JP4830496B2

JP4830496B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP4830496B2
Application number: JP2006004779A
Authority: JP
Inventors: 秀光坂元
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007186374A

Description

本発明は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

ＳｉＣはＳｉに比べてエネルギーバンドギャップが大きいため、半導体材料等として適した高品位のＳｉＣ単結晶の製造技術が種々提案されている。ＳｉＣ単結晶の製造方法としては、主として昇華法と溶液法が知られており、ポリタイプ制御性やマイクロパイプの低減に有効であることから溶液法が注目されている。

溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、例えば特許文献１（特開平４−１９３７９８号公報）に開示されている。黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面へ向けて温度低下する温度勾配を維持する。下方の高温部で黒鉛るつぼからＳｉ融液内に溶解したＣは主として融液の自然対流に乗って上昇し融液面近傍の低温部に達して過飽和になる。融液面の直下には黒鉛棒の先端にＳｉＣ種結晶が保持されており、過飽和となったＣがＳｉＣ種結晶上でエピタキシャル成長によりＳｉＣとして結晶化する。

しかし溶液法は、昇華法に比べて結晶成長速度が遅いという問題がある。

溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法は種々の観点から改良が行なわれており、Ｓｉ融液に磁場を印加することが提案されている。例えば、特許文献２（特開２００４−３２３２４７号公報）には、Ｓｉ融液面からるつぼ底部へ向かう下向きの縦磁場を印加することにより自然対流を抑制して多結晶化を防止することが提案されている。しかし、成長速度は向上しない。

また、特許文献３（特開２００５−８２４３５号公報）には、Ｓｉ融液にＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのいずれかを添加することにより成長表面を安定して平坦に維持することが提案されている。実施例において下向きの縦磁場を印加しているが、やはり成長速度は向上しない。

また、ＳｉＣ単結晶ではないが、同じく半導体材料としてのＳｉ単結晶の成長方法については、Ｓｉ融液からの引き上げ法において、結晶成長方向に対して横向きの横磁場を印加してＳｉ単結晶中の酸素濃度を制御する方法（特許文献４：特開平８−２３９２９２号公報）、横磁場のうち特にカスプ磁場を印加してＳｉ融液の対流を制御することによりＳｉ単結晶の品質を向上させる方法（特許文献５：特開２０００−１１９０９１号公報）が提案されている。しかしいずれも、ＳｉＣ単結晶ではなくＳｉ単結晶の成長方法である上、成長速度の向上に関する示唆はない。

更に、非特許文献１には、電流磁場印加引上げ法（ＥＭＣＺ法）により下向き縦磁場を印加することによりＳｉ単結晶中の酸素濃度を制御することが記載されている。この場合も、ＳｉＣ単結晶ではなくＳｉ単結晶の成長方法である上、成長速度の向上に関する示唆はない。

特開平４−１９３７９８号公報特開２００４−３２３２４７号公報特開２００５−８２４３５号公報特開平８−２３９２９２号公報特開２０００−１１９０９１号公報渡辺匡人「日本結晶成長学会誌」１３−１９、vol.２６、No.５、１９９９．

本発明は、結晶成長速度を向上させた溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、該融液面の直下に保持したＳｉＣ種結晶を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる方法において、
るつぼ内の融液に、るつぼ底部から融液面へ向かう上向きの縦磁場を印加することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法が提供される。

本発明においては、るつぼ底部からＳｉ融液面へ向かう上向きの縦磁場をＳｉ融液に印加することにより、ＳｉＣ単結晶の成長速度を大幅に向上させることができる。

本発明者は、るつぼ底部からＳｉ融液面へ向かう上向きの縦磁場をＳｉ融液に印加すると、ＳｉＣ単結晶の成長速度が大幅に向上することを新規に知見し、これに基づき本発明を完成させた。上向き縦磁場の印加により成長速度が向上する理由は、現時点では解明されていないが、下記のように考えられる。

すなわち、磁場を印加しない場合のＳｉ融液中には、るつぼ底部から融液面へ向けて温度低下する温度勾配により自然対流が発生している。この自然対流は不規則で複雑な動きをしているため、るつぼ下部から種結晶近傍へのＣの輸送効率が低い。例えば、るつぼ内壁等の種結晶以外の場所での望ましくないＳｉＣ核生成とそれによる多結晶生成などの現象も、Ｃ輸送効率が低い一因となっていると考えられる。

これに対して、本発明により上向きの縦磁場を印加すると、自然対流の複雑な動きが抑制され、種結晶以外での望ましくないＳｉＣ核生成が回避され、るつぼ下部から種結晶近傍へのＣの輸送効率が高まるため、成長速度が向上すると考えられる。その際に、上向き縦磁場の強度を０．０３〜０．１５Ｔとすると、成長速度の向上が特に顕著になる。

縦磁場に加えて、るつぼ内の融液に電流を印加してローレンツ力を発生させることにより融液をるつぼ周方向に回転させると、更に成長速度を向上させることができる。その際に、ローレンツ力発生のための電流を３Ａ〜１０Ａとすると、成長速度の向上が特に顕著になる。

ローレンツ力による融液の回転とは逆方向にるつぼを回転させると、更に成長速度を向上させることができる。その際に、るつぼを３〜２０ｒｐｍで回転させると、成長速度の向上が特に顕著になる。

図１に、本発明の方法を実施するのに適したＳｉＣ単結晶製造炉の構造例を示す。

図示したＳｉＣ単結晶製造炉１００は、黒鉛るつぼ１０内のＳｉ融液Ｍ内に内部から融液面Ｓへ向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、融液面Ｓの直下に黒鉛棒１２により保持したＳｉＣ種結晶１４を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる炉である。

黒鉛るつぼ１０の全体を断熱材１８が取り巻いている。断熱材の周囲を加熱用の誘導コイル２２が取り巻いている。誘導コイル２２を構成する上段コイル２２Ａと下段コイル２２Ｂは独立に制御可能であり、それによりＳｉ融液Ｍ内に必要な温度勾配を形成する。るつぼ１０の底部温度および融液面Ｓの温度をそれぞれパイロメータ（図示せず）で測定し、測定した温度に基づいて誘導コイル２２の出力を調整してＳｉ融液Ｍの温度および温度勾配を所定値に制御する。ＳｉＣ単結晶製造炉１００を用いた一般的なＳｉＣ単結晶製造過程は次のように進行する。

先ず、黒鉛るつぼ１０内にＳｉ原料を装入し誘導コイル２２を作動させてＳｉ融液Ｍを形成する。

黒鉛棒１２の下端にＳｉＣ種結晶１４を装着して、Ｓｉ融液面Ｓの直下に挿入する。

誘導コイル２２の出力を上げて融液Ｍを昇温する。その際、上段コイル２２Ａ出力／下段コイル２２Ｂ出力＝３０〜５０％程度になるようにして、Ｓｉ融液内に下部から上部へかけて温度低下する温度勾配を維持しつつ全体として昇温する。融液下部の温度がＳｉの融点（１４１０℃）を超えた頃から、黒鉛るつぼ１０よりＣが徐々に下部の高温Ｓｉ融液中に溶解し始める。

溶解したＣは、拡散および対流によりＳｉ融液内を上方へ輸送され、ＳｉＣ種結晶１４に到着する。種結晶１４の近傍は、誘導コイル２２の上段２２Ａ／下段２２Ｂの出力制御と融液面Ｓからの放熱とによって融液下部よりも低温に維持されている。高温で溶解度の大きい融液下部に溶け込んだＣが、低温度で溶解度の低い種結晶１４付近に到達すると過飽和状態になり、この過飽和度を駆動力として種結晶１４上にＳｉＣ単結晶が成長する。

本発明の特徴は、磁場コイル２４により、上記Ｓｉ融液Ｍにるつぼ１０の底部からＳｉ融液面Ｓへ向かう上向きの縦磁場Ｆを印加することであり、これによりＳｉ融液内の自然対流を抑制してるつぼ下部から種結晶１４へのＣの輸送効率を高め、成長速度を向上させる。

対流抑制のために融液Ｍに印加する上向き縦磁場の強度は、０．０３Ｔ〜０．１５Ｔが望ましい。上向き縦磁場の強度が小さすぎると対流抑制効果が得られず、強度が大きすぎると却って磁場による対流を生じてしまう。上記範囲の磁場強度であれば、融液面は安定し、ゆらぎや盛り上がりが目視で認められない。

本発明において、印加する磁場を上向きの縦磁場に限定した理由は下記のとおりである。すなわち、図１の装置を用いると、図２に示すように（１）上向き縦磁場、（２）下向き縦磁場、（３）上下対向型カスプ磁場、（４）上下離散型カスプ磁場の４種類の形態の磁場印加が可能である。なお図２において、図中の上下方向は実際の上下方向に対応しており、また図１と同様に２４は磁場コイル、Ｆは磁場をそれぞれ示す。

実際にこれらの各形態の磁場を印加して実験したところ、縦磁場の場合は、磁場の向き（１）（２）にかかわらず自然対流による融液の動きが抑えられ、融液表面Ｓは見掛け上静止した状態になる。これに対して、カスプ磁場の場合は、（３）（４）いずれの形態で磁場強度を上げていっても融液表面Ｓの動きは自然対流のときと同じで変化が見られない。そして、これら４形態のうちで、ＳｉＣ単結晶の成長速度に明瞭な向上が認められたのは、（１）の上向き縦磁場の場合だけであった。そのため、本発明においてＳｉ融液Ｍに印加する磁場は、図２（１）に示した上向き縦磁場に限定する。

再び図１を参照すると、種結晶装着用の黒鉛棒１２と電極棒１６とを一対の電流供給端子として両者の下端がＳｉ融液に浸漬され、両者の上端が電源スイッチ１９を介して直流電源２０に接続されている。電源スイッチ１９をオンにすると、黒鉛棒１２および電極棒１６により直流電流がＳｉ融液に印加され、フレミングの法則によりるつぼ周方向のローレンツ力が発生し、その作用によりＳｉ融液Ｍはるつぼ周方向に回転する。このようにＳｉ融液がるつぼ周方向に回転すると、融液表面Ｓが適度に乱れ、溶解しているＣが種結晶１４に効率良く供給され、縦磁場印加のみの場合に比べて更にＳｉＣ単結晶の成長速度が向上する。

更に図１において、るつぼ１０は矢印Ｒのようにるつぼ周方向に回転できるようになっている。回転Ｒの方向を上記ローレンツ力によるＳｉ融液Ｍの周方向回転とは逆向きにすると、ＳｉＣ単結晶の成長速度が更に向上する。ただし、そのメカニズムは現時点では解明されていない。

図１のＳｉＣ単結晶製造炉１００を用い、本発明による上向き縦磁場を印加して、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造を行なった。本発明の望ましい実施形態による実施例においては、上向き縦磁場に加えてローレンツ力による融液の回転も行なった。本発明の更に望ましい実施形態による実施例においては、上向き縦磁場とローレンツ力に加えて、るつぼの回転も行なった。温度勾配については、種結晶直下１０ｍｍまでの領域の温度勾配が特に重要であり、本実施例では１０℃／ｍｍ以下に制御した。

縦磁場強度、ローレンツ力発生用印加電流、るつぼ回転数の３種類のパラメータを種々に変化させて、ＳｉＣ単結晶の成長速度を測定した。結果を表１、表２に示す。これらの表中、最上欄の各項目名の下に括弧付きで記載した数値範囲は、本発明の望ましい範囲である。

表１において、サンプルNo.１〜３は、上記３種類のパラメータの全てが本発明の望ましい範囲内にある場合の結果であり、１２０〜１６０μｍ／ｈの高い成長速度が得られている。サンプルNo.４〜８は、３パラメータのうち上向き縦磁場のみ（No.４、７、８）、ローレンツ力追加（No.５）、ローレンツ力とるつぼ回転を追加の場合であるが、１００μｍ／ｈ〜１３０μｍ／ｈの高い成長速度が得られたが、ガスの巻き込みによる気孔や融液の巻き込みが発生した。

表２は３種類のパラメータのうち少なくとも１種類が本発明の望ましい範囲を外れているか「なし」の場合の結果であり、成長速度は４０〜８０μｍ／ｈである。全体として、表１の条件下の方が表２の条件下よりも成長速度が速い。

本発明によれば、結晶成長速度を向上させた溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法が提供される。

図１は、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法を実施するのに適したＳｉＣ単結晶製造炉の構造例を示す縦断面図である。図２は、図１の炉によりＳｉ融液に印加することができる４種類の磁場形態を示す配置図である。

符号の説明

１００ＳｉＣ単結晶製造炉
１０黒鉛るつぼ
１２黒鉛棒
１４ＳｉＣ種結晶
１６電極棒
１８断熱材
１９電源スイッチ
２０直流電源
２２誘導コイル
２２Ａ上段コイル
２２Ｂ下段コイル
２４磁場コイル
ＭＳｉ融液
ＳＳｉ融液面
Ｆ磁場

Claims

黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、該融液面の直下に保持したＳｉＣ種結晶を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる方法において、
るつぼ内の融液に、るつぼ底部から融液面へ向かう上向きの縦磁場を印加することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
請求項１において、上記縦磁場の強度を０．０３〜０．１５Ｔとすることを特徴とする方法。
請求項１または２において、上記るつぼ内の融液に電流を印加してローレンツ力を発生させることにより融液をるつぼ周方向に回転させることを特徴とする方法。
請求項３において、上記電流を３Ａ〜１０Ａとすることを特徴とする方法。
請求項３または４において、上記ローレンツ力による融液の回転とは逆方向にるつぼを回転させることを特徴とする方法。
請求項５において、上記るつぼを３〜２０ｒｐｍで回転させることを特徴とする方法。