MSE による結晶成長の駆動力

一定温度環境下における3C-SiC多結晶の溶解と4H-SiC単結晶の成長といった 事実から，窒素を筆頭とした不純物の混入などの外的要素を一切無視すると，MSE の駆動力は4H-SiC側と3C-SiC側の液体Si中におけるCの固溶限の違いであると する仮説が提案されている⁶⁾．この仮説に基づいたSi-C二元系状態図をFig. 3.5(a) に示した．横軸がCの組成，縦軸が温度を示している．また実線，破線は各々4H， 3C-SiCを示している．実験温度1800℃において，3C-SiCと液体Si，4H-SiCと液 体Si間でCの溶解度限に差が生じることによって，瞬間的に液体Si中におけるC 濃度に勾配が生じ，3C-SiC多結晶の溶解と4H-SiC単結晶の成長を促すと考えら れる．またこの両多形におけるCの溶解度限の差は3C-SiCと4H-SiCの自由エネ ルギー差に起因すると考えられる．

第3章SiC結晶多形の振動自由エネルギーの第一原理計算

Fig. 3.3: MSEによって4H-SiC単結晶層が基板上にエピタキシャル成長した走査型

電子顕微鏡像⁵⁾．

Fig. 3.4: MSEで3C-SiC多結晶基板上に成長した4H-SiC単結晶の走査型電子顕微 鏡像．

第3章SiC結晶多形の振動自由エネルギーの第一原理計算

Fig. 3.5: (a) MSEから仮説されるSi-C二元系状態図の模式図，(b) (a)における自 由エネルギーのC濃度依存性，(c) (a)，(b)に対応するCの濃度プロファイル⁶⁾．

第3章SiC結晶多形の振動自由エネルギーの第一原理計算

Fig. 3.5(b)に各相における自由エネルギーのC濃度依存性を示した．3C-SiCの 液体Siに対する溶解度限は，液体Si中のCのケミカルポテンシャルと，3C-SiC中 のCのケミカルポテンシャルが等しく，また両環境相におけるSiのケミカルポテ ンシャル同士も等しい状態によって示される．両相中の各々の原子のケミカルポテ ンシャルが等しいことから，各々の自由エネルギー曲線で共通接線を引き，液体 Siと共通接線の接点が溶解度限に対応する．同様の原理により，4H-SiCと液体Si の各々の自由エネルギー曲線を引くと，Cの組成が低いところで溶解度限を示すた

め，4H-SiCの自由エネルギー曲線は3C-SiCの自由エネルギー曲線よりも，エネ

ルギー的に低くなる．この3C-SiCと4H-SiCの自由エネルギーの上下関係が，両 相の液体Siに対する溶解度源の差異を生み，その溶解度限の差がMSEにおける 3C-SiC側と4H-SiC側の液体Si中におけるCの濃度勾配を生む．

Cの濃度プロファイルをFig. 3.5(c)に示した．横軸が同じくCの組成，縦軸が MSEの位置に対応する．溶解度が高い3C-SiC側で溶け出すため，供給側のC濃 度が高くなる．そして液体Si中でC濃度が一様になろうとし，4H-SiC側で随時固 着，結晶化する．このCの濃度勾配がMSEの駆動力であると考えられ，またその 濃度勾配は3C-SiCと4H-SiCの自由エネルギー差に起因すると考えられる．