JP2010248003A - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液法によって大口径のＳｉＣ単結晶を連続的に成長させる方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉ融液中にＣが溶け込んだＳｉＣ溶液１０２からＳｉＣ単結晶１２０を製造する方法であって、ＳｉＣ溶液１０２を収容した黒鉛坩堝１０４の上部開口端１１２で、円板状のＳｉＣ種結晶１１４のａ面を含む円周面をＳｉＣ溶液１０２に側方から接触させ、種結晶１１４の円周面にＳｉＣ単結晶１２０を成長させつつ、成長の速度に同期させて、円板状のＳｉＣ種結晶１１４を板面に垂直なｃ軸周りであるＲ方向に回転させると同時に回転の軸１１６を上部開口端１１２からＴ方向に遠ざけることにより成長するＳｉＣ結晶１２０を巻き取って、連続的に円板状のＳｉＣ単結晶１２０を成長させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、溶液法によってＳｉＣ単結晶を製造するための方法に関する。

ＳｉＣの結晶構造は六方晶が代表的であり、バルクのＳｉＣ単結晶を工業的に製造する方法としては、昇華法と溶液法が最も一般的である。昇華法では、縦型の装置内の上部に配置した種結晶に結晶成分を含むガスを搬送して、装置の高さ方向すなわちＳｉＣ結晶のｃ軸方向に単結晶を成長させる。溶液法では、縦型の装置内の上部から伸びた軸の下端に配置した種結晶を結晶成分を含む溶液（Ｃを含有するＳｉ融液）に接触させて、装置の高さ方向すなわちＳｉＣ結晶のｃ軸方向に単結晶を成長させる。

このようにして得られるｃ軸方向に長いＳｉＣ単結晶インゴットを、ｃ軸と直角なａ軸方向に輪切りにして、半導体ウェハ等として用いており、得られるウェハの口径はインゴットの直径である。半導体デバイスの製造においては、生産性および歩留まりの向上が常に求められており、そのためにはウェハの大口径化が必須である。

そのため、上記のようにｃ軸方向へ成長させる方法では、インゴットの直径すなわちａ軸方向の寸法を大きくする必要がある。しかし、インゴット横断面内で成長条件（温度、温度勾配、Ｃ濃度など）を常に均一に保つのは、直径が大きくなるほど困難になるため、直径増大には限界があった。

また、貫通欠陥はｃ軸方向に伸びるため、ｃ軸方向への成長では一旦発生した貫通欠陥が結晶成長と共に伸びてしまい、貫通欠陥を解消できないという問題もあった。

そこで、ｃ軸方向への成長させる代わりに、ａ軸方向へ成長させることが考えられる。

特許文献１には、半導体材料としてのＳｉ単結晶の融液を収容する坩堝の下部にスリットを設け、スリットから染み出る上記融液に種結晶を接触させ、種結晶を水平方向に引っ張ることにより、幅広のリボン状単結晶を連続して成長させる方法が提案されている。しかし、この方法は、得られるリボン状単結晶の幅がスリット幅に限定されてしまう、という問題があった。

特許文献２には、上面が開放した坩堝内にＳｉ融液を供給し、当該開放部に挿入した黒鉛製ダミープレートにＳｉ融液を接触させ、ダミープレートを水平方向に引っ張ることにより、長尺のＳｉ板を製造する方法が開示されている。しかし、この方法では単結晶を成長させることはできない。

特許文献３には、昇華法によるＳｉＣ単結晶を製造する際に、種結晶を配置するステージを凸形状とし、その先端に種結晶を配置し、種結晶の側面からａ軸方向に単結晶を成長させる方法が開示されている。しかし、この方式は昇華法では可能であるが溶液法に適用することはできない。

特許文献４には、種結晶から成長させた単結晶を所望の成長面で切断し、当初の種結晶よりも大口径の単結晶とし、これを種結晶として更に単結晶を成長させることを繰り返して、所望の大口径の単結晶を得る方法が開示されている。しかし、成長・切断という断続的な製造工程が煩雑であり、連続的に大口径の単結晶を成長させることはできない。

特公昭５３−７３１０号公報 特開平７−４１３９３号公報 特開２００６−２９０６８５号公報 特開２００７−３３２０１９号公報

本発明は、溶液法によって大口径のＳｉＣ単結晶を連続的に成長させる方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本願発明によれば、Ｓｉ融液中にＣが溶け込んだＳｉＣ溶液からＳｉＣ単結晶を製造する方法であって、
ＳｉＣ溶液を収容した黒鉛坩堝の上部開口端で、円板状のＳｉＣ種結晶のａ面が並んで成る円周面を該ＳｉＣ溶液に側方から接触させ、該種結晶の円周面にＳｉＣ単結晶を成長させつつ、該成長の速度に同期させて、該円板状のＳｉＣ種結晶を板面に垂直なｃ軸周りに回転させると同時に該回転の軸を上記上部開口端から遠ざけることにより成長するＳｉＣ結晶を巻き取って、連続的に円板状のＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法が提供される。

本発明の方法によれば、従来のｃ軸方向への成長では不可能であった大口径のＳｉＣ単単結晶を連続的に成長させることができる。

図１は、従来のｃ軸方向への結晶成長を行なうのに用いられているチョクラルスキー型の縦型成長装置の断面図である。 図２は、ＳｉＣの六方晶の基面とｃ軸およびａ軸との関係を示す図である。 図３は、本発明の方法を行なうための装置を示す（１）断面図および（２）斜視図である。 図４は、本発明の方法により大口径のＳｉＣ単結晶を連続的に成長させる過程を示す断面図である。 図５は、本発明によるａ軸方向への結晶成長の可能性を示すために、従来の縦型成長装置を用いてａ軸方向への優先成長させたＳｉＣ単結晶の（１）ｃ面および（２）断面（ａ軸方向）の写真である。

先ず、比較のために、従来一般に行なわれていた縦型の成長方法を説明する。

縦型の成長装置としては、図１に示すチョクラルスキー型の装置１０が主流である。黒鉛坩堝１２内のＳｉＣ溶液１４を誘導コイル１６で加熱し上方に向けて温度低下する縦方向の温度勾配を付与し、上下方向（両矢印）に可動な黒鉛支持棒１８の下端に固定した種結晶２０をＳｉＣ溶液１４の液面に接触させ、種結晶２０の下面にＳｉＣ単結晶を成長させる。種結晶２０は下面がＳｉＣの六方晶のｃ面となるようにセットされていて、この面に垂直すなわちｃ軸方向に成長した結晶を上方へ引き上げる、いわゆる縦型の成長を行なう。

溶液法に限らず、昇華法等においても、成長手法は大きく異なるが、種結晶のｃ軸方向に成長させる点は同様であり、いずれも大口径化は上記のとおり限界がある。

これに対して本発明は、ｃ軸方向へ成長させる従来の成長方法とは異なり、ｃ軸とは直角のａ軸方向へ成長させる成長方法である。

図２に、六方晶のＳｉＣの結晶構造の基面を模式的に示す。図示したように、正六角形の基面に垂直なｃ軸に対して、ａ軸は基面の辺に垂直である。６個の辺に対応する６個のａ軸が等価であるが、図を簡潔にするために２個のａ軸のみを示した。

図３（１）に、本発明の方法を行なうための装置の基本的な構成例を示す。ＳｉＣ単結晶連続成長装置１００は、ＳｉＣ溶液部１００Ａと結晶回転引き出し部１００Ｂとから成る。ＳｉＣ溶液部１００Ａは、ＳｉＣ溶液１０２を収容した黒鉛坩堝１０４と誘導コイル１０６とを有する。黒鉛坩堝１０４は上部とそれ以外の周囲とをそれぞれ断熱材１０８、１１０で覆われていて、上端開口部１１２のみにおいてＳｉＣ溶湯１０２が露出している。

結晶回転引き出し部１００Ｂは、図３（２）に示すように、円板状の種結晶１１４が中心で回転移動軸１１６に保持されている。種結晶１１４は、板面がＳｉＣのｃ面であり回転移動軸１１６がｃ軸に対応しており、円板の円周面がＳｉＣのａ面に、円板の半径方向がＳｉＣのａ軸にそれぞれ対応している。

種結晶１１４の円周面は一部が、上記露出したＳｉＣ溶湯１０２に接触しており、この接触部にＳｉＣ結晶が成長し、成長速度と同期させて回転移動軸１１６を回転Ｒおよび横移動Ｔさせることにより、円板が半径方向に成長する形でＳｉＣ単結晶を連続的に成長させる。

図４を参照して、この装置により本発明の方法を行なう手順を説明する。

図４（１）は、図３（１）に示した装置構成と基本的に同一であるが、原料供給棒１１８を更に備える点が異なる。結晶成長を継続的に行なうためには、坩堝１０４内のＳｉＣ溶液の液面高さを維持する必要がある。原料供給棒１１８を適宜ＳｉＣ溶液１０２中に降下させることにより、結晶成長による結晶原料の減少に伴う液面の低下を補って一定レベルに維持することができる。

原料はＳｉＣ溶液の溶媒Ｓｉと溶質Ｃであるが、Ｃの供給は基本的に黒鉛坩堝１０４から行なわれるので、原料供給棒１１８は一般的にはＳｉ棒である。黒鉛坩堝１０４からのＣ供給を補うために、第２の原料棒としてＣ棒を用いることもできる。このように原料供給棒１１８等の原料供給機構を備えることにより、連続的に長時間の結晶成長が可能になる。ただし、１バッチでの成長には、ＳｉＣ溶液の液面高さ維持のみ管理すればよいので、結晶成長に合わせて耐火物等をＳｉＣ溶液中に浸漬させる等の方法も可能である。

本発明による成長を行なうには、図４（１）に示すように、結晶成長装置１００のＳｉＣ溶液部１００Ａで、ＳｉＣ溶液の原料を坩堝１０４内で加熱溶解し所定温度に保持する。一般には、坩堝１０４内にＳｉ原料を装入して加熱溶解してＳｉ融液とする。このＳｉ融液に黒鉛坩堝１０４からＣが溶け込んでＳｉＣ溶液が形成される。以降のＳｉおよびＣの原料供給は前記のようにして行なうことができる。

ＳｉＣ溶液部１００Ａの坩堝１０４の上端開口部１１２では、ＳｉＣ溶液１０２が露出し表面張力で盛り上がった状態になる。このＳｉＣ溶液露出部に、円板状の種結晶１１４の円周面を接触させ、円周面すなわちａ面にＳｉＣ結晶の析出・成長を開始させる。

次に、図４（２）に示すように、結晶成長速度に同期して、結晶回転引き出し部１００Ｂの回転移動軸１１６を水平回転Ｒおよび水平移動Ｔさせる。円板状の種結晶の半径を増加させる形で結晶１２０が連続的に成長する。原料供給棒１１８を矢印Ｓのように溶液１０２内に下降させ、成長に伴う溶液の原料消耗分を補う。

更に、図４（３）に示すように、結晶回転引き出し部１００Ｂの水平回転Ｒおよび水平移動Ｔを継続させて長時間連続的に成長を維持することにより、種結晶１１４は外周への結晶成長１２０により大口径のＳｉＣ単結晶（１１４＋１２０）となる。

本発明によるａ軸方向への結晶成長の可能性を確認するために実験を行なった。ただし、装置は図１に示した従来の縦型成長用の装置を用いて、横方向の成長を調べた。

図５に、約１０ｍｍφの種結晶から横方向（ａ軸方向）に成長したＳｉＣ単結晶の写真を示す。図５（１）は種結晶のｃ面、図５（２）は種結晶の断面（ａ軸方向）を示す。温度勾配および液面温度分布を中心から外周方向に低下するよう（約０．８Ｋ／ｍｍ）に維持した。成長に要した時間は約１．５時間である。ｃ軸方向にも約０．４５ｍｍ成長しているが、ａ軸方向には５ｍｍ以上成長して結晶の円板面積が拡大した。この結果、温度勾配等を横向き（ａ軸方向）に設定すれば、ａ軸方向への優先成長が可能であることが分かった。実験に際しては、ｃ軸方向に温度勾配が小さくなるように加熱条件を設定し、同時に、種結晶の設置には中空の黒鉛棒を用いて、黒鉛棒による抜熱量を極力少なくした。

本発明によれば、溶液法によって大口径のＳｉＣ単結晶を連続的に成長させる方法が提供される。

１００ ＳｉＣ単結晶連続成長装置
１００Ａ ＳｉＣ溶液部
１００Ｂ 結晶回転引き出し部
１０２ ＳｉＣ溶液
１０４ 黒鉛坩堝
１０６ 誘導コイル
１０８、１１０ 断熱材
１１２ 上端開口部
１１４ 円板状種結晶
１１６ 回転移動軸
１１８ 原料供給棒
１２０ 成長した結晶

Claims (1)

1. Ｓｉ融液中にＣが溶け込んだＳｉＣ溶液からＳｉＣ単結晶を製造する方法であって、
   ＳｉＣ溶液を収容した黒鉛坩堝の上部開口端で、円板状のＳｉＣ種結晶のａ面を含む円周面を該ＳｉＣ溶液に側方から接触させ、該種結晶の円周面にＳｉＣ単結晶を成長させつつ、該成長の速度に同期させて、該円板状のＳｉＣ種結晶を板面に垂直なｃ軸周りに回転させると同時に該回転の軸を上記上部開口端から遠ざけることにより成長するＳｉＣ結晶を巻き取って、連続的に円板状のＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。