものであり、高品質単結晶を効率良く製造出来る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】
【００１３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の単結晶の製造装置及び製造方法は、黒鉛製坩堝と、前記黒鉛製坩堝の内部に固定された種結晶と、前記黒鉛製坩堝内に配置された原料粉末と、前記黒鉛製坩堝および前記原料粉末を加熱するための高周波ワークコイルを備えた単結晶製造装置において、熱伝導部材を前記黒鉛製坩堝の内壁に接しないように前記原料粉末の内部に配置することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の単結晶の製造装置及び製造方法は、円筒状の黒鉛製坩堝と前記坩堝を密閉するための黒鉛製の蓋の内部に種結晶を固定し、前記黒鉛製坩堝内部に前記種結晶と同じ成分から成る原料を規定量よりも少ない量を入れた後、熱伝導体配置治具を用いて熱伝導部材を前記黒鉛製坩堝内部の内壁に接しないように前記黒鉛製坩堝内部に置き、さらに黒鉛製坩堝内部に前記原料を規定量まで入れ、前記黒鉛製の蓋と前記黒鉛製坩堝とを密閉した黒鉛製容器とし、前記黒鉛製容器の外側に配置した高周波ワークコイルに電流を流すことにより前記種結晶を成長させて単結晶を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の単結晶製造装置によれば、成長速度向上と、原料消耗の均一化を同時に達成し、高品質単結晶を効率良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の単結晶製造装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施例における単結晶製造装置の模式図を示す。図１において、黒鉛製坩堝１は、坩堝上部材１ｃ、坩堝中部材１ｂ、坩堝下部材１ａで構成され、高さ１５０ｍｍ、外径６０ｍｍである。種結晶取り付け部１ｄの径は１０ｍｍ、坩堝下部材１ａの内径は３０ｍｍ、原料粉末２の高さ方向は７６ｍｍ、種結晶３の径はおよそ１０ｍｍである。高周波ワークコイル６の鉛直方向位置は、その中心が黒鉛製坩堝１の中心からプラスマイナス２０ｍｍの範囲で調整し、坩堝中部材１ｂと坩堝下部材１ａに大きなジュール熱を発生させる。熱伝導体１０の径は６ｍｍ、高さ５０ｍｍであり、材質は黒鉛とした。黒鉛以外にも、タンタル等の高融点金属、高融点炭化物等の高融点材料でも良いが、コスト面から黒鉛を選定した。
【００１８】
熱伝導体１０を原料粉末２中に、所望の位置に精度良く設置する方法を説明する。まず図２（ａ）のように坩堝下部材１ａに、第一の原料粉末２ａを所定量だけ、ここでは２６．３ｇ投入すると高さ方向に２１ｍｍ充填された。次に図３に示す熱伝導体配置治具１１を準備するが、ここで熱伝導体配置治具１１は、円板に円筒を組み合わせたようなおおよそ回転軸対称で、円板の一部を切り取った形状であり、円筒部をガイド部１１ａ、円板の一部を切り取った領域を原料粉末投入部１１ｂと呼ぶこととする。ガイド部１１ａの内径は６．１ｍｍとした。図２（ｂ）のように、坩堝下部材１ａに熱伝導体配置治具１１を配置し、ガイド部１１ａを通して熱伝導体１０を第一の原料粉末２ａの上部に配置することで、熱伝導体１０を坩堝下部材１ａの軸中心に正確に配置することができる。
【００１９】
次に図２（ｃ）のように熱伝導体配置治具１１の原料粉末投入部１１ｂから第二の原料粉末２ｂを６０ｇ投入した。ここで、熱伝導体配置治具１１を中心軸に対して複数回、回転して原料粉末を投入すれば、原料粉末の偏りを抑えて均一に充填することができる。次に図２（ｄ）のように熱伝導体配置治具１１を坩堝下部材１ａから取り外し、第三の原料粉末２ｃを所定量投入し、第二の原料粉末２ｂと第三の原料粉末２ｃの重量合計を６６．３ｇとすることで、第一、第二、および第三の原料粉末を合わせた高さが７６ｍｍになるように充填できた。このように、熱伝導体配置治具１１を用いることで、熱伝導体１０を坩堝下部材１ａの中心軸に、正確に配置することができる。
【００２０】
熱伝導体配置治具１１はガイド部１１ａと原料粉末投入部１１ｂを有していれば、図３に示すもの以外でも良い。例えば図４に示すものでも精度よく配置することが可能である。
【００２１】
以上のように熱伝導体１０を配置したのち、坩堝中部材１ｂ、坩堝上部材１ｃ等を取り付け、断熱材５の内部に配置し、反応管内に配置した。反応管内を３.０×１０-４Ｐａに減圧後、黒鉛製坩堝1を１２００℃以上に加熱し、アルゴンガスを８.０×１０４Ｐａまで充填し、黒鉛製坩堝１を加熱し、黒鉛坩堝の下部温度が２３００℃となるよう電流制御した。その後、アルゴン雰囲気圧を２.７×１０３Ｐａに減圧し、炭化珪素単結晶の成長を行った。結晶成長時間は１２時間とした。
【００２２】
（比較例１）
比較のため、図８に示すように熱伝導体を配置せずに結晶の成長を行った。黒鉛坩堝１の寸法、高周波コイルの位置、成長温度、成長圧力、成長時間等の他の条件は実施例１と同じである。鉛直方向の結晶成長量を成長時間で除して成長速度を導出した。
【００２３】
実施例１と比較例１を比べると、実施例１の成長速度３０４μｍ／ｈに対し、比較例１では１９５μｍ／ｈであり、実施例１の結晶成長は約５６％早く成長する。これは、熱伝導体を原料粉末中に配置することにより、原料粉末の温度が上昇し、原料使用効率が向上したためと考えられる。
【００２４】
また、本実験で用いた熱伝導体（黒鉛）の室温における熱伝導度は７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、炭化珪素多結晶の熱伝導度は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、ともに同様の温度依存を示すため、２３００℃付近の高温における熱伝導度は２桁以上黒鉛が大きい。このため原料粉末２の温度は従来よりも均一となり、原料消耗や昇華ガス発生も均一になると考えられる。その結果、単結晶成長条件がより安定し、また、局所的に炭化した原料粉末からの煤状物質の飛来が低減するため、単結晶品質が向上する。
【００２５】
このように、本発明により、成長速度向上と、原料消耗の均一化を同時に達成し、高品質単結晶を効率良く製造することが可能となる。
【実施例２】
【００２６】
実施例２として、図５に示すように熱伝導体１０の上端が単結晶成長空間４に露出する配置とした。熱伝導体１０を所定の位置に配置するため、前述の熱伝導体配置治具１１を用いて同様の方法で配置した。黒鉛坩堝１や熱伝導体１０の寸法、成長温度、成長圧力、成長時間等の他の成長条件は、実施例１と同様である。
【００２７】
実施例２での結晶成長速度は２９０μｍ／ｈであり、従来技術である比較例１に比べると成長速度は４９％向上した。また、熱伝導体配置により原料消耗が従来よりも均一となり、発生する昇華ガスも均一になると考えられる。このように、本実施の形態でも、本発明は有効である。そのため、熱伝導体１０の表面は、実施例１に示すように、全て原料粉末に接することが望ましいが、実施例２のように熱伝導体１０の上端が成長空間に露出しても効果が得られる。
【実施例３】
【００２８】
前述の黒鉛製坩堝に対し、図６に示すように、外径２０ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ７０ｍｍのリング状熱伝導体１２を配置した。黒鉛坩堝１の寸法、成長温度、成長圧力、成長時間等の他の成長条件は実施例１と同じである。
【００２９】
実施例３での結晶成長速度は２３８μｍ／ｈであり、従来技術である比較例１に比べると結晶成長速度は２２％向上した。また、熱伝導体配置により原料消耗が従来よりも均一となり、発生する昇華ガスも均一になると考えられる。このように、リング状熱伝導体でも、本発明は有効である。
【００３０】
（比較例２）
図１１に示すように、熱伝導体１０の下端が坩堝下部１ａに接する配置となるよう、黒鉛坩堝を加工し、原料粉末を高さ７６ｍｍとなるよう充填した。その後、実施例１と同様の成長を行った。成長温度、成長圧力、成長時間等の他の成長条件は実施例１と同じである。
【００３１】
比較例２での結晶成長速度は２１４μｍ／ｈであり、比較例１に比べ９％の向上であり、大きな効果は得られなかった。したがって、熱伝導体を坩堝底部に接して配置した従来技術の場合、原料消耗の均一化は達成できるが、成長速度向上の効果は限定的であると考えられる。これは、比較例２では熱伝導体１０と坩堝下部１ａの間で熱移動が容易であるため、原料粉末上部から原料粉末下部へ熱が逃げ、原料粉末の温度が上昇しにくいことが考えられる。なお、高周波コイルの変更等により原料粉末上部より原料粉末下部のほうが高温となる温度分布に変更した場合には、この従来技術でも大きな成長速度向上が得られる可能性があるが、このとき坩堝内壁に付着した炭化珪素多結晶７が成長単結晶３ａに付着しやすくなり、結晶欠陥が増大しやすくなるという課題がある。
【００３２】
実施例１から３に説明した通り、熱伝導体の形状は、円柱形状であることが望ましいが、円筒形状でも良い。また、概ね軸対称であれば、他の形状でも効果が得られると考えられる。また、複数の熱伝導体を組み合わせて使用しても良く、例えば、図７のように棒状熱伝導体１０とリング状熱伝導体１２を組み合わせて使用しても良い。熱伝導体の外径は、小さすぎると十分な効果が得られないため４ｍｍ以上がのぞましく、大きすぎると原料粉末から生じる昇華ガス輸送の障害となる可能性があるため２０ｍｍ以下がのぞましい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明にかかる炭化珪素単結晶の製造方法は、成長速度向上と、原料消耗の均一化を同時に達成し、高品質単結晶を効率良く製造することができ、特に高品質な炭化珪素単結晶基板を効率よく製造する方法として有用である。
【００３４】
本発明にかかる炭化珪素単結晶の製造方法は、昇華法により製造する他の材料素材にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１における炭化珪素単結晶製造装置を示す模式図
【図２】本発明の実施例１における熱伝導体の配置方法を示す模式図
【図３】本発明の実施例１における熱伝導体配置治具の模式図
【図４】熱伝導体配置治具の他の形態を示す模式図
【図５】本発明の実施例２における炭化珪素単結晶製造装置の模式図
【図６】本発明の実施例３における炭化珪素単結晶成長装置の模式図
【図７】本発明の他の実施の形態を示す模式図
【図８】従来の炭化珪素単結晶製造装置を示す模式図
【図９】成長後の炭化珪素単結晶製造装置を示す模式図
【図１０】単結晶分離成長でない炭化珪素単結晶製造装置を示す模式図
【図１１】従来の炭化珪素単結晶成長装置を示す模式図
【符号の説明】
【００３６】
１    黒鉛製坩堝
１ａ  坩堝下部材
１ｂ  坩堝中部材
１ｃ  坩堝上部材
１ｄ  種結晶取付部
１ｅ  ガスガイド部
２    原料粉末
２ａ  第一の原料粉末
２ｂ  第二の原料粉末
２ｃ  第三の原料粉末
３    種結晶
３ａ  成長単結晶
４    単結晶成長空間
５    断熱材
６    高周波ワークコイル
７    炭化珪素多結晶
１０  熱伝導体
１１  熱伝導体配置治具
１１ａ  ガイド部
１１ｂ  原料粉末投入部
１２  リング状熱伝導体
【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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【図１０】
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【図１１】
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