JP6279930B2

JP6279930B2 - 結晶製造装置および結晶の製造方法

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Publication number: JP6279930B2
Application number: JP2014036479A
Authority: JP
Inventors: 久芳　豊; 豊久芳; 克明正木; 大輔上山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP2015160772A

Description

本発明は、溶液成長法によって結晶を成長させる結晶製造装置およびその結晶製造装置を用いた結晶の製造方法に関する。

現在、トランジスタ等のデバイスを形成する基板材料として、バンドギャップがシリコンに比べて広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きい炭化珪素の結晶が注目されている。そして、炭化珪素の結晶は、例えば溶液成長法で製造されることが知られている。例えば特許文献１では、筒状の加熱装置内に配された坩堝の周囲に断熱材が配され、坩堝の底面に配された断熱材の厚みが坩堝の側面に配された断熱材の厚みよりも大きい結晶製造装置を使用して、炭化珪素の結晶を製造することが記載されている。

特開２０１２―１０１９６０号公報

特許文献１に開示された発明では、平面方向において、溶液の坩堝の側部（容器壁）近傍における温度が、坩堝の中央部における温度に比べて大きくなりやすい。その結果、溶液の平面方向における温度勾配が大きくなり、結晶の成長面における成長度合いのばらつきが大きくなりやすい。そのため、結晶の品質が低下するおそれがあるという問題点があった。

本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、結晶の品質を向上させることができる結晶製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る結晶製造装置は、上下に開口した筒状の加熱装置と、該加熱装置の内側に配された、上面に開口した凹部を有した第１坩堝と、該第１坩堝の前記凹部の底面上に配された第１保温部および前記凹部の内側面上に配された第２保温部からなる保温部材と、該保温部材を介して前記第１坩堝の前記凹部内に配された、結晶を成長させる溶液を保持する第２坩堝とを備え、前記第１保温部による熱伝導の熱量が前記第２保温部による熱伝導の熱量よりも大きい。

本発明の一実施形態に係る結晶製造装置によれば、第１保温部による熱伝導の熱量を第２保温部による熱伝導の熱量よりも大きくすることで、温度が高くなりやすい溶液の第２坩堝の側部近傍における温度上昇を抑制して、温度が低くなりやすい溶液の第２坩堝の中央部における温度上昇を促進することができる。その結果、溶液の平面方向における温度勾配を小さくすることができるので、結晶の成長面における成長度合いのばらつきを小さくすることができる。したがって、成長した結晶の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る結晶製造装置の概略を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る結晶製造装置の変形例を示す断面図である。

＜結晶製造装置＞
以下、本発明の実施形態に係る結晶製造装置について、図１および図２を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る結晶製造装置の概略を示しており、結晶製造装置を上下方向に切断した断面を示している。図２は、本発明の一実施形態に係る結晶製造装置の変形例を示しており、結晶製造装置を上下方向に切断した断面を示している。

結晶製造装置１は、半導体部品等に使用される炭化珪素の結晶２を製造する装置である。結晶製造装置１は、図１に示すように、主に種結晶３と、種結晶３を保持する保持部材４と、溶液５と、溶液５を貯留（保持）する坩堝６（以下、第２坩堝６という）とを含んでいる。結晶製造装置１は、保持部材４を介して種結晶３を第２坩堝６内に移動させて、種結晶３の下面を第２坩堝６内にある溶液５に接触させることで、種結晶３の下面に結晶２を成長させる。

結晶２は、製造された後に加工されてウェハになり、半導体部品製造プロセスを経て半導体部品の一部となる。結晶２は、例えば炭化珪素の単結晶からなる。結晶２は、種結晶３の下面に成長した炭化珪素の結晶の塊である。結晶２は、例えば円柱状に形成されている。

種結晶３は、結晶製造装置１で成長させる結晶２の種となる。種結晶３は、例えば円形状または多角形状の平面形状を有する平板状に形成されている。種結晶３は、結晶２と同じ材料からなる結晶である。すなわち、本実施形態では、炭化珪素の結晶２を製造するため、炭化珪素の結晶からなる種結晶３を用いる。種結晶３は、例えば単結晶または多結晶からなる。

種結晶３は、保持部材４の下面に固定されている。種結晶３は、例えば炭素を含んだ接着材（図示せず）によって、保持部材４に固定されている。また、種結晶３は、保持部材４によって、上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能となっている。

保持部材４は、種結晶３を保持して、溶液５に対して種結晶３の搬出入を行なう。具体的に、保持部材４は、種結晶３を溶液５に接触させたり、溶液５から結晶２を遠ざけたりする機能を有する。保持部材４は、移動装置７の一部である移動機構（図示せず）に固定されている。移動機構は、移動機構に固定されている保持部材４を、例えばモータを利用して上下方向に移動させる。その結果、移動装置７によって、保持部材４は上下方向に移動する。したがって、種結晶３は保持部材４の移動に伴って上下方向に移動する。

保持部材４は、例えば柱状に形成されている。保持部材４は、例えば炭素の多結晶体または炭素を焼成した焼成体等からなる。保持部材４は、上下方向の軸の周囲に回転可能な状態で移動装置７に固定されていてもよい。

溶液５は、第２坩堝６の内部に溜められており、結晶２の原料を種結晶３に供給して結晶２を成長させるものである。溶液５は、結晶２と同じ材料を含む。すなわち、結晶２は炭化珪素の結晶であるから、溶液５は炭素と珪素とを含んでいる。本実施形態では、溶液５は、珪素からなる溶媒に炭素からなる溶質が溶解している。なお、溶液５は、炭素の溶解度を向上させるために、例えばクロム等の金属材料を含んでいてもよい。

本実施形態では、炭化珪素の結晶２を成長させる方法として溶液成長法を用いている。
溶液成長法では、溶液５を種結晶３の下面において準安定状態（熱力学的に結晶の析出と溶出とが平衡している安定状態に極めて近い状態）に保ちつつ、種結晶３の温度を下げること等によって結晶２の析出が溶出よりも僅かに進行する条件に制御し、種結晶３の下面に結晶２を成長させている。すなわち、溶液５では、珪素（溶媒）に炭素（溶質）を溶解させており、炭素の溶解度は、溶媒の温度が高くなるほど大きくなる。ここで、加熱して高温になった溶液５が種結晶３への接触で冷えると、溶解した炭素が過飽和状態となって、溶液５の種結晶３近傍が局所的に準安定状態となる。そして、溶液５が安定状態（熱力学的に平衡状態）に移行しようとして、種結晶３の下面に炭化珪素の結晶２として析出する。その結果、種結晶３の下面に結晶２が成長していく。

第２坩堝６は、溶液５を貯留するとともに、溶液５を加熱するものである。第２坩堝６は、溶液５を貯留するために、例えば凹状に形成されている。第２坩堝６は、例えば黒鉛で形成されている。本実施形態では、第２坩堝６は、第２坩堝６内の中で結晶２の原料のうち珪素を融解させて溶媒とし、珪素の溶媒に第２坩堝６の一部（炭素）が溶解することで、炭素と珪素とを含む溶液５となっている。

第２坩堝６の外形は、例えば円形状または多角形状の平面形状を有する柱状に形成されている。本実施形態では、第２坩堝６の外形は、円柱状に形成されている。第２坩堝６の外側の底面の面積は、例えば３０００ｍｍ^２以上２００００ｍｍ^２以下に設定されている。第２坩堝６の高さは、例えば６０ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定されている。

第２坩堝６は、図１に示すように、外側の坩堝８（以下、第１坩堝８という）の内部に配置されている。第１坩堝８は、内側に第２坩堝６を保持することによって、第１坩堝８を加熱する加熱装置１５から熱を受け、その熱を第２坩堝６に伝える機能を担っている。第１坩堝８は、第２坩堝６を収容するために、上面に開口した凹部９を有している。なお、第２坩堝６は、平面視したときに第１坩堝８の中央部に位置するように第１坩堝８内に配されている。第２坩堝６が第１坩堝８の中央部に配されていることで、第１坩堝８からの熱を第２坩堝６に均等に伝えやすくすることができる。

第１坩堝８の外形は、例えば円形状また多角形状の平面形状を有する柱状に形成されている。本実施形態では、第１坩堝８の外形は、円柱状に形成されている。第１坩堝８の外側の底面の面積は、例えば５０００ｍｍ^２以上４００００ｍｍ^２以下に設定されている。第１坩堝８の高さは、例えば１２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下に設定されている。

第１坩堝８の凹部９は、第１坩堝８の外形と相似した形状に形成されている、本実施形態では、第１坩堝８の外形は円柱状であることから、凹部９は円柱状に形成されている。凹部９の開口面積は、例えば４０００ｍｍ^２以上３２０００ｍｍ^２以下に設定されている。凹部９の深さは、例えば１１０ｍｍ以上２９０ｍｍ以下に設定されている。

第１坩堝８と第２坩堝６との間には、保温部材１０が配置されている。すなわち、第１坩堝８の凹部９の内面には保温部材１０が配されており、第２坩堝６は保温部材１０を介して第１坩堝８の凹部９内に配されている。

保温部材１０は、第２坩堝６の周囲を囲んで、第２坩堝６を保温するものである。保温部材１０は、第１坩堝８の凹部９の底面上に配された第１保温部１１および第１坩堝８の凹部９の内側面上に配された第２保温部１２からなる。そして、第１保温部１１による熱伝導の熱量が第２保温部１２の熱伝導の熱量よりも大きくなるように設定されている。すなわち、保温部材１０は、第１保温部１１の熱伝導率と厚みとの積が、第２保温部１２の熱伝導率と厚みとの積よりも大きくなるように設計されている。

本実施形態の結晶製造装置１では、結晶製造装置１が第１保温部１１および第２保温部１２を有しているため、第１坩堝８から第２坩堝６へ熱が伝導する際に、伝導する熱が第２坩堝６の側部よりも第２坩堝６の底部へ伝わりやすくなる。すなわち、結晶製造装置１は、第２保温部１２によって温度が大きくなりやすい溶液５の第２坩堝６側部近傍の温度上昇を抑制することができ、第１保温部１１によって温度が小さくなりやすい溶液５の中央部の温度上昇を促進することができる。その結果、溶液５の平面方向における温度勾配を小さくすることができ、結晶２の成長面における成長度合いのばらつきを小さくすることができる。したがって、成長する結晶２の品質の低下を抑制することができ、ひいては成長した結晶２の品質を向上させることができる。

第１保温部１１を、第２坩堝６の直下のみに配して、第２保温部１２の端部を第１坩堝８の凹部９の底面に接触するように配してもよい。この場合には、第１坩堝８の側部からの熱伝導を効果的に低減することができる。

第１保温部１１は、例えば第１坩堝８の底面と同じ平面形状を有する板状に形成されている。本実施形態では、第１保温部１１は円盤状に形成されている。第１保温部１１の平面形状の面積は、例えば３０００ｍｍ^２以上３２０００ｍｍ^２以下に設定されている。第１保温部１１の厚みは、例えば１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。

第２保温部１２は、例えば第１坩堝８の側面と相似形の形状に形成されている。すなわち、第２保温部１２の形状は、第１坩堝８から底を除いた部分の形状と相似形である。本実施形態では、第２保温部１２は円筒状に形成されている。第２保温部１２の平面形状の外形の面積は、例えば４０００ｍｍ^２以上３２０００ｍｍ^２以下に設定されている。第２保温部１２の厚みは、例えば１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定されている。

第１保温部１１の厚みは、第２保温部１２の厚みよりも小さくてもよい。この場合には、第１保温部１１の熱伝導の熱量を、第２保温部１２の熱伝導の熱量よりも効果的に大きくすることができる。

第１保温部１１の熱伝導率は、第２保温部１２の熱伝導率よりも大きくてもよい。この場合には、第１保温部１１の熱伝導の熱量を、第２保温部１２の熱伝導の熱量よりも効果的に大きくすることができる。

第１保温部１１は、例えばカーボン繊維を編み込んだフェルトで形成されている。第２保温部１２も、例えばカーボン繊維を編み込んだフェルトなどで形成されている。このような場合には、カーボン繊維の編み方によって、第１保温部１１および第２保温部１２の熱伝導率を調整することができる。第１保温部１１の熱伝導率は０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。第２保温部１２の熱伝導率は０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。第１保温部１１または第２保温部１２の熱伝導率は、例えばフラッシュ法またはプローブ法などによって測定することができる。

第１保温部１１の熱伝導率を第２保温部１２の熱伝導率よりも小さくした上で、さらに第１保温部１１の厚みを第２保温部１２の厚みよりも小さくしてもよい。この場合には、第１保温部１１の熱伝導の熱量を、第２保温部１２の熱伝導の熱量よりもより効果的に大きくすることができる。

第１保温部１１は、第２坩堝６の底面中央部に位置した貫通孔１３を有していてもよい。第１保温部１１が貫通孔１３を有していることで、第１坩堝８の底面から第２坩堝６の底面中央部へ輻射によって熱が伝わり、第２坩堝６の底面中央部を効果的に温めて、溶液５中央部の温度上昇を促進することができる。

貫通孔１３の平面形状は、例えば円形状である。貫通孔１３の開口面積は、例えば２４００ｍｍ^２以上２６０００ｍｍ^２以下に設定されている。貫通孔１３の開口面積は、例えば第１坩堝８の底面の１／２倍以上の大きさを有している。

第１坩堝８は、図２に示すように、凹部９の底面中央部に凸部１４を有してもよい。第１坩堝８が凸部１４を有していることで、第２坩堝６の底面中央部における第１坩堝８と第２坩堝６との距離を小さくすることができ、第１坩堝８の底面から第２坩堝６の底面中央部に熱を伝えやすくすることができる。

凸部１４は、例えば板状に形成されている。凸部１４の平面形状は、例えば第２坩堝６の底面に相似形の形状である。凸部１４の厚みは、例えば１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。凸部１４の上面の面積は、例えば２４００ｍｍ^２以上２６０００ｍｍ^２以下に設定されている。凸部１４の上面の面積は、例えば第１坩堝８の底面の１／２倍以上に設定されている。

第１坩堝８の凸部１４は、第１保温部１１の貫通孔１３内に位置してもよい。すなわち、凸部１４が貫通孔１３に入り込んでもよい。この場合、凸部１４と第２坩堝６の底面との間に保温部材１０が存在せず、第１坩堝８の底面から第２坩堝６の底面中央部に熱を伝えやすくすることができる。

第１坩堝８の凸部１４は、第２坩堝６の底面に接していてもよい。この場合には、凸部１４によって第１坩堝８の底面から第２坩堝６の底面に熱を伝えやすくすることができる。なお、このときの凸部１４は第２坩堝６を支持するように形成される。

第１坩堝８は、前述した通り加熱装置１５によって加熱されるため、加熱装置１５の内部に配されて加熱される。具体的には、加熱装置１５は上下に開口した筒状に形成されており、第１坩堝８は加熱装置１５の筒の内側に配されている。本実施形態の加熱装置１５は、コイル１６および交流電源１７を含んでおり、例えば電磁波を利用した電磁加熱方式によって第２坩堝６の加熱を行なう。なお、加熱装置１５は、例えば、カーボン等の発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する抵抗加熱方式等の他の方式を採用することができる。

コイル１６は、導体によって形成され、第２坩堝６の周囲を囲んでいる。コイル１６は、第２坩堝６を円筒状に囲むように、第２坩堝６の周囲に配されている。交流電源１７は、コイル１６に交流電流を流すためのものであり、交流電流の周波数が高いものを用いることによって、第２坩堝６内の設定温度までの加熱時間を短縮することができる。

本実施形態では、交流電源１７および移動装置７が制御装置１８に接続されて制御されている。つまり、この結晶製造装置１は、制御装置１８によって、溶液５の加熱および温度制御と、種結晶３の搬出入とが連動して制御されている。制御装置１８は、中央演算処理装置およびメモリ等の記憶装置を含んでおり、例えば公知のコンピュータからなる。

＜結晶の製造方法＞
本発明の実施形態に係る結晶の製造方法について説明する。本実施形態の結晶の製造方法は、準備工程、接触工程、結晶成長および引き離し工程を有している。

（準備工程）
種結晶３を準備する。種結晶３は、例えば昇華法または溶液成長法等によって製造された炭化珪素の結晶の塊に切断等の加工を行なって平板状に形成したものを用いる。本実施
形態では、種結晶３の下面を炭素面としている。

また、保持部材４を準備し、保持部材４の下面に種結晶３を固定する。具体的には、保持部材４の下面に炭素を含有する接着材を塗布する。その後、接着材を挟んで保持部材４の下面上に種結晶３を配して、種結晶３を保持部材４に固定する。その結果、保持部材４の下面に固定された種結晶３を準備することができる。なお、本実施形態では、種結晶３を保持部材４に固定した後、保持部材４の上端を移動装置７に固定する。

また、第１坩堝８を準備する。第１坩堝８は、例えば円柱状の黒鉛の塊に凹部９を形成して準備する。その後、保温部材１０を準備して第１坩堝８の凹部９の内面に配する。具体的には、第１保温部１１を凹部９の底面に敷き、第２保温部１２を凹部９の内側面に配する。なお、このとき、第１保温部１１および第２保温部１２は、第１保温部１１の熱伝導率と厚みとの積が、第２保温部１２の熱伝導率と厚みとの積よりも大きくなるように設計する。保温部材１０の第１保温部１１に貫通孔１３を形成する際には、予め第１保温部１１に貫通孔１３を形成し、貫通孔１３を有した第１保温部１１を凹部９内に敷く。

また、第２坩堝６を準備して、第１坩堝８内に配置する。第２坩堝６は、第１坩堝８と同様にして準備する。第２坩堝６は、保温部材１０を介して第１坩堝内に配置する。また、第２坩堝６は、凹状に配された保温部材１０にはめ込むように配されて、第１坩堝８内に固定される。

そして、溶液５を準備する。溶液５の準備は、第２坩堝６内に、珪素の原料となる珪素粒子を入れて、第２坩堝６を珪素の融点（１４２０℃）以上に加熱することによって行なう。このとき、液化した珪素（溶媒）内に第２坩堝６を形成している炭素（溶質）が溶解する。その結果、第２坩堝６内に炭素および珪素を含む溶液５を準備することができる。なお、溶液５に含まれる炭素は、予め原料として炭素粒子を加えることによって、珪素を融解させるのと同時に炭素を溶解させてもよい。

本実施形態では、第２坩堝６は、加熱装置１５のコイル１６に囲まれた第１坩堝８内に設置される。そして、加熱装置１５によって第２坩堝６を加熱することで、溶液５を形成することができる。なお、予め第２坩堝６を結晶製造装置１の外で加熱して溶液５を形成した後に、第２坩堝６を第１坩堝８内に配置してもよい。また、溶液５を第２坩堝６以外の他の容器等で形成した後、第１坩堝８内に設置された第２坩堝６に溶液５を注ぎ込んでもよい。

（接触工程）
種結晶３の下面を溶液５に接触させる。種結晶３は、保持部材４を下方に移動させることで溶液５に接触させる。なお、本実施形態では種結晶３を下方向へ移動させることで種結晶３を溶液５に接触させているが、第２坩堝６を上方向へ移動させることで種結晶３を溶液５に接触させてもよい。

種結晶３は、下面の少なくとも一部が溶液５の液面に接触していればよい。それゆえ、種結晶３の下面全体が溶液５に接触するようにしてもよいし、種結晶３の側面または上面まで浸かるように溶液５に接触させてもよい。種結晶３の側面または上面が浸かるように溶液５に入れた場合には、種結晶３の下面全体を確実に溶液５に接触させることができ、結晶２の生産性を向上させることができる。

（結晶成長工程）
接触工程で溶液５に接触させた種結晶３の下面に、溶液５から結晶２を成長させる。結晶２の成長は、上記の接触工程にて、種結晶３の下面を溶液５に接触させた時から始まる
。すなわち、種結晶３の下面を溶液５に接触させることによって、種結晶３の下面と種結晶３の下面付近の溶液５との間に温度差が生じる。そして、その温度差によって炭素が過飽和状態になり、溶液５中の炭素および珪素が炭化珪素の結晶２として種結晶３の下面に析出し始める。

次に、種結晶３を溶液５から引き上げて、結晶２を柱状に成長させる。このとき、準備工程において記載した通り保温部材１０を第１坩堝８の凹部９内に配しているため、結晶２の成長は、第２坩堝６の底部の温度を第２坩堝６の側部の温度よりも高くなるようにして行なうことができる。これによって、溶液５の平面方向の温度勾配を小さくすることができ、成長する結晶２の品質を向上させることができる。

種結晶３の引き上げは、結晶２の平面方向および下方への成長速度を調整しながら上方向に少しずつ行なうことによって、一定の径を保った状態で結晶２を成長させることができる。具体的には、種結晶３の引き上げの速度は、例えば５０μｍ／ｈ以上１５０μｍ／ｈ以下に設定することができる。

溶液５の温度は、例えば１４００℃以上２０００℃以下となるように設定されている。溶液５の温度が変動する場合には、溶液５の温度として、例えば一定時間において複数回測定した温度を平均した温度を用いることができる。溶液５の温度を測定する方法としては、例えば熱電対で直接的に測定する方法、または放射温度計を用いて間接的に測定する方法等を用いることができる。

（引き離し工程）
結晶２を成長させた後、成長した結晶２を溶液５から引き離し、結晶成長を終了する。

１結晶製造装置
２結晶
３種結晶
４保持部材
５溶液
６第２坩堝
７移動装置
８第１坩堝
９凹部
１０保温部材
１１第１保温部
１２第２保温部
１３貫通孔
１４凸部
１５加熱装置
１６コイル
１７交流電源
１８制御装置

Claims

上下に開口した筒状の加熱装置と、
該加熱装置の内側に配された、上面に開口した凹部を有した第１坩堝と、
該第１坩堝の前記凹部の底面上に配された第１保温部および前記凹部の内側面上に配された第２保温部からなる保温部材と、
該保温部材を介して前記第１坩堝の前記凹部内に配された、結晶を成長させる溶液を保持する第２坩堝とを備え、
前記第１保温部による熱伝導の熱量が前記第２保温部による熱伝導の熱量よりも大きい、溶液成長法によって炭化珪素の結晶を成長させる結晶製造装置。
前記第１保温部は、前記第２坩堝の底面中央部に位置する貫通孔を有している、請求項１に記載の結晶製造装置。
前記第１坩堝は、前記凹部の底面中央部に前記貫通孔内に位置する凸部を有している、請求項２に記載の結晶製造装置。
前記凸部は、前記第２坩堝の底面に接している、請求項３に記載の結晶製造装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の結晶製造装置を使用して、前記第２坩堝の底部の温度を該第２坩堝の側部の温度よりも大きくしつつ、該第２坩堝に保持した溶液から結晶を成長させる、結晶の製造方法。