JP2011213563A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】坩堝の周囲に断熱材を配置した製造装置を用いてＳｉＣ単結晶を成長させるに際し、当該ＳｉＣ単結晶の安定な成長を可能とするＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】坩堝２として容器本体２ａにＳｉ含有物を配置すると共に蓋体２ｂを用意し、この坩堝２の外周に坩堝２の外周を囲むようにＳｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材を配置し、坩堝２を加熱することで、Ｓｉ含有物を加熱することにより坩堝２から漏れた昇華ガスを断熱材に吸収させるＳｉを吸収させる工程を行う。この後、坩堝２として容器本体２ａに粉末原料５を配置すると共に蓋体２ｂに設けられた台座３に種結晶４を配置した坩堝２を用意し、Ｓｉを吸収させる工程で得られたＳｉを吸収させた断熱材１１をこの坩堝２の外周に坩堝２の外周を囲むように配置した状態で坩堝２を加熱することにより、種結晶４上にＳｉＣ単結晶６を成長させる成長工程を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶で構成される種結晶に対して原料ガスを供給することでＳｉＣ単結晶の製造を行うＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

従来、昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる製造装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、坩堝の外周を囲むように円筒型のヒータが配置され、さらに、ヒータの外周を囲み、かつ、ヒータおよび坩堝を上下から囲むように、黒鉛製の断熱材が配置された状態でＳｉＣ単結晶を成長させる方法が提案されている。

このようにＳｉＣ単結晶を成長させる際には、Ｓｉを１００ｐｐｍ未満しか含有していない黒鉛製の断熱材を坩堝の周囲に配置した状態でＳｉＣ単結晶の成長を開始するのが一般的である。

特開２００８−２９０８８５号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ＳｉＣ単結晶の成長を開始すると、ＳｉＣ単結晶の成長温度を制御できずに不安定な成長となり、高品質なＳｉＣ単結晶を作製できないことが発明者らの実験・検討により明らかとなった。

本発明は上記点に鑑み、坩堝の周囲に断熱材を配置してＳｉＣ単結晶を成長させるに際し、当該ＳｉＣ単結晶の安定な成長を可能とすることができるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、坩堝から漏れる昇華ガスが新品の断熱材に吸収されていくことで、断熱材の物性が刻々と変化することにより坩堝の加熱条件が刻々と変化するため、炭化珪素単結晶の成長温度が不安定になり、その結果、炭化珪素単結晶を安定して成長させることができなくなることを突き止めた。

そこで、請求項１に記載の発明では、珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程と、珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように配置した状態で坩堝（２）を加熱することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴とする。

これによると、断熱材（１１）は既に珪素を吸収しているので、成長工程にて当該珪素を吸収させた断熱材（１１）を用いて炭化珪素単結晶（６）を成長させる際に珪素を吸収させた断熱材（１１）の劣化速度が遅くなる。このため、成長工程における断熱材（１１）の物性が既に安定しているので、珪素を吸収させた断熱材（１１）の物性の変化による温度変化も小さくなり、坩堝（２）の温度を所望の成長温度に制御しやすくすることができる。したがって、成長工程において炭化珪素単結晶（６）の安定な成長を可能とすることができる。

ここで、「珪素を吸収させる」ということは、炭素の割合に対して珪素を１％以上、５０％未満吸収させた場合と定義する。珪素を１％未満しか吸収させないと、まだ断熱材の劣化は早く進み、物性の変化は大きくなるので、安定な成長ができない。一方、珪素を５０％以上吸収させると、ほとんどがＳｉＣとなってしまい、断熱効果がなくなるので、断熱材としての役割を果たさなくなる。逆に、「珪素を吸収させていない」ということは、炭素の割合に対して珪素が１％未満しか含まれていない場合と定義する。また、この炭素の割合は重量パーセントではなく、原子パーセントを意味する。すなわち、「炭素の割合に対して珪素が１％未満しか含まれていない」とは、１００個を超える炭素原子の中に珪素原子が１個含まれるような割合である。

また、珪素を吸収させた断熱材（１１）に含まれる珪素の割合を定量分析する手段として、ＥＰＭＡ（Electron Plobe MicroAnalyser：電子線マイクロアナライザー）やＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）の付随分析装置のＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：エネルギー分散型Ｘ線分析）等が挙げられる。

また、珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に含まれる微量の珪素の割合を定量分析する手段としてＩＣＰ−ＡＥＳ（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry：誘導結合プラズマ発光分光分析）等が挙げられる。

また、請求項２に記載の発明では、珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程は、坩堝（２）として容器本体（２ａ）に珪素含有物（２１）を配置すると共に蓋体（２ｂ）を用意し、当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を配置し、坩堝（２）を加熱することで、珪素含有物（２１）を加熱することにより坩堝（２）から漏れた昇華ガスを珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に珪素を吸収させる工程を含んでいる。そして、成長工程では、珪素を吸収させる工程の後、坩堝（２）として容器本体（２ａ）に炭化珪素原料（５）を配置すると共に台座（３）に種結晶（４）を配置した坩堝（２）を用意し、珪素を吸収させる工程で得られた珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように配置した状態で坩堝（２）を加熱することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることを特徴とする。

このように、珪素を吸収させる工程を実行することにより、珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）から珪素を吸収させた断熱材（１１）を製造することができる。そして、珪素を吸収させる工程で製造した珪素を吸収させた断熱材（１１）を用いて、成長工程で炭化珪素単結晶（６）を成長させることができる。

請求項３に記載の発明のように、珪素を吸収させる工程では、坩堝（２）と珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）との間に珪素含有物（２１）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、ヒータ（９、１０）により珪素含有物（２１）を加熱しても良い。

さらに、請求項４に記載の発明のように、成長工程では、坩堝（２）と珪素を吸収させた断熱材（１１）との間に炭化珪素原料（５）を加熱すると共に種結晶（４）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、ヒータ（９、１０）により炭化珪素原料（５）を加熱すると共に種結晶（４）を加熱しても良い。

一方、請求項５に記載の発明のように、珪素を吸収させる工程では、珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を坩堝（２）の外壁に接触させた状態で坩堝（２）から漏れた昇華ガスを珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に吸収させることもできる。

また、請求項６に記載の発明のように、成長工程では、珪素を吸収させた断熱材（１１）を坩堝（２）の外壁に接触させた状態で坩堝（２）を加熱することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることもできる。

上記の製造方法は、坩堝（２）の容器本体（２ａ）に炭化珪素原料（５）を配置し、この炭化珪素原料（５）の昇華ガスを種結晶（４）に供給する昇華再結晶法によって炭化珪素単結晶（６）を成長させる方法であるが、珪素含有ガスと、炭素含有ガスの原料ガスを種結晶（４）に供給するガス供給法においても本発明を適用できる。

すなわち、請求項７に記載の発明のように、珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意し、珪素を吸収させた断熱材（１１）を反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように配置した状態で反応容器を加熱し、珪素含有ガスと炭素含有ガスを供給することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることができる。

また、請求項８に記載の発明のように、珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程は、反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を配置し、原料ガスとなる珪素含有ガスと炭素含有ガスを反応容器の中空部に供給すると共に反応容器を加熱することで、反応容器から漏れた原料ガスを珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に吸収させる珪素を吸収させる工程を含んでいる。そして、成長工程では、珪素を吸収させる工程の後、反応容器の中空部に種結晶（４）を配置し、珪素を吸収させる工程で得られた珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように配置した状態で反応容器を加熱し、珪素含有ガスと炭素含有ガスを供給することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることができる。

そして、請求項９に記載の発明のように、珪素を吸収させる工程では、反応容器と珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）との間に反応容器の中空部を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、ヒータ（９、１０）により反応容器の中空部を加熱することができる。

請求項１０に記載の発明のように、成長工程では、反応容器と珪素を吸収させた断熱材（１１）との間に反応容器の中空部を加熱すると共に種結晶（４）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、ヒータ（９、１０）により反応容器の中空部を加熱すると共に種結晶（４）を加熱することもできる。

一方、請求項１１に記載の発明のように、珪素を吸収させる工程では、珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を反応容器の外壁に接触させた状態で反応容器から漏れた原料ガスを珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に吸収させることができる。

そして、請求項１２に記載の発明のように、成長工程では、珪素を吸収させた断熱材（１１）を反応容器の外壁に接触させた状態で反応容器を加熱することにより、種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることもできる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置の断面構成図である。 図１における断熱材のＡ−Ｂ断面のＳｉ濃度プロファイルを示した図である。 ＳｉＣ単結晶の製造工程を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置の断面構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置１の断面構成図である。この図に示されるように、ＳｉＣ単結晶製造装置１は、有底円筒状の容器本体２ａとこの容器本体２ａを蓋閉めするための円形状の蓋体２ｂとによって構成された黒鉛製の中空状の坩堝２を備えている。

坩堝２のうち蓋体２ｂの一面（容器本体２ａに対向する面）には台座３が設けられており、この台座３を介して例えば円形状のＳｉＣの種結晶４（炭化珪素単結晶基板）が配置されている。ここで、台座３は蓋体２ｂとは別体のものであり、蓋体２ｂに一体化されていても良い。また、台座３は、蓋体２ｂの一面の一部が当該一面から突出した部分すなわち蓋体２ｂの一部でも良い。

一方、坩堝２のうち容器本体２ａの底部には、昇華ガスの供給源となるＳｉＣの粉末原料５が配置されている。そして、坩堝２内の空間のうち種結晶４と粉末原料５との間を成長空間領域として、粉末原料５からの昇華ガスが種結晶４の表面上に再結晶化して、種結晶４の表面にＳｉＣ単結晶６（炭化珪素単結晶）が成長させられる構成としている。

また、ＳｉＣ単結晶製造装置１は、上記の坩堝２を搭載するための円板状のテーブル７と、当該テーブル７を坩堝２の中心軸を中心に回転させるための棒状のシャフト８とを備えている。

テーブル７の一面には坩堝２が配置され、テーブル７の他面には当該他面に対して垂直方向にシャフト８が延びるようにシャフト８の一端が接続されている。シャフト８の他端は図示しない回転機構に支持され、当該回転機構によってシャフト８の中心軸を中心にシャフト８が回転させられるようになっている。例えば、坩堝２の中心軸はシャフト８の中心軸上に配置されている。これにより、テーブル７および坩堝２がシャフト８の中心軸すなわち坩堝２の中心軸を中心に回転する。

さらに、坩堝２の外周を囲むように円筒型のヒータ９、１０が配置されている。一方のヒータ９は、坩堝２のうち粉末原料５が配置された箇所の側面と対向するように配置され、他方のヒータ１０は、坩堝２のうち種結晶４が配置された箇所の側面と対向するように配置されている。

さらに、当該坩堝２の外周に当該坩堝２の外周を囲むようにカーボンを主成分とする黒鉛製の中空円柱形状の断熱材１１が配置されている。具体的には、断熱材１１は、ヒータ９、１０の外周を囲み、かつ、ヒータ９、１０および坩堝２を上下から囲むように配置されている。この断熱材１１の内部空間のうちヒータ９、１０および坩堝２を囲んでいる空間がガス流動室１２となる。

このような断熱材１１は多くの隙間を持った多孔質体（繊維質カーボン）であり、坩堝２やヒータ９、１０の外周を囲む円筒状の外周部１１ａと、坩堝２やヒータ９、１０の上方を塞ぐ円板状の蓋部１１ｂと、坩堝２やヒータ９、１０の下方を塞ぐ円板状の底部１１ｃとを備えて構成されている。上記の各ヒータ９、１０のうちの粉末原料５側のヒータ９は底部１１ｃの上に配置され、このヒータ９の上に棒状部材９ａが配置されている。そして、この棒状部材９ａの上に台座３側のヒータ１０が配置されている。つまり、ヒータ１０は数本の棒状部材９ａによってヒータ９の上に載せられている。

また、断熱材１１の蓋部１１ｂには、坩堝２の蓋体２ｂの中央位置、つまり種結晶４の裏面側と対応する位置に蓋部１１ｂを貫通する測温孔１１ｄが形成されている。さらに、断熱材１１の底部１１ｃには、上記のシャフト８が貫通する貫通孔１１ｅが設けられており、シャフト８が底部１１ｃを貫通した状態となっている。

なお、断熱材１１を構成する各部１１ａ〜１１ｃの厚みや坩堝２との距離（隙間）に関しては、適宜調整可能であるが、坩堝２の形状、坩堝２の内部構造、結晶成長時のヒータ９、１０の温度（ヒータ内の温度分布）等によって最適な形状を選択すると好ましい。

ここで、ＳｉＣ単結晶６を成長させる際には、Ｓｉ（珪素）を吸収させた断熱材１１が用いられる。すなわち、断熱材１１は、元々Ｓｉを含んだものである。通常の断熱材は黒鉛の多孔質材料でＣ（炭素）の割合に対して、Ｓｉは１００ｐｐｍ未満であるが、この断熱材にＳｉを吸収させることで、ＳｉＣ単結晶６の製造を開始した後の断熱材１１の劣化速度を遅い状態にしておく。これにより、断熱材１１の物性を安定させ、ＳｉＣ単結晶６の成長温度を制御しやすくする。物性とは、例えば熱伝導度、密度等である。

図１に示される断熱材１１の外周には高周波駆動される誘導コイル１３、１４が配置されている。この誘導コイル１３、１４に高周波の電流を流すことにより、坩堝２の外周に配置されたヒータ９、１０を誘導加熱できる。なお、断熱材１１と誘導コイル１３、１４との間に石英管を配置することによって誘導コイル１３、１４と坩堝２、ヒータ９、１０および断熱材１１とを完全に絶縁することが好ましい。

また、これら坩堝２、ヒータ９、１０、断熱材１１および誘導コイル１３、１４は、外部チャンバ１５に収容されている。この外部チャンバ１５と断熱材１１との間に形成される部屋がガス導入室１６となる。そして、外部チャンバ１５内には、雰囲気ガスとして例えば不活性ガス（Ａｒガス等）、ＳｉＣ単結晶６へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを導入できるようにガス導入管１７が設けられていると共に、混成ガスを排出できるように排気配管１８が備えられている。

さらに、断熱材１１を貫通してガス導入室１６とガス流動室１２とを連通させるように、複数個の図示しない孔が形成されている。これにより、ガス導入室１６に導入された不活性ガスがガス流動室１２を流れるようになっている。各孔の内側にはアルミナ、カーボンなどで作製した筒を通しても良い。

本実施形態では、測温孔１１ｄを通じて台座３の温度を測定する放射温度計１９が外部チャンバ１５の外側に配置されている。以上が、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置１の構成である。

続いて、上記のような構成のＳｉＣ単結晶製造装置１によるＳｉＣ単結晶６の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、予めＳｉを吸収させた断熱材１１を用意する。

次に、成長工程を行う。成長工程では、坩堝２として容器本体２ａに粉末原料５を配置すると共に蓋体２ｂに設けられた台座３に種結晶４を配置した坩堝２を用意し、この坩堝２をテーブル７の上に配置する。そして、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を当該坩堝２の外周に当該坩堝２の外周を囲むように配置する。

そして、図示しない排気機構を用いて、排気配管１８を通じたガス排出を行って坩堝２内を含めた外部チャンバ１５内を真空にすると共に、誘導コイル１３、１４に通電する。これにより、ヒータ９、１０を誘導加熱し、その輻射熱により坩堝２を加熱することで坩堝２内を所定温度にする。

その後、ガス導入管１７を通じて、例えば不活性ガス（Ａｒガス等）、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを流入させる。そして、種結晶４の成長面の温度および粉末原料５の温度を目標温度まで上昇させる。例えば、成長結晶を４Ｈ−ＳｉＣとする場合、粉末原料５の温度を２１００〜２３００℃とし、成長結晶表面の温度をそれよりも１０〜１００℃程度低くする。そして、シャフト８を回転させることで坩堝２を回転させる。このとき、放射温度計１９を通じて坩堝２の測温を行いながら誘導コイル１３、１４の通電量を制御する。

そして、ガス導入管１７を通じて雰囲気ガスを導入しているため、この雰囲気ガスがガス導入室１６から断熱材１１を通じてガス流動室１２内に流動していった後、排気配管１８を通じて排出される。また、結晶成長中に坩堝２から昇華ガスが漏れるが、Ｓｉを吸収させた断熱材１１は既に物性が安定した状態になっているため、結晶成長中の昇華ガスによって断熱材１１の物性が大きく変化することはない。このようにして、種結晶４上にＳｉＣ単結晶６を成長させる。

以上説明したように、本実施形態では、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を用意し、このＳｉを吸収させた断熱材１１を用いてＳｉＣ単結晶６を製造することが特徴となっている。

このように、断熱材１１は既にＳｉを吸収しているので、ＳｉＣ単結晶６の製造を開始した後の断熱材１１の劣化速度が遅くなり、断熱材１１の物性つまり断熱性能が安定する。したがって、成長中の昇華ガスによって断熱材１１の断熱性能が変化しにくくなり、断熱材１１の物性が安定する。このため、坩堝２を所望の成長温度に制御しやすくなるので、ＳｉＣ単結晶６の成長の安定化を可能とすることができる。すなわち、断熱材１１の物性が変化しにくくなったことにより、坩堝２の加熱条件を一定に保持することができるため、加熱温度が安定し、ひいてはＳｉＣ単結晶６を安定成長させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、粉末原料５が特許請求の範囲の「炭化珪素原料」に対応し、ヒータ９、１０が特許請求の範囲の「ヒータ」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。上記第１実施形態では、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を予め用意してＳｉＣ単結晶６を製造していたが、本実施形態では、Ｓｉが含まれていない通常の新品の黒鉛製の断熱材２０にＳｉを吸収させた後、このＳｉを吸収させた断熱材１１を用いてＳｉＣ単結晶６を製造することが特徴となっている。すなわち、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶６を成長させる際には通常の新品の黒鉛製の断熱材は用いられず、Ｓｉを吸収させた断熱材１１が用いられる。以下、図２および図３を参照して説明する。

図２は、図１における断熱材１１のＡ−Ｂ断面のＳｉ濃度プロファイルを示した図である。この図のＡはＳｉを吸収させた断熱材１１の内壁の位置であり、Ｂは断熱材１１の外壁の位置である。

まず、通常の黒鉛製の断熱材２０（図３参照）はＣ（炭素）の割合に対して、Ｓｉは１００ｐｐｍ未満でほとんど含まれていない。一方、図２に示されるように、Ｓｉを吸収させた断熱材１１は、Ａの位置から断熱材１１の内部に向かってＳｉ濃度が上昇する。そして、Ｓｉ濃度が最も高くなる箇所があり、断熱材１１のＢの位置（外壁側）に向かってＳｉ濃度が減少するというＳｉ濃度分布になっている。

上述のように、黒鉛製の断熱材２０は多孔質材料であり、坩堝２から漏れた昇華ガスに含まれるＳｉを吸収する。このため、黒鉛製の断熱材２０に含まれるＳｉ濃度が図２に示されるような分布に変化していく。すなわち、新品だった黒鉛製の断熱材２０の物性（断熱性能）が、Ｓｉを吸収したことによって時間と共に変化する。言い換えると、ＳｉＣ単結晶６の製造を開始した後の断熱材の劣化速度が最も速く、断熱材に含まれるＳｉ濃度の上昇と共に劣化速度も遅くなる。このため、新品の黒鉛製の断熱材２０の断熱性能は安定ではない。

したがって、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶６を成長させる前に黒鉛製の断熱材２０に予めＳｉを吸収させることにより、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の劣化速度を遅い状態にしておく。これにより、断熱材１１の物性を安定させ、ＳｉＣ単結晶６の成長温度を制御しやすくする。

具体的に、本実施形態では、始めに通常の新品の黒鉛製の断熱材２０にＳｉを吸収させる工程を行い、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を用いてＳｉＣ単結晶６を成長させる成長工程を行うことでＳｉＣ単結晶６を製造する。ＳｉＣ単結晶製造装置１については、黒鉛製の断熱材２０や断熱材１１を除いてＳｉを吸収させる工程と成長工程とで共通の装置を用いる。

まず、Ｓｉを吸収させる工程を行う。図３は、Ｓｉを吸収させる工程を行う際のＳｉＣ単結晶製造装置１の断面図を示したものである。なお、図３では、誘導コイル１３、１４や外部チャンバ１５を省略してある。

図３に示されるように、坩堝２として容器本体２ａにＳｉ含有物２１を配置すると共に蓋体２ｂを用意する。この坩堝２をテーブル７の上に配置し、坩堝２の外周に当該坩堝２の外周を囲むように通常の新品の黒鉛製の断熱材２０を配置する。

上述のように、Ｓｉを吸収させた断熱材１１は、外周部１１ａと、蓋部１１ｂと、底部１１ｃとを備えて構成されており、当該断熱材１１の蓋部１１ｂには測温孔１１ｄが形成され、底部１１ｃには貫通孔１１ｅが設けられている。したがって、Ｓｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材２０は、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の外周部１１ａに対応した外周部２０ａと、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の蓋部１１ｂに対応した蓋部２０ｂと、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の底部１１ｃに対応した底部２０ｃとを備えて構成されている。また、Ｓｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材２０の蓋部２０ｂには、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の蓋部１１ｂに対応する測温孔２０ｄが形成され、Ｓｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材２０の底部２０ｃにはＳｉを吸収させた断熱材１１の貫通孔１１ｅに対応した貫通孔２０ｅが設けられている。

ここで、「Ｓｉ含有物２１」は、Ｓｉ粉末等のＳｉそのものや、Ｓｉ化合物等のＳｉを含んだ材料を意味している。例えば、Ｓｉ含有物２１として粉末原料５を用いても良い。

この後、図示しない排気機構を用いて、排気配管１８を通じたガス排出を行うことで、坩堝２内を含めた外部チャンバ１５内を数百Ｐａ〜数千Ｐａにすると共に、誘導コイル１３、１４に通電することでヒータ９、１０を誘導加熱し、その輻射熱により坩堝２を加熱することで坩堝２内を例えば２０００℃以上にする。このとき、各誘導コイル１３、１４への通電の周波数もしくはパワーを変えることにより、ヒータ９、１０で温度差を発生させる加熱を行えるようにしている。また、測温孔１１ｄを通じて坩堝２の上面を放射温度計１９にて測温を行いながら誘導コイル１３、１４の通電量を制御することで、坩堝２の温度が所望温度となるようにする。

その後、ガス導入管１７を通じて、例えば不活性ガス（Ａｒガス等）、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを流入させる。

そして、シャフト８を回転させることで坩堝２を回転させながら、この加熱を数１０時間〜数１００時間行うと、坩堝２内の昇華ガスが坩堝２の外部に漏れ、ガス流動室１２を介して黒鉛製の断熱材２０に吸収される。これにより、図２に示されるように、黒鉛製断熱材２０中のＳｉ濃度が上昇し、昇華ガスに含まれるＳｉによって黒鉛製の断熱材２０の一部がＳｉＣ化する箇所が出てくる。このようにして、黒鉛製の断熱材２０にＳｉを吸収させることにより、断熱材１１の物性を安定させることができる。

このＳｉを吸収させる工程では、ＳｉＣ単結晶６の成長条件と同じ条件で黒鉛製の断熱材２０を熱処理することが好ましい。これにより、ＳｉＣ単結晶６の成長中に黒鉛製の断熱材２０が劣化していくのと同様に黒鉛製の断熱材２０を劣化させることができる。したがって、ＳｉＣ単結晶６の成長の際には、Ｓｉを吸収して物性が安定した状態の断熱材１１を用いることになるので、坩堝２をＳｉＣ単結晶６の成長温度に制御しやすくすることができる。

続いて、成長工程を行う。この場合、上記のＳｉを吸収させる工程で得られたＳｉを吸収させた断熱材１１を当該坩堝２の外周に当該坩堝２の外周を囲むように配置する。そして、第１実施形態と同様に、種結晶４上にＳｉＣ単結晶６を成長させる。

以上説明したように、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶６を成長させる前に、新品の黒鉛製断熱材２０を予め劣化させ、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を用いてＳｉＣ単結晶６を製造することが特徴となっている。

このように、新品の黒鉛製の断熱材２０を熱処理して予めＳｉを吸収させているので、断熱材１１の劣化速度を遅くすることができ、断熱材１１の断熱性能を安定させることができる。したがって、坩堝２の加熱条件を一定に保持することができ、ひいてはＳｉＣ単結晶６を安定成長させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、Ｓｉ含有物２１が特許請求の範囲の「珪素含有物」に対応する。また、本実施形態では、Ｓｉを吸収させる工程と成長工程とで共通の製造装置１を用いているため、ヒータ９、１０についてもＳｉを吸収させる工程と成長工程で共通のものを用いている。もちろん、Ｓｉを吸収させる工程と成長工程とで異なる製造装置を用いる場合には、各製造装置に備えられたヒータが各工程でそれぞれ用いられることとなる。

（第３実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。図４は、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置の断面構成図である。なお、図４では、外部チャンバ１５を省略してある。

図４に示されるように、断熱材１１は坩堝２の外壁に接触している。本実施形態では、蓋部１１ｂの測温孔１１ｄや底部１１ｃの貫通孔１１ｅを除いて、外周部１１ａ、蓋部１１ｂ、および底部１１ｃと坩堝２との間に隙間がないように断熱材１１の全体が坩堝２の外壁に接触している。このように、断熱材１１と坩堝２との間に隙間がないため、本実施形態ではガス流動室１２は無い。

したがって、本実施形態では、Ｓｉを吸収させる工程では、Ｓｉを吸収させていない新品の黒鉛製の断熱材２０の全体を図４に示されるように坩堝２の外壁に接触させた状態で坩堝２から漏れた昇華ガスを黒鉛製の断熱材２０に吸収させることとなる。また、成長工程では、Ｓｉを吸収させた断熱材１１の全体を図４に示されるように坩堝２の外壁に接触させた状態で坩堝２を加熱することにより、種結晶４上にＳｉＣ単結晶６を成長させることとなる。

このように、坩堝２に断熱材１１、２０を接触させて覆う場合、断熱材１１、２０の周囲に例えば誘導加熱用コイルやヒータ等の加熱装置を配置し、この加熱装置を用いて坩堝２を加熱する。

以上のように、断熱材１１、２０全体を坩堝２の外壁に接触させた状態でＳｉを吸収させる工程および成長工程を実施することもできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、断熱材１１を外周部１１ａ、蓋部１１ｂ、および底部１１ｃに３分割していたが、これは断熱材１１の構成の一例であり、断熱材１１が２分割や４分割等で構成されていても良い。黒鉛製の断熱材２０についても同様である。

上記第１実施形態では、２つの誘導コイル１３、１４にてそれぞれ対応するヒータ９、１０の温度制御を行っているが、１つの誘導コイルにより２つのヒータ９、１０の両方を共に制御しても良い。もちろん、ヒータの数や誘導コイルの数はこれに限定されるものではなく、ＳｉＣ単結晶製造装置１の構成に合わせて適宜決定することができる。

上記第１実施形態では、誘導コイル１３、１４によりヒータ９、１０を誘導加熱しているが、坩堝２の加熱方式は誘導加熱によるヒータの自己発熱方式でも抵抗加熱によるヒータの自己発熱方式であっても良い。

上記第２実施形態では、Ｓｉを吸収させる工程を行った後に成長工程を行っているが、Ｓｉを吸収させる工程における黒鉛製の断熱材２０と坩堝２との位置関係と成長工程における断熱材１１と坩堝２との位置関係は必ずしも同じでなくても良く、大体同じような位置関係であれば良い。

上記第３実施形態では、Ｓｉを吸収させる工程および成長工程の両方で坩堝２に断熱材１１、２０を接触させていたが、両工程で断熱材１１、２０を坩堝２の外壁に接触させずに、いずれか一方の工程で断熱材１１、２０を坩堝２に接触させるようにしても良い。また、断熱材１１、２０全体を坩堝２に接触させずに、断熱材１１、２０の一部を坩堝２に接触させても良い。

上記各実施形態では、容器本体２ａの底部に予め粉末原料５を配置し、当該粉末原料５を昇華させてＳｉＣ単結晶６を成長させる昇華再結晶法を採用しているが、反応容器の中空部に原料ガスを導入することにより反応容器の中空部に台座３を配置すると共にこの台座３に配置した種結晶４にＳｉＣ単結晶６を、Ｓｉ含有ガス、具体的には例えばシランガスと、Ｃ含有ガス、具体的には例えばプロパンガスを供給して成長させるガス供給法を採用しても良い。なお、坩堝２が反応容器に対応する。

このようにガス供給法によりＳｉＣ単結晶６を成長させる場合、第１実施形態と同様に、Ｓｉを吸収させた断熱材１１を用意しても良いし、反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むようにＳｉを吸収させていない新品の黒鉛製の断熱材２０を配置し、原料ガスを反応容器の中空部に供給すると共に反応容器を加熱し、原料ガスとなるＳｉ含有ガスとＣ含有ガスを供給することで、反応容器から漏れた原料ガスをＳｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材２０に吸収させても良い。そして、成長工程では、予めＳｉを吸収させた断熱材１１を反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように配置した状態で反応容器を加熱し、Ｓｉ含有ガスとＣ含有ガスを供給することにより、種結晶４上にＳｉＣ単結晶６を成長させることとなる。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、Ｓｉ含有ガスが特許請求の範囲の「珪素含有ガス」に対応し、Ｃ含有ガスが特許請求の範囲の「炭素含有ガス」に対応する。

また、第４実施形態のように断熱材１１、２０が反応容器に接触する場合には断熱材１１、２０にもガスを通過させる孔が設けられている。また、ＳｉＣ単結晶製造装置１としてガス供給法に適した構成の装置が用いられる。例えば、ヒータ９、１０は、反応容器の中空部を加熱すると共に種結晶４を加熱するものとして用いられる。

２ 坩堝
２ａ 容器本体
２ｂ 蓋体
３ 台座
４ 種結晶
５ 粉末原料
６ ＳｉＣ単結晶
９、１０ ヒータ
１１ Ｓｉを吸収させた断熱材
２０ Ｓｉを吸収させていない黒鉛製の断熱材
２１ Ｓｉ含有物

Claims (12)

1. 有底円筒状の容器本体（２ａ）と当該容器本体（２ａ）を蓋閉めするための蓋体（２ｂ）を有した中空状の円柱形状をなす坩堝（２）を有し、前記蓋体（２ｂ）に設けられた台座（３）に炭化珪素単結晶基板からなる種結晶（４）を配置すると共に前記容器本体（２ａ）に炭化珪素原料（５）を配置し、前記炭化珪素原料（５）の昇華ガスを供給することにより、前記種結晶（４）と前記炭化珪素原料（５）との間の空間にて構成される成長空間領域において前記種結晶（４）上に炭化珪素単結晶（６）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
   珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程と、
   前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように配置した状態で前記坩堝（２）を加熱することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程は、前記坩堝（２）として前記容器本体（２ａ）に珪素含有物（２１）を配置すると共に前記蓋体（２ｂ）を用意し、当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を配置し、前記坩堝（２）を加熱することで、前記珪素含有物（２１）を加熱することにより前記坩堝（２）から漏れた昇華ガスを前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に珪素を吸収させる工程を含んでおり、
   前記成長工程では、前記珪素を吸収させる工程の後、前記坩堝（２）として前記容器本体（２ａ）に前記炭化珪素原料（５）を配置すると共に前記台座（３）に前記種結晶（４）を配置した坩堝（２）を用意し、前記珪素を吸収させる工程で得られた珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該坩堝（２）の外周に当該坩堝（２）の外周を囲むように配置した状態で前記坩堝（２）を加熱することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させる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。
3. 前記珪素を吸収させる工程では、前記坩堝（２）と前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）との間に前記珪素含有物（２１）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、前記ヒータ（９、１０）により前記珪素含有物（２１）を加熱することを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記成長工程では、前記坩堝（２）と前記珪素を吸収させた断熱材（１１）との間に前記炭化珪素原料（５）を加熱すると共に前記種結晶（４）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、前記ヒータ（９、１０）により前記炭化珪素原料（５）を加熱すると共に前記種結晶（４）を加熱することを特徴とする請求項２または３に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記珪素を吸収させる工程では、前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を前記坩堝（２）の外壁に接触させた状態で前記坩堝（２）から漏れた昇華ガスを前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に吸収させることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記成長工程では、前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を前記坩堝（２）の外壁に接触させた状態で前記坩堝（２）を加熱することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させることを特徴とする請求項２または５に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 中空状の反応容器を有し、前記反応容器の中空部に配置される台座（３）に対して炭化珪素単結晶基板からなる種結晶（４）を配置し、炭化珪素の原料ガスとなる珪素含有ガスと炭素含有ガスを前記反応容器の中空部に供給するガス供給法により、前記種結晶（４）の表面に炭化珪素単結晶（６）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
   珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程と、
   前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を前記反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように配置した状態で前記反応容器を加熱し、珪素含有ガスと炭素含有ガスを供給することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を用意する工程は、前記反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を配置し、前記原料ガスとなる珪素含有ガスと炭素含有ガスを前記反応容器の中空部に供給すると共に前記反応容器を加熱することで、前記反応容器から漏れた原料ガスを前記珪素を吸収させていない黒鉛製断熱材（２０）に吸収させる珪素を吸収させる工程を含んでおり、
   前記成長工程では、前記珪素を吸収させる工程の後、前記反応容器の中空部に前記種結晶（４）を配置し、前記珪素を吸収させる工程で得られた前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を当該反応容器の外周に当該反応容器の外周を囲むように配置した状態で前記反応容器を加熱し、珪素含有ガスと炭素含有ガスを供給することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
9. 前記珪素を吸収させる工程では、前記反応容器と前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）との間に前記反応容器の中空部を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、前記ヒータ（９、１０）により前記反応容器の中空部を加熱することを特徴とする請求項８に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
10. 前記成長工程では、前記反応容器と前記珪素を吸収させた断熱材（１１）との間に前記反応容器の中空部を加熱すると共に前記種結晶（４）を加熱するヒータ（９、１０）を配置し、前記ヒータ（９、１０）により前記反応容器の中空部を加熱すると共に前記種結晶（４）を加熱することを特徴とする請求項８または９に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
11. 前記珪素を吸収させる工程では、前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）を前記反応容器の外壁に接触させた状態で前記反応容器から漏れた原料ガスを前記珪素を吸収させていない黒鉛製の断熱材（２０）に吸収させることを特徴とする請求項８に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
12. 前記成長工程では、前記珪素を吸収させた断熱材（１１）を前記反応容器の外壁に接触させた状態で前記反応容器を加熱することにより、前記種結晶（４）上に前記炭化珪素単結晶（６）を成長させることを特徴とする請求項８または１１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

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