JP5346788B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。本発明は特に、炭化珪素原料の昇華ガスを供給して炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
炭化珪素は、熱伝導度が高く、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線にも強いなど、物理的、化学的に安定であるとともに、エネルギーバンドギャップ(禁制帯幅)が広いという特徴を有する。そのため、発光素子、大電力パワーデバイス、耐高温素子、耐放射線素子、高周波素子等への応用が期待されている。
炭化珪素単結晶の製造方法として、台座に炭化珪素種結晶を配置し、炭化珪素原料の昇華ガスを供給して炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる方法が知られている。台座上に炭化珪素種結晶を保持する方法として、炭化珪素種結晶を台座に接着剤を用いて密着させ貼り付ける方法(特許文献1)や、接着剤を用いて貼り付けず、炭化珪素種結晶を機械的に支持する方法(特許文献2)が知られている。
特開2009−120419号公報 特許第4275308号公報
しかしながら、炭化珪素種結晶を台座に接着剤を用いて密着させ貼り付ける方法では、熱膨張係数の大きさの違いに基づき台座から炭化珪素種結晶に熱応力がかかり、炭化珪素種結晶に歪みを与えてしまうため、その上に成長した炭化珪素単結晶が歪みを有し、クラック発生の原因になるという問題があった。また、炭化珪素種結晶を機械的に支持する方法では、その支持部材と種結晶との間に多結晶が成長し、それが単結晶の外周を覆うように成長し、その多結晶が炭化珪素単結晶に応力を与え、歪みを生じさせてしまうという問題があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、支持部材に成長する多結晶が成長中の炭化珪素単結晶に接触することが回避され、かつ、台座から炭化珪素種結晶に応力がかかることがないため、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、以下の手段を提供する。
(1)台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面は該炭化珪素種結晶の反り形状に合わせて曲率加工されており、該接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に5mm以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、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。
ここで、「離間部材を前記台座上に…保持し」とは、離間部材が台座に接触している場合と、離間部材が台座に接触せずに台座から離間して配置する場合とを含む
こで、「曲率加工」における「曲率」とは、“反り”を曲率半径又は曲率で表現したときのその曲率の意である。
(2)台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素の複数の層からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に5mm以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、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。
(3)前記複数の層の間に緩衝層を備えることを特徴とする前項(2)に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
)前記離間部材と前記炭化珪素種結晶の反りの大きさの差は±5μm以下であることを特徴とする前項(1)から)のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
ここで、「反りの大きさ」とは、“反り”を平坦面からの高さで表現したときのその高さの意であり、反りを有する離間部材又は炭化珪素種結晶を、反った凸側の面を上にして平坦面に置いたとき、その平坦面から離間部材又は炭化珪素種結晶のその凸の頂点(最も高い点)までの距離をいう。
)前記離間部材は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれかでなることを特徴とする前項(1)から()のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法
(6)前記離間部材はその外周に支持受け部を備え、前記支持部材はその下部にフック部を備え、前記離間部材は前記支持受け部を前記支持部材のフック部によって支持されることを特徴とする前項(1)から()のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
)前記支持部材の内周に雌ねじが形成され、前記台座の外周に前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成され、前記支持部材及び/又は前記台座を相対回動することによって前記台座と前記離間部材との間隔を調整できることを特徴とする前項(1)から()のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
)前記支持部材が黒鉛からなることを特徴とする前項(1)から()のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
)前記台座と前記離間部材との間に緩衝部材を備えることを特徴とする前項(1)から()のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
10)前記緩衝部材がグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなることを特徴とする前項()に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
上記の構成によれば、多結晶の影響を受けず、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。
炭化珪素単結晶成長装置の一例を示す断面模式図である。 台座近傍を拡大した断面模式図である。 炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶が成長したときの台座近傍を拡大した断面模式図である。 台座と支持部材との接触部分を拡大した断面模式図である。
以下、本発明を適用した一実施形態である炭化珪素単結晶の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1は、本発明の一実施形態である炭化珪素単結晶の製造方法を説明するための図であって、炭化珪素単結晶成長装置の一例を示した断面模式図である。
図1に示すように、炭化珪素単結晶成長装置100は、真空容器1と、真空容器1の内部に配置されたルツボ6と、真空容器1を取り囲んで配置された加熱コイル3と、から概略構成されている。
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、台座10と炭化珪素種結晶13との間に炭化珪素からなる離間部材11を配置して、離間部材11を台座10上に非接着で支持部材12によって保持し、離間部材11の台座10と反対側の面11bに炭化珪素種結晶13を接着し、離間部材11の炭化珪素種結晶13との接着面11bが支持部材12の最下位置15から鉛直方向に5mm以上離間するように、離間部材11と支持部材12とを相対的に配置して、炭化珪素単結晶を成長させる。
真空容器1は、その内部にルツボ6を内壁面1cから離間して配置する収容部1aを備えており、収容部1aには導入管7と排気管8が接続されている。導入管7と排気管8により、任意のガスを収容部1aに導入・排気することができる。また、排気管8には、ターボ分子ポンプなど真空ポンプ(図示略)が取り付けられており、排気管8から排気して収容部1aを高真空の状態にすることができる。たとえば、排出管8から内部の空気を排気して減圧状態とした後、高純度のアルゴン(Ar)ガスを導入管7から収容部1aに供給し、再び減圧状態とすることにより、収容部1aをアルゴン(Ar)雰囲気の減圧状態とすることができる。
なお、真空容器1の内部に導入するガスは、アルゴン(Ar)やヘリウム(He)などの不活性ガスまたは窒素(N)ガスが好ましい。これらのガスは、炭化珪素と特別な反応を起こさず、また、冷却材としての効果もある。
真空容器1の周囲には加熱コイル3が取り巻くように配置されている。加熱コイル3を加熱することにより、真空容器1を加熱することができ、さらには、ルツボ6を加熱することができる構成とされている。
ルツボ6は、加熱装置のパワーを調整することによって炭化珪素種結晶の温度を炭化珪素原料粉末より低温に保たれるようにすることが出来る。
ルツボ6全体を覆うように断熱材2がルツボ6に巻きつけられている。断熱材2は、ルツボ6を安定的に高温状態に維持するためのものである。ルツボ6を安定的に高温状態に維持することができる場合には、断熱材2は取り付けなくてもよい。
断熱材2には、ルツボ6の下部表面および上部表面の一部が露出するように孔部2c、2dが形成されている。また、ルツボ6は、孔部30cを備えた支持棒30上に配置されている。孔部30cと孔部2cは連通されており、真空容器1の外部に配置された放射温度計9により、ルツボ6の表面温度を測定できる。
なお、ルツボ6の表面温度は、孔部2c、2dに熱電対を差し込んで表面に熱電対の先端が触れるように配置して測定してもよい。
図1に示すように、ルツボ6は、本体部21とその種結晶保持部材(蓋部)22とから構成されている。本体部21は、円筒形状(図示略)であり、円柱状に掘り込まれて形成された空洞部20を備えている。
空洞部20の内底面20b側には、炭化珪素粉末5が充填される。また、空洞部20の開口部20a側には、炭化珪素単結晶インゴットを成長させるのに必要な空間が確保されている。
種結晶保持部材(蓋部)22の一面側は中央部が円柱状に突出され、台座10とされている。本体部21が種結晶保持部材(蓋部)22により蓋をされたとき、台座10は、空洞部20の上部で内底面20b側へ向けて突出している。台座10上には、炭化珪素からなる離間部材11を介して炭化珪素種結晶13が保持されている。炭化珪素種結晶13は台座10には直接接していないので、台座10との熱膨張係数の差に基づく熱応力を台座10から受けることはない。他方、炭化珪素種結晶13が接着剤14を介して接する離間部材11は炭化珪素からなるので、炭化珪素種結晶13が受ける熱応力は台座10に直接接する構成に比べて緩和されている。
炭化珪素からなる離間部材11は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれであっても熱膨張係数は等しいので、同様の効果を有する。また、離間部材11は複数の層すなわち、炭化珪素種結晶と熱膨張係数の等しい複数の素材(例えば、単結晶、多結晶、焼結体)の層からなってもよい。このとき、層間に熱伝導率の低い材料でなる緩衝層を挟んでもよい。各層間に熱伝導率の低い材料層を介在することで種結晶の温度勾配を均一にすることができ、また、複数の層としては炭化珪素種結晶と熱膨張係数の等しい炭化珪素でなる素材を用いることで熱膨張係数差をなくすことにより、種結晶にかかる熱応力を抑制している。
緩衝層の材料としては、グラフォイル、カーボンフェルトが好ましい。
炭化珪素単結晶13としては、アチソン法、レーリー法、昇華法などで作られた円柱状の炭化珪素単結晶を短手方向に、例えば、厚さ0.3〜2mm程度で円板状に切断した後、切断面の研磨を行って成型したものを用いる。なお、この研磨の後に研磨ダメージを取り除くために、種結晶13の最終仕上げとして、犠牲酸化、リアクティブイオンエッチング、化学機械研磨などを行う事が望ましい。さらに、その後、有機溶剤、酸性溶液またはアルカリ溶液などを用いて、種結晶13の表面を清浄化することが好ましい。
接着剤14としては、公知の接着剤を用いることができ、たとえば、フェノール系樹脂などを挙げることができる。
ルツボ6の本体部21の材料としては、高温で安定であり不純物ガスの発生の少ない材料を用いることが好ましく、黒鉛(グラファイト)、炭化珪素もしくは炭化珪素またはTaCによって被覆された黒鉛(グラファイト)などを用いることが好ましい。
種結晶保持部材(蓋部)22は、黒鉛(グラファイト)、アモルファスカーボン、炭素繊維、有機化合物炭化物、金属炭化物の少なくともいずれかからなることが好ましい。これにより、化学的方法を用いて容易に除去することができる。
なお、本実施形態では、蓋部全体を種結晶保持部材22としているが、蓋部を台座10と突出部以外の部分とに分割して、台座10のみを種結晶保持部材22とする構成としてもよい。この構成とすることによっても、後述する種結晶保持部材22の除去工程で、台座10以外の部分が除去されない場合でも、種結晶保持部材22が除去されることにより、台座10以外の部分と炭化珪素単結晶インゴットを分離することができる。
図2に、台座10近傍を拡大した断面模式図を示す。
炭化珪素からなる離間部材11は台座10に非接着(接着剤を用いない)で支持部材12によって機械的に保持されている。具体的には、離間部材11はその外周に支持受け部11aを備え、他方、支持部材12はその下部に例えば、径内方にL字型に屈曲したフック部12aを備え、離間部材11は支持受け部11aを支持部材のフック部12aによって支持されている。
支持部材12は黒鉛からなるのが好ましい。
離間部材11の面11bには接着剤14によって炭化珪素種結晶13が接着されている。離間部材11の接着面11bは炭化珪素種結晶13の反り形状に合わせて曲率加工されているのが好ましい。さらに、離間部材11と炭化珪素種結晶13の反りの大きさの差は±5μm以下であるのが好ましい。
離間部材11の面11bの曲率加工は例えば、旋盤加工により、表面を円周状に凸面もしくは凹面化させることにより行うことができる。
こうして、炭化珪素種結晶13の反りを例えば、ニュートンリングもしくはレーザースキャニングによって測定し、その反り形状に対応するように、旋盤加工によって面11bを加工することによって、好ましい面11bを有する離間部材11を作製できる。
離間部材11は、その接着面11bから支持部材12の最下位置15までの距離dが鉛直方向に5mm以上となるような厚さを有する。5mm以上離間されていることにより、図3に示すように、支持部材12と離間部材11との間に多結晶16が成長しても、その多結晶は炭化珪素種結晶13の成長面13aに届くことはなく、炭化珪素種結晶13上の炭化珪素単結晶17の成長を妨げて歪みを与えることはない。このように、支持部材12と離間部材11との間に成長してしまう多結晶16と、炭化珪素種結晶13上に成長する炭化珪素単結晶17とを完全に分離する構成となっている。
台座10と離間部材11との間には、緩衝部材を備えてもよい。緩衝部材はグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなるのが好ましい。
グラフォイル及びカーボンフェルトは柔軟性黒鉛シートであるため、種結晶に応力がかからず、緩衝作用を有する。また、高融点金属は、台座と離間部材との反応を妨ぐことができる。
図4に、台座10と支持部材12との接触部分を拡大した断面模式図を示す。
図4に示すように、支持部材12の内周に雌ねじ12bが形成され、台座10の外周に雌ねじ12bに螺合する雄ねじ10aが形成されてもよい。このねじ構造によって、支持部材12を台座10に対して相対回動することによって台座10と離間部材11との間隔を調整することができる。台座10を回動することにより、または、支持部材12及び台座10の両方を回動することよって台座10と離間部材11との間隔を調整する構成であってもよい。
炭化珪素単結晶の製造は例えば、以下のように実施する。
上記の通り構成された炭化珪素単結晶成長装置を用いて、炭化珪素原料粉末の温度を2400〜2500℃に加熱する。そして、加熱装置の調整等により炭化珪素種結晶の温度が炭化珪素原料粉末の温度よりも低くなるように、ルツボ内に温度勾配を設ける。次に、ルツボ内の圧力を1〜30Torrとして、昇華法成長を開始すると炭化珪素原料粉末が昇華して昇華ガスとなり、炭化珪素種基板に到達し、炭化珪素原料粉末側より相対的に低温となる炭化珪素種結晶の表面上に炭化珪素単結晶が成長する。
この際、炭化珪素からなる離間部材を支持している支持部材上にも炭化珪素の多結晶が成長する。しかしながら、離間部材により炭化珪素種結晶と支持部材の間には十分距離が保たれているため、炭化珪素の単結晶成長に炭化珪素の多結晶の影響を受けることはない。また、台座と離間部材は接着剤を用いて貼り付けられておらず、また離間部材と炭化珪素種結晶は同程度の熱膨張係数であるため、応力緩和が十分なされ、クラックフリーでかつ高品質な炭化珪素単結晶を製造することができる。
図1及び図2で示した炭化珪素単結晶成長装置を用いて炭化珪素単結晶の成長を行った。
種結晶としては直径76mm(3インチφ)、厚さ0.8mmの炭化珪素単結晶ウェーハを用い、離間部材としては厚さ8mmの炭化珪素単結晶からなるものを用いた。離間部材と種結晶は、カーボンペーストを接着剤として接着した。
炭化珪素原料粉末の温度を2450℃に加熱し、加熱装置の調整等により炭化珪素種結晶の温度が炭化珪素原料粉末の温度よりも低くなるようにルツボ内に温度勾配を設け、種結晶の温度を2250℃にし、次にルツボ内の圧力を3Torrとして、成長速度0.5mm/Hで結晶成長を行った。
このような通常用いられる条件で結晶成長を行い、厚さ20mmの炭化珪素単結晶を形成した。
この成長時に成長した多結晶(図3で模式的に示した多結晶16)は、支持部材の最下位置から下方に3mmの長さを有していた。
しかしながら、台座と種結晶との間には厚さ8mmの離間部材が挟まれていたので、成長した多結晶は種結晶まで届かず、成長結晶と多結晶は完全に分離されており、クラックは発生しなかった。
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、歪みのない高品質の炭化珪素単結晶の製造に利用することができる。
10 台座
10a 雄ねじ
11 離間部材
11a 支持受け部
12 支持部材
12a フック部
12b 雌ねじ
13 炭化珪素種結晶
14 接着剤
15 最下位置
16 多結晶
17 炭化珪素単結晶

Claims (10)

  1. 台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
    前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、
    前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、
    前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面は該炭化珪素種結晶の反り形状に合わせて曲率加工されており、該接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に5mm以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、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。
  2. 台座に配置された炭化珪素種結晶に炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
    前記台座と前記炭化珪素種結晶との間に炭化珪素の複数の層からなる離間部材を配置して、該離間部材を前記台座上に非接着で支持部材によって保持し、
    前記離間部材の前記台座と反対側の面に前記炭化珪素種結晶を接着し、
    前記離間部材の前記炭化珪素種結晶との接着面が前記支持部材の最下位置から鉛直方向に5mm以上離間するように、前記離間部材と前記支持部材とを相対的に配置して、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。
  3. 前記複数の層の間に緩衝層を備えることを特徴とする請求項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  4. 前記離間部材と前記炭化珪素種結晶の反りの大きさの差は±5μm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  5. 前記離間部材は多結晶、単結晶、又は焼結体のいずれかでなることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  6. 前記離間部材はその外周に支持受け部を備え、前記支持部材はその下部にフック部を備え、前記離間部材は前記支持受け部を前記支持部材のフック部によって支持されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  7. 前記支持部材の内周に雌ねじが形成され、前記台座の外周に前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成され、前記支持部材及び/又は前記台座を相対回動することによって前記台座と前記離間部材との間隔を調整できることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  8. 前記支持部材が黒鉛からなることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  9. 前記台座と前記離間部材との間に緩衝部材を備えることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
  10. 前記緩衝部材がグラフォイル、カーボンフェルト、又は、高融点金属からなることを特徴とする請求項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
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