JP5440260B2 - 炭化珪素結晶の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）結晶、その製造方法、およびその製造装置に関する。

ＳｉＣ結晶は、バンドギャップが大きく、また最大絶縁破壊電界および熱伝導率はシリコン（Ｓｉ）と比較して大きい一方、キャリアの移動度はＳｉと同程度に大きく、電子の飽和ドリフト速度および耐圧も大きい。そのため、高効率化、高耐圧化、および大容量化を要求される半導体デバイスへの適用が期待される。

このような半導体デバイス等に用いられるＳｉＣ結晶は、たとえば気相成長法の昇華法により製造される（たとえば非特許文献１）。図１１は、非特許文献１に開示のＳｉＣの製造装置を概略的に示す断面図である。図１１を参照して、非特許文献１に開示のＳｉＣ結晶の製造装置および成長方法について説明する。

図１１に示すように、非特許文献１に開示のＳｉＣの製造装置は、坩堝１０１と、坩堝１０１の外周を覆う断熱材１２１とを備えている。坩堝１０１の下部には、ＳｉＣ結晶の原料１７が配置されている。坩堝１０１の上部には、種結晶１１が原料１７と互いに向かい合うように配置されている。断熱材１２１は、坩堝１０１の内部に配置された種結晶１１側に、断熱材１２１の外周まで貫通するように形成された開口部１２１ａと、坩堝１０１の内部に配置された原料１７側に、断熱材１２１の外周まで貫通するように形成された開口部１２１ｂとを有している。

この状態で、原料１７が昇華する温度まで原料１７が加熱される。この加熱により、原料１７が昇華して昇華ガスが生成され、原料１７よりも低温に設置されている種結晶１１の表面にＳｉＣ結晶が成長する。

G.AUGUSTINE et al., "Physical Vapor Transport Growth and Properties of SiC Monocrystals", Phys.stat.sol.(b) vol.202 (1997), p.137-139

上記非特許文献１のように、断熱材１２１が種結晶１１側に開口部１２１ａを有している場合、ＳｉＣ結晶の成長を開始した時点では熱を逃がすことができるため、開口部１２１ａの温度は低くなる。しかし、坩堝１０１から漏れ出た原料ガスが付着すると、開口部１２１ａの温度は低いため、開口部１２１ａにＳｉＣ結晶が付着する。このため、開口部１２１ａが埋まってしまう場合がある。断熱材１２１に開けた開口部１２１ａが成長途中で埋まると、成長条件が変化してしまう。このため、成長するＳｉＣ結晶の結晶性が悪化してしまう。

したがって、本発明は、ＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる、ＳｉＣ結晶、その製造方法、およびその製造装置に関する。

本発明のＳｉＣ結晶の製造方法は、以下の工程を備える。本体部を含む坩堝と、本体部を覆う断熱材とを含む製造装置を準備する。本体部内に原料を配置する。本体部内において、原料と対向するように種結晶を配置する。本体部内において、原料を加熱することにより昇華させて、種結晶に原料ガスを析出することによりＳｉＣ結晶を成長する。製造装置を準備する工程は、本体部における種結晶側の外表面側に、断熱材よりも熱伝導率の高い放熱部を配置するとともに、放熱部で、または、放熱部と断熱材とで、本体部における種結晶側の外表面全体を覆う工程を含み、製造装置を準備する工程では金属を主成分とする放熱部を準備する。

本発明のＳｉＣ結晶の製造装置は、ＳｉＣを含む原料を昇華させ、昇華させた原料ガスを種結晶に析出させることによりＳｉＣ結晶を成長させる装置であって、坩堝と、断熱材と、放熱部と、加熱部とを備えている。坩堝は、原料および種結晶を内部に配置するための本体部を含む。断熱材は、本体部を覆う。放熱部は、本体部における種結晶側の外表面側に配置され、断熱材よりも熱伝導率が高い。加熱部は、本体部の内部を加熱する。放熱部で、または、断熱材と放熱部とで、本体部の種結晶側の外表面全体を覆う。

本発明のＳｉＣ結晶の製造装置および製造方法によれば、坩堝の本体部の種結晶側の外表面全体を、放熱部、または、放熱部と断熱材とで覆っている。これにより、坩堝の本体部から漏れたガスが、種結晶側の外表面と放熱部との間に混入することを抑制できる。また、断熱材よりも熱伝導率が高い放熱部を種結晶側の外表面に配置しているため、ＳｉＣ結晶の成長温度において、坩堝の種結晶側の熱を高い熱伝導により外部に放出することができる。このため、ＳｉＣ結晶の成長中において、種結晶の温度が変化することを抑制できる。したがって、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することを抑制できるので、ＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる。

上記ＳｉＣ結晶の製造方法において好ましくは、製造装置を準備する工程では、坩堝の種結晶側の外表面に接するように放熱部を配置する。

上記ＳｉＣ結晶の製造装置において好ましくは、放熱部は、坩堝の種結晶側の外表面に接するように配置される。

これにより、種結晶が受けた熱を外部に効率的に放出できるので、種結晶の温度が変化することを抑制できる。したがって、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することをより抑制できるので、ＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

上記ＳｉＣ結晶の製造方法において好ましくは、製造装置を準備する工程では、放熱部の外周と断熱材の外周とを同一平面上に位置付けるように放熱部を配置する。

上記ＳｉＣ結晶の製造装置において好ましくは、放熱部の外周と断熱材の外周とは同一平面上に位置付けられる。

これにより、放熱部および断熱材とで構成される面に凹みが形成されないので、この凹みに坩堝から漏れたガスが混入することで結晶が析出することを抑制できる。このため、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することをより抑制できるので、ＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

上記ＳｉＣ結晶の製造方法において好ましくは、製造装置を準備する工程では、金属を主成分とする放熱部を準備する。上記ＳｉＣ結晶の製造装置において好ましくは、放熱部は、金属を主成分とする。

金属は熱伝導率が高いので、放熱効果が高い。このため、種結晶が受けた熱を外部に効率的に放出できるので、種結晶の温度が変化することを抑制できる。したがって、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することをより抑制できるので、ＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

上記ＳｉＣ結晶の製造方法および製造装置において好ましくは、金属が合金である。これにより、幅広い範囲の物性を有する放熱部を形成することができるので、より高い効果を奏する。

上記ＳｉＣ結晶の製造方法および製造装置において好ましくは、放熱部の融点が１８００℃以上である。これにより、ＳｉＣ結晶を製造する温度条件において放熱部は安定であるので、成長条件の変化をより抑制できる。このため、製造するＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

本発明のＳｉＣ結晶は、上記いずれかに記載のＳｉＣ結晶の製造方法により製造される。本発明のＳｉＣ結晶は、結晶成長中の成長条件の変化を抑制して製造されるので、結晶性を良好にすることができる。

上記ＳｉＣ結晶において好ましくは、結晶多形（ポリタイプ）が４Ｈ−ＳｉＣである。これにより、高耐圧のデバイスの材料を実現できる。

本発明のＳｉＣ結晶、その製造方法、およびその製造装置によれば、放熱部を備えているので、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件の変化を抑制できるので、ＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる。

本発明の実施の形態１におけるＳｉＣ結晶を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＳｉＣ結晶の製造装置を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例１におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例２におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例３におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における坩堝を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例１におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例２におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 比較例におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。 非特許文献１におけるＳｉＣ結晶の製造装置の坩堝周辺を概略的に示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ結晶１０について説明する。ＳｉＣ結晶１０は、結晶性が良好である。ＳｉＣ結晶１０のポリタイプは特に限定されないが、４Ｈ−ＳｉＣであることが好ましい。

続いて、図２を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置１００について説明する。この製造装置１００は、昇華法によりＳｉＣ結晶を成長する装置である。つまり、製造装置１００は、ＳｉＣを含む原料１７を昇華させ、昇華させた原料ガスを種結晶１１に析出させることによりＳｉＣ結晶１０を成長させる装置である。

図２に示すように、製造装置１００は、本体部１０２を含む坩堝１０１と、断熱材１２１と、反応容器１２３と、加熱部１２５と、放熱部１３１とを主に備えている。

坩堝１０１は、本体部１０２を含む。本実施の形態では、坩堝１０１は本体部１０２からなる。本体部１０２は、内表面と外表面とを有する。本体部１０２の外表面は、上面である種結晶１１側の外表面１０２ａと、下面である原料１７側の外表面１０２ｂと、側面１０２ｃとを有する。本体部１０２は、種結晶１１および原料１７を内部に配置する。

この坩堝１０１を構成する本体部１０２は、Ｃを主成分とすることが好ましく、Ｃを主成分とし、残部が不可避的不純物からなることがより好ましい。この場合、坩堝１０１は、ＳｉＣ結晶の成長条件において安定である材料よりなるため、ＳｉＣ結晶の成長中における成長条件の変化を抑制できる。このため、製造するＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる。このような材料として、坩堝１０１はたとえばグラファイトよりなることが好ましい。グラファイトは高温で安定であるので、坩堝１０１の割れを抑制することができる。また坩堝１０１を構成するＣはＳｉＣ結晶の構成元素であるので、仮に坩堝１０１が昇華してＳｉＣ結晶に混入した場合であっても、不純物になることを抑制することができる。このため、製造するＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

断熱材１２１は、この本体部１０２の外表面の少なくとも一部を覆う。本実施の形態では、断熱材１２１は、本体部１０２の種結晶１１側以外の外表面を覆っている。つまり、断熱材１２１は、本体部１０２の原料１７側の外表面１０２ｂおよび側面１０２ｃを覆っている。

断熱材１２１は、Ｃを主成分とすることが好ましく、Ｃを主成分とし、残部が不可避的不純物からなることがより好ましい。このような材料として、断熱材はたとえばカーボンフェルトよりなることが好ましい。この場合も、断熱効果を有し、かつＳｉＣ結晶の成長中における成長条件の変化を抑制できるので、製造するＳｉＣ結晶の結晶性を良好にすることができる。また、本実施の形態では、断熱材１２１の原料１７側には、測温孔１２１ｃが形成されている。

放熱部１３１は、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ側に配置されている。放熱部１３１と断熱材１２１とで、本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆っている。なお、放熱部１３１のみで、本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆っていてもよい。

また、放熱部１３１で、または放熱部１３１および断熱材１２１で、種結晶１１側の外表面１０２ａおよび側面１０２ｃ全体を覆うことが好ましい。本体部１０２において種結晶１１側の温度は原料１７側の温度よりも低いため、本体部１０２から漏れたガスにより結晶が析出しやすいため、相対的に温度の低い領域は覆われていることが好ましい。

放熱部１３１は、断熱材１２１を構成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。熱伝導率は、たとえばレーザーフラッシュ法により測定される値である。

また、放熱部１３１は、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａに接するように配置されることが好ましい。言い換えると、放熱部１３１は、本体部１０２において種結晶１１が配置される内表面と対向する外表面１０２ａ（種結晶１１が配置される面の裏側の外表面１０２ａ）に接するように形成されることが好ましい。この場合、放熱部１３１による高い熱伝導の効果をより発現できる。

また、放熱部１３１は、放熱部１３１の外周と断熱材１２１の外周とを同一平面上に位置付けるように配置することが好ましい。それに加えて、放熱部１３１は、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａに接するように配置されることが好ましい。この場合、放熱部１３１は、本体部１０２の外表面１０２ａと反対側まで、断熱材１２１を貫通して配置される。つまり、本体部１０２の種結晶１１側に、断熱材１２１の外周まで貫通するように放熱部１３１が形成される。これにより、放熱効果をより発現することができる。

放熱部１３１は、断熱材１２１よりも熱伝導率が高い。このような材料として、Ｃを主成分とすることが好ましく、Ｃを主成分とし、残部が不可避的不純物からなることがより好ましい。特に、放熱部１３１は、グラファイトよりなることがより好ましい。この場合、種結晶１１の熱を製造装置１００の外部に放出でき、かつ製造装置の耐熱性も向上でき、製造するＳｉＣ結晶の結晶性も向上できる。また、放熱部１３１は、金属を主成分とすることが好ましく、金属を主成分とし、残部が不可避的不純物からなることがより好ましい。金属としては、合金が好適に用いられる。このような材料として、たとえば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、およびこれらの合金を用いることが好ましい。これらの材料は、非常に熱伝導率が高く、かつ耐熱性も高い。

また、放熱部１３１の融点は、１８００℃以上であることが好ましく、２２００℃以上であることがより好ましく、２５００℃以上であることがより一層好ましい。この場合、ＳｉＣ結晶を製造する高温の雰囲気においても耐熱性を保つことができる。

放熱部１３１は、２層以上の層を含んでいてもよい。この場合、各層の熱伝導率の高低による配置は特に制限されない。

放熱部１３１の中心と、坩堝１０１（または本体部１０２）の中心とは一致することが好ましい。この場合、種結晶１１の横方向の熱伝達のばらつきを抑制できる。

放熱部１３１は、原料１７側から見て、配置する種結晶１１を本体部１０２の外表面１０２ａに投影した全ての領域を含むことが好ましい。この場合、放熱部１３１からの放熱により温度の面内均一性を高める効果が高い。ただし、放熱部１３１は、原料１７側から見て、配置する種結晶１１を本体部１０２の外表面１０２ａに投影した一部の領域を含んでいてもよく、全ての領域を含んでいなくてもよい。また、配置する種結晶１１が、原料１７側から見て、放熱部１３１を本体部１０２の外表面１０２ａに投影した全ての領域を含んでいてもよい。

断熱材１２１および放熱部１３１の周りには、反応容器１２３が設けられている。反応容器１２３の両端部には、反応容器１２３内へたとえば雰囲気ガスを流すためのガス導入口１２３ａと、反応容器１２３の外部へ雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１２３ｂとが形成されている。

坩堝１０１の外側（本実施の形態では反応容器１２３の外側中央部）には、坩堝１０１の内部を加熱するための加熱部１２５が設けられている。加熱部１２５は、特に限定されないが、高周波加熱コイルまたは抵抗加熱ヒータであることが好ましい。なお、加熱部１２５として高周波加熱コイルを用いる場合には、高周波加熱コイルは断熱材１２１の外周に設置されることが好ましい。加熱部１２５として抵抗加熱ヒータを用いる場合には、抵抗加熱ヒータは、断熱材１２１の内側であって、かつ坩堝１０１の外側に設置されることが好ましい。

反応容器１２３の上部および下部には、坩堝１０１の上方および下方の温度を測定するための放射温度計１２７ｂ、１２７ａが設けられている。放射温度計１２７ａは、坩堝１０１の原料１７側の外表面１０２ｂを覆う断熱材１２１の一部に形成された測温孔１２１ｃを通して測定される。測温孔１２１ｃは形成されていなくてもよい。

なお、上記製造装置１００は、上記以外の様々な要素を含んでいてもよいが、説明の便宜上、これらの要素の図示および説明は省略する。

続いて、図１および図２を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造方法を説明する。

まず、図２に示すように、本体部１０２を含む坩堝１０１と、本体部１０２の外表面の少なくとも一部を覆う断熱材１２１とを含む製造装置１００を準備する。この工程は、本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ側に、断熱材１２１よりも熱伝導率の高い放熱部１３１を配置するとともに、放熱部１３１で、または、放熱部１３１と断熱材１２１とで、本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆う工程を含む。つまり、この工程では、上述した図２に示す製造装置１００を準備する。

具体的には、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａに接するように放熱部１３１を配置する。また、放熱部１３１の外周と断熱材１２１の外周とを同一平面上に位置付けるように放熱部１３１を配置する。また、Ｃを主成分とする放熱部１３１を準備する。また、グラファイトを主成分とする放熱部１３１を準備する。また、金属を主成分とする放熱部１３１を準備する。また、合金を主成分とする放熱部１３１を準備する。また、融点が１８００℃以上である放熱部１３１を準備する。

次に、図２に示すように、本体部１０２内に原料１７を配置する。原料１７は粉末であっても、焼結体であってもよく、たとえば多結晶のＳｉＣ粉末またはＳｉＣ焼結体を準備する。本実施の形態では、原料１７は、本体部１０２の下部に設置する。

次に、図２に示すように、本体部１０２内において、原料１７と対向するように種結晶１１を配置する。本実施の形態では、原料１７と互いに対向するように、種結晶１１を本体部１０２の上部に配置する。種結晶１１の結晶構造は特に限定されず、成長するＳｉＣ結晶と同じ結晶構造であってもよく、異なる結晶構造であってもよい。成長するＳｉＣ結晶の結晶性を向上する観点から、同じ結晶構造であるＳｉＣ結晶を種結晶１１として準備することが好ましい。

次に、坩堝１０１内において、原料１７を加熱することにより昇華させて、種結晶１１に原料ガスを析出することによりＳｉＣ結晶を成長する。

具体的には、原料１７が昇華する温度まで原料１７を加熱部１２５により加熱する。加熱方法は、特に限定されないが、高周波加熱法または抵抗加熱法を用いることが好ましい。この加熱により、原料１７が昇華して昇華ガス（原料ガス）を生成する。この昇華ガスを、原料１７よりも低温に設置されている種結晶１１の表面に再度固化させる。成長温度の一例を挙げると、たとえば、原料１７の温度を２３００℃〜２４００℃に保持し、種結晶１１の温度を２１００℃〜２２００℃に保持する。これにより、種結晶１１上にＳｉＣ結晶が成長する。

ＳｉＣ結晶を成長する工程において、熱伝導率の高い放熱部１３１により、本体部１０２において種結晶１１が配置されている側の外表面１０２ａから製造装置１００の外部に熱を伝導することができる。さらに、断熱材１２１および放熱部１３１で、または、放熱部１３１で、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ全体が覆われているため、ＳｉＣ結晶の成長を続けても、断熱材１２１および放熱部１３１の内部、放熱部１３１と本体部１０２との間にＳｉＣ結晶が堆積することを抑制できる。したがって、ＳｉＣ結晶を成長する間に、種結晶１１の温度が変化するなどの成長条件の変化を抑制できる。したがって、意図したポリタイプのＳｉＣ結晶を製造できるなど、結晶性の良好なＳｉＣ結晶を成長することができる。

次に、製造装置１００の内部を室温まで冷却する。そして、製造装置１００から製造したＳｉＣ結晶を取り出す。これにより、種結晶１１と、種結晶１１上に形成されたＳｉＣ結晶とを備えた、図１に示すＳｉＣ結晶１０（ＳｉＣインゴット）を製造することができる。

なお、ＳｉＣインゴットから種結晶１１を除去することで、図１に示すＳｉＣ結晶１０を製造してもよい。除去する場合には、種結晶１１のみを除去してもよく、種結晶１１および成長させたＳｉＣ結晶の一部を除去してもよい。

除去する方法は特に限定されず、たとえば切断、研削、へき開など機械的な除去方法を用いることができる。切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーなどで機械的にＳｉＣインゴットから少なくとも種結晶１１を除去することをいう。研削とは、砥石を回転させながら表面に接触させて、厚さ方向に削り取ることをいう。へき開とは、結晶格子面に沿って結晶を分割することをいう。なお、エッチングなど化学的な除去方法を用いてもよい。

また、製造したＳｉＣ結晶１０の厚さが大きい場合には、成長したＳｉＣ結晶から複数枚のＳｉＣ結晶を切り出すことで、図１に示すＳｉＣ結晶１０を製造してもよい。この場合には、１枚当たりのＳｉＣ結晶１０の製造コストを低減できる。

その後、必要に応じて、結晶の一方面または両面を研削、研磨などにより平坦化してもよい。

続いて、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造方法および製造装置１００の効果について、図１０および図１１に示す比較例および非特許文献１のＳｉＣ結晶の製造方法および製造装置と比較して説明する。

まず、図１０に示す比較例のＳｉＣ結晶の製造装置は、図２に示す本実施の形態の製造装置１００と基本的には同様の構成を備えているが、放熱部１３１を備えていない点において異なる。つまり、比較例の製造装置は、種結晶１１側の外表面１０２ａ、原料側の外表面１０２ｂ、および側面である１０２ｃを含む本体部１０２全体を断熱材１２１で覆っている。

比較例では、種結晶１１側の温度が原料１７の温度よりも低くなるように加熱しようとしても、本体部１０２内部が高温に加熱されるため、種結晶１１の温度も次第に高くなる。このため、原料１７の昇華ガスを適切に制御して種結晶１１側に析出させることが困難となり、ＳｉＣ結晶の成長が困難となる。

次に、図１１に示す非特許文献１のＳｉＣ結晶の製造装置は、図２に示す本実施の形態の製造装置１００と基本的には同様の構成を備えているが、放熱部１３１が断熱材１２１に設けられた貫通した開口部１２１ａである点において異なる。

非特許文献１では、ＳｉＣ結晶の成長初期の段階では、開口部１２１ａから熱を逃がすことができるため、開口部１２１ａ側に位置する種結晶１１の温度は低くなる。しかし、ＳｉＣ結晶の成長において、本体部１０２から漏れ出た原料ガスが流入すると、開口部１２１ａの温度は低いため、開口部１２１ａに結晶が付着する。このため、断熱材１２１に設けた開口部１２１ａがＳｉＣ結晶の成長途中で埋まる。これにより、ＳｉＣ結晶の成長温度が成長途中で変化してしまう。このため、成長するＳｉＣ結晶のポリタイプが意図したものから変化するなど、結晶性が悪化してしまう。

一方、本実施の形態のＳｉＣ結晶の製造装置１００およびその製造方法によれば、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ上に配置された熱伝導率の高い放熱部１３１と断熱材１２１とで本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆っている。これにより、坩堝１０１から漏れたガスが放熱部１３１と本体部１０２との間に混入することを抑制できる。このため、ＳｉＣ結晶の成長において、断熱材１２１および放熱部１３１で囲まれる本体部１０２の外表面に結晶が堆積することを抑制できる。さらに、ＳｉＣ結晶の成長温度において、本体部１０２の種結晶１１側の熱を熱伝導により製造装置１００の外部に放出することができる。つまり、放熱部１３１を介して、坩堝１０１からの放熱を大きく維持することができる。このため、ＳｉＣ結晶の成長中において、種結晶１１の温度が高くなることを抑制できるので、種結晶１１の温度を原料１７の温度よりも低く維持できる。つまり、ＳｉＣ結晶の成長初期の種結晶１１の温度と、成長中期（または終期）の種結晶１１の温度との差を、本実施の形態は非特許文献１よりも小さくすることができる。したがって、ＳｉＣ結晶の成長中に、種結晶１１の温度が変化するなど成長条件の変化を抑制できるので、結晶性の良好なＳｉＣ結晶を製造することができる。

（変形例１）
図３を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置１００の変形例１について説明する。図３に示す変形例１の製造装置は、基本的には図２に示す製造装置１００と同様の構成を備えているが、本体部１０２の原料１７側の外表面１０２ｂと、断熱材１２１との間に、空間部１３３がさらに形成されている点、および断熱材１２１に測温孔１２１ｃが形成されていない点において異なる。

（変形例２）
図４を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置１００の変形例１について説明する。図４に示す変形例２の製造装置は、基本的には図３に示す変形例１の製造装置と同様の構成を備えているが、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａと、放熱部１３１との間に、空間部１３２が配置されている点において異なる。つまり、空間部１３２は、本体部１０２において種結晶１１が配置される内表面と対向する外表面１０２ａ（種結晶１１が配置される面の裏側の外表面１０２ａ）に接するように形成される。さらに言い換えると、空間部１３２は、本体部１０２と、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａを覆う放熱部１３１との間に形成された空間部である。

空間部１３２は、ＳｉＣ結晶の成長中には、窒素（Ｎ₂）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの雰囲気ガスが充填される。

本変形例では、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ上の空間部１３２を放熱部１３１で覆っている。これにより、本体部１０２から漏れたガスが空間部１３２に混入することを抑制できる。このため、ＳｉＣ結晶の成長において空間部１３２が埋まることを抑制できる。空間部１３２を維持できると、ＳｉＣ結晶の成長温度において、本体部１０２の種結晶１１側の熱を輻射による熱伝導により製造装置の外部に放出することができる。このため、本変形例では、放熱部１３１の良好な熱伝導の効果に加えて、空間部１３２による良好な熱伝導の効果も奏する。したがって、ＳｉＣ結晶の成長中において、種結晶１１の温度が変化することをより抑制できるので、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することをより抑制できる。本変形例によれば、ＳｉＣ結晶の結晶性をより良好にすることができる。

（変形例３）
図５を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置１００の変形例３について説明する。図５に示す変形例３の製造装置は、基本的には図２に示す製造装置１００と同様の構成を備えているが、断熱材１２１に測温孔１２１ｃが形成されていない点において異なる。

（実施の形態２）
図６を参照して、本実施の形態における坩堝１０１について説明する。本実施の形態における坩堝１０１は、ＳｉＣ結晶の製造に用いられる。

坩堝１０１は、原料１７および種結晶１１を内部に配置するための本体部１０２と、本体部１０２の外表面１０２ａに接続され、外表面１０２ａから外側（本実施の形態では上側）に突出した突起部１０３とを備えている。

本体部１０２は、たとえば筒状である。突起部１０３は、本体部１０２の上面に形成されている。突起部１０３は、たとえば凸状である。この突起部１０３は、実施の形態１の製造装置１００の放熱部１３１に相当する。

本体部１０２および突起部１０３は、一体成形されていてもよく、別々に形成された部材が接合されていてもよい。突起部１０３の熱伝導率は高く、実施の形態１の放熱部１３１と同じ材料を用いることができる。このため、突起部１０３の材料の説明は繰り返さない。

続いて、図７を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣの結晶の製造装置について説明する。図７に示すように、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置は、基本的には図２に示す実施の形態１の製造装置１００と同様の構成を備えているが、図６に示す坩堝１０１を備えている点、および断熱材１２１に測温孔１２１ｃが形成されていない点において異なる。つまり、本実施の形態における製造装置は、放熱部が坩堝１０１の突起部１０３である。

具体的には、本実施の形態の製造装置は、図７に示すように、本体部１０２と突起部１０３とを含む坩堝１０１と、断熱材１２１とを備えている。突起部１０３は、本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ側に配置され、断熱材１２１よりも熱伝導率が高い。突起部１０３と、断熱材１２１とで、本体部１０２の外表面の全体を覆っている。つまり、突起部１０３は種結晶１１側の外表面１０２ａを覆い、断熱材１２１は原料１７側の外表面１０２ｂおよび側面１０２ｃを覆う。

本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造方法は、基本的には実施の形態１のＳｉＣ結晶の製造方法と同様の構成を備えているが、図７に示す製造装置を準備する工程において異なる。

（変形例１）
図８を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置の変形例１について説明する。図８に示す変形例１の製造装置は、基本的には図７に示す製造装置と同様の構成を備えているが、坩堝１０１の外表面全体を断熱材１２１で覆っている点、本体部１０２の原料１７側の外表面１０２ｂと、断熱材１２１との間に、空間部１３３がさらに形成されている点、および断熱材１２１に測温孔１２１ｃが形成されていない点において異なる。

（変形例２）
図９を参照して、本実施の形態におけるＳｉＣ結晶の製造装置の変形例２について説明する。図９に示す変形例２の製造装置は、基本的には図７に示す製造装置と同様の構成を備えているが、突起部１０３上に放熱部１３１がさらに配置されている点、本体部１０２の原料１７側の外表面１０２ｂと、断熱材１２１との間に、空間部１３３がさらに形成されている点、および断熱材１２１に測温孔１２１ｃが形成されていない点において異なる。放熱部１３１は、実施の形態１の放熱部１３１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

突起部１０３と放熱部１３１との材料は、同じであっても異なっていてもよい。また、突起部１０３の厚みと放熱部１３１の厚みとは、同じであっても異なっていてもよい。突起部１０３、放熱部１３１および断熱材１２１で、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆っている。

本実施例では、坩堝１０１の本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ側に、断熱材１２１よりも熱伝導率の高い放熱部１３１を配置して、断熱材１２１と放熱部１３１とで本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を覆うことの効果について調べた。

（本発明例１〜３）
本発明例１〜３では、図２に示す上述した実施の形態１の製造装置１００を用いて、上述した実施の形態１の製造方法にしたがって、ＳｉＣ結晶を製造した。

具体的には、まず、グラファイト製で、中空の円筒型の坩堝１０１を準備した。坩堝１０１の外径は１４０ｍｍであり、内径は１２０ｍｍであり、高さは１００ｍｍであった。

また、１０ｍｍの厚さを有し、カーボンフェルトからなる断熱材となる断熱シートをそれぞれ３枚準備した。３枚の断熱シートについて、外径が２５ｍｍの開口部をそれぞれ形成した。そして、開口部を形成した３枚の断熱シートをそれぞれの開口部が重なるように積層して、坩堝１０１の種結晶１１側の外表面１０２ａ上に開口部が位置するように配置した。このとき、開口部の中心と、坩堝１０１の中心とを一致させた。

その後、下記の表１に記載の材料で、かつ開口部内に配置できる形状（外形が２５ｍｍで厚さが３０ｍｍ）の放熱部１３１を準備した。この放熱部１３１の熱伝導率は、断熱シートの熱伝導率よりも高かった。この放熱部１３１を断熱材１２１の開口部に配置した。これにより、本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａ全体を、放熱部１３１と断熱材とで覆った。

なお、坩堝１０１の原料１７側に、断熱材１２１の外周まで貫通するように形成された開口部１２１ｂは形成しなかった。

坩堝１０１、放熱部１３１および断熱材１２１を反応容器１２３内部に収容し、反応容器１２３の外周に、加熱部１２５としての高周波加熱コイルを配置した。

また、坩堝１０１内の下部に原料１７を配置した。原料１７は、ＳｉＣパウダーを用いた。また、坩堝１０１内の上部に、原料１７と対向するように種結晶１１を配置した。種結晶１１は、７５ｍｍの外径を有する４Ｈ−ＳｉＣを用いた。

次に、反応容器１２３中に雰囲気ガスとして、流量が０．５ｓｌｍのＨｅガスと流量が０．１ｓｌｍのＮ₂ガスとを流し、加熱部１２５としての高周波加熱コイルを用いて坩堝１０１内の温度を昇温した。坩堝１０１の原料１７側の温度を測定している放射温度計１２７ａの指示値が規定の成長温度、たとえば２４００℃に達した後、坩堝１０１内の圧力を２０Ｔｏｒｒとした。このとき種結晶１１側の温度は、原料１７側の温度よりも低い、たとえば２２００℃となるように、高周波加熱コイルのパワーを制御した。これにより、原料１７からＳｉＣガスを昇華させ、成長時間を５０時間として、種結晶１１上にＳｉＣ結晶を成長させた。意図したポリタイプは４Ｈ−ＳｉＣであった。その後、製造装置１００内部の温度を室温まで冷却した。これにより、ＳｉＣ結晶を製造した。

（比較例１）
比較例１のＳｉＣ結晶の製造装置および製造方法は、基本的には本発明例１〜３と同様であったが、断熱シートに開口部を設けずに、坩堝上に配置した点において異なっていた。つまり、比較例１では、図１０に示すように、放熱部は配置されなかった。

（比較例２）
比較例２のＳｉＣ結晶の製造装置および製造方法は、基本的には本発明例１
〜３と同様であったが、断熱シートに形成した開口部に放熱部を配置しなかった点において異なる。つまり、図１１に示すように、断熱材１２１を貫通する開口部を設けた（坩堝１０１における種結晶１１側の外表面１０２ａに空洞を形成した）。

（測定方法）
比較例２について、ＳｉＣ結晶を成長する前の放熱部（開口部）の面積に対して、ＳｉＣ結晶を成長した後の閉塞した放熱部（開口部）の面積の割合を求めた。その結果を下記の表１に記載する。

また、成長したＳｉＣ結晶から、１０枚のＳｉＣ結晶基板を切り出し、その１０枚について、４Ｈ−ＳｉＣ以外のポリタイプが発生しているか否か目視で観察した。色が変わっているものが１つでもあれば、４Ｈ−ＳｉＣ以外のポリタイプが発生していると判断し、ポリタイプ異常とした。１０枚のＳｉＣ結晶基板のうち、ポリタイプ異常が発生している枚数を測定した。その結果を下記の表１に示す。

（測定結果）
表１に示すように、坩堝１０１の種結晶１１側の外表面１０２ａに断熱材１２１よりも熱伝導率が高い放熱部１３１を配置して、坩堝１０１の本体部１０２の外表面１０２ａを放熱部１３１および断熱材１２１で覆った本発明例１〜３の製造装置１００および製造方法では、５０時間のＳｉＣ結晶の成長の間、放熱部１３１と断熱材１２１との間、放熱部１３１と坩堝１０１との間に、結晶が付着しなかった。放熱部１３１は断熱材１２１よりも熱伝導率が高いため、種結晶１１側の熱を外部に効果的に放出できたので、ＳｉＣ結晶の成長中に成長条件が変化することを抑制できた。このため、成長したＳｉＣ結晶から切り出したＳｉＣ結晶基板には、ポリタイプ異常のものが１枚も含まれていなかった。

一方、坩堝１０１の種結晶１１側の外表面１０２ａに、放熱部を設けなかった比較例１は、種結晶１１側の温度を低く維持できなかった。このため、ポリタイプが正常のＳｉＣ結晶基板を製造することができなかった。

また、貫通した開口部を有する断熱材を設けた比較例２では、５０時間のＳｉＣ結晶の成長の途中で放熱部である開口部１２１ａの少なくとも一部が結晶により埋まった。このため、成長途中で成長条件が変化したことで、ＳｉＣ結晶から切り出したＳｉＣ結晶基板にはポリタイプ異常のものが含まれていた。

以上より、本実施例によれば、坩堝１０１の本体部１０２における種結晶１１側の外表面１０２ａ側に、断熱材１２１よりも熱伝導率の高い放熱部１３１を配置して、断熱材１２１と放熱部１３１とで本体部１０２の種結晶１１側の外表面１０２ａの全体を覆うことにより、結晶性を向上したＳｉＣ結晶を製造できることが確認できた。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ ＳｉＣ結晶、１１ 種結晶、１７ 原料、１００ 製造装置、１０１ 坩堝、１０２ 本体部、１０２ａ，１０２ｂ 外表面、１０２ｃ 側面、１０３ 突起部、１２１ 断熱材、１２１ａ，１２１ｂ 開口部、１２１ｃ 測温孔、１２３ 反応容器、１２３ａ ガス導入口、１２３ｂ ガス排出口、１２５ 加熱部、１２７ａ，１２７ｂ 放射温度計、１３１ 放熱部、１３２，１３３ 空間部。

Claims (10)

1. 本体部を含む坩堝と、前記本体部を覆う断熱材とを含む製造装置を準備する工程と、
   前記本体部内に原料を配置する工程と、
   前記本体部内において、前記原料と対向するように種結晶を配置する工程と、
   前記本体部内において、前記原料を加熱することにより昇華させて、前記種結晶に原料ガスを析出することにより炭化珪素結晶を成長する工程とを備え、
   前記製造装置を準備する工程は、前記本体部における前記種結晶側の外表面側に、前記断熱材よりも熱伝導率の高い放熱部を配置するとともに、前記放熱部で、または、前記放熱部と前記断熱材とで、前記本体部における前記種結晶側の前記外表面全体を覆う工程を含み、
   前記製造設備を準備する工程では、金属を主成分とする前記放熱部を準備する炭化珪素結晶の製造方法。
2. 前記製造装置を準備する工程では、前記本体部の前記種結晶側の前記外表面に接するように前記放熱部を配置する、請求項１に記載の炭化珪素結晶の製造方法。
3. 前記製造装置を準備する工程では、前記放熱部の外周と前記断熱材の外周とを同一平面上に位置付けるように前記放熱部を配置する、請求項１または２に記載の炭化珪素結晶の製造方法。
4. 前記金属が合金である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素結晶の製造方法。
5. 前記放熱部の融点が１８００℃以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素結晶の製造方法。
6. 炭化珪素を含む原料を昇華させ、昇華させた原料ガスを種結晶に析出させることにより炭化珪素結晶を成長させる装置であって、
   前記原料および前記種結晶を内部に配置するための本体部を含む坩堝と、
   前記本体部を覆う断熱材と、
   前記本体部における前記種結晶側の外表面側に配置され、前記断熱材よりも熱伝導率の高い放熱部と、
   前記本体部の内部を加熱するための加熱部とを備え、
   前記放熱部で、または、前記断熱材と前記放熱部とで、前記本体部の前記種結晶側の前記外表面全体を覆い、
   前記放熱部は、金属を主成分とする、炭化珪素結晶の製造装置。
7. 前記放熱部は、前記本体部の前記種結晶側の前記外表面に接するように配置される、請求項６に記載の炭化珪素結晶の製造装置。
8. 前記放熱部の外周と前記断熱材の外周とは同一平面上に位置付けられる、請求項６または７に記載の炭化珪素結晶の製造装置。
9. 前記金属が合金である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の炭化珪素結晶の製造装置。
10. 前記放熱部の融点が１８００℃以上である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の炭化珪素結晶の製造装置。

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