JP7242987B2 - SiC単結晶製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、SiC単結晶製造装置に関する。
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。このため、近年、上記のような半導体デバイスにSiCエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。
SiCエピタキシャルウェハは、SiC単結晶基板上に化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)を用いてSiC半導体デバイスの活性領域となるSiCエピタキシャル膜を成長させることによって製造される。
SiC単結晶基板は、SiC単結晶を切り出して作製する。このSiC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、種結晶をより大きなSiC単結晶へ成長させる方法である。昇華法では、一般に、SiC原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器(るつぼ)を用いる。この結晶成長用容器を加熱して、SiC原料を昇華させ、生成した昇華ガスを、種結晶に供給することによって種結晶をSiC単結晶へ成長させる。SiC原料を昇華させるときの温度は、通常、2000℃以上と高温である。この結晶成長用容器の熱の拡散を抑えて、容器内部の温度を一定に維持するために、結晶成長用容器は断熱材で被覆されている。断熱材としては、炭素繊維を3次元的に配向させた炭素繊維フェルトが一般的に利用されている。
昇華法を用いて、サイズが大きく、高品位なSiC単結晶を製造するためには、結晶成長用容器の内部温度が適切な範囲となるように温度管理することが必要となる。このため、上記の断熱材の厚み方向に温度測定用の貫通孔(測温孔)を設けて、放射温度計を用いて、結晶成長用容器の温度を測定することが行われている。
しかしながら、断熱材に設けた貫通孔は、SiC単結晶の製造中に閉塞することがある。すなわち、結晶成長用容器から昇華ガスが外部に漏出し、その漏出した昇華ガスが断熱材の貫通孔の内壁面に接触して冷却されることによって、SiCが析出して、貫通孔を閉塞することがある。特に、断熱材として一般的に使用されている炭素繊維フェルトでは、貫通孔の内壁面に炭素繊維が露出して、凹凸が多くなるため、SiCが析出しやすい傾向がある。
SiCの析出による貫通孔の閉塞を抑えるために、特許文献1には、断熱材の温度測定用の貫通孔の内周に、断熱材の他の部分よりもかさ密度が高く、かつ、研磨された内壁部を形成することが開示されている。この特許文献1には、内壁部の材質の例として黒鉛(グラファイト)が記載されている。
特許文献2には、断熱材の貫通孔に、黒鉛製の円筒状部材を配置することが開示されている。
特開2012-206875号公報 特開2017-154953号公報
断熱材の貫通孔の内壁面へのSiCの析出を抑えるために、貫通孔の内壁面を被覆材で被覆して炭素繊維の露出を抑えることは有用な方法である。しかしながら、本発明者の検討によると、断熱材の貫通孔の内壁面を、特許文献1、2に記載されている黒鉛で被覆すると、時間の経過とともに、貫通孔の内壁面にSiCが析出しやすくなることがあることが判明した。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、断熱材の貫通孔の内壁面へのSiCの析出が抑えられ、結晶成長用容器の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるSiC単結晶製造装置を提供することを目的とする。
本発明者は、断熱材の貫通孔の内壁面を、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆することによって、上記の課題を解決することが可能となることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(1)本発明の一態様に係るSiC単結晶製造装置は、SiC原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器と、前記結晶成長用容器を覆い、貫通孔を有する断熱材と、前記結晶成長用容器を加熱する加熱器と、前記貫通孔を介して、前記結晶成長用容器の温度を測定する温度測定器と、を備え、前記断熱材の前記貫通孔の内壁面が、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆されていることを特徴とする。
(2)上記態様に係るSiC単結晶製造装置において、前記耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物が、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ニオブ、チタン、ジルコニウム、タングステン、バナジウムからなる群より選択される少なくとも一種の金属の炭化物又は窒化物である構成としてもよい。
本発明によれば、断熱材の貫通孔の内壁面へのSiCの析出が抑えられ、結晶成長用容器の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるSiC単結晶製造装置を提供することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。 本発明の第2実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。 本発明の第3実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。 本発明の第4実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。
以下、本発明について、図面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、本発明の特徴をわかりやすくするために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料、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、本発明の効果を奏する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、本発明の第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。
図1に示すSiC単結晶成長装置101は、結晶成長用容器10と、断熱材20と、加熱器30と、温度測定器40とを備える。
結晶成長用容器10は、原料収容部11と蓋部12とを有する。原料収容部11は、SiC原料1を収容する。蓋部12は、種結晶2を支持する種結晶支持部13が配置されている。原料収容部11と蓋部12の材料としては、例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。
断熱材20は、結晶成長用容器10を覆うように、結晶成長用容器10の周囲に配置されている。断熱材20は、蓋部12を覆う頂部20aに貫通孔21が形成されている。断熱材20としては、特に制限はなく、炭素繊維フェルトなどのSiC単結晶製造装置用の断熱材として利用されている公知の断熱材を用いることができる。
断熱材20の貫通孔21の内壁面は、耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材22で被覆されている。耐熱性金属炭化物及び耐熱性金属窒化物は、融点又は分解温度が1900℃以上で、且つ昇華ガス(主にSi、SiC,SiC)との反応性が乏しいものであることが好ましい。貫通孔の内壁面を、黒鉛を含む被覆材で被覆した場合は、貫通孔の内壁面(黒鉛)と昇華ガスとが接触することによって、反応が進行し部分的に分解することによって、内壁面に凹凸が形成され、その凹凸を起点としてSiCが析出しやすくなると考えられる。これに対して、上記の耐熱性金属炭化物又は耐熱性金属窒化物を含む被覆材22で被覆した場合は、貫通孔21の内壁面と昇華ガスとが接触しても、反応が起こりにくいので、内壁面に凹凸が形成されにくい。このため、貫通孔21の内壁面に長期間にわたって、SiCが析出しにくくなる。
耐熱性金属炭化物及び耐熱性金属窒化物は、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、からなる群より選択される少なくとも一種の金属の炭化物又は窒化物である好ましい。Ti、Zr、Hfは第4族元素であり、V、Nb、Taは第5族元素であり、Mo、Wは第6族元素である。これらの第4族~第6族の元素は融点が高く、その炭化物又は窒化物は耐熱性が高く、化学的に安定である。よって、これらの第4族~第6族の元素の炭化物又は窒化物を被覆材22の材料として用いることによって、昇華ガスと接触しても、被覆材22に凹凸が生成しにくくなる。
貫通孔21の内壁面に被覆材22を形成する方法としては、例えば、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、CVR法を用いることができる。また、被覆材22を形成する方法として、貫通孔21の内壁面に金属の薄膜を形成し、次いでその金属薄膜を炭化物又は窒化物に変化させる方法を用いることができる。被覆材22の厚さは、特に制限はないが、一般に0.01mm以上5mm以下の範囲内である。
加熱器30としては、特に制限はなく、抵抗加熱器や誘導加熱器などのSiC単結晶製造装置用の加熱器として利用されている公知の加熱器を用いることができる。なお、図1に示す加熱器30は、高周波コイルを用いた誘導加熱器である。
温度測定器40は、貫通孔21を介して、蓋部12の温度を測定する非接触式温度測定器である。温度測定器40としては、放射温度計を用いることができる。
本実施形態のSiC単結晶成長装置101では、加熱器30によって結晶成長用容器10が加熱される。この加熱によって、結晶成長用容器10の原料収容部11に収容されたSiC原料1が昇華して昇華ガスが生成する。昇華ガスは、蓋部12の種結晶支持部13に支持された種結晶2に接触して種結晶2をSiC単結晶へ成長させる。
一方、結晶成長用容器10から流出した昇華ガスは、結晶成長用容器10と断熱材20との間を介して、断熱材20の貫通孔21を通過する。本実施形態のSiC単結晶成長装置101では、貫通孔21の内壁面が被覆材22で被覆されているので、昇華ガスが貫通孔21の内壁面(被覆材22)と接触しても、反応が起こりにくい。このため、貫通孔21の内壁面(被覆材22)は長期間にわたって、平滑性が高い状態で維持され、SiCの析出による閉塞が起こりにくい。よって、温度測定器40により、結晶成長用容器10の蓋部12の温度を長期間にわたって安定して測定することができ、これより、結晶成長用容器10の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができる。
本実施形態のSiC単結晶成長装置101によれば、結晶成長用容器10の内部温度を長期間にわたって安定して管理することができるので、サイズが大きく、高品位なSiC単結晶を製造することが可能となる。
[第2実施形態]
図2は、本発明の第2実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。
図2に示すSiC単結晶成長装置102は、断熱材20の頂部20aの結晶成長用容器10側の面(内側面)が被覆材23で被覆されている点で、上記第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置101と相違する。なお、本実施形態に係るSiC単結晶成長装置102と上記第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置101とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
被覆材23は、被覆材22と同じ材料で形成することが好ましい。被覆材23は、被覆材22と連続していることが好ましい。
本実施形態のSiC単結晶成長装置102によれば、断熱材20の頂部20aの内側面にSiCが析出しにくくなる。このため、断熱材20の内側面に析出したSiCを起点してSiCが成長して、貫通孔21が閉塞することが抑制される。
[第3実施形態]
図3は、本発明の第3実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。
図3に示すSiC単結晶成長装置103は、断熱材20の頂部20aの結晶成長用容器10側と反対側の面(外側面)が被覆材24で被覆されている点で、上記第2実施形態に係るSiC単結晶成長装置102と相違する。なお、本実施形態に係るSiC単結晶成長装置103と上記第2実施形態に係るSiC単結晶成長装置102とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
被覆材24は、被覆材22及び被覆材23と同じ材料で形成することが好ましい。被覆材24は、被覆材22及び被覆材23と連続していることが好ましい。
本実施形態のSiC単結晶成長装置103によれば、断熱材20の頂部20aの外側面にSiCが析出しにくくなる。このため、断熱材20の外側面に析出したSiCを起点してSiCが成長して、貫通孔21が閉塞することが抑制される。
[第4実施形態]
図4は、本発明の第4実施形態に係るSiC単結晶成長装置の断面模式図である。
図4に示すSiC単結晶成長装置104は、断熱材20の頂部20aに、2つの貫通孔21a、21bが形成されて、2つの温度測定器40a、40bがそれぞれ、貫通孔21a、21bを介して結晶成長用容器10の蓋部12の温度を測定できるようにされている点で上記第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置101と相違する。なお、本実施形態に係るSiC単結晶成長装置104と上記第1実施形態に係るSiC単結晶成長装置101とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のSiC単結晶成長装置104によれば、結晶成長用容器10の蓋部12の温度を2カ所で測定することができるので、結晶成長用容器10の内部温度の分布を管理することができる。また、2つの貫通孔21a、21bは、それぞれ被覆材22で被覆されているので、長期間にわたって安定して、結晶成長用容器10の内部温度の分布を管理することができる。
なお、本実施形態では、断熱材20の頂部20aに、2つの貫通孔21a、21bが形成されているが、この貫通孔の数に制限はない。例えば、貫通孔の数を3個以上としてもよい。
以上、本発明の実施形態について、貫通孔21を断熱材20の頂部20aに形成した場合を例にとって説明したが、貫通孔21の形成場所は特に制限はない。例えば、貫通孔21を、断熱材20の底部あるいは側部に形成してもよい。
[実施例1]
炭素繊維フェルト製の断熱材を用意した。この断熱材の頂部に貫通孔(内径:30mm)を1つ形成し、その貫通孔の内壁面にTaCからなる被覆材(厚さ:0.030mm)を形成した。被覆材は、蒸着法により形成した。この断熱材を用いて、図1に示す構成のSiC単結晶製造装置を作製した。
[実施例2]
断熱材の貫通孔の内壁面と、断熱材の頂部の内側面にTaCからなる被覆材を形成したこと以外は実施例1と同様にして、図2に示す構成のSiC単結晶製造装置を作製した。なお、実施例2は参考例である。
[実施例3]
断熱材の貫通孔の内壁面と、断熱材の頂部の内側面及び外側面にTaCからなる被覆材で被覆したこと以外は実施例1と同様にして、図3に示す構成のSiC単結晶製造装置を作製した。なお、実施例3は参考例である。
[比較例1]
貫通孔の内壁面を被覆材で被覆しなかったこと以外は実施例1と同様にして、SiC単結晶製造装置を作製した。
[比較例2]
断熱材の頂部に貫通孔(内径:40mm)を1つ形成し、その貫通孔の内壁面に黒鉛から被覆材(厚さ:5mm)を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてSiC単結晶製造装置を作製した。黒鉛からなる被覆材は、黒鉛ペーストを貫通孔の内壁面に塗布し、次いで黒鉛ペーストを乾燥した後、黒鉛表面を研磨することによって形成した。
[評価]
(断熱材の貫通孔の閉塞時間)
下記の製造方法よりSiC単結晶を製造しながら、温度測定器(パイロメーター)を用いて、貫通孔を介して蓋部の温度を測定した。SiC単結晶の製造開始(加熱器による加熱開始)から、貫通孔が閉塞して、温度測定器にて蓋部の温度を測定できなくなるまでの時間を閉塞時間として計測した。
(SiC単結晶の製造方法)
SiC単結晶製造装置の結晶成長用容器の原料収容部にSiC原料を投入し、蓋部の種結晶支持部に種結晶を配置した。次いで、加熱器の電源を入れ、蓋部の温度が2000℃以上となるように加熱した。
Figure 0007242987000001
上記表1に示すように、断熱材の貫通孔の内壁面に、耐熱性金属炭化物であるTaCからなる被覆材を形成した実施例1~3は、SiC単結晶の製造開始から300時間経過しても、貫通孔は閉塞しなかった。これに対して、内壁面に被覆材を形成しなかった比較例1は、閉塞時間が100時間であった。また、内壁面に黒鉛からなる被覆材を形成した比較例2は閉塞時間が200時間であり、実施例1~3と比較すると短くなった。
比較例2の閉塞時間が実施例1~3と比較して短くなったのは、貫通孔の内壁面(黒鉛)と昇華ガスとが接触することによって、反応が進行し部分的に分解することによって、内壁面に凹凸が形成され、その凹凸を起点としてSiCが析出したためであると考えられる。これに対して、実施例1~3では、被覆材が耐熱性金属炭化物であるTaCからなり、昇華ガスと接触しても反応が起こりにくいので、貫通孔の内壁面に凹凸が形成されにくい。このため、実施例1~3は閉塞時間が長くなったと考えられる。
また、SiC単結晶の製造後、断熱材の頂部の内側面を観察したところ、実施例2と実施例3の断熱材は、断熱材の頂部の内側面にSiCの析出物が見られなかった。この結果から、特に、実施例2と実施例3では断熱材の劣化が抑制され、安定してサイズが大きく、高品位なSiC単結晶を製造することが可能であることが確認された。
1 SiC原料
2 種結晶
10 結晶成長用容器
11 原料収容部
12 蓋部
13 種結晶支持部
20 断熱材
20a 頂部
21、21a、21b 貫通孔
22 被覆材
23 被覆材
24 被覆材
30 加熱器
40、40a、40b 温度測定器
101、102、103、104 SiC単結晶成長装置

Claims (2)

  1. SiC原料を収容する原料収容部と種結晶を支持する種結晶支持部が設けられている蓋部とを有する結晶成長用容器と、
    前記結晶成長用容器を覆い、貫通孔を有する断熱材と、
    前記結晶成長用容器を加熱する加熱器と、
    前記貫通孔を介して、前記結晶成長用容器の温度を測定する温度測定器と、を備え、
    前記断熱材の前記貫通孔の内壁面のみが、耐熱性金属窒化物を含む被覆材で被覆されていることを特徴とするSiC単結晶製造装置。
  2. 前記耐熱性金属窒化物が、タンタル、モリブデン、ハフニウム、 ニオブ、チタン、ジルコニウム、タングステン、バナジウムからなる群より選択される少 なくとも一種の金属の窒化物である請求項1に記載のSiC単結晶製造装置。
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