(57)【要約】      （修正有）【課題】溶液法による単結晶の製造において、結晶欠陥のより少ない単結晶を製造するための単結晶製造装置を提供する。【解決手段】原料融液２が収容される坩堝１と、下端に種結晶４が保持されたシード軸３と、絶縁膜６で被覆された第１電極５と、第２電極７とを備え、種結晶４と第１電極５の下端面が揃えられ、原料融液２の液面に対して上方からシード軸３と第１電極５を一体的に下降させ、絶縁膜６が原料融液２の液面に接触して溶融したときに、第１電極５と第２電極７の間に原料融液２を介して流れる電流を検出することにより種結晶４と原料融液２の接触界面の位置を特定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料融液から単結晶を製造するための単結晶製造装置であって、原料融液が収容される坩堝と、下端に種結晶が保持されたシード軸と、絶縁膜で被覆された第１電極と、第２電極とを備え、前記種結晶と前記第１電極の下端面が揃えられ、原料融液の液面に対して上方から前記シード軸と前記第１電極を一体的に下降させ、前記絶縁膜が原料融液の液面に接触して溶融したときに、前記第１電極と前記第２電極の間に原料融液を介して流れる電流を検出することにより前記種結晶と原料融液の接触界面の位置を特定することを特徴とする、単結晶製造装置。
【請求項２】
前記シード軸が前記第２電極を兼ねていることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
前記シード軸が前記第１電極を兼ね、前記シード軸の下端に保持された種結晶が絶縁膜で被覆されていることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
前記絶縁膜が、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3又はＳｉ3Ｎ4であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
【請求項５】
ＳｉＣ単結晶を製造するための装置であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料として使用される単結晶、特にはＳｉＣ単結晶を製造するための単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の単結晶を成長させる方法として昇華法や溶液法がある。
【０００３】
昇華法は、坩堝内で原料の粉末を昇華させて低温側に析出させる方法である。しかしながら、昇華法は熱的に非平衡なプロセスであり、その熱的プロセス制御が極めて困難である。また、例えば、ＳｉＣ等の単結晶を昇華法により成長させると、結晶成長中にマイクロパイプと呼ばれる中空貫通欠陥が生じることがあり、これはデバイス、特に大電力デバイスにとって重大な欠陥である。
【０００４】
これに対し、溶液法は、原料を溶かした融液と種結晶を接触させることによりその温度勾配から単結晶を成長させる方法である。溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造においては、種結晶に存在するマイクロパイプが成長過程において消滅することが報告されている。しかしながら、この方法では、結晶欠陥の少ない良質の単結晶を得るために、種結晶と原料融液の接触界面を所定の温度勾配内に正確かつ確実に維持することが必要であり、安定した温度勾配を得るためには、坩堝内の結晶成長界面の正確な位置を特定することが重要である（この操作をシードタッチという）。温度及び温度勾配を適切に制御できない場合には、結晶欠陥の密度を示すエッチピット密度（ＥＰＤ）が高くなり、ＳｉＣ単結晶の場合には、さらに多核化、多結晶化、異形混晶（異種ポリタイプの混入）といった欠陥が単結晶中に生成することもある。
【０００５】
熱電対用保護管を原料融液面に接触させ、接触させたときの熱電対における瞬間的な起電力の変化からシードタッチ位置を推定する方法が公知である。
【０００６】
特許文献１では、坩堝の上方に上下動可能な２つの電極を配置し、結晶成長中に、坩堝内の原料融液の上界面に上方からこれらの電極を接触させて電極間に電流を流し、その電流を検出することにより原料融液の上界面の位置を測定し、当該上界面の位置に基づいて原料融液の結晶成長界面の位置を特定する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１０４７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の熱電対を利用した方法でも、ほぼシードタッチ位置を推定することができるが、原料融液の成分及び温度、保護管中の熱電対の位置等が影響してシードタッチ位置がずれることがある。また、特許文献１においても、電極が原料融液に接触する前に、高温のために原料融液から発生するフューム（蒸気）によって電極間に電流が流れ、結晶成長界面の正確な位置を特定することができないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、溶液法による単結晶の製造において、結晶成長界面を正確に特定することにより結晶欠陥のより少ない単結晶を製造するための単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）原料融液から単結晶を製造するための単結晶製造装置であって、原料融液が収容される坩堝と、下端に種結晶が保持されたシード軸と、絶縁膜で被覆された第１電極と、第２電極とを備え、前記種結晶と前記第１電極の下端面が揃えられ、原料融液の液面に対して上方から前記シード軸と前記第１電極を一体的に下降させ、前記絶縁膜が原料融液の液面に接触して溶融したときに、前記第１電極と前記第２電極の間に原料融液を介して流れる電流を検出することにより前記種結晶と原料融液の接触界面の位置を特定することを特徴とする、単結晶製造装置。
（２）前記シード軸が前記第２電極を兼ねていることを特徴とする、上記（１）に記載の単結晶製造装置。
（３）前記シード軸が前記第１電極を兼ね、前記シード軸の下端に保持された種結晶が絶縁膜で被覆されていることを特徴とする、上記（１）に記載の単結晶製造装置。
（４）前記絶縁膜が、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3又はＳｉ3Ｎ4であることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の単結晶製造装置。
（５）ＳｉＣ単結晶を製造するための装置であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の単結晶製造装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の単結晶製造装置によれば、電極が絶縁膜により被覆されているため、電極が原料融液に接触する前に蒸気によって通電することがなく、結晶成長界面を正確に特定することができ、したがって、結晶欠陥のより少ない単結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施態様について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施態様に限定されるものではない。なお、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付している。
【００１２】
図１は、本発明による単結晶製造装置Ａを模式的に示す断面図である。この単結晶製造装置Ａは、ＴＳＳＧ（Ｔｏｐ−Ｓｅｅｄｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ−Ｇｒｏｗｔｈ）法により半導体単結晶を製造するものである。
【００１３】
単結晶製造装置Ａは、原料融液２が収容された坩堝１と、製造しようとする単結晶に対応した種結晶４が下端に保持されたシード軸３と、絶縁膜６で被覆された第１電極５と、坩堝１の下部に配置された第２電極７と、坩堝１の周囲に配置されたヒータ８とを備え、種結晶４と第１電極５の下端面が揃えられている。第１電極５と第２電極７は、電気配線９により電源１０と電流計１１に接続され、シード軸３内には熱電対１２が挿入されている。
【００１４】
本発明において用いられる「原料融液」という用語は、単一成分だけでなく複数の成分が融解した融液も包含することを意図するものである。例えば、ＳｉＣ単結晶の製造においては、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）を含有する原料融液が用いられる。
【００１５】
本発明によれば、単結晶製造装置Ａによる単結晶の製造操作では、まず、坩堝１内に融液原料が導入され、ヒータ８によりそれを加熱して溶融し原料融液２が形成される。ここで、原料融液２は、熱電対１２により測定した温度に基づいてヒータ８への出力を調整することで所定の温度、例えば、ＳｉＣ単結晶を成長させる場合には約１８００〜２０００℃の温度に制御される。次いで、溶融された原料融液２の液面に対して上方からシード軸３と第１電極５を一体的に下降させてそれらを原料融液２の液面に同時に接触させ、それにより絶縁膜６を原料融液２に溶融させる。絶縁膜６が原料融液２に接触して溶融すると、絶縁膜６で被覆されていた第１電極５と、坩堝１の下部に配置された第２電極７との間に原料融液２を介して電流が流れ、その電流を電流計１１によって検出することで原料融液２と種結晶４の接触界面、すなわち、結晶成長界面の位置を正確に特定することができる。このように第１電極５を絶縁膜６で被覆することにより、第１電極５が原料融液２に接触する前に、高温のために原料融液２から発生するフューム（蒸気）によって第１電極５と第２電極７の間で通電することがなく、したがって、結晶成長界面の位置を正確に特定することができるようになる。結晶成長界面の位置を正確に特定し、この結晶成長界面を所定の温度勾配内に維持することで欠陥のより少ない単結晶を得ることが可能となる。
【００１６】
温度勾配の制御については、例えば、ヒータ８を二段にし、上記のようにして特定した結晶成長界面の位置を一方のヒータにより所定の温度に制御することで所定の温度勾配を作り出すことができる。しかし、このような制御を実施しない場合においても、シード軸３自体が原料融液２に比べて十分低温であるため、原料融液２と種結晶４の接触によってその接触界面に温度勾配が生じる。そして、この温度勾配によって種結晶４上に単結晶を成長させることができる。原料融液の温度は、成長させる単結晶に応じて変化するが、例えば、ＳｉＣの単結晶を成長させる場合には１８００〜２０００℃の温度が好ましい。この温度範囲では、パワーデバイスや耐環境性デバイスとして好ましい４Ｈ型のＳｉＣ単結晶が得られる。それよりも低い温度では３Ｃ型が生成しやすく、それよりも高い温度では原料融液からのフューム（蒸気）の発生が大きくなる。
【００１７】
本発明によれば、坩堝１は、製造される単結晶や原料融液２の成分等に応じて任意の好適な材料を選択することができ、一般的には耐熱性に優れ、原料融液２と反応しにくい材料が選択される。しかしながら、ＳｉＣの単結晶を製造する場合には、特に黒鉛からなる坩堝が用いられる。ＳｉＣは、加熱するとＳｉのようには溶融せず昇華してしまうため、ＳｉＣ自体を溶液法の融液原料として使用することができない。したがって、溶液法においてＳｉＣ単結晶を製造する場合には、シリコン（Ｓｉ）の融液に炭素供給源としての黒鉛坩堝から炭素（Ｃ）を溶解させた原料融液が使用される。
【００１８】
本発明によれば、シード軸３とは、種結晶４が接着された軸をいうものであり、一般に耐熱性が高く、原料融液２と反応しにくい材料が選択される。第１電極５及び第２電極７についても同様に、一般に耐熱性が高く、さらには導電性の高い材料が選択され、特に第２電極７は、図１に示されるように坩堝１の一部であることもできる。第１電極５の下端面は、シード軸３に接着された種結晶４の下端面と高さが揃えられている。第１電極５とシード軸３は、一体的に上下方向に移動させることができ、原料融液２の液面に対して上方から下降して原料融液２の液面に同時に接触し、それによって絶縁膜６が原料融液２に溶融する。このようにすることで、原料融液２を介して第１電極５と第２電極７の間に電流が流れるため、その電流を電流計１１によって検出することで種結晶４と原料融液２の接触界面の位置を正確に特定することができる。種結晶４と原料融液２の接触界面を正確に特定するため、厳密な意味で言えば、上記のとおり第１電極５の下端面と種結晶４の下端面を揃えることが重要である。しかしながら、以下に記載するように絶縁膜６の厚さは非常に薄いため、実際的には第１電極５ではなく絶縁膜６の下端面と種結晶４の下端面を揃えるようにしてもよい。
【００１９】
本発明によれば、絶縁膜６の材料としては、原料融液２の成分及び加熱温度等に応じて、原料融液２との接触により溶融する任意の好適な材料を選択することができる。例えば、原料融液２が２０００℃以下の場合にはＳｉＯ2、２０００℃以上の場合にはＡｌ2Ｏ3を使用することができる。さらに、Ｎ型半導体の単結晶又は酸化が好ましくない単結晶を成長させる場合にはＳｉ3Ｎ4を使用することができる。絶縁膜６は、原料融液２から発生するフューム（蒸気）が第１電極５と接触する部分を少なくとも被覆すればよく、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの任意の好適な技術により、第１電極５の一部又は図２に示すように第１電極５の表面全体に任意の好適な厚さで堆積させることができる。但し、絶縁膜が厚すぎると、原料融液２への溶融に時間がかかるため、絶縁膜６の厚さは一般的に１０〜５００μｍ程度が好ましい。
【００２０】
本発明の別の実施態様によれば、絶縁膜６で被覆された第１電極５のほかに、種結晶４が保持されるシード軸３自体を他方の電極として構成することもできる。この場合、シード軸３の材料としては、もう一方の第１電極５と同様の材料が選択される。この実施態様においては、図１に示される第２電極７を省くことができ、結晶成長界面の位置を特定するための原料融液２を介した電極間の通電は、シード軸３と絶縁膜６で被覆された第１電極５との間で行われる。
【００２１】
本発明のさらに別の態様を図３に示す。図３は、本発明による単結晶製造装置Ｂを模式的に示す断面図である。単結晶製造装置Ｂは、単結晶製造装置Ａと同様にＴＳＳＧ法によって半導体単結晶を製造するものであるが、図１のシード軸３と第１電極５を１つにまとめたという点で図１に示す実施態様と構成が異なる。すなわち、種結晶４が保持されたシード軸３を第１電極とし、種結晶３自体を絶縁膜６で被覆している。このようにすることで、図１に示されるような絶縁膜６により被覆された第１電極５を省くことができる。この場合、シード軸３の材料としては、一般に耐熱性が高く、原料融液２と反応しにくく、さらに導電性の高い材料が選択される。この単結晶製造装置Ｂによる単結晶の製造操作では、まず、坩堝１内に融液原料が導入され、ヒータ８によりそれを加熱して溶融し原料融液２が形成される。原料融液２は、単結晶製造装置Ａの場合と同様に、熱電対１２により測定した温度に基づいてヒータ８への出力を調整することで所定の温度に制御される。次いで、溶融された原料融液２の液面に対して上方からシード軸３を下降させて原料融液２の液面に接触させ、それにより絶縁膜６を原料融液２に溶融させる。絶縁膜６が原料融液２に接触して溶融すると、絶縁膜６で被覆されていたシード軸３（第１電極）と、坩堝１の下部に配置された第２電極７との間に原料融液２を介して電流が流れ、その電流を電流計１１によって検出することで原料融液２と種結晶４の接触界面、すなわち、結晶成長界面の位置が正確に特定される。次いで、この結晶成長界面を所定の温度勾配内に維持することで欠陥のより少ない単結晶を得ることが可能となる。単結晶製造装置Ｂのような構成とすることで、単結晶製造装置Ａの場合のようにシード軸３に支持された種結晶４と第１電極５の下端面を揃えるという必要もなく、システムを簡略化することができる。但し、種結晶４を絶縁膜６で被覆することで種結晶４の表面性状にダメージを与える恐れがある場合には、絶縁膜６で被覆される第１電極５と種結晶４が保持されるシード軸３は別々にすることが好ましい。
【００２２】
本発明の単結晶製造装置は、半導体材料として使用される任意の単結晶を製造するのに利用することができ、特にはＳｉＣ単結晶を製造するのに利用することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２４】
本実施例では、図１に示す単結晶製造装置を用いてＴＳＳＧ（Ｔｏｐ−Ｓｅｅｄｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ−Ｇｒｏｗｔｈ）法によりＳｉＣ単結晶を成長させた。なお、本実施例では、絶縁膜６としてＳｉＯ2を使用し、ＳｉＯ2は、化学気相成長法により第１電極５の表面全体に約５０μｍの厚さで堆積させた。
【００２５】
黒鉛からなる坩堝１に融液原料としてシリコン（Ｓｉ）を導入し、坩堝１をその周囲に配置されたヒータ８により加熱してＳｉを溶融させ、溶融したＳｉ融液中に坩堝１から炭素（Ｃ）を溶解させてＳｉとＣを含有する原料融液２を形成した。原料融液２の温度は、熱電対１２とヒータ８により制御して約１８００℃に維持した。
【００２６】
次いで、下端に種結晶４が保持されたシード軸３と、絶縁膜６で被覆された第１電極５を原料融液２の液面に対して上方から一体的に下降させてそれらを原料融液２の液面に同時に接触させ、それにより絶縁膜６を原料融液２に溶融させた。
【００２７】
次いで、原料融液２を介して第１電極５と第２電極７の間に流れる電流を電流計１１によって検出することで原料融液２と種結晶４の接触界面を検知し、種結晶４の位置を決定した。そうして種結晶４と原料融液２の接触で生じた温度勾配によりＳｉＣ単結晶を成長させた。成長したＳｉＣ単結晶を図４に示す。
【００２８】
比較例として、熱電対における起電力の変化を測定することにより結晶成長界面の位置を特定して成長させたＳｉＣ単結晶を図５に示す。
【００２９】
図４及び図５における中央の円形部分は、成長させた単結晶を原料融液から引き上げた際、単結晶上にＳｉの融液が付着し結晶化してしまったものである。図４及び図５は、これを酸処理によって除去したものを示している。この中央の円形部分もＳｉＣ単結晶であるが、研磨により完全に除去することができる。図４と図５の両方において、昇華法によるＳｉＣ単結晶の製造で生じるマイクロパイプと呼ばれる中空貫通欠陥は確認されなかった。しかしながら、従来の溶液法によってＳｉＣ単結晶を成長させた場合には、図５において示されるように、成長したＳｉＣ単結晶の表面が粗く、その表面上には結晶が多核化し、多結晶化の初期の状態と考えられる多数の筋を確認した。これに対し、本発明の単結晶製造装置によってＳｉ単結晶を成長させた場合には、図４において示されるように、従来の方法によって成長させたＳｉＣ単結晶と比べて、より平坦できれいな面を有するＳｉＣ単結晶を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による単結晶製造装置Ａを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明による絶縁膜で被覆された電極を示す断面図である。
【図３】本発明による単結晶製造装置Ｂを模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の単結晶製造装置によって成長させたＳｉＣ単結晶の写真である。
【図５】従来技術の方法によって成長させたＳｉＣ単結晶の写真である。
【符号の説明】
【００３１】
１    坩堝
２    原料融液
３    シード軸
４    種結晶
５    第１電極
６    絶縁膜
７    第２電極
８    ヒータ
９    電気配線
１０    電源
１１    電流計
１２    熱電対
【図１】
2008030969.tif 000003
【図２】
2008030969.tif 000004
【図３】
2008030969.tif 000005
【図４】
2008030969.tif 000006
【図５】
2008030969.tif 000007