JP2020040843A - 単結晶成長方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】昇華した原料ガスが、原料表面で再結晶化することを抑制し、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制できる単結晶成長方法を提供することを目的とする。【解決手段】この単結晶成長方法は、原料を収容する内底部と、前記内底部と対向する結晶設置部と、を備える坩堝において、前記内底部に原料を収容する収容工程と、前記収容工程の後に、前記結晶設置部からの平面視で、前記原料の表面の少なくとも一部を、メタルカーバイド粉末で被覆する被覆工程と、前記被覆工程の後に、加熱により前記原料を昇華させ、前記結晶設置部に設置された単結晶を成長させる結晶成長工程と、を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、単結晶成長方法に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
半導体等のデバイスには、ＳｉＣウェハ上にエピタキシャル膜を形成したＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられる。ＳｉＣウェハ上に化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって設けられたエピタキシャル膜が、ＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となる。ＳｉＣウェハは、ＳｉＣインゴットを加工して得られる。
ＳｉＣインゴットは、昇華再結晶法（以下、昇華法という）等の方法で作製できる。昇華法は、原料から昇華した原料ガスを種結晶上で再結晶化することで、大きな単結晶を得る方法である。高品質なＳｉＣインゴットを得るために、欠陥や異種多形（ポリタイプの異なる結晶が混在すること）を抑制する方法が求められている。
特許文献１には、ＳｉＣ原料の表面にＳｉ原料を添加することで、結晶成長面における原料ガスのＣとＳｉとの比（Ｃ／Ｓｉ比）を制御し、欠陥や異種多形を抑制する方法が記載されている。
しかしながら、結晶成長した単結晶内に異種多形が含まれる場合はあり、異種多形をさらに抑制できる方法が求められていた。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、昇華した原料ガスが、原料表面で再結晶化することを抑制し、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制できる単結晶成長用坩堝及び単結晶成長方法を提供することを目的とする。
本発明者は、結晶成長後の原料表面に析出物が発生すると、成長した単結晶内に異種多形が発生しやすいことを見出した。析出物は、昇華した原料ガスの一部が原料粉末を核として再結晶化したものと考えられる。そこで、析出物が発生する原料の表面を、ＳｉＣが吸着生成しにくいメタルカーバイドで覆うことを検討した。その結果、原料ガスの一部が核成長することを抑制し、析出物の発生が抑制され、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる単結晶成長方法は、原料を収容する内底部と、前記内底部と対向する結晶設置部と、を備える坩堝において、前記内底部に原料を収容する収容工程と、前記収容工程の後に、前記結晶設置部からの平面視で、前記原料の表面の少なくとも一部を、メタルカーバイド粉末で被覆する被覆工程と、前記被覆工程の後に、加熱により前記原料を昇華させ、前記結晶設置部に設置された単結晶を成長させる結晶成長工程と、を有する。
（２）上記態様にかかる単結晶成長方法の前記被覆工程において、前記メタルカーバイド粉末で被覆する領域が、前記原料の表面の中央領域を含んでもよい。
（３）上記態様にかかる単結晶成長方法の前記被覆工程において、前記メタルカーバイド粉末が前記原料の表面全面を覆ってもよい。
（４）上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記メタルカーバイド粉末の粒径が、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。
（５）上記態様にかかる単結晶成長用坩堝において、前記メタルカーバイド粉末が、タンタルカーバイド粉末であってもよい。
（６）上記態様にかかる単結晶成長用坩堝において、前記被覆工程で被覆され、メタルカーバイド粉末からなる被覆領域の平均厚みを１．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下としてもよい。
上記態様にかかる単結晶成長用坩堝及び単結晶成長方法によれば、昇華した原料ガスが、原料表面で再結晶化することを抑制し、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制できる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「単結晶成長方法」
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる単結晶成長方法を説明するための模式図である。まず単結晶成長方法に用いる単結晶成長装置１００について説明する。図１に示す単結晶成長装置１００は、坩堝１０と加熱手段３０とを有する。図１では、坩堝１０の内部構造を同時に図示する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる単結晶成長方法を説明するための模式図である。まず単結晶成長方法に用いる単結晶成長装置１００について説明する。図１に示す単結晶成長装置１００は、坩堝１０と加熱手段３０とを有する。図１では、坩堝１０の内部構造を同時に図示する。
坩堝１０は、内部空間を取り囲む容器である。坩堝１０は、内底部１１と、内底部１１と対向する結晶設置部１２と、を備える。内底部１１には、原料Ｍが収容される。結晶設置部１２には、種結晶１が設置される。例えば結晶設置部１２は、原料Ｍ側から見て中央の位置に、円柱状に原料Ｍに向かって突出している。結晶設置部１２には、黒鉛等の炭素材料を用いることができる。
加熱手段３０は、坩堝１０の外周を覆っている。加熱手段３０として例えばコイルを用いることができる。コイルの内部に電流を通電すると、坩堝１０に誘導電流が生じ、原料Ｍが加熱される。
第１実施形態にかかる単結晶成長方法は、上述の単結晶成長装置１００を用いる。以下、単結晶成長装置１００を用いた単結晶成長方法について説明する。第１実施形態にかかる単結晶成長方法は、収容工程と、被覆工程と、結晶成長工程とを有する。
収容工程では、坩堝１０の内底部１１に原料Ｍを収容する。例えば、ＳｉＣの粉末原料を内底部１１に充填する。原料Ｍの原料表面Ｍａは、結晶設置部１２に対する対称性を高めるために、平坦にならすことが好ましい。収容されるＳｉＣ粉末原料の平均粒径は、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
被覆工程では、原料Ｍの原料表面Ｍａの少なくとも一部をメタルカーバイド粉末１８で覆う。
メタルカーバイト粉末１８は、例えば、タンタルカーバイド（ＴａＣ）、タングステンカーバイド（ＷＣ）、ニオブカーバイド（ＮｂＣ）、モリブデンカーバイド（ＭｏＣ）、ハフニウムカーバイド（ＨｆＣ）等の遷移金属炭化物である。これらの材料は耐熱性、安定性に優れる。またこれらの材料は、原料ＭよりＳｉＣが吸着生成しにくい材料であり、再結晶化の起点となるＳｉＣの結晶核が生じることを防止できる。原料粒子も再結晶化の起点になりうるが、メタルカーバイド粉末１８の被覆により、原料ガスに対して露出することを防止し、再結晶化に伴う析出物の発生が抑制される。
メタルカーバイド粉末１８の平均粒径は、原料Ｍを構成するＳｉＣ粉末原料の平均粒径より大きいことが好ましい。メタルカーバイド粉末１８の平均粒径は、例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。坩堝１０内に生じる対流等によりメタルカーバイド粉末が巻き上がることが抑制される。またメタルカーバイド粉末１８の間に十分なすき間が確保され、原料Ｍから昇華した原料ガスが種結晶１に効率的に供給される。
メタルカーバイド粉末１８は、原料表面Ｍａの中央領域を覆うことが好ましい。中央領域は、原料表面Ｍａの中央から２０面積％の領域である。中央領域の平面視形状は、原料表面Ｍａの平面視形状と相似形とする。
坩堝１０の中央領域の温度は、外周領域より低い。したがって、原料ガスの再結晶化は、外周領域より中央領域で生じやすい。再結晶化が生じやすい中央領域をメタルカーバイド粉末１８で被覆し、原料Ｍが昇華しやすい外周領域をメタルカーバイド粉末１８で被覆しないことで、種結晶１に原料ガスを効率的に供給できる。
メタルカーバイド粉末１８は、原料表面内最高温度より１５℃以上低くなる領域を覆っている状態が望ましい。原料表面Ｍａにおいて、原料表面内最高温度よりも２０℃以上低い領域ができると原料表面Ｍａに析出物を生じやすくなる。メタルカーバイド粉末１８による原料表面Ｍａの被覆面積が高まると、析出防止効果が高まる。一方で、メタルカーバイド粉末１８による原料表面Ｍａの被覆面積が高まると、昇華ガスが種結晶側へ出る流れを阻害するおそれがある。求められる仕様に応じてメタルカーバイド粉末の原料表面Ｍａの被覆量は適宜設定できる。
メタルカーバイド粉末１８は、中央領域より広い範囲を覆っていてもよい。例えば、析出防止部材１３は、中心から内底部１１の５０面積％以上の領域を覆っていることが好ましく、中心から内底部１１の８０面積％以上の領域を覆っていることがより好ましい。
メタルカーバイド粉末１８が原料表面Ｍａの一部のみを被覆する場合、仕切り板１９を用いて被覆する領域を区分してもよい。仕切り板１９を用いることで、原料表面Ｍａの高さ位置と、メタルカーバイド粉末１８の表面１８ａの高さ位置を変えることができる。原料表面Ｍａとメタルカーバイド粉末１８の表面１８ａの高さ位置は一致していても、異なっていてもよい。メタルカーバイド粉末１８の表面１８ａは、原料表面Ｍａから２０ｍｍ以内の領域にあることが好ましい。メタルカーバイド粉末１８の表面１８ａは原料表面Ｍａより上方（結晶設置部１２側）に位置してもよいし、下方（内底部１１側）に位置してもよい。
またメタルカーバイド粉末１８は、図２に示すように、原料Ｍの表面全面を覆ってもよい。メタルカーバイド粉末１８の間の隙間を通って、原料Ｍから昇華した原料ガスが種結晶１に到達する。
メタルカーバイド粉末１８からなる被覆領域の平均厚みは１．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。被覆領域の平均厚みを所定の範囲にすることで、原料ガスを種結晶１に効率的しつつ、原料ガスの原料表面Ｍａでの再結晶化を抑制できる。
メタルカーバイド粉末１８の表面は、平坦にならしてもよいし、坩堝１０の中央に向かって凸の山型形状でもよい。
次いで、原料Ｍと対向する位置の結晶設置部１２に種結晶１を設置する。種結晶１の設置は、原料Ｍを収容する前でも収容後でもよい。種結晶１及び原料Ｍを収容後に、坩堝１０を密閉する。
結晶成長工程では、加熱手段３０によって加熱する。例えば、コイルに通電する。コイルからの誘導電流が坩堝１０に生じ発熱する。坩堝１０により加熱された原料Ｍは昇華し、種結晶１の表面で再結晶化し、種結晶１が結晶成長する。
第１実施形態にかかる単結晶成長方法によれば、昇華した原料ガスが、原料表面Ｍａで再結晶化することを抑制でき、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制できる。
坩堝１０はコイル３０により外側から加熱される。坩堝１０の中央領域の温度は外側より低い。坩堝１０内に収容された原料Ｍの昇華は坩堝１０の外周領域で主に生じる。外周領域とは、坩堝１０の内部で中央領域より外側の領域を意味する。メタルカーバイド粉末１８がない場合、外周領域で昇華した原料ガスの一部は、中央領域に位置する原料粒子を核に結晶成長する。原料粒子を核に再結晶化したものが、結晶成長後の原料表面に析出物として残存する。安定的に単結晶成長させるためには、成長空間内の昇華ガスのＣ／Ｓｉ比を安定させる必要がある。原料面の析出現象はこのＣ／Ｓｉ比を不安定化させ、異種多形発生の原因になると考えられる。
これに対し、メタルカーバイド粉末１８が原料表面Ｍａを被覆すると、析出物の発生が抑制される。メタルカーバイド粉末１８は、ＳｉＣが吸着生成しにくいメタルカーバイドからなる。そのため、昇華した原料ガスがメタルカーバイド粉末１８上で再結晶化することも抑制される。つまり、第１実施形態にかかる単結晶成長装置１００は、析出物の発生を抑制し、結晶成長する単結晶内に異種多形が生じることを抑制する。
またメタルカーバイド粉末１８からなる被覆領域の大きさは、自由に調整できる。部材の場合、大サイズの加工等の制約があるが、粉末の場合、制約が少ない。
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例について詳述したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
「実施例１」
まず内部に円柱状の内部空間が設けられた結晶成長用坩堝を準備した。そして、結晶成長用坩堝の内底部に原料として粉末状態のＳｉＣ粉末原料を充填した。次いで、充填したＳｉＣ粉末原料上に、タンタルカーバイド粉末を設置した。タンタルカーバイド粉末は、原料の中央領域を被覆していた。
まず内部に円柱状の内部空間が設けられた結晶成長用坩堝を準備した。そして、結晶成長用坩堝の内底部に原料として粉末状態のＳｉＣ粉末原料を充填した。次いで、充填したＳｉＣ粉末原料上に、タンタルカーバイド粉末を設置した。タンタルカーバイド粉末は、原料の中央領域を被覆していた。
そして結晶設置部に４Ｈ−ＳｉＣの種結晶を設置して、６インチのＳｉＣインゴットを結晶成長させた。作製されたＳｉＣインゴットは、全て４Ｈ−ＳｉＣであり、異種多形を含まなかった。また設置したタンタルカーバイド粉末上に析出物は確認されなかった。
「比較例１」
比較例１では、タンタルカーバイド粉末を用いなかった点が実施例１と異なる。すなわち、原料表面を被覆せずに、ＳｉＣインゴットを結晶成長させた。その他の条件は、実施例１と同様にして単結晶の結晶成長を行った。
比較例１では、タンタルカーバイド粉末を用いなかった点が実施例１と異なる。すなわち、原料表面を被覆せずに、ＳｉＣインゴットを結晶成長させた。その他の条件は、実施例１と同様にして単結晶の結晶成長を行った。
作製されたＳｉＣインゴットは、４Ｈ−ＳｉＣの中に６Ｈ−ＳｉＣおよび菱面体晶の１５Ｒ−ＳｉＣの異種多形が含まれていた。また原料表面に多数の析出物が確認された。
１ 種結晶
１０ 容器
１１ 内底部
１２ 結晶設置部
１８ メタルカーバイド粉末
１８ａ 表面
１９ 仕切り板
３０ コイル
１００ 単結晶成長装置
Ｍ 原料
Ｍａ 原料表面
１０ 容器
１１ 内底部
１２ 結晶設置部
１８ メタルカーバイド粉末
１８ａ 表面
１９ 仕切り板
３０ コイル
１００ 単結晶成長装置
Ｍ 原料
Ｍａ 原料表面
Claims (6)
- 原料を収容する内底部と、前記内底部と対向する結晶設置部と、を備える坩堝において、
前記内底部に原料を収容する収容工程と、
前記収容工程の後に、前記結晶設置部からの平面視で、前記原料の表面の少なくとも一部を、メタルカーバイド粉末で被覆する被覆工程と、
前記被覆工程の後に、加熱により前記原料を昇華させ、前記結晶設置部に設置された単結晶を成長させる結晶成長工程と、を有する単結晶成長方法。 - 前記被覆工程において、前記メタルカーバイド粉末で被覆する領域が、前記原料の表面の中央領域を含む、請求項１に記載の単結晶成長方法。
- 前記被覆工程において、前記メタルカーバイド粉末が前記原料の表面全面を覆う、請求項１又は２に記載の単結晶成長方法。
- 前記メタルカーバイド粉末の粒径が、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶成長方法。
- 前記メタルカーバイド粉末が、タンタルカーバイド粉末である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の単結晶成長方法。
- 前記被覆工程で被覆され、メタルカーバイド粉末からなる被覆領域の平均厚みを１．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の単結晶成長方法。
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