JP5803519B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶の溶液法による製造方法及び製造装置に関する。

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。

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という欠点を有するが、結晶の成長速度が大きいため、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。

そして、溶液法は、黒鉛坩堝中でＳｉ融液またはＳｉ融液に合金を融解し、その融液中に黒鉛坩堝から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。

一般的に、ＳｉＣ単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜等が存在していることがあり、溶液法において、ＳｉＣ単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去するメルトバックを行うことが開示されている（特許文献１）。

特開２００７−２８４３０１号公報

特許文献１に記載の方法では、ＳｉＣ単結晶の成長前しかメルトバックすることができず、ＳｉＣ単結晶の成長中に発生した欠陥を溶かし込むことができない。

したがって、ＳｉＣ単結晶の成長の途中においてもメルトバックを行うことができるＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置が求められる。

本発明は、坩堝の周囲に配置された加熱装置により坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
ＳｉＣ単結晶の成長中に、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックすることを含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法である。

本発明はまた、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する坩堝と、
坩堝の周囲に配置された加熱装置と、
上下方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
ＳｉＣ単結晶の成長中に、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックする手段を備えた、ＳｉＣ単結晶の製造装置である。

本発明により、ＳｉＣ単結晶の成長の途中においてもメルトバックを行うことが可能となる。

本発明において用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を表す断面模式図である。 第１の実施形態において用いられ得る、坩堝上面に追加の断熱材を配置及び取り外し可能なＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。 第２の実施形態において用いられ得る、坩堝及び／または坩堝の周囲に配置された加熱装置の位置を上下方向に変更することが可能なＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。 第３の実施形態において用いられ得る、Ｓｉ−Ｃ溶液を液面から加熱することが可能な加熱装置をＳｉ−Ｃ溶液の液面上近傍に備えたＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。 第４の実施形態において用いられ得る、種結晶保持軸を加熱することが可能な加熱装置を種結晶保持軸の周囲に備えたＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。 第５の実施形態において用いられ得る、Ｓｉ−Ｃ溶液の逆温度勾配領域まで種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶を浸漬することが可能な、ＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。 第３の実施形態において用いられ得る、Ｓｉ−Ｃ溶液を液面から加熱することが可能なＳ字状の黒鉛ヒーターを備えたＳｉＣ単結晶製造装置の断面模式図である。

本発明は、坩堝の周囲に配置された加熱装置により坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、ＳｉＣ単結晶の成長中に、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶（以下、成長単結晶という）をメルトバックすることを含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法である。

本発明に係る製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶の成長途中の任意のタイミングで、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることによって、成長単結晶をメルトバックすることができる。また、本発明に係る製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶を成長させる前に種結晶をメルトバックすることも可能である。

本明細書においては、上述のように、成長単結晶とは、種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶のことをいう。種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させている途中にメルトバックを行うため、このように表現するものである。本発明によれば、成長結晶の表層部分に発生した転位や欠陥等が発生、増殖した結晶部を溶かし込むことができる。成長結晶の厚みが非常に薄い場合は、表層部分に含まれる転位や欠陥だけでなく下地の種結晶基板も同時に溶かし込むことができる。

本発明に係る製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶の成長途中に発生した転位や欠陥が発生してしまった結晶部を溶かし込むことができるため、転位や欠陥が少ないＳｉＣ単結晶を得ることができる。メルトバックに次いでＳｉＣ単結晶の成長を続けることができ、また、メルトバックとＳｉＣ単結晶の成長とを複数回繰り返すこともできる。当然のことながら、ＳｉＣ単結晶の成長中に本製造方法によるメルトバックを行うとともに、ＳｉＣ単結晶の成長前に、種結晶基板に本発明に係る製造方法のメルトバック方法を適用することができ、または従来行われていた種結晶基板のメルトバック方法を併用してもよい。

本明細書において、メルトバックとは、種結晶または種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶の表面層をＳｉ−Ｃ溶液中に溶解させて除去することをいう。一般的に、ＳｉＣ単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜等が存在していることがあり、ＳｉＣ単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。本発明においては、従来除去することができなかった成長中のＳｉＣ単結晶に発生し得る転位及び欠陥等を除去することができる。

メルトバックにより溶解する厚みは、成長中に発生し得る転位及び欠陥を含む層を十分に除去するために、転位、欠陥を含む層の厚みにもよるが、一般的に、およそ１μｍ〜１ｍｍ程度または１μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。

メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が一定または増加する温度勾配を、成長単結晶近傍のＳｉ−Ｃ溶液に形成することにより行われ得る。ＳｉＣ単結晶成長を行う場合には、種結晶基板の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が、この温度勾配を一定または増加する温度勾配に変更することによって成長単結晶をメルトバックすることができる。Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて増加する温度勾配は、溶液表面から１０ｍｍ、８ｍｍ、６ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ等の範囲で、０〜５０℃／ｃｍが好ましく、０〜２０℃／ｃｍがより好ましい。

本明細書において、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域とは、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させるため、または成長単結晶をメルトバックするためのＳｉ−Ｃ溶液の液面近傍の領域をいう。Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域とは、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から例えば１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、または１０ｍｍ程度の深さの間の領域であることができ、成長単結晶のより近傍領域、例えばＳｉ−Ｃ溶液の表面から１０μｍ、５０μｍ、または１００μｍ程度の深さの間の領域であることができる。

図１に、本発明に係る製造方法を実施するのに用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例を示す。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２４の内部からＳｉ−Ｃ溶液２４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。坩堝１０及び種結晶保持軸１２を、種結晶保持軸１２の軸を中心に回転させることが好ましい。

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。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等が挙げられる。例えば、坩堝内にＳｉに加えて、Ｃｒ、Ｎｉ等を投入し、Ｓｉ−Ｃｒ溶液、Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ溶液等を形成することができる。また、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溶液が形成される。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。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４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℃であることが好ましい。

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。

種結晶保持軸１２は、その端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であり、円柱状、角柱状等の任意の形状の黒鉛軸を用いることができる。

保温のために、坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われ得る。これらを一括して石英管２６内に収容してもよい。断熱材１８の周囲には、加熱装置２２が配置されている。加熱装置は、例えば高周波コイルであることができる。高周波コイルは、例えばそれぞれ独立して制御可能な上段コイル及び下段コイル等の多段構成から構成され得る。

坩堝１０、断熱材１８、及び加熱装置２２は、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置され得る。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ことができる。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液２４の内部よりも表面の温度が低くなる温度分布を形成しやすい。また、加熱装置２２が上段コイル及び下段コイルを備えた高周波コイルである場合は、上段コイル及び下段コイルの出力をそれぞれ調整することによって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部から表面の領域に所定の温度低下する温度勾配を形成することができる。温度勾配は、溶液表面から１０ｍｍ、８ｍｍ、６ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ等の範囲で、５０℃／ｃｍ以下が好ましく、４０℃／ｃｍ以下がより好ましい。

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２２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上にＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

このようにしてＳｉＣ単結晶を成長させているときに、任意のタイミングで、成長単結晶をメルトバックする方法として、幾つかの方法が挙げられる。以下に図面を参照しながら説明する。

（本製造方法の第１の実施形態）
本発明に係る製造方法の第１の実施形態においては、坩堝が周囲に断熱材を有し、ＳｉＣ単結晶の成長中に、坩堝上部の断熱材の厚みを大きくして、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することにより、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させて、成長単結晶をメルトバックすることができる。

図２に示すように、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の上部の断熱材１８上に、さらに断熱材２８を配置することができる。坩堝上部の断熱材１８上にさらに断熱材２８を配置すると、断熱材による保温効果が向上して、特にＳｉ−Ｃ溶液２４の表面の温度が上昇し、種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、種結晶基板１４の近傍の内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させて、成長単結晶をメルトバックすることができる。

断熱材２８を断熱材１８の上部から外すことによりメルトバックを終了することができ、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

断熱材２８を配置及び取り外す方法は、手動または自動の任意の方法で行うことができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって断熱材２８を上下に移動させることにより行うことができる。また、２以上の断熱材を積み重ねて用いてもよく、あるいは、断熱材２８としていくつかの厚みを有する断熱材を用意しておき、狙いの温度勾配に応じて所望の厚みを有する断熱材を選んで用いてもよい。

（本製造方法の第２の実施形態）
本発明に係る製造方法の第２の実施形態においては、ＳｉＣ単結晶を成長させているときのＳｉ−Ｃ溶液が、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されており、
坩堝内における加熱中心の位置の上方に移動して、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、内部から表面に向けて一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることにより、成長単結晶をメルトバックすることができる。

坩堝に収容されたＳｉ−Ｃ溶液２４は、図３に示すような周囲に配置された加熱装置２２によって加熱される構成を有しているため、加熱装置２２の中央部に近いＳｉ−Ｃ溶液が最も加熱されやすく、また坩堝の下部から熱が逃げやすいため、通常、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つつ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部から溶液の深部に向けて温度低下する温度勾配を形成しやすい。つまり、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部に加熱中心があり、表面及び深部において温度が比較的低く、内部において温度が比較的高い温度勾配を形成することができる。

本実施形態においては、図３に示すように、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の周囲に配置された加熱装置２２を、坩堝１０に対して上下方向に移動させることができる。坩堝１０に対して加熱装置２２を上方に移動させると、坩堝内における加熱中心を坩堝内の上方に移動させることができるので、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配をＳｉＣ溶液２４中の上方に移動させて、種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

上方に移動させた加熱装置２２を、下方に移動させることによりメルトバックを終了することができ、再度、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

加熱装置２２を上下に移動させる方法は、手動または自動の任意の方法で行うことができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって加熱装置２２を上下に移動させることにより行うことができる。

本実施形態においては、成長単結晶近傍のＳｉ−Ｃ溶液中の温度勾配を連続的に変化させることができるので、成長単結晶のメルトバックが可能なだけでなく、ＳｉＣ単結晶の成長速度を連続的に変化させることもできる。

別法では、図３に示すように、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の周囲に配置された加熱装置２２に対して、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を上下方向に移動させることができる。加熱装置２２に対して坩堝１０を下方に移動させると、坩堝内における加熱中心を坩堝内の上方に移動させることができるので、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配をＳｉＣ溶液２４中の上方に移動させて、種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

下方に移動させた坩堝１０を、上方に移動させることにより、メルトバックを終了することができ、再度、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

坩堝１０を上下に移動させる方法は、手動または自動の任意の方法で行うことができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって坩堝１０を上下に移動させることにより行うことができる。

また、加熱装置２２及び坩堝１０の両方を同時に上下に移動させて、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、成長単結晶をメルトバックしてもよい。

（本製造方法の第３の実施形態）
本発明に係る製造方法の第３の実施形態においては、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面上に配置した液面加熱装置によりＳｉ−Ｃ溶液を加熱してＳｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることにより、成長単結晶をメルトバックすることができる。

図４に示すように、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面近傍に液面加熱装置３０を配置し、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、液面加熱装置３０によって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を液面から加熱することができる。これにより、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面領域の温度が上昇し、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

液面加熱装置３０は、坩堝内に配置して、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を液面から加熱できるものであれば任意の加熱装置であることができ、例えば、図７に示すようなＳｉ−Ｃ溶液２４の液面上近傍においてリング形状を有する断面がＳ字状の黒鉛ヒーターであって高周波コイルヒーター３６を備えた黒鉛ヒーター３４であることができる。黒鉛ヒーター３４は、Ｌ字状等他の形状であってもよい。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

液面加熱装置３０の出力を切ることにより、メルトバックを終了することができ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

本実施形態においては、成長単結晶のメルトバックが可能なだけでなく、液面を加熱することができるため、メルトバック後に単結晶の成長を再開させる際のＳｉ−Ｃ溶液２４の液面における急激な温度低下を抑制でき、液面近傍における多結晶の発生を抑制することができる。

（本製造方法の第４の実施形態）
本発明に係る製造方法の第４の実施形態においては、種結晶保持軸の周囲に配置した種結晶保持軸加熱装置により種結晶保持軸を加熱して、種結晶保持軸を介した熱伝導によるＳｉ−Ｃ溶液からの抜熱を抑制して、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることにより、成長単結晶をメルトバックすることができる。実質的に成長単結晶の近傍のみの温度勾配を変更して成長単結晶の近傍のＳｉ−Ｃ溶液の飽和度を下げることにより、成長単結晶をメルトバックすることができる。

図５に示すように、種結晶保持軸１２の周囲に種結晶保持軸加熱装置３２を配置し、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、種結晶保持軸加熱装置３２によって、種結晶保持軸１２を加熱して、種結晶保持軸１２を介した熱伝導によるＳｉ−Ｃ溶液２４からの抜熱を低減することができる。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４から種結晶保持軸１２を介した抜熱を低減することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

種結晶保持軸加熱装置３２の出力を切ることにより、メルトバックを終了することができ、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

種結晶保持軸加熱装置３２は、種結晶保持軸１２の周囲に配置して加熱することができる任意の加熱装置であることができ、例えば高周波ヒーター、抵抗ヒーター等であることができる。

本実施形態においては、成長単結晶をメルトバックすることができるだけでなく、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を加熱装置からの加熱により直接変更するのではなく種結晶保持軸を介した抜熱を利用するため、成長単結晶近傍のみのＳｉ−Ｃ溶液の飽和度を下げることが可能であり、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度ばらつきをより小さく抑えることができ、多結晶の発生を抑制することができる。

（本製造方法の第５の実施形態）
本発明に係る製造方法の第５の実施形態においては、坩堝の周囲に配置された加熱装置により坩堝内にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶基板を接触させて、種結晶基板を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
ＳｉＣ単結晶の成長中に、成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域まで浸漬して、成長単結晶をメルトバックすることができる。

図６に示すように、Ｓｉ−Ｃ溶液２４が、内部よりも表面の温度が低い温度勾配を有し、且つ内部よりも深部の温度が低い温度勾配を有するように加熱され、
ＳｉＣ単結晶の成長途中に、成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部に向けて温度が一定または低下する温度勾配を有する領域まで浸漬することができる。

成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部の一定温度または温度低下する温度勾配を有する領域にまで浸漬することによって、成長単結晶をメルトバックすることができる。これは、上記領域まで成長単結晶を浸漬することによって、成長単結晶の近傍のＳｉＣ溶液中のＳｉＣ飽和度が低くなるためである。

成長単結晶の下面、下面及び側面等の成長単結晶のメルトバックしたい範囲に応じて、成長単結晶の浸漬深さを変えることができ、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域に到達する成長単結晶の範囲を調節することができる。

成長単結晶を元の位置に戻すことにより、メルトバックを終了することができ、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

本実施形態においては、追加の装置を必要としないので、コスト的に有利である。

また、図６において、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から成長単結晶の下面までの浸漬深さをｄとし、成長単結晶の厚みをｔとすると、ｔ≧ｄの関係を有することが好ましい。これにより、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の一定温度または温度低下する温度勾配を有する内部から深部の領域まで成長単結晶を浸漬してメルトバックしつつも、種結晶保持軸１２に、Ｓｉ−Ｃ溶液２４が接触することを防止することができ、多結晶の発生を抑制することができる。

ｔ≧ｄの関係を得るために、成長単結晶の厚みｔよりもＳｉ−Ｃ溶液２４の表面から加熱中心までの距離が小さくなるような温度分布を有するように、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を加熱することができる。または、ｔ≧ｄの関係を得るために、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面から加熱中心までの距離よりも、成長単結晶の厚みｔが大きくなるような種結晶を準備することもできる。

上記実施形態１〜５のいずれにおいても、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のＳｉ−Ｃ溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は種結晶保持軸ごと加熱して行うことができる。また、比較的低温のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてから、ＳｉＣ単結晶を成長させる温度にＳｉ−Ｃ溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。

本発明はまた、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する坩堝と、
坩堝の周囲に配置された加熱装置と、
上下方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
ＳｉＣ単結晶の成長中に、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、種結晶と種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶（以下、成長単結晶という）をメルトバックする手段を備えた、ＳｉＣ単結晶の製造装置である。

本発明に係る製造装置によれば、ＳｉＣ単結晶の成長途中の任意のタイミングで、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることによって、成長単結晶をメルトバックすることができる。また、本発明に係る製造装置によれば、ＳｉＣ単結晶を成長させる前に種結晶をメルトバックすることも可能である。

本発明に係る製造装置によれば、ＳｉＣ単結晶の成長途中に発生した転位や欠陥を溶かし込むことができるため、転位や欠陥が少ないＳｉＣ単結晶を得ることができる。メルトバックに次いでＳｉＣ単結晶の成長を続けることができ、また、メルトバックとＳｉＣ単結晶の成長とを複数回繰り返すこともできる。当然のことながら、ＳｉＣ単結晶の成長中に本製造装置によるメルトバック手段を適用するとともに、ＳｉＣ単結晶の成長前に、種結晶基板に本発明に係る製造装置に備えるメルトバック手段を適用することができ、または従来行われていた種結晶基板のメルトバック手段を併用してもよい。

上述した本発明に係る製造方法に関連して記載した、成長単結晶及びメルトバックの定義及び関連する記載、並びに用いられ得るＳｉＣ単結晶製造装置の基本構成の一例に関連する説明は、本製造装置についても同様である。

ＳｉＣ単結晶を成長させているときに、任意のタイミングで、成長単結晶をメルトバックする手段として、幾つかの方法が挙げられる。以下に図面を参照しながら説明する。

（本製造装置の第１の実施形態）
本発明に係る製造装置の第１の実施形態を図２に示す。

図２に示すように、本製造装置の第１の実施形態は、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の上部の断熱材１８上に、さらに断熱材２８を配置する手段を備える。坩堝上部の断熱材１８上にさらに断熱材２８を配置すると、断熱材による保温効果が向上して、特にＳｉ−Ｃ溶液２４の表面の温度が上昇し、種結晶基板１４の近傍の内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

本製造装置の第１の実施形態はまた、断熱材２８を断熱材１８の上部から外す手段を備える。断熱材２８を断熱材１８の上部から外すことによりメルトバックを終了することができ、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

断熱材２８を配置及び取り外す手段は、手動または自動の任意の手段であることができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって断熱材２８を上下に移動させる手段を有することができる。また、２以上の断熱材を積み重ねて用いる手段を有してもよく、あるいは、断熱材２８としていくつかの厚みを有する断熱材を用意しておき、狙いの温度勾配に応じて所望の厚みを有する断熱材を選択する手段を有してもよい。

（本製造装置の第２の実施形態）
本発明に係る製造装置の第２の実施形態を図３に示す。

図３に示すように、坩堝１０に収容されたＳｉ−Ｃ溶液２４は、周囲に配置された加熱装置２２によって加熱される構成を有しているため、加熱装置２２の中央部に近い位置にあるＳｉ−Ｃ溶液が最も加熱されやすく、また坩堝の下部から熱が逃げやすいため、通常、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つつ、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部から溶液の深部に向けて温度低下する温度勾配を形成しやすい。つまり、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の内部に加熱中心があり、表面及び深部において温度が比較的低く、内部において温度が比較的高い温度勾配を形成することができる。

本実施形態においては、図３に示すように、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の周囲に配置された加熱装置２２を、坩堝１０に対して上下方向に移動させる手段を有することができる。坩堝１０に対して加熱装置２２を上方に移動させると、坩堝内における加熱中心を坩堝内の上方に移動させることができるので、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配をＳｉＣ溶液２４中の上方に移動させて、種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

上方に移動させた加熱装置２２を、下方に移動させることによりメルトバックを終了することができ、再度、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

加熱装置２２を上下に移動させる手段は、手動または自動の任意の手段であることができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって加熱装置２２を上下に移動させる手段を有することができる。

本実施形態においては、成長単結晶近傍のＳｉ−Ｃ溶液中の温度勾配を連続的に変化させることができるので、成長単結晶のメルトバックが可能なだけでなく、ＳｉＣ単結晶の成長速度を連続的に変化させることもできる。

第２の実施形態の変化態様においては、図３に示すように、ＳｉＣ単結晶の成長途中に、坩堝１０の周囲に配置された加熱装置２２に対して、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を上下方向に移動させる手段を有する。加熱装置２２に対して坩堝１０を下方に移動させると、坩堝内における加熱中心を坩堝内の上方に移動させることができるので、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配をＳｉ−Ｃ溶液２４中の上方に移動させて、種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

下方に移動させた坩堝１０を、上方に移動させることにより、メルトバックを終了することができ、再度、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

坩堝１０を上下に移動させる手段は、手動または自動の任意の方法で行うことができ、例えば昇降手段を有する昇降機によって坩堝１０を上下に移動させる手段を有することができる。

また、加熱装置２２及び坩堝１０の両方を同時に上下に移動させて、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、成長単結晶をメルトバックする手段を有してもよい。

（本製造装置の第３の実施形態）
本発明に係る製造装置の第３の実施形態を図４に示す。

図４に示すように、本製造装置の第３の実施形態においては、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の液面近傍上に配置した液面加熱装置３０を備える。ＳｉＣ単結晶の成長途中に、液面加熱装置３０によりＳｉ−Ｃ溶液２４を液面から加熱してＳｉ−Ｃ溶液２４の内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

液面加熱装置３０は、坩堝内に配置して、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を液面から加熱できるものであれば任意の加熱装置であることができ、例えば、図７に示すようなＳｉ−Ｃ溶液２４の液面上近傍においてリング形状を有する断面がＳ字状の黒鉛ヒーターであって高周波コイルヒーター３６を備えた黒鉛ヒーター３４であることができる。黒鉛ヒーター３４は、Ｌ字状等他の形状であってもよい。

液面加熱装置３０の出力を切ることにより、メルトバックを終了することができ、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

本実施形態においては、成長単結晶のメルトバックが可能なだけでなく、液面を加熱することができるため、メルトバック後に単結晶の成長を再開させる際のＳｉ−Ｃ溶液２４の液面における急激な温度低下を抑制でき、液面近傍における多結晶の発生を抑制することができる。

（本製造装置の第４の実施形態）
本発明に係る製造装置の第４の実施形態を図５に示す。

図５に示すように、本製造装置の第４の実施形態においては、種結晶保持軸１２の周囲に配置された種結晶保持軸加熱装置３２を備える。ＳｉＣ単結晶の成長途中に、種結晶保持軸加熱装置３２により種結晶保持軸１２を加熱して、種結晶保持軸１２を介した熱伝導によるＳｉ−Ｃ溶液２４からの抜熱を抑制して、種結晶基板１４の近傍の内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することができる。

種結晶基板１４の近傍の、内部から表面に向けて温度低下するＳｉ−Ｃ溶液の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することによって、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液中のＳｉＣ飽和度を低下させることができ、成長単結晶をメルトバックすることができる。

種結晶保持軸加熱装置３２の出力を切ることにより、メルトバックを終了することができ、内部から表面の領域のＳｉ−Ｃ溶液２４の温度勾配を、再度、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配に変更して、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

種結晶保持軸加熱装置３２は、種結晶保持軸１２の周囲に配置して加熱することができる任意の加熱装置であることができ、例えば高周波ヒーター、抵抗ヒーター等であることができる。

本実施形態においては、成長単結晶をメルトバックすることができるだけでなく、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配を加熱装置からの加熱により直接変更するのではなく、種結晶保持軸を介した抜熱を利用するため、成長単結晶近傍のＳｉ−Ｃ溶液の所定温度からのばらつきをより小さく抑えることができ、多結晶の発生を抑制することができる。

（本製造装置の第５の実施形態）
本発明に係る製造装置の第５の実施形態を図６に示す。

本製造装置の第５の実施形態は、
Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する坩堝と、
坩堝の周囲に配置された加熱装置と、
上下方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に接触させて、種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であり、
ＳｉＣ単結晶の成長中に、成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域まで浸漬して、成長単結晶をメルトバックする手段を備える。

図６に示すように、本製造装置の第５の実施形態は、Ｓｉ−Ｃ溶液２４が、内部よりも表面の温度が低い温度勾配を有し、且つ内部よりも深部の温度が低い温度勾配を有するように加熱され、
ＳｉＣ単結晶の成長途中に、成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部に向けて温度が一定温度低下する温度勾配を有する領域まで浸漬する手段を備える。

成長単結晶の少なくとも一部を、内部から深部の一定温度または温度低下する温度勾配を有する領域にまで浸漬することによって、成長単結晶をメルトバックすることができる。これは、上記領域まで成長単結晶を浸漬することによって、成長単結晶の近傍のＳｉＣ溶液中のＳｉＣ飽和度が低くなるためである。

本製造装置の第５の実施形態は、成長単結晶の下面、下面及び側面等の成長単結晶のメルトバックしたい範囲に応じて、成長単結晶の浸漬深さを変える手段を有し、内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域に到達する成長単結晶の範囲を調節する手段を有する。

本製造装置の第５の実施形態はまた、成長単結晶を元の位置に戻すことにより、メルトバックを終了することができ、ＳｉＣ単結晶を成長させることもできる。

本製造装置の第５の実施形態は、追加の装置を必要としないので、コスト的に有利である。

また、図６に示すように、第５の実施形態に係る製造装置は、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から成長単結晶の下面までの浸漬深さをｄとし、成長単結晶の厚みをｔとすると、ｔ≧ｄの関係を有するように制御する手段を有することが好ましい。これにより、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の一定温度または温度低下する温度勾配を有する内部から深部の領域まで成長単結晶を浸漬してメルトバックしつつも、種結晶保持軸１２に、Ｓｉ−Ｃ溶液２４が接触することを防止することができ、多結晶の発生を抑制することができる。

第５の実施形態に係る製造装置は、ｔ≧ｄの関係を得るために、成長単結晶の厚みｔよりもＳｉ−Ｃ溶液２４の表面から加熱中心までの距離が小さくなるような温度分布を有するように、Ｓｉ−Ｃ溶液２４を加熱することができる。また、第５の実施形態に係る製造装置は、ｔ≧ｄの関係を得るために、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の表面から加熱中心までの距離よりも、成長単結晶の厚みｔが大きくなるような種結晶を配置することもできる。

上記の実施形態に係る製造装置１〜５のいずれにおいても、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる手段を有してもよい。低温の種結晶基板を高温のＳｉ−Ｃ溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は種結晶保持軸ごと加熱して行うことができる。また、比較的低温のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてから、結晶を成長させる温度にＳｉ−Ｃ溶液を加熱する手段を有してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。

本発明に係るＳｉＣ単結晶の製造方法及び製造装置は、第１〜５の実施形態による製造方法及び製造装置に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下に示す実施例及び比較例によって、本発明に係る製造方法及び製造装置について、種結晶基板をメルトバックできたか否かについて評価を行った。本実施例及び比較例においては、便宜上、成長単結晶の代わりに種結晶基板を用いてメルトバックの可否について評価したが、成長単結晶を用いても結果は同様である。メルトバックの可否については、種結晶基板の厚みが減少あるいは変化していない場合にメルトバックできており、種結晶基板の厚みが増加した場合はメルトバックできずに結晶成長した、という基準に基づいて判断した。

（共通条件）
実施例１〜５及び比較例１〜３に共通する条件を示す。各例において、それぞれ、図１〜５に示す単結晶製造装置を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する内径４０ｍｍ、高さ１８５ｍｍの黒鉛坩堝、及び黒鉛坩堝の周囲に厚さ１０ｍｍの断熱材を配置し、Ｓｉ／Ｃｒ／Ｎｉ／Ｃｅを原子組成百分率で５０：４０：４：６の割合で融液原料として仕込んだ。単結晶製造装置の内部の空気をアルゴンで置換した。坩堝の周囲に配置される加熱装置として高上段コイル及び下段コイルを備えた高周波コイルを用いた。高周波コイルに通電して加熱により黒鉛坩堝内の原料を融解し、Ｓｉ／Ｃｒ／Ｎｉ／Ｃｅ合金の融液を形成した。そして黒鉛坩堝からＳｉ／Ｃｒ／Ｎｉ／Ｃｅ合金の融液に、十分な量のＣを溶解させて、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成した。

実施例１〜４及び比較例１〜２においては、厚み１ｍｍ、直径１２ｍｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面がｃ面に対して０°のオフセット角度を有するＳｉＣ単結晶を用意して種結晶基板として用いた。実施例５においては、種結晶として、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、及び厚み１５ｍｍの直方体の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面がｃ面に対して０°のオフセット角度を有する種結晶を用い、比較例３においては、種結晶として、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、及び厚み５ｍｍの直方体の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面がｃ面に対して０°のオフセット角度を有する種結晶を用いた。

種結晶保持軸として長さ２０ｃｍ及び直径１２ｍｍの円柱形状の黒鉛軸を用いて、種結晶基板の上面を、黒鉛軸の端面に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。

上段コイル及び下段コイルの出力を調節して、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃まで昇温させ、並びに溶液表面から８ｍｍの範囲の溶液内部から溶液表面に向けた温度勾配が１℃／ｍｍで温度低下する温度勾配を有しつつ、８ｍｍの深さから１０ｍｍの深さの深部に向けて２℃／ｍｍで温度低下する温度勾配を有するように制御した。つまり、溶液表面から８ｍｍの深さに加熱中心がある温度分布を有していた。温度の測定は、昇降可能なタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対を用いて行った。

（比較例１）
図１に示す単結晶製造装置を用い、黒鉛軸に接着した種結晶の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に並行なるように保ちながら種結晶下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面に一致する位置に配置してＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させ、１０時間、保持した。この間、Ｓｉ−Ｃ溶液は黒鉛軸に接触しなかった。

次いで、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。種結晶基板を基点として種結晶の下面に垂直方向に１ｍｍ厚の結晶成長がみられ、種結晶基板はメルトバックされていなかった。

（実施例１）
図２に示す単結晶製造装置を用い、坩堝上部に配置した断熱材上に厚さ５ｍｍの追加の断熱材を配置し、坩堝上部の断熱材の厚みを合計１５ｍｍとし、高周波コイルの出力を下げてＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃に維持した。このとき、溶液表面から８ｍｍの範囲の溶液内部から溶液表面に向けた温度勾配は１℃／ｍｍで温度上昇する温度勾配を有した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じ条件として種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板が溶けて厚みが減少しており、種結晶基板はメルトバックされていた。

（実施例２）
図３に示す単結晶製造装置を用い、高周波コイルに対して黒鉛坩堝を下方に２０ｍｍ移動させて、黒鉛坩堝内における加熱中心を２０ｍｍ上方に移動させた。このとき、高周波コイルの出力を調節してＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃に維持しつつ、溶液表面から８ｍｍの範囲の溶液内部から溶液表面に向けた温度勾配は、０℃／ｍｍであった。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じにして、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板は溶けて厚みが減少しており、メルトバックされていた。

（比較例２）
高周波コイルに対して黒鉛坩堝を上方に１０ｍｍ移動させて、黒鉛坩堝内における加熱中心を１０ｍｍ下方に移動させた。このとき、高周波コイルの出力を調節してＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃に維持しつつ、溶液表面から８ｍｍの範囲の溶液内部から溶液表面に向けた温度勾配は、１℃／ｍｍで温度低下する温度勾配を有した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じにして、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板を基点として１．１ｍｍ厚の結晶成長がみられ、種結晶基板はメルトバックされていなかった。

（実施例３）
図７に示す単結晶製造装置を用い、液面加熱装置として、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面近傍にてリング形状を有し、断面がＳ字状の黒鉛ヒーターであって高周波コイルヒーターを備えた黒鉛ヒーターを、リング形状ヒーターの下面のＳｉ−Ｃ溶液の液面からの距離が１６ｍｍになるように配置し、Ｓｉ−Ｃ溶液を液面から加熱した。このとき、高周波コイルの出力を調節してＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃に維持しつつ、溶液表面から８ｍｍの範囲の溶液内部から溶液表面に向けた温度勾配は、１．５℃／ｍｍで温度上昇する温度勾配を有した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じ条件として、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板は溶けて厚みが減少しており、メルトバックされていた。

（実施例４）
図５に示す単結晶製造装置を用い、種結晶保持軸加熱装置３２として高周波ヒーターを用いて種結晶保持軸の上部を加熱しつつ、種結晶近傍のＳｉ−Ｃ溶液の飽和度を下げるように加熱装置２２である高周波コイルの出力を下げてＳｉ−Ｃ溶液の表面における温度を１９２０℃に維持した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じ条件として、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させた。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板は溶けて厚みが減少しており、メルトバックされていた。

（実施例５）
図６に示す単結晶製造装置を用い、種結晶基板として、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、及び厚み１５ｍｍの直方体の種結晶を用いて、種結晶の下面をＳｉ−Ｃ溶液の表面から８ｍｍの深さまで浸漬した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じ条件とした。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させている際、種結晶基板の厚みが浸漬深さよりも大きいので、黒鉛軸までＳｉ−Ｃ溶液が濡れ上がらす、Ｓｉ−Ｃ溶液が黒鉛軸に接触しなかった。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板は溶けて厚みが減少しており、メルトバックされていた。Ｓｉ−Ｃ溶液が黒鉛軸に接触しなかったため、多結晶の発生も抑制できた。

（比較例３）
種結晶基板として、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、及び厚み５ｍｍの直方体の種結晶を用いて、種結晶の下面を１ｍｍの深さまで浸漬した。これら以外の条件は、比較例１に示した条件と同じ条件とした。

種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収したところ、種結晶基板を基点とした結晶成長がみられ、種結晶基板はメルトバックされていなかった。

１００ 単結晶製造装置
１０ 黒鉛坩堝
１２ 黒鉛軸
１４ 種結晶基板
１８ 断熱材
２２ 加熱装置
２４ Ｓｉ−Ｃ溶液
２６ 石英管
２８ 断熱材
３０ 液面加熱装置
３２ 種結晶保持軸加熱装置
３４ Ｓ字状液面加熱ヒーター
３６ 液面加熱ヒーターに備えられた高周波コイル

Claims (20)

1. 坩堝の周囲に配置された加熱装置により前記坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、前記種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックすることを含み、
   前記ＳｉＣ単結晶の成長中または前記メルトバック中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、前記種結晶保持軸に接触しない、
   ＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 前記坩堝が前記坩堝の周囲に断熱材を有し、
   前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することが、前記坩堝上部の断熱材の厚みを大きくすることにより行われる、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
3. 前記ＳｉＣ単結晶を成長させているときの前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されており、
   前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することが、前記坩堝内における加熱中心の位置を上方に移動させることにより行われる、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
4. 前記坩堝内における加熱中心の位置を上方に移動させることが、前記加熱装置を、前記坩堝に対して上方に移動させることにより行われる、請求項３に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
5. 前記坩堝内における加熱中心の位置を上方に移動させることが、前記坩堝を、前記加熱装置に対して下方に移動させることにより行われる、請求項３に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
6. 前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することが、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の液面上に配置した液面加熱装置により前記Ｓｉ−Ｃ溶液を加熱することにより行われる、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
7. 前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更することが、前記種結晶保持軸の周囲に配置した種結晶保持軸加熱装置により前記種結晶保持軸を加熱して、前記種結晶保持軸を介した前記Ｓｉ−Ｃ溶液からの抜熱を抑制することにより行われる、請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
8. 坩堝の周囲に配置された加熱装置により前記坩堝中にて内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に、種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を接触させて、前記種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
   前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶の少なくとも一部を、前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域まで浸漬して、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックすることを含み、
   前記ＳｉＣ単結晶の成長中または前記メルトバック中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、前記種結晶保持軸に接触しない、
   ＳｉＣ単結晶の製造方法。
9. 前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶の前記Ｓｉ−Ｃ溶液の表面からの浸漬深さよりも、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶の厚みが大きい、請求項８に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
10. 前記メルトバックをした後にＳｉＣ単結晶を成長させることを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。
11. Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する坩堝と、
    前記坩堝の周囲に配置された加熱装置と、
    上下方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
    前記種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱された前記Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させて、前記種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更して、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックする手段を備え、
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中または前記メルトバック中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、前記種結晶保持軸に接触しないようにする制御手段を有する、
    ＳｉＣ単結晶の製造装置。
12. 前記坩堝が前記坩堝の周囲に断熱材を有し、
    前記メルトバック手段が、
    前記坩堝上部の前記断熱材の厚みを変更する断熱材厚みを変更する手段、並びに
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記断熱材厚みを変更する手段により前記坩堝上部の前記断熱材の厚みを厚くすることにより、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１１に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
13. 前記ＳｉＣ単結晶を成長させているときの前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されており、
    前記メルトバック手段が、
    前記坩堝内における加熱中心の位置の上方に移動させて、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１１に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
14. 前記加熱装置を上下方向に移動させる昇降手段を有し、
    前記昇降手段により、前記加熱装置を、前記坩堝に対して上方に移動させて、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１３に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
15. 前記坩堝を上下方向に移動させる昇降手段を有し、
    前記昇降手段により、前記坩堝を、前記加熱装置に対して下方に移動させることにより、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１３に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
16. 前記メルトバック手段が、
    前記Ｓｉ−Ｃ溶液の表面に配置した液面加熱手段、並びに
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記液面加熱手段により前記Ｓｉ−Ｃ溶液を表面から加熱することにより、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１１に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
17. 前記メルトバック手段が、
    前記種結晶保持軸の周囲に配置した種結晶保持軸加熱手段、並びに
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記種結晶保持軸加熱手段により前記種結晶保持軸を加熱することにより、前記種結晶保持軸を介したＳｉＣ溶液からの抜熱を抑制して、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の前記内部から表面の領域の温度勾配を、一定温度または温度上昇する温度勾配に変更する手段、
    を有する、請求項１１に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
18. Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する坩堝と、
    前記坩堝の周囲に配置された加熱装置と、
    上下方向に移動可能に配置された種結晶保持軸とを備え、
    前記種結晶保持軸に保持されたＳｉＣ種結晶を、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有し、且つ前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有するように加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に接触させて、前記種結晶を基点としてＳｉＣ単結晶を成長させる、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造装置であって、
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中に、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶の少なくとも一部を、前記内部から深部に向けて温度低下する温度勾配を有する領域まで浸漬して、前記種結晶と前記種結晶を基点として成長したＳｉＣ単結晶とを含む単結晶をメルトバックする手段を備え、
    前記ＳｉＣ単結晶の成長中または前記メルトバック中に、前記Ｓｉ−Ｃ溶液が、前記種結晶保持軸に接触しないようにする制御手段を有する、
    ＳｉＣ単結晶の製造装置。
19. 前記メルトバック手段が、前記Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から前記Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配の傾きが変わる前記内部までの深さが、前記種結晶の厚みよりも小さい範囲になるように制御する手段を有する、請求項１８に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。
20. 前記メルトバックをした後にＳｉＣ単結晶を成長させる手段を有する、請求項１１〜１９のいずれか一項に記載のＳｉＣ単結晶の製造装置。

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