JP2016121028A - 結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶の品質を向上させること。【解決手段】 本発明の結晶の製造方法は、炭化珪素の結晶２の製造方法であって、種結晶３と、坩堝５と、坩堝５内に珪素および炭素を含む溶液６とを準備する準備工程と、種結晶３を溶液６に接触させる接触工程と、種結晶３を引き上げて、種結晶３の表面に結晶２を成長させる第１成長工程と、第１成長工程の後、坩堝５内において溶液６の液面の位置が接触工程時の溶液６の液面の位置以上になるように、溶液６を補充する補充工程と、補充工程の後、結晶２をさらに成長させる第２成長工程とを備える。その結果、製造した結晶２の品質を向上させることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化珪素の結晶の製造方法に関する。

従来から、炭素および珪素を含む溶液を使用した溶液法によって、炭化珪素の種結晶の下面に炭化珪素の結晶を成長させることが知られている。（例えば特許文献１を参照）

特開２０１０―１８４８４９号公報

溶液法によって炭化珪素の結晶を成長させる際、溶液から結晶が形成される。そして、結晶を長尺化させるために、結晶の成長には長い時間が必要になる。そのため、結晶を成長させると、溶液の量が徐々に減少する。その結果、溶液内の条件が変化して、結晶の品質が低下する虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、炭化珪素の結晶の品質を向上させることを目的とする。

本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法は、炭化珪素の結晶の製造方法であって、種結晶と、坩堝と、前記坩堝内に珪素および炭素を含む溶液とを準備する準備工程と、前記種結晶を前記溶液に接触させる接触工程と、前記種結晶を引き上げて、前記種結晶の表面に結晶を成長させる第１成長工程と、前記第１成長工程の後、前記坩堝内において前記溶液の液面の位置が前記接触工程時の前記溶液の液面の位置以上になるように、前記溶液を補充する補充工程と、前記補充工程の後、前記結晶をさらに成長させる第２成長工程とを備える。

本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法によれば、成長した結晶の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法に使用する結晶製造装置の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法の一工程を示す断面図である。

＜結晶製造装置＞
以下に、本発明の一実施形態に係る結晶の製造方法に使用する結晶製造装置の一例について、図１を参照しつつ説明する。図１は、本例の結晶製造装置の概略を示している。なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

結晶製造装置１は、半導体部品等に使用される炭化珪素の結晶２を製造する装置である
。結晶製造装置１は、種結晶３の下面に結晶２を成長させることによって結晶２を製造する。結晶製造装置１は、図１に示すように、主に保持部材４および坩堝５を含んでおり、保持部材４には種結晶３が固定され、坩堝５内には溶液６が貯留される。結晶製造装置１は、種結晶３の下面を溶液６に接触させて、種結晶３の下面に結晶２を成長させる。

結晶２は、製造された後に加工されてウェハになり、半導体部品の製造プロセスを経て半導体部品の一部となる。結晶２は、種結晶３の下面に成長した炭化珪素の結晶のインゴットである。結晶２は、例えば円状または多角形状の平面形状を有する柱状に形成される。結晶２は、炭化珪素の単結晶からなる。結晶２の直径または幅は、例えば２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定される。結晶２の高さは、例えば３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下に設定される。

種結晶３は、結晶製造装置１で成長させる結晶２の種となる。種結晶３は、例えば円状または多角形状の平面形状を有する平板状に形成されている。種結晶３は、結晶２と同じ材料からなる結晶である。すなわち、本実施形態では、炭化珪素の結晶２を製造するため、炭化珪素の結晶からなる種結晶３を用いる。種結晶３は、単結晶または多結晶からなる。本実施形態では、種結晶３は単結晶からなる。

種結晶３は、保持部材４の下面に固定されている。種結晶３は、例えば炭素を含んだ接着材（図示せず）によって、保持部材４に固定されている。また、種結晶３は、保持部材４によって、上下方向に移動可能となっている。

保持部材４は、種結晶３を保持して、溶液６に対して種結晶３の搬入出を行なう。具体的に、保持部材４は、種結晶３を溶液６に接触させたり、溶液６から結晶２を遠ざけたりする機能を有する。保持部材４は、図１に示すように、移動装置７の移動機構（図示せず）に固定されている。移動装置７は、移動装置７に固定されている保持部材４を、例えばモータを利用して上下方向に移動させる移動機構を有している。その結果、移動装置７によって保持部材４は上下方向に移動し、種結晶３は保持部材４の移動に伴って上下方向に移動する。

保持部材４は、例えば柱状に形成されている。保持部材４は、例えば炭素の多結晶体または炭素を焼成した焼成体等からなる。保持部材４は、上下方向に伸びた軸の周囲に回転可能な状態で移動装置７に固定されていてもよい。

溶液６は、坩堝５の内部に溜められて（収容されて）おり、結晶２の原料を種結晶３に供給して結晶２を成長させるものである。溶液６は、結晶２と同じ材料を含む。すなわち、結晶２は炭化珪素の結晶であるから、溶液６は炭素と珪素とを含む。本実施形態において、溶液６は、珪素溶媒に炭素を溶質として溶解させたものである。なお、溶液６は、炭素の溶解度を向上させる等の理由から、例えばネオジム、アルミニウム、タンタル、スカンジウム、クロム、ジルコニウム、ニッケルまたはイットリウム等の金属材料を添加材として１種類または２種類以上含んでいてもよい。

坩堝５は、溶液６を収容するものである。また、坩堝５は、結晶２の原料を内部で融解させる器としての機能を担っている。坩堝５は、炭素を含有して形成されている。具体的には、坩堝５は、例えば黒鉛で形成されている。本実施形態では、坩堝５の中で珪素を融解させて、融解した珪素に坩堝５の一部（炭素）が溶解することによって、溶液６としている。坩堝５は、溶液６を貯留するために、例えば上面側に開口を有する凹部を有している。

本実施形態では、炭化珪素の結晶２を成長させる方法として溶液法を用いている。溶液
法では、溶液６を、種結晶３の下面において準安定状態（熱力学的に結晶の析出と溶出とが平衡している安定状態に極めて近い状態）に保ちつつ、種結晶３の温度を下げること等によって結晶２の析出が溶出よりも僅かに進行する条件に制御し、種結晶３の下面に結晶２を成長させている。すなわち、溶液６では、珪素（溶媒）に炭素（溶質）を溶解させており、炭素の溶解度は、溶媒の温度が高くなるほど大きくなる。ここで、加熱して高温になった溶液６が種結晶３への接触で冷えると、溶解した炭素が過飽和状態となって、溶液６の種結晶３近傍が局所的に準安定状態となる。そして、溶液６が安定状態（熱力学的に平衡状態）に移行しようとして、種結晶３の下面に炭化珪素の結晶２として析出する。その結果、種結晶３の下面に結晶２が成長していく。

坩堝５は、坩堝容器８の内部に配されている。坩堝容器８は、坩堝５を保持する機能を担っている。この坩堝容器８と坩堝５との間には、保温材９が配されている。この保温材９は、坩堝５の周囲を囲んでいる。保温材９は、坩堝５からの放熱を抑制し、坩堝５内の温度分布を均一に近づける。坩堝５は、回転可能な状態で坩堝容器８の内部に配されていてもよい。

坩堝５には、加熱装置１０によって、例えば側部から熱が加えられる。本実施形態の加熱装置１０は、コイル１１および交流電源１２を含んでおり、例えば電磁波を利用した電磁加熱方式によって坩堝５の加熱を行なう。なお、加熱装置１０は、例えば、カーボン等の発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する方式等の他の方式を採用することができる。この伝熱方式の加熱装置を採用する場合は、（坩堝５と保温材９との間に）発熱抵抗体が配されることになる。

コイル１１は、導体によって形成され、坩堝５の周囲を囲んでいる。コイル１１は、坩堝５を円筒状に囲むように、坩堝５の周囲に配されている。すなわち、コイル１１を有する加熱装置１０は、コイル１１による円筒状の加熱領域を有している。交流電源１２は、コイル１１に交流電流を流すためのものであり、交流電流の周波数が高いものを用いることによって、坩堝５内の設定温度までの加熱時間を短縮することができる。

本実施形態では、交流電源１２および移動装置７が制御装置１３に接続されて制御されている。つまり、結晶製造装置１は、制御装置１３によって、溶液６の加熱および温度制御と、種結晶３の搬入出とが連動して制御されている。制御装置１３は、中央演算処理装置およびメモリ等の記憶装置を含んでおり、例えば公知のコンピュータからなる。

＜結晶の製造方法＞
以下、本発明の実施形態に係る結晶の製造方法について、図２を参照しつつ説明する。結晶の製造方法は、主に、準備工程、接触工程、第１成長工程、補充工程、第２成長工程を有する。図２は、本実施形態に係る結晶の製造方法の一工程の概略を示しており、図２（ａ）は接触工程時の溶液液面位置を示しており、図２（ｂ）は、補充工程後の溶液の液面位置を示している。なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

（準備工程）
種結晶３を準備する。種結晶３としては、例えば昇華法または溶液法等によって製造された炭化珪素の結晶２のインゴットを平板状に形成したものを用いる。なお、平板状への加工は、例えば機械加工等によって炭化珪素のインゴットを切断することによって行なう。

保持部材４を準備し、保持部材４の下面に種結晶３を固定する。具体的には、保持部材４を準備した後、保持部材４の下面に炭素を含有する接着材を塗布する。次いで、接着材
を挟んで保持部材４の下面上に種結晶３を配して、保持部材４の下面に種結晶３を固定する。本実施形態では、種結晶３を保持部材４に固定した後、保持部材４の上端を移動装置７に固定する。移動装置７への固定は、上述した通り、保持部材４の中心部分を含んで上下方向に伸びた軸の周囲を回転可能となるように行なわれる。すなわち、保持部材４が自転可能である。

坩堝５と、坩堝５内に貯留された、珪素溶媒に炭素を溶解した溶液６とを準備する。具体的には、まず、坩堝５を準備する。次いで、坩堝５内に、珪素の原料となる珪素粒子を入れて、坩堝５を珪素の融点（１４２０℃）以上に加熱する。このとき、融解して液化した珪素（溶媒）内に坩堝５を形成している炭素（溶質）が溶解する。その結果、坩堝５内に珪素溶媒に炭素を溶解した溶液６を準備することができる。

なお、溶液６に含まれる炭素は、予め原料として炭素粒子を加えることによって、珪素粒子を融解させると同時に炭素を溶解させてもよい。

加熱装置１０を準備して、坩堝５を加熱装置１０内に収容する。本実施形態では、坩堝５は、加熱装置１０のコイル１１に囲われた坩堝容器８内に保温材９を介して配されることで、加熱装置１０内に収容される。本実施形態では、坩堝５の坩堝容器８への収容は、上述した通り、坩堝５の中心部分を含んで上下方向に伸びた軸の周囲を回転可能となるように行なわれる。すなわち、坩堝５が自転可能である。なお、坩堝５は、単独で回転してもよいし、坩堝容器８とともに回転してもよい。

なお、上記した溶液６の準備は、坩堝５を加熱装置１０に収容して、加熱装置１０によって坩堝５を加熱することで行なってもよい。また、予め坩堝５を結晶製造装置１の外で加熱して溶液６を形成した後に、坩堝５を加熱装置１０内に配してもよい。また、溶液６を坩堝５以外の他の容器等で形成した後、加熱装置１０内に設置された坩堝５に溶液６を注ぎ込んでもよい。

（接触工程）
種結晶３の表面を溶液６に接触させる。具体的には、種結晶３の下面を溶液６の液面中央部に接触させる。種結晶３は、保持部材４を下方に移動させることで溶液６に接触させる。なお、本実施形態では、種結晶３を下方向へ移動させることで種結晶３を溶液６に接触させているが、坩堝５を上方向へ移動させることで種結晶３を溶液６に接触させてもよい。

種結晶３は、種結晶３の下面の少なくとも一部が溶液６の液面に接触していればよい。それゆえ、種結晶３の下面全体が溶液６に接触するようにしてもよいし、種結晶３の側面または上面が浸かるように溶液６に接触させてもよい。種結晶３の側面または上面が浸かるように溶液６に入れた場合には、種結晶３の下面全体を確実に溶液６に接触させることができ、生産性を向上させることができる。

種結晶３の接触は、溶液６の温度を第１成長工程開始の温度まで上昇させて行なうとよい。溶液６の温度を上昇させてから種結晶３を接触させることによって、第１成長工程開始の前に種結晶３の溶解を抑制することができる。第１成長工程の開始時の溶液６の温度は、例えば１９００℃以上２１００℃以下となるように設定される。

（第１成長工程）
溶液６に接触した種結晶３の下面に、溶液６から結晶２を成長させる。結晶２の成長は、種結晶３の下面を溶液６に接触させたときから始まる。すなわち、種結晶３の下面を溶液６に接触させることによって、種結晶３の下面と種結晶３の下面付近の溶液６との間に
温度差ができる。そして、その温度差によって、溶液６中に溶解している炭素が過飽和状態になり、溶液６中の炭素および珪素が結晶２として種結晶３の下面に析出し始める。したがって、第１成長工程は接触工程の直後から開始される。なお、結晶２は、少なくとも種結晶３の下面から成長させればよく、種結晶３の下面および下面近傍の側面から成長させてもよい。

種結晶３を引き上げることによって、結晶２を柱状に成長させることができる。このとき、結晶２の平面方向および下方への成長速度を調整しながら種結晶３を上方向に少しずつ引き上げることによって、一定の幅または径を保った状態で結晶２を成長させることができる。種結晶３の引き上げの速度は、例えば５０μｍ／ｈ以上２０００μｍ／ｈ以下に設定することができる。第１成長工程において、結晶２の成長は、例えば１０時間以上１５０時間以下行なう。なお、種結晶３の引き上げは、相対的に行なわれていればよい。すなわち、坩堝５を引き下げることによって種結晶３を相対的に引き上げてもよいし、溶液６の液面が低下することによって種結晶３を相対的に引き上げてもよい。

（補充工程）
第１成長工程の後、溶液６を補充する。具体的には、図２に示すように、坩堝５内において、溶液６の液面の位置Ｌ２が接触工程時の溶液６の液面の位置Ｌ１以上になるように、溶液６を補充する。その結果、溶液６内の組成条件を成長初期の状態に戻しやすくなる。すなわち、例えば結晶成長を長時間行なうと溶液６内に雑晶が発生する環境が形成される。これは、溶液６の炭素の過飽和度が大きすぎる状態であると推測される。したがって、第１成長工程の後に、上記の通りに溶液６を補充することによって、溶液６の過飽和度が大きすぎる状態を緩和し、溶液６内の組成条件を成長初期の状態に戻しやすくなる。よって、成長する結晶２の品質を高く維持することができ、結晶２の品質を向上させることができる。なお、溶液６の液面高さは、例えば１０ｍｍ以上３５ｍｍ以下に設定される。また、接触工程時の溶液６の液面の位置と、溶液６の補充によって上昇した溶液６の液面の位置との差は、例えば３ｍｍ以下に設定される。

溶液６の補充は、溶液６の液面位置Ｌ２が接触工程時の溶液６の液面位置Ｌ１よりも大きくなるように行ってもよい。その結果、例えば溶液６の過飽和度が大きすぎる状態を緩和しやすくすることができる。

溶液６を補充した後に、加熱装置１０に対して坩堝５を下方に移動させてもよい。その結果、溶液６を補充することによって溶液６の液面を上昇させても、溶液６の液面近傍の温度条件を第１成長工程時の温度条件に近づけることができる。その結果、結晶の品質を維持することができる。なお、坩堝５の移動は、加熱装置１０に対して相対的に行われていればよい。すなわち、加熱装置１０を上方に移動することによって、相対的に坩堝５を下方に移動させてもよい。

坩堝５を移動させる際、坩堝５の移動距離は、接触工程時の溶液６の液面高さと、溶液６を補充することによって上昇した溶液６の液面高さとの差以下に設定してもよい。その結果、溶液６の液面近傍の温度条件を第１成長工程時の温度条件に近づけやすくなる。なお、坩堝５の移動距離は、例えば５ｍｍ以下に設定される。

溶液６の補充は、溶液６に珪素の塊を補給することによって行なってもよい。その結果、容易に溶液６を補充することができる。なお、溶液６には、珪素の塊のほかに添加物を補充してもよい。また、溶液６の補充は、溶液６に珪素溶媒を補給することによって行なってもよい。珪素溶媒を補給するときは、珪素溶媒に炭素を溶解させていてもよい。

溶液６の補充は、坩堝５を回転させながら行ってもよい。その結果、溶液６に流れを発
生させることができ、溶液６を攪拌することができる。また、溶液６を攪拌できる以外にも、特に珪素の塊を補給する際に生じる液面の局所冷却を抑制し、雑晶の発生を抑えるという顕著な効果を奏する。

溶液６の補充は、第１成長工程において成長した結晶２を溶液６に接触させて結晶２を回転させながら行ってもよい。その結果、溶液６に流れを発生させることができ、溶液６を攪拌することができる。

溶液６の補充は、第１成長工程において、溶液６の量が減少して、成長する結晶２の品質を維持できる成長条件を外れるまえに行ってもよい。その結果、結晶２の品質を向上させることができる。なお、溶液６の補充は、溶液６の液面の高さが、例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下減少する前に行う。また、溶液６の補充は、第１成長工程において溶液６の液面の位置Ｌ１と接触工程時の溶液６の液面の位置Ｌ２との差が、結晶２の成長した厚みよりも大きくなったときに行ってもよい。

溶液６の補充は、結晶２を接触させたまま行ってもよい。また、結晶２を溶液６に接触させる場合、結晶２を回転させてもよい。その結果、溶液６に流れを発生させることができ、溶液６を攪拌することができる。

一方で、溶液６の補充は、結晶２を溶液６から離した状態で行ってもよい。その結果、結晶２の品質を維持しやすくなる。

（第２成長工程）
補充工程の後に、溶液６が安定したら、結晶２をさらに成長させる。具体的には、種結晶３を引き上げることによって、結晶２をさらに成長させることができる。種結晶３の引き上げの速度は、例えば５０μｍ／ｈ以上２０００μｍ／ｈ以下に設定することができる。第２成長工程において、結晶２の成長は、例えば１０時間以上１５０時間以下行なう。なお、補充工程において結晶２を溶液６から離した場合は、第２成長工程の直前に接触工程を行なう。

（引き離し工程）
第２成長工程の後、成長させた結晶２を溶液６から引き離し、結晶成長を終了する。

本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、結晶２を成長させていると溶液６内に雑晶が発生することがあるが、補充工程の前に第１成長工程において発生した雑晶を坩堝５の底面に固着させる固着工程をさらに備えてもよい。具体的には、坩堝５の底面近傍の溶液６の温度が小さくなるように、溶液６内に温度勾配を設けることによって、坩堝５の底面近傍において溶液６が過飽和状態になりやすく、坩堝５の底面に雑晶を固着させることができる。

また、固着工程を備える際には、補充工程において、溶液６の深さが接触工程時の溶液６の深さ以上にしてもよい。すなわち、雑晶から溶液６の液面までの距離が、接触工程時における坩堝５の底面から溶液６の液面までの距離以上にしてもよい。その結果、例えば、結晶成長時における溶液６内の対流の条件などの変動を低減することができる。

また、補充工程と第２成長工程を所定の回数、繰り返えしてもよい。その結果、結晶２の品質を維持したまま、結晶を長尺化することができる。

また、補充工程と第２成長工程を繰り返す場合、第２成長工程において溶液６の液面が直前の接触工程時の溶液６の液面よりも低くなったときに、補充工程を行ってもよい。その結果、例えば溶液６の組成などを結晶成長に好適な条件の範囲内で維持しやすく、結晶２の品質を維持することができる。

１ 結晶製造装置
２ 結晶
３ 種結晶
４ 保持部材
５ 坩堝
６ 溶液
７ 移動装置
８ 坩堝容器
９ 保温材
１０ 加熱装置
１１ コイル
１２ 交流電源
１３ 制御装置

Claims (8)

1. 炭化珪素の結晶の製造方法であって、
   種結晶と、坩堝と、前記坩堝内に珪素および炭素を含む溶液とを準備する準備工程と、
   前記種結晶を前記溶液に接触させる接触工程と、
   前記種結晶を引き上げて、前記種結晶の表面に結晶を成長させる第１成長工程と、
   前記第１成長工程の後、前記坩堝内において前記溶液の液面の位置が前記接触工程時の前記溶液の液面の位置以上になるように、前記溶液を補充する補充工程と、
   前記補充工程の後、前記結晶をさらに成長させる第２成長工程とを備える、結晶の製造方法。
2. 前記準備工程において、前記坩堝の周囲に配された加熱装置をさらに準備し、
   前記接触工程において、前記加熱装置によって前記溶液を加熱し、
   前記補充工程の後に、前記加熱装置に対して前記坩堝を下方に移動させる移動工程をさらに備える、請求項１に記載の結晶の製造方法。
3. 前記移動工程において、前記坩堝の移動距離は、前記接触工程時の溶液の液面高さと、前記補充工程時の前記溶液の液面高さとの差以下に設定する、請求項２に記載の結晶の製造方法。
4. 前記補充工程の前に、前記第１成長工程中に前記溶液内に生じる雑晶を前記坩堝の底面に固着させる固着工程をさらに備え、
   前記補充工程において、前記溶液の深さを前記接触工程時の前記溶液の深さ以上にする、請求項１〜３のいずれかに記載の結晶の製造方法。
5. 前記準備工程において、炭素を含む坩堝を準備し、
   前記補充工程において、前記溶液に珪素の塊を補給して珪素溶媒とし、前記坩堝から炭素を溶解させることによって前記溶液の補充を行なう、請求項１〜４のいずれかに記載の結晶の製造方法。
6. 前記補充工程において、前記坩堝を回転させながら前記溶液の補充を行なう、請求項１〜５のいずれかに記載の結晶の製造方法。
7. 前記補充工程において、前記第１成長工程において成長した前記結晶を前記溶液に接触させて前記結晶を回転させながら前記溶液の補充を行なう、請求項１〜６のいずれかに記載の結晶の製造方法。
8. 前記補充工程および前記第２成長工程を繰り返す、請求項１〜７のいずれかに記載の結晶の製造方法。

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