(57)【要約】      （修正有）【課題】昇華再結晶法による炭化珪素単結晶の製造において、坩堝上蓋の温度を非接触で測定するための放射光通過孔への昇華ガスの侵入を抑制し、放射光通過孔の閉塞を防止することが可能な炭化珪素単結晶製造装置の提供。【解決手段】炭化珪素原料を充填する坩堝本体と内面に種結晶１を設置する上蓋４とからなる黒鉛製坩堝３において、上蓋４が断熱材７で覆われ、断熱材７は厚み方向に貫通した貫通孔を備えており、貫通孔には黒鉛製の円筒状部材１３が、一端が上蓋４に接続し、他端が断熱材７を貫通して断熱材７の表面から２０〜１００ｍｍの長さで突出するように配置された昇華再結晶法による炭化珪素単結晶製造装置。【選択図】図５
2017154953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素原料を充填する坩堝本体と内面に種結晶を設置する上蓋とからなる黒鉛製坩堝の外側が断熱材で覆われて、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造するための炭化珪素単結晶製造装置であって、前記上蓋の表面を覆う断熱材が厚み方向に貫通した貫通孔を備えて、該貫通孔には黒鉛製の円筒状部材が配置されていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項２】
前記円筒状部材の内径が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項３】
前記円筒状部材が断熱材の貫通孔に配置された状態で、断熱材の表面から円筒状部材が２０〜１００ｍｍの長さで突出することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項４】
前記円筒状部材の一端が、上蓋の表面中央部に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝本体と上蓋とからなる黒鉛製の坩堝を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する際に、坩堝の上蓋の温度測定を安定して行うことができる炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。SiCは、化学組成が同じでも、多数の異なった結晶構造を取る結晶多形(ポリタイプ)構造を持つ代表的物質である。ポリタイプとは、結晶構造においてSiとCの結合した分子を一単位として考えた場合、この単位構造分子が結晶のc軸方向([0001]方向)に積層する際の周期構造が異なることにより生じる。代表的なポリタイプとしては、6H、4H、15R又は3Cがある。ここで、最初の数字は積層の繰り返し周期を示し、アルファベットは結晶系(Hは六方晶系、Rは菱面体晶系、Cは立方晶系)を表す。各ポリタイプは、それぞれ物理的、電気的特性が異なり、その違いを利用して各種用途への応用が考えられている。例えば、6Hは、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス用基板として用いられ、4Hは、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしての応用が考えられている。
【０００３】
しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は十分には確立されておらず、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、広く実用化されるには未だ課題が多い。
【０００４】
従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%もあること等により、多くの欠陥(〜107cm-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。
【０００５】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶｛0001｝面基板を種結晶として用いて昇華再結晶を行う、改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献１)。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を100Pa〜15kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。図２を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。種結晶となるSiC単結晶を坩堝の上蓋（坩堝蓋）内面に設置し、原料となるSiC結晶粉末(通常、アチソン(Acheson)法で作製された研磨材を洗浄・前処理したものが使用される)は、坩堝(通常黒鉛)の下部に充填され、坩堝ごと二重石英管の内部に設置されて、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(133〜13.3kPa)、2000〜2400℃に加熱される。この際、原料粉末に比べ種結晶がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配(温度勾配により形成される)により、種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。この際、結晶の体積抵抗率は、不活性ガスからなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、あるいは、SiC原料粉末中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、SiC単結晶構造中のシリコン又は炭素原子の位置を不純物元素にて置換させる(ドーピング)ことで、制御可能である。SiC単結晶中の置換型不純物として代表的なものに、窒素(n型)、ホウ素、アルミニウム(p型)がある。これらの不純物によりキャリア型及び濃度を制御しながら、SiC単結晶を成長させることができる。現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から口径2インチ(50.8mm)から6インチ(150.0mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル薄膜成長、デバイス作製に供されている。
【０００６】
上記したように、SiC単結晶は黒鉛製坩堝内にて高温下で昇華した原料が温度勾配により形成される濃度勾配によって拡散、輸送され種結晶上へ到達し、そこで再結晶化することで成長する。このため、結晶成長における坩堝内の温度分布の制御は極めて重要な技術となる。改良レーリー法によるSiC単結晶成長において必要となる、黒鉛坩堝を2000〜2400℃の高温に加熱する方法としては、高周波印加による誘導加熱が一般的に使用されている。具体的には、高周波により導電性材料中に発生する誘導電流によって導電性材料（本事例では黒鉛製坩堝）自体が発熱することを利用する。坩堝の形状としては、高周波誘導電流による発熱が導電性材料のキャリアによる遮蔽効果のため内部に浸透せず導電性材料の表面で生じる（表皮効果）ことから、坩堝内での温度分布を均等にしやすいとして、円柱型の坩堝が常用される。
【０００７】
また、発熱体である黒鉛からの熱損失を抑え2000℃以上の高温を維持させる目的で、断熱材で坩堝周囲を覆うことがこれも一般的に用いられている。この際、高周波が直接坩堝に作用するように、断熱材としては導電性の無い材料か、誘導電流の発生しにくい構造にする必要がある。実際には、黒鉛製フェルトが断熱材として一般的に用いられている。
【０００８】
実際に断熱材を配置する場合、成長時の坩堝内部での温度分布が結晶成長にとって理想的な分布となるように断熱材に加工を施す。具体的には、結晶成長中のインゴット形状が凸形状を維持できるように、種結晶が内面に取り付けられる坩堝の上蓋を覆う断熱材（上部断熱材）の中央に抜熱目的の孔を開けることで（断熱材の厚み方向に貫通した貫通孔を設けることで）、上蓋中央からの抜熱を周辺部よりも促進させて周辺部よりも中央付近が低温となり、結晶成長速度も増加することで結果として成長中の凸形状が維持できる。
【０００９】
成長時において坩堝の温度を制御することは極めて重要であるため、実際には、上記のようにして温度分布設定用に開けた上蓋中央の断熱材の抜熱孔を利用して、その下に見える黒鉛坩堝からの放射光を検出することで坩堝上部（上蓋）の温度を放射温度計により測定し、成長時の温度計測およびそれに基づく加熱炉の電力調整を行っている（図3（a））。しかしながら、成長途中に原料から昇華した昇華ガスの一部が坩堝から漏れ出して拡散し、より低温部である抜熱孔（温度測定の際に放射光通過用の孔としても利用）の上部付近の断熱材に付着する現象が発生する（図3（b））。
【００１０】
この現象により、成長時間途中で断熱材の抜熱孔の上部の周囲への付着物によって孔径が狭まるため、そこからの放射光を利用した坩堝上部の温度測定が乱され、正確な温度が計測できなくなるという問題が顕在化した。すなわち、結晶成長自体は温度測定が妨げられても維持できるが、実際の温度が途中から分からなくなるために本来理想とする「成長全般に亘っての温度計測による制御」が出来なくなるため、特に成長後半における温度制御が出来なくなり、再現性に優れた安定した結晶成長を継続することが困難となっていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V.F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52 (1981) pp.146-150.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上述べてきたように、種結晶を用いた昇華再結晶法におけるSiC単結晶成長時間全般に亘って、黒鉛坩堝上蓋の温度を安定して測定できなかった原因は、成長時に原料から発生する昇華ガスの一部が坩堝外に漏れた際に坩堝の上蓋を覆う断熱材に設けた抜熱用の孔（同時に温度測定のための坩堝からの放射光通過孔の役割を持つ）に昇華ガスが付着して孔を塞ぐことであった。
【００１３】
そこで、本発明では、上記の従来技術での問題を解決し、結晶成長時間全般に亘り、放射光通過孔でもある断熱材の抜熱孔の閉塞を防止して、安定した温度測定を実現する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】
【００１４】
すなわち、本発明の要旨は、
（１）炭化珪素原料を充填する坩堝本体と内面に種結晶を設置する上蓋とからなる黒鉛製坩堝の外側が断熱材で覆われて、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造するための炭化珪素単結晶製造装置であって、前記上蓋の表面を覆う断熱材が厚み方向に貫通した貫通孔を備えて、該貫通孔には黒鉛製の円筒状部材が配置されていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置、
（２）前記円筒状部材の内径が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の炭化珪素単結晶製造装置、
（３）前記円筒状部材が断熱材の貫通孔に配置された状態で、断熱材の表面から円筒状部材が２０〜１００ｍｍの長さで突出することを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素単結晶製造装置、
（４）前記円筒状部材の一端が、上蓋の表面中央部に接続されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の炭化珪素単結晶製造装置、
である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の製造装置によれば、高周波印加による誘導加熱を用いた昇華再結晶法によるSiC単結晶成長において、坩堝上部（上蓋）の温度測定を結晶成長全般に亘って安定して行なえることにより、結晶性の良好なSiC単結晶を高い歩留まりで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係るSiC単結晶製造装置の円筒状部材の様子を示す概略図であり、（ａ）は坩堝上蓋と円筒状部材との関係を示し、（ｂ）は坩堝上蓋と断熱材と円筒状部材との関係を示す。
【図２】図２は、改良レーリー法を説明するための図である。
【図３】図３は、従来のSiC単結晶製造装置での成長時間中における状態変化を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明に係るSiC単結晶製造装置での成長時間中における状態変化を説明するための図である。
【図５】図５は、実施例で使用したSiC単結晶製造装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る実施の形態を以下に説明する。
本発明は、炭化珪素原料を充填する坩堝本体と内面に種結晶を設置する上蓋とからなる黒鉛製坩堝の外側が断熱材で覆われて、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造するための炭化珪素単結晶製造装置であり、本発明者らは、坩堝上部に相当する坩堝上蓋の温度を非接触の温度計で測定するための放射光の通過孔となる断熱材の抜熱孔に対する、上述したような昇華ガスの侵入が抑制できれば、放射光通過孔が閉塞される問題が解決できると考え、試行錯誤を行い本発明に至った。すなわち、坩堝上蓋の表面を覆う断熱材が厚み方向に貫通した貫通孔を備えて、該貫通孔には黒鉛製の円筒状部材が配置されるようにする。
【００１８】
より詳しくは、図１に例示したように、坩堝上蓋の表面中央部に接するように黒鉛製の円筒状部材を設けるようにしてその一端を上蓋に接続させ、該黒鉛製円筒状部材が坩堝の上蓋の上に設けた断熱材を貫通して、他端を突き出させるのが好ましい。このようにして、円筒状部材の内部を放射光の通過孔として用いれば、黒鉛製の円筒状部材は根底部（根本部分）で坩堝の上蓋と接しており、接合部は昇華ガスの侵入が抑制できるようになっているため、結晶成長時間全般に亘り安定した温度測定を行うことができると共に、坩堝上蓋における中央からの抜熱を周辺部よりも促進させることができて種結晶に対する好適な成長結晶の凸形状を維持することができる。
【００１９】
従来、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶の製造においては、図３に示したように、成長が進むにつれて坩堝から漏れ出した昇華ガスが二重石英管内を拡散し、他に比べて低温部である断熱材の抜熱孔に付着して孔を塞いでしまったり、放射光を遮ってしまうなどの問題が生じていた。それに対して、本発明によれば、放射光透過用の孔の位置まで拡散した昇華ガスは、黒鉛製の円筒状部材が坩堝上蓋表面の断熱材を貫通して設けられているため、図４に示したように、仮に漏れ出した昇華ガスが付着したとしても円筒状部材の外側（外周）での付着に留まり、円筒状部材の内側となる空間は常に放射光が遮られることなく通過できて、成長全般を通して安定した温度測定が可能となる。
【００２０】
ここで、黒鉛製の円筒状部材の長さは、短すぎると円筒状部材と断熱材との僅かな隙間を通過した昇華ガスが回り込んで筒状部材の内部に侵入して付着する現象が発生するため、好ましくは、円筒状部材が断熱材の貫通孔に配置された状態で、断熱材の表面から突出している円筒状部材の長さは少なくとも２０mm（すなわち上部断熱材の厚さよりも２０mm長いことになる）必要であり、反対に、同部分（突出している部分）が長過ぎても坩堝運搬の点等で支障があるため１００mm以下であるのがよい。断熱材から突出している円筒状部材の長さは３０mm〜７０mmが更に好ましい。
【００２１】
また、黒鉛製の円筒状部材の内径に関しては、抜熱量と測温のために十分な面積の光が得られる条件を満足する必要があり、好ましくは５mm以上であることが望ましく、かつ大きすぎると抜熱による温度分布への影響が出るために２５mm以下であることが望ましく、より好ましくは１０mm〜１６mmであることが望ましい。
【００２２】
本発明におけるSiC単結晶製造装置は、上記のように坩堝上蓋を覆う断熱材を貫通させて円筒状部材を設けること以外は、従来公知の製造装置と同様にすることができる。ここで、例えば坩堝の形状としては、種結晶を保持でき、SiC原料粉末を収容できれば、円柱、円錐、多角柱、多角錐等のどのような形状でもよいが、坩堝から外部への放熱に関して、周方向における放熱量の均一性において優れている円柱形が最適である。それ以外についても同様であり、坩堝内でSiC原料を昇華させて種結晶上に再結晶させる昇華再結晶法に用いられる公知の製造装置を使用することができる。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明の実施例について述べる。なお、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。
【００２４】
（実施例１）
先ず、この実施例で使用した単結晶成長装置（本発明に係るSiC単結晶製造装置）について、図５を用いながら簡単に説明する。結晶成長は、種結晶を用いた従来の昇華再結晶法と同様であり、黒鉛製坩堝３を構成する坩堝本体に装入したSiC結晶粉末２を昇華させ、種結晶として用いたSiC単結晶１上で再結晶化させることにより行われる。種結晶のSiC単結晶１は、高純度黒鉛製の坩堝３を構成する上蓋４の内面に取り付けられる。原料のSiC結晶粉末２は、高純度黒鉛製坩堝３を構成する坩堝本体の下部に充填される。このような黒鉛製坩堝３は、二重石英管５の内部に入れられて、黒鉛の支持棒６により設置される。また、黒鉛製坩堝３の周囲には、断熱性向上のための黒鉛製フェルト（断熱材）７が設置されている。
【００２５】
ここで、上記の二重石英管５は、真空排気装置１１により高真空排気(10-3Pa以下)することができ、かつ、内部雰囲気をガス流量調節計１０を通って導入されるArガスにより圧力制御することができる。各種ドーピングガス(窒素、トリメチルアルミニウム、トリメチルボロン)も、ガス流量調節計１０を通して導入することができる。また、二重石英管５の外周には、ワークコイル８が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝３を加熱し、SiC原料２及び種結晶１を所望の温度に加熱することができる。更には、成長途中の結晶表面の温度分布を下に凸型に調整するために、坩堝上部の上蓋４を覆うフェルトの中央部に抜熱孔（直径22mm）が設けられ、この抜熱孔（フェルトの厚み方向に貫通した貫通孔）から検出できる放射光により図示外の放射温度計を用いて坩堝上蓋４の温度を測定する。ここでは、フェルト中央部の抜熱孔１２に黒鉛製の円筒状部材１３が配置されるようにした。詳しくは、坩堝上蓋４の表面中央部にその一端が接続されるようにして黒鉛製の円筒状部材１３を配置した。接続方法は、図１（ｂ）に示したように、円筒状部材１３の先端外周の一部に雄ネジ部を形成し、坩堝上蓋４に雌ネジ部を形成して、これらを螺合させて（捻じ込んで）固定した。黒鉛製円筒状部材の寸法は、内径が１６mm、外径が２２mmである。また、坩堝上蓋４の表面を覆う黒鉛製フェルト７の厚みは１０mmであり、黒鉛製の円筒状部材１３はこの断熱材のフェルト（抜熱用兼温度測定用の孔を開けている）の孔１２部分を貫通して断熱材フェルトの上に突出した形となっており、断熱材７から突出した部分の長さは６０mmとした。
【００２６】
次に、本発明の結晶成長装置を用いたSiC単結晶の製造について実施例を説明する。先ず、種結晶１として、口径１５０mmの(0001)面を有した4HポリタイプのSiC単結晶ウェハを用意した。この種結晶のオフセット角度は｛0001｝面から４°の角度を有するものを使用した。次に、種結晶１を黒鉛製坩堝３の上蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の下部には、アチソン法により作製したSiC結晶粉末（SiC原料）２を充填した。次いで、SiC原料２を充填した黒鉛製坩堝３を、上蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せて、二重石英管５の内部に設置した。そして、二重石英管５の内部を真空排気した後、ワークコイル８に電流を流して、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして高純度Arガス(純度99.9995％)を流入させ、二重石英管５内の圧力は成長全体を通じて１．３kPaに保った。この圧力下において、原料温度を２０００℃から目標温度である２４００℃まで上昇させ、その後、同温度を保って約２０時間結晶成長を続けた。この成長時間中、成長開始時には窒素流量を０．５×１０-6m3/sec(同流量にて、成長結晶中の窒素濃度が種結晶中濃度と同等の1×1019cm-3となることから、この流量を用いた)とし、成長終了時まで保った。得られたSiC単結晶の口径は１５１mmであり、高さは３０mm程度であった。
【００２７】
こうして得られた炭化珪素単結晶について、上記のSiC単結晶の製造を繰り返して実験回数２０回での得られた単結晶の結晶品質について調べたところ、成長中盤以降の異種ポリタイプ混入によりマイクロパイプ欠陥が発生して結晶品質が劣化したものが２回のみに抑えられて、良好成長の歩留まりとして９０％が得られた。
【００２８】
（比較例１）
坩堝上蓋を覆う断熱材７に設けた抜熱孔１２（直径22mm）に対して黒鉛製円筒状部材１３を取り付けずに、そのまま温度を測定するようにした以外は実施例１と同様にしてSiC単結晶の成長を実施した。
【００２９】
こうして得られた実施例１とほぼ同程度の大きさの炭化珪素単結晶について、実験回数２０回で得られた単結晶の結晶品質を調べたところ、成長中盤以降の異種ポリタイプ混入によりマイクロパイプ欠陥が発生して結晶品質が劣化したものが８回あり、良好成長の歩留まりは温度分布の不安定性を反映した結果、６０％に留まった。
【符号の説明】
【００３０】
1  種結晶(SiC単結晶)
2  SiC結晶粉末（SiC原料）
3  黒鉛製坩堝
4  坩堝上蓋
5  二重石英管
6  支持棒
7  黒鉛製フェルト(断熱材)
8  ワークコイル
9  ガス配管
10 マスフローコントローラ
11 真空排気装置
12 抜熱孔（兼放射光透過孔）
13 黒鉛製円筒状部材
14 放射温度計
15 坩堝からの放射光
16 昇華ガス固化による付着物
【図１】
2017154953.tif 000003
【図２】
2017154953.tif 000004
【図３】
2017154953.tif 000005
【図４】
2017154953.tif 000006
【図５】
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