炭化珪素単結晶インゴットの製造装置
【課題】改良型レーリー法により炭化珪素単結晶を作製する場合において、結晶成長中、特に結晶成長の初期の段階で発生する欠陥を低減することができ、欠陥密度の低い高品質の炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪素単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であり、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと共に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行う炭化珪素単結晶インゴットの製造装置であり、結晶成長中の結晶欠陥の発生を抑制し、欠陥の少ない高品質の炭化珪素単結晶を製造する。
【解決手段】対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であり、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと共に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行う炭化珪素単結晶インゴットの製造装置であり、結晶成長中の結晶欠陥の発生を抑制し、欠陥の少ない高品質の炭化珪素単結晶を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子材料の基板に利用される炭化珪素単結晶基板を作製するのに好適な炭化珪素単結晶の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高熱伝導率を持ち、バンドギャップの大きい炭化珪素単結晶は、高温で用いられる電子材料や、高耐圧の求められる電子材料の基板として有用な材料である。
炭化珪素単結晶の作製法の一つに昇華再結晶法(レーリー法)がある。昇華再結晶法は、高温部において２０００℃を超える高温で炭化珪素粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部において再結晶化させることにより、炭化珪素結晶を製造する方法である。また、炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いて、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（非特許文献１）、バルク状の炭化珪素単結晶の製造に利用されている。この改良レーリー法では、種結晶を用いているために結晶の核形成過程を制御することができ、また、不活性ガスによる雰囲気圧力を１０Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールすることができる。一般に、原料と結晶の温度差を適切に制御して、炭化珪素単結晶の成長が行われている。そして、得られた炭化珪素単結晶については、基板としての規格の形状にするために、研削、切断、研磨といった加工が施され、電子材料の基板として利用されている。
【０００３】
図１を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。
原料２となる炭化珪素結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された炭化珪素結晶粉末を洗浄・前処理したものが使用される。〕と種結晶３となる炭化珪素単結晶が、坩堝１の中に収納される。坩堝１内では、前記炭化珪素原料粉末の原料２は坩堝１の容器部内に収容され、また、前記炭化珪素単結晶の種結晶３は坩堝１の蓋部に支持（装着）される。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（１０Pa〜１５kPa）で原料２を昇華させるために、原料２は２４００℃以上に加熱される。この際、坩堝１内には、原料２側に比べて種結晶３側がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料２は、加熱されて昇華した後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶３方向へ拡散し、輸送される。単結晶成長は、種結晶３に到着した原料ガスがこの種結晶３上で再結晶化し、単結晶４となることにより実現される。
【０００４】
結晶成長面が成長方向に向かって緩やかな凸形状である場合に、結晶成長点が１ヶ所となり、結晶品質の良い結晶が得られ、逆に、結晶成長面が成長方向に向かって凹形状の場合には、結晶成長点が複数ヶ所になり、これら異なる成長点に由来して成長した結晶の間に結晶欠陥が発生し、結晶品質の悪い結晶になることが報告されている（非特許文献２）。
【０００５】
種結晶となる炭化珪素単結晶の成長面に存在する欠陥は、結晶成長時に成長した結晶の欠陥として伝播する。このため、種結晶の製造時に研磨等の機械的な機構で種結晶に発生した歪を除去して結晶成長面の欠陥を低減し、成長過程の結晶に伝播する欠陥を抑制するために、種結晶の表面を研磨した後にエッチングを行う方法が提案されている（特許文献１、２）。
【０００６】
しかしながら、上記のようにエッチングをして種結晶表面の欠陥を低減したとしても、結晶成長が始まる成長面の温度が低い段階では、エッチングによる種結晶表面の凹凸に起因して、種結晶の結晶性と異なる結晶核が形成される場合があり、その結果、この結晶核を基点として成長した部分はその結晶性が種結晶の結晶性を引き継いで成長した部分の結晶性と異なる結晶性になり、成長した単結晶内部での欠陥の起点になるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１１１５４０号公報
【特許文献２】特開２０１０−７６９５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, 52 (1981) pp.146
【非特許文献２】M.S. Ramm, E.N. Mokhov, S.E. Demina, M.G. Ramm, A.D. Roenkov, Yu.A. Vodakov, A.S. Segal, A.N. Vorob'ev, S.Yu. Karpov, A.V. Kulik, Yu.N. Makarov, Mat. Sci. and Eng. B 61-62(1999), pp. 107-112
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来の方法では、結晶成長中、特に、結晶の成長が始まる結晶成長の初期において、種結晶と結晶性の異なる結晶核の核生成を完全に抑制することは難しく、欠陥密度の低い炭化珪素単結晶を得ることが困難であった。
【００１０】
本発明は、結晶成長中、特に結晶成長の初期の段階で、種結晶と結晶性の異なる結晶核の核生成を抑制することができ、これによって欠陥密度の低い炭化珪素単結晶インゴットの製造が可能な炭化珪素単結晶インゴットの製造装置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】
【００１１】
本発明者らは、種結晶と結晶性の異なる結晶核の発生に起因する欠陥の発生の問題を解決すべく鋭意検討した結果、結晶成長面の温度分布を適切に制御することで、欠陥密度の低い炭化珪素単結晶インゴットを製造できることを見出し、本発明を完成した。即ち、本発明の要旨は次の通りである。
【００１２】
〔１〕 対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であって、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと同時に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行うことを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【００１３】
〔２〕 前記坩堝と種結晶とが同じ対称軸を共有しており、該坩堝を取り囲む断熱材を非軸対称に配置することを特徴とする前記〔１〕に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【００１４】
〔３〕 前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、０．１回転／時間以上３００回転／時間以下であることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【００１５】
〔４〕 前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、成長した結晶の最高部の高さが１０mm以下の場合に６回転／時間以下であることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【００１６】
以下、模式図を用いて、本発明の原理を説明する。
図２は、従来の結晶成長を説明するための説明図であって、種結晶４の対称軸４axに対して軸対称な温度分布を持つ場合であり、種結晶４と成長している結晶（図示外）近傍の等温線ＴLを示す模式図である。
【００１７】
図２において、坩堝１の内部上方には、坩堝１の対称軸（中心軸）１axと種結晶３の対称軸３axとが一致するように、種結晶３が取り付けられており、また、坩堝１の外側には、坩堝１の対称軸１axと断熱材５に形成された貫通孔（円形）６の中心軸６axとが一致するように、断熱材５が設けられており、前記貫通孔（円形）６の中心に対応して、成長している結晶の中心部の温度が低くなり、結晶成長方向に向かって凸形状の温度分布が形成されるようになっている。このように、結晶成長面内で低い温度の点と高い温度の点とがある場合には、温度の低い点でより速く結晶成長が進み、高い点では結晶成長が進み難くなる。このため、結晶成長面はほぼ等温面と同じになり、結晶は等温面に従って成長する。
【００１８】
図３は、本発明の結晶成長を説明するための説明図であって、成長している結晶に対して非軸対称な温度分布を持つ場合であり、種結晶３と成長している結晶（図示外）近傍の等温線を示す模式図である。ここでは、坩堝１の対称軸（中心軸）１axに対して非対称な温度分布を形成する一つの方法として、従来、坩堝１の中心軸１axを中心として坩堝１上部の断熱材５に形成していた貫通孔(円形)６の中心軸６axを坩堝１の中心軸１axからずらした場合を示している。
【００１９】
この図３の場合においても、坩堝１外側の断熱材５に形成した貫通孔（円形）６の中心軸６axに対応して、図２の場合と同様に、成長方向に向かって凸形状の温度分布が形成される。しかしながら、この図３の場合には、貫通孔６の中心軸６axと成長している結晶の中心とが一致していないので、図３（ａ）の温度分布を用いて結晶成長すれば、成長したインゴットはこの非軸対称な等温面に従って成長し、得られるインゴットは非軸対称な位置に凸部を持つインゴットになる。
【００２０】
この非軸対称な温度分布を、軸対称な構造を持つ種結晶３の対称軸３ax〔坩堝１の対称軸（中心軸）１ax〕に対して回転させた場合の模式図を図３（ｂ）に示す。この図３（ｂ）においては、成長している結晶と坩堝１を固定し、周囲に配置され、中心軸６axが坩堝１の中心軸１axからずれた非軸対称な位置に貫通孔６を有する断熱材５を１８０°回転させた。図３（ａ）で貫通孔６の中心軸６ax上に位置して結晶成長面内で最も温度の低い点Ａは、図３（ｂ）の配置となった場合には温度が高くなり、この図３（ｂ）の配置の際に温度が最も低くなるのは、貫通孔６の中心軸６ax上に位置するＢ点となり、図３（ａ）から図３（ｂ）に回転した際に、位置Ａ点では最も低い温度から上昇し、反対に、位置Ｂ点では高い温度から最も低い温度に低下することになる。
【００２１】
この結果、図３（ａ）において結晶成長が最も速く進んでいたＡ点が、図３（ｂ）の配置になることにより図３（ａ）の場合に比べて高温となる。このため、図３（ａ）の配置で結晶成長中に発生した結晶欠陥（即ち、結晶性の異なる結晶核の生成）があると、この結晶欠陥の部分は欠陥の無い部分に比べてエネルギー的に不安定であるため、図３（ｂ）の配置になってＡ点の温度が高温になると、その欠陥の部分が他の部分よりも先に昇華する。このようにして、エネルギー的に不安定な結晶欠陥を除去しながら結晶成長を進めることで、エネルギー的に安定な種結晶３と同じ結晶性を持つ結晶のみを優先的に成長させることが可能となる。
【００２２】
図３（ａ）の配置から図３（ｂ）の配置へと回転させることで、Ａ、Ｂ点のみならず、結晶成長面内の各点の温度は高くなる、若しくは低くなるという変化が発生し、Ａ、Ｂ点以外の結晶成長面内の点においても、上記の場合と同様に、結晶成長過程で生成する欠陥部分を昇華させながら結晶成長を行うことができる。
【００２３】
その結果、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置によれば、欠陥密度の低い良質の結晶を効率良く成長させることができ、結晶品質の良い結晶の歩留まりを顕著に向上させることが可能になり、また、このようにして得られた炭化珪素単結晶インゴットを加工して得られる炭化珪素単結晶基板を電子材料基板に用いれば、製品歩留まりの高い高品質な電子材料を製造することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、結晶成長中、特に結晶成長が開始する結晶成長の初期の段階で、種結晶と結晶性の異なる結晶核の生成が生じた場合でも、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと共に、その種結晶の対称軸を中心にして、非軸対称な温度分布と種結晶及び成長している結晶とを相対的に回転させながら結晶成長を行うことにより、結晶核が昇華し易い温度分布を形成してこの結晶核の昇華を誘起し、エネルギー的に安定な種結晶と同じ結晶性を持つ結晶のみを優先的に成長させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、改良レーリー法の原理を説明するための説明図である。
【００２６】
【図２】図２は、本発明の原理を説明するための従来の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置における種結晶周辺部分を示す説明図である。
【００２７】
【図３】図３は、本発明の原理を説明するための本発明に係る図２と同様の種結晶周辺部分を示す説明図である。
【００２８】
【図４】図４は、本発明の実施形態の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明するための説明図である。
【００２９】
【図５】図５は、図４の坩堝、断熱材、及びこの断熱材に形成された貫通孔の位置関係を説明するための説明図である。
【００３０】
【図６】図６は、本発明の実施形態の他の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明するための説明図である。
【００３１】
【図７】図７は、本発明の実施例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいて、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明する。
図４に、本発明の実施形態の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置が示されている。坩堝１の上部を覆う断熱材５に形成された貫通孔６は、坩堝１の対称軸（中心軸）１axから図面上左にずらして配置されており、同じ軸対称な構造を持つ種結晶３及び坩堝１に対して、非軸対称な温度分布を形成するようになっている。
【００３３】
図４の構成において、坩堝支持部材７を坩堝１の中心軸１axに対して回転させ、一方で断熱材支持部材８を固定しておくことにより、上記の坩堝１の中心軸１axに対して断熱材５の貫通孔６によって形成された非軸対称な温度分布を相対的に回転させることができ、結果として、結晶成長中に、非軸対称な温度分布の中で種結晶３とこの種結晶３の結晶成長面上で成長している結晶を回転させることができる。反対に、坩堝支持部材７を固定して断熱材支持部材８を回転させることでも同じ効果が得られる。
【００３４】
坩堝１の周囲に配置する断熱材５を用いて非軸対称な温度分布を形成するためには、上記の如く非軸対称な位置に貫通孔６を形成する以外にも、坩堝１の周囲に配置する断熱材５の厚さを坩堝１の中心軸１axに対して非軸対称とする等の方法を用いてもよい。更に、非軸対称な温度分布は、図示外のワークコイルの中心軸と軸対称な坩堝１の中心軸１axをずらすことによって形成することができ、また、非軸対称な発熱分布を持つ図示外の発熱体を用いることによっても形成できる。
【００３５】
本発明においては、このようにして形成された非軸対称な温度分布の中で、坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）に対して坩堝１（種結晶３と成長している結晶）を相対的に回転させながら結晶成長を行うが、このとき、回転が速すぎると、坩堝１が有する熱容量のため、坩堝１や結晶部分における温度分布の変化が追随できない場合が起こる。この場合には、非軸対称な温度分布は、平均化されて軸対称な温度分布に近づくことになり、言い換えれば、回転速度を早くし過ぎると、従来の軸対称な温度分布に近似的に近づくことになる。また、反対に、回転が遅過ぎる場合には、結晶成長面内での十分な温度変化を得られなくなり、結晶成長と同時に種結晶３と異なる結晶性を持つ結晶核を昇華させるという効果が得られなくなる。
【００３６】
そこで、本発明においては、非軸対称な温度分布の中での種結晶の対称軸を中心とする種結晶と成長している結晶の相対的な回転速度を０．１回転／時間以上３００回／時間以下、好ましくは０．５回転／時間以上６０回／時間以下とするのがよい。この回転速度が３００回／時間より速い場合には、非軸対称に形成した効果が平均化され、本発明の効果が得られない場合があり、本発明の効果をより確実にするためには回転速度は６０回／時間以下であるのがよい。また、炭化珪素単結晶の成長速度が通常数十μm／時間〜数mm／時間であることから、回転速度が０．１回転／時間より遅くなると、本発明の効果が得られ難くなる。
【００３７】
ところで、結晶成長の初期には種結晶表面（平面）と等温面の形状とが異なるために、種結晶と異なる結晶性を持つ結晶核が発生し易く、欠陥が導入され易い。そこで、成長した結晶の高さが１０mm以下の場合には、非軸対称な温度分布が平均化されないように、上記の回転速度を好ましくは６回転／時間以下に維持することが望ましい。
【００３８】
また、断熱材５に形成される貫通孔６の大きさと、坩堝１の内部上方に設けられる種結晶３の大きさとの関係については、図５において、坩堝１の中心軸１ax上の点をＰ、断熱材５の貫通孔６の中心をＱ、貫通孔６の半径をｒ、及びＰＱ間の距離をｓとしたとき、貫通孔６の半径rが種結晶３の半径に比べて小さ過ぎると、貫通孔６の効果が十分に得られず、良好な凸形状の温度分布が得られない。一方で、貫通孔６の半径ｒが種結晶３の半径に比べて大き過ぎる場合には結晶成長面全体に亘って温度が低下するため、良好な凸形状が得られない。これらのことから、貫通孔６の半径ｒについては、種結晶３の半径の通常２０%以上６０%以下、好ましくは３０%以上５０%以下であるのが望ましい。
【００３９】
結晶成長後のインゴットは、上下面と外周面とをそれぞれ研削加工した後に、所定の厚さに切断され、炭化珪素単結晶基板が切り出される。このため、結晶成長後のインゴットは、基板の切り出し枚数を増やして歩留まりを向上させるために、軸対称形状に近い方が望ましい。また、前記のように、回転速度を早くすることにより、非軸対称性の効果が小さくなって平均化し、最も低い温度の点が成長する結晶の中心にくる。そこで、結晶成長過程の後期には、回転速度を速くして平均化された際に、最も低い温度の点が成長する結晶の中心に来て、軸対称形状に近いインゴットが形成されるように、好ましくは貫通孔６の半径ｒをＰＱ間の距離ｓよりも大きくするのが望ましい。このように貫通孔６の半径ｒをＰＱ間の距離ｓよりも大きくすることにより、結晶成長過程の初期、特に成長した結晶の高さが１０mm以下のときには回転速度を遅く、好ましくは６回転／時間以下に維持して非軸対称性の効果を効率良く発現させ、また、成長した結晶の高さが１０mmより大きい場合である結晶成長過程の後期には回転速度を速くして非軸対称性の効果を低下させ、これによって欠陥密度が低く、しかも、軸対称形状に近い炭化珪素単結晶インゴットを容易に製造することができる。
【００４０】
本発明に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて単結晶インゴットを作製することにより、単一ポリタイプからなる欠陥の少ない高品質のインゴットを再現性良く生産することが可能となる。また、このインゴットから研削、切断、研磨により作製される炭化珪素単結晶基板は、欠陥の少ない電子材料用基板として有用である。
【実施例】
【００４１】
以下に、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて、単結晶インゴットを作製する場合の実施例について説明する。
【００４２】
先ず、図７に基づいて、以下の実施例で用いる炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を簡単に説明する。この製造装置は、黒鉛製の坩堝１と、この坩堝１を取り囲むように覆う断熱材５と、更にこれら坩堝１及び断熱材５を収容する二重石英管９と、更にこの二重石英管９の外側に前記坩堝１を発熱させる誘導加熱用のためのワークコイル13が設置されている。坩堝１に炭化珪素結晶粉末からなる原料２が収容されている。また、前記坩堝１の内部上方〔蓋部（坩堝蓋）〕には、炭化珪素単結晶からなる種結晶３が取り付けられている。前記ワークコイル13に高周波電流を流すことにより、坩堝１を加熱し、原料２及び種結晶３を所望の温度に加熱する。
【００４３】
この製造装置において、二重石英管９内部は、真空排気装置10により高真空排気（10-3Pa以下）することができ、かつＡｒガス配管11とＡｒガス用マスフローコントローラ12を用いて、内部雰囲気をＡｒガスにより圧力制御することができるようになっている。そして、坩堝１の温度の計測は、坩堝１上下部を覆う黒鉛製の断熱材５の中央部に光路を設け、坩堝１の上部及び下部からの光を取り出して、二色温度計を用いて行い、坩堝下部の温度を原料温度とし、坩堝上部の温度から種結晶の温度を判断する。
【００４４】
結晶成長は、前記製造装置において、原料２を昇華させ、種結晶３として用いた炭化珪素単結晶上で再結晶化させることにより行われ、その手順は以下の通りである。
先ず、種結晶３が取り付けられ、また、原料２を収容した坩堝１が、二重石英管９の内部において、坩堝支持部材８の上に設置される。この坩堝１の周囲には、熱シールドのための断熱材５が設置され、その一部が断熱材支持部８の上に設置される。
【００４５】
次に、このようにして坩堝１及び断熱材５が配置された後に、二重石英管９の内部を真空排気し、ワークコイル13に電流を流し、原料温度を２０００℃まで上昇させる。その後、雰囲気ガスとしてＡｒガスを流入させ、二重石英管９内の圧力を約８０kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させ、その後、３０分かけて成長圧力である１．３kPaまで減圧する。減圧を始めると同時に、坩堝支持部材７を坩堝１の中心軸１axの周りを所定の速度で回転させる。その後、結晶成長に要する所定時間の間、原料温度を目標温度に保持すると同時に、坩堝支持部材７を所定の回転速度で回転させて、単結晶の成長を行う。結晶成長後、６時間かけてワークコイル13に流す電流の値を徐々に０までにし、単結晶インゴットの製造を終了する。
【００４６】
［実施例１］
実施例１においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１０mmとなるように、直径４０mmの貫通孔を形成した。
【００４７】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に０．５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に更に３０時間の間は０．５回転／時間の速度で回転を続け、更にその後、結晶成長が終了するまでの５０時間の間は２０回転／時間の速度で回転を継続した。結晶成長は減圧が終わってから合計で８０時間行った。
【００４８】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11‐20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが６０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００４９】
［実施例２］
実施例２においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１５mmとなるように、直径５０mmの貫通孔を形成した。
【００５０】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に結晶成長を行う８０時間の間中５回転／時間の速度で回転を継続した。
【００５１】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが７０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５２】
［実施例３］
実施例３においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が２０mmとなるように、直径６０mmの貫通孔を形成した。
【００５３】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に１０回転／時間の速度で回転させ始め、１．３kPaに減圧した後に結晶成長を行う８０時間の間中１０回転／時間の速度で回転を続けた。
【００５４】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが８０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５５】
［実施例４］
実施例４においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１５mmとなるように、直径５０mmの貫通孔を形成した。
【００５６】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材の回転は、減圧を始めると同時に１５０回転／時間の速度で回転させ始め、１．３kPaに減圧した後に結晶成長を行う８０時間の間中１５０回転／時間の速度で回転を続けた。
【００５７】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１００００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５８】
［実施例５］
実施例５においては、図６に示す製造装置を用いた。図６に示す装置は、坩堝1の側面を覆う断熱材５の一部を取り除き、その部分に誘導加熱により発熱する黒鉛製の発熱体14を配置した。この発熱体14は、坩堝1の外周部の周方向に１／４周の部分のみに形成し、残りの３／４周の部分には図４の装置と同様に断熱材５を配置した。坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、直径５０mmの貫通孔６をその中心軸６axが坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）と一致するように、すなわち、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとが重なってこれらＰＱ間の距離が０となるように形成した。
【００５９】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に０．５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に３０時間の間は０．５回転／時間の速度で回転を続け、更にその後、結晶成長が終了するまでの５０時間は２０回転／時間の速度で回転を継続した。結晶成長は減圧が終わってから８０時間行った。
【００６０】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１００００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００６１】
［比較例１］
実施例1と比較するために、減圧開始後から結晶成長中にかけて坩堝支持部材７の回転を行わない以外は、前記実施例１と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。インゴットは貫通孔６の部分の高さが高い非軸対称な形状であった。
【００６２】
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ないことが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１２０００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板としては欠陥密度が高いために、電子デバイスの製造歩留まりが低くなるという問題があった。
【００６３】
［比較例２］
実施例1と比較するために、坩堝１の上部を覆う断熱材５に、直径４０mmの貫通孔６をその中心軸６axが坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）に一致するように、すなわち、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとが重なってこれらＰＱ間の距離が０mmとなるように形成した。つまり、軸対称な温度分布を形成すること以外は、前記実施例１と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
【００６４】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。インゴットは軸対称位置にある貫通孔の部分の高さが高い、軸対称な形状であった。
【００６５】
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ないことが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１２０００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板としては欠陥密度が高いために、電子デバイスの製造歩留まりが低くなるという問題がある。
【符号の説明】
【００６６】
１…坩堝、２…原料、３…種結晶、４…単結晶、５…断熱材、６…貫通孔、７…坩堝支持部材、7a…坩堝支持部材回転機構、８…断熱材支持部材、９…二重石英管、10…真空排気装置、11…Ａｒガス配管、12…Ａｒガス用マスフローコントローラ、13…ワークコイル、14…発熱体。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子材料の基板に利用される炭化珪素単結晶基板を作製するのに好適な炭化珪素単結晶の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高熱伝導率を持ち、バンドギャップの大きい炭化珪素単結晶は、高温で用いられる電子材料や、高耐圧の求められる電子材料の基板として有用な材料である。
炭化珪素単結晶の作製法の一つに昇華再結晶法(レーリー法)がある。昇華再結晶法は、高温部において２０００℃を超える高温で炭化珪素粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部において再結晶化させることにより、炭化珪素結晶を製造する方法である。また、炭化珪素単結晶からなる種結晶を用いて、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（非特許文献１）、バルク状の炭化珪素単結晶の製造に利用されている。この改良レーリー法では、種結晶を用いているために結晶の核形成過程を制御することができ、また、不活性ガスによる雰囲気圧力を１０Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールすることができる。一般に、原料と結晶の温度差を適切に制御して、炭化珪素単結晶の成長が行われている。そして、得られた炭化珪素単結晶については、基板としての規格の形状にするために、研削、切断、研磨といった加工が施され、電子材料の基板として利用されている。
【０００３】
図１を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。
原料２となる炭化珪素結晶粉末〔通常、アチソン(Acheson)法で作製された炭化珪素結晶粉末を洗浄・前処理したものが使用される。〕と種結晶３となる炭化珪素単結晶が、坩堝１の中に収納される。坩堝１内では、前記炭化珪素原料粉末の原料２は坩堝１の容器部内に収容され、また、前記炭化珪素単結晶の種結晶３は坩堝１の蓋部に支持（装着）される。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（１０Pa〜１５kPa）で原料２を昇華させるために、原料２は２４００℃以上に加熱される。この際、坩堝１内には、原料２側に比べて種結晶３側がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料２は、加熱されて昇華した後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶３方向へ拡散し、輸送される。単結晶成長は、種結晶３に到着した原料ガスがこの種結晶３上で再結晶化し、単結晶４となることにより実現される。
【０００４】
結晶成長面が成長方向に向かって緩やかな凸形状である場合に、結晶成長点が１ヶ所となり、結晶品質の良い結晶が得られ、逆に、結晶成長面が成長方向に向かって凹形状の場合には、結晶成長点が複数ヶ所になり、これら異なる成長点に由来して成長した結晶の間に結晶欠陥が発生し、結晶品質の悪い結晶になることが報告されている（非特許文献２）。
【０００５】
種結晶となる炭化珪素単結晶の成長面に存在する欠陥は、結晶成長時に成長した結晶の欠陥として伝播する。このため、種結晶の製造時に研磨等の機械的な機構で種結晶に発生した歪を除去して結晶成長面の欠陥を低減し、成長過程の結晶に伝播する欠陥を抑制するために、種結晶の表面を研磨した後にエッチングを行う方法が提案されている（特許文献１、２）。
【０００６】
しかしながら、上記のようにエッチングをして種結晶表面の欠陥を低減したとしても、結晶成長が始まる成長面の温度が低い段階では、エッチングによる種結晶表面の凹凸に起因して、種結晶の結晶性と異なる結晶核が形成される場合があり、その結果、この結晶核を基点として成長した部分はその結晶性が種結晶の結晶性を引き継いで成長した部分の結晶性と異なる結晶性になり、成長した単結晶内部での欠陥の起点になるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１１１５４０号公報
【特許文献２】特開２０１０−７６９５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, 52 (1981) pp.146
【非特許文献２】M.S. Ramm, E.N. Mokhov, S.E. Demina, M.G. Ramm, A.D. Roenkov, Yu.A. Vodakov, A.S. Segal, A.N. Vorob'ev, S.Yu. Karpov, A.V. Kulik, Yu.N. Makarov, Mat. Sci. and Eng. B 61-62(1999), pp. 107-112
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来の方法では、結晶成長中、特に、結晶の成長が始まる結晶成長の初期において、種結晶と結晶性の異なる結晶核の核生成を完全に抑制することは難しく、欠陥密度の低い炭化珪素単結晶を得ることが困難であった。
【００１０】
本発明は、結晶成長中、特に結晶成長の初期の段階で、種結晶と結晶性の異なる結晶核の核生成を抑制することができ、これによって欠陥密度の低い炭化珪素単結晶インゴットの製造が可能な炭化珪素単結晶インゴットの製造装置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】
【００１１】
本発明者らは、種結晶と結晶性の異なる結晶核の発生に起因する欠陥の発生の問題を解決すべく鋭意検討した結果、結晶成長面の温度分布を適切に制御することで、欠陥密度の低い炭化珪素単結晶インゴットを製造できることを見出し、本発明を完成した。即ち、本発明の要旨は次の通りである。
【００１２】
〔１〕 対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であって、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと同時に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行うことを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【００１３】
〔２〕 前記坩堝と種結晶とが同じ対称軸を共有しており、該坩堝を取り囲む断熱材を非軸対称に配置することを特徴とする前記〔１〕に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【００１４】
〔３〕 前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、０．１回転／時間以上３００回転／時間以下であることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【００１５】
〔４〕 前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、成長した結晶の最高部の高さが１０mm以下の場合に６回転／時間以下であることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【００１６】
以下、模式図を用いて、本発明の原理を説明する。
図２は、従来の結晶成長を説明するための説明図であって、種結晶４の対称軸４axに対して軸対称な温度分布を持つ場合であり、種結晶４と成長している結晶（図示外）近傍の等温線ＴLを示す模式図である。
【００１７】
図２において、坩堝１の内部上方には、坩堝１の対称軸（中心軸）１axと種結晶３の対称軸３axとが一致するように、種結晶３が取り付けられており、また、坩堝１の外側には、坩堝１の対称軸１axと断熱材５に形成された貫通孔（円形）６の中心軸６axとが一致するように、断熱材５が設けられており、前記貫通孔（円形）６の中心に対応して、成長している結晶の中心部の温度が低くなり、結晶成長方向に向かって凸形状の温度分布が形成されるようになっている。このように、結晶成長面内で低い温度の点と高い温度の点とがある場合には、温度の低い点でより速く結晶成長が進み、高い点では結晶成長が進み難くなる。このため、結晶成長面はほぼ等温面と同じになり、結晶は等温面に従って成長する。
【００１８】
図３は、本発明の結晶成長を説明するための説明図であって、成長している結晶に対して非軸対称な温度分布を持つ場合であり、種結晶３と成長している結晶（図示外）近傍の等温線を示す模式図である。ここでは、坩堝１の対称軸（中心軸）１axに対して非対称な温度分布を形成する一つの方法として、従来、坩堝１の中心軸１axを中心として坩堝１上部の断熱材５に形成していた貫通孔(円形)６の中心軸６axを坩堝１の中心軸１axからずらした場合を示している。
【００１９】
この図３の場合においても、坩堝１外側の断熱材５に形成した貫通孔（円形）６の中心軸６axに対応して、図２の場合と同様に、成長方向に向かって凸形状の温度分布が形成される。しかしながら、この図３の場合には、貫通孔６の中心軸６axと成長している結晶の中心とが一致していないので、図３（ａ）の温度分布を用いて結晶成長すれば、成長したインゴットはこの非軸対称な等温面に従って成長し、得られるインゴットは非軸対称な位置に凸部を持つインゴットになる。
【００２０】
この非軸対称な温度分布を、軸対称な構造を持つ種結晶３の対称軸３ax〔坩堝１の対称軸（中心軸）１ax〕に対して回転させた場合の模式図を図３（ｂ）に示す。この図３（ｂ）においては、成長している結晶と坩堝１を固定し、周囲に配置され、中心軸６axが坩堝１の中心軸１axからずれた非軸対称な位置に貫通孔６を有する断熱材５を１８０°回転させた。図３（ａ）で貫通孔６の中心軸６ax上に位置して結晶成長面内で最も温度の低い点Ａは、図３（ｂ）の配置となった場合には温度が高くなり、この図３（ｂ）の配置の際に温度が最も低くなるのは、貫通孔６の中心軸６ax上に位置するＢ点となり、図３（ａ）から図３（ｂ）に回転した際に、位置Ａ点では最も低い温度から上昇し、反対に、位置Ｂ点では高い温度から最も低い温度に低下することになる。
【００２１】
この結果、図３（ａ）において結晶成長が最も速く進んでいたＡ点が、図３（ｂ）の配置になることにより図３（ａ）の場合に比べて高温となる。このため、図３（ａ）の配置で結晶成長中に発生した結晶欠陥（即ち、結晶性の異なる結晶核の生成）があると、この結晶欠陥の部分は欠陥の無い部分に比べてエネルギー的に不安定であるため、図３（ｂ）の配置になってＡ点の温度が高温になると、その欠陥の部分が他の部分よりも先に昇華する。このようにして、エネルギー的に不安定な結晶欠陥を除去しながら結晶成長を進めることで、エネルギー的に安定な種結晶３と同じ結晶性を持つ結晶のみを優先的に成長させることが可能となる。
【００２２】
図３（ａ）の配置から図３（ｂ）の配置へと回転させることで、Ａ、Ｂ点のみならず、結晶成長面内の各点の温度は高くなる、若しくは低くなるという変化が発生し、Ａ、Ｂ点以外の結晶成長面内の点においても、上記の場合と同様に、結晶成長過程で生成する欠陥部分を昇華させながら結晶成長を行うことができる。
【００２３】
その結果、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置によれば、欠陥密度の低い良質の結晶を効率良く成長させることができ、結晶品質の良い結晶の歩留まりを顕著に向上させることが可能になり、また、このようにして得られた炭化珪素単結晶インゴットを加工して得られる炭化珪素単結晶基板を電子材料基板に用いれば、製品歩留まりの高い高品質な電子材料を製造することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、結晶成長中、特に結晶成長が開始する結晶成長の初期の段階で、種結晶と結晶性の異なる結晶核の生成が生じた場合でも、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと共に、その種結晶の対称軸を中心にして、非軸対称な温度分布と種結晶及び成長している結晶とを相対的に回転させながら結晶成長を行うことにより、結晶核が昇華し易い温度分布を形成してこの結晶核の昇華を誘起し、エネルギー的に安定な種結晶と同じ結晶性を持つ結晶のみを優先的に成長させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、改良レーリー法の原理を説明するための説明図である。
【００２６】
【図２】図２は、本発明の原理を説明するための従来の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置における種結晶周辺部分を示す説明図である。
【００２７】
【図３】図３は、本発明の原理を説明するための本発明に係る図２と同様の種結晶周辺部分を示す説明図である。
【００２８】
【図４】図４は、本発明の実施形態の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明するための説明図である。
【００２９】
【図５】図５は、図４の坩堝、断熱材、及びこの断熱材に形成された貫通孔の位置関係を説明するための説明図である。
【００３０】
【図６】図６は、本発明の実施形態の他の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明するための説明図である。
【００３１】
【図７】図７は、本発明の実施例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいて、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を説明する。
図４に、本発明の実施形態の一例に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置が示されている。坩堝１の上部を覆う断熱材５に形成された貫通孔６は、坩堝１の対称軸（中心軸）１axから図面上左にずらして配置されており、同じ軸対称な構造を持つ種結晶３及び坩堝１に対して、非軸対称な温度分布を形成するようになっている。
【００３３】
図４の構成において、坩堝支持部材７を坩堝１の中心軸１axに対して回転させ、一方で断熱材支持部材８を固定しておくことにより、上記の坩堝１の中心軸１axに対して断熱材５の貫通孔６によって形成された非軸対称な温度分布を相対的に回転させることができ、結果として、結晶成長中に、非軸対称な温度分布の中で種結晶３とこの種結晶３の結晶成長面上で成長している結晶を回転させることができる。反対に、坩堝支持部材７を固定して断熱材支持部材８を回転させることでも同じ効果が得られる。
【００３４】
坩堝１の周囲に配置する断熱材５を用いて非軸対称な温度分布を形成するためには、上記の如く非軸対称な位置に貫通孔６を形成する以外にも、坩堝１の周囲に配置する断熱材５の厚さを坩堝１の中心軸１axに対して非軸対称とする等の方法を用いてもよい。更に、非軸対称な温度分布は、図示外のワークコイルの中心軸と軸対称な坩堝１の中心軸１axをずらすことによって形成することができ、また、非軸対称な発熱分布を持つ図示外の発熱体を用いることによっても形成できる。
【００３５】
本発明においては、このようにして形成された非軸対称な温度分布の中で、坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）に対して坩堝１（種結晶３と成長している結晶）を相対的に回転させながら結晶成長を行うが、このとき、回転が速すぎると、坩堝１が有する熱容量のため、坩堝１や結晶部分における温度分布の変化が追随できない場合が起こる。この場合には、非軸対称な温度分布は、平均化されて軸対称な温度分布に近づくことになり、言い換えれば、回転速度を早くし過ぎると、従来の軸対称な温度分布に近似的に近づくことになる。また、反対に、回転が遅過ぎる場合には、結晶成長面内での十分な温度変化を得られなくなり、結晶成長と同時に種結晶３と異なる結晶性を持つ結晶核を昇華させるという効果が得られなくなる。
【００３６】
そこで、本発明においては、非軸対称な温度分布の中での種結晶の対称軸を中心とする種結晶と成長している結晶の相対的な回転速度を０．１回転／時間以上３００回／時間以下、好ましくは０．５回転／時間以上６０回／時間以下とするのがよい。この回転速度が３００回／時間より速い場合には、非軸対称に形成した効果が平均化され、本発明の効果が得られない場合があり、本発明の効果をより確実にするためには回転速度は６０回／時間以下であるのがよい。また、炭化珪素単結晶の成長速度が通常数十μm／時間〜数mm／時間であることから、回転速度が０．１回転／時間より遅くなると、本発明の効果が得られ難くなる。
【００３７】
ところで、結晶成長の初期には種結晶表面（平面）と等温面の形状とが異なるために、種結晶と異なる結晶性を持つ結晶核が発生し易く、欠陥が導入され易い。そこで、成長した結晶の高さが１０mm以下の場合には、非軸対称な温度分布が平均化されないように、上記の回転速度を好ましくは６回転／時間以下に維持することが望ましい。
【００３８】
また、断熱材５に形成される貫通孔６の大きさと、坩堝１の内部上方に設けられる種結晶３の大きさとの関係については、図５において、坩堝１の中心軸１ax上の点をＰ、断熱材５の貫通孔６の中心をＱ、貫通孔６の半径をｒ、及びＰＱ間の距離をｓとしたとき、貫通孔６の半径rが種結晶３の半径に比べて小さ過ぎると、貫通孔６の効果が十分に得られず、良好な凸形状の温度分布が得られない。一方で、貫通孔６の半径ｒが種結晶３の半径に比べて大き過ぎる場合には結晶成長面全体に亘って温度が低下するため、良好な凸形状が得られない。これらのことから、貫通孔６の半径ｒについては、種結晶３の半径の通常２０%以上６０%以下、好ましくは３０%以上５０%以下であるのが望ましい。
【００３９】
結晶成長後のインゴットは、上下面と外周面とをそれぞれ研削加工した後に、所定の厚さに切断され、炭化珪素単結晶基板が切り出される。このため、結晶成長後のインゴットは、基板の切り出し枚数を増やして歩留まりを向上させるために、軸対称形状に近い方が望ましい。また、前記のように、回転速度を早くすることにより、非軸対称性の効果が小さくなって平均化し、最も低い温度の点が成長する結晶の中心にくる。そこで、結晶成長過程の後期には、回転速度を速くして平均化された際に、最も低い温度の点が成長する結晶の中心に来て、軸対称形状に近いインゴットが形成されるように、好ましくは貫通孔６の半径ｒをＰＱ間の距離ｓよりも大きくするのが望ましい。このように貫通孔６の半径ｒをＰＱ間の距離ｓよりも大きくすることにより、結晶成長過程の初期、特に成長した結晶の高さが１０mm以下のときには回転速度を遅く、好ましくは６回転／時間以下に維持して非軸対称性の効果を効率良く発現させ、また、成長した結晶の高さが１０mmより大きい場合である結晶成長過程の後期には回転速度を速くして非軸対称性の効果を低下させ、これによって欠陥密度が低く、しかも、軸対称形状に近い炭化珪素単結晶インゴットを容易に製造することができる。
【００４０】
本発明に係る炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて単結晶インゴットを作製することにより、単一ポリタイプからなる欠陥の少ない高品質のインゴットを再現性良く生産することが可能となる。また、このインゴットから研削、切断、研磨により作製される炭化珪素単結晶基板は、欠陥の少ない電子材料用基板として有用である。
【実施例】
【００４１】
以下に、本発明の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置を用いて、単結晶インゴットを作製する場合の実施例について説明する。
【００４２】
先ず、図７に基づいて、以下の実施例で用いる炭化珪素単結晶インゴットの製造装置の全体を簡単に説明する。この製造装置は、黒鉛製の坩堝１と、この坩堝１を取り囲むように覆う断熱材５と、更にこれら坩堝１及び断熱材５を収容する二重石英管９と、更にこの二重石英管９の外側に前記坩堝１を発熱させる誘導加熱用のためのワークコイル13が設置されている。坩堝１に炭化珪素結晶粉末からなる原料２が収容されている。また、前記坩堝１の内部上方〔蓋部（坩堝蓋）〕には、炭化珪素単結晶からなる種結晶３が取り付けられている。前記ワークコイル13に高周波電流を流すことにより、坩堝１を加熱し、原料２及び種結晶３を所望の温度に加熱する。
【００４３】
この製造装置において、二重石英管９内部は、真空排気装置10により高真空排気（10-3Pa以下）することができ、かつＡｒガス配管11とＡｒガス用マスフローコントローラ12を用いて、内部雰囲気をＡｒガスにより圧力制御することができるようになっている。そして、坩堝１の温度の計測は、坩堝１上下部を覆う黒鉛製の断熱材５の中央部に光路を設け、坩堝１の上部及び下部からの光を取り出して、二色温度計を用いて行い、坩堝下部の温度を原料温度とし、坩堝上部の温度から種結晶の温度を判断する。
【００４４】
結晶成長は、前記製造装置において、原料２を昇華させ、種結晶３として用いた炭化珪素単結晶上で再結晶化させることにより行われ、その手順は以下の通りである。
先ず、種結晶３が取り付けられ、また、原料２を収容した坩堝１が、二重石英管９の内部において、坩堝支持部材８の上に設置される。この坩堝１の周囲には、熱シールドのための断熱材５が設置され、その一部が断熱材支持部８の上に設置される。
【００４５】
次に、このようにして坩堝１及び断熱材５が配置された後に、二重石英管９の内部を真空排気し、ワークコイル13に電流を流し、原料温度を２０００℃まで上昇させる。その後、雰囲気ガスとしてＡｒガスを流入させ、二重石英管９内の圧力を約８０kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させ、その後、３０分かけて成長圧力である１．３kPaまで減圧する。減圧を始めると同時に、坩堝支持部材７を坩堝１の中心軸１axの周りを所定の速度で回転させる。その後、結晶成長に要する所定時間の間、原料温度を目標温度に保持すると同時に、坩堝支持部材７を所定の回転速度で回転させて、単結晶の成長を行う。結晶成長後、６時間かけてワークコイル13に流す電流の値を徐々に０までにし、単結晶インゴットの製造を終了する。
【００４６】
［実施例１］
実施例１においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１０mmとなるように、直径４０mmの貫通孔を形成した。
【００４７】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に０．５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に更に３０時間の間は０．５回転／時間の速度で回転を続け、更にその後、結晶成長が終了するまでの５０時間の間は２０回転／時間の速度で回転を継続した。結晶成長は減圧が終わってから合計で８０時間行った。
【００４８】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11‐20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが６０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００４９】
［実施例２］
実施例２においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１５mmとなるように、直径５０mmの貫通孔を形成した。
【００５０】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に結晶成長を行う８０時間の間中５回転／時間の速度で回転を継続した。
【００５１】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが７０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５２】
［実施例３］
実施例３においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が２０mmとなるように、直径６０mmの貫通孔を形成した。
【００５３】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に１０回転／時間の速度で回転させ始め、１．３kPaに減圧した後に結晶成長を行う８０時間の間中１０回転／時間の速度で回転を続けた。
【００５４】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ない極めて高品質であることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが８０００個／cm2である、エッチピット密度の低い炭化珪素単結晶基板が得られた。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５５】
［実施例４］
実施例４においては、図４に示す製造装置において、坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとの間の距離が１５mmとなるように、直径５０mmの貫通孔を形成した。
【００５６】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材の回転は、減圧を始めると同時に１５０回転／時間の速度で回転させ始め、１．３kPaに減圧した後に結晶成長を行う８０時間の間中１５０回転／時間の速度で回転を続けた。
【００５７】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１００００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００５８】
［実施例５］
実施例５においては、図６に示す製造装置を用いた。図６に示す装置は、坩堝1の側面を覆う断熱材５の一部を取り除き、その部分に誘導加熱により発熱する黒鉛製の発熱体14を配置した。この発熱体14は、坩堝1の外周部の周方向に１／４周の部分のみに形成し、残りの３／４周の部分には図４の装置と同様に断熱材５を配置した。坩堝１の容器部内にアチソン法により作製された炭化珪素結晶粉末からなる原料２を収容した。また、坩堝１の蓋部には、種結晶３として、口径１０５mmの(0001)面を有する４Ｈポリタイプの炭化珪素単結晶ウェハを配置した。また、坩堝１の上部を覆う断熱材５には、直径５０mmの貫通孔６をその中心軸６axが坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）と一致するように、すなわち、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとが重なってこれらＰＱ間の距離が０となるように形成した。
【００５９】
このようにして作製された坩堝１、断熱材５を前述のように二重石英管９の内部に設置し、前記手順で炭化珪素単結晶の結晶成長を行った。原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた後に、二重石英管９内のＡｒの圧力を成長圧力１．３kPaまで３０分かけて減圧した。坩堝支持部材７の回転は、減圧を始めると同時に０．５回転／時間の速度で回転させ始め、減圧が１．３kPaに到達した後に３０時間の間は０．５回転／時間の速度で回転を続け、更にその後、結晶成長が終了するまでの５０時間は２０回転／時間の速度で回転を継続した。結晶成長は減圧が終わってから８０時間行った。
【００６０】
成長速度は約０．６mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが５０mm程度である単結晶インゴットが得られた。
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであることが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１００００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板として有用であった。
【００６１】
［比較例１］
実施例1と比較するために、減圧開始後から結晶成長中にかけて坩堝支持部材７の回転を行わない以外は、前記実施例１と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。インゴットは貫通孔６の部分の高さが高い非軸対称な形状であった。
【００６２】
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ないことが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１２０００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板としては欠陥密度が高いために、電子デバイスの製造歩留まりが低くなるという問題があった。
【００６３】
［比較例２］
実施例1と比較するために、坩堝１の上部を覆う断熱材５に、直径４０mmの貫通孔６をその中心軸６axが坩堝１の中心軸１ax（種結晶３の対称軸３ax）に一致するように、すなわち、坩堝１の中心Ｐと貫通孔６の中心Ｑとが重なってこれらＰＱ間の距離が０mmとなるように形成した。つまり、軸対称な温度分布を形成すること以外は、前記実施例１と同様にして、炭化珪素単結晶インゴットの製造を行った。
【００６４】
成長速度は約０．５mm／時であって、結晶の口径が１０５mm程度で高さが４０mm程度である単結晶インゴットが得られた。インゴットは軸対称位置にある貫通孔の部分の高さが高い、軸対称な形状であった。
【００６５】
得られた炭化珪素単結晶インゴットについて、Ｘ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈの単一ポリタイプからなるインゴットであり、また、マイクロパイプ等の結晶欠陥が少ないことが確認された。さらに、得られたインゴットを(0001)<11-20>４°オフ基板状に切断、研磨した後に、溶融ＫＯＨによるエッチングを行った。光学顕微鏡にてエッチピットの密度を計測したところ、エッチピットが１２０００個／cm2であった。
このインゴットから切り出された炭化珪素単結晶基板は、電子デバイスを作製するための基板としては欠陥密度が高いために、電子デバイスの製造歩留まりが低くなるという問題がある。
【符号の説明】
【００６６】
１…坩堝、２…原料、３…種結晶、４…単結晶、５…断熱材、６…貫通孔、７…坩堝支持部材、7a…坩堝支持部材回転機構、８…断熱材支持部材、９…二重石英管、10…真空排気装置、11…Ａｒガス配管、12…Ａｒガス用マスフローコントローラ、13…ワークコイル、14…発熱体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であって、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと同時に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行うことを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【請求項２】
前記坩堝と種結晶とが同じ対称軸を共有しており、該坩堝を取り囲む断熱材を非軸対称に配置することを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【請求項３】
前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、０．１回転／時間以上３００回転／時間以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、成長した結晶の最高部の高さが１０mm以下の場合に６回転／時間以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項１】
対称軸を有する坩堝と対称軸を有する種結晶を用いて昇華再結晶法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する装置であって、種結晶の対称軸に対して非軸対称な温度分布を持つ加熱を行うと同時に、その非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心にして、種結晶と成長している結晶を回転させながら結晶成長を行うことを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【請求項２】
前記坩堝と種結晶とが同じ対称軸を共有しており、該坩堝を取り囲む断熱材を非軸対称に配置することを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造装置。
【請求項３】
前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、０．１回転／時間以上３００回転／時間以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記非軸対称な温度分布の中で種結晶の対称軸を中心に種結晶と成長している結晶を回転させる際の回転速度が、成長した結晶の最高部の高さが１０mm以下の場合に６回転／時間以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１３１６７９（Ｐ２０１２−１３１６７９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７３３６（Ｐ２０１０−２８７３３６）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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