JP2003504298A - SiC単結晶を成長圧力下に加熱して昇華成長させる方法 - Google Patents

SiC単結晶を成長圧力下に加熱して昇華成長させる方法

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Abstract

(57)【要約】 SiC単結晶を成長圧力下に加熱して昇華成長させる方法を提供する。SiC本発明による単結晶の昇華成長方法では、固体のSiC(30)の貯蔵領域(12)と、その上にSiC単結晶(32)を成長させるSiC種結晶(31)を有する坩堝10を、本来の成長期間(80)の前に設定された初動期間(70)中に排気し、次いで坩堝の内部帯域(11)内に成長圧力(P1)が得られる迄保護ガスで満たす。更に坩堝(10)をまず中間温度(T0)に、次いで加熱期間(71)中に最高でも20℃/分の昇温速度で成長温度(T1)に加熱する。それにより(既に)加熱期間(71)中に制御された着晶がSiC種結晶上に達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、固体の炭化珪素(SiC)から成る貯蔵物を坩堝の貯蔵領域内に、
そして少なくとも1つのSiC種結晶を少なくとも1つの坩堝の結晶領域内に容
れ、この坩堝を始動期間中に成長条件にもたらし、貯蔵物の固体SiCの少なく
とも一部を昇華させ、SiC気相成分を含むSiC気相に移行させ、SiC気相
成分の少なくとも一部をSiC種結晶に運び、そこでSiC単結晶として析出さ
せることで、SiC単結晶を成長期間中に成長させる、少なくとも1つのSiC
単結晶を昇華成長させる方法に関する。SiC単結晶を昇華成長させるこの種の
方法は、例えばドイツ特許出願公開第3230727号明細書から公知である。
【0002】 この公知方法では、貯蔵領域内にある固体の炭化珪素(SiC)を2000〜
2500℃の温度に加熱して昇華させる。昇華により生ずるSiC気相はSiC
気相成分として、特に純粋な珪素(Si)と炭化化合物のSi2C、SiC2及び
SiCとを含む。この気相SiCの気体混合物は多孔性の黒鉛壁を通って、Si
C種結晶がある反応領域又は結晶領域に拡散する。この種結晶上に、1900〜
2000℃の結晶化温度でSiC気相から炭化珪素を晶出させる。結晶領域内に
は、気相SiCの気体混合物の他に、保護ガス、好ましくはアルゴン(Ar)が
存在する。このアルゴンガスの適当な導入を介して、結晶領域内に1〜5mバー
ルの所望の成長圧力を調整する。結晶領域内の全圧はSiC気相の蒸気分圧とア
ルゴンガスの蒸気分圧とから構成される。
【0003】 本来の成長期間を開始する前に、坩堝及び従って坩堝の内部帯域も成長温度に
加熱する。この加熱期間中に、坩堝内を保護ガスである例えばアルゴンで満たす
ことにより、後の成長期間に使用される成長圧力を明らかに越える加熱圧力とす
る。成長温度に達した後、この圧力を、ポンプで排気することにより、著しく低
い成長圧力に低下させる。
【0004】 欧州特許第0389533号明細書にも、成長期間以前に坩堝を2200℃程
度の成長温度に加熱し、同時に約530mバールの高い加熱圧力を調整するよう
にした、SiC単結晶の昇華成長方法が記載されている。成長温度に達した後、
この成長温度をSiC気相成分の搬送に必要な温度勾配が生ずるよう、貯蔵領域
内と結晶領域内では若干相異させて、この坩堝内の圧力を約13mバールの極め
て低い成長圧力に調整する。
【0005】 SiC単結晶を昇華成長させるもう1つの方法は、結晶成長ジャーナル(Jour
nal of Crystal Growth)、第115巻、1991、第733〜739頁の論
文から公知である。この方法でも、成長に使用される坩堝の加熱は、約1000
mバール(=大気圧)の高いアルゴンガスの圧力下に行われる。所望の成長温度
に達すると、直ちにこのアルゴンガスの圧力は成長圧力に低下される。この成長
圧力は、この昇華方法では、成長期間中もなお変化させることができる。その際
この成長圧力は1.33〜1000mバールの値にすることができる。
【0006】 「Electronics and communications in Japan(日本におけるエレクトロ
ニクスと情報伝達)」の概論、第2部、第81巻、第6号、1998年、第8〜
17頁にも、加熱を約800mバールの高い圧力下で行うSiC単結晶の昇華成
長方法が記載されている。この高い圧力は、低温、即ち本来の成長温度以下の温
度での結晶化を回避するために必要である。即ち低温でのこの結晶化では、さも
なければ不所望な多結晶を形成することになろう。
【0007】 従ってこれらの公知方法は、その後この圧力を著しく低い成長圧力に低下させ
るために、坩堝を全体としてまず高い加熱圧力下に所望の成長温度に加熱するも
のである。しかしこれらの方法では、成長するSiC単結晶の結晶の品質に悪影
響を及ぼし、そのため、結果的に特に不所望な高い欠陥率を生じることになる。
【0008】 本発明の課題は、SiC種結晶上に成長するSiC単結晶の改善された着晶を
保証し、従って成長するSiC単結晶の比較的高い品質を達成できる、冒頭に記
載した形式の方法を提供することにある。特にSiC気相成分が結晶化表面に無
制御で堆積することは確実に回避しなければならない。
【0009】 この課題は、本発明の請求項1の特徴部に記載の方法により解決される。
【0010】 少なくとも1つのSiC結晶を昇華成長させる本発明方法は、 a)固体のSiCから成る貯蔵物を坩堝の貯蔵領域内に容れ、かつ少なくとも 1つのSiC種結晶を坩堝の少なくとも1つの結晶領域内に容れ、 b)坩堝を始動期間中に成長条件にもたらし、 c)SiC単結晶を成長期間中に成長させる、貯蔵物の固体のSiCを一部昇 華させ、SiC気相成分を含むSiC気相に移行させ、並びにこのSiC 気相成分の少なくとも一部をSiC種結晶に運び、そこで成長するSiC 単結晶として析出させ、 その際始動期間中に坩堝を d)まず排気し、次に坩堝内が成長圧力に達する迄、保護ガスで満たし、 e)まず中間温度に、次いで加熱期間中に、中間温度から出発して最高でも2 0℃/分の昇温速度で成長温度に加熱する。
【0011】 その際本発明は、従来技術により実施されてきた従来の方法では、SiC種結
晶におけるSiC気相が特に成長圧力迄降下する際、SiC種結晶と熱力学的平
衡状態にないという認識に基づく。そのため圧力が降下中にSiC気相成分がS
iC種結晶の結晶化表面に制御されずに堆積することになり得る。これは、成長
プロセスの最初に行う、成長するSiC単結晶のSiC種結晶上への着晶に好ま
しくない影響を及ぼす。
【0012】 これに対し、SiC気相成分のSiC種結晶の結晶化表面への着晶は、坩堝、
SiC種結晶及びSiC貯蔵物の成長温度への加熱を、主として後の成長期間中
に用いる成長圧力で行うことで、著しく改善できる。それにより、特に従来技術
で成長温度に達した後の通常の圧力降下、及びこの圧力降下により起るSiC気
相成分のSiC種結晶の結晶化表面への無制御の成長も起らない。即ち最高でも
20℃/分、好ましくは最高でも10℃/分の昇温速度により、またこの加熱期
間中に既に調整される坩堝内の成長圧力下での緩慢な加熱により、この加熱期間
中にSiC気相成分のSiC種結晶の結晶化表面へのごく僅かな、かつ制御下で
の着晶が起る。ここで成長圧力とは、常に成長中の坩堝内の全圧を意味する。
【0013】 坩堝内の不変の圧力下での緩慢な昇温速度により、SiC気相とSiC種結晶
は実質的に常にほぼ熱力学的平衡状態にある。そのため既にこの早い時点で、後
の成長期間中に成長するSiC単結晶に良好な基盤が生じる。この制御下の着晶
は、SiC種結晶と成長するSiC種結晶との間に良好な接合を生じさせる。そ
の結果生ずる接合は、結晶欠陥を形成する出発点となり得る障害箇所を実質的に
持たない。従ってこのSiC単結晶は、極めて高い結晶品質で成長する。
【0014】 それに対し従来技術では、着晶は、加熱期間中に坩堝内に導入される保護ガス
により、従ってまた調整した高い圧力により抑制される。その際、高いアルゴン
ガスの圧力はSiC気相成分がSiC種結晶に拡散するのを阻止し、着晶は実質
的に不可能である。成長温度に達した後、この高い圧力が著しく低い成長圧力に
低下すると、直ちに着晶プロセスが始まる。しかし個々のSiC気相成分がアル
ゴンガス中で異なる拡散定数を有するため、それら成分は高いアルゴンガス圧力
の低下後も異なる速度で貯蔵物からSiC種結晶に達する。SiC気相はSiC
種結晶の前に形成され、従ってそれらSiC気相成分は熱力学的に平衡な濃度で
存在しない。しかし結晶の形成は、ほぼ熱力学的平衡状態で進行する場合より著
しい無制御状態で進行する。従って着晶を制御することは不可能である。
【0015】 本発明方法の特別な実施態様は従属請求項に記載されている。
【0016】 SiC種結晶上のSiC気相を、始動期間、特に加熱期間中、SiC気相がS
iC種結晶上で始まる結晶成長に必要なSiC気相成分の最低濃度を保持するよ
うに調整する本方法の実施態様は有利である。その際この調整は、特に坩堝の内
部の適切な温度推移を介して達成できる。そのためSiC種結晶に向かって温度
が下降する僅かな温度勾配が生ずるよう、固体のSiCから成る貯蔵物とSiC
種結晶を異なる温度にすると有利である。
【0017】 次いでこのSiC種結晶に、SiC気相成分の若干過飽和な濃度を生じさせる
。それにより一方では、特にSiC種結晶からの珪素の制御されない蒸発が阻止
され、他方では結晶材料がSiC種結晶上に高い成長率で成長することが抑制さ
れる。この僅かな過飽和は、SiC種結晶上に極く僅かな着晶を生じさせる。従
ってこの措置により加熱期間中に所望の着晶が付加的に促進される。
【0018】 固体のSiCから成る貯蔵物を有する貯蔵領域とSiC種結晶との間に、最高
で20℃/cmの温度勾配を生じさせると特に有利である。加熱期間中にSiC
種結晶の成長を行わせるだけなので、SiC気相成分はSiC種結晶へ僅かな搬
送率を持つだけでよい。
【0019】 これは、例えばSiC貯蔵物とSiC種結晶との極く僅かな温度差により達成
可能である。SiC貯蔵物とSiC種結晶の間により大きな温度差を生じさせ、
SiC気相成分の気体流を、拡散速度を低減し及び/又はこの気体流の抵抗を高
めるための坩堝内の構造上の措置により再び減速させると、処理技術上の操作性
及び再現性の向上に有利である。この両法により所望の低い搬送率が得られる。
【0020】 貯蔵領域と結晶領域との間の温度勾配は、2つに分割され坩堝の外側にある分
割された制御可能な加熱装置により調整できる。必要に応じ、この加熱装置を3
つ以上に分割した部分加熱装置から構成してもよい。それにより坩堝の内部帯域
内の温度推移を厳密に制御できる。その際この加熱装置は、特に誘導型が好まし
いが、抵抗加熱型装置としてもよい。
【0021】 加熱期間中に昇温速度を初期値から変化させる、特に低下させるもう1つの実
施形態も有利である。その際この昇温速度の初期値は20℃/分迄でもよい。坩
堝の内部帯域内の温度が最終的に調整すべき成長温度に近づけば近づくほど、昇
温速度を低く調整するのが望ましい。加熱期間の終わりには、昇温速度を特に最
高で高々10℃/分、好ましくは最高で1℃/分にする。
【0022】 従ってもう1つの有利な変法では、昇温速度を初期値から出発し、加熱期間の
経過に伴い徐々に低下させる。緩慢に、かつ特に制御して温度を成長温度に近付
けることで、加熱期間の各時点でSiC種結晶に生ずるSiC気相は、SiC種
結晶と殆ど熱力学的平衡状態になる。その際熱力学的平衡との偏差は、ちょうど
所望の着晶プロセスが成立する大きさである。坩堝内の若干強い圧力の変化によ
るこの状態の変動は、特に加熱期間の終わりにはもはや起らない。即ちこの成長
圧力は、通常加熱期間の初めに又は既に前以って排気した坩堝を保護ガスで適切
に満たすことにより調整できる。
【0023】 しかしまた、昇温速度を初期値から出発して連続的に低下させることも可能で
ある。これは昇温速度の一定の勾配で、又は別の任意の昇温速度を減速するため
に予め設定した経過で行ってもよい。一般に、坩堝の内部帯域内の温度が最終の
成長温度に近づくにつれ、この昇温速度を一層低下させると有利である。
【0024】 アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)及び水素(H2)の少なくとも1種の保
護ガスを満たし、所望の成長圧力に調整する本方法のもう1つの実施形態は有効
である。これに関連して水素は同様に保護ガスと解釈できる。成長圧力を、好ま
しくは1〜20mバールに調整するとよい。これは、坩堝内に導入するガス量を
適切に制御することで達成される。α−SiCを成長させる場合、坩堝内の温度
が1800℃、特に1600℃を越える前に成長圧力を調整すると有利である。
その他に始動期間中の任意の各時点が、原則として成長圧力の調整に適する。
【0025】 上述の1800℃の温度迄、貯蔵物及び種結晶中の炭化珪素の昇華率は、真空
中又は極めて低い圧力でも実質的に無視できる。従ってこの温度迄は顕著なSi
C気相は形成されず、従ってまたSiC気相とSiC種結晶との熱力学的平衡も
また決定的な意味を持たない。真空中の昇華率が約1600℃から緩慢に上昇し
始めるので、成長圧力を1600℃に達する前に調整すると有利である。
【0026】 加熱期間中に調整すべき好ましい成長温度は、2100〜2300℃である。
この範囲の成長温度は、まず第1にα−SiCの成長に有利である。それに対し
てβ−SiCは、通常約1800℃程度のより低い温度で成長する。坩堝の内部
帯域内に一部は異なる温度値を有する温度経過が各坩堝領域内、例えば貯蔵領域
内及び結晶領域内に存在するので、これに関連して成長温度とは、坩堝の内部帯
域についての平均温度と解釈される。
【0027】 もう1つの好ましい変法では、始動期間中に加熱する坩堝の中間温度を100
0〜1400℃に調整する。
【0028】 有利な実施例を図面に基づき以下に詳述する。明確化のため、図面は実寸通り
ではなく、一定の特徴を概略的に示す。図1及び2の互いに対応する部分には同
じ符号を付けてある。
【0029】 図1は、特にα−SiCから成り体積単結晶の形でSiC種結晶31上に成長
するSiC単結晶32の昇華成長装置100を示す。この装置100は貯蔵領域
12と、それに対向する結晶領域13を含む内部帯域11とを有する坩堝10か
ら成る。
【0030】 貯蔵領域12内には、コンパクトなSiC材料ブロック、特に焼結されたSi
C又は粉末状の多結晶のSiCから成る固体のSiC30の貯蔵物がある。この
結晶領域13内に、その上にSiC単結晶32が昇華成長するSiC種結晶31
を配置してある。一時的な成長境界を結晶化表面33と呼ぶ。これは昇華プロセ
スの初期にSiC種結晶31の表面に生ずる。この表面は、次にそれぞれ結晶が
成長するSiC単結晶32の表面となる。
【0031】 坩堝10の外側に、図1の実施例では2つに分けて形成した加熱装置16が存
在する。この加熱装置は第1と第2の部分加熱装置16a、16bから成る。加
熱装置16により坩堝の内部帯域11が加熱され、それにより貯蔵物の固体Si
C30が昇華し、SiC気相成分を有するSiC気相に移行する。
【0032】 次に拡散及び対流プロセスにより、SiC気相成分を貯蔵領域12から結晶領
域13に運ぶ。そこでSiC気相成分の一部は、SiC単結晶32としてSiC
種結晶31上に析出する。搬送及び結晶成長を促進するため、加熱装置16によ
り、貯蔵領域12と結晶領域13との間に約5℃の僅かな温度勾配を与える。2
分割した加熱装置16は、このような温度勾配の調整に特に好適である。
【0033】 この成長プロセスのもう1つの重要なパラメータは、坩堝の内部帯域11内を
支配する圧力である。従ってこの装置100は排気手段40並びにガス供給手段
41を含んでおり、それらは給/排気管42を介して坩堝10が入っている耐真
空性の容器20と接続されている。坩堝10が完全に気密ではないので、坩堝1
0内の圧力比は、耐真空性容器20の内部の圧力比に準ずる。即ち坩堝10内の
この圧力は、耐真空性の容器20内の圧力により調整可能である。
【0034】 排気手段40を用い、耐真空性容器20、従って坩堝10も排気されるか又は
最高でも10-3mバール程度の、少なくとも極めて低い残留圧力を有する雰囲気
とされる。この排気は通常、装置100全体がなお室温である限り行われる。し
かしこの排気は、原則として後の時点でも行える。その際、ガス供給手段41は
耐真空性の容器20及び坩堝10を保護ガス、この場合はアルゴンガスで満たす
ことができる。耐真空性の容器20に供給され、ガス供給手段41を介して制御
可能なガスの分量は、坩堝の内部帯域11内の圧力を決定する。
【0035】 加熱装置16、排気手段40及びガス供給手段41により、昇華プロセスにと
り重要な成長条件、特に適切な成長温度T1と成長圧力Plを坩堝の内部帯域1
1内に設定できる。更に一定の温度勾配も坩堝10の内部に設定できる。
【0036】 極めて高品質の結晶成長のため、成長条件の制御は、本来の成長期間80中の
みならず、既にそれ以前にも極めて重要である。図2の線図は、成長期間80以
前の始動期間70中の温度推移50(実線)と圧力推移60(破線)を示してい
る。この線図では、横座標に時間tを、左の縦座標に(坩堝の)温度Tを、右の
縦座標に(坩堝の)圧力Pをそれぞれ任意の単位で取っている。
【0037】 始動期間70は、特に加熱期間71を含んでおり、その間に坩堝10はその最
終の成長温度Tlに加熱される。加熱期間71の出発点は、例えば1200℃の
値を取る中間温度T0である。この中間温度T0は始動期間70中に、図2の線
図に図示しない、前の時点で調整される。
【0038】 昇温速度を加熱期間71中に、坩堝10内の温度Tが成長温度T1に近づくに
つれて、益々著しく低下させる。従ってこの温度推移50は、加熱期間71中に
それぞれ少なくともほぼ一定の昇温速度を持つ範囲51、52、53及び54を
含む。第1の範囲51内で昇温速度は約10℃/分であり、第2の範囲52内で
約5℃/分、第3の範囲53内で約2℃/分そして第4の範囲54内で約1℃/
分である。しかし昇温速度の推移の、別の細分法も同様に可能である。
【0039】 温度推移50の他に、図2の線図には圧力推移60も破線で示してある。坩堝
10内の圧力推移60の出発点は、耐真空性容器20と坩堝10の排気により調
整される残留圧力P0である。その際この排気は、この線図には示さない、坩堝
10がなお室温である時点で行う。加熱期間71の始めには、耐真空性容器20
がアルゴンガスで満たされるので、坩堝10内の圧力比も相応に変化する。この
坩堝10内の圧力Pは、残留圧力P0から成長圧力P1に上昇し、加熱期間71
の残りの期間及び引続いての成長期間80中もほぼ一定に保持される。
【0040】 始動期間70中の処理工程にとって重要な点は、昇温速度を徐々に低下させつ
つ成長温度T1で行う緩慢な加熱と、成長圧力P1の加熱期間71中の調整とで
ある。従って、加熱期間71中に既に、SiC種結晶31への若干の着晶が始ま
る。続く成長期間80中にSiC単結晶31はこの措置により極めて良好な結晶
品質でSiC種結晶31上に成長する。加熱期間71中のこの着晶は、SiC種
結晶31とSiC単結晶32との間に問題のない移行部を生じさせる。
【0041】 この装置100は、図1の実施例では、1つだけのSiC単結晶32を成長さ
せるべく設計されている。しかし装置100とこれに基づく方法は更に複数のS
iC単結晶の成長にも使用可能あり、この実施例に何ら制限されない。
【0042】 成長するSiC単結晶32のポリタイプは、原理上任意である。本方法で、例
えば4H−SiC、6H−SiC又は15R−SiCポリタイプのような全ての
SiCポリタイプが造れる。また立方体のSiCも成長させることができる。
【0043】 SiC種結晶31として、階段状にパターニングした表面を有する誤配向のS
iC種結晶を使用すると、これは同様に着晶に有利に作用する。即ち誤配向のS
iC種結晶の段は、着晶プロセスにとって効果的な出発点を提供し、そのためこ
のプロセスはより一定に進行する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 温度及び圧力を調整する手段を有する本発明によるSiC単結晶の昇華成長装
置の断面図。
【図2】 昇華成長の始動期間の温度及び圧力推移に関する線図図。
【符号の説明】
10 坩堝 11 坩堝の内部帯域 12 貯蔵領域 13 結晶領域 16 加熱装置 16a 第1の部分加熱装置 16b 第2の部分加熱装置 20 耐真空性の容器 40 排気手段 41 ガス供給手段 42 給送/排出管 100 昇華成長装置 Ar アルゴンガス T 坩堝の温度 T1 成長温度 T0 中間温度 P 坩堝の圧力 P1 成長圧力 P0 残圧力 70 始動期間 71 加熱期間 80 成長期間 t 時間 50 加熱期間の温度推移 51 第1の昇温速度の範囲 52 第2の昇温速度の範囲 53 第3の昇温速度の範囲 54 第4の昇温速度の範囲
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェルクル、ヨハネス ドイツ連邦共和国 デー‐91056 エルラ ンゲン ホーファー シュトラーセ 4 Fターム(参考) 4G077 AA02 BE08 DA18 EA02 EA05 EA06 SA01 SA07

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 a)固体のSiC(30)から成る貯蔵物を坩堝(10)の 貯蔵領域(12)内に容れ、また少なくとも1つのSiC種結晶(31)を 坩堝(10)の少なくとも1つの結晶領域(13)内に容れ、 b)坩堝(10)を始動期間(70)中に成長条件にもたらし、 c)貯蔵物の固体のSiC(30)の少なくとも一部を昇華させ、SiC気相成 分を含むSiC気相に移行させ、このSiC気相成分の少なくとも一部をSi C種結晶(31)に運び、そこで成長するSiC単結晶(32)として析出さ せることによりSiC単結晶(32)を成長期間(80)中に成長させる、 少なくとも1つのSiC単結晶(32)を昇華成長させる方法において、 始動期間(70)中に坩堝(10)を d)まず排気し、次いで坩堝(10)内に成長圧力(P1)が得られる迄、保護 ガスで満たし、 e)まず中間温度(T0)に、次いで加熱期間(71)中に、中間温度(T0) から出発して最高でも20℃/分の昇温速度で成長温度(T1)に加熱する
    ことを特徴とする、少なくとも1つのSiC単結晶(32)の昇華成長方法。
  2. 【請求項2】 始動期間(70)中に、SiC種結晶(31)を支配してい
    るSiC気相中に、SiC種結晶(31)上に結晶成長が始まる、SiC気相成
    分の最低濃度を調整することを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 加熱期間(71)中、貯蔵領域(12)とSiC種結晶(3
    2)との間に、最高で20℃/cmの温度勾配を設定することを特徴とする請求
    項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 加熱期間(71)間の昇温速度を、初期値から出発して最高
    で10℃/分の値に低下させることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の
    方法。
  5. 【請求項5】 加熱期間(71)中の昇温速度を、初期値から出発して徐々
    に低下させることを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 排気した坩堝(10)を、アルゴン、ヘリウム及び水素の少
    なくとも1つの保護ガスで満たすことを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載
    の方法。
  7. 【請求項7】 成長圧力(P1)を1〜20mバールの値に調整することを
    特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の方法。
  8. 【請求項8】 成長温度(T1)を2100〜2300℃の値に調整するこ
    とを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載の方法。
  9. 【請求項9】 坩堝(10)を、始動期間(70)中に1000〜1400
    ℃の中間温度(T0)に加熱することを特徴とする請求項1乃至8の1つ記載の
    方法。
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