JP2006347867A - 種結晶固定装置及び種結晶固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶配置部に対して種結晶表面を均等に圧着する種結晶固定方法及び種結晶固定装置を提供する。
【解決手段】反応容器の種結晶配置部に接着剤を介して種結晶を固定するための種結晶固定装置であって、上記種結晶配置部を内部に配置可能なチャンバーと、
上記チャンバー内部に配置され、気体の給排気により膨張収縮し、膨張した際に上記種結晶の表面に接して種結晶の全面に均一に圧力をかける可撓性袋体と、
を備える種結晶固定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応容器の種結晶配置部に接着剤を介して種結晶を固定するための種結晶固定装置及び種結晶の固定方法に関する。

炭化ケイ素は、ケイ素に比し、バンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れることから、小型で高出力の半導体等の電子デバイス材料として注目されている。また、光学的特性に優れることから光学デバイス材料としても注目されてきている。かかる炭化ケイ素の結晶の中でも、炭化ケイ素単結晶は、炭化ケイ素多結晶に比し、ウェハ等のデバイスに応用した際にウェハ内特性の均一性等に特に優れるという利点がある。

この炭化ケイ素単結晶の製造方法の１つとして、反応容器（坩堝）内の第一端部に昇華用原料を収容し、上記反応容器内の昇華用原料に略対向する第二端部（種結晶配置部）に炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、昇華させた昇華用原料を上記種結晶上に再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させる改良レイリー法がある。

改良レイリー法において、種結晶配置部に種結晶が完全に接着していない状態で種結晶を成長させると、完全に接着していない部分の種結晶配置部側から種結晶を貫通して成長結晶内にまでマクロ欠陥（空洞欠陥）が発生しウェハの品質を損ねる傾向があった。また接着剤が高温下ではガス化してこれが気泡として接着剤層内に残留することも品質の低下の発生原因として考えられていた。

上記課題を解決する手段としていくつかの技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。例えば特許文献１には、所定の圧力をかけて固定する固定方法が開示されている。また特許文献２には重石を種結晶の上に載せて圧着する固定方法が開示されている。

しかし、機械的圧着法では種結晶表面に微細な凸凹が生じるため、種結晶の全表面を均等に圧着することが困難であった。また、重りによる圧着も同様に均等に圧着させることが困難であった。
特開２００１−１３９３９４号公報 特開２００３−１１９０９８号公報

種結晶配置部に対して種結晶表面を均等に圧着する種結晶固定方法及び種結晶固定装置が求められていた。

即ち、本発明は、以下の記載事項に関する。
（１）反応容器の種結晶配置部に接着剤を介して種結晶を固定するための種結晶固定装置であって、上記種結晶配置部を内部に配置可能なチャンバーと、上記チャンバー内部に配置され、気体の給排気により膨張収縮し、膨張した際に上記種結晶の表面に接して種結晶の全面に均一に圧力をかける可撓性袋体と、を備えることを特徴とする種結晶固定装置。
（２）上記チャンバーは、減圧雰囲気を形成可能である上記（１）記載の種結晶固定装置。
（３）上記チャンバーは、上記種結晶配置部を固定すると共に上記種結晶を固定するガイドを有する上記（１）又は（２）記載の種結晶固定装置。
（４）上記ガイドは、上記種結晶の側面と少なくとも３点で接する上記（３）記載の種結晶固定装置。
（５）上記可撓性袋体は、ゴムもしくは樹脂からなる上記（１）〜（４）のいずれかに記載の種結晶固定装置。
（６）上記接着剤を加熱硬化させる加熱体を有する上記（１）〜（５）のいずれかに記載の種結晶固定装置。
（７）接着剤を介して種結晶が設けられた種結晶配置部を配置する種結晶固定方法であって、気体の給排気により膨張収縮する可撓性袋体を膨張させて、上記種結晶の種結晶配置面の他面側に可撓性袋体を接触させて上記種結晶の全面に均一に圧力をかける工程と、上記接着剤を硬化させる工程と、
を含む種結晶固定方法。
（８）上記加熱硬化は減圧下において行われる上記（６）に記載の種結晶固定方法。

種結晶配置部に対して種結晶表面を均等に圧着でき、再現性のある種結晶固定方法及び種結晶固定装置を提供する。

以下に実施形態を挙げて本発明を説明するが、本発明が以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。尚、図中同一の機能用途を有するものについては同一または同様の符号を付して説明を省略する。

（種結晶固定装置）
図１（ａ）は、接着剤５を介して種結晶９が配置された種結晶配置部３を収納した種結晶固定装置１の概略断面図を示し、図１（ｂ）は下チャンバーの上面図を示す。図１（ａ）に示すように、実施形態にかかる種結晶固定装置１は、反応容器の種結晶配置部３に接着剤５を介して種結晶９を固定するための種結晶固定装置であって、種結晶配置部３を内部に配置可能とし密閉雰囲気を形成するチャンバー１０と、チャンバー１０内部に配置され、気体の給排気により膨張収縮し、膨張した際に種結晶の表面に接して種結晶の全面に均一に圧力をかける可撓性袋体１６と、を備える。種結晶固定装置１は、さらに接着剤を加熱硬化させる加熱体２０を有する。

チャンバー１０は、着脱自在に形成された上チャンバー１１と下チャンバー１３とからなり、使用の際に上チャンバー１１を下チャンバー１３の外周に配置されたOリング１５を挟んで下チャンバー１３に装着することにより密閉雰囲気が形成されるように構成されている。チャンバー１０には吸引排気口１２が設けられており、密閉雰囲気が形成されたチャンバー１０内から空気を吸引することで減圧雰囲気が形成される。また下チャンバー１３は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、種結晶配置部３を固定すると共に種結晶９を固定するガイド１７を有する。種結晶配置部３を下チャンバー１３に収納した後に、ガイド１７が下チャンバー１３に着脱自在に固定され、そして種結晶９が種結晶配置部３上に配置される。

ガイド１７は、種結晶９の側面に３点以上の点で接していることが好ましい。種結晶９からはみ出した接着剤５がガイド１７に付着固化し、ガイド１７から種結晶９が剥がれなくなることを防止するためである。具体的には図５（ｂ）に示すように、ガイド１７１につめ１７１a〜１７１ｄを設けかかる４点で種結晶９を保持することができる。つめ１７１a〜１７１ｄの形状は図５（ｂ）の上面図に示されるような半円形に限定されない。したがって種結晶９との当接点に向かって先が細くなるような略正三角形状であっても構わない。可撓性袋体１６により押圧しやすくなる傾向がある観点からはつめ１７１a〜１７１ｄの形状は略正三角形状とすることが好ましい。またガイド１７の表面にはフッ素樹脂（テフロン（登録商標））コーティングされているのが好ましい。このテフロン（登録商標）コーティングはガイド１７のつめ１７１ａ〜１７１ｄの表面にのみに施されていればよいが、ガイド１７の全面に施されていても構わない。

可撓性袋体１６は、ゴムもしくは樹脂から構成されている。尚、種結晶配置部３を固定する方法としては上記に限定されず、チャンバーに掘り込み式に固定しても構わない。

種結晶固定装置１に収容される種結晶配置部３としては、例えば後に説明する図３に示す炭化ケイ素単結晶製造装置３０の種結晶配置部３を用いることができる。種結晶９としては、使用目的により適宜定まるが、６Ｈのレーリー結晶、６Ｈのアチソン結晶等を用いることができる。接着剤５としては、樹脂、炭水化物、耐熱性微粒子が挙げられる。樹脂としては、熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂、ノボラック樹脂、フルフリルアルコール樹脂等を用いることができる。フェノール樹脂にカーボン粉末を混入したものを用いることもできる。炭水化物としては、糖類、例えばグルコースのような単糖類及びセルロースのような多糖類並びにそれらの誘導体を使用することができる。耐熱性微粒子としては、黒鉛（炭素）の他、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）等の耐熱物や、タングステン、タンタル等の高融点金属及びそれらの化合物例えば炭化物や窒化物を使用することができる。

（種結晶固定方法）
図１の種結晶固定装置を用いた実施形態にかかる種結晶固定方法について、図２（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。

（イ）まず、図２（ａ）に示すように下チャンバー１３を用意する。
（ロ）次に、図２（ｂ）に示すように下チャンバー１３内に反応容器の種結晶配置部３を配置する。
（ハ）そして、図２（ｃ）に示すように種結晶配置部３をガイド１７で固定する。

（ニ）図２（ｄ）に示すように接着剤５を種結晶配置部３上に塗布する。塗布量は１μｌ／ｃｍ^２〜２５μｌ／ｃｍ^２が好ましい。
（ホ）次に、図２（ｅ）に示すように種結晶９を接着剤５を介して種結晶配置部３上に配置する。接着性を向上させる観点からは、種結晶９の種結晶配置部３への接触面を研磨しておくことが好ましい。具体的には種結晶９の接触面の表面粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ以下が好ましい。また種結晶配置部３の種結晶９配置面の表面粗さ（Ｒａ）を１．４μｍ以下とすると接着性が向上する点で好ましい。

（ヘ）図２（ｆ）に示すように下チャンバー１３に上チャンバー１１を装着して密閉雰囲気を形成する。
（ト）図２（ｇ）に示すように可撓性袋体１６に気体を給気して可撓性袋体１６を膨張させる。そして、種結晶９の種結晶配置面の他面側に可撓性袋体１６を接触させて種結晶９の全面に均一に圧力をかける。０．０１〜１ＭＰａ程度の圧力で荷重をかけることが好ましい。
（チ）加熱体２０により加熱して接着剤５を硬化させる。加熱条件は接着剤（熱硬化性樹脂）の性質等に依るが、１００℃〜１０００℃、好ましくは１００℃〜３００℃で、５分〜１０分程度である。

ここで、接着剤５を硬化させる際に生じるガスが種結晶９と種結晶配置部３の間に気泡として残るとそれが原因となって接着ムラが生じるおそれがある。そのため、吸引排気口１２に接続された吸引機（図示せず）を用いてチャンバー１０内から大気や接着ムラの原因と考えられるガスを吸引して減圧雰囲気を形成しながら加熱硬化することが好ましい。この減圧雰囲気を形成する場合には、上記（ト）の工程に先立って減圧雰囲気を形成し、その後（ト）工程、（チ）工程を行うことで種結晶９に荷重される圧力の均一性の向上の効果も得られる。即ち、常に同一の条件で接着することにより接着性の再現性が向上する。この減圧雰囲気は３００Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。以上により種結晶９が種結晶配置部３上に固定される。

（炭化ケイ素単結晶の製造方法）
以上種結晶固定方法等について説明してきたが、本発明の別形態として炭化ケイ素単結晶の製造方法が提供される。即ち、昇華用原料を収容する反応容器に昇華用原料を収容し、昇華用原料に略対向して種結晶を配置し、昇華させた昇華用原料を種結晶上に再結晶させて炭化ケイ素単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、上記実施形態にかかる種結晶固定方法により種結晶配置部に固定された種結晶上に単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法が提供される。

反応容器としては、図３に示すように、昇華用原料３５を収容可能とする反応容器本体３１と、反応容器本体３１に着脱自在に取り付けられると共に種結晶９を配置可能とする種結晶配置部３と、を有する炭化ケイ素単結晶製造装置３０が用いられる。反応容器の外周には炭化ケイ素の昇華雰囲気を形成するための第一誘導加熱コイル３３ａ、第二誘導加熱コイル３３ｂが設けられている。反応容器本体３１としては、反応容器本体３１内部に炭化ケイ素の昇華雰囲気を形成できるものであれば特に制限はない。反応容器本体３１としては例えば坩堝を用いることができるが、その材質は黒鉛であることが好ましく、熱膨張係数が種結晶と略同一であるものがさらに好ましい。昇華用原料３５を収納しやすくする観点から、反応容器本体３１と、種結晶配置部３は着脱自在に一体に形成されていることが好ましい。接合手段としては、反応容器本体３１内部の密閉性が保たれるのであればいずれの接合手段を用いても構わない。接合手段としては、螺合手段が挙げられる。

昇華用原料３５としては従来公知の材料を用いることができる。昇華用原料３５としては、例えば高純度のテトラエトキシシラン重合体をケイ素源とし、レゾール型フェノール樹脂を炭素源とし、これらを均一に混合して得た混合物をアルゴン雰囲気下で加熱焼成して得られた炭化ケイ素粉末を用いることができる。また炭化ケイ素単結晶の種結晶としては、従来公知の単結晶を用いることができる。

昇華用原料３５の加熱温度等の加熱条件は、特に制限されることなく周知の技術に基づいて当業者により適宜設定されうる。

(炭化ケイ素単結晶)
炭化ケイ素単結晶は、前述の炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造される。炭化ケイ素単結晶は、溶融アルカリによりエッチングして評価した結晶欠陥（パイプ欠陥）は、５０個／ｃｍ²以下が好ましく、１０個／ｃｍ²以下がより好ましい。炭化ケイ素単結晶における金属不純物元素の総含有量としては１０ｐｐｍ以下が好ましい。本発明により得られる炭化ケイ素単結晶は、多結晶や多型の混入やマイクロパイプ等の結晶欠陥がなく、極めて高品質であるので、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れ、半導体ウエハ等の電子デバイス、発光ダイオード等の光学デバイスなどに特に好適に用いられる。
以上、本発明の炭化ケイ素単結晶製造方法によると、高品質な炭化ケイ素単結晶を効率よく、かつ割れ等の破損がない状態で容易に製造することができる。

（実施例）
図１の種結晶固定装置を用いて、実施形態にかかる種結晶固定方法に準じて、種結晶９を種結晶配置部３に固定した。その際、接着剤５としてフェノール樹脂を７．５μｌ／ｃｍ^２で塗布した。種結晶９として種結晶厚０．４ｍｍ、直径５０ｍｍの６Ｈのレーリー結晶を用いた。そして減圧下（３０Ｔｏｒｒ）において、１５分かけて９０℃まで加熱しさらに９０℃で２分間予備加熱を行った後、２５分かけて１６０℃まで加熱した後１６０℃で１０分間加熱することにより加熱硬化を行った。
その結果、図４（ｂ）の種結晶の表面観察写真に示すように、実施例の種結晶９が接着ムラなく接着されたことが確認された。

さらに、種結晶９が固定された種結晶配置部３を図３の炭化ケイ素単結晶製造装置３０に装着して炭化ケイ素単結晶を成長させた。昇華用原料３５は、高純度のテトラエトキシシラン重合体をケイ素源とし、レゾール型フェノール樹脂を炭素源とし、これらを均一に混合して得た混合物をアルゴン雰囲気下で加熱焼成して得られた炭化ケイ素粉末（６Ｈ（一部３Ｃを含む）、平均粒径が２００μｍ）を用いた。炭化ケイ素単結晶製造装置３０において、第一誘導加熱コイル３３ａに電流を通電させこれを加熱しその熱で昇華用原料３５を加熱した。その際反応容器本体３１の底部を２３５０℃にまで加熱した後、アルゴンガス雰囲気で圧力を５０Ｔｏｒｒ（６６４５Ｐａ）に維持した。昇華用原料３５は、所定の温度（２５４０℃）にまで加熱されて昇華した。一方、種結晶配置部３側は、第二誘導加熱コイル３３ｂにより加熱した。第二誘導加熱コイル３３ｂによる種結晶配置部３の設定温度は２３００℃であった。
得られた炭化ケイ素単結晶のウェハ断面を観察したところ（図４（ｂ））、種結晶直上の全面のマクロ欠陥の数は１０個以下であり、種結晶から１０ｍｍ上のウェハ全面のマクロ欠陥の数は０個であった。また、欠陥の大きさは従来法により得られるものよりも小さかった。

（比較例）
図６に示すように、載置台１０１に種結晶配置部１０３を配置し、その上に接着剤（フェノール樹脂）１０５を介して種結晶１０９を配置した。そして、重石１０７を種結晶１０９の上に配置して、重石１０７により種結晶１０９に荷重を加えながら、大気圧下３００℃で０．５時間フェノール樹脂の加熱硬化を行った。その結果、図４（ａ）の種結晶の表面観察写真に示すように、比較例の種結晶１０９の表面に接着ムラが確認された。
得られた種結晶１０９を用いて実施例と同様にして炭化ケイ素単結晶を成長させた。
得られた炭化ケイ素単結晶の側面断面図を観察したところ（図４（ａ））、種結晶直上の全面のマクロ欠陥の数は１００個以下であり、種結晶から１０ｍｍ上のウェハ全面のマクロ欠陥の数は１０〜２０個であった。マクロ欠陥の大きさは実施例よりも大きかった。

図１（ａ）は、接着剤を介して種結晶が配置された種結晶配置部を収納した種結晶固定装置の概略断面図を示し、図１（ｂ）は下チャンバーの上面図を示す。 図２（ａ）〜（ｇ）は種結晶固定方法の工程図を示す。 図３は炭化ケイ素単結晶の製造装置（坩堝）の断面概略図を示す。 図４（ａ）は比較例により得られた炭化ケイ素単結晶ウェハの表面拡大写真を示し、図４（ｂ）は実施例により得られた炭化ケイ素単結晶ウェハの表面拡大写真を示す。 図５（ａ）は、接着剤を介して種結晶が配置された種結晶配置部を収納した種結晶固定装置の変形例の概略断面図を示し、図５（ｂ）は下チャンバーの上面図を示す。 図６は従来の種結晶固定方法の概略図を示す。

符号の説明

１、１０１…種結晶固定装置
３、１０３…種結晶配置部
５、１０５…接着剤
９、１０９…種結晶
１０…チャンバー
１１…上チャンバー
１３…下チャンバー
１２…吸引排気口
１５…Oリング
１６…可撓性袋体
１７…ガイド
２０…ヒータ（加熱体）
３０…炭化ケイ素単結晶製造装置
３１…容器
３３ａ…第一誘導加熱コイル
３３ｂ…第二誘導加熱コイル
３５…昇華用原料
１０７…重石

Claims (8)

1. 反応容器の種結晶配置部に接着剤を介して種結晶を固定するための種結晶固定装置であって、
   前記種結晶配置部を内部に配置可能なチャンバーと、
   前記チャンバー内部に配置され、気体の給排気により膨張収縮し、膨張した際に前記種結晶の表面に接して種結晶の全面に均一に圧力をかける可撓性袋体と、
   を備えることを特徴とする種結晶固定装置。
2. 前記チャンバーは、減圧雰囲気を形成可能であることを特徴とする請求項１記載の種結晶固定装置。
3. 前記チャンバーは、前記種結晶配置部を固定すると共に前記種結晶を固定するガイドを有することを特徴とする請求項１又は２記載の種結晶固定装置。
4. 前記ガイドは、前記種結晶の側面と少なくとも３点で接することを特徴とする請求項３記載の種結晶固定装置。
5. 前記可撓性袋体は、ゴムもしくは樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の種結晶固定装置。
6. 前記接着剤を加熱硬化させる加熱体を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の種結晶固定装置。
7. 接着剤を介して種結晶が設けられた種結晶配置部を配置する種結晶固定方法であって、
   気体の給排気により膨張収縮する可撓性袋体を膨張させて、前記種結晶の種結晶配置面の他面側に可撓性袋体を接触させて前記種結晶の全面に均一に圧力をかける工程と、
   前記接着剤を硬化させる工程と、
   を含むことを特徴とする種結晶固定方法。
8. 前記加熱硬化は減圧下において行われることを特徴とする請求項７に記載の種結晶固定方法。