WO2011040240A1 - SiC単結晶およびその製造方法 - Google Patents

SiC単結晶およびその製造方法 Download PDF

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民雅 呂
米澤 喜幸
鈴木 健
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富士電機ホールディングス株式会社
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    • C30B9/08Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution using other solvents
    • C30B9/10Metal solvents

Definitions

  • the present invention relates to a SiC single crystal and a method for manufacturing the same, and more particularly to a SiC single crystal for manufacturing a power device substrate by a solution growth method and a method for manufacturing the same.
  • SiC has attracted attention as a power device material that exceeds the performance limit of Si power devices because its band gap is about 3 times that of Si, dielectric breakdown voltage is about 7 times, and thermal conductivity is about 3 times.
  • SiC is an ionic covalent crystal and has a crystal polymorphism (polytype) having a crystallographically identical composition and various laminated structures with respect to the c-axis direction. Examples of the polytype include 4H (hexagonal system with four molecules as one period), 6H (hexagonal system with six molecules as one period), 3C (cubic system with three molecules as one period), 15R. (Rhombohedral system with 15 molecules as one period).
  • SiC has a different probability of occurrence depending on the polytype, and physical properties such as thermal stability, band gap, mobility, and impurity level are also different. Therefore, in order to apply to optical devices and electronic devices, a homogeneous single crystal substrate in which a plurality of polytypes are not mixed is required. In particular, as a power device application, 4H—SiC having a large band gap is required.
  • the conventionally known SiC single crystal growth methods include a sublimation method, a CVD method, and a solution growth method.
  • the sublimation method is a method in which high-purity SiC powder is heated to 2200 ° C. to 2500 ° C., and the sublimated raw material is supplied to the surface of the seed crystal set at a lower temperature than the powder for recrystallization.
  • Various chemical species composed of Si and C are mixed in the sublimation gas, and complex reactions occur, so that polymorphic transition is likely to occur and lattice defects such as dislocations are likely to occur. Since this dislocation causes a leak when a PN diode is formed, a reduction in dislocation density (EPD) is desired.
  • the CVD method is a method in which a diluted hydrocarbon gas and a silane gas are simultaneously supplied onto a single crystal seed crystal substrate, and an SiC single crystal is epitaxially grown on the substrate surface by a chemical reaction.
  • the CVD method grows by balancing etching and deposition, so that the growth rate is slow and is not suitable for manufacturing a bulk single crystal. Therefore, it is mainly used as an epitaxial growth method for the drift layer.
  • a melt containing Si and C is brought into contact with a seed crystal, and the temperature of the seed crystal is made lower than that of the melt, so that the melt is supersaturated with SiC, and a SiC single crystal is grown on the surface of the seed crystal. It is a method to make it.
  • the solution growth method has fewer lattice defects than other growth methods, and crystal polymorphism hardly occurs, so that a high-quality single crystal can be obtained.
  • the growth rate is slow because the solubility of C in the Si melt is very low.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-002173 discloses, as this solution growth method, a formula including Si, C, and M (M: one of Mn and Ti) and an atomic ratio of Si and M of Si 1-x M x When M is Mn, 0.1 ⁇ x ⁇ 0.7, and when M is Ti, 0.1 ⁇ x ⁇ 0.25 from the melt of the alloy onto the seed crystal substrate.
  • a method for growing a single crystal is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-261843 includes Si, C, V, and Ti, and the atomic ratio of Si and V is expressed as 0.1 [V] / ([Si] + [V]). ⁇ [V] / ([Si] + [V]) ⁇ 0.45 is satisfied, and the atomic ratio of Si and Ti is expressed by the formula [Ti] / ([Si] + [Ti]).
  • the SiC seed crystal substrate is brought into contact with the melt satisfying the relationship of 0.1 ⁇ [Ti] / ([Si] + [Ti]) ⁇ 0.25 and the melt is supercooled around the seed crystal substrate.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-076986 includes Si, Ti, M (M: any one of Co, Mn, or Al) and C, and the atomic ratio of Si, Ti, and M is Si x Ti y M z.
  • M Co or Mn
  • M Al
  • a seed crystal substrate for SiC growth is brought into contact with a melt satisfying 17 ⁇ y / x ⁇ 0.33 and 0.33 ⁇ (y + z) /x ⁇ 0.60, and the melt is passed around the seed crystal substrate.
  • a method is disclosed in which a SiC single crystal is grown on a seed crystal substrate by cooling to bring the SiC in the melt into a supersaturated state.
  • the C concentration in the melt at 2000 ° C. or lower can be increased as compared with the Si—C binary system.
  • the crystal growth rate can be increased.
  • the addition of Ti makes it possible to obtain a high-quality SiC single crystal at a growth rate several times faster than liquid phase growth from a conventional Si—C binary melt.
  • Ti addition is stable with respect to the growth of 6H-SiC single crystals, when growing 4H-SiC single crystals, which are promising for power device applications, 6H-SiC polytypes are mixed, resulting in stable growth. There is a problem that can not be done.
  • the C concentration in the melt is significantly increased by adding Mn, since the vapor pressure of Mn is low, stable growth over a long time is difficult.
  • the present invention provides a method for stably producing a 4H—SiC single crystal over a long period of time at an effective crystal growth rate even in a low temperature range of 2000 ° C. or lower, and the 4H— An object is to provide a SiC single crystal.
  • a method for producing a SiC single crystal according to the present invention includes a step of dissolving C in a solvent obtained by heating and melting a raw material containing Si, Ti and Ni to form a melt, A SiC single crystal is grown on the SiC seed crystal by bringing the SiC seed crystal into contact with the melt and bringing the melt into a SiC supersaturated state in the vicinity of the surface of the SiC seed crystal. It is what.
  • the atomic ratio of Ti to Si preferably satisfies the relationship 0.05 ⁇ [Ti] / ([Si] + [Ti]) ⁇ 0.3, and the total atomic ratio of Ti and X to Si is 0. 0.1 ⁇ ([Ti] + [Ni]) / ([Si] + [Ti] + [Ni]) ⁇ 0.65 is preferably satisfied.
  • the method for producing a SiC single crystal according to the present invention is preferably performed under atmospheric pressure or under pressure.
  • this invention is a SiC single crystal manufactured by the method mentioned above as another aspect.
  • the solubility of C in the melt at a low temperature range of 2000 ° C. or lower is increased, and the C concentration in the melt can be maintained high.
  • 6H—SiC polytype mixing can be suppressed, a 4H—SiC single crystal can be stably produced over a long period of time at an effective crystal growth rate.
  • a graphite crucible 1 is located in the center, and a furnace core tube 2, a quartz tube 3 and a heat insulating material 4 cover the outside of the crucible 1 in this order.
  • the furnace core tube 2 may be at atmospheric pressure or in a pressurized state.
  • a high frequency coil 5 is further installed outside the heat insulating material 4.
  • the upper part of the crucible 1 is opened, and the water-cooled dip shaft 7 is arranged so as to be movable in the vertical direction through the opening.
  • a seed crystal substrate 8 is attached to the lower end of the dip shaft 7.
  • the seed crystal substrate 8 is made of an SiC single crystal having the same crystal structure as the SiC single crystal to be manufactured.
  • a melt 6 is stored in the crucible 1.
  • raw materials containing Si, Ti and Ni are put into the crucible 1.
  • the raw material may be in the form of powder, granules, or lumps.
  • the atomic ratio of Ti to Si preferably satisfies the relationship of 0.05 ⁇ [Ti] / ([Si] + [Ti]) ⁇ 0.3.
  • the total atomic ratio of Ti and Ni to Si satisfies the relationship of 0.1 ⁇ ([Ti] + [Ni]) / ([Si] + [Ti] + [Ni]) ⁇ 0.65. Is preferred.
  • the C concentration in the melt can be increased in a low temperature range of 2000 ° C. or lower, and a SiC single crystal, particularly at a faster crystal growth rate.
  • the 4H—SiC single crystal can be stably grown.
  • stable SiC single crystal can be reliably grown at this higher crystal growth rate.
  • a more preferable range of the atomic ratio of Ti to Si is 0.1 ⁇ [Ti] / ([Si] + [Ti]) ⁇ 0.3.
  • a more preferable range of the total atomic ratio of Ti and Ni to Si is 0.105 ⁇ ([Ti] + [Ni]) / ([Si] + [Ti] + [Ni]) ⁇ 0.45, A more preferable range is 0.35 ⁇ ([Ti] + [X]) / ([Si] + [Ti] + [X]) ⁇ 0.45.
  • the atomic ratio of Ni to Ti preferably satisfies the relationship of 0.05 ⁇ [Ni] / ([Ti] + [Ni]) ⁇ 0.70.
  • the atomic ratio of X within this range, the effect of adding two elements of Ti and Ni can be sufficiently exhibited.
  • a more preferable range of the atomic ratio of Ni to Ti is 0.05 ⁇ [Ni] / ([Ti] + [Ni]) ⁇ 0.54, and a more preferable range is 0.15 ⁇ [X] / ( [Ti] + [X]) ⁇ 0.54.
  • the raw material charged in the crucible 1 is induction-heated by the high frequency coil 5 and is completely melted.
  • a material in which this raw material is melted is called a solvent.
  • C is dissolved in this solvent to prepare a melt 6 containing Si, C, Ti and Ni.
  • a method for dissolving C is not particularly limited, but a method of eluting C from a graphite crucible 1 into a solvent, or a gas containing C from the opening of the crucible 1 is supplied into the crucible 1 to perform a gas-liquid interface reaction. Preferred is a method of dissolving C in a solvent, or both.
  • a graphite crucible that does not contain impurities so that impurities other than C are not eluted in the solvent.
  • a hydrocarbon gas or a hydrocarbon gas diluted with hydrogen as the gas containing C.
  • a gas containing Si can be supplied together with a gas containing C.
  • the Si source, silane, disilane, silane chloride represented by SiH n Cl 4-n, n is 1, 2 or 3 are preferred. Since Si is consumed together with C from the melt 6 by the growth of the SiC single crystal, the composition of the melt 6 is changed by supplying the gas containing Si and dissolving the Si in the melt 6 in this way. Can be maintained.
  • the solubility of C in the melt 6 increases.
  • the solubility of C in the melt 6 is further increased in a low temperature range of 2000 ° C. or lower, and the C concentration in the melt 6 is reduced. Can be higher.
  • the temperature of the melt 6 that can maintain such a high C concentration is preferably at least 1000 ° C., more preferably 1200 ° C. or more, and even more preferably 1500 ° C. or more.
  • the temperature of the melt 6 exceeds 2000 ° C., there is no technical problem, but from the viewpoint of energy efficiency, it is preferably 2000 ° C. or less, more preferably 1700 ° C. or less, and further preferably 1650 ° C. or less. .
  • the dip shaft 7 with the seed crystal substrate 8 attached to the lower end is lowered until the seed crystal substrate 8 is immersed in the melt 6. Then, cooling water (not shown) is allowed to flow inside the dip shaft 7 to cool the seed crystal substrate 8. As a result, a temperature gradient is generated in the melt 6 so that the temperature of the seed crystal substrate 8 side becomes low.
  • the temperature gradient ⁇ T is preferably 40 ° C./cm.
  • SiC is supersaturated near the surface of seed crystal substrate 8, and a SiC single crystal is deposited on the surface of seed crystal substrate 8. In order to grow a uniform crystal during crystal growth, it is preferable to rotate the dip shaft 7 and / or the crucible 1.
  • the SiC single crystal that can be grown according to the present invention is not particularly limited, but by adding Ti and Ni to the melt 6, among the SiC single crystals, 4H—SiC single crystal, in particular, can be stably grown at a high crystal growth rate. Can be made.
  • the SiC single crystal growth test was performed using the SiC single crystal growth apparatus shown in FIG. First, a raw material having a composition of Ti 0.15 Ni 0.15 Si 0.7 was placed in a graphite crucible, and the crucible was heated to 1600 ° C. in an Ar atmosphere at a pressure of 1 atm. As a result, all the raw materials were melted, and C was dissolved from the inner wall of the crucible, so that a melt containing Si, C, Ti and Ni was generated.
  • a 4H—SiC seed crystal substrate having a thickness of 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 0.35 mm was fixed to the lower end of the water-cooled dip shaft, and lowered until the lower end of the dip shaft was immersed in the melt in the crucible.
  • the inside of the SiC single crystal growth apparatus is adjusted again to an Ar atmosphere of 1 atm, and then the crucible and the dip shaft are rotated in opposite directions at a speed of 5 rpm.
  • the dip axis was cooled with water, and crystal growth was performed for 10 hours (Example 1).
  • Table 1 shows the results of the composition and growth time of the changed raw material and the film thickness of the obtained SiC single crystal.
  • Example 2 using the raw material having the same composition as Example 1, a crystal having a film thickness of about 92 ⁇ m was obtained in a growth time of 1 hour. Therefore, it was confirmed that the SiC single crystal grew stably at a crystal growth rate of about 100 ⁇ m / hr for a long time.
  • crystallization obtained in this Example 2 with the optical microscope is shown in FIG.
  • SiC single crystal layer 10 was grown on seed crystal substrate 8.
  • the crystal growth rate was lower than in Example 1, and thus it was confirmed that Si preferably maintained a constant composition ratio.

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Abstract

 2000℃以下の低温域においても、実効的な結晶成長速度で、長時間にわたり安定的にSiC単結晶、特に4H-SiC単結晶を成長させる。黒鉛製の坩堝1内に、先ず、Si、Ti及びNiを含む原料を投入し、加熱融解させて溶媒とするとともに、坩堝1からCを溶媒に溶解させて融液6を形成する。次に、SiC種結晶基板8を融液6に接触させ、SiC種結晶基板8の表面近傍で融液6をSiC過飽和状態とすることによって、SiC種結晶基板8上にSiC単結晶を成長させることで、SiC単結晶を製造する。

Description

SiC単結晶およびその製造方法
 本発明は、SiC単結晶およびその製造方法に関し、詳しくは、溶液成長法によって、パワーデバイス用基板を作製するためのSiC単結晶およびその製造方法に関する。
 SiCはバンドギャップがSiの約3倍、絶縁破壊電圧が約7倍、熱伝導率が約3倍と大きいことから、Siパワーデバイスの性能限界を超えるパワーデバイス用材料として注目されている。SiCは、イオン性を有する共有結合結晶であり、結晶学的には同一の組成でc軸方向に対して多様な積層構造をとる結晶多形(ポリタイプ)を示す。ポリタイプとしては、例えば、4H(4分子を1周期とする六方晶系)、6H(6分子を1周期とする六方晶系)、3C(3分子を1周期とする立方晶系)、15R(15分子を1周期とする菱面晶系)等がある。
 SiCは、ポリタイプによって発生確率が異なり、熱的安定性や禁制帯幅、移動度、不純物準位などの物性も異なる。そのため、光デバイスや電子デバイスへ応用するためには、複数のポリタイプが混在していない均質な単結晶基板が求められる。特にパワーデバイス用途としては、バンドギャップの大きい4H-SiCが求められている。
 これまでに知られているSiC単結晶の成長方法として、昇華法、CVD法、溶液成長法が挙げられる。
 常圧では液相は存在しないため、現在最も用いられているSiC単結晶作製法は昇華法である。昇華法は、高純度のSiC粉末を2200℃~2500℃に加熱し、昇華した原料を、粉末より低温に設定した種結晶表面に供給して再結晶化させる方法である。昇華ガス中にSiとCから成る様々な化学種が混在し、複雑な反応が起こることで多形転移が起こりやすく転位などの格子欠陥が発生しやすい。この転位は、PNダイオードを形成した際にリークの原因となることから、転位密度(EPD)の低減が望まれている。
 CVD法は、単結晶種結晶基板上に希釈した炭化水素ガスおよびシランガスを同時に供給し、基板表面において化学反応によりSiC単結晶をエピタキシャル成長させる方法である。CVD法は、エッチングと堆積をバランスさせて成長させるため、成長速度が遅く、バルク単結晶の製造には適していない。そのため、主にドリフト層のエピタキシャル成長法として用いられている。
 溶液成長法は、SiとCを含む融液と種結晶を接触させ、種結晶の温度を融液より低温とすることで融液をSiCの過飽和状態とし、種結晶表面にSiC単結晶を成長させる方法である。溶液成長法では、他の成長法と比較して格子欠陥が少なく、結晶多形が生じにくいことから、高品質な単結晶が得られる。しかしながら、2000℃以下の実用的な温度では、Si融液に対するCの溶解度が非常に低いため、成長速度が遅い。
 特開2004-002173号公報には、この溶液成長法として、SiとCとM(M:MnまたはTiの一方)とを含み、SiとMの原子比が、Si1-xxなる式で表して、MがMnである場合は0.1≦x≦0.7、MがTiである場合は0.1≦x≦0.25である合金の融液から、種結晶基板上に単結晶を成長させる方法が開示されている。
 特開2007-261843号公報には、SiとCとVとTiを含み、SiとVの原子比が、[V]/([Si]+[V])なる式で表して、0.1≦[V]/([Si]+[V])≦0.45の関係を満たし、かつSiとTiの原子比が、[Ti]/([Si]+[Ti])なる式で表して、0.1≦[Ti]/([Si]+[Ti])≦0.25の関係を満たす融液に、SiC種結晶基板を接触させ、種結晶基板周辺で融液を過冷却することにより、融液中のSiCを過飽和状態とすることで、種結晶基板上にSiC単結晶を成長させる方法が開示されている。
 特開2007-076986号公報には、SiとTiとM(M:Co、MnまたはAlのいずれか一種)とCとを含み、SiとTiとMの原子比が、SixTiyzなる式で表して、MがCoまたはMnの場合は、0.17≦y/x≦0.33、かつ0.90≦(y+z)/x≦1.80、MがAlの場合は0.17≦y/x≦0.33、かつ0.33≦(y+z)/x≦0.60を満たす融液に、SiC成長用の種結晶基板を接触させ、種結晶基板周辺で融液を過冷却することにより、融液中のSiCを過飽和状態とすることによって、種結晶基板上にSiC単結晶を成長させる方法が開示されている。
特開2004-002173号公報 特開2007-261843号公報 特開2007-076986号公報
 特開2004-002173号公報の記載の方法によれば、Mn又はTiを添加することで、Si-C二元系と比較して、2000℃以下における融液中のC濃度を高めることができ、結晶成長速度を速くすることができる。特に、Tiの添加によって、従来のSi-C二元系融液からの液相成長と比較して、数倍速い成長速度で高品質なSiC単結晶を得ることができる。しかしながら、Ti添加は6H-SiC単結晶の成長に関しては安定しているものの、パワーデバイス用途に有望な4H-SiC単結晶の成長を行う場合、6H-SiCのポリタイプ混入が起こり安定した成長を行うことができないという問題がある。またMnを添加することで融液中のC濃度は大幅に上昇するものの、Mnの蒸気圧が低いことから、長時間にわたる安定的な成長は困難である。
 特開2007-261843号公報および特開2007-076986号公報に記載の方法は、Si-Ti-C三元系にV、Co、Mn又はAlを更に添加することによって、よりC濃度が高い融液を用いて液相成長を行う方法であるが、4H-SiC単結晶の成長においては、いずれも昇華法に匹敵する結晶成長速度を得るには至っていない。
 そこで本発明は、上記問題点に鑑み、2000℃以下の低温域においても、実効的な結晶成長速度で、長時間にわたり安定的に4H-SiC単結晶を製造する方法およびそれにより得られる4H-SiC単結晶を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するため、本発明に係るSiC単結晶を製造する方法は、Si、Ti及びNiを含む原料を、加熱融解させた溶媒に、Cを溶解させて融液を形成するステップと、SiC種結晶を前記融液に接触させ、前記SiC種結晶の表面近傍で前記融液をSiC過飽和状態とすることによって、前記SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させるステップとを含むことを特徴とするものである。
 Siに対するTiの原子比は、0.05≦[Ti]/([Si]+[Ti])≦0.3の関係を満たすことが好ましく、Siに対するTiとXの合計の原子比は、0.1≦([Ti]+[Ni])/([Si]+[Ti]+[Ni])≦0.65の関係を満たすことが好ましい。本発明に係るSiC単結晶の製造方法は、大気圧または加圧下で行うことが好ましい。また、本発明は、別の態様として、上述した方法によって製造されたSiC単結晶である。
 本発明によれば、融液にTiとNiを加えたことにより、2000℃以下の低温域での融液へのCの溶解度が高くなり、融液中のC濃度を高く維持することができ、かつ6H-SiCのポリタイプ混入を抑えることができるので、実効的な結晶成長速度で長時間にわたり安定的に4H-SiC単結晶を製造することができる。
本発明で使用するSiC単結晶成長装置を模式的に示す断面図である。 実施例で得られたSiC単結晶の断面を示す光学顕微鏡写真である。
 以下、添付図面を参照して、本発明に係るSiC単結晶の製造方法の一実施の形態について説明する。なお、この実施の形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲を限定する意図のものではない。
 図1に示すように、SiC単結晶製造装置では、中央に黒鉛製の坩堝1が位置し、この坩堝1の外側を、炉芯管2、石英管3および断熱材4が順に覆っている。炉芯管2内は、大気圧でも、加圧状態でもよい。断熱材4の外側には、更に高周波コイル5が設置されている。坩堝1は上部が開口しており、この開口部を介して、水冷式のディップ軸7が坩堝1内を上下方向に移動可能なように配置されている。ディップ軸7の下端には、種結晶基板8が装着される。種結晶基板8は、製造しようとするSiC単結晶と同じ結晶構造のSiC単結晶から作られる。坩堝1内には、融液6が貯留されている。
 融液6の調製にあたっては、先ず、Si、Ti及びNiを含む原料を、坩堝1内に投入する。原料は、粉末状、粒状または塊状のものでもよい。Siに対するTiの原子比は、0.05≦[Ti]/([Si]+[Ti])≦0.3の関係を満たすことが好ましい。また、Siに対するTiとNiの合計の原子比は、0.1≦([Ti]+[Ni])/([Si]+[Ti]+[Ni])≦0.65の関係を満たすことが好ましい。本発明は、Si-Ti-C三元系にCr又はNiを加えることで、2000℃以下の低温域で融液中のC濃度をより高くでき、より速い結晶成長速度でSiC単結晶、特に4H-SiC単結晶を安定して成長させることができるというものである。更に原料の原子比を上記の範囲内にすることで、このより速い結晶成長速度による安定したSiC単結晶の成長を確実に行うことができる。Siに対するTiの原子比のより好ましい範囲は、0.1≦[Ti]/([Si]+[Ti])≦0.3である。Siに対するTiとNiの合計の原子比のより好ましい範囲は、0.105≦([Ti]+[Ni])/([Si]+[Ti]+[Ni])≦0.45であり、さらに好ましい範囲は、0.35≦([Ti]+[X])/([Si]+[Ti]+[X])≦0.45である。
 また、Tiに対するNiの原子比は、0.05≦[Ni]/([Ti]+[Ni])≦0.70の関係を満たすことが好ましい。Xの原子比をこの範囲にすることで、TiとNiとの2つの元素の添加による効果を十分に発揮することができる。Tiに対するNiの原子比のより好ましい範囲は、0.05≦[Ni]/([Ti]+[Ni])≦0.54であり、さらに好ましい範囲は、0.15≦[X]/([Ti]+[X])≦0.54である。
 坩堝1内に投入した原料は、高周波コイル5により誘導加熱して、全て融解させる。なお、本明細書では、この原料が融解した状態のものを、溶媒と呼ぶ。次に、この溶媒にCを溶解させて、Si、C、Ti及びNiを含む融液6を調製する。Cの溶解方法としては、特に限定されないが、黒鉛製の坩堝1からCを溶媒に溶出させる方法や、坩堝1の開口部から、Cを含むガスを坩堝1内に供給し、気液界面反応によりCを溶媒に溶解させる方法、またはこれらの両方が好ましい。
 坩堝からCを溶出させる方法の場合、溶媒にC以外の不純物が溶出しないように、不純物を含まない黒鉛製の坩堝を用いることが好ましい。Cを含むガスを供給する方法の場合、Cを含むガスとしては、炭化水素ガスや、水素で希釈した炭化水素ガスを用いることが好ましい。
 なお、Cを含むガスの供給とともに、Siを含むガスを供給することもできる。Si源としては、シラン、ジシラン、塩化シラン(SiHnCl4-nで表され、nは1、2又は3)が好ましい。SiC単結晶の成長により、融液6中からCとともにSiも消費されることから、このようにSiを含むガスを供給し、融液6にSiを溶解させることで、融液6の組成を維持することができる。
 融液6の温度が上昇するほど、融液6へのCの溶解度は高くなる。本発明では、融液6にTiに加えて、Niを更に添加したことで、2000℃以下の低温域において、融液6へのCの溶解度が更に高くなり、融液6中のC濃度をより高くすることができる。このような高いC濃度を維持できる融液6の温度は、少なくとも1000℃にすることが好ましく、1200℃以上がより好ましく、1500℃以上が更に好ましい。なお、融液6の温度を2000℃超にしても、特に技術的には問題がないが、エネルギー効率の面から、2000℃以下が好ましく、1700℃以下がより好ましく、1650℃以下がさらに好ましい。
 このようにして融液6を調製した後、種結晶基板8を下端に装着したディップ軸7を、種結晶基板8が融液6に浸漬するまで下降する。そして、ディップ軸7内部に冷却水(図示省略)を流し、種結晶基板8を冷却する。これにより、融液6に種結晶基板8側が低温となる温度勾配が生じる。温度勾配ΔTは40℃/cmとすることが好ましい。種結晶基板8の表面近傍でSiCの過飽和状態となり、種結晶基板8の表面にSiC単結晶が析出する。結晶成長中、均一な結晶を成長させるために、ディップ軸7及び/又は坩堝1を回転させることが好ましい。本発明で成長できるSiC単結晶は、特に限定されないが、融液6にTiとNiを加えたことにより、SiC単結晶の中でも、特に4H-SiC単結晶を速い結晶成長速度で安定的に成長させることができる。
 図1に示すSiC単結晶成長装置を用いて、SiC単結晶の成長試験を行った。先ず、黒鉛製の坩堝にTi0.15Ni0.15Si0.7の組成を有する原料を入れ、圧力1atmのAr雰囲気中で坩堝を1600℃に加熱した。これにより、原料が全て融解したとともに、坩堝の内壁からCが溶解し、Si、C、Ti及びNiを含む融液が生成した。
 次に、水冷式のディップ軸の下端に、10mm×10mm×0.35mm厚の4H-SiCの種結晶基板を固定し、ディップ軸の下端が坩堝内の融液中に浸るまで下降した。このようにして種結晶基板を融液に接触させた状態で、SiC単結晶成長装置内を再び1atmのAr雰囲気に調整した後、坩堝とディップ軸をそれぞれ逆の方向に5rpmの速度で回転させながら、ディップ軸の水冷を行い、10時間にわたり結晶成長を行った(実施例1)。
 その結果、約1mmの膜厚の4H-SiCバルク単結晶を得ることができた。また、得られた結晶をスライスして表面を光学研磨した後、500℃の溶融KOH溶液中でエッチングし、光学顕微鏡にてエッチピットの観察を行った。その結果、エッチピット密度(EPD)は約5000個/cm2と、高品質のSiC単結晶が得られた。
 また、原料の組成および成長時間を変更した点を除き、上記と同様の手順によってSiC単結晶を成長させる試験を行った。変更した原料の組成および成長時間、並びに得られたSiC単結晶の膜厚の結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 表1に示すように、実施例1と同じ組成の原料を用いた実施例2では、1時間の成長時間で約92μmの膜厚を有する結晶が得られた。よって、長時間にわたり安定して約100μm/hrの結晶成長速度でSiC単結晶が成長したことが確認された。この実施例2で得られた結晶の断面を光学顕微鏡で撮影した写真を、図2に示す。図2に示すように、種結晶基板8上にSiC単結晶層10が成長した。TiとNiの合計の比率を高めた実施例3では、結晶成長速度が実施例1よりも低下したことから、Siは一定の組成比を維持することが好ましいことが確認された。
 1 坩堝
 2 炉芯管
 3 石英管
 4 断熱材
 5 高周波コイル
 6 融液
 7 ディップ軸
 8 種結晶基板
 10 結晶成長層

Claims (4)

  1.  Si、Ti及びNiを含む原料を、加熱融解させた溶媒に、Cを溶解させて融液を形成するステップと、SiC種結晶を前記融液に接触させ、前記SiC種結晶の表面近傍で前記融液をSiC過飽和状態とすることによって、前記SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させるステップとを含むSiC単結晶を製造する方法。
  2.  Siに対するTiの原子比が、0.05≦[Ti]/([Si]+[Ti])≦0.3の関係を満たし、Siに対するTiとXの合計の原子比が、0.1≦([Ti]+[X])/([Si]+[Ti]+[X])≦0.65の関係を満たす請求項1に記載の方法。
  3.  大気圧または加圧下で行う請求項1に記載の方法。
  4.  請求項1に記載の方法によって製造されたSiC単結晶。
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