JP2010076954A - ＳｉＣ単結晶製造方法、ＳｉＣ単結晶製造用反応容器、ＳｉＣ単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥の少ないＳｉＣ単結晶が得られるＳｉＣ単結晶製造方法、ＳｉＣ単結晶製造用反応容器、およびＳｉＣ単結晶製造装置を提供する。
【解決手段】開口部が形成され、内部に固体原料Ｒｍが装入される坩堝本体１２と、坩堝本体１２の開口部を密閉するとともに、内側の面にＳｉＣ種結晶Ｓｃが装着される蓋部１１と、前記ＳｉＣ種結晶Ｓｃに向かって水素または水素含有ガスを噴きつける水素供給孔３２とを備えるＳｉＣ単結晶製造用反応容器、および前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器（円柱状の坩堝１０）と加熱手段２０，２１とを備えるＳｉＣ単結晶製造装置において、坩堝１０内においてＳｉＣ種結晶Ｓｃ上に水素または水素含有ガスを噴き付けて前記ＳｉＣ種結晶Ｓｃを水素エッチングし、次いで、固体原料Ｒｍを加熱、昇華させ、前記水素エッチングされたＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶をバルク成長させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶製造方法、ＳｉＣ単結晶製造用反応容器、ＳｉＣ単結晶製造装置に係り、特に、欠陥の少ないＳｉＣ単結晶が得られるＳｉＣ単結晶製造方法、前記ＳｉＣ単結晶製造方法を好適に実施できるＳｉＣ単結晶製造用反応容器、および前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器を備えるＳｉＣ単結晶製造装置に関する。

ＳｉＣは、Ｓｉに比較して熱伝導性が高く、耐熱性に優れ、バンドギャップおよび飽和ドリフト速度が大きいことから、パワー素子にＳｉＣを用いれば高速動作が可能でオン損失の少ないパワー素子が得られることが期待されている。

通常は、ＳｉＣのウェハー上にｎ層およびｐ層を所定の順序でエピタキシャル成長させ、イオン注入によって伝導度制御を行ってから、酸化膜形成、および電極コンタクト形成を行うことにより、ＳｉＣからパワー素子が製造される。

したがって、ウェハーを切り出すのに充分な大きさの高品質な単結晶を形成する方法が求められてきた。

ＳｉＣ単結晶の単結晶を製造する方法は、従来、いくつか提案されているが、これらの方法は、何れも、充分な直径のＳｉＣ単結晶を得るのが極めて困難であること、および得られるＳｉＣ単結晶中に多結晶や異なる結晶形のＳｉＣが混入したり、中空パイプ状の結晶欠陥であるマイクロパイプが多数生じたりすることが問題であった。

そこで、このような問題を解決したＳｉＣ単結晶の製造装置として、たとえば、ＳｉＣの粗結晶のような固体原料を収容する上面が開口した黒鉛製の反応容器本体と前記反応容器本体の開口部を覆蓋するとともに種結晶が配置される同じく黒鉛製の蓋部と、前記反応容器本体と蓋部とから構成される反応容器を加熱する誘導加熱コイルとを備える製造装置が提案された（特許文献１）。

前記製造装置においては、反応容器本体に収容された固体原料が昇華し、蓋部に配置された単結晶の周りにＳｉＣが再結晶して中央部に単結晶が、周囲に多結晶が成長する。

しかしながら、得られるＳｉＣ単結晶の品質が使用するＳｉＣ種結晶の表面状態に大きく左右されることは広く知られている。ＳｉＣ種結晶の表面に存在する汚れや不純物が、得られるＳｉＣ単結晶の品質の劣化の原因になることは勿論であるが、ＳｉＣ種結晶の表面に存在する加工変質層や各種加工傷もＳｉＣ単結晶の品質の劣化の原因になる。たとえば、ＳｉＣ単結晶内に存在する三角欠陥は研磨傷に由来すると考えられている。

そこで、ＳｉＣ単結晶の品質を向上させる上で、ＳｉＣ種結晶における加工変質層や加工傷の除去が近年注目を集めている。

ＳｉＣ種結晶から加工変質層や加工傷を除去する方法としては種々のものが提案されているが、代表的なものとしてはＣＭＰ（化学機械研磨）や水素エッチングなどがある。

しかしながら、特許文献１に記載の反応容器を用いた製造方法のように、準閉鎖系でＳｉＣ粗原料を昇華させてＳｉＣ種結晶の上にＳｉＣ単結晶を析出させるＳｉＣ単結晶の製造方法においてＳｉＣ種結晶の前処理にＣＭＰを適用する場合、反応容器の蓋部に装着された状態のＳｉＣ種結晶にＣＭＰを施すことは殆ど不可能であること、したがってＳｉＣ種結晶を、ＣＭＰを施した後、前記蓋部に装着する必要があり、蓋部に装着する際にＳｉＣ種結晶に不純物や汚れが付着する可能性がある。

ＳｉＣ種結晶に水素エッチングを行う方法としては、たとえば、種結晶を用いた昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる際に、雰囲気ガスとして不活性ガス中に１ｐｐｍ〜９０％の水素ガスを含有させる方法が提案された（特許文献２）。
特開２００４−３５２５９０号公報 特開平８−２０８３８０号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法も準閉鎖系でしかもＳｉＣの昇華再結晶と同時に水素エッチングを実施するから、水素ガスの濃度や水素エッチング温度などの条件の制御が極めて困難である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、欠陥の少ないＳｉＣ単結晶が得られるＳｉＣ単結晶製造方法、前記ＳｉＣ単結晶製造方法を好適に実施できるＳｉＣ単結晶製造用反応容器、および前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器を備えるＳｉＣ単結晶製造装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、反応容器内に挿入された固体原料を加熱昇華させ、前記反応容器の内壁上に装着されたＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶を析出させるＳｉＣ単結晶製造方法であって、反応容器内においてＳｉＣ種結晶上に水素または水素含有ガスを噴き付けて前記ＳｉＣ種結晶を水素エッチングし、次いで、固体原料を加熱、昇華させ、前記水素エッチングされたＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶をバルク成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造方法に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造方法においては、ＳｉＣ種結晶を先ず水素エッチングし、次いで昇華再結晶によってＳｉＣ種結晶の周囲にＳｉＣ単結晶を析出させている。したがって、水素エッチングとＳｉＣの昇華再結晶とを分離して行っているから、両者の条件を夫々独立に制御でき、水素エッチングおよび昇華再結晶の何れも最適な条件で行える。しかも、水素エッチングに引き続いて昇華再結晶を実施でき、更に、何れの操作も準密閉系で実施できる。

故に、ＳｉＣ種結晶表面の加工変質層や加工傷を水素エッチングで充分に除去してから昇華再結晶を行うことにより、前記加工変質層や加工傷に由来するＳｉＣ単結晶内の欠陥の発生を効果的に防止できる。

請求項２に記載の発明は、ＳｉＣ単結晶をバルク成長させるバルク成長温度よりも低い温度で前記ＳｉＣ種結晶を水素エッチングし、次いで、前記反応容器内部を、不活性ガスで置換し、ＳｉＣ単結晶をバルク成長させるバルク成長圧力よりも高い圧力に加圧しつつ、前記バルク成長温度まで昇温し、バルク成長温度に達したら雰囲気圧力をバルク成長圧力まで低下させてＳｉＣ単結晶のバルク成長を行う請求項１に記載のＳｉＣ単結晶製造方法に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造方法においては、水素エッチング終了後、反応容器内部を不活性ガスに置換してから昇温、昇圧しているから、昇温、昇圧時にはＳｉＣ種結晶が水素エッチングされることはない。そして、反応容器内部を昇温、昇圧後、バルク成長圧力まで減圧してバルク成長、即ち昇華再結晶を開始させている。

したがって、前記ＳｉＣ単結晶製造方法によれば、水素エッチングとバルク成長とを完全に分離させて行うことができるから、水素エッチングとバルク成長との条件をより最適化できる。

請求項３に記載の発明は、開口部が形成され、内部に固体原料が装入される反応容器本体と、前記反応容器本体の開口部を密閉するとともに、内側の面にＳｉＣ種結晶が装着される蓋部と、前記種結晶に向かって水素または水素含有ガスを噴きつける水素供給流路とを備えてなることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造用反応容器に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器によれば、水素エッチングの際に、前記水素供給流路からＳｉＣ種結晶に水素または水素含有ガスを吹き付けることにより、前記ＳｉＣ種結晶の表面を集中的に水素エッチングしてＳｉＣ種結晶表面の加工変質層や加工傷を効果的に除去できる。

請求項４に記載の発明は、前記水素供給流路における開口部近傍には、開口部に向かって拡大する拡大部が形成されてなる請求項３に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器においては、前記水素供給流路における開口部近傍に拡大部が設けられている故に、水素エッチングにおいてＳｉＣ種結晶の表面に広く水素または水素含有ガスを当てることができる。

請求項５に記載の発明は、前記水素供給流路における開口部の直径は、蓋部に装着されるＳｉＣ種結晶の直径の１／２以上である請求項４に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器においては、水素エッチングにおいてＳｉＣ種結晶のほぼ全面に水素または水素含有ガスを当てることができる。

請求項６に記載の発明は、前記拡大部が円錐状である請求項４または５に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器に関する。

前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器においては、水素エッチングにおいてＳｉＣ種結晶の表面に特に効果的に水素または水素含有ガスを当てることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項３〜６の何れか１項に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器と、前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造装置に関する。

請求項８に記載の発明は、前記加熱手段が誘導コイルである請求項７に記載のＳｉＣ単結晶製造装置に関する。

以上説明したように本発明によれば、欠陥の少ないＳｉＣ単結晶が得られるＳｉＣ単結晶製造方法、前記ＳｉＣ単結晶製造方法を好適に実施できるＳｉＣ単結晶製造用反応容器、および前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器を備えるＳｉＣ単結晶製造装置が提供される。

１．実施形態１
実施形態１に係る単結晶製造装置１は、本発明のＳｉＣ単結晶製造装置の一例であって、図１に示すように、本発明の反応容器に相当する円柱状の坩堝１０と、坩堝１０を収容する石英管３０と、石英管３０の内側において坩堝１０を下方から支持する支持棒３１と、石英管３０に巻回され、坩堝１０の底面近傍を加熱する第１誘導加熱コイル２０と、同じく石英管３０に巻回され、坩堝１０の頂面近傍を加熱する第２誘導加熱コイル２１と、第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル２１との間に配設された干渉防止コイル２２とを備える。第１誘導加熱コイル２０および第２誘導加熱コイル２１は本発明における加熱手段に相当する。

坩堝１０は、本発明の反応器本体に相当し、図１に示すように、固体原料Ｒｍが装入される有底円筒状の坩堝本体１２と、坩堝本体１２の上面開口部を覆蓋するとともにＳｉＣ種結晶Ｓｃが装着される蓋部１１とを備える。蓋部１１は、坩堝本体１２の上面開口部に螺合して坩堝本体１２を密閉するように形成されている。蓋部１１の内壁面における中央部にはＳｉＣ種結晶Ｓｃを装着するための種結晶装着台１１Ａが形成されている。

蓋部１１および坩堝本体１２は、何れも黒鉛で形成されていることが好ましい。

支持棒３１の内部には、水素または水素含有ガスを供給する水素供給孔３２が軸線に沿って穿設されている。水素供給孔３２の末端には円錐状の拡大部３３が形成されている。支持棒３１もまた、坩堝本体１２および蓋部１１と同様に黒鉛から形成され地得ることが好ましい。また、水素供給孔３２から供給される水素含有ガスとしては、水素とアルゴンガスのような不活性ガスとの混合ガスが挙げられる。

第１誘導加熱コイル２０、第２誘導加熱コイル２１、および干渉防止コイル２２は、何れも導体管、たとえば銅管をコイル状に巻回し、内部に水を流して冷却できるように形成されているが、ムクの導体をコイル状に巻回したものであってもよい。

坩堝１０は、熱絶縁層４０で被覆されている。熱絶縁層４０はたとえば黒鉛フェルトなどによって形成されている。熱絶縁層４０の上面における中央部には蓋部１１の温度を測定するための温度測定孔４１が穿設されている。

坩堝１０の内径は成長しようとする結晶の直径に依存するが、成長する結晶の直径＋２０〜３０ｍｍ程度が好ましく、高さは１５０〜２００ｍｍ程度が好ましい。水素供給孔３２の内径は１〜２ｍｍの範囲が好ましく、支持棒３１の先端から種結晶装着台１１Ａ迄の距離は１５〜３５ｍｍが好ましく、拡大部３３の開き角θは６０〜９０℃の範囲が好ましい。また、拡大部３３の直径は、ＳｉＣ種結晶ＳＣの直径の１／２以上が好ましい。しかし、坩堝の内径、高さ、水素供給孔３２の内径、開口部３３から種結晶装着台１１Ａ迄の距離、拡大部３３の開き角等は、前記範囲には限定されず、製造しようとするＳｉＣ単結晶の直径および高さ、並びに昇華条件等に応じて任意に設定できる。

以下、単結晶製造装置１を用いてＳｉＣ単結晶を製造する手順について説明する。

先ず、坩堝本体１２の内部に固体原料を装入する。

固体原料としては、粉末状のＳｉＣ粗結晶が使用される。前記ＳｉＣ粗結晶としては種々の結晶多形（ポリタイプ）のものが使用できる。具体的には、４Ｈ、６Ｈ、１５Ｒ、３Ｃなどが挙げられるが、４Ｈおよび６Ｈが好適である。但し、異なる結晶型のＳｉＣが混在していてもよい。ＳｉＣ粗結晶の平均粒径は１０〜７００μｍ程度が好ましく、２００〜４００μｍ程度が特に好ましい。ＳｉＣ粗結晶の平均粒径が前記範囲内であれば、後述する昇華温度で速やかに焼結を起して表面積が縮小したり、粗結晶自体の被表面積が過小に過ぎたりして充分な単結晶成長速度が得られないという問題が生じない上、水素エッチング処理中にガス流によって粉体が吹き飛ばされ、投入結晶の表面へ付着するリスクが少ない。

このようなＳｉＣ粗結晶としてはたとえばアチソン法によって珪砂とコークスとから合成されるものが使用される。

他には、加熱により珪素を生じる珪素源化合物と加熱により黒鉛化する炭素源化合物とを混合し、または必要に応じて重縮合させた後、非酸化性雰囲気下で加熱、分解することによって得られるＳｉＣ粉末も使用される。

珪素源化合物としては、酸化珪素、シリカゾル、二酸化珪素などの無機珪素化合物、またはモノアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、テトラアルコキシシランなどのアルコキシシラン類およびそれらの重合体などの有機珪素化合物が使用される。珪素源化合物としては、エトキシシランやテトラエトキシシラン、テトラエトキシシランオリゴマー、テトラエトキシシランオリゴマー−微粉末シリカなどが好ましい。

そして、炭素源化合物としては、非酸化性雰囲気で加熱することによって架橋して黒鉛化し易い化合物が挙げられる。具体的には、各種フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ピッチ、タールなどが挙げられる。中でも各種フェノール樹脂が好ましく、特にレゾール型フェノール樹脂が好ましい。

このようにして得られたＳｉＣ粉末を事前に昇華し、粉砕してから原料として用いてもよい。この場合、エッチングガスによる粉体の飛散のリスクは更に少ない。

坩堝本体１２に固体原料を装入したら、蓋部１１の種結晶装着台１１ＡにＳｉＣ種結晶Ｓｃを装着し、前記種結晶Ｓｃを装着した側の面が内側になるように、蓋部１１を坩堝本体１２の開口部に螺合させて坩堝本体１２の開口部に固定する。

坩堝本体１２が密閉されたら、支持棒３１の水素供給孔３２を通してＳｉＣ種結晶Ｓｃに水素または水素含有ガスを噴きつけながら坩堝１０の内部を水素エッチング温度である１４００〜１６００℃まで昇温し、ＳｉＣ種結晶Ｓｃを０．５〜１時間水素エッチング処理する。このときの水素供給量は５〜１０リットル／分程度が好適である。

水素エッチングが終了したら、坩堝１０内部をアルゴンガスなどの不活性ガスに置換しつつ、１００ｋＰａまで昇圧し、同時にバルク成長温度である２１００〜２４００℃まで昇温する。坩堝１０の内部がバルク成長温度に達したら、内部の圧力を０．２〜１ｋＰａまで減圧する。これにより、ＳｉＣ種結晶Ｓｃの表面にＳｉＣの単結晶がバルク成長する。

なお、バルク成長時に、坩堝１０の下方の温度を上方の温度よりも低く設定することにより、バルク成長開始後暫くして水素供給孔３２は、昇華した固体原料が再結晶して生じたＳｉＣ結晶によって塞がれるから、固体原料が加熱されて発生した昇華ガスが水素供給孔３２を通して外部に散逸することによって昇華ガスの組成が変化してＳｉＣ単結晶の品質に影響を及ぼすことは少ないと考えられる。

単結晶製造装置１においては、坩堝１０が全体として円柱状であるから、形状が単純であり、坩堝本体１２および蓋部１１の何れも作成が容易である。また、固体原料Ｒｍは坩堝本体１２の底部、換言すれば坩堝１０の底部に挿入されるから、固体原料Ｒｍから発生した昇華ガスは坩堝１０内を上昇して蓋部１１に装着されたＳｉＣ種結晶Ｓｃの表面でＳｉＣ単結晶として析出する。したがって、昇華が円滑に進行する。また、ＳｉＣ結晶は下方に向かって、即ち重力方向に沿って析出するから、単結晶内部に重力による余分な負荷が加わらない点でも好ましい。

また、ＳｉＣ種結晶Ｓｃを水素エッチングすることにより、ＳｉＣ種結晶Ｓｃ表面の加工変質層や加工傷が除去されるから、水素エッチングに引き続いて行われるバルク成長において加工変質層や加工傷に起因する三角欠陥などの欠陥の発生を減らすことができる。

図１に示す構成を有し、坩堝１０の内径が１００ｍｍ、水素供給孔３２の内径が１ｍｍ、開口部３３から種結晶装着台１１Ａ迄の距離が３０ｍｍ、拡大部３３の開き角θが６０度の単結晶製造装置１を用い、直径５０ｍｍのＳｉＣ種結晶上に以下に示す手順にしたがってＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。

先ず、蓋部１１の種結晶装着台１１ＡにＳｉＣ種結晶Ｓｃを装着するとともに、坩堝本体１２に固体原料として平均粒径２００μｍのアチソン法で得られたＳｉＣ粗結晶粉末を挿入した。

次いで、ＳｉＣ種結晶を装着した蓋部１１を坩堝本体１２に螺合して坩堝１０を準密閉状態にし、図２に示すように、雰囲気圧を１００ｋＰａに維持しつつアルゴンガスで置換し、この状態で加熱した。坩堝１０内部の温度が１６００℃に達したら、雰囲気圧を１ｋＰａまで減圧し、水素供給孔３２を通して１０リットル／分の流量で水素ガスを供給してＳｉＣ種結晶Ｓｃを水素エッチングした。

１時間水素エッチングを行った後、水素ガスの供給を停止し、坩堝１０の内部にアルゴンガスを挿入して雰囲気圧を１００ｋＰａに戻し、昇温した。坩堝１０内部の温度が２２００℃に達したら、坩堝１０の内部を１ｋＰａに減圧してバルク成長を開始させた。１０時間経過後、雰囲気圧を１００ｋＰａに戻すとともに坩堝１０を室温まで冷却してバルク成長を停止させた。

得られたＳｉＣ単結晶には１５〜２５個の三角欠陥が認められた。

これに対し、ＳｉＣ種結晶Ｓｃを水素エッチングせずに同様の条件でバルク成長を行ったときは、得られたＳｉＣ単結晶中の三角欠陥の個数は３５〜４５個に増大した。

以上の結果から、バルク成長の前に水素エッチングを行うことにより、得られるＳｉＣ単結晶中の三角欠陥の個数を大幅に減少させることができることがわかる。

図１は、実施形態１に係る単結晶製造装置の構成を示す断面図である。 図２は、本願実施例でＳｉＣ単結晶を製造したときの坩堝内の温度、圧力、水素流量の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 単結晶製造装置
１０ 坩堝
１１ 蓋部
１１Ａ 種結晶装着台
１２ 坩堝本体
２０ 誘導加熱コイル
２１ 誘導加熱コイル
２２ 干渉防止コイル
３０ 石英管
３１ 支持棒
３２ 水素供給孔
３３ 開口部
３３ 拡大部
４０ 熱絶縁層
４１ 温度測定孔

Claims (8)

1. 反応容器内に挿入された固体原料を加熱昇華させ、前記反応容器の内壁上に装着されたＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶を析出させるＳｉＣ単結晶製造方法であって、
   反応容器内においてＳｉＣ種結晶上に水素または水素含有ガスを噴き付けて前記ＳｉＣ種結晶を水素エッチングし、
   次いで、固体原料を加熱、昇華させ、前記水素エッチングされたＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶をバルク成長させる
   ことを特徴とするＳｉＣ単結晶製造方法。
2. ＳｉＣ単結晶をバルク成長させるバルク成長温度よりも低い温度で前記ＳｉＣ種結晶を水素エッチングし、次いで、前記反応容器内部を、不活性ガスで置換し、ＳｉＣ単結晶をバルク成長させるバルク成長圧力よりも高い圧力に加圧しつつ、前記バルク成長温度まで昇温し、バルク成長温度に達したら雰囲気圧力をバルク成長圧力まで低下させてＳｉＣ単結晶のバルク成長を行う請求項１に記載のＳｉＣ単結晶製造方法。
3. 開口部が形成され、内部に固体原料が装入される反応容器本体と、
   前記反応容器本体の開口部を密閉するとともに、内側の面にＳｉＣ種結晶が装着される蓋部と、
   前記ＳｉＣ種結晶に向かって水素または水素含有ガスを噴きつける水素供給流路と
   を備えてなることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造用反応容器。
4. 前記水素供給流路における開口部近傍には、開口部に向かって拡大する拡大部が形成されてなる請求項３に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器。
5. 前記水素供給流路における開口部の直径は、蓋部に装着されるＳｉＣ種結晶の直径の１／２以上である請求項４に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器。
6. 前記拡大部は円錐状である請求項４または５に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器。
7. 請求項３〜６の何れか１項に記載のＳｉＣ単結晶製造用反応容器と、前記ＳｉＣ単結晶製造用反応容器を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とするＳｉＣ単結晶製造装置。
8. 前記加熱手段は誘導コイルである請求項７に記載のＳｉＣ単結晶製造装置。

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