JP2011178591A - 遮蔽部材及びそれを備えた単結晶成長装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】結晶成長用容器と、該結晶成長用容器内の下部に位置する原料収容部と、該原料収容部の上方に配置して、該原料収容部に対向するように基板を支持する基板支持部と、前記結晶成長用容器の外周に配置する加熱装置とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記基板上に前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記原料収容部と前記基板支持部との間に配置して用いる遮蔽部材10であって、原料ガスが透過する複数の透過孔16,17,18,19を有すると共に、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されてなる。
【選択図】図1
Description
その基盤技術として炭化珪素単結晶の成長技術の研究開発が精力的に進められ、実用化の促進に向けて製造コスト低減の観点から大口径化技術の確立が急務となっている。
特許文献1の方法は、原料と種結晶基板との間に孔を有する炭素材を配置して、その炭素材を炭化珪素単結晶の炭素原料供給に用いるものである。
従来、昇華再結晶法による炭化珪素単結晶の製造で用いる単結晶成長装置100は、図7に示すように、結晶成長用容器101内の下部に位置する原料収容部102と、その原料収容部102の上方に配置する円形基板支持面で種結晶103を支持する基板支持部104と、結晶成長用容器101の外周に配置する加熱装置105とを備え、種結晶103と原料収容部102との温度差をつけるために、種結晶103と原料収容部102との間に厚さ10mm程度の円形遮蔽板106が配置されている(例えば、特許文献4)。結晶成長用容器内の原料107は外周側から加熱されるため、加熱された原料は外周側の方が中央部よりも温度が高いという温度分布を有している。そのため、遮蔽板106がない場合には、この温度分布に対応して原料面から直接種結晶へ輻射熱が放射されるが、遮蔽板106がある場合には、遮蔽板106が高温原料からの輻射熱を受けて加熱され、輻射熱を種結晶又は成長結晶へ放射する。このため、原料の径方向の温度分布は遮蔽板106よって緩和されてから、種結晶又は成長結晶が加熱されると考えられている。
シミュレーションは、STR-Group Ltd社製の温度分布解析ソフト「Virtual Reactor」を用いて行った。
図8(b)の遮蔽板としては、内径の異なる、断面が矩形で幅8mm、厚さ24mmの複数のリング状部材が中心部から端部に向かって互いに重ならないように配置してなるもので、隣接するリング状部材は各2mm離間して配置しており、その隙間から原料の昇華ガスが透過する構成を想定した。尚、温度の等温線は5℃間隔で示している。
また、基板(種結晶)の表面及びその近傍の温度分布は平坦であるのが望ましいが、基板表面に対して勾配の大きな温度分布となっていることがわかる。
すなわち、基板(種結晶)の表面は、原料からの熱輻射による加熱と、容器壁面からの熱輻射による加熱を受けるが、径方向の温度分布が大きい原料からの熱輻射による加熱の不均一は従来の遮蔽板によって遮断できるが、容器壁面からの熱輻射による加熱の不均一は従来の遮蔽板によっては抑制できない。
すなわち、上述の通り、結晶成長用容器の壁面からの熱輻射による加熱は基板(種結晶)表面の周辺部の方が中心部よりも加熱するものであるから、遮蔽板又は遮蔽部材による熱輻射はそれを補正するために、基板(種結晶)表面の中心部の方を周辺部の方より加熱する構成にすればよい。具体的には、遮蔽板又は遮蔽部材は原料及び結晶成長用容器からの輻射熱を受けて加熱され、その温度に応じた輻射熱を放射するから、遮蔽板又は遮蔽部材の中心部が周辺部より温度が上昇しやすい構成にすればよいことに想到したのである。
(1)結晶成長用容器と、該結晶成長用容器内の下部に位置する原料収容部と、該原料収容部の上方に配置して、該原料収容部に対向するように基板を支持する基板支持部と、前記結晶成長用容器の外周に配置する加熱装置とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記基板上に前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記原料収容部と前記基板支持部との間に配置して用いる遮蔽部材であって、原料ガスが透過する複数の透過孔を有すると共に、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されてなることを特徴とする遮蔽部材。
(2)前記遮蔽部材が中心部から端部に向かうにつれて厚く形成されてなることにより、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されていることを特徴とする前項(1)に記載の遮蔽部材。
(3)前記遮蔽部材の最大厚さ(dmax)と最小厚さ(dmin)の比dmax/dminが3〜50であることを特徴とする前項(2)に記載の遮蔽部材。
(4)前記遮蔽部材が、異なる内径の開口を有すると共に異なる比熱を有する複数のリング状部材からなり、中心部から端部に向かうにつれて比熱の大きいリング状部材が配置されてなることにより、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されていることを特徴とする前項(1)に記載の遮蔽部材。
(5)前記遮蔽部材の前記基板支持部側の面が平坦であることを特徴とする前項(1)から(4)のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
(6)前記遮蔽部材が、中央側の開口率(前記透過孔の総開口面積/前記透過孔以外の部分の総面積)が周端側の開口率より高いことを特徴とする前項(1)から(5)のいずれか一つに記載の遮蔽部材。
(7)前記遮蔽部材が、異なる厚さでかつ異なる内径の開口を有する複数のリング状部材が厚さの薄いリング状部材から順に平面視して互いに重ならないように中心部から端部に配置されてなることを特徴とする前項(1)から(6)のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
(8)前記遮蔽部材が、同じ厚さでかつ異なる内径の開口を有する複数のリング状部材が重なってなり、中心部から端部に向かうにつれて重なるリング状部材の数が多くなるように配置されてなることを特徴とする前項(1)から(6)のいずれか一つに記載の遮蔽部材。
(9)前記遮蔽部材が炭素材料からなることを特徴とする前項(1)から(8)のいずれか一つに記載の遮蔽部材。
(10)前記遮蔽部材が多孔性材料からなることを特徴とする前項(1)から(9)のいずれか一つに記載の遮蔽部材。
(11)結晶成長用容器と、該結晶成長用容器内の下部に位置する原料収容部と、該原料収容部の上方に配置して、該原料収容部に対向するように基板を支持する基板支持部と、前記結晶成長用容器の外周に配置する加熱装置とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記基板上に前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、
前記原料収容部と前記基板支持部との間に前項(1)から(10)のいずれか一項に記載の遮蔽部材を備えたことを特徴とする単結晶成長装置。
(12)前記遮蔽部材の外周部が前記結晶成長用容器の内壁で支持されていることを特徴とする前項(11)に記載の単結晶成長装置。
(13)前記遮蔽部材が前記結晶成長用容器の底部から延在する支持部材よって支持されていることを特徴とする前項(11)に記載の単結晶成長装置。
(14)前記単結晶が炭化珪素の単結晶であることを特徴とする前項(11)から(13)のいずれか一つに記載の単結晶成長装置。
本発明の遮蔽部材における「開口率」の定義「前記透過孔の総開口面積/前記透過孔以外の部分の総面積」においても同様である。
図1に、本発明の第1の実施形態の遮蔽部材の平面模式図(a)及びA−A’線に沿った断面模式図(b)を示す。
この遮蔽部材10は基板支持部側の面が平坦であって、異なる厚さでかつ異なる内径の開口を有する、炭化珪素製の5個のリング状部材11、12、13、14、15が厚さの薄いリング状部材から順に平面視して互いに重ならないように中心部から端部に配置されてなる(それぞれの厚さをd1、d2、d3、d4、d5とする)。各リング状部材の厚さはd1=d2<d3<d4<d5の関係にあり、中心部に配置するリング状部材11とその外側に配置するリング状部材12が同じ厚さであり、その外側に続くリング状部材13、14、15は順に厚く形成されている。すなわち、この遮蔽部材10は、中心部から端部に向かうにつれて厚く形成されてなることにより、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されている。
この遮蔽部材10では、隣接するリング状部材間の隙間16、17、18、19が原料ガスが透過する「透過孔」として機能する。
この遮蔽部材10は、5個のリング状部材11、12、13、14、15を連結するためにそれぞれ、4個づつ連結部2を備えている。
図2に、図1の実施形態の遮蔽部材の実施例(以下「実施例1」)を用いた単結晶成長装置の結晶成長用容器内の温度分布のシミュレーション結果を示す。
シミュレーションは、図8(a)及び図8(b)と同様に、STR-Group Ltd社の温度分布解析ソフト「Virtual Reactor」を用い、遮蔽部材に関わるパラメータ以外のパラメータについても図8(a)及び図8(b)と同じものを用いた。
各リング状部材11、12、13、14、15の幅は順に、10mm、11mm、13mm、18mm、8mmとした。
さらに、隣接するリング状部材間距離は共通に2mmとした。
本実施例の最高温度(周辺部)と最低温度(中心部)の温度差は12.9℃であり、従来の遮断板がある場合は14.2℃であるから、1.3℃の改善効果が認められる。
図4に、本発明の第2の実施形態の遮蔽部材の平面模式図(a)及びB−B’線に沿った断面模式図(b)である。
第2の実施形態の遮蔽部材20は、第1の実施形態の遮蔽部材と比較すると、異なる厚さでかつ異なる内径の開口を有する、炭化珪素製の複数のリング状部材が厚さの薄いリング状部材から順に平面視して互いに重ならないように中心部から端部に配置されてなる構成である点は同じであるが、中央部にリング状部材を備えていない点が異なる。
この遮蔽部材10では、隣接するリング状部材間の隙間27、28、29及びリング状部材がない中央部の開口26が、原料ガスが透過する「透過孔」として機能する。
図5に、図4の実施形態の遮蔽部材の実施例(以下「実施例2」)を用いた単結晶成長装置の結晶成長用容器内の温度分布(℃)についても同様のシミュレーションを行った結果を示す。
各リング状部材22、23、24、25の幅は順に、8mm、13mm、18mm、8mmとした。
さらに、隣接するリング状部材間距離は共通に2mmとした。
実際、図3に示した通り、実施例2の基板(種結晶)の表面温度では、最高温度(周辺部)と最低温度(中心部)の温度差は10.6℃であり、従来の遮断板がある場合と比較すると、3.6℃の改善効果が認められる。
図6に、本発明の第3の実施形態の遮蔽部材の平面模式図(a)及びC−C’線に沿った断面模式図(b)である。
第3の実施形態の遮蔽部材30は、第1の実施形態の遮蔽部材と比較すると、単一の部材からなる点、厚さが連続的に変化している点、透過孔が円形の開口31である点が異なる。
11、12、13、14、15 リング状部材
16、17、18、19 開口(透過孔)
20 遮蔽部材
22、23、24、25 リング状部材
26、27、28、29 開口(透過孔)
30 遮蔽部材
31 開口(透過孔)
Claims (14)
- 結晶成長用容器と、該結晶成長用容器内の下部に位置する原料収容部と、該原料収容部の上方に配置して、該原料収容部に対向するように基板を支持する基板支持部と、前記結晶成長用容器の外周に配置する加熱装置とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記基板上に前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記原料収容部と前記基板支持部との間に配置して用いる遮蔽部材であって、
原料ガスが透過する複数の透過孔を有すると共に、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されてなることを特徴とする遮蔽部材。 - 前記遮蔽部材が中心部から端部に向かうにつれて厚く形成されてなることにより、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されていることを特徴とする請求項1に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材の最大厚さ(dmax)と最小厚さ(dmin)の比dmax/dminが3〜50であることを特徴とする請求項2に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が、異なる内径の開口を有すると共に異なる比熱を有する複数のリング状部材からなり、中心部から端部に向かうにつれて比熱の大きいリング状部材が配置されてなることにより、中心部から端部に向かうにつれて熱容量が大きく構成されていることを特徴とする請求項1に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材の前記基板支持部側の面が平坦であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が、中央側の開口率(前記透過孔の総開口面積/前記透過孔以外の部分の総面積)が周端側の開口率より高いことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が、異なる厚さでかつ異なる内径の開口を有する複数のリング状部材が厚さの薄いリング状部材から順に平面視して互いに重ならないように中心部から端部に配置されてなることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が、同じ厚さでかつ異なる内径の開口を有する複数のリング状部材が重なってなり、中心部から端部に向かうにつれて重なるリング状部材の数が多くなるように配置されてなることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が炭素材料からなることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 前記遮蔽部材が多孔性材料からなることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の遮蔽部材。
- 結晶成長用容器と、該結晶成長用容器内の下部に位置する原料収容部と、該原料収容部の上方に配置して、該原料収容部に対向するように基板を支持する基板支持部と、前記結晶成長用容器の外周に配置する加熱装置とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記基板上に前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、
前記原料収容部と前記基板支持部との間に請求項1から10のいずれか一項に記載の遮蔽部材を備えたことを特徴とする単結晶成長装置。 - 前記遮蔽部材の外周部が前記結晶成長用容器の内壁で支持されていることを特徴とする請求項11に記載の単結晶成長装置。
- 前記遮蔽部材が前記結晶成長用容器の底部から延在する支持部材によって支持されていることを特徴とする請求項11に記載の単結晶成長装置。
- 前記単結晶が炭化珪素の単結晶であることを特徴とする請求項11から13のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
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