JP2018087098A - 炭化珪素単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向の温度均一性を向上可能な炭化珪素単結晶の製造装置を提供する。【解決手段】炭化珪素単結晶の製造装置は、炉心管と、坩堝と、発熱体とを有している。炉心管は、内側面と内側面の反対側の外側面とを有する。坩堝は、内側面に取り囲まれている。発熱体は、坩堝を取り囲み、かつ電流が流れるように構成されている。発熱体は、坩堝を取り囲む環状部と、環状部に連なる継手部とを含む。炉心管には、内側面および外側面に開口する貫通孔が設けられている。継手部は、貫通孔の内部に配置されている。電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部の断面積の最小値を環状部の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である。【選択図】図１

Description

本開示は、炭化珪素単結晶の製造装置に関する。

特開２０１１−１６２４１４号公報（特許文献１）には、炭化珪素結晶の製造装置が開示されている。当該炭化珪素結晶の製造装置においては、坩堝の外周側にヒータが配置されている。

特開２０１１−１６２４１４号公報

本開示の目的は、周方向の温度均一性を向上可能な炭化珪素単結晶の製造装置を提供することである。

本開示に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、炉心管と、坩堝と、発熱体とを備えている。炉心管は、内側面と内側面の反対側の外側面とを有する。坩堝は、内側面に取り囲まれている。発熱体は、坩堝を取り囲み、かつ電流が流れるように構成されている。発熱体は、坩堝を取り囲む環状部と、環状部に連なる継手部とを含む。炉心管には、内側面および外側面に開口する貫通孔が設けられている。継手部は、貫通孔の内部に配置されている。電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部の断面積の最小値を環状部の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である。

本開示によれば、周方向の温度均一性を向上可能な炭化珪素単結晶の製造装置を提供することができる。

本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の構成を示す一部断面模式図である。 発熱体の構成を示す斜視模式図である。 図２における領域ＩＩＩの拡大図である。 発熱体の構成を示す平面模式図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に沿った矢視断面模式図である。 図５の変形例を示す断面模式図である。 図４におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った矢視断面模式図である。 図４におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置を用いて炭化珪素単結晶を製造する第１工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置を用いて炭化珪素単結晶を製造する第２工程を示す断面模式図である。

［本開示の実施形態の概要］
まず、本開示の実施形態の概要について説明する。

（１）本開示に係る炭化珪素単結晶の製造装置１は、炉心管１０と、坩堝２０と、発熱体３とを備えている。炉心管１０は、内側面１１と内側面１１の反対側の外側面１２とを有する。坩堝２０は、内側面１１に取り囲まれている。発熱体３は、坩堝２０を取り囲み、かつ電流が流れるように構成されている。発熱体３は、坩堝２０を取り囲む環状部３０と、環状部３０に連なる継手部４とを含む。炉心管１０には、内側面１１および外側面１２に開口する貫通孔１３が設けられている。継手部４は、貫通孔１３の内部に配置されている。電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面積の最小値を環状部３０の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である。

上記（１）に係る炭化珪素単結晶の製造装置１によれば、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面積の最小値を環状部３０の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である。これにより、継手部４の一部もしくは全体の断面積を小さくして、継手部４の一部もしくは全体の電気抵抗を大きくすることができる。そのため、継手部４の発熱量を大きくすることができる。その結果、炉心管１０の貫通孔１３を通して環状部３０の熱の一部が逃げた場合においても、継手部４と環状部３０との接続部の温度の低下を抑えることができる。従って、環状部３０の周方向の温度均一性を高く維持することができる。その結果、坩堝２０の周方向の温度均一性を向上することができる。

（２）上記（１）に係る炭化珪素単結晶の製造装置１は、外側面に接する断熱材５０をさらに備えていてもよい。断熱材５０には、貫通孔１３に連通する孔５１が設けられていてもよい。継手部４は、孔５１の内部に設けられていてもよい。これにより、断熱材５０の孔５１を通して環状部３０の熱の一部が逃げた場合においても、継手部４と環状部３０との接続部の温度の低下を抑えることができる。従って、環状部３０の周方向の温度均一性を高く維持することができる。その結果、坩堝２０の周方向の温度均一性を向上することができる。

（３）上記（１）に係る炭化珪素単結晶の製造装置１は、継手部４に接続されたロッド４０をさらに備えていてもよい。ロッド４０は、孔５１の内部に設けられていてもよい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに係る炭化珪素単結晶の製造装置１において、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面形状は、Ｕ字型である。これにより、継手部４の強度を高く維持しながら、電気抵抗を大きくすることができる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、図面に基づいて本開示の実施形態（以降、本実施形態とも称する）の詳細について説明する。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。

まず、本実施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１は、炉心管１０と、坩堝２０と、発熱体３と、電源２と、断熱材５０と、ロッド４０とを主に有している。炉心管１０は、中空の管であり、内側面１１と、外側面１２とを有する。外側面１２は、内側面１１の反対側にある。炉心管１０には、内側面１１および外側面１２に開口する第１貫通孔１３が設けられている。炉心管１０には、第１貫通孔１３と反対側にあり、かつ内側面１１および外側面１２に開口する第２貫通孔１４が設けられている。第１貫通孔１３は、坩堝２０に対して、第２貫通孔１４の反対側に位置している。

坩堝２０は、炉心管１０の内部に配置されている。言い換えれば、坩堝２０は、炉心管１０の内側面１１に取り囲まれている。坩堝２０は、頂面２１と、底面２２と、外側面２３とを有する。外側面２３は、頂面２１と底面２２との間にある。発熱体３は、坩堝２０の外側面２３を取り囲んでいる。発熱体３は、電流が流れるように構成されている。言い換えれば、発熱体３には電流が流れる。発熱体３は、たとえばグラファイトなどの導電体である。発熱体３は、坩堝２０の外側面２３を取り囲む環状部３０と、環状部３０に連なる継手部４とを有する。継手部４は、第１継手部６０および第２継手部７０を含む。第１継手部６０は、一般に（単相の場合）、環状部３０に対して、第２継手部７０の反対側に位置している。言い換えれば、環状部３０は、第１継手部６０と第２継手部７０との間にある。第１継手部６０は、第１貫通孔１３の内部に配置されている。同様に、第２継手部７０は、第２貫通孔１４の内部に配置されている。

断熱材５０は、炉心管１０の外側に配置されている。断熱材５０は、炉心管１０の外側面に接する。断熱材５０には、第１貫通孔１３に連通する第１孔５１が設けられていてもよい。第１孔５１は、第１孔部５３と、第２孔部５４とを有する。第１孔部５３は、第１貫通孔１３に連通する。第２孔部５４は、第１孔部５３に連通する。第１孔部５３は、炉心管１０の径方向と平行な方向（図１における横方向）に沿って延在している。第２孔部５４は、炉心管１０の軸方向と平行な方向（図１における縦方向）に延在している。第１継手部６０は、第１孔部５３の内部に設けられていてもよい。同様に、断熱材５０には、第２貫通孔１４に連通する第２孔５２が設けられていてもよい。第２孔５２は、第３孔部５５と、第４孔部５６とを有する。第３孔部５５は、第２貫通孔１４に連通する。第４孔部５６は、第３孔部５５に連通する。第３孔部５５は、炉心管１０の径方向と平行な方向に延在している。第４孔部５６は、炉心管１０の軸方向と平行な方向に延在している。第２継手部７０は、第３孔部５５の内部に設けられていてもよい。

ロッド４０は、継手部４に接続されている。ロッド４０は、たとえばグラファイト製である。電流が流れる方向に垂直な断面において、ロッド４０の断面積は、継手部４および環状部３０の各々の断面積よりも大きくてもよい。ロッド４０の電気抵抗を、継手部４および環状部３０の各々の電気抵抗よりも小さくして、ロッド４０の発熱量を、継手部４および環状部３０の各々の発熱量よりも小さくしてもよい。ロッド４０は、第１ロッド部４１と、第２ロッド部４２とを有する。第１ロッド部４１は、第１継手部６０に接続されている。第１ロッド部４１は、第２孔部５４の内部に設けられている。第１ロッド部４１は、炉心管１０の軸方向と平行な方向に延在している。言い換えれば、第１継手部６０の長手方向は、第１ロッド部４１の長手方向に対してほぼ垂直である。同様に、第２ロッド部４２は、第２継手部７０に接続されている。第２ロッド部４２は、第４孔部５６の内部に設けられている。第２ロッド部４２は、炉心管１０の軸方向と平行な方向に延在している。言い換えれば、第２継手部７０の長手方向は、第２ロッド部４２の長手方向に対してほぼ垂直である。電源２は、発熱体３に電力を印加可能に構成されている。電源２は、第１ロッド部４１の下端にある銅製の第１電極（図示せず）と、第２ロッド部４２の下端にある銅製の第２電極（図示せず）とに接続されている。

図２および図３に示されるように、環状部３０には、第１切欠部３１と、第２切欠部３２とが設けられている。第１切欠部３１と、第２切欠部３２とは、環状部３０の周方向に沿って交互に配置されている。言い換えれば、第１切欠部３１の隣に第２切欠部３２が設けられている。第１切欠部３１は、炉心管１０の軸方向の下側に開口している。反対に、第１切欠部３１は、炉心管１０の軸方向の上側に開口している。第１切欠部３１および第２切欠部３２の各々の開口の方向および配置パターンは、図２の構成に限定されない。たとえば開口の方向は、上下反転していてもよい。

第１継手部６０には、第１凹部６１が設けられている。第１継手部６０は、第１上面６２と、第１側面６３と、第１接続部６４とを有する。第１側面６３は、第１上面６２に連なる。第１凹部６１は、第１上面６２に形成されている。第１接続部６４は、第１ロッド部４１に接続される。第１凹部６１は、第１接続部６４と、環状部３０との間に設けられている。第１凹部６１は、炉心管１０の軸方向の上側に開口しつつ、環状部３０に向かって開口している。第１凹部６１は、第２切欠部３２と連なっていてもよい。言い換えれば、第１継手部６０は、第２切欠部３２の下側の部分において、環状部３０と接していてもよい。第１凹部６１の開口の方向および配置パターンは、図２の構成に限定されない。たとえば開口の方向は、上下反転していてもよい。

同様に、第２継手部７０には、第２凹部７１が設けられている。第２継手部７０は、第２上面７２と、第２側面７３と、第２接続部７４とを有する。第２側面７３は、第２上面７２に連なる。第２凹部７１は、第２上面７２に形成されている。第２接続部７４は、第２ロッド部４２に接続される。第２凹部７１は、第２接続部７４と、環状部３０との間に設けられている。第２凹部７１は、炉心管１０の軸方向の上側に開口しつつ、環状部３０に向かって開口している。第２凹部７１は、第２切欠部３２と連なっていてもよい（図３参照）。言い換えれば、第２継手部７０は、第２切欠部３２の下側の部分において、環状部３０と接していてもよい。第２凹部７１の開口の方向および配置パターンは、図２および図３の構成に限定されない。たとえば開口の方向は、上下反転していてもよい。

電源２から供給される電流が直流の場合、図４に示されるように、電流は、たとえば第１継手部６０から第２継手部７０に向かって流れる。矢印５は、電流の流れる方向を示している。第１継手部６０を流れる電流は、第１継手部６０と環状部３０との接続部において、環状部３０の一方側（図４の上側）と、他方側（図４の下側）とに分岐する。分岐した電流は、第２継手部７０と環状部３０との接続部において合流する。環状部３０においては、電流の流れる方向は、環状部３０の周方向である。第１継手部６０および第２継手部７０においては、電流の流れる方向は、各継手部の長手方向である。図４に示されるように、炉心管１０の軸方向から見た場合（以下、平面視とも称する）、第１継手部６０および第２継手部７０の各々は、炉心管１０と交差していてもよい。具体的には、平面視において、第１凹部６１は、炉心管１０と交差していてもよい。同様に、平面視において、第２凹部７１は、炉心管１０と交差していてもよい。なお、電流は、直流であってもよいし、交流（たとえば単相交流または三相交流）であってもよい。三相交流の場合、３つの継手部のうちの２つが互いに１２０°の角度をなすように環状部３０の外周側に配置される。３つの継手部の各々に対応する３つの孔５１が断熱材５０に設けられる。

図５および図６に示されるように、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面形状は、Ｕ字型である。図５に示されるように、第２凹部７１の断面形状は、円弧状であってもよい。継手部４の最大高さ１０１は、継手部４の幅１０５よりも小さくてもよい。図６に示されるように、第２凹部７１は、側部７１ａと、底部７１ｂとにより規定されていてもよい。側部７１ａは、第２上面７２と連なる。底部７１ｂは、側部７１ａと連なる。側部７１ａは、第２側面７３とほぼ平行である。側部７１ａは、第２上面７２に対してほぼ垂直に延在している。底部７１ｂは、第２上面７２とほぼ平行に延在する。第２凹部７１の高さ１０３は、継手部４の最大高さ１０１の半分以上であってもよいし、半分未満であってもよい。

図７に示されるように、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、第２切欠部３２の下側の環状部３０の高さ１０４は、環状部３０の最大高さ１０２のほぼ半分であってもよい。第２切欠部３２の下側の環状部３０の高さ１０４は、環状部３０の最大高さ１０２の半分以上であってもよいし、半分未満であってもよい。同様に、図８に示されるように、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、第１切欠部３１の上側の環状部３０の高さ１０４は、環状部３０の最大高さ１０２のほぼ半分であってもよい。第２切欠部３２の下側の環状部３０の高さ１０４は、環状部３０の最大高さ１０２の半分以上であってもよいし、半分未満であってもよい。図１に示されるように、環状部３０の最大高さ１０２は、継手部４の最大高さ１０１よりも大きくてもよい。

電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面積の最小値Ａを環状部３０の断面積の最小値Ｂで除した値（Ａ／Ｂ）は、２．５未満である。当該値（Ａ／Ｂ）は、２．３未満であってもよいし、２．１未満であってもよい。当該値（Ａ／Ｂ）は、１より大きくてもよい。継手部４の断面積の最小値を示す部分は、たとえば図５に示す部分であってもよい。継手部４の断面積の最小値Ａは、たとえば３．５ｃｍ^２である。環状部３０の断面積の最小値を示す部分は、たとえば図７に示す部分であってもよいし、図８に示す部分であってもよい。環状部３０の断面積の最小値Ｂは、たとえば１．６８ｃｍ^２である。この場合、Ａ／Ｂは、約２．０８である。継手部４の発熱は、継手部４の長手方向において一律であってもよいし、一律でなくてもよい。継手部４の断面積は、継手部４の長手方向において異なっていてもよい。たとえば、環状部３０から５０ｍｍまでの継手部４の第１領域において、値（Ａ／Ｂ）を２．５未満として第１領域の抵抗値を高くして発熱量を増加させ、環状部３０から５０ｍｍを超えロッド４０までの継手部４の第２領域において、値（Ａ／Ｂ）を２．５以上として第２領域の抵抗値を低くして発熱量を低減させてもよい。

次に、本開示に係る炭化珪素単結晶の製造方法の一例について説明する。
図９に示されるように、収容部７と台座６とを有する坩堝２０が準備される。台座６は、坩堝２０の頂面２１を構成する。収容部７は、坩堝２０の外側面２３および底面２２を構成する。収容部７および台座６は、たとえば多孔質のグラファイトを含む材料からなる。発熱体３（図１参照）は、坩堝２０の外側面２３を取り囲んでいる。

炭化珪素原料９が、収容部７内に配置される。炭化珪素原料９は、たとえば多結晶炭化珪素の粉末である。種結晶８は、たとえば接着剤（図示せず）を用いて台座６に固定される。種結晶８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８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８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８は、種結晶８の表面が、炭化珪素原料９の表面に対面するように配置される。

次に、収容部７内に設けられている炭化珪素原料９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９が昇温している間、収容部７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７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７内の炭化珪素原料９が昇華を開始し、種結晶８の表面上において再結晶化する。これにより、種結晶８の表面上において炭化珪素単結晶が成長し始める。炭化珪素単結晶が成長している間、収容部７内は、たとえば０．１ｋＰａ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９を昇華させることにより、種結晶８の表面上に炭化珪素単結晶８０が成長する（図１０参照）。

次に、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の作用効果について説明する。
本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置１によれば、電流の流れる方向に対して垂直な断面において、継手部４の断面積の最小値を環状部３０の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である。これにより、継手部４の断面積を小さくして、継手部４の電気抵抗を大きくすることができる。そのため、継手部４の発熱量を大きくすることができる。その結果、炉心管１０の貫通孔１３を通して環状部３０の熱の一部が逃げた場合においても、継手部４と環状部３０との接続部の温度低下を抑えることができる。従って、環状部３０の周方向の温度均一性を高く維持することができる。その結果、坩堝２０の周方向の温度均一性を向上することができる。また好ましくは、継手部４の断面形状は、Ｕ字型である。これにより、継手部４の強度を高く維持しながら、電気抵抗を大きくすることができる。つまり、継手部４の強度を高く維持しつつ、種結晶８の表面の面内均熱性を向上することができる。

また本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置１は、外側面に接する断熱材５０をさらに有している。断熱材５０には、貫通孔１３に連通する孔５１が設けられている。継手部４は、孔５１の内部に設けられている。これにより、断熱材５０の孔５１を通して環状部３０の熱の一部が逃げた場合においても、継手部４と環状部３０との接続部の温度低下を抑えることができる。従って、環状部３０の周方向の温度均一性を高く維持することができる。その結果、坩堝２０の周方向の温度均一性を向上することができる。

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 製造装置
２ 電源
３ 発熱体
４ 継手部
６ 台座
７ 収容部
８ 種結晶
９ 炭化珪素原料
１０ 炉心管
１１ 内側面
１２ 外側面
１３ 第１貫通孔（貫通孔）
１４ 第２貫通孔
２０ 坩堝
２１ 頂面
２２ 底面
２３ 外側面
３０ 環状部
３１ 第１切欠部
３２ 第２切欠部
４０ ロッド
４１ 第１ロッド部
４２ 第２ロッド部
５０ 断熱材
５１ 第１孔（孔）
５２ 第２孔
５３ 第１孔部
５４ 第２孔部
５５ 第３孔部
５６ 第４孔部
６０ 第１継手部
６１ 第１凹部
６２ 第１上面
６３ 第１側面
６４ 第１接続部
７０ 第２継手部
７１ 第２凹部
７１ａ 側部
７１ｂ 底部
７２ 第２上面
７３ 第２側面
７４ 第２接続部
８０ 炭化珪素単結晶

Claims (4)

1. 内側面と前記内側面の反対側の外側面とを有する炉心管と、
   前記内側面に取り囲まれた坩堝と、
   前記坩堝を取り囲み、かつ電流が流れるように構成された発熱体とを備え、
   前記発熱体は、前記坩堝を取り囲む環状部と、前記環状部に連なる継手部とを含み、
   前記炉心管には、前記内側面および前記外側面に開口する貫通孔が設けられており、
   前記継手部は、前記貫通孔の内部に配置されており、
   前記電流の流れる方向に対して垂直な断面において、前記継手部の断面積の最小値を前記環状部の断面積の最小値で除した値は、２．５未満である、炭化珪素単結晶の製造装置。
2. 前記外側面に接する断熱材をさらに備え、
   前記断熱材には、前記貫通孔に連通する孔が設けられており、
   前記継手部は、前記孔の内部に設けられている、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
3. 前記継手部に接続されたロッドをさらに備え、
   前記ロッドは、前記孔の内部に設けられている、請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
4. 前記電流の流れる方向に対して垂直な断面において、前記継手部の断面形状は、Ｕ字型である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。

Images