JP2017065954A

JP2017065954A - 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法

Info

Publication number: JP2017065954A
Application number: JP2015191643A
Authority: JP
Inventors: 藤本　辰雄; Tatsuo Fujimoto; 辰雄藤本; 勝野　正和; Masakazu Katsuno; 正和勝野; 弘志柘植; Hiroshi Tsuge; 正史中林; Masashi Nakabayashi
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP6594146B2

Abstract

【課題】口径が１５０ｍｍ以上の大口径単結晶成長において、マクロ欠陥の無い高品質な炭化珪素単結晶インゴットを得ることができる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法を提供する。【解決手段】種結晶１を用いた昇華再結晶法により口径が１５０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶インゴット１１を製造する方法であって、口径が（ｄ−１０）ｍｍ以上、かつ厚さが２．０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶からなる種結晶１を用い、得られる炭化珪素単結晶インゴット１１の先端における結晶成長端面が凸面形状を有しており、インゴット高さの位置にあたる結晶成長端面の中心点Ｏと、インゴットの外周端から中心方向５ｍｍ内側の位置にあたる結晶成長端面上の外周点Ｅとの高さの差（Ｏ−Ｅ）が０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、炭化珪素単結晶インゴットの製造方法に関するものである。本発明の炭化珪素単結晶インゴットから作製される大口径炭化珪素単結晶基板は、主に各種の電子デバイス等を製造するための半導体基板として用いられる。

炭化珪素(SiC)は、優れた機械特性および半導体特性等を有するため、近年、大電力を制御するパワーデバイス製造用の基板用材料として大きな注目を集めている。ＳｉＣ単結晶基板から作製されるＳｉＣショットキーバリアダイオードやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）をはじめとするＳｉＣパワーデバイスにより、耐電圧が１０００Ｖを大きく超えるのにも関わらず導通時のオン抵抗が小さくできるため、変換時の電力損失が少ない大電力制御用インバーターをはじめとする各種の電力制御装置が開発されている。

ＳｉＣ単結晶インゴットは、目下のところ、改良レーリー法と称される昇華再結晶法、あるいは技術的には同義であるが、昇華法と呼ばれる製造方法によって、作製されることが一般的になっている（非特許文献１参照）。近年、ＳｉＣ単結晶の製造技術が大きく進捗し、ＳｉＣ単結晶の結晶品質も改善が著しい。同時に、製造されるＳｉＣ単結晶の口径についても、現時点では１００ｍｍ（４インチとも称される）がＳｉＣ単結晶基板の主流となっているものの、１５０ｍｍ（同、６インチ）を超える高品質大口径ＳｉＣ単結晶の開発が進められている状況にある。このようにＳｉＣ単結晶基板の大口径化は、デバイス製造の生産効率化に寄与でき、ＳｉＣパワーデバイスの普及に大きく貢献することが期待されている。

大きな耐電圧特性やデバイス長期動作信頼性に優れるＳｉＣパワーデバイスを製造するためには、ＳｉＣ単結晶の大口径化を進めることと並行して、小口径ＳｉＣ単結晶で実現されている結晶品質を維持すること、すなわち、例えば転位欠陥密度を十分に小さくすることが必要不可欠である。例えばＳｉＣ単結晶基板の場合、特徴的な欠陥の一つとして、マイクロパイプ欠陥が挙げられる。マイクロパイプ欠陥とは、バーガースベクトルが大きな貫通らせん転位の転位芯部分に微細な穴が形成されたものであるが、マイクロパイプ欠陥が存在すると、高い逆電圧を印加する際に電流リークの原因となるため、パワーデバイスの高耐圧特性が著しく劣化してしまう。従って、１００ｍｍ以上の大口径ＳｉＣ単結晶基板においてもマイクロパイプ欠陥密度をできる限り低減化することがパワーデバイスとして応用する上で重要でとなっている。

マイクロパイプ欠陥の発生原因の一つとしては、異種ポリタイプの発生を極力抑制可能な、大口径ＳｉＣ単結晶インゴットの安定成長製造法の確立が必須である（非特許文献２参照）。このような異種ポリタイプの発生を防ぐためには、成長時の単結晶表面形状が概略凸形状になるように成長時の温度分布を整えることが有効であり（非特許文献３参照）、これを実現するために坩堝構造等のホットゾーン最適化が重要となる。

また他方で、マイクロパイプ欠陥以外にも、デバイス特性に重大な影響を与える結晶欠陥として亜粒界、或いは小傾角粒界のようなマクロ欠陥が挙げられる。特に、２０００℃を超える超高温での結晶成長時に、種結晶の裏面や周辺部から熱分解が発生すると、熱分解起因のマクロ欠陥が発生し、結晶品質を劣化させることが知られている。このようなマクロ欠陥の発生を抑制するために、種結晶が装着される坩堝蓋部の表面とその種結晶の装着面をなす裏面とを平坦化処理する方法（特許文献１参照)や、耐熱性を備えた接着剤による種結晶の固定方法（特許文献２参照）等の技術が提案されている。

ここで、口径が１００ｍｍ以下の単結晶を昇華再結晶法によって成長する場合、使用される種結晶の厚さは０．３〜１．５ｍｍ程度である。例えば、特許文献３には直径２５ｍｍ、厚さ１ｍｍのＳｉＣ単結晶を種結晶とすることが記載されている（段落0019）。また、特許文献４には、７５ｍｍ（３インチ）の種結晶について、従来の厚さが０．６〜０．７ｍｍであるのに対して、厚さを１．４ｍｍにして種結晶の総熱容量を大きくすることが記載されている（段落0124参照）。

特開2002-308697号公報特開2003-119098号公報特開平11-255597号公報特表2008-504203号公報

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146 N. Ohtani, M. Katsuno, T. Fujimoto, T. Aigo, and H. Tashiro: J. Cryst. Growth 226 (2001) p.254 E. Tymicki, K. Grasza, R. Diduszko, R. Bozek, and M. Gala: Cryst. Res. Technol., 42 (2007) p.1232

近年、昇華法によるＳｉＣ単結晶の成長技術開発が進捗し、現在市場の主流は口径１００ｍｍ基板となっているが、口径が１００ｍｍを超え、１５０ｍｍ以上に達する更に大口径のＳｉＣ単結晶インゴットの開発が進められている。そのため、パワーデバイスの製造効率改善を意図した単結晶の口径拡大を実際として実現するためには、ＳｉＣ単結晶の口径増大に伴って、マイクロパイプ欠陥の発生を防ぐための異種ポリタイプ発生抑制、及び亜粒界等のマクロ欠陥を発生させない大口径単結晶成長条件を実現する必要がある。すなわち、１５０ｍｍ、あるいはそれを超える大口径単結晶基板においても、それらから作製されるＳｉＣパワーデバイスが良好な特性を実現できるように、ＳｉＣ単結晶基板の結晶品質を高めることが極めて重要になる。

しかしながら、本発明者らの詳細な検討によれば、前記したような従来技術を適用しても、特に、１５０ｍｍ或いはそれを超える大口径ＳｉＣ単結晶の成長において、種結晶の外周側周辺での熱分解が頻発することが明らかになっている。すなわち、従来の技術をそのまま１５０ｍｍ以上の大口径単結晶成長に適用しても、特に種結晶の外周部における熱分解が起因となって、成長する単結晶内に亜粒界等のマクロ欠陥が発生し、口径１００ｍｍ以下の従来のＳｉＣ単結晶成長にて得られているような高い結晶品質を有する大口径単結晶が歩留まり良く得られないとの問題が発生している。

本発明では、口径が１５０ｍｍ以上の大口径単結晶成長における上記のような問題点を解決し、マクロ欠陥の無い高品質なＳｉＣ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ものである。

本発明者らは、上述した従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、昇華再結晶法により１５０ｍｍ以上の大口径ＳｉＣ単結晶を得るにあたり、所定の種結晶を用いることで、マクロ欠陥の無い高品質なＳｉＣ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。

すなわち、本発明の要旨は、
（１）種結晶を用いた昇華再結晶法により口径ｄ（ｍｍ）が１５０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶インゴットを製造する方法であって、口径が（ｄ−１０）ｍｍ以上、かつ厚さが２．０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶からなる種結晶を用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）（１）に記載の製造方法において、種結晶に用いる炭化珪素単結晶の口径が１５０ｍｍ以上であ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、
（３）（１）又は（２）に記載の製造方法において、得られる炭化珪素単結晶インゴットの先端における結晶成長端面が凸面形状を有しており、インゴット高さの位置にあたる結晶成長端面の中心点Ｏと、インゴットの外周端から中心方向５ｍｍ内側の位置にあたる結晶成長端面上の外周点Ｅとの高さの差（Ｏ−Ｅ）が０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であ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。

本発明によれば、１５０ｍｍ以上の大口径を有するＳｉＣ単結晶インゴットが歩留まり良く製造可能になる。このような単結晶から切り出された大口径ＳｉＣ単結晶基板を用いれば、極めて高性能な電力制御用パワーデバイスを高効率で作製することができる。

図１は、大口径ＳｉＣ単結晶の成長における種結晶周辺部の熱分解によるマクロ欠陥発生状況を説明する図である。図２は、昇華再結晶法(改良レーリー法)の原理を説明する図である。図３は、ＳｉＣ単結晶インゴットの形状を説明するための図である。

以下、本発明について詳しく説明する。
本発明においては、種結晶を用いた昇華再結晶法により口径ｄ（ｍｍ）が１５０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶インゴットを製造するにあたり、口径が（ｄ−１０）ｍｍ以上、かつ厚さが２．０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いるようにする。

一般に、種結晶を用いた昇華再結晶法によるＳｉＣ単結晶の成長において、高い結晶品質を実現するための成長条件の一つとして、成長時の単結晶インゴットの表面形状を成長方向に略凸状となるようにすることが必要である（非特許文献３参照）。

これは、例えば、パワーデバイスに用いられる４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の場合、＜0001＞軸、すなわち結晶のｃ軸方向に概略平行に成長を行う際には、ＳｉＣ単結晶は貫通らせん転位から繰り出される渦巻き状ステップの進展によって単結晶成長が行われる。そのため、略凸状にすることによって、成長表面上のステップ供給源が実質的に１箇所となってポリタイプ安定性を向上することが可能になると言われている。仮に、成長表面が凹面、或いは複数の頂部を有する場合には、成長ステップの供給源が複数箇所となり、これによってそれぞれの供給源から繰り出される異なるステップがぶつかり合う部分が生じる。このような場合、ぶつかり合う部分から転位等の欠陥が発生するばかりでなく、４Ｈ型ポリタイプに特有のｃ軸方向の原子積層状態が乱れやすくなるため、６Ｈ型や１５Ｒ型等のような積層構造が異なる異種ポリタイプが発生し、マイクロパイプ欠陥が生成してしまう。

従って、例えば、パワーデバイスに好適な４Ｈ型ポリタイプを安定化させて、４Ｈ型ポリタイプのみからなる、いわゆるシングルポリタイプ結晶を成長させるためには、成長結晶の成長表面形状を概略凸状とすることが重要となる。具体的には、成長結晶の中心部の温度を成長速度等の観点で最適化しつつ、かつ成長時の温度分布、すなわち等温線形状を制御して概略凸状になるようにすることで成長結晶の凸形状が実現される。このような、概略凸状の等温線が実現されている成長条件下で成長するＳｉＣ単結晶インゴットは、概ね等温線に平行になるように成長するようになり、上記したポリタイプ安定性が確保されるようになる。

しかしながら、成長結晶の口径（すなわち直径）が１５０ｍｍ以上に大口径化する場合、成長結晶の中心部の温度を成長速度等の観点で従来の１００ｍｍ口径の単結晶成長と同等に最適化しつつ、成長時の温度勾配を制御して成長結晶の成長表面形状が成長方向に概略凸状になるようにすると、どうしても種結晶の周辺部が小口径結晶成長の場合と比較して温度が高くなってしまう。その結果、種結晶自体のＳｉＣ単結晶が、その外周側の周辺部で熱分解しやすくなる。

図１には、その様子が示されている。ここで、成長するＳｉＣ単結晶の成長端表面形状は、概ね成長方向に凸状の形状を示しており、このためポリタイプが安定化されることから４Ｈ型ポリタイプのみからなる結晶が成長している。しかしながら、結晶品質を劣化させない最適な成長速度を実現するために、結晶成長表面の中心部近傍の温度を従来の１００ｍｍ口径の単結晶成長の場合と同等の最適温度に維持しようとすると、口径が１００ｍｍから１５０ｍｍに大口径化したときには種結晶の外側周辺部の温度が従来よりも必然的に高くなってしまう。

このため、特に結晶成長の極初期において、原料部のＳｉＣ原料から発生する昇華ガスが十分に種結晶へ到達するまでの時間帯に種結晶の外側周辺部でＳｉＣ単結晶の熱分解が発生し、場合によっては種結晶が部分的に消失する事態が発生してしまう。このような場合、引き続く成長過程で昇華ガスの供給が確保され、結晶成長が種結晶全面に亘って開始されたとしても、熱分解が発生した周辺部では下地層としての種結晶が消失しているために正常な単結晶が成長できず、亜粒界等のマクロ欠陥が発生し、良好な大口径ＳｉＣ単結晶が得られない。これに対して、このような種結晶周辺部における熱分解を回避するために、成長時の等温線の形状を平坦化、すなわち成長方向に対して垂直方向に平坦化しようとすると、特に成長結晶の中央付近の領域で成長端形状を凸状に維持することが困難になり、ポリタイプが不安定化して、結果として結晶品質が劣化してしまう。

一般的に、口径が１００ｍｍ以下のＳｉＣ単結晶インゴットを昇華再結晶法によって成長する場合、使用される種結晶の厚さは概ね０．３〜１．４ｍｍ程度とするのがこれまで従来技術として通常行われている現況にある（先の特許文献３、４参照）。しかしながら、本発明者らの詳しい調査によれば、特に口径が１５０ｍｍ以上の単結晶を成長する場合、使用する種結晶の厚さを増加して２．０ｍｍ以上とし、好ましくは２．５ｍｍ以上とすることによって、成長極初期の熱分解による種結晶の部分的消失を回避することが可能であることを見出した。特に、口径が１７５ｍｍ（７インチ）、あるいは２００ｍｍ（８インチ）のＳｉＣ単結晶インゴットを成長させる場合には、種結晶の厚さを２．５ｍｍ以上とすることにより熱分解抑制効果は更に顕著になる。なお、種結晶の厚さの上限については特に技術的な制約は無いが、ＳｉＣ単結晶インゴットの生産効率の観点からは概ね１０ｍｍであり、好ましくは５ｍｍであり、更に好ましくは３．５ｍｍである。また、ＳｉＣ単結晶インゴットの口径の上限については、現時点でのＳｉＣ単結晶製造技術の難易度増による製造コスト増加を避ける視点から、実質的には３００ｍｍが上限になる。

種結晶の口径については、結晶成長に使用する黒鉛坩堝の形状や断熱材の構造等を含めたホットゾーンに留意して決めればよく、特に重大な技術的制約条件は無い。例えば、成長時の等温線を略凸状とすることから、口径方向の結晶成長成分が誘起されるため、口径が１５０ｍｍ（６インチ）のＳｉＣ単結晶基板が取り出せる大口径インゴットを成長する場合には、口径が少なくとも１４０ｍｍの種結晶から成長を行うことが可能である。勿論、１５０ｍｍ口径以上の種結晶を使用することが、引き続く加工工程で十分な加工しろを確保した安定的なウエハ化製造を可能にする意味から好ましいことは言うまでも無い。同様な理由により口径２００ｍｍのＳｉＣ単結晶基板が取り出せる大口径インゴット成長の場合では、種結晶の口径は少なくとも１９０ｍｍであれば可能であるが、より好ましくは２００ｍｍ以上とすることで加工工程における大きな生産性改善効果が得られる。なお、種結晶の口径（ｄ’）の上限については特に技術的制限は無いが、単結晶の生産効率の観点からは、成長させるＳｉＣ単結晶インゴットの口径（ｄ）の概ね１．２倍あれば十分であり（ｄ’≦1.2ｄ）、好ましくは１．１倍（ｄ’≦1.1ｄ）、更に好ましくは１．０５倍（ｄ’≦1.05ｄ）であれば十分である。

ここで、本発明で採用する種結晶を用いた昇華再結晶法、あるいは昇華法、あるいは改良レーリー法（以下、昇華再結晶法と略称する）の概略について説明する。
図２に、昇華再結晶法を利用する単結晶成長装置の概略図を示す。主として黒鉛からなる坩堝３を用い、この坩堝内にアチソン法等により作製したＳｉＣ結晶原料粉末２を充填し、その対向位置にＳｉＣ単結晶からなる本発明の種結晶１を配置する。原料については特にＳｉＣ単結晶に限られる必要はなく、例えば、シリコン粉末と黒鉛粉末の混合粉のようなものであって、結晶成長が開始する温度までにＳｉＣが合成可能な原料であってもよい。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、概ね１３３Pa〜１３．３kPaの範囲の圧力に調整し、２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料粉末２と種結晶１との間に、原料粉末の温度が高くなるように温度勾配を設定することにより、原料粉末の昇華分解及び種結晶上への再結晶化を誘起し、種結晶上への単結晶成長が誘起される。成長するＳｉＣ単結晶の電気抵抗率を制御するため、ｎ型ＳｉＣ単結晶成長の場合、成長中の雰囲気ガスへ窒素ガス等を適量添加してもよい。

本発明によって得られたＳｉＣ単結晶インゴットは、従来法と同程度の凸形状を有するようにする。好ましくは、図３に示したように、成長したas-grownの状態において、炭化珪素単結晶インゴット１１の先端における結晶成長端面が凸面形状を有しており、インゴット高さの位置にあたる結晶成長端面の中心点Ｏと、インゴットの外周端から中心方向５ｍｍ内側の位置にあたる結晶成長端面上の外周点Ｅとの高さの差（Ｏ−Ｅ）が０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのがよく、好ましくは０．８ｍｍ以上１．８以下であるのがよい。このような凸形状を有することで、上述したように、安定したシングルポリタイプのＳｉＣ単結晶とすることができる。

本発明の方法によって、得られた口径１５０ｍｍ以上のＳｉＣ単結晶インゴットは、通常の研削、切断および研磨、更に必要に応じてＣＭＰ（Chemical-Mechanical polishing或いはChemo-Mechanical Polishing）等を行うことによりパワーデバイス製造用のＳｉＣ単結晶基板とすることができる。ここで、研削、切断及び研磨方法としては公知の方法と同様にすることができる。例えば、研削については、研削砥石を用いる円筒或いは平面研削装置や、ワイヤー放電加工機等を用いたワイヤー加工等を挙げることができる。切断についてはマルチワイヤーソーやダイヤモンドブレードによる外周刃切断等を挙げることができ、また、研磨方法としてはダイヤモンド粒子等を含む研磨液を用いた片面あるいは両面研磨のほか、これらに加えて、更に最終段プロセスとしてコロイダルシリカ等の極微細懸濁粒子を含むスラリーを使用したＣＭＰ等を挙げることができ、これらについては特に制限されない。

このようにして得られた、６インチ以上を有する大口径ＳｉＣ単結晶基板上には、例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）等によりＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることで、実質的に基板の全領域において、マイクロパイプや亜粒界のようなマクロ欠陥が極めて少ないエピタキシャルウエハを作製することができる。このようなエピタキシャルウエハを使用することで、電力変換特性に優れた各種のパワーデバイスを効率よく得ることが可能になる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
(実施例１)
図２に示す単結晶成長装置を用いて、以下のようなＳｉＣ単結晶成長を実施した。なお、図２は、種結晶を用いた昇華再結晶法によってＳｉＣ単結晶を成長させる装置の一例であり、本発明の構成要件を限定するものではない。

先ず、この単結晶成長装置について簡単に説明する。結晶成長は、種結晶として用いたＳｉＣ単結晶１の上に、原料であるＳｉＣ粉末２を昇華再結晶化させ、更に種結晶上へ再結晶化させることにより行われる。種結晶のＳｉＣ単結晶１は、坩堝３（主として黒鉛製）の上部内壁面に取り付けられる。原料のＳｉＣ粉末２は、黒鉛製坩堝３の内部に充填されている。このような坩堝３は、二重石英管４の内部に設置され、円周方向の温度不均一性を解消するために、１rpm未満の回転速度で坩堝を回転可能な機構になっており、結晶成長中はほぼ一定速度で常に回転できるようになっている。坩堝３の周囲には、熱シールドのための断熱保温材５が設置されている。二重石英管４は、真空排気装置６により高真空排気（10^-3Pa以下）することができ、かつ内部雰囲気をアルゴンガスにより圧力制御することができる。また、二重石英管４の外周には、ワークコイル７が設置されており、高周波電流を流すことにより坩堝３を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝の上部方向の中央部に直径２〜４mmの光路８を設け、坩堝上部の断熱材抜熱穴１０から輻射光を取り出し、二色温度計９を用いて行う。

この実施例１においては、種結晶として、口径１５０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの｛0001｝基板からなる４Ｈ−ＳｉＣ種結晶を準備した。（000−1）面（Ｃ面）が成長面となるように坩堝内の対向面（上部内壁面）に取り付けた。坩堝成長空間の内径は１５０ｍｍである。坩堝石英管内を真空排気した後、ワークコイルに電流を流し、坩堝上部の表面温度を１７００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして高純度アルゴンガス（純度99.9995%）と高純度窒素ガス（純度99.9995%）の混合ガスを流入させ、石英管内圧力を約８０kPaに保ちながら、坩堝温度を目標温度である２２５０℃まで上昇させた。雰囲気ガス中の窒素濃度は７％とした。その後、成長圧力である１．３kPaに約３０分かけて減圧した。この際の坩堝内の原料粉末２と種結晶１との間の温度勾配は約２０℃/cmである。

先ず、事前確認として成長初期の成長結晶形状を評価するために、成長時間を１０時間と短くし、その後直ちに冷却した。得られた試験ＳｉＣ単結晶インゴット（試験インゴット）の口径は約１５０．２ｍｍ、成長面形状は緩やかな凸形状で、結晶中心近傍の高さは約３．６ｍｍであった。得られた試験インゴットの成長面（結晶成長端面）の凸形状を評価するために、結晶中心部のインゴット高さとインゴット外周部より５ｍｍ内側のインゴット周辺部の高さの差（すなわち、インゴット高さの位置にあたる結晶成長端面の中心点Ｏと、インゴットの外周端から中心方向５ｍｍ内側の位置にあたる結晶成長端面上の外周点Ｅとの高さの差（Ｏ−Ｅ））を計測し、その最大値（円周に沿って外周点Ｅを変化させたときの差（Ｏ−Ｅ）が最大となる値）をインゴット凸度とした。すなわち、このインゴット凸度とは、その値が小さいほど、成長したインゴットの結晶成長端面の形状が平坦であることを示し、得られた試験インゴットのインゴット凸度を計測すると約１．０ｍｍであった。また、このインゴットについては、その外周側面や、結晶成長端面及び種結晶の裏面（結晶成長端面の反対側）を目視と実体顕微鏡で観察したところ、種結晶の熱分解消失や亜粒界等のマクロ欠陥の発生は一切なく、成長結晶はほぼ種結晶と同等の結晶品質が実現されていることを確認した。

次に、試験インゴットの場合と同じ条件において長時間成長を行った場合について、マクロ欠陥が発生しないことを確認するために、上記と全く同じ形状の種結晶及び成長条件により成長時間を９０時間としてＳｉＣ単結晶インゴットを作製した。得られたインゴットは口径約１５０．９ｍｍ、中心部高さ約２８ｍｍ、インゴット凸度は１．９ｍｍであった。また、目視と実体顕微鏡により試験インゴットの場合と同様に観察し、特に外周部（外側周辺部）の結晶性を詳しく観察した結果、マクロ欠陥は一切発生していないことが判明した。すなわち、成長高さが３〜４ｍｍに達するまでの成長初期において、種結晶の熱分解消失によるマクロ欠陥の発生が無ければ、引き続く成長においてもマクロ欠陥は一切発生しないことを確認した。

そこで、成長時間を全て１０時間で固定し、用いる種結晶の厚さを表１に示したように１．０〜３．０の範囲で変化させ、それ以外は試験インゴットの場合と同様にして、口径が約１５０ｍｍのＳｉＣ単結晶インゴットを作製した。得られた各インゴットについて、試験インゴットの場合と同様にマクロ欠陥発生の有無を目視と実体顕微鏡により調査した。表１には、異なる厚さの種結晶を用いた場合について、得られたインゴットのインゴット凸度、及びマクロ欠陥発生有無について観察結果を纏めた。

表１より判るように、ほぼ同一のインゴット凸度を有する口径約１５０ｍｍのＳｉＣ単結晶インゴットにおいて、種結晶の厚さが１．０ｍｍ及び１．４ｍｍの場合には、種結晶の周辺部が熱分解を起こして消失するためマクロ欠陥が発生し、成長したインゴットの結晶性が劣化していた。

次に、インゴット凸度を変化させた口径約１５０ｍｍの単結晶インゴットを作製した。種結晶の厚さは２．０ｍｍ、成長時間は１０時間である。ここで、ＳｉＣ単結晶インゴットのインゴット凸度を変化させるために、表２に示したように、測温用の上部断熱材穴（図２の10）の直径を２０〜４５ｍｍの範囲で変化させた。上部断熱材穴の直径を小さくすると穴からの抜熱量が減少する、すなわち断熱材穴に向う熱流線が少なくなるために等温線形状が平坦化し、このため成長する単結晶インゴットの凸度を小さくすることができる。それ以外の成長条件は上記試験インゴットを得た場合と同様にした。表２に得られた結果を示す。

得られたＳｉＣ単結晶インゴットはどれも種結晶の熱分解消失は無かったが、表２より判るように、インゴット凸度が０．４ｍｍ及び０．６ｍｍの場合には、４Ｈ型以外の異種ポリタイプが混入していることが光学顕微鏡観察によって確認され、更に実体顕微鏡による表面観察の結果、マイクロパイプ欠陥が異種ポリタイプとの境界近傍から多数発生していることが判明した。このように、インゴット凸度が０．６ｍｍ以下では成長端形状が平坦になりすぎるためにポリタイプが不安定化する。他方、上部断熱材穴を４５ｍｍまで大きくすると、上部断熱材穴からの抜熱量が過大になり、種結晶中央部の過飽和度が大きくなりすぎて正常な単結晶成長が実現されずに多結晶化している。

以上、表１及び２に示す結果より、種結晶の熱分解消失を回避するために成長インゴットの成長面形状を平坦にするとポリタイプが不安定化し、異種ポリタイプの混入によるマイクロパイプ欠陥が発生して結晶性が著しく劣化することが判る。口径１５０ｍｍの単結晶インゴットを作製する場合、ポリタイプ安定性を確保し、かつ種結晶の熱分解によるマクロ欠陥発生を抑制するためには種結晶を少なくとも２．０ｍｍとすることが有効であり、これによりマクロ欠陥の発生が無い高品質ＳｉＣ単結晶インゴットが製造可能になる。

(実施例２)
種結晶として、口径１７５ｍｍの｛0001｝基板からなる４Ｈ−ＳｉＣ種結晶であって、厚さを表３に示したように１．４〜３．５ｍｍの範囲で変えたものを用いて、また、内径１７５ｍｍの坩堝成長空間を有する坩堝を用いて、それ以外は実施例１における試験インゴットの場合と同様にして、成長時間１０時間としてそれぞれＳｉＣ単結晶インゴットを製造した。得られた各ＳｉＣ単結晶インゴットについて、実施例１と同様に目視と実体顕微鏡による観察から、結晶性を評価した。結果を表３に示す。なお、得られたＳｉＣ単結晶インゴットの口径は概ね１７５．３〜１７５．７ｍｍであった。

表３より判るように、種結晶の厚さを少なくとも２．０ｍｍとすることにより、種結晶の周辺部の熱分解による結晶消失が抑制され、マクロ欠陥の発生が皆無な口径約１７５ｍｍインゴットが得られた。このように、口径が１７５ｍｍにおよぶ大口径ＳｉＣ単結晶インゴットを製造する場合でも、種結晶の厚さを２．０ｍｍ以上とすることでマクロ欠陥の無い良好な単結晶インゴットが作製可能になる。

１種結晶(SiC単結晶)
２ SiC結晶粉末原料
３坩堝
４二重石英管(水冷)
５断熱材
６真空排気装置
７ワークコイル
８測温用窓
９二色温度計(放射温度計)
１０測温用上部断熱材穴

Claims

種結晶を用いた昇華再結晶法により口径ｄ（ｍｍ）が１５０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶インゴットを製造する方法であって、口径が（ｄ−１０）ｍｍ以上、かつ厚さが２．０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶からなる種結晶を用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。
請求項１に記載の製造方法において、種結晶に用いる炭化珪素単結晶の口径が１５０ｍｍ以上であ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。
請求項１又は２に記載の製造方法において、得られる炭化珪素単結晶インゴットの先端における結晶成長端面が凸面形状を有しており、インゴット高さの位置にあたる結晶成長端面の中心点Ｏと、インゴットの外周端から中心方向５ｍｍ内側の位置にあたる結晶成長端面上の外周点Ｅとの高さの差（Ｏ−Ｅ）が０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であ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。