JP5877812B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶の製造方法に関し、詳しくは、溶液成長法によるＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

ＳｉＣ単結晶の製造方法として、溶液成長法がある。溶液成長法は、例えば、国際公開第２０１０／０２４３９２号に開示されている。溶液成長法では、Ｓｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ種結晶を接触させる。Ｓｉ−Ｃ溶液とは、ＳｉまたはＳｉ合金の融液にカーボン（Ｃ）が溶解した溶液のことをいう。Ｓｉ−Ｃ溶液におけるＳｉＣ種結晶の近傍を過冷却状態にして、ＳｉＣ種結晶の表面（結晶成長面）にＳｉＣ単結晶を成長させる。

国際公開第２０１０／０２４３９２号

近年、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面上に形成されるＳｉＣ単結晶の厚みを厚くすることが検討されている。ＳｉＣ単結晶の厚みを厚くするには、ＳｉＣ単結晶の成長速度を大きくする、又は、ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くする必要がある。ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くした場合、ＳｉＣ単結晶の質が低下するという問題があった。

本発明の目的は、ＳｉＣ単結晶の質を向上させることができる、ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、溶液成長法によりＳｉＣ単結晶を製造する製造方法である。製造方法は、準備工程と、生成工程と、成長工程とを備える。準備工程では、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収容される坩堝と、坩堝の側壁の周囲に配置される高周波コイルとを含む製造装置を準備する。生成工程では、坩堝内の原料を高周波コイルで加熱して溶融し、Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する。成長工程では、Ｓｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶を接触させ、ＳｉＣ種結晶上でＳｉＣ単結晶を成長させる。成長工程は、維持工程を含む。維持工程では、坩堝及び高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させ、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅を所定の範囲内に維持する。

本発明の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、ＳｉＣ単結晶の質を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法に用いられる製造装置の模式図である。 図２は、本発明の第２の実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法において、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面とＳｉ−Ｃ溶液との間に形成されるメニスカスを示す模式図である。 図３は、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面上に育成されるＳｉＣ単結晶の成長界面とＳｉ−Ｃ溶液との間に形成されるメニスカスを示す模式図である。

本発明の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、溶液成長法によりＳｉＣ単結晶を製造する製造方法である。製造方法は、準備工程と、生成工程と、成長工程とを備える。準備工程では、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料が収容される坩堝と、坩堝の側壁の周囲に配置される高周波コイルとを含む製造装置を準備する。生成工程では、坩堝内の原料を高周波コイルで加熱して溶融し、Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する。成長工程では、Ｓｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶を接触させ、ＳｉＣ種結晶上でＳｉＣ単結晶を成長させる。成長工程は、維持工程を含む。維持工程では、坩堝及び高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させ、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅を所定の範囲内に維持する。

ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くすることにより、ＳｉＣ単結晶の厚みを厚くすることができる。ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くすると、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が低下する。これは、ＳｉＣ単結晶の成長が進行することによる。その他の理由としては、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液の蒸発等がある。

高周波コイルは、高さ方向に延びる。このような高周波コイルでは、加熱するときの温度が高さ方向で異なる。

Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が低下すると、高周波コイルによるＳｉ−Ｃ溶液の加熱条件が変化する。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液におけるＳｉＣ種結晶近傍の温度が変化する。ＳｉＣ種結晶近傍の温度が変化すると、当該領域の過飽和度（ＳｉＣの過飽和度をいう。以下同じ）が変化する。そのため、安定したＳｉＣ単結晶の成長が阻害される。その結果、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。

上記製造方法においては、ＳｉＣ単結晶を成長させるときに、上記離隔距離の変動幅を所定の範囲内に維持する。そのため、高周波コイルによるＳｉ−Ｃ溶液の加熱条件が変化し難くなる。その結果、ＳｉＣ種結晶近傍の温度、延いては、ＳｉＣ種結晶近傍の過飽和度が変化し難くなる。つまり、上記製造方法によれば、安定したＳｉＣ単結晶の成長が実現される。その結果、ＳｉＣ単結晶の質が向上する。

好ましくは、成長工程は、維持工程よりも前において、ＳｉＣ単結晶の成長界面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間にメニスカスを形成する工程をさらに含む。

この場合、ＳｉＣ単結晶の成長界面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間にメニスカスが形成される。そのため、ＳｉＣ単結晶の拡大角を調整できる。

なお、ＳｉＣ単結晶の成長界面には、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面上に成長するＳｉＣ単結晶の成長界面だけでなく、ＳｉＣ単結晶がＳｉＣ種結晶の結晶成長面上に成長していないときのＳｉＣ種結晶の結晶成長面も含まれる。

好ましくは、製造装置は、ＳｉＣ単結晶が取り付けられるシードシャフトを含む。成長工程は、シードシャフト及び坩堝の少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させることにより、メニスカスの高さの変動幅を所定の範囲内に維持する工程をさらに含む。

ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くすると、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が低下する。これは、ＳｉＣ単結晶の成長が進行することによる。その他の理由としては、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液の蒸発等がある。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が低下する速度は、ＳｉＣ単結晶の成長界面が結晶成長に伴って下方に移動する速度よりも大きくなることが多い。それ故、ＳｉＣ単結晶が成長するにつれて、メニスカスの高さが大きくなることが多い。メニスカスの高さが大きくなると、ＳｉＣ種結晶近傍の過飽和度が大きくなるのが一般的である。過飽和度が過剰に大きくなると、インクルージョンが形成され易くなり、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。

上記態様においては、ＳｉＣ単結晶を成長させるときに、メニスカスの高さの変動幅を所定の範囲内に維持する。そのため、メニスカス高さの変動に起因する、ＳｉＣ種結晶近傍の過飽和度の変化を抑制できる。その結果、メニスカスを形成して長時間結晶成長を行う場合であっても、安定したＳｉＣ単結晶の成長が実現される。

上記製造方法において、維持工程では、成長工程におけるＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、坩堝及び高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させてもよい。

上記製造方法において、維持工程では、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、坩堝及び高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させてもよい。

この場合、成長工程においてＳｉＣ単結晶を成長させるときと同じ成長条件でサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる工程と、サンプルＳｉＣ単結晶を成長させるときに用いられるサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量を求める工程とをさらに備えてもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。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。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、溶液成長法による。本製造方法は、準備工程と、生成工程と、成長工程とを備える。準備工程では、製造装置を準備する。生成工程では、Ｓｉ−Ｃ溶液を生成する。成長工程では、ＳｉＣ種結晶をＳｉ−Ｃ溶液に接触させ、ＳｉＣ単結晶を成長させる。以下、各工程の詳細を説明する。

［準備工程］
準備工程では、溶液成長法に用いられる製造装置を準備する。図１は、本発明の第１の実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法に用いられる製造装置１０の模式図である。なお、図１に示す製造装置１０は、溶液成長法に用いられる製造装置の一例である。したがって、溶液成長法に用いられる製造装置は、図１に示す製造装置１０に限定されない。

製造装置１０は、チャンバ１２と、坩堝１４と、断熱部材１６と、加熱装置としての高周波コイル１８と、回転装置２０と、昇降装置２２とを備える。

チャンバ１２は、坩堝１４を収容する。ＳｉＣ単結晶を製造するとき、チャンバ１２は冷却される。

坩堝１４は、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の原料を収容する。好ましくは、坩堝１４は、炭素を含有する。この場合、坩堝１４は、Ｓｉ−Ｃ溶液１５への炭素供給源になる。

断熱部材１６は、断熱材からなり、坩堝１４を取り囲む。

高周波コイル１８は、コイル線が巻き回されたものであって、高さ方向に延びる空芯コイルである。高周波コイル１８の内側に、断熱部材１６及び坩堝１４が配置される。つまり、高周波コイル１８は、坩堝１４の側壁１４１の周囲に配置される。高周波コイル１８の高さは、坩堝１４に収容されるＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さ以上あればよく、好ましくは、坩堝１４の高さ以上あればよい。

高周波コイル１８は、坩堝１４を誘導加熱し、Ｓｉ−Ｃ溶液１５を生成する。高周波コイル１８は、さらに、Ｓｉ−Ｃ溶液１５を結晶成長温度に維持する。結晶成長温度は、ＳｉＣ単結晶を成長させるときのＳｉ−Ｃ溶液１５の温度である。結晶成長温度は、例えば、１６００〜２０００℃であり、好ましくは、１９００〜２０００℃である。

回転装置２０は、回転軸２４と、駆動源２６とを備える。

回転軸２４は、チャンバ１２の高さ方向（図１の上下方向）に延びる。回転軸２４の上端は、断熱部材１６内に位置する。回転軸２４の上端には、坩堝１４が配置される。回転軸２４の下端は、チャンバ１２の外側に位置する。

駆動源２６は、チャンバ１２の下方に配置される。駆動源２６は、回転軸２４に連結される。駆動源２６は、回転軸２４の中心軸線周りに、回転軸２４を回転させる。

昇降装置２２は、シードシャフト２８と、駆動源３０とを備える。

シードシャフト２８は、チャンバ１２の高さ方向に延びる。シードシャフト２８の上端は、チャンバ１２の外側に位置する。シードシャフト２８の下端面には、ＳｉＣ種結晶３２が取り付けられる。

駆動源３０は、チャンバ１２の上方に配置される。駆動源３０は、シードシャフト２８に連結される。駆動源３０は、シードシャフト２８を昇降する。駆動源３０は、シードシャフト２８の中心軸線周りに、シードシャフト２８を回転させる。

準備工程では、さらに、ＳｉＣ種結晶３２を準備する。ＳｉＣ種結晶３２は、ＳｉＣ単結晶からなる。好ましくはＳｉＣ種結晶３２の結晶構造は、製造しようとするＳｉＣ単結晶の結晶構造と同じである。例えば、４Ｈ多形のＳｉＣ単結晶を製造する場合、４Ｈ多形のＳｉＣ種結晶３２を用いる。４Ｈ多形のＳｉＣ種結晶３２を用いる場合、結晶成長面は、（０００１）面または（０００−１）面であるか、又は、（０００１）面または（０００−１）面から８°以下の角度で傾斜した面であることが好ましい。この場合、ＳｉＣ単結晶が安定して成長する。

製造装置１０と、ＳｉＣ種結晶３２とを準備したら、ＳｉＣ種結晶３２をシードシャフト２８の下端面に取り付ける。

次に、チャンバ１２内の回転軸２４上に、坩堝１４を配置する。このとき、坩堝１４は、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の原料を収容している。原料は、例えば、Ｓｉのみ、又は、Ｓｉと他の金属元素との混合物である。金属元素は、例えば、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。原料の形態としては、例えば、複数の塊や粉末等がある。

［生成工程］
次に、Ｓｉ−Ｃ溶液１５を生成する。先ず、チャンバ１２内に不活性ガスを充填する。そして、高周波コイル１８により、坩堝１４内のＳｉ−Ｃ溶液１５の原料を融点以上に加熱する。坩堝１４が黒鉛からなる場合、坩堝１４を加熱すると、坩堝１４から炭素が融液に溶け込み、Ｓｉ−Ｃ溶液１５が生成される。坩堝１４の炭素がＳｉ−Ｃ溶液１５に溶け込むと、Ｓｉ−Ｃ溶液１５内の炭素濃度は飽和濃度に近づく。

［成長工程］
次に、駆動源３０により、シードシャフト２８を降下し、ＳｉＣ種結晶３２をＳｉ−Ｃ溶液１５に接触させる。ＳｉＣ種結晶３２をＳｉ−Ｃ溶液１５に接触させたら、高周波コイル１８により、Ｓｉ−Ｃ溶液１５を結晶成長温度に保持する。さらに、Ｓｉ−Ｃ溶液１５におけるＳｉＣ種結晶３２の近傍を過冷却して、ＳｉＣを過飽和状態にする。

ＳｉＣ種結晶３２の近傍を過冷却する方法は、特に限定されない。例えば、高周波コイル１８を制御して、ＳｉＣ種結晶３２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、ＳｉＣ種結晶３２の近傍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２８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２８内に冷媒を循環させれば、ＳｉＣ種結晶３２が冷却される。ＳｉＣ種結晶３２が冷えれば、ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域も冷える。

ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域のＳｉＣを過飽和状態にしたまま、ＳｉＣ種結晶３２とＳｉ−Ｃ溶液１５（坩堝１４）とを回転する。シードシャフト２８を回転することにより、ＳｉＣ種結晶３２が回転する。回転軸２４を回転することにより、坩堝１４が回転する。ＳｉＣ種結晶３２の回転方向は、坩堝１４の回転方向と逆方向でも良いし、同じ方向でも良い。また、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１５に接触されたＳｉＣ種結晶３２の結晶成長面３４にＳｉＣ単結晶が生成し、成長する。なお、シードシャフト２８は、回転しなくても良い。

成長時間を長くすることにより、結晶成長面３４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。成長時間を長くすると、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下する。その理由は、ＳｉＣ種結晶３４の結晶成長面３４上において、ＳｉＣ単結晶の成長が進行するからである。その他の理由としては、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液１５が蒸発することや、坩堝１４からＳｉ−Ｃ溶液１５中に炭素が溶け出すことで坩堝１４の減肉が起こり、坩堝１４の容積が増加すること等がある。

Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下すると、高周波コイル１８によるＳｉ−Ｃ溶液１５の加熱条件が変化する。以下、この点について説明する。

高周波コイル１８は、高さ方向に延びる空芯コイルである。高周波コイル１８による加熱温度は、高さ方向で中心のほうが端よりも高くなる。つまり、高周波コイル１８による加熱温度は、高周波コイル１８の高さ方向で異なる。原料を誘導加熱してＳｉ−Ｃ溶液１５を生成するとき、例えば、高周波コイル１８による加熱温度をＳｉ−Ｃ溶液１５の液面で最も高くなるようにする。ＳｉＣ単結晶の成長が進行すると、上述のように、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下する。このとき、高周波コイル１８によるＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の加熱温度は、初期の加熱温度とは異なる。したがって、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下すると、高周波コイル１８によるＳｉ−Ｃ溶液１５の加熱条件が変化する。

高周波コイル１８によるＳｉ−Ｃ溶液１５の加熱条件が変化すると、ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域の温度が変化する。ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域の温度が変化すると、当該領域におけるＳｉＣの過飽和度が変化する。この過飽和度が適正な範囲を外れると、安定したＳｉＣ単結晶の成長が阻害される。その結果、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。

本製造方法では、ＳｉＣ単結晶を成長させるときに、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面と高周波コイル１８の高さ中心Ｃ１との高さ方向における離隔距離の変動幅Ｄ１を所定の範囲内に維持する。そのため、高周波コイル１８によるＳｉ−Ｃ溶液１５の加熱条件が変化し難くなる。その結果、ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域の温度、延いては、当該領域におけるＳｉＣの過飽和度が変化し難くなる。つまり、上記製造方法によれば、安定したＳｉＣ単結晶の成長が実現される。その結果、ＳｉＣ単結晶の質が向上する。

結晶成長時の液面１５１と高さ中心Ｃ１との高さ方向における離隔距離Ｈ１は、結晶成長開始初期の液面１５２と高さ中心Ｃ１との高さ方向における離隔距離Ｈ２より小さくなってもよいし、大きくなってもよい。成長時の離隔距離Ｈ１が初期の離隔距離Ｈ２よりも小さくなる場合、変動幅Ｄ１は、好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下である。成長時の離隔距離Ｈ１が初期の離隔距離Ｈ２よりも大きくなる場合、変動幅Ｄ１は、好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下である。

理解を容易にするため、図１では、高さ中心Ｃ１は結晶成長開始初期の液面１５２よりも高い位置にある。結晶成長開始初期において、高さ中心Ｃ１は液面１５２と同じ高さにあってもよい。

変動幅Ｄ１を上記範囲内にするには、坩堝１４及び高周波コイル１８の少なくとも一方を他方に対して相対移動させる。具体的な方法としては、（１）高周波コイル１８を坩堝１４に対して高さ方向に相対移動させる方法や、（２）坩堝１４を高周波コイル１８に対して高さ方向に相対移動させる方法や、（３）高周波コイル１８を坩堝１４に対して高さ方向に相対移動させ、且つ、坩堝１４を高周波コイル１８に対して高さ方向に相対移動させる方法がある。

変動幅Ｄ１を上記範囲内にするには、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置（高さ方向の位置をいう。以下同じ）を求めればよい。

Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を求めるために、例えば、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量を設定する工程（設定工程）をさらに備えてもよい。この工程は、上述の成長工程よりも前に実施される。

具体的には、先ず、上述の成長工程においてＳｉＣ単結晶を成長させるときと同じ成長条件でサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる。

続いて、サンプルＳｉＣ単結晶の成長に用いられるサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面の位置を求める。具体的には、サンプル成長開始時の液面の位置と、サンプル成長終了後の液面の位置とを求める。

サンプル成長開始時の液面の位置を求めるには、例えば、次のような方法がある。先ず、サンプルＳｉ−Ｃ溶液を生成する。続いて、サンプルＳｉＣ単結晶を成長させずに、生成したサンプルＳｉ−Ｃ溶液を凝固させる。そして、凝固させたサンプルＳｉ−Ｃ溶液の表面の位置を、サンプル成長開始時の液面の位置に設定する。

サンプル成長開始時の液面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、サンプルＳｉＣ単結晶を成長させる。続いて、サンプルＳｉ−Ｃ溶液を凝固させる。そして、坩堝の内周面に現れるサンプルＳｉ−Ｃ溶液の痕跡を参照して、サンプル成長開始時の液面の位置を設定する。

サンプル成長終了後の液面の位置を求めるには、例えば、次のような方法がある。先ず、サンプルＳｉ−Ｃ溶液を生成する。続いて、サンプルＳｉ−Ｃ溶液を凝固させる。そして、凝固させたサンプルＳｉ−Ｃ溶液の表面の位置を、サンプル成長終了後の液面の位置に設定する。

続いて、サンプル成長開始時の液面の位置と、サンプル成長修了後の液面の位置との差を求める。このようにして求めた液面位置の差をサンプル成長時間で除する。これにより、単位時間当たりのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量が得られる。これを単位時間当たりのＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量に設定する。

このようにして設定された、単位時間当たりのＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量に対して、結晶成長を開始してからの時間（経過時間）を乗算する。これにより、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量が求まる。

また、上述のようにして求めた、サンプルＳｉＣ単結晶の成長を開始するときのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面の位置を、ＳｉＣ単結晶４０の成長を開始するときのＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置に設定する。

このようにして設定された、ＳｉＣ単結晶の成長を開始するときのＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置から、上述のようにして求めた、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量を減算する。これにより、ＳｉＣ単結晶を成長させているときのＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置が求まる。

なお、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面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、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置はシミュレーションで求めてもよい。また、ＳｉＣ単結晶の成長条件を変える場合には、既に取得したデータから推定してもよい。

経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量を求めるために、単位時間当たりのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量を求めなくてもよい。例えば、サンプル成長の開始時及びある経過時間におけるサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面の位置から推測して、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量を求めてもよい。

また、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を実際に測定してもよい。この場合、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を測定する方法としては、例えば、非接触で光学的に検出する方法や、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面に治具を接触させて、電気的に検出する方法がある。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。Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面を直接の反射体とし、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を求める。電気的に検出する方法は、例えば、チャンバ１２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）を降下させて、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面に接触させる。このとき、治具に電圧を印加しておけば、治具がＳｉ−Ｃ溶液１５の液面と接触したときに通電する。例えば、治具が一対ある場合には、一対の治具の間で通電する。或いは、一つの治具とシードシャフト２８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、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を検出する。Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を検出したら、治具を上昇させて、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面から離す。所定時間経過したら、治具を再び降下させて、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置を検出する。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、治具に付着して凝固したＳｉ−Ｃ溶液１５により、正確な液面位置の検出ができないおそれがあるからである。

上述のようにして求めた、成長時のＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置と、初期のＳｉ−Ｃ溶液１５の液面の位置との差を、変動幅Ｄ１に設定する。この変動幅Ｄ１が、所定の範囲内（具体的には、上述の範囲内）となるように、坩堝１４及び高周波コイル１８の少なくとも一方を他方に対して相対移動させる。これにより、成長時間が長くなる場合であっても、安定したＳｉＣ単結晶の成長を実現できる。

なお、本発明の実施の形態による製造方法は、変動幅Ｄ１を所定の範囲内にすればよいのであって、上述の製造方法に限定されない。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法について、説明する。本製造方法は、第１の実施形態による製造方法と比べて、成長工程が異なる。

本製造方法では、成長工程において、ＳｉＣ種結晶３２をＳｉ−Ｃ溶液１５に接触させた後、シードシャフト２８を上昇させる。これにより、図２に示すように、ＳｉＣ種結晶３２の結晶成長面３４とＳｉ−Ｃ溶液１５の液面１５Ａとの間にメニスカス３６を形成する（形成工程）。メニスカス３６の高さＨ３は、結晶成長面３４と液面１５Ａとの差で規定される。

本製造方法によれば、結晶成長面３４と液面１５Ａとの間にメニスカス３６が形成される。そのため、ＳｉＣ単結晶の拡大角を調整できる。

［第２の実施形態の応用例］
結晶成長時には、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下する。その理由は、ＳｉＣ種結晶３４の結晶成長面３４上において、ＳｉＣ単結晶の成長が進行するからである。その他の理由としては、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液１５が蒸発することや、坩堝１４からＳｉ−Ｃ溶液１５中に炭素が溶け出すことで坩堝１４の減肉が起こり、坩堝１４の容積が増加すること等がある。そのため、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面が低下する速度は、ＳｉＣ単結晶の成長界面が結晶成長に伴って下方に移動する速度よりも大きくなることが多い。それ故、結晶成長時には、ＳｉＣ単結晶の成長界面とＳｉ−Ｃ溶液１５の液面との間に形成されるメニスカスの高さが大きくなることが多い。

図３を参照しながら、ＳｉＣ単結晶の成長に伴うメニスカスの高さの変動について説明する。結晶成長を開始してから所定時間経過すると、厚さＴを有するＳｉＣ単結晶４０が結晶成長面３４上に形成される。また、ＳｉＣ単結晶４０が成長するに従って、Ｓｉ−Ｃ溶液１５の液面１５１が結晶成長を開始したときの液面１５Ａよりも低くなる。ＳｉＣ単結晶４０の成長が進行しているときのメニスカス３６の高さＨ４は、ＳｉＣ単結晶４０の成長界面４０ＡとＳｉ−Ｃ溶液１５の液面１５１との差で規定される。

上述のように、液面１５１が低下する速度は、成長界面４０Ａが下方に移動する速度よりも大きくなることが多い。そのため、結晶成長時のメニスカス３６の高さＨ４は、結晶成長開始初期のメニスカス３６の高さＨ３（図２参照）よりも大きくなることが多い。

メニスカス３６の高さＨ４が初期の高さＨ３よりも大きくなると、Ｓｉ−Ｃ溶液１５におけるＳｉＣ種結晶３２近傍の過飽和度が大きくなる。過飽和度が大きくなると、インクルージョンが形成され易くなり、ＳｉＣ単結晶４０の質が低下する。

本製造方法では、メニスカス３６の高さの変動幅（成長時の高さＨ４と、初期の高さＨ３との差）を所定の範囲内に維持しながら、ＳｉＣ単結晶４０を成長させる。そのため、メニスカス高さの変動に起因する、ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域の過飽和度の変化を抑制できる。その結果、メニスカスを形成して長時間結晶成長を行う場合であっても、安定したＳｉＣ単結晶４０の成長が実現される。

成長時のメニスカス３６の高さＨ４は、初期の高さＨ３より小さくなってもよいし、大きくなってもよい。成長時のメニスカス３６の高さＨ４が初期の高さＨ３よりも小さくなる場合、メニスカス３６の高さの変動幅（成長時の高さＨ４と、初期の高さＨ３との差）は、好ましくは１．０ｍｍ以下で且つＨ３未満であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下で且つＨ３未満である。成長時のメニスカス３６の高さＨ４が初期の高さＨ３よりも大きくなる場合、メニスカス３６の高さの変動幅（成長時の高さＨ４と、初期の高さＨ３との差）は、好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。

成長時のメニスカス３６の高さの変動幅を上記範囲内にするには、シードシャフト２８及び坩堝１４の少なくとも一方を他方に対して相対移動させる。具体的な方法としては、（１）シードシャフト２８を坩堝１４に対して接近／離隔させる方法や、（２）坩堝１４をシードシャフト２８に対して接近／離隔させる方法や、（３）シードシャフト２８を坩堝１４に対して接近／離隔させ、且つ、坩堝１４をシードシャフト２８に対して接近／離隔させる方法がある。

成長時のメニスカス３６の高さＨ２は、成長界面４０Ａと液面１５１との差である。したがって、成長時のメニスカス３６の高さＨ４を求めるには、成長界面４０Ａの位置と、液面１５１の位置（高さ方向の位置をいう。以下同じ）とを求めればよい。

成長界面４０Ａの位置を求めるために、例えば、結晶成長を開始してからの時間（経過時間）に応じたＳｉＣ単結晶４０の成長厚みを設定する工程（設定工程または成長厚み設定工程）をさらに備えてもよい。この工程は、上述の成長工程よりも前に実施される。

具体的には、先ず、上述の成長工程においてＳｉＣ単結晶４０を成長させるときと同じ成長条件でサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる。続いて、サンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みをサンプル成長時間で除することにより、単位時間当たりのサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みを求める。このようにして得られた単位時間当たりのサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みを、単位時間当たりのＳｉＣ単結晶４０の成長厚みに設定する。

このようにして設定された単位時間当たりのＳｉＣ単結晶４０の成長厚みと、経過時間とを乗算することにより、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶４０の成長厚みＴが求まる。つまり、成長界面４０Ａの位置が求まる。

成長界面４０Ａの位置を求めるために、ＳｉＣ単結晶４０の単位時間当たりの成長厚みを求める必要はない。例えば、ある経過時間におけるＳｉＣ単結晶４０の成長厚みから他の経過時間におけるＳｉＣ単結晶４０の成長厚みを推定してもよい。この場合、推定された成長厚みから成長界面４０Ａの位置が求まる。ＳｉＣ単結晶４０の単位時間当たりの成長厚みや、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶４０の成長厚みは、シミュレーションで求めてもよい。ＳｉＣ単結晶４０の成長条件を変える場合には、既に取得したデータから推定してもよい。

液面１５１の位置を求めるために、例えば、経過時間に応じた液面高さの変動量を設定する工程（設定工程）をさらに備えてもよい。この工程は、上述の成長工程よりも前に実施される。この工程は、例えば、第１の実施形態で説明した、経過時間に応じたＳｉ−Ｃ溶液１５の液面高さの変動量を設定する工程と同じであってもよい。

上述のようにして求めた成長界面４０Ａの位置と液面１５１の位置との差を、成長時のメニスカス３６の高さＨ２に設定する。そして、成長時の高さＨ２と初期の高さＨ１との差を、成長時におけるメニスカス３６の高さの変動幅に設定する。この変動幅が、所定の範囲内（具体的には、上述の範囲内）となるように、シードシャフト２８及び坩堝１４の少なくとも一方を他方に対して相対移動させる。これにより、メニスカス３６を形成して長時間結晶成長する場合であっても、安定したＳｉＣ単結晶４０の成長を実現できる。

ＳｉＣ単結晶を成長させるときのＳｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅を変更して、５種類のＳｉＣ単結晶（実施例１、実施例２、実施例３、実施例４及び比較例）を製造した。そして、製造したＳｉＣ単結晶の質を評価した。

［実施例１の製造条件］
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ＳｉＣ種結晶近傍の温度（結晶成長温度）は、１９４０℃であった。ＳｉＣ種結晶近傍の温度勾配は、１５℃／ｃｍであった。ＳｉＣ種結晶は、４Ｈ多形のＳｉＣ種結晶であった。ＳｉＣ種結晶の結晶成長面は、（０００−１）面であった。ＳｉＣ種結晶をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた後、ＳｉＣ種結晶を０．５ｍｍ引き上げて、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面とＳｉ−Ｃ溶液の液面との間にメニスカスを形成した。つまり、結晶成長を開始するときのメニスカス高さは、０．５ｍｍであった。結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフトの位置を変更せずに、高周波コイルを降下させた。高周波コイルの降下速度は、０．２ｍｍ／ｈｒであった。高周波コイルの降下速度は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅が０．２ｍｍとなるように設定した。具体的には、同じ製造条件でサンプルＳｉＣ単結晶を製造したときのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量に基づいて設定した。成長時間は、２５時間であった。つまり、高周波コイルを降下させていた時間は２０時間であった。

［実施例２の製造条件］
実施例２の製造条件は、実施例１の製造条件と比べて、高周波コイルを降下させなかった。その代りに、坩堝を上昇させた。坩堝の上昇速度は、０．２ｍｍ／ｈｒであった。坩堝の上昇速度は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅が０．０ｍｍとなるように設定した。具体的には、同じ製造条件でサンプルＳｉＣ単結晶を製造したときのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量に基づいて設定した。

［実施例３の製造条件］
実施例３の製造条件は、実施例１の製造条件と比べて、高周波コイルの降下速度が異なった。また、高周波コイルを降下に併せて、坩堝を上昇させた。高周波コイルの降下速度は、０．１ｍｍ／ｈｒであった。坩堝の上昇速度は、０．１ｍｍ／ｈｒであった。高周波コイルの降下速度及び坩堝の上昇速度は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅が０．２ｍｍとなるように設定した。具体的には、同じ製造条件でサンプルＳｉＣ単結晶を製造したときのサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量に基づいて設定した。

［実施例４の製造条件］
実施例４の製造条件は、実施例１の製造条件と比べて、シードシャフトを降下させた。シードシャフトの降下は、高周波コイルの降下に併せて行った。シードシャフトの降下速度は、０．０２５ｍｍ／ｈｒであった。シードシャフトの降下速度は、メニスカス高さの変動幅が０．３ｍｍとなるように設定した。具体的には、同じ製造条件でサンプルＳｉＣ単結晶を製造したときの、サンプルＳｉＣ単結晶の成長厚み、及び、サンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量に基づいて設定した。

［比較例の製造条件］
比較例の製造条件は、実施例１の製造条件と比べて、高周波コイルを降下させなかった。つまり、高周波コイル、坩堝及びシードシャフトは、何れも、同じ位置にあった。

［評価方法］
ＳｉＣ単結晶を切断し、良好に成長したＳｉＣ単結晶の成長厚みを測定した。具体的には、研磨した切断面を光学顕微鏡で観察し、ＳｉＣ多結晶を除き、さらに、溶媒の取り込み（インクルージョン）のないことが確認されたＳｉＣ単結晶の成長厚みを測定した。多結晶及びインクルージョンの確認は、倍率１００倍で行った。ＳｉＣ単結晶の成長厚みに基づいて、ＳｉＣ単結晶の質を評価した。その結果を、表１に示す。

表１では、ＳｉＣ単結晶の質の評価が、「×」、「○」及び「◎」で示されている。「×」は、ＳｉＣ単結晶の成長厚みが２．５ｍｍ未満の場合を示す。「○」は、成長厚みが２．５ｍｍ以上で且つ３．５ｍｍ未満の場合を示す。「◎」は、成長厚みが３．５ｍｍ以上の場合を示す。

Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅、及び、メニスカス高さの変動幅を求めた。その結果を、表１に示す。なお、これらの変動幅を求める際に用いたＳｉ−Ｃ溶液の液面の低下量は、坩堝の内周面に形成されたＳｉ−Ｃ溶液の痕跡に基づいて測定した。

Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅については、以下のようにして求めた。実施例１，４については、高周波コイルの降下量とＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量との差を上記変動幅とした。実施例２については、坩堝の上昇量とＳｉ−Ｃ溶液の液面低下量との差を上記変動幅とした。実施例３については、高周波コイルの坩堝に対する相対移動距離と、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面低下量との差を上記変動幅とした。比較例については、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面低下量を上記変動幅とした。

メニスカス高さの変動幅については、以下のようにして求めた。実施例１及び比較例については、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面低下量からＳｉＣ単結晶の成長厚みを減算した結果を、メニスカス高さの変動幅とした。実施例２については、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面低下量からＳｉＣ単結晶の成長厚み及び坩堝の上昇量を減算した結果を、メニスカス高さの変動幅とした。実施例３については、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面低下量からＳｉＣ単結晶の成長厚み及びシードシャフトの降下量を減算した結果を、メニスカス高さの変動幅とした。

実施例１〜４は、比較例と比べて、製造されたＳｉＣ単結晶の表面が平坦であった。比較例は、製造されたＳｉＣ単結晶の表面にＳｉＣ多結晶が成長した。実施例１〜４は、比較例と比べて、製造されたＳｉＣ単結晶の厚みが厚かった。実施例４は、実施例１〜３よりも、製造されたＳｉＣ単結晶の厚みが大きかった。本発明の製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶の質が向上するのを確認できた。

以上、本発明の実施形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施形態によって、何等、限定されない。

例えば、ＳｉＣ単結晶を成長させているときに、Ｓｉ−Ｃ溶液の原料を追加してもよい。この場合、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面は上昇する。本発明は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面が上昇する場合にも適用できる。

１０：製造装置、１４：坩堝、１５：Ｓｉ−Ｃ溶液、１８：高周波コイル、２８：シードシャフト、３２：ＳｉＣ種結晶、３４：結晶成長面（成長界面）、３６：メニスカス、４０：ＳｉＣ単結晶、４０Ａ：成長界面

Claims (6)

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溶液の原料が収容される坩堝と、前記坩堝の側壁の周囲に配置される高周波コイルとを含む製造装置を準備する準備工程と、
   前記坩堝内の原料を前記高周波コイルで加熱して溶融し、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ＳｉＣ種結晶を接触させ、前記ＳｉＣ種結晶上で前記ＳｉＣ単結晶を成長させる成長工程とを備え、
   前記成長工程は、
   前記坩堝及び前記高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させ、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と前記高周波コイルの高さ中心との高さ方向における離隔距離の変動幅を所定の範囲内に維持する維持工程を含む、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、
   前記成長工程は、
   前記維持工程よりも前において、前記ＳｉＣ単結晶の成長界面と前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面との間にメニスカスを形成する工程をさらに含む、製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法であって、
   前記製造装置は、前記ＳｉＣ単結晶が取り付けられるシードシャフトを含み、
   前記成長工程は、前記シードシャフト及び前記坩堝の少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させることにより、前記メニスカスの高さの変動幅を所定の範囲内に維持する工程をさらに含む、製造方法。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の製造方法であって、
   前記維持工程では、前記成長工程における前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、前記坩堝及び前記高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させる、製造方法。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の製造方法であって、
   前記維持工程では、経過時間に応じた前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、前記坩堝及び前記高周波コイルの少なくとも一方を他方に対して高さ方向に相対移動させる、製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法であって、
   前記成長工程において前記ＳｉＣ単結晶を成長させるときと同じ成長条件でサンプルＳｉＣ単結晶を成長させる工程と、
   前記サンプルＳｉＣを成長させるときに用いられるサンプルＳｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、前記経過時間に応じた前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面高さの変動量を求める工程とをさらに備える、製造方法。

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