JP2005053739A - 単結晶の成長方法および成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品質を保ちつつ長尺な単結晶を得ることができる単結晶の成長方法および成長装置を提供する。
【解決手段】成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材６を使って集められ、種結晶５に向かう。ガス通路１０により、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスが通過し、種結晶５から単結晶１１が成長する。種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１が成長する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単結晶の成長方法および成長装置に関するものである。

炭化珪素単結晶（ＳｉＣ）は、熱的・化学的特性に優れ、禁制帯幅がＳｉ半導体などに比べて大きいなど、電気的特性も優れていることから、高出力、高温、高周波デバイス用半導体材料として注目されている。六方晶ＳｉＣウエハ製造を目的とした大型のバルク結晶成長は、原料を加熱昇華させて種結晶から成長させる昇華再結晶法（改良レーリー法）によって行われるのが一般的である。一方、半導体装置作成用のＳｉＣ単結晶基板としては、現在直径２インチ程度のものが市販されているが、量産性の向上のために、より大口径かつ長尺のＳｉＣ単結晶が必要とされている。また、単結晶は出来るだけ結晶欠陥や歪みが少なく作製されなければならない。

従来の昇華再結晶法による成長技術の例として、特許文献１、特許文献２などが挙げられる。図１３は、その一例であり、坩堝１００の上面開口部が蓋体１０１で塞がれるとともに坩堝１００内にＳｉＣ原料１０２が装填されている。また、蓋体１０１から突出させた台座１０３に種結晶１０４を固着させている。この成長装置では、蓋体１０１の下面中央に形成させた台座１０３に種結晶１０４を固着させることによって、種結晶１０４から成長する単結晶１０５と、台座１０３の周辺に析出する多結晶１０６が接触するタイミングを遅らせ、成長結晶の口径を拡大させながら成長するように工夫されている。しかし、単結晶１０５と多結晶１０６が接触するタイミングを遅らせることが可能であるものの、成長が進むと図１４に示すように最終的には単結晶１０５と多結晶１０６は接触し、それ以上の成長結晶（１０５）の口径拡大および長尺成長が阻まれるという不具合があった。

一方、単結晶に多結晶が接触すると、その界面から単結晶に向かって歪みが導入され、またマクロ欠陥と呼ばれる欠陥も発生することは周知のことである。これらの現象は成長結晶の結晶性を著しく低下させ、半導体グレードの結晶品質を達成できなくなる一原因とされている。

これらの問題に対し、特許文献３において、単結晶を分離して成長することにより結晶の品質向上および口径拡大の促進が実現できる成長装置が提案されている。この成長装置では、図１５に示すように、ガイド部材１１０により多結晶１０６と分離しながら台座３０（蓋体１０１の下面中央に形成させた台座１０３）に固着させた種結晶１０４から単結晶１０５を拡大成長させるようにしている。つまり、ＳｉＣ原料１０２からの昇華ガスの流れをガイド部材１１０により導くことによって、単結晶１０５の成長を優勢に起こし、多結晶１０６の析出を効果的に遅らせることにより、分離状態を長く続けて成長することが可能である。その結果、図１３，１４を用いて説明した成長技術と比較して、一層口径拡大成長および長尺化成長の効率化を図ることが可能となり、良質で大型の結晶が得られるようになる。
特開平１−３０５８９８号公報 特開平１０−３６１９５号公報 特開２００２−６０２９７号公報

図１５の成長装置において、更に長尺な単結晶を作ろうとすると、図１６に示すように、ガイド部材１１０の内壁に多量の多結晶１１１が析出しやすく、その場合、単結晶１０５から更に成長させた単結晶１０５’に接することとなり、分離成長した結晶の拡大成長ならびに長尺成長が難しくなる。また、台座１０３に種結晶１０４を固着させる際に発生する歪みが成長結晶（１０５）に伝搬しやすい。このように、高品質かつ長尺な単結晶は得にくい状況にある。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、品質を保ちつつ長尺な単結晶を得ることができる単結晶の成長方法および成長装置を提供することにある。

請求項１に記載の単結晶の成長方法は、成長用容器内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材を使って集めて種結晶に向かわせガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶から単結晶を成長させ、かつ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにしたことを特徴としている。

請求項１に記載の単結晶の成長方法によれば、成長用容器内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材を使って集められ種結晶に向かい、種結晶の成長面での原料ガスの濃度が高くなる。そして、ガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶から単結晶が成長していく。

一方、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面においては多結晶が付着しやすく、多結晶は単結晶の長尺化を阻害する要因となる。ここで、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面での原料ガスの濃度が下げられる（ガス濃度が希薄化にされる）。これにより、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面に多結晶が付着するのが防止される。その結果、単結晶の成長を多結晶に接触せずに継続して行うことができ長尺化することができる。

そのために、請求項６，７，８に記載の単結晶の成長装置を用いる。つまり、請求項６に記載のように、成長用容器内に、成長用容器内において流れている原料ガスを種結晶に向かわせる筒状のガス流制御部材を設け、このガス流制御部材により種結晶および成長させる単結晶を隙間を介して取り囲み、この隙間を通して原料ガスを通過させるとともに、ガス流制御部材と成長用容器の内壁との間に、ガス流制御部材を迂回して原料ガスが流れるガス通路を設けた単結晶の成長装置を使用する。これにより、ガス流制御部材と成長用容器の内壁との間に設けたガス通路によってガス流制御部材を迂回して原料ガスが流れ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。その結果、請求項１に記載の発明の効果が得られる。

また、請求項７に記載のように、成長用容器内に、成長用容器内において流れている原料ガスを種結晶に向かわせる筒状のガス流制御部材を設け、このガス流制御部材により種結晶および成長させる単結晶を隙間を介して取り囲み、この隙間を通して原料ガスを通過させるとともに、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する部位よりも外周側に、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回して原料ガスが流れる透孔を設けた単結晶の成長装置を使用する。これにより、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する部位よりも外周側に設けた透孔によって、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。その結果、請求項１に記載の発明の効果が得られる。

さらに、請求項８に記載のように、成長用容器内に、成長用容器内において流れている原料ガスを種結晶に向かわせる筒状のガス流制御部材を設け、このガス流制御部材により種結晶および成長させる単結晶を隙間を介して取り囲み、この隙間を通して原料ガスを通過させるとともに、成長用容器に、ガス流制御部材を迂回して原料ガスが流れるガス通路を設けた単結晶の成長装置を使用する。これにより、成長用容器に設けたガス通路によってガス流制御部材を迂回して原料ガスが流れ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。その結果、請求項１に記載の発明の効果が得られる。

請求項２に記載の単結晶の成長方法は、成長用容器内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材を使って集めて種結晶に向かわせガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶を成長させるようにしたことを特徴としている。

請求項２に記載の単結晶の成長方法によれば、成長用容器内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材を使って集められ種結晶に向かい、種結晶の成長面での原料ガスの濃度が高くなる。そして、ガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶が成長する。よって、種結晶を支持する箇所において発生する歪みは成長結晶に伝搬しやすいが、種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶を成長させることにより、歪みを低減させつつ単結晶の成長を継続して行うことにより高品質に長尺化することができる。

そのために、請求項９に記載の単結晶の成長装置を用いる。つまり、成長用容器内に、成長用容器内において流れている原料ガスを種結晶に向かわせる筒状のガス流制御部材を設け、このガス流制御部材により種結晶および成長させる単結晶を隙間を介して取り囲み、この隙間を通して原料ガスを通過させ、かつ、ガス流制御部材は、種結晶からの成長初期に対応する部位においてはそれ以降に対応する部位よりも成長方向に内径が拡大しない単結晶の成長装置を使用する。これにより、ガス流制御部材が、種結晶からの成長初期に対応する部位においてはそれ以降に対応する部位よりも成長方向に内径が拡大しないので、種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶が成長する。その結果、請求項２に記載の発明の効果が得られる。

請求項３に記載の単結晶の成長方法は、成長用容器内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材を使って集めて種結晶に向かわせガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶を成長させ、かつ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにしたことを特徴としている。

請求項３に記載の単結晶の成長方法によれば、成長用容器内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材を使って集められ種結晶に向かい、種結晶の成長面での原料ガスの濃度が高くなる。そして、ガス流制御部材の内方においてガス流制御部材の内壁面との間の隙間を通して原料ガスを通過させつつ種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶が成長する。よって、種結晶を支持する箇所において発生する歪みは成長結晶に伝搬しやすいが、種結晶からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶を成長させることにより、歪みを低減させつつ単結晶の成長を継続して行うことにより高品質に長尺化することができる。

一方、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面においては多結晶が付着しやすく、多結晶は単結晶の長尺化を阻害する要因となる。ここで、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られ、ガス流制御部材における、成長させる単結晶と対向する内壁面での原料ガスの濃度が下げられる（ガス濃度が希薄化にされる）。これにより、ガス流制御部材の内壁面に多結晶が付着するのが防止される。その結果、単結晶の成長を多結晶に接触せずに継続して行うことができ長尺化することができる。

そのために、請求項１０に記載の単結晶の成長装置を用いる。つまり、請求項６〜８のいずれか１項に記載の単結晶の成長装置において、ガス流制御部材は、種結晶からの成長初期に対応する部位においてはそれ以降に対応する部位よりも成長方向に内径が拡大しない単結晶の成長装置を使用する。これによって、請求項３に記載の発明の効果が得られる。

特に、請求項４に記載のように、請求項２または３に記載の単結晶の成長方法において、成長初期に単結晶を成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率が±５％以内となるように成長させるようにするとよい。また、請求項５に記載のように、請求項２または３に記載の単結晶の成長方法において、成長初期以降に単結晶を成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率が５０％以内で拡大するように成長させるとよい。

そのために、請求項１１に記載のように、請求項９または１０に記載の単結晶の成長装置において、ガス流制御部材での成長初期に対応する部位は、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率が±５％以内であるとよい。また、請求項１２に記載のように、請求項９または１０に記載の単結晶の成長装置において、ガス流制御部材での成長初期以降に対応する部位は、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率が５０％以内で拡大しているとよい。

以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施の形態におけるＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図である。この結晶成長装置は、改良型レーリー法によってＳｉＣ種結晶５から昇華再結晶し、図３に示すように単結晶（ＳｉＣ単結晶）１１を成長させるものである。

図１において、黒鉛製坩堝１と黒鉛製蓋体２にて成長用容器（単結晶の成長用容器）が構成されている。黒鉛製坩堝１は有底円筒状をなし、その上端開口部に蓋体２が設置され、当該開口部を塞いでいる。その結果、坩堝１の上面開口部が蓋体２によって塞がれることにより、坩堝１の内部が準密閉空間となっている。なお、黒鉛製坩堝１はＴａＣでコーティングしてもよい。

坩堝１内における下部にはＳｉＣ原料（炭化珪素原料粉末）３が装填されている。蓋体２の下面においてその中央部には下方に突出する台座（種結晶支持部）４が一体的に形成されている。台座４は円柱状をなし、蓋体２の下面から十分な量だけ突出している。台座４の下面にはＳｉＣ種結晶（ＳｉＣ単結晶基板）５の一方の面が接着（固着）され、他方の面がＳｉＣ原料３と対向した状態で配置されている。ＳｉＣ種結晶５は台座４と同径である。ＳｉＣ種結晶５は水平方向に配置され、その下面に対する法線方向、即ち、下方向が結晶成長方向となる。

ＳｉＣ原料３には、アチソン法もしくは化学合成によって得られたＳｉＣ粉末を用いている。種結晶５には、アチソン法もしくはレーリー法によって得られたＳｉＣ単結晶、または、アチソン結晶やレーリー結晶から昇華法で成長させたＳｉＣ単結晶を使用している。種結晶５は、厚さが０．１〜１０ｍｍである。

また、坩堝１の周囲には誘導コイル等の加熱装置（図示略）が設けられ、坩堝１の内部、特にＳｉＣ原料３を加熱することができるようになっている。
さらに、成長用容器（１，２）内には筒状のガス流制御部材６が設置されている。ガス流制御部材６は、図３のごとく、種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲んでおり、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせるためのものである。図１において、ガス流制御部材６は板材よりなり、上側の均等な内径の筒状部７と、下側のテーパ状の筒状部８にて構成されている。ガス流制御部材６における均等な内径の筒状部７の上端開口部はＳｉＣ種結晶５よりも上方の台座４の周囲に位置し、また、筒状部７の下端はＳｉＣ種結晶５よりも下方に位置している。このようにガス流制御部材６の筒状部７は、ＳｉＣ種結晶５を配置した高さでの周囲およびＳｉＣ種結晶５の下面（成長面）より所定の距離まで覆っている。また、筒状部７は、台座４とは離間した状態で配置され、台座４とは空隙（隙間９）をおくことにより空間的に分離した状態で配置されている。そして、図３のごとく、隙間９を通して原料ガスが通過することになる。図１の筒状部７の下端にはテーパ状の筒状部８が連続する状態で連結されている（均等な内径の筒状部７の内径とテーパ状の筒状部８の上端開口部の内径は等しくなっている）。筒状部８は成長方向に直線的に連続して拡径している。

また、ガス流制御部材６と坩堝１の内壁との間にはガス通路１０が形成され、ガス通路１０には、図３のごとくガス流制御部材６を迂回して原料ガスが流れることになる。これにより、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られることになる。

また、ガス流制御部材６は、図３に示すように、種結晶５からの成長初期に対応する部位（７）においてはそれ以降に対応する部位（８）よりも成長方向に内径が拡大しない形状となっており、これにより、種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１が成長することとなる。

次に、本成長装置を用いて、単結晶を成長させる順序（工程）について説明する。
まず、図１の黒鉛製坩堝１から蓋体２を取り外し、台座４に種結晶５を接着剤によって接合する。そして、ＳｉＣ原料３を入れた坩堝１に蓋体２を取り付ける。

この状態で、高純度Ａｒガス雰囲気内で高周波炉や抵抗加熱炉、赤外炉などによって坩堝１を加熱し、蓋体２の上面の温度（種結晶温度：Ｔａ）と坩堝１の下面の温度（原料温度：Ｔｂ）をパイロメータで測定しながら温度を制御する。このとき、種結晶５の温度および原料温度を２０００〜２５００℃、原料・種結晶間の温度勾配（Ｔａ−Ｔｂ）を０〜２０℃／ｃｍに制御する。成長は、この状態となるまで加熱した後に成長装置内を減圧することで開始し、１〜１００Ｔｏｒｒに定圧保持することで行う。成長の際には、ＳｉＣ原料３の昇華ガスが発生してこれが原料ガスとして上方へ移動していく。ＳｉＣ原料３から発生した原料ガスは、ガス流制御部材６により集められＳｉＣ種結晶５に向かう。ガス流制御部材６の内方において、ＳｉＣ原料３から発生した原料ガスは、図２のごとく、ガス流制御部材６の内壁面とＳｉＣ種結晶５の間の隙間９を通って通過して蓋体２に至る。また、ＳｉＣ原料３から発生した原料ガスは、坩堝１の内面とガス流制御部材６の間のガス通路１０を通って蓋体２に至る。

このようにして成長用容器（１，２）内に配したＳｉＣ種結晶５に対して原料ガスを供給することによりＳｉＣ種結晶５からＳｉＣ単結晶１１が下方に成長する。詳しくは、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材６を使って集められ種結晶５に向かい、種結晶５の成長面での原料ガスの濃度が高くなる。そして、ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスを通過させつつ図２に示すように種結晶５の下面から単結晶１１ａが成長していく。単結晶１１ａは、口径が等しい円柱状をなしている。さらに成長を継続することにより、図３に示すように口径が拡大した単結晶１１ｂが成長する。

一方、蓋体２の下面からは多結晶１２が成長する。つまり、種結晶５からは単結晶１１のみが成長し、多結晶１２は台座４の周辺部に完全に分離されて析出する。
このような成長工程において、ガス流制御部材６の内壁面（詳しくは、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面）においては多結晶が付着しやすく、多結晶は単結晶の大口径化や長尺化を阻害する要因となる。特に、ガス流制御部材６の下端はＳｉＣ原料３に近いため、もともと多結晶が付着しやすく、その多結晶は単結晶１１の大口径化や長尺化を阻害する。ここで、本実施形態においては上述したようにガス通路１０を通してガス流制御部材６の下端周辺の原料ガスが蓋体２側へ流される。即ち、ガス通路１０によりガス流制御部材６の内壁面（詳しくは、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面）を迂回する原料ガスの流れが作られ、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面での原料ガスの濃度が下げられる（ガス濃度が希薄化にされる）。これにより、ガス流制御部材６の下端面および内壁面に多結晶が付着するのが防止される。その結果、単結晶の成長を多結晶に接触せずに継続して行うことができ長尺化・大口径化することができる。

一方、ガス流制御部材６の形状は成長する結晶の外形に影響を与え、結晶の外形はガス流制御部材６の内壁形状に沿った形状となる。このことを利用して成長結晶内部の歪みを制御できる。歪みの多くは種結晶５が台座４に固着された界面より発生する傾向があるが、その影響を軽減するために成長初期において極力口径を拡大させないようにしている。具体的には、図４に示すように、成長初期に単結晶１１ａを成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率Ａ１が±５％以内となるように成長させる。そのために、図５に示すように、ガス流制御部材６での成長初期に対応する部位（７）を、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率Ｂ１を±５％以内にする。

Ａ１，Ｂ１値に関して詳しく説明する。図４において、単結晶１１ａにおける所定位置での口径をφ１とし、この位置よりも１ｍｍだけ成長した位置での口径をφ２としたとき、口径変化率Ａ１[％]は、
[（φ２−φ１）／φ１]×１００
となる。

また、図５において、ガス流制御部材６での成長初期に対応する部位（７）における所定位置での内径をφ１１とし、この位置よりも１ｍｍだけ成長進行側の位置での内径をφ１２としたとき、内径寸法変化率Ｂ１[％]は、
[（φ１２−φ１１）／φ１１]×１００
となる。

このようにして、歪みの多くは種結晶５が固着された界面より発生する傾向があるが、口径拡大の少ない円柱状に成長させることにより歪みを低減させつつ成長を続けて長尺化できる。

図１においては種結晶５側に均等な内径の筒状部（円筒部）７を有するガス流制御部材６を用いており、さらに、結晶の大口径化を目的に成長を行うべくテーパ状の筒状部８を連結することで、初期の歪みを軽減させた後に口径拡大させることができる。具体的には、図４に示すように、成長初期以降に単結晶１１ｂを成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率Ａ２が５０％以内で拡大するように成長させている。そのために、図５に示すように、ガス流制御部材６での成長初期以降に対応する部位（８）は、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率Ｂ２を５０％以内で拡大させる。

Ａ２，Ｂ２値に関して詳しく説明する。図４において、単結晶１１ｂにおける所定位置での口径をφ３とし、この位置よりも１ｍｍだけ成長した位置での口径をφ４としたとき、口径変化率Ａ２[％]は、
[（φ４−φ３）／φ３]×１００
となる。

また、図５において、ガス流制御部材６での成長初期以降に対応する部位（８）における所定位置での内径をφ１３とし、この位置よりも１ｍｍだけ成長進行側の位置での内径をφ１４としたとき、内径寸法変化率Ｂ２[％]は、
[（φ１４−φ１３）／φ１３]×１００
となる。

このように、種結晶５を支持する箇所において発生する歪みは成長結晶（１１）に伝搬しやすいが、種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１を成長させることにより、歪みを低減させつつ単結晶の成長を継続して行うことにより高品質に長尺化・大口径化することができる。

以上のごとく、ＳｉＣ単結晶の種結晶５を台座４に固定し、ＳｉＣ原料（原料粉末）３と共に黒鉛製坩堝１内に装填し、昇華温度に保持後、坩堝１の内部を減圧し、口径の拡大率の変化量を初期成長とその後の成長に分けて段階的に変化させながら単結晶１１を成長させる。よって、単結晶１１を分離成長させながらさらに結晶１１の大口径化および長尺化が可能で、かつ種結晶５に発生する歪みを緩和し、構成が簡単で量産性の向上および低コスト化が可能となる。

このようにして、ガス流制御部材６を用いることによって単結晶１１と多結晶１２を完全に分離し、さらに大口径かつ長尺な結晶１１を歪みを軽減させながら成長可能な成長装置となる。高品質な長尺結晶、大口径結晶の実現は単結晶ウエハの量産性に貢献し、工業的に意義性が高いと言える。
[実施例]
図６に示すように、蓋体２から突出させた台座４を直径５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱とし、直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの種結晶５を固着して成長を行った。台座４を取り囲むようにガス流制御部材６を設置し、台座４とガス流制御部材６の間に幅が１ｍｍの隙間９を設けた。ガス流制御部材６は、上部を均等な内径の筒状部（円筒部）７、下部をテーパ状の筒状部（円錐部）８とし、それぞれ成長結晶の口径拡大率が±５％／ｍｍ、５０％未満／ｍｍの２段階となるように形状を調整した。また、ガス通路１０は隙間の幅を１ｍｍで構成した。

種結晶５は昇華法によって作成された円板状の六方晶ＳｉＣ単結晶とし、成長面の方位を（０００１）面とした。
坩堝１は、まず高周波炉内に支持し、炉内の圧力を２×１０^-5Ｔｏｒｒまで減圧した。その後、高純度Ａｒで７００Ｔｏｒｒまで昇圧し、種結晶５の温度を２２００℃まで昇温した。種結晶５の温度が目的値に到達した後、１０Ｔｏｒｒまで炉内を減圧し成長を始め、１００時間保持した後に常圧まで昇圧、冷却し、単結晶１１を取り出した。

単結晶１１の形状は初期成長部が口径５０ｍｍ、成長高さ５ｍｍ、口径拡大部が最大口径７１ｍｍ、成長高さ３５ｍｍと長尺かつ大口径に成長した。また、ガス流制御部材６の内壁には多結晶は付着しなかったため、長尺化、大口径化とも阻害されることがなかった。これは、ガス通路１０によってガス流制御部材６の内壁近傍の原料ガス濃度が希薄に調整された効果である。また、台座４の周辺に析出した多結晶（１２）は少量で、ガス流制御部材６にも接触せず、単結晶１１は多結晶１２とは完全に分離して成長した。

成長した結晶１１は成長方向に対し垂直に切断し、厚さ０．６ｍｍの（０００１）ウエハを複数枚作製した。ウエハの湾曲をＸ線回折装置によって測定したところ、種結晶直上で０．３６°／ｃｍあった格子の歪みが口径拡大部の最大直径部では０．００２７°／ｃｍと大幅に改善されていた。熱応力解析を計算機で行った結果と併せて解析した結果、２段階に口径拡大率を変化させる成長方法が歪みの抑制に効果的であることが確認できた。

上記の要領で品質の良い状態で単結晶のみを分離させながら一層効率の良い口径拡大成長をすることができた。
以上のごとく、本実施形態は以下の特徴を有する。
（イ）単結晶の成長方法として、図３のごとく、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材６を使って集めて種結晶５に向かわせる。このとき、ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスを通過させつつ種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１を成長させる。また、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにした。

よって、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスが筒状のガス流制御部材６を使って集められ種結晶５に向かい、種結晶５の成長面での原料ガスの濃度が高くなる。そして、ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスを通過させつつ種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１が成長する。よって、種結晶５を支持する箇所において発生する歪みは成長結晶に伝搬しやすいが、種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１を成長させることにより、歪みを低減させつつ単結晶の成長を継続して行うことにより高品質に長尺化することができる。

一方、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面においては多結晶が付着しやすく、多結晶は単結晶の大口径化や長尺化を阻害する要因となる。ここで、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られ、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面での原料ガスの濃度が下げられる（ガス濃度が希薄化にされる）。これにより、ガス流制御部材６の内壁面（ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面）に多結晶が付着するのが防止される。その結果、単結晶の成長を多結晶に接触せずに継続して行うことができ長尺化することができる。

そのための単結晶の成長装置として、成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせる筒状のガス流制御部材６を設け、このガス流制御部材６により種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲み、この隙間９を通して原料ガスを通過させる。また、ガス流制御部材６と成長用容器（１，２）の内壁との間に、ガス流制御部材６を迂回して原料ガスが流れるガス通路１０を設ける。さらに、ガス流制御部材６は、種結晶５からの成長初期に対応する部位（７）においてはそれ以降に対応する部位（８）よりも成長方向に内径が拡大しないものを用いる。

このような（イ）は２つの技術的内容を含んでいるので、それを単独に行う、即ち、次の（ロ），（ハ）のようにしてもよい。
（ロ）単結晶の成長方法として、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材６を使って集めて種結晶５に向かわせる。このとき、ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスを通過させつつ種結晶５から単結晶１１を成長させ、かつ、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにする。そのための単結晶の成長装置として、成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせる筒状のガス流制御部材６を設け、このガス流制御部材６により種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲み、この隙間９を通して原料ガスを通過させる。また、ガス流制御部材６と成長用容器（１，２）の内壁との間に、ガス流制御部材６を迂回して原料ガスが流れるガス通路１０を設ける。これにより、ガス流制御部材６と成長用容器（１，２）の内壁との間に設けたガス通路１０によってガス流制御部材６を迂回して原料ガスが流れ、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。
（ハ）単結晶の成長方法として、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材６を使って集めて種結晶５に向かわせる。このとき、ガス流制御部材６の内方においてガス流制御部材６の内壁面との間の隙間９を通して原料ガスを通過させつつ種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１を成長させるようにする。そのための単結晶の成長装置として、成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせる筒状のガス流制御部材６を設け、このガス流制御部材６により種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲み、この隙間９を通して原料ガスを通過させる。また、ガス流制御部材６は、種結晶５からの成長初期に対応する部位（７）においてはそれ以降に対応する部位（８）よりも成長方向に内径が拡大しないものを使用する。これにより、ガス流制御部材６が、種結晶５からの成長初期に対応する部位（７）においてはそれ以降に対応する部位（８）よりも成長方向に内径が拡大しないので、種結晶５からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶１１が成長する。

以下に、応用例を説明する。
図３では、坩堝１の内面とガス流制御部材６の外周面との間にガス通路１０を設けた例を示したが、坩堝１の内面とガス流制御部材６の外周面との間に隙間を設けることなく、図７や図８に示すような構成としてもよい。つまり、図７においては、ガス流制御部材２０にガス通路としての透孔２３を設けている。図８においては、坩堝１にガス通路２４を形成している。

詳しくは、図７において、成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせる筒状のガス流制御部材２０が設けられている。ガス流制御部材２０は、板材よりなり、上側の均等な内径の筒状部２１と、下側のテーパ状の筒状部２２にて構成されている。このガス流制御部材２０により種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲み、この隙間９を通して原料ガスが通過する。また、ガス流制御部材２０における、成長させる単結晶１１と対向する部位よりも外周側に、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回して原料ガスが流れる透孔２３が設けられている。この透孔２３によって、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。

図８において、成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶５に向かわせる筒状のガス流制御部材２０が設けられている。ガス流制御部材２０は、板材よりなり、上側の均等な内径の筒状部２１と、下側のテーパ状の筒状部２２にて構成されている。このガス流制御部材２０により種結晶５および成長させる単結晶１１を隙間９を介して取り囲み、この隙間９を通して原料ガスが通過する。また、成長用容器（１，２）に、ガス流制御部材２０を迂回して原料ガスが流れるガス通路２４が設けられている。このガス通路２４によって、ガス流制御部材２０を迂回して原料ガスが流れ、ガス流制御部材６における、成長させる単結晶１１と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れが作られる。

さらに、図３でのガス流制御部材６の形状に関して、図３においては均等な内径の筒状部７とテーパ状の筒状部８の二つが連結したものを例として示した。これに代わり、図９や図１０や図１１に示すような構成としてもよい。つまり、図９において、ガス流制御部材３０は、均等な内径の筒状部（円筒部）３１と円板部３２をつないだ形状とし、円板部３２の外周面と坩堝１の内壁との間にガス通路１０が形成されている。図１０において、ガス流制御部材４０はテーパ状の筒状（円錐状）とし、下端の外周面と坩堝１の内壁との間にガス通路１０が形成されている。図１１において、ガス流制御部材５０は内面が曲面で構成されるテーパ状の筒状（ホーン形状）とし、下端の外周面と坩堝１の内壁との間にガス通路１０が形成されている。図１１のように成長初期に対応する部位が径を絞った形状となっていると、歪みを緩和することができるとともに、初期の歪みを軽減させた後に結晶の大口径化を行うことができる。

これまでの説明においては改良型レーリー法に適用した場合を説明してきたが、改良型レーリー法以外の例えば化学気相成長法等に適用してもよい。化学気相成長法に適用する場合は、図３に代わる図１２に示すように、容器を準密閉空間とせず原料ガスが通過するように反応容器（成長用容器）６０の上下面を開放部６２，６３とし、下側の開放部６２からガスを導入して容器の上側の開放部６３から排出する。つまり、これまでの説明においては昇華法（原料として固定原料を用いる方法）にて単結晶を成長する場合について説明してきたが、例えば、Ｓｉ含有ガスとしてモノシランと、Ｃ含有ガスとしてプロパンといった混合ガスを反応容器６０に導入して単結晶を成長する場合に適用してもよい。なお、図１２において種結晶５は容器６０の開放部６３側において配した台座６１の先端面に固着されている。

このように本発明は、昇華法以外の方法にも応用が可能であり、また、ＳｉＣ以外の材料を成長させる際に適用することができる。具体的には、例えば、無機化合物の結晶としては、化合物半導体系のＺｎＳｅ（II−VI族化合物）、ＧａＡｓ（III−Ｖ族化合物）、ＡｌＮ、ＧａＮ（III−Ｖ族窒合物）、単元素半導体では、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（ダイヤモンド）、酸化物ではＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂などを挙げることができる。昇華法においては、ＡｌＮなどのIII−Ｖ族窒化物やＺｎＳｅなどのII−VI族化合物などを挙げることができる。

実施の形態におけるＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 結晶成長時のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 結晶成長時のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 成長した結晶の寸法を説明するための図。 ガス流制御部材の寸法を説明するための図。 実施例におけるＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 応用例のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 背景技術を説明するためのＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 背景技術を説明するための結晶成長時のＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 背景技術を説明するためのＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。 課題を説明するためのＳｉＣ単結晶の成長装置の概略構成による縦断面図。

符号の説明

１…坩堝、２…蓋体、３…ＳｉＣ原料（炭化珪素原料粉末）、４…台座、５…ＳｉＣ種結晶、６…ガス流制御部材、７…均等な内径の筒状部、８…テーパ状の筒状部、９…隙間、１０…ガス通路、１１…単結晶、１１ａ…単結晶、１１ｂ…単結晶、２０…ガス流制御部材、２１…均等な内径の筒状部、２２…テーパ状の筒状部、２３…透孔、２４…ガス通路、３０…ガス流制御部材、３１…均等な内径の筒状部、３２…円板部、４０…ガス流制御部材、５０…ガス流制御部材、６０…成長用容器としての反応容器。

Claims (12)

1. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長方法において、
   成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材（６）を使って集めて種結晶（５）に向かわせガス流制御部材（６）の内方においてガス流制御部材（６）の内壁面との間の隙間（９）を通して原料ガスを通過させつつ種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させ、かつ、ガス流制御部材（６）における、成長させる単結晶（１１）と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにしたことを特徴とする単結晶の成長方法。
2. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長方法において、
   成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材（６）を使って集めて種結晶（５）に向かわせガス流制御部材（６）の内方においてガス流制御部材（６）の内壁面との間の隙間（９）を通して原料ガスを通過させつつ種結晶（５）からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶（１１）を成長させるようにしたことを特徴とする単結晶の成長方法。
3. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長方法において、
   成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを筒状のガス流制御部材（６）を使って集めて種結晶（５）に向かわせガス流制御部材（６）の内方においてガス流制御部材（６）の内壁面との間の隙間（９）を通して原料ガスを通過させつつ種結晶（５）からの成長初期においてはそれ以降よりも成長方向に口径拡大させずに単結晶（１１）を成長させ、かつ、ガス流制御部材（６）における、成長させる単結晶（１１）と対向する内壁面を迂回する原料ガスの流れを作るようにしたことを特徴とする単結晶の成長方法。
4. 請求項２または３に記載の単結晶の成長方法において、
   前記成長初期に単結晶（１１ａ）を成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率（Ａ１）が±５％以内となるように成長させるようにしたことを特徴とする単結晶の成長方法。
5. 請求項２または３に記載の単結晶の成長方法において、
   前記成長初期以降に単結晶（１１ｂ）を成長させる際に、成長方向における１ｍｍあたりの口径寸法の変化率（Ａ２）が５０％以内で拡大するように成長させるようにしたことを特徴とする単結晶の成長方法。
6. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長装置において、
   成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶（５）に向かわせる筒状のガス流制御部材（６）を設け、このガス流制御部材（６）により種結晶（５）および成長させる単結晶（１１）を隙間（９）を介して取り囲み、この隙間（９）を通して原料ガスを通過させるとともに、ガス流制御部材（６）と成長用容器（１，２）の内壁との間に、ガス流制御部材（６）を迂回して原料ガスが流れるガス通路（１０）を設けたことを特徴とする単結晶の成長装置。
7. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長装置において、
   成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶（５）に向かわせる筒状のガス流制御部材（２０）を設け、このガス流制御部材（２０）により種結晶（５）および成長させる単結晶（１１）を隙間（９）を介して取り囲み、この隙間（９）を通して原料ガスを通過させるとともに、ガス流制御部材（２０）における、成長させる単結晶（１１）と対向する部位よりも外周側に、成長させる単結晶（１１）と対向する内壁面を迂回して原料ガスが流れる透孔（２３）を設けたことを特徴とする単結晶の成長装置。
8. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長装置において、
   成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶（５）に向かわせる筒状のガス流制御部材（２０）を設け、このガス流制御部材（２０）により種結晶（５）および成長させる単結晶（１１）を隙間（９）を介して取り囲み、この隙間（９）を通して原料ガスを通過させるとともに、成長用容器（１，２）に、ガス流制御部材（２０）を迂回して原料ガスが流れるガス通路（２４）を設けたことを特徴とする単結晶の成長装置。
9. 成長用容器（１，２）内に配した種結晶（５）に対して原料ガスを供給して当該種結晶（５）から単結晶（１１）を成長させる単結晶の成長装置において、
   成長用容器（１，２）内に、成長用容器（１，２）内において流れている原料ガスを種結晶（５）に向かわせる筒状のガス流制御部材（６）を設け、このガス流制御部材（６）により種結晶（５）および成長させる単結晶（１１）を隙間（９）を介して取り囲み、この隙間（９）を通して原料ガスを通過させ、かつ、前記ガス流制御部材（６）は、種結晶（５）からの成長初期に対応する部位においてはそれ以降に対応する部位よりも成長方向に内径が拡大しないことを特徴とする単結晶の成長装置。
10. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の単結晶の成長装置において、
    前記ガス流制御部材（６，２０）は、種結晶（５）からの成長初期に対応する部位においてはそれ以降に対応する部位よりも成長方向に内径が拡大しないことを特徴とする単結晶の成長装置。
11. 請求項９または１０に記載の単結晶の成長装置において、
    前記ガス流制御部材（６，２０）での成長初期に対応する部位（７，２１）は、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率（Ｂ１）が±５％以内であることを特徴とする単結晶の成長装置。
12. 請求項９または１０に記載の単結晶の成長装置において、
    前記ガス流制御部材（６，２０）での成長初期以降に対応する部位（８，２２）は、成長方向における１ｍｍあたりの内径寸法の変化率（Ｂ２）が５０％以内で拡大していることを特徴とする単結晶の成長装置。

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