JP6681687B2 - 炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝及び炭化珪素単結晶インゴットの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、種結晶を用いた昇華再結晶法によって炭化珪素単結晶を成長させ、炭化珪素単結晶インゴットを製造する際に用いられる炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝、及びこの黒鉛坩堝を用いて炭化珪素単結晶インゴットを製造する炭化珪素単結晶インゴットの製造方法に関する。

高熱伝導率を持ち、バンドギャップの大きい炭化珪素単結晶は、高温で用いられる電子材料や、高耐圧の求められる電子材料の基板として有用な材料である。
そして、このような炭化珪素単結晶の作製法の一つとして、昇華再結晶法(レーリー法)が知られている。この昇華再結晶法は、２０００℃を超える高温において原料の炭化珪素粉末を昇華させ、生成したその昇華ガス（原料ガス）を低温部に再結晶化させることにより、炭化珪素単結晶を製造する方法である。また、このレーリー法において、炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いて炭化珪素単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（非特許文献１）、バルク状の炭化珪素単結晶インゴットの製造に利用されている。

この改良レーリー法においては、種結晶を用いているために結晶の核形成過程を最適化することができ、また、不活性ガスによる雰囲気圧力を１０Paから１５kPa程度にすることにより、炭化珪素単結晶の成長速度等の再現性を良くすることができる。このため、一般に、原料と種結晶との間で適切な温度差を設け、種結晶の上に炭化珪素単結晶を成長させることが行われている。また、得られた炭化珪素単結晶（炭化珪素単結晶インゴット）については、電子材料の基板としての規格の形状にするために、研削、切断、研磨といった加工が施されて利用されている。

ここで、図６を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。
昇華再結晶法で用いる炭化珪素原料３として炭化珪素結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された炭化珪素結晶粉末を洗浄・前処理したものが使用される。〕が用いられ、また、黒鉛製坩堝１として上端開口筒状の坩堝本体1aとこの坩堝本体1aの上端開口部を閉塞する坩堝上蓋1bとを備えた坩堝が用いられる。そして、前記坩堝本体1a下部の原料充填部1c内に前記炭化珪素原料３が装填され、また、前記坩堝上蓋1bの内面に炭化珪素単結晶からなる種結晶２が設置される。坩堝１内では、前記炭化珪素原料３が、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（10Pa〜15kPa）で２４００℃以上に加熱される。この加熱の際に、坩堝１内には炭化珪素原料３側に比べて種結晶２側がやや低温になるように温度勾配が設定され、加熱されて炭化珪素原料３から昇華した炭化珪素の昇華ガスは、温度勾配による流れ、及び、濃度勾配（温度勾配により形成される）による流れにより、種結晶２方向へと拡散・輸送され、この種結晶２の表面で再結晶し、結晶成長が進行して単結晶インゴット４が生成する。なお、図６中、符号５は断熱材である。

ところで、炭化珪素単結晶基板の口径については、電子デバイスを作製するための基板として用いる際の製造コストをできるだけ下げるために、大口径化が求められている。そして、このために、炭化珪素単結晶基板を製造するためのインゴットについては、その大口径化と同時に、一つのインゴットから多数の基板を製造することができ、また、切断加工時や研削加工時の生産性をより高めることができるように、結晶成長により得られるインゴットの長尺化も求められている。

しかしながら、改良レーリー法においては、前記のような方法で結晶成長を行っているため、炭化珪素原料を結晶成長の途中で追加することが困難である。そこで、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを作製するためには、小口径のインゴットを結晶成長させる場合に比べて、坩堝の原料充填部により多量の炭化珪素原料を装填する必要があり、原料充填部の径及び深さをより大きくする必要が生じるが、このように多量に装填した炭化珪素原料を結晶成長のために有効に利用するためには、原料充填部内の炭化珪素原料全体を昇華温度まで効率良く加熱し、昇華させることが不可欠になる。

そして、坩堝内の炭化珪素原料を加熱する方法としては、一般に、高周波誘導加熱を用いて黒鉛製の坩堝を発熱させ、この発熱した坩堝を介して炭化珪素原料を加熱し、坩堝内に前述の温度勾配を形成することが行われている。また、このような高周波誘導加熱においては、誘導される高周波電流の発生が高周波の浸透深さに依存しているため、坩堝の形状によって定まる発熱分布が発生し、坩堝の側壁外周面近傍で強い発熱が生じ、この熱が熱伝導若しくは熱輻射により原料充填部内の炭化珪素原料へと伝達され、これによって炭化珪素原料が加熱される。これを坩堝の原料充填部内に装填された炭化珪素原料に着目してみると、坩堝が円筒状でその原料充填部内に炭化珪素原料が円柱状に装填されていると、誘導加熱により円柱状炭化珪素原料の側面が強く加熱されることから、炭化珪素原料の外周部（坩堝の原料充填部の外周部）近傍がより加熱され易く、炭化珪素原料の中心軸（坩堝の原料充填部の中心軸）近傍に比べてより高温に加熱され、炭化珪素原料に対する加熱温度が炭化珪素原料の外周部から中心軸に向けて低下する温度分布を持つ傾向がある。

このように原料充填部が加熱されると、原料充填部内の炭化珪素原料の高温部から昇華ガスが発生し、種結晶上に結晶成長が生じるが、原料充填部内の原料には不可避的に温度分布が生じ、原料充填部の中心軸近傍の原料は低温部となる。そして、この低温部の温度を昇華温度まで上昇させて低温部となる中心軸近傍の原料を昇華させるためには、誘導電流の電流値を大きくして黒鉛坩堝の側壁部分の温度をより高温にする必要がある。一方で、坩堝の側壁部分の温度を高くすると、坩堝全体の温度が高くなり、種結晶や成長中の単結晶の温度も高くなって、種結晶と原料との温度勾配が小さくなるため、温度勾配に基づいた結晶成長の駆動力が小さくなり、結晶成長が途中で停止する結晶成長停止の問題が発生する。

そこで、従来においても、原料充填部を加熱する方法について幾つかの提案がされており、例えば、坩堝の原料充填部の底壁部（坩堝底壁部）の温度低下を防ぐために前記坩堝底壁部に断熱材を配置することで、原料充填部の下部における再結晶化を抑制し、効率的に原料を加熱する方法が開示されている（特許文献１）。また、原料充填部の坩堝の側壁の形状を工夫し、原料内部の温度分布を均一化する方法が開示されている（特許文献２）。

そして、坩堝の原料充填部の底壁部（坩堝底壁部）を直接加熱する方法として、坩堝底壁部の下に誘導加熱コイルを配置する方法が開示されている（特許文献３）。また、坩堝の原料充填部の底壁部（坩堝底壁部）の電気伝導率を側壁部よりも高くし、坩堝底壁部の発熱を増大させて坩堝底壁部の温度を高くすることにより、坩堝底壁部まで加熱する方法が開示されている（特許文献４）。
更にまた、種結晶に向かうガスの流れを制御するために原料充填部の上部に原料ガス整流ガイドを設ける方法が開示されている（特許文献５）。

特開2010-76,990号公報 特開2007-230,846号公報 特開2013-216,549号公報 特開2010-206,876号公報 特許5,397,503号公報

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, 52 (1981) pp.146

しかしながら、特許文献１の方法では、発熱部分が坩堝の側壁部分であることから、原料充填部の中心軸近傍の温度が外周部の温度よりも低下するという問題が依然とし残り、大口径化のために坩堝の口径を増大させた場合に、原料充填部の中心軸近傍の原料を効率良く加熱するという目的のためには採用し難い方法である。また、特許文献２の方法では、坩堝側壁の発熱分布が変化することに伴い、種結晶上に成長している結晶部分近傍での発熱分布も変化し、しかも、前記結晶成長は等温線に沿って進むと考えられることから、発熱分布の変化に伴って成長する結晶の成長面形状も影響を受けるので、原料充填部の前記結晶成長部分の温度の最適化とを両立させることが必要となり、これら均温化と最適化の両立が非常に難しい。

また、特許文献３の方法では、坩堝下部を直接加熱することができるが、装置の構造が複雑になると同時に、側部誘導加熱コイルと下部誘導加熱コイルとの相互作用があるために、それぞれの誘導加熱コイルに流す電流の最適化が非常に難しい。更に、特許文献４の方法では、坩堝側壁に近い部分での発熱を増大させているため、依然として、原料充填部の外周部の温度が高くなるという問題は残り、原料充填部の外周部と原料充填部の中心軸近傍の間に不可避に温度差が発生し、原料充填部の中心軸近傍の原料を効率的に昇華させることが困難である。

更に、特許文献５の方法では、原料充填部内に最初に装填された炭化珪素原料の上面位置から種結晶へ到達するまでの間の昇華ガスの流れを制御することはできるが、原料充填部の内部において昇華ガスの流れの制御することはできず、原料充填部の中心軸近傍の原料を加熱することは困難であり、原料充填部の中心軸近傍の温度を上げるためには坩堝全体の温度を上げる必要がある。坩堝全体の温度を上げた場合には、種結晶の結晶成長部が高温となることで再結晶した炭化珪素が再度昇華する場合があり、その部分に欠陥が発生し、良質の単結晶が得られない問題が有る。このため、この特許文献５の方法においても、原料充填部の中心軸近傍の炭化珪素原料を有効に加熱することは難しく、多量の昇華ガスを必要とするインゴットの大口径化、長尺化には不向きである。

本発明は、炭化珪素単結晶の成長中に坩堝の原料充填部に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させ、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造するのに適した炭化珪素単結晶インゴットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、高周波誘導加熱を用いて、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造する場合に、黒鉛坩堝の原料充填部内に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させることができる方法について鋭意検討した。その結果、高温に加熱されて発生した高温の昇華ガスを熱源として利用すること、すなわち、略々中央部に隔壁開口部を有する隔壁を原料充填部の内部に配置してこの原料充填部内の炭化珪素原料中を流れる昇華ガスの流れを制御し、この高温の昇華ガスの流れを原料充填部内の比較的低温の炭化珪素原料部分に強制的に誘導し、この高温の昇華ガスによって原料充填部の中心軸近傍に位置する比較的低温の炭化珪素原料を加熱する方法に到達した。そして、この方法によれば、従来加熱され難かった坩堝の原料充填部中心軸近傍の原料を昇華させることを可能とし、坩堝内に装填した炭化珪素原料を効率良く昇華させ、大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを製造することができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
〔1〕上端開口筒状に形成された黒鉛製の坩堝本体とこの坩堝本体の上端開口部を閉塞する坩堝上蓋とを備え、また、前記坩堝本体下部には炭化珪素原料を充填する原料充填部を有し、前記原料充填部内に装填された炭化珪素原料を加熱して昇華させ、生成した昇華ガスを前記坩堝上蓋の内面に設置された炭化珪素単結晶からなる種結晶の表面で再結晶化させる昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造するための黒鉛坩堝において、
前記坩堝本体下部の原料充填部内には、周縁基部が原料充填部の側壁内面に固定され、略々中央部に隔壁開口部を有する円盤状の黒鉛製隔壁が設けられていることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝。
〔2〕 前記黒鉛製隔壁の隔壁開口部の開口面積が、前記原料充填部内に装填された初期の炭化珪素原料の上面の面積の０．１倍以上０．５倍以下であることを特徴とする前記〔1〕に記載の炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝。
〔3〕 上端開口筒状に形成された黒鉛製の坩堝本体とこの坩堝本体の上端開口部を閉塞する坩堝上蓋とを備え、また、前記坩堝本体下部には炭化珪素原料を充填する原料充填部を有する黒鉛坩堝を用い、この黒鉛坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内に炭化珪素原料を装填し、前記坩堝上蓋の内面には炭化珪素単結晶からなる種結晶を設置し、前記坩堝本体の側面を高周波誘導加熱して昇華ガスを発生させ、この発生した昇華ガスを前記種結晶上に再結晶させて炭化珪素単結晶を製造する方法において、
前記坩堝本体下部の原料充填部には周縁基部が坩堝本体内壁面に固定され、かつ、略々中央部に隔壁開口部を有する円盤状の黒鉛製隔壁を設け、この黒鉛製隔壁により隔壁下方で発生する昇華ガスを原料充填部の中心軸へと向う方向に案内し、この原料充填部内の中心軸周辺に位置する炭化珪素原料を昇華温度まで加熱することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

本発明の炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝によれば、この黒鉛坩堝を用いて大口径かつ長尺の炭化珪素単結晶インゴットを成長させる際に、坩堝の原料充填部に装填された炭化珪素原料について、原料充填部の中心軸近傍の温度を外周部の温度と同等に高くすることが可能であり、従来、比較的低温である原料充填部の中心軸近傍での炭化珪素原料の再結晶化を防ぎ、原料充填部に装填した炭化珪素原料を有効に昇華させること、すなわち炭化珪素原料の結晶化率〔＝(成長した炭化珪素単結晶インゴットの重量)／（装填した炭化珪素原料の重量）〕を高くすることができる。

また、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法によれば、種結晶の結晶成長面に昇華ガスが効率的かつ安定的に供給されるようになり、種結晶の結晶成長面に昇華ガスの供給が変動することに起因する欠陥の発生を抑制することができ、高品質の炭化珪素インゴットを製造することができる。また、本発明の方法で製造された高品質の炭化珪素単結晶インゴットを用いて電子材料用の炭化珪素単結晶基板を製造すれば、炭化珪素原料に対して製造される基板の歩留まりが向上し、炭化珪素単結晶基板のコスト低減を図ることができる。

図１は、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法の実施例１で用いる炭化珪素単結晶インゴットの製造装置全体を示す説明図である。 図２は、本発明の実施例１で用いられた黒鉛坩堝を説明するための拡大説明図である。 図３は、本発明の実施例２で用いられた黒鉛坩堝を説明するための図２と同様の説明図である。 図４は、本発明の実施例３で用いられた黒鉛坩堝を説明するための図２と同様の説明図である。 図５は、本発明の実施例４で用いられた黒鉛坩堝を説明するための図２と同様の説明図である。 図６は、改良レーリー法の原理を説明するための説明図である。

以下、添付図面に示す炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて、本発明の炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝、及びこの黒鉛坩堝を用いた本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法について、その実施の形態を説明する。

図１は、炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を説明するためのものであり、この製造装置において、二重石英管13内には黒鉛製の黒鉛坩堝１（以下、「坩堝」と略す。）とこの坩堝１を取り囲むように覆う黒鉛製の断熱材５とが配設されている。そして、前記坩堝１は、上端開口筒状に形成された黒鉛製の坩堝本体1aとその上端開口部を閉塞する黒鉛製の坩堝上蓋1bとで構成されており、また、前記坩堝本体1a下部には炭化珪素原料（以下、単に「原料」という。）３を充填する原料充填部1cが位置しており、更に、前記坩堝上蓋1bの内面には炭化珪素単結晶からなる種結晶２が取り付けられている。

なお、この図１において、符号６は切欠き孔を示し、符号10は坩堝支持体を示し、符号13は二重石英管を示し、符号14は真空排気装置を示し、符号15はArガス配管を示し、符号16はArガス用マスフローコントローラを示し、符号17は発熱部材として機能する前記坩堝１を発熱させるための高周波誘導加熱用のワークコイルを示し、前記ワークコイル17には高周波電流を流すための図示外の高周波電源が取り付けられている。
また、図１において、符号20は、周縁基部が原料充填部1cの側壁内面に固定されて前記坩堝本体1a下部の原料充填部1c内に位置する本発明の黒鉛製隔壁であり、その略々中央部には隔壁開口部21が形成されている。

この製造装置において、二重石英管13内部は、真空排気装置14により高真空排気（10^-3Pa以下）することができ、かつArガス配管15とArガス用マスフローコントローラ16を用いて、内部雰囲気をArガスにより圧力制御することができるようになっている。そして、坩堝１の温度の計測は、坩堝１の上下部を覆う黒鉛製の断熱材５の中央部にそれぞれ光路を設け、坩堝１の上部（坩堝上蓋1b）及び下部〔坩堝本体1a下部の原料充填部1cの底壁部（坩堝底壁部）〕からの光を取り出して、二色温度計を用いて行い、坩堝1下部の温度から原料温度を判断し、また、坩堝１上部の温度から種結晶２の温度を判断する。
ここで、種結晶２上に炭化珪素単結晶の結晶成長させるためには、坩堝1内部の上下方向に温度勾配を形成し、原料充填部1cの温度を高くし、種結晶２の結晶成長部分の温度を相対的に低くして再結晶させる必要がある。つまり、坩堝1の中では原料充填部1cから種結晶２に向かった熱の流れを形成する必要がある。

しかるに、従来の方法（図１において、隔壁20の無い坩堝を用いた方法）では、坩堝１の側壁で高周波誘導により発生した熱を、原料充填部1c内の原料３から種結晶２を経由させて系外へと放出させている。この結果、原料充填部1c内の原料３の外周部の温度が高く、その中心軸近傍に向かって温度が低下し、更に、種結晶２に向かって温度勾配が発生する。
そして、このような黒鉛製の坩堝１を用いた高周波による誘導加熱では、発熱部材である黒鉛製の坩堝1の側壁は加熱され易いが、原料充填部1c内の原料３の中心軸近傍（坩堝本体1a下部の原料充填部1cの中心軸近傍）は加熱され難い。特に原料充填部1c内の原料３の底部は坩堝1の坩堝本体1a下部の原料充填部の底壁部（以下、単に「坩堝底壁部」ということがある。）と接している部分であって、坩堝１の側壁から原料充填部1c内の原料３に投入された熱が流出する部分であるため、坩堝底壁部の中央近傍を高周波誘導加熱により効果的に加熱することは難しい。また、加熱された原料３から発生する昇華ガスは、鉛直上方に上昇し、種結晶２の結晶成長面で再結晶する流れを生じる。すなわち高温に加熱されやすい側壁近傍の高温の昇華ガスは他の原料部分を加熱することなく種結晶２に向かう。

そこで、本発明は、原料充填部1cの外周部の高温に加熱されて発生した高温の昇華ガスを原料充填部1cの中心軸近傍を加熱する熱源として利用すること、すなわち、原料充填部1c内に配置した隔壁開口部21を有する円盤状の隔壁20を用いることで原料充填部1cの外周部の高温の昇華ガスが強制的に原料充填部1cの中心軸近傍を流れるように加熱する方法を用いることであり、種結晶上での結晶成長に必要な温度勾配を維持しつつ、従来は困難であった、坩堝の底面中央部1bの原料３を効率的に昇華させることが特徴である。以下、隔壁20より上の原料充填部1cを原料上室、下の原料充填部1cを原料下室とする。

隔壁20は、その機能から特に材質を規定するものではないが、昇華再結晶法を行うために必要な高温で機能する材料であるのがよく、成長する炭化珪素単結晶の不純物とならない材料の視点から、黒鉛材料であることが好ましい。
隔壁20の上面及び／又は下面は坩堝１の坩堝底壁部に対して平行であっても、また、この坩堝底壁部に対して角度をなしていてもよく、原料３の装填量を多くするためには厚さが薄い方が好ましい。一方で、黒鉛材料を用いて隔壁20を作製する場合には、昇華ガスと黒鉛の反応による隔壁20の浸食が起こるため、隔壁20の厚さは５mm以上であることが好ましい。

隔壁20について、その原料下室に面する側（下面側）の形状は平面形状でも、曲面形状でもよい。この隔壁20の下面側部分は昇華ガスを効果的に原料３の中心軸近傍に誘導するような曲面形状であることが好ましいが、隔壁20の下面側で昇華ガスの滞留が生じると、その部分で昇華ガスが再結晶を起こし、原料３が有効に利用できない場合があるので、隔壁20の下面側の形状についてはこの点を考慮して設計するのがよい。

原料充填部1cを原料上室と原料下室とに仕切る隔壁20の開口部の下面の原料充填部1c内部での高さ位置（以下、単に「隔壁高さ位置」という。）は、原料充填部1cの坩堝底壁部内面からの高さ〔すなわち、原料充填部1c内に装填された初期の炭化珪素原料３の中心軸方向の上面高さ（以下、単に「初期装填原料の上面高さ」という。）〕に対して１／３から２／３の高さに配設することが好ましい。また、このとき原料下室に充填された原料は、原料充填部1cに装填された原料に対する体積比が２５%から７５%の間であることが好ましい。この隔壁20高さ位置が高く、原料下室の体積比が大きい場合には、原料３内部の比較的低温部である中心軸近傍に高温の昇華ガスの流れを誘導する効果が小さくなる虞があり、反対に、隔壁20高さ位置が低く、原料下室の体積比が小さい場合には、原料３内部の比較的低温部である中心軸近傍に高温の昇華ガスの流れを誘導する効果は得易いが、高温の昇華ガスの供給源となる原料下室に装填される原料３の総量が少なくなるために、中心軸近傍の原料３を十分に加熱するだけの昇華ガスが得られ難くなる虞がある。

隔壁20の隔壁開口部21については、その開口面積が、好ましくは原料充填部内に装填された初期の炭化珪素原料の上面の面積（以下、単に「初期装填原料上面の面積」ということがある。）の０．１倍以上０．５倍以下、より好ましくは０．１５倍以上０．４倍以下であることが好ましい。この隔壁開口部の開口面積が初期装填原料上面の面積の０．１倍より小さい場合には、原料充填部1cの中心軸近傍の原料３を加熱する効果は高くなるが、種結晶２に向かう供給口が狭くなり安定した昇華ガスの供給が得られ難くなる虞があり、反対に、０．５倍より大きくなると、供給口は大きく、安定した昇華ガスの供給は可能であるが、原料充填部1cの中心軸近傍の原料３を加熱する効果が得られ難くなる虞がある。

本発明の製造方法により成長高さが４０mm以上２００mm以下の炭化珪素単結晶インゴットを製造した場合には、坩堝1内に装填した炭化珪素原料３を有効に利用することができ、また、結晶成長中の結晶成長速度の変動が小さくなって高品質の炭化珪素単結晶を得ることができる。このため、電子材料用の炭化珪素単結晶を効率良く作製することが可能になり、炭化珪素単結晶インゴットをより安価に製造することができる。

〔実施例１〕
実施例１においては、図１に示す製造装置において、図２に示す黒鉛坩堝を用いた。この坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内には、隔壁高さ位置が初期装填原料の上面高さの１／２の位置であり、上下面が坩堝底壁部と平行であって、その隔壁開口部の開口面積が原料充填部内に装填された初期装填原料上面の面積の０．３５倍である円盤状の黒鉛製隔壁を配設した。
また、坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内には、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる炭化珪素原料を２．３kg装填し、また、坩堝の坩堝上蓋には、種結晶として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。

このようにして準備された坩堝等からなる構成部材を前述のように二重石英管の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２３００℃まで上昇させた後、二重石英管内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、炭化珪素単結晶の成長を開始させ、加熱を１４０時間継続して炭化珪素単結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．４mm／時であって、炭化珪素単結晶の口径が１０５mm程度であり、かつ、高さが５５mm程度の単結晶インゴットが得られた。坩堝内の原料の残渣を観察したところ、原料の中心軸近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心軸近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は１．５kg程度であり、結晶化率は６８%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔実施例２〕
実施例２においては、実施例１の図２に示す黒鉛坩堝に代えて、図３に示す黒鉛坩堝を用いた製造装置において、周縁基部が坩堝底壁部から初期装填原料の上面高さの１／３の位置に固定され、また、隔壁開口部側が周縁基部側より少し高くなって全体が坩堝底壁部と角度を有して固定され、上面側が平面状で下面側が凹状を有し、原料下室の昇華ガスの流れが原料中心軸近傍に誘導される形状を持つ円盤状の隔壁を配設した。また、隔壁開口部の開口面積は初期装填原料上面の面積の０．１５倍とした。
また、坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内には、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる炭化珪素原料を４．６kg装填し、また、坩堝の坩堝上蓋には、種結晶として、口径１５５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。

このようにして準備された坩堝等からなる構成部材を前述のように二重石英管の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２３００℃まで上昇させた後、二重石英管内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、炭化珪素単結晶の成長を開始させ、加熱を１４０時間継続して炭化珪素単結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．４mm／時であって、炭化珪素単結晶の口径が１５５mm程度であり、かつ、高さが５５mm程度の単結晶インゴットが得られた。坩堝内の原料の残渣を観察したところ、原料の中心軸近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心軸近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は３．３kg程度であり、結晶化率は７２%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔実施例３〕
実施例３においては、実施例１の図２に示す黒鉛坩堝に代えて、図４に示す黒鉛坩堝を用いた製造装置において、周縁基部が坩堝底壁部から初期装填原料の上面高さの２／３の位置に固定され、また、隔壁開口部側が周縁基部上面より少し低くなって上面が坩堝底壁部と角度を有して固定され、上面側が平面状で下面側が凹状を有し、原料下室の昇華ガスの流れが原料中心軸近傍に誘導される形状を持つ円盤状の隔壁を配設した。また、隔壁開口部の開口面積は初期装填原料上面の面積の０．４倍とした。
また、坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内には、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる炭化珪素原料を８．３kg装填し、また、坩堝の坩堝上蓋には、種結晶として、口径１５５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。

このようにして準備された坩堝等からなる構成部材を前述のように二重石英管の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２３００℃まで上昇させた後、二重石英管内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、炭化珪素単結晶の成長を開始させ、加熱を１５０時間継続して炭化珪素単結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．４mm／時であって、炭化珪素単結晶の口径が１５５mm程度であり、かつ、高さが６０mm程度の単結晶インゴットが得られた。坩堝内の原料の残渣を観察したところ、原料の中心軸近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心軸近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は３．７kg程度であり、結晶化率は８０%であった。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔実施例４〕
実施例４においては、実施例１の図２に示す黒鉛坩堝に代えて、図５に示す黒鉛坩堝を用いた製造装置において、周縁基部が坩堝底壁部から初期装填原料の上面高さの１／２の位置に固定され、また、隔壁開口部側が周縁基部側より少し低くなって上面及び下面共に坩堝底壁部と角度を有して固定され、上面及び下面共に平面状の円板状であり、原料下室の昇華ガスの流れが原料中心軸近傍に誘導されるように隔壁を配設した。また、隔壁開口部の開口面積は初期装填原料上面の面積の０．３倍とした。
また、坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内には、アチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる炭化珪素原料を３．０kg装填し、また、坩堝の坩堝上蓋には、種結晶として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。

このようにして準備された坩堝等からなる構成部材を前述のように二重石英管の内部に設置し、前記手順で常法に従って炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。すなわち、原料温度を目標温度である２３００℃まで上昇させた後、二重石英管内のＡrの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧し、炭化珪素単結晶の成長を開始させ、加熱を１７０時間継続して炭化珪素単結晶を成長させた。

その結果、成長速度は約０．３mm／時であって、炭化珪素単結晶の口径が１０５mm程度であり、かつ、高さが５０mm程度の単結晶インゴットが得られた。坩堝内の原料の残渣を観察したところ、原料の中心軸近傍においても原料が効率良く昇華したことが認められ、高周波誘導加熱の際に原料に対する加熱温度を効果的に変化させることができ、結果として中心軸近傍の原料も効率良く加熱することができた。また、得られた単結晶インゴットの重量は１．４kg程度であり、結晶化率は４７%であった。
この実施例４の場合においても本発明の効果は得られるが、隔壁の周縁基部下面側に、原料下室の原料が再結晶していることが観察され、実施例１に比較して結晶化率が低いことが分かった。すなわち、原料を最大限に有効活用するためには、原料下室の周縁基部で昇華ガスの滞留が発生し難い構造であることが好ましい。

更に、得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用である。

〔比較例１〕
実施例３と比較するために、隔壁20を配置せずに、実施例３と同じ操業条件にて結晶成長を実行した。
その結果、結晶の口径が１５５mm程度であり、かつ、高さが２０mm程度のインゴットが得られた。坩堝内の原料の残渣を観察したところ、原料の中心軸で原料の再結晶が観察された。中心軸近傍の原料が有効に加熱されないため、原料の周辺部で昇華した原料ガスが結晶成長に利用されずに、原料の中心軸近傍で再結晶したものと考えられる。この原料の中心軸近傍での昇華ガスの再結晶のため、結晶成長の途中で原料ガスの供給が途絶え、成長した結晶の成長面が昇華し、成長面が炭化した。そのため、インゴットの結晶化率は１５%と低い値であった。

得られた炭化珪素単結晶インゴットはインゴット高さが低いため、電子デバイスを作製するための基板切り出す際の歩留まりが低くなるという問題があった。また、装填した原料に対してインゴットの重量が小さく、原料を有効に利用できないという問題があった。

１…坩堝、1a…坩堝本体、1b…坩堝上蓋、1c…原料充填部、２…種結晶、３…炭化珪素原料（原料）、４…単結晶インゴット、５…断熱材、６…切欠き孔、10…坩堝支持体、13…二重石英管、14…真空排気装置、15…Arガス配管、16…Arガス用マスフローコントローラ、17…ワークコイル、20…隔壁、21…隔壁開口部。

Claims (3)

1. 上端開口筒状に形成された黒鉛製の坩堝本体とこの坩堝本体の上端開口部を閉塞する黒鉛製の坩堝上蓋とを備え、また、前記坩堝本体下部には炭化珪素原料を充填する原料充填部を有し、前記原料充填部内に装填された炭化珪素原料を加熱して昇華させ、生成した昇華ガスを前記坩堝上蓋の内面に設置された炭化珪素単結晶からなる種結晶の表面で再結晶化させる昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造するための黒鉛坩堝において、
   前記坩堝本体下部の原料充填部内には、周縁基部が原料充填部の側壁内面に固定され、略々中央部に隔壁開口部を有する円盤状の黒鉛製隔壁が設けられており、
   前記隔壁の開口部の下面の前記原料充填部内部での高さ位置は、前記原料充填部の坩堝底壁部内面からの高さに対して１／３から２／３の高さであることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝。
2. 前記黒鉛製隔壁の隔壁開口部の開口面積が、前記原料充填部内に装填された初期の炭化珪素原料の上面の面積の０．１倍以上０．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶インゴット製造用の黒鉛坩堝。
3. 上端開口筒状に形成された黒鉛製の坩堝本体とこの坩堝本体の上端開口部を閉塞する坩堝上蓋とを備え、また、前記坩堝本体下部には炭化珪素原料を充填する原料充填部を有する黒鉛坩堝を用い、この黒鉛坩堝の坩堝本体下部の原料充填部内に炭化珪素原料を装填し、前記坩堝上蓋の内面には炭化珪素単結晶からなる種結晶を設置し、前記坩堝本体の側面を高周波誘導加熱して昇華ガスを発生させ、この発生した昇華ガスを前記種結晶上に再結晶させて炭化珪素単結晶を製造する方法において、
   前記坩堝本体下部の原料充填部には周縁基部が坩堝本体内壁面に固定され、かつ、略々中央部に隔壁開口部を有する円盤状の黒鉛製隔壁を設け、この黒鉛製隔壁により隔壁下方で発生する昇華ガスを原料充填部の中心軸へと向う方向に案内し、この原料充填部内の中心軸周辺に位置する炭化珪素原料を昇華温度まで加熱することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

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