JP5087983B2

JP5087983B2 - 炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成方法

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Publication number: JP5087983B2
Application number: JP2007115118A
Authority: JP
Inventors: 武志俵
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: JP2008270682A

Description

この発明は、半導体結晶膜を形成する半導体結晶膜形成装置および半導体結晶膜形成方法に関し、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成装置に関する。

従来、炭化珪素の単結晶膜を形成する方法として、化学気相蒸着（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によるエピタキシャル成長方式が知られている。図８は、従来技術による半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図９は、図８に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す断面図である。

図８に示す半導体結晶膜形成装置１００は、横型高温壁誘導加熱式の半導体結晶膜形成装置である。半導体結晶膜形成装置１００は、石英管１０４の内側に、断熱材１０３を介してホットウォール１０２を有する。ホットウォール１０２は、グラファイト（黒鉛）で形成されている。ホットウォール１０２の内壁面は、炭化珪素でコーティングされていてもよい。また、断熱材１０３は、カーボンフェルトによって形成されている。また、石英管１０４の外側には、コイル１０１が設けられている。

半導体結晶膜形成装置１００で炭化珪素の結晶膜を形成する場合、まず、ホットウォール１０２の上にウエハー１０６を載せる。つぎに、コイル１０１に電流を流して、ホットウォール１０２を誘導加熱する。そして、石英管１０４の中に反応ガス１０５を注入する。反応ガス１０５は、モノシランやプロパンなどの前駆体ガスや、水素などのキャリアガスを混合したガスである。ウエハー１０６および反応ガス１０５は、ホットウォール１０２からの伝熱および熱輻射によって加熱される。それによって、反応ガス１０５が熱化学反応を起こし、ウエハー１０６のおもて面に炭化珪素の結晶膜が成長する。

このような半導体結晶膜形成装置として、サセプタ（図８のホットウォールに相当する部材）の内壁面の全面、またはウエハーと対峙する面を、炭化タンタル（ＴａＣ）などの金属炭化物でコーティングした半導体結晶膜形成装置が知られている（下記特許文献１〜３参照。）。

特表２００５−５０８０９７号公報特開２００６−０２８６２５号公報特開２００５−１０９４０８号公報

しかしながら、上述した従来技術では、半導体結晶膜形成装置内のウエハーの温度にムラが生じ、半導体結晶膜の膜厚に偏りが生じてしまうという問題点がある。半導体結晶膜形成装置の設計にあたっては、加熱時のウエハーの温度分布が重要な意味を持つ。たとえば、炭化珪素は結晶の積層構造に応じて多くの結晶多形（ポリタイプ）を有するが、これらの結晶多形の中で、パワーデバイスの製造に用いられるのは、バンドギャップが大きい４Ｈ型のＳｉＣ（以下、「４Ｈ−ＳｉＣ」という）である。４Ｈ−ＳｉＣを低温で成長させると結晶膜の表面に積層欠陥が生じてしまう。このため、４Ｈ−ＳｉＣの結晶膜を形成する場合、半導体結晶膜形成装置内の温度を１５００℃以上と比較的高温にしなければならない。

半導体結晶膜形成装置内のウエハーは、ホットウォールの内壁の上面（ウエハーおもて面が対峙する面）、下面（ウエハー裏面が接する面）、側面から熱輻射、および下面からの熱伝導によって加熱される。ホットウォールの中央部では、ホットウォールの上面と下面から熱輻射、および下面からの熱伝導によってウエハーが加熱される。一方、ホットウォールの側面に近い領域では、ホットウォールの上面と下面から熱輻射、および下面からの熱伝導に加え、ホットウォールの側面からの熱輻射によってウエハーが加熱される。よって、ホットウォールの側面に近い領域に位置するウエハーは、ホットウォールの中央部と比較して温度が高くなる。ウエハーの温度は、半導体結晶膜の成長に大きな影響を与える。このため、半導体結晶膜形成装置内のウエハーの温度にムラが生じると、半導体結晶膜の膜厚に偏りが生じてしまう。

ウエハーの温度にムラが生じるのを避けるためには、ホットウォールの側面から離れた領域にウエハーを配置する方法が考えられる。しかし、ウエハーの口径が大きい場合や、複数のウエハーを同時に処理する場合などは、ホットウォールのサイズを大きくしなければ側面から離れた領域にウエハーを配置することができない。また、ホットウォールのサイズを大きくすると、半導体結晶膜形成装置本体が大型化してしまうという問題点がある。さらに、ホットウォールのサイズを大きくすると、ホットウォールの熱容量が増加するため、ホットウォールの昇降温速度が低下してしまうという問題点がある。

また、上述した特許文献１〜３にかかる半導体結晶膜形成装置のように、ホットウォールの全面やウエハーと対峙する面を金属炭化物でコーティングすると、金属炭化物でコーティングされた面からの熱輻射量が小さくなる。このため、ウエハーの裏面は下面からの熱伝導で加熱されるのに対して、ウエハーおもて面は冷たい反応ガスによって冷やされ、ウエハーとホットウォールとの間に大きな温度差が生じる。この温度差によって、ホットウォールのコーティング材がウエハー裏面に蒸着し、ホットウォールのコーティングが剥がれたり、ウエハー裏面が汚染されてしまうという問題点がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ウエハーの温度が均一となるようにウエハーを加熱して、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成することができる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、第１の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されていないことを特徴とする。

また、第２の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記板状部材が設置されていないことを特徴とする。

また、第３の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、第１または第２の発明において、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されていることを特徴とする。

また、第４の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された前記ウエハーを設置するための板状部材を備え、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面には、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面以外の面には、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されていることを特徴とする。

また、第５の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、第４の発明において、前記ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられていることを特徴とする。

また、第６の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成方法は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成方法であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されておらず、前記ホットウォール内にガスを供給して前記ウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成することを特徴とする。

この第１〜６の発明によれば、ホットウォールの内壁面のうち、ウエハーのおもて面または裏面と接触または対向する面以外の面、すなわちホットウォールの側面は、炭化タンタルで被覆され、または炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されている。炭化タンタルの熱輻射率は、グラファイトや炭化珪素の熱輻射率よりも低い。このため、ホットウォール側面から輻射される熱を抑え、ガス流路内の幅方向の温度分布を均一にすることができる。

また、第４または５の発明によれば、ウエハーへの成膜処理をおこなう度に板状部材を交換することができる。これにより、パーティクルやコーティングの剥げの影響を低減し、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。また、半導体結晶膜の成膜後、ウエハーを並べた板状部材ごと装置から取り出すようにすれば、板状部材の熱容量が小さいため、短時間で冷却することができ、成膜プロセスを短時間で終了させることができる。さらに、第５の発明によれば、ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられているため、１回の処理で複数のウエハーに半導体結晶膜を形成することができる。

本発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成方法によれば、ウエハーの温度が均一となるようにウエハーを加熱して、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図２は、図１に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ａ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図１に示す半導体結晶膜形成装置１０は、コイル１、ホットウォール２、断熱材３、石英管４によって構成されている。半導体結晶膜形成装置１０で半導体結晶膜を形成する場合は、ホットウォール２の上にウエハー６を載せて、コイル１に電流を流し、ホットウォール２を誘導加熱する。この場合、ホットウォールはサセプタを兼ねている。ホットウォールとは別にサセプタを設けてもよい。そして、石英管４の中に反応ガス５を導入して、ウエハー６のおもて面に半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる。

ここで、ホットウォール２の内壁面のうち、側面（ウエハー６が設置される面およびウエハー６のおもて面と対向する面以外の面）は、炭化タンタル（ＴａＣ）によってコーティングされている（炭化タンタルコート７）。この炭化タンタルコート７によって、ホットウォール２の側面からの熱輻射を抑え、ウエハー６の温度にムラが生じるのを抑えることができる。

炭化タンタルは、ホットウォール２全体をコーティングしている炭化珪素よりも熱輻射率が低い。たとえば、１５００℃における炭化珪素の熱輻射率は０．８２、グラファイトの熱輻射率は０．７２である。一方、１５００℃における炭化タンタルの熱輻射率は０．０８である。また、炭化タンタルは、１５００℃以上の高温でも安定しており、かつ高温の水素に対する耐性を有する。このように、炭化タンタルは、ホットウォール２の側面をコーティングするのに適した素材である。

図３は、半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度分布を示すグラフである。図３において、縦軸はウエハーの温度（℃）、横軸はホットウォールの幅方向（線分Ａ−Ａ’または線分Ｄ−Ｄ’に沿った方向）の中心からの相対位置（ｍｍ）である。また、図３中黒丸（●）は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で加熱したウエハーの温度、図３中白四角（□）は、図８に示す従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度をそれぞれ示す。

図３に示すように、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度は、ホットウォールの中心付近では均一である。しかし、ホットウォールの側面に近づくにつれ、側面からの輻射加熱の影響を受けて、ウエハーの温度が上昇している。一方、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で加熱したウエハーは、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーと比較して、温度が均一な領域が６０％以上増加している。よって、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０は、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置と比較して、口径が大きいウエハーに半導体結晶膜を形成することができる。

つぎに、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で形成した半導体結晶膜の膜厚分布と、図８に示す従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で形成した半導体結晶膜の膜厚分布とを比較した結果について説明する。なお、両方の半導体結晶膜形成装置のホットウォールは、横幅１０ｍｍ、高さ４０ｍｍのガス流路を有する。また、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置のホットウォールの内壁は、炭化珪素のみで全面をコーティングされている。

半導体結晶膜を以下のように形成した。まず、ガス流路内に直径３インチのウエハーを配置する。つぎに、キャリアガスとして流量２０ｓｍｌの水素ガスを流す。つづいて、８０Ｔｏｒｒの減圧雰囲気で１６００℃に加熱する。そして、流量６．３ｓｃｃｍのモノシランガスおよび流量１．８ｓｃｃｍのプロパンガスを、それぞれ１時間に流す。

このような処理によってウエハー６の表面に炭化珪素の半導体結晶膜を形成した。そして、膜厚分布の標準偏差を膜厚の平均値で除した値（標準偏差／平均値）を算出した。従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置では、半導体結晶膜の標準偏差／平均値は３０％であった。これに対して、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置では、半導体結晶膜の標準偏差／平均値は１０％に改善された。

また、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０は、ウエハー６が設置される面およびウエハー６のおもて面と対向する面には炭化タンタルコート７がなされていない。このため、ウエハー６は、裏面への熱伝導および熱輻射に加え、おもて面への熱輻射によって加熱される。このため、ウエハー６とホットウォール２との温度差を小さくすることができ、ウエハー６とホットウォール２との温度差に起因するホットウォールのコーティング材の剥がれや、ウエハー６裏面の汚染を低減することができる。

なお、炭化タンタルは炭化珪素パーティクルとの密着性が高くない。このため、ホットウォール２の内壁の上面（ウエハー６のおもて面と対向する面）を炭化タンタルでコーティングすると、炭化珪素パーティクルがウエハー６のおもて面に落下しやすくなってしまう。よって、ホットウォール２の内壁の上面は、炭化タンタルでコーティングされていないのが望ましい。

また、図４に示すように、炭化タンタルコート７に代えて、炭化タンタルでコーティングされたグラファイト板（以下、「ＴａＣグラファイト板」という）８でホットウォールの側面を覆うこととしてもよい。図４は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の変形例を示す説明図である。ＴａＣグラファイト板８は取り外しが可能であるため、パーティクルが付着した場合や、炭化タンタルのコーティングが剥がれた場合などは、ＴａＣグラファイト板８を交換することができる。これにより、半導体結晶膜形成装置内の状態を一様に保つことができるので、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図６は、図５に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。また、図７は、図６に示す断面図の領域Ｃを拡大した説明図である。図５に示す半導体結晶膜形成装置２０は、図１に示す半導体結晶膜形成装置１０と同様に、コイル１、ホットウォール２、断熱材３、石英管４によって構成されている。また、ホットウォール２の側面は、炭化タンタルでコーティングされたＴａＣグラファイト板８で覆われている。

また、ホットウォール２の上面および下面はＳｉＣグラファイト板９で覆われており、その間のガス流路には、上面および下面を覆うＳｉＣグラファイト板９と平行（縦方向）に複数のＳｉＣグラファイト板９が並べられている。ＳｉＣグラファイト板９は、グラファイト板の表面を炭化珪素でコーティングしたものである。ＳｉＣグラファイト板９は、たとえば図７に示すように、ＴａＣグラファイト板８の表面に形成された凹凸によって支えられている。

半導体結晶膜形成装置２０で半導体結晶膜を形成する場合は、それぞれのＳｉＣグラファイト板９（ホットウォール２の上面および下面を覆う板を除く）にウエハー６を載せて、コイル１に電流を流し、ホットウォール２を誘導加熱する。そして、石英管４の中に反応ガス５を注入して、ウエハー６のおもて面に半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる。このように、半導体結晶膜形成装置２０は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０と比較して、一度の処理で複数のウエハー６に半導体結晶膜を形成することができる。

なお、ウエハー６を並べる板としてＳｉＣグラファイト板９を用いる理由は、第１に炭化珪素の熱輻射率が高いためであり、第２に炭化珪素のパーティクルとの密着性が高いためである。また、図５および図６は、３枚のＳｉＣグラファイト板９にウエハー６を並べて同時に処理をおこなう構成を示したが、ＳｉＣグラファイト板９の枚数を調整することによって、同時に処理できるウエハーの枚数は適宜調整することができる。

以上説明したように、実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置２０は、ホットウォール２の側面をＴａＣグラファイト板８で、ホットウォール２の上面および下面をＳｉＣグラファイト板９で覆っている。これにより、ホットウォール側面からの熱輻射を避けつつ、ホットウォール上面および下面からの熱輻射を有効に利用して、ウエハーの温度分布を均一にすることができる。

また、ホットウォール２の各面を覆うグラファイト板は取り外し可能であるため、成膜をおこなう度に交換することができる。これにより、パーティクルやコーティングの剥げの影響を低減し、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。さらに、半導体結晶膜の成膜後、ウエハー６を並べたＳｉＣグラファイト板９ごと装置から取り出すようにすれば、ＳｉＣグラファイト板９の熱容量が小さいため、短時間で冷却することができ、成膜プロセスを短時間で終了させることができる。なお、本実施例では、ＳiＣグラファイト板を用いたが、炭化珪素からなる板で代用しても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成方法は、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成するのに有用であり、特に、パワーデバイスの製造に用いられる４Ｈ−ＳｉＣの結晶膜の形成に適している。

実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。図１に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ａ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度分布を示すグラフである。実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の変形例を示す説明図である。実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。図５に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。図６に示す断面図の領域Ｃを拡大した説明図である。従来技術による半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。図８に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す断面図である。

符号の説明

１コイル
２ホットウォール
３断熱材
４石英管
５反応ガス
６ウエハー
７炭化タンタルコート
８ＴａＣグラファイト板
９ＳｉＣグラファイト板
１０，２０半導体結晶膜形成装置

Claims

コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されていないことを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。
コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記板状部材が設置されていないことを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体結晶膜形成装置。
コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された前記ウエハーを設置するための板状部材を備え、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面には、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面以外の面には、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されていることを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。
前記ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられていることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体結晶膜形成装置。
コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成方法であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されておらず、
前記ホットウォール内にガスを供給して前記ウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成方法。