JP6512088B2 - ＳｉＣ単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本開示は、ＳｉＣ単結晶製造装置に関する。

ＳｉＣ単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもＳｉ単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率等の優れた物性を有する。そのため、Ｓｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶等の既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能である。従ってＳｉＣ単結晶は、大電力制御及び省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。

従来、ＳｉＣ単結晶の成長法としては、代表的には、気相法、アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）法、及び溶液法が知られている。

気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥、積層欠陥等の格子欠陥、及び結晶多形が生じ易い等の欠点を有する。従来からＳｉＣバルク単結晶の多くは昇華法により製造されているため、成長結晶の欠陥を低減する試みが行われている。

アチソン法では、原料として珪石とコークスとを使用して電気炉中で加熱するため、原料中の不純物の影響等により、結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。

溶液法は、黒鉛坩堝中で、Ｓｉ及び場合により他の金属を含む融液であるＳｉ融液を形成し、その融液中にＣを溶解させてＳｉ−Ｃ溶液とし、種結晶保持軸に接着されて低温部に設置された種結晶基板を該溶液に接触させることにより、該基板上にＳｉＣ結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は、気相法に比べ熱平衡に近い状態において結晶成長が行われるため、低欠陥化が最も期待できる。

ＳｉＣ単結晶の製造するための装置は、従来からいくつか提案されている。例えば、加熱手段として誘導加熱コイルを備える単結晶製造装置が提案されている（特許文献１）。

特開２０１３−３５７０５号公報

特許文献１には、坩堝内の原料を加熱するための誘導加熱コイルを備える単結晶製造装置が記載されており、該製造装置によって均一性の高い高品質のＳｉＣ単結晶が再現性よく製造できると説明されている。しかし、本発明者の検討によると、特許文献１に記載の誘導加熱コイルを用いた加熱技術によると、結晶成長の際の結晶拡大角に差が生じてしまい、得られるＳｉＣ単結晶の均一性が必ずしも十分に高くはないとの結果を得た。

本発明は、上記のような従来技術における欠点を解消するためになされたものである。従ってその目的は、均一性の高い高品質のＳｉＣ単結晶を、再現性良く安価に製造することの可能な、ＳｉＣ単結晶の製造装置を提供することである。

本開示は、溶液法によってＳｉＣ単結晶を結晶成長させるためのＳｉＣ単結晶製造装置であって、
前記ＳｉＣ単結晶製造装置は誘導加熱コイルを有し、そして
前記誘導加熱コイル内部を貫く交番磁束の傾き角度が、鉛直方向に対して±０．９°以内であることを特徴とする、前記ＳｉＣ単結晶製造装置を対象とする。

本開示の装置によれば、均一性の高い高品質のＳｉＣ単結晶を、再現性良く安価に製造することができる。

図１は、ＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成を示す概略断面図である。 図２は、図１の装置の誘導加熱コイルの捲回状態を模式的に示す図である。 図３は、交番磁場の傾きの定義を説明するための概略断面図である。 図４は、クランク状の折り曲げ部分を有する誘導加熱コイルの捲回状態を模式的に示す図である。 図５は、リブを有する誘導加熱コイルの捲回状態を模式的に示す図である。 図６は、実施例１及び比較例１のＳｉＣ単結晶製造装置における交番磁場について３方向の直径面で測定した傾き角度である。 図７は、実施例１及び比較例１におけるＳｉ−Ｃ溶液の液面流動の様子を示す写真、流動ズレの値、結晶拡大角差、及び結晶成長面の写真である。 図８は、実施例及び比較例において使用した磁場測定装置のセンサの方向を説明するための概略図である。 図９は、実施例及び比較例における交番磁場の傾き角度を測定する手法を説明するための概略図である。

本明細書において、「（０００−１）面」等の表記における「−１」は、本来、数字の上に横線を付して表記するところを「−１」と表記したものである。

本開示のＳｉＣ単結晶製造装置は、
溶液法によってＳｉＣ単結晶を結晶成長させるためのＳｉＣ単結晶製造装置であって、
前記ＳｉＣ単結晶製造装置は誘導加熱コイルを有し、そして
前記誘導加熱コイル内部を貫く交番磁束の傾き角度が、鉛直方向に対して±０．９°以内であることを特徴とする。

本発明者は、上記特許文献１の技術によって製造されたＳｉＣ単結晶が均一性に欠ける理由について、種々考察した。その結果、特許文献１の技術を適用し、誘導加熱コイルによって加熱されたＳｉ−Ｃ溶液は、溶液流動が面内対称から逸脱している程度が大きく、そのため成長界面における結晶成長が不均一となっていることを見出した。そして、このＳｉ−Ｃ溶液の溶液流動における面内非対称性は、誘導加熱コイルによって該コイル内に発生する交番磁場が鉛直方向に対して傾いていることに起因するものであることを突き止めた。つまり、交番磁場が傾いていると、溶液表面内の同心円上におけるローレンツ力方向及び強さの双方において非対称となり、そのためＳｉ−Ｃ溶液の溶液流動に面内非対称性が生じ、これが結晶成長の均一性を損なっているのである。

溶液流動における面内非対称性は、「流動ズレ」の概念で表すことができる。この「
流動ズレ」とは、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面における流れが同心円からずれる現象をいい、溶液表面を撮影した画像から、非対称形状を平面的に定量化することによって評価される。

半導体材料として好適なＳｉＣ単結晶を溶液法によって得るためには、Ｓｉ−Ｃ溶液における上記の流動ズレを、概ね０．５ｍｍ以下とすることが有効であることが分かった。そして、このような流動ズレを実現するには、誘導加熱コイル内部を貫く交番磁束をできる限り鉛直に近い方向に調整することが有効であることを見出した。交番磁束の方向を鉛直に近づけることにより、溶液内のローレンツ力の対称性が確保される。すると、Ｓｉ−Ｃ溶液の溶液流動における面内対称性が高くなるから、均一な結晶成長が可能となる。

本開示は、坩堝の周囲に設置された誘導加熱コイルによって発生する交番磁束の傾き角度を、鉛直方向に対して±０．９°以内に調整することによって、均一な結晶成長が可能となることを明らかにするものである。

従来技術における誘導加熱コイルは、坩堝を囲繞する断熱材の周囲に螺旋状に捲回されるのが通常である。坩堝は縦方向に配置されるから、螺旋状に捲回されたコイルは、鉛直線上の高さを変えながら徐々に積み重なって行く。以下、坩堝を囲繞する断熱材が円筒形である場合を例にとり、交番磁束の傾きについて説明する。

図１に、溶液法によってＳｉＣ単結晶を製造するためのＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成を示した。

図１のＳｉＣ単結晶製造装置１００は、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を備え、昇降可能な種結晶保持軸１２の先端に保持された種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われており、更にその外周に、誘導加熱コイル２２が捲回されている。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、誘導加熱コイル２２に高周波電流を印加することにより、加熱及び撹拌される。この誘導加熱コイル２２に電流を印加すると、該コイル２２の内部を貫く交番磁束（図示せず。）が発生する。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、原料を坩堝１０に投入し、加熱融解させて調製したＳｉを含むＳｉ融液に、好ましくは黒鉛坩堝に由来するＣを溶解させることによって調製される。坩堝１０を、黒鉛坩堝等の炭素質坩堝又はＳｉＣ坩堝とすることによって、坩堝１０からＣが融液中に溶解し、Ｓｉ−Ｃ溶液２４が形成される。

Ｓｉ融液は、Ｓｉの他にＣｒを含有することが好ましく、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ等から選択されるその他の金属の１種以上を更に含有していてもよい。

図２に、上記図１の装置における、従来の誘導加熱コイル２２の捲回状態を模式的に示した。

図３（ａ）は、図２に示した捲回コイルを１８０°対向する直径面で鉛直方向に切断した場合の断面図である。コイルを捲回すると、例えば、コイルが図３（ａ）の右側に示した任意の一点から一周後の同じ位置に至ったとき、ｄに相当する距離の段差が生じる。この段差ｄをコイルの直径Ｒに対する勾配（コイル勾配）θで表すと、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／Ｒ）と計算される。

交番磁束の傾き角度は、コイルの任意の一点における磁界の極角（図３（ｂ）におけるθ１）と、これと１８０°対向する位置における磁界の極角（θ２）との平均値ａｂｓ（θ１−θ２）／２の総平均と等しいから、上記のコイルの段差ｄ及びコイルの直径Ｒから計算されたコイル勾配θと一致する（図３（ｃ））。ただし、上記の「ａｂｓ（θ１−θ２）」とは、極角θ１及びθ２の差の絶対値を示す。

コイル内の磁界の極角θ１及びθ２は、市販の磁界測定器を用いて測定することができる。

上記のコイル勾配θを小さくすることにより、コイル内部を貫く交番磁場の傾き角度を鉛直方向に近づけることができる。別法として、コイル勾配θを従来技術と同程度に維持しながら交番磁場の傾き角度を調節して、これを鉛直方向に近づけることが可能である。以下、これらの方法について説明する。

第１の方法は、コイル勾配θが±０．９°以内となるように、コイルの直径Ｒ及び段差ｄを調節する方法である。

第２の方法は、コイル勾配θが±０．９°以内となるようにコイルを捲回して行き、コイルが前回周期のコイルに至ったとき、又はその直前に、コイルをクランク状に折り曲げて前回周期のコイルとの重複を避け、再びコイル勾配θが±０．９°以内となるようにコイルの捲回を継続する方法である。この方法により、コイル勾配を０°とした場合のコイル捲回形状を図４に示した。この方法によると、コイルの直径Ｒ及びコイル単線の太さによらず、コイル勾配θを任意の所望値に設定することができ、θ＝０°とすることも可能であることから、本発明の効果を最大限に発揮できる点で好ましい。

第３の方法は、コイル勾配θを従来技術と同程度に維持しながら交番磁場の傾き角度を調節する方法である。例えば、捲回コイルの上若しくは下又はこれらの双方に、リブを設ける方法を例示することができる。このリブは、交番磁束を引き付ける性質を有する材料から形成されることができ、例えば鉄、銅等の導電体から形成されることが好ましい。リブの形状は、例えば、くさび状とすることができる。図５に、捲回コイルの上及び下の双方にリブ３０を有する誘導加熱コイルの一例を模式的に示した。

本開示の装置においては、好ましくは上記第１〜第３の方法のうちの１つ以上の方法により、誘導加熱コイルの内部を貫く交番磁束の傾き角度を±０．９°以下に調整することができ、これにより、均一性の高い高品質のＳｉＣ単結晶を、再現性良く安価に製造することが可能となる。

本開示の装置を適用してＳｉＣ単結晶の製造を行う場合、結晶成長温度は１，８００〜２，１００℃とすることが好ましい。

結晶成長時間は、所望の結晶成長量によって適宜に設定することができる。例えば１０時間以上又は１５時間以上とすることができる。本開示の装置を用いると、長時間連続して結晶成長を行った場合でも、均一な結晶を歩留まりよく形成することができる。

本開示の装置を適用して得られるＳｉＣ単結晶は均一性に優れたものである。ＳｉＣ単結晶の均一性は、例えば、結晶成長における結晶拡大角差によって評価することができる。

ＳｉＣ単結晶の成長を、本開示の装置を用いて溶液法によって行う場合、種結晶基板の下面のみがＳｉ−Ｃ溶液に濡らされてメニスカスを形成するように、種結晶基板の位置を定めて結晶を成長させることが好ましい。このとき、結晶の成長が進むにつれて結晶成長面は徐々に拡大し、結晶拡大角が発生する。従来技術においては、高周波加熱によってＳｉ−Ｃ溶液の流動に非対称性が生じることによって種結晶基板の着液位置が変動するため、結晶拡大角に誤差が生じ、均一な結晶を安定して製造することが困難であった。

本開示の装置によると、Ｓｉ−Ｃ溶液の面内対称性が高くなるため、結晶拡大角の誤差を少なくすることができる。本開示の装置を適用してＳｉＣ単結晶の成長を実施した場合、結晶成長面の１８０°対向する２つの位置における結晶拡大角の差を、例えば、１０．３°以下とすることができる。

（比較例１）
直径が５０．８ｍｍ（２インチ）、厚みが７００μｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面が（０００−１）面を有する昇華法により作製したＳｉＣ単結晶を用意し、これを種結晶基板として用いた。

種結晶基板の上面を、円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。

単結晶製造装置としては、図１に示した装置を使用した。坩堝としては、内径１２０ｍｍ、外径１６０ｍｍの黒鉛製坩堝を用いた。Ｓｉ−Ｃ溶液は、Ｓｉ−Ｃｒ系融液に黒鉛坩堝から十分な量のＣを溶解させることにより調製した。

誘導加熱コイルの仕様は以下のとおりとした：
サイズ：直径２６０ｍｍ、多価さ１３８ｍｍ
コイル線径：１２ｍｍ
巻き回数：８ターン
電源周波数：１．１ｋＨｚ
コイルの捲回状態：螺旋巻き（図２）

Ｓｉ−Ｃ溶液の表面温度を２，０００℃に設定して１０時間の結晶成長を行った。このとき、誘導加熱コイル内に発生した交番磁場について、後述する手法によって３方向の直径面においてそれぞれ測定した傾き角度を表１及び図６に示した。また、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面流動の様子を示す写真、流動ズレの値、結晶拡大角差、及び結晶成長面の写真を図７に示した。図７における「Ｒｅ」はＲｅａｒ（後方）、「Ｆｒ」はＦｒｏｎｔ（前方）の意味であり、それぞれ、単結晶製造装置の正面を前方とする相対位置である。図９（ａ）でいうと、９０°の位置が「Ｆｒ」に相当し、２７０°の位置が「Ｒｅ」に相当する。

本比較例１における交番磁場の傾き角度は最大で２．４°に達し、Ｓｉ−Ｃ溶液の流動ズレは１９ｍｍであり、結晶拡大角差は３５°であり、そして結晶成長面は不均一であった。

（実施例１）
誘導加熱コイルを、コイル勾配を０°としてクランク状の折り曲げ部分を有する図４の態様で捲回した他は比較例１と同様の条件で結晶成長を行った。実施例１における交番磁場の傾き角度は±０．９°以下であり、Ｓｉ−Ｃ溶液の流動ズレは０．５ｍｍであり、結晶拡大角差は１０．３°であり、そして結晶成長面は均一であった（表１、図６、及び図７）。

以上の結果から、誘導加熱コイル内部を貫く交番磁束の傾き角度を鉛直方向に対して±０．９°以内に調整することにより、溶液法によって均一性の高い高品質のＳｉＣ結晶を得られることが検証された。

（交番磁場の傾き角度の測定方法）
誘導コイルを上から見たときに、測定箇所方位０°の位置を任意に定め、０°から４５°刻みで６点の測定点を設定した（図９（ａ））。これら６測定点のうち、０°の測定点と１８０°の測定点とが１８０°対向する直径面を規定する対の測定点となり、４５°の測定点と２２５°の測定点とが対の測定点となり、そして９０°の測定点と２７０°の測定点とが対の測定点となる（図９（ｂ））。

市販の磁界測定器のセンサを、コーンの方向が水平軸に対して３５．３°の角度をなすようにセットし（図８参照）、この状態のセンサを、誘導加熱コイル内に入れた。ここで、各測定点において、センサのコーンが対の測定点を結ぶ直線と平行になり、コーンの中心を貫く直線が対の測定点を結ぶ直線と３５ｍｍのオフセットをとり、そして、センサの球状部先端と直近のコイルとの距離が３０ｍｍとなるようにした（図９参照）。

図９には、磁界測定器が６個のセンサを有するように描画してあるけれども、これは説明のための便宜であり、１個のセンサを図９のように回転させて、各測定点における磁界の極角を測定した。各測定点における測定結果及び該測定結果から算出される交番磁場の傾き角度を表１に示した。

１００ 単結晶製造装置
１０ 坩堝
１２ 種結晶保持軸
１４ 種結晶基板
１８ 断熱材
２２ 誘導加熱コイル
２４ Ｓｉ−Ｃ溶液
３０ リブ
ｄ 段差
Ｒ 誘導加熱コイルの直径
θ１ 任意の測定点における磁場の極角
θ２ θ１を対となる測定点における磁場の極角
θ コイル勾配＝交番磁場の傾き角度

Claims (1)

1. 溶液法によってＳｉＣ単結晶を結晶成長させるためのＳｉＣ単結晶製造装置であって、
   前記ＳｉＣ単結晶製造装置は誘導加熱コイルを有すること、
   前記誘導加熱コイルにおいて、捲回コイルの上若しくは下又はこれらの双方に、交番磁束を引き付ける性質を有する材料から形成されているリブが設けられており、それによって、前記誘導加熱コイル内部を貫く交番磁束の傾き角度が、鉛直方向に対して±０．９°以内であること
   を特徴とする、前記ＳｉＣ単結晶製造装置。