JP2010083681A - 炭化ケイ素単結晶の製造方法及び真空チャック - Google Patents

Abstract

【課題】改良レーリー法により炭化ケイ素単結晶を製造するときに、種結晶のマイクロパイプ欠陥及びボイド欠陥を共に抑制し、これにより品質の高い炭化ケイ素単結晶を製造することのできる炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】結晶成長させる種結晶１００には、成長端面１００ａを有するものを用いる。この成長端面１００ａを有する種結晶１００を炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に設置するに先立って、種結晶１００の成長端面１００ａを真空チャック１で保持しつつ、種結晶１００の裏面１００ｂにスピンコートで保護膜２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素単結晶の製造方法及びこの製造方法に直接使用する真空チャックに関する。

炭化ケイ素は、ケイ素に比べて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ていることから、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注目されている。

この炭化ケイ素単結晶を製造する方法には、ＳｉＣ単結晶ウェハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている（非特許文献１）。この改良レーリー法は、単結晶製造装置の反応容器に炭化ケイ素の原料を収容するとともに、炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置して、この炭化ケイ素原料の加熱して昇華させ、この昇華させた炭化ケイ素を種結晶の表面上で再結晶させて、結晶成長させる方法である。この方法では、種結晶を用いるために結晶の核生成過程が制御でき、また、不活性ガスで雰囲気圧力を１００Ｐａから１５ｋＰａ程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性よくコントロールできる。現在、上記の改良レーリー法で作成したＳｉＣ単結晶から、口径２インチから３インチのＳｉＣ単結晶ウェハが切り出され、エピタキシャル薄膜成長やデバイス作成に供されている。

しかしながら、これらのＳｉＣ単結晶ウェハには、成長方向に貫通する直径数μｍのピンホール欠陥（マイクロパイプ欠陥）が５０〜２００個／ｃｍ^２程度含まれることがあった。また、ＳｉＣ単結晶を製造するに際しては、単結晶製造装置の黒鉛製るつぼの蓋部に種結晶を固定して結晶成長をさせるが、この黒鉛製坩堝の蓋部と種結晶の裏面との間には空隙が形成されていることがあり、この空隙から種結晶のＳｉ原子が昇華する結果、種結晶にはマクロ欠陥と呼ばれるＳｉ原子が抜けた穴（ボイド）状の欠陥が存在することがあった。これらのマイクロパイプ欠陥やマクロ欠陥は、結晶成長させる単結晶の品質に悪影響を及ぼし、結晶品質を劣化させ、また単結晶の歩留まりを低下させてしまう。

このマクロ欠陥を抑制する方法に関して、結晶成長をさせる前の種結晶の裏面に有機薄膜を被覆させることがある（特許文献１）
Yu.M.Taiyov and V.F.Tsvetk of, Journal of Crystal Growth, vol.52(1981) pp.146-150 特開２００３−２２６６００号公報

しかしながら、特許文献２に記載された、結晶成長をさせる前の種結晶の裏面に有機薄膜を被覆させる方法では、種結晶の裏面に生ずるマクロ欠陥（ボイド）については抑制することが可能であるが、マイクロパイプ欠陥については十分に抑制することが困難であった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、改良レーリー法により炭化ケイ素単結晶を製造するときに、種結晶のマイクロパイプ欠陥及びボイド欠陥を共に抑制し、これにより品質の高い炭化ケイ素単結晶を製造することのできる炭化ケイ素単結晶の製造方法を、その製造方法に直接使用する真空チャックと共に提供することを目的とする。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に昇華用原料を収容すると共にこの昇華用原料に略対向して炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、加熱により昇華させた昇華用原料を種結晶の表面上で再結晶させて炭化ケイ素単結晶を結晶成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、種結晶は、昇華用原料に対向させる側に成長端面を有するものであり、この成長端面を有する種結晶を炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に設置するに先立って、種結晶の成長端面を真空チャックで保持しつつ、種結晶の裏面に保護膜を形成することを特徴とすることを特徴とする。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法に直接使用することのできる真空チャックは、種結晶よりも小さい直径を有する円盤部と、この円盤部の下面の直径方向中央部に形成された回転軸部と、円盤部の厚さ方向に貫通する排気孔と、円盤部の上面の外周縁に沿って立設された周壁部と、この周壁部の先端部に突設され種結晶の成長端面と当接する環状弾性支持体とを有するものであることが好ましい。

また、この真空チャックにおいて、環状弾性支持体の直径は、種結晶の直径の７０％以上であることが好ましい。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、種結晶のマイクロパイプ欠陥及びマクロ欠陥を共に抑制することができ、これにより、高品質の炭化ケイ素単結晶を製造することが可能となる。

本発明の真空チャックによれば、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施する際に、成長端面を有する種結晶を確実に保持することができ、これにより当該種結晶にスピンコートによる保護膜を形成することが可能となる。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、昇華用原料に対向させる側に成長端面を有するものであることを構成要件の一つとする。炭化ケイ素単結晶の結晶成長に用いられる種結晶は、それ自体が結晶成長により作成されたものであり、塊状の炭化ケイ素単結晶から厚さ方向に層をなすように互いに平行に複数枚の薄板に切り出されたものである。このような塊状の炭化ケイ素単結晶から切り出された複数枚の薄板状の種結晶のうち、最表面側の種結晶は、塊状であったときの炭化ケイ素単結晶の成長端面を有している。このような成長端面を有している炭化ケイ素の種結晶は、それ以外の薄板状の種結晶と比べると、切出し加工時に導入されることのある加工歪の影響が小さい等の理由から、炭化ケイ素単結晶用の種結晶に用いると、マイクロパイプ欠陥が少ない高品質な炭化ケイ素単結晶を製造することができる。

しかしながら、成長端面を有する種結晶を用いただけでは、結晶成長時に種結晶の裏面に生ずることのあるマクロ欠陥を抑制することは困難である。そこで、この成長端面を有する種結晶の裏面に、保護膜を塗布形成することが考えられる。この塗布形成には、保護膜を薄く、かつ均一に塗布することを考慮すると、スピンコートを用いることが望ましい。

しかしながら、成長端面というのは、凸状の曲面の形状を有している。したがって、成長端面とは反対側の面である種結晶の裏面に、スピンコートにより保護膜を塗布形成するためには、成長端面に過剰な応力を加えることなく、スピンコートのために種結晶を１分間当たり数千回転数で回転させつつ、種結晶を保持することが必要である。しかしながら、従来の技術では、このような成長端面を有する種結晶を高速回転させつつ保持させる技術は存在していなかった。

そこで、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、成長端面を有する種結晶については、炭化ケイ素単結晶の製造装置の容器内に設置するに先立って、種結晶の成長端面を真空チャックで保持しつつ、種結晶の裏面にスピンコートで保護膜を形成する。これを図面を用いてより具体的に説明する。

図１は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施するための真空チャックの一例を模式的に示す垂直断面図である。図１は、種結晶１００が真空チャック１に保持されているところを示している。真空チャック１に保持される種結晶１００は、凸形状の曲面である成長端面１００ａを有している。真空チャック１は、種結晶１００よりも小さい直径を有する円盤部１ａと、この円盤部１ａの下面の直径方向中央部に形成された回転軸部１ｂと、この円盤部１ａの上面の外周縁に沿って立設された周壁部１ｃとを有している。周壁部１ｃの先端部には、周壁部１ｃの内向きに開口した溝１ｄが形成されており、この溝１ｄに環状弾性支持体としてＯリング１ｅが取り付けられている。このＯリング１ｅは、弾性を有する材料、例えばゴムよりなる。

この真空チャック１は、円盤部１ａと周壁部１ｃとにより凹形状をなしている。種結晶１００の裏面１００ｂを上向きにし、成長端面１００ａを下向きにして真空チャック１に保持するとき、周壁部１ｃの先端のＯリング１ｅのみが種結晶１００の成長端面１００ａと当接するようになっている。また、回転軸部１ｂには、回転軸部１ｂ及び円盤部１ａを貫通する排気孔１ｆが形成されている。この排気孔１ｆは、図示しない真空ポンプ等の排気手段に接続される。

この真空チャック１に種結晶１００を、図１に示したように成長端面１００ａを下向きにして載置し、排気孔１ｆに接続した排気手段を作動させると、真空チャック１のＯリング１ｅが種結晶１００の成長端面１００ａと気密に接触し、また、成長端面１００ａと、真空チャック１の円盤部１ａの上面と、周壁部１ｃの内面とで囲まれた空間に負圧が生じる。このことにより、種結晶１００は真空チャック１に吸着保持される。また、この真空チャック１の回転軸部１ｂに図示しない駆動装置を接続することにより、真空チャック１は、種結晶１００を保持した状態で１分間当たり数千回転というスピンコート時の回転速度で回転させることが可能になる。

したがって、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法では、図示した真空チャック１を用いて、種結晶１００の成長端面１００ａを当該真空チャック１で保持しつつ、種結晶１００の裏面１００ｂにスピンコートで保護膜を形成することができる。

また、真空チャック１は、弾性を有するＯリング１ｅを介して真空チャック１に吸着保持されるので、真空チャックの吸着力によって、種結晶１００の成長端面１００ａに歪や疵が導入されることを回避することができる。

以上述べたような真空チャック１を用いて種結晶１００を吸着保持した後、真空チャック１を中心軸の回りに回転させると共に、種結晶１００の裏面１００ｂに、保護膜のコート液２を滴化する。そうすると真空チャック１の回転による遠心力ｆによりコート液２が外周方向に薄く延ばされ、種結晶１００の裏面１００ｂに保護膜が薄く均一に形成される。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法により、マイクロパイプ欠陥の発生が少ない成長端面を有する種結晶の裏面に、マクロ欠陥を防止するための保護膜をスピンコートで形成させることができる。そのため、このような種結晶を用いて結晶成長させ単結晶を製造することにより、マイクロパイプ欠陥及びマクロ欠陥のいずれもが少ない、高品質の炭化ケイ素単結晶を製造することができる。

真空チャック１のＯリング１ｅの直径Ｄ１は、保持する種結晶１００の直径Ｄ２の７０％以上の大きさであることが好ましい。保持する種結晶１００の直径の７０％以上であることにより、スピンコートの高速回転時においても確実に種結晶１００を保持することができる。Ｏリング１ｅの直径Ｄ１が、種結晶１００の直径Ｄ２のほぼ１００パーセントであってもよく、確実に種結晶１００を保持しうる７０％以上の適切な比率を適宜選択することが好ましい。Ｏリング１ｅの材質は、弾性を有するゴムを用いることができるが、ゴムに限定されるものではない。真空チャック１のＯリング１ｅ以外の部分の材質については、特に限定されず、例えばフッ素樹脂などの樹脂製とすることができる。

スピンコート時の真空チャック１の回転速度は、コート液の材料にもよるが、３０００〜８０００ｒｐｍ程度とすることができる。また、スピンコートで塗布するコート液２は、有機樹脂が好ましく、例えばアクリル樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、又は半導体装置を製造する際に用いられるレジストを用いることができる。スピンコートにより形成された保護膜の厚さは、種結晶１００の裏面１００ｂに形成される保護膜として公知の厚さと同程度にすることができ、例えば数μｍ程度とすることができる。

スピンコート後は、種結晶１００の裏面１００ｂに形成された保護膜を乾燥させて固化する。この乾燥処理後に、炭化ケイ素単結晶の製造装置に種結晶１００を取り付け、改良レーリー法により結晶成長させて炭化ケイ素単結晶を得る。

この結晶成長により炭化ケイ素単結晶を得る製造装置の一例を図２を用いて説明する。

図２に炭化ケイ素単結晶の製造装置の一例を模式的な断面図で示す。図２に示す製造装置は、改良レーリー法により炭化ケイ素単結晶を製造する装置であって、黒鉛製るつぼ１０を備えている。この黒鉛製るつぼ１０は、上部の蓋体１１と下部の容器本体１２とからなる。また、黒鉛製るつぼ１０の周側面部１３よりも外周方向に、黒鉛製るつぼ１０の加熱手段として、第１の誘導加熱コイル２０及び第２の誘導加熱コイル２１が、干渉防止コイル２２を挟んで上下方向に並べて設けられている。これらの第１の誘導加熱コイル２０、第２の誘導加熱コイル２１及び干渉防止コイル２２と、黒鉛製るつぼ１０との間には、石英管３０が設けられていて、黒鉛製るつぼ１０はこの石英管３０を介して上記加熱手段により加熱されることになる。また、黒鉛製るつぼ１０の容器本体１２の下端部には、黒鉛製るつぼ１０を支持するための支持棒３１が接続されている。

この製造装置を用いた炭化ケイ素単結晶の成長方法の一例を説明する。黒鉛製るつぼ１０の容器本体１２の内部に昇華用原料４０を収容し、この昇華用原料４０と略対向するように蓋体１１の下面側の中央部に種結晶１００を取り付ける。そして、昇華用原料４０の近傍に配置された第１の誘導加熱コイル２０、種結晶１００の近傍に配置された第２の誘導加熱コイル２１、及び干渉防止コイル２２のそれぞれ電流を流して、黒鉛製るつぼ１０内の昇華用原料４０及び種結晶１００を加熱する。これらのコイルへの投入電流を調整することにより、昇華用原料４０の近傍の温度は昇華用原料４０が昇華する温度に、種結晶１００の近傍の温度は昇華した原料が種結晶の表面上で再結晶する温度に、それぞれ制御する。このような温度制御により、黒鉛製るつぼ１０内で昇華用原料４０は昇華し、この昇華用原料４０に対向する種結晶１００の表面上で再結晶する結果、種結晶１００の厚さ方向及び径方向に結晶成長して炭化ケイ素単結晶が得られる。そして、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、上述したように種結晶１００について、成長端面１００ａを有し、かつ、裏面１００ｂに保護膜を有するから、マイクロパイプ欠陥及びマクロ欠陥が共に少ない、高品質な炭化ケイ素単結晶が製造できる。

このような製造装置を用いた炭化ケイ素単結晶の結晶成長においては、昇華用原料は、炭化ケイ素であればよく、原料の結晶の多型、使用量、純度、原料の製造方法等については特に制限されず、製造する炭化ケイ素単結晶の使用目的等に応じて適宜選択することができる。

上記昇華用原料の結晶の多型には、例えば、４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒ，３Ｃなどが挙げられ、これらの中でも６Ｈなどが好適に挙げられる。これらは、１種単独で使用されるのが好ましいが、２種以上併用されてもよい。

昇華用原料の使用量は、製造する炭化ケイ素単結晶の大きさ、坩堝の大きさ等に応じて適宜選択することができる。

昇華用原料の純度は、製造する炭化ケイ素単結晶中への多結晶や多型の混入を可能な限り防止する観点からは、純度の高いことが好ましく、具体的には、不純物元素の各含有量が０．５ｐｐｍ以下であるのが好ましい。

昇華用原料は、粉体であってもよく、また、その粉体を焼結した固形体であってもよい。また、炭化ケイ素粉末は、大きさが不均一であるため、解粉、分級等を行うことにより所望の粒度にすることができる。炭化ケイ素粉末の平均粒径としては、粉体を昇華用原料に用いる場合、１０〜７００μｍが好ましく、１００〜４００μｍがより好ましい。平均粒径が１０μｍ未満であると、炭化ケイ素単結晶を成長させるための炭化ケイ素の昇華温度、即ち１８００℃〜２７００℃で速やかに焼結を起こしてしまうため、昇華表面積が小さくなり、炭化ケイ素単結晶の成長が遅くなることがあり、また、炭化ケイ素粉末を坩堝へ収容させる際や、成長速度調整のために再結晶雰囲気の圧力を変化させる際に、炭化ケイ素粉末が飛散し易くなる。一方、平均粒径が５００μｍを超えると、炭化ケイ素粉末自身の比表面積が小さくなるため、やはり炭化ケイ素単結晶の成長が遅くなることがある。

炭化ケイ素単結晶の製造装置のるつぼ内における昇華用原料の加熱温度、種結晶の加熱温度、るつぼ内の雰囲気及び圧力については特に限定されない。炭化ケイ素単結晶を製造するために通常用いられる製造条件を適用することが可能である。

図１に示した真空チャック１に、Ｏリング１ｅを介して炭化ケイ素の成長端面１００ａを有する種結晶１００を真空保持し、回転速度３０００ｒｐｍにて種結晶１００の裏面１００ｂに、スピンコート液としてレジストをコーティングした。このとき、種結晶１００の直径Ｄ１は７５ｍｍ、真空チャック１のＯリング１ｅの直径Ｄ２は６５ｍｍであり、Ｄ１／Ｄ２の比は０．８７であった。コート膜の厚さは２μｍであった。次いでスピンコート後の種結晶１００をホットプレートにて２００〜３００℃に加熱してコート液を硬化させた。

かくして保護膜が形成された種結晶１００を用いて炭化ケイ素単結晶の結晶成長をさせるために、図２に示した製造装置の黒鉛製るつぼの蓋体１１の略中央部に、当該種結晶を、保護膜が形成された裏面が蓋体１１に対向するようにして取り付けるとともに、容器本体１２に昇華用原料４０を収容した。その後、第１の誘導加熱コイル２０、第２の誘導加熱コイル２１及び干渉防止コイル２２に通電し、容器内における温度について、昇華用原料４０の近傍は、この昇華用原料４０は昇華する温度として２３００℃、種結晶が取り付けられた蓋体１１は昇華した炭化ケイ素が種結晶上で結晶成長する温度として、この蓋体１１の温度が昇華用原料４０の温度よりも１００℃低くなるように温度調整した。黒鉛製るつぼ内の雰囲気は、Ａｒ雰囲気で５Ｔｏｒｒに維持した。このようにして原料側から種結晶の結晶成長を行わせた後、十分に冷却したのちに黒鉛製るつぼ１０から単結晶を取り出し、ウェハ状に切り出した後、得られたウェハを鏡面に研磨し、そのマイクロパイプ欠陥について、溶融ＫＯＨによるエッチング評価を行った。また、マクロ欠陥についても評価を行った。一方、比較のために成長端面を有していない種結晶を用いて、図２に示した製造装置により上述と同一条件で結晶成長させて得られたウェハについても、マイクロパイプ欠陥について調べた。その結果を表１に示す。

表１から分かるように、成長端面を有する種結晶を用いることにより、マイクロパイプ欠陥は、平方インチ当たりの密度として、成長端面を用いない場合よりも一桁小さい値であった。

次に、成長端面を有する種結晶について、上述した条件により裏面に保護膜を形成した後に結晶成長させて得られた単結晶ウェハと、保護膜を形成せずに結晶成長させて得られた単結晶ウェハのマクロ欠陥（ボイド）について調べた結果を表２に示す。

表２から分かるように、成長端面を有し、裏面に保護膜が形成された種結晶を用いることにより、マクロ欠陥は、比較例と比べて格段に抑制されていた。

以上、本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施例に従って説明したが、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施するための真空チャックの一例を模式的に示す垂直断面図である。 炭化ケイ素単結晶の製造装置の一例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１ 真空チャック
１ａ 円盤部
１ｂ 回転軸部
１ｃ 周壁部
１ｄ 溝
１ｅ Ｏリング（環状弾性支持体）
１ｆ 排気孔
１０ 黒鉛製るつぼ
１１ 蓋体
１２ 容器本体
４０ 昇華用原料
１００ 種結晶
１００ａ 成長端面
１００ｂ 裏面

Claims (4)

1. 炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に昇華用原料を収容すると共にこの昇華用原料に略対向して炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、加熱により昇華させた前記昇華用原料を前記種結晶の表面上で再結晶させて炭化ケイ素単結晶を結晶成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶は、前記昇華用原料に対向させる側に成長端面を有するものであり、この成長端面を有する種結晶を炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に設置するに先立って、種結晶の成長端面を真空チャックで保持しつつ、種結晶の裏面に保護膜を形成することを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。
2. 前記真空チャックは、種結晶よりも小さい直径を有する円盤部と、この円盤部の下面の直径方向中央部に形成された回転軸部と、円盤部の厚さ方向に貫通する排気孔と、円盤部の上面の外周縁に沿って立設された周壁部と、この周壁部の先端部に突設され種結晶の成長端面と当接する環状弾性支持体とを有することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
3. 種結晶よりも小さい直径を有する円盤部と、この円盤部の下面の直径方向中央部に形成された回転軸部と、円盤部の厚さ方向に貫通する排気孔と、円盤部の上面の外周縁に沿って立設された周壁部と、この周壁部の先端部に突設され種結晶の成長端面と当接する環状弾性支持体とを有することを特徴とする真空チャック。
4. 前記環状弾性支持体の直径は、種結晶の直径の７０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の真空チャック。

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