JP5560862B2

JP5560862B2 - 炭化珪素単結晶インゴットの製造装置

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Publication number: JP5560862B2
Application number: JP2010088703A
Authority: JP
Inventors: 弘志柘植; 辰雄藤本; 正和勝野; 正史中林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: JP2011219295A

Description

この発明は、電子材料の基板に利用される炭化珪素単結晶基板を作製するのに好適な炭化珪素単結晶の製造装置に関する。

高熱伝導率を持ち、バンドギャップの大きい炭化珪素単結晶は、高温で用いられる電子材料や、高耐圧の求められる電子材料の基板として有用な材料である。
炭化珪素単結晶の作製法の一つに昇華再結晶法(レーリー法)がある。昇華再結晶法は、２０００℃を超える高温において炭化珪素粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部に再結晶化させることにより、炭化珪素結晶を製造する方法である。炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いて、炭化珪素単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（非特許文献１）、バルク状の炭化珪素単結晶の製造に利用されている。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が制御でき、また不活性ガスによる雰囲気圧力を１０Paから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できる。一般に、原料と結晶の温度差を適切に制御して、炭化珪素単結晶の成長が行われている。得られた炭化珪素単結晶は基板としての規格の形状にするために、研削、切断、研磨といった加工が施され、電子材料の基板として利用される。

図1を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。原料２となる炭化珪素結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された炭化珪素結晶粉末を洗浄・前処理したものが使用される。〕と種結晶３となる炭化珪素単結晶が、坩堝１の中に収納される。坩堝１内では、前記炭化珪素原料粉末の原料２は坩堝１の容器部内に収容され、また、前記炭化珪素単結晶の種結晶３は坩堝１の蓋部に支持（装着）される。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(10Pa〜15kPa)で原料２を昇華させるために、原料２は２４００℃以上に加熱される。この際、坩堝１内は、原料２側に比べて種結晶３側がやや低温になるように温度勾配が設定される。原料２は加熱されて昇華した後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶３方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶３に到着した原料ガスが種結晶３上で再結晶化して単結晶４となることにより実現される。

原料ガスはSi、SiC₂、Si₂C等の組成からなるガスで、種結晶部分でSiCとして再結晶すると同時に、一部は坩堝を構成する黒鉛部材の炭素と反応しながら、黒鉛坩堝の外部に漏出する。坩堝外部に漏出した昇華ガスは、結晶成長に寄与しないため、漏出する昇華ガスを減らすための幾つかの工夫が提案されている。

例えば、特許文献１には、坩堝が内部に凹みのある第１の部材とこの凹み内に第２の部材が嵌合して密閉する構造を有する場合、嵌合部では第２の部材が第１の部材の周囲を囲むように配置すると共に、第２の部材の熱膨張係数を第１の部材の熱膨張係数より小さくし、この嵌合部での熱膨張係数の差によって、結晶成長時に嵌合部から漏出する昇華ガスを減らすようにした方法が提案されている。

また、特許文献２には、２以上の黒鉛坩堝部材を組み立てて構成された黒鉛坩堝において、各黒鉛坩堝部材の間の接続部を一方の雄ねじと他方の雌ねじで構成し、これら雄ねじと雌ねじとの間で螺合させた長さを５〜４０mmとし、この螺合部に適切な長さを設けることによって、結晶成長時に螺合部から漏出する昇華ガスを減らすようにした方法が提案されている。

しかしながら、結晶成長時には、坩堝内部では固体の原料粉末が気体の昇華ガスに変化するため、坩堝内部の圧力が坩堝外部の圧力よりも高くなり、上記のように、嵌合部に熱膨張係数の差を設ける、あるいは、螺合部に適切な長さを設ける等の工夫をしても、原料ガスがこれら嵌合部や螺合部における隙間を通して坩堝外部に漏出することを完全に抑制することは困難である。

ところで、成長した炭化珪素単結晶インゴットから基板を切り出す場合、単結晶インゴットの長さが長いほど1回の切断で多数の基板を作製することができるので、基板の製造を効率良くするために、できるだけ単結晶インゴットの長さを長くすることが好ましく、そのためには、長時間に亘って多量の原料粉末を昇華させる必要がある。特に、結晶の大口径化が進み、直径が１００mm以上で高さが５０mm以上のインゴットを作製する場合には、少なくとも１．３kg以上の原料粉末を昇華させる必要がある。このため、昇華再結晶法により大口径でより高さの高い炭化珪素単結晶インゴットを成長させようとすると、それだけ坩堝から漏出するガスの量も多くなるという問題がある。

坩堝から漏出したガスは、坩堝の外部、特に坩堝の周囲に配置された断熱材の部分で再結晶をし、断熱材の断熱性能を劣化させる。このため、より大口径でより高さの高い炭化珪素単結晶インゴットを成長させようとすると、それだけ漏出した原料ガスにより断熱材の断熱性能が劣化するという問題を十分に防ぐことが難しくなり、断熱材の性能劣化が顕在化し、誘導加熱のパワーを高くしても原料粉末を十分に加熱して昇華させることが難しくなり、結果として炭化珪素単結晶インゴットの長さを所望の長さまで成長させることができなくなるという問題がある。

しかも、原料ガスが坩堝から漏出して断熱材の表面若しくは内部で再結晶することに起因する断熱材の性能劣化は、断熱材毎にその様子が異なり、また、結晶成長を行うたびに異なり、最適な加熱条件を再現して断熱材の性能劣化を抑制しつつ結晶成長を行うことは困難である。

なお、特許文献３には、容器本体と蓋部を有する坩堝の外周に、容器本体内の炭化珪素原料を加熱すヒータと蓋部に配置した種結晶を過熱するヒータとを配置すると共に、これらのヒータの間には断熱材料で形成された仕切壁部を設け、また、坩堝を覆う断熱材には坩堝の外周に到達する孔やヒータに到達する孔等の複数の温度検出孔を設け、更に、坩堝と断熱材を覆う外部チャンバに導入された雰囲気ガスを坩堝と断熱材との間の空間に導入し、この雰囲気ガスを、断熱材及び外部チャンバを貫通する排気配管を介して、外部チャンバの外部に排気し、温度検出孔内に昇華ガスが行かないようにした炭化珪素単結晶の製造装置が提案されている。しかし、この装置においては、外部チャンバから温度検出孔、坩堝と断熱材との間の空間、及び排気配管を介して外部チャンバ外部に通じる雰囲気ガスの流路を形成するために、坩堝及び断熱材以外にこれら坩堝及び断熱材を覆う外部チャンバを別個に設けることが必須であり、装置の構造が極めて複雑になるほか、限られた数の温度検出孔が断熱材を貫通して局所的に設けられているだけなので、この温度検出孔が坩堝と断熱材との間の空間に開口する部分の周辺で雰囲気ガスの流れが乱れ、この温度検出孔それ自体の昇華ガスによる閉塞は防止できても、断熱材における温度検出孔の開口部周辺での断熱性能の劣化を抑制することまでには至っておらず、更に、坩堝の自己発熱が無いため、坩堝内部の原料を昇華温度まで十分に加熱するためには、周囲に配置したヒータの温度を従来の自己発熱の坩堝の温度以上に高温に加熱する必要があり、ヒータ部材の劣化が促進される問題や高温での加熱の安定制御が難しいという問題もある。

特開2005-239,464号公報特開2008-74,665号公報特開2008-290,885号公報

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

上述のように、従来の坩堝の構成を工夫する等の方法では、坩堝外部に昇華ガスが漏出することを防ぐことはできず、また、断熱材の性能劣化を確実に防止することまではできない。その結果、坩堝から漏出した昇華ガスが、坩堝を取り囲む断熱材の表面若しくは内部で再結晶し、単結晶成長中に断熱材の劣化を引き起こし、最適な加熱条件を継続して維持することが難しく、特に、結晶成長時間が長くかかる長尺の炭化珪素単結晶インゴットを得ることが困難であるという問題があった。

本発明は、断熱材の性能劣化を可及的に低減し、結晶成長中の最適な加熱条件の制御性を向上させ、良質の結晶品質を持つ炭化珪素単結晶の成長を可能とすると共に、長時間に亘って適切な坩堝の加熱を可能にし、長尺の単結晶インゴットの製造が可能な炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、坩堝から漏出した昇華ガスに起因する問題を解決すべく鋭意検討した結果、坩堝と断熱材との間に所定の大きさの空隙を設け、この空隙での雰囲気ガスの流れを利用して坩堝から漏出した昇華ガスを断熱材の外部まで搬送し、これによって断熱材部分での昇華ガスの再結晶を抑制することにより、良質の結晶品質を持つ炭化珪素単結晶の成長を可能にすると共に、長時間に亘る適切な坩堝の加熱が可能になり、長さが長い単結晶インゴットを製造できることを見い出し、本発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。

(1) 昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であり、坩堝とその蓋部上面、周壁部外側面、及び底壁部外面を含む坩堝の外面を覆う断熱材とを備え、前記坩堝と前記周壁部外側面を覆う断熱材との間に空隙を有し、該空隙が軸対称な坩堝径方向に５〜４０mmの幅寸法を有すると共に、前記坩堝の蓋部上方において断熱材の上部に形成された上下方向に貫通する貫通孔を介して断熱材外部に連通することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置である。

(2) 前記断熱材外部に連通する貫通孔が、断熱材の上部に形成された貫通孔に加えて、断熱材の下部に設けられている上記(1)に記載の炭化珪素単結晶の製造装置である。

(3) 前記貫通孔の断面積が、坩堝側面に設けられた空隙の断面積の５０〜１５０%の範囲内であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶の製造装置である。

本発明によれば、結晶成長中に坩堝から漏出する昇華ガスに起因する断熱材の性能劣化を防ぐことができ、長時間に亘る結晶成長に必要な原料の加熱が可能になり、従来得ることが難しかった長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造することができる。また、坩堝から漏出する昇華ガスに起因する断熱材の性能劣化を抑制することができるので、加熱条件の再現性を得ることが可能となり、良質の結晶品質を持つ結晶成長の歩留まりを顕著に向上させることができる。

図１は、改良レーリー法の原理を説明するための説明図である。

図２は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための実施形態の一例を説明する説明図である。

図３は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための他の実施形態の一例を説明する説明図である。

図４は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための他の実施形態の一例を説明する説明図である。

図５は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための他の実施形態の一例を説明する説明図である。

図６は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための他の実施形態の一例を説明する説明図である。

図７は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を実施するための更に他の実施形態の一例を説明する説明図である。

以下、添付図面に示す実施形態に基づいて、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明する。

図２に、本発明の実施形態の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置が示されている。この製造装置Ｓ₁は、坩堝１とこの坩堝１の周囲を取り囲むように配置された断熱材５とを有しており、本実施形態では、坩堝１の周壁部外側面とこの周壁部外側面を覆う断熱材５の内側面との間に空隙６が形成されている。

前記坩堝１は、結晶成長用のための坩堝１内部に原料２や種結晶３を装填し易くし、また、これら原料２と種結晶３との間の結晶成長領域を大きくするために、２つあるいはそれ以上の数の坩堝部材、ここでは３つの坩堝部材1a,1b,1cに分割して形成されている。図２の例では、具体的には、坩堝１の蓋部を構成する坩堝部材1aと、坩堝１の容器部を構成する上部及び下部の坩堝部材1b,1cとで構成され、これら坩堝部材1a,1b,1cの間にはそれぞれ接続部７が形成されている。

また、前記空隙６は、坩堝１とこの坩堝１の周壁部を取り囲む断熱材５との間に形成されている。前記空隙６は、断熱材外部に連通しているものである。前記連通は、空隙６のまま断熱材外部に連通していてもよいが、貫通孔を介して断熱材外部に連通しているのがより好ましい。例えば、断熱材５には、前記空隙６から前記坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）上方の断熱材５を貫通する貫通孔８が形成されており、前記空隙６はこの貫通孔８を介して断熱材５外部に連通するようになっている。ここで、この貫通孔８については、坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）上方において、この蓋部（坩堝部材1a）全周を無端に取り囲むようにリング状に形成されていてもよく、また、蓋部（坩堝部材1a）全周を所定の間隔を置いて断続的に取り囲むように形成されていてもよいほか、蓋部（坩堝部材1a）の周囲に部分的に位置するように形成されていてもよい。

なお、図２において、前記坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）の中央部上方に位置する断熱材５には、温度測定のための、あるいは、熱放出により種結晶３の中心部の温度を周辺部に比べて低下させるための切欠き孔９が形成されている。また、坩堝１の底壁部外側面を覆う断熱材５の外側面には、坩堝１の荷重を支える坩堝支持部10と、断熱材５の荷重を支える断熱材支持部11とが設けられている。

そして、坩堝１の周壁部外側面と断熱材５の内側面との間に形成される前記空隙６は、前記坩堝１の接続部７をその全周の全域に亘って取り囲むように形成されるのが好ましく、また、その坩堝径方向の幅寸法が５mm以上４０mm以下である必要があり、好ましくは１０mm以上２０mm以下である。空隙６の幅寸法が５mmより小さいと、漏出した昇華ガスが断熱材５の部分で再結晶して断熱材５の性能劣化を引き起こし易くなり、好ましくない。反対に、空隙６の幅寸法が４０mmを超えて大きくなると、漏出した昇華ガスを断熱材の外部に排出する効果は高くなるものの、空隙６による放熱が大きくなり、結晶成長に必要な温度に加熱するために必要な電力が増大し、工業的に非効率的になるので好ましくない。

この図２に示す製造装置Ｓ₁において、結晶成長温度まで坩堝１が加熱されると、原料２から昇華ガスの発生が始まり、それに伴い、前記接続部７から昇華ガスが坩堝１外部に漏出する。昇華再結晶により結晶成長が行われている際には、坩堝１内部の昇華ガスの圧力は断熱材５外部の雰囲気ガスに比べて圧力が高くなっており、漏出した昇華ガスは、坩堝１内外の圧力差により、空隙６を通して断熱材５の外部に排出され、漏出する昇華ガスに起因した断熱材５での再結晶が抑えられ、断熱材５の性能劣化が抑制される。貫通孔を設けている場合には、漏出した昇華ガスは、坩堝１内外の圧力差により、空隙６及び貫通孔８を通して断熱材５の外部に排出され、漏出する昇華ガスに起因した断熱材５での再結晶が抑えられ、断熱材５の性能劣化が抑制される。

図３に、本発明の他の実施形態に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置が示されている。この製造装置Ｓ₂においては、図２の製造装置Ｓ₁において断熱材５に形成された貫通孔８（図３における上部貫通孔8a）に加えて、坩堝１の底壁部を覆う断熱材５と前記坩堝支持部10及び断熱材支持部11を貫通する下部貫通孔8bが形成されている。前記空隙６は、これらの上部貫通孔8a及び下部貫通孔8bを介してそれぞれ断熱材５外部に連通するようになっている。この下部貫通孔8bについても、坩堝１の底壁部下方において、この坩堝１底壁部の全周を無端に取り囲むようにリング状に形成されていてもよく、また、坩堝１底壁部の全周を所定の間隔を置いて断続的に取り囲むように形成されていてもよいほか、坩堝１底壁部の周囲に部分的に位置するように形成されていてもよい。

ここで、前記上部貫通孔8aや下部貫通孔8bの断面積、特に上部貫通孔8aが断熱材５の外部に開口する開口部の面積については、前記空隙６の断面積に対して、５０%以上１５０%以下が好ましく、より好ましくは７０%以上１３０%以下に設定されているのがよい。これら雰囲気ガスの供給口となる上部貫通孔8aの断面積や漏出した昇華ガスを雰囲気ガスと共に排出する下部貫通孔8bの断面積が空隙６の断面積に対して５０%より小さくなると、坩堝１の接続部７から漏出した昇華ガスを空隙６内から断熱材５の外部に搬送する効率が低下し、下部貫通孔8bを設けた効果が失われる場合がある。反対に、これら上部貫通孔8aの断面積や下部貫通孔8bの断面積が１５０%を超えて大きくなると、空隙６内から昇華ガスを断熱材５の外部に排出する効果は高くなるものの、これら貫通孔８からの熱の流出も大きくなり、加熱の効率が低下する場合がある。

この図３に示す製造装置Ｓ₂において、結晶成長温度まで坩堝１が加熱されると、坩堝１が高温に加熱されているため、下部貫通孔8bから空隙６内に供給された雰囲気ガスは対流により坩堝１側面を上昇する方向に流れを形成する。坩堝１の接続部７から漏出した昇華ガスは、この雰囲気ガスの流れに伴って搬送され、上部貫通孔8aを通して、断熱材５外部へと排出される。その結果、漏出した昇華ガスに起因する断熱材５での再結晶が抑えられ、断熱材５の性能劣化が抑制される。

なお、前記断熱材支持部11には、必要により、その壁面の内外を連通する図示外のスリット等を形成する。雰囲気ガスが、断熱材支持部11の外部からこれらスリット等を通過して、断熱材支持部11の内部に入り込み、下部貫通孔8bから空隙６内に十分に供給され、空隙６内に容易に雰囲気ガスの流れが形成されるようにすることも有効である。

図４に示す他の実施形態に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置Ｓ₃においては、図２の製造装置Ｓ₁や図３の製造装置Ｓ₂の場合とは異なり、坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）とその上方を覆う断熱材５との間にも空隙６が形成されている。また、前記蓋部（坩堝部材1a）の上方に位置する断熱材５には、蓋部（坩堝部材1a）の中央部上方に位置するように上部貫通孔8aが形成されている。更に、下部貫通孔8bについてもその位置が中心軸方向に移動されている。この製造装置Ｓ₃においても、図２の製造装置Ｓ₁や図３の製造装置Ｓ₂の場合と同様に、坩堝１の接続部７から漏出する昇華ガスを断熱材５の外部に排出して、断熱材５の性能劣化を抑制することができる。

次に、図５に示す他の実施形態に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置Ｓ₄においては、坩堝１の容器下部を構成する坩堝部材1cについて、坩堝１の容器上部を構成する坩堝部材1bとの間の接続部７より下方位置で、この容器下部（坩堝部材1c）をその周壁部から底壁部にかけて覆う断熱材５が設けられている。また、坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）及び坩堝１の容器上部（坩堝部材1b）と、これら蓋部（坩堝部材1a）及び蓋部（坩堝部材1a）を覆う断熱材５と、の間に空隙６が形成されている。また、これら蓋部（坩堝部材1a）及び蓋部（坩堝部材1a）を覆う断熱材５が、前記容器下部（坩堝部材1c）の周壁部及び底壁部を覆う断熱材５の外側まで延設され、これによって下部貫通孔1bが形成されている。

この製造装置Ｓ₄においては、前記蓋部（坩堝部材1a）及び容器上部（坩堝部材1b）と、これら蓋部（坩堝部材1a）及び容器上部（坩堝部材1b）を覆う断熱材５と、の間に設けられた空隙６により、断熱材５の性能劣化防止が達成されるほか、前記坩堝部材1cの周壁部及び底壁部を覆う断熱材５により、坩堝１内部の温度分布の最適化が図られている。

更に、図６に示す他の実施形態に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置Ｓ₅においては、坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）上面側に温度測定や抜熱のための切欠き孔９を有する断熱材５が直接に設けられている。また、坩堝１の容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５は、前記蓋部（坩堝部材1a）上面側を覆う断熱材５の上方を更に覆うように形成されている。そして、前記坩堝１の容器部（坩堝部材1b及び1c）と、この容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５と、の間には空隙６が形成されている。また、前記容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５には、図４の製造装置Ｓ₃や図５の製造装置Ｓ₄の場合と同様に、上部貫通孔8aが形成されている。更に、前記蓋部（坩堝部材1a）上面側を覆う断熱材５と、前記容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５と、の間には、前記空隙６と前記上部貫通孔8aとの間を連通する第二の上部貫通孔8cが形成されている。

この製造装置Ｓ₅においても、前記容器部（坩堝部材1b及び1c）とこの容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５との間に設けられた空隙６により、断熱材５の性能劣化防止が達成されるほか、前記蓋部（坩堝部材1a）外面側を覆う断熱材５により、坩堝１内部の温度分布の最適化が図られている。

本発明に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて単結晶インゴットを作製することにより、従来に比べて長尺の単一ポリタイプからなる欠陥の少ない高品質のインゴットを再現性良く生産することが可能となる。また、このインゴットから研削、切断、研磨により作製される炭化珪素単結晶基板は、欠陥の少ない電子材料用基板として有用である。

以下に、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて単結晶インゴットを作製する場合の実施例について説明する。

先ず、図７に基づいて、以下の実施例で用いる炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を簡単に説明する。この製造装置（図面上、例示として図３に示す製造装置Ｓ₂と同様の構成が描かれている）は、黒鉛製の坩堝１と、この坩堝１を取り囲むように覆う断熱材５と、更にこれら坩堝１及び断熱材５を収容する二重石英管12と、更にこの二重石英管12の外側に前記坩堝１を発熱させる誘導加熱用のためのワークコイル13が設置されている。坩堝１に炭化珪素結晶粉末からなる原料２が収容されている。また、蓋部（坩堝蓋）には、炭化珪素結晶からなる種結晶３が取り付けられている。前記ワークコイル13に高周波電流を流すことにより、坩堝１を加熱し、原料２及び種結晶３を所望の温度に加熱する。

この製造装置において、二重石英管12内部は、真空排気装置14により高真空排気(10^-3Pa以下)することができ、かつArガス配管15とArガス用マスフローコントローラ16を用いて、内部雰囲気を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、前記ワークコイル13には、コイルを上下に移動させることのできるワークコイル移動機構17が設けられている。そして、坩堝１の温度の計測は、坩堝１上下部を覆う黒鉛製の断熱材５の中央部に光路を設け、坩堝１の上部及び下部からの光を取り出して、二色温度計を用いて行い、坩堝下部の温度を原料温度とし、坩堝上部の温度から種結晶の温度を判断する。

結晶成長は、前記製造装置において、原料２を昇華させ、種結晶３として用いた炭化珪素単結晶上で再結晶化させることにより行われ、その手順は以下の通りである。

先ず、種結晶３が取り付けられ、また、原料２を収容した坩堝１が、二重石英管12の内部において、黒鉛の坩堝支持部10の上に設置される。この坩堝１の周囲には、熱シールドのための断熱材５が設置され、その一部が断熱材支持部11の上に設置される。

次に、このようにして坩堝１及び断熱材５が配置された後に、二重石英管12の内部を真空排気し、ワークコイル13に電流を流し、原料温度を２０００℃まで上昇させる。その後、雰囲気ガスとしてArガスを流入させ、二重石英管12内の圧力を約８０kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させ、また、３０分かけて成長圧力である１．３kPaまで減圧し、その後、結晶成長を開始させる。このようにして結晶成長に要する所定時間の間、原料温度を目標温度に保持して単結晶を成長させ、その後、６時間かけてワークコイル13に流す電流の値を徐々に０までにし、単結晶インゴットの製造を終了する。

［実施例1］
実施例１においては、図２に示す製造装置Ｓ₁において、外径が１３０mmであって、内部の結晶成長空間の直径が１０５mmの大きさの坩堝１を用意し、この坩堝１と断熱材５との間の空隙６の大きさを１０mmに設定し、接続部７についてはねじ結合により連結した。

坩堝１の容器部（坩堝部材1b及び1c）内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。

また、坩堝１の外径と同じ径を持つ円板形状の断熱材５を坩堝１の蓋部（坩堝部材1a）上面に配置し、坩堝１側面と断熱材５との間の空隙６が断熱材５の外部と連通するような貫通孔８を形成した。更に、前記蓋部（坩堝部材1a）上面に配置した断熱材５の中央部には温度測定や抜熱のための切欠き孔９を形成した。

このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管12の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。成長速度は約０．５mm/時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが６０mm程度である長尺の単結晶インゴットが得られた。

得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。

このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
また、断熱材には昇華ガスからの析出物の付着が少なく（従来に比べて、１／１０程度の付着量）、結晶成長の間、断熱性能が維持されていたことが観察された。

［実施例２］
実施例２においては、図３に示す製造装置Ｓ₂において、外径が１３０mmであって結晶成長空間の直径が１０５mmの大きさを有し、また、接続部７がねじ結合により連結された坩堝１を用意し、実施例１の場合と同様にして、この坩堝１内に原料２と種結晶３を配置した。また、この坩堝１の外側には、前記実施例１の場合と同様にして坩堝１と断熱材５を調整し、坩堝１と断熱材５との間に１５mmの大きさの空隙６を形成し、また、上部貫通孔8a及び下部貫通孔8bを形成し、更に、切欠き孔９を形成した。

このようにして作製された坩堝１、断熱材５を、実施例１の場合と同様にして、二重石英管12の内部に設置し、炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。成長速度は約０．５mm/時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが７０mm程度である長尺の単結晶インゴットが得られた。

得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、実施例１と同様にして分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。

このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板についても、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
また、断熱材には昇華ガスからの析出物の付着が少なく、結晶成長の間、断熱性能が維持されていたことが観察された。

［実施例３］
実施例３においては、図６に示す製造装置Ｓ₅において、外径が１００mmであって結晶成長空間の直径が８０mmの大きさを有し、また、接続部７がねじ結合により連結された坩堝１を用意し、実施例１の場合と同様にして、この坩堝１内に原料２と口径８０mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハからなる種結晶３とを配置した。

また、この坩堝１の外側には、前記実施例１の場合と同様にして坩堝１と断熱材５を調整し、坩堝１の容器部（坩堝部材1b及び1c）と断熱材５との間に７mmの大きさの空隙６を形成すると共に、図６に示すように、直径５０mmの大きさの上部貫通孔8a及び高さ１５mmの第二の上部貫通孔8cと下部貫通孔8bとを形成し、また、切欠き孔９を形成した。更に、坩堝１下部には坩堝１の外径と同じ直径１００mmの断熱材５を配置した。この時、前記容器部（坩堝部材1b及び1c）とこの容器部（坩堝部材1b及び1c）を覆う断熱材５との間の空隙６の断面積は２３５３mm²であり、一方で、上部貫通孔8aの断面積は１９６３mm²（25mm×25mm×3.14=1962.5mm²）であって、この上部貫通孔8aの断面積は空隙６の断面積の８３%であった。

このようにして作製された坩堝１、断熱材５を、実施例１の場合と同様にして、二重石英管12の内部に設置し、炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。成長速度は約０．５mm/時であって、結晶の口径が８０mm程度で高さが７０mm程度である長尺の単結晶インゴットが得られた。

なお、この実施例３において、上部貫通孔8aの断面積の大きさを空隙６の断面積の４０%、７０%、１３０%、及び１６０%に調整した製造装置をそれぞれ準備し、この実施例３と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行い、得られた単結晶インゴットについてそれぞれそのインゴットの高さを調べた結果、断面積の大きさが４０%である場合が３０mm程度で、７０%である場合が６０mm程度で、１３０%である場合が６０mm程度で、また、１６０%である場合が２０mm程度であった。この結果から、高品質かつ長尺のインゴットを得るためには上部貫通孔8aの断面積は空隙６の断面積の５０〜１５０%、好ましくは７０〜１３０%の範囲内であることが判明した。

［比較例１］
実施例1と比較するために、図２に示す製造装置Ｓ₁において、坩堝側面に空隙を設けることなく断熱材を坩堝側面に密着するように配置したこと以外は、前記実施例１と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
得られた単結晶インゴットは、その口径が１０５mm程度で高さが２５mm程度であった。

単結晶インゴットの製造が終了した後、坩堝側面に配置した断熱材を観察したところ、この断熱材には坩堝から漏出した昇華ガスが再結晶した炭化珪素の結晶が多量に付着していた。また、得られた単結晶インゴットは、結晶成長面から内部に向かって炭化が進行しており、良品質のものとはいえないものであった。この原因については、結晶成長中に、坩堝から漏出した昇華ガスが断熱材部分で再結晶し、これによって断熱材の性能が劣化し、結果として、結晶成長中に昇華ガスの供給が途切れたことに起因して、成長した炭化珪素単結晶の表面から昇華が発生したものと考えられる。

得られた単結晶インゴットは、炭化が発生したことにより、このインゴットから品質の良い炭化珪素単結晶基板を切り出すことができず、電子デバイスを作製するための基板にはならなかった。

［比較例２］
図３に示す製造装置Ｓ₂において、坩堝と断熱材との間に４mmの大きさの空隙を設定した以外は、前記実施例２と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
得られた単結晶インゴットは、その口径が１０５mm程度で高さが３０mm程度であった。

単結晶インゴットの製造が終了した後、坩堝側面に配置した断熱材を観察したところ、この断熱材には坩堝から漏出した昇華ガスが再結晶した炭化珪素の結晶が多量に付着し、断熱性能の劣化が観察された。断熱性能の劣化に起因して、坩堝内部に結晶成長に必要な温度勾配が形成されず、結晶成長が進まなかったと考えられる。また、得られた単結晶インゴットについて、実施例１と同様にＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであるものの、十分な結晶の高さが得られないため、このインゴットから切り出すことのできる基板の枚数が少なく、工業的に歩留りが悪いという問題がある。

［比較例３］
図６に示す製造装置Ｓ₅において、坩堝と断熱材との間に５０mmの大きさの空隙を設定した以外は、前記実施例３と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。

断熱材の劣化は見られなかったものの、空隙からの熱の流出が大きすぎ、所定の温度まで坩堝を加熱することができず、良好な結晶成長を行うことができなかった。

Ｓ₁,Ｓ₂,Ｓ₃,Ｓ₄,Ｓ₅…製造装置、１…坩堝、1a,1b,1c…坩堝部材、２…原料、３…種結晶、４…単結晶、５…断熱材、６…空隙、７…接続部、８…貫通孔、8a…上部貫通孔、8b…下部貫通孔、8c…第二の上部貫通孔、９…切欠き孔、10…坩堝支持部、11…断熱材支持部、12…二重石英管、13…ワークコイル、14…真空排気装置、15…Arガス配管、16…Arガス用マスフローコントローラ、17…ワークコイル移動機構。

Claims

昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であり、坩堝とその蓋部上面、周壁部外側面、及び底壁部外面を含む坩堝の外面を覆う断熱材とを備え、前記坩堝と前記周壁部外側面を覆う断熱材との間に空隙を有し、該空隙が軸対称な坩堝径方向に５〜４０mmの幅寸法を有すると共に、前記坩堝の蓋部上方において断熱材の上部に形成された上下方向に貫通する貫通孔を介して断熱材外部に連通することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
前記断熱材外部に連通する貫通孔が、断熱材の上部に形成された貫通孔に加えて、断熱材の下部に設けられている請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
前記貫通孔の断面積が、坩堝側面に設けられた空隙の断面積の５０〜１５０%の範囲内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の製造装置。