JP2005239464A - 坩堝を用いた単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇華法成長を利用した単結晶製造において、坩堝内の原料から発生する昇華ガスが坩堝嵌合部から漏洩し、結晶成長効率の低下や、製造の再現性低下という問題がある。
【解決手段】坩堝下部に原料粉末を収納し、坩堝上部に種結晶を取り付ける坩堝の嵌合部において、坩堝下部が坩堝上部の半径方向内側に配置させた。また、坩堝下部を構成する黒鉛の熱膨張係数は４．１×１０^-6 Ｋ^-1とし、坩堝上部を構成する黒鉛はこれより小さな熱膨張係数を有する材質ととした。このような坩堝設計にて、坩堝下部温度２３００℃、坩堝上部温度２２００℃にて結晶成長を行うと、坩堝嵌合部からの昇華ガス漏洩が抑制され、昇華ガスの利用効率が向上し、単結晶製造に好適な結果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶製造用の坩堝に関し、特に炭化珪素単結晶の製造に好適に利用できるものである。

従来から、炭化珪素単結晶を成長させる方法として、昇華法が広く用いられている。昇華法は改良レーリー法とも呼ばれるが、黒鉛製の坩堝内に配置した黒鉛台座に炭化珪素単結晶で構成される種結晶基板および原料粉末を配置し、坩堝を加熱することで昇華ガスが発生する。原料近傍と単結晶基板との間で、昇華ガスの濃度差が生じるため、昇華ガスが単結晶基板まで拡散し、単結晶基板近傍での過飽和が駆動力となり単結晶成長が進行する。炭化珪素を原料とした場合に発生する昇華ガスの組成は、Ｓｉ、ＳｉＣ₂、Ｓｉ₂Ｃ、Ｓｉ₂、Ｓｉ₃等であり、特にＳｉ、ＳｉＣ₂、Ｓｉ₂Ｃは平衡分圧が大きく重要である。

一般的な昇華法による炭化珪素単結晶成長方法を、図４を用いて、詳細に説明する。坩堝下部材１および坩堝上部材２は概ね全てが黒鉛で構成され、嵌め合う箇所、つまり嵌合部３を有する。坩堝下部材１に原料粉末６を収納し、坩堝上部材２に設けられた種結晶取付部２ｂに炭化珪素単結晶で構成される種結晶５を取り付けることで、坩堝内部下方に原料粉末６、坩堝内部上方に種結晶５を配置する。坩堝部材の周囲を取り囲むように、断熱材４を配置し、坩堝部材および断熱材４を支持部材１１で保持する。高周波ワークコイル１０は断熱材４のさらに外側に位置し、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚの高周波電流を数百Ａ流すことで、坩堝部材を２０００℃以上に誘導加熱できる。

坩堝部材（１、２）、高周波ワークコイル１０等の各構成部材の位置関係の制御により、温度分布を制御することができ、例えば坩堝本体１を２２００〜２５００℃に、坩堝上蓋２を坩堝本体１より５０〜２００℃低い温度に加熱する。このときの温度の計測は、上部用非接触温度計１２および下部用非接触温度計１３によって行う。前述の温度分布を構成すると、高温側である原料粉末６から昇華ガスが発生し、低温側である種結晶５へ昇華ガスが輸送され、種結晶５の表面へ炭化珪素単結晶が成長する。

なお、原料６としては、炭化珪素粉末が一般的であるが、炭化珪素にシリコン、カーボン、あるいはドーパントを加えたり、炭化珪素の代わりにシリコン粉末やシリコン含有有機化合物を用いる場合もある。

炭化珪素単結晶基板の課題の一つに、価格低減がある。炭化珪素基板を用いたデバイスが普及するには、基板品質向上と同時に、基板単価低減が必須である。しかしながら、炭化珪素、シリコン、炭素等の、高純度原料粉末の価格が高いため、これら原料を効率よく単結晶製造に寄与させること、すなわち結晶成長の効率化が重要である。これまでにも原料からの昇華ガスを有効利用するための取り組みが、報告されている。

例えば、原料粉末の使用効率を向上させる方法が記載されている（特許文献１）。坩堝内に設置された原料が均一には消耗されず、坩堝内の場所によっては原料粉末が消費されないまま残存するという課題に対し、坩堝内部に概ね軸対象の構造物を追加することで原料粉末部の温度分布を変更し原料利用効率改善を行うものである。
特開平５―５８７７４号公報（第２−４頁、第１−４図）

しかしながら、前述の方法は残存する未使用原料を低減することができるが、原料から発生した昇華ガスの坩堝外部への漏洩量が大きいという課題を有する。

昇華法製造においては、坩堝部材が黒鉛で出来ており、これら黒鉛材料はガス透過性が有るため、炭化珪素の単結晶を作製するための原料から発生する昇華ガスは、一部が坩堝外壁を透過して外部へ漏洩する。しかし、前記昇華ガスの大部分は、炭化珪素単結晶の成長に寄与する。以後、炭化珪素の単結晶を作製するための原料から発生する昇華ガスを、昇華ガスと呼ぶ。

また、昇華ガスの発生重量に対する炭化珪素単結晶の生成重量の比が、大きく、１に近いほど、炭化珪素単結晶が効率的に成長していると言えるので、前記の比を、昇華ガスの利用効率と定義する。昇華ガスの坩堝からの漏洩量が多い場合、昇華ガスの利用効率は低くなる。

図４に示す従来の坩堝構造では、嵌合部３において、坩堝下部材の嵌合部１ａが坩堝上部材の嵌合部２ａの半径方向外側に位置し、単結晶成長時に、坩堝下部材１が坩堝上部材２よりも高温となる。そのため、坩堝下部材の嵌合部１ａが坩堝上部材２ａよりも半径方向外側への熱膨張が大きくなるため、嵌合部３における嵌合隙間は、寸法公差（坩堝用黒鉛材料では一般的に０．０２〜０．２存在する）に、熱膨張により生じる隙間が加わり大きくなる。

この結果、坩堝嵌合部からの昇華ガスの漏洩が大きくなり、昇華ガスの利用効率が低くなるという問題が発生する。

以上より、本発明は、昇華ガスの利用効率が不十分であるという従来技術の課題を解決するもので、炭化珪素単結晶の製造コストを低減しつつ、高品質な炭化珪素単結晶を製造できる炭化珪素単結晶製造装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の単結晶製造装置は、黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に第２の部材を嵌合して密閉するように構成されており、前記嵌合部では前記第２の部材は前記第１の部材の周囲を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数が前記第１の部材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とするものである。

さらに、本発明の単結晶製造装置は、黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に中空の第２の部材を第１の嵌合部で嵌合し、前記第２の部材に第３の部材を第２の嵌合部で嵌合して密閉するように構成されており、前記第１の嵌合部では前記第１の部材は前記第２の部材の周囲を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第１の部材の熱膨張係数よりも大きく、前記第２の嵌合部では前記第３の部材は前記第２の部材を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第３の部材よりも大きいことを特徴としたものである。

さらに、本発明の単結晶製造装置は、黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に中空の第２の部材を第１の嵌合部で嵌合し、前記第２の部材に第３の部材を第２の嵌合部で嵌合して密閉するように構成されており、前記第１の嵌合部では前記第２の部材は前記第１の部材の周囲を囲むように配置し、且つ熱膨張係数が前記第１の部材の熱膨張係数と等しく、前記第２の嵌合部では前記第３の部材は前記第２の部材を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第３の部材よりも大きいことを特徴としたものである。

以上のように、本発明の単結晶製造装置によれば、原料粉末から生じる昇華ガスが坩堝嵌合部から漏洩する量を抑制するため、昇華ガスの利用効率を向上し、単結晶製造の再現性を向上させる製造方法を実現することができる。

以下に、本発明の単結晶製造用の坩堝の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における単結晶製造装置の模式図を示す。
図１において、黒鉛製の坩堝は、坩堝下部材１と坩蓋上部材２の二部材により構成される。坩堝下部材１に原料粉末６を充填し、坩堝上部材２の種結晶取付部２ｂに炭化珪素種結晶５を取り付けた。原料粉末６には炭化珪素粉末を用いた。また炭化珪素種結晶５は、溶融アルカリエッチングにより面極性を判定し、研磨処理を行った。坩堝下部材の嵌合部１ａと坩堝上蓋の嵌合部２ａにおいて、坩堝下部材１と坩堝上部材２を嵌め合せる。

これら坩堝部材の外周および上下の面を覆うように断熱材４を配置し、さらに外側に高周波ワークコイル１０を配置し、支持部材１１上に固定する。坩堝部材の上下を覆う断熱材４の中央には直径１０ｍｍの温度測定用の穴を設け、この穴を通して上部用非接触温度計１２により坩堝上部材２の上面中央部の温度を、下部用非接触温度計１３により坩堝下部材１の下面中央部の温度を測定する。また、図には示していないが、これら坩堝部材および断熱材４は石英管等からなるチャンバーにより外気と遮断されており、備えられた真空排気装置により真空とすること、所望のガスを導入すること、さらに圧力を制御することができる。

ここで、坩堝下部材１と坩堝上部材２は、それぞれ異なる等方性黒鉛材料から切り出して加工して準備した。坩堝下部材１を構成する黒鉛材料は、熱膨張係数が４．１×１０^-6［Ｋ^-1］、坩堝上部材２を構成する黒鉛材料は、熱膨張係数が３．５×１０^-6［Ｋ^-1］とした。なお上記熱膨張係数は、炭素協会規格ＪＣＡＳ−１８−１９７８に準拠して、室温から４００℃までの温度範囲で測定した値である。

熱膨張係数以外の物性値は、電気抵抗率はともに約１０ＭＰａ、かさ密度はともに約１．８Ｍｇ／ｍ³であった。坩堝下部材１および坩堝上部材２の外径は７０ｍｍ、坩堝下部材の内径は５５ｍｍ、嵌合部３の径は６７ｍｍ、嵌合した状態での円筒形高さは１５０ｍｍとした。

（実施例１）
以上のように構成された炭化珪素単結晶製造装置を用いて、今回行った炭化珪素単結晶製造のプロセスを説明する。チャンバー内を真空排気したのち、不活性ガスとしてＡｒを導入し、およそ８００００Ｐａとした。次に高周波ワークコイル１０に高周波電流を流し、坩堝下部材１の中央下部の温度が約２３００℃、坩堝上部材２の中央上部の温度が約２２００℃となるまで、加熱を行った。この際に必要に応じて、高周波電流値と高周波ワークコイル１０の位置調整を行うが、本実施の形態では電流値はおよそ３００Ａであった。この後、一定の減圧速度にてチャンバーを排気し、チャンバー内を約１３３０Ｐａに制御する。この際に、前述の温度分布を保持するために必要な電流値が減圧により変化するため、電流値を下げて坩堝の上下温度を一定に保持する。このようにして達成された状態で炭化珪素単結晶５の成長が進行し、１０時間保持した後、Ａｒガスを導入しほぼ大気圧とし、降温する。

（比較例１）
比較例１として、図４に示すように、嵌合部３において坩堝下部材の嵌合部１ａが坩堝上部材の嵌合部２ａより半径方向外側に位置する設計とした。

（比較例２）
比較例２は、図１に示すように実施例１と同様の坩堝設計とした。比較例１、比較例２の双方において、坩堝下部材１および坩堝上部材２の材質は熱膨張係数が４．１×１０^-6［Ｋ^-1］である同一の等方性黒鉛とした。

前述の実施例１と同じ条件にて、各部材の準備、すなわち、種結晶５の取付け、原料粉末６の充填、坩堝部材のセッティングを行った。さらに実施の形態１と同じプロセス条件にて、炭化珪素単結晶の製造を行った。

昇華ガスの利用効率の評価方法について説明する。単結晶が成長すると、原料粉末６から炭化珪素単結晶５への質量が移動するため、坩堝下部材１と原料粉末６の重量合算が減少し、坩堝上部材２と炭化珪素単結晶５の重量合算が増加する。同時に昇華ガスの一部は、坩堝壁や坩堝嵌合部から漏洩し、外部に位置する断熱材４まで到達し、断熱材４に付着生成物を生じさせ、結果、断熱材４の重量が増加する。比較例１における製造前後の重量変化は、坩堝下部材１と原料粉末６の重量合算が８．２ｇ減少し、坩堝上部材２と炭化珪素単結晶５の重量合算が５．６ｇ増加し、断熱材４の重量が２．３ｇ増加した。したがって、昇華ガスのうち０．３ｇは断熱材４より外部へ漏洩したことがわかり、Ａｒガス中に拡散し、装置外部へ排気されたと考えられる。ここで坩堝下部材１と原料粉末６の重量合算の減少量、つまり昇華ガスの発生量を１００％とすると、坩堝上部材２と炭化珪素単結晶５の重量増、つまり炭化珪素の結晶成長は６８％となる。この場合の昇華ガスの利用効率を６８％と定義する。

以上のように坩堝の下部温度２３００℃、上部温度２２００℃にて１０時間結晶成長を行ったときの昇華ガスの利用効率を、比較例１、比較例２、実施例１について比較した結果を記す。

昇華ガスの利用効率は、比較例１の６８％に比較して、比較例２では７５％、実施例１では８６％となり、実施例１において最大の効率が得られた。また、単結晶製造を行うたびに昇華ガス利用効率のばらつきが見られ、比較例１および比較例２では、ばらつきは上下１０％以上に及んだ。それに対して実施例１では、昇華ガス利用効率のばらつきは５％以下であり、単結晶製造結果が安定した。以上のように、実施例１に示した坩堝構造により、昇華ガスの利用効率が向上しさらに利用効率のばらつきを低減でき、炭化珪素単結晶製造におけるコスト低減に寄与するので炭化珪素単結晶製造に好適に用いることができる。

本実施例１では、二種の坩堝部材の熱膨張係数は４．１×１０^-6［Ｋ^-1］と３．５×１０^-6［Ｋ^-1］の組み合わせであったが、この組み合わせに限らずとも本発明は有効であり、さらに二つの坩堝部材間に０．２×１０^-6［K^-1］以上の熱膨張係数の差があれば、なお有効である。この理由について説明する。

等方性黒鉛材料には幾つかの品種があるが、熱膨張係数の選択に制限がある。例えば実用可能な等方性黒鉛は、その熱膨張係数が３．４×１０^-6［Ｋ^-1］から７．１×１０^-6［Ｋ^-1］程度に限定される。ここで熱膨張係数は室温から５００℃の温度範囲で測定した値とする。また、熱膨張係数が４．５×１０^-6［Ｋ^-1］を越える黒鉛材料は、ホットプレス用、冶金のヒーター用、あるいは放電加工用等に適した物性値を有しており、純度等の観点から半導体である炭化珪素単結晶製造用には適用できない。したがって、炭化珪素単結晶製造用の黒鉛坩堝の材質には、熱膨張係数が３．４×１０^-6［Ｋ^-1］から４．４×１０^-6［Ｋ^-1］の間の材質から選定することで、結晶品質の良い炭化珪素単結晶を製造できる。

また、二つの坩堝部材の熱膨張係数差により坩堝嵌合部の隙間が小さくなる効果を推計すると、本実施例１で用いた嵌合部半径がおよそ３４ｍｍであり、単結晶製造時の温度が２２００℃以上であるので、熱膨張係数差が０．２×１０^-6［Ｋ^-1］ある場合にはおよそ０．００２ｍｍと計算できる。

上記の効果に加えて、単結晶製造時により高温となる坩堝部材が、半径方向内側に位置する坩堝設計とすることにより、坩堝嵌合部の隙間が小さくなる効果がある。炭化珪素の単結晶製造においては、これらの坩堝部材の嵌合部における温度を測定して定量的な評価をすることが困難である。しかし、前記二つの効果を活用した場合に、坩堝部材の熱膨張により、坩堝勘合部の隙間が十分に小さくなり、昇華ガスの漏洩が抑制できると考えられる。坩堝下部材１および坩堝上部材２の熱膨張係数の差が０．２×１０^-6［Ｋ^-1］より小さい場合、坩堝嵌合部の隙間は十分に小さくならず、坩堝嵌合部からの昇華ガスの漏洩を抑制することができない。

実施例２で示す単結晶製造装置の模式図を図２に示す。実施例２では、炭化珪素単結晶製造の際の取扱い性を考慮して、複数の部材からなる坩堝設計としている。坩堝下部材１、坩堝上部材２、第三の坩堝部材７の、計３個の部材から構成される。坩堝下部材の嵌合部１ａと第三の坩堝部材のなす嵌合部７ａでは、坩堝下部材の嵌合部１ａが半径方向外側に設計され、坩堝上部材の嵌合部２ａと第三の坩堝部材の嵌合部７ｂのなす嵌合部では、坩堝上部材の嵌合部２ａが半径方向外側に設計される。さらに、坩堝上部材２および坩堝下部材１の熱膨張係数は３．５×１０^-6［Ｋ^-1］であり、第三の坩堝部材７の熱膨張係数は４．１×１０^-6［Ｋ^-1］とした。なお、３つの坩堝部材の温度を調べる予備実験等により、坩堝下部材１と第三の坩堝部材７は同程度の温度であり、坩堝上部材２はこれよりも低い温度であった。

実施例１と同様の製造プロセスにて炭化珪素単結晶の製造を行った。全ての坩堝部材の材質を同一とする場合に比較して、本実施例２では、昇華ガスの利用効率が向上した。このことから、複数の坩堝部材を用いる場合でも、本発明の坩堝構成を適用することで、昇華ガスの利用効率を向上させる効果を得ることができる。

実施例３で示す単結晶製造装置の模式図を図３に示す。実施例２との違いは、坩堝が坩堝下部材１、坩堝上部材２、第三の坩堝部材８の、計３個の部材からなり、坩堝下部材の嵌合部１ａと第三の坩堝部材のなす嵌合部８ａでは、坩堝下部材の嵌合部１ａが半径方向外側に設計される。坩堝上部材の嵌合部２ａと第三の坩堝部材の嵌合部８ｂのなす嵌合部では、第三の坩堝部材の嵌合部８ｂが半径方向外側に設計されている点である。さらに、坩堝上部材２の熱膨張係数は３．５×１０^-6［Ｋ^-1］であり、坩堝下部材１および第三の坩堝部材８の熱膨張係数は４．１×１０^-6［Ｋ^-1］とした。３つの坩堝部材の温度を調べる予備実験等により、坩堝下部材１と第三の坩堝部材８の温度は同程度の温度であり、坩堝上部材２はこれよりも低い温度であった。

実施例１と同様の製造プロセスにて炭化珪素単結晶の製造を行った結果、全ての坩堝部材の材質を同一とする場合に比較して、昇華ガスの利用効率が向上した。

炭化珪素単結晶の製造において、坩堝嵌合部からの昇華ガスの漏洩量を低減することにより、昇華ガスの利用効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶製造装置の模式図 本発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶製造装置の模式図 本発明の実施の形態３における炭化珪素単結晶製造装置の模式図 従来の炭化珪素単結晶製造装置の模式図

符号の説明

１ 坩堝下部材
１ａ 坩堝下部材の嵌合部
２ 坩堝上部材
２ａ 坩堝上部材の嵌合部
２ｂ 種結晶取付部
３ 嵌合部
４ 断熱材
５ 種結晶
６ 原料粉末
７ 第三の坩堝部材
７ａ 第三の坩堝部材の嵌合部
７ｂ 第三の坩堝部材の嵌合部
８ 第三の坩堝部材
８ａ 第三の坩堝部材の嵌合部
８ｂ 第三の坩堝部材の嵌合部
１０ 高周波ワークコイル
１１ 支持部材
１２ 上部用非接触温度計
１３ 下部用非接触温度計

Claims (9)

1. 黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、
   前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に第２の部材を嵌合して密閉するように構成されており、前記嵌合部では前記第２の部材は前記第１の部材の周囲を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数が前記第１の部材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする単結晶製造装置。
2. 黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、
   前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に中空の第２の部材を第１の嵌合部で嵌合し、前記第２の部材に第３の部材を第２の嵌合部で嵌合して密閉するように構成されており、前記第１の嵌合部では前記第１の部材は前記第２の部材の周囲を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第１の部材の熱膨張係数よりも大きく、
   前記第２の嵌合部では前記第３の部材は前記第２の部材を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第３の部材よりも大きいことを特徴とする単結晶製造装置。
3. 黒鉛製の坩堝と、前記坩堝を加熱するための高周波ワークコイルとを備えた単結晶製造装置において、
   前記坩堝は、内部に凹みのある第１の部材に中空の第２の部材を第１の嵌合部で嵌合し、前記第２の部材に第３の部材を第２の嵌合部で嵌合して密閉するように構成されており、
   前記第１の嵌合部では前記第２の部材は前記第１の部材の周囲を囲むように配置し、且つ熱膨張係数が前記第１の部材の熱膨張係数と等しく、
   前記第２の嵌合部では前記第３の部材は前記第２の部材を囲むように配置し、且つ前記第２の部材の熱膨張係数は前記第３の部材よりも大きいことを特徴とする単結晶製造装置。
4. 前記坩堝の熱膨張係数は、３．４×１０^-6［Ｋ^-1］から４．０×１０^-6［Ｋ^-1］の範囲にあることを特徴とする、請求項１から３に記載の単結晶製造装置。
5. 前記第２の部材の熱膨張係数は、前記第１の部材の熱膨張係数より０．２×１０^-6［Ｋ^-1］より小さいことを特徴とした請求項１に記載の単結晶製造装置。
6. 前記第２の部材の熱膨張係数は、前記第１の部材の熱膨張係数より０．２×１０^-6［Ｋ^-1］より大きく、前記第２の部材の熱膨張係数は、前記第３の部材の熱膨張係数より０．２×１０^-6［Ｋ^-1］より大きいことを特徴とした請求項２に記載の単結晶製造装置。
7. 前記第２の部材の熱膨張係数は、前記第３の部材の熱膨張係数より０．２×１０^-6［Ｋ^-1］より大きいことを特徴とした請求項３に記載の単結晶製造装置。
8. 前記熱膨張係数は、炭素協会規格ＪＣＡＳ−１８−１９７８に準拠した値であることを特徴とする請求項１から７に記載の単結晶製造装置。
9. 前記第２の部材の内部に炭化珪素種結晶を配置し、前記第１の部材の内部下方にシリコンを含有する気体を供給するための原料を配置して加熱することにより、前記種結晶から炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。

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