JP6872346B2 - 単結晶成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶成長装置に関する。

単結晶を製造する方法の一つとして、昇華法が広く知られている。昇華法は、坩堝内に配置した台座に単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きな単結晶へ成長させる方法である（例えば、特許文献１等）。

昇華法は、炭化珪素（ＳｉＣ）の結晶成長に広く用いられている。炭化珪素は、高温高圧化でないと液状にならないため、シリコン等に広く用いられているチョクラルスキー法（ＣＺ法）、フローティングゾーン法（ＦＺ法）を用いることは現実的に難しいためである。

一方で、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。

そのため、昇華法を用いてより効率的に単結晶を結晶成長できる方法が求められている。例えば、特許文献２では、種結晶配置部を複数有し、複数の単結晶を設置できる坩堝が記載されている。坩堝内に種結晶を複数配置することで、一度に複数の単結晶が成長できることが記載されている。

特開２０１３−１０３８４８号公報 特開２０００−２１９５９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法は、種結晶が設置される位置によって原料ガスの供給される状況が異なる。そのため、それぞれの箇所で成長するＳｉＣインゴットの品質に違いが生じる。換言すると、均質なＳｉＣインゴットを複数同時に作製することはできない。

本発明の上記問題に鑑みてなされたものであり、生産効率を高めることができる単結晶成長装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、それぞれ結晶成長空間を有する坩堝を複数用意することで、複数の単結晶を一度に複数生産できることを見出した。ＳｉＣの単結晶成長はまだ開発段階であり、複数の単結晶（インゴット）を一度に作製するという試みはほとんどなされていない。本発明は、量産性の観点に課題を持つＳｉＣ単結晶の将来性を高める画期的なものである。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる単結晶成長装置は、自公転する複数の坩堝と、前記複数の坩堝を囲繞する加熱手段と、を備え、前記複数の坩堝は、それぞれ内部に単結晶設置部と原料収容部とを有する結晶成長空間を形成している。

（２）上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記加熱手段が、前記複数の坩堝を囲繞するコイルと、前記複数の坩堝と前記コイルの間に配設された発熱体と、を備えてもよい。

（３）上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記発熱体が、前記複数の坩堝の公転軸を中心に、同心円状に配設されていてもよい。

（４）第２の態様にかかる単結晶成長装置において、前記複数の坩堝の公転軸に起立する第２発熱体をさらに有してもよい。

（５）上記態様にかかる単結晶成長装置において、それぞれの坩堝の自転軸と、前記複数の坩堝の公転軸と、の距離が等しくてもよい。

本発明の一態様に係る単結晶成長装置によれば、生産効率を高めることができる。

第１実施形態にかかる単結晶成長装置の斜視模式図である。 第１実施形態にかかる単結晶成長装置の平面模式図である。 単結晶成長装置における坩堝の断面模式図である。 第１実施形態にかかる単結晶成長装置の別の例の斜視模式図である。 第２実施形態にかかる単結晶成長装置の斜視模式図である。 第２実施形態にかかる単結晶成長装置の別の例の斜視模式図である。

以下、本発明を適用した単結晶成長装置について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる単結晶成長装置１００の斜視模式図である。また図２は、第１実施形態にかかる単結晶成長装置１００の平面模式図である。単結晶成長装置１００は、複数の坩堝１０と、加熱手段２０と、回転台３０とを備える。

（坩堝）
複数の坩堝１０は、回転台３０上に設置される。複数の坩堝１０は、それぞれ自転すると共に、回転台３０により公転する。坩堝１０が自公転することで、それぞれの坩堝１０の加熱状態が均一になる。

図２において、複数の坩堝１０は、回転台３０の回転軸から等距離に設けられている。すなわち、公転軸Ｃ１とそれぞれの坩堝１０の自転軸Ｃ２の距離は等しい。複数の坩堝１０が公転軸Ｃ１を中心に対称に配置されることにより、それぞれの坩堝１０の加熱状態が均一になる。一方で、それぞれの坩堝１０の加熱状態を変えたい場合は、坩堝ごとに公転軸Ｃ１と自転軸Ｃ２との距離を変えてもよい。

坩堝１０は、単結晶を昇華法により作製するための坩堝であれば、公知の物を用いることができる。例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。坩堝１０は、成長時に高温となる。そのため、高温に耐えることのできる材料によって形成されている必要がある。例えば、黒鉛は昇華温度が３５５０℃と極めて高く、成長時の高温にも耐えることができる。また坩堝１０の数は、特に限定されない。

図３は、単結晶成長装置１００に用いられる複数の坩堝１０の一つの断面を模式的に示している。図３に示すように、坩堝１０は、単結晶設置部１と、原料収容部２を有する。図３において、原料収容部２は坩堝１０の内底部である。単結晶設置部１は、原料収容部２に対向して配設されている。

単結晶設置部１には、単結晶Ｓが設置される。原料収容部２には、原料Ｇが収容される。ＳｉＣ原料Ｇは加熱により昇華し、原料Ｇと対向して単結晶設置部１に設けられた単結晶Ｓ上で再結晶化する。単結晶Ｓは、種結晶と呼ばれることがある。

複数の坩堝１０は、それぞれ内部に結晶成長空間Ｋを形成している。結晶成長空間Ｋは、それぞれの坩堝１０に固有の空間である。そのため、単結晶Ｓは、結晶成長空間Ｋの外部の影響はあまり受けずに結晶成長する。つまり、それぞれの坩堝１０内で、単結晶Ｓは独自に結晶成長する。

それぞれの原料、加熱条件等を統一すれば、同一の条件で単結晶Ｓを結晶成長させることができる。図２に示すように、公転軸Ｃ１と自転軸Ｃ２の距離を一定にすれば、それぞれの坩堝１０の加熱条件は一致する。原料Ｇの量、種類等を一致させることで、単結晶Ｓを複数同時に均一に結晶成長できる。

またそれぞれの坩堝１０において、単結晶Ｓは、原料Ｇに対して対称な位置に配置される。そのため、それぞれの坩堝１０内で、単結晶Ｓは均質に結晶成長する。

結晶成長空間Ｋは、閉空間であることが好ましい。結晶成長空間Ｋが閉空間であると、外部からの影響をより避けることができる。すなわち、単結晶成長装置１００において複数の坩堝１０内で複数の単結晶を同時に結晶成長させても、互いの坩堝１０の影響を受けることが避けられる。また結晶成長空間Ｋが閉空間であると、原料Ｇの利用効率も高まる。

（加熱手段）
図１及び図２に示す単結晶成長装置１００において、加熱手段２０は、コイル２１を備える。加熱手段２０は、コイル２１に交流電流を印加することで、坩堝１０が発熱する直接加熱方式の高周波誘導加熱方式である。単結晶成長装置１００は、コイル２１に交流電流を印加することで、それぞれの坩堝１０が発熱する。坩堝１０が発熱することで、内部の原料Ｇが加熱され昇華する。

コイル２１は、複数の坩堝１０を囲繞する。コイル２１には、誘導加熱に用いられる誘導コイルを用いることができる。

坩堝１０は、コイル２１の誘導加熱により発熱するものを用いることができる。ＳｉＣ単結晶の結晶成長の場合は、単結晶成長装置１００内が高温になるため、黒鉛等を用いることが好ましい。

（回転台）
回転台３０は、複数の坩堝１０を載置した状態で回転できるものであれば、特に問わない。回転台３０が回転することで、複数の坩堝１０が公転する。

回転台３０は、加熱に耐えられる材料により構成される。例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。

回転台３０の坩堝１０の載置面には、凹部が設けられていてもよい。凹部に坩堝１０が嵌合することで、公転中に坩堝１０の位置がずれること、坩堝１０が転倒することを防ぐことができる。

以上、本発明の一態様に係る単結晶成長装置について図面を参照して説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を加えることができる。

例えば、加熱手段２０は、間接加熱方式でもよい。図４は、第１実施形態にかかる単結晶成長装置１００の別の例の単結晶成長装置１０１の斜視模式図である。図４では理解を容易にするため、構造の一部を切り欠いて図示している。図４に示す単結晶成長装置１０１は、発熱体２２を有する点が、図１に示す単結晶成長装置１００と異なる。同一の構成については同一の符号を付している。

発熱体２２は、複数の坩堝１０とコイル２１の間に配設される。図４では、発熱体２２は、複数の坩堝１０の公転軸Ｃ１を中心とした円環状に配設されている。すなわち、複数の坩堝１０を発熱体２２が囲繞し、発熱体２２をコイル２１が囲繞している。

発熱体２２の形状は、図４に示すような円環状が好ましい。発熱体２２が複数の坩堝１０の周囲に均一に配設されることで、複数の坩堝１０の加熱条件が均一化される。

直接加熱方式の単結晶成長装置１００は、発熱体２２を有さないため、小型化が可能である。一方で、坩堝１０の均熱性を高める観点では、発熱体２２を有している間接加熱方式の単結晶成長装置１０１が好ましい。そのため、用途に応じで単結晶成長装置の構成を使い分けることができる。

また加熱手段２０は、図１及び図４に示す高周波誘導加熱による加熱手段以外に抵抗加熱を用いてもよい。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態にかかる単結晶成長装置１０２の斜視模式図である。図５に示す単結晶成長装置１０２は、第２発熱体４０をさらに有する点が、図１に示す単結晶成長装置１００と異なる。同一の構成については同一の符号を付している。

第２発熱体４０は、複数の坩堝１０の公転軸Ｃ１に起立する。第２発熱体４０が発熱することで、公転の中央側と外周側から複数の坩堝１０を同時に加熱することができる。そのため、坩堝１０の加熱効率をより高めることができる。

また第２発熱体４０は、誘導加熱により発熱するものでも、抵抗加熱で発熱するものでもよい。第２発熱体４０を構成する材料は、加熱に耐えられるものであれば特に問わず、例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。

第２発熱体４０は、柱状の構造体である。図５において、第２発熱体４０は円柱状である。炭素棒等が円柱状の第２発熱体４０として用いることができ、入手が容易である。

図６は、第２実施形態にかかる単結晶成長装置１０３の斜視模式図である。図６に示す単結晶成長装置１０３は、第２発熱体４１の形状が、図５に示す単結晶成長装置１０２と異なる。

第２発熱体４１は、公転軸上に起立するコア部と、コア部から複数の坩堝１０の間に延在する翼部とを有する。複数の坩堝１０間に翼部が配設されることで、より効率的にそれぞれの坩堝１０を加熱できる。

第２実施形態においても、加熱手段は、直接加熱方式でも、間接加熱方式でもよい。間接加熱方式の場合、第２発熱体４０は抵抗加熱で発熱するものを好適に用いることができる。

上述のように、上記実施形態にかかる単結晶成長装置を用いれば、複数の坩堝内で、それぞれ単結晶を結晶成長させることができる。それぞれの坩堝は分離されているため、互いの坩堝間で独立に単結晶を成長できる。またそれぞれの坩堝内では、単結晶が原料に対して対称に設けられているため、不均一な単結晶が成長することも避けられる。

１…単結晶設置部、２…原料収容部、１０…坩堝、２０…加熱手段、２１…コイル、２２…発熱体、３０…回転台、４０，４１…第２発熱体、１００，１０１，１０２，１０３…単結晶成長装置、Ｓ…単結晶、Ｇ…原料、Ｋ…結晶成長空間

Claims (6)

1. 自公転する複数の坩堝と、
   前記複数の坩堝を囲繞する加熱手段と、を備え、
   前記複数の坩堝は、それぞれ内部に単結晶設置部と原料収容部とを有する結晶成長空間を形成しており、
   前記複数の坩堝の公転軸に起立する第２発熱体をさらに有する、単結晶成長装置。
2. 前記加熱手段が、前記複数の坩堝を囲繞するコイルと、前記複数の坩堝と前記コイルの間に配設された第１発熱体と、を備える請求項１に記載の単結晶成長装置。
3. 前記第１発熱体が、前記複数の坩堝の公転軸を中心とした円環状に配設されている請求項２に記載の単結晶成長装置。
4. それぞれの坩堝の自転軸と、前記複数の坩堝の公転軸と、の距離が等しい請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
5. 前記第２発熱体が、前記公転軸上に起立するコア部と、前記コア部から前記複数の坩堝の間に延在する翼部と、を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
6. 前記第２発熱体が抵抗加熱で発熱する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。

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