JP6110059B2 - 低欠陥密度炭化ケイ素を成長させる方法及び装置、並びに得られる物質 - Google Patents

Description

［発明の分野］
本発明は一般に炭化ケイ素、特に低欠陥密度炭化ケイ素を成長させる方法及び設備に関する。

［発明の背景］
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、様々な半導体の用途、特に高出力取り扱い許容性を必要とする用途のための理想的な候補となる多くの特性を有する。議論のあるところだが、ＳｉＣの最も重要な特性は、その間接バンドギャップである。これは、直接バンドギャップ材料で得ることができる電圧ジャンクションよりも大きい電圧ジャンクションを提供する能力と比較的大きい再結合寿命をもたらす。この材料の大きいバンドギャップでは５００℃までで漏電が無視でき、それによって過剰な漏電及び熱喪失なしに、高温操作を行うことができる。ＳｉＣデバイスの切り替え周波数は、ケイ素又はガリウムヒ素から作ったデバイスのそれよりもかなり大きい。これは、ＳｉＣの大きい破壊強さ、及び少数キャリア段階でのもたらされる減少、及び関連する切り替え損失による。最後に、ＳｉＣの高い結合温度及び大きい熱伝導性によって、ＳｉＣによって作られたデバイスは、冷却の必要性が少ない。

ＳｉＣに基づく半導体デバイスは、ケイ素から作ったデバイスと比較してかなり改良されているが、これらの改良を実現するためには、材料は従来得られていたよりも欠陥がかなり少ないようにして作らなければならない。「ＳｉＣ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｖｉｅｗｓ」、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．１（１９９９年）において著者が示しているように、ＳｉＣによって作られたデバイスを大型化するためには、転位の密度及びマイクロパイプの密度を減少させなければならない。従来のＳｉＣ材料は、転位密度が、１０^５〜１０^６／ｃｍ^２、マイクロパイプ密度が１０^２〜１０^３／ｃｍ^２である。いくらかのかなり高品質なＳｉＣ材料は、１０^４／ｃｍ^２程度の転位密度で成長させている。残念ながら、この転位密度でさえも、多くの半導体の用途では、少なくとも１桁程度大きすぎる。前記文献第２１頁参照。

米国特許第５，６７９，１５３号明細書は、液相エピタキシャルを使用するＳｉＣエピタキシャル層の成長技術を開示している。ここではマイクロパイプの密度は実質的に減少しており又はなくなっている。開示されている技術の１つの面では、ＳｉＣのエピタキシャル層はバルク単結晶ＳｉＣ上で作られており、エピタキシャル層は、バルク結晶から伝播するマイクロパイプ欠陥を閉じるのに十分な厚さを有する。デバイス製造のために電気的に活性な領域を作るために、化学気相堆積によって、第２のエピタキシャル層を第１のエピタキシャル層上に作っている。この技術に基づいて、マイクロパイプ密度が０〜５０マイクロパイプ／表面ｃｍ^２のＳｉＣ層を特許請求している。

マイクロパイプ密度が小さいＳｉＣ材料を得る技術が開示されているが、これらの技術はバルク材料を成長させない、すなわち少なくともミリメートル単位の厚さ又はそれよりも厚い材料、好ましくはセンチメートル単位の厚さの材料を成長させない。更にこれらの技術は、材料の転位密度に影響を与えない。従って欠陥密度が、１０^３／ｃｍ^２程度、好ましくは１０^２／ｃｍ^２程度、より好ましくは１０／ｃｍ^２程度又はそれよりも少ないバルクＳｉＣ材料を成長させる技術がこの技術分野で求められている。本発明は、そのような技術及び得られる材料を提供する。

［発明の概略］
本発明では、低転位密度炭化ケイ素（ＳｉＣ）、並びにこれを成長させる方法及び装置を提供する。昇華技術を使用するＳｉＣ結晶の成長は、２つの成長段階に分けられる。成長の第１の段階では、結晶は通常の方向に成長し、同時に横方向に拡がる。好ましくはこの段階において、軸方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比は、０．３５〜１．７５である。転位及び他の材料欠陥は、軸方向に成長した材料内に伝播することができるが、横方向に成長した材料内での欠陥の伝播及び発生は、完全にはなくならないものの実質的に減少している。結晶が所望の直径に拡がった後で、成長の第２の段階を開始する。ここでは横方向の成長を抑制し、通常の成長を促進する。好ましくはこの段階において、軸方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比は、０．０１〜０．３、より好ましくは０．１〜０．３である。実質的に減少した欠陥密度は、第１の段階で横方向に成長した材料に基づいて軸方向に成長した材料内において維持される。

本発明の１つの面では、ＳｉＣ材料は、転位及びマイクロパイプの両方を含む欠陥の密度が小さい。成長したＳｉＣの欠陥密度は、１０^４／ｃｍ^２未満、好ましくは１０^３／ｃｍ^２未満、より好ましくは１０^２／ｃｍ^２未満、更により好ましくは１０／ｃｍ^２未満である。少なくとも１つの態様では、成長したＳｉＣは軸方向に成長した領域と横方向に成長した領域とを有し、横方向に成長した領域が所望の低欠陥密度を有する。本発明の他の態様では、ＳｉＣは、第１の欠陥密度の中央領域と、この中央領域を囲んでいる第２の欠陥密度を有する周縁部領域とを有する。第２の欠陥密度は、第１の欠陥密度よりも実質的に小さく、１０^３／ｃｍ^２未満、好ましくは１０^２／ｃｍ^２未満、より好ましくは１０／ｃｍ^２未満である。本発明の他の態様では、ＳｉＣ材料は、ＳｉＣ種結晶、ＳｉＣ種結晶の成長表面で始まり軸方向成長成長経路に続く第１の結晶成長領域、及びＳｉＣ種結晶の成長表面で始まり横方向拡張成長経路に続く所望の欠陥密度の第２の結晶成長領域を有する。横方向成長経路は、通常の、すなわち軸方向の成長経路に対して、少なくとも２５°、好ましくは少なくとも４５°の角度である。

本発明の他の面では、転位密度が小さいＳｉＣ材料を成長させる方法を提供する。少なくとも１つの態様では、ＳｉＣ種結晶を昇華系に導入し、少なくとも１つの成長段階の間に、軸方向及び横方向の両方の結晶成長を促進する。種結晶から横方向に成長する結晶へのマイクロパイプを含む転位欠陥の伝播は、この領域における転位欠陥の発生と同様に、実質的に減少している。本発明の少なくとも１つの他の態様では、ＳｉＣ種結晶を昇華系に導入し、昇華をもたらすのに十分な温度まで加熱する。昇華系における温度勾配及び結晶化成長面と隣接表面との温度差は、結晶化面が軸方向及び横方向の両方に拡がる第１の段階の自由空間結晶拡張、及びそれに続く、結晶化面が軸方向に拡がり横方向の拡張が抑制される第２の段階の自由空間結晶拡張を促進する。

本発明の他の態様では、低転位密度のＳｉＣ材料を成長させるために使用する設備を提供する。本発明の少なくとも１つの態様では、この設備は、好ましくは円錐状表面の使用によって、横方向の結晶拡張を促進する環状の要素を有する。環状の要素は、ＳｉＣ種結晶の端部から結晶の成長が起こらないようにするために使用することもできる。環状の要素は、横方向の結晶の絞りを促進する好ましくは円錐状の第２の表面も有することができる。好ましくは環状要素の内側表面は、Ｔａ_ｘＣ_ｙ又はＮｂ_ｘＣ_ｙのいずれかでできている。本発明の少なくとも１つの態様では、この設備は、ＳｉＣ種結晶の非成長表面に結合したグラファイトヒートシンク、好ましくはＴａ_ｘＣ_ｙ又はＮｂ_ｘＣ_ｙのいずれかでできている内側表面を有する成長容器、及びるつぼに温度勾配を提供する手段を有する。

本発明の利点及び性質は、明細書の他の部分及び図面を参照することによって更に理解することができる。

図１は、本発明で成長させた欠陥のない成長領域の概略を示している。 図２は、結晶成長の間における中心領域の減少の概略を示している。 図３は、低欠陥密度ＳｉＣを達成するために使用する基本的な方法を示している。 図４は、昇華系の好ましい設計を示している。 図５は、本発明の好ましい設計における重要な成長領域の詳細な断面を示している。 図６は、円錐角度４５°の環状要素及び約４時間の成長時間での、成長セル及び成長結晶内の計算温度分布を示している。 図７は、円錐角度７０°の環状要素及び約４時間の成長時間での、成長セル及び成長結晶内の計算温度分布を示している。 図８は、円錐角度４５°の環状要素及び約２２時間の成長時間での、成長セル及び成長結晶内の計算温度分布を示している。 図９は、円錐角度７０°の環状要素及び約２２時間の成長時間での、成長セル及び成長結晶内の計算温度分布を示している。 図１０は、環状要素セル壁及び結晶界面にわたる一次元的な温度分布を示している。 図１１は、図１０のデータ点に対応する環状要素壁の複数の箇所及び結晶界面の複数の箇所を示している。 図１２は、図６で示されている温度分布に関して計算した熱弾性応力テンソルの一次的な成分の分布を示している。 図１３は、図８で示されている温度分布に関して計算した熱弾性応力テンソルの一次的な成分の分布を示している。

［特定の態様の説明］
（０００１）炭化ケイ素（ＳｉＣ）種結晶における転位は主に、〈０００１〉結晶方向におけるねじれ及びらせん転位である。マイクロパイプ欠陥は、バーガースベクトルが大きく、らせんの中心が空の基本的にらせん状の転位である。本発明の発明者等は、適当な条件において軸方向ではなく半径方向（すなわち横方向）に結晶を成長させることによって、〈０００１〉転位の増殖が抑制されることを見出した。これによって、適当な条件下では、昇華技術を使用して、欠陥のないＳｉＣ結晶を成長させることができる。

本発明の好ましい態様では、図１に示しているように、結晶成長を２つの段階に分ける。第１の成長段階においては、結晶は通常の方向（すなわち垂直方向）に成長しており、同時に横方向に拡がっている。好ましくはこの段階において、軸方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比は、０．３５〜１．７５である。結晶が所望の直径に拡がった後で、横方向の成長を抑制し、通常の成長を促進する（すなわち第２の成長段階）。好ましくはこの段階において、軸方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比は、０．０１〜０．３、より好ましくは０．１〜０．３である。好ましい態様ではこの比は小さすぎずに、それによってわずかに凸型の成長表面を達成し、この表面の特異点化を防ぐ。横方向の結晶成長はるつぼの大きさによって制限され、またこれは、主に必要とされる温度勾配を達成する能力によって制限される。

本発明では、転位及び他の欠陥は中央領域１０１において伝播するが、欠陥の伝播および発生は、横方向成長領域１０３において、完全にはなくならないものの、実質的に減少する。更に実質的に減少した欠陥密度は、横方向成長材料に基づく軸方向成長材料内、すなわち領域１０５においても維持される。好ましくは成長条件を選択して、図２に示されているように、成長の間に中央領域１０１の大きさを小さくする。

欠陥のない横方向結晶成長を達成するために、本発明の発明者等は、好ましくは多数の条件を適合させることを見出した。以下で更に詳細に説明するこれらの条件としては以下のものを挙げることができる：
（ｉ）高品質の種結晶−好ましくは種結晶の成長表面は欠陥がなく、それによって成長結晶の中央領域における欠陥の伝播を最少化する。
（ｉｉ）種結晶の後面を保護して、結晶を通って成長結晶の質に影響を与えることがある転位及び他の微視的な欠陥（例えば面欠陥）の発生を防ぐ。
（ｉｉｉ）適当な成長角度の選択−一般に図１の角度１０７は、２５°超、好ましくは４５°超であるべきである。この角度は主に、第１に供給源と種結晶との間の垂直温度勾配、第２にるつぼの中心とるつぼの壁との間の軸方向温度勾配の２つの要素によって決定される。
（ｉｖ）適当な種結晶直径の選択−一般的に種結晶の直径は、成長させる結晶の直径の３０％未満であるべきである。
（ｖ）多結晶成長の抑制−横方向に成長する材料とるつぼの壁との接触をなくし、結晶の自由空間拡張を保証することが必要である。これは、横方向成長結晶とるつぼの側壁との間の温度差を維持することによって達成される。

図３は、欠陥のないＳｉＣを達成するために使用される基本的な方法を示しており、対応する図４は、炉及びるつぼの好ましい設計を示している。初めにＳｉＣ種結晶４０１を選択及び調製する（工程３０１）。種結晶４０１は、任意の既知の技術を使用して成長させることができる（例えばレーリー（Ｌｅｌｙ）法）。好ましい態様では、典型的に欠陥が１０^５／ｃｍ^２程度又はそれ未満の、最小欠陥の種結晶を使用する。また好ましくは、種結晶はマイクロパイプ欠陥を有するにしても最少のマイクロパイプ欠陥を有する。成長させる結晶の直径に対する種結晶４０１の直径の比は好ましくは０．３未満である。

本発明の好ましい態様では、表面の機械的欠陥は、従来の表面調製技術、例えば研削、研磨及び化学エッチングを使用して種結晶の表面から除去する。この態様では、約５０μｍを除去するが、所望の表面を達成するために、５０μｍの層を超える追加の材料の除去が必要なこともある。好ましくは表面仕上げのＲＭＳ粗さは、５０Å又はそれ未満である。

結晶成長の間には、グラファイト化を防ぐことが重要である（工程３０３）。従って好ましくは、蒸発の間に種結晶４０１の後面を保護する。種結晶４０１の非成長表面を保護する好ましい方法は、結晶の成長表面を、タンタルディスクの平らな研磨された面に配置することである。その後、数分間にわたって減圧雰囲気において１，７００〜１，７５０℃でウェハーをアニール処理し、密なグラファイト層４０３を、タンタルディスクに接触していない種結晶表面に作る。黒色表面グラファイト層４０３を作った後で、これをホルダー４０５に取り付ける。好ましくはホルダー４０５は、グラファイト又は熱分解グラファイトでできており、グラファイトに基づく接着剤を使用して、種結晶４０１をホルダー４０５に取り付ける。ここでこの接着剤は、これら２つの表面の間の接合部の空隙をなくす。グラファイト化を防ぐのに役立つだけでなく、上述の結晶取り付け方法は、種結晶の背面とるつぼのふた（例えば種結晶ホルダー）の間の空隙によってもたらされる取り付け領域における局所的な温度の不均一化も防ぐ。

他の態様では、密なグラファイト層４０３を種結晶の全表面に堆積させ、その後で例えば表面（ｅｐｉ）研磨技術を使用して成長表面から除去する。

種結晶の非成長表面を蒸発から保護するために、本発明の好ましい態様では、種結晶４０１を、環状要素４０７を含む多要素系内内にシールする（工程３０５）。環状要素４０７はシール系に必須なだけではなく、結晶の所望の横方向成長を行わせるのにも役立つ。この要素４０７の外側表面は筒状であり、内側表面は一般に円錐状で、Ｔａ_ｘＣ_ｙ又はＮｂ_ｘＣ_ｙによってコーティングされている。好ましくは要素４０７の内側表面は、図４に示すように、一対の円錐状表面を構成している。

種結晶４０１は、気体不透過性のグラファイト箔４０９を使用して、環状要素４０７に押しつけられシールされている。示されているように、環状要素４０７の一部の内径は、種結晶４０１に隣接しており、間に配置された気体不透過性の箔４０９は、結晶４０１の外径よりも小さい。従って結晶４０１の端部は露出されておらず、典型的に結晶端部から始まる結晶欠陥の成長が制御される。ここで結晶端部とは、結晶表側表面と結晶の側面との接合部として定義される。結晶端部の露出を防ぐことに加えて、環状要素４０７は、所望の横方向温度勾配を達成する手段を提供し、従って上述のように、結晶の横方向成長を制御する手段を提供する。

本発明の好ましい態様では、環状要素４０７の内側表面は、一対の円錐状表面を構成しており、この一対の円錐状表面は、結晶成長表面のわずかなネックダウン（局部絞り）を提供する。このように、横方向の拡張の前に、結晶成長表面は初めの期間の絞りを受ける。他の態様では、環状要素４０７は、横方向に拡張する結晶表面の範囲を定める単一の円錐状内側表面を構成している。他の態様では、環状要素４０７は、横方向に拡張する結晶表面の範囲を定める単一の円錐状内側表面、及び横方向の拡張の前に結晶成長界面が初めに絞りを受けることを確実にする種結晶にすぐに隣接する非円錐状内側表面を構成している。好ましい態様でのように、他の態様では、要素４０７の箔４０９に接触する（且つ結晶４０１に隣接する）部分の内径は、種結晶４０１の外径よりも小さく、それによって端部欠陥の成長を制御している。

第２の気体不透過性グラファイト箔４１１を使用して、種結晶４０１の後面とホルダー４０５をグラファイトヒートシンク４１３にシールする。箔４１１は、結晶４０１／ホルダー４０５とヒートシンク４１３との間の良好な熱的接触を達成するのに役立ち、熱的接触は好ましくはヒートシンク界面全体にわたって連続である。示されているように、グラファイトヒートシンク４１３の外径は、環状要素４０７の外径に実質的に等しい。ヒートシンク４１３、ホルダー４０５、種結晶４０１、環状要素４０７、並びにシール４０９及び４１１でできている積層体を、薄壁グラファイト筒状体４１５内に押しつけて取り付け（工程３０７）、それによってＳｉ、ＳｉＣ及び／又はＳｉＣ_２のような反応性のガスが種結晶４０１の非成長表面に達することを防ぐ。

供給源４１７は、成長容器４１９内に配置する（工程３０９）。その後、種結晶４０１、多要素シール系及びグラファイト筒状体４１５を、成長容器内に配置する（工程３１１）。成長容器４１９は、Ｔａ_ｘＣ_ｙ、Ｎｂ_ｘＣ_ｙ又はグラファイトによって作る。成長容器４１９のためにグラファイトを使用する場合、容器の内壁をＴａ_ｘＣ_ｙ又はＮｂ_ｘＣ_ｙでコーティングする。好ましくは種結晶成長表面と供給物質４１７との間の距離は、供給源４１７の直径の３０％未満であり、準平衡蒸気相条件を維持できるようにする。

供給源４１７は、結晶成長の間の供給物粒子の形成を抑制する様式で作る。本発明の好ましい態様では、エレクトロニクス等級のＳｉＣ粉末又はＳｉとＣの粉末の混合物を約２，１００〜２，５００℃で約１時間にわたってアニール処理することによってこの目的は達成される。アニール処理によって、密な堆積物が形成され、これは結晶成長の間の粒子の形成をなくす。本発明で使用してドープされたＳｉＣ結晶を得るためには、所望のドーパント及び／又は不純物（例えば窒素、ホウ素、アルミニウム、インジウム、バナジウム、モリブデン、スカンジウム、クロム、鉄、マンガン、スズ及びジルコニウム）を供給源４１７に含有させる。

成長容器４１９をツーピースグラファイトるつぼ４２１内に配置する（工程３１３）。ここでこのツーピースグラファイトるつぼ４２１の形状（例えばテーパーの部分）は、以下で詳細に説明する温度勾配を提供するように設計する。グラファイト化を防ぐために、本発明では、成長容器内の蒸気の化学量論量、すなわち炭素に対するケイ素の比は、結晶成長の間に比較的一定に維持しなければならない。この目的を達成するための１つの方法は、材料の損失を最少化することである。従って本発明の好ましい態様では、成長プロセスの間の材料の損失速度は、１時間当たり初期供給源重量の０．５％未満に維持する。特にこの損失速度は、第１に、グラファイトるつぼ４２１を、好ましくは示されているように高周波誘導炉である高温炉４２３内に配置することによって達成する（工程３１５）。グラファイト発泡体４２５を使用して、炉からの熱損失を抑制する。その後、成長容器と共に炉を、１０^−５ｔｏｒｒ又はそれ未満の圧力まで減圧し（工程３１７）、そして約１，５００℃の温度まで加熱する（工程３１９）。好ましくは異なる熱膨張率の異なるタイプのグラファイトを使用して、容器４１９をその後シールし、それによってグラファイト化を防ぐ（工程３２１）。

容器をシールした後で、炉に純粋なアルゴン又は微量の窒素を伴うアルゴンを満たす（工程３２３）。成長結晶の所望の抵抗率を得るために、ガス充填炉の分圧を１０^−１〜１０^−４ｔｏｒｒに維持する。るつぼ４２１及び容器４１９を、６〜２０℃／分の速度で、１，９００〜２，４００℃の温度に加熱する（工程３２５）。

結晶成長の間に、るつぼ４２１を、約１〜５回転／分の速度で軸方向に回転させる（工程３２７）。結晶が成長したら、るつぼ４２１と炉４２３の相対的な位置を変更することによって、要求される温度勾配を少なくとも部分的に達成する（工程３２９）。典型的にこの動きの速度は、結晶成長の速度にほぼ等しく、すなわち０．１〜１．５ｍｍ／時間である。

（好ましい結晶成長法）
上述の方法及び設備に加えて、本発明の発明者等は、ある種の成長法が好ましいことを見出した。上述のように、成長の間の結晶の自由空間拡張は、欠陥のないＳｉＣを達成するために重要である。従って、環状要素４０７、種結晶ホルダー４０５、グラファイト筒状体４１５、及び成長容器４１９を含む表面のような、種結晶４０１を囲む全ての表面での多結晶堆積物の形成を防ぐことが重要である。問題となる表面の温度が種の温度よりも高いことを確実にすることは、多結晶堆積を防ぐための好ましい技術である。しかしながら同時に、種と隣接する表面との温度差は大きすぎないことが重要である。この温度差が大きすぎると、横方向の結晶成長が起こらないことがある。従って本発明の発明者等は、結晶化面と結晶化面の前側の隣接する表面との間の温度差は１〜５℃であるべきだということを見出した。

本発明の発明者等は、結晶が横方向に拡張する間に、種４０１と供給源４１７との間で、５〜２５℃、好ましくは５〜１０℃の温度降下を維持すべきであるということを見出した。この温度差は、通常の（すなわち横方向ではない）結晶成長の抑制に役立つ。好ましくは温度勾配は横方向の位置に依存しており、それによって種の中心において温度差が最小であり、中心からの横方向の距離と共に温度差が大きくなる。結果として、凸型の結晶成長面が形成され、これはマイクロパイプ伝播をなくすのに役立つ。

上述のように、好ましくは通常の結晶成長と横方向の結晶成長との角度（例えば図１の角度１０７）は２５°超である。この角度が２５°未満である場合、種結晶４０１の欠陥及び初期結晶成長の間に発生することがある全ての欠陥は、新たに成長した結晶を通って伝播し続ける。この角度が４５°超である場合、本発明の好ましい態様でのように、典型的に全ての欠陥が、側面に向かって移動し、側面に達すると、それ以上は成長プロセスに関与しない。全ての欠陥が成長プロセスに関与しなくなるわけではない場合には、横方向に成長した材料における欠陥密度は典型的に１０^２／ｃｍ^２程度又はそれ未満、より典型的には１０／ｃｍ^２程度又はそれ未満である。この角度が２５〜４５°の中間の場合には、横方向に成長している結晶体への欠陥の拡張が典型的に観察される。しかしながら種結晶４０１が高品質である場合、この範囲内の角度は、十分に低欠陥密度の結晶をもたらすことができる。

初めに、横方向結晶成長が優勢であり（工程３３１）、横方向に成長した結晶は、マイクロパイプがなく、且つ欠陥（例えば転位、マイクロパイプ）の密度が、１０^４／ｃｍ^２未満、好ましくは１０^３／ｃｍ^２未満、より好ましくは１０^２／ｃｍ^２未満、更により好ましくは１０／ｃｍ^２未満であり、更により好ましくは１ｃｍ^２当たりの欠陥がゼロである。観察されるように、この材料はグラファイト含有物がない。横方向結晶成長が主である結晶成長は、所望の結晶直径に達成するまで継続する。ここでこの結晶直径は一般に成長容器によって決定され、図５で示されている態様では環状要素４０７によって決定される。結晶が所望の直径に達したら（工程３３３）、垂直温度勾配を変更して、通常の、すなわち垂直方向の結晶成長を促進する（工程３３５）。温度勾配の所望の変更を達成するために、炉４２３とるつぼ４２１の相対的な位置を変更する。本発明の好ましい態様では、炉４２３は誘導炉であり、炉のコイルをるつぼ４２１に対して移動させる。あるいは又は炉とるつぼの相対的な位置を変更するのに加えて、炉の部分の温度を変更することができる。好ましくは軸方向温度勾配、すなわち供給源と成長表面との温度勾配は、１０〜５０℃／ｃｍであり、０．４〜１．５ｍｍ／時間の所望の通常成長の速度をもたらす。

結晶成長の最終段階においては、有意の横方向結晶拡張を防ぐことが重要である。また上述のように、るつぼの側壁（例えば成長容器４１９、グラファイト筒状体４１５及び環状要素４０７の側壁）にＳｉＣ堆積物ができるのを防ぐことも重要である。従って種結晶の温度と比較して比較的高い側壁温度を維持し、好ましくは温度差が少なくとも１０℃、より好ましくは１０〜３０℃、更により好ましくは１０〜１５℃になるようにする。比較的高温の側壁は、成長結晶の側面を放射加熱し、それによって結晶の通常成長表面よりも高温の結晶側壁を達成する。結果として、全ての蒸気種が、結晶の通常成長表面で消費され、るつぼの側壁での成長が抑制される。更に、この温度差は、成長している結晶がるつぼの側壁と接触しないことを確実にする。このような接触は欠陥の主な原因である。

本発明の発明者等は、成長している結晶中の温度勾配を比較的小さく維持しなければならない、好ましくは５℃／ｃｍ程度又はそれ未満にしなければならないことを見出した。この温度勾配が大きすぎると、成長している結晶中でひずみがもたらされ、結果として転位又は他の欠陥が形成される。

（詳細な成長領域）
図５は、本発明の好ましい態様における重要な成長領域の断面図である。この態様では、ＳｉＣ種結晶５０１が環状要素５０３の一部に保持されている。グラファイト箔環状体５０５が、環状要素５０３と結晶５０１の成長表面との間に配置されており、この箔環状体５０５は、種結晶を環状要素にシールしている。結晶５０１の側面及び後面は、グラファイト箔５０７で覆われている。グラファイトディスク５０９は、グラファイト箔５０７を介して種結晶５０１と組み合わされている。ディスク５０９及び中間のグラファイト箔５０７の主要な目的は、結晶５０１からの熱の除去を補助することである。更にディスク５０９は、結晶５０１のための支持表面及びグラファイト環状体５１１で結晶に圧力を適用するのに便利な手段を提供し、それによって結晶と要素５０３との間のシールを達成している。グラファイト箔５０５及び５０７は、典型的に０．２５〜０．８０ｍｍの厚さである。

環状要素５０３は好ましくは、グラファイト筒状体５１３内に押しつける。典型的に０．２５〜０．８０ｍｍの厚さのグラファイト箔５１５を、好ましくは環状要素５０３の外壁と筒状体５１３の内壁との間に配置し、良好な圧力及び熱シールを達成するのに役立てる。グラファイト発泡体５１７を使用して、炉からの熱の損失を抑制する。

本発明のこの態様では、環状要素５０３は、内側表面５１９がＴａ_ｘＣ_ｙ又はＮｂ_ｘＣ_ｙによってコーティングされたグラファイトで作る。要素５０３の最大内径である直径Ｄは３０ｍｍであるが、この直径を大きくし、それによって比較的大きい成長結晶を得ることに大きな制限はない。要素５０３の最小内径である直径ｄは、Ｄ／ｄの比が３よりも大きくなるように選択する。角度５２１は、上述のように２５°よりも大きく、好ましくは９０°未満であるように選択する。

（熱解析）
図６〜１０は、本発明の特定の態様に関して、成長セル及び成長結晶中における計算温度分布を示している。図６〜９では、種結晶は基体６０１として示されており、結晶成長界面は表面６０３として示されており、また環状要素は要素６０５として示されている。この解析に関して、環状要素６０５は、図４及び５の環状要素で示されるような一対の円錐状表面ではなく、単一の円錐表面からなっている。

図６及び７は、約４時間の成長後の温度分布を示しており、図８及び９は、約２２時間の成長後の温度分布を示している。図６及び８の環状要素の円錐角度は４５°であり。図７及び９の環状要素の円錐角度は７０°である。

図１０は、環状要素セル壁（線１００１）及び結晶界面（線１００３）での１次元温度分布を示している。線１００１及び１００３で示されているデータ点に対応する環状要素壁の箇所及び結晶界面の箇所はそれぞれ図１１で示されている。

（熱弾性応力分布）
上述のように、成長結晶内における温度勾配は比較的小さく、好ましくは５℃／ｃｍ又はそれ未満に維持しなければならない。図１２及び１３は、図６及び８で示されている温度分布に関して計算した、熱弾性応力テンソルσ_ｒｚ（パスカル）の一次成分の分布を示している。示されている熱弾性応力成分は、転位の勾配すべりに対応するものである。

計算結果は、σ_ｒｚ値が結晶の主要部におけるＳｉＣ塑性しきい値を超えないことを示している。従って成長結晶内で発生する転位の可能性は無視できる。

当業者が理解するように、本発明は、本発明の精神又は本質的な特徴内の他の態様によって実施することができる。従って本明細書において示された開示及び例は説明のためのものであり、特許請求の範囲において示される本発明の範囲を限定するものではない。

Claims (9)

1. 第１の欠陥密度の単結晶炭化ケイ素種結晶、ここで前記欠陥はマイクロパイプ及び転位で構成されている；
   前記単結晶炭化ケイ素種結晶の＜０００１＞成長面から成長した第２の欠陥密度の、再結晶化炭化ケイ素の軸方向領域、ここで前記欠陥はマイクロパイプ及び転位で構成されている；並びに
   前記単結晶炭化ケイ素種結晶の＜０００１＞成長面から成長した第３の欠陥密度の、再結晶化炭化ケイ素の横方向領域、ここで前記欠陥はマイクロパイプ及び転位で構成されている；
   を含む、炭化ケイ素材料であって、前記第３の欠陥密度が、前記第１の欠陥密度未満且つ前記第２の欠陥密度未満であり、また前記第３の欠陥密度が１０^４／ｃｍ^２未満である、炭化ケイ素材料。
2. 前記第３の欠陥密度が１０^３／ｃｍ^２未満である、請求項１に記載の炭化ケイ素材料。
3. 前記第３の欠陥密度が１０^２／ｃｍ^２未満である、請求項１に記載の炭化ケイ素材料。
4. 前記第３の欠陥密度が１０／ｃｍ^２未満である、請求項１に記載の炭化ケイ素材料。
5. 前記再結晶化炭化ケイ素の軸方向領域が第１の厚さを有し、前記再結晶化炭化ケイ素の横方向領域が、前記第１の厚さと実質的に等しい第２の厚さを有し、且つ前記第１の厚さが、少なくとも１ｍｍである、請求項１に記載の炭化ケイ素材料。
6. 第１の領域及び第２の領域を有する単結晶炭化ケイ素結晶を含む単結晶炭化ケイ素種結晶の＜０００１＞成長面から成長した炭化ケイ素材料であって、前記第１の領域が、前記単結晶炭化ケイ素結晶の中央部に位置しており、且つ第１の欠陥密度を有し、また前記第２の領域が、軸方向に配置された前記第１の領域を取り囲んでおり、且つ第２の欠陥密度を有し、前記欠陥はマイクロパイプ及び転位で構成されており、ここで前記第２の欠陥密度は、前記第１の欠陥密度よりも小さく、また前記第２の欠陥密度は、１０^３／ｃｍ^２未満である、炭化ケイ素材料。
7. 前記第２の欠陥密度が１０^２／ｃｍ^２未満である、請求項６に記載の炭化ケイ素材料。
8. 前記第２の欠陥密度が１０／ｃｍ^２未満である、請求項６に記載の炭化ケイ素材料。
9. 前記単結晶炭化ケイ素結晶の厚さが少なくとも１ｍｍである、請求項６に記載の炭化ケイ素材料。

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