JP4578964B2 - 単結晶炭化ケイ素の形成 - Google Patents

Description

本発明は、非コングルエントな気相化を呈し、単結晶又は多結晶の形態で存在する化合物の単結晶を形成する方法及び装置に関する。以下の説明は、例として単結晶炭化ケイ素ＳｉＣの形成に適用する。

本発明は、例えば、立方晶系又は六方晶系結晶化型の厚い単結晶ＳｉＣのインゴット又は層の形成に特に適用される。そのようなインゴット又は厚い層は、マイクロエレクトロニクスに使用可能な基板又は活性層の製造に使用することができる。それらの用途では、単結晶ＳｉＣは良好な結晶品質と十分制御されたドーパント比が必要である。

電子特性を有する単結晶ＳｉＣインゴットを製造する第１の公知の方法は、ＳｉＣ粉体の昇華と、形成された気相の単結晶ＳｉＣ種上への凝縮とに基づく。そのような方法を実施する装置は、一般に、ＳｉＣインゴットが形成される単結晶種と、ＳｉＣ供給源を形成するＳｉＣ粉体とが配置された、昇華室を画定するグラファイト坩堝を備える。ＳｉＣ粉体及び種を、温度Ｔ₁ がＴ₂ より高くなるようにＴ₁ 及びＴ₂ に夫々加熱する。

前述の昇華方法にはある欠点がある。

実際に、できる限り注意深く調製しても、ＳｉＣ粉体に含まれる不純物は、得られた単結晶に欠陥と不必要なドーピングをもたらす。

更に、昇華法は、ＳｉＣ供給源を形成する粉体の量が必然的に制限されるため、大きな単結晶の成長が不可能である。実際に、単結晶ＳｉＣの成長条件を過剰に乱すことなくＳｉＣ粉体を坩堝に連続的に供給することは実施上不可能である。更に、大量の粉体を坩堝に配置することも不可能である。実際に、ＳｉＣ昇華は非コングルエントを呈し、粉体昇華では炭素よりも大量のケイ素が発生する。従って、粉体には炭素を加える傾向がある。処理の進行とともに最終的に、粉体と昇華により生じる気体の組成物の修正が行われ、従って単結晶の成長条件が修正されることになる。

単結晶ＳｉＣインゴットを製造する第２の方法は、単結晶ＳｉＣ種への非常に高温の化学気相反応（ＨＴＣＶＤ）から構成される。昇華法で述べたものと類似の坩堝中に、ガス状のケイ素及び炭素の前躯体、例えば、シラン及びプロパンを、可能ならばリフティングガスによって種に送って反応させ、種に単結晶ＳｉＣの堆積物を形成させる。化学気相反応法は活性層の形成にも用いられる。

化学気相反応法の主な欠点は、特にガス前躯体の乱れた動きのため、単結晶成長の制御が極めて困難なことである。

更に、活性層の形成では、化学気相反応法は時間あたり２０又は３０マイクロメートル程度の堆積速度を超えることができない。
特開２００２−２３４８００号公報

本発明の目的は、前述した方法の欠点のない、単結晶ＳｉＣ種に単結晶ＳｉＣを形成する方法を得ることである。

又、本発明の目的は、数十マイクロメートル以上の厚さに達する活性層、又は単結晶ＳｉＣインゴットの製造装置を得ることである。

これらの目的を達成するために、本発明は、非コングルエントな気相化を呈し、単結晶又は多結晶形態で存在し、炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなる化合物を単結晶状態で形成する装置において、前記化合物の多結晶供給源が形成されるレベルに配された基板及び前記化合物の単結晶種を有する第１室と、第２室とを備え、前記第１室は、前記基板を介して前記第２室と対向配置されており、前記装置は、更に、前記基板に前記化合物の多結晶供給源を形成させる前記第２室に、前記化合物のガス前躯体を供給する手段と、前記基板を前記種の温度より高く維持して、前記多結晶供給源を昇華させ、前記化合物の種に単結晶形態で前記化合物を形成させる加熱手段とを具備する装置を提供する。

本発明の一実施形態によれば、前記第１室が、第１円筒壁と、前記種をそれに付着させる、少なくとも部分的に前記第１円筒壁の一方の端部を覆う蓋と、少なくとも部分的に前記第１円筒壁の他方の端部を覆う前記基板とによって画定され、前記基板が透過性である。

本発明の一実施形態によれば、前記第２室が、基板側の前記第１円筒壁の延長上に配置された第２円筒壁によって画定され、前記第１円筒壁及び第２円筒壁が管によって囲まれて、前記第１円筒壁及び第２円筒壁で管状空所を画定し、前記第２室が前記管状空所に通じる。

本発明の一実施形態によれば、前記装置は、第２室中に存在するガスを排気するために、前記管状空所内にガス流を発生させる手段を備える。

本発明の一実施形態によれば、前記加熱手段が、前記管を囲んで、Ａ．Ｃ．電流を伝導して前記管だけに誘導電流を誘導する少なくとも１個の誘導螺旋体を備える。

本発明の一実施形態によれば、前記蓋は、前記第１円筒壁に関して、前記第１円筒壁の軸に沿って移動可能に組み立てられている。

又、本発明は、非コングルエントな気相化を呈し、単結晶又は多結晶形態で存在し、炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなる化合物を単結晶状態に形成する方法において、同時的になされる、第１室及び第２室の間に配置された透過性基板に、前記第２室に供給する前記化合物のガス前躯体の化学気相反応によって、前記化合物の供給源を多結晶形態で形成するステップと、前記供給源の一部の昇華によって前記第１室中にガス状化合物を形成するステップと、前記第１室中に配置された種に、前記基板の温度が前記種の温度より高くなるように設定することによりガス状化合物を凝縮させて前記化合物を単結晶形態で形成するステップとを備える方法も提供する。

本発明の一実施形態によれば、前記種が、前記単結晶炭化ケイ素又は前記単結晶窒化アルミニウムの形成とともに前記基板から遠ざけられる。

本発明は多くの利点を有する。

第１に、連続的に補給できる多結晶ＳｉＣ供給源の昇華ステップによって、単結晶ＳｉＣの形成が可能になる。従って、昇華形成方法の特徴である高い成長速度で、大きな寸法のインゴット又は厚い層を形成することが可能になる。

第２に、２室を形成し、一方を多結晶ＳｉＣの化学気相反応、他方を多結晶層の昇華として、各々を所定の種類の反応に専用することによって、単結晶ＳｉＣの成長を妨げることなく、多結晶ＳｉＣ供給源を連続的に補給することが可能になる。従って、良好な結晶品質の単結晶ＳｉＣが得られる。

第３に、化学気相反応に使用するガス前躯体は容易に精製することができるので、本発明は非常に高純度の多結晶炭化ケイ素供給源の形成を可能にする。従って、得られた単結晶ＳｉＣを非常に高純度にできる。従って、ガス前躯体中へドーパントを導入することによって、単結晶ＳｉＣのドーピングを非常に正確に制御することができる。

本発明の前述及び他の目的、特徴、利点は、添付する図面とともに、特定の実施形態の非制限的な以下の説明によって詳述する。

図１は、以下供給室と呼ぶ第１室１４を画定する、軸Ｚの第１グラファイト円筒壁１２から形成される装置１０を示す。例えば、第１円筒壁１２と同じ直径であり、円筒壁１６と蓋１８で一端部が堅固に閉じられた、軸Ｚの第２グラファイト円筒壁１６は、以下昇華室と呼ぶ第２室２０を画定する。第２円筒壁１６は、第１円筒壁１２の延長上に配置され、スペーサ２２によって分離され、図１には単一スペーサが示されている。スペーサ２２は、２室１４、２０の間に、実質上リング状の通路２４を画定する。軸Ｚは、例えば縦軸に一致し、昇華室２０は供給室１４の上部に配置される。

軸がＺであるグラファイト円筒管２６は、２個の円筒壁１２、１６を囲み、それらを介在して管状空所２８を画定する。

室１４、２０は両方共、管２６の周囲に配置された軸Ｚの円筒壁３０から形成されたグラファイトフェルトで作られた絶縁パッケージ２９に収容され、実質上円形のプレート３２、３４により両端が閉じられる。

ガス供給ダクト３６は、プレート３４を介して供給室１４に通じている。中性ガスを供給するためのダクト３８は、プレート３４を介して供給室１４の側部で管状空所２８に通じている。ガス排気ダクト４０は、プレート３２を介して管状空所２８と通じている。

円形基板４２は、例えば、多孔質カーボン発泡体又は焼結ＳｉＣから形成され、スペーサ２２によって円筒壁１６に対して保持されたワッシャー４４上に配置される。基板４２の直径は、例えば円筒壁１６の内径と実質上一致する。しかし、基板４２の直径は、円筒壁１６の内径より小さくしてもよく、供給室１４は部分的に昇華室２０に直接通じていてもよい。基板４２は、昇華室２０を供給室１４から分離する。基板４２は、ＳｉＣの昇華によるガスに透過性があり、又は多結晶ＳｉＣはそれを通して少なくとも拡散することが可能である。

単結晶炭化ケイ素種４６は、昇華室２０内の蓋１８に配置される。開口部５０が円形プレート３２に形成され、種４６のレベルで蓋１８の一部を露出する。

図示しない誘導螺旋体は、実質上基板４２のレベルで絶縁パッケージ２９の円筒壁３０を囲む。誘導螺旋体に供給される電流は、管２６だけが誘導電流を伝導するような頻度である。管２６によって加熱される室１４、２０の温度分布は、実質上室１４、２０中に存在する材料の影響を受けない、従って室１４及び２０内で起きる化学現象の影響を受けない。

本発明によるＳｉＣ製造方法は以下のとおりである。

装置１０は部分的な真空下又は不活性雰囲気チャンバー内に置かれ、装置を形成するグラファイトの燃焼反応を防止する。昇華室２０内の基板４２及び種４６間の温度勾配を、基板４２の温度Ｔ₁ が種４６の温度Ｔ₂ より高くなるようにする。温度Ｔ₁ の範囲は、例えば２０００℃〜２４００℃の間であり、温度Ｔ₂ の範囲は、例えば１９００℃〜２２００℃の間である。絶縁パッケージ２９は熱損失を制限する。絶縁パッケージ２９の開口部５０は、種４６の温度低下に役立つ。

アルゴンなどの中性ガスの流れは、供給ダクト３８と排気ダクト４０との間の管状空所２８に生じる。そのような流れは、通路２４を通して供給室１４中に存在するガスを運び去り、希釈する。

供給ダクト３６によって、高温で反応するケイ素と炭素とのガス前躯体は供給室１４内に導入され、基板４２へ向かって導かれる。ガス前躯体は、例えばアルゴンや水素などの１又は複数種のリフティングガスと混合してもよい。ガス前躯体、例えば、シラン、プロパン、又は塩素化された成分をもとにしたガス、例えばＳｉＣｌ₄ は非常に高い温度で反応し、基板４２に多結晶ＳｉＣを形成する。完全に又は部分的に反応したガス前躯体及びリフティングガスは、次いで通路２４を経由して供給室１４から排気され、中性ガスの流れによって管状空所２８に運ばれ希釈される。

基板４２に形成された多結晶ＳｉＣは、昇華して昇華室２０内でガス状種を形成し、次いで単結晶種４６に凝縮し単結晶ＳｉＣを成長させる。

本方法は、５０μｍ／時以上の成長速度で単結晶ＳｉＣインゴット又は厚い層を形成でき、１ｍｍ／時以上も可能である。

図２は、図１の装置１０の変形例を示しており、蓋１８は軸Ｚに沿って可動である。従って、リング状開口部５２が円筒壁１６から蓋１８を分離する。

グラファイトフェルト円形プレート５４は、蓋１８を覆い、種４６のレベルに形成された開口部５５を含む。軸Ｚのグラファイトフェルトリング５６は、円筒壁３０と円形プレート５４との間の管状空所２８を閉じる。蓋１８及び円形プレート５４は、図示していないアクチュエータによって軸Ｚに沿って移動させて、基板４２から離してもよい。

変形例による装置１０は、軸Ｚに沿って厚さが大きい単結晶ＳｉＣインゴット又は厚い層を形成することが可能である。実際に、単結晶ＳｉＣの成長速度と実質上等しい速度で蓋１８を基板４２から遠ざけることによって、形成された単結晶ＳｉＣの表面から基板を分離する距離は、ほぼ一定に維持することができる。得られた単結晶ＳｉＣのインゴット又は層は、軸Ｚに沿って５０μｍよりも大きな厚さに達することができる。蓋１８が動くと、開口部５２は広くなる傾向がある。出願人は、開口部５２によって生じるガスの乱れが、ほんの僅かしか単結晶ＳｉＣの成長を妨げないことを示している。

本発明の他の変形例によれば、昇華室は主要円筒壁によって形成され、補足的な円筒壁が滑動してもよい。主要円筒壁は両端で開いており、基板によって供給室から分離されている。補足的な円筒壁は一端部で開き、種を支持する蓋によって一端部を閉じられている。種と基板との間の距離は、補足的な壁の主要壁に対する滑動によって調節してもよい。本変形例は、昇華室中のガスの乱れを制限することが可能である。

当然ながら、本発明は当業者であれば容易に想起するであろう様々な変更及び修正が可能である。具体的には、炉の形状と寸法は、得ようとする単結晶ＳｉＣインゴット又は厚い層に応じて適応するようにすべきである。更に、本発明に係る加熱装置は、ＳｉＣ以外の単結晶化合物の形成にも使用してもよい。例えば、特に光電子用途に使用される窒化アルミニウムでもよい。

本発明に係る単結晶ＳｉＣインゴット又は厚い層を製造する装置の切取図である。 図１の装置の変形例を示す切取図である。

Claims (8)

1. 非コングルエントな気相化を呈し、単結晶又は多結晶形態で存在し、炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなる化合物を単結晶状態で形成する装置（１０）において、
   前記化合物の多結晶供給源が形成されるレベルに配された基板（４２）及び前記化合物の単結晶種（４６）を有する第１室（２０）と、
   第２室（１４）とを備え、
   前記第１室は、前記基板を介して前記第２室と対向配置されており、
   前記装置は、更に、
   前記基板に前記化合物の多結晶供給源を形成させる前記第２室に、前記化合物のガス前躯体を供給する手段（３６）と、
   前記基板を前記種の温度より高く維持して、前記多結晶供給源を昇華させ、前記化合物の種に単結晶形態で前記化合物を形成させる加熱手段（２６）とを具備する装置。
2. 前記第１室（２０）が、第１円筒壁（１６）と、前記種（４６）をそれに付着させる、少なくとも部分的に前記第１円筒壁の一方の端部を覆う蓋（１８）と、少なくとも部分的に前記第１円筒壁の他方の端部を覆う前記基板（４２）とによって画定され、前記基板が透過性であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第２室（１４）が、基板（４２）側の前記第１円筒壁（１６）の延長上に配置された第２円筒壁（１２）によって画定され、前記第１円筒壁（１６）及び第２円筒壁（１２）が管（２６）によって囲まれて、前記第１円筒壁及び第２円筒壁で管状空所（２８）を画定し、前記第２室（１４）が前記管状空所に通じることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第２室（１４）中に存在するガスを排気するために、前記管状空所（２８）内にガス流を発生させる手段（３８、４０）を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記加熱手段（２６）が、前記管（２６）を囲んで、Ａ．Ｃ．電流を伝導して前記管だけに誘導電流を誘導する少なくとも１個の誘導螺旋体を備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記蓋（１８）が、前記第１円筒壁（１６）に関して、前記第１円筒壁の軸（Ｚ）に沿って移動可能に組み立てられていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
7. 非コングルエントな気相化を呈し、単結晶又は多結晶形態で存在し、炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなる化合物を単結晶状態に形成する方法において、
   同時的になされる、
   第１室（２０）及び第２室（１４）の間に配置された透過性基板（４２）に、前記第２室に供給する前記化合物のガス前躯体の化学気相反応によって、前記化合物の供給源を多結晶形態で形成するステップと、
   前記供給源の一部の昇華によって前記第１室中にガス状化合物を形成するステップと、
   前記第１室中に配置された種（４６）に、前記基板の温度が前記種の温度より高くなるように設定することによりガス状化合物を凝縮させて前記化合物を単結晶形態で形成するステップとを備える方法。
8. 前記種（４６）が、前記単結晶炭化ケイ素又は前記単結晶窒化アルミニウムの形成とともに前記基板（４２）から遠ざけられることを特徴とする請求項７に記載の方法。

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