JP2007204309A - 単結晶成長装置及び単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスガイド部に多結晶を付着させること無く、成長速度が大きく、且つ高品質な炭化珪素単結晶を得る方法を提供する。
【解決手段】単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、当該種結晶３に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶３側より大径の円錐状のガスガイド部９を配し、坩堝体２の加熱用の高周波コイル７位置を加熱時の坩堝内の等温線がガスガイド部９の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、坩堝蓋部１上に配置される断熱材８は、坩堝蓋部１と所定の距離を有して配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素等の単結晶の製造装置及び単結晶の成長方法に関するものであり、成長速度が大きく、且つ高品質な単結晶を得ることができる。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、大きな熱伝導率、低い誘電率、広いバンドギャップを有し、熱的、機械的に安定した特性を持っている。従って、炭化珪素を用いた半導体素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子よりも高い性能を持つ。その利用範囲は、高温の環境で使用される耐環境デバイス材料、耐放射線デバイス材料、電力制御用パワーデバイス材料、高周波デバイス材料などが期待されている。この炭化珪素単結晶の製造方法として、昇華再結晶法（「改良レーリー法」とも呼ばれる）が主に採用されている。

図９は、この昇華再結晶法に用いられる装置の概略図で、炭化珪素原料４として炭化珪素粉末が収容してある坩堝２と、種結晶支持部を備えた坩堝蓋部１より構成されており、炭化珪素種結晶３は、種結晶支持部に炭化珪素原料４に対向するように配置されている。この状態で、炭化珪素原料４側が高温に、炭化珪素種結晶３側が低温になるように加熱され、炭化珪素原料４の昇華ガスが低温の炭化珪素種結晶３上で再結晶化することにより炭化珪素単結晶５が成長する。

前記加熱の加熱方法としては、通常、反応管の周囲に螺旋状に巻かれたコイル７に高周波電流を流すことにより、坩堝に電流を発生させ発熱させる高周波誘導加熱が用いられる。この際、この炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度勾配は、単結晶の成長速度に大きく寄与し、温度勾配が大きいほど単結晶の成長速度は大きくなる。産業上の実用性を考えた場合、単結晶の成長速度は、数１００μｍ／ｈｏｕｒ以上は必要であると考えられる。従って、上記の炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度勾配も、この成長速度が可能である程度に大きくしなければならない。従来は、コイル７と坩堝２の相対位置を変化させて炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度および温度勾配（温度差）を制御する（非特許文献１）。

また、炭化珪素を昇華再結晶法で成長させる場合は、炭化珪素の昇華に必要な２０００℃以上に加熱する必要があるが、２０００℃以上の高温では、温度の４乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝２および坩堝上蓋１を断熱材８で覆う必要がある。

一方、図１０に示すように、原料４と種結晶３間に筒状（コーン状）ガスガイド部９を配置することで、昇華ガスを種結晶３に導き、効率良く単結晶５を成長させ、且つ高品質な単結晶５を得る技術が開示されている（特許文献１）。この技術において重要であるのは、坩堝内、特に前記ガスガイド部９内の等温線１０の形状である（非特許文献２）。昇華ガスは、等温線１０に直交する方向で低温側に移動するため、等温線１０とガスガイド部９の成す角θが９０°より大きいと、図１０（ａ）に示すように、ガスガイド部９へ向かう昇華ガスはなく、効率良く種結晶に輸送され、単結晶５のみが成長する。しかし図１０（ｂ）に示すように、等温線１０とガスガイド部９の成す角θが９０°より小さいと、昇華ガスの一部が、ガスガイド部９へ輸送され、ガスガイド部９に多結晶６が付着する。この多結晶６が単結晶５に接触すると、単結晶５の成長を阻害するとともに、単結晶５に歪を与えて、結晶欠陥が単結晶５内に発生し、結晶品質を著しく悪化させる。このように、上記等温線１０とガスガイド部９の成す角θを最適（９０°より大きく）にすることが、高品質な単結晶を得るために不可欠である。
特開２００２−６０２９７号公報 松波弘之編著，「半導体ＳｉＣ技術と応用」，初版，日刊工業新聞社，２００３年３月３１日，ｐ．１７ Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ Ｎｉｓｈｉｚａｗａ ｅｔ．ａｌ．，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ＳｉＣ Ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，Ｔｒａｎｓ Ｔｅｃｈ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００２，Ｖｏｌｓ．３８９−３９３，ｐ．４３−４６

しかしながら、発明者らが検討した結果、特許文献１に関して以下のような問題があった。前述のように、加熱の際は、炭化珪素原料４側が高温に、炭化珪素種結晶３側が低温になるように加熱しなければならず、この炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度勾配は、単結晶の成長速度に大きく寄与する。従来は、コイル７と坩堝２の相対位置を変化させて炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度および温度勾配を制御しており、炭化珪素原料４側が高温に、炭化珪素種結晶３側が低温に、且つこれらの温度勾配を大きくするには、坩堝２に対してコイル７の位置を下げなければならない。

しかし、発明者らの実験において、坩堝２に対してコイル７の位置を下げるとガスガイド部９に多結晶６が付着しやすくなった。そしてガスガイド部９に多結晶６が付着した結果、成長した単結晶５とガスガイド部９に付着した多結晶６が接触し、多結晶６が単結晶５に歪を与えて、クラックや転位といった結晶欠陥が単結晶５に発生した。シミュレーションにより、坩堝２内の温度分布を調べた結果、図７および図８に示すように、上記のガスガイド部９への多結晶６付着の原因は、坩堝２に対してコイル７位置を下げることで、上記の等温線１０とガスガイド部９の成す角θが９０°より小さくなり、原料ガスの一部がガスガイド部９に輸送されたためであることがわかった。

つまり、単結晶５の結晶成長速度を大きくしようと、坩堝２に対してコイル７位置を下げて、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４の温度勾配を大きくすると、ガスガイド部９に多結晶６が付着し、単結晶５の結晶品質を著しく悪化させるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガスガイド部に多結晶を付着させること無く、原料と種結晶の温度勾配を大きくし、高品質、且つ成長速度の大きい単結晶を得る方法を提供する。

前記課題を解決するために、本発明の単結晶成長装置は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、前記種結晶と原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、を備え、
前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴としたものである。

また、本発明の単結晶成長装置は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、当該種結晶に対し距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、前記種結晶と炭化珪素原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に当該坩堝に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、を備え、前記坩堝を覆って配置される前記断熱材は、当該坩堝に接して設置され、２０００℃における熱伝導率が０．５から１．５W／ｍ・Kであり、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴としたものである。

また、本発明の単結晶成長方法は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴としたものである。

また、本発明の単結晶成長方法は、単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴としたものである。

以下に、本発明を用いた単結晶の成長装置及び成長方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。また、単結晶として炭化珪素を用いて説明するが、他の単結晶の成長にも適用できることは当然である。

図１は、実施例１で用いた成長装置の概略図である。坩堝２内に炭化珪素原料４（炭化珪素粉末）を収容し、坩堝蓋部１の種結晶支持部に固定した炭化珪素種結晶３を、炭化珪素原料４に対向するように配置した。炭化珪素種結晶３としては、マイクロパイプ密度が約３０個／ｃｍ²、エッチピット密度が約３×１０⁴個／ｃｍ²の４Ｈ型の炭化珪素単結晶を用い、結晶成長面は、（０００−１）面とした。また、種結晶支持部の種結晶貼付け面は、直径２０ｍｍの円形であり、炭化珪素種結晶３も同じく直径２０ｍｍの円形とした。

炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の間には、炭化珪素原料４から昇華したガスを種結晶３に効率良く導くために、炭化珪素原料４側が炭化珪素種結晶３側より大径の円錐状のガスガイド部９を配置している。この際、炭化珪素種結晶３とガスガイド部９の炭化珪素種３結晶側端との間に距離を設けている。この距離が０．５ｍｍより小さいと、炭化珪素種結晶３外周部から成長する炭化珪素単結晶５、あるいは坩堝蓋体１の種結晶支持部側壁面から成長する炭化珪素多結晶６により、この隙間が塞がれてしまう場合がある。

また、上記の距離が２ｍｍより大きいと、炭化珪素原料４の昇華ガスのうち、坩堝蓋体１下面へ向かう昇華ガスの割合が多くなり、炭化珪素単結晶５の成長に寄与する昇華ガスの割合が少なくなる。そのため、炭化珪素単結晶５の成長速度が遅くなってしまう。更には、坩堝蓋体１下面からの炭化珪素多結晶６の伸長速度が大きくなるため、数１０時間の結晶成長を行うと、坩堝蓋１下面から伸長する炭化珪素多結晶６が、坩堝蓋体１の種結晶支持部の高さより高くなり、種結晶３から成長する炭化珪素単結晶５と接触して炭化珪素単結晶５に歪を与え、結晶品質を悪化させる。従って、炭化珪素種結晶３とガスガイド部の炭化珪素種３結晶側端との間に距離は、０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが望ましい。本実施例では、具体的には、炭化珪素種結晶３とガスガイド部の炭化珪素種３結晶側端との間の距離を、１．０ｍｍとした。

昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶成長では、炭化珪素原料４を昇華させるために２０００℃以上の高温が必要である。２０００℃以上の高温では、温度の４乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝２および坩堝蓋部１を断熱材８で覆う必要がある。この際、坩堝蓋部１と断熱材８との間に距離を設けた。

図２に示すように、この距離を設けることにより、坩堝内の等温線１０を最適な形状に維持したまま、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４間の温度勾配を大きくすることができる。即ち、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、また、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４間の温度勾配を大きくすることができる。

また、断熱材８の２０００℃における熱伝導率が０．５から１．５W／ｍ・Kで、坩堝蓋部１上の断熱材８の厚さが、１０ｍｍより大きく、５０ｍｍ以下であり、坩堝蓋部１と断熱材８との距離が５mm以上、４０mm以下であれば、図３（ａ）に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θが略直角で、且つ炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間の温度勾配を、適度な１０℃／ｃｍから３０℃／ｃｍとすることができる。坩堝蓋部１と断熱材８との距離が５mmより小さい場合は、図３（ｂ）に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間の温度勾配が小さすぎる。また、坩堝蓋部１と断熱材８との距離が４０ｍｍより大きい場合は、図３（ｃ）に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間の温度勾配が大きすぎる。

更に、炭化珪素原料４の温度を２２００℃から２３００℃、炭化珪素炭化珪素種結晶３の温度を２１００℃から２２００℃、成長時の圧力を０．６６５ｋＰａから３．９９ｋＰａとすることで、成長速度も好適な２００μｍ／ｈｏｕｒから６００μｍ／ｈｏｕｒとすることができる。結晶成長速度が２００μｍ／ｈｏｕｒより小さいと、成長した結晶からウェハを作成した場合にコストが高くなり、産業的に実用性がない。また成長速度が６００μｍ／ｈｏｕｒより大きいと、成長した結晶内に歪や結晶欠陥が発生したり、また異種のポリタイプが混入し、結晶品質が悪くなる。結晶成長速度が２００μｍ／ｈｏｕｒから６００μｍ／ｈｏｕｒの範囲内であれば、歪や結晶欠陥の発生、および異種ポリタイプの混入がなく、炭化珪素単結晶を成長させることができる。

本実施例では、具体的には、坩堝蓋部１側の断熱材８として日本カーボン（株）製のFGL−２０３SH（真空時、２０００℃における熱伝導率は約０．５５W／ｍ・K）を用い、厚さは２５ｍｍ、坩堝蓋部１との隙間を１０ｍｍとした。

この断熱材８で覆った坩堝２及び坩堝蓋部１を、石英製の反応管１１内に配置した。この反応管１１は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水１２を流して冷却している。また反応管１１の上部にガス導入口１３が、下部にはガス排気口１４が設けられている。

その後、反応管１１内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、純度などの面から、アルゴン（Ａｒ）が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口１４から反応管１１内を高真空排気し、その後、ガス導入口１３から不活性ガスを常圧まで充填した。

その後、反応管１１の周囲に螺旋状に巻かれたコイル７に高周波電流を流すことにより、坩堝２および坩堝蓋部１を高周波加熱し昇温した。

通常、このコイル７と前述の坩堝２との相対位置は、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４の温度勾配を決定するものであり、昇華法の場合、炭化珪素原料４の温度を炭化珪素種結晶３より高くする必要がある。更に、この温度勾配は、単結晶の結晶成長速度に大きく影響し、温度勾配が大きいほど結晶成長速度は大きくなる。そのため、坩堝２に対してコイル７の位置を下げて、温度勾配を大きくする必要がある。しかし、既に述べたように、坩堝２に対してコイル７の位置を下げると、ガスガイド部９に多結晶が付着しやすく、成長する単結晶と、この多結晶が接触することで、単結晶の結晶品質を著しく悪化させる。しかし、本実施例では、前述のように、坩堝蓋部１と断熱材８との間に所定の距離を設けて、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の温度勾配を決定している。従って、坩堝２とコイル７の相対位置で、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４の温度勾配を完全に制御する必要がないため、坩堝２とコイル７の相対位置は、坩堝内の等温線１０とガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、ガスガイド部９に多結晶が付着しないように、坩堝内温度分布のシミュレーションおよび事前実験により決定している。

加熱時は、反応管１１上下部に設けられている石英製の温度測定用窓１５、及び断熱材８の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計１６で、坩堝２下部、及び坩堝蓋部１上部の温度を測定している。本実施例では、このうち坩堝蓋部１上部の温度を高周波電源（図示せず）にフィードバックし、コイル７に流す高周波電流を制御して温度制御を行っている。その時の坩堝２の下部温度は、前述の坩堝蓋部１と断熱材８との間の距離により決まる。本実施例では、坩堝２下部温度（炭化珪素原料４温度）を２２５０℃、坩堝蓋部１上部温度（炭化珪素炭化珪素種結晶３温度）を２１５０℃とした。

昇温時には、反応管１１内部は、数１０ｋＰａ程度の圧力にしておく必要がある。これは、低温時（所望の結晶成長温度以下）における炭化珪素原料４の昇華を防ぎ、結晶成長を開始させないようにするためである。

このようにして、所望の温度まで昇温した後、徐々に圧力を下げて結晶成長を開始させる。本実施例では、反応管１１内部の圧力を１．３３ｋＰａにし、４０時間保持して結晶成長を行った。

結晶成長終了時は、成長開始時とは逆に、反応管１１内部の圧力を８０ｋＰａまで１時間かけて昇圧して、炭化珪素原料４の昇華を止め、その後、常温までゆっくりと冷却した。

上記のようにして成長を行った結果、ガスガイド部には、全く多結晶が付着しておらず、単結晶のみが、ほぼガスガイド部９の円錐形状に沿って成長していた。また単結晶の結晶成長速度は、約４００μｍ／ｈｏｕｒと速い結晶成長速度であった。得られた単結晶を成長方向に垂直にスライスし、表裏両面を鏡面研磨した後、透過偏光顕微鏡で観察した。その結果、ガスガイド部９に多結晶が付着することなく、単結晶のみが独立して成長していたため、単結晶に歪は観察されなかった。また、５００℃の溶融ＫＯＨに５分間浸漬し、その後、顕微鏡でマイクロパイプ密度およびエッチピット密度を測定した。その結果、種結晶上では、両者とも種結晶とほぼ同等の値を示したが、口径拡大部では、マイクロパイプは全く無く、またエッチピットに関しても数個程度しか観察されなかった。

以上のように、坩堝蓋部と、この坩堝蓋部上に配置される断熱材との間に所定の距離を設けて炭化珪素原料と炭化珪素種結晶間の温度勾配を制御する成長装置が、速い結晶成長速度で単結晶を成長させ、且つ、ガスガイド部への多結晶付着を抑制に有効であり、その結果、速い結晶成長速度で、高品質な炭化珪素単結晶を得られることが確認できた。

図４は、実施例２で用いた成長装置の概略図である。坩堝２内に炭化珪素原料４を収容し、坩堝蓋部１の種結晶支持部に固定した炭化珪素種結晶３を、炭化珪素原料４に対向するように配置した。炭化珪素種結晶３としては、マイクロパイプ密度が約３０個／ｃｍ²、エッチピット密度が約３×１０⁴個／ｃｍ²の４Ｈ型の炭化珪素単結晶を用い、結晶成長面は、（０００−１）面とした。また、種結晶支持部の種結晶貼付け面は、直径２０ｍｍの円形であり、炭化珪素種結晶３も同じく直径２０ｍｍの円形とした。

炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３の間には、炭化珪素原料４から昇華したガスを種結晶３に効率良く導くために、炭化珪素原料４側が炭化珪素種結晶３側より大径の円錐状のガスガイド部９を配置している。この際、炭化珪素種結晶３とガスガイド部９の炭化珪素種３結晶側端との間に距離を設けている。この距離が０．５ｍｍより小さいと、炭化珪素種結晶３外周部から成長する炭化珪素単結晶５、あるいは坩堝蓋体１の種結晶支持部側壁面から成長する炭化珪素多結晶６により、この隙間が塞がれてしまう場合がある。

また、上記の距離が２ｍｍより大きいと、炭化珪素原料４の昇華ガスのうち、坩堝蓋体１下面へ向かう昇華ガスの割合が多くなり、炭化珪素単結晶５の成長に寄与する昇華ガスの割合が少なくなる。そのため、炭化珪素単結晶５の成長速度が遅くなってしまう。更には、坩堝蓋体１下面からの炭化珪素多結晶６の伸長速度が大きくなるため、数１０時間の結晶成長を行うと、坩堝蓋１下面から伸長する炭化珪素多結晶６が、坩堝蓋体１の種結晶支持部の高さより高くなり、種結晶３から成長する炭化珪素単結晶５と接触して炭化珪素単結晶５に歪を与え、結晶品質を悪化させる。従って、炭化珪素種結晶３とガスガイド部の炭化珪素種３結晶側端との間に距離は、０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが望ましい。本実施例では、具体的には、炭化珪素種結晶３とガスガイド部の炭化珪素種３結晶側端との間の距離を、１．０ｍｍとした。

昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶成長では、炭化珪素原料を昇華させるために２０００℃以上の高温が必要である。２０００℃以上の高温では、温度の４乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝２および坩堝蓋部１を断熱材８で覆う必要がある。この際、図５および６に示したように、断熱材８の２０００℃における熱伝導率が０．５から１．５W／ｍ・Kであり、坩堝蓋部１上部の断熱材８の厚さが５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲であれば、坩堝内の等温線１０を最適な形状に維持したまま、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間が適度な温度勾配になる。即ち、図５および図６に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θが略直角を維持したまま、炭化珪素種結晶３と炭化珪素原料４間の温度勾配を、適度な１０℃／ｃｍから３０℃／ｃｍとすることができる。坩堝蓋部１上部の断熱材８の厚さが５ｍｍより小さい場合は、図６（ａ）に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間の温度勾配が大きすぎる。

また、坩堝蓋部１上部の断熱材８の厚さが１０ｍｍより大きい場合は、図６（ｃ）に示したように、坩堝内の等温線１０が、ガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θは略直角であるが、炭化珪素原料４と炭化珪素種結晶３間の温度勾配が小さすぎる。

更に、炭化珪素原料４の温度を２２００℃から２３００℃、炭化珪素炭化珪素種結晶３の温度を２１００℃から２２００℃、成長時の圧力を０．６６５ｋＰａから３．９９ｋＰａとすることで、成長速度も好適な２００μｍ／ｈｏｕｒから６００μｍ／ｈｏｕｒとすることができる。結晶成長速度が２００μｍ／ｈｏｕｒより小さいと、成長した結晶からウェハを作成した場合にコストが高くなり、産業的に実用性がない。また成長速度が６００μｍ／ｈｏｕｒより大きいと、成長した結晶内に歪や結晶欠陥が発生したり、また異種のポリタイプが混入し、結晶品質が悪くなる。結晶成長速度が２００μｍ／ｈｏｕｒから６００μｍ／ｈｏｕｒの範囲内であれば、歪や結晶欠陥の発生、および異種ポリタイプの混入がなく、炭化珪素単結晶を成長させることができる。

本実施例では、具体的には、坩堝蓋部１側の断熱材８として日本カーボン（株）製のFGL−２０３SH（真空時、２０００℃における熱伝導率は約０．５５W／ｍ・K）を用い、その厚さを１０ｍｍとした。

この断熱材８で覆った坩堝２及び坩堝蓋部１を、石英製の反応管１１内に配置した。この反応管１１は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水１２を流して冷却している。また反応管１１の上部にガス導入口１３が、下部にはガス排気口１４が設けられている。

その後、反応管１１内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、純度などの面から、アルゴン（Ａｒ）が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口１４から反応管１１内を高真空排気し、その後、ガス導入口１３から不活性ガスを常圧まで充填した。

その後、反応管１１の周囲に螺旋状に巻かれたコイル７に高周波電流を流すことにより、坩堝２および坩堝蓋部１を高周波加熱し昇温した。このコイル７と坩堝２の相対位置は、実施例１と同様に、坩堝内の等温線１０とガスガイド部９の円錐状内壁との成す角度θが略直角となり、ガスガイド部９に多結晶が付着しないように、坩堝内温度分布のシミュレーションおよび事前実験により決定している。

加熱時は、反応管１１上下部に設けられている石英製の温度測定用窓１５、及び断熱材８の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計１６で、坩堝２下部、及び坩堝蓋部１上部の温度を測定している。本実施例では、このうち坩堝蓋部１上部の温度を高周波電源（図示せず）にフィードバックをかけ、コイル７に流す高周波電流を制御して温度制御を行っている。その時の坩堝２下部温度は、前述の坩堝蓋部１側の断熱材の厚さにより決まる。本実施例では、坩堝２下部温度（炭化珪素原料４温度）を２２５０℃、坩堝蓋部１上部温度（炭化珪素炭化珪素種結晶３温度）を２１５０℃とした。

それ以後は、実施例１と全く同様にして、結晶成長を行った。

上記のようにして成長を行った結果、ガスガイド部９には、全く多結晶が付着しておらず、単結晶のみが、ほぼテーパー形状に沿って成長していた。また単結晶の結晶成長速度は、実施例１とほぼ同じく約４００μｍ／ｈｏｕｒと速い結晶成長速度であった。得られた単結晶を成長方向に垂直にスライスし、表裏両面を鏡面研磨した後、透過偏光顕微鏡で観察した。その結果、ガスガイド部に多結晶が付着することなく、単結晶のみが独立して成長していたため、単結晶には歪は観察されなかった。また、５００℃の溶融ＫＯＨに５分間浸漬し、その後、顕微鏡でマイクロパイプ密度およびエッチピット密度を測定した。その結果、種結晶上では、両者とも種結晶とほぼ同等の値を示したが、口径拡大部では、マイクロパイプは全く無く、またエッチピットに関しても数個程度しか観察されなかった。

以上のように、坩堝蓋部上の断熱材の厚さにより、炭化珪素原料と炭化珪素種結晶間の温度勾配を制御する成長装置が、速い結晶成長速度で単結晶を成長させ、且つ、ガスガイド部への多結晶付着を抑制に有効であり、その結果、速い結晶成長速度で、高品質な炭化珪素単結晶を得られることが確認できた。

本発明にかかる単結晶の成長装置及び成長方法は、成長速度が速く、且つ高品質な単結晶を得ることができるため、昇華法により成長できる単結晶である硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などにも適用できる。

本発明の実施例１における単結晶成長装置の概略断面図 本発明の実施例１における単結晶成長装置の坩堝蓋部と断熱材の距離による原料（炭化珪素粉末）と種結晶間の温度勾配、およびガスガイド部と等温線の成す角θの関係を説明する図 本発明の実施例１における単結晶成長装置の坩堝内の等温線形状を示す図 本発明の実施例２における単結晶成長装置の概略断面図 本発明の実施例２における単結晶成長装置の坩堝蓋部上の断熱材の厚さによる原料（炭化珪素粉末）と種結晶間の温度勾配、およびガスガイド部と等温線の成す角θの関係を説明する図 本発明の実施例２における単結晶成長装置の坩堝内の等温線形状を示す図 単結晶成長装置の坩堝に対するコイル位置による原料（炭化珪素粉末）と種結晶間の温度勾配、およびガスガイド部と等温線の成す角θの関係を説明する図 単結晶成長装置の坩堝に対するコイル位置による坩堝内の等温線形状を示す図 従来の単結晶成長装置の概略断面図 従来の単結晶成長装置におけるガスガイド部と等温線の成す角θによる結晶成長の様子を説明するための図

符号の説明

１ 坩堝蓋部
２ 坩堝
３ 炭化珪素種結晶
４ 炭化珪素原料
５ 炭化珪素単結晶
６ 炭化珪素多結晶
７ コイル
８ 断熱材
９ ガスガイド部
１０ 等温線
１１ 反応管
１２ 冷却水
１３ ガス導入口
１４ ガス排気口
１５ 温度測定用窓
１６ 放射温度計

Claims (7)

1. 単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、
   前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、
   当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
   前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、
   前記種結晶と原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、
   を備え、
   前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴とする単結晶成長装置。
2. 前記断熱材は、２０００℃における熱伝導率が０．５から１．５W／ｍ・Kであり、且つ、前記坩堝蓋部側の前記断熱材の厚さが、１０ｍｍより大きく、５０ｍｍ以下であり、且つ、前記坩堝蓋部と前記断熱材との間の距離が、５mm以上、４０mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶成長装置。
3. 単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該単結晶の原料を加熱昇華させ、単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長装置において、
   前記坩堝の前記原料に対向する位置の前記坩堝蓋部に前記種結晶を支持する円柱状の種結晶支持部と、
   当該種結晶に対し距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部と、
   前記坩堝体全体を覆う所定の厚さを有する断熱材と、
   前記種結晶と炭化珪素原料を加熱するために前記坩堝体全体の周囲に当該坩堝に配置される断熱材の外側に配置される高周波コイルと、
   を備え、
   前記坩堝を覆って配置される前記断熱材は、当該坩堝に接して設置され、２０００℃における熱伝導率が０．５から１．５W／ｍ・Kであり、且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴とする単結晶成長装置。
4. 前記単結晶の原料の温度を２２００℃から２３００℃、前記種結晶の温度を２１００℃から２２００℃の範囲で前記種結晶側の温度を高く設定し、前記原料と前記種結晶間の温度勾配を１０℃／ｃｍから３０℃／ｃｍの範囲で、成長時の圧力を０．６６５ｋＰａから３．９９ｋＰａに設定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の単結晶成長装置。
5. 単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
   当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、
   前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、
   前記坩堝蓋部上に配置される前記断熱材は、前記坩堝蓋部と所定の距離を有して配置されることを特徴とする単結晶成長方法
6. 単結晶を成長させる原料を坩堝内に収容し、当該坩堝周囲の断熱材の外側に高周波コイルを用いて当該原料を加熱昇華させて単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶を成長させる単結晶成長方法において、
   当該種結晶に対し所定の距離を離して開口部を有し原料側が種結晶側より大径の円錐状のガスガイド部を配し、
   前記坩堝体の加熱用の高周波コイル位置を加熱時の坩堝内の等温線が前記ガスガイド部の円錐状内壁との成す角が略直角になる位置に配置し、
   且つ、前記坩堝蓋部上部の断熱材の厚さを、他の坩堝部分を覆う断熱材の厚さより薄く設定することを特徴とする単結晶成長方法。
7. 前記種結晶と前記円錐状のガスガイド部との間の前記所定の距離は、０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の単結晶成長方法。
   

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