JP2018083738A - 単結晶成長装置、単結晶成長方法及び単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に口径拡大できる単結晶成長装置を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかる単結晶成長装置は、単結晶の第１面と第１面に対向する第２面とを保護できる保護面を有し、前記単結晶を前記保護面で挟み保持できる単結晶保持部と、前記保護面により前記単結晶を挟む第１の方向から見て、前記単結晶保持部の外周を覆う炉体と、前記炉体内において、前記単結晶保持部より前記第１の方向と交差する径方向の外側に設けられた原料設置部と、前記炉体の前記径方向の外側を中央部より高温に加熱する加熱手段と、を備え、前記単結晶保持部が保持する単結晶を前記径方向の外側に向かって結晶成長させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、単結晶成長装置、単結晶成長方法及び単結晶に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、特徴的な特性を有する。例えば、シリコン（Ｓｉ）と比べて、絶縁破壊電界は１桁大きく、バンドギャップは３倍大きく、熱伝導率は３倍程度高い。そのため炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
特に近年、一枚の基板から多くの半導体デバイスを得るために、ＳｉＣ単結晶基板の大口径化が求められている。そのためＳｉＣ単結晶自体の大口径化の要望も高まっている。

ＳｉＣ単結晶基板は、ＳｉＣインゴットを切り出して作製する。ＳｉＣインゴットは、一般に昇華法によって得られる。昇華法は、黒鉛製の坩堝内に配置した台座にＳｉＣ単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きなＳｉＣインゴットへ成長させる方法である。

しかしながら、小さな種結晶から直接大きなＳｉＣインゴットを得ることは難しい。そのため、まず種結晶を大きなＳｉＣ単結晶に成長させ、そのＳｉＣ単結晶を用いてＳｉＣインゴットを作製することが一般的である。

大きなＳｉＣ単結晶を得る手段は、種々の方法が検討されている。
例えば、特許文献１は、テーパーガイドを用いる方法が記載されている。テーパーガイドに沿ってＳｉＣ単結晶が成長し、大きなＳｉＣ単結晶が作製されている。

また特許文献２には、大きなＳｉＣ単結晶を得る手段として、ＲＡＦ（Ｒｅｐｅａｔｅｄ ａ−ｆａｃｅ）法が記載されている。ＲＡＦ法とは、ａ面成長を少なくとも１回以上行った後に、ｃ面成長を行うという方法である。

また特許文献３には、ＳｉＣ単結晶の原料を炉内の外周側に配置し、ＳｉＣ単結晶をａ軸方向とｃ軸方向に結晶成長させる方法が記載されている。

特開２００２−６０２９７号公報 特許第３７４５６６８号公報 特開平１１−２６８９９０号公報

しかしながら、上述の方法では、ａ軸方向への口径拡大を容易に実現することが難しいという問題があった。

例えば、特許文献１に記載のテーパーガイドを用いた方法では、ｃ軸方向にも結晶が成長するため効率的ではない。またテーパーガイドに付着した多結晶は、単結晶と接触すると、欠陥発生の原因となる。そのため、得られる単結晶の品質が悪くなる場合がある。

一方で、特許文献２のＲＡＦ法を用いると、螺旋転位及び積層欠陥をほとんどもたない非常に高品質な大型のＳｉＣ単結晶を作製できる。しかしながら、ａ軸方向の結晶成長と、ｃ軸方向の結晶成長をそれぞれ行うため、大型化するための工程が多い。また、結晶方位を利用した作製方法であるため、大型で円形の単結晶を得ることが難しいという問題もある。

また特許文献３に記載の方法は、ａ軸方向とｃ軸方向のそれぞれに結晶成長が進むため、結晶に対してａ軸方向とｃ軸方向の両方の温度勾配を制御する必要がある。またａ軸とｃ軸に同時に結晶成長すると、得られる単結晶の品質が悪くなる場合がある。例えばａ軸方向に成長する部分は螺旋転位を有さないため、ｃ軸方向に結晶成長する際に異種多形を生み出す場合がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、容易に口径拡大できる単結晶成長装置及び単結晶成長方法を提供することを目的とする。また単結晶成長装置及び単結晶成長方法によって得られる特徴ある単結晶を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、単結晶のｃ面を保護し、ｃ軸方向への結晶成長を抑制することで、単結晶の口径拡大を容易にできることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）一実施態様にかかる単結晶成長装置は、単結晶の第１面と第１面に対向する第２面とを保護できる保護面を有し、前記単結晶を前記保護面で挟み保持できる単結晶保持部と、前記保護面により前記単結晶を挟む第１の方向から見て、前記単結晶保持部の外周を覆う炉体と、前記炉体内において、前記単結晶保持部より前記第１の方向と交差する径方向の外側に設けられた原料設置部と、前記炉体の前記径方向の外側を中央部より高温に加熱する加熱手段と、を備え、前記単結晶保持部が保持する単結晶を前記径方向の外側に向かって結晶成長させることができる。

（２）上記態様にかかる単結晶成長装置における前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記径方向に延在するガイドリングをさらに備えてもよい。

（３）上記態様にかかる単結晶成長装置における前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドをさらに備えてもよい。

（４）上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記単結晶保持部と前記原料設置部との前記径方向の間に設けられ、前記単結晶保持部に保持される前記単結晶の外周を囲む遮蔽リングをさらに備えてもよい。

（５）上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記単結晶保持部と前記ガイドリングとの間に隙間があってもよい。

（６）上記態様にかかる単結晶成長装置において、前記単結晶保持部を中心に、前記第１の方向に対称であってもよい。

（７）一実施形態にかかる単結晶成長方法は、上記態様にかかる単結晶成長装置を用いた単結晶成長方法であって、単結晶のｃ軸方向の両面を前記保護面で挟み、前記単結晶を保持する工程と、前記原料設置部に設けられた原料を前記加熱手段で加熱し、前記単結晶のｃ軸と交差する径方向に前記単結晶を成長させる工程と、を有する。

（８）上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記原料を、前記単結晶保持部を中心に、前記第１の方向に対称に設置してもよい。

（９）上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記単結晶を成長させる際に、前記単結晶保持部を介して前記単結晶に蓄積された熱を排熱してもよい。

（１０）一実施形態にかかる単結晶成長方法は、単結晶のｃ軸方向の両面を保護し、前記ｃ軸方向への成長を抑制しつつ、前記ｃ軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させる。

（１１）一実施形態にかかる単結晶は、結晶構造のｃ軸方向から見て、中央部から６方向に放射状に延在するファセット成長領域を有する。

（１２）上記態様にかかる単結晶は、ｃ軸方向から見て円形であり、同心円状に不連続領域を有してもよい。

（１３）上記態様に係る単結晶は、前記不連続領域の外周に拡大部を有し、拡大部が積層欠陥を有してもよい。

本実施形態にかかる単結晶成長装置及び単結晶成長方法によれば、高品質で口径の大きな単結晶を容易にえることができる。

結晶方位及び結晶面について説明するための模式図を示す。 第１実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。 複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程を模式的に示した図である。 複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程の別の例を模式的に示した図である。 本実施形態にかかる単結晶の平面模式図である。 シミュレーションを行った際の原料ガスの流れと等温面とを示す図である。 シミュレーションにより結晶成長を行った後の単結晶成長装置の断面を示す図である。

以下、単結晶成長装置、単結晶成長方法及び単結晶について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

まず結晶の方位及び方向について定義する。図１は、結晶方位及び結晶面について説明するための模式図である。単結晶には、主要な結晶面として｛０００１｝面（ｃ面）と、ｃ面に垂直な｛１−１００｝面（ｍ面）及び｛１１−２０｝面（ａ面）が知られている。ここで、面指数において「−」の記号は通常数字の上に付されるが、本明細書及び図面では便宜上数字の左側に付した。また結晶方位を示す＜０００１＞、＜１−１００＞及び＜１１−２０＞についても同様の取り扱いとする。

尚、面を表す指数を示すかっこ｛｝、方向を表す指数を示すかっこ＜＞は、等価な対称性を持つ面及び方向を示すものであるので、向きを区別しない。本願では、面や方向を区別する時に、「向き」により区別する場合がある。例えば、｛１１−２０｝面を表裏面にもつ結晶の、一方の面を表面とすれば、裏面を反対の向きの面などという場合がある。

（単結晶成長装置）
図２は、本実施形態にかかる単結晶成長装置の断面模式図である。図２に示す単結晶成長装置１００は、単結晶保持部１０と、炉体２０と、原料設置部３０と、加熱手段４０と、ガイドリング５０と、テーパーガイド６０と、遮蔽リング７０とを備える。図２は、理解を容易にするために、単結晶保持部１０に単結晶Ｓが保持され、原料設置部３０に原料Ｇが設置された状態を図示している。

図２において、単結晶Ｓを挟む第１の方向をｚ方向とし、ｚ方向に対し垂直な一方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。また第１の方向に交差する方向であって、単結晶保持部１０を中心にｘｙ面が広がる方向を「径方向」と言うことがある。また単結晶成長装置１００の径方向外側を「外周側」、径方向内側を「中央部」と言うことがある。以下、単結晶成長装置１００の各構成について具体的に説明する。

単結晶保持部１０は、単結晶Ｓの第１面と第１面に対向する第２面とを保護できる保護面１０ａを有する。保護面１０ａが単結晶Ｓを両面から押えることで、単結晶保持部１０は単結晶Ｓを保持する。

単結晶保持部１０は、ｚ方向に延在する単結晶保持部１０の中心軸を中心に回転できる構成を有してもよい。単結晶保持部１０に保持される単結晶Ｓには、外周側から原料ガスが供給される。単結晶保持部１０が回転することで、径方向への結晶成長速度が均等化される。

単結晶保持部１０には、排熱機構を設けてもよい。単結晶Ｓは高温で結晶成長するため、単結晶Ｓと接触する単結晶保持部１０も高温になる。単結晶保持部１０に蓄積された熱を効率的に排熱すると、単結晶成長装置１００の外周側と中央部の温度勾配をより大きくすることができる。その結果、単結晶Ｓの径方向への成長速度が高まる。

排熱機構は、公知のものを用いることができる。例えば、外部から強制的に冷却する機構を設けてもよいし、熱伝導率の高い物質を接触させてもよい。

炉体２０は、ｚ方向から見て、単結晶保持部１０の外周を覆う。すなわち、炉体２０は、単結晶Ｓが単結晶保持部１０から露出している部分を覆う。炉体２０により単結晶Ｓが成長する空間が閉じた空間となり、原料Ｇの利用効率が高まる。

原料設置部３０は、炉体２０内の径方向の外側に設けられている。原料設置部３０は、原料Ｇを単結晶保持部１０に対して径方向の外側に設置できれば、その構成は特に問わない。原料設置部３０に原料Ｇを設置し加熱することで、単結晶保持部１０に対して外周側から原料ガスが供給される。原料設置部３０は、単結晶保持部１０を中心にｚ方向対称に原料Ｇを設置できることが好ましい。

加熱手段４０は、炉体２０内の温度を周方向の外周側が中央部より高温になるように制御する。加熱手段４０は、公知のヒーター等を用いることができる。加熱手段４０において加熱された炉体２０の各部分の温度は、放射温度計等で測温できる。なお、図２においては炉体の上下にヒーターを設けているが、外周にヒーターを配置してもよい。

ガイドリング５０は、単結晶保持部１０から径方向に延在するリング状の部材である。ガイドリング５０を設けると、単結晶Ｓ近傍の原料ガスの流れが制御される。

ガイドリング５０は、単結晶Ｓの外周面に対して略垂直な方向から原料ガスが供給されるように、原料ガスの流れを制御する。原料ガスの流れを制御すると、単結晶Ｓの径方向への結晶成長速度が高まる。またガイドリング５０を有すると、成長した単結晶Ｓが単結晶保持部１０から突出した場合でも、安定的に径方向へ結晶成長する。

ガイドリング５０と単結晶保持部１０との間には、隙間を設けることが好ましい。隙間を介して原料ガスの一部を空間Ｒへ逃がすことにより、原料ガスの滞留を防ぐことができる。

原料ガスが滞留すると、所望の部分以外の場所に結晶が成長する。例えば、原料設置部３０から単結晶保持部１０へ向かって原料ガスが流れる流路の途中に、不要な結晶が生じると、原料ガスの流れを乱す。またこの不要な結晶が、成長する単結晶Ｓと接触すると、結晶欠陥の原因となる。

テーパーガイド６０は、炉体２０内において、単結晶保持部１０から原料設置部３０に向かって拡径する部材である。原料設置部３０に設置された原料Ｇで生じた原料ガスは、テーパーガイド６０に沿って単結晶保持部１０へ供給される。そのため、原料設置部３０から単結晶保持部１０に向かって原料ガスが収束するようにテーパーガイド６０を配置することで、単結晶Ｓへの原料ガスの供給効率を高めることができる。

遮蔽リング７０は、単結晶保持部１０と原料設置部３０との径方向の間に設けられ、単結晶保持部１０に保持される単結晶Ｓの径方向の外周を囲む部材である。遮蔽リング７０は、周囲の部材からの熱輻射を遮蔽する。熱輻射による単結晶Ｓの温度上昇を抑制することで、単結晶Ｓが設置されている炉体２０の中央部の温度を低くすることができる。その結果、炉体２０の外周側と中央部の温度勾配を大きくし、単結晶Ｓの径方向への成長速度を高めることができる。

また遮蔽リング７０は、熱輻射を遮蔽し、単結晶Ｓ近傍における等温面をｚ方向と略平行にする。単結晶Ｓは、等温面に対して垂直に結晶成長する。そのため、等温面がｚ方向と略平行となることにより、単結晶Ｓの径方向への結晶成長速度がｚ方向で均一化する。そのため、単結晶Ｓの径方向への結晶成長がより安定化する。

単結晶保持部１０、炉体２０、原料設置部３０、加熱手段４０、ガイドリング５０、テーパーガイド６０及び遮蔽リング７０を構成する材料は、耐熱性を有する材料であれば、特に問わない。例えば、カーボン、炭化タンタル（ＴａＣ）等を用いることができる。

ガイドリング５０、テーパーガイド６０及び遮蔽リング７０は必須の構成ではないが、これらを有することで単結晶Ｓの径方向への結晶成長をより効率的に行うことができる。また炉体２０内に断熱材８０を設け、熱効率を高めてもよい。

単結晶成長装置１００は、単結晶保持部１０を中心に、ｚ方向に対称であることが好ましい。単結晶成長装置１００がｚ方向に対称であると、単結晶保持部１０にｚ方向均一に原料ガスを供給できる。その結果、単結晶保持部１０に保持される単結晶Ｓのｚ方向の成長を均一にできる。

（単結晶成長装置の動作、単結晶成長方法）
次いで、単結晶成長装置の動作と共に、単結晶成長方法について具体的に説明する。本実施形態にかかる単結晶成長方法は、単結晶のｃ軸方向の両面を保護し、ｃ軸方向への成長を抑制しつつ、ｃ軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させる方法である。以下、図２に示す単結晶成長装置１００を用いて、単結晶を結晶成長させる場合を例に、具体的に説明する。

まず、基礎となる単結晶Ｓを準備する。以下、この基礎となる単結晶を種結晶と言うことがある。種結晶は、公知の方法で作製された単結晶を切り出して得られる。
単結晶Ｓの種類は特に問わないが、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン等を用いることができる。

種結晶の形状は問わないが、例えば超音波加工により円柱状に切り出す。円柱の高さ方向は、結晶のｃ軸方向と略一致させる。このように切り出すことで、円柱状の種結晶の底面及び頂面は、ｃ面又はオフセット角を有するｃ面となる。

切り出された円柱状の種結晶は、研磨及びエッチング処理を施すことが好ましい。研磨は、ラップ研磨、化学機械研磨（ＣＭＰ）等を用いることができる。

研磨及びエッチング処理を行うと、種結晶が有するダメージ層を除去することができる。ダメージ層とは、切断・研削・研磨等の外力により結晶構造に乱れが生じ、内部応力がかかっている層である。そのため、ダメージ層は、結晶成長時の歪みを生み出し、転位や積層欠陥等の原因となる。

ダメージ層は、本来の安定構造からズレが生じている部分である。そのため、その他の部分より構造的にやや不安定であり、化学的なエッチングにより優先的に除去できる。

ダメージ層が除去されたかどうかは、結晶構造の乱れをＸ線トポグラフィーやＸ線ロッキングカーブで観察することで確認できる。結晶構造の乱れは、本来の構造からズレが生じた部位を含んでいるため、回折角が変化する。そのため、Ｘ線トポグラフィーではコントラストから、Ｘ線ロッキングカーブからは、ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）の増加から判断することができる。

次いで、円柱状に加工した種結晶の底面と頂面を保護面１０ａで挟み、種結晶を保持する。上述のように、円柱状の種結晶の高さ方向はｃ軸方向と略一致するため、保護面１０ａは種結晶のｃ軸方向の両面を保護する。

保護面１０ａは、保持される種結晶より径方向に突出していないことが好ましい。保護面１０ａが種結晶より径方向に突出していると、種結晶が結晶成長する際に、保護面１０ａから多結晶が析出し、品質が劣化する。この際、温度や部材の配置が適切であれば、ｃ軸方向の両面は保護面１０ａで保護されているため、径方向のみへの結晶成長が実現できる。

また単結晶成長装置１００の原料設置部３０に原料Ｇを設置する。原料Ｇは、ＳｉＣ単結晶を結晶成長させる場合は、焼結したＳｉＣ粉末原料を用いることができる。

原料Ｇを炉体２０の外周に沿った原料設置部３０に設置する手順として、例えば以下の手順が挙げられる。

まず炉体２０のｚ方向上面を開放し、炉体２０内に炉体２０の直径より小さい径の円筒を挿入する。そして、挿入した円筒と、炉体２０の外周との間に、原料Ｇを充填する。充填後に、挿入した円筒を静かに取り除き、炉体２０のｚ方向上面を塞ぐ。原料Ｇは、固形であり、加熱時にも溶融する訳ではない。そのため、このような手順で原料Ｇを原料設置部３０に設置することができる。

また充填する原料Ｇが微細な粉末等であり、挿入した円筒を取り除くことが難しい場合は、円筒に原料ガスが通過できるポーラス孔を設ける。原料ガスがポーラス孔を通して通過できるため、挿入した円筒を取り除く必要が無くなる。この場合、挿入する円筒は、耐熱性を有する必要がある。そのため、ＳｉＣ単結晶を成長させる場合には、例えばカーボン等からなる円筒を用いることができる。

原料Ｇは、単結晶保持部１０を中心にｚ方向に対称に設置することが好ましい。原料Ｇがｚ方向に対称に設置されることで、単結晶保持部１０にｚ方向均一に原料ガスを供給できる。つまり、単結晶の径方向への成長速度をｚ方向で均一にすることができる。

上述のように、種結晶及び原料Ｇを単結晶成長装置１００内に設置した後、加熱手段４０により外部から炉体２０を加熱する。この際、炉体２０の外周側を中央部より高温になるように加熱する。そして、加熱により炉体２０の外周側と中央部との間に温度勾配が形成される。

この際、単結晶保持部１０と原料設置部３０との間に、遮蔽リング７０を設置することが好ましい。上述のように遮蔽リング７０を設けることで、温度勾配の等温面の位置を制御することができる。また熱輻射の影響を遮断し、温度勾配を大きくすることができる。

また単結晶保持部１０には排熱手段を設けることが好ましい。すなわち、単結晶を成長させる際に、単結晶保持部１０を介して単結晶Ｓに蓄積された熱を排熱することが好ましい。単結晶保持部１０を排熱することで、炉体２０の外周側と中央部との間の温度勾配が大きくなる。

原料設置部３０に設置された原料Ｇは、加熱により原料ガスを生じる。発生した原料ガスは、炉体２０の外周側と中央部の温度勾配に従い、単結晶保持部１０へ向かう。テーパーガイド６０を設けると、原料ガスを効率的に単結晶保持部１０へ供給できる。

そして、ガイドリング５０に沿って流れた原料ガスは、単結晶保持部１０に保持された種結晶近傍で冷やされ再結晶化する。その結果、種結晶が径方向に拡大し、大型の単結晶が得られる。

ガイドリング５０と単結晶保持部１０との間に隙間を有する場合は、過剰に供給された原料ガスの一部は、隙間を介して空間Ｒに流れる。空間Ｒに流れた原料ガスは、空間Ｒ内で再結晶化し、空間Ｒ内に蓄積する。図２において、空間Ｒは単結晶保持部１０のｚ方向上下方向の位置に存在する。そのため、空間Ｒで再結晶化した結晶が、種結晶の結晶成長に影響を及ぼすことはない。

単結晶の径方向への拡大は、一度に行ってもよいが、複数回に分けて行うことが好ましい。以下、図３を用いて複数回に分けて拡大する場合について説明する。図３は、複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程を模式的に示した図である。

図３に示すように、単結晶Ｓは、単結晶保持部１０によりｚ方向の両面を保護されているため、径方向に結晶成長する。単結晶Ｓが径方向に拡大し続けると、いずれ単結晶Ｓの径方向の外周端は、単結晶保持部１０より径方向の外側に位置する。この状態で、単結晶Ｓの径方向への拡大を進めると、第１拡大部Ｓ１が形成される。

第１拡大部Ｓ１は、ｚ方向の両面が保護されていない状態で成長するため、ｚ方向にも少し成長する。ｚ方向への成長量は、例えば遮蔽リング７０の配置等により等温面を制御したり、ガイドリング５０により原料ガスの流れを制御することで、ある程度制御できる。しかしながら、結晶成長を続けると、ｚ方向への成長量は無視できなくなる。

そこで、第１拡大部Ｓ１がある程度の大きさまで成長したら、一度成長を止める。そして、単結晶Ｓを単結晶保持部１０から取り外す。取り外した単結晶Ｓは、単結晶保持部１０で保護されていた部分と、第１拡大部Ｓ１とでｚ方向の厚みが異なる。そこで、研削、ＣＭＰ研磨等により第１拡大部Ｓ１の突出部Ｐを除去し、ｚ方向の厚みを均一にする。この段階で、初期の単結晶Ｓより口径は拡大している。

次いで、口径が拡大した単結晶Ｓを再度、単結晶保持部１０で保持する。この際、単結晶保持部１０の大きさは、一回目の単結晶保持部１０より大きなサイズとする。また単結晶保持部１０の大きさは、口径拡大後の単結晶Ｓより大きくする。

そして、この状態で単結晶Ｓを結晶成長させると、第２拡大部Ｓ２が形成される。そして、第２拡大部Ｓ２がある程度成長したら、再度、単結晶保持部１０を取外し、突出部Ｐを研磨する。

このような工程を繰り返すことで、段階的に口径を拡大することができる。複数回に分けて段階的に口径を拡大すると、ｚ方向の厚みを均一に保つことが容易になる。また、一度に口径拡大する場合と比較して歪が生じにくく、単結晶Ｓが成長過程において割れることを防ぐことができる。

また複数回に分けて口径拡大を行う場合は、図４に示すような手順で行ってもよい。図４は、複数回に分けて単結晶の口径を拡大する場合における単結晶の成長過程の別の例を模式的に示した図である。

図４は、単結晶Ｓを径方向に拡大した第１拡大部Ｓ１の突出部Ｐを除去するまでは、図３に示す手順と同じである。

図４に示す手順では、突出部Ｐを除去した後に、一度ｃ軸方向へ結晶成長を行う。第１拡大部Ｓ１に欠陥が生じた場合、同一の結晶方位に成長を進めるとその欠陥は引き継がれる。成長方向を変えることで、生じた欠陥を取り除くことができる。

例えば、単結晶Ｓがオフセット角を有する場合は、発生した欠陥Ｄはオフセット下流側に伝搬する。そのため、ある程度ｃ軸方向に結晶成長を進めると、欠陥Ｄを除去することができる。そこで、欠陥Ｄが除去された領域を切り出し、第２の単結晶Ｓ’とする。

第２の単結晶Ｓ’を利用することで、再度口径拡大を行う際に欠陥が結晶中に残ることを避けることができる。つまり、上記の工程を繰り返すことで、欠陥が少なく大型の単結晶を得ることができる。

上述のように、本実施形態にかかる単結晶成長方法によれば、ｃ軸方向への結晶成長を抑制しつつ、ｃ軸と交差する径方向への結晶成長を行うことができる。そのため、容易に口径の大きな単結晶を得ることができる。またｃ軸方向への成長がほとんどないため、温度勾配を径方向のみに限定することができ、成長中の温度差による割れ等の発生も低減できる。さらに、種結晶の形状や、成長面がオフセット角を有するか等を問わず、単結晶の口径拡大を実現できる。

また本実施形態にかかる単結晶成長装置によれば、上記の単結晶成長方法を容易に実現することができる。また炉体２０の径方向のサイズを大きくすれば、単結晶の拡大量を大きくすることができる。

（単結晶）
図５は、本実施形態にかかる単結晶の平面模式図である。図５に示すように、本実施形態にかかる単結晶Ｓは、結晶構造のｃ軸方向から見て、中央部から６方向に放射状に延在するファセット成長領域Ｆを有する。

「ファセット」とは、結晶の幾何学的規則性に沿って原子的なスケールでみて平坦な結晶面であり、結晶成長の際に成長機構の違いから平坦な面として現れる面をいう。例えば、｛０００１｝面と平行な｛０００１｝面ファセット（ｃ面ファセット）、｛１１−２０｝面と平行な｛１１−２０｝面ファセット（ａ面ファセット）、｛１−１００｝面と平行な｛１−１００｝面ファセット（ｍ面ファセット）等がある。これらは、結晶成長の際に平面として現れる。

また「ファセット成長領域Ｆ」は、成長過程のＳｉＣインゴットの最表面にファセットが形成された部分の集合体からなる領域をいう。ファセット成長領域Ｆは、ステップフロー成長するその他の領域と比べて、その成長機構の違いから不純物濃度が異なる。そのため、成長後の結晶からファセット成長領域Ｆを判別することもできる。

図１に示すように、単結晶は、ｃ軸方向から見ると正六角形の各面に結晶面（ａ面、ｍ面）を有する。そのため、単結晶を径方向にのみ拡大させると、各結晶面の位置にファセット成長領域Ｆが形成される。すなわち、中央の基礎となる単結晶Ｓ０から径方向に口径拡大した第１拡大部Ｓ１及び第２拡大部Ｓ２では、基礎となる単結晶Ｓ０から６方向に放射状に延在するファセット成長領域Ｆが形成される。そのため、上述の単結晶成長方法によって得られる単結晶は、基礎となる単結晶Ｓ０から６方向に放射状に延在するファセット成長領域Ｆを有する。

また基礎となる単結晶Ｓ０がｃ軸方向から見て円形の場合、基礎となる単結晶Ｓ０から均一に口径拡大すると、第１拡大部Ｓ１及び第２拡大部Ｓ２は同心円状に形成される。複数回結晶成長を行った界面は、一度成長を止めているため、不連続領域ｄｃが形成される。そのため、基礎となる単結晶Ｓ０、第１拡大部Ｓ１及び第２拡大部Ｓ２の界面には、不連続領域ｄｃが存在する。不連続領域ｄｃは、第１拡大部Ｓ１及び第２拡大部Ｓ２の形状と同様に同心円状に配置する。

ここで円形とは、完全な真円に限られない。例えば、局所的に発生するファセット部に直線部がある略円形であってもよい。円形基板を作製する場合は通常周辺部を研削する加工を行うので、このような場合も実質的に円形として扱うことができる。

本実施形態にかかる単結晶成長装置を用いると、単結晶のｃ軸方向の両面を保護し、ｃ軸方向への成長を抑制しつつ、ｃ軸方向と交差する径方法に単結晶が成長する。すなわち、基礎となる単結晶Ｓ０に対し不連続領域ｄｃを介して外周側に成長する拡大部（第１拡大部や第２拡大部）はｃ面に対して垂直な方向に成長する。その界面である不連続領域には積層欠陥があり、この積層欠陥は応力を緩和させる効果がある。

不連続領域で（０００１）面と平行となる積層欠陥が生成され、生成された積層欠陥は拡大部に引き継がれる。特開２０１２−７２０３４には、（０００１）面と成す角度が３０°〜１５０°となる面に成長することで、（０００１）面に積層欠陥の多い「積層欠陥生成領域」を作成する方法が記載されている。この不連続領域の上に成長される拡大部には（０００１）面の積層欠陥が形成されやすい。すなわち、本実施形態にかかる単結晶は、不連続領域の外周に位置する拡大部に積層欠陥を有する。

特開２０１２−７２０３４では、（０００１）面から４°より大きく３０°より小さい所定角度傾斜し、一部に（０００１）面と平行な積層欠陥が形成された積層欠陥生成領域を有する種結晶を用い、その上にＳｉＣ単結晶を成長させ、積層欠陥生成領域から積層欠陥を引き継がせる成長を行うことにより、貫通転位を低減できることが記載されている。

傾斜した面上への成長では、積層欠陥により成長方向側でらせん転位が引き継がれなくなることが推定され、このことは実験的に確認されている。本実施形態の単結晶は、結晶の外側である拡大部に積層欠陥を有する。そのため、（０００１）面から所定の角度傾斜した種結晶を作製し、その上にＳｉＣ単結晶を成長させると、積層欠陥による貫通転位の排出効果が得られる。すなわち、当該種結晶は、ＳｉＣインゴット等のＳｉＣ単結晶の作製に好適に用いることができる。

本実施形態にかかる単結晶は、ｃ軸を軸に径方向への結晶成長を行った場合の特徴として得られるものである。そのため、当該特徴を有する単結晶は、上述の単結晶成長装置又は単結晶成長方法によって作製されたものと推定される。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

（実施例１）
図２の構成を基準に単結晶成長装置を想定し、シミュレーションにより検討を行った。シミュレーションの条件は以下とした。

単結晶：有効なオフセット角を有さないｏｎ−ａｘｉｓ単結晶
単結晶保持状態：ｃ面の両面を保持
炉体のサイズ：径方向の幅が３０ｃｍ
加熱温度：炉体外周端の温度が２３５０℃、単結晶保持部中央の温度が２２５０℃
テーパーガイド：あり
遮蔽リング：あり
結晶成長時間：３０時間

図６は、上記の条件でシミュレーションを行った際の原料ガスの流れと等温面とを示す図である。また図７は、シミュレーションにより結晶成長を行った後の単結晶成長装置の断面を示す図である。

図６に示すように、単結晶の側面に対して略垂直に原料ガスの流れが形成された。また等温面は、単結晶の側面と略平行になった。この結果、図７に示すように、単結晶は径方向へ結晶成長した。

また過剰に供給された原料ガスの一部は、単結晶保持部とガイドリングの間の隙間を介した空間Ｒに流れ込んでいる。そのため、図７に示すように、空間中の最も低温な角部には、結晶が成長している。このように原料ガスの滞留を防ぐことにより、単結晶Ｓはその他の部材と固着することが無かった。

ついで、実際に装置により同様の条件で単結晶を結晶成長させた。
まずａ面成長したｏｎ−ａｘｉｓのＳｉＣ単結晶を作製した。そして、ＳｉＣ単結晶を、底面と頂面がｃ面となるように円柱状に加工し、外周面を鏡面研磨した。そして円柱状のＳｉＣ単結晶のｃ面を保護面で保持し、単結晶保持部に設置した。そして、炉体外周端の温度が２３５０℃、単結晶保持部中央の温度が２２５０℃となるように、ヒーターで炉体を加熱し、原料ガスを昇華させた。原料ガスは、原料として準備した焼結したＳｉＣ粉末を用いた。その結果、クラック等が発生することなく、ＳｉＣ単結晶を径方向に１２ｍｍ拡大することができた。この結果は、シミュレーションの結果と一致した。

（実施例２）
実施例２では、テーパーガイド及び遮蔽リングが無い状態でシミュレーションを行った点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様にした。

シミュレーションの結果、単結晶が径方向に６ｍｍ拡大した。この際に、径方向に拡大する単結晶は、単結晶保持部以外の部分に固着することはなかった。そのため、実際に作製した場合に、クラックや異種多形が生じることはないと考えられる。

実施例１が、実施例２と比較して径拡大量が多いのは、テーパーガイド及び遮蔽リングにより単結晶に対して効率的に原料ガスを供給できたためと考えられる。

（実施例３）
実施例３では、単結晶としてオフセット角（４°）を有する単結晶を用いてシミュレーションを行った点が実施例２と異なる。その他の条件は、実施例２と同様にした。

シミュレーションの結果、単結晶が径方向に６ｍｍ拡大した。この際に、径方向に拡大する単結晶は、単結晶保持部以外の部分に固着することはなかった。そのため、実際に作製した場合に、クラックや異種多形が生じることはないと考えられる。

実施例３では、実施例２と同等の結果が得られた。すなわち、当該単結晶成長装置は、オフセット角を有する単結晶でも、径拡大を行うことができる。

（比較例１）
比較例１では、単結晶のｃ面を保護面で保護しないでシミュレーションを行った点が実施例１と異なる。その他の条件は実施例１と同様にした。その結果、径方向に単結晶は拡大したが、同時にｚ軸方向（ｃ軸方向）にも拡大した。径方向に拡大した部分には螺旋転位が含まれないことが想定されるため、ｃ軸方向への成長部分は異種多形の発生確率が高まる。

１０…単結晶保持部、１０ａ…保護面、２０…炉体、３０…原料設置部、４０…加熱手段、５０…ガイドリング、６０…テーパーガイド、７０…遮蔽リング、８０…断熱材、１００…単結晶成長装置、Ｓ…単結晶、Ｇ…原料、Ｒ…空間、Ｓ１…第１拡大部、Ｓ２…第２拡大部、Ｐ…突出部、Ｄ…欠陥、Ｓ’…第２の単結晶、Ｆ…ファセット成長領域、ｄｃ…不連続領域

Claims (13)

1. 単結晶の第１面と第１面に対向する第２面とを保護できる保護面を有し、前記単結晶を前記保護面で挟み保持できる単結晶保持部と、
   前記保護面により前記単結晶を挟む第１の方向から見て、前記単結晶保持部の外周を覆う炉体と、
   前記炉体内において、前記単結晶保持部より前記第１の方向と交差する径方向の外側に設けられた原料設置部と、
   前記炉体の前記径方向の外側を中央部より高温に加熱する加熱手段と、を備え、
   前記単結晶保持部が保持する単結晶を前記径方向の外側に向かって結晶成長させることができる、単結晶成長装置。
2. 前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記径方向に延在するガイドリングをさらに備える請求項１に記載の単結晶成長装置。
3. 前記炉体内において、前記単結晶保持部から前記原料設置部に向かって拡径するテーパーガイドをさらに備える請求項１又は２のいずれかに記載の単結晶成長装置。
4. 前記単結晶保持部と前記原料設置部との前記径方向の間に設けられ、前記単結晶保持部に保持される前記単結晶の外周を囲む遮蔽リングをさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
5. 前記単結晶保持部と前記ガイドリングとの間に隙間がある請求項２から４のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
6. 前記単結晶保持部を中心に、前記第１の方向に対称である請求項１から５のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の単結晶成長装置を用いた単結晶成長方法であって、
   単結晶のｃ軸方向の両面を前記保護面で挟み、前記単結晶を保持する工程と、
   前記原料設置部に設けられた原料を前記加熱手段で加熱し、前記単結晶のｃ軸と交差する径方向に前記単結晶を成長させる工程と、を有する単結晶成長方法。
8. 前記原料を、前記単結晶保持部を中心に、前記第１の方向に対称に設置する請求項７に記載の単結晶成長方法。
9. 前記単結晶を成長させる際に、前記単結晶保持部を介して前記単結晶に蓄積された熱を排熱する請求項７または８のいずれかに記載の単結晶成長方法。
10. 単結晶のｃ軸方向の両面を保護し、前記ｃ軸方向への成長を抑制しつつ、前記ｃ軸方向と交差する径方向に単結晶を成長させる単結晶成長方法。
11. 結晶構造のｃ軸方向から見て、中央部から６方向に放射状に延在するファセット成長領域を有する単結晶。
12. ｃ軸方向から見て円形であり、同心円状に不連続領域を有する請求項１１に記載の単結晶。
13. 前記不連続領域の外周に拡大部を有し、拡大部が積層欠陥を有する請求項１２に記載の単結晶。
    

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