JP3719866B2

JP3719866B2 - 坩堝、結晶成長装置、および、結晶成長方法

Info

Publication number: JP3719866B2
Application number: JP02069799A
Authority: JP
Inventors: 弘塩見; 修平近藤
Original assignee: Mitsubishi Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: JP2000219595A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇華法により炭化ケイ素単結晶などを成長させるために用いられる坩堝、これを用いた結晶成長装置、および、結晶成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、昇華法によってＳｉＣ単結晶などを成長させるために使用される坩堝として、たとえば特開平２−３０６９９号公報の図１に示されたような、原料を収容するカップ状の坩堝が使用されていた。そして、ＳｉＣ単結晶などの成長を行うに際しては、種結晶が固定された蓋をこの坩堝の上面に被せることで、内部の気密を保っていた。
【０００３】
しかし、このタイプの坩堝によって単結晶成長を行った場合、生成された単結晶を取り出すには坩堝を割らなければならず、坩堝の再利用を行うことができなかった。この問題を解消し得る坩堝として、たとえば特開平８−２４５２９９号公報の図９に示されたような、原料を収容する下側の有底円筒と種結晶配置部が設けられた上側の有底円筒とを対向配置させた坩堝がある。このタイプの坩堝によれば、生成された単結晶を取り出すには下側の有底円筒と上側の有底円筒とを分離させればよいため、坩堝を割る必要がなくなり、坩堝の再利用を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２４５２９９号公報に示された下側の有底円筒と上側の有底円筒とから成るタイプの坩堝には、次のような問題があった。すなわち、図７に示すように、原料５８を収容する下側の有底円筒５２と種結晶６０が固定された上側の有底円筒５４とによって坩堝５０が形成されているため、両者の接続部分５６に存在する微小な隙間から、昇華した原料ガスが外部に漏れるという問題があった。
【０００５】
また、原料５８を昇華させて種結晶６０上に効率良く単結晶を成長させるために、原料５８を囲う部分すなわち下側の有底円筒５２が最も加熱されるのだが、このとき、別体であるがゆえに下側の有底円筒５２から上側の有底円筒５４への熱伝達が行われにくいという問題があった。この結果、上側の有底円筒５４の温度が低くなり、上側の有底円筒５４の内周面５４ａでＳｉＣなどが再結晶してしまい、原料５８の使用効率が低下して種結晶６０上に大型の単結晶を成長させることが困難であった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、原料の外部への漏れを防止できるとともに、種結晶上に単結晶を効率良く成長させることができる坩堝、これを用いた結晶成長装置、および、結晶成長方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る坩堝は、結晶を成長させる装置に適用され、原料を収容可能な第一の有底外管と、第一の有底外管の開口端にその開口端が接続されると共に種結晶を配置可能な種結晶配置部を含む第二の有底外管と、を有し、原料の昇華に伴って種結晶上に結晶が成長可能な坩堝において、筒状形状をなし、一端の外周面が第一の有底外管の内周面に接触し、他端の外周面が第二の有底外管の内周面に接触する内管を更に備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の坩堝によれば、原料を収容する第一の有底外管から種結晶配置部を有する第二の有底外管まで延在する内管が備えられているため、第一の有底外管の開口端と第二の有底外管の開口端との接続部分から原料が漏れるという事態が防止される。また、原料を昇華させた際に、第二の有底外管の内周面のうち内管で覆われている部分では、原料の再結晶は起こらない。さらに、内管の一端は原料に接するため、昇華させられる際に加熱される原料の熱が内管全体に伝達される。このため、内管の温度低下が防止され、当該内管の内周面で原料は再結晶せず、殆どの原料が種結晶上で再結晶することになる。
【０００９】
また、本発明の坩堝において、内管の他端は、種結晶配置部の周囲近傍に位置することが望ましい。このような構成を採用した場合、第二の有底外管の内周面のうち、当該有底外管の開放端から種結晶配置部が存在する部分までが内管に覆われるため、第二の有底外管の内周面で昇華した原料が再結晶するという事態が一層防止される。
【００１０】
また、本発明の坩堝において、内管は、所定の開口孔を有するマスク部を有し、開口孔に臨む位置に、種結晶配置部が位置していることが望ましい。このような構成を採用した場合、昇華した原料は、マスク部の開口孔を通過して種結晶配置部に配置される種結晶に到達することができる。このため、種結晶上に単結晶を効率良く成長させることができる。
【００１１】
さらに、本発明の坩堝において、上記内管の外周部は黒鉛によって形成され、内周部は黒鉛を除くタンタルなどの高融点材料によって形成されていることが望ましい。このような構成を採用した場合、内管を黒鉛のみで形成した場合と異なり、種結晶上で成長する結晶に炭素のインクルージョン等による欠陥が発生する事態を防止できる。また、内管をタンタルのみで形成した場合と比較して、高価なタンタルの使用量が少なくなるためコストを削減できると共に、種結晶上で成長した結晶の熱膨張率とタンタルの熱膨張率との差に起因する熱応力に基づく欠陥が当該結晶に発生する事態を防止することができる。なお、高融点材料には、タンタルのみならず、タンタルカーバイド、ニオブカーバイド、モリブデンカーバイドなどの融点が２０００℃を超える金属またはその化合物が含まれる。
【００１２】
本発明に係る結晶成長装置は、上述の坩堝と、当該坩堝を加熱可能な加熱手段とを少なくとも備えることを特徴とする。本発明の結晶成長装置によれば、加熱手段によって坩堝内の原料が昇華されて、種結晶上で単結晶が成長する。この際、坩堝が上述のような構成となっているため、原料の外部への漏れを防止できるとともに、種結晶上で単結晶を効率良く成長させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る坩堝、結晶成長装置、および、結晶成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する記載は省略する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の坩堝２を示す断面図である。坩堝２は、主に、ＳｉＣ多結晶からなる原料１２を収容する下側の有底外管（第一の有底外管）４と、ＳｉＣ単結晶からなる種結晶１０がその底面に固定された種結晶配置部８が設けられている上側の有底外管（第二の有底外管）６と、から構成されている。また、有底外管４の開口端４ｏと有底外管６の開口端６ｏとが接続されて、内部の気密が保たれている。なお、有底外管４、有底外管６、および種結晶配置部８は、黒鉛によって形成されている。また、種結晶１０の直径は、約４．５ｃｍで、有底外管４および有底外管６の内径は、約５ｃｍである。
【００１５】
有底外管４は、略円筒状の側管１４と、当該側管１４の下側の開放端を塞ぐ底部材１６とから成る。なお、側管１４の下端部１４ｌの径は、その上部の径よりも小さくなっており、この下端部１４ｌが、底部材１６の内壁面と嵌合している。一方、有底外管６は、円筒形状の側管１８と、当該側管１８の上側の開放端を塞ぐ円板状の蓋部材２０とから成る。蓋部材２０の底面には、上述の種結晶配置部８が取り付けられている。なお、本実施形態では、有底外管４は側管１４と底部材１６を接続して、有底外管６は側管１８と蓋部材２０を接続して構成されているが、必ずしもこのように別体にする必要はなく、有底外管は一体的に形成してもよい。
【００１６】
また、有底外管４および有底外管６の内部には、本実施形態の特徴である円筒形状の内管２２がはめ込まれている。この内管２２は黒鉛からなり、下端部２２ｌの外周面は有底外管４の底近傍の内周面と接触しており、上端部２２ｕの外周面は有底外管６の底近傍の内周面と接触している。さらに、内管２２の上端部２２ｕは、種結晶配置部８の周囲近傍、詳しくは種結晶１０と同程度の高さに位置している。また、内管２２の内部に、上記原料１２が収容されている。なお、内管２２は、タンタル、タンタルカーバイド、ニオブカーバイド、モリブデンカーバイドなどの融点が２０００℃を超える高融点金属またはその化合物（高融点材料）によって形成してもよい。
【００１７】
図２は、図１に示す坩堝２を備えた結晶成長装置３０を示す断面図である。坩堝２は、水冷式反応管３２内で固定されている。坩堝２の外部には、坩堝２の熱が外部へ伝達するのを防止する熱シールド部材３４が設けられている。反応管３２の周囲には、坩堝２を加熱するための高周波コイル（加熱手段）３６が巻回されている。また、反応管３２の頂点部には、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入できるガス導入管３８が介挿され、反応管３２の底部には、不活性ガスを外部に排出するためのガス排出管４０が介挿されている。
【００１８】
以上が、本実施形態の坩堝および結晶成長装置の構成である。次に、図１および図２を参照しながら、この坩堝２および結晶成長装置３０によって、ＳｉＣ単結晶を成長させる方法を説明する。
【００１９】
まず、有底外管４に内管２２を挿入した後、当該内管２２内にＳｉＣ多結晶から成る原料１２を収容する。そして、原料１２を収容した後、内管２２と有底外管６を嵌合させる。これにより、有底外管４の開口端４ｏと有底外管６の開口端６ｏとが密着固定し、図１に示す坩堝２が完成する。次いで、この坩堝２を結晶成長装置３０の反応管３２内に配置して、図２に示す状態とする。
【００２０】
結晶成長装置３０の準備が完了したら、高周波コイル３６によって坩堝２を加熱する。このとき、原料１２の温度が約２３００〜約２５００℃となり、種結晶１０の温度が約２０００〜約２４００℃となるように温度勾配を設ける。これにより、ＳｉＣ多結晶からなる原料１２が昇華して、当該昇華した原料１２のガスが種結晶１０に到達し、種結晶１０の表面にＳｉＣ単結晶が成長する。なお、原料１２および種結晶１０の温度設定は、抵抗加熱法によって行ってもよい。
【００２１】
このとき、本実施形態では、有底外管４の底近傍から有底外管６の底近傍まで延在する内管２２が備えられているため、有底外管４の開口端４ｏと有底外管６の開口端６ｏとの接続部分から原料１２または昇華した原料１２のガスが外部に漏れるという事態を防止することができる。
【００２２】
また、原料１２を昇華させた際に、有底外管６の内周面のうち内管２２で覆われている部分では、ＳｉＣの再結晶は起こらない。さらに、内管２２の下端部２２ｌは原料１２に接するため、加熱される原料１２の熱が内管２２全体に伝達される。このため、内管２２の温度低下が防止され、当該内管２２の内周面でＳｉＣは再結晶せず、殆どのＳｉＣを種結晶１０上で再結晶させることができる。
【００２３】
なお、内管２２の上端部２２ｕの位置は、図１のように種結晶配置部８の近傍に限定されるわけではなく、種結晶１０より下方に位置しても良い。但し、有底外管６の内周面におけるＳｉＣの再結晶を確実に防止することを考慮すると、上端部２２ｕの位置は種結晶１０と同程度以上の高さにあることが望ましい。
【００２４】
種結晶１０でのＳｉＣ単結晶の成長が終了した後は、有底外管６を有底外管４および内管２２から抜去し、さらに、内管２２を有底外管４から抜き出す。これにより、有底外管６内に固定された種結晶１０上に成長したＳｉＣ単結晶を取り出すことができる。このように、本実施形態の坩堝２は、有底外管４と有底外管６を分離できるため、完成したＳｉＣを取り出す際に坩堝を割る必要がなく、坩堝の再利用を図ることができる。
【００２５】
［第２実施形態］
次に、図３を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態の坩堝４２を示す断面図である。本実施形態の坩堝４２が第１実施形態の坩堝２と異なるのは、内管２２の上方に、円形の開口孔４０が穿設されたマスク部材４４が取り付けられている点である。なお、本実施形態で使用される種結晶１０の直径は約３．５ｃｍであり、第１実施形態よりも小径の種結晶を使用している。開口孔４０の直径は、種結晶１０の直径と同程度にされており、マスク部材４４の上面と種結晶配置部８とは、約５ｍｍの間隔が設けられている。また、マスク部材４４には、開口孔４０から下方に広がる傾斜面４４ａが形成されている。
【００２６】
このような構成の坩堝４２を図２に示す結晶成長装置３０に組み込んで高周波加熱を行うと、昇華した原料１２のガスが開口孔４０を通過して種結晶１０に到達し、図４に示すように、種結晶１０上にＳｉＣ単結晶のバルク４６が形成される。このように、マスク部材４４に形成された開口孔４０は、種結晶１０の直径が内管２２の内径に対して小さい場合に、昇華した原料ガスを種結晶１０に導ける点で特に有用である。また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に有底外管４の底近傍から有底外管６の底近傍まで延在する内管２２が備えられているため、有底外管４の開口端４ｏと有底外管６の開口端６ｏとの接続部分から原料１２または昇華した原料１２のガスが外部に漏れるという事態を防止することができる。
【００２７】
また、原料１２を昇華させた際に、有底外管６の内周面のうち、内管２２およびマスク部材４４で覆われている部分では、ＳｉＣの再結晶は起こらない。さらに、内管２２の下端部２２ｌは原料１２に接するため、加熱される原料１２の熱が内管２２全体に伝達される。このため、内管２２の温度低下が防止され、当該内管２２の内周面でＳｉＣは再結晶せず、殆どのＳｉＣを種結晶１０上で再結晶させることができる。
【００２８】
またさらに、内管２２の熱はマスク部材４４にも伝達されるため、ＳｉＣ単結晶のバルク４６を、図４に示すように先端部（下部中央）が下方に膨らんだ形状に成長させることができる。これに対し、マスク部材４４の温度が所定温度よりも低いときは、ＳｉＣ単結晶はマスク部材４４の傾斜面４４ａ上で成長しやすくなる。このため、バルク４６は傾斜面４４ａに沿って成長し、先端部が凹んだ形状になって長尺のバルクを形成することが困難になる。
【００２９】
バルク４６が完成した後は、図５に示すように、有底外管４と有底外管６の接続および内管２２とマスク部材４４の接続を切り離す。これにより、種結晶１０上に成長したＳｉＣ単結晶のバルク４６を取り出すことができる。このように、本実施形態の坩堝４２においても、第１実施形態と同様に有底外管４と有底外管６を分離できるため、完成したＳｉＣを取り出す際に坩堝を割る必要がなく、坩堝の再利用を図ることができる。
【００３０】
なお、マスク部材４２は、内管２２の上方でなく内管２２の内部に収容させてもよい。また、マスク部材４２と内管２２は、一体的に形成してもよい。これらのときは、内管からマスク部材への熱伝達率が向上し、より長尺のバルク４６を生成することができる。
【００３１】
［第３実施形態］
次に、図６を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。図６は、本実施形態の坩堝４２を示す断面図である。本実施形態の坩堝４２が第２実施形態の坩堝２と異なるのは、内管２２の構成である。本実施形態の内管２２は、黒鉛からなる外側円筒（外周部）２２ｏと、タンタルからなる内側円筒（内周部）２２ｉとから構成されている。なお、内管２２の内周部のタンタルは、厚さ約０．１ｍｍ程度の薄膜としてもよい。
【００３２】
このような構成を採用した場合、上記各実施形態のように内管２２を黒鉛のみで形成した場合と異なり、種結晶１０上で成長するＳｉＣ単結晶に炭素のインクルージョン等による欠陥が発生する事態を防止できる。また、内管２２をタンタルのみで形成した場合と比較して、高価なタンタルの使用量が少なくなるためコストを削減できると共に、種結晶１０上で成長したＳｉＣ単結晶の熱膨張率とタンタルの熱膨張率との差に起因する熱応力に基づく欠陥が当該ＳｉＣ単結晶に発生する事態を防止することができる。
【００３３】
実際に、本実施形態の坩堝４２によって成長させたＳｉＣ単結晶の欠陥量を測定したところ、次のような結果を得ることができた。まず、内管２２を黒鉛のみで形成した場合と比較すると、炭素のインクルージョン等による欠陥が約２３％減少し、さらに、マイクロパイプ等の結晶欠陥が約４７％減少した。また、内管２２をタンタルのみで形成した場合と比較して、ＳｉＣ単結晶の熱膨張率とタンタルの熱膨張率との差に起因する熱応力に基づく結晶欠陥を約１０％低減することができた。
【００３４】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、坩堝および結晶成長装置の用途は、ＳｉＣ単結晶の成長に限定されるわけではなく、この他、ＺｎＳｅ等のII-VI族化合物半導体やＧａＮ等のIII-V族化合物半導体など、広く気相法による結晶成長にも使用することができる。また、内管の形状は円筒形状に限られず、有底外管の形状に合わせて角筒形状などにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原料を収容する第一の有底外管から種結晶配置部を有する第二の有底外管まで延在する内管が備えられているため、第一の有底外管の開口端と第二の有底外管の開口端との接続部分から原料が漏れるという事態を防止できる。また、原料を昇華させた際に、第二の有底外管の内周面のうち内管で覆われている部分では、原料の再結晶は起こらない。さらに、内管の一端は原料に接するため、昇華させられる際に加熱される原料の熱が内管全体に伝達される。このため、内管の温度低下を防止でき、当該内管の内周面で原料は再結晶せず、殆どの原料を種結晶上で再結晶させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の坩堝を示す断面図である。
【図２】図１に示す坩堝が配置された結晶成長装置を示す断面図である。
【図３】第２実施形態の坩堝を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の坩堝によりＳｉＣ単結晶を成長させた状態を示す図である。
【図５】第２実施形態の坩堝を分離した状態を示す図である。
【図６】第３実施形態の坩堝を示す断面図である。
【図７】従来の坩堝を示す断面図である。
【符号の説明】
２…坩堝、４ｏ…開口端、４…有底外管（第一の有底外管）、６ｏ…開口端、６…有底外管（第二の有底外管）、８…種結晶配置部、１０，６０…種結晶、１２，５８…原料、１４…側管、１６…底部材、１８…側管、２０…蓋部材、２２…内管、２２ｏ…外側円筒（外周部）、２２ｉ…内側円筒（内周部）、３０…結晶成長装置、３２…反応管、３４…熱シールド部材、３６…高周波コイル（加熱手段）、３８…ガス導入管、４０…ガス排出管、４０…開口孔、４２…坩堝、４４…マスク部材、４４ａ…傾斜面、４６…バルク、５０…坩堝、５２，５４…有底円筒、５４ａ…内周面、５６…接続部分。

Claims

結晶を成長させる装置に適用され、原料を収容可能な第一の有底外管と、前記第一の有底外管の開口端にその開口端が接続されると共に種結晶を配置可能な種結晶配置部を含む第二の有底外管と、を有し、前記原料の昇華に伴って前記種結晶上に前記結晶が成長可能な坩堝において、
筒状形状をなし、一端の外周面が前記第一の有底外管の内周面に接触し、他端の外周面が前記第二の有底外管の内周面に接触する内管を更に備えることを特徴とする坩堝。
前記内管の前記他端は、前記種結晶配置部の周囲近傍に位置することを特徴とする請求項１記載の坩堝。
前記内管は、所定の開口孔を有するマスク部を有し、前記開口孔に臨む位置に、前記種結晶配置部が位置していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の坩堝。
前記内管は、黒鉛またはタンタルなどの高融点材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載の坩堝。
前記内管の外周部は黒鉛によって形成され、前記内管の内周部は黒鉛を除くタンタルなどの高融点材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載の坩堝。
請求項１〜請求項５記載のうち何れか一項に坩堝と、前記坩堝を加熱可能な加熱手段とを少なくとも備えることを特徴とする結晶成長装置。
請求項６記載の結晶成長装置を準備する準備工程と、前記加熱手段により前記坩堝を加熱する加熱工程と、を備えることを特徴とする結晶成長方法。