特許 5801730 単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸及び単結晶の製造方法

(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】5801730

(24)【登録日】2015年9月4日

(45)【発行日】2015年10月28日

(54)【発明の名称】単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸及び単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20151008BHJP

   C30B 19/06 20060101ALI20151008BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/36 A

   C30B19/06

【請求項の数】12

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-10469(P2012-10469)

(22)【出願日】2012年1月20日

(65)【公開番号】特開2013-147397(P2013-147397A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100160543

【弁理士】

【氏名又は名称】河野上 正晴

(72)【発明者】

【氏名】加渡 幹尚

(72)【発明者】

【氏名】楠 一彦

【審査官】 村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１８４８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０３２４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１８３６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１７５８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２３２５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７９５２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸であって、
前記種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、前記種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、
前記反射部材が、前記種結晶保持軸の下端を被覆せず、前記反射部材と前記種結晶保持軸の前記下端の端面に保持される種結晶との間に間隔を開けるように配置されている、
種結晶保持軸。

【請求項2】

前記種結晶保持軸の側面の５０％以上が前記反射部材によって覆われている、請求項１に記載の種結晶保持軸。

【請求項3】

前記反射部材の反射率が０．４以上である、請求項１または２に記載の種結晶保持軸。

【請求項4】

前記反射部材がカーボンシートである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の種結晶保持軸。

【請求項5】

前記カーボンシートの平均厚みが０．０５ｍｍ以上である、請求項４に記載の種結晶保持軸。

【請求項6】

黒鉛である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の種結晶保持軸。

【請求項7】

坩堝の周囲に配置された加熱装置により前記坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、前記種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
前記種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、前記種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、
前記反射部材が、前記反射部材と前記種結晶との間に間隔を開けて配置されている、
製造方法。

【請求項8】

前記種結晶保持軸の側面の５０％以上が前記反射部材によって覆われている、請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記反射部材の反射率が０．４以上である、請求項７または８に記載の製造方法。

【請求項10】

前記反射部材がカーボンシートである、請求項７〜９のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項11】

前記カーボンシートの平均厚みが０．０５ｍｍ以上である、請求項１０に記載の製造方法。

【請求項12】

前記種結晶保持軸が黒鉛である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶液法による単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸及び単結晶の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＳｉＣ単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもＳｉ単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有する。そのため、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能であり、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。

【0003】

従来、ＳｉＣ単結晶の成長法としては、代表的には気相法、アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）法、及び溶液法が知られている。気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥等の格子欠陥及び結晶多形が生じやすいという欠点を有するが、結晶の成長速度が大きいため、従来、ＳｉＣバルク単結晶の多くは昇華法により製造されており、成長結晶の欠陥を低減する試みも行われている（特許文献１）。アチソン法では原料として珪石とコークスを使用し電気炉中で加熱するため、原料中の不純物等により結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。

【0004】

そして、溶液法は、黒鉛坩堝中でＳｉ融液またはＳｉ融液に合金を融解し、その融液中に黒鉛坩堝からＣを溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上にＳｉＣ結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は気相法に比べ熱平衡に近い状態での結晶成長が行われるため、低欠陥化が最も期待できる。このため、最近では、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法がいくつか提案されている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３−１１９０９７号公報

【特許文献2】特開２００８−１０５８９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

溶液法において、過飽和度は結晶成長の駆動力となる。したがって、過飽和度を高くすることで結晶の成長速度を上げることができる。溶液法によるＳｉＣ単結晶の成長においては、過飽和度は、結晶成長界面近傍のＳｉ−Ｃ溶液の温度をＳｉ−Ｃ溶液内部の温度よりも低温にすることによって設けられる。したがって、ＳｉＣ単結晶の成長速度を増加するためには、結晶成長界面近傍のＳｉ−Ｃ溶液の温度をより低温にし、より高い過飽和度を確保する必要がある。しかしながら、所望のＳｉＣ単結晶の成長速度が得られる程度まで、Ｓｉ−Ｃ溶液内部の温度を高く維持しつつ、結晶成長界面近傍の温度を低温化して、温度差を大きくすることは難しかった。

【0007】

本発明は、上記課題を解決するものであり、従来よりも速いＳｉＣ単結晶の成長を可能とする溶液法による単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸及び溶液法による単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、溶液法による単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸であって、
種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、
反射部材が、反射部材と種結晶保持軸の端面に保持される種結晶との間に間隔を開けるように配置されている、
種結晶保持軸である。

【0009】

本発明はまた、坩堝の周囲に配置された加熱装置により坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、
反射部材が、反射部材と種結晶との間に間隔を開けて配置されている、
製造方法である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、単結晶の成長速度を速くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明を実施し得るＳｉＣ単結晶製造装置の構成の一例を表す断面模式図である。

【図2】従来から用いられているＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図3】本発明の一態様における側面に反射部材を配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図4】本発明の一態様における側面の下部に反射部材を配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図5】本発明の一態様における側面の上部に反射部材を配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図6】本発明の一態様における側面の複数個所に反射部材を配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図7】本発明の一態様における、種結晶保持軸の端面と同じ形状の上面を有する種結晶を保持したときの種結晶と反射部材との位置関係を示す断面模式図である。

【図8】本発明の一態様における、種結晶保持軸の端面よりも小さな形状の上面を有する種結晶を保持したときの種結晶と反射部材との位置関係を示す断面模式図である。

【図9】本発明の一態様における、種結晶保持軸の端面よりも大きな形状の上面を有する種結晶を保持したときの種結晶と反射部材との位置関係を示す断面模式図である。

【図10】本発明の一態様における下側が厚く上側が薄い形状を有する反射部材を側面に配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図11】本発明の一態様における厚い反射部材を側面に配置した種結晶保持軸を備える、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。

【図12】実施例１において得られたＳｉＣ成長結晶を側面から観察した外観写真である。

【図13】比較例１において得られたＳｉＣ成長結晶を側面から観察した外観写真である。

【図14】比較例２において得られたＳｉＣ成長結晶を側面から観察した外観写真である。

【図15】比較例３において得られたＳｉＣ成長結晶を下面から観察した外観写真である。

【図16】比較例３において得られたＳｉＣ成長結晶を側面から観察した外観写真である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明は、溶液法による単結晶の製造装置に用いられる種結晶保持軸であって、
種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、
反射部材が、反射部材と種結晶保持軸の端面に保持される種結晶との間に間隔を開けるように配置されている、
種結晶保持軸である。

【0013】

溶液法において、Ｓｉ−Ｃ溶液中に溶解したＣは、拡散及び対流により分散される。種結晶基板の下面近傍は、種結晶保持軸を介した抜熱、加熱装置の出力制御、及びＳｉ−Ｃ溶液の表面からの放熱等によって、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部よりも低温となる温度勾配が形成され得る。高温で溶解度の大きい溶液内部に溶け込んだＣが、低温で溶解度の低い種結晶基板付近に到達すると過飽和状態となり、この過飽和度を駆動力として種結晶基板上にＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

【0014】

したがって、ＳｉＣ単結晶の成長速度を増加させるためには、Ｓｉ−Ｃ溶液中における結晶成長界面直下の過飽和度を大きくすることが有効である。しかしながら、図２に示すように、坩堝１０からの輻射熱３６によって種結晶保持軸１２も加熱されるため、種結晶保持軸１２を介した抜熱が小さくなりＳｉ−Ｃ溶液２４の内部と結晶成長界面近傍との温度差を大きくすることが難しく、過飽和度に大きく影響し得ることが分かった。このように、従来の方法では種結晶保持軸を介した抜熱が小さくなるため、結晶成長界面直下の低温化がしにくくなる。そして、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部と結晶成長界面直下との温度差を所望の程度に大きくすることができないため、過飽和度の増加を行うことが難しく、ＳｉＣ単結晶の成長速度を増加させることが難しかった。

【0015】

上記知見に基づいてＳｉＣ単結晶の成長速度を増加させるために鋭意研究した結果、本発明者は、種結晶保持軸を介した抜熱を向上させるために、種結晶保持軸の側面に反射率の高い部材を配置した種結晶保持軸を見出した。

【0016】

図３に示すように、種結晶保持軸１２の側面に反射率の高い反射部材３２を配置することによって、種結晶保持軸１２への輻射による入熱を低減し、種結晶保持軸１２の温度上昇を抑制することができる。これによって、種結晶保持軸１２を介した抜熱を向上させ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４中における成長界面直下の温度を低温化して過飽和度を向上し、ＳｉＣ単結晶の成長速度を増加させることができる。

【0017】

反射部材３２は、坩堝内に挿入されている種結晶保持軸の側面の少なくとも一部を覆うことができ、例えば、図３に示すように種結晶保持軸１２の側面のほぼ全面を覆ってもよく、または図４〜６に示すように、種結晶保持軸１２の側面の下部のみ、上部のみ、若しくは複数個所を覆ってもよい。

【0018】

反射部材３２は、種結晶保持軸１２の坩堝１０内に挿入されている部分であって種結晶保持軸１２の側面の面積の、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上、さらにより好ましくは８０％以上、さらにより好ましくは９０％以上、さらにより好ましくは９５％以上、最も好ましくは１００％を覆うことができる。

【0019】

反射部材３２は、種結晶１４に直接に接触しないように種結晶１４との間に間隔を開けて配置される。反射部材３２と種結晶１４とを接触させて配置すると、種結晶１４から均一に抜熱されにくくなり、結晶成長面内の抜熱分布が不均一になりやすく、成長結晶に多結晶等のマクロ欠陥が発生し得る。一方で、反射部材３２を種結晶１４との間に間隔を開けて配置することによって、種結晶１４から均一に抜熱されやすくなるため、結晶成長面内の抜熱分布が均一になりやすく、成長結晶における多結晶等のマクロ欠陥の発生を抑制し得る。

【0020】

例えば、図７に示すように種結晶保持軸１２の端面と種結晶１４の上面が同じ形状であるとき、反射部材３２と種結晶１４とが接触しない範囲で反射部材３２を種結晶保持軸１２のほぼ下端まで被覆させることができる。また、図８に示すように、種結晶保持軸１２の端面の方が種結晶１４の上面よりも大きく種結晶１４が種結晶保持軸１２の端面からはみ出さない形状であるときは、反射部材３２を種結晶保持軸１２の下端まで完全に被覆させることができる。あるいは、図９に示すように、種結晶保持軸１２の端面よりも種結晶１４の上面が大きいときは、反射部材３２が種結晶１４に接触しないように、反射部材３２は種結晶保持軸１２の下端までは被覆させず、種結晶１４との間に間隔を開けて配置される。いずれの態様においても、反射部材３２と種結晶１４とは接触せず、反射部材３２と種結晶１４との間で種結晶保持軸１２が露出している。

【0021】

本種結晶保持軸を用いた単結晶の製造においては、種結晶保持軸１２の端面と同じかそれより小さい上面を有する種結晶１４を用いることが好ましい。この場合、種結晶保持軸１２を介して種結晶１４の上面からより均一に抜熱されるため、結晶成長面内の抜熱分布をより均一にすることができる。

【0022】

反射部材３２は、種結晶保持軸１２よりも大きな反射率を有しており、好ましくは０．４以上、より好ましくは０．５以上、さらに好ましくは０．６以上の反射率を有している。

【0023】

本明細書において、反射率とは、熱すなわち赤外線の反射率（赤外反射率）を意味し、例えばフーリエ変換赤外分光法によって測定することができる。

【0024】

反射部材３２を厚くすることによって、坩堝１０からの輻射熱による種結晶保持軸への入熱を低減して種結晶保持軸１２の温度上昇を抑制する効果をより得ることができる。例えば、図３に示すような厚みの反射部材３２よりも、図１１に示すような厚い反射部材３２を種結晶保持軸に被覆することができる。

【0025】

反射部材３２の形状は、任意の形状であることができる。例えば、図３に示すように、種結晶保持軸１２の長手方向にわたって均一な厚みを有してもよく、また、種結晶保持軸１２の長手方向にわたって不均一な厚みを有してもよい。図１０に示すように、反射部材３２が、下側が厚く上側が薄い形状を有するとき、反射部材３２で反射した輻射熱３４が坩堝１０内の上方に向かいやすくＳｉ−Ｃ溶液２４の表面に向かいにくくなり、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面温度が低下しやすく、より大きな過飽和度を形成することができる。また、反射部材３２は複数の反射部材を組み合わせて用いてもよく、複数の反射部材をそれぞれ接するようにして種結晶保持軸１２の側面に配置してもよく、図６に示すように複数の反射部材３２をそれぞれ離して種結晶保持軸１２の側面に配置してもよい。

【0026】

反射部材３２の種結晶保持軸１２の側面への配置は、黒鉛の接着剤を用いて行われ得る。反射部材３２は、種結晶保持軸１２の側面の周囲に接するように配置することができ、または種結晶保持軸１２の側面の周囲に、反射部材３２と種結晶保持軸１２との間の少なくとも一部に隙間を設けて配置してもよい。

【0027】

反射部材３２として、反射率が０．５のカーボンシート、反射率が０．４のタンタル、反射率が０．８のタンタルカーバイド等の、反射率が０．２の種結晶保持軸よりも高反射率を有する材料が用いられ、好ましくはカーボンシートが用いられる。

【0028】

カーボンシートとしては特に制限はなく、市販のものが使用され得る。カーボンシートは、例えばカーボン繊維をローラーにかけて脱水することによって得られ得る。

【0029】

カーボンシートの平均厚みは好ましくは０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．０５ｍｍ以上、さらに好ましくは０．２ｍｍ以上であることができる。カーボンシートが厚いほど、坩堝１０からの輻射熱による種結晶保持軸１２への入熱を低減して種結晶保持軸１２の温度上昇を抑制し、結晶成長界面からの抜熱を高める効果をより得ることができる。

【0030】

カーボンシートの種結晶保持軸１２の側面部への被覆は、接着剤、好適には黒鉛の接着剤を用いて行われ得る。

【0031】

本発明において、反射部材は断熱材とは異なるものであり、反射部材に代えて断熱材を用いても本発明の効果を得ることはできない。断熱材を種結晶保持軸に被覆しても、ＳｉＣ単結晶の成長速度の所望の向上を得ることはできず、この理由の一つとして、断熱材を用いると、結晶成長界面付近も保温してしまい低温化を図ることができず、所望の過飽和度が得られない、ということが挙げられる。

【0032】

種結晶保持軸は、その端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であり、円柱状、角柱状等の任意の形状であることができ、例えば、種結晶の上面の形状と同じ端面形状の黒鉛軸を用いることができる。種結晶保持軸は通常５０〜１０００ｍｍの長さを有することができる。

【0033】

本種結晶保持軸は、溶液法による単結晶の製造装置に用いられ、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ＢａＴｉＯ_３等の単結晶の製造装置に用いることができ、特にＳｉＣ単結晶の製造装置に用いることができる。

【0034】

ＳｉＣ単結晶の製造においてはＳｉ−Ｃ溶液が用いられる。Ｓｉ−Ｃ溶液とは、ＳｉまたはＳｉ／Ｘ（ＸはＳｉ以外の１種以上の金属）の融液を溶媒とするＣが溶解した溶液をいう。Ｘは一種類以上の金属であり、ＳｉＣ（固相）と熱力学的に平衡状態となる液相（溶液）を形成できれば特に制限されない。適当な金属Ｘの例としては、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ等が挙げられる。例えば、坩堝内にＳｉに加えて、Ｃｒ、Ｎｉ等を投入し、Ｓｉ−Ｃｒ溶液、Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ溶液等を形成することができる。

【0035】

Ｓｉ−Ｃ溶液は、その表面温度が、Ｓｉ−Ｃ溶液へのＣの溶解量の変動が少ない１８００〜２２００℃であることが好ましい。

【0036】

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度測定は、熱電対、放射温度計等を用いて行うことができる。熱電対に関しては、高温測定及び不純物混入防止の観点から、ジルコニアやマグネシア硝子を被覆したタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対が好ましい。

【0037】

本発明はまた、坩堝の周囲に配置された加熱装置により坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、種結晶保持軸の側面の少なくとも一部が、種結晶保持軸の反射率よりも大きい反射率を有する反射部材により覆われており、反射部材が、反射部材と種結晶との間に間隔を開けて配置されている、製造方法である。

【0038】

本製造方法によれば、上述の種結晶保持軸に係る説明と同様に種結晶保持軸が種結晶保持軸の側面に反射率の高い部材を有しており、溶液法によってＳｉＣ単結晶を製造させる際に、種結晶保持軸への輻射による入熱を低減し、種結晶保持軸の温度上昇を抑制することができ、種結晶保持軸を介した抜熱を向上させ、単結晶の成長界面直下の温度を低温化して過飽和度を向上してＳｉＣ単結晶の成長速度を増加させることができる。

【0039】

本製造方法における、反射部材の種結晶保持軸への配置個所及び配置方法、反射部材の反射率、材料、厚み、及び形状、並びに種結晶保持軸の材料及び形状等に係る説明は、上述の種結晶保持軸に係る説明が適用される。

【0040】

図１に、本発明を実施し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を示す。図示したＳｉＣ単結晶製造装置１００は、ＳｉまたはＳｉ／Ｘの融液中にＣが溶解してなるＳｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を備え、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成し、昇降可能な種結晶保持軸１２の先端に保持された種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、種結晶基板１４を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させることができる。坩堝１０及び種結晶保持軸１２を回転させることが好ましい。

【0041】

Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、原料を坩堝に投入し、加熱融解させて調製したＳｉまたはＳｉ／Ｘの融液にＣを溶解させることによって調製される。坩堝１０を、黒鉛坩堝などの炭素質坩堝またはＳｉＣ坩堝とすることによって、坩堝１０の溶解によりＣが融液中に溶解し、Ｓｉ−Ｃ溶液が形成される。こうすると、Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に未溶解のＣが存在せず、未溶解のＣへのＳｉＣ単結晶の析出によるＳｉＣの浪費が防止できる。Ｃの供給は、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体のＣ供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を利用してもよく、またはこれらの方法と坩堝の溶解とを組み合わせてもよい。

【0042】

保温のために、坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われている。これらが一括して、石英管２６内に収容されている。石英管２６の外周には、加熱用の高周波コイル２２が配置されている。高周波コイル２２は、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂから構成されてもよく、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂはそれぞれ独立して制御可能である。

【0043】

坩堝１０、断熱材１８、石英管２６、及び高周波コイル２２は、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、装置内の雰囲気調整を可能にするために、ガス導入口とガス排気口とを備える。

【0044】

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液の内部よりも表面の温度が低い温度分布となるが、さらに、高周波コイル２２の巻数及び間隔、高周波コイル２２と坩堝１０との高さ方向の位置関係、並びに高周波コイルの出力を調整することによって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に種結晶基板１４が接触する溶液上部が低温、溶液下部（内部）が高温となるようにＳｉ−Ｃ溶液２４の表面に垂直方向の温度勾配を形成することができる。例えば、下段コイル２２Ｂの出力よりも上段コイル２２Ａの出力を小さくして、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に溶液上部が低温、溶液下部が高温となる温度勾配を形成することができる。温度勾配は、溶液表面からの深さがおよそ３０ｍｍまでの範囲で、１〜１００℃／ｃｍが好ましく、１０〜５０℃／ｃｍがより好ましい。

【0045】

いくつかの態様において、ＳｉＣ単結晶の成長前に、種結晶基板の表面層をＳｉ−Ｃ溶液中に溶解させて除去するメルトバックを行ってもよい。ＳｉＣ単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜などが存在していることがあり、ＳｉＣ単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。溶解する厚みは、種結晶基板の表面の加工状態によって変わるが、加工変質層や自然酸化膜を十分に除去するために、およそ５〜５０μｍが好ましい。

【0046】

メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が増加する温度勾配、すなわち、ＳｉＣ単結晶成長とは逆方向の温度勾配をＳｉ−Ｃ溶液に形成することにより行うことができる。高周波コイルの出力を制御することによって上記逆方向の温度勾配を形成することができる。

【0047】

メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液に温度勾配を形成せず、単に液相線温度より高温に加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に種結晶基板を浸漬することによっても行うことができる。この場合、Ｓｉ−Ｃ溶液温度が高くなるほど溶解速度は高まるが溶解量の制御が難しくなり、温度が低いと溶解速度が遅くなることがある。

【0048】

いくつかの態様において、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のＳｉ−Ｃ溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は種結晶保持軸ごと加熱して行うことができる。この場合、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた後、ＳｉＣ単結晶を成長させる前に種結晶保持軸の加熱を止める。または、この方法に代えて、比較的低温のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてから、結晶を成長させる温度にＳｉ−Ｃ溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。

【実施例】

【0049】

（共通条件）
実施例１及び比較例１〜３に共通する条件を示す。各例において、図１に示す単結晶製造装置１００を用いた。ただし、反射部材３２の有無、位置、及び形状は各例において異なる。Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容する内径４０ｍｍ、高さ１２５ｍｍの黒鉛坩堝１０にＳｉ／Ｃｒ／Ｎｉを原子組成百分率で５４：４０：６の割合で融液原料として仕込んだ。単結晶製造装置の内部の空気をアルゴンで置換した。黒鉛坩堝１０の周囲に配置された高周波コイル２２に通電して加熱により黒鉛坩堝１０内の原料を融解し、Ｓｉ／Ｃｒ／Ｎｉ合金の融液を形成した。そして黒鉛坩堝１０からＳｉ／Ｃｒ／Ｎｉ合金の融液に、十分な量のＣを溶解させて、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を形成した。

【0050】

上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂの出力を調節して黒鉛坩堝１０を加熱し、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成した。所定の温度勾配が形成されていることの確認は、昇降可能な、ジルコニア被覆タングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対を用いて、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度を測定することによって行った。高周波コイル２２Ａ及び２２Ｂの出力制御により、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面における温度を２０００℃にした。Ｓｉ−Ｃ溶液の表面を低温側として、種結晶基板を浸漬予定のＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度と、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面から溶液内部に向けて垂直方向の深さ１０ｍｍの位置における温度との温度差は２５Ｋであった。

【0051】

（実施例１）
反射率が０．２、直径が１２ｍｍ、及び長さが２００ｍｍである円柱形状の黒鉛の種結晶保持軸１２を用意し、反射部材３２として反射率が０．５で厚みが０．２ｍｍのカーボンシート（巴工業製）を、種結晶保持軸１２の側面の下端から５ｍｍの位置から上端まで、黒鉛の接着剤を用いて配置した。

【0052】

厚み１ｍｍ、直径１２ｍｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用意して種結晶基板１４として用いた。種結晶基板１４の下面がＳｉ面となるようにして種結晶基板１４の上面を、種結晶保持軸１２の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。種結晶基板１４の上面が種結晶保持軸１２の端面からはみ出さないようにして接着した。このとき、種結晶基板１４とカーボンシートとは接触しておらず、種結晶基板１４の上面とカーボンシートとの下端とは５ｍｍの間隔を有していた。

【0053】

次いで、種結晶基板１４を保持した種結晶保持軸１２を降下させ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面位置に種結晶基板１４の下面が一致するようにして種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、１０時間、結晶を成長させた。この間、それぞれ同方向に、黒鉛坩堝１０を５ｒｐｍ、種結晶保持軸１２を４０ｒｐｍで回転させた。ＳｉＣ単結晶の成長速度は０．６４ｍｍ／ｈであり、成長量は６．４ｍｍであった。得られたＳｉＣ単結晶を側面から観察した外観写真を図１２に示す。上部の波線で囲った部分は種結晶基板１４である。得られた成長結晶には、多結晶等のマクロ欠陥は見られなかった。

【0054】

（比較例１）
反射部材を用いなかったこと以外は、実施例１と同様にしてＳｉＣ単結晶を成長させた。ＳｉＣ単結晶の成長速度は０．３２ｍｍ／ｈであり、成長量は３．２ｍｍであった。得られたＳｉＣ単結晶を側面から観察した外観写真を図１３に示す。上部の波線で囲った部分は種結晶基板１４である。得られた成長結晶には、多結晶等のマクロ欠陥は見られなかった。

【0055】

（比較例２）
反射部材に代えて、厚みが２ｍｍでカーボン成形断熱材を、種結晶保持軸１２の側面の下端から５ｍｍの位置から上端まで、黒鉛の接着剤を用いて配置した。

【0056】

実施例１と同じ種結晶基板１４を用いて、種結晶基板１４の下面がＳｉ面となるようにして種結晶基板１４の上面を、種結晶保持軸１２の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。種結晶基板１４の上面が種結晶保持軸１２の端面からはみ出さないようにして接着した。このとき、種結晶基板１４と断熱材とは接触しておらず種結晶基板１４の上面と断熱材の下端とは５ｍｍの間隔を有していた。

【0057】

次いで、種結晶基板１４を保持した種結晶保持軸１２を降下させ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面位置に種結晶基板１４の下面が一致するようにして種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、１０時間、結晶を成長させた。この間、それぞれ同方向に、黒鉛坩堝１０を５ｒｐｍ、種結晶保持軸１２を４０ｒｐｍで回転させた。ＳｉＣ単結晶の成長速度は０．１３ｍｍ／ｈであり、成長量は１．３ｍｍであった。得られたＳｉＣ単結晶を側面から観察した外観写真を図１４に示す。上部の波線で囲った部分は種結晶基板１４である。得られた成長結晶には、多結晶等のマクロ欠陥は見られなかった。

【0058】

（比較例３）
反射率が０．２、直径が１２ｍｍ、及び長さが２００ｍｍである円柱形状の黒鉛の種結晶保持軸１２を用意し、反射部材３２として反射率が０．５で厚みが０．２ｍｍのカーボンシート（巴工業製）を、種結晶保持軸１２の側面の全面に黒鉛の接着剤を用いて配置した。

【0059】

厚み１ｍｍ、直径２５ｍｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用意して種結晶基板１４として用いた。種結晶基板１４の下面がＳｉ面となるようにして種結晶基板１４の上面を、種結晶保持軸１２の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。このとき、種結晶保持軸１２の端面よりも大きい種結晶基板１４の上面部分とカーボンシートとが接触していた。

【0060】

次いで、種結晶基板１４を保持した種結晶保持軸１２を降下させ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面位置に種結晶基板１４の下面が一致するようにして種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、１０時間、結晶を成長させた。この間、それぞれ同方向に、黒鉛坩堝１０を５ｒｐｍ、種結晶保持軸１２を４０ｒｐｍで回転させた。ＳｉＣ単結晶の成長速度は０．６０ｍｍ／ｈであった。得られたＳｉＣ単結晶を下面から観察した外観写真を図１５に、側面から観察した外観写真を図１６に示す。図１５の点線部は種結晶直下領域３８を表す。得られた結晶には、種結晶保持軸１２とカーボンシートとの境目に対応する位置から多結晶等のマクロ欠陥が発生していた。

【符号の説明】

【0061】

１００ 単結晶製造装置
１０ 坩堝
１２ 種結晶保持軸
１４ 種結晶基板
１８ 断熱材
２２ 高周波コイル
２２Ａ 上段高周波コイル
２２Ｂ 下段高周波コイル
２４ Ｓｉ−Ｃ溶液
２６ 石英管
３２ 反射部材
３４ 反射部材があるときの輻射熱
３６ 反射部材がないときの輻射熱
３８ 種結晶直下領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】