JP6506863B1 - 坩堝内部の温度場分布を測定するための装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】坩堝内部の温度場分布を測定するための装置を提供する。【解決手段】坩堝内部の温度場分布を測定するための装置であって、上蓋と本体と成長室と材料充填部と、を含む坩堝と、該坩堝外部に設けられる保温材と、該坩堝を加熱するための移動自在の加熱素子と、該上蓋上の複数の穴部を介して該上蓋内部に設けられ、坩堝内部の温度場分布を測定するための耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対と、を含む。これを介して耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対を利用すると、坩堝内部の温度分布を効果的に測定及び調整することで、結晶成長の最適な温度分布を実現できる。【選択図】図１
Description
本発明は、坩堝装置に関し、特に、坩堝内部の温度場分布を測定するために用いられることができる装置に関する。
近年、現代における科学技術及び生活の品質が迅速に発展し、各種３Ｃハイテク電子機器の軽薄短小化、及び多機能化が急速に進展し、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＩＩＩ族窒化物（例えばＧａＮ、ＡｌＮ）が開発されて半導体材料として各種電子デバイスに用いられ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物が高い物理的性質及び高耐食性を有するだけではなく、同時に耐放射線性、高いブレークダウン電界、広いバンドギャップ、電子の高飽和ドリフト速度、高温においても動作可能等を含む極めて優れた電子的特性も有する。
物理的気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）及び物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ）は、業界の炭化ケイ素、第ＩＩＩ族窒化物を結晶成長するための技術であり、チップ量産に使用される技術でもある。物理的気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）は、主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物の材料粉末が高温炉（坩堝）ホットゾーンで昇華され、温度勾配で炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＩＩＩ族窒化物の気相を種結晶上に移動して結晶成長工程を行うことによって結晶成長を完成させる。ただし、物理的気相輸送法による結晶成長の品質は、成長過程の温度条件と互いに密接な関係にあるため、多くの従来技術では設備改善を通じて成長過程の温度条件を管理することを提案しており、例えば特許文献１では黒鉛坩堝に１個の坩堝穴部が設けられ、穴部内に断熱材を加えて種結晶の後方放熱効率を増やすようにしており、特許文献２では種結晶と保持体の距離の変更を通じて種結晶と保持体との間の熱伝導率を制御すると共に放射熱伝達の効果をドミナントするようにしており、特許文献３では、種結晶の位置を位置決めて種結晶の曲げ及び応力の影響を減少するようにしており、特許文献４では、裏の多孔質物質を通じて種結晶の位置を位置決めると共に、１つの気相遮断層を提供して種結晶の昇華を減少するようにしている。特許文献５では、薄壁の坩堝を利用して物理的気相輸送法で窒化アルミニウム結晶を成長させるようにしているため、熱応力を減少でき、特許文献６では、保持体を種結晶の表面に密着するよう調整することによって熱伝導率を制御するようにしている。
上記従来技術において、言及した温度場分布の改善はいずれもシミュレーションソフトウェアで結晶成長環境の温度場をシミュレーションして得られたため、実際の状況とは誤差が生じており、また、多くの原料（例えば炭化ケイ素）はその粒度分布にばらつきがあり、これにより、毎回の（炭化ケイ素）結晶成長実験の温度場に若干の差が発生するため、温度場シミュレーションだけでは、確実に坩堝（結晶成長炉）内における本当の温度場の温度分布を知ることができない。
よって、現在業界では、坩堝内部の温度場分布を測定するための装置の開発が急務となり、この装置を通じて坩堝内部の実際の温度場分布を測定し、温度の結晶成長に対する妨害問題を克服でき、同時に適切な坩堝内部の温度場分布を調整でき、こうして原料又は設備の妨害防止を兼ね備えて、最適化の坩堝内部温度場分布を調整することで、高品質結晶を成長させる目的を達成する。
上記従来技術の欠点に鑑み、本発明の主要目的は、坩堝内部の温度場分布を測定するための装置を提供し、坩堝と移動自在の加熱素子と保温材等とを統合することで、高品質結晶（例えば高品質の炭化ケイ素結晶）を調製することにある。
上記目的を達成するため、本発明の技術的手段としては、坩堝内部の温度場分布を測定するための装置であって、上蓋と本体と成長室と材料充填部と、を含む坩堝と、該坩堝外部に設けられる保温材と、該坩堝を加熱するための移動自在の加熱素子と、該上蓋上の複数の穴部を介して該上蓋内部に設けられ、坩堝内部の温度場分布を測定するための耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対と、を含む。
上記耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対の材料として、タングステンレニウム合金又はタングステンモリブデン合金を使用でき、タングステン−レニウム（タングステン−モリブデン）熱電対が耐熱の熱電対であるため、熱的安定性が信頼でき、そのホットワイヤ電極の融点（例えば、３３００℃）が高く、蒸気圧が低く、極めて酸化しやすく、同時に非酸化性雰囲気中での化学的安定性に優れ、かつ起電力が大きく、感度が高く、長期的に温度２０００〜２４００℃の範囲内に使用されることができ、短期的な使用であれば使用温度は更に最高で３０００℃に達することができる。
本発明の耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対は、カーボン雰囲気下で坩堝内部の温度場分布（ただし、これに限定されない）の測定に使用され、１〜１００ｔｏｒｒの圧力環境下で坩堝内部の温度場分布（ただし、これに限定されない）を測定でき、同時に１６００〜２３００℃の温度環境下で坩堝内部の温度場分布（ただし、これに限定されない）も測定できる。本願の発明における耐熱絶縁被覆材は、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）及び炭化タングステン（ＷＣ）から選択されるいずれかとすることができ、上記材料の外側に一層のセラミック材料、例えばＺｒＣ（ただし、これに限定されない）が更に設けられ、その主要目的は熱電対とカーボン雰囲気との反応又は加熱コイルの誘導による熱電対の故障を避けることにある。
本発明の耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対の使用にあたり、坩堝の上蓋上に設けられる複数の穴部を利用し、耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対が該上蓋上の穴部に挿入されることで、坩堝内部に入って坩堝内部の温度場分布を測定することができる。
以上の略述と後記の詳細な説明及び添付図面は、いずれも本発明が予定目的を達成するために採った形態、手段及び効果を更に説明するためのものでる。本発明その他の目的及び利点に関しては、後記の説明及び図面内に記述する。
以下、特定の具体的実例を通じて本発明の実施形態を説明し、当業者は本明細書に開示されている内容から本発明の利点及び効果を容易に理解できる。
炭化ケイ素の結晶成長において主に使用される従来の方法には、高温化学気相成長（ＨＴＣＶＤ）及び物理的気相輸送法（ＰＶＴ）の２種類があるが、従来の方法のいずれも、温度場シミュレーションを用いて結晶成長環境の温度分布を得るようにしており、温度測定についても、光学方式により坩堝外側の上、下部の温度を測定しているのみであった。上記従来の方法で得られた温度は、炭化ケイ素結晶成長時の参考とすることができるが、坩堝内部の実際の温度場（温度）分布を知ることができない。
本願の発明は、タングステン−レニウム（タングステン−モリブデン）熱電対を内部温度場の温度分布測定材料として使用している。広い温度測定範囲を有するタングステン−レニウム（タングステン−モリブデン）熱電対を利用すれば、炭化ケイ素成長の温度下（１８００〜２２００℃）で温度場測定を行うことが可能となるが、無線周波誘導炉（ＲＦ ｆｕｒｎａｃｅ）内の昇温過程中に熱電対が加熱コイルによって誘導加熱されないように、熱電対を高温絶縁セラミック等で保護する必要がある。そして保護策を施した熱電対を黒鉛坩堝内に挿入することで、炭化ケイ素単結晶成長の温度場分布を測定できる。
タングステン−レニウム熱電対は、耐熱熱電対であり、熱的安定性が信頼できる。タングステンレニウム熱電対の特性として、そのホットワイヤ電極の融点（例えば、３３００℃）が高く、蒸気圧が低く、極めて酸化しやすく、同時に非酸化性雰囲気中での化学的安定性に優れ、かつ起電力が大きく、感度が高い利点を有し、タングステン−レニウム熱電対は、長期的に温度２０００〜２４００℃の範囲内の環境下に使用することができ、短期的な使用であれば３０００℃の環境下に使用することもできる。しかし、タングステン−レニウム熱電対は、極めて酸化しやすく、炭素含有雰囲気中において容易に炭化物を生成するため、その感度が下げられると共に脆化が起こりやすく、従来では不活性又は乾燥水素ガス雰囲気中にのみ使用される。本願の発明は、この問題を避けるため、熱電対の外層を耐熱絶縁セラミック（ＺｒＣ、ＴａＣ、ＷＣ等）で保護し、熱電対が黒鉛坩堝内に挿入されて結晶成長温度を測定している間に、カーボン雰囲気との反応又は加熱コイルの誘導により故障が生じることを防止する。
図１は、本発明に係る坩堝内部の温度場分布を測定するための装置を示す模式図である。図２は、本発明に係る坩堝を示す模式図である。図に示すように、本発明に係る坩堝内部の温度場分布を測定するための装置は、上蓋２１０と本体２２０と成長室１３０と材料充填部１４０と、を含む坩堝１１０と、該坩堝１１０外部に設けられる保温材１５０と、該坩堝１１０を加熱するための移動自在の加熱素子１６０と、該上蓋２１０上の複数の穴部２１２を介して該上蓋２１０内部に設けられ、坩堝１１０内部の温度場分布を測定するための、耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対１１１と、を含む。
図３は、本発明に係る熱電対を示す模式図である。図示のように、本実施形態の熱電対３１０の外層は耐熱材料３２０で覆われ、該耐熱材料３２０は保護管のような形とすることができる。該耐熱材料３２０（保護管）の外部にＺｒＯ２含有ペースト材を塗り、またＺｒＯ２を塗った保護管３２０を８０〜１００℃で乾燥させてからこの保護管３２０を炭素リッチの雰囲気内に入れ、高温低圧下でＺｒＯ２を反応させてＺｒＣ（３３０）の絶縁セラミック材料を形成し、このようにして耐熱及び絶縁の熱電対保護管が製造される。
本実施形態は、炭化ケイ素結晶成長の坩堝内部の温度場を測定すると、炭化ケイ素の圧力低下成長初期の温度場分布を得ることができる。まず、炭化ケイ素結晶成長に必要な炭化ケイ素原料を６インチの黒鉛坩堝本体２２０内に充填し、また穴をあけた坩堝上蓋２１０を締め付けてから耐熱絶縁セラミック保護を有する熱電対１１１を穴部２１２の中に挿入して熱電対１１１と材料充填部１４０との間隔を調整し、熱電対を適切な位置に調整した後で、成長室１３０の温度分布が得られ、そしてグラファイト接着剤で熱電対１１１と穴部２１２との隙間を封止し、この方法によれば穴部を封止できるだけでなく、熱電対を固定することもでき、更に、熱電対１１１が挿入されている黒鉛坩堝を結晶成長炉１７０内に入れ、次に結晶成長炉１７０に対し真空吸引を行って結晶成長炉１７０内の窒素ガス及び酸素ガスを除去し、同時に温度を９００〜１２５０℃に上げ、そして高純度不活性ガス（アルゴンガス、ヘリウムガス又はアルゴンガスと水素ガスの混合ガス）を吹き込み、そのガス純度はいずれも９９．９９９５％より大きく、その温度に１時間保持した後、更に成長炉１７０を約１８００℃〜２２００℃の結晶成長温度まで加熱すると共に圧力を炭化ケイ素結晶成長に必要な圧力（１〜１００ｔｏｒｒ）まで下げ、１〜２時間保持し、最後に炭化ケイ素結晶成長初期の温度場の温度分布測定を行うことができ、測定を終えた後、温度場の温度分布状況が所定の状況に該当しない場合、加熱コイルの高さの移動を介して適切な黒鉛坩堝内部の温度場分布を調整でき、その後温度を下げて黒鉛坩堝を取り出し、上蓋を炭化ケイ素種結晶が固定された上蓋に交換し、結晶成長炉１７０内に入れて一般的な炭化ケイ素結晶成長プロセスを行う。
図４は、本発明に係る熱電対の測定位置を示す模式図である。図５は、本発明の実施形態の温度場分布シミュレーションを示す模式図である。図示のように、熱電対で上記実施形態の炭化ケイ素結晶成長初期の温度場分布を測定し、測定した実際のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ点における温度は各々２４６５Ｋ、２４２０Ｋ、２４０５Ｋ、２４２２Ｋ、２４６７Ｋであり、図４、５から分かるように、熱電対で実際に測定を行った場合の加熱コイル１６０の位置と、温度場分布シミュレーションを行った場合の加熱コイルの位置とはいずれも図１に示すものと同じであるものの、熱電対で測定した温度分布結果と温度場シミュレーションによる温度分布に差があることを観察できる。実測温度とシミュレーション温度の違いをもたらす考えられる主な原因は、（１）加工過程中に生じる黒鉛坩堝の公差、又は（２）炭化ケイ素原料の粒度分布が異なることによる、原料の空隙率とシミュレーションにおける設定条件との相違、にある。図６（Ａ）は、本発明に係る、温度場シミュレーション条件に基づいて成長した６インチの炭化ケイ素結晶の写真であり、図６（B）は当該炭化ケイ素結晶のＸＲＴ写真である。図７（Ａ）は、本発明に係る、実施形態の温度場分布条件に基づいて成長した６インチの炭化ケイ素結晶の写真であり、図７（B）は当該炭化ケイ素結晶のＸＲＴ検査図である。図示のように、明らかに、温度場シミュレーション条件に基づいて成長した６インチの炭化ケイ素結晶の外側には、炭化ケイ素多結晶が結晶中心に向かって覆われており、使用可能な単結晶領域の範囲が小さくなっている。また、Ｘ線トポグラフィ解析装置（ＸＲＴ）の検査で、スライスして得られた炭化ケイ素チップの品質が比較的悪いことが分かった。一方、熱電対で温度場分布を予め確認してから炭化ケイ素結晶成長実験を行った場合、品質が良好な６インチの炭化ケイ素結晶を得ることができ、ＸＲＴの検査で、スライスして得られた炭化ケイ素チップの品質も良好であることが分かった。
以上に述べた実施形態は、あくまでも本発明の特徴及び効果を明らかにするものであって、本発明の実質的な技術内容を限定することはなく、当業者が本発明の精神から逸脱することなく上記実施形態を改良と変形できる。よって、本発明の保護範囲は、後記の特許請求の範囲に記載されている通りとする。
１１０ 坩堝
１１１ 耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対
１３０ 成長室
１４０ 材料充填部
１５０ 保温材
１６０ 移動自在の加熱素子（加熱コイル）
１７０ 結晶成長炉
２１０ 上蓋
２１２ 穴部
２２０ （坩堝）本体
３１０ 熱電対
３２０ 材料
３３０ 耐熱絶縁被覆材（セラミック材料ＺｒＣ）
１１１ 耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対
１３０ 成長室
１４０ 材料充填部
１５０ 保温材
１６０ 移動自在の加熱素子（加熱コイル）
１７０ 結晶成長炉
２１０ 上蓋
２１２ 穴部
２２０ （坩堝）本体
３１０ 熱電対
３２０ 材料
３３０ 耐熱絶縁被覆材（セラミック材料ＺｒＣ）
Claims (9)
- 上蓋と本体と成長室と材料充填部と、を含む坩堝と、
前記坩堝外部に設けられる保温材と、
前記坩堝を加熱するための移動自在の加熱素子と、
前記上蓋上の複数の穴部を介して前記上蓋内部に設けられ、前記坩堝内部の温度場分布を測定するための、耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対と、
を含むことを特徴とする坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。 - 前記耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対は、タングステンレニウム合金又はタングステンモリブデン合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材は、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）及び炭化タングステン（ＷＣ）から選択されるいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材の外側に一層のセラミック材料が更に設けられることを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記セラミック材料は、ＺｒＣであることを特徴とする請求項４に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対は、前記上蓋上の穴部に挿入されることで、前記坩堝内部に入って前記坩堝内部の温度場分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対は、１〜１００ｔｏｒｒの圧力環境下で前記坩堝内部の温度場分布の測定に用いられることを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材を有する複数の熱電対は、１６００〜２３００℃の温度環境下で前記坩堝内部の温度場分布の測定に用いられることを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
- 前記耐熱絶縁被覆材で覆われる複数の熱電対は、炭化ケイ素雰囲気下で、前記坩堝内部の温度場分布の測定に用いられることを特徴とする請求項１に記載の坩堝内部の温度場分布を測定するための装置。
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