JP6287870B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

溶液法は、黒鉛坩堝中で原料Ｓｉを溶解してＳｉ溶液とし、そのＳｉ溶液中に黒鉛坩堝からＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液として保温保持し、そのＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる方法である。

溶液法においては、ＳｉＣ単結晶成長中、黒鉛坩堝内のＳｉ溶液内に、内部から溶液面へ向けて下部から上部へ温度低下する温度勾配を維持する。高温部で黒鉛坩堝からＳｉ溶液内に溶解したＣは、Ｓｉ−Ｃ溶液の対流に従って上昇し、Ｓｉ−Ｃ溶液面近傍の低温部に達することにより、Ｓｉ−Ｃ溶液面近傍において、Ｃが過飽和（以下、Ｃ過飽和部ということがある）になる。

特許文献１には、チョクラルスキー法により、シリコン単結晶を製造する方法が開示されている。特許文献１に開示される方法は、製造される単結晶における酸素濃度の面内分布を均一にするため、抵抗加熱ヒータで原料シリコンを溶解し、シリコン溶液を保温保持する他に、磁石を使用してシリコン溶液を坩堝中で対流させる。

特許文献２には、誘導加熱コイルでＳｉ−Ｃ溶液を保温保持するＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されている。特許文献２で開示される方法は、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度制御を、誘導加熱コイルに流す高周波電流の電流値で制御する。したがって、特許文献２に開示される製造方法の場合には、自然対流が主として発生する。

特開平１１−２６８９８７号公報 特開２００８−７４６６３号公報

特許文献１に開示される方法においては、坩堝内のＳｉ溶液に、自然対流を超える対流を発生させることができる。しかし、対流発生用の磁石を別途設置する必要があり、単結晶製造装置が大型化していた。

特許文献２に開示される方法においては、自然対流が主として発生しているため、Ｃ過飽和部を形成するには、対流が充分でなかった。

これまで述べたように、単結晶製造装置を大型化することなく、黒鉛坩堝内のＳｉ−Ｃ溶液を充分に対流させることができるＳｉＣ単結晶の製造方法が望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、次のとおりである。
〈１〉ＣのＳｉ溶液に種結晶を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、黒鉛坩堝の周囲に配置された誘導加熱コイルに第１周波数の高周波電流を流し、原料Ｓｉを所定温度まで加熱し、前記原料Ｓｉを溶解しつつ、前記黒鉛坩堝からＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液とすること、前記所定温度まで加熱した後、第１周波数から第２周波数に周波数を下げて、前記Ｓｉ−Ｃ溶液を保温保持することを含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
〈２〉前記Ｓｉ−Ｃ溶液の保温保持中に、高周波電流の周波数を、第１周波数と第２周波数に交互に複数回切り替える、請求項１に記載の方法。
〈３〉前記第１周波数が、４〜６ｋＨｚである、〈１〉項又は〈２〉項に記載の方法。
〈４〉前記第２周波数が、０．５〜２ｋＨｚである、〈１〉〜〈３〉項のいずれか１項に記載の方法。

本発明によれば、Ｓｉ−Ｃ溶液の保温保持中に、原料Ｓｉ加熱時よりも、誘導加熱コイルに流す高周波電流の周波数を下げ、Ｓｉ−Ｃ溶液の対流を発生しやすくすることにより、対流発生のために装置が大型化することのない、ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明を実施するために用いる装置の概略の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態における周波数の切替タイミングを示す図である。 本発明を実施するために用いる周波数切替回路の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態における周波数の切替タイミングを示す図である。

以下、本発明に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明を実施するために用いる装置の概略の一例を示す図である。

ＳｉＣ単結晶製造装置１００は、黒鉛坩堝１、誘導加熱コイル２、及び高周波電源６を備える。

黒鉛坩堝１の周囲に誘導加熱コイル２を配置する。誘導加熱コイル２と高周波電源６を接続し、誘導加熱コイル２に高周波電流を流すことによって、原料Ｓｉ（図示せず）を所定温度まで加熱する。この加熱により、原料Ｓｉを溶解しつつ、黒鉛坩堝１からＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液３とする。ここで、Ｓｉ−Ｃ溶液とは、ＣのＳｉ溶液を意味する。

そして、引き続き、誘導加熱コイル２に高周波電流を流すことによって、Ｓｉ−Ｃ溶液３は、上述した所定温度で保温保持される。この保温保持されたＳｉ−Ｃ溶液３に種結晶５を接触させ、ＳｉＣ単結晶４を成長させる。

所定温度は、黒鉛坩堝１の内部で最も高温となっている箇所の温度である。所定温度は、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる温度であれば、特に限定されないが、１９００〜２２００℃とすることが好ましい。所定温度が１９００℃以上であれば、原料Ｓｉを溶解するだけでなく、黒鉛坩堝１からＣも溶解し、Ｓｉ−Ｃ溶液３とすることができる。一方、２２００℃以下であれば、Ｓｉ−Ｃ溶液面３ａ近傍で、下部から上部に向けて温度勾配を維持することができる。

Ｓｉ−Ｃ溶液面３ａ近傍は、深くとも、Ｓｉ−Ｃ溶液面３ａから３ｃｍまでの深さのことを意味する。これくらいの深さまで、温度勾配がついていれば、種結晶５を起点として、ＳｉＣ単結晶４を成長させることができる。

温度勾配は、１０〜２０℃／ｃｍとすることが好ましい。温度勾配が１０℃／ｃｍ以上であれば、ＳｉＣ単結晶４を成長させることができ、一方、２０℃／ｃｍ以下であれば、Ｓｉ−Ｃ溶液３の対流を阻害しない。

高周波加熱で溶解された溶液には、撹拌力が働く。この撹拌力により、自然対流を超える対流が溶液に発生する。誘導加熱コイル２に高周波電流を流すと、被加熱物に渦電流が発生する。この渦電流は、被加熱物の表面ほど大きく、内部ほど小さい。その程度を表すのが浸透深さである。高周波電流の周波数が高くなると、浸透深さが浅くなり、加熱能力は高くなるが、撹拌力は小さくなる。一方、高周波電流の周波数が低くなると、浸透深さが深くなり、加熱能力は低くなるが、撹拌力は大きくなる。

即ち、高周波電流は、周波数が高いときには加熱能力が高いが、溶液を対流させる能力は低い。一方、周波数が低いときには加熱能力は低いが、溶液を対流させる能力は高い。

そこで、本発明においては、原料Ｓｉを所定温度まで加熱し、原料Ｓｉを溶解しつつ、黒鉛坩堝１からＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液３とするときと、そのＳｉ−Ｃ溶液３を保温保持するときとで、誘導加熱コイル２に流す高周波電流の周波数を切り替える。

図２は、本発明の第１実施形態における周波数の切替タイミングを示す図である。

黒鉛坩堝１に原料Ｓｉを装入した後、誘導加熱コイル２に高周波電流を流し始める。周波数は第１周波数とする。第１周波数は、原料Ｓｉを効率よく加熱でき、第２周波数よりも高ければ、特に限定されるものではない。原料Ｓｉを効率よく加熱できる周波数は、黒鉛坩堝１の直径及び深さ、原料Ｓｉの装入量、誘導加熱コイル２の螺旋ピッチにより変化する。したがって、第１周波数は、これらを考慮して適宜決定すればよい。第１周波数は４〜６ｋＨｚとすることが好ましい。４ｋＨｚ以上であれば、原料Ｓｉを短時間に加熱でき、効率がよい。一方、６ｋＨｚ以下であれば、特殊な高周波電源を必要としない。

Ｓｉ−Ｃ溶液３が所定温度となった時点で、高周波電流の周波数を第１周波数から第２周波数に下げる。上述したように、所定温度は、ＳｉＣ単結晶成長温度であるため、所定温度に達したＳｉ−Ｃ溶液３を、これ以上昇温する必要はなく、保温保持できればよい。

その一方で、Ｓｉ−Ｃ溶液面３ａに、Ｃ過飽和部を形成するためには、Ｓｉ−Ｃ溶液３に対流を発生させ、黒鉛坩堝１の下部の高温部で黒鉛坩堝１から溶解したＣを、Ｓｉ−Ｃ溶液面３ａ近傍まで上昇させる必要がある。

即ち、Ｓｉ−Ｃ溶液３が所定温度に達してからは、加熱能力はそれほど必要ないが、Ｓｉ−Ｃ溶液３を対流させる能力が必要となる。

そこで、本発明では、第２周波数を第１周波数よりも低い周波数とする。第２周波数の高周波電流は、Ｓｉ−Ｃ溶液３を保温保持するのに充分な加熱能力を有し、かつＳｉ−Ｃ溶液３を充分に対流させる能力を有すればよい。

第２周波数は、第１周波数よりも低ければ、特段の限定はないが、０．５〜２ｋＨｚとすることが好ましい。０．５ｋＨｚ以上であれば、保温保持能力は不足しにくい。一方、２ｋＨｚ以下であれば、Ｓｉ−Ｃ溶液３を対流させる能力は不足しにくい。

このように、高周波電流の周波数を切り替えることにより、少ない電源容量で、原料Ｓｉを迅速にＳｉ−Ｃ溶液３とすることができ、かつＳｉ−Ｃ溶液３を充分に対流させることができる。

高周波電流の周波数を切り替える回路は、高周波電流発生源と被加熱物のインピーダンスを整合（マッチング）させつつ、所望の第１周波数及び第２周波数に切り替えることができれば、特に限定されるものではない。

図３は、本発明を実施するために用いる周波数切替回路の概略の一例を示す図である。

高周波電流は、インバータ７で発生させる。インバータ７と被加熱物である原料Ｓｉのインピーダンスを整合（マッチング）させるため、誘導加熱コイル２とインバ−タ７の間に、トランス８とコンデンサ９ａ、９ｂを接続する。即ち、トランス８、コンデンサ９、９ｂ、及び切替スイッチ１０で整合器（マッチングボックス）１１を構成する。

図３に示した例では、コンデンサ９ａ、９ｂを、並列に接続する。また、コンデンサ９ａのみを接続するときと、コンデンサ９ａとコンデンサ９ｂの両方を接続するときを選択可能にするため、切替スイッチ１０を設ける。

コンデンサの静電容量の大きさ、数量、及び接続方法（直列及び／又は並列）は、第１周波数及び第２周波数の選択、並びにインバータ７と被加熱物である原料Ｓｉのインピーダンスの整合（マッチング）により、適宜選択すればよい。切替スイッチについても同様である。

Ｓｉ−Ｃ溶液３を保温保持し、ＳｉＣ単結晶４を成長させているときに、成長条件によっては、保温保持しているＳｉ−Ｃ溶液３の温度が低下してしまう場合がある。このような場合は、次に説明する第２実施形態が有効である。

図４は、本発明の第２実施形態における周波数の切替タイミングを示す図である。

黒鉛坩堝１に原料Ｓｉを装入し、Ｓｉ−Ｃ溶液３が所定温度となるまで、誘導加熱コイル２に第１周波数の高周波電流を流す点は、第１実施形態と同様である。また、Ｓｉ−Ｃ溶液３が所定温度となった時点で、高周波電流の第１周波数を第２周波数に切り替える点も、第１実施形態と同様である。

第２周波数に切り替えた後、Ｓｉ−Ｃ溶液３の保温保持中に、Ｓｉ−Ｃ溶液３の温度が低下してしまったときは、高周波電流の周波数を、再度、第１周波数に切り替える。このようにすることで、加熱能力に優れる第１周波数の高周波電流により、低下した保温保持温度を所定温度に回復することができる。しかし、そのまま、第１周波数にし続けると、Ｓｉ−Ｃ溶液３の対流が不足し、Ｃ過飽和部のＣ濃度が低下するため、再度、第２周波数に切り替える。

このようにして、図４に示したように、Ｓｉ−Ｃ溶液３の温度が所定温度に達した後、高周波電流の周波数を、第１周波数と第２周波数に、交互に複数回切り替える。第１周波数にしている時間と第２周波数にしている時間は、保温保持温度の回復と、Ｃ過飽和部の維持との均衡で、適宜決めればよい。

第１周波数を５ｋＨｚ、及び第２周波数を１ｋＨｚとして、ＳｉＣ単結晶の製造を行った。

高周波電流の切り替えには、図３に示した回路を使用した。コンデンサ９ａの静電容量は２μＦ、コンデンサ９ｂの静電容量は４４μＦとし、コンデンサ９ａとコンデンサ９ｂは並列接続とした。

高周波電流の周波数を５ｋＨｚ（第１周波数）とするときは、切替スイッチ１０を開いて、コンデンサ９ａのみを動作させた。高周波電流の周波数を１ｋＨｚ（第２周波数）とするときは、切替スイッチ１０を閉じて、コンデンサ９ａとコンデンサ９ｂの両方を動作させた。

その結果、誘導加熱コイル２に、５ｋＨｚの高周波電流を１２０Ａ流し、２０００℃のＳｉ−Ｃ溶液３を得ることができ、その後は、高周波電流の周波数を１ｋＨｚに切り替え、そのままの温度で保温保持することができた。

本発明によれば、製造装置を大型化することなく、Ｓｉ−Ｃ溶液を対流させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することができる。したがって、本発明は、産業上の利用可能性が大きい。

１ 黒鉛坩堝
２ 誘導加熱コイル
３ Ｓｉ−Ｃ溶液
３ａ Ｓｉ−Ｃ溶液面
４ ＳｉＣ単結晶
５ 種結晶
６ 高周波電源
７ インバータ
８ トランス
９ａ、９ｂ コンデンサ
１０ 切替スイッチ
１１ 整合器
１００ ＳｉＣ単結晶製造装置

Claims (3)

1. Ｓｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   黒鉛坩堝の周囲に配置された誘導加熱コイルに第１周波数の高周波電流を流し、原料Ｓｉを所定温度まで加熱し、前記原料Ｓｉを溶解しつつ、前記黒鉛坩堝からＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液とすること、
   前記所定温度まで加熱した後、第１周波数から第２周波数に周波数を下げて、前記Ｓｉ−Ｃ溶液を保温保持すること
   を含み、
   前記Ｓｉ−Ｃ溶液を保温保持中に、高周波電流の周波数を、第１周波数と第２周波数に交互に複数回切り替える、
   ＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 前記第１周波数が、４〜６ｋＨｚである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２周波数が、０．５〜２ｋＨｚである、請求項１又は２に記載の方法。

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