JP2018158849A - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種ポリタイプの混入が抑制されたＳｉＣ単結晶を得る。
【解決手段】ＳｉＣ単結晶の製造方法は、１以上の溝が形成された成長面を有する種結晶を準備する工程（ステップＳ１）と、原料を加熱して溶融し、ＳｉＣ溶液を生成する溶液生成工程（ステップＳ２）と、前記種結晶の前記成長面を前記ＳｉＣ溶液に接触させて前記種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる成長工程（ステップＳ４）とを備える。前記１以上の溝の各々は、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の幅を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶の製造方法に関し、より詳しくは、溶液成長法によるＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンに比べて広いバンドギャップを有し、次世代の半導体材料として期待されている。ＳｉＣをパワーデバイスに応用するためには、高品質な結晶が必要である。Materials Science Forum 338-342 (2000) 1161-1166によれば、結晶に存在する転位等の欠陥は、デバイスの性能に影響を与えるとされているからである。近年、ＳｉＣ単結晶の欠陥の低密度化が進められているが、それでも欠陥密度は比較的高く、欠陥を完全になくすことは困難である。

特開平８−５９３８９号公報には、昇華再結晶法によるＳｉＣ単結晶の製造方法において、種結晶の成長面に螺旋転位の中心として機能する特異点として、人為的に突起・へこみ・不純物を導入して結晶成長させることが記載されている。同文献によれば、特異点によって結晶成長中にランダムに発生する螺旋転位が抑制され、欠陥の少ない単結晶が得られると記載されている。

特開２００６−５２０９７号公報には、昇華再結晶法によるＳｉＣ単結晶の製造方法において、成長面に矩形の溝を有する種結晶を用いることが記載されている。同文献によれば、溝部では結晶がｃ軸方向と垂直に成長するため、ｃ軸方向に伝搬する貫通転位の発生が抑制されるとされている。

ＳｉＣ単結晶の製造方法として、上記のような昇華再結晶法に加え、溶液成長法が知られている。溶液成長法は、比較的平衡状態に近いプロセスで結晶を成長させるため、高品質なＳｉＣ単結晶が得られる。溶液成長法は、例えば特開２００９−９１２２２号公報に記載されている。

特開２０１４−１９６１４号公報には、溶液成長法によるＳｉＣ単結晶の製造方法において、結晶成長面の界面直下の中央部におけるＳｉＣ溶液の温度よりも、外周部におけるＳｉＣ溶液の温度が低くなるように温度制御することが記載されている。同文献によれば、これによって成長結晶にインクルージョン（溶媒の巻き込み）が発生するのを抑制できるとされている。

ＳｉＣ単結晶の課題として、上記のような転位の問題に加え、多形（ポリタイプ）制御の問題がある。ＳｉＣは様々な結晶構造を有し、これらはポリタイプと呼ばれる。ＳｉＣをパワーデバイスに応用するためには、単一のポリタイプの結晶を得る必要がある。

特開２００４−３２３３４８号公報には、昇華再結晶法によるＳｉＣ単結晶の製造方法において、螺旋転位が高密度に発生する領域を有する転位制御基板を用いることが記載されている。同文献によれば、螺旋転位を利用して異種ポリタイプの混入を抑制できるとされている。

特開平８−５９３８９号公報 特開２００６−５２０９７号公報 特開２００９−９１２２２号公報 特開２０１４−１９６１４号公報 特開２００４−３２３３４８号公報

Materials Science Forum 338-342 (2000) 1161-1166

特開２００４−３２３３４８号公報に記載された製造方法は、転位制御基板を準備するために、結晶成長を繰り返し行う必要がある。また、螺旋転位を発生させる場所を任意に選ぶことができないため、溶液成長法に適用することは困難である。

本発明の目的は、異種ポリタイプの混入が抑制されたＳｉＣ単結晶を得ることである。

本発明の一実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、１以上の溝が形成された成長面を有する種結晶を準備する工程と、原料を加熱して溶融し、ＳｉＣ溶液を生成する溶液生成工程と、前記種結晶の前記成長面を前記ＳｉＣ溶液に接触させて前記種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる成長工程とを備える。前記１以上の溝の各々は、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の幅を有する。

本発明によれば、異種ポリタイプの混入が抑制されたＳｉＣ単結晶が得られる。

図１は、本発明の実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法のフロー図である。 図２は、種結晶の構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、ＳｉＣ単結晶の製造装置の構成の一例を模式的に示す断面図である 図４Ａは、本発明の実施形態の効果を説明するための図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態の効果を説明するための図である。 図４Ｃは、本発明の実施形態の効果を説明するための図である。 図４Ｄは、本発明の実施形態の効果を説明するための図である。 図５Ａは、仮想的な比較例による種結晶の模式的断面図である。 図５Ｂは、仮想的な比較例による種結晶の模式的断面図である。 図５Ｃは、仮想的な比較例による種結晶の模式的断面図である。 図６は、成長結晶の形状を模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の実施形態による方法を説明するための図である。 図８は、本発明の実施形態による方法を説明するための図である。 図９は、溝の位置を説明するための図である。 図１０Ａは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｂは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｃは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｄは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｅは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｆは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｇは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｈは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１０Ｉは、種結晶の変形例の構成を模式的に示す平面図である。 図１１は、螺旋転位を１個形成するのに必要な溝の長さと、溝幅との関係を示す散布図である。

本発明者らは、成長面に溝が形成された種結晶を用いて溶液成長をすることで、溝が形成された位置に螺旋転位を形成できることを知見した。さらに調査を進めた結果、溝の幅を１ｍｍ以上２ｍｍ未満にすれば、異種ポリタイプの混入を抑制できることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成された。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図面は必ずしも実際の寸法比等を忠実に表したものではない。

図１は、本発明の一実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法のフロー図である。本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶準備工程（ステップＳ１）、溶液生成工程（ステップＳ２）、メルトバック工程（ステップＳ３）、及び成長工程（ステップＳ４）を備えている。

［種結晶準備工程］
成長面に溝が形成された種結晶を準備する。図２は、本実施形態による種結晶１０の構成を模式的に示す斜視図である。

種結晶１０は、製造しようとするＳｉＣ単結晶と同じポリタイプのＳｉＣ単結晶である。種結晶１０として、例えばＳｉＣ単結晶のウエハを用いることができる。図１の種結晶１０は円形であるが、他の形状であってもよい。

種結晶１０は、溝１１ａが形成された成長面１１を有している。溝１１ａは、例えば機械加工によって形成することができる。

成長面１１は、例えば｛０００１｝面である。｛０００１｝面は、（０００１）面及び（０００−１）面を含む。成長面１１は、｛０００１｝面から所定のオフセット角だけ傾斜した面であってもよい。

溝１１ａは、成長面１１において開口している。図２では成長面１１と反対側の面は塞がっているが、溝１１ａが種結晶１０を厚さ方向に貫通していてもよい。溝１１ａの断面形状は任意である。溝１１ａは、幅ＧＷ、長さＧＬ、深さＧＤを有している。幅ＧＷは、より詳しくは溝１１ａの開口部における幅である。幅ＧＷは、１ｍｍ以上２ｍｍ未満である。長さＧＬ及び深さＧＤの好ましい値は後述する。

［溶液生成工程］
準備した種結晶及び原料を製造装置に装入する。原料を加熱して溶融し、ＳｉＣ溶液を生成する。

原料は、シリコンのみであってもよいし、シリコンと他の金属元素との混合物であってもよい。金属元素は、例えばチタン、マンガン、クロム、コバルト、バナジウム、鉄、スカンジウム等である。金属元素を含有させることによって、ＳｉＣ溶液に溶ける炭素の量を増やすことができる。また、金属元素の種類を変えることによって、ＳｉＣ溶液に溶ける炭素の量を変えることができる。

図３は、ＳｉＣ単結晶の製造装置の一例である製造装置２０の構成を模式的に示す断面図である。製造装置２０は例示であり、本実施形態による製造方法で使用する製造装置の構成は、これに限定されない。

製造装置２０は、シード軸２１、坩堝２２、坩堝軸２３、断熱材２４、及び高周波コイル２５を備えている。

シード軸２１は、先端に種結晶１０を保持する。種結晶１０は、成長面１１（図２）が下方向を向くようにシード軸２１に固定されている。シード軸２１は、図示しない駆動手段によって、上下の移動や回転ができるように構成されている。

坩堝２２は、ＳｉＣ溶液３０を保持する。ＳｉＣ溶液３０は、上記原料の融液に炭素が溶解した溶液である。坩堝２２は、シード軸２１を挿入できるように、上部が開口している。坩堝軸２３は、坩堝２２を保持する。坩堝軸２３は、シード軸２１と同様に、上下の移動や回転ができるように構成されていることが好ましい。

坩堝２２として、黒鉛製の坩堝を用いることができる。この場合、坩堝２２から炭素が原料の融液に溶け込み、ＳｉＣ溶液３０が形成される。すなわち、坩堝２２が炭素の供給源となる。坩堝２２を炭素の供給源として用いる代わりに、坩堝２２の外部から炭素を供給してもよい。

断熱材２４は、坩堝２２を保温する。高周波コイル２５は、坩堝２２を誘導加熱する。高周波コイル２５は、出力を独立して制御できる上段コイル２５Ａ及び下段コイル２５Ｂを含んでいる。この構成によれば、ＳｉＣ溶液３０の温度勾配をより精密に制御することができる。

［メルトバック工程］
シード軸２１を下降させて種結晶１０の成長面１１（図２）をＳｉＣ溶液３０に接触させ、種結晶１０を所定の厚さ（以下、メルトバック量という。）だけ溶解させる。このメルトバック工程によって、種結晶１０の表層の加工変質層や自然酸化膜を除去することができる。

種結晶１０の溶解は例えば、ＳｉＣ溶液３０の温度勾配を、後述する成長工程時の温度勾配とは逆方向に形成することによって実現できる。種結晶１０の溶解はまた、液相線温度よりも高温に加熱されたＳｉＣ溶液３０に種結晶１０を浸漬することによっても実現できる。メルトバック量は、好ましくは５μｍ以上であり、さらに好ましくは１０μｍ以上である。

本実施形態において、メルトバック工程は任意の工程である。すなわち、本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、メルトバック工程を含んでいなくてもよい。

［成長工程］
種結晶１０の成長面１１をＳｉＣ溶液３０に接触させ、種結晶１０上にＳｉＣ単結晶を成長させる。具体的には、メルトバック工程後、種結晶１０の成長面１１をＳｉＣ溶液３０に接触させたまま高周波コイル２５の出力を調整し、ＳｉＣ溶液３０の温度勾配を変化させる。メルトバック工程を実施しない場合、ＳｉＣ溶液３０を生成後、シード軸２１を下降させて種結晶１０の成長面１１をＳｉＣ溶液３０に接触させる。

ＳｉＣ溶液３０に溶解した炭素は、拡散及び対流によって分散する。種結晶１０の近傍には、高周波コイル２５の出力制御、ＳｉＣ溶液３０の表面からの放熱、及びシード軸２１を介した抜熱によって、ＳｉＣ溶液３０の内部から表面に向かって温度が低下する温度勾配が形成されている。高温部分で溶解した炭素は、種結晶１０の近傍に到達すると、過飽和状態になる。これを駆動力として、種結晶１０上にＳｉＣ単結晶が成長する。

成長工程時の種結晶１０近傍の温度（成長温度）は、例えば１４００〜２０００℃であり、好ましくは１７００〜１９５０℃である。種結晶１０近傍の温度勾配は、例えば１〜５０℃／ｃｍであり、好ましくは５〜２０℃／ｃｍである。

［本実施形態の効果］
図４Ａ〜図４Ｄを参照して、本実施形態の効果を説明する。図４Ａ〜図４Ｄは、種結晶１０の溝１１ａの断面図、より具体的には、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図４Ａに示すように、種結晶１０は、幅ＧＷの溝１１ａが形成された成長面１１を有している。ここでは仮に、成長面１１が｛０００１｝面であるとする。溝１１ａの近傍では、溝の内壁から｛０００１｝面と垂直な方向に結晶が成長（ラテラル成長）する。これは、｛０００１｝面と垂直な面の方が、｛０００１｝面に比べて活性が高いためである。

図４Ｂに示すように、成長の初期では各層の成長速度は安定しないが、図４Ｃに示すように、ある程度ラテラル成長が進行するとバンチングが始まり、各層の成長速度が揃うようになる。さらにラテラル成長が進行すると、両側から成長した結晶が溝１１ａの中央近傍で会合する。図４Ｄに示すように、このとき一定の確率で螺旋転位が形成される。

ＳｉＣは、＜０００１＞方向（ｃ軸方向）に沿って分子の層が積層した結晶構造を有する。この積層の仕方によって、様々なポリタイプが発現する。例えば、４Ｈと呼ばれるポリタイプは、４単位で１周期となる結晶構造である。同様に、２Ｈ、３Ｃ、及び６Ｈと呼ばれるポリタイプはそれぞれ、２単位、３単位、及び６単位で１周期となる結晶構造である。なお、Ｈ及びＣはそれぞれ、結晶系が六方晶系（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ）及び立方晶系（Ｃｕｂｉｃ）であることを意味する。

図４Ｂ〜図４Ｄでは、このｃ軸方向の周期構造をハッチングによって模式的に示している。この例では、４単位で１周期が形成される場合、すなわち、種結晶１０のポリタイプが４Ｈである場合を表している。

ラテラル成長では、ｃ軸方向の周期構造が維持されやすい。すなわち、ラテラル成長では、異種ポリタイプが混入しにくい。しかし、｛０００１｝面と垂直な断面（以下、ステップという。）はいずれ消失するため、ラテラル成長を続けることは困難である。

一方、螺旋転位が形成されると、螺旋転位のまわりでは新たなステップを形成しながら成長（スパイラル成長）が進行する。スパイラル成長によれば、ｃ軸方向の周期構造を維持したまま成長を持続させることができる。また、スパイラル成長は｛０００１｝面上の成長よりも成長速度が大きい。そのため、螺旋転位が１個でも形成されると、その近傍ではスパイラル成長による成長が支配的となる。

このように、本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法によれば、溝１１ａが形成された成長面１１を有する種結晶１０を用いて結晶成長をすることによって、螺旋転位を任意の場所に形成することができる。螺旋転位を利用してＳｉＣ単結晶をスパイラル成長させることによって、異種ポリタイプの混入が抑制されたＳｉＣ単結晶が得られる。

上記では、成長面１１が｛０００１｝面であるとして説明した。しかし、成長面１１が｛０００１｝面から傾斜した面であっても、同様の効果が得られる。

次に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、本実施形態の効果を説明するための仮想的な比較例を説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、仮想的な比較例による種結晶９０の模式的断面図である。種結晶９０は、幅ＧＷ^＊の溝９１ａが形成された成長面９１を有している。幅ＧＷ^＊は、本実施形態による種結晶１０の溝１１ａの幅ＧＷよりも狭い。

図５Ａ〜図５Ｃに示すように、種結晶９０を用いた結晶成長では、各層の成長速度が揃わない初期の段階で、溝９１ａの両側から成長した結晶が会合する。その結果、種結晶９０のｃ軸方向の周期構造が引き継がれず、種結晶９０のポリタイプとは異なるポリタイプの螺旋転位が形成される場合がある。

このように、溝の幅が狭すぎると、種結晶１０と異なるポリタイプの螺旋転位が形成される場合がある。一方、溝の幅が広すぎると、溝の内部にＳｉＣ溶液３０が取り込まれやすくなる。溝の内部にＳｉＣ溶液３０が取り込まれたまま溝の開口が閉塞すると、ＳｉＣ溶液３０内の炭素が枯渇し、溶媒として残留する。残留した溶媒は、冷却時に凝固により膨張又は収縮するため、成長結晶にクラックを生じさせる原因となる。

以上の理由から、溝１１ａの幅ＧＷを適切に設定する必要がある。幅ＧＷが１ｍｍ以上２ｍｍ未満であれば、種結晶１０と同じポリタイプの螺旋転位を形成することができ、かつクラックの発生も抑制することができる。

溝１１ａの長さＧＬは、長い方が好ましい。好ましくは、溝１１ａの長さＧＬ（ｃｍ）と幅ＧＷ（ｍｍ）とが、下記の式（１）を満たす。
ＧＬ＞ＧＷ×１．５７−１．５３ （１）

螺旋転位が生成される確率は、溝１１ａの長さＧＬに比例する。また、単位長さにおいて螺旋転位が生成される確率は、溝１１ａの幅ＧＷが狭くなるほど高くなる。溝１１ａの長さＧＬと幅ＧＷとが式（１）を満たせば、形成される螺旋転位の個数の期待値が１以上になる。なお、式（１）の各係数は、実験により求めたものである。

なお、幅ＧＷは、溝１１ａの全体にわたって一定でなくてもよい。この場合、式（１）には、幅ＧＷの平均値が代入される。

溝１１ａの深さＧＤは、螺旋転位が生成される確率に大きな影響を与えない。ただし、メルトバック工程（図１のステップＳ３）を実施する場合、溝１１ａの深さＧＤは、メルトバック量よりも大きくすることが好ましい。溝１１ａの深さＧＤがメルトバック量以下だと、メルトバック工程によって溝１１ａが消失してしまう場合があるからである。

種結晶１０は、溝１１ａによって分離されていないことが好ましい。２つ以上に分離された種結晶の結晶方位を揃えて配置することは困難なためである。例えば、溝１１ａが成長面１１を分割するように形成されている場合、溝１１ａは種結晶１０を厚さ方向に貫通しないように形成されていることが好ましい。また、溝１１ａが種結晶１０を厚さ方向に貫通している場合、種結晶１０が成長面１１のどこかで繋がっていることが好ましい。

成長工程（図１のステップＳ４）において、成長界面直下のＳｉＣ溶液３０の温度が、種結晶１０の成長面１１と平行な面内において、内側から外側に向かって低くなるようにすることが好ましい。

図６は、上記の温度勾配で成長工程を実施したとき、種結晶１０上に成長する成長結晶４０の形状を模式的に示す断面図である。上記の温度勾配によって、成長界面直下におけるＳｉＣ溶液３０中の炭素の過飽和度は、内側よりも外側の方が高くなる。そのため、成長面１１と平行な面内において、内側よりも外側の方が結晶の成長速度が大きくなる。これによって、成長結晶４０の成長面は、図６に模式的に示すような凹形状になる。

成長結晶４０の成長面を凹形状にすることで、成長界面全体へ溶質（炭素）を安定的に供給することができる。そのため、成長結晶４０にインクルージョン（溶媒の巻き込み）が発生するのを抑制できる。

上記の温度勾配を実現する具体的な方法は、これに限定されないが、（Ａ）種結晶１０とＳｉＣ溶液３０との間にメニスカスを形成しながら結晶成長させる方法、（Ｂ）中心部よりも側面部の熱伝導率が高いシード軸２１を用いる方法、及び（Ｃ）成長結晶の外周側からガスを吹き込む方法が挙げられる。

図７は、メニスカスによって温度勾配を制御する方法を説明するための図である。図７に示すように、種結晶１０の成長面１１（図２）をＳｉＣ溶液３０に接触させてから引き上げると、ＳｉＣ溶液３０が表面張力によって種結晶１０側に持ち上がってメニスカス３０ａが形成される。メニスカス３０ａの部分は、輻射によって温度が低下しやすい。そのため、成長面１１と平行な面内において、内側から外側に向かって低くなる温度勾配が形成される。

図８は、中心部よりも側面部の熱伝導率が高いシード軸２１を用いて温度勾配を制御する方法を説明するための図である。この例では、シード軸２１の中心に空洞２１ａが形成されている。この構成によって、シード軸２１の側面部の熱伝導率は中心部の熱伝導率よりも高くなり、側面部からの抜熱は中心部からの抜熱よりも大きくなる。そのため、成長面１１と平行な面内において、内側から外側に向かって低くなる温度勾配が形成される。なお、熱伝導率の差を調整するために、空洞２１ａの内部に断熱材を配置してもよい。

上記の温度勾配で成長を実施すると、上述のとおり、内側よりも外側の方が結晶の成長速度が大きくなる。このとき、図６に矢印で模式的に示すように、外側から内側に向かってステップフロー成長が進行する。

螺旋転位によるスパイラル成長も、このステップフロー成長の影響を受ける。成長面１１の中心から見て、螺旋転位が形成された位置よりも外側の領域では、螺旋転位によるポリタイプ安定化の効果が得られない場合がある。

したがって、上記の温度勾配で成長を実施する場合、成長面１１の外周寄の領域に螺旋転位が形成されるようにすることが好ましい。そのためには、成長面１１の外周寄りの領域に溝１１ａを形成することが好ましい。具体的には、種結晶１０の径をφとしたとき、成長面１１の中心からの距離が１／４φ以上の領域に溝１１ａを形成することが好ましい。より好ましくは、成長面１１の中心からの距離が３／８φ以上の領域に溝１１ａを形成する。なお、種結晶１０が円以外の形状である場合、φは円相当径を意味するものとする。

図９を参照して、溝１１ａの位置について詳しく説明する。上述のとおり、溝１１ａの長さＧＬと幅ＧＷとは、式（１）を満たすことが好ましい。式（１）を満たせば、溝１１ａ上のどこかに１個以上螺旋転位が形成される。一方、成長結晶の成長面を凹型にするような温度勾配で成長工程を実施した場合、螺旋転位が形成された位置よりも外側の領域ではポリタイプ安定化の効果が得られない場合がある。したがって、成長面１１の中心からの距離が１／４φ以上の領域に螺旋転位が１個以上形成されることが好ましい。そのためには、溝１１ａのうち、成長面１１の中心からの距離が１／４φ以上の領域における長さＧＬ１（ｃｍ）と幅ＧＷ１（ｍｍ）とが、下記の式（２）を満たすようにすればよい。
ＧＬ１＞ＧＷ１×１．５７−１．５３ （２）

図９の例では、溝１１ａの幅ＧＷは一定である。そのため、幅ＧＷと幅ＧＷ１とは等しい。しかし、上述のとおり、溝１１ａの幅は一定でなくても良い。そのため、幅ＧＷと幅ＧＷ１とは異なっていてもよい。

なお、成長面１１の中心からの距離が３／８φ以上の領域に螺旋転位を形成させる場合には、溝１１ａのうち、成長面１１の中心からの距離が３／８φ以上の領域に形成された部分における長さと幅とが、上記の関係を満たすようにすればよい。

図３や図９の例では、溝１１ａが、成長面１１の中心から見て、片側にだけ形成されている場合を説明した。しかし、溝１１ａは、成長面１１の中心に対して点対称に形成されていることが好ましい。成長面１１にバランスよく螺旋転位を生成できる確率が高まるためである。溝１１ａは、成長面１１の中心に対して、３回対称以上の点対称に形成されていることがより好ましい。

図３や図９の例では、溝１１ａが１本の場合を説明した。しかし、成長面１１に複数の溝を形成してもよい。

上述のとおり、溝１１ａの長さＧＬと幅ＧＷとは、式（１）を満たすことが好ましい。溝１１ａが複数ある場合、複数の溝１１ａの各々の長さを足し合わせた総長さをＧＬとして、式（１）を満たすようにすればよい。また、複数の溝１１ａの各々の幅は、１ｍｍ以上２ｍｍ未満であれば、互いに異なっていてもよい。複数の溝１１ａの幅が互いに異なる場合には、その平均値をＧＷとして式（１）を満たすようにすればよい。

溝１１ａは、直線であることが好ましい。溝１１ａを挟んで対向する結晶面を互いに平行にできるためである。しかし、溝１１ａは、曲線であってもよい。

［種結晶１０の変形例］
以下、種結晶１０の変形例を幾つか説明する。図１０Ａ〜図１０Ｉはそれぞれ、種結晶１０の変形例である種結晶１０Ａ〜１０Ｉの構成を模式的に示す平面図である。

種結晶１０Ａは、８本の溝１１ａを８回対称に形成した例である。種結晶１０Ａの構成によれば、種結晶１０と比較して、螺旋転位をより対称的に発生させることができる。

種結晶１０Ｂは、溝１１ａを種結晶１０Ｂの周方向に沿って形成した例である。溝１１ｂは、６回対称に形成されている。種結晶１０Ｃは、種結晶１０Ｂと似た形状の溝を６本の溝１１ａで構成した例である。

種結晶１０Ｄは、溝１１ａを円形に形成した例である。種結晶１０Ｅは、種結晶１０Ｄと似た形状の溝を２本の溝１１ａで構成した例である。

種結晶１０Ｆは、溝１１ａを波線にした例である。種結晶１０Ｇは、溝１１ａを螺旋形状にした例である。種結晶１０Ｆや種結晶１０Ｇの構成によれば、所定の面積の中で溝１１ａの長さをより長くすることができる。

種結晶１０Ｈは、各々が３重の同心円からなる溝１１ａを３回対称に配置した例である。種結晶１０Ｉは、各々が螺旋形状の溝１１ａを３回対称に配置した例である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

種結晶として、２インチのＳｉＣウエハを複数準備した。種結晶のポリタイプは４Ｈ、成長面は（０００１）ジャスト面とした。各種結晶の成長面に、ダイヤモンドブレードで表１に示す溝幅と溝深さを有する直線の溝を形成した。溝はウエハ端に形成し、長さは１０〜２０ｍｍとした。なお、表１の「加工方法」の欄において、「部分加工」は、種結晶が溝によって分離されていなかったことを示す。同欄の「分離」は、種結晶が溝によって分離されていたことを示す。

準備した種結晶を用いて、溶液成長法による結晶成長を実施した。具体的には、原子組成比で６０：４０のシリコンとクロムとを黒鉛製の坩堝に収納し、原料を溶融させてＳｉＣ溶液を生成した。生成したＳｉＣ溶液に種結晶の成長面を接触させ、成長前に種結晶の表層を約５０μｍ溶解させた。その後、種結晶の下面がＳｉＣ溶液の液面の０．５ｍｍ上になるように種結晶を引き上げてメニスカスを形成した。この状態で２時間保持して結晶を成長させた。種結晶の位置の温度（成長温度）は１９１０℃、種結晶直上５ｍｍ上から種結晶位置までの温度勾配は１６℃／ｃｍであった。

結晶成長後、溝を形成した位置に螺旋転位が形成されたかどうかを光学顕微鏡観察によって判定した。種結晶に形成した溝は、成長した結晶によって覆われていた。比較例５を除いて、溝が形成されていた位置に螺旋転位に起因するスパイラル列が確認された。これによって、溝の壁面からのラテラル成長によって結晶が会合し、螺旋転位が形成されることを確認した。

各成長結晶のスパイラル列の近傍でラマン散乱測定を実施し、ポリタイプを同定した。螺旋転位の有無、及びポリタイプの同定結果を前掲表１に示す。表１の「螺旋転位形成」の欄において、「○」は螺旋転位が１個以上形成されていたことを示し、「×」は螺旋転位が形成されていなかったことを示す。表１の「ポリタイプ」の欄において、「○」は成長結晶のポリタイプが種結晶と同じ４Ｈであったことを示し、「×」は４Ｈ以外のポリタイプが混ざっていたことを示す。

螺旋転位が１個以上形成されていた成長結晶の一部について、螺旋転位の数を計数した。計数した螺旋転位の数を溝の長さで割って、溝１ｃｍ当たりの転位の数（個／ｃｍ）を求めた。さらに、この逆数から、螺旋転位を１個形成するのに必要な溝の長さ（ｃｍ／個）を求めた。これらの値を前掲表１の「転位密度」及び「必要な長さ」の欄に示す。なお、これらの欄の「−」は、螺旋転位の計数を実施しなかったことを示す。

表１に示すように、実施例１〜４による成長結晶では、螺旋転位が１個以上形成され、かつポリタイプが維持されていた。

比較例１及び２による成長結晶では、螺旋転位は形成されていたものの、ポリタイプは維持されていなかった。これは、溝の幅が狭すぎ、成長結晶が会合した際に異なるポリタイプの螺旋転位が形成されたためと考えられる。

比較例３による成長結晶には、クラックが生じていた。これは、溝の幅が広すぎ、内部に溶媒を取り込んだためと考えられる。比較例３による成長結晶では、螺旋転位は形成されていたものの、ポリタイプは維持されていなかった。これは、溶液が結晶中に取り込まれてしまったために、溶液を避けるように新たなステップが形成し、一旦形成したバンチングが減少したためと考えられる。

比較例４による成長結晶では、螺旋転位は形成されていたものの、ポリタイプは維持されていなかった。これは、溝を形成する際に種結晶を分離したため、溝を挟んで対向する面の結晶方位が完全には揃わなかったためと考えられる。

比較例５による成長結晶では、螺旋転位が形成されていなかった。これは、溝の深さが浅すぎ、メルトバック工程で消失してしまったためと考えられる。

図１１は、溝幅以外の条件が同じ実施例１〜３から作成した、螺旋転位を１個形成するのに必要な溝の長さと、溝幅との関係を示す散布図である。図１１に示すように、螺旋転位を１個形成するのに必要な溝の長さは、溝幅が大きいほど大きくなる。図１１の関係から、溝の長さＧＬ（ｃｍ）と溝の幅ＧＷ（ｍｍ）とが、下記の式を満たせば、螺旋転位を１個以上形成できることがわかった。
ＧＬ＞ＧＷ×１．５７−１．５３

１０、１０Ａ〜１０Ｉ、９０ 種結晶
１１、９１ 成長面
１１ａ、９１ａ 溝
２０ 製造装置
２１ シード軸
２１ａ 空洞
２２ 坩堝
２３ 坩堝軸
２４ 断熱材
２５ 高周波コイル
３０ ＳｉＣ溶液
３０ａ メニスカス
４０ 成長結晶

Claims (9)

1. １以上の溝が形成された成長面を有する種結晶を準備する工程と、
   原料を加熱して溶融し、ＳｉＣ溶液を生成する溶液生成工程と、
   前記種結晶の前記成長面を前記ＳｉＣ溶液に接触させて前記種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる成長工程とを備え、
   前記１以上の溝の各々は、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の幅を有する、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   下記の式を満たす、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
   ＧＬ＞ＧＷ×１．５７−１．５３
   ＧＬは前記１以上の溝の総長さであり、単位はｃｍである。ＧＷは前記１以上の溝の平均幅であり、単位はｍｍである。
3. 請求項１又は２に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記溶液生成工程後、前記成長工程前に、前記種結晶の前記成長面を前記ＳｉＣ溶液に接触させて前記種結晶を所定の厚さだけ溶解させるメルトバック工程をさらに備え、
   前記１以上の溝の各々は、前記メルトバック工程において前記種結晶を溶解させる厚さよりも大きい深さを有する、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶は、前記１以上の溝によって分離していない、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記１以上の溝の少なくとも一部は、前記成長面の中心からの距離が前記種結晶の外径の１／４以上の領域に形成され、
   前記成長工程において、成長界面直下の前記ＳｉＣ溶液の温度が、前記成長面と平行な面内において中心から外側に向かって低くなるようにする、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記１以上の溝は、前記成長面において点対称に形成されている、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
7. 請求項６に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記１以上の溝は、前記成長面において３回対称以上の点対称に形成されている、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記１以上の溝の数は２以上である、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記１以上の溝の各々は直線である、ＳｉＣ単結晶の製造方法。

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