JP3762559B2

JP3762559B2 - 坩堝、結晶成長装置、および、結晶成長方法

Info

Publication number: JP3762559B2
Application number: JP02069499A
Authority: JP
Inventors: 弘塩見
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: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: JP2000219594A

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】
従来から、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の単結晶を成長させる方法として、昇華法が知られている。この昇華法は、不活性ガス雰囲気の減圧状態で、たとえば黒鉛（グラファイト）の坩堝内にＳｉＣ単結晶からなる種結晶基板と粉末状の多結晶のＳｉＣからなる原材料とを対向配置させ、多結晶のＳｉＣ原材料を昇華させて種結晶基板上に再結晶させるものである。
【０００３】
図７に、このような昇華法に用いられる坩堝の一例を示す。この坩堝５０はカーボン製であり、カップ形状の底部材５２と、同じくカップ形状をなし底部材５２に対向して固定された蓋部材５４とを備えている。蓋部材５４の中央下面には、円柱状の種結晶保持台５６が設けられており、この種結晶保持台５６には、種結晶基板５８が取り付けられている。一方、底部材５２には、種結晶基板５８と対向して多結晶からなる粉末状のＳｉＣ原材料６０が収容されている。そして、このような構成の坩堝５０を図示しない結晶成長装置に組み込んで高周波加熱等を行うと、ＳｉＣ原材料６０が昇華し、種結晶基板５８の表面にＳｉＣ単結晶６２のインゴットが成長することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような坩堝を用いて結晶成長を行うにあたっては、次のような問題があった。すなわち、ＳｉＣ原材料６０を加熱すると、当該ＳｉＣ原材料６０と坩堝５０の接触部分すなわち図７の破線で示した領域Ｘにおいて、ＳｉＣの炭化が起こる。そして、ＳｉＣが炭化すると、当該炭化したＳｉＣの粉末が坩堝５０内に舞い上がり、その粉末の一部がＳｉＣ単結晶６２内に含まれて、ＳｉＣ単結晶６２の品質低下を招いてしまう。また、坩堝５０内を炭化したＳｉＣの粉末が舞うと、坩堝５０内の蒸気圧が不安定になり、このこともＳｉＣ単結晶６２の品質低下を招く原因になる。
【０００５】
また、このような原材料と坩堝の材料とが反応することによる結晶の品質低下は、原材料としてＳｉＣを用いた場合やカーボン製の坩堝を用いた場合に限られず、種々の場合が想定される。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、原材料と坩堝の材料が反応することによる結晶の品質低下を防止できる坩堝、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、本発明らは、原料と坩堝材料との反応による副生成物の発生は避け難いため、当該副生成物の単結晶への影響を減少することに着目し、鋭意研究の結果、以下のような発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、結晶を成長させる装置に適用され、種結晶が配置される種結晶配置部と、炭化ケイ素多結晶からなる原料を収容可能な炭素からなる原料収容部と、を有し、昇華された原料のガスが原料収容部の開口部を通過して種結晶に到達可能な坩堝であって、原料収容部の開口部の面積Ａと原料収容部の内面積Ｂとが、Ｂ／Ａ≦３の関係にあり、種結晶配置部を複数有することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、炭素からなる原料収容部に収容された炭化ケイ素多結晶からなる原料を昇華させることによって、種結晶上に炭化ケイ素単結晶が成長する。ここで、加熱によって原料を昇華させるのに伴い、当該原料と原料収容部の内面との接触部分において、原料と原料収容部の材料とが反応する。そして、この反応によって、原料と原料収容部の材料とからなる結晶粉末などの副生成物が坩堝内を舞うことになる。しかし、本発明では、原料収容部の内面積Ｂすなわち原料と原料収容部との接触面積が、原料収容部の開口部の面積Ａすなわち原料の昇華に寄与する面積に対して低く設定されている。つまり、原料の昇華量に対して生成した副生成物の量が少なくなり、当該副生成物の単結晶成長への影響を殆ど無視することができる。具体的には、Ｂ／Ａ≦３の関係にあれば、種結晶上に成長した単結晶は副生成物による影響を殆ど受けることなく、品質低下が防止される。
【００１０】
また、本発明の坩堝は、種結晶配置部を複数有している。これにより、坩堝内に種結晶が複数配置されることになり、一度に複数の単結晶を成長させることができる。このため、原料収容部に収容される原料の使用効率が高められる。
【００１１】
本発明の結晶成長装置は、上述の坩堝と、原料収容部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。このような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、これにより種結晶上に単結晶が成長する。
【００１２】
さらに、本発明の結晶成長装置は、種結晶配置部を原料収容部が位置する側と反対の方向へ移動させる配置部移動手段を更に備えることが望ましい。種結晶と原料を対向配置して結晶成長が進行すると、結晶の成長面は次第に原料の表面に近接していく。しかし、このような配置部移動手段を備えれば、種結晶を原料から遠ざけることができ、両者の接触を防止することができる。
【００１３】
また、本発明の結晶成長方法は、坩堝内に収容された原料を昇華させて種結晶上に結晶を成長させる結晶成長方法において、上述の種結晶配置部を複数有する結晶成長装置を準備する工程と、各種結晶配置部の間の距離Ｃおよび種結晶と原料との間の距離Ｄが、Ｄ／Ｃ≦０．２１の関係になるように、種結晶を種結晶配置部に配置すると共に原料を原料収容部に収容する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の結晶成長方法では、原料収容部の内面積Ｂに対する原料収容部の開口部の面積Ａの割合が所定の値より大きく、さらに種結晶配置部を複数有する坩堝が使用される。種結晶配置部同士の距離が短いと、隣接する単結晶の影響により各種結晶上で成長する単結晶に熱ひずみが加えられ、品質が低下してしまう。しかし、本発明では、種結晶と原料との間の距離Ｄが各種結晶配置部の間の距離Ｃに対して低く、具体的には、Ｄ／Ｃ≦０．２１の関係になるように設定されている。このため、各種結晶上で成長する単結晶は、隣接する単結晶の影響よりも昇華した原料の影響を受けるため、単結晶の品質は殆ど低下しない。
【００１５】
また、本発明の結晶成長方法において、種結晶上での結晶の成長に伴って、種結晶配置部を原料収容部が位置する側と反対の方向へ移動させることが望ましい。種結晶と原料を対向配置して結晶成長が進行すると、結晶の成長面は次第に原料の表面に近接していく。しかし、このように種結晶配置部を原料収容部が位置する側と反対の方向へ移動させれば、種結晶を原料から遠ざけることができ、両者の接触を防止することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る結晶成長装置を示す図である。本実施形態の結晶成長装置２は、内部で結晶成長が行われる坩堝４と、当該坩堝４を収容可能な反応室１３を有する装置本体６と、坩堝４の外周部および下方に配置されたヒータ（加熱手段）８と、坩堝４の外周を囲うとともに温度上昇した坩堝４の熱が外部へ伝達するのを防止する断熱部材１０と、坩堝４の上方に位置するとともに坩堝４内の種結晶支持台１４を上下動させる昇降機構１２と、から主に構成されている。
【００１８】
また、装置本体６の上部、側部、および下部には、それぞれ装置内の温度を測定可能な放射温度計１６が設けられている。さらに、坩堝４の下方には、装置本体６内にアルゴンガスを導入するためのガス導入管１８および当該ガスを外部へ排出するためのガス排気管２０が挿入固定されている。
【００１９】
図２（ａ）は、坩堝４の拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す種結晶支持台１４のｂ−ｂ方向の平面図である。図２（ａ）に示されているように、坩堝４は、原料２４であるＳｉＣ多結晶が収容される有底円筒状の原料収容部３０と、この原料収容部３０の上部に位置する円筒状の周側部３２と、周側部３２の内部空間に位置する上記種結晶支持台１４と、周側部３２の上面に取り付けられて種結晶支持台１４の上方への移動を規制する支持板規制部材２８と、から主に構成されている。原料収容部３０、周側部３２、および種結晶支持台１４は、黒鉛から形成されている。このため、坩堝４をヒータ８で加熱する際に、原料収容部３０と原料２４が反応して、この反応による副生成物が坩堝４内に舞い上がる。なお、原料収容部３０と周側部３２は、一体形成してもよいし、別体のものを接続するようにしてもよい。
【００２０】
また、図２（ｂ）で明らかにされているように、種結晶支持台１４には、種結晶２６であるＳｉＣ単結晶が固定される円形の種結晶配置部３４が全部で７つ形成されている。種結晶配置部３４の一つは種結晶支持台１４の中心に位置し、残りの六つはその外周に等角度ピッチ（６０゜）で設けられている。なお、種結晶配置部３４の直径Ｗは、６ｃｍとしてある。なお、本実施形態では、隣接する種結晶配置部３４間の距離をすべて等しくしてある。
【００２１】
ここで再び図１を用いて、結晶成長装置２の構成を説明する。上述の昇降機構１２は、坩堝４の上方に位置する直方体形状の支持部材３６と、支持部材３６の下面に形成された貫通穴４２を貫通して坩堝４の種結晶支持台１４と支持部材３６を繋ぐ連結部材３８と、パイプ４４を介して支持部材３６を昇降させる駆動モータ４０と、から成る。このような構成のもとで駆動モータ４０を作動させると、始動当初は、種結晶支持台１４が坩堝４に対して相対的に上方へ移動する。そして、種結晶支持台１４の外縁部１４ｏが支持板規制部材２８の下面に当接した後は、種結晶支持台１４の上昇に伴って坩堝４も上昇する。
【００２２】
また、上述の各ヒータ８は、電流導入用の水冷ケーブル２２を介して電力を供給されることにより、原料収容部３０の温度すなわち原料２４の温度を約２３００〜約２５００℃まで上昇し、種結晶配置部３４の温度すなわち種結晶２６の温度を約２０００〜約２４００℃まで上昇する。なお、このように原料２４を加熱することで原料２４が昇華し、当該昇華による原料２４のガスが原料収容部３０の円形の開口部３０ｏ（図２の破線で示した領域Ｙ）を通過して種結晶２６に到達する。これにより、種結晶２６上にＳｉＣ単結晶を成長させることができる。なお、本実施形態では、原料２４を昇華させるに際して、配置部移動手段である昇降機構１２を作動させる。すなわち、配置部移動手段である駆動モータ４０を作動させることで種結晶配置部３４を上昇させる。これにより、種結晶２６上で成長するＳｉＣ単結晶が原料２４に接触するという事態を防止することができる。
【００２３】
なお、ＳｉＣ単結晶の成長と同時に、図２の破線で示した領域Ｘにおいて、原料２４であるＳｉＣ多結晶と原料収容部３０の内壁面の材料である炭素とが反応することになる。そして、この反応による副生成物は坩堝４内を舞い、種結晶２６上に成長するＳｉＣ単結晶の品質を低下させる要因になり得る。本実施形態の結晶成長装置２は、原料２４と原料収容部３０の内壁との反応による副生成物のＳｉＣ単結晶成長への影響を低減する点に特徴がある。
【００２４】
続いて、本実施形態の坩堝４の寸法形状について説明する。原料収容部３０の内部の直径を２Ｒとし、原料収容部３０の内部の高さをｈとすると、原料収容部３０の開口部３０ｏの面積Ａ（以下、「開口面積Ａ」という。）と原料収容部３０の内面積Ｂは、次の式（１）および式（２）で示される。
式（１）：開口面積Ａ＝πＲ²
式（２）：内面積Ｂ＝２πＲｈ＋πＲ²
ここで、本実施形態では、原料収容部３０の内部の直径２Ｒは、２６ｃｍで、原料収容部３０の内部の高さｈは、７ｃｍである。これらの値を式（１）および式（２）に代入してＢ／Ａを求めると、その値は２．０８となる。このように、開口面積Ａに対する内面積Ｂの値を小さくすることで、原料２４の昇華量に対する原料２４と原料収容部３０の内壁の材料との反応による副生成物の量が少なくなり、当該副生成物の単結晶成長への影響を少なくすることができる。なお、実験により、Ｂ／Ａ≦３となるときに、種結晶２６上に成長するＳｉＣ単結晶の品質が低下しないことが見出された。
【００２５】
また、本実施形態では、各種結晶配置部３４間の距離Ｃを８ｃｍとしてある。さらに、種結晶２６と原料２４の間の距離Ｄが１．５ｃｍとなるように、種結晶２６および原料２４を配置してある。そして、両者の関係Ｄ／Ｃを求めると、その値は１．８８となる。仮に、各種結晶配置部３４間の距離Ｃが短いと、隣接するＳｉＣ単結晶の影響により各種結晶２６上で成長するＳｉＣ単結晶に熱ひずみが加えられ、品質が低下してしまう。しかし。本実施形態のように、種結晶２６間の距離Ｃに対する種結晶２６と原料２４の距離Ｄを小さくすることで、種結晶２６上にＳｉＣの単結晶が成長する際に、隣接するＳｉＣ単結晶の影響を受けにくくすることができる。なお、実験により、Ｄ／Ｃ≦０．２１となるときに、種結晶２６上に成長するＳｉＣ単結晶の品質が低下しないことが見出された。
【００２６】
次に、このような構成の結晶成長装置２による結晶成長方法を説明する。
【００２７】
まず、種結晶支持台１４の各種結晶配置部３４にＳｉＣ単結晶からなる種結晶２６を固定する。そして、この種結晶支持台１４を原料２４が収容された坩堝４の周側部３２にはめ込んだ後、当該坩堝４を結晶成長装置２の反応室１３にセットして、図１に示す状態とする。次いで、結晶成長装置２の真空排気を約１時間行った後、ガス導入管１８からアルゴンガスを導入して結晶成長装置２内を常圧（約７６０Ｔｏｒｒ）にする。さらに、真空排気を約１０分間行った後、アルゴンガスを導入して再び結晶成長装置２内を常圧にする。
【００２８】
次に、水冷ケーブル２２を介して約１０００Ａの電流をヒータ８に流して、原料収容部３０の温度を約２４５０℃にする。また、このとき、各種結晶２６の温度が原料収容部３０の温度よりも約５０℃ほど低くなるように調整されている。これにより、ＳｉＣ多結晶である原料２４を昇華させ、原料収容部３０の開口部３０ｏを介して、種結晶２６上にＳｉＣ単結晶を効率良く再結晶させることができる。なお、このように常圧で温度設定を行うことにより、結晶性の悪いＳｉＣ単結晶が生成することを防止できる。そして、結晶成長装置２内の圧力をアルゴン雰囲気中で約４０Ｔｏｒｒまで下げて、この状態を維持しながら種結晶２６上にＳｉＣ単結晶を０．３ｍｍ／ｈの速度で成長させ、最終的に、直径約２インチのＳｉＣ単結晶のバルクを７つ形成した。
【００２９】
このようにして得られた単結晶のフォトルミネッセンス特性を調べたところ、そのピーク波長は約４９０ｎｍであり、６ＨタイプのＳｉＣ単結晶であることが判明した。また、ホール測定を行ったところ、電気特性は、比抵抗が１Ωｃｍで、キャリア密度が約１×１０¹⁶ｃｍ^-3で、導電型ｎ型の高抵抗、低キャリア密度の単結晶であることが分かった。さらに、生成されたＳｉＣ単結晶のバルクを厚さ３３０μｍのウエハ状にスライスして、このウエハ状のＳｉＣ単結晶をダイヤモンド砥石で研磨し、さらに両面鏡面仕上げを行った。
【００３０】
かかる工程を経て完成したＳｉＣ単結晶は均質であり、端からの多結晶化および結晶の多形化が起こっていないことが目視にて判明した。さらに、エッチング法で評価したところ、マイクロパイプの密度は１０個／ｃｍ²であった。なお、エッチング液には溶融水酸化カリウムを使用し、５００℃で約２０分間エッチング処理を施した。図３は、エッチングを施したＳｉＣ単結晶の表面の顕微鏡写真（５０倍）である。この写真から、本実施形態のＳｉＣ単結晶は、欠陥の少ない高品質のものであることが分かる。なお、このＳｉＣ単結晶の光透過性を調べたところ、約２〜５μｍの波長に対しては良好であり、この結晶は不純物の取り込みの少ない高質な結晶であることが判明した。
【００３１】
このように、完成した本実施形態のＳｉＣ単結晶が高品質であるのは、上述のように、Ｂ（原料収容部３０の内面積）／Ａ（原料収容部３０の開口部３０ｏの面積）≦３とすることで、原料２４の昇華量に対する原料２４と原料収容部３０の内壁材料との反応による副生成物の量を少なくし、当該副生成物の単結晶成長への影響を減少させたためである。また、Ｄ（種結晶２６と原料２４の距離）／Ｃ（隣接する種結晶２６間の距離）≦０．２１とすることで、ＳｉＣ単結晶が成長する際に隣接する種結晶２６上で成長するＳｉＣ単結晶の影響を受けにくくなったことも、高品質化に影響を及ぼしている。なお、種結晶配置部３４を複数個設けているため、一度に複数のＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００３２】
［実施例１］
次に、図４を用いて、Ｂ（原料収容部３０の内面積）／Ａ（開口部３０ｏの面積）の値が異なる坩堝を用いて結晶成長を行った実験について説明する。全部で１０個の坩堝を用いて実験を行い、Ｂ／Ａの値が１．５〜４．１の範囲のものを使用した。図４のグラフは、その実験結果を示しており、横軸はＢ／Ａの値で、縦軸は欠陥密度を示している。このグラフより、Ｂ／Ａの値が３以下のときに、欠陥密度が著しく減少することが分かる。なお、Ｂ／Ａの値が２．１であるものが、上述の実施形態の坩堝である。
【００３３】
図５は、Ｂ／Ａの値が３．８である坩堝によって生成したＳｉＣ単結晶の顕微鏡写真（５０倍）である。このＳｉＣ単結晶にも品質を評価するためエッチング処理を施してあるが、この写真から分かるように、当該ＳｉＣ単結晶には多くの欠陥があった。
【００３４】
［実施例２］
次に、図６を用いて、Ｄ（種結晶２６と原料２４の距離）／Ｃ（隣接する種結晶２６間の距離）の値を変えて結晶成長を行った実験について説明する。坩堝は、Ｂ／Ａの値が２．１のものを使用した。種結晶２６間の距離Ｃが一定（８ｃｍ）のもとで種結晶２６と原料２４の距離Ｄを変えて、全部で８通りの実験を行った。なお、距離Ｄは、０．７２〜３．０（ｃｍ）の範囲で設定した。図６のグラフは、その実験結果を示しており、横軸はＤ／Ｃの値で、縦軸は欠陥密度を示している。このグラフより、Ｄ／Ｃの値が０．２１以下のときに、欠陥密度が著しく減少することが分かる。
【００３５】
以上、本発明者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、種結晶配置部の個数は７個に限られず、ＳｉＣ多結晶からなる原料の使用効率を考慮しない場合は１個でもよい。また、本発明の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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の坩堝およびこれを備えた結晶成長装置によれば、Ｂ（原料収容部の内面積）／Ａ（原料収容部の開口部の面積）≦３としているため、原料の昇華量に対する、原料と原料収容部の内壁材料との反応による副生成物の量が少なくなる。このため、当該副生成物の単結晶成長への影響が減少し、種結晶上に成長する単結晶の品質低下を防止することができる。
【００３７】
また、本発明の結晶成長方法によれば、Ｄ（種結晶と原料の距離）／Ｃ（隣接する種結晶間の距離）≦０．２１としているため、ＳｉＣ単結晶が成長する際に隣接する種結晶の影響を殆ど受けず、単結晶の品質低下を一層防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶成長装置を示す全体図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の結晶成長装置に装備された坩堝を示す拡大図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す種結晶支持台のｂ−ｂ方向の平面図である。
【図３】図１に示す結晶成長装置により製造されたＳｉＣ単結晶にエッチング処理を施したものの顕微鏡写真である。
【図４】Ｂ（原料収容部の内面積）／Ａ（原料収容部の開口部の面積）の値と欠陥密度との関係を示すグラフである。
【図５】Ｂ（原料収容部の内面積）／Ａ（原料収容部の開口部の面積）の値が３．８である坩堝を使用して成長させたＳｉＣ単結晶の顕微鏡写真である。
【図６】Ｄ（種結晶と原料の距離）／Ｃ（隣接する種結晶間の距離）の値と欠陥密度との関係を示すグラフである。
【図７】従来の坩堝を示す図である。
【符号の説明】
２…結晶成長装置、４…坩堝、６…装置本体、８…ヒータ、１０…断熱部材、１２…昇降機構（配置部移動手段）、１３…反応室…１４ｏ…外縁部、１４…種結晶支持台、１６…放射温度計、１８…ガス導入管、２０…ガス排気管、２２…水冷ケーブル、２４…原料、２６…種結晶、２８…支持板規制部材、３０…原料収容部、３０ｏ…開口部、３２…周側部、３４…種結晶配置部、３６…支持部材、３８…連結部材、４０…駆動モータ、５０…坩堝、５２…底部材、５４…蓋部材、５６…種結晶保持台、５８…種結晶基板、６０…原材料、６２…単結晶。

Claims

結晶を成長させる装置に適用され、種結晶が配置される種結晶配置部と、炭化ケイ素多結晶からなる原料を収容可能な炭素からなる原料収容部と、を有し、昇華された前記原料のガスが前記原料収容部の開口部を通過して前記種結晶に到達可能な坩堝であって、
前記原料収容部の前記開口部の面積Ａと前記原料収容部の内面積Ｂとが、Ｂ／Ａ≦３の関係にあり、
前記種結晶配置部を複数有することを特徴とする坩堝。
請求項１記載の坩堝と、前記原料収容部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。
前記種結晶配置部を前記原料収容部が位置する側と反対の方向へ移動させる配置部移動手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載の結晶成長装置。
坩堝内に収容された原料を昇華させて種結晶上に結晶を成長させる結晶成長方法において、
請求項２記載の結晶成長装置を準備する工程と、
前記各種結晶配置部の間の距離Ｃおよび前記種結晶と前記原料との間の距離Ｄが、Ｄ／Ｃ≦０．２１の関係になるように、前記種結晶を前記種結晶配置部に配置すると共に前記原料を前記原料収容部に収容する工程と、
を含むことを特徴とする結晶成長方法。
前記種結晶上での前記結晶の成長に伴って、前記種結晶配置部を前記原料収容部が位置する側と反対の方向へ移動させることを特徴とする請求項４記載の結晶成長方法。