JPH06191998A - 炭化珪素単結晶の成長方法およびその成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造す
るときに結晶方向が既知である平坦部分を有する結晶を
成長させることで、切断、研磨時に結晶の方位判定の手
間を省き製造工程の簡便化を図る。 【構成】 円筒形内部の一部に平坦構造を設け、更に、
その平坦部分を坩堝開口側から坩堝底部側に向かって傾
斜した構造の黒鉛製坩堝を用いて、昇華再結晶方法によ
る結晶成長させることで、設定どうりの任意方向の平面
を有し、切断、研磨工程の簡便化が可能な炭化珪素単結
晶を得る成長方法及びその成長装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高品質の炭化珪素単結
晶の成長方法及び成長装置に係り、特に、青色の発光ダ
イオード等の大面積で均質性に富んだ炭化珪素単結晶を
効率良く成長させるための成長方法及び成長装置に係
る。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素は、対酸性、対アルカリ性等の
耐薬品性に優れ、且つ高エネルギー線に対する損傷も受
け難い耐久性に優れた材料であり、半導体材料としても
広く使用されている。炭化珪素単結晶は多形という特色
を有し、その多形に従って禁制帯幅を２．２ｅＶから
３．３ｅＶまで任意に選択できるため、またその動作可
能な温度領域も他の材料に比べて極めて範囲が広いた
め、半導体材料への炭化珪素の使用は古く１９６０年代
以前から行われている。ここで、多形とは化学組成が同
一で結晶構造が異なる現象、またはその現象を示す材料
をいう。

【０００３】ところで、炭化珪素を産業上利用するため
には、ある程度の大きさを有する高品質な単結晶である
ことが要求される。このため従来、アチエソン法と呼ば
れている化学反応を利用するか、又はレーリー法と呼ば
れる昇華再結晶法を利用して目的規模の大きさに単結晶
を成長させる方法、或はこれらの方法により得られた炭
化珪素の単結晶を基板として用い、その基板上に気相エ
ピタキシャル成長法、或は液相エピタキシャル成長法に
より炭化珪素を成長させ、目的規模の単結晶を得る方法
が採用されていた。

【０００４】特に、バルク状の単結晶を成長させる手段
として、黒鉛製の坩堝の中で、ある適当な大きさの炭化
珪素の単結晶を種結晶とし、原料炭化珪素粉末を減圧雰
囲気中で昇華させ、種結晶上に再結晶させ結晶成長させ
る改良型レーリー法が、広く一般的に用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】例えば、特公昭５９−
４８７９２に示すような従来の方法では良質な単結晶を
得ることが可能である。しかし、結晶成長として得られ
る炭化珪素結晶はほぼ円筒形に近い形状となっており、
成長の結果として得られた結晶を、一旦、成長装置から
外してしまうと結晶の方位が不明瞭となって不都合であ
る。

【０００６】炭化珪素基板上に炭化珪素を気相エピタキ
シャル成長する場合基板の結晶面方位によりエピタキシ
ャル成長して得られる結晶膜の表面モルフォロジーや結
晶性に著しい差異の現れることがよく知られている
［Ｓ．Ｎｉｓｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ．、Ｌａｔｅ Ｎｅ
ｗｓ Ａｂｓｔ．、１６ｔｈ Ｃｏｎｆ．ＳＳＤＭ、Ｌ
Ｄ−１−４（１９８４）．］。従って、炭化珪素基板の
面方位の選択には、厳密な正確さが要求される。

【０００７】よって、成長して得られた炭化珪素単結晶
インゴットから特定の結晶面の平面が出ているウェハー
（特に、ある結晶面の特定の方向に数度だけ傾斜したウ
ェハー）を得るために、Ｘ線回折法による結晶面方位決
定をした後、結晶の切断、及び、研磨をするという大変
繁雑な工程を経なければならず、不経済であった。

【０００８】本発明は、係る課題を解決すべくなされた
ものであり、特定の結晶面が厳密に決定されたウェハー
結晶を制御性よく、且つ、効率的に形成できる炭化珪素
単結晶の成長方法及び成長装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的達成
するため、以下に示す成長方法および成長装置により構
成される。

【００１０】本発明は、黒鉛製坩堝内において炭化珪素
粉末を不活性雰囲気中で昇華させて、炭化珪素単結晶基
板上に炭化珪素単結晶を成長させる方法において、黒鉛
製坩堝の円筒形内部構造の一部分が平坦構造をなし、そ
の平坦部分が坩堝開口部側から坩堝底部側に向かって傾
斜した構造を有する坩堝を用い、該坩堝の平坦部に対し
直角方向に合わされた炭化珪素の種結晶を設置し、不活
性ガス雰囲気中で目的の温度に加熱保持し、かつ、坩堝
蓋体および蓋体に取り付けられた炭化珪素単結晶基板を
坩堝底部に充填された炭化珪素原料粉末よりも低い温度
に保持して、減圧雰囲気中で炭化珪素単結晶基板上に炭
素珪素単結晶を成長することを特徴とする。

【００１１】特に、バンドギャップの大きく（言い換え
ると４Ｈや６Ｈの結晶多形）、高品質な炭化珪素を得る
ためには、上記記載の炭化珪素単結晶の成長方法におい
て、炭化珪素の種結晶を設置した不活性ガス雰囲気を２
１００〜２４００℃の温度に加熱保持し、２７ｋＰａ以
下の減圧雰囲気中で炭化珪素単結晶基板上に炭素珪素単
結晶を成長することを特徴とする。

【００１２】さらに、その成長装置は円筒形内部構造の
一部分が平坦構造をなし、その平坦部分が坩堝の開口部
側から坩堝底部側に向って傾斜した構造を有する黒鉛製
の坩堝本体と、内面側に炭化珪素単結晶基板が取り付け
られる黒鉛製の坩堝蓋体と、該黒鉛製の坩堝組体を加
熱、及び、温度維持する手段と、該黒鉛製の坩堝組体を
高真空雰囲気、乃至、不活性ガス雰囲気に維持・制御す
る手段とで構成されることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明による炭化珪素単結晶の成長原理は、黒
鉛製の坩堝の内部において、炭化珪素粉末を不活性ガス
の減圧雰囲気中で昇華させ坩堝の蓋部に取り付けられた
炭化珪素の種結晶基板上に再結晶させることで単結晶を
成長させることである。

【００１４】そして、種結晶をもとに昇華再結晶化する
ことで結晶は種結晶に対して、垂直方向（直交座標系で
Ｚ軸方向と仮定すると）のみならず、２つの水平方向
（Ｘ軸方向とＹ軸方向になる）にも自由に広がった成長
が行われる。しかし、坩堝の内径と種結晶の大きさとの
関係により、自由な成長が妨げられる領域ができてくる
が、結晶はその坩堝形状に沿った形状でしか成長できな
い。よって、本発明では前記現象を利用し、自由な成長
が坩堝形状により妨げられる部分に、予め平坦な壁構造
を形成しておくことで、図３に示すような形状の結晶を
得ることができる。

【００１５】即ち、成長した結晶の自由な結晶が妨げら
れた部分（図３の斜線部分）と種結晶の結晶方位は一致
するため、種結晶を取り付ける際に結晶方位に注意すれ
ば、平坦部分の結晶面を制御出来ることになる。言い換
えると、単結晶の結晶方位をＸ線回折方法で調べること
なく結晶方位を知ることができ、該バルク単結晶を目的
方向に切断し、研磨することで、作業性良く、且つ、安
価に半導体デバイスの成長に適した炭化珪素単結晶ウェ
ハーを供給することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図１及び図２を参照しながら
詳細に説明する。図１は炭素珪素単結晶の成長セルの概
略図であり、図２は成長装置の該略図である。

【００１７】まず、炭化珪素の（００・１）面が＜１１
・０＞方向に５°オフした基板で、かつ結晶多形が６Ｈ
の炭化珪素単結晶を得るための実施例を示す。図１及び
図２に示すように、平坦部が開口部から底部に向って５
°だけ傾斜した構造の黒鉛製の坩堝体１を用いて、炭化
珪素単結晶の成長を行った。炭化珪素の原料粉末４に
は、研磨材料として市販されている＃２４０番（平均粒
径が約３０μｍ）の炭化珪素粉末を空気中で酸化した後
に、弗化水素酸中で１時間撹拌し、原料中に混入してい
る遷移金属系の不純物元素を溶解除去した後、水による
デカンテーションで十分な洗浄を行い、減圧雰囲気中で
加熱乾燥した。予め、２０００℃の高温度で１時間高真
空雰囲気中で熱処理した黒鉛製坩堝１に前記酸処理を施
した原料炭化珪素粉末４を充填し、排気装置５により高
真空にし、高周波誘導加熱炉６を用い、１５００℃に３
０分間加熱保持して高温加熱真空熱処理を行なった。

【００１８】他方、種結晶である炭化珪素単結晶基板３
には、炭化珪素研磨材を工業的に製造する過程で副次的
に得られた単結晶を種結晶にして、昇華再結晶法により
得られたキャリア濃度の極めて少ない単結晶を切り出
し、研磨し、湿潤酸素雰囲気中で熱酸化して研磨傷を取
り除き、酸による表面処理を施した後、水洗、乾燥した
ものを用いた。

【００１９】原料炭化珪素粉末の高温加熱真空処理した
単結晶成長装置１の蓋体２に種結晶基板を結晶の＜１１
・０＞方向が、坩堝の平坦部に対し直角方向になるよう
に取り付け、単結晶成長装置１、及びチャンバー７を８
０μＰａ（０．６μＴｏｒｒ）の真空度にまで高真空排
気装置５を用いて排気し、残留ガスを除去した。雰囲気
ガス供給装置８により高純度のＡｒガスをチャンバー７
内に導入し、９３ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の圧力で、
ガス流量が２００ｓｃｃｍの流速となるように圧力制御
装置９を用いて制御し、高周波誘導加熱装置６により坩
堝蓋体２の表面温度が２１００℃となるように放射温度
計１０で測温し、温度制御装置１１、及び、保温材１２
を用いて、温度が±３℃以内なるように制御加熱した系
全体が定常状態になるまで約３０分間この状態を維持し
た。その後、圧力制御装置９を操作して雰囲気圧力を３
０分の時間をかけて、４．６ｋＰａ（３５Ｔｏｒｒ）に
まで徐々に減圧した。この圧力雰囲気で４時間の結晶成
長を行なったところ、長さ１０ｍｍのバルク結晶が得ら
れた。

【００２０】得られた結晶を坩堝から取り出したとこ
ろ、図３の斜線で示したように一部分が平坦となってい
る円筒状結晶であった。図３の斜線部分をＸ線回折装置
により、結晶面の方位を調べたところ（１１・０）面が
＜００・１＞方向に５°だけ傾斜した面であることがわ
かった。

【００２１】次に、この結晶の平坦となっている部分
（図３の斜線部分）で固定して、切断機で切断した後、
表面粗さが１μｍ以下にまで研磨した厚さ０．５ｍｍの
平板状のウェハー結晶を作製した。このウェハーを湿潤
酸素雰囲気で熱酸化後、酸処理により表面処理を施して
から、Ｘ線回折装置により結晶面の方位を調べた。その
結果、このウェハーの面は、（００・１）面が＜１１・
０＞方向に５°だけ傾斜した面であることが判った。

【００２２】前記実施例においては、（００・１）面が
＜１１・０＞方向に５°だけ傾斜した面を得るための成
長方法と成長装置を説明したが、本発明はこれに限られ
ることはなく、平坦部が開口部から底部に向って何度傾
斜した構造の黒鉛製の坩堝体を用いるかにより、目的に
応じ任意に設定することが可能である。

【００２３】一般に、炭化珪素の昇華再結晶法による結
晶の成長速度は成長雰囲気圧力により左右されることが
知られているが、さらに、本発明における成長方法の研
究の結果、特に今目的とするバンドギャップが大きく高
品質な炭化珪素、言い換えると３Ｃが含まれず、４Ｈ、
もしくは６Ｈの単一の結晶多形のみで構成される炭化珪
素単結晶を得るためには、本発明における成長方法にお
いて、炭化珪素の種結晶を設置した不活性ガス雰囲気を
２１００〜２４００℃の温度に加熱保持し、２７ｋＰａ
以下の減圧雰囲気中で炭化珪素単結晶基板上に炭素珪素
単結晶を成長することが望ましいことがわかった。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、結晶の方位判定といっ
た工程を経ることなく、大面積の炭化珪素単結晶ウェハ
ーが得ることができるため、従来必要であった繁雑な工
程を省くことができる。つまり、簡便な成長方法により
安価に半導体部品形成用に適した基板を供給することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で使用した炭化珪素単結晶の成
長セルの概略図である。

【図２】本発明の実施例で使用した結晶成長システムの
概略図である。

【図３】本発明実施例で得られたバルク単結晶インゴッ
トの概略図である。

【符号の説明】

１ 黒鉛製坩堝体 ２ 黒鉛製坩堝蓋体 ３ 炭化珪素単結晶基板 ４ 炭化珪素原料粉末 ５ 真空排気装置 ６ 高周波誘導加熱装置 ７ チャンバー ８ 雰囲気ガス供給装置 ９ 圧力制御装置 １０ 放射温度計 １１ 温度制御装置 １２ 保温材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 黒鉛製坩堝内において炭化珪素粉末を不
   活性雰囲気中で昇華させて、炭化珪素単結晶基板上に炭
   化珪素単結晶を成長させる方法において、黒鉛製坩堝の
   円筒形内部構造の一部分が平坦構造をなし、その平坦部
   分が坩堝開口部側から坩堝底部側に向かって傾斜した構
   造を有する坩堝を用い、該坩堝の平坦部に対し直角方向
   に合わされた炭化珪素の種結晶を設置し、不活性ガス雰
   囲気中で目的の温度に加熱保持し、かつ、坩堝蓋体およ
   び蓋体に取り付けられた炭化珪素単結晶基板を坩堝底部
   に充填された炭化珪素原料粉末よりも低い温度に保持し
   て、減圧雰囲気中で炭化珪素単結晶基板上に炭素珪素単
   結晶を成長することを特徴とする炭化珪素単結晶の成長
   方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の炭化珪素単結晶の成長方
   法において、炭化珪素の種結晶を設置した不活性ガス雰
   囲気を２１００〜２４００℃の温度に加熱保持し、２７
   ｋＰａ以下の減圧雰囲気中で炭化珪素単結晶基板上に炭
   素珪素単結晶を成長することを特徴とする炭化珪素単結
   晶の成長方法。
3. 【請求項３】 円筒形内部構造の一部分が平坦構造をな
   し、その平坦部分が坩堝の開口部側から坩堝底部側に向
   って傾斜した構造を有する黒鉛製の坩堝本体と、内面側
   に炭化珪素単結晶基板が取り付けられる黒鉛製の坩堝蓋
   体と、該黒鉛製の坩堝組体を加熱、及び、温度維持する
   手段と、該黒鉛製の坩堝組体を高真空雰囲気、乃至、不
   活性ガス雰囲気に維持・制御する手段と、で構成される
   ことを特徴とする炭化珪素単結晶の成長装置。