JP2009155140A

JP2009155140A - 単結晶ＳｉＣ膜の製造方法

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Publication number: JP2009155140A
Application number: JP2007332863A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Nakamura; 信彦中村; Toru Matsunami; 徹松浪; Kimito Nishikawa; 公人西川
Original assignee: Ecotron Co Ltd
Current assignee: Ecotron Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP4521588B2

Abstract

【課題】単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を当接させた状態で熱処理を行うことで単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法において、単結晶ＳｉＣ基板と多結晶ＳｉＣ基板との位置ずれを抑制して単結晶ＳｉＣ基板の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法を提供する。
【解決手段】単結晶ＳｉＣ基板と炭素原料供給板とを含む積層構造を容器６ａ内に収納し、この容器６ａを密閉容器７内に収納して熱処理を行う。この際、容器６ａにおける上記積層構造を収容したときに単結晶ＳｉＣ基板４および炭素原料供給板１ａ，１ｂの面内方向に平行な方向の内形寸法と、単結晶ＳｉＣ基板４および炭素原料供給板１ａ，１ｂにおける容器６ａに収容したときに上記内形寸法の方向に平行な方向の外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶ＳｉＣ膜の製造方法に関するものである。

ＳｉＣ（炭化ケイ素；シリコンカーバイト）は、（ｉ）耐熱性、機械的強度に優れている、（ｉｉ）放射線に強い、（ｉｉｉ）不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御を容易に行える、（ｉｖ）禁制帯幅が広い、といった特性を備えていることなどから、次世代のパワーデバイス、高周波デバイス用の半導体材料として期待されている。

しかしながら、単結晶ＳｉＣ基板には、熱の影響によって基底面転位、螺旋転位、マイクロパイプ等の結晶欠陥が内在しやすく、また、核生成に起因する結晶粒界が発生しやすいという問題がある。

このため、ＳｉＣエピタキシャル成長法として現在主流である気相成長法で単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣからなる活性層を生成すると、単結晶ＳｉＣ基板に内在する結晶欠陥等が活性層に伝播してしまうという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１〜３には、単結晶ＳｉＣ基板と多結晶ＳｉＣ基板との間に金属Ｓｉ（シリコン）融液を介在させた状態で熱処理を行うことによって単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル技術（以降、ＭＳＥ（Metastable Solvent Epitaxy；準安定溶媒エピタキシャル法）法という）が開示されている。なお、特許文献１〜３に開示されている単結晶ＳｉＣの生成方法は、マイクロパイプ欠陥を抑制した、平坦度の高い単結晶ＳｉＣを実現でき、しかも成長速度が速いという利点を有している。
ＷＯ２００２／０９９１６９号公報（公開日：２００２年１２月１２日）特開２００５−１２６２４８号公報（公開日：２００５年５月１９日）特開２００５−１２６２４９号公報（公開日：２００５年５月１９日）

しかしながら、上記特許文献１〜３の技術では、単結晶ＳｉＣ基板と多結晶ＳｉＣ基板との間に挟持される金属Ｓｉ融液は構造的に不安定なので、成長過程において単結晶ＳｉＣ基板と多結晶ＳｉＣ基板との位置ずれが発生し、単結晶ＳｉＣの成長領域が不均一になって単結晶ＳｉＣの基板面に単結晶ＳｉＣ膜が形成されない未形成領域が生じるという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単結晶ＳｉＣ基板と炭素原料供給板とを含む積層構造を容器内に収納し、上記単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を当接させた状態で熱処理を行うことにより、上記単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法であって、単結晶ＳｉＣ基板と多結晶ＳｉＣ基板との位置ずれを抑制して単結晶ＳｉＣ基板の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法を提供することにある。

本発明の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法は、上記の課題を解決するために、少なくとも単結晶ＳｉＣ基板と炭素原料供給板とを含む積層構造を第１容器内に収納し、この第１容器を、内部を密閉することが可能な第２容器内に収納し、上記単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を当接させた状態で熱処理を行うことにより、上記単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法であって、上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にすることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を２．０ｍｍ以下にすることにより、Ｓｉ融液層によって積層構造を構成する各部材の積み重ね状態が不安定になっても、第１容器によって単結晶ＳｉＣ基板および炭素原料供給板の面内方向への移動を規制し、単結晶ＳｉＣ基板および炭素原料供給板の位置ずれを抑制できる。これにより、単結晶ＳｉＣ基板の略全面に、未成長領域を生じさせることなく単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。また、上記の差を０．５ｍｍ以上にすることにより、上記積層構造を第１容器に容易に収納することができる。また、熱処理によって単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを抑制できる。

また、上記の差を１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にしてもよい。

上記の構成によれば、上記積層構造の第１容器内への収納をさらに容易にすることができる。また、単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを確実に防止することができる。

また、上記積層構造は、単結晶ＳｉＣ基板における一方の面側に配置された第１の炭素原料供給板と単結晶ＳｉＣ基板における一方の面側に配置された第２の炭素原料供給板とを有する構成であってもよい。

上記の構成によれば、単結晶ＳｉＣ基板の両面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。

また、上記積層構造は、上記単結晶ＳｉＣ基板と上記炭素原料供給基板との間にＳｉ板が挿入された構造であってもよい。

上記の構成によれば、熱処理によってＳｉ板の一部または全部を融解させることにより、単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を容易に当接させることができる。また、上記特許文献１〜３のように積層構造の外形寸法と第１容器の内形寸法との差が大きい場合に比べて、成長雰囲気に晒されるＳｉ融液の表面積を小さくできるので、Ｓｉの蒸発量を抑制することができ、均一な結晶を有する単結晶ＳｉＣ膜を長時間にわたって安定して成長させることができる。

また、上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記Ｓｉ板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を、上記第１容器の内形寸法と上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の外径寸法との差についての上記数値範囲と同じ範囲内にしてもよい。

上記の構成によれば、Ｓｉ板の一部が融解して積層構造を構成する各部材の積み重ね状態が不安定になっても、第１容器によって単結晶ＳｉＣ基板、炭素原料供給板、およびＳｉ板の面内方向への移動を規制し、これら各部材同士の位置ずれを抑制できる。これにより、単結晶ＳｉＣ基板上に生成される単結晶ＳｉＣ膜の均一性をさらに高めることができる。

また、上記第１容器として、カーボンからなる容器を用いてもよい。上記の構成によれば、熱処理時に容器が変形したり単結晶ＳｉＣ膜の成長に悪影響を及ぼしたりすることを防止し、単結晶ＳｉＣ膜を適切に成長させることができる。

以上のように、本発明の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法は、上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にする。

これにより、単結晶ＳｉＣ基板の略全面に、未成長領域を生じさせることなく単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。また、上記積層構造を第１容器に容易に収納することができる。また、熱処理によって単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを抑制できる。

本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる単結晶ＳｉＣ膜の製造工程を説明するための説明図である。

この図に示すように、本実施形態では、まず、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、スペーサー３ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、スペーサー３ｂ、炭素原料供給板１ｂ、重石５を下から上に向かって積層した積層構造を容器（第１容器）６ａに収容し、上記積層構造を収容した容器６ａを密閉容器（第２容器）７に収納して密閉容器７内を密閉した。

炭素原料供給板１ａは、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４の表面（主に下面）に炭素を供給するためのものである。本実施形態では炭素原料供給板１ａとして多結晶ＳｉＣ基板の表面を鏡面に研磨加工し、表面に付着した油類、酸化膜、金属等を洗浄等によって除去したものを用いた。ただし、炭素原料供給板１ａの材質は、これに限るものではなく、単結晶ＳｉＣ基板４の表面に炭素を供給できるものであればよい。例えば、炭素基板、ポーラスＳｉＣ基板、焼結ＳｉＣ基板、非晶質ＳｉＣ基板などを用いてもよい。

Ｓｉ（シリコン）板２ａは、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４の表面（主に下面）にＳｉ融液層を形成するためのものである。

スペーサー３ａは、単結晶ＳｉＣ基板４とＳｉ板２ａとの間隔を規定し、それによって熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４とＳｉ板２ａとの間に形成されるＳｉ融液層の厚さ（単結晶ＳｉＣ基板１１および炭素原料供給板２４の基板面に垂直な方向の厚さ）を規定するものである。これにより、単結晶ＳｉＣの成長膜（単結晶ＳｉＣエピタキシャル膜）の厚さを成長面全面に亘って均一にできるようになっている。

単結晶ＳｉＣ基板４としては、従来から公知の単結晶ＳｉＣ基板（例えば市販されている単結晶ＳｉＣ基板など）を用いることができる。本実施形態では、＜１１−２０＞方向に８°のｏｆｆ角を設けた４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた。なお、本実施形態では、単結晶ＳｉＣ膜を形成する前に単結晶ＳｉＣ基板４における単結晶ＳｉＣ膜を形成する側の面をＣＭＰ法（化学的機械研磨法）によって平坦化処理し、研磨痕などを除去した。

Ｓｉ板２ｂは、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４の表面（主に上面）にＳｉ融液層を形成するためのものである。

スペーサー３ｂは、Ｓｉ板２ｂと炭素原料供給板１ｂとの間隔を規定するものである。

炭素原料供給板１ｂは、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４の表面（主に上面）に炭素を供給するためのものである。炭素原料供給板１ｂとしては、炭素原料供給板１ａと同様のものを用いることができる。本実施形態では炭素原料供給板１ｂとして、炭素原料供給板１ａと同様、多結晶ＳｉＣ基板の表面を鏡面に研磨加工し、表面に付着した油類、酸化膜、金属等を洗浄等によって除去したものを用いた。

重石５は、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、スペーサー３ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、スペーサー３ｂ、炭素原料供給板１ｂに適度な荷重を付与することにより、Ｓｉ板２ａと単結晶ＳｉＣ基板４との間隔、およびＳｉ基板２ｂと炭素原料供給板１ｂとの間隔をスペーサーの厚さに制御するためのものである。本実施形態では、重石５としてカーボンからなるブロックを用いた。ただし、重石５の材質はこれに限るものではなく、熱処理時の変形量が無視できる程度である材質であればよい。例えば、Ｔａなどの高融点金属を用いてもよい。

容器（サセプタ）６ａは、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、スペーサー３ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、スペーサー３ｂ、炭素原料供給板１ｂ、重石５を下から上に向かって積層したものを収容するとともに、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４と他の材料との水平方向についての相対位置がずれることを抑制するためのものである。なお、本実施形態では、容器６ａとしてカーボン製のものを用いた。ただし、容器６ａの材質はこれに限るものではなく、熱処理時の変形量が無視できる程度である材質であればよい。例えば、Ｔａなどの高融点金属を用いてもよい。また、本実施形態では、容器６ａとして上面が開口しているものを用いたが、これに限らず、容器６ａの上面に容器６ａ内を密閉するための蓋（図示せず）を設けてもよい。

密閉容器７は、容器６ａを収容してこの密閉容器７の内部を密閉し、熱処理時に蒸発したＳｉによって密閉容器７の内部を単結晶ＳｉＣ板４の表面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させるための成長雰囲気に保持するためのものである。具体的には、密閉容器７は、容器本体７ａと蓋７ｂとを備えており、蓋７ｂを閉めることによって内部を密閉できるようになっている。本実施形態では、密閉容器７としてカーボン製のものを用いた。ただし、密閉容器７の材質はこれに限るものではなく、例えばＴａなどの高融点金属を用いてもよい。また、密閉容器７の形状およびサイズは、熱処理時に容器内を単結晶ＳｉＣ膜の成長雰囲気に保つことができる形状およびサイズであればよい。

なお、本実施形態では、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、炭素原料供給板１ｂ、および重石５として、基板面法線方向から見た形状が一辺２０ｍｍの正方形になるように切断加工したものを用い、これら各材料の面内方向の周縁部（端部）が鉛直方向に揃うように積み重ねた。また、容器６ａとして、開口部の形状が一辺２１ｍｍの正方形であるものを用いた。

ただし、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、炭素原料供給板１ｂ、および重石５の形状および寸法はこれに限るものではない。例えば、単結晶ＳｉＣ基板４として市販のものを用い、この単結晶ＳｉＣ基板４の形状に合わせたものを用いてもよい。また、容器６ａの形状および寸法は、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、および炭素原料供給板１ｂ（以下、成長材料と称する）の積層構造の形状および寸法に応じて、この積層構造の容器６ａへの出し入れを行うことができ、かつ熱処理時にＳｉが溶解した状態において各成長材料同士の位置ずれを許容範囲内に抑制できるように適宜設定すればよい。具体的には、容器６ａの形状および寸法は、上記積層構造（上記各成長材料）の周縁部（基板面法線方向から見た周縁部）の外形寸法と当該外形寸法の方向に平行な方向の容器６ａの内形寸法との差が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下となるように設定すればよい。

また、本実施形態では、スペーサー３ａ，３ｂとして、多結晶ＳｉＣ板を単結晶ＳｉＣ基板４の基板面に平行な断面が一辺５ｍｍの正方形になるように切断加工し、厚さ（単結晶ＳｉＣ基板４の基板面法線方向の厚さ）が３０μｍ±１０μｍになるように機械研磨したものを用いた。なお、スペーサー３ａ，３ｂの断面形状および断面寸法はこれに限るものではなく、単結晶ＳｉＣ基板４とＳｉ板２ａとの間隔およびＳｉ基板２ｂと炭素原料供給板１ｂとの間隔を適切に規定できる形状および寸法であればよい。また、スペーサー３ａ，３ｂの厚さについても上記の厚さに限るものではなく、これら各スペーサーと同じ層に形成されるＳｉ融液層の所望厚さに応じて適宜設定すればよい。ただし、単結晶ＳｉＣ膜の成長速度を速めるためには、１００μｍ以下であることが好ましい。また、スペーサー３ａの材質は多結晶ＳｉＣに限るものではなく、熱処理時の変形量が無視できる程度である材質であればよい。例えば、Ｔａなどの高融点金属や、カーボンなどを用いてもよい。

次に、単結晶ＳｉＣ膜の製造工程について説明する。まず、上記のように、炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、スペーサー３ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、スペーサー３ｂ、炭素原料供給板１ｂ、重石５を下から上に向かって積層したものを、容器（サセプタ）６ａ内に収容し、さらにこの容器６ａを密閉容器７内に収容してこの密閉容器７内を密閉した。

次に、密閉容器７の内部を１×１０^−２Ｐａ以下の圧力まで減圧した後（真空引きを行った後）、この圧力状態を保持して密閉容器７内の温度を図示しない加熱手段（昇温速度および降温速度をプログラム制御可能な温度調節器）によって所定の成長温度（本実施形態では１８００℃）まで２０℃／分で昇温させた。そして、所定の成長温度に到達した後、この温度状態を３０分間維持した。そして、３０分間経過後、密閉容器７内の温度を１４２０℃まで２０℃／分で降温させた。１４２０℃から室温までは自然冷却した。これにより、単結晶ＳｉＣ基板４の両面に、２０μｍ〜３０μｍの単結晶ＳｉＣ膜（４Ｈ−ＳｉＣＳｉＣエピタキシャル膜）を形成できた。

次に、容器６ａの内形寸法と各成長材料（各炭素原料供給板、各Ｓｉ板、および単結晶ＳｉＣ基板）の積層構造の外径寸法の差と、熱処理時における成長材料同士の位置ずれの抑制効果との関係について調べた実験結果について説明する。

図２は、内形寸法が異なる複数種類の容器６ａを用いることにより、容器６ａの内形寸法と上記積層構造の外形寸法との差（容器６ａの内形寸法とこの内形寸法の計測位置に対応する位置の上記各成長材料の外形寸法との差）を変化させた場合の、成長材料同士の位置ずれの程度、および単結晶ＳｉＣ膜の成長状況を調べた結果を示す説明図である。なお、容器６ａの形状および寸法が異なる以外は、上記した条件と同様である。

この図に示すように、容器６ａの内形寸法と上記積層構造（上記各成長材料）の外径寸法との差が０．５ｍｍ未満の場合、成長部材を容器６ａに収納する際、滑らかに挿入することが困難であった。また、上記の差が０．５ｍｍ未満の場合、成長時（熱処理時）に単結晶ＳｉＣ基板４に割れが発生してしまった。

また、上記の差が０．５ｍｍの場合、成長部材を容器６ａに収納する際、やや挿入しにくかったものの問題なく収容できた。また、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４に稀に割れが発生してしまったものの、割れ発生の頻度は実用上問題ない程度であった。また、上記の差が０．５ｍｍの場合、熱処理時における上記成長材料同士の位置ずれを０．５ｍｍ以下に抑制することができ、単結晶ＳｉＣ基板４の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができた。

また、上記の差が１．０ｍｍ以上の場合、成長部材を容器６ａに収納する際、容易に挿入できた。特に、上記の差が２．０ｍｍ以上の場合には極めて容易に挿入できた。また、上記の差が１．０ｍｍ以上の場合には熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４の割れは発生しなかった。

また、上記の差が１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの場合、熱処理時における成長材料同士の位置ずれをそれぞれ０．７±０．１ｍｍ、１．０±０．２ｍｍ、１．５±０．３ｍｍに抑制することができ、単結晶ＳｉＣ基板４の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができた。

また、上記の差が２．５ｍｍの場合、成長部材同士の位置ずれが２．０ｍｍ以上となり、単結晶ＳｉＣ基板４上に未成長領域が若干生じてしまった。

また、上記の差が３．０ｍｍ以上の場合、成長部材同士の位置ずれが２．５ｍｍ以上となり、単結晶ＳｉＣ基板４上に未成長領域が多数生じてしまった。

これらの実験結果から、容器６ａ内への上記積層構造の収納を容易に行うとともに、単結晶ＳｉＣ基板４に割れを生じさせないためには、上記の差を０．５ｍｍ以上にすることが好ましく、１．０ｍｍ以上にすることがより好ましいことがわかる。また、成長部材同士の位置ずれを抑制して単結晶ＳｉＣ基板４の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させるためには、上記の差を２．０ｍｍ以下にすることが好ましいことがわかる。

以上のように、本実施形態では、単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ａ，１ｂとを含む積層構造をこの積層構造に応じた形状を有する容器６ａに収納し、さらにこの容器６ａを密閉容器７に収納して熱処理を行うことにより、上記単結晶ＳｉＣ基板４の表面にＳｉ融液層を当接させた状態（単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ａとの間、および単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ｂとの間にＳｉ融液層を介在させた状態）で熱処理を行い、上記単結晶ＳｉＣ基板４上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法であって、容器６ａにおける上記積層構造を収容したときに単結晶ＳｉＣ基板４および炭素原料供給板１ａ，１ｂの面内方向に平行となる方向の内形寸法と、単結晶ＳｉＣ基板４および炭素原料供給板１ａ，１ｂにおける容器６ａに収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にする。

これにより、容器６ａ内への上記積層構造の収納を容易に行うとともに、単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを抑制しつつ、積層構造を構成する成長部材同士の位置ずれを抑制して単結晶ＳｉＣ基板の基板面の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。

つまり、上記特許文献１〜３の技術では、容器と各成長材料との間隔が広かったので、熱処理時にＳｉ板が融解すると、Ｓｉ板の体積や様態が大きく変化するため、各成長部材を積み重ねた状態が不安定になり、成長部材同士の位置ずれが大きくなる結果、単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜の未成長領域が多数生じてしまっていた。

これに対して、本実施形態では、上記の差を２．０ｍｍ以下にすることにより、Ｓｉ板が融解して各成長部材を積み重ねた状態が不安定になっても、容器６ａによって各成長部材の面内方向（基板面平行方向）への移動を規制して成長部材同士の位置ずれを抑制できる。これにより、単結晶ＳｉＣ基板の略全面に、未成長領域を生じさせることなく単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。

また、上記の差を０．５ｍｍ以上にすることにより、単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを抑制できる。なお、単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを確実に防止するためには、上記の差を１．０ｍｍ以上にすることが好ましい。

また、本実施形態では、容器６ａの内形寸法と積層構造を構成する各成長材料（各炭素原料供給板、単結晶ＳｉＣ基板４、各Ｓｉ基板）の外径寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にしているが、これに限らず、少なくとも、容器６ａの内形寸法と、熱処理を行う前の単結晶ＳｉＣ基板４および炭素原料供給板１ａ，１ｂにおける外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にすれば、単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ａ，１ｂとの位置ずれを抑制し、単結晶ＳｉＣ基板の略全面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させることができる。また、単結晶ＳｉＣ基板４における上記の差を１．０ｍｍ以上にすることにより、単結晶ＳｉＣ基板に割れが生じることを確実に防止できる。

また、容器６ａの内形寸法と各成長材料と外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にすることにより、融解したＳｉを容器内に留まらせるとともに、成長雰囲気に晒されるＳｉ融液の表面積を小さくできるので、Ｓｉの蒸発量を抑制できる。これにより、均一な結晶を有する単結晶ＳｉＣ膜を安定して成長させることができる。

また、本実施形態では、単結晶ＳｉＣ基板４の両面に単結晶ＳｉＣ膜を成長させる構成について説明したが、これに限らず、単結晶ＳｉＣ基板４の片面のみに単結晶ＳｉＣ膜を成長させる構成としてもよい。また、上記積層構造の構成は図１に示した構成に限るものではない。例えば、単結晶ＳｉＣ基板４の下面側のみに単結晶ＳｉＣ膜を成長させる場合には、単結晶ＳｉＣ基板４よりも上段側に備えられる炭素原料供給板１ｂおよびＳｉ板２ｂの両方または片方を省略してもよい。また、単結晶ＳｉＣ基板４の上面側のみに単結晶ＳｉＣ膜を成長させる場合には、単結晶ＳｉＣ基板４よりも下段側に備えられる炭素原料供給板１ａおよびＳｉ板２ａの両方または片方を省略してもよい。また、単結晶ＳｉＣ基板４における一方の面のみに単結晶ＳｉＣ膜を成長させる場合、成長させる面は上面側であっても下面側であってもよい。

また、各成長材料（炭素原料供給板１ａ、Ｓｉ板２ａ、単結晶ＳｉＣ基板４、Ｓｉ基板２ｂ、炭素原料供給板１ｂ）およびスペーサー３ａ，３ｂを積み重ねる順序は上記した例に限るものではなく、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４における単結晶ＳｉＣ膜を成長させる面とそれに対向する部材との間にＳｉ融液が介在する構成であればよい。

また、本実施形態ではＳｉ板２ａと単結晶ＳｉＣ基板４との間にスペーサー３ａを配置し、Ｓｉ板２ｂと炭素原料供給板１ｂとの間にスペーサー３ｂを配置しているが、スペーサー３ａ，３ｂの配置はこれに限るものではない。例えば、スペーサー３ａを炭素原料供給板１ａとＳｉ板２ａとの間に配置してもよい。また、スペーサー３ｂを単結晶ＳｉＣ基板４とＳｉ板２ｂとの間に配置してもよい。また、スペーサー３ａ，３ｂの一方または両方を省略してもよい。

また、本実施形態では、単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ａとの間、および単結晶ＳｉＣ基板４と炭素原料供給板１ｂとの間にＳｉ板２ａ，２ｂを配置しているが、これに限らず、熱処理時に単結晶ＳｉＣ基板４における単結晶Ｓｉ膜の生成面にＳｉを供給できる構成であればよい。

また、Ｓｉ板２ａ，２ｂは、例えば炭素原料供給板１ａ，１ｂ上に形成されたＳｉ膜であってもよい。なお、本明細書における板という表現には膜状の部材も含まれる。

また、本実施形態では、成長温度に保持する時間を３０分間としたが、これに限るものではなく、必要とする単結晶ＳｉＣ膜の膜厚に応じて適宜設定すればよい。なお、実験により、保持時間が１０分以上６０分以下の範囲内において均一な結晶を有する単結晶ＳｉＣ膜を安定して形成できることを確認した。

また、上記所定の成長温度は、Ｓｉの融点である１４２０℃以上であれば特に限定されるものではないが、ＳｉＣエピタキシャル膜を効率的かつ安定して成長させるためには１５００℃以上２３００℃以下の範囲内であることが好ましい。

また、本実施形態では、熱処理前に密閉容器７の内部を１×１０^−２Ｐａ以下の圧力まで減圧した。これにより、密閉容器７内の大気成分を容器外に排出して清浄な雰囲気にすることができる。なお、本実施形態では、真空（１×１０^−２Ｐａ以下）雰囲気中で熱処理を行ったが、これに限らず、例えば、密閉容器７の内部を１×１０^−２Ｐａ以下の圧力まで減圧した後、Ｓｉの蒸発を抑制するためにＡｒなどの不活性ガスを容器内に導入してから大気圧以下の不活性ガス雰囲気中で熱処理を行ってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、単結晶ＳｉＣ基板と炭素原料供給板とを含む積層構造を密閉容器内に収納し、上記単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を当接させた状態で熱処理を行うことにより、上記単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法に適用できる。本発明の製造方法によって生成された単結晶ＳｉＣ膜は、結晶欠陥等が少なく、均一性が高いので、例えば、発光ダイオード、各種半導体ダイオード、各種電子デバイス等に好適に用いることができる。

本発明の一実施形態にかかる単結晶ＳｉＣ膜の製造工程を説明するための説明図である。本発明の一実施形態にかかる単結晶ＳｉＣ膜の製造工程において、容器の内形寸法と成長材料の外形寸法との差を変化させた場合の、成長材料同士の位置ずれの程度、および単結晶ＳｉＣ膜の成長状況を調べた実験結果を示す説明図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ炭素原料供給板
２ａ，２ｂＳｉ板
３ａ，３ｂスペーサー
４単結晶ＳｉＣ基板
５重石
６ａ容器
７密閉容器
７ａ容器本体
７ｂ蓋

Claims

少なくとも単結晶ＳｉＣ基板と炭素原料供給板とを含む積層構造を第１容器内に収納し、この第１容器を、内部を密閉することが可能な第２容器内に収納し、上記単結晶ＳｉＣ基板の表面にＳｉ融液層を当接させた状態で熱処理を行うことにより、上記単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる単結晶ＳｉＣ膜の製造方法であって、
上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にすることを特徴とする単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。
上記の差を１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。
上記積層構造は、単結晶ＳｉＣ基板における一方の面側に配置された第１の炭素原料供給板と単結晶ＳｉＣ基板における一方の面側に配置された第２の炭素原料供給板とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。
上記積層構造は、上記単結晶ＳｉＣ基板と上記炭素原料供給基板との間にＳｉ板が挿入された構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。
上記第１容器における上記積層構造を収容したときに上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の面内方向に平行となる方向の内形寸法と、上記Ｓｉ板における上記第１容器に収容したときに上記内形寸法の方向に平行となる方向の外形寸法との差を、上記第１容器の内形寸法と上記単結晶ＳｉＣ基板および上記炭素原料供給板の外径寸法との差についての上記数値範囲と同じ範囲内にすることを特徴とする請求項４に記載の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。
上記第１容器として、カーボンからなる容器を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の単結晶ＳｉＣ膜の製造方法。