JP7268299B2 - 遮蔽部材及び単結晶成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、遮蔽部材及び単結晶成長装置に関する。

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。

半導体等のデバイスには、ＳｉＣウェハ上にエピタキシャル膜を形成したＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられる。ＳｉＣウェハ上に化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって設けられたエピタキシャル膜が、ＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となる。ＳｉＣウェハは、ＳｉＣインゴットを加工して得られる。

ＳｉＣインゴットは、種結晶に昇華再結晶法等の方法で結晶成長を行うことで得られる。昇華法において原料と成長面との間に温度差が生じると、原料から昇華した原料ガスが成長面に効率的に供給され、結晶成長が促進される。しかしながら、成長面は原料と対向しており原料からの輻射を受ける。そのため、原料と成長面との間に温度差を生じさせることが難しかった。

特許文献１には、原料と成長面との間に遮蔽部材を設けることが記載されている。遮蔽部材により原料から成長面への輻射を抑え、原料と成長面との間に温度差が生じる。

特開２０００－２６４７９５号公報

近年、大型（６インチ以上）のＳｉＣウェハの要望が高まっている。例えば、特許文献１に記載の遮蔽部材を用いて大型のＳｉＣインゴットを作製しようすると、径の大きな遮蔽部材を用いる必要がある。しかしながら、径の大きな遮蔽部材は、原料ガスの流れを阻害する。原料ガスが成長面の中央部に供給されにくくなると、均質な結晶成長が阻害される。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、原料ガスの流れが阻害されることを抑制し、原料面と成長面との温度差を生み出すことができる遮蔽部材及びそれを備えた単結晶成長装置を提供することを目的とする。

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の態様にかかる遮蔽部材は、内底部に原料収容部と、前記原料収容部と対向する結晶設置部と、を備える結晶成長用容器と、前記結晶成長用容器を加熱する加熱部とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記結晶設置部に設置された結晶に、前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記原料収容部と前記結晶設置部との間に配置される遮蔽部材であって、前記遮蔽部材は、複数の遮蔽板を備え、前記複数の遮蔽板のそれぞれの面積は、前記結晶成長用容器の底面積の４０％以下であり、前記原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に前記複数の遮蔽板を投影した投影面の遮蔽率が０．５以上ある。

（２）上記態様にかかる遮蔽部材において、前記複数の遮蔽板の少なくとも一つが、他の遮蔽板と異なる高さ位置にあってもよい。

（３）上記態様にかかる遮蔽部材において、前記複数の遮蔽板が互いに接続されていてもよい。

（４）第２の態様にかかる単結晶成長装置は、上記態様にかかる遮蔽部材を備える。

上記態様にかかる遮蔽部材によれば、それぞれの遮蔽板の間の隙間を原料ガスの流路を確保しつつ、原料面からの輻射を効率的に抑制できる。

第１実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。 第１実施形態にかかる遮蔽部材を、原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に投影した図である。 内部に開口部を有する１つの遮蔽板を、原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に投影した図である。 第１実施形態にかかる遮蔽部材の別の例の模式図である。 第１実施形態にかかる遮蔽部材の別の例の模式図である。 第２実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。 第２実施形態にかかる遮蔽部材を、原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に投影した図である。 第２実施形態にかかる遮蔽部材の換算された遮蔽率を説明するための模式図である。

以下、本実施形態について、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）
「単結晶成長装置」
図１は、第１実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。図１では、理解を容易にするために、原料Ｍ、種結晶１及び単結晶２を同時に図示している。図１に示す単結晶成長装置１００は、結晶成長用容器１０とコイル（加熱部）２０と遮蔽部材３０とを備える。

結晶成長用容器１０は内部に空間を有する。結晶成長用容器１０の内底面には、原料Ｍが充填される。結晶成長用容器１０の内底面は、原料収容部１４となる。原料収容部１４に充填された原料Ｍと対向する位置には、結晶設置部１２を備える。結晶設置部１２は、種結晶１が設置される部分である。例えば結晶設置部１２は、原料Ｍ側から見て中央の位置に、円柱状に原料Ｍに向かって突出している。結晶設置部１２には、黒鉛等の炭素材料を用いることができる。

コイル２０は、結晶成長用容器１０の外周を覆っている。コイル２０の内部に電流を通電すると、コイル２０は発熱し、ヒーターとして機能する。コイル２０により原料Ｍが加熱されると、原料Ｍが昇華し、種結晶１の成長面に単結晶２が成長する。

遮蔽部材３０は、原料収容部１４と結晶設置部１２との間に位置する。遮蔽部材３０は、複数の遮蔽板３２と支持部３４と接続部３６とを備える。遮蔽部材３０には、例えば、黒鉛、炭化タンタル等を用いることができる。

複数の遮蔽板３２を原料収容部１４に原料Ｍが充填された際の原料表面位置Ｍａに投影した投影面３２Ｓの遮蔽率は０．５以上である。図２は、第１実施形態にかかる遮蔽部材を、原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に投影した図である。

原料表面位置Ｍａは原料Ｍが充填されていない状態でも特定される。原料表面位置Ｍａは、結晶成長用容器１０内の内部空間の底面から内部空間の高さの３０％の位置を意味する。

遮蔽率は、原料表面位置Ｍａにおける結晶成長用容器１０内に内包される内包円Ｃ１の面積に対する結晶設置部１２に光源を設置した場合に複数の遮蔽板３２の影となる投影面３２Ｓの総面積の面積率を意味する。結晶成長用容器１０内に内包される内包円Ｃ１とは、結晶成長用容器１０内に形成される空間の形状が円筒状の場合は円筒を平面視した際の径であり、結晶成長用容器１０内に形成される空間の形状が直方体状の場合は直方体を平面視した際に内包される円の径である。

遮蔽率は、実際に投影して求めてもよいが、以下のように換算された遮蔽率として求めてもよい。まず複数の遮蔽板３２が存在する第１面３２ａにおける規定円の面積を求める。第１面３２ａにおける規定円の面積は、結晶設置部１２と原料表面位置Ｍａにおける内包円Ｃ１とを結ぶ円錐台を第１面３２ａで切断した断面の面積に対応する。次いで、複数の遮蔽板３２の総面積を求める。そして複数の遮蔽板３２の総面積を第１面３２ａにおける規定円の面積で割ったものが換算された遮蔽率となる。

第１面３２ａにおける規定円と原料表面位置Ｍａにおける内包円Ｃ１とは相似する。そのため、複数の遮蔽板３２の総面積と第１面３２ａにおける規定円の面積との関係と、複数の遮蔽板３２の原料表面位置Ｍａにおける投影面３２Ｓの総面積と内包円Ｃ１の面積との関係と、は対応する。つまり、換算された遮蔽率は遮蔽率に対応する。

複数の遮蔽板３２の投影面３２Ｓの遮蔽率が０．５以上であれば、原料Ｍからの輻射が単結晶２の成長面に到達することを抑制でき、原料面と成長面との温度差を生み出すことができる。また複数の遮蔽板３２の投影面３２Ｓの遮蔽率は、０．６以上であることが好ましく、０．７以上であることがさらに好ましい。

また複数の遮蔽板３２の投影面３２Ｓの遮蔽率は０．９以下であることが好ましい。複数の遮蔽板３２の投影面３２Ｓの遮蔽率が０．９以下であれば、原料Ｍから昇華した原料ガスを効率的に単結晶２に供給できる。

複数の遮蔽板３２のそれぞれの面積は、結晶成長用容器１０の内底面の面積の４０％以下である。遮蔽板３２が複数あり、それぞれの面積を所定値以下とすることで、単結晶２3に至る昇華ガス濃度のムラを抑え、単結晶２の面内方向における成長速度が均一になる。

図３は、内部に開口部を有する１つの遮蔽板を、原料収容部１４に原料が充填された際の原料表面位置Ｍａに投影した図である。図３に示すように、原料収容部１４に原料Ｍが充填された際の原料表面位置Ｍａに投影した投影面４２Ｓの遮蔽率は０．５以上である。一方で、遮蔽板が１つであり、その面積が所定値以上である点で、図１および図２に示す複数の遮蔽板３２と異なる。

図３に示すように遮蔽板の投影面４２Ｓは開口部４２Ａを有するため、開口部４２Ａ内に位置する原料Ｍからの輻射を防ぐことができない。単結晶２の温度は、輻射の影響を受けて、面内方向の中央部が高くなり、外周部が低くなる。また、昇華ガスは中央の開口部
および遮蔽部材の外側を通過し、単結晶２へ供給される。そのため、昇華ガス濃度も成長面内均一に供給されない。単結晶２の温度および供給される昇華ガス濃度が面内方向で異なると、結晶成長速度に差が生まれ、均質な単結晶２を作製することが難しくなる。

これに対し、本実施形態にかかる遮蔽部材３０は、それぞれの面積が所定値以下の複数の遮蔽板３２を備えるため、複数の遮蔽板３２を自由に配置することができ、単結晶２に至る輻射および昇華ガスのムラを抑え、単結晶２を均質に成長させることができる。

複数の遮蔽板３２のそれぞれの面積は、結晶成長用容器１０の内底面の面積の３０％以下であることが好ましく、結晶成長用容器１０の内底面の面積の２０％以下であることがより好ましい。また複数の遮蔽板３２の投影面３２Ｓのそれぞれの面積は、結晶成長用容器１０の内底面の面積の３０％以下であることが好ましく、結晶成長用容器１０の内底面の面積の２０％以下であることがより好ましい。

遮蔽板３２は、等間隔で配列していることが好ましい。また遮蔽板３２は、六方最密充填構造をとることがより好ましい。遮蔽板３２を等間隔に配列することで、より単結晶２に至る輻射のムラを抑え、単結晶２を均熱化できる。また単結晶２の成長面に供給される原料ガスの流れの対称性も高めることができる。

図４及び図５は、第１実施形態にかかる遮蔽部材の別の例の模式図である。図４に示す遮蔽板５２はそれぞれの形状が六角形である点が、図２に示す遮蔽板３２と異なる。図５に示す遮蔽板６２はそれぞれの形状が扇形である点が、図２に示す遮蔽板３２と異なる。図４に示すように、六角形の遮蔽板５２を六方最密で充填すると、遮蔽板の遮蔽率が高まる。

図１に示す複数の遮蔽板３２は、接続部３６で互いに接続されている。接続部３６により複数の遮蔽板３２を一体化することで取り扱いが容易になる。また支持部３４の数を減らすことができる。支持部３４は、平面視中央に設けると、単結晶２の成長面に供給される原料ガスの流れの対称性が高まる。

上述のように、本実施形態にかかる遮蔽部材によれば、複数の遮蔽板３２の間に適度な間隔を設けることができ、原料ガスを原料収容部１４から結晶設置部１２に効率的に供給できる。また複数の遮蔽板の配置の自由度が高まることで、単結晶２に至る輻射のムラを抑え、単結晶２を均熱化できる。

（第２実施形態）
「単結晶成長装置」
図６は、第２実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。図６では、理解を容易にするために、原料Ｍ、種結晶１及び単結晶２を同時に図示している。図１に示す単結晶成長装置１０１は、結晶成長用容器１０とコイル（加熱部）２０と遮蔽部材７０とを備える。遮蔽部材７０の形状が、図１に示す単結晶成長装置１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付し、説明を省く。

遮蔽部材７０は、複数の遮蔽板７２と支持部７４と接続部７６とを備える。複数の遮蔽板７２が２段になっている点が、図１に示す遮蔽部材３０と異なる。図７は、第２実施形態にかかる遮蔽部材７０を、原料収容部１４に原料Ｍが充填された際の原料表面位置Ｍａに投影した図である。

複数の遮蔽板７２を原料収容部１４に原料Ｍが充填された際の原料表面位置Ｍａに投影した投影面７２Ｓの遮蔽率は、０．５以上である。複数の遮蔽板７２の投影面７２Ｓの遮蔽率は、０．６以上であることが好ましく、０．７以上であることがさらに好ましい。

複数の遮蔽板７２の少なくとも一つが、他の遮蔽板と異なる高さ位置にある場合の換算された遮蔽率は以下の手順で求める。図８は第２実施形態にかかる遮蔽部材の換算された遮蔽率を説明するための模式図である。

まず第１規定円Ｃ_７２ａを設定する。第１規定円Ｃ_７２ａは、結晶設置部１２と原料表面位置Ｍａにおける内包円Ｃ１とを結ぶ円錐台を第１面７２ａで切断した断面に対応する。第１面７２ａは、複数の遮蔽板７２のうち最も原料側に位置する遮蔽板７２が存在し、結晶設置部１２から原料収容部１４に下した垂線と直交する面である。第１規定円Ｃ_７２ａ内には、第１面７２ａの高さに位置する遮蔽板７２が存在する（図８（ａ））。

次いで、第１規定円Ｃ_７２ａ及び第１面７２ａの高さに位置する遮蔽板７２を第２規定円Ｃ_７２ｂのサイズに換算する。第２規定円Ｃ_７２ｂは、結晶設置部１２と原料表面位置Ｍａにおける内包円Ｃ１とを結ぶ円錐台を第２面７２ｂで切断した断面に対応する。第２面７２ｂは、複数の遮蔽板７２のうち第１面７２ａの高さに存在する遮蔽板７２の次に原料側に位置する遮蔽板７２が存在し、結晶設置部１２から原料収容部１４に下した垂線と直交する面である。

第２規定円Ｃ_７２ｂへのサイズの換算は、第１規定円Ｃ_７２ａと第２規定円Ｃ_７２ｂと直径の違いに基づいて行う。第１規定円Ｃ_７２ａは第２規定円Ｃ_７２ｂまで縮小する。同時に第１面７２ａの高さに位置する遮蔽板７２も、第２面７２ｂの高さ位置に転換し、縮小する。第２面７２ｂの高さ位置に転換された遮蔽板７２を以下、転換遮蔽板７２ｃという。第１規定円Ｃ_７２ａの面積と第１面７２ａの高さに位置する遮蔽板７２の総面積との比は、第２規定円Ｃ_７２ｂの面積と転換遮蔽板７２ｃの総面積の関係との比と一致する（図８（ｂ））。

最後に、第２規定円Ｃ_７２ｂに、第２面７２ｂの高さに位置する遮蔽板７２を重ねる（図８（ｃ））。複数の遮蔽板７２および複数の転換遮蔽板７２ｃの総面積を第２規定円Ｃ_７２ｂの面積で割ったものが換算された遮蔽率となる。第２規定円Ｃ_７２ｂと原料表面位置Ｍａにおける内包円Ｃ１とは相似する。そのため、換算された遮蔽率は遮蔽率に対応する。

複数の遮蔽板７２のそれぞれの面積は、結晶成長用容器１０の内底面の面積の４０％以下であり、結晶成長用容器１０の内底面の面積の３０％以下であることがより好ましい。また複数の遮蔽板７２のそれぞれの径は、結晶成長用容器１０の内底面の面積径の３０％以下であることが好ましい。また複数の遮蔽板７２の投影面７２Ｓのそれぞれの面積は、結晶成長用容器１０の内底面の面積の３０％以下であることが好ましく、結晶成長用容器１０の内底面の面積の２０％以下であることがより好ましい。

第１面７２ａの高さに位置する遮蔽板７２および第２面７２ｂの高さに位置する遮蔽板７２は、それぞれ等間隔に配列していることが好ましい。また複数の遮蔽板７２は、全体で六方最密充填構造をとることがより好ましい。

図７に示す複数の遮蔽板７２は、接続部７６で互いに接続されている。接続部７６により複数の遮蔽板７２を一体化することで取り扱いが容易になる。また支持部７４の数を減らすことができる。支持部７４は、平面視中央に設けると、単結晶２の成長面に供給される原料ガスの流れの対称性が高まる。また遮蔽板７２の形状は特に問わない。

上述のように、本実施形態にかかる遮蔽部材によれば、複数の遮蔽板７２の間に適度な間隔を設けることができ、原料ガスを原料収容部１４から結晶設置部１２に効率的に供給できる。また複数の遮蔽板の配置の自由度が高まることで、単結晶２に至る輻射のムラを抑え、単結晶２を均熱化できる。

また複数の遮蔽板７２の少なくとも一つが、他の遮蔽板７２と異なる高さ位置にあることで、遮蔽率を高めつつ、原料Ｍから昇華した原料ガスの流路を確保しやすくなる。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例について詳述したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

「実施例１」
まず内部に円柱状の内部空間が設けられた結晶成長用容器を準備した。そして、結晶成長用容器の内底面から内部空間の高さの３０％の位置まで原料として粉末状態のＳｉＣを充填した。

そして原料と結晶設置部との間に遮蔽部材を設けた。遮蔽部材は、平面視円形の遮蔽板が３枚で構成され、六方最密配置で同一平面に配列させた。遮蔽板のそれぞれの面積は、結晶成長容器の内底面の面積の１７％とした。また原料の最表面にあたる原料表面位置に複数の遮蔽板を投影した投影面の遮蔽率が０．５となるように設計した。

そして結晶設置部に種結晶を設置して、６インチのＳｉＣインゴットを結晶成長させた。実施例１の条件で結晶成長させたＳｉＣインゴットは、異種多形の混入、クラックの発生がともになく、良好な結晶だった。

「実施例２」
実施例２は、遮蔽板を異なる高さ位置に２段構成で配置した点が実施例１と異なる。原料側の第１面には平面視円形の遮蔽板を３枚、原料から遠い第２面には平面視円形の遮蔽板を３枚、六方最密充填構造で配列させた。原料の最表面にあたる原料表面位置に複数の遮蔽板を投影した投影面の遮蔽率は０．７２であった。その他の条件は、実施例１と同様とした。実施例３の条件で結晶成長させたＳｉＣインゴットは、異種多形の混入、クラックの発生がともになく、良好な結晶だった。

「比較例１」
比較例１は、遮蔽部材を用いず成長を実施した。その他の条件は、実施例１と同様とした。比較例１の条件で結晶成長させたＳｉＣインゴットは、異種多形が多数確認された。結晶成長時の温度が高くなったためと考えられる。

「比較例２」
比較例２は、実施例１と同様の配置で遮蔽板の大きさを小さくし、遮蔽率を０．１８とした。比較例２の条件で結晶成長させたＳｉＣインゴットは、異種多形が多数生じた。遮蔽部材の遮蔽効果が不十分で結晶の温度が高くなり過ぎたためと考えられる。

「比較例３」
比較例３は、遮蔽部材を単板で設計し、遮蔽率は０．７２として設計した。比較例３の条件で結晶成長させたＳｉＣインゴットには、クラックが生じた。種結晶のシード面へのガス供給が均一に行なわれず、成長結晶形状がいびつになったためと考えられる。

上記の結果を以下の表１にまとめる。

１ 種結晶
２ 単結晶
１０ 結晶成長用容器
１２ 結晶設置部
１４ 原料収容部
２０ コイル
３０ 遮蔽部材
３２、５２、６２、７２ 遮蔽板
３２ａ、７２ａ 第１面
７２ｂ 第２面
７２ｃ 転換遮蔽板
３２Ｓ、４２Ｓ、７２Ｓ 投影面
４２Ａ 開口部
３４、７４ 支持部
３６、７６ 接続部
１００ 単結晶成長装置
Ｍ 原料
Ｍａ 原料表面位置
Ｃ１ 内包円
Ｃ_７２ａ 第１規定円
Ｃ_７２ｂ 第２規定円

Claims (4)

1. 内底部に原料収容部と、前記原料収容部と対向する結晶設置部と、を備える結晶成長用容器と、前記結晶成長用容器を加熱する加熱部とを備え、前記原料収容部から原料を昇華させて前記結晶設置部に設置された結晶に、前記原料の単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記原料収容部と前記結晶設置部との間に配置される遮蔽部材であって、
   前記遮蔽部材は、平板状の複数の遮蔽板を備え、
   前記複数の遮蔽板のそれぞれの面積は、前記結晶成長用容器の底面積の４０％以下であり、
   前記結晶設置部に光源を設置した場合に、前記原料収容部に原料が充填された際の原料表面位置に前記複数の遮蔽板を投影した投影面の遮蔽率が０．５以上である、遮蔽部材。
2. 前記複数の遮蔽板の少なくとも一つが、他の遮蔽板と異なる高さ位置にある、請求項１に記載の遮蔽部材。
3. 前記複数の遮蔽板が互いに接続されている、請求項１又は２に記載の遮蔽部材。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の遮蔽部材を備える、単結晶成長装置。

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