JP2019014622A - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】口径拡大部への直線状インクルージョンの混入を抑制したＳｉＣ単結晶を溶液法により製造方法を提供する。
【解決手段】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、種結晶基板が、ｃ面の下面を有し、種結晶基板の下面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成すること、及び成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面が（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持されるように、ＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で種結晶基板を引き上げてＳｉＣ単結晶の成長面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間の前記メニスカスの高さを第１の高さよりも小さくしながら且つ成長面の口径を拡大させながらＳｉＣ単結晶を成長させることを含む、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いる（特許文献１）。

特許文献１には、インクルージョンの形成を抑制してＳｉＣ単結晶の品質を向上することを目的として、メニスカス高さの変動幅を所定の範囲に維持して成長を行う、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されている。

特開２０１４−２０１５０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるようにメニスカス高さの変動幅を所定の範囲に維持して成長を行った場合でも、ＳｉＣ単結晶の成長に伴って成長結晶の口径が拡大すると、メニスカスの角度が変化して成長結晶の口径拡大角が変化し、口径拡大部に直線状のインクルージョンが混入し得ることが分かった。

上記知見に基づき、本発明者は、口径拡大部の拡大面及び拡大角を維持するＳｉＣ単結晶の成長方法を見出した。

本開示は、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、
前記種結晶基板が、（０００１）面または（０００−１）面の下面を有し、
前記種結晶基板の前記下面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成すること、及び
成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面が（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持されるように、前記ＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で前記種結晶基板を引き上げて前記ＳｉＣ単結晶の成長面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間の前記メニスカスの高さを前記第１の高さよりも小さくしながら且つ前記成長面の口径を拡大させながら前記ＳｉＣ単結晶を成長させること、
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、口径拡大部への直線状インクルージョンの混入を抑制したＳｉＣ単結晶を得ることができる。

図１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２は、（１−１０１）面、（１−１０２）面、（１−１０３）面、及び（１−１０４）面を成長面として用いて結晶成長を行った場合の、成長結晶の成長速度、成長面の表面粗さＲａ、及び成長面の顕微鏡写真である。 図３は、従来技術でメニスカス高さを維持しながら結晶成長させた場合の、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面の模式図である。 図４は、本開示の方法で結晶成長させた場合の、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面の模式図である。 図５は、直径が異なる種結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合の、成長開始時のメニスカス高さと成長初期の口径拡大角との関係を表すグラフである。 図６は、第１のメニスカス高さ、引上げ量（引上げ速度×成長時間）、成長後のメニスカス高さ、及び成長量（成長速度×成長時間）の関係を表す模式図である。 図７は、実施例で得られた成長結晶の＜１１−２０＞断面を観察した顕微鏡写真である。 図８は、実施例で得られた成長結晶の透過Ｘ線像である。 図９は、比較例で得られた成長結晶の＜１１−２０＞断面を観察した顕微鏡写真である。 図１０は、比較例で得られた成長結晶の透過Ｘ線像である。 図１１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。

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。

本開示は、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、前記種結晶基板が、（０００１）面または（０００−１）面の下面を有し、前記種結晶基板の前記下面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成すること、及び成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面が（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持されるように、前記ＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で前記種結晶基板を引き上げて前記ＳｉＣ単結晶の成長面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間の前記メニスカスの高さを前記第１の高さよりも小さくしながら且つ前記成長面の口径を拡大させながら前記ＳｉＣ単結晶を成長させること、を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。

本開示の製造方法によれば、口径拡大部に直線状のインクルージョンを発生させずにＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

インクルージョンとは、ＳｉＣ単結晶成長に使用するＳｉ−Ｃ溶液の、成長結晶中の巻き込みである。直線状インクルージョン有無の検査方法として、透過Ｘ線を用いることができる。成長結晶にインクルージョンが発生する場合、インクルージョンには、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液中に含まれ得るＳｉ及びＣよりも重いＣｒ等の重金属が含まれるので、透過Ｘ線像を観察したときにインクルージョンは比較的黒くみえる。

（０００１）面または（０００−１）面に成長させた成長結晶を成長面から観察した場合、成長面の外周における６箇所の対称位置にファセット面が現れ、このファセット面に直線状インクルージョンが発生し得る。したがって、成長結晶の成長面から透過Ｘ線像を観察して、ファセット面に発生し得る直線状インクルージョンの有無を確認することができる。＜１１−２０＞断面は、上記６箇所のファセット面のうち２箇所ずつを通る面である。

透過Ｘ線像を観察する場合、種結晶基板から成長結晶を取り外さずに観察してもよい。成長結晶の成長面側にＸ線源を配置し、種結晶基板側に検出器を配置し、または逆方向に配置して観察を行うことができる。成長結晶の成長面に平行方向にスライスして成長結晶を切り出してから透過Ｘ線像を観察してもよい。

本開示の方法においては、種結晶基板は、（０００１）面または（０００−１）面の下面を有する。種結晶基板の下面または成長結晶の成長面とＳｉ−Ｃ溶液の表面との間にメニスカスを形成することによって、口径拡大しながらＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

種結晶基板は（０００１）面または（０００−１）面を有する限り、ＳｉＣ単結晶の製造に一般に用いられる品質のＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができる。例えば昇華法で一般的に作成したＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができる。

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。

本開示の方法において、Ｓｉ−Ｃ溶液は種結晶基板の下面のみに接し、種結晶基板の側面には濡れ上がらないようにすることが好ましい。種結晶基板の側面へのＳｉ−Ｃ溶液の濡れ上がりを抑えるために、種結晶基板の形状は、成長面である下面とその反対側の上面が同じ面積である板状、円盤状、円柱状、若しくは角柱状、または下面が上面よりも大きい円錐台状若しくは角錐台状が好ましく、円錐台状若しくは角錐台状がより好ましい。

種結晶基板の厚みは、特に限定されないが、実用上１５ｍｍ以下のものを用いることが好ましい。例えば１〜５ｍｍ厚の種結晶基板を用いることができる。

本開示の方法においては、種結晶基板の下面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成する。メニスカスの高さとは、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と種結晶基板の成長面または成長結晶の成長面との間のＳｉ−Ｃ溶液の液面に垂直方向の距離である。第１の高さとは、成長初期の種結晶基板の下面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間のメニスカス高さである。

メニスカスとは、図１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。種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させた後、種結晶基板１４の下面がＳｉ−Ｃ溶液２４の液面よりも高くなる位置に種結晶基板１４を引き上げて保持することによって、第１の高さ１５を有するメニスカスを形成することができる。

メニスカスの第１の高さ１５は、＜１１−２０＞断面における口径拡大面として（１−１０１）面または（１−１０２）面が得られる高さであればよく、好ましくは０．１〜４．０ｍｍ、より好ましくは０．２〜３．０ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜２．０ｍｍ、さらにより好ましくは０．５〜１．８ｍｍ、さらにより好ましくは１．０〜１．５ｍｍである。

口径拡大面として、（１−１０１）面及び（１−１０２）面が、表面安定性が高く、バンチングが抑制され、インクルージョンの取り込みを抑制することができる。その他の面、例えば（１−１０３）面及び（１−１０４）面は、表面安定性が低く、インクルージョンが発生し得る。

図２に、（１−１０１）面、（１−１０２）面、（１−１０３）面、及び（１−１０４）面を成長面として用いて結晶成長を行った場合の、成長結晶の成長速度、成長面の表面粗さＲａ、及び成長面の顕微鏡写真を示す。

図２は、ＳｉＣ単結晶から（１−１０１）面、（１−１０２）面、（１−１０３）面、及び（１−１０４）面を切り出した結晶を種結晶基板として用いて、切り出したそれぞれの面を成長面として用いてＳｉＣ単結晶を成長させて、成長結晶の品質を評価した結果である。

図２から、（１−１０１）面及び（１−１０２）面を成長面として成長させた結晶の成長面の表面粗さＲａはそれぞれ、１．１μｍ及び１．４μｍであり、（１−１０３）面及び（１−１０４）面を成長面として成長させるよりも表面安定性が高いことが分かる。このように、（１−１０１）面及び（１−１０２）面は表面安定性が高いので、バンチングが抑制され、インクルージョンの取り込みが抑制される。

本開示の方法においては、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成し、次いで、成長させるＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で種結晶基板を引き上げてＳｉＣ単結晶の成長面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間のメニスカスの高さを第１の高さよりも小さくしながら且つ成長面の口径を拡大させながらＳｉＣ単結晶を成長させる。これにより、成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面を（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持しながらＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

ＳｉＣ単結晶の成長速度とは、鉛直方向のＳｉＣ単結晶の成長速度である。成長させるＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で種結晶基板を引き上げることにより、ＳｉＣ単結晶の成長面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間のメニスカスの高さを第１の高さよりも小さくすることができる。

ＳｉＣ単結晶の成長面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間のメニスカスの高さを第１の高さよりも小さくすることにより、成長面の口径を拡大させながら成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面を（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持することができる。

図３に、従来技術でメニスカス高さを維持しながら結晶成長させた場合の、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面の模式図を示す。

図４に、本開示の方法で結晶成長させた場合の、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面の模式図を示す。

図３に示すように、メニスカス高さを維持しながら結晶成長させる従来技術においては、口径拡大角が成長途中で変化してしまうために、口径拡大部に直線状インクルージョンが取り込まれ得る。このようなインクルージョンから転位や欠陥が発生するため、インクルージョンが発生するとＳｉＣ成長結晶の品質が低下する。

図４に示すように、本開示の方法によれば、口径拡大面が（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持されるので、口径拡大部に直線状インクルージョンが取り込まれない。

本開示において、口径拡大面とは、成長結晶４０の成長面４２に対する側面であって、成長結晶の＜１１−２０＞断面における成長面に向かって拡大する端部５１をいう。口径拡大部とは、成長結晶４０のうち、種結晶基板の下面の直下領域４８の外側に成長させた部分４６をいう。口径拡大角とは、口径拡大面５１がｃ軸となす角度θをいう。

＜１１−２０＞断面における（１−１０１）面及び（１−１０２）面はそれぞれ、ｃ軸とのなす角度が１５度及び２８度の面である。すなわち、成長結晶は、ｃ軸に対して１５度または２８度の口径拡大角を有する。

口径拡大面は選択的に現れるので、口径拡大角は特定の角度を有する。（１−１０１）面または（１−１０２）面が得られているかどうかの判定は、ｃ軸に対する口径拡大角が実質的に約１５度または約２８度であるかどうかを測定することによって行うことができる。

図５に、直径が異なる種結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合の、成長開始時のメニスカス高さと成長初期の口径拡大角との関係を表すグラフを示す。図５は、直径が５０ｍｍ及び５６ｍｍの種結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させたときの、成長開始時のメニスカス高さである第１のメニスカス高さと成長初期の成長結晶の口径拡大角とをプロットして得られたグラフである。

図５から、第１のメニスカス高さが同じである場合、大径の種結晶基板から結晶成長させるときの方が、小径の種結晶基板を用いて結晶成長させるときよりも、口径拡大角は小さくなることが分かる。したがって、メニスカス高さを維持する場合、結晶成長の口径が拡大して成長面の直径が大きくなると、成長結晶の口径拡大角は小さくなってしまう。

一方で、結晶成長において口径が拡大して成長面の直径が大きくなるとともに、メニスカス高さを小さくすることによって、成長結晶の口径拡大角を維持することができる。

事前に、直径が異なる種結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶の成長試験を行い、種結晶基板の直径に応じた、メニスカス高さと口径拡大角の関係と、成長速度（成長量及び成長時間）とを把握しておくことが好ましい。

図６に、第１のメニスカス高さ、引上げ量（引上げ速度×成長時間）、成長後のメニスカス高さ、及び成長量（成長速度×成長時間）の関係を表す模式図を示す。成長後のメニスカス高さが第１のメニスカス高さよりも小さくなるようにするには、引上げ量を成長量よりも小さくすればよく、すなわち引き上げ速度を成長速度よりも小さくすればよい。

具体的には、次の式（１）：
第１のメニスカス高さ＋引き上げ速度×成長時間＝成長後のメニスカス高さ＋成長速度×成長時間 （１）
を満たすように、第１のメニスカス高さと（引上げ速度×成長時間）との合計が、成長後のメニスカス高さと（成長速度×成長時間）との合計に等しく、且つ成長後のメニスカス高さが第１のメニスカス高さよりも小さくなる範囲で、種結晶基板の引き上げ速度を決定することができる。

例えば、直径が５０ｍｍの種結晶基板を用いて口径が５６ｍｍのＳｉＣ単結晶を口径拡大角３０度で成長させる場合、事前に得た図５のマップ及び成長速度に基づいて口径拡大角が２８度に維持されるように、すなわち口径拡大面が（１−１０２）面に維持されるよう、上記式（１）において、第１のメニスカス高さ（初期メニスカス高さ）として０．９ｍｍ、口径が５６ｍｍになるときのメニスカス高さとして０．０ｍｍ、及び事前に調べた成長量（成長速度×成長時間）を代入し、種結晶基板の引き上げ速度を算出することができる。

このように決定した引き上げ速度で種結晶基板を引き上げることによって、ＳｉＣ単結晶が成長して成長面の口径が大きくなるにつれてメニスカス高さを低くして口径拡大角を一定に維持して、口径拡大面を（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持することができる。

図１１に、本開示の製造方法に用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図の一例を示す。図示したＳｉＣ単結晶製造装置１００は、ＳｉまたはＳｉ／Ｘ（ＸはＳｉ以外の１種以上の金属）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、鉛直方向に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からＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

種結晶基板１４のＳｉ−Ｃ溶液２４への接触（以下、シードタッチともいう）は、種結晶基板１４を保持した種結晶保持軸１２をＳｉ−Ｃ溶液２４の液面に向かって降下させ、種結晶基板１４の下面をＳｉ−Ｃ溶液２４の液面に対して平行にしてＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させることによって行うことができる。そして、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面に対して種結晶基板１４を所定の位置に保持して、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

種結晶基板１４の下面をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させた後、種結晶基板の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面に対して上方の位置に保持して、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。

本開示の方法において、Ｓｉ−Ｃ溶液２４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２４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。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液２４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２２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。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４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２４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。

単結晶製造装置１００への種結晶基板１４の設置は、種結晶基板１４の上面を種結晶保持軸１２に保持させることによって行うことができる。種結晶基板１４の種結晶保持軸１２への保持には、カーボン接着剤を用いることができる。

種結晶保持軸１２は、その端面に種結晶基板１４を保持する軸であり、黒鉛の軸であることができ、円柱状、角柱状等の任意の形状を有することができる。

保温のために、坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われている。断熱材１８に覆われた坩堝１０は一括して、石英管２６内に収容される。石英管２６の外周には、加熱装置として高周波コイル２２が配置される。高周波コイル２２は、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂから構成されてもよく、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、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、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る。

（実施例１）
直径が５０．８ｍｍ、厚みが７００μｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面が（０００−１）面を有する昇華法により作製したＳｉＣ単結晶を用意し、これを種結晶基板として用いた。種結晶基板の上面を、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１１に示す単結晶製造装置１００を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容する黒鉛坩堝１０に、Ｓｉ／Ｃｒを原子組成百分率でＳｉ：Ｃｒ＝６０：４０の割合で融液原料として仕込んだ。

単結晶製造装置１００の内部を１×１０^-3Ｐａに真空引きした後、１気圧になるまでヘリウムガスを導入して、単結晶製造装置１００の内部の空気をヘリウムで置換した。黒鉛坩堝１０の周囲に配置された加熱装置としての高周波コイル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の表面における温度を２０００℃に昇温させ、並びにＳｉ−Ｃ溶液２４の表面から１ｃｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する平均温度勾配が３０℃／ｃｍとなるように制御した。Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面の温度測定は放射温度計により行い、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配の測定は、鉛直方向に移動可能な熱電対を用いて行った。

種結晶保持軸１２に接着した種結晶基板１４の下面をＳｉ−Ｃ溶液２４の液面に平行にして、種結晶基板１４の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液２４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い、次いで、種結晶保持軸１２及び種結晶基板１４を１．０ｍｍ引き上げてメニスカスを形成した。０．０６０ｍｍ／ｈの速度で種結晶基板を引き上げながら４０時間、結晶成長を行った。ＳｉＣ単結晶の成長速度は０．０８３ｍｍ／ｈであり、成長速度に対して種結晶基板の引き上げ速度を遅くした。

結晶成長の終了後、種結晶保持軸１２を上昇させて、室温まで冷却して、種結晶基板１４及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液２４及び種結晶保持軸１２から切り離して回収した。

図７に、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面を観察した顕微鏡写真を示す。図７に示すように、口径拡大角は一定であり（１−１０２）面が維持されていた。図８に、得られた成長結晶の透過Ｘ線像を示す。透過Ｘ線像は、成長面側にＸ線源を配置し、種結晶基板側に検出器を配置して観察して得た。図８に示すように、口径拡大部にインクルージョンは含まれていなかった。

（比較例１）
ＳｉＣ単結晶の成長速度０．０８５ｍｍ／ｈに対して種結晶基板の引き上げ速度を０．０８７ｍｍ／ｈとして実質的に同じにして、５０時間の結晶成長を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶の成長を行った。

図９に、種結晶基板及び成長結晶の＜１１−２０＞断面を観察した顕微鏡写真を示す。図９に示すように、（１−１０３）面から成長途中で（１−１０２）面に口径拡大面が変化していた。図１０に、得られた成長結晶の透過Ｘ線像を示す。透過Ｘ線像は、成長面側にＸ線源を配置し、種結晶基板側に検出器を配置して観察して得た。図１０に示すように、口径拡大部にはインクルージョンが含まれていた。

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 第１のメニスカスの高さ
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
３４ メニスカス
４０ ＳｉＣ成長結晶
４２ 成長面
４６ 口径拡大部
４８ 種結晶基板の直下領域
５１ 口径拡大面

Claims (1)

1. 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、
   前記種結晶基板が、（０００１）面または（０００−１）面の下面を有し、
   前記種結晶基板の前記下面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間に第１の高さを有するメニスカスを形成すること、及び
   成長させるＳｉＣ単結晶の＜１１−２０＞断面における口径拡大面が（１−１０１）面または（１−１０２）面のどちらかに維持されるように、前記ＳｉＣ単結晶の成長速度よりも遅い速度で前記種結晶基板を引き上げて前記ＳｉＣ単結晶の成長面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間の前記メニスカスの高さを前記第１の高さよりも小さくしながら且つ前記成長面の口径を拡大させながら前記ＳｉＣ単結晶を成長させること、
   を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。