JP5263145B2 - 炭化珪素単結晶の製造装置およびそれを用いた炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶で構成される種結晶に対して原料ガスを供給することでＳｉＣ単結晶の製造を行うＳｉＣ単結晶の製造装置およびそれを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法に関するものである。

従来より、原料ガスを種結晶に供給することでＳｉＣ単結晶を成長させるＳｉＣ単結晶の製造装置として、特許文献１および２に次のような製造装置が開示されている。

具体的には、特許文献１の製造装置は、底面の中央部に貫通孔を有し、内部に種結晶が備えられる有底筒状の反応容器と、反応容器の底面と接続され、貫通孔を介して反応容器内に、ＳｉＨ_４やＣ_３Ｈ_８等の原料ガスを導入する導入配管と、反応容器の周囲に配置され、反応容器を所定温度に加熱する加熱装置とを備えた構成されている。

また、特許文献２の製造装置は、上記特許文献１のような反応容器と、この反応容器の底面と接続され、貫通孔と連通する連通孔を備えた筒状の断熱材と、当該連通孔に配置され、反応容器内にＳｉＨ_４やＣ_３Ｈ_８等の原料ガスを冷却しながら導入する冷却管と、反応容器の周囲に配置され、反応容器を所定温度に加熱する加熱装置とを備えた構成とされている。

そして、特許文献１および２の製造装置では、種結晶を固定した台座が反応容器の壁面と所定の隙間を有するように反応容器内に配置されることにより、反応容器内に種結晶が配置される。

このような特許文献１および２の製造装置では、例えば、次のようにＳｉＣ単結晶が製造される。すなわち、反応容器内に種結晶を配置した後、加熱装置にて反応容器を所定温度に加熱し、冷却管からＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の原料ガスを反応容器内に導入することにより、種結晶上にＳｉＣ単結晶が成長させられる。

特開２００２−１５４８９８号公報 特開２００９−２０９０１５号公報

しかしながら、このようなＳｉＣ単結晶の製造装置では、反応容器内で結晶成長に寄与しなかった原料ガス（以下、未反応原料ガスという）は、台座と反応容器の壁面との間を通過して、反応容器の外部に排気されることになる。このとき、台座の側壁および台座の周辺部に位置する反応容器の壁面の温度が低いことから、未反応原料ガスが再結晶化して、台座の側壁や台座の周辺部に位置する反応容器にＳｉＣ多結晶が付着することがある。そして、これらの部分にＳｉＣ多結晶が付着してしまうと、反応容器内に供給された原料ガスの出口が塞がれることになり、原料ガスの導入・排出の効率が低下することになる。したがって、ＳｉＣ単結晶の成長を理想的に行うことができなくなり、ＳｉＣ単結晶の品質が低下すると共に、長尺化が困難になる。

本発明は上記点に鑑みて、台座の側壁や台座の周辺部に位置する反応容器の壁面にＳｉＣ多結晶が付着することを抑制することのできるＳｉＣ単結晶の製造装置およびそれを用いたＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、中空部を有する有底筒状の反応容器（９）内に中空部を構成する壁面と離間した状態で台座（１１）を配置すると共に、当該台座（１１）の一面に対してＳｉＣ単結晶基板にて構成された種結晶（５）を配置し、反応容器（９）内にＳｉＣの原料ガス（３）を供給することにより、種結晶（５）の表面にＳｉＣ単結晶（６）を成長させるＳｉＣ単結晶の製造装置において、一面が台座（１１）と対向した状態で当該一面が中空部に配置され、原料ガス（３）を冷却しながら反応容器（９）内に導入する冷却管（１０）と、反応容器（９）の周囲に配置され、反応容器（９）を加熱して反応容器（９）内の温度を制御することにより、冷却管（１０）からの輻射により冷却されるＳｉＣ単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御する加熱装置（１５）と、を有することを特徴とする。

このような製造装置では、冷却管（１０）からの輻射によりＳｉＣ単結晶（６）の成長表面が冷却されるが、加熱装置（１５）にて反応容器（９）を加熱して反応容器（９）内の温度を制御することにより、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）している。すなわち、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面が冷却されて温度が低下する場合には、加熱装置（１５）は、反応容器（９）を加熱してＳｉＣ単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）するため、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面に対する冷却管（１０）からの輻射がない場合と比較して、反応容器（９）の温度を高くすることができる。したがって、従来の製造装置と比較して、反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができるので、これらの部分にＳｉＣ多結晶が付着することを抑制することができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、冷却管（１０）の一面における端辺が、台座（１１）の一面における端辺から反応容器（９）の軸方向と平行な方向に仮想線を引いたとき、仮想線で囲まれる領域外に位置するようにしてもよい。このような製造装置では、冷却管（１０）の一面における端辺が、仮想線で囲まれる領域外に位置するようにすることにより、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面が効果的に冷却されることになる。このため、加熱装置（１４）は、反応容器（９）をさらに加熱してＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を所定温度に制御（維持）するため、さらに反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができる。

さらに、請求項３の記載の発明のように、反応容器（９）を円筒状とし、冷却管（１０）の一面と台座（１１）の一面との間の距離を、反応容器（９）の内径の２倍以下とすることが好ましい。このような製造装置では、冷却管（１０）の一面と台座（１１）の一面との間の距離を小さくすることにより、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面が効果的に冷却されることになる。このため、加熱装置（１４）は、反応容器（９）をさらに加熱してＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を所定温度に制御（維持）するため、さらに反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができる。

そして、請求項４に記載の発明のように、冷却管（１０）の一面を台座（１１）側と反対側に凹んでいる凹面形状としてもよい。このような製造装置では、冷却管（１０）の一端部における端面が平面である場合と比較して、当該端面における外縁部分からも効果的にＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を輻射により冷却することができる。このため、加熱装置（１４）は、反応容器（９）をさらに加熱してＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を所定温度に制御（維持）するため、さらに反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができる。

さらに、請求項５に記載の発明のように、反応容器（９）を、円筒部材が軸方向に分割された複数個の構成部材（１６、１７）を組み合わせることにより構成し、隣合う構成部材（１６、１７）を、他の構成部材の分割面と対向する分割面において、一方の分割面に内壁側から円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部（１６ａ）を備えると共に、他方の分割面に外壁側から円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部（１７ａ）を備え、これらすり合わせ部（１６ａ、１７ａ）が嵌合した状態で組み合わせることもできる。

以上では、本発明をＳｉＣ単結晶の製造装置の発明として把握した場合について説明したが、本発明をＳｉＣ単結晶の製造方法の発明として把握することも可能である。

すなわち、請求項６に記載の発明は、一面が台座（１１）と対向した状態で当該一面が中空部に配置され、原料ガス（３）を冷却しながら反応容器（９）内に導入する冷却管（１０）と、反応容器（９）の周囲に配置され、反応容器（９）を加熱して反応容器（９）内の温度を制御する加熱装置（１５）と、を用意し、冷却管（１０）からの輻射によりＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を冷却すると共に、加熱装置（１５）にて反応容器（９）を加熱して反応容器（９）内の温度を制御することにより、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御しつつ、ＳｉＣ単結晶（６）を成長させることを特徴としている。

このような製造方法では、冷却管（１０）からの輻射によりＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を冷却すると共に、加熱装置（１５）にて反応容器（９）を加熱して反応容器（９）内の温度を制御することにより、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）している。すなわち、加熱装置（１４）は、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面が冷却されても所定温度に制御（維持）するように反応容器（９）を加熱するため、ＳｉＣ単結晶（６）の成長表面に対する冷却管（１０）からの輻射がない場合と比較して、反応容器（９）の温度を高くすることができる。したがって、従来の製造装置と比較して、反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができるので、これらの部分にＳｉＣ多結晶が付着することを抑制することができる。

例えば、請求項７に記載の発明のように、冷却管（１０）として、一面が台座（１１）側と反対側に凹んでいる凹面形状とされたものを用いてもよい。このような製造方法では、冷却管（１０）の一端部における端面が平面である場合と比較して、当該端面における外縁部分からも効果的にＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を輻射により冷却することができる。このため、加熱装置（１４）は、反応容器（９）をさらに加熱してＳｉＣ単結晶（６）の成長表面を所定温度に制御（維持）するため、さらに反応容器（９）の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座（１１）の側壁の温度を高くすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における結晶成長装置の断面構成を示す図である。 図１に示す反応容器の上面図である。 シミュレーションにより結晶成長装置内の温度分布を調べた結果を示す図である。 本発明の第２実施形態における結晶成長装置の断面構成を示す図である。 シミュレーションにより結晶成長装置内の温度分布を調べた結果を示す図である。 本発明の第３実施形態における結晶成長装置の断面構成を示す図である。 シミュレーションにより結晶成長装置内の温度分布を調べた結果を示す図である。 シミュレーションにより結晶成長装置内の温度分布を調べた結果を示す図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態における結晶成長装置の断面構成を示す図であり、この図に基づいて説明する。

図１に示す結晶成長装置１は、底部に備えられた流入口２を通じてＳｉおよびＣを含有するＳｉＣの原料ガス３を供給し、上部に備えられた流出口４を通じて排出することで、結晶成長装置１内に配置したＳｉＣ単結晶基板からなる円板状の種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６を結晶成長させるものである。

本実施形態の結晶成長装置１は、真空容器７、第１断熱材８、反応容器９、冷却管１０、台座１１、第２、第３断熱材１３、１４および加熱装置１５を有して構成されている。

真空容器７は、中空円筒状を為しており、アルゴンガス等が導入でき、かつ、結晶成長装置１の他の構成要素を収容すると共に、その収容している内部空間の圧力を真空引きすることにより減圧できる構造とされている。そして、この真空容器７の底部に原料ガス３の流入口２が設けられると共に、上部（具体的には側壁の上方位置）に原料ガス３の流出口４が設けられている。また、真空容器７の上面には貫通孔７ａが形成されており、後述するシャフト１２が貫通孔７ａを貫通して真空容器７の外部に突出するようになっている。

第１断熱材８は、円筒等の筒状部材とされており、中空部により流入孔２と連通する連通孔８ａが構成されている。この第１断熱材８は、例えば、フェルトカーボン等にて構成される。

反応容器９は、原料ガス３が流れる空間を構成しており、中空部を有する有底円筒状とされている。本実施形態では、この反応容器９は、底面が第１断熱材８と同径とされており、例えば、黒鉛や表面をＴａＣ（炭化タンタル）にてコーティングした黒鉛等で構成される。また、反応容器９の中空部内には種結晶５が配置され、その中空部内において種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６が成長させられる。

種結晶５は、例えば、円柱状の台座１１の一面（図１中下側の面）に取り付けられ、台座１１と同径、もしくはやや大きい外径を有している。そして、この台座１１は、中空部を構成する壁面、すなわち、反応容器９の壁面と離間した状態で、反応容器９内に配置されている。なお、このような台座１１は、例えば、黒鉛で構成されており、側面がＴａＣ（炭化タンタル）でコーティングされている。

そして、台座１１のうち種結晶５が配置されている一面側と反対側の他面側（図１中上側の面）には、反応容器９の軸方向に移動可能とされたシャフト１２が備えられている。これにより、台座１１を反応容器９内の適切な位置に配置することができるようになっている。なお、このシャフト１２は筒状とされており、例えば、シャフト１２のうち反応容器９に近い側の部分が黒鉛等を用いて構成され、反応容器９に遠い側の部分がＳＵＳ等を用いて構成されている。

また、反応容器９の底面の中央位置には、連通孔８ａと対応する貫通孔９ａが形成され、底面が第１断熱材８に接触させられることにより連通孔８ａと貫通孔９ａとが繋げられている。

冷却管１０は、原料ガス導入孔１０ａを有する円筒部材であり、一端部の端面が台座１１と対向した状態で当該一端部が反応容器９内に配置されるように、連通孔８ａに備えられており、原料ガス３を冷却しながら反応容器９内に供給する。そして、本実施形態では、冷却管１０の一端部の端面は、台座１１の一面と平行とされている、つまり平面とされている。なお、本実施形態では、冷却管１０の一端部の端面が、本発明の冷却管１０の一面に相当している。

また、冷却管１０のうち反応容器９内に配置されている部分は、一端部の端面に向かって冷却管１０の外径が大きくなるテーパ形状とされている。そして、冷却管１０は、一端部の端面における端辺が、台座１１の一面における端辺（台座１１の側壁）から反応容器９の軸方向と平行な方向に仮想線を引いたとき、仮想線で囲まれる領域外に位置するようにされている。言い換えると、冷却管１０は、一端部の端面の外径が台座１１の外径より大きくされている。すなわち、冷却管１０は、一端部の端面に原料ガス導入孔１０ａがないとした場合における当該端面の面積が、台座１１のうち種結晶５が備えられる一面の面積より大きくされている。

さらに、冷却管１０は、一端部の端面と台座１１の一面との間の距離をＬ、反応容器９の内径をａとしたとき、Ｌ≦２ａとなるように配置されることが好ましく、本実施形態ではＬ＝１．５ａとされている。具体的には、後述するが、シミュレーション結果からＬ≦２ａの場合に、ＳｉＣ単結晶６の成長表面を効果的に冷却することができるからである。

そして、本実施形態の冷却管１０は、内壁と外壁との間に図示しない水路が設けられており、当該水路に水を循環させることによって冷却管１０そのものを冷却するようになっている。水路は、特に限定されるものではないが、例えば、内壁と外壁との間に、冷却管１０の軸方向に沿った複数の通路を備え、隣合う通路が冷却管１０の一端部側または他端部側において繋げられることにより水を循環することができるものとすることができる。そして、冷却管１０が冷却されることによって、原料ガス導入孔１０ａを通過する原料ガス３を冷却することができるようになっている。なお、このような冷却管１０は、例えば、反応容器９内に配置される部分が、モリブデン、タンタル、ＴａＣ（炭化タンタル）等で構成されており、反応容器９外に配置される部分が、ステンレス等を用いて構成されている。

また、冷却管１０のうち反応容器９内に配置されている部分は、上記のように一端部の端面に向かって外径が大きくなるテーパ形状とされており、本実施形態では、当該端面の外径が貫通孔９ａの径よりも大きくされている。このため、反応容器９は、有底円筒部材が軸方向に分割された複数個の構成部材が組み合わされることにより構成されており、第１断熱材８は筒状部材が軸方向に分割された複数個の構成部材が組み合わされることにより構成されている。すなわち、冷却管１０を挟み込むようにこれら構成部材が組み合わされることにより、上記のように、第１断熱材８および反応容器９内に冷却管１０が配置される。

図２に、反応容器９の上面図を示す。なお、第１断熱材８の上面図も、内壁面と外壁面との間隔が異なる以外は同様である。図２に示されるように、本実施形態では、反応容器９は、有底円筒部材が軸方向に二分割された構成部材１６、１７が組み合わされることにより構成される。具体的には、構成部材１６の分割面には内壁側から有底円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部１６ａが備えられていると共に、構成部材１７の分割面には外壁側から有底円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部１７ａが備えられており、互いのすり合わせ部１６ａ、１７ａが嵌合した状態で組み合わされている。

同様に、第１断熱材８も、円筒部材が軸方向に二分割された構成部材が組み合わされることにより構成されている。具体的には、各構成部材には、一方の構成部材の分割面に内壁側から円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部が備えられていると共に、他方の構成部材の分割面に外壁側から円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部が備えられており、互いのすり合わせ部が嵌合した状態で組み合わされている。

第２断熱材１３は、真空容器７の側壁に沿って配置され、中空筒状を為している。第３断熱材１４は、ガス流動孔１４ａを有する円板状とされており、第２断熱材１３のうち流出口４側の端部上に配置されている。そして、これら第２、３断熱材１３、１４により、ほぼ第１断熱材８や反応容器９等が囲まれている。また、シャフト１２は、ガス流動孔１４ａを貫通して配置されている。なお、第２、第３断熱材１３、１４は、例えば、フェルトカーボン等で構成される。

加熱装置１５は、例えば誘導加熱用コイルやヒータ等で構成され、真空容器７の周囲を囲むように配置されている。そして、通電されることにより誘導加熱用コイル等が加熱され、輻射熱により反応容器９を加熱して反応容器９内の温度を制御することにより、冷却管１０からの輻射により冷却されるＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）する。すなわち、加熱装置１５は、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を検出するパイロメータ（図示せず）等と接続されており、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度に基づいて通電量等が調整されることにより輻射熱の大きさ（量）が変更され、反応容器９内の温度、つまり、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）する。

このように構成された結晶成長装置１を用いたＳｉＣ単結晶６の製造方法について説明する。

まず、台座１１の一面側に種結晶５を取り付け、シャフト１２により位置調整を行いつつ、反応容器９内の所定の位置に種結晶５を配置する。その後、反応容器９内を真空排気すると共に、反応容器９内に冷却管１０を介してＡｒを導入し、加熱装置１５により反応容器９を誘導加熱する。そして、反応容器９の温度を所定温度で安定させると同時に、反応容器９の中の圧力を所定圧力とする。その後、冷却管１０を介して反応容器９内に、Ｓｉを含有するガスとＣを含有するガスとを含んだ原料ガス３を供給し、種結晶５にＳｉＣ単結晶６を成長させる。

このとき、ＳｉＣ単結晶６は、冷却管１０からの輻射により成長表面が冷却されながら成長していくことになる。しかしながら、上記のように加熱装置１５は、反応容器９を加熱して反応容器９内の温度を制御することにより、冷却管１０からの輻射により冷却されるＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）する。すなわち、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が冷却されて温度が低下する場合には、加熱装置１５は反応容器９をさらに加熱することにより、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を制御（維持）する。したがって、このような製造方法では、冷却管からの輻射がない結晶成長装置を用いた製造方法と比較して、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）した場合、反応容器９の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座１１の側壁の温度を高くすることができるため、台座１１の側壁や、台座１１の周辺部における反応容器９の壁面にＳｉＣ多結晶が付着することを抑制することができる。

図３に、シミュレーションにより温度分布を調べた結果を示す。（ａ）は従来の結晶成長装置の温度分布図であり、（ｂ）は本実施形態にかかる結晶成長装置１の温度分布図である。なお、図３は、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が２１００℃となるように加熱装置１５にて反応容器９を加熱したときの温度分布を示している。また、図３中の矢印は、原料ガス３の流れを示している。

図３に示されるように、従来の結晶成長装置と比較して、本実施形態の結晶成長装置１では、冷却管１０の輻射によってＳｉＣ単結晶６の成長表面が冷却されるため、加熱装置１５によってさらに反応容器９を加熱してＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）する。このため、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）しつつ、反応容器９の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座１１の側壁の温度を高くすることができる。

なお、冷却管１０の輻射によって反応容器９の壁面も冷却されることになるが、冷却管１０による反応容器９の冷却よりも、加熱装置１５からの輻射による加熱の方が影響が大きいため、上記図３に示すシミュレーション結果となる。すなわち、冷却管１０は、一端部の端面が大きいほどＳｉＣ単結晶６の成長表面を冷却することができ、反対に加熱装置１５はＳｉＣ単結晶６の成長表面の冷却が大きいほど反応容器９を加熱することになるため、冷却管１０の一端部の端面は大きいものほど好ましい。

以上説明したように、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶６を成長させる際、冷却管１０の輻射によりＳｉＣ単結晶６の成長表面を冷却すると共に、加熱装置１５にて反応容器９を加熱してＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）しつつ、ＳｉＣ単結晶６を成長させている。

すなわち、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が冷却されて温度が低下する場合には、加熱装置１５は反応容器９をさらに加熱することにより、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）する。したがって、冷却管からの輻射がない結晶成長装置を用いてＳｉＣ単結晶を製造する場合と比較して、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）した場合、反応容器９の壁面の温度を高くすることができ、また、これに伴って台座１１の側壁の温度を高くすることができるため、台座１１の側壁や、台座１１の周辺部に位置する反応容器９の壁面にＳｉＣ多結晶が付着することを抑制することができる。これにより、未反応原料ガスの出口が塞がれることを抑制することができ、よりＳｉＣ単結晶６を理想的に成長させることができる。

また、反応容器９は、分割面にすり合わせ部１６ａ、１７ａを有する構成部材１６、１７が組み合わされて構成されており、第１断熱材８は、円筒部材が軸方向に二分割され、分割面にすり合わせ部を備えた構成部材が組み合わされることにより構成されている。このため、分割面にすり合わせ部を有しない場合と比較して、反応容器９内の熱が漏れることを抑制することができる。

さらに、原料ガス３は、冷却されながら反応容器９内に導入されるため、原料ガス３中に含まれるＳｉＨ₄が分解してＳｉが原料ガス導入孔１０ａに堆積（付着）することを抑制でき、原料ガス導入孔１０ａにてつまりが発生することを抑制することができる
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の結晶成長装置１は、第１実施形態に対して冷却管１０の一端部の端面の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図４は、本実施形態の結晶成長装置１の断面構成を示す図である。

図４に示されるように、本実施形態の結晶成長装置１は、冷却管１０のうち一端部の端面が台座１１側と反対側に凹んでいる凹面形状とされている。そして、冷却管１０は、一端部における端面の端辺が、台座１１の一面における端辺から反応容器９の軸方向と平行な方向に仮想線を引いたとき、仮想線と一致するようにされている。言い換えると、冷却管１０は、一端部の端面の外径が台座１１の外径と等しくされている。

このような結晶成長装置１では、一端部の端面が凹面形状とされており、当該端面が平面である場合と比較して、端面における外縁部分からも効果的にＳｉＣ単結晶６の成長表面を輻射により冷却することができる。図５に、本実施形態のシミュレーションによる温度分布を調べた結果を示す。（ａ）は従来の結晶成長装置の温度分布図であり、（ｂ）は本実施形態にかかる結晶成長装置１の温度分布図である。なお、図５は、上記図３と同様に、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が２１００℃となるように加熱装置１５にて反応容器９を加熱したときの温度分布を示している。また、図５中の矢印は、原料ガス３の流れを示している。

図５に示されるように、従来の結晶成長装置と比較して、本実施形態の結晶成長装置１は、冷却管１０の輻射によりＳｉＣ単結晶６の成長表面が冷却され、加熱装置１５にて反応容器９を加熱してＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）するため、台座１１の周辺部に位置する反応容器９の壁面の温度を高くすることができる。また、上記第１実施形態と比較すると、冷却管１０の端面を凹面形状としたことにより、端面における外縁部分からも効果的にＳｉＣ単結晶６の成長表面を輻射により冷却することができる。このため、上記第１実施形態と比較して、加熱装置１５にて反応容器９をさらに加熱して、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）することになる。したがって、上記第１実施形態よりも、冷却管１０の一端部の端面における端辺の位置が内側に位置しているのにも関わらず、さらに反応容器９の壁面の温度を高くすることができ、さらにＳｉＣ多結晶が付着することをさらに抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の結晶成長装置１は、第１実施形態に対して冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離を近づけたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図６は、本実施形態の結晶成長装置１の断面構成を示す図である。

図６に示されるように、本実施形態の結晶成長装置１は、第１実施形態に対して、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離を近づけたものである。具体的には、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離がＬ＝１．２ａとされている。

このような結晶成長装置１では、上記第１実施形態と比較して、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離をさらに近づけているため、冷却管１０の一端部の端面からの輻射によりさらにＳｉＣ単結晶６の成長表面を冷却することができる。図７に、本実施形態のシミュレーションによる温度分布を調べた結果を示す。（ａ）は従来の結晶成長装置の温度分布図、（ｂ）は第１実施形態の結晶成長装置１の温度分布図、（ｃ）は本実施形態にかかる結晶成長装置１の温度分布図である。なお、図７は、上記図３と同様に、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が２１００℃となるように加熱装置１５にて反応容器９を加熱したときの温度分布を示している。また、図７中の矢印は、原料ガス３の流れを示している。

図７に示されるように、従来の結晶成長装置と比較して、本実施形態の結晶成長装置１は、冷却管１０からの輻射によりＳｉＣ単結晶６の成長表面が冷却され、加熱装置１５にて反応容器９を加熱してＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）するため、台座１１の周辺部に位置する反応容器９の壁面の温度を高くすることができる。また、上記第１実施形態と比較すると、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離が短いほど、効果的にＳｉＣ単結晶６の成長表面を輻射により冷却することができる。このため、上記第１実施形態と比較して、加熱装置１５にて反応容器９をさらに加熱して、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）することになるため、反応容器９の壁面の温度を高くすることができ、さらにＳｉＣ多結晶が付着することをさらに抑制することができる。なお、本実施形態では、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離をＬ＝１．２ａとしているが、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離を近づければ近づけるほど冷却管１０からの輻射によりＳｉＣ単結晶６の成長表面を冷却することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、冷却管１０は、台座１１の一面における端辺から反応容器９の軸方向に平行に引いた仮想線の領域外に一端部の端面における端辺が位置する例について説明したが、もちろん、当該端辺が仮想線で囲まれる領域内に位置する冷却管１０や当該端辺が仮想線と一致する冷却管１０とすることもできる。言い換えると、冷却管１０は、一端部の端面の外径が台座１１の外径より小さくされていてもよいし、当該端面の外径が台座１１の外径と等しくされていてもよい。

図８は、シミュレーションにより温度分布を調べた結果である。（ａ）は従来の結晶成長装置の温度分布図、（ｂ）は冷却管１０の一端部における端面の端辺が仮想線の領域内に位置する結晶成長装置１の温度分布図、（ｃ）は冷却管１０の一端部における端面の端辺が仮想線と一致する結晶成長装置１の温度分布である。なお、図８は、上記図３と同様に、ＳｉＣ単結晶６の成長表面が２１００℃となるように加熱装置１５にて反応容器９を加熱したときの温度分布を示している。また、図８中の矢印は、原料ガス３の流れを示している。

図８に示されるように、従来の結晶成長装置と比較して、冷却管１０の一端部の端面における端辺が、仮想線の領域内にある場合や、仮想線と一致するような場合であっても、反応容器９の壁面の温度を高くすることができる。

さらに、上記各実施形態では、冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離がＬ≦２ａの関係を満たすものについて説明したが、もちろん冷却管１０の一端部の端面と台座１１の一面との間の距離をＬ＞２ａとすることもできる。

すなわち、冷却管１０を反応容器９内に配置し、冷却管１０の輻射によってＳｉＣ単結晶６の成長表面を冷却することにより、加熱装置１５は反応容器９を加熱してＳｉＣ単結晶６の成長表面の温度を所定温度に制御（維持）するため、冷却管１０の一端部の端面と仮想線との関係や冷却管１０と台座１１の一面との間の距離の関係は上記各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更しても本発明の効果を得ることができる。

また、上記各実施形態では、冷却管１０のうち反応容器９内に配置されている部分は、一端部の端面に向かって冷却管１０の外径が大きくなるテーパ形状とされている例について説明したが、もちろんテーパ形状とされていなくてもよい。

さらに、上記各実施形態では、台座１１が円柱状である例について説明したが、台座１１は、もちろん円柱状でなくてもよく、例えば、円錐台形状や断面放物線状等の他の形状で構成されていても構わない。

また、上記各実施形態では、有底円筒状とされた反応容器９について説明したが、もちろん、底面を備えていない筒状部材を用いて構成することもできる。

１ 結晶成長装置
２ 流入口
３ 原料ガス
４ 流出口
５ 種結晶
６ ＳｉＣ単結晶
７ 真空容器
８ 第１断熱材
９ 反応容器
１０ 冷却管
１１ 台座
１２ シャフト
１３ 第２断熱材
１４ 第３断熱材
１５ 加熱装置

Claims (7)

1. 中空部を有する有底筒状の反応容器（９）内に前記中空部を構成する壁面と離間した状態で台座（１１）を配置すると共に、当該台座（１１）の一面に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（５）を配置し、前記反応容器（９）内に炭化珪素の原料ガス（３）を供給することにより、前記種結晶（５）の表面に炭化珪素単結晶（６）を成長させる炭化珪素単結晶の製造装置において、
   一面が前記台座（１１）と対向した状態で当該一面が前記中空部に配置され、前記原料ガス（３）を冷却しながら前記反応容器（９）内に導入する冷却管（１０）と、
   前記反応容器（９）の周囲に配置され、前記反応容器（９）を加熱して前記反応容器（９）内の温度を制御することにより、前記冷却管（１０）からの輻射により冷却される前記炭化珪素単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御する加熱装置（１５）と、を有することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
2. 前記冷却管（１０）の前記一面における端辺が、前記台座（１１）の前記一面における端辺から前記反応容器（９）の軸方向と平行な方向に仮想線を引いたとき、前記仮想線で囲まれる領域外に位置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. 前記反応容器（９）は円筒状とされており、
   前記冷却管（１０）の前記一面と前記台座（１１）の前記一面との間の距離は、前記反応容器（９）の内径の２倍以下とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
4. 前記冷却管（１０）の前記一面は、前記台座（１１）側と反対側に凹んでいる凹面形状とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
5. 前記反応容器（９）は、円筒部材が軸方向に分割された複数個の構成部材（１６、１７）が組み合わされることにより構成されており、
   隣合う前記構成部材（１６、１７）は、他の構成部材の分割面と対向する分割面において、一方の分割面に内壁側から前記円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部（１６ａ）が備えられていると共に、他方の分割面に外壁側から前記円筒部材の周方向に突出するすり合わせ部（１７ａ）が備えられており、前記すり合わせ部（１６ａ、１７ａ）が嵌合した状態で組み合わされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶の製造装置。
6. 中空部を有する有底筒状の反応容器（９）内に前記中空部を構成する壁面と離間した状態で台座（１１）を配置すると共に、当該台座（１１）の一面に対して炭化珪素単結晶基板にて構成された種結晶（５）を配置し、前記反応容器（９）内に炭化珪素の原料ガス（３）を供給することにより、前記種結晶（５）の表面に炭化珪素単結晶（６）を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法において、
   一面が前記台座（１１）と対向した状態で当該一面が前記中空部に配置され、前記原料ガス（３）を冷却しながら前記反応容器（９）内に導入する冷却管（１０）と、
   前記反応容器（９）の周囲に配置され、前記反応容器（９）を加熱して前記反応容器（９）内の温度を制御する加熱装置（１５）と、を用意し、
   前記冷却管（１０）からの輻射により前記炭化珪素単結晶（６）の成長表面を冷却すると共に、前記加熱装置（１５）にて前記反応容器（９）を加熱して前記反応容器（９）内の温度を制御することにより、前記炭化珪素単結晶（６）の成長表面の温度を所定温度に制御しつつ、前記炭化珪素単結晶（６）を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 前記冷却管（１０）として、前記一面が前記台座（１１）側と反対側に凹んでいる凹面形状とされたものを用いることを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。