JP4547031B2 - 炭化珪素単結晶製造用坩堝、並びに炭化珪素単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素原料を昇華させ、種結晶上に炭化珪素結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造用坩堝、並びに炭化珪素単結晶の製造装置及び製造方法に関する。

炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線にも強い等の物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。しかし、SiCは、化学組成が同じでも、多数の異なった結晶構造を取る結晶多形(ポリタイプ)構造を持つ代表的物質である。このポリタイプは、結晶構造においてSiとCの結合した分子を一単位として考えた場合、この単位構造分子が結晶のＣ軸方向([0001]方向)に積層する際の周期構造が異なることにより生じる。ここで、代表的なポリタイプとしては、6H、4H、15R、又は3Cがあり、最初の数字は積層の繰り返し周期を示し、また、アルファベットは結晶系(Hは六方晶系、Rは菱面体晶系、Cは立方晶系)を表す。そして、各ポリタイプは、それぞれ物理的、電気的特性が異なり、その違いを利用して各種用途への応用が考えられている。

従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶が得られていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。

また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。しかしながら、この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約２０%もあること等により、多くの欠陥(〜10⁷cm^-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。

そこで、これらの問題点を解決するために、SiC単結晶[0001]面基板を種結晶として昇華再結晶を行う、改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献１)。この昇華再結晶法は、２０００℃を超える高温においてSiC粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部に再結晶化させることにより、SiC結晶を製造する方法であり、特に改良レーリー法と呼ばれ、バルク状のSiC単結晶の製造に利用されている。そして、この改良レーリー法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程を制御することができ、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールすることができる。

ここで、改良レーリー法の原理を説明すると、図８に示すように、[0001]面を結晶成長面として種結晶となるSiC単結晶と原料となるSiC結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された研磨材を洗浄・前処理したものが使用される。〕は、坩堝（通常、黒鉛製であるが、高融点材料、黒鉛コート高融点材料、高融点材料コート黒鉛等の黒鉛以外の材料が部分的に使用される場合もある。）の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(133〜13.3kPa)、２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料粉末に比べて種結晶がやや低温になるように（例えば、100〜200℃低くなるように）、温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配（温度勾配により形成される。）により、種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。この際、結晶の体積抵抗率は、不活性ガスからなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、あるいは、SiC原料粉末中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、SiC単結晶構造中のシリコン又は炭素原子の位置を不純物元素にて置換させて(ドーピング)制御することができる。ここで、SiC単結晶中の置換型不純物として代表的なものとしては、窒素(n型)、ホウ素、アルミニウム(ｐ型)がある。これらの不純物によりキャリア型及び濃度を制御しながら、SiC単結晶を成長させることができる。現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から口径２インチ(50.8mm)から３インチ(76.2mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル薄膜成長、デバイス作製に供されている。

上記したように、改良レーリー法においては、SiC単結晶は、黒鉛製坩堝内にて高温下で昇華した原料が温度勾配により形成される濃度勾配によって拡散、輸送されて種結晶上へ到達し、そこで再結晶化することで成長する。このため、結晶成長における坩堝内の昇華ガスの流れが結晶成長に与える影響は大きい。そこで、原料から発生した昇華ガスを種結晶基板に集めるために、ガス流量を制御する目的で、種結晶取り付け部に円錐フランジを設ける例が、特許文献１等に示されている。

特開2007-230846号公報

Yu. M. Tairov and V.F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52 (1981), pp.146-150

ところで、近年、例えば、6HポリタイプのSiC単結晶については、青色から紫外にかけての短波長光デバイス用基板として用いられ、また、4HポリタイプのSiC単結晶については、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしての応用が考えられるようになり、このSiC単結晶についても、より大きな面積を有すると共により高品質であるものが求められるようになってきた。
しかしながら、このような大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料であるにもかかわらず、その実用化が阻まれていた。

そこで、本発明者らは、先ず、大面積で高品質のSiC単結晶を工業的規模で安定的に製造する上で障害となっている原因について検討した結果、次のような事実を突き止めた。
すなわち、実際に上記改良レーリー法において結晶成長を行った場合、成長初期は種結晶上にほぼ種結晶と同径の結晶が成長する（図９(a)参照）が、坩堝内部の温度勾配の影響により、正面方向と同時に側面方向に付与される温度勾配が駆動力となり、結晶は成長と共に徐々にその外径を拡大していく傾向がある（図９(b)参照）。この傾向は、結晶成長全時間帯に渡って継続されるため、徐々に坩堝の内壁と成長結晶との距離が縮まることとなり、この影響で成長結晶周辺における昇華ガスの流れが減少することになる。この時、原料充填部分は同様に加熱されており、その加熱に即した一定量の原料昇華ガスが発生して成長結晶に向かって拡散しているため、結果として周辺部での昇華ガス流量は成長のフロントである成長結晶中央部、しばしばファセット部という原子レベルでの平坦面近傍に向かって増加する。この効果で、しばしばファセット近傍にて結晶の成長が乱れ、種結晶と異種のポリタイプ構造が発生し、マイクロパイプ（転位芯が中空となった大型らせん転位）欠陥や、多結晶化が起きて結晶性が著しく劣化する。

そして、このような傾向は、上述の特許文献１のような円錐フランジを設けた坩堝を用いた場合にも発生し、結晶成長過程の中期から後半にかけて成長が不安定となり、異種ポリタイプが混在して結晶品質劣化を招くことが頻発し、問題となる。

本発明者らは、昇華再結晶法（具体的には前述した改良レーリー法）において、時間の経過と共に成長した結晶が坩堝内壁に向けて次第に拡がっていくことに起因する昇華ガスの流れの変化を制御し、これによって結晶性の良好な炭化珪素単結晶を得ることができる炭化珪素単結晶製造用坩堝、並びに炭化珪素単結晶の製造装置及び製造方法について鋭意検討した結果、成長結晶周辺部での昇華ガスの流れを制御できる新たな坩堝構造に到達し、また、この新たな構造の坩堝を用いて成長結晶周辺部での昇華ガスの流れを制御することにより、特に好ましくは、成長結晶周辺部での昇華ガスの流量が徐々に少しずつ増加していくように昇華ガスの流れを制御することにより、従来の昇華再結晶法における問題を解決できることを見い出し、本発明を完成した。

従って、本発明は、上記の従来技術での問題を解決し、比較的大面積で結晶性の良好な炭化珪素単結晶を工業的規模で安定的に製造することができる炭化珪素単結晶製造用坩堝、並びに炭化珪素単結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、以下の構成よりなるものである。
(1) 炭化珪素原料を収容する坩堝容器と種結晶が取り付けられる坩堝蓋とを有し、前記坩堝容器内の炭化珪素原料を昇華させて前記坩堝蓋に取り付けられた種結晶上に炭化珪素の昇華ガスを供給し、この種結晶上で炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造用坩堝であり、前記坩堝容器と前記坩堝蓋には互いにネジ嵌合されるネジ部が設けられていると共に、これら坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部にはこれらネジ部の相対的回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝が設けられていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造用坩堝である。

(2) 前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部に設けられた昇華ガス排出溝は、その開口面積が、溝出口側から溝入口側に向けて次第に変化するように形成されていることを特徴とする上記(1)に記載の炭化珪素単結晶製造用坩堝である。

(3) 前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部に設けられた昇華ガス排出溝は、ネジ部の円周方向に沿って開口していると共に、その開口幅の最長部の総計長さがネジ部外周長の１／４以上９／１０以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶製造用坩堝である。

(4) 炭化珪素原料を収容する坩堝容器及び種結晶が取り付けられる坩堝蓋を有する坩堝を備え、前記坩堝容器内の炭化珪素原料を昇華させて坩堝蓋に取り付けられた種結晶上に炭化珪素の昇華ガスを供給し、この種結晶上で炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置であり、前記坩堝容器と坩堝蓋には互いにネジ嵌合させるネジ部を設けると共に、これら坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部にはこれらネジ部の相対的回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝を設け、前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋にはネジ部に相対的回転を付与するネジ部駆動手段を設けたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置である。

(5) 請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置を用い、坩堝容器内に収容した炭化珪素原料を昇華させて、該昇華ガスを坩堝蓋に取り付けた種結晶上に供給し、この種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であり、炭化珪素単結晶の成長過程で、昇華ガスの坩堝外への排出量を変化させながら炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法である。

(6) 昇華ガスの坩堝外への排出量は、結晶の成長に連動して徐々に増加するように制御される(5)に記載の炭化珪素単結晶の製造方法である。

ここで、坩堝の形状としては、原料の炭化珪素粉末を収容する坩堝容器と種結晶が取り付けられる坩堝蓋とを有し、坩堝容器と坩堝蓋との間に相対的回転の付与が可能なネジ部を形成することができれば、どのような形状でもよいが、好ましくは坩堝から外部への放熱に関して、周方向における放熱量の均一性に優れていることから、円筒形状がより好適である。

また、坩堝容器と坩堝蓋とを互いにネジ嵌合させるために設けられるネジ部は、これら坩堝容器と坩堝蓋の形状に応じて、坩堝容器側に雌ネジ部を形成して坩堝蓋側に雄ネジ部を形成しても、また反対に、坩堝容器側に雄ネジ部を形成して坩堝蓋側に雌ネジ部を形成してもよく、例えば、円盤状の坩堝蓋を上端開口円筒状の坩堝容器の上端開口部内にネジ嵌合させる坩堝の場合には、坩堝容器の上端開口部内面側に雌ネジ部を形成して、坩堝蓋の外周部に雄ネジ部を形成するのがよく、また、外周部にフランジ部を有する坩堝蓋を上端開口円筒状の坩堝容器の上部に被せてネジ嵌合させる坩堝の場合には、坩堝蓋のフランジ部内面側に雌ネジ部を形成して、坩堝容器の上部外側に雄ネジ部を形成する。

更に、これら坩堝容器と坩堝蓋の間のネジ部に形成される昇華ガス排出溝については、坩堝容器と坩堝蓋のネジ部の相対的回転により流量調整が可能な溝に形成されていればよく、坩堝容器のネジ部にのみ形成されていてもよく、また、坩堝蓋のネジ部にのみ形成されていてもよく、更には、坩堝容器のネジ部と坩堝蓋のネジ部の両者に形成されてこれらが協同して流量調整が可能な溝を構成するようになっていてもよい。ここで、ネジ部の相対的回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝とは、ネジ部が相対的に回転することにより、排出溝が開閉したり、あるいは、ネジ部の相対的回転により排出溝の開口面積が変化し、この排出溝を介して坩堝の内部から外部へ排出される昇華ガスの流れや流量を制御することができる昇華ガスの排出溝のことである。

そして、この昇華ガス排出溝の加工については、ネジ山（谷）が無くなるように削り取るのがその工作上効率的であるが、ネジ山（谷）以上の深さに削り取っても、また、ネジ山（谷）の基部を残すようにネジ山の先端の一部を削り取ってもよい。昇華ガス排出溝が形成される坩堝容器及び坩堝蓋のネジ部のピッチとネジ山の高さは、坩堝のサイズに合わせて設定され、特に限定されないが、ピッチは１〜３mmが好ましく、また、ネジ山の高さは０．３〜２mmが好ましい。そして、このネジ部に形成される昇華ガス排出溝の形状については、坩堝蓋と坩堝容器とを相対的に回転させることにより、排出溝を開閉したりその開口面積を変化させることができればよく、どのような形状のものでもよいが、好ましくは昇華ガスの流れをその流量が少しずつ増加するように制御できるものであるのがよく、そのためには溝の円周方向幅寸法や深さ寸法がネジ部の軸方向において順次変化する形状が好ましい。また、昇華ガス排出溝の溝形成箇所の数については、少なくとも１箇所以上あればよいが、成長結晶周辺部からの昇華ガスの排出量を均一にするという観点から好ましくは３箇所以上であるのがよく、また、坩堝蓋の製作上の観点から２０箇所以下であるのがよい。

本発明によれば、炭化珪素原料を昇華させ、種結晶上に炭化珪素結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造において、結晶成長過程で昇華ガスの流れの乱れや流量を制御できるので、このような昇華ガスの流れの乱れや流量変化に起因する各種欠陥の発生を防止することができ、結晶性の良好なSiC単結晶を高い歩留まりで成長させることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝容器と坩堝蓋の構造を示す断面説明図である。

図２は、図１の坩堝蓋のネジ部に施した昇華ガス排出溝を説明するための坩堝蓋の側面説明図(a)、上面説明図(b)、及び下面説明図(c)である。

図３は、本発明の実施例２に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝蓋の雄ネジ部に施した昇華ガス排出溝を説明するための坩堝蓋の側面説明図(a)、上面説明図(b)、及び下面説明図(c)である。

図４は、本発明の実施例３に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝蓋の雄ネジ部に施した昇華ガス排出溝を説明するための坩堝蓋の側面説明図(a)、上面説明図(b)、及び下面説明図(c)である。

図５(a)、(b)、及び(c)は、本発明の実施例４〜６に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝容器の雌ネジ部に施した昇華ガス排出溝を説明するための坩堝容器の断面説明図である。

図６は、本発明の実施例７に係る炭化珪素単結晶の製造装置を説明するための概略説明図である。

図７は、図３に示す実施例２の炭化珪素単結晶製造用坩堝を用い、坩堝蓋を回転させたときに、坩堝容器と坩堝蓋の間に形成される昇華ガス排出溝の開口面積（開口幅）が変化する様子を示す説明図であり、(a)は成長開始時の坩堝蓋の位置及び坩堝容器と坩堝蓋との間にできる昇華ガス排出溝を示し、また、(b)は成長中盤、坩堝蓋が回転した時の坩堝蓋の位置及び坩堝容器と坩堝蓋との間にできる昇華ガス排出溝を示す。

図８は、改良レーリー法を説明するための説明図である。

図９は、従来型の炭化珪素単結晶製造用坩堝を用いて単結晶を成長させた際に、結晶成長に伴って生じる昇華ガスの流れの乱れや流量変化を説明するための説明図であり、(a)は成長初期を示し、また、(b)は成長中期以降を示す。

以下、添付図面に示す実施例、試験例、及び比較例に基づいて、本発明を実施するための形態を具体的に説明する。

［実施例１］
先ず、図１及び図２に本発明の実施例１に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝Ａが示されており、この坩堝Ａは上端開口円筒状の坩堝容器３と円盤状の坩堝蓋４とで構成されており、また、坩堝容器３の上端開口部内面側に雌ネジ部3aが、また、坩堝蓋４の外周部に雄ネジ部4aがそれぞれ形成され、これら坩堝容器３の雌ネジ部3aと坩堝蓋４の雄ネジ部4aとによって互いにネジ嵌合されるネジ部が構成されている。

そして、この実施例１においては、図２の(a)、(b)、及び(c)に明示されているように、坩堝蓋４の雄ネジ部4aには、その円周方向互いに等間隔の４箇所において、その軸方向上部のネジ山の一部を残してそれより下方位置に昇華ガス排出溝15が形成されている。そして、これら各昇華ガス排出溝15は、坩堝蓋４の円周方向の幅寸法については変化せず、かつ、坩堝蓋４の雄ネジ部4aの軸方向にはネジ山の高さを超える深さ寸法の大きさに形成されている。

従って、この実施例１に示す炭化珪素単結晶製造用坩堝Ａによれば、坩堝蓋４の雄ネジ部4aが完全に坩堝容器３の雌ネジ部3a内にネジ嵌合している状態では上記の４箇所の昇華ガス排出溝15は坩堝蓋４の雄ネジ部4a上部のネジ山により完全に閉塞されており、また、炭化珪素単結晶の成長過程で、この坩堝蓋４の雄ネジ部4aを坩堝容器３の雌ネジ部3aに対して徐々に回転させて各昇華ガス排出溝15が形成されているところまで上昇させると、坩堝蓋４の雄ネジ部4aに形成された各昇華ガス排出溝15がその上端の溝出口から露出して坩堝Ａ外部に開口し、その円周方向の幅寸法と深さ寸法に応じて一定の大きさの開口面積を有する各昇華ガス排出溝15が坩堝Ａの内部から外部に連通するようになっている。

［実施例２］
次に、図３に、本発明の実施例２に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝蓋４が示されており、坩堝蓋４の雄ネジ部4aには、その円周方向互いに等間隔の４箇所に昇華ガス排出溝15が形成されており、また、これら各昇華ガス排出溝15は、坩堝蓋４の雄ネジ部4aの軸方向の上端から下端まで下方に行くに従って幅寸法が徐々に広くなるように、また、ネジ山の高さ寸法を超えた所定の深さ寸法で切り欠くことによって形成されている。これによって、前記各昇華ガス排出溝15は、坩堝蓋４が坩堝容器３内に完全にネジ嵌合されている際には、坩堝蓋４の雄ネジ部4aに形成された各昇華ガス排出溝15の円周方向の幅寸法と切欠きの深さ寸法とに従って、その溝出口が坩堝蓋４の雄ネジ部4aの軸方向上端に、また、その溝入口が坩堝蓋４の雄ネジ部4aの軸方向下端にそれぞれ開口するようになっている。

従って、この実施例２の炭化珪素単結晶製造用坩堝においては、坩堝蓋４を回転させて坩堝容器３に対して坩堝蓋４を徐々に上昇させると、これら坩堝蓋４と坩堝容器３との間に形成される各昇華ガス排出溝15の溝出口の円周方向幅寸法が大きくなり、結果として各昇華ガス排出溝15の開口面積が順次増加し、昇華ガスの排出量を連続的に変化させることができる。

［実施例３］
更に、図４に、本発明の実施例３に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝蓋４が示されている。この実施例３においては、上記実施例２の場合とは異なり、坩堝蓋４の雄ネジ部4aには、その上部にネジ山の一部を残してそれより下方位置に、その軸方向の上方から下方に行くに従って幅寸法が段階的に広くなるようにネジ山を切り欠くことにより、４箇所の昇華ガス排出溝15が形成されている。この実施例３においても、上記実施例１や実施例２の場合と同様に、坩堝蓋４を回転させて坩堝容器３に対して坩堝蓋４を徐々に上昇させることにより、昇華ガスの排出量を段階的に変化させることができる。

［実施例４〜６］
また、図５(a)、(b)、及び(c)は、本発明の実施例４〜６に係る炭化珪素単結晶製造用坩堝の坩堝容器３を示すものであり〔但し、図５の各図(a)、(b)、及び(c)において、昇華ガス排出溝15はその１つのみが描かれている。〕、上記実施例１〜３の場合とは異なり、坩堝容器３の雌ネジ部3a側の円周方向の４箇所に前記実施例１〜３の場合と同様の昇華ガス排出溝15がそれぞれ設けられており、図５(a)は、坩堝容器３の雌ネジ部3aに実施例１の場合と同様の昇華ガス排出溝15を施した場合であり、また、図５(b)は、坩堝容器３の雌ネジ部3aに実施例２の場合と同様の昇華ガス排出溝15を施した場合であり、更に、図５(b)は、坩堝容器３の雌ネジ部3aに実施例２の場合と同様の昇華ガス排出溝15を施した場合であって、いずれの実施例４〜６の場合も、それぞれ実施例１〜３の場合と同様に、これら各昇華ガス排出溝15の開口面積を増加させ、各昇華ガス排出溝15内を流れる昇華ガスの流れや流量を連続的に変化させることができる。

［実施例７］
次に、図６及び図７〔但し、図７の各図(a)及び(b)において、４箇所の昇華ガス排出溝15はその１つのみが描かれている。〕に基づいて、本発明の炭化珪素単結晶製造用坩堝を用いた炭化珪素結晶の製造装置及び製造方法を説明する。

図６に、本発明の坩堝Ａ（この坩堝Ａは、上記実施例１〜６に示されているように、その坩堝容器３及び／又は坩堝蓋４には図示外の昇華ガス排出溝が形成されている。）を備えた実施例７に係る炭化珪素単結晶の製造装置の概観が示されている。この製造装置において、黒鉛製の坩堝Ａは、二重石英管５の内部に支持棒６により配置されており、また、その周囲には熱シールドのための黒鉛製断熱材７が配置されており、そして、前記二重石英管５の周囲には高周波電流を流して前記坩堝Ａを加熱するためのワークコイル10が配設されており、また、この二重石英管５には二重石英管５内にガス流量調節計12を介してアルゴン(Ar)ガスを導入するガス配管11が設けられていると共に、二重石英管５内を高真空排気するための真空排気装置13が設けられている。

そして、この実施例７においては、前記坩堝蓋４には、この坩堝蓋４に回転を付与して坩堝Ａの坩堝容器３及び／又は坩堝蓋４に形成されたネジ部に相対的回転を付与するために、一端がこの坩堝蓋４の上面中央部に固定され、また、他端が前記二重石英管５の外部に配設された駆動用モーター９（ネジ部駆動手段）に接続されたカーボン製の回転駆動用心棒８（ネジ部駆動手段）が取り付けられている。

従って、この実施例７の炭化珪素結晶の製造装置によれば、坩堝Ａの坩堝容器３内に原料の炭化珪素結晶粉末（SiC結晶粉末）２を収容し、また、坩堝蓋４の下面には種結晶として円盤状に形成された炭化珪素単結晶（SiC単結晶）１を取り付け、改良レーリー法に準じて、加熱してSiC結晶粉末２を昇華させ、発生した昇華ガスをSiC単結晶１上で成長させて炭化珪素単結晶を製造するが、ここで、前記坩堝Ａとして図３に示す実施例２に記載のものを使用した場合を例にして説明すると、結晶成長開始時には、図７(a)に示されているように、坩堝容器３の雌ネジ部3a内に坩堝蓋４の雄ネジ部4aが完全に捩じ込まれてこれら坩堝蓋４と坩堝容器３との間に形成される各昇華ガス排出溝15の溝出口の円周方向幅寸法(d1)が最も小さくなり（図７(a)参照）、結果として各昇華ガス排出溝15の開口面積が最も小さい状態で炭化珪素の昇華を開始し、結晶成長開始後、徐々に結晶が成長するのに合わせて、ネジ部駆動手段の駆動用モーター９を駆動させ、ネジ部駆動手段の回転駆動用心棒８を非常にゆっくりと、例えば１時間当り１／４回転の速度で回転させて坩堝容器３に対して坩堝蓋４をゆっくりと上昇させ、、坩堝蓋４が坩堝容器３から抜け出していく方向に回転させると、各昇華ガス排出溝15は、図７(b)に示すように、その円周方向幅寸法(d2)が次第に大きくなって溝出口の開口面積が次第に大きくなり、昇華ガス流量（排出量）をゆっくりと次第に増加させることができる。

この際、結晶成長が行われている成長結晶表面における擾乱要因、すなわち種結晶の回転を必要最小限に抑えるためにも、上記したような、非常にゆっくりとした回転速度が好ましい。そこで、そうしたゆっくりした回転でも、坩堝蓋４の回転による各昇華ガス排出溝15の溝出口の大きさの変化が昇華ガス流量を連続的に変化させるのに十分であるように、各昇華ガス排出溝15の円周方向幅寸法は、その円周方向幅寸法が最大となったときに昇華ガス排出溝15全体として坩堝蓋４の外周長の１／４長さ以上の円周方向幅寸法が得られるようにするのが望ましい。但し、この昇華ガス排出溝15全体の円周方向幅寸法が坩堝蓋４の外周長の９／１０を超えると、坩堝容器３の雌ネジ部3aに螺合する雄ネジ部4aの残存割合が少なくなり、坩堝蓋４を安定に回転させ難くなる場合がある。

坩堝蓋を坩堝容器の口に静置するのみの従来の坩堝構造（図９参照）ではこれら坩堝蓋と坩堝容器との間に自然にできるギャップによって昇華ガスが流出するので、この昇華ガスの流れや流量を制御することができなかったが、この実施例７によれば、この昇華ガスの流れや流量が不安定であり、結晶成長中に昇華ガスの流量を変えることも困難であるところ、坩堝容器３と坩堝蓋４との間にネジ部を設けて互いにネジ嵌合させると共に、坩堝蓋４の雄ネジ部4aには坩堝容器３の雌ネジ部3aとの相対的な回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝15を形成し、結晶成長過程で坩堝蓋４を回転させて昇華ガス排出溝15の開口面積を制御し、結晶成長中に昇華ガスの流量を変化させることができる。

このため、この実施例７においては、先に図９(b)を用いて説明したような従来の坩堝構造で発生する成長結晶周辺での昇華ガス流量の減少に起因する成長結晶中央部（ファセット部）での昇華ガス流量の増加が防止され、結果として、このファセット近傍での結晶成長の乱れを可及的に防止することができ、種結晶とは異種のポリタイプ構造、マイクロパイプ欠陥、多結晶化等が発生するという従来の問題を解決することができる。

なお、本発明の前記実施例７の如き炭化珪素単結晶の製造装置及び製造方法を実施した場合、結果的に、結晶成長過程で種結晶を炭化珪素原料に対して移動させることになる。すなわち、上記実施例７のような動作をさせた場合、結晶が成長するのに合わせて種結晶が炭化珪素原料から徐々に離れていくことになる。この場合、成長結晶の高さが増加するのと同じ程度に種結晶を移動させると、結晶成長が行われる結晶の頭部、すなわちファセット部と原料表面との距離を常に一定に保つことができる。そして、このことは、ファセット部への原料表面からの熱輻射の影響を一定に保つことになり、ファセット部での温度変化揺らぎを低減できるので、安定した結晶成長条件が得易くなり、安定成長歩留まり向上にも寄与することができる。

更にまた、上記したように「成長開始時から徐々に昇華ガス流量を漸増させる」のとは逆の条件、すなわち成長開始時に最も昇華ガス流量を多くし、徐々にガス流量を低減させることもでき、これには、例えば次の２つの方法がある。即ち、１つの方法は、昇華ガス排出溝の形成を図３の場合とは逆に、坩堝蓋の雄ネジ部にその軸方向の上端から下端まで下方に行くに従って幅寸法が徐々に狭くなるようにネジ山を切り欠いて形成し、これによって坩堝蓋を回転させるにつれて昇華ガス排出溝の開口面積が徐々に狭くなるようにする方法であり、また、他の１つの方法は、昇華ガス排出溝の形成は図３の場合と同様にして、坩堝蓋を回転させた際にこの坩堝蓋が坩堝容器の内部へ埋め込まれていくようにネジ部を構成する方法である。前記２つの方法の違いは、前者は徐々に種結晶が原料から離れていく（つまり成長結晶の頭部はほぼ同じ位置に置かれるような動きになる）のに対し、後者は種結晶が原料に近づいていく（つまり成長結晶の頭部と原料表面との距離が縮まっていく）動きになることである。通常の結晶成長安定化の考え方から言えば、前者の方法のほうが優れているが、後者の方法でも昇華ガス流量を漸減させる効果は得られる。

［試験例１］
図３に示す炭化珪素単結晶製造用坩堝Ａを備えた図６に示す炭化珪素単結晶の製造装置を用いて、炭化珪素単結晶の製造を行った。この製造装置は、二重石英管５は、真空排気装置13により高真空排気(10^-3Pa以下)することができ、かつ、内部雰囲気は、ガス流量調節計12を通って導入されるArガスにより圧力制御することができるようになっている。また、各種ド−ピングガス(窒素、トリメチルアルミニウム、トリメチルボロン)も、ガス流量調節計12を通して導入することができるようになっており、更に、坩堝温度の計測は、坩堝Ａ下部を覆う断熱材７の中央部に直径２〜４mmの光路を設け、坩堝Ａの上部及び下部からそれぞれ光を取り出し、この取り出した光を二色温度計で測定することにより行うようになっている。

また、種結晶１として、口径４５mmの(0001)面を有した4HポリタイプのSiC単結晶ウェハを用意し、また、そのオフセット角度は｛0001｝面から４°の角度を有するものを使用し、この種結晶１を黒鉛製坩堝の坩堝蓋４の内面に取り付けた。

更に、坩堝蓋４の外周部に形成された雄ネジ部（ピッチ：1mm、ネジ山高さ：0.541mm）には、図３に示すように、各々が９０°の角度で相対している４箇所の位置に、かつ、坩堝蓋４の雄ネジ部4aの上部（坩堝外部側）から下部（坩堝内部側）にかけてその軸方向に、短い方の幅寸法が５mmであって長い方の幅寸法が２１mmとなる切込み厚さ２mmのテーパー付き切込み溝を加工し、これによって４箇所の昇華ガス排出溝15が形成されている。

黒鉛製の坩堝容器３の内部には、アチソン法により作製したSiC結晶原料粉末２を充填し、次いで、このSiC結晶原料粉末２を充填した坩堝容器３に坩堝蓋４を完全にねじ込んでセットし、黒鉛製フェルトの断熱材７で被覆した後、黒鉛製の支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、この二重石英管５の内部を真空排気した後、ワークコイル10に電流を流し、原料温度を２０００℃まで上昇させた。その後、雰囲気ガスとして高純度Arガス(純度99.9995%)を導入し、この二重石英管５の内圧力を、結晶成長過程の全体を通じて、１．３kPaに保った。この圧力下において、原料温度を２０００℃から目標温度である２４００℃まで上昇させ、その後、同温度を保って４５時間、結晶を成長させた。この結晶成長時間中成長終了時まで、窒素ガスを流量０．５×１０^-6m³/secの速度(同流量にて、成長結晶中の窒素濃度が1×10¹⁹cm^-3となる)で流した。

結晶成長開始時から５時間は坩堝蓋４を回転させずに、種結晶１上にまず種結晶１とほぼ同じ口径で、また、結晶品質も同様に良好な結晶を成長させた。その後、徐々に成長結晶の口径が拡大していくのに合わせて、坩堝蓋４の回転速度が１時間に１／４周となるように速度を設定して回転させた。この結果、結晶成長終了時までには坩堝蓋４が１０回転した。このとき、成長開始から５時間後までは坩堝蓋４と坩堝容器３との間にある各４箇所の昇華ガス排出溝15の溝出口は、その大きさが幅寸法５mm及び厚さ寸法２mmであり、また、結晶成長終了時には各４箇所の昇華ガス排出溝15の溝出口の大きさがいずれも幅寸法２０mm及び厚さ寸法２mmに拡大していた。得られた成長結晶の口径は５１mmで、高さは２０mm程度であった。

こうして得られた炭化珪素単結晶について、実験回数２０回での得られた単結晶の品質を調べたところ、２０回の内１８回の実験で結晶成長の乱れのない、成長中に同一の結晶多形を維持した安定成長となっており、成長実験としての歩留まりが９０%と良好な値を示し、原料昇華ガス流量制御による安定性向上を反映した結果が得られた。

［試験例２］
また、前記試験例１で用いた実施例２の坩堝Ａ（図３）に代えて、図５(b)に示した坩堝容器３の雌ネジ部3aに前記試験例１の場合と同じテーパー付切込み溝加工を施して形成した４箇所の昇華ガス排出溝15を有する坩堝Ａを使用して、上記試験例１と同様の実験を行った。前記テーパー付切込みの形状及びサイズは、上記試験例１において坩堝蓋４の雄ネジ部4aに形成した場合と全く同じであるが、幅寸法の短い方が坩堝容器３の雌ネジ部3a下部とし、幅寸法の長い方が坩堝容器３の雌ネジ部3a入口側とした。得られた炭化珪素単結晶の品質に関しては、上記と同様であり、歩留まり９０%と良好な結果が得られた。

［試験例３］
前記試験例１で用いた実施例２の坩堝Ａ（図３）に代えて、実施例１の図１及び２に示したような坩堝Ａを用いて、成長時間を６０時間とした以外は実施例１と同様の実験を行った。ここで、坩堝蓋４の雄ネジ部4a（ピッチ：2mm、ネジ山高さ：1.083mm）には、その円周方向互いに等間隔の５箇所に、幅寸法５mm及び深さ寸法２mmの昇華ガス排出溝15が設けられている。

この試験例３においては、結晶成長開始時から４．５時間は坩堝蓋４を回転させずに、種結晶１上にまず種結晶とほぼ同じ口径で、かつ、結晶品質も同様に良好な結晶を成長させた。その後、坩堝蓋４の回転速度が１時間に１／６周となるように速度を設定して、１．５時間かけて坩堝蓋４を回転させて各昇華ガス排出溝15が現れるまで坩堝蓋４を上昇させた。結晶成長終了時まで、前記各昇華ガス排出溝15の開口状態を保持した。得られた結晶の口径は５１mmで、高さは２０mm程度であった。

こうして得られた炭化珪素単結晶について、実験回数２０回での得られた単結晶の品質を調べたところ、２０回の内１７回の実験で結晶成長の乱れのない、また、結晶成長中に同一の結晶多形を維持した安定成長となっており、成長実験としての歩留まりが７５%と良好な値を示し、原料昇華ガス流量制御による安定性向上を反映した結果が得られた。

［試験例４］
また、前記試験例１で用いた実施例２の坩堝Ａ（図３）に代えて、図５(a)に示した坩堝容器３の雌ネジ部3aに前記試験例３の場合と同じ切込み溝加工を施して形成した５箇所の昇華ガス排出溝15を有する坩堝Ａを使用して、上記試験例１と同様の実験を行った。前記切込み溝加工の形状及びサイズは、上記試験例３の坩堝蓋４の雄ネジ部4aに施した場合と同じであるが、切込み口は、坩堝容器３の雌ネジ部3a入口側から施されている。得られた炭化珪素単結晶の品質に関しては、上記と同様であり、歩留まり７５%と良好な結果が得られた。

［試験例５］
前記試験例１で用いた実施例２の坩堝Ａ（図３）に代えて、実施例３の図４に示したような坩堝Ａを用いて、成長時間を６０時間とした以外は実施例１と同様の実験を行った。ここで、坩堝蓋４の雄ネジ部4a（ピッチ：2mm、ネジ山高さ：1.083mm）には、その円周方向互いに等間隔の４箇所に、５mm、１０mm、及び２０mmの３段の幅寸法を有し、かつ、深さ寸法２mmの昇華ガス排出溝15が設けられている。

結晶成長開始時から４．５時間は坩堝蓋４を回転させずに、種結晶１上にまず種結晶１とほぼ同じ口径で、結晶品質も同様に良好な結晶を成長させた。その後、坩堝蓋４の回転速度が１時間に１／６周となるように速度を設定して、１．５時間かけて坩堝蓋４を回転させ、各昇華ガス排出溝15が現れるまで坩堝蓋４を上昇させた後、回転速度を保って結晶成長終了まで回転させた。この結果、結晶成長終了時までには坩堝蓋４が１０回転した。得られた結晶の口径は５１mmで、高さは２０mm程度であった。

こうして得られた炭化珪素単結晶について、実験回数２０回での得られた単結晶の品質を調べたところ、２０回の内１７回の実験で結晶成長の乱れのない、また、結晶成長中に同一の結晶多形を維持した安定成長となっており、成長実験としての歩留まりが８５%と良好な値を示し、原料昇華ガス流量制御による安定性向上を反映した結果が得られた。

［試験例６］
また、前記試験例１で用いた実施例２の坩堝Ａ（図３）に代えて、図５(c)に示した坩堝容器３の雌ネジ部3aに前記試験例５の場合と同じ切込み溝加工を施して形成した４箇所の昇華ガス排出溝15を有する坩堝Ａを使用して、上記試験例１と同様の実験を行った。前記切込み溝加工の形状及びサイズは、上記試験例５の坩堝蓋４の雄ネジ部4aに施した場合と同じであるが、切込み幅は、坩堝容器３の雌ネジ部3a入口側から順に、２０mm、１０mm、５mmと狭くなっている。得られた炭化珪素単結晶の品質に関しては、上記と同様であり、歩留まり８５%と良好な結果が得られた。

［比較試験例１］
坩堝Ａとして、図９(a)のように、坩堝容器と坩堝蓋とがネジ嵌合となっていない従来型の構造の坩堝を使用したこと以外は、試験例１と同様にして結晶成長を実施した。

こうして得られた炭化珪素単結晶について、実験回数２０回での得られた単結晶の品質を調べたところ、２０回の成長中１１回にて結晶成長の乱れ（異種結晶多形の発生に伴う結晶性劣化）が発生し、成長実験としての歩留まりは４５%と低い値を示し、原料昇華ガス流量が制御されないことにより生じる不安定性を反映した結果が得られた。

［比較試験例２］
結晶成長中に坩堝蓋４を回転させずに、各昇華ガス排出溝15の開口面積を最初から最後まで同じ大きさに維持したこと以外は、試験例１と同様にして結晶成長を実施した。

こうして得られた炭化珪素単結晶について、実験回数２０回での得られた単結晶の品質を調べたところ、２０回の成長中９回において結晶成長の乱れ（異種結晶多形の発生に伴う結晶性劣化）が発生し、成長実験としての歩留まりは５５%と低い値を示し、原料昇華ガス流量が制御されないことにより生じる不安定性を反映した結果が得られた。

１…種結晶(SiC単結晶)、２…SiC結晶粉末原料、３…坩堝容器、3a…雌ネジ部、４…坩堝蓋、4a…雄ネジ部、５…二重石英管、６…支持棒、７…断熱材(黒鉛製フェルト)、８…回転駆動用心棒、９…駆動用モーター、10…ワークコイル、11…ガス配管、12…ガス流量調節計、13…真空排気装置。

Claims (6)

1. 炭化珪素原料を収容する坩堝容器と種結晶が取り付けられる坩堝蓋とを有し、前記坩堝容器内の炭化珪素原料を昇華させて前記坩堝蓋に取り付けられた種結晶上に炭化珪素の昇華ガスを供給し、この種結晶上で炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造用坩堝であり、前記坩堝容器と前記坩堝蓋には互いにネジ嵌合されるネジ部が設けられていると共に、これら坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部にはこれらネジ部の相対的回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝が設けられていることを特徴とする炭化珪素単結晶製造用坩堝。
2. 前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部に設けられた昇華ガス排出溝は、その開口面積が、溝出口側から溝入口側に向けて次第に変化するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造用坩堝。
3. 前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部に設けられた昇華ガス排出溝は、ネジ部の円周方向に沿って開口していると共に、その開口幅の最長部の総計長さがネジ部外周長の１／４以上９／１０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶製造用坩堝。
4. 炭化珪素原料を収容する坩堝容器及び種結晶が取り付けられる坩堝蓋を有する坩堝を備え、前記坩堝容器内の炭化珪素原料を昇華させて坩堝蓋に取り付けられた種結晶上に炭化珪素の昇華ガスを供給し、この種結晶上で炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置であり、前記坩堝容器と坩堝蓋には互いにネジ嵌合させるネジ部を設けると共に、これら坩堝容器及び／又は坩堝蓋のネジ部にはこれらネジ部の相対的回転により流量調整可能な昇華ガス排出溝を設け、前記坩堝容器及び／又は坩堝蓋にはネジ部に相対的回転を付与するネジ部駆動手段を設けたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
5. 請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置を用い、坩堝容器内に収容した炭化珪素原料を昇華させて、該昇華ガスを坩堝蓋に取り付けた種結晶上に供給し、この種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であり、炭化珪素単結晶の成長過程で、昇華ガスの坩堝外への排出量を変化させながら炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 昇華ガスの坩堝外への排出量は、結晶の成長に連動して徐々に増加するように制御される請求項５に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

Images