JP2018030773A - 単結晶成長に用いる装置 - Google Patents

Abstract

【課題】坩堝、保温材、複数の加熱素子、放熱内径、放熱外径、放熱高さ等を統合し、熱場を効果的に制御すると共に、システム軸方向温度勾配を増加して、高品質の単結晶を得ることができる、単結晶成長に用いる装置の提供。【解決手段】本発明の単結晶成長に用いる装置は、坩堝と、保温材と、複数の加熱素子を含み、前記坩堝が種結晶を材料源により結晶成長させるために用いられ、内部に種結晶エリア、成長チャンバ、材料源エリアを含み、前記保温材が前記坩堝の外部に設置され、前記保温材の上方区域に放熱素子が設置され、前記複数の加熱素子が、前記保温材の外部に設置され、熱源の提供に用いられ、そのうち、前記放熱素子が放熱内径、放熱外径、放熱高さを含み、前記放熱高さが前記保温材の厚さより大きい。これにより、上述の装置は大きいサイズの単結晶を製造することができる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は結晶成長に用いる装置に関し、特に、炭化ケイ素、窒化物を原料とする単結晶成長に用いる装置に関する。

近年、現代科学技術と生活品質の迅速な発展で、各種３Ｃハイテク電子製品は小型、軽量、スリムさと多機能化に向けて発展しているため、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物（例：GaN、AlN）等の材料が開発され、各種電子装置の半導体材料に応用されている。炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物は高い物理強度及び高い耐侵食強度を備え、同時に電子特性が非常に優れており、高い放射硬度、高い絶縁破壊電界、比較的広いバンドギャップ、高い飽和ドリフト速度、高温操作が可能等の特性を備えている。

物理気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）と、物理気相蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ）は業界で炭化ケイ素、第ＩＩＩ族窒化物の結晶成長に用いる技術であり、ウェハーの量産に用いられている技術でもある。物理気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）は主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物の材料粉末を高温炉（坩堝）の熱エリアで昇華させることで、温度勾配により気相の炭化ケイ素（ＳｉＣ）、第ＩＩＩ族窒化物の種結晶上への移動を促進し、結晶成長プロセスを実行して結晶成長を完了させる。一般に、物理気相輸送法を利用して炭化ケイ素結晶を生長させる過程では、先に種結晶を準備し、種結晶を坩堝内に入れるが、前記坩堝が成長チャンバ、種結晶エリア（ホルダーを含む）及び材料源エリアを含み、ホルダーが成長チャンバ上方に配置され、種結晶の固定に用いられ、かつ温度勾配を提供する熱場装置の相対的冷端に配置され、材料源エリアが成長チャンバの下方に位置し、材料源を収容するために用いられ、炭化物原料を材料源エリア内に入れて、原料を固体から気体分子に昇華させ、昇華した気体分子を輸送して種結晶ウェハー上に沈積させて、結晶を成長させる。

しかしながら、物理気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）を炭化ケイ素、第ＩＩＩ族窒化物の結晶成長に応用すると、次のような欠点がある。炭化ケイ素を例とすると、グラファイト導熱層の欠陥が結晶内部まで広がり、PVT法で製造した炭化ケイ素結晶中の六角形の空洞は、最も早期ではＳｔｅｉｎ（１９９３）により発見されており、その形成の原因が結晶背後の平面蒸発に由来し、核生成サイトが種結晶と種結晶座部間のグラファイト導熱層の不完全な箇所にあるとされている。結晶成長過程において、六角形の空洞底部（種結晶近く）の成長段階、及び空洞上部（成長表面近く）の蒸発が、六角形の空洞の移動を形成し、種結晶と種結晶座部間のグラファイト導熱層の不完全な箇所が六角形の空洞を引き起こし、その他６Ｈ（または１５Ｒ）結晶多形嵌入物、高炭素堆積エリア、熱分解孔も同様の原因に由来する。文献や特許において使用されるこれら欠陥を回避する方法は、種結晶の背後に均一なフォトレジスト層をめっきし、孔が原因の炭化ケイ素の熱伝導不良による種結晶背後での局部的昇華を阻止するが、そのために結晶の成長速度が低下し、再現性もない。

物理気相輸送法による結晶成長の品質と成長過程の温度条件は密接な関連があるため、先行技術においては設備の改善により成長過程の温度条件を管理する手段が提供されている。例えば、ＵＳ５９６８２６１はグラファイト坩堝に坩堝孔を製造し、孔内に断熱材を加え、種結晶後方の放熱効率を高めている。ＵＳ２００６０２１３４３０は種結晶とホルダーの距離を変えることで種結晶とホルダー間の熱伝導効率を制御し、輻射熱の伝達効果を主導している。ＵＳ７３５１２８６は種結晶の位置のポジショニングにより種結晶の反りと応力の影響を減少する。ＵＳ７３２３０５１は背後の多孔性物質により種結晶の位置を固定し、気相遮断層を提供して種結晶の昇華を減少している。ＵＳ７５２４３７６は薄壁の坩堝を利用し、かつ物理気相輸送法を使用して窒化アルミニウム結晶を成長し、熱応力を減少している。ＵＳ８１４７９９１はホルダーを調整して種結晶表面に隣接させることで熱伝導効率を制御している。

上述の先行技術は主に坩堝の構造または種結晶ホルダーの形式を変えているが、結晶成長の大きさが増加すると、以上の方法の放熱効率では大きな結晶に充分な放熱量を効果的に提供することができず、また結晶成長の界面形状を制御したり、成長速度を向上したりすることもできない。このため、現在業界では、放熱効率の優れた放熱素子で大きい結晶に効果的な放熱量を提供し、それによりプロセスコストと効率の両方を改善し、物理気相輸送法で大きい単結晶を成長させることができる、単結晶成長に用いる装置の開発が必要とされている。

米国特許ＵＳ５９６８２６１号明細書 米国特許ＵＳ２００６０２１３４３０号明細書 米国特許ＵＳ７３５１２８６号明細書 米国特許ＵＳ７３２３０５１号明細書 米国特許ＵＳ７５２４３７６号明細書 米国特許ＵＳ８１４７９９１号明細書

上述の従来技術の欠点に鑑み、本発明の主な目的は、坩堝、保温材、複数の加熱素子、放熱内径、放熱外径、放熱高さ等を統合し、熱場を効果的に制御すると共に、システム軸方向温度勾配を増加して、高品質の単結晶を得ることができる、単結晶成長に用いる装置を提供することにある。

上述の目的を達するため、本発明の単結晶成長に用いる装置は、坩堝と、保温材と、複数の加熱素子を含み、前記坩堝が種結晶を材料源により結晶成長させるために用いられ、内部に種結晶エリア、成長チャンバ、材料源エリアを含み、前記保温材が前記坩堝の外部に設置され、前記保温材の上方区域に放熱素子が設置され、前記複数の加熱素子が、前記保温材の外部に設置され、熱源の提供に用いられ、そのうち、前記放熱素子が放熱内径、放熱高さを含み、前記放熱高さが前記保温材の厚さより大きい。

上述における坩堝は材質がグラファイトの坩堝とすることができ（但し、これに限らない）、坩堝内の種結晶エリア（坩堝内の上方区域に設置できる）が種結晶を固定するホルダーを含み、種結晶は炭化ケイ素または窒化物を使用することができ（但し、これに限らない）、本発明で使用する種結晶は厚さが３５０μｍ以上で、直径２インチ〜６インチ以上の単結晶ウェハー片とすることができ、対応する寸法以上の単結晶の成長に使用し、単結晶ウェハーは炭化ケイ素または窒化物とすることができ（但し、これに限らない）、坩堝内の材料源エリア（坩堝内の下方区域に設置できる）を使用して材料源を収容でき、本発明の材料源は炭化ケイ素粉末材料または窒化物粉末材料とすることができる（但し、これに限らない）。

本発明の坩堝は外部に保温材を備え、前記保温材は坩堝の表面を直接被覆することができ、前記保温材の上方区域に放熱素子が設置され、前記放熱素子が種結晶エリアの放熱を補助して坩堝内の熱場を制御し、システム軸方向温度勾配を増加して結晶の成長速度を高め、システム径方向温度勾配を増加して界面形状を制御し、高品質の炭化ケイ素単結晶を得ることができる。本発明の保温材は可以是グラファイトフェルト（但し、これに限らない）とすることができ、放熱素子と一体成型方式で製造しても、別個の２個の部材として製造してもよい。同時に、前記保温材と放熱素子は同じ材質または異なる材質の設計とすることができ、前記放熱素子の材質は多孔性断熱炭素材、グラファイト、グラファイトフェルト（但し、これに限らない）とすることができる。前記放熱素子は空心の円柱を備えた構造物（煙突のような構造）、または空心の立方柱体構造、或いはその他幾何学的柱体構造とすることができ、このため、前記放熱素子は放熱内径、放熱外径、放熱高さを備え、そのうち、前記放熱内径の範囲は１０〜２５０ｍｍ（または坩堝上方の炉体外径に対して１％〜８５％）、放熱外径の範囲は１５〜３００ｍｍ（または坩堝上方の炉体外径に対して３％〜１００％）、前記放熱高さの範囲は５〜２００ｍｍ（保温材の厚さより大きい）とすることができる。

本発明における前記複数の加熱素子は、前記保温材の外部に設置され、熱源の提供に用いられ、加熱装置は複数の加熱コイルまたは加熱抵抗線（ネット）とすることができる。

以上の概述と以下の詳細な説明及び図面はいずれも本発明の予定する目的を達するために採る方法、手段、効果を説明するためのものである。本発明のその他目的及び利点については、後続の説明と図面で述べる。

本発明の単結晶成長に用いる装置の概略図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の別の実施態様の概略図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の放熱素子の概略図である。 本発明の放熱素子の実施例の熱分析図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の実施例の熱分析図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の実施例で産出した６インチ単結晶炭化ケイ素結晶球の写真である。 本発明の放熱素子の比較例の熱分析図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の比較例の熱分析図である。 本発明の単結晶成長に用いる装置の比較例で産出した単結晶炭化ケイ素結晶球の写真である。

以下、特定の具体的な実施例を挙げて本発明の実施方法を説明する。この技術分野を熟知した者であれば本明細書に開示された内容から本発明の利点と効果を容易に理解できるであろう。

本発明は物理気相輸送法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）による単結晶成長に用いる装置であり、従来技術よりも熱場を制御することができ、本発明で設計されたシステムは、システム軸方向温度の差異を増加し、単結晶成長の初期において多結晶エリアの生成を効果的に抑制でき、また、単結晶エリアの凸界面の成長においては、成長過程で単結晶エリアの範囲を効果的に増加することもでき、単結晶エリアの拡張成長を可能にし、多結晶の生成及び単結晶に対する影響を減少することができる。このほか、本発明の単結晶成長に用いる装置は結晶成長速度を高め、生産率を効果的に増加し、量産の目的を達成することができる。

図１Ａの本発明の単結晶成長に用いる装置の概略図、および図１Ｂの本発明の単結晶成長に用いる装置の別の実施態様の概略図を参照する。図１Ａに示すように、本発明の提供する単結晶成長に用いる装置は、坩堝１０１と、保温材１０６と、複数の加熱素子１０８を含み、前記坩堝１０１が種結晶１０２を材料源により結晶成長させるために用いられ、内部に種結晶エリア１０３、成長チャンバ１０４、材料源エリア１０５を含み、前記保温材１０６が前記坩堝１０１外部に設置され、前記保温材１０６の上方区域に放熱素子１０７が設置され、前記複数の加熱素子１０８が前記保温材１０６の外部に設置され、熱源の提供に用いられ、そのうち、前記坩堝がグラファイト坩堝であり、前記放熱素子１０７の材質が、多孔性断熱炭素材、グラファイト、グラファイトフェルトから選択したいずれかであり、前記保温材がグラファイトフェルトである。本実施例において、前記装置はさらに前記成長チャンバ１０４上方に設置されたホルダー１０９を含み、前記種結晶１０２を前記種結晶エリア１０３に固定するために用いられ、前記材料源エリア１０５が前記成長チャンバ１０４の下方に位置し、材料源を収容するために用いられる。本実施例の装置は複数の加熱素子１０８、坩堝１０１の構造形態、保温材１０６の構造形態及び放熱素子１０７によって前記坩堝１０１内の温度分布、雰囲気の流動及び粉末材料の昇華過程を制御し、昇華した気体分子が種結晶１０２（ウェハー）上に送られて堆積され、結晶の成長において放熱素子１０７によりシステム軸方向の温度の差異を増加し、結晶の成長速度を高めるとともに、界面形状を制御して、最大の効果を達成することができる。装置の実施態様は煙突状または柱状の放熱素子１０７の放熱空間（中間の孔）を最大まで開き（図１Ｂ参照）、システム軸方向の温度の差異を最大にすることができる。

図２に本発明の単結晶成長に用いる装置の放熱素子の概略図を示す。図に示すように、本発明は物理気相輸送法で４インチおよび６インチの炭化ケイ素単結晶を成長し、単結晶の成長速度を高め、界面形状を制御する放熱素子２０７の構造形態（例えば、煙突状または柱状、但し、これらに限らない）を提供する。本発明はグラファイト坩堝２０１の上方に放熱素子２０７を設置するが、放熱素子２０７の放熱高さをＨ_１、放熱内径をＲ_１、放熱外径をＲ_２とし、放熱素子２０７の外部に保温材２０６を設置して、その幅をＲ_３、保温材の高さ（厚さ）をＨ_２とする。本発明は放熱素子２０７の放熱内径Ｒ_１の大きさ及び放熱高さＨ_１を利用して坩堝内部の熱場を制御するもので、結晶成長過程におけるプロセス条件は、坩堝内底部から種結晶エリアまでの温度差範囲が１０〜１００℃、アルゴンガス流量範囲が１００〜１０００sccm、圧力範囲が１〜２００ｔｏｒｒ、放熱素子２０７の放熱内径範囲がＲ_１:１０〜２５０ｍｍ（または保温材２０６上方区域の幅Ｒ_３の１％〜８５％）、外径範囲がＲ_２:１５〜３００ｍｍ（または保温材２０６上方区域の幅Ｒ_３の３％〜１００％）、放熱高さ範囲がＨ１:５〜１００ｍｍになるように制御する。

図３に本発明の放熱素子の実施例の熱分析図、図４に本発明の単結晶成長に用いる装置の実施例の熱分析図、図５に本発明の単結晶成長に用いる装置の実施例で産出された６インチ単結晶炭化ケイ素結晶球の写真をそれぞれ示す。図３に示すように、本実施例の放熱素子は放熱内径Ｒ_１:４０ｍｍ、放熱外径Ｒ_２:６０ｍｍ、放熱高さＨ_１:４０ｍｍ、保温材の高さ（厚さ）Ｈ_２:１６ｍｍ、保温材上方区域の幅Ｒ_３:１９５ｍｍであり、この実施例において、種結晶の中心軸方向の温度勾配は約７１.８４℃／ｃｍで、径方向の温度勾配は約-１.５４℃／ｃｍである。本発明の実施例は上述の放熱素子を組み合わせ、PVT法で４Ｈ-ＳｉＣ単結晶を製造した。成長プロセスは高温真空誘導炉内のグラファイト坩堝で行われた使用する出発原料は純度９９％以上の高純度炭化ケイ素粉末材料であり、平均粒度は３〜１０ｍｍであった。種結晶の結晶成長温度は約２１００℃で、システムはＡｒをキャリアガスとして使用し、結晶成長時のシステム圧力は約５ｔｏｒｒ、成長時間は３０時間であった。種結晶は約３５０μｍの炭化ケイ素単結晶ウェハー片で、真空化プロセスでは４Ｈ-ＳｉＣ種結晶をホルダーで固定した後、真空化を行い、坩堝システム内の空気とその他不純物を除去した。加熱プロセスでは、不活性気体Ａｒ（またはＮ_２）及び水素、メタン、アンモニア等の補助気体を加え、加熱コイルを使用してシステム全体を約２１００℃まで加熱した。図３と図４に示すように、本発明の単結晶成長に用いる装置内の多結晶エリア３１２、４１２は非常に小さい部分のみを占めており、同時に、本発明の放熱素子は種結晶エリアに軸方向、径方向の温度の差異を持たせ、その凸出した温度界面も中心の単結晶エリア３１１、４１１を外側に向かって成長させ、さらに多結晶エリアの生成を抑制することができ、かつ結晶界面形状が凸界面の単結晶炭化ケイ素結晶球の産出に有利である（中心位置の軸方向温度の差異が最大であり、中心に近い位置ほど単結晶の成長速度が速くなるため）。本実施例は結晶界面形状が凸界面の６インチ単結晶炭化ケイ素結晶球（図５参照）を産出することができ、その結晶成長速度は５０〜３００μｍ／時に達することが可能である。

図６に本発明の放熱素子の比較例の熱分析図、図７に本発明の単結晶成長に用いる装置の比較例の熱分析図、図８に本発明の単結晶成長に用いる装置の比較例で産出された単結晶炭化ケイ素結晶球の写真をそれぞれ示す。図６に示すように、本比較例の放熱素子は放熱孔の内径は４０ｍｍ、保温材の高さ（厚さ）がＨ２:１６ｍｍ、保温材上方区域の幅が１９５ｍｍで、この比較例において、種結晶の中心軸方向の温度勾配は約３５.３４℃／ｃｍ、径方向の温度勾配が約１.９３℃／ｃｍで、比較例と実施例の放熱能力は、表１に示すとおりである。図６と図７に示すように、本発明の比較例の装置内の多結晶エリア６１２、７１２と実施例の装置内の多結晶エリア３１２、４１２を比較すると、本発明の実施例の装置内の多結晶エリア３１２、４１２は非常に小さい部分のみを占めており、単結晶を成長できる範囲がより大きいことが分かる。実施例と比較して、比較例の装置内の単結晶エリア６１１、７１１が占める割合はより小さい。このため、図８に示すように、比較例の装置で産出した単結晶炭化ケイ素結晶球は中心部位のみが単結晶で、炭化ケイ素結晶球の外部はすべて多結晶であるため、比較例の装置は大きいサイズの単結晶炭化ケイ素結晶球（４〜６インチ）を産出することはできない。

本発明は放熱素子を増加して種結晶エリアの放熱を制御し、結晶成長時に多結晶エリアの生成を効果的に抑制して、大きいサイズの単結晶を産出することができる。また、種結晶の中心区域に近いほど成長効率が高く、本発明は結晶界面形状が凸界面の６インチ単結晶の結晶球を産出することができる。このほか、本発明は従来技術と比較しても、結晶成長速度が向上され、大きいサイズの単結晶を量産するという目的を達することができる。

１０１、２０１ 坩堝
１０２ 種結晶
１０３ 種結晶エリア
１０４ 成長チャンバ
１０５ 材料源エリア
１０６、２０６ 保温材
１０７、２０７ 放熱素子
１０８ 加熱素子
１０９ ホルダー
３１１、４１１、６１１、７１１ 単結晶エリア
３１２、４１２、６１２、７１２ 多結晶エリア

Claims (10)

1. 単結晶成長に用いる装置であって、坩堝と、保温材と、複数の加熱素子を含み、
   前記坩堝が種結晶を材料源により結晶成長させるために用いられ、前記坩堝の内部に種結晶エリア、成長チャンバ、材料源エリアが設けられ、
   前記保温材が前記坩堝の外部に設置され、前記保温材の上方区域に放熱素子が設置され、
   前記複数の加熱素子が、前記保温材の外部に設置され、熱源の提供に用いられ、
   そのうち、前記放熱素子が、放熱内径、放熱高さを含み、前記放熱高さが前記保温材の厚さより大きいことを特徴とする、単結晶成長に用いる装置。
2. 前記坩堝がグラファイト坩堝であることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
3. 前記放熱内径の範囲が１０〜２５０ｍｍ、または前記坩堝上方の炉体外径に対する１％〜８５％であることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
4. 前記放熱高さの範囲が５〜２００ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
5. 前記放熱素子の材質が、多孔性断熱炭素材、グラファイト、グラファイトフェルトから選択したいずれかであり、多孔性断熱炭素材が好ましいことを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
6. 前記保温材がグラファイトフェルトであることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
7. 前記材料源エリアが、前記材料源の収容に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
8. 前記材料源が、炭化ケイ素粉末材料または窒化物粉末材料であることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
9. 前記加熱素子が、加熱コイルまたは加熱抵抗線（ネット）であることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。
10. 前記種結晶が、厚さ３５０μｍ以上、直径２インチ〜６インチの単結晶ウェハー片であり、対応するサイズ以上の単結晶の成長に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶成長に用いる装置。