JP2020026359A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マクロ欠陥の発生を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】中心を有する第１主面と第１主面の反対側にある第２主面とを有する種結晶と、平面状の第３主面を有する台座と、固定部材とが準備される。第１主面は、中心が第１主面の最小二乗平面に対して第２主面と反対側に位置するように凸状に湾曲している。第２主面は、中央部と、中央部を取り囲む外周部とを有している。さらに、第１主面が第３主面に対向するように配置された状態で固定部材を外周部に当てることにより、種結晶が台座に固定される。第２主面において炭化珪素単結晶を成長させる。【選択図】図３

Description

本開示は、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

特開平９−１１０５８４号公報（特許文献１）および特開２００２−２０１０９７号公報（特許文献２）には、種結晶をフック状部材で固定した状態で、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる方法が開示されている。

特開平９−１１０５８４号公報 特開２００２−２０１０９７号公報

本開示の目的は、マクロ欠陥の発生を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することである。

本開示に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を備えている。中心を有する第１主面と第１主面の反対側にある第２主面とを有する種結晶と、平面状の第３主面を有する台座と、固定部材とが準備される。第１主面は、中心が第１主面の最小二乗平面に対して第２主面と反対側に位置するように凸状に湾曲している。第２主面は、中央部と、中央部を取り囲む外周部とを有している。さらに、第１主面が第３主面に対向するように配置された状態で固定部材を外周部に当てることにより、種結晶が台座に固定される。第２主面において炭化珪素単結晶を成長させる。

本開示に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を備えている。平面状の第１主面と第１主面の反対側にある第２主面とを有する種結晶と、中心を有する第３主面と第３主面と反対側の第４主面とを有する台座と、固定部材とが準備される。第３主面は、中心が第３主面の最小二乗平面に対して第４主面と反対側に位置するように凸状に湾曲している。第２主面は、中央部と、中央部を取り囲む外周部とを有している。さらに、第１主面が第３主面に対向するように配置された状態で固定部材を外周部に当てることにより、種結晶が台座に固定される。第２主面において炭化珪素単結晶を成長させる。

本開示によれば、マクロ欠陥の発生を抑制可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第１工程を示す断面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第１工程を示す平面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を概略的に示すフロー図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程を示す断面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第３工程を示す断面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第４工程を示す断面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第４工程を示す平面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第５工程を示す断面模式図である。 第２主面に炭化珪素単結晶が成長している状態を示す断面模式図である。 第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第６工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第１工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第３工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第４工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第５工程を示す断面模式図である。 第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第６工程を示す断面模式図である。

［本開示の実施形態の概要］
まず、本開示の実施形態の概要について説明する。本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。

（１）本開示に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法は以下の工程を備えている。中心を有する第１主面１１と第１主面１１の反対側にある第２主面１２とを有する種結晶１０と、平面状の第３主面３３を有する台座３０と、固定部材５０とが準備される。第１主面１１は、中心が第１主面１１の最小二乗平面に対して第２主面１２と反対側に位置するように凸状に湾曲している。第２主面１２は、中央部６１と、中央部６１を取り囲む外周部６２とを有している。さらに、第１主面１１が第３主面３３に対向するように配置された状態で固定部材５０を外周部６２に当てることにより、種結晶１０が台座３０に固定される。第２主面１２において炭化珪素単結晶７４を成長させる。

（２）上記（１）に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第１主面１１のＳＯＲＩは、１０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。

（３）本開示に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法は以下の工程を備えている。平面状の第１主面１１と第１主面１１の反対側にある第２主面１２とを有する種結晶１０と、中心を有する第３主面３３と第３主面３３と反対側の第４主面３４とを有する台座３０と、固定部材５０とが準備される。第３主面３３は、中心が第３主面３３の最小二乗平面に対して第４主面３４と反対側に位置するように凸状に湾曲している。第２主面１２は、中央部６１と、中央部６１を取り囲む外周部６２とを有している。さらに、第１主面１１が第３主面３３に対向するように配置された状態で固定部材５０を外周部６２に当てることにより、種結晶１０が台座３０に固定される。第２主面１２において炭化珪素単結晶７４を成長させる。

（４）上記（３）に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第３主面３３のＳＯＲＩは、１０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかに係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第１主面１１に炭素を含む保護膜４０を形成する工程をさらに備えていてもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれかに係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、固定部材５０は、リング状部６０と、リング状部６０と連なりかつ外周部６２に接する複数の保持部６３とを有していてもよい。複数の保持部６３に内接する円の直径を第１直径１１１とし、第２主面１２の直径を第２直径１１２とした場合、第２直径１１２から第１直径１１１を差し引いた値は、０．５ｍｍよりも大きく５ｍｍ未満である。

（７）上記（６）に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、複数の保持部６３の数は、３以上であってもよい。

（８）上記（６）または（７）に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、複数の保持部６３の各々の周方向の長さは３ｍｍ以下であってもよい。

（９）上記（１）〜（８）のいずれかに係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第２主面１２の直径は、１５０ｍｍ以上であってもよい。

（１０）上記（１）〜（９）のいずれかに係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第２主面１２は、（０００−１）面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面であってもよい。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、実施の形態の詳細について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。

第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法においては、まず種結晶および台座を準備する工程（Ｓ１０：図３）が実施される。図１に示されるように、種結晶１０が準備される。種結晶１０は、たとえば六方晶炭化珪素により構成されている。種結晶１０を構成する炭化珪素のポリタイプは、たとえば４Ｈである。種結晶１０は、第１主面１１と、第２主面１２と、第１周端面１３とを有する。第２主面１２は、第１主面１１の反対側にある。第１周端面１３は、第１主面１１および第２主面１２の各々に連なっている。

図１に示されるように、第１主面１１は、凸状に湾曲している。第２主面１２は、凹状に湾曲していてもよい。第１主面１１のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ１）は、たとえば１０μｍ以上５０μｍ以下である。ＳＯＲＩ１の下限は、特に限定されないが、たとえば１５μｍ以上であってもよいし、２０μｍ以上であってもよい。ＳＯＲＩ１の上限は、特に限定されないが、４５μｍ以下であってもよいし、４０μｍ以下であってもよい。

次に、ＳＯＲＩの定義について説明する。ＳＯＲＩとは、主面の反りの程度を定量化するためのパラメータの一つである。ＳＯＲＩは、主面の最小二乗平面を基準の高さとした場合、主面の最高点における高さと最小二乗平面との距離と、主面の最低点における高さと最小二乗平面との距離との合計値を表す。ＳＯＲＩは距離を表すため、常に正の値となる。なお、ＳＯＲＩは、クランプされていない種結晶１０に対して計算される。本実施の形態において、主面のＳＯＲＩとは、主面内における任意の２点間におけるＳＯＲＩのうち最大のＳＯＲＩのことを指す。ＳＯＲＩの測定は、たとえばＴｒｏｐｅｌ社製のＦＭ２００Ｗａｆｅｒを用いて実施することができる。

図１に示されるように、具体的には、第２主面１２が水平保持面９に対向するように種結晶１０が水平保持面９に配置される。レーザ光を用いて第１主面１１の各測定位置における高さが測定され、第１主面１１の最高点（第１位置１）と、第１主面１１の最低点（第２位置２）とが特定される。また第１主面１１の最小二乗平面（第１最小二乗平面２５）が導出される。ＳＯＲＩ１は、第１位置１における高さ２１と第１最小二乗平面２５との距離（第１距離１２１）と、第２位置２における高さ２２と第１最小二乗平面２５との距離（第２距離１２２）との合計値である。

図２に示されるように、水平保持面９に対して垂直な方向から見た場合、第１主面１１は、略円形である。第１主面１１の直径は、たとえば１００ｍｍ以上である。第１主面１１の直径は、たとえば１５０ｍｍ以上であってもよい。第１位置１は、第１主面１１の中心であってもよい。第２位置２は、第１主面１１の外縁であってもよい。

図１に示されるように、第１主面１１は、第１主面１１の中心（第１中心１）が第１最小二乗平面２５に対して第２主面１２と反対側に位置するように凸状に湾曲している。別の観点から言えば、第１最小二乗平面２５は、第１主面１１の第１中心１と、第２主面１２との間に位置している。第１主面１１は、たとえば｛０００１｝面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面である。具体的には、第１主面１１は、（０００１）面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面であってもよい。

水平保持面９に対して垂直な方向から見た場合、第２主面１２は、略円形である。第２主面１２の直径は、たとえば１００ｍｍ以上である。第２主面１２の直径は、たとえば１５０ｍｍ以上であってもよい。第２主面１２は、たとえば｛０００１｝面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面である。具体的には、第２主面１２は、（０００−１）面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面であってもよい。

なお、図１に示すような第１主面１１が凸状に湾曲した種結晶１０は、第１主面１１および第２主面１２の各々に対して、所定の条件で機械研磨およびＣＭＰ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われることにより準備される。

第１主面１１の加工は、第２主面１２を研磨プレートに貼り付けた状態で行われる。事前に第２主面１２を貼り付ける研磨プレートを、中央部が外周部に対して凹んだ形状としておくことで、種結晶１０は中央部が凹んだ状態で研磨プレートに貼り付けられ、加工される。この状態で加工することで、第２主面１２は中央部に対して外周部の加工量が大きくなり、研磨プレートから剥離すると、第２主面１２が凸状に湾曲した種結晶１０が得られる。研磨プレートの凹みの大きさを変化させることで、第２主面１２の凸の大きさも制御できる。

次に、種結晶１０の第１主面１１に保護膜４０が形成される。具体的には、まずレジストがスピンコートを利用して第１主面１１に塗布される。次に、レジストが加熱される。レジストが大気圧の条件で加熱される場合、レジストの加熱温度は、たとえば３００℃程度である。レジストが真空中またはアルゴン雰囲気で加熱される場合、レジストの加熱温度は、たとえば１０００℃程度である。レジストは、加熱により炭化する。レジストが炭化することで保護膜４０が形成される。保護膜４０は、炭素（Ｃ）を含む材料から構成されている。保護膜４０の厚みは、たとえば１μｍ以上５μｍ以下である。レジストは、たとえば半導体装置の製造用に用いられるポジ型またはネガ型のフォトレジストである。レジストは、たとえば乳酸エチルおよび酢酸ブチルを含有する。

図４に示されるように、保護膜４０は、第５主面４１と、第６主面４２と、第２周端面４３を有している。第６主面４２は、第１主面１１に接している。第５主面４１は、第６主面４２とは反対側にある。第２周端面４３は、第５主面４１および第６主面４２の各々に連なっている。保護膜４０の厚みは、種結晶１０の厚みよりも小さくてもよい。図４に示されるように、第５主面４１は、凸状に湾曲している。第６主面４２は、凹状に湾曲していてもよい。

第５主面４１のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ２）は、たとえば１０μｍ以上５０μｍ以下である。ＳＯＲＩ２の下限は、特に限定されないが、たとえば１５μｍ以上であってもよいし、２０μｍ以上であってもよい。ＳＯＲＩ２の上限は、特に限定されないが、４５μｍ以下であってもよいし、４０μｍ以下であってもよい。ＳＯＲＩ２は、第５主面４１の最高点（第３位置３）における高さ２３と第５主面４１の最小二乗平面（第２最小二乗平面２６）との距離（第３距離１２３）と、第５主面４１の最低点（第４位置４）における高さ２４と第２最小二乗平面２６との距離（第４距離１２４）との合計値である（図４参照）。第３位置３は、第５主面４１の中心であってもよい。第４位置４は、第５主面４１の外縁であってもよい。

次に、台座３０が準備される。台座３０は、たとえば円柱状である。図５に示されるように、台座３０は、第３主面３３と、第４主面３４と、第３周端面３５とを有している。第３主面３３は、種結晶１０が取り付けられる面である。第３主面３３は、平面状である。第４主面３４は、第３主面３３の反対側にある。第３周端面３５は、第３主面３３および第４主面３４の各々に連なっている。台座３０は、たとえばグラファイトにより構成されている。

なお、第３主面３３が平面状であるとは、第３主面３３が完全に平坦な場合と、第３主面３３が実質的に平坦な場合とを含んでいる。第３主面３３が実質的に平坦な場合とは、第３主面３３が、第１主面１１のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ１）に対して十分小さいＳＯＲＩを有する程度に凸状または凹部に湾曲している場合である。具体的には、第３主面３３のＳＯＲＩは、第１主面１１のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ１）の１／３以下であれば、第３主面３３は平面状であるといえる。

次に、固定部材５０が準備される。固定部材５０は、リング状部６０と、複数の保持部６３とを有している。リング状部６０は、たとえば円環状である。リング状部６０の内径は、台座３０の外径以上である。複数の保持部６３の各々は、リング状部６０に連なっている。

次に、種結晶を台座に固定する工程（Ｓ２０：図３）が実施される。図６に示されるように、種結晶１０の第１主面１１が、台座３０の第３主面３３に対向するように配置される。具体的には、保護膜４０の第５主面４１が、台座３０の第３主面３３に接するように種結晶１０が保護膜４０を介して台座３０に取り付けられる。図６および図７に示されるように、第２主面１２は、中央部６１と、外周部６２とを有している。外周部６２は、中央部６１を取り囲んでいる。中央部６１は、第２主面１２の中心（第２中心７）を含んでいる。外周部６２は、第２主面１２の外縁を含んでいる。外周部６２は、第１周端面１３に連なっている。

図６に示されるように、第１主面１１が第３主面３３に対向するように配置された状態で固定部材５０が第２主面１２の外周部６２に当てられる。具体的には、固定部材５０のリング状部６０は、たとえばボルト（図示せず）によって台座３０に取り付けられる。複数の保持部６３の各々は、第２主面１２の外周部６２に接している。リング状部６０によって複数の保持部６３の各々が持ち上げられることにより、種結晶１０が台座３０に押し付けられる。別の観点から言えば、固定部材５０はフックの機能を有し、種結晶１０の外周部６２を引っかけて持ち上げている。これにより、種結晶１０の反りが緩和され、第１主面１１および第２主面１２の各々は、平面状になる。以上のように、種結晶１０が台座３０に固定される。

図６に示されるように、固定部材５０のリング状部６０は、台座３０の第３周端面３５と、保護膜４０の第２周端面４３と、種結晶１０の第１周端面１３とを取り囲んでいる。リング状部６０の外径（第３直径１１３）は、台座３０の直径（第２直径１１２）よりも大きい。反った種結晶１０を平坦にするためには、保持部６３は、ある程度の厚みを有し、高い強度を有することが望ましい。保持部６３の厚みは、たとえば２ｍｍ以上である。

図７に示されるように、複数の保持部６３の数は、たとえば３以上である。複数の保持部６３は、たとえば第１保持領域５１と、第２保持領域５２と、第３保持領域５３とを有している。複数の保持部６３の各々は、第２主面１２の中心（第２中心７）を中心とした回転対称の位置に配置されている。周方向に沿った保持部６３の長さ１１４は、たとえば３ｍｍ以下である。周方向に沿った保持部６３の長さ１１４の上限は、特に限定されないが、たとえば２．７ｍｍ以下であってもよいし、２．４ｍｍ以下であってもよい。周方向に沿った保持部６３の長さ１１４の下限は、特に限定されないが、たとえば０．３ｍｍ以上であってもよい。

なお、保持部６３の数は、２以上であればよく、たとえば３以上であってもよいし、６以上であってもよい。保持部６３の数が２の場合、保持部６３は、たとえば０°および１８０°の位置に配置される。保持部６３の数が６の場合、保持部６３は、たとえば０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°の位置に配置されていてもよい。

図７に示されるように、複数の保持部６３に内接する円の直径を第１直径１１１とし、第２主面１２の直径を第２直径１１２とした場合、第２直径１１２から第１直径１１１を差し引いた値は、たとえば０．５ｍｍよりも大きく５ｍｍ未満である。第２直径１１２から第１直径１１１を差し引いた値の下限は、特に限定されないが、たとえば１ｍｍより大きくてもよいし、１．５ｍｍ以上より大きくてもよい。第２直径１１２から第１直径１１１を差し引いた値の上限は、特に限定されないが、たとえば４．５ｍｍ未満であってもよいし、４ｍｍ未満であってもよい。

なお、複数の保持部６３の各々の径方向の長さが同じ場合には、第２主面１２に対して垂直な方向から見て、複数の保持部６３に内接する円の半径は、第２主面１２の中心から保持部６３までの最短距離である。もし複数の保持部６３の各々の径方向の長さが異なる場合には、第２主面１２に対して垂直な方向から見て、複数の保持部６３に内接する円の半径は、第２主面１２の中心から複数の保持部６３の各々までの最短距離の中で最も小さい値とすることができる。

次に、種結晶に炭化珪素単結晶を成長させる工程（Ｓ３０：図３）が実施される。具体的には、まず坩堝７０が準備される。図８に示されるように、坩堝７０は、種結晶保持部７１と、原料収容部７２とを有している。種結晶保持部７１には、台座３０が取り付けられている。台座３０には、種結晶１０が取り付けられている。原料収容部７２には、炭化珪素原料７３が配置されている。炭化珪素原料７３は、たとえば多結晶炭化珪素である。種結晶１０の第２主面１２は、炭化珪素原料７３に対向するよう配置されている。第２主面１２の外周部６２の一部は、固定部材５０の保持部６３に覆われている。

次に、不活性ガス雰囲気下において坩堝７０が加熱される。坩堝７０は、たとえば２１００℃以上２５００℃以下の温度に加熱される。炭化珪素原料７３の温度は、種結晶１０の温度よりも高くなるように、種結晶１０および炭化珪素原料７３の各々が加熱される。圧力は、たとえば１．３ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下とされる。これにより、炭化珪素原料７３が昇華して昇華ガスが発生する。昇華ガスは、種結晶１０の第２主面１２上において再結晶化する。

図９に示されるように、炭化珪素単結晶７４は、第２主面１２上においてステップフロー成長する。炭化珪素単結晶７４の成長面７５は、テラス１５と、ステップ１４とを有する。第２主面１２が｛０００１｝面に対して傾斜している場合（言い換えれば、オフ面の場合）、第２主面１２の中心（第２中心７）から見てオフ方向に位置する第２主面１２の外縁の位置（成長開始位置８）（図７参照）から炭化珪素単結晶７４が成長する。成長開始位置８は、第２主面１２において、オフ方向の最上流に位置する。第２主面１２に対して垂直な方向から見て、炭化珪素単結晶７４は、オフ方向の最上流（成長開始位置８）からオフ方向の最下流（第２中心７に対して成長開始位置８とは反対側の位置）に向かって成長する。成長開始位置８に固定部材５０の保持部６３があると、ファセットの形成が阻害されるおそれがある。そのため、成長開始位置８には、固定部材５０の保持部６３を設けないことが望ましい。

図９に示されるように、第２主面１２が（０００−１）面に対して１０°以下の角度θだけ傾斜した面である場合、第３方向１０３は、［０００−１］方向である。第４方向１０４は、オフ方向である。オフ方向は、たとえば＜１１−２０＞である。この場合、第６方向１０６は、オフ方向を第２主面１２に投影した方向である。オフ方向を第２主面１２に投影した方向は、［０００−１］方向を第２主面１２に投影した方向と同じである。

第５方向１０５は、第２主面１２に対して垂直な方向である。第１方向１０１は、第２主面１２に対して平行な方向である。第６方向１０６と、第４方向１０４とがなす角度θは、オフ角に等しい。同様に、第３方向１０３と、第５方向１０５とがなす角度θは、オフ角に等しい。なお、第２主面１２が（０００１）面に対して１０°以下の角度だけ傾斜した面である場合、第６方向１０６は、［０００１］方向を第２主面１２に投影した方向である。

図７に示されるように、第２主面１２に対して垂直な方向から見た場合、成長開始位置指向ベクトル９０は、オフ方向を第２主面１２に投影した方向（第６方向１０６）を向きかつ第２主面１２の中心（第２中心７）を始点としたベクトルである。固定部材５０の複数の保持部６３の各々は、成長開始位置指向ベクトル９０に対して±１０°以内の領域には配置されていない。別の観点から言えば、複数の保持部６３の各々は、成長開始位置指向ベクトル９０に対して±１０°以外の外周部６２に接している。第１方向１０１は、たとえば＜１１−２０＞方向を第２主面１２に投影した方向である。第２方向１０２は、たとえば＜１−１００＞方向である。

つまり、種結晶を台座に固定する工程においては、第２主面に対して垂直な方向から見た場合に、成長開始位置指向ベクトル９０に対して±１０°以内の領域以外の外周部において固定部材が接している。成長開始位置指向ベクトル９０に対して±１５°以内の領域以外の外周部において固定部材が接していてもよいし、±３０°未満の領域以外の外周部において固定部材が接していてもよい。

図７に示されるように、第２主面１２に対して垂直な方向から見た場合、成長開始位置指向ベクトル９０を時計回りに回転角度（φ）だけ回転させた第１ベクトル９１と、成長開始位置指向ベクトル９０を反時計回りに回転角度（φ）だけ回転させた第２ベクトル９２との間の領域においては、複数の保持部６３の各々は配置されていない。別の観点から言えば、第１ベクトル９１と、第２ベクトル９２との間の領域以外の外周部６２において、複数の保持部６３の各々は第２主面１２に接している。回転角度（φ）は、たとえば１０°である。

成長開始位置８を０°とすると、第１保持領域５１、第２保持領域５２、第３保持領域５３は、それぞれ６０°、１８０°および３００°の位置に配置される。別の観点から言えば、０°、１２０°および２４０°の位置においては、外周部が保持部から露出している。第２主面１２に対して垂直な方向から見た場合、第１ベクトル９１は、第１保持領域５１と、成長開始位置指向ベクトル９０との間に位置している。同様に、第２主面１２に対して垂直な方向から見た場合、第２ベクトル９２は、第３保持領域５３と、成長開始位置指向ベクトル９０との間に位置している。第２保持領域５２は、オフ方向の最下流に位置していてもよい。

図１０に示されるように、時間の経過に伴って、第２主面１２において炭化珪素単結晶７４が成長する。炭化珪素単結晶７４は、第２主面１２から離れるにつれて直径が大きくなるように成長してもよい。別の観点から言えば、種結晶１０から炭化珪素原料７３に向かうにつれて、第２主面１２に平行な方向における長さが大きくなるように炭化珪素単結晶７４は成長してもよい。

次に、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法の作用効果について説明する。

フック状の固定部材５０を用いて種結晶１０を台座３０に固定する場合、種結晶１０の結晶成長面（第２主面１２）の外周部６２が固定部材５０に覆われる。固定部材５０に覆われた第２主面１２の部分には炭化珪素単結晶７４が成長できない。大口径の炭化珪素単結晶７４を第２主面１２上に成長させるためには、第２主面１２を覆っている固定部材５０の径方向の長さを短くすることが考えられる。しかしながら、固定部材５０の径方向の長さを短くすると、種結晶１０の最外周部のみが固定部材５０によって押し上げられる。結果として、種結晶１０の第２主面１２の中心が突出するように、種結晶１０が湾曲する。この際、種結晶１０の第１主面１１は、第１主面１１の中心が凹むように湾曲する。第１主面１１の中心が凹むように湾曲すると、種結晶１０と台座３０との間に空隙が発生する。種結晶１０の第１主面１１上に保護膜４０が形成されている場合には、保護膜４０と台座３０との間に空隙が発生する。このような空隙が形成されると、炭化珪素単結晶７４を成長させる工程において、種結晶１０の第１主面１１から炭化珪素が部分的に昇華することで、第１主面１１にはマクロ欠陥が形成される。マクロ欠陥は、典型的には５００μｍ以上３ｍｍ以下程度の直径を有する穴である。

第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法においては、平面状の第３主面３３を有する台座３０と、中心が第１主面１１の最小二乗平面に対して第２主面１２と反対側に位置するように凸状に湾曲している種結晶１０とが使用される。これにより、固定部材５０が種結晶１０の第２主面１２の外周部６２のみに当てられた場合であっても、種結晶１０の第１主面１１と、台座３０の第３主面３３との間に空隙が形成されることを抑制することができる。そのため、種結晶１０にマクロ欠陥が形成されることを抑制することができる。

また第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法は、第１主面１１に炭素を含む保護膜４０を形成する工程をさらに有している。これにより、種結晶１０の第１主面１１から炭化珪素が部分的に昇華することをさらに抑制することができる。結果として、種結晶１０にマクロ欠陥が形成されることをさらに抑制することができる。

フック状の固定部材５０を用いて種結晶１０の第２主面１２を押さえることで種結晶１０を台座３０に固定する場合、結晶成長開始時における炭化珪素単結晶７４の直径が、種結晶１０の第２主面１２の直径よりも小さくなる。減径量が小さい場合、結晶成長後期では、成長した炭化珪素単結晶７４の直径を種結晶１０の直径と同等以上まで拡大することが可能である。この場合、成長後期の直径が拡大した部分を、次の結晶成長での種結晶１０として使用するが可能である。一方で、減径量が大きすぎる場合には、成長した炭化珪素単結晶７４の直径を種結晶１０の直径と同等以上まで拡大することが困難となる。この場合、使用した種結晶１０と同じ径の種結晶１０を作製できないため、連続して炭化珪素単結晶７４の製造を行うことができない。したがって、フック状の固定部材５０が種結晶１０上を覆う部分の内径は、種結晶１０の第２主面１２の直径に比べて、小さくなり過ぎないようにすることが望ましい。しかしながら、この場合には、固定部材５０は、種結晶１０の外周部６２だけを押さえていることとなり、種結晶１０の中央部６１では、台座３０と種結晶１０との間に空隙が発生し易い。

第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、固定部材５０は、リング状部６０と、リング状部６０と連なりかつ外周部６２に接する複数の保持部６３とを有している。複数の保持部６３に内接する円の直径を第１直径１１１とし、第２主面１２の直径を第２直径１１２とした場合、第２直径１１２から第１直径１１１を差し引いた値は、０．５ｍｍよりも大きく５ｍｍ未満である。これにより、固定部材５０が種結晶１０の第２主面１２を覆う部分の内径が第２主面１２の直径に比べて、小さくなり過ぎることを抑制することができる。そのため、成長した炭化珪素単結晶７４の直径を種結晶１０の第２主面１２の直径と同等以上まで拡大することが可能である。結果として、炭化珪素単結晶７４を連続的に製造することができる。

第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法において、第２主面１２の直径は、１５０ｍｍ以上である。台座３０と種結晶１０との間の空隙は、第２主面１２の直径が大きくなる程形成されやすい。第１実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法によれば、１５０ｍｍ以上の大口径の種結晶１０を使用する場合においても、空隙が形成されることを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法においては、主に、第１主面１１が平面状であって、かつ第３主面３３が凸状である構成において、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法と異なっており、その他の構成については、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法と同様である。以下、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法と異なる構成を中心に説明する。

第２実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法においては、まず種結晶および台座を準備する工程（Ｓ１０：図３）が実施される。図１１に示されるように、種結晶１０は、第１主面１１と、第２主面１２と、第１周端面１３とを有する。第１主面１１は、平面状である。第２主面１２も、平面状であってもよい。なお、第１主面１１が平面状であるとは、第１主面１１が完全に平坦な場合と、第１主面１１が実質的に平坦な場合とを含んでいる。第１主面１１が実質的に平坦な場合とは、第１主面１１が、第３主面３３のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ３）に対して十分小さいＳＯＲＩを有する程度に凸状または凹部に湾曲している場合である。具体的には、第１主面１１のＳＯＲＩは、第３主面３３のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ３）の１／３以下であれば、第１主面１１は平面状であるといえる。

次に、種結晶１０の第１主面１１に保護膜４０が形成される。保護膜４０は、炭素を含む材料から構成されている。具体的には、まずレジストがスピンコートを利用して第１主面１１に塗布される。次に、レジストが加熱される。レジストが大気圧の条件で加熱される場合、レジストの加熱温度は、たとえば３００℃程度である。レジストが真空中またはアルゴン雰囲気で加熱される場合、レジストの加熱温度は、たとえば１０００℃程度である。レジストが炭化することで保護膜４０が形成される。

図１２に示されるように、保護膜４０は、第５主面４１と、第６主面４２と、第２周端面４３を有している。第６主面４２は、第１主面１１に接している。第５主面４１は、第６主面４２とは反対側にある。第２周端面４３は、第５主面４１および第６主面４２の各々に連なっている。保護膜４０の厚みは、種結晶１０の厚みよりも小さくてもよい。

次に、台座３０が準備される。台座３０は、たとえば円柱状である。図１３に示されるように、台座３０は、第３主面３３と、第４主面３４と、第３周端面３５とを有している。第３主面３３は、種結晶１０が取り付けられる面である。第３主面３３は、凸状に湾曲している。第３主面３３のＳＯＲＩ（ＳＯＲＩ３）は、たとえば１０μｍ以上５０μｍ以下である。ＳＯＲＩ３の下限は、特に限定されないが、たとえば１５μｍ以上であってもよいし、２０μｍ以上であってもよい。ＳＯＲＩ３の上限は、特に限定されないが、４５μｍ以下であってもよいし、４０μｍ以下であってもよい。ＳＯＲＩ３は、第４主面３４を水平保持面に配置した場合において、第３主面３３の最高点（第５位置５）における高さ２９と第３主面３３の最小二乗平面（第３最小二乗平面２７）との距離（第５距離１２５）と、第５主面４１の最低点（第６位置６）における高さ２８と第３最小二乗平面２７との距離（第６距離１２６）との合計値である。

次に、種結晶を台座に固定する工程（Ｓ２０：図３）が実施される。図１４に示されるように、種結晶１０の第１主面１１が、台座３０の第３主面３３に対向するように配置される。具体的には、保護膜４０の第５主面４１が、台座３０の第３主面３３に接するように種結晶１０が保護膜４０を介して台座３０に取り付けられる。図１４に示されるように、種結晶１０および保護膜４０の各々は、第３主面３３の形状に沿って湾曲してもよい。種結晶１０の第２主面１２は、炭化珪素原料７３に向かって凸状に湾曲していてもよい。

図１４に示されるように、第１主面１１が第３主面３３に対向するように配置された状態で固定部材５０が第２主面１２の外周部６２に当てられる。具体的には、固定部材５０のリング状部６０は、たとえばボルト（図示せず）によって台座３０に取り付けられる。複数の保持部６３の各々は、第２主面１２の外周部６２に接している。リング状部６０によって複数の保持部６３の各々が持ち上げられることにより、種結晶１０が台座３０に押し付けられる。別の観点から言えば、固定部材５０はフックの機能を有し、種結晶１０を引っかけて持ち上げている。これにより、種結晶１０が台座３０に固定される。

次に、種結晶に炭化珪素単結晶を成長させる工程（Ｓ３０：図３）が実施される。具体的には、まず坩堝７０が準備される。図１５に示されるように、坩堝７０は、種結晶保持部７１と、原料収容部７２とを有している。種結晶保持部７１には、台座３０が取り付けられている。台座３０には、種結晶１０が取り付けられている。原料収容部７２には、炭化珪素原料７３が配置されている。炭化珪素原料７３は、たとえば多結晶炭化珪素である。種結晶１０の第２主面１２は、炭化珪素原料７３に対向するよう配置されている。第２主面１２の外周部６２の一部は、固定部材５０の保持部６３に覆われている。

次に、不活性ガス雰囲気下において坩堝７０が加熱される。坩堝７０は、たとえば２１００℃以上２５００℃以下の温度に加熱される。炭化珪素原料７３の温度は、種結晶１０の温度よりも高くなるように、種結晶１０および炭化珪素原料７３の各々が加熱される。圧力は、たとえば１．３ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下とされる。これにより、炭化珪素原料７３が昇華して昇華ガスが発生する。昇華ガスは、種結晶１０の第２主面１２上において再結晶化する。

図１６に示されるように、時間の経過に伴って、第２主面１２において炭化珪素単結晶７４が成長する。炭化珪素単結晶７４は、第２主面１２から離れるにつれて直径が大きくなるように成長してもよい。別の観点から言えば、種結晶１０から炭化珪素原料７３に向かうにつれて、第２主面１２に平行な方向における長さが大きくなるように炭化珪素単結晶７４は成長してもよい。種結晶１０の第２主面１２が、炭化珪素原料７３に向かって凸状に湾曲している場合には、炭化珪素単結晶７４は、第２主面１２から離れるにつれて直径が大きくなるように成長しやすい。種結晶１０の第２主面１２が炭化珪素原料７３に向かって凸状に湾曲している場合とは、第２主面１２の中心が第２主面１２の最小二乗平面に対して第１主面１１と反対側に位置するように凸状に湾曲している場合のことである。

次に、第２実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法の作用効果について説明する。

第２実施形態に係る炭化珪素単結晶７４の製造方法においては、中心が第３主面３３の最小二乗平面に対して第４主面３４と反対側に位置するように凸状に湾曲している台座３０と、平面状の第１主面１１を有する種結晶１０とが使用される。これにより、固定部材５０が種結晶１０の第２主面１２の外周部６２のみに当てられた場合であっても、種結晶１０の第１主面１１と、台座３０の第３主面３３との間に空隙が形成されることを抑制することができる。そのため、種結晶１０にマクロ欠陥が形成されることを抑制することができる。

（サンプル準備）
まず、湾曲の形状およびＳＯＲＩの大きさが異なる７種類の種結晶１０を準備した。具体的には、サンプル１および２に係る種結晶１０の第１主面１１は、凹状に湾曲していた。サンプル１および２に係る種結晶１０の第１主面１１のＳＯＲＩは、それぞれ７μｍおよび３μｍとした。サンプル３〜７に係る種結晶１０の第１主面１１は、凸状に湾曲していた。サンプル３〜７に係る種結晶１０の第１主面１１のＳＯＲＩは、それぞれ６μｍ、７μｍ、１０μｍ、１４μｍおよび２５μｍとした。サンプル１〜７に係る種結晶１０の第１主面１１の直径は、１５０ｍｍとした。

（実験方法）
次に、サンプル１〜７に係る種結晶１０の各々の第１主面１１上に保護膜４０が形成された。サンプル１〜７に係る種結晶１０の各々は、固定部材５０を用いて台座３０に取り付けられた（図８参照）。台座３０の第３主面３３は、平面状とした。第１実施形態の炭化珪素単結晶７４の製造方法に従って、種結晶１０の第２主面１２に炭化珪素単結晶７４を成長させた（図９参照）。炭化珪素単結晶７４の成長が完了した後、種結晶１０を坩堝７０から取り出した。種結晶１０の第２主面１２を観察し、マクロ欠陥の有無を調査した。マクロ欠陥の発生が確認された場合、マクロ欠陥の発生面積および長さ（深さ）が特定された。第２主面１２の面積に対するマクロ欠陥の発生面積を、マクロ欠陥の発生面積率とした。また第２主面１２に対して垂直な方向におけるマクロ欠陥の長さが測定された。マクロ欠陥の長さの中で、最も長いマクロ欠陥の長さを最長長さとした。

（実験結果）

表１に示されるように、サンプル１〜４に係る種結晶１０を用いて炭化珪素単結晶７４を成長させた場合、種結晶１０の第１主面１１においてマクロ欠陥が発生した。サンプル１〜４に係る種結晶１０の第１主面１１におけるマクロ欠陥発生率は、それぞれ７６％、４６％、２２％および８％であった。サンプル１〜４に係る種結晶１０の第１主面１１におけるマクロ欠陥の最長長さは、それぞれ５．９ｍｍ、２．３ｍｍ、１．１ｍｍおよび０．５ｍｍであった。一方、サンプル５〜７に係る種結晶１０を用いて炭化珪素単結晶７４を成長させた場合、種結晶１０の第１主面１１においてマクロ欠陥が観察されなかった。

以上の実験結果に示されるように、種結晶１０の第１主面１１を凸状に湾曲させることにより、マクロ欠陥の発生を抑制できることが確かめられた。また種結晶１０の第１主面１１を凸状に湾曲させた上で、第１主面１１のＳＯＲＩを１０μｍ以上とすることにより、マクロ欠陥の発生をさらに抑制できることが確かめられた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 第１位置（第１中心）
２ 第２位置
３ 第３位置
４ 第４位置
５ 第５位置
６ 第６位置
７ 第２中心
８ 成長開始位置
９ 水平保持面
１０ 種結晶
１１ 第１主面
１２ 第２主面
１３ 第１周端面
１４ ステップ
１５ テラス
２１，２２，２３，２４，２８，２９ 高さ
２５ 第１最小二乗平面
２６ 第２最小二乗平面
２７ 第３最小二乗平面
３０ 台座
３３ 第３主面
３４ 第４主面
３５ 第３周端面
４０ 保護膜
４１ 第５主面
４２ 第６主面
４３ 第２周端面
５０ 固定部材
５１ 第１保持領域
５２ 第２保持領域
５３ 第３保持領域
６０ リング状部
６１ 中央部
６２ 外周部
６３ 保持部
７０ 坩堝
７１ 種結晶保持部
７２ 原料収容部
７３ 炭化珪素原料
７４ 炭化珪素単結晶
７５ 成長面
９０ 成長開始位置指向ベクトル
９１ 第１ベクトル
９２ 第２ベクトル
１０１ 第１方向
１０２ 第２方向
１０３ 第３方向
１０４ 第４方向
１０５ 第５方向
１０６ 第６方向
１１１ 第１直径
１１２ 第２直径
１１３ 第３直径
１１４ 長さ
１２１ 第１距離
１２２ 第２距離
１２３ 第３距離
１２４ 第４距離
１２５ 第５距離
１２６ 第６距離

Claims (10)

1. 中心を有する第１主面と前記第１主面の反対側にある第２主面とを有する種結晶と、平面状の第３主面を有する台座と、固定部材とを準備する工程を備え、
   前記第１主面は、前記中心が前記第１主面の最小二乗平面に対して前記第２主面と反対側に位置するように凸状に湾曲しており、
   前記第２主面は、中央部と、前記中央部を取り囲む外周部とを有し、さらに、
   前記第１主面が前記第３主面に対向するように配置された状態で前記固定部材を前記外周部に当てることにより、前記種結晶を前記台座に固定する工程と、
   前記第２主面において炭化珪素単結晶を成長させる工程とを備えた、炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記第１主面のＳＯＲＩは、１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 平面状の第１主面と前記第１主面の反対側にある第２主面とを有する種結晶と、中心を有する第３主面と前記第３主面と反対側の第４主面とを有する台座と、固定部材とを準備する工程を備え、
   前記第３主面は、前記中心が前記第３主面の最小二乗平面に対して前記第４主面と反対側に位置するように凸状に湾曲しており、
   前記第２主面は、中央部と、前記中央部を取り囲む外周部とを有し、さらに、
   前記第１主面が前記第３主面に対向するように配置された状態で前記固定部材を前記外周部に当てることにより、前記種結晶を前記台座に固定する工程と、
   前記第２主面において炭化珪素単結晶を成長させる工程とを備えた、炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記第３主面のＳＯＲＩは、１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項３に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記第１主面に炭素を含む保護膜を形成する工程をさらに備えた、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記固定部材は、リング状部と、前記リング状部と連なりかつ前記外周部に接する複数の保持部とを有しており、
   前記複数の保持部に内接する円の直径を第１直径とし、前記第２主面の直径を第２直径とした場合、
   前記第２直径から前記第１直径を差し引いた値は、０．５ｍｍよりも大きく５ｍｍ未満である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 前記複数の保持部の数は、３以上である、請求項６に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 前記複数の保持部の各々の周方向の長さは、３ｍｍ以下である、請求項６または請求項７に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
9. 前記第２主面の直径は、１５０ｍｍ以上である、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
10. 前記第２主面は、（０００−１）面に対して１°以上８°以下のオフ角で傾斜した面である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

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