JP5602093B2 - 単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）等の単結晶の製造方法および製造装置に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、熱的・化学的に優れた特性を有し、且つ、禁制帯幅が珪素（Ｓｉ）半導体に比べ大きく電気的にも優れた特性を有する半導体材料として知られている。特に４Ｈ型のＳｉＣは、電子移動度や飽和電子速度が大きなことから、パワーデバイス向けの半導体材料として用いられている。

半導体としての単結晶を得る方法として、改良レイリー法（昇華法）が広く用いられている。昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造は、ＳｉＣ単結晶である種結晶（種基板）とＳｉＣ原料とを坩堝内に対向配置し、坩堝内を真空引き（排気）してアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスで空気置換した後、坩堝を加熱して高温（約２３００℃）にし、ＳｉＣ原料を昇華させることによって行われる。このとき種結晶を原料より低温に保持することにより、原料が昇華したガス（原料ガス）が温度勾配に従って拡散し、種結晶の表面に到達してＳｉＣ単結晶のインゴットが成長する。

このときの坩堝の加熱方式としては、高周波による誘導加熱法が一般的である。誘導加熱法は、高周波により導電体中に発生する誘導電流によって、導電体が発熱することを利用したものである。このため坩堝の材質は、導電性を有し、且つ高温で耐え得ることが必要とされる。よって坩堝の材料としては、一般的にグラファイトが用いられている。坩堝の形状としては、高周波誘導加熱による表皮効果に起因する温度不均一を無くすため、また加工を容易にするために円筒状のものが用いられる。

現在、直径１００ｍｍまでのＳｉＣ基板が市販されているが、結晶欠陥密度が高いため、半導体の用途として用いるにはさらに結晶欠陥密度を下げる必要がある。また半導体装置の量産性を考えると、ＳｉＣ単結晶の大口径化、長尺化が必要不可欠である。

例えば下記の特許文献１に、ＳｉＣ単結晶の長尺化に有効な方法が開示されている。特許文献１では、坩堝内にテーパー状のガイドを設け、坩堝内の原料ガスの流れを制御して、種結晶上に効率よく原料ガスを集めている。

インゴットの成長に寄与しなかった原料ガスは、種結晶が固定された台座の周辺で結晶化して多結晶となる。単結晶の周囲に多結晶が存在すると、多結晶から単結晶内へと欠陥が導入される。このため、欠陥の少ない単結晶のインゴットを製造するには、単結晶のみを独立して成長させることが必要である。

特許文献１の方法では、単結晶と多結晶を分離して成長させるために、ガイドを種結晶（または成長中のインゴット）よりも高温にする必要がある。しかし、結晶成長が進行してインゴットが長くなると、温度分布が変化してガイドの温度が下がることが考えられる。あるいは、インゴットが成長した結果インゴットの側面とガイドとの間を通る原料ガスの流れが妨げられ、ガイドの内壁に多結晶が析出し、これが単結晶と一体化してインゴットの品質に悪影響を及ぼす。

これを防止するために、下記の特許文献２では、坩堝内におけるガイドの上部にグラファイトフェルト等の断熱材を配設し、ガイドの温度低下を抑制している。

特許第３９６１７５０号公報 特開２０１０−５８５３０９号公報

しかし特許文献２の方法では、インゴットの成長に寄与せずに台座周辺に到達した原料ガスによって、あるいは熱によって、坩堝内に配設されたグラファイト断熱材がエッチングされる。そのエッチングにより生じたカーボンの粒子が、単結晶に到達するとその内部に取り込まれてカーボンインクルージョンとなり、単結晶の品質を悪化させるという問題が生じる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、高品質かつ長尺な単結晶を得ることができる、単結晶の製造方法および製造装置を提供することを目的としている。

本発明に係る単結晶の製造方法は、（ａ）坩堝内に単結晶の原料および種基板を対向配置させる工程と、（ｂ）前記坩堝内に、前記種基板の周囲を囲むタンタル又は炭化タンタルを含むタンタルリングを設置する工程と、（ｃ）前記坩堝を加熱して前記原料を昇華させることにより、前記種基板上に単結晶を成長させる工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）より前に、一端が前記坩堝の内壁に接し、前記原料が昇華したガスを前記種基板へ導く筒状のガイドを設置する工程と、（ｅ）前記工程（ｃ）より前に、前記ガイドと前記坩堝の内壁との間に断熱材を設置する工程とを備え、前記工程（ｂ）において、前記タンタルリングは前記ガイドの他端と前記坩堝の間を覆うように設置され、前記断熱材が配設された空間が、前記坩堝の内壁、前記ガイドおよび前記タンタルリングによって密閉されるものである。

本発明によれば、坩堝の内壁等がエッチングされて生じるグラファイト粒子が、タンタルリングと反応し、タンタルが炭化タンタルとなる。これにより、グラファイト粒子が結晶成長空間に到達することを防止できるため、単結晶内にカーボンインクルージョンが混入することを抑制できる。このため、高品質な長尺の単結晶を製造可能となる。

実施の形態１に係る結晶成長装置の坩堝の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る結晶成長装置の坩堝の構成を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る単結晶製造装置の構造を説明するための図であり、当該装置の坩堝の断面を示している。坩堝１はグラファイトで構成されており、ＳｉＣの原料２を収納するための原料収納容器１ａと、種結晶を原料２に対向するように取り付けることができる台座７を有する蓋１ｂとから成る。また原料収納容器１ａの内側面には、その一端が原料収納容器１ａの内壁に接し、原料２が昇華したガスを台座７へと導くガイド３が設けられている。図１においては、台座７に取り付けられた種結晶４、並びにその表面に成長中のインゴット９も図示している。

ガイド３は、台座７に固定された種結晶４へ向かって伸びる筒状の部材であり、原料２が昇華した原料ガスを台座７へと導く。ガイド３は、その下端に設けられたフランジ部を原料収納容器１ａの内壁に設けられた段差部に載置することにより坩堝１内に設置される。ガイド３の材質としては、原料２が昇華して成る原料ガスや熱によってガイド３の内壁がエッチングされるのを防止するために、高密度グラファイトを用いる。具体的には、密度が１．９２〜１．９９ｇ／ｃｍ³の等方正黒鉛を用いた。

ガイド３の外面（坩堝１の内壁との対向面）には、グラファイトの断熱材５が配設される。ガイド３は原料２からの輻射熱で加熱されるが、断熱材５によりガイド３の外側へと熱が放出されることが防止される。

また台座７に固定される種結晶４の近傍には、種結晶４を囲むリング状のタンタルリング６が配設される。タンタルリング６は、原料収納容器１ａの内壁に設けられた段差部およびガイド３の上端部によって支持される。タンタルリング６の厚みは１〜２ｍｍでよい。

本実施の形態では、ガイド３の外面と坩堝１の内壁との間の空間（断熱材５が配設された空間）が、ガイド３およびタンタルリング６によって隙間無く密閉される。それにより、インゴット９の成長中に、原料ガスがガイド３の外側に回り込んで断熱材５をエッチングすることが防止されると共に、断熱材５が熱エッチングされて生じたグラファイトの粒子がガイド３の内側へと回り込むことが防止される。

図１に示すように、ガイド３のフランジ部の外径およびタンタルリング６の外径が坩堝１の内径と等しい。またタンタルリング６はガイド３と坩堝１の内壁との間の空間を覆いつつ、ガイド３の上端に接している。よって、断熱材５が配設された空間は、坩堝１の内壁、ガイド３の外面およびタンタルリング６の下面によって囲まれる密閉空間となる。

またタンタルリング６の開口の位置はガイド３の上端の開口の位置とは一致しており、タンタルリング６の内径とガイド３の上端部の内径とが等しくなっている。よってガイド３によって導かれた原料ガスがタンタルリング６で遮られることは無い。なお、ＳｉＣ単結晶の成長温度は２３００℃程度であるため、ガイド３やタンタルリング６の寸法は、その温度になったときの熱膨張を考慮して設計する必要がある。

タンタルリング６は、原料ガスや熱によるエッチング耐性に優れ、しかもインゴット９を成長させる過程で坩堝１の内壁がエッチングされて生じたグラファイト粒子や、インゴット９の成長に寄与しなかった原料ガス（ＳｉＣ）と反応して炭化タンタルになる。つまり余剰な炭素がタンタルリング６と反応することで、成長中のインゴット９に取り込まれることが抑制される。よって、インゴット９の単結晶にカーボンインクルージョンが混入することが抑制され、高品質な単結晶を得ることができる。

なお、タンタルリング６を炭化タンタルで構成しても同様の効果が得られると考えられる。但し、グラファイトをタンタルでコーティングして得た炭化タンタルのタンタルリング６を用いると、インゴット９の成長中に炭化タンタルのコートが剥がれてグラファイトが剥き出しになる場合がある。そうなると、剥き出しになったグラファイトがエッチングされ、それによって生じた粒子がカーボンインクルージョンの原因となることがある。よって、炭化タンタルのタンタルリング６を用いる場合は、タンタルを浸炭させて得た炭化タンタルで構成したものを使用することが好ましい。

上記の構成の坩堝１を使用して、昇華法により種結晶４上にＳｉＣ単結晶のインゴット９を成長させた結果、多結晶から独立した状態で、直径５４ｍｍ、高さ６７ｍｍの単結晶のインゴット９が得られた。このインゴット９の結晶をスライスして、評価した結果、マイクロパイプ密度が０．５／ｃｍ²であり非常に高品質であった。

一方、タンタルリング６を設置していない状態で、ＳｉＣ単結晶のインゴット９を成長させる実験を行ったところ、ガイド３の外面に配置した断熱材５が原料ガスや熱によりエッチングされ、それにより生じた粒子の影響でインゴット９の結晶品質が悪化した。そのインゴット９の結晶のマイクロパイプ密度を測定すると、１００／ｃｍ²以上であり、品質の悪いものであった。

なお、タンタルは高価な金属であるので、単結晶の製造コストを削減するためにタンタルリング６は複数回使用することが好ましい。結晶成長に使用したタンタルリング６は表面から徐々に炭化タンタルなるが、繰り返し使用すると、浸炭が進行してタンタルリング６の全体が炭化タンタルになり、非常に脆くなって再使用が困難になる。

そのため、結晶成長に用いたタンタルリング６は、薄いタンタル箔で覆い、不活性ガス中あるいは真空中で１８００℃付近に加熱する処理を行うとよい。この処理を行うと、炭化タンタル中の炭素が周囲のタンタル箔と反応し、タンタルリング６における炭化タンタル層の厚さが減少する。結晶成長での使用とこの処理を繰り返すことにより、タンタルリング６の寿命を大幅に伸ばすことができ、製造コストを節約できる。

上記のようにガイド３はエッチング耐性に優れた高密度グラファイトにより構成したが、その内壁にもタンタルを配設すればエッチングをさらに抑制でき、インゴット９でのカーボンインクルージョンの発生をさらに抑えることができる。この場合、高密度グラファイトのガイド３の内壁をタンタルでコーティングすることで、ガイド３の内壁に炭化タンタルのコートを設けてもよい。炭化タンタルのコートが剥がれる可能性があるが、炭化タンタルのコートを有さない場合よりもガイド３のエッチングが抑えられる。

なお、本発明の適用は、ＳｉＣ単結晶の製造に限定されるものでなく、例えばＡｌＮやＧａＮなど、グラファイトの坩堝や断熱材を用いて高温で成長を行う単結晶の製造に広く適用可能である。

＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２に係る結晶成長装置の坩堝の断面図である。同図において図１に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してある。図２に示すように、本実施の形態では、図１に示した坩堝１の蓋１ｂ上に、中央部に穴を有するリング状断熱材８を配設する。

炭化タンタルは、熱伝導率がグラファイト断熱材と比較して２桁大きく、タンタルリング６に断熱材としての効果は期待できない。このため実施の形態１のように種結晶４の周囲にタンタルリング６を配設する場合と、種結晶４の周囲に断熱材を配設する場合（例えば上記の特許文献２）とでは、後者の方がガイド３の温度を高くできると考えられる。つまりタンタルリング６を配設するとガイド３の温度が充分に高くならず、ガイド３の内壁に単結晶の品質を悪化させる原因となる多結晶が析出しやすくなることが懸念される。この問題は、坩堝１の径方向の温度勾配を大きくする（坩堝１の外側ほど温度を高くする）ことにより解決される。

また、長尺のインゴットを製造する際、成長工程を複数回繰り返して行うことが考えられるが、その場合は、後に行われる成長工程ほど、坩堝１内の径方向の温度勾配を大きくすることが好ましい。

例えば２回の成長を行う場合、坩堝１内の径方向の温度勾配を、１回目の成長工程よりも２回目の成長工程で大きくする。原料２が昇華して成る原料ガスは、大部分が種結晶４上で再結晶化するが、成長に寄与しなかった原料ガスは台座７とガイド３との間を通過して台座７の周囲の蓋１ｂに到達し、そこで結晶化し多結晶となる。２回目の成長工程では、図２のようにインゴット９がある程度の大きさになっているため、原料ガスが蓋１ｂへ抜ける通路の抵抗が大きくなり、ガイド３上に多結晶が析出しやすくなる。２回目の成長工程で坩堝１の径方向温度勾配を上げるのは、その析出を抑制するためである。

上記のように、坩堝１の径方向温度勾配を大きくするとガイド３上の多結晶の析出を抑えることができるが、それが過度に大きくなると、成長途中のインゴット９内の温度差が大きくなり、熱歪みが発生してその結晶品質が劣化するという別の問題が生じる。

このように坩堝１の径方向温度勾配はインゴット９の結晶品質に大きく影響するため、適宜調整することが望ましい。

図２のリング状断熱材８は、坩堝１の径方向温度勾配を調整するためのものである。例えば、リング状断熱材８の厚さを大きくする（あるいは枚数を増やす）と、リング状断熱材８で覆われる坩堝１の外周部では上方への放熱が少なくなり、相対的に、中央部で放熱が集中的に起こるため、径方向温度勾配は大きくなる。逆にリング状断熱材８の厚さを小さくすると、坩堝１の中央部と外周部とで上方への放熱の差が小さくなるため、径方向温度勾配は小さくなる。

例えば、インゴット９の製造を２回の成長工程で行う場合、１回目の成長工程では薄いリング状断熱材８（例えば７ｍｍ厚）を設け、２回目の成長工程では厚いリング状断熱材８（例えば１４ｍｍ厚）を設ければ、２回目の成長工程における坩堝１の径方向温度勾配を１回目よりも大きくでき、高品質な単結晶を得ることができる。あるいは１回目の成長工程ではリング状断熱材８を設けず、２回目の成長工程にだけリング状断熱材８を設けても同様の効果が得られる。

坩堝１の径方向温度勾配は、リング状断熱材８の中央部に設けられる穴の大きさ（径）によっても調整可能である。

＜実施の形態３＞
坩堝１の加熱方式が誘導加熱法である場合、誘導加熱用の発振器の出力を上げて、坩堝１の外周部での誘導電流密度を高くしても、坩堝１の径方向温度勾配を大きくすることができる。発振器の出力が上がると誘導加熱用コイルに流れる電流が増加し、坩堝１の外壁での誘導電流密度が増加する。ガイド３は主に、坩堝１からの熱伝導と原料２からの放射熱によって加熱されるが、原料は坩堝外壁からの熱伝導によって加熱されると考えられる。よって坩堝１の外壁の電流密度が増加すると、原料２はその外周部がより高温になり、原料２の外周部からの放射熱が増加してガイド３が高温になるため、坩堝１の径方向温度勾配が大きくなる。

但し、誘導電流密度によって径方向温度勾配を大きくする手法では、坩堝１全体の温度が上昇して結晶成長条件に影響を与える可能性がある。よってこの手法をとる場合は、所定の成長温度が維持されるように、坩堝１の周囲に設ける断熱材の厚みや、密度、熱伝導率を調整することが望ましい。

１ 坩堝、１ａ 原料収納容器、１ｂ 蓋、２ 原料、３ ガイド、４ 種結晶、５ 断熱材、６ タンタルリング、７ 台座、８ リング状断熱材、９ インゴット。

Claims (7)

1. （ａ）坩堝内に単結晶の原料および種基板を対向配置させる工程と、
   （ｂ）前記坩堝内に、前記種基板の周囲を囲むタンタル又は炭化タンタルを含むタンタルリングを設置する工程と、
   （ｃ）前記坩堝を加熱して前記原料を昇華させることにより、前記種基板上に単結晶を成長させる工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）より前に、一端が前記坩堝の内壁に接し、前記原料が昇華したガスを前記種基板へ導く筒状のガイドを設置する工程と、
   （ｅ）前記工程（ｃ）より前に、前記ガイドと前記坩堝の内壁との間に断熱材を設置する工程とを備え、
   前記工程（ｂ）において、前記タンタルリングは前記ガイドの他端と前記坩堝の間を覆うように設置され、前記断熱材が配設された空間が、前記坩堝の内壁、前記ガイドおよび前記タンタルリングによって密閉される
   単結晶の製造方法。
2. （ａ）坩堝内に単結晶の原料および種基板を対向配置させる工程と、
   （ｂ）前記坩堝内に、前記種基板の周囲を囲むタンタル又は炭化タンタルを含むタンタルリングを設置する工程と、
   （ｃ）前記坩堝を加熱して前記原料を昇華させることにより、前記種基板上に単結晶を成長させる工程とを備え、
   前記工程（ｃ）は複数回行われ、後に行われるものほど前記坩堝内の径方向温度勾配が大きく設定される
   単結晶の製造方法。
3. 前記工程（ｃ）の後に行われ、前記タンタルリングをタンタル箔で覆って熱処理する工程をさらに備える
   請求項１または請求項２記載の単結晶の製造方法。
4. 単結晶の原料を収納とすると共に、種基板を前記原料に対向させて設置可能な台座を有する坩堝と、
   前記坩堝内に前記台座の周囲を囲むように配設され、タンタル又は炭化タンタルを含むタンタルリングと、
   一端が前記坩堝の内壁に接し、前記原料が昇華したガスを前記台座へと導く筒状のガイドと、
   前記ガイドと前記坩堝の内壁との間に配設された断熱材とを備え、
   前記タンタルリングは、前記ガイドの他端と前記坩堝の間を覆うように配設され、
   前記断熱材が配設された空間が、前記坩堝の内壁、前記ガイドおよび前記タンタルリングによって密閉される
   単結晶の製造装置。
5. 前記タンタルリングは、タンタルを浸炭させた層を含むものである
   請求項４記載の単結晶の製造装置。
6. 前記ガイドの内壁はタンタル又は炭化タンタルによってコーティングされている
   請求項４または請求項５記載の単結晶の製造装置。
7. 前記坩堝の上に載置されるリング状の断熱材をさらに備える
   請求項４から請求項６のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。

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