(57)【要約】【課題】種結晶へ炭素を十分に供給して、ＳｉＣ単結晶の成長速度を高める。【解決手段】黒鉛坩堝１０内でＳｉを含む融液１２を用いてＳｉＣ単結晶（１６）を製造する際に、黒鉛坩堝１０内にＳｉＣの種結晶１４と前記融液１２の原料とを装入し、該融液１２の原料を加熱、溶融した後、大気圧下または加圧下で、該融液１２表面の上方に設置された炭素電極（２２）と前記融液１２表面との間でアーク放電（２４）を行なうことにより、前記種結晶１４面上にＳｉＣ単結晶（１６）を成長させる。【選択図】図３
2013241307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛坩堝内でＳｉを含む融液を用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法において、
黒鉛坩堝内にＳｉＣの種結晶と前記融液の原料とを装入し、
該融液の原料を加熱、溶融した後、
大気圧下または加圧下で、該融液表面の上方に設置された炭素電極と前記融液表面との間でアーク放電を行なうことにより、前記種結晶面上にＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給することを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記炭素電極が中空部を有するものとし、該中空部より前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給することを特徴とする請求項２に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記融液は、Ｓｉと１種類以上の金属元素を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項５】
外部加熱装置を備え、装入されたＳｉを含む融液原料とＳｉＣ種結晶を加熱し、ＳｉＣの種結晶を浸漬したＳｉを含む融液を形成すると共に、結晶成長温度に維持する黒鉛坩堝と、
前記融液表面の上方に昇降可能に取り付けられた炭素電極と、
該炭素電極と前記黒鉛坩堝に接続され、前記炭素電極と前記融液表面との間でアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、
を備えたことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項６】
少なくとも前記黒鉛坩堝及び炭素電極が、圧力調整室内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項７】
前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置を更に備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項８】
前記炭素電極が中空部を有するものとされ、前記プラズマガス供給装置が、該中空部より前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給するようにされていることを特徴とする請求項７に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれかに記載されたＳｉＣ単結晶の製造方法を用いて製造されたことを特徴とするＳｉＣ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ（炭化珪素）単結晶の製造方法、装置及びＳｉＣ単結晶に係り、特に、十分な成長速度を得ることが可能なＳｉＣ単結晶の製造方法、装置及び、前記製造方法により製造されたＳｉＣ単結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ（珪素）パワーデバイス（電力用半導体素子）の性能限界を超えるパワーデバイス用の材料としてＳｉＣが注目されている。このＳｉＣを、光デバイス、電子デバイス等のパワーデバイスに用いる場合、複数種類のポリタイプが混在していない均質なＳｉ単結晶を用いることが望ましい。
【０００３】
従来のＳｉＣ単結晶の成長方法としては、例えば、昇華法、及び、溶液成長法がある。
【０００４】
昇華法は、高純度のＳｉＣ粉末を２２００℃〜２５００℃に加熱することによって昇華ガスを発生させて、昇華ガスを低温に設定したＳｉＣ成長用の種結晶表面に供給して再結晶化する方法である。
【０００５】
溶液成長法は、図１に例示する如く、例えば黒鉛坩堝１０内で、Ｓｉ及びＣを含む融液１２とＳｉＣ成長用の種結晶１４とを接触させ、種結晶１４の温度を融液１２の温度より低くすることにより融液１２を過飽和状態として、種結晶１４の表面にＳｉ単結晶（成長結晶と称する）１６を成長させる方法である。図において、１８は、成長結晶１６の成長に合わせて種結晶１４を徐々に引き上げていくための、例えば黒鉛製のディップ軸である。この溶液成長法は、欠陥の少ない高品質のＳｉ単結晶を、より低い温度で製造することができるという点で、昇華法より優れる。
【０００６】
しかしながら、結晶の成長速度が遅いという問題がある。これは、低温では融液１２の炭素溶解度が低いためである。そのため、非特許文献１には、融液１２にＴｉ（チタン）等の金属を混合し、Ｃ（炭素）の融解度を高めることが記載されている。又、特許文献１には、融液１２の表面にＳｉとＣのプラズマを供給する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７３９１５号公報
【非特許文献１】宇治原徹「多元系溶媒を用いた高品質３Ｃ−ＳｉＣバルク結晶の溶液成長」Annuial  Report  of  The  Murata  Science  Foundation，  2009  (No.23)  pp109-115
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、融液１２へのＣの溶解が十分でなかったり、種結晶１４へのＣの輸送が不十分であるため、十分な成長速度を得ることはできなかった。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、種結晶へ炭素を十分に供給して、ＳｉＣ単結晶の成長速度を高めることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、黒鉛坩堝内でＳｉを含む融液を用いてＳｉＣ単結晶を製造する方法において、黒鉛坩堝内にＳｉＣの種結晶と前記融液の原料とを装入し、該融液の原料を加熱、溶融した後、大気圧下または加圧下で、該融液表面の上方に設置された炭素電極と前記融液表面との間でアーク放電を行なうことにより、前記種結晶面上にＳｉＣ単結晶を成長させるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１１】
ここで、前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給することができる。
【００１２】
又、前記炭素電極が中空部を有するものとし、該中空部より前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給することができる。
【００１３】
又、前記融液を、Ｓｉと１種類以上の金属元素を含むものとすることができる。
【００１４】
本発明は、又、外部加熱装置を備え、装入されたＳｉを含む融液原料とＳｉＣ種結晶を加熱し、ＳｉＣの種結晶を浸漬したＳｉを含む融液を形成すると共に、結晶成長温度に維持する黒鉛坩堝と、前記融液表面の上方に昇降可能に取り付けられた炭素電極と、該炭素電極と前記黒鉛坩堝に接続され、前記炭素電極と前記融液表面との間でアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、を備えたことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造装置を提供するものである。
【００１５】
ここで、少なくとも、前記黒鉛坩堝及び炭素電極を、圧力調整室内に配置することができる。
【００１６】
又、前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置を更に備えることができる。
【００１７】
又、前記炭素電極が中空部を有するものとし、前記プラズマガス供給装置が、該中空部より前記アーク放電部に向けてプラズマガスを供給するようにすることができる。
【００１８】
本発明は、又、前記のいずれかに記載されたＳｉＣ単結晶の製造方法を用いて製造されたＳｉＣ単結晶を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、炭素電極を用いて、融液表面との間にアーク放電を行なうようにしたので、アーク放電部が高温となり、炭素電極からは炭素蒸気が供給されるため、融液表面の炭素濃度を高くできる。又、放電電流は、融液内で拡がって流れるため、融液内で放電電流による電磁対流が生じ、融液表面で供給された炭素が種結晶へ安定して供給される。従って、炭素が種結晶へ十分に供給されるようになり、成長速度を高くすることができる。特に、アーク放電部に向けてプラズマガスを供給するようにした場合は、このプラズマガスの流れに乗って炭素を含むプラズマがより多く融液へ供給されると共に、アーク放電位置がプラズマガス供給部に固定化されるため、プロセスが安定となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の溶液成長法を実施する装置の要部構成を示す断面図
【図２】本発明に係るＳｉＣ単結晶の製造装置の実施形態の全体構成を示す断面図
【図３】同じく要部構成を示す拡大断面図
【図４】比較例と実施例における放電電流と成長速度の関係の例を示す線図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
本発明に係るＳｉＣ単結晶の製造装置の実施形態は、図２（全体図）及び図３（要部拡大図）に示す如く、外部加熱装置である高周波加熱コイル２０を備え、装入されたＳｉを含む融液原料とＳｉＣの種結晶１４を加熱し、該種結晶１４を浸漬したＳｉを含む融液１２を形成すると共に、結晶成長温度に維持する黒鉛坩堝１０と、前記融液１２の表面の上方に電極上下移動機構２３により昇降可能に取り付けられた、中空部２２ａを有する黒鉛電極２２と、該黒鉛電極２２と前記黒鉛坩堝１０に接続され、前記黒鉛電極２２と前記融液１２の表面との間でアーク放電（２４）を起こさせる放電用電源２６と、前記黒鉛電極２２の中空部２２ａからアーク放電部２４に向けてプラズマガスを供給するためのプラズマガス供給装置２８とを備え、前記黒鉛坩堝１０、高周波加熱コイル２０、電極上下移動機構２３が、圧力調整室３０内に設置されている。図において、３２は、黒鉛坩堝１０の絶縁蓋、３４は、黒鉛坩堝１０と高周波加熱コイル２０の間に配設された断熱材である。
【００２３】
以下作用を説明する。
【００２４】
まず黒鉛坩堝１０内にＳｉＣの種結晶１４と融液１２の原料とを装入し、高周波加熱コイル２０で前記融液１２の原料を加熱、溶融した後、大気圧下または圧力調整室３０内の加圧下で、前記融液１２表面の上方に設置された黒鉛電極２２と前記融液１２表面との間でアーク放電（２４）を行なうと共に、前記黒鉛電極２２の中空部２２ａから前記融液１２表面に炭素を含むプラズマガスを供給することにより、前記種結晶１４面上にＳｉＣ単結晶（成長結晶）１６を成長させる。
【００２５】
このように黒鉛電極２２を用い、融液１２表面との間にアーク放電を行なうようにしたので、アーク放電部２４が高温となり、黒鉛電極２２からは炭素蒸気が供給されるため、融液１２表面の炭素濃度を高くできる。又、放電電流は、融液１２内で放射線状に拡がって流れるため、融液１２内で放電電流による電磁対流が図中矢印Ａで示す如く上から下へ生じ、融液１２表面で供給された炭素が種結晶１４へ安定して供給される。従って、種結晶１４へ炭素が十分に供給されるようになり、成長速度を高めることができる。
【００２６】
本実施形態においては、黒鉛電極２２として中空電極を用い、その中空部２２ａよりアーク放電部２４に向けてプラズマガスを供給するようにしたので、このプラズマガスの流れに乗って炭素を含むプラズマがより多く融液１２へ供給されると共に、アーク放電位置がプラズマガス供給部に固定化されるため、プロセスが安定となる。なお、プラズマガスを供給する方法は、これに限定されず、プラズマガスの供給を省略することもできる。
【００２７】
前記黒鉛電極２２は、陽極でも陰極でも構わず、放電用電源２６は、直流、交流、パルス電源等が使用できる。ここで、黒鉛坩堝１０が対極となる。なお、炭素蒸気を効率良く供給するには、前記黒鉛電極２２は、直流で陽極とするのが望ましい。
【００２８】
前記黒鉛電極２２の中空部２２ａから供給するプラズマガスとしては、アーク放電を起こしやすく、アークによって加熱されてプラズマとなり易いガス、例えば、Ａｒ（アルゴン）ガス又はＡｒガスとＮ2（窒素）、Ｏ2（酸素）、Ｈ2（水素）等の混合ガスを用いることができる。
【００２９】
前記種結晶１４としては、例えば４Ｈ−ＳｉＣで、大きさが１０×１０×０．３４ｍｍのものを用いることができる。
【００３０】
又、前記融液１２としては、内径７０ｍｍの高純度黒鉛坩堝１０に、高純度Ｓｉ２００ｇ、高純度Ｔｉ１００ｇ、高純度Ｃｒ１００ｇを仕込んだものを用いることができる。
【００３１】
又、前記黒鉛電極２２の中空部２２ａより供給したプラズマガスは、上下動可能な黒鉛電極２２と絶縁蓋３２の隙間から排出されるが、黒鉛坩堝１０全体が圧力調整室３０の中で圧力調整されているので問題は無い。
【００３２】
プラズマガスをアルゴンとし、黒鉛坩堝１０の底面温度を１７００〜１７５０℃とした場合の比較例と実施例における放電電流と成長速度の関係の例を表１及び図４に示す。
【００３３】
【表１】
2013241307.tif 000003
【００３４】
なお、前記実施形態においては、高周波加熱コイル２０により黒鉛坩堝１０が加熱されていたが、黒鉛坩堝１０を外部から加熱する装置はこれに限定されず、例えば黒鉛坩堝１０の底部や周囲にヒーターを設けても良い。又、圧力変化が問題とならない場合には圧力調整室３０を省略することも可能である。更に、炭素電極も黒鉛製に限定されない。
【符号の説明】
【００３５】
１０…黒鉛坩堝
１２…融液
１４…種結晶
１６…成長結晶
２０…高周波加熱コイル
２２…黒鉛電極
２２ａ…中空部
２３…電極上下移動機構
２４…アーク放電部
２６…放電用電源
２８…プラズマガス供給装置
３０…圧力調整室
３２…絶縁蓋
３４…断熱材
【図１】
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【図２】
2013241307.tif 000005
【図３】
2013241307.tif 000006
【図４】
2013241307.tif 000007