JP5656623B2 - ＳｉＣ単結晶の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶液法によりＳｉＣ単結晶を製造するための装置および方法に関する。

典型的な溶液法によるＳｉＣ単結晶の成長法においては、黒鉛坩堝内でＳｉ原料を加熱して溶融させたＳｉ溶液中に、黒鉛坩堝からのＣを溶解させてＳｉＣ溶液とし、ＳｉＣ溶液の表面に、保持軸の下端に保持したＳｉＣ種結晶の下面を接触させ、この下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる。ＳｉＣ単結晶の成長は先ずＳｉＣ種結晶の下面から始まり、以降は成長したＳｉＣ単結晶の下面（結晶成長部）から後続のＳｉＣ単結晶の成長が起きる。したがって、このＳｉＣ単結晶の結晶成長部とＳｉＣ溶液の接触面（溶液表面）との間に、成長方向（鉛直方向）に沿って下から上に温度低下する適当な温度勾配が常に維持されていなければならない。そのために、種結晶は背面（上面）から保持軸を介して常に冷却されている必要がある。

特許文献１には、III族窒化物単結晶を溶液法により成長させる際に、種結晶保持部の裏側（上側）に中空構造を備え、冷却ガスを導入することにより種結晶を冷却して結晶成長を行なうことが開示されている（段落００２５、００４２）。しかし、ＳｉＣ単結晶の溶液法による成長にそのまま適用すると、冷却ガスが吹付けられる部位が過冷却されるため、対応する部位に成長する結晶に細かい凹凸が発生する３次元成長や、この部位の結晶成長が促進され凸状成長が起きてしまい、平坦な結晶成長ができないという問題があった。

特許文献２には、液体原料と気体原料を反応させて半導体単結晶を成長させる際に、結晶を成長させるときの成長面温度の不均一による欠陥発生を防ぐために、成長開始部である種結晶中心部から周辺部に亘って基板温度の面内分布（成長方向に直角な面内での温度分布）を変化させることが開示されている。しかし、ＳｉＣ単結晶の溶液法による成長においては、平坦な結晶成長を確保するには基板温度の面内分布は均一とする必要があり、採用できない。

特開２００８−２２２４５３号公報 特開２００９−２２１０４１号公報

本発明は、溶液法において三次元成長および凸状成長を抑制して、平坦性の高いＳｉＣ単結晶を成長させる装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、基本形態において、本発明のＳｉＣ単結晶の製造装置は、
ＳｉＣ溶液を収容する容器、
該容器内の該ＳｉＣ溶液を適温に維持する温度制御手段、
ＳｉＣ種結晶をその結晶成長面の裏面全体に面接触した状態で保持する保持手段として作用し、且つ、該ＳｉＣ種結晶を冷却する冷却手段として作用する下端部を有する保持軸、および
該結晶成長面にＳｉＣ単結晶が継続的に成長するように、該結晶成長面を該ＳｉＣ溶液に接触させた状態に維持するための該保持軸の位置制御手段、
を備えたＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
該保持軸の下端部は、該面接触した該結晶成長面の面内温度分布を均一化するための均熱手段を有することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、
ＳｉＣ溶液を収容する容器を準備する工程、
該容器内の該ＳｉＣ溶液を適温に維持するように温度制御する工程、
保持軸の下端部に、ＳｉＣ種結晶をその結晶成長面の裏面全体で面接触した状態で保持し、且つ、該下端部を冷却手段として該ＳｉＣ種結晶を冷却する工程、および
該結晶成長面にＳｉＣ単結晶が継続的に成長するように、該結晶成長面を該ＳｉＣ溶液に接触させた状態に維持するために該保持軸を位置制御する工程、
を含み、
該保持軸の下端部に設けた均熱手段により、該面接触した該結晶成長面の面内温度分布を均一化する工程を有することを特徴とする。

本発明は、基本形態において、ＳｉＣ種結晶をその結晶成長面の裏面全体に面接触した状態で保持する保持手段として作用し、且つ、該ＳｉＣ種結晶を冷却する冷却手段として作用する下端部を有する保持軸の下端部が、該面接触した該結晶成長面の面内温度分布を均一化するための均熱手段を有することにより、該結晶成長面からの結晶成長速度が均一化され、三次元成長や凸状成長が抑制され、成長するＳｉＣ単結晶の平坦性が高まる。

溶液法によりＳｉＣ単結晶を成長させるための装置の（１）基本構成および（２）保持軸下端部を示す模式図である。 従来の保持軸下端部の形状を示す模式図である。 本発明の保持軸下端部の形状を示す模式図である。 本発明の保持軸下端部の望ましい形態を示す模式図である。 図２に示した従来の保持軸下端部を用いて成長したＳｉＣ単結晶の成長表面の外観写真である。 図３に示した本発明の保持軸下端部を用いて成長したＳｉＣ単結晶の成長表面の外観写真である。 図４に示した本発明の望ましい形態の保持軸下端部を用いて成長したＳｉＣ単結晶の成長表面の外観写真である。 （１）従来および（２）本発明の保持軸下端部について、冷却ガスの流れをシミュレーション計算するのに用いたモデルを示す。 （１）従来および（２）本発明の保持軸下端部について、それぞれ図７のモデルを用いてシミュレーション計算した冷却ガスの流れを示す。

図１を参照して、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置を説明する。

製造装置１０は、ＳｉＣ溶液１２を収容する黒鉛製等の容器１４、この容器１４内のＳｉＣ溶液１２を適温に維持する誘導コイル１６を含む温度制御手段、ＳｉＣ種結晶１８をその結晶成長面Ｇの裏面Ｕ全体に面接触した状態で保持する保持手段として作用し且つＳｉＣ種結晶１８を冷却する冷却手段として作用する下端部２０Ｅを有する保持軸２０、および結晶成長面ＧにＳｉＣ単結晶が継続的に成長するように、結晶成長面ＧをＳｉＣ溶液１２に接触させた状態に維持するための保持軸２０の位置制御手段２２を備えている。

典型的には、黒鉛坩堝１４内でＳｉ原料を誘導コイル１６で加熱して溶融させたＳｉ溶液中に、黒鉛坩堝１４からのＣを溶解させてＳｉＣ溶液１２とし、ＳｉＣ溶液１２の表面に、黒鉛製の保持軸１４の下端に保持したＳｉＣ種結晶１６の下面を接触させ、この下面を起点（＝結晶成長面Ｇ）としてＳｉＣ単結晶を成長させる。種結晶１８の裏面温度は熱電対２４により、溶液１２の表面温度は放射温度計２６により、適宜モニターする。

本発明の改良点は、保持軸２０の下端部２０Ｅの構造である。

図２に、従来の保持軸２０の下端部２０Ｅとその直上の保持軸２０の本体の一部とを示す。図には、下端部２０Ｅに面接触した状態でＳｉＣ種結晶１８を保持される。

保持軸２０は内管２０Ｎと外管２０Ｇとから成る二重管構造をしており、内管２０Ｎ内がガス等の冷却流体の供給流路Ｓを構成し、内管２０Ｎと外管２０Ｇとの間の間隙が冷却流体の戻り流路Ｒを構成する。

下端部２０Ｅは、外部にＳｉＣ種結晶１８を保持する底部Ｂと、この底部Ｂの周縁から立ち上がって保持軸２０の本体に連続する側壁Ｗとから成る中空体である。冷却流体は、底部Ｂと側壁Ｗとで囲まれた中空部Ｐ内を矢印に沿って流れる。すなわち、供給流路Ｓから噴出した冷却流体は底部Ｂの中央に衝突して周辺に流れ、矢印に沿って戻り流路Ｒから排出される。

上記従来構造の保持軸下端部２０Ｅでは、特許文献１について述べたのと同じく、冷却流体が衝突する底部Ｂの中央部が過冷却されるため、種結晶１８の対応する部位に成長する結晶に細かい凹凸が発生する３次元成長や、この中央部の結晶成長が促進されて凸状成長が起きてしまい、平坦な結晶成長ができなかった。

図３に、上記従来の欠点を解消するための本発明の保持軸下端部２０Ｅの構造を示す。
すなわち、本発明は、保持軸２０の下端部２０Ｅは、結晶成長面の面内温度分布を均一化するための均熱手段を有する。

本発明の望ましい第1実施形態によれば、
保持軸２０は、その本体内を長手方向に延びて下端部２０Ｅに達する冷却流体の供給流路Ｓおよび戻り流路Ｒを備え、
下端部２０Ｅは、ＳｉＣ単結晶を外側に面接触させて保持する底部Ｂと、この底部Ｂの周縁から立ち上がって保持軸２０の本体に連続する側壁Ｗとで囲まれた中空体を成し、供給流路Ｓから中空部Ｐ内へ吹き出した冷却流体が、底部Ｂに衝突し底部Ｂを介してＳｉＣ単結晶を冷却し、戻り流路Ｒを通って中空体から排出され、
中空体の底部Ｂは、供給流路Ｓからの冷却流体が衝突する中央部から戻り流路Ｒに向かう周縁部にかけて厚さが減少していることにより均熱手段として作用する。すなわち、
更に望ましい第２形態においては、上記本発明のＳｉＣ単結晶の製造装置は、
ＳｉＣ単結晶の成長方向よりもこれと直角な方向の熱伝導率が大きい均熱板を、該下端部と該ＳｉＣ種結晶との間に介在させたことを特徴とする。
これによって、ガスによる冷却効果が大きい部位が種結晶及び成長中の結晶を冷却する前に、水平方向に温度が均一化しやすくなり、三次元結晶成長が更に抑制される。

一層望ましい第３形態においては、上記本発明のＳｉＣ単結晶の製造装置は、該保持軸の外周を断熱材で覆ったことを特徴とする。

以下に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
〔比較例〕
図２に示す従来の保持軸下端部２０を用いて、下記条件によりＳｉＣ単結晶を成長させた。

＜成長条件＞
冷却流体：Ａｒガス
底部の厚み（ｔ）：５ｍｍ
底部のテーパ角度：０°（平坦）
底部直径：Ｄ１＝５２φ、Ｄ２＝３６φ
得られたＳｉＣ単結晶は、最小厚み（周縁部）＝１６３μｍ、最大厚み（中央部）＝６３２μｍであった。面内成長量の差の最大厚みに対する割合は、（６３２−１６３）／６３２×１００＝７４％であった。

〔実施例１〕
図３に示す本発明の保持軸下端部２０を用いて、下記条件によりＳｉＣ単結晶を成長させた。

＜成長条件＞
冷却流体：Ａｒガス
底部の厚み（ｔ）：１５ｍｍ
底部のテーパ角度：１８°
底部直径：Ｄ１＝４８φ、Ｄ２＝４０φ
得られたＳｉＣ単結晶は、最小厚み（周縁部）＝４１６μｍ、最大厚み（中央部）＝１０８５μｍであった。面内成長量の差の最大厚みに対する割合は、（１０８５−４１６）／１０８５×１００＝６２％であった。従来法による比較例よりも平坦性が向上した。

〔実施例２〕
図４に示す本発明の望ましい形態による保持軸下端部２０Ｅを用いた。

下端部２０Ｅは、図３の構成に均熱板３０および断熱材４０を付加した。

まず、底部Ｂの外面（底面）とＳｉＣ種結晶１８との間に、パイロリティック・グラファイト（ＰＧ）の均熱板３０を介在させた。ＰＧは、板厚方向に積層した構造を有しており、熱伝導率の異方性が極めて大きく、板面方向が３４５Ｗ／ｍＫであるのに対して、板厚方向が１．７Ｗ／ｍＫと、ほぼ２００倍の差がある。板厚方向すなわちＳｉＣ単結晶の成長方向に比べて、これと直角な板面方向の熱伝導率が２００倍の大きさであり、面内温度分布の均一化にとって非常に有利である。

更に、保持軸２０の外周を断熱材４０で覆った。保持軸２０は高温（例えば２０００℃）のＳｉＣ溶液１２上の炉内雰囲気から常に加熱される。断熱材４０は、保持軸２０内の冷却流体（本実施例ではＡｒガス）を望ましくない加熱から遮る。

図４の保持軸下端部２０Ｅを用いて、下記の条件によりＳｉＣ単結晶を成長させた。

＜成長条件＞
冷却流体：Ａｒガス
底部の厚み（ｔ）：５ｍｍ
均熱板厚み：３ｍｍ
底部のテーパ角度：１８°
底部直径：Ｄ１＝４８φ、Ｄ２＝４０φ
断熱材：材質Ｃａｒｂｏｎ
得られたＳｉＣ単結晶は、最小厚み（周縁部）＝６８０μｍ、最大厚み（中央部）＝９８４μｍであった。面内成長量の差の最大厚みに対する割合は、（９８４−６８０）／９８４×１００＝３１％であった。実施例１に比べて更に平坦性が向上した。

図５、６、７に、比較例、実施例１、実施例２で得られたＳｉＣ単結晶の成長表面の外観写真を示す。成長表面の平坦性が順に向上していることが分かる。

〔実施例３〕
本発明により保持軸２０の下端部２０Ｅの内部空間Ｐにおける冷却流体の流れがどのように改良されたかを、流体の流速分布についてシミュレーション計算により検討した。

図８に、用いた（１）従来例および（２）本発明例のモデルを、図９に（１）従来例および（２）本発明例のシミュレーション結果を、それぞれ示す。

＜シミュレーション条件＞
流量：５Ｌ／ｍｉｎ
最大流速：３．５ｍ／ｓ
人工拡散条件
流線拡散
横風拡散＝０．１
表示条件
流線：３０本
ベクトル本数：５０×５０
従来例（１）および本発明例（２）について、いずれもＸ（底部中央）とＹ（底部周縁）に停流部（○囲みの部分）が生じているが、本発明（２）により停流部の大きさが小さくなっていることが分かる。これにより、本発明により、冷却流体がよりスムーズに流れ、面内温度分布の均一化を促進すると考えられる。

本発明により、溶液法において三次元成長および凸状成長を抑制して、平坦性の高いＳｉＣ単結晶を成長させる装置および方法が提供される。

１０ 製造装置
１２ ＳｉＣ溶液
１４ 黒鉛製等の容器
１６ 誘導コイル
１８ ＳｉＣ種結晶
２０ 保持軸
２０Ｅ 保持軸の下端部
２２ 保持軸の位置制御手段
２４ 熱電対
２６ 放射温度計
２０Ｎ 保持軸の内管
２０Ｇ 保持軸の外管
３０ 均熱版
４０ 断熱材
Ｓ 冷却流体の供給流路
Ｒ 冷却流体の戻り流路
Ｂ 保持軸下端部の底部
Ｗ 保持軸下端部の側壁
Ｐ 保持軸下端部の中空部

Claims (4)

1. ＳｉＣ溶液を収容する容器、
   該容器内の該ＳｉＣ溶液を適温に維持する温度制御手段、
   ＳｉＣ種結晶をその結晶成長面の裏面全体に面接触した状態で保持する保持手段として作用し、且つ、該ＳｉＣ種結晶を冷却する冷却手段として作用する下端部を有する保持軸、および
   該結晶成長面にＳｉＣ単結晶が継続的に成長するように、該結晶成長面を該ＳｉＣ溶液に接触させた状態に維持するための該保持軸の位置制御手段、
   を備えたＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
   該保持軸の下端部は、該面接触した該結晶成長面の面内温度分布を均一化するための均熱手段を有し、
   該保持軸は、その本体内を長手方向に延びて該下端部に達する冷却流体の供給流路および戻り流路を備え、
   該下端部は、該ＳｉＣ単結晶を外側に面接触させて保持する底面と、該底面の周縁から立ち上がって該保持軸の該本体に連続する側面とで囲まれた中空体を成し、該供給流路から該中空体内へ吹き出した該冷却流体が、該底面に衝突し該底面を介して該ＳｉＣ単結晶を冷却し、該戻り流路を通って該中空体から排出され、
   該中空体の該底面は、該供給流路からの冷却流体が衝突する中央部から該戻り流路に向かう周縁部にかけて厚さが減少していることにより該均熱手段として作用することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
2. 請求項１において、
   ＳｉＣ単結晶の成長方向よりもこれと直角な方向の熱伝導率が大きい均熱板を、該下端部と該ＳｉＣ種結晶との間に介在させたことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
3. 請求項１または２において、該保持軸の外周を断熱材で覆ったことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
4. ＳｉＣ溶液を収容する容器を準備する工程、
   該容器内の該ＳｉＣ溶液を適温に維持するように温度制御する工程、
   保持軸の下端部に、ＳｉＣ種結晶をその結晶成長面の裏面全体で面接触した状態で保持し、且つ、該下端部を冷却手段として該ＳｉＣ種結晶を冷却する工程、および
   該結晶成長面にＳｉＣ単結晶が継続的に成長するように、該結晶成長面を該ＳｉＣ溶液に接触させた状態に維持するために該保持軸を位置制御する工程、
   を含むＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   該保持軸の下端部に設けた均熱手段により、該面接触した該結晶成長面の面内温度分布を均一化する工程を有し、
   該保持軸は、その本体内を長手方向に延びて該下端部に達する冷却流体の供給流路および戻り流路を備え、
   該下端部は、該ＳｉＣ単結晶を外側に面接触させて保持する底面と、該底面の周縁から立ち上がって該保持軸の該本体に連続する側面とで囲まれた中空体を成し、該供給流路から該中空体内へ吹き出した該冷却流体が、該底面に衝突し該底面を介して該ＳｉＣ単結晶を冷却し、該戻り流路を通って該中空体から排出され、
   該中空体の該底面は、該供給流路からの冷却流体が衝突する中央部から該戻り流路に向かう周縁部にかけて厚さが減少していることにより該均熱手段として作用することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。