JP2013256401A - 単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電の発生を抑制可能な単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】単結晶の製造装置１０は、成長容器１と、加熱部２と、電流導入部３と、断熱部４とを有している。成長容器１は、原料１４を収容するためのものである。加熱部２は、成長容器１を加熱するためのものである。電流導入部３は、加熱部２に電流を供給するためのものである。断熱部４は、成長容器１を外部から断熱するためのものである。電流導入部３は加熱部２よりも断熱部４の近くに配置されている。電流導入部３の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、加熱部２の当該平面における断面積よりも大きい。
【選択図】図１

Description

この発明は、単結晶の製造装置に関し、より特定的には原料を収容する成長容器と、成長容器を加熱する加熱部とを有する単結晶の製造装置に関する。

近年、半導体装置の製造用に炭化珪素基板が用いられ始めている。炭化珪素は珪素に比べて大きなバンドギャップを有する。そのため、炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の劣化が小さいといった利点を有する。

たとえば特開平０６−１６９９号公報（特許文献１）、特表２００３−５２７２９５号公報（特許文献２）および特開２０００−２１９５９４号公報（特許文献３）において、昇華法により炭化珪素単結晶を成長させる技術が記載されている。

特開平０６−１６９９号公報 特表２００３−５２７２９５号公報 特開２０００−２１９５９４号公報

上記方法では、２０００℃程度の高温および低い雰囲気圧力条件において単結晶が成長する。それゆえ、カーボンヒータからの熱電子が放出されることによって、ヒータと断熱材との間で放電が起こりやすくなっている。放電が発生すると、ヒータ電流が不安定になるので、単結晶を成長させる坩堝の温度が変動する。これにより、複数の結晶多形が発生し、所望の結晶を得ることが困難となる。また、放電により、断熱材や坩堝などの部材が破損する場合もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、放電の発生を抑制可能な単結晶の製造装置を提供することである。

本発明に係る単結晶の製造装置は、成長容器と、加熱部と、電流導入部と、断熱部とを有している。成長容器は、原料を収容するためのものである。加熱部は、成長容器を加熱するためのものである。電流導入部は、加熱部に電流を供給するためのものである。断熱部は、成長容器を外部から断熱するためのものである。電流導入部は加熱部よりも断熱部の近くに配置されている。電流導入部の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、加熱部の当該平面における断面積よりも大きい。

本発明に係る単結晶の製造装置において、電流導入部は加熱部よりも断熱部の近くに配置されている。また、電流導入部の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、加熱部の平面における断面積よりも大きい。これにより、電流導入部における電流密度が加熱部における電流密度よりも小さくなるので、電流導入部における電位差は加熱部における電位差よりも低くなる。これにより、電流導入部と断熱部との間で放電が発生することを効率的に抑制することができる。

上記の単結晶の製造装置において好ましくは、加熱部は成長容器の温度を２０００℃以上に加熱可能である。これにより、２０００℃以上の高温で放電が発生し易い状況においても、電流導入部と断熱部との間で放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

上記の単結晶の製造装置において好ましくは、電流導入部と断熱部との間に絶縁体部が設けられている。これにより、電流導入部と断熱部との間には電流が流れづらくなる。それゆえ、電流導入部と断熱部との間で放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

上記の単結晶の製造装置において好ましくは、成長容器、加熱部、電流導入部および断熱部を収容する金属容器をさらに有する。断熱部は金属容器に接して設けられている。これにより、断熱部は金属容器を介してアース（接地）された状況になる。断熱部がアースされた状況においても、電流導入部と断熱部との間で放電が発生することを効率的に抑制することができる。

上記の単結晶の製造装置において好ましくは、成長容器、加熱部、電流導入部および断熱部を収容する金属容器をさらに有する。断熱部および金属容器の間に絶縁材が設けられている。これにより、断熱部および金属容器の間には電流が流れづらくなる。それゆえ、電流導入部と断熱部との間で放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

本発明によれば、放電の発生を抑制可能な単結晶の製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る単結晶の製造装置の構成を概略的に示す断面模式図である。 加熱部および電流導入部の構成を説明するための概略平面図（Ａ）および概略断面図（Ｂ）である。 本発明の実施の形態２に係る単結晶の製造装置の構成を概略的に示す断面模式図である。 本発明の実施の形態２に係る単結晶の製造装置の変形例の構成を概略的に示す断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係る単結晶の製造装置の構成を概略的に示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る単結晶の製造方法を概略的に示すフロー図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１に係る単結晶の製造装置の構成について説明する。

実施の形態１に係る単結晶の製造装置は、成長容器１と、加熱部２と、電流導入部３と、断熱部４と、金属容器６とを主に有している。成長容器１は、たとえば炭化珪素からなる原料１４と、原料１４に対向して配置された種基板１３とを収容するための坩堝である。成長容器１は、原料１４が配置される収容部１５と、種基板１３を保持するための種基板保持部１２とを有している。種基板保持部１２は、収容部１５と接しており、収容部１５の蓋である。

加熱部２は、成長容器１の収容部１５に収容されている原料１４を加熱するためのものであり、収容部１５に対向して配置されている。加熱部２は、たとえば抵抗型の発熱体からなり薄板形状を有している。発熱体とは、たとえばカーボンである。好ましくは、加熱部２は、成長容器１を２０００℃以上に加熱可能である。加熱部２には、加熱部２に電流を印加するための電流導入部３が接続されている。電流導入部３は電極５と電気的に接続されている。電極５から電流導入部３を通って加熱部２に電流が供給可能である。

断熱部４は、成長容器１を囲うように形成されており、成長容器１を外部から断熱するためのものである。断熱部４は、たとえばカーボン繊維成形材やフェルトなどからなる。断熱部４ａは、加熱部２と金属容器６との間に配置されている。断熱部４ａは、金属容器６と接して配置されている。断熱部４ｂは、成長容器１を取り囲むように配置されている。電流導入部３は、加熱部２よりも断熱部４ａの近くに配置されている。なお、電流導入部３は加熱部よりも金属容器６に接している断熱部４ａの近くに配置されていればよく、金属容器６に接していない断熱部４ｂの近くに配置されていなくてもよい。本実施の形態において断熱部４ａは、金属容器６を介してアースされている。また、成長容器１は図示されていない支持具によって断熱部４に支持され、加熱部２に接しないようにしている。

金属容器６は、成長容器１、加熱部２、電流導入部３および断熱部４を有している。金属容器６には、図示しないガス供給口およびガス排気口が設けられており、金属容器６内にアルゴンなどの気体を導入可能である。また、金属容器６は内部に導入された気体の圧力を調整可能に構成されている。

図２（Ａ）を参照して、加熱部２は平面的に見て幅Ｌ１を有している。加熱部２の左右には、ねじ９が配置されるねじ穴が形成されている。電流導入部３は平面的にみて幅Ｌ２を有している。本実施の形態において、電流導入部３の幅Ｌ２は、加熱部２の幅よりも小さい。

図２（Ｂ）を参照して、加熱部２は断面的に見て高さｔ１を有している。加熱部２の下方に接して電流導入部３が配置されている。電流導入部３は、加熱部２の左右に配置されている。電流導入部３は断面的に見て高さｔ２を有している。本実施の形態において、加熱部２の高さｔ１は、電流導入部３の高さｔ２よりも小さい。電流導入部３はねじ９によって加熱部２の下部に固定されている。電流導入部３は加熱部２に対して電流を供給可能に設けられている。

本実施の形態において、電流導入部３の電流が流れる方向（図２において左右方向）に垂直な平面における断面積は、加熱部２の電流が流れる（図２において左右方向）に垂直な平面における断面積よりも大きい。つまり電流導入部３の断面積（Ｌ２×ｔ２）は、加熱部２の断面積（Ｌ１×ｔ１）よりも大きい。加熱部２の高さｔ１はたとえば０．５〜３ｍｍ程度であり、電流導入部３の高さｔ２はたとえば２０〜４０ｍｍ程度である。加熱部２の幅Ｌ１はたとえば２００〜３００ｍｍ程度であり、電流導入部３の幅Ｌ２はたとえば２０〜４０ｍｍ程度である。

好ましくは、電流導入部３の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、加熱部２の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積の２倍以上であり、より好ましくは５倍以上であり、さらに好ましくは１０倍以上である。

図１を参照して、実施の形態１に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
図１を参照して、種基板保持工程（図６：Ｓ１０）が実施される。種基板保持工程（Ｓ１０）においては、種基板１３が種基板保持部１２により保持される。種基板１３は、たとえば円板状であり炭化珪素単結晶から成る。また、種基板１３のポリタイプはたとえば４Ｈであり、直径はたとえば６インチである。収容部１５には、たとえば多結晶炭化珪素からなる原料１４が配置される。原料１４は、種基板１３に対向して配置される。

次に、単結晶成長工程（図６：Ｓ２０）が実施される。具体的には、金属容器６を真空排気しながら成長容器１の温度を１５００℃程度にまで昇温する。金属容器６にアルゴン（Ａｒ)を充填して内圧をたとえば９０ｋＰａにする。成長容器１を加熱部２によって加熱することで、成長容器１の温度をたとえば２０００℃以上２４００℃以下程度に昇温する。昇温中、１ｓｌｍ程度のＡｒガスを流しながら成長炉の圧力をたとえば９０ｋＰａに保持する。上記成長温度に到達した後、Ａｒの圧力をたとえば０．１ｋＰａ以上５ｋＰａ以下程度に減圧することにより、炭化珪素からなる原料１４が昇華して、種基板１３上に炭化珪素単結晶の成長が開始される。一定時間経過後、種基板上に所定の厚みを有する炭化珪素単結晶が成長する。なお、炭化珪素単結晶が成長する工程においては、原料１４の温度は種基板１３の温度よりも高く設定される。

なお、本実施の形態において、単結晶として炭化珪素単結晶を例に挙げて説明したがこの材料に限定されない。単結晶としては、炭化珪素の他にたとえばシリコンや窒化ガリウムなどが挙げられる。

また、本実施の形態では、昇華法による炭化珪素単結晶を成長させる場合について説明したがこれに限定されない。たとえば炭化珪素単結晶の成長は、ガス成長法または高温ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって行われても構わない。

次に、実施の形態１の作用効果について説明する。
実施の形態１に係る単結晶の製造装置１０において、電流導入部３は加熱部２よりも断熱部４ａの近くに配置されている。高温低圧下の単結晶の製造条件においては、放電が発生しやすい状況にある。断熱部４ａがアースされており、電流導入部３が加熱部２よりも断熱部４ａに近い配置の場合、電流導入部３と断熱部４ａとの間で放電が発生しやすくなる。実施の形態１に係る単結晶の製造装置１０において、電流導入部３の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、加熱部２の当該平面における断面積よりも大きい。これにより、電流導入部３における電流密度が加熱部２における電流密度よりも小さくなるので、電流導入部３における電位差は加熱部２における電位差よりも低くなる。これにより、電流導入部３から断熱部４ａに対して放電が発生することを効率的に抑制することができる。

また実施の形態１に係る単結晶の製造装置１０において、加熱部２は成長容器１の温度を２０００℃以上に加熱可能である。これにより、２０００℃以上の高温で放電が発生し易い状況においても、電流導入部３から断熱部４ｂに対して放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

さらに実施の形態１に係る単結晶の製造装置において、成長容器１、加熱部２、電流導入部３および断熱部４を収容する金属容器６をさらに有する。断熱部４ａは金属容器６に接して設けられている。これにより、断熱部４ａは金属容器６を介してアースされた状況になる。断熱部４ａがアースされた状況においても、電流導入部３から断熱部４ａに対して放電が発生することを効率的に抑制することができる。

（実施の形態２）
図３を参照して、本発明の実施の形態２に係る単結晶の製造装置の構成について説明する。

実施の形態２に係る単結晶の製造装置は、電流導入部３と断熱部４ａとの間に絶縁体部７を有している点において実施の形態１に係る単結晶の製造装置と異なっており、他の点については実施の形態１に係る単結晶の製造装置と同様の構成を有している。

図３に示すように、実施の形態２に係る単結晶の製造装置１０の電流導入部３と断熱部４ａとの間に絶縁体部７が配置されている。実施の形態２において、絶縁体部７は、電流導入部３および断熱部４ａに接しており、断熱部４ａは金属容器６に接している。好ましくは、絶縁体部７は、電流導入部３の断熱部４ａに対向する表面全体を覆うように配置されている。

図４に示すように、絶縁体部７は、金属容器６と接している断熱部４ａと電流導入部３との間および金属容器６と接していない断熱部４ｂと電流導入部３との間に配置されていても構わない。好ましくは、絶縁体部７は管状であり、電流導入部３の表面および側面を取り囲むように配置されている。なお、絶縁体部７を構成する材料は、たとえばアルミナや石英などである。

次に、実施の形態２の作用効果について説明する。
実施の形態２に係る単結晶の製造装置１０において、電流導入部３と断熱部４ａとの間に絶縁体部７が設けられている。これにより、電流導入部３と断熱部４ａとの間には電流が流れづらくなる。それゆえ、電流導入部３と断熱部４ａとの間で放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

（実施の形態３）
図５を参照して、本発明の実施の形態３に係る単結晶の製造装置の構成について説明する。

実施の形態３に係る単結晶の製造装置は、断熱部４ａと金属容器６との間に絶縁材を有している点において実施の形態１に係る単結晶の製造装置と異なっており、他の点については実施の形態１に係る単結晶の製造装置と同様の構成を有している。

図５に示すように、実施の形態３に係る単結晶の製造装置１０は、断熱部４ａと金属容器６との間に絶縁材としてのライナー１１を有している。本実施の形態のライナー１１は、金属容器６および断熱部４ａに接して設けられている部分と、金属容器６にのみ接して設けられている部分とを有する。ライナー１１は、金属容器６の内壁のほぼ全体に接して設けられており、ライナー１１には、電極５から電流導入部３に電流を流すための開口が設けられていても構わない。

なお、ライナー１１を構成する材料は、たとえばアルミナや石英などである。また、ライナー１１は、金属容器６と断熱部４ａとの間に配置されていれば、金属容器６や断熱部４ａと接していなくても構わない。好ましくは、ライナー１１の断熱部４ａに対向する部分の面積は、当該断熱部４ａの面積よりも大きい。また、単結晶の製造装置１０は、実施の形態３で説明したライナー１１および実施の形態２で説明した絶縁体部７の両方を有していても構わない。

次に、実施の形態３の作用効果について説明する。
実施の形態３に係る単結晶の製造装置１０において、成長容器１、加熱部２、電流導入部３および断熱部４を収容する金属容器６をさらに有する。断熱部４ａおよび金属容器６の間にライナー１１が設けられている。これにより、断熱部４ａおよび金属容器６の間には電流が流れづらくなる。それゆえ、電流導入部３と断熱部４ａとの間で放電が発生することをより効率的に抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 成長容器、２ 加熱部、３ 電流導入部、４，４ａ，４ｂ 断熱部、５ 電極、６ 金属容器、７ 絶縁体部、１０ 製造装置、１１ ライナー、１２ 種基板保持部、１３ 種基板、１４ 原料、１５ 収容部。

Claims (5)

1. 原料を収容するための成長容器と、
   前記成長容器を加熱するための加熱部と、
   前記加熱部に電流を供給するための電流導入部と、
   前記成長容器を外部から断熱するための断熱部とを備え、
   前記電流導入部は前記加熱部よりも前記断熱部の近くに配置されており、
   前記電流導入部の電流が流れる方向に垂直な平面における断面積は、前記加熱部の前記平面における断面積よりも大きい、単結晶の製造装置。
2. 前記加熱部は前記成長容器の温度を２０００℃以上に加熱可能である、請求項１に記載の単結晶の製造装置。
3. 前記電流導入部と前記断熱部との間に絶縁体部が設けられている、請求項１または２に記載の単結晶の製造装置。
4. 前記成長容器、前記加熱部、前記電流導入部および前記断熱部を収容する金属容器をさらに備え、
   前記断熱部は前記金属容器に接して設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶の製造装置。
5. 前記成長容器、前記加熱部、前記電流導入部および前記断熱部を収容する金属容器をさらに備え、
   前記断熱部および前記金属容器の間に絶縁材が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶の製造装置。

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