(57)【要約】【課題】溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造方法において炭化ケイ素多結晶の生成を抑制する、炭化ケイ素単結晶製造設備を提供する。【解決手段】ケイ素及び炭素を含有する溶液を保持するるつぼ２、るつぼを加熱する加熱装置３及び種結晶５を保持する種結晶保持部６を有する、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備１０であって、るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分２ａが、２．０μｍ以下の面粗度Ｒａを有する、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備１０とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素及び炭素を含有する溶液を保持するるつぼ、前記るつぼを加熱する加熱装置及び種結晶を保持する種結晶保持部を有する、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備であって、
前記るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に前記溶液の液面と接触する部分が、２．０μｍ以下の面粗度Ｒａを有する、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備。
【請求項２】
前記るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に前記溶液の液面と接触する部分が、前記るつぼの内側面のうちの他の部分とは異なる材料で形成されている、請求項１に記載の製造設備。
【請求項３】
前記るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に前記溶液の液面と接触する部分が、前記るつぼの他の部分に対して脱着可能である、請求項１又は２に記載の製造設備。
【請求項４】
前記るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に前記溶液の液面と接触する部分が、前記るつぼの他の部分に対して脱着可能な炭化ケイ素製の管状体であり、且つ前記るつぼの内表面の他の部分がグラファイト製である、請求項１に記載の製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素は、熱的、化学的に非常に安定であり、且つ耐熱性及び機械的強度に優れていることから、耐環境性半導体材料として期待されている。また特に炭化ケイ素単結晶は、高周波高耐電圧電子デバイスのためのウェハ、青色発光ダイオードの発光素子材料、高速半導体素子材料等の用途に関して期待されている。
【０００３】
このような炭化ケイ素単結晶の成長方法としては、気相成長法、アチソン法、及び溶液成長法が知られている。
【０００４】
しかしながら気相成長法及びアチソン法は、得られる単結晶の欠陥、純度、生成速度等に関する問題があることが知られている。従って、溶液法が有望な炭化ケイ素単結晶の製造方法であると考えられる。ここでこの溶液法は、るつぼ内に保持されているケイ素と炭素とを含有する溶液に、炭化ケイ素単結晶からなる種結晶を接触させて、種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させるものである。
【０００５】
この溶液法に関し、特許文献１では、炭化ケイ素単結晶製造のためのケイ素及び炭素を含有する溶液に、遷移金属のうちの少なくとも１種の元素を更に含有させ、液相と炭化ケイ素固相との平衡が存在する相を提供することを開示している。この特許文献１では、このような遷移金属の添加によって、原料溶液中に含有される炭素の量を増加させることができ、従って炭化ケイ素単結晶の成長速度を大きくできるとしている。
【０００６】
また特許文献２では、溶液法に関し、るつぼの低温部、種結晶を保持する種結晶保持部の周囲等に炭化ケイ素多結晶が析出し、この炭化ケイ素多結晶が意図する炭化ケイ素単結晶の成長を妨げるという問題を認識している。この特許文献２ではこの問題を解決するために、原料溶液を保持しているるつぼを断熱し、且つ原料溶液の上面に加熱手段を提供して、原料融液全体が均温化されるようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２６４７９０号公報
【特許文献２】特開平７−１７２９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造方法において、特許文献２で指摘されるような炭化ケイ素多結晶の析出に関する問題を解決することを意図している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者らは、炭化ケイ素単結晶を製造するための溶液法に関し、図４に示すような従来の炭化ケイ素製造設備４０では、ケイ素と炭素とを含有する溶液４の液面がるつぼ２の内側面と接触している箇所において、炭化ケイ素多結晶４ａが発生していること、及びるつぼ２の内側面の表面粗さがこの炭化ケイ素多結晶４ａの発生に影響を与えていることを見いだして、本発明に想到した。
【００１０】
溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための本発明の製造設備は、ケイ素及び炭素を含有する溶液を保持するるつぼ、るつぼを加熱する加熱装置及び種結晶を保持する種結晶保持部を有する製造設備であって、るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、２．０μｍ以下、好ましくは１．８μｍ以下、より好ましくは１．６μｍ以下の面粗度Ｒａを有する、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための製造設備である。
【００１１】
本発明の製造設備によれば、溶液の液面がるつぼの内表面に接触する箇所における炭化ケイ素多結晶の核生成を抑制して、炭化ケイ素多結晶の混入が少ない炭化ケイ素単結晶、特に炭化ケイ素多結晶の混入が実質的にない炭化ケイ素単結晶を製造することができる。尚、本発明に関して、面粗度Ｒａは、ＪＩＳ０６０１で規定される算術平均粗さＲａを意味する。
【００１２】
本発明の製造設備では、るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、るつぼの内側面のうちの他の部分とは異なる材料で形成されていてもよい。
【００１３】
この態様によれば、るつぼの内側面のうちの溶液の液面と接触する部分を、他の部分を形成する材料よりも、小さい面粗度の達成及び／又は維持が容易な材料で形成することができる。従って例えばこの態様によれば、るつぼの内表面のうちの溶液の液面と接触する部分を、比較的耐久性の大きい材料、例えば炭化ケイ素、タングステン等でつくり、且つるつぼの他の部分を、比較的成形が容易な材料、例えばグラファイトで形成することができる。この場合には、グラファイト部分から溶液に対して炭素の供給が可能である点でも好ましい。
【００１４】
また本発明の製造設備では、るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、るつぼの他の部分に対して脱着可能にされていてもよい。
【００１５】
この態様によれば、るつぼの内側面のうちの溶液の液面と接触する部分の面粗度が大きくなったときに、この部分のみを交換することができる。またこの態様では、上記の態様でのように、るつぼの溶液の液面と接触する部分と他の部分とを異なる材料で作ることが容易になる。
【００１６】
また更に本発明の製造設備では、るつぼの内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、るつぼの他の部分に対して脱着可能な炭化ケイ素製の管状体であり、且つるつぼの内表面の他の部分がグラファイト製であってよい。
【００１７】
この態様によれば、るつぼの内側面のうちの溶液の液面と接触する部分が比較的耐久性の大きい炭化ケイ素であるによって、小さい面粗度を比較的維持することができ、且つるつぼの他の部分がグラファイト製であることによって、るつぼの製造を比較的容易にすることができる。またこの態様によれば、溶液の液面と接触する部分が、るつぼの他の部分に対して脱着可能であることによって、るつぼの内側面のうちの溶液の液面と接触する部分の面粗度が使用の間に大きくなったときに、この部分のみを交換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
上述のように炭化ケイ素単結晶の製造のための溶液法は、るつぼ内に保持されているケイ素と炭素とを含有する溶液に、炭化ケイ素単結晶からなる種結晶を接触させて、種結晶上に炭化ケイ素単結晶を成長させるものである。
【００１９】
この溶液法によって炭化ケイ素単結晶を製造する場合、使用するケイ素と炭素とを含有する溶液は、最終的に得ることを意図している炭化ケイ素（ＳｉＣ）とは異なる組成を有する。これは、炭化ケイ素は加熱すると、昇華や分解を生じ、意図する組成、すなわちＳｉＣの組成の融液が得られないことによる。
【００２０】
従って溶液法では一般に、意図する炭化ケイ素単結晶よりも炭素濃度が低いケイ素及び炭素の溶液を用い、且つこの溶液が、溶液を入れているるつぼの壁面から種結晶に向かって低下する温度分布を有するようにしている。これによれば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が比較的低温の種結晶部分において析出し、またこの炭化ケイ素の析出によって溶液から失われた炭素成分を補うようにして、溶液内を炭素が種結晶部分に向かって移動する。ここでこの炭化ケイ素の析出によって溶液から失われた炭素成分は、るつぼを炭素含有材料、特にグラファイト又は炭化ケイ素で作ることによってるつぼから供給することができる。
【００２１】
炭化ケイ素単結晶の製造のための本発明の製造設備を、図１を参照して説明する。
【００２２】
図１で示されているように、溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造のための本発明の製造設備１０は、ケイ素及び炭素を含有する溶液４を保持するるつぼ２、このるつぼを加熱する加熱装置３及び種結晶５を保持する種結晶保持部６を有する。またこの本発明の製造設備１０では、るつぼ２の内側面のうちの、少なくとも炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分２ａが、２．０μｍ以下の面粗度Ｒａを有する。尚、この図１に示す製造設備１０では、るつぼ２、加熱手段３等は、チャンバー１内に配置されている。
【００２３】
本発明の製造設備１０を用いて炭化ケイ素単結晶を製造する場合例えば、始めにるつぼ２にケイ素、炭素等の原料を充填し、チャンバー１内を真空にした後、アルゴン等の不活性ガスによってチャンバー１内を大気圧又はそれよりも高い圧力に加圧する。尚、るつぼ２としてグラファイト等の炭素含有材料製のるつぼを用いる場合、炭素はこのるつぼ２から溶融してくるため、炭素を原料に添加しないこともできる。
【００２４】
その後、加熱装置３によりるつぼ２を加熱し、原料を溶融させ、ケイ素と炭素を含む溶液４を形成する。次いで、種結晶保持部６を下降させ、炭化ケイ素単結晶である種結晶５を溶液４の表面と接触させる。この接触を維持することによって、種結晶５上に単結晶が成長し、炭化ケイ素単結晶を得ることができる。
【００２５】
ここでケイ素及び炭素を含有する溶液４の温度は、溶融した状態を維持するのに必要な原料の融点以上の温度であり、例えば１８００℃以上の温度にすることができる。溶液４の温度が２３００℃を超えると、溶液からケイ素が激しく蒸発する問題が生ずるので、溶液の温度は一般に２３００℃以下とすることが好ましい。また安定な結晶成長を確保するためには、溶液４が、種結晶５との接触箇所に向かって１０〜４５℃／ｃｍの温度勾配を有するようにして、溶液４を加熱及び／又は種結晶５を冷却することが一般に好ましい。
【００２６】
本発明の炭化ケイ素単結晶を製造するための本発明の製造設備の各部について以下で具体的に説明する。但し、これらの記載は単に説明のためのものであり、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
【００２７】
（るつぼ）
本発明の製造設備で使用されるるつぼ２は、ケイ素及び炭素を含有する溶液４を保持するのに必要な耐熱性及び強度を有する任意の材料で形成することができる。一般的にはこのるつぼは、溶液４に対して炭素を供給することが可能なグラファイト又は炭化ケイ素、特にグラファイトで形成されている。グラファイトは、加工が比較的容易である点で好ましい。また、炭化ケイ素は、比較的耐久性が大きい点で好ましい。
【００２８】
るつぼの内側面の面粗度を小さくするためには、任意の研磨方法を用いることができ、例えばバフ研磨を用いることができる。尚、本発明の製造設備において使用されるるつぼ２では当然に、このるつぼ２の内側面のうちの、炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分２ａだけでなく、るつぼ２の内表面全体が比較的小さい面粗度を有するようにすることもできる。
【００２９】
本発明の製造設備で用いるるつぼ２では、図２に示す製造設備２０でのように、るつぼの内側面のうちの、炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、るつぼの内側面のうちの他の部分とは異なる材料２ｂで形成されるようにしてもよい。
【００３０】
上述のように、本願発明の製造設備で用いるるつぼを形成するための材料としては、グラファイト及び炭化ケイ素を考慮することができ、従って例えばるつぼの内側面のうちの溶液の液面と接触する部分が炭化ケイ素で形成されるようにし、他の部分がグラファイトで形成されるようにしてもよい。尚、この場合には当然に、溶液の液面も接触する部分を、非炭素含有材料、例えばタングステン等の耐熱性金属で作ることもできる。
【００３１】
また本発明の製造設備で用いるるつぼ２では、図３に示す製造設備３０でのように、るつぼの内側面のうちの、炭化ケイ素単結晶の製造の間に溶液の液面と接触する部分が、るつぼの他の部分に対して脱着可能な部分、例えばるつぼ２の内側に挿入されている管状体２ｃによって提供にされていてもよい。
【００３２】
この場合、この脱着可能な部分をるつぼ２に対して固定するために、固定手段によってチャンバー１の天井から吊すこと、るつぼ２に対してフランジ等の固定具で固定すること等ができる。尚、当然に、この脱着可能な部分は、るつぼ本体と同じ材料で作ることも、るつぼ本体とは異なる材料で作ることもできる。
【００３３】
（加熱装置）
本発明の製造設備１０では、るつぼ２の周囲には加熱装置３が配置されており、この加熱装置によって、るつぼ２内の原料を加熱して溶液の状態に維持する。この加熱装置としては任意の装置を用いることができるが、例えば加熱コイル等の電気加熱装置を用いることができる。
【００３４】
（種結晶保持部）
本発明の製造設備１０では、るつぼ２の上方に炭化ケイ素単結晶である種結晶５を保持するための種結晶保持部６が配置されている。ここでこの種結晶保持部６は、随意に回転させながら上方に引き上げることができるようにされており、それによってケイ素及び炭素を含有する溶液４から種結晶５上に炭化ケイ素単結晶を析出させるようにされている。尚、図示していないが、この種結晶保持部６は冷却装置に接続し、それによって種結晶５を所定の温度に冷却できるようにすることができる。
【実施例】
【００３５】
図１に示すような製造設備を用いて４８時間にわたって炭化ケイ素単結晶を製造した。ここで、るつぼとしては、内側表面のうちの溶液の液面が接触する部分の面粗度がそれぞれ０．４μｍ、１．０μｍ、１．６μｍ、１．８μｍ、２．６μｍ及び３．４μｍであるグラファイト製るつぼを用いた。またこの製造の間の溶液１１の液面の温度は約１８００℃であった。
【００３６】
得られた炭化ケイ素単結晶を切断し、光学顕微鏡によって評価を行った。また、るつぼを室温まで放冷し、るつぼ内に残留している材料を固化させ、この固化した材料をるつぼから取り出し、切断し、光学顕微鏡によって評価を行った。
【００３７】
るつぼの面粗度が０．４μｍ、１．０μｍ及び１．６μｍのときには、得られた炭化ケイ素単結晶において多結晶の混入は観察されなかった。またこのときには、るつぼ内に残留している材料を固化させたものにおいても、多結晶の存在は観察されなかった。
【００３８】
るつぼの面粗度が１．８μｍのときには、得られた炭化ケイ素単結晶において小さい多結晶の混入が観察された。またこのときには、るつぼ内に残留している材料を固化させたものにおいても、小さい多結晶の存在が観察された。
【００３９】
るつぼの面粗度が２．６μｍ及び３．４μｍのときには、得られた炭化ケイ素単結晶において大きい多結晶の混入が観察された。またこのときには、るつぼ内に残留している材料を固化させたものにおいても、大きい多結晶の存在が観察された。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】炭化ケイ素単結晶を製造する本発明の製造設備を示す略図である。
【図２】炭化ケイ素単結晶を製造する本発明の他の製造設備を示す略図である。
【図３】炭化ケイ素単結晶を製造する本発明の更に他の製造設備を示す略図である。
【図４】炭化ケイ素単結晶を製造する従来の製造設備を示す略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    チャンバー
２    るつぼ
３    加熱装置
４    ケイ素及び炭素を含有する溶液
５    種結晶
６    種結晶保持部
１０，２０，３０    本発明の炭化ケイ素製造設備
４０    従来の炭化ケイ素製造設備
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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