(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液法によって炭化珪素の結晶を成長させる種結晶であって、
保持部材によって保持される上面および該上面と反対側に位置する前記結晶を成長させる下面を有する、炭化珪素からなる種結晶本体と、前記下面に設けられた珪素からなる皮膜とを備えているとともに、
前記皮膜は、前記種結晶本体の下面と反対側の表面の表面粗さが、前記種結晶本体の下面の表面粗さよりも大きい、種結晶。
【請求項２】
前記皮膜は、前記種結晶本体の下面側近傍の気孔率が反対側の表面近傍の気孔率よりも大きい、請求項１に記載の種結晶。
【請求項３】
前記皮膜は、前記種結晶本体の下面側と反対側の表面から前記種結晶本体の下面側に向かうにつれて前記気孔率が大きくなっている、請求項２に記載の種結晶。
【請求項４】
前記皮膜は、珪素と共晶を形成する、珪素よりも低融点の金属材料から選ばれる少なくとも１種の金属を含有している、請求項１〜３のいずれかに記載の種結晶。
【請求項５】
前記皮膜は、前記種結晶本体の下面側近傍の前記金属の濃度が反対側の表面近傍の前記金属の濃度よりも高い、請求項４に記載の種結晶。
【請求項６】
前記皮膜は、前記種結晶本体の下面側と反対側の表面から前記種結晶本体の下面側に向かうにつれて前記金属の濃度が高くなっている、請求項５に記載の種結晶。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の種結晶の製造方法であって、
保持部材によって保持される上面および該上面と反対側に位置する結晶を成長させる下面を有する、炭化珪素からなる種結晶本体を準備する工程と、
前記種結晶本体の下面に珪素からなる皮膜を設ける工程と
を備える、種結晶の製造方法。
【請求項８】
前記皮膜を設ける工程において、前記皮膜をスパッタリング法によって設ける、請求項７に記載の種結晶の製造方法。
【請求項９】
炭素を含む珪素の融液を内部に収容する坩堝と、
該坩堝の開口部から前記内部に出し入れ可能な保持部材と、
該保持部材によって種結晶本体の上面が保持されている請求項１に記載の種結晶と
を備える、結晶成長装置。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれかに記載の種結晶における前記種結晶本体の前記上面を保持部材によって保持する工程と、
前記種結晶の前記皮膜を、炭素を含む珪素の融液に浸漬し、前記皮膜を前記融液に溶解させて前記種結晶本体の下面を前記融液に接触させる工程と、
前記種結晶本体を引き上げて、該種結晶本体の下面に前記融液から炭化珪素の結晶を成長させる工程と
を備える、結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液法によって炭化珪素の結晶を成長させる種結晶およびその製造方法、並びに結晶成長装置および結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素と珪素の化合物である炭化珪素（Silicon Carbide：以下、「ＳｉＣ」と言うことがある。）は、バンドギャップが珪素よりも広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きく、耐電圧特性に優れ、さらに熱伝導性、耐熱性、耐薬品性および耐放射線性等にも優れている。このような種々の利点を有するＳｉＣの結晶は、原子力を含む重電分野、自動車および航空を含む運輸分野、家電分野、並びに宇宙分野等の幅広い分野において注目されている。
【０００３】
ＳｉＣの単結晶を成長させる方法としては、溶液法が知られている（例えば、特許文献１参照）。溶液法は、ＳｉＣからなる種結晶の上面を保持部材によって保持しつつ、その下面を炭素を含む珪素の融液に接触させ、その後、種結晶を引き上げることによって、種結晶の下面に融液からＳｉＣの単結晶を成長させる方法である。このような溶液法には、ＳｉＣ単結晶の大型化や長尺化が期待されている。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載されているような従来の溶液法に使用されている種結晶は、下面が露出していることから、融液に接触させるまでの間に下面が汚染される傾向にあり、成長するＳｉＣの結晶に転位やマイクロパイプ等が発生し易く、高品質なＳｉＣの結晶を成長させることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６４７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、溶液法によって高品質な炭化珪素の結晶を成長させることができる種結晶およびその製造方法、並びに結晶成長装置および結晶成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の種結晶は、溶液法によって炭化珪素の結晶を成長させるものであって、保持部材によって保持される上面および該上面と反対側に位置する前記結晶を成長させる下面を有する、炭化珪素からなる種結晶本体と、前記下面に設けられた珪素からなる皮膜とを備えている。
【０００８】
本発明の種結晶の製造方法は、保持部材によって保持される上面および該上面と反対側に位置する結晶を成長させる下面を有する、炭化珪素からなる種結晶本体を準備する工程と、前記種結晶本体の下面に珪素からなる皮膜を設ける工程とを備える。
【０００９】
本発明の結晶成長装置は、炭素を含む珪素の融液を内部に収容する坩堝と、該坩堝の開口部から前記内部に出し入れ可能な保持部材と、該保持部材によって種結晶本体の上面が保持されている請求項１に記載の種結晶とを備える。
【００１０】
本発明の結晶成長方法は、上述した本発明に係る種結晶における前記種結晶本体の前記上面を保持部材によって保持する工程と、前記種結晶の前記皮膜を、炭素を含む珪素の融液に浸漬し、前記皮膜を前記融液に溶解させて前記種結晶本体の下面を前記融液に接触させる工程と、前記種結晶本体を引き上げて、該種結晶本体の下面に前記融液から炭化珪素の結晶を成長させる工程とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、種結晶が、種結晶本体の下面に設けられた珪素からなる皮膜を備えていることから、炭素を含む珪素の融液に浸漬するまで皮膜によって種結晶本体の下面を保護することができ、それゆえ種結晶本体の下面が汚染されるのを抑制することができる。また、皮膜が珪素からなることから、融液に浸漬すると溶解し、しかも溶解した皮膜は融液に対して不純物になりにくくすることができる。さらに、皮膜が溶解することによって露出した種結晶本体の下面にＳｉＣの結晶を成長させることから、転位やマイクロパイプ等の発生が抑制された高品質なＳｉＣの結晶を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る結晶成長装置を示す概略説明図である。
【図２】図１の結晶成長装置における種結晶近傍を示す部分拡大図である。
【図３】図１の種結晶本体及び皮膜の一部を拡大する拡大断面図である。
【図４】図１の皮膜において、皮膜の膜厚及び気孔率の関係を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜種結晶＞
以下、本発明の一実施形態に係る種結晶について、図１および図２を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態の種結晶４は、後述する結晶成長装置１が備えるものであり、溶液法によってＳｉＣの単結晶を成長させるものである。
【００１４】
本実施形態の種結晶４は、種結晶本体４１と皮膜４２とを備えている。種結晶本体４１は、図２に示すように、後述する保持部材２によって保持される上面４１Ａ、および上面４１Ａと反対側に位置する結晶を成長させる下面４１Ｂを有しているとともに、ＳｉＣからなる。また、皮膜４２は、種結晶本体４１の下面４１Ｂに設けられているとともに、珪素からなる。
【００１５】
このような構成の種結晶によれば、後述する炭素を含む珪素の融液５に浸漬するまで皮膜４２によって種結晶本体４１の下面４１Ｂを保護することができ、それゆえ下面４１Ｂが汚染されるのを抑制することができる。また、皮膜４２は珪素からなるので、融液５に浸漬すると溶解して下面４１Ｂを露出させることができる。
【００１６】
皮膜４２は、種結晶本体４１の下面４１Ｂ側近傍の気孔率が、反対側の表面４２Ａ近傍の気孔率よりも大きくなっていてもよい。すなわち、皮膜４２は、下面４１Ｂ側近傍の密度が、表面４２Ａ近傍の密度よりも小さくなっていてもよい。下面４１Ｂ近傍の気孔率から表面４２Ａ近傍の気孔率までの気孔率は、一定になっていてもよいし、図３に示すように、第１層４２ａ及び第１層４２ａよりも気孔率の大きい第２層４２ｂを有する２層になっていてもよい。
【００１７】
これにより、皮膜４２は、下面４１Ｂ側近傍の表面積が、表面４２Ａ近傍の表面積よりも大きくなるので、下面４１Ｂ側近傍が表面４２Ａ近傍よりも溶解し易くすることができる。また、表面４２Ａに向かうにつれて気孔率が高くなっていることから、外部から皮膜４２内に侵入しにくくすることができる。したがって、融液５に浸漬すると溶解して下面４１Ｂを露出させる上述の皮膜４２による効果を高めることができるとともに、下面４１Ｂを汚染されにくくすることができる。
【００１８】
この効果をより高める上で、皮膜４２は、種結晶本体４１の下面４１Ｂ側と反対側の表面４２Ａから種結晶本体４１の下面４１Ｂ側に向かうにつれて気孔率が大きくなっていてもよい。具体的には、皮膜４２の気孔率が、表面４２Ａから下面４１Ｂ側に向かうにつれて、図４（ａ）に示すように階段状に変化していてもよいし、図４（ｂ）に示すように緩やかに変化していてもよい。なお図４は、横軸を、皮膜４２の下面４１Ｂ側を０として、表面４２Ａを下面４１Ｂ側からの膜厚ｈとして示しており、縦軸を気孔率として示している。
【００１９】
皮膜４２内の気孔率の変化は、例えばスパッタリング法における成膜において皮膜４２の成膜条件を調整することによって上述の関係に制御することができる。気孔率（％）は、例えば式：（体積／質量）×１００によって算出することができる。
【００２０】
皮膜４２は、珪素と共晶を形成する、珪素よりも低い融点の金属材料から選ばれる少なくとも１種の金属を含有していてもよい。これにより、皮膜４２の融点を下げることができるので、融液５に浸漬すると溶解して下面４１Ｂを露出させる上述の皮膜４２による効果を高めることができる。
【００２１】
この効果をより高める上で、皮膜４２は、種結晶本体４１の下面４１Ｂ側近傍の金属の濃度が、反対側の表面４２Ａ近傍の金属の濃度よりも高くしてもよく、表面４２Ａから下面４１Ｂ側に向かうにつれて金属の濃度が高くなっていてもよい。
【００２２】
珪素と共晶を形成する、珪素よりも低融点の金属材料から選ばれる金属としては、例えばアルミニウム、銀、クロム、チタン等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。珪素よりも低い融点の金属材料において、融点の下限値としては、８００℃以上１１００℃以下に設定することができる。
【００２３】
皮膜４２は、種結晶本体４１の下面４１Ｂと反対側の表面４２Ａの表面粗さが、種結晶本体４１の下面４１Ｂの表面粗さよりも大きくてもよい。これにより、表面４２Ａの表面積が大きくなるので、皮膜４２が融液５に対して表面４２Ａ側から溶解し易くすることができ、融液５に浸漬すると溶解して下面４１Ｂを露出させる上述の皮膜４２による効果を高めることができる。表面粗さを上述の関係にするには、例えば皮膜４２の表面４２Ａに対して研磨処理等を施せばよい。
【００２４】
皮膜４２の厚さとしては、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定することができる。皮膜４２の層構造としては、単層構造および多層構造のいずれであってもよい。多層構造にする場合には、例えば皮膜４２の珪素の結晶性などを変えた層を複数積層してもよく、多層のうち種結晶本体４１の下面４１Ｂに向かうにつれて融点を低くしていってもよい。
【００２５】
＜種結晶の製造方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る種結晶の製造方法について、上述した一実施形態に係る種結晶４を製造する場合を例にとって説明する。
【００２６】
本実施形態の種結晶の製造方法は、以下の（ｉ）および（ii）の工程を備える。
（ｉ）上述した一実施形態に係る種結晶本体４１を準備する工程。
（ii）種結晶本体４１の下面４１Ｂに珪素からなる皮膜４２を設ける工程。
【００２７】
以上のような各工程を経て、種結晶４が製造される。（ii）の皮膜４２を設ける工程において、皮膜４２は、例えばスパッタリング法または蒸着法などを用いることができる。特に、（ii）の皮膜４２を設ける工程において、皮膜４２をスパッタリング法によって設けた場合、皮膜４２の気孔率をスパッタリングの条件によって容易に変えることができるため、生産性を向上させることができる。
【００２８】
＜結晶成長装置＞
次に、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置について説明する。本実施形態の結晶成長装置１は、図１に示すように、上述した一実施形態に係る種結晶４に加え、坩堝６と、坩堝６を内部下方に収容する坩堝容器７と、坩堝６と坩堝容器７との間に位置する保温材８と、坩堝６を加熱する加熱機構１０とを備えている。
【００２９】
坩堝６は、炭素を含む珪素の融液５を内部に収容する器としての機能を有する。本実施形態の結晶成長装置１は、この坩堝６の内部で熱的平衡に近い状態を作り出すことによって、ＳｉＣの結晶を成長させる。坩堝６の構成材料としては、例えば炭素（黒鉛）等が挙げられる。
【００３０】
坩堝容器７は、坩堝６を内部に保持する機能を有する。保温材８は、坩堝６の外周部を覆うとともに、坩堝６からの放熱を抑制し、坩堝６を一定の温度に保つ機能を有する。
【００３１】
加熱機構１０は、坩堝６を加熱する機能を有する。本実施形態の加熱機構１０は、電磁波によって坩堝６を加熱する電磁誘導加熱方式を採用する。具体的に説明すると、本実施形態の加熱機構１０は、コイル１１および交流電源１２を有する。
【００３２】
コイル１１は、導体によって構成されており、坩堝容器７の外周部のうち下方領域を螺旋状に巻回している。交流電源１２は、コイル１１に対して交流電流を流せるように、コイル１１と電気的に接続している。なお、交流電源１２に交流電流の電流値が高いものを用いると、坩堝６内を設定温度まで加熱する時間を短縮することができる。
【００３３】
本実施形態の加熱機構１０による坩堝６の加熱は、次のようにして行う。まず、交流電源１２を用いてコイル１１に交流電流を流し、保温材８を含む空間に電磁場を発生させる。この電磁場によって、坩堝６に誘導電流が流れる。坩堝６に流れた誘導電流は、電気抵抗によるジュール発熱およびヒステリシス損失による発熱等の種々の損失によって熱エネルギーに変換される。つまり、坩堝６は、誘導電流の熱損失によって加熱される。
【００３４】
なお、この電磁場によって融液５に誘導電流を流し、融液５自体を発熱させてもよい。融液５自体を発熱させる場合には、坩堝６を発熱させなくてもよい。また、本実施形態の加熱機構１０は、電磁誘導加熱方式を採用しているが、これに代えて、他の方式を採用してもよい。具体例を挙げると、カーボン等の発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する伝熱方式等が挙げられる。伝熱方式の加熱機構１０を採用する場合には、坩堝６と保温材８との間に発熱抵抗体を配置すればよい。
【００３５】
結晶成長装置１は、坩堝６の内部に位置する融液５に種結晶４を搬入し、かつ融液５の中から成長したＳｉＣの単結晶を搬出する搬入出機構１３をさらに備えている。搬入出機構１３は、坩堝６の開口部６Ａから坩堝６の内部に出し入れ可能な保持部材２、および動力源１４を有する。
【００３６】
保持部材２は、その立体形状が、例えば棒状、直方体状等であり、開口部６Ａに対応するように位置する。また、保持部材２は、図２に示すように、坩堝６側に位置する下端面２Ａを有しており、この下端面２Ａに種結晶４を保持している。
【００３７】
そして、保持部材２は、動力源１４によって上下方向、すなわちＤ１方向およびＤ２方向に移動が制御され、これにより保持部材２のうち下端面２Ａ側に位置する部位が坩堝６の開口部６Ａから坩堝６の内部に出し入れ可能に構成されている。したがって、本実施形態では、保持部材２によって種結晶４および種結晶本体４１の下面４１Ｂに成長したＳｉＣ結晶の搬入出が行なわれる。なお、Ｄ１方向とは、物理空間上の下方向を意味するものとし、Ｄ２方向とは物理空間上の上方向を意味するものとする。
【００３８】
保持部材２の構成材料としては、例えば炭素を主成分とする材料等が挙げられ、炭素としては、例えば炭素の多結晶体、炭素を焼成した焼成体等が挙げられる。
【００３９】
本実施形態の保持部材２は、図２に示すように、下端面２Ａに接着材３を設けており、この接着材３を介して種結晶本体４１の上面４１Ａを保持している。保持部材２の下端面２Ａの面積は、種結晶本体４１の上面４１Ａの面積よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。本実施形態では、保持部材２の下端面２Ａの面積が、種結晶本体４１の上面４１Ａの面積よりも小さい。なお、保持部材２の下端面２Ａの面積が、種結晶本体４１の上面４１Ａの面積よりも大きい場合には、種結晶本体４１の上面４１Ａ全面を、接着材３を介して保持することができ、保持部材２による保持力を高めることができる。
【００４０】
保持部材２の下端面２Ａの形状としては、端面視において、例えば四角形状等の多角形状、円形状等が挙げられる。なお、端面視とは、下端面２Ａ側から保持部材２を見た状態を意味するものとする。
【００４１】
接着材３としては、例えばカーボン接着材、アルミナまたはジルコニウム等のセラミック材料を含むセラミック接着材等が挙げられ、保持部材２から種結晶４が脱落するのを抑制する上で、融液５の融点よりも高い融点を有するものを用いてもよい。この場合には、種結晶４の脱落を抑制することができることから、種結晶本体４１の下面４１Ｂに成長させる結晶を大きくすることができ、生産性を向上させることができる。
【００４２】
結晶成長装置１は、図１に示すように、加熱機構１０の交流電源１２と、搬入出機構１３の動力源１４にそれぞれ接続しているとともに、これらを制御する制御部１５をさらに備えている。つまり、本実施形態の結晶成長装置１は、制御部１５によって、融液５の加熱および温度制御と、種結晶４の搬入出とを連動して制御している。制御部１５は、中央演算処理装置と、メモリ等の記憶装置とを有しており、例えば公知のコンピュータ等からなる。
【００４３】
＜結晶成長方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る結晶成長方法について、上述した一実施形態に係る結晶成長装置１を用いる場合を例にとって説明する。本実施形態の結晶成長方法は、ＳｉＣの単結晶を成長させる方法である。
【００４４】
本実施形態では、まず、坩堝６の内部にＳｉＣの単結晶の原料、すなわち炭素および珪素を収容する。次に、加熱機構１０によって坩堝６を加熱し、坩堝６の内部でＳｉＣの単結晶の原料を融解し、坩堝６の内部に炭素を含む珪素の融液５を貯留する。
【００４５】
融液５は、成長させるＳｉＣの単結晶を構成する元素である珪素が溶媒として溶融している。溶質となる元素（炭素）の溶解度は、溶媒となる元素の温度が高くなるにつれて大きくなる。本実施形態では、融液５の温度を、１３００℃以上２５００℃以下に設定する。このような高温下の溶媒に多くの溶質を溶解させた融液５を冷却すると、熱的な平衡を境に溶質が析出する。本実施形態では、この熱的平衡からの温度のずれによる析出を利用して、種結晶本体４１の下面４１ＢにＳｉＣの結晶を成長させる。
【００４６】
具体的に説明すると、種結晶本体４１の上面４１Ａを保持部材２によって保持するとともに、保持部材２をＤ１方向に動かし、種結晶４の皮膜４２を融液５に浸漬する。これにより、皮膜４２が融液５に溶解し、種結晶本体４１の下面４１Ｂが露出するとともに、露出した下面４１Ｂが融液５に接触する。
【００４７】
なお、溶解した皮膜４２は、上述の通り珪素からなるので、融液５に対して不純物になりにくくすることができる。浸漬条件としては、皮膜４２が溶解し、かつ露出した種結晶本体４１の下面４１Ｂが融液５に接触可能な限り、特に限定されるものではなく、例えば種結晶４全体を融液５に浸漬してもよい。
【００４８】
融液５に種結晶本体４１の下面４１Ｂが接触すると、下面４１Ｂ付近で融液５が冷却されて、上述した通り、熱的な平衡を境に溶質が下面４１Ｂに析出する。すなわち、熱的平衡からの温度のずれによる結晶の析出を利用して、種結晶本体４１の下面４１ＢにＳｉＣの単結晶を成長させる。このとき、種結晶本体４１の下面４１Ｂは、融液５に浸漬するまで皮膜４２によって保護されていることから、露出した種結晶本体４１の下面４１Ｂは汚染が抑制された状態にある。本実施形態では、この汚染が抑制された種結晶本体４１の下面４１ＢにＳｉＣの結晶を成長させるので、高品質なＳｉＣの結晶を成長させることができる。
【００４９】
そして、種結晶本体４１の下面４１ＢにＳｉＣの単結晶が成長し始めた後、保持部材２を徐々にＤ２方向に動かすことによって種結晶本体４１を引き上げる。これにより、連続して種結晶本体４１の下面４１ＢにＳｉＣの単結晶を成長させることができる。
【００５０】
このとき、種結晶４は、少なくとも種結晶本体４１の下面４１Ｂが融液５に接触している必要がある。ここで、本実施形態において、種結晶本体４１の下面４１Ｂとは、種結晶本体４１の下面４１Ｂに成長したＳｉＣの単結晶の最下端をも含む概念である。したがって、種結晶本体４１を引き上げる際には、種結晶本体４１の下面４１Ｂに成長し続けているＳｉＣの単結晶の最下端を融液５に接触させる必要がある。なお、保持部材２をＤ２方向に動かす速度としては、特に限定されるものではなく、種結晶本体４１の下面４１Ｂに成長するＳｉＣの単結晶の成長速度に応じて適宜設定すればよい。
【００５１】
以上のような各工程を経て、転位やマイクロパイプ等の発生が抑制された高品質なＳｉＣの単結晶が製造される。なお、上述した保持部材２をＤ１方向に動かす工程では、種結晶４の皮膜４２と融液５とが相対的に近づけばよく、例えば融液５を皮膜４２に近づけてもよい。これと同様に、保持部材２をＤ２方向に動かす工程では、種結晶本体４１の下面４１Ｂと融液５とが相対的に遠ざかればよく、例えば融液５を種結晶本体４１の下面４１Ｂから遠ざけてもよい。
【００５２】
以上、本発明に係るいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができるのは言うまでもない。
【００５３】
例えば、上述の一実施形態に係る種結晶４では、種結晶本体４１の下面４１Ｂに皮膜４２を設けているが、種結晶４は、少なくとも種結晶本体４１の下面４１Ｂに皮膜４２を設けていればよく、例えば種結晶本体４１が側面をさらに有する場合には、下面４１Ｂから側面にわたって皮膜４２を設けてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１  結晶成長装置
２  保持部材
２Ａ  下端面
３  接着材
４  種結晶
４１  種結晶本体
４１Ａ  上面
４１Ｂ  下面
４２  皮膜
４２Ａ  表面
５  融液
６  坩堝
６Ａ  開口部
７  坩堝容器
８  保温材
１０  加熱機構
１１  コイル
１２  交流電源
１３  搬入出機構
１４  動力源
１５  制御部
【図１】
0005823889.tif 000002
【図２】
0005823889.tif 000003
【図３】
0005823889.tif 000004
【図４】
0005823889.tif 000005