JP2011093724A - 単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇華法によるＳｉＣ単結晶等の単結晶の製造において、結晶成長に用いる坩堝の気密性を高めて材料ガスの漏れを防止し、且つ、坩堝内の充分な真空引きを可能にする単結晶の製造方法および装置を提供する。
【解決手段】坩堝１０は、側壁に肉薄部１ａを有するグラファイト製の原料収納容器１と蓋３を有する。坩堝１０内に種基板４および原料２を配置した後、蓋３は原料収納容器１に接着剤５を用いて固定される。坩堝１０内の真空引きは、坩堝１０の側壁の肉薄部１ａが有する微細な空孔を通して行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素等の単結晶の製造方法および製造装置に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、熱的・化学的に優れた特性を有し、且つ、電気的にも優れた特性を有する半導体材料として注目されている。このためＳｉＣウェーハの低コスト化の要求が高まっている。

炭化珪素の単結晶を成長させる方法としては昇華法が広く用いられている。昇華法は、ＳｉＣ単結晶である種基板とＳｉＣ原料とをグラファイト（黒鉛）製の坩堝内に対向配置し、坩堝内を真空引き（排気）してアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスで空気置換した後、高温で加熱してＳｉＣ原料を昇華させるものである。このとき種基板をＳｉＣの成長温度域に保持し、かつ、原料部を種基板よりも高温に保持しておくことにより、ＳｉＣ原料が昇華したガス（原料ガス）が種基板の表面に到達し、ＳｉＣ単結晶のインゴットが成長する。

ＳｉＣウェーハを低コスト化する手段の一つとして、インゴットの成長速度を高くすることが挙げられる。昇華法においては、坩堝内の種基板付近の原料ガスの蒸気圧を高くする（不活性ガスの圧力を低くする、原料と種基板の温度差を大きくする等）ことにより、インゴットの成長速度を高めることができる。

しかし、原料ガスの蒸気圧を高くすると坩堝の蓋と本体との隙間から原料ガスが漏れやすくなるため、それを抑制するために坩堝の気密性を高めることが必要になる。気密性を高める方法としては、坩堝の側壁を厚くして蓋と本体との接触面積を大きくすることが考えられる。また別の方法として、坩堝の蓋と本体をねじ切りして嵌め合わせることが提案されている（例えば下記の特許文献１）。

特開２００６−１４３４９７号公報

上記のように、坩堝内の原料ガスの蒸気圧を高くしてインゴットの成長速度を高めるためには、坩堝の気密性が重要である。坩堝の側壁を厚くすれば気密性を高くできるが、それによって坩堝の外径が大きくなると、新たに大きな結晶成長炉や断熱材などが必要になり、かえってコストを増大させる要因となり得る。坩堝の外径を維持して側壁を厚くすればその問題は生じないが、坩堝の内径が小さくなり、坩堝内で成長させることができるインゴット径が制限されるという別の問題が生じる。

また、坩堝の側壁を厚くする方法も、特許文献１のように坩堝の蓋と本体をねじ切りする方法も、蓋と本体と隙間を完全に無くすことは困難である。ねじ切りにしても、昇温後熱膨張によりねじが緩み、隙間が生じ、そこから原料ガスの漏れが発生する。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、単結晶の製造において、結晶成長に用いる坩堝の気密性を高めて材料ガスの漏れを防止し、且つ、坩堝内の充分な真空引きを可能にすることを目的とする。

本発明に係る単結晶の製造方法は、坩堝内に種基板および原料を配置し、接着剤を用いて当該坩堝の原料収納容器と蓋とを接着させる工程と、前記坩堝内を、当該坩堝の側壁を介して排気する工程とを備えるものである。

本発明に係る単結晶の製造装置は、側壁に厚さ１０ｍｍ以下の肉薄部を有するグラファイト製の原料収納容器、および前記原料収納容器の開口部に装着される蓋を有する坩堝と、前記蓋を前記原料収納容器に固定する接着剤とを備えるものである。

本発明によれば、原料収納容器と蓋との隙間が接着剤で埋められ、排気は坩堝の側壁を介して行われる。よって坩堝の気密性が高まり、結晶成長時の原料ガスの漏れを防止できる。よってインゴットの成長速度を高めることができる。また気密性を高めるために坩堝の側壁を厚くする必要がないため、坩堝の容積を大きく確保でき、インゴットの大口径化に対応できる。

本発明の実施の形態に係る結晶成長装置の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る結晶成長装置の坩堝の原料収納容器の構造を示す図である。

図１は本発明の実施の形態に係る単結晶の製造装置である結晶成長装置の主要部の構成を示す図である。当該結晶成長装置は、原料収納容器１と蓋３とから成るグラファイト製の坩堝１０を備えている。原料収納容器１は、側壁の上部（開口部の近傍）に、他の部分よりも薄い肉薄部１ａを備えている。

詳細は後述するが、結晶成長を行う際には、原料収納容器１内に成長させる結晶の材料２が充填され、蓋３の中央部に設けられた台座３ａに種基板４が設置される。蓋３が原料収納容器１の開口部に装着されると、図１のように種基板４が原料２に対向するようになる。このとき蓋３は、接着剤５を用いて原料収納容器１に固定される。また、過熱された原料２内の温度分布が均一になるように、坩堝１０は断熱材６によって覆われる。

本実施の形態では、図１の成長装置を用いて、炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶の成長を行う例を示す。

図２は、本実施の形態で用いた原料収納容器１の構造を示す図である。本実施の形態では、原料収納容器１の外径φ１を１１６ｍｍ、肉薄部１ａ以外の部分（底部）の内径φ２を９２ｍｍ、肉薄部１ａが設けられた部分（上部）の内径を１０５ｍｍとした。即ち、原料収納容器１の側壁において、肉薄部１ａの厚さＷは５．５ｍｍ、それ以外の部分の厚さは１２ｍｍとなる。また原料収納容器１の高さＬ１を１４５ｍｍとし、肉薄部１ａを設ける位置の高さ（原料収納容器１内の底からの高さ）Ｌ２を１００ｍｍとした。原料収納容器１および蓋３を構成するグラファイトとしては、密度が１．７５ｇ／ｃｍ³のものと、１．８２ｇ／ｃｍ³のものの２種類を用いた。もっとも、原料収納容器１の各寸法およびグラファイトの密度は、上に示したものに限定されず、本発明の効果が得られる範囲で適宜変更してもよい。

接着剤５は、蓋３を原料収納容器１に固定すると共に、蓋３と原料収納容器１との隙間を埋めることが可能なものであればよいが、結晶成長時の加熱工程での熱や、原料２が昇華したガス（原料ガス）によるエッチングに対する耐性を有する必要がある。

ＳｉＣの結晶成長では坩堝１０が２０００〜２５００℃の高温に加熱されるため、本実施の形態では、それに絶え得る接着剤５としてカーボン接着剤を用いた。本明細書において「カーボン接着剤」とは、フェノールやノボラック等の樹脂成分に、フィラーとしてカーボン（例えばカーボンブラック等）を２０％以上含有させた接着剤として定義する。

硬化したカーボン接着剤はＳｉＣ原料ガスによるエッチングに対し優れた耐性を有する上、仮に表面がエッチングされたとしても、カーボンはＳｉＣ単結晶を成長させる際の不純物とはならない。従ってカーボン接着剤は、ＳｉＣ結晶成長に用いる接着剤５として特に好適である。接着剤５の厚みは、厚過ぎるとエッチングされやすくなるため、十分な接着力が得られる範囲で１００μｍ以下が好ましい。

以下、本実施の形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法を説明する。

まず、坩堝１０の原料収納容器１内にＳｉＣ原料２を収納し、蓋３の台座３ａに種基板４を固定する。本実施の形態では４Ｈ型のポリタイプを有するＳｉＣ（４Ｈ−ＳｉＣ）の種基板４を用いた。そして種基板４を原料収納容器１と蓋３との隙間を埋めるために、蓋３の外縁部（原料収納容器１に接触する部分）に接着剤５を塗布し、蓋３を原料収納容器１の開口部に嵌め込み、接着剤５を硬化させる。

カーボン接着剤である接着剤５の硬化工程は、次の手順の熱処理により行った。まず室温から８０℃まで６０分かけて昇温し、８０℃で３６０分間保持する。続いて８０℃から１２０℃まで８０分かけて昇温し、１２０℃で３６０分間保持する。さらに１２０℃から２００℃まで３６０分かけて昇温し、最後に２００℃を６０分間保持する。この熱処理は、大気中（Ｎ₂、Ｏ₂雰囲気）で恒温槽を用いて行った。

接着剤５を硬化させた後、坩堝１０を断熱材６で覆い、結晶成長装置の炉（成長炉）内に設置し、成長炉内を真空引き（排気）する。坩堝１０を構成するグラファイトは微細な空孔を有しており、原料収納容器１の肉薄部１ａには側壁を貫通する空孔が存在する。従って成長炉内を真空引きすると、坩堝１０内の空気（Ｎ₂、Ｏ₂）が肉薄部１ａの空孔を通過し、坩堝１０内も真空引きされる。真空引きの時間は１２時間とした。

成長炉を真空引きした後、成長炉内の雰囲気を高純度のアルゴンガスで置換する。このときアルゴンガスが原料収納容器１の肉薄部１ａの空孔を通過し、坩堝１０内もアルゴンガス雰囲気となる。

このアルゴンガス雰囲気（６００Ｔｏｒｒ）で、誘導コイル（不図示）などの加熱手段を用いて坩堝１０を加熱し、ＳｉＣ原料２の温度を炭化珪素が昇華する温度（２０００〜２５００℃）にする。一方、種基板４を取り付けた蓋３の温度は、ＳｉＣ原料２の温度よりも低く設定する。この状態で、成長炉内のアルゴン雰囲気を減圧すると、坩堝１０内のアルゴン雰囲気も減圧され、ＳｉＣ原料２が昇華したガスが種基板４部に届くようになり、種基板４の表面でＳｉＣ単結晶インゴットが成長する。

本実施の形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法によれば、坩堝１０の原料収納容器１と蓋３との間の隙間が接着剤５で塞がれるため、その隙間から原料ガスが漏れることを防止でき、単結晶を高速に成長させることが可能である。

具体的には、原料収納容器１の底部温度を２２６０℃、蓋３の上部温度を２１４０℃、アルゴン雰囲気圧力を２．８Ｔｏｒｒとすることにより、成長速度１．５３ｍｍ／ｈで、高さ６９ｍｍのインゴットが得られた。また結晶成長後に、硬化した接着剤５の表面を観察したが、エッチングされた痕跡は殆ど見られなかった。また原料収納容器１を構成するグラファイトの密度が１．７５ｇ／ｃｍ³の場合も、１．８２ｇ／ｃｍ³の場合も、同様に良好な結果が得られた。

本発明者は比較のため、原料収納容器１と蓋３を接着剤で固定せずに、上記と同じ条件でのＳｉＣ結晶成長も行った。その場合、原料ガスが原料収納容器１と蓋３の隙間から漏れ出し、ＳｉＣは坩堝１０外の断熱材６や成長炉の内壁に堆積してしまい、種基板４の表面には成長しなかった。

また本発明者が、原料収納容器１と蓋３を接着剤で固定しない場合において、アルゴン雰囲気圧力、あるいは坩堝温度を変化させて成長速度を変えたところ、インゴットの成長速度が０．５ｍｍ／ｈ程度までは原料ガスの漏れが問題にならない程度であった。しかしアルゴン雰囲気をさらに減圧して、インゴットの成長速度０．５ｍｍ／ｈ以上で成長させようとすると、原料収納容器１と蓋３の隙間からの原料ガス漏れが増大し、所望の成長速度が得られなくなった。

それに対し、本実施の形態のように原料収納容器１と蓋３を接着剤５で固定した場合は、原料収納容器１と蓋３の隙間からの原料ガス漏れが生じないため、成長速度１ｍｍ／ｈ以上でインゴットを成長させることができる。また種基板４付近での原料ガスの圧力が安定するため、インゴットの成長速度も安定し、インゴットの結晶性が向上するという効果も得られる。さらに、原料ガスの漏れによる断熱材６の劣化を大幅に抑えることでき、それによってもウェーハ製造コストの削減に寄与できる。また、従来のように坩堝の側壁を厚くして気密性を高めるのではないため、坩堝１０の容積を大きく確保でき、大口径インゴットの製造にも対応可能である。

上記のように本実施の形態では、原料収納容器１と蓋３の隙間が接着剤で埋められており、その隙間を通しての坩堝１０内の真空引きができないので、坩堝１０内の真空引きは、原料収納容器１側壁の肉薄部１ａの空孔を通して行われる。原料収納容器１と蓋３を接着させない場合に比べると、坩堝１０内が真空引きされにくいため、真空引きの時間を充分に確保すべきである。真空引きの時間は１２時間以上であることが好ましい。真空引きの時間を長くするほど真空引きを良好に行うことができるが、長過ぎるとウェーハの製造効率が低下することに留意すべきである。

坩堝１０内を効率よく真空引きさせるためには、肉薄部１ａの厚さを薄くすればよい。肉薄部１ａを薄くすると、それを貫通する空孔の数が増えるためである。肉薄部１ａの最適な厚さは、断熱材６や成長炉の構造にもよるが、１０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは５ｍｍ以下である。

但し、坩堝１０の内壁は原料ガスによりエッチングされるため、肉薄部１ａが薄過ぎると結晶成長の途中で穴が空き、そこから原料ガスが坩堝１０外へ漏れてしまう。このため、肉薄部１ａの厚さは、結晶成長に要する時間や、成長させるインゴットの長さ合わせて決定する必要がある。即ち、インゴットを長く成長させる場合は、それだけ結晶成長に長時間を要するので、その間のエッチングに耐え得るように肉薄部１ａを厚めに設定する。本発明者の検証によると、厚さが５ｍｍの肉薄部１ａを有する坩堝１０を用いて、高さ７０ｍｍのインゴットを成長させることができた。なお、肉薄部１ａが比較的厚い場合には、原料収納容器１内の真空引きが困難になるので、それを補うために真空引き時間は長めに設定することが好ましい。

なお、ＳｉＣ原料２の近傍（即ち原料収納容器１内の底部近傍）では、原料ガスによる原料収納容器１の内壁のエッチングが比較的激しいため、その部分の側壁はある程度の厚さを確保すべきである。つまり図２のように、肉薄部１ａは、原料収納容器１の開口部近傍に設けることが好ましい。

坩堝１０の内壁のエッチング耐性を高めるには、原料収納容器１を構成するグラファイトの密度（ｇ／ｃｍ³）の密度を高くすることも有効である。但し、グラファイトの密度が高ければ、空孔の数は少なくなり真空引きが困難になると考えられるため、肉薄部１ａをより薄く、あるいは真空引き時間をより長く設定することが好ましい。

また結晶成長時に坩堝１０を過熱した際、熱膨張率の違いに起因する応力により坩堝１０が割れることを防止するため、原料収納容器１と蓋３の材質は、互いに熱膨張係数が等しいものを用いることが好ましい。さらに、熱膨張率の違いに起因する応力によりインゴットにクラック等の欠陥が発生することを防止するため、蓋３の材質は、それに取り付ける種基板４と熱膨張係数が等しいことが好ましい。なお、種基板４の熱膨張係数は結晶軸の方向によって異なるので、種基板４の面方位に応じて蓋３および原料収納容器１の材質（熱膨張係数）を選択するとよい。

本実施の形態では４Ｈ−ＳｉＣの種基板４を用いたが、本発明は６Ｈ−ＳｉＣなど、他のポリタイプの種基板４に対しても適用可能である。またＳｉＣの結晶成長に限らず、例えばＡｌＮやＧａＮの結晶成長に対しても適用可能である。

１ 原料収納容器、１ａ 肉薄部、２ 原料、３ 蓋、３ａ 台座、４ 種基板、５ 接着剤、６ 断熱材、１０ 坩堝。

Claims (6)

1. 坩堝内に種基板および原料を配置し、接着剤を用いて当該坩堝の原料収納容器と蓋とを接着させる工程と、
   前記坩堝内を、当該坩堝の側壁を介して排気する工程とを備える
   ことを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記坩堝の原料収納容器は、グラファイト製であり、側壁に厚さ１０ｍｍ以下の肉薄部を有する
   請求項１記載の単結晶の製造方法。
3. 前記接着剤は、カーボン接着剤である
   請求項１または請求項２記載の単結晶の製造方法。
4. 側壁に厚さ１０ｍｍ以下の肉薄部を有するグラファイト製の原料収納容器、および前記原料収納容器の開口部に装着される蓋を有する坩堝と、
   前記蓋を前記原料収納容器に固定する接着剤とを備える
   ことを特徴とする単結晶の製造装置。
5. 前記肉薄部は、前記側壁における前記開口部近傍に設けられている
   請求項４記載の単結晶の製造装置。
6. 前記接着剤は、カーボン接着剤である
   請求項４または請求項５記載の単結晶の製造装置。

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