JP2010280547A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着層と種結晶との熱膨張差に起因する種結晶の破損や成長結晶の欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛製坩堝の反応容器本体内に昇華用原料を収容し、黒鉛製坩堝の蓋体１２の下面に設けられた台座１３に接着層８０を介して種結晶６０を取り付けたのち、これらの昇華用原料および種結晶６０を加熱することにより、昇華用原料から原料ガスが昇華し、種結晶６０の下面となる結晶成長面上に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であって、種結晶６０の接着面側の外周部と接着層８０との間に、環状に形成された介設層７０を配設する。これにより、種結晶６０の径方向中央部は接着層８０を介して台座１３に強固に固定されが、高温加熱時には、種結晶６０の径方向中央部に比べて、外周部が台座１３と強固に固定されないため、種結晶６０と台座１３との間で発生する熱膨張率の差を小さくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇華再結晶法を利用して炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

炭化珪素単結晶は、一般的に使われている珪素単結晶と比較して物性面で優れており、ＬＥＤや半導体デバイス等において大幅な高性能化を実現できるため、次世代材料として大いに期待されている。そして、炭化珪素を含む種結晶および昇華用原料を用いて炭化珪素単結晶（以下、単結晶と適宜省略する）を製造する炭化珪素単結晶の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された方法は、種結晶と蓋体の台座とをフェノール等の樹脂からなる接着層を介して固定するものである。

特開２００３−１１９０９８号公報

しかしながら、坩堝を加熱した場合、種結晶の熱膨張率と接着層の熱膨張率とで差異があるため、この熱膨張率の差異に伴う種結晶の破損や欠陥の発生が生じるおそれがあった。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、種結晶と接着層の熱膨張率の差異に伴う種結晶の破損や欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。

まず、本発明の第１の特徴は、坩堝（黒鉛製坩堝１）の反応容器本体（反応容器本体１１）内に昇華用原料（昇華用原料５０）を収容し、前記坩堝の蓋体（蓋体１２）における前記昇華用原料側の面（下面）に設けられた台座（台座１３）に接着層（接着層８０）を介して種結晶（種結晶６０）を取り付けたのち、前記昇華用原料および種結晶を加熱することにより、昇華用原料から原料ガス（原料ガスＧ）が昇華し、前記種結晶おける前記昇華用原料側の面となる結晶成長面上に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であって、前記種結晶の接着面側の外周部と前記接着層との間に、環状に形成された介設層（介設層７０）を配設したことを要旨とする。

本発明の第１の特徴によれば、種結晶の接着面側の外周部と接着層との間に、環状に形成された介設層を配設しているため、種結晶の径方向中央部は接着層を介して台座に強固に固定されると共に、高温加熱時には、種結晶の径方向中央部に比べて、種結晶の外周部が台座と強固に固定されないため、種結晶と台座との間で発生する熱膨張率の差を小さくできる。従って、種結晶と接着層の熱膨張率の差異に伴う種結晶の破損や欠陥の発生が生じることが抑制される。

本発明の他の特徴は、前記蓋体（蓋体１２）の台座（台座１３）は、炭素を含み、前記介設層（介設層７０）は、炭素と反応しにくい高融点金属または前記高融点金属の炭化物を含むことを要旨とする。

本発明によれば、種結晶と接着層の熱膨張率の差異に伴う種結晶の破損や欠陥の発生を抑制できる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の概略を説明する断面図である。 図１における蓋体と種結晶の拡大断面図である。 図２における種結晶の拡大断面図である。 図３の平面図である。

次に、本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１を用いて、本発明の実施形態として示す炭化珪素単結晶の製造装置を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の概略を示す断面図である。

図１に示すように、炭化珪素単結晶の製造装置１は、黒鉛製坩堝（坩堝）１０と、該黒鉛製坩堝１０の少なくとも側面を覆う石英管２０と、該石英管２０の外周側に配置された誘電加熱コイル３０とを有する。

黒鉛製坩堝１０は、反応容器本体１１および蓋体１２からなる。黒鉛製坩堝１０は、支持棒４０により移動可能であり、所定の位置で石英管２０の内部に固定されている。反応容器本体１１の底部１１ａには、炭化珪素を含む粉体である昇華用原料５０が収容されている。蓋体１２は、反応容器本体１１の上部開口１１ｂを塞ぐと共に、反応容器本体１１の上端部の内周面に螺合により着脱自在に設けられている。また、蓋体１２における昇華用原料５０側の裏面には、台座１３が形成されている。台座１３における昇華用原料５０側の下面１３ａには、炭化珪素を含む種結晶６０が固定されている。

昇華用原料５０は、炭化珪素を含む粉体の炭化珪素原料である。黒鉛製坩堝１０の内部が所定の温度条件及び圧力条件になると、昇華用原料５０は昇華して昇華ガスＧとなり、種結晶６０における昇華用原料５０側の下面上に再結晶して成長することにより、炭化珪素単結晶が形成される。

また、誘電加熱コイル３０は、反応容器本体１１の底部１１ａに対応する高さ位置に配設された第１誘導加熱コイル３１と、蓋体１２の台座１３に支持された種結晶６０に対応する高さ位置に配設された第２誘導加熱コイル３２とからなる。支持棒４０を移動させて黒鉛製坩堝１０の高さ位置を変えることにより、第１誘導加熱コイル３１の高さ位置に、反応容器本体１１の底部１１ａに収容された昇華用原料５０を対応させて配置させると共に、第２誘導加熱コイル３２の高さ位置に、蓋体１２に支持された種結晶６０を対応させて配置させることができる。なお、第１誘導加熱コイル３１と第２誘導加熱コイル３２との間には、干渉防止コイル３３が設けられている。この干渉防止コイル３３は、誘導電流を通電することにより、第１誘導加熱コイル３１を流れる電流と第２誘導加熱コイル３２を流れる電流との干渉を防止することができる。

図２は図１における蓋体近傍の拡大断面図、図３は種結晶と介設層の拡大断面図、および図４は図３の平面図である。

蓋体１２は、平面視で円盤状に形成されており、蓋体１２の裏面における径方向中央部に台座１３が下方に向けて突設されている。また、種結晶６０は、台座１３とほぼ同一径の円盤状に形成されている。種結晶６０の上面（接着面６０ａ側の外周部）と台座１３の下面１３ａとの間には、樹脂からなる接着層８０および介設層７０が配設されている。この接着層８０は、台座１３の下面１３ａに設けられている。

即ち、図３に示すように、種結晶６０の上面は、接着層８０に接着される接着面６０ａである。種結晶６０の下面は、単結晶が成長する成長面６０ｂである。種結晶６０の接着面６０ａの外周部と接着層８０との間には、円環状に形成された介設層７０が配設されている。

蓋体１２の台座１３は、炭素を含む。介設層７０は、炭素と反応しにくい高融点金属または高融点金属の炭化物を含む。介設層７０の融点は、炭化ケイ素の成長温度よりも高い（例えば、２０００℃以上）ことが好ましい。介設層７０の材質として、例えばタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などが好ましい。Ｔａは、バナジウム族元素の灰色の遷移金属で、融点は３０２７℃である。また、炭化物では、ＴａＣ、ＴｉＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、ＮｂＣなどが好ましい。そして、介設層７０の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍが好ましい。０．１μｍ未満の場合は、種結晶６０の接着面６０ａからの昇華を抑制することが困難でありマクロ欠陥が生じるおそれがあり、１０μｍよりも厚い場合は、種結晶６０と介設層７０との剥離が発生し、マクロ欠陥が生じるおそれがある。なお、介設層７０は、図４に示すように円環状に形成されており、この介設層７０を形成する範囲は、蓋体１２の径や熱膨張率等によって異なり、例えばΦ１００ｍｍよりも外周側が好ましい。そして、介設層７０の内周穴の内径は、例えばΦ２５ｍｍよりも大きいことが好ましい。内径がΦ２５ｍｍよりも小さいと、接着層８０と種結晶６０の接着面６０ａとの接触面積が小さくなって接着力が低下するからである。

また、接着層８０の材質は、例えばフェノール樹脂が好ましく、接着層８０の厚さは、５μｍ〜３０μｍが好ましい。５μｍ未満の場合は、種結晶６０の接着面６０ａからの単結晶成長を抑制することが困難でありマクロ欠陥が生じるおそれがあり、３０μｍよりも厚い場合は、結晶成長時に、種結晶６０の剥離やクラックが発生してマクロ欠陥が生じるおそれがあるからである。

以下、簡単に種結晶６０を蓋体１２に接着する方法を説明する。
まず、図３に示すように、円盤状に形成された種結晶６０における接着面６０ａの外周部に、炭素（カーボン）と反応しにくいＴａなどの高融点金属やＴａＣなどの高融点金属の炭化物をコートして介設層７０を形成する。

こののち、種結晶６０の接着面６０ａおよび介設層７０の上から、フェノール樹脂等からなる接着剤を塗布し、この状態で台座１３の下面１３ａに押し付けて固化させることによって接着層８０を形成する。このようにして、台座１３に接着層８０および介設層７０を介して種結晶６０を固定させることができる。

本発明の実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態では、黒鉛製坩堝１の反応容器本体１１内に昇華用原料５０を収容し、黒鉛製坩堝の蓋体１２の下面に設けられた台座１３に接着層８０を介して種結晶６０を取り付けたのち、昇華用原料５０および種結晶６０を加熱することにより、昇華用原料５０から原料ガスＧが昇華し、種結晶６０の下面となる結晶成長面６０ｂ上に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であって、種結晶６０の接着面側の外周部と接着層８０との間に、環状に形成された介設層７０を配設している。

従って、種結晶６０の接着面側の外周部と接着層８０との間に、環状に形成された介設層７０を配設しているため、種結晶６０の径方向中央部は接着層８０を介して台座１３に強固に固定されると共に、高温加熱時には、種結晶６０の径方向中央部に比べて、種結晶６０の外周部が台座１３と強固に固定されないため、種結晶６０と台座１３との間で発生する熱膨張率の差を小さくできる。従って、種結晶６０と接着層８０の熱膨張率の差異に伴う種結晶６０の破損や欠陥の発生を抑制できる。

（２）蓋体１２の台座１３は炭素を含み、介設層７０は、炭素と反応しにくい高融点金属または高融点金属の炭化物を含むため、高温加熱時に、介設層７０によって種結晶６０の外周部が台座１３と強固に固定されないため、種結晶６０と台座１３との間で発生する熱膨張率の差を確実に小さくできる。

次いで、本発明を実施例を通して具体的に説明する。

[実施例１]
外径寸法がΦ１５０ｍｍの円盤状に形成された炭化ケイ素単結晶からなる種結晶を準備した。この種結晶の接着面側における径方向中央部について、直径がΦ１００ｍｍの範囲をポリイミド樹脂のテープで覆い、この状態で、種結晶の表面にスパッタによってＴａをコートした。こののち、テープを除去すると、種結晶の外周部のみに厚さが１μｍのＴａがコートされて介設層が形成された。

次いで、固形のノボラック型フェノール樹脂を有機溶媒に溶解し、種結晶の接着面全体に厚さが１５μｍになるようにスピンコートした。一方、台座の下面には、液状のノボラック型フェノール樹脂を塗布し、種結晶の接着面を台座の下面に接着させることによって、種結晶を蓋体に固定した。

この種結晶が固定された蓋体を収納容器本体に取り付けて黒鉛製坩堝を構成し、アルゴンガスの雰囲気で圧力２００Ｐａ、温度２０００℃で５０時間の間、単結晶を成長させたのち、冷却して取り出した。成長した単結晶は欠陥がなく、良好な単結晶であった。

[実施例２]
次いで、実施例２を実施したが、この実施例２については、介設層の材質をＴａＣとした以外は、全て実施例１と同一条件で実験を行った。成長した単結晶は欠陥がなく、良好な単結晶であった。

[比較例１]
次に、比較例１を実施した。この比較例１については、実施例１，２の介設層を設けていない点を除いては、実施例１，２と同一条件で実験を行った。成長した単結晶は、種結晶の割れが原因と思われる欠陥が発生していた。

以上のように、実施例１および２では、欠陥のない良好な品質の単結晶を得ることができたが、比較例１の単結晶には、マクロ欠陥が発生していた。

１…炭化珪素単結晶の製造装置
１０…黒鉛製坩堝（坩堝）
１２…蓋体
１３…台座
５０…昇華用原料
６０…種結晶
６０ａ…接着面
６０ｂ…結晶成長面
７０…介設層
８０…接着層

Claims (2)

1. 坩堝の反応容器本体内に昇華用原料を収容し、前記坩堝の蓋体における前記昇華用原料側の面に設けられた台座に接着層を介して種結晶を取り付けたのち、前記昇華用原料および前記種結晶を加熱することにより、前記昇華用原料から原料ガスが昇華し、前記種結晶における前記昇華用原料側の面となる結晶成長面上に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であって、
   前記種結晶の接着面側の外周部と前記接着層との間に、環状に形成された介設層を配設したことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記蓋体の台座は、炭素を含み、
   前記介設層は、炭素と反応しにくい高融点金属または前記高融点金属の炭化物を含む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方法。

Images