JP2008100854A - ＳｉＣ単結晶の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛るつぼ１０２内のＳｉ融液Ｌ内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、引き上げ軸１０８の下端に保持したＳｉＣ種結晶１１０の下面Ｂを融液Ｌに接触させ、下面Ｂを起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる装置において、引き上げ軸１０８は、自己の軸心Ｘ周りに回転可能であり、軸心Ｘに沿う上半部Ｐと軸心Ｘから偏向した部分を含む下半部Ｑとを有し、引き上げ軸１０８の下半部Ｑの下端にあるＳｉＣ種結晶保持部は、ＳｉＣ種結晶１１０を軸心Ｘと交差しない偏心位置に保持可能であり且つ引き上げ軸１０８の軸心Ｘ周りの回転により軸心Ｘを中心とする水平な円周上を周回可能であるＳｉＣ単結晶の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置および製造方法に関する。

ＳｉＣはＳｉに比べてエネルギーバンドギャップが大きいため、半導体材料等として適した高品位のＳｉＣ単結晶の製造技術が種々提案されている。ＳｉＣ単結晶の製造方法としてはこれまでに多種多様な方法が試行されているが、昇華法と溶液法が現在最も一般的である。昇華法は成長速度は大きいがマイクロパイプ等の欠陥や結晶多形の変態が生じ易いという欠点があり、これに対して成長速度は比較的遅いがこれらの欠点の無い溶液法が有望視されている。

溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面へ向けて温度低下する温度勾配を維持する。下方の高温部で黒鉛るつぼからＳｉ融液内に溶解したＣは主として融液の対流に乗って上昇し融液面近傍の低温部に達して過飽和になる。融液面の直下には黒鉛棒の先端にＳｉＣ種結晶が保持されており、過飽和となったＣがＳｉＣ種結晶上でエピタキシャル成長によりＳｉＣ単結晶として結晶化する。

溶液法では、結晶成長表面に多数の成長丘が生成し、各成長丘からばらばらに単結晶が成長して多結晶化が起き易いため、これを防止して平坦な成長表面を持つ単一の単結晶を安定して得るために、特別な配慮が必要である。

多結晶化の主な原因の一つとして、結晶成長表面での過剰なＣ過飽和度が考えられる。結晶成長表面でのＣ過飽和はＳｉＣ結晶が生成するための駆動力として必要である。しかし、Ｃ過飽和度が高くなり過ぎると、結晶の核発生が不安定になり多結晶化が起きる。

その対策として特許文献１には、溶液法によりＳｉＣ単結晶を成長させる際に、融液内に下方へ向かう縦磁場を印加することにより融液内の対流を抑制し、対流により種結晶付近へ過剰なＣが供給されるのを防止することが提案されている。

しかし上記提案の方法は、磁場コイルを設置する等の大掛かりな設備改造が必要であるため、コストが高くなるばかりでなく、改良のための設備改修も困難になる、という問題があった。

特開２００４−３２３２４７号公報

本発明は、多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のＳｉＣ単結晶の製造装置は、黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、引き上げ軸の下端に保持したＳｉＣ種結晶の下面を該融液に接触させ、該下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる装置において、
引き上げ軸は、自己の軸心周りに回転可能であり、該軸心に沿う上半部と該軸心から偏向した部分を含む下半部とを有し、
上記引き上げ軸の下半部の下端にあるＳｉＣ種結晶保持部は、該ＳｉＣ種結晶を上記軸心と交差しない偏心位置に保持可能であり且つ上記引き上げ軸の軸心周りの回転により該軸心を中心とする水平な円周上を周回可能であることを特徴とする。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、上記本発明の装置を用いて、上記引き上げ軸を回転させることにより、上記保持部に保持したＳｉＣ種結晶の下面を上記融液に接触した状態で水平な円周上を周回させつつ上記ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする。

本発明の方法は、ＳｉＣ種結晶の下面（結晶成長表面）をＳｉ融液（ＣのＳｉ溶液）に接触した状態で水平な円周上を周回させることにより、ＳｉＣ結晶成長に伴い結晶成長表面に隣接して時々刻々連続して生成する過剰なＣ過飽和度の融液領域から結晶成長表面が常に引き離されて適正なＣ過飽和度の融液との接触が維持されるので、結晶成長表面近傍での過剰なＣ過飽和に起因する結晶核の多発による多結晶化が防止され、平坦性の優れた成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られる。

本明細書中において「結晶成長表面」とは、単結晶成長開始時点では種結晶の下面であり、それ以降は成長中の単結晶の下面（成長前面）である。

既に述べたように、溶液法で発生し易い多結晶化の原因は、結晶成長表面に多数の成長丘が発生し、各成長丘からばらばらに単結晶が成長することである。本発明者はその原因になる機構として、結晶成長表面近傍での融液（ＣのＳｉ溶液）のＣ過飽和度の観点から、下記のように考えた。

ＳｉＣ結晶の生成の駆動力として結晶成長表面近傍で融液（ＣのＳｉ溶液）のＣ過飽和度は十分に高い必要がある。ここで十分とは、実際の結晶成長を安定して持続させるために、新たに生成するＳｉＣ結晶に組み込まれる化学量論組成のＣ量ではなく、これに対して必ず過剰なＣ量を融液中に維持する必要があることを意味する。過飽和度が十分かつ適切な範囲内で維持されていれば、多結晶化せずに安定に単結晶成長が持続する。しかし過飽和度が十分ではあるが過剰になると、いわゆる組成的過冷が大きくなり、結晶核が多発して多結晶化が起きる。

本発明者は、このように結晶成長表面近傍でのＣ過飽和度の過剰が極めて限定された領域である点に着目した。

本発明の特徴は、ＳｉＣ種結晶の下面（結晶成長表面）をＳｉ融液（ＣのＳｉ溶液）に接触した状態で水平な円周上を周回させることにより、ＳｉＣ結晶成長に伴い時々刻々連続して生成する過剰なＣ過飽和度の融液領域から結晶成長表面を常に引き離して適正なＣ過飽和度の融液との接触を維持する。その結果、組成的過冷の進行が防止されるので、結晶成長表面近傍での過剰なＣ過飽和に起因する結晶核の多発による多結晶化が防止され、平坦性の優れた成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られる。

図１を参照して、本発明の一実施形態を説明する。

図１（１）に、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法を行なうための溶液法単結晶成長装置の縦断面を模式的に示す。

成長装置１００は、黒鉛るつぼ１０２の周囲を取り巻く加熱手段１０４によりるつぼ１０２内にＳｉ融液Ｌを形成・維持し、引き上げ軸１０８の下端にＳｉＣ種結晶１１０を保持する。加熱手段１０４は上下方向の複数部位の加熱パワーをそれぞれ独立に制御できるようになっており、これにより黒鉛るつぼ１０２内のＳｉ融液内に内部から融液面Ｓに向けて温度低下する温度勾配を維持する。加熱手段１０４は、電気抵抗加熱方式または高周波誘導加熱方式であってよい。原料のＳｉを黒鉛るつぼ１０２に装入し、加熱手段１０４により１７００〜２０００℃の範囲の所定温度に加熱してＳｉを溶融させる。以上の各構成要素から成るアセンブリ全体が断熱性の密封容器１１２内に収容されており、容器１１２内の空間１１４はＡｒガス等の不活性雰囲気で満たされている。

ここで本発明の特徴は、引き上げ軸１０８の構造および作動にある。引き上げ軸１０８は、図１（１）、（２）に示すように、軸心Ｘに沿った上半部Ｐと、軸心Ｘから偏向した下半部Ｑとから成る。下半部Ｑの下端にはＳｉＣ種結晶の保持部（図示せず）があって、ＳｉＣ種結晶１１０を軸心Ｘと交差しない偏心位置Ｙ（図１（２））に保持する。

ＳｉＣ単結晶の成長を開始するには、図１（１）中に示した矢印ｄのように引き上げ軸１０８を下降させて、図１（２）のように種結晶１１０の下面Ｂを融液面Ｓに接触させる。詳しくは、種結晶１１０の下面Ｂは融液面Ｓから融液Ｌ内に僅かに浸漬した状態にして接触を安定に確保する。

この状態で引き上げ軸１０８が軸心Ｘ周りに回転することにより、下半部Ｑは軸心Ｘを回転中心とする円錐面上を形成しながら回転し、下半部Ｑの下端に保持された種結晶１１０は融液Ｓとの接触を維持しつつ軸心Ｘを中心とする水平な円周上を周回する。

結晶成長表面の直近領域の融液Ｌ中には、ＳｉＣ単結晶の成長に伴って化学量論組成に対して過剰なＣが結晶に組み込まれずに取り残されるので、元々結晶成長の駆動力として必要なＣ過飽和度に加えて、意図しない過剰なＣが常に時々刻々加入されており、それによってＣ過飽和度が適正範囲を超えて過剰になり易い。

従来装置では、図２（１）に示すように引き上げ軸１０８Ａが単純な直線形状であり、図２（２）に示すようにそのまま下降させて種結晶１１０の下面Ｂを融液Ｌの表面Ｓに接触させて静置し、ＳｉＣ単結晶の成長を行なっていた。そのため、上述した過剰なＣ過飽和度（組成的過冷）の直近領域が形成されると、結晶成長表面は直ちにその影響を受けて、ＳｉＣ結晶核の多発が誘起され、多結晶化が容易に起きていた。

これに対して図１に示した本発明の装置によれば、結晶成長表面（種結晶下面Ｂ）は、融液Ｌの表面Ｓを周回することにより、Ｃ過飽和度が過剰になっている直近領域から常に引き離され、Ｃ過飽和度が適正範囲内にある新鮮な融液Ｌとの接触が維持されるので、過剰なＣ過飽和度（組成的過冷）の影響を受けることがなく、ＳｉＣ結晶核の多発による多結晶化が起きることがない。

なお、Ｓｉ―Ｃ系におけるＳｉＣ結晶の生成は包晶反応によるため、結晶成長表面近傍の融液ＬではＣ欠乏が起きて逆にＣ過飽和度の低下が起きる可能性もある。本発明により種結晶を周回させることにより、常に結晶成長表面近傍のＣ濃度を適正な過飽和度に維持できるので、平坦成長を維持しつつ高速成長を実現することも可能である。

ＳｉＣ種結晶１１０の下面Ｂを起点とするＳｉＣ単結晶の成長原理自体は、従来技術も本発明も違いはない。黒鉛るつぼ１０２は、本来のるつぼとしての機能に加えて、Ｓｉ融液Ｌ中へのＣの供給源としての機能をも併せ持っている。融液Ｌの高温部（下方寄り部分）でるつぼ１０２から溶け込んだＣは、るつぼ１０２内で対流および拡散によって融液Ｌの低温部（融液面Ｓ寄り部分）に達すると過飽和となる。引き上げ軸１０８を矢印ｄのように下降させてＳｉＣ種結晶１１０を融液Ｌに接触させた状態に保持しておくと、Ｃが過飽和となっている融液面Ｓに接触しているＳｉＣ種結晶１１０の下面Ｂ上にＳｉＣが晶出し、晶出したＳｉＣ単結晶の下面に更にＳｉＣ単結晶が引き続き晶出することにより、ＳｉＣ単結晶が種結晶１１０の下面Ｂから下方へ成長する。実際には、この下方への成長と同期する速度で引き上げ軸１０８を矢印ｇのように上昇させ、ＳｉＣ単結晶の下面（結晶成長表面）を常に融液Ｌ内上下方向の一定位置に維持する。なお、るつぼ１０２内にはＳｉ融液Ｌを溶媒としＣを溶質とする溶液が形成されているが、この溶液には種々の目的でＣ以外の元素を少量添加することもできる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

〔実施例１〕
図１（１）に示した成長装置１００を用い、図１（２）に示したように種結晶１１０を周回させて、ＳｉＣ単結晶の成長を行なった。軸心Ｘからの偏心量ｈは１２．５ｍｍとし、周回の周速度は０．７８ｍ／ｍｉｎとした。加熱温度は１７５０℃とし、成長時間５時間とした。なお、加熱温度は浸漬深さ０ｍｍの位置で測定した温度である。

得られた結果を図３に種結晶１１０付近の外観写真で示す。本発明により周回させつつ成長を行なったことにより、平坦な結晶成長表面を有するＳｉＣ単結晶が得られた。

比較のために、図２に示す従来装置により種結晶の周回を行なわずに静置させて成長を行なったが、多結晶化が起きてしまった。Ｃ過飽和度を低くして成長を行なったところ、多結晶化は防止できたが、成長速度は本発明に比べて５０％程度低下してしまった。

なお、本実施例において用いた引き上げ軸１０８の形態は、図１（２）のように軸心Ｘに沿った直線状の上半部Ｐと軸心Ｘから直線状に偏向した下半部Ｑとから成る形態であった。しかし、下半部Ｑはそれ自体が軸心Ｘから偏向している必要はなく、軸心Ｘから偏向している部分を含んでいれば良い。

図４に、引き上げ軸１０８の形態上のバリエーションを示す。

図４（２）に示した形態が、本実施例で用いた形態であり、下半部Ｑ自体が軸心Ｘから直線状に偏向した形態である。ＳｉＣ種結晶１１０の保持部Ｈは軸心Ｘからの偏心量ｈの偏心位置Ｙにあり、保持されたＳｉＣ種結晶１１０は軸心Ｘと交差しない。

図４（１）に示した形態は、下半部Ｑは上半部Ｐと直線状に連なっており、それ自体は軸心Ｘから偏向していないが、下端の外周寄りにある種結晶１１０の保持部が軸心Ｘから偏心量ｚだけ偏向した位置にある。この形態の場合の下半部Ｑは、実際上は下端の保持部Ｈのみを指すことになる。ＳｉＣ種結晶１１０の保持部Ｈは軸心Ｘからの偏心量ｈの偏心位置Ｙにあり、保持されたＳｉＣ種結晶１１０は軸心Ｘと交差しない。

図４（３）に示した形態は、下半部Ｑ自体が軸心Ｘから偏向した屈曲形状をしている形態である。ＳｉＣ種結晶１１０の保持部Ｈは軸心Ｘからの偏心量ｈの偏心位置Ｙにあり、保持されたＳｉＣ種結晶１１０は軸心Ｘと交差しない。

図４（１）（２）（３）の引き上げ軸１０８を縦貫する孔は熱電対などのセンサーを挿入するためのものである。

更に別の形態として、図５に示すように、引き上げ軸１０８は、加工上の便宜などの理由により、偏向下半部Ｑが円錐状であってもよい。ＳｉＣ種結晶１１０の保持部Ｈは軸心Ｘからの偏心量ｈの偏心位置Ｙにあり、保持されたＳｉＣ種結晶１１０は軸心Ｘと交差しない。
〔実施例２〕
本発明のＳｉＣ単結晶製造装置は、融液Ｌおよびその上部の空間を含む黒鉛るつぼ１０２内の温度を狙い通りに保持するために、黒鉛るつぼ１０２の上端を覆う断熱用の蓋を用いることが一般的である。

本実施例では、引き上げ軸１０８の形態が図４（２）（３）、図５に示したように軸心Ｘから種結晶保持部Ｈまでの偏心量ｈが大きい形態の場合に適した蓋を組み合せた実施形態を説明する。

図６は、本発明の望ましい実施形態によるＳｉＣ単結晶製造装置２００の運転中の状態を示しており、引き上げ軸および蓋のアセンブリ以外は図１に示した実施例１の装置１００と同じ構造である。図示を簡潔にするために、図６においては加熱手段１０４、密封容器１１２は省略した。

図６のＳｉＣ単結晶製造装置２００は、引き上げ軸１０８が、軸心Ｘに沿う上半部Ｐの下端に放射状に張り出したフランジ部１１８を有している。フランジ１１８は外縁に段付き部１１９がある。

黒鉛るつぼ１０２の上端を覆う段付きの蓋１２０は、引き上げ軸１０８の上半部Ｐを貫通させる中心孔１２２と、黒鉛るつぼ１０２の上端周縁上に着座して係合可能な外周係合部１２４と、貫通された状態で図７に示すようにフランジ１１８の段付き部１１９に着座して係合可能な中央係合部１２６とを備えている。

結晶成長を行なう際の引き上げ軸１０８および蓋１２０の作動は下記のとおりである。

引き上げ軸１０８の下半部Ｑの下端のＳｉＣ種結晶保持部ＨにＳｉＣ種結晶１１０を保持する。

蓋１２０の中心孔１２２に引き上げ軸１０８の上半部Ｐを貫通させた状態で蓋１２０を引き上げ軸１０８のフランジ１１８上に着座係合させる。この着座係合は、図７に示すように、フランジ１１８の外縁段付き部１１９（図６）に蓋１２０の貫通孔１２２の下端の中央係合部１２６（図６）を嵌め込むことにより行なう。

引き上げ軸１０８を黒鉛るつぼ１０２内へ下降させて、蓋１２０の外周係合部１２４を黒鉛るつぼ１０２の上端周縁上に着座係合させる。

引き上げ軸１０８を更に下降させることにより、図６に示すように蓋１２０と引き上げ軸１０８のフランジ１１８との着座係合を解除して、蓋１２０を黒鉛るつぼ１０２の上端周縁上に着座係合した状態で残置する。

引き上げ軸１０８を更に下降させることにより、引き上げ軸１０８の下半部Ｑの下端に保持したＳｉＣ種結晶１１０を融液Ｌに接触させて引き上げ軸１０８の下降を停止する。

引き上げ軸１０８を回転させることにより、ＳｉＣ種結晶１１０を融液Ｌに接触させた状態で水平な円周上を周回させつつＳｉＣ種結晶１１０の下面Ｂ（図１）を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる。

本実施例の引き上げ軸と蓋とのアセンブリを用いることにより、長手方向の途中で屈曲した引き上げ軸１０８を用いた操業を極めて円滑かつ効率的に進行させることができる。

本発明によれば、多結晶化を起こすことなく、平坦な成長表面を持つＳｉＣ単結晶が安定して得られるＳｉＣ単結晶の製造装置および製造方法が提供される。

本発明の一実施形態によるＳｉＣ単結晶製造装置の縦断面図である。 従来のＳｉＣ単結晶製造装置の縦断面図である。 本発明の製造装置によって結晶成長を行なった後の種結晶付近の状態を示す外観写真である。 本発明の製造装置の引き上げ軸の種々の形態を示す縦断面図である。 本発明の製造装置の引き上げ軸の他の形態を示す縦断面図である。 本発明の製造装置の引き上げ軸とるつぼ蓋とのアセンブリを備えた形態を示す縦断面図である。 本発明の製造装置の引き上げ軸とるつぼ蓋とを係合させた状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１００ 成長装置
１０２ 黒鉛るつぼ
１０４ 加熱手段
１０８ 引き上げ軸
１１０ ＳｉＣ種結晶
１１２ 断熱性の密封容器
１１８ 引き上げ軸のフランジ
１２０ 黒鉛るつぼの断熱用の蓋
Ｐ 引き上げ軸の上半部
Ｑ 引き上げ軸の下半部
Ｌ 融液
Ｓ 融液面
Ｂ 種結晶１１０の下面

Claims (4)

1. 黒鉛るつぼ内のＳｉ融液内に内部から融液面に向けて温度低下する温度勾配を維持しつつ、引き上げ軸の下端に保持したＳｉＣ種結晶の下面を該融液に接触させ、該下面を起点としてＳｉＣ単結晶を成長させる装置において、
   引き上げ軸は、自己の軸心周りに回転可能であり、該軸心に沿う上半部と該軸心から偏向した部分を含む下半部とを有し、
   上記引き上げ軸の下半部の下端にあるＳｉＣ種結晶保持部は、該ＳｉＣ種結晶を上記軸心と交差しない偏心位置に保持可能であり且つ上記引き上げ軸の軸心周りの回転により該軸心を中心とする水平な円周上を周回可能であることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
2. 請求項１において、
   上記引き上げ軸は、上記軸心に沿う上半部から放射状に張り出したフランジ部を有し、
   上記黒鉛るつぼの上端を覆う蓋は、上記引き上げ軸の上半部を貫通させる中心孔と、上記黒鉛るつぼの上端周縁上に着座して係合可能な外周係合部と、該貫通された状態で上記フランジ上に着座して係合可能な中央係合部とを備えていることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
3. 請求項１または２に記載の装置を用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法であって、
   上記引き上げ軸を回転させることにより、上記保持部に保持したＳｉＣ種結晶の下面を上記融液に接触した状態で水平な円周上を周回させつつ上記ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
4. 請求項３において、
   上記引き上げ軸の下半部の下端の上記ＳｉＣ種結晶保持部に該ＳｉＣ種結晶を保持し、
   上記蓋の中心孔に該引き上げ軸の上半部を貫通させた状態で該蓋を該引き上げ軸の上記フランジ上に着座係合させ、
   該引き上げ軸を上記るつぼ内へ下降させて、上記蓋を上記外周係合部で該るつぼの上端周縁上に着座係合させ、
   該引き上げ軸を更に下降させることにより、上記蓋と上記引き上げ軸のフランジとの着座係合を解除して、該蓋を該るつぼの上端周縁上に上記着座係合した状態で残置し、
   該引き上げ軸を更に下降させることにより、該引き上げ軸の下半部の下端に保持した上記ＳｉＣ種結晶の下面を上記融液に接触させて該引き上げ軸の下降を停止し、
   該引き上げ軸を回転させることにより、該ＳｉＣ種結晶を該融液に接触させた状態で水平な円周上を周回させつつ上記ＳｉＣ種結晶の下面を起点として上記ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。