(57)【要約】【課題】  製造後半にＣ／Ｓｉ比が高くなることによって生じる品質の低下を抑制した４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】原料準備工程Ｓ１１では、Ｃ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料２０ａ、原料２０ｂ及び原料２０ｃを準備し、原料配置工程Ｓ１２では、高温に加熱される位置にある原料２０ほど、Ｃ／Ｓｉ比が高くなるように、原料２０を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶の原料を準備する準備工程と、
坩堝に前記原料を配置する配置工程と、
前記原料を加熱し、前記原料を昇華させる工程と、を備えた４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法であって、
前記準備工程では、炭素と珪素の比であるＣ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料を複数準備し、
前記配置工程では、高温に加熱される位置にある原料ほど、前記Ｃ／Ｓｉ比が高くなるように、前記原料を配置する４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記配置工程では、加熱される温度が１０℃異なる毎に、Ｃ／Ｓｉ比が異なるように、前記原料を配置する請求項１に記載の４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇華再結晶法を用いた４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、４Ｈ型炭化珪素単結晶（４Ｈ−ＳｉＨ）の製造方法として、炭化珪素単結晶の原料を昇華させ、昇華した原料を再結晶させる方法が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、坩堝の底部に原料を配置する。坩堝の蓋体には、原料の再結晶を誘起する種結晶を配置する。坩堝の周囲には、加熱コイルが配置されている。加熱コイルに高周波電流を流すことにより、坩堝を誘導加熱する。これにより、坩堝内部の温度が上昇し、原料が昇華する。原料が再結晶しやすいように、坩堝の蓋体側の温度は、坩堝の底部側の温度に比べて、低くなっている。このため、昇華した原料は、種結晶を基にして再結晶して、４Ｈ型炭化珪素単結晶（以下、炭化珪素単結晶又は単結晶と適宜省略する）が成長する。このようにして、炭化珪素単結晶を製造していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２―２８４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高品質の炭化珪素単結晶を製造するための方法のひとつに、炭化珪素単結晶の成長速度を遅くしたまま、炭化珪素単結晶を成長させる方法がある。坩堝の底部側の温度を原料の昇華温度から大幅に高くしなければ、坩堝の蓋体の温度と坩堝の底部側の温度との差が小さくなるため、成長速度を遅くすることが可能となる。原料の昇華温度付近では、原料から珪素が優先的に昇華するため、製造後半になると、原料の炭素の割合が増加する。このため、製造開始時に比べて、製造の後半になると、坩堝内部において、炭素と珪素との比であるＣ／Ｓｉ比は、高くなっていた。加えて、原料の炭素の割合が増加するにつれ、原料が昇華しにくくなる。黒鉛製の坩堝が用いられる場合には、坩堝を構成する炭素によっても、坩堝内部のＣ／Ｓｉ比は、高くなっていた。
【０００６】
Ｃ／Ｓｉ比が高くなると、４Ｈ型の多形は不安定になり、４Ｈ型以外の多形が発生しやすくなる。このため、Ｃ／Ｓｉ比が高くなる後半に製造された炭化珪素単結晶は、４Ｈ型以外の炭化珪素単結晶が含まれていた。このため、後半に製造された４Ｈ型炭化珪素単結晶は、品質が低下するという問題が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、製造後半にＣ／Ｓｉ比が高くなることによって生じる品質の低下を抑制した４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造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】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。本発明の特徴は、炭化珪素単結晶の原料を準備する準備工程と、坩堝に前記原料を配置する配置工程と、前記原料を加熱し、前記原料を昇華させる工程と、を備えた４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記準備工程では、炭素と珪素の比であるＣ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料を複数準備し、前記配置工程では、高温に加熱される位置にある原料ほど、前記Ｃ／Ｓｉ比が高くなるように、前記原料を配置することを要旨とする。
【０００９】
本発明の特徴によれば、準備工程では、炭素と珪素の比であるＣ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料を複数準備し、配置工程では、高温に加熱される位置にある原料ほど、Ｃ／Ｓｉ比が高くなるように、原料を配置する。このため、製造前半では、高温に加熱される位置に配置された所定のＣ／Ｓｉ比を有する原料が加熱される。製造後半になると、Ｃ／Ｓｉ比の低い原料、すなわち、珪素を多く含有する原料が加熱される。従って、製造後半であっても、坩堝の内部に珪素を十分供給できるため、Ｃ／Ｓｉ比が高くなることを抑制できる。このため、４Ｈ型の多形は安定して存在できるため、４Ｈ型炭化珪素単結晶は、安定して成長できる。すなわち、製造後半に成長した４Ｈ型炭化珪素単結晶の品質の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、前記配置工程では、加熱される温度が１０℃異なる毎に、Ｃ／Ｓｉ比が異なるように、前記原料を配置しても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造後半にＣ／Ｓｉ比が高くなることによって生じる品質の低下を抑制した４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略断面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略一部断面図である。
【図４】図４は、成長高さと多形混入率との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略構成、（２）４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法、（３）作用効果、（４）比較評価、（５）その他実施形態、について説明する。
【００１４】
以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。
【００１５】
（１）４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略構成
本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略断面図である。図１に示されるように、４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１（以下、適宜、装置１と略す）は、坩堝蓋体３０と坩堝本体４０とを有する坩堝５０、支持棒６０、石英管７０、加熱コイル８０及び干渉防止コイル８５とを備える。
【００１６】
坩堝５０は、坩堝蓋体３０と坩堝本体４０とを有する。坩堝蓋体３０には、原料２０の再結晶を誘起する種結晶１０が配置される。具体的には、種結晶１０は、坩堝蓋体３０の原料２０と対向する面３１に配置される。坩堝本体４０には、単結晶の原料２０が配置される。坩堝５０の一端部（すなわち、坩堝蓋体３０）には、種結晶１０が配置され、坩堝５０の一端部に対向する坩堝５０の他端部（すわなち、坩堝本体４０の底部）には、原料２０が配置される。従って、種結晶１０と原料２０とは対向している。坩堝５０は、支持棒６０により石英管７０の内部に固定される。
【００１７】
加熱コイル８０は、石英管７０の外周に設けられる。加熱コイル８０は、加熱コイル８０ａ及び加熱コイル８０ｂを有する。加熱コイル８０ａは、坩堝蓋体３０側に位置する。加熱コイル８０ｂは、坩堝本体４０の底部側に位置する。加熱コイル８０に高周波電流を流すことにより、坩堝５０を誘導加熱する。これにより、坩堝５０の内部の温度が上昇し、原料２０が昇華する。原料２０が再結晶しやすいように、坩堝蓋体３０側の温度は、坩堝本体４０の底部側の温度に比べて、低くすることが好ましい。なお、坩堝５０は、断熱材（不図示）で覆われている。
【００１８】
（２）４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法
本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法について、図１から図３を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３は、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置１の概略一部断面図である。具体的には、図３は、坩堝本体４０の底部の概略断面図である。
【００１９】
図２に示されるように、本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法は、準備工程Ｓ１及び成長工程Ｓ２を有する。
【００２０】
（２．１）準備工程Ｓ１
準備工程Ｓ１は、原料準備工程Ｓ１１と原料配置工程Ｓ１２とを有する。
【００２１】
原料準備工程Ｓ１１は、単結晶の原料２０を準備する工程である。具体的には、原料準備工程Ｓ１１では、Ｃ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料２０を複数準備する。
【００２２】
原料２０は、炭化珪素（ＳｉＣ）に珪素（Ｓｉ）を混ぜ合わせることによって、準備できる。まず、所定量の炭化珪素原料粉を複数準備する。準備した各炭化珪素原料粉に珪素原料粉を割合を変えて混ぜ合わせる。例えば、重量が等しくなるように、炭化珪素原料を３つに分ける。各炭化珪素原料の重量を１００としたときに、１つ目の炭化珪素原料には、珪素原料の重量ｘを混ぜ合わせる。２つ目の炭化珪素原料には、珪素原料の重量１．１ｘを混ぜ合わせる。すなわち、２つ目の炭化珪素原料に混ぜ合わせる珪素原料は、１つ目の炭化珪素原料の珪素原料の重量の１．１倍の量である。３つ目の炭化珪素原料には、珪素原料の重量１．２ｘを混ぜ合わせる。すなわち、３つ目の炭化珪素原料に混ぜ合わせる珪素原料は、１つ目の炭化珪素原料の珪素原料の重量の１．２倍の量である。ここで、ｘは、１〜１０の範囲内の数値である。これによって、Ｃ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料２０が準備できる。１つ目の炭化珪素原料を基に準備された原料２０を原料２０ａとし、２つ目の炭化珪素原料を基に準備された原料２０を原料２０ｂとし、３つ目の炭化珪素原料を基に準備された原料２０を原料２０ｃとする。
【００２３】
原料配置工程Ｓ１２は、坩堝５０に原料２０を配置する工程である。具体的には、原料配置工程Ｓ１２では、高温に加熱される位置にある原料２０ほど、Ｃ／Ｓｉ比が高くなるように、原料２０を配置する。
【００２４】
本実施形態において、坩堝本体４０の側面から加熱されるため、坩堝本体４０の側面から離れるほど、原料２０を加熱する温度が低くなる。すなわち、坩堝本体４０の底部の中心から坩堝本体４０の側面に向かうにつれ、高温に加熱される。また、坩堝本体４０の底部から加熱されるため、坩堝本体４０の底部から離れるほど、原料２０を加熱する温度が低くなる。すなわち、坩堝蓋体３０側から坩堝本体４０の底部へ向かうにつれ、高温に加熱される。
【００２５】
このため、原料２０を、図３に示されるように配置する。坩堝本体４０の底部に原料２０ａを配置する。坩堝本体４０の底部の中心には、原料２０ａを配置しない。坩堝蓋体３０と坩堝本体４０の底部とを通る坩堝５０の中心から坩堝本体４０の側面に向かうにつれ原料２０ａの高さが高くなるように、原料２０ａを配置する。すなわち、坩堝本体４０の底部と側面とに近い部分に、原料２０ａを配置する。これによって、最も高温に加熱される位置に、原料２０ａは配置される。
【００２６】
原料２０ａ上に原料２０ｂを配置する。坩堝本体４０の底部の中心に原料２０ｂを配置する。種結晶１０と原料２０とを通る坩堝５０の中心から坩堝本体４０の側面に向かうにつれ原料２０ａの高さが高くなるように、原料２０ｂを配置する。これによって、原料２０ａの次に高温に加熱される位置に、原料２０ｂは配置される。
【００２７】
原料２０ｂ上に原料２０ｃを配置する。原料２０ｃの高さが等しくなるように、原料２０ｃを配置する。従って、坩堝本体４０の側面から坩堝本体４０の中心に向かうにつれ、原料２０ｃの量が多く配置される。これによって、原料２０ｂの次に高温に加熱される位置に、原料２０ｃは配置される。
【００２８】
加熱される温度が１０℃異なる毎に、Ｃ／Ｓｉ比が異なるように、各原料を配置しても良い。従って、坩堝５０の温度分布を基に、原料２０が最も高温に加熱される最高温度から最高温度−１０℃までの部分に原料２０ａを配置して、最高温度−１０℃から最高温度−２０℃までの部分に原料２０ｂを配置して、最高温度−２０℃から最高温度−３０℃までの部分に原料２０ｃを配置しても良い。最高温度−１０℃及び最高温度−２０℃の境界で、各原料は区切られる。
【００２９】
種結晶１０は、坩堝蓋体３０に配置される。種結晶１０は、炭化珪素単結晶の成長起点となるため、炭化珪素単結晶からなるものを用いることが好ましい。種結晶１０が配置された坩堝蓋体３０を坩堝本体４０に取り付ける。
【００３０】
（２．２）成長工程Ｓ２
成長工程Ｓ２は、炭化珪素単結晶を成長させる工程である。具体的には、成長工程Ｓ２では、原料２０を加熱し、原料２０を昇華させる。
【００３１】
加熱コイル８０に電流を通電して、坩堝５０を加熱する。これによって、原料２０を加熱する。一般的に、加熱温度は、２０００℃から２５００℃である。坩堝蓋体３０側の温度が、坩堝本体４０の底部側の温度よりもやや低温となるように、加熱コイル８０ａ及び加熱コイル８０ｂを調整する。
【００３２】
原料２０の昇華温度を超えると、原料２０は、昇華する。原料２０ａは、最も高温に加熱される位置にあるため、原料２０ａが主に昇華する。原料２０ａがなくなるにつれ、原料２０ｂが主に昇華しはじめる。その後、原料２０ｂがなくなるにつれ、原料２０ｃが主に昇華しはじめる。昇華した原料２０は、種結晶１０の成長面上で再結晶する。これにより単結晶が成長を開始する。所望の大きさの単結晶が得られるまで、単結晶を成長させる。
【００３３】
（３）作用効果
本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法によれば、原料準備工程Ｓ１１では、Ｃ／Ｓｉ比が０．７以下であり、Ｃ／Ｓｉ比が異なる原料２０ａ、原料２０ｂ及び原料２０ｃを準備し、原料配置工程Ｓ１２では、Ｃ／Ｓｉ比が高い原料２０ａが、高温に加熱される位置に配置され、Ｃ／Ｓｉ比が次に高い原料２０ｂが、次に高温に加熱される位置に配置され、Ｃ／Ｓｉ比が次に高い原料２０ｃが、次に高温に加熱される位置に配置される。このため、製造開始時には、原料２０ａが主に昇華し、時間が経過するにつれ、原料２０ｂが主に昇華する。さらに、時間が経過すると、原料２０ｃが主に昇華する。従って、製造が進むにつれ、Ｃ／Ｓｉ比が低い原料２０が昇華する。すなわち、製造後半になっても、珪素を多く含有する原料２０が存在する。このため、製造後半であっても、坩堝５０の内部に珪素を十分供給できるため、Ｃ／Ｓｉ比が高くなることを抑制できる。このため、４Ｈ型の多形は安定して存在できるため、４Ｈ型炭化珪素単結晶は、安定して成長できる。すなわち、製造後半に成長した４Ｈ型炭化珪素単結晶の品質の低下を抑制することができる。
【００３４】
本実施形態に係る４Ｈ型炭化珪素単結晶の製造方法によれば、原料配置工程Ｓ１２では、加熱される温度が１０℃異なる毎に、Ｃ／Ｓｉ比が異なるように原料２０を配置しても良い。これによって、Ｃ／Ｓｉ比をより一定に保ちながら４Ｈ型炭化珪素単結晶を製造することができる。
【００３５】
（４）比較評価
本発明の効果を確かめるために、以下の測定を行った。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
【００３６】
実施例では、原料２０ａのＣ／Ｓｉ比は、０．７となるように準備した。原料２０ｂのＣ／Ｓｉ比は、０．６３となるように原料を準備した。原料２０ｃのＣ／Ｓｉ比は、０．５６となるように原料を準備した。
【００３７】
上述した装置１における、単結晶製造時の原料の温度分布を計算により求めた。その温度分布を基に、１０℃毎に各原料が区切られるように各原料を配置した。具体的には、図３に示されるように、原料２０ａ、原料２０ｂ及び原料２０ｃを坩堝に配置した。
【００３８】
原料を配置した後、加熱コイルにより坩堝本体４０の底部側を２０８０℃に、坩堝蓋体３０側を２０００度に加熱した。アルゴンガス雰囲気で所定の圧力に維持した。加熱により原料が昇華及び再結晶し、単結晶を製造した。
【００３９】
比較例では、原料のＣ／Ｓｉ比が０．７と均一なものを準備した。実施例と同量の原料を坩堝に配置した。その他の製造条件は、実施例と同様にして、単結晶を製造した。
【００４０】
実施例及び比較例により製造した単結晶を用いて、各成長高さにおける多形の混入率を測定した。結果を図４に示す。図４は、成長高さと多形混入率との関係を表す図である。多形混入率が大きいほど、単結晶の品質が悪いことを示している。
【００４１】
図４に示されるように、実施例では、成長高さ２０ｍｍまでは、多形混入率が０％であり、成長高さ３０ｍｍになっても多形混入率は、１０％以下である。一方、比較例では、成長高さ８ｍｍを超えると多形混入率が増え始め、成長高さ２０ｍｍを超えると６５％にまで達している。
【００４２】
従って、本発明によれば、製造後半にＣ／Ｓｉ比が高くなることによって生じる品質の低下を抑制できることが確認できた。
【００４３】
（５）その他実施形態
本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。
【００４４】
具体的には、上述した実施形態では、３種類の原料２０を準備したが、これに限られない。例えば、２種類の原料２０を準備しても良いし、４種類以上の原料２０を準備しても良い。各原料２０のＣ／Ｓｉ比は、最も高いＣ／Ｓｉ比から１０％ずつＣ／Ｓｉ比が減少するように、各原料２０を準備しても良い。例えば、２番目に高いＣ／Ｓｉ比は、最も高いＣ／Ｓｉ比の９０％の値であり、３番目に高いＣ／Ｓｉ比は、最も高いＣ／Ｓｉ比の８０％の値であり、ｎ番目に高いＣ／Ｓｉ比は、最も高いＣ／Ｓｉ比の［１００−１０（ｎ−１）］％の値となるように、各原料を準備しても良い。なお、ｎ＝１〜１０である。
【００４５】
上述の通り、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１…４Ｈ型炭化珪素単結晶製造装置（装置）、  １０…種結晶、  ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…原料、  ３０…坩堝蓋体、  ３１…面、  ４０…坩堝本体、  ５０…坩堝、  ６０…支持棒、  ７０…石英管、  ８０，８０ａ，８０ｂ…加熱コイル、  ８５…干渉防止コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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