JP2015212207A - 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素単結晶の成長中に坩堝内に装填した原料を効率良く昇華させ、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを得る製造方法である。
【解決手段】坩堝内に装填した炭化珪素原料を加熱して発生させた昇華ガスを、坩堝に対向配置した炭化珪素の種結晶上に再結晶させる昇華再結晶法によって、炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、坩堝内には炭化珪素原料の中心部上面から種結晶側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材が配置されていることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法である。
【選択図】図３

Description

この発明は、種結晶を用いた昇華再結晶法によって炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法に関する。

高熱伝導率を持ち、バンドギャップの大きい炭化珪素単結晶は、高温で用いられる電子材料や、高耐圧の求められる電子材料の基板として有用な材料である。
そして、このような炭化珪素単結晶の作製法の一つとして、昇華再結晶法(レーリー法)が知られている。この昇華再結晶法は、２０００℃を超える高温において原料の炭化珪素粉末を昇華させ、生成したその昇華ガス（原料ガス）を低温部に再結晶化させることにより、炭化珪素単結晶を製造する方法である。また、このレーリー法において、炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いて炭化珪素単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（非特許文献１）、バルク状の炭化珪素単結晶インゴットの製造に利用されている。

この改良レーリー法においては、種結晶を用いているために結晶の核形成過程を最適化することができ、また、不活性ガスによる雰囲気圧力を１０Paから１５kPa程度にすることにより、炭化珪素単結晶の成長速度等の再現性を良くすることができる。このため、一般に、原料と結晶との間で適切な温度差を設け、種結晶の上に炭化珪素単結晶を成長させることが行われている。また、得られた炭化珪素単結晶（炭化珪素単結晶インゴット）については、電子材料の基板としての規格の形状にするために、研削、切断、研磨といった加工が施されて利用されている。

ここで、図１を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。原料３となる炭化珪素結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された炭化珪素結晶粉末を洗浄・前処理したものが使用される。〕と種結晶２となる炭化珪素単結晶が、黒鉛製の坩堝１の中に配置、装填される。坩堝１内では、前記炭化珪素原料粉末の原料３は坩堝１内の下部の原料装填部に装填され、また、前記炭化珪素単結晶の種結晶２は坩堝１の蓋部材1aに支持（装着）される。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（１０Pa〜１５kPa）で原料３を昇華させるために、原料３は２４００℃以上に加熱される。この際、坩堝１内には、原料３側に比べて種結晶２側がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料２は、加熱されて昇華した後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶２方向へ拡散し、輸送される。炭化珪素単結晶の成長は、種結晶２に到着した原料ガスがこの種結晶２上で再結晶化し、単結晶インゴット４となることにより実現される。なお、図１中、符号５は断熱材である。

ところで、炭化珪素単結晶基板の口径は電子デバイスを作製するための基板として用いる際に大口径化が求められている。同時に、炭化珪素単結晶基板を製造する際に一つのインゴットから多数の基板を製造することができて切断や研削加工時の生産性をより高めることができるように、結晶成長により得られるインゴットの長尺化が求められている。しかしながら、前記のように結晶成長を行う際に、原料を黒鉛坩堝の中に装填して加熱する方法を用いているため、原料を結晶成長の途中で追加することが困難である。そこで、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを作製するためには、小口径の結晶成長に比べて坩堝の原料装填部に原料粉末を多量に装填する必要がある。しかるに、原料の量を増大させるためには、原料装填部の深さを深くすること、又は、黒鉛坩堝１の径を大きくすることが必要になり、しかも、このように多量に装填した原料を結晶成長のために有効に利用するためには、原料装填部内の原料全体の温度を昇華温度まで効率良く加熱することが必要である。

そして、坩堝を加熱する方法としては、一般に、高周波誘導加熱を用いて黒鉛製の坩堝を発熱させ、この発熱した坩堝を介して坩堝内の炭化珪素原料を加熱し、坩堝内に前述の温度勾配を形成することが行われている。また、この高周波誘導加熱では、誘導される高周波電流が高周波の浸透深さに依存しているため、坩堝の形状によって規定された発熱分布を持ち、坩堝側面の表面近傍で強い発熱が生じ、この熱は熱伝導若しくは熱輻射により原料部分に伝達され、これによって原料部分が加熱される。

このようにして原料部分が加熱されると、原料内部の高温部から昇華ガスが発生し、結晶成長が生じるが、原料内部には不可避的に温度分布が生じ、原料内部の高温部で昇華した原料ガスの一部は原料内部の低温部で再結晶化を起こし、結晶成長に寄与しない場合がある。そして、この低温部の温度を高温化しその部分にある原料を昇華させるためには、誘導電流の電流値を大きくして黒鉛坩堝の側壁部分の温度をより高温にする必要があるが、一方で、坩堝の側壁部分の温度を高温にすると、坩堝全体が高温になり、種結晶と接している部分の坩堝の温度も高温になり、種結晶や成長中の単結晶の温度も高くなって、温度勾配に基づいた結晶成長の駆動力が小さくなり、結晶成長が途中で停止する結晶成長停止の問題が発生する。

そこで、従来においても、坩堝を加熱する方法について幾つかの提案がされており、例えば、原料内部の温度分布を変化させるために、結晶成長中に高周波誘導加熱コイルと坩堝の相対的な位置を制御し、これによって装填した原料が未昇華の状態で残らないようにした方法が開示されている（特許文献１）。この特許文献１の方法は、コイルと坩堝の相対位置を変化させることで、原料装填部の深さ方向に関しての発熱分布を変化させ、原料を昇華させる方法である。しかしながら、上述したように、高周波誘導加熱では坩堝側面の表面近傍で強い発熱が生じるため、大口径の炭化珪素単結晶を作製するために坩堝の径を大きくすると、高周波誘導加熱により発熱している坩堝の側壁部分から坩堝の中心部（坩堝の中心軸近傍の部分）の原料迄の距離は、小口径の炭化珪素単結晶を成長させる場合に比べて増大し、坩堝の中心部の原料を効率良く加熱することが難しくなる。このため、中心部の原料を昇華温度に加熱するためには、小口径の場合に比べて、黒鉛坩堝の側壁部分の温度をより高温にする必要があるが、このように坩堝の側壁部分の温度を高温にすると、上述した結晶成長停止の問題の発生がより顕著となり、大口径化のために口径を増大させた坩堝の中心部の原料を効率良く加熱する目的のためには採用し難いという問題がある。

原料を加熱する部分の坩堝の側壁の形状を制御し、原料内部の温度分布を均一化する方法が開示されている（特許文献２）。この方法では、坩堝側壁の発熱分布が変化することに伴い、成長している結晶部分近傍での発熱分布も変化する。結晶成長は等温線に沿って進むと考えられ、発熱分布が変化することで、成長する結晶の成長面形状も影響を受け、原料部分の均温化と成長結晶部分の温度の最適化を両立させることが必要となり最適化に時間がかかる、もしくは、最適化ができないという問題がある。

原料を加熱する部分の側面の断熱材を結晶成長中に移動させることで、結晶成長中に原料内部の温度分布を変化させ、昇華ガスの供給が途切れないようにする方法が開示されている（特許文献３）。この方法では、依然として外周部から加熱を行っており、原料の外周部と中心部の温度差を低減させることは行えず、原料中心部を加熱するためには、坩堝全体の温度を高くすることが必要であり、成長している結晶部分の温度が高くなり、結晶成長の駆動力が小さくなる問題がある。

原料部分を構成する部材と成長している結晶を支持する部材を独立に移動できるようにすることにより、結晶成長中に昇華ガスの経路を変化、調整させることにより原料ガスの供給を途切れないようにする方法が開示されている（特許文献４）。この方法では、結晶成長中に原料部分が移動することで、被加熱物が移動し、原料内部の発熱分布が変化し、同時に、原料の中心部に近い部分の側壁を加熱することが可能となっているが、結晶成長中に被加熱物を移動させることは、成長装置の複雑化が発生すると同時に被加熱物の移動に伴う原料ガスの供給の変化に伴う結晶成長の乱れ、すなわち欠陥の発生や異種ポリタイプの発生、の問題が生じるという問題がある。

更にまた、原料を装填する坩堝の底部の電気伝導率を側部よりも高くし、底部の発熱を増大させて原料部分の底部分の温度を高くすることにより、原料部分の底部分まで加熱する方法が開示されている（特許文献５）。しかしながら、上述のように、誘導電流は坩堝の側面部を流れるために中心部に近い部分を加熱することはできず、また、坩堝の底部と原料との配置は結晶成長中に変化することがないため、原料部分の底部分の温度を上げるためには系全体の温度を上げる必要がある。系全体の温度を上げた場合には、成長している結晶部分の温度が高くなり、成長した結晶が高温となることで結晶自身が昇華する場合があり、その部分に欠陥が発生し、良質の結晶が得られない問題が有る。このため、この特許文献４の方法を用いても、中心部近傍の原料を有効に加熱することは難しく、多量の昇華ガスを必要とするインゴットの大口径化、長尺化には不向きである。

特開2010-275,190号公報 特開2007-230,846号公報 特開2010-138,006号公報 特開2008-290,903号公報 特開2012-171,832号公報

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, 52 (1981) pp.146

そこで、本発明者らは、高周波誘導加熱を用いて、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造する場合に、坩堝内に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させることができる方法について鋭意検討した結果、坩堝内において炭化珪素原料の中心部上面から種結晶側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材を配置することにより、炭化珪素原料内部の温度分布を低減し、この炭化珪素原料をより均一な温度で昇華させることができ、坩堝内に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させ、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造することができることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、炭化珪素単結晶の成長中に坩堝内に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させ、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造するのに適した炭化珪素単結晶インゴットの製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
〔１〕 坩堝内に装填した炭化珪素原料を加熱して発生させた昇華ガスを、坩堝に対向配置した炭化珪素の種結晶上に再結晶させる昇華再結晶法によって、炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、
前記坩堝内には前記炭化珪素原料の中心部上面から前記種結晶側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材が配置されていることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
〔２〕 前記断熱部材が、炭化珪素原料に接するように配置されていることを特徴とする前記〔１〕に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
〔３〕 前記断熱部材が、前記種結晶側から炭化珪素原料側に向かって縮小する逆錐体形状に形成されていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
〔４〕 前記断熱部材が、この断熱部材の輪郭形状に類似した形状の容器に収納されて坩堝内に配置されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
〔５〕 前記容器が、黒鉛製であることを特徴とする前記〔４〕に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
〔６〕製造される炭化珪素単結晶インゴットの高さが、４０mm以上２００mm以下であることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

ところで、黒鉛製の坩堝を用いた高周波による誘導加熱では、発熱部材である坩堝の側壁は加熱され易いが、この坩堝内に装填された炭化珪素原料の中心部（坩堝の中心軸近傍の部分）は加熱され難く、特に原料の底部は坩堝の底部と接している部分であって、坩堝の側壁から原料内に投入された熱が流出する部分であり、側壁に対して温度が低く、また、側壁から遠い原料底部の中心部近傍を効果的に加熱することは難しい。

また、一般に、高周波誘導加熱により発熱する黒鉛製の坩堝や坩堝構成部材からなる発熱部材及び断熱部材からなる炭化珪素原料の加熱部や、前記発熱部材に誘導加熱電流を発生させるワークコイル等を備えた炭化珪素単結晶インゴットの製造装置において、これら設備の配置を変えずに、高周波誘導加熱電流を増大させた場合には、温度分布の等温線のパターンは大きく変化することなく、温度の絶対値が上昇することが分かっている。それ故、坩堝内部の温度分布の等温線の形状を変化させるためには、例えば、発熱部材、断熱部材の形状、構造を変化させるか、若しくは、発熱部材、断熱部材とワークコイルとの相対位置関係を変化させることが必要である。

結晶成長を行うためには坩堝内部に温度勾配を形成し、原料部分の温度を高くし、成長する結晶部分の温度を相対的に低くする必要がある。つまり、坩堝の中では原料から結晶に向かった熱の流れを形成する必要がある。このために、坩堝側壁で高周波誘導により発生した熱を、原料内部、次に成長結晶を経由させて系外へと放出する。この結果、原料内部で外周部の温度が高く、中心部に向かって温度が低下し、さらに、成長している結晶に向かって温度勾配が発生する。

そこで、本発明においては、炭化珪素原料の中心部上面から結晶に向かって生じる熱の流れを断熱部材で遮り、原料の外周部から種結晶側（種結晶又はこの種結晶上で成長過程の炭化珪素単結晶）へより多くの熱が流れるような加熱状態又は加熱雰囲気を作り出すことにより、結晶成長に必要な温度勾配を維持しつつ、原料の中心部の温度低下を抑制し、また、原料全体の温度をより均一化し、原料を効率良く昇華させるものである。

すなわち、本発明においては、炭化珪素原料の中心部と種結晶側との間に断熱部材を配置し、坩堝内部の熱の流れを制御し、その効果により原料内部の温度分布を低減し、特に原料の中心部の下方部分（中心部の底部）において炭化珪素の昇華ガスが再結晶化するのを抑制し、坩堝内の炭化珪素原料の中心部まで、特に中心部の底部まで可及的に結晶成長の原料として有効に昇華させるものである。

本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法によれば、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを成長させる際に、坩堝内に装填された炭化珪素原料について、その中心部の温度と周辺部の温度との間の温度差を小さくして加熱することが可能であり、装填した原料を有効に昇華させること、すなわち炭化珪素原料の結晶化率〔＝(成長した炭化珪素単結晶インゴットの重量)／（装填した炭化珪素原料の重量）〕を高くすることができる。

また、昇華した原料ガスが、原料底部の中心部近傍で再結晶化して消費されることが少なくなり、結晶成長面に昇華ガスが効率的かつ安定的に供給されるようになり、結晶成長中に昇華ガスの供給が変動することに起因する欠陥の発生を抑制することができ、高品質の炭化珪素インゴットを製造することができ、また、この高品質の炭化珪素単結晶インゴットを用いて電子材料用の炭化珪素単結晶基板を製造すれば、炭化珪素原料に対して製造される基板の歩留まりが向上し、炭化珪素単結晶基板のコスト低減を図ることができる。

図１は、改良レーリー法の原理を説明するための説明図である。 図２は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法の実施例で用いる炭化珪素単結晶インゴットの製造装置全体を示す説明図である。

図３は、本発明の実施例１で用いられた断熱部材の概略を示す説明図である。 図４は、本発明の実施例１における断熱部材の配置の他の例を示す説明図である。

図５は、本発明の実施例２で用いられた断熱部材の概略を示す説明図である。 図６は、本発明の実施例３で用いられた断熱部材の概略を示す説明図である。

以下、添付図面に示す炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法の実施形態について説明する。
図２は、炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を説明するためのものであり、この製造装置において、二重石英管13内には黒鉛製の坩堝１とこの坩堝１を取り囲むように覆う黒鉛製の断熱材５とが配設されており、また、前記坩堝１には、その上部に黒鉛製の蓋部材1aが配設されている。更に、前記二重石英管13の外側には発熱部材として機能する前記坩堝１を発熱させる高周波誘導加熱用のワークコイル17が設置されている。

なお、黒鉛製の坩堝１内には、その下部に炭化珪素結晶粉末からなる炭化珪素炭化珪素原料３が装填されており、また、その内部上方〔蓋部材（黒鉛製の坩堝蓋）1a〕には、炭化珪素単結晶からなる種結晶２が取り付けられている。また、図２において、符号６は切欠き孔、符号10は坩堝支持体、符号14は真空排気装置、符号15はArガス配管、符号16はArガス用マスフローコントローラをそれぞれ示し、前記ワークコイル17には高周波電流を流すための図示外の高周波電源が取り付けられている。

この製造装置において、二重石英管13内部は、真空排気装置14により高真空排気（10^-3Pa以下）することができ、かつArガス配管15とArガス用マスフローコントローラ16を用いて、内部雰囲気をArガスにより圧力制御することができるようになっている。そして、黒鉛坩堝の温度の計測は、黒鉛坩堝の上下部を覆う黒鉛製の断熱材５の中央部にそれぞれ光路を設け、黒鉛坩堝の上部（蓋部材）及び下部（底部）からの光を取り出して、二色温度計を用いて行い、黒鉛坩堝下部（底部）の温度を原料温度とし、黒鉛坩堝上部（蓋部材）の温度から種結晶の温度を判断する。

また、この製造装置においては、発熱部材として機能する坩堝１の加熱はワークコイル17による高周波誘導加熱で行われ、炭化珪素原料３及び種結晶２を所望の温度に加熱し、原料３を昇華させ、種結晶２として用いた炭化珪素単結晶上で昇華ガスを再結晶化させることにより結晶成長が行われる。

ここで、本発明においては、例えば図２及び図３に示すように、炭化珪素原料３の中心部から種結晶２側に向かって生じる熱の流れを断熱部材20を用いて遮り、原料３外周部から種結晶２側へより多くの熱が流れるような加熱状況にすることで、結晶成長に必要な温度勾配を維持しつつ、原料３中心部の温度の低下を抑制し、原料３部分の温度をより均一化し、有効に原料ガスを昇華させることができる。

ここで、炭化珪素原料３の中心部から種結晶２側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材20の形状については、このような熱の流れを遮ることができれば特に制限されるものではないが、通常の炭化珪素単結晶インゴットの製造においては、軸対称な坩堝を用いて、軸対称な結晶を成長させることから、配置する断熱部材20についても軸対称な形状であることが好ましく、例えば図３に示すような円板形状を始めとして、円柱形状、円錐形状、若しくは、これらの形状の組合せ等を例示することができ、また、種結晶２側については平面形状とし、坩堝の中心軸上に配置することが好ましい。ただし、非軸対称な形状を用いても本発明の効果を得ることは可能である。

また、断熱部材の材料としては、本発明の方法により製造される炭化珪素単結晶インゴット中の不純物とならない材質であり、２０００℃以上の温度で使用が可能な材料である黒鉛製が好ましい。具体的には、例えば、フェルト状の黒鉛断熱部材や、黒鉛製の成型断熱部材を適切な形状に加工して配置する。また、断熱部材の厚さについては、断熱部材が有する熱伝導率に応じて適宜調整することができる。

更に、炭化珪素原料３の中心部から種結晶２側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材20の配置についても、このような熱の流れを遮ることができれば特に制限されるものではないが、具体的な一例としては、図２及び図３に示されているように、炭化珪素原料の中心部上面に断熱部材を載置して配置することが挙げられる。このように断熱部材を炭化珪素原料３の表面に接するように配置することにより、本発明の実施に際して特に坩堝の形状や構造を複雑化させることがない。なお、ここで、炭化珪素原料３の上面に載置するとは、例えば図４に示すように、断熱部材20を原料３内部に埋め込むように配置する場合も含まれる。なお、坩堝の形状や構造に工夫を施して、断熱部材と炭化珪素原料との間に空隙を設けても原料内部の温度を均一化することは達成されるが、この場合には、形状や構造が複雑化したり、炭化珪素の昇華ガスが、断熱部材の炭化珪素原料側の面で再結晶化することがあり、そのための対策が必要になる。

そして、断熱部材が炭化珪素原料の表面を覆う面積については、通常、原料表面の３０%以上７０%以下、好ましくは３０%以上６０%以下である。７０%超の場合には、原料部分の温度の均一化は促進されるが、原料ガスの供給経路が少なくなり、成長する結晶へのガスの供給が不足する場合がある。３０%未満の場合には断熱の効果が十分に得られず、原料内部の温度の均一化が不十分で、原料中心部の温度が低下し、原料を効率的に昇華させる効果が得られなくなる。

ところで、図３の場合や図４の場合のように断熱部材を炭化珪素原料の中心部上面に載置して配置した場合には、原料内部に残存する僅かな温度分布に起因して、断熱部材の原料側の面で昇華ガスが再結晶化することがある。そこで、このような再結晶化を防止するために、例えば図５に示すように、断熱部材の形状を種結晶側から原料側に向かって縮小する逆錐体形状、好ましくは逆円錐体形状にすると共に、種結晶側を種結晶（又は成長過程の結晶）に相対向する平面にすることが好ましい。このときの頂角は６０°以上１５０°以下が好ましく、１５０°より大きい場合には断熱部材の原料側の面での再結晶化を防止することが難しく、また、６０°より小さい場合には、本発明の効果は得られるが、原料中の断熱部材の体積が増大し、原料の装填効率が悪くなる。

また、昇華ガス雰囲気中では断熱部材は昇華ガスにより損傷を受け、断熱性能が変化し易い。そこで、この昇華ガスによる断熱部材の損傷を未然に防止するために、断熱部材の表面を、例えば黒鉛、炭化珪素等の炭化珪素単結晶の不純物とならない材料で被覆することが有効である。このように昇華ガスとの接触を避け、断熱部材の損傷を低減するための簡便な方法としては、例えば、断熱部材を炭化珪素単結晶の不純物とならない材料で形成された容器内に収納することを例示することができる。そして、この容器として黒鉛を用いた場合には、容器の熱伝導率が断熱部材に比べて高くなるため、容器による熱伝導を少なくするために、容器の厚さを２mm以上５mm以下にすることが好ましい。厚さが２mm未満の場合には、昇華ガスによる容器の損傷が大きく、断熱部材にも損傷が及ぶ場合がある。厚さが５mm超の場合には、断熱部材の損傷は防げるが、熱の流れを制御し、原料内部の温度を均一化する効果が得られ難くなる。

本発明の製造方法で成長高さが４０mm以上２００mm以下の炭化珪素単結晶インゴットを製造した場合には、坩堝内に装填した炭化珪素原料を有効に利用することができ、また、結晶成長中の結晶成長速度の変動が小さくなって高品質の炭化珪素単結晶を得ることができるので、電子材料用の炭化珪素単結晶を効率良く作製することが可能な炭化珪素単結晶インゴットをより安価に製造することができる。

〔実施例１〕
実施例１においては、図２に示す製造装置において、黒鉛坩堝１の容器内下部に、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料３を２．６kg装填した。この時の原料３の高さ（原料上面と原料下面との間の距離）は１２５mmであった。黒鉛坩堝１の蓋部材1aには、種結晶２として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１内の原料３の中央部上面には、図３に示すように、原料３表面（上面）の面積の４０%となる面積を持つ高さ２０mmの円柱形状の黒鉛成型断熱部材20を載置して配置した。

このようにして準備された黒鉛坩堝１を前述のように二重石英管13の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後、二重石英管13内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、結晶の成長を開始させ、加熱を１２０時間継続して結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度であり、かつ、高さが６０mm程度の単結晶インゴットが得られた。黒鉛坩堝内の原料の残渣を観察したところ、中心部近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心部近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は１．７kg程度であり、結晶化率は６５%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔実施例２〕
実施例２においては、図２に示す製造装置において、黒鉛坩堝１の容器内下部に、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料３を５．２kg装填した。この時の原料３の高さ（原料上面と原料下面との間の距離）は９０mmであった。また、黒鉛坩堝１の蓋部材1aには、種結晶２として、口径１５５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。更に、坩堝１内の原料３の中央部には、図５に示すように、原料表面（上面）の面積の６０%となる面積を持ち、頂角が９０°で、高さが８０mmである逆円錐体形状の黒鉛成型断熱部材20を配置した。このとき、逆円錐体形状の断熱部材20の底面（平面）の位置が概ね原料表面と一致するように配置した。

このようにして準備された黒鉛坩堝１を前述のように二重石英管13の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後、二重石英管13内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、結晶の成長を開始させ、加熱を１５０時間継続して結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．４mm／時であって、結晶の口径が１５５mm程度であり、かつ、高さが６０mm程度の単結晶インゴットが得られた。黒鉛坩堝内の原料の残渣を観察したところ、中心部近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心部近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は３．６kg程度であり、結晶化率は７０%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔実施例３〕
実施例３においては、図２に示す製造装置において、黒鉛坩堝１の容器内下部に、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料３を８．１kg装填した。この時の原料３の高さ（原料上面と原料下面との間の距離）は１４０mmであった。また、黒鉛坩堝１の蓋部材1aには、種結晶２として、口径１５５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。更に、坩堝１内の原料３の中央部には、図６に示すように、原料表面（上面）の面積の５０%となる面積を持ち、高さが５mmの円柱部と頂角が１２０°で高さが４０mmの逆円錐体部とを組み合わせた形状の黒鉛フェルト断熱部材20bを厚さ３mmの黒鉛製容器21内に収納して配置した。このとき、断熱部材20bを収納する容器21の底面（平面）の位置が原料表面より８mm高くなるように配置した。

このようにして準備された黒鉛坩堝１を前述のように二重石英管13の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後、二重石英管13内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、結晶の成長を開始させ、加熱を２００時間継続して結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１５５mm程度であり、かつ、高さが１００mm程度の単結晶インゴットが得られた。黒鉛坩堝内の原料の残渣を観察したところ、中心部近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心部近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は６．１kg程度であり、結晶化率は７５%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔比較例１〕
実施例１と比較するために、坩堝内において炭化珪素原料と種結晶との間に断熱部材を配置せずに結晶成長を行った。
その結果、結晶の口径が１０５mm程度であり、かつ、高さが２０mm程度のインゴットが得られた。黒鉛坩堝内の原料の残渣を観察したところ、中心部で原料の再結晶が観察された。中心部の原料が有効に加熱されないため、原料の周辺部で昇華した原料ガスが結晶成長に利用されずに、原料の中心部で再結晶したものと考えられる。この原料中心部での昇華ガスの再結晶のため、結晶成長の途中で原料ガスの供給が途絶え、成長した結晶の成長面が昇華し、成長面が炭化した。そのため、インゴットの結晶化率は２２%と低い値であった。

得られた炭化珪素単結晶インゴットはインゴット高さが低いため、電子デバイスを作製するための基板切り出す際の歩留まりが低くなるという問題があった。また、装填した原料に対してインゴットの重量が小さく、原料を有効に利用できないという問題があった。

１…坩堝、1a…坩堝の蓋部材、２…種結晶、３…炭化珪素原料、４…単結晶インゴット、５…断熱材、６…切欠き孔、10…坩堝支持体、13…二重石英管、14…真空排気装置、15…Arガス配管、16…Arガス用マスフローコントローラ、17…ワークコイル、20…断熱部材、21…容器。

Claims (6)

1. 坩堝内に装填した炭化珪素原料を加熱して発生させた昇華ガスを、坩堝に対向配置した炭化珪素の種結晶上に再結晶させる昇華再結晶法によって、炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、
   前記坩堝内には前記炭化珪素原料の中心部上面から前記種結晶側に向かって生じる熱の流れを遮る断熱部材が配置されていることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
2. 前記断熱部材が、炭化珪素原料に接するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
3. 前記断熱部材が、前記種結晶側から炭化珪素原料側に向かって縮小する逆錐体形状に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
4. 前記断熱部材が、この断熱部材の輪郭形状に類似した形状の容器に収納されて坩堝内に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
5. 前記容器が、黒鉛製であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
6. 製造される炭化珪素単結晶インゴットの高さが、４０mm以上２００mm以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

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