(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶製造容器内に種結晶と炭化珪素原料粉末を配して、上記原料粉末を昇華させ、上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる単結晶の製造方法において、上記容器下部内に上記原料粉末を収容するに際し、上記容器内空間に接する表面部に配置される上記原料粉末の粒子径が、底部に配置される上記原料粉末の粒子径より大径であり、これら大径の粒子間の間隙が、底部側で発生する昇華ガスの通路となるようにすることを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項２】
上記容器内空間に接する表面部の原料粉末が、粒径５００〜１０００μｍの大径粒子を主に含み、粒径２５０μｍ以下の小径粒子を含まないようにする請求項１記載の単結晶の製造方法。
【請求項３】
上記原料粉末を、上記容器内空間に接する表面部から底部へ向けて上記原料粉末の平均粒径が小さくなるように配置する請求項１または２記載の単結晶の製造方法。
【請求項４】
上記原料粉末を、上記容器内空間に接する表面部から底部へ向けて上記原料粉末の粒径分布が大きくなるように配置する請求項１または２記載の単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇華法によって炭化珪素等の単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（ＳｉＣ）等の単結晶を製造する方法として、昇華法が広く知られている。昇華法は、種結晶上に原料の昇華ガスを供給して炭化珪素単結晶を成長させる方法で、図４に示すように、黒鉛るつぼ１内にＳｉＣ原料粉末を収容して原料部２とし、るつぼ１を加熱して、発生する原料粉末の昇華ガスを、上部に配した種結晶４上で再結晶化させる。また、昇華法による単結晶の成長を制御する種々の方法が提案されており、その１つとして、特表平３−５０１１１８号公報には、原料粉末の組成や粒径分布、温度勾配等を制御することで、所望の結晶形のより大型の単結晶が得られることが開示されている。例えば、ＳｉＣ原料粉末の組成を規定することにより、生成する昇華ガス中の化学種の比率を一定とし、また、粒径分布を規定することにより、単位体積中の比表面積を一定にすることができ、発生する昇華ガスの一定性を高めて、一定した結晶成長を可能にすることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、昇華法によるＳｉＣ単結晶の成長量や品位は、昇華ガスの発生量およびその経時変化に大きく影響される。しかしながら、ＳｉＣ原料粉末は、るつぼ内空間に接している原料表面部から昇華する傾向がある。図４は原料部２各部の昇華効率を濃淡で表したもので、原料部２の深さ方向で昇華効率に分布があり、下方ほど昇華効率が低いことが分かる。しかも、原料表面部の原料粉末が底部より先に昇華して炭化および焼結するために、結晶成長が進むとこの炭化層および焼結層により表面に蓋がされたような状態となり、底部の原料粉末の昇華が阻害される問題があった。これは、特に原料が多い場合に顕著であり、このような状態では、昇華ガスの発生量が低減し、効率よい結晶成長が妨げられるおそれがある。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、原料部全体で均一な昇華を行って、効率よく昇華ガスを発生させ、かつその経時変化を小さくして、高品位の単結晶を効率よく製造する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１では、単結晶製造容器内に種結晶と炭化珪素原料粉末を配して、上記原料粉末を昇華させ、上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる単結晶の製造方法において、上記容器下部内に上記原料粉末を収容するに際し、上記容器内空間に接する表面部に配置される原料粉末の粒子径が、底部に配置される上記原料粉末の粒子径より大径であり、これら大径の粒子間の間隙が、底部側で発生する昇華ガスの通路となるようにする。
【０００６】
原料粉末の粒径が小さいと粒子同士の焼結が起こりやすく、粒子間の空間が小さくなって、昇華ガスを通しにくくなる。また、昇華が進んだ炭化層も同様に昇華ガスを通しにくくなること、上記容器内空間に接する表面部およびその近傍で上記原料粉末が焼結または炭化すると底部の昇華が阻害されることが、実験により判明した。そこで、本発明では、上記表面部およびその近傍の上記原料粉末で他の部分より大径粒子が多くなるようにし、粒子間の間隙を他の部分より大きくする。これにより原料底部で発生する昇華ガスを通しやすくなり、また、大径粒子は焼結や炭化が生じにくいので、昇華ガスの通路が閉塞されるのが防止できる。従って、原料底部の昇華が阻害されず、原料部全体で均一な昇華を行って、原料重量当たりの昇華量を増加させることができ、しかも、その経時変化を小さくして、良質の単結晶を効率よく製造することができる。
【０００７】
請求項２の方法では、上記容器内空間に接する表面部の原料粉末が、粒径５００〜１０００μｍの大径粒子を主に含み、粒径２５０μｍ以下の小径粒子を含まないようにする。好ましくは、粒径５００〜１０００μｍの大径粒子で主に構成すると、空間を形成し焼結等を抑制する上記効果が大きい。また、粒径２５０μｍ以下の小径粒子を含まないので、大径粒子間の間隙に小径粒子が入り込まず、粒子間の空間を大きくする効果が高い。
【０００８】
請求項３の方法では、上記原料粉末を、上記容器内空間に接する表面部から底部へ向けて平均粒径が小さくなるように配置する。粒径が小さいと単位重量当たりの表面積が大きくなり、また、単位重量当たりの表面積が大きいほど昇華ガスの発生量が多くなるので、原料底部の昇華を促進して、効率よい昇華が可能になる。
【０００９】
請求項４の方法では、上記原料粉末を、上記容器内空間に接する表面部から底部へ向けて上記原料粉末の粒径分布が大きくなるように配置する。粒径分布を大きくすることによってパッキングを密にし、単位体積当たりの原料量を大きくして、原料底部からの昇華量を増加させ、効率よい昇華を可能にする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の成長を例に説明する。図１（ａ）は本実施の形態で使用した単結晶製造装置の概略図で、単結晶製造容器となる黒鉛製のるつぼ１は、下半部内にＳｉＣ粉末を充填して原料部２となしてある。原料部２の上方は単結晶が成長するための空間部３となしてある。原料部２と対向するるつぼ１の頂面中央部には、図略の台座に支持されて種結晶４となるＳｉＣ単結晶が配設してある。種結晶４を構成するＳｉＣ単結晶は、例えばアチソン法による単結晶、またはアチソン結晶から成長させた昇華法単結晶等からなり、これを台座形状に合わせてウエハ状に加工した後、例えば、接着剤を用いて台座に接合される。
【００１３】
本発明では、図１（ｂ）に模式的に示すように、るつぼ１内にＳｉＣ粉末を充填する際に、空間部３に接する原料部２の表面部を含む上部が、他の部分より大径の粒子を多く含み、粒子間の間隙が他の部分より大きくなるようにする。好ましくは、空間部３に接する表面部を含む上部で、粒径５００〜１０００μｍの大径粒子を主に含み、粒径２５０μｍ以下の小径粒子を含まないようにＳｉＣ粉末を充填するのがよい。粒径が５００〜１０００μｍの範囲にある大径粒子を多く存在させることで、粒子同士の焼結や炭化を抑制し、粒径分布を小さく、特に、粒径２５０μｍ以下の小径粒子を含まないようにすることで、粒子間に空間を形成しやすくすることができる。
【００１４】
空間部３に接する表面部を含む上部より下方の部位では、粒径または粒径分布は特に規定されず、小径粒子を含んでもよい。図１（ｂ）では、原料部２の上部を粒径のほぼ同じ大径粒子のみで構成し、下部をより小径の粒子で構成するとともに、その粒径分布が
大きくなるようにしている。粒径分布が大きいとパッキングが密になり、空隙率が小さくなって単位重量当たりの表面積が大きくなる。つまり、原料部２の表面部と比較して底部の方が比表面積が大きければ、底部の昇華が促進されるので、深さ方向で均一な昇華が可能になる。なお、図１（ｂ）では、原料部２の上部と下部でＳｉＣ粉末の充填方法を変えたが、表面部から底部に向けて平均粒径が連続的または段階的に小さくなるようにしてもよい。あるいは、平均粒径は同じで、粒径分布が連続的または段階的に大きくなるようにしてもよく、同様の効果が得られる。
【００１５】
上記図１（ａ）の装置を用いて単結晶を製造する場合には、頂部に種結晶４を固定したるつぼ１内に、上記のようにしてＳｉＣ粉末を充填する。このるつぼ１を加熱装置内に配設し、図略のヒータで所定温度まで加熱する。るつぼ１内の雰囲気はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とし、減圧下で、所定温度に加熱すると、原料部２のＳｉＣ粉末が昇華し、昇華ガスとなって種結晶４に供給される。原料部２の温度は、通常、２０００℃〜２５００℃となるようにし、種結晶４の温度がこれより１０℃〜１００℃程度、低温となるように保持して、るつぼ１内に上下方向に温度勾配が形成されるようにする。この時、昇華ガスは、るつぼ１内の温度勾配に従い、高温の原料部２から低温の種結晶４へ流れ、種結晶４表面で再結晶化してＳｉＣ単結晶が成長する。
【００１６】
上記構成では、原料部２の上半部を小径粒子を含まない大径粒子で構成したので、粒子間の空間が大きく、また、結晶成長が進んでも、粒子同士の焼結や炭化または粒成長が起こりにくく、昇華ガスの通路が確保できる。さらに、原料部２の下半部をより小径の粒子で構成し、粒径分布を大きくして比表面積を大きくしたので、下半部のＳｉＣ粉末の昇華が促進され、深さ方向で均一な昇華を行うことができる。よって、下半部における原料の昇華が阻害されることがなく、原料部全体で均一な昇華を行い、原料重量当たりの昇華量を増加させることができる。かくして、効率よく昇華ガスを発生させ、かつその経時変化を小さくして、品質の良好な大型の単結晶を効率よく製造することができる。
【００１７】
図２に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、原料部２の表面部が凹凸を有する形状となるようにＳｉＣ粉末を充填する。昇華は空間部３に接する原料部２の表面積に依存し、表面積が大きいほど昇華量が多くなることから、凹凸を設けて表面積を大きくすることで、表面が平坦な場合より昇華ガスの発生量を多くして、結晶成長を促進することができる。また、図３に示す本発明の第３の実施の形態のように、ＳｉＣ粉末と化学的反応を起こしにくい材料、例えばＴａＣやグラファイトよりなる棒状または平板状部材５を、原料部２の表面部に埋設することもできる。この場合も、空間部３ないし棒状または平板状部材５と接する原料部２の表面が凹凸を有する形状となり、表面積を増大させて、昇華ガスの発生量を多くする同様の効果が得られる。
【００１８】
なお、上記各実施の形態では、ＳｉＣ単結晶の製造について説明したが、本発明に基づいて製造可能な単結晶はＳｉＣに限られるものではなく、例えば、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等、昇華法等の気相法により成長可能な単結晶のいずれに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態において使用した単結晶製造装置の全体概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部拡大断面図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施の形態において使用した単結晶製造装置の要部拡大断面図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施の形態において使用した単結晶製造装置の要部拡大断面図である。
【図４】図４は従来の単結晶製造方法における原料部の昇華効率を示す単結晶製造装置の全体概略断面図である。
【符号の説明】
１  るつぼ（単結晶製造容器）
２  原料部
３  空間部
４  種結晶
５  棒状または平板状部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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