JP2016064969A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素単結晶における結晶欠陥の導入または伝搬を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素単結晶５が成長した後、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５を成長させる工程は、台座２の第１の主面２ａとは反対側の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素原料３に対面する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低い状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５を成長させる工程を含む。炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化などを可能とするため、半導体装置を構成する材料としての炭化珪素の採用が進められている。

炭化珪素単結晶を製造する方法の一つとして昇華法が挙げられる。たとえば特開２００９−１２０４１９号公報（特許文献１）には、黒鉛製の坩堝を用いて昇華法により炭化珪素単結晶を製造する方法が記載されている。

特開２００９−１２０４１９号公報

本発明の一態様の目的は、結晶欠陥の導入または伝搬を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することである。

本発明の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を備えている。収容部内に設けられた炭化珪素原料と、炭化珪素原料に対面するように設けられ、かつ台座の第１の主面に固定された種結晶とが準備される。炭化珪素原料を昇華させることにより、種結晶上に炭化珪素単結晶が成長する。炭化珪素単結晶が成長した後、炭化珪素単結晶が冷却される。炭化珪素単結晶を成長させる工程は、台座の第１の主面とは反対側の第２の主面の温度が、炭化珪素原料に対面する炭化珪素単結晶の表面の温度よりも低い状態を維持しながら、炭化珪素単結晶を成長させる工程を含む。炭化珪素単結晶を冷却する工程は、台座の第２の主面の温度が、炭化珪素単結晶の表面の温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶が冷却される。

本発明の一形態によれば、炭化珪素単結晶における結晶欠陥の導入または伝搬を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第１工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程を概略的に示す断面模式図（左側）および温度分布（右側）である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第３工程を概略的に示す断面模式図（左側）および温度分布（右側）である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、炭化珪素単結晶の表面および台座２の第２の主面の各々の温度の時間依存性の第１の例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、収容部内の圧力の時間依存性を示す図である。 発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、炭化珪素単結晶の表面および台座２の第２の主面の各々の温度の時間依存性の第２の例を示す図である。 発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、炭化珪素単結晶の表面および台座２の第２の主面の各々の温度の時間依存性の第３の例を示す図である。 発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、炭化珪素単結晶の表面および台座２の第２の主面の各々の温度の時間依存性の第４の例を示す図である。 発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程における、炭化珪素単結晶の表面および台座２の第２の主面の各々の温度の時間依存性の第５の例を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。

発明者らは、炭化珪素単結晶における結晶欠陥の導入または伝搬の原因について鋭意研究の結果、以下の知見を得て本発明を見出した。

昇華法による炭化珪素単結晶の結晶成長は以下のように行われる。図１に示されるように、炭化珪素原料３が収容部１内に配置される。収容部１の開口部を塞ぐように収容部１の上側に台座２が配置される。種結晶４は、炭化珪素原料３の表面３ａに対面するように台座２の表面２ａに取り付けられている。加熱源（図示せず）は、たとえば収容部１の周囲に配置されており、収容部１および台座２の各々の温度を所望の温度に調整できるように構成されている。炭化珪素単結晶を成長させる工程においては、炭化珪素原料３から種結晶４に向かう方向に沿って温度が低くなるように温度勾配が設けられている。そのため、加熱源により炭化珪素原料３を加熱して昇華させると、昇華した炭化珪素が種結晶４の表面４ａ上において再結晶する。以上のようにして、種結晶４の表面４ａ上に炭化珪素単結晶５が成長する（図２参照）。

炭化珪素単結晶５を成長させる工程が終了した後、加熱源の電源をオフにして成長した炭化珪素単結晶５を冷却する。加熱源の電源をオフにする直前においては、台座２の裏面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低くなっている（図２参照）。

この状態で加熱を止め、炭化珪素単結晶５の冷却を始めると、台座２の裏面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の温度よりも低い状態を維持しながら低下する。台座２は、たとえば炭素により構成されている。炭素の熱膨張係数は、炭化珪素の熱膨張係数よりも大きい。そのため、炭化珪素単結晶５を冷却する際、台座２の熱収縮量が、炭化珪素単結晶５の熱収縮量よりも大きくなると炭化珪素単結晶５に熱応力が生じる。

比較的高温（たとえば１０００℃以上）の状態で炭化珪素単結晶５に熱応力が生じると、炭化珪素単結晶５内に転位などの結晶欠陥が導入される場合や、既に炭化珪素単結晶５内に存在していた結晶欠陥が炭化珪素単結晶５中を伝搬する場合がある。また比較的低温（たとえば５００℃以上１０００℃未満）の状態で炭化珪素単結晶５に熱応力が生じると、炭化珪素単結晶５内にクラックが発生する場合や、炭化珪素単結晶５が割れる場合がある。これらの現象は、炭化珪素単結晶５の外周部においてより顕著に発生し、また炭化珪素単結晶５が大口径の場合により顕著に発生する。特に、台座２を構成する材料の熱膨張係数と炭化珪素単結晶の熱膨張係数との差が大きい場合に、台座２の熱収縮量と炭化珪素単結晶の熱収縮量との差はより顕著になる。

発明者は鋭意研究の結果、炭化珪素単結晶５の成長終了後における炭化珪素単結晶５の冷却工程において、台座２の裏面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら炭化珪素単結晶５を冷却することを考え出した。これにより、台座２の熱収縮量を、炭化珪素単結晶５の熱収縮量と同程度に維持しながら炭化珪素単結晶５を冷却することができる。結果として、炭化珪素単結晶５の冷却時における炭化珪素単結晶５内の熱応力を低減することができるので、結晶欠陥の導入または伝搬を抑制することができる。特に、台座２を構成する材料の熱膨張係数と炭化珪素単結晶５の熱膨張係数との差が大きい場合に、炭化珪素単結晶５内の熱応力をより低減することができる。

（１）本発明の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を備えている。収容部１内に設けられた炭化珪素原料３と、炭化珪素原料３に対面するように設けられ、かつ台座２の第１の主面２ａに固定された種結晶４とが準備される。炭化珪素原料３を昇華させることにより、種結晶４上に炭化珪素単結晶５が成長する。炭化珪素単結晶５が成長した後、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５を成長させる工程は、台座２の第１の主面２ａとは反対側の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素原料３に対面する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低い状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５を成長させる工程を含む。炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の冷却時に、炭化珪素単結晶に対する結晶欠陥の導入または伝搬を抑制することができる。

（２）上記（１）に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域における炭化珪素単結晶５の冷却過程においては、炭化珪素単結晶５を構成している原子が動きやすい。そのため、当該温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却されることにより、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

（３）上記（２）に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１０００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１０００℃以上１８００℃未満の温度領域においても炭化珪素単結晶５内の熱応力を小さくすることができる。そのため、特に熱応力に起因して１０００℃以上で炭化珪素単結晶５に入ると考えられている基底面転位を抑制することができる。

（４）上記（３）に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が５００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が５００℃以上１０００℃未満の温度領域においても炭化珪素単結晶５内の熱応力を小さくすることができる。そのため、結晶欠陥のみならず熱応力に起因して炭化珪素単結晶５に入るクラックまたは炭化珪素単結晶５の割れを抑制することができる。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上になる前に、収容部１内の圧力を上げる工程を含む。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が炭化珪素原料３の表面３ａの温度よりも高くなった場合に、成長した炭化珪素単結晶５が昇華することを抑制することができる。

（６）上記（１）〜（５）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、台座２を加熱しながら炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができる。

（７）上記（１）〜（６）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、収容部１の底部１ｂの温度を、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも低く維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、より確実に、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができるので、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

（８）上記（１）〜（７）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における台座２の第２の主面２ｂの温度以上に維持しながら、炭化珪素単結晶５を冷却する工程を含む。これにより、より確実に、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができるので、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

（９）上記（１）〜（８）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶５を成長させる工程後であって、かつ炭化珪素単結晶５を冷却する工程前に、収容部１内の圧力を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における圧力よりも高く維持した状態で炭化珪素単結晶５をアニールする工程をさらに備える。これにより、炭化珪素単結晶５に対する結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の構成について説明する。

図１に示されるように、炭化珪素単結晶の製造装置１０は、収容部１と、台座２と、加熱源（図示せず）と、温度計（図示せず）とを主に有している。収容部１は、内部に炭化珪素原料３を収容可能に構成されている。台座２は、炭化珪素単結晶からなる種結晶４を保持可能に構成されている。台座２は、たとえば円柱状の形状を有しており、第１の主面２ａと、第１の主面２ａの反対側の第２の主面２ｂとを有する。種結晶４は、台座２の第１の主面２ａに、たとえば接着剤などによって固定されている。台座２は、収容部１の開口部を塞ぐように、収容部１の上部に配置される。収容部１および台座２は、たとえば多孔質のグラファイトを含む材料からなる。

加熱源は、たとえば収容部１を取り囲むように、収容部１の外部に配置されている。加熱源は、高周波誘導加熱型のコイルであってもよいし、抵抗加熱型のヒーターであってもよい。加熱源は、台座２の第２の主面２ｂに対面する位置に配置されていてもよい。加熱源は、収容部１の底部１ｂに対面する位置に配置されていてもよい。温度計は、たとえば放射温度計である。温度計は、たとえば、台座２の第２の主面２ｂ、収容部１の側面１ａおよび底部１ｂの各々の温度を測定可能に構成されていてもよい。温度計は、収容部１の内部の温度を測定可能に構成されていてもよい。

次に、本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
図１に示されるように、炭化珪素原料３が、収容部１内に設けられる。炭化珪素原料３は、たとえば多結晶炭化珪素の粉末である。種結晶４は、たとえば接着剤を用いて台座２の第１の主面２ａに固定される。種結晶４は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素単結晶からなる。種結晶４の表面の直径は、たとえば１００ｍｍ以上であり、好ましくは１５０ｍｍ以上である。種結晶４の表面は、たとえば｛０００１｝面から８°以下程度オフした面である。種結晶４は、種結晶４の表面が、炭化珪素原料３の表面３ａに対面するように配置される。以上のように、収容部１内に設けられた炭化珪素原料３と、炭化珪素原料３に対面するように設けられ、かつ台座２の第１の主面２ａに固定された種結晶４とが準備される。

次に、収容部１内に設けられている炭化珪素原料３が、たとえば２０００℃以上２４００℃以下程度の温度になるまで加熱される。炭化珪素原料３が昇温している間、収容部１内の雰囲気ガスの圧力はたとえば８０ｋＰａ程度に維持される。雰囲気ガスは、たとえばアルゴンガス、ヘリウムガスまたは窒素ガスなどの不活性ガスを含んでいる。次に、収容部１内の雰囲気ガスの圧力が、たとえば１．７ｋＰａにまで減圧される。これにより、収容部１内の炭化珪素原料３が昇華を開始し、炭化珪素原料３の表面に対面した位置に配置されている種結晶４の表面上に再結晶化することにより、種結晶４の表面上に炭化珪素単結晶５が成長し始める。炭化珪素単結晶が成長している間、収容部１内の圧力は、たとえば０．５ｋＰａ以上５ｋＰａ以下程度の圧力で約１０時間程度維持される。以上のように、炭化珪素原料３を昇華させることにより、種結晶４上に炭化珪素単結晶５が成長する。

図２に示されるように、炭化珪素単結晶を成長させる工程においては、種結晶４の表面の温度は、炭化珪素原料３の表面３ａの温度よりも低くなるように維持される。具体的には、台座２の第２の主面２ｂに対して垂直な方向において、収容部１の底部１ｂの温度が最も高く、かつ台座２の第２の主面２ｂの温度が最も低くなるように、収容部１および台座２の各々の温度が制御される。収容部１の底部１ｂの温度は、炭化珪素原料３の底面の温度よりも高い。炭化珪素原料３の底面の温度は、炭化珪素原料３の表面３ａの温度より高くてもよい。収容部１の底部１ｂと炭化珪素原料３の底面との間の温度勾配は、炭化珪素原料３の底面と表面３ａとの温度勾配よりも大きくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも高い。しかし、炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間の温度分布は、特に規定されなくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間に温度勾配を有する場合、炭化珪素原料３の底面と表面３ａとの温度勾配は、炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの温度勾配よりも大きくてもよい。

図２に示されるように、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、台座２の第１の主面２ａの温度よりも高い。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間の温度分布は、特に規定されなくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間に温度勾配を有する場合、炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの温度勾配は、炭化珪素単結晶５の表面５ａと台座２の第１の主面２ａとの温度勾配よりも小さくてもよい。台座２の第１の主面２ａの温度は、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも高い。炭化珪素単結晶５の表面５ａと台座２の第１の主面２ａとの間の温度勾配は、台座２の第１の主面２ａと第２の主面２ｂとの温度勾配よりも大きくてもよい。以上のように、炭化珪素単結晶５を成長させる工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素原料３の表面３ａに対面する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低い状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５を成長させる。

次に、炭化珪素単結晶５の結晶成長が終了した後、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される工程を含む。好ましくは、台座２を加熱しながら炭化珪素単結晶５が冷却される。たとえば、台座２の第２の主面２ｂに対面する加熱源をオンにした状態で、収容部１の側面１ａに対面する加熱源をオフにすることで、台座２を加熱しながら炭化珪素単結晶５が冷却される。代替的には、台座２の第２の主面２ｂを加熱せずに、炭化珪素単結晶５を積極的に冷却することにより、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却されてもよい。

図３に示されるように、炭化珪素単結晶を冷却する工程においては、台座２の第２の主面２ｂに対して垂直な方向において、収容部１の底部１ｂの温度が最も低く、かつ台座２の第２の主面２ｂの温度が最も高くなるように、収容部１および台座２の各々の温度が制御される。つまり、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、収容部１の底部１ｂの温度を、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも低く維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。収容部１の底部１ｂの温度は、炭化珪素原料３の底面の温度よりも低い。炭化珪素原料３ の底面の温度は、炭化珪素原料３の表面３ａの温度よりも低い。収容部１の底部１ｂと炭化珪素原料３の底面との間の温度勾配は、炭化珪素原料３の底面と表面３ａとの温度勾配よりも大きくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ ａの温度よりも低くてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間の温度分布は、特に規定されなくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間に温度勾配を有する場合、炭化珪素原料３の底面と表面３ａとの温度勾配は、炭化珪素原料３ の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの温度勾配よりも大きくてもよい。

図３に示されるように、炭化珪素単結晶を冷却する工程において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、台座２の第１の主面２ａの温度よりも低い。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間の温度分布は、特に規定されなくてもよい。炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの間に温度勾配を有する場合、炭化珪素原料３の表面３ａと炭化珪素単結晶５の表面５ａとの温度勾配は、炭化珪素単結晶５の表面５ａと台座２の第１の主面２ａとの温度勾配よりも小さくてもよい。台座２の第１の主面２ａの温度は、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも低い。炭化珪素単結晶５の表面５ａと台座２の第１の主面２ａとの間の温度勾配は、台座２の第１の主面２ａと第２の主面２ｂとの温度勾配よりも大きくてもよい。以上のように、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素原料３の表面３ａに対面する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上の状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５を冷却する工程を含む。なお、炭化珪素単結晶５を冷却する工程のある一部の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの未満になってもよい。

なお、上記各面における温度とは、各面の中心の温度である。たとえば、台座２の第２の主面２ｂの温度とは、台座２の第２の主面２ｂの中心の温度のことである。好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度の平均値が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度の平均値以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。より好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、収容部１の底部１ｂの温度の平均値を、台座２の第２の主面２ｂの温度の平均値よりも低く維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。なお、上記各面における温度の平均値とは、各面の異なる複数の位置（たとえば中心を含む５箇所の位置）を測定した場合における、全ての測定点の温度の平均値である。さらに好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂにおける複数の測定位置の温度の最大値が、炭化珪素単結晶５の表面５ａにおける複数の測定位置の温度の最小値以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。さらに好ましくは、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、収容部１の底部１ｂの複数の測定位置の温度の最大値を、台座２の第２の主面２ｂの複数の測定位置の温度の最小値よりも低く維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。

なお、各面における温度は、たとえば放射温度計により測定することができる。収容部１内に成長する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度を直接測定することが困難である場合は、炭化珪素単結晶５が接する種結晶４の表面に沿った平面における収容部１の側面１ａの位置１ａ１の温度を基準にすることができる（図１参照）。位置１ａ１の温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの中心の温度よりも高いので、台座２の第２の主面２ｂの中心の温度が、位置１ａ１の温度よりも高い場合は、台座２の第２の主面２ｂの中心の温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの中心の温度よりも高いと推定することができる。つまり、炭化珪素単結晶５の表面５ａの中心の温度を位置１ａ１の温度と読み替えて冷却時の条件を決めることができる。

図４および図６〜９に示されるように、炭化珪素単結晶５の表面５ａおよび台座２の第２の主面２ｂの各々の温度の時間変化について説明する。図４および図６〜９において、破線１１が炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度を示しており、実線１２が台座２の第２の主面２ｂの温度を示している。図４および図６〜９において、時間Ｔ０から時間Ｔ１までが、実質的に炭化珪素単結晶を成長させる工程である。

図４に示されるように、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも高い状態を維持している。炭化珪素単結晶を成長させる工程において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度Ａ１は、たとえば２１００℃以上２４００℃以下であり、台座２の第２の主面２ｂの温度Ａ２は、たとえば２０００℃以上２３００℃以下である。時間Ｔ１以降において、炭化珪素単結晶５および台座２が冷却される。炭化珪素単結晶５の冷却速度は、台座２の冷却速度よりも大きくてもよい。時間Ｔ２において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、台座２の第２の主面２ｂの温度と等しくなる。時間Ｔ２以降において、台座２の第２の主面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持される。

好ましくは、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。たとえば、図４において温度Ａ３は２０００℃であり、温度Ａ４は１８００℃である。なお、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が２０００℃よりも高い場合および１８００℃よりも低い場合において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低くなっても構わない。

好ましくは、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１０００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。より好ましくは、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が５００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。

図５に示されるように、収容部１の圧力の時間変化について説明する。図５に示されるように、炭化珪素単結晶５を実質的に成長させている時間Ｔ０〜時間Ｔ１の間における圧力Ｐ２は、たとえば０．５ｋＰａ以上５ｋＰａ以下である。炭化珪素単結晶５の結晶成長が実質的に終了した後の時間Ｔ１に、炭化珪素単結晶５の冷却が開始される。好ましくは、炭化珪素単結晶５の冷却を開始した時間Ｔ１以降であって、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上になる時間Ｔ２よりも前に、収容部１内の圧力が上げられる。具体的には、たとえば時間Ｔ２における収容部１内の圧力Ｐ１は３０ｋＰａである。たとえば収容部１内にアルゴンなどの不活性ガスが導入されることにより、収容部１内の圧力が上げられる。炭化珪素単結晶５の冷却を開始する前に、収容部１内の圧力が、結晶成長中の圧力よりも上げられてもよい。

図６に示されるように、炭化珪素単結晶５の冷却を開始した後、一定時間経過後、炭化珪素単結晶５の温度を一定時間維持した後に、再度、炭化珪素単結晶５を冷却してもよい。図６に示すように、炭化珪素単結晶５の結晶成長が実質的に終了した時間Ｔ１の後、炭化珪素単結晶５および台座２の各々が冷却される。時間Ｔ２から時間Ｔ４まで、台座２の第２の主面２ｂを温度Ａ３に維持する。一方、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、時間Ｔ２から時間Ｔ４の間、単調に減少する。時間Ｔ３において、台座２の第２の主面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度と等しくなる。時間Ｔ３から時間Ｔ４の間において、台座２の第２の主面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持される。

図７に示されるように、炭化珪素単結晶５を冷却する工程において、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における台座２の第２の主面２ｂの温度以上に維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却されてもよい。図７に示すように、炭化珪素単結晶５の結晶成長が実質的に終了した時間Ｔ１の後、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、単調に減少する。一方、台座２の第２の主面２ｂは、時間Ｔ１以降時間Ｔ３まで、結晶成長時の温度Ａ２を維持する。時間Ｔ２において、台座２の第２の主面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度と等しくなる。時間Ｔ２から時間Ｔ３の間において、台座２の第２の主面２ｂの温度は、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持される。

図８に示されるように、炭化珪素単結晶５の結晶成長が実質的に終了した時間Ｔ１以降、炭化珪素単結晶５を冷却しつつ、台座２が加熱されてもよい。この場合、時間Ｔ１以降、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度は、単調に減少する。一方、台座２の第２の主面２ｂの温度は、時間Ｔ１以降、一度結晶成長時の温度よりも高くなり、時間Ｔ２において、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度と等しくなる。時間Ｔ２における、台座２の第２の主面２ｂの温度Ａ３は、結晶成長中の台座２の第２の主面２ｂの温度よりも高く、かつ結晶成長中の炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低くてもよい。台座２の第２の主面２ｂの温度は、時間Ｔ２以降さらに上昇して最大値を示した後、減少を開始してもよい。

図９に示されるように、炭化珪素単結晶５を成長させる工程後であって、かつ炭化珪素単結晶５を冷却する工程前に、炭化珪素単結晶５をアニールする工程が実施されてもよい。たとえば、時間Ｔ０以降時間Ｔ１までが炭化珪素単結晶５の結晶成長工程であり、時間Ｔ１以降時間Ｔ３までが炭化珪素単結晶５のアニール工程であり、時間Ｔ３以降が炭化珪素単結晶５の冷却工程である。炭化珪素単結晶５の結晶成長が実質的に終了した時間Ｔ１の後、収容部１内の圧力を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における圧力よりも高く維持した状態で、炭化珪素単結晶５がアニールされる。具体的には、時間Ｔ１以降において、収容部１内にたとえばアルゴンなど不活性ガスが導入された状態で、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が、温度Ａ１から温度Ａ５にまで上昇する。時間Ｔ２以降時間Ｔ３までの間、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が温度Ａ５に維持される。台座２の第２の主面２ｂは、たとえば温度Ａ１よりも高い温度に維持される。時間Ｔ３以降、炭化珪素単結晶５および台座２の各々が冷却される。結晶成長時における、炭化珪素単結晶５の表面と台座２の第２の主面２ｂとの温度差は、アニール時における温度差よりも大きくてもよい。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、収容部１内に設けられた炭化珪素原料３と、炭化珪素原料３に対面するように設けられ、かつ台座２の第１の主面２ａに固定された種結晶４とが準備される。炭化珪素原料３を昇華させることにより、種結晶４上に炭化珪素単結晶５が成長する。炭化珪素単結晶５が成長した後、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５を成長させる工程は、台座２の第１の主面２ａとは反対側の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素原料３に対面する炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度よりも低い状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５を成長させる工程を含む。炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の冷却時に、炭化珪素単結晶５に対する結晶欠陥の導入または伝搬を抑制することができる。

また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域における炭化珪素単結晶５の冷却過程においては、炭化珪素単結晶５を構成している原子が動きやすい。そのため、当該温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却されることにより、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬を抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１０００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が１０００℃以上１８００℃未満の温度領域においても炭化珪素単結晶５内の熱応力を小さくすることができる。そのため、特に熱応力に起因して１０００℃以上で炭化珪素単結晶５に入ると考えられている基底面転位を抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が５００℃以上２０００℃以下の温度域において、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上である状態を維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が５００℃以上１０００℃未満の温度領域においても炭化珪素単結晶５内の熱応力を小さくすることができる。そのため、結晶欠陥のみならず熱応力に起因して炭化珪素単結晶５に入るクラックまたは炭化珪素単結晶５の割れを抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度が、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上になる前に、収容部１内の圧力を上げる工程を含む。これにより、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度が炭化珪素原料３の表面３ａの温度よりも高くなった場合に、成長した炭化珪素単結晶５が昇華することを抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、台座２を加熱しながら炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程では、収容部１の底部１ｂの温度を、台座２の第２の主面２ｂの温度よりも低く維持しながら、炭化珪素単結晶５が冷却される。これにより、より確実に、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができるので、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を冷却する工程は、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における台座２の第２の主面２ｂの温度以上に維持しながら、炭化珪素単結晶５を冷却する工程を含む。これにより、より確実に、台座２の第２の主面２ｂの温度を、炭化珪素単結晶５の表面５ａの温度以上に維持することができるので、冷却時における結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶５を成長させる工程後であって、かつ炭化珪素単結晶５を冷却する工程前に、収容部１内の圧力を、炭化珪素単結晶５を成長させる工程における圧力よりも高く維持した状態で炭化珪素単結晶５をアニールする工程をさらに備える。これにより、炭化珪素単結晶５に対する結晶欠陥の導入または伝搬をより抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 収容部
１ａ 側面
１ａ１ 位置
１ｂ 底部
２ 台座
２ａ 第１の主面（表面）
２ｂ 第２の主面（裏面）
３ 炭化珪素原料
３ａ，４ａ，５ａ 表面
４ 種結晶
５ 炭化珪素単結晶
１０ 炭化珪素単結晶の製造装置
１１ 炭化珪素単結晶の表面の温度
１２ 台座の第２の主面の温度
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５ 温度
Ｐ１，Ｐ２ 圧力
Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 時間

Claims (9)

1. 収容部内に設けられた炭化珪素原料と、前記炭化珪素原料に対面するように設けられ、かつ台座の第１の主面に固定された種結晶とを準備する工程と、
   前記炭化珪素原料を昇華させることにより、前記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程と、
   前記炭化珪素単結晶を成長させる工程の後、前記炭化珪素単結晶を冷却する工程とを備え、
   前記炭化珪素単結晶を成長させる工程は、前記台座の前記第１の主面とは反対側の第２の主面の温度が、前記炭化珪素原料に対面する前記炭化珪素単結晶の表面の温度よりも低い状態を維持しながら、前記炭化珪素単結晶を成長させる工程を含み、
   前記炭化珪素単結晶を冷却する工程は、前記台座の前記第２の主面の温度が、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度以上である状態を維持しながら、前記炭化珪素単結晶を冷却する工程を含む、炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程では、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度が１８００℃以上２０００℃以下の温度域において、前記台座の前記第２の主面の温度が、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度以上である状態を維持しながら、前記炭化珪素単結晶が冷却される、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程では、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度が１０００℃以上２０００℃以下の温度域において、前記台座の前記第２の主面の温度が、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度以上である状態を維持しながら、前記炭化珪素単結晶が冷却される、請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程では、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度が５００℃以上２０００℃以下の温度域において、前記台座の前記第２の主面の温度が、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度以上である状態を維持しながら、前記炭化珪素単結晶が冷却される、請求項３に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程は、前記台座の前記第２の主面の温度が、前記炭化珪素単結晶の前記表面の温度以上になる前に、前記収容部内の圧力を上げる工程を含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程では、前記台座を加熱しながら前記炭化珪素単結晶が冷却される、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程では、前記収容部の底部の温度を、前記台座の前記第２の主面の温度よりも低く維持しながら、前記炭化珪素単結晶が冷却される、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 前記炭化珪素単結晶を冷却する工程は、前記台座の前記第２の主面の温度を、前記炭化珪素単結晶を成長させる工程における前記台座の前記第２の主面の温度以上に維持しながら、前記炭化珪素単結晶を冷却する工程を含む、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
9. 前記炭化珪素単結晶を成長させる工程後であって、かつ前記炭化珪素単結晶を冷却する工程前に、前記収容部内の圧力を、前記炭化珪素単結晶を成長させる工程における圧力よりも高く維持した状態で前記炭化珪素単結晶をアニールする工程をさらに備える、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

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