JP5888647B2 - 結晶成長装置及び結晶成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶成長技術に関し、特に、炭化珪素（ＳｉＣ；シリコンカーバイド）の単結晶を液相成長法により成長させる結晶成長装置、及び結晶成長方法に適用して有効な技術に関するものである。

例えば、下記特許文献１や特許文献２には、炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶を、液相成長法により形成することが記載されている。また、下記特許文献３には、Ｓｉ（シリコン）‐Ｃｒ（クロム）融液にＣ（炭素）を溶解させたＳｉ−Ｃｒ−Ｃ溶液に直流磁場を印加して、ＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる方法が記載されている。また、下記特許文献４には、チョクラルスキー法によりニオブ酸リチウム等の酸化物単結晶を製造する装置として、原料を加熱する坩堝内に上端が坩堝より高位置に設定され下部に溶液の流通口を有する筒状隔壁を設けた構成が記載されている。

特許第４４５３３４８号公報 特許第４４１９９３７号公報 特開２００９-２７４８８７号公報 特開平４−３００２８１号公報

近年、半導体デバイスを構成する材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。ＳｉＣから成る半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）から成る半導体基板と比較して、バンドギャップが広い、熱伝導率が高い、及び絶縁破壊電界が大きいという点で優れている。そのため、例えば、パワーデバイスなどの用途に適用する場合には、Ｓｉから成る半導体基板よりも有利である。ＳｉＣは、一致溶融（固体が溶けてこれと同じ組成をもつ溶液になる現象）しない化合物半導体であるため、ＳｉＣ単結晶は、一般に、昇華法と呼ばれる方法で形成される。また、昇華法よりも高品質な（例えば結晶中に含まれる多結晶の割合が少ない）結晶を成長させる技術として、液相成長法によりＳｉＣ単結晶を形成する方法が検討されている。

本願発明者は、ＳｉＣ単結晶を、液相成長法により形成する技術について検討し、以下の課題を見出した。すなわち、液相成長法は、昇華法よりも高品質な結晶を成長させることができるが、成長速度が遅いため、単結晶を必要な長さまで成長させるためには、長時間に亘って安定的に結晶成長を継続させる技術が必要となる。

液相成長法では、ＳｉＣ単結晶の原材料を溶融させた溶液（原料溶液）に浸した種結晶の周囲に溶質（ＳｉＣ）の過飽和状態を形成し、種結晶の表面にＳｉＣを析出させながら結晶成長させる。また、種結晶の周囲に過飽和状態を形成する方法としては、種結晶の周囲に温度勾配を形成し、この温度勾配を利用して過飽和状態を形成する。詳しくは、原料溶液を収容する容器である坩堝を加熱することで坩堝の壁体や底部の周囲の原料溶液温度を高くする。

一方、種結晶を保持するシードロッドの温度を坩堝の温度よりも相対的に低くすることで、種結晶周囲の熱はシードロッドを介して外部に伝達される。このため、種結晶周囲の原料溶液の温度は坩堝の周囲の原料溶液温度と比較して相対的に低くなり、温度勾配が形成される。この温度勾配により、原料溶液内に対流が生じ、坩堝周囲の高温部で溶け出した炭素が低温部である種基板周辺に運ばれる。この結果、種結晶の周囲では過飽和状態が形成され、種結晶の表面にＳｉＣ単結晶が成長する。

ところが、坩堝よりも温度が低いシードロッドを原料溶液に浸すと、表面張力によりシードロッドの周囲に原料溶液が這い上がり結晶化する。この状態で結晶成長を継続すると、シードロッドの周囲に析出された結晶は原料溶液の表面に沿って坩堝の壁体に向かって拡大（成長）する。そして、原料溶液の表面が拡大した結晶に覆われ、その端部が坩堝の壁体に到達すると、シードロッドの回転が阻害され、単結晶を安定的に成長させることが困難になる。さらに、シードロッドの周囲に析出した結晶は、溶液下方にも成長することで種結晶の下方（成長方向）へも拡大し、成長面への回りこみ（ハングオーバ）により単結晶の成長を阻害する要因ともなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高品質ＳｉＣ単結晶を液相成長法により継続的に成長させる結晶成長装置及び結晶成長方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る結晶成長装置は、炭化珪素の単結晶を成長させる結晶成長装置であって、単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液を収容する収容部、収容部の周囲を取り囲んで配置される壁体、収容部上に形成された開口部、及び開口部の反対側に位置する底部を備える坩堝と、坩堝の前記収容部に配置され、坩堝の収容部に収容される原料溶液の溶液表面よりも種結晶の下端が下方に位置するように当該種結晶を保持する保持面を備える種結晶保持棒と、種結晶保持棒と坩堝の壁体の間に配置され、種結晶保持棒と離間すると共に種結晶保持棒の周囲を囲む筒体と、坩堝を加熱する坩堝加熱部と、筒体を加熱する筒体加熱部と、を有し、筒体の下端は、溶液表面よりも下方に配置され、種結晶保持棒は、溶液表面と交差する第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転可能に設けられており、種結晶保持棒と筒体は、それぞれ第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転することを特徴とする。

一実施形態においては、筒体の下端は、種結晶保持棒に保持される前記種結晶の下端以上の高さに配置されている。

一実施形態においては、坩堝加熱部は、収容部内の原料溶液の温度が、壁体及び底部に隣接する第１領域で第１温度となり、溶液表面で第１温度よりも低い第２温度となるように坩堝を加熱し、筒体加熱部は、筒体の下端の温度が第１温度よりも低く、且つ、第２温度よりも高い第３温度となるように加熱する。

一実施形態においては、坩堝加熱部と筒体加熱部とは独立して制御され、筒体加熱部は、坩堝加熱部よりも筒体に近い位置に配置されている。

一実施形態においては、筒体は、円筒形状を成している。

一実施形態においては、坩堝は、溶液表面と交差する第２軸を回転軸として第２方向に第２回転速度で回転する。

一実施形態においては、坩堝加熱部と筒体加熱部とは独立して制御され、筒体加熱部は、坩堝加熱部よりも筒体に近い位置に配置され、誘導加熱方式で筒体を加熱する加熱装置であり、坩堝の壁体と筒体との間で、且つ、筒体加熱部と溶液表面との間に、溶液表面を覆う蓋体が配置されている。

一実施形態においては、蓋体は、筒体と一体に形成されている。

本発明の一側面に係る結晶成長方法は、炭化珪素の単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液を収容する収容部、収容部の周囲を取り囲んで配置される壁体、収容部上に形成された開口部、及び開口部の反対側に位置する底部を備える坩堝を準備して、収容部内の原料溶液を加熱する工程と、種結晶を保持する保持面を備え、保持面に種結晶を保持する種結晶保持棒を、種結晶の下端が原料溶液の溶液表面よりも下方に位置するように坩堝の収容部に配置する工程と、種結晶保持棒と坩堝の壁体の間に、種結晶保持棒から離間した位置で種結晶保持棒の周囲を囲み、且つ、下端が溶液表面よりも下方に位置するように筒体を配置する工程と、種結晶保持棒と筒体のそれぞれを溶液表面と交差する第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転させて、種結晶の表面に炭化珪素の単結晶を成長させる工程と、を含み、単結晶を成長させる工程では、坩堝及び筒体をそれぞれ加熱することを特徴とする。

一実施形態においては、単結晶を成長させる工程では、筒体の下端を種結晶保持棒に保持される種結晶の下端以上の高さに配置して、筒体を回転させる。

一実施形態においては、単結晶を成長させる工程では、収容部内の原料溶液の温度を、壁体及び底部に隣接する第１領域では第１温度とすると共に、溶液表面では第１温度よりも低い第２温度とし、筒体の下端の温度を、第１温度よりも低く、且つ、第２温度よりも高い第３温度とする。

一実施形態においては、単結晶を成長させる工程では、坩堝を、溶液表面と交差する第２軸を回転軸として第２方向に第２回転速度で回転させる。

一実施形態においては、単結晶を成長させる工程では、筒体を誘導加熱方式により加熱し、坩堝の壁体と筒体の間の領域において溶液表面を蓋体により覆う。

一実施形態においては、単結晶を成長させる工程では、種結晶及び種結晶の表面に析出する単結晶を原料溶液に浸漬した状態で成長させる。

本発明によれば、高品質ＳｉＣ単結晶を液相成長法により継続的に成長させることができる。

本発明の一実施形態に係る結晶成長装置の全体構造を示す要部断面図である。 図１に示す各部材の平面視における形状及び位置関係を示す要部平面図である。 図１に示す坩堝周辺を拡大して示す要部拡大断面図である。 図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。 図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。 図３に示す筒体加熱部により筒体を加熱する温度を変化させて、筒体の外面における多結晶の発生状況を確認した実験結果を示す説明図である。 図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。 図１に示す構成の変形例である結晶成長装置の全体構造を示す要部断面図である。 図８に示す各部材の平面視における形状及び位置関係を示す要部平面図である。 図８に示す坩堝周辺を拡大して示す要部拡大断面図である。 図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。 図３に示す結晶製造装置に対する比較例である結晶製造装置を示す拡大断面図である。 図１２に示すシードロッドの周囲に形成された多結晶を模式的に示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［結晶成長装置の構造概要］
図１は、一実施形態に係る結晶成長装置の全体構造を示す要部断面図、図２は、図１に示す各部材の平面視における形状及び位置関係を示す要部平面図である。図３は、図１に示す坩堝周辺を拡大して示す要部拡大断面図である。図１に示すように本実施形態の結晶成長装置１０は、断熱材１１で囲まれた結晶成長室内に、坩堝１２と、シードロッド（種結晶保持棒）１３と、筒体１４と、ヒータ（加熱部）１５，１６、蓋体１９とを備えている。

坩堝１２は、ＳｉＣ（炭化珪素）単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液２０を収容する収容部１２ａと、収容部１２ａの周囲を取り囲むように配置される壁体１２ｂと、収容部１２ａ上に形成された開口部１２ｃと、開口部１２ｃの反対側に位置する底部１２ｄとを備えている。図１及び図２に示すように、坩堝１２は、円柱形の外形形状を成し、平面視において、壁体１２ｂの内側に収容部１２ａが配置されている。つまり、坩堝１２は、壁体１２ｂと底部１２ｄに囲まれた収容部１２ａに原料溶液２０を収納する収納容器である。坩堝１２は、例えば図１及び図３に示すように、ステージ（架台）１８上に固定される。

また、坩堝１２は、原料溶液２０を加熱する加熱容器としての機能を備えている。後述するＳｉＣ単結晶２２（図１１参照）を成長させる工程（結晶成長工程）では、坩堝１２内の原料溶液２０が、例えば１７００℃に以上になるまで加熱する。加熱方法は、図１及び図２に示すヒータ（坩堝加熱部）１５により坩堝１２を加熱し、坩堝１２からの熱伝達により原料溶液２０を加熱する。言い換えれば、原料溶液２０はヒータ１５により、坩堝１２を介して加熱される。このため、坩堝１２は、原料溶液２０の加熱温度（例えば１７００℃以上）において耐熱性を有する材料で構成される。

本実施形態では、原料溶液２０に炭素を供給する炭素源として坩堝１２を利用するため、坩堝１２は、炭素を含む耐熱性材料、例えば黒鉛（グラファイト）あるいはＳｉＣで構成される。ただし、原料溶液２０に炭素を供給できる耐熱性材料であれば上記の材料に限定されない。また、変形例として原料溶液２０に炭素を供給する炭素源を坩堝１２とは別に設ける場合には、炭素を含む材料には限定されず、非消耗性（原料溶液中に構成材料が溶け出ることが予定されていない）の材料で坩堝１２を構成することができる。この場合の炭素源としては、例えば炭化水素ガスを結晶成長装置１０中に導入する方法を用いることができる。また、固体の炭素源を原料として坩堝に投入する場合には、固体の炭素源として、黒鉛のブロックや棒、顆粒、粉体の他、黒鉛以外の非晶質の炭素原料、さらにはＳｉＣや金属炭化物などを利用することができる。

原料溶液２０は、少なくとも溶融したＳｉ（シリコン）を含む溶液であり、上記の炭素源（本実施形態では坩堝１２の壁体１２ｂ及び底部１２ｄ）から供給される炭素も含んでいる。また、溶融させる物質はＳｉのみには限定されず、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属及び希土類金属などの金属のうち、いずれか一種以上をＳｉの他に溶融させることができる。

シードロッド１３は、結晶成長の基材となる種結晶２１を保持する棒状の部材であって、一方の端部（下端）に種結晶２１を保持する保持面１３ａを備える。ＳｉＣ単結晶２２は、種結晶２１の下端（下面）２１ａから下方に向かって成長させるので、単結晶成長中はシードロッド１３は、少なくとも種結晶２１の下端２１ａが原料溶液２０の溶液表面２０ａよりも下方に位置するように配置されている。本実施形態では、種結晶２１の下端２１ａを確実に原料溶液２０に浸すため、シードロッド１３の保持面１３ａが溶液表面２０ａよりも下方（例えば、溶液表面２０ａから２ｍｍ程度の深さ）に位置するように配置している。つまり、シードロッド１３に保持される種結晶２１及びシードロッド１３の保持面（下面、下端）１３ａは、原料溶液２０に浸る位置に配置されている。

種結晶２１は、ＳｉＣ単結晶２２を結晶成長させるための基材であって、例えば、ＳｉＣ単結晶から成る。種結晶２１を原料溶液２０に浸すことにより、原料溶液２０中のＳｉ及び炭素が種結晶２１の表面に供給され、種結晶２１の表面において析出することで、種結晶２１の表面にＳｉＣ単結晶２２が形成される。詳しくは、原料溶液２０の温度は、収容部１２ａ内において一様ではなく、シードロッド１３に隣接する領域２０ｃの温度は坩堝１２の壁体１２ｂ及び底部１２ｄと隣接する領域２０ｂの温度よりも低い温度となる。つまり収容部１２ａ内において、原料溶液２０に温度勾配が形成され、該温度勾配により原料溶液内に対流が発生し、温度の高い坩堝周囲の原料溶液が、温度の低いシードロッド周辺に運ばれることで、例えばＳｉを主成分とする原料溶液２０に含まれる炭素が過飽和状態となる。この結果、種結晶２１の表面にＳｉＣ単結晶２２が形成される。

シードロッド１３は、一部（保持面１３ａ側の端部）が原料溶液２０内に浸されるため、原料溶液２０の加熱温度において耐熱性を有する材料で構成される。また、シードロッド１３は、原料溶液２０に含まれる炭素とシードロッド１３の構成材料が反応してシードロッド１３の一部（原料溶液２０に浸漬された部分）が溶融することを抑制する観点から、原料溶液２０と反応し難い材料を用いることが好ましい。ただし、積極的には加熱されないシードロッド１３と接触する溶液の温度は、上述したように溶液下部の温度よりも低いので、坩堝１２と同じ材料をシードロッド１３の構成材料として用いることができる。本実施形態では、シードロッド１３は、例えば黒鉛（グラファイト）あるいはＳｉＣで構成される。

また、シードロッド１３は、保持面１３ａ側の端部から坩堝１２の収容部１２ａ上に向かって延びている。本実施形態では、例えば図１に示すようにシードロッド１３は断熱材１１の外側まで延び、断熱材１１の外側で、シードロッド１３を冷却する冷却装置１７に接続されている。前記冷却装置１７としては、例えばシードロッド１３内の一部に中空領域を形成し、該中空領域にアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの冷媒ガスを流すことで、シードロッド１３を冷却する装置が挙げられる。シードロッド１３は、図３に示すように、その一部が原料溶液２０に浸され、他部は原料溶液２０の溶液表面２０ａから露出している。

このため、シードロッド１３に隣接する領域２０ｃの原料溶液２０の熱は、シードロッド１３を介して外部に放出されるので、例えばシードロッド１３を冷却装置１７（図１参照）に接続しなくても、領域２０ｃの温度は領域２０ｂの温度よりも低くなる。しかし、シードロッド１３を安定的に冷却する観点からは、図１に示すようにシードロッド１３を冷却装置１７に接続することが好ましい。シードロッド１３を冷却装置１７に接続すれば、シードロッド１３の温度及びシードロッド１３に保持される種結晶２１の温度を溶液下部よりも低い温度で容易に維持することができる。このため原料溶液２０に温度勾配を形成するための制御を行うことができる。

また、図３に示すようにシードロッド１３は、溶液表面２０ａと交差する軸（第１軸）ＣＬ１を回転軸として方向（第１方向）Ｄ１に第１回転速度で回転可能な状態で配置されている。図３では、軸ＣＬ１は溶液表面２０ａを平面と見做したときに、溶液表面２０ａの法線方向に延在している。また、保持面１３ａに保持された種結晶２１は、シードロッド１３とともに回転する。このように、シードロッド１３を回転させることで、原料溶液２０の対流を制御することができる。このとき、第１回転速度は、１００ｒｐｍ以上では対流が乱れるため単結晶の品質が低下する。このため原料溶液２０内の対流を制御する観点から１００ｒｐｍ以下が好ましい。

また、シードロッド１３の周囲に配置される筒体１４は、図１〜図３に示すように、シードロッド１３と坩堝１２の壁体１２ｂの間に、シードロッド１３の周囲を全周に亘って取り囲んで配置されている。本実施形態では、筒体１４は円筒形を成している。また、筒体１４は、シードロッド１３とは接触せず、離間して配置されている。また、筒体１４の下端は、シードロッド１３側に張り出す蓋体１９を有しており、溶液表面２０ａよりも原料溶液２０側に配置されている。言い換えれば、筒体１４は、下端部が原料溶液２０に浸る位置に配置されている。また、筒体１４の周囲には、筒体１４を加熱するヒータ（筒体加熱部）１６が配置されている。この筒体１４は、結晶成長装置１０を用いてＳｉＣ単結晶２２を成長させる際に、継続的に結晶成長行うために設ける部材であるが、その詳細な構造、好ましい態様及び変形例については後で詳細に説明する。

［結晶成長方法］
次に、図１〜図３に示す結晶成長装置１０を用いた結晶成長方法について説明する。まず、原料溶液２０の調製方法は特に限定されないが、例えば以下の方法で調製する。すなわち、重量を秤量した少なくともＳｉを含む原料を坩堝１２の収容部１２ａ内に投入し、原料が投入された坩堝１２を架台１８に固定する。そして、ヒータ１５（図１参照）により坩堝１２内の原料溶液２０を所定の温度（例えば、１７００℃以上）まで加熱することで、坩堝１２内のＳｉが溶融した原料溶液２０が得られる。なお、本実施形態では、上述したように坩堝１２を炭素源として用いるので、坩堝１２に投入する原料に炭素が含まれることは必須ではない。

シードロッド１３及び筒体１４は、例えば、それぞれ独立して動作（上下動作）させることができる。ただし、シードロッド１３の保持面１３ａと筒体１４の下端の高さの位置関係を維持する観点からは、シードロッド１３と筒体１４を一括して動作させる駆動源（図示は省略）に接続し、該駆動源により保持面１３ａと下端の高さの位置関係を維持しながら一括して動作させることが好ましい。

次に、シードロッド１３及び筒体１４を原料溶液２０に向かって（下方に）移動させて、図３に示すように、シードロッド１３に保持される種結晶２１の下端２１ａ及び筒体１４の下端を、それぞれ原料溶液２０に浸す。つまり、少なくとも種結晶２１の下端２１ａが原料溶液２０の溶液表面２０ａよりも下方（原料溶液２０側）に位置するようになるまでシードロッド１３を移動させる。

本実施形態では、上述したように種結晶２１の下端２１ａを原料溶液２０に確実に浸すため、シードロッド１３の保持面１３ａが溶液表面２０ａよりも下方（原料溶液２０側、例えば溶液表面２０ａから２ｍｍ程度の深さ）に位置するようにシードロッド１３を移動させる。また、筒体１４の下端が原料溶液２０の溶液表面２０ａよりも下方（原料溶液２０側）に位置するようになるまで移動させる。シードロッド１３及び筒体１４は、それぞれ独立して移動（下方向に移動）させることもできるが、上述したように保持面１３ａと下端の高さの位置関係を維持しながら一括して移動させることが好ましい。

種結晶２１の下端２１ａを原料溶液２０に浸すと、種結晶２１の周囲の原料溶液２０の熱は、種結晶２１及びシードロッド１３を介して外部に伝達されるので、種結晶２１の周囲の領域２０ｃの温度が低下する。このため、原料溶液２０内の各領域に温度勾配が形成される。そして領域２０ｂよりも温度が低下した領域２０ｃでは原料溶液２０中の炭素が過飽和状態となるため、種結晶２１の表面にＳｉＣ単結晶２２が析出する。

図３では、シードロッド１３の回転方向の一例として、溶液表面２０ａの法線方向に延びる軸ＣＬ１を回転軸として方向Ｄ１（上面視において時計回り）に回転する実施態様を示している。図３に示す構成の変形例として、溶液表面２０ａに対する回転軸の傾斜角度を９０°以外の角度とすることもできるが、坩堝１２の収容部１２ａ内で原料溶液２０を効率的に対流を制御する観点から傾斜角度は９０°とする（すなわち、溶液表面２０ａの法線方向に延びる軸ＣＬ１を回転軸とする）ことが好ましい。また、回転方向は図３に示す方向Ｄ１に限定されず、方向Ｄ１の反対方向に回転させることもできる。

また、シードロッド１３を回転させるタイミングは、種結晶２１の下端２１ａを原料溶液２０に浸した後でも良いが、これには限定されず、例えば、種結晶２１の下端２１ａを原料溶液２０に浸す前に、予めシードロッド１３を回転させ、回転させながら種結晶２１の下端２１ａを原料溶液２０に浸すことができる。そして、シードロッド１３の回転動作が阻害されなければ、継続的に結晶成長（ＳｉＣ単結晶２２を成長）させることができるので、種結晶２１の下端２１ａから下方に向かって結晶成長させることで、ＳｉＣ単結晶２２が得られる。そして、単結晶の長さは、結晶成長の成長速度及び成長時間により規定されるので、長時間に亘って結晶成長させることで長い単結晶を成長することができる。このように、種結晶２１及び種結晶の表面に析出するＳｉＣ単結晶２２を原料溶液２０に浸漬した状態で成長させる方法をディップ法と呼ぶ。

ここで、本願発明者がＳｉＣ単結晶２２を継続的に成長させる方法について検討して見出した課題について、比較例を用いて説明する。図１２は、図３に示す結晶製造装置に対する比較例である結晶製造装置を示す拡大断面図、図１３は、図１２に示すシードロッドの周囲に形成された多結晶を模式的に示す拡大断面図である。図１２に示す比較例の結晶成長装置４０は、図３に示す筒体１４及びヒータ１６が取り除かれている点を除き、本実施形態の結晶成長装置１０（図３参照）と同様の構造を有している。

ＳｉＣ単結晶２２を種結晶２１の表面に析出させること自体は、筒体１４（図３参照）を有していない結晶成長装置４０でも可能である。ところが、結晶成長装置４０では、以下の問題が生じる。すなわち、シードロッド１３の周囲に図１３に示すような多結晶４１が発生し、多結晶４１が成長して坩堝１２の壁体１２ｂに到達すると、シードロッド１３の回転が阻害されるため結晶成長が継続出来なくなるといった問題が生じる。

原料溶液２０は液体なので、種結晶２１及びシードロッド１３を浸すと表面張力により原料溶液２０がシードロッド１３の側面に這い上がり、メニスカスを形成する。そしてメニスカスが形成された領域（図１２に示す領域２０ｄ）では、原料溶液２０の体積が小さくなるので、原料溶液２０の温度が局所的に急激に冷やされることで、結晶が形成される。この現象は、原料溶液２０の組成によらず発生する。

また、この現象により形成される結晶は多結晶となることが多いため、以下ではメニスカスが形成された領域２０ｄで発生した結晶を多結晶４１（図１３参照）として説明する。シードロッド１３の周囲に多結晶４１が形成した状態で結晶成長を継続すると、多結晶４１は図１２に示す原料溶液２０の溶液表面２０ａに沿って坩堝１２の壁体１２ｂに向かって拡大（成長）する。そして、原料溶液２０の溶液表面２０ａが拡大した多結晶４１（図１３参照）に覆われ、その端部が坩堝１２の壁体１２ｂに到達すると、シードロッド１３の回転方向に対する抵抗成分が大きくなる。つまり、シードロッド１３の回転が阻害される原因となる。

また、多結晶４１が壁体１２ｂに固着すると、シードロッド１３が、多結晶４１を介して坩堝１２に固定されるため、シードロッド１３の回転動作が停止してしまう場合もある。本願発明者は、多結晶４１の発生を抑制する方法として、例えば、原料溶液２０に直流磁場を印加する方法などについて検討を行ったが、シードロッド１３の周囲における多結晶４１の発生を完全に防止する事は困難であることが判った。坩堝１２の壁体１２ｂのように結晶成長を行う際に加熱される部材の周囲では、加熱温度を調整することにより多結晶４１の発生を防止若しくは抑制することができる。

しかしながら、シードロッド１３は、領域２０ｃの原料溶液２０の熱を外部に放出して、温度勾配を形成するための部材である。このため、シードロッド１３を加熱すると温度勾配が形成されず、原料溶液２０中における炭素の過飽和状態が維持できなくなるという新たな課題が生じる。つまり、温度勾配を形成するためには、シードロッド１３の温度は、坩堝１２の壁体１２ｂよりも低い温度とする必要があるため、シードロッド１３の周囲における多結晶４１の発生を防止することが困難となる。

そこで、本願発明者は、多結晶４１が発生した場合であっても、結晶成長を継続させる方法について検討を行い、本実施形態の構成を見出した。すなわち、図４に示すように、シードロッド１３と坩堝１２の壁体１２ｂの間に、シードロッド１３の周囲を全周に亘って囲み、且つ、シードロッド１３と離間して筒体１４を配置する。また、筒体１４の下端は、溶液表面２０ａよりも下方に位置するように配置する。言い換えれば、筒体１４の一部を原料溶液２０に浸す。また、筒体１４を、シードロッド１３の回転軸と同一の回転軸で、同一の方向に同一の回転速度で回転させる。言い換えれば、シードロッド１３と筒体１４のそれぞれを、溶液表面２０ａと交差する軸ＣＬ１を回転軸として方向Ｄ１に第１回転速度で回転させる。また、少なくとも結晶を成長させる工程（結晶成長工程）中は、筒体１４をヒータ（筒体加熱部）１６により加熱する。

図４に示す本実施形態の結晶成長装置１０を用いた結晶成長方法は、シードロッド１３の一部（少なくとも種結晶２１の下端２１ａ）を原料溶液２０に浸す点では図１２に示す比較例と同様である。このため、シードロッド１３の側面の周囲には原料溶液２０が表面張力により這い上がるメニスカスが形成される。また、本実施形態の結晶成長方法は、原料溶液２０の熱を、シードロッド１３を介して外部に放出し、領域２０ｃの温度を低下させる点で図１２に示す比較例と同様である。したがって、シードロッド１３の周囲に形成された領域２０ｄ（メニスカス領域）の原料溶液２０が、急激に冷却されて多結晶４１（図１３参照）が形成される。

なお、多結晶４１を積極的に形成する必要はないが、結晶成長装置１０の機構上、原料溶液２０の組成によらず形成される。また、シードロッド１３の周囲に形成された多結晶４１は溶液表面２０ａに沿って周囲に拡大（成長）し筒体１４の内面（シードロッド１３側の側面）に到達する。この結果、筒体１４とシードロッド１３の間の空間では、溶液表面２０ａが多結晶４１で覆われる。

これに対して、本実施形態では、筒体１４をヒータ１６により加熱することで、筒体１４に到達した多結晶４１（図１３参照）が筒体１４の内面（シードロッド１３側の側面）に固着することを抑制することができる。また、仮に、筒体１４の内面に多結晶が固着した場合であっても、筒体１４は、シードロッド１３の回転軸と同一の回転軸で、同一の方向に同一の回転速度で回転する。このため、多結晶４１はシードロッド１３及び筒体１４と共に回転することとなり、シードロッド１３の回転を阻害する要因とはならない。また、筒体１４の外面（壁体１２ｂ側の側面）にもメニスカスが形成されるが、筒体１４を加熱することで、筒体１４の外面に多結晶４１が形成されることを防止若しくは抑制することができる。

このため、坩堝１２の壁体１２ｂと筒体１４の間の空間では、多結晶４１の発生を防止若しくは抑制し、シードロッド１３及び筒体１４を継続的に回転させることができる。つまり、本実施形態によれば、ＳｉＣ単結晶２２を液相成長法により成長させる工程において、シードロッド１３の周囲に多結晶４１が発生した場合であっても、シードロッド１３及び筒体１４を継続して回転させることができる。

しかしながら、上記方法において長時間にわたる単結晶成長を行った場合、溶液表面２０ａでの多結晶４１が拡大する問題は解決したが、多結晶４１が溶液下方にも成長することで結晶成長面下に回り込み、単結晶成長を阻害するという問題が新たに判明した。この問題を解決するため、図３に示すように、図４の構成に加え、筒体１４の下端にシードロッド１３方向に突き出した蓋体１９を配した。

蓋体１９を配した場合、蓋体１９のない場合と同様、溶液表面２０ａと接しているシードロッド１３の周囲に多結晶４１の発生を確認した。しかし、溶液表面２０ａより温度の高い筒体１４に蓋体１９を配すことによって、溶液下方への多結晶４１の成長を抑制することができる。さらに、溶液下方へ成長した多結晶４１が蓋体１９に到達した場合においても、蓋体１９が堰き止めるため多結晶４１の拡大を止めることができる。

さらに、シードロッド１３と筒体１４は共に同一の回転軸で、同一の方向に同一の回転速度で回転しているため、多結晶４１が溶液表面２０ａから下方に拡大し蓋体１９に到達した場合においても、継続して回転させることができる。このため、高品質ＳｉＣ単結晶２２を継続的に成長させることができる。また、蓋体１９のシードロッド側の端部とシードロッド１３との距離は１〜２ｍｍ程度が望ましい。

次に、上記した結晶成長装置及び結晶成長方法の好ましい態様について、図１〜図３に示す実施態様に対する変形例を参照しながら説明する。

［筒体の配置高さについて］
図５は、図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。図５に示す結晶成長装置３０は、筒体１４の下端が種結晶２１の下端２１ａよりも下方（底部１２ｄ側）に位置している点を除き、図３に示す結晶成長装置１０と同様である。上記したシードロッド１３及び筒体１４を継続して回転させる効果は、図５に示すように筒体１４の下端が種結晶２１の下端２１ａよりも下方に位置する結晶成長装置３０でも得られる。

しかし、収容部１２ａ内の各領域において原料溶液２０を効率的に対流させる観点からは、図３に示すように、筒体１４の下端は、種結晶２１の下端２１ａ以上の高さに配置することが好ましい。図５に示すように、筒体１４の下端の位置が種結晶２１の下端２１ａの位置に対して下方に配置される場合、原料溶液２０の対流が筒体１４に阻害され易くなる。例えば、図５に示す例では、壁体１２ｂ周辺の領域２０ｂの原料溶液２０を領域２０ｃに送るためには、筒体１４の下端と底部１２ｄの間の領域を通過させる必要がある。このため、収容部１２ａ内において原料溶液２０を効率的に循環させることが難しい。

一方、図３に示すように、筒体１４の下端を、種結晶２１の下端２１ａ以上の高さに配置すれば、筒体１４により対流が阻害され難くなる。特に炭素が高い溶解度で存在する領域２０ｂの原料溶液２０を効率的に領域２０ｃに移動させることができる。このため、領域２０ｃにおいてＳｉＣ単結晶２２を析出させるために必要な過飽和状態を確実に形成することができる。そして、領域２０ｃを過飽和状態とすることにより、種結晶２１の表面にＳｉＣの結晶を効率的に成長させることができる。ただし、筒体１４の下端が原料溶液２０から露出する、言い換えれば筒体１４の下端が溶液表面２０ａよりも上方に配置すると、上記した多結晶４１の拡大を筒体１４により堰き止めることができなくなる。したがって、筒体の下端を確実に溶液表面２０ａよりも下方に配置する観点から、例えば溶液表面２０ａから筒体１４の下端までの距離は２ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

［筒体の加熱温度について］
図６は、図３に示すヒータにより筒体を加熱する温度を変化させて、筒体の外面における多結晶の発生状況を確認した実験結果を示す説明図である。なお、図６では、比較区として、図１２に示す結晶成長装置４０を用いて同様の実験を行った結果も示している。まず、図６に示す実験におけるＳｉＣ単結晶の成長条件について説明する。図６に示す実験では、Ｓｉ及びチタン（Ｔｉ）を含む原料溶液を用いた。

具体的には、原料溶液中のＳｉとＴｉの組成比が［Ｔｉ］／（［Ｓｉ］＋［Ｔｉ］）＝０．２３となるように原料溶液を調製し、これを比較区及び各実験区で共通して用いた。また、成長手法は、図３に示すように種結晶２１及び種結晶２１の表面に析出するＳｉＣ単結晶２２を原料溶液２０に浸漬した状態で成長させるディップ法を用いた。また、浸漬深さ（図３に示す溶液表面２０ａから保持面１３ａまでの距離）は３ｍｍとした。なお、上述したようにシードロッド１３や筒体１４を原料溶液２０に浸すと、表面張力により原料溶液２０の一部がシードロッド１３や筒体１４の側面を這い上がる。したがって、浸漬深さの設定に際しては、シードロッド１３及び筒体１４を原料溶液２０に浸す前の溶液表面２０ａの中心位置（平面視における中心）の高さを基準点とし、該基準点からの距離を浸漬深さとした。

また、溶液表面温度及び溶液最高温度は以下のように設定した。ヒータ１５（図１参照）で坩堝１２を加熱すると、原料溶液２０の温度は一様に上昇する訳ではなく、領域毎に温度分布が発生する。つまり、壁体１２ｂ及び底部１２ｄに隣接する領域２０ｂは、熱源である坩堝１２に隣接するため温度が高くなる。一方、溶液表面２０ａ（ただし、坩堝１２の壁体１２ｂに隣接した領域２０ｂを除く）の温度は領域２０ｂよりも低くなる。このため、図６では、図３に示す領域２０ｂにおける原料溶液２０の温度を溶液最高温度（１７５０℃）、領域２０ｂを除く溶液表面２０ａにおける原料溶液２０の温度を溶液表面温度（１７００℃）として示している。

また、筒体温度は、図３に示すヒータ１６で加熱した時の溶液表面２０ａ近傍の筒体１４の温度を測定した結果を示している。図６では、筒体温度がそれぞれ１６５０℃、１７００℃、１７２０℃、１７５０℃となるようにヒータ１６による加熱条件を制御し、比較区及び各実験区において、図３に示すシードロッド１３周辺、筒体１４の外面側（壁体１２ｂ側）及び壁体１２ｂの内面側（シードロッド１３側）のそれぞれで多結晶４１（図１３参照）の発生の有無を観察した結果を示している。また、実験終了後に筒体１４の状態を確認し、筒体１４における欠損（原料溶液２０に浸食されて形成された欠損）の有無を確認した結果を筒体欠損として示している。なお、比較区では筒体１４を配置せず、実験区１〜実験区４では、筒体１４の構成材料としては、黒鉛（グラファイト）を用いた。

図６に示すように、比較区では、壁体１２ｂ内面側では多結晶４１（図１３参照）の発生が認められなかったがシードロッド１３周辺では多結晶４１の発生が認められた。また、多結晶４１は、図１２に示す溶液表面２０ａに沿って壁体１２ｂに向かって拡大し、壁体１２ｂに到達すると、シードロッド１３の回転が阻害された。つまり、比較区の結晶成長方法では、長時間に亘って結晶成長を継続させることができないことが判った。

実験区１では、筒体１４の外面側に多結晶４１の発生が認められたものの、多結晶４１が成長して坩堝１２の壁体１２ｂに到達するまでの時間は、比較区よりは長かった。また、実験区２では僅かに多結晶４１の発生が認められたが、多結晶４１の成長速度が遅いため、多結晶４１が成長して坩堝１２の壁体１２ｂに到達する現象は確認できなかった。上記結果より、筒体１４を加熱すれば、筒体１４の温度は少なくともシードロッド１３の温度よりは高くなるので、単結晶の成長時間を延長する効果が得られることが判った。また、加熱後の筒体１４の温度が溶液表面２０ａの温度以下の場合には、筒体１４の外面側に多結晶４１が発生する場合があり、単結晶の成長時間をさらに延長するためには、筒体１４の温度を溶液表面２０ａよりも高い温度まで加熱する必要があることが判った。

また、実験区３及び実験区４では、筒体１４の外面側に多結晶４１が発生しないことを確認した。また、実験区３及び実験区４については、２０時間に亘って連続的に結晶成長（ＳｉＣ単結晶２２を成長）させたが、筒体１４の外面側には多結晶４１の発生は認められなかった。この結果から筒体１４の温度を溶液表面２０ａの温度よりも高い１７２０℃以上に加熱すれば、筒体１４の外面側における多結晶４１の発生を防止できるので、結晶成長を継続できることが判った。なお、実験区２では筒体１４の外面側に僅かな多結晶４１の発生が認められたが、坩堝１２の壁体１２ｂに到達するまでの時間が長いことから、実効的には筒体１４の温度を溶液表面２０ａの温度よりも高くすれば、単結晶の成長時間を十分に延長させることができると考えられる。

ただし、２０時間に亘って連続的に結晶成長させた後、図６に示す実験区３と実験区４のそれぞれについて筒体１４の状態を確認したところ、実験区４では、筒体１４の一部が浸食され、欠損していることが判った。これは、筒体１４を領域２０ｂの温度と同じ温度まで加熱したことにより、筒体１４の構成材料が原料溶液２０と反応し、一部が浸食されたためと考えられる。したがって、筒体１４の浸食を防止若しくは抑制する観点から、筒体１４の加熱温度は、領域２０ｂの温度よりも低くすることが好ましい。つまり、図６に示す結果から、図３に示す結晶成長装置１０を用いた結晶成長工程では、筒体１４の温度が、溶液表面２０ａの温度よりも高く、且つ、領域２０ｂの温度よりも低くなるようにヒータ１６を制御しながら加熱することが好ましい。

［筒体の形状について］
図２に示すように、本実施形態の結晶成長装置１０が備えるシードロッド１３は円柱形を成し、筒体１４は円筒形となっている。図示は省略するが、図２に対する変形例として例えば、筒体１４を角筒形に形成することもできる。シードロッド１３の平面形状は、取得するＳｉＣ単結晶の要求形状により規定される。ただし、シードロッド１３の側面から筒体１４の内面（シードロッド１３側の側面）までの距離（つまりシードロッド１３と筒体１４の離間距離）を略一定に保つ観点からは、図２に示すように、シードロッド１３を円柱形とし、筒体１４を円筒形として、平面視において同心円状に配置することが好ましい。シードロッド１３と筒体１４の離間距離を略一定に保つことで、加熱された筒体１４のシードロッド１３に対する輻射熱の影響を制御し易くなる。

［抵抗加熱方式のヒータについて］
図１及び図２に示すヒータ１５、１６は、抵抗加熱方式の加熱装置を用いている。図示は省略するが、抵抗加熱方式で筒体１４を加熱する方法の別の実施態様として、筒体１４と図示しない電流供給源を電気的に接続し、筒体１４に直接、電流を供給して抵抗熱を発生させる方式が考えられる。ただしこの場合、筒体１４を介して原料溶液２０に大電流が流れ、その電流により原料溶液２０の対流が阻害される懸念がある。したがって、図１から図３に示すように、筒体１４の周囲にヒータ１６を配置し、ヒータ１６により筒体１４を加熱することが好ましい。

図１〜図３に示す例では、ヒータ１６自体は抵抗加熱方式で加熱するが、筒体１４は、ヒータ１６から放出される輻射熱により加熱している。このため、筒体１４及び筒体１４が浸る原料溶液２０には電流が流れず、加熱電流により原料溶液２０の対流が阻害されることを防止できる。また、ヒータ１６の熱により、シードロッド１３が過剰に加熱され、シードロッド１３の保持面１３ａやシードロッド１３に保持される種結晶２１の温度が溶液表面２０ａの温度よりも高くなることを抑制する観点から、図１に示すようにヒータ１６の内面とシードロッド１３が対向する領域では、ヒータ１６とシードロッド１３の間に筒体１４を介在させることが好ましい。

これにより、ヒータ１６の輻射熱が直接的にシードロッド１３に吸収されることを防止できる。また、筒体１４を加熱すると、筒体１４から発生する輻射熱の一部がシードロッド１３に吸収されるが、筒体１４はシードロッド１３とは離間して配置されるので、その離間距離を大きくすることで筒体１４の輻射熱による影響を低減できる。また、図１に示すように、シードロッド１３を冷却装置１７と接続する場合には、筒体１４による輻射熱の影響を考慮してシードロッド１３の温度を制御することができるので、筒体１４とシードロッド１３の離間距離を近づけることができる。

また、図２に示すように、本実施形態の結晶成長装置１０が備えるヒータ１５、１６はそれぞれ円筒形を成すが、変形例として板状のヒータ（図示は省略）を筒体１４の周囲及び坩堝１２の周囲を囲んで配置することもできる。この場合、汎用のヒータを用いることができるので、装置の部材コストを低減することができる。ただし、それぞれ円筒形を成す筒体１４及び坩堝１２の壁体１２ｂの温度制御を容易にする観点からは、ヒータ１６と筒体１４の距離、及びヒータ１５と坩堝１２の壁体１２ｂの距離をそれぞれ略一定に保つことが好ましい。

このため、図２に示すようにヒータ１５、１６を円筒形状とすれば、ヒータ１６と筒体１４の距離、及びヒータ１５と坩堝１２の壁体１２ｂの距離をそれぞれ略一定に保つことができる点で好ましい。また、例えば図１及び図２に示すヒータ１６を配置せず、ヒータ１５を坩堝１２及び筒体１４を加熱する加熱部として兼用することもできる。ただし、図６を用いて説明したように筒体１４と坩堝１２の温度は異なる温度とすることが好ましく、筒体１４と坩堝１２の温度を異なる温度で精度良く制御する観点からは、それぞれ独立して制御されるヒータ１５、１６をそれぞれ設けることが好ましい。つまり、ヒータ１５とヒータ１６は独立して制御され、ヒータ１６は、ヒータ１５よりも筒体１４に近い位置に配置されることが好ましい。

［坩堝を回転させる構成について］
図７は、図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。図３に示す結晶成長装置１０では、坩堝１２を架台１８上に固定し、静止させた状態で結晶を成長させる実施態様について説明したが、変形例として図７に示す結晶成長装置３１のように坩堝１２を回転させながら結晶を成長させることができる。図７に示す結晶成長装置３１は、坩堝１２が軸（第２軸）ＣＬ２を回転軸として方向（第２方向）Ｄ２に第２回転速度で回転する点を除き、図３に示す結晶成長装置１０と同様である。図７に示す結晶成長装置３１を用いた結晶成長方法では、坩堝１２を、軸ＣＬ２を回転軸として方向Ｄ２に第２回転速度で回転させている。

図７に示す変形例をさらに詳しく説明する。まず、坩堝１２は架台１８に固定され、架台１８を、軸ＣＬ２を回転軸として方向Ｄ２に第２回転速度で回転させることで坩堝１２が架台１８と共に回転する。また、軸ＣＬ２は溶液表面２０ａを平面と見做した時に、溶液表面２０ａの法線方向に延びる仮想線であって、図７に示す例では、シードロッド１３の回転軸である軸ＣＬ１と同じ軸（同軸）となっている。結晶成長装置３１のさらなる変形例としては、平面視において軸ＣＬ１と軸ＣＬ２の位置をずらして配置することもできる。この場合、シードロッド１３及び筒体１４と、坩堝１２は相対的に偏心して回転することとなる。ただし、シードロッド１３、筒体１４と、坩堝１２を、相対的に偏心して回転させる場合、対流の制御が複雑になるため、容易に対流を制御する観点からは、図７に示すように軸ＣＬ１と軸ＣＬ２を同軸とする（すなわち、平面視において同じ位置に配置する）ことが好ましい。

また、図７に示す例では、坩堝１２は、シードロッド１３の回転方向である方向Ｄ１とは異なる方向（反対方向）である方向Ｄ２に回転する。シードロッド１３、筒体１４と、坩堝１２の回転方向を異なる方向とすることにより、対流を制御するためのパラメータが増加するので、対流制御の自由度が向上する。ただし、坩堝１２の回転方向を、例えばシードロッド１３の回転方向と同じ、方向Ｄ１とすることもできる。また、坩堝１２の回転方向をシードロッド１３の回転方向と同じ、方向Ｄ１とした場合に、坩堝１２を、シードロッド１３の回転速度である第１回転速度とは異なる第２回転速度とすれば、第１回転速度と第２回転速度の相対的な回転速度差を、対流を制御するためのパラメータとして用いることができる。またこのとき、原料溶液２０の対流を制御する観点から、第１回転速度と第２回転速度の相対的な回転速度差が１００ｒｐｍ以下となるように制御することが望ましい。

［誘導加熱方式のヒータについて］
図８は、図１に示す構成の変形例である結晶成長装置の全体構造を示す要部断面図、図９は、図８に示す各部材の平面視における形状及び位置関係を示す要部平面図である。また、図１０は図８に示す坩堝周辺を拡大して示す要部拡大断面図である。図１〜図３に示す結晶成長装置１０では、坩堝１２及び筒体１４をそれぞれ抵抗加熱方式のヒータ１５、１６により加熱する実施態様について説明したが、変形例として図８〜図１０に示す結晶成長装置３２のように誘導加熱方式で加熱することができる。図８〜図１０に示す結晶成長装置３２は、坩堝１２及び筒体１４を加熱する方式が誘導加熱方式になっている点、及び坩堝１２の壁体１２ｂと筒体１４の間に溶液表面２０ａを覆う蓋体３５が配置されている点を除き、図３に示す結晶成長装置１０と同様である。

結晶成長装置３２は、坩堝１２を誘導加熱方式により加熱する坩堝加熱部としてコイル３３を、筒体１４を誘導加熱方式により加熱する筒体加熱部としてコイル３４を有する加熱装置を用いている。誘導加熱方式では、ＲＦ（Radio Frequency）コイルに通電して発生させた高周波磁場により被加熱物を加熱するため、被加熱物と離間して配置することができる。このため、坩堝加熱部に誘導加熱方式を適用すると、図８に示すコイル３３のように、断熱材１１の外側に配置することができる。このため、断熱材１１で囲まれた結晶成長室を小型化することができるので、結晶成長室内の温度管理を容易に行うことができる。ただし、筒体１４は、上述したように高精度で温度制御を行うことが好ましいので、図８に示すように筒体１４を加熱するコイル３４を、コイル３３とは別に設け、コイル３３よりも筒体１４に近い位置に配置することが好ましい。

また、筒体１４の温度は坩堝１２とは異なる温度にすることが好ましいため、コイル３４とコイル３３はそれぞれ独立して制御することが好ましい。コイル３４と筒体１４の距離を近づけることにより、コイル３４で発生する磁場で筒体１４を加熱する際の阻害要因を低減することができる。このため、筒体１４を高精度で温度制御することができる。

ところで、コイル３４を筒体１４に近づけて配置する場合、コイル３４で発生する磁場の影響により原料溶液２０の対流が乱される懸念が生じる。特に、図８に示すようにコイル３４を坩堝１２の収容部１２ａ上に配置する場合、磁場の影響が大きくなる。原料溶液２０の対流が乱されると、ＳｉＣ単結晶を安定的に成長させることができなくなる。また、原料溶液２０の対流が乱されると、結晶成長により得られる単結晶の品質（結晶性）が低下する。

そこで、コイル３４を筒体１４に近づけて配置する場合、特に、坩堝１２の収容部１２ａ上にコイル３４を配置する場合には、コイル３４で生じる磁場を遮蔽するシールド材（磁気シールド材）をコイル３４と溶液表面２０ａの間に配置することが好ましい。図８〜図１０に示す結晶成長装置３２では、坩堝１２の壁体１２ｂと筒体１４の間で、且つ、コイル３４と溶液表面２０ａの間に、溶液表面２０ａを覆う蓋体３５を設けている。この蓋体３５を磁気シールド材として機能させることで、コイル３４で発生する磁場の影響により原料溶液２０の対流が乱される事を防止若しくは抑制することができる。

ここで、コイル３４で発生する磁場の影響を低減する観点からは、坩堝１２の壁体１２ｂと筒体１４の間の領域では、溶液表面２０ａが蓋体３５により完全に覆われていることが好ましい。ただし、蓋体３５により筒体１４の回転が阻害されると、結晶成長を行うことができなくなる。したがって、蓋体３５と坩堝１２の壁体１２ｂの間に、ある程度の隙間（クリアランス）を開けておくことが好ましい。隙間（クリアランス）の幅は、坩堝１２、筒体１４及び蓋体３５の加工精度や、筒体１４を回転させる際の精度に応じて規定されるが、例えば、図８〜図１０に示す例では、蓋体３５は筒体１４と一体に形成され、蓋体３５と坩堝１２の壁体１２ｂの間には、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の隙間が配置されている。

また、蓋体３５と筒体１４は別体として形成することもできるが、以下の観点から一体に形成することが好ましい。蓋体３５と原料溶液２０が接触すると蓋体３５の温度によっては蓋体３５の周囲に既に説明した多結晶４１（図１３参照）が発生する場合がある。蓋体３５と坩堝１２の壁体１２ｂの間の隙間は僅かなので、多結晶４１が発生すると、すぐに坩堝１２の壁体１２ｂまで到達してしまう。また、蓋体３５の温度を、筒体１４と同様に溶液表面２０ａよりも高くなるようにすれば、多結晶４１の発生を防止できるが、蓋体３５と筒体１４の温度を同時に管理する必要があるため、制御が煩雑になる。

そこで、図８〜図１０に示す結晶成長装置３２では、蓋体３５と筒体１４を一体に形成し、蓋体３５は、筒体１４の外面（坩堝１２の壁体１２ｂ側の側面）から壁体１２ｂに向かって張り出した張出形状（羽形状）を成す。このため、筒体１４の下端の位置を調整することにより、蓋体３５の位置（高さ）を規定することができる。したがって、予め溶液表面２０ａと接触しない位置に蓋体３５を形成することにより、蓋体３５と原料溶液２０の接触を防止することができる。また、図９に示すように蓋体３５は、筒体１４の周囲を全周に亘って取り囲んで配置されている。このため、収容部１２ａ上に配置された蓋体３５を筒体１４と共に収容部１２ａ内に下げることで、筒体１４と坩堝１２の壁体１２ｂの間の領域において、溶液表面２０ａ（図１０参照）の大部分を覆うことができる。

また、図８〜図１０に示すように蓋体３５と筒体１４を一体に形成する場合には、蓋体３５は、筒体１４と同じ材料で構成されるが、コイル３４で発生する磁場を遮蔽するシールド性を向上させる観点から、蓋体３５の厚さ（板厚）は、筒体１４の厚さ（板厚）以上とすることが好ましい。

次に、図８〜図１０に示す結晶成長装置３２を用いて、蓋体３５を設けたことによるシールド性向上の効果を評価した結果について説明する。コイル３４で発生した磁場に対するシールド性の評価は、結晶成長により得られた単結晶における結晶性（結晶中に含まれる多結晶の割合）で評価した。詳しくは、図８〜図１０に示す蓋体３５を形成しない場合と、図８〜図１０に示すように蓋体３５を設けた場合で、それぞれＳｉＣ単結晶を製造し、得られた単結晶に対してＸ線回折（ＸＲＤ：X-ray Diffraction）を用いた結晶構造分析を行った。

より具体的には、Ｘ線回折ピーク（回折ピーク）の半値幅を比較することにより、成長した単結晶の結晶性を評価した。結晶性が悪化する程Ｘ線回折ピークの半値幅が大きくなるので、これを評価指標として用いることができる。また、試料の調整方法、単結晶の成長条件については、図６に示す実験区３の条件を適用したので図示は省略する。まず、図１〜図３に示す結晶成長装置１０を用いて製造した単結晶と、図１〜図３に示すヒータ１６を図８〜図１０に示すコイル３４に置き換えた結晶成長装置（図示は省略）を用いて製造した単結晶を比較すると、コイル３４を用いて筒体１４を加熱した場合の方が回折ピークの半値幅が大きくなった。これは、上述したように、コイル３４で発生した磁場の影響で原料溶液２０の対流が乱されたためと考えられる。次に、図８〜図１０に示す結晶成長装置３２を用いて製造した場合は、回折ピークの半値幅は図１〜図３に示す結晶成長装置１０を用いて製造した場合と同等であった。つまり、蓋体３５を配置することで、成長した単結晶の結晶性を向上させる効果を実験的に確認した。

［成長手法の変形例について］
図１１は、図３に示す構成の変形例である結晶成長装置の構造及び動作を示す拡大断面図である。図１〜図３に示す結晶成長装置１０では、ディップ法により結晶を成長させる結晶成長方法について説明したが、変形例として図１１に示す結晶成長装置３６のように結晶成長の程度に応じてシードロッド１３を徐々に引き上げながら成長させる、いわゆる引き上げ法に適用することができる。図１１に示す結晶成長装置３６は、引き上げ法により結晶を成長させる点を除き、図１〜図３に示す結晶成長装置１０と同様である。

結晶成長装置３６を用いた結晶成長方法では、シードロッド１３を回転させながら、坩堝１２の収容部１２ａの上方に徐々に引き上げる。引き上げる速度は、結晶成長の速度により規定され、図１１に示すように、少なくとも種結晶２１の表面（下面）に形成されたＳｉＣ単結晶２２の下面（下端）を原料溶液２０と継続的に接触させた状態で引き上げることにより、ＳｉＣ単結晶２２を成長させることができる。このような引き上げ法の場合でも、結晶成長の開始時には、図３に示すように種結晶２１の下端２１ａが溶液表面２０ａよりも下方に位置するように配置するため、多結晶４１がシードロッド１３の周囲に形成される。したがって、図１〜図１０を用いて説明した実施態様を適用することで、ＳｉＣ単結晶２２を液相成長法により継続的に成長させることができる。

ただし、引き上げ法の場合、シードロッド１３を引き上げるため、多結晶４１が筒体１４の内面（シードロッド１３側の側面）に固着した場合には、筒体１４をシードロッド１３と同じ速度で上方に引き上げなければ、結晶成長を阻害する原因となる。また、筒体１４をシードロッド１３とともに引き上げる場合、引き上げ距離（結晶成長の開始の高さから終了時の高さまでの距離）が長くなれば、筒体１４の下端が溶液表面２０ａから露出してしまう場合がある。より確実に結晶成長を継続させるためには、筒体１４の下端を露出させないことが好ましい。また、筒体１４の下端の露出を防止するためには、結晶成長の開始時に筒体１４の下端を引き上げ距離に応じて深く浸漬する必要がある。このため、結晶成長の開始時には筒体１４の下端が種結晶２１の下端２１ａよりも下方に配置される場合がある。したがって、上記のような制約条件を設けることなく、安定的に、且つ、長時間に亘って結晶成長を行う観点からは、ディップ法の方が好ましい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、上記した各変形例は、図１〜図３に示す結晶成長装置１０の変形例として説明したが、各変形例の構成要素を組み合わせて適用することができる。また、例えば図８〜図１０に示す結晶成長装置３２では、坩堝１２を加熱する坩堝加熱部と、筒体１４を加熱する筒体加熱部をそれぞれ誘導加熱方式とした変形例を説明したが、坩堝加熱部と筒体加熱部を別体として形成する場合には、一方を抵抗加熱方式、他方は誘導加熱方式とすることもできる。このように、上記した各変形例の構成要素の一部を組み合わせて適用することができる。

１０，３０，３１，３２，３６，４０…結晶成長装置、１１…断熱材、１２…坩堝、１２ａ…収容部、１２ｂ…壁体、１２ｃ…開口部、１２ｄ…底部、１３…シードロッド、１３ａ…保持面、１４…筒体、１５…ヒータ（坩堝加熱部）、１６…ヒータ（筒体加熱部）、１７…冷却装置、１８…架台、１９…蓋体、２０…原料溶液、２０ａ…溶液表面、２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…領域、２１…種結晶、２１ａ…下端、２２…ＳｉＣ単結晶、３３…コイル（坩堝加熱部）、３４…コイル（筒体加熱部）、３５…蓋体、４１…多結晶、ＣＬ１，ＣＬ２…軸、Ｄ１，Ｄ２…回転方向。

Claims (13)

1. 炭化珪素の単結晶を成長させる結晶成長装置であって、
   前記単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液を収容する収容部、前記収容部の周囲を取り囲んで配置される壁体、前記収容部上に形成された開口部、及び前記開口部の反対側に位置する底部を備える坩堝と、
   前記坩堝の前記収容部に配置され、前記坩堝の前記収容部に収容される前記原料溶液の溶液表面よりも種結晶の下端が下方に位置するように当該種結晶を保持する保持面を備える種結晶保持棒と、
   前記種結晶保持棒と前記坩堝の前記壁体の間に配置され、前記種結晶保持棒と離間すると共に前記種結晶保持棒の周囲を囲む筒体と、
   前記坩堝を加熱する坩堝加熱部と、
   前記筒体を加熱する筒体加熱部と、
   を有し、
   前記筒体の下端は、前記溶液表面よりも下方に配置され、
   前記種結晶保持棒は、前記溶液表面と交差する第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転可能に設けられており、
   前記種結晶保持棒と前記筒体は、それぞれ前記第１軸を回転軸として前記第１方向に前記第１回転速度で回転し、
   前記坩堝加熱部と前記筒体加熱部とは独立して制御され、
   前記筒体加熱部は、前記坩堝加熱部よりも前記筒体に近い位置に配置されていることを特徴とする結晶成長装置。
2. 前記筒体の前記下端は、前記種結晶保持棒に保持される前記種結晶の下端以上の高さに配置されていることを特徴とする請求項１記載の結晶成長装置。
3. 前記坩堝加熱部は、前記収容部内の前記原料溶液の温度が、前記壁体及び前記底部に隣接する第１領域で第１温度となり、前記溶液表面で前記第１温度よりも低い第２温度となるように前記坩堝を加熱し、
   前記筒体加熱部は、前記筒体の前記下端の温度が前記第１温度よりも低く、且つ、前記第２温度よりも高い第３温度となるように加熱することを特徴とする請求項２記載の結晶成長装置。
4. 前記筒体は、円筒形状を成していることを特徴とする請求項１記載の結晶成長装置。
5. 前記坩堝は、前記溶液表面と交差する第２軸を回転軸として第２方向に第２回転速度で回転することを特徴とする請求項１記載の結晶成長装置。
6. 炭化珪素の単結晶を成長させる結晶成長装置であって、
   前記単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液を収容する収容部、前記収容部の周囲を取り囲んで配置される壁体、前記収容部上に形成された開口部、及び前記開口部の反対側に位置する底部を備える坩堝と、
   前記坩堝の前記収容部に配置され、前記坩堝の前記収容部に収容される前記原料溶液の溶液表面よりも種結晶の下端が下方に位置するように当該種結晶を保持する保持面を備える種結晶保持棒と、
   前記種結晶保持棒と前記坩堝の前記壁体の間に配置され、前記種結晶保持棒と離間すると共に前記種結晶保持棒の周囲を囲む筒体と、
   前記坩堝を加熱する坩堝加熱部と、
   前記筒体を加熱する筒体加熱部と、
   を有し、
   前記筒体の下端は、前記溶液表面よりも下方に配置され、
   前記種結晶保持棒は、前記溶液表面と交差する第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転可能に設けられており、
   前記種結晶保持棒と前記筒体は、それぞれ前記第１軸を回転軸として前記第１方向に前記第１回転速度で回転し、
   前記坩堝加熱部と前記筒体加熱部とは独立して制御され、
   前記筒体加熱部は、前記坩堝加熱部よりも前記筒体に近い位置に配置され、誘導加熱方式で前記筒体を加熱する加熱装置であり、
   前記坩堝の前記壁体と前記筒体との間で、且つ、前記筒体加熱部と前記溶液表面との間に、前記溶液表面を覆う蓋体が配置されていることを特徴とする結晶成長装置。
7. 前記蓋体は、前記筒体と一体に形成されていることを特徴とする請求項６記載の結晶成長装置。
8. 炭化珪素の単結晶を成長させるための原料を含む原料溶液を収容する収容部、前記収容部の周囲を取り囲んで配置される壁体、前記収容部上に形成された開口部、及び前記開口部の反対側に位置する底部を備える坩堝を準備して、前記収容部内の前記原料溶液を加熱する工程と、
   種結晶を保持する保持面を備え、前記保持面に前記種結晶を保持する種結晶保持棒を、前記種結晶の下端が前記原料溶液の溶液表面よりも下方に位置するように前記坩堝の前記収容部に配置する工程と、
   前記種結晶保持棒と前記坩堝の前記壁体の間に、前記種結晶保持棒から離間した位置で前記種結晶保持棒の周囲を囲み、且つ、下端が前記溶液表面よりも下方に位置するように筒体を配置する工程と、
   前記種結晶保持棒と前記筒体のそれぞれを前記溶液表面と交差する第１軸を回転軸として第１方向に第１回転速度で回転させて、前記種結晶の表面に前記炭化珪素の単結晶を成長させる工程と、を含み、
   前記単結晶を成長させる工程では、前記坩堝及び前記筒体をそれぞれ加熱することを特徴とする結晶成長方法。
9. 前記単結晶を成長させる工程では、前記筒体の前記下端を前記種結晶保持棒に保持される前記種結晶の下端以上の高さに配置して、前記筒体を回転させることを特徴とする請求項８記載の結晶成長方法。
10. 前記単結晶を成長させる工程では、
    前記収容部内の前記原料溶液の温度を、前記壁体及び前記底部に隣接する第１領域では第１温度とすると共に、前記溶液表面では前記第１温度よりも低い第２温度とし、
    前記筒体の前記下端の温度を、前記第１温度よりも低く、且つ、前記第２温度よりも高い第３温度とすることを特徴とする請求項９記載の結晶成長方法。
11. 前記単結晶を成長させる工程では、前記坩堝を、前記溶液表面と交差する第２軸を回転軸として第２方向に第２回転速度で回転させることを特徴とする請求項８記載の結晶成長方法。
12. 前記単結晶を成長させる工程では、前記筒体を誘導加熱方式により加熱し、前記坩堝の前記壁体と前記筒体の間の領域において前記溶液表面を蓋体により覆うことを特徴とする請求項８記載の結晶成長方法。
13. 前記単結晶を成長させる工程では、前記種結晶及び前記種結晶の表面に析出する前記単結晶を前記原料溶液に浸漬した状態で成長させることを特徴とする請求項８記載の結晶成長方法。

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