JP2008230924A - 炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素単結晶の連続成長中に生じるガス通路の閉塞を防ぎつつ、連続的に高速成長が可能な方法にて高品質な炭化珪素単結晶を製造する。
【解決手段】反応容器１２の内部に種結晶１６を配置し、反応容器１２内に原料ガスを導入することにより、種結晶１６から炭化珪素単結晶１７を成長させる際に、原料ガスを反応容器１２に導入するためのガス導入管として、内側導入管３１の外側に同軸状に配置された外側導入管３２を有するガス導入管３０を用い、内側導入管３１からシランとＣを有するガスを反応容器１２内に導入するとともに、外側導入管３２からクロロシランを反応容器１２内に導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法に関するものである。

炭化珪素単結晶は、高耐圧、高電子移動度という特徴を有するため、パワーデバイス用半導体基板として期待されている。炭化珪素単結晶の成長には、一般に昇華法（改良レーリー法）と呼ばれる単結晶成長方法が用いられる。また、特許文献１に開示されているように、高品質な結晶を連続的に作製するために、昇華法で用いられる温度域において、ＣＶＤ法により炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる技術が用いられる。

しかし、この成長方法においては、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとが予め混合された原料ガスを、加熱されて高温となったサセプタ内に導入するため、サセプタ入口等のサセプタ近傍における原料ガスを導入するためのガス通路においても、混合された原料ガスが反応し、ＳｉＣ結晶が生成して、ガス通路の内壁に堆積してしまう。このため、ガス通路が塞がってしまい、サセプタ内に原料ガスを導入できなくなり、炭化珪素単結晶を連続成長させることができないという問題があった。

そこで、この問題の解決を図る技術として、特許文献２に記載の技術や、非特許文献１に記載の技術が提案されている。

特許文献２に記載の技術は、同軸状に導入管が配置された２重構造のガス導入管を設置し、内側の導入管からＳｉＣを成長させるための原料ガス（シラン、クロロシラン、プロパン、メタン、エチレン等）を導入するとともに、外側の導入管からキャリアガス（ヘリウム、アルゴン等）を導入するものであり、原料ガスを、キャリアガスに囲まれた状態で、種結晶が設置してある室に導入することで、原料ガスとガス通路との接触を抑制して、ガス通路の内壁への生成物の堆積を抑制することを図っている。

一方、非特許文献１に記載の技術は、同軸状に導入管が配置された２重構造のガス導入管を設置し、内側の導入管からＣを含有するガスとしてのプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）と水素ガス（Ｈ_２）を導入し、外側の導入管からＳｉを含有するガスとしてのクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）とアルゴンガス（Ａｒ）を導入するものである。これは、Ｃを含有するガスと、Ｓｉを含有するガスとを分離して導入することで、ガス通路でのＣを含有するガスとＳｉを含有するガスとの反応を防ぎ、堆積物の生成を防ぐことを図っている。
特表平１１−５０８５３１号公報 特表２００１−５０１１６１号公報 S. Nigam (Carnegie Mellon Univ.), Journal of Crystal Growth 284 (2005) 112-122

しかし、上記した特許文献２および非特許文献１に記載の技術では、以下に説明するように、炭化珪素単結晶の結晶成長速度が低いという問題が生じる。

すなわち、特許文献２に記載の技術では、原料ガスがキャリアガスに囲まれた状態とすることで、原料ガスのガス通路への接触を十分に抑制するためには、多量のキャリアガスを導入する必要がある。このため、原料ガスに対してキャリアガスを過剰に供給することになり、種結晶に到達するガス全体における原料ガスの分圧が低くなってしまうので、炭化珪素単結晶の成長速度が低いという問題が生じる。

また、非特許文献１に記載の技術では、Ｓｉを含有するガスとして、クロロシラン（ＳｉＣｌ_４）のみを採用しており、クロロシランは、２１００℃以上の高温においても、ＳｉＣｌ_２などの状態で安定に存在するため、ＳｉＣ成長に直接寄与すると考えられるＳｉＣ_２、Ｓｉ_２Ｃ、Ｓｉなどのガスの生成が少なく、ＳｉＣの成長に寄与し難くいことから、種結晶に到達する原料ガス中のＳｉ濃度が実質的に低い状態となってしまう。このため、炭化珪素単結晶の成長速度が低いという問題が生じる。

このように、従来では、ガス通路において詰まりを発生させず、かつ、連続的に高速成長が可能な方法にて炭化珪素単結晶を製造することの実現が困難であった。

本発明は、上記点に鑑み、炭化珪素単結晶の連続成長中に生じるガス通路の閉塞を防ぎつつ、連続的に高速成長が可能な方法にて高品質な炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、炭化珪素単結晶の製造装置において、原料ガスを反応容器に導入するためのガス導入管（３０）を備え、ガス導入管は、内側に配置された内側導入管（３１）と、内側導入管の外側に同軸状に配置された外側導入管（３２）とを有しており、内側導入管からＳｉを含有するガスとしてのシランとＣを有するガスもしくはそれらの希釈ガスを反応容器内に導入するとともに、外側導入管からＳｉを含有するガスとしてのクロロシランもしくはその希釈ガスを反応容器に導入するようになっていることを第１の特徴とする。

本発明の第１の特徴では、Ｓｉを含有するガスとして、シランとクロロシランを採用している。ここで、シランは比較的に低温で分解し、水素を発生するが、この水素はクロロシランの分解を促進する。そのため、シランとクロロシランを混合した状態で、Ｃを含有するガスと共に反応容器に導入した場合では、反応容器までのガス通路内で、クロロシランが分解されることでＳｉが多く生成し、これがＣを含有するガスと反応してＳｉＣが生成して、ガス通路の内壁に堆積する。これが継続して行われると、ガス通路が閉塞され、定常的な結晶成長が持続できなくなってしまう。

これに対して、本発明の第１の特徴では、シランとクロロシランとをできるだけ分離させるように、ガス導入管（３０）の内側導入管（３１）からシランを導入し、外側導入管（３２）からクロロシランを導入するようにしているので、反応容器までのガス通路でのクロロシランの分解を抑制できる。これにより、クロロシランの分解によるＳｉＣの生成を抑制できる。

また、本発明の第１の特徴では、シランの外周側にクロロシランを流しているので、クロロシランが内側導入管から導入されたガスのガス通路内壁への接触を防止するとともに、クロロシランがＳｉＣのエッチングガスとしての働くことにより、ガス通路内壁へのＳｉＣの堆積の抑制を期待できる。

これらのことから、本発明の第１の特徴によれば、炭化珪素単結晶の連続成長中に生じるガス通路の閉塞を防ぐことができる。

また、本発明の第１の特徴では、Ｓｉを含有するガスとしてのシランとＣを有するガスとの混合ガスの外側に、Ｓｉを含有するガスとしてのクロロシランを流すようにしているので、上記のように原料ガスの外周に過剰のキャリアガスを流す必要のある特許文献２に記載の技術と比較して、種結晶に到達するガス全体における原料ガスの濃度（分圧）を高めることができる。

また、本発明の第１の特徴では、外側導入管からクロロシランを反応容器に導入し、内側導入管からＣを有するガスを導入するとともに、さらに、内側導入管からＳｉ含有ガスとしてのシランを導入するようにしているので、上記のように、Ｓｉを含有するガスとして、ＳｉＣの成長に寄与し難いクロロシランのみを採用する非特許文献１に記載の技術と比較して、原料ガス中のＳｉ濃度を高くすることができる。

これらのことから、本発明の第１の特徴によれば、特許文献２、非特許文献１に記載の技術と比較して、炭化珪素単結晶の連続的な高速成長が可能となる。

本発明の第１の特徴に関し、本発明者がガス通路の内壁への生成物の堆積量を調査した結果、ガス導入管の先端から反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下のときであって、内側導入管および外側導入管をそれぞれ流れるガスの流速比が１／３以上３以下のとき、生成物の堆積量が非常に少ないことがわかった。

したがって、ガス導入管は、その先端から反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の位置に配置され、内側導入管および外側導入管をそれぞれ流れるガスの流速比を１／３以上３以下とするようになっていることが好ましい。

また、本発明では、炭化珪素単結晶の製造装置において、原料ガスを反応容器に導入するためのガス導入管（４０）を備え、ガス導入管は、その内側から外側に向けて順に同軸状に配置された第１導入管（４１）、第２導入管（４２）および第３導入管（４３）を有しており、第１導入管からＣを有するガスを反応容器に導入し、第３導入管からＳｉを含有するガスを反応容器に導入するとともに、第１導入管と第３導入管の間に位置する第２導入管から不活性ガスを反応容器に導入するようになっていることを第２の特徴としている。

これによれば、ガス通路での閉塞の原因となるＳｉＣを生じさせないことを目的として、Ｓｉを含有するガスと、Ｃを含有するガスとを、できるだけ分離させるように、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとの間に、不活性ガスを挿入した状態で、原料ガスを反応容器に導入させることができるので、ガス通路内でのＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとの反応を抑制し、ＳｉＣの生成を抑制することができる。

この場合、上記した非特許文献１に記載の技術では、ガス導入管から吹き出された直後に、Ｃを含有するガスとＳｉを含有するガスとが混合する恐れがあるのに対して、ガス導入管から吹き出された後でも、Ｃを含有するガスとＳｉを含有するガスとの間に不活性ガスが挿入された状態となるため、Ｃを含有するガスとＳｉを含有するガスとを分離させることが可能となる。

また、この場合では、上記した特許文献２に記載の技術と比較して、ガス通路内でのＳｉＣの生成を抑制するために必要な不活性ガスの量は少なくて済むので、種結晶に到達するガス全体における原料ガスの濃度（分圧）を高めることができる。

したがって、本発明の第２の特徴によれば、炭化珪素単結晶の連続成長中に生じるガス通路の閉塞を防ぐことができ、特許文献２に記載の技術と比較して、炭化珪素単結晶の連続的な高速成長が可能となる。

本発明の第２の特徴に関し、不活性ガスとしてＨｅを採用することが好ましい。Ｈｅは、不活性ガスのなかで、整流性が高く、乱流になり難く、ガス導入管から吹き出されて反応容器に到達する間において、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを分離する効果が高いからである。

また、本発明の第２の特徴に関し、本発明者がガス通路の内壁への生成物の堆積量を調査した結果、ガス導入管の先端から反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下のときであって、第１〜第３導入管をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きい流速と最も小さい流速の比が１以上３以下のとき、生成物の堆積量が非常に少ないことがわかった。

したがって、ガス導入管は、その先端から反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の位置に配置され、第１〜第３導入管をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きい流速と最も小さい流速の比を１以上３以下とするようになっていることが好ましい。

また、本発明の第１、第２の特徴に関し、例えば、ガス導入管を、その先端から反応容器までの距離が２０ｍｍ以上の位置に配置することが好ましい。この距離が２０ｍｍより小さい場合には、高温で過熱された状態の反応容器に近すぎるため、ガス導入管の温度が高くなり、ガス導入管内において炭素が生成し、ガス導入管が閉塞してしまうからである。

また、本発明では、炭化珪素単結晶の製造方法において、原料ガスを反応容器に導入するためのガス導入管（３０）として、内側に配置された内側導入管（３１）と、内側導入管の外側に同軸状に配置された外側導入管（３２）とを有するガス導入管（３０）を用い、内側導入管からＳｉを含有するガスとしてのシランとＣを有するガスもしくはそれらの希釈ガスを反応容器内に導入するとともに、外側導入管からＳｉを含有するガスとしてのクロロシランもしくはその希釈ガスを反応容器に導入することを第３の特徴としている。これによれば、本発明の第１の特徴と同様の効果を奏する。

本発明の第３の特徴においても、第１の特徴と同様に、ガス導入管を、その先端から反応容器までの距離を０ｍｍ以上５００ｍｍ以下として配置し、内側導入管および外側導入管をそれぞれ流れるガスの流速比を、１／３以上３以下とすることが好ましい。

また、本発明では、炭化珪素単結晶の製造方法において、原料ガスを反応容器に導入するためのガス導入管（４０）として、その内側から外側に向けて同軸状に順に配置された第１導入管（４１）、第２導入管（４２）および第３導入管（４３）を有するガス導入管（４０）を用い、第１導入管からＣを有するガスを反応容器に導入し、第３導入管からＳｉを含有するガスを反応容器に導入するとともに、第１導入管と第３導入管の間に位置する第２導入管から不活性ガスを反応容器に導入することを第４の特徴としている。これによれば、本発明の第２の特徴と同様の効果を奏する。

本発明の第４の特徴においても、第２の特徴と同様に、不活性ガスとしてＨｅを採用することが好ましく、ガス導入管を、その先端から反応容器までの距離を０ｍｍ以上５００ｍｍ以下として配置し、第１〜第３導入管をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きい流速と最も小さい流速の比を１以上３以下とすることが好ましい。

また、本発明の第３、第４の特徴に関し、例えば、ガス導入管を、その先端から反応容器までの距離が２０ｍｍ以上の位置に配置することが好ましい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。

図１に示すように、炭化珪素単結晶の製造装置は、筒状であって、立設した状態で配置された真空容器１０を備えている。真空容器１０は、例えば石英で構成される。真空容器１０の内部には、真空容器１０の内壁を覆う円筒状の第１断熱材１１が配置されており、さらに、第１断熱材１１の内部に円筒状の反応容器１２が立設した状態で配置されている。

反応容器１２は、供給される原料ガスが反応して単結晶が成長する空間を構成するものであり、例えば、側壁部をなす円筒状部１３と、底部をなす円形状のプレート材１４とによって構成されており、プレート材１４の上に、円筒状部１３が設置されている。なお、側壁部と底部とが一体に形成されていても良い。反応容器１２は、例えば、黒鉛もしくは炭化タンタルもしくは炭化タンタルを被覆した黒鉛部材で構成される。

また、反応容器１２の内部上方には黒鉛製台座１５が設置されており、その下面には、種結晶となる炭化珪素単結晶基板１６が取り付けられている。そして、この炭化珪素単結晶基板１６が種結晶となって反応容器１２の内部において炭化珪素単結晶１７が成長することとなる。

また、台座１５はパイプ材１８に連結支持されている。パイプ材１８は上下方向に延びている。このパイプ材１８の上端部には回転・上下動機構（図示略）が設置され、この機構によりパイプ材１８を回転および上下動（昇降）できるようになっている。

第１断熱材１１の内部において、反応容器１２の下方には、例えば、円柱形状の第２断熱材１９が配置されている。第２断熱材１９の内部には、プレート材１４に設けられた開口部１４ａに通じるガス通路としての原料ガス供給通路１９ａが形成されており、ここから上方の反応容器１２に向かって原料ガスが供給（導入）される。原料ガス供給通路１９ａの口径は、例えば、１０ｍｍ〜１００ｍｍである。

また、反応容器１２の内部下方には、供給される原料ガスの撹拌および加熱を目的とした邪魔板２０が水平方向に延びるように配置されている。炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３の中心と第２断熱材１９の原料ガス供給通路１９ａの中心と邪魔板２０の中心とは一致している。この邪魔板２０に原料ガス供給通路１９ａから供給される原料ガスが当たることで、原料ガスが撹拌され、邪魔板２０と熱交換され、原料ガスの混合および原料ガスへの熱の授受が促進される。邪魔板２０は、例えば、炭化タンタルもしくは炭化タンタルを被覆した黒鉛部材で構成される。

また、真空容器１０の外周部には、高周波誘導コイル（ＲＦコイル）２１、２２が巻回されている。高周波誘導コイルのうち、上側に位置する上側コイル２１は、炭化珪素単結晶１７の成長時において、炭化珪素単結晶基板（種結晶）１３が高さ方向に移動する範囲に対向して概略配置されており、上側コイル２１を通電することにより成長時において炭化珪素単結晶基板（種結晶）１６を加熱することができるようになっている。

また、高周波誘導コイルのうち、下側に位置する下側コイル２２は、反応容器１２の下半分側に対向して概略配置されており、下側コイル２２を通電することにより、反応容器１２および邪魔板２０を加熱し、ここを通過する原料ガスを加熱することができるようになっている。上側、下側コイル２１、２２は独立した通電制御がされるようになっている。

また、本実施形態の製造装置は、成長に寄与しなかった原料ガスを排出するための排気系を備えており、この排気系に設けられた図示しないポンプへの排出弁の開度を調整することにより、製造装置内の雰囲気圧力を一定に調整できるようになっている。

また、本実施形態の製造装置は、第２断熱材１９の原料ガス供給通路１９ａ内部に配置されたガス導入管３０を備えている。このガス導入管３０から原料ガス供給通路１９ａを介して反応容器１２の内部に原料ガスが導入される。

図２に、図１中のＡ−Ａ線断面図を示す。図２に示すように、ガス導入管３０は、内側に配置された内側導入管３１と、内側導入管の外側に同軸状に配置された外側導入管３２とを有しており、同軸状の２層からなる構造となっている。内側導入管３１の内壁によって内側のガス通路が構成され、内側導入管３１の外壁と外側導入管３２の内壁とによって外側のガス通路が構成されている。本実施形態では、内側導入管３１は円筒形状であり、外側導入管３２が内側導入管３１を同心状に囲む円筒形状となっている。

内側導入管３１および外側導入管３２の開口径は、管の径および肉厚によって調整できる。管の開口径の最適値は、ガスの流量によって異なるが、例えば、内側導入管３１の開口径＝Φ１〜２０ｍｍであり、外側導入管３２の開口径＝（内側導入管３１の外径）＋１〜２０ｍｍである。

また、ガス導入管３０は、図１に示すように、ガス吹出口となる先端側（図１中の上端部）では、内側導入管３１の先端と、外側導入管３２の先端とは同じ位置であり、ガス導入管３０の先端から反応容器１２のプレート材１４下端までの距離Ｌが、Ｌ＝２０〜５００ｍｍとなるように、配置されている。なお、内側導入管３１および外側導入管３２は、例えば、高融点金属等の耐熱性材料で構成されることが望ましい。

次に、上記した構成の製造装置を用いての炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。

図１に示す構成の製造装置において、真空容器１０内の圧力を１〜１００Ｋｐａの範囲で一定に制御して、上側、下側コイル２１、２２によって、炭化珪素単結晶１７が生成する温度となるように種結晶１６を加熱し、炭化珪素が堆積しない温度となるようにまで反応容器１２および邪魔板２０を加熱する。これらの温度は、供給する原料ガスの分圧等の条件によって変動するものであり、例えば、２０００〜２７００℃の範囲で設定される。なお、本実施形態では、反応容器１２の温度が、図１中に示すように、反応容器１２の上方から下方に向けて、すなわち、種結晶１６から離れるに連れて、徐々に温度が高くなる温度勾配を持つように加熱する。

そして、このように加熱された状態の反応容器１２内に、ガス導入管３０から原料ガス供給通路１９ａを介して、原料ガスとしてのＳｉを含有するガスおよびＣを含有するガスを導入する。本実施形態では、Ｓｉを含有するガスとしてのシラン（例えば、ＳｉＨ_４）と、Ｃを有するガスとしてのプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）と、キャリアガスとしての水素（Ｈ_２）との混合ガスを内側導入管３１から導入する。また、それを取り囲む外側導入管３２から、Ｓｉを含有するガスとしてのクロロシラン（例えば、ＳｉＣｌ_４）と、キャリアガスとしてのＨｅとを導入する。それぞれのガスの流量は、例えば、以下の通りである。

ＳｉＨ_４＝０．１〜３ｓｌｍ（内側導入管３１より導入）
Ｃ_３Ｈ_８＝０．１〜２ｓｌｍ（内側導入管３１より導入）
Ｈ_２＝０．１〜２０ｓｌｍ（内側導入管３１より導入）
ＳｉＣｌ_４＝０．１〜３ｓｌｍ（外側導入管３２より導入）
Ｈｅ＝０．１〜２０ｓｌｍ（外側導入管３２より導入）
である。

ここで、シランは、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２（ｎは任意の数である）で示されるものであり、クロロシランは、シランのＨをＣｌで置換したものである。したがって、シランとしては、ＳｉＨ_４の他に、Ｓｉ_２Ｈ_６を用いることができ、クロロシランとしては、ＳｉＣｌ_４の他に、ＳｉＨＣｌ_３やＳｉＨ_２Ｃｌ_２を用いることもできる。

また、これらのガスは原料ガス供給通路１９ａにおいて、層流を形成することが望ましいことから、本実施形態では、内側導入管３１の流速と外側導入管３２の流速の比を、１／３以上３以下とするように、予め配管の径および肉厚を調整したり、ガス流速を調整したりしている。

これにより、内側導入管３１から吹き出された混合ガスと、外側導入管３２から吹き出されたクロロシランとが、原料ガス供給通路１９ａ内を、それぞれ層流となって流れ、その後、反応容器１２の内部で、邪魔板２０に当たることで、混合および加熱されて、反応が進行し、炭化珪素単結晶基板１６上において、例えば、０．１〜１０ｍｍ／ｈの成長速度で炭化珪素単結晶１７が成長する。

なお、炭化珪素単結晶１７の成長時では、種結晶としての炭化珪素単結晶基板１６を、パイプ材１８によって、炭化珪素単結晶１７の成長方向とは逆の方向に、炭化珪素単結晶１７の成長速度と同じ速度で移動させる。また、成長に寄与しなかった原料ガスは排気系に排気される。このようにして、優れた品質の炭化珪素単結晶１７が連続的に成長する。

次に、本実施形態の主な特徴について説明する。

本実施形態では、同軸状の２層からなる構造のガス導入管３０を用い、シラン（例えば、ＳｉＨ_４）と、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）と、水素（Ｈ_２）との混合ガスを内側導入管３１から反応容器１２の内部に導入するとともに、それを取り囲む外側導入管３２から、クロロシラン（例えば、ＳｉＣｌ_４）と、Ｈｅとの混合ガスを反応容器１２の内部に導入するようにしている。

ここで、シランは比較的に低温で分解し、水素を発生するが、この水素はクロロシランの分解を促進する。そのため、シランとクロロシランを混合した状態で、プロパンと共に反応容器１２に導入した場合では、反応容器１２までのガス通路、すなわち、ガス導入管３０とガス供給通路１９ａ内で、クロロシランが分解されることでＳｉが多く生成し、これがプロパンと反応することでＳｉＣが生成し、ガス導入管３０とガス供給通路１９ａの内壁にＳｉＣが堆積する。これが継続して行われると、ガス導入管３０とガス供給通路１９ａが閉塞され、定常的な結晶成長が持続できなくなってしまう。

なお、この対策として、水素の発生源となるシランを導入せず、クロロシランのみを原料ガスとする方法も考えられるが、この場合、目的とするＳｉＣ結晶成長のために必要となるＳｉＣ_２、Ｓｉ_２Ｃ、Ｓｉといったガス種が生成しにくくなり、成長速度を大きくできない欠点がある。

これに対して、本実施形態によれば、ガス導入管３０および原料ガス供給通路１９ａ内を通過する際に、シランとクロロシランとが混合しないように、反応容器１２に導入することができるので、クロロシランが分解され、プロパンと反応することによって、ガス導入管３０とガス供給通路１９ａの内壁にＳｉＣが堆積することを抑制できる。ただし、本実施形態であっても、原料ガスの導入時における原料ガス供給通路１９ａ内でのシランとクロロシランとの完全な分離は難しく、多少の混同は生じる可能性がある。

また、本実施形態によれば、ガス導入管３０から反応容器１２に到達するまでの間、シランとプロパンとを含む混合ガスの外周側にクロロシランが配置された状態で、原料ガスを流すようにしているので、仮に、シランとプロパンとの反応によってＳｉＣが生成したとしても、クロロシランがガス通路内壁への接触を防止するとともに、ＳｉＣのエッチングガスとしての働くことで、ガス通路内壁へのＳｉＣの堆積を抑制するという効果を期待できる。

また、本実施形態では、シランとプロパンとを含む混合ガスの外周側にクロロシランを流すようにしているので、上記した特許文献２に記載の技術において、ガス通路の閉塞を防止するために、原料ガスの外周にキャリアガスを過剰に流すことで、種結晶に到達するガス全体における原料ガスの分圧が低くなることはない。むしろ、本実施形態は、特許文献２に記載の技術におけるＳｉを含有するガスとＣを含有するガスとの混合ガスの外側を流れるキャリアガスの代わりに、クロロシランを流すようにしたので、ガス導入管の内側を流れる混合ガスの流量を同一とした場合では、特許文献２に記載の技術と比較して、原料ガス中のＳｉＣの成長に寄与するＳｉＣ_２、Ｓｉ_２ＣおよＳｉの濃度を高くすることができる。また、本実施形態によれば、Ｓｉを含有するガスとして、ＳｉＣの成長に寄与し難いクロロシランのみを採用する非特許文献１に記載の技術と比較して、原料ガス中のＳｉ濃度を高くすることができる。したがって、本実施形態によれば、特許文献２、非特許文献１に記載の技術と比較して、炭化珪素単結晶の成長速度を大きくすることができる。

また、本実施形態では、ガス導入管３０の先端から反応容器１２の下端までの距離Ｌを２０〜５００ｍｍとしているので、原料ガス供給通路１９ａにおいて、シランとプロパンとを含む混合ガスと、クロロシランを含むガスとの層流を形成することができ、これらのガスの混合を抑制できる。

ここで、図３に、ガス導入管３０の先端から反応容器１２までの距離Ｌを様々に変えた場合における原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣの速度およびガス導入管の状態を調査した結果を示す。なお、図３は、ガス流量を、ＳｉＨ_４＝１ｓｌｍ、Ｃ_３Ｈ_８＝１ｓｌｍ、Ｈ_２＝１０ｓｌｍ（以上、内側導入管３１より導入）、ＳｉＣｌ_４＝１ｓｌｍ、Ｈｅ＝０．１〜２０ｓｌｍ（以上、外側導入管３２より導入）として、内側導入管３１の流速と外側導入管３２の流速の比を１とし、雰囲気圧力＝５０ｋＰａ、反応容器温度＝２５００℃としたときの結果である。

図３に示すように、距離Ｌが２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下のとき、ＳｉＣの堆積速度が小さく、すなわち、ＳｉＣの原料ガス供給通路１９ａへの付着量が少なく、原料ガス供給通路１９ａを良好に原料ガスが通過することがわかった。これに対して、距離Ｌが５００ｍｍより大きい場合では、原料ガスの層流を保持することが難しく、原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣが多く、この距離Ｌが２０ｍｍより小さい場合には、同軸状のガス導入管３０の温度が、管最高温度≧１５００℃というように、高温になるため、この管内においてＳｉＣが生成し、ガス導入管３０が閉塞することがわかった。

さらに、図４に、内側導入管３１を流れるガスの流速と、外側導入管３２を流れるガスの流速との比を様々に変化させた場合における原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣの速度およびガス導入管の状態を調査した結果を示す。

図４からわかるように、内側導入管３１および外側導入管３２をそれぞれ流れるガスの流速比を１／３以上３以下とすることで、生成物の堆積量が非常に少なくできた。図４の結果は、距離Ｌが２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲で同様であった。

以上説明したように、本実施形態によれば、炭化珪素単結晶の連続成長中に生じるガス通路の閉塞を防ぎつつ、高品質な炭化珪素単結晶を連続的に高速成長させることができる。

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図を示す。図５では、図１と同様の構成部に同一の符号を付している。また、図６に、図５中のＢ−Ｂ線断面図を示す。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

本実施形態では、図５、６に示すように、ガス導入管４０が、その内側から外側に向けて順に同軸状に配置された第１導入管４１、第２導入管４２および第３導入管４３を有しており、同軸状の３層からなる構造となっている。第１導入管４１の内壁によって内側のガス通路が構成され、第１導入管４１の外壁と第２導入管４２の内壁とによって外側のガス通路が構成され、さらに、第２導入管４２の外壁と第３導入管４３が内壁とによって最外周のガス通路が構成されている。本実施形態では、第１導入管４１は円筒形状であり、第２導入管４２が第１導入管４１を同心状に囲む円筒形状であり、第３導入管４３が第２導入管４２を同心状に囲む円筒形状となっている。

第１〜第３導入管４１〜４３の開口径の最適値は、ガスの流量によって異なるが、例えば、第１導入管４１の開口径＝Φ１〜２０ｍｍ、第２導入管４２の開口径＝（第１導入管４１の外径＋１〜２０ｍｍ）、第３導入管４３の開口径＝（第２導入管４２の外径＋１〜２０ｍｍ）である。

また、ガス導入管４０は、図５に示すように、ガス吹出口となる先端側（図５中の上端部）では、第１〜第３導入管４１〜４３の先端は同じ位置であり、ガス導入管４０の先端から反応容器１２のプレート材１４下端までの距離Ｌが、Ｌ＝２０〜５００ｍｍとなるように、配置されている。

そして、本実施形態では、第１導入管４１からＣを含有するガスおよびキャリアガスとしてプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）／Ｈ_２を導入し、その外側の第２導入管４２から不活性ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）を導入する。さらにその外側の第３導入管４３からＳｉを含有するガスおよびキャリアガスとしてシラン・クロロシラン（ＳｉＨ_４／ＳｉＣｌ_４）／Ｈｅを導入するようになっている。それぞれのガスの流量は、例えば、以下の通りである。

Ｃ_３Ｈ_８＝０．１〜２ｓｌｍ（第１導入管４１より導入）
Ｈ_２＝０．１〜２０ｓｌｍ（第１導入管４１より導入）
Ｈｅ＝０．１〜２０ｓｌｍ（第２導入管４２より導入）
ＳｉＨ_４＝０．１〜３ｓｌｍ（第３導入管４３より導入）
ＳｉＣｌ_４＝０．１〜３ｓｌｍ（第３導入管４３より導入）
Ｈｅ＝０．１〜２０ｓｌｍ（第３導入管４３より導入）
である。

これらのガスは原料ガス供給通路１９ａにおいて、層流を形成することが望ましいことから、本実施形態では、第１〜第３導入管４１、４２、４３の流速のうち、最も大きな流速／最も小さな流速＝１以上３以下としている。

以上の通り、本実施形態では、同軸状の３層からなる構造のガス導入管４０を用い、中心に位置する第１導入管４１からプロパンを反応容器１２に導入し、最外周に位置する第３導入管４３からシラン・クロロシランの混合ガスを反応容器１２に導入し、第１導入管４１と第３導入管４３の間に位置する第２導入管４２からヘリウムを反応容器１２に導入するようになっている。

これにより、ガス供給通路１９ａでは、プロパンと、シラン・クロロシランとの間にヘリウムを挿入した状態として、両者をヘリウムによって分離させることができる。この結果、ガス通路の閉塞の原因となるＳｉＣの生成を抑制することができる。

また、上記した非特許文献１に記載の技術では、ガス導入管から吹き出された直後では、Ｃを含有するガスとＳｉを含有するガスとが混合する可能性が高いが、本実施形態では、ガス導入管から吹き出された後でも、Ｃを含有するガス（プロパン）とＳｉを含有するガス（シラン・クロロシラン）との間にヘリウムが層状に挿入された状態になる。したがって、本実施形態によれば、非特許文献１に記載の技術と比較して、原料ガス供給通路１９ａにおいて、Ｃを含有するガスとＳｉを含有するガスとを分離させる効果が高い。ただし、本実施形態であっても、シラン・クロロシランと、プロパンとを完全に分離することは難しく、両者の混同は多少生じる可能性がある。

また、本実施形態では、プロパンを内側に流し、シラン・クロロシランを外側に流すようにしているので、原料ガス供給通路１９ａ内でＳｉが生成したとしても、原料ガス供給通路１９ａは反応容器１２の近傍に位置するため、比較的高温であり、通常、そのような温度ではＳｉが溶融した状態となるので、原料ガス供給通路１９ａの内壁にＳｉが堆積することで、原料ガス供給通路１９ａが閉塞することはない。

なお、内側と外側を入れ替えて、プロパンを外側に流した場合、原料ガス供給通路１９ａ内で炭素が生成して、原料ガス供給通路１９ａの内壁に堆積して、原料ガス供給通路１９ａが閉塞する恐れがある。これは、炭素は、ＳｉＣ単結晶を成長させるための反応容器１２の加熱温度において固体として存在するためである。これに対して、本実施形態では、シラン・クロロシランを外側に流しているので、これを回避できる。

また、本実施形態によれば、上記した特許文献２に記載の技術と比較して、原料ガス供給通路１９ａ内でのＳｉＣの生成を抑制するために必要な不活性ガスの量が少なくて済むので、種結晶１６に到達するガス全体における原料ガスの濃度（分圧）を高めることができる。

したがって、本実施形態によれば、炭化珪素単結晶１７の連続成長中に生じる原料ガス供給通路１９ａの閉塞を防ぐことができ、特許文献２に記載の技術と比較して、炭化珪素単結晶の連続的な高速成長が可能となる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、ガス導入管４０の先端から反応容器１２のプレート材１４下端までの距離Ｌが、Ｌ＝２０〜５００ｍｍとなるように、ガス導入管４０を配置しているので、原料ガス供給通路１９ａにおいて、プロパンを含むガスと、ヘリウムと、シラン・クロロシランを含むガスとの３層流を形成することができ、これらのガスの混合を抑制できる。

ここで、図７に、ガス導入管４０の先端から反応容器１２までの距離Ｌを様々に変えた場合における原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣの速度およびガス導入管の状態を調査した結果を示す。なお、図７は、ガス流量を、Ｃ_３Ｈ_８＝１ｓｌｍ、Ｈ_２＝１０ｓｌｍ（以上、第１導入管４１より導入）、Ｈｅ＝５ｓｌｍ（第２導入管４２より導入）、ＳｉＨ_４＝１ｓｌｍ、ＳｉＣｌ_４＝１ｓｌｍ、Ｈｅ＝５ｓｌｍ（以上、第３導入管４３より導入）として、第１〜第３導入管４１〜４３をそれぞれ流れるガスの流速の比を１とし、雰囲気圧力＝５０ｋＰａ、反応容器温度＝２５００℃としたときの結果である。

図７からわかるように、距離Ｌが２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下のとき、ＳｉＣの堆積速度が小さく、すなわち、原料ガス供給通路１９ａへのＳｉＣの付着量が少なく、原料ガス供給通路１９ａを良好に原料ガスを通過させることができる。これに対して、距離Ｌが５００ｍｍより大きい場合では、原料ガスの層流を保持できないことから、原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣが多くなり、この距離Ｌが２０ｍｍより小さい場合には、同軸状のガス導入管４０の温度が、管最高温度≧１５００℃というように、高温になるため、この管内において炭素が生成し、ガス導入管４０（特に導入管４１）が閉塞してしまう。

さらに、図８に、第１〜第３導入管４１〜４３をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きなガス流速と、最も小さなガス流速との比を様々に変化させた場合における原料ガス供給通路１９ａに付着するＳｉＣの速度およびガス導入管の状態を調査した結果を示す。なお、図８の結果は、距離Ｌが２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲で同様であった。図８からわかるように、最も大きなガス流速と最も小さなガス流速との比を１以上３以下とすることで、生成物の堆積量が非常に少なくできた。なお、最も大きなガス流速と最も小さなガス流速との比が１のときとは、第１〜第３導入管４１〜４３をそれぞれ流れるガスの流速がすべて同じときを意味する。

なお、本実施形態では、不活性ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）を採用していたが、他の不活性ガスを採用しても良い。ただし、Ｈｅは、不活性ガスの中で、整流性が高く、乱流になり難く、ガス導入管４０から吹き出されて反応容器１２に到達する間において、プロパンを含むガスと、シラン・クロロシランとの混合ガスと分離する効果が高いので、不活性ガスとしてＨｅを採用することが好ましい。

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、内側導入管３１から混合ガスを導入し、外側導入管３２からクロロシランを導入していたが、混合ガス、クロロシランをそれぞれ、ヘリウム、アルゴン等に代表される不活性ガスで希釈した希釈ガスとして導入しても良い。

（２）第１、第２実施形態では、邪魔板２０を用いていたが、原料ガスの混合および加熱が十分に確保できれば、省略しても良い。

（３）第１実施形態では、内側導入管３１からシランとプロパンとの混合ガスを導入していたが、内側導入管３１を同心円状に分割して、内側導入管３１内の内側と外側からそれぞれシランとプロパンとを別々に導入させるようにしてもよい。すなわち、図２に示されるガス導入管３０に対して、内側導入管３１の内側に、同心状に導入管を配置した構成としても良い。

（４）第２実施形態では、第３導入管４３からシランとクロロシランとの混合ガスを導入していたが、第３導入管４３を同心円状にさらに分割して、内側と外側からそれぞれシランとクロロシランとを別々に導入させるようにしてもよい。

（５）第１、第２実施形態では、Ｃを含有するガスとしてプロパンを採用していたが、ＳｉＣ単結晶の原料ガスとなりうるガスであれば、他のガスを採用しても良い。例えば、メタン、エチレン等の炭化水素ガスを、Ｃを含有するガスとして採用できる。

（６）第２実施形態では、Ｓｉを含有するガスとして、シランとクロロシランの混合ガスを採用していたが、シランのみを採用しても良い。また、ＳｉＣ単結晶の原料ガスとなりうるガスであれば、他のＳｉを含有するガスを採用しても良い。

なお、上記した各実施形態は、実施可能な範囲で、任意に組み合わせが可能である。

本発明の第１実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示される製造装置において、ガス導入管３０の先端から反応容器１２までの距離Ｌと原料ガス供給通路１９ａに堆積するＳｉＣの堆積速度との関係を示す図である。 図１に示される製造装置において、内側導入管３１を流れるガスの流速と外側導入管３２を流れるガスの流速との比と、原料ガス供給通路１９ａに堆積するＳｉＣの堆積速度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における炭化珪素単結晶の製造装置の概略断面図である。 図５中のＢ−Ｂ線断面図である。 図５に示される製造装置において、ガス導入管４０の先端から反応容器１２までの距離Ｌと原料ガス供給通路１９ａに堆積するＳｉＣの堆積速度との関係を示す図である。 図５に示される製造装置において、第１〜第３導入管４１〜４３をそれぞれ流れるガスの流速のうちの最も大きなガス流速と最も小さなガス流速との比と、原料ガス供給通路１９ａに堆積するＳｉＣの堆積速度との関係を示す図である。

符号の説明

１２…反応容器、１６…炭化珪素単結晶基板、１７…炭化珪素単結晶、
２０…邪魔板、２１、２２…高周波誘導コイル、
３０、４０…ガス導入管、３１…内側導入管、３２…外側導入管、
４１…第１導入管、４２…第２導入管、４３…第３導入管。

Claims (12)

1. 反応容器（１２）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１６）を配置し、加熱された状態の前記反応容器内に、少なくともＳｉ（シリコン）を含有するガスとＣ（カーボン）を含有するガスとを含む原料ガスを前記反応容器の外部から導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板から炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
   前記原料ガスを前記反応容器に導入するためのガス導入管（３０）を備え、
   前記ガス導入管は、内側に配置された内側導入管（３１）と、前記内側導入管の外側に同軸状に配置された外側導入管（３２）とを有しており、
   前記内側導入管から前記Ｓｉを含有するガスとしてのシランと前記Ｃを有するガスもしくはそれらの希釈ガスを前記反応容器内に導入するとともに、前記外側導入管から前記Ｓｉを含有するガスとしてのクロロシランもしくはその希釈ガスを前記反応容器に導入するようになっていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
2. 前記ガス導入管は、その先端から前記反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の位置に配置されており、
   前記内側導入管および前記外側導入管をそれぞれ流れるガスの流速比を１／３以上３以下とするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
3. 反応容器（１２）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１６）を配置し、加熱された状態の前記反応容器内に、少なくともＳｉ（シリコン）を含有するガスとＣ（カーボン）を含有するガスとを含む原料ガスを前記反応容器の外部から導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板から炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
   前記原料ガスを前記反応容器に導入するためのガス導入管（４０）を備え、
   前記ガス導入管は、その内側から外側に向けて順に同軸状に配置された第１導入管（４１）、第２導入管（４２）および第３導入管（４３）を有しており、
   前記第１導入管からＣを有するガスを前記反応容器に導入し、前記第３導入管からＳｉを含有するガスを前記反応容器に導入するとともに、前記第１導入管と前記第３導入管の間に位置する前記第２導入管から不活性ガスを前記反応容器に導入するようになっていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
4. 前記第２導入管から不活性ガスとしてのＨｅを前記反応容器に導入するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
5. 前記ガス導入管は、その先端から前記反応容器までの距離が０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の位置に配置されており、
   前記第１〜第３導入管をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きい流速と最も小さい流速の比を１以上３以下とするようになっていることを特徴とする請求項３または４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
6. 前記ガス導入管は、その先端から前記反応容器までの距離が２０ｍｍ以上の位置に配置されていることを特徴とする請求項２または５に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
7. 反応容器（１２）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１６）を配置し、加熱された状態の前記反応容器内に、少なくともＳｉ（シリコン）を含有するガスとＣ（カーボン）を含有するガスとを含む原料ガスを前記反応容器の外部から導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板から炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
   前記原料ガスを前記反応容器に導入するためのガス導入管（３０）として、内側に配置された内側導入管（３１）と、前記内側導入管の外側に同軸状に配置された外側導入管（３２）とを有する前記ガス導入管（３０）を用い、
   前記内側導入管から前記Ｓｉを含有するガスとしてのシランと前記Ｃを有するガスもしくはそれらの希釈ガスを前記反応容器内に導入するとともに、前記外側導入管から前記Ｓｉを含有するガスとしてのクロロシランもしくはその希釈ガスを前記反応容器に導入することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 前記ガス導入管を、その先端から前記反応容器までの距離を０ｍｍ以上５００ｍｍ以下として配置し、
   前記内側導入管および前記外側導入管をそれぞれ流れるガスの流速比を、１／３以上３以下とすることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
9. 反応容器（１２）内に種結晶となる炭化珪素単結晶基板（１６）を配置し、加熱された状態の前記反応容器内に、少なくともＳｉ（シリコン）を含有するガスとＣ（カーボン）を含有するガスとを含む原料ガスを前記反応容器の外部から導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板から炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
   前記原料ガスを前記反応容器に導入するためのガス導入管（４０）として、その内側から外側に向けて同軸状に順に配置された第１導入管（４１）、第２導入管（４２）および第３導入管（４３）を有するガス導入管（４０）を用い、
   前記第１導入管からＣを有するガスを前記反応容器に導入し、前記第３導入管からＳｉを含有するガスを前記反応容器に導入するとともに、前記第１導入管と前記第３導入管の間に位置する前記第２導入管から不活性ガスを前記反応容器に導入することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
10. 前記不活性ガスとしてのＨｅを用いることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
11. 前記ガス導入管を、その先端から前記反応容器までの距離を０ｍｍ以上５００ｍｍ以下として配置し、
    前記第１〜第３導入管をそれぞれ流れるガスの流速のうち、最も大きい流速と最も小さい流速の比を１以上３以下とすることを特徴とする請求項９または１０に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
12. 前記ガス導入管を、その先端から前記反応容器までの距離を２０ｍｍ以上として配置することを特徴とする請求項８または１１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
    

Images