JP4924105B2

JP4924105B2 - 炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法

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Publication number: JP4924105B2
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Description

本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶の製造装置およびそれを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法に関するものである。

従来、ＳｉＣ単結晶の製造方法として、高温に加熱された状態で、種結晶に対してＳｉＣの原料ガスを外部から導入することによって、種結晶の表面上にＳｉＣ単結晶を成長させるガス成長法がある（例えば、特許文献１、２、３参照）。

このガス成長法では、種結晶の温度を結晶成長空間よりも低温にすることで、供給される原料ガスを種結晶近傍で過飽和状態として、種結晶上に結晶として析出させて、ＳｉＣ単結晶を成長させる。

なお、このガス成長方法としては、さらに、特許文献２、３に記載される方法がある。特許文献２の方法は、種結晶に向かう原料ガス流れの周囲に別のガス流を配置して、これにより、原料ガスを効率よく種結晶に供給し、ＳｉＣ単結晶の成長効率を向上させる方法である。また、特許文献３の方法は、種結晶に向かう原料ガスの周りに押圧ガスと称して別種のガス流れを生ぜしめることによって、種結晶に均一にかつ効率よく原料ガスを供給する方法である。
特許第３８６４６９６号公報特開２００１−２１０６００号公報特開２０００−２８６２０１号公報

ところで、上記したガス成長法によって、ＳｉＣ単結晶を長時間、すなわち、長尺成長させた場合では、以下に説明するように、ＳｉＣ単結晶の成長時の結晶形状が原因で、良質なＳｉＣ単結晶インゴットが得られないという問題が生じることがわかった。

図６（ａ）、（ｂ）に、ＳｉＣ単結晶の成長初期と成長後期それぞれにおける成長結晶の形状、種結晶の温度分布および種結晶表面近傍での原料ガスの過飽和度を示す。

上記したガス成長法では、結晶成長の速度は、原料ガスの過飽和度、種結晶の面内温度分布に依存し、成長速度分布に依存して結晶の形状も決定される。

このため、図６（ａ）に示すように、成長初期は台座裏面からの放熱の影響で種結晶２１の中心部２１ａの温度が種結晶２１の周辺部２１ｂよりもやや低くなり、中心部２１ａ近傍での過飽和度も周辺部２１ｂ近傍での過飽和度よりも高くなるので、成長結晶２２の形状は、成長表面２３の中心部２３ａが外周部２３ｂよりも突出した凸形状となる。

一方、成長後期では台座裏面の放熱の影響は弱められ、むしろ、種結晶２１の周囲の部材からの輻射熱の影響で種結晶２１の中心部２１ａの温度が高くなり、中心部２１ａ近傍での過飽和度が周辺部２１ｂ近傍での過飽和度よりも低くなるので、成長結晶２２の形状は、成長表面２３の中心部２３ａが外周部２３ｂよりもくぼんだ凹形状に変化する傾向がある。さらに、ガス流れも結晶周辺から排気されるため、周辺部でガス圧力が高くなる傾向があり、成長結晶２３は、一層凹型成長となりやすい。

次に、図７（ａ）、（ｂ）に、成長結晶の形状と結晶欠陥との関係を説明するための模式図を示す。

図７（ａ）に示すように、成長結晶２２の形状が凸形状の場合では、成長表面２３の原子ステップ２４の流れ（ステップフロー）が中心部から外周方向に向かうことによって、貫通型の転位欠陥２５は外周方向に掃き出されるので、成長結晶２２の中心部は高品質化する。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、成長結晶２２の形状が凹形状の場合は、逆に、成長表面２３の原子ステップ２４の流れが外周部から中心部に向かうことによって、転位欠陥２５は中心部に集まり、さらに、中心部でステップフローがぶつかり合ってしまう。この結果、結晶多形や異方位結晶の発生など重大な品質劣化が引き起こされると推測される。

なお、特許文献２、３に記載の方法は、上記の通り、原料ガスを効率よく種結晶に供給することを目的としたものであり、上記した問題を解決するものではない。

本発明は、上記点に鑑み、ＳｉＣ単結晶を長尺成長させても、良質なＳｉＣ単結晶インゴットが得られる製造方法およびその製造方法の実施に使用される製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の製造装置では、種結晶（７）の結晶成長面における中心部（７ａ）と中心部の周辺に位置する周辺部（７ｂ）とのうち、中心部（７ａ）のみに混合ガスを導入するための中心部用ガス導入管（４ａ）と、中心部（７ａ）と周辺部（７ｂ）のうち周辺部（７ｂ）のみに混合ガスを導入するための周辺部用ガス導入管（４ｂ）とを備え、中心部用ガス導入管（４ａ）は、そのガス噴出口が中心部に正対する位置に複数本配置されており、周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、そのガス噴出口が周辺部に正対する位置に複数本配置されており、中心部用ガス導入管（４ａ）を流れる混合ガスの流量と、周辺部用ガス導入管（４ｂ）を流れる混合ガスの流量とが、それぞれ独立して調整されるようになっており、
種結晶（７）の結晶成長面は円形状であり、中心部用ガス導入管（４ａ）は、直径が種結晶の直径の１／２であって種結晶と同心の円（１１）よりも内側の領域に配置されており、周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、円（１１）よりも外側の領域に配置されており、
中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）のガス噴出口（５ｃ）と種結晶（７）との距離（Ｌ）は、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、
中心部用ガス導入管（４ａ）と周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、横断面形状が同じ直径の円形状であり、種結晶（７）の直径のインチ数をＮとした場合、中心部用ガス導入管（４ａ）は、１本以上５Ｎ本以下であって、周辺部用ガス導入管（４ｂ）は２Ｎ本以上１０Ｎ本以下であり、
中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、それぞれのガス噴出口を構成する導入管の配管内径（ｄ３、ｄ４）が、２ｍｍ以上かつ種結晶（７）の直径（ｄ２）の１／３以下の大きさであることを特徴としている。

そして、請求項３に記載の製造方法は、この製造装置を用いて、炭化珪素単結晶（１０）の成長時において、炭化珪素単結晶（１０）の成長表面上での原料ガスの過飽和度が、成長表面の中央部で最も高い状態で維持されるように、炭化珪素単結晶の成長量の増大に伴って、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）を同時に流れる混合ガスの全流量に対しての中心部用ガス導入管（４ａ）を流れる混合ガスの流量割合を増大させながら、炭化珪素単結晶を成長させることを特徴としている。

このように、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）を流れる混合ガスの流量を制御することにより、結晶の形状を常に凸型形状に保ちながら、炭化珪素単結晶を長尺成長させることができ、良質な炭化珪素単結晶インゴットを得ることができる。

また、請求項１に記載の製造装置においては、例えば、請求項２に記載のように、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）のガス噴出口側を所定間隔で保持する保持部材（５）を備え、保持部材（５）は、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）の外径に応じた穴（５ｄ）を複数有し、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、複数の穴（５ｄ）にはめ込まれた状態で保持されており、炭化珪素単結晶の成長中に、保持部材（５）からの熱伝達によって、中心部用ガス導入管（４ａ）および周辺部用ガス導入管（４ｂ）を加熱するようになっている構成を採用できる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態におけるＳｉＣ単結晶製造装置の断面図を示す。

本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置は、ガス成長法によってＳｉＣ単結晶１０を成長させるものであり、図１に示すように、水冷石英管１、加熱用誘導コイル２、断熱材３、ガス導入管４、伝熱ブロック５、坩堝６、種結晶７および引き上げシャフト８等を備えている。

水冷石英管１は、ガス導入管４、伝熱ブロック５、坩堝６等を収容する円筒状の容器であって、図示しない真空ポンプ等の排気手段によって、図示しない排気管から内部の気体が排出され、ガス導入管４から内部に原料ガスおよびキャリアガスの混合ガスが供給される。

加熱用誘導コイル２は、伝熱ブロック５、坩堝６等に誘導電流を生じさせて加熱するものであり、水冷石英管１の外周に巻回されている。

断熱材３としては、水冷石英管１の内部側面を覆う円筒状の側面断熱材３ａと、水冷石英管１の下部を覆うように、側面断熱材３ａ内の下側に配置された下側断熱材３ｂとが用いられている。下側断熱材３ｂの上に伝熱ブロック５が配置されており、下側断熱材３ｂと伝熱ブロック５の内部にガス導入管４が配置されている。

ここで、図２に、図１中のＳｉＣ製造装置の部分拡大図を示し、図３に図２中のＡ−Ａ矢視図を示す。

坩堝６は、図２に示すように、種結晶７が設置される台座６ａと、種結晶１２からＳｉＣ単結晶１０が成長する空間を取り囲む筒状のガイド部材６ｂとが一体となった黒鉛製の容器である。種結晶７としては、例えば、円板形状であるＳｉＣ単結晶基板が用いられる。坩堝６は、引き上げシャフト８に固定されており、引き上げ機構としての引き上げシャフト８によって、図中の上方に引き上げられるようになっている。

なお、引き上げシャフト８の内部は、空洞となっており、この空洞部８ａに、台座６ａの裏面６ｃが面している。この空洞は、台座６ａの裏面の温度を測定したり、台座６ａから熱を放出させたりするためのものである。

ガス導入管４は、水冷石英管１の外部から坩堝６の内部に、混合ガスを導入するためのガス通路を構成するものである。ガス導入管４は、種結晶７の結晶成長面における中心部７ａとその周辺に位置する周辺部７ｂのうち、中心部７ａのみに原料ガス等を導入するための複数本の中心部用ガス導入管４ａと、周辺部７ｂのみに混合ガスを導入するための複数本の周辺部用ガス導入管４ｂとから構成されている。中心部用ガス導入管４ａは、そのガス噴出口が中心部７ａのみに正対する位置に配置されており、周辺部用ガス導入管４ｂは、そのガス噴出口が周辺部７ｂのみに正対する位置に配置されている。

ここで、種結晶７の中心部７ａは、種結晶７の結晶成長面のうち、種結晶７の口径ｄ２の１／２の直径である種結晶７の同心円よりも中心側（内側）の領域であり、周辺部７ｂは、その同心円よりも外側の領域である。

中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂのそれぞれのガス噴出口側は、所定間隔にて、保持部材としての伝熱ブロック５によって保持されている。

この伝熱ブロック５は、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂとを加熱して、その内部を流れる原料ガスの分解と反応、すなわち、結晶化前駆体と呼ばれるＳｉＣ_２やＳｉ_２Ｃ等の分子の合成を促進させるためのものである。伝熱ブロック５は、加熱用誘導コイル１によって加熱された後、その熱を中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂとに伝達する。

なお、伝熱ブロック５を省略することも可能であるが、この場合、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂは、加熱用誘導コイル２からの距離が異なるため、温度差が生じてしまうが、本実施形態のように、伝熱ブロック５を用いることで、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂとを同じ温度で加熱することができる。

この伝熱ブロック５は、例えば、円柱形状の上側部分５ａと、上側部分５ａよりも直径が大きい円柱形状の下側部分５ｂとを有する形状である。上側部分５ａの外径は、ガイド部６ｂの内径よりも小さく、下側部分５ｂの外径は、ガイド部６ｂの外径よりも大きい。
上側部分５ａの上面（種結晶７側の面）５ｃに、混合ガスのガス噴出口が形成された状態となっている。

上側部分５ａの上面５ｃの直径ｄ１は、種結晶７の口径（直径）ｄ２と同じ大きさであり、例えば、２インチである。

そして、図３に示すように、上側部分５ａの上面５ｃの中に、断面円形状であって、内径ｄ３の大きさが同一である４本の中心部用ガス導入管４ａが円状に配置されており、断面円形状であって、内径ｄ４の大きさが同一である８本の周辺部用ガス導入管４ｂが円状に配置されている。

伝熱ブロック５は、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂの外径に応じた穴５ｄを複数有しており、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂは、これらの複数の穴５ｄにはめ込まれた状態で保持されている。

また、中心部用ガス導入管４ａの内径ｄ３と周辺部用ガス導入管４ｂの内径ｄ４は、同じ大きさであり、例えば、２ｍｍ以上であって種結晶７の口径ｄ２の１／３以下の大きさである。

これは、ガス導入管４の内径ｄ３、ｄ４が、２ｍｍ以下の場合では、反応物により急速にガス導入管４が閉塞するためであり、また、種結晶７の口径ｄ２の１／３以上の場合では、種結晶７の中心部７ａに向かうガス流れと、周辺部７ｂに向かうガス流れを分離することができないためである。

また、中心部用ガス導入管４ａは、種結晶７の口径ｄ２の１／２の直径ｄ５をもち、伝熱ブロック５のガス噴出し口５ｃの中心と同じ中心を有する図３中破線で示す円１１の内側領域に配置されており、周辺部用ガス導入管４ｂは、図３中破線で示す円１１と種結晶７と同じ直径ｄ１をもつ円１２の間の領域に配置されている。すなわち、中心部用ガス導入管４ａは、直径が種結晶７の１／２であって、種結晶７と同心の円１１よりも内側の領域に配置されており、周辺部用ガス導入管４ｂは、その円１１よりも外側の領域に配置されている。

これは、種結晶７上の中心部７ａと周辺部７ｂで原料の過飽和度を制御する上で必要な配置であり、これ以外のエリアからガス導入すると種結晶７の中心部７ａと周辺部７ｂで原料ガスの過飽和度に差をつけることができないからである。

また、ガス導入管４の必要本数は、種結晶７の口径ｄ２のインチ数をＮとした場合、中心部用ガス導入管４ａは１本以上５Ｎ本以下であり、周辺部用ガス導入管４ｂは２Ｎ本以上１０Ｎ本以下である。

これは、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂを、断面円形状とした場合では、このような本数とすることで、種結晶７の中心部７ａおよび周辺部７ｂのそれぞれに対して、過飽和度が均一な状態で原料ガスを供給することができるからであり、このような本数以外では、種結晶７の中心部７ａでの原料ガスの過飽和度が不均一となるとともに、周辺部７ｂでの原料ガスの過飽和度が不均一となり、また、伝熱ブロック５の加工および各ガス導入管４の均熱化が困難になるため不適当である。

例えば、種結晶口径ｄ２が２インチの場合、中心部側ガス導入管４ａについては、１本以上１０本以下とし、周辺部ガス導入管４ｂについては４本以上２０本以下とすればよいことから、本実施形態では、中心部用ガス導入管４ａを４本用い、周辺部用ガス導入管４ｂを８本用いている。

また、図２に示すように、ガス噴出口５ｃと成長結晶１０の表面との距離Ｌは、常に２０ｍｍが保たれるようになっている。なお、このガス噴出口５ｃと成長結晶１０の表面との距離Ｌは、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の範囲内であれば良い。これは、５ｍｍ未満の場合、ガス導入管４で多結晶が急速に成長して穴が閉塞してしまい、また、４０ｍｍを超える場合では、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂからそれぞれ噴き出された原料ガスが、種結晶７もしくは成長結晶１０に到達する前に混合され、種結晶７の中心部７ａと周辺部７ｂとの間で、原料ガスの過飽和度に差がつかないためである。

また、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂは、例えば、次のようにして製造される。すなわち、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂを構成するＴａ製の配管を、図１〜３に示されるように、予め穴加工がされたカーボン製の伝熱ブロック５に差し込んだ後、水冷石英管１にセットして、プロパンガス雰囲気中で２０００℃以上に加熱することで、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂの炭化処理を施す。これにより、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂは、高融点材料であるＴａＣで構成されることとなり、２３００℃程度の結晶成長温度でも変形や溶融することがない。

また、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂには、それぞれ、独立してガス流量を調整するための流量調整手段９ａ、９ｂが設けられている。本実施形態では、例えば、４本の中心部用ガス導入管４ａに共通の流量調整バルブ９ａが１つ設けられており、８本の周辺部用ガス導入管４ｂに共通の流量調整バルブ９ｂが１つ設けられている。また、本実施形態では、原料ガスとして、例えば、ＳｉＨ_４（シランガス）とＣ_３Ｈ_８（プロパンガス）の混合ガスが用いられ、キャリアガスとして、例えば、Ｈ_２（水素ガス）が用いられる。

以上説明したように、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置は、種結晶７の中央部７ａに供給する原料ガスの流量と、種結晶７の周辺部７ｂに供給する原料ガスの流量とを、それぞれ、独立して調整できる構成となっている。

次に、上記した構成のＳｉＣ単結晶製造装置を用いてのＳｉＣ単結晶の製造方法について説明する。

図１、２に示すように、坩堝６の台座６ａに種結晶７を貼り付けた状態として、水冷石英管１の内部を真空状態とする。そして、加熱用誘導コイル２によって、種結晶７および坩堝６のガイド部６ｂに囲まれた結晶成長空間を所定温度（例えば、２０００〜２５００℃）まで加熱するとともに、伝熱ブロック５を介して、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂを所定温度（例えば、２２００〜２８００℃）まで加熱する。

このように加熱された状態で、原料ガスおよびキャリアガスを、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂに所定の流量で導入させる。導入された原料ガスが伝熱ブロック５によって加熱されることで、熱的に分解、反応して、成長前駆体物質であるＳｉ_２ＣやＳｉＣ_２が形成され、種結晶７の表面まで運ばれる。そして、種結晶７は、台座６ａの裏面６ｃからの放熱により坩堝６より、やや低温に保持されるため、種結晶７の近傍では原料ガスの過飽和度が高くなり、種結晶７の表面にＳｉＣ単結晶１０が析出する。

そして、ＳｉＣ単結晶（成長結晶）１０の成長速度と同じ速度にて、引き上げシャフト８によって坩堝６を図中上方、すなわち、結晶成長方向とは逆の方向に引き上げながら、ＳｉＣ単結晶１０を長尺成長させる。

このとき、本実施形態と異なり、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂに別れていないガス導入管を用いて、単に、原料ガスを種結晶７に供給した場合では、上記の発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、成長初期では、成長結晶１０の表面形状は凸形状であり、成長結晶１０は高品質の状態であるが、結晶が成長するに従って、結晶中心部の原料ガスの過飽和度が減少するため、成長結晶１０の表面形状が凹形状となり、品質が劣化してしまう。

そこで、本実施形態では、以下に説明するように、ＳｉＣ単結晶の長尺成長時の形状変化を補正するためにガス流れを制御する。

すなわち、成長初期での凸形状を維持したまま成長結晶１０を長尺化させるために、成長結晶１０の成長表面の中央部での過飽和度がその周辺部よりも高い状態に保つように、成長結晶１０の成長に伴って、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用導入管４ｂを同時に流れる混合ガスの全流量に対する中心部用ガス導入管４ａを流れる混合ガスの流量割合を増大させる。

図４に、結晶成長長さに対する中心部用ガス導入管４ａのガス流量変化および周辺部用ガス導入管４ｂのガス流量変化を示す。図中の縦軸は混合ガスの導入量を示しており、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂの各々から導入されるガス量の全導入ガス量に対する割合（ガス導入量割合）を示している。従って、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂから導入するガス流量の和は常に１００％となる。なお、原料ガスであるＳｉＨ_４（シランガス）およびＣ_３Ｈ_８（プロパンガス）と、キャリアガスであるＨ_２（水素ガス）との混合比は、成長条件に応じて任意に設定される。また、結晶成長時では、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂを流れるガス流量の合計である総導入ガス流量を一定とする。

具体的には、図４に示すように、成長結晶１０の成長量が１０ｍｍまでは、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂには混合ガスを同じ５０％ずつ流す。次に、成長量が１０〜２０ｍｍの間では、中心部用ガス導入管４ａからのガス導入量を５０％から７０％に向けて連続して変化させ、周辺部用ガス導入管４ｂからのガス導入量を５０％から３０％に向けて連続して変化させるようにそれぞれ調整して、成長量が２０〜３０ｍｍの間では、中心部用ガス導入管４ａのガス導入量を７０％、周辺部用ガス導入管４ｂのガス導入量を３０％に維持する。

さらに、成長量が３０〜４０ｍｍの間では、中心部用ガス導入管４ａからのガス導入量を７０％から９０％に、周辺部用ガス導入管４ｂからのガス導入量を３０％から１０％に連続して変化するように、それぞれ調整し、成長量が４０〜５０ｍｍの間では、中心部用ガス導入管４ａのガス導入量を９０％、周辺部用ガス導入管４ｂのガス導入量を１０％に維持する。

このように、種結晶７の中心部７ａに導入する混合ガスのガス流量と、種結晶７の周辺部７ｂに導入する混合ガスのガス流量とを制御なガス導入量の調整を行うことで、ＳｉＣ単結晶の結晶長さが全体で５０ｍｍ程度になるまで成長させた場合でも、成長結晶１０の表面形状を中心部が膨らんだ凸形状に維持することができ、高品質なＳｉＣ単結晶インゴットが得られた。

なお、本実施形態では、成長結晶１０の成長量が１０ｍｍを超えたときに、ガスの全流量に対する中心部用ガス導入管４ａを流れるガスの流量割合を増大させ、３０ｍｍを超えたときに、さらに増大させているが、中心部用ガス導入管４ａを流れるガスの流量割合を増大させる時期は、成長条件によって変動するので、予め、ガス導入量を変化させずに結晶成長させた場合での結晶の成長量と成長結晶表面の過飽和度、形状との関係を調査しておき、成長結晶１０が凹形状となる前の時期に設定すればよい。

また、本実施形態では、図４に示すように、成長量が２０〜３０ｍｍの間や、４０〜５０ｍｍの間では、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂのガス導入量を、一定に維持していたが、これらの時期においても、連続して変化するように、調整することも可能である。すなわち、成長結晶１０の形状を凸形状に維持できれば、成長量増大に伴って、中心部用ガス導入管４ａのガス流量を増大させ、周辺部用ガス導入管４ｂのガス流量を減少させるという制御を、連続して行っても、段階的に行っても良い。

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態におけるガス噴出口の平面図を示す。なお、図５は、図２中のＡ−Ａ矢視図に相当する。

第１実施形態では、図３に示すように、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂの横断面形状が円形状であったが、他の形状に変更しても良く、例えば、図５に示すように、楕円状の横断面形状とすることもできる。なお、図５に示すＳｉＣ単結晶製造装置では、中心部用ガス導入管４ａを２本用い、周辺部用ガス導入管４ｂを４本用いている。

（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂは、それぞれ、複数でなくても良く、ガス導入管４を、１本の中心部用ガス導入管４ａと、１本の周辺部用ガス導入管４ｂとによって構成しても良い。この場合、中心部用ガス導入管４ａおよび周辺部用ガス導入管４ｂの横断面形状を、それぞれ、図３中の中心部用ガス導入管４ａ同士を連結させ、周辺部用ガス導入管４ｂ同士を連結させた形状としたり、周辺部用ガス導入管４ｂの内部に中心部用ガス導入管４ａを配置した同心円形状としたりできる。

（２）上記した各実施形態では、４本の中心部用ガス導入管４ａに共通の流量調整バルブ９ａを１つ設け、８本の周辺部用ガス導入管４ｂに共通の流量調整バルブ９ｂを１つ設けていたが、４本の中心部用ガス導入管４ａおよび８本の周辺部用ガス導入管４ｂのそれぞれに流量調整手段を設け、４本の中心部用ガス導入管４ａおよび８本の周辺部用ガス導入管４ｂのガス流量を１本ずつ独立して調整するようにしても良い。この場合、原料ガスの過飽和度の結晶成長面上で分布を細かく制御できる。

（３）上記した各実施形態では、ガス導入管４を高融点材料であるＴａＣで構成していたが、他の高融点材料で構成しても良い。

例えば、ガス導入管４を、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ等の高融点金属材料や、ＳｉＣなどの炭化物系セラミックス、ＢＮなどの窒化物系セラミックス等で構成しても良い。また、伝熱ブロック５から離れた比較的低温部であれば、ＳＵＳなどの汎用金属材料で構成し、伝熱ブロック５近傍の高融点材料で構成された部分と連結させた構成としても良い。

（４）上記した各実施形態では、伝熱ブロック５は、図２に示すように、円柱形状の上側部分５ａと、上側部分５ａよりも直径が大きい円柱形状の下側部分５ｂとを有する形状であったが、この形状に限られず、ガス導入管４を保持することができ、加熱用誘導コイル２によって加熱されやすく、ガス導入管４に伝熱可能な形状であれば、他の形状に変更しても良い。

（５）上記した実施形態では、結晶成長時において、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用ガス導入管４ｂの総導入ガス流量を一定としていたが、総導入ガス流量を変動させても良い。この場合であっても、中心部用ガス導入管４ａと周辺部用導入管４ｂを同時に流れるガスの総導入ガス流量に対する中心部用ガス導入管４ａを流れるガスの流量割合を増大させて、成長結晶１０の成長表面の中央部での過飽和度を、その周辺部よりも高く保つことで、凸形状を維持したまま成長結晶１０を長尺化させることができる。

（６）上記した各実施形態では、原料ガスとして、ＳｉＨ_４（シランガス）およびＣ_３Ｈ_８（プロパンガス）を用いていたが、他のＳｉ含有ガス、Ｃ含有ガスを用いることもできる。すなわち、ＳｉＣの単結晶成長が可能なガスであれば、他のガスを用いても良い。

本発明の第１実施形態におけるＳｉＣ単結晶製造装置の断面図である。図１中のＳｉＣ単結晶製造装置の部分拡大図である。図２中のＳｉＣ単結晶製造装置のＡ−Ａ矢視図である。本発明の第１実施形態における結晶成長長さに対する中心部用ガス導入管４ａのガス流量変化および周辺部用ガス導入管４ｂのガス流量変化を示す図である。本発明の第２実施形態におけるガス噴出口の平面図である。ＳｉＣ単結晶の成長初期と成長後期それぞれにおける成長結晶の形状、種結晶の温度分布および種結晶表面近傍での原料ガスの過飽和度を示す図である。成長結晶の形状と結晶欠陥との関係を説明するための模式図である。

符号の説明

１…水冷石英管、２…加熱用誘導コイル、３…断熱材、４…ガス導入管、
４ａ…中心部用ガス導入管、４ｂ…周辺部用ガス導入管、
５…伝熱ブロック、６…坩堝、７…種結晶。

Claims

原料ガスおよびキャリアガスの混合ガスを外部から導入して種結晶の表面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装置において、
種結晶（７）の結晶成長面における中心部（７ａ）と前記中心部の周辺に位置する周辺部（７ｂ）とのうち、前記中心部（７ａ）のみに前記混合ガスを導入するための中心部用ガス導入管（４ａ）と、
前記中心部（７ａ）と前記周辺部（７ｂ）のうち前記周辺部（７ｂ）のみに前記混合ガスを導入するための周辺部用ガス導入管（４ｂ）とを備え、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）は、そのガス噴出口が前記中心部に正対する位置に複数本配置されており、
前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、そのガス噴出口が前記周辺部に正対する位置に複数本配置されており、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）を流れる前記混合ガスの流量と、前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）を流れる前記混合ガスの流量とが、それぞれ独立して調整されるようになっており、
前記種結晶（７）の前記結晶成長面は円形状であり、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）は、直径が前記種結晶の直径の１／２であって前記種結晶と同心の円（１１）よりも内側の領域に配置されており、
前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、前記円（１１）よりも外側の領域に配置されており、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）のガス噴出口（５ｃ）と前記種結晶（７）との距離（Ｌ）は、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）と前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、横断面形状が同じ直径の円形状であり、
前記種結晶（７）の直径のインチ数をＮとした場合、前記中心部用ガス導入管（４ａ）は、１本以上５Ｎ本以下であって、前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は２Ｎ本以上１０Ｎ本以下であり、
前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、それぞれのガス噴出口を構成する導入管の配管内径（ｄ３、ｄ４）が、２ｍｍ以上かつ前記種結晶（７）の直径（ｄ２）の１／３以下の大きさであることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）のガス噴出口側を所定間隔で保持する保持部材（５）を備え、
前記保持部材（５）は、前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）の外径に応じた穴（５ｄ）を複数有し、前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）は、複数の前記穴（５ｄ）にはめ込まれた状態で保持されており、
前記炭化珪素単結晶の成長中に、前記保持部材（５）からの熱伝達によって、前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）を加熱するようになっ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の製造装置。
請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置を用いて、前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）から前記混合ガスを前記種結晶（７）に導入して、前記種結晶（７）の表面上に炭化珪素単結晶（１０）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
前記炭化珪素単結晶（１０）の成長時において、前記炭化珪素単結晶（１０）の成長表面上での原料ガスの過飽和度が、前記成長表面の中央部で最も高い状態で維持されるように、前記炭化珪素単結晶の成長量の増大に伴って、前記中心部用ガス導入管（４ａ）および前記周辺部用ガス導入管（４ｂ）を同時に流れる前記混合ガスの全流量に対しての前記中心部用ガス導入管（４ａ）を流れる前記混合ガスの流量割合を増大させながら、前記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。