特許 6760721 バナジウムでドープしたＳｉＣ塊状単結晶の製造方法及びバナジウムでドープしたＳｉＣ基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6760721

(24)【登録日】2020年9月7日

(45)【発行日】2020年9月23日

(54)【発明の名称】バナジウムでドープしたＳｉＣ塊状単結晶の製造方法及びバナジウムでドープしたＳｉＣ基板

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20200910BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/36 A

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-176543(P2015-176543)

(22)【出願日】2015年9月8日

(65)【公開番号】特開2016-56088(P2016-56088A)

(43)【公開日】2016年4月21日

【審査請求日】2018年4月17日

(31)【優先権主張番号】10 2014 217 956.4

(32)【優先日】2014年9月9日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】504398340

【氏名又は名称】エスアイクリスタル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(72)【発明者】

【氏名】ラルフ ミュラー

(72)【発明者】

【氏名】マティアス シュトックマイアー

(72)【発明者】

【氏名】ミヒァエル フォーゲル

【審査官】 若土 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３０５９８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−０３２４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１１４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２５２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５０１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−００８４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０６６０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０１０６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２１９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１０２２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 BICKERMANN, M. et al.，On the preparation of vanadium doped PVT grown SiC boules with high semi-insulating yield，J. Cryst. Growth，NL，Elsevier B.V.，２００３年 ５月 ９日，Vol. 254，pp. 390-399

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｓｃｏｐｕｓ

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１０^１０Ωｃｍ以上の電気比抵抗を有し、半絶縁性挙動を示す少なくとも１つのＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）の製造方法であって、
ａ）成長坩堝（３；３４）の少なくとも１つの結晶成長領域において、ＳｉＣ成長気相が生成され、ＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）がこのＳｉＣ成長気相（９；３８）からの析出によって成長し、
ｂ）前記ＳｉＣ成長気相が、前記成長坩堝（３；３４）内のＳｉＣ供給領域（４；３５）内に位置するＳｉＣ供給源材料（６；３１）から供給され、ここで、前記材料は、ＳｉＣ供給領域（４；３５）から前記成長中のＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）の成長境界面（１６；３９）へ移送され、
ｃ）バナジウムが、成長中のＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）のドーピング剤として結晶成長領域（５；３６）へ供給され、
ｄ）成長中のＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）の成長境界面（１６；３９）において、２，３５０℃以上の成長温度が設定され、これにより、５×１０^１７ｃｍ^−３を超えるドーピング剤濃度でドープされたＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）が成長し、
ｅ）前記ＳｉＣ供給領域（４；３５）から前記成長境界面（１６；３９）への前記材料の移送が、成長坩堝（３；３４）内の温度条件に加えて、追加の移送影響手段（１８；２５；２８；３１；４１）により調整され、これにより、前記成長境界面（１６；３９）における成長温度及び成長境界面（１６；３９）への前記材料の移送を、少なくともほとんど、互いに無関係に、支配することができ、
ｆ）前記追加の移送影響手段は、前記ＳｉＣ供給領域（４）からの及び前記成長境界面（１６）への前記材料の移送の間に、少なくとも１つの再昇華工程を実施する、
製造方法。

【請求項2】

前記追加の移送影響手段として、多孔性材料から作られた少なくとも１つの気体透過性膜（１８；２５；２８；４１）が、前記ＳｉＣ供給領域（４；３５）と前記結晶成長領域（５；３６）との間に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ＳｉＣ供給領域（４）に装填された前記ＳｉＣ供給源材料（３１）のための前記追加の移送影響手段として、０．８ｇ／ｃｍ^３〜３．２ｇ／ｃｍ^３の範囲の相対密度を有する粉末化されたＳｉＣ材料が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記成長中のＳｉＣ塊状単結晶（２；３１）にドーピング剤として導入されるべきバナジウムが、前記ＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）の実際の成長に先立って、前記ＳｉＣ供給源材料（６；３１）及び前記ＳｉＣ供給源材料（６）の内部に載置された開放されたドーピング剤容器（２２）のいずれか１つに、添加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

窒素が、成長中のＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）の追加のドーピング剤として、結晶成長領域（５；３６）に供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記成長坩堝（３４）に２つの分離された結晶成長領域（５；３６）が備えられ、これらの間に前記ＳｉＣ供給領域（３５）が位置し、このＳｉＣ供給領域（３５）が、前記２つの結晶成長領域（５；３６）のそれぞれに関して、それぞれ、多孔性材料製の気体透過性膜（１８；４１）で被覆され、２つのＳｉＣ塊状単結晶（２；３３）が製造されること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

少なくとも１０^１０Ωｃｍの電気比抵抗を有し、半絶縁性挙動を示す半絶縁性単結晶ＳｉＣ基板であって、
ａ）前記ＳｉＣ基板がドーピング剤としてのバナジウムでドープされ、全ＳｉＣ基板として、５×１０^１７ｃｍ^−３を超えるバナジウムドーピング剤濃度の全体平均値を有しており、
ｂ）前記ＳｉＣ基板の如何なる１ｍｍ^３体積部分においても、そこで測定されたバナジウムドーピング剤の局所濃度が前記バナジウムドーピング剤濃度の全体平均値よりも５０％を超えて上回らない、
ｃ）前記ＳｉＣ基板に導入されたバナジウム原子は、全体的に電気的に活性である、半絶縁性単結晶ＳｉＣ基板。

【請求項8】

前記バナジウムドーピング剤濃度の全体平均値が少なくとも６×１０^１７ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項７に記載のＳｉＣ基板。

【請求項9】

ＳｉＣ結晶構造が単一のＳｉＣポリタイプのみを与えられていることを特徴とする請求項８に記載のＳｉＣ基板。

【請求項10】

前記ＳｉＣ基板が７．６２ｃｍ以上の基板直径を有する主基板表面を有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のＳｉＣ基板。

【請求項11】

前記ＳｉＣ基板が主基板表面とこの主基板表面に関して１０ｃｍ^−２以下の平均マイクロパイプ密度を有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載のＳｉＣ基板。

【請求項12】

窒素が追加のドーピング剤として用いられ、窒素ドーピング濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載のＳｉＣ基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＳｉＣ塊状単結晶の製造方法及びＳｉＣ基板に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体材料である炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、物理的、化学的及び電気的特性が優れているので、しばしば、高周波部品のための基板材料として用いられる。ここで、重要なことは、損失を避けるために、実際の部品と基板材料との間の相互作用が、できる限り小さいことを保証することである。これは、例えば、単結晶ＳｉＣ基板が可能な限り高い電気抵抗を有し、また、高い結晶品質を有することにより、達成される。高抵抗のＳｉＣ塊状単結晶又はそれから高抵抗のＳｉＣ基板を製造するためには、不純物又は固有の欠陥の結果として結晶内に存在する浅い欠陥（flat imperfection）を補償することが必要である。このようにして製造された高抵抗のＳｉＣ塊状単結晶は、また、半絶縁性であるといわれる。

【0003】

特に窒素不純物により生じ、好ましくはドナー効果を有する、前記浅い欠陥を補償するための方法が特許文献１に記載されている。この方法では、最大１×１０^１６ｃｍ^−３のバナジウム濃度でのバナジウムドーピングに加えて、特に結晶成長中に内因性欠陥を生じさせる。これにより、約１０^５Ωｃｍから最大で約１０^１０Ωｃｍの電気比抵抗値を達成可能であるが、非常に繊細な加工が要求されるため、約１０^６Ωｃｍの値しか達成されない。適切な内因性欠陥の形成は、結晶成長中の加工パラメータに大きく依存するので、非常に僅かな加工条件の変動でさえ、欠陥及びこれによる抵抗の不均一分布を招く。更に、そのような特別に導入される内因性欠陥は、それ自体、熱負荷の間に回復する可能性があり、これは、抵抗の不均一分布を、更には高抵抗特性の全損をも、生じ得る。

【0004】

特許文献２は、浅い欠陥を補償するための別の方法を開示している。この方法では、外因性の深い欠陥（deep imperfection）が、ＳｉＣ塊状単結晶中に特別につくられる。窒素のバックグラウンドドーピング（＝窒素不純物）を補償する目的で、バナジウムが、特別に導入するドーピング剤として３００〜１，０００重量ｐｐｍのバナジウム含有量で使用される。この方法により、１０^１１Ωｃｍの電気比抵抗値を達成可能である。

【0005】

特許文献３は、１０^１１Ωｃｍ以下の電気比抵抗をもつ半絶縁性ＳｉＣを成長させる方法を開示する。バナジウムが、ドーピング剤として、５×１０^１７ｃｍ^−３以下のドーピング剤濃度で、ＳｉＣ結晶構造中に均一に導入される。バナジウムドーピング剤は、構造的に比較的複雑な外部気体供給配管により供給される。構造的に類似した成長装置が特許文献４に開示されている。そこに開示されている方法では、バナジウムドーピングに加えて、アクセプタのように機能し且つドナー様の不純物を過補償するドーピング剤、例えばアルミニウム又はホウ素、により、追加のドーピングが実施される。このようにして成長させた半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の抵抗値は、１０^１２Ωｃｍ以下となる。

【0006】

特許文献５は、バナジウムドーピングが実行される、半絶縁性ＳｉＣの別の成長方法を開示する。バナジウムドーピング剤の濃度は、最大で５×１０^１７ｃｍ^−３である。しかしながら、ＳｉＣ種結晶に近い位置において、成長したＳｉＣ塊状単結晶から円板状ＳｉＣ基板（＝ウェハ）を切り出してみると、このウェハは、少なくとも１点で、８．７８×１０^１７ｃｍ^−３の、より高い局所バナジウム濃度を有していた。この濃度は、固溶限界を超えていて、バナジウムの沈殿物がそこに形成されていた。従って、バナジウムは、この領域においては、有効なドーピング剤としてＳｉＣ結晶構造中に導入されていなかった。

【0007】

単結晶４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣに導入されるドーピング剤としてのバナジウムの固溶限界は、非特許文献１に３×１０^１７ｃｍ^−３と記載されている。

【0008】

特許文献６には、１０^５Ωｃｍから２×１０^１１Ωｃｍ（場合によっては、これよりも更に大きい）の範囲の電気比抵抗を有する半絶縁性ＳｉＣを成長させる別の方法が開示されている。ドーピング剤として、バナジウムが、２×１０^１４ｃｍ^−３から１．４×１０^１７ｃｍ^−３の範囲のドーピング剤濃度で、成長したＳｉＣ塊状単結晶に導入される。また、バナジウムドーピング剤濃度が固溶限界を下回ることも明記されている。バナジウムドーピング剤は、これも、構造的に比較的複雑なドーピング剤容器によって、供給されるが、この容器は、専用に挿入され専用に目盛をつけてあるキャピラリ開口から離して厳密に封止してある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】国際公開第０２／０９７１７３号明細書

【特許文献2】米国特許第５６１１９５５号明細書

【特許文献3】独国特許第１０２００８０６３１２４号明細書

【特許文献4】独国特許第１０２００８０６３１２９号明細書

【特許文献5】欧州特許第１８０７５５７号明細書

【特許文献6】欧州特許第１８７４９８５号明細書

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】“Deep level transient spectroscopic and Hall effect investigation of the position of vanadium acceptor level in 4H and 6H SiC”, by J.R. Jenny et al, from Applied Physics Letters, 68 (14), 01.04.1996, pages 1963 to 1965

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、ＳｉＣ塊状単結晶の製造のための既存の解決手法に比べて改善された方法及び改善された単結晶ＳｉＣ基板を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

方法に関する上記課題を解決するための方法について、請求項１に記載した特徴に従って説明する。本発明に係る方法は、少なくとも１０^５Ωｃｍ、好ましくは最大で１０^１２Ωｃｍ、である電気比抵抗を有する少なくとも１つのＳｉＣ塊状単結晶を製造する方法であって、成長坩堝の少なくとも１つの結晶成長領域においてＳｉＣ成長気相が生成され、このＳｉＣ成長気相からの析出によってＳｉＣ塊状単結晶が成長する方法であり、前記ＳｉＣ成長気相が、前記成長坩堝の中のＳｉＣ供給領域に位置するＳｉＣ供給源材料から供給される。この方法において、材料は、ＳｉＣ供給領域から、特に結晶成長領域に位置する成長中のＳｉＣ塊状単結晶の成長境界面へ、移送される。また、バナジウムは、成長中のＳｉＣ塊状単結晶のドーピング剤として、好ましくは気体状態で、結晶成長領域へ供給される。更に、成長中のＳｉＣ塊状単結晶の成長境界面において、成長温度は、２，２５０℃以上、好ましくは最高で２，５００℃、好適には２，３５０℃から２，４５０℃の間、に設定され、これにより、ＳｉＣ塊状単結晶が、５×１０^１７ｃｍ^−３超、好ましくは最大で１×１０^１９ｃｍ^−３のバナジウムドーピング剤濃度で、ドープされて成長する。また、ＳｉＣ供給領域から成長境界面への材料移送は、成長坩堝の中の温度条件に加えて、追加の移送影響手段によって制御され、これにより、成長境界面の成長温度と成長境界面への材料移送とは、少なくとも大部分、互いに無関係に、支配することができる。

【0013】

バナジウムは、単結晶ＳｉＣにおけるバナジウムの固溶限界であると以前に見なされていた約３×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１７ｃｍ^−３の濃度を上回るドーピング剤濃度で、成長中のＳｉＣ塊状単結晶へ導入可能であることが分かっている。このため、成長中のＳｉＣ塊状単結晶の成長境界において、半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の従来の成長方法において通常用いられていたよりも高い成長温度が設定される。この成長温度は、２，２５０℃以上、好ましくは２，３５０℃以上であり、例えば、２，４００℃を超える、或いは更に２，４５０℃を超える値であってよい。このようにして、バナジウムは、５×１０^１７ｃｍ^−３を超える、好ましくは少なくとも６×１０^１７ｃｍ^−３、好適には少なくとも７．５×１０^１７ｃｍ^−３、最も好適には少なくとも２×１０^１８ｃｍ^−３の非常に高いドーピング剤濃度で、成長中のＳｉＣ塊状単結晶に、有益に埋め込み又は導入することができる。殊に、５×１０^１７ｃｍ^−３を超えるバナジウムドーピング剤濃度でドープされたＳｉＣ塊状単結晶は、巨視的なバナジウム沈殿物なしに成長する。巨視的なバナジウム沈殿物は、具体的には、１ｍｍを超える横方向の幅を有するものとして定義される。好適には、バナジウムでドープしたＳｉＣ塊状単結晶は、完全に沈殿物無しで成長する。成長境界面における成長温度が高いので、単結晶ＳｉＣにおけるバナジウムの固溶限界は、好ましくは１×１０^１９ｃｍ^−３まで増加し得る。いずれの場合にも、このバナジウムドーピング剤濃度以下において、重大なバナジウム沈殿物は形成されない。沈殿物が無いことは、ドープしたバナジウムの電気的効果を最大限にすることについて、また、成長中のＳｉＣ塊状単結晶において欠陥を可能な限り少なくすることについて、有利に働く。

【0014】

ＳｉＣ塊状単結晶に導入されたバナジウム原子は、少なくとも広範囲に又は全体的に、特に電気的に活性であり有効である。好ましくは、バナジウム原子が浅い欠陥を補うために利用される。高濃度のバナジウムドーピング剤が結晶格子中に導入される結果、従来知られている方法に比べて、より多くの浅い欠陥が補償され、これにより、浅い欠陥が多すぎて以前は廃棄されていたＳｉＣ塊状単結晶であっても、本発明に係る成長方法の場合、所望の半絶縁性挙動を維持する。従って、不良品発生率が低下する。本発明に係る方法により成長させたＳｉＣ塊状単結晶の電気比抵抗値は高く、好ましくは１０^１０Ωｃｍ以上、好適には、更に１０^１１Ωｃｍ以上である。ここに提示した抵抗値及び後述する抵抗値は、常に環境温度での値である。

【0015】

成長境界面と場合によっては成長坩堝内の他の地点とにおける高い成長温度に伴う温度条件変化の好ましくない効果を避けるために、本発明に係る方法においては、成長境界面における成長温度の設定と、成長境界面への材料移送の設定と、場合によっては追加の成長条件の設定とが、ほとんど分離される。この有利な分離は、追加の移送影響手段によって達成される。この方法により、高い成長温度にも拘わらず、高品質のＳｉＣ塊状単結晶をほとんど欠陥なく成長させることができる。

【0016】

ＳｉＣ塊状単結晶の成長中の成長温度とは別に、好ましくは、以下の成長条件が成長坩堝内で設定される。供給領域内の供給源温度は、好適には２，４００℃から２，７００℃の間、より好適には２，４５０℃から２，５５０℃までである。前記供給源温度と前記成長境界面における成長温度との間の温度差は、好適には１００℃から２５０℃までの間、より好適には１００℃から１５０℃までの間である。成長坩堝内の成長圧力は、１ｈＰａ（＝ミリバール）から５０ｈＰａ（＝ミリバール）の間、より好適には５ｈＰａ（＝ミリバール）から１０ｈＰａ（＝ミリバール）の間である。

【0017】

全体として、本発明に係る成長方法により、ＳｉＣ塊状単結晶が製造可能であり、この単結晶から高品質の半絶縁性ＳｉＣ基板を得ることができる。ＳｉＣ結晶構造に高度の精密さを備えたＳｉＣ基板は、部品製造中に実施される後続の加工工程に、ほぼ完璧な状態を提供する。本発明に従って製造されたＳｉＣ塊状単結晶は、殊に、半導体及び／又は高周波部品を製造するために、非常に効率的に更に加工される。

【0018】

本発明に係る方法によれば、単一のＳｉＣ塊状単結晶だけではなく、より多数の、例えば２個、３個、４個、５個、あるいは好ましくは１０個までのＳｉＣ塊状単結晶も製造することができる。２個のＳｉＣ塊状単結晶を、好ましくは中心軸線の方向に、互いに上下に又は前後に配列して、ＳｉＣ供給領域の両側で中心軸線の方向に成長するように、成長させる方法が有益である。

【0019】

本発明に係る方法の有利な態様が、請求項１を引用する各請求項の特徴に表わしてある。

【0020】

有利な一態様において、多孔性材料からなる気体透過性膜が少なくとも１つ、ＳｉＣ供給領域と結晶成長領域との間に、追加の移送影響手段として配置される。好ましくは、ＳｉＣ供給源材料が前記気体透過性膜により覆われる。前記多孔性材料は、好ましくは、好適には０．８ｇ／ｃｍ^３〜１．６ｇ／ｃｍ^３の間の、より好適には１．２ｇ／ｃｍ^３の密度を備える多孔性黒鉛である。（ＳｉＣ）気体種に対する前記膜の透過率は、密度及び場合によっては多孔性膜の厚さに応じて、非常に簡単に且つ広い限度内で調節可能である。前記膜の透過率により、成長境界面への材料移送を明確に調節することができる。気体透過性膜は、成長境界面への材料移送と成長境界面の成長温度設定との非常に効果的な分離をもたらす。前記膜を適用することにより、膜を有しない成長装置に比べて、成長境界面における成長温度を、同じ成長速度で、５０℃〜２５０℃、特に約１５０℃、増加させることができる。これらのことにより、成長中のＳｉＣ塊状単結晶において、より高いバナジウムドーピング剤濃度を達成することが可能である。

【0021】

別の有利な態様によれば、ＳｉＣ供給領域からの材料移送及び成長境界面への材料移送に対する追加の移送影響手段として、少なくとも１段階の再昇華が実施される。好ましくは、ＳｉＣ供給領域に位置するＳｉＣ供給源材料は、昇華によって気体状態へ変化し、そこから、まず、ＳｉＣ供給領域と成長境界面との間の規定された地点で沈殿（再昇華、凝縮）する。この固体中間段階から、材料を再び昇華させて実際の結晶成長領域へ到達させる。必要に応じて、ＳｉＣ気体種が結晶成長領域へ達する前に、再昇華を複数回実施しても、即ち、昇華及び沈殿（再昇華、凝縮）を複数回相互に繰り返しても、よい。必要に応じたこのような多重の再昇華は、成長境界面への材料移送と成長境界面における成長温度の設定との非常に有効な分離をもたらす。

【0022】

別の有利な態様によれば、粉末化された、好ましくは、０．８ｇ／ｃｍ^３〜３．２ｇ／ｃｍ^３の範囲内の相対密度を有する顆粒状のＳｉＣ材料が、ＳｉＣ供給領域へ導入されるＳｉＣ供給原材料に対する追加の移送影響手段として、使用される。ＳｉＣ供給源材料の密度を変化させることにより、昇華温度を変えることができる。ＳｉＣ供給源材料の密度が高いほど−従って、殊にＳｉＣ供給源材料の自由表面が小さいほど−昇華温度は高くなる。高密度のＳｉＣ供給源材料を使用することにより、好適には、ＳｉＣ供給源材料が在る供給領域から種結晶及び（ＳｉＣ塊状単結晶が成長する）成長境界面が在る結晶成長領域までを含む成長装置全体の温度を、成長速度を変えることなく上昇させることができる。

【0023】

別の有利な態様によれば、成長中のＳｉＣ塊状単結晶にドーピング剤として導入されるバナジウムは、実際にＳｉＣ塊状単結晶を成長させる前に、ＳｉＣ供給源材料に添加するか、又は、ＳｉＣ供給源材料の中に載置される開放ドーピング剤容器に導入することができる。両方とも比較的簡単な手段であり、少しの工夫で適用できるにも拘わらず、成長中のＳｉＣ塊状単結晶に対する、特に、非常に高度のそして好適には均質な、バナジウムのドーピングを可能にする。

【0024】

別の有利な態様によれば、成長中のＳｉＣ塊状単結晶の追加のドーピング剤として、窒素が結晶成長領域に添加される。窒素の特殊な外部供給が、変態（modification）を安定させ、成長中のＳｉＣ塊状単結晶の結晶品質を向上させるために、使用される。成長中のＳｉＣ塊状単結晶にある量の窒素があると、そうでなければ結晶成長中に起こるであろうポリタイプ（結晶多形）交換を抑制する。ＳｉＣ塊状単結晶の窒素ドーピング濃度は、好適には少なくとも５×１０^１６ｃｍ^−３、最適には少なくとも１×１０^１７ｃｍ^−３、好適には最大で５×１０^１８ｃｍ^−３であり、最も好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３である。窒素ドーピング剤濃度は、バナジウムドーピング剤濃度を少なくとも２５％下回るのが有利であり、これにより、特に、窒素ドーピングの高信頼性で完全な電気的補償及び、その結果としての、所望の半絶縁性挙動を得る。成長坩堝の外で特別に制御されたやり方、例えば気体状態、で、窒素を添加することにより、窒素とバナジウムとの比率を調節することができ、存在し得る窒素不純物に対処することができる。このようにして、変態安定性（modification stability）に重要な高窒素濃度を、同時に半絶縁特性（補償）を伴いながら、設定することが可能である。

【0025】

別の有利な態様によれば、２個のＳｉＣ塊状単結晶が製造される。成長坩堝は、２つの分離された結晶成長領域を備え、これらの結晶成長領域の間にＳｉＣ供給領域が配置されていて、このＳｉＣ供給領域は、２つの結晶成長領域のそれぞれに関して多孔性材料からなる気体透過性膜で覆ってある。これは、この方法により、同時に２以上のＳｉＣ塊状単結晶を成長させることができるので、特に有効である。

【0026】

前記ＳｉＣ基板に関する課題を解決するために、ＳｉＣ基板が、請求項８の特徴に従って提供される。本発明による単結晶ＳｉＣ基板は、少なくとも１０^５Ωｃｍから好ましくは最大１０^１２Ωｃｍまでの電気比抵抗を有するものであり、このＳｉＣ基板は、ドーピング剤としてのバナジウムでドープされ、完成したＳｉＣ基板で測定されるバナジウムドーピング剤濃度の全体平均値は、５×１０^１７ｃｍ^−３を超え、好ましくは最大１×１０^１９ｃｍ^−３であり、ＳｉＣ基板の如何なる１ｍｍ^３体積部分においてもそこで測定されたバナジウムドーピング剤濃度の局所最大値は、前記バナジウムドーピング剤濃度の全体平均値よりも５０％を超えて上回らない。

【0027】

本発明に係るＳｉＣ基板は半絶縁性であり、従って、好ましくは１０^１０Ωｃｍ以上、好適には更に上の１０^１１Ωｃｍ以上の高い電気抵抗を有する。高い電気抵抗は、特に、５×１０^１７ｃｍ^−３を超える非常に高い全体平均バナジウムドーピング剤濃度により測定される。有利なことに、高い全体平均バナジウムドーピング剤濃度にも拘わらず、このＳｉＣ基板には、巨視的なバナジウム沈殿物がない。巨視的な沈殿物は、最大いずれかの方向に１ｍｍを超えて延びている沈殿として、定義される。本発明のＳｉＣ基板は、全体として、バナジウム沈殿物を（大部分）欠いている。本発明に係る方法と関連して上述したとおり、沈殿物の欠如は、ドープしたバナジウムの最大限の電気的有効性を達成することに関して、また、ＳｉＣ基板において可能な限り欠陥を少なくすることに関して、有益である。本発明のＳｉＣ基板は、非常に良好な結晶品質も有する。

【0028】

他の点では、本発明に係る上記ＳｉＣ基板及びその好適な変形は、本質的に、本発明に係る製造方法及びその好適な変形に関連して記述したとおりの同じ利点をもつ。

【0029】

本発明に係るＳｉＣ基板の有利な態様について、請求項８を引用する各請求項の特徴に表してある。

【0030】

有利な態様において、バナジウムドーピング剤濃度の全体平均値が少なくとも６×１０^１７ｃｍ^−３、特に少なくとも７．５×１０^１７ｃｍ^−３、好適には、少なくとも２×１０^１８ｃｍ^−３である。このようなバナジウムドーピング剤濃度において、浅い欠陥の更に多くが電気的に補償される。

【0031】

別の有利な態様によれば、ＳｉＣ結晶構造は、単一のＳｉＣポリタイプのみ、特にＳｉＣポリタイプ４Ｈ、６Ｈ、３Ｃ及び１５Ｒのうちの１つ、を備える。好適には、特にポリタイプ変化が広範囲に存在しないことによって特徴付けられる高い変態安定性が存在する。ＳｉＣ基板が単一のＳｉＣポリタイプのみを備えていれば、ＳｉＣ基板には、欠陥がほとんど無いという利点もある。これにより、格段に高品質のＳｉＣ基板が得られる。

【0032】

別の有利な態様によれば、ＳｉＣ基板の主基板表面は、少なくとも７．６２ｃｍ、特には最大で２０ｃｍの基板直径を有する。基板直径が大きくなればなるほど、その単結晶ＳｉＣ基板を、例えば半導体及び／又は高周波部品の生産に、より効率的に使用することができる。従って、部品製造費が削減される。このような大きな直径を有するＳｉＣ基板は、例えば約１ｃｍ^２の底面積をもつ、比較的大規模の半導体及び／又は高周波部品の生産への使用にも有利である。

【0033】

別の有利な態様によれば、ＳｉＣ基板は、主基板表面と主基板表面全体に対して最大で１０ｃｍ^−２、特に最大で１ｃｍ^−２の平均マイクロパイプ密度とを有する。これにより、半導体及び／又は高周波部品の生産に最適な、欠陥の非常に少ないＳｉＣ基板が提供される。

【0034】

別の有利な態様によれば、追加のドーピング剤として窒素が添加され、特に、この窒素ドーピング剤のＳｉＣ基板全体における平均濃度は、少なくとも５×１０^１６ｃｍ^−３、好適には少なくとも１×１０^１７ｃｍ^−３、特に、最大で５×１０^１８ｃｍ^−３、好適には最大で１×１０^１８ｃｍ^−３である。この量での窒素ドーピングは、特に、変態安定性を向上させ、ＳｉＣ基板が、本質的に、単一のポリタイプのみを備え、結果として欠陥がほとんど無いということを意味する。結晶品質は非常に高い。

【0035】

本発明のその他の特徴、利点及び詳細は、図面を参照して説明する以下の実施形態により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、バナジウム含有混合物を含有する被覆されたＳｉＣ供給源材料を備えた、成長装置の実施形態を示す。

【図2】半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、バナジウム充填供給容器を備えた、成長装置の実施形態を示す。

【図3】半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、１つの再昇華工程を備えた成長装置の実施形態を示す。

【図4】半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、２つの再昇華工程を備えた成長装置の実施形態を示す。

【図5】半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、高密度ＳｉＣ供給源材料を備えた成長装置の実施形態を示す。

【図6】２つの半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の昇華成長中における、二側面が覆われバナジウム含有混合物を含有するＳｉＣ供給源材料を備えた成長装置の実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0037】

図１〜図６において、対応する部分には同じ参照番号を付してある。以下に更に詳しく説明する実施形態の細部は、それ自体、本発明を表すか、又は、本発明の主題の一部をなす。

【0038】

図１は、昇華成長によってＳｉＣ塊状単結晶２を製造するための成長装置１の実施形態を示す。成長装置１は、ＳｉＣ供給領域４及び結晶成長領域５を備えた成長坩堝３を内包している。ＳｉＣ供給領域４には、例えば粉末化されたＳｉＣ供給源材料６があり、このＳｉＣ供給源材料６は、成長プロセスの開始に先立って予め組み込んだ出発材料として、成長坩堝３のＳｉＣ供給領域４に添加される。

【0039】

成長坩堝３においてＳｉＣ供給領域４とは反対側の端部壁７の領域には、ＳｉＣ種結晶８が、結晶成長領域５内に軸方向へ延びていくように取り付けられる。ＳｉＣ種結晶８は、具体的には単結晶である。坩堝端部壁７は、図示の例では、成長坩堝３の蓋として設計されている。但し、このことは必須事項ではない。ＳｉＣ種結晶８の上に、結晶成長領域５内に生成されるＳｉＣ成長気相９からの析出によってＳｉＣ塊状単結晶２が成長する。成長中のＳｉＣ塊状単結晶２とＳｉＣ種結晶８とは、おおよそ同じ直径をもつ。最大で１０％の差があり得るが、仮にこの差があるとすれば、ＳｉＣ種結晶８の種直径の方がＳｉＣ塊状単結晶２の単結晶直径よりも小さい。図１には示されていないが、坩堝側壁１３の内側と、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２及びＳｉＣ種結晶８と、の間にはギャップが存在し得る。

【0040】

坩堝蓋７を含めた成長坩堝３は、図１の実施形態の場合、例えば１．７５ｇ／ｃｍ^３以上の密度を有する、電導性であり熱伝導性である黒鉛坩堝材料から形成される。黒鉛坩堝材料の周囲には、断熱層１０がある。断熱層は、例えば泡状黒鉛絶縁材料からなり、この泡状黒鉛絶縁材料の空隙率は、特に、黒鉛坩堝材料の空隙率よりもはるかに高い。

【0041】

断熱された成長坩堝３は、筒状コンテナ１１の中に載置される。このコンテナ１１は、本実施形態の場合、石英ガラスの筒として形成され、圧力容器ないし反応容器を構成する。成長坩堝３を加熱するために、誘導加熱装置が、コンテナ１１の周りに加熱コイル１２の形態で配置される。成長坩堝３は、加熱コイル１２によって、成長に必要な温度まで加熱される。本実施形態では、この成長温度は、２，２５０℃以上である。加熱コイル１２は、成長坩堝３の導電性坩堝側壁１３に電流を誘導結合する。この電流が、基本的に、円形中空の筒形坩堝側壁１３の内部を、円周方向に回路電流として流れることにより、成長坩堝３が加熱される。必要に応じて、加熱コイル１２と成長坩堝３との相対的位置を軸方向、即ち、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の中心軸線１４の方向、で変えることができ、これによって、成長坩堝３内の温度又は温度曲線を調節し、場合によってはそれを変更することができる。成長プロセスにおいて、加熱コイル１２の位置を軸方向に変更可能であることが、図１中に双方向矢印１５で示されている。好ましくは、加熱コイル１２は、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の成長ステージに応じて移動させ、調節される。この移動は、好ましくは下方へ、即ち、ＳｉＣ供給源材料６の方向へ、そして好ましくは、ＳｉＣ塊状単結晶２の成長と同じ距離、例えば合計で約２０ｍｍである。このために、成長装置１は、適切に設計された制御、規制及び調節手段（詳細は図示していない）を備える。

【0042】

結晶成長領域５のＳｉＣ成長気相９は、ＳｉＣ供給源材料６により供給される。ＳｉＣ成長気相９は、少なくとも、Ｓｉ、Ｓｉ_２Ｃ、ＳｉＣ_２（＝ＳｉＣ気体種）の形態の気体成分を含有する。ＳｉＣ供給源材料６から成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の成長境界面１６への材料移送は、一方では、軸方向温度勾配に従って、実行される。成長境界面１６は、２，２５０℃以上、特に、更に上の少２,３５０℃以上又は２,４００℃の比較的高い成長温度にある。また、特に、中心軸線１４の方向に測定される軸方向温度勾配は、成長境界面１６で、５Ｋ／ｃｍ以上、好ましくは１５Ｋ／ｃｍ以上に設定される。成長坩堝３の中の温度は、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２へ向かって低下する。最も高い温度は、ＳｉＣ供給領域４の区域における約２,４５０℃〜２,５５０℃である。ＳｉＣ供給領域４から成長境界面１６までの間で、特に１００℃〜１５０℃の温度差を有するこの温度曲線は、各種の手段によって達成可能である。例えば、図示していないやり方で加熱コイル１２を２又はそれ以上の軸方向区分に分割することにより、軸方向の加熱を変化させることができる。また、成長坩堝３の下方部分において、例えば加熱コイル１２を軸方向に適切に配置することによって、成長坩堝３の上方部分におけるよりも強い加熱作用を達成することができる。更には、軸方向における２つの坩堝端面について、異なる断熱設計を適用することができる。図１に概略的に示してあるとおり、坩堝下部端部壁の断熱層１０は、坩堝上部端部壁と比べてかなり厚い。坩堝上部端部壁７に隣接した断熱層１０は、中心軸線１４に沿って配置した、それを通して熱を除去する、中央冷却孔１７を有していてもよい。この中央冷却孔１７は、図１中に破線で示してある。

【0043】

材料移送は、追加の移送影響手段による軸方向温度勾配によっても、影響を受ける。図１に示す実施形態の場合、追加の移送影響手段は、ＳｉＣ供給源材料６を被覆する、多孔性材料からなる気体透過性膜１８である。図１に係る実施形態の場合、気体透過性膜１８は、約１．２ｇ／ｃｍ^３の密度を有する多孔性黒鉛の形態をしている。また、気体透過性膜１８は、中心軸線１４の方向に測定して４ｍｍの軸方向厚さを有している。或いは、気体透過性膜１８は、約１．４ｇ／ｃｍ^３の相対密度及び２ｍｍの軸方向厚さをもつものでもよい。

【0044】

この場合、図１に示す実施形態の気体透過性膜１８は、ＳｉＣ供給領域４に位置したＳｉＣ供給源材料６の上に直接置かれている。図示はしないが、別の実施形態として、気体透過性膜１８は、ＳｉＣ供給領域４と結晶成長領域５との間の中心軸線１４の方向に沿って見た任意の（他の）位置に配置してもよい。

【0045】

実際の結晶成長中の成長坩堝３の中では、特に、５ｈＰａ（＝ミリバール）から１０ｈＰａ（＝ミリバール）の成長圧力が存在する。

【0046】

ＳｉＣ塊状単結晶２は、図１に示す実施形態において頂部から底部へ、即ち、坩堝蓋７からＳｉＣ供給領域４へ、向かう成長方向１９に成長する。成長方向１９は、中心軸線１４と平行に延びる。本実施形態において成長中のＳｉＣ塊状単結晶２は成長装置１内に同軸配置されるので、中心軸線１４は、成長装置１の全体に割り当てられる。

【0047】

ＳｉＣ成長気相９は、少なくとも１つの特別に添加された第１ドーピング剤、本例ではバナジウム（Ｖ）、を含有する。ＳｉＣ成長気相９で利用可能なバナジウムは、図１の実施形態では、ＳｉＣ供給源材料６に含まれているバナジウム含有混合物２０から生じる。このバナジウム含有混合物２０は、実際の成長に先立って、例えば元素バナジウム又はバナジウム化合物の形態で、ＳｉＣ供給源材料６に添加又は混合されたものである。これに使用される粉末化されたＳｉＣ供給源材料６は、従って、前処理される。

【0048】

バナジウムは、ＳｉＣバンドギャップに深い欠陥を生成し、従って、ドープされた（即ち、ＳｉＣ結晶格子に埋め込まれ又は導入されて適切に活性化された）バナジウムは、不純物や内因性欠陥により生じる浅い欠陥を補償する。また、不純物として実質的に避けられない窒素は、ＳｉＣにおいて浅い欠陥として作用し、特に、伝導範囲へドープされたバナジウムによる補償が無ければ、原則として、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の電気抵抗を減少させることとなる。

【0049】

成長境界面１６における高い成長温度のお陰で、大量のバナジウムが成長中のＳｉＣ塊状単結晶２へ導入される。成長中のＳｉＣ塊状単結晶２は、バナジウムで高ドープされ、５×１０^１７ｃｍ^−３を超える、本実施形態では２×１０^１８ｃｍ^−３のバナジウム濃度を有する。成長したＳｉＣ塊状単結晶２の他の例では、バナジウム濃度は、特に、６×１０^１７ｃｍ^−３〜４×１０^１８ｃｍ^−３の範囲である。導入されたバナジウムは、ＳｉＣ塊状単結晶２の結晶格子中において実質的に無沈殿の状態で利用可能であり、多量の導入量で電気的に有効である。

【0050】

従って、窒素等によって生成される浅い欠陥が良好に補償され、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２は、１０^５Ωｃｍ以上の比較的高い電気比抵抗を有し、半絶縁挙動を示す。本実施形態において、この抵抗は、１×１０^１１Ωｃｍである。成長したＳｉＣ塊状単結晶２の他の例でも、特に、５×１０^１０Ωｃｍ〜３×１０^１１Ωｃｍの範囲の電気比抵抗を示す。なお、ＳｉＣは、６Ｈ−ポリタイプである。基本的には、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣなどの他のポリタイプ（異なる結晶変態）も可能である。有利には、塊状単結晶２は、単一のＳｉＣポリタイプを有し、本実施形態では６Ｈ−ＳｉＣである。ＳｉＣ塊状単結晶２は、高い変態安定性をもって成長し、本質的に単一のポリタイプを有する。

【0051】

この有利な変態安定性は、特定の窒素ドーピングによって達成される。前記不純物に起因して、ＳｉＣ塊状単結晶２には、特定量の窒素が既に含まれている。必要に応じて、ＳｉＣ成長気相９における窒素の必要量を補うために、そして、特に、成長坩堝３の外から制御可能とするべく、追加の気体窒素を、図１には示していない供給配管を通し、第２のドーピング剤として結晶成長領域５へ供給してもよい。成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の窒素ドーピング剤濃度は、約５×１０^１６ｃｍ^−３又は約５×１０^１７ｃｍ^−３であり、この値は比較的高く、ＳｉＣ塊状単結晶２の半絶縁挙動に対抗する。非沈殿導入バナジウムの濃度も相当高いので、この高窒素濃度であっても補償される。前述した高い電気比抵抗及び結晶構造の両方が、実質的に単一の変態によって示される。これは、ほとんど欠陥の無い高結晶品質に関する利点である。

【0052】

ポリタイプ交換があると結晶品質は劣化する。各種のＳｉＣポリタイプは、それぞれの結晶構造において異なっている。異なるポリタイプ間の交換は、結晶成長中に容易に起こり、結晶品質を劣化させるマイクロパイプ、置換、異質変態の埋め込みなどの、様々な結晶欠陥の原因になる。十分に多量の窒素をＳｉＣ成長気相９に添加することにより、結晶成長中の単一ポリタイプの生成が安定化し、それにより、ポリタイプ交換による欠陥の形成を最少化できる。このようにして、ＳｉＣ塊状単結晶２は、高品質且つ高歩留りで製造される。

【0053】

半絶縁挙動を示し高結晶品質を有するＳｉＣ塊状単結晶２を得るために重要な点は、非常に高い濃度のバナジウムドーピング剤を、可能な限り沈殿無しで、結晶格子へ埋め込むことである。成長境界面１６において５×１０^１７ｃｍ^−３を超えるバナジウムドーピング剤濃度を沈殿無しで得るために、前述の高成長温度は、２，２５０℃以上に設定される。成長中のＳｉＣ結晶中のバナジウム固溶限界は、高い成長温度によって、５×１０^１７ｃｍ^−３を超える濃度に上昇することが分かっており、従って、この値を超える濃度のバナジウムを本質的に沈殿無しで、成長中のＳｉＣ結晶格子中へ埋め込むことができる。

【0054】

ＳｉＣ結晶成長に用いられる昇華法（＝ＰＶＴ法）の場合、材料移送を含めた成長条件は、成長坩堝３の中の温度によって調節され、制御される。即ち、成長境界面１６の成長温度変化は、その他の成長条件、特にＳｉＣ供給領域４から成長境界面１６への材料移送に影響する。

【0055】

適切な追加手段を使わずに、成長温度の増加だけでも、その他の成長条件の変化を促すことはできる。特に、高い成長速度及びこれによる欠陥形成の増加は、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２において調節可能である。成長境界面１６の高成長温度の有するこのような負の効果を避けるには、第１の気体透過性膜１８を備えた成長装置１が適切な解決手段になる。第１の気体透過性膜１８により、ＳｉＣ供給領域４から結晶成長領域５に位置する成長境界面１６への材料移送が調節される。特に、材料移送は、成長境界面１６の高い成長温度にも拘わらず、その結果生じる成長速度が高くなりすぎないように、第１の気体透過性膜１８により制御される。成長中のＳｉＣ塊状単結晶２への材料移送は、特に、第１の気体透過性膜１８の透過率によって調節される。

【0056】

概して、この移送影響手段により、成長境界面１６の成長温度を、成長境界面１６への材料移送から分離することが可能となる。成長境界面１６の成長温度と成長境界面１６への材料移送とは、少なくとも大部分、互いに無関係に、支配することができる。

【0057】

以上のとおり、成長装置１は、高品質の半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶２を製造するための要件を全て満足する。

【0058】

図２は、別の成長装置２１の実施形態を示す。この成長装置２１は、第１ドーピング剤バナジウムのＳｉＣ供給領域４への導入に関してのみ、図１の成長装置１と違っている。成長装置１の場合にＳｉＣ供給源材料６へ提供されるバナジウム含有混合物２０に代えて、成長装置２１の場合は、開放ドーピング剤容器２２がＳｉＣ供給源材料６の中に立ててある。特に、開放ドーピング剤容器２２は、成長坩堝３の底に載置され、ＳｉＣ供給原材料６によって囲まれている。開放ドーピング剤容器２２には、バナジウム含有材料２３が、例えば元素バナジウム又はバナジウム化合物の形態で、入っている。

【0059】

バナジウム含有混合物２０であっても、バナジウム含有材料２３が充填された開放ドーピング剤容器２２であっても、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２へのバナジウム均一導入が達成される。バナジウムの導入は、成長境界面１６における成長温度によっても、成長境界面１６への材料移送の間の気相の均質化によっても、制御される。バナジウム含有混合物２０のＳｉＣ供給源材料６への添加及びバナジウムが充填された開放ドーピング剤容器２２のＳｉＣ供給源材料６内配置のいずれも、ドーピング剤の流れ乃至導入を制御するための比較的簡単な手段ないし方法である。言い換えると、成長境界面１６への材料移送を成長境界面１６の成長温度から分離するという前述の利点のお陰で、そうでなければ必要な、ドーピング剤の流れを制御する非常に複雑な方法、例えば、バナジウム供給及びドーピングに伴うカプセル化容器の使用や外部気体供給配管の使用、を避けることができる。

【0060】

図３に示す別の実施形態の成長装置２４においては、図１の成長装置１と比較すると、ＳｉＣ供給領域４を被覆する第１の気体透過性膜１８から離して、第１の気体透過性膜１８と結晶成長領域５との間に配置された第２の気体透過性膜２５が設けられている。この第２の気体透過性膜２５は、多孔性黒鉛から形成されるが、第１の気体透過性膜１８に比べて空隙率が低い。第２の気体透過性膜２５の密度は、約１．４ｇ／ｃｍ^３であり、厚さは４ｍｍである。

【0061】

２つの気体透過性膜１８及び２５を備えた成長装置２４の特異な構造により、ＳｉＣ供給源材料６の再昇華が実行される。相対的に高速でＳｉＣ供給源材料６から放出された（昇華した）気体材料は、第１の気体透過性膜１８に浸透し、第１の気体透過性膜１８に面している第２の気体透過性膜２５の下面で、第１多結晶ＳｉＣ材料ブロック２６として、結晶化する。そして、第１多結晶ＳｉＣ材料ブロック２６から放出される（昇華する）気体材料は、第２の気体透過性膜２５に浸透した後にＳｉＣ成長気相９の原材料となり、この気相から、結晶成長領域５においてＳｉＣ塊状単結晶２が成長する。第１多結晶ＳｉＣ材料ブロック２６を形成するこの再昇華により、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の成長境界面１６への材料移送が、非常にうまく、主に成長境界面の成長温度とは無関係に、制御される。

【0062】

再昇華を、図３に示す成長装置２４におけるように単一の工程として実行するよりも、多段階工程として実行する方が、成長境界面１６への材料移送を、より細かく制御することができる。このような多段階再昇華の一例として、図４に成長装置２７の実施形態が示されている。ここでは２段階の再昇華が実行される。このために、第３の気体透過性膜２８が、第２の気体透過性膜２５と結晶成長領域５との間に載置される。第３の気体透過性膜２８の空隙率及び厚さは、第１の及び第２の気体透過性膜１８又は２５の対応するパラメータとは異なる。特に、多孔性黒鉛から形成される第３の気体透過性膜２８は、第２の気体透過性膜２５よりも更に低い空隙率を有する。その密度は約１．６ｇ／ｃｍ^３であり、厚さは４ｍｍである。或いは、第３の気体透過性膜２８は、約１．４ｇ／ｃｍ^３の相対密度と６ｍｍの軸方向厚さを有していてもよい。

【0063】

図５に示す実施形態に係る成長装置３０は、成長境界面１６への材料移送を制御する別の手段を備える。成長装置３０においては、被覆されていないＳｉＣ供給領域４には、別の粉末化されたＳｉＣ供給源材料３１が存在し、このＳｉＣ供給源材料３１は、既述した成長装置１，２１，２４及び２７のＳｉＣ供給源材料６に比べて、更に高い粉末粒子嵩密度（＝粒子サイズ）を有し、従って、全体として、ＳｉＣ供給源材料３１の空領域が小さい。図５の実施形態において、粉末化されたＳｉＣ供給源材料３１の密度は,１．３ｇ／ｃｍ^３である。ＳｉＣ供給源材料３１の密度を変えることによって、昇華温度が変更される。密度を高くするほど、ＳｉＣ供給源材料３１の空領域が小さくなり、昇華温度が高くなる。密度を上げることによってより高い昇華温度を設定できる。このようにして、成長装置３０の構造全体の温度、即ち、ＳｉＣ供給源材料３１の温度及び結晶成長領域５の温度、特に成長境界面１６の成長温度、を、成長境界面１６へのＳｉＣ供給源材料３１の移送、及び、成長速度を始めとする他の成長条件を変えることなく、高めることができる。

【0064】

高密度のＳｉＣ供給源材料３１の使用は、例えば、より高速の材料移送及びこれに伴う成長ＳｉＣ塊状単結晶２の欠陥多発といった負の影響を考慮することなく、所望の高成長温度を成長境界面１６に設定することを可能にする、移送影響手段に該当する。

【0065】

成長装置２４，２７及び３０において、ＳｉＣ供給源材料６又は３１への第１ドーピング剤バナジウムによるドーピングが、それぞれ、バナジウム含有混合物２０によって実施される。図示はしないが、成長装置２４，２７及び３０を代替する他の実施形態も可能であり、これらの実施形態においては、バナジウムをバナジウム含有混合物２０から供給するのではなく、代わりに、図２に示すバナジウム含有材料２３が充填された開放ドーピング剤容器２２を用いてもよい。

【0066】

図６は、別の実施形態に係る成長装置３２を示し、この装置は、図１と同様の方式で設計されている。成長装置３２によれば、ＳｉＣ塊状単結晶２に並行して、第２のＳｉＣ塊状単結晶３３が製造される。このために、成長装置１で成長坩堝３の内部に提供されている構造が、成長坩堝３の底から反転させることにより、実質的に二重になっている。従って、成長装置３２は、成長坩堝３４を含有し、成長坩堝３４においては、ＳｉＣ供給領域３５は、底部に配置されるのではなくて、中心軸線１４の方向に見て中央に配置されている。ＳｉＣ供給領域３５の上方に第１結晶成長領域５が配置され、下方には第２結晶成長領域３６が配置される。２つのＳｉＣ塊状単結晶２及び３３のうちの１つが、２つの結晶成長領域５及び３６のそれぞれで成長する。成長坩堝３４の底部に第２のＳｉＣ種結晶３７が配置され、この種結晶の上に、第２のＳｉＣ塊状単結晶３３が、ＳｉＣ供給源材料６により供給され結晶成長領域３６を形成するＳｉＣ成長気相３８から成長する。この際、第２のＳｉＣ塊状単結晶３３の成長境界面３９は、中心軸線１４と平行に向いた成長方向４０の方向に向き、第１のＳｉＣ塊状単結晶の成長方向１９とは逆になる。ＳｉＣ供給領域３４は、頂部で第１の気体透過性膜１８により被覆され、底部で第４気体透過性膜４１により被覆される。従って、ＳｉＣ供給源材料６は、２つの気体透過性膜１８及び４１に挟まれて位置する。

【0067】

全体として、結果的に、成長坩堝３４の内部構造は、ＳｉＣ供給領域３５において中心軸線１４の方向の中央に位置して中心軸線１４を横切る中央軸線の方向の横断面（図６には図示せず）に対して、鏡像であるか又は対称である。

【0068】

それぞれバナジウムでドープされる２つの半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶の成長は、成長装置１に関して既述したとおりに実行される。特に、第２のＳｉＣ塊状単結晶３３の成長境界面３９においても、高バナジウムドーピング剤濃度の無沈殿導入を可能にするために、高い成長温度が設定される。ＳｉＣ塊状単結晶２及び３３の両方に対する２つの気体透過性膜１８及び４１によって、ＳｉＣ供給領域３５から各成長境界面１６又は３９への材料移送の制御分離が実現される。

【0069】

図６の成長装置３２においては、図１〜図５の実施形態における、成長中のＳｉＣ塊状単結晶２の成長進行に従う加熱コイル１２の選択的軸方向移動についてのみ、省略してある。これは、中心軸線１４の方向においてＳｉＣ供給領域３５に対し鏡像であるか又は対称である２つの上部及び下部結晶成長領域５及び３６をもつ構造のためである。

【0070】

成長装置１，２１，２４，２７，３０及び３２により、ほとんど欠陥の無い、高品質の半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶２，３３が製造される。この高品質半絶縁性ＳｉＣ塊状単結晶２，３３から、高品質の半絶縁性ＳｉＣ基板も、また、製造される。この円板形ＳｉＣ基板は、成長方向１９又は４０又は中心軸線１４と直交する軸の方向に、円板として連続的に切り出すことにより、適切なＳｉＣ塊状単結晶２又は３３から得られる。この種のＳｉＣ基板は、大きくて薄い。一例として、その主基板表面は、７．６２ｃｍ以上、例えば１５ｃｍ、の基板直径をもち、基板厚さは約５００μｍである。そして、製造されたＳｉＣ基板は、半絶縁性であり、例えば１×１０^１１Ωｃｍの電気比抵抗を有する。しかしながら、５×１０^１０Ωｃｍ〜３×１０^１１Ωｃｍの範囲における他の抵抗値も得ることができる。バナジウムドーピング剤濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３を超え、具体的には１×１０^１８ｃｍ^−３か２×１０^１８ｃｍ^−３であり、これは、ＳｉＣ全域で測定したバナジウムドーピング剤濃度の全体平均値である。ＳｉＣ基板のバナジウム濃度は、６×１０^１７ｃｍ^−３〜４×１０^１８ｃｍ^−３の範囲からの値である。この高いバナジウムドーピング剤濃度が、半絶縁性ＳｉＣ基板の結晶構造において、実質的に、無沈殿である。このことは、異様に高い局所的バナジウムドーピング剤濃度をもって広がった部分領域が無いことを意味する。ＳｉＣ基板の如何なる１ｍｍ^３体積部分においても、バナジウムドーピング剤濃度の局所最大値は、バナジウムドーピング剤濃度の上記全体平均値を５０％を超えて上回ることはない。ＳｉＣ基板は、従って、巨視的バナジウム沈殿をもたない。ここで、巨視的沈殿は、ランダムな向きの最大幅が１μｍを超えるものとして定義される。この半絶縁性ＳｉＣ基板は、実質的に、例えば４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ又は１５Ｒ−ＳｉＣの、単一ＳｉＣポリタイプのみからなる。更に、ＳｉＣ基板は、ＳｉＣ塊状単結晶２に関して前述したとおり、第２ドーピング剤窒素でドープされる。

【符号の説明】

【0071】

１，２１，２４，２７，３０，３２：成長装置
２，３３：ＳｉＣ塊状単結晶
３，３４：成長坩堝
４，３５：ＳｉＣ供給領域
５，３６：結晶成長領域
６，３１：ＳｉＣ供給源材料
７：坩堝蓋（端部壁）
８，３７：種結晶
９，３８：ＳｉＣ成長気相
１０：断熱層
１１：筒状コンテナ
１２：加熱コイル
１３：坩堝側壁
１４：中心軸線
１６，３９：成長境界面
１７：冷却孔
１８，２５，２８，４１：気体透過性膜
１９，４０：成長方向
２０：バナジウム含有混合物
２２：開放ドーピング剤容器
２３：バナジウム含有材料
２６，２９：多結晶ＳｉＣ材料ブロック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】