(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）を配置し、前記るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記混合ガスを、前記るつぼ内に導入した後、前記るつぼ内で前記るつぼ内に導入した方向に対して逆方向に戻し、再び前記るつぼに導入した方向に移動させ、その後、前記るつぼから排出することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）を配置し、前記るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記るつぼ内に前記混合ガスを導入する際のコンダクタンスを、前記るつぼ外に前記混合ガスを排出する際のコンダクタンスよりも大きくす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】
前記るつぼに前記混合ガスを導入する導入口の断面積を前記るつぼから前記混合ガスを排出する排出口の断面積よりも大きくすることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記るつぼ内の前記混合ガスの流れを粘性流にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）が配置され、前記るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記るつぼは、第１の筒状部材である第１の部材（３１）と、第２の筒状部材（３６）と該第２の筒状部材の一方の端部に設けられ、部分的に開口部が設けられた壁面（３７）とを有する第２の部材（３２）とを有して構成され、
前記第１の部材が前記第２の筒状部材の内側に、前記第２の部材と隙間を有して配置され、
前記第１の部材のうち前記壁面とは反対側の内側に前記炭化珪素単結晶基板が配置され、
前記壁面に設けられた前記開口部を介して導入された前記混合ガスが前記炭化珪素単結晶基板に達し、その後、前記第１の部材の前記壁面側の先端部と前記壁面との間を通過し、前記第１の部材の外壁と前記第２の筒状部材の内壁との間に形成された隙間を通って前記るつぼ外に排出される構成となっ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６】
前記第１の部材は黒鉛を主成分とするものからなり、前記第１の部材の内壁面にＴａＣが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項７】
るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）が配置され、前記るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記るつぼは、該るつぼ内に前記混合ガスを導入する際のコンダクタンスが、前記るつぼ外に前記混合ガスを排出する際のコンダクタンスよりも大きくなる構成になっ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８】
前記るつぼは、該るつぼに前記混合ガスを導入する導入口の断面積が前記るつぼから前記混合ガスを排出する排出口の断面積よりも大きくなっていることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項９】
るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）が配置され、前記るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記るつぼのうち前記炭化珪素単結晶基板上への炭化珪素単結晶の成長が行われる領域である成長室（３５）と前記混合ガスを前記るつぼ内に導入するために用いる導入配管（５０）とを繋ぐ連通通路（３８ａ）を有する突出部（３８）が、前記炭化珪素単結晶側に突出するようにして前記るつぼ内に形成されており、
前記連通通路の前記導入配管側の断面積は、前記連通通路の前記成長室側の断面積よりも小さくなっ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１０】
前記連通通路は、前記導入配管側から前記成長室側に向かうにつれて断面積が大きくなっているものであることを特徴とする請求項９に記載の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、欠陥の少ない高品質な炭化珪素単結晶を効率良く製造する炭化珪素単結晶の製造方法及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徴を有するため、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、黒鉛製るつぼ内に炭化珪素原料を挿入すると共にこの原料部と対向するように種結晶を黒鉛製るつぼの内壁に装着し、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、成長途中に原料を追加する手段をとったとしても、ＳｉＣが昇華する際にＳｉ／Ｃ比が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るつぼ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ってしまう。
【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ものとして、特表平１１−５０８５３１号公報に記載の発明が開示されている。図３はこの発明の製造装置の概略断面図である。図３に示すように、円筒形状のケース１の中央付近に円筒形状のるつぼであるサセプタ２を配置している。このサセプタ２は高純度の黒鉛等からなる。サセプタ２の上端面には種結晶となる炭化珪素単結晶基板３が配置されている。ケース１外部のサセプタ２の外周に相当する位置にはサセプタ２内の気体を加熱するための加熱手段４が配置されている。
【０００６】
サセプタ２の周囲は断熱材５である多孔質の黒鉛により充填されている。そして、サセプタ２の下端において、この断熱材５によって漏斗状の通路６が形成されている。ケース１の下端には炭化珪素単結晶の成長に必要なＳｉやＣを含有する混合ガスを供給する供給手段７が配置されている。また、サセプタ２の上端面には混合ガスが排気される通路８が形成されており、ケース１の上部にはケース１の外部に繋がる通路９が形成されている。
【０００７】
この様な構成の製造装置では、供給手段７から供給された混合ガスが断熱材５により形成された通路６を通ってサセプタ２内に移動し、混合ガスが加熱手段４により加熱されて種結晶３上に炭化珪素単結晶としてエピタキシャル成長される。そして残留した混合ガスはサセプタ２上端面の通路８を通り、ケース１の上部に形成された通路９を通って排気される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示すように、上述の特表平１１−５０８５３１号公報に記載の発明では、サセプタ２に対する混合ガスの流入口６ａと流出口（サセプタ２上端面の通路）８との断面積の差が小さい。そのため、サセプタ２内とサセプタ２外とで圧力差がほとんど無い。サセプタ２内には連続して混合ガスが導入されており、この様な圧力差の無い状態では、サセプタ２内に導入された混合ガスはサセプタ２内に止まり難く、流出口８から排出されてしまう。
【０００９】
従って、混合ガスが炭化珪素単結晶の成長に十分使われずに排出されてしまい、その分、多量の混合ガスをサセプタ２内に導入しなけらばならない。その結果、サセプタ２内に供給された混合ガス中のＳｉとＣのモル数に対する炭化珪素単結晶のモル数の割合である収率が小さくなってしまう。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、収率を向上した炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、るつぼ（３０）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（３４）を配置し、るつぼ内にＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含む混合ガスを導入することにより、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、混合ガスを、るつぼ内に導入した後、るつぼ内でるつぼ内に導入した方向に対して逆方向に戻し、再びるつぼに導入した方向に移動させ、その後、るつぼから排出することを特徴としている。
【００１４】
この様に、蛇行状に混合ガスを移動させると、混合ガスが容易にるつぼ外に排出されることを防ぐことができる。従って、るつぼ内における混合ガスの滞留時間を長くすることができ、混合ガスの多くの成分が炭化珪素単結晶基板上に結晶成長することができる。その結果、収率を向上した炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明では、るつぼ内に混合ガスを導入する際のコンダクタンスを、るつぼ外に混合ガスを排出する際のコンダクタンスよりも大きくすることを特徴としている。
【００１６】
これにより、るつぼ内に導入された混合ガスがるつぼ外に排出され難くなるため、請求項１の発明と同様の効果を発揮することができる。なお、本発明で言うコンダクタンスとは混合ガスの流れ易さを示す。
【００１７】
この場合、例えば、請求項３に記載の発明のように、るつぼに混合ガスを導入する導入口の断面積をるつぼから混合ガスを排出する排出口の断面積よりも大きくすると請求項２の発明の効果を得ることができる。
【００１８】
また、請求項１〜３の発明において、具体的には、請求項４に記載の発明の様に、るつぼ内の混合ガスの流れを粘性流にすると、混合ガスのるつぼ内における滞留時間が長くなり好適である。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明では、るつぼは、第１の筒状部材である第１の部材（３１）と、第２の筒状部材（３６）と該第２の筒状部材の一方の開口部に設けられ、部分的に開口部が設けられた壁面（３７）とを有する第２の部材（３２）とを有して構成され、第１の部材が第２の筒状部材の内側に、第２の部材と隙間を有して配置され、第１の部材のうち壁面とは反対側の内側に炭化珪素単結晶基板が配置され、壁面に設けられた開口部を介して導入された混合ガスが炭化珪素単結晶基板に達し、その後、第１の部材の壁面側の先端部と壁面との間を通過し、第１の部材の外壁と第２の筒状部材の内壁との間に形成された隙間を通ってるつぼ外に排出される構成となっていることを特徴としている。
【００２１】
これにより、請求項１の発明の炭化珪素単結晶の製造方法を好適に行うことができる製造装置を提供することができる。
【００２２】
この場合、請求項６に記載の発明のように、第１の部材が黒鉛を主成分とするものからなる場合、第１の部材の内壁面にＴａＣを形成すると、第１の筒状部材に混合ガスが衝突して第１の筒状部材が劣化することを防ぎ、第１の筒状部材から発生したＣがるつぼの空間内に浮遊するのを防止できる。そのため、混合ガス中のＳｉとＣの分圧比を一定に保つことができる。
【００２３】
また、請求項７に記載の発明では、るつぼが、該るつぼ内に混合ガスを導入する際のコンダクタンスが、るつぼ外に混合ガスを排出する際のコンダクタンスよりも大きくなる構成になっていることを特徴としている。
【００２４】
これにより、混合ガスはるつぼ外に排出され難くなるため、るつぼ内における混合ガスの滞留時間を長くすることができ、混合ガスの多くの成分が炭化珪素単結晶基板上に結晶成長することができる。従って、収率を向上した炭化珪素単結晶の製造装置を提供することができる。
【００２５】
この場合、具体的には、請求項８に記載の発明のように、るつぼとして、導入口の断面積が排出口の断面積よりも大きくなっているものを用いることができる。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明では、成長室（３５）と混合ガスをるつぼ内に導入するために用いる導入配管（５０）とを繋ぐ連通通路（３８ａ）を有する突出部（３８）が、炭化珪素単結晶側に突出するようにしてるつぼ内に形成されており、連通通路の導入配管側の断面積は、連通通路の成長室側の断面積よりも小さくなっていることを特徴としている。
【００２７】
これにより、炭化珪素単結晶基板近傍における混合ガスの流速を遅くすることができる。そのため、炭化珪素単結晶基板近傍に長時間混合ガスを滞留させることができる。従って、混合ガスの多くの成分が炭化珪素単結晶基板上に結晶成長することができるため、収率を向上した炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。
【００２８】
この場合、請求項１０に記載の発明のように、連通通路が、導入配管側から成長室側に向かうにつれて断面積が大きくなっているものであると、段差部など通路内に混合ガスが滞る部位が無いため、連通通路内に混合ガスが滞って結晶成長に好ましくないガスが形成されることを防止することができる。
【００３２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図に示す実施形態について説明する。図１は炭化珪素単結晶の製造装置（以下、単に製造装置という）の概略断面図である。図１に示すように、筒形状の容器１は、るつぼを入れる部位である下部容器２と完成した炭化珪素（ＳｉＣ）を取り出す部位である上部容器３とを有し、上部容器３の空間と下部容器２の空間とが連通されて構成されている。
【００３４】
上部容器３は例えばＳＵＳ（ステンレス）からなり、その側面には、結晶成長させたＳｉＣ単結晶を取り出すための試料取り出し口３ａが設けられている。この上部容器３の上端の開口部は例えばＳＵＳからなる上部蓋材４により塞がれている。上部蓋材４には排気配管６が接続されており、排気配管６には真空ポンプ（図示せず）が接続されている。この真空ポンプにより容器１の中が圧力制御されて真空排気されるようになっている。
【００３５】
下部容器２は例えば石英からなり、下端の開口部が例えばＳＵＳ（ステンレススチール）からなる下部蓋材５によって塞がれている。この下部容器２内には断熱部材７により囲まれてるつぼ３０が配置されている。
【００３６】
るつぼ３０は、第１の部材３１と第２の部材３２とを有して構成されている。第１の部材３１は筒状部材（第１の筒状部材）からなる。第１の部材３１のうち上部容器３に近い側（請求項で言う後述の壁面とは反対側）の内側には、第１の部材３１の内壁との間に隙間が形成されるように、ＳｉＣ単結晶基板取り付け台座（以下、単に台座という）３３が配置されている。この台座３３の一面に、炭化珪素単結晶基板３４が取り付けられ、この炭化珪素単結晶基板３４を種結晶として、第１の部材３１の内側の空間３５内でＳｉＣ単結晶が成長するようになっている。以下、炭化珪素単結晶基板３４を種結晶といい、第１の部材３１の内側の空間３５を成長室と言う。
【００３７】
この第１の部材３１の材料としては、例えば高温（例えば、２４００℃程度）に耐え得る高純度の黒鉛を用いることができる。また、第１の部材３１の内壁面にはＴａＣ等の高融点金属が形成されている。これにより、後述のように成長室３５内に混合ガスを導入した際に、混合ガスが第１の部材３１の内壁に衝突して第１の部材３１が劣化することを防ぎ、第１の部材３１から発生したＣが成長室内に浮遊することを防止することができる。その結果、混合ガス中のＣと他の成分との分圧比を一定に保つことができる。
【００３８】
第２の部材３２は、筒状部材（第２の筒状部材）３６と壁面３７とを備えて構成されている。壁面３７は第２の筒状部材３６のうち上部容器３から遠い側の端部に設けられ、壁面３７の中央付近に部分的に開口部が設けられて、この開口部を介して第２の部材３２の外部と第２の筒状部材３６の内側とが連通されている。この第２の部材３２の材料としても、例えば高純度の黒鉛を用いることができる。
【００３９】
この様に構成された第２の部材３２の内側に第１の部材３１が配置されて、第１の部材３１の外壁と第２の筒状部材３６の内壁との間に隙間を有し、第１の部材３１の種結晶３４とは反対側の先端と壁面３７との間に隙間を有した状態となっている。
【００４０】
そして、るつぼ３０内に導入された混合ガスはこれらの隙間を通ってるつぼ３０外に排出されるようになっている。これらの隙間は、成長室３５からの混合ガスの排出が制限される程度に狭くなっている。つまり、るつぼ３０は、るつぼ３０内に混合ガスを導入する際のコンダクタンスが、るつぼ３０外に混合ガスを排出する際のコンダクタンスよりも大きくなる構成になっている。従って、成長室３５内に導入される混合ガスはるつぼ３０から排出され難くなっており、成長室３５内における混合ガスの滞留時間が長くなっている。なお、コンダクタンスとは混合ガスの流れ易さを示す。
【００４１】
なお、第１及び第２の筒状部材３１、３２における上部容器３側は、部分的に互いに連結されて一体となっている。
【００４２】
この様な構成のるつぼ３０は、言い換えれば以下のような構成になっている。すなわち、るつぼ３０は、第１の部材３１に相当する円筒部材と、第２の部材３２に相当するコップ形状部材とを有して構成されている。コップ形状部材の内側に円筒部材が配置され、コップ形状部材の入口側端部と円筒部材の一端とが同じ面上に位置すると共に、円筒部材の他端が壁面３７に相当するコップ形状部材の底部側に位置し、円筒部材の他端とコップ形状部材の底面との間に隙間が空けられた状態とされている。また、コップ形状部材の底部の中央付近が開口しており、円筒部材の内側とコップ形状部材の外側とを連通している。
【００４３】
一方、第２の筒状部材３６の壁面３７には導入配管５０が接続されており、導入配管５０と成長室３５とが連通されている。そして、導入配管５０を通じて、成長室３５内にＳｉＣの結晶成長に使用される混合ガスが導入されるようになっている。
【００４４】
導入配管５０は、るつぼ３０に近づく程導入配管５０が高温になる温度勾配が設けられる構成になっている。本実施形態では、導入配管５０は３つの部位から構成され、導入配管５０のうちの成長室３５に混合ガスが排出される部位である出口５０ｄ側から順に、第１の導入配管５０ａ、第２の導入配管５０ｂ、第３の導入配管５０ｃが配置されている。
【００４５】
第１の導入配管５０ａは導入配管５０の出口５０ｄ方向の先端部に位置しており、高温となるるつぼ３０の近傍に配置されるため、高温にも耐え得る物質、例えば黒鉛によって構成されている。この第１の導入配管５０ａの途中には第１の断熱部材５１が設けられ、第１の導入配管５０ａにおいて好適に温度勾配を設けられるようになっている。
【００４６】
また、第１の導入配管５０ａとるつぼ３０との間には第２の断熱部材５２が設けられている。これにより、高温になるるつぼ３０から第１の導入配管５０ａへの伝熱量を減少させ、好適に第１の導入配管５０に温度勾配が設けられるようになっている。
【００４７】
この様な構成により、第１の導入配管５０ａのうち第１の断熱部材５１の下方における温度が５００℃程度となるようにすることができる。なお、第１及び第２の断熱部材５１、５２としては、具体的には多孔質な黒鉛を用いることができる。
【００４８】
第２の導入配管５０ｂは第１の導入配管５０ａの熱を第３の導入配管５０ｃに伝え難くするために設けられており、熱伝導率の低い物質、例えば石英から構成されている。また、第３の導入配管５０ｃは、例えば金属によって構成され、具体的にはＳＵＳによって構成されている。この第３の導入配管５０ｃには、例えば第３の導入配管５０ｃを水で冷却する等の冷却機構５０ｅが備えられている。
【００４９】
ここで、導入配管５０の内表面において、表面における出ている部位と凹んだ部位における面に垂直な方向の寸法の差の平均を表面粗さＲａとすると、第１の導入配管５０ａの内表面の表面粗さＲａが７μｍ以下、望ましくは１μｍ以下とされている。
【００５０】
これは、特に第１の導入配管５０ａ内において、混合ガスが高温（例えば５００℃以上）になることから、第１の導入配管５０ａの内面に混合ガスによる堆積物が堆積し易いためである。この様に、第１の導入配管５０ａの内面の表面粗さＲａを制御すると、第１の導入配管５０ａの内面と混合ガスとの接触面積を小さくすることができ、導入配管５０の内面付近での混合ガスの流速の低下を抑制することができる。その結果、導入配管５０が詰まることを抑制することができる。
【００５１】
更に、導入配管５０の出口５０ｄとは反対側（以下、下方側という）の部位は、下部蓋材５を貫いて容器１外まで延設されている。その更に下方側には、図示していないが、マスフローコントローラが備えられており、導入配管５０に流す混合ガスの流量を制御できるようになっている。また、図示していないが、導入配管５０の下方にはパイロメータが備えられており、このパイロメータにより導入配管５０を通して種結晶３４又は結晶成長しつつあるＳｉＣ単結晶の表面の温度を測定できるようになっている。
【００５２】
また、台座３３のうち種結晶３４が配置されている側とは反対側である他面側には、種結晶３４をＳｉＣ単結晶の成長方向とは反対側に引き上げる結晶引き上げシャフト（以下、単にシャフトという）８が接合されている。このシャフト８は管状になっており、シャフト８のうちるつぼ３０に近い側は石英からなり遠い側はＳＵＳからなる。そして、シャフト８の上方にパイロメータが備えられ、台座３３の温度を測定できるようになっている。なお、シャフト８のうちるつぼ３０の近傍も断熱部材７により覆われている。
【００５３】
また、容器１の外部におけるるつぼ３０とほぼ同じ高さの部位には、温度上昇手段９が配置されている。この温度上昇手段としてはＲＦコイル９を用いている。本実施形態では、ＲＦコイル９は上下に独立しており、るつぼ３０の上方と下方の温度を独立して制御できるようになっている。また、図示していないが、容器１の外部にはＸ線装置が配置されている。
【００５４】
次に、この様な製造装置を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法について述べる。まず、台座３３の一面側に種結晶３４を取り付け、シャフト８により調節して成長室３５内の所定の位置に種結晶３４を配置する。
【００５５】
次に、容器１の中を真空排気すると共に、るつぼ３０内に導入配管５０を介してＡｒを導入する。その後、ＲＦコイル９に電力投入してるつぼ３０を誘導加熱する。そして、るつぼ３０の温度を所定温度（Ｓｉの溶融温度以上）で安定させると同時に、容器１の中の圧力を所定圧力とする。これにより、断熱部材７により囲まれたるつぼ３０が均一に高温になると共に、導入配管５０に対してるつぼ３０に近づく程高温になる温度勾配が設けられる。
【００５６】
本実施形態では、るつぼ３０に第１及び第２の断熱部材５１、５２を配置しており、多孔質な黒鉛は高温に耐えられ、かつ多孔質であるためにＲＦコイル９による誘導加熱がされ難い。このため、断熱部材５１、５２として多孔質な黒鉛を用いることで、好適に導入配管５０に対して温度勾配を設けることができる。なお、本実施形態では、第１の導入配管５０ａのうち第１の断熱部材５１の下部において５００℃程度になる。
【００５７】
そして、導入配管５０を介して、混合ガスとキャリアガスをるつぼ３０内に導入する。これらのうち混合ガスは、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含んでいる。具体的には混合ガスとして、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8、Ｈ2、Ｎ2を用いている。
【００５８】
これらのガスのうち、ＳｉＨ4とＣ3Ｈ8は、ＳｉＣ単結晶を結晶成長させるために必要なガスである。また、Ｈ2はＳｉＣ単結晶表面の炭化を防ぐためのものであり、ＳｉＣ単結晶の表面の過剰な炭素と結合して炭化水素となる。また、Ｎ2はドーピングガスであり、ｎ型伝導のＳｉＣを得るために導入している。なお、ｐ型伝導のＳｉＣを得るためには、トリメチルアルミニウム等のガスを用いてＡｌを導入すれば良い。
【００５９】
また、キャリアガスは導入配管５０内におけるガスの流量を大きくするためのものであり、例えばＡｒを用いることができる。
【００６０】
この様に、温度勾配が設けられた導入配管５０を介してるつぼ３０内に混合ガスを導入することより、混合ガスがるつぼ３０内に導入されてから急激に加熱されるのではなく、導入配管５０を通過する際に加熱された高温の混合ガスがるつぼ３０内に導入される。そのため、品質の良い炭化珪素単結晶を形成することができる。
【００６１】
この場合、混合ガスの温度が高くなり５００℃程度以上になると、ＳｉＨ4が導入配管５０の内面に衝突し、この内面にＳｉが堆積する恐れがある。また、更に高温になると混合ガス中のＳｉＨ4とＣ3Ｈ8とが反応温度に達し、ＳｉＣが導入配管５０の内面に堆積する恐れがある。ただし、Ｓｉ、ＳｉＣが昇華する温度以上の高温な導入配管内の領域に速やかにその混合ガスが移動すれば、これらの堆積は起こらない。
【００６２】
本実施形態では、導入配管５０に温度勾配を設けてより高温な部位に移動させるようにしており、高温になる程混合ガスは体積膨張するため、高温になる程導入配管５０内の混合ガスの流速を大きくすることができる。また、混合ガスにキャリアガスを混ぜているため、好適に導入配管５０内の流速を高めることができる。
【００６３】
この様に、混合ガスをより高温な部位に速く移動させることができるため、導入配管５０における混合ガスによる詰まりを抑制することができる。
【００６４】
また、導入配管５０を介してるつぼ３０の成長室３５内に導入された混合ガスは、種結晶３４上又は先に種結晶３４上に結晶化したＳｉＣ単結晶上で結晶化される。この時のＳｉＣ単結晶の結晶性は、種結晶３４の結晶性やるつぼ３０の温度等の条件により変化し、４Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣ等のＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００６５】
その後、混合ガスは、第１の部材３１の先端部と第２の部材３２の壁面３７（コップ形状部材の底部）との間の隙間を通り、第１の部材３１の外壁と第２の筒状部材３６の内壁との間に形成された隙間を通ってるつぼ３０外に排出される。
【００６６】
つまり、混合ガスはるつぼ３０のうちの成長室３５内に導入されてＳｉＣ単結晶の結晶成長に寄与した後、成長室３５内で成長室３５内に導入した方向に対して逆方向に戻り、再び成長室３５内に導入した方向に移動してるつぼ３０から排出される。この様に、第１の部材３１によりるつぼ３０内が仕切られているため、るつぼ３０内において混合ガスは蛇行状に移動し、混合ガスは容易にはるつぼ３０外に排出されない。
【００６７】
その結果、成長室３５内の混合ガスの圧力がるつぼ３０から排出された後における混合ガスの圧力よりも大きくなる。この様に、るつぼ３０の内外で圧力差を設けた状態では、成長室３５内の混合ガスの濃度が高まることになる。そのため、混合ガスの多くの成分を種結晶３４上にＳｉＣ単結晶として成長させることができる。
【００６８】
なお、るつぼ３０が主に高純度な黒鉛で構成されているため、加熱されたるつぼ３０から不純物が発生して結晶成長中に結晶内に不純物が取り込まれることが低減され、良好なＳｉＣ単結晶となる。また、上述の様に第１の部材３１の内壁に高融点金属が形成されているため、るつぼ３０に混合ガスを導入する際に混合ガス中のＣとＳｉとの分圧比を一定に保ち、好適に種結晶３４上にＳｉＣ単結晶を結晶成長させることができる。
【００６９】
また、本実施形態では、上下に独立したＲＦコイル９の各々の出力を調節して、るつぼ３０のうち混合ガスが導入される導入部の温度よりも、混合ガスがるつぼ３０から排出される排出部の温度の方を高くしている。一般に、混合ガスによる堆積物（例えば、多結晶ＳｉＣ等の混合ガスの成分が固体化したもの）は周囲よりも低温になっている部位に堆積し易いため、この様に排出部の温度を高くすることにより、混合ガスがるつぼ３０から排出される際に排出部が混合ガスによる堆積物により詰まることを防止できる。
【００７０】
つまり、高温な部位ではＳｉＣの蒸気圧が高くなるため、多結晶ＳｉＣの付着を防止して滞りなくガスをるつぼ３０外に排出することができる。なお、図示例では、導入部とは壁面３７のうち導入配管５０と接続されている部位であり、排出部とは第１の部材３１と第２の筒状部材３６とで形成されている隙間を示す。
【００７１】
そして、結晶成長を終了する際は、混合ガスの供給を停止し、ＲＦ電源の電力を下げて降温する。その後、ＳｉＣ単結晶を上部容器３に搬送してＡｒガスで上部容器３を大気圧まで昇圧した後、試料取り出し口３ａからＳｉＣ単結晶を取り出す。
【００７２】
この様にして、成長室３５内における混合ガスの滞留時間を長くすることができ、その結果、混合ガス中のＳｉとＣのモル数に対する種結晶３４上に結晶成長したＳｉＣ単結晶のモル数の割合である収率を向上させることができる。
【００７３】
具体的には、るつぼ３０内では、3SiH4(gas)+C3H8(gas)+Ar(gas) → 3SiC(solid) + 10H2(gas)+Ar(gas)、等の反応が起きている。そのため排出ガスは理想的には水素とアルゴンとなるが、るつぼ３０内でのガスの滞留時間が短い場合はＳｉＨ4とＣ3Ｈ8がＳｉＣ化せずにるつぼ３０外に排出されてしまう。そのため、本実施形態のように混合ガスがるつぼ３０内に滞るようにすれば理想的な状態に近くなり、混合ガスが高効率で種結晶３４上に結晶成長することが可能になり、収率を向上させることができる。
【００７４】
なお、結晶成長時において、種結晶３４又はＳｉＣ単結晶の温度は導入配管５０の下方に取り付けたパイロメータによりこれらの温度を測温し、これらの温度がるつぼ３０よりも低くなるように設定することができる。従って、るつぼ３０や台座３３の配置状態や熱的劣化に伴う温度変化に関わらず、混合ガスが種結晶３４又はＳｉＣ単結晶の表面で一定温度で結晶化することができる。
【００７５】
なお、この様な製造装置では、台座３３はシャフト８に接続され、ＳｉＣ単結晶の結晶成長の進行により上方向（上部容器３方向）に移動させることができる構成になっている。そのため、限られた空間である成長室３５内であっても、結晶を連続的に長尺に成長させることができる。
【００７６】
（第２実施形態）
図２は第２実施形態に係る製造装置の概略断面図である。以下、主として第１実施形態と異なる部分について述べ、図２中、図１と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【００７７】
本実施形態では、第１実施形態と比較して第２の部材３２の形状が異なる。図２に示すように、第２の部材３２の壁面３７の中央部には突出部３８が設けられている。突出部３８は、第２の筒状部材３６の内側に向けて突出するように形成され、突出部３８の内部には第２の筒状部材３６の内側と第２の部材３２の外部とを連通する連通通路３８ａが形成されている。この連通通路３８ａにおいて、導入配管５０側の断面積が、成長室３５側の断面積よりも小さくなっている。具体的には、導入配管５０側から成長室３５側に向かうにつれて断面積が大きくなっており、表面に段差部等の凹凸が形成されていない構成となっている。
【００７８】
そして、第１の部材３１が第２の筒状部材３６と突出部３８との間に挟まれ、第１の部材３１の壁面３７側の先端部と壁面３７との間に隙間が形成されるように配置されている。これにより、突出部３８が壁面３７から種結晶３４側に突出した状態となり、連通通路３８ａによって成長室３５と導入配管５０とが連通された構成となる。
【００７９】
この様な構成のるつぼ３０の特徴部分を第１実施形態と同様に言い換えれば以下のような構成になっている。第２の部材３２に相当するコップ形状部材の底部の中央付近にコップ形状部材の入口方向に突出させた突出部３８が形成され、この突出部３８に、第１の部材３１に相当する円筒部材の内側の空間（成長室３５）とるつぼ３０の外部とを繋ぐ連通通路３８ａが形成された構成となっている。そして、連通通路３８ａを介して導入配管５０と成長室３５とが連通されている。
【００８０】
上述の様な構成のるつぼ３０に設けられた突出部３８では、連通通路３８ａの成長室３５側における断面積が導入配管５０側における断面積よりも大きいため、種結晶３４近傍での混合ガスの流速を遅くすることができる。そのため、種結晶３４近傍に長時間混合ガスを滞留させることができる。従って、混合ガスの多くの成分を種結晶３４上に結晶成長させることができるため、ＳｉＣ単結晶の収率を向上させることができる。
【００８１】
この場合、連通通路３８ａの表面に段差部などがあると、混合ガスがその部位に滞ってしまい、連通通路３８ａ内に結晶成長に好ましくないガスが形成される恐れがある。
【００８２】
しかしながら、本実施形態では、連通通路３８ａの断面積が種結晶３４に向かうに連れて大きくなっており、連通通路３８ａの表面に段差部等が形成されていないなめらかな形状になっているため、連通通路３８ａにおけるガスの滞りを防止することができる。
【００８３】
また、本実施形態において第１実施形態と異なる部分として、台座３３のうち種結晶３４が取り付けられている側とは反対側に冷却用のガスを供給する様な構成になっている。具体的には、図２に示す様に、シャフト８の内部にガスを供給するための冷却用ガス配管１０を配置し、台座３３の近傍に冷却用のガスが供給されるように構成されている。この冷却用のガスとしては、例えばＡｒガスを用いることができ、冷却用ガス配管１０を通じて例えば５リットル／分の流量のＡｒガスを台座３３の他面側に供給することができる。
【００８４】
この様に冷却用のガスを供給することにより、台座３３を介して種結晶３４又は種結晶３４に結晶成長したＳｉＣ単結晶の表面の温度をるつぼ３０の温度よりも低くすることができる。このため、混合ガスの多くの成分を種結晶３４上に結晶成長させることができ、ＳｉＣ単結晶の収率を向上させることができる。
【００８５】
なお、冷却用ガス配管１０を用いて台座３３近傍にガスを供給しているため、小流量のガスで効率的に種結晶３４又は種結晶３４に結晶成長したＳｉＣ単結晶を冷却することができる。
【００８６】
また、本実施形態において第１実施形態と異なる部分として、るつぼ３０に対する上部容器３側に、成長室３５から排出される混合ガスを通過させる部屋としてのガストラップ容器４０を設けている。このガストラップ容器４０は成長室３５よりも低温になっている。また、ガストラップ容器４０にはるつぼ３０の排出部と連通する開口部４１がるつぼ３０側の一面に形成されており、るつぼ３０とは反対側の他面には１つの開口部４２が形成されている。この他面の開口部４２と位置合わせして、断熱部材７にも開口部７ａが形成されている。
【００８７】
この様にガストラップ容器４０が設けられているため、るつぼ３０から排出される混合ガスはガストラップ容器４０を通過する。混合ガスによる堆積物は温度が低い部位に堆積し易いため、このガストラップ容器４０に堆積物を堆積させることができる。従って、混合ガスの成分を固体化して混合ガス中の成分濃度を低減化することができる。その結果、混合ガスを装置の外部に排出する排気配管６が、混合ガスによる堆積物により詰まることを抑制することができる。
【００８８】
なお、堆積物はこのガストラップ容器４０の壁面に堆積するため、ガストラップ容器４０内におけるガスの流路は十分に確保される。また、ガストラップ容器４０はるつぼ３０と別体で設けて、堆積物の量が多くなったら適宜交換すれば良い。
【００８９】
なお、図２に示すように本実施形態では第１の部材の先端部と壁面３７との距離は図１に示す第１実施形態よりも広くなっているが、第１の部材３１と第２の部材３２との構成により、るつぼ３０から混合ガスが排出され難ければ、第１の部材の先端部と壁面３７との距離を広くしても良い。
【００９０】
なお、上記第１実施形態では、導入配管５０を３つの異なる部材を有して構成し、また第１及び第２の断熱部材５１、５２を設けることにより導入配管に温度勾配を設けたが、図２に示すように１つ（又は２つ）の部材から構成し第１及び第２の断熱部材５１、５２を設けなくても良い。
【００９１】
（他の実施形態）
上記実施形態では、主として第１の部材３１と第２の部材３２との間隔を調節して狭くて長い通路を通って混合ガスをるつぼ３０外に排出させることで、成長室３５内における混合ガスの滞留時間を長くしたが、るつぼ３０に混合ガスを導入する導入口の断面積をるつぼ３０から混合ガスを排出する排出口の断面積よりも大きくすることにより、るつぼ３０内に混合ガスが滞るようにしても良い。
【００９２】
また、るつぼ３０がどのような構成であっても、るつぼ３０内、特に成長室３５内の混合ガスの流れが粘性流になっていると、混合ガスのるつぼ３０内における滞留時間が長くなり、好適にＳｉＣの収率を向上させることができる。
【００９３】
また、上記実施形態では、第１の部材３１の内壁に高融点金属を形成して混合ガスによる第１の部材３１の劣化を防止したが、この第１の部材３１の劣化が特に問題とならない場合は第１の部材３１の内壁に高融点金属を形成しなくても良い。
【００９４】
また、上記実施形態ではキャリアガスとしてＡｒを用いているが、Ａｒ以外にもＨｅ等の不活性ガスを用いることができる。また、上記実施形態では、混合ガスにＨ2を含めるようにしているがＨ2をキャリアガスとしても良い。Ｈ2やＨｅはＳｉＨ4やＣ3Ｈ8よりも熱伝導度が高いため、種結晶３４又はＳｉＣ単結晶表面に到達した際に、これらの表面から熱を奪うことができる。従って、これらの表面がるつぼ３０よりも低温になるため、ＳｉＣの結晶成長を促すことができ、収率を向上させることができる。
【００９５】
【実施例】
まず、台座３３に種結晶３４を取り付け、るつぼ内の所定の位置に種結晶３４を配置した。この際、種結晶３４は、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）のＳｉ面が成長室３５側に向くように配置した。
【００９６】
そして、容器１内を真空排気すると共に、導入配管５０を介してＡｒを１０リットル／分の流量で導入した。また、ＲＦコイル９に電力を投入し、るつぼを２４００℃に昇温加熱した。
【００９７】
その後、るつぼ３０の温度が２４００℃で安定した時点で容器１の中の圧力を２．６６×１０4Ｐａとし、上述の混合ガスとキャリアガスをマスフローコントローラにより流量を調節してるつぼ３０内に導入した。これらのガスの流量は、ＳｉＨ4を１リットル／分、Ｃ3Ｈ8を０．２７リットル／分、Ｈ2を１リットル／分、Ｎ2を０．４リットル／分、Ａｒを５リットル／分とした。
【００９８】
結晶成長時において、種結晶３４又は種結晶３４上に結晶成長したＳｉＣ単結晶の表面温度を、導入配管５０の下方に配置したパイロメータにより測定して、この表面温度を２３５０℃に制御した。また、シャフト８を回転させることで結晶表面での温度分布とガス濃度分布を均一化した。
【００９９】
結晶成長開始後１時間経過した時点で、Ｘ線装置を用いたるつぼ３０の透過像の観察から、結晶成長中に結晶成長量をモニタリングした。その結果、その成長量から成長速度が１．５ｍｍ／時であることが分かった。この成長速度にあわせてシャフト８を上方に引き上げ、結晶成長を引き続き行った。
【０１００】
この様にして結晶成長を４０時間行った時点でＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8、Ｈ2、Ｎ2のガスの供給を停止し、ＲＦ電源の電力を下げ降温した。その後、作製したＳｉＣ単結晶を上部容器３へ搬送しＡｒガスで上部容器３を大気圧まで昇圧した後、試料取り出し口３ａより取り出した。
【０１０１】
上記の実験の後、ＳｉＨ4とＣ3Ｈ8の投入量を基準にしてＳｉＣ単結晶の収率を求めたところ、２０％と高効率であることが分かった。
【０１０２】
また、ＳｉＣ単結晶の成長量を測定したところ５７ｍｍほどの成長量であった。取り出したＳｉＣ単結晶のインゴットは成長した表面の中央に（０００１）面のファセットとを有していたことから、中心対象に温度分布、ガス濃度分布が形成できていることが分かった。
【０１０３】
更にＳｉＣ単結晶からＳｉＣ単結晶切断機を使用して厚さ５００μｍのウエハを切り出し研磨した。この様にして得られたＳｉＣウエハのラマン散乱分光特性を調べた結果、６Ｈ−ＳｉＣ結晶多形であることが分かった。また、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（３２５ｎｍ）をＳｉＣウエハに照射し、面内の発光特性分布を調査した結果、ウエハ全面で同じ結晶多形の６Ｈ−ＳｉＣであることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における製造装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態における製造装置の概略断面図である。
【図３】従来の製造装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１０…冷却用ガス配管、３０…るつぼ、３１…第１の部材、
３２…第２の部材、３３…台座、３４…種結晶（炭化珪素単結晶基板）、
３５…成長室、３６…第２の筒状部材、３７…壁面、３８…突出部、
３８ａ…連通通路、５０…導入配管。
【図１】
0003959952.tif 000002
【図２】
0003959952.tif 000003
【図３】
0003959952.tif 000004