[0001] 本公开涉及坩埚和制造单晶体的方法。

[0002] 诸如碳化硅单晶体这样的单晶体可以通过升华法来制得，通过升华法，原料得以升华，且在坩埚中的种晶上再结晶。例如，参见日本未审的专利特开2005-225710号公报、美国专利5683507号、日本未审的专利特开2008-074662号公报、日本未审的专利特开2013-166672号公报、日本未审的专利特开2004-352590号公报、日本未审的专利特开2010-248039号公报、日本未审的专利特开2010-275190号公报、日本未审的专利特开2007-077017号公报和日本未审的专利特开2005-053739号公报。

[0012] 首先，下文对本公开的实施例进行说明。

[0013] 根据本公开的实施例的坩埚具有底部和筒状的侧表面。在坩埚中，使原料升华从而生长单晶体。坩埚包括被构造为接收原料的第三区域、在远离底部的方向上从第三区域延伸的第二区域和在远离底部的方向上从第二区域延伸的第一区域。坩埚包括位于侧表面的内侧的第一壁和第二壁。第一壁包围第一区域，且第二壁包围第二区域。坩埚包括位于第一壁与侧表面之间的第一室和位于第二壁与侧表面之间的第二室。第一壁上的水平对向部分之间的距离是恒定的，或随着第一壁上的水平对向部分接近底部，第一壁上的水平对向部分之间的距离增加。随着第二壁上的水平对向部分接近底部，第二壁上的水平对向部分之间的距离增加。第一壁相对于垂直于底部的方向的倾斜角α小于第二壁相对于垂直于底部的方向的倾斜角β。倾斜角α为30度或更小。倾斜角β为70度或更小。倾斜角β与倾斜角α之间的差值为50度或更小。第一室包括隔热件。第二室是空的。

[0014] 在利用升华法制造单晶体时使用的坩埚中，优选地，对于垂直于单晶体生长方向的方向上的内部空间的横截面积而言，其在用于保持原料的区域中的面积大于在用于保持种晶的区域中的面积。这是因为，通过收集由原料的升华生成的气体并将收集的气体供应给种晶，从而可以提高生长效率。然而即使具有这种结构，在种晶上生长单晶体的步骤中也可能产生以下问题。

[0015] 首先，可以通过再结晶形成与在坩埚的内部空间的中央部附近(与包围坩埚的内部空间的壁部分离的区域)的原料接触的结晶块。结晶块阻碍原料的升华。这就降低了每单位时间供应的气体量，即，向种晶的气体供应速度。有些情况下，这会降低单晶体的生长速度。

[0016] 此外，单晶体的品质可能会由于许多缺陷而降低。

[0017] 在根据本公开的坩埚中，第一室包括隔热件。隔热件降低第一室的导热率。辐射在例如高达2000℃的温度范围内都具有显著影响。第一室中的隔热件可以阻挡辐射。隔热件减小第一室中的热传输。因此，隔热件减小从第一室至第一区域的辐射热量的效果。这就减小了第一区域中在与晶体生长方向垂直的方向上的温差。这就在单晶体生长期间减小了单晶体的径向端部与中央部之间的厚度差。这就减小了单晶体中的应变。因此，在单晶体中，由应变导致的缺陷较少。

[0018] 在根据本公开的坩埚中，第二室是空的。辐射在例如高达2000℃的温度范围内都具有显著影响。空的第二室不阻挡辐射。因此，热量容易在第二室中进行传输。这就增加了从第二壁部至坩埚的内部空间的中央部附近的原料的辐射热。这就抑制在中央部附近的温降，且抑制了结晶块在中央部附近形成。这也抑制单晶体生长速度的降低。

[0019] 因此，在根据本公开实施例的坩埚中可以抑制生长速度的降低，且可以减少所制得的单晶体中的缺陷的数量。

[0020] 坩埚的倾斜角α可以为5度或更小。坩埚的倾斜角β可以为20度或更大。坩埚的倾斜角β可以为50度或更小。

[0021] 在坩埚中，第一室可以包括一体式隔热件。在坩埚中，第一室可以包括径向堆叠的隔热件。在坩埚中，第一室可以包括在垂直于底部的方向上堆叠的隔热件。

[0022] 坩埚可以还包括盖部，该盖部用于覆盖坩埚的开口。盖部可以具有保持部，该保持部用于将种晶保持在该保持部面对底部的表面上。

[0023] 根据本公开另一个实施例的坩埚具有底部和筒状的侧表面。在坩埚中，使原料升华从而生长单晶体。坩埚包括构造为接收原料的第三区域、在远离底部的方向上从第三区域延伸的第二区域和在远离底部的方向上从第二区域延伸的第一区域。坩埚包括位于侧表面的内侧的第一壁和第二壁。第一壁包围第一区域，且第二壁包围第二区域。坩埚包括位于第一壁与侧表面之间的第一室和位于第二壁与侧表面之间的第二室。第一壁上的水平对向部分之间的距离是恒定的，或随着水平对向部分接近底部而增加。随着第二壁上的水平对向部分接近底部，第二壁上的水平对向部分之间的距离增加。第一壁相对于与底部垂直的方向的倾斜角α为5度或更小。第二壁相对于与底部垂直的方向的倾斜角β在20度～50度的范围内。第一室包括径向堆叠的隔热件。第二室是空的。

[0024] 在根据本公开实施例的单晶体的制造方法中使用所述坩埚。该制造方法包括：将原料放入第三区域的至少一部分中；将种晶放在保持部上；使原料升华，从而在种晶上生长单晶体；以及将种晶与单晶体分开。根据本公开实施例的单晶体的制造方法可以在抑制生长速度降低的同时制造缺陷数目较少的单晶体。

[0025] 在单晶体的制造方法中，将种晶放在保持部上的步骤可以包括将种晶放在第一区域中。使原料升华、从而在种晶上生长单晶体的步骤可以包括将单晶体生长限制在第一区域中。可以制造缺陷数目较少的的单晶体。

[0026] 在单晶体的制造方法中，种晶可以为碳化硅基板，原料可以为碳化硅粉末，且单晶体可以为碳化硅单晶体。

[0027] [本公开实施例的详细说明]

[0028] 下面将对根据本公开实施例的坩埚和制造单晶体的方法进行说明。下面将对根据实施例的碳化硅单晶体的制造进行说明。在实施例中，整个附图的相同的部分由相同的附图标记表示且将不再对其进行说明。

[0029] 如在图1和图2中所示，在根据实施例的坩埚1中，使原料升华且在种晶上再结晶。由此，在种晶上生长单晶体。坩埚1包括位于一端处的底部70和从底部70延伸的筒状的侧表面75。坩埚1包括在另一端具有开口的筒状主体20和用于覆盖开口的盘状盖10。盖10和主体20可以由碳制成。更具体地，盖10和主体20可以由石墨制成。盖10可以安装到主体20以及与主体20分开。通过使作为盖10的外周的一部分的盖接触表面12与作为主体20的内周的一部分的主体接触表面21相接触，从而可以将盖10固定至主体20。盖接触表面12和主体接触表面21可以具有螺旋形的螺纹沟槽。盖10包括从其主表面的中央部突出的保持部11。当使盖10安装到主体20时，保持部11设置在筒状主体20的中心轴线A上。中心轴线A垂直于底部70。单晶体沿中心轴线A生长。用于保持种晶的保持表面11A设置在保持部11的顶端上。

[0030] 坩埚1包括第一区域30，该第一区域30在单晶体生长方向上(沿中心轴线A)从保持部11延伸。第一区域30由第一壁部32包围，该第一壁部32从主体20的内周表面朝向中心轴线A突出。第一壁部32上的水平对向部分之间的距离、即第一壁部32的内壁表面32A上的水平对向部分之间的距离随着距保持部11的距离而逐渐增加。换而言之，随着第一壁部32上的水平对向部分接近底部70，第一壁部32上的水平对向部分之间的距离逐渐增加。从另一角度来看，随着垂直于中心轴线A的第一区域30的横截面积与保持部11的距离的增加，第一区域30的横截面积也逐渐增加。在包括中心轴线A的横截面中，第一壁部32的内壁表面32A与单晶体生长方向(中心轴线A的方向)之间的角度为倾斜角α(下文中也简称作角α)。换而言之，倾斜角α为在垂直于底部70的方向与第一壁部32之间的角。

[0031] 坩埚1包括第二区域40，该第二区域40在单晶体生长方向上(沿中心轴线A)和远离保持部11的方向上从第一区域30延伸。第二区域40由第二壁部42包围，该第二壁部42从主体20的内周表面朝向中心轴线A突出。垂直于中心轴线A的方向上的第二壁部42上的水平对向部分之间的距离、即第二壁部42的内壁表面42A上的水平对向部分之间的距离随着距第一区域30的距离而逐渐增加。换言之，第二壁部42上的水平对向部分之间的距离随着水平对向部分接近底部70而逐渐增加。从另一个角度看，垂直于中心轴线A的第二区域40的横截面积随着距第一区域30的距离而逐渐增加。在包括中心轴线A的横截面中，第二壁部42的内壁表面42A与单晶体生长方向(中心轴线A的方向)之间的角度为倾斜角β(下文中也简称作角β)。换而言之，倾斜角β为在垂直于底部70的方向与第二壁部42之间的角。

[0032] 坩埚1包括第三区域50，该第三区域50在单晶体生长方向上(沿中心轴线A)和远离第一区域30的方向上从第二区域40延伸。第三区域50能够保持原料粉末。第三区域50由第三壁部52包围。第三壁部52上的水平对向部分之间的距离、即第三壁部52的内壁表面52A上的水平对向部分之间的距离沿中心轴线A是恒定的。换而言之，垂直于中心轴线A的第三区域50的横截面积沿中心轴线A是恒定的。第三壁部52和第二壁部42整体接合在一起，且其间没有间隙。

[0033] 坩埚1可以包括围绕保持部11的第四区域60。第四区域60通过通道空间61与第一区域30连通。

[0034] 第一壁部32包括第一室31。第一室31为围绕第一区域30的环状空间。第一室31包括隔热件91。隔热件91可以由碳毡构成。在本实施例中，将带状隔热件91的两端接合，使多个(在图2中为五个)环状隔热件91层叠。如在图2中所示，用隔热件91填充第一室31。在垂直于单晶体生长方向(中心轴线A的方向)的方向上对隔热件91进行堆叠。
可以在垂直于单晶体生长方向(中心轴线A的方向)的方向上对多匝带状隔热件91进行堆叠。第一室31不一定要用隔热件91填充。第一室31的内壁与隔热件91之间可以有间隙。可以使第一壁部32附接到坩埚1的侧表面75和与坩埚1的侧表面75分开。这种结构使得隔热件91更容易进行放置。

[0035] 第二壁部42包括第二室41。第二壁部42的内壁41A的每个区域面对内壁41A的相反区域，其间夹有空的空间。第二室41为围绕第二区域40的环状空间。第二室41不包括隔热件。因此，第二室41是空的。

[0036] 如下所述对根据实施例的坩埚1的结构进行了概述。坩埚1具有底部70和筒状的侧表面75。在坩埚1中，使原料升华从而生长单晶体。坩埚1包括构造为接收原料的第三区域50、在远离底部70的方向上从第三区域50延伸的第二区域40和在远离底部70的方向上从第二区域40延伸的第一区域30。包围第一区域30的第一壁部32和包围第二区域40的第二壁部42位于侧表面75的内侧。第一室31位于第一壁部32与侧表面75之间。第二室41位于第二壁部42与侧表面75之间。在第一壁部32上的水平对向部分之间的距离是恒定的，或随着水平对向部分接近底部70而增加。在第二壁部42上的水平对向部分之间的距离随着水平对向部分接近底部70而增加。第一壁部32相对于与底部70垂直的方向的倾斜角α小于第二壁部42相对于与底部70垂直的方向的倾斜角β。倾斜角α为30度或更小。倾斜角β为70度或更小。倾斜角β与倾斜角α之间的差为50度或更小。第一室31包括隔热件91。第二室41是空的。

[0037] 下面将对在坩埚1中制造碳化硅单晶体的方法进行说明。如在图3中所示，根据本实施例的制造碳化硅单晶体的方法包括步骤(S10)～步骤(S50)。在步骤(S10)中制备坩埚。在步骤(S10)中制备坩埚1。

[0038] 在步骤(S20)中，放入原料粉末。在步骤(S20)中，如在图4中所示，将原料粉末82作为原料放入坩埚1的第三区域50中。原料粉末82为碳化硅粉末。更具体地，在移除盖10时，将原料粉末82放入主体20中。

[0039] 在步骤(S30)中，放入种晶。在步骤(S30)中，将种晶81放在保持部11上。更具体地，例如，将种晶81固定至从主体20移除的盖10的保持部11。然后将盖10附接至主体20。由此，将种晶81设置在与坩埚1的中心轴线A交叉的区域中。通过步骤(S10)～步骤(S30)，将原料粉末82和种晶81放入坩埚1中。

[0040] 步骤(S40)包括升华-再结晶。在步骤(S40)中，使原料粉末82升华并在种晶81上再结晶。更具体地，例如，将包括原料粉末82和种晶81的坩埚1放入配备有诱导加热设备的加热炉(未示出)中。在加热炉中对坩埚1进行加热。如在图5中所示，使原料粉末82升华从而产生碳化硅原料气体。在使原料气体集中在中心轴线A周围的同时，使原料气体通过第三区域50和第二区域40到达第一区域30。这是因为在第二壁部42上的水平对向部分间的距离，即在第二壁部42的内壁面42A上的水平对向部分间的距离从第三区域50到第一区域30逐渐降低。

[0041] 将到达第一区域30的原料气体供应给种晶81。使原料气体在种晶81上再结晶。由此，在种晶81上形成碳化硅单晶体83。随着原料粉末持续地升华，单晶体83沿中心轴线A生长。由此，单晶体83向底部70生长。在预定的加热时间后停止加热。由此，完成步骤(S40)。

[0042] 在步骤(S50)中，对单晶体进行收集。在步骤(S50)中，将在步骤(S40)中在坩埚1中生长的单晶体从坩埚1中移除。更具体地，在于步骤(S40)中加热后，将坩埚1从加热炉中移除。然后将坩埚1的盖10从主体20移除。从盖10收集单晶体83。更具体地，例如，在单晶体83与种晶81间的边界线附近将单晶体83切断。通过这些步骤制造单晶体。
可以将单晶体切割成多个碳化硅基板。可以将碳化硅基板用于制造半导体装置。

[0043] 如上所述，根据实施例的坩埚1的第一室31包括隔热件91。隔热件91降低第一室31的导热率。例如辐射在直至2000℃的温度范围内都具有重大的影响。在第一室31中的隔热件91可以阻挡辐射。隔热件91减小第一室31中的热传输。由此，隔热件91减小从第一室31至第一区域30的辐射热的效果。这能够降低在第一区域30中在垂直于中心轴线A的方向(单晶体83的径向方向)上的温差。这可以在生长期间减小在单晶体83的径向端部与中央部之间的厚度差(例如，3mm或更小)。由此，单晶体83中的应变和缺陷的数量都得以降低。

[0044] 坩埚1的第二壁部42包括第二室41。第二壁部42的内壁41A的每个区域面对内壁41A的相反区域，其间夹有空的空间。坩埚1的第二壁部42包括不包括隔热件91的空的第二室41。例如辐射在直至2000℃的温度范围内都具有重大的影响。空的第二室41不阻挡辐射。因此，热容易在第二室41中进行传输。这增加从第二壁部42至在坩埚1的内部空间的中央部附近(在中心轴线A周围)的原料粉末82的辐射热。这抑制中央部附近温度的降低。由此，在中央部附近抑制由于再结晶导致的结晶块的形成。

[0045] 在坩埚1中，第三壁部52和第二壁部42接合在一起而在其间没有间隙。由此，通过第二区域40可以在没有显著损失的情况下将在第三区域50中生成的原料气体供应至第一区域30。这可以抑制单晶体83的生长速度的降低。

[0046] 在与单晶体83的生长方向(中心轴线A的方向)垂直的方向上对隔热件91进行堆叠。换而言之，在坩埚1的径向方向上对隔热件91进行堆叠。由此，隔热件91可以提高在垂直于中心轴线A的方向上的隔热性质。这减小在第一区域30中的单晶体83的径向方向(垂直于中心轴线A的方向上)上的温差。这可以在生长期间减小在单晶体83的径向端部与中央部之间的厚度差。因此，由此生长的单晶体83具有带有减少的应变和减少数目的缺陷的高品质。

[0047] 坩埚1可以包括第四区域60。没有参与单晶体83的正常生长的部分原料气体通过通道61流入到第四区域60中。第四区域60中的原料气体在第四区域60中再结晶。这可以防止没有参与单晶体83的正常生长的部分原料气体在单晶体83的侧表面上再结晶从而在单晶体83上形成多晶体。因此，由此生长的单晶体83具有高品质。

[0048] 如上所述，可以使用根据实施例的坩埚1制造具有减少数目的缺陷而生长速度不显著降低的单晶体83。

[0049] 倾斜角α可以为5度或更小。角α可以为0度。换而言之，在第一壁部32上的水平对向部分之间的距离可以是恒定的。这能够抑制由于单晶体生长导致的单晶体直径的增加。这能够减小由于单晶体生长导致的单晶体中的应变累积以及减小缺陷和裂纹的数目。

[0050] 角β可以为20度或更大。这允许从更宽的区域将原料气体供应至第一区域30。这能够进一步抑制单晶体83的生长速度的降低。

[0051] 在根据本实施力的制造单晶体的方法中，在生长单晶体83的步骤(S40)中，优选将单晶体83的生长限制到第一区域30。在第一区域30中，能够降低单晶体83的径向方向上的温差。由此，通过将单晶体83的生长限制在第一区域30中能够降低单晶体83中的应变。结果，由此制造的单晶体83具有高品质。

[0052] 第一变形例

[0053] 如在图6中所示，根据实施例的坩埚1和根据第一变形例的坩埚1在隔热件的结构方面不同。更具体地，在根据第一变形例的坩埚1中，第一室31包括一体式隔热件91。根据第一变形例的坩埚1也能够用于制造具有减少数目的缺陷而生长速度不显著降低的单晶体。同样在第一变形例中，第一室31的内壁与隔热件91之间可以具有间隙。根据第一变形例的坩埚1可以用于制造碳化硅单晶体。

[0054] 第二变形例

[0055] 如在图7中所示，根据实施例的坩埚1和根据第二变形例的坩埚1在隔热件的结构方面不同。更具体地，在根据第二变形例的坩埚1中，在第一室31中在单晶体生长方向上(中心轴线A的方向上)对隔热件91进行堆叠。换而言之，在垂直于底部70的方向上对多个隔热件91进行堆叠。根据第二变形例的坩埚1也可以用于制造具有减少数目的缺陷而生长速度不显著降低的单晶体。同样在第二变形例中，第一室31的内壁与隔热件91之间可以有间隙。根据第二变形例的坩埚1可以用于制造碳化硅单晶体。

[0056] 已经用实施例对碳化硅单晶体的制造进行了说明。根据本公开的坩埚和制造单晶体的方法可以用于制造能够通过升华方法制造的另一单晶体，例如氮化铝单晶体。

[0057] [评价]

[0058] 在碳化硅单晶体的制造中对单晶体的品质和生长速度进行了评价。评价步骤如下所述。

[0059] 使用了具有根据实施例的坩埚1的结构的坩埚。角α在0度～40度的范围内，且角β在20度～80度的范围内。使单晶体根据实施例中所述的步骤进行生长。评价项为：单晶体中的裂纹、在第一区域30与第二区域40之间的接合部上的多晶体的沉积、在原料粉末82上的结晶块的形成和单晶体83的生长速度。表1和图8显示评价项。在图8中，水平轴线代表角β。竖直轴线代表单晶体生长速度(在单晶体生长方向上每小时单晶体的厚度增加)。

[0060]

[0061] 表1显示，在大角度α条件下。在单晶体中出现裂纹。在30度或更小的角α处没有或观察到了少量裂纹。因此，角α优选为30度或更小。在20度或更小的角α处没有观察到裂纹。因此，角α更优选为20度或更小。为了减少单晶体中的裂纹，角α优选为尽可能得低。因此，为了减少裂纹，角α还更优选为5度或更小，还更优选为0度。

[0062] 当角β与角α之间的差(β-α)大于50度时，在第一区域30与第二区域40之间的接合部上观察到了多晶体的沉积。因此，角β与角α之间的差优选为50度或更小。当角β与角α之间的差为40度或更小时，没有观察到多晶体的沉积。因此，角β与角α之间的差更优选为40度或更小。

[0063] 在大角度β条件下，在原料粉末82上观察到了结晶块的形成。在70度或更小的角β处能够显著降低结晶块的形成。因此，角β优选为70度或更小。在60度或更小的角β处没有观察到结晶块的形成。因此，角β更优选为60度或更小，还更优选为50度或更小。

[0064] 表1和图8显示，角β在单晶体生长速度方面具有适当的范围。可信的原因如下：如上所述，大角度β导致结晶块的形成和低的生长速度。因此，如上所述，角β优选为70度或更小，更优选为60度或更小。然而，在过小角度β处，难以从宽区域将原料气体供应至第一区域30。这导致单晶体生长速度较低。为了增加生长速度，角β优选为20度或更大，更优选为30度或更大。40度或更大的角β能够进一步增加生长速度。

[0065] 尽管在表1和图8中没有示出，但由于单晶体中的应变所导致的缺陷在全部单晶体中都减少了。

[0066] 要理解，以示例的方式而不是在全部方面限制的方式对在此公开的实施例和示例进行例示。本发明的范围由所附权利要求书而不是由它们之前的说明书进行限定。因此落在权利要求的范围内的和与其等价的全部修改都意在由权利要求书所包含。