JP2018043907A - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ単結晶の成長中にメニスカス高さの調整を十分に行うことができるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】坩堝内に配置された、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成すること、メニスカスにＸ線を照射し、Ｘ線の強度を変化させながらメニスカスの形状の透過観察を行って、メニスカスの高さを測定すること、及び測定したメニスカスの高さの、基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させること、を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。【選択図】図８

Description

本開示は、ＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

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。

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が生じやすい等の欠点を有するが、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。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。

溶液法は、黒鉛坩堝中でＳｉ融液またはＳｉ以外の金属を融解したＳｉ融液を形成し、その融液中に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おり、ＳｉＣ種結晶の成長界面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間にメニスカスを形成して、ＳｉＣ単結晶を成長させる方法が行われている（特許文献１）。

特開２０１４−２０１５０９号公報

一方で、メニスカス高さが変動すると、種結晶基板の成長面近傍のＳｉ−Ｃ溶液の過飽和度の変動につながり、成長させるＳｉＣ単結晶の品質に大きく影響する。そこで、特許文献１においては、ＳｉＣ単結晶の質の低下を抑制するために、種結晶保持軸及び坩堝の少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させることにより、メニスカスの高さの変動幅を所定の範囲内に維持する方法が提案されている。

しかしながら、特許文献１等の従来技術においては、ＳｉＣ単結晶の成長中に坩堝内のメニスカスの状態を正確に観察することができず、メニスカス高さの調整を十分に行うことが難しかった。

本開示は、坩堝内に配置された、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成すること、
坩堝の側面を通してメニスカスにＸ線を照射し、Ｘ線の強度を変化させながらメニスカスの形状の透過観察を行って、メニスカスの高さを測定すること、及び
測定したメニスカスの高さの、基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させること、
を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。

本開示の方法によれば、ＳｉＣ単結晶の成長中にメニスカス高さの調整を十分に行うことができる。

図１は、成長開始時における坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面の状態を表す断面模式図である。 図２は、成長開始時におけるメニスカス形状を表すＸ線透過像である。 図３は、成長開始から所定時間経過した時点における坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面の状態を表す断面模式図である。 図４は、成長開始から所定時間経過した時点において、Ｘ線強度を変えずにメニスカスを観察した場合のＸ線透過像である。 図５は、成長開始から所定時間経過した時点において、本開示の方法でメニスカスを観察した場合のＸ線透過像である。 図６は、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間に形成されるメニスカスの断面模式図である。 図７は、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間に形成されるメニスカスの断面模式図である。 図８は、本開示の方法に用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を表す断面模式図である。 図９は、Ｘ線出力を変えずに観察した各成長時間におけるメニスカスのＸ線透過像である。 図１０は、本開示の方法で観察した各成長時間におけるメニスカスのＸ線透過像である。 図１１は、メニスカス高さの調節を行わずに成長させた成長結晶を側面から観察した外観写真である。 図１２は、メニスカス高さの調節を行わずに成長させた成長結晶を成長面から観察した外観写真である。 図１３は、メニスカス高さを一定に保ちながら成長させた成長結晶を側面から観察した外観写真である。 図１４は、メニスカス高さを一定に保ちながら成長させた成長結晶を成長面から観察した外観写真である。

本明細書において、（０００−１）面等の表記における「−１」は、本来、数字の上に横線を付して表記するところを「−１」と表記したものである。

従来、溶液法によるＳｉＣ単結晶の成長の際、メニスカスの状態をｉｎ−ｓｉｔｕ観察することができず、メニスカス高さを一定に保つために、経験に基づいた推定によって種結晶保持軸や坩堝を動かすしかなかった。再現性が得られないことがあり、メニスカス高さを正確に制御することができなかった。

本発明者は、Ｘ線を用いてメニスカス高さを観察してメニスカス高さを正確に制御する方法を検討した。溶液法によるＳｉＣ単結晶の成長においては、時間が経過するにつれて、坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面で雑結晶が発生しやすい。３相界面に雑結晶が発生するとその部分で観察用のＸ線が減衰するため、メニスカス高さの正確な観察ができないことが分かった。

図１に、成長開始時における坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面の状態を表す断面模式図を示す。成長開始時においては、図２に示すように、メニスカス部分の明確なＸ線透過像３４’を得ることができる。

しかしながら、成長開始から所定時間経過すると、図３に示すように、坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面に雑結晶１７が発生しやすく、さらにその部分にＳｉ−Ｃ溶液が濡れ上がってしまう。そのため、図４に示すように、成長開始から所定時間経過した時点では、メニスカス形状を正確に観察することができない。

本発明者は、長時間安定して正確にメニスカス高さを観察する方法について鋭意研究を行い、その結果、Ｘ線の強度を変化させながらメニスカス形状の透過観察を行い、メニスカスの高さを測定する方法を見出した。

本開示は、坩堝内に配置された、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成すること、坩堝の側面を通してメニスカスにＸ線を照射し、Ｘ線の強度を変化させながらメニスカスの形状の透過観察を行って、メニスカスの高さを測定すること、及び測定したメニスカスの高さの、基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させること、を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。

本開示の方法によれば、ＳｉＣ単結晶の成長中に、時間の経過に伴いＸ線強度を変えながら透過観察を行うことにより、図５に示すように、メニスカス部分の明確なＸ線透過像３４’を得ることができ、メニスカス高さを正確に測定することが可能になる。これにより、メニスカス高さの調整を十分に行うことができる。メニスカス高さの調整を十分に行うことができるので、意図しない過飽和度の変化を抑制することができ、また、異種ポリタイプなどの結晶欠陥の発生を回避することができる。

本開示の方法は溶液法を用いる。溶液法とは、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸の下端面に保持したＳｉＣ種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法である。Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の液面（表面）に向けて温度低下する温度勾配を形成することによってＳｉ−Ｃ溶液の表面領域を過飽和にして、Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させた種結晶基板から、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

本開示の方法においては、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成する。メニスカスとは、図６及び図７に示すように、表面張力によって種結晶基板１４に濡れ上がったＳｉ−Ｃ溶液２４の液面（表面）に形成される凹状の曲面３４をいう。図６においては、Ｓｉ−Ｃ溶液は、種結晶基板１４の下面のみに濡れており、図７においては、Ｓｉ−Ｃ溶液は、種結晶基板１４の下面だけでなく側面にも濡れ上がっている。

すなわち、メニスカスとは、図６に示すように、種結晶基板１４の成長面となる下面とＳｉ−Ｃ溶液２４の液面との間に形成される凹状の曲面３４、または図７に示すように、種結晶基板１４の側面とＳｉ−Ｃ溶液２４の液面との間に形成される凹状の曲面３４をいう。

種結晶基板１４とＳｉ−Ｃ溶液２４との間にメニスカスを形成しながら、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた後、種結晶基板の下面がＳｉ−Ｃ溶液の液面よりも高くなる位置に種結晶基板を引き上げて保持することによって、または種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させて種結晶基板の側面にＳｉ-Ｃ溶液を濡れ上がらせることによって、メニスカスを形成することができる。

メニスカスの高さ１５とは、凹状の曲面３４の鉛直方向の高さ、すなわち、図６においては種結晶基板１４の成長面となる下面とＳｉ−Ｃ溶液２４の液面との間の鉛直方向の高さであり、図７においては、種結晶基板１４の側面に濡れ上がったＳｉ−Ｃ溶液の最上部とＳｉ−Ｃ溶液２４の液面との間の鉛直方向の高さである。

成長面の外周部に形成されるメニスカス部分は輻射抜熱により温度が低下しやすいので、メニスカスを形成することによって、結晶成長面の界面直下の中央部よりも外周部のＳｉ−Ｃ溶液の温度が低くなる温度勾配を形成して、凹形状の成長面を有するＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

メニスカス高さは、狙いの成長結晶の口径等に応じて適宜調整すればよいが、好ましくは０．３〜５．０ｍｍ、より好ましくは０．５〜４．０ｍｍ、さらに好ましくは１．０〜３．０ｍｍである。上記範囲のメニスカス高さを形成することによって、より安定してＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

本開示の方法においては、坩堝の側面を通してメニスカスにＸ線を照射し、Ｘ線の強度を変化させながらメニスカス形状の透過観察を行い、メニスカスの高さを測定する。

本開示の方法によれば、坩堝壁、Ｓｉ−Ｃ溶液、及びＳｉ−Ｃ溶液の液面上方の雰囲気ガスの３相界面におけるＸ線透過率の変化にともなってＸ線強度を変動させて、坩堝内部のメニスカス形状のＸ線透過像をｉｎ−ｓｉｔｕで観察し、メニスカス高さの変動をｉｎ−ｓｉｔｕで評価することができる。

また、本開示の方法を用いれば、ＳｉＣ単結晶の成長中に成長結晶の厚みを正確に測定することもできるので、本開示の方法は、成長結晶の厚みや結晶成長速度をｉｎ−ｓｉｔｕで測定することにも応用可能である。

Ｘ線は、Ｘ線発生装置を用いて発生させることができる。透過Ｘ線を受ける位置に、イメージインテンシファイア及びＣＣＤカメラを配置してもよい。透過Ｘ線を、イメージインテンシファイアにて可視像に変換し、変換した可視像をさらにＣＣＤカメラにてデジタル信号に変換することができる。

Ｘ線透過率の変化にともなってＸ線強度を変動させる手法としては、例えば、デジタル信号に変換したＸ線透過像において、例えばメニスカスの最下端部にて所定値以上のコントラスト差が得られるように、Ｘ線管電圧を調節する等によりＸ線出力を調節すること、フィルタを用いること等が挙げられる。

本開示の方法においては、測定したメニスカスの高さの、基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させる。

基準高さは任意に設定することができ、例えば結晶成長開始時のメニスカス高さにしてもよく、または結晶成長開始時のメニスカス高さから所定のずれの範囲、例えば結晶成長開始時±Ｙｍｍ（Ｙは、０．０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、または０．３ｍｍ）の範囲にしてもよい。

測定したメニスカス高さの基準高さからの変化を補正するように、好ましくはメニスカス高さが一定になるように、坩堝または種結晶保持軸の位置を、任意のタイミングで制御することができる。メニスカス高さの補正を行うタイミングは、リアルタイムに連続的に行ってもよく、あるいは、例えば１分〜２時間毎若しくは１０分〜１時間毎に行ってもよい。

ＣＣＤカメラには、制御部が接続されていてもよい。ＣＣＤカメラで変換されたデジタル信号からメニスカス高さを算出し、測定したメニスカス高さの基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させる移動量を算出し、種結晶保持軸に接続された種結晶保持軸駆動部または坩堝に接続された坩堝駆動部に、駆動用の信号を送ることができる。

デジタル信号に変換したＸ線透過像からメニスカス高さを算出する手法としては、好ましくは、画像処理による曲線化（数式化）を行い、メニスカス高さを算出する方法、Ｘ線透過像において一定以上のコントラスト差を基準に、メニスカスの最下端を決定し、メニスカス高さを測定する方法が挙げられる。

図８に、本開示の方法を実施し得る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液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。

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溶液を形成することができる。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。

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から構成されている。上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂは、それぞれ平行巻きに配置され、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂの鉛直方向の間隔を、例えば２０ｍｍ程度にして配置される。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。

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２８の内部に配置される。水冷チャンバー２８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、さらに、対向するように２つのＸ線透過像観察用耐熱ガラス窓を備える。

上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂの間に配置された耐熱ガラス窓をＸ線が通過するように、チャンバーの外側であって一方の耐熱ガラス窓に向けて、Ｘ線発生装置が配置されている。Ｘ線発生装置は、Ｘ線が略水平に発生する向きに配置され得る。他方の耐熱ガラス窓からでてくる透過Ｘ線を受ける位置に、イメージインテンシファイア及びＣＣＤカメラが配置されている。透過Ｘ線は、イメージインテンシファイアにて可視像に変換され、ＣＣＤカメラにてデジタル信号に変換される。

ＣＣＤカメラには、制御部が接続されている。ＣＣＤカメラで変換されたデジタル信号からメニスカス高さを算出し、測定したメニスカス高さの基準高さからの変化を補正するように、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させる移動量を算出し、種結晶保持軸に接続された種結晶保持軸駆動部または坩堝に接続された坩堝駆動部に、駆動用の信号を送ることができる。種結晶保持軸駆動部及び坩堝駆動部は、駆動用の信号にもとづいて、種結晶保持軸または坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させることができる。種結晶保持軸駆動部及び坩堝駆動部は、別々でもよく一体であってもよい。

本開示の方法に用いられ得る種結晶基板として、例えば昇華法で一般的に作成したＳｉＣ単結晶を用いることができる。種結晶基板は、成長面がフラットであり（０００１）ジャスト面または（０００−１）ジャスト面を有するＳｉＣ単結晶であることができる。種結晶基板の全体形状は、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。

種結晶保持軸１２に種結晶基板１４を保持させることは、接着剤等を用いて種結晶基板１４の上面を種結晶保持軸１２の下端面に接着させることによって行うことができる。

本願において、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。

Ｓｉ−Ｃ溶液はＳｉ／Ｃｒ／Ｘ（ＸはＳｉ及びＣｒ以外の１種以上の金属）の融液を溶媒とするＳｉ−Ｃ溶液が好ましい。さらに、原子組成百分率でＳｉ：Ｃｒ：Ｘ＝３０〜８０：２０〜６０：０〜１０の融液を溶媒とするＳｉ−Ｃ溶液が、Ｃの溶解量の変動が少なく好ましい。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。

Ｓｉ−Ｃ溶液は、その液面（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℃が好ましい。

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。

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液の内部よりも液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の液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、例えば溶液の液面からの深さがおよそ１ｃｍまでの範囲で１０〜５０℃／ｃｍにすることができる。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４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１４の下面近傍は、加熱装置の出力制御、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面からの放熱、及び種結晶保持軸１２を介した抜熱等によって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４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１４上にＳｉＣ結晶を成長させることができる。

（参考例１）
直径２２ｍｍ及び厚み３４０μｍの円盤状の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面が（０００−１）面（ジャスト面）を有する昇華法により作製したＳｉＣ単結晶を用意して種結晶基板として用いた。種結晶基板の上面を、直径が２５ｍｍの円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。

図８に示す単結晶製造装置を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容する黒鉛坩堝に、Ｓｉ／Ｃｒを原子組成百分率で６０：４０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ヘリウムで置換した。

水冷チャンバー２８は、対向して配置される２つのＸ線観察用耐熱ガラス窓２９（パイレックス（登録商標）ガラス）を備える。

上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂの間に配置された耐熱ガラス窓をＸ線が通過するように、チャンバーの外側であって一方の耐熱ガラス窓に向けて、Ｘ線発生装置２７（ＴＩＴＡＮ−１６０型、１６０ｋＶ、４５ｍＡ）を配置した。他方の耐熱ガラス窓からでてくる透過Ｘ線を受ける位置に、イメージインテンシファイア３０（東芝電子管デバイス株式会社製、ＩＡ−７ＶＳ−Ｋ）及びＣＣＤカメラ３２（センテック株式会社製、ＳＴＣ−ＣＬ８３Ａ）を配置した。

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合金の融液を形成した。そしてＳｉ／Ｃｒ合金の融液に黒鉛坩堝１０から十分な量のＣを溶解させて、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を形成した。

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の内部から溶液の液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の液面における温度を２０００℃まで昇温させ、並びに溶液の液面から３ｍｍの範囲で溶液内部から溶液の液面に向けて温度低下する温度勾配が２０℃／ｃｍとなるように高周波コイル２２の出力を調節した。

黒鉛軸に接着した種結晶基板の（０００−１）面である下面をＳｉ−Ｃ溶液面に平行に保ちながら、種結晶基板の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面に一致する位置に配置して、Ｓｉ−Ｃ溶液に種結晶基板の下面を接触させるシードタッチを行った。シードタッチの直後に、種結晶基板の下面の位置がＳｉ−Ｃ溶液の液面よりも２．０ｍｍ上方に位置するように、鉛直方向上方に黒鉛軸を引き上げて図６に示すような形状のメニスカスを形成した。２．０ｍｍ引き上げた位置でメニスカスを形成しながら２４時間保持してＳｉＣ結晶を成長させた。Ｘ線発生装置２７からメニスカスに向かって水平方向からＸ線を照射し、イメージインテンシファイア３０で透過Ｘ線を可視像に変換し、ＣＣＤカメラ３２でデジタル信号に変換した。さらに、デジタル信号に変換したＸ線透過像において、所定値以上のコントラスト差を基準にしてメニスカスの最下端を決定し、メニスカス高さを測定した。

成長開始から、２時間で８０ｋＶ、１２時間及び２４時間経過時点で１４０ｋＶにして、Ｘ線強度を変えながらメニスカス形状を観察し、メニスカス高さを測定した。メニスカス形状のＸ線透過像を図９に示す。

成長開始から２時間経過時点では、Ｘ線出力８０ｋＶの観察によって、メニスカス高さの測定が可能であり、メニスカス高さは２．５ｍｍであった。

成長開始から１２時間経過時点及び２４時間経過時点において、メニスカスの下部のコントラストが所定値以上になるようにＸ線出力を１４０ｋＶまで上げてメニスカス高さを測定した。１２時間経過時点、２４時間経過時点のメニスカス高さはそれぞれ、４．５ｍｍ、６．５ｍｍであった。２４時間経過後に成長結晶を回収した。

成長結晶を側面から観察した外観写真を図１１に、成長面から観察した外観写真を図１２に示す。結晶成長の途中からメニスカス高さが増加した影響により、結晶成長速度が急増し、成長結晶中へのＳｉ−Ｃ溶液の取り込みが発生したことが分かる。成長面の最表面においてポリタイプは１５Ｒ及び６Ｈに変化していた。

（実施例１）
１０分毎にメニスカス測定を行い、その都度、基準高さである２．０ｍｍからの変化をゼロに補正するように、種結晶保持軸を鉛直方向に移動させたこと以外は、参考例１と同様の条件で２４時間、ＳｉＣ単結晶の成長を行った。

成長結晶を側面から観察した外観写真を図１３に、成長面から観察した外観写真を図１４に示す。メニスカス高さを一定に保つことにより、安定的な結晶口径の拡大と平滑な成長面を実現した。成長面の最表面においてもポリタイプは４Ｈを保っていた。

（参考例２）
成長開始から、２時間、１２時間及び２４時間経過時点で、Ｘ線強度を８０ｋＶにしてＸ線強度を変えずにメニスカス形状を観察し、メニスカス高さを測定した。メニスカス形状のＸ線透過像を図１０に示す。

成長開始から１２時間経過時点、２４時間経過時点では、メニスカスの下部のコントラストがうまく得られず、メニスカス高さを測定することができなかった。

（参考例３）
成長開始時点でＸ線強度を１４０ｋＶにしてメニスカス形状を観察しようとしたところ、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面付近のコントラストが不明瞭であり、メニスカス形状を観察することができなかった。

１００ 単結晶製造装置
１０ 坩堝
１２ 種結晶保持軸
１４ 種結晶基板
１５ メニスカスの高さ
１７ 雑結晶
１６ 種結晶基板のジャスト面
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
２７ Ｘ線発生装置
２８ 水冷チャンバー
２９ ガラス窓
３０ イメージインテンシファイア
３２ ＣＣＤカメラ
３４ メニスカス
３４’ メニスカス部分のＸ線透過像
４０ ＳｉＣ成長結晶

Claims (1)

1. 坩堝内に配置された、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶基板と前記Ｓｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成すること、
   前記坩堝の側面を通して前記メニスカスにＸ線を照射し、前記Ｘ線の強度を変化させながら前記メニスカスの形状の透過観察を行って、前記メニスカスの高さを測定すること、及び
   前記測定したメニスカスの高さの、基準高さからの変化を補正するように、前記種結晶保持軸または前記坩堝の少なくとも一方を鉛直方向に移動させること、
   を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。