JP2015151278A - 単結晶の製造方法、シードシャフト、および単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶からの抜熱を均一にすることができる単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】この単結晶の製造方法は、シードシャフト２０に取り付けられた種結晶５の下面５ｂを原料溶液（Ｓｉ−Ｃ溶液３）に接触させ、下面５ｂに単結晶を成長させる、溶液成長法によるものである。シードシャフト２０は、底面１１ａを有するシャフト部１１と、種結晶５の上面５ａがシャフト部１１の底面１１ａと間隔をおいて対向するよう、種結晶５ａの周縁を保持可能な取り付け部材１３とを備える。この製造方法は、種結晶５の上面５ａとシャフト部１１の底面１１ａとの間に０．１〜５ｍｍの間隔を設けて、取り付け部材１３により種結晶５をシャフト部１１に取り付ける取り付け工程を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶の製造方法、単結晶の製造に用いるシードシャフト、およびそれを備えた製造装置に関し、より詳しくは、高温（たとえば、１５００℃以上）の原料溶液を用いる溶液成長法による単結晶の製造方法、ならびに、このような溶液成長法に用いるシードシャフト、および製造装置に関する。

溶液成長法は、原料溶液、すなわち、製造するべき単結晶の成分を含む溶液に、種結晶を接触させ、この種結晶上に単結晶を成長させる方法である。種結晶は、通常、板状（たとえば、円板状）の形状を有する。種結晶は、たとえば、シードシャフトの下端に取り付けられて、原料溶液に接触される。この方法により、たとえば、ＳｉＣ単結晶が製造される。この場合、原料溶液として、Ｓｉ−Ｃ溶液が用いられる。「Ｓｉ−Ｃ溶液」とは、Ｓｉ（ケイ素）、およびＣ（炭素）を含有する溶液をいい、たとえば、Ｓｉ、またはＳｉ合金の融液に、Ｃを溶解させた溶液である。

種結晶を溶液に接触させる態様として、種結晶の側面を保持し、種結晶の全体を溶液中に浸漬させる場合がある（たとえば、下記特許文献１参照）。しかし、この態様では、種結晶とともに、種結晶を保持する部材も、溶液に浸漬される。この場合、種結晶上のみならず、種結晶を保持する部材の上にも、結晶が成長する。その結果、種結晶上に成長する単結晶が多結晶化することがある。

そこで、通常、種結晶を保持する部材は、溶液に接触しないようにされ、実質的に種結晶の下面のみが溶液に接触される（トップシード溶液成長（ＴＳＳＧ；Top Seeded Solution Growth）法）。単結晶は、実質的に、当該下面上のみに成長するので、種結晶を保持する部材を溶液に浸漬させる場合に比して、多結晶化し難い。

図１は、ＴＳＳＧ法による従来のＳｉＣ単結晶の製造方法を実施するときのシードシャフト、および種結晶を示す断面図である。シードシャフト２０は、たとえば、有底筒状である。図１に示すように、シードシャフト２０は、平坦な底面１１ａを有する。

特開平３−１１５１８９号公報 特開２０１１−９８８７１号公報 特開２００８−２９０８８９号公報

従来の方法では、通常、種結晶５を、ほぼ水平にして、上面５ａのほぼ全面を、シードシャフト２０の底面１１ａに接合する。この接合には、接着剤５０が用いられる。そして、種結晶５の下面５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面に接触させる。この状態で、下面５ｂ上に、ＳｉＣ単結晶を成長させる。このとき、種結晶５から接着剤５０へと熱が伝わり、この熱は、シードシャフト２０の底面１１ａに吸収される。このようにして、種結晶５から上方へ抜熱される。

しかし、接着剤５０により、種結晶５とシードシャフト２０とを均一に接着するのは困難である。通常、種結晶５の面内方向に関して、接着剤５０の厚さ、および接着の強さにむらが生じる。このむらに対応して、種結晶５からの抜熱量にも、むらが生じる（図１に、シードシャフト２０の底面１１ａの各部における吸熱量を、矢印の大きさで表す）。

抜熱量が小さい部分では、結晶成長面において、結晶成長速度が低下し、ステップの前進速度が遅くなる。これにより、ステップバンチング（複数のステップ列の合体）が生じ、結晶成長面にマクロな凹凸が形成される。このような凹凸があると、結晶欠陥、およびインクルージョンが発生する。

上記特許文献２および３では、種結晶の上面の一部のみが、種結晶を保持する部材に接合される。
特許文献２では、筒状で底を有さない軸５が、種結晶１の上面において、周縁部近傍にのみ接着される。

特許文献３には、下端面Ｄを備えた引上げ軸Ｘが開示されている。下端面Ｄは、平坦部Ｐと、平坦部Ｐ内の窪みＥとを有する。平坦部Ｐは、種結晶Ｓに接着される。窪みＥは、溝状、またはディンプル状である。

しかし、特許文献２の方法では、軸５が底を有さないことにより、効率的な抜熱は生じない。特許文献３の方法では、引き上げ軸Ｘの下端面Ｄが窪みＥを有するため、下端面Ｄと種結晶Ｓとの間に、空隙が形成される。種結晶Ｓの上面において、下端面Ｄと接触する部分と、空隙が形成されている部分とでは、抜熱量が異なる。このため、特許文献３の方法では、種結晶５の上面のほぼ全面を接着剤５０により接合する上述の方法（図１参照）と同様の問題を生ずる。

そこで、この発明の目的は、種結晶からの抜熱を均一にすることができる単結晶の製造方法を提供することである。

この発明の他の目的は、単結晶の製造に用いるシードシャフトであって、種結晶からの抜熱を均一にすることができるシードシャフトを提供することである。

この発明のさらに他の目的は、単結晶の製造に用いる製造装置であって、種結晶からの抜熱を均一にすることができる製造装置を提供することである。

本実施の形態の単結晶の製造方法は、シードシャフトに取り付けられた種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法による単結晶の製造方法である。前記シードシャフトは、底面を有するシャフト部と、前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材とを備える。この製造方法は、前記種結晶の前記上面と前記シャフト部の前記底面との間に０．１〜５ｍｍの間隔を設けて、前記取り付け部材により前記種結晶を前記シャフト部に取り付ける取り付け工程と、前記シャフト部に取り付けられた前記種結晶の前記下面を前記原料溶液の液面に接触させる接触工程と、前記原料溶液の液面に接触した前記種結晶の前記下面に単結晶を成長させる成長工程とを含む。

本実施の形態のシードシャフトは、種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法により単結晶を製造するために用いる。このシードシャフトは、底面を有するシャフト部と、前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と０．１〜５ｍｍの間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材とを備える。

本実施の形態の単結晶の製造装置は、種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法により単結晶の製造するための装置である。この製造装置は、上記シードシャフトを備える。

この製造方法、シードシャフト、および製造装置により、板状種結晶の面内方向に関して、種結晶からの抜熱を均一にすることができる。

図１は、ＴＳＳＧ法による従来のＳｉＣ単結晶の製造方法を実施するときのシードシャフト、および種結晶を示す断面図である。 図２は、本実施形態に係る単結晶の製造装置の部分断面図である。 図３は、ＳｉＣ単結晶を製造中の種結晶近傍を示す断面図である。 図４Ａは、図３に示す取り付け部材の変形例に係る取り付け部材により、シャフト部に取り付けられた種結晶の断面図である。 図４Ｂは、図３に示す取り付け部材の他の変形例に係る取り付け部材により、シャフト部に取り付けられた種結晶の側面図である。 図４Ｃは、図４Ｂの実施形態における種結晶の上面図である。 図５は、他の実施形態に係る単結晶の製造方法を説明するための、製造装置の部分断面図である。 図６は、他の実施形態に係る単結晶の製造方法を説明するための、製造装置の部分断面図である。 図７は、試験番号１で得られたＳｉＣ単結晶の成長面の光学顕微鏡写真である。 図８は、試験番号１で得られたＳｉＣ単結晶の成長面に垂直な断面の写真である。 図９Ａは、試験番号２で得られたＳｉＣ単結晶を、シャフト部の一部、および種結晶とともに示す断面写真である。 図９Ｂは、図９Ａにおいて、「成長結晶/種結晶」と記した領域の研磨後の光学顕微鏡写真である。 図１０Ａは、試験番号３で得られたＳｉＣ単結晶を、シャフト部の一部、および種結晶とともに示す断面写真である。 図１０Ｂは、図１０Ａにおいて、「成長結晶/種結晶」と記した領域の研磨後の光学顕微鏡写真である。 図１１は、試験番号４で得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。 図１２は、試験番号５で得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。

本実施形態の単結晶の製造方法は、シードシャフトに取り付けられた種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法による単結晶の製造方法である。前記シードシャフトは、底面を有するシャフト部と、前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材とを備える。この製造方法は、前記種結晶の前記上面と前記シャフト部の前記底面との間に０．１〜５ｍｍの間隔を設けて、前記取り付け部材により前記種結晶を前記シャフト部に取り付ける取り付け工程と、前記シャフト部に取り付けられた前記種結晶の前記下面を前記原料溶液の液面に接触させる接触工程と、前記原料溶液の液面に接触した前記種結晶の前記下面に単結晶を成長させる成長工程とを含む。

本実施形態のシードシャフトは、種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法に用いる。このシードシャフトは、底面を有するシャフト部と、前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と０．１〜５ｍｍの間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材とを備える。

本実施形態の単結晶の製造装置は、種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法に用いる装置である。この製造装置は、上記シードシャフトを備える。

ここで、シャフト部が管状（筒状）の場合は、シャフト部は、底、すなわち、シャフト部下端の開口を塞ぐ部分を有するものとし、シャフトの「底面」は、シャフト部の底の下面とする。

「種結晶の周縁」は、具体的には、種結晶の上面において中央領域以外の領域、および種結晶の側面（上面と下面との間に存在する面）の少なくとも一方である。

このシードシャフト、および製造装置において、取り付け部材は、種結晶の上面がシャフト部の底面と０．１〜５ｍｍの間隔をおいて対向するように、種結晶の周縁を保持可能である。すなわち、種結晶の上面の少なくとも中央領域は、シャフト部の底面と離間している。このため、中央領域からは、輻射による抜熱が生じる。種結晶の上面とシャフト部の底面との間に０．１〜５ｍｍの間隔があることにより、種結晶の上面からの輻射は、効率的、かつ均一に、シャフト部の底面に吸収される。したがって、この製造方法、シードシャフト、または製造装置により、種結晶の上面の面内方向に関して、種結晶からの抜熱を均一にすることができる。種結晶からの抜熱の均一性を高くするため、底面と種結晶の上面との間隔は、この上面の面内方向に関して、一定であることが好ましい。

この状態で、種結晶の下面を、原料溶液の液面に接触させると、下面の温度は均一になる。したがって、この下面上に成長する単結晶には、ステップバンチングは生じ難い。これにより、結晶成長面にマクロな凹凸は形成され難く、このような凹凸に起因する結晶欠陥、およびインクルージョンは発生し難い。

種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔が５ｍｍより大きいと、成長する単結晶に、インクルージョンが生じやすい。これは、上記間隔が５ｍｍより大きいと、、種結晶の上面からの抜熱量が、上面の面内方向に関して不均一になり、ステップバンチングが生じることによると考えられる。

取り付け部材は、種結晶の周縁に固定されるので、取り付け部材が、種結晶の上面からの抜熱に与える影響は少ない。

また、種結晶の下面は、取り付け部材が原料溶液と接触しない状態で原料溶液の液面に接触されることが好ましい。この場合、取り付け部材から結晶が生ずることはない。したがって、取り付け部材と原料溶液との接触に起因して種結晶の下面上に成長する単結晶が多結晶化することはない。

前記接触工程において、シャフト部の底面と種結晶の上面との間隙（以下、「種結晶背面間隙」という。）が、原料溶液で満たされていてもよい。これにより、種結晶の上面の面内方向に関して、種結晶からの抜熱の均一性を高くすることができる。種結晶に対する原料溶液の濡れ性は高い。このため、シャフト部の底面に対する原料溶液の濡れ性が高い場合は、原料溶液を、容易に種結晶背面間隙に侵入させ、種結晶背面間隙を、原料溶液で密に満たすことができる。

また、原料溶液が金属成分を含んでいる場合は、原料溶液の熱伝導率は高い。したがって、この場合は、種結晶背面間隙に侵入した原料溶液により、抜熱量を多くすることができる。

種結晶背面間隙に原料溶液を侵入させるには、たとえば、種結晶背面間隙の一部、または全部を、原料溶液の液面より低くすればよい。このようにすることにより、シャフト部の底面に対する原料溶液の濡れ性が高い場合は、毛管現象により、原料溶液は、容易に、種結晶背面間隙に侵入して、種結晶背面間隙を密に満たす。

種結晶背面間隙が原料溶液により十分に満たされた後、シャフト部と原料溶液とが離間するように、シャフト部、および原料溶液の少なくとも一方を移動させる。これにより、取り付け部材が原料溶液とは接触せず、かつ、種結晶の下面が原料溶液の液面に接触した状態にする。この状態で、種結晶背面間隙は、原料溶液の液面より高い。しかし、種結晶背面間隙において、種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔が０．１〜５ｍｍであることにより、種結晶背面間隙内の原料溶液は、種結晶背面間隙からは漏れ出難い。

種結晶の厚さは、通常、０．３〜１ｍｍであり、種結晶背面間隙は、原料溶液の液面に近接している。このため、種結晶の下面に単結晶を成長させる際、種結晶背面間隙の温度は、原料溶液の液面の温度にほぼ等しく、種結晶背面間隙に侵入した原料溶液は、通常、液体の状態に保たれる。

取り付け工程において、種結晶は、互いに離間する複数の取り付け部材により、シャフト部に取り付けられてもよい。これにより、種結晶を安定して保持することができる。また、複数の取り付け部材が互いに離間していることにより、種結晶背面間隙に原料溶液を侵入させる場合、原料溶液は、隣接する２つの取り付け部材の間隙を通って、種結晶背面間隙に侵入することができる。

取り付け工程において、種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔が０．１〜２ｍｍであることが好ましい。これにより、抜熱を均一にする効果が得やすく、そして、種結晶背面間隙に原料溶液を保持しやすい。

製造する単結晶は、ＳｉＣ単結晶であってもよい。この場合、通常、１５００℃以上のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる。本実施の形態のＳｉＣ単結晶の製造方法により、このような高い温度のＳｉ−Ｃ溶液に接触した種結晶からの抜熱を、効率的、かつ均一に行うことができる。

単結晶は、たとえば、ＡｌＮ、またはＧａＮの単結晶であってもよい。
次に、図面を参照して、本実施形態に係る単結晶の製造方法について具体的に説明する。以下の例では、この製造方法により製造する単結晶は、ＳｉＣ単結晶であるものとする。

図２は、本実施形態に係る単結晶の製造装置の部分断面図である。図２に示すように、製造装置１０は、坩堝１と、シードシャフト２０とを備えている。シードシャフト２０は、シャフト部１１と、取り付け部材１３とを備えている。

坩堝１は、Ｓｉ−Ｃ溶液３を収容する。Ｓｉ−Ｃ溶液３は、ＳｉＣ単結晶の原料となる。坩堝１は、たとえば、黒鉛からなる。坩堝１は、加熱装置（図示せず）により加熱される。加熱装置は、たとえば、高周波コイルである。この場合、坩堝１は、高周波誘導加熱される。坩堝１内で、原料が加熱されて、Ｓｉ−Ｃ溶液３が生成される。坩堝１は、その中心軸線周りに回転可能であってもよい。

シャフト部１１は、有底円筒の形状を有しており、軸線方向が鉛直方向に沿うように配置されている。シャフト部１１は、その中心軸線周りに回転可能であってもよい。シャフト部１１は、たとえば、主として黒鉛からなる。シャフト部１１の底面は、ほぼ水平である。

シャフト部１１の下部には、複数の取り付け部材１３を介して、種結晶５が取り付けられる。複数の取り付け部材１３は、互いに離間して配置される。種結晶５は、シャフト部１１の底面とほぼ同じ直径を有する円板状である。種結晶５は、ＳｉＣ単結晶からなる。好ましくは、種結晶５の結晶構造は、製造しようとするＳｉＣ単結晶の結晶構造と同じである。たとえば、４Ｈ多形のＳｉＣ単結晶を製造する場合、４Ｈ多形のＳｉＣ単結晶からなる種結晶５を用いることが好ましい。

次に、この製造装置１０を使用したＳｉＣ単結晶の製造方法について説明する。
まず、種結晶５と、シードシャフト２０とを準備する。そして、複数の取り付け部材１３を介して、種結晶５を、シャフト部１１の下方に取り付ける。

図３は、ＳｉＣ単結晶を製造中の種結晶５近傍を示す図である。図２、および図３を参照して、種結晶５、およびシャフト部１１に対する取り付け部材１３の取り付けについて説明する。図３には、Ｓｉ−Ｃ溶液３が示されているが、取り付けは、Ｓｉ−Ｃ溶液３の準備とは別に行う。

種結晶５をほぼ水平にし、種結晶５の上面５ａ全体を、シャフト部１１の底面１１ａに対して、０．１〜５ｍｍ、好ましくは、０．１〜２ｍｍの間隔をあけて対向させる。上面５ａは、底面１１ａに対してほぼ平行にする。すなわち、上面５ａの面内方向に関して、上面５ａと底面１１ａとの間隔を、ほぼ一定にする。

取り付け部材１３は、シャフト部１１の側面と、種結晶５の側面とに、たとえば、接着剤により固定する。種結晶５の側面において、取り付け部材１３は、種結晶５の下面５ｂから離間させる。本実施形態では、複数の取り付け部材１３を用い、これらの複数の取り付け部材１３は、互いに離間して配置する。

図４Ａは、取り付け部材１３Ａにより、シャフト部１１に取り付けられた種結晶５の断面図である。取り付け部材１３Ａは、図３に示す取り付け部材１３の変形例である。種結晶５の側面には、切り込みが形成されている。取り付け部材１３Ａは、この断面において、Ｌ字状である。取り付け部材１３Ａの一端部が、種結晶５の切り込みに挿入される。取り付け部材１３Ａの他端部は、シャフト部１１の側面に、たとえば、接着剤により固定される。この実施形態では、種結晶５に対しては、接着剤を使用せずに取り付け部材１３Ａを固定することができる。

図３、および図４Ａの実施形態では、いずれも、種結晶５の上面５ａの全面が、シャフト部１１の底面１１ａに対して、０．１〜５ｍｍの間隔をあけて対向している。

図４Ｂは、取り付け部材１１Ａにより、シャフト部１１に取り付けられた種結晶５の側面図である。取り付け部材１１Ａは、図３に示す取り付け部材１３の変形例である。この実施形態では、取り付け部材１１Ａは、シャフト部１１の一部である。具体的には、取り付け部材１１Ａは、底面１１ａの周縁部から突出した突起の形態を有する。取り付け部材１１Ａの先端部は、種結晶５の上面５ａの周縁部に、たとえば、接着剤により固定される。したがって、この実施形態では、種結晶５の上面５ａのうち、周縁部の一部は、底面１１ａとは離間しない。

図４Ｃは、図４Ｂの実施形態における種結晶５の上面図であり、上面５ａにおける取り付け部材１１Ａの取り付け領域１１Ｆを示している。図４Ｃにおいて、取り付け領域１１Ｆに斜線を付している。上面５ａにおいて、中央領域５Ｃには、取り付け部材１１Ａは、取り付けられない。中央領域５Ｃは、上面５ａの縁部から離間している。中央領域５Ｃの面積は、上面５ａの面積の少なくとも６０％を占める。中央領域５Ｃの全体が、底面１１ａと、０．１〜５ｍｍ（好ましくは、０．１〜２ｍｍ）の間隔をおいて対向する。取り付け部材１１Ａは、上面５ａにおいて、周縁、すなわち、中央領域５Ｃ以外の領域に取り付けられる。

以上のように、種結晶５は、シャフト部１１に対して、様々な態様で取り付けることができる。

シードシャフト２０に種結晶５を取り付けた後、坩堝１内に、Ｓｉ−Ｃ溶液３の原料を装入する。坩堝１は、シードシャフト２０の下方に配置する。

Ｓｉ−Ｃ溶液３の原料は、たとえば、Ｓｉ、またはＳｉ合金である。Ｓｉ合金は、Ｓｉと、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖ、およびＦｅからなる群から選択される１種以上の元素とを含有することが好ましい。原料を加熱して融液とし、この融液にＣ（炭素）を溶解させることにより、Ｓｉ−Ｃ溶液３を生成する。坩堝１が、炭素質材料からなる場合（たとえば、黒鉛からなる場合）は、坩堝１は、Ｓｉ−Ｃ溶液３への炭素供給源になる。この方法は、ＳｉＣ析出の核となり得る未溶解のＣが融液中に存在することを避けられるため、好ましい。

別の方法として、炭化水素ガスから融液へＣを溶解させる方法、または、固相の炭素源を融液に投入し溶解させる方法を採ることもできる。固相の炭素源としては、ブロック、棒、顆粒、粉体等の形態の黒鉛、非晶質炭素原料、ＳｉＣ、添加元素（Ｓｉ−Ｃ溶液３を構成する元素であって、Ｓｉ、およびＣ以外の元素）の炭化物等を用いることができる。

融液にＣを供給する方法として、以上の方法のうち、２種以上の方法を組み合わせてよい。

坩堝１以外から融液にＣを供給する場合は、ＳｉＣ結晶の成長温度域で安定な材料、たとえば、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属からなる坩堝１を用いることができる。黒鉛坩堝を適当な耐火材料、たとえば、上記高融点金属、またはセラミックス（たとえば、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ）で内張りした坩堝１を使用することもできる。

Ｓｉ−Ｃ溶液３を生成するときの原料融液の温度は、当該原料の液相線温度以上であればよい。融液中のＳｉＣ濃度が飽和濃度、またはそれに近い濃度になるまで融液にＣが供給されるように、加熱を続ける。固体の炭素源、特に粉末や顆粒の炭素源を坩堝１中に投入する場合は、それらが未溶解で融液中に残留すると、その未溶解の炭素源を核としてＳｉＣが析出して、ＳｉＣ単結晶の成長速度を低下させ、あるいは結晶品質を低下させることがある。このため、供給した炭素源が完全に溶解するように加熱を続けることが好ましい。融液の加熱時間は、一般的に、１時間ないし１０時間程度である。

十分な量のＣが融液に溶解すると、Ｓｉ−Ｃ溶液３の温度を結晶成長温度に維持するように坩堝１の加熱を続ける。「結晶成長温度」は、結晶成長時のＳｉ−Ｃ溶液３と種結晶５（結晶成長面）との界面の温度である。

次に、シードシャフト２０を下降し、かつ／または、坩堝１を上昇させて、種結晶５の下面（結晶成長面）５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面に接触させる。取り付け部材１３は、Ｓｉ−Ｃ溶液３に接触しないようにする。

その後、種結晶５の下面５ｂとＳｉ−Ｃ溶液３との接触を保ったまま、種結晶５を上昇させ、かつ／または、坩堝１を下降させて、下面５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面よりわずかに高くしてもよい。この状態が、図３に示されている。種結晶５の下面５ｂとＳｉ−Ｃ溶液３とが接触した状態で、種結晶５の下面５ｂにＳｉＣ単結晶を成長させる。

ＳｉＣ単結晶を成長させる際、当該坩堝１、およびシードシャフト２０の少なくとも一方を回転させてもよい。この場合、種結晶５とＳｉ−Ｃ溶液３との相対的な移動量が大きくなる。これにより、種結晶５上に均一にＳｉＣ単結晶を成長させやすい。坩堝１、およびシードシャフト２０の双方を、各々の中心軸線周りに回転させる場合、シードシャフト２０の回転方向は、坩堝１の回転方向と同じ方向であってもよいし、反対の方向であってもよい。

図３を参照して、種結晶５は、その上面５ａの全面とシャフト部１１の底面１１ａとが間隔をあけて、シャフト部に取り付けられている。これにより、上面５ａの全面から、輻射による抜熱が生じる。上面５ａが底面１１ａと０．１〜５ｍｍの間隔をあけて対向していることにより、上面５ａからの輻射は、効率的、かつ上面５ａの面内方向に関して均一に、シャフト部１１の底面１１ａに吸収される（図３に、底面１１ａの各部における輻射の吸収量を、矢印の大きさで表す）。したがって、この製造方法により、上面５ａの面内方向に関して、種結晶５からの抜熱を均一にすることができる。

取り付け部材１３は、種結晶５の側面に固定される。したがって、取り付け部材１３が、種結晶５の上面５ａからの抜熱に与える影響は少ない。図４Ａに係る実施形態においても、取り付け部材１３Ａは、種結晶５の側面に固定される。したがって、取り付け部材１３Ａが、種結晶５の上面５ａからの抜熱に与える影響は少ない。図４Ｂ、および図４Ｃに係る実施形態では、取り付け部材１１Ａは、種結晶５の上面５ａにおいて中央領域５Ｃ以外の領域に固定される。したがって、取り付け部材１１Ａが、種結晶５の中央領域５Ｃからの抜熱に与える影響は少ない。

この状態で、種結晶５の下面５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面に接触させると、下面５ｂの温度は均一になる。このため、この下面５ｂ上に成長するＳｉＣ単結晶に、ステップバンチングは生じ難い。したがって、ＳｉＣ単結晶の結晶成長面には、マクロな凹凸が形成され難い。このため、このような凹凸に起因する結晶欠陥、およびインクルージョンは発生し難い。

また、種結晶５の下面５ｂは、取り付け部材１３（１３Ａ、１１Ａ）がＳｉ−Ｃ溶液３と接触しない状態で、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面に接触する。したがって、取り付け部材１３（１３Ａ、１１Ａ）からＳｉＣ結晶が生ずることはない。したがって、取り付け部材１３（１３Ａ、１１Ａ）とＳｉ−Ｃ溶液３との接触に起因して種結晶５の下面５ｂ上に成長するＳｉＣ単結晶が多結晶化することはない。

図５、および図６は、他の実施形態に係る単結晶の製造方法を説明するための、製造装置１０の部分断面図である。図２に示す構成要素と同じ構成要素の部分は、同じ参照符号を付して説明を省略する。

この実施形態では、まず、種結晶５を、図２に係る実施形態と同様にして、取り付け部材１３を介してシャフト部１１に取り付ける。シャフト部１１に対する種結晶５の取り付けは、図４Ａ、または図４Ｂに示す上述の態様としてもよい。

次に、シードシャフト２０を下降し、かつ／または、坩堝１を上昇させて、種結晶５を、Ｓｉ−Ｃ溶液３中に浸漬する。このとき、シャフト部１１の底面１１ａが、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面より低くなるようにする。

Ｓｉ−Ｃ溶液３は、種結晶５に対する濡れ性がよい。また、シャフト部１１の底面１１ａが黒鉛からなる場合は、Ｓｉ−Ｃ溶液３は、底面１１ａに対する濡れ性もよい。これにより、Ｓｉ−Ｃ溶液３は、毛管現象により、シャフト部１１の底面１１ａと、種結晶５の上面５ａとの間隙（種結晶背面間隙）に侵入し、種結晶背面間隙を密に満たす。この状態が、図５に示されている。この際、複数の取り付け部材１３が互いに離間していることにより、Ｓｉ−Ｃ溶液３は、隣接する２つの取り付け部材１３の間隙を通って、種結晶背面間隙に侵入することができる。

続いて、シードシャフト２０を上昇させ、かつ／または、坩堝１を下降して、種結晶５の下面５ｂが、Ｓｉ−Ｃ溶液３に接触し、かつ取り付け部材１３が、Ｓｉ−Ｃ溶液３に接触しない状態にする。この状態が、図６に示されている。この状態を実現するために、種結晶５を、一旦、Ｓｉ−Ｃ溶液３から離した後、下面５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面に接触させてもよい。

その後、種結晶５の下面５ｂとＳｉ−Ｃ溶液３との接触を保ったまま、種結晶５を上昇させ、かつ／または、坩堝１を下降させて、下面５ｂを、Ｓｉ−Ｃ溶液３の液面よりわずかに高くしてもよい。この状態は、図３において、種結晶背面間隙にＳｉ−Ｃ溶液３が満たされている場合に対応する。

そして、種結晶５の下面にＳｉＣ単結晶を成長させる。種結晶背面間隙が、Ｓｉ−Ｃ溶液３で密に満たされていることにより、種結晶５からの抜熱の均一性は高い。また、Ｓｉ−Ｃ溶液３の熱伝導率は、製造装置１０内の雰囲気ガス（たとえば、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス）の熱伝導率に比して大きい。このため、種結晶背面間隙がＳｉ−Ｃ溶液３で満たされている場合は、種結晶背面間隙が雰囲気ガスで満たされている場合に比して、種結晶５からの抜熱量は多い。

実施形態の説明は以上の通りであるが、他の形態の実施も可能である。たとえば、上記実施形態では、Ｓｉ−Ｃ溶液３は、坩堝１内で生成され、坩堝１に接触して保持される。しかし、Ｓｉ−Ｃ溶液３を生成するための所望の融液組成を実現できるならば、水冷された金属坩堝内で、磁気反発により坩堝壁から離間した融液を生成するコールドクルーシブル法や、坩堝を用いず、電磁力により原料を浮揚させて融解するレビテーション法などを採用することもできる。

〈試験番号１〉
図２に示す製造装置と同様の構造を有する製造装置を用いて、ＳｉＣ単結晶を製造した。用いた製造装置の取り付け部材は、図４Ｂに示す取り付け部材１１Ａのように、シャフト部と一体であった。ＳｉＣ単結晶の製造条件は、下記の通りとした。

直径が約２インチ（約５０ｍｍ）の円板状のＳｉＣ種結晶を用意した。ＳｉＣ種結晶の結晶系は、４Ｈであった。ＳｉＣ種結晶において、Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させるべき面（結晶成長面）の面方位は、（０００１）であった。ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔を０．２ｍｍとして、取り付け部材により、種結晶をシャフト部に取り付けた。

Ｓｉ−Ｃ溶液として、Ｓｉ₅₀Ｃｒ₅₀の組成の融液にＣが溶解した溶液を用いた。Ｓｉ−Ｃ溶液において、液面中央部近傍の温度は、１９５０℃とした。シャフト部に取り付けたＳｉＣ種結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面中央部に接触させた。このとき、取り付け部材は、Ｓｉ−Ｃ溶液に接触しないようにした。ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隙には、Ｓｉ−Ｃ溶液は侵入させなかった。この状態で、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面に、ＳｉＣ単結晶を、約３０時間、成長させた。

その後、ＳｉＣ単結晶をＳｉ−Ｃ溶液から離し、坩堝の加熱を終了した。ＳｉＣ種結晶の周辺が室温になってから、ＳｉＣ単結晶を回収した。このＳｉＣ単結晶の厚さは、約１．８ｍｍであった。したがって、結晶成長速度は、約６０μｍ／時間であったことがわかる。

得られたＳｉＣ単結晶の表面は、後述の試験番号３の製造により得られたＳｉＣ単結晶の表面に比して、平坦であった。図７は、試験番号１の製造により得られたＳｉＣ単結晶の表面の光学顕微鏡写真である。図７に示すように、このＳｉＣ単結晶の表面には、ほぼ等間隔のマクロステップが形成されていた。このことから、ＳｉＣ単結晶の成長時に、結晶成長面内で、結晶の成長速度は、均一であったことがわかる。

図８は、試験番号１の製造により得られたＳｉＣ単結晶の結晶成長面に垂直な断面の写真である。このＳｉＣ単結晶は、少なくとも中央部においては、インクルージョンが少ない。

〈試験番号２〉
ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隙に、Ｓｉ−Ｃ溶液を侵入させた以外は、試験番号１の製造と同様にして、ＳｉＣ単結晶を成長させた。当該間隙にＳｉ−Ｃ溶液を侵入させるために、接触工程の前に、シャフト部の底面を、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面から１〜２ｍｍの深さに沈めた。

図９Ａは、試験番号２の製造により得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。図９Ａには、製造に用いたシャフト部の一部、および種結晶の断面も示している。図９Ｂは、図９Ａにおいて「成長結晶/種結晶」と記した領域の研磨後の光学顕微鏡写真である。図９Ａ、および図９Ｂの画像の向きは、図２とは上下逆である。

図９Ａに示すように、シャフト部の下部（同図に、「黒鉛」と記した部分）と、種結晶、およびその上に成長した結晶（同図に、「成長結晶/種結晶」と記した部分）との間に、Ｓｉ−Ｃ溶液が固化したもの（同図に、「溶液侵入」と記した部分）が存在する。

図９Ｂに示すように、このＳｉＣ単結晶は、ステップバンチング、およびインクルージョンを含まなかった。

〈試験番号３〉
ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面とを接着剤で接着して、当該上面と当該底面との間に、実質的に空隙を設けなかったこと以外は、試験番号１の製造と同様にして、ＳｉＣ単結晶を成長させた。

図１０Ａは、試験番号３の製造により得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。図１０Ａには、製造に用いたシャフト部の一部、および種結晶の断面も示している。図１０Ｂは、図１０Ａにおいて「成長結晶/種結晶」と記した領域の研磨後の光学顕微鏡写真である。図１０Ａ、および図１０Ｂの画像の向きは、図２とは上下逆である。

図１０Ａに示すように、シャフト部の下部（同図に、「黒鉛」と記した部分）と、種結晶、およびその上に成長した結晶（同図に、「成長結晶/種結晶」と記した部分）との間には、図９Ａに見られるＳｉ−Ｃ溶液が侵入した間隙は存在しない。

図１０Ｂに示すように、このＳｉＣ単結晶は、ステップバンチング、およびインクルージョンを含む。

試験番号２の製造により得られたＳｉＣ単結晶と、試験番号３の製造により得られたＳｉＣ単結晶とを比較すると、以下のことがわかる。すなわち、シャフト部の底面とＳｉＣ種結晶の上面とを接着剤で接着する場合に比して、当該底面と当該上面とを０．２ｍｍの間隔をあけてその間隙にＳｉ−Ｃ溶液を侵入させることにより、ステップバンチング、およびインクルージョンを大幅に低減できる。これは、Ｓｉ−Ｃ溶液を侵入させることにより、種結晶の上面からの抜熱が均一になり、これに起因して、ＳｉＣ単結晶の結晶成長面の温度が均一になったためと考えられる。

〈試験番号４および５〉
ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔を６ｍｍとした以外は、試験番号１の製造と同様にして、ＳｉＣ単結晶を成長させた（試験番号４）。また、ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔を４ｍｍとした以外は、試験番号１の製造と同様にして、ＳｉＣ単結晶を成長させた（試験番号５）。

図１１は、試験番号４の製造により得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。図１２は、試験番号５の製造により得られたＳｉＣ単結晶の断面写真である。

これらの断面写真から、ＳｉＣ種結晶の上面とシャフト部の底面との間隔が、４ｍｍであれば、インクルージョンは実質的に発生しないが、６ｍｍであれば、インクルージョンが発生することがわかる。

３：Ｓｉ−Ｃ溶液、 ５：種結晶、 ５ａ：種結晶の上面、 ５ｂ：種結晶の下面、
１１：シャフト部、 １１ａ：シャフト部の底面、
１１Ａ、１３、１３Ａ：取り付け部材、 ２０：シードシャフト

Claims (9)

1. シードシャフトに取り付けられた種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法による単結晶の製造方法であって、
   前記シードシャフトは、
   底面を有するシャフト部と、
   前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材とを備え、
   前記製造方法は、
   前記種結晶の前記上面と前記シャフト部の前記底面との間に０．１〜５ｍｍの間隔を設けて、前記取り付け部材により前記種結晶を前記シャフト部に取り付ける取り付け工程と、
   前記シャフト部に取り付けられた前記種結晶の前記下面を前記原料溶液の液面に接触させる接触工程と、
   前記原料溶液の液面に接触した前記種結晶の前記下面に単結晶を成長させる成長工程と
   を含む、単結晶の製造方法。
2. 前記接触工程において、前記シャフト部の前記底面と前記種結晶の前記上面との間隙が、前記原料溶液で満たされている、
   請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 前記取り付け工程において、前記種結晶が、互いに離間する複数の前記取り付け部材により、前記シャフト部に取り付けられる、
   請求項１または請求項２に記載の単結晶の製造方法。
4. 前記取り付け工程において、前記種結晶の前記上面と前記シャフト部の前記底面との間隔が０．１〜２ｍｍにされる、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
5. 前記単結晶がＳｉＣ単結晶である、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
6. 種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法により単結晶を製造するために用いるシードシャフトであって、
   底面を有するシャフト部と、
   前記種結晶の上面が前記シャフト部の前記底面と０．１〜５ｍｍの間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能な取り付け部材と
   を備えたシードシャフト。
7. 複数の前記取り付け部材であって、互いに離間して配置する複数の前記取り付け部材を備えた、
   請求項６に記載のシードシャフト。
8. 前記取り付け部材が、前記種結晶の前記上面が前記シャフト部の前記底面と０．１〜２ｍｍの間隔をおいて対向するよう、前記種結晶の周縁を保持可能である、
   請求項６または請求項７に記載のシードシャフト。
9. 種結晶の下面を原料溶液に接触させ、前記下面に単結晶を成長させる、溶液成長法により単結晶の製造するための装置であって、
   請求項６〜請求項８のいずれかに記載のシードシャフトを備えた、単結晶の製造装置。