JP2008037715A - 単結晶ＳｉＣ、その製造方法及び単結晶ＳｉＣの製造装置 - Google Patents
単結晶ＳｉＣ、その製造方法及び単結晶ＳｉＣの製造装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】多結晶ＳｉＣの混入を防止した高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させる単結晶ＳｉＣの製造方法及びその結果得られる高品質な単結晶ＳｉＣ、さらに、多結晶ＳｉＣの混入を防止し、高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させることができる単結晶ＳｉＣの製造装置を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ種単結晶４が固定されたサセプタ５及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管６を、坩堝２の中に配置する工程、高温雰囲気とした坩堝２内に、単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管６を通してキャリアガスＡと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、原料供給管６とＳｉＣ種単結晶４との距離をＬ（ｍｍ）、キャリアガスＡの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たす単結晶ＳｉＣの製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】ＳｉＣ種単結晶４が固定されたサセプタ５及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管６を、坩堝２の中に配置する工程、高温雰囲気とした坩堝２内に、単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管６を通してキャリアガスＡと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、原料供給管６とＳｉＣ種単結晶４との距離をＬ（ｍｍ）、キャリアガスＡの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たす単結晶ＳｉＣの製造方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体デバイス用材料やＬＥＤ用材料として利用される単結晶ＳｉＣに関する。
単結晶ＳｉＣは結晶の結合エネルギーが大きく、絶縁破壊電界が大きく、また熱伝導率も大きいため、耐苛酷環境用デバイスやパワーデバイス用の材料として有用である。またその格子定数がＧａＮの格子定数と近いため、ＧａＮ−ＬＥＤ用の基板材料としても有用である。
従来、この単結晶ＳｉＣの製造には、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末を昇華させ、黒鉛坩堝内壁に単結晶ＳｉＣを再結晶化させるレーリー法や、このレーリー法をベースに原料配置や温度分布を最適化し、再結晶化させる部分にＳｉＣ種単結晶を配置してエピタキシャルに再結晶成長させる改良レーリー法、キャリアガスによってガスソースを加熱されたＳｉＣ種単結晶上に輸送し、結晶表面で化学反応させながらエピタキシャル成長させるＣＶＤ法、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末とＳｉＣ種単結晶を近接させた状態でＳｉＣ粉末をＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに再結晶成長させる昇華近接法などがある。
ところで現状では、これらの各単結晶ＳｉＣ製造方法にはいずれも問題があるとされている。レーリー法では、結晶性の良好な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、自然発生的な核形成をもとに結晶成長するため、形状制御や結晶面制御が困難であり、且つ大口径ウエハが得られないという問題がある。改良レーリー法では、数１００μｍ／ｈ程度の高速で大口径の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることができるものの、螺旋状にエピタキシャル成長するため、結晶内に多数のマイクロパイプが発生するという問題がある。ＣＶＤ法では、高純度で低欠陥密度の良質な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、希薄なガスソースでのエピタキシャル成長のため、成長速度の上限が１０μｍ／ｈ程度と遅く、長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得られないという問題がある。昇華近接法では、比較的簡単な構成で高純度のＳｉＣエピタキシャル成長が実現できるが、構成上の制約から長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることは不可能という問題がある。
最近、加熱保持されたＳｉＣ種単結晶上に、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを不活性キャリアガスで供給し、ＳｉＣ種単結晶上で二酸化ケイ素を炭素で還元することで単結晶ＳｉＣをＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに高速成長させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この製造方法では、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な単結晶ＳｉＣを高速で得ることができると報告されている。
特許文献１に開示された単結晶ＳｉＣの製造方法によれば、高温環境下では二酸化ケイ素が以下の式（１）によって炭素で還元される。
ＳｉＯ2＋３Ｃ → ＳｉＣ＋２ＣＯ↑ ・・・ 式（１）
式（１）の反応は化学反応であり、しかもＳｉＯ2は加熱によって蒸発する直前までは流動液体として存在できるため、この化学反応がＳｉＣ種単結晶上で連続して起こると、ＳｉＣ種単結晶の界面エネルギーを小さくしながら、随時反応生成されたＳｉＣ粉末がＳｉＣ種単結晶の配列情報にならってエピタキシャルに成長してゆくことが可能であると考えられる。
ＳｉＯ2＋３Ｃ → ＳｉＣ＋２ＣＯ↑ ・・・ 式（１）
式（１）の反応は化学反応であり、しかもＳｉＯ2は加熱によって蒸発する直前までは流動液体として存在できるため、この化学反応がＳｉＣ種単結晶上で連続して起こると、ＳｉＣ種単結晶の界面エネルギーを小さくしながら、随時反応生成されたＳｉＣ粉末がＳｉＣ種単結晶の配列情報にならってエピタキシャルに成長してゆくことが可能であると考えられる。
ところが、もしも式（１）の化学反応がＳｉＣ種単結晶上で起こらず、たとえば不活性キャリアガスで輸送されている飛行途中に起こって、それがＳｉＣ種単結晶に到着する前に完了してしまうと、ＳｉＣ種単結晶に供給される原料は二酸化ケイ素と炭素ではなく、ＳｉＣ粉末ということになる。
特許文献１に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法は、ＳｉＣ粉末が蒸気となる程の高温における反応ではないため、ＳｉＣ種単結晶に供給される原料がＳｉＣ粉末ということになると、その固体ＳｉＣ粉末原料は、ＳｉＣ種単結晶表面上での再配列はおこらず、そのまま多結晶塊としてＳｉＣ種単結晶に結合してしまう。つまりただの多結晶ＳｉＣがＳｉＣ種単結晶上にどんどん結合するだけとなって、単結晶ＳｉＣの製造はできない。そして実際、式（１）の反応は原料が加熱されれば速やかに進む反応であるため、ＳｉＣ種単結晶に供給される原料が二酸化ケイ素と炭素ではなく、ＳｉＣ粉末となってしまう問題は、特許文献１に開示された単結晶ＳｉＣの製造方法においては、常に顕在化しうる問題である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、多結晶ＳｉＣの混入を防止した高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させる単結晶ＳｉＣの製造方法及びその結果得られる高品質な単結晶ＳｉＣを提供することにある。さらに、本発明は多結晶ＳｉＣの混入を防止し、高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させることができる単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することを目的とする。
上記の課題は、以下の＜１＞、＜８＞及び＜９＞に記載の手段によって解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜７＞と共に以下に記載する。
＜１＞ ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を、坩堝の中に配置する工程、高温雰囲気とした前記坩堝内に、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管を通してキャリアガスと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離をＬ（ｍｍ）、前記キャリアガスの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たすことを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜２＞ 前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である＜１＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜３＞ 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が６０ｍｍ以下である＜１＞又は＜２＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜４＞ 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が１０ｍｍ以下である＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜５＞ 前記キャリアガスの線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜６＞ 前記キャリアガスの線速が６０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜７＞ 前記キャリアガスがアルゴンガスである＜１＞〜＜６＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜８＞ ＜１＞〜＜７＞いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ、
＜９＞ 坩堝、並びに、該坩堝内に配置されたＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を有し、前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離を調節する手段及び／又は前記原料供給管から供給されるキャリアガスの線速を調節する手段を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造装置。
＜１＞ ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を、坩堝の中に配置する工程、高温雰囲気とした前記坩堝内に、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管を通してキャリアガスと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離をＬ（ｍｍ）、前記キャリアガスの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たすことを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜２＞ 前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である＜１＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜３＞ 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が６０ｍｍ以下である＜１＞又は＜２＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜４＞ 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が１０ｍｍ以下である＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜５＞ 前記キャリアガスの線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜６＞ 前記キャリアガスの線速が６０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜７＞ 前記キャリアガスがアルゴンガスである＜１＞〜＜６＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜８＞ ＜１＞〜＜７＞いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ、
＜９＞ 坩堝、並びに、該坩堝内に配置されたＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を有し、前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離を調節する手段及び／又は前記原料供給管から供給されるキャリアガスの線速を調節する手段を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造装置。
本発明によれば、多結晶ＳｉＣの混入を防止した高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させる単結晶ＳｉＣの製造方法及びその結果得られる高品質な単結晶ＳｉＣを提供することができる。さらに、本発明によれば、多結晶ＳｉＣの混入を防止し、高品質な単結晶ＳｉＣをエピタキシャルに成長させることができる単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することができる。
本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を、坩堝の中に配置する工程、高温雰囲気とした前記坩堝内に、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管を通してキャリアガスと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離をＬ（ｍｍ）、前記キャリアガスの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たすことを特徴とする。
上述のように単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶の単結晶ＳｉＣ成長領域に到達する前にＳｉＣ粉末となることを防止することにより、ＳｉＣ種単結晶の界面エネルギーを小さくしながら、式（１）の反応がＳｉＣ種単結晶界面で随時起こり、反応生成されたＳｉＣがＳｉＣ種単結晶の配列情報に倣ってエピタキシャルに成長する。
本発明において、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３とすることにより、単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に到着する前にＳｉＣ粉末となることを防止することができる。
本発明において、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３とすることにより、単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に到着する前にＳｉＣ粉末となることを防止することができる。
なお、「単結晶ＳｉＣ製造用原料が、ＳｉＣ種単結晶に到着する前にＳｉＣ粉末となる」とは、原料供給管より供給されたＳｉＣ製造用原料が、上記式（１）で表される反応によりＳｉＣ種単結晶に到着する前にＳｉＣ粉末となることを意味する。ここで「ＳｉＣ種単結晶に到着する」あるいは「ＳｉＣ種単結晶上に到達する」とは、「単結晶ＳｉＣの成長反応が生じている領域に到着する」の意であり、ＳｉＣ種単結晶及び／又は単結晶ＳｉＣ成長層を意味するものである。
本発明においてＬ／Ｓ（ｓｅｃ）は３以下である。Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）が３より大きいと、単結晶ＳｉＣ製造用原料の一部又は全部がＳｉＣ種単結晶に到達する前にＳｉＣ粉末となり、製造したＳｉＣ単結晶に多結晶ＳｉＣ粉末が混入する。
Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）は、０．０５〜３とすることが好ましく、２以下とすることがより好ましく、１以下とすることがさらに好ましい。
Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）は、０．０５〜３とすることが好ましく、２以下とすることがより好ましく、１以下とすることがさらに好ましい。
原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離Ｌ（ｍｍ）は６０ｍｍ以下とすることが好ましく、１０ｍｍ以下とすることがより好ましい。また、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は１ｍｍ以上であることが好ましい。
原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離を上記範囲内とすることにより、単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶上に到着する前にＳｉＣ粉末となることを効果的に防止することができる。また、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離が上記範囲内であると、良好な結晶成長速度が得られるので好ましい。さらに、原料供給管とＳｉＣ種単結晶の距離を制御しやすいので好ましい。
ここで、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は、原料供給管の坩堝内の原料供給口（ＳｉＣ製造用原料の吹き出し口）と、ＳｉＣ種単結晶表面との距離を意味する。また、単結晶ＳｉＣの製造初期にはＳｉＣ種単結晶と原料供給口との距離を上記範囲内とし、単結晶ＳｉＣの成長に伴い、製造原料供給口と単結晶ＳｉＣ成長層との距離を上記範囲となるように適宜調整してもよい。
原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離を上記範囲内とすることにより、単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶上に到着する前にＳｉＣ粉末となることを効果的に防止することができる。また、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離が上記範囲内であると、良好な結晶成長速度が得られるので好ましい。さらに、原料供給管とＳｉＣ種単結晶の距離を制御しやすいので好ましい。
ここで、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は、原料供給管の坩堝内の原料供給口（ＳｉＣ製造用原料の吹き出し口）と、ＳｉＣ種単結晶表面との距離を意味する。また、単結晶ＳｉＣの製造初期にはＳｉＣ種単結晶と原料供給口との距離を上記範囲内とし、単結晶ＳｉＣの成長に伴い、製造原料供給口と単結晶ＳｉＣ成長層との距離を上記範囲となるように適宜調整してもよい。
原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は、いかなる方法で調整しても良く、特に限定されない。原料供給管を可動とすることもでき、また、サセプタを可動とすることもでき、両者を可動とすることで距離を調整することもできる。
また、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は、製造開始時には任意に設定することが可能であり、結晶の成長速度及び成長時間から、単結晶ＳｉＣの製造中の原料供給管と単結晶ＳｉＣ成長層との距離を把握することが可能である。
また、原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離は、製造開始時には任意に設定することが可能であり、結晶の成長速度及び成長時間から、単結晶ＳｉＣの製造中の原料供給管と単結晶ＳｉＣ成長層との距離を把握することが可能である。
キャリアガスの線速Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）は２０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下とすることが好ましく、６０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下とすることがより好ましい。
キャリアガスの線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上であると、単結晶ＳｉＣ製造用原料が原料供給管内で目詰まりを生じることがないので好ましい。また、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下であると単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に到達する前にＳｉＣ粉末となることを効果的に防止することができるので好ましい。
ここで、キャリアガスの線速Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、供給するキャリアガスの流量（ｍｍ3／ｓｅｃ）を原料供給管の供給口の面積（ｍｍ2）で除することで得られる。
キャリアガスの線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上であると、単結晶ＳｉＣ製造用原料が原料供給管内で目詰まりを生じることがないので好ましい。また、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下であると単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に到達する前にＳｉＣ粉末となることを効果的に防止することができるので好ましい。
ここで、キャリアガスの線速Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、供給するキャリアガスの流量（ｍｍ3／ｓｅｃ）を原料供給管の供給口の面積（ｍｍ2）で除することで得られる。
本発明において、単結晶ＳｉＣ製造用原料は、原料供給管を通してキャリアガスと共に供給される。単結晶ＳｉＣ製造用原料は、連続供給されることが好ましい。単結晶ＳｉＣ製造用原料を連続供給することで、単結晶ＳｉＣを安定して成長させることができるので好ましい。
本発明に使用する単結晶ＳｉＣ製造用原料としてはシリカ粒子及びカーボン粒子が好適に使用できる。上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶上への供給条件については、これら単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶上に混合された状態で供給されればよく、予め当該単結晶ＳｉＣ製造用原料を混合しておいても、別個に供給してＳｉＣ種単結晶上で混合しても良い。
本発明に使用する単結晶ＳｉＣ製造用原料としては、シリカ粒子及びカーボン粒子の固体粒子が好適に利用できる。なお、これらシリカ粒子及びカーボン粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば火炎加水分解法で得られる高純度シリカや、高純度アセチレンブラックなどが好適に利用できる。
本発明に使用する単結晶ＳｉＣ製造用原料としてはシリカ粒子及びカーボン粒子が好適に使用できる。上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶上への供給条件については、これら単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶上に混合された状態で供給されればよく、予め当該単結晶ＳｉＣ製造用原料を混合しておいても、別個に供給してＳｉＣ種単結晶上で混合しても良い。
本発明に使用する単結晶ＳｉＣ製造用原料としては、シリカ粒子及びカーボン粒子の固体粒子が好適に利用できる。なお、これらシリカ粒子及びカーボン粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば火炎加水分解法で得られる高純度シリカや、高純度アセチレンブラックなどが好適に利用できる。
上記シリカ粒子及びカーボン粒子の供給量の比率は特に限定されず、所望の組成比が適宜選択できる。上記シリカ粒子及びカーボン粒子のいずれも２種以上のものを混合して使用してもよい。また上記シリカ粒子及びカーボン粒子は、必要に応じ、前処理を施したり、他の成分を微量添加してもよい。
上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶への供給は、途切れることなく連続して供給される方法が例示でき、例えば市販のパウダフィーダのように連続して粉体輸送できるものが挙げられる。但し、当該単結晶ＳｉＣ製造用原料の供給ライン並びに単結晶ＳｉＣ製造装置内部は酸素混入を防止するため、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスに置換されたハーメチック構造にしておくことが好ましい。
また、ＳｉＣ単結晶製造用原料は、キャリアガスと共に供給され、前記キャリアガスとしてはアルゴンガス及びヘリウムガス等の不活性キャリアガスが好ましく例示できる。これらの中でもキャリアガスとしてアルゴンガスを使用することが好ましい。アルゴンガスは、入手が容易であると共に、取扱いが容易であるので好ましい。
また単結晶ＳｉＣ中にドーピングをおこなう場合は、上記単結晶ＳｉＣ製造用原料に固体ソースとして混合しても良いし、単結晶ＳｉＣ製造装置内の雰囲気中にガスソースとして、該ドーピング成分を混合しても良い。ドーピング成分としては窒素、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ｂ2Ｈ6が例示できる。
また、ＳｉＣ単結晶製造用原料は、キャリアガスと共に供給され、前記キャリアガスとしてはアルゴンガス及びヘリウムガス等の不活性キャリアガスが好ましく例示できる。これらの中でもキャリアガスとしてアルゴンガスを使用することが好ましい。アルゴンガスは、入手が容易であると共に、取扱いが容易であるので好ましい。
また単結晶ＳｉＣ中にドーピングをおこなう場合は、上記単結晶ＳｉＣ製造用原料に固体ソースとして混合しても良いし、単結晶ＳｉＣ製造装置内の雰囲気中にガスソースとして、該ドーピング成分を混合しても良い。ドーピング成分としては窒素、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ｂ2Ｈ6が例示できる。
本発明で使用するＳｉＣ種単結晶は、ＳｉＣ種単結晶ウエハであることが好ましく、種類、サイズ、形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣの種類、サイズ、形状によって適宜選択できる。例えば改良レーリー法によって得られたＳｉＣ単結晶を必要に応じて前処理したＳｉＣ種単結晶ウエハが好適に利用できる。
単結晶ＳｉＣ製造温度は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類等に応じて適宜設定でき、好ましい製造温度は１，６００〜２，４００℃の範囲であり、この温度は例えば坩堝外側の温度として測定できる。
本発明の単結晶ＳｉＣを得るために使用する単結晶ＳｉＣ製造装置の構成は特に限定されない。すなわちサイズや加熱方法、材質、原料供給方法、雰囲気調整方法、圧力制御方法、温度制御方法などは、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜選択できる。
本発明の単結晶ＳｉＣを得るために使用する単結晶ＳｉＣ製造装置の構成は特に限定されない。すなわちサイズや加熱方法、材質、原料供給方法、雰囲気調整方法、圧力制御方法、温度制御方法などは、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜選択できる。
本発明で使用する坩堝の形状は、外形については特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。但し本発明で使用する坩堝には、ＳｉＣ単結晶を保持するサセプタを挿入するための穴と、単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を挿入するための穴との他に、坩堝配置時の鉛直方向上面に、開口部を有することが好ましい。坩堝に開口部を設けることによって、熱対流により上昇気流となって立ちのぼる坩堝内の雰囲気ガスや、その雰囲気ガスに乗って同様に上昇してゆく反応に寄与しなかった原料粉末等を、上部から逃がすことができるので好ましい。
これらの雰囲気ガスや原料粉末等を上部から逃がすことにより、連続して安定的に単結晶ＳｉＣの製造を行うことができるので好ましい。
これらの雰囲気ガスや原料粉末等を上部から逃がすことにより、連続して安定的に単結晶ＳｉＣの製造を行うことができるので好ましい。
開口部は、坩堝の鉛直方向上面に設けられていれば特に限定はされないが、サセプタ又は原料供給管が坩堝の鉛直方向上面から挿入される場合には、サセプタ又は原料供給管の周囲に開口部を有することが好ましい。開口部を前記のように配置することにより坩堝内の温度低下を防ぐことができるので好ましい。
開口部の大きさは特に限定されないが、熱対流により上昇気流となって立ち上る雰囲気ガスやその雰囲気ガスに乗って同様に上昇してゆく反応に寄与しなかった原料粉末等を坩堝内から効果的に除去可能な範囲で適宜選択することが好ましい。また、開口部の大きさは、坩堝内温度が低下しない範囲で適宜選択することが好ましい。
開口部の大きさは特に限定されないが、熱対流により上昇気流となって立ち上る雰囲気ガスやその雰囲気ガスに乗って同様に上昇してゆく反応に寄与しなかった原料粉末等を坩堝内から効果的に除去可能な範囲で適宜選択することが好ましい。また、開口部の大きさは、坩堝内温度が低下しない範囲で適宜選択することが好ましい。
ＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタの形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。但し当該サセプタの材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。
単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管の形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。但し当該供給管の噴出し口とＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタとの距離は上述の通り、６０ｍｍ以下の配置とすることが好ましく、１０ｍｍ以下の配置とすることが特に好ましい。また材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが好ましい。
キャリアガスは限定されないが、不活性ガスであることが好ましく、特にＡｒガスであることが好ましい。またこのキャリアガスが原料供給管から吹き出される線速は２０ｍｍ／ｓｅｃ以上、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましく、６０ｍｍ／ｓｅｃ以上、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが特に好ましい。
以下本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例である。
ここでは高周波誘導加熱炉を例に用いている。水冷された密閉チャンバ１内にカーボン製の円筒坩堝２（直径１００ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）が配置され、前記水冷された密閉チャンバ１の外側に高周波誘導加熱コイル３を配置してある。
図１は本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例である。
ここでは高周波誘導加熱炉を例に用いている。水冷された密閉チャンバ１内にカーボン製の円筒坩堝２（直径１００ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）が配置され、前記水冷された密閉チャンバ１の外側に高周波誘導加熱コイル３を配置してある。
前記円筒坩堝２内の上部には、ＳｉＣ種単結晶４を保持するためのサセプタ５が貫通挿入されている。前記サセプタ５は円筒坩堝２の外側まで伸びており、図示しない回転機構により該サセプタの中心軸を回転軸として回転可能である。なお、サセプタ下端のＳｉＣ種単結晶ウエハを保持する表面の法線方向は、該サセプタの鉛直方向と略平行から最大４５°傾斜までであることが好ましく、自由に設定することができる。
また、本発明において、円筒坩堝２の鉛直方向上部にはサセプタ５の周囲に開口部１０が設けられている。
また、本発明において、円筒坩堝２の鉛直方向上部にはサセプタ５の周囲に開口部１０が設けられている。
また前記単結晶ＳｉＣ製造用原料粒子を供給するための原料供給管６はサセプタ５と反対側の円筒坩堝２下面から外側に伸びており、そのまま前記密閉チャンバ１の外側に接続されていて、前記高周波誘導加熱炉の外部に配置され、独立に供給量が調節可能な複数の原料貯蔵槽７及び７’と、流量調節可能なキャリアガス供給源（図示せず）にそれぞれ連結している。
予め混合された単結晶ＳｉＣ製造用原料を使用する場合は一つの原料貯蔵槽を用い、供給管内部にて混合させる場合には、シリカとカーボン粉をそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填し、それぞれの貯蔵層からの供給量を調節弁８及び８’にて調節した上で、キャリアガスＡを流量調整しながら流すことで、前記円筒坩堝内部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を適当量ずつ連続供給することができる。
予め混合された単結晶ＳｉＣ製造用原料を使用する場合は一つの原料貯蔵槽を用い、供給管内部にて混合させる場合には、シリカとカーボン粉をそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填し、それぞれの貯蔵層からの供給量を調節弁８及び８’にて調節した上で、キャリアガスＡを流量調整しながら流すことで、前記円筒坩堝内部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を適当量ずつ連続供給することができる。
また、図１において、原料供給管５とＳｉＣ種単結晶又は成長層９までの距離Ｌが制御可能である。距離Ｌは原料供給管６の位置を変化させることにより調節することもできるし、サセプタ５の位置を変化させることにより調節することもできる。
高周波誘導加熱炉は、図示しない真空排気系及び圧力調節系により圧力制御が可能であり、また図示しない不活性ガス置換機構を備えている。
なお、図１の実施例では原料供給管を下に、サセプタを上に配したが、本発明の作用が変わらない範囲内で、上下逆に配置することも可能である。また、図１の実施例ではサセプタと原料供給管の位置関係が上下対置関係であるが、本発明の作用が変わらない範囲内で、それぞれ横向きの対向関係に配置することも可能であるし、供給管とサセプタを互いに斜めや直角関係に配置することも可能である。
このようにして、ＳｉＣ種単結晶４上に成長と共に厚みを増した単結晶ＳｉＣ層（成長層）９が形成される。
なお、図１の実施例では原料供給管を下に、サセプタを上に配したが、本発明の作用が変わらない範囲内で、上下逆に配置することも可能である。また、図１の実施例ではサセプタと原料供給管の位置関係が上下対置関係であるが、本発明の作用が変わらない範囲内で、それぞれ横向きの対向関係に配置することも可能であるし、供給管とサセプタを互いに斜めや直角関係に配置することも可能である。
このようにして、ＳｉＣ種単結晶４上に成長と共に厚みを増した単結晶ＳｉＣ層（成長層）９が形成される。
前記サセプタ５の坩堝内の先端部にはＳｉＣ種単結晶４が固定されており、そのＳｉＣ種単結晶表面と原料供給管吹き出し口との距離Ｌ（ｍｍ）は、１ｍｍから１５０ｍｍ（坩堝の全長）まで自由に調整ができる。また前述した流量調節可能なキャリアガス供給源の流量と、供給管の内径とを調整することで、キャリアガスの線速Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）は略０ｍｍ／ｓｅｃから３００，０００ｍｍ／ｓｅｃまで自由に調整することができる。
前記高周波誘導加熱炉を用いて以下の条件にて単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。前記サセプタの円筒坩堝内に貫通挿入されている端にＳｉＣ種単結晶を固定した。ここで使用したＳｉＣ種単結晶は、改良レーリー法で製造された直径２センチの単結晶ＳｉＣウエハである。但し面条件は種々の条件、すなわちジャスト面、傾斜面、Ｃ面、Ｓｉ面それぞれを準備して使用した。
単結晶ＳｉＣ製造用原料であるカーボン（三菱化学製カーボンブラックＭＡ６００）とシリカ（日本アエロジル製アエロジル３８０）とをそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比はカーボン／シリカ＝１．２〜０．２（重量比）に調整した。
前記ＳｉＣ種単結晶ウエハとの距離が１ｍｍ〜１５０ｍｍとなるように原料供給管の吹き出し口の位置を調整した。
高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス（高純度アルゴン）で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の円筒坩堝の外側の温度が１，６００〜２，４００℃の範囲となるまで加熱昇温した。次いでＳｉＣ種単結晶ウエハが固定された前記サセプタを０〜２０ｒｐｍの回転速度で回転させた。
この状態で前記不活性キャリアガス（高純度アルゴン）を線速１０〜５００ｍｍ／ｓｅｃの範囲に調整し、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を、前記供給管内部を通って、前記円筒坩堝内の対向部に配置された前記ＳｉＣ種単結晶ウエハ表面上に供給させた。
前記ＳｉＣ種単結晶ウエハとの距離が１ｍｍ〜１５０ｍｍとなるように原料供給管の吹き出し口の位置を調整した。
高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス（高純度アルゴン）で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の円筒坩堝の外側の温度が１，６００〜２，４００℃の範囲となるまで加熱昇温した。次いでＳｉＣ種単結晶ウエハが固定された前記サセプタを０〜２０ｒｐｍの回転速度で回転させた。
この状態で前記不活性キャリアガス（高純度アルゴン）を線速１０〜５００ｍｍ／ｓｅｃの範囲に調整し、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を、前記供給管内部を通って、前記円筒坩堝内の対向部に配置された前記ＳｉＣ種単結晶ウエハ表面上に供給させた。
この状態で前記円筒坩堝の外側の温度を一定に保ちながら、前記単結晶ＳｉＣを所望のサイズ、厚みとなるまで前記単結晶ＳｉＣ製造用原料の連続供給を継続して、前記単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。なお、所望の温度は雰囲気圧力や単結晶ＳｉＣ製造用原料混合比、ＳｉＣ種単結晶ウエハの種類等により適宜選択することが好ましい。
上記の条件で単結晶ＳｉＣを製造した結果を表１に示す。
また、製造した単結晶ＳｉＣ中の多結晶ＳｉＣの混入の有無は作製した単結晶ＳｉＣの薄層サンプルを偏光（クロスニコル）下に透過型光学顕微鏡により観察することで評価した。
また、製造した単結晶ＳｉＣ中の多結晶ＳｉＣの混入の有無は作製した単結晶ＳｉＣの薄層サンプルを偏光（クロスニコル）下に透過型光学顕微鏡により観察することで評価した。
表１からＬ／Ｓ（ｓｅｃ）を３以下とした場合には、製造した単結晶ＳｉＣ中の多結晶ＳｉＣの混入が発生せず、高品質の単結晶ＳｉＣを製造することができることが確認された。
特に、表１から線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上である場合には、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離を６０ｍｍまで離しても、製造した単結晶ＳｉＣ中の多結晶ＳｉＣ塊の混入が発生しないことが確認された。もっとも不活性キャリアガスの線速をさらに上げれば、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離をさらに離しても単結晶ＳｉＣが得られた。
特に、表１から線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上である場合には、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離を６０ｍｍまで離しても、製造した単結晶ＳｉＣ中の多結晶ＳｉＣ塊の混入が発生しないことが確認された。もっとも不活性キャリアガスの線速をさらに上げれば、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離をさらに離しても単結晶ＳｉＣが得られた。
但し、線速を５００ｍｍ／ｓｅｃ以上とすると、若干の成長レートの低下が認められた。線速を一定以上に上昇させることは実際の製造管理上好ましくなく、実施例より２００ｍｍ／ｓｅｃ以下とすることが好ましいことが確認された。
一方、不活性キャリアガスの線速を２０ｍｍ／ｓｅｃより遅くすると、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離をより近づける必要があることも確認された。但し線速を下げすぎると単結晶ＳｉＣ製造用原料粉末が原料供給管内で目詰まり（閉塞）を起こすことがあることも確認された。そのため不活性キャリアガスの線速は１０ｍｍ／ｓｅｃ以上を確保することが好ましく、より安全のためには２０ｍｍ／ｓｅｃ以上の確保がより好ましいと判断された。
一方、不活性キャリアガスの線速を２０ｍｍ／ｓｅｃより遅くすると、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管吹き出し口間距離をより近づける必要があることも確認された。但し線速を下げすぎると単結晶ＳｉＣ製造用原料粉末が原料供給管内で目詰まり（閉塞）を起こすことがあることも確認された。そのため不活性キャリアガスの線速は１０ｍｍ／ｓｅｃ以上を確保することが好ましく、より安全のためには２０ｍｍ／ｓｅｃ以上の確保がより好ましいと判断された。
また、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管（吹き出し口）との距離Ｌが６０ｍｍ以下であると、多結晶ＳｉＣの混入が防止できることが確認された。
さらに、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管との距離Ｌが１０ｍｍ以下であるとマイクロパイプの発生もなく、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管との距離Ｌを１０ｍｍ以下とすることがさらに好ましいことが明らかとなった。
さらに、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管との距離Ｌが１０ｍｍ以下であるとマイクロパイプの発生もなく、ＳｉＣ種単結晶ウエハと原料供給管との距離Ｌを１０ｍｍ以下とすることがさらに好ましいことが明らかとなった。
また、不活性キャリアガスの線速Ｓが６０ｍｍ／ｓｅｃ以上とした場合は、マイクロパイプの発生を防止することができ、不活性キャリアガスの線速Ｓは６０ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることがさらに好ましいことが確認された。
以上の結果をまとめると次の通りとなる。ＳｉＣ種単結晶と原料供給管吹き出し口間距離は６０ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下が特に好ましい。不活性キャリアガスの線速は２０ｍｍ／ｓｅｃ以上、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下が好ましく、６０ｍｍ／ｓｅｃ以上、２００ｍｍ／ｓｅｃ以下が特に好ましい。
以上見てきたように、本発明の単結晶ＳｉＣ製造方法により、多結晶ＳｉＣの混入が抑制された高品質の単結晶ＳｉＣを安定して製造し、提供することができた。
１ 密閉チャンバ
２ 円筒坩堝
３ 高周波誘導加熱コイル
４ ＳｉＣ種単結晶
５ サセプタ
６ 原料供給管
７、７’ 原料貯蔵槽
８、８’ 調節弁
９ 成長層
１０ 開口部
Ａ キャリアガス
Ｌ 原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離
Ｓ キャリアガスの線速
２ 円筒坩堝
３ 高周波誘導加熱コイル
４ ＳｉＣ種単結晶
５ サセプタ
６ 原料供給管
７、７’ 原料貯蔵槽
８、８’ 調節弁
９ 成長層
１０ 開口部
Ａ キャリアガス
Ｌ 原料供給管とＳｉＣ種単結晶との距離
Ｓ キャリアガスの線速
Claims (9)
- ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を、坩堝の中に配置する工程、
高温雰囲気とした前記坩堝内に、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を原料供給管を通してキャリアガスと共に供給して、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、
前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離をＬ（ｍｍ）、前記キャリアガスの線速をＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｓｅｃ）≦３を満たすことを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造方法。 - 前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である請求項１に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が６０ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 前記原料供給管と前記ＳｉＣ種単結晶との距離が１０ｍｍ以下である請求項１〜３いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 前記キャリアガスの線速が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である請求項１〜４いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 前記キャリアガスの線速が６０ｍｍ／ｓｅｃ以上２００ｍｍ／ｓｅｃ以下である請求項１〜５いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 前記キャリアガスがアルゴンガスである請求項１〜６いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
- 請求項１〜７いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ。
- 坩堝、並びに
該坩堝内に配置されたＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び外部から単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管を有し、
前記原料供給管と前記ＳｉＣ種結晶との距離を調節する手段及び／又は前記原料供給管から供給されるキャリアガスの線速を調節する手段を有することを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造装置。
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