JP2008105896A - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛るつぼ１０２内のＳｉ融液Ｌ内に内部から融液面Ｓに向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、ＳｉＣ種結晶１１０の下面を融液面Ｓの直下に保持し、下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる方法において、ＳｉＣ種結晶１１０の全体を融液Ｌ中に浸漬してＳｉＣ単結晶の成長を行なうＳｉＣ単結晶の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

ＳｉＣはＳｉに比べてエネルギーバンドギャップが大きいため、半導体材料等として適した高品位のＳｉＣ単結晶の製造技術が種々提案されている。ＳｉＣ単結晶の製造方法としてはこれまでに多種多様な方法が試行されているが、昇華法と溶液法が現在最も一般的である。昇華法は成長速度は大きいがマイクロパイプ等の欠陥や結晶多形の変態が生じ易いという欠点があり、これに対して成長速度は比較的遅いがこれらの欠点の無い溶液法が有望視されている。

溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面へ向けて温度低下する温度勾配を維持する。下方の高温部で黒鉛るつぼからＳｉ融液内に溶解したＣは主として融液の対流に乗って上昇し融液面近傍の低温部に達して過飽和になる。融液面の直下には黒鉛棒の先端にＳｉＣ種結晶が保持されており、過飽和となったＣがＳｉＣ種結晶上でエピタキシャル成長によりＳｉＣ単結晶として結晶化する。

特許文献１に、溶液法によりＳｉＣ単結晶を製造する典型的な方法として、種結晶の下面（結晶成長面）を融液面に接触させた状態でＳｉＣ単結晶を成長させることが開示されている。

しかし溶液法では、結晶成長表面に多数の成長丘が生成し、各成長丘からばらばらに単結晶が成長して多結晶化が起き易いため、平坦な成長表面を持つ単一の単結晶が安定して得られないという問題があった。

特開２００２−３５６３９７号公報

本発明は、多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、ＳｉＣ種結晶の下面を該融液面の直下に保持し、該下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる方法において、該ＳｉＣ種結晶の全体を該融液中に浸漬して上記ＳｉＣ単結晶の成長を行なうことを特徴とする。

本発明の方法は、ＳｉＣ種結晶の全体をＳｉ融液中に浸漬したことにより、結晶成長表面全体に亘って温度分布が均一化されて多結晶化が防止され、平坦性の優れた成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られる。

本明細書中において「結晶成長表面」とは、単結晶成長開始時点では種結晶の下面であり、それ以降は成長中の単結晶の下面（成長前面）である。

既に述べたように、溶液法で発生し易い多結晶化の原因は、結晶成長表面に多数の成長丘が発生し、各成長丘からばらばらに単結晶が成長することである。これは結晶成長表面における温度分布が不均一なためである。結晶成長表面上の複数部位が他の部位よりも相対的に低温であれば、これら各低温部位で優先的にＳｉＣ結晶が核発生してそれぞれ成長丘を形成する。各成長丘からはそれぞれ別個に単結晶が成長するので、結晶成長表面に多数の単結晶が乱立して凸凹状態となり、全体として単一の単結晶が平坦な成長表面を維持して成長することができない。

本発明者は、このように結晶成長表面の温度分布が不均一になる主たる原因として、種結晶の下面を融液面に接触させ上面を融液上に露出させている点に着目した。

標準的な融液法では、種結晶としてＣＺ法による高品位のＳｉＣ単結晶を用いており、一般に厚さ１ｍｍ未満、通常は厚さ０．２〜０．３ｍｍ程度の板状である。結晶成長中に、板状種結晶の下面が融液面に確実に接触した状態を安定に維持できるように、種結晶を融液面から僅かに（例えば深さ０．１〜０．０５ｍｍ程度）融液中に浸漬させている。

一方、種結晶の上面は、中央部分が引き上げ軸の下端に接合されており、それ以外の周囲部分は融液面上方のるつぼ空間を満たしている不活性雰囲気（例えばＡｒガス）に接触している。したがって、種結晶の上面は、中央部分と周囲部分とで熱伝達条件が異なっているし、特に不活性雰囲気と接触している周囲部分は熱伝達条件が不安定で常に変動し易い。その結果、融液上に露出している種結晶上面の温度分布は不均一になり易い。

本来、種結晶下面は温度制御された融液との接触により均一な温度分布が確保されるはずである。しかし種結晶上面の不均一な温度分布が不可避的に種結晶下面の温度分布に影響を及ぼすため、結局、種結晶下面（結晶成長表面）の温度分布も不均一になってしまう。

これに対して本発明の特徴は、種結晶の全体を融液中に浸漬した状態で結晶成長を行なうことである。これにより種結晶上面も温度制御された融液との接触により均一な温度分布が確保されるので、種結晶上面の温度分布の影響下にある種結晶下面（結晶成長表面）の温度分布も本来の均一性を確保できる。

図１を参照して、本発明の一実施形態を説明する。

図１（１）に、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法を行なうための溶液法単結晶成長装置の縦断面を模式的に示す。

成長装置１００は、黒鉛るつぼ１０２の周囲を取り巻く加熱手段１０４によりるつぼ１０２内にＳｉ融液Ｌを形成・維持し、引上げ軸１０８の下端にＳｉＣ種結晶１１０を保持する。加熱手段１０４は上下方向の複数部位の加熱パワーをそれぞれ独立に制御できるようになっており、これにより黒鉛るつぼ１０２内のＳｉ融液内に内部から融液面Ｓに向けて温度低下する温度勾配を維持する。加熱手段１０４は、電気抵抗加熱方式または高周波誘導加熱方式であってよい。原料のＳｉを黒鉛るつぼ１０２に装入し、加熱手段１０４により１７００〜２０００℃の範囲の所定温度に加熱してＳｉを溶融させる。以上の各構成要素から成るアセンブリ全体が断熱性の密封容器１１２内に収容されており、容器１１２内の空間１１４はＡｒガス等の不活性雰囲気で満たされている。

黒鉛るつぼ１０２は、本来のるつぼとしての機能に加えて、Ｓｉ融液Ｌ中へのＣの供給源としての機能をも併せ持っている。融液Ｌの高温部（下方寄り部分）でるつぼ１０２から溶け込んだＣは、るつぼ１０２内で対流および拡散によって融液Ｌの低温部（融液面Ｓ寄り部分）に達すると過飽和となる。引き上げ軸１０８を矢印ｄのように下降させてＳｉＣ種結晶１１０を融液Ｌに接触させた状態に保持しておくと、Ｃが過飽和となっている融液面Ｓに接触しているＳｉＣ種結晶１１０の下面Ｂ上にＳｉＣが晶出し、晶出したＳｉＣ単結晶の下面に更にＳｉＣ単結晶が引き続き晶出することにより、ＳｉＣ単結晶が種結晶１１０の下面Ｂから下方へ成長する。実際には、この下方への成長と同期する速度で引き上げ軸１０８を矢印ｇのように上昇させ、ＳｉＣ単結晶の下面（結晶成長表面）を常に融液Ｌ内上下方向の一定位置に維持する。

このようにして、るつぼ１０２内にはＳｉ融液Ｌを溶媒としＣを溶質とする溶液が形成されている。この溶液には種々の目的でＣ以外の元素を少量添加する場合もある。

装置１００によりＳｉＣ単結晶を成長させるには、まず引き上げ軸１０８を降下させて種結晶１１０をＳｉ融液に接触させる。

その際、従来の方法においては、図１（２）に示したように、種結晶１１０の下面Ｂが融液面Ｓから僅かに融液Ｌ内に浸漬し、種結晶１１０の上面Ｔは融液面Ｓより上方に露出した状態に維持する。前述したように、下面Ｂは温度制御された融液Ｌに接触しているので均一な温度分布になるはずであるが、上面Ｔが引上げ軸との接合や雰囲気ガスとの接触により不均一な温度分布になっているため、その影響を受けて下面Ｂの温度分布も不均一になることが避けられなかった。その結果、下面Ｂ（結晶成長表面）では複数箇所で低温部が不規則に発生し、そこでＳｉＣ結晶が核発生するため、多結晶化がおきる。また、この不均一な温度分布は不安定でもあり変動し易いので、低温部の位置も不安定で時々刻々変動し易く、それに対応してＳｉＣ結晶の核発生位置も更に変動し、多結晶化が一層顕著になる。

これに対して本発明においては、図１（３）に示すように、種結晶１１０の全体を融液Ｌ内に浸漬する。これにより上面Ｔも温度制御された融液Ｌとの接触により温度分布が均一になるため、上面Ｔの温度分布に影響を受ける下面Ｂの温度分布も均一になる。その結果、下面Ｂ（結晶成長表面）は全体に亘って温度分布が均一になり、全面で一様にＳｉＣ結晶が同期的に核発生するので、平坦な成長面を持つＳｉＣ単結晶が安定して成長する。

通常、種結晶１１０は厚さ１ｍｍ未満であり、多くは厚さ０．２〜０．３ｍｍ程度であるので、融液面Ｓから種結晶１１０の下面Ｂまでの浸漬深さＸ（図１（３）参照）を１ｍｍ以上とすれば、種結晶１１０の全体を融液Ｌ中に浸漬した状態にすることができる。ただし、浸漬深さＸが１０ｍｍに達すると、平坦性は得られるがＳｉＣ単結晶が実質的に起きないので、浸漬深さＸは１０ｍｍ未満とする必要がある。

浸漬深さＸは融液面Ｓを基準とする。すなわち、引き上げ軸１０８を降下させ、種結晶１１０の下面Ｂが融液面Ｓに接触した位置が浸漬深さＸ＝０である。このＸ＝０の基準点は、例えば図１（３）中に示した熱電対１１６により引き上げ軸１０８の下端温度の急変として検知できる。

なお、融液面Ｓの温度を微調整するために例えば特開平７−１７２９９８号公報に提案されているように融液Ｌの上方に別途に加熱手段を配置することもできるし、また、融液面Ｓの面内での温度の均一性を高めるために例えば特開２００６−１３１４３３号公報に提案されているように融液Ｌの上方のるつぼ内空間に断熱性構造物を配置することもできる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

〔実施例１〕
図１（１）に示した成長装置１００を用い、図１（３）に示したように種結晶１１０の全体を融液Ｌ中に浸漬して、ＳｉＣ単結晶の成長を行なった。加熱温度は１７８０℃とし、浸漬深さＸを（１）５ｍｍ、（２）２ｍｍ、（３）０ｍｍの３通りとし、成長時間１５時間とした。加熱温度は浸漬深さ０ｍｍの位置で測定した温度である。各浸漬深さＸについて得られた結果をそれぞれ図２（１）、（２）、（３）に種結晶１１０付近の外観写真で示す。

本発明により浸漬深さを５ｍｍおよび２ｍｍとした場合は、良好な平坦性を持つＳｉＣ単結晶が得られた（図２（１）、（２））。

比較のために従来のように浸漬深さＸを０とした場合は、多結晶化が生じてしまい、平坦性の良いＳｉＣ単結晶は得られなかった（図２（３））。
〔実施例２〕
加熱温度を１８５０℃とし、浸漬深さＸを（１）５ｍｍ、（２）１０ｍｍの２通りとして、成長時間１０時間としてＳｉＣ単結晶の成長を行なった。得られた結果を図３（１）、（２）に種結晶１１０付近の外観写真で示す。

本発明により浸漬深さＸを５ｍｍとした場合は、良好な平坦性を持つＳｉＣ単結晶が得られた（図３（１））。

浸漬深さＸを１０ｍｍとした場合は、平坦性は確保されているが、ＳｉＣ単結晶の成長は認められなかった。原因は、融液Ｌの内部に入り過ぎたことにより、必要な温度勾配が得られなかったためであると考えられる。

本発明によれば、多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造方法が提供される。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法を行なうための（１）溶液法単結晶成長装置の縦断面図、（２）比較として示した従来法の種結晶保持位置を示す縦断面図、（３）本発明による種結晶保持位置を示す縦断面図である。 加熱温度１７８０℃で浸漬深さを３通りに変えて結晶成長を行なった場合の種結晶付近の状態を示す外観写真である。 加熱温度１８５０℃で浸漬深さを２通りに変えて結晶成長を行なった場合の種結晶付近の状態を示す外観写真である。

符号の説明

１００ 成長装置
１０２ 黒鉛るつぼ
１０４ 加熱手段
１０８ 引上げ軸
１１０ ＳｉＣ種結晶
１１２ 断熱性の密封容器
１１６ 熱電対
Ｌ 融液
Ｓ 融液面
Ｂ 種結晶１１０の下面
Ｔ 種結晶１１０の上面

Claims (3)

1. 黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、ＳｉＣ種結晶の下面を該融液面の直下に保持し、該下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる方法において、
   該ＳｉＣ種結晶の全体を該融液中に浸漬して上記ＳｉＣ単結晶の成長を行なうことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 請求項１において、頂部から下面までの厚さが１ｍｍ未満の上記ＳｉＣ種結晶を、上記融液面から深さ１ｍｍ〜１０ｍｍ未満まで浸漬することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
3. 請求項１または２において、上記ＳｉＣ単結晶の成長を開始する際に、上記ＳｉＣ種結晶を下降させて上記融液面に接触する浸漬深さ０ｍｍの位置を、該ＳｉＣ種結晶を保持する引上げ軸に内蔵した熱電対の起電力変化のピークにより検知することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。