炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法
【課題】ＳｉＣ単結晶を成長させる際のドーパント濃度のバラツキを抑制する。
【解決手段】ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料粉末３に対してドーパント元素４が種結晶２から離れた位置に配置されるようにする。そして、ドーパント元素４の配置場所をＳｉＣ原料粉末３の配置場所よりも低温にできる構成とする。これにより、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。したがって、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶を製造することができる。
【解決手段】ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料粉末３に対してドーパント元素４が種結晶２から離れた位置に配置されるようにする。そして、ドーパント元素４の配置場所をＳｉＣ原料粉末３の配置場所よりも低温にできる構成とする。これにより、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。したがって、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶を製造することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶の製造装置および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＳｉＣ単結晶製造装置として、例えば特許文献１に示される構造の製造装置が提案されている。このＳｉＣ単結晶製造装置では、黒鉛製の坩堝の下部にＳｉＣ原料粉末を設置すると共に、坩堝の蓋部に炭化珪素単結晶の種結晶を配置し、ＳｉＣ原料粉末が設置された坩堝の下部を加熱することでＳｉＣ原料粉末を昇華させ、種結晶に導くことで種結晶表面にＳｉＣ単結晶を成長させる。
【０００３】
このようにＳｉＣ単結晶を成長させる際に、坩堝の下部におけるＳｉＣ原料粉末の設置位置に蒸気圧の高いドーパント元素を原料として導入すると、成長するＳｉＣ単結晶中にドーパント元素が取り込まれ、所望のドーパント濃度を有するＳｉＣ単結晶を成長させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＳｉＣが昇華し始めるよりも前の昇温中にドーパント元素が先に気化し切ってしまい、成長させたＳｉＣ単結晶のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析する又はドーピングされないという問題がある。
【０００６】
これについて調べたところ、次のような結果となった。図１１は、種結晶Ｊ１の表面に形成したＳｉＣ単結晶Ｊ２のインゴットとそれに対応する成長結晶位置に対するドーパント濃度の関係を示してある。この図に示されるように、種結晶Ｊ１の表面にＳｉＣ単結晶Ｊ２が成長させられるが、ＳｉＣ単結晶Ｊ２の成長初期においてドーパント濃度が大きく、その後、徐々にドーパント濃度が低下していることが判る。このようにドーパント濃度に大きなバラツキが発生すると、期待するドーパント濃度のＳｉＣ単結晶を得ることができない。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、ドーパント濃度のバラツキを抑制できる炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、容器本体（１ａ）のうち炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、高温部を低温部よりも高温とする加熱を行う加熱装置（６、９）が備えられていることを特徴としている。
【０００９】
このように、ドーパント元素（４）の配置場所をＳｉＣ原料（３）の配置場所よりも低温にできるようにしている。このため、ＳｉＣ原料（３）が昇華し始めるよりも前にドーパント元素（４）が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶（５）のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶（５）を製造することができる。
【００１０】
具体的には、請求項２に記載したように、加熱装置（６、９）は、容器本体（１ａ）のうち、種結晶（２）が配置される箇所の側面と対向する位置と、該種結晶（２）が配置される箇所よりも下方である炭化珪素原料（３）が配置される箇所の側面と、該炭化珪素原料（３）が配置される箇所よりも下方であるドーパント元素が配置される箇所の側面それぞれを独立して加熱できるように構成される。
【００１１】
この場合、請求項３に記載したように、坩堝（１）の外周を囲み、高温部と低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）が備えられるようにすると好ましい。
【００１２】
このように、高温部と低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）を備えることで、よりＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）との間に温度差を発生させ易くすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、容器本体（１ａ）は、炭化珪素原料（３）を配置する主室と、ドーパント元素（４）を配置する副室とに分離されており、加熱装置（６、９）は、主室と副室とを独立して加熱するものであることを特徴としている。
【００１４】
このように、主室と副室の二つの室を構成し、主室と副室それぞれにＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）が配置されるようにしても良い。このようにすれば、よりＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）との温度制御が行い易くなり、これらの間に容易に温度差を設けることが可能となる。
【００１５】
例えば、請求項５に記載したように、容器本体（１ａ）を、底部に開口部が形成された主室を構成する第１有底円筒部材（１ａａ）と、副室を構成すると共に、第１有底円筒部材（１ａａ）の開口部を通じて気化したドーパント元素（４）を供給する第２有底円筒部材（１ａｂ）とを有した構成とすることができる。このような構成において、加熱装置（６、９）により、第１有底円筒部材（１ａａ）と第２有底円筒部材（１ａｂ）とを独立して加熱できるようにすれば良い。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、主室と副室とは、容器本体（１ａ）のうち副室を構成する部分よりも径が小さい開口部（１ａｄ、１ｄ）にて接続されており、該開口部の開口面積により、ドーパント元素（４）の供給量であるドーパント量が制御されることを特徴としている。
【００１７】
このような構成では、開口部（１ａｄ、１ｄ）を通じて気化したドーパント元素（４）が種結晶（２）側に供給されるようにできるため、開口部（１ａｄ、１ｄ）の面積を調整することでドーパント量を調整することができる。したがって、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、容器本体（１ａ）内における底部にドーパント元素（４）を配置すると共に、ドーパント元素（４）の上に炭化珪素原料（３）を配置し、さらに蓋材（１ｂ）に種結晶（２）を配置した状態で、蓋材（１ｂ）にて容器本体（１ａ）を蓋閉めする準備工程と、加熱装置（６、９）により、容器本体（１ａ）のうち炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、高温部を低温部よりも高温となるように加熱する加熱工程と、加熱によって炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共にドーパント元素（４）を気化させることで、種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴としている。
【００１９】
このように、ＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料（３）に対してドーパント元素（４）が種結晶（２）から離れた位置に配置されるようにしている。そして、ドーパント元素（４）の配置場所をＳｉＣ原料（３）の配置場所よりも低温にできるようにしている。このため、ＳｉＣ原料（３）が昇華し始めるよりも前にドーパント元素（４）が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶（５）のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶（５）を製造することができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、加熱工程では、炭化珪素原料（３）が加熱昇華する第１所定温度（Ｔｒ）に達するときに、ドーパント元素（４）が気化する第２所定温度（Ｔｄ）に達するようにすることを特徴としている。
【００２１】
このように、ＳｉＣ原料（４）が昇華温度に達するときにドーパント元素（４）が気化温度に達するようにすることで、ＳｉＣ単結晶（５）の成長開始に合せてドーパント元素（４）が気化するようにできる。これにより、成長開始からドーパント濃度のバラツキを抑制しながらＳｉＣ単結晶（５）を成長させることができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置の断面図である。
【図２】図１中の坩堝１によって結晶成長を行ったときの様子を示した拡大断面図である。
【図３】図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置の軸方向の各部とＳｉＣ単結晶５の成長中の温度との関係を説明するための図である。
【図４】第１実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図７】第３実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図９】第４実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図１１】種結晶Ｊ１の表面に形成したＳｉＣ単結晶Ｊ２のインゴットとそれに対応する成長結晶位置に対するドーパント濃度の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２５】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置の断面構成を示す。以下、図１に基づいてＳｉＣ単結晶製造装置の構成についての説明を行う。
【００２６】
図１に示すように、ＳｉＣ単結晶製造装置には、中空部を有する有底円筒状の容器本体１ａと円形状の蓋材１ｂとによって構成されたグラファイト製の坩堝１が備えられている。図２は、この坩堝１によって結晶成長を行ったときの様子を示した拡大断面図である。図２に示すように、坩堝１内には、蓋材１ｂの裏面に貼り付けられるように例えば円形状のＳｉＣの種結晶２が配置されている。また、坩堝１のうち容器本体１ａ内には、昇華ガスの供給源となるＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４が配置されている。ＳｉＣ原料粉末３としては、例えば所定の粒径とされたＳｉＣ、ＳｉとＣの混合粉末等を用いることができる。ドーパント元素４としては、ｐ型不純物となるＡｌ等やＡｌを含む材料、Ｂを含む材料、ｎ型不純物材料となるＰを含む材料などを用いることができる。
【００２７】
このような構造のＳｉＣ単結晶製造装置を用い、坩堝１内の空間のうち種結晶２とＳｉＣ原料粉末３との間を結晶成長室Ｒ１として、ＳｉＣ原料粉末３からの昇華ガスが種結晶２の表面上に再結晶化して、種結晶２の表面にＳｉＣ単結晶５を成長させる。また、このＳｉＣ単結晶５の成長中にドーパント元素４を気化させて、成長するＳｉＣ単結晶５内に取り込ませることで、ＳｉＣ単結晶５のインゴットが所望のドーパント濃度となるようにする。
【００２８】
さらに、坩堝１の外周を囲むように円筒型のヒータ６が配置されている。本実施形態では、ヒータ６は、３つに分離されている。第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２が配置される箇所の側面と対向するように配置される。第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうち種結晶２が配置される箇所よりも下方であって、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される箇所の側面と対向するように配置される。第３ヒータ６ｃは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される箇所よりも下方であって、坩堝１のうちドーパント元素４が配置される箇所の側面と対向するように配置されている。
【００２９】
さらに、ヒータ６の外周を囲み、かつ、ヒータ６および坩堝１を上下から囲むように、黒鉛製の中空円柱形状の断熱部材７が配置されている。この断熱部材７の内部空間のうちヒータ６および坩堝１を囲んでいる空間がガス流動室Ｒ２となる。
【００３０】
断熱部材７は複数の部品にて構成されている。具体的には、坩堝１やヒータ６の外周を囲む外周部７ａと、坩堝１やヒータ６の上方を塞ぐ蓋部７ｂと、例えばカーボンなどの土台とする板を介して坩堝１を載せる台座部７ｃと、台座部７ｃの外周を囲むように配置され、坩堝１やヒータ６の下方を塞ぐ底部７ｄと、底部７ｄよりも坩堝１側に配置され、台座部７ｃの周囲を囲みつつ外周部７ａの内壁に形成された凹部内に嵌め込まれた環状部７ｅとを備えて構成されている。台座部７ｃは坩堝１を載せた状態で回転可能に構成されていると共に坩堝１の軸方向に沿って上下移動可能に構成されており、結晶成長中に台座部７ｃを回転もしくは上下移動させることにより、坩堝１も回転もしくは上下移動させられる構造となっている。なお、断熱部材７を構成する各部７ａ〜７ｅの厚みや坩堝１との距離（隙間）に関しては、適宜調整可能であるが、坩堝１の形状、坩堝１の内部構造、結晶成長時のヒータ６の温度（ヒータ内の温度分布）等によって最適な形状を選択すると好ましい。
【００３１】
そして、坩堝１、ヒータ６および断熱部材７を含めて、これら全体が絶縁材料である石英管８に取り囲まれるように収容されている。この石英管８の外周には高周波駆動される誘導コイル９が配置されており、これに高周波の電流を流すことにより、坩堝１の外周に配置されたヒータ６の誘導加熱を行うが、この誘導加熱の際に、石英管８にて誘導コイル９と坩堝１、ヒータ６および断熱部材７が絶縁できる。
【００３２】
誘導コイル９は、ヒータ６と対応した構成とされており、本実施形態ではこれらヒータ６および誘導コイル９により加熱装置が構成されている。具体的には、誘導コイル９は、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃを有した構成とされ、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃにより第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃをそれぞれ独立して加熱できる構成とされている。このため、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃにより発生させられる温度を独立して制御できる。なお、第１〜３ヒータ６ａ〜６ｃのいずれかもしくは複数の加熱には、誘導コイル９を用いずに、図には示していないが外部から電流導入端子を通じて直接電流を流すことで温度を独立して制御することも出来る。
【００３３】
また、これら坩堝１、ヒータ６、断熱部材７、石英管８および誘導コイル９は、外部チャンバ１０に収容されている。この外部チャンバ１０と石英管８との間に形成される部屋がガス導入室Ｒ３となる。そして、外部チャンバ１０内には、石英管８内に雰囲気ガスとして例えば不活性ガス（Ａｒガス等）や水素、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを導入できるようにガス導入管１１が設けられていると共に、混成ガスを排出できるように排気配管１２が備えられている。排気配管１２は、断熱部材７の蓋部７ｂおよび石英管８を貫通してガス流動室Ｒ２と外部チャンバ１０の外部とを連通させるように形成されている。なお、ガス導入管１１の位置は任意に決められるが、排気配管１２の位置と反対側、つまり排気配管１２がガス流動室Ｒ２の上方位置に設けられているのであれば、ガス導入管１１がガス流動室Ｒ２の下方からガスを導入できるように、ガス導入室Ｒ３の下方位置に設けるようにすると好ましい。
【００３４】
さらに、断熱部材７および石英管８を貫通してガス導入室Ｒ３とガス流動室Ｒ２とを連通させるように、複数個の孔１３が形成されている。孔１３は、断熱部材７の外周部７ａや蓋部７ｂに形成され、それぞれ異なる高さ（坩堝１の軸方向に沿って異なる位置）に配置されている。具体的には、孔１３ａは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置される位置の側面と対応する場所に形成されており、孔１３ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される位置の側面と対応する場所に形成されており、孔１３ｃは、坩堝１の側面におけるＳｉＣ原料粉末３と種結晶２との間、つまり結晶成長室Ｒ１と対応する場所に形成されている。孔１３ｄ〜１３ｆは、第１〜第３ヒータ９ａ〜９ｃと対応する場所に形成されている。また、孔１３ｇは、断熱部材７の蓋部７ｂに形成され、坩堝１の蓋材１ｂの中央位置、つまり種結晶２の裏面側と対応する位置に形成されている。なお、各孔１３ａ〜１３ｇだけでも良いが、各孔１３ａ〜１３ｇの内側にアルミナ、カーボンなどで作製した筒を通しておくと好ましい。
【００３５】
そして、各孔１３ａ〜１３ｇを通じて坩堝１の各部やヒータ６の温度を測定する温度検出部としての放射温度計１４ａ〜１４ｇが外部チャンバ１０の外側に配置されている。ただし、坩堝１の側面の測温に関しては、孔１３ａ〜１３ｃから坩堝１に至るまでの間にヒータ６があるため、ヒータ６に対して穴空けしたり、ヒータ６の隙間と孔１３ｃが一致するように位置合わせをしてある。このような構造により、ＳｉＣ単結晶製造装置が構成されている。
【００３６】
なお、ヒータ６の長さ（坩堝１の軸方向に沿った長さ）、厚み、内径および後述する誘導コイル９を駆動する際の周波数等に関しては特に説明していないが、種結晶２の温度よりもＳｉＣ原料粉末３の温度を高くすることや、ＳｉＣ原料粉末３よりもドーパント元素４の温度を低くすること、および、坩堝１の内部の温度分布の制御性を考慮して適宜設定することになる。
【００３７】
このような構造のＳｉＣ単結晶製造装置を用い、坩堝１内の空間のうち種結晶２とＳｉＣ原料粉末３との間を結晶成長室Ｒ１として、ＳｉＣ原料粉末３からの昇華ガスが種結晶２の表面上に再結晶化して、種結晶２の表面にＳｉＣ単結晶５が成長させる。また、このＳｉＣ単結晶５の成長中にドーパント元素４を気化させて、成長するＳｉＣ単結晶５内に取り込ませることで、ＳｉＣ単結晶５のインゴットが所望のドーパント濃度となるようにする。
【００３８】
以下、この本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置によるＳｉＣ単結晶５の製造方法の詳細について説明する。図３は、図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置の軸方向の各部とＳｉＣ単結晶５の成長中の温度との関係を説明するための図であり、（ａ）はＳｉＣ単結晶製造装置の断面図、（ｂ）は、ＳｉＣ単結晶５を成長させるときの（ａ）に示すＳｉＣ単結晶製造装置の各位置と温度との関係を示すグラフ、（ｃ）は、（ｂ）に示す領域Ａ、Ｂの温度に至るまでに掛ける時間を示したタイミングチャートである。これらの図を参照して、ＳｉＣ単結晶５の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、容器本体１ａ内にドーパント元素４を配置した後、ドーパント元素４の上にＳｉＣ原料粉末３を配置する。そして、蓋材１ｂに種結晶２を貼り付けたのち、種結晶２が貼り付けられた蓋材１ｂによって容器本体１ａの開口部を蓋閉めする（準備工程）。そして、坩堝１をアルゴンガスが導入できる真空容器内に設置した後、図示しない排気機構を用いて、排気配管１２を通じたガス排出を行うことで、坩堝１内を含めた外部チャンバ１０内を真空にすると共に、誘導コイル９に通電することでヒータ６を誘導加熱し、その輻射熱により坩堝１を加熱することで坩堝１内を所定温度にする（加熱工程）。
【００４０】
また、ガス導入管１１を通じて、例えば不活性ガス（Ａｒガス等）や水素、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを流入させる。そして、石英管８の内部を所定圧に保ちつつ、種結晶２の表面の温度やＳｉＣ原料粉末３の温度を目標温度まで上昇させる。このとき、各誘導コイル９への通電の周波数もしくはパワーを異ならせることにより、ヒータ６で温度差が発生させられる加熱を行えるようにしている。
【００４１】
具体的には、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量もしくは電流周波数を調整し、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃをそれぞれ個別に制御することにより、図３（ｂ）に示すように、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、領域Ａで示したＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにする。
【００４２】
温度Ｔｓ、Ｔｒ、Ｔｄの関係は、Ｔｄ＜Ｔｓ＜Ｔｒとされており、温度ＴｓがＳｉＣ単結晶５の成長温度、温度ＴｒがＳｉＣ昇華温度、温度Ｔｄがドーパント元素４の気化温度である。例えば、温度Ｔｒは２１００〜２３００℃とされ、温度Ｔｓは温度Ｔｓよりも１０〜１００℃程度低温とされる。また、温度Ｔｄは、ドーパント元素４を構成する材料および要求されるドーパント濃度によって変わるが、例えば７００〜１５００℃とされる。
【００４３】
また、図３（ｃ）に示すように、領域Ａで示したＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達する時間と、領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄに達する時間が一致するように第２、第３ヒータ６ｂ、６ｃへの通電量を制御する。具体的には、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達するとＳｉＣ原料粉末３の昇華されてＳｉＣ単結晶５の成長が開始されるため、この成長開始時間に合せて領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄに達するようにしている。ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の加熱開始タイミングは必ずしも一致させる必要はないため、例えば図３（ｃ）中に破線で示したように、これらの加熱開始タイミングをずらして、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達する時間とドーパント元素４が温度Ｔｄに達する時間が一致するようにしても良い。
【００４４】
すなわち、孔１３ａ〜１３ｃを通じて坩堝１の側面のうちドーパント元素４やＳｉＣ原料粉末３が配置された部位、および、結晶成長室Ｒ１と対応する部位を放射温度計１４ａ〜１４ｃにて測温すると共に、孔１３ｄ〜１３ｆを通じて第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃを放射温度計１４ｄ〜１４ｆにて測温し、さらに孔１３ｇを通じて坩堝１の上面を放射温度計１４ｇにて測温することで、各部の温度が所望温度となるようにする。この測温により、結晶成長室Ｒ１やＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４がそれぞれ温度Ｔｓ、Ｔｒ、Ｔｄとなるように、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの通電量を調整して第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの温度を制御している。このとき、坩堝１の測温だけでなく、ヒータ６の測温も行うことができるため、より正確に坩堝１の内部の温度を調整することが可能となる。
【００４５】
また、ガス導入管１１を通じて雰囲気ガスを導入しているため、この雰囲気ガスがガス導入室Ｒ３から各孔１３ａ〜１３ｆを通じてガス流動室Ｒ２内に流動していったのち、孔１３ｇおよび排気配管１２を通じて排出されることになる。結晶成長中に坩堝１から原料ガスが洩れてくることになるが、この場合にもガス流動室Ｒ２から排気配管１２側に向かう雰囲気ガスの流れがあるため、原料ガスが各孔１３ａ〜１３ｆ側に行くことは殆どなく、結晶析出によって各孔１３ａ〜１３ｆが塞がれてしまうということもない。
【００４６】
このような条件によりＳｉＣ単結晶５を結晶成長させると、ドーパント元素４の温度がＳｉＣ原料粉末３の温度よりも低くなるようにできる。このため、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができる。特に、ＳｉＣ原料粉末３が昇華温度に達するときにドーパント元素４が気化温度に達するようにすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長開始に合せてドーパント元素４が気化するようにできる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制しながらＳｉＣ単結晶５を成長させることができる（成長工程）。
【００４７】
以上説明したように、ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料粉末３に対してドーパント元素４が種結晶２から離れた位置に配置されるようにしている。そして、ドーパント元素４の配置場所をＳｉＣ原料粉末３の配置場所よりも低温にできる構成としている。このため、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶５のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶５を製造することができる。
【００４８】
なお、ここでは、ヒータ６および誘導コイル９を共に３つずつ備える場合について説明したが、誘導コイル９を１つにしても良い。すなわち、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、上記の温度勾配を設けることができる。また、誘導コイル９の巻回数や太さを一定としても、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの厚みを厚くするなど、ヒータ形状を異ならせることで上記の温度分布を設けることができる。このため、誘導コイル９を１つのみとしても良い。
【００４９】
また、本実施形態では、誘導加熱方式のＳｉＣ単結晶製造装置について説明したが、コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃと対応する場所に、第１〜第３加熱用コイルを配置し、各加熱用コイルへの通電量を制御することで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００５０】
（第１実施形態の変形例）
上記した第１実施形態のようにヒータ６を第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃとする場合において、図４に示すように、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に断熱部材７として仕切壁７ｆを備えるようにしても良い。つまり、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとによって加熱するＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との間に大きな温度差を発生させたいため、より温度差が発生させられ易い構造とするのが好ましい。このため、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に仕切壁７ｆを備えることで、よりＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との間に温度差を発生させ易くすることができる。
【００５１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してヒータ６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５２】
図５は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、１つのヒータ６として温度分布を形成することもできる。すなわち、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電を行ったときに、ヒータ６が単一構造であっても、各誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量を調整することにより、ヒータ６内において温度分布を設けることができる。また、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃのコイル形状を変更すれば、より温度分布を設け易くなり、例えば、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。さらに、ヒータ６の厚み等の形状を坩堝１の中心軸方向において変化させ、例えば、高い温度にしたい場所ほど厚みを厚くすることで、より温度分布を設け易くすることができる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、ここでは、ヒータ６を単一構成とし、誘導コイル９については第１〜第３コイル９ａ〜９ｃの３つを備える場合について説明したが、誘導コイル９についても１つにしても良い。すなわち、上記したように、誘導コイル９を１つとしても、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。このため、ヒータ６および誘導コイル９を共に１つにしても、上記効果を得ることができる。
【００５４】
また、本実施形態でも、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、ヒータ６と対応する場所に、単一構成の加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００５５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してヒータ６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５６】
図６は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、ヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つとして温度分布を形成することもできる。本実施形態では、第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されている。また、誘導コイル９についても、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応した位置に配置されるものとし、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂを個別に加熱できる構成とされている。
【００５７】
このように、ヒータ６が２つであっても、各誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量を調整することにより、ヒータ６内において温度分布を設けることができる。また、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃのコイル形状を変更すれば、より温度分布を設け易くなり、例えば、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。さらに、ヒータ６の厚み等の形状を坩堝１の中心軸方向において変化させ、例えば、高い温度にしたい場所ほど厚みを厚くすることで、より温度分布を設け易くすることができる。
【００５８】
なお、ここでは、ヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つとし、誘導コイル９を第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの３つを備える場合について説明したが、誘導コイル９についても２つまたは１つにしても良い。すなわち、上記したように、誘導コイル９を２つまたは１つとしても、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。このため、ヒータ６および誘導コイル９を共に２つにしても、誘導コイル９を１つにしても、上記効果を得ることができる。
【００５９】
また、本実施形態でも、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応する場所に、加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００６０】
（第３実施形態の変形例）
上記した第３実施形態のようにヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂとする場合において、図７に示すように、第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２およびＳｉＣ原料粉末３が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されるようにしても良い。
【００６１】
このような構造とする場合でも、誘導コイル９を第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの３つ備える構成としても良いし、誘導コイル９を２つまたは１つにしても良い。誘導コイル９を２つまたは１つとする場合には、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。
【００６２】
また、このような変形例についても、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応する場所に、加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００６３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して坩堝１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６４】
図８は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、坩堝１の容器本体１ａを２つの室に分離した構造とし、一方の主室内にＳｉＣ原料粉末３が配置され、もう一方の副室内にドーパント元素４が配置された構造としている。具体的には、容器本体１ａは、中央に開口部が形成された第１有底円筒部材１ａａと、その開口部から先端部が突出させられた第２有底円筒部材１ａｂとによって構成されており、第２有底円筒部材１ａｂ内にドーパント元素４が配置され、第１有底円筒部材１ａａのうち第２有底円筒部材１ａｂよりも外側の部分にＳｉＣ原料粉末３が配置される。
【００６５】
また、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第３ヒータ６ｃは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されている。
【００６６】
このように、容器本体１ａを第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂに分けることで二つの室を構成し、主室と副室それぞれにＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４が配置されるようにしても良い。このようにすれば、第１実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、よりＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との温度制御を行い易くなり、これらの間に容易に温度差を設けることが可能となる。
【００６７】
なお、ここでも、第１実施形態と同様に、ヒータ６および誘導コイル９を共に３つずつ備える場合だけでなく、誘導コイル９を１つにしても良い。この場合も、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、上記の温度勾配を設けることができるが、第２有底円筒部材１ａｂから第３ヒータ６ｃまでの距離が第１有底円筒部材１ａａら第２ヒータ６ｂまでの距離よりも長くなっているため、その関係だけでも上記の温度勾配を設けることができる。また、誘導コイル９の巻回数や太さを一定としても、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの厚みを厚くするなど、ヒータ形状を異ならせることで上記の温度分布を設けることもできる。このため、誘導コイル９を１つのみとしても良い。
【００６８】
勿論、本実施形態のような構造のＳｉＣ単結晶製造装置においても、コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。
【００６９】
（第４実施形態の変形例）
上記した第４実施形態では、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂが連結された構造について説明したが、図９に示すように、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂの間に、第３管状部材１ａｃを備え、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂが第３管状部材１ａｃの開口部１ａｄを介して接続された構造とすることもできる。この場合、第３管状部材１ａｃが第１有底円筒部材１ａａの開口部内に嵌め込まれると共に、第２有底円筒部材１ａｂの開口部に嵌め込まれ、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂによって構成される各室が第３管状部材１ａｃの開口部１ａｄを介して繋がる構造となる。また、ＳｉＣ原料粉末３は、第１有底円筒部材１ａａのうち第３管状部材１ａｃよりも外側の部分に配置される。
【００７０】
このような構造とする場合、第３管状部材１ａｃの中空部を通じてドーパント元素４が種結晶２側に供給されることになるため、中空部の径を調整することにより、ドーパント量を調整できる。したがって、第４実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００７１】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して坩堝１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７２】
図１０は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、坩堝１の容器本体１ａに仕切壁１ｃを備えることにより、容器本体１ａ内をＳｉＣ原料粉末３が配置される主室とドーパント元素４が配置される副室とに分離する構造としている。仕切壁１ｃの中央位置には、容器本体１aのうち副室を構成する部分よりも径が小さな開口部１ｄが形成されている。この開口部１ｄ内を気化したドーパント元素４が通過させられるようになっており、この開口部１ｄおよびＳｉＣ原料粉末３を通じてドーパント元素４が種結晶２の表面に供給される。例えば、本実施形態のような構造の坩堝１については、２つの同径の有底円筒部材を上下に重ね、上側の有底円筒部材の底部を仕切壁１ｃにすると共に、その底部の中央位置に開口部１ｄを形成しておくことで、構成することができる。
【００７３】
このような構造の坩堝１を用いることで、開口部１ｄを通じて気化したドーパント元素４が種結晶２側に供給されるようにできるため、開口部１ｄの面積を調整することでドーパント量を調整することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００７４】
（他の実施形態）
上記各実施形態に示したＳｉＣ単結晶製造装置の具体的な構造は、単なる一例であり、形状や材質などについて適宜変更することができる。例えば、坩堝１の蓋材１ｂに直接種結晶２を貼り付ける構造としているが、台座などを介して貼り付けても良い。また、坩堝１を構成する容器本体１ａを１部材で構成する必要はなく、複数部材で構成しても良い。
【００７５】
また、上記したように、上記各実施形態すべてについて、誘導加熱方式や直接加熱方式の双方に対して本発明が適用できる。誘導加熱方式の場合には、ヒータ６および誘導コイル９が加熱装置を構成し、直接加熱方式の場合には加熱用コイルが加熱装置を構成することになる。いずれの方式であっても、容器本体１ａのうちＳｉＣ原料粉末３を配置する領域Ａの方がドーパント元素４を配置する領域Ｂよりも高温となるように加熱装置が構成されていれば良い。
【００７６】
さらに、第１実施形態の変形例として、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に断熱部材７として仕切壁７ｆを備える場合について説明した。しかしながら、第１実施形態に限らず、他の実施形態（具体的には図７〜図９の構造）にＳｉＣ原料粉末３が配置される高温部とドーパント元素４が配置される低温部とを断熱するように仕切壁７ｆが備えられるようにしても良い。
【００７７】
また、第４実施形態やその変形例で示したように第１有底円筒部材１ａａと第２有底円筒部材１ａｂとを有し、これらそれぞれを加熱装置で加熱できる構造とする場合において、第１有底円筒部材１ａａを第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つで加熱し、第２有底円筒部材１ａｂを第３ヒータ６ｃで加熱するようにしている。この構造についても、第１有底円筒部材１ａａを第１ヒータ６ａのみで加熱し、第２有底円筒部材１ａｂを第２ヒータ６ｂで加熱するような構造とすることもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 坩堝
１ａ 容器本体
１ａａ 有底円筒部材
１ａｂ 有底円筒部材
１ａｃ 管状部材
１ａｄ 開口部
１ｂ 蓋材
１ｃ 仕切壁
１ｄ 開口部
２ 種結晶
３ ＳｉＣ原料粉末
４ ドーパント元素
５ ＳｉＣ単結晶
６ ヒータ
７ 断熱部材
９ 誘導コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶の製造装置および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＳｉＣ単結晶製造装置として、例えば特許文献１に示される構造の製造装置が提案されている。このＳｉＣ単結晶製造装置では、黒鉛製の坩堝の下部にＳｉＣ原料粉末を設置すると共に、坩堝の蓋部に炭化珪素単結晶の種結晶を配置し、ＳｉＣ原料粉末が設置された坩堝の下部を加熱することでＳｉＣ原料粉末を昇華させ、種結晶に導くことで種結晶表面にＳｉＣ単結晶を成長させる。
【０００３】
このようにＳｉＣ単結晶を成長させる際に、坩堝の下部におけるＳｉＣ原料粉末の設置位置に蒸気圧の高いドーパント元素を原料として導入すると、成長するＳｉＣ単結晶中にドーパント元素が取り込まれ、所望のドーパント濃度を有するＳｉＣ単結晶を成長させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＳｉＣが昇華し始めるよりも前の昇温中にドーパント元素が先に気化し切ってしまい、成長させたＳｉＣ単結晶のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析する又はドーピングされないという問題がある。
【０００６】
これについて調べたところ、次のような結果となった。図１１は、種結晶Ｊ１の表面に形成したＳｉＣ単結晶Ｊ２のインゴットとそれに対応する成長結晶位置に対するドーパント濃度の関係を示してある。この図に示されるように、種結晶Ｊ１の表面にＳｉＣ単結晶Ｊ２が成長させられるが、ＳｉＣ単結晶Ｊ２の成長初期においてドーパント濃度が大きく、その後、徐々にドーパント濃度が低下していることが判る。このようにドーパント濃度に大きなバラツキが発生すると、期待するドーパント濃度のＳｉＣ単結晶を得ることができない。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、ドーパント濃度のバラツキを抑制できる炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、容器本体（１ａ）のうち炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、高温部を低温部よりも高温とする加熱を行う加熱装置（６、９）が備えられていることを特徴としている。
【０００９】
このように、ドーパント元素（４）の配置場所をＳｉＣ原料（３）の配置場所よりも低温にできるようにしている。このため、ＳｉＣ原料（３）が昇華し始めるよりも前にドーパント元素（４）が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶（５）のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶（５）を製造することができる。
【００１０】
具体的には、請求項２に記載したように、加熱装置（６、９）は、容器本体（１ａ）のうち、種結晶（２）が配置される箇所の側面と対向する位置と、該種結晶（２）が配置される箇所よりも下方である炭化珪素原料（３）が配置される箇所の側面と、該炭化珪素原料（３）が配置される箇所よりも下方であるドーパント元素が配置される箇所の側面それぞれを独立して加熱できるように構成される。
【００１１】
この場合、請求項３に記載したように、坩堝（１）の外周を囲み、高温部と低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）が備えられるようにすると好ましい。
【００１２】
このように、高温部と低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）を備えることで、よりＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）との間に温度差を発生させ易くすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、容器本体（１ａ）は、炭化珪素原料（３）を配置する主室と、ドーパント元素（４）を配置する副室とに分離されており、加熱装置（６、９）は、主室と副室とを独立して加熱するものであることを特徴としている。
【００１４】
このように、主室と副室の二つの室を構成し、主室と副室それぞれにＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）が配置されるようにしても良い。このようにすれば、よりＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）との温度制御が行い易くなり、これらの間に容易に温度差を設けることが可能となる。
【００１５】
例えば、請求項５に記載したように、容器本体（１ａ）を、底部に開口部が形成された主室を構成する第１有底円筒部材（１ａａ）と、副室を構成すると共に、第１有底円筒部材（１ａａ）の開口部を通じて気化したドーパント元素（４）を供給する第２有底円筒部材（１ａｂ）とを有した構成とすることができる。このような構成において、加熱装置（６、９）により、第１有底円筒部材（１ａａ）と第２有底円筒部材（１ａｂ）とを独立して加熱できるようにすれば良い。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、主室と副室とは、容器本体（１ａ）のうち副室を構成する部分よりも径が小さい開口部（１ａｄ、１ｄ）にて接続されており、該開口部の開口面積により、ドーパント元素（４）の供給量であるドーパント量が制御されることを特徴としている。
【００１７】
このような構成では、開口部（１ａｄ、１ｄ）を通じて気化したドーパント元素（４）が種結晶（２）側に供給されるようにできるため、開口部（１ａｄ、１ｄ）の面積を調整することでドーパント量を調整することができる。したがって、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、容器本体（１ａ）内における底部にドーパント元素（４）を配置すると共に、ドーパント元素（４）の上に炭化珪素原料（３）を配置し、さらに蓋材（１ｂ）に種結晶（２）を配置した状態で、蓋材（１ｂ）にて容器本体（１ａ）を蓋閉めする準備工程と、加熱装置（６、９）により、容器本体（１ａ）のうち炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、高温部を低温部よりも高温となるように加熱する加熱工程と、加熱によって炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共にドーパント元素（４）を気化させることで、種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴としている。
【００１９】
このように、ＳｉＣ原料（３）とドーパント元素（４）の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料（３）に対してドーパント元素（４）が種結晶（２）から離れた位置に配置されるようにしている。そして、ドーパント元素（４）の配置場所をＳｉＣ原料（３）の配置場所よりも低温にできるようにしている。このため、ＳｉＣ原料（３）が昇華し始めるよりも前にドーパント元素（４）が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶（５）のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶（５）を製造することができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、加熱工程では、炭化珪素原料（３）が加熱昇華する第１所定温度（Ｔｒ）に達するときに、ドーパント元素（４）が気化する第２所定温度（Ｔｄ）に達するようにすることを特徴としている。
【００２１】
このように、ＳｉＣ原料（４）が昇華温度に達するときにドーパント元素（４）が気化温度に達するようにすることで、ＳｉＣ単結晶（５）の成長開始に合せてドーパント元素（４）が気化するようにできる。これにより、成長開始からドーパント濃度のバラツキを抑制しながらＳｉＣ単結晶（５）を成長させることができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置の断面図である。
【図２】図１中の坩堝１によって結晶成長を行ったときの様子を示した拡大断面図である。
【図３】図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置の軸方向の各部とＳｉＣ単結晶５の成長中の温度との関係を説明するための図である。
【図４】第１実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図７】第３実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図９】第４実施形態の変形例で示すＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。
【図１１】種結晶Ｊ１の表面に形成したＳｉＣ単結晶Ｊ２のインゴットとそれに対応する成長結晶位置に対するドーパント濃度の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２５】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置の断面構成を示す。以下、図１に基づいてＳｉＣ単結晶製造装置の構成についての説明を行う。
【００２６】
図１に示すように、ＳｉＣ単結晶製造装置には、中空部を有する有底円筒状の容器本体１ａと円形状の蓋材１ｂとによって構成されたグラファイト製の坩堝１が備えられている。図２は、この坩堝１によって結晶成長を行ったときの様子を示した拡大断面図である。図２に示すように、坩堝１内には、蓋材１ｂの裏面に貼り付けられるように例えば円形状のＳｉＣの種結晶２が配置されている。また、坩堝１のうち容器本体１ａ内には、昇華ガスの供給源となるＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４が配置されている。ＳｉＣ原料粉末３としては、例えば所定の粒径とされたＳｉＣ、ＳｉとＣの混合粉末等を用いることができる。ドーパント元素４としては、ｐ型不純物となるＡｌ等やＡｌを含む材料、Ｂを含む材料、ｎ型不純物材料となるＰを含む材料などを用いることができる。
【００２７】
このような構造のＳｉＣ単結晶製造装置を用い、坩堝１内の空間のうち種結晶２とＳｉＣ原料粉末３との間を結晶成長室Ｒ１として、ＳｉＣ原料粉末３からの昇華ガスが種結晶２の表面上に再結晶化して、種結晶２の表面にＳｉＣ単結晶５を成長させる。また、このＳｉＣ単結晶５の成長中にドーパント元素４を気化させて、成長するＳｉＣ単結晶５内に取り込ませることで、ＳｉＣ単結晶５のインゴットが所望のドーパント濃度となるようにする。
【００２８】
さらに、坩堝１の外周を囲むように円筒型のヒータ６が配置されている。本実施形態では、ヒータ６は、３つに分離されている。第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２が配置される箇所の側面と対向するように配置される。第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうち種結晶２が配置される箇所よりも下方であって、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される箇所の側面と対向するように配置される。第３ヒータ６ｃは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される箇所よりも下方であって、坩堝１のうちドーパント元素４が配置される箇所の側面と対向するように配置されている。
【００２９】
さらに、ヒータ６の外周を囲み、かつ、ヒータ６および坩堝１を上下から囲むように、黒鉛製の中空円柱形状の断熱部材７が配置されている。この断熱部材７の内部空間のうちヒータ６および坩堝１を囲んでいる空間がガス流動室Ｒ２となる。
【００３０】
断熱部材７は複数の部品にて構成されている。具体的には、坩堝１やヒータ６の外周を囲む外周部７ａと、坩堝１やヒータ６の上方を塞ぐ蓋部７ｂと、例えばカーボンなどの土台とする板を介して坩堝１を載せる台座部７ｃと、台座部７ｃの外周を囲むように配置され、坩堝１やヒータ６の下方を塞ぐ底部７ｄと、底部７ｄよりも坩堝１側に配置され、台座部７ｃの周囲を囲みつつ外周部７ａの内壁に形成された凹部内に嵌め込まれた環状部７ｅとを備えて構成されている。台座部７ｃは坩堝１を載せた状態で回転可能に構成されていると共に坩堝１の軸方向に沿って上下移動可能に構成されており、結晶成長中に台座部７ｃを回転もしくは上下移動させることにより、坩堝１も回転もしくは上下移動させられる構造となっている。なお、断熱部材７を構成する各部７ａ〜７ｅの厚みや坩堝１との距離（隙間）に関しては、適宜調整可能であるが、坩堝１の形状、坩堝１の内部構造、結晶成長時のヒータ６の温度（ヒータ内の温度分布）等によって最適な形状を選択すると好ましい。
【００３１】
そして、坩堝１、ヒータ６および断熱部材７を含めて、これら全体が絶縁材料である石英管８に取り囲まれるように収容されている。この石英管８の外周には高周波駆動される誘導コイル９が配置されており、これに高周波の電流を流すことにより、坩堝１の外周に配置されたヒータ６の誘導加熱を行うが、この誘導加熱の際に、石英管８にて誘導コイル９と坩堝１、ヒータ６および断熱部材７が絶縁できる。
【００３２】
誘導コイル９は、ヒータ６と対応した構成とされており、本実施形態ではこれらヒータ６および誘導コイル９により加熱装置が構成されている。具体的には、誘導コイル９は、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃを有した構成とされ、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃにより第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃをそれぞれ独立して加熱できる構成とされている。このため、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃにより発生させられる温度を独立して制御できる。なお、第１〜３ヒータ６ａ〜６ｃのいずれかもしくは複数の加熱には、誘導コイル９を用いずに、図には示していないが外部から電流導入端子を通じて直接電流を流すことで温度を独立して制御することも出来る。
【００３３】
また、これら坩堝１、ヒータ６、断熱部材７、石英管８および誘導コイル９は、外部チャンバ１０に収容されている。この外部チャンバ１０と石英管８との間に形成される部屋がガス導入室Ｒ３となる。そして、外部チャンバ１０内には、石英管８内に雰囲気ガスとして例えば不活性ガス（Ａｒガス等）や水素、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを導入できるようにガス導入管１１が設けられていると共に、混成ガスを排出できるように排気配管１２が備えられている。排気配管１２は、断熱部材７の蓋部７ｂおよび石英管８を貫通してガス流動室Ｒ２と外部チャンバ１０の外部とを連通させるように形成されている。なお、ガス導入管１１の位置は任意に決められるが、排気配管１２の位置と反対側、つまり排気配管１２がガス流動室Ｒ２の上方位置に設けられているのであれば、ガス導入管１１がガス流動室Ｒ２の下方からガスを導入できるように、ガス導入室Ｒ３の下方位置に設けるようにすると好ましい。
【００３４】
さらに、断熱部材７および石英管８を貫通してガス導入室Ｒ３とガス流動室Ｒ２とを連通させるように、複数個の孔１３が形成されている。孔１３は、断熱部材７の外周部７ａや蓋部７ｂに形成され、それぞれ異なる高さ（坩堝１の軸方向に沿って異なる位置）に配置されている。具体的には、孔１３ａは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置される位置の側面と対応する場所に形成されており、孔１３ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置される位置の側面と対応する場所に形成されており、孔１３ｃは、坩堝１の側面におけるＳｉＣ原料粉末３と種結晶２との間、つまり結晶成長室Ｒ１と対応する場所に形成されている。孔１３ｄ〜１３ｆは、第１〜第３ヒータ９ａ〜９ｃと対応する場所に形成されている。また、孔１３ｇは、断熱部材７の蓋部７ｂに形成され、坩堝１の蓋材１ｂの中央位置、つまり種結晶２の裏面側と対応する位置に形成されている。なお、各孔１３ａ〜１３ｇだけでも良いが、各孔１３ａ〜１３ｇの内側にアルミナ、カーボンなどで作製した筒を通しておくと好ましい。
【００３５】
そして、各孔１３ａ〜１３ｇを通じて坩堝１の各部やヒータ６の温度を測定する温度検出部としての放射温度計１４ａ〜１４ｇが外部チャンバ１０の外側に配置されている。ただし、坩堝１の側面の測温に関しては、孔１３ａ〜１３ｃから坩堝１に至るまでの間にヒータ６があるため、ヒータ６に対して穴空けしたり、ヒータ６の隙間と孔１３ｃが一致するように位置合わせをしてある。このような構造により、ＳｉＣ単結晶製造装置が構成されている。
【００３６】
なお、ヒータ６の長さ（坩堝１の軸方向に沿った長さ）、厚み、内径および後述する誘導コイル９を駆動する際の周波数等に関しては特に説明していないが、種結晶２の温度よりもＳｉＣ原料粉末３の温度を高くすることや、ＳｉＣ原料粉末３よりもドーパント元素４の温度を低くすること、および、坩堝１の内部の温度分布の制御性を考慮して適宜設定することになる。
【００３７】
このような構造のＳｉＣ単結晶製造装置を用い、坩堝１内の空間のうち種結晶２とＳｉＣ原料粉末３との間を結晶成長室Ｒ１として、ＳｉＣ原料粉末３からの昇華ガスが種結晶２の表面上に再結晶化して、種結晶２の表面にＳｉＣ単結晶５が成長させる。また、このＳｉＣ単結晶５の成長中にドーパント元素４を気化させて、成長するＳｉＣ単結晶５内に取り込ませることで、ＳｉＣ単結晶５のインゴットが所望のドーパント濃度となるようにする。
【００３８】
以下、この本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置によるＳｉＣ単結晶５の製造方法の詳細について説明する。図３は、図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置の軸方向の各部とＳｉＣ単結晶５の成長中の温度との関係を説明するための図であり、（ａ）はＳｉＣ単結晶製造装置の断面図、（ｂ）は、ＳｉＣ単結晶５を成長させるときの（ａ）に示すＳｉＣ単結晶製造装置の各位置と温度との関係を示すグラフ、（ｃ）は、（ｂ）に示す領域Ａ、Ｂの温度に至るまでに掛ける時間を示したタイミングチャートである。これらの図を参照して、ＳｉＣ単結晶５の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、容器本体１ａ内にドーパント元素４を配置した後、ドーパント元素４の上にＳｉＣ原料粉末３を配置する。そして、蓋材１ｂに種結晶２を貼り付けたのち、種結晶２が貼り付けられた蓋材１ｂによって容器本体１ａの開口部を蓋閉めする（準備工程）。そして、坩堝１をアルゴンガスが導入できる真空容器内に設置した後、図示しない排気機構を用いて、排気配管１２を通じたガス排出を行うことで、坩堝１内を含めた外部チャンバ１０内を真空にすると共に、誘導コイル９に通電することでヒータ６を誘導加熱し、その輻射熱により坩堝１を加熱することで坩堝１内を所定温度にする（加熱工程）。
【００４０】
また、ガス導入管１１を通じて、例えば不活性ガス（Ａｒガス等）や水素、結晶へのドーパントとなる窒素などの混入ガスを流入させる。そして、石英管８の内部を所定圧に保ちつつ、種結晶２の表面の温度やＳｉＣ原料粉末３の温度を目標温度まで上昇させる。このとき、各誘導コイル９への通電の周波数もしくはパワーを異ならせることにより、ヒータ６で温度差が発生させられる加熱を行えるようにしている。
【００４１】
具体的には、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量もしくは電流周波数を調整し、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃをそれぞれ個別に制御することにより、図３（ｂ）に示すように、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、領域Ａで示したＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにする。
【００４２】
温度Ｔｓ、Ｔｒ、Ｔｄの関係は、Ｔｄ＜Ｔｓ＜Ｔｒとされており、温度ＴｓがＳｉＣ単結晶５の成長温度、温度ＴｒがＳｉＣ昇華温度、温度Ｔｄがドーパント元素４の気化温度である。例えば、温度Ｔｒは２１００〜２３００℃とされ、温度Ｔｓは温度Ｔｓよりも１０〜１００℃程度低温とされる。また、温度Ｔｄは、ドーパント元素４を構成する材料および要求されるドーパント濃度によって変わるが、例えば７００〜１５００℃とされる。
【００４３】
また、図３（ｃ）に示すように、領域Ａで示したＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達する時間と、領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄに達する時間が一致するように第２、第３ヒータ６ｂ、６ｃへの通電量を制御する。具体的には、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達するとＳｉＣ原料粉末３の昇華されてＳｉＣ単結晶５の成長が開始されるため、この成長開始時間に合せて領域Ｂで示したドーパント元素４が温度Ｔｄに達するようにしている。ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の加熱開始タイミングは必ずしも一致させる必要はないため、例えば図３（ｃ）中に破線で示したように、これらの加熱開始タイミングをずらして、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒに達する時間とドーパント元素４が温度Ｔｄに達する時間が一致するようにしても良い。
【００４４】
すなわち、孔１３ａ〜１３ｃを通じて坩堝１の側面のうちドーパント元素４やＳｉＣ原料粉末３が配置された部位、および、結晶成長室Ｒ１と対応する部位を放射温度計１４ａ〜１４ｃにて測温すると共に、孔１３ｄ〜１３ｆを通じて第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃを放射温度計１４ｄ〜１４ｆにて測温し、さらに孔１３ｇを通じて坩堝１の上面を放射温度計１４ｇにて測温することで、各部の温度が所望温度となるようにする。この測温により、結晶成長室Ｒ１やＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４がそれぞれ温度Ｔｓ、Ｔｒ、Ｔｄとなるように、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの通電量を調整して第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの温度を制御している。このとき、坩堝１の測温だけでなく、ヒータ６の測温も行うことができるため、より正確に坩堝１の内部の温度を調整することが可能となる。
【００４５】
また、ガス導入管１１を通じて雰囲気ガスを導入しているため、この雰囲気ガスがガス導入室Ｒ３から各孔１３ａ〜１３ｆを通じてガス流動室Ｒ２内に流動していったのち、孔１３ｇおよび排気配管１２を通じて排出されることになる。結晶成長中に坩堝１から原料ガスが洩れてくることになるが、この場合にもガス流動室Ｒ２から排気配管１２側に向かう雰囲気ガスの流れがあるため、原料ガスが各孔１３ａ〜１３ｆ側に行くことは殆どなく、結晶析出によって各孔１３ａ〜１３ｆが塞がれてしまうということもない。
【００４６】
このような条件によりＳｉＣ単結晶５を結晶成長させると、ドーパント元素４の温度がＳｉＣ原料粉末３の温度よりも低くなるようにできる。このため、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができる。特に、ＳｉＣ原料粉末３が昇華温度に達するときにドーパント元素４が気化温度に達するようにすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長開始に合せてドーパント元素４が気化するようにできる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制しながらＳｉＣ単結晶５を成長させることができる（成長工程）。
【００４７】
以上説明したように、ＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４の配置場所を異ならせると共に、ＳｉＣ原料粉末３に対してドーパント元素４が種結晶２から離れた位置に配置されるようにしている。そして、ドーパント元素４の配置場所をＳｉＣ原料粉末３の配置場所よりも低温にできる構成としている。このため、ＳｉＣ原料粉末３が昇華し始めるよりも前にドーパント元素４が気化し切ってしまうことを防止することができ、成長させたＳｉＣ単結晶５のインゴットが成長初期にのみドーパントが偏析したものとなることを抑制できる。これにより、ドーパント濃度のバラツキを抑制できるＳｉＣ単結晶５を製造することができる。
【００４８】
なお、ここでは、ヒータ６および誘導コイル９を共に３つずつ備える場合について説明したが、誘導コイル９を１つにしても良い。すなわち、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、上記の温度勾配を設けることができる。また、誘導コイル９の巻回数や太さを一定としても、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの厚みを厚くするなど、ヒータ形状を異ならせることで上記の温度分布を設けることができる。このため、誘導コイル９を１つのみとしても良い。
【００４９】
また、本実施形態では、誘導加熱方式のＳｉＣ単結晶製造装置について説明したが、コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃと対応する場所に、第１〜第３加熱用コイルを配置し、各加熱用コイルへの通電量を制御することで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００５０】
（第１実施形態の変形例）
上記した第１実施形態のようにヒータ６を第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃとする場合において、図４に示すように、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に断熱部材７として仕切壁７ｆを備えるようにしても良い。つまり、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとによって加熱するＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との間に大きな温度差を発生させたいため、より温度差が発生させられ易い構造とするのが好ましい。このため、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に仕切壁７ｆを備えることで、よりＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との間に温度差を発生させ易くすることができる。
【００５１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してヒータ６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５２】
図５は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、１つのヒータ６として温度分布を形成することもできる。すなわち、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電を行ったときに、ヒータ６が単一構造であっても、各誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量を調整することにより、ヒータ６内において温度分布を設けることができる。また、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃのコイル形状を変更すれば、より温度分布を設け易くなり、例えば、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。さらに、ヒータ６の厚み等の形状を坩堝１の中心軸方向において変化させ、例えば、高い温度にしたい場所ほど厚みを厚くすることで、より温度分布を設け易くすることができる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、ここでは、ヒータ６を単一構成とし、誘導コイル９については第１〜第３コイル９ａ〜９ｃの３つを備える場合について説明したが、誘導コイル９についても１つにしても良い。すなわち、上記したように、誘導コイル９を１つとしても、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。このため、ヒータ６および誘導コイル９を共に１つにしても、上記効果を得ることができる。
【００５４】
また、本実施形態でも、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、ヒータ６と対応する場所に、単一構成の加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００５５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してヒータ６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５６】
図６は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、ヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つとして温度分布を形成することもできる。本実施形態では、第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３およびドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されている。また、誘導コイル９についても、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応した位置に配置されるものとし、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂを個別に加熱できる構成とされている。
【００５７】
このように、ヒータ６が２つであっても、各誘導コイル９ａ〜９ｃへの通電量を調整することにより、ヒータ６内において温度分布を設けることができる。また、第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃのコイル形状を変更すれば、より温度分布を設け易くなり、例えば、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。さらに、ヒータ６の厚み等の形状を坩堝１の中心軸方向において変化させ、例えば、高い温度にしたい場所ほど厚みを厚くすることで、より温度分布を設け易くすることができる。
【００５８】
なお、ここでは、ヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つとし、誘導コイル９を第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの３つを備える場合について説明したが、誘導コイル９についても２つまたは１つにしても良い。すなわち、上記したように、誘導コイル９を２つまたは１つとしても、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。このため、ヒータ６および誘導コイル９を共に２つにしても、誘導コイル９を１つにしても、上記効果を得ることができる。
【００５９】
また、本実施形態でも、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応する場所に、加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００６０】
（第３実施形態の変形例）
上記した第３実施形態のようにヒータ６を第１、第２ヒータ６ａ、６ｂとする場合において、図７に示すように、第１ヒータ６ａは、坩堝１のうち種結晶２およびＳｉＣ原料粉末３が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されるようにしても良い。
【００６１】
このような構造とする場合でも、誘導コイル９を第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの３つ備える構成としても良いし、誘導コイル９を２つまたは１つにしても良い。誘導コイル９を２つまたは１つとする場合には、加熱場所に対応して誘導コイル９の巻回数を変化させたり、太さを太くすることで温度分布を形成することができるし、ヒータ６の厚みを変化させることによっても、温度分布を形成することができる。
【００６２】
また、このような変形例についても、加熱用コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。この場合、第１、第２ヒータ６ａ、６ｂと対応する場所に、加熱用コイルを配置し、高い温度にしたい場所ほど加熱用コイルの巻回数を大きくしたり、太さを太くすることで、ＳｉＣ単結晶５の成長表面が温度Ｔｓ、ＳｉＣ原料粉末３が温度Ｔｒ、ドーパント元素４が温度Ｔｄとなるようにすることができる。
【００６３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して坩堝１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６４】
図８は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、坩堝１の容器本体１ａを２つの室に分離した構造とし、一方の主室内にＳｉＣ原料粉末３が配置され、もう一方の副室内にドーパント元素４が配置された構造としている。具体的には、容器本体１ａは、中央に開口部が形成された第１有底円筒部材１ａａと、その開口部から先端部が突出させられた第２有底円筒部材１ａｂとによって構成されており、第２有底円筒部材１ａｂ内にドーパント元素４が配置され、第１有底円筒部材１ａａのうち第２有底円筒部材１ａｂよりも外側の部分にＳｉＣ原料粉末３が配置される。
【００６５】
また、第２ヒータ６ｂは、坩堝１のうちＳｉＣ原料粉末３が配置された箇所の側面と対向するように配置され、第３ヒータ６ｃは、坩堝１のうちドーパント元素４が配置された箇所の側面と対向するように配置されている。
【００６６】
このように、容器本体１ａを第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂに分けることで二つの室を構成し、主室と副室それぞれにＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４が配置されるようにしても良い。このようにすれば、第１実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、よりＳｉＣ原料粉末３とドーパント元素４との温度制御を行い易くなり、これらの間に容易に温度差を設けることが可能となる。
【００６７】
なお、ここでも、第１実施形態と同様に、ヒータ６および誘導コイル９を共に３つずつ備える場合だけでなく、誘導コイル９を１つにしても良い。この場合も、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３誘導コイル９ａ〜９ｃの巻回数を多くしたり、太さを太くすることで、上記の温度勾配を設けることができるが、第２有底円筒部材１ａｂから第３ヒータ６ｃまでの距離が第１有底円筒部材１ａａら第２ヒータ６ｂまでの距離よりも長くなっているため、その関係だけでも上記の温度勾配を設けることができる。また、誘導コイル９の巻回数や太さを一定としても、高い温度にしたい場所ほど第１〜第３ヒータ６ａ〜６ｃの厚みを厚くするなど、ヒータ形状を異ならせることで上記の温度分布を設けることもできる。このため、誘導コイル９を１つのみとしても良い。
【００６８】
勿論、本実施形態のような構造のＳｉＣ単結晶製造装置においても、コイルによって直接坩堝１を加熱する直接加熱方式とすることもできる。
【００６９】
（第４実施形態の変形例）
上記した第４実施形態では、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂが連結された構造について説明したが、図９に示すように、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂの間に、第３管状部材１ａｃを備え、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂが第３管状部材１ａｃの開口部１ａｄを介して接続された構造とすることもできる。この場合、第３管状部材１ａｃが第１有底円筒部材１ａａの開口部内に嵌め込まれると共に、第２有底円筒部材１ａｂの開口部に嵌め込まれ、第１、第２有底円筒部材１ａａ、１ａｂによって構成される各室が第３管状部材１ａｃの開口部１ａｄを介して繋がる構造となる。また、ＳｉＣ原料粉末３は、第１有底円筒部材１ａａのうち第３管状部材１ａｃよりも外側の部分に配置される。
【００７０】
このような構造とする場合、第３管状部材１ａｃの中空部を通じてドーパント元素４が種結晶２側に供給されることになるため、中空部の径を調整することにより、ドーパント量を調整できる。したがって、第４実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００７１】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して坩堝１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７２】
図１０は、本実施形態のＳｉＣ単結晶製造装置に備えられる坩堝１およびヒータ６を示した拡大断面図である。この図に示すように、坩堝１の容器本体１ａに仕切壁１ｃを備えることにより、容器本体１ａ内をＳｉＣ原料粉末３が配置される主室とドーパント元素４が配置される副室とに分離する構造としている。仕切壁１ｃの中央位置には、容器本体１aのうち副室を構成する部分よりも径が小さな開口部１ｄが形成されている。この開口部１ｄ内を気化したドーパント元素４が通過させられるようになっており、この開口部１ｄおよびＳｉＣ原料粉末３を通じてドーパント元素４が種結晶２の表面に供給される。例えば、本実施形態のような構造の坩堝１については、２つの同径の有底円筒部材を上下に重ね、上側の有底円筒部材の底部を仕切壁１ｃにすると共に、その底部の中央位置に開口部１ｄを形成しておくことで、構成することができる。
【００７３】
このような構造の坩堝１を用いることで、開口部１ｄを通じて気化したドーパント元素４が種結晶２側に供給されるようにできるため、開口部１ｄの面積を調整することでドーパント量を調整することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、ドーパント量の調整をより適切に行うことが可能となる。
【００７４】
（他の実施形態）
上記各実施形態に示したＳｉＣ単結晶製造装置の具体的な構造は、単なる一例であり、形状や材質などについて適宜変更することができる。例えば、坩堝１の蓋材１ｂに直接種結晶２を貼り付ける構造としているが、台座などを介して貼り付けても良い。また、坩堝１を構成する容器本体１ａを１部材で構成する必要はなく、複数部材で構成しても良い。
【００７５】
また、上記したように、上記各実施形態すべてについて、誘導加熱方式や直接加熱方式の双方に対して本発明が適用できる。誘導加熱方式の場合には、ヒータ６および誘導コイル９が加熱装置を構成し、直接加熱方式の場合には加熱用コイルが加熱装置を構成することになる。いずれの方式であっても、容器本体１ａのうちＳｉＣ原料粉末３を配置する領域Ａの方がドーパント元素４を配置する領域Ｂよりも高温となるように加熱装置が構成されていれば良い。
【００７６】
さらに、第１実施形態の変形例として、第２ヒータ６ｂと第３ヒータ６ｃとの間に断熱部材７として仕切壁７ｆを備える場合について説明した。しかしながら、第１実施形態に限らず、他の実施形態（具体的には図７〜図９の構造）にＳｉＣ原料粉末３が配置される高温部とドーパント元素４が配置される低温部とを断熱するように仕切壁７ｆが備えられるようにしても良い。
【００７７】
また、第４実施形態やその変形例で示したように第１有底円筒部材１ａａと第２有底円筒部材１ａｂとを有し、これらそれぞれを加熱装置で加熱できる構造とする場合において、第１有底円筒部材１ａａを第１、第２ヒータ６ａ、６ｂの２つで加熱し、第２有底円筒部材１ａｂを第３ヒータ６ｃで加熱するようにしている。この構造についても、第１有底円筒部材１ａａを第１ヒータ６ａのみで加熱し、第２有底円筒部材１ａｂを第２ヒータ６ｂで加熱するような構造とすることもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 坩堝
１ａ 容器本体
１ａａ 有底円筒部材
１ａｂ 有底円筒部材
１ａｃ 管状部材
１ａｄ 開口部
１ｂ 蓋材
１ｃ 仕切壁
１ｄ 開口部
２ 種結晶
３ ＳｉＣ原料粉末
４ ドーパント元素
５ ＳｉＣ単結晶
６ ヒータ
７ 断熱部材
９ 誘導コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方が開口する有底円筒状の容器本体（１ａ）と、前記容器本体（１ａ）の上方の開口を蓋閉めする蓋材（１ｂ）とを備え、前記容器本体（１ａ）内に炭化珪素原料（３）およびドーパント元素（４）を配置すると共に、前記蓋材（１ｂ）に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（２）を配置し、前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記容器本体（１ａ）のうち前記炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、前記ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、前記高温部を前記低温部よりも高温とする加熱を行う加熱装置（６、９）が備えられていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記加熱装置（６、９）は、前記容器本体（１ａ）のうち、前記種結晶（２）が配置される箇所の側面と対向する位置と、該種結晶（２）が配置される箇所よりも下方である前記炭化珪素原料（３）が配置される箇所の側面と、該炭化珪素原料（３）が配置される箇所よりも下方である前記ドーパント元素が配置される箇所の側面それぞれを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記坩堝（１）の外周を囲み、前記高温部と前記低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記容器本体（１ａ）は、前記炭化珪素原料（３）を配置する主室と、前記ドーパント元素（４）を配置する副室とに分離されており、
前記加熱装置（６、９）は、前記主室と前記副室とを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記容器本体（１ａ）は、
底部に開口部が形成された前記主室を構成する第１有底円筒部材（１ａａ）と、
前記副室を構成すると共に、前記第１有底円筒部材（１ａａ）の前記開口部を通じて気化した前記ドーパント元素（４）を供給する第２有底円筒部材（１ａｂ）とを有し、
前記加熱装置（６、９）は、前記第１有底円筒部材（１ａａ）と前記第２有底円筒部材（１ａｂ）とを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記主室と前記副室とは、前記容器本体（１ａ）のうち前記副室を構成する部分よりも径が小さい開口部（１ａｄ、１ｄ）にて接続されており、該開口部の開口面積により、前記ドーパント元素（４）の供給量であるドーパント量が制御されることを特徴とする請求項４または５に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項７】
上方が開口する有底円筒状の容器本体（１ａ）と、前記容器本体（１ａ）の上方の開口を蓋閉めする蓋材（１ｂ）とを備え、前記容器本体（１ａ）内に炭化珪素原料（３）およびドーパント元素（４）を配置すると共に、前記蓋材（１ｂ）に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（２）を配置し、前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記容器本体（１ａ）内における底部に前記ドーパント元素（４）を配置すると共に、前記ドーパント元素（４）の上に前記炭化珪素原料（３）を配置し、さらに前記蓋材（１ｂ）に前記種結晶（２）を配置した状態で、前記蓋材（１ｂ）にて前記容器本体（１ａ）を蓋閉めする準備工程と、
加熱装置（６、９）により、前記容器本体（１ａ）のうち前記炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、前記ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、前記高温部を前記低温部よりも高温となるように加熱する加熱工程と、
前記加熱によって前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程では、前記炭化珪素原料（３）が加熱昇華する第１所定温度（Ｔｒ）に達するときに、前記ドーパント元素（４）が気化する第２所定温度（Ｔｄ）に達するようにすることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項１】
上方が開口する有底円筒状の容器本体（１ａ）と、前記容器本体（１ａ）の上方の開口を蓋閉めする蓋材（１ｂ）とを備え、前記容器本体（１ａ）内に炭化珪素原料（３）およびドーパント元素（４）を配置すると共に、前記蓋材（１ｂ）に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（２）を配置し、前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
前記容器本体（１ａ）のうち前記炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、前記ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、前記高温部を前記低温部よりも高温とする加熱を行う加熱装置（６、９）が備えられていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記加熱装置（６、９）は、前記容器本体（１ａ）のうち、前記種結晶（２）が配置される箇所の側面と対向する位置と、該種結晶（２）が配置される箇所よりも下方である前記炭化珪素原料（３）が配置される箇所の側面と、該炭化珪素原料（３）が配置される箇所よりも下方である前記ドーパント元素が配置される箇所の側面それぞれを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記坩堝（１）の外周を囲み、前記高温部と前記低温部とを断熱する仕切壁（７ｆ）が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記容器本体（１ａ）は、前記炭化珪素原料（３）を配置する主室と、前記ドーパント元素（４）を配置する副室とに分離されており、
前記加熱装置（６、９）は、前記主室と前記副室とを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記容器本体（１ａ）は、
底部に開口部が形成された前記主室を構成する第１有底円筒部材（１ａａ）と、
前記副室を構成すると共に、前記第１有底円筒部材（１ａａ）の前記開口部を通じて気化した前記ドーパント元素（４）を供給する第２有底円筒部材（１ａｂ）とを有し、
前記加熱装置（６、９）は、前記第１有底円筒部材（１ａａ）と前記第２有底円筒部材（１ａｂ）とを独立して加熱するものであることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記主室と前記副室とは、前記容器本体（１ａ）のうち前記副室を構成する部分よりも径が小さい開口部（１ａｄ、１ｄ）にて接続されており、該開口部の開口面積により、前記ドーパント元素（４）の供給量であるドーパント量が制御されることを特徴とする請求項４または５に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項７】
上方が開口する有底円筒状の容器本体（１ａ）と、前記容器本体（１ａ）の上方の開口を蓋閉めする蓋材（１ｂ）とを備え、前記容器本体（１ａ）内に炭化珪素原料（３）およびドーパント元素（４）を配置すると共に、前記蓋材（１ｂ）に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（２）を配置し、前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
前記容器本体（１ａ）内における底部に前記ドーパント元素（４）を配置すると共に、前記ドーパント元素（４）の上に前記炭化珪素原料（３）を配置し、さらに前記蓋材（１ｂ）に前記種結晶（２）を配置した状態で、前記蓋材（１ｂ）にて前記容器本体（１ａ）を蓋閉めする準備工程と、
加熱装置（６、９）により、前記容器本体（１ａ）のうち前記炭化珪素原料（３）を配置する領域（Ａ）を高温部、前記ドーパント元素（４）を配置する領域（Ｂ）を低温部として、前記高温部を前記低温部よりも高温となるように加熱する加熱工程と、
前記加熱によって前記炭化珪素原料（３）を加熱昇華させると共に前記ドーパント元素（４）を気化させることで、前記種結晶（２）の表面にドーパントが含まれた炭化珪素単結晶（５）を成長させる成長工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程では、前記炭化珪素原料（３）が加熱昇華する第１所定温度（Ｔｒ）に達するときに、前記ドーパント元素（４）が気化する第２所定温度（Ｔｄ）に達するようにすることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−３０９９４（Ｐ２０１２−３０９９４Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７０４０４（Ｐ２０１０−１７０４０４）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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