(57)【要約】【課題】ＳｉＣ単結晶の長時間成長が可能となる溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】黒鉛坩堝に入れられ、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、誘導コイルで、Ｓｉ−Ｃ溶液を電磁撹拌して流動させること、及び抵抗加熱ヒーターで、黒鉛坩堝の下部を加熱すること、を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。【選択図】図９
2018184324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛坩堝に入れられ、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
誘導コイルで、前記Ｓｉ−Ｃ溶液を電磁撹拌して流動させること、及び
抵抗加熱ヒーターで、前記黒鉛坩堝の下部を加熱すること、
を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記黒鉛坩堝の下部を加熱することは、前記黒鉛坩堝の底部を加熱すること及び前記黒鉛坩堝の底部を保持する坩堝保持軸を加熱することのうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記抵抗加熱ヒーターでさらに、前記黒鉛坩堝の側部を加熱することを含む、請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項４】
Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する黒鉛坩堝と、
誘導コイルと、
抵抗加熱ヒーターと、
鉛直方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
前記種結晶保持軸に保持された種結晶基板を、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱された前記Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させて、前記種結晶基板からＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
前記黒鉛坩堝は、前記黒鉛坩堝の底部にて坩堝保持軸に保持され、
前記誘導コイルは、前記黒鉛坩堝の側部の周囲に配置され、
前記抵抗加熱ヒーターは、前記黒鉛坩堝の下部を加熱する位置に配置されている、
ＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記抵抗加熱ヒーターは、前記黒鉛坩堝の底部下面に対向する位置及び前記坩堝保持軸の周囲のうち少なくとも一方に配置されている、請求項４に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記抵抗加熱ヒーターはさらに、前記黒鉛坩堝の側部の周囲且つ前記誘導コイルの内側に配置されている、請求項４または５に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもＳｉ単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有する。そのため、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能であり、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。
【０００３】
従来、ＳｉＣ単結晶の成長法としては、代表的には気相法、アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）法、及び溶液法が知られている。気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥等の格子欠陥及び結晶多形が生じやすい等の欠点を有するが、従来、ＳｉＣバルク単結晶の多くは昇華法により製造されており、成長結晶の欠陥を低減する試みも行われている。アチソン法では原料として珪石とコークスを使用し電気炉中で加熱するため、原料中の不純物等により結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。
【０００４】
そして、溶液法は、黒鉛坩堝中でＳｉ融液またはＳｉ以外の金属を融解したＳｉ融液を形成し、その融液中にＣを溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上にＳｉＣ結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は気相法に比べ熱平衡に近い状態での結晶成長が行われるため、低欠陥化が最も期待できる。このため、最近では、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法がいくつか提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１７３６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、抵抗加熱方式のヒーターまたは誘導加熱方式のヒーターを用いる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されている。しかしながら、特許文献１等の従来技術においては、黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の温度分布のバラツキを小さくすることが難しく、黒鉛坩堝からの炭素の溶出量が不均一になり、局所的に坩堝の溶解が大きくなり坩堝に穴があいてしまうので、長時間成長が難しかった。
【０００７】
そのため、長時間成長が可能なＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）黒鉛坩堝に入れられ、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
誘導コイルで、前記Ｓｉ−Ｃ溶液を電磁撹拌して流動させること、及び
抵抗加熱ヒーターで、前記黒鉛坩堝の下部を加熱すること、
を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
（２）前記黒鉛坩堝の下部を加熱することは、前記黒鉛坩堝の底部を加熱すること及び前記黒鉛坩堝の底部を保持する坩堝保持軸を加熱することのうち少なくとも１つを含む、上記（１）に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
（３）前記抵抗加熱ヒーターでさらに、前記黒鉛坩堝の側部を加熱することを含む、上記（１）または（２）に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
（４）Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する黒鉛坩堝と、
誘導コイルと、
抵抗加熱ヒーターと、
鉛直方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
前記種結晶保持軸に保持された種結晶基板を、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱された前記Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させて、前記種結晶基板からＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
前記黒鉛坩堝は、前記黒鉛坩堝の底部にて坩堝保持軸に保持され、
前記誘導コイルは、前記黒鉛坩堝の側部の周囲に配置され、
前記抵抗加熱ヒーターは、前記黒鉛坩堝の下部を加熱する位置に配置されている、
ＳｉＣ単結晶の製造装置。
（５）前記抵抗加熱ヒーターは、前記黒鉛坩堝の底部下面に対向する位置及び前記坩堝保持軸の周囲のうち少なくとも一方に配置されている、上記（４）に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
（６）前記抵抗加熱ヒーターはさらに、前記黒鉛坩堝の側部の周囲且つ前記誘導コイルの内側に配置されている、上記（４）または（５）に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の方法及び装置によれば、ＳｉＣ単結晶の長時間成長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１に、従来より用いられているＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。
【図２】図２は、誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合のＳｉ−Ｃ溶液の流動と温度分布の一例である。
【図３】図３は、誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行い、実際にＳｉＣ単結晶を結晶成長させた後の黒鉛坩堝の断面写真である。
【図４】図４は、図３の破線で囲った部分を拡大した写真である。
【図５】図５は、誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合の、黒鉛坩堝内のＳｉ−Ｃ溶液の温度分布の一例である。
【図６】図６は、加熱装置として誘導コイルのみを用いて、実際にＳｉＣ単結晶を結晶成長させた場合の、ΔＴｄと成長可能時間との関係を表すグラフである。
【図７】図７は、誘導コイルを用いてＳｉ−Ｃ溶液の目標の温度を得るためのコイル周波数とコイル電流（係数）との関係を表すグラフである。
【図８】図８は、誘導コイルを用いてＳｉ−Ｃ溶液の目標の流動速度を得るためのコイル周波数とコイル電流（係数）との関係を表すグラフである。
【図９】図９は、本開示の方法において使用し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図である。
【図１０】図１０は、本開示の方法に用いることができる黒鉛坩堝の一例の断面模式図である。
【図１１】図１１は、Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速１２．８ｍｍ／秒を得るためのコイル周波数とコイル出力（係数）との関係を表すグラフである。
【図１２】図１２は、本開示の方法において使用し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図である。
【図１３】図１３は、本開示の方法において使用し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図である。
【図１４】図１４は、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間に形成されるメニスカスの断面模式図である。
【図１５】図１５は、従来より用いられているＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。
【図１６】図１６は、本開示の方法において使用し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において、（０００−１）面等の表記における「−１」は、本来、数字の上に横線を付して表記するところを「−１」と表記したものである。
【００１２】
従来、溶液法によるＳｉＣ単結晶の成長においては、黒鉛坩堝と原料とを加熱して原料を溶融させ、さらに黒鉛坩堝中の炭素を溶融原料に溶かし込むことによってＳｉ−Ｃ溶液を形成し、誘導コイルでＳｉ−Ｃ溶液を流動させて、溶質を成長界面に供給して結晶成長させることが一般的に行われている。このように、黒鉛坩堝を溶解させることにより、ＳｉＣ単結晶の結晶成長に必要な炭素を得ることができる。しかしながら、局所的に坩堝の溶解が大きくなり坩堝に穴があいてしまうので、長時間成長が難しかった。
【００１３】
本発明者は、ＳｉＣ単結晶の長時間成長を可能にするために、鋭意研究を行い以下の知見を得た。
【００１４】
従来のＳｉＣ単結晶製造装置が備える誘導コイル（高周波コイルともいう）による高周波誘導加熱を加熱手法として用いると、黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の温度は、坩堝内において分布を有する。概して、黒鉛坩堝の側部内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の液面付近が比較的高温になり、黒鉛坩堝の底部内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液が比較的低温になる温度分布を生じる。
【００１５】
黒鉛坩堝は概して密度がほぼ一定の均質な材質であるため、黒鉛坩堝の溶解のしやすさは、黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の温度分布に依存する。したがって、黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の温度が最も高い箇所から優先的に黒鉛坩堝が溶解する。
【００１６】
図１に、従来より用いられているＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図を示す。図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置１００は、黒鉛坩堝１０の側部の周囲に誘導コイル２２を備えており、誘導コイル２２によってＳｉ−Ｃ溶液２４の電磁撹拌による流動と加熱を行うことができる。黒鉛坩堝１０から炭素がＳｉを含む融液に溶け込みＳｉ−Ｃ溶液２４が形成される。
【００１７】
概して、図１に示す破線の丸印で示したＳｉ−Ｃ溶液２４の液面と黒鉛坩堝１０の側部内壁との境界付近が最も高温に加熱され、且つ誘導コイル２２による電磁撹拌によって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４は坩堝内を流動しているため、黒鉛坩堝１０から溶け出す炭素量（坩堝の溶解量）は、上記境界付近が最も多くなる。上記境界付近の坩堝の局所的溶解（以下、溶損ともいう）が結晶成長時間を長くすることを制限し、成長結晶の長尺化が困難となる。
【００１８】
図２に、図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置を用いて黒鉛坩堝の側部の周囲に誘導コイルを配置して、誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合のＳｉ−Ｃ溶液の流動と温度分布の一例を示す。図２のＳｉ−Ｃ溶液の流動と温度分布は、ＣＧＳｉｍ（溶液からのバルク結晶成長シミュレーションソフトウェア、ＳＴＲ  Ｊａｐａｎ製、Ｖｅｒ．１４．１）を用いて算出した。最加熱部は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と黒鉛坩堝の側部内壁との境界付近の破線の丸印で示した箇所である。Ｓｉ−Ｃ溶液は、矢印で示す方向に流動している。
【００１９】
図３に、図１に示すようなＳｉＣ単結晶製造装置を用いて、誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行い、実際にＳｉＣ単結晶を結晶成長させた後の黒鉛坩堝の断面写真を示す。黒鉛坩堝１０の内部には、冷えた固まったＳｉ−Ｃ溶液がある。図３の破線で囲った部分を拡大した写真を図４に示す。図４の破線で示した箇所は、結晶成長に黒鉛坩堝を用いる前の初期の坩堝形状を表す。Ｓｉ−Ｃ溶液の液面と黒鉛坩堝との境界付近の坩堝の厚みが薄くなっていることが分かる。
【００２０】
図５に、従来の誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合の、黒鉛坩堝内のＳｉ−Ｃ溶液の温度分布の一例を示す。図５のＳｉ−Ｃ溶液の流動と温度分布は、ＣＧＳｉｍを用いて算出した。成長可能時間を長くするために、矢印で示した領域におけるＳｉ−Ｃ溶液の温度分布ΔＴｄを低減することが求められる。ΔＴｄは、図５に示す黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液のうち、最高温度と最低温度との差として算出される。矢印で示した領域は、黒鉛坩堝の内壁とＳｉ−Ｃ溶液との境界の右半分である。一般的に、黒鉛坩堝は対象形状を有するので、右半分または左半分のΔＴｄを対象とすればよい。黒鉛坩堝が非対称形状を有する場合は、黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の全体のΔＴｄを対象とすればよい。
【００２１】
図６に、図１に示すようなＳｉＣ単結晶製造装置を用いて、実際にＳｉＣ単結晶を結晶成長させた場合の、ΔＴｄと成長可能時間との関係を表すグラフを示す。成長可能時間は、結晶成長開始から黒鉛坩堝に穴があくまでの時間である。誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う従来技術においては、ΔＴｄを２．３℃未満に低減することができず、ＳｉＣ単結晶の結晶成長中に不均一に黒鉛坩堝が溶解するため、成長可能時間は５０時間以上が望まれるところ、最大４５時間程度であった。
【００２２】
ここで、誘導コイルを用いてＳｉ−Ｃ溶液の目標の温度を得るためのコイル周波数とコイル電流（係数）との関係を図７に示す。また、誘導コイルを用いて、Ｓｉ−Ｃ溶液の目標の流動速度を得るためのコイル周波数とコイル電流（係数）との関係を図８に示す。コイル電流（係数）（以下、単にコイル電流という）とは、従来の誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合に、従来一般的に目標とされるＳｉ−Ｃ溶液の温度（２０００℃）と流動速度（上昇流速１２．８ｍｍ／秒）とを同時に得るためのコイル周波数（５０００Ｈｚ）とコイル電流との組み合わせにおけるコイル電流を基準として（１として）相対的な大きさで表した値である。図７及び８のグラフは、ＣＧＳｉｍを用いて算出した。
【００２３】
図７に示すように、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面温度を２０００℃にするためには、コイル周波数を上げてコイル電流を下げるか、またはコイル周波数を下げてコイル電流を上げる必要がある。
【００２４】
これに対して、図８に示すように、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の上昇流速１２．８ｍｍ／秒を得るためには、コイル周波数を下げてコイル電流も下げるか、コイル周波数を上げてコイル電流も上げる必要がある。Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速は、種結晶基板の下面（成長面）から鉛直方向下方に１０ｍｍの位置におけるＳｉ−Ｃ溶液の鉛直方向上方に向かう流動速度である。
【００２５】
図７及び８から分かるように、Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流１２．８ｍｍ／秒を得るために、コイル周波数及びコイル電流を共に上げるとＳｉ−Ｃ溶液の過加熱となり、コイル周波数及びコイル電流を共に下げるとＳｉ−Ｃ溶液の加熱不足となる。言い換えれば、コイル周波数を５０００Ｈｚとし且つコイル電流を１としたときに、Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速を１２．８ｍｍ／秒とし且つ液面温度を２０００℃にすることができるが、上昇流速を１２．８ｍｍ／秒に保ちながら２０００℃以外の液面温度を得ることができず、あるいは液面温度を２０００℃に保ちながら１２．８ｍｍ／秒以外の上昇流速を得ることができない。
【００２６】
したがって、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動速度と温度を得るためのコイル周波数とコイル電流の条件は、極めて狭い範囲に限定され、Ｓｉ−Ｃ溶液の全体の温度分布も決まってしまう。
【００２７】
このように、従来の誘導コイルのみによる加熱方式では、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動を確保しながらＳｉ−Ｃ溶液の温度分布を制御することができず、ΔＴｄの低減が困難となり、黒鉛坩堝の溶損が促進され、長時間成長を行うことができないことが分かった。
【００２８】
また、従来の抵抗加熱ヒーターのみを用いる場合も同様に、ΔＴｄの低減は困難であり、さらにはＳｉ−Ｃ溶液の所望の流動を得ることもできない。従来の誘導コイルと抵抗加熱ヒーターとを単に組み合わせても、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動を確保しながらΔＴｄを低減することはできなかった。
【００２９】
本発明者は上記知見を新たに得て、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動と加熱が必要な溶液法において、流動を得るための電磁誘導と加熱を得るための抵抗加熱の機能分担を分ける方式をとり、さらには抵抗加熱の位置を特定することによって、ΔＴｄを低減し、長時間成長を可能にすることができるＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置を見出した。
【００３０】
本開示の方法は、黒鉛坩堝に入れられ、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持した種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、誘導コイルで、Ｓｉ−Ｃ溶液を電磁撹拌して流動させること、及び抵抗加熱ヒーターで、黒鉛坩堝の下部を加熱すること、を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。
【００３１】
本開示の方法によれば、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動を得つつ、ΔＴｄを低減して黒鉛坩堝を従来よりも均一に溶解することができるので、長時間の結晶成長による長尺結晶の成長が可能になる。
【００３２】
図９に、本開示の方法に用いることができるＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図を示す。図１０に、本開示の方法に用いることができる黒鉛坩堝の一例の断面模式図を示す。
【００３３】
図１０に示すように、黒鉛坩堝１０の側部１とは、破線で囲んだ範囲の坩堝の最上部から最下部までの高さ方向の坩堝部分をいう。黒鉛坩堝１０の底部３とは、破線で囲んだ範囲の幅方向の坩堝部分をいう。黒鉛坩堝の下部５とは、図１０の破線で囲んだ領域であり、黒鉛坩堝１０の底部と底部を保持する坩堝保持軸７を含む部分をいう。
【００３４】
誘導コイル２２は、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を電磁撹拌して流動させる。図９に示すように、誘導コイル２２は、黒鉛坩堝１０の側部の外周を囲むように配置される。
【００３５】
図８に示すグラフにしたがって、所望のＳｉ−Ｃ溶液の流動、例えば上昇流速１２．８ｍｍ／秒を得る際、誘導コイルの周波数を従来よりも低周波数の数十Ｈｚレベルまで低周波数化していくと誘導効率（Ｓｉ−Ｃ溶液の撹拌効率）が低下することが分かった。
【００３６】
図１１に、Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速１２．８ｍｍ／秒を得るためのコイル周波数とコイル出力（係数）との関係を示す。コイル出力（係数）（以下、単にコイル出力という）とは、従来の誘導コイルのみでＳｉ−Ｃ溶液の流動と加熱を行う場合に、従来一般的に目標とされるＳｉ−Ｃ溶液の温度（２０００℃）と流動速度（上昇流速１２．８ｍｍ／秒）とを同時に得るためのコイル周波数（５０００Ｈｚ）とコイル出力との組み合わせにおけるコイル出力を基準として（１として）相対的な大きさで表した値である。図１１より、破線で囲んだ２５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ未満の範囲においてコイル出力を最も低くすることができ、誘導効率が高いことが分かる。従来技術においては、所望のＳｉ−Ｃ溶液の液面温度と流動速度とを得るためには、コイル周波数とコイル電流とを極めて狭い範囲に設定する必要があったが、本開示の方法においては、Ｓｉ−Ｃ溶液の加熱は黒鉛坩堝の下部を加熱するように配置された抵抗加熱ヒーターで行われるため、コイル周波数は、誘導効率が最も良い周波数範囲にすることができる。
【００３７】
したがって、本開示の方法においては、誘導コイルの周波数を、従来よりも低周波数領域にすることができ、好ましくは２５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ未満であり、より好ましくは３００Ｈｚ以上９００Ｈｚ以下であり、さらに好ましくは３５０Ｈｚ以上８００Ｈｚ以下である。この範囲の周波数は、従来の誘導コイルの周波数である約５０００Ｈｚの約１／２０以上１／５未満である。
【００３８】
本開示の方法においては、誘導コイルにて、Ｓｉ−Ｃ溶液に所定の流動を起こさせつつ、Ｓｉ−Ｃ溶液の加熱は抑制し、さらに抵抗加熱ヒーター主導でＳｉ−Ｃ溶液の加熱を行う。誘導コイルがＳｉ−Ｃ溶液を電磁撹拌して流動させるのと同時に、Ｓｉ−Ｃ溶液は若干加熱されてもよいが、Ｓｉ−Ｃ溶液の主たる加熱は、黒鉛坩堝の下部を加熱するように配置された抵抗加熱ヒーターで行う。誘導コイルの周波数を上記の低周波数範囲にする場合、誘導コイルによるＳｉ−Ｃ溶液の加熱を最小限に抑えることができる。本開示の方法において、抵抗加熱ヒーターの出力をゼロにして、誘導コイルのみを用いたときのＳｉ−Ｃ溶液２４の加熱は、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面温度において、好ましくは８００℃以下、より好ましくは６００℃以下、さらに好ましくは４００℃以下までにする。誘導コイルによるＳｉ−Ｃ溶液の加熱に加えて、黒鉛坩堝の下部を加熱するように配置された抵抗加熱ヒーターで主にＳｉ−Ｃ溶液を加熱し、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面温度が、好ましくは１８００〜２２００℃になるように加熱することができる。
【００３９】
黒鉛坩堝の下部５を加熱することは、好ましくは、黒鉛坩堝１０の底部３を加熱すること及び黒鉛坩堝１０の底部を保持する坩堝保持軸７を加熱することのうち少なくとも１つを含み、より好ましくは、黒鉛坩堝１０の底部３を加熱すること及び黒鉛坩堝１０の底部を保持する坩堝保持軸７を加熱することの両方を含む。黒鉛坩堝１０及び坩堝保持軸７は、好ましくは同じ材料で構成される。黒鉛坩堝１０及び坩堝保持軸７は、好ましくは密度が１．５５〜２．００ｇ／ｃｍ３の範囲の黒鉛である。
【００４０】
図９及び１０に例示するように、坩堝保持軸７は、坩堝１０の底部３の下方に配置され、黒鉛坩堝の底部を保持する。黒鉛坩堝の底部３の少なくとも一部が坩堝保持軸７に保持される。底部３と坩堝保持軸７とは、カーボン接着剤等を用いて結合することができる。坩堝１０と坩堝保持軸７は、黒鉛から切り出して得られた一体化したものであってもよい。
【００４１】
黒鉛坩堝の形状は特に限定されず、従来と同様の形状の黒鉛坩堝を用いることができる。好ましくは、黒鉛坩堝は、内径が８０〜１５０ｍｍ、外径が９０〜１８０ｍｍ、深さ（坩堝の底部内壁の最も低い箇所から坩堝の側部の最上部までの鉛直方向の長さ）が７０〜１５０ｍｍの寸法を有する。
【００４２】
坩堝保持軸の形状は、坩堝を保持することができれば特に限定されないが、例えば、円柱形状（正円柱及び楕円柱を含む）または角柱形状を有することができる。黒鉛坩堝１０の安定保持の観点から、坩堝保持軸７の鉛直方向の長さは５ｍｍ以上であることが好ましい。坩堝保持軸７の鉛直方向の長さの上限は、特に制限されるものではないが、例えば１００ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、または３０ｍｍ以下であってもよい。
【００４３】
黒鉛坩堝１０内に入れられるＳｉ−Ｃ溶液２４の深さ（坩堝の底部内壁の最も低い箇所から液面までの鉛直方向の長さ）は３０ｍｍ以上、好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上である。Ｓｉ−Ｃ溶液２４の深さを上記範囲にすることにより、結晶成長面に向かうＳｉ−Ｃ溶液の上昇流速を大きくしやすく、より安定したＳｉＣ単結晶の成長を行うことができる。Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速は、好ましくは５ｍｍ／秒以上、より好ましくは８ｍｍ／秒以上、さらに好ましくは１２ｍｍ／秒以上である。Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速の上限は、好ましくは２５ｍｍ／秒以下、より好ましくは２０ｍｍ／以下である。Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速が上記範囲のときに、さらに安定したＳｉＣ単結晶の成長を行うことができる。
【００４４】
図９に、黒鉛坩堝１０の底部３を加熱する抵抗加熱ヒーター３０Ａ（底部ヒーターともいう）の好ましい配置位置を示す。抵抗加熱ヒーター３０Ａは、黒鉛坩堝１０の底部下面に対向するように略水平方向に配置され、黒鉛坩堝１０の底部３を加熱することができる。抵抗加熱ヒーター３０Ａで黒鉛坩堝１０の底部３を加熱することにより、従来、比較的低温になりやすかった底部３の温度を高めることができる。そのため、ΔＴｄを小さくすることができる。抵抗加熱ヒーター３０Ａは、例えば、黒鉛坩堝１０の底部下面から２〜２０ｍｍ鉛直方向下方に配置することができる。
【００４５】
抵抗加熱ヒーター３０Ａは、１つまたは２つ以上の別個の抵抗加熱ヒーターであることができる。好ましくは、黒鉛坩堝１０の底部下面に対向するように水平方向に２つ以上の底部ヒーターが配置される。例えば、水平方向に配置された複数の底部ヒーターの水平方向内側、すなわち坩堝保持軸に近い側の出力を比較的大きくし、水平方向外側、すなわち坩堝保持軸から遠い側の出力を比較的小さくすることができる。坩堝の底部下面に対向するように水平方向に配置された複数の底部ヒーターの出力を上記のように制御することによって、ΔＴｄをさらに小さくすることができる。
【００４６】
このように、複数の抵抗加熱ヒーターを配置することにより、部分的な温度制御が可能になるので、より細かな温度制御によりΔＴｄをさらに小さくすることができる。
【００４７】
図１２に、坩堝保持軸７を加熱する抵抗加熱ヒーター３０Ｂ（軸部ヒーターともいう）の好ましい配置位置を示す。図１２のＳｉＣ単結晶製造装置は、抵抗加熱ヒーター３０Ａも備えているが、抵抗加熱ヒーター３０Ｂのみでもよい。抵抗加熱ヒーター３０Ｂは、坩堝保持軸７の周囲に略鉛直方向に配置され、坩堝保持軸７を加熱することができる。抵抗加熱ヒーター３０Ｂで坩堝保持軸７を加熱することによっても、従来、比較的低温になりやすかった底部３の温度を高めることができる。そのため、ΔＴｄを小さくすることができる。抵抗加熱ヒーター３０Ｂは、例えば、坩堝保持軸７の側面から２〜１０ｍｍ外側に配置することができる。
【００４８】
坩堝保持軸は、鉛直方向に移動可能であってもよい。坩堝保持軸が鉛直方向に移動可能である場合、黒鉛坩堝も移動可能である。
【００４９】
好ましくは、抵抗加熱ヒーターでさらに、黒鉛坩堝の側部を加熱する。図１３に、黒鉛坩堝１０の側部を加熱する抵抗加熱ヒーター（側部ヒーターともいう）の好ましい配置位置を示す。図１３は、２つの別個の側部ヒーターである抵抗加熱ヒーター３０Ｃ、３０Ｄを備えるＳｉＣ単結晶製造装置２００を例示する。側部ヒーターは、底部ヒーター及び軸部ヒーターのうち少なくとも一方と組み合わせて用いられる。抵抗加熱ヒーター３０Ｃ、３０Ｄは、黒鉛坩堝１０の側部の周囲に略鉛直方向に配置され、黒鉛坩堝１０の側部を加熱することができる。
【００５０】
側部ヒーターは、好ましくは、黒鉛坩堝１０の側部に対向するように、坩堝側部の上部から下部まで略鉛直方向に配置される。
【００５１】
側部ヒーターは、１つまたは２つ以上であることができ、好ましくは２つ以上の別個の抵抗加熱ヒーターであることができる。黒鉛坩堝の側部を加熱する抵抗加熱ヒーターが２つ以上の別個の抵抗加熱ヒーターである場合、図１３に示すように、好ましくは、２つ以上の別個の抵抗加熱ヒーターのうち少なくとも１つは、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面よりも実質的に鉛直方向上方に配置され、少なくとも１つはＳｉ−Ｃ溶液の液面よりも実質的に鉛直方向下方に配置される。この場合、底部ヒーター及び／または軸部ヒーターとＳｉ−Ｃ溶液の液面よりも上方に配置される側部ヒーターとの出力を比較的大きくし、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面よりも下方に配置される側部ヒーターの出力を比較的小さくすることが好ましい。抵抗加熱ヒーターの配置及び出力を上記のようにすることによって、ΔＴｄをさらに小さくすることができる。
【００５２】
側部ヒーターを配置する場合、側部ヒーターの周囲に誘導コイルを配置することができる。この場合、温度制御を行うＳｉ−Ｃ溶液の近くに側部ヒーターを配置することができるので、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度の制御性がよい。ただし、側部ヒーターに誘導電流がのらないようにするため、側部ヒーターには好ましくスリットが切られている。底部ヒーター及び軸部ヒーターにも、スリットが切られていることが好ましい。スリットの幅及び間隔は、黒鉛坩堝の大きさ等によって調整すればよいが、例えば、スリットの幅は３〜１０ｍｍであり、スリットの間隔は１５〜２５ｍｍでもよい。
【００５３】
抵抗加熱ヒーターの出力を変えても、誘導コイルの条件を変えなければ、Ｓｉ−Ｃ溶液の上昇流速は一定である。
【００５４】
本開示の方法によれば、ΔＴｄは、好ましくは２．２℃以下、より好ましくは１．０℃以下に低減することができる。図６に示すように、ΔＴdが２．２℃以下のとき、結晶成長可能時間を５０時間以上にすることができる。
【００５５】
結晶成長可能時間は、好ましくは５０時間以上、より好ましくは９０時間以上である。黒鉛坩堝に穴があかない限り結晶成長可能時間の上限は限定されないが、結晶成長可能時間は、例えば３００時間以内にしてもよい。
【００５６】
本開示の方法によれば、誘導コイル及び抵抗加熱ヒーターを用いてＳｉ−Ｃ溶液の温度と流動とをそれぞれ別個に制御することができるので、結晶成長初期から後期にかけて、結晶成長が進むことによるＳｉ−Ｃ溶液量の低下や黒鉛坩堝の肉厚低下に対しても、誘導コイルと抵抗加熱ヒーターとを制御して、ΔＴｄを所望の範囲内に維持しながら長時間の結晶成長が可能である。底部ヒーター、軸部ヒーター、及び側部ヒーターは鉛直方向に移動可能であってもよく、結晶成長中に鉛直方向の位置を変更してもよい。
【００５７】
本開示に係る方法の上記以外の構成の例について、以下に説明する。本開示に係る方法は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法である。溶液法においては、内部から表面（液面）に向けて液面に垂直方向に温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液に、ＳｉＣ種結晶基板を接触させて、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の液面に向けて温度低下する温度勾配を形成することによってＳｉ−Ｃ溶液の表面領域を過飽和にして、Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させた種結晶基板を基点として、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００５８】
図９に、本開示の方法に用いることができるＳｉＣ単結晶製造装置の一例の断面模式図を示す。図示したＳｉＣ単結晶製造装置２００は、ＳｉまたはＳｉ／Ｘ（ＸはＳｉ以外の１種類以上の金属）の融液中に炭素が溶解してなるＳｉ−Ｃ溶液２４を収容した黒鉛坩堝１０を備え、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成し、鉛直方向に移動可能な種結晶保持軸１２の先端に保持された種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、種結晶基板１４を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００５９】
Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、原料を黒鉛坩堝１０に投入し、加熱融解させて調製したＳｉまたはＳｉ／Ｘの融液に炭素を溶解させることによって調製される。ＸはＳｉ以外の一種類以上の金属であり、ＳｉＣ（固相）と熱力学的に平衡状態となる液相（溶液）を形成できるものであれば特に制限されない。適当な金属Ｘの例としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等が挙げられる。例えば、黒鉛坩堝１０内にＳｉに加えて、Ｃｒ等を投入し、Ｓｉ／Ｃｒ溶液等を形成することができる。
【００６０】
炭素を含む黒鉛坩堝１０の溶解により炭素が融液中に溶解し、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成することができるが、これに加えて、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体の炭素供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を併用してもよい。
【００６１】
保温のために、黒鉛坩堝１０及び抵抗加熱ヒーターの周囲に、断熱材１８が配置されている。これらが一括して、石英管２６内に収容されている。石英管２６の外周には、誘導コイル２２が配置されている。断熱材１８としては、概して０．１〜０．１６ｇ／ｃｍ３の範囲の密度を有する黒鉛が用いられる。
【００６２】
黒鉛坩堝、断熱材、石英管、抵抗加熱ヒーター、及び誘導コイルは、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、装置内の雰囲気調整を可能にするために、ガス導入口とガス排気口とを備える。
【００６３】
黒鉛坩堝１０は、上部に断熱材１８を備え、断熱材１８は、種結晶保持軸１２を通す開口部２８を備えている。開口部２８における断熱材１８と種結晶保持軸１２との間の隙間（間隔）を調節することによって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面からの輻射抜熱の程度を変更することができる。概して黒鉛坩堝１０の内部は高温に保つ必要があるが、開口部２８における断熱材１８と種結晶保持軸１２との間の隙間を大きく設定すると、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面からの輻射抜熱を大きくすることができ、開口部２８における断熱材１８と種結晶保持軸１２との間の隙間を狭めると、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面からの輻射抜熱を小さくすることができる。開口部２８における断熱材１８と種結晶保持軸１２との間の隙間（間隔）は好ましくは１〜５ｍｍであり、より好ましくは３〜４ｍｍである。後述するメニスカスを形成したときは、メニスカス部分からも輻射抜熱をさせることができる。
【００６４】
Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液２４の内部よりも表面の温度が低い温度分布となるが、さらに、誘導コイルに加えて主に抵抗加熱ヒーターの出力を調整することによって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に種結晶基板１４が接触する溶液上部が低温、溶液下部（内部）が高温となるようにＳｉ−Ｃ溶液２４の表面に垂直方向の温度勾配を形成することができる。温度勾配は、例えばＳｉ−Ｃ溶液の液面からの深さがおよそ１ｃｍまでの範囲で、好ましくは１０〜５０℃／ｃｍである。
【００６５】
Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に溶解した炭素は、拡散及び対流により分散される。種結晶基板１４の下面近傍は、誘導コイルに加えて主に抵抗加熱ヒーターの出力制御、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面からの抜熱、及び種結晶保持軸１２を介した抜熱等によって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部よりも低温となる温度勾配が形成され得る。高温で溶解度の大きい溶液内部に溶け込んだ炭素が、低温で溶解度の低い種結晶基板付近に到達すると過飽和状態となり、この過飽和度を駆動力として種結晶基板１４上にＳｉＣ結晶を成長させることができる。
【００６６】
ＳｉＣ単結晶を成長させる際に、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成しながら結晶成長させることが好ましい。
【００６７】
メニスカスとは、図１４に示すように、表面張力によって種結晶基板１４に濡れ上がったＳｉ−Ｃ溶液２４の表面に形成される凹状の曲面３４をいう。種結晶基板１４とＳｉ−Ｃ溶液２４との間にメニスカスを形成しながら、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。例えば、種結晶基板１４をＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させた後、種結晶基板１４の下面がＳｉ−Ｃ溶液２４の液面よりも高くなる位置に種結晶基板１４を引き上げて保持することによって、メニスカスを形成することができる。
【００６８】
成長界面の外周部に形成されるメニスカス部分は輻射抜熱により温度が低下しやすいので、メニスカスを形成することによって、温度勾配を大きくしやすくなる。また、結晶成長面の界面直下の中央部よりも外周部のＳｉ−Ｃ溶液の温度が低くなる温度勾配を形成することができるので、成長界面の外周部のＳｉ−Ｃ溶液の過飽和度を、成長界面の中心部のＳｉ−Ｃ溶液の過飽和度よりも大きくすることができる。
【００６９】
このように結晶成長界面直下のＳｉ−Ｃ溶液内にて水平方向の過飽和度の傾斜を形成することによって、凹形状の結晶成長面を有するようにＳｉＣ結晶を成長させることが可能となる。これにより、ＳｉＣ単結晶の結晶成長面がジャスト面とならないように結晶成長させることができ、インクルージョン及び貫通転位の発生を抑制しやすくなる。
【００７０】
本開示の方法においては、ＳｉＣ単結晶の製造に一般に用いられる品質のＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができ、例えば昇華法で一般的に作成したＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができる。
【００７１】
種結晶基板として、例えば、成長面がフラットであり（０００１）ジャスト面または（０００−１）ジャスト面を有するＳｉＣ単結晶、（０００１）ジャスト面または（０００−１）ジャスト面から０°よりも大きく例えば８°以下のオフセット角度を有するＳｉＣ単結晶、または成長面が凹形状を有し凹形状の成長面の中央部付近の一部に（０００１）面または（０００−１）面を有するＳｉＣ単結晶を用いることができる。
【００７２】
種結晶基板の全体形状は、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。
【００７３】
単結晶製造装置への種結晶基板の設置は、接着剤等を用いて種結晶基板の上面を種結晶保持軸に保持させることによって行うことができる。接着剤は、カーボン接着剤であることができる。
【００７４】
種結晶基板のＳｉ−Ｃ溶液への接触は、種結晶基板を保持した種結晶保持軸をＳｉ−Ｃ溶の液面に向かって降下させ、種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に対して平行にしてＳｉ−Ｃ溶液に接触させることによって行うことができる。そして、Ｓｉ−Ｃ溶液面に対して種結晶基板を所定の位置に保持して、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００７５】
種結晶基板の保持位置は、種結晶基板の下面の位置が、Ｓｉ−Ｃ溶液面に一致するか、Ｓｉ−Ｃ溶液面に対して下側にあるか、またはＳｉ−Ｃ溶液面に対して上側にあってもよい。種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に対して上方の位置に保持する場合は、一旦、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させて種結晶基板の下面にＳｉ−Ｃ溶液を接触させてから、所定の位置に引き上げる。種結晶基板の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液面に一致するか、またはＳｉ−Ｃ溶液面よりも下側にしてもよいが、上記のようにメニスカスを形成するために、種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に対して上方の位置に保持して結晶成長させることが好ましい。また、多結晶の発生を防止するために、種結晶保持軸にＳｉ−Ｃ溶液が接触しないようにすることが好ましい。メニスカスを形成することにより、種結晶保持軸へのＳｉ−Ｃ溶液の接触防止を容易に行うことができる。これらの方法において、結晶成長中に種結晶基板の位置を調節してもよい。
【００７６】
種結晶保持軸はその端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であることができる。好ましくは、種結晶保持軸は、坩堝と同じ材質で構成される。種結晶保持軸は、円柱状、角柱状等の任意の形状であることができ、種結晶基板の上面の形状と同じ端面形状を有する黒鉛軸を用いてもよい。
【００７７】
Ｓｉ−Ｃ溶液の温度測定は、熱電対、放射温度計等を用いて行うことができる。熱電対に関しては、高温測定及び不純物混入防止の観点から、ジルコニアやマグネシア硝子を被覆したタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対が好ましい。
【００７８】
ＳｉＣ単結晶の成長前に、種結晶基板の表面層をＳｉ−Ｃ溶液中に溶解させて除去するメルトバックを行ってもよい。ＳｉＣ単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜などが存在していることがあり、ＳｉＣ単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。溶解する厚みは、種結晶基板の表面の加工状態によって変わるが、加工変質層や自然酸化膜を十分に除去するために、およそ５〜１００μｍが好ましい。
【００７９】
メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が増加する温度勾配、すなわち、ＳｉＣ単結晶成長とは逆方向の温度勾配をＳｉ−Ｃ溶液に形成することにより行うことができる。誘導コイルの出力を制御することによって上記逆方向の温度勾配を形成することができる。
【００８０】
あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のＳｉ−Ｃ溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は種結晶保持軸ごと加熱して行うことができる。この場合、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた後、ＳｉＣ単結晶を成長させる前に種結晶保持軸の加熱を止める。または、この方法に代えて、比較的低温のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてから、結晶を成長させる温度にＳｉ−Ｃ溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。
【００８１】
本開示はまた、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する黒鉛坩堝と、誘導コイルと、抵抗加熱ヒーターと、鉛直方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、種結晶保持軸に保持された種結晶基板を、内部から液面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に接触させて、種結晶基板からＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、黒鉛坩堝は、黒鉛坩堝の底部にて坩堝保持軸に保持され、誘導コイルは、黒鉛坩堝の側部の周囲に配置され、抵抗加熱ヒーターは、黒鉛坩堝の下部を加熱する位置に配置されている、ＳｉＣ単結晶の製造装置を対象とする。
【００８２】
本開示の装置によれば、Ｓｉ−Ｃ溶液の所望の流動を得つつ、ΔＴｄを低減して黒鉛坩堝を従来よりも均一に溶解することができるので、長時間の結晶成長による長尺結晶の成長が可能になる。
【００８３】
上記の製造方法において記載した内容は、本装置の構成に適用される。
【実施例】
【００８４】
溶液法（Ｆｌｕｘ法）でＳｉＣ単結晶を成長させる際のΔＴｄについて、ＣＧＳｉｍ（溶液からのバルク結晶成長シミュレーションソフトウェア、ＳＴＲ  Ｊａｐａｎ製、Ｖｅｒ．１４．１）を用いてシミュレーションを行った。
【００８５】
ΔＴｄは、図５に示す黒鉛坩堝の内壁に接する位置におけるＳｉ−Ｃ溶液のうち、最高温度と最低温度との差として算出した。
【００８６】
（比較例１：従来の誘導コイルのみの装置構成）
シミュレーション条件として、以下の解析モデル及び条件を設定した。
【００８７】
（解析モデル及び条件）
単結晶製造装置として、図１５に示すような従来の単結晶製造装置１００の構成の対称モデルを作成した。上部から下部に向かって５０ｍｍ／６７ｍｍ／２４ｍｍの範囲で１１ｍｍ／２０ｍｍ／１５ｍｍの直径を有し１４１ｍｍの長さを有する円柱の先端に厚み４ｍｍ及び直径５０ｍｍの円板を備えた黒鉛軸を種結晶保持軸１２とした。種結晶保持軸１２の上部は、最大直径が２７ｍｍのステンレス製の保持部１３に保持されている。厚み０．７ｍｍ、直径５０ｍｍを有し、成長面として（０００−１）面を備えた円盤状ＳｉＣ単結晶を種結晶基板１４とした。
【００８８】
種結晶基板１４の上面を種結晶保持軸１２の端面に保持させた。厚みが２７．５ｍｍの黒鉛の断熱材１８の上部に開けた直径４０ｍｍの開口部２８に種結晶保持軸１２を通して、種結晶保持軸１２及び種結晶基板１４を配置した。開口部２８における断熱材１８と種結晶保持軸１２を保持するステンレス製の保持部１３との間の隙間はそれぞれ４ｍｍとした。
【００８９】
外径が１２０ｍｍ、内径が１００ｍｍ、肉厚が１０ｍｍ、深さ（坩堝の底部内壁の最も低い箇所から坩堝の側部の最上部までの鉛直方向の長さ）が７７．５ｍｍの黒鉛坩堝１０内に、坩堝内壁からの深さが３５ｍｍの範囲に、Ｓｉ：Ｃｒ＝６０：４０（ａｔ％）のＳｉ／Ｃｒ融液を配置した。黒鉛坩堝１０は、坩堝と同じ材質を有し直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの坩堝保持軸７に底部を保持されている。坩堝保持軸７の下部は、高強度高弾性黒鉛製の保持部８に保持されている。単結晶製造装置２００の内部の雰囲気をヘリウムとした。直径２８０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、及び管外径１２ｍｍの誘導コイル２２を、黒鉛坩堝１０の側部の周囲に鉛直方向に均等に配置した。誘導コイル２２は７巻きの高周波コイルを備える。誘導コイル２２の高周波電源周波数を５０００Ｈｚ、コイル電流を２．１３×１０６Ａとした。
【００９０】
種結晶基板１４の下面が、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面位置に対して２ｍｍ上方に位置するように、種結晶保持軸に保持された種結晶基板１４を配置し、Ｓｉ−Ｃ溶液が種結晶基板１４の下面全体に濡れるように図１４に示すようなメニスカスを形成した。Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面位置におけるメニスカス部分の直径を５４ｍｍとし、計算の簡略化のためにＳｉ−Ｃ溶液２４の液面と種結晶基板１４の下面との間のメニスカスの形状を直線形状にした。Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面中心における温度を２０００℃にし、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面を低温側として、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面における温度と、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面から溶液内部に向けて鉛直方向の深さ１ｃｍの位置における温度との温度差を０．１℃とした。坩堝１０を３ｒｐｍで、種結晶保持軸１２の中心軸を中心として、回転させた。
【００９１】
その他のシミュレーション条件は、次の通りである。
２Ｄ対称モデルを用いて計算；
各材料の物性は以下の通り：
黒鉛坩堝１０、種結晶保持軸１２：材質は黒鉛、密度は１．８ｇ／ｃｍ３、２０００℃における熱伝導率＝１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、輻射率＝０．７６５；
断熱材１８：材質は黒鉛、密度は０．１３ｇ／ｃｍ３、２５００℃における熱伝導率＝４．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、輻射率＝０．８；
Ｓｉ−Ｃ溶液：材質はＳｉ／Ｃｒ融液、２０００℃における熱伝導率＝６６．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、輻射率＝０．９、密度＝２６００ｋｇ／ｍ３、導電率＝２２４５０００Ｓ／ｍ；
Ｈｅ：２０００℃における熱伝導率＝０．５７９Ｗ／（ｍ・Ｋ）；
水冷チャンバー及び誘導コイルの温度＝３００Ｋ；
坩堝保持軸の保持部８：材質は高強度高弾性黒鉛、密度は１．６０ｇ／ｃｍ３、熱伝導率＝２７Ｗ／ｍ・Ｋ、輻射率＝０．７６５；
種結晶保持軸の保持部１３：材質はステンレス、密度は７．９３ｇ／ｃｍ３、熱伝導率＝２５．７Ｗ／ｍ・Ｋ、輻射率＝０．４５。
【００９２】
上記条件でシミュレーションを行いΔＴｄを算出したところ、ΔＴｄは４．７℃であった。
【００９３】
（実施例１：誘導コイル＋底部ヒーターの装置構成）
単結晶製造装置として、図９に示すような単結晶製造装置２００の構成の対称モデルを作成した。誘導コイル２２の高周波電源周波数を５０００Ｈｚ、コイル電流を１．９８×１０６Ａとし、さらに、図９に示すように、底部ヒーターとして、内径２４ｍｍ、外径１１４ｍｍ、及び高さ５ｍｍの中空円盤状の抵抗加熱ヒーター３０Ａを、黒鉛坩堝１０の底部下面から鉛直方向２ｍｍ下方に水平方向に配置し、出力密度を２３Ｗ／ｃｍ３として黒鉛坩堝の底部を加熱したこと以外は、比較例１と同じ条件で、ΔＴｄを算出した。ΔＴｄは２．２℃であった。
【００９４】
（実施例２：誘導コイル＋底部ヒーター、軸部ヒーターの装置構成）
図１２に示すように、軸部ヒーターとして、内径２４ｍｍ、外径３８ｍｍ、及び高さ２０ｍｍの中空円柱状の抵抗加熱ヒーター３０Ｂを、坩堝保持軸７の周囲に鉛直方向に配置し、抵抗加熱ヒーター３０Ａの出力密度を１５Ｗ／ｃｍ３とし、抵抗加熱ヒーター３０Ｂの出力密度を２５Ｗ／ｃｍ３として黒鉛坩堝の下部を加熱したこと以外は、実施例1と同じ条件で、ΔＴｄを算出した。ΔＴｄは１．１℃であった。抵抗加熱ヒーター３０Ａ及び抵抗加熱ヒーター３０Ｂは、出力を独立して制御することができる。以下の抵抗加熱ヒーターにおいて同様である。
【００９５】
（実施例３：誘導コイル＋底部ヒーター、軸部ヒーター、側部ヒーターの装置構成）
以下の条件以外は、比較例１と同じ条件でΔＴｄを算出した。
【００９６】
誘導コイル２２の高周波電源周波数を５００Ｈｚ、コイル電流を１．４１×１０５Ａとした。図１３に示すように、黒鉛坩堝１０の底部の外径形状が矩形であり、直径４０ｍｍ、長さ５０ｍｍの坩堝保持軸に底部を保持されていること以外は、比較例１と同じ形状の黒鉛坩堝を用いた。図１３に示すように、底部ヒーター、軸部ヒーター、及び側部ヒーターとして、内径５０ｍｍ、外径１４０ｍｍ、高さ５ｍｍの中空円盤状の抵抗加熱ヒーター３０Ａ、内径５０ｍｍ、外径６４ｍｍ、高さ２０ｍｍの中空円柱状の抵抗加熱ヒーター３０Ｂ、内径１３０ｍｍ、外径１４０ｍｍ、高さ４５ｍｍの中空円柱状の抵抗加熱ヒーター３０Ｃ、及び内径１３０ｍｍ、外径１４０ｍｍ、高さ５０ｍｍの中空円柱状の抵抗加熱ヒーター３０Ｄを配置した。抵抗加熱ヒーター３０Ａは、黒鉛坩堝１０の底部下面から鉛直方向５ｍｍ下方に水平方向に配置した。隣接するヒーター間の間隔を５ｍｍとした。抵抗加熱ヒーター３０Ａ〜３０Ｄの出力密度をそれぞれ、１０Ｗ／ｃｍ３、１０Ｗ／ｃｍ３、１８Ｗ／ｃｍ３、及び５Ｗ／ｃｍ３にした。
【００９７】
ΔＴｄは１．５℃であった。
【００９８】
（実施例４：出力変更）
抵抗加熱ヒーター３０Ａ〜３０Ｄの出力密度をそれぞれ、１０Ｗ／ｃｍ３、１０Ｗ／ｃｍ３、１７Ｗ／ｃｍ３、及び４Ｗ／ｃｍ３としたこと以外は実施例３と同じ条件でΔＴｄを算出した。ΔＴｄは１．０℃であった。
【００９９】
（実施例５：出力変更）
抵抗加熱ヒーター３０Ａ〜３０Ｄの出力密度をそれぞれ、１０Ｗ／ｃｍ３、１０Ｗ／ｃｍ３、１６Ｗ／ｃｍ３、及び３．８Ｗ／ｃｍ３としたこと以外は実施例３と同じ条件でΔＴｄを算出した。ΔＴｄは０．９℃であった。
【０１００】
（実施例６：出力変更）
抵抗加熱ヒーター３０Ａ〜３０Ｄの出力密度をそれぞれ、１０Ｗ／ｃｍ３、１１Ｗ／ｃｍ３、１７Ｗ／ｃｍ３、及び４Ｗ／ｃｍ３としたこと以外は実施例３と同じ条件でΔＴｄを算出した。ΔＴｄは０．８℃であった。
【０１０１】
（実施例７：誘導コイル＋２つの底部ヒーター、軸部ヒーター、側部ヒーターの装置構成）
実施例３で用いた抵抗加熱ヒーター３０Ａに代えて、図１５に示すように、内径５０ｍｍ、外径１００ｍｍ、高さ５ｍｍの中空円盤状の抵抗加熱ヒーター３０Ａ１及び内径１１０ｍｍ、外径１４０ｍｍ、高さ５ｍｍの中空円盤状の抵抗加熱ヒーター３０Ａ２を用い、抵抗加熱ヒーター３０Ａ１、抵抗加熱ヒーター３０Ａ２、抵抗加熱ヒーター３０Ｂ、抵抗加熱ヒーター３０Ｃ、及び抵抗加熱ヒーター３０Ｄの出力密度をそれぞれ、１１Ｗ／ｃｍ３、１０Ｗ／ｃｍ３、１２Ｗ／ｃｍ３、１７Ｗ／ｃｍ３、及び５Ｗ／ｃｍ３にしたこと以外は、実施例３と同じ条件でΔＴｄを算出した。ΔＴｄは０．７℃であった。
【０１０２】
【表１】
2018184324.tif 000003
【０１０３】
誘導コイル及び抵抗加熱ヒーターの個数、配置等は、上記例に限定されるものではなく、成長結晶の大きさやそれにともなう坩堝の寸法によって、変更することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１    黒鉛坩堝の側部
３    黒鉛坩堝の底部
５    黒鉛坩堝の下部
７    坩堝保持軸
８    坩堝保持軸の保持部
１０    黒鉛坩堝
１００    単結晶製造装置
２００    単結晶製造装置
１２    種結晶保持軸
１３    種結晶保持軸の保持部
１４    種結晶基板
１８    断熱材
２２    誘導コイル
２４    Ｓｉ−Ｃ溶液
２６    石英管
２８    坩堝上部の開口部
３０Ａ、３０Ａ１、３０Ａ２    底部ヒーター
３０Ｂ    軸部ヒーター
３０Ｃ    側部ヒーター
３０Ｄ    側部ヒーター
３４    メニスカス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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