JPH07172998A

JPH07172998A - 炭化ケイ素単結晶の製造方法

Info

Publication number: JPH07172998A
Application number: JP32071493A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Uemoto; 勉上本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 1995-07-11

Abstract

(57)【要約】【目的】多結晶の成長や結晶欠陥の増加を招くことな
く、バルクの炭化ケイ素単結晶を製造できる方法を提供
する。【構成】構成元素として炭素を含むるつぼ１２の周囲
を断熱して均温化した状態でるつぼ１２中に収容された
シリコン融液１７中にるつぼ１２の構成元素である炭素
との反応により生成した炭化ケイ素を溶解させ、シリコ
ン融液１７の上方に設置した加熱手段１４により融液面
の温度を調整しながら、融液面に接触させた種結晶２１
に炭化ケイ素単結晶２６を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化ケイ素のバルク単結
晶を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳｉＣは熱的にも化学的にも非常に安定
であるため、高温高圧下でも耐える耐環境素子材料とし
て研究がなされている。また、ＳｉＣはエネルギーギャ
ップが２．３ｅＶ以上であるため、単波長発光素子材料
として注目を集めている。ＳｉＣにはヘキサゴナール型
（六方晶系）、キュービック型（立方晶系）、ロンボヘ
ドラル型（単斜晶系）など、いくつかの結晶構造が存在
する。そのなかで特に６Ｈ型（６分子を１周期とするヘ
キサゴナール型）や４Ｈ型（４分子を１周期とするヘキ
サゴナール型）の単結晶はエネルギーギャップが約３ｅ
Ｖであるため、青色ＬＥＤの材料として用いられてい
る。

【０００３】そして、青色ＬＥＤは、液相エピタキシャ
ル法（ＬＰＥ法）または化学反応堆積法（ＣＶＤ法）に
より製造されている。液相エピタキシャル法（ＬＰＥ
法）は例えばジャーナル・オブ・アプライド・フィジッ
クス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ），５０（１９７９），ｐｐ．８２１５〜８２２
５に報告されている。また、化学反応堆積法（ＣＶＤ
法）は例えばジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａ
ｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），１９
（１９８０），ｐｐ．Ｌ３５３〜Ｌ８５６に報告されて
いる。これらのいずれの方法でも６Ｈ型のＳｉＣ単結晶
基板（０００１）面が用いられている。このようにヘキ
サゴナール型ＳｉＣ単結晶基板が重要な役割を果たして
いる。

【０００４】ところで、バルクのＳｉＣ単結晶を成長方
法としては、アチソン法または昇華法が用いられてい
る。アチソン法は、炭素と珪砂とを高温で反応させて単
結晶を成長させる方法である。昇華法は、ＳｉＣ原料粉
末を昇華させて低温側に析出させる方法である。しか
し、アチソン法で製造された単結晶は純度が低いという
欠点がある。そこで、現在では後者の方法、特に種結晶
上に単結晶を析出させる昇華法が主流となってきてい
る。

【０００５】上記昇華法の例は、アプライド・フィジッ
クス・レター（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒ），５８（１９９１），ｐｐ．５６〜５８に報
告されている。この方法では、成長する結晶の長さが長
くなるとともに結晶径が大きくなることを利用して大口
径の結晶を作製している。しかし、昇華法により製造さ
れた単結晶には多種の格子欠陥が存在することが知られ
ている。これは、以下のような理由によることがわかっ
てきている。すなわち、昇華の際にＳｉＣはいったん分
解してＳｉ、ＳｉＣ₂ 、Ｓｉ₂ Ｃとなって気化し、しか
も外部のグラファイト部材も一部昇華するため、温度に
より基板表面に到達するガス種が異なるが、これらの分
圧を化学量論的に正確に制御することは困難である。そ
して、結晶内で元素や分子が過剰に析出すると欠陥が発
生する。また、昇華法では成長条件によっては結晶の多
形転移が生じやすいという欠点もある。

【０００６】一方、上述した従来のＬＰＥ法では、構成
元素として炭素を含むるつぼに収容されたＳｉ融液中に
るつぼの構成元素である炭素との反応により生成した炭
化ケイ素を溶解させ、ホルダで支持した単結晶基板をＳ
ｉ融液の低温域に浸漬することにより、単結晶基板上に
炭化ケイ素単結晶を成長させている。この方法で得られ
る炭化ケイ素単結晶は欠陥が少なく、多形転移が生じる
という欠点もない。しかし、この方法でバルク単結晶を
得ようとして長時間の単結晶成長を行うと、るつぼの低
温部や、Ｓｉ融液の低温部に浸漬された単結晶基板１を
支持するホルダ２に多くの多結晶３が成長してしまう
（図４図示）。このように多結晶が成長すると単結晶の
成長が妨げられるため、バルク単結晶は得られない。し
たがって、ＬＰＥ法は単結晶基板上に薄い炭化ケイ素単
結晶層を形成するエピタキシャル成長に適用されている
にすぎない。また、ＬＰＥ法では炭化ケイ素の成長温度
がＳｉの融点より３００℃近い高温であるため、Ｓｉの
気化によりＳｉ中のＳｉＣ濃度が上がって過飽和になり
やすく、多結晶化しやすいという問題がある。さらに、
他のＣＶＤ法などの結晶成長法は原料供給が少ないた
め、薄い結晶しか得ることができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように昇華法で
は、結晶の成長長さを長くして自然に径が大きくなるこ
とを利用しているが、成長時間を十分長くしなければな
らなかった。また、昇華法では、温度により基板表面に
到達するガス種が異なるが化学量論的な制御が困難であ
り、結晶の欠陥を減らすことは非常に困難であった。さ
らに、昇華法では成長条件により結晶の多形転移が生じ
やすいという欠点があった。一方、他の方法は、バルク
単結晶の成長には適していないという問題があった。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、多結晶の成長や結晶欠陥の増加を招くことな
く、バルクの炭化ケイ素単結晶を製造できる方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の炭化ケイ素単結
晶の製造方法は、構成元素として炭素を含むるつぼの周
囲を断熱して均温化した状態でるつぼに収容されたシリ
コン融液中にるつぼの構成元素である炭素との反応によ
り生成した炭化ケイ素を溶解させ、シリコン融液の上方
に設置した加熱手段により融液面の温度を調整しなが
ら、融液面に接触させた種結晶に炭化ケイ素単結晶を成
長させることを特徴とするものである。

【００１０】本発明において、るつぼとしては構成元素
として炭素を含む材質が用いられる。具体的には、炭
素、炭化ケイ素、または炭化ケイ素と窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）との混合物の焼結体などからなるるつぼを用
いることができる。炭化ケイ素るつぼを用いれば、成長
する炭化ケイ素単結晶の純度を高めることができる。ま
た、ＳｉＣ−ＡｌＮるつぼを用いれば、混晶を成長させ
ることもできる。

【００１１】本発明において、るつぼの周囲を断熱して
均温化するには、例えばるつぼの上端部までも覆うよう
に断熱材の構造を改良するという方法が考えられる。本
発明において、Ｓｉ融液の融液面の温度を調整する加熱
手段としては、例えば高周波誘導により加熱された金
属、炭素もしくはセラミックスなどからなる温度調整用
ブロック、または抵抗加熱ヒータなどが挙げられる。

【００１２】本発明の方法ではＬＰＥ法の場合と異な
り、シードホルダに支持された種結晶をシリコン融液面
に接触させるので、シードホルダが融液に接触すること
はない。

【００１３】

【作用】本発明の方法では、るつぼ全体を均温化して高
温部とし低温部が生じないようにしているので、炭化ケ
イ素が多結晶として成長するのを防止できる。また、Ｓ
ｉが液体で存在するような温度域では融液面からの輻射
による熱損失が最も大きいが、本発明の方法ではＳｉ溶
媒の上方に設置した加熱手段によりＳｉ融液面の温度を
制御しているので、Ｓｉ溶媒中に適当な温度差を発生さ
せて融液面での炭化ケイ素単結晶の成長を有利に実施で
きる。

【００１４】なお、Ｓｉ融液に対面する温度調整用ブロ
ックによりＳｉ融液面の温度を制御すると、種結晶と融
液との接触を上方から確認することが困難になる。この
場合、シードホルダを光を透過する材料で構成し、Ｓｉ
溶媒表面での輻射光が種結晶及びシードホルダを透過す
るようにし、その光強度の変化を検出することにより種
結晶とＳｉ融液との接触を検知するようにしてもよい。
このような構成では、結晶が成長すると透過する輻射光
の量が変化するため、これをフィードバックすることに
より結晶径を制御することもできる。また、シードホル
ダを導電性の材料で構成し、るつぼとシードホルダとの
間に微弱な電圧を印加し、電流を検出することにより種
結晶とＳｉ融液との接触を検知するようにしてもよい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１に本
実施例における炭化ケイ素単結晶の成長装置を示す。成
長炉１１内には、炭素質のるつぼ１２が多孔質炭素から
なる断熱材１３で覆われた状態で設けられている。これ
らの上方には炭素塊１４が昇降可能に設けられており、
この炭素塊１４の周囲にも多孔質炭素からなる断熱材１
５が設けられている。図に示すようにるつぼ１２の上端
部の上方に断熱材１３の上端のひさし部が延びているの
で、るつぼ１２の上端と炭素塊１４とが互いに対向する
ことはない。るつぼ１２は成長炉１１の周囲に設けられ
た高周波コイル１６により誘導加熱され、るつぼ１２内
部に充填されたＳｉ原料を溶融してＳｉ融液１７を形成
する。るつぼ１２の底部及び上部にはそれぞれ熱電対１
８、１９が設けられている。同様に炭素塊１４も高周波
コイル１６により誘導加熱されるが、炭素塊１４を昇降
させて高周波電流による電磁誘導量を変化させることに
よりその温度を制御できる。るつぼ１２の上方には多結
晶ＳｉＣからなるシードホルダ２０が回転及び昇降可能
に設けられており、その下端に種結晶２１が取付けられ
ている。このシードホルダ２０の上端には、種結晶２１
及びシードホルダ２０中を透過する６００ｎｍ付近の光
を検出する光検出器２２が設けられている。また、成長
炉１１の上部には、るつぼ１２の温度を測定する輻射温
度計２３、Ｓｉ融液１７の温度を測定する輻射温度計２
４、及び引上げられる結晶の径を測定する赤外ＣＣＤ２
５が設けられている。なお、炭素塊１４を加熱するため
に専用の高周波電源を用いてもよい。また、炭素塊１４
の代わりに他の材質、例えば不純物を添加したときに良
好な耐食性を示す材質を用いてもよい。

【００１６】上記の成長装置を用いた炭化ケイ素単結晶
の製造は以下のようにして行われる。シードホルダ２０
の移動方向に対して種結晶２１の（１−１２０）方向が
平行となるように種結晶２１をセットする。成長炉１１
内をＡｒなどの希ガス雰囲気とし、大気圧またはそれ以
上に加圧する。炭素塊１４を下降させてＳｉ融液１７が
できるだけ均温化されるようにしてその温度を上昇させ
る。Ｓｉ融液１７が成長温度である１７００℃より１０
０℃低い温度になった時点で、種結晶２１を下降させて
Ｓｉ融液１７に接触させる。この接触は、光検出器２２
により種結晶２１及びシードホルダ２０中を透過した６
００ｎｍ付近の光量を検出しながら光量の増加により確
認する。さらに、Ｓｉ融液１７の温度を成長温度まで上
昇させることにより種結晶２１の表面をわずかに溶解さ
せて表面に存在する加工傷と酸化膜を除去する。その
後、炭素塊１４を上昇させ、Ｓｉ融液１７の表面温度を
一定に保ちながらるつぼ１２の温度を上昇させる。るつ
ぼ１２は断熱材１３によって良好に断熱されているの
で、成長温度である１７００℃においてもるつぼ１２の
底面と上部との温度差は５℃以内に維持される。一方、
炭素塊１４を上昇させることにより、Ｓｉ融液１７内部
に３０〜７０℃の温度差を生じさせる。実用的には、５
０℃以上の温度差を生じさせる。単結晶の成長速度は７
０℃で５００μｍ／ｈであった。以上のような条件で、
種結晶２１を回転させながら１００時間程度成長を行う
と、数ｃｍ径の単結晶２６が成長した。

【００１７】本発明の方法では、るつぼ１２などに低温
部が生じないので従来のＬＰＥ法とは異なり多結晶が成
長することがなく、種結晶２１にのみ実用的な成長速度
でロッド状の単結晶２６が成長する。また、昇華法及び
本発明の方法で製造された単結晶に存在する欠陥（ＥＰ
Ｄ）を比較したところ、昇華法では１０⁵ ／ｃｍ² 程度
であるのに対し、本発明の方法では１０³ ／ｃｍ² 程度
であった。さらに、本発明の方法では結晶の多形転移も
生じなかった。

【００１８】なお、本発明者らの実験では、単結晶の成
長速度は（１−１２０）または（１−１００）方向で大
きいことが判明している。本実施例では成長長さが大き
くなるように種結晶の方位として上述した（１−１２
０）方向を選択している。また、これ以外の方位を用い
ることにより、径の広がりと成長速度を変えることが可
能であることもわかっている。

【００１９】本発明の方法においては以下に示すような
種々の変形例が考えられる。図１においてはＳｉ融液１
７の表面温度を調整するために炭素塊１４を用いたが、
その代わりに図２に示すように抵抗加熱ヒータ２７を用
いてもよい。図１の構成では、炭素塊１４を昇降する
と、誘導電流が変化すること及びＳｉ融液１７から炭素
塊１４を見たときの見込み角が変化することから、Ｓｉ
融液１７からの熱輻射量が非線形的に変化してＳｉ融液
１７の表面の温度制御が困難になるおそれがある。これ
に対して図２の構成では、専用の加熱手段として抵抗加
熱ヒータ２７を設けているので、Ｓｉ融液１７の表面の
温度制御はより容易になる。

【００２０】図１においてはるつぼ１２を高周波コイル
１６により誘導加熱しているが、図３に示すように抵抗
加熱ヒータ２８によりるつぼ１２を加熱するようにして
もよい。るつぼの加熱手段として抵抗加熱ヒータ２８を
設ければ、るつぼ材料の選択の自由度が増す。このた
め、例えば炭化珪素多結晶体からなるるつぼを用いるこ
ともでき、この場合製造される単結晶の純度を非常に高
くすることができる。

【００２１】図１においてはＳｉ融液からの輻射により
炭素塊自体が加熱されるため、輻射温度計によるＳｉ融
液の温度分布の測定が不正確になるおそれがある。そこ
で、炭素塊の下面及び内部の温度を測定することにより
Ｓｉ融液内部の温度差を測定するようにしてもよい。

【００２２】さらに、レーザを用いて炭素塊の下面に面
内で温度差を生じさせることにより、Ｓｉ融液の温度分
布をより精密に制御するようにしてもよい。このような
精密な温度制御は、格子欠陥の発生を防止するのに有利
である。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の方法を用い
れば、多結晶の成長を招くことなく、欠陥が少なく、長
さの長いバルクの炭化ケイ素単結晶を低コストで製造す
ることができる。また、本発明の方法に用いられる成長
装置は、シリコン単結晶の成長装置に近似しているた
め、装置の開発にかかる費用を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するために用いられた単結
晶成長装置の断面図。

【図２】本発明の方法を実施するために用いられた他の
単結晶成長装置の一部を示す断面図。

【図３】本発明の方法を実施するために用いられたさら
に他の単結晶成長装置の一部を示す断面図。

【図４】従来のＬＰＥ法における多結晶の成長状態を示
す説明図。

【符号の説明】

１１…成長炉、１２…るつぼ、１３、１５…断熱材、１
４…炭素塊、１５…断熱材、１６…高周波コイル、１７
…Ｓｉ融液、１８、１９…熱電対、２０…シードホル
ダ、２１…種結晶、２２…光検出器、２３、２４…輻射
温度計、２５…赤外ＣＣＤ、２７、２８…抵抗加熱ヒー
タ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構成元素として炭素を含むるつぼの周囲
を断熱して均温化した状態でるつぼに収容されたシリコ
ン融液中にるつぼの構成元素である炭素との反応により
生成した炭化ケイ素を溶解させ、シリコン融液の上方に
設置した加熱手段により融液面の温度を調整しながら、
融液面に接触させた種結晶に炭化ケイ素単結晶を成長さ
せることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。