SiC单晶制造装置的制作方法

本发明涉及sic单晶制造装置。

本申请基于2018年9月6日在日本提出申请的专利申请2018-167066号主张优先权，将其内容引用于此。

背景技术：

碳化硅(sic)与硅(si)相比，绝缘击穿电场大1个数量级，带隙大3倍。另外，碳化硅(sic)具有热传导率比硅(si)高3倍左右等的特性。期待碳化硅(sic)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。为此，近年来，在如上所述的半导体器件中使用sic外延晶片。

sic外延晶片是通过采用化学气相生长法(chemicalvapordeposition：cvd)在sic单晶基板上生长成为sic半导体器件的活性区域的sic外延膜来制造的。

sic单晶基板将sic单晶切取而制作。作为制造该sic单晶的方法之一，众所周知的是升华法。升华法是使籽晶生长为更大的sic单晶的方法。升华法中，一般使用晶体生长用容器(坩埚)，其具有收纳sic原料的原料收纳部、以及设置有支持籽晶的籽晶支持部的盖部。对该晶体生长用容器进行加热，使sic原料升华，将生成的升华气体向籽晶供给，由此使籽晶向sic单晶生长。使sic原料升华时的温度通常为2000℃以上的高温。为了抑制该晶体生长用容器的热扩散从而使容器内部的温度维持为恒定，晶体生长用容器用隔热材料被覆。作为隔热材料，一般利用使碳纤维沿三维取向了的碳纤维毡。

为了采用升华法制造尺寸大且品位高的sic单晶，需要进行温度管理以使晶体生长用容器的内部温度成为合适范围。因此，在上述隔热材料的厚度方向设置温度测定用的贯穿孔(测温孔)，使用辐射温度计进行晶体生长用容器的温度测定。

但是，设置于隔热材料上的贯穿孔有时会在sic单晶的制造中堵塞。即，升华气体从晶体生长用容器向外部漏出，漏出了的该升华气体与隔热材料的贯穿孔的内壁面接触而被冷却。由于该冷却，sic析出，堵塞贯穿孔。特别是作为隔热材料一般使用的碳纤维毡中，碳纤维在贯穿孔的内壁面露出，凹凸变多。因此，存在sic容易析出的倾向。

为了抑制sic析出造成的贯穿孔堵塞，专利文献1中公开了在隔热材料的温度测定用的贯穿孔的内周形成内壁部，所述内壁部的体积密度高于隔热材料的其他部分并且经过研磨。该专利文献1中作为内壁部的材质的例子，记载了石墨(graphite)。

专利文献2中公开了在隔热材料的贯穿孔配置石墨制的圆筒状构件。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2012-206875号公报

专利文献2：日本特开2017-154953号公报

技术实现要素：

为了抑制sic向隔热材料的贯穿孔的内壁面析出，用被覆材料被覆贯穿孔的内壁面而抑制碳纤维的露出是有用的方法。但是，根据本发明人的研究，判断出如果利用专利文献1、2所记载的石墨来被覆隔热材料的贯穿孔的内壁面，随着时间流逝，sic容易在贯穿孔的内壁面析出。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种sic单晶制造装置，能够抑制sic向隔热材料的贯穿孔的内壁面析出，长时间地稳定管理晶体生长用容器的内部温度。

本发明人发现，通过利用包含耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的被覆材料来被覆隔热材料的贯穿孔的内壁面，能够解决上述课题。

即，本发明为了解决上述课题，提供以下手段。

(1)本发明一方案的sic单晶制造装置，其特征在于，具备晶体生长用容器、隔热材料、加热器和温度测定器，所述晶体生长用容器具有用于收纳sic原料的原料收纳部和设置有用于支持籽晶的籽晶支持部的盖部，所述隔热材料覆盖所述晶体生长用容器、并具有贯穿孔，所述加热器对所述晶体生长用容器进行加热，所述温度测定器经由所述贯穿孔测定所述晶体生长用容器的温度，对于所述隔热材料的所述贯穿孔的内壁面，利用包含耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的被覆材料进行被覆。

(2)上述方案的sic单晶制造装置中，可以是以下结构：所述耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物是选自钽、钼、铪、铌、钛、锆、钨、钒中的至少一种金属的碳化物或氮化物。

根据本发明，能够提供一种sic单晶制造装置，其能够抑制sic向隔热材料的贯穿孔的内壁面析出，长时间地稳定管理晶体生长用容器的内部温度。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的sic单晶生长装置的优选例的截面示意图。

图2是表示本发明第2实施方式的sic单晶生长装置的优选例的截面示意图。

图3是表示本发明第3实施方式的sic单晶生长装置的优选例的截面示意图。

图4是表示本发明第4实施方式的sic单晶生长装置的优选例的截面示意图。

附图标记说明

1sic原料

2籽晶

10晶体生长用容器

11原料收纳部

12盖部

13籽晶支持部

20隔热材料

20a顶部

21、21a、21b贯穿孔

22被覆材料

23被覆材料

24被覆材料

30加热器

40、40a、40b温度测定器

101、102、103、104sic单晶生长装置

具体实施方式

以下，适当参照附图对本发明详细说明。以下说明中使用的附图有时为了容易理解而本发明特征而方便起见地将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明并不限定于此，在发挥本发明效果的范围能够适当变更来实施。例如，只要没有特别限制，就可以根据需要对形状、大小、距离、位置等进行变更、追加、省略。

[第1实施方式]

图1是表示本发明第1实施方式的sic单晶生长装置的例子的截面示意图。

图1所示sic单晶生长装置101具备晶体生长用容器10、隔热材料20、加热器30和温度测定器40。

晶体生长用容器10具有原料收纳部11和盖部12。原料收纳部11收纳sic原料1。盖部12配置有支持籽晶2的籽晶支持部13。作为原料收纳部11和盖部12的材料可以任意选择，可以使用例如石墨、碳化钽等。

隔热材料20配置在晶体生长用容器10的周围，以覆盖晶体生长用容器10。优选覆盖晶体生长用容器10整体，但也可以根据需要设置未覆盖的部位。作为隔热材料20在覆盖盖部12的顶部20a形成有贯穿孔21。盖部12的上表面的一部分从贯穿孔21露出。作为隔热材料20没有特别限制，可以使用碳纤维毡等的、用作sic单晶制造装置用的隔热材料的公知隔热材料。本例中，贯穿孔21的位置在俯视下配置于与籽晶支持部13重叠的位置，但不仅限定于该位置。

隔热材料20的贯穿孔21的内壁面利用包含耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的被覆材料22进行被覆。所述内壁面可以由以下被覆材料被覆，所述被覆材料由所述耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物构成。耐热性金属碳化物和耐热性金属氮化物优选为熔点或分解温度在1900℃以上、且与升华气体(主要是si、si2c、sic2)缺乏反应性的物质。认为当利用包含石墨的被覆材料来被覆贯穿孔的内壁面的情况下，容易发生如下的析出。即，认为由于贯穿孔的内壁面(石墨)与漏出到外部的升华气体接触而发生反应，内壁面部分地分解，由此在内壁面形成凹凸，sic容易以该凹凸为起点而析出。相对于此，当利用上述的包含耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的被覆材料22进行被覆的情况下，即使贯穿孔21的内壁面与升华气体接触，也难以发生反应。结果，难以在内壁面形成凹凸。因此，即使经历长时间，sic也难以在贯穿孔21的内壁面析出。

耐热性金属碳化物和耐热性金属氮化物优选为选自钛(ti)、钒(v)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)中的至少一种金属的碳化物或氮化物。ti、zr、hf是第4族元素，v、nb、ta是第5族元素，mo、w是第6族元素。这些第4族～第6族元素的熔点高，其碳化物或氮化物的耐热性高，化学上稳定。因而，通过将这些第4族～第6族元素的碳化物或氮化物用作被覆材料22的材料，即使与升华气体接触，也难以在被覆材料22生成凹凸。

作为在贯穿孔21的内壁面形成被覆材料22的方法，可以采用例如蒸镀法、溅镀法、cvd法或cvr法。另外，作为形成被覆材料22的方法，也可以采用在贯穿孔21的内壁面形成所述金属的薄膜，接着使该金属薄膜变为碳化物或氮化物的方法。被覆材料22的厚度没有特别限制，但一般在0.01mm以上且5mm以下的范围内。更优选为0.02mm以上且1.00mm以下，进一步优选为0.03mm以上且0.50mm以下，但不仅限定于该例。

作为加热器30没有特别限制，可以任意选择，可以使用电阻加热器、感应加热器等的作为sic单晶制造装置用的加热器被利用的公知加热器。再者，图1所示加热器30是使用了高频线圈的感应加热器。

温度测定器40是经由贯穿孔21对盖部12的温度进行测定的非接触式温度测定器。作为温度测定器40，可以使用辐射温度计。

本实施方式的sic单晶生长装置101中，通过加热器30来加热晶体生长用容器10。通过该加热，在晶体生长用容器10的原料收纳部11中收纳的sic原料1升华，生成升华气体。升华气体与被盖部12的籽晶支持部13支持的籽晶2接触而使籽晶2向sic单晶生长。

另一方面，从晶体生长用容器10流出的升华气体经由晶体生长用容器10与隔热材料20之间穿过隔热材料20的贯穿孔21。本实施方式的sic单晶生长装置101中，贯穿孔21的内壁面利用被覆材料22被覆，所以即使升华气体与贯穿孔21的内壁面(被覆材料22)接触，也难以发生反应。因此，贯穿孔21的内壁面(被覆材料22)被长时间地维持在平滑性高的状态，难以发生sic析出造成的堵塞。因而，能够通过温度测定器40，长时间地稳定测定晶体生长用容器10的盖部12的温度，由此能够长时间地稳定管理晶体生长用容器10的内部温度。

根据本实施方式的sic单晶生长装置101，能够长时间地稳定管理晶体生长用容器10的内部温度，所以能够制造尺寸大、品位高的sic单晶。

[第2实施方式]

图2是本发明第2实施方式的sic单晶生长装置的截面示意图。

图2所示sic单晶生长装置102中，隔热材料20的顶部20a的晶体生长用容器10侧的面(内侧的面)利用被覆材料23进行被覆，在这点上与上述第1实施方式的sic单晶生长装置101不同。再者，本实施方式的sic单晶生长装置102与上述第1实施方式的sic单晶生长装置101中共同的部分附带同一标记省略说明。

优选被覆材料23利用与被覆材料22相同的材料形成。但是，只要被覆材料22和被覆材料23由包含所述耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的材料形成，则彼此的材料也可以不同。优选被覆材料23与被覆材料22连续。

根据本实施方式的sic单晶生长装置102，sic变得难以在隔热材料20的顶部20a的内侧的面析出。因此，以在隔热材料20的内侧的面析出的sic为起点而使sic生长从而堵塞贯穿孔21的情况得到抑制。

[第3实施方式]

图3是本发明第3实施方式的sic单晶生长装置的截面示意图。

图3所示sic单晶生长装置103中，隔热材料20的顶部20a的与晶体生长用容器10侧相反一侧的面(外侧的面)利用被覆材料24进行被覆，在这点上与上述第2实施方式的sic单晶生长装置102不同。再者，本实施方式的sic单晶生长装置103与上述第2实施方式的sic单晶生长装置102中共同的部分附带同一标记省略说明。

优选被覆材料24由与被覆材料22和被覆材料23相同的材料形成。但是，只要被覆材料22、被覆材料23和被覆材料24由包含所述耐热性金属碳化物或耐热性金属氮化物的材料形成，则彼此的材料也可以不同。优选被覆材料24与被覆材料22和被覆材料23连续。

根据本实施方式的sic单晶生长装置103，sic变得难以在隔热材料20的顶部20a的外侧的面析出。因此，以在隔热材料20的外侧的面析出的sic为起点而使sic生长从而堵塞贯穿孔21的情况得到抑制。

[第4实施方式]

图4是本发明第4实施方式的sic单晶生长装置的截面示意图。

图4所示sic单晶生长装置104中，在隔热材料20的顶部20a形成2个贯穿孔21a、21b，2个温度测定器40a、40b能够分别经由贯穿孔21a、21b对晶体生长用容器10的盖部12的温度进行测定。在这些点上与上述第1实施方式的sic单晶生长装置101不同。再者，本实施方式的sic单晶生长装置104与上述第1实施方式的sic单晶生长装置101中共同的部分附带同一标记省略说明。

根据本实施方式的sic单晶生长装置104，能够在2处对晶体生长用容器10的盖部12的温度进行测定，所以能够管理晶体生长用容器10的内部温度的分布。另外，2个贯穿孔21a、21b分别利用被覆材料22进行被覆，所以能够长时间稳定地管理晶体生长用容器10的内部温度的分布。

再者，本实施方式中，在隔热材料20的顶部20a形成有2个贯穿孔21a、21b，但该贯穿孔的数目没有限制。例如，可以将贯穿孔的数目设为3个以上。

以上，对于本发明的实施方式，以将贯穿孔21形成于隔热材料20的顶部20a的情况为例进行了说明，但贯穿孔21的形成部位没有特别限制。例如，可以将贯穿孔21形成于隔热材料20的底部或者侧部。

实施例

[实施例1]

准备了碳纤维毡制的隔热材料。在该隔热材料的顶部形成1个贯穿孔(内径：30mm)，在该贯穿孔的内壁面形成了由tac构成的被覆材料(厚度：0.030mm)。被覆材料采用蒸镀法形成。使用该隔热材料，制作了图1所示结构的sic单晶制造装置。

[实施例2]

在隔热材料的贯穿孔的内壁面和隔热材料的顶部的内侧的面形成了由tac构成的被覆材料，除此以外与实施例1同样地制作了图2所示结构的sic单晶制造装置。

[实施例3]

在隔热材料的贯穿孔的内壁面和隔热材料的顶部的内侧的面和外侧的面利用由tac构成的被覆材料进行被覆，除此以外与实施例1同样地制作了图3所示结构的sic单晶制造装置。

[比较例1]

没有利用被覆材料被覆贯穿孔的内壁面，除此以外与实施例1同样地制作了sic单晶制造装置。

[比较例2]

在隔热材料的顶部形成1个贯穿孔(内径：40mm)，在该贯穿孔的内壁面形成了由石墨构成的被覆材料(厚度：5mm)，除此以外与实施例1同样地制作了sic单晶制造装置。由石墨构成的被覆材料是通过将石墨糊涂布于贯穿孔的内壁面，接着使石墨糊干燥后，对石墨表面进行研磨而形成的。

[评价]

(隔热材料的贯穿孔的堵塞时间)

采用下述制造方法制造sic单晶，并使用温度测定器(高温计)，经由贯穿孔测定了盖部的温度。计测从sic单晶的制造开始(加热器的加热开始)，直到贯穿孔堵塞从而无法用温度测定器测定盖部温度为止的时间作为堵塞时间。

(sic单晶的制造方法)

向sic单晶制造装置的晶体生长用容器的原料收纳部投入sic原料，并在盖部的籽晶支持部配置了籽晶。接着，接通加热器的电源，进行加热以使得盖部温度变为2000℃以上。这样进行了晶体生长。

表1

如上述表1所示，在隔热材料的贯穿孔的内壁面形成了由耐热性金属碳化物即tac构成的被覆材料的实施例1～3中，即使从sic单晶的制造开始经过300小时，贯穿孔也没有堵塞。相对于此，没有在内壁面形成被覆材料的比较例1中，堵塞时间为100小时。另外，在内壁面形成了由石墨构成的被覆材料的比较例2的堵塞时间为200小时，比实施例1～3短。

认为比较例2的堵塞时间比实施例1～3短是由于贯穿孔的内壁面(石墨)与升华气体接触，从而发生反应而部分地分解，由此在内壁面形成凹凸，以该凹凸为起点而使sic析出。相对于此，实施例1～3中，被覆材料由耐热性金属碳化物即tac构成，即使与升华气体接触也难以发生反应，所以难以在贯穿孔的内壁面形成凹凸。因此，认为实施例1～3的堵塞时间变长。

另外，sic单晶的制造后，观察了隔热材料的顶部的内侧的面，结果实施例2和实施例3的隔热材料没有在隔热材料的顶部的内侧的面看到sic的析出物。由该结果可确认，尤其是实施例2和实施例3中，隔热材料的劣化得到抑制，能够稳定地制造尺寸大、品位高的sic单晶。

产业上的可利用性

提供一种sic单晶制造装置，能够长时间地稳定管理晶体生长用容器的内部温度。