JP5630400B2 - 単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は炭化珪素（ＳｉＣ）等の単結晶の製造装置及び製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、高品質な単結晶の製造を容易にし、製造コストを削減する単結晶の製造装置及び製造方法に関するものである。

ＳｉＣは熱的・化学的に優れた特性を有し、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いことから、パワーデバイス向け半導体材料として実用化が始まっている。

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。半導体用材料としての用途に適応するため、結晶欠陥密度の低減、量産性の改善の検討が行われている。

昇華法によるＳｉＣ単結晶の作成は、坩堝内で昇華用原料を約２４００℃に加熱して昇華させ、昇華用原料よりやや低温に保持された種結晶側に、温度勾配により拡散させて再結晶化させることで行なう。坩堝の加熱方式は高周波による誘導加熱を用いる方法が一般的である。このため坩堝の材質は導電性があり、且つ高温での耐熱性に優れたグラファイトが用いられる。坩堝の形状は、高周波による誘導加熱の表皮効果に起因する温度の不均一を無くすため、また加工を容易にするため円筒形としている。

坩堝からの熱輻射を抑制し、効率よく加熱するために、坩堝は断熱材で覆われている。この断熱材は導電性がなく、且つ２４００℃の高温に耐える必要があるため、グラファイト断熱材が用いられる。

市販されているグラファイト断熱材は、フェルト断熱材と成形断熱材に分けられる。フェルト断熱材は炭素繊維で形成された布状のものであり、密度は約0.1g/cm³である。成形断熱材はフェルト断熱材を基材に樹脂等を含浸させ固めた後、成形したものであり、密度は約0.15g/cm³である。

フェルト断熱材はレーヨンなどの化学繊維をフェルト状に縫製し、黒鉛化することにより製造されたものであり、その密度や熱伝導率など断熱性の再現性及び均一性についてはバラツキがあることが知られている。したがって、このフェルト断熱材を用いて成形された成形断熱材についても、同様に断熱性の再現性および均一性のバラツキがある。

昇華法により得られる単結晶の品質は、結晶成長時の原料と種結晶の温度差、坩堝径方向の温度勾配に大きく依存するため、結晶成長時の坩堝の温度分布を精密に制御する必要があり、再現性が必要である。このため、成長中及び成長毎の断熱状態を一定にする必要がある。ＳｉＣの結晶成長では２４００℃付近の高温での温度分布を結晶成長毎に再現しなければならず、非常に高度な技術を要する。温度分布制御のためには断熱材の設置方法が非常に重要であり、フェルト断熱材を積層構造にして、坩堝に直接巻く方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００８−１１０９０７号公報

昇華法による結晶成長では、昇華用原料を均一に高温まで加熱することが必要であり、特に坩堝の底部は２４００℃付近まで加熱しなければならない。そこで坩堝の底部にフェルト断熱材を用いた場合、フェルト断熱材は繊維状であるため密度が低く、反応性が高いためエッチングされやすく、結晶成長工程中にエッチングされて温度を一定に保つことができない。また、エッチングされたフェルト断熱材は再使用できないため製造コストが高くなる。

坩堝の底部に成形断熱材を用いた場合、その断熱性の再現性や均一性のばらつきにより結晶成長時の坩堝の温度分布を精密に制御することができず、高品質な単結晶を得ることができない。

本発明は上記の様な問題を解決するためになされたものであり、高品質な単結晶を低コストで得ることを目的としている。

本発明の単結晶製造装置は、坩堝と、坩堝の周囲に設置される誘導加熱コイルと、坩堝の下方に設けられた炭素繊維で形成された布状のフェルト断熱材に樹脂を含浸固化し成形した成形断熱材と、坩堝と成形断熱材の間に設けられたグラファイト製円筒耐熱材と、を備えるものである。

本発明によれば、坩堝の下方に設けられた成形断熱材と坩堝の間にグラファイト製円筒耐熱材を備えることにより、成形断熱材の断熱性の再現性、均一性のばらつきに起因する坩堝温度のばらつきを防ぐことができる。したがって、結晶成長条件が安定化し、高品質な単結晶を得ることができる。

さらに坩堝の下方に設けられた成形断熱材が坩堝底部の高温部に晒されないためエッチングにより成形断熱材の寿命が短くなることを防ぎ、成形断熱材の交換頻度を高めることなく、低コストで高品質な単結晶を得ることができる。

実施の形態１に示す単結晶製造装置の断面図である。 実施の形態３に示す単結晶製造装置の断面図である。

実施の形態１．
＜単結晶製造装置の構成＞
図１を用いて本発明の実施の形態１の単結晶製造装置の構成を説明する。図１は本発明の実施の形態１に示す単結晶製造装置の断面図である。

本実施の形態１の単結晶製造装置８には、蓋部に種結晶支持部を有し、昇華原料を収容する円筒形の坩堝１とその下方に成形断熱材２が備えられ、それらの間にグラファイト製円筒耐熱材３が配置されている。成形断熱材２とグラファイト製円筒耐熱材３には坩堝底部の温度をパイロメータで測定するための直径２０ｍｍの測定穴４が設けられている。これらの坩堝１、グラファイト製円筒耐熱材３及び成形断熱材２の側面にフェルト断熱材からなる側面断熱材５を複数回巻きつけて取り付け、坩堝上部にはフェルト断熱材を重ね合わせた坩堝上部断熱材６が配置されている。さらにその外側に誘導加熱発振機（図示せず）に接続した誘導加熱コイル７が巻かれている。本実施の形態1においては、坩堝１は、高周波による誘導加熱の表皮効果に起因する温度の不均一を無くし、且つ加工性に優れる円筒形の坩堝１を用いた。フェルト断熱材はフェルト状に縫製したレーヨンをグラファイト化したものを用いた。

坩堝１は、高周波による誘導加熱を用いて加熱するため導電性を有し、且つ高温での優れた耐熱性を有することが必要であるため、等方性グラファイト製の坩堝１を用いた。またグラファイト製円筒耐熱材３も高い耐熱性が求められるため、等方性グラファイト製とした。いずれも密度は約１．８２ｇ／ｃｍ^３である。グラファイト製円筒耐熱材３は、等方性グラファイトの他に、成形方法の異なる押し出しグラファイト、型押しグラファイトを用いることもできる。ただし、押し出しグラファイトと型押しグラファイトは電気的異方性を有する場合があり、方向により抵抗率が異なる。したがって、高周波による誘導加熱時に高周波の浸透深さに分布ができ、温度分布に影響を及ぼすため、グラファイト製円筒耐熱材の作成時の押し出し方向等、また使用時の設置方向等に注意が必要である。

成形断熱材２はフェルト断熱材に樹脂を含浸し、成形することで製造したもので、その密度は０．１３８ｇ／ｃｍ^３である。本実施の形態１においては、成形断熱材２は側面断熱材５の形状と嵌合し、断熱効果を高めるように、直径の異なる円筒が階段状に重なった形状をしている。側面断熱材５、坩堝上部断熱材６はフェルト断熱材を用い、その密度は約０．１ｇ／ｃｍ^３である。

坩堝１、グラファイト製円筒耐熱材３の直径はいずれも１８０ｍｍであり、坩堝１は高さ２３０ｍｍ、グラファイト製円筒耐熱材の高さは１５０ｍｍである。誘導加熱コイル７の長さL（図１中の矢印）は５５０ｍｍである。本実施の形態１の単結晶製造装置８の坩堝１、グラファイト製円筒耐熱材３の大きさの場合、高さ１０〜１００ｍｍのインゴッドの製造に適している。

グラファイト製円筒耐熱材３の長さは特に限定するものではないが、誘導加熱コイル７の長さの１／４以上、１／３以下であることが望ましい。グラファイト製円筒耐熱材３が短すぎると、誘導加熱コイル７の高磁束密度範囲に設置されることになり、グラファイト製円筒耐熱材３が非常に高温になり、その下方の成形断熱材２が高温となり高温劣化を招いてしまう。逆にグラファイト製円筒耐熱材３が長すぎると、単結晶製造装置８が大型化し、製造コストが高くなる。

本実施の形態１においては、坩堝１とグラファイト製円筒耐熱材３の直径は同じものを用いたが、直径の異なる坩堝１とグラファイト製円筒耐熱材３を用いることもできる。ただし直径が異なった場合、直径の大きい方の端部が突出した状態となるため、誘導加熱時に誘導電流密度が高くなり、エッチングされやすくなるという問題がある。したがって、この観点からは直径を同じ、または略同一とすることが好ましい。

坩堝１の下端は誘導加熱コイル７の長さ方向の中心から１５ｍｍ高くなるように配置する。坩堝１の下端は誘導加熱コイル７の相対的な配置は、坩堝１の底部の温度に影響し、さらに、坩堝１内の温度勾配に影響を与えるため良好な単結晶を得るために重要である。坩堝１の下端は誘導加熱コイル７の長さ方向の中心より１０〜２０ｍｍ高く配置することが坩堝１内の温度勾配を最適化するために適している。

＜単結晶の製造方法＞
次に単結晶の製造方法を説明する。まず、坩堝１、グラファイト製円筒耐熱材３、成形断熱材２、側面断熱材５、坩堝上部断熱材６及びこれらの周囲の誘導加熱コイル７を用いて単結晶製造装置８を組み立てる。次に昇華用原料を坩堝１内に収容し、種結晶を坩堝１上部の所定の位置に設置した後、単結晶製造装置８を圧力調整炉の中に入れ、圧力調整炉内の圧力を１０^−３Ｐａ以下に減圧する。圧力調整炉内に不活性ガスを充填し、８００ｈＰａに保つ。本実施の形態１では、充填する不活性ガスはアルゴンガスを用いるが、他の不活性ガスも用いることができる。圧力調整炉内の圧力を８００ｈＰａに保持したまま、誘導加熱により坩堝１の底部温度をＳｉＣの結晶成長温度（坩堝１の底部の温度が２４００℃）にまで加熱する。誘導加熱の周波数は１０ｋＨｚとした。本実施の形態１においては、単結晶製造装置８を組み立て後、坩堝１内に種結晶の設置、昇華用原料の収容を行ない、圧力調整炉に入れたが、坩堝１内に種結晶の設置、昇華用原料の収容を行なったのちに単結晶製造装置８を組み立て、圧力調整炉に入れることもでき、また単結晶製造装置８を組み立て、圧力調整炉に入れた後に、坩堝１内に種結晶を設置し、昇華用原料を収容することもできる。

続いて、坩堝１の温度を保ったまま、圧力調整炉内の圧力をＳｉＣの結晶成長圧力（３．３ｈＰａ）まで減圧する。炉内の圧力が成長圧力に達すると種結晶上にＳｉＣ単結晶の成長が開始する。単結晶の成長時間は５０時間とした。結晶成長中、坩堝底部温度は２４００℃で一定に保たれ、坩堝上部温度は２１７９℃でほぼ一定であった。また、誘導加熱発振機の出力は１１．５ｋＷでほぼ一定に保たれていた。

結晶成長終了後、圧力調整炉内にアルゴンガスを充填して、炉内の圧力を８００ｈＰａに上昇させる。そして炉内圧力を８００ｈＰａに保持したまま、坩堝１を約１４時間かけて室温まで徐冷し、作成したＳｉＣ単結晶を坩堝１から取り出した。結晶成長工程後の成形断熱材２の重量は成長前と同じであり、エッチングされておらず、グラファイト製円筒耐熱材３を用いることで成形断熱材２の劣化が防止されていることが確認できた。また、グラファイト製円筒耐熱材３は結晶成長工程の前後で重量が約０．１％しか減少しておらず、高い耐久性が確認できた。

得られたＳｉＣインゴットは高さ３０ｍｍ、口径１０５ｍｍであった。スライスした後、溶融ＫＯＨエッチング処理を行い、マイクロパイプ密度を求めると、０．１１／ｃｍ^２であり、Ｘ線回折法によるロッキングカーブの半値幅は平均で約１８秒と非常に高品質であった。同じ構成で坩堝１を組み立て、同じ条件で再度成長させると、誘導加熱発振機の出力は１１．５ｋＷとなり、坩堝上部温度は２１８２℃とほぼ同じ温度が得られ、再現性が有ることが確認できた。

実施の形態２．
実施の形態１では密度０．１３８ｇ／ｃｍ^３の成形断熱材２を用いたが、本実施の形態２では０．１２７ｇ／ｃｍ^３の成形断熱材２を用いた。その他の条件は実施の形態１に示した単結晶製造装置８と同じに設定した。

実施の形態１と同じ結晶成長条件で単結晶を作成した。結晶成長中の誘導加熱コイル７の誘導加熱発振機の出力は１１．２kWと実施の形態１の結晶成長工程での誘導加熱発振機の出力とほぼ同じであった。また、坩堝上部温度は２１７９℃も実施の形態１での結晶成長工程とほとんど同じであった。得られたＳｉＣ単結晶は、マイクロパイプ密度は０．１３／ｃｍ^２，ロッキングカーブの半値幅の平均は約１８秒と良好な特性のＳｉＣ単結晶を得ることができた。以上より、坩堝１と成形断熱材２の間にグラファイト製円筒耐熱材３を備えることにより、成形断熱材２の密度が０．１３８ｇ／ｃｍ^３から０．１２７ｇ／ｃｍ^３まで変化した場合であっても再現性よく高品質なＳｉＣ単結晶を得ることができることが確認できた。

比較例
グラファイト製円筒耐熱材３を用いず、成形断熱材２の上に直接坩堝１を配置して単結晶の作成を行なった。成形断熱材２として密度０．１３８ｇ／ｃｍ^３と０．１２７ｇ／ｃｍ^３の2種類を用いた。

いずれも坩堝底部の温度は２４５０℃とした。成形断熱材２の密度が０．１３８ｇ／ｃｍ^３の場合、坩堝上部の温度は２３０４℃、誘導加熱用発振機の出力は１９．３ｋＷで、成形断熱材２の密度が０．１２７ｇ／ｃｍ^３の場合、坩堝上部の温度が２３６０℃、誘導加熱用発振機の出力は２１．８ｋＷであった。成形断熱材２の密度が高いと、坩堝１の熱放射が少なく、断熱性能が高くなる。成形断熱材２の密度が高い方が、低い場合に比べ、坩堝底部の温度を２４５０℃に維持するための誘導電流密度が低く、坩堝上部の温度が低下したと言える。坩堝上部の温度が変わると種結晶の温度分布も変化し、結晶成長の再現性にも大きな影響を及ぼす。

また、結晶成長工程後、成形断熱材２は大きく劣化しており、再び使用することはできなかった。したがってグラファイト製円筒耐熱材３を用いることなく単結晶の製造を行なうと、結晶成長の再現性が得られず、また成形断熱材２の寿命を大幅に短くし、製造コストが高くなった。

実施の形態３．
図２を用いて本発明の実施の形態３の単結晶製造装置８の構成を説明する。図２は本発明の実施の形態３に示す単結晶製造装置８の断面図である。図２において、前記図１と同一の符号を付した部分は、前記図１と同一又は相当部分を示すものである。

単結晶製造装置８は、実施の形態１と同様に、坩堝１、グラファイト製円筒耐熱材３、成形断熱材２、側面断熱材５、坩堝上部断熱材６及びこれらの周囲の誘導加熱コイル７から構成され、本実施の形態３においては、成形断熱材２の劣化をさらに抑制するために、グラファイト製炉芯菅９を備えている。グラファイト製炉芯菅９は、グラファイト製円筒耐熱材３と坩堝１の外周を覆う円筒形状で、導電性を有する。本実施の形態３においては、グラファイト製炉芯管９には等方性グラファイトを用いるが、押し出しグラファイト、型押しグラファイトを用いた炉芯管９であっても同様の効果を得ることができる。

グラファイト製炉芯管９の下端は、グラファイト製円筒耐熱材３の下端より低くなるように設置する。このように設置することにより、グラファイト製円筒耐熱材３下端での誘導電流の集中を緩和し、グラファイト製円筒耐熱材３の下端が局所的に高温になることを防ぐことができ、成形断熱材２が高温に曝されることをより防止することができる。

グラファイト製炉芯菅９の厚さは特に限定するものではなく、坩堝１とその周囲に巻きつけた側面断熱材５の間に設置することができればよい。ただし、厚すぎるとグラファイト製炉芯菅９が誘導電流によって加熱され、それにより成形断熱材２が高温に曝され寿命が短くなることが考えられるので、高周波による誘導加熱時の浸透深さの１／３以下にすることが好ましい。

誘導加熱による昇華法を用いた本発明の単結晶成長装置８及びこれを用いた単結晶の製造方法は、ＳｉＣの結晶成長に限定するものではなく、窒化アルミニウム、窒化ガリウム等のいわゆるIII―V族半導体材料をはじめとする化合物半導体材料の単結晶成長にも用いることができる。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することができる。

１ 坩堝、２ 成形断熱材、３ グラファイト製円筒耐熱材、７ 誘導加熱コイル、 ８ 単結晶製造装置、９ グラファイト製炉芯菅。

Claims (10)

1. 坩堝と、
   前記坩堝の周囲に設置された誘導加熱コイルと、
   前記坩堝の下方に設けられた炭素繊維で形成された布状のフェルト断熱材に樹脂を含浸固化し成形した成形断熱材と、
   前記坩堝と前記成形断熱材の間に設けられたグラファイト製円筒耐熱材と、を備える単結晶製造装置。
2. 前記坩堝の下端が、前記誘導加熱コイルの長さ方向の中心から１０ｍｍ〜２０ｍｍ高い位置であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記グラファイト製円筒耐熱材の長さが、前記誘導加熱コイルの長さの１／４〜１／３であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記グラファイト製円筒耐熱材の直径が、前記坩堝の直径と略同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
5. 前記グラファイト製円筒耐熱材及び前記坩堝の外周に、円筒形状のグラファイト製炉芯管を備え、前記グラファイト製炉芯管の下端が前記グラファイト製円筒耐熱材の下端より低いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
6. 坩堝内に昇華用原料を収容させ、種結晶を設置させる工程と、
   炭素繊維で形成された布状のフェルト断熱材に樹脂を含浸固化し成形した成形断熱材上にグラファイト製円筒耐熱材を介して配置された坩堝を誘導加熱コイルを用いて加熱し、前記昇華用原料を昇華させ前記種結晶上に結晶成長させる結晶成長工程と、
   を備える単結晶の製造方法。
7. 前記坩堝の下端が、前記誘導加熱コイルの長さ方向の中心より１０ｍｍ〜２０ｍｍ高い位置であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶の製造方法。
8. 前記グラファイト製円筒耐熱材の長さが、前記誘導加熱コイルの長さの１／４〜１／３であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の単結晶の製造方法。
9. 前記グラファイト製円筒耐熱材の直径が、前記坩堝の直径と略同一であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
10. 前記グラファイト製円筒耐熱材及び前記坩堝の外周に、円筒形状のグラファイト製炉芯管を備え、前記グラファイト製炉芯管の下端が前記グラファイト製円筒耐熱材の下端より低いことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。

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