単結晶ＳｉＣ、その製造方法及び単結晶ＳｉＣの製造装置
【課題】成長速度が速く、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な長尺、大口径の単結晶ＳｉＣの製造方法及び製造方法に好適に使用可能な製造装置を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ種単結晶４が固定されたサセプタ５及び原料供給管６を坩堝２内に配置する工程、加熱保持されたＳｉＣ種単結晶４に、原料供給管６を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給する工程、及び、ＳｉＣ種単結晶４上に単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、坩堝２が鉛直方向上部に開口部を有する単結晶ＳｉＣの製造方法。
【解決手段】ＳｉＣ種単結晶４が固定されたサセプタ５及び原料供給管６を坩堝２内に配置する工程、加熱保持されたＳｉＣ種単結晶４に、原料供給管６を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給する工程、及び、ＳｉＣ種単結晶４上に単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、坩堝２が鉛直方向上部に開口部を有する単結晶ＳｉＣの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体デバイス用材料やＬＥＤ用材料として利用される単結晶ＳｉＣ、その製造方法及び単結晶ＳｉＣの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶ＳｉＣは結晶の結合エネルギーが大きく、絶縁破壊電界が大きく、また熱伝導率も大きいため、耐苛酷環境用デバイスやパワーデバイス用の材料として有用である。またその格子定数がＧａＮの格子定数と近いため、ＧａＮ−ＬＥＤ用の基板材料としても有用である。
【０００３】
従来この単結晶ＳｉＣの製造には、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末を昇華させ、黒鉛坩堝内壁に単結晶ＳｉＣを再結晶化させるレーリー法や、このレーリー法をベースに原料配置や温度分布を最適化し、再結晶化させる部分にＳｉＣ種単結晶を配置してエピタキシャルに再結晶成長させる改良レーリー法、ガスソースをキャリアガスによって加熱されたＳｉＣ種単結晶に輸送し、結晶表面で化学反応させながらエピタキシャル成長させるＣＶＤ法、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末とＳｉＣ種単結晶を近接させた状態でＳｉＣ粉末をＳｉＣ種単結晶表面上にエピタキシャルに再結晶成長させる昇華近接法などがある。
【０００４】
ところで現状では、これらの各単結晶ＳｉＣの製造方法にはいずれも問題があるとされている。レーリー法では、結晶性の良好な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、自然発生的な核形成をもとに結晶成長するため、形状制御や結晶面制御が困難であり、且つ大口径ウエハが得られないという問題がある。
改良レーリー法では、数１００μｍ／ｈ程度の高速で大口径の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることができるものの、螺旋状にエピタキシャル成長するため、結晶内に多数のマイクロパイプといわれる結晶を貫通する微小な孔が発生するという問題がある。ＣＶＤ法では、高純度で低欠陥密度である良質な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、希薄なガスソースでのエピタキシャル成長のため、成長速度が数１０μｍ／ｈ程度と遅く、長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得られないという問題がある。
昇華近接法では、比較的簡単な構成で高純度のＳｉＣエピタキシャル成長が実現できるが、構成上の制約から、長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることは不可能という問題がある。
【０００５】
最近、加熱状態に保持されたＳｉＣ種単結晶上に、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを不活性キャリアガスで供給し、ＳｉＣ種単結晶上で二酸化ケイ素を炭素で還元することで単結晶ＳｉＣをＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに高速成長させる方法が報告された（特許文献１参照）。この方法では、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な単結晶ＳｉＣを高速で得ることができると記載されている。
【０００６】
特許文献１に開示された製造方法は、単結晶ＳｉＣ製造用原料として、固体の二酸化ケイ素超微粒子と固体の炭素超微粒子とを用いる点で、研磨材用ＳｉＣ製造法として有名なアチソン法に似ている。アチソン法は無水ケイ酸と炭素源とを２，０００℃以上に加熱して、無水ケイ酸を炭素で還元することで、体積収縮を伴いながら単結晶ＳｉＣを製造する方法である。アチソン法は、反応が複雑なため、さまざまな多形、サイズ、向きのＳｉＣ多結晶体が製造される。これに対し、特許文献１に開示された製造方法は、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とからなる単結晶ＳｉＣ製造用原料を、加熱保持されたＳｉＣ種単結晶上に供給することで、体積収縮を伴いながら製造される単結晶ＳｉＣの向きや多形を制御し、ＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに配列されることを期待しているものである。
【０００７】
ところが実際には、特許文献１に開示された製造方法において、単結晶ＳｉＣの結晶成長を長時間続けることは難しい。ＳｉＣ種単結晶上に、原料となる二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを１００パーセントの確率で供給することは事実上不可能であって、直接ＳｉＣ種単結晶上に供給することのできなかった残留原料は、不活性キャリアガスの気流に乗って、そのまま加熱坩堝の内部で対流し、そのうち坩堝内の最も低温部で過飽和状態となり、ＳｉＣ種単結晶の存在の有無に関わりなく、二酸化ケイ素が炭素で還元されて、逐次多結晶ＳｉＣが析出していくからである。
この析出する多結晶ＳｉＣは厄介である。加熱坩堝内を暖めている輻射が逃げる穴があれば、事実上、そこが加熱坩堝内で最も低温部となっており、その穴部のみが選択的に過飽和状態となってしまうため、その穴部を閉塞するように析出成長してしまうからである。
ところで加熱坩堝に何らかの穴が存在していないと、次々に連続供給されてくる不活性キャリアガスや反応生成一酸化炭素ガスが加熱坩堝内に充満し、やがて固体反応が停止してしまうという問題がある。その理由は明確には分かっていないが、式（１）の平衡反応の右辺の分圧が上がりすぎて、左辺から右辺への化学反応が起こらなくなるためと推定される。
３Ｃ ＋ ＳｉＯ2 ⇔ ＳｉＣ ＋ ２ＣＯ↑ 式（１）
【０００８】
【特許文献１】特許第３５０５５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、成長速度が速く、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な大口径の単結晶ＳｉＣを長尺に製造する方法及び前記製造方法により得られる単結晶ＳｉＣを提供することである。さらに本発明の他の目的は、前記製造方法に好適に使用可能な単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は以下の＜１＞、＜６＞及び＜７＞に記載の手段によって解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜５＞と共に以下に記載する。
＜１＞ ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜２＞ 前記サセプタ又は前記原料供給管と坩堝とを空間的に分離することにより前記開口部が設けられている＜１＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜３＞ 前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である＜２＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜４＞ 前記開口部の面積が９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下である＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜５＞ 前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜６＞ ＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ、
＜７＞ 坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、成長速度が速く、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な大口径の単結晶ＳｉＣを長尺に製造する方法及び前記製造方法により得られる単結晶ＳｉＣを提供することができる。さらに、前記単結晶ＳｉＣの製造方法に好適に使用可能な単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の単結晶ＳｉＣの製造方法は、ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする。
尚、本発明において、坩堝の有する開口部は、サセプタ又は原料供給管が挿入されるための挿入部を除いた領域に設けられた開口部を意味するものである。即ち、坩堝は、サセプタ及び原料供給管が坩堝内に配置された状態であっても、鉛直方向上部に開口部を有する。
本発明において、坩堝が鉛直方向上部に開口部を有するため、長時間連続して単結晶ＳｉＣを成長させても途中で坩堝内部が閉塞することなく、長尺の単結晶ＳｉＣを得ることができる。特に、開口部が坩堝の鉛直方向上部に設けられているため、坩堝内部で反応に寄与しなかった原料や、反応生成ＣＯガスなどが対流しても、これらの原料やガスを加熱上昇気流に乗って、逐次坩堝外に連続排出させることができるため、高品質の単結晶ＳｉＣを連続して製造することができ、長尺の単結晶ＳｉＣを連続成長させることができる。
【００１３】
また、前記サセプタ又は前記原料供給管と前記坩堝とを空間的に分離することにより開口部が設けられていることが好ましい。この場合、サセプタ又は原料供給管のいずれかが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、鉛直方向上部より挿入されたサセプタ又は原料供給管が、坩堝と空間的に分離されていることにより開口部が設けられていることが好ましい。
また、前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。
ここで、略半径とは、断面積から算出した円相当半径を意味する。すなわち、円相当半径をｒとしたとき、ｒと断面積には、断面積＝πｒ2が成立し、この式から円相当半径が算出できる。
（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が上記範囲内であると、連続して長時間単結晶ＳｉＣを製造しても成長が停止することなく、また加熱坩堝内の温度が所望の温度に到達するため、高品質の単結晶ＳｉＣを製造することができるので好ましい。
これらの中でも、サセプタが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、サセプタと坩堝が空間的に分離されていることにより開口部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
前記開口部の面積は、９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることが好ましい。
前記開口部の面積が上記範囲内であると、連続して長時間単結晶ＳｉＣを製造しても成長が停止することなく、また加熱坩堝内の温度が所望の温度に到達するため、高品質の単結晶ＳｉＣを製造することができるので好ましい。
また、上述したように、サセプタが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、サセプタと坩堝が空間的に分離されていることにより開口部が設けられている場合、開口部の面積は９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることが好ましく、１２ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることがより好ましい。
【００１５】
前記単結晶ＳｉＣ製造用原料はシリカ粒子及びカーボン粒子からなることが好ましい。シリカ粒子、カーボン粒子はそれぞれ粒子状で原料供給管から供給されることが好ましい。
本発明に使用するシリカ粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば火炎加水分解法で得られる高純度シリカなどが好適に利用できる。
本発明に使用するカーボン粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば市販の高純度カーボンブラックなどが好適に利用できる。
【００１６】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子の供給量の比率は特に限定されず、所望の組成比が適宜選択できる。上記シリカ粒子及びカーボン粒子のいずれも２種以上のものを混合して使用してもよい。また上記シリカ粒子及びカーボン粒子は、必要に応じ、前処理を施したり、他の成分を微量添加してもよい。
【００１７】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶への供給は、途切れることなく連続して供給される方法であることが好ましく、公知のいかなる方法も使用することができる。具体的には市販のパウダフィーダのように連続して粉体を輸送できるものが例示できる。また、キャリアガスにより連続供給して単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給することが好ましい。
尚、当該単結晶ＳｉＣ製造用原料の供給時には、酸素混入を防止するため、不活性ガスで置換されたハーメチック構造にしておくことが好ましい。
キャリアガスとしては、不活性キャリアガスが好ましく、例えばヘリウムガスやアルゴンガスが例示できる。これらの中でもアルゴンガスを使用することが好ましく、アルゴンガスは入手が容易であり、さらに取扱いが容易であるので好ましい。
【００１８】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶への供給条件については、これら単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に混合された状態で供給されればよく、予め当該単結晶ＳｉＣ製造用原料を混合しておいても、別個に供給してＳｉＣ種単結晶上で混合してもよい。
また単結晶ＳｉＣ中にドーピングをおこなう場合は、上記単結晶ＳｉＣ製造用原料に固体ソースとして混合してもよいし、単結晶ＳｉＣ製造装置内の雰囲気中にガスソースとして、該ドーピング成分を混合してもよい。ドーピング成分としては窒素、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ｂ2Ｈ6が例示できる。
【００１９】
本発明で使用するＳｉＣ種単結晶は、ＳｉＣ種単結晶ウエハであることが好ましく、その種類、サイズ、形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣの種類、サイズ、形状によって適宜選択できる。例えば改良レーリー法によって得られたＳｉＣ単結晶や、必要に応じてこれを前処理したＳｉＣ種単結晶ウエハが好適に利用できる。
【００２０】
本発明において、単結晶ＳｉＣを得るために使用する単結晶ＳｉＣ製造装置の構成は特に限定されない。すなわちサイズや加熱方法、材質、原料供給方法、雰囲気調整方法、圧力制御方法、温度制御方法などは、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜選択できる。
但し、本発明において、単結晶ＳｉＣの製造装置は、坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする。
装置の雰囲気は酸素混入を防止するため、アルゴンガスなどの不活性ガスで置換されていることが好ましく、密閉構造であることが好ましい。
また単結晶ＳｉＣ製造温度は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜設定できる。好ましい製造温度は、１，６００〜２，４００℃の範囲であり、例えば坩堝外側の温度を指す。本発明に使用する製造装置は、前記温度範囲において、温度制御可能な装置であることが好ましい。
本発明において、加熱方法に特に限定はなく、いかなる加熱方法も使用することができ、高周波誘導加熱や電気抵抗加熱が例示できる。
【００２１】
ＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタの形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。但し、当該サセプタの材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが望ましい。
【００２２】
坩堝の鉛直方向上部の開口部を、坩堝とサセプタ又は原料供給管との空間的分離により設ける場合、ホットゾーンである加熱源（坩堝）と、ＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタ又は原料供給管との空間的な分離方法は適宜選択できる。製造コストを考慮すると、円筒坩堝（加熱源）と円筒サセプタ又は円筒原料供給管とが同心円状に分離されていることが好ましいが、本発明の作用を阻害しない範囲であれば、任意の分離形状を選択することも可能である。
但し、前記サセプタに回転機構を付与する場合には、回転を阻害しない範囲で坩堝（加熱源）とサセプタとの間を空間的に分離させておく必要がある。
【００２３】
尚、本発明において、坩堝は鉛直方向上部に開口部を有するが、開口部は上記の坩堝とサセプタ又は原料供給管との空間的分離により設けられるものに限られない。
坩堝内を、単結晶ＳｉＣの製造に適した所望の温度に保持できる範囲で、開口部の位置、形状等は適宜選択することができる。例えば、サセプタ又は原料供給管の挿入部の同心円状に間隙を設けて開口部とすることが例示できる。
【００２４】
図１及び図２は本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例であり、サセプタと原料供給管との位置関係がそれぞれ上下逆となっている。
ここでは高周波誘導加熱炉を例に用いている。水冷された密閉チャンバ１、１’内にカーボン製の円筒坩堝２、２’（直径１２０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）が配置され、前記水冷された密閉チャンバの外側に高周波誘導加熱コイル３、３’を配置してある。
図１では、前記円筒坩堝内の上部には、ＳｉＣ種単結晶４を保持するためのサセプタ５が挿入されており、前記円筒坩堝内の下部には、単結晶ＳｉＣ製造用原料を連続供給するための原料供給管６が挿入されている。
これとは逆に、図２では、円筒坩堝内の上部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を連続供給するための原料供給管６’が挿入されており、円筒坩堝内の下部にＳｉＣ種単結晶４’を保持するためのサセプタ５’が挿入されている。
【００２５】
この時、図１では、円筒坩堝２は、鉛直方向上部に開口部を有している。また、開口部は、サセプタ５と円筒坩堝２とが、空間的に分離されることにより設けられている。前記ＳｉＣ種単結晶ウエハを固定するサセプタの略半径をＲｓとし、前記ＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタが挿入されている部分の前記円筒坩堝の挿入口の略半径をＲｈとした際のこれらの差（Ｒｈ−Ｒｓ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設計されていることが好ましい。
また、図２では、原料供給管６’と、円筒坩堝２’とが空間的に分離されている。これにより、円筒坩堝２’は、鉛直方向上部に開口部を有している。原料供給管の略半径をＲｆ、前記原料供給管が挿入されている部分の前記円筒坩堝の挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設計されていることが好ましい。
【００２６】
尚、図１及び図２において、前記サセプタは円筒坩堝の外側まで伸びており、図示しない回転機構により該サセプタの中心軸を回転軸として回転可能である。また前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管はサセプタと反対側の円筒坩堝から外側に伸びており、そのまま前記密閉チャンバの外側までつながって、前記高周波誘導加熱炉の外側に配置されていて、独立に供給量が調節可能な調節弁８、８’、１０、１０’、を有する複数の原料貯蔵槽７、７’、９、９’と、流量調節可能なキャリアガス供給源（図示せず）にそれぞれ連結している。予め混合された単結晶ＳｉＣ製造用原料を使用する場合は一つの原料貯蔵槽を用い、供給管内部にて混合させる場合には、シリカ粉末とカーボン粉末をそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填し、それぞれの貯蔵層からの供給量を調節した上で、キャリアガスＡを流量調整しながら流すことで、前記円筒坩堝内部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を適当量ずつ連続供給することができる。
高周波誘導加熱炉は、図示しない真空排気系及び圧力調節系により圧力制御が可能であり、また図示しない不活性ガス置換機構を備えている。
尚、図１、２の実施例では原料供給管とサセプタの位置関係が上下対向方向であったが、本発明の作用が変わらない範囲内で、それぞれ横向きの対向関係に配置することも可能であるし、原料供給管とサセプタが互いに斜めや直角関係になるように配置することも可能である。但し、本発明において、坩堝は鉛直方向上部に開口を有するので、原料供給管及びサセプタの双方が鉛直方向上部から挿入されていない場合であれば、坩堝の鉛直方向上部に独立に開口部を有することはいうまでもない。
【実施例】
【００２７】
以下本発明の実施例について説明する。
図１又は図２に示す高周波誘導加熱炉を用いて以下の条件にて単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
前記サセプタの円筒坩堝内に貫通挿入されているサセプタの端部にＳｉＣ種単結晶ウエハを固定した。ここで使用したＳｉＣ種単結晶ウエハは、レーリー法で製造された略１０ｍｍ角の不定形単結晶ＳｉＣと改良レーリー法で製造された直径２インチの単結晶ＳｉＣの両方を使用した。またジャスト面、傾斜面、Ｃ面、Ｓｉ面それぞれを種単結晶として準備、使用した。
【００２８】
単結晶ＳｉＣ製造用原料であるカーボン（三菱化学製カーボンブラックＭＡ６００）とシリカ（日本アエロジル製アエロジル３８０）とをそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比はシリカ／カーボン＝１．５〜５．０（重量比）に調整した。
【００２９】
高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス（高純度アルゴン又は高純度ヘリウム）で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の密閉坩堝を加熱し、前記坩堝の外側表面温度が１，６００〜２，４００℃の範囲となるように調整した。
次いでＳｉＣ種単結晶ウエハが固定された前記サセプタを０〜２０ｒｐｍの回転速度で回転させた。この状態で前記不活性キャリアガス（高純度アルゴン）を流速０．５〜１０ｌ／ｍｉｎの範囲に調整して流し、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を、前記原料供給管内部を通って、前記密閉坩堝内に配置された前記ＳｉＣ種単結晶ウエハ表面上に連続して供給させ、単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
この時、前記ＳｉＣ種単結晶ウエハを固定するサセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとして、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝内に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとした際のこれらの差（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、及び（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍとなる条件で、各々単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
尚、前記（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍそれぞれの際の隙間の略面積はそれぞれ７ｃｍ2、１２ｃｍ2、２５ｃｍ2、４０ｃｍ2、７５ｃｍ2、９４ｃｍ2であった。また、前記（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍそれぞれの際の略面積は、４ｃｍ2、９ｃｍ2、１４ｃｍ2であった。
【００３０】
製造結果を表１及び表２に基づき説明する。坩堝が鉛直方向上部に開口部を有さない場合（（Ｒｈ−Ｒｓ）が０ｍｍ）の場合には、多結晶ＳｉＣが製造され、また、２分間で目詰まりが生じ、単結晶ＳｉＣを製造することができなかった。（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍいずれの場合でも平均成長速度は５０〜５００μｍ／ｈと同等であった。但し（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍの条件では、供給開始後１０ｍｉｎで成長が停止してしまった。一方（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の条件では、いずれの場合でも３ｈの連続製造の途中で成長が停止せず、マイクロパイプ等の欠陥の少ない、良好な長尺単結晶ＳｉＣを製造することができた。しかし、（Ｒｈ−Ｒｓ）が３０ｍｍの場合は温度が上がりきらず、斜方晶の単結晶ＳｉＣを製造した際には多結晶化してしまった。但し立方晶の単結晶ＳｉＣは問題なく製造できた。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例である。
【図２】本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の他の一例である。
【符号の説明】
【００３４】
１、１’ 密閉チャンバ
２、２’ 円筒坩堝
３、３’ 高周波誘導加熱コイル
４、４’ 種単結晶ウエハ
５、５’ サセプタ
６、６’ 原料供給管
７、７’、９、９’、 原料貯蔵槽
８、８’、１０、１０’、 調節弁
Ａ キャリアガス
Ｒｓ サセプタの略半径
Ｒｆ 原料供給管の略半径
Ｒｈ サセプタ、又は原料供給管の挿入口の略半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体デバイス用材料やＬＥＤ用材料として利用される単結晶ＳｉＣ、その製造方法及び単結晶ＳｉＣの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶ＳｉＣは結晶の結合エネルギーが大きく、絶縁破壊電界が大きく、また熱伝導率も大きいため、耐苛酷環境用デバイスやパワーデバイス用の材料として有用である。またその格子定数がＧａＮの格子定数と近いため、ＧａＮ−ＬＥＤ用の基板材料としても有用である。
【０００３】
従来この単結晶ＳｉＣの製造には、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末を昇華させ、黒鉛坩堝内壁に単結晶ＳｉＣを再結晶化させるレーリー法や、このレーリー法をベースに原料配置や温度分布を最適化し、再結晶化させる部分にＳｉＣ種単結晶を配置してエピタキシャルに再結晶成長させる改良レーリー法、ガスソースをキャリアガスによって加熱されたＳｉＣ種単結晶に輸送し、結晶表面で化学反応させながらエピタキシャル成長させるＣＶＤ法、黒鉛坩堝内でＳｉＣ粉末とＳｉＣ種単結晶を近接させた状態でＳｉＣ粉末をＳｉＣ種単結晶表面上にエピタキシャルに再結晶成長させる昇華近接法などがある。
【０００４】
ところで現状では、これらの各単結晶ＳｉＣの製造方法にはいずれも問題があるとされている。レーリー法では、結晶性の良好な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、自然発生的な核形成をもとに結晶成長するため、形状制御や結晶面制御が困難であり、且つ大口径ウエハが得られないという問題がある。
改良レーリー法では、数１００μｍ／ｈ程度の高速で大口径の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることができるものの、螺旋状にエピタキシャル成長するため、結晶内に多数のマイクロパイプといわれる結晶を貫通する微小な孔が発生するという問題がある。ＣＶＤ法では、高純度で低欠陥密度である良質な単結晶ＳｉＣが製造できるものの、希薄なガスソースでのエピタキシャル成長のため、成長速度が数１０μｍ／ｈ程度と遅く、長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得られないという問題がある。
昇華近接法では、比較的簡単な構成で高純度のＳｉＣエピタキシャル成長が実現できるが、構成上の制約から、長尺の単結晶ＳｉＣインゴットを得ることは不可能という問題がある。
【０００５】
最近、加熱状態に保持されたＳｉＣ種単結晶上に、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを不活性キャリアガスで供給し、ＳｉＣ種単結晶上で二酸化ケイ素を炭素で還元することで単結晶ＳｉＣをＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに高速成長させる方法が報告された（特許文献１参照）。この方法では、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な単結晶ＳｉＣを高速で得ることができると記載されている。
【０００６】
特許文献１に開示された製造方法は、単結晶ＳｉＣ製造用原料として、固体の二酸化ケイ素超微粒子と固体の炭素超微粒子とを用いる点で、研磨材用ＳｉＣ製造法として有名なアチソン法に似ている。アチソン法は無水ケイ酸と炭素源とを２，０００℃以上に加熱して、無水ケイ酸を炭素で還元することで、体積収縮を伴いながら単結晶ＳｉＣを製造する方法である。アチソン法は、反応が複雑なため、さまざまな多形、サイズ、向きのＳｉＣ多結晶体が製造される。これに対し、特許文献１に開示された製造方法は、二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とからなる単結晶ＳｉＣ製造用原料を、加熱保持されたＳｉＣ種単結晶上に供給することで、体積収縮を伴いながら製造される単結晶ＳｉＣの向きや多形を制御し、ＳｉＣ種単結晶上にエピタキシャルに配列されることを期待しているものである。
【０００７】
ところが実際には、特許文献１に開示された製造方法において、単結晶ＳｉＣの結晶成長を長時間続けることは難しい。ＳｉＣ種単結晶上に、原料となる二酸化ケイ素超微粒子と炭素超微粒子とを１００パーセントの確率で供給することは事実上不可能であって、直接ＳｉＣ種単結晶上に供給することのできなかった残留原料は、不活性キャリアガスの気流に乗って、そのまま加熱坩堝の内部で対流し、そのうち坩堝内の最も低温部で過飽和状態となり、ＳｉＣ種単結晶の存在の有無に関わりなく、二酸化ケイ素が炭素で還元されて、逐次多結晶ＳｉＣが析出していくからである。
この析出する多結晶ＳｉＣは厄介である。加熱坩堝内を暖めている輻射が逃げる穴があれば、事実上、そこが加熱坩堝内で最も低温部となっており、その穴部のみが選択的に過飽和状態となってしまうため、その穴部を閉塞するように析出成長してしまうからである。
ところで加熱坩堝に何らかの穴が存在していないと、次々に連続供給されてくる不活性キャリアガスや反応生成一酸化炭素ガスが加熱坩堝内に充満し、やがて固体反応が停止してしまうという問題がある。その理由は明確には分かっていないが、式（１）の平衡反応の右辺の分圧が上がりすぎて、左辺から右辺への化学反応が起こらなくなるためと推定される。
３Ｃ ＋ ＳｉＯ2 ⇔ ＳｉＣ ＋ ２ＣＯ↑ 式（１）
【０００８】
【特許文献１】特許第３５０５５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、成長速度が速く、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な大口径の単結晶ＳｉＣを長尺に製造する方法及び前記製造方法により得られる単結晶ＳｉＣを提供することである。さらに本発明の他の目的は、前記製造方法に好適に使用可能な単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は以下の＜１＞、＜６＞及び＜７＞に記載の手段によって解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜５＞と共に以下に記載する。
＜１＞ ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜２＞ 前記サセプタ又は前記原料供給管と坩堝とを空間的に分離することにより前記開口部が設けられている＜１＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜３＞ 前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である＜２＞に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜４＞ 前記開口部の面積が９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下である＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜５＞ 前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法、
＜６＞ ＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ、
＜７＞ 坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、成長速度が速く、マイクロパイプ等の欠陥を抑制した高品質な大口径の単結晶ＳｉＣを長尺に製造する方法及び前記製造方法により得られる単結晶ＳｉＣを提供することができる。さらに、前記単結晶ＳｉＣの製造方法に好適に使用可能な単結晶ＳｉＣの製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の単結晶ＳｉＣの製造方法は、ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする。
尚、本発明において、坩堝の有する開口部は、サセプタ又は原料供給管が挿入されるための挿入部を除いた領域に設けられた開口部を意味するものである。即ち、坩堝は、サセプタ及び原料供給管が坩堝内に配置された状態であっても、鉛直方向上部に開口部を有する。
本発明において、坩堝が鉛直方向上部に開口部を有するため、長時間連続して単結晶ＳｉＣを成長させても途中で坩堝内部が閉塞することなく、長尺の単結晶ＳｉＣを得ることができる。特に、開口部が坩堝の鉛直方向上部に設けられているため、坩堝内部で反応に寄与しなかった原料や、反応生成ＣＯガスなどが対流しても、これらの原料やガスを加熱上昇気流に乗って、逐次坩堝外に連続排出させることができるため、高品質の単結晶ＳｉＣを連続して製造することができ、長尺の単結晶ＳｉＣを連続成長させることができる。
【００１３】
また、前記サセプタ又は前記原料供給管と前記坩堝とを空間的に分離することにより開口部が設けられていることが好ましい。この場合、サセプタ又は原料供給管のいずれかが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、鉛直方向上部より挿入されたサセプタ又は原料供給管が、坩堝と空間的に分離されていることにより開口部が設けられていることが好ましい。
また、前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。
ここで、略半径とは、断面積から算出した円相当半径を意味する。すなわち、円相当半径をｒとしたとき、ｒと断面積には、断面積＝πｒ2が成立し、この式から円相当半径が算出できる。
（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が上記範囲内であると、連続して長時間単結晶ＳｉＣを製造しても成長が停止することなく、また加熱坩堝内の温度が所望の温度に到達するため、高品質の単結晶ＳｉＣを製造することができるので好ましい。
これらの中でも、サセプタが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、サセプタと坩堝が空間的に分離されていることにより開口部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
前記開口部の面積は、９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることが好ましい。
前記開口部の面積が上記範囲内であると、連続して長時間単結晶ＳｉＣを製造しても成長が停止することなく、また加熱坩堝内の温度が所望の温度に到達するため、高品質の単結晶ＳｉＣを製造することができるので好ましい。
また、上述したように、サセプタが坩堝の鉛直方向上部より挿入されており、サセプタと坩堝が空間的に分離されていることにより開口部が設けられている場合、開口部の面積は９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることが好ましく、１２ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下であることがより好ましい。
【００１５】
前記単結晶ＳｉＣ製造用原料はシリカ粒子及びカーボン粒子からなることが好ましい。シリカ粒子、カーボン粒子はそれぞれ粒子状で原料供給管から供給されることが好ましい。
本発明に使用するシリカ粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば火炎加水分解法で得られる高純度シリカなどが好適に利用できる。
本発明に使用するカーボン粒子の種類、粒径、粒子形状等は特に限定されず、例えば市販の高純度カーボンブラックなどが好適に利用できる。
【００１６】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子の供給量の比率は特に限定されず、所望の組成比が適宜選択できる。上記シリカ粒子及びカーボン粒子のいずれも２種以上のものを混合して使用してもよい。また上記シリカ粒子及びカーボン粒子は、必要に応じ、前処理を施したり、他の成分を微量添加してもよい。
【００１７】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶への供給は、途切れることなく連続して供給される方法であることが好ましく、公知のいかなる方法も使用することができる。具体的には市販のパウダフィーダのように連続して粉体を輸送できるものが例示できる。また、キャリアガスにより連続供給して単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給することが好ましい。
尚、当該単結晶ＳｉＣ製造用原料の供給時には、酸素混入を防止するため、不活性ガスで置換されたハーメチック構造にしておくことが好ましい。
キャリアガスとしては、不活性キャリアガスが好ましく、例えばヘリウムガスやアルゴンガスが例示できる。これらの中でもアルゴンガスを使用することが好ましく、アルゴンガスは入手が容易であり、さらに取扱いが容易であるので好ましい。
【００１８】
上記シリカ粒子及びカーボン粒子のＳｉＣ種単結晶への供給条件については、これら単結晶ＳｉＣ製造用原料がＳｉＣ種単結晶に混合された状態で供給されればよく、予め当該単結晶ＳｉＣ製造用原料を混合しておいても、別個に供給してＳｉＣ種単結晶上で混合してもよい。
また単結晶ＳｉＣ中にドーピングをおこなう場合は、上記単結晶ＳｉＣ製造用原料に固体ソースとして混合してもよいし、単結晶ＳｉＣ製造装置内の雰囲気中にガスソースとして、該ドーピング成分を混合してもよい。ドーピング成分としては窒素、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ｂ2Ｈ6が例示できる。
【００１９】
本発明で使用するＳｉＣ種単結晶は、ＳｉＣ種単結晶ウエハであることが好ましく、その種類、サイズ、形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣの種類、サイズ、形状によって適宜選択できる。例えば改良レーリー法によって得られたＳｉＣ単結晶や、必要に応じてこれを前処理したＳｉＣ種単結晶ウエハが好適に利用できる。
【００２０】
本発明において、単結晶ＳｉＣを得るために使用する単結晶ＳｉＣ製造装置の構成は特に限定されない。すなわちサイズや加熱方法、材質、原料供給方法、雰囲気調整方法、圧力制御方法、温度制御方法などは、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜選択できる。
但し、本発明において、単結晶ＳｉＣの製造装置は、坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする。
装置の雰囲気は酸素混入を防止するため、アルゴンガスなどの不活性ガスで置換されていることが好ましく、密閉構造であることが好ましい。
また単結晶ＳｉＣ製造温度は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状、種類、単結晶ＳｉＣ製造用原料の種類や量等に応じて適宜設定できる。好ましい製造温度は、１，６００〜２，４００℃の範囲であり、例えば坩堝外側の温度を指す。本発明に使用する製造装置は、前記温度範囲において、温度制御可能な装置であることが好ましい。
本発明において、加熱方法に特に限定はなく、いかなる加熱方法も使用することができ、高周波誘導加熱や電気抵抗加熱が例示できる。
【００２１】
ＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタの形状は特に限定されず、目的とする単結晶ＳｉＣのサイズや形状に合わせ適宜選択できる。但し、当該サセプタの材質は使用温度範囲を考慮してグラファイト製であることが望ましい。
【００２２】
坩堝の鉛直方向上部の開口部を、坩堝とサセプタ又は原料供給管との空間的分離により設ける場合、ホットゾーンである加熱源（坩堝）と、ＳｉＣ種単結晶を保持するサセプタ又は原料供給管との空間的な分離方法は適宜選択できる。製造コストを考慮すると、円筒坩堝（加熱源）と円筒サセプタ又は円筒原料供給管とが同心円状に分離されていることが好ましいが、本発明の作用を阻害しない範囲であれば、任意の分離形状を選択することも可能である。
但し、前記サセプタに回転機構を付与する場合には、回転を阻害しない範囲で坩堝（加熱源）とサセプタとの間を空間的に分離させておく必要がある。
【００２３】
尚、本発明において、坩堝は鉛直方向上部に開口部を有するが、開口部は上記の坩堝とサセプタ又は原料供給管との空間的分離により設けられるものに限られない。
坩堝内を、単結晶ＳｉＣの製造に適した所望の温度に保持できる範囲で、開口部の位置、形状等は適宜選択することができる。例えば、サセプタ又は原料供給管の挿入部の同心円状に間隙を設けて開口部とすることが例示できる。
【００２４】
図１及び図２は本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例であり、サセプタと原料供給管との位置関係がそれぞれ上下逆となっている。
ここでは高周波誘導加熱炉を例に用いている。水冷された密閉チャンバ１、１’内にカーボン製の円筒坩堝２、２’（直径１２０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）が配置され、前記水冷された密閉チャンバの外側に高周波誘導加熱コイル３、３’を配置してある。
図１では、前記円筒坩堝内の上部には、ＳｉＣ種単結晶４を保持するためのサセプタ５が挿入されており、前記円筒坩堝内の下部には、単結晶ＳｉＣ製造用原料を連続供給するための原料供給管６が挿入されている。
これとは逆に、図２では、円筒坩堝内の上部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を連続供給するための原料供給管６’が挿入されており、円筒坩堝内の下部にＳｉＣ種単結晶４’を保持するためのサセプタ５’が挿入されている。
【００２５】
この時、図１では、円筒坩堝２は、鉛直方向上部に開口部を有している。また、開口部は、サセプタ５と円筒坩堝２とが、空間的に分離されることにより設けられている。前記ＳｉＣ種単結晶ウエハを固定するサセプタの略半径をＲｓとし、前記ＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタが挿入されている部分の前記円筒坩堝の挿入口の略半径をＲｈとした際のこれらの差（Ｒｈ−Ｒｓ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設計されていることが好ましい。
また、図２では、原料供給管６’と、円筒坩堝２’とが空間的に分離されている。これにより、円筒坩堝２’は、鉛直方向上部に開口部を有している。原料供給管の略半径をＲｆ、前記原料供給管が挿入されている部分の前記円筒坩堝の挿入口の略半径をＲｈとしたとき、（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設計されていることが好ましい。
【００２６】
尚、図１及び図２において、前記サセプタは円筒坩堝の外側まで伸びており、図示しない回転機構により該サセプタの中心軸を回転軸として回転可能である。また前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給するための原料供給管はサセプタと反対側の円筒坩堝から外側に伸びており、そのまま前記密閉チャンバの外側までつながって、前記高周波誘導加熱炉の外側に配置されていて、独立に供給量が調節可能な調節弁８、８’、１０、１０’、を有する複数の原料貯蔵槽７、７’、９、９’と、流量調節可能なキャリアガス供給源（図示せず）にそれぞれ連結している。予め混合された単結晶ＳｉＣ製造用原料を使用する場合は一つの原料貯蔵槽を用い、供給管内部にて混合させる場合には、シリカ粉末とカーボン粉末をそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填し、それぞれの貯蔵層からの供給量を調節した上で、キャリアガスＡを流量調整しながら流すことで、前記円筒坩堝内部に単結晶ＳｉＣ製造用原料を適当量ずつ連続供給することができる。
高周波誘導加熱炉は、図示しない真空排気系及び圧力調節系により圧力制御が可能であり、また図示しない不活性ガス置換機構を備えている。
尚、図１、２の実施例では原料供給管とサセプタの位置関係が上下対向方向であったが、本発明の作用が変わらない範囲内で、それぞれ横向きの対向関係に配置することも可能であるし、原料供給管とサセプタが互いに斜めや直角関係になるように配置することも可能である。但し、本発明において、坩堝は鉛直方向上部に開口を有するので、原料供給管及びサセプタの双方が鉛直方向上部から挿入されていない場合であれば、坩堝の鉛直方向上部に独立に開口部を有することはいうまでもない。
【実施例】
【００２７】
以下本発明の実施例について説明する。
図１又は図２に示す高周波誘導加熱炉を用いて以下の条件にて単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
前記サセプタの円筒坩堝内に貫通挿入されているサセプタの端部にＳｉＣ種単結晶ウエハを固定した。ここで使用したＳｉＣ種単結晶ウエハは、レーリー法で製造された略１０ｍｍ角の不定形単結晶ＳｉＣと改良レーリー法で製造された直径２インチの単結晶ＳｉＣの両方を使用した。またジャスト面、傾斜面、Ｃ面、Ｓｉ面それぞれを種単結晶として準備、使用した。
【００２８】
単結晶ＳｉＣ製造用原料であるカーボン（三菱化学製カーボンブラックＭＡ６００）とシリカ（日本アエロジル製アエロジル３８０）とをそれぞれ独立に原料貯蔵槽に充填した。また各々の供給量比はシリカ／カーボン＝１．５〜５．０（重量比）に調整した。
【００２９】
高周波誘導加熱炉内部を真空引きした後、不活性ガス（高純度アルゴン又は高純度ヘリウム）で該高周波誘導加熱炉内部を置換した。次いで前記高周波誘導加熱コイルにより、前記カーボン製の密閉坩堝を加熱し、前記坩堝の外側表面温度が１，６００〜２，４００℃の範囲となるように調整した。
次いでＳｉＣ種単結晶ウエハが固定された前記サセプタを０〜２０ｒｐｍの回転速度で回転させた。この状態で前記不活性キャリアガス（高純度アルゴン）を流速０．５〜１０ｌ／ｍｉｎの範囲に調整して流し、前記単結晶ＳｉＣ製造用原料を、前記原料供給管内部を通って、前記密閉坩堝内に配置された前記ＳｉＣ種単結晶ウエハ表面上に連続して供給させ、単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
この時、前記ＳｉＣ種単結晶ウエハを固定するサセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとして、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝内に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとした際のこれらの差（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、及び（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍとなる条件で、各々単結晶ＳｉＣの製造をおこなった。
尚、前記（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍそれぞれの際の隙間の略面積はそれぞれ７ｃｍ2、１２ｃｍ2、２５ｃｍ2、４０ｃｍ2、７５ｃｍ2、９４ｃｍ2であった。また、前記（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍそれぞれの際の略面積は、４ｃｍ2、９ｃｍ2、１４ｃｍ2であった。
【００３０】
製造結果を表１及び表２に基づき説明する。坩堝が鉛直方向上部に開口部を有さない場合（（Ｒｈ−Ｒｓ）が０ｍｍ）の場合には、多結晶ＳｉＣが製造され、また、２分間で目詰まりが生じ、単結晶ＳｉＣを製造することができなかった。（Ｒｈ−Ｒｓ）が３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍ、６．５ｍｍ、１０ｍｍいずれの場合でも平均成長速度は５０〜５００μｍ／ｈと同等であった。但し（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が３ｍｍの条件では、供給開始後１０ｍｉｎで成長が停止してしまった。一方（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の条件では、いずれの場合でも３ｈの連続製造の途中で成長が停止せず、マイクロパイプ等の欠陥の少ない、良好な長尺単結晶ＳｉＣを製造することができた。しかし、（Ｒｈ−Ｒｓ）が３０ｍｍの場合は温度が上がりきらず、斜方晶の単結晶ＳｉＣを製造した際には多結晶化してしまった。但し立方晶の単結晶ＳｉＣは問題なく製造できた。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の一例である。
【図２】本発明の単結晶ＳｉＣを製造するための装置の他の一例である。
【符号の説明】
【００３４】
１、１’ 密閉チャンバ
２、２’ 円筒坩堝
３、３’ 高周波誘導加熱コイル
４、４’ 種単結晶ウエハ
５、５’ サセプタ
６、６’ 原料供給管
７、７’、９、９’、 原料貯蔵槽
８、８’、１０、１０’、 調節弁
Ａ キャリアガス
Ｒｓ サセプタの略半径
Ｒｆ 原料供給管の略半径
Ｒｈ サセプタ、又は原料供給管の挿入口の略半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、
加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、
前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項２】
前記サセプタ又は前記原料供給管と坩堝とを空間的に分離することにより前記開口部が設けられている請求項１に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項３】
前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、
（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である請求項２に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項４】
前記開口部の面積が９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下である請求項１〜３いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項５】
前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である請求項１〜４いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ。
【請求項７】
坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、
坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、
ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、
前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造装置。
【請求項１】
ＳｉＣ種単結晶が固定されたサセプタ及び原料供給管を坩堝内に配置する工程、及び、
加熱状態に保持された前記ＳｉＣ種単結晶に、前記原料供給管を通して単結晶ＳｉＣ製造用原料を外部から供給し、単結晶ＳｉＣを成長させる工程を含み、
前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項２】
前記サセプタ又は前記原料供給管と坩堝とを空間的に分離することにより前記開口部が設けられている請求項１に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項３】
前記サセプタの略半径をＲｓ、前記原料供給管の略半径をＲｆとし、前記サセプタ又は前記原料供給管が空間的に分離されながら前記坩堝に挿入される、挿入口の略半径をＲｈとしたとき、
（Ｒｈ−Ｒｓ）又は（Ｒｈ−Ｒｆ）が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である請求項２に記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項４】
前記開口部の面積が９ｃｍ2以上７５ｃｍ2以下である請求項１〜３いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項５】
前記単結晶ＳｉＣ製造用原料がシリカ粒子及びカーボン粒子である請求項１〜４いずれか１つに記載の単結晶ＳｉＣの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１つに記載の方法により製造された単結晶ＳｉＣ。
【請求項７】
坩堝を設けたチャンバ及び坩堝を加熱する手段、
坩堝内にＳｉＣ種単結晶を固定するサセプタ、及び、
ＳｉＣ種単結晶に単結晶ＳｉＣ製造用原料を供給する原料供給管を有し、
前記坩堝が鉛直方向上部に開口部を有することを特徴とする
単結晶ＳｉＣの製造装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−３７７２４（Ｐ２００８−３７７２４Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１７６０９（Ｐ２００６−２１７６０９）
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
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