(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核上にＳｉＣを形成するための装置であって、
るつぼを形成するとともに、少なくとも１つの壁によって画成され、かつ、ＳｉＣ核を受容し得る第１容器と、
ＳｉＣソースを形成するＳｉＣ粉末貯蔵器と、
前記ＳｉＣソースと前記ＳｉＣ核との間に第１温度勾配を確立し得る加熱手段と、を具備してなり、
前記ＳｉＣ粉末貯蔵器が、前記第１容器の内部に配置され、
前記壁が、実質的に、少なくとも１つのＳｉＣ層により囲まれていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ＳｉＣ層は、粉末の形態をなすＳｉＣ粉末層であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記容器は、円筒側壁、底部、およびカバーにより画成され、前記円筒側壁の全体が、前記ＳｉＣ粉末層により囲まれていることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記円筒側壁の下部および前記底部は、前記ＳｉＣ粉末貯蔵器を形成していることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記カバーは、前記ＳｉＣ核に対する支持体を有していることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項６】
前記支持体は、前記カバーのうちの、前記底部の方を向いている突出部であることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記加熱手段は、前記壁を囲んでいる前記ＳｉＣ層と、前記ＳｉＣ核と、の間において、第２温度勾配を確立することができ、
前記第１および第２温度勾配は、同一の符号を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記第１容器を囲む第２容器を具備し、
該第２容器は、円筒側壁を有し、
前記第１および第２容器の前記円筒側壁どうしの間には、クリアランスが設けられ、
該クリアランスは、前記ＳｉＣ粉末層を形成するＳｉＣ粉末を含有していることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項９】
前記第２容器の前記円筒側壁と、前記カバーと、の間に、犠牲リングを具備していることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記第１容器の前記円筒側壁、前記底部、および、前記カバーは、グラファイト製であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記第１容器の前記円筒側壁、前記底部、および、前記カバーは、ＴｉＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＭｏＣのうちの少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
請求項１記載の装置を使用してＳｉＣインゴットを形成するための方法であって、
ａ）ＳｉＣ核を前記第１容器内に配置し、
ｂ）前記第１容器を真空引きし、
ｃ）前記核をクリーニングし、
ｄ）ＳｉＣを前記核上に成長させる、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記ステージｃ）において、前記核の温度Ｔg 、前記ソースの温度Ｔs 、および、ＳｉＣ層の温度Ｔc が、Ｔg ＞Ｔs 、かつ、Ｔg ＞Ｔcとされていることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ステージｄ）において、前記核の温度Ｔg 、前記ソースの温度Ｔs 、および、ＳｉＣ層の温度Ｔc が、Ｔs ＞Ｔc ＞Ｔg とされていることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記真空引きステージｂ）に先立って、前記容器の前記壁と前記容器カバーとの間に、少なくとも１つのシリコンスペーサが配置され、
前記ステージｂ）に後に、前記カバーを前記壁に対してシールするために、前記シリコンスペーサが溶融されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核上に単結晶シリコンカーバイドを形成するための装置および方法に関するものである。以降においては、シリコンカーバイドは、ＳｉＣと略称される。
【０００２】
本発明は、さらに詳細には、所定の結晶形態の単結晶シリコンカーバイドインゴットの製造に適用される。これらインゴットは、マイクロエレクトロニクスにおいて使用可能な基板の製造に使用することができる。
【０００３】
【従来の技術】
下記文献（１）には、マイクロエレクトロニクスにおけるシリコンカーバイドウェハの使用が開示されている。そのような使用においては、シリコンカーバイドは、良好な結晶品質を有していなければならない。
【０００４】
エレクトロニクス級の品質を有したシリコンカーバイドを製造するための、公知方法は、ＳｉＣ粉末の昇華に基づいている。昇華したＳｉＣは、単結晶ＳｉＣからなる核上に、凝集する。
【０００５】
図１は、この昇華プロセスを行うために使用される装置を、例示するものである。装置は、全体的に円筒状の側壁１１を有するグラファイト製るつぼ１０を備えているとともに、カバー１２により覆われている。るつぼ１０およびカバー１２は、昇華容器１４を形成している。昇華容器１４の底部には、シリコンカーバイドインゴットを形成することを意図された核１６が配置されている。
【０００６】
るつぼの円筒壁１１は、上部に、ＳｉＣ粉末の貯蔵所をなすチャンバ１８を備えている。薄いあるいは微細なグラファイト隔壁２０が、チャンバ１８と昇華容器１４とを隔離している。
【０００７】
るつぼ１０は、図１には図示していない炉内に配置されている。炉によって、チャンバ１８内のシリコンカーバイド粉末、および、核１６が、加熱される。ＳｉＣ粉末および核は、それぞれ温度Ｔ1 、Ｔ2 にまで加熱される。この場合、例えば、温度Ｔ1 は、温度Ｔ2 よりも大きい。
【０００８】
チャンバ１８のシリコンカーバイドは、熱の作用のもとに昇華し、隔壁２０を横切り、そして、容器１４内において、とりわけ核１６上に成膜される。
【０００９】
図１に示す装置は、下記文献（２）に記載されている。この文献においては、核上へのインゴットの成長時に、カーボンソースを形成し得る程度に、るつぼを形成するためのグラファイトが選択されることが望ましい。
【００１０】
上記装置は、シリコンカーバイドの昇華には、不適合であると思われる。チャンバ１８内のシリコンカーバイド粉末からの蒸気は、単にＳｉＣだけを含有しているわけではなく、ＳｉＣ、ＳｉＣ2 、Ｓｉ2Ｃ 、Ｓｉ、Ｓｉ2 、Ｓｉ3 、Ｃ2 、Ｃ3 の混合物である。さらに、粉末からは、カーボンの量よりも、全体的に多めのシリコンが蒸発することがわかっている。しかしながら、例えば、グラファイト壁中へのシリコンの拡散といったような他の現象は、容器内に存在するシリコン蒸気の低減をもたらす。
【００１１】
図１に示す装置の場合には、チャンバ１８内のＳｉＣ粉末の昇華によって形成された蒸気内に含有されているシリコンは、厚いるつぼ壁１１内に、とりわけチャンバ１８の下方の壁内に、拡散する傾向がある。
【００１２】
このようなシリコンの損失は、得られたＳｉＣインゴットのグラファイト化を引き起こす。しかしながら、インゴット内におけるグラファイト状態へのカーボンの転化は、結晶品質を低下させるとともに、結晶成長を阻害する。このことは、マイクロエレクトロニクス用途への基板製造に対して、不利となる。
【００１３】
グラファイト化現象を回避するための１つの方法は、ＳｉＣとＳｉとの両方を含むソース粉末を（チャンバ１８内において）使用することである。このように、ソースにおいてシリコンを多くしておくと、ＳｉＣインゴットの成長の初期におけるグラファイト化を回避することができる。これに関しては、下記文献（３）を参照することができる。
【００１４】
〔参考文献〕
（１）米国特許第５，３４９，２０７号
（２）米国特許第４，８６６，００５号
（３）Ｉ．Ｇａｒｃｏｎ氏他による E-MRS 1994, Spring meeting, Strasbourg, France Symposium E, High Temperature Electronics, pp 1-8 における、”Study of SiC Single Crystal Sublimation Growth Conditions”
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インゴット成長の全体を通して、蒸気成分中におけるシリコンの過剰度を一定に維持することは、できない。したがって、グラファイト化を完全に避けることができず、実際には、ただ遅らせるのみである。
【００１６】
よって、本発明の目的の１つは、核上にシリコンカーバイドを形成するための装置であって、とりわけ、ＳｉＣのインゴットを形成するための装置に関するものであって、上記のような制限を受けない装置を提案することである。
【００１７】
本発明は、また、グラファイト化現象を回避しつつ、良好な結晶品質を有するＳｉＣインゴットを成長させることを、目的としている。
【００１８】
本発明の他の目的は、前記装置でもってＳｉＣインゴットを形成するための方法を提案することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、さらに詳細には、核上にＳｉＣを形成するための装置であって、るつぼを形成するとともに、少なくとも１つの壁によって画成され、かつ、ＳｉＣ核を受容し得る第１容器と、ＳｉＣの主要ソースを形成するＳｉＣ粉末貯蔵器と、ＳｉＣソースとＳｉＣ核との間に第１温度勾配を確立し得る加熱手段と、を具備する装置に関するものである。
【００２０】
本発明においては、第１容器の１つまたは複数の壁が、実質的に、少なくとも１つのシリコンカーバイド層により囲まれている。壁が実質的にＳｉＣ層で囲まれているということは、ＳｉＣ層が前記壁の表面全体を囲んでいる場合か、あるいは、前記壁の表面の主要部を囲んでいる場合か、のいずれかであると考えられる。
【００２１】
核上へのＳｉＣ形成時において、シリコンカーバイド層のうちの少なくとも壁を囲んでいる部分は、付加的なＳｉＣソースとして作用し、主要ソースからのシリコンが壁内に拡散することを補償することができる。
【００２２】
この効果は、また、壁のシリコンカーバイド層と核との間において、温度差を確立することによって、補強することができる。加えて、本発明の有利な形態においては、壁を囲むシリコンカーバイド層とＳｉＣ核との間において、温度勾配を確立し得る加熱手段を装備することができる。主要ＳｉＣソースと核との間の第１温度勾配、および、壁上のＳｉＣソースと核との間の第２温度勾配は、同一の符号を有している。この場合、壁上のＳｉＣ層は、少なくとも一部が、付加的なソースとして作用する。主要ソースに関しては、壁を実質的に囲んでいるシリコンカーバイドは、粉末の形態とすることができる。
【００２３】
本発明による装置の格別の実施形態においては、容器は、円筒側壁、底部、およびカバーにより画成されている。円筒側壁の全体が、外面において、ＳｉＣ粉末層により覆われている。さらに、後述するように、核上へのＳｉＣ成長時には、ＳｉＣ層は、また、円筒側壁の内面にも形成される。この内面に形成されたＳｉＣ層は、また、核に対して、付加的なＳｉＣソースをなす。
【００２４】
有利には、側壁の下部および容器の底部は、主要ソースをなすＳｉＣ粉末貯蔵器を形成することができる。よって、主要ソースは、昇華容器内に直接的に配置される。同様に昇華容器内に配置されたシリコンカーバイド核は、カバーの支持体に対して固定することができる。
【００２５】
前記支持体は、容器底部の方を向くように、つまりシリコンカーバイド主要ソースの方を向くように、カバーから突出して形成されていることが好ましい。
【００２６】
よって、核上への単結晶ＳｉＣインゴットの成長時には、多結晶シリコンカーバイドが、また、容器壁上やカバー上に形成される。核支持体をカバーから突出させることにより、核周辺におけるカバー上に形成されるとともにその成長速度が単結晶ＳｉＣの成長速度よりも速い多結晶シリコンカーバイドが、形成されるインゴットを覆わないことを、保証する。
【００２７】
インゴットの形成時においては、１つまたは複数の壁上およびカバー上に成膜されるシリコンカーバイドは、壁上においてカバーを密封状態にシールする。さらに、インゴットの成長操作が完了して容器を開ける際に、容器を壊さないために、犠牲リングを、壁とカバーとの間に配置することができる。このようなリングは、容器を開ける際にはカットされ、各々の新規の成長操作時には再配置される。よって、るつぼを形成する容器は、複数回使用することができる。
【００２８】
本発明は、また、上記のような装置においてシリコンカーバイドインゴットを形成するための方法に関するものである。
【００２９】
本発明による方法は、以下のステージを連続して行う。すなわち、
ａ）ＳｉＣ核を第１容器内に配置し、
ｂ）第１容器を真空引きし、
ｃ）核をクリーニングし、
ｄ）ＳｉＣを核上に成長させる。
【００３０】
ステージｃ）においては、核は、表面状態を改良するために、クリーニングされる。その場合、核の温度Ｔg は、主要ソースの温度Ｔs 、および、容器壁を囲むＳｉＣ層の温度Ｔc の双方よりも、高温に維持される。この場合、核は、ソースのように作用し、核から昇華が起こる。この昇華は、核表面の研磨のような効果を有している。
【００３１】
ステージｄ）においては、主要ソースの温度Ｔs は、容器壁を囲むＳｉＣ層の温度Ｔc よりも、高温に維持される。付加的なソースをなすこの層自身は、核の温度Ｔg よりも、高温に維持される。
【００３２】
よって、ソース・核間の温度勾配、および、ＳｉＣ層・核間の温度勾配は、なお同一の符号を有している。しかし、この符号は、ステージｃ）（負勾配）とステージｄ）（正勾配）との間で変化する。
【００３３】
本発明の他の特徴点および利点は、例示のためのものであって本発明を何ら限定するものではない、添付図面を参照しながらの以下の説明により、明瞭となるであろう。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、既に説明済みの図であって、核上にＳｉＣを形成するための公知の装置を示す概略的な断面図である。
図２は、本発明による装置の実施形態を示す概略的な断面図であって、真空引きステージが示されている。
図３は、図２に示す装置の概略的な断面図であって、シリコンカーバイドインゴットの形成ステージが示されている。
【００３５】
図２に図示された本発明による装置は、第１容器１００、および、同中心の第２容器１０４を備えている。この場合、第１容器１００は、るつぼを形成しているとともに、側方が第１円筒壁１０２により画成されている。また、第２容器１０４は、第２円筒側壁１０６により画成されている。
【００３６】
容器１００、１０４は、熱容量が大きいという機能を本質的に有している厚さの厚い底部１１０と、容器の上部を覆うカバー１１２と、を備えている。
【００３７】
第２容器１０４の第２円筒壁１０６は、第１容器１００の第１円筒壁１０２を、これら壁どうしの間に環状クリアランス１１４が形成されるような状態で、囲んでいる。環状クリアランス１１４には、本質的にシリコンカーバイド粉末が充填されている。この粉末は、本発明の特徴点として、第１容器１００の壁１０２を囲むＳｉＣ層１１６を形成している。
【００３８】
円筒壁１０２の下部、および、底部１１０は、ＳｉＣ粉末が充填される貯蔵器１１８を形成している。この貯蔵器１１８は、インゴットを形成するための、ＳｉＣの主要なソースをなしている。
【００３９】
複数の側壁、底部、およびカバーからなるアセンブリは、グラファイト製であることが好ましい。この材料は、シリコンカーバイドの昇華条件に課せられた制約に適合している。グラファイト製るつぼは、高温（２５００℃）に耐えることができ、気圧に耐えることができる。
【００４０】
さらに、グラファイトは、ＳｉＣに対して、熱力学的平衡を維持する。この性質は、ＳｉＣとのいかなる反応をも避けることができ、結局、装置の劣化を防止することができる。最後に、グラファイトは、シリコンカーバイドのドーピング物質ではなく、高純度で得ることができる。
【００４１】
例えばＴｉＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＭｏＣのような他の材料も、また、装置を製造するために使用することができる。しかしながら、これらは、比較的高価であり、さらに、熱衝撃に対して比較的脆いものである。
【００４２】
１つまたは複数の導体巻線は、るつぼのための、誘導加熱手段１２０を形成している。巻線は、図に示すように、Ｚ方向に、側壁に沿って縦軸で配置することができる。これにより、装置の異なる部材を、様々に加熱することができる。
【００４３】
初めに、ＳｉＣ核１２２が、カバー１１２の突起１２４に、例えばシュガーにより取り付けられる。そして、グラファイト製リング１２６を第２容器１０４の壁１０６の頂部に配置した後、核付きのカバーが、るつぼ上に配置される。この場合、核１２２は、貯蔵器１１８内のＳｉＣ粉末の方を向いている。
【００４４】
グラファイトリング１２６とカバーのエッジとの間には、１つまたは複数のシリコン製スペーサ１２８が、配置される。これらスペーサは、カバーがリング上に密着してしまってるつぼをシールしてしまわないことを、保証している。
【００４５】
装置を囲んでいる容器内において真空引きが行われる。これにより、例示したようにして、約１〜２０Ｔｏｒｒ（１３０〜２６００Ｐａ）にまで、るつぼの内部が減圧される。装置を囲む容器は、図においては、装置を囲む破線で示されている。
【００４６】
適切な真空度に達すると、るつぼの温度を上昇させるために、加熱手段１２０が励起される。温度が１４１０℃に到達すると、あるいは１４１０℃を超えると、シリコン製スペーサ１２８が溶融し、図示したように、カバーが、リング１２６に当接する。
【００４７】
後述するように、核の表面のクリーニングを行うために、核は、まず、クリアランス１１４内のＳｉＣ粉末および貯蔵器１１８内のＳｉＣ粉末の温度を超える温度にまで、加熱される。この場合、巻線は、高位置に配置されている。
【００４８】
次に、さらにるつぼの底部を加熱するために、巻線が下げられる。この場合、第１および第２ソースは、核の温度よりも、高温にまで温度が上げられる。
【００４９】
貯蔵器内のＳｉＣ粉末の温度は、例えば、２２００〜２３５０℃の範囲に選択され、一方、核の温度は、２０００〜２２４０℃の範囲に選択される。
【００５０】
ＳｉＣのソース、つまり、貯蔵器１１８内の粉末およびクリアランス１１４内の粉末の温度が、核の温度よりも高温に維持されたときには、シリコンカーバイドは、ソースから昇華して、核上に単結晶の形態で凝集する。よって、核の品質の関数として、１つまたはそれ以上の結晶形態のインゴットを形成することができる。
【００５１】
本発明の特徴点の結果として、主要ソース、すなわち貯蔵器１１８内の粉末の昇華に基づく、シリコンのるつぼ壁内への拡散を、防止または補償することができる。
【００５２】
この場合、側壁を囲んでいるＳｉＣ粉末層は、また、ＳｉＣソースとして作用する。このような側壁のＳｉＣソースからのＳｉＣ蒸気は、多孔性側壁１０２を挿通し、この壁内へのシリコンの拡散を制限する。多孔性側壁は、シリコンカーバイドによって徐々に閉塞されるようになり、その後は、壁自身があたかもＳｉＣソースのように作用する。
【００５３】
また、ソースからのＳｉＣ蒸気は、本質的に多結晶ＳｉＣの形態で、第１容器の壁内面にも凝集することに、注意が必要である。
【００５４】
よって、ＳｉＣインゴットの形成プロセスにおいては、容器壁全体は、内部が、図３において符号１３０で示すような第２のＳｉＣ層で覆われる。結局、側壁は、凝集によって形成されたＳｉＣ内層１３０で覆われるとともに、ＳｉＣ粉末によって構成された外層で囲まれている。
【００５５】
図３に示すように、多結晶ＳｉＣ層１３０は、また、カバー１１２を覆い、カバー１１２を側壁において密封状態にシールする。
【００５６】
層１３０は、２つの機能を有している。この層は、一方においては、核の周囲に、ＳｉＣによってのみ構成されている環境を形成することができるとともに、核に対してＳｉＣソースとして作用する。よって、形成されるインゴットの結晶品質の向上に寄与する。他方においては、層１３０は、るつぼの密封性を高め、主ソースのＳｉＣの昇華に基づくシリコンの拡散を防止する。
【００５７】
核上に形成されたインゴットは、参照符号１３２で示されている。成長に要する時間は、例えば、３０分〜数時間の範囲とすることができる。その後、るつぼは、冷却され、リング１２６は、容器を開けてインゴット１３２をカバー上にもってくるために、カットされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  核上にＳｉＣを形成するための公知の装置を示す概略的な断面図である。
【図２】  本発明による装置の実施形態を示す概略的な断面図であって、真空引きステージが示されている。
【図３】  図２に示す装置の概略的な断面図であって、シリコンカーバイドインゴットの形成ステージが示されている。
【符号の説明】
１００  第１容器
１０２  円筒側壁
１０４  第２容器
１０６  円筒側壁
１１０  底部
１１２  カバー
１１４  クリアランス
１１６  ＳｉＣ層
１１８  ＳｉＣ粉末貯蔵器
１２０  加熱手段
１２２  ＳｉＣ核
１２４  突出部
１２６  犠牲リング
１２８  シリコンスペーサ
【図１】
0004108782.tif 000002
【図２】
0004108782.tif 000003
【図３】
0004108782.tif 000004