JP6829767B2

JP6829767B2 - ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP6829767B2
Application number: JP2019527120A
Authority: JP
Inventors: 同華彭; 春俊劉; 波王; 平張; 宇鄒; 寧趙
Original assignee: Xinjiang Tankeblue Semiconductor Co Ltd; Tankeblue Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Xinjiang Tankeblue Semiconductor Co Ltd; Tankeblue Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-02-10
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Description

本発明は、ＳｉＣ結晶における不純物含有量を有意に低減させ、ＳｉＣ結晶にけるミクロ被覆物を減少し、ＳｉＣ結晶の転位密度を低減させ、結晶成長速度及び収率を向上させることができるＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法及び製造装置に関し、結晶成長の分野に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とするワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）に続く第３世代の半導体材料である。Ｓｉ及びＧａＡｓのような従来の半導体材料に比べて、ＳｉＣは、高熱導率、高破壊電界強度、高飽和電子ドリフト速度及び高い結合エネルギーなどの良好な特性を有し、高温、高周波、高電力及び耐放射デバイスにおいて将来性が期待できる。また、ＳｉＣはＧａＮに近い格子定数及び熱膨張係数を有するため、光電子デバイスの分野にも極めて有望とされる。

ＳｉＣ結晶成長方法は主に、物理的気相移送成長法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＴｒａｎｓｐｏｒｔＭｅｔｈｏｄ）であり、その成長室の構造が図１に示される。坩堝内の温度を２１００〜２４００℃に上昇し、ＳｉＣ粉末を昇華させ、昇華により気相物質Ｓｉ_２Ｃ、ＳｉＣ_２及びＳｉを生成し、ＳｉＣ粉末の温度よりわずかに低い坩堝の上部にＳｉＣ種結晶を投入して、昇華により生じた気相物質が温度勾配の作用でＳｉＣ粉末の表面から温度が比較的低いＳｉＣ種結晶に移送され、且つＳｉＣ種結晶において結晶化してブロック状のＳｉＣ結晶を形成する。

現在、このような方法を用いたＳｉＣ結晶成長には以下の技術的問題がある。先ず、ＳｉＣ粉末に一定量の不純物が存在し、且つＳｉＣ粉末内部にあるこれらの不純物は従来の酸洗方式で除去できないため、ＳｉＣ粉末を用いて成長されるＳｉＣ結晶における不純物の含有量が比較的高く、その結果、ＳｉＣ結晶の品質に深刻に影響し、成長されたＳｉＣ結晶は高圧・ハイパワーデバイスによるＳｉＣ単結晶基板の品質への要求を満たすことができない。

また、物理的気相移送成長法でＳｉＣ結晶を成長させる過程において、ＳｉＣ粉末が高温で蒸発して発生する基本的な反応は、以下を含む。
ＳｉＣ（ｓ）→Ｓｉ（ｇ）＋Ｃ（ｓ）
２ＳｉＣ（ｓ）→Ｓｉ（ｇ）＋ＳｉＣ_２（ｇ）
２ＳｉＣ（ｓ）→Ｓｉ_２Ｃ（ｇ）＋Ｃ（ｓ）
式中、ｓ及びｇはそれぞれ固相及び気相を表す。

上記反応式から分かるように、成長室内に形成される気相物質は主にＳｉ、Ｓｉ_２Ｃ及びＳｉＣ_２である。結晶成長に必要な２１００℃〜２４００℃温度範囲内において、３種類の気相物質（Ｓｉ、Ｓｉ_２Ｃ及びＳｉＣ_２）のうち、Ｓｉ蒸気の分圧がＣ蒸気の分圧よりずっと高い。ＳｉＣ粉末自体の高温蒸発特性、すなわち系に要求される気相分圧割合のため、ＳｉＣ粉末は必然的に黒鉛化し、これによりＳｉＣ粉末には黒鉛粒子が残留される。物理的気相移送成長法でＳｉＣ結晶を成長させる過程には、使用されるＳｉＣ粉末の粒径が一般的に数ミクロン−数ミリメートルであり、且つＳｉＣ粉末の粒子同士が互いに孤立している。ＳｉＣ結晶が徐々に厚くなることに伴い、黒鉛坩堝の壁に接近するＳｉＣ粉末の温度が最も高いため、黒鉛化の程度が最も深刻であり、それにより大量の黒鉛粒子が残留される。これらの黒鉛粒子はＳｉＣ粉末の黒鉛化により形成されるもので、粒子の粒径が小さく、密度が小さく、且つこれらの黒鉛粒子同士が互いに孤立しており、したがって、これらの微細な黒鉛粒子は、ＳｉＣ粉末の昇華で形成される気相物質によってＳｉＣ結晶の表面に移送され、ＳｉＣ結晶内に取り込まれて、被覆物の欠陥を形成し、ＳｉＣ結晶の品質及び収率に悪影響を与えることが発生しやすい。

また、物理的気相移送成長法でＳｉＣ結晶を成長させる過程において、温度場の設定の要因により、ＳｉＣ粉末内部に軸方向と半径方向の温度勾配が存在し、且つＳｉＣ粉末の間に非常に大きい隙間が存在する。統計の結果、ＳｉＣ粉末の密度がＳｉＣ結晶密度の６０％程度、すなわち約１．９グラム／立方センチしかない。ＳｉＣ結晶の成長初期に、黒鉛坩堝の内壁に接近するＳｉＣ粉末が昇華し、生じた気相物質が坩堝壁とＳｉＣ粉末の周囲の間から結晶の成長面に輸送されるとともに、ＳｉＣ粉末の内部と上部に輸送される。ＳｉＣ粉末に輸送される気相物質は、粉末間の隙間を通じて結晶の成長面に輸送され続ける一方、温度が比較的低い粉末の内部及び上部で既存のＳｉＣ粒子を結晶核として結晶成長し、ＳｉＣ粉末の昇華により生じた気相物質を絶えず消費し、それによりＳｉＣ粉末における結晶成長部のＳｉＣ粉末の粒径が増大し、密度が増加し、隙間が減少していく。結晶成長の続きに伴って、ＳｉＣ粉末の内部と上部の隙間が徐々になくなり、密度がＳｉＣ結晶に近い密度である約３．２グラム／立方センチに達する。このように、ＳｉＣ粉末の昇華により生じた気相物質が深刻に消費されて、ＳｉＣ結晶の中後期の成長速度及び収率を低減させる。
現在、上記技術的問題に対して、有効な解決策はまだ提案されていない。

従来の物理的気相移送成長法によるＳｉＣ結晶成長に存在する技術的問題に対して、本発明は、ＳｉＣ結晶における不純物含有量を有意的に低減させ、ＳｉＣ結晶にけるミクロ被覆物を減少し、ＳｉＣ結晶の転位密度を低減させ、ＳｉＣ結晶の中後期の成長速度及び収率を向上させることができるＳｉＣ原料の製造方法及びＳｉＣ原料の製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面によれば、ＳｉＣ粉末を第１黒鉛坩堝に入れ、前記第１黒鉛坩堝に第２黒鉛坩堝を反転して取り付けるステップと、前記第１黒鉛坩堝が加熱装置内の相対的高温領域に位置し、前記第２黒鉛坩堝が前記加熱装置内の相対的低温領域に位置するように、取り付けられた２つの黒鉛坩堝を前記加熱装置にセットし、前記加熱装置を真空引きし且つ前記加熱装置内の温度を所定温度まで上昇し、前記ＳｉＣ粉末を昇華させ且つ相対的低温領域に位置する前記第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させ、結晶化されたＳｉＣ原料を得るステップとを含む、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法を提供する。

好ましくは、該方法はさらに、第２黒鉛坩堝の側壁と所定距離離れたスペーサを、第２黒鉛坩堝内に底部から上に設置するステップを含む。

好ましくは、スペーサは第２黒鉛坩堝内の中心位置に位置する。

好ましくは、スペーサは黒鉛を含む。

好ましくは、スペーサは中実又は中空構造である。

好ましくは、スペーサの第２黒鉛坩堝の底部からの上方の高さを、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さ以上に設定する。

好ましくは、第１黒鉛坩堝に第２黒鉛坩堝を反転して取り付けることは、ネジ式シール、係止リング式のシール、係止スリーブ式シールのうちの少なくとも１種を含むシール方式によって、第２黒鉛坩堝を第１黒鉛坩堝に反転して取り付けるステップを含む。

好ましくは、加熱装置を真空引きすることは、加熱装置を排気しその内部圧力を１０Ｐａ未満にした後、所定圧力の不活性ガスを導入し第１所定期間維持するステップと、第１所定期間後、その内部圧力を１Ｐａ未満にするまで加熱装置を排気するステップと、加熱装置内の温度を所定温度の半分である第１温度に上昇し、第１温度を維持したまま加熱装置を第２所定期間まで連続的に排気するステップと、第２所定期間後、加熱装置内に所定圧力の不活性ガスを導入し第３所定期間維持した後、その内部圧力を１０−１Ｐａ未満にするまで加熱装置を排気するステップとを含む。

好ましくは、加熱装置内の温度を所定温度まで上昇することは、誘導加熱又は抵抗加熱によって加熱装置内の温度を所定温度まで上昇するステップを含む。

好ましくは、該方法はさらに、加熱装置内の温度勾配を５℃／ｃｍ〜１００℃／ｃｍとして設定し、昇華されたＳｉＣ粉末を温度勾配に起因する作用の下で第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させる。

好ましくは、温度勾配の範囲は１０℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍである。

本発明の別の局面によれば、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造装置を提供し、第１黒鉛坩堝と、その側壁と所定距離離れたスペーサが底部から上に設置される第２黒鉛坩堝と、内部に相対的高温領域と相対的低温領域を有する加熱装置とを備え、前記ＳｉＣ原料を製造する際に、第２黒鉛坩堝は、ＳｉＣ粉末が充填された第１黒鉛坩堝に反転して取り付けられ、且つ第１黒鉛坩堝は加熱装置内の相対的高温領域に位置し、第２黒鉛坩堝は加熱装置内の相対的低温領域に位置する。

好ましくは、スペーサは黒鉛を含む。

好ましくは、スペーサは中実又は中空構造である。

好ましくは、スペーサの第２黒鉛坩堝の底部からの上方の高さは、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さ以上である。

本発明の顕著な効果は主に３つである。
１．本発明では、ＳｉＣ粉末の昇華結晶化過程において、不純物含有量が大幅に低減するため、ＳｉＣ原料中の不純物含有量をＳｉＣ粉末よりも大幅に低減させる。本発明により製造されるＳｉＣ原料を用いて結晶成長を行うと、得られるＳｉＣ結晶中の鉄、アルミニウム不純物の含有量がそれぞれ０．１ｐｐｍ未満であり、このため、ＳｉＣ結晶中の不純物による結晶品質の低下が抑制される。
２．本発明では、ＳｉＣ原料はＳｉＣ粉末の高温昇華により得られるものであって、緻密に結晶化されて密度が３．２グラム／立方センチに近いＳｉＣ多結晶ブロックである。従来の物理的気相移送成長法でＳｉＣ結晶を成長するときに用いられるＳｉＣ粉末に比べて、ＳｉＣ多結晶ブロックが緻密に結晶化し、ＳｉＣ粒界間の相互作用が強い。該ＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる過程において、ＳｉＣ多結晶ブロックの表面も、成長過程が続くのに伴って黒鉛化されるが、ＳｉＣ多結晶ブロックの表面の黒鉛間に強い相互作用が存在するため、昇華により生じた気相物質によって結晶成長界面に運ばれにくく、それによりＳｉＣ結晶成長過程におけるミクロ黒鉛被覆物の発生が回避される。
３．本発明では、ＳｉＣ原料を結晶化させる坩堝にスペーサが設置されているため、最後に形成されるＳｉＣ原料が中空環形構造となる。該構造を有するＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる場合、ＳｉＣ原料が環形中空構造であるため、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がなく、気相物質を結晶成長面に直移送送でき、これにより、ＳｉＣ原料の利用率を有意的に向上させる。さらに、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がないため、ＳｉＣ結晶の成長速度が生産過程にわたってほぼ変化しないので、収率を向上させる。

は物理的気相移送成長法でＳｉＣ結晶を成長させる成長室の構造模式図である。はＳｉＣ原料の製造方法のフローチャートである。はＳｉＣ原料製造装置の部分断面図である。

以下、実施形態を用いて本発明を更に説明するが、実施可能なプロセスはこれらの具体的な実施形態に限定されない。

本発明の実施例によれば、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法の実施例を提供する。
図２はＳｉＣ原料の製造方法のフローチャートを示す。図２に示すように、該方法は、ステップＳ１０１とステップＳ１０２とを含む。

ステップＳ１０１：ＳｉＣ粉末を第１黒鉛坩堝に入れ、第１黒鉛坩堝に第２黒鉛坩堝を反転して取り付ける。
通常、上記ＳｉＣ粉末は所定量の不純物を含有し、第１黒鉛坩堝と第２黒鉛坩堝の灰分が所定値未満である。

ステップＳ１０２：第１黒鉛坩堝が加熱装置内の相対的高温領域に位置し、第２黒鉛坩堝が加熱装置内の相対的低温領域に位置するように、取り付けられた２つの黒鉛坩堝を加熱装置にセットし、加熱装置を真空引きし且つ加熱装置内の温度を所定温度まで上昇し、ＳｉＣ粉末を昇華させ且つ相対的低温領域に位置する第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させ、結晶化されたＳｉＣ原料を得る。

具体的には、加熱装置は、加熱炉を含むが、それに限定されない。加熱装置内の温度場が制御可能であるので、加熱装置には相対的高温領域と相対的低温領域が存在し、様々な方式、たとえば機械ポンプによって加熱装置を真空引きすることができるが、本発明では、これに限定されない。

そして、加熱装置を真空引きする過程において、加熱装置内の圧力が所望の真空に達するように、排気時間、加熱装置内の温度、温度保持時間等を設定することができる。

ＳｉＣ粉末が充填された第１黒鉛坩堝は、通常、加熱装置内の相対的高温領域に位置し、それに対向して設置された第２黒鉛坩堝は、通常、加熱装置内の相対的低温領域に位置し、このように、第１黒鉛坩堝と第２黒鉛坩堝の間に温度差を形成して、第１黒鉛坩堝内で昇華させたＳｉＣ粉末を第２黒鉛坩堝に結晶化させる。

上記実施例によれば、ＳｉＣ原料はＳｉＣ粉末の高温昇華により得られるものであり、ＳｉＣ粉末の昇華結晶化過程において、不純物含有量が大幅に低減されるため、ＳｉＣ原料中の不純物含有量がＳｉＣ粉末よりも大幅に低減され、これによりＳｉＣ原料を用いて成長させるＳｉＣ結晶の品質を顕著に向上させる。

好ましくは、本発明の実施例によれば、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法はさらに、第２黒鉛坩堝の側壁と所定距離離れたスペーサを、第２黒鉛坩堝内に底部から上に設置するステップを含む。

具体的には、スペーサは、第１黒鉛坩堝で昇華させたＳｉＣ粉末が第２黒鉛坩堝の中部位置にて結晶化することを阻止し、最後に形成されるＳｉＣ原料を中空構造にするための部材である。

スペーサは、昇華されたＳｉＣ粉末が第２黒鉛坩堝の中部位置にて結晶化することを阻止できる限り、任意の形状であってもよい。

第２黒鉛坩堝にスペーサを設置することにより、ＳｉＣ原料が中空構造に形成され、これは、ＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる過程においてＳｉＣ原料の利用率を向上させ、ＳｉＣ結晶の成長速度を維持し、かつＳｉＣ結晶の収率を向上させる点で、大きな利点を有する。

好ましくは、本発明の実施例によれば、スペーサは第２黒鉛坩堝内の中心位置に位置する。

好ましくは、本発明の実施例によれば、スペーサは黒鉛を含む。

好ましくは、本発明の実施例によれば、スペーサは中実又は中空構造である。

好ましくは、本発明の実施例によれば、スペーサの第２黒鉛坩堝の底部からの上方の高さを、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さより高いように設定する。

なお、スペーサの第２黒鉛坩堝の底部からの上方の高さとは、第２黒鉛坩堝の底部を下、開口部を上にして配置するとき、スペーサの縦方向での高さである。

ＳｉＣ原料はスペーサの周りに形成される。最後に形成されるＳｉＣ原料を中空構造にするために、スペーサの高さは、少なくとも最後に形成されるＳｉＣ原料の高さ以上にする必要がある。

好ましくは、本発明の実施例によれば、ステップＳ１０１において、第１黒鉛坩堝に第２黒鉛坩堝を反転して取り付けることは、ネジ式シール、係止リング式のシール、係止スリーブ式シールのうちの少なくとも１種を含むシール方式によって、第２黒鉛坩堝を第１黒鉛坩堝に反転して取り付けるステップを含む。

対向して設置された２つの黒鉛坩堝において昇華させたＳｉＣ粉末が黒鉛坩堝から溢れることを防止するために、２つの黒鉛坩堝の接合部をシールする必要がある。たとえば、２つの黒鉛坩堝のうちの一方の開口部の外部をナットのように形成し、他方の開口部の内部をボルトのように形成し、２つの開口部を締め付けてネジ式で２つの黒鉛坩堝をシールすることができる。しかし、本発明は、これに限定されず、係止リング、係止スリーブなどを設置して２つの黒鉛坩堝をシールしてもよい。

好ましくは、本発明の実施例によれば、ステップＳ１０２において、加熱装置を真空引きすることは、加熱装置を排気しその内部圧力を１０Ｐａ未満にした後、所定圧力の不活性ガスを導入し第１所定期間維持するステップと、第１所定期間後、その内部圧力を１Ｐａ未満にするまで加熱装置を排気するステップと、加熱装置内の温度を所定温度の半分である第１温度に上昇し、第１温度を維持したまま加熱装置を第２所定期間まで連続的に排気するステップと、第２所定期間後、加熱装置内に所定圧力の不活性ガスを導入し第３所定期間維持した後、その内部圧力を１０−１Ｐａ未満にするまで加熱装置を排気するステップとを含む。

具体的には、加熱装置に導入される不活性ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガスを含む。第１所定期間は５分間〜１８０分間、第１温度範囲が１０００℃〜１２５０℃、第２所定期間は５分間〜３００分間、所定温度範囲は２０００℃〜２５００℃、所定圧力の範囲は１０００Ｐａ〜９００００Ｐａ、第３所定期間は５分間〜３００分間であってもよい。

好ましくは、本発明の実施例によれば、加熱装置内の温度を所定温度まで上昇することは、誘導加熱又は抵抗加熱によって加熱装置内の温度を所定温度まで上昇するステップを含む。
ここで、所定温度の範囲は２０００℃〜２５００℃であってもよい。

好ましくは、本発明の実施例によれば、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法はさらに、加熱装置内の温度勾配を５℃／ｃｍ〜１００℃／ｃｍとして設定し、昇華させたＳｉＣ粉末を温度勾配に起因する作用の下で第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させるステップを含む。

加熱装置内に５℃／ｃｍ〜１００℃／ｃｍの温度勾配を設定することにより、第２黒鉛坩堝において、緻密に結晶化されて品質が比較的均一であるＳｉＣ原料を得ることができる。
好ましくは、本発明の実施例によれば、温度勾配の範囲は１０℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍである。

以下、図２及び図３を参照しながら、発明の好ましいＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法を詳細に説明する。図３はＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造装置を示す。

２つの黒鉛坩堝２、７を用意する。
ＳｉＣ粉末３を黒鉛坩堝２に充填し、黒鉛坩堝７の底部の中央に接近する位置にスペーサ９を設置する。
ＳｉＣ粉末３の不純物総含有量が１０ｐｐｍ未満であり、好ましくは１ｐｐｍ未満であり、ＳｉＣ粉末３の粒径が１０ｍｍ未満であり、好ましくは５ｍｍ未満である。
黒鉛坩堝２と黒鉛坩堝７の灰分が５０ｐｐｍ未満であり、好ましくは１ｐｐｍ未満である。

スペーサ９は、第１端が黒鉛坩堝７の底部に接続されて第２端が第２坩堝７の開口部へ伸びている中実柱状体、たとえば、円柱体、四角柱形、三角柱形、多角柱形等であるが、本発明は、これに限定されない。

たとえば、スペーサ９は中空柱状体であってもよい。柱状体以外、黒鉛坩堝７の中央に接近する位置にＳｉＣ原料を形成することを防止できる限り、スペーサ９は、円錐台形、円錐体形などの他の任意の形状であってもよい。

スペーサ９の第１端が物理的又は化学的方式によって黒鉛坩堝７の底部に接続され、又はスペーサ９と黒鉛坩堝７が一体形成されて黒鉛坩堝７内の底部に固定される。

スペーサ９の外壁と黒鉛坩堝７の内壁とが所定間隔離れており、好ましくは、スペーサ９は黒鉛坩堝７の中心位置に位置する。

スペーサ９の黒鉛坩堝７の底部からの上方の高さは、少なくとも結晶することが期待されるＳｉＣ原料８の高さより高い。

黒鉛坩堝７を黒鉛坩堝２に反転して取り付け、黒鉛坩堝７と黒鉛坩堝２の開口部を対向させる。ネジ式シール、係止リング式のシール、係止スリーブ式シール等の方式によって、黒鉛坩堝２と７をシールすることができる。

対向設置される黒鉛坩堝２と黒鉛坩堝７を加熱炉に入れ、機械ポンプで加熱炉を排気し内部を真空状態にする。該真空状態とは加熱炉内の圧力が１０−１Ｐａ未満であることを意味する。

具体的には、その内部圧力を１０Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気した後、不活性ガスアルゴンガスを導入しその内部圧力を５００００Ｐａにし、１５分間維持し、１５分間後、その内部圧力を１Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気し、加熱炉内の温度を１０００℃に上昇し、１０００℃を維持したまま加熱炉を６０分間連続的に排気し、６０分間後、加熱炉内に５００００Ｐａのアルゴンガスを導入し、６０分間維持した後、その内部圧力を１０.Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気する。

その内部温度がたとえば、２２００℃となるように、加熱炉を加熱する。

加熱炉内に、温度場を設置することにより、相対的高温領域と相対的低温領域が存在し、通常、相対的高温領域の温度が２０００〜２５００℃の範囲にあり、相対的低温領域の温度が１９００〜２４００℃の範囲にある。

黒鉛坩堝２を相対的高温領域、黒鉛坩堝７を相対的低温領域にセットして、黒鉛坩堝２中のＳｉＣ粉末を高温作用下で昇華させ、温度勾配に起因する作用の下で相対的低温領域に位置する黒鉛坩堝７内に移送して結晶化させ、結晶化されたＳｉＣ原料を得る。

本発明の実施例によれば、ＳｉＣ粉末の昇華結晶化過程において、不純物の含有量が大幅に低減されるため、ＳｉＣ原料中の不純物含有量がＳｉＣ粉末よりも大幅に低減され、さらに、これにより製造されるＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させるときに、ＳｉＣ結晶の品質を有意的に向上させる。

また、本発明の実施例によれば、ＳｉＣ原料は、ＳｉＣ粉末の高温昇華により得られるものであって、緻密に結晶化して密度が３．２グラム／立方センチに近いＳｉＣ多結晶ブロックである。従来の物理的気相移送成長法を用いたＳｉＣ結晶成長に使用されるＳｉＣ粉末に比べて、ＳｉＣ多結晶ブロックが緻密に結晶化し、ＳｉＣ粒界間の相互作用が強い。該ＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる過程においては、ＳｉＣ多結晶ブロックの表面は成長過程が続くのに伴って黒鉛化されるが、ＳｉＣ多結晶ブロックの表面の黒鉛間に強い相互作用が存在するため、昇華により生じた気相物質によって結晶成長界面に運ばれにくく、それによりＳｉＣ結晶成長過程におけるミクロ黒鉛被覆物の発生が回避される。

さらに、本発明の実施例によれば、ＳｉＣ粉末結晶化の坩堝にスペーサが設置されるため、最後に形成されるＳｉＣ原料が中空構造となる。該構造を有するＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる場合、ＳｉＣ原料が中空構造であるため、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がなく、気相物質を結晶成長面に直接輸送でき、それによりＳｉＣ原料の利用率を顕著に向上させる。且つ、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がないため、ＳｉＣ結晶の成長速度が生産過程にわたってほぼ変化しないので、収率を向上させる。

本発明の実施例によれば、ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造装置を提供する。

図３はＳｉＣ原料の製造装置の部分断面図である。
図３に示すように、該製造装置は、
第１黒鉛坩堝２と、
その側壁と所定距離離れたスペーサ９が底部から上に設置される第２黒鉛坩堝７と、
内部に相対的高温領域と相対的低温領域を有する加熱装置１２とを備え、
具体的には、スペーサ９は、第１端が黒鉛坩堝７の底部に接続されて第２端が第２坩堝７の開口部へ伸びている延在する中実柱状体、たとえば、円柱体、四角柱形、三角柱形、多角柱形等であるが、本発明は、これに限定されない。

たとえば、スペーサ９は中空柱状体であってもよい。柱状体以外、黒鉛坩堝７の中央に接近する位置にＳｉＣ原料を形成することを防止できる限り、スペーサ９は円錐台形、円錐体形などの他の任意の形状であってもよい。

スペーサ９の外壁と黒鉛坩堝７の内壁とが所定間隔離れており、好ましくは、スペーサ９が黒鉛坩堝７の中心位置に位置する。

スペーサ９の黒鉛坩堝７の底部からの上方の高さは、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さより高い。

加熱装置１２では、ＳｉＣ原料８を製造する時に、第２黒鉛坩堝７は、ＳｉＣ粉末３が充填された第１黒鉛坩堝２に反転して取り付けられ、且つ第１黒鉛坩堝２は加熱装置１２内の相対的高温領域に位置し、第２黒鉛坩堝７は相対的低温領域に位置する。

具体的には、加熱装置１２は、加熱炉を含むが、これに限定されない。加熱装置１２内の温度場が制御可能であるため、加熱装置１２に相対的高温領域と相対的低温領域が存在し、
ＳｉＣ原料を製造する際に、黒鉛坩堝７を黒鉛坩堝２に反転して取り付け、黒鉛坩堝７と黒鉛坩堝２の開口部を対向させる。ネジ式シール、係止リング式のシール、係止スリーブ式シールなどの方式によって、黒鉛坩堝２と７をシールすることができる。

対向して設置された黒鉛坩堝２と黒鉛坩堝７を加熱炉にセットして、機械ポンプで加熱炉を排気し内部を真空状態にし、該真空状態とは加熱炉内の圧力が１０−１Ｐａ未満であることを意味する。

具体的には、その内部圧力を１０Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気した後、不活性ガスアルゴンガスを導入しその内部圧力を５００００Ｐａにし、１５分間維持し、１５分間後、その内部圧力を１Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気し、加熱炉内の温度を１０００℃に上昇し、１０００℃を維持したまま加熱炉を６０分間連続的に排気し、６０分間後、加熱炉内に５００００Ｐａのアルゴンガスを導入し、６０分間維持した後、その内部圧力を１０−１Ｐａ未満にするまで加熱炉を排気する。

ＳｉＣ粉末結晶化の坩堝にセパレータが設置されているため、最後に形成されるＳｉＣ原料が中空構造である。該構造を有するＳｉＣ原料を用いてＳｉＣ結晶を成長させる場合、ＳｉＣ原料が中空構造であるため、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がなく、気相物質を結晶成長面に直接輸送でき、それによりＳｉＣ原料の利用率を有意的に向上させる。且つ、ＳｉＣ原料の中央部位にはＳｉＣ原料の昇華で得られた気相物質の移送の妨げや消費がないため、ＳｉＣ結晶の成長速度が成長過程にわたってほぼ変化しないので、収率を向上させる。

なお、以上の具体的な実施形態は本発明の好適な実施形態に過ぎず、当業者にとって、請求項の趣旨と範囲を逸脱しない限り、各種の形式と詳細の変化を行うことができ、これらの変化も本発明の保護範囲内である。

１．黒鉛蓋、２．第１黒鉛坩堝、３．ＳｉＣ粉末、４．接着剤、５．ＳｉＣ種結晶、６．ＳｉＣ結晶、７．第２黒鉛坩堝、８．ＳｉＣ原料、９．スペーサ、１０．誘導加熱コイル、１１．断熱材、１２．加熱装置。

Claims

ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法であって、
ＳｉＣ粉末を第１黒鉛坩堝に入れ、前記第１黒鉛坩堝に対し第２黒鉛坩堝を反転して取り付けるステップと、
前記第１黒鉛坩堝が加熱装置内の相対的高温領域に位置し、前記第２黒鉛坩堝が前記加熱装置内の相対的低温領域に位置するように、取り付けられた前記第１及び第２の２つの黒鉛坩堝を前記加熱装置にセットし、前記加熱装置を真空引きし且つ前記加熱装置内の温度を所定温度まで上昇させ、前記ＳｉＣ粉末を昇華させ且つ相対的低温領域に位置する前記第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させ、結晶化されたＳｉＣ原料を得るステップと、
前記第２黒鉛坩堝の側壁から所定距離離れたスペーサを、前記第２黒鉛坩堝の底部から上に向けて設けるステップと、含み、
前記スペーサは、前記第１黒鉛坩堝で昇華させたＳｉＣ粉末が前記第２黒鉛坩堝の中部位置にて結晶化することを阻止し、最後に形成されるＳｉＣ原料を中空構造にするための部材である、
ことを特徴とするＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造方法。
前記スペーサは前記第２黒鉛坩堝内の中心位置に位置することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記スペーサは黒鉛を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記スペーサは中実又は中空構造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製造方法。
前記スペーサの前記第２黒鉛坩堝における第２黒鉛坩堝の底部から上に向けての高さを、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さ以上に設定する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製造方法。
前記第１黒鉛坩堝に対し第２黒鉛坩堝を反転して取り付けることは、
ネジ式シール、係止リング式のシール、係止スリーブ式シールのうちの少なくとも１種を含むシール方式によって、前記第２黒鉛坩堝を前記第１黒鉛坩堝に反転して取り付けるステップを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の製造方法。
前記加熱装置を真空引きすることは、
前記加熱装置を排気しその内部圧力を１０Ｐａ未満にした後、所定圧力の不活性ガスを導入し第１所定期間維持するステップと、
前記第１所定期間後、その内部圧力を１Ｐａ未満にするまで前記加熱装置を排気するステップと、
前記加熱装置内の温度を前記所定温度の半分である第１温度に上昇し、前記第１温度を維持して前記加熱装置を第２所定期間連続的に排気するステップと、
前記第２所定期間後、前記加熱装置内に前記所定圧力の不活性ガスを導入し第３所定期間維持した後、その内部圧力を１０−１Ｐａ未満にするまで前記加熱装置を排気するステップとを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の製造方法。
前記加熱装置内の温度を所定温度まで上昇することは、
誘導加熱又は抵抗加熱によって前記加熱装置内の温度を所定温度まで上昇するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の製造方法。
前記加熱装置内の温度勾配を５℃／ｃｍ〜１００℃／ｃｍとして設定し、昇華させた前記ＳｉＣ粉末を前記温度勾配に起因する作用の下で前記第２黒鉛坩堝に移送して結晶化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の製造方法。
前記温度勾配の範囲が１０℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍであることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
ＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造装置であって、
第１黒鉛坩堝と、
その側壁と所定距離離れたスペーサがその底部から上に向けて設けられた第２黒鉛坩堝と、
内部に相対的高温領域と相対的低温領域を有する加熱装置とを備え、
前記ＳｉＣ原料を製造する際に、前記第２黒鉛坩堝は、ＳｉＣ粉末が充填された前記第１黒鉛坩堝に反転して取り付けられ、且つ前記第１黒鉛坩堝は前記加熱装置内の前記相対的高温領域に位置し、前記第２黒鉛坩堝は前記加熱装置内の前記相対的低温領域に位置し、
前記スペーサは、前記第１黒鉛坩堝で昇華させたＳｉＣ粉末が前記第２黒鉛坩堝の中部位置にて結晶化することを阻止し、最後に形成されるＳｉＣ原料を中空構造にするための部材である、
ことを特徴とするＳｉＣ結晶成長用ＳｉＣ原料の製造装置。
前記スペーサは前記第２黒鉛坩堝内の中心位置に位置することを特徴とする請求項１１に記載の製造装置。
前記スペーサは黒鉛を含むことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の製造装置。
前記スペーサは中実又は中空構造であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の製造装置。
前記スペーサの前記第２黒鉛坩堝における第２黒鉛坩堝の底部から上に向けての高さは、少なくとも結晶化対象となるＳｉＣ原料の高さ以上にすることを特徴とする請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の製造装置。