(57)【要約】【課題】欠陥の極めて少ない炭化珪素単結晶が得られる炭化珪素単結晶製造用の反応容器および炭化珪素単結晶製造装置の提供。【解決手段】開口部が形成され、内部に昇華用原料が装入される坩堝本体１２と、前記坩堝本体１２の開口部を密閉する蓋部１１と、前記坩堝本体１２の内部における前記蓋部１１の内側に、前記開口部を密閉するように装着されるとともに、前記坩堝本体１２における昇華用原料Ｒｍが装入される部分に相対する側の面に種結晶Ｓｃが配設される封止部１３とを備え、封止部１３と、坩堝本体１２および蓋部１１の内側面との間に隙間が形成されている炭化珪素単結晶製造用の反応容器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が形成され、内部に昇華用原料が装入される反応容器本体と、
前記反応容器本体の開口部を密閉する蓋部と、
前記反応容器本体における前記蓋部の内側に、前記開口部を密閉するように装着されるとともに、前記反応容器本体における昇華用原料が装入される部分に相対する側の面に種結晶が配設される封止部と
を備え、前記封止部と、前記反応容器本体および前記蓋部の内側面との間には隙間が形成されてなることを特徴とする炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項２】
前記反応容器本体は上面が開口した円筒状容器であり、前記蓋部は前記反応容器本体の上面開口部に嵌合する有底円筒状の蓋体である請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項３】
前記封止部は、前記反応容器本体に対して凹陥してなる請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項４】
前記封止部は、底面が反応容器本体の底面に相対するように前記反応容器本体に装着される有底円筒体である請求項３に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項５】
前記封止部は、前記蓋部に向かって縮小する円錐台状である請求項３に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項６】
前記封止部は黒鉛から形成されてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器と、前記反応容器を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項８】
前記加熱手段は、前記反応容器における昇華用原料が装入される部分を加熱する第１加熱手段と、前記反応容器における前記封止部が装着される部分を加熱する第２加熱手段とからなる請求項７に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項９】
前記第１加熱手段と前記第２加熱手段は何れも誘導加熱コイルである請求項８に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項１０】
前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間に配設され、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間の干渉を防止する干渉防止手段を備える請求項９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、炭化珪素単結晶製造用の反応容器および炭化珪素単結晶製造装置に関し、特に、残留応力の小さな炭化珪素単結晶が得られる炭化珪素単結晶製造用の反応容器および前記反応容器を有する炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は珪素と比較してバンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、対放射線性に優れ、熱伝導度が大きいことから、特にパワーデバイスの材料として注目されている。
【０００３】
パワーデバイスは炭化珪素のウェハー上に形成されるが、そのためには、充分な大きさのウェハーを切り出すのに充分な大きさの単結晶を製造する必要がある。
【０００４】
炭化珪素の単結晶を製造する方法は、従来、いくつか提案されているが、これらの方法は、何れも得られる炭化珪素単結晶中に多結晶や異なる結晶形の炭化珪素が混入したり、中空パイプ状の結晶欠陥であるマイクロパイプが多数生じたりするという問題があった。
【０００５】
そこで、このような問題を解決した炭化珪素単結晶の製造装置として、たとえば、炭化珪素の粗結晶のような昇華用原料を収容する上面が開口した黒鉛製の反応容器本体と前記反応容器本体の開口部を覆蓋するとともに種結晶が配置される同じく黒鉛製の蓋部と、前記反応容器本体と蓋部とから構成される反応容器を加熱する誘導加熱コイルとを備える製造装置が提案された。
【０００６】
前記製造装置においては、反応容器本体に収容された昇華用原料が昇華し、蓋部に配置された単結晶の周りに炭化珪素が再結晶化して中央部に単結晶が、周囲に多結晶が成長する。
【０００７】
しかしながら、上記製造装置を用いても、蓋部に成長した炭化珪素の結晶が冷却すると、中央部の単結晶の部分と周囲の多結晶の部分との熱膨張率の差に起因して単結晶中に残留応力が発生する。そして、前記残留応力に起因して単結晶中に割れや異なる結晶形の混入やマイクロパイプなどの欠陥が生じることが多かった。
【０００８】
このような問題を解決するものとして、反応容器内の第１端部に昇華用原料を収容し、前記反応容器内の昇華用原料に略対向する端部に炭化珪素の種結晶を配置し、昇華させた昇華用原料を前記種結晶上に再結晶させて炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素の製造方法であって、前記反応容器内部に封止部を設け、昇華させた昇華用原料の昇華性雰囲気からの漏洩を前記封止部により防止しつつ、前記封止部に設けた種結晶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が提案された（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−３５２５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の製法方法によれば、冷却後に炭化珪素の単結晶に残存する内部応力を大幅に減少させることができ、したがって、前記残留応力に起因する割れなどの問題もほぼ解決された。
【００１０】
しかしながら、炭化珪素デバイスを高い生産性で製造する観点からは、より直径の大きなウェハーが望まれ、したがって、更に大きく、しかも内部欠陥のない単結晶を製造することが望まれている。そのためには、得られる単結晶内の残留応力は限りなく０に近いことが望ましく、したがって、炭化珪素単結晶中の残留応力を更に低減できる製造装置や製造方法が求められている。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、残留応力が極めて小さく、したがって欠陥の極めて少ない炭化珪素単結晶が得られる炭化珪素単結晶製造用の反応容器および炭化珪素単結晶製造装置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】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、開口部が形成され、内部に昇華用原料が装入される反応容器本体と、前記反応容器本体の開口部を密閉する蓋部と、前記反応容器本体における前記蓋部の内側に、前記開口部を密閉するように装着されるとともに、前記反応容器本体における昇華用原料が装入される部分に相対する側の面に種結晶が配設される封止部とを備え、前記封止部と、前記反応容器本体および前記蓋部の内側面との間に隙間が形成されてなることを特徴とする炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００１３】
前記反応容器においては、封止部の内側の面に種結晶を装着し、次いで反応容器本体の開口部に封止部と蓋部とで密閉し、反応容器本体の昇華用原料を装入した部分を炭化珪素の昇華温度以上に加熱することにより、昇華用原料から昇華した炭化珪素が封止部の種結晶の周りに成長して炭化珪素の単結晶を形成する。
【００１４】
ここで、前記封止部と、前記反応容器本体および前記蓋部の内側面との間には隙間が形成されているから、封止部と反応容器本体の内壁および蓋部とが接着することがない。したがって、冷却時に、封止部が、反応容器本体および蓋部の収縮応力を受けることがないから、封止部の内側に成長した炭化珪素単結晶が熱応力を受けることもない。故に熱応力に起因する割れや欠陥が単結晶内部に生じることもない。
【００１５】
昇華用原料としては、炭化珪素粗結晶の粉末や塊などが使用される。炭化珪素粗結晶は、アチソン法などの公知の方法によって製造できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記反応容器本体が上面の開口した円筒状容器であり、前記蓋部が前記反応容器本体の上面開口部に嵌合する有底円筒状の蓋体である請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００１７】
前記反応容器は、反応容器本体および蓋部の何れも有底円筒状であるから作成が容易である。また、昇華用原料は、前記反応容器本体の底部に装入されるから、昇華用原料から発生した昇華ガスは反応容器内を上昇して封止部で炭化珪素単結晶として析出し、昇華が円滑に進行する。そして、封止部内においては、炭化珪素結晶は下方に向かって、即ち重力方向に沿って析出するから、単結晶内部に重力による余分な負荷が加わらない点でも好ましい。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記封止部が前記反応容器本体に対して凹陥してなる請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００１９】
前記反応容器においては、昇華用原料から発生した昇華ガスは、前記封止部の凹陥面において炭化珪素単結晶として析出するから、前記封止部が平面状である場合に比較して単結晶が拡がり、より大口径の単結晶が得られる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、前記封止部が、底面が反応容器本体の底面に相対するように前記反応容器本体に装着される有底円筒体である請求項３に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００２１】
前記反応容器においては、封止部は有底円筒体であるから形状が単純であり、作成が容易である。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、前記封止部が、前記蓋部に向かって縮小する円錐台状である請求項３に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００２３】
前記反応容器においては、封止部は、外側に向かって縮小し、言い換えれば昇華用原料から昇華ガスが流れてくる方向に向かって拡大するテーパー面を有しているから、炭化珪素単結晶が形成される領域が、封止部が有底円筒状である場合に比較してより外側に広がり、より大口径の炭化珪素単結晶が得られる。また、単結晶中に残留する残留応力もより小さくなる点でも好ましい。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、前記封止部が黒鉛から形成されてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器に関する。
【００２５】
封止部としては炭化珪素に近い熱膨張係数を有する黒鉛材を選択することができ、前記反応容器においては、炭化珪素単結晶を封止部内に析出させた後に常温まで冷却したときの前記炭化珪素単結晶と封止部との収縮率の差が低減される。これにより、封止部から炭化珪素単結晶に加わる応力を低く抑えることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶製造用の反応容器と、前記反応容器を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【００２７】
前記炭化珪素単結晶製造装置においては、反応容器本体に昇華用原料を装入し、封止部および蓋部を装着して加熱手段で加熱することにより、前記昇華用原料から昇華ガスが揮発し、封止部の内側の面に炭化珪素単結晶として析出する。このようにして炭化珪素単結晶を製造できる。
【００２８】
請求項８に記載の発明は、前記加熱手段は、前記反応容器における昇華用原料が装入される部分を加熱する第１加熱手段と、前記反応容器における前記封止部が装着される部分を加熱する第２加熱手段とからなる請求項７に記載の炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【００２９】
前記炭化珪素単結晶製造装置においては、第１加熱手段と第２加熱手段とを別個に制御することにより、昇華用原料が装入された部分を昇華ガスが最も効率的に発生する温度に制御し、第２加熱手段によって封止部の温度を炭化珪素単結晶の析出に最も適した温度に制御するなど細かな反応条件の制御が可能である。
【００３０】
請求項９に記載の発明は、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段とが何れも誘導加熱コイルである請求項８に記載の炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【００３１】
前記炭化珪素単結晶製造装置においては、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段とは何れも誘導加熱コイルであるから、ヒータを用いる場合に比較して反応容器本体および封止部の温度を迅速に、しかも正確に制御できる。
【００３２】
請求項１０に記載の発明は、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間に配設され、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間の干渉を防止する干渉防止手段を備える請求項９に記載の炭化珪素単結晶製造装置に関する。
【００３３】
前記第１加熱手段および前記第２加熱手段として誘導加熱コイルを用いると、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間に干渉が生じることがあるが、前記炭化珪素単結晶製造装置においては、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段との間に干渉防止コイルや干渉防止板などの干渉防止手段を設けることにより、前記干渉の発生を防止している。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように本発明によれば、残留応力が極めて小さく、したがって欠陥の極めて少ない炭化珪素単結晶が得られる炭化珪素単結晶製造用の反応容器および前記反応容器を有する炭化珪素単結晶製造装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
１．実施形態１
実施形態１に係る単結晶製造装置１は、本発明の炭化珪素単結晶製造装置の一例であって、図１に示すように、本発明の反応容器に相当する円柱状の坩堝１０と、坩堝１０を収容する石英管３０と、石英管３０の内側において坩堝１０を下方から支持する支持棒３１と、石英管３０に巻回され、坩堝１０の底面近傍を加熱する第１誘導加熱コイル２０と、同じく石英管３０に巻回され、坩堝１０の頂面近傍を加熱する第２誘導加熱コイル２１と、第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル２１との間に配設された干渉防止コイル２２とを備える。第１誘導加熱コイル２０および第２誘導加熱コイル２１は夫々本発明における第１加熱手段および第２加熱手段に相当する。
【００３６】
坩堝１０は、本発明の反応器本体に相当し、図１および図２に示すように、昇華用原料Ｒｍが装入される有底円筒状の坩堝本体１２と、坩堝本体１２の上面開口部を覆蓋する蓋部１１とを備える。蓋部１１は、坩堝本体１２の上面開口部に螺合して坩堝本体１２を密閉するように形成されている。蓋部１１および坩堝本体１２は、何れも黒鉛で形成されていることが好ましい。黒鉛として、炭化珪素とほぼ同一の熱膨張率を有する素材を選択し、蓋部１１および坩堝本体１２の何れも同一素材の黒鉛で形成されていれば、加熱時に熱膨張率の差によって蓋部１１と坩堝本体１２との接合部に隙間が生じてガスの漏洩を招くことはない。更に、少なくとも内面がガラス状黒鉛から形成されていれは、高温時においてガスの放出が少ないから好ましい。蓋部１１および坩堝本体１２の何れも、黒鉛の粉末を所定の形状に焼結して製造してもよいが、所定の形状のフェノール樹脂−炭素繊維複合体を形成し、これを非酸化性雰囲気で加熱してフェノール樹脂を黒鉛化することにより形成することが好ましい。
【００３７】
坩堝本体１２の上面開口部近傍は、図１の（Ａ）および図２に示すように、昇華用原料Ｒｍが装入される部分に比較してより大きな内径を有し、境界部には段差１２Ａが形成されている。坩堝本体１２における蓋部１１の内側には封止部１３が装入されている。
【００３８】
封止部１３は有底円筒状であって、開口側端部には半径方向に沿って外側に向かって延在するフランジ部１３１が形成されている。封止部１３は、底部１３２が蓋部１１の側を向き、フランジ部１３１が坩堝本体１２の段差１２Ａに当接するように配設されている。封止部１３は、坩堝本体１２内に装着された状態において、蓋部１１および坩堝本体１２の間に隙間が形成される。隙間の大きさは５〜１０ｍｍ程度が好ましい。なお、封止部１３は、図３の（Ａ）に示すように上方に向かって縮小する円錐台状であってもよい。封止部１３が円錐台状に形成されていれば、坩堝本体１２に挿入された昇華用原料から昇華した昇華ガスが封止部１３で効率的に捕集され、より大口径の炭化珪素単結晶が得られるから好ましい。
【００３９】
坩堝本体１２における封止部１３のフランジ部１３１と蓋部１１との間には、封止部１３が、坩堝本体１２に装入された昇華用原料が昇華した昇華ガスの圧力で浮き上がらないように、円筒状のスペーサ１４が装入されている。封止部１３およびスペーサ１４の材質としては黒鉛が好ましく、中でもガラス状黒鉛が好ましい。封止部１３およびスペーサ１４もまた、蓋部１１や坩堝本体１２と同様、黒鉛粉末を所定の形状に焼結して形成してもよく、所定の形状のフェノール樹脂−炭素繊維複合体を形成し、これを非酸化性雰囲気で加熱してフェノール樹脂を黒鉛化することにより形成してもよい。
【００４０】
第１誘導加熱コイル２０、第２誘導加熱コイル２１、および干渉防止コイル２２としては、ムクの導体をコイル状に巻回したものが用いられるが、導体管、たとえば銅管をコイル状に巻回し、内部に水を流して冷却できるようにしたものが好ましい。
【００４１】
以下、単結晶製造装置１を用いて炭化珪素単結晶を製造する手順について説明する。
先ず、坩堝本体１２の内部に昇華用原料を装入する。
【００４２】
前述のように昇華用原料としては、粉末状の炭化珪素粗結晶が使用される。前記炭化珪素粗結晶としては種々の結晶多形（ポリタイプ）のものが使用できる。具体的には、４Ｈ、６Ｈ、１５Ｒ、３Ｃなどが挙げられるが、４Ｈおよび６Ｈが好適である。但し、異なる結晶型の炭化珪素が混在していてもよい。炭化珪素粗結晶の平均粒径は１０〜７００μｍ程度が好ましく、１００〜４００μｍ程度が特に好ましい。炭化珪素粗結晶の平均粒径が前記範囲内であれば、後述する昇華温度で速やかに焼結を起して表面積が縮小したり、粗結晶自体の被表面積が過小に過ぎたりして充分な単結晶成長速度が得られないという問題が生じない。
【００４３】
このような炭化珪素粗結晶としてはたとえばアチソン法によって珪砂とコークスとから合成されるものが使用される。
【００４４】
他には、加熱により珪素を生じる珪素源化合物と加熱により黒鉛化する炭素源化合物とを混合し、または必要に応じて重縮合させた後、非酸化性雰囲気下で加熱、分解することによって得られる炭化珪素粉末も使用される。
【００４５】
珪素源化合物としては、酸化珪素、シリカゾル、二酸化珪素などの無機珪素化合物、またはモノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、テトラアルコキシシランなどのアルコキシシラン類およびそれらの重合体などの有機珪素化合物が使用される。珪素源化合物としては、エトキシシランやテトラエトキシシラン、テトラエトキシシランオリゴマー、テトラエトキシシランオリゴマー−微粉末シリカなどが好ましい。
【００４６】
そして、炭素源化合物としては、非酸化性雰囲気で加熱することによって架橋して黒鉛化し易い化合物が挙げられる。具体的には、各種フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ピッチ、タールなどが挙げられる。中でも各種フェノール樹脂が好ましく、特にレゾール型フェノール樹脂が好ましい。
【００４７】
坩堝本体１２に昇華用原料を装入したら、封止部１３の底部１３２に適宜の方法で種結晶Ｓｃを固定した後、フランジ部１３１が下になるように封止部１３を坩堝本体１２の上面開口部に挿入する。なお、種結晶としては、前記炭化珪素粗結晶からレーリー法によって得られた板状単結晶が使用できる。封止部１３は、フランジ部１３１が坩堝本体１２の段差１２Ａで保持されることにより、坩堝本体１２内の所定の位置に保持される。封止部１３を挿入したら、スペーサ１４を挿入し、蓋部１１を坩堝本体１２の上端縁部に切られた螺子に螺合させて坩堝本体１２に固定する。これにより、坩堝本体１２が密閉される。
【００４８】
坩堝本体１２が密閉されたら、坩堝１０の内圧をアルゴンガスなどの不活性ガスで所定の圧力、具体的には１３３３．２２〜１３３３２．２Ｐａの範囲に調節しつつ、坩堝本体１２および蓋部１１を夫々第１誘導加熱コイル２０および第２誘導加熱コイル２１で加熱する。これにより、図１および図３において（Ｂ）に示すように、封止部１３の内側に炭化珪素単結晶が析出する。
【００４９】
坩堝本体１２と蓋部１１との加熱温度は、蓋部１１の温度が坩堝本体１２の温度よりも低くなるようにする。そして、封止部１３内部の再結晶雰囲気の温度が、坩堝本体１２内部の昇華雰囲気の温度よりも３０〜３００℃、好ましくは３０〜１５０℃低くなるように第１誘導加熱コイル２０および第２誘導加熱コイル２１における加熱温度を設定することが好ましい。なお、加熱温度は、坩堝本体１２内部の昇華雰囲気の温度が２５００〜２６００℃になるように設定することが好ましい。封止部１３と蓋部１１との間には隙間が形成されているから、蓋部１１の表面温度と封止部１３内部の温度とが対応しなくなる可能性があるが、第２誘導加熱コイル２１の電流値に基づいて温度制御を行うことにより、封止部１３と蓋部１１とが密着している場合と殆ど同様の精度で封止部１３内の温度を制御できると考えられる。
【００５０】
反応装置１においては、坩堝１０が全体として円柱状であるから、形状が単純であり、坩堝本体１２および蓋部１１の何れも作成が容易である。また、昇華用原料Ｒｍは坩堝本体１２の底部、換言すれば坩堝１０の底部に挿入されるから、昇華用原料Ｒｍから発生した昇華ガスは坩堝１０内を上昇して封止部１３で炭化珪素単結晶として析出する。したがって、昇華が円滑に進行する。また、炭化珪素結晶は下方に向かって、即ち重力方向に沿って析出するから、単結晶内部に重力による余分な負荷が加わらない点でも好ましい。
【００５１】
また、封止部１３と坩堝本体１２および蓋部１１との間には隙間が形成されているから、封止部１３内に単結晶を析出させた後、坩堝１０を冷却したときに、坩堝本体１２および蓋部１１からの収縮力が封止部１３内の単結晶に加わることがない。したがって、得られた炭化珪素単結晶内に、前記収縮力に起因する割れや欠陥が生じることがない。また、封止部１３と坩堝本体１２の段差１２Ａとの隙間から昇華ガスが漏れて封止部１３と坩堝本体１２および蓋部１１との隙間で炭化珪素が再結晶化しても、再結晶化した炭化珪素が余り大量でなければ、封止部１３と坩堝１０とが前記炭化珪素で接着することはないから、封止部１３が、坩堝１０からの収縮力を直接受けることはないと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、実施形態１に係る単結晶製造装置の全体的な構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す単結晶製造装置における坩堝の構成を示す分解図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る単結晶製造装置の別の例につき、全体的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１      単結晶製造装置
１０      坩堝
１１      蓋部
１２      坩堝本体
１２Ａ    段差
１３      封止部
１４      スペーサ
２０      第１誘導加熱コイル
２１      第２誘導加熱コイル
２２      干渉防止コイル
３０      石英管
３１      支持棒
１３１      フランジ部
１３２      底部
【図１】
2009249263.tif 000003
【図２】
2009249263.tif 000004
【図３】
2009249263.tif 000005