特許 5936344 ＳｉＣ結晶の成長方法およびＳｉＣ結晶の製造装置

(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】5936344

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】ＳｉＣ結晶の成長方法およびＳｉＣ結晶の製造装置

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20160609BHJP

   C30B 19/12 20060101ALI20160609BHJP

   H01L 21/208 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/36 A

   C30B19/12

   H01L21/208 D

【請求項の数】12

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2011-275588(P2011-275588)

(22)【出願日】2011年12月16日

(65)【公開番号】特開2013-124214(P2013-124214A)

(43)【公開日】2013年6月24日

【審査請求日】2014年4月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人名古屋大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴田 顕次

(72)【発明者】

【氏名】市川 慎一郎

(72)【発明者】

【氏名】今岡 功

(72)【発明者】

【氏名】宇治原 徹

(72)【発明者】

【氏名】原田 俊太

(72)【発明者】

【氏名】関 和明

【審査官】 安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１００８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０９５７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２４２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 KHLEBNIKOV,Y. et al，Local epitaxy and lateral epitaxial overgrowth of SiC，Journal of Crystal Growth，２００１年，Vol.233，pp.112-120

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｈ０１Ｌ ２１／２０８

ＷＰＩ

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ結晶の成長方法であって、
シリコンおよび金属をシリコンの融点以下に加熱して得られた溶液に、カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現する工程と、
前記カーボンを含む膜の一部が消失し、その消失部でサファイア基板と前記溶液が直接接触するに至るまで前記状態を持続する工程と、
前記カーボンを含む膜の一部が消失した後に、前記溶液を冷却する工程と、
を備えることを特徴とするＳｉＣ結晶の成長方法。

【請求項2】

前記金属はシリコンより低い融点を持つ金属であり、
前記溶液は前記金属が溶融して得られる溶液であり、
前記溶液にシリコン基板が接するとともに、前記溶液に前記カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現する工程を備えることを特徴とする請求項１の結晶成長方法。

【請求項3】

前記カーボンを含む膜が少なくとも一面に成膜されているサファイア基板に前記金属の板とシリコン基板を重ねて、サファイア基板と前記カーボンを含む膜と前記金属の板とシリコン基板が順に積層されている積層構造を準備する工程を備えており、
その積層構造を前記金属の融点以上でシリコンの融点以下での温度に加熱して前記溶液を生成し、前記溶液にシリコン基板が接するとともに、前記溶液に前記カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現することを特徴とする請求項２の結晶成長方法。

【請求項4】

前記金属の融点以上でサファイア基板の昇華温度よりも低い温度に加熱する工程を備えることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項の結晶成長方法。

【請求項5】

前記シリコンおよび金属はシリコンと金属との合金によって供給され、
前記合金はシリコンよりも低い融点を有しており、
前記溶液は前記合金を該合金の融点以上の温度に加熱することで得られることを特徴とする請求項１の結晶成長方法。

【請求項6】

前記金属はアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の結晶成長方法。

【請求項7】

前記カーボンを含む膜としてカーボンの微結晶を含む膜をサファイア基板の表面に成膜する工程を備えていることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の結晶成長方法。

【請求項8】

サファイア基板の表面に物理気相成長法（ＰＶＤ）で前記カーボンの微結晶を含む膜を成膜することを特徴とする請求項７の結晶成長方法。

【請求項9】

サファイア基板の表面に１０ナノメートル以上の膜厚の前記カーボンを含む膜を成膜することを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の結晶成長方法。

【請求項10】

サファイア基板の｛０００１｝面に前記カーボンを含む膜を成膜することを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載の結晶成長方法。

【請求項11】

シリコンおよび金属をシリコンの融点以下に加熱して得られた溶液に、前記カーボンを含む膜が少なくとも一面に成膜されているサファイア基板を浸漬して、前記溶液に前記カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現することを特徴とする請求項１の結晶成長方法。

【請求項12】

ＳｉＣ結晶の製造装置であって、
シリコンおよび金属をシリコンの融点以下に加熱して得られた溶液に、カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現する手段と、
前記カーボンを含む膜の一部が消失し、その消失部でサファイア基板と前記溶液が直接接触するに至るまで前記状態を持続する手段と、
前記カーボンを含む膜の一部が消失した後に、前記溶液を冷却する手段と、
を備えることを特徴とするＳｉＣ結晶の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、炭化珪素（ＳｉＣ）結晶の成長方法に関する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

ＳｉＣ結晶の成長方法の一つに、液相成長法がある。液相成長法では、例えば、シリコンを溶融させてカーボンを含ませた溶液に種結晶基板を接触させ、種結晶基板上にＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることが行なわれる。種結晶基板に、サファイア基板を使用することが提案されている。サファイア基板は、ＳｉＣ単結晶基板に比して安価であるため、サファイア基板を種結晶基板に用いることができれば、ＳｉＣ結晶基板の製造コストを低下させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１００８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

シリコンを溶融させた溶液は、液相状態を維持するために、シリコンの融点以上の温度に維持する必要がある。しかし、シリコンの融点以上の温度では、サファイア基板が、シリコンを溶融させた溶液に溶解してしまう。すると、種結晶基板であるサファイア基板が消失してしまわないように、溶液温度やサファイア基板厚さなどの各種のパラメータを厳密に調整する必要が生じるため、ＳｉＣ結晶を成長させることが困難である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書では、ＳｉＣ結晶の成長方法を開示する。この成長方法では、シリコンおよび金属をシリコンの融点以下に加熱して得られた溶液に、カーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現する工程を備える。また、カーボンを含む膜の一部が消失し、その消失部でサファイア基板と溶液が直接接触するに至るまで状態を持続する工程を備える。また、カーボンを含む膜の一部が消失した後に、溶液を冷却する工程を備える。

【0006】

上記方法では、シリコンの融点以下に加熱された、シリコンを含む溶液を用いることができる。また、カーボンを含む膜の消失部では、サファイア基板とシリコンを含む溶液が直接接触する状態を形成することができる。そして、溶液とサファイア基板とがカーボンを含む膜を介して接する状態とされているため、カーボンを含む膜をカーボンの供給源とすることができる。以上より、シリコンを溶融させた溶液を用いる場合に比して低い温度で、サファイア基板上にＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。よって、サファイア基板が溶液に溶解してしまう事態を防止することができる。また、サファイア基板と溶融シリコンが直接接触している部分をＳｉＣ結晶の成長の起点とすることができるため、溶液を冷却することにより、下地のサファイア基板の結晶面に揃うようにＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。

【0007】

上記の結晶成長方法では、金属はシリコンより低い融点を持つ金属であり、溶液は金属が溶融して得られる溶液であり、溶液にシリコン基板が接するとともに、溶液にカーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現する工程を備えていてもよい。シリコンより低い融点の金属を用いることで、シリコンの融点以下の温度で、金属を液相状態に維持することができる。また、溶融した金属とシリコン基板とが接する状態とされているため、シリコン基板から溶融した金属へシリコンが溶出し、溶融した金属内にシリコンが含まれている状態とすることができる。以上より、シリコンを溶融させた溶液を用いる場合に比して低い温度で、サファイア基板上にＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。よって、サファイア基板が溶液に溶解してしまう事態を防止することができる。

【0008】

上記の結晶成長方法では、カーボンを含む膜が少なくとも一面に成膜されているサファイア基板に金属の板とシリコン基板を重ねて、サファイア基板とカーボンを含む膜と金属の板とシリコン基板が順に積層されている積層構造を準備する工程を備えており、その積層構造を金属の融点以上でシリコンの融点以下での温度に加熱して溶液を生成してもよい。これにより、溶液にシリコン基板が接するとともに、溶液にカーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を、容易に作り出すことが可能となる。

【0009】

上記の結晶成長方法では、シリコンより低い融点を持つ金属の融点以上でサファイア基板の昇華温度よりも低い温度に加熱する工程を備えることが好ましい。これにより、溶融した金属によってサファイア基板がダメージを受けてしまう事態や、溶融した金属にサファイア基板が溶解してしまう事態を、効果的に防止することができる。

【0010】

上記の結晶成長方法では、シリコンおよび金属はシリコンと金属との合金によって供給され、合金はシリコンよりも低い融点を有しており、溶液は合金を該合金の融点以上の温度に加熱することで得られてもよい。これにより、シリコンを溶融させた溶液を用いる場合に比して低い温度で、サファイア基板上にＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。よって、サファイア基板が溶液に溶解してしまう事態を防止することができる。

【0011】

上記の結晶成長方法では、金属はアルミニウムを含んでいることが好ましい。アルミニウムは、サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３）の構成成分であるため、溶液にアルミニウムが含まれていることにより、溶液にサファイア基板を溶解しにくくすることができる。また、アルミニウムの融点は約６６０℃であるため、溶融した金属の温度を、シリコンの融点（約１４１０℃）よりも低下させることが可能となる。

【0012】

上記の結晶成長方法では、カーボンを含む膜としてカーボンの微結晶を含む膜をサファイア基板の表面に成膜する工程を備えていることが好ましい。これにより、溶融シリコンからサファイア基板を保護する効果をより高めることができる。

【0013】

上記の結晶成長方法では、サファイア基板の表面に物理気相成長法（ＰＶＤ）でカーボンの微結晶を含む膜を成膜することが好ましい。これにより、カーボンの微結晶を含む膜を効率よく形成することが可能となる。

【0014】

上記の結晶成長方法では、サファイア基板の表面に１０ナノメートル以上の膜厚のカーボンを含む膜を成膜することが好ましい。これにより、溶融シリコンからサファイア基板を効果的に保護することができる。

【0015】

また、上記の結晶成長方法では、サファイア基板の｛０００１｝面にカーボンを含む膜を成膜することが好ましい。

【0016】

上記の結晶成長方法では、シリコンおよび金属をシリコンの融点以下に加熱して得られた溶液に、カーボンを含む膜が少なくとも一面に成膜されているサファイア基板を浸漬してもよい。これによっても、溶液に溶融した金属にカーボンを含む膜を介してサファイア基板が接する状態を実現することができる。

【0017】

上記の結晶基板は、サファイア結晶を含んでいる第１層と、アモルファス構造を有しており、第１層の表面の一部を覆っている第２層と、ＳｉＣ結晶を含んでおり、第２層の表面を覆うとともに第２層から露出している第１層の表面を覆う第３層と、を備えていてもよい。

【0018】

上記の結晶基板では、第２層は、カーボンを含んでいてもよい。また、第１層の表面は、サファイア結晶の｛０００１｝面であってもよい。また、第３層の表面は、ＳｉＣ結晶の｛１００｝面であってもよい。

【発明の効果】

【0019】

本明細書に開示の技術によれば、ＳｉＣ結晶をサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長させる方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施例１のＳｉＣ結晶製造装置の模式図である。

【図2】ＳｉＣ結晶の成長方法のフロー図である。

【図3】積層状態を示す図である。

【図4】断面拡大写真である。

【図5】ＳｉＣ結晶の成長過程の模式図である。

【図6】ＳｉＣ結晶の成長過程の模式図である。

【図7】ＳｉＣ結晶の成長過程の模式図である。

【図8】ＳｉＣ結晶の成長過程の模式図である。

【図9】実施例２のＳｉＣ結晶製造装置の模式図である。

【図10】Ａｕ−Ｓｉの２元状態図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0021】

（実施例１）
本願の実施例１について図面を参照しながら説明する。図１に、実施例１に係るＳｉＣ結晶製造装置（以下では結晶製造装置と略称する）１を示す。結晶製造装置１は、坩堝１０を備える。坩堝１０は、炭素を含有する材質によって形成されている。坩堝１０の材質としては、黒鉛やＳｉＣが挙げられる。坩堝１０は坩堝台１１の上に配置されている。坩堝台１１は回転させることが可能である。坩堝１０は、坩堝蓋１４により密閉することができる。坩堝１０の外周は、保温のために断熱材１２で覆われている。断熱材１２の外周には、多重螺旋構造を有する常伝導コイル１３が配置されている。常伝導コイル１３は、坩堝１０を誘導加熱するための装置である。常伝導コイル１３には、不図示の高周波電源が接続されている。坩堝１０、断熱材１２、常伝導コイル１３は、チャンバ１５の内部に配置される。チャンバ１５は、吸気口１６と排気口１７とを備える。

【0022】

坩堝１０の底部には、サファイア基板２０が載置されている。載置されているサファイア基板２０の表面には、カーボン膜２１が成膜されている。坩堝１０内には金属溶液２５が保持されている。金属溶液２５は、金属を溶融して得られた融液を主成分とする溶液である。金属溶液２５に用いられる金属は、シリコンを溶解させることができ、融点がシリコンの融点に比して低い金属であれば、何れの金属であってもよい。例えば、ＡｌやＰｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎであってもよい。実施例１では、金属溶液２５に用いられる金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる場合を説明する。

【0023】

またサファイア基板２０の上方には、サファイア基板２０の表面と間隔を有するように、シリコン基板２３が配置されている。そして、サファイア基板２０の表面およびシリコン基板２３の少なくとも一部が、金属溶液２５中に浸漬している状態が形成されている。この状態は、後述する、ＳｉＣ結晶をサファイア基板上に成長させるための状態である。

【0024】

実施例１に係るＳｉＣ結晶の成長方法を、図２のフローを用いて説明する。ステップＳ１において、サファイア基板２０の表面に、カーボン微結晶を含むカーボン膜２１を成膜する工程が行われる。具体的には、面方位が｛０００１｝であるサファイア基板２０を用意する。そして、ＰＶＤ（物理気相成長）法によって、カーボン微結晶を含むカーボン膜２１をサファイア基板の｛０００１｝面に成膜する。

【0025】

ＰＶＤ法によってカーボン膜２１を成膜することにより、カーボン膜２１にカーボンの微結晶を含ませることが可能となる。カーボン微結晶を含んでいるカーボン膜２１は、アモルファス（非晶質）状態のカーボン膜に比して膜強度が高い。よって、後述する工程において、より効果的にサファイア基板２０を金属溶液２５から保護することができる。また、カーボン膜２１の膜厚は１０ナノメートル以上であることが好ましい。１０ナノメートル以上の膜厚により、後述する工程において、金属溶液２５からサファイア基板２０を効果的に保護することができることが、実験上から明らかとなっている。また、カーボン膜２１の膜厚が１０マイクロメートル程度であっても、ＳｉＣ結晶をサファイア基板２０上にヘテロエピタキシャル成長させることができることが、実験上から明らかとなっている。

【0026】

また、ＰＶＤ法の具体例としては、スパッタリング法やイオンプレーティング法などが挙げられる。これらの方法では、ターゲットとなる黒鉛を真空中でイオンビーム、アーク放電及びグロー放電等に晒し、飛び散った炭素原子をサファイア基板の表面に付着させることが行われる。なお、ＰＶＤ法によるさらなる具体的な成膜方法については、周知の技術であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0027】

またステップＳ１において、サファイア基板２０の表面（ＳｉＣ結晶を成長させる面）に加えて、側面や裏面にもカーボン膜２１を成膜することが好ましい。これにより、より効果的にサファイア基板２０を金属溶液２５から保護することができる。

【0028】

次に、ステップＳ２において、図３に示すように、サファイア基板２０とアルミニウム薄板２４とシリコン基板２３とが坩堝１０の底部に重ねて載置される。これにより、サファイア基板２０とカーボン膜２１とアルミニウム薄板２４とシリコン基板２３が、下方から順に積層されている積層状態を形成することができる。なお、シリコン基板２３の重量は、後述するステップＳ４で生成されるＳｉＣ結晶の原料となるシリコンを供給するために十分な重量であればよい。

【0029】

ステップＳ３において、アルミニウム薄板２４を溶融し、金属溶液２５を生成する。具体的には、ステップＳ２においてサファイア基板２０とアルミニウム薄板２４とシリコン基板２３が内部にセットされた坩堝１０を、結晶製造装置１の坩堝台１１に載置する。そして常伝導コイル１３へ所定周波数の交流電流を流すことにより、坩堝１０を誘導加熱する。またチャンバ１５内に吸気口１６から不活性ガスを供給するとともに、坩堝台１１を所定回転数で回転させる。加熱温度は、アルミニウム薄板２４の融点（６６０℃）以上でシリコンの融点（１４１０℃）以下の範囲内とされる。これにより、アルミニウム薄板２４が溶解し、金属溶液２５が生成される。そして、図５の模式図に示すように、金属溶液２５とシリコン基板２３とが接触する状態が作り出されるため、金属溶液２５中にシリコンを溶解させることができる。また、金属溶液２５とサファイア基板２０とが、サファイア基板の表面に成膜されているカーボン膜２１を介して接触する状態が作り出されるため、後述するステップＳ４において、ＳｉＣ結晶をサファイア基板２０に成長させることができる。

【0030】

加熱温度は、より好ましくは、サファイア基板２０の昇華温度（約１３００℃）よりも低い温度とすることがよい。これにより、サファイア基板がダメージを受けてしまう事態（サファイア基板の表面粗さが大きくなる、サファイア基板の一部が消失する、など）や、金属溶液２５にサファイア基板が溶解してしまう事態を、さらに効果的に防止することができる。

【0031】

実施例１では、金属溶液２５の加熱温度は１２００℃、チャンバ１５内へはアルゴンガスを供給し、チャンバ１５内の圧力を大気圧とした。なお、実施例１で用いたこれらの条件は一例であり、他の条件を用いることも可能である。

【0032】

ステップＳ３において、金属溶液２５の温度が１２００℃に維持されている間は、金属溶液２５にカーボン膜２１が溶解していく。カーボン膜２１が溶解する際には、カーボン膜２１の全面が同一の速度で溶解することはなく、不均一に溶解する。すると、カーボン膜２１の溶解速度に関する各種のパラメータ（カーボン膜２１の膜厚、金属溶液２５を１２００℃に維持する時間、金属溶液２５の温度、など）を適切に制御することにより、カーボン膜２１の一部がサファイア基板２０の表面の所々で消失しており、その消失部でサファイア基板２０の表面が露出している形状を作成することができる（図６の模式図を参照）。これにより、カーボン膜２１の消失部では、金属溶液２５がサファイア基板２０に直接接触することになる。また、サファイア基板２０の表面に残存するカーボン膜２１は、金属溶液２５によってダメージを受けることにより、少なくとも一部がアモルファス状態となる。このアモルファス状態となったカーボン膜２１は、ＳｉやＡｌなどを含んでいると考えられる。

【0033】

ステップＳ４において、ＳｉＣ結晶をサファイア基板２０の表面上に成長させる。具体的には、サファイア基板２０の表面およびシリコン基板２３の少なくとも一部が、金属溶液２５に浸漬している状態を維持しながら坩堝１０の全体を除々に冷却する、冷却工程を実施する。ステップＳ４における、ＳｉＣ結晶の成長メカニズムを説明する。ステップＳ４の冷却工程では、坩堝１０の表面から熱が放出される。また、サファイア基板２０は坩堝１０に接触している。すると、サファイア基板２０の表面近傍に存在する金属溶液２５は、他の場所に存在する金属溶液２５に比して、冷却速度が若干早くなるため、サファイア基板２０の表面に接触する部分の金属溶液２５が、他の部分の金属溶液２５よりも低温化される。よって、サファイア基板２０の表面近傍の金属溶液２５中のシリコンおよびカーボンが過飽和状態となるため、サファイア基板２０上へのＳｉＣ結晶のエピタキシャル成長が行われる。また、サファイア基板２０の表面が露出している部分が、ＳｉＣ結晶の成長の起点となるため、下地のサファイア基板２０の結晶面に揃うように、ＳｉＣ結晶のヘテロエピタキシャル成長が行われる。これにより、図７の模式図に示すように、カーボン膜２１の消失部を埋めるようにＳｉＣ結晶２６が成長する。

【0034】

カーボン膜２１の消失部を埋めるようにＳｉＣ結晶が成長した後において、サファイア基板２０が金属溶液２５に浸漬している状態をさらに維持すると、カーボン膜２１の消失部を埋めているＳｉＣの結晶の表面や、残存しているカーボン膜２１の表面に、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。このとき、カーボン膜２１の消失部を埋めているＳｉＣの結晶の結晶面に揃うように、残存しているカーボン膜２１の表面にＳｉＣ結晶を成長させることができる。これにより、図８の模式図に示すように、カーボン膜２１の表面を覆うとともに、カーボン膜２１の消失部で露出しているサファイア基板２０の表面を覆うように、ＳｉＣ結晶２６を成長させることができる。なお、カーボン膜２１がＳｉＣ結晶で覆われた後においても、坩堝１０の溶解によって金属溶液２５中にカーボンを供給することができるため、ＳｉＣ結晶を成長させることが可能である。

【0035】

図４に、実施例１で得られたＳｉＣ結晶とサファイア基板との界面の断面拡大写真を示す。図４の写真では、見易さのために、ＳｉＣ結晶を枠線で囲っている。図４に示すように、サファイア基板の表面にＳｉＣ結晶が成長していることが分かる。

【0036】

＜効果＞
実施例１に係るＳｉＣ結晶の製造方法の効果を説明する。シリコンを溶融させた溶液を用いて、液相成長法によりＳｉＣ結晶を成長させる場合には、溶液の液相状態を維持するために、溶液の温度をシリコンの融点（約１４１０℃）以上の温度に維持する必要がある。しかし、シリコンの融点以上の温度を有する溶液を使用すると、サファイア基板と溶液との反応がより活性化してしまうため、サファイア基板が溶液に溶解してしまう。サファイア基板が溶液に溶解してしまうと、種結晶基板が消失してしまうため、ＳｉＣ結晶を成長させることができない。

【0037】

一方、実施例１に係るＳｉＣ結晶の製造方法では、シリコンの融点以下の融点を有するアルミニウム（融点：約６６０℃）を溶融して得られた金属溶液２５を液相成長法に用いるため、シリコンの融点以下の温度で、金属溶液２５の液相状態を維持することができる。これにより、シリコンを溶融させた溶液を用いる場合に比して、さらに低い温度で液相成長法を行うことが可能となる。よって、サファイア基板と溶液との反応をより抑制することができるため、サファイア基板が溶液に溶解してしまう事態を防止することができる。

【0038】

また、金属溶液２５を生成するために用いられているアルミニウムは、サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３）の構成成分である。よって、金属溶液２５にアルミニウムが含まれていることにより、金属溶液２５にサファイア基板２０を溶解しにくくすることができる。

【0039】

また本願の技術では、金属溶液２５とシリコン基板２３とが接する状態とされているため、シリコン基板２３から金属溶液２５へシリコンが溶出し、金属溶液２５内にシリコンが含まれている状態とすることができる。また、金属溶液２５とサファイア基板２０とがカーボン膜２１を介して接する状態とされているため、カーボン膜２１をカーボンの供給源とすることができる。これにより、サファイア基板２０上にＳｉＣ結晶をヘテロエピタキシャル成長させることが可能となる。

【0040】

また、本願の技術では、サファイア基板２０の表面に残存しているカーボン膜２１によってサファイア基板２０の表面を保護するとともに、カーボン膜２１の消失によりサファイア基板２０の表面が露出している部分を起点として、ＳｉＣ結晶を成長させることができる。すなわち、サファイア基板２０の一部のみをシリコン溶液２２に接触させることにより、サファイア基板２０の溶解を防止しながら、サファイア基板２０の結晶面に揃うようにＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。よって、サファイア基板２０上にＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることが可能となる。

【0041】

サファイア基板は、ＳｉＣ結晶基板に比して安価であるため、サファイア基板を種結晶基板に用いることにより、ＳｉＣ結晶基板の製造コストをさらに低下させることができる。また、サファイアとＳｉＣとの格子定数不整合は、シリコンとＳｉＣの格子定数不整合に比べると小さい。よって、成長したＳｉＣ結晶内に発生する、格子不整合に起因する欠陥の数を、シリコン結晶を種結晶基板に用いる場合に比して、サファイア基板を種結晶基板に用いる場合の方が低減させることができる。

【0042】

また実施例１に係るＳｉＣ結晶の製造方法では、サファイア基板の表面に、カーボンの微結晶を含むカーボン膜を成膜する工程を備えている。カーボン微結晶を含むカーボン膜は、アモルファス（非晶質）状態のカーボン膜に比して膜強度が高いため、より効果的にサファイア基板をシリコン溶液から保護することができる。

【0043】

（実施例２）
図９に、実施例２に係る結晶製造装置１ａを示す。坩堝１０内には金属溶液２５が保持されている。坩堝１０の底部には、シリコン基板２３が載置されている。坩堝１０の上方には、保持治具１８が備えられている。保持治具１８の先端部には、カーボン膜２１が成膜されている面が坩堝１０と対向するように、サファイア基板２０が取付けられている。保持治具１８は、昇降させることが可能である。また保持治具１８は、黒鉛によって形成されている。なお、結晶製造装置１ａのその他の構造は、実施例１に係る結晶製造装置１（図１）と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0044】

実施例２に係るＳｉＣ結晶の成長方法を説明する。なお、実施例１に係るＳｉＣ結晶の成長方法と同様である部分については、説明を省略する。まず、サファイア基板２０の表面に、カーボン微結晶を含むカーボン膜２１を成膜する工程が行われる。カーボン膜２１が成膜されたサファイア基板２０は、カーボン膜２１が成膜されている面が坩堝１０と対向するように、保持治具１８の先端部に固定される。次に、坩堝１０内にシリコン基板２３およびアルミニウム薄板を入れ、アルミニウム薄板の融点以上でシリコンの融点以下の温度に加熱することにより、金属溶液２５を生成する。そして、保持治具１８を坩堝１０の上方から坩堝１０内部へ降下させ、サファイア基板２０を金属溶液２５に浸漬させる。これにより、金属溶液２５とサファイア基板２０とが、カーボン膜２１を介して接する状態を作り出す。カーボン膜２１の一部がサファイア基板２０の表面の所々で消失し、その消失部でサファイア基板２０の表面が露出している形状が作成できたら、冷却工程へ移行する。カーボン膜２１の表面を覆うとともに、カーボン膜２１の消失部で露出しているサファイア基板２０の表面を覆うように、ＳｉＣ結晶がエピタキシャル成長するまで、浸漬状態を維持する。ＳｉＣ結晶の完成後、保持治具１８を上方へ引き上げることにより、ＳｉＣ結晶の製造工程が終了する。

【0045】

（実施例３）
実施例３に係る結晶製造方法は、金属溶液２５に代えて、シリコン合金溶液２５ａを用いる形態である。実施例３では、ステップＳ２において、サファイア基板２０とシリコン合金とが坩堝１０内に載置される。シリコン合金は、Ｓｉと他の金属との合金である。ステップＳ３において、シリコン合金を溶融して、シリコン合金溶液２５ａが生成される。加熱温度は、シリコン合金の融点以上でシリコンの融点以下の範囲内とされる。ステップＳ４において、シリコン合金溶液２５ａを用いて、ＳｉＣ結晶をサファイア基板２０の表面上に成長させる。その他の構成は、実施例１に係る結晶製造方法と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0046】

実施例３の効果を説明する。例として、図１０に、Ａｕ−Ｓｉの２元状態図を示す。図１０から分かるように、Ａｕ単体やＳｉ単体では、１０００℃以上でなければ溶解しない。しかし、ＳｉとＡｕを合金化することによって、Ｓｉが３０（ａｔｏｍ％）程度の場合には、融点を４００℃程度まで低下させることができることが分かる。このように、ほとんどの金属は、Ｓｉと合金化させることによって、融点を低下させることができる。よって、シリコンを溶融させた溶液や単体金属を溶融させた溶液に比して低い温度を有するシリコン合金溶液２５ａを用いて、サファイア基板上にＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。よって、サファイア基板が溶液に溶解してしまう事態を防止することができる。

【0047】

なお、シリコン合金に用いられる金属は、Ｓｉと合金化することによって融点を低下させることができる金属であればよい。具体的には、図１０に示すような状態図を取る金属であればよい。このような金属の例としては、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｃａ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｎなどが挙げられる。

【0048】

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

【0049】

実施例３において、Ｓｉと２種以上の金属とによって生成される合金を用いても良い。

【0050】

また本実施例では、金属溶液２５中へのシリコンの供給元は、シリコン基板に限られない。シリコンの供給元は、シリコンを含んだ物質であればよく、例えばＳｉＣ基板を用いても良い。

【0051】

ステップＳ１において、カーボンの微結晶を含むカーボン膜を成膜する工程はＰＶＤ法に限られず、例えばＣＶＤ法を用いて成膜してもよい。

【0052】

ステップＳ１において、サファイア基板２０の表面の一部にカーボン膜２１を成膜することで、サファイア基板２０の表面の所々が露出している形状を形成してもよい。これにより、ステップＳ３において、カーボン膜２１の一部を溶解により消失させる工程を省略することが可能となる。

【0053】

ステップＳ４の冷却工程において、サファイア基板２０の表面近傍のシリコン溶液２２を過飽和状態にするための手段は特に制限されない。液相成長法において一般に利用可能な任意な手段を採用することができ、例えば冷却装置を使用してもよい。

【0054】

実施例１，２において、ＳｉやＣの溶媒に用いられる溶液は、金属を融解した溶液に限られない。

【0055】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0056】

１：結晶製造装置、１０：坩堝、１３：常伝導コイル、２０：サファイア基板、２１：カーボン膜、２３：シリコン基板、２４：アルミニウム薄板、２５：金属溶液

【図1】

【図2】

【図3】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図4】