JP6675197B2 - 炭化珪素単結晶の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造装置に関する。

炭化珪素は、耐熱性に優れ、絶縁破壊電圧が大きく、エネルギーバンドギャップが広く、また、熱伝導度が高いなどの優れた特性を有する。そのため、炭化珪素は、大電力パワーデバイス、耐高温半導体素子、耐放射線半導体素子、高周波半導体素子等の材料として利用することができる。シリコンの物性限界から推定されるシリコンデバイスの性能向上は限界に近づきつつあるため、シリコンよりも物性限界を大きくとれる炭化珪素が注目されている。また、近年は、地球温暖化問題への対策の観点から、炭化珪素材料を使ったパワーエレクトロニクス技術が、電力変換時のエネルギーロスを低減する省エネルギー技術として期待を集めている。その基盤技術として、炭化珪素単結晶の成長技術の研究開発が精力的に進められている。炭化珪素は、その実用化が進むにつれ、より高品質かつ安価であることが求められるようになっている。

炭化珪素のバルク単結晶を製造する手段としては、現在、昇華法が最も主流となっている（特許文献１、２）。昇華法は、高温低圧下の坩堝内で、高温の炭化珪素原料部分から相対的に低温である炭化珪素の種結晶の成長面へ昇華ガスを輸送し、そこに結晶成長（再結晶）させることにより、炭化珪素単結晶を得る方法である。結晶成長に伴うコストを下げようとする場合、一般的には、成長の高速化・長尺化・大口径化を行う。

昇華法でこれらを実現するためには、原料部分をより高温にして発生する昇華ガスを増やし、種結晶部分をより低温にして原料部分との温度差を大きくして、種結晶部分に向かう昇華ガスの流量、流速を増加させることにより、種結晶部分に昇華ガスを効率よく供給する必要がある。

高速化を実現する手法としては、ＨＴＣＶＤ等も知られている（非特許文献１、２）。この手法では、炭素源、シリコン源となるガスを、ガス反応領域において高温下で反応させて、炭化珪素源となるガスを発生させ、そのガスを炭化珪素種結晶の成長面に送ることで、そこに炭化珪素単結晶成長させる。そのため、ガス流量によってＣ／Ｓｉ比や原料ガス濃度・流量を調整でき、高速での成長が実現できる。ただし、この手法では、高価な原料ガスやガスの除害設備等が必要となるため、大きな投資が必要となる。

特開２００９−７８９６６号公報 特開２０１２−２１４３７９号公報

Ｎ．Ｈｏｓｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ ７７８−７８０（２０１４）５５−５８ Ａ．Ｅｌｌｉｓｏｎ ｅｔ ａｌ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ６１−６２（１９９９）１１３−１２０ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２１１（２０００）３３３−３３８ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２２５（２００１）３０７−３１１

昇華法における昇華ガスの駆動力は、種結晶部分と原料部分との温度差による自然対流であるため、雰囲気ガス流量は通常無視できるほど小さい。したがって、成長レートを高めようとする場合、まずは、温度差を大きくするという発想に至ることになる。

ところが、昇華法において、種結晶部分と原料部分との間で温度差を設けると、生成される炭化珪素単結晶のインゴットの内部でも温度差が生じる。すなわち、インゴット内の温度は、原料から遠ざかるほど低くなる。インゴットの内部では、温度が一様でなくなることにより、内部応力が発生することになる。成長レートを高めるために、種結晶部分と原料部分との間で温度差を大きくした場合、この内部応力が大きくなり、クラックを誘発してしまう。また、クラックが発生しない場合でも、内部応力を緩和するために基底面内欠陥が発生し、品質を悪化させてしまう。

また、温度を上げて、発生する昇華ガスの濃度を高めた場合、原料表面等の種結晶部分以外の部分で析出が起こり、これが昇華ガスの輸送を妨げたり、ガスの成分に影響をおよぼしたりすることにより、種結晶部分での成長異常が起きやすくなる。また、坩堝内が高温になるほど、坩堝を構成する部材や、断熱材等の周辺部材の劣化が激しくなるため、それらの修復、交換等のコストが余計に発生し、不経済である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、加熱手段に頼らずに、炭化珪素種結晶に供給する炭化珪素原料の昇華ガスの輸送効率を高め、炭化珪素単結晶の成長を促進することが可能な、炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明者は、検討を重ねた結果、外部から投入された原料（微粒子、前駆体ガス、ドーパント等）を利用することなく、すでにある原料をより効率的に利用するという観点から、以下の発明に想到した。
［１］坩堝内において、前記坩堝の上側に配置された炭化珪素種結晶上に、前記坩堝の下側に配置された炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記坩堝内における前記炭化珪素原料の下側から、前記昇華ガスの流れをアシストするようにキャリアガスを供給することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
［２］前記キャリアガスとして、不活性ガスを用いることを特徴とする［１］に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［３］前記不活性ガスをＡｒまたはＨｅとすることを特徴とする［２］に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［４］前記炭化珪素原料として、焼結されているものを用いることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［５］前記炭化珪素原料として、粒径が１０μｍ以上１０００μｍ以下であるものを用いることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［６］前記炭化珪素原料のうち、粒径が１μｍ以下の粒子の割合を１％未満とすることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［７］前記坩堝内の圧力を、０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下とすることを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［８］前記坩堝内の圧力を、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下とすることを特徴とする［１］〜［７］のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［９］前記坩堝内における前記キャリアガスの流量を、前記昇華ガスの流量より多くすることを特徴とする［１］〜［８］のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［１０］前記キャリアガスの流量を、前記坩堝内における流速が０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下となるように設定することを特徴とする［１］〜［９］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［１１］前記坩堝の側壁のうち上側の部分から、前記キャリアガスを前記坩堝の外部に排出することを特徴とする［１］〜［１０］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
［１２］坩堝内において、前記坩堝の上側に配置された炭化珪素種結晶上に、前記坩堝の下側に配置された炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置であって、
前記坩堝内における前記炭化珪素原料の下側に、前記昇華ガスの流れをアシストするキャリアガスを供給する手段を備えていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
［１３］前記坩堝の側壁のうち上側の部分が、前記キャリアガスを前記坩堝の外部に排出する構造を有していることを特徴とする［１２］に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１４］前記キャリアガスの排出構造は、前記坩堝の側壁に設けられた貫通孔であることを特徴とする［１３］に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１５］前記貫通孔は、前記炭化珪素種結晶の中心と前記炭化珪素原料の中心とを結ぶ直線に対して、対称な位置に設けられていることを特徴とする［１４］に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１６］前記坩堝の側壁のうち上側の部分が、多孔質カーボンからなることを特徴とする［１３］に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１７］前記坩堝の側壁のうち上側を除いた部分が、ガス不透過材料からなることを特徴とする［１３］〜［１６］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１８］前記坩堝の側壁のうち下側の部分と前記炭化珪素原料との間に、前記キャリアガスの拡散領域が設けられていることを特徴とする［１２］〜［１７］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
［１９］前記炭化珪素原料の前記拡散領域側との境界面に、多孔質カーボンからなる部材が配されていることを特徴とする［１２］〜［１８］のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。

本発明では、昇華法により、炭化珪素種結晶に対して炭化珪素原料から発生する昇華ガスを供給する際に、炭化珪素原料内に下側からキャリアガスを導入し、種結晶の位置まで、このキャリアガスが昇華ガスと同じ方向に流れるようにする。これにより、種結晶部分と原料部分との温度差による自然対流を利用した、従来の昇華ガスの輸送に対し、キャリアガスの流れによって発生する強制対流のアシストが加わることになる。そのため、昇華ガスを速やかに種結晶の成長面へ運ぶことができる。また、原料内にキャリアガスを導入することによって、原料内の原料ガス分圧が下がり、原料の昇華を促す効果も得られる。
さらに、原料ガス分圧が下がることで、原料表面等の種結晶部分以外の部分における析出が防止され、析出物が昇華ガスの輸送を妨げたり、ガスの成分に影響をおよぼしたりすることによる、種結晶部分での成長異常を防ぐことができる。

したがって、本発明によれば、原料部分を高温にして種結晶部分との温度差を設けることなく、種結晶に供給する昇華ガスの輸送効率を高めることができる。その結果として、温度差に起因して発生するクラック・基底面内欠陥、種結晶以外の部分における析出に伴う成長異常、坩堝内の高温化による部材劣化を抑えつつ、炭化珪素単結晶の成長レートを増加させることが可能となる。これにより、炭化珪素単結晶の成長の高速化、炭化珪素単結晶のインゴットの長尺化、大口径化を実現することができる。また、周辺部材の劣化にともなう修復、交換等のコストの発生を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の断面図である。 図１の炭化珪素単結晶の製造装置を構成する主要部分の断面図である。 （ａ）実施例１に係る炭化珪素単結晶の製造装置を構成する主要部分の断面図である。（ｂ）実施例１に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内外の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）実施例２に係る炭化珪素単結晶の製造装置を構成する主要部分の断面図である。（ｂ）実施例２に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内外の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）比較例１に係る炭化珪素単結晶の製造装置を構成する主要部分の断面図である。（ｂ）比較例１に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内外の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）比較例２に係る炭化珪素単結晶の製造装置を構成する主要部分の断面図である。（ｂ）比較例２に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内外の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）変形例１に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。（ｂ）変形例２に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。（ｃ）変形例３に係る炭化珪素単結晶の製造過程における、装置内の温度分布および昇華ガスの流れに関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明を適用した実施形態である炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［炭化珪素単結晶の製造装置］
炭化珪素単結晶の製造装置の構成を、図１、２を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る、炭化珪素単結晶の製造装置１００の断面図である。図２は、図１に示す炭化珪素単結晶の製造装置１００のうち、坩堝１０２の内部の構成を拡大して示した図である。

炭化珪素単結晶の製造装置１００は、真空容器１０１と、真空容器１０１の内部に配され、炭化珪素種結晶と炭化珪素原料とを収容する坩堝１０２と、坩堝１０２の周囲を覆う断熱材１０３と、坩堝１０２内を加熱する手段（加熱手段）１０４と、坩堝１０２内にキャリアガスを供給する手段（キャリアガス供給手段）１０５と、を備えている。

真空容器１０１の側壁には、内部のガスを排出する配管１０１ａと、内部に所定のガスを導入する配管１０１ｂと、が設けられている。

坩堝１０２の内部は、一方の側１０２ａ（以下、上側１０２ａと呼ぶ）に炭化珪素種結晶１０が収容され、他方の側１０２ｂ（以下、下側１０２ｂと呼ぶ）に炭化珪素単結晶を結晶成長させるのに十分な量の炭化珪素原料（粉末）２０が収容されるように構成されており、炭化珪素単結晶を結晶成長させる空間を形成している。炭化珪素原料２０は、坩堝１０２内の空間を上下に分離するように、すなわち、側方２０ａに隙間が生じないように収容されるものとする。

断熱材１０３は、坩堝１０２内を安定した高温状態に維持するとともに、坩堝１０２内において、炭化珪素原料２０から炭化珪素種結晶１０に向かう方向（以下、上方向Ｄと呼ぶ）以外の方向に熱が流れないようにするものである。断熱材１０３を構成する材料としては、例えば、炭素繊維を成形したものなどのカーボン材料を用いることができる。

加熱手段１０４としては、例えば、高周波加熱コイルを用いることができる。その場合、真空容器１０１を囲むように高周波加熱コイルを配置し、これに交流電流を流して交番磁界を発生させることにより、誘導加熱を起こす。交番磁界により、導電体である、坩堝１０２等の黒鉛部材に渦電流が発生し、加熱されるため、坩堝１０２内の炭化珪素原料２０を間接的に加熱することができる。なお、加熱は坩堝１０２そのものに誘導電流が流れるようにして加熱することもできるし、坩堝１０２と断熱材１０３の間にヒーターとして作用する黒鉛部材を配置し、間接的に加熱することもできる。この加熱により、炭化珪素原料２０から昇華ガス（原料ガス）を発生させることができる。高周波加熱コイルに流す電流を調整することにより、温度を調整することができる。また、加熱手段１０４と断熱材１０３、坩堝１０２、その他黒鉛部材の相対位置及び構造を調整することによって温度分布を調整することができ、坩堝１０２内において、炭化珪素種結晶１０が収容される上側１０２ａの領域の温度を、炭化珪素原料２０が収容される下側１０２ｂの領域の温度より低くすることができる。

キャリアガス供給手段１０５は、キャリアガスＧの供給源（不図示）から、配管１０５ａを介して、坩堝１０２内の下側に設けられた空間Ｓに、キャリアガスＧを供給するように構成されている。空間Ｓは、炭化珪素原料２０と坩堝の下側１０２ａの側壁（底部）とで挟まれており、供給されたキャリアガスＧの拡散領域として機能する。

炭化珪素原料２０の拡散領域側（空間Ｓ側）の境界面に、多孔質カーボンなどからなる多孔質の部材が配されていてもよい。この場合、キャリアガスＧは、多孔質カーボン内の複数の細孔を経由して、炭化珪素原料２０内に流入することになるため、炭化珪素原料２０内に直接流入する場合に比べて、キャリアガスＧが、その供給口の位置や形状などから受ける影響を弱めることができる。したがって、炭化珪素原料２０内に流入するキャリアガスＧの流量や流速などを、流入面（境界面）全体に渡って均一に揃えることができる。

配管１０５ａは、下側１０２ｂの側壁の中央部分において、坩堝１０２の内部と連通していることが好ましい。この場合、供給されたキャリアガスＧを、坩堝１０２内の下側の空間Ｓ全体に、均等に行き渡らせることができ、ひいては、原料全体に均等に、キャリアガスＧを流入させることができる。そして、炭化珪素原料内において、昇華ガスの流れをアシストする一様な強制対流を発生させることができる。

なお、配管１０５ａの連通部分は、図１、２に示す構造に限定されることはなく、キャリアガスＧを、空間Ｓ全体に均等に行き渡らせることができる構造であればよい。例えば、配管１０５ａは、下側１０２ｂの側壁において、中央部を囲む対称な複数の位置に連通していてもよい。この場合も、キャリアガスＧを、空間Ｓ全体に均等に行き渡らせることができ、中央部分の一か所で連通している場合と同様の効果が得られる。

坩堝１０２の側壁のうち上側１０２ａの部分（蓋部材など）は、キャリアガスＧを、坩堝１０２の外部に容易に排出することができる構造を有していることが好ましい。このような構造として、例えば、側壁の上側１０２ａの部分に、坩堝１０２の内部と外部とを連通させる貫通孔を有する構造が挙げられる。この場合の貫通孔は、炭化珪素種結晶１０の中心と炭化珪素原料２０の中心とを結ぶ直線に対して、対称な配置となるように設けられていることが好ましい。このような排出構造があることにより、坩堝１０２内の圧力が高くなり過ぎるのを抑えることができる。

ただし、貫通孔から昇華ガスまで排出されてしまうと、炭化珪素単結晶の成長レート低減や、炭化などの問題が生じる。そのため、貫通孔の孔径は、昇華ガスのアシストを終えたキャリアガスＧなどの余分なガスによる極端な圧力上昇は抑えられつつ、昇華ガスが極力通らない程度に小さいことが好ましい。そのような孔径の貫通孔を有する部材としては、例えば、多孔質カーボンが挙げられる。

発生した昇華ガスを高い割合で成長に寄与させることにより、炭化珪素単結晶の成長効率を高めることができる。そのため、発生した昇華ガスが、炭化珪素種結晶がある上側１０２ａ領域より手前の側壁から外部に漏れ出るなどして、上側１０２ａ領域に到達する昇華ガスの流量が減らないようにすることが好ましい。具体的には、坩堝の側壁のうち上側１０２ａを除いた部分が、ガス不透過材料からなることが好ましい。そのような材料としては、例えば、グラッシーカーボン、パイログラファイト、ＴａＣ等の炭化金属、黒鉛シートなどが挙げられる。

［炭化珪素単結晶の製造方法］
図１、２で示す炭化珪素単結晶の製造装置１００を用いて、炭化珪素単結晶を製造する方法について説明する。

初めに、ガス交換を行って、真空容器１０１の内部（炉内）にＡｒ等の不活性ガスを満たす。ガス交換は、次のようにして行う。まず、配管１０１ａに接続した真空ポンプ（不図示）を用いて、真空容器１０１の内部のガスを排出して、真空容器１０１の内部を真空状態とする。真空ポンプとしては、例えば、ターボ分子ポンプなどを用いることができる。その後、配管１０１ｂから真空容器１０１の内部に高純度Ａｒガスを導入して、真空容器１０１の内部をＡｒ雰囲気とする。

次に、坩堝１０２内を加熱する。加熱手段としては、上述したような、真空容器１０１を囲むように配置された高周波加熱コイルを用いることができる。高周波加熱コイルに電流を流し、交番磁界を発生させることにより、坩堝１０２内の炭化珪素原料２０を加熱する。

さらに、坩堝１０２内において、炭化珪素種結晶１０が収容される上側１０２ａの領域の温度が、炭化珪素原料２０が収容される下側１０２ｂの領域の温度より低くなるように、高周波加熱コイルの出力を調整する。炭化珪素原料２０の加熱温度が２０００℃以上２６００℃以下となり、炭化珪素原料２０と炭化珪素種結晶１０との温度差が５℃以上３００℃以下となるように、出力を調整することが好ましい。

この減圧状態における坩堝１０２内の圧力は、０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましく、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下とすることがより好ましい。このような圧力とすることにより、原料粒子の昇華が促進され、かつ、炭化珪素種結晶１０の成長面へ、昇華ガスが速やかに輸送される。

こうした低圧下での加熱処理によって、高温となった炭化珪素原料２０から、昇華ガスが発生する。発生した昇華ガスは、炭化珪素種結晶１０部分と炭化珪素原料２０部分との温度差に起因した自然対流によって、炭化珪素種結晶１０の成長面１０ａに輸送される。

また、キャリアガスの供給源（不図示）から、配管１０５ａを介して、坩堝１０２内の下側の領域、すなわち、炭化珪素原料２０と坩堝１０２の下側１０２ｂの側壁（底部）とで挟まれた空間Ｓに、昇華ガスの流れをアシストするキャリアガスＧを供給する。キャリアガスＧの供給は、坩堝１０２内の加熱・減圧を行うより先に開始してもよいし、加熱・減圧を行うのと同時に開始してもよい。

坩堝１０２内に供給されたキャリアガスＧは、まず、空間Ｓ全体に広がった上で、炭化珪素原料２０内に流入し、炭化結晶種結晶１０の位置に向けて流れる。つまり、炭化珪素原料２０内に流入したキャリアガスＧは、昇華ガスと同じ方向に流れ、その結果として、原料内および原料の上側において、昇華ガスの流れを促進し、かつ、昇華ガスが炭化珪素種結晶１０に到達するのをサポートする、アシストガスとして機能することになる。

ここでのキャリアガスＧは、不足している材料の供給や、キャリアとなる不純物の添加ではなく、原料部分での飽和解消による昇華の促進（サポート）を目的とするものである。したがって、キャリアガスＧとしては、炭化珪素と反応を起こさない不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅなど）を用いることが好ましい。

キャリアガスＧの流れを、昇華ガスの流れを促進（サポート）する駆動力とするために、キャリアガスＧの流量を、昇華ガスに対して実効的に働くように、坩堝１０２内における流速が０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下となるように設定し、キャリアガスＧを流さない場合の坩堝内昇華ガス流速よりも大きくすることが好ましい。

昇華ガスの流れをアシストしながら、炭化珪素種結晶の位置まで到達したキャリアガスＧについては、坩堝１０２の側壁のうち、上述したような排出構造を備えた上側１０２ａの部分から外部に排出する。

炭化珪素単結晶の製造過程において、坩堝１０２内で浮遊し、炭化珪素単結晶の成長面１０ａまで飛んでいく原料粒子の存在は、インクルージョンとなり、異方位・異種多形結晶や欠陥を発生させてしまうため、高品質の炭化珪素単結晶が得る上での阻害要因となる。そこで、炭化珪素原料２０は、原料粒子が飛ばないように、坩堝１０２内の所定の位置に実質的に固定されていることが好ましい。

固定する方法としては、例えば、原料粒子を焼結する、原料粒子の粒径を十分に大きくする、などの方法が挙げられる。具体的には、炭化珪素原料２０が含有する原料粒子の粒径を、１０μｍ以上１０００μｍ以下とすることが好ましい。また、炭化珪素原料が含有する原料粒子のうち、粒径が１μｍ以下の原料粒子の割合を１％未満とすることが好ましい。このような方法により、製造過程における炭化珪素単結晶への原料粒子の混入を防ぐことができるため、高品質な炭化珪素単結晶を得ることができる。

以上説明したように、本発明では、昇華法により、炭化珪素種結晶に対して炭化珪素原料から発生する昇華ガスを供給する際に、炭化珪素原料内に下側からキャリアガスを導入し、種結晶の位置まで、このキャリアガスが昇華ガスと同じ方向に流れるようにする。これにより、種結晶部分と原料部分との温度差による自然対流を利用した、従来の昇華ガスの輸送に対し、キャリアガスの流れによって発生する強制対流のアシストが加わることになる。そのため、昇華ガスを速やかに種結晶の成長面へ運ぶことができる。また、原料内にキャリアガスを導入することによって、原料ガスの飽和を防ぎ、原料の昇華を促す効果も得られる。

したがって、本発明によれば、原料部分を高温にして種結晶部分との温度差を設けることなく、種結晶に供給する昇華ガスの輸送効率を高めることができる。その結果として、温度差に起因して発生するクラック、種結晶以外の部分における成長異常、坩堝内の高温化による部材劣化を抑えつつ、炭化珪素単結晶の成長レートを増加させることが可能となる。これにより、炭化珪素単結晶の成長の高速化、炭化珪素単結晶のインゴットの長尺化、大口径化を実現することができる。また、周辺部材の劣化にともなう修復、交換等のコストの発生を抑えることができる。

以下、実施例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で、適宜変更して実施することができる。

上述した製造装置および製造方法を用いて炭化珪素単結晶を製造した場合について、非特許文献１、２で開示されている手法に基づき、昇華ガスの発生、流れに関するシミュレーションを行った。シミュレーションは、STR-Group Ltd社製の温度分布解析ソフト「Virtual Reactor」を用いて行った。なお、シミュレーションに用いる炭化珪素原料内で昇華ガスが受ける抵抗値については、下記の数式（１）〜（４）に示す、Ｄａｒｃｙ−Ｂｒｉｎｋｍａｎ−Ｆｏｒｃｋｈｅｉｍｅｒ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌに従って計算されている。

ここで、εは空隙率、ρはガス密度、Ｖは絶対流速、ｐはガス圧、μは気体粘土、Ｋはパウダー透過率、ＣＦは慣性係数を、それぞれ示している。

（実施例１）
炭化珪素原料部分の近傍における坩堝の側壁温度が、２３００℃に加熱されている場合について、上記シミュレーションを行った。このシミュレーションには、図３（ａ）に示すように、坩堝１０２の下側からＡｒ、Ｈｅ等のキャリアガスＧを供給し、このキャリアガスＧを、炭化珪素原料２０の下側の空間全体に行き渡らせた状態から、炭化珪素種結晶１０に向けて流す条件を加えた。

シミュレーションの結果、坩堝１０２内の温度および昇華ガスの流れが、図３（ｂ）に示すように分布することが分かった。図３（ｂ）では、温度分布を色の濃淡で表しており、濃い領域ほど温度が高いことを示している（以下に示す図も同様）。坩堝１０２内の温度は、炭化珪素原料２０側（下側）から炭化珪素種結晶１０側（上側）へ向けて、連続的に低くなっている。昇華ガスの流れる方向は、炭化珪素原料２０側から炭化珪素種結晶１０側へ向かう方向に揃っている。単位時間当たりの昇華ガスの発生量（昇華レート）は、１５．８ｇ／ｈとなった。単位時間当たりの炭化珪素単結晶の成長量（成長レート）は、０．３５２ｍｍ／ｈとなった。

（実施例２）
炭化珪素原料部分の近傍における坩堝１０２の側壁温度が、２４００℃に加熱されている場合について、上記シミュレーションを行った。図４（ａ）に示すように、坩堝１０２の下側からＡｒ、Ｈｅ等のキャリアガスＧを供給し、このキャリアガスＧを、炭化珪素原料２０の下側の空間全体に行き渡らせた状態から、炭化珪素種結晶１０に向けて流す条件を加えた。

シミュレーションの結果、坩堝１０２内の温度および昇華ガスの流れが、図４（ｂ）に示すように分布することが分かった。昇華レートは、３９．７ｇ／ｈとなった。成長レートは、０．７９３ｍｍ／ｈとなった。坩堝１０２内の温度および昇華ガスの流れの分布の傾向は、実施例１と同様であるが、昇華レート、成長レートは、温度を高くした分、実施例１より高くなることが分かった。

（比較例１）
炭化珪素原料部分の近傍における坩堝の側壁温度が２２７０℃に加熱されており、かつ、図５（ａ）に示すようにキャリアガスを流さない場合について、上記シミュレーションを行った。

シミュレーションの結果、坩堝１０２内の温度および昇華ガスの流れが、図５（ｂ）に示すように分布することが分かった。炭化珪素原料２０部分と炭化珪素種結晶１０部分との温度差は、実施例１、２に比べて小さくなっている。昇華ガスの流れる方向は、実施例１、２のようには揃っていない。昇華レートは、４．１３ｇ／ｈとなった。成長レートは、０．１５１ｍｍ／ｈとなった。温度差が低く、キャリアガスによるアシストがない分、昇華レート、成長レートは、いずれも実施例１、２より低くなることが分かった。

（比較例２）
炭化珪素原料部分の近傍における坩堝１０２の側壁温度が２３００℃に加熱されており、かつ、図６（ａ）に示すようにキャリアガスを流さない場合について、上記シミュレーションを行った。

シミュレーションの結果、坩堝１０２内の温度および昇華ガスの流れが、図６（ｂ）に示すように分布することが分かった。炭化珪素原料２０部分と炭化珪素種結晶１０部分との温度差は、実施例１と同程度となっている。昇華ガスの流れる方向は、実施例１のようには揃っていない。昇華レートは、４．９５ｇ／ｈとなった。成長レートは、０．１８４ｍｍ／ｈとなった。キャリアガスによるアシストがない分、昇華レート、成長レートは、いずれも実施例１より低くなることが分かった。

（変形例１）
炭化珪素種結晶１０部分の近傍における坩堝１０２の側壁を２３００℃に加熱し、炭化珪素原料２０部分の温度が炭化珪素種結晶１０部分の温度より低くなるようにし、また、キャリアガスを流さない場合について、上記シミュレーションを行った。

（変形例２、３）
炭化珪素種結晶１０部分の近傍における坩堝の側壁を２３００℃に加熱し、炭化珪素原料２０部分の温度が炭化珪素種結晶１０部分の温度より低くなるようにした場合について、上記シミュレーションを行った。このシミュレーションには、実施例１、２と同様に、坩堝１０２の下側からＡｒ、Ｈｅ等のキャリアガスを供給し、このキャリアガスを、炭化珪素原料２０の下側の空間全体に行き渡らせた状態から、炭化珪素種結晶１０に向けて流す条件を加えた。キャリアガスの流速について、実施例４では１０ｍ／ｓ、実施例５では１００ｍ／ｓとした。なお、ここでのキャリアガスの流速は、内径Φ１５ｍｍのガス導入管内での初期平均流速を意味している。

シミュレーションの結果、変形例１〜３の坩堝１０２内の昇華ガスの流れが、それぞれ、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように分布することが分かった。図７（ａ）、（ｂ）の比較から、坩堝１０２内の温度分布が実施例１、２と逆転していても、キャリアガスが流れることにより、昇華ガスの炭化珪素種結晶１０に向かう流れが促進されることが分かった。そして、図７（ｂ）、（ｃ）の比較から、坩堝１０２内の温度分布が実施例１、２と逆転していても、キャリアガスの流速を上げることにより、原料内で上向きの流れが発生し、昇華ガスの炭化珪素種結晶１０に向かう流れがさらに促進されることが分かった。

（実施例１〜６、比較例１〜３）
坩堝に導入するキャリアガスの内径Φ１５ｍｍのガス導入管内での初期平均流速が、０ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１００ｍ／ｓのいずれかであって、さらに炭化珪素原料部分の近傍における坩堝の側壁温度が、２２７０℃、２３００℃、２４００℃のいずれかである場合における、昇華レート、成長レートのシミュレーション結果を、表１に示す。

初期平均流速が０ｍ／ｓかつ側壁温度が２２７０℃の場合、初期平均流速が０ｍ／ｓかつ側壁温度が２３００℃の場合の結果は、それぞれ、上述した比較例１、２での結果に対応している。初期平均流速が１００ｍ／ｓかつ側壁温度が２３００℃の場合、初期平均流速が１００ｍ／ｓかつ側壁温度が２４００℃の場合の結果は、それぞれ、上述した実施例１、２での結果に対応している。

導入するキャリアガスは、Ａｒ、Ｈｅ等であって、坩堝に導入した後、炭化珪素原料の下側の空間全体に行き渡らせた状態から、炭化珪素種結晶に向けて流すとした。なお、流速０ｍ／ｓは、キャリアガスを流さない場合に相当する。

実施例１と実施例２の比較から明らかとなった、炭化珪素原料の温度を上げることによる昇華レート、成長レートの向上を、比較例１〜３の比較、実施例１、２、６の比較、実施例３〜５の比較からも確認することができた。

また、実施例１と比較例２の比較から明らかとなった、キャリアガスを導入することによる昇華レート、成長レートの向上を、比較例１と実施例３の比較、比較例２と実施例４の比較、比較例３と実施例５の比較からも確認することができた。

さらに、実施例３、６の比較、実施例１、４の比較、実施例２、５の比較から、キャリアガスの流速を上げることによって、昇華レート、成長レートが飛躍的に向上することが明らかとなった。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置は、パワーデバイスの材料として用いる炭化珪素単結晶の製造に、広く利用することができる。

１０・・・炭化珪素種結晶、１０ａ・・・成長面、２０・・・炭化珪素原料、
２０ａ・・・側方、１００・・・炭化珪素単結晶の製造装置、１０１・・・真空容器、
１０１ａ・・・配管、１０１ｂ・・・配管、１０２・・・坩堝、１０２ａ・・・上側、
１０２ｂ・・・下側、１０３・・・断熱材、１０４・・・加熱手段、
１０５・・・キャリアガス供給手段、１０５ａ・・・配管Ｄ・・・上方向、
Ｇ・・・キャリアガス、Ｓ・・・空間。

Claims (6)

1. 坩堝内において、前記坩堝の上側に配置された炭化珪素種結晶上に、前記坩堝の下側に配置された炭化珪素原料の昇華ガスを供給して、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素の単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置であって、
   前記坩堝内における前記炭化珪素原料の下側に、前記昇華ガスの流れをアシストするキャリアガスを供給する手段を備え、
   前記坩堝内の底面と前記炭化珪素原料との間に、前記キャリアガスの拡散領域として機能する空間が設けられており、
   前記坩堝の側壁のうち上側を除いた部分が、ガス不透過材料からなることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
2. 前記坩堝の側壁のうち上側の部分が、前記キャリアガスを前記坩堝の外部に排出する構造を有してい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。
3. 前記キャリアガスの排出構造は、前記坩堝の側壁に設けられた貫通孔であることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
4. 前記貫通孔は、前記炭化珪素種結晶の中心と前記炭化珪素原料の中心とを結ぶ直線に対して、対称な位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
5. 前記坩堝の側壁のうち上側の部分が、多孔質カーボンからなることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
6. 前記炭化珪素原料の前記拡散領域側との境界面に、多孔質カーボンからなる部材が配されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。