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WO2014017648A1 - 坩堝、結晶成長装置および結晶成長方法 - Google Patents

坩堝、結晶成長装置および結晶成長方法 Download PDF

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WO2014017648A1
WO2014017648A1 PCT/JP2013/070369 JP2013070369W WO2014017648A1 WO 2014017648 A1 WO2014017648 A1 WO 2014017648A1 JP 2013070369 W JP2013070369 W JP 2013070369W WO 2014017648 A1 WO2014017648 A1 WO 2014017648A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solution
crucible
seed crystal
crystal
hole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2013/070369
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
克明 正木
久芳　豊
堂本　千秋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to US14/417,529 priority Critical patent/US20150211147A1/en
Priority to JP2014527034A priority patent/JP6001664B2/ja
Publication of WO2014017648A1 publication Critical patent/WO2014017648A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1032—Seed pulling
    • Y10T117/1052—Seed pulling including a sectioned crucible [e.g., double crucible, baffle]

Definitions

  • the present invention relates to a crucible provided with a solution adjusting member, a crystal growth apparatus using the crucible, and a crystal growth method for growing crystals using the crucible.
  • silicon carbide As a crystal currently attracting attention, there is silicon carbide (SiC) which is a compound of carbon and silicon. Silicon carbide has a wider band gap than silicon, has a high electric field strength that leads to dielectric breakdown (good withstand voltage characteristics), high thermal conductivity, high heat resistance, and excellent chemical resistance. It attracts attention from various advantages such as excellent radiation resistance and attention in a wide range of fields such as heavy electricity including nuclear power, transportation including automobiles and aviation, and home appliances.
  • the silicon carbide crystal can be grown on the surface of the seed crystal by, for example, a solution growth method or a sublimation method. A method for growing a silicon carbide crystal by a solution growth method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-264790.
  • the present invention has been devised in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a crucible capable of increasing the crystal growth rate, a crystal growth apparatus using the crucible, and a crystal growth method. To do.
  • a crucible according to an embodiment of the present invention accommodates a silicon-containing solution in the interior thereof, contacts the lower surface of the seed crystal with the solution from above, and then pulls up the seed crystal.
  • a crystal growth apparatus includes the above-described crucible and a holding member that holds the seed crystal and can put or pull the seed crystal from the opening of the crucible.
  • the crystal growth method includes the above-described crucible, a holding member that holds the seed crystal and can put the seed crystal into and out of the opening of the crucible, and an upper surface of the holding member.
  • the present invention when a silicon carbide crystal is grown by the solution growth method, a convection containing a large amount of carbon is easily applied to the lower surface of the seed crystal in the solution inside the crucible, and the crystal grows on the lower surface of the seed crystal. There is an effect that the growth rate of the crystal can be increased.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the crucible and the holding member shown in FIG. 1 and corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 3. It is a top view when the crucible shown in FIG. 1 and FIG. 2 is seen through a plane.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing convection generated when a crystal is grown on the lower surface of a seed crystal by a solution growth method in the crucible shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating one step of the crystal growth method according to the embodiment of the present invention, and corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating one step of the crystal growth method according to the embodiment of the present invention, and corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating one step of the crystal growth method according to the embodiment of the present invention, and corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating one step of the crystal growth method according to the embodiment of the present invention, and corresponds to a cross section taken along the line A-A ′ of FIG. 3.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a crystal growth apparatus according to this embodiment, and shows an outline of the crystal growth apparatus.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of a longitudinal section obtained by cutting the crucible and the holding member according to the present embodiment in the vertical direction, and shows the structure of the crucible and the holding member.
  • FIG. 3 shows the upper surface of the crucible according to the present embodiment excluding the solution, and shows the shape of the crucible and the solution adjusting member.
  • FIG. 4 shows an example of the state of convection in the crucible 1 according to this embodiment.
  • the crucible 1 contains a silicon-containing solution 2 containing carbon, contacts the lower surface 3B of the seed crystal 3 with the solution 2 from above, and then pulls the seed crystal 3 up, This is used for a solution growth method in which a silicon carbide crystal 3 ′ is grown from the solution 2 on the lower surface 3 B of the seed crystal 3.
  • the crucible 1 is a seed disposed on the upper side, which is fixed to the inner wall surface 1A so as to be positioned between the bottom surface 1B of the crucible 1 and the liquid surface 2A of the solution 2 when the solution 2 is stored in the crucible 1.
  • a solution adjusting member 4 having a through hole 4 a overlapping the inside of the crystal 3 is provided.
  • the crucible 1 of this embodiment is used by being mounted on a crystal growth apparatus 100 as shown in FIG.
  • the crystal growth apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a crucible 1 and a holding member 5.
  • the holding member 5 holds the seed crystal 3 fixed to the lower end surface 5A via an adhesive or the like. That is, the holding member 5 is positioned on the seed crystal 3 with an adhesive interposed therebetween.
  • the adhesive for example, a carbon adhesive can be used.
  • the lower direction is the D1 direction and the upper direction is the D2 direction.
  • the holding member 5 has a lower end surface 5A for holding the seed crystal 3.
  • the lower end surface 5A has a polygonal shape such as a quadrangular shape or a planar view shape such as a circular shape. Therefore, the holding member 5 has a three-dimensional shape such as a rod shape such as a polygonal column shape or a cylindrical shape, or a rectangular parallelepiped shape.
  • the material for the holding member 5 can be selected as appropriate, and for example, an oxide having a melting point higher than that of the solution 2 such as zirconium oxide or magnesium oxide, or a material made of carbon can be used.
  • the holding member 5 is made of carbon
  • a polycrystalline carbon or a fired body obtained by firing carbon can be used as the holding member 5, for example, a polycrystalline carbon or a fired body obtained by firing carbon can be used.
  • what consists of carbon is not restricted to what consists only of carbon. It consists of carbon, for example, as long as it contains 98% by mass or more of carbon, and may contain a small amount of impurities such as aluminum, copper and magnesium in addition to carbon.
  • the seed crystal 3 for example, a silicon carbide single crystal or polycrystal can be used.
  • the seed crystal 3 can be set so that the thickness is, for example, not less than 0.1 mm and not more than 10 mm.
  • the seed crystal 3 has an outer shape when viewed in plan, for example, a polygonal shape or a circular shape.
  • the maximum width dimension of the seed crystal 3 can be set to be, for example, 5 mm or more and 20 cm or less.
  • the seed crystal 3 has an upper surface 3A that is larger than the lower end surface 5A of the holding member 5, as shown in FIG. That is, the seed crystal 3 is used in which the area of the upper surface 3A is larger than the area of the lower end surface 5A of the holding member 5. A part of the upper surface 3A of the seed crystal 3 is fixed to the lower end surface 5A of the holding member 5 via an adhesive.
  • the area of the upper surface 3A of the seed crystal 3 can be set to be 110% or more and 400% or less with respect to the lower end surface 5A, for example.
  • the seed crystal 3 may be fixed at any position on the upper surface 3 ⁇ / b> A with respect to the lower end surface 5 ⁇ / b> A of the holding member 5.
  • the seed crystal 3 can be held in a balanced manner. Therefore, for example, the crystal growth can be performed while maintaining the lower surface 3B of the seed crystal 3 stably and horizontally with respect to the liquid surface 2A of the solution 2.
  • the crucible 1 is made of carbon.
  • the crucible 1 has a function as a vessel for melting a raw material of a silicon carbide single crystal to be grown.
  • a solution 2 in which carbon is dissolved therein is stored using molten silicon as a solvent.
  • a solution growth method is employed, and crystals are grown by creating a state close to thermal equilibrium inside the crucible 1.
  • the solution 2 is arranged inside the crucible 1.
  • the solution 2 is obtained by dissolving carbon, which is an element that forms a silicon carbide crystal grown on the lower surface 3B of the seed crystal 3, in a solution of silicon that is also an element that forms a silicon carbide crystal.
  • the solubility of the element that becomes the solute increases as the temperature of the element that becomes the solvent increases. For this reason, by making the temperature of the lower surface 3B of the seed crystal 3 slightly lower than the temperature of the solution 2, the temperature of the solution 2 in which many solutes are dissolved in the solvent at a high temperature is lowered in the vicinity of the seed crystal 3, Solute begins to precipitate at the thermal equilibrium.
  • a silicon carbide crystal can be grown on the lower surface 3B of the seed crystal 3 by utilizing precipitation due to this thermal equilibrium.
  • the crucible 1 of the present embodiment includes a solution adjusting member 4 fixed to the inner wall surface 1A.
  • the solution adjusting member 4 of this embodiment is formed in a plate shape.
  • the solution adjusting member 4 may be any material that does not dissolve into the solution 2 as much as possible using a material having a melting point higher than that of the solution 2.
  • the solution adjusting member 4 can be made of, for example, a material made of carbon or an oxide having a melting point higher than that of the solution 2 such as zirconium oxide.
  • the crucible 1 and the solution adjusting member 4 are made of carbon, they can be fixed with, for example, a carbon adhesive or can be integrally formed.
  • the thickness of the solution adjusting member 4 may be set so as not to dissolve and disappear.
  • the thickness of the solution adjustment member 4 can be set to be 1 mm or more and 5 cm or less, for example. Further, the thickness of the solution adjusting member 4 can be set to be 2% or more and 15% or less of the distance between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A, for example.
  • the solution adjusting member 4 may be thinner than the crucible 1 and thicker than the seed crystal 3.
  • the solution adjusting member 4 is disposed between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A of the solution 2 when the crucible 1 is used.
  • the solution adjusting member 4 is disposed such that the height from the bottom surface 1B is 30% or more and 95% or less of the height from the bottom surface 1B to the liquid surface 2A.
  • the height of the liquid surface 2A when the seed crystal 3 is brought into contact with the solution 2 can be used.
  • the solution adjusting member 4 has a through-hole 4 a that overlaps the inside of the seed crystal 3 disposed above. That is, when the seed crystal 3 and the solution adjusting member 4 are seen through from above or below (planar see-through), the through hole 4 a is located inside the seed crystal 3.
  • the inside of the seed crystal 3 refers to the inside of the outer periphery when the seed crystal 3 is viewed in plan.
  • a planar view shape of the through-hole 4a for example, a polygonal shape such as a quadrangular shape or a circular shape can be used.
  • the area of the through-hole 4a when the through-hole 4a is viewed in plan can be set to be, for example, 60% or more and 90% or less with respect to the area of the lower surface 3B of the seed crystal 3. Moreover, the area of the through-hole 4a can be set so that it may be 20% or more and 40% or less with respect to the area of the opening part 1a, for example.
  • the crucible 1 of the present embodiment has a through hole 4 a that overlaps the inside of the seed crystal 3 in the solution adjusting member 4.
  • the convection blocked by the solution adjusting member 4 is concentrated in the through hole 4a, and as shown in FIG. 4, convection CC is generated that flows upward from the solution 2 positioned below the solution adjusting member 4 through the through hole 4a. It becomes easy to do.
  • the concentration distribution of carbon in the solution 2 is higher in the lower portion than in the upper portion. Therefore, the lower solution 2 containing a large amount of carbon can easily hit the lower surface 3B of the seed crystal 3 by the convection CC. As a result, a silicon carbide crystal can be easily grown on the lower surface 3B of the seed crystal 3, and the growth rate of the crystal can be increased.
  • the inner wall surface 1A It is possible to suppress the growth of miscellaneous crystals near the interface with the liquid surface 2A. That is, the solution adjusting member 4 can suppress generation of miscellaneous crystals in the solution 2 positioned above the solution adjusting member 4. As a result, the crystal growth can be made difficult to be hindered by the miscellaneous crystal, so that the crystal can be grown on the lower surface 3B of the seed crystal 3 for a longer time.
  • the through-hole 4a overlaps the center of the lower surface 3B of the seed crystal 3 disposed above when the seed crystal 3 and the solution adjusting member 4 are seen through, and more than half of the lower surface 3B. You may be located so that it may overlap.
  • the center of the lower surface 3B refers to the center of the figure when the lower surface 3B is viewed in plan
  • “more than half of the lower surface 3B” refers to more than half of the area of the lower surface 3B.
  • the through hole 4a By setting the through hole 4a in this way, the flow of convection CC containing a lot of carbon passing through the through hole 4a can be easily directed toward the center of the lower surface 3B. As a result, the convection CC flowing toward the center of the lower surface 3B spreads from the center of the lower surface 3B to the periphery, and can be uniformly applied to the lower surface 3B. Therefore, a crystal with high flatness can be grown on the lower surface 3B. it can. As a result, it is possible to suppress the occurrence of bunching or the like in the crystal growing on the lower surface 3B.
  • the plan view shape of the through hole 4a may be set to be similar to the plan view shape of the lower surface 3B of the seed crystal 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the solution adjusting member 4 is positioned above an intermediate position Th1 between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A of the solution 2 when the crucible 1 is used, and the thickness of the seed crystal 3 from the liquid surface 2A. It may be located below Th2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the cross-sectional area of the through-hole 4 a may become smaller as it goes upward.
  • CC can be applied to the lower surface 3B.
  • crystals can be grown faster on the lower surface 3B.
  • the “cross-sectional area” of the through hole 4a refers to a “cross-sectional area cut in the horizontal direction” when the through hole 4a is arranged in the vertical direction.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the solution adjusting member 4 may be composed of a plurality of members as shown in FIG.
  • the plurality of solution adjusting members 4 are arranged at intervals in the vertical direction, and are arranged so that the respective through holes 4a overlap each other when seen in a plan view.
  • the interval between the solution adjustment members 4 may be an interval at which convection hardly occurs between the solution adjustment members 4, and may be set to be 2 mm or more and 10 mm or less, for example.
  • the plurality of solution adjustment members 4 are the two solution adjustment members 4 adjacent in the vertical direction among the plurality of solution adjustment members 4. It is preferable that the opening of the through hole 4a of the adjustment member 4 is smaller than the opening of the through hole 4a of the solution adjustment member 4 located on the lower side (lateral width of the through hole).
  • the directivity of the convection CC can be enhanced by arranging the through hole 4a so that the through hole 4a is smaller as the through hole 4a is located at the upper side.
  • FIG. 8 is a plan view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a structure when the crucible 1 excluding the solution 2 is viewed from above.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the solution adjusting member 4 may be fixed to the inner wall surface 1 ⁇ / b> A by only a part of the solution adjusting member 4. In other words, there may be a gap 4 b between the solution adjusting member 4 and the inner wall surface 1 ⁇ / b> A of the crucible 1 when seen through the plane.
  • the solution 2 can flow in the direction D1 (downward) from the gap 4b by convection, and the solution 2 can flow in the direction D2 (upward) from the through hole 4a.
  • the amount of the solution 2 flowing from the through hole 4a to the lower surface 3B of the seed crystal 3 can be increased, and the crystal can be grown faster on the lower surface 3B.
  • the gaps 4b may be arranged such that the plurality of gaps 4b have the same distance between the adjacent gaps 4b. That is, the plurality of gaps 4b may be arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the gap 4b may have a shape along the through hole 4a when the crucible 1 and the solution adjusting member 4 are viewed from above. By forming the gap 4b along the through hole 4a in this way, it is possible to reduce the occurrence of extreme unevenness in the flow of the solution 2 in the plane direction, and to easily apply the convection to the lower surface 3B. be able to.
  • the gap 4b may be formed so that the distance from the edge of the through hole 4a to the edge of the gap 4b is uniform. By forming the gap 4b in this way, it is possible to reduce the occurrence of extreme unevenness in the flow of the solution 2 in the planar direction.
  • the length of the gap 4b along the inner wall surface 1A of the crucible 1 is longer than the length along the inner wall surface 1A of the fixing portion of the solution adjusting member 4 to the crucible 1. It can be large. Thus, by making the length of the gap 4b along the inner wall surface 1A larger than the length of the fixed portion, it is possible to reduce the occurrence of extreme unevenness of the flow of the solution 2 in the plane direction.
  • the area of the gap 4b can be set to be, for example, 20% to 50% in total with respect to the area of the opening 1a of the crucible 1. Moreover, you may set the area of the clearance gap 4b so that it may become larger than the area of the through-hole 4a.
  • the solution adjusting member 4 may be formed in a column shape.
  • the thickness of the solution adjusting member 4 may be set to, for example, 50% or more of the distance between the bottom surface 1B of the crucible 1 and the liquid surface 2A of the solution 2 in use.
  • the thickness of the solution adjusting member 4 may be more than half of the distance between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A, the distance between the through hole 4a and the seed crystal 3 can be reduced.
  • the flow of the flowing solution 2 can be easily applied to the lower surface 3B.
  • the thickness of the solution adjusting member 4 may be set to 60% or more of the distance between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A. As described above, when the thickness of the solution adjusting member 4 is set, when the solution 2 convects from the through hole 4a to the gap 4b and from the gap 4b to the through hole 4a, the flow path of the solution 2 as a whole. Can be reduced. As a result, the generation of local vortices in the solution 2 can be reduced. For example, the carbon in the solution 2 is locally retained and the carbon in the solution 2 is easily supplied to the lower surface 3B. be able to.
  • the maximum thickness of the solution adjusting member 4 is set to 85% or less of the distance between the bottom surface 1B and the liquid surface 2A, for example, so as not to hinder crystal growth. In such a case, part of the lower surface 3 d of the solution adjusting member 4 may be fixed even on the bottom surface 1 ⁇ / b> B of the crucible 1.
  • the solution adjusting member 4 may be positioned such that the distance between the upper surface 4c of the solution adjusting member 4 and the liquid surface 2A of the solution 2 is smaller than the distance between the lower surface 4d of the solution adjusting member 4 and the bottom surface 1B of the crucible 1. Good. That is, the solution adjustment member 4 may be fixed to the inner wall surface 1A in a state of being close to the liquid surface 2A side.
  • the solution adjusting member 4 may be fixed to the inner wall surface 1A in a state of being close to the liquid surface 2A side.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to this embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the through-hole 4a may be formed so that the cross-sectional area increases as it goes upward. As described above, the cross-sectional area gradually increases as the through-hole 4a moves upward, so that compared with the case where the cross-sectional area of the through-hole 4a does not change, the opening of the upper surface 4c of the through-hole 4a suddenly increases. The expansion of the flow path of the solution 2 can be reduced. As a result, the occurrence of local vortices in the solution 2 at the edge of the opening of the upper surface 4c can be reduced.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible 1 according to the present embodiment, and shows a cross-sectional structure of the crucible 1.
  • the through-hole 4a may be positioned so that the center of the through-hole 4a does not overlap with the center of the lower surface 3B of the seed crystal 3 disposed above when the seed crystal 3 and the solution adjusting member 4a are seen through the plane. .
  • the through hole 4a so as to be shifted from the center of the lower surface 3B when viewed in plan, it is possible to easily apply convection containing a large amount of carbon to the edge of the lower surface 3B. Crystals can be step flow grown inward from the edge of 3B.
  • the through-hole 4a is the midpoint of the distance from the center of the bottom surface 3B of the seed crystal 3 to the edge of the bottom surface 3B when the seed crystal 3 and the solution adjusting member 4 are seen through the plane. It may be arranged so as to be located on the edge side of the lower surface 3b.
  • the crystal growth apparatus 100 mainly has a crucible 1 and a holding member 5.
  • the crucible 1 is disposed inside the crucible container 6.
  • the crucible container 6 has a function of holding the crucible 1.
  • a heat insulating material 7 is disposed between the crucible container 6 and the crucible 1. This heat insulating material 7 surrounds the crucible 1.
  • the heat insulating material 7 suppresses heat radiation from the crucible 1 and contributes to maintaining the temperature of the crucible 1 stably.
  • the crucible 1 may be rotatably provided.
  • the crucible 1 is heated by the heating mechanism 8.
  • the heating mechanism 8 of the present embodiment employs an induction heating method in which the crucible 1 is heated by electromagnetic induction, and includes a coil 9 and an AC power supply 10.
  • the coil 9 is formed of a conductor and wound around the periphery of the crucible 1.
  • the AC power supply 10 is for flowing an alternating current through the coil 9, and the heating time to the set temperature in the crucible 1 can be shortened by flowing a larger alternating current.
  • the crucible 1 is heated by an induction heating method. However, even if the thickness of the crucible 1 is reduced, an induction current is caused to flow through the solution 2 itself by this electromagnetic field to generate heat. Good.
  • the seed crystal 3 is put into the solution 2 of the crucible 1 from the opening of the crucible 1 by the transport mechanism 11, and is loaded so that the lower surface of the seed crystal 3 is in contact with the liquid level of the solution 2.
  • the transport mechanism 11 also has a function of pulling up the crystal grown on the lower surface of the seed crystal 3 and carrying it out of the crucible 1.
  • the transport mechanism 11 includes a holding member 5 and a power source 12. Via this holding member 5, the seed crystal 3 is carried in and the crystal grown on the lower surface of the seed crystal 3 is carried out.
  • the seed crystal 3 is attached to the lower end surface of the holding member 5, and the movement of the holding member 5 in the vertical direction (D 1, D 2 direction) is controlled by the power source 12. That is, the holding member 5 holds the seed crystal 3 at the lower end surface, and allows the seed crystal 3 to be put in or pulled up from the opening of the crucible 1.
  • the holding member 5 may be rotatably provided.
  • the AC power source 10 of the heating mechanism 8 and the power source 12 of the transport mechanism 11 are connected to the control unit 13 and controlled. That is, in the crystal growth apparatus 100, the heating and temperature control of the solution 2 and the carry-in / out of the seed crystal 3 are controlled by the control unit 13 in conjunction with each other.
  • the control unit 13 includes a central processing unit and a storage device such as a memory, and is composed of, for example, a known computer.
  • the holding member 5 described above is attached to the transport mechanism 11 of the crystal growth apparatus 100 of the present embodiment. Then, the lower surface of the seed crystal 3 fixed to the lower end surface of the holding member 5 can be brought into contact with the solution 2 to grow a crystal on the lower surface of the seed crystal 3.
  • the crystal growth apparatus 100 having the above-described crucible 1 makes it easy for the silicon solution 2 containing carbon to hit the convection of the solution 2 containing a large amount of carbon on the lower surface of the seed crystal 3.
  • silicon carbide crystals can be grown quickly.
  • a crystal growth method according to an embodiment of the present invention includes a preparation process, a solution storage process, a contact process, and a crystal growth process.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a preparation process of the crystal growth method, and shows the crucible 1, the seed crystal 3, and the holding member 5.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the solution storage step of the crystal growth method, and shows a state in which the solution 2 is stored inside the crucible 1.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the contact step of the crystal growth method, and shows a state in which the lower surface 3B of the seed crystal 3 is brought into contact with the liquid surface 2A of the solution 2.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a crystal growth process of the crystal growth method, and shows a state where the crystal 3 ′ is growing on the lower surface 3 ⁇ / b> B of the seed crystal 3.
  • the preparation step As shown in FIG. 12, the crucible 1 is held by the holding member 5, the holding member 5 capable of putting the seed crystal 3 in and out of the opening 1 a of the crucible 1, and the holding member 5.
  • a seed crystal 3 made of silicon carbide having an upper surface 3A is prepared.
  • the solution 2 is accommodated in the crucible 1 so that the liquid level 2 ⁇ / b> A is positioned above the solution adjusting member 4.
  • particles containing silicon as a main component are put in the crucible 1, and the crucible 1 or the particles are heated by the heating mechanism 8 to dissolve the particles.
  • the silicon solution 2 containing carbon is accommodated in the crucible 1 by mixing carbon particles or by dissolving carbon from a part of the crucible 1.
  • the seed crystal 3 is put inside the opening 1 a of the crucible 1 by the holding member 5, and the lower surface 3 ⁇ / b> B of the seed crystal 3 is brought into contact with the liquid level 2 ⁇ / b> A of the solution 2. At this time, the seed crystal 3 may be once immersed in the solution 2 and meltback may be performed.
  • the lower surface 3 ⁇ / b> B is arranged with the lower surface 3 ⁇ / b> B of the seed crystal 3 overlapping the through hole 4 a of the solution adjusting member 4.
  • a silicon carbide crystal is grown.
  • the seed crystal 3 may be disposed so as to overlap the through hole 4a of the solution adjusting member 4 at the same time that the lower surface 3b is brought into contact with the solution 2 in the contact step described above, or the lower surface 3b is brought into contact with the solution 2. You may arrange
  • the crystal 3 ′ is grown on the lower surface 3B of the seed crystal 3 using the crucible 1 described above, convection of the solution 2 containing a large amount of carbon on the lower surface 3B of the seed crystal 3 is performed. It is possible to increase the growth rate of the crystal 3 ′ with respect to the lower surface 3B. As a result, the productivity of the crystal 3 'grown on the lower surface 3B can be improved.
  • the crystal 3 ′ may be grown while rotating the crucible 1 or the holding member 5.
  • the temperature T1 of the solution 2 positioned below the solution adjusting member 4 is set higher than the temperature T2 of the solution 2 positioned above the solution adjusting member 4. Also good.
  • the temperature of the solution 2 positioned below the solution adjusting member 4 positioned at the lowermost end can be used as the temperature T1, and the temperature T2 is the highest.
  • the temperature of the solution 2 positioned above the solution adjusting member 4 positioned at the upper end can be used.
  • the temperature difference can be given in the solution 2 by making the temperature T1 higher than the temperature T2.
  • convection can be easily generated from the high temperature T2 to the low temperature T1.
  • convection toward the lower surface 3B of the seed crystal 3 can be strengthened, and the growth rate of the crystal 3 'grown on the lower surface 3B can be increased.

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Abstract

　本発明の一実施形態にかかる坩堝１は、炭素を含む珪素の溶液２を内部に収容し、上方から種結晶３の下面３Ｂを溶液２に接触させた後、種結晶３を引き上げることによって、種結晶３の下面３Ｂに溶液２から炭化珪素の結晶を成長させる溶液成長法に使用する坩堝１であって、使用時に底面１Ｂと溶液２の液面との間に位置するように内壁面１Ａに固定された、上方に配置される種結晶３の内側に重なる貫通孔４ａを有する溶液調整部材４を備えていて、炭素からなる。

Description

坩堝、結晶成長装置および結晶成長方法
　本発明は、溶液調整部材を備えた坩堝、その坩堝を用いた結晶成長装置、およびその坩堝を用いて結晶を成長させる結晶成長方法に関するものである。
　現在注目されている結晶として、炭素と、珪素の化合物である炭化珪素（Silicon carbide：ＳｉＣ）がある。炭化珪素は、バンドギャップがシリコンと比べて広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きい（耐電圧特性がよい）こと、熱伝導性が高いこと、耐熱性が高いこと、耐薬品性に優れること、および耐放射線性に優れることなどの種々の利点から注目を集めており、原子力を含む重電、自動車および航空を含む運輸、ならびに家電などといった幅広い分野で注目されている。炭化珪素の結晶は、例えば溶液成長法または昇華法によって、種結晶の表面に成長させることができる。炭化珪素の結晶を溶液成長法で成長させる方法は、例えば特開２０００－２６４７９０号公報に示されている。
　炭化珪素からなる結晶を溶液成長法で成長させる研究・開発において、種結晶の下面に成長させる結晶を大型化または長尺化しようとしたときに、結晶の成長速度を上げることが課題の１つとなっていた。本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、結晶の成長速度を上げることが可能な坩堝、その坩堝を用いた結晶成長装置および結晶成長方法を提供することを目的とする。
　本発明の一実施形態にかかる坩堝は、炭素を含む珪素の溶液を内部に収容し、上方から種結晶の下面を前記溶液に接触させた後、前記種結晶を引き上げることによって、前記種結晶の下面に前記溶液から炭化珪素の結晶を成長させる溶液成長法に使用する坩堝であって、使用時に底面と前記溶液の液面との間に位置するように内壁面に固定された、上方に配置される前記種結晶の内側に重なる貫通孔を有する溶液調整部材を備えた、炭素からなる坩堝である。
　本発明の一実施形態にかかる結晶成長装置は、上述の坩堝と、種結晶を保持して前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れたり引き上げたりが可能な保持部材とを有する。
　本発明の一実施形態にかかる結晶成長方法は、上述の坩堝、種結晶を保持して前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れたり引き上げたりが可能な保持部材、および該保持部材によって上面が保持されている炭化珪素からなる前記種結晶を準備する工程と、前記坩堝の内部に、前記溶液調整部材よりも上方に液面が位置するように、炭素を含む珪素の溶液を収容する工程と、前記保持部材によって前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れて、該種結晶の下面を前記溶液に接触させる工程と、前記種結晶を下面が前記溶液調整部材の前記貫通孔に重なるように配置した状態で前記保持部材によって前記種結晶を引き上げて、該種結晶の下面に炭化珪素の結晶を成長させる工程とを備える。
　本発明によれば、溶液成長法で炭化珪素の結晶を成長させる際に、坩堝の内部の溶液について種結晶の下面に炭素が多く含まれる対流を当たりやすくして、種結晶の下面に成長する結晶の成長速度を上げることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係る坩堝を搭載した、本発明の実施形態に係る結晶成長装置の一例を示す図であり、上下方向に切断した断面図に相当する。 図１に示す坩堝および保持部材を拡大した拡大断面図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 図１および図２に示す坩堝を平面透視したときの平面図である。 図１に示す坩堝において溶液成長法で種結晶の下面に結晶を成長させるときに発生する対流を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、坩堝を平面透視したときの平面図である。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る坩堝の変形例を示す図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る結晶成長方法の一工程を説明する断面図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る結晶成長方法の一工程を説明する断面図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る結晶成長方法の一工程を説明する断面図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の実施形態に係る結晶成長方法の一工程を説明する断面図であり、図３のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
　本発明に係る坩堝、結晶成長装置および結晶成長方法の一実施形態について、図１～図４を参照しつつ説明する。なお、図１は、本実施形態に係る結晶成長装置を模式的に示した断面図であり、結晶成長装置の概略を示している。図２は、本実施形態に係る坩堝および保持部材を上下方向に切断した縦断面の一部を拡大して示しており、坩堝および保持部材の構造を示している。図３は、溶液を除いた、本実施形態に係る坩堝の上面を示しており、坩堝および溶液調整部材の形状などを示している。図４は、本実施形態に係る坩堝１内の対流の様子の一例を示している。
　＜坩堝＞
　本発明の一実施形態に係る坩堝１は、炭素を含む珪素の溶液２を内部に収容し、上方から種結晶３の下面３Ｂを溶液２に接触させた後、種結晶３を引き上げることによって、種結晶３の下面３Ｂに溶液２から炭化珪素の結晶３’を成長させる溶液成長法に用いられるものである。坩堝１は、坩堝１に溶液２が収容された際に、坩堝１の底面１Ｂと溶液２の液面２Ａとの間に位置するように内壁面１Ａに固定された、上方に配置される種結晶３の内側に重なる貫通孔４ａを有する溶液調整部材４を備えたものである。本実施形態の坩堝１は、図１に示すような結晶成長装置１００に搭載されて用いられるものである。なお、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置１００は、坩堝１および保持部材５を有している。
　保持部材５は、図１および図２に示すように、下端面５Ａに、接着材等を介して種結晶３を固定して保持している。すなわち、保持部材５は、接着材を間に挟んだ状態で種結晶３の上に位置している。接着材としては、例えばカーボン接着材を用いることができる。なお、以下の説明で適宜参照するように、図１において、下方向をＤ１方向、上方向をＤ２方向としている。
　保持部材５は、種結晶３を保持するための下端面５Ａを有している。下端面５Ａは、四角形状などの多角形状、または円形状などの平面視形状である。そのため、保持部材５は、例えば多角柱状または円柱状などの棒状、直方体状などの立体形状である。
　保持部材５は、適宜、材料を選択することができ、例えば、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムなどの溶液２よりも融点が高い酸化物、または炭素からなる材料を用いることができる。
　保持部材５が炭素からなる場合には、保持部材５としては、例えば炭素の多結晶体または炭素を焼成した焼成体などを用いることができる。なお、炭素からなるとは、炭素のみからなるものに限るものではない。炭素からなるとは、例えば炭素を９８質量％以上含んでいればよく、炭素の他にアルミニウム、銅、マグネシウムなど微量の不純物などを含んでいてもよい。
　種結晶３としては、例えば炭化珪素の単結晶または多結晶などを用いることができる。種結晶３は、厚みが例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下となるように設定することができる。
　種結晶３は、平面視したときの外形が、例えば多角形状または円形状であるものが用いられる。種結晶３の最大の横幅寸法は、例えば５ｍｍ以上２０ｃｍ以下となるように設定することができる。
　種結晶３は、図２に示すように、保持部材５の下端面５Ａよりも大きい上面３Ａを有している。すなわち、種結晶３は、上面３Ａの面積が、保持部材５の下端面５Ａの面積よりも大きいものが用いられる。種結晶３は、上面３Ａの一部が接着材を介して、保持部材５の下端面５Ａに固定されている。種結晶３の上面３Ａの面積は、例えば、下端面５Ａに対して１１０％以上４００％以下となるように設定することができる。
　種結晶３は、保持部材５の下端面５Ａに対して上面３Ａのどの位置で固定されていてもよい。種結晶３の中心を含む領域が下端面５Ａと重なるように種結晶３を固定した場合には、種結晶３をバランスよく保持することができる。そのため、例えば、溶液２の液面２Ａに対して種結晶３の下面３Ｂを安定して水平に維持して結晶成長を行なうことができる。
　次に、坩堝１について説明する。坩堝１は、炭素からなる。坩堝１は、成長させる炭化珪素の単結晶の原料を内部で融解させる器としての機能を担っている。本実施形態では、坩堝１の中で、融解した珪素を溶媒としてその中に炭素を溶解させた溶液２を貯留する。本実施形態では、溶液成長法を採用しており、この坩堝１の内部で熱的平衡に近い状態を作り出すことによって結晶の成長を行なう。
　坩堝１の内部には、溶液２が配置されている。溶液２は、種結晶３の下面３Ｂに成長させる炭化珪素の結晶を形成する元素である炭素を、同じく炭化珪素の結晶を形成する元素である珪素の溶液中に溶解したものである。溶質となる元素の溶解度は、溶媒となる元素の温度が高くなるほど大きくなる。このため、種結晶３の下面３Ｂの温度を溶液２の温度よりも少し低くすることによって、高温下の溶媒に多くの溶質を溶解させた溶液２の温度が種結晶３の付近で低くなり、熱的な平衡を境に溶質が析出するようになる。この熱的平衡による析出を利用して、種結晶３の下面３Ｂに、炭化珪素の結晶を成長させることができる。
　本実施形態の坩堝１は、内壁面１Ａに固定された溶液調整部材４を備えている。本実施形態の溶液調整部材４は、板状に形成されている。溶液調整部材４は、溶液２の温度よりも高い融点を持つ材料を用いて、溶液２中にできるだけ溶け出さないものであればよい。また、溶液調整部材４は、例えば、炭素からなる材料、または酸化ジルコニウムなどの溶液２よりも融点が高い酸化物などを用いることができる。坩堝１および溶液調整部材４が炭素からなる場合には、両者を例えばカーボン接着材で固定したり、一体的に形成したものを使用したりすることができる。
　溶液調整部材４の厚みは、溶解して消失しない程度に設定すればよい。溶液調整部材４の厚みは、例えば、１ｍｍ以上５ｃｍ以下となるように設定することができる。また、溶液調整部材４の厚みは、例えば、底面１Ｂと液面２Ａとの距離の２％以上１５％以下となるように設定することができる。溶液調整部材４は、厚みが坩堝１の厚みよりも薄く、且つ種結晶３の厚みよりも厚くてもよい。
　溶液調整部材４は、坩堝１の使用時に、底面１Ｂと溶液２の液面２Ａとの間に位置するように配置されている。溶液調整部材４は、例えば、底面１Ｂからの高さが、底面１Ｂから液面２Ａまでの高さの３０％以上９５％以下となるように配置される。なお、液面２Ａの高さは、例えば種結晶３を溶液２に接触させるときの高さを用いることができる。
　溶液調整部材４は、図３に示すように、上方に配置される種結晶３の内側に重なる貫通孔４ａを有している。すなわち、種結晶３および溶液調整部材４を上方または下方から透視（平面透視）したときに、貫通孔４ａは、種結晶３の内側に位置している。種結晶３の内側とは、種結晶３を平面視したときの外周よりも内側のことを指す。貫通孔４ａの平面視形状としては、例えば四角形状などの多角形状、または円形状などを用いることができる。貫通孔４ａを平面視したときの貫通孔４ａの面積は、種結晶３の下面３Ｂの面積に対して、例えば６０％以上９０％以下となるように設定することができる。また、貫通孔４ａの面積は、開口部１ａの面積に対して、例えば２０％以上４０％以下となるように設定することができる。
　本実施形態の坩堝１は、溶液調整部材４に、種結晶３の内側に重なる貫通孔４ａを有している。溶液調整部材４によって遮られた対流が貫通孔４ａに集中し、図４に示すように、溶液調整部材４の下側に位置する溶液２から貫通孔４ａを通って上方に流れる対流ＣＣが発生しやすくなる。
　ここで、溶液２内において過飽和となり析出した炭素が下方にたまりやすいことから、溶液２内の炭素の濃度分布は、下方において上方に比べて濃度が高くなっている。そのため、対流ＣＣによって、炭素を多く含む下方の溶液２を種結晶３の下面３Ｂに当たりやすくすることができる。その結果、種結晶３の下面３Ｂに炭化珪素の結晶を成長しやすくすることができ、結晶の成長速度を高めることができる。
　また、図４に示すように、種結晶３の下面３Ｂに炭素を多く含む対流ＣＣが当たりやすくなるため、溶液２全体に炭素が均一に混ざっている場合と比較して、例えば内壁面１Ａと液面２Ａとの界面付近に雑晶が成長することを抑制することができる。すなわち、溶液調整部材４によって、溶液調整部材４の上方に位置する溶液２に雑晶が発生することを抑制することができる。その結果、雑晶によって結晶の成長が阻害されにくくすることができるため、種結晶３の下面３Ｂに結晶をより長い時間成長させることができる。
　貫通孔４ａは、図３に示すように、種結晶３および溶液調整部材４を平面透視したときに、上方に配置される種結晶３の下面３Ｂの中心に重なるとともに、下面３Ｂの半分以上に重なるように位置していてもよい。ここで「下面３Ｂの中心」とは下面３Ｂを平面視したときの図形の中心を指し、「下面３Ｂの半分以上」とは下面３Ｂの面積の半分以上を指すものである。
　このように貫通孔４ａを設定することによって、当該貫通孔４ａを通る、炭素を多く含む対流ＣＣの流れを、下面３Ｂの中心に向けやすくすることができる。その結果、下面３Ｂの中心に向かって流れる対流ＣＣが下面３Ｂの中心部から周囲に広がり、下面３Ｂに対して均一に当てることができることから、下面３Ｂに平坦度の高い結晶を成長させることができる。その結果、下面３Ｂに成長する結晶にバンチング等が発生することを抑制することができる。なお、貫通孔４ａの平面視形状は、種結晶３の下面３Ｂの平面視形状と相似形に設定してもよい。
　（坩堝の変形例１）
　本実施形態に係る坩堝の一変形例について、図５を参照しつつ説明する。図５は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　溶液調整部材４は、図５に示すように、坩堝１の使用時に、底面１Ｂと溶液２の液面２Ａとの中間位置Ｔｈ１よりも上方に位置するとともに、液面２Ａから種結晶３の厚みＴｈ２よりも下方に位置していてもよい。溶液調整部材４がこのような高さに位置することによって、貫通孔４ａと種結晶３との距離を近くすることができ、貫通孔４ａを通る対流ＣＣの下面３Ｂに対する当て方を制御しやすくすることができる。
　（坩堝の変形例２）
　本実施形態に係る坩堝の他の変形例について、図６を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　貫通孔４ａは、図６に示すように、横断面積が、上方向に向かうにつれて小さくなっていてもよい。このように、貫通孔４ａが、上方向に向かうにつれて横断面積が小さくなっていることによって、下面３Ｂに当たるまでに溶液２の水平方向に対流ＣＣの流れが拡散されることを抑制した状態で対流ＣＣを下面３Ｂに当てることができる。その結果、下面３Ｂにおいて、より速く結晶を成長させることができる。なお、貫通孔４ａの「横断面積」とは、貫通孔４ａを鉛直方向に配置したときに「水平方向で切った断面積」を指す。
　（坩堝の変形例３）
　本実施形態に係る坩堝のさらに他の変形例について、図７を参照しつつ説明する。図７は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　溶液調整部材４は、図７に示すように、複数の部材で構成されたものであってもよい。複数の溶液調整部材４は、上下方向に互いに間隔をあけて配置されており、平面視したときにそれぞれの貫通孔４ａ同士が重なるように配置されている。溶液調整部材４同士の間隔は、溶液調整部材４同士の間で対流が起きにくい間隔であればよく、例えば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下となるように設定すればよい。このように複数の溶液調整部材４を配置することによって、貫通孔４ａを通る対流ＣＣを制御しやすくすることができる。
　さらに、複数の溶液調整部材４は、図７に示すように、複数の溶液調整部材４のうち上下に隣接する２つの溶液調整部材４において、上下に重なる貫通孔４ａは、上側に位置する溶液調整部材４の貫通孔４ａの開口が、下側に位置する溶液調整部材４の貫通孔４ａの開口よりも上側の開口（貫通孔の横幅）が小さくなっていることが好ましい。このようにして、上方に位置する貫通孔４ａほど貫通孔４ａが小さくなるように配置していくことによって、対流ＣＣの指向性を高めることができる。
　（坩堝の変形例４）
　本実施形態に係る坩堝のさらに他の変形例について、図８および図９を参照しつつ説明する。図８は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す平面図であり、溶液２を除いた坩堝１を上方から見たときの構造を示している。図９は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　溶液調整部材４は、溶液調整部材４の一部分のみで内壁面１Ａに固定されてもよい。すなわち、平面透視したときに、溶液調整部材４と坩堝１の内壁面１Ａとの間にはすき間４ｂがあってもよい。このようにすき間４ｂがあることによって、対流によってすき間４ｂから溶液２をＤ１方向（下方向）へ流すことができ、貫通孔４ａから溶液２をＤ２方向（上方向）へと流すことができる。その結果、貫通孔４ａから種結晶３の下面３Ｂへ流れる溶液２の量を大きくすることができ、下面３Ｂにより速く結晶を成長させることができる。
　すき間４ｂは、複数のすき間４ｂが、隣り合うすき間４ｂ同士間のそれぞれの距離が均等になるように配されていてもよい。すなわち、複数のすき間４ｂが、周方向に等間隔で配置されていてもよい。このように複数のすき間４ｂを配置することによって、貫通孔４ａからすき間４ｂに流れる溶液２に対して、平面方向に溶液２の流れの極端なむらが発生することを低減することができる。その結果、貫通孔４ａから流出する対流を種結晶３の下面３Ｂに均一に当てやすくすることができる。
　すき間４ｂは、坩堝１および溶液調整部材４を上方から平面視したときに、貫通孔４ａに沿った形状であってもよい。このようにすき間４ｂを貫通孔４ａに沿った形状にすることによって、平面方向に溶液２の流れの極端なむらが発生することを低減することができ、対流を下面３Ｂに均一に当てやすくすることができる。
　すき間４ｂは、貫通孔４ａの縁からすき間４ｂの縁までの距離が均等になるように形成されてもよい。このようにすき間４ｂが形成されることによって、平面方向に溶液２の流れの極端なむらが発生するのを低減することができる。
　溶液調整部材４を上方から平面視したときに、すき間４ｂの坩堝１の内壁面１Ａに沿った長さは、溶液調整部材４の坩堝１への固定部の内壁面１Ａに沿った長さよりも大きくてもよい。このように、すき間４ｂの内壁面１Ａに沿った長さを固定部の長さよりも大きくすることによって、平面方向に溶液２の流れの極端なむらが発生することを低減することができる。
　坩堝１を上方から平面視したときに、すき間４ｂの面積は、坩堝１の開口部１ａの面積に対して、合計で例えば２０％以上５０％以下となるように設定することができる。また、すき間４ｂの面積は、貫通孔４ａの面積よりも大きくなるように設定してもよい。
　溶液調整部材４は、柱状に形成されていてもよい。溶液調整部材４の厚みは、例えば坩堝１の底面１Ｂと使用時の溶液２の液面２Ａとの距離の５０％以上に設定されてもよい。このように、溶液調整部材４の厚みを底面１Ｂと液面２Ａとの距離の半分以上に設定することによって、貫通孔４ａと種結晶３との距離を近くすることができ、貫通孔４ａから流出する溶液２の流れを下面３Ｂに当てやすくすることができる。
　溶液調整部材４の厚みは、特に底面１Ｂと液面２Ａとの距離の６０％以上に設定されていてもよい。このように、溶液調整部材４の厚みが設定されることによって、貫通孔４ａからすき間４ｂへ、そしてすき間４ｂから貫通孔４ａへと溶液２が対流するときに、全体的に溶液２の流路を小さくすることができる。その結果、溶液２中の局所的な渦の発生を低減することができ、例えば局所的に溶液２中の炭素が滞留することを低減し、溶液２中の炭素を下面３Ｂに供給しやすくすることができる。なお、結晶の成長を妨げないように、溶液調整部材４の最大厚みは、例えば底面１Ｂと液面２Ａとの距離の８５％以下に設定されている。また、このような場合には、溶液調整部材４は、下面３ｄの一部が坩堝１の底面１Ｂでも固定されていてもよい。
　溶液調整部材４は、溶液調整部材４の上面４ｃと溶液２の液面２Ａとの距離が溶液調整部材４の下面４ｄと坩堝１の底面１Ｂとの距離よりも小さくなるように位置してもよい。すなわち、溶液調整部材４は、液面２Ａ側に寄った状態で内壁面１Ａに固定されてもよい。このように、溶液調整部材４が坩堝１内の液面２Ａ側に配置されていることによって、溶液２の種結晶３の下面３Ｂ側での流路を小さくすることができる。その結果、種結晶３の下面３Ｂの直下において不規則な対流が生じるスペースを小さくすることができ、不規則な対流の発生を低減し、下面３Ｂ直下の溶液２が滞留することを低減することができる。
　（坩堝の変形例５）
　本実施形態に係る坩堝のさらに他の変形例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　貫通孔４ａは、横断面積が上方向に向かうにつれて大きくなるように形成されていてもよい。このように貫通孔４ａが上方向に向かうにつれて横断面積が徐々に大きくなっていることによって、貫通孔４ａの横断面積が変化しない場合と比較して、貫通孔４ａの上面４ｃの開口で急に溶液２の流路が拡がることを低減することができる。その結果、上面４ｃの開口の縁で溶液２中に局所的な渦が発生することを低減することができる。
　（坩堝の変形例６）
　本実施形態に係る坩堝のさらに他の変形例について、図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本実施形態に係る坩堝１の変形例を示す断面図であり、坩堝１の断面の構造を示している。
　貫通孔４ａは、種結晶３および溶液調整部材４ａを平面透視したときに、貫通孔４ａの中心が上方に配置される種結晶３の下面３Ｂの中心と重ならないように位置していてもよい。このように、貫通孔４ａを、平面視したときに下面３Ｂの中心からずらして配置することによって、下面３Ｂの縁部に炭素を多く含む対流を当てやすくすることができ、種結晶３の下面３Ｂの縁部から内側に向かって結晶をステップフロー成長させることができる。なお、この場合、貫通孔４ａは、種結晶３と溶液調整部材４を平面透視したときに、貫通孔４ａの中心が種結晶３の下面３Ｂの中心から下面３Ｂの縁までの距離の中点よりも下面３ｂの縁側に位置するように配置されていてもよい。
　なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
　＜結晶成長装置＞
　次に、本実施形態に係る結晶成長装置１００の各構成について図１を参照しつつ説明する。結晶成長装置１００は、主に坩堝１および保持部材５を有するものである。坩堝１は、坩堝容器６の内部に配置されている。坩堝容器６は、坩堝１を保持する機能を担っている。この坩堝容器６と坩堝１との間には、保温材７が配置されている。この保温材７は、坩堝１の周囲を囲んでいる。保温材７は、坩堝１からの放熱を抑制し、坩堝１の温度を安定して保つことに寄与している。なお、坩堝１は回転可能に設けられていてもよい。
　坩堝１には、加熱機構８によって、熱が加えられる。本実施形態の加熱機構８は、電磁誘導によって坩堝１を加熱する誘導加熱方式を採用しており、コイル９および交流電源１０を含んでいる。
　コイル９は、導体によって形成され、坩堝１の周囲を囲むように巻かれている。交流電源１０は、コイル９に交流電流を流すためのものであり、より大きな交流電流を流すことによって、坩堝１内の設定温度までの加熱時間を短縮することができる。なお、本実施形態では、坩堝１を誘導加熱方式で加熱している場合であるが、坩堝１の厚さを薄くすることで、この電磁場によって溶液２自体に誘導電流を流して発熱させてもよい。
　坩堝１の溶液２には、搬送機構１１によって種結晶３が坩堝１の開口部から入れられて、溶液２の液面に種結晶３の下面が接触するように搬入される。この搬送機構１１は、種結晶３の下面に成長した結晶を引き上げて坩堝１から搬出する機能も担っている。搬送機構１１は、保持部材５、および動力源１２を含んでいる。この保持部材５を介して、種結晶３の搬入および種結晶３の下面に成長した結晶の搬出が行なわれる。種結晶３は、保持部材５の下端面に取り付けられており、この保持部材５は、動力源１２によって上下方向（Ｄ１、Ｄ２方向）の移動が制御される。すなわち、保持部材５は、下端面にて種結晶３を保持して、坩堝１の開口部から種結晶３を入れたり引き上げたりすることを可能にしている。なお、保持部材５は回転可能に設けられていてもよい。
　結晶成長装置１００では、加熱機構８の交流電源１０と、搬送機構１１の動力源１２とが制御部１３に接続されて制御されている。つまり、結晶成長装置１００は、制御部１３によって、溶液２の加熱および温度制御と、種結晶３の搬入出とが連動して制御されている。制御部１３は、中央演算処理装置およびメモリなどの記憶装置を含んでおり、例えば公知のコンピュータからなる。
　本実施形態の結晶成長装置１００の搬送機構１１には、上述した保持部材５が取り付けられている。そして、保持部材５の下端面に固定された種結晶３の下面を溶液２に接触させて、種結晶３の下面に結晶を成長させることができる。
　このように上述の坩堝１を有する結晶成長装置１００は、炭素を含む珪素の溶液２について、種結晶３の下面に炭素が多く含まれる溶液２の対流を当たりやすくして、種結晶３の下面に炭化珪素の結晶を速く成長させることができる。
　＜結晶成長方法＞
　次に、本発明の一実施形態にかかる結晶成長方法を説明する。本発明の一実施形態にかかる結晶成長方法は、準備工程、溶液収容工程、接触工程および結晶成長工程を有している。なお、図１２は、結晶成長方法の準備工程の一例を示す図であり、坩堝１、種結晶３および保持部材５を示している。図１３は、結晶成長方法の溶液収容工程の一例を示す図であり、坩堝１の内部に溶液２を収容した様子を示している。図１４は、結晶成長方法の接触工程の一例を示す図であり、溶液２の液面２Ａに種結晶３の下面３Ｂを接触させた様子を示している。図１５は、結晶成長方法の結晶成長工程の一例を示す図であり、種結晶３の下面３Ｂに結晶３’が成長している様子を示している。
　（準備工程）
　準備工程では、図１２に示すように、上述した坩堝１と、坩堝１の開口部１ａから内部に種結晶３を入れたり引き上げたりが可能な保持部材５と、保持部材５によって保持されている上面３Ａを有する、炭化珪素からなる種結晶３を準備する。
　（溶液収容工程）
　次に、図１３に示すように、溶液調整部材４よりも上方に液面２Ａが位置するように、坩堝１の内部に溶液２を収容する。溶液２を坩堝１に収容する方法としては、坩堝１内に珪素を主成分とする粒子を入れて、坩堝１または当該粒子を加熱機構８で加熱して粒子を溶解させる。この際、炭素の粒子を混ぜたり、坩堝１の一部から炭素が溶け出したりすることによって、炭素を含む珪素の溶液２が坩堝１の内部に収容されることとなる。
　（接触工程）
　その後、図１４に示すように、保持部材５によって坩堝１の開口部１ａから内部に種結晶３を入れて、種結晶３の下面３Ｂを溶液２の液面２Ａに接触させる。このとき、種結晶３を一度、溶液２内にすべて浸漬してメルトバックを行なってもよい。
　（結晶成長工程）
　しかる後、図１５に示すように、種結晶３および溶液調整部材４を平面透視したとき、種結晶３の下面３Ｂを溶液調整部材４の貫通孔４ａに重なるように配置した状態で、下面３Ｂに炭化珪素の結晶を成長させる。そして、少しずつ保持部材５を上方に引き上げることによって、下面３Ｂに結晶３’をＤ１方向（下方向）に連続して成長させることができる。なお、種結晶３は、上述した接触工程にて、下面３ｂを溶液２に接触させると同時に溶液調整部材４の貫通孔４ａに重なるように配置させてもよいし、下面３ｂを溶液２に接触させた後に貫通孔４ａに重なるように配置させてもよい。また、下面３Ｂに結晶３’が成長している場合には、成長につれて結晶３’の下端面が下面３Ｂに相当するものとなる。
　本実施形態の結晶成長方法では、上述の坩堝１を用いて、種結晶３の下面３Ｂに結晶３’を成長させることから、種結晶３の下面３Ｂに炭素が多く含まれる溶液２の対流を当たりやすくして、下面３Ｂに対する結晶３’の成長速度を上げることができる。その結果、下面３Ｂに成長させる結晶３’の生産性を向上させることができる。なお、坩堝１または保持部材５を回転させながら結晶３’を成長させてもよい。
　（結晶成長方法の変形例）
　結晶成長工程において、図１５に示すように、溶液調整部材４よりも下方に位置する溶液２の温度Ｔ１を、溶液調整部材４よりも上方に位置する溶液２の温度Ｔ２に比べて高くしてもよい。ここで、溶液調整部材４が上下方向に複数存在する場合には、温度Ｔ１として最下端に位置する溶液調整部材４よりも下方に位置する溶液２の温度を用いることができ、温度Ｔ２として最上端に位置する溶液調整部材４よりも上方に位置する溶液２の温度を用いることができる。
　温度Ｔ１を温度Ｔ２に比べて高くすることによって、溶液２内において温度差を持たせることができる。溶液２内にこのような温度差が存在すると、高い温度Ｔ２の方から低い温度Ｔ１の方へ対流が発生しやすくすることができる。その結果、種結晶３の下面３Ｂに向かう対流を強くすることができ、下面３Ｂに成長する結晶３’の成長速度を上げることができる。

Claims (8)

  1. 　炭素を含む珪素の溶液を内部に収容し、上方から種結晶の下面を前記溶液に接触させた後、前記種結晶を引き上げることによって、前記種結晶の下面に前記溶液から炭化珪素の結晶を成長させる溶液成長法に使用する坩堝であって、
    使用時に底面と前記溶液の液面との間に位置するように内壁面に固定された、上方に配置される前記種結晶の内側に重なる貫通孔を有する溶液調整部材を備えた、炭素からなる坩堝。
  2. 　前記貫通孔は、上方に配置される前記種結晶の下面の中心に重なるとともに、前記種結晶の下面の半分以上に重なる請求項１に記載の坩堝。
  3. 　前記貫通孔は、横断面積が上方向に向かうにつれて小さくなっている、請求項１または２に記載の坩堝。
  4. 　前記溶液調整部材を複数備えており、
    複数の前記溶液調整部材は、上下方向に互いに間隔をあけて、それぞれの前記貫通孔が重なるように配置されている、請求項１～３のいずれかに記載の坩堝。
  5. 　複数の前記溶液調整部材のうち上下に隣接する２つの前記溶液調整部材において上下に重なる前記貫通孔は、上側に位置する前記貫通孔の上側の開口が、下側に位置する前記貫通孔の上側の開口よりも小さい、請求項４に記載の坩堝。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の坩堝と、
    種結晶を保持して前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れたり引き上げたりが可能な保持部材と
    を有する結晶成長装置。
  7. 　請求項１～５のいずれかに記載の坩堝、種結晶を保持して前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れたり引き上げたりが可能な保持部材、および該保持部材によって上面が保持されている炭化珪素からなる前記種結晶を準備する工程と、
    前記坩堝の内部に、前記溶液調整部材よりも上方に液面が位置するように、炭素を含む珪素の溶液を収容する工程と、
    前記保持部材によって前記坩堝の開口部から前記種結晶を入れて、該種結晶の下面を前記溶液に接触させる工程と、
    前記種結晶を下面が前記溶液調整部材の前記貫通孔に重なるように配置した状態で前記保持部材によって前記種結晶を引き上げて、該種結晶の下面に炭化珪素の結晶を成長させる工程と
    を備える結晶成長方法。
  8. 　前記炭化珪素の結晶を成長させる工程において、前記溶液調整部材よりも下方に位置する前記溶液の温度を、前記溶液調整部材よりも上方に位置する前記溶液の温度に比べて高くする請求項７に記載の結晶成長方法。
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