JPWO2016059788A1 - ＳｉＣ単結晶の製造方法及びＳｉＣ単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

結晶成長を長時間行う場合であっても、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度のばらつきを低減できる、ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収納された坩堝（７）と、種結晶（９）が下端に取付けられたシードシャフト（４１）と、シードシャフト（４１）を通す貫通孔（６０Ａ）を中央に有し、坩堝（７）内に配置可能な中蓋（６０）とを備える製造装置（１００）を準備する準備工程と、坩堝（７）内の原料を加熱して、Ｓｉ−Ｃ溶液（８）を生成する生成工程と、Ｓｉ−Ｃ溶液（８）に種結晶（９）を接触させて、種結晶（９）上にＳｉＣ単結晶を製造する成長工程と、成長工程中において、中蓋（６０）及び坩堝（７）のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、中蓋（６０）とＳｉ−Ｃ溶液（８）との間の高さ方向距離の変動幅を第１基準範囲内に調整する中蓋調整工程とを備える。

Description

本発明は、単結晶の製造方法及び製造装置に関し、さらに詳しくは、ＳｉＣ単結晶の製造方法及びＳｉＣ単結晶の製造装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶の製造方法の一つに、溶液成長法がある。溶液成長法は、坩堝に収納されたＳｉ−Ｃ溶液に、シードシャフトの下端に取付けられた種結晶を接触させ、種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる。Ｓｉ−Ｃ溶液とは、Ｓｉ又はＳｉ合金の融液にカーボン（Ｃ）が溶解した溶液をいう。

溶液成長法では、Ｓｉ−Ｃ溶液のうち、接触させた種結晶の真下近傍領域（以下、単に近傍領域という）の温度を、シードシャフトによる抜熱等により、他の領域の温度よりも低くする。この場合、近傍領域のＳｉＣが過飽和状態となり、ＳｉＣ単結晶の成長が促される。このように、結晶成長時、近傍領域は過冷却状態になる。

しかしながら、Ｓｉ−Ｃ溶液の近傍領域以外の領域（以下、周辺領域という）の温度がばらつくと、周辺領域において、自然核生成により、ＳｉＣ多結晶が生成されやすくなる。生成されたＳｉＣ多結晶は、Ｓｉ−Ｃ溶液の流動により、種結晶まで移動する。種結晶上に成長したＳｉＣ単結晶に、ＳｉＣ多結晶が多数付着すれば、ＳｉＣ単結晶の成長が阻害される。

周辺領域の温度のばらつきを抑制する技術が、特開２００４−３２３２４７号公報（特許文献１）、特開２００６−１３１４３３号公報（特許文献２）、及び、特開２０１３−１６１９号公報（特許文献３）に開示されている。

特許文献１に開示された製造方法では、黒鉛カバー又はグラファイトカバーからなる断熱性部材を溶液面の上方に配置し、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面からの放熱を抑制する。特許文献２に開示された製造方法でも、坩堝の上方の自由空間に断熱性部材を配置する。

特許文献３に開示された製造方法では、坩堝が中蓋を備える。中蓋は、坩堝内であって、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面の上方に配置され、坩堝の内面に固定される。中蓋は、シードシャフトを通す第１貫通孔を有する。特許文献３では、中蓋が、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間の空間を保温する。そのため、周辺領域の温度にばらつきが生じるのを抑制できる、と記載されている。

特開２００４−３２３２４７号公報 特開２００６−１３１４３３号公報 特開２０１３−１６１９号公報

ところで、最近では、溶液成長法による長尺のＳｉＣ単結晶バルクの製造が試みられている。長尺のＳｉＣ単結晶バルクを製造する場合、結晶成長時間が長くなる。結晶成長時間が長ければ、ＳｉＣ単結晶の成長とともに、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が低下する。この場合、特許文献１〜３に記載されているような断熱性部材又は中蓋と、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間の距離が広がり、保温効果が低減する。そのため、結晶成長時間が長くなれば、周辺領域の温度のばらつきが発生しやすく、ＳｉＣ多結晶が発生しやすい。さらに、近傍領域の温度も設定温度よりも低くなる場合がある。

本発明の目的は、結晶成長を長時間行う場合であっても、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度のばらつきを低減できる、ＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置を提供することである。

本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収納された坩堝と、種結晶が下端に取付けられたシードシャフトと、シードシャフトを通す貫通孔を中央に有し、坩堝内に配置可能な中蓋とを備える製造装置を準備する準備工程と、坩堝内の原料を加熱して、Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する生成工程と、Ｓｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させて、種結晶上にＳｉＣ単結晶を製造する成長工程と、成長工程中において、中蓋及び坩堝のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を第１基準範囲内に調整する中蓋調整工程とを備える。

本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法では、結晶成長を長時間行う場合であっても、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度のばらつきを低減できる。

図１は、第１の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造装置の全体構成図である。 図２は、ＳｉＣ単結晶の成長工程中のＳｉ−Ｃ溶液の液面低下を説明するための模式図である。 図３は、図２に続く工程を説明するための模式図である。 図４は、図３と異なる、図２に続く工程を説明するための模式図である。 図５は、第２の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造装置の全体構成図である。 図６は、図５の製造装置を用いたＳｉＣ単結晶の製造工程を説明するための模式図である。 図７は、実施例中の比較例で用いた製造装置の全体構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収納された坩堝と、種結晶が下端に取付けられたシードシャフトと、シードシャフトを通す貫通孔を中央に有し、坩堝内に配置可能な中蓋とを備える製造装置を準備する準備工程と、坩堝内の原料を加熱して、Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する生成工程と、Ｓｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させて、種結晶上にＳｉＣ単結晶を製造する成長工程と、成長工程中において、中蓋及び坩堝のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を第１基準範囲内に調整する中蓋調整工程とを備える。

本実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法では、成長工程中に、中蓋及び坩堝のいずれか一方を他方に対して昇降して、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液との間隔を維持する。そのため、中蓋による保温効果が維持され、近傍領域及び周辺領域での温度ばらつきが低減される。その結果、ＳｉＣ単結晶が成長しやすい。

中蓋調整工程ではたとえば、成長工程中のＳｉ−Ｃ溶液の単位時間当たりの液面高さの変動量に基づいて、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を調整する。

この場合、中蓋とＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を調整しやすい。

好ましくは、製造装置はさらに、坩堝の周りに配置される高周波加熱コイルを備え、製造方法はさらに、成長工程中において、高周波加熱コイル及び坩堝のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、高周波加熱コイルとＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向の相対位置の変動幅を第２基準範囲内に調整するコイル調整工程を備える。

この場合、成長工程中において、コイルによるＳｉ−Ｃ溶液への加熱能力のばらつきを抑制できる。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度をさらに均一に保持しやすい。

コイル調整工程ではたとえば、成長工程中のＳｉ−Ｃ溶液の単位時間当たりの液面高さの変動量に基づいて、高周波加熱コイルとＳｉ−Ｃ溶液との高さ方向の相対位置の変動幅を調整する。

この場合、高周波加熱コイルとＳｉ−Ｃ溶液との高さ方向の相対位置の変動幅を調整しやすい。

本実施形態による製造装置は、溶液成長法によりＳｉＣ単結晶を製造する。製造装置は、チャンバと、基台と、シードシャフトと、中蓋とを備える。チャンバは、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容可能な坩堝を収納可能である。基台は、坩堝を配置可能である。シードシャフトは、種結晶を取付け可能な下端面を有する。中蓋は、中央にシードシャフトを通す貫通孔を有し、坩堝内であってＳｉ−Ｃ溶液の液面の上方に配置可能である。基台及び中蓋のうちのいずれか一方は、他方に対して相対的に高さ方向に移動可能である。

本実施形態による製造装置では、中蓋及び基台のいずれか一方を他方に対して相対的に昇降できる。そのため、中蓋と、基台上に配置される坩堝内のＳｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を調整できる。

好ましくは、上述の製造装置はさらに、高周波加熱コイルを備える。坩堝は、高周波加熱コイル内に配置可能である。基台及び高周波加熱コイルのいずれか一方は、他方に対して相対的に高さ方向に移動可能である。

この場合、高周波加熱コイルと、基台上に配置された坩堝内のＳｉ−Ｃ溶液との高さ方向の相対位置の変動幅を調整できる。

好ましくは、上述の製造装置は、中蓋昇降機構を備える。中蓋昇降機構は、シードシャフト及び坩堝と別個独立して中蓋を昇降する。

好ましくは、上述の製造装置は、坩堝昇降機構を備える。坩堝昇降機構は、坩堝が配置される基台を、中蓋と別個独立して昇降する。

好ましくは、製造装置は、高周波加熱コイルを昇降するコイル昇降機構を備える。

以下、本実施形態のＳｉＣ単結晶の製造方法及びそれに用いられる製造装置について詳述する。

［第１の実施の形態］
［ＳｉＣ単結晶の製造装置１００の全体構成］
図１は、第１の実施の形態のＳｉＣ単結晶の製造装置１００の全体構成図である。図１に示すとおり、製造装置１００は、チャンバ１と、断熱部材２と、高周波加熱コイル３と、シードシャフト駆動機構４と、坩堝駆動機構５と、中蓋駆動機構６とを備える。

チャンバ１は筐体であり、断熱部材２と、高周波加熱コイル３と、シードシャフト駆動機構４内のシードシャフト４１とを収納する。チャンバ１はさらに、坩堝７を収納可能である。ＳｉＣ単結晶が製造されるとき、チャンバ１は水冷される。

坩堝７は、筐体状の断熱部材２内に収納される。坩堝７は、上端が開口した筐体である。坩堝７は、Ｓｉ−Ｃ溶液８を収納する。Ｓｉ−Ｃ溶液８は、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料を加熱により溶融して生成される。原料は、Ｓｉのみであってもよいし、Ｓｉと他の金属元素とを含有してもよい。Ｓｉ−Ｃ溶液の原料に含有される金属元素はたとえば、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）等である。

坩堝７の素材はたとえば、黒鉛である。坩堝７の素材が黒鉛であれば、坩堝７自体がＳｉ−Ｃ溶液８の炭素供給源となる。坩堝７の素材は、黒鉛以外であってもよい。たとえば、坩堝７は、セラミックスや高融点の金属で構成されてもよい。坩堝７が炭素供給源として利用できない場合、Ｓｉ−Ｃ溶液８の原料は、Ｃを含有する。また、坩堝７が黒鉛以外の素材で構成される場合、坩堝７の内表面に黒鉛からなる被膜が形成されていてもよい。

高周波加熱コイル３は、坩堝７の周りに配置される。つまり、坩堝７は、高周波加熱コイル３内に配置される。高周波加熱コイル３は、シードシャフト４１及びシャフト５１と同軸に配置される。高周波加熱コイル３は、坩堝７を誘導加熱し、坩堝７に収納された原料を溶融してＳｉ−Ｃ溶液８を生成する。高周波加熱コイル３はさらに、Ｓｉ−Ｃ溶液８を結晶成長温度に維持する。

断熱部材２は、筐体状であり、側壁と、上蓋と、下蓋とを有する。断熱部材２の側壁は、高周波加熱コイル３と坩堝７との間に配置される。断熱部材２の側壁は、坩堝７の周りに配置される。断熱部材２の上蓋は、坩堝７よりも上方に配置される。上蓋は、シードシャフト４１を通すための貫通孔２１を有する。断熱部材２の下蓋は、坩堝７の下方に配置される。下蓋は、シャフト５１を通すための貫通孔２２を有する。断熱部材２は、坩堝７全体を覆う。断熱部材２は、周知の断熱材を備える。断熱材は、繊維系又は非繊維系の成形断熱材である。

［シードシャフト駆動機構４］
シードシャフト駆動機構４は、シードシャフト４１と、駆動装置４２とを備える。シードシャフト４１は、坩堝駆動機構５内のシャフト５１と同軸に配置される。シードシャフト４１の下端は、チャンバ１内に配置され、シードシャフト４１の上端は、チャンバ１の上方に配置される。つまり、シードシャフト４１は、チャンバ１を貫通する。

シードシャフト４１は、その中心軸周りに回転可能であり、さらに、昇降可能である。駆動装置４２は、昇降装置４２Ａと、回転装置４２Ｂと、架台４２Ｃとを備える。架台４２Ｃは、チャンバ１の上方に配置される。架台４２Ｃは、シードシャフト４１が通る孔を有する。架台４２Ｃは、シードシャフト４１と、回転装置４２Ｂとを支持する。

回転装置４２Ｂは、シードシャフト４１を、その中心軸線周りに回転させる。これにより、シードシャフト４１の下端面に取付けられる種結晶９が回転する。

昇降装置４２Ａは、シードシャフト４１を昇降する。具体的には、昇降装置４２Ａは、架台４２Ｃと連結されており、架台４２Ｃを昇降する。これにより、昇降装置４２Ａは、架台４２Ｃを介してシードシャフト４１Ａを昇降する。

シードシャフト４１の下端面には、種結晶９が取り付け可能である。種結晶９は板状である。種結晶は、ＳｉＣ単結晶からなることが好ましい。溶液成長法による製造時、種結晶９の表面（結晶成長面）にＳｉＣ単結晶が生成され、成長する。４Ｈ多形の結晶構造を有するＳｉＣ単結晶を製造する場合、好ましくは、種結晶９は４Ｈ多形の結晶構造のＳｉＣ単結晶である。さらに好ましくは、ＳｉＣ単結晶からなる種結晶９の表面（結晶成長面）は、（０００１）面又は（０００１）面から８°以下の角度で傾斜した面である。この場合、ＳｉＣ単結晶が安定して成長しやすい。

ＳｉＣ単結晶を製造するとき、シードシャフト４１を下降し、図１に示すとおり、種結晶９をＳｉ−Ｃ溶液８に接触（浸漬）させる。このとき、Ｓｉ−Ｃ溶液８は結晶成長温度に保たれる。結晶成長温度とは、ＳｉＣ単結晶を成長させるときの温度であって、Ｓｉ−Ｃ溶液の組成に依存する。一般的な結晶成長温度は１６００〜２０００℃である。

［坩堝駆動機構５］
坩堝駆動機構５は、基台５０と、シャフト５１と、駆動装置５２とを備える。基台５０は、筐体状の断熱部材２内に配置される。基台５０上には坩堝７が配置される。

シャフト５１は、基台５０の下端に取り付けられ、シードシャフト４１と同軸に配置される。シャフト５１は、断熱部材２の下部及びチャンバ１の底部を通り、その下端はチャンバ１の下方に配置される。

駆動装置５２は、昇降装置５２Ａと、回転装置５２Ｂと、架台５２Ｃとを備える。架台５２Ｃは、チャンバ１の下方に配置される。架台５２Ｃは、シャフト５１が通る孔を有する。架台５２Ｃは、シャフト５１と、回転装置５２Ｂとを支持する。回転装置５２Ｃは、シャフト５１を、その中心軸線周りに回転させる。昇降装置５２Ａは、架台５２Ｃと連結されており、架台４２Ｃを昇降する。これにより、昇降装置５２Ａは、架台５２Ｃを介して基台５０を昇降する。

［中蓋駆動機構６］
中蓋駆動機構６は、中蓋６０と、支持機構６１と、昇降装置６２とを備える。中蓋６０は円板状であり、中央にシードシャフト４１を通す貫通孔６０Ａを有する。図１に示すとおり、中蓋６０は、Ｓｉ−Ｃ溶液８の液面上方に配置され、中蓋６０とＳｉ−Ｃ溶液８の液面８０との間の空間を保温する。これにより、Ｓｉ−Ｃ溶液８のうち、種結晶直下の近傍領域の温度が均一に維持されやすく、近傍領域以外の他の領域である周辺領域の温度が均一に維持されやすい。この効果を得るためには、中蓋６０の下端面は平坦であるのが好ましい。この場合、中蓋６０の下端面と液面８０との間の高さ方向の距離Ｈ１は、場所によらず略一定になるため、近傍領域及び周辺領域の温度がより均一に維持されやすい。中蓋６０の側面と坩堝７の内周面との間には、干渉を避けるため隙間が設けられる。この隙間は、小さい方が好ましい。隙間が小さければ、中蓋６０と対向する近傍領域及び周辺領域の面積が大きい。そのため、近傍領域及び周辺領域の温度がより均一に維持されやすい。具体的には、隙間は５ｍｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは、隙間は２ｍｍ以下であるのが好ましい。

支持機構６１は、円筒又は棒状の連結部材６１Ａと、連結部材６１Ａの上端に固定される軸部材６１Ｂと、架台６１Ｃとを備える。連結部材６１Ａは、製造装置１００の高さ方向に延びる。連結部材６１Ａの下端は中蓋６０の上端に固定される。軸部材６１Ｂは円筒状であり、内部にシードシャフト４１を通す。軸部材６１Ｂは、チャンバ１の上面を貫通し、その上端部はチャンバ１の上方に配置される。軸部材６１Ｂの下端は、連結部材６１Ａの上端に固定される。架台６１Ｃは、軸部材６１Ｂ及び連結部材６１Ａを介して中蓋６０を支持する。架台６１Ｃは、軸部材６１Ｂを通す貫通孔を有する。昇降装置６２は、架台６１Ｃとともに、中蓋６０を昇降する。

［ＳｉＣ単結晶の製造方法］
製造装置１００は、中蓋６０を、シードシャフト４１及び坩堝７と別個独立して昇降できる。製造装置１００はさらに、坩堝７が配置された基台５０を、中蓋７と別個独立して昇降できる。したがって、中蓋６０及び基台５０に配置された坩堝７のいずれか一方を、他方に対して高さ方向に相対移動できる。そのため、結晶成長に伴ってＳｉ−Ｃ溶液８の液面８０が低下した場合であっても、中蓋６０と液面８０との高さ方向の距離Ｈ１（つまり、中蓋６０と液面８０との高さ方向の相対位置）の変動幅ΔＨ１を、基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整することができる。以下、ＳｉＣ単結晶の製造方法について説明する。

ＳｉＣ単結晶の製造方法は、準備工程と、生成工程と、成長工程と、中蓋調整工程とを備える。

［準備工程］
準備工程では、上述の製造装置１００を準備する。そして、シードシャフト４１の下端面に種結晶９を取付ける。さらに、Ｓｉ−Ｃ溶液８の原料が収容された坩堝７を、チャンバ１内に収納し、基台５０上に配置する。この時点では、中蓋６０は、坩堝７内に配置されていてもよいし、坩堝７の上方に配置されていてもよい。

［生成工程］
次に、Ｓｉ−Ｃ溶液８を生成する。初めに、チャンバ１内に不活性ガスを充填する。そして、高周波加熱コイル３により、坩堝７内のＳｉ−Ｃ溶液８の原料を融点以上に加熱する。坩堝７が黒鉛からなる場合、坩堝７を加熱すると、坩堝７から炭素が融液に溶け込み、Ｓｉ−Ｃ溶液８が生成される。坩堝７の炭素がＳｉ−Ｃ溶液８に溶け込むと、Ｓｉ−Ｃ溶液８内の炭素濃度は飽和濃度に近づく。

［成長工程］
次に、駆動装置４２により、シードシャフト４１を降下して、種結晶９をＳｉ−Ｃ溶液８に接触させる。種結晶９をＳｉ−Ｃ溶液８に接触させた後、シードシャフト４１を若干上昇させ、種結晶９と液面８０との間でメニスカスを形成する。

メニスカスが形成された後、高周波加熱コイル３により、Ｓｉ−Ｃ溶液８を結晶成長温度に保持する。さらに、Ｓｉ−Ｃ溶液８における種結晶９の近傍領域を過冷却して、近傍領域のＳｉＣを過飽和状態にする。

種結晶９の近傍領域を過冷却する方法は、特に限定されない。例えば、高周波加熱コイル３を制御して、種結晶９の近傍領域の温度を他の領域の温度よりも低くする。また、近傍領域を冷媒により冷却してもよい。具体的には、シードシャフト４１の内部に冷媒を循環させる。冷媒は、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスである。シードシャフト４１内に冷媒を循環させれば、種結晶９が冷却される。種結晶９が冷却されれば、近傍領域も冷却される。

近傍領域のＳｉＣを過飽和状態にしたまま、種結晶９とＳｉ−Ｃ溶液８（坩堝７）とを回転する。回転装置４２Ｂによりシードシャフト４１を回転することにより、種結晶９が回転する。回転装置５２Ｂにより、坩堝７が回転する。種結晶９の回転方向は、坩堝７の回転方向と逆方向でも良いし、同じ方向でも良い。また、種結晶９及び坩堝７の回転速度は一定であっても良いし、変動しても良い。このとき、Ｓｉ−Ｃ溶液８に接触された種結晶９の下面（結晶成長面）にＳｉＣ単結晶が生成し、成長する。なお、シードシャフト４１は、回転しなくても良い。

ＳｉＣ単結晶の結晶成長を開始するまでに、昇降装置６２により、中蓋６０を降下する。そして、中蓋６０と液面８０との高さ方向距離をＨ１に設定する。中蓋６０を所定位置に配置した後、結晶成長を開始する。

結晶成長の時間を長くすれば、種結晶９上に形成されるＳｉＣ単結晶の厚みを厚くすることができる。しかしながら、ＳｉＣ単結晶の成長に伴い、Ｓｉ−Ｃ溶液８の液面８０は低下する。具体的には、結晶成長開始時における種結晶９と液面８０との間の高さ方向距離をＨ１に設定した場合、図２に示すとおり、ＳｉＣ単結晶９０の成長に伴い、液面８０が低下し、距離Ｈ１が距離Ｈ１＋ΔＨ１に広がる。

変動幅ΔＨ１が基準値Ｒｅｆ１を超えて大きくなれば、種結晶９と溶液８０の間の距離が過剰に大きくなる。この場合、中蓋６０による保温効果が低減する。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液８の周辺領域の温度が不均一になる。さらに、Ｓｉ−Ｃ溶液８の近傍領域の温度も不均一になり、ＳｉＣの過飽和度が過剰に大きくなり、インクルージョンが形成され易くなる。その結果、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。そこで、第１の実施の形態では、成長工程中において、次に説明する中蓋調整工程を実施して、中蓋６０による保温効果を高める。

［中蓋調整工程］
中蓋調整工程では、中蓋６０及び坩堝７のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整する。

具体的には、図３に示すとおり、坩堝７（基台５０）の高さ位置は固定したまま、中蓋６０を降下して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整する。上述のとおり、製造装置１００は、中蓋駆動機構６により、中蓋６０を坩堝７と別個独立して昇降できる。そのため、坩堝７の高さ位置を固定したまま、中蓋６０を降下できる。

図３では、坩堝７の高さ位置を固定したまま、中蓋６０を降下して変動幅ΔＨ１を調整する。しかしながら、中蓋６０の高さ位置を固定したまま、坩堝７（基台５０）を上昇して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整してもよい。

具体的には、図１及び図４に示すとおり、中蓋６０の高さ位置は固定したまま、昇降装置５２Ａを駆動してシャフト５１及び基台５０を上昇する。これにより、坩堝７が上昇し、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整できる。

以上のとおり、第１の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法では、成長工程中において、中蓋６０及び坩堝７のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動し、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１内にする。これにより、結晶成長時間が、例えば、３０時間以上、４０時間以上、５０時間以上といった長時間になっても、中蓋６０の保温効果を維持できる。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液８の近傍領域及び周辺領域の温度のばらつきを抑制でき、ＳｉＣ多結晶及びインクルージョンの発生を抑制できる。その結果、質の高いＳｉＣ単結晶を製造できる。

成長工程におけるＳｉ−Ｃ溶液８の液面８０の変動量は、種々の方法で特定することができる。たとえば、成長工程において、結晶成長開始時からの経過時間に応じた液面８０の高さ位置を成長工程前に予め求める（サンプル工程）。

具体的には、上述のＳｉＣ単結晶９０と同じ原料を坩堝７に収納し、生成工程でサンプルＳｉ−Ｃ溶液８を生成する。その後、坩堝７をそのまま冷却する。冷却後、坩堝７をチャンバ１から取り出し、坩堝７におけるサンプルＳｉ−Ｃ溶液８の液面８０（常温のため凝固）の高さを測定する。さらに、上記同じ原料を収納した別の坩堝７を準備し、上述のＳｉＣ単結晶９０の成長条件（結晶成長速度及び結晶成長時間等）でサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる。成長終了後、冷却された坩堝７内の液面８０の高さを求める。結晶成長時間、成長工程開始時の液面８０及び成長工程完了時の液面８０の高さに基づいて、結晶成長中の単位時間あたりの液面８０の変動量を求める。

サンプルＳｉＣ単結晶の成長開始時の液面８０の位置を求める方法は、上記方法に限定されない。例えば、次のような方法がある。先ず、上述のサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる。続いて、サンプルＳｉ−Ｃ溶液８を凝固させる。そして、坩堝７の内周面に現れるサンプルＳｉ−Ｃ溶液８の痕跡を参照して、成長開始時の液面８０の位置を特定する。

このようにして求められた、単位時間当たりの液面８０の変動量に基づいて、中蓋６０及び坩堝７のいずれか一方の他方に対する相対移動量を決定する。決定された相対移動量に基づいて、成長工程中における液面８０と中蓋６０との間の距離の変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１の範囲内に調整する。

液面８０の位置を求める方法は、上述の方法に限定されない。例えば、液面８０の位置をシミュレーションにより求めてもよい。

経過時間に応じた液面８０の高さ位置を求めるために、単位時間当たりのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面８０の高さ位置の変動量を求めなくてもよい。たとえば、サンプルＳｉＣ単結晶の成長開始時及びある経過時間におけるサンプルＳｉ−Ｃ溶液８の液面８０の位置を測定し、その結果に基づいて、経過時間に応じた液面８０の高さを決定してもよい。

実際のＳｉＣ単結晶９０の成長工程において、液面８０の位置を測定してもよい。液面８０の位置を測定する方法として、たとえば、非接触で光学的に検出する方法や、液面８０に図示しない治具を接触させて、電気的に検出する方法等がある。非接触で光学的に検出する方法は、例えば、三角測量の原理に基づく。液面８０を直接の反射体とし、液面８０の位置を求める。電気的に検出する方法は、例えば、チャンバ１とは電気的に絶縁された導電性材料からなる治具（例えば、黒鉛製の棒）を降下して、液面８０に接触させる。このとき、治具に電圧を印加しておけば、治具が液面８０と接触したときに通電する。たとえば、治具が一対ある場合には、一対の治具の間で通電する。又は、一つの治具とシードシャフト４１との間で通電させてもよい。通電が発生したときの治具の位置に基づいて、液面８０の位置を検出する。液面８０の位置を検出したら、治具を上昇させて、液面８０から離す。所定時間経過したら、治具を再び降下させて、液面８０の位置を検出する。このときに用いる治具は、先の検出に用いた治具とは異なる治具であることが好ましい。先の検出に用いた治具では、治具に凝固したＳｉ−Ｃ溶液８が付着している可能性があるためである。

上述のようにして、成長工程中の液面８０の位置を特定することができる。そのため、特定された液面８０の位置に基づいて、中蓋６０及び坩堝７のいずれか一方を他方に対して相対移動して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１内に調整できる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、Ｓｉ−Ｃ溶液８の近傍領域及び周辺領域の温度ばらつきを抑制するため、中蓋６０及び液面８０の間の距離の変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１内に調整する。

ところで、液面８０が低下すれば、液面８０と高周波コイル３との位置関係（高さ方向の相対位置関係）がずれる。この場合、高周波コイル３によるＳｉ−Ｃ溶液８の加熱条件が変化しやすい。そのため、液面８０と高周波コイル３との位置関係は、結晶成長開始時の位置関係を維持できる方が好ましい。

図５は、第２の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造装置２００の全体構成図である。図５を参照して、製造装置２００は、製造装置１００と比較して、高周波加熱コイル３の昇降機構３０を備える。製造装置２００のその他の構成は、製造装置１００と同じである。昇降機構３０は、高周波加熱コイル３を昇降する。昇降機構３０は、支持部材３１と、昇降装置３２とを備える。支持部材３１は、連結部材３１Ａと、架台３１Ｂとを備える。本例では、連結部材３１Ａは一対の棒であり、その上端が高周波加熱コイル３の下端に固定される。連結部材３１Ａの下端は、架台３１Ｂに固定される。架台３１Ｂは、チャンバ１の下方に配置され、昇降装置３２と連結される。昇降装置３２は、支持部材３１を介して、高周波加熱コイル３を昇降する。

高周波加熱コイル３は、高さ方向で加熱能力が異なる場合がある。一般的に、高周波加熱コイル３の高さ方向の中央ＨＭで最も加熱能力が高い。したがって、成長工程中において、高周波加熱コイル３と液面８０との高さ方向の相対位置関係は、なるべく維持できる方が好ましい。

図５に示すとおり、成長工程開始時において、液面８０の高さが高周波加熱コイル３の高さ中央ＨＭと一致すると仮定する。この場合、中央ＨＭと液面８０との高さ方向の距離Ｈ２は０である。

第２の実施の形態では、成長工程において、高周波加熱コイル３を昇降することにより、中央ＨＭと液面８０との高さ方向の距離Ｈ２の変動幅ΔＨ２を、基準値Ｒｅｆ２以内に調整する（コイル調整工程）。変動幅ΔＨ２は、高周波加熱コイル３とＳｉ−Ｃ溶液８との高さ方向の相対位置の変動幅に相当する。この場合、高周波加熱コイル３と液面８０との相対位置の変動幅を基準値Ｒｅｆ２の範囲内に納めることができる。そのため、結晶成長時間が経過しても、高周波加熱コイル３によるＳｉ−Ｃ溶液８への加熱能力が変動しにくく、Ｓｉ−Ｃ溶液８の温度の変動を抑制しやすい。

具体的には、図６に示すとおり、結晶成長時間の経過とともに、液面８０が図中の破線位置から実線位置に低下すると仮定する。この場合、昇降装置３２により、高周波加熱コイル３を、結晶成長時間の経過とともに下降して、変動幅ΔＨ２が基準値Ｒｅｆ２内に収まるように調整する。

なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、成長工程中において、中蓋６０及び坩堝７のいずれか一方を他方に対して相対的に移動して、変動幅ΔＨ１が基準値Ｒｅｆ１内に収まるように調整する。

上述の実施の形態において、基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２は、過去のＳｉＣ単結晶の製造実績等に基づいて適宜設定される。

上述の実施の形態において、中蓋昇降機構６は、上述の構成に限定されない。中蓋昇降機構６は、中蓋６０を昇降できれば、その構成は特に限定されない。同様に、坩堝昇降機構６は、坩堝７を昇降できれば、その構成は特に限定されない。同様に、高周波加熱コイル昇降機構３０は、高周波加熱コイル３０を昇降できれば、その構成は特に限定されない。

上述の実施の形態では、ＳｉＣ単結晶の製造装置は、中蓋を昇降でき、かつ、坩堝（基台）も昇降できる。しかしながら、製造装置は、中蓋及び坩堝（基台）の一方のみを昇降できてもよい。たとえば、製造装置が、中蓋を昇降でき、坩堝は昇降できなくてもよい。この場合、坩堝の高さ位置は固定されるので、中蓋を昇降することにより、変動幅ΔＨ１を調整する。一方、製造装置が、坩堝を昇降でき、中蓋を昇降できなくてもよい。この場合、中蓋の高さ位置は固定されるため、坩堝を昇降することにより、変動幅ΔＨ１を調整する。

表１に示す本発明例１〜３、比較例１及び２の製造条件で、ＳｉＣ単結晶を製造し、製造されたＳｉＣ単結晶の質を評価した。

［本発明例１］
Ｓｉ−Ｃ溶液の原料の組成は、原子比で、Ｓｉ：Ｃｒ＝０．６：０．４であった。Ｓｉ−Ｃ溶液における種結晶近傍の温度（結晶成長温度）は、１９００℃であった。種結晶近傍領域の温度勾配は、１５℃／ｃｍであった。使用した種結晶は、４Ｈ多形のＳｉＣ単結晶であり、下面（結晶成長面）は、（０００−１）面であった。結晶成長開始時のメニスカス高さは０．５ｍｍであった。

製造装置は、図１と同じ構成の製造装置１００を使用した。本発明例１では、成長工程中の中蓋６０の高さ位置を固定し、液面８０の低下に応じて坩堝７を上昇することにより、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１＝０．５ｍｍ以下に抑えるように調整した。

具体的には、結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフト４１を上昇した。成長工程中におけるシードシャフト４１の上昇速度は、０．１５８ｍｍ／ｈｒであった。坩堝７の上昇速度は、０．１３３ｍｍ／ｈｒであった。結晶成長時間は６０時間であった。

結晶成長開始から終了までの液面低下量は６．９ｍｍであり、坩堝の上昇量は７．３ｍｍであった。シードシャフト４１の上昇量は８．７ｍｍであった。その結果、変動幅ΔＨ１は０．４ｍｍであった。なお、製造されたＳｉＣ単結晶の厚みは８．８ｍｍであった。

［本発明例２］
本発明例２では、本発明例１と同じ製造装置及び種結晶を用い、本発明例１と同じ結晶成長温度、温度勾配で結晶成長を行った。Ｓｉ−Ｃ溶液の原料の組成は、原子比で、Ｓｉ：Ｔｉ＝０．７７：０．２３であった。さらに、成長工程中の中蓋６０の高さ位置を固定し、液面８０の低下に応じて坩堝７を上昇して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１＝０．５ｍｍ以下に抑えるように調整した。

具体的には、結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフト４１を上昇した。成長工程中におけるシードシャフトの上昇速度は、０．１１５ｍｍ／ｈｒであった。坩堝の上昇速度は、０．０９ｍｍ／ｈｒであった。結晶成長時間は６０時間であった。

結晶成長開始から終了までの液面低下量は４．９ｍｍであり、坩堝７の上昇量は５．０ｍｍであった。シードシャフト４１の上昇量は６．３ｍｍであった。その結果、変動幅ΔＨ１は０．１ｍｍであった。なお、製造されたＳｉＣ単結晶の厚みは６．５ｍｍであった。

［本発明例３］
本発明例３では、本発明例１と同じ製造装置、種結晶、及びＳｉ−Ｃ溶液の原料を用い、本発明例１と同じ結晶成長温度、温度勾配で結晶成長を行った。本発明例１及び２と異なり、成長工程中の坩堝７の高さ位置を固定して、液面８０の低下に応じて中蓋６０を下降して、変動幅ΔＨ１を基準値Ｒｅｆ１＝０．５ｍｍ以下に抑えるように調整した。

具体的には、結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフト４１を上昇した。成長工程中におけるシードシャフト４１の上昇速度は、０．００７ｍｍ／ｈｒであった。中蓋６０の下降速度は、０．１２７ｍｍ／ｈｒであった。結晶成長時間は６０時間であった。

結晶成長開始から終了までの液面低下量は６．９ｍｍであり、シードシャフト４１の上昇量は０．４ｍｍであった。中蓋６０の下降量は７．０ｍｍであった。その結果、変動幅ΔＨ１は０．１ｍｍであった。なお、製造されたＳｉＣ単結晶の厚みは７．３ｍｍであった。

［比較例１］
比較例１では、図７に示す製造装置３００を使用した。製造装置３００は、製造装置１００と比較して、中蓋駆動機構６を備えなかった。さらに、坩堝７に変えて、坩堝７０を使用した。坩堝７０は、坩堝７と比較して、内周面に固定された中蓋７１を備えた。坩堝７０のその他の構成は、坩堝７と同じとした。比較例１では、種結晶、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料、結晶成長温度、及び温度勾配は、本発明例１と同じであった。

坩堝及びシードシャフトを上昇しながら、ＳｉＣ単結晶を製造した。結晶成長開始時のメニスカスは０．５ｍｍであった。結晶成長時間は６０時間であった。

結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフト４１を上昇した。成長工程中におけるシードシャフト４１の上昇速度は、０．１１ｍｍ／ｈｒであった。坩堝７０の上昇速度は、０．１３６ｍｍ／ｈｒであった。結晶成長時間は６０時間であった。

結晶成長開始から終了までの液面低下量は７．５ｍｍであり、坩堝７の上昇量も７．５ｍｍであった。シードシャフト４１の上昇量は６．０ｍｍであった。なお、中蓋７１は坩堝７０とともに上昇するため、上昇量は７．５ｍｍであった。

［比較例２］
比較例２では、比較例１と同様に、図７に示す製造装置３００を使用した。比較例１と同様に、坩堝及びシードシャフトを上昇しながら、ＳｉＣ単結晶を製造した。比較例２では、種結晶、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料、及び温度勾配は、本発明例１と同じであった。結晶成長温度は１９５０℃であった。結晶成長開始時のメニスカスは０．５ｍｍであった。結晶成長時間は６５時間であった。

結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフト４１を上昇した。成長工程中におけるシードシャフト４１の上昇速度は、０．１５２ｍｍ／ｈｒであった。坩堝の上昇速度は、０．１４９ｍｍ／ｈｒであった。結晶成長時間は６５時間であった。

結晶成長開始から終了までの液面低下量は９．９ｍｍであり、坩堝の上昇量も９．９ｍｍであった。シードシャフト４１の上昇量は９．７ｍｍであった。なお、中蓋７１は坩堝７０とともに上昇するため、上昇量は９．７ｍｍであった。

［評価方法］
上述の製造方法により製造された本発明例１〜３及び比較例１及び２において、上述の結晶成長時間が終了した後、シードシャフト４１を上昇して、成長したＳｉＣ単結晶をＳｉ−Ｃ溶液から切り離した。その後、チャンバ内を室温まで徐冷した。

徐冷後、ＳｉＣ単結晶の下面（結晶成長面）を光学顕微鏡で観察した。結晶成長面が平坦である場合、成長工程中のＳｉ−Ｃ溶液の近傍領域及び周辺領域の温度のばらつきが小さいことを示す。この場合、単結晶が成長しやすいため、良好と判断した。結晶成長面の縁が中央部よりもせり上がっている場合（つまり、結晶成長面の端部が優先的に成長している場合）、成長工程中のＳｉ−Ｃ溶液の近傍領域及び周辺領域の温度のばらつきが大きいことを示す。この場合、単結晶が成長しにくいため、不良と判断した。

表１に結果を示す。表１中の評価欄のうち、「Ｇ（Ｇｏｏｄ）」は、結晶成長面が平坦であったことを示す。「ＮＡ（Ｎｏｔ Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ）」は、結晶成長面の端部が中央部よりもせり上がっていることを示す。

表１を参照して、本発明例１〜３では、結晶成長面が平坦であり、良好であった。中蓋と液面との間の距離の変動が基準値Ｒｅｆ１以内であったためと考えられる。一方、比較例１及び２では、結晶成長面の端部が中央部よりもせり上がっていた。結晶成長時間に伴って、中蓋と液面との間の距離が広がりすぎ、Ｓｉ−Ｃ溶液８に温度ばらつきが生じたためと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (9)

1. 溶液成長法によりＳｉＣ単結晶を製造する製造方法であって、
   Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収納された坩堝と、種結晶が下端に取付けられたシードシャフトと、前記シードシャフトを通す貫通孔を中央に有し、前記坩堝内に配置可能な中蓋とを備える製造装置を準備する準備工程と、
   前記坩堝内の前記原料を加熱して、前記Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する生成工程と、
   前記Ｓｉ−Ｃ溶液に前記種結晶を接触させて、前記種結晶上に前記ＳｉＣ単結晶を製造する成長工程と、
   前記成長工程中において、前記中蓋及び前記坩堝のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、前記中蓋と前記Ｓｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の変動幅を第１基準範囲内に調整する中蓋調整工程とを備える、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記中蓋調整工程では、前記成長工程中の前記Ｓｉ−Ｃ溶液の単位時間当たりの液面高さの変動量に基づいて、前記中蓋と前記Ｓｉ−Ｃ溶液との間の高さ方向距離の前記変動幅を調整する、製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の製造方法であって、
   前記製造装置はさらに、前記坩堝の周りに配置される高周波加熱コイルを備え、
   前記製造方法はさらに、
   前記成長工程中において、前記高周波加熱コイル及び前記坩堝のいずれか一方を他方に対して高さ方向に相対移動して、前記高周波加熱コイルと前記Ｓｉ−Ｃ溶液との高さ方向の相対位置の変動幅を第２基準範囲内に調整するコイル調整工程を備える、製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法であって、
   前記コイル調整工程では、前記成長工程中の前記Ｓｉ−Ｃ溶液の単位時間当たりの液面高さの変動量に基づいて、前記高周波加熱コイルと前記Ｓｉ−Ｃ溶液との高さ方向の相対位置の変動幅を調整する、製造方法。
5. 溶液成長法によりＳｉＣ単結晶を製造する製造装置であって、
   Ｓｉ−Ｃ溶液を収容可能な坩堝を収納可能なチャンバと、
   前記坩堝を配置可能な基台と、
   種結晶を取付け可能な下端面を有するシードシャフトと、
   中央に前記シードシャフトを通す貫通孔を有し、前記坩堝内であって前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面の上方に配置可能な中蓋とを備え、
   前記基台及び前記中蓋のうちのいずれか一方は、他方に対して相対的に高さ方向に移動可能である、ＳｉＣ単結晶の製造装置。
6. 請求項５に記載の製造装置であってさらに、
   筒状の高周波加熱コイルを備え、
   前記坩堝は、高周波加熱コイル内に配置可能であり、
   前記基台及び前記高周波加熱コイルのいずれか一方は、他方に対して相対的に高さ方向に移動可能である、製造装置。
7. 請求項５又は６に記載の製造装置であって、
   前記シードシャフト及び前記基台と別個独立して前記中蓋を昇降する中蓋昇降機構を備える、製造装置。
8. 請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の製造装置であって、
   上端に前記坩堝を配置可能であり、前記中蓋と別個独立して前記基台を昇降する坩堝昇降機構を備える、製造装置。
9. 請求項６に記載の製造装置であって、
   前記高周波加熱コイルを昇降するコイル昇降機構を備える、製造装置。
   

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