JP2012160655A

JP2012160655A - 炭化珪素単結晶の積層欠陥検査方法

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Publication number: JP2012160655A
Application number: JP2011020850A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okino; 賢司沖野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥をより正確に検査できる積層欠陥の検査方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素原料２０を坩堝１０に配置する配置工程と、坩堝１０に配置された炭化珪素原料２０を加熱し、加熱により昇華した炭化珪素原料２０を再結晶させる成長工程とを有する炭化珪素単結晶を製造する製造工程と、フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査する検査工程とを備える積層欠陥の検査方法であって、成長工程では、坩堝１０に水素を導入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法を用いて炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査する方法に関する。

従来、炭化珪素単結晶の製造方法として、炭化珪素原料が配置された坩堝を加熱し、加熱により昇華した炭化珪素単結晶を再結晶させる方法が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。このようにして製造された炭化珪素単結晶の品質を評価するために、積層欠陥の有無を判別する検査方法として、フォトルミネッセンス法が用いられてきた。

フォトルミネッセンス法を用いた検査方法では、炭化珪素単結晶のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する励起光を照射する。これにより、炭化珪素単結晶に存在する正孔及び電子が励起され、再結合するときに光を放出する。積層欠陥の種類によって放出光の特徴は異なってくるため、放出光を測定することにより、種々の積層欠陥の有無を判別していた。

特開２００６―１１７５１２号公報

上述した昇華再結晶法を用いて製造された炭化珪素単結晶は、珪素単結晶に比べて、多くの深い準位の点欠陥（空孔）が形成される。深い準位とは、伝導帯や価電子帯の端から離れたところ、すなわち禁止帯の中ほどに位置しているものである。点欠陥には、炭素又はケイ素があるべき位置に、結合端のみが存在している。このため、深い準位の点欠陥は、正孔及び電子トラップとして働いていた。これによって、照射された励起光が有するエネルギーが深い準位の点欠陥に吸収されることによって、正孔及び電子が励起され難くなっていた。このため、フォトルミネッセンス法を用いた場合、必ずしも全ての積層欠陥の有無を判断できるとは、限らなかった。

このため、炭化珪素単結晶の積層欠陥の有無を正確に判別するためには、破壊検査方法である高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）を用いるしか方法がなかった。ＨＲＴＥＭを用いた検査方法は、フォトルミネッセンス法に比べてコスト及び時間がかかる。また、フォトルミネッセンス法は、サンプルを破壊せずに検査可能である。このため、フォトルミネッセンス法を用いた、より正確な炭化珪素単結晶の積層欠陥の検査方法が求められていた。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥をより正確に検査できる積層欠陥の検査方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。本発明の特徴は、炭化珪素原料を坩堝に配置する工程と、前記坩堝に配置された前記炭化珪素原料を加熱し、加熱により昇華した炭化珪素原料を再結晶させる工程とを有する炭化珪素単結晶を製造する製造工程と、フォトルミネッセンス法を用いて、前記炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査する検査工程とを備える積層欠陥の検査方法であって、前記炭化珪素原料を再結晶させる工程では、前記坩堝に水素を導入することを要旨とする。

なお、本発明において、フォトルミネッセンス法とは、光を炭化珪素単結晶に照射して、炭化珪素単結晶から放出した光を測定する方法をいう。

本発明の特徴によれば、炭化珪素原料を再結晶させる工程では、前記坩堝に水素を導入する。導入された水素は、炭化ケイ素単結晶に存在する深い準位の点欠陥の結合端と結合する。すなわち、水素は、深い準位の点欠陥を不活性化する。これによって、照射された励起光が有するエネルギーが深い準位の点欠陥に吸収されることを抑制できるため、従来では測定できなかった積層欠陥から放出される光が測定可能となる。

なお、積層欠陥とは、結晶の原子面の積み重ねの順序が乱れることによって形成される面状の格子欠陥である。より具体的には、炭化珪素単結晶中に含まれる異種の結晶多形をいう。

また、前記水素には、水素原子が含まれていても良い。

また、前記坩堝の内部において、前記水素の密度が、５×１０^１６／ｃｍ^３以上になるように、前記水素を導入しても良い。

なお、水素の密度について、水素に水素原子が含まれる場合には、２個の前記水素原子を１個の水素分子に換算した場合の水素の密度である。

本発明によれば、フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥をより正確に検査できる積層欠陥の検査方法を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の積層欠陥の検査方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造するために用いられる製造装置の断面図である。

本発明に係る積層欠陥の検査方法の一例について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）積層欠陥の検査方法、（２）作用効果、（３）比較評価、（４）その他実施形態、について説明する。

以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。

（１）積層欠陥の検査方法
本実施形態に係る炭化珪素単結晶（以下、適宜、単結晶と略す）の積層欠陥の検査方法について、図1及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の積層欠陥の検査方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造するために用いられる製造装置の断面図である。図１に示されるように、本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、製造工程Ｓ１及び検査工程Ｓ２を有する。

（１．１）製造工程Ｓ１
製造工程Ｓ１は、炭化珪素単結晶を製造する工程である。製造工程Ｓ１は、配置工程Ｓ１１と成長工程Ｓ１２とを有する。製造工程Ｓ１では、図２に示されるような炭化珪素単結晶製造装置１が用いられる。

（１．１．１）炭化珪素単結晶製造装置１の構成
図２に示されるように、炭化珪素単結晶製造装置１（以下、適宜、単結晶製造装置１と略す）は、坩堝１０、石英管５０、チャンバ６０、加熱コイル７０とを備える。

坩堝１０は、坩堝本体１０ａと坩堝蓋体１０ｂとを有する。坩堝本体１０ａには、単結晶の原料となる炭化珪素原料２０が配置される。坩堝蓋体１０ｂには、炭化珪素原料２０の再結晶を誘起する種結晶３０が配置される。坩堝１０の一端部（すなわち、坩堝本体１０ａの底部）には、炭化珪素原料２０が配置され、坩堝１０の一端部に対向する坩堝１０の他端部（すなわち、坩堝蓋体１０ｂ）には、種結晶３０が配置される。従って、炭化珪素原料２０と種結晶３０とは対向している。坩堝１０は、支持棒５５により石英管５０の内部に固定される。

石英管５０は、坩堝１０の外側に配置される。石英管５０の両端（図１において、上端及び下端）には、チャンバ６０が取り付けられている。一方のチャンバ６０（下端）には、石英管５０及びチャンバ６０の内部に雰囲気ガスを導入する導入口６５ａが設けられている。他方のチャンバ６０（上端）には、石英管５０及びチャンバ６０の内部の雰囲気ガスを排出する排出口６５ｂが設けられている。坩堝１０は、密閉されていないため、石英管５０及びチャンバ６０の内部に雰囲気ガスを導入すると、坩堝１０の内部にも雰囲気ガスによって満たされる。雰囲気ガスの導入及び排出によって、単結晶製造装置１の内部の雰囲気を調整する。

加熱コイル７０は、石英管５０の外周に設けられる。加熱コイル７０により、坩堝１０が加熱される。なお、坩堝１０は、断熱材（不図示）で覆われている。

図示していないが、導入口６５ａは、水素反応室から水素原子が導入できる管と接続されていても良い。水素反応室は、水素分子を水素原子に分解する機構が備えられている。

（１．１．２）配置工程Ｓ１１
配置工程Ｓ１１は、炭化珪素原料２０を坩堝１０に配置する工程である。より具体的には、炭化珪素原料２０を坩堝本体１０ａの底部に配置する。

炭化珪素原料２０は、どのような製造方法で製造されたものを用いても構わない。例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）で製造された炭化珪素を炭化珪素原料２０としてもよいし、珪素含有原料と炭素含有原料とから炭化珪素前駆体を生成し、生成された炭化珪素前駆体を焼成することで得られる炭化珪素を炭化珪素原料２０としてもよい。

本実施形態に係る配置工程Ｓ１１では、種結晶３０を坩堝蓋体１０ｂに配置する工程が含まれる。種結晶３０は、炭化珪素単結晶の成長起点となるため、炭化珪素単結晶からなるものを用いることが好ましい。種結晶３０が配置された坩堝蓋体１０ｂを坩堝本体１０ａに取り付ける。

（１．１．３）成長工程Ｓ１２
成長工程Ｓ１２は、炭化珪素単結晶を成長させる工程である。具体的には、成長工程Ｓ１２は、坩堝１０に配置された炭化珪素原料２０を加熱し、加熱により昇華した炭化珪素原料２０を再結晶させる工程である。

坩堝蓋体１０ｂを坩堝本体１０ａに取り付けた後、導入口６５ａ及び排出口６５ｂを除いて単結晶製造装置１から気体が流出・流入しないように密封する。

次に、導入口６５ａから石英管５０の内部へ水素ガス（水素分子）を導入する。これによって、坩堝１０に水素を導入する。

加熱コイル７０により坩堝１０を加熱することによって、炭化珪素原料２０を加熱する。昇華温度以上に加熱された炭化珪素原料２０は、種結晶３０上に再結晶する。このため、炭化珪素原料２０の位置の温度に比べて、種結晶３０の位置の温度がやや低温となるように加熱することが好ましい。一般的に加熱温度は、２０００℃から２５００℃である。

水素は、単結晶の成長により形成された点欠陥の結合端と結合する。すなわち、点欠陥の結合端は、水素によって終端化される。これによって、深い準位の点欠陥が不活性化される。

単結晶の成長によって点欠陥は形成されるため、水素ガスは、単結晶が成長している間、導入されることが好ましい。従って、昇温開始から降温終了まで水素ガスを導入することが好ましい。

水素分子よりも水素原子の方が、結合端と結合しやすいため、水素原子を導入した方が効率よく終端化することができる。

水素は、結合端と結合により終端するだけでなく、結合が切れて脱終端化も生じる。従って、点欠陥において、終端と脱終端とが繰り返されるが、水素密度が１×１０１３／ｃｍ^３〜５×１０^１６／ｃｍ^３の範囲で、水素が単結晶内に残っていれば、照射された励起光が有するエネルギーが深い準位の点欠陥に吸収されることを十分に抑制できる。このため、坩堝１０の内部において、水素の密度が、５×１０^１６／ｃｍ^３以上になるように、水素を導入することが好ましい。なお、水素の密度について、水素に水素原子が含まれる場合には、２個の前記水素原子を１個の水素分子に換算した場合の水素の密度である。

（１．２）検査工程Ｓ２
検査工程Ｓ２は、フォトルミネッセンス法を用いて、単結晶の積層欠陥を検査する工程である。

製造工程Ｓ１において、製造された単結晶をスライスして、単結晶基板を準備する。単結晶基板に所定のエネルギーを有する励起光を照射する。照射した励起光は、炭化珪素単結晶に存在する正孔及び電子を励起する。励起された正孔及び電子は、再結合するときに光を放出する。この放出光を測定することにより、種々の積層欠陥の有無を判別する。

（２）作用効果
本実施形態における積層欠陥の検査方法によれば、成長工程Ｓ１２では、坩堝１０に水素を導入する。導入された水素は、炭化ケイ素単結晶に存在する深い準位の点欠陥の結合端と結合する。すなわち、水素は、深い準位の点欠陥を不活性化する。これによって、照射された励起光が有するエネルギーが深い準位の点欠陥に吸収されることを抑制できるため、従来では測定できなかった積層欠陥から放出される光が測定可能となる。このため、フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥をより正確に検査できる。

フォトルミネッセンス法自体は、既存の方法であるため、従来から用いられている装置を用いて検査できる。

本実施形態における積層欠陥の検査方法によれば、水素には、水素原子が含まれても良い。水素原子よりも水素原子の方が、結合端と結合しやすいため、水素原子を導入した方が効率よく終端化することができる。このため、坩堝１０に水素原子のみを導入することがより好ましい。これによって、より正確に炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査できる。

本実施形態における積層欠陥の検査方法によれば、坩堝１０の内部において、水素の密度が、５×１０^１６／ｃｍ^３以上になるように、水素を導入しても良い。これによって、照射された励起光が有するエネルギーが、深い準位の点欠陥に吸収されることを十分に抑制できる。これによって、より正確に炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査できる。

（３）比較評価
本発明の効果を確かめるため、以下の評価を行った。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。

（３．１）実施例
実施例では、以下のようにして、炭化珪素単結晶を作成した。炭化珪素原料と種結晶とが配置された単結晶製造装置に、純化アルゴンガスと水素分子及び水素原子を含む水素ガスとを導入した。これによって、単結晶製造装置の内部を１〜１０ｔｏｒｒ程度の圧力になるように調整した。なお、水素ガスは、降温するまで導入し続けた。

導入口は、水素反応室とつながっている。水素反応室には、タングステンフィラメントが設けられている。タングステンフィラメントから放出される熱電子によって、水素反応室を通った水素分子は、水素原子へと分解される。

水素ガスを導入しながら、加熱コイルにより、炭化珪素原料を加熱し、再結晶させた。これにより、４Ｈ−ＳｉＣの構造を有する炭化珪素単結晶が得られた。得られた単結晶をスライスして、単結晶基板を作成した。

実施例に係る単結晶基板上に、３２５ｎｍの波長を有する励起光を照射して、放出光の波長を測定した。単結晶基板面の一部において、４２０ｎｍ及び５００ｎｍの波長を有する放出光が測定された。４２０ｎｍの波長を有する放出光は、４Ｈ−ＳｉＣにおいて、シングル積層欠陥（ｓｉｎｇｌｅｓｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔ）から放出した光に該当する。５００ｎｍの波長を有する放出光は、４Ｈ−ＳｉＣにおいて、ダブル積層欠陥（ｄｏｕｂｌｅｓｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔ）から放出した光に該当する。

（３．２）比較例
比較例では、水素を導入すること以外は、実施例と同様の方法によって、４Ｈ−ＳｉＣの構造を有する炭化珪素単結晶を得た。すなわち、単結晶製造装置に、純化アルゴンガスのみを導入した。これによって、単結晶製造装置の内部を１〜１０ｔｏｒｒ程度の圧力になるように調整した。単結晶成長中においても、水素を導入しなかった。得られた単結晶をスライスして、単結晶基板を作成した。

比較例に係る単結晶基板上に、実施例と同様に、３２５ｎｍの波長を有する励起光を照射して、放出光の波長を測定した。４２０ｎｍ及び５００ｎｍの波長を有する放出光の強度は弱く、十分に測定できなかった。

（３．３）結果
実施例に係る単結晶基板では、単結晶基板面の一部において、４２０ｎｍ及び５００ｎｍの波長を有する放出光が測定されたのに対し、比較例に係る単結晶基板では、４２０ｎｍ及び５００ｎｍの波長を有する放出光を十分に測定できなかった。この結果から、水素を導入しながら。炭化珪素単結晶を成長させることにより、フォトルミネッセンス法を用いて、炭化珪素単結晶の積層欠陥をより正確に検査できることが分かった。水素を導入しながら。炭化珪素単結晶を成長させることにより、深い準位の点欠陥を不活性化したことによるものと考えられる。

（４）その他実施形態
本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。従って、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。

上述した実施形態では、放出光の波長に基づいて、種々の積層欠陥の有無を判別していたが、放出光の振動数等に基づいて、種々の積層欠陥の有無を判別しても良い。従来から知られたフォトルミネッセンス法を用いて、積層欠陥を検査することができる。

このように、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…炭化珪素単結晶製造装置、１０…坩堝１０ａ…坩堝本体、１０ｂ…坩堝蓋体、２０…炭化珪素原料、３０…種結晶、５０…石英管、５５…支持棒、６０…チャンバ、６５ａ…導入口、６５ｂ…排出口、７０…加熱コイル

Claims

炭化珪素原料を坩堝に配置する工程と、前記坩堝に配置された前記炭化珪素原料を加熱し、加熱により昇華した炭化珪素原料を再結晶させる工程とを有する炭化珪素単結晶を製造する製造工程と、
フォトルミネッセンス法を用いて、前記炭化珪素単結晶の積層欠陥を検査する検査工程とを備える積層欠陥の検査方法であって、
前記炭化珪素原料を再結晶させる工程では、前記坩堝に水素を導入する積層欠陥の検査方法。
前記水素には、水素原子が含まれる請求項１に記載の積層欠陥の検査方法。
前記坩堝の内部において、前記水素の密度が、５×１０^１６／ｃｍ^３以上になるように、前記水素を導入する請求項１又は２に記載の積層欠陥の検査方法。