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WO2014167844A1 - ＳｉＣ単結晶の製造方法 - Google Patents

ＳｉＣ単結晶の製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2014167844A1
WO2014167844A1 PCT/JP2014/002016 JP2014002016W WO2014167844A1 WO 2014167844 A1 WO2014167844 A1 WO 2014167844A1 JP 2014002016 W JP2014002016 W JP 2014002016W WO 2014167844 A1 WO2014167844 A1 WO 2014167844A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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growth
single crystal
sic single
solution
manufacturing
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/002016
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
楠　一彦
亀井　一人
寛典 大黒
秀光 坂元
幹尚 加渡
Original Assignee
新日鐵住金株式会社
トヨタ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2013081376A external-priority patent/JP5877812B2/ja
Priority claimed from JP2013081382A external-priority patent/JP5877813B2/ja
Application filed by 新日鐵住金株式会社, トヨタ自動車株式会社 filed Critical 新日鐵住金株式会社
Priority to EP14782347.0A priority Critical patent/EP2985369A4/en
Priority to US14/779,043 priority patent/US20160053402A1/en
Priority to KR1020157031813A priority patent/KR101791652B1/ko
Priority to CN201480032742.0A priority patent/CN105264126A/zh
Publication of WO2014167844A1 publication Critical patent/WO2014167844A1/ja

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/10—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/02—Liquid-phase epitaxial-layer growth using molten solvents, e.g. flux
    • C30B19/04—Liquid-phase epitaxial-layer growth using molten solvents, e.g. flux the solvent being a component of the crystal composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B19/062—Vertical dipping system
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B19/12—Liquid-phase epitaxial-layer growth characterised by the substrate
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a SiC single crystal, and more particularly to a method for producing a SiC single crystal by a solution growth method.
  • the solution growth method is disclosed in, for example, International Publication No. 2010/024392 (Patent Document 1), International Publication No. 2012/127703 (Patent Document 2), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-184120 (Patent Document 3).
  • a SiC seed crystal made of a SiC single crystal is brought into contact with a Si—C solution.
  • the Si—C solution refers to a solution in which carbon (C) is dissolved in a melt of Si or Si alloy.
  • the SiC single crystal is grown on the surface (crystal growth surface) of the SiC seed crystal by bringing the vicinity of the SiC seed crystal in the Si—C solution into a supercooled state.
  • Patent Document 2 when a SiC single crystal is manufactured, a meniscus is formed between the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the liquid surface of the Si—C solution.
  • the inventors of the present invention diligently studied to increase the growth time of the SiC single crystal. As a result, the following findings were found.
  • the liquid level of the Si—C solution is lowered. This is because the growth of the SiC single crystal proceeds. Other reasons include, for example, evaporation of the Si—C solution.
  • the rate at which the liquid level of the Si—C solution decreases is often greater than the rate at which the growth interface of the SiC single crystal moves downward as the crystal grows.
  • Patent Document 2 a meniscus is formed between the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the liquid surface of the Si—C solution.
  • the meniscus height increases as the SiC single crystal grows.
  • the supersaturation degree of SiC the degree of supersaturation in the vicinity of the SiC seed crystal in the Si—C solution.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing a SiC single crystal that can suppress deterioration of the quality of the SiC single crystal even when a meniscus is formed and crystal growth is performed for a long time.
  • the SiC single crystal manufacturing method manufactures an SiC single crystal by a solution growth method.
  • the manufacturing method includes a preparation process, a generation process, and a growth process.
  • a manufacturing apparatus including a crucible in which a raw material for the Si—C solution is accommodated and a seed shaft to which the SiC seed crystal is attached is prepared.
  • the raw material in the crucible is heated and melted to produce a Si—C solution.
  • the SiC seed crystal is brought into contact with the Si—C solution, and a SiC single crystal is grown on the SiC seed crystal.
  • the growth process includes a formation process and a first maintenance process.
  • a meniscus is formed between the growth interface of the SiC single crystal and the liquid surface of the Si—C solution.
  • at least one of the seed shaft and the crucible is relatively moved in the height direction with respect to the other, thereby maintaining the fluctuation range of the meniscus height within a predetermined range.
  • the SiC single crystal manufacturing method according to the embodiment of the present invention can suppress deterioration of the quality of the SiC single crystal.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a manufacturing apparatus used in a method for manufacturing a SiC single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a meniscus formed between the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the Si—C solution.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a meniscus formed between the growth interface of the SiC single crystal grown on the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the Si—C solution.
  • FIG. 4 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Example 2 of the present invention.
  • 6 is a photograph showing the surface of a SiC single crystal according to Comparative Example 1.
  • FIG. FIG. 7 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Comparative Example 2.
  • the SiC single crystal manufacturing method manufactures an SiC single crystal by a solution growth method.
  • the manufacturing method includes a preparation process, a generation process, and a growth process.
  • a manufacturing apparatus including a crucible in which a raw material for the Si—C solution is accommodated and a seed shaft to which the SiC seed crystal is attached is prepared.
  • the raw material in the crucible is heated and melted to produce a Si—C solution.
  • the SiC seed crystal is brought into contact with the Si—C solution, and a SiC single crystal is grown on the SiC seed crystal.
  • the growth process includes a formation process and a first maintenance process.
  • a meniscus is formed between the growth interface of the SiC single crystal and the liquid surface of the Si—C solution.
  • at least one of the seed shaft and the crucible is relatively moved in the height direction with respect to the other, thereby maintaining the fluctuation range of the meniscus height within a predetermined range.
  • the SiC single crystal when the SiC single crystal is grown, the fluctuation range of the meniscus height is maintained within a predetermined range. Therefore, it is possible to suppress a change in the degree of supersaturation in the vicinity of the SiC seed crystal in the Si—C solution due to the fluctuation of the meniscus height. As a result, stable growth of the SiC single crystal is realized. That is, according to the said manufacturing method, the fall of the quality of a SiC single crystal can be suppressed.
  • the SiC single crystal does not grow on the crystal growth surface of the SiC seed crystal
  • the SiC single crystal does not grow on the crystal growth surface of the SiC seed crystal.
  • the crystal growth surface of the SiC seed crystal is also included.
  • At least the seed shaft and the crucible are based on the growth thickness of the SiC single crystal according to the elapsed time and the amount of fluctuation in the liquid level height of the Si—C solution in the growth step. One may be moved relative to the other in the height direction.
  • the method further includes the step of obtaining the growth thickness of the SiC single crystal according to the elapsed time based on the growth thickness of the sample SiC single crystal grown under the same growth conditions as when the SiC single crystal is grown in the growth step. Also good.
  • At least the seed shaft and the crucible of the seed shaft and the crucible are based on the growth thickness of the SiC single crystal according to the elapsed time and the amount of fluctuation in the liquid level height of the Si—C solution according to the elapsed time. One may be moved relative to the other in the height direction.
  • the step of obtaining the growth thickness of the SiC single crystal according to the elapsed time based on the growth thickness of the sample SiC single crystal grown under the same growth conditions as when the SiC single crystal is grown in the growth step, and the sample SiC And a step of obtaining a fluctuation amount of the liquid level height of the Si—C solution according to an elapsed time based on a fluctuation amount of the liquid level height of the sample Si—C solution used for the growth of the single crystal. Good.
  • the manufacturing apparatus further includes a high frequency coil.
  • the high frequency coil is arranged around the side wall of the crucible.
  • at least one of the crucible and the high-frequency coil is moved relative to the other in the height direction, and the variation in the separation distance in the height direction between the liquid surface of the Si—C solution and the height center of the high-frequency coil.
  • a second maintaining step for maintaining the width within a predetermined range may be included.
  • the liquid level of the Si—C solution is lowered. This is because the growth of the SiC single crystal proceeds. Other reasons include, for example, evaporation of the Si—C solution.
  • the heating temperature differs in the height direction.
  • the temperature of the region near the SiC seed crystal in the Si—C solution (hereinafter referred to as the “near region”) changes. If the temperature in the neighboring region changes, the degree of supersaturation in the neighboring region changes. In this case, the SiC single crystal is difficult to grow stably. Therefore, the quality of the SiC single crystal is lowered.
  • the SiC single crystal when the SiC single crystal is grown, the fluctuation range of the separation distance is maintained within a predetermined range. In this case, the heating condition of the Si—C solution by the high frequency coil is not easily changed. Therefore, the temperature change in the vicinity region is suppressed, and the change in the degree of supersaturation in the vicinity region is suppressed. As a result, the SiC single crystal grows stably and the quality of the SiC single crystal is improved.
  • At least one of the crucible and the high-frequency coil may be moved in the height direction relative to the other based on the amount of fluctuation in the liquid level of the Si—C solution.
  • the second maintaining step at least one of the crucible and the high-frequency coil is moved relative to the other in the height direction based on the amount of fluctuation in the liquid level of the Si—C solution according to the elapsed time. You may let them.
  • the manufacturing method further includes a step of growing the sample SiC single crystal under the same growth conditions as the SiC single crystal in the growth step, and a liquid surface height of the sample Si—C solution used when growing the sample SiC single crystal. And a step of obtaining a fluctuation amount of the liquid level of the Si—C solution according to the elapsed time based on the fluctuation amount of the thickness.
  • the manufacturing method of the SiC single crystal according to the first embodiment of the present invention is based on a solution growth method.
  • the manufacturing method includes a preparation process, a generation process, and a growth process.
  • a manufacturing apparatus is prepared.
  • an Si—C solution is generated.
  • the SiC seed crystal is brought into contact with the Si—C solution to grow a SiC single crystal.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a manufacturing apparatus 10 used in a method for manufacturing a SiC single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • a manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1 is an example of a manufacturing apparatus used for the solution growth method. Therefore, the manufacturing apparatus used for the solution growth method is not limited to the manufacturing apparatus 10 shown in FIG.
  • the manufacturing apparatus 10 includes a chamber 12, a crucible 14, a heat insulating member 16, a heating device 18, a rotating device 20, and a lifting device 22.
  • the chamber 12 accommodates the crucible 14. When manufacturing a SiC single crystal, the chamber 12 is cooled.
  • the crucible 14 accommodates the raw material of the Si—C solution 15.
  • the crucible 14 contains carbon.
  • the crucible 14 becomes a carbon supply source to the Si—C solution 15.
  • the heat insulating member 16 is made of a heat insulating material and surrounds the crucible 14.
  • the heating device 18 is a high frequency coil, for example, and surrounds the side wall of the heat insulating member 16.
  • the heating device 18 induction-heats the crucible 14 to generate the Si—C solution 15.
  • the heating device 18 further maintains the Si—C solution 15 at the crystal growth temperature.
  • the crystal growth temperature is the temperature of the Si—C solution 15 when an SiC single crystal is grown.
  • the crystal growth temperature is, for example, 1600 to 2000 ° C., preferably 1900 to 2000 ° C.
  • the rotating device 20 includes a rotating shaft 24 and a drive source 26.
  • the rotating shaft 24 extends in the height direction of the chamber 12 (vertical direction in FIG. 1).
  • the upper end of the rotating shaft 24 is located in the heat insulating member 16.
  • a crucible 14 is disposed at the upper end of the rotating shaft 24.
  • the lower end of the rotation shaft 24 is located outside the chamber 12.
  • the drive source 26 is disposed below the chamber 12.
  • the drive source 26 is connected to the rotation shaft 24.
  • the drive source 26 rotates the rotation shaft 24 around the central axis of the rotation shaft 24.
  • the lifting device 22 includes a seed shaft 28 and a drive source 30.
  • the seed shaft 28 extends in the height direction of the chamber 12. The upper end of the seed shaft 28 is located outside the chamber 12. A SiC seed crystal 32 is attached to the lower end surface of the seed shaft 28.
  • the drive source 30 is disposed above the chamber 12.
  • the drive source 30 is connected to the seed shaft 28.
  • the drive source 30 moves the seed shaft 28 up and down.
  • the drive source 30 rotates the seed shaft 28 around the central axis of the seed shaft 28.
  • an SiC seed crystal 32 is further prepared.
  • the SiC seed crystal 32 is made of a SiC single crystal.
  • the crystal structure of SiC seed crystal 32 is the same as the crystal structure of the SiC single crystal to be manufactured.
  • a 4H polymorphic SiC seed crystal 32 is used.
  • the crystal growth plane is the (0001) plane or the (000-1) plane, or 8 ° or less from the (0001) plane or the (000-1) plane.
  • the surface is preferably inclined at an angle. In this case, the SiC single crystal grows stably.
  • the SiC seed crystal 32 is attached to the lower end surface of the seed shaft 28.
  • the crucible 14 is disposed on the rotating shaft 24 in the chamber 12.
  • the crucible 14 contains the raw material of the Si—C solution 15.
  • the raw material is, for example, only Si or a mixture of Si and another metal element.
  • the metal element include titanium (Ti), manganese (Mn), chromium (Cr), cobalt (Co), vanadium (V), iron (Fe), and the like.
  • Examples of the form of the raw material include a plurality of lumps and powders.
  • a Si—C solution 15 is generated.
  • the chamber 12 is filled with an inert gas.
  • the raw material of the Si—C solution 15 in the crucible 14 is heated to the melting point or higher by the heating device 18.
  • the crucible 14 is made of graphite, when the crucible 14 is heated, carbon is dissolved from the crucible 14 into the melt, and a Si—C solution 15 is generated.
  • the carbon in the crucible 14 dissolves into the Si—C solution 15, the carbon concentration in the Si—C solution 15 approaches the saturation concentration.
  • the seed shaft 28 is lowered by the drive source 30 to bring the SiC seed crystal 32 into contact with the Si—C solution 15.
  • the seed shaft 28 is raised. Thereby, as shown in FIG. 2, a meniscus 36 is formed between the crystal growth surface 34 of the SiC seed crystal 32 and the liquid surface 15A of the Si—C solution 15 (formation step).
  • the height H1 of the meniscus 36 at the beginning of crystal growth is defined by the difference between the crystal growth surface 34 and the liquid surface 15A.
  • the Si—C solution 15 is maintained at the crystal growth temperature by the heating device 18. Further, the vicinity of the SiC seed crystal 32 in the Si—C solution 15 is supercooled to bring SiC into a supersaturated state.
  • the method for supercooling the vicinity of the SiC seed crystal 32 is not particularly limited.
  • the heating device 18 is controlled so that the temperature in the vicinity of the SiC seed crystal 32 is lower than the temperature in other areas.
  • the vicinity of the SiC seed crystal 32 may be cooled by a refrigerant.
  • the refrigerant is circulated inside the seed shaft 28.
  • the refrigerant is, for example, an inert gas such as helium (He) or argon (Ar). If the coolant is circulated in the seed shaft 28, the SiC seed crystal 32 is cooled. When the SiC seed crystal 32 is cooled, the region near the SiC seed crystal 32 is also cooled.
  • the SiC seed crystal 32 and the Si—C solution 15 are rotated while the SiC in the region near the SiC seed crystal 32 is in a supersaturated state.
  • the SiC seed crystal 32 rotates.
  • the crucible 14 rotates.
  • the rotation direction of the SiC seed crystal 32 may be opposite to the rotation direction of the crucible 14 or the same direction. Further, the rotation speed may be constant or may vary.
  • a SiC single crystal is generated and grown on the crystal growth surface 34 of the SiC seed crystal 32 in contact with the Si—C solution 15. Note that the seed shaft 28 may not rotate.
  • the thickness of the SiC single crystal formed on the crystal growth surface 34 can be increased.
  • the liquid level of the Si—C solution 15 is lowered. This is because the growth of the SiC single crystal proceeds on the crystal growth surface 34 of the SiC seed crystal 34.
  • Other reasons include, for example, the evaporation of the Si—C solution 15 or the dissolution of carbon from the crucible 14 into the Si—C solution 15, resulting in a decrease in the thickness of the crucible 14 and an increase in the volume of the crucible 14.
  • the rate at which the liquid level of the Si—C solution 15 decreases is often higher than the rate at which the growth interface of the SiC single crystal moves downward as the crystal grows. As a result, the height of the meniscus formed between the growth interface of the SiC single crystal and the liquid surface of the Si—C solution 15 often increases.
  • the fluctuation of the meniscus height accompanying the growth of the SiC single crystal will be described.
  • SiC single crystal 40 having a thickness T is formed on crystal growth surface 34.
  • the liquid surface 151 of the Si—C solution 15 becomes lower than the liquid surface 15A when the crystal growth starts.
  • the height H2 of the meniscus 36 when the growth of the SiC single crystal 40 is proceeding is defined by the difference between the growth interface 40A of the SiC single crystal 40 and the liquid surface 151 of the Si—C solution 15.
  • the speed at which the liquid level 151 decreases is often greater than the speed at which the growth interface 40A moves downward.
  • the height H2 of the meniscus 36 at the time of crystal growth is often larger than the height H1 (see FIG. 2) of the meniscus 36 at the beginning of crystal growth.
  • the height H2 of the meniscus 36 is larger than the initial height H1
  • the degree of supersaturation in the vicinity of the SiC seed crystal 32 in the Si—C solution 15 increases.
  • the supersaturation degree becomes excessively large, inclusions are easily formed, and the quality of the SiC single crystal 40 is deteriorated.
  • the SiC single crystal 40 is grown while maintaining the fluctuation range of the height of the meniscus 36 (the difference between the height H2 at the time of growth and the initial height H1) within a predetermined range. Therefore, it is possible to suppress the change in the degree of supersaturation in the region near the SiC seed crystal 32 due to the variation in the height of the meniscus 36. As a result, inclusion formation is suppressed, and stable growth of the SiC single crystal 40 is realized. Therefore, even when the meniscus 36 is formed and the crystal is grown for a long time, it is possible to suppress the quality of the SiC single crystal 40 from being deteriorated.
  • the expansion angle of the SiC single crystal 40 is difficult to change. As a result, SiC single crystal 40 having a target size can be grown.
  • the height H2 of the meniscus 36 during growth may be smaller or larger than the initial height H1.
  • the fluctuation range of the height of the meniscus 36 (the difference between the height H2 at the time of growth and the initial height H1) is preferable. Is 1.0 mm or less and less than H1, more preferably 0.7 mm or less and less than H1, more preferably 0.5 mm or less and less than H1, further preferably 0.3 mm or less and H1. Is less than.
  • the fluctuation range of the height of the meniscus 36 (the difference between the height H2 at the time of growth and the initial height H1) is preferable. Is 1.0 mm or less, more preferably 0.7 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and still more preferably 0.3 mm or less.
  • At least one of the seed shaft 28 and the crucible 14 is moved relative to the other.
  • (1) a method of approaching / separating the seed shaft 28 from the crucible 14, (2) a method of approaching / separating the crucible 14 from the seed shaft 28, and (3) a seed shaft There is a method of approaching / separating 28 with respect to the crucible 14 and approaching / separating the crucible 14 with respect to the seed shaft 28.
  • the height H2 of the meniscus 36 during growth is the difference between the growth interface 40A and the liquid surface 151. Therefore, in order to obtain the height H2 of the meniscus 36 at the time of growth, the position of the growth interface 40A and the position of the liquid surface 151 (referred to as the position in the height direction; hereinafter the same) may be obtained.
  • a step of obtaining the growth thickness of the SiC single crystal 40 according to the time (elapsed time) from the start of crystal growth may be further provided. This step is performed before the above growth step.
  • a sample SiC single crystal is grown under the same growth conditions as when the SiC single crystal 40 is grown in the above-described growth step.
  • the growth thickness of the sample SiC single crystal per unit time is obtained by dividing the growth thickness of the sample SiC single crystal by the sample growth time.
  • the growth thickness of the sample SiC single crystal per unit time thus obtained is set to the growth thickness of the SiC single crystal 40 per unit time.
  • the growth thickness T of the SiC single crystal 40 corresponding to the elapsed time is obtained by multiplying the growth thickness of the SiC single crystal 40 per unit time thus set and the elapsed time. That is, the position of the growth interface 40A is obtained.
  • the growth thickness per unit time of the SiC single crystal 40 need not be obtained.
  • the growth thickness of the SiC single crystal 40 at another elapsed time may be estimated from the growth thickness of the SiC single crystal 40 at a certain elapsed time.
  • the position of the growth interface 40A is obtained from the estimated growth thickness.
  • the growth thickness per unit time of the SiC single crystal 40 and the growth thickness of the SiC single crystal 40 according to the elapsed time may be obtained by simulation. When changing the growth conditions of the SiC single crystal 40, it may be estimated from already acquired data.
  • a step of obtaining a fluctuation amount of the liquid level according to the elapsed time may be further provided. This step is performed before the above growth step.
  • a sample SiC single crystal is grown under the same growth conditions as when the SiC single crystal 40 is grown in the above-described growth step.
  • the position of the liquid surface of the sample Si—C solution used for the growth of the sample SiC single crystal (the position in the height direction; the same applies hereinafter) is obtained. Specifically, the position of the liquid level at the start of sample growth and the position of the liquid level after the completion of sample growth are obtained.
  • the following method can be used to determine the position of the liquid surface at the start of sample growth.
  • a sample Si—C solution is generated.
  • the generated sample Si—C solution is solidified without growing the sample SiC single crystal.
  • the position of the surface of the solidified sample Si—C solution is set to the position of the liquid level at the start of sample growth.
  • the method for obtaining the position of the liquid level at the start of sample growth is not limited to the above method.
  • the following method can be used to determine the position of the liquid surface after completion of sample growth.
  • a sample Si—C solution is generated.
  • the sample Si—C solution is solidified.
  • the position of the surface of the solidified sample Si—C solution is set to the position of the liquid level after completion of the sample growth.
  • the difference between the position of the liquid level at the start of sample growth and the position of the liquid level after the end of sample growth is obtained.
  • the difference in liquid level position thus obtained is divided by the sample growth time.
  • the fluctuation amount of the liquid level height of the sample Si—C solution per unit time can be obtained. This is set to the fluctuation amount of the liquid level of the Si—C solution 15 per unit time.
  • the amount of fluctuation in the liquid level height of the Si—C solution 15 per unit time set in this way is multiplied by the time (elapsed time) from the start of crystal growth. Thereby, the fluctuation amount of the liquid level of the Si—C solution 15 corresponding to the elapsed time is obtained.
  • the position of the liquid surface of the sample Si—C solution when starting the growth of the sample SiC single crystal obtained as described above is the position of the Si—C solution 15 when starting the growth of the SiC single crystal 40. Set to the position of the liquid level.
  • the Si—C solution 15 corresponding to the elapsed time obtained as described above is obtained. Subtract the amount of fluctuation in the liquid level. Thereby, the position of the liquid surface 151 is obtained.
  • the method for obtaining the position of the liquid surface 151 is not limited to the above-described method.
  • the position of the liquid level 151 may be obtained by simulation.
  • it may be estimated from already acquired data.
  • the amount of fluctuation in the liquid level of the Si—C solution 15 according to the elapsed time may be obtained by inferring from the position of the liquid level of the sample Si—C solution at the start of sample growth and at a certain elapsed time.
  • the position of the liquid surface 151 may be actually measured.
  • a method of measuring the position of the liquid surface 151 there are, for example, a method of optically detecting without contact, and a method of electrically detecting a jig by contacting the liquid surface 151.
  • the non-contact optical detection method is based on the principle of triangulation, for example.
  • the liquid level 151 is used as a direct reflector, and the position of the liquid level 151 is obtained.
  • a jig for example, a graphite rod
  • a jig made of a conductive material electrically insulated from the chamber 12 is lowered and brought into contact with the liquid surface 151.
  • a voltage is applied to the jig, power is supplied when the jig comes into contact with the liquid surface 151.
  • a voltage is applied to the jig.
  • current is passed between the pair of jigs.
  • it may be energized between one jig and the seed shaft 28.
  • the position of the liquid surface 151 is detected.
  • the jig is raised and separated from the liquid level 151.
  • the jig is lowered again, and the position of the liquid level 151 is detected.
  • the jig used at this time is preferably a jig different from the jig used for the previous detection. This is because, in the jig used for the previous detection, there is a possibility that the liquid level position cannot be accurately detected by the Si—C solution 15 adhered to the jig and solidified.
  • the difference between the position of the growth interface 40A and the position of the liquid surface 151 obtained as described above is set to the height H2 of the meniscus 36 at the time of growth. Then, the difference between the height H2 at the time of growth and the initial height H1 is set to the fluctuation range of the height of the meniscus 36 at the time of growth. At least one of the seed shaft 28 and the crucible 14 is moved relative to the other so that the fluctuation range is within a predetermined range (specifically, within the above-described range). Thereby, stable growth of SiC single crystal 40 can be realized.
  • the fluctuation width of the height H2 of the meniscus 36 when the SiC single crystal 40 is grown may be within a predetermined range. It is not limited to the manufacturing method.
  • the SiC single crystal can be grown thick, while the liquid level of the Si—C solution is lowered.
  • the high frequency coil 18 is a cylindrical air-core coil, and is arranged so as to surround the crucible 14 as shown in FIG.
  • the heating temperature at the height center position C ⁇ b> 1 of the high frequency coil 18 is higher than the heating temperature at the upper end or the lower end of the high frequency coil 18. That is, the heating temperature of the high frequency coil 18 varies in the height direction of the high frequency coil 18. Therefore, if the growth of the SiC single crystal proceeds and the liquid level 15A of the Si—C solution 15 is lowered, the positional relationship between the high-frequency coil 18 and the liquid level 15A changes. In this case, the heating condition of the Si—C solution 15 by the high frequency coil 18 may change.
  • the heating condition of the Si—C solution 15 by the high frequency coil 18 changes, the temperature in the vicinity of the SiC seed crystal 32 changes. If the temperature in the neighboring region changes, the supersaturation degree of SiC in the neighboring region changes. If the degree of supersaturation is outside the proper range, inclusion is likely to occur and the quality of the SiC single crystal is reduced.
  • the meniscus fluctuation range is maintained within the predetermined range X1 as in the first embodiment, and the liquid level of the Si—C solution 15 and the high-frequency coil 18 are further increased.
  • the positional relationship between the high-frequency coil 18 and the liquid level of the Si—C solution 15 is maintained within the predetermined range X2. Therefore, changes in the heating conditions of the Si—C solution 15 are suppressed. As a result, the occurrence of inclusion is suppressed and the quality of the SiC single crystal is improved.
  • the predetermined range X1 and the predetermined range X2 may be the same value or may be different.
  • the fluctuation width D1 is preferably 1.0 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and even more preferably 0.2 mm or less. It is.
  • the fluctuation width D1 is preferably 1.0 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and further preferably 0.2 mm or less. is there.
  • the height center C1 is located higher than the liquid level 15A at the beginning of crystal growth. In the initial stage of crystal growth, the height center C1 may be at the same height as the liquid surface 15A.
  • At least one of the crucible 14 and the high frequency coil 18 is moved relative to the other in the height direction based on the fluctuation range D1.
  • (1) a method of moving the high-frequency coil 18 relative to the crucible 14 in the height direction (2) a method of moving the crucible 14 relative to the high-frequency coil 18 in the height direction, and (3) There is a method of moving the high-frequency coil 18 relative to the crucible 14 in the height direction and moving the crucible 14 relative to the high-frequency coil 18 in the height direction.
  • the position of the liquid surface of the Si—C solution 15 may be obtained.
  • a step (setting step) of setting a fluctuation amount of the liquid level of the Si—C solution 15 according to the elapsed time may be further provided. This step is performed before the above growth step.
  • the method for obtaining the fluctuation amount of the liquid level according to the elapsed time is, for example, as described in the first embodiment.
  • the difference between the position of the liquid level of the Si—C solution 15 corresponding to the elapsed time and the position of the liquid level of the initial Si—C solution 15 is defined as a fluctuation range D1.
  • At least one of the crucible 14 and the high-frequency coil 18 is moved relative to the other so that the fluctuation range D1 is within a predetermined range (specifically, within the above-described range). Thereby, even if it is a case where growth time becomes long, the growth of the stable SiC single crystal is realizable.
  • the fluctuation range of the meniscus height is controlled to be within the predetermined range X1, and further, the fluctuation range D1 is controlled to be within the predetermined range X2.
  • the fluctuation width of the meniscus height may not be controlled, and the fluctuation width D1 may be controlled to be within a predetermined range.
  • the fluctuation range of the meniscus height and the fluctuation range D1 may be set within a predetermined range, and is not limited to the above-described manufacturing method.
  • the high frequency coil 18 is used as a heating device.
  • the heating device may be a heating device other than the high-frequency coil 18.
  • SiC single crystals (Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2) were manufactured by changing the fluctuation range of the meniscus height in the growth process. The quality of the manufactured SiC single crystal was evaluated.
  • the temperature in the vicinity of the SiC seed crystal (crystal growth temperature) in the Si—C solution was 1850 ° C.
  • the temperature gradient in the vicinity of the SiC seed crystal was 15 ° C./cm.
  • the SiC seed crystal was a 4H polymorphic SiC seed crystal.
  • the crystal growth plane of the SiC seed crystal was the (000-1) plane. After bringing the SiC seed crystal into contact with the Si—C solution, the SiC seed crystal was pulled up 1.0 mm to form a meniscus between the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the Si—C solution.
  • the meniscus height when starting crystal growth was 1.0 mm.
  • the seed shaft was lowered.
  • the descending speed of the seed shaft during the growth process was 0.1 mm / hr.
  • the descending speed of the seed shaft was set so that the fluctuation range of the meniscus height was 0.3 mm.
  • the seed shaft descent speed is set based on the growth thickness of the sample SiC single crystal and the liquid level drop of the sample Si-C solution. did.
  • the growth time was 20 hours. That is, the time during which the seed shaft was lowered was 15 hours.
  • the descending amount of the seed shaft was 1.5 mm.
  • the production conditions of Invention Example 2 were different from the production conditions of Invention Example 1 in the descending speed of the seed shaft. Specifically, the descending speed of the seed shaft was 0.06 mm / hr. The descending speed of the seed shaft was set so that the variation width of the meniscus height was 0.7 mm. Specifically, it was set based on the growth thickness of the sample SiC single crystal and the amount of decrease in the liquid level of the sample Si—C solution when the sample SiC single crystal was manufactured under the same manufacturing conditions. The time for lowering the seed shaft was 15 hours. The descending amount of the seed shaft was 0.9 mm. The other production conditions of Invention Example 2 were the same as those of Invention Example 1.
  • FIG. 4 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Example 2 of the present invention.
  • 6 is a photograph showing the surface of a SiC single crystal according to Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is a photograph showing the surface of the SiC single crystal according to Comparative Example 2.
  • the SiC single crystal was cut in the crystal growth direction, and the growth thickness of the SiC single crystal that had grown well was measured. Specifically, the polished cut surface (observation surface) was observed with an optical microscope. On the observation surface, the SiC polycrystal was excluded from the thickness measurement target. Furthermore, the SiC single crystal portion including solvent uptake (inclusion) was excluded from the thickness measurement target. Of the observation surface, the growth thickness of the SiC single crystal that was confirmed to be free of inclusion was measured. The confirmation of polycrystal and inclusion was performed at a magnification of 100 times.
  • the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was measured.
  • the fluctuation range of the meniscus height was determined based on the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution, the thickness of the SiC single crystal, and the amount of displacement of the seed shaft. Specifically, when the seed shaft descends (Invention Examples 1 and 2), the thickness of the SiC single crystal and the displacement amount of the seed shaft were subtracted from the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution. When the seed shaft was raised (Comparative Example 2), the displacement of the seed shaft was added after subtracting the thickness of the SiC single crystal from the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution.
  • the fluctuation width of the meniscus height in Invention Examples 1 and 2 was the same as the intended fluctuation width. These were all smaller than the initial meniscus height. Therefore, the variation width of the meniscus height in Examples 1 and 2 of the present invention was within the scope of the present invention.
  • the fluctuation width of the meniscus height in Comparative Examples 1 and 2 was larger than the initial meniscus height. Therefore, the fluctuation range of the meniscus height in Comparative Examples 1 and 2 was outside the scope of the present invention.
  • the temperature in the vicinity of the SiC seed crystal (crystal growth temperature) in the Si—C solution was 1940 ° C.
  • the temperature gradient in the vicinity of the SiC seed crystal was 15 ° C./cm.
  • the SiC seed crystal was a 4H polymorphic SiC seed crystal.
  • the crystal growth plane of the SiC seed crystal was the (000-1) plane. After bringing the SiC seed crystal into contact with the Si—C solution, the SiC seed crystal was pulled up by 0.5 mm to form a meniscus between the crystal growth surface of the SiC seed crystal and the liquid surface of the Si—C solution.
  • the meniscus height when starting crystal growth was 0.5 mm.
  • the high frequency coil was lowered.
  • the descending speed of the high frequency coil was 0.2 mm / hr.
  • the descending speed of the high frequency coil was set so that the fluctuation range of the separation distance in the height direction between the liquid surface of the Si—C solution and the height center of the high frequency coil was 0.2 mm.
  • the descent speed of the high-frequency coil was set based on the amount of decrease in the liquid level of the sample Si—C solution when the sample SiC single crystal was produced under the same production conditions.
  • the growth time was 25 hours. That is, the time during which the high-frequency coil was lowered was 20 hours.
  • Example 4 The manufacturing conditions of Example 4 of the present invention differed from the manufacturing conditions of Example 3 of the present invention in terms of the descent speed of the high-frequency coil. Furthermore, in Example 4 of the present invention, the crucible was raised together with the lowering of the high frequency coil. The descending speed of the high frequency coil was 0.1 mm / hr. The ascending speed of the crucible was 0.1 mm / hr. The descending speed of the high-frequency coil and the ascending speed of the crucible were set so that the fluctuation range of the separation distance in the height direction between the liquid surface of the Si—C solution and the height center of the high-frequency coil was 0.2 mm.
  • the lowering speed of the high-frequency coil and the rising speed of the crucible were set based on the liquid level drop amount of the sample Si—C solution when the sample SiC single crystal was manufactured under the same manufacturing conditions.
  • Other conditions were the same as Example 3 of the present invention.
  • E Excellent in the evaluation column in Table 2 means that the growth thickness of the SiC single crystal not including inclusion is 3.5 mm or more.
  • G Good means that the growth thickness is less than 2.5 to 3.5 mm.
  • NA Not Acceptable means that the growth thickness is less than 2.5 mm.
  • inventive examples 3 to 5 and comparative example 3 the fluctuation width of the separation distance and the fluctuation width of the meniscus height in the height direction between the liquid level of the Si—C solution and the height center of the high-frequency coil are obtained. It was. The results are shown in Table 2. The amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution used to determine these fluctuation ranges was measured based on the trace of the Si—C solution formed on the inner peripheral surface of the crucible.
  • the fluctuation range of the separation distance in the height direction between the liquid surface of the Si—C solution and the height center of the high-frequency coil was determined by the following method.
  • inventive examples 3 and 5 the difference between the amount of descent of the high-frequency coil and the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was taken as the fluctuation range.
  • Example 4 of the present invention the difference between the relative movement distance of the high-frequency coil with respect to the crucible and the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was defined as the fluctuation range.
  • the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was defined as the above fluctuation range.
  • the fluctuation range of the meniscus height was obtained as follows.
  • the value obtained by subtracting the growth thickness of the SiC single crystal from the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was defined as the fluctuation range of the meniscus height.
  • the value obtained by subtracting the growth thickness of the SiC single crystal and the rising amount of the crucible from the amount of decrease in the liquid level of the Si—C solution was defined as the fluctuation range of the meniscus height.
  • Example 5 of the present invention the value obtained by subtracting the growth thickness of the SiC single crystal and the drop amount of the seed shaft from the liquid level drop amount of the Si—C solution was defined as the fluctuation range of the meniscus height.
  • the thickness of the SiC single crystal containing no inclusion was thicker than that of the comparative example 3.
  • the SiC single crystal containing no inclusion was thicker than Examples 3 and 4 of the present invention. It was confirmed that the quality of the SiC single crystal was improved by the production method of the present invention example.
  • the raw material of the Si—C solution may be added.
  • the liquid level of the Si—C solution rises.
  • the present invention is also applicable when the liquid level of the Si—C solution rises.

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Abstract

メニスカスを形成して結晶成長を行う場合であっても、単結晶の質を向上できるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。本実施形態による製造方法における成長工程は、形成工程と、第１維持工程とを含む。形成工程では、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。第１維持工程では、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。

Description

ＳｉＣ単結晶の製造方法
　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（特許文献１）、国際公開第２０１２／１２７７０３号（特許文献２）、及び、特開２０１２－１８４１２０（特許文献３）に開示されている。これらの文献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。
　特許文献２に開示された製造方法では、ＳｉＣ単結晶を製造するときに、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する。
国際公開第２０１０／０２４３９２号 国際公開第２０１２／１２７７０３号 特開２０１２―１８４１２０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。
　本発明者等は、ＳｉＣ単結晶の成長時間を長くすることについて、鋭意検討した。その結果、以下の知見を見出した。
　ＳｉＣ単結晶の成長時間が長くなると、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。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。
　特許文献２では、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する。この場合、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。メニスカスの高さが大きくなると、Ｓｉ－Ｃ溶液におけるＳｉＣ種結晶近傍領域での過飽和度（ＳｉＣの過飽和度をいう。以下同じ）が大きくなる。過飽和度が過剰に大きくなると、ＳｉＣ単結晶中に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。
　本発明の目的は、メニスカスを形成して結晶成長を長時間行う場合であっても、ＳｉＣ単結晶の質の低下を抑制できる、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、ＳｉＣ種結晶が取り付けられるシードシャフト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、形成工程と、第１維持工程とを含む。形成工程では、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。第１維持工程では、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。
　本発明の実施の形態によるＳｉＣ単結晶の製造方法は、ＳｉＣ単結晶の質の低下を抑制できる。
図１は、本発明の実施形態による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、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。 図４は、本発明例１に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。 図５は、本発明例２に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。 図６は、比較例１に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。 図７は、比較例２に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。
　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、ＳｉＣ種結晶が取り付けられるシードシャフト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、形成工程と、第１維持工程とを含む。形成工程では、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。第１維持工程では、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。
　上記製造方法においては、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、Ｓｉ－Ｃ溶液におけるＳｉＣ種結晶近傍の過飽和度の変化を抑制できる。その結果、安定したＳｉＣ単結晶の成長が実現される。つまり、上記製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶の質の低下を抑制できる。
　上述の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。
　上記製造方法において、第１維持工程では、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶の成長厚みと、成長工程におけるＳｉ－Ｃ溶液の液面高さの変動量とに基づいて、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成長させたサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みに基づいて、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶の成長厚みを求める工程をさらに備えてもよい。
　上記製造方法において、第１維持工程では、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶の成長厚み及び経過時間に応じたＳｉ－Ｃ溶液の液面高さの変動量に基づいて、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成長させたサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みに基づいて、経過時間に応じたＳｉＣ単結晶の成長厚みを求める工程と、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。
　好ましくは、製造装置はさらに、高周波コイルを含む。高周波コイルは、坩堝の側壁の周囲に配置される。成長工程はさらに、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、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第２維持工程を含んでもよい。
　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。
　上記のとおり配置された高周波コイルでは、加熱温度が高さ方向で異なる。
　Ｓｉ－Ｃ溶液の液面が低下すると、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面と、高周波コイルとの位置関係が変化する。そのため、Ｓｉ－Ｃ溶液におけるＳｉＣ種結晶近傍の領域（以下、近傍領域という）の温度が変化する。近傍領域の温度が変化すれば、近傍領域の過飽和度が変化する。この場合、ＳｉＣ単結晶が安定して成長しにくい。そのため、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。
　本実施形態の製造方法では、ＳｉＣ単結晶を育成するとき、上記離隔距離の変動幅を所定の範囲内に維持する。この場合、高周波コイルによるＳｉ－Ｃ溶液の加熱条件が変化しにくい。そのため、近傍領域の温度変化が抑制され、近傍領域の過飽和度の変化が抑制される。その結果、ＳｉＣ単結晶が安定して成長し、ＳｉＣ単結晶の質が向上する。
　上記製造方法において、第２維持工程では、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、第２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、上記製造方法はさらに、成長工程においてＳｉＣ単結晶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。
　加熱装置１８は、例えば高周波コイルであり、断熱部材１６の側壁を取り囲む。加熱装置１８は、坩堝１４を誘導加熱し、Ｓｉ－Ｃ溶液１５を生成する。加熱装置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、加熱装置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）。結晶成長開始初期のメニスカス３６の高さＨ１は、結晶成長面３４と液面１５Ａとの差で規定される。
　メニスカス３６が形成された後、加熱装置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、加熱装置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。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。その結果、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Ｈ２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Ｈ２は、結晶成長開始初期のメニスカス３６の高さＨ１（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Ｈ２が初期の高さＨ１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Ｈ２と、初期の高さＨ１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３６の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、インクルージョンの形成が抑制され、安定したＳｉＣ単結晶４０の成長が実現される。したがって、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、ＳｉＣ単結晶４０の質が低下するのを抑制できる。
　加えて、ＳｉＣ単結晶４０の拡大角が変化し難くなる。その結果、目的とする大きさのＳｉＣ単結晶４０を成長させることができる。
　成長時のメニスカス３６の高さＨ２は、初期の高さＨ１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Ｈ２が初期の高さＨ１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Ｈ２と、初期の高さＨ１との差）は、好ましくは１．０ｍｍ以下で且つＨ１未満であり、より好ましくは０．７ｍｍ以下で且つＨ１未満であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下で且つＨ１未満であり、さらに好ましくは０．３ｍｍ以下で且つＨ１未満である。成長時のメニスカス３６の高さＨ２が初期の高さＨ１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Ｈ２と、初期の高さＨ１との差）は、好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．７ｍｍ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０．３ｍｍ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Ｈ２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の成長厚みを求める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なくてもよい。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求める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単結晶の成長に用いられるサンプルＳｉ－Ｃ溶液の液面の位置（高さ方向の位置をいう。以下同じ）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、サンプル成長終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４０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、液面１５１の位置が求まる。
　なお、液面１５１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１５１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。
　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、液面１５１の位置を実際に測定してもよい。この場合、液面１５１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、液面１５１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。液面１５１を直接の反射体とし、液面１５１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、液面１５１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１５１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、液面１５１の位置を検出する。液面１５１の位置を検出したら、治具を上昇させて、液面１５１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１５１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、安定したＳｉＣ単結晶４０の成長を実現できる。
　なお、本発明の第１の実施の形態による製造方法は、ＳｉＣ単結晶４０を成長させているときのメニスカス３６の高さＨ２の変動幅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］
　上述のとおり、成長時間を長くすると、ＳｉＣ単結晶を厚く育成できる一方、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面が低下する。
　Ｓｉ－Ｃ溶液１５の液面が低下すれば、液面と高周波コイル１８との位置関係がずれる。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やすい。以下、この点について説明する。
　高周波コイル１８は、筒状の空心コイルであり、図１に示すように、坩堝１４を取り囲むように配置される。高周波コイル１８の高さ中央位置Ｃ１での加熱温度は、高周波コイル１８の上端又は下端での加熱温度よりも高い。つまり、高周波コイル１８の加熱温度は、高周波コイル１８の高さ方向で異なる。そのため、ＳｉＣ単結晶の成長が進行して、仮に、Ｓｉ－Ｃ溶液１５の液面１５Ａが低下すれば、高周波コイル１８と液面１５Ａとの位置関係が変化する。この場合、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場合がある。
　高周波コイル１８によるＳｉ－Ｃ溶液１５の加熱条件が変化すれば、ＳｉＣ種結晶３２の近傍領域の温度が変化する。近傍領域の温度が変化すれば、近傍領域のＳｉＣの過飽和度が変化する。この過飽和度が適正な範囲から外れれば、インクルージョンが発生しやすくなり、ＳｉＣ単結晶の質が低下する。
　そこで、本実施形態では、成長工程において、第１の実施の形態と同様にメニスカスの変動幅を所定の範囲Ｘ１内に維持しつつ、さらに、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（Ｈ３－Ｈ４＝Ｄ１）を所定の範囲内に維持する（図１参照）。この場合、高周波コイル１８とＳｉ－Ｃ溶液１５の液面との位置関係が所定範囲Ｘ２内に維持される。そのため、Ｓｉ－Ｃ溶液１５の加熱条件の変化が抑制される。その結果、インクルージョンの発生が抑制され、ＳｉＣ単結晶の質が向上する。なお、所定範囲Ｘ１と所定範囲Ｘ２とは同じ値であってもよいし、異なっていてもよい。
　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Ｈ３は、結晶成長開始初期の液面１５Ａと高さ中心Ｃ１との高さ方向における離隔距離Ｈ４より小さくなってもよいし、大きくなってもよい。結晶成長時の離隔距離Ｈ３が初期の離隔距離Ｈ４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Ｈ３が初期の離隔距離Ｈ４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１５Ａ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１５Ａと同じ高さにあってもよい。
　変動幅Ｄ１を所定範囲内にするには、変動幅Ｄ１に基づいて、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高さ方向に相対移動させる。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、（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、及び、（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、等がある。
　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。経過時間に応じた液面高さの変動量の求め方は、たとえば、第１の実施の形態で述べたとおりである。
　経過時間に応じた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と定義する。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。
　上述の第２の実施の形態では、成長工程において、メニスカスの高さの変動幅が所定範囲Ｘ１内となるように制御し、さらに、変動幅Ｄ１が所定範囲Ｘ２内となるように制御する。しかしながら、成長工程において、メニスカス高さの変動幅については制御せず、変動幅Ｄ１が所定範囲内となるように制御してもよい。
　第２の実施の形態による製造方法では、メニスカスの高さの変動幅及び変動幅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の実施形態では、加熱装置として高周波コイル１８を利用する。しかしながら、加熱装置は高周波コイル１８以外の他の加熱装置であってもよい。
　成長工程におけるメニスカス高さの変動幅を変更して、４種類のＳｉＣ単結晶（実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２）を製造した。製造されたＳｉＣ単結晶の質を評価した。
　［本発明例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、１８５０℃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１．０ｍｍ引き上げて、ＳｉＣ種結晶の結晶成長面とＳｉ－Ｃ溶液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、１．０ｍｍであった。結晶成長を開始してから５時間経過した後、シードシャフトを降下させた。成長工程中におけるシードシャフトの降下速度は、０．１ｍｍ／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、シードシャフトの降下速度を設定した。成長時間は、２０時間であった。つまり、シードシャフトを降下させていた時間は１５時間であった。シードシャフトの降下量は、１．５ｍｍであった。
　［本発明例２の製造条件］
　本発明例２の製造条件は、本発明例１の製造条件と比べて、シードシャフトの降下速度が異なった。具体的には、シードシャフトの降下速度は、０．０６ｍｍ／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０．７ｍｍ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。シードシャフトを降下させた時間は１５時間であった。シードシャフトの降下量は０．９ｍｍであった。本発明例２のその他の製造条件は、本発明例１と同じであった。
　［比較例１の製造条件］
　比較例１の製造条件は、本発明例１の製造条件と比べて、結晶成長のときにシードシャフトを同じ位置に保持した。比較例１のその他の製造条件は本発明例１と同じであった。
　［比較例２の製造条件］
　比較例２の製造条件は、本発明例１の製造条件と比べて、シードシャフトを降下させる代わりに、シードシャフトを上昇させた。シードシャフトの上昇速度は、０．１ｍｍ／ｈｒであった。その他の製造条件は、本発明例１と同じであった。
　［評価方法］
　製造されたＳｉＣ単結晶の表面を光学顕微鏡で観察した。その結果を、図４～図７に示す。図４は、本発明例１に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。図５は、本発明例２に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。図６は、比較例１に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。図７は、比較例２に係るＳｉＣ単結晶の表面を示す写真である。
　ＳｉＣ単結晶を結晶成長方向に切断し、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（観察面）を光学顕微鏡で観察した。観察面において、ＳｉＣ多結晶を厚みの測定対象から除外した。さらに、溶媒の取り込み（インクルージョン）を含むＳｉＣ単結晶部分を、厚みの測定対象から除外した。観察面のうち、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。
　坩堝の内周面に形成されたＳｉ－Ｃ溶液の痕跡に基づいて、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面の低下量を測定した。Ｓｉ－Ｃ溶液の液面の低下量、ＳｉＣ単結晶の厚み及びシードシャフトの変位量に基づいて、メニスカス高さの変動幅を求めた。具体的には、シードシャフトが下降する場合（本発明例１，２）には、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面の低下量からＳｉＣ単結晶の厚み及びシードシャフトの変位量を減算した。シードシャフトが上昇する場合（比較例２）には、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面の低下量からＳｉＣ単結晶の厚みを減算した後、シードシャフトの変位量を加算した。その結果を、表１に示す。なお、比較例１，２では、ＳｉＣ単結晶の表面（成長界面）に多結晶が成長したため、ＳｉＣ単結晶の厚みが測定できなかった。そのため、メニスカス高さの変動幅を求めるときに用いるＳｉＣ単結晶の厚みには、実施例１のＳｉＣ単結晶の厚みを用いた。
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　本発明例１，２のメニスカス高さの変動幅は、意図した変動幅と同じであった。これらは、何れも、初期のメニスカス高さよりも小さかった。したがって、本発明例１，２のメニスカス高さの変動幅は、本発明の範囲内であった。
　比較例１，２のメニスカス高さの変動幅は、初期のメニスカス高さよりも大きかった。したがって、比較例１，２のメニスカス高さの変動幅は、本発明の範囲外であった。
　図４～図７を参照して、本発明例１，２では、比較例１，２と比較して、製造されたＳｉＣ単結晶の表面が平坦であった。本発明例１及び２において、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶の厚みは、２．０ｍｍ以上であった。一方、比較例１及び２では、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶は製造されなかった。したがって、本発明例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。
　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（本発明例３、本発明例４、本発明例５、及び、比較例３）を製造した。そして、製造されたＳｉＣ単結晶の質を評価した。
　［本発明例３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、高周波コイルを降下した。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、高周波コイルの降下速度を設定した。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。
　［本発明例４の製造条件］
　本発明例４の製造条件は、本発明例３の製造条件と比較して、高周波コイルの降下速度が異なった。さらに、本発明例４では、高周波コイルを降下に併せて、坩堝を上昇した。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、高周波コイルの降下速度及び坩堝の上昇速度を設定した。その他の条件は本発明例３と同じとした。
　［本発明例５の製造条件］
　本発明例５の製造条件は、本発明例３の製造条件と比較して、シードシャフトを降下した。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、シードシャフトの降下速度を設定した。本発明例５のその他の条件は、本発明例３と同じとした。
　［比較例３の製造条件］
　比較例３の製造条件は、本発明例３の製造条件と比べて、高周波コイルを降下しなかった。つまり、成長工程において、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。比較例３のその他の条件は、本発明例３と同じとした。
　［評価方法］
　実施例１と同じ方法により、本発明例３～５及び比較例３の、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶の成長厚みを測定した。測定結果を表２に示す。
　表２中の評価欄の「Ｅ」（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）は、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶の成長厚みが３．５ｍｍ以上であることを意味する。「Ｇ」（Ｇｏｏｄ）は、成長厚みが２．５～３．５ｍｍ未満であることを意味する。「ＮＡ」（Ｎｏｔ　Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ）は、成長厚みが２．５ｍｍ未満であることを意味する。
　さらに、本発明例３～５及び比較例３において、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２に示す。これらの変動幅を求めるときに用いた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を次の方法で求めた。本発明例３及び５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分を上記変動幅とした。本発明例４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３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。本発明例３及び比較例３については、Ｓｉ－Ｃ溶液の液面低下量からＳｉＣ単結晶の成長厚みを減算した値を、メニスカス高さの変動幅とした。本発明例４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値を、メニスカス高さの変動幅とした。本発明例５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値を、メニスカス高さの変動幅とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本発明例３～５は、比較例３と比較して、製造されたＳｉＣ単結晶の表面が平坦であった。比較例３は、製造されたＳｉＣ単結晶の表面にＳｉＣ多結晶が成長した。
　本発明例３～５ではさらに、比較例３と比較して、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶の厚みが厚かった。特に、本発明例５では、本発明例３及び４よりも、インクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶の厚みが厚かった。本発明例の製造方法により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。

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溶液の原料が収容される坩堝と、ＳｉＣ種結晶が取り付けられるシードシャフト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形成工程と、
    　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第１維持工程とを含む、製造方法。
  2. 　請求項１に記載の製造方法であって、
    　前記第１維持工程では、経過時間に応じた前記ＳｉＣ単結晶の成長厚みと、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とに基づいて、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、製造方法。
  3. 　請求項２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成長させたサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みに基づいて、前記経過時間に応じた前記ＳｉＣ単結晶の成長厚みを求める工程をさらに備える、製造方法。
  4. 　請求項１に記載の製造方法であって、
    　前記第１維持工程では、経過時間に応じた前記ＳｉＣ単結晶の成長厚み及び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に基づいて、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、製造方法。
  5. 　請求項４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成長させたサンプルＳｉＣ単結晶の成長厚みに基づいて、前記経過時間に応じた前記ＳｉＣ単結晶の成長厚みを求める工程と、
    　前記サンプル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。
  6. 　請求項１～５の何れか１項に記載の製造方法であって、
    　前記製造装置はさらに、
    　前記坩堝の側壁の周囲に配置される高周波コイルを含み、
    　前記成長工程はさらに、
    　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第２維持工程を含む、製造方法。
  7. 　請求項６に記載の製造方法であって、
    　前記第２維持工程では、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。
  8. 　請求項７に記載の製造方法であって、
    　前記第２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。
  9. 　請求項８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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