JP7286970B2 - ＳｉＣ単結晶成長用坩堝、ＳｉＣ単結晶の製造方法およびＳｉＣ単結晶製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝と、これを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法およびＳｉＣ単結晶製造装置に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、ＳｉＣは、Ｓｉに比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため、ＳｉＣは、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
ＳｉＣ単結晶を製造する方法の一つとして、昇華法が広く知られている。昇華法は、筒状の坩堝内において、ＳｉＣ原料を高温に加熱して昇華ガスを発生させ、相対的に低温のＳｉＣ単結晶からなる種結晶上でその昇華ガスを再結晶化させてＳｉＣ単結晶を成長させる方法である。この昇華法を用いたＳｉＣ単結晶の製造においては、ＳｉＣ単結晶の大口径・長尺成長が要求されており、坩堝のサイズの大型化が求められている。
昇華法では、一般に坩堝を外部から加熱する。このため、坩堝の内部は、壁側が高温で、中央部が低温となる温度分布を有する傾向がある。このような温度分布を有する坩堝の内部では、坩堝の壁側付近にて発生した昇華ガスが、坩堝の中央部で冷却されてＳｉＣが析出してしまいＳｉＣ原料が有効活用できないことがある。特に、大型坩堝では、壁側と中央部との温度差が大きくなりやすいため、中央部でＳｉＣの析出が起こりやすくなる。そして、坩堝の内部で析出したＳｉＣは、もとのＳｉＣ原料と状態が異なり、そのままの状態ではＳｉＣ原料として再使用することができない。このため、坩堝の内部でのＳｉＣの析出を抑え、ＳｉＣ原料を有効活用することができる坩堝が望まれている。
坩堝内部のＳｉＣ原料を均一に、かつ安定に昇華させるために、特許文献１には、坩堝内部の底部の中心に熱伝導体を設置したＳｉＣ単結晶成長用坩堝が記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載されているＳｉＣ単結晶成長用坩堝は、坩堝内部に熱伝導体が設置されているため、坩堝内部に収容できるＳｉＣ原料の量が少なくなり、ＳｉＣ単結晶の成長量を大きくすることが困難である。すなわち、特許文献１に記載されているＳｉＣ単結晶成長用坩堝では、大口径・長尺成長のＳｉＣ単結晶を製造することが難しい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、大口径・長尺成長のＳｉＣ単結晶を製造することが可能な大型サイズであっても、坩堝内部でのＳｉＣの析出が起こりにくく、ＳｉＣ原料を有効に利用することができるＳｉＣ単結晶成長用坩堝と、それを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法およびＳｉＣ単結晶製造装置を提供することを目的とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、坩堝のＳｉＣ原料を収容する原料収容部に、内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部を設け、加熱中心がすぼみ部の範囲内となるように、原料収容部を加熱することによって、大口径・長尺成長のＳｉＣ単結晶を製造することが可能な大型サイズとしても、原料収容部に充填されたＳｉＣ原料の中央部の温度を高くすることができ、これにより原料収容部の中央部でのＳｉＣの析出が起こりにくくなり、ＳｉＣ原料を有効に利用することができること見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝は、ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と、前記原料収容部の上方に配置されている種結晶を支持する種結晶支持部と、を備え、前記原料収容部は、内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部を有する。
（２）上記（１）に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝において、前記原料収容部の前記すぼみ部は、連続的に先細りしている構成とされていてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝において、前記原料収容部の前記すぼみ部は、直線的に先細りしている構成とされていてもよい。
（４）上記（１）から（３）のいずれか一つに記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝において、前記原料収容部の前記すぼみ部の外面は先細りしている構成とされていてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝において、前記原料収容部の前記すぼみ部は、直線的に先細りしている構成とされていてもよい。
（４）上記（１）から（３）のいずれか一つに記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝において、前記原料収容部の前記すぼみ部の外面は先細りしている構成とされていてもよい。
（５）本発明の他の態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、上記態様に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝を用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法であって、前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝の前記原料収容部にＳｉＣ原料を充填する工程と、加熱中心が前記原料収容部の前記すぼみ部の範囲内に位置するように、前記原料収容部を加熱する工程と、を有する。
（６）本発明の他の態様に係るＳｉＣ単結晶製造装置は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝と、前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝を加熱するための加熱器と、を備え、前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝は、上記態様に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝であって、前記加熱器は、加熱中心が前記原料収容部の前記すぼみ部の範囲内に位置するように配置されている。
本発明によれば、大口径・長尺成長のＳｉＣ単結晶を製造することが可能な大型サイズであっても、坩堝内部でのＳｉＣの析出が起こりにくく、ＳｉＣ原料を有効に利用することができるＳｉＣ単結晶成長用坩堝と、それを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法およびＳｉＣ単結晶製造装置を提供することが可能となる。
以下、本実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝、ＳｉＣ単結晶の製造方法およびＳｉＣ単結晶製造装置について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、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は実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、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。
なお、以下の説明で用いる図面は、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は実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、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。
（従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝）
図１は、従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝を示す断面模式図である。
図１に示すように、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａは、ＳｉＣ原料１を収容する原料収容部２０ａと、原料収容部２０ａの上方に配置されている蓋部３０とを備える。原料収容部２０ａは有底の筒状体である。蓋部３０は、種結晶２を支持する種結晶支持部３１を有する。
図１は、従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝を示す断面模式図である。
図１に示すように、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａは、ＳｉＣ原料１を収容する原料収容部２０ａと、原料収容部２０ａの上方に配置されている蓋部３０とを備える。原料収容部２０ａは有底の筒状体である。蓋部３０は、種結晶２を支持する種結晶支持部３１を有する。
昇華法では、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａ内において、ＳｉＣ原料１を高温に加熱して昇華ガスを発生させ、相対的に低温の種結晶２の上で、その昇華ガスを再結晶化させて種結晶２を成長させる。ＳｉＣ原料１の加熱は、一般にＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａを外部から加熱することによって行う。このため、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａの内部は、原料収容部２０ａの壁側付近が高温で、中央部が低温となる温度分布を有する傾向がある。このような温度分布を有するＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａの内部では、原料収容部２０ａの壁側付近にて発生した昇華ガスが、原料収容部２０ａの中央部で冷却されてＳｉＣが析出してしまいＳｉＣ原料１が有効活用できないことがある。
（本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝）
図２は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝の一例を示す断面模式図である。
図２に示す本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂは、原料収容部２０ｂが、胴体部２１ｂと内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部２２ｂとを有する点において、前記従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと前記従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
図２は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝の一例を示す断面模式図である。
図２に示す本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂは、原料収容部２０ｂが、胴体部２１ｂと内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部２２ｂとを有する点において、前記従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと前記従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂにおいて、原料収容部２０ｂの胴体部２１ｂは円筒状である。ただし、胴体部２１ｂの形状は、円筒状に限定されるものではない。胴体部２１ｂは、角筒状であってもよい。
原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂは連続的に、かつ直線的に先細った円錐形状である。ただし、すぼみ部２２ｂの形状は、円錐形状に限定されるものではない。すぼみ部２２ｂは、階段状に先細っていてもよいし、原料収容部２０ｂの内側あるいは外側に湾曲した形状であってもよい。例えば、すぼみ部２２ｂは、円錐台形状や半球形状であってもよい。また、すぼみ部２２ｂは内面と外面が先細りしているが、内面のみが先細りしていてもよい。さらに、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂを自立させるための支持部を、すぼみ部２２ｂに設けてもよい。支持部は、すぼみ部２２ｂと一体的に接続していてもよいし、脱着可能とされていてもよい。
原料収容部２０ｂと蓋部３０の材料としては、例えば、黒鉛、炭化タンタルなどのＳｉＣ単結晶成長用坩堝の材料として利用されている公知の耐熱材を用いることができる。
（ＳｉＣ単結晶製造装置）
図３は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を示す部分拡大断面模式図である。
図３に示すＳｉＣ単結晶製造装置４０は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と加熱器５０とを備える。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。なお、図３中の矢印は熱の流れを示す。また、ＳｉＣ原料１の濃淡は温度分布を表し、淡い部分は温度が高く、濃い部分ほど温度が低い。
図３は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を示す部分拡大断面模式図である。
図３に示すＳｉＣ単結晶製造装置４０は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と加熱器５０とを備える。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。なお、図３中の矢印は熱の流れを示す。また、ＳｉＣ原料１の濃淡は温度分布を表し、淡い部分は温度が高く、濃い部分ほど温度が低い。
加熱器５０は、加熱中心Ｈが原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂの範囲内に位置するように配置されている。加熱中心とは、加熱器５０によって加熱されたときにＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の原料収容部２０ｂの外面で最も温度が高い部分を意味する。すなわち、加熱中心は、原料収容部２０ｂの外面で加熱器５０から伝達される熱量が最も多い部分である。加熱器５０がコイル式誘導加熱器の場合は、加熱中心は、通常、コイル式誘導加熱器のコイル部分の中心が接触する部分である。加熱器５０が抵抗加熱器の場合は、加熱中心は、通常、抵抗加熱器から最も近接する部分である。加熱中心Ｈがすぼみ部２２ｂの範囲内に位置すること、すなわち、すぼみ部２２ｂが始まるすぼみ開始位置Ｌを、加熱中心Ｈに対して上方に０ｍｍ以上とすることによって、すぼみ部２２ｂ全体に熱が伝わりやすくなる。このため、すぼみ部２２ｂの底部側のＳｉＣ原料１にまで均一に加熱され、原料収容部２０ｂに充填されたＳｉＣ原料１の温度分布の均一性が高くなる。ただし、すぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌと加熱中心Ｈとの距離が長くなりすぎると、原料収容部２０ｂのＳｉＣ原料１の充填量が少なくなり、またすぼみ部２２ｂの底部側にまで充分に熱が伝わりにくくなるおそれがある。このため、加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さは、６０ｍｍ以下であることが好ましく、４０ｍｍ以下であることがより好ましく、２０ｍｍ以下であることが特に好ましい。
原料収容部２０ｂに充填されるＳｉＣ原料１の充填量は、加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さが、ＳｉＣ原料１の充填高さに対して±２０％以内となる量であることが好ましい。なお、ＳｉＣ原料１の充填高さは、原料収容部２０ｂの中心軸におけるＳｉＣ原料１の高さである。ＳｉＣ原料１の充填量を上記の範囲内とすることによって、原料充填量を減らしすぎることなく、原料中央部まで均熱な温度環境を作ることができる。
加熱器５０としては、抵抗加熱器や誘導加熱器などのＳｉＣ単結晶製造装置用の加熱器として利用されている公知の加熱器を用いることができる。誘導加熱器を用いる場合は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の周囲を断熱材で覆うことが好ましい。断熱材としては、特に制限はなく、炭素繊維フェルトなどのＳｉＣ単結晶製造装置用の材料として利用されている公知の断熱材を用いることができる。
（ＳｉＣ単結晶の製造方法）
本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、上述したような本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂを用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法であり、原料収容部２０ｂにＳｉＣ原料１を充填する充填工程と、加熱中心が原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂの範囲内に位置するように、原料収容部２０ｂを加熱する加熱工程とを有する。
本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、上述したような本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂを用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法であり、原料収容部２０ｂにＳｉＣ原料１を充填する充填工程と、加熱中心が原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂの範囲内に位置するように、原料収容部２０ｂを加熱する加熱工程とを有する。
以上のような構成とされた本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂは、ＳｉＣ原料１を充填する原料収容部２０ｂに、内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部２２ｂが設けられており、加熱中心Ｈがすぼみ部２２ｂの範囲内となるように、原料収容部２０ｂを加熱することによって、大口径・長尺成長のＳｉＣ単結晶を製造することが可能な大型サイズとしても、原料収容部２０ｂに充填されたＳｉＣ原料１の中央部の温度を高くすることができ、温度分布の均一性を高くすることができる。よって、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂによれば、原料収容部２０ｂの中央部でＳｉＣが析出することが起こりにくくなり、ＳｉＣ原料１を有効に利用することが可能となる。
また、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂを用いたＳｉＣ単結晶製造装置４０では、加熱器５０が、加熱中心Ｈが原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂの範囲内に位置するように配置されている。このため、ＳｉＣ単結晶製造時において、原料収容部２０ｂに充填されたＳｉＣ原料１の中央部の温度を高くすることができ、温度分布の均一性を高くすることができる。
また、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法では、加熱中心Ｈが原料収容部２０ｂのすぼみ部２２ｂの範囲内に位置するように、原料収容部２０ｂを加熱する。このため、原料収容部２０ｂに充填されたＳｉＣ原料１の中央部の温度を高くすることができ、温度分布の均一性を高くすることができる。
（変形例）
図４は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝の別の一例を示す断面模式図である。
図４に示す本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃは、原料収容部２０ｃが、胴体部２１ｃとすぼみ部２２ｃとを有し、すぼみ部２２ｃの底部が平坦部２３ｃである点、すなわちすぼみ部２２ｃが円錐台形状である点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
図４は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝の別の一例を示す断面模式図である。
図４に示す本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃは、原料収容部２０ｃが、胴体部２１ｃとすぼみ部２２ｃとを有し、すぼみ部２２ｃの底部が平坦部２３ｃである点、すなわちすぼみ部２２ｃが円錐台形状である点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃは、すぼみ部２２ｃの底部が平坦部２３ｃであるので、自立が可能となる。よって、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃは、支持部材を用いなくても、ＳｉＣ単結晶製造装置に設置することができる。
図５は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝のさらに別の一例を示す断面模式図である。
図５に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｄは、原料収容部２０ｄが、胴体部２１ｄとすぼみ部２２ｄとを有し、すぼみ部２２ｄが、支持部材２４ｄによって支持されている点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
図５に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｄは、原料収容部２０ｄが、胴体部２１ｄとすぼみ部２２ｄとを有し、すぼみ部２２ｄが、支持部材２４ｄによって支持されている点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
支持部材２４ｄは、上部に開口を有する有底の筒状体である。支持部材２４ｄの底部の中央には、凹部が形成されていて、その凹部にＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｄのすぼみ部２２ｄの先端が挿入されている。支持部材２４ｄの材料としては、例えば、黒鉛、炭化タンタル、ＳｉＣなどの耐熱材を用いることができる。支持部材２４ｄを用いることによって、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃをＳｉＣ単結晶製造装置に設置したときの安定性をより高くすることができる。
図６は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶成長用坩堝のさらに別の一例を示す断面模式図である。
図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅは、原料収容部２０ｅが、胴体部２１ｅとすぼみ部２２ｅとを有し、すぼみ部２２ｅが、熱伝導体２５ｅが充填された支持部材２４ｅによって支持されている点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅは、原料収容部２０ｅが、胴体部２１ｅとすぼみ部２２ｅとを有し、すぼみ部２２ｅが、熱伝導体２５ｅが充填された支持部材２４ｅによって支持されている点において、前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂと相違する。なお、本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅと前記本実施形態のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂとで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
支持部材２４ｅは、開口部に熱伝導体２５ｅが充填された有底の筒状体である。熱伝導体２５ｅは、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅのすぼみ部２２ｅの外面に接触するように充填されている。支持部材２４ｅ及び熱伝導体２５ｅの材料としては、例えば、黒鉛、炭化タンタル、ＳｉＣなどの耐熱材を用いることができる。支持部材２４ｅに熱伝導体２５ｅを充填することによって、支持部材２４ｅの強度が向上する。このため、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅはＳｉＣ単結晶製造装置に設置したときの安定性がさらに高くなる。なお、熱伝導体２５ｅはＳｉＣ原料１と直接触れる構成としてもよい。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
［実施例１］
図７は、実施例１のシミュレーションに用いたＳｉＣ単結晶製造装置を示す模式断面図である。
ＳｉＣ単結晶製造装置４１は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と加熱器５０とを備える。ＳｉＣ単結晶製造装置４１は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の中心軸を中心に対称な構造である。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。原料収容部２０ｂに充填したＳｉＣ原料１の充填高さは１８０ｍｍとした。加熱器５０の配置位置は、加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さが上方に２０ｍｍとなる位置とした。すなわち、加熱中心Ｈは原料の最下部から１６０ｍｍの高さ位置になる。
図７は、実施例１のシミュレーションに用いたＳｉＣ単結晶製造装置を示す模式断面図である。
ＳｉＣ単結晶製造装置４１は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と加熱器５０とを備える。ＳｉＣ単結晶製造装置４１は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の中心軸を中心に対称な構造である。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。原料収容部２０ｂに充填したＳｉＣ原料１の充填高さは１８０ｍｍとした。加熱器５０の配置位置は、加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さが上方に２０ｍｍとなる位置とした。すなわち、加熱中心Ｈは原料の最下部から１６０ｍｍの高さ位置になる。
シミュレーションは、計算負荷を低減するために、原料収容部２０の中心軸を通る任意の断面の半分（径方向の半分）の構造のみで行った。シミュレーションには、ＳＴＲ－Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ社製の結晶成長解析ソフト「Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ」を用いた。当該シミュレーションは、炉内の温度分布のシミュレーションに広く用いられているものであり、実際の実験結果と高い相関を有することが確認されている。
温度分布としては、原料収容部２０の中心軸の底部から上方に２２．５ｍｍの位置（図７中のａ）、６７．５ｍｍの位置（図７中のｂ）、１１２．５ｍｍの位置（図７中のｃ）、１５７．５ｍｍの位置（図７中のｄ）のＳｉＣ原料１の温度を求めた。その結果を、図８に示す。
［実施例２］
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図４に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図４に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｃとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
［実施例３］
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図５に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｄとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図５に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｄとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
［実施例４］
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅ（熱伝導体２５ｅの材料：黒鉛）としたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅ（熱伝導体２５ｅの材料：黒鉛）としたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
［実施例５］
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅ（熱伝導体２５ｅの材料：ＳｉＣ焼結体）としたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図６に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｅ（熱伝導体２５ｅの材料：ＳｉＣ焼結体）としたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。その結果を、図８に示す。
［比較例］
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図１に示す従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。ただし、加熱器５０の配置位置は、実施例１と同様に、加熱中心が原料の最下部から１６０ｍｍの高さとなる位置とした。その結果を、図８に示す。
ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０を、図１に示す従来のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａとしたこと以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。ただし、加熱器５０の配置位置は、実施例１と同様に、加熱中心が原料の最下部から１６０ｍｍの高さとなる位置とした。その結果を、図８に示す。
図８の結果から、原料収容部２０ｂ～２０ｅがすぼみ部２２ｂ～２２ｅを有する実施例１～５のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂ～１０ｅは、原料収容部２０ａが有底の筒状体である比較例１のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ａと比較して、いずれも原料収容部２０ｂ～２０ｅに充填したＳｉＣ原料１の中央部の温度が高くなることがわかる。特に、すぼみ部２２ｂ、２２ｃの外面が加熱器５０に面している実施例１～２のＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂ、１０ｃはＳｉＣ原料１の中央部の温度がさらに高くなることがわかる。
［実施例６］
図９は、実施例６のシミュレーションに用いたＳｉＣ単結晶製造装置を示す模式断面図である。
図９において、ＳｉＣ単結晶製造装置４２は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と、加熱器５０と、断熱材６０とを備える。加熱器５０は、高周波コイル５１と、高周波コイル５１にて生じた磁界によって発熱するヒータ５２とからなる。断熱材６０は、高周波コイル５１とヒータ５２との間に配置されている。ＳｉＣ単結晶製造装置４２はＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の中心軸を中心に対称な構造である。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。
図９は、実施例６のシミュレーションに用いたＳｉＣ単結晶製造装置を示す模式断面図である。
図９において、ＳｉＣ単結晶製造装置４２は、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０と、加熱器５０と、断熱材６０とを備える。加熱器５０は、高周波コイル５１と、高周波コイル５１にて生じた磁界によって発熱するヒータ５２とからなる。断熱材６０は、高周波コイル５１とヒータ５２との間に配置されている。ＳｉＣ単結晶製造装置４２はＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０の中心軸を中心に対称な構造である。ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０は、図２に示すＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂである。
実施例６では、図９に示すように、ＳｉＣ単結晶成長用坩堝１０ｂのすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さを変えたときの原料収容部２０ｂに充填したＳｉＣ原料１の温度分布のシミュレーションを行った。加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さをｘとし、加熱中心Ｈに対してすぼみ開始位置Ｌの位置が上方にある場合をプラス（＋）として、ｘ＝－６０ｍｍ～＋６０ｍｍであったときのＳｉＣ原料１の温度分布のシミュレーションを行った。なお、加熱中心Ｈは、高周波コイルの上下方向の中心が接触する部分とした。また、原料収容部２０ｂに充填したＳｉＣ原料１の充填高さは１８０ｍｍとした。
シミュレーションには、ＳＴＲ－Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ社製の結晶成長解析ソフト「Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ」を用いた。温度分布としては、原料収容部２０の中心軸の底部から上方に２２．５ｍｍの位置（図７中のａ）、６７．５ｍｍの位置（図７中のｂ）、１１２．５ｍｍの位置（図７中のｃ）、１５７．５ｍｍの位置（図７中のｄ）の温度を求めた。その結果を、比較例１の結果と合わせて図１０に示す。
図１０の結果から、加熱中心Ｈに対するすぼみ部２２ｂのすぼみ開始位置Ｌの高さｘが０ｍｍ～＋６０ｍｍの場合（加熱中心Ｈがすぼみ部２２ｂの範囲内に位置する場合）は、－２０～－６０ｍｍの場合と比較して、原料収容部２０ｂに充填されたＳｉＣ原料１の中央部の温度を高くなることがわかる。
１ ＳｉＣ原料
２ 種結晶
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｅ ＳｉＣ単結晶成長用坩堝
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｅ 原料収容部
２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ 胴体部
２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ すぼみ部
２３ｃ 平坦部
２４ｄ、２４ｅ 支持部材
２５ｅ 熱伝導体
３０ 蓋部
３１ 種結晶支持部
４０、４１、４２ ＳｉＣ単結晶製造装置
５０ 加熱器
５１ 高周波コイル
５２ ヒータ
６０ 断熱材
２ 種結晶
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｅ ＳｉＣ単結晶成長用坩堝
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｅ 原料収容部
２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ 胴体部
２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ すぼみ部
２３ｃ 平坦部
２４ｄ、２４ｅ 支持部材
２５ｅ 熱伝導体
３０ 蓋部
３１ 種結晶支持部
４０、４１、４２ ＳｉＣ単結晶製造装置
５０ 加熱器
５１ 高周波コイル
５２ ヒータ
６０ 断熱材
Claims (6)
- ＳｉＣ原料を収容する原料収容部と、
前記原料収容部の上方に配置されている種結晶を支持する種結晶支持部と、を備え、
前記原料収容部は、内面が下方に向かって先細りしているすぼみ部を有し、
前記すぼみ部は、連続的にかつ直線的に先細った円錐形状であるＳｉＣ単結晶成長用坩堝。 - 前記原料収容部の前記すぼみ部が、連続的に先細りしている請求項１に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝。
- 前記原料収容部の前記すぼみ部が、直線的に先細りしている請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝。
- 前記原料収容部の前記すぼみ部の外面が先細りしている請求項１～３のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝を用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法であって、
前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝の前記原料収容部にＳｉＣ原料を充填する工程と、
加熱中心が前記原料収容部の前記すぼみ部の範囲内に位置するように、前記原料収容部を加熱する工程と、を有するＳｉＣ単結晶の製造方法。 - ＳｉＣ単結晶成長用坩堝と、前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝を加熱するための加熱器と、を備え、
前記ＳｉＣ単結晶成長用坩堝は、請求項１～４のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶成長用坩堝であって、
前記加熱器は、加熱中心が前記原料収容部の前記すぼみ部の範囲内に位置するように配置されているＳｉＣ単結晶製造装置。
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