(57)【要約】【課題】軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さい種結晶保持軸を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合でも、バンチングの発生を抑制することができるＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】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、前記種結晶保持軸が、軸部、及び前記の軸部の下端に種結晶保持部を有し、前記軸部の直径が前記種結晶保持部の直径よりも小さく、前記軸部が断熱構造を有する、ＳｉＣ単結晶の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記種結晶保持軸が、軸部、及び前記の軸部の下端に種結晶保持部を有し、
前記軸部の直径が前記種結晶保持部の直径よりも小さく、
前記軸部が断熱構造を有する、
ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【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。
【０００５】
特許文献１には、大口径且つインクルージョンを含まないＳｉＣ単結晶を得ることを目的として、図１に示すような、種結晶保持部１５の直径Ｄ２に対する軸部１３の直径Ｄ１の比が０．２８以下である種結晶保持軸１２を用いた、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１２４９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示される方法では、軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さいので、種結晶保持部の種結晶基板を保持する面とは反対側の上面において、軸部を介した熱伝導によって冷却される領域と、その周囲の輻射によって抜熱される領域との境界部が存在し、この境界部でバンチングが発生しやすい、という課題があった。
【０００８】
そのため、軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さい種結晶保持軸を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合でも、バンチングの発生を抑制することができるＳｉＣ単結晶の製造方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、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、
前記種結晶保持軸が、軸部、及び前記の軸部の下端に種結晶保持部を有し、
前記軸部の直径が前記種結晶保持部の直径よりも小さく、
前記軸部が断熱構造を含む、
ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さい種結晶保持軸を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合でも、バンチングの発生を抑制してＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、従来の種結晶保持軸の一実施形態を表す断面模式図である。
【図２】図２は、本開示の方法に用いられ得る種結晶保持軸の一実施形態を表す断面模式図である。
【図３】図３は、凹形状の成長面を有するＳｉＣ単結晶の断面模式図である。
【図４】図４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５】図５は、本開示の方法に用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を表す断面模式図である。
【図６】図６は、実施例で用いた種結晶保持軸の外観写真である。
【図７】図７は、実施例で用いた炭素繊維の外観写真である。
【図８】図８は、実施例で得られた成長結晶の成長面の外観写真である。
【図９】図９は、比較例で得られた成長結晶の成長面の外観写真である。
【図１０】図１０は、実施例及び比較例で得られた成長結晶の成長面における成長速度の面内分布を表すグラフである。
【図１１】図１１は、実施例で得られた成長結晶の成長面の外観写真である。
【図１２】図１２は、実施例で得られた成長結晶の透過Ｘ線像である。
【図１３】図１３は、比較例で得られた成長結晶の成長面の外観写真である。
【図１４】図１４は、比較例で得られた成長結晶の透過Ｘ線像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
本発明者は、軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さい種結晶保持軸を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合でも、軸部が断熱構造を有することによって、バンチングの発生を抑制してＳｉＣ単結晶を成長させることができることを見出した。
【００１４】
本開示は、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、前記種結晶保持軸が、軸部、及び前記の軸部の下端に種結晶保持部を有し、前記軸部の直径が前記種結晶保持部の直径よりも小さく、前記軸部が断熱構造を含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法を対象とする。
【００１５】
軸部の直径が種結晶保持部の直径よりも小さい場合でも、軸部が断熱構造を有することによって、種結晶保持部の種結晶基板を保持する面とは反対側の上面において軸部を介した熱伝導によって冷却される領域の面積が小さくなるので、軸部を介した熱伝導によって冷却される領域と、その周囲の輻射によって抜熱される領域との境界を無くすことができる。これにより、バンチングの発生を抑制してＳｉＣ単結晶を成長させることができる。バンチングが発生するとインクルージョンが発生することもあるが、バンチングの発生を抑制することにより、バンチングの発生にともなうインクルージョンの発生を抑制することもできる。
【００１６】
断熱構造は、軸部を介した熱伝導を低減または抑制することができるものであればよく、好ましくは、図２に示すような、軸部の上部５１と下部５２との間を炭素繊維５３でつないだ構造であることができる。
【００１７】
図２は、本開示の方法に用いられる種結晶保持軸の一実施形態である。種結晶保持軸１２は、軸部の上部５１、軸部の下部５２、上部５１と下部５２との間をつなぐ炭素繊維５３、及び軸部の下部５２の下端に種結晶保持部１５を有する。
【００１８】
図２のような軸部が断熱構造を有する種結晶保持軸１２を用いることにより、軸部の下部５２の直径Ｄ１が種結晶保持部１５の直径Ｄ２よりも小さい場合でも、バンチングの発生を抑制してＳｉＣ単結晶を成長させることができる。直径Ｄ１は、種結晶保持部１５との境界における軸部の下部５２の直径であり、直径Ｄ２は、種結晶基板を保持する種結晶保持部１５の下面の直径である。
【００１９】
炭素繊維５３は、軸部の上部５１と下部５２との間をつないで、軸部の上部５１に、軸部の下部５２、種結晶保持部１５、及び種結晶基板を吊すことができるものであればよい。炭素繊維５３は、１本の炭素繊維で構成されてもよく、複数本の炭素繊維を束ねてまたは撚り合わせて構成されてもよい。好ましくは、１本の炭素繊維の直径は１ｍｍ未満である。軸部の上部５１と下部５２との間をつなぐ炭素繊維５３の合計断面積は、好ましくは３ｍｍ2以下、より好ましくは２ｍｍ2以下である。炭素繊維が、上記範囲の断面積を有することによって、軸部を介した熱伝導によって冷却される領域と、その周囲の輻射によって抜熱される領域との境界をさらに無くすことができ、バンチングの発生をより安定して抑制することができる。
【００２０】
軸部の上部５１及び下部５２と、炭素繊維５３との接続方法は、軸部の上部５１と下部５２との間をつないで軸部の上部５１に、軸部の下部５２、種結晶保持部１５、及び種結晶基板を保持することができる方法であれば特に限定されない。例えば、カーボン接着剤を用いて、炭素繊維５３を軸部の上部５１と下部５２とに接着してもよい。または、図２に示すように、軸部の上部５１と下部５２との空洞部５４に炭素繊維５３を通してもよい。空洞部５４は、炭素繊維５３を介して軸部の上部５１と下部５２との間をつないで軸部の上部５１に、軸部の下部５２、種結晶保持部１５、及び種結晶基板を保持することができる形状であれば、特に限定されず、閉じた穴形状または開いた穴形状等であることができる。
【００２１】
バンチング有無の検査方法としては、光学顕微鏡を用いて成長結晶の成長面を外観観察して、バンチングの有無を確認することができる。
【００２２】
種結晶保持軸の軸部の下部５２の直径Ｄ１は、種結晶保持部の直径Ｄ２よりも小さい。このような種結晶保持軸を用いてＳｉＣ単結晶を成長させると、成長結晶の成長面を凹形状に成長させることができるので、インクルージョンの発生を抑制することができる。種結晶保持部１５の直径Ｄ２に対する軸部の下部５２の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ２は、好ましくは０．２８以下、より好ましくは０．２６以下、さらに好ましくは０．２４以下、さらにより好ましくは０．２１以下、さらにより好ましくは０．１６以下である。このようなＤ１／Ｄ２比を有する種結晶保持軸１２を用いることにより、直径３０ｍｍ以上といった大口径を有するＳｉＣ単結晶を成長させる場合でも、種結晶基板直下の中心部から外周部に向かってＳｉ−Ｃ溶液の温度が低下するような水平方向の温度分布を安定して維持することができる。これにより、凹形状の成長面をより安定して維持してインクルージョンを発生させずに、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００２３】
比Ｄ１／Ｄ２の下限は、軸部の下部５２の強度が確保される範囲であれば特に限定されないが、例えば０．０５以上、０．１０以上、または０．１６以上にすることができる。
【００２４】
比Ｄ１／Ｄ２が上記範囲の場合、直径３０ｍｍ以上といった大口径を有するＳｉＣ単結晶を成長させるときに特に効果的であるが、当然に、直径３０ｍｍ以下の口径を有するＳｉＣ単結晶を成長させる場合にも適用することができ、安定してインクルージョンを発生させずにＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００２５】
インクルージョンとは、ＳｉＣ単結晶成長に使用するＳｉ−Ｃ溶液の、成長結晶中の巻き込みである。インクルージョン有無の検査方法として、透過Ｘ線を用いることができる。成長結晶にインクルージョンが発生する場合、インクルージョンには、例えば、Ｓｉ−Ｃ溶液中に含まれ得るＳｉ及びＣよりも重いＣｒ等の重金属が含まれるので、透過Ｘ線像を観察したときにインクルージョンは比較的黒くみえる。
【００２６】
透過Ｘ線像を観察する場合、成長結晶の成長面に平行方向にスライスして成長結晶を切り出し、成長結晶の成長面側にＸ線源を配置し、種結晶基板側に検出器を配置し、または逆方向に配置して観察を行うことができる。
【００２７】
凹形状の成長面とは、結晶成長ジャスト面１６に対して、中央部の一部がほぼ平行であり、成長面の外周部ほど傾きが大きくなる凹形状の結晶成長面をいう。図３に、種結晶基板１４から成長した凹形状の成長面２０を有するＳｉＣ単結晶４０の断面模式図を示す。
【００２８】
本開示の方法は溶液法を用いる。溶液法とは、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、ｉＣ種結晶を接触させてＳｉＣ単結晶を成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法である。Ｓｉ−Ｃ溶液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を基点として、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【００２９】
種結晶保持部１５は略円盤形状を有し、軸部の下部５２も略円柱形状を有することができる。軸部の上部５１も略円柱形状を有することができる。種結晶保持部１５は、種結晶基板の形状にあわせてオリフラが形成されていてもよい。
【００３０】
種結晶保持部１５の直径Ｄ２は、成長させるＳｉＣ単結晶の口径に応じて変えることができ、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、さらに好ましくは５０ｍｍ以上である。直径Ｄ２の上限は、特に限定されるものではないが、例えば１００ｍｍ以下である。
【００３１】
軸部の下部５２の直径Ｄ１は、種結晶保持部１５の直径Ｄ２に対して、好ましくは、上記比Ｄ１／Ｄ２の範囲を満たす直径であればよく、例えば８．４ｍｍ以下にすることができる。直径Ｄ１の下限は、軸部の下部５２の強度が確保される範囲であれば特に限定されないが、例えば２．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以上、または４．８ｍｍ以上にすることができる。
【００３２】
種結晶保持部１５の厚みＤ３が薄いほど、種結晶基板の外周部の上面から種結晶保持部１５を介しての輻射抜熱が大きくなるので、凹形状の成長面を有する結晶成長を行いやすくなる。そのため、種結晶保持部１５の厚みＤ３の上限は、好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ、さらに好ましくは５ｍｍ以下である。種結晶保持部１５の厚みＤ３が薄すぎると、熱膨張による歪みによって成長結晶が割れやすくなるので、種結晶保持部１５の厚みの下限は、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上、さらに好ましくは３ｍｍ以上である。
【００３３】
種結晶保持部１５は軸部の下部５２と一体成形されて形成、または軸部の下部５２の端部に種結晶保持部１５を接合して形成され得る。軸部の下部５２と種結晶保持部１５とは、カーボン接着剤を用いて接合することができる。軸部の下部５２の構成材料と種結晶保持部１５の構成材料とは、黒鉛であることができ、好ましくは、種結晶保持部１５は、軸部の下部５２と一体成形されて形成される。
【００３４】
種結晶基板は、その上面が種結晶保持部１５の下面に保持される。種結晶基板の上面の直径は、好ましくは種結晶保持部の下面の直径の±５ｍｍ以内であり、より好ましくは、種結晶基板の上面形状は、種結晶保持部の下面形状と実質的に同じである。
【００３５】
本方法に用いられ得る種結晶基板として、例えば昇華法で一般的に作成したＳｉＣ単結晶を用いることができるが、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単結晶か、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単結晶が好ましく用いられる。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。
【００３６】
種結晶保持部１５に種結晶基板を保持させることは、接着剤等を用いて種結晶基板の上面を種結晶保持部１５の下面に接着させることによって行うことができる。
【００３７】
種結晶保持軸１２において、軸部の上部５１の直径は、軸部の下部５２の直径と同じでもよく異なっていてもよい。種結晶保持部１５との境界の軸部の下部５２の直径Ｄ１と種結晶保持部１５の直径Ｄ２との比Ｄ１／Ｄ２が上記比率を満たす限り、同様の効果を有する。
【００３８】
凹形状の成長面が得られているかどうかの判断は、成長結晶の中央部と外周部の厚みを測定して行うことができる。結晶成長ジャスト面１６を有するフラットな成長面を有する種結晶基板を用いれば、単に成長結晶の中央部と外周部の厚みの大小関係を測定して、凹形状の成長面が得られているかどうかを判断することができる。
【００３９】
結晶成長ジャスト面１６に対する凹形状の結晶成長面の傾き最大角θは、好ましくは０＜θ≦８°の範囲内にあり、より好ましくは１≦θ≦８°の範囲内にあり、さらに好ましくは２≦θ≦８°の範囲内にあり、さらにより好ましくは４≦θ≦８°の範囲内にある。凹形状の結晶成長面の傾き最大角θが上記範囲内にあることによって、インクルージョンの発生をより安定して抑制することができる。
【００４０】
傾き最大角θは、任意の方法で測定され得る。例えば、図３に示すように、ジャスト面１６を有する種結晶基板１４を用いて、凹形状の結晶成長面２０を有するＳｉＣ単結晶を成長させた場合、種結晶基板１４のジャスト面１６に対する凹形状の結晶成長面２０の最外周部の接線の傾きを最大角θとして測定することができる。
【００４１】
ＳｉＣ単結晶の成長面は、（０００１）面（Ｓｉ面ともいう）または（０００−１）面（Ｃ面ともいう）であることができる。
【００４２】
本開示の方法により得られるＳｉＣ成長単結晶の直径は、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、さらに好ましくは４５ｍｍ以上、さらにより好ましくは５０ｍｍ以上である。本開示の方法によれば、上記直径の範囲の全体にわたってバンチングを含まず、好ましくはインクルージョンも含まないＳｉＣ単結晶を得ることができる。
【００４３】
本開示の方法により得られるＳｉＣ成長単結晶の成長厚みは、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上、さらに好ましくは３ｍｍ以上、さらにより好ましくは４ｍｍ以上、さらにより好ましくは５ｍｍ以上である。本発明によれば、上記厚みの範囲の全体にわたってバンチングを含まず、好ましくはインクルージョンも含まないＳｉＣ単結晶を得ることができる。
【００４４】
なお、上記厚みを超える厚み及び／または上記直径を超える直径を有するＳｉＣ単結晶を成長させてもよく、上記厚み及び／または直径を超える結晶領域においてもバンチングを含まず、好ましくはインクルージョンも含まないことがさらに好ましい。ただし、上記厚み及び／または直径を有する領域の全体にてバンチングを含まず、好ましくはインクルージョンも含まないＳｉＣ単結晶が得られれば、上記厚み及び／または直径を超える結晶領域にバンチング及び／またはインクルージョンを含むＳｉＣ単結晶が排除されるものではない。したがって、凹形状の結晶成長面の傾き最大角θは、例えば結晶成長面２０内の所望の直径が得られる位置におけるジャスト面１６に対する角度として測定してもよい。
【００４５】
本開示の方法において、種結晶基板とＳｉ−Ｃ溶液との間にメニスカスを形成してもよい。メニスカスを形成することによって、結晶成長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水平方向の温度分布をより形成しやすくなる。
【００４６】
メニスカスとは、図４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３４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、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた後、種結晶基板の下面がＳｉ−Ｃ溶液の液面よりも高くなる位置に種結晶基板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。
【００４７】
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、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より形成しやすくなる。
【００４８】
本開示の方法において、成長結晶の外周側からガスを吹き込んでもよい。成長結晶の外周側からガスを吹き込むことによって、結晶成長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水平方向の温度分布をより形成しやすくなる。
【００４９】
本開示の方法において、Ｓｉ−Ｃ溶液とは、ＳｉまたはＳｉ／Ｘ（ＸはＳｉ以外の１種以上の金属）の融液を溶媒とするＣが溶解した溶液をいう。Ｘは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）を形成できれば特に制限されない。適当な金属Ｘの例としては、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ａｌ等が挙げられる。
【００５０】
Ｓｉ−Ｃ溶液はＳｉ／Ｃｒ／Ｘ（ＸはＳｉ及びＣｒ以外の１種以上の金属）の融液を溶媒とするＳｉ−Ｃ溶液が好ましい。さらに、原子組成百分率でＳｉ／Ｃｒ／Ｘ＝３０〜８０／２０〜６０／０〜１０の融液を溶媒とするＳｉ−Ｃ溶液が、Ｃの溶解量の変動が少なく好ましい。
【００５１】
Ｓｉ−Ｃ溶液は、その表面温度が、Ｓｉ−Ｃ溶液へのＣの溶解量の変動が少ない１８００〜２２００℃が好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
図５に、本開示の方法を実施し得るＳｉＣ単結晶製造装置の一例を示す。図示したＳｉＣ単結晶製造装置１００は、ＳｉまたはＳｉ／Ｘの融液中にＣが溶解してなるＳｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を備え、Ｓｉ−Ｃ溶液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、昇降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。
【００５４】
Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、原料を坩堝に投入し、加熱融解させて調製したＳｉまたはＳｉ／Ｘの融液にＣを溶解させることによって調製される。坩堝１０を、黒鉛坩堝などの炭素質坩堝またはＳｉＣ坩堝とすることによって、坩堝１０の溶解によりＣが融液中に溶解し、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成することができる。こうすると、Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に未溶解のＣが存在せず、未溶解のＣへのＳｉＣ単結晶の析出によるＳｉＣの浪費が防止できる。Ｃの供給は、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体のＣ供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を利用してもよく、またはこれらの方法と坩堝の溶解とを組み合わせてもよい。
【００５５】
保温のために、坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われている。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、加熱用の高周波コイル２２が配置されている。高周波コイル２２は、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂから構成されてもよく、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂはそれぞれ独立して制御可能である。
【００５６】
坩堝１０、断熱材１８、石英管２６、及び高周波コイル２２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。
【００５７】
坩堝１０は、上部に種結晶保持軸１２を通す開口部２８を備えており、開口部２８における坩堝１０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における坩堝１０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における坩堝１０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。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。
【００５８】
Ｓｉ−Ｃ溶液の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液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、高周波コイル２２の巻数及び間隔、高周波コイル２２と坩堝１０との高さ方向の位置関係、並びに高周波コイル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。例えば、下段コイル２２Ｂの出力よりも上段コイル２２Ａの出力を小さくして、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に溶液上部が低温、溶液下部が高温となる温度勾配を形成することができる。温度勾配は、例えば溶液表面からの深さがおよそ３０ｍｍまでの範囲で、１〜１００℃／ｃｍが好ましく、１０〜５０℃／ｃｍがより好ましい。
【００５９】
Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に溶解したＣ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、加熱装置の出力制御、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面からの放熱、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Ｃ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。
【実施例】
【００６０】
（実施例１）
直径が５０．８ｍｍ、厚みが５００μｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面が（０００−１）ジャスト面を有する昇華法により作製したＳｉＣ単結晶を用意して、種結晶基板１４として用いた。
【００６１】
炭素繊維を断熱構造として有する図６に示す種結晶保持軸を用意した。図６に示す種結晶保持軸１２は、図２に模式的に示す種結晶保持軸１２と実質的に同じ構造を有している。図７に拡大図として示す炭素繊維の撚り線を、断熱構造として用いた。炭素繊維の撚り線の断面積は１ｍｍ２であった。炭素繊維の撚り線は、一本の直径が１０〜５０μｍの炭素繊維を複数本撚り合わせて作製した。軸部の上部５１の空洞部５４と下部５２の空洞部５４とに炭素繊維の撚り線を通して、軸部の上部５１と軸部の下部５２とをつないだ。軸部の下部５２の直径Ｄ１は８ｍｍであり、軸部の上部５１と軸部の下部５２との間の距離は１４５ｍｍであり、軸部全体の長さは１７０ｍｍであった。種結晶保持部１５は、５０．８ｍｍの直径Ｄ２及び４ｍｍの厚みを有する円盤形状であった。軸部の上部５１及び下部５２、並びに種結晶保持部１５は、黒鉛製であった。
【００６２】
種結晶基板１４の下面が（０００−１）面となるようにして、種結晶基板１４の上面を種結晶保持部１５の下面に、カーボン接着剤を用いて接着した。
【００６３】
図５に示す単結晶製造装置１００を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容する内径１００ｍｍ、高さ１２５ｍｍの黒鉛坩堝１０にＳｉ及びＣｒを原子組成百分率でＳｉ：Ｃｒ＝６０：４０の割合で融液原料として仕込んだ。
【００６４】
単結晶製造装置１００の内部を１×１０-3Ｐａに真空引きした後、１気圧になるまでアルゴンガスを導入して、単結晶製造装置１００の内部の空気をアルゴンで置換した。黒鉛坩堝１０の周囲に配置された加熱装置としての高周波コイル２２に通電して加熱により黒鉛坩堝１０内の原料を融解し、Ｓｉ／Ｃｒ合金の融液を形成した。そしてＳｉ／Ｃｒ合金の融液に黒鉛坩堝１０から十分な量のＣを溶解させて、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を形成した。
【００６５】
上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂの出力を調節して黒鉛坩堝１０を加熱し、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面における温度を２０３０℃に昇温させ、並びにＳｉ−Ｃ溶液２４の表面から１ｃｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する平均温度勾配が３０℃／ｃｍとなるように制御した。Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面の温度測定は放射温度計により行い、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配の測定は、鉛直方向に移動可能な熱電対を用いて行った。
【００６６】
種結晶保持部１５に接着した種結晶基板１４の下面をＳｉ−Ｃ溶液２４の液面に平行にして、種結晶基板１４の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面に一致する位置に配置して、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に種結晶基板１４の下面を接触させるシードタッチを行い、その位置で２時間保持して、結晶を成長させた。
【００６７】
結晶成長の終了後、種結晶保持軸１２を上昇させて、室温まで冷却して、種結晶基板１４及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液２４及び種結晶保持軸１２から切り離して回収した。得られた成長結晶は成長厚みが０．５ｍｍで、直径５２ｍｍの凹形状の成長面を有していた。得られた成長結晶の直径は、（０００−１）ジャスト面への投影直径であり、以下に記載した直径は全て同様である。
【００６８】
図８に得られた成長結晶の成長面から観察した外観写真を示す。得られた成長結晶には、バンチングは含まれていなかった。
【００６９】
（比較例１）
図１に示すような、直径Ｄ１が８ｍｍ及び長さが４０ｃｍの円柱形状の軸部１３と、直径Ｄ２が５０．８ｍｍ及び厚み４ｍｍの円盤形状の種結晶保持部１５とを有する黒鉛軸を、種結晶保持軸１２として用いたこと以外は、実施例１と同様の条件でＳｉＣ結晶を成長させて、回収した。
【００７０】
図９に得られた成長結晶の成長面から観察した外観写真を示す。得られた成長結晶は成長厚みが０．５ｍｍで、直径５２ｍｍの成長面を有していた。成長面において、軸部を介した熱伝導によって冷却される領域とその周囲の輻射によって抜熱される領域との境界部の鉛直方向下方の位置における破線で囲んだ箇所に、バンチングが発生していた。
【００７１】
図１０に、実施例１及び比較例１で得られた成長結晶の成長面における成長速度の面内分布を示す。実施例１で得られた成長結晶は、成長面の中心部の成長速度が最も遅く、中心からの距離が遠いほど、すなわち外周側ほど、成長速度が速く、凹形状の成長面が得られていることが分かる。比較例１で得られた成長結晶は、成長面の全体としては凹形状を示すが、成長面の中心部、すなわち種結晶保持軸の軸部の鉛直方向下方の位置において、成長面が凸形状を有していた。この凸形状部分と凹形状部分との境界でバンチングが発生していた。
【００７２】
（実施例２）
成長時間を６０時間にしたこと以外は、実施例１と同様の条件でＳｉＣ結晶を成長させて、回収した。
【００７３】
図１１に、得られた成長結晶の成長面から観察した外観写真を示す。得られた成長結晶は成長厚みが４．７ｍｍで、直径５８ｍｍの成長面を有していた。得られた成長結晶には、バンチングは含まれていなかった。
【００７４】
図１２に、得られた成長結晶の成長面から観察した透過Ｘ線像を示す。透過Ｘ線像は、成長面側にＸ線源を配置し、種結晶基板側に検出器を配置して観察して得た。得られた成長結晶には、インクルージョンは含まれていなかった。
【００７５】
（比較例２）
成長時間を６０時間にしたこと以外は、比較例１と同様の条件でＳｉＣ結晶を成長させて、回収した。
【００７６】
図１３に、得られた成長結晶の成長面から観察した外観写真を示す。得られた成長結晶は成長厚みが５．０ｍｍで、直径５８ｍｍの成長面を有していた。得られた成長結晶には、バンチングが含まれていた。バンチングは、凸形状部分と凹形状部分との境界で発生していた。
【００７７】
図１４に、得られた成長結晶の成長面から観察した透過Ｘ線画像を示す。得られた成長結晶には、インクルージョンも含まれていた。
【符号の説明】
【００７８】
１００    単結晶製造装置
１０    坩堝
１２    種結晶保持軸
１３    軸部
１４    種結晶基板
１５    種結晶保持部
１６    種結晶基板のジャスト面
１８    断熱材
２０    成長面
２２    高周波コイル
２２Ａ    上段高周波コイル
２２Ｂ    下段高周波コイル
２４    Ｓｉ−Ｃ溶液
２６    石英管
３４    メニスカス
４０    ＳｉＣ成長結晶
４２    切り出した成長結晶
５１    軸部の上部
５２    軸部の下部
５３    炭素繊維
５４    空洞部
【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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