特開 2025-59355 坩堝

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025059355

(43)【公開日】2025-04-10

(54)【発明の名称】坩堝

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20250403BHJP

   C30B 23/06 20060101ALI20250403BHJP

【ＦＩ】

C30B29/36 A

C30B23/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023169401

(22)【出願日】2023-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】595009109

【氏名又は名称】ＳＥＣカーボン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(72)【発明者】

【氏名】曾根 真之佑

(72)【発明者】

【氏名】錦織 徳二郎

(72)【発明者】

【氏名】塩見 弘

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 雅英

(72)【発明者】

【氏名】山口 知希

(72)【発明者】

【氏名】小田垣 学

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BE08

4G077DA02

4G077DA18

4G077DA19

4G077EG01

4G077EG02

4G077SA04

4G077SA12

(57)【要約】

【課題】ＳｉＣ単結晶の割れを抑えることができる坩堝を提供する。
【解決手段】坩堝１０は、昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造に用いられる坩堝であって、黒鉛からなる容器１２と、容器１２の上に設けられ、ＳｉＣ種結晶２２を取り付けるための下面１６０を有し、黒鉛からなる蓋１６と、蓋１６とＳｉＣ種結晶２２との間に設けられ、ＳｉＣ単結晶２６よりも割れやすい自己犠牲板１８とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造に用いられる坩堝であって、
黒鉛からなる容器と、
前記容器の上に設けられ、ＳｉＣ種結晶を取り付けるための下面を有し、黒鉛からなる蓋と、
前記蓋と前記ＳｉＣ種結晶との間に設けられ、前記ＳｉＣ単結晶よりも割れやすい自己犠牲板とを備える、坩堝。

【請求項2】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は、前記ＳｉＣ種結晶の硬さよりも小さい硬さを有する、坩堝。

【請求項3】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は、前記ＳｉＣ種結晶の破壊強度よりも小さい破壊強度を有する、坩堝。

【請求項4】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は、１．５ｍｍ以下の厚さを有する、坩堝。

【請求項5】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は黒鉛からなる、坩堝。

【請求項6】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板はＣＩＰ材からなる、坩堝。

【請求項7】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は、前記蓋の下面に対向する上面を有し、前記上面は１又は２以上のけがきを有する、坩堝。

【請求項8】

請求項１に記載の坩堝であってさらに、
前記ＳｉＣ種結晶を支持するための支持部を備える、坩堝。

【請求項9】

請求項１に記載の坩堝であって、
前記蓋は、
前記下面を有する円形の台座を含む、坩堝。

【請求項10】

請求項９に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板はＣＩＰ材からなり、前記台座は押出材からなる、坩堝。

【請求項11】

請求項９に記載の坩堝であって、
前記自己犠牲板は、前記台座の直径よりも大きい直径を有する、坩堝。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、坩堝に関し、より具体的には、昇華法によるＳｉＣ（Silicon Carbide；炭化珪素）単結晶の製造に用いられる坩堝に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００７－２９０８８０号公報（特許文献１）、特開２０１１－１９５３６０号公報（特許文献２）、及び特開２０１５－３６３４８号公報（特許文献３）は、昇華法によりＳｉＣ単結晶を製造するときに用いられる坩堝を開示する。

【0003】

特開２０１５－１３１７４８号公報（特許文献４）は、炭化珪素単結晶の製造方法を開示する。この製造方法は、種基板と台座とを応力緩衝層を介して固定する工程と、種基板上に炭化珪素単結晶を成長させる工程と、応力緩衝層において炭化珪素単結晶と台座とを切り離す工程と、切り離す工程後の炭化珪素単結晶に付着している応力緩衝層の残渣を除去する工程とを備える。応力緩衝層は、種基板を構成する炭化珪素よりも低硬度であり、加工が容易である。そのため、切り離す工程において、応力緩衝層において炭化珪素単結晶と台座とを切り離すことにより、炭化珪素単結晶と台座とを容易に切り離すことができる、とされている。応力緩衝層は、種基板や炭化珪素単結晶と比べて硬度が低く、柔軟性および伸縮性の高い材料から構成されている。応力緩衝層を構成する材料は、たとえば黒鉛シートである。

【0004】

特開２０１４－１５９３４７号公報（特許文献５）は、炭化珪素単結晶基板の製造装置を開示する。この製造装置は、原料収容部と、種基板保持部とを備える。種基板保持部は、互いに対向する第１の主面および第２の主面を有する板部と、板部の第１の主面に接する本体部と、板部を本体部に固定する接続部とを含む。板部の厚みは本体部の厚みより小さい。この製造装置によれば、炭化珪素単結晶の成長中において種基板を構成する材料と板部を構成する材料との熱膨張量の違いに起因して種基板および種基板上に成長する炭化珪素単結晶に発生する応力を、板部が種基板の変形に応じて変形することにより、効率的に低減することができる、とされている。

【0005】

ＷＯ２０１６／００６４４２Ａ１（特許文献６）は、炭化珪素単結晶の製造方法を開示する。この製造方法は、接着部と、接着部の周縁の少なくとも一部に段差部とを有する支持部材を準備する工程と、段差部に緩衝材を配置する工程と、を備え、接着部と緩衝材とは支持面を構成し、さらに、支持面上に種結晶を配置するとともに、接着部と種結晶とを接着する工程と、種結晶上に単結晶を成長させる工程と、を備える。この製造方法では、接着部の周縁の少なくとも一部（たとえば支持部材においてＳｉＣ単結晶の外周に対応する部位）に段差部を設けて、当該段差部に緩衝材（たとえば黒鉛シート）を配置する。そうすることで種結晶の外周近傍に生じる熱応力を効率的に緩和できる、とされている。

【0006】

特開２０１５－１９３４９４号公報（特許文献７）は、炭化珪素インゴットの製造方法を開示する。この製造方法は、炭化珪素種結晶を準備する工程と、台座上に炭化珪素種結晶を固定する工程とを備えている。炭化珪素種結晶を固定する工程は、第１の接着剤が台座上に配置され、台座との間に第１の接着剤を挟んで緩衝部材が配置される第１の固定工程と、第２の接着剤が緩衝部材上に配置され、緩衝部材との間に第２の接着剤を挟んで炭化珪素種結晶が配置される第２の固定工程とを含んでいる。この製造方法は、さらに、炭化珪素種結晶において台座と反対側の結晶成長面上に炭化珪素層を成長させる工程を備えている。炭化珪素種結晶と台座との間に緩衝部材を配置することにより、炭化珪素種結晶および台座の熱膨張率の差に起因した歪を緩衝させることができる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００７－２９０８８０号公報

【特許文献2】特開２０１１－１９５３６０号公報

【特許文献3】特開２０１５－３６３４８号公報

【特許文献4】特開２０１５－１３１７４８号公報

【特許文献5】特開２０１４－１５９３４７号公報

【特許文献6】ＷＯ２０１６／００６４４２Ａ１

【特許文献7】特開２０１５－１９３４９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記特許文献４～７はいずれも、ＳｉＣ単結晶（以下、「成長結晶」という場合もある。）にかかる応力を緩衝、低減又は緩和する手段を開示するものであるが、以下はこれに代わる手段を開示するものである。

【0009】

本開示の目的は、ＳｉＣ単結晶の割れを抑えることができる坩堝を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示による坩堝は、昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造に用いられる坩堝であって、黒鉛からなる容器と、前記容器の上に設けられ、ＳｉＣ種結晶を取り付けるための下面を有し、黒鉛からなる蓋と、前記蓋と前記ＳｉＣ種結晶との間に設けられ、前記ＳｉＣ単結晶よりも割れやすい自己犠牲板とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１による坩堝の構造を示す断面図である。

【図2】実施形態２による坩堝における蓋及び自己犠牲板の構造を示す断面図である。

【図3】実施形態３による坩堝における蓋及び自己犠牲板の構造を示す断面図である。

【図4】直径１５０ｍｍの自己犠牲板及び成長結晶にかかる応力を示すグラフである。

【図5】直径２００ｍｍの自己犠牲板及び成長結晶にかかる応力を示すグラフである。

【図6】直径２５０ｍｍの自己犠牲板及び成長結晶にかかる応力を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜実施形態の概要＞
本実施形態による坩堝は、昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造に用いられる坩堝であって、黒鉛からなる容器と、容器の上に設けられ、ＳｉＣ種結晶を取り付けるための下面を有し、黒鉛からなる蓋と、蓋とＳｉＣ種結晶との間に設けられ、ＳｉＣ単結晶よりも割れやすい自己犠牲板とを備える。

【0013】

本実施形態による坩堝は自己犠牲板を備えているため、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板が割れる。その結果、ＳｉＣ単結晶の割れを抑えることができる。

【0014】

自己犠牲板は、ＳｉＣ種結晶の硬さよりも小さい硬さを有していてもよい。

【0015】

自己犠牲板は、ＳｉＣ種結晶の破壊強度よりも小さい破壊強度を有していてもよい。この場合、ＳｉＣ単結晶よりも自己犠牲板の方が割れやすいため、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板が割れる。

【0016】

自己犠牲板は、１．５ｍｍ以下の厚さを有していてもよい。この場合、自己犠牲板が薄いため、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板が割れる。

【0017】

自己犠牲板は黒鉛からなっていてもよい。

【0018】

自己犠牲板はＣＩＰ（Cold Isostatic Press；冷間静水圧プレス）材からなっていてもよい。

【0019】

自己犠牲板は、蓋の下面に対向する上面を有し、その上面は１又は２以上のけがきを有していてもよい。この場合、自己犠牲板はけがきを起点として割れやすい。

【0020】

坩堝はさらに、容器と蓋との間に設けられ、ＳｉＣ種結晶を支持するための支持部を備えていてもよい。

【0021】

蓋は、蓋の下面を有する円形の台座を含んでいてもよい。

【0022】

自己犠牲板はＣＩＰ材からなっていてもよく、また、台座は押出材からなっていてもよい。ＣＩＰ材の熱膨張係数はＳｉＣ単結晶よりも大きく、押出材の熱膨張係数はＳｉＣ単結晶よりも小さい。ＳｉＣ単結晶の成長を完了した後の降温過程において、自己犠牲板が押出材からなる場合、ＳｉＣ単結晶に引張応力がかかるが、自己犠牲板がＣＩＰ材からなる場合、ＳｉＣ単結晶に圧縮応力がかかる。ＳｉＣ単結晶は、引張応力よりも圧縮応力に強い。そのため、自己犠牲板がＣＩＰ材からなる場合、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板が割れ、ＳｉＣ単結晶は割れにくい。一方、熱伝導率はＣＩＰ材よりも押出材の方が高い。ＳｉＣ種結晶を冷却して結晶成長速度を大きくするためには、台座はＣＩＰ材よりも押出材からなる方が好ましい。したがって、自己犠牲板がＣＩＰ材からなり、かつ、台座が押出材からなる場合、ＳｉＣ単結晶は割れにくくなり、かつ、結晶成長速度は大きくなる。また、高価なＣＩＰ材の使用量を少なくすることができる。

【0023】

自己犠牲板は、台座の直径よりも大きい直径を有していてもよい。この場合、台座から突出した自己犠牲板が障壁として機能し、台座の周りに成長したＳｉＣ多結晶がＳｉＣ種結晶上に成長したＳｉＣ単結晶まで到達するのを妨げることができる。

【0024】

＜実施形態の詳細＞
以下、図面を参照し、実施形態による坩堝を詳細に説明する。図中、同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0025】

＜実施形態１＞
＜坩堝の構造＞
図１を参照して、実施形態１による坩堝１０は、昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造に用いられる坩堝であって、容器１２と、支持部１４と、蓋１６と、自己犠牲板１８とを備える。容器１２、支持部１４、及び蓋１６はいずれも、黒鉛からなる。

【0026】

容器１２は、粉末状のＳｉＣ原料２０を投入するためのものである。容器１２は、底１２０と、底１２０の周縁から上方に延びるように設けられる側壁１２２とを含む。蓋１６は、容器１２の上に設けられ、ＳｉＣ種結晶２２を取り付けるための下面１６０を有する。蓋１６は、台座１６２を含む。台座１６２は、ほぼ円形で、蓋１６の下面１６０を有する。支持部１４は、ＳｉＣ種結晶２２を支持するためのものである。自己犠牲板１８は、蓋１６とＳｉＣ種結晶２２との間に設けられ、成長したＳｉＣ単結晶よりも割れやすい。

【0027】

支持部１４の上面は、ＳｉＣ種結晶２２を下方から支持し、かつ、ＳｉＣ種結晶２２を上方に向かって押さえ付けるようにしてもよい。支持部１４の断面形状も、長方形や直角三角形、台形等、形状に制限はない。

【0028】

自己犠牲板１８は、ＳｉＣ種結晶２２の硬さよりも小さい硬さを有する。自己犠牲板１８は、ＳｉＣ種結晶２２の破壊強度よりも小さい破壊強度を有する。自己犠牲板１８は、ＳｉＣ種結晶２２の厚さよりも小さい厚さを有する。自己犠牲板１８は、１．５ｍｍ以下、好ましくは１．４ｍｍ以下、さらに好ましくは１．３ｍｍ以下の厚さを有する。自己犠牲板１８の厚さは、好ましくは０．１ｍｍ以上である。自己犠牲板１８の厚さは、たとえば１．５ｍｍ、１．４ｍｍ、１．３ｍｍ、１．２ｍｍ、１．１ｍｍ、１．０ｍｍ、０．９ｍｍ、０．８ｍｍ、０．７ｍｍ、０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、又は０．１ｍｍである。自己犠牲板１８の直径は、特に限定されないが、たとえば１５０～３００ｍｍである。

【0029】

自己犠牲板１８は黒鉛からなる。自己犠牲板１８はＣＩＰ材からなる。自己犠牲板１８はＣＩＰ材からなるが、蓋１６は押出材からなる。

【0030】

ここで、自己犠牲板１８を蓋１６に取り付ける方法の一例を説明する。

【0031】

最初に、接着剤を蓋１６に塗布する。次に、接着剤が付いた蓋１６の下面１６０上に自己犠牲板１８を載せる。次に、自己犠牲板１８の表面を研磨する。次に、ＳｉＣ種結晶２２を自己犠牲板１８（の下面）上に載せる。最後に、ＳｉＣ種結晶２２を支持部１４の支持台１４２で押さえ付ける。接着剤には、自己犠牲板１８が割れやすいように、高温で炭化して接着力が減少又は消滅するものを用いる。接着力が消滅すると、自己犠牲板１８は蓋１６から自由になる。このように昇温過程において成長結晶（ＳｉＣ単結晶）と自己犠牲板１８は自由になるが、成長結晶と自己犠牲板１８との間に外周１ｍｍ幅程度の領域で多結晶の固着層が成長する。そのため、外周１ｍｍ幅だけの領域で成長結晶と自己犠牲板１８とが固着し、この固着領域を起点として自己犠牲板１８が割れる。そのため、ＳｉＣ種結晶２２上に成長したＳｉＣ単結晶にかかる応力が緩和され、ＳｉＣ単結晶は割れにくい。よって、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板１８が割れやすい。

【0032】

次に、坩堝１０を用い、昇華法によりＳｉＣ単結晶を製造する方法の一例を説明する。ＳｉＣ単結晶の成長には、昇華再結晶法（レーリー法）が用いられる。昇華再結晶法は、坩堝１０の下部と上部との間に温度勾配をつけ、投入されたＳｉＣ原料２０を高温（２０００℃以上）で加熱・昇華させ、台座１６２に設置されたＳｉＣ種結晶２２上に再結晶化させることによりＳｉＣ単結晶を成長させる方法である。

【0033】

以上のとおり、実施形態１による坩堝１０は自己犠牲板１８を備えているため、ＳｉＣ単結晶が割れる前に自己犠牲板１８が割れる。その結果、ＳｉＣ単結晶の割れを抑えることができる。

【0034】

＜実施形態２＞
図２を参照して、実施形態２による坩堝では、自己犠牲板１８は、蓋１６の下面１６０に対向する上面を有し、その上面は１又は２以上のけがき１８０を有する。自己犠牲板１８を上方から見て、けがき１８０は、直線、折れ線、曲線、又はそれらの組合わせでもよい。けがき１８０は、短いもの、長いもの、又はそれらの組合わせでもよい。けがき１８０は、自己犠牲板１８の周縁に多く形成されていてもよく、中心に多く形成されていてもよく、あるいは全体に万遍なく形成されていてもよい。自己犠牲板１８にけがき１８０が形成されているため、自己犠牲板１８はけがき１８０を起点として割れやすい。

【0035】

＜実施形態３＞
図３を参照して、実施形態３による坩堝では、自己犠牲板１８は、台座１６２の直径よりも大きい直径を有する。自己犠牲板１８の周縁は、台座１６２の周縁よりも外側に達している。この場合、台座１６２から突出した自己犠牲板１８が障壁として機能し、台座１６２の周りの空間２４内で成長したＳｉＣ多結晶が成長したＳｉＣ単結晶２６まで到達するのを妨げることができる。

【0036】

自己犠牲板１８が設けられていないと、ＳｉＣ単結晶２６が成長する一方で、台座１６２の外周の空間２４内にＳｉＣ多結晶が形成され、台座１６２と成長したＳｉＣ単結晶２６との間に固着層が形成されてしまう場合がある。固着層が形成されてしまうと、坩堝１０が室温まで冷却された時に成長したＳｉＣ単結晶２６が割れてしまう場合がある。この原因は、台座１６２とＳｉＣ単結晶２６との間に熱膨張係数の差があるためである。押出材とＳｉＣ単結晶２６との間の熱膨張係数の差は、ＣＩＰ材とＳｉＣ単結晶２６との間の熱膨張係数の差よりも大きい。台座１６２が押出材からなると、ＳｉＣ単結晶が割れやすくなる。そのため、自己犠牲板１８はＣＩＰ材からなる。

【実施例0037】

自己犠牲板１８の厚さが２ｍｍ、１ｍｍ、０．８ｍｍ、及び０．５ｍｍの場合において、自己犠牲板１８が割れるか否かについて実験を行った。その結果を表１に示す。

【0038】

【表1】

【0039】

＜実験条件＞
実験には、実施形態１による坩堝１０を用いた。蓋を含む坩堝は、押出材からなる。自己犠牲板はＣＩＰ材からなる。自己犠牲板の直径は１５０ｍｍである。成長したＳｉＣ単結晶（成長結晶）の厚さは１０ｍｍである。自己犠牲板の線膨張係数は、温度依存性があり、異方性はなく、等方性がある。自己犠牲板の弾性定数は、等方性があり、温度依存性はない。自己犠牲板のヤング率は９．８ＭＰａであり、ポアソン比は０．２である。成長結晶の線膨張係数は、温度依存性があり、異方性はなく、等方性がある。成長結晶の弾性定数は、等方性があり、温度依存性はない。成長結晶のヤング率は５００ＭＰａであり、ポアソン比は０．２１である。成長結晶と自己犠牲板との間には外周１ｍｍ幅で固着層が存在する。ＳｉＣ原料を坩堝に投入し、２３００℃で加熱・昇華させ、ＳｉＣ種結晶上に再結晶させることによりＳｉＣ単結晶を成長させた。その後、温度を２３００℃から室温まで下げた。

【0040】

表１に示されるように、２．０ｍｍの自己犠牲板１８は割れなかったが、１．０ｍｍ、０．８ｍｍ、及び０．５ｍｍの自己犠牲板１８は割れた。

【0041】

また、自己犠牲板及び成長結晶内に発生する応力（ミーゼスの相当応力）のシミュレーションを行った。その結果を表２及び図４～図６に示す。

【0042】

【表2】

【0043】

図４～図６のグラフを大局的にみれば、成長結晶にかかる応力は、自己犠牲板が薄いほど小さくなることがわかった。つまり、自己犠牲板が薄いほど、成長結晶が割れにくくなり、自己犠牲板が割れやすくなる、ことがわかった。また、自己犠牲板及び成長結晶にかかる応力は、成長結晶の直径にほとんど依存しないことがわかった。したがって、成長結晶の直径に関係なく、自己犠牲板の厚さが１．５ｍｍ以下であれば、成長結晶が割れにくくなり、自己犠牲板が割れやすくなる、ことがわかった。

【0044】

以上のとおり、自己犠牲板の厚さを最適化すれば、どのような直径を持った成長結晶であっても、自己犠牲板を割れやすくすることにより、成長結晶を割れにくくすることができる。

【0045】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲内で変形可能である。

【符号の説明】

【0046】

１０ ：坩堝
１２ ：容器
１４ ：支持部
１６ ：蓋
１８ ：自己犠牲板
２２ ：ＳｉＣ種結晶
２６ ：ＳｉＣ単結晶
１６０：下面
１６２：台座

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】