JP2009117533A - 炭化珪素基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来に比べてコストを低減させた高品質デバイス作製に耐え得る単結晶炭化珪素基板の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板を準備し、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
【選択図】図1
【解決手段】炭化珪素基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板を準備し、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
【選択図】図1
Description
本発明は、炭化珪素基板の製造方法に関するもので、特に、パワーデバイス用の基板となる炭化珪素(以下SiCとも記載する)基板の製造方法に関する。
近年、パワーデバイス用途の基板材料として単結晶SiCが有望視されている。SiCはシリコン(以下Siとも記載)と比較すると、3倍程度の大きなバンドギャップ(4H−SiCで3.825eV、6H−SiCで3.101eV、Siは1.1eV程度)、高い熱伝導率(5W/cm・K程度、Siは1.5W/cm・K程度)を有することが知られている。
このような単結晶SiCが有する非常に優れた電気的、物理的性質が、従来にない高性能なパワーデバイスの実現を可能にすると考えられている。例えば、従来用いられてきたSiパワーデバイスと比較して、SiCパワーデバイスは5〜10倍大きい耐電圧と数100℃以上高い動作温度を実現し、さらに素子の電力損失を1/10程度に低減することができる。
このような単結晶SiCが有する非常に優れた電気的、物理的性質が、従来にない高性能なパワーデバイスの実現を可能にすると考えられている。例えば、従来用いられてきたSiパワーデバイスと比較して、SiCパワーデバイスは5〜10倍大きい耐電圧と数100℃以上高い動作温度を実現し、さらに素子の電力損失を1/10程度に低減することができる。
通常、基板状の単結晶SiCは改良レーリー法と呼ばれる気相法で作製される(例えば非特許文献1参照)。
この方法は、準閉鎖空間内で、原料から昇華したシリコン原子と炭素原子とからなる蒸気が、不活性ガス中を拡散で輸送されて、原料より低温に設定された種結晶上に過飽和となって凝結するという現象を利用し、高温(摂氏2400℃以上)のルツボ中で、SiC粉末原料から昇華させた蒸気を、種結晶上に再結晶化させることにより結晶成長を行う作製方法である。
この方法は、準閉鎖空間内で、原料から昇華したシリコン原子と炭素原子とからなる蒸気が、不活性ガス中を拡散で輸送されて、原料より低温に設定された種結晶上に過飽和となって凝結するという現象を利用し、高温(摂氏2400℃以上)のルツボ中で、SiC粉末原料から昇華させた蒸気を、種結晶上に再結晶化させることにより結晶成長を行う作製方法である。
しかし、この改良レーリー法は、プロセス温度が2400℃以上と非常に高いため、結晶成長のプロセス制御、欠陥制御が非常に困難である。そのため、この方法で作製された単結晶SiC基板には、マイクロパイプと呼ばれる欠陥やその他の欠陥(積層欠陥等)が多数存在する。そのため、電子デバイス用途に耐え得る高品質の結晶の基板を作製することは不可能ではないが大変困難である。
その結果、製造歩留りが著しく低くなってしまうため、例えば、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下といった電子デバイス用に用いることのできる欠陥の少ない高品質な単結晶SiC基板は非常に高額なものとなってしまうため、そのような単結晶SiCを用いたデバイスも高額なものになっており、単結晶SiC基板の普及の妨げとなっていた。
また、結晶欠陥の多い単結晶SiC基板を用いてデバイスを作成すると、電気的・機械的な不良が発生するため、良好な特性を有する電子デバイスを作製するためには高品質な単結晶SiC基板が必要不可欠であり、更なるコストアップに繋がっていた。
その結果、製造歩留りが著しく低くなってしまうため、例えば、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下といった電子デバイス用に用いることのできる欠陥の少ない高品質な単結晶SiC基板は非常に高額なものとなってしまうため、そのような単結晶SiCを用いたデバイスも高額なものになっており、単結晶SiC基板の普及の妨げとなっていた。
また、結晶欠陥の多い単結晶SiC基板を用いてデバイスを作成すると、電気的・機械的な不良が発生するため、良好な特性を有する電子デバイスを作製するためには高品質な単結晶SiC基板が必要不可欠であり、更なるコストアップに繋がっていた。
Tairov Yu.M., Tsvetkov V.F.: J. Cryst. Growth. 43, 209(1978).
本発明は、このような上記問題に鑑みなされたものであって、従来に比べてコストを低減させた高品質デバイス作製に耐え得る単結晶炭化珪素基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明では、炭化珪素基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板を準備し、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することを特徴とする炭化珪素基板の製造方法を提供する(請求項1)。
このように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板を多結晶炭化珪素基板に貼り合せて、その後、単結晶炭化珪素基板を薄膜化することによって、多結晶基板上に単結晶炭化珪素層を形成した炭化珪素基板を得ることができる。
この場合、デバイス活性層は基板の単結晶炭化珪素層であり、下部の機械的支持部、放熱部分は多結晶炭化珪素基板がその役割を受け持つ構造となる。多結晶炭化珪素は機械的物性は単結晶炭化珪素とほとんど同等であるので、全体を単結晶の炭化珪素で構成した基板と本発明の基板は同等に扱うことができる。
このような構造にした場合、用いる単結晶炭化珪素基板の厚さは従来に比べ数分の一から数百分の一にまで減少させることができる。よって、従来のように基板のすべてを高額な高品質単結晶炭化珪素で構成する場合に比べて基板コストを大幅に低減させることができる。
また、単結晶炭化珪素をマイクロパイプの密度を30個/cm2以下とすることで、欠陥の少ない高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、デバイス性能を向上できると共に、デバイス工程における製造歩留りを大きく向上させることができ、デバイスの製造コストを大幅に低減させることができる。
この場合、デバイス活性層は基板の単結晶炭化珪素層であり、下部の機械的支持部、放熱部分は多結晶炭化珪素基板がその役割を受け持つ構造となる。多結晶炭化珪素は機械的物性は単結晶炭化珪素とほとんど同等であるので、全体を単結晶の炭化珪素で構成した基板と本発明の基板は同等に扱うことができる。
このような構造にした場合、用いる単結晶炭化珪素基板の厚さは従来に比べ数分の一から数百分の一にまで減少させることができる。よって、従来のように基板のすべてを高額な高品質単結晶炭化珪素で構成する場合に比べて基板コストを大幅に低減させることができる。
また、単結晶炭化珪素をマイクロパイプの密度を30個/cm2以下とすることで、欠陥の少ない高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、デバイス性能を向上できると共に、デバイス工程における製造歩留りを大きく向上させることができ、デバイスの製造コストを大幅に低減させることができる。
また、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程の前に、炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことが好ましい(請求項2)。
このように、貼り合わせの後に炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を増すことができ、貼り合わせ不良の低減を図ることができる。
このように、貼り合わせの後に炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を増すことができ、貼り合わせ不良の低減を図ることができる。
また、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板を、少なくとも一方の貼り合わせ面の表面粗さをRMSで1nm以下のものを準備して貼り合わせることが好ましい(請求項3)。
このように、貼り合わせる面の表面粗さをRMSで1nm以下とすることで、貼り合わせ面の密着強度を一層向上させることができ、更なる貼り合わせ不良の低減を図ることができる。
このように、貼り合わせる面の表面粗さをRMSで1nm以下とすることで、貼り合わせ面の密着強度を一層向上させることができ、更なる貼り合わせ不良の低減を図ることができる。
また、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の前に、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板の少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を施すことが好ましい(請求項4)。
貼り合わせの前に、基板の少なくとも一方の貼り合わせ面に、プラズマ活性化処理を施すことによって、基板の結合強度を更に強くすることができる。また、プラズマ活性化処理をする場合は、必ずしも高温の結合熱処理をせずとも、結合強度の向上が望める。
貼り合わせの前に、基板の少なくとも一方の貼り合わせ面に、プラズマ活性化処理を施すことによって、基板の結合強度を更に強くすることができる。また、プラズマ活性化処理をする場合は、必ずしも高温の結合熱処理をせずとも、結合強度の向上が望める。
また、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の前に、前記単結晶炭化珪素基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程の前に、350℃以下の温度で熱処理を行い、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を、前記水素イオン注入層にて機械的に剥離する工程とすることが好ましい(請求項5)。
このように350℃以下での熱処理を行っていることで、単結晶基板と多結晶基板の結合強度を強くしているため、水素イオン注入層において単結晶炭化珪素基板を機械的に剥離することができ、よって高温熱処理を行わなくとも単結晶炭化珪素基板を剥離することができる。この場合、前記プラズマ活性化処理を組み合わせるのが一層好ましい。
このように350℃以下での熱処理を行っていることで、単結晶基板と多結晶基板の結合強度を強くしているため、水素イオン注入層において単結晶炭化珪素基板を機械的に剥離することができ、よって高温熱処理を行わなくとも単結晶炭化珪素基板を剥離することができる。この場合、前記プラズマ活性化処理を組み合わせるのが一層好ましい。
また、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を、ワイヤーソーまたはプラズマ放電を用いてスライスする工程とすることが好ましい(請求項6)。
このように、単結晶炭化珪素基板を、上述のような機械的方法でスライスすることによって、単結晶炭化珪素基板を容易な手段によって薄膜化することができ、工程の簡略化を図ることができる。よって、基板の製造コストの低減を図ることができる。
このように、単結晶炭化珪素基板を、上述のような機械的方法でスライスすることによって、単結晶炭化珪素基板を容易な手段によって薄膜化することができ、工程の簡略化を図ることができる。よって、基板の製造コストの低減を図ることができる。
また、前記準備する単結晶炭化珪素基板を、単結晶炭化珪素インゴットをワイヤーソーまたはプラズマ放電を用いて100μm以下の厚さにスライスしたものとすることが好ましい(請求項7)。
準備する単結晶炭化珪素基板を、単結晶炭化珪素インゴットからスライスして厚さを100μm以下とすることで、後の薄膜化工程において、取りしろを少なくすることができ、例えば研磨等の表面処理を行うのみで炭化珪素基板を得ることができ、貼り合わせ面に負荷を掛けない製造方法とすることができる。
準備する単結晶炭化珪素基板を、単結晶炭化珪素インゴットからスライスして厚さを100μm以下とすることで、後の薄膜化工程において、取りしろを少なくすることができ、例えば研磨等の表面処理を行うのみで炭化珪素基板を得ることができ、貼り合わせ面に負荷を掛けない製造方法とすることができる。
また、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程において、貼り合わせ界面に存在する酸化膜の厚さを、10nm以下になるようにすることが好ましい(請求項8)。
このように貼り合わせ面に存在する酸化膜の厚さを10nm以下になるようにすることで、貼り合わせ面において熱伝導度等の物理特性が低下することを防止することができる。
このように貼り合わせ面に存在する酸化膜の厚さを10nm以下になるようにすることで、貼り合わせ面において熱伝導度等の物理特性が低下することを防止することができる。
以上説明したように、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、単結晶炭化珪素基板の厚さを従来に比べ数分の一から数百分の一にまで減少させることができ、よって、従来のように基板のすべてを高額な高品質単結晶炭化珪素で構成する場合に比べて基板コストを大幅に低減させることができる。また、欠陥の少ない高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、デバイス性能の向上および製造歩留りを大きく改選させることができる。
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来に比べてコストを低減させた高品質単結晶炭化珪素基板の製造方法の開発が待たれていた。
前述のように、従来に比べてコストを低減させた高品質単結晶炭化珪素基板の製造方法の開発が待たれていた。
そこで、本発明者らは、実際にデバイスを作製する活性層の厚さは表面から数μm程度であり、その下の部分は機械的な支持部分とみなすことができることに着目し、鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者らは、機械的・物理的特性(熱伝導度など)が単結晶炭化珪素とほとんど同等である多結晶炭化珪素を支持基板として単結晶炭化珪素基板と貼り合わせ、また、貼り合わせる単結晶炭化珪素基板としてマイクロパイプの密度が30個/cm2の単結晶炭化珪素基板を用いることによって、高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、製造歩留りを大きく向上させることができることを発想し、本発明を完成させた。
以下、本発明の炭化珪素基板の製造方法を図1−3を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は本発明の炭化珪素基板の製造方法の工程の一例を示す工程図である。図2、3はそれぞれ本発明の炭化珪素基板の製造方法の工程の他の一例を示す工程図である。
(工程a:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図1(a)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を薄くスライスした単結晶炭化珪素基板12と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
図1は本発明の炭化珪素基板の製造方法の工程の一例を示す工程図である。図2、3はそれぞれ本発明の炭化珪素基板の製造方法の工程の他の一例を示す工程図である。
(工程a:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図1(a)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を薄くスライスした単結晶炭化珪素基板12と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
ここで、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素インゴットまたは厚い単結晶基板をワイヤーソーやプラズマ放電によって100μm以下にスライスして、薄くスライスした単結晶炭化珪素基板12を、単結晶炭化珪素基板として用いることができる。
このように、単結晶炭化珪素インゴットまたは厚い単結晶基板からスライスして厚さを100μm以下としたものを単結晶炭化珪素基板として使用することで、後の薄膜化工程において取りしろを減少でき、例えば、研磨等の表面処理を行うのみで貼り合わせ炭化珪素基板を得ることができ、貼り合わせ面に負荷を掛けない製造方法とすることができる。また、使用する単結晶炭化珪素の量を減少できる。
このように、単結晶炭化珪素インゴットまたは厚い単結晶基板からスライスして厚さを100μm以下としたものを単結晶炭化珪素基板として使用することで、後の薄膜化工程において取りしろを減少でき、例えば、研磨等の表面処理を行うのみで貼り合わせ炭化珪素基板を得ることができ、貼り合わせ面に負荷を掛けない製造方法とすることができる。また、使用する単結晶炭化珪素の量を減少できる。
(工程b:基板の貼り合わせ)
次に、図1(b)に示したように、高品質で薄い単結晶炭化珪素基板12と多結晶炭化珪素基板13とを、貼り合わせ面にて密着させることで、貼り合わせる。
次に、図1(b)に示したように、高品質で薄い単結晶炭化珪素基板12と多結晶炭化珪素基板13とを、貼り合わせ面にて密着させることで、貼り合わせる。
ここで、予め準備する基板の貼り合わせ面の表面粗さをRMSで1μm以下として、準備された基板同士を貼り合わせることができる。
このように、例えば、研磨することによって貼り合わせる面の表面粗さをRMSで1nm以下とすることによって、基板の貼り合わせ面同士の密着強度を向上させることができ、よって、単結晶層と多結晶基板が強固に結合した炭化珪素基板を得ることができる。
このように、例えば、研磨することによって貼り合わせる面の表面粗さをRMSで1nm以下とすることによって、基板の貼り合わせ面同士の密着強度を向上させることができ、よって、単結晶層と多結晶基板が強固に結合した炭化珪素基板を得ることができる。
また、貼り合わせ面に存在する酸化膜厚を10nm以下とするようにして貼り合わせることができる。
このように、貼り合わせ面に存在する酸化膜の厚さを10nm以下になるようにすることで、貼り合わせ面において熱伝導度等の物理的特性が低下することを防止することができる。
貼り合わせ面に酸化膜が存在しないようにするために、単結晶炭化珪素基板や多結晶炭化珪素基板の貼り合わせ面を、表面研磨やエッチング処理した直後に貼り合わせることができるが、もちろんこれに限定されるものではない。
このように、貼り合わせ面に存在する酸化膜の厚さを10nm以下になるようにすることで、貼り合わせ面において熱伝導度等の物理的特性が低下することを防止することができる。
貼り合わせ面に酸化膜が存在しないようにするために、単結晶炭化珪素基板や多結晶炭化珪素基板の貼り合わせ面を、表面研磨やエッチング処理した直後に貼り合わせることができるが、もちろんこれに限定されるものではない。
(工程c:結合熱処理)
ここで、図1(c)に示すように、炭化珪素の昇華点以下の温度で貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。
このように、貼り合わせの後に炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を貼り合わせたものと比較して更に増加させることができる。
ここで、図1(c)に示すように、炭化珪素の昇華点以下の温度で貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。
このように、貼り合わせの後に炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を貼り合わせたものと比較して更に増加させることができる。
(工程d:単結晶炭化珪素基板を薄膜化)
その後、図1(d)に示すように、単結晶炭化珪素基板の部分を薄膜化して、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。薄膜化は、研削、研磨、エッチング等により行うことができる。
その後、図1(d)に示すように、単結晶炭化珪素基板の部分を薄膜化して、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。薄膜化は、研削、研磨、エッチング等により行うことができる。
次に、図2に例示した本発明の炭化珪素基板の製造方法について説明するが、もちろん以下の例示に限定されるものではない。
(工程a’:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図2(a’)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
(工程a’:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図2(a’)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
(工程b’:基板の貼り合わせ)
次に、図2(b’)に示したように、高品質の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13とを、貼り合わせ面にて密着させることで、貼り合わせる。この場合、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板のいずれかの貼り合わせ面に、予め後述するプラズマ活性化処理を施しておいても良い。これにより貼り合わせ強度を向上させることができる。
次に、図2(b’)に示したように、高品質の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13とを、貼り合わせ面にて密着させることで、貼り合わせる。この場合、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板のいずれかの貼り合わせ面に、予め後述するプラズマ活性化処理を施しておいても良い。これにより貼り合わせ強度を向上させることができる。
(工程c’:結合熱処理)
ここで、図1(c)と同様に、図2(c’)に示すように、炭化珪素の昇華点以下の温度で貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。
ここで、図1(c)と同様に、図2(c’)に示すように、炭化珪素の昇華点以下の温度で貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。
(工程d’:単結晶炭化珪素基板の薄膜化)
その後、図2(d’)に示すように、単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の部分を薄膜化して、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。この工程における薄膜化は、ワイヤーソーまたはプラズマ放電によって単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を切断した後に、研削、研磨、エッチング等により切断面の表面粗さを低減させる表面処理を行うことができる。
このように、厚い単結晶炭化珪素基板をワイヤーソーまたはプラズマ放電による機械的方法でスライスすることによって、単結晶炭化珪素基板を容易な手段によって薄膜化することができるため、工程の簡略化を図ることができ、よって、基板の製造コストの低減を図ることができる。
その後、図2(d’)に示すように、単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の部分を薄膜化して、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。この工程における薄膜化は、ワイヤーソーまたはプラズマ放電によって単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を切断した後に、研削、研磨、エッチング等により切断面の表面粗さを低減させる表面処理を行うことができる。
このように、厚い単結晶炭化珪素基板をワイヤーソーまたはプラズマ放電による機械的方法でスライスすることによって、単結晶炭化珪素基板を容易な手段によって薄膜化することができるため、工程の簡略化を図ることができ、よって、基板の製造コストの低減を図ることができる。
図2の工程は、図1の工程とは、主として単結晶炭化珪素基板の準備方法、単結晶炭化珪素基板の薄膜化の手法が異なる。
次に、図3に例示した本発明の炭化珪素基板の製造方法について説明するが、もちろん以下の例示に限定されるものではない。
(工程a’’:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図3(a’’)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
(工程a’’:単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の準備)
まず、図3(a’’)に示すように、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11と多結晶炭化珪素基板13を各々準備する。
(工程b’’:水素イオン注入および基板の貼り合わせ)
次に、図3(b’’)に示したように、高品質の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の表面に水素イオン注入を行って水素イオン注入層16を形成し、その後、単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の水素イオン注入層16を形成した面と多結晶炭化珪素基板13の貼り合わせ面を密着させることで、貼り合わせる。
次に、図3(b’’)に示したように、高品質の単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の表面に水素イオン注入を行って水素イオン注入層16を形成し、その後、単結晶炭化珪素基板またはインゴット11の水素イオン注入層16を形成した面と多結晶炭化珪素基板13の貼り合わせ面を密着させることで、貼り合わせる。
(工程c’’:結合熱処理)
次に、図3(c’’)に示すように、貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。ここでの熱処理は、水素イオン注入層16において単結晶炭化珪素基板またはインゴット11が分離しないように、350℃以下の温度で、熱処理を行うことが好ましい。
このように、貼り合わせの後に350℃以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を貼り合わせたものと比較して更に増加させることができる。
次に、図3(c’’)に示すように、貼り合せた基板に対して熱処理を行うことができる。ここでの熱処理は、水素イオン注入層16において単結晶炭化珪素基板またはインゴット11が分離しないように、350℃以下の温度で、熱処理を行うことが好ましい。
このように、貼り合わせの後に350℃以下の温度で熱処理を行うことで、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の結合強度を貼り合わせたものと比較して更に増加させることができる。
(工程d’’:単結晶炭化珪素基板を薄膜化)
その後、図3(d’’)に示すように、水素イオン注入層16に機械的衝撃を加えることによって単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を薄膜化して、単結晶炭化珪素層14と切り離された単結晶炭化珪素基板またはインゴット15とに分離することによって、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。
その後、図3(d’’)に示すように、水素イオン注入層16に機械的衝撃を加えることによって単結晶炭化珪素基板またはインゴット11を薄膜化して、単結晶炭化珪素層14と切り離された単結晶炭化珪素基板またはインゴット15とに分離することによって、多結晶炭化珪素基板13上に所望厚の単結晶炭化珪素層14が形成されている構造とした、炭化珪素基板10が得られる。
ここで、図3の工程(b’’)において、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板とを張り合わせる前に、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を施すのが好ましい。
このように、貼り合わせの前に、単結晶炭化珪素基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成し、その後少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増した後に、機械的衝撃を水素イオン注入層に行い、単結晶炭化珪素基板の薄膜化を行う、いわゆるSiGen法を用いることもできる。
このSiGen法を用いることによって、基板の結合強度を更に強くすることができ、より確実に機械的剥離に耐えうるほど強固に基板を貼り合わせることができる。
このように、貼り合わせの前に、単結晶炭化珪素基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成し、その後少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増した後に、機械的衝撃を水素イオン注入層に行い、単結晶炭化珪素基板の薄膜化を行う、いわゆるSiGen法を用いることもできる。
このSiGen法を用いることによって、基板の結合強度を更に強くすることができ、より確実に機械的剥離に耐えうるほど強固に基板を貼り合わせることができる。
図3の工程は、図1、2の工程とは、水素イオン注入を行うこと、結合熱処理の温度、単結晶炭化珪素基板の薄膜化の手法が異なる。
もちろん、図2、3の工程において、予め準備する基板の貼り合わせ面の表面粗さをRMSで1μm以下として、準備された基板同士を貼り合わせることができるし、貼り合わせ面に存在する酸化膜厚を10nm以下とするようにして貼り合わせることができることはいうまでもない。
また、図1、2の工程(b)、(b’)において、貼り合わせ前に、単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板の少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を施すこともできる。このとき、該両基板のいずれか一方の貼り合わせ面にのみプラズマ活性化処理を施すようにすることももちろんできる。
このように、プラズマ活性化処理を施した面は、OH基が増加するなどして活性化する。従って、この状態で、当該処理を行った基板の貼り合わせ面を密着させれば、水素結合等により、これらの基板同士をより強固に貼り合わせることができる。そして、必ずしも高温の結合熱処理を行わずとも結合強度の向上を図ることができる。
このように、プラズマ活性化処理を施した面は、OH基が増加するなどして活性化する。従って、この状態で、当該処理を行った基板の貼り合わせ面を密着させれば、水素結合等により、これらの基板同士をより強固に貼り合わせることができる。そして、必ずしも高温の結合熱処理を行わずとも結合強度の向上を図ることができる。
このプラズマ活性化処理においては、真空チャンバ中にRCA洗浄等の洗浄をした被処理基板を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、100W程度の高周波プラズマに5〜30秒程度さらし、表面をプラズマ処理することができる。
そして、図2、3における工程(d’)、(d’’)において、切り離した単結晶炭化珪素基板またはインゴット15は、再利用して、新たな単結晶炭化珪素基板またはインゴットとすることができる。
このように、切り離した単結晶炭化珪素基板またはインゴットを再利用することで、高品質の単結晶炭化珪素基板を有効に利用することができ、単結晶炭化珪素基板が占めるコストを更に低減させることができる。
このように、切り離した単結晶炭化珪素基板またはインゴットを再利用することで、高品質の単結晶炭化珪素基板を有効に利用することができ、単結晶炭化珪素基板が占めるコストを更に低減させることができる。
このように、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、デバイス活性層を単結晶炭化珪素層とし、機械的物性が単結晶炭化珪素とほとんど同等である多結晶炭化珪素基板に支持基板の役割を受け持たせることによって、全体を単結晶炭化珪素で構成した基板と同等に扱うことができる炭化珪素基板を製造することができる。このような構造にした場合、用いる単結晶炭化珪素基板の厚さを従来に比べ数分の一から数百分の一にまで減少させることができ、基板コストを大幅に低減させることができる。
また、マイクロパイプの密度を30個/cm2以下とすることで、欠陥の少ない高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、デバイス性能およびデバイス製造における歩留りを大きく向上させることができ、基板の製造コストを大幅に低減させることができる炭化珪素基板の製造方法とすることができる。
また、マイクロパイプの密度を30個/cm2以下とすることで、欠陥の少ない高品質な単結晶炭化珪素層上にパワーデバイス等の素子を形成することができるため、デバイス性能およびデバイス製造における歩留りを大きく向上させることができ、基板の製造コストを大幅に低減させることができる炭化珪素基板の製造方法とすることができる。
以下、本発明の炭化珪素基板の製造方法について、実施例および比較例によりさらに具体的に説明する。
(実施例)
まず、厚さ1000μm、マイクロパイプの密度が30個/cm2の単結晶炭化珪素基板をワイヤーソーでスライスし厚さ100μmの単結晶炭化珪素基板を準備した。また、多結晶炭化珪素基板を準備した。
次に、スライスした単結晶炭化珪素基板の表面を研磨し、その後、準備した2枚の基板を貼り合わせ、貼り合わせた基板を1100℃で2時間の結合熱処理を行った。
その後、単結晶炭化珪素基板の表面を、層の厚さが80μmになるまで研削・研磨を行って、炭化珪素基板を作製した。
一方、前述した単結晶炭化珪素基板を再利用し、厚さ100μmの単結晶炭化珪素基板をスライスして同様に炭化珪素基板を作成した。このような炭化珪素基板を7枚作製した。
(実施例)
まず、厚さ1000μm、マイクロパイプの密度が30個/cm2の単結晶炭化珪素基板をワイヤーソーでスライスし厚さ100μmの単結晶炭化珪素基板を準備した。また、多結晶炭化珪素基板を準備した。
次に、スライスした単結晶炭化珪素基板の表面を研磨し、その後、準備した2枚の基板を貼り合わせ、貼り合わせた基板を1100℃で2時間の結合熱処理を行った。
その後、単結晶炭化珪素基板の表面を、層の厚さが80μmになるまで研削・研磨を行って、炭化珪素基板を作製した。
一方、前述した単結晶炭化珪素基板を再利用し、厚さ100μmの単結晶炭化珪素基板をスライスして同様に炭化珪素基板を作成した。このような炭化珪素基板を7枚作製した。
このように、一枚の高品質単結晶炭化珪素基板から複数枚の炭化珪素基板を作製することができ、基板全体を高品質単結晶炭化珪素基板で作製するのに比べ7分の1で済むことが分かった。しかも、実施例の炭化珪素基板は、マイクロパイプの密度が30個/cm2で、十分デバイス作製に耐えうるものであることが分かった。
このように、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、炭化珪素基板に占める単結晶炭化珪素基板の割合を減少させることができるため、炭化珪素基板の製造単価を大幅に減少させることができる。よって、炭化珪素基板の製造コストを飛躍的に低減させることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
10…炭化珪素基板、 11…単結晶炭化珪素基板またはインゴット、 12…薄くスライスした単結晶炭化珪素基板、 13…多結晶炭化珪素基板、 14…単結晶炭化珪素層、 15…切り離した単結晶炭化珪素基板またはインゴット、 16…水素イオン注入層。
Claims (8)
- 炭化珪素基板の製造方法であって、
少なくとも、マイクロパイプの密度が30個/cm2以下の単結晶炭化珪素基板と多結晶炭化珪素基板を準備し、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。 - 前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程の前に、炭化珪素の昇華点以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板を、少なくとも一方の貼り合わせ面の表面粗さをRMSで1nm以下のものを準備して貼り合わせることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の前に、前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板の少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を施すことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の前に、前記単結晶炭化珪素基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、
前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程の後、前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程の前に、350℃以下の温度で熱処理を行い、
前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を、前記水素イオン注入層にて機械的に剥離する工程とすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。 - 前記単結晶炭化珪素基板を薄膜化する工程を、ワイヤーソーまたはプラズマ放電を用いてスライスする工程とすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記準備する単結晶炭化珪素基板を、単結晶炭化珪素インゴットをワイヤーソーまたはプラズマ放電を用いて100μm以下の厚さにスライスしたものとすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記単結晶炭化珪素基板と前記多結晶炭化珪素基板とを貼り合わせる工程において、貼り合わせ界面に存在する酸化膜の厚さを、10nm以下になるようにすることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
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