JP2005263540A - ＳｉＣ単結晶用接着剤および接着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造を安定して行なうために、ＳｉＣ種結晶を黒鉛軸に確実に固定するための接着剤および接着方法を提供する。
【解決手段】 ＳｉＣ単結晶と黒鉛との接着剤であって、熱硬化性樹脂と溶媒と炭素成分とから成る。この接着剤を用いてＳｉＣ種結晶を黒鉛棒に接着する方法であって、該接着剤で種結晶を黒鉛棒に粘着させた後に、上記熱硬化性樹脂の炭化温度以上の保持温度で熱処理することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶と黒鉛とを接着するための接着剤および接着方法に関する。

ＳｉＣ単結晶は、種々の半導体デバイス等の材料として、現在最も汎用されているＳｉ単結晶に比べて高周波・高出力特性、耐熱性、耐圧性能等が優れているため、デバイスの飛躍的な高性能化が期待されている。

ＳｉＣ単結晶の製造方法としては昇華法および溶液法が知られている。昇華法はＳｉＣを高温で昇華させ、気相から種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる方法である。種結晶はホルダーに機械的把持または糖溶液による接着により固定する（例えば特許文献１を参照）。ここで糖溶液による接着は、糖の高分子成分を炭化して接着剤として機能させるものである。昇華法においては、成長温度は昇華温度より必ず低温であり、また気相との接触による種結晶とホルダーへの熱衝撃は小さいので、単に高分子成分を炭化しただけの接着層による接着強度で十分これに対抗でき、成長過程で種結晶がホルダーから脱落することはなく、安定してＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

しかし、昇華法の弱点は、得られるＳｉＣ単結晶にマイクロパイプと呼ばれる直径数１０μｍ〜１００μｍの貫通孔が発生することであり、このような欠陥はデバイスの電子特性にとって致命的となるため、実用に適さない。

これに対して溶液法は、欠陥の発生が極めて少ない高品質のＳｉＣ単結晶が得られる点で優れた方法であるが、高温の溶液に接触する種結晶の固定が困難であるという問題があった。固定の方法としては、黒鉛軸に溝などを設けて種結晶を嵌め込む機械的な固定が最も確実であるが、嵌め込み箇所の黒鉛軸表面でＳｉＣ結晶が成長することが避けられず、結果として多結晶化が生じてしまい、良質のＳｉＣ単結晶を成長させることができない。他の固定方法は接着であるが、下記の問題があった。

溶液法は、黒鉛坩堝内でＳｉ融液の下部を高温に維持して黒鉛坩堝等からＣを溶解させて溶液とし、溶液上部を低温に維持して過飽和状態とし、黒鉛軸の先端に固定した種結晶を溶液表面に接触させて種結晶の下面にＳｉＣ単結晶を成長させる。Ｓｉ−Ｃ二元系平衡状態図から分かるように、例えば加圧下で２８３０℃の高温下でも液相中の炭素は１９％しか含まれない。したがって、ＳｉＣ単結晶の成長を促進するには、できるだけ溶液を高温に保持して溶液の炭素含有量を高めることが望ましい。しかし、このような高温に保持された溶液に種結晶が直接接触すると、種結晶と黒鉛軸との接続界面が大きな熱衝撃を受ける。その場合、従来の糖溶液を用いた高分子成分の炭化層では接着強度が不十分なため接続界面で剥離が生じ、種結晶が落下し易いという問題があった。

そのため、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造において、高温の溶液との接触下でＳｉＣ種結晶を黒鉛軸に確実に固定する手段が求められていた。

特表平１１−５１０７８１号公報（特に、７頁６〜８行）

本発明は、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造を安定して行なうために、ＳｉＣ種結晶を黒鉛軸に確実に固定するための接着剤および接着方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤は、ＳｉＣ単結晶と黒鉛との接着剤であって、熱硬化性樹脂と溶媒と炭素成分とから成ることを特徴とする。

また、本発明によれば、本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤を用いてＳｉＣ種結晶を黒鉛棒に接着する方法であって、該接着剤で種結晶を黒鉛棒に粘着させた後に、上記熱硬化性樹脂の炭化温度以上の保持温度で熱処理することを特徴とする接着方法が提供される。

本発明者は、従来の糖溶液等を用いた高分子成分の炭化による接着では種結晶の剥離・落下が防止できない理由は、接着層の炭化率が低く、高温化に伴い接着強度が急激に低下するためであると考えた。

本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤は、熱硬化性樹脂と溶媒に加えて、炭素成分を添加したことにより、熱硬化性樹脂の炭化率を高めて、高温下での接着強度を確保した。

本発明の接着方法においては、本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤を種結晶および／または黒鉛棒の接着部表面に塗布して接着剤自体の粘性により両者を仮止めした状態で、熱硬化性樹脂の炭化温度以上の温度で熱処理することにより高い炭化率の接着層が形成され、高温下でも安定して高い接着強度を維持できる。

本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤の構成成分である熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂から選択した少なくとも一種を用いることができる。

熱硬化性樹脂の残炭率は５０％以上であることが望ましい。下記のように炭素成分の添加量は余り多くしない方がよい。熱硬化性樹脂の残炭率が５０％以上であると、炭素成分を過剰に添加することなく、接着層の炭化率を十分に高められる。この観点からフェノール樹脂が最も望ましい。フェノール樹脂は一般に６０％以上の残炭率を示す。上記列挙した他の樹脂は単独では残炭率５０％未満であり、そのため接着層に機構が発生して接着強度の低下を招く。樹脂成分に炭素成分を添加して残炭率を補うことにより、気孔の発生を抑制して十分な接着強度を確保する。

炭素成分の添加量は１５〜４０wt％であることが望ましい。１５wt％未満では接着層の炭化率が不十分で接着強度が不足し、４０wt％を超えると接着層が厚くなり過ぎて接着強度が低下する。

添加する炭素成分としては、粒径１００ｎｍ以下の固形炭素を用いることが望ましい。粒径が大きすぎると炭素粒子間の間隙が大きくなり接着強度が低下する。

本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤を用いてＳｉＣ種結晶を黒鉛棒に接着するには、この接着剤で種結晶を黒鉛棒に粘着させた後に、熱硬化性樹脂の炭化温度以上の保持温度で熱処理する。この熱処理の際に、炭素成分の存在により樹脂の炭化が促進され、炭化率の高い接着層が形成される。熱処理の温度は、炭化が完全に行なわれるのに十分な温度であることが必要であり、従来から樹脂の炭化に用いられている温度でよく、一般に６５０℃以上である。炭化のための熱処理温度の上限も、従来と同様に９００℃程度である。

炭化熱処理の保持温度への昇温は、９０℃／ｈ以下の昇温速度で行なうことが望ましい。昇温が速過ぎると、樹脂成分から発生するガスが接着層から爆発的に抜けるため、ガスの抜けた痕が気孔となり接着強度が低下する。

ＳｉＣ種結晶として通常用いるレリー結晶は、入手状態での表面は鏡面状態である。接着強度をできるだけ高めるためには接着層との機械的な係合作用（アンカー作用）を得ることが重要である。この観点から、ＳｉＣ種結晶の接着面の面粗度を、入手状態の鏡面状態（Ｒａ≒０．０１）から研磨によりＲａ≧０．１μｍに粗化することが望ましい。

本発明の接着剤を用いてＳｉＣ種結晶を黒鉛軸に接着固定し、剥離の有無を調べた。用いた溶液法単結晶成長装置を図１に示す。

断熱材１０で覆われた坩堝１２が石英管１４内に収容されており、石英管１４の周囲を高周波加熱コイル１６が取り巻いている。坩堝１２内にはコイル１６により加熱されたＳｉ融液１８が保持されている。上方から断熱材１０、坩堝１２の頂部を貫通して延びている黒鉛棒２０の下端に接着固定したＳｉＣ種結晶２２がＳｉ融液１８の表層に浸漬されている。

高周波加熱コイル１６は、上部を低出力、下部を高出力に設定してあり、これによりＳｉ融液１８内に下から上に向けて温度低下する温度勾配が形成されている。坩堝１２の底部の温度Ｂと、融液表面の温度Ｔはそれぞれ常時測定されている。高温の融液下部では坩堝１２から融液１８にＣが溶け込み、拡散・対流により融液中を上方へ輸送されてＳｉＣ種結晶２２の付近へ達する。ＳｉＣ種結晶２２の周囲では低温の融液１８に対してＣが過飽和となっており、この過飽和を駆動力としてＳｉＣ種結晶２２の下面にＳｉＣ単結晶が成長する。

本実施例においては、Ｓｉ融液１８を２０００℃に保持して、ＳｉＣ種結晶２２を２４時間浸漬した後に、種結晶２２と黒鉛棒２０の接着部の剥離の有無を調べた。表１に示すように種々の組成の接着剤を用いた。接着剤に添加する固形炭素の粒子径と種結晶の表面粗度も変化させた。接着剤の炭素量、炭素粒径、表面素度、および浸漬後の剥離の有無をまとめて表２に示す。表１、表２において下線を付した数値は本発明の望ましい範囲外であることを示す。

表２に示すように、炭素量、粒子径、表面粗さがいずれも望ましい範囲内にある試料No.１〜４は、２０００℃×２４時間の浸漬後に剥離は発生しなかった。これに対して炭素量、粒子径、表面粗さのいずれかが本発明の望ましい範囲外である試料No.Ｃ１〜Ｃ４では剥離が発生した。

図２に黒鉛棒２０とＳｉＣ種結晶２２との接着部の断面写真を示す。（１）は剥離が発生しなかった試料、（２）は剥離が発生した試料の例である。

本発明によれば、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造を安定して行なうために、ＳｉＣ種結晶を黒鉛軸に確実に固定するための接着剤および接着方法が提供される。

本発明のＳｉＣ単結晶用接着剤を用いる溶液法単結晶成長装置の断面図である。 ２０００℃のＳｉ融液に２４時間浸漬した後の黒鉛棒と種結晶との接着部の写真であり、（１）は剥離が生じなかった例、（２）は剥離が生じた例を示す。

Claims (10)

1. ＳｉＣ単結晶と黒鉛との接着剤であって、熱硬化性樹脂と溶媒と炭素成分とから成ることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
2. 請求項１において、上記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂から選択した少なくとも一種であることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
3. 請求項１または２において、上記熱硬化性樹脂の残炭率が５０％以上であることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
4. 請求項１から３までのいずれか１項において、上記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
5. 請求項１から４までのいずれか１項において、上記炭素成分の含有量が１５〜４０wt％であることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
6. 請求項１から５までのいずれか１項において、上記炭素成分が粒径１００ｎｍ以下の固形炭素であることを特徴とするＳｉＣ単結晶用接着剤。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のＳｉＣ単結晶用接着剤を用いてＳｉＣ種結晶を黒鉛棒に接着する方法であって、該接着剤で種結晶を黒鉛棒に粘着させた後に、上記熱硬化性樹脂の炭化温度以上の保持温度で熱処理することを特徴とする接着方法。
8. 請求項７において、上記保持温度が６５０℃以上であることを特徴とする接着方法。
9. 請求項７または８において、上記保持温度への昇温を昇温速度９０℃／ｈ以下で行なうことを特徴とする請求項７または８記載の接着方法。
10. 請求項７から９までのいずれか１項において、ＳｉＣ種結晶の接着面の面粗度をＲａ≧０．１μｍとすることを特徴とする接着方法。