JP2013155111A - SiC SUBSTRATE, CARBON SUPPLY FEED SUBSTRATE, AND SiC SUBSTRATE WITH CARBON NANOMATERIAL - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single crystal SiC substrate flattened on a molecular level.SOLUTION: The manufacturing method includes a groove forming step, a masking step, and a liquid phase epitaxial growth step. At the groove forming step, an SiC polycrystal substrate is formed with a groove so as to divide a surface of the SiC polycrystal substrate into a plurality of regions each having a size of a single semiconductor device chip. At the masking step, each of the plurality of regions formed at the groove forming step is masked by a masking member and a fine opening is formed in a portion corresponding to the center of the masked region. At the liquid phase epitaxial growth step, hetero crystal polymorph 4H-SiC single crystal is epitaxially grown in a vertical and horizontal directions in the opening of the SiC polycrystal substrate formed with the groove to be a seed substrate using the metastable solvent epitaxy method.

Description

本発明は、溝加工を施した多結晶SiC基板上に単結晶SiCをエピタキシャル成長させる技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for epitaxially growing single crystal SiC on a polycrystalline SiC substrate that has been grooved.

高周波デバイスの半導体材料としては、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)等が従来から知られるところである。高周波デバイスの利用分野は近年急速に拡大しており、それに伴って、高温環境等の苛酷な領域で使用される機会も増加している。従って、高温環境に耐えられる高周波デバイスの実現は、幅広い用途環境における動作の信頼性と大量の情報処理・制御性の向上にとって重要な課題の1つである。   As semiconductor materials for high-frequency devices, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), and the like are conventionally known. The field of application of high-frequency devices has been rapidly expanding in recent years, and along with this, opportunities for use in severe areas such as high-temperature environments have increased. Therefore, the realization of a high-frequency device that can withstand a high temperature environment is one of the important issues for improving operation reliability and a large amount of information processing / controllability in a wide range of application environments.

そこで、耐熱性に優れる半導体の材料の1つとして、炭化ケイ素(SiC)が注目されている。SiCは、機械的強度に優れるとともに、放射線にも強い。また、SiCは、不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅(6H型の単結晶SiCで約3.0eV、4H型の単結晶SiCで3.3eV)を有するという特徴を備えている。このような理由から、SiCは、上述した既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現できる次世代のパワーデバイスの材料として期待されている。   Thus, silicon carbide (SiC) has attracted attention as one of semiconductor materials having excellent heat resistance. SiC is excellent in mechanical strength and resistant to radiation. SiC can easily control valence electrons of electrons and holes by adding impurities, and has a wide forbidden band width (about 3.0 eV for 6H type single crystal SiC and 3.3 eV for 4H type single crystal SiC. ). For these reasons, SiC is expected as a material for next-generation power devices that can realize high temperatures, high frequencies, withstand voltages, and environmental resistance that cannot be realized with the above-described existing semiconductor materials.

また、耐熱性に優れるSiCと超高周波デバイスの実現が期待される物質であるグラフェンを組み合わせることが、各々の材料物性の優位性及び作製手法の簡便さから重要であると考えられる。グラフェンは、C原子が1個分の厚みで蜂の巣状に連なった二次元六方晶格子であり、グラファイトやカーボンナノチューブ、フラーレンをはじめとするすべての黒鉛構造の基本構造となるものである。この六方晶格子は、極めて欠陥の少ない高品質な結晶構造であり、物理的・化学的安定性と常温で他の物質を凌駕する高い電子移動度をもつ。   In addition, it is considered that combining SiC having excellent heat resistance with graphene, which is a substance expected to realize an ultrahigh frequency device, is important from the superiority of each material property and the simplicity of the manufacturing method. Graphene is a two-dimensional hexagonal lattice in which one C atom is connected in a honeycomb shape with a thickness of one, and is a basic structure of all graphite structures including graphite, carbon nanotubes, and fullerenes. This hexagonal lattice has a high-quality crystal structure with extremely few defects, and has a physical and chemical stability and a high electron mobility that surpasses other substances at room temperature.

SiC表面へのグラフェン形成は、SiC単結晶を真空中で高温アニール(熱分解)することにより得られる。この手法は、高温真空加熱によりSiC基板からのSi原子の熱脱離を促し、基板表面に生じた余剰C原子によってグラフェンを簡便に形成するものである。前記熱分解法によって、数百μm程度のグラフェンシートを形成する方法を開示するものに例えば特許文献1がある。   Graphene formation on the SiC surface is obtained by high-temperature annealing (thermal decomposition) of the SiC single crystal in a vacuum. In this method, thermal desorption of Si atoms from the SiC substrate is promoted by high-temperature vacuum heating, and graphene is easily formed by surplus C atoms generated on the substrate surface. For example, Patent Document 1 discloses a method of forming a graphene sheet of about several hundred μm by the thermal decomposition method.

また、グラフェンのデバイス化を考慮した場合、大面積の単一グラフェンシートをSiC基板表面に形成することが望まれる。このような大面積の単一グラフェンシートは、テラス幅の広い平坦表面が得られる傾斜角度(以下、オフ角)が4度以下のSiC基板に形成することが原理的に有利であると考えられる(非特許文献1参照)。更に、オフ角が4度以下のSiC基板表面の大部分が均一な平坦性を有していることが好ましい。しかしながら、SiC基板表面の平坦化技術は、SiC基板上のエピタキシャル膜形成技術に付随した技術であり、その要因により、(0001)面からの4度〜8度傾斜した基板(以下、オフ基板)表面の平坦化を対象に、その技術は進歩してきた面がある。   In addition, when graphene devices are considered, it is desired to form a large-area single graphene sheet on the SiC substrate surface. Such a large-area single graphene sheet is considered to be advantageous in principle when formed on a SiC substrate having an inclination angle (hereinafter referred to as an off-angle) of 4 degrees or less that can provide a flat surface with a wide terrace width. (Refer nonpatent literature 1). Furthermore, it is preferable that most of the surface of the SiC substrate having an off angle of 4 degrees or less has uniform flatness. However, the planarization technique of the SiC substrate surface is a technique associated with the epitaxial film formation technique on the SiC substrate, and due to that factor, a substrate inclined by 4 to 8 degrees from the (0001) plane (hereinafter referred to as off-substrate). The technology has advanced for surface flattening.

現在報告されているSiC表面平坦化技術としては、主に、化学機械研磨技術であるメカノケミカルポリシング(CMP)法と、気相平坦化技術である高温水素エッチング法が挙げられる。CMP法とは、研磨剤自体が有する表面化学作用と回転運動による機械的研磨作用を表面研磨に用いることで、高速かつ平滑な研磨面を得る技術である。一方、高温水素エッチング法は、1500℃程度の高温環境下でのH2ガスやHCl/H2混合ガスを用い、SiC基板表面に存在する研磨によるダメージを主にエッチングによって除去する方法である。この種の高温水素エッチング法を用いたSiC基板の平坦化処理を開示するものに、非特許文献2及び非特許文献3がある。 Currently reported SiC surface planarization techniques mainly include mechanochemical polishing (CMP), which is a chemical mechanical polishing technique, and high-temperature hydrogen etching, which is a vapor planarization technique. The CMP method is a technique for obtaining a high-speed and smooth polished surface by using the surface chemical action of the polishing agent itself and the mechanical polishing action by rotational motion for surface polishing. On the other hand, the high temperature hydrogen etching method is a method in which damage caused by polishing existing on the surface of the SiC substrate is mainly removed by etching using H 2 gas or HCl / H 2 mixed gas in a high temperature environment of about 1500 ° C. Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 disclose the flattening process of an SiC substrate using this type of high-temperature hydrogen etching method.

また、SiC基板の更なる表面の平坦化を達成するためには、平坦化処理を行う前のSiC基板自体の結晶品質の向上も合わせて必要になる。これは、均一な大面積のグラフェンを得るために行われる表面平坦化処理が、エッチングを基本原理としているためである。即ち、平坦化処理によってエピタキシャル成長層を含むバルク結晶内部が表面に露出され、転位欠陥に由来するエッチピットが現れる等、表面形状の不均一性を招くため、平坦化処理を行う前のSiC結晶自体の品質向上が必要となる。   In order to achieve further planarization of the surface of the SiC substrate, it is also necessary to improve the crystal quality of the SiC substrate itself before the planarization process. This is because the surface flattening process performed to obtain uniform large-area graphene has etching as a basic principle. That is, the inside of the bulk crystal including the epitaxially grown layer is exposed to the surface by the planarization process, and etch pits derived from dislocation defects appear, leading to surface shape non-uniformity. Therefore, the SiC crystal itself before the planarization process is performed. Quality improvement is required.

SiC単結晶の製造方法において、一般にバルク結晶の製造は昇華再結晶法が用いられる。昇華再結晶法は、例えば特許文献2に開示されている。この特許文献2の方法では、まず、単結晶SiC基板と、Si原子及びC原子により構成された板材と、を微少隙間を隔てて互いに平行に対峙させた状態とする。そして、大気圧以下の不活性ガス雰囲気、かつ、SiC飽和蒸気雰囲気下で、上記単結晶SiC基板側が上記板材よりも低温に保たれるように熱処理する。これにより、上記微小隙間内でSi原子及びC原子を昇華再結晶させて上記単結晶SiC基板上に単結晶を析出させるとともに、この析出単結晶を種結晶として上記板材を単結晶に変態させて、上記単結晶SiC基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶を一体に成長させる。   In a method for producing a SiC single crystal, a sublimation recrystallization method is generally used for producing a bulk crystal. The sublimation recrystallization method is disclosed in Patent Document 2, for example. In the method of Patent Document 2, first, a single crystal SiC substrate and a plate material composed of Si atoms and C atoms are opposed to each other with a slight gap therebetween. And it heat-processes so that the said single crystal SiC board | substrate side may be kept at a low temperature rather than the said board | plate material in the inert gas atmosphere below atmospheric pressure, and SiC saturated vapor | steam atmosphere. Thereby, Si atoms and C atoms are sublimated and recrystallized within the minute gap to precipitate a single crystal on the single crystal SiC substrate, and the plate material is transformed into a single crystal using the deposited single crystal as a seed crystal. The single crystal oriented in the same direction as the crystal axis of the single crystal SiC substrate is grown integrally.

しかしながら、特許文献2のような昇華再結晶法では、種結晶としての単結晶SiC基板が有する結晶欠陥(例えば、マイクロパイプ欠陥、螺旋転位、基底面転位、及びc軸方位欠陥等)が、析出する単結晶のエピタキシャル構造に伝播し易く、これが、製造されるSiC単結晶を前述のパワーデバイス等として用いる際の大きな障害となっている。   However, in the sublimation recrystallization method as in Patent Document 2, crystal defects (for example, micropipe defects, spiral dislocations, basal plane dislocations, c-axis orientation defects, etc.) of the single crystal SiC substrate as a seed crystal are precipitated. It is easy to propagate to the epitaxial structure of the single crystal, and this is a big obstacle when the manufactured SiC single crystal is used as the above-mentioned power device or the like.

マイクロパイプ欠陥の減少という課題は特許文献3も指摘するところであり、これを解決する方法として以下のようなSiCエピタキシャル層の形成方法を提案している。即ち、特許文献3のSiCエピタキシャル層の形成方法は、種結晶添加昇華技術を用いてSiCのバルク結晶を成長させる工程と、バルク結晶表面に液相エピタキシャル成長させる工程とを含む。前記液相エピタキシャル成長させる工程では、溶融成長を行うことで、前記種結晶からバルク結晶基板に伝播したマイクロパイプ欠陥を塞ぐことができ、マイクロパイプ欠陥の少ないSiCのエピタキシャル層を形成させることが可能となる。   The problem of reducing micropipe defects is also pointed out in Patent Document 3, and as a method for solving this problem, the following SiC epitaxial layer forming method has been proposed. That is, the method for forming the SiC epitaxial layer of Patent Document 3 includes a step of growing a SiC bulk crystal using a seed crystal addition sublimation technique and a step of liquid phase epitaxial growth on the surface of the bulk crystal. In the liquid phase epitaxial growth step, by performing melt growth, micropipe defects propagated from the seed crystal to the bulk crystal substrate can be blocked, and an SiC epitaxial layer with few micropipe defects can be formed. Become.

また、シリコン融液中への他元素の添加を行わず、速い結晶成長速度が得られる単結晶SiCの液相エピタキシャル成長方法として、炭素供給フィード基板とシード基板を挟む溶媒の厚みを極めて小さくし、炭素の拡散を速めることにより、これを実現可能とする準安定溶媒エピタキシー(MSE)法がある。この種のMSE法を用いたものを開示するものとして例えば特許文献4がある。   In addition, as a liquid crystal epitaxial growth method of single crystal SiC that can obtain a high crystal growth rate without adding other elements into the silicon melt, the thickness of the solvent sandwiching the carbon supply feed substrate and the seed substrate is extremely small, There is a metastable solvent epitaxy (MSE) method that makes this possible by accelerating the diffusion of carbon. For example, Patent Document 4 discloses a technique using this type of MSE method.

これは、単結晶SiCからなるシード基板に対向して、このシード基板より自由エネルギーの高い炭素供給フィード基板を配置し、前記シード基板と前記炭素供給フィード基板との間にケイ素の極薄融液層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理することにより、前記シード基板の表面に単結晶SiCを液相エピタキシャル成長させる方法である。また、このMSE法では、温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるので、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができ、高品質なエピタキシャル成長層を得ることができる。加えて、様々な化学ポテンシャルの差に基づく自由エネルギーを結晶成長の駆動力として用いることができるので、SiCを大面積エピタキシャル成長させることが容易である。   This is because a carbon supply feed substrate having a higher free energy than the seed substrate is disposed opposite to a seed substrate made of single crystal SiC, and an ultrathin silicon melt is interposed between the seed substrate and the carbon supply feed substrate. In this method, single-crystal SiC is grown in a liquid phase epitaxial manner on the surface of the seed substrate by heat treatment in a vacuum high temperature environment with a layer interposed as a solvent. Further, in this MSE method, since the growth kinetics is controlled only by the concentration gradient without a temperature gradient, the epitaxial growth can be automatically stabilized, and a high-quality epitaxial growth layer can be obtained. In addition, since free energy based on the difference in various chemical potentials can be used as the driving force for crystal growth, it is easy to epitaxially grow SiC over a large area.

更には、SiC単結晶内の結晶欠陥を減少させる根本的な解決方法として、結晶欠陥の数が少ないSiC単結晶種基板の作製を行う必要がある。   Furthermore, as a fundamental solution for reducing crystal defects in the SiC single crystal, it is necessary to produce a SiC single crystal seed substrate with a small number of crystal defects.

4H−SiC種結晶の製造方法として、種多結晶基板表面に4H−SiC単結晶の小片を形成する製造方法が知られている。その製造方法は、SiC多結晶基板表面の炭化処理工程と液相エピタキシャル成長工程とを含む。前記炭化処理工程では、SiC多結晶基板を真空環境下で高温加熱することで、前記SiC多結晶基板表面に炭化層を形成する。その後、前記炭化層付きSiC多結晶基板に対向してSiC多結晶基板を近接設置して両者の基板の隙間に金属シリコン融液を介在させて液相エピタキシャル成長させることにより、前記炭化層付きSiC多結晶基板の表面にSiC種結晶を自己成長させる。   As a method for producing a 4H-SiC seed crystal, a method for producing a 4H-SiC single crystal piece on the surface of a seed polycrystalline substrate is known. The manufacturing method includes a carbonization treatment step and a liquid phase epitaxial growth step on the surface of the SiC polycrystalline substrate. In the carbonization process, the SiC polycrystalline substrate is heated at a high temperature in a vacuum environment to form a carbonized layer on the surface of the SiC polycrystalline substrate. Thereafter, the SiC polycrystalline substrate with the carbide layer is placed near the SiC polycrystalline substrate with the carbide layer, and liquid phase epitaxial growth is performed by interposing a metal silicon melt in the gap between the two substrates, whereby the SiC polycrystal with the carbide layer is grown. A SiC seed crystal is self-grown on the surface of the crystal substrate.

特開2009−62247号公報JP 2009-62247 A 特開平11−315000号公報JP 11-315000 A 特開平10−509943号公報JP 10-509943 A 特開2008−230946号公報JP 2008-230946 A

J.Hass et al,APPLIED PHYSICS LETTERS 89,143106(2006)J. et al. Hass et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 143106 (2006) H.Nakagawa et al,PHYSICAL REVIEW LETTERS 91,226107(2003)H. Nakagawa et al, PHYSICAL REVIEW LETTERS 91,226107 (2003) J.Hassan et al,Journal of Crystal GrowtH 310(2008)4430J. et al. Hassan et al, Journal of Crystal Growth H 310 (2008) 4430 1969 窯業協会誌 「3」 771969 Journal of the Ceramic Industry Association “3” 77

グラフェンのデバイス化を考慮した場合、基板全面へのグラフェンシートの形成が必要となる。上記で説明したような熱分解法によって大面積のグラフェンを得るには、下地基板であるSiC表面の全面が分子レベルで均一に平坦化されることが必要であり、この点、特許文献1の方法では分子レベルの平坦化を実現することが難しかった。また、SiC基板表面の平坦化技術において、ダイヤモンドに匹敵する硬さを持つSiC結晶の化学的安定性、機械的強靭性の高さから、Siプロセスで多用されてきた表面平坦化技術のそのままの適用は困難とされている。従って、SiC独自の表面平坦化技術を確立することは、SiC上のグラフェン形成分野以外に、SiC半導体のデバイス化にとっても必須の課題とされている。   When graphene devices are considered, it is necessary to form a graphene sheet on the entire surface of the substrate. In order to obtain a large area graphene by the pyrolysis method as described above, it is necessary that the entire surface of the SiC surface, which is the base substrate, be uniformly planarized at the molecular level. It was difficult to achieve molecular level planarization with this method. In addition, in the planarization technology of the SiC substrate surface, the surface stability of the surface planarization technology that has been widely used in the Si process is the same because of the high chemical stability and mechanical toughness of SiC crystals with hardness comparable to diamond. Application is considered difficult. Therefore, establishing a surface flattening technology unique to SiC is an indispensable issue not only for the field of graphene formation on SiC, but also for device fabrication of SiC semiconductors.

また、非特許文献1のような手段をとる場合にしても、低オフ角のSiC基板表面を分子レベルで均一に平坦化させるに至っていないために更なる平坦化が求められており、この点で改善の余地があった。   Further, even when the means as described in Non-Patent Document 1 is adopted, since the surface of the SiC substrate having a low off-angle has not been uniformly planarized at the molecular level, further planarization is required. There was room for improvement.

また、上述したCMP法を用いることで、ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨よりも、SiC基板の表面をより平坦化できることが報告されているが、分子層レベル(SiC単分子層:0.25nm、2分子層:0.5nmなど)でのSiC表面の形状の均一性は得られていない。更に、SiC表面層へのダメージは、ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨との比較では低減しているということができるものの、完全にダメージフリーな表面形成には至っていない。   Further, it has been reported that the surface of the SiC substrate can be flattened by using the above-described CMP method as compared with mechanical polishing using diamond abrasive grains, but the molecular layer level (SiC monomolecular layer: 0. The uniformity of the shape of the SiC surface at 25 nm, bimolecular layer: 0.5 nm, etc.) has not been obtained. Furthermore, although it can be said that damage to the SiC surface layer is reduced in comparison with mechanical polishing using diamond abrasive grains, a completely damage-free surface has not been formed.

非特許文献2に開示されるような水素雰囲気における高温加熱処理(高温水素エッチング法)では、(0001)からのオフ角(3.5度〜8度)を有する基板に対して、周期的なナノファセットからなるステップ構造が形成される。しかしながら、オフ角が0度〜1度以下のSiC基板(オン基板)に対しては表面に15nm〜20nm高さのマクロステップが現れるなど、表面形状に不均一性が生じる(非特許文献3)。そのため、高温水素エッチング法においても、分子レベルでの平坦化という観点から改善の余地があった。   In a high-temperature heat treatment (high-temperature hydrogen etching method) in a hydrogen atmosphere as disclosed in Non-Patent Document 2, a substrate having an off angle (3.5 degrees to 8 degrees) from (0001) is periodic. A step structure consisting of nanofacets is formed. However, non-uniformity in the surface shape occurs, for example, a macro step with a height of 15 nm to 20 nm appears on the surface of a SiC substrate (on substrate) with an off angle of 0 ° to 1 ° (Non-patent Document 3). . Therefore, even in the high-temperature hydrogen etching method, there is room for improvement from the viewpoint of planarization at the molecular level.

また、特許文献3の方法は、液相エピタキシャル成長させる工程において、シリコン融液中にSiCを溶融した溶融物の溶解度を上げる元素を混入させているため、エピタキシャル結晶中への前記元素の意図しない混入、及び、シリコン融液中での高い溶媒(炭素)濃度に起因した異種多形の混入が懸念される(非特許文献4参照)。従って、SiCの液相成長において、シリコン融液に対する低い炭素の溶込み状態を維持しながらも、速い結晶成長速度(シリコン融液中の炭素の輸送速度の向上)が得られる効果的な液相成長法の開発が必要とされる。   Further, in the method of Patent Document 3, an element for increasing the solubility of a melt obtained by melting SiC is mixed in the silicon melt in the liquid phase epitaxial growth step. Therefore, unintentional mixing of the element into the epitaxial crystal is performed. Moreover, there is concern about the mixing of different polymorphs due to the high solvent (carbon) concentration in the silicon melt (see Non-Patent Document 4). Therefore, in the liquid phase growth of SiC, an effective liquid phase capable of obtaining a fast crystal growth rate (improving the transport rate of carbon in the silicon melt) while maintaining a low carbon penetration state in the silicon melt. Development of growth methods is required.

以上に示してきたように、従来型のSiC平坦化技術はSiC基板表面を強制的に削り出す方法に特化されており、分子レベルでの表面の再構築等は考慮されていない。従って、表面のステップ方向が規定されていないオン基板表面を分子レベルで均一に平坦化させるには、基板表面を削る方法だけでなく、自発的に表面が再構成(修復)される自己組織化的な要素を有した新たな表面平坦化技術の開発が必要になる。このように、オフ角の小さな(0度〜1度)オン基板上における表面平坦化を可能とするとともに、前記基板表面上へ大面積に均一なグラフェンを形成可能とする技術が求められているのである。   As described above, the conventional SiC planarization technique is specialized in a method for forcibly scraping the surface of the SiC substrate, and does not consider surface reconstruction at the molecular level. Therefore, in order to uniformly planarize the on-substrate surface where the step direction of the surface is not defined at the molecular level, not only the method of scraping the substrate surface, but also self-organization in which the surface is reconstructed (repaired) spontaneously. Development of a new surface flattening technique with a special element is necessary. Thus, there is a need for a technique that enables surface flattening on an on-substrate having a small off angle (0 degree to 1 degree) and that can form uniform graphene over a large area on the substrate surface. It is.

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、分子レベルで平坦化された単結晶SiC基板を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a single crystal SiC substrate flattened at a molecular level.

課題を解決するための手段及び効果Means and effects for solving the problems

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。   The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems and the effects thereof will be described.

本発明の第1の観点によれば、以下のような製造方法によって製造される、溝加工を施した多結晶SiC基板上の局所領域上にヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板が提供される。即ち、前記製造方法は、溝形成工程と、マスク工程と、液相エピタキシャル成長工程と、を含む。前記溝形成工程では、SiC多結晶基板の表面を半導体デバイス1チップサイズの複数の領域に分割するように当該SiC多結晶基板に溝加工を施す。前記マスク工程では、前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、前記マスクの前記領域の中央部にあたる部分に微小な開口部を形成する。前記液相エピタキシャル成長工程では、シード基板となる溝加工を施した前記SiC多結晶基板の前記開口部に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の4H−SiC単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる。   According to the first aspect of the present invention, SiC is obtained by epitaxially growing a heterocrystalline polymorphic single crystal SiC on a local region on a grooved polycrystalline SiC substrate manufactured by the following manufacturing method. A substrate is provided. That is, the manufacturing method includes a groove forming process, a mask process, and a liquid phase epitaxial growth process. In the groove forming step, the SiC polycrystalline substrate is subjected to groove processing so as to divide the surface of the SiC polycrystalline substrate into a plurality of regions of a semiconductor device 1 chip size. In the masking process, a mask member is used to mask each of the plurality of regions formed in the groove forming step, and a minute opening is formed in a portion corresponding to the central portion of the region of the mask. In the liquid phase epitaxial growth step, heterocrystalline polymorphic 4H-SiC single crystal is epitaxially grown in the vertical and horizontal directions by metastable solvent epitaxy in the openings of the SiC polycrystalline substrate that has been grooved to serve as a seed substrate. Let

これにより、ヘテロ結晶多形の単結晶SiCを、半導体デバイス1チップサイズの複数の領域ごとに成長させることができる。また、半導体デバイス1チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。従って、単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制し、歩留まりの向上を実現できる。   Thereby, the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC can be grown for each of a plurality of regions of one chip size of the semiconductor device. Further, by dividing the semiconductor device for each chip size, the dislocation defects are released from the side surface of the single crystal epitaxial growth layer, and a defect-free region is formed above the single crystal epitaxial growth layer. Therefore, defects appearing on the surface of the single crystal epitaxial growth layer can be satisfactorily suppressed, and the yield can be improved.

前記のSiC基板においては、前記マスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムであることが好ましい。   In the SiC substrate, the mask member is preferably pyrolytic graphite or aluminum nitride.

これにより、基板が用いられる用途に応じて、導電材である熱分解グラファイトと、絶縁材である窒化アルミニウムと、を使い分けることができる。例えば、窒化アルミニウムを絶縁膜として機能させることで、プロセスの簡略化を実現できる。   Thereby, according to the use for which a board | substrate is used, the pyrolytic graphite which is a electrically conductive material, and the aluminum nitride which is an insulating material can be used properly. For example, the process can be simplified by using aluminum nitride as an insulating film.

前記のSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素原子を供給するための前記炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御する。   The SiC substrate is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, the impurity concentration of the carbon supply feed substrate for supplying carbon atoms is controlled in the liquid phase epitaxial growth step.

これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付きSiC基板の製造を効率的に行うことができる。   Thereby, it is possible to control the impurity concentration in the epitaxial layer using the concentration gradient generated by the difference in free energy between the substrates. Therefore, it is possible to efficiently manufacture a SiC substrate with a high concentration epitaxial layer or a high purity active layer epitaxial layer.

前記のSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶SiCの液相エピタキシャル成長工程において、準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小SiC単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限する。これによって、微小SiC単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の4H−SiC単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御する。そして、単一の4H−SiC単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小4H−SiC単結晶の水平方向への成長を促す。   The SiC substrate is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, in the liquid phase epitaxial growth process of the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC, the heating temperature is maintained at a constant temperature at the initial heating stage of the metastable solvent epitaxy method, and the supersaturation degree of the epitaxial growth environment of the fine SiC single crystal varies. Limit. Thereby, the nucleation frequency of the fine SiC single crystal is suppressed, and control is performed so that only the single 4H—SiC single crystal of the heterocrystalline polymorph is epitaxially grown. Then, after the single 4H—SiC single crystal is epitaxially grown, a single minute 4H—SiC single crystal is grown in the horizontal direction by repeating the temperature fluctuation process consisting of a cooling process and a temperature raising process a plurality of times. Prompt.

これにより、SiC多結晶基板に形成される単一の微小4H−SiC単結晶を水平方向に成長させることができる。   Thereby, a single minute 4H—SiC single crystal formed on the SiC polycrystalline substrate can be grown in the horizontal direction.

前記のSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶SiCの液相エピタキシャル成長工程では、1600℃以上2200℃以下の温度で加熱することで、前記SiC多結晶基板を構成する微小SiC単結晶粒表面に、準安定溶媒エピタキシー法で4H−SiC単結晶をエピタキシャル成長させる。   The SiC substrate is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, in the liquid phase epitaxial growth step of the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC, the surface of the SiC single crystal grain constituting the SiC polycrystalline substrate is metastable by heating at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. A 4H—SiC single crystal is epitaxially grown by a solvent epitaxy method.

これにより、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記SiC多結晶基板表面に4H−SiC単結晶を一層良好に且つ効率良く、ヘテロエピタキシャル成長させることができる。   Thereby, in the liquid phase epitaxial growth step, the 4H—SiC single crystal can be heteroepitaxially grown on the surface of the SiC polycrystalline substrate more satisfactorily and efficiently.

前記のSiC基板においては、前記シード基板は、溝を形成した炭素基材に多結晶SiC膜をコーティングして構成されることが好ましい。   In the SiC substrate, the seed substrate is preferably configured by coating a polycrystalline SiC film on a carbon base material in which grooves are formed.

これにより、製造コストを低減することができる。   Thereby, manufacturing cost can be reduced.

前記のSiC基板においては、前記シード基板は、溝を形成した金属体に多結晶SiC膜をコーティングして構成されることが好ましい。   In the SiC substrate, the seed substrate is preferably configured by coating a polycrystalline SiC film on a metal body in which a groove is formed.

これにより、製造コストを低減することができる。   Thereby, manufacturing cost can be reduced.

前記のSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記SiC基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されている。前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されている。液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのSiC基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とする。炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御される。また、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶SiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。   The SiC substrate is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, a concave portion is formed on one surface of the carbon supply feed substrate disposed opposite to the SiC substrate. The non-carbon supply auxiliary substrate disposed on the back surface of the carbon supply feed substrate has a convex portion corresponding to the concave portion. In the liquid phase epitaxial growth step, epitaxial growth is enabled by interposing a silicon melt in a gap between the SiC substrate as a seed substrate and the carbon supply feed substrate in a state where the convex portion and the concave portion are fitted. Since the epitaxial growth stops when the carbon supply feed substrate disappears and is depleted, the thickness of the epitaxial growth layer is controlled. Moreover, the process of removing excess silicon melt and the process of planarizing the surface of the single crystal SiC epitaxial layer are automatically started.

これにより、エピタキシャル成長層を所定の厚みに制御できる。加えて、液相エピタキシャル層成長機能が停止した時に、シード基板と炭素供給フィード基板との間に隙間ができるので、余剰シリコン融液が冷却されて固まることなく外気に触れて自動的に気化する。従って、冷却された余剰シリコン膜を溶解除去する等の作業を省略でき、また、単結晶SiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。このように、作業の省略による合理化が達成できるので生産性を効果的に向上させることができる。更に、余剰シリコン融液がSiCエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化(凝集)によって生じるSiCエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防止できる。   Thereby, the epitaxial growth layer can be controlled to a predetermined thickness. In addition, when the liquid phase epitaxial layer growth function is stopped, a gap is formed between the seed substrate and the carbon supply feed substrate, so that the excess silicon melt is automatically vaporized by touching the outside air without being cooled and solidified. . Accordingly, it is possible to omit work such as dissolving and removing the cooled surplus silicon film, and the surface flattening process of the single crystal SiC epitaxial layer is automatically started. Thus, rationalization by omission of work can be achieved, so that productivity can be effectively improved. Furthermore, since the surplus silicon melt is not solidified on the SiC epitaxial layer, it is possible to prevent the occurrence of distortion and dislocation defects in the SiC epitaxial layer caused by silicon solidification (aggregation).

前記のSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、当該製造方法は、積層工程と、収容工程と、を含む。前記積層工程では、SiC基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する。前記収容工程では、前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する。前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くする。   The SiC substrate is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method includes a stacking step and a housing step. In the laminating step, the SiC substrate and the carbon supply feed substrate are arranged to face each other, and a silicon substrate is interposed therebetween to form a laminated body. In the housing step, the laminated body is housed in a fitting container having a carbon getter effect. In the liquid phase epitaxial growth process, by keeping the silicon vapor pressure amount in the fitting container large, the retention time of the silicon melt layer of the laminated body is lengthened and the liquid phase epitaxial growth process operation time is lengthened.

これにより、液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くできるので、大面積かつ厚膜の単結晶エピタキシャル成長層をSiC基板上に容易に形成することができる。   Thereby, since the operation time of the liquid phase epitaxial growth process can be lengthened, a single crystal epitaxial growth layer having a large area and a thick film can be easily formed on the SiC substrate.

前記のSiC基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をSiC基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に極力近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことが可能になる。   The SiC substrate is preferably manufactured by a manufacturing method including the following steps. That is, in the liquid phase epitaxial growth step, by increasing the sealing degree of the fitting container, or by making the inner volume of the fitting container as close as possible to the volume of the stack of the SiC substrate and the carbon supply feed substrate, It becomes possible to keep the amount of vapor pressure of silicon in the fitting container large.

これにより、嵌合容器の容量を小さくすることで、シリコンの蒸気圧量を増加させることができる。また、嵌合容器の容量や、嵌合する部分の隙間の長さ等を調整することで、密閉度を調整して、シリコンの蒸気圧量を増やすことができる。例えば、液相エピタキシャル工程が終了した後に、密閉度を緩和して嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を減らすことで、エピタキシャル成長層表面を荒らすことなく、短時間で効率的に前記余剰シリコン融液を除去することも可能である。   Thereby, the amount of silicon vapor pressure can be increased by reducing the capacity of the fitting container. Further, by adjusting the capacity of the fitting container, the length of the gap between the fitting portions, and the like, the sealing degree can be adjusted, and the amount of silicon vapor pressure can be increased. For example, after the liquid phase epitaxial process is completed, the excess silicon fusion can be efficiently performed in a short time without damaging the surface of the epitaxial growth layer by relaxing the sealing degree and reducing the amount of silicon vapor pressure in the fitting container. It is also possible to remove the liquid.

前記のSiC基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記SiC基板を、炉内圧力が10-2Pa以下の減圧下であり、酸素分圧が10-5Pa以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は1Pa以下の状態で加熱処理する。 The SiC substrate is preferably manufactured by a manufacturing method including the following steps. That is, in the liquid phase epitaxial growth step, the SiC substrate is in a state where the pressure in the furnace is 10 −2 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less. The atmosphere is under a silicon vapor pressure, and the heat treatment is performed in an internal pressure of 1 Pa or less.

これにより、液相エピタキシャル成長工程において他の不純物がSiC基板に侵入することを防止でき、高品質なSiC基板を得ることができる。   Thereby, other impurities can be prevented from entering the SiC substrate in the liquid phase epitaxial growth step, and a high-quality SiC substrate can be obtained.

本発明の第2の観点によれば、前記液相エピタキシャル成長工程で炭素を供給するために用いられる炭素供給フィード基板の以下の構成が提供される。即ち、炭素供給フィード基板は、3C−SiC多結晶基板、3C−SiC単結晶基板、又は表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかの材料によって構成される。   According to the 2nd viewpoint of this invention, the following structures of the carbon supply feed board | substrate used in order to supply carbon at the said liquid phase epitaxial growth process are provided. That is, the carbon supply feed substrate is composed of at least one material of a 3C-SiC polycrystalline substrate, a 3C-SiC single crystal substrate, or a substrate on which carbon nanomaterials such as graphene sheets and carbon nanotubes are formed. The

これにより、高い自由エネルギーを有する炭素供給フィード基板によって、炭素原子を良好に供給することができる。   Thereby, carbon atoms can be satisfactorily supplied by the carbon supply feed substrate having high free energy.

前記の炭素ナノ材料付きSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記製造方法は、炭化処理工程を含む。前記炭化処理工程では、SiC基板の各領域に成長させた4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で1500℃以上2200℃以下で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該SiC基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。   The SiC substrate with carbon nanomaterial is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method includes a carbonization process. In the carbonization process, the surface of the 4H—SiC single crystal epitaxial growth layer grown in each region of the SiC substrate is heated at 1500 ° C. or more and 2200 ° C. or less in a high-temperature vacuum environment. Thereby, silicon on the surface of the single crystal epitaxial growth layer is sublimated, and a thin film graphene sheet or carbon nanotube at a molecular layer level is generated on the surface of the SiC substrate by the remaining carbon.

これにより、SiC基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。   Thereby, the thin film of the molecular layer level comprised with a carbon nanomaterial on a SiC substrate can be produced | generated efficiently and favorably.

前記の炭素ナノ材料付きSiC基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記炭化処理工程において、前記基板を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理する。 The SiC substrate with carbon nanomaterial is preferably manufactured by the following manufacturing method. That is, in the carbonization step, the substrate is heat-treated in a state where the furnace pressure is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less.

これにより、炭化処理工程において他の不純物がSiC結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きSiC基板を得ることができる。   Thereby, it can prevent that another impurity penetrate | invades a SiC crystal layer in a carbonization process, and can obtain a SiC substrate with a high quality carbon nanomaterial.

なお、本明細書において「フルユニット高さ」とは、図1及び図2に示すように、SiとCからなるSiC単分子層が積層方向に積み重ねられる1周期分の前記積層方向の高さをいう。図1は、4H−SiC単結晶の分子配列と周期の説明を示したものであり、図2は、6H−SiC単結晶の分子配列と周期の説明を示したものである。従って、フルユニット高さのステップとは、4H−SiCの場合は1.0nm、6H−SiCの場合1.5nmのステップを意味する。一方、「ハーフユニット高さ」とは、前記1周期の半分の時点での積層方向の高さをいう。従って、ハーフユニット高さのステップとは、4H−SiCの場合0.5nm、6H−SiCの場合0.75nmのステップを意味する。また、「高真空環境」とは10-2Pa以下の真空環境を意味する。 In this specification, “full unit height” refers to the height in the stacking direction for one cycle in which SiC monomolecular layers composed of Si and C are stacked in the stacking direction, as shown in FIGS. Say. FIG. 1 shows an explanation of the molecular arrangement and period of the 4H—SiC single crystal, and FIG. 2 shows an explanation of the molecular arrangement and period of the 6H—SiC single crystal. Therefore, the full unit height step means a 1.0 nm step for 4H-SiC and a 1.5 nm step for 6H-SiC. On the other hand, the “half unit height” refers to the height in the stacking direction at a half point of the one cycle. Therefore, the step of half unit height means a step of 0.5 nm in the case of 4H-SiC and a step of 0.75 nm in the case of 6H-SiC. The “high vacuum environment” means a vacuum environment of 10 −2 Pa or less.

4H−SiC単結晶の分子配列と周期を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the molecular arrangement | sequence and period of a 4H-SiC single crystal. 6H−SiC単結晶の分子配列と周期を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the molecular arrangement | sequence and period of a 6H-SiC single crystal. 単結晶SiC基板の表面が加熱処理によって平坦化される様子を示した模式図。The schematic diagram which showed a mode that the surface of a single crystal SiC substrate was planarized by heat processing. SiC基板を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図。The schematic diagram which shows the high temperature vacuum furnace used for the heat processing for manufacturing a SiC substrate. 高温真空炉の本加熱室及び予備加熱室を詳細に示す断面図。Sectional drawing which shows the main heating chamber and preheating chamber of a high temperature vacuum furnace in detail. 炭素ゲッター効果を有する坩堝の外観写真及び断面写真。The external appearance photograph and cross-sectional photograph of the crucible which has a carbon getter effect. 炭素ゲッター効果を説明する模式図。The schematic diagram explaining a carbon getter effect. 加熱温度の違いによるシリコン蒸気圧の変動を示す模式図。The schematic diagram which shows the fluctuation | variation of the silicon vapor pressure by the difference in heating temperature. 加熱処理温度と、単結晶SiC基板の表面粗さとの関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between heat processing temperature and the surface roughness of a single-crystal SiC substrate. 単結晶SiC基板表面のテラス幅に対するステップ高さの分布を示したグラフ。The graph which showed distribution of the step height with respect to the terrace width of the surface of a single crystal SiC substrate. 4H−SiCにおける(0001)Si面と(000−1)C面の表面の様子を示した顕微鏡写真。The microscope picture which showed the mode of the surface of the (0001) Si surface and (000-1) C surface in 4H-SiC. 加熱処理(アニール)温度に対するステップ高さの変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the step height with respect to heat processing (annealing) temperature. 図12に対応するアニール温度における単結晶SiC基板の表面の様子を示す顕微鏡写真。FIG. 13 is a photomicrograph showing the state of the surface of a single crystal SiC substrate at an annealing temperature corresponding to FIG. 12. 加熱処理(アニール)温度に対するステップ高さの変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the step height with respect to heat processing (annealing) temperature. 図14に対応するアニール温度における単結晶SiC基板の表面の様子を示す顕微鏡写真。The micrograph which shows the mode of the surface of the single crystal SiC substrate in the annealing temperature corresponding to FIG. シリコン蒸気圧量に依存する加熱処理(アニール)温度に対する4H−SiC基板のエッチング速度の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the etching rate of 4H-SiC board | substrate with respect to the heat processing (annealing) temperature depending on a silicon vapor pressure amount. シリコン蒸気圧量に依存する加熱処理(アニール)温度に対する平均ステップ高さの変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the average step height with respect to the heat processing (annealing) temperature depending on the amount of silicon vapor pressure. 単結晶SiC基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する概念を説明する模式図。The schematic diagram explaining the concept which produces | generates a carbon-type nanomaterial on the surface of a single crystal SiC substrate. 4H−SiCの(0001)Si面と(000−1)C面それぞれに生成されたグラフェン層の様子を示す顕微鏡写真。The microscope picture which shows the mode of the graphene layer produced | generated on each of the (0001) Si surface and (000-1) C surface of 4H-SiC. 単結晶SiC基板に対して液相エピタキシャル成長工程を行うことにより、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板を製造する様子を示した工程図。The process figure which showed a mode that the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer was manufactured by performing a liquid phase epitaxial growth process with respect to a single crystal SiC substrate. 液相エピタキシャル工程後の積層体の断面写真。The cross-sectional photograph of the laminated body after a liquid phase epitaxial process. SiC基板の膜厚に対する窒素ドーピング濃度の変化を示したグラフ。The graph which showed the change of the nitrogen doping concentration with respect to the film thickness of a SiC substrate. SiC単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜を形成する様子を示した工程図。The process figure which showed a mode that the formation of a SiC single crystal epitaxial growth layer, and a graphene sheet film were formed. SiC多結晶基板に溝加工を施した種基板表面への4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜を形成する様子を示した工程図。The process figure which showed a mode that the formation of the 4H-SiC single-crystal epitaxial growth layer on the seed substrate surface which gave the groove process to the SiC polycrystalline substrate, and the graphene sheet film were formed. 分割方式大口径半導体ウエハーの概念を説明する模式図。The schematic diagram explaining the concept of a division | segmentation system large diameter semiconductor wafer. 3C−SiC多結晶基板に4H−SiC単結晶をヘテロエピタキシャル成長させた様子を示す顕微鏡写真。The microscope picture which shows a mode that the 4H-SiC single crystal was heteroepitaxially grown on the 3C-SiC polycrystal substrate. SiC微小単結晶の厚みと成長温度の関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between the thickness of a SiC micro single crystal, and growth temperature. 温度に対する4H−SiCエピタキシャル層の成長速度の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the growth rate of the 4H-SiC epitaxial layer with respect to temperature. 液相エピタキシャル工程における温度履歴を示すグラフ。The graph which shows the temperature history in a liquid phase epitaxial process. 3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶の核形成頻度を示した顕微鏡写真。The microscope picture which showed the nucleation frequency of the fine SiC single crystal on the surface of 3C-SiC polycrystal. 多結晶SiC上の微小SiC単結晶の水平方向への成長の様子を示した顕微鏡写真。The microscope picture which showed the mode of the growth to the horizontal direction of the fine SiC single crystal on polycrystalline SiC. 過冷却過程を導入した前記エピタキシャル工程により形成した多結晶SiC上の微小SiC単結晶を示した顕微鏡写真。The microscope picture which showed the fine SiC single crystal on the polycrystalline SiC formed by the said epitaxial process which introduce | transduced the supercooling process. 3C−SiC多結晶表面上の2段構造の微小SiC単結晶が形成した様子を示す模式図。The schematic diagram which shows a mode that the micro SiC single crystal of the two-step structure on the surface of 3C-SiC polycrystal was formed. 量産化用炭素供給フィーダー基板の様子を概略的に示した模式図。The schematic diagram which showed the mode of the carbon supply feeder board | substrate for mass production roughly. 量産化用炭素供給フィーダー基板を用いてSiC基板にエピタキシャル層を成長させる様子を示した工程図。The process figure which showed a mode that the epitaxial layer was grown on a SiC substrate using the carbon supply feeder board | substrate for mass production. 量産工程に対応したMSE液相成長法の実施例の製造方法を示した工程図。Process drawing which showed the manufacturing method of the Example of the MSE liquid phase growth method corresponding to a mass production process. グラフェンFETデバイス用SiC基板の製造方法の工程を示した工程図。Process drawing which showed the process of the manufacturing method of the SiC substrate for graphene FET devices. 単結晶SiC基板上の絶縁膜にグラフェン膜を形成した電界効果半導体ウエハーを模式的に示した外観斜視図。The external appearance perspective view which showed typically the field effect semiconductor wafer which formed the graphene film in the insulating film on a single-crystal SiC substrate.

次に、発明の実施の形態を説明する。最初に、図3から図19までを参照して、表面平坦化SiC単結晶及びグラフェンの製造方法について実施例を参照しながら説明する。次に、図20から図38までを参照して、エピタキシャル層(エピタキシャル膜)付きSiC基板の製造方法について実施例を参照しながら説明する。   Next, embodiments of the invention will be described. First, with reference to FIGS. 3 to 19, a method for producing a surface flattened SiC single crystal and graphene will be described with reference to examples. Next, with reference to FIGS. 20 to 38, a method of manufacturing a SiC substrate with an epitaxial layer (epitaxial film) will be described with reference to the examples.

まず、図3を参照して、本発明によるSiC基板の平坦化処理の概念について説明する。図3は、単結晶SiC基板の表面が加熱処理によって平坦化される様子を示した模式図である。   First, with reference to FIG. 3, the concept of the planarization process of the SiC substrate by this invention is demonstrated. FIG. 3 is a schematic diagram showing how the surface of the single crystal SiC substrate is flattened by heat treatment.

まず、図3(a)に示すように、4H−SiC単結晶又は6H−SiC単結晶で所定の厚みに構成された単結晶SiC基板5を用意する。この単結晶SiC基板5は、直径が2インチ以上の真円度の高い円形の板状に形成されており、切欠き等がないものであることが好ましい。また、この単結晶SiC基板5において、表面平坦化の対象となる面は、(0001)Si面又は(000−1)C面であることが好ましい。更に、表面平坦化の対象となる面は、その[1−100]方向及び[11−20]方向のオフ角が4度以下の面であることが好ましく、本実施形態においては1度以下の面(いわゆるジャスト面を含む)であることが更に好ましい。   First, as shown in FIG. 3A, a single crystal SiC substrate 5 made of 4H—SiC single crystal or 6H—SiC single crystal and having a predetermined thickness is prepared. This single crystal SiC substrate 5 is preferably formed in a circular plate shape with a diameter of 2 inches or more and a high roundness, and has no notches. Further, in this single crystal SiC substrate 5, the surface to be surface flattened is preferably a (0001) Si surface or a (000-1) C surface. Further, the surface to be surface flattened is preferably a surface whose off angles in the [1-100] direction and the [11-20] direction are 4 degrees or less, and in this embodiment, 1 degrees or less. More preferably, it is a surface (including a so-called just surface).

図3(a)及び(b)に示すように、この単結晶SiC基板5の表面には、結晶欠陥を含む不安定サイトと、基板の表面の研磨傷や研磨時に発生したストレス等からなるダメージ層が存在する。図3(a)及び(b)に示すように、このSiC基板5をシリコン蒸気圧下(Si雰囲気下)かつ高真空下で、1800℃で高温加熱処理する。これによって、当該単結晶SiC基板5は、その表面を炭化させることなく、ダメージ層を含む表面部分を除去することができる。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the surface of the single crystal SiC substrate 5 has unstable sites including crystal defects and damage caused by polishing scratches on the surface of the substrate or stress generated during polishing. There is a layer. As shown in FIGS. 3A and 3B, this SiC substrate 5 is subjected to a high-temperature heat treatment at 1800 ° C. under a silicon vapor pressure (under an Si atmosphere) and under a high vacuum. Thereby, the single crystal SiC substrate 5 can remove the surface portion including the damaged layer without carbonizing the surface thereof.

また、この平坦化処理によって、当該単結晶SiC基板5の表面がステップ状に終端するように改質される。このステップの高さは、単結晶SiC基板5の結晶多形によって決定される。   In addition, this flattening process is modified so that the surface of the single crystal SiC substrate 5 terminates in a step shape. The height of this step is determined by the crystal polymorph of the single crystal SiC substrate 5.

具体的には、単結晶SiC基板5の結晶多形が4Hの場合は、前記ステップの高さが0.5nmで一定であるか、1.0nmで一定であるか、0.5nmと1.0nmの高さが混在した状態となる。一方で、結晶多形が6Hの場合は、前記ステップの高さが0.75nmで一定であるか、1.5nmで一定であるか、0.75nmと1.5nmの高さが混在した状態となる。これにより、単結晶SiC基板5の表面が分子レベルで平坦化されているので、基板表面に微細構造を精密に作製することが可能になる。   Specifically, when the crystal polymorph of the single crystal SiC substrate 5 is 4H, the height of the step is constant at 0.5 nm, constant at 1.0 nm, 0.5 nm and 1. The height of 0 nm is mixed. On the other hand, when the crystal polymorph is 6H, the height of the step is constant at 0.75 nm, constant at 1.5 nm, or a mixture of heights of 0.75 nm and 1.5 nm It becomes. Thereby, since the surface of the single crystal SiC substrate 5 is planarized at the molecular level, it is possible to precisely produce a fine structure on the substrate surface.

次に、図4から図7までを参照して、図3で説明した内容を実現する坩堝(嵌合容器)2と高温真空炉11について説明する。図4は、SiC基板(単結晶SiC基板5等)を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図である。図5は、高温真空炉の本加熱室及び予備加熱室を詳細に示す断面図である。図6(a)は坩堝2を上方から撮影した外観写真であり、図6(b)は坩堝2の断面顕微鏡写真である。図7は、炭素ゲッター効果を説明する模式図である。   Next, the crucible (fitting container) 2 and the high-temperature vacuum furnace 11 that realize the contents described in FIG. 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic diagram showing a high-temperature vacuum furnace used for heat treatment for producing a SiC substrate (single crystal SiC substrate 5 or the like). FIG. 5 is a sectional view showing in detail the main heating chamber and the preheating chamber of the high-temperature vacuum furnace. FIG. 6A is an external view photograph of the crucible 2 taken from above, and FIG. 6B is a cross-sectional micrograph of the crucible 2. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the carbon getter effect.

図3で説明した加熱処理は、例えば図4及び図5に示す熱処理装置としての高温真空炉を用いて行うことができる。以下、この高温加熱炉について説明する。図4及び図5に示すように、この高温真空炉11は、被処理物を1000℃以上2200℃以下の温度に加熱することが可能な本加熱室21と、被処理物を500℃以上の温度に予備加熱可能な予備加熱室22と、を備えている。予備加熱室22は本加熱室21の下方に配置され、本加熱室21に対して上下方向に隣接している。また、高温真空炉11は、予備加熱室22の下方に配置された断熱室23を備えている。この断熱室23は予備加熱室22に対して上下方向に隣接している。   The heat treatment described in FIG. 3 can be performed using, for example, a high-temperature vacuum furnace as a heat treatment apparatus illustrated in FIGS. Hereinafter, this high temperature heating furnace will be described. As shown in FIGS. 4 and 5, the high-temperature vacuum furnace 11 includes a main heating chamber 21 capable of heating the object to be processed to a temperature of 1000 ° C. or more and 2200 ° C. or less, and the object to be processed having a temperature of 500 ° C. or more. And a preheating chamber 22 that can be preheated to a temperature. The preheating chamber 22 is disposed below the main heating chamber 21 and is adjacent to the main heating chamber 21 in the vertical direction. The high-temperature vacuum furnace 11 includes a heat insulating chamber 23 disposed below the preheating chamber 22. The heat insulation chamber 23 is adjacent to the preheating chamber 22 in the vertical direction.

高温真空炉11は真空チャンバ19を備え、前記本加熱室21と予備加熱室22は、この真空チャンバ19の内部に備えられている。真空チャンバ19には真空形成装置としてのターボ分子ポンプ34が接続されており、例えば10-2Pa以下、望ましくは10-7Pa以下の真空を真空チャンバ19内に得ることができるようになっている。ターボ分子ポンプ34と真空チャンバ19との間には、ゲートバルブ25が介設される。また、ターボ分子ポンプ34には、補助のためのロータリポンプ26が接続される。 The high-temperature vacuum furnace 11 includes a vacuum chamber 19, and the main heating chamber 21 and the preheating chamber 22 are provided inside the vacuum chamber 19. A turbo molecular pump 34 as a vacuum forming device is connected to the vacuum chamber 19 so that a vacuum of, for example, 10 −2 Pa or less, preferably 10 −7 Pa or less can be obtained in the vacuum chamber 19. Yes. A gate valve 25 is interposed between the turbo molecular pump 34 and the vacuum chamber 19. Further, an auxiliary rotary pump 26 is connected to the turbo molecular pump 34.

高温真空炉11は、予備加熱室22と本加熱室21との間で被処理物を上下方向に移動させることが可能な移動機構27を備えている。この移動機構27は、被処理物を支持可能な支持体28と、この支持体28を上下動させることが可能なシリンダ部29と、を備えている。シリンダ部29はシリンダロッド30を備え、このシリンダロッド30の一端が前記支持体28に連結されている。また、高温真空炉11には、真空度を測定するための真空計31、及び、質量分析法を行うための質量分析装置32が設けられている。   The high-temperature vacuum furnace 11 includes a moving mechanism 27 that can move an object to be processed between the preheating chamber 22 and the main heating chamber 21 in the vertical direction. The moving mechanism 27 includes a support body 28 that can support an object to be processed, and a cylinder portion 29 that can move the support body 28 up and down. The cylinder portion 29 includes a cylinder rod 30, and one end of the cylinder rod 30 is connected to the support body 28. The high-temperature vacuum furnace 11 is provided with a vacuum gauge 31 for measuring the degree of vacuum and a mass analyzer 32 for performing mass spectrometry.

前記真空チャンバ19は、被処理物を保管しておくための図略のストック室と、搬送路65を通じて接続されている。この搬送路65は、ゲートバルブ66によって開閉可能になっている。   The vacuum chamber 19 is connected to a stock chamber (not shown) for storing an object to be processed through a conveyance path 65. The transport path 65 can be opened and closed by a gate valve 66.

前記本加熱室21は、平面断面視で正六角形に形成されるとともに、真空チャンバ19の内部空間の上部に配置される。図5に示すように、本加熱室21の内部には、加熱ヒータとしてのメッシュヒータ33が備えられている。また、本加熱室21の側壁や天井には第1多層熱反射金属板41が固定され、この第1多層熱反射金属板41によって、メッシュヒータ33の熱を本加熱室21の中央部に向けて反射させるように構成されている。   The main heating chamber 21 is formed in a regular hexagonal shape in a plan sectional view and is disposed in the upper part of the internal space of the vacuum chamber 19. As shown in FIG. 5, a mesh heater 33 as a heater is provided inside the main heating chamber 21. A first multilayer heat reflecting metal plate 41 is fixed to the side wall and ceiling of the main heating chamber 21, and the heat of the mesh heater 33 is directed toward the center of the main heating chamber 21 by the first multilayer heat reflecting metal plate 41. It is configured to reflect.

これにより、本加熱室21内において、加熱処理対象としての被処理物を取り囲むようにメッシュヒータ33が配置され、更にその外側に多層熱反射金属板41が配置されるレイアウトが実現されている。従って、被処理物を強力且つ均等に加熱し、1000℃以上2200℃以下の温度まで昇温させることができる。   As a result, a layout is realized in which the mesh heater 33 is arranged so as to surround the object to be processed as a heat treatment target in the main heating chamber 21 and the multilayer heat reflecting metal plate 41 is arranged on the outer side. Therefore, the workpiece can be heated strongly and evenly, and the temperature can be raised to a temperature of 1000 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower.

本加熱室21の天井側は第1多層熱反射金属板41によって閉鎖される一方、底面の第1多層熱反射金属板41には貫通孔55が形成されている。被処理物は、この貫通孔55を介して、本加熱室21と、この本加熱室21の下側に隣接する予備加熱室22との間で移動できるようになっている。   The ceiling side of the main heating chamber 21 is closed by a first multilayer heat reflecting metal plate 41, while a through hole 55 is formed in the first multilayer heat reflecting metal plate 41 at the bottom. The object to be processed can move between the main heating chamber 21 and the preheating chamber 22 adjacent to the lower side of the main heating chamber 21 through the through hole 55.

前記貫通孔55には、移動機構27の支持体28の一部が挿入されている。この支持体28は、上から順に、第2多層熱反射金属板42、第3多層熱反射金属板43、及び第4多層熱反射金属板44を互いに間隔をあけて配置した構成となっている。   A part of the support 28 of the moving mechanism 27 is inserted into the through hole 55. The support 28 has a configuration in which a second multilayer heat-reflecting metal plate 42, a third multilayer heat-reflecting metal plate 43, and a fourth multilayer heat-reflecting metal plate 44 are arranged at intervals from each other in order from the top. .

3つの多層熱反射金属板42〜44は、何れも水平に配置されるとともに、垂直方向に設けた柱部35によって互いに連結されている。そして、第2多層熱反射金属板42及び第3多層熱反射金属板43とで挟まれたスペースに受け台36が配置され、この受け台36上に被処理物(例えば、前記単結晶SiC基板5)を載置できるように構成されている。本実施形態において、この受け台36はタンタルカーバイドにより構成されている。   The three multilayer heat-reflecting metal plates 42 to 44 are all arranged horizontally and are connected to each other by a column portion 35 provided in the vertical direction. A cradle 36 is disposed in a space sandwiched between the second multilayer heat-reflecting metal plate 42 and the third multilayer heat-reflecting metal plate 43, and an object to be processed (for example, the single crystal SiC substrate) is placed on the cradle 36. 5) can be placed. In the present embodiment, the cradle 36 is made of tantalum carbide.

前記シリンダ部29のシリンダロッド30の端部にはフランジが形成されて、このフランジが第4多層熱反射金属板44の下面に固定される。この構成により、前記シリンダ部29を伸縮させることで、受け台36上の被処理物(単結晶SiC基板5)を前記3つの多層熱反射金属板42〜44とともに上下動させることができる。   A flange is formed at the end of the cylinder rod 30 of the cylinder portion 29, and this flange is fixed to the lower surface of the fourth multilayer heat reflecting metal plate 44. With this configuration, the object to be processed (single crystal SiC substrate 5) on the cradle 36 can be moved up and down together with the three multilayer heat reflecting metal plates 42 to 44 by expanding and contracting the cylinder portion 29.

前記予備加熱室22は、本加熱室21の下側の空間を、多層熱反射金属板46で囲うことにより構成されている。この予備加熱室22は、平面断面視で円状となるように構成されている。なお、予備加熱室22内には、前記メッシュヒータ33のような加熱手段は備えられていない。   The preheating chamber 22 is configured by surrounding the space below the main heating chamber 21 with a multilayer heat reflecting metal plate 46. The preheating chamber 22 is configured to be circular in a plan sectional view. In the preheating chamber 22, no heating means such as the mesh heater 33 is provided.

図5に示すように、予備加熱室22の底面部においては、前記多層熱反射金属板46に貫通孔56が形成されている。また、予備加熱室22の側壁をなす多層熱反射金属板46において、前記搬送路65と対面する部位に通路孔50が形成されている。更に、前記高温真空炉11は、前記通路孔50を閉鎖可能な開閉部材51を備えている。   As shown in FIG. 5, a through-hole 56 is formed in the multilayer heat reflecting metal plate 46 at the bottom surface of the preheating chamber 22. Further, in the multilayer heat reflecting metal plate 46 that forms the side wall of the preheating chamber 22, a passage hole 50 is formed in a portion facing the transport path 65. Further, the high temperature vacuum furnace 11 includes an opening / closing member 51 capable of closing the passage hole 50.

予備加熱室22の下側で隣接する前記断熱室23は、上側が前記多層熱反射金属板46によって区画され、下側及び側部が多層熱反射金属板47によって区画されている。断熱室23の下側を覆う多層熱反射金属板47には貫通孔57が形成されて、前記シリンダロッド30を挿通できるようになっている。   The heat insulating chamber 23 adjacent to the lower side of the preheating chamber 22 is partitioned on the upper side by the multilayer heat reflecting metal plate 46, and on the lower side and the side portion by the multilayer heat reflecting metal plate 47. A through-hole 57 is formed in the multilayer heat reflecting metal plate 47 covering the lower side of the heat insulating chamber 23 so that the cylinder rod 30 can be inserted.

前記貫通孔57の上端部に相当する位置において、多層熱反射金属板47には収納凹部58が形成される。この収納凹部58には、前記支持体28が備える第4多層熱反射金属板44を収納可能になっている。   A housing recess 58 is formed in the multilayer heat reflecting metal plate 47 at a position corresponding to the upper end of the through hole 57. The storage recess 58 can store the fourth multilayer heat-reflecting metal plate 44 provided in the support 28.

多層熱反射金属板41〜44,46,47は何れも、金属板(タングステン製)を所定の間隔をあけて積層した構造になっている。前記開閉部材51においても、通路孔50を閉鎖する部分には、同様の構成の多層熱反射金属板が用いられている。   Each of the multilayer heat reflecting metal plates 41 to 44, 46, and 47 has a structure in which metal plates (made of tungsten) are laminated at a predetermined interval. Also in the opening / closing member 51, a multilayer heat reflecting metal plate having the same configuration is used for a portion that closes the passage hole 50.

多層熱反射金属板41〜44,46,47の材質としては、メッシュヒータ33の熱輻射に対して十分な加熱特性を有し、また、融点が雰囲気温度より高い物質であれば、任意のものを用いることができる。例えば、前記タングステンのほか、タンタル、ニオブ、モリブデン等の高融点金属材料や、タングステンカーバイド、ジリコニウムカーバイド、タンタルカーバイド、ハフニウムカーバイド、モリブデンカーバイド等の炭化物を、多層熱反射金属板41〜44,46,47として用いることができる。また、その反射面に、金やタングステンカーバイド等からなる赤外線反射膜を更に形成しても良い。   Any material can be used as the material of the multilayer heat-reflecting metal plates 41 to 44, 46, 47 as long as the material has sufficient heating characteristics with respect to the heat radiation of the mesh heater 33 and has a melting point higher than the ambient temperature. Can be used. For example, in addition to tungsten, high melting point metal materials such as tantalum, niobium, molybdenum, and carbides such as tungsten carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, hafnium carbide, molybdenum carbide, etc. are used. 46, 47. Further, an infrared reflection film made of gold, tungsten carbide or the like may be further formed on the reflection surface.

そして、支持体28に備えられる多層熱反射金属板42〜44は、小さな貫通孔を多数有するパンチメタル構造のタングステン板を、当該貫通孔の位置を異ならせつつ所定の間隔をあけて積層した構造になっている。   And the multilayer heat | fever reflective metal plates 42-44 with which the support body 28 is equipped are the structures which laminated | stacked the punch metal structure tungsten plate which has many small through-holes at predetermined intervals, varying the position of the said through-hole. It has become.

また、支持体28の最も上層に備えられる第2多層熱反射金属板42の積層枚数は、本加熱室21の第1多層熱反射金属板41の積層枚数よりも少なくなっている。   Further, the number of stacked second multilayer heat reflecting metal plates 42 provided in the uppermost layer of the support 28 is smaller than the number of stacked first multilayer heat reflecting metal plates 41 in the main heating chamber 21.

この構成で、被処理物としての単結晶SiC基板5を、真空チャンバ19内の汚染を防止するために適宜の容器に収納する。なお、前記容器は後述の坩堝2であっても良いし、それ以外の容器であっても良い。そして、この状態で前記単結晶SiC基板5を搬送路65から真空チャンバ19の内部へ導入し、予備加熱室22内にある前記受け台36上に載置する。この状態で前記メッシュヒータ33を駆動すると、本加熱室21が1,000℃以上2200℃以下の所定の温度(今回は約1800℃)に加熱される。またこのとき、前記ターボ分子ポンプ34の駆動によって、真空チャンバ19内の圧力は10-3以下、好ましくは10-5以下となるように調整されている。 With this configuration, the single crystal SiC substrate 5 as an object to be processed is stored in an appropriate container in order to prevent contamination in the vacuum chamber 19. The container may be a crucible 2 described later, or may be another container. In this state, the single crystal SiC substrate 5 is introduced into the vacuum chamber 19 from the transfer path 65 and placed on the cradle 36 in the preheating chamber 22. When the mesh heater 33 is driven in this state, the main heating chamber 21 is heated to a predetermined temperature of about 1,000 ° C. to 2200 ° C. (this time about 1800 ° C.). At this time, the pressure in the vacuum chamber 19 is adjusted to 10 −3 or less, preferably 10 −5 or less by driving the turbo molecular pump 34.

ここで前述したとおり、支持体28の第2多層熱反射金属板42の積層枚数は、前記第1多層熱反射金属板41の積層枚数よりも少なくなっている。従って、メッシュヒータ33が発生する熱の一部が第2多層熱反射金属板42を介して予備加熱室22に適度に供給(分配)され、予備加熱室22内の単結晶SiC基板を500℃以上の所定の温度(例えば800℃)となるように予備加熱することができる。即ち、予備加熱室22にヒータを設置しなくても予備加熱を実現でき、予備加熱室22の簡素な構造が実現できている。   Here, as described above, the number of laminated second multilayer heat reflecting metal plates 42 of the support 28 is smaller than the number of laminated first multilayer heat reflecting metal plates 41. Accordingly, a part of the heat generated by the mesh heater 33 is appropriately supplied (distributed) to the preheating chamber 22 via the second multilayer heat reflecting metal plate 42, and the single crystal SiC substrate in the preheating chamber 22 is heated to 500 ° C. Preheating can be performed so that the predetermined temperature (for example, 800 ° C.) is reached. That is, preheating can be realized without installing a heater in the preheating chamber 22, and a simple structure of the preheating chamber 22 can be realized.

上記の予備加熱処理を所定時間行った後、シリンダ部29を駆動し、支持体28を上昇させる。この結果、単結晶SiC基板が下側から貫通孔55を通過して本加熱室21内に移動する。これにより、直ちに本加熱処理が開始され、本加熱室21内の単結晶SiC基板を所定の温度(約1800℃)に急速に昇温させることができる。   After performing the above-mentioned preheating process for a predetermined time, the cylinder part 29 is driven and the support body 28 is raised. As a result, the single crystal SiC substrate passes through the through hole 55 from the lower side and moves into the main heating chamber 21. Thereby, the main heat treatment is immediately started, and the single crystal SiC substrate in the main heating chamber 21 can be rapidly heated to a predetermined temperature (about 1800 ° C.).

今回の処理では、前記単結晶SiC基板5を上記の温度に加熱した状態で約5分間以上保持する。これにより、前記単結晶SiC基板の表面とシリコン原子が反応し、単結晶SiC基板の表面が平坦化される。詳細に言えば、図3(b)に示すように単結晶SiC基板の表面のダメージ層や不安定サイトの炭素と、一部のSiCがシリコン原子と反応することで、気体分子であるSi2CやSiC2が生成され、ダメージ層、及び、不安定サイトが除去される。これにより、SiC基板表面が炭化されずに、分子レベルで平坦な単結晶SiC基板が形成される。 In this process, the single crystal SiC substrate 5 is held at the above temperature for about 5 minutes or more. Thereby, the surface of the single crystal SiC substrate reacts with silicon atoms, and the surface of the single crystal SiC substrate is flattened. More specifically, as shown in FIG. 3 (b), the damaged layer on the surface of the single-crystal SiC substrate, the carbon of unstable sites, and a part of SiC react with silicon atoms, so that Si 2 which is a gas molecule. C and SiC 2 are generated, and the damaged layer and the unstable site are removed. Thereby, the surface of the SiC substrate is not carbonized, and a single crystal SiC substrate flat at the molecular level is formed.

図6(a)に示すように、坩堝2は互いに嵌合可能な上容器2aと下容器2bとを備えている。また、この坩堝2は、真空下で高温処理を行う場合に後述の炭素ゲッター効果を発揮するように構成されており、具体的には、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備えている。これにより、坩堝(嵌合容器)2に炭素ゲッター機能を良好に発揮させて、その内部空間を高純度のシリコン雰囲気に保つことができる。   As shown in FIG. 6A, the crucible 2 includes an upper container 2a and a lower container 2b that can be fitted to each other. The crucible 2 is configured to exhibit a carbon getter effect described later when high temperature processing is performed under vacuum. Specifically, the crucible 2 is made of tantalum metal and exposes the tantalum carbide layer to the internal space. It is prepared to let you. Thereby, the crucible (fitting container) 2 can be made to exhibit the carbon getter function well, and the internal space can be maintained in a high purity silicon atmosphere.

更に詳細に説明すると、坩堝2は図6(b)に示すように、その最表層の部分にTaC層を形成し、このTaC層の内側にTa2C層を形成し、更にその内側に基材としてのタンタル金属を配置した構成となっている。なお、タンタルと炭素の結合状態は温度依存性を示すため、前記坩堝2は、炭素濃度が高いTaCを最も表層の部分に配置するとともに、炭素濃度が若干低いTa2Cを内側に配置し、更に内側に、炭素濃度がゼロである基材のタンタル金属を配置した構成となっている。 More specifically, as shown in FIG. 6B, the crucible 2 has a TaC layer formed on the outermost layer, a Ta 2 C layer formed on the inner side of the TaC layer, and a base layer on the inner side. The tantalum metal as the material is arranged. In addition, since the bonding state of tantalum and carbon shows temperature dependence, the crucible 2 has TaC having a high carbon concentration arranged in the surface layer portion, and Ta 2 C having a slightly low carbon concentration arranged inside, Furthermore, it is the structure which has arrange | positioned the tantalum metal of the base material whose carbon concentration is zero inside.

図3に示したような処理を行う場合、坩堝2の内部に、シリコン供給源としての図略のシリコンペレットを単結晶SiC基板5とともに配置する。この坩堝2を前記高温真空炉11によって加熱することで、単結晶SiC基板5の平坦化処理が行われることになる。なお、このときの加熱温度は、1500℃以上2200℃以下とすることが好ましく、1900℃以上2200℃以下とすることが更に好ましい。   When processing as shown in FIG. 3 is performed, an unillustrated silicon pellet as a silicon supply source is placed inside the crucible 2 together with the single crystal SiC substrate 5. By heating the crucible 2 with the high-temperature vacuum furnace 11, the flattening process of the single crystal SiC substrate 5 is performed. Note that the heating temperature at this time is preferably 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, and more preferably 1900 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower.

前記坩堝2を図5の鎖線で示すように高温真空炉11の予備加熱室22に配置し、約800℃に予備加熱する。次に、約1800℃まで予め昇温させておいた本加熱室21へ、予備加熱室22内の坩堝2をシリンダ部29の駆動によって移動させ、急速に昇温させる。   The crucible 2 is placed in the preheating chamber 22 of the high temperature vacuum furnace 11 as shown by the chain line in FIG. Next, the crucible 2 in the preheating chamber 22 is moved to the main heating chamber 21 that has been heated to about 1800 ° C. in advance by driving the cylinder portion 29, and the temperature is rapidly increased.

なお、本加熱室21での加熱時において、坩堝2内の雰囲気は約1Pa以下に維持されることが好ましい。また、上容器2aと下容器2bとを嵌め合わせたときの嵌合部分の遊びは、約3mm以下であることが好ましい。これによって、実質的な密閉状態が実現され、前記本加熱室21での加熱処理において坩堝2内のシリコン圧力を高めて外部圧力(本加熱室21内の圧力)よりも高い圧力とし、不純物がこの嵌合部分を通じて坩堝2内に侵入するのを防止することができる。   In addition, it is preferable that the atmosphere in the crucible 2 is maintained at about 1 Pa or less during heating in the main heating chamber 21. Moreover, it is preferable that the play of a fitting part when the upper container 2a and the lower container 2b are fitted together is about 3 mm or less. As a result, a substantially sealed state is realized, and in the heat treatment in the main heating chamber 21, the silicon pressure in the crucible 2 is increased to a pressure higher than the external pressure (pressure in the main heating chamber 21), and impurities are removed. Intrusion into the crucible 2 through this fitting portion can be prevented.

この昇温により、坩堝2の内部空間がシリコンの飽和蒸気圧に保たれる。また、前記坩堝2は上述したように、その表面が炭化タンタル層に覆われており、当該炭化タンタル層(TaC層)が坩堝2の内部空間に露出する構成になっている。従って、上述のように真空下で高温処理を続ける限りにおいて、坩堝2は図7に示すように、炭化タンタル層の表面から連続的に炭素原子を吸着して取り込む機能を奏する。この意味で、本実施形態の坩堝2は炭素原子吸着イオンポンプ機能(イオンゲッター機能)を有するということができる。これにより、加熱処理時に坩堝2内の雰囲気に含まれているシリコン蒸気及び炭素蒸気のうち、炭素蒸気だけが坩堝2に選択的に吸蔵されるので、坩堝2内を高純度のシリコン雰囲気に保つことができる。   By this temperature rise, the internal space of the crucible 2 is maintained at the saturated vapor pressure of silicon. Further, as described above, the surface of the crucible 2 is covered with a tantalum carbide layer, and the tantalum carbide layer (TaC layer) is exposed to the internal space of the crucible 2. Therefore, as long as the high temperature treatment is continued under vacuum as described above, the crucible 2 has a function of continuously adsorbing and taking in carbon atoms from the surface of the tantalum carbide layer as shown in FIG. In this sense, it can be said that the crucible 2 of this embodiment has a carbon atom adsorption ion pump function (ion getter function). Thereby, only the carbon vapor is selectively occluded in the crucible 2 out of the silicon vapor and the carbon vapor contained in the atmosphere in the crucible 2 during the heat treatment, so that the inside of the crucible 2 is kept in a high purity silicon atmosphere. be able to.

以上に示したように、単結晶SiC基板の平坦化処理方法(製造方法)は、以下のような工程を含む。即ち、加熱処理は、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含む。前記予備加熱工程では、単結晶SiC基板5を収容した坩堝(嵌合容器)2を、予備加熱室において800℃以上の温度で加熱する。前記本加熱工程では、予め1500℃以上2200℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から坩堝2を移動することで、当該単結晶SiC基板5を1500℃以上2200℃以下の温度で加熱する。このように、単結晶SiC基板5を坩堝2に収容して事前に予備加熱しておき、予備加熱室から本加熱室へ移動させることで、単結晶SiC基板5を急速に昇温させて加熱処理を行うことができる。従って、平坦化処理を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になる。また、本実施形態の高温真空炉11(高温高真空加熱処理装置)は、水平方向でφ165mm、垂直方向で80mmまでの範囲で均一な加熱領域が確保されている。これによって、10枚程度の単結晶SiC基板5の全面を一括で表面平坦化することが可能になる。   As described above, the planarization method (manufacturing method) of the single crystal SiC substrate includes the following steps. That is, the heat treatment includes a preheating step and a main heating step. In the preheating step, the crucible (fitting container) 2 containing the single crystal SiC substrate 5 is heated at a temperature of 800 ° C. or higher in the preheating chamber. In the main heating step, the single crystal SiC substrate 5 is moved from 1500 ° C. to 2200 ° C. by moving the crucible 2 from the preheating chamber to a main heating chamber heated in advance at a temperature of 1500 ° C. to 2200 ° C. Heat at a temperature of. In this way, the single crystal SiC substrate 5 is accommodated in the crucible 2 and preheated in advance, and is moved from the preheating chamber to the main heating chamber, whereby the single crystal SiC substrate 5 is rapidly heated and heated. Processing can be performed. Therefore, the planarization process can be performed efficiently in a short time, and the control thereof is facilitated. Further, the high-temperature vacuum furnace 11 (high-temperature high-vacuum heat treatment apparatus) of the present embodiment ensures a uniform heating region in a range of φ165 mm in the horizontal direction and 80 mm in the vertical direction. As a result, the entire surface of about 10 single crystal SiC substrates 5 can be flattened collectively.

次に、シリコンの飽和蒸気圧下かつ高真空環境(具体的には、圧力が10-2Pa以下の環境)下での前記単結晶SiC基板の加熱工程における温度の影響について説明する。この加熱工程における加熱温度は、1500℃以上2200℃以下とすることが好ましく、1900℃以上2200℃以下とすることが更に好ましい。また、酸素分圧が10-5Pa以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は1Pa以下の状態であることが好ましい。 Next, the influence of temperature in the heating process of the single crystal SiC substrate under a saturated vapor pressure of silicon and in a high vacuum environment (specifically, an environment where the pressure is 10 −2 Pa or less) will be described. The heating temperature in this heating step is preferably 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, more preferably 1900 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. Further, it is preferable that the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less, the internal atmosphere of the fitting container is under silicon vapor pressure, and the internal pressure is 1 Pa or less.

まず、図8から図15までを参照して、加熱処理温度に対するシリコン蒸気圧環境の変動の原理と4H−SiC単結晶の気相処理温度に対する表面粗さの関係について説明する。   First, with reference to FIG. 8 to FIG. 15, the principle of variation in the silicon vapor pressure environment with respect to the heat treatment temperature and the relationship between the surface roughness with respect to the gas phase treatment temperature of the 4H—SiC single crystal will be described.

図8は、加熱温度の違いによるシリコン蒸気圧の変動を示した模式図である。図8に示すように、加熱温度が高温である場合、低温の場合と比較して、雰囲気のシリコン蒸気圧、及び、単結晶SiC基板双方からのシリコン脱離量が増加する。これは、高温環境下で加熱処理を行った場合、単結晶SiC基板表面のダメージ層や不安定サイト等が除去され易くなることを意味する。以下、図8に示した概念について実証例を参照しながら具体的に説明していく。   FIG. 8 is a schematic diagram showing the variation of the silicon vapor pressure due to the difference in heating temperature. As shown in FIG. 8, when the heating temperature is high, the silicon vapor pressure in the atmosphere and the amount of silicon desorbed from both single-crystal SiC substrates are increased as compared with the case where the heating temperature is low. This means that when heat treatment is performed in a high temperature environment, a damage layer, an unstable site, or the like on the surface of the single crystal SiC substrate is easily removed. Hereinafter, the concept shown in FIG. 8 will be specifically described with reference to a demonstration example.

図9は、加熱処理温度と、単結晶SiC基板の表面粗さとの関係を示したグラフである。図9の横軸は加熱処理の温度(アニール温度)を示し、縦軸は表面粗さ(Ra)を示す。この例では、単結晶4H−SiCのSi面及びC面について、温度をそれぞれ変えながら15分間の加熱処理を行い、平均表面粗さを調べた。この図9のグラフから、4H−SiCの(0001)Si面、(000−1)C面の何れにおいても、1500℃以上の高温環境下で加熱処理を行った場合の方が表面の平坦化が進んでいることが判った。このように、図9に示す実証例からも、高温環境下での加熱処理である程、表面が平坦化され易くなることがわかる。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the surface roughness of the single crystal SiC substrate. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the temperature of the heat treatment (annealing temperature), and the vertical axis indicates the surface roughness (Ra). In this example, the Si surface and C surface of single crystal 4H—SiC were subjected to heat treatment for 15 minutes while changing the temperature, and the average surface roughness was examined. From the graph of FIG. 9, the surface flattened in the case where the heat treatment is performed in a high temperature environment of 1500 ° C. or higher in any of the (0001) Si surface and the (000-1) C surface of 4H—SiC. It was found that was progressing. Thus, it can be seen from the demonstration example shown in FIG. 9 that the surface is more easily flattened as the heat treatment is performed in a high temperature environment.

次に、図10及び図11を参照して、平坦化処理された表面の均一性について説明する。図10は、単結晶SiC基板表面のテラス幅に対するステップ高さの分布を示したグラフである。図11は、4H−SiCにおける(0001)Si面と(000−1)C面の表面の様子を示した顕微鏡写真である。   Next, the uniformity of the planarized surface will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a graph showing the distribution of the step height with respect to the terrace width on the surface of the single crystal SiC substrate. FIG. 11 is a photomicrograph showing the states of the (0001) Si surface and (000-1) C surface of 4H—SiC.

図10にはステップ構造のテラス幅に対するステップ高さが示されている。なお、加熱処理(アニール)は、1900℃で60分間行われた。図10に示す結果から、単結晶SiC基板の表面に、分子レベルで平坦なステップ構造が均一に形成されていることがわかる。この結果から、本発明の加熱処理を行うことで、4H−SiC(0001)Si面と(000−1)C面は、何れも、その結晶多形を反映したステップ高さ(フルユニット又はハーフユニット)のみで表面を終端させることができることがわかる。   FIG. 10 shows the step height with respect to the terrace width of the step structure. The heat treatment (annealing) was performed at 1900 ° C. for 60 minutes. From the results shown in FIG. 10, it can be seen that a flat step structure at the molecular level is uniformly formed on the surface of the single crystal SiC substrate. From this result, by performing the heat treatment of the present invention, the 4H-SiC (0001) Si face and the (000-1) C face are both step heights (full unit or half) reflecting the crystal polymorphism. It can be seen that the surface can be terminated only by the unit.

次に、図12から図15までを参照して、加熱処理(アニール)温度と表面に形成されたステップ高さの傾向について説明する。図12及び図14には加熱処理(アニール)温度に対するステップ高さの変化がグラフで示されている。なお、加熱処理(アニール)時間は60分間とした。図13及び図15は、それぞれのアニール温度における単結晶SiC基板の表面の様子を示す顕微鏡写真である。   Next, with reference to FIG. 12 to FIG. 15, the tendency of the heat treatment (annealing) temperature and the step height formed on the surface will be described. 12 and 14 are graphs showing changes in the step height with respect to the heat treatment (annealing) temperature. The heat treatment (annealing) time was 60 minutes. 13 and 15 are photomicrographs showing the state of the surface of the single crystal SiC substrate at each annealing temperature.

結果として、前記加熱処理を行うことで、4H−SiC単結晶及び6H−SiC単結晶は、ともに、その結晶多形を反映したステップ高さ(フルユニット又はハーフユニット)のみで表面が終端した。更に、加熱処理温度が増加するに従い、4H−SiC及び6H−SiCの何れの場合も、フルユニット高さ(4H−SiCの場合1.0nm、6H−SiCの場合1.5nm)のステップ構造がハーフユニット高さ(4H−SiCの場合0.5nm、6H−SiCの場合0.75nm)のステップに分解された。この結果は、高温環境下での加熱処理の方が、SiC基板表面の分解が促進されることを示唆している。   As a result, by performing the heat treatment, the surfaces of both the 4H—SiC single crystal and the 6H—SiC single crystal were terminated only at the step height (full unit or half unit) reflecting the crystal polymorphism. Further, as the heat treatment temperature increases, the step structure of full unit height (1.0 nm for 4H-SiC, 1.5 nm for 6H-SiC) is obtained in both cases of 4H-SiC and 6H-SiC. It was decomposed into steps of half unit height (0.5 nm for 4H-SiC, 0.75 nm for 6H-SiC). This result suggests that the heat treatment under a high temperature environment promotes the decomposition of the SiC substrate surface.

以上に示したように、本実施形態の単結晶SiC基板5は以下の製造方法によって製造される。炭素ゲッター効果を有する坩堝2に単結晶SiC基板5を収容し、坩堝2の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に、坩堝2の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら1500℃以上2200℃以下の範囲で加熱制御する。これによって、当該単結晶SiC基板5の表面が、単結晶SiC基板5を構成するSiC分子の積層方向の1周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端し、分子レベルで平坦化される。   As described above, the single crystal SiC substrate 5 of the present embodiment is manufactured by the following manufacturing method. The single crystal SiC substrate 5 is housed in a crucible 2 having a carbon getter effect, the inside of the crucible 2 is under a silicon vapor pressure and a high temperature vacuum, and the internal pressure of the crucible 2 is kept higher than the external pressure. However, the heating is controlled in the range of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. Thereby, the surface of the single crystal SiC substrate 5 is composed of a full unit height corresponding to one cycle in the stacking direction of SiC molecules constituting the single crystal SiC substrate 5 or a half unit height corresponding to a half cycle. Terminate in steps and flatten at the molecular level.

これにより、機械的な研磨やエッチングでは困難な分子レベルでの平坦化を行うことができる。また、自己組織化されるような形でステップが単結晶SiC基板5の表面に形成されるので、研磨やエッチング等による平坦化処理で生じていた表面のダメージを抑制できる。   Thereby, planarization at a molecular level, which is difficult by mechanical polishing or etching, can be performed. Further, since the steps are formed on the surface of single-crystal SiC substrate 5 in such a manner as to be self-organized, it is possible to suppress damage to the surface that has occurred in the planarization process by polishing or etching.

次に、図16及び図17を参照して、前述した単結晶SiC基板5の平坦化処理方法において、嵌合容器(坩堝2と同様の部材である)内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つように制御する構成について説明する。図16及び図17は、嵌合容器の容積と密閉度を変えることで、前記嵌合容器内のシリコン蒸気圧量(Si蒸気圧量)を制御した結果を示すグラフである。図16には、加熱処理(アニール)温度に対する4H−SiC基板のエッチング速度の傾向を示している。図17には、加熱処理温度に対する4H−SiC表面に形成された平均ステップ高さの傾向を示している。なお、加熱処理時間は60分間とした。   Next, with reference to FIGS. 16 and 17, in the above-described method for planarizing single crystal SiC substrate 5, the amount of silicon vapor pressure in the fitting container (which is the same member as crucible 2) is kept large. A configuration for controlling in this way will be described. 16 and 17 are graphs showing the results of controlling the silicon vapor pressure amount (Si vapor pressure amount) in the fitting container by changing the volume and sealing degree of the fitting container. FIG. 16 shows a tendency of the etching rate of the 4H—SiC substrate with respect to the heat treatment (annealing) temperature. In FIG. 17, the tendency of the average step height formed in the 4H-SiC surface with respect to heat processing temperature is shown. The heat treatment time was 60 minutes.

前述したように、嵌合容器の容積と密閉度を変えることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を制御する。具体的には、大きい容器(6インチサイズの基板を収納可能)と小さい容器(3インチサイズの基板を収納可能)のように、容積が異なる容器を嵌合容器として用いて実験を行った。ここで、容器に入れるシリコン量は一定である。図16及び図17に示すように、容器の小さい嵌合容器を用いた場合、嵌合容器内のシリコン蒸気圧量が増加する結果となっている。つまり、容器に入れるシリコン量を一定にした場合、容積の大きい容器を用いた場合の方が、小さい容器を用いた場合よりも、単位体積あたりの嵌合容器内部のシリコン蒸気圧量が減少することを示している。これは、嵌合容器の容量が大きくなるにつれてシリコンが付着した嵌合容器内部の表面積の増加率より嵌合容器の体積の増加率の方が大きくなるためと考えられる。   As described above, the amount of silicon vapor pressure in the fitting container is controlled by changing the volume and sealing degree of the fitting container. Specifically, experiments were conducted using containers having different volumes as fitting containers, such as a large container (which can accommodate a 6-inch size substrate) and a small container (which can accommodate a 3-inch size substrate). Here, the amount of silicon put in the container is constant. As shown in FIGS. 16 and 17, when a small fitting container is used, the silicon vapor pressure amount in the fitting container is increased. In other words, when the amount of silicon put into the container is constant, the amount of silicon vapor pressure inside the fitting container per unit volume is reduced when a container with a large volume is used than when a container with a small volume is used. It is shown that. This is considered because the rate of increase of the volume of the fitting container becomes larger than the rate of increase of the surface area inside the fitting container to which silicon adheres as the capacity of the fitting container increases.

また、密閉度の高い嵌合容器を用いた場合は、嵌合容器内部のシリコン蒸気圧量は増加する結果となっている。なお、密閉度の変更は、蓋の開き具合を変えたり、嵌合容器に孔を形成したりする等、事情に応じて適宜の方法を採用することができる。   Moreover, when the fitting container with high sealing degree is used, the result is that the amount of silicon vapor pressure inside the fitting container increases. In addition, the change of a sealing degree can employ | adopt an appropriate method according to circumstances, such as changing the opening degree of a lid | cover or forming a hole in a fitting container.

また、嵌合容器内のシリコン蒸気圧量が増加する場合、加熱温度(アニール温度)に対するエッチング速度及び4H−SiC表面に形成された平均ステップ高さの傾向(基板表面が、エッチングされる温度及び平坦化処理される温度)が低温側にシフトした。この結果は、シリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、単結晶SiC表面のエッチング及び分子レベルの平坦化を、通常より低い加熱温度で行うことができることを示している。   Further, when the amount of silicon vapor pressure in the fitting container increases, the etching rate with respect to the heating temperature (annealing temperature) and the tendency of the average step height formed on the 4H-SiC surface (the temperature at which the substrate surface is etched and The temperature at which the flattening process is performed) is shifted to the low temperature side. This result shows that etching and molecular level planarization of the surface of the single crystal SiC can be performed at a heating temperature lower than usual by keeping the vapor pressure amount of silicon large.

以上に示すように、単結晶SiC基板5は、嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ工程を経ることで、より低い加熱温度で、前記単結晶SiC基板をエッチング、及び当該単結晶SiC基板の表面のステップ高さの分子レベルの平坦化が可能になる。   As described above, the single crystal SiC substrate 5 is subjected to a process of maintaining a large amount of silicon vapor pressure in the fitting container, thereby etching the single crystal SiC substrate at a lower heating temperature, and the single crystal It is possible to planarize the surface level of the SiC substrate at the molecular level of the step height.

これにより、単結晶SiC基板5のエッチング及び前記ステップ高さの分子レベルの平坦化を行うために必要な加熱温度を低くすることができ、単結晶SiC基板5の製造を効率化することができる。   As a result, the heating temperature required for etching the single crystal SiC substrate 5 and performing the planarization at the molecular level of the step height can be lowered, and the production of the single crystal SiC substrate 5 can be made efficient. .

また、本実施形態の単結晶SiC基板5においては、嵌合容器の密閉度を高めることで、嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ。   Further, in the single crystal SiC substrate 5 of the present embodiment, the amount of silicon vapor pressure in the fitting container is kept large by increasing the sealing degree of the fitting container.

これにより、嵌合容器の容量の調整や、嵌合する部分を調整(嵌合容器に対する蓋の位置等の調整)することによる密閉度の調整によって、シリコンの蒸気圧量を増やすことができる。   Thereby, the amount of silicon vapor pressure can be increased by adjusting the capacity of the fitting container and adjusting the sealing degree by adjusting the fitting part (adjustment of the position of the lid with respect to the fitting container).

次に、図18を参照して、本発明の平坦化処理を行った単結晶SiC基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する方法について説明する。平坦化処理を行った単結晶SiC基板を下地基板として用いるのである。図18は、単結晶SiC基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する概念を説明するための模式図である。   Next, a method for generating a carbon-based nanomaterial on the surface of a single crystal SiC substrate that has been subjected to the planarization process of the present invention will be described with reference to FIG. A single crystal SiC substrate that has been subjected to planarization is used as a base substrate. FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the concept of generating a carbon-based nanomaterial on the surface of a single crystal SiC substrate.

炭素系ナノ素材の生成工程において、図18(a)に示す平坦化した単結晶SiC基板5に対し、前述の高温真空炉11を用いて再び加熱処理を行う。なお、この加熱時に、前記平坦化した単結晶SiC基板5を坩堝(嵌合容器)2に収容することが好ましい。また、炭素系ナノ素材の生成工程に用いられる嵌合容器は、シリコン蒸気圧環境を形成しない炭化タンタル化合物で構成されていることが好ましい。具体的には、上記坩堝2は、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備えたものとしている。また、炭化処理工程において、単結晶SiC基板5を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理することが好ましい。 In the carbon-based nanomaterial generation step, the flattened single crystal SiC substrate 5 shown in FIG. 18A is subjected to heat treatment again using the high-temperature vacuum furnace 11 described above. It is preferable that the flattened single crystal SiC substrate 5 is accommodated in a crucible (fitting container) 2 during this heating. Moreover, it is preferable that the fitting container used for the production | generation process of a carbon-type nano raw material is comprised with the tantalum carbide compound which does not form a silicon vapor pressure environment. Specifically, the crucible 2 is made of tantalum metal and is provided with a tantalum carbide layer exposed to the internal space. In the carbonization treatment step, it is preferable that the single crystal SiC substrate 5 is heat-treated in a state where the pressure in the furnace is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less.

次に、前記平坦化した単結晶SiC基板5を高真空環境(具体的には、圧力が10-2Pa以下であることが好ましく、10-3Pa以下の環境であることが更に好ましい。)において加熱する。このときの加熱温度は、1500℃以上2200℃以下とすることが好ましく、1700℃以上2200℃以下とすることが更に好ましい。この加熱処理には、前述の高温真空炉を用いることができる。例えば1800℃で加熱処理を行うことで、前記平坦化した単結晶SiC基板5の表面に前記炭素系ナノ材料であるグラフェンシートを形成することができる。また、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理することが好ましい。図18(b)は、グラフェンシート半導体ウエハーの外観斜視図である。 Next, the flattened single crystal SiC substrate 5 is subjected to a high vacuum environment (specifically, the pressure is preferably 10 −2 Pa or less, more preferably 10 −3 Pa or less). Heat in. The heating temperature at this time is preferably 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, more preferably 1700 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. The high temperature vacuum furnace described above can be used for this heat treatment. For example, by performing heat treatment at 1800 ° C., the graphene sheet that is the carbon-based nanomaterial can be formed on the surface of the flattened single crystal SiC substrate 5. Moreover, it is preferable to heat-process in the state whose oxygen partial pressure is 10 < -5 > Pa or less. FIG. 18B is an external perspective view of the graphene sheet semiconductor wafer.

炭素系ナノ素材を生成する方法における表面炭化処理工程においても、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記単結晶SiC基板を収容した嵌合容器を、予備加熱室において800℃以上の温度で加熱する。前記本加熱工程では、予め1500℃以上2200℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記単結晶SiC基板を1500℃以上2200℃以下の温度で加熱する。これにより、単結晶SiC基板を嵌合容器に収容して事前に予備加熱しておき、予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、表面炭化処理工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になるのである。平坦化処理のときと同様に、本実施形態の高温真空炉11は、水平方向でφ165mm、垂直方向で80mmまでの範囲で均一な加熱領域が確保されているため、10枚程度の表面が平坦化処理された単結晶SiC基板5の全面を一括で表面炭化することが可能になる。   Also in the surface carbonization treatment step in the method for producing the carbon-based nanomaterial, it is preferable to include a preheating step and a main heating step. In the preheating step, the fitting container containing the single crystal SiC substrate is heated at a temperature of 800 ° C. or higher in the preheating chamber. In the main heating step, the single-crystal SiC substrate is moved to 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. by moving the fitting container from the preheating chamber to a main heating chamber heated in advance at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. Heat at the following temperature. Thereby, the single crystal SiC substrate is accommodated in the fitting container and preheated in advance, and the heat treatment is performed by rapidly raising the temperature by moving from the preheating chamber to the main heating chamber. The process can be efficiently performed in a short time, and the control becomes easy. As in the flattening process, the high-temperature vacuum furnace 11 of this embodiment has a uniform heating area in a range of φ165 mm in the horizontal direction and 80 mm in the vertical direction, so that about 10 surfaces are flat. It is possible to carbonize the entire surface of the single crystal SiC substrate 5 that has been subjected to the chemical conversion treatment.

図18の処理によって単結晶SiC基板上に形成された炭素ナノ材料の実証例を図19に示す。図19は、高真空下において、2100℃で60分間行った前記加熱処理により4H−SiC(0001)Si面と(000−1)C面上に生成した前記グラフェンシート層の電子顕微鏡写真である。結果として、4H−SiCの(0001)Si面においても、(000−1)C面においても、グラフェンシートとカーボンナノチューブを含む炭素ナノ材料が形成された。なお、原理的に加熱時間を短時間にすることで、この炭素ナノ材料の厚みを分子層レベルの薄膜に制御することは可能である。また、加熱時間は1分以上60分以下が好ましい。   FIG. 19 shows a demonstration example of the carbon nanomaterial formed on the single crystal SiC substrate by the process of FIG. FIG. 19 is an electron micrograph of the graphene sheet layer formed on the 4H—SiC (0001) Si surface and the (000-1) C surface by the heat treatment performed at 2100 ° C. for 60 minutes under high vacuum. . As a result, carbon nanomaterials including graphene sheets and carbon nanotubes were formed on both the (0001) Si face and the (000-1) C face of 4H—SiC. In principle, it is possible to control the thickness of the carbon nanomaterial to a molecular layer-level thin film by shortening the heating time. The heating time is preferably 1 minute or more and 60 minutes or less.

以上に示すように、本実施形態の炭素ナノ材料付き単結晶SiC基板は、分子レベルで平坦化処理された単結晶SiC基板5の表面にグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させて構成される。   As described above, the single crystal SiC substrate with a carbon nanomaterial of the present embodiment is configured by forming a graphene sheet or a carbon nanotube on the surface of the single crystal SiC substrate 5 flattened at the molecular level.

これにより、分子レベルで平坦化された単結晶SiC基板5の表面に、炭素ナノ材料で形成されたグラフェンシートの分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを均一かつ大きく(大面積で)形成させることができる。   As a result, a thin film or carbon nanotube of a molecular layer of a graphene sheet formed of a carbon nanomaterial can be formed uniformly and large (in a large area) on the surface of the single crystal SiC substrate 5 flattened at the molecular level. it can.

また、本実施形態の炭素ナノ材料付き単結晶SiC基板は、以下のような炭化処理工程を含む製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程では、単結晶SiC基板5を、高温真空環境であって、炭素ゲッター効果を有する坩堝2内で1500℃から2200℃の範囲で加熱することで、単結晶SiC基板表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該単結晶SiC基板の表面に炭素材料のグラフェンシート分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを生成させる。   Moreover, the single crystal SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment is manufactured by a manufacturing method including the following carbonization process. That is, in the carbonization treatment step, the single crystal SiC substrate 5 is heated in a temperature range of 1500 ° C. to 2200 ° C. in a crucible 2 having a carbon getter effect in a high-temperature vacuum environment. Silicon is sublimated, and a carbon film graphene sheet molecular layer level thin film or carbon nanotube is formed on the surface of the single crystal SiC substrate by the remaining carbon.

これにより、炭化処理によって当該単結晶SiC基板5の表面に炭素材料のグラフェンシート分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを効率的に生成させることができる。   Thereby, the thin film or carbon nanotube of the graphene sheet molecular layer level of a carbon material can be efficiently produced | generated on the surface of the said single crystal SiC substrate 5 by carbonization process.

また、本実施形態の炭素ナノ材料付きSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程において、単結晶SiC基板5を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理する。 Moreover, the SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, in the carbonization step, the single crystal SiC substrate 5 is heat-treated in a state where the pressure in the furnace is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less.

これにより、炭化処理工程において他の不純物がSiC結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きSiC基板を得ることができる。   Thereby, it can prevent that another impurity penetrate | invades a SiC crystal layer in a carbonization process, and can obtain a SiC substrate with a high quality carbon nanomaterial.

次に、図20を参照して炭素ナノ半導体デバイス用、及び、高耐圧デバイス用の基板として用いられるSiC基板ウエハーの製造工程について説明する。   Next, with reference to FIG. 20, the manufacturing process of the SiC substrate wafer used as a board | substrate for carbon nano semiconductor devices and a high voltage | pressure-resistant device is demonstrated.

本実施形態の製造方法では、まず図20(a)に示すように、4H又は6H−単結晶SiC基板6pに対し炭素供給フィード基板7を積層させ、積層体8を構成する。炭素供給フィード基板7は、切欠き等がなく真円度の高い円形状に形成されており、その直径は単結晶SiC基板5の直径と同一とされている。また、前記炭素供給フィード基板7は前記単結晶SiC基板に対向するように配置され、両者がズレなく一致するよう正確に位置決めされる。   In the manufacturing method of the present embodiment, first, as shown in FIG. 20A, a carbon supply feed substrate 7 is laminated on a 4H or 6H-single crystal SiC substrate 6p to form a laminate 8. The carbon supply feed substrate 7 is formed in a circular shape with no notches and a high roundness, and the diameter thereof is the same as the diameter of the single crystal SiC substrate 5. Further, the carbon supply feed substrate 7 is disposed so as to face the single crystal SiC substrate, and is positioned accurately so that they coincide with each other without deviation.

前記炭素供給フィード基板7はSiC単結晶の液相エピタキシャル成長に必要な炭素原子を供給するための基板であり、4H若しくは6H−SiC単結晶よりも高い自由エネルギーを有するものが用いられる。具体的には、例えば、3C−SiC単結晶、3C−SiC多結晶、又は炭素ナノ材料が表面に存在する基板として用いることができる。本実施形態では、炭素供給フィード基板7として3C−SiC多結晶基板を用いている。   The carbon supply feed substrate 7 is a substrate for supplying carbon atoms necessary for the liquid phase epitaxial growth of the SiC single crystal, and one having higher free energy than the 4H or 6H—SiC single crystal is used. Specifically, for example, a 3C—SiC single crystal, 3C—SiC polycrystal, or a carbon nanomaterial can be used as a substrate on the surface. In this embodiment, a 3C—SiC polycrystalline substrate is used as the carbon supply feed substrate 7.

そして、この積層体8を、シリコン供給源としての図略のシリコンペレットとともに前記坩堝2に収容する。なお、シリコンの供給形態としては、前記シリコンペレットによることに代えて、例えば坩堝2の内壁に取り付けた板状のシリコンによって供給を行うようにしても良い。   And this laminated body 8 is accommodated in the said crucible 2 with the unillustrated silicon pellet as a silicon supply source. In addition, as a supply form of silicon, instead of using the silicon pellets, for example, the supply may be performed using plate-like silicon attached to the inner wall of the crucible 2.

そして、この状態の坩堝2を、前述の高温真空炉11によって加熱処理する。このときの加熱温度は、1500℃以上2200℃以下とすることが好ましく、1700℃以上1900℃以下とすることが更に好ましい。   Then, the crucible 2 in this state is heated by the high-temperature vacuum furnace 11 described above. The heating temperature at this time is preferably 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, more preferably 1700 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower.

具体的には、前記坩堝2を図5の鎖線で示すように高温真空炉11の予備加熱室22に配置し、約800℃に予備加熱する。次に、約1800℃まで予め昇温させておいた本加熱室21へ、予備加熱室22内の坩堝2をシリンダ部29の駆動によって移動させ、急速に昇温させる。この結果、前記シリコンペレットからシリコンが蒸発し、坩堝2の内部はシリコンの飽和蒸気圧に保たれる。   Specifically, the crucible 2 is placed in the preheating chamber 22 of the high temperature vacuum furnace 11 as shown by the chain line in FIG. 5 and preheated to about 800 ° C. Next, the crucible 2 in the preheating chamber 22 is moved to the main heating chamber 21 that has been heated to about 1800 ° C. in advance by driving the cylinder portion 29, and the temperature is rapidly increased. As a result, silicon evaporates from the silicon pellet, and the inside of the crucible 2 is maintained at the saturated vapor pressure of silicon.

なお、本加熱室21での加熱時において、坩堝2内の雰囲気は約1Pa以下に維持されることが好ましい。また、加熱時における坩堝2内のシリコン圧力を高め、外部圧力(本加熱室21内の圧力)よりも高い圧力とすることが好ましい。これにより、不純物が坩堝2内に侵入するのを防止することができる。   In addition, it is preferable that the atmosphere in the crucible 2 is maintained at about 1 Pa or less during heating in the main heating chamber 21. Moreover, it is preferable that the silicon pressure in the crucible 2 during heating is increased to a pressure higher than the external pressure (pressure in the main heating chamber 21). Thereby, it is possible to prevent impurities from entering the crucible 2.

以上により、図20(a)に示すように、前記単結晶SiC基板5と炭素供給フィード基板7との間にシリコン極薄融液層4を介在させ、準安定溶媒エピタキシー法(MSE)による液相エピタキシャル成長を行わせることができる。なお、前記シリコン極薄融液層4の原料とするために、前記積層体8における前記単結晶SiC基板5と炭素供給フィード基板7との間に例えばシリコン板を予め配置しておくことが好ましい。また、液相エピタキシャル成長工程において、前記積層体は1800℃以上2000℃以下の温度で加熱されることが好ましい。これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。   As described above, as shown in FIG. 20A, the ultrathin silicon melt layer 4 is interposed between the single crystal SiC substrate 5 and the carbon supply feed substrate 7, and the liquid by the metastable solvent epitaxy method (MSE) is used. Phase epitaxial growth can be performed. In order to use as a raw material for the silicon ultrathin melt layer 4, it is preferable to previously arrange a silicon plate, for example, between the single crystal SiC substrate 5 and the carbon supply feed substrate 7 in the laminate 8. . In the liquid phase epitaxial growth step, the laminate is preferably heated at a temperature of 1800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower. Thereby, an epitaxial growth process can be performed more favorably and efficiently.

ここで、前記単結晶SiC基板5及び炭素供給フィード基板7は、直径が等しく且つ2インチ以上の大径に形成されており、互いに位置を合わせるように位置決めされている。従って、両者の間にシリコン極薄融液層4を良好に保持させることができ、長時間の液相エピタキシャル成長が可能になる。   Here, the single crystal SiC substrate 5 and the carbon supply feed substrate 7 have the same diameter and are formed to have a large diameter of 2 inches or more, and are positioned so as to align with each other. Accordingly, it is possible to satisfactorily hold the silicon ultra-thin melt layer 4 between them, and long-term liquid phase epitaxial growth becomes possible.

更に、図20(a)の液相エピタキシャル成長工程で用いられる坩堝2は、前述のとおり、その表面の炭化タンタル層が炭素ゲッターとしての機能を果たす。従って、坩堝2の内部空間のシリコン蒸気及び炭素蒸気のうち、炭素のみが選択的に坩堝2の内部に吸蔵される。この結果、坩堝2内を高純度のシリコン雰囲気に保つことができ、良好な液相エピタキシャル成長が可能になる。   Furthermore, as described above, the tantalum carbide layer on the surface of the crucible 2 used in the liquid phase epitaxial growth step of FIG. 20A functions as a carbon getter. Accordingly, of the silicon vapor and carbon vapor in the internal space of the crucible 2, only carbon is selectively occluded in the crucible 2. As a result, the inside of the crucible 2 can be maintained in a high-purity silicon atmosphere, and good liquid phase epitaxial growth becomes possible.

以上の加熱処理により、図20(b)に示すように、前記4H−SiC単結晶層5cの表面にマイクロパイプ欠陥のない原子レベルに平坦な4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層5dを形成し、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板6qを得ることができる。   By the above heat treatment, as shown in FIG. 20B, a flat 4H—SiC single crystal epitaxial growth layer 5d having no micropipe defects is formed on the surface of the 4H—SiC single crystal layer 5c, and epitaxial growth is performed. A single crystal SiC substrate 6q with a layer can be obtained.

以上に説明した液相エピタキシャル成長工程で行われる加熱処理は、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記単結晶SiC基板を収容した嵌合容器を、予備加熱室において800℃以上の温度で加熱する。本加熱工程では、予め1500℃以上2200℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記単結晶SiC基板を1500℃以上2200℃以下の温度で加熱することが好ましい。これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。また、事前に予備加熱しておいた前記積層体8を予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、液相エピタキシャル成長工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になるからである。また、高温真空炉11は、水平方向でφ165mm、垂直方向で80mmの範囲で均一な加熱領域が確保されている。従って、高温真空炉11を用いることで、原理的に6インチサイズまでの前記エピタキシャル層を成長可能にさせる。また、10セット程度の複数セットの前記積層体を一括でエピタキシャル工程を行うことが可能になるため、短時間で効率良く、エピタキシャル層付き単結晶SiC基板を得ることができる。   The heat treatment performed in the liquid phase epitaxial growth step described above preferably includes a preheating step and a main heating step. In the preheating step, the fitting container containing the single crystal SiC substrate is heated at a temperature of 800 ° C. or higher in the preheating chamber. In the main heating step, the single crystal SiC substrate is moved to 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower by moving the fitting container from the preheating chamber to a main heating chamber heated in advance at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. It is preferable to heat at the temperature. Thereby, an epitaxial growth process can be performed more favorably and efficiently. Further, since the laminated body 8 that has been preheated in advance is moved from the preheating chamber to the main heating chamber, the temperature is rapidly raised and the heat treatment is performed, so that the liquid phase epitaxial growth process is efficiently performed in a short time. This is because the control can be facilitated. Further, the high-temperature vacuum furnace 11 has a uniform heating area in a range of φ165 mm in the horizontal direction and 80 mm in the vertical direction. Therefore, by using the high-temperature vacuum furnace 11, the epitaxial layer up to 6 inches can be grown in principle. Further, since it is possible to perform an epitaxial process on a plurality of sets of about 10 sets at once, a single-crystal SiC substrate with an epitaxial layer can be obtained efficiently in a short time.

本実施形態では、温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるMSE法を用いることで、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができ、高品質なSiC単結晶エピタキシャル成長層5dを得ることができる。更に、系に温度勾配を形成する必要がないので、プロセスを行うための装置構成を簡素化でき、プロセス制御も簡単になる。加えて、シリコン極薄融液層4の厚みが極めて小さいために炭素供給フィード基板7からの炭素の拡散が良好であり、温度上昇により前記シリコン極薄融液層4(溶媒)に対する炭素の溶解度を上昇させる必要がないので、プロセスの低温化が容易である。前記MSE法における結晶化駆動力は、温度勾配がない溶液環境において、前記極薄シリコン融液を介して対峙したSiCシード基板(種基板)と前記炭素供給フィード基板間での自由エネルギー差により生み出される。即ち、自由エネルギーの高い基板ほど、前記シリコン溶媒中に溶け易いため、前記基板間で自由エネルギーの差がある場合、前記極薄シリコン融液中に炭素(溶質)の濃度勾配が生じる。従って、MSE法では、この濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるのである。   In this embodiment, by using the MSE method in which the growth kinetics is controlled only by the concentration gradient without the temperature gradient, the epitaxial growth can be automatically stabilized, and the high-quality SiC single crystal epitaxial growth layer 5d can be formed. Can be obtained. Furthermore, since it is not necessary to form a temperature gradient in the system, the apparatus configuration for performing the process can be simplified, and the process control is also simplified. In addition, since the thickness of the silicon ultrathin melt layer 4 is extremely small, the diffusion of carbon from the carbon supply feed substrate 7 is good, and the solubility of carbon in the silicon ultrathin melt layer 4 (solvent) is increased by increasing the temperature. Since it is not necessary to raise the temperature, it is easy to lower the process temperature. The crystallization driving force in the MSE method is generated by a difference in free energy between the SiC seed substrate (seed substrate) and the carbon supply feed substrate facing each other through the ultrathin silicon melt in a solution environment having no temperature gradient. It is. That is, since a substrate having higher free energy is more easily dissolved in the silicon solvent, if there is a difference in free energy between the substrates, a concentration gradient of carbon (solute) occurs in the ultrathin silicon melt. Therefore, in the MSE method, the growth kinetics is controlled only by this concentration gradient.

以上に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、積層工程と収容工程と液相エピタキシャル成長工程とを含む。積層工程では、単結晶SiC基板5と炭素供給フィード基板7とを対向配置し、その間にシリコンペレット又はシリコン基板を介在させて積層体8を構成する。収容工程では、積層体8を、炭素ゲッター効果を有する坩堝2に収容する。エピタキシャル成長工程では、坩堝2の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に坩堝2の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら、単結晶SiC基板5と炭素供給フィード基板7との間にシリコン極薄融液層4を介在させつつ加熱することで、単結晶SiC基板5の表面に、準安定溶媒エピタキシー法によって単結晶4H−SiCを液相エピタキシャル成長させ、単結晶4H−SiCエピタキシャル成長層を形成する。   As described above, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method includes a stacking step, a containing step, and a liquid phase epitaxial growth step. In the laminating step, the single crystal SiC substrate 5 and the carbon supply feed substrate 7 are arranged to face each other, and a silicon pellet or a silicon substrate is interposed therebetween to constitute the laminate 8. In the housing step, the laminate 8 is housed in the crucible 2 having a carbon getter effect. In the epitaxial growth step, the inside of the crucible 2 is under a silicon vapor pressure and a high temperature vacuum, and the internal pressure of the crucible 2 is maintained higher than the external pressure, while the single crystal SiC substrate 5 and the carbon supply feed substrate 7 are Is heated while interposing the ultrathin silicon melt layer 4 between them, the single crystal 4H-SiC is grown on the surface of the single crystal SiC substrate 5 by liquid phase epitaxial growth by the metastable solvent epitaxy method. An epitaxial growth layer is formed.

これにより、分子レベルで平坦化された単結晶SiC基板5の表面に、高濃度のエピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層を準安定溶媒エピタキシー法で液相成長させることができるので、極めて高品質なエピタキシャル成長結晶を得ることができる。   As a result, a high-concentration epitaxial layer or a high-purity active layer epitaxial layer can be grown in a liquid phase by the metastable solvent epitaxy method on the surface of the single-crystal SiC substrate 5 flattened at the molecular level. An epitaxially grown crystal can be obtained.

以上に示したように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板は、以下のような製造方法で製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下でかつ高温真空下とし、1500℃以上2200℃以下で加熱制御する。   As described above, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, in the liquid phase epitaxial growth step, the inside of the fitting container is placed under a vapor pressure of silicon and under a high temperature vacuum, and the heating is controlled at 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower.

これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。   Thereby, an epitaxial growth process can be performed more favorably and efficiently.

なお、液相エピタキシャル成長工程においてシリコンの蒸気圧量を制御することで、以下のように液相エピタキシャル成長工程を制御することができる。例えば、坩堝2内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、加熱処理時のシリコン融液層を長時間保持できる。また、坩堝2内のシリコンの蒸気圧量が少なく保つことで、液相エピタキシャル成長工程の最終段階(目的の膜厚のエピタキシャル成長層を形成した段階)に存在する余剰シリコン融液を、きれいに、かつ、速く(エピタキシャル成長表面を荒らすことなく)除去することができる。   In addition, by controlling the amount of silicon vapor pressure in the liquid phase epitaxial growth step, the liquid phase epitaxial growth step can be controlled as follows. For example, by keeping the amount of silicon vapor pressure in the crucible 2 large, the silicon melt layer during the heat treatment can be held for a long time. Further, by keeping the amount of silicon vapor pressure in the crucible 2 small, the surplus silicon melt present in the final stage of the liquid phase epitaxial growth process (the stage where the epitaxial growth layer of the desired film thickness is formed) can be cleaned and It can be removed quickly (without roughening the epitaxial growth surface).

また、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板の製造工程後に、本発明の平坦化処理を行うことで、表面欠陥が除去されたサブナノオーダーの分子レベルに平坦なエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板を形成することもできる。   In addition, after the manufacturing process of the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer, the planarization treatment of the present invention is performed to form a single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer that is flat at the molecular level of sub-nano order from which surface defects have been removed. You can also.

次に、図21を参照して、前記MSE法によるSiCエピタキシャル成長の実施例を説明する。図21は、前記液相エピタキシャル工程後の積層体の断面写真である。なお、図21の例では、シード基板として4H−SiC(0001)基板を用い、炭素供給フィード基板(フィーダー)は3C−SiC多結晶基板を用いた。前記液相エピタキシャル工程においては、前記4H−SiC(0001)基板と3C−SiC多結晶基板の間にシリコン融液を介在させた前記積層体を、1900℃で1時間加熱処理した。結果として、4H−SiC(0001)Si面上に、20μm厚程度の4H−SiCエピタキシャル層が形成された。   Next, an example of SiC epitaxial growth by the MSE method will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional photograph of the laminate after the liquid phase epitaxial step. In the example of FIG. 21, a 4H—SiC (0001) substrate was used as the seed substrate, and a 3C—SiC polycrystalline substrate was used as the carbon supply feed substrate (feeder). In the liquid phase epitaxial step, the laminated body in which a silicon melt was interposed between the 4H—SiC (0001) substrate and the 3C—SiC polycrystalline substrate was heat-treated at 1900 ° C. for 1 hour. As a result, a 4H—SiC epitaxial layer having a thickness of about 20 μm was formed on the 4H—SiC (0001) Si surface.

前記のSiC単結晶エピタキシャル成長の製造方法において、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、SiCエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。これにより、高濃度エピタキシャル層(窒素濃度換算10の17〜19乗)又は高純度活性層エピタキシャル層(窒素濃度換算10の13〜15乗)の4H−SiC若しくは6H−SiCエピタキシャル膜付きSiC基板ウエハーの製造が可能になる。   In the manufacturing method of the SiC single crystal epitaxial growth, the impurity concentration in the SiC epitaxial layer can be controlled by controlling the impurity concentration of the carbon supply feed substrate serving as a feeder. Thereby, a SiC substrate wafer with a 4H-SiC or 6H-SiC epitaxial film of a high-concentration epitaxial layer (10 to the 17th to 19th power of nitrogen concentration conversion) or a high purity active layer epitaxial layer (10 to the 13th to 15th power of nitrogen concentration conversion). Can be manufactured.

次に、図22を参照して、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、SiCエピタキシャル層内の不純物濃度を制御した実証例を説明する。図22は、SiC基板の膜厚に対する窒素ドーピング濃度の変化を示したグラフである。   Next, referring to FIG. 22, a demonstration example will be described in which the impurity concentration in the SiC epitaxial layer is controlled by controlling the impurity concentration of the carbon supply feed substrate serving as a feeder. FIG. 22 is a graph showing a change in the nitrogen doping concentration with respect to the film thickness of the SiC substrate.

本実証例においては、フィーダーとなる3C−SiC多結晶層内の窒素含有量率が異なる基板を用いて、エピタキシャル層の形成を行った。前記液相エピタキシャル工程においては、シード基板として4H−SiC(0001)基板を用いた。また、加熱処理温度は1900℃、加熱処理時間は60分間とした。図22において、SiC基板の膜厚が5μm以下の部分はSiCエピタキシャル層、5μm以上は単結晶4H−SiC基板を示している。結果として、窒素濃度が高い3C−SiC多結晶をフィードとして用いた場合の方が、エピタキシャル層中に含まれる窒素濃度が高くなった。この結果は、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、SiCエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することが可能であることを示唆している。   In this demonstration example, an epitaxial layer was formed using substrates having different nitrogen content rates in the 3C-SiC polycrystalline layer serving as a feeder. In the liquid phase epitaxial process, a 4H—SiC (0001) substrate was used as a seed substrate. The heat treatment temperature was 1900 ° C. and the heat treatment time was 60 minutes. In FIG. 22, the portion of the SiC substrate having a film thickness of 5 μm or less indicates a SiC epitaxial layer, and the portion of 5 μm or more indicates a single crystal 4H—SiC substrate. As a result, the concentration of nitrogen contained in the epitaxial layer was higher when 3C-SiC polycrystal having a high nitrogen concentration was used as the feed. This result suggests that the impurity concentration in the SiC epitaxial layer can be controlled by controlling the impurity concentration of the carbon supply feed substrate serving as a feeder.

以上に示したように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板7の不純物濃度を制御する。   As described above, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer of the present embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, the impurity concentration of the carbon supply feed substrate 7 is controlled in the liquid phase epitaxial growth step.

これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き単結晶SiC基板の製造を効率的に行うことができる。   Thereby, it is possible to control the impurity concentration in the epitaxial layer using the concentration gradient generated by the difference in free energy between the substrates. Therefore, it is possible to efficiently manufacture a single crystal SiC substrate with a high concentration epitaxial layer or a high purity active layer epitaxial layer.

次に、図23から図38までを参照して、SiC基板に溝加工を施した種基板表面へのSiC単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜形成工程について説明する。本実施形態において、前記単結晶SiC基板ウエハーの製造工程は、基板準備工程と、液相エピタキシャル工程と、表面炭化工程と、を含む。なお、前記溝加工は、UVレーザー又は、ダイシングソーによって加工される。UVレーザーを用いる場合、266nm以下のレーザー波長がSiC多結晶基板の凹加工に用いられることが好ましい。これにより、SiC多結晶基板に熱損傷を与えない光反応により溝加工を可能にする。   Next, with reference to FIGS. 23 to 38, the formation of the SiC single crystal epitaxial growth layer on the surface of the seed substrate obtained by grooving the SiC substrate and the graphene sheet film forming step will be described. In this embodiment, the manufacturing process of the single crystal SiC substrate wafer includes a substrate preparation process, a liquid phase epitaxial process, and a surface carbonization process. The groove processing is performed by a UV laser or a dicing saw. When using a UV laser, it is preferable that a laser wavelength of 266 nm or less is used for the concave processing of the SiC polycrystalline substrate. This enables groove processing by a photoreaction that does not cause thermal damage to the SiC polycrystalline substrate.

図23には、SiC単結晶エピタキシャル成長層の形成及びグラフェンシート膜を形成するための第1の例が示されている。この例では、まず図23(a)に示すように、溝加工を施した4H若しくは6H−単結晶SiC基板をシード基板として用意する(基板準備工程)。この溝加工は、図25に示すように、前記単結晶SiC基板の表面を複数の領域(セグメント)に分割するように行われる。なお、溝によって区画された1個分の領域は、半導体デバイスの1チップサイズに相当する大きさとしている。   FIG. 23 shows a first example for forming a SiC single crystal epitaxial growth layer and a graphene sheet film. In this example, first, as shown in FIG. 23A, a 4H or 6H-single crystal SiC substrate that has been grooved is prepared as a seed substrate (substrate preparation step). This groove processing is performed so as to divide the surface of the single crystal SiC substrate into a plurality of regions (segments) as shown in FIG. Note that one area defined by the grooves is equivalent to one chip size of the semiconductor device.

次に、前記液相エピタキシャル工程として、MSE法により、各セグメント表面にSiC単結晶をエピタキシャル成長させる。図23の例では、MSE液相成長法は、図23(b)に示すような溝加工を施した種基板と炭素供給フィード基板7の間にシリコン極薄融液層4を介した積層体を組み、これを加熱することによって行う。また、前記液相エピタキシャル工程においては、フィーダーとなる炭素供給フィード基板は3C−SiC多結晶基板を用いた。   Next, as the liquid phase epitaxial step, an SiC single crystal is epitaxially grown on the surface of each segment by MSE. In the example of FIG. 23, the MSE liquid phase growth method is a laminate in which a silicon ultrathin melt layer 4 is interposed between a seed substrate and a carbon supply feed substrate 7 that have been grooved as shown in FIG. And this is done by heating. In the liquid phase epitaxial process, a 3C-SiC polycrystalline substrate was used as the carbon supply feed substrate serving as a feeder.

図23(c)に示すように、各セグメント表面にSiCエピタキシャル層12が形成される。この加熱処理の加熱温度としては、1500℃以上2200℃以下が好ましく、1800℃以上2000℃以下であることが更に好ましい。これにより、前記エピタキシャル成長工程において、前記単結晶SiC基板5表面にSiC単結晶を一層良好に且つ効率良くエピタキシャル成長させることができる。   As shown in FIG. 23C, SiC epitaxial layer 12 is formed on the surface of each segment. The heating temperature for this heat treatment is preferably 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, and more preferably 1800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower. Thereby, in the said epitaxial growth process, a SiC single crystal can be epitaxially grown more satisfactorily and efficiently on the surface of the single crystal SiC substrate 5.

なお、上記のように複数のセグメントに分割した前記シード基板を用いることで、前記エピタキシャル成長工程で基板の厚み方向(以下、垂直方向)にSiCエピタキシャル層を成長させる過程で、前記シード基板から伝播した結晶欠陥(例えば螺旋転位、基底面転位、及びc軸方位欠陥等)が前記SiCエピタキシャル層の側面から開放される。この転位欠陥の側面開放により、前記SiCエピタキシャル層の上部では、ほぼ無欠陥のSiC単結晶エピタキシャル成長層が得られる。   In addition, by using the seed substrate divided into a plurality of segments as described above, it propagated from the seed substrate in the process of growing a SiC epitaxial layer in the thickness direction (hereinafter, vertical direction) of the substrate in the epitaxial growth step. Crystal defects (for example, screw dislocations, basal plane dislocations, and c-axis orientation defects) are released from the side surfaces of the SiC epitaxial layer. By opening the side surfaces of the dislocation defects, a substantially defect-free SiC single crystal epitaxial growth layer can be obtained above the SiC epitaxial layer.

更に、前記液相エピタキシャル工程において、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、SiCエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することが可能となる。これにより、半導体チップサイズに分割した前記SiC単結晶上に4H−SiCの高濃度エピタキシャル層(窒素濃度換算10の17〜19乗)又は高純度活性層エピタキシャル層(窒素濃度換算10の13〜15乗)の形成が可能になる。   Furthermore, in the liquid phase epitaxial process, it is possible to control the impurity concentration in the SiC epitaxial layer by controlling the impurity concentration of the carbon supply feed substrate serving as a feeder. As a result, a 4H—SiC high-concentration epitaxial layer (nitrogen concentration conversion 10 to the 17th to the 19th power) or high-purity active layer epitaxial layer (nitrogen concentration conversion 10 to 13 to 15) is formed on the SiC single crystal divided into semiconductor chip sizes. Formation).

そして、最終段階である前記表面炭化工程(炭化処理工程)では、図23(d)に示すように、高温真空下で、1500℃以上2200℃以下の温度で加熱処理を行うことで、SiC基板表面に形成したSiCエピタキシャル層上にグラフェンシート(グラフェン分子薄膜)9を形成する。具体的には、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧環境下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態に維持しながら上記の温度で加熱処理することで、複数のセグメントに分割されたそれぞれの4H−SiCエピタキシャル層において、その表面の全面にグラフェンシート9が形成される。 Then, in the surface carbonization step (carbonization treatment step) which is the final stage, as shown in FIG. 23 (d), the SiC substrate is subjected to heat treatment at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower under high temperature vacuum. A graphene sheet (graphene molecular thin film) 9 is formed on the SiC epitaxial layer formed on the surface. Specifically, the heat treatment is performed at the above temperature in a reduced pressure environment where the furnace pressure is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is maintained at 10 −5 Pa or less. In each 4H-SiC epitaxial layer divided into two, the graphene sheet 9 is formed on the entire surface.

以上に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、前記単結晶SiC基板の表面を半導体デバイス1チップサイズの複数の領域に分割するように当該単結晶SiC基板に溝加工を施す溝形成工程を含む。また、前記液相エピタキシャル成長工程において、溝加工を施した前記単結晶SiC基板の領域ごとに単結晶エピタキシャル成長層を形成させることで、前記単結晶SiC基板の表面に、半導体デバイス1チップサイズごとに分割された4H−SiC単結晶を製造する。   As described above, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method includes a groove forming step of performing groove processing on the single crystal SiC substrate so as to divide the surface of the single crystal SiC substrate into a plurality of regions of a semiconductor device 1 chip size. Also, in the liquid phase epitaxial growth step, a single crystal epitaxial growth layer is formed for each region of the single crystal SiC substrate that has been subjected to groove processing, so that the semiconductor device is divided on the surface of the single crystal SiC substrate for each chip size. 4H-SiC single crystal is produced.

これにより、半導体デバイス1チップサイズごとに分割された微細な単結晶SiCを得ることができる。また、半導体デバイス1チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制できるので歩留まりの向上を実現できる。   Thereby, fine single crystal SiC divided | segmented for every semiconductor device 1 chip size can be obtained. Further, by dividing the semiconductor device for each chip size, the dislocation defects are released from the side surface of the single crystal epitaxial growth layer, and a defect-free region is formed above the single crystal epitaxial growth layer. Since defects appearing on the surface of the single crystal epitaxial growth layer can be satisfactorily suppressed, yield can be improved.

また、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板7の不純物濃度を制御する。   Moreover, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, the impurity concentration of the carbon supply feed substrate 7 is controlled in the liquid phase epitaxial growth step.

これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き単結晶SiC基板の製造を効率的に行うことができる。   Thereby, it is possible to control the impurity concentration in the epitaxial layer using the concentration gradient generated by the difference in free energy between the substrates. Therefore, it is possible to efficiently manufacture a single crystal SiC substrate with a high concentration epitaxial layer or a high purity active layer epitaxial layer.

また、本実施形態の炭素ナノ材料付きSiC基板は、以下のような炭化処理工程を含む方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程では、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板を、高温真空環境で1500℃以上2200℃以下の範囲で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。   Moreover, the SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment is manufactured by a method including the following carbonization treatment process. That is, in the carbonization treatment step, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer is heated in a range of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower in a high-temperature vacuum environment. As a result, silicon on the surface of the single crystal epitaxial growth layer is sublimated, and a thin film graphene sheet or carbon nanotube at a molecular layer level is generated on the surface of the single crystal SiC substrate with the epitaxial growth layer by the remaining carbon.

これにより、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。   Thereby, the molecular layer level thin film comprised with a carbon nanomaterial can be efficiently and satisfactorily produced | generated on the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer.

更に、本実施形態の炭素ナノ材料付きSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程において、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理する。 Furthermore, the SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, in the carbonization treatment step, the single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer is heat-treated in a state where the furnace pressure is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less.

これにより、炭化処理工程において他の不純物がSiC結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きSiC基板を得ることができる。   Thereby, it can prevent that another impurity penetrate | invades a SiC crystal layer in a carbonization process, and can obtain a SiC substrate with a high quality carbon nanomaterial.

図24には、SiC単結晶エピタキシャル成長層の形成及びグラフェンシート膜を形成するための第2の例が示されている。この例では、まず、図24(a)に示すように、溝加工を施したシード基板81を準備する。この例では、シード基板81は、溝加工を施したグラファイト基板82上に3C−SiC多結晶膜をCVD法で形成することで、多結晶SiC基板としたものを用いている。なお、溝加工は、図23で示した例と全く同様に行われる。   FIG. 24 shows a second example for forming a SiC single crystal epitaxial growth layer and a graphene sheet film. In this example, first, as shown in FIG. 24A, a seed substrate 81 subjected to groove processing is prepared. In this example, the seed substrate 81 is a polycrystalline SiC substrate formed by forming a 3C-SiC polycrystalline film on the graphite substrate 82 that has been grooved by a CVD method. The groove processing is performed in the same manner as in the example shown in FIG.

なお、グラファイト基板82をベースとしたシード基板81に代えて、溝加工を施した金属基板(金属体)の表面にCVD法によりSiC多結晶膜をコーティングした基板を用いてもよい。この場合も、前記SiC多結晶基板の製造コストを抑えることが可能となる。   Instead of the seed substrate 81 based on the graphite substrate 82, a substrate obtained by coating the surface of a grooved metal substrate (metal body) with a SiC polycrystalline film by a CVD method may be used. Also in this case, the manufacturing cost of the SiC polycrystalline substrate can be suppressed.

次に、図24(b)に示すように、前記溝加工を施したシード基板81の表面に熱分解グラファイト(Pyrolytic graphite)を用いたマスキングを行う。具体的には、前記マスク材料(前記熱分解グラファイト)を前記3C−SiC基板表面にコートする。そして、各セグメントの中央部分において、1μm〜100μmΦの開口部83をマスク材料に形成する。   Next, as shown in FIG. 24B, masking using pyrolytic graphite is performed on the surface of the seed substrate 81 subjected to the groove processing. Specifically, the 3C-SiC substrate surface is coated with the mask material (the pyrolytic graphite). Then, an opening 83 of 1 μm to 100 μmΦ is formed in the mask material at the central portion of each segment.

次に、前述のMSE法により、それぞれの開口部83に4H−SiC単結晶をヘテロエピタキシャル成長させる。今回の例では、MSE液相成長法は、図24(c)に示すように、シード基板81と炭素供給フィード基板7の間にシリコン極薄融液層4を介在させた積層体を使用して行うことが好ましい。なお、図24の例では、前記MSE液相成長工程のフィーダーとしての炭素供給フィード基板7として、3C−SiC多結晶基板が用いられた。   Next, 4H—SiC single crystal is heteroepitaxially grown in each opening 83 by the above-described MSE method. In this example, the MSE liquid phase growth method uses a laminate in which an ultrathin silicon melt layer 4 is interposed between a seed substrate 81 and a carbon supply feed substrate 7 as shown in FIG. It is preferable to carry out. In the example of FIG. 24, a 3C—SiC polycrystalline substrate was used as the carbon supply feed substrate 7 as a feeder in the MSE liquid phase growth process.

MSE液相成長終了時においては、図24(d)で示すように、各セグメントにおいて、開口部83を中心として、4H−SiC単結晶へテロエピタキシャル層が形成される。   At the end of the MSE liquid phase growth, as shown in FIG. 24D, a 4H—SiC single crystal heteroepitaxial layer is formed around each opening 83 in each segment.

上記のMSE液相成長工程において、4H−SiCエピタキシャル層12は、基板の厚み方向(以下、垂直方向)及びそれに垂直な方向(以下、水平方向)に成長する。なお、4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層が基板の厚みに垂直な方向に成長している部分については、前記3C−SiC基板の内部に存在する結晶欠陥(例えば螺旋転位、基底面転位、及びc軸方位欠陥等)が伝播しないので、ほぼ無欠陥の単結晶4H−SiCエピタキシャル成長層が得られる。   In the MSE liquid phase growth step described above, the 4H—SiC epitaxial layer 12 grows in the thickness direction of the substrate (hereinafter referred to as the vertical direction) and in the direction perpendicular thereto (hereinafter referred to as the horizontal direction). In addition, about the part in which the 4H-SiC single-crystal epitaxial growth layer is growing in the direction perpendicular to the thickness of the substrate, crystal defects (for example, screw dislocations, basal plane dislocations, and c-axes) existing inside the 3C-SiC substrate. (Such as orientation defects) does not propagate, so that a substantially defect-free single crystal 4H—SiC epitaxial growth layer can be obtained.

このように、SiC多結晶表面へマスキングする方法を用いることで、4H−SiC単結晶の形成密度と成長位置を正確に制御することができる。従って、近接した4H−SiC単結晶同士の合体による新たな転位の発生を抑制できるとともに、シリコン融液中の炭素を効率的に使用した結晶成長が可能になる。なお、液相エピタキシャル成長工程において、シリコン融液層(溶媒)に対する炭素の溶解度が低い環境を維持することが好ましい。また、液相エピタキシャル成長工程においては、1600℃以上2200℃以下の温度で加熱することが好ましい。   Thus, the formation density and growth position of the 4H—SiC single crystal can be accurately controlled by using the method of masking the surface of the SiC polycrystal. Therefore, generation of new dislocations due to the coalescence of adjacent 4H—SiC single crystals can be suppressed, and crystal growth using carbon in the silicon melt efficiently becomes possible. In the liquid phase epitaxial growth step, it is preferable to maintain an environment in which the solubility of carbon in the silicon melt layer (solvent) is low. In the liquid phase epitaxial growth step, it is preferable to heat at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower.

また、前記のMSE液相成長工程では、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、SiCエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。これにより、半導体チップサイズに分割した3C−SiC多結晶上に4H−SiCの高濃度エピタキシャル層(窒素濃度換算10の17〜19乗)又は高純度活性層エピタキシャル層(窒素濃度換算10の13〜15乗)の形成が可能になる。   Further, in the MSE liquid phase growth step, the impurity concentration in the SiC epitaxial layer can be controlled by controlling the impurity concentration of the carbon supply feed substrate serving as a feeder. As a result, a 4H—SiC high-concentration epitaxial layer (nitrogen concentration conversion 10 to the 17th to 19th power) or a high-purity active layer epitaxial layer (nitrogen concentration conversion 10−13−13) is formed on the 3C—SiC polycrystal divided into the semiconductor chip size. 15th power) can be formed.

図24(e)は、最終段階としての、前記4H−SiCエピタキシャル層12上へのグラフェンシート9の形成工程を示している。具体的には、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧環境下で1500℃以上2200℃以下の温度で加熱処理することで、複数のセグメントに分割されたそれぞれの4H−SiCエピタキシャル層12において、その表面の全面にグラフェンシート9が形成される。また、酸素分圧が10-5Pa以下の状態であることが好ましい。 FIG. 24E shows a process of forming the graphene sheet 9 on the 4H—SiC epitaxial layer 12 as the final stage. Specifically, in each 4H-SiC epitaxial layer 12 divided into a plurality of segments, heat treatment is performed at a temperature of 1500 ° C. or more and 2200 ° C. or less in a reduced pressure environment where the furnace pressure is 10 −3 Pa or less. The graphene sheet 9 is formed on the entire surface. The oxygen partial pressure is preferably 10 −5 Pa or less.

以上、半導体チップサイズに分割するように溝加工を施したSiC基板上へのSiC単結晶エピタキシャル層の成長工程、及び、前記エピタキシャル層上への炭素系ナノ薄膜形成工程について、2つの例を説明した。図25はマルチ(半導体チップサイズ)分割方式大口径半導体ウエハーの概念図であり、直線状の溝により半導体ウエハーの表面が半導体デバイス1チップサイズに分割された様子が示されている。これら各セグメントに分割されたSiC基板は、多数の小面積の伝導領域を並列に接続したものと把握することができる。このように考えた場合、個々のSiC単結晶エピタキシャル成長層はそれぞれ無欠陥領域を備えているため、例えば高耐圧半導体ウエハーとしての用途に好適であり、歩留まりの向上が実現できる。   As described above, two examples of the growth process of the SiC single crystal epitaxial layer on the SiC substrate that has been grooved so as to be divided into the semiconductor chip size and the carbon nano thin film forming process on the epitaxial layer are described. did. FIG. 25 is a conceptual diagram of a multiple (semiconductor chip size) division type large-diameter semiconductor wafer, and shows a state in which the surface of the semiconductor wafer is divided into one chip size of a semiconductor device by linear grooves. It can be understood that the SiC substrate divided into these segments is obtained by connecting a large number of small-area conductive regions in parallel. When considered in this way, each SiC single crystal epitaxial growth layer has a defect-free region, which is suitable for use as, for example, a high-voltage semiconductor wafer, and an improvement in yield can be realized.

次に、3C−SiC多結晶基板への4H−SiC単結晶のヘテロエピタキシャル成長の実施例、及び、水平方向への効率的な成長方法の一例について、図26から図34までを参照して説明する。   Next, an example of heteroepitaxial growth of 4H—SiC single crystal on a 3C—SiC polycrystalline substrate and an example of an efficient growth method in the horizontal direction will be described with reference to FIGS. .

図26の顕微鏡写真には、3C−SiC多結晶基板への4H−SiC単結晶のヘテロエピタキシャル成長の実施例が示されている。図26に示すように、柱状の結晶が3C−SiCの微小単結晶粒(3C−SiC多結晶粒)であり、その結晶粒上に、茸型の4H−SiC単結晶が形成されている。なお、これら微結晶の結晶多形はラマン散乱法により特定することができる。なお、本実施例における加熱処理温度は1800℃、加熱時間は2時間とした。   The micrograph of FIG. 26 shows an example of heteroepitaxial growth of 4H—SiC single crystal on a 3C—SiC polycrystalline substrate. As shown in FIG. 26, the columnar crystals are 3C—SiC micro single crystal grains (3C—SiC polycrystal grains), and a cage-shaped 4H—SiC single crystal is formed on the crystal grains. The crystal polymorphs of these microcrystals can be specified by the Raman scattering method. In this example, the heat treatment temperature was 1800 ° C. and the heating time was 2 hours.

次に、図27を参照して、SiC微小単結晶粒の形成過程における結晶多形の変化を説明する。図27は、SiC微小単結晶の厚みと成長温度の関係を示したグラフである。図27の横軸はMSE法により形成したSiC微小単結晶の厚みであり、縦軸は加熱温度(1800℃から2000℃)である。なお、本実施例における加熱時間は30分間である。結果として、微小単結晶粒の厚みが10μm以上の場合、その結晶多形は4H−SiCであった。また、ラマン散乱を用いて、微小単結晶粒の厚みに対する結晶多形の変化を確認した結果、結晶内部から表面にかけて、結晶多形が3Cから4Hに変化していた。つまり、本MSE液相成長環境では、4H−SiC結晶多形が安定に結晶成長し易い系であることを示唆している。   Next, with reference to FIG. 27, changes in crystal polymorphism in the process of forming SiC fine single crystal grains will be described. FIG. 27 is a graph showing the relationship between the thickness of the SiC micro single crystal and the growth temperature. The horizontal axis in FIG. 27 is the thickness of the SiC micro single crystal formed by the MSE method, and the vertical axis is the heating temperature (1800 ° C. to 2000 ° C.). In addition, the heating time in a present Example is 30 minutes. As a result, when the thickness of the fine single crystal grains was 10 μm or more, the crystal polymorph was 4H—SiC. Moreover, as a result of confirming the change of the crystal polymorphism with respect to the thickness of the fine single crystal grains using Raman scattering, the crystal polymorphism was changed from 3C to 4H from the inside of the crystal to the surface. That is, in this MSE liquid phase growth environment, it is suggested that the 4H—SiC crystal polymorph is a system in which stable crystal growth is easy.

以上に示してきたように、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、溝形成工程と、マスク工程と、液相エピタキシャル成長工程と、を含む。前記溝形成工程では、SiC多結晶基板の表面を半導体デバイス1チップサイズの複数の領域に分割するように当該SiC多結晶基板に溝加工を施す。前記マスク工程では、前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、マスクの領域の中央部にあたる部分に微小な開口部83を形成する。前記液相エピタキシャル成長工程では、シード基板となる溝加工を施したSiC多結晶基板の開口部83に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の4H−SiC単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる。   As described above, the SiC substrate on which the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC of this embodiment is epitaxially grown is manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method includes a groove forming process, a mask process, and a liquid phase epitaxial growth process. In the groove forming step, the SiC polycrystalline substrate is subjected to groove processing so as to divide the surface of the SiC polycrystalline substrate into a plurality of regions of a semiconductor device 1 chip size. In the masking process, a mask is applied to each of the plurality of regions formed by the groove forming step, and a minute opening 83 is formed in a portion corresponding to the central portion of the mask region. In the liquid phase epitaxial growth step, a heterocrystalline polymorphic 4H—SiC single crystal is epitaxially grown in the vertical direction and the horizontal direction by metastable solvent epitaxy in the opening 83 of the SiC polycrystalline substrate that has been grooved to serve as a seed substrate. .

これにより、多結晶SiC基板上の局所領域上に、ヘテロ結晶多形の単結晶SiCを、半導体デバイス1チップサイズの複数の領域ごとに成長させることができる。また、半導体デバイス1チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。このように、単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制し、歩留まりの向上を実現できる。   As a result, the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC can be grown for each of a plurality of regions of one chip size of the semiconductor device on the local region on the polycrystalline SiC substrate. Further, by dividing the semiconductor device for each chip size, the dislocation defects are released from the side surface of the single crystal epitaxial growth layer, and a defect-free region is formed above the single crystal epitaxial growth layer. In this manner, defects appearing on the surface of the single crystal epitaxial growth layer can be satisfactorily suppressed, and the yield can be improved.

また、本実施形態のSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板7の不純物濃度を制御する。   Moreover, the SiC substrate of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, the impurity concentration of the carbon supply feed substrate 7 is controlled in the liquid phase epitaxial growth step.

これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き多結晶SiC基板の製造を効率的に行うことができる。   Thereby, it is possible to control the impurity concentration in the epitaxial layer using the concentration gradient generated by the difference in free energy between the substrates. Therefore, a polycrystalline SiC substrate with a high concentration epitaxial layer or a high purity active layer epitaxial layer can be efficiently produced.

また、本実施形態のSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程では、1600℃以上2200℃以下の温度で加熱することで、前記SiC多結晶基板を構成する微小SiC単結晶粒の表面に、準安定溶媒エピタキシー法で、4H−SiC単結晶をエピタキシャル成長させる。   Moreover, the SiC substrate of this embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, in the liquid phase epitaxial growth step, 4H-SiC is formed on the surface of fine SiC single crystal grains constituting the SiC polycrystalline substrate by heating at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower by a metastable solvent epitaxy method. A single crystal is epitaxially grown.

これにより、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記SiC多結晶基板表面に4H−SiC単結晶を一層良好に且つ効率良く、ヘテロエピタキシャル成長させることができる。   Thereby, in the liquid phase epitaxial growth step, the 4H—SiC single crystal can be heteroepitaxially grown on the surface of the SiC polycrystalline substrate more satisfactorily and efficiently.

また、本実施形態のSiC基板においては、シード基板81は、溝を形成した炭素基材に多結晶SiC膜をCVD法によりコーティングして構成される。   In the SiC substrate of the present embodiment, the seed substrate 81 is configured by coating a polycrystalline SiC film on a carbon base material having grooves formed by a CVD method.

これにより、製造コストを低減することができる。   Thereby, manufacturing cost can be reduced.

また、本実施形態の炭素ナノ材料付きSiC基板は、以下に示す製造方法によって製造される。前記製造方法は、SiC基板の各領域に成長させた4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で1500℃以上2200℃以下で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該SiC基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む。   Moreover, the SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment is manufactured by the manufacturing method shown below. In the manufacturing method, the surface of the 4H—SiC single crystal epitaxial growth layer grown in each region of the SiC substrate is heated at 1500 ° C. or more and 2200 ° C. or less in a high-temperature vacuum environment. This includes a carbonization treatment step in which silicon on the surface of the single crystal epitaxial growth layer is sublimated and a thin film graphene sheet or carbon nanotube at a molecular layer level is generated on the surface of the SiC substrate by the remaining carbon.

これにより、SiC基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。   Thereby, the thin film of the molecular layer level comprised with a carbon nanomaterial on a SiC substrate can be produced | generated efficiently and favorably.

また、本実施形態の炭素ナノ材料付きSiC基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造される。前記炭化処理工程において、前記基板を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理する。 Moreover, in the SiC substrate with a carbon nanomaterial of this embodiment, it is manufactured by a manufacturing method including the following steps. In the carbonization step, the substrate is heat-treated in a state where the pressure inside the furnace is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less.

これにより、炭化処理工程において他の不純物がSiC結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きSiC基板を得ることができる。   Thereby, it can prevent that another impurity penetrate | invades a SiC crystal layer in a carbonization process, and can obtain a SiC substrate with a high quality carbon nanomaterial.

次に、図28及び図29を参照して、3C−SiC多結晶表面上の4H−SiC単結晶のヘテロエピタキシャル成長を水平方向に効率良く成長させるために好適な方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 28 and 29, a suitable method for efficiently growing the heteroepitaxial growth of the 4H—SiC single crystal on the 3C—SiC polycrystal surface in the horizontal direction will be described.

図28は、前記エピタキシャル成長工程における、加熱処理(成長)温度による4H−SiCエピタキシャル層の成長速度の変化を示すグラフである。なお、図28(a)の縦軸は水平方向への成長速度であり、一方、図28(b)の縦軸は垂直方向への成長速度である。   FIG. 28 is a graph showing changes in the growth rate of the 4H—SiC epitaxial layer depending on the heat treatment (growth) temperature in the epitaxial growth step. Note that the vertical axis in FIG. 28 (a) is the growth rate in the horizontal direction, while the vertical axis in FIG. 28 (b) is the growth rate in the vertical direction.

これらのグラフに示すように、加熱温度を1800℃から2000℃に増加させることで、水平方向の成長速度が垂直方向へのそれと比較して速くなった。また、加熱温度が2000℃の場合、垂直方向に対する水平方向の成長アスペクト比が約1対10になった。これらの結果から、前記エピタキシャル成長工程において前記の加熱処理温度条件を用いることで、4H−SiC単結晶を一層良好に且つ効率良く、前記SiC多結晶基板表面にヘテロエピタキシャル成長させ得ることがわかる。   As shown in these graphs, when the heating temperature was increased from 1800 ° C. to 2000 ° C., the growth rate in the horizontal direction was faster than that in the vertical direction. When the heating temperature was 2000 ° C., the growth aspect ratio in the horizontal direction with respect to the vertical direction was about 1:10. From these results, it can be seen that 4H—SiC single crystal can be heteroepitaxially grown on the surface of the SiC polycrystalline substrate more satisfactorily and efficiently by using the heat treatment temperature condition in the epitaxial growth step.

また、図29には、液相エピタキシャル工程における好適な温度制御の一例が示されている。図29の温度制御例では、初期段階は一定温度に保持することで、シリコン融液内の過飽和度を一定に維持する。その後、冷却過程と昇温過程からなる過冷却過程(温度変動過程)を複数回繰り返すことで、前記エピタキシャル成長環境の過飽和度を変動させる。このように、3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶におけるエピタキシャル成長環境の過飽和度を変化させることで、微小SiC単結晶の核形成頻度を抑制でき、また、水平方向(成長膜厚に対して垂直な方向)のエピタキシャル成長を促進することができる。なお、過冷却は、20〜100℃の範囲で複数回加熱冷却を繰り返す事が好ましい。   FIG. 29 shows an example of suitable temperature control in the liquid phase epitaxial process. In the temperature control example of FIG. 29, the supersaturation degree in the silicon melt is kept constant by maintaining the initial stage at a constant temperature. Thereafter, the supercooling process (temperature fluctuation process) including the cooling process and the temperature raising process is repeated a plurality of times to change the supersaturation degree of the epitaxial growth environment. Thus, by changing the supersaturation degree of the epitaxial growth environment in the fine SiC single crystal on the surface of the 3C-SiC polycrystal, the nucleation frequency of the fine SiC single crystal can be suppressed, and the horizontal direction (with respect to the growth film thickness) In the vertical direction). In addition, it is preferable to repeat heating and cooling several times in the range of 20-100 degreeC in supercooling.

図30は、3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶の様子を示した顕微鏡写真である。なお、図30(a)は、前記温度履歴の初期において温度を一定に保持した後、過冷却過程を10回程度繰り返した場合の様子であり、図30(b)には、前記温度履歴の初期に一定温度に保持せず、過冷却過程を10回程度繰り返した場合の様子である。なお、温度を一定に保持する場合(図30(a))の温度は1900℃とし、過冷却過程においては、1850℃から1900℃までの間で、12℃/minの速度で加熱温度を昇降させた。この2つの顕微鏡写真により、液相エピタキシャル工程の初期において温度を一定に保持した方が、3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶の核形成頻度を抑えることができることがわかる。   FIG. 30 is a photomicrograph showing the appearance of a fine SiC single crystal on the 3C-SiC polycrystal surface. FIG. 30A shows a state in which the supercooling process is repeated about 10 times after the temperature is kept constant in the initial stage of the temperature history. FIG. 30B shows the temperature history. This is a state in which the supercooling process is repeated about 10 times without initially maintaining a constant temperature. When the temperature is kept constant (FIG. 30 (a)), the temperature is 1900 ° C., and during the supercooling process, the heating temperature is raised and lowered at a rate of 12 ° C./min between 1850 ° C. and 1900 ° C. I let you. From these two photomicrographs, it can be seen that the nucleation frequency of the fine SiC single crystal on the surface of the 3C-SiC polycrystal can be suppressed by keeping the temperature constant in the initial stage of the liquid phase epitaxial process.

図31も図30と同様に、3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶の様子を顕微鏡写真で示している。なお、図31(a)は過冷却過程を行わない場合の様子であり、図31(b)は過冷却過程を行った場合の様子である。なお、図31(b)においては、1850℃から1900℃までを12℃/minの速度で、加熱温度を昇降させた過冷却過程を30回程度繰り返した。この2つの顕微鏡写真により、エピタキシャル工程において過冷却過程を導入すると、3C−SiC多結晶表面上の微小SiC単結晶が水平方向に拡大することがわかる。この結果は、前記エピタキシャル工程に過冷却過程を導入することで、水平方向への微小SiC単結晶の成長を促すことが可能であることを示している。   Similarly to FIG. 30, FIG. 31 shows the micro SiC single crystal on the surface of the 3C—SiC polycrystal with a micrograph. FIG. 31A shows a state where the supercooling process is not performed, and FIG. 31B shows a state where the supercooling process is performed. In addition, in FIG.31 (b), the supercooling process which raised / lowered heating temperature from 1850 degreeC to 1900 degreeC at the speed | rate of 12 degrees C / min was repeated about 30 times. From these two micrographs, it can be seen that when a supercooling process is introduced in the epitaxial process, the fine SiC single crystal on the surface of the 3C-SiC polycrystal expands in the horizontal direction. This result shows that it is possible to promote the growth of a small SiC single crystal in the horizontal direction by introducing a supercooling process into the epitaxial process.

以上に示すように、本実施形態のSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶SiCの液相エピタキシャル成長工程において、準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小SiC単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限する。これによって、微小SiC単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の4H−SiC単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御する。そして、単一の4H−SiC単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小4H−SiC単結晶の水平方向への成長を促す。   As described above, the SiC substrate of the present embodiment is manufactured by the following manufacturing method. That is, in the liquid phase epitaxial growth process of the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC, the heating temperature is maintained at a constant temperature at the initial heating stage of the metastable solvent epitaxy method, and the supersaturation degree of the epitaxial growth environment of the fine SiC single crystal varies. Limit. Thereby, the nucleation frequency of the fine SiC single crystal is suppressed, and control is performed so that only the single 4H—SiC single crystal of the heterocrystalline polymorph is epitaxially grown. Then, after the single 4H—SiC single crystal is epitaxially grown, a single minute 4H—SiC single crystal is grown in the horizontal direction by repeating the temperature fluctuation process consisting of a cooling process and a temperature raising process a plurality of times. Prompt.

これにより、SiC多結晶基板に形成される単一の微小4H−SiC単結晶を水平方向に成長させることができる。   Thereby, a single minute 4H—SiC single crystal formed on the SiC polycrystalline substrate can be grown in the horizontal direction.

なお、温度履歴に導入される過冷却過程における温度プロファイルによっては、液相エピタキシャル工程において微小SiC単結晶が垂直方向へ成長するように促すことも可能である。図32(a)は、過冷却過程を行わない場合の様子を示す顕微鏡写真であり、図32(b)は、過冷却過程を導入した場合の様子を示す顕微鏡写真である。また、図33は微小SiC単結晶の様子を示す模式図であり、図33の(a)及び(b)は、図32の(a)及び(b)に対応している。なお、図32(b)の例で行われた過冷却過程では、1700℃から1800℃までの範囲で加熱温度を33℃/minの速度で昇降させることを10回程度繰り返した。図32(b)に示すように、前記エピタキシャル工程において上記のような過冷却過程が行われた結果、3C−SiC多結晶表面上に2段構造の微小SiC単結晶が形成された。この結果は、前記エピタキシャル工程に過冷却過程を導入することで、垂直方向への微小SiC単結晶の成長を促すことが可能であることを示している。   Depending on the temperature profile in the supercooling process introduced into the temperature history, it is possible to encourage the minute SiC single crystal to grow in the vertical direction in the liquid phase epitaxial process. FIG. 32A is a photomicrograph showing a state when the supercooling process is not performed, and FIG. 32B is a photomicrograph showing a state when the supercooling process is introduced. FIG. 33 is a schematic diagram showing a state of a fine SiC single crystal, and FIGS. 33 (a) and (b) correspond to FIGS. 32 (a) and (b). In the subcooling process performed in the example of FIG. 32B, raising and lowering the heating temperature at a rate of 33 ° C./min in the range from 1700 ° C. to 1800 ° C. was repeated about 10 times. As shown in FIG. 32B, as a result of the above-described supercooling process in the epitaxial process, a two-stage fine SiC single crystal was formed on the surface of the 3C-SiC polycrystal. This result shows that it is possible to promote the growth of a small SiC single crystal in the vertical direction by introducing a supercooling process into the epitaxial process.

次に、図34から図38までを参照して、量産工程に対応したMSE液相成長工程を説明する。前記MSE液相成長法を量産工程に対応させるには、以下の3点の条件を満たすことが好ましい。第1に、前記エピタキシャル工程後において前記積層体に存在する余剰シリコンを除去する工程を省略できることである。第2に、エピタキシャル膜厚(エピタキシャル層の厚み)を制御できること(再現性を得ること)である。第3に、液相エピタキシャル成長後にその場で表面平坦化処理が可能なことである。この点、本発明では、炭素供給フィーダー基板によってこれらの機能を実現できる。   Next, the MSE liquid phase growth process corresponding to the mass production process will be described with reference to FIGS. In order to make the MSE liquid phase growth method compatible with a mass production process, it is preferable to satisfy the following three conditions. First, it is possible to omit a step of removing excess silicon existing in the stacked body after the epitaxial step. Second, it is possible to control the epitaxial film thickness (the thickness of the epitaxial layer) (to obtain reproducibility). Third, it is possible to perform surface planarization in situ after liquid phase epitaxial growth. In this regard, in the present invention, these functions can be realized by the carbon supply feeder substrate.

まず、図34を参照して、量産工程に対応したMSE液相成長用炭素供給フィーダー基板(以下、量産化用炭素供給フィーダー基板)を説明する。図34には、前記量産化用炭素供給フィーダー基板95が概念的に示されている。具体的に説明すると、MSE法における炭素供給フィーダーとしての量産化用炭素供給フィーダー基板95は、所定の厚みに制御した炭素供給フィード層93と、その一側の面に複数(少なくとも3箇所)の突起(凸部)91を設けた非炭素供給補助基板90と、を有する。図34に示す例の非炭素供給補助基板90においては、その一側の面に4つの突起91が同一円周上に等間隔で配置されている。また、前記炭素供給フィード層93の表面には突起構造は存在せず、前記突起91に対応する差込部(凹部)92が形成されている。このように、前記炭素供給フィード層93の表面に突起を設けないことによって、MSE成長工程におけるシリコン融液の安定保持を実現しているのである。   First, an MSE liquid phase growth carbon supply feeder substrate (hereinafter referred to as a mass production carbon supply feeder substrate) corresponding to a mass production process will be described with reference to FIG. FIG. 34 conceptually shows the carbon supply feeder substrate 95 for mass production. More specifically, the carbon supply feeder substrate 95 for mass production as a carbon supply feeder in the MSE method has a carbon supply feed layer 93 controlled to a predetermined thickness and a plurality (at least three) of one side surface. And a non-carbon supply auxiliary substrate 90 provided with protrusions (convex portions) 91. In the non-carbon supply auxiliary substrate 90 of the example shown in FIG. 34, four protrusions 91 are arranged at equal intervals on the same circumference on one surface thereof. In addition, there is no protrusion structure on the surface of the carbon supply feed layer 93, and an insertion part (concave part) 92 corresponding to the protrusion 91 is formed. As described above, by not providing protrusions on the surface of the carbon supply feed layer 93, stable holding of the silicon melt in the MSE growth process is realized.

次に、図35を参照して、前記量産化用炭素供給フィーダー基板を用いたMSE法の工程を説明する。前記MSE法は、大きく分けると、基板積層工程と、液相エピタキシャル成長工程と、蒸発による余剰シリコンの除去工程と、によりなる。   Next, with reference to FIG. 35, the process of the MSE method using the carbon supply feeder substrate for mass production will be described. The MSE method is roughly divided into a substrate lamination step, a liquid phase epitaxial growth step, and a surplus silicon removal step by evaporation.

基板積層工程では、図35(a)に示すように、前記炭素供給フィード層93と非炭素供給補助基板90からなる基板をフィーダーとするとともに、シード基板81となるSiC基板を前記フィーダーに対向させ、更に両基板の間にシリコン極薄融液層4を介在させて積層体を構成する。   In the substrate stacking step, as shown in FIG. 35A, the substrate including the carbon supply feed layer 93 and the non-carbon supply auxiliary substrate 90 is used as a feeder, and the SiC substrate serving as the seed substrate 81 is opposed to the feeder. Further, a laminate is formed by interposing a silicon ultra-thin melt layer 4 between both substrates.

液相エピタキシャル成長工程では、前記積層体を加熱することで、前記SiCシード基板表面にSiCエピタキシャル層12を結晶成長させる。なお、液相エピタキシャル成長工程では、加熱処理の温度を1800℃から2200℃とすることが好ましい。この温度範囲で加熱処理を行うことで、エピタキシャル成長、及び、シリコン蒸発を伴う前記余剰シリコン除去工程を効率的に行うことができる。   In the liquid phase epitaxial growth process, the SiC epitaxial layer 12 is crystal-grown on the surface of the SiC seed substrate by heating the stacked body. Note that in the liquid phase epitaxial growth step, the temperature of the heat treatment is preferably 1800 ° C. to 2200 ° C. By performing the heat treatment in this temperature range, it is possible to efficiently perform the excess silicon removal step accompanied by epitaxial growth and silicon evaporation.

炭素供給フィード層93は所定の厚みに制御されているので、前記液相エピタキシャル成長工程の中間段階では、図35に示すように、炭素供給フィード層93が消耗して枯渇する。これにより、エピタキシャル成長が自動的に停止され、前記SiCシード基板と非炭素供給補助基板との間にギャップが形成される。この場合、シリコン蒸発を伴う熱処理温度であれば、このギャップ間に存在する余剰シリコン融液が自動的に気化し始めるため、前記ギャップ間に余剰シリコン融液を残さない状態で前記液相エピタキシャル成長工程を終了させることができる。更に、加熱昇華により余剰シリコン融液の除去を行うため、前記シリコン融液除去工程後にSiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。   Since the carbon supply feed layer 93 is controlled to have a predetermined thickness, the carbon supply feed layer 93 is consumed and depleted as shown in FIG. 35 in the intermediate stage of the liquid phase epitaxial growth process. Thereby, the epitaxial growth is automatically stopped, and a gap is formed between the SiC seed substrate and the non-carbon supply auxiliary substrate. In this case, if the heat treatment temperature is accompanied by silicon evaporation, the excess silicon melt existing between the gaps automatically starts to vaporize, so the liquid phase epitaxial growth step without leaving any excess silicon melt between the gaps. Can be terminated. Furthermore, since the excess silicon melt is removed by heating sublimation, the surface flattening process of the SiC epitaxial layer is automatically started after the silicon melt removing process.

この量産化工程に対応したMSE法においても、液相エピタキシャル成長工程において、加熱処理が、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記積層体を収容した嵌合容器(坩堝2)を、予備加熱室において例えば、800℃以上の温度で加熱する。そして、加熱工程においては、例えば、予め1500℃以上2200℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記積層体を1500℃以上2200℃以下の温度で加熱することも可能である。これにより、事前に予備加熱しておいた前記積層体を予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、液相エピタキシャル成長工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になる。   Also in the MSE method corresponding to this mass production process, it is preferable that the heat treatment includes a preheating process and a main heating process in the liquid phase epitaxial growth process. In the preheating step, the fitting container (the crucible 2) containing the laminate is heated in a preheating chamber at a temperature of 800 ° C. or higher, for example. In the heating step, for example, by moving the fitting container from the preliminary heating chamber to a main heating chamber heated in advance at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower, the laminated body is 1500 ° C. or higher and 2200 ° C. or higher. It is also possible to heat at a temperature below ℃. As a result, the laminated body that has been pre-heated in advance is moved from the pre-heating chamber to the main heating chamber so that the temperature is rapidly raised and the heat treatment is performed, so that the liquid phase epitaxial growth process is efficiently performed in a short time. Can be controlled easily.

次に、図36を参照して、量産工程に対応したMSE液相成長法の実施例の工程を説明する。前記量産工程に対応したMSE液相成長法は、MSE準備工程と、積層工程と、液相エピタキシャル工程と、シリコン除去工程と、を含む。   Next, with reference to FIG. 36, the process of the Example of the MSE liquid phase growth method corresponding to a mass production process is demonstrated. The MSE liquid phase growth method corresponding to the mass production process includes an MSE preparation process, a stacking process, a liquid phase epitaxial process, and a silicon removal process.

まず、MSE準備工程では、図36(a)に示すような量産化用炭素供給フィーダー基板が形成される。本実施形態では、非炭素供給補助基板として、3箇所以上の突起構造を有するグラファイト基板を用い、前記グラファイト基板73の保護膜として熱分解グラファイト72を用いた。一方、炭素供給フィーダー層においては、CVD法により前記非炭素供給補助基板上に3C−SiC多結晶71を形成した。   First, in the MSE preparation step, a mass production carbon supply feeder substrate as shown in FIG. 36A is formed. In this embodiment, a graphite substrate having three or more protruding structures is used as the non-carbon supply auxiliary substrate, and pyrolytic graphite 72 is used as the protective film for the graphite substrate 73. On the other hand, in the carbon supply feeder layer, 3C-SiC polycrystal 71 was formed on the non-carbon supply auxiliary substrate by the CVD method.

積層工程では、図36(b)に示すように、SiC基板をシード基板とするとともに、フィーダーとなる前記炭素供給フィード基板をシード基板に対向させ、両基板の間にシリコン板74を介在させた積層体を構成する。そして液相エピタキシャル工程では、前記積層体をTaCからなる嵌合容器に収納して、1800℃以上2200℃以下の温度で加熱する。この加熱の初期段階には、図36(c)に示すようにシリコン板74が融解し、前記炭素供給フィード基板と前記SiC基板の間に極薄シリコン融液層84が形成される。その後、加熱中間段階では、極薄シリコン融液層84を介した液相成長が進行することで、前記SiC基板表面にSiCエピタキシャル層76が形成される。前記液相エピタキシャル工程の最終段階では、図36(e)に示すように、所定の膜厚に制御した炭素供給フィーダー層である前記3C−SiC多結晶71の枯渇及びシリコン融液の蒸発が生じるため、前記SiC基板75と前記グラファイト基板73との間でギャップが形成される。このギャップの形成により、自動的にシリコン蒸気圧下での加熱処理が開始され、前記SiC基板上に形成した前記エピタキシャル層の表面が平坦化される。   In the stacking step, as shown in FIG. 36B, the SiC substrate is used as a seed substrate, the carbon supply feed substrate serving as a feeder is opposed to the seed substrate, and a silicon plate 74 is interposed between both substrates. Construct a laminate. And in a liquid phase epitaxial process, the said laminated body is accommodated in the fitting container which consists of TaC, and is heated at the temperature of 1800 degreeC or more and 2200 degrees C or less. In the initial stage of the heating, as shown in FIG. 36C, the silicon plate 74 is melted, and an ultrathin silicon melt layer 84 is formed between the carbon supply feed substrate and the SiC substrate. Thereafter, in the intermediate heating stage, the liquid phase growth proceeds through the ultrathin silicon melt layer 84, whereby the SiC epitaxial layer 76 is formed on the surface of the SiC substrate. In the final stage of the liquid phase epitaxial process, as shown in FIG. 36E, the 3C-SiC polycrystal 71, which is a carbon supply feeder layer controlled to a predetermined film thickness, is depleted and the silicon melt is evaporated. Therefore, a gap is formed between the SiC substrate 75 and the graphite substrate 73. Due to the formation of this gap, the heat treatment under silicon vapor pressure is automatically started, and the surface of the epitaxial layer formed on the SiC substrate is flattened.

なお、前記液相エピタキシャル工程において、前記積層体は、炉内圧力が10-2Pa以下に維持された減圧下で加熱され、かつ、この時の酸素分圧は10-5Pa以下の減圧下に維持されている。また、加熱時の前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は1Pa以下に維持されることが好ましい。 In the liquid phase epitaxial step, the laminate is heated under a reduced pressure in which the furnace pressure is maintained at 10 −2 Pa or less, and the oxygen partial pressure at this time is under a reduced pressure of 10 −5 Pa or less. Is maintained. Moreover, it is preferable that the internal atmosphere of the said fitting container at the time of a heating is under silicon vapor pressure, and the internal pressure is maintained at 1 Pa or less.

なお、上記のマスキング材料として、熱分解グラファイトの代わりに絶縁材の窒化アルミニウム(AlN)を使用することもできる。この場合、十分な耐熱性を有するマスクを実現できるとともに、当該マスクに、SiCを基板として用いたFETデバイス用の絶縁膜としての機能を持たせることができるため、プロセスの簡略化が可能になる。なお、図38には、AlNを絶縁膜としたグラファイト膜付きFETデバイスが概念的に示されている。   As the masking material, an insulating material aluminum nitride (AlN) can be used instead of pyrolytic graphite. In this case, a mask having sufficient heat resistance can be realized, and the mask can have a function as an insulating film for an FET device using SiC as a substrate, so that the process can be simplified. . FIG. 38 conceptually shows an FET device with a graphite film using AlN as an insulating film.

ところで、MSE法において量産化工程に対応させるには、前記エピタキシャル工程後に前記積層体に存在する余剰シリコン膜の除去工程の省略、エピタキシャル膜厚の制御(再現性を得ること)、液相エピタキシャル成長後にその場で表面平坦化工程を行うことが必要になる。しかし、本実施形態の量産工程に対応したMSE液相成長法は、以下に示す利点によってこの問題を解決するのである。第1の利点として、前記炭素供給フィード層の膜厚を制御しているため、エピタキシャル膜厚に再現性があることがある。第2の利点として、余剰シリコン膜の溶解除去工程が省略されていることがある。第3の利点として、余剰シリコン融液(余剰シリコン膜)がSiCエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化(凝集)によって生じるSiCエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防げることがある。第4の利点として、加熱昇華により余剰シリコン融液(余剰シリコン膜)の除去を行うため、前記シリコン融液除去工程後にSiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始されることがある。これらの利点によって、上記問題が解決されるのである。   By the way, in order to correspond to the mass production process in the MSE method, after the epitaxial process, the removal process of the excess silicon film existing in the stacked body is omitted, the control of the epitaxial film thickness (to obtain reproducibility), after the liquid phase epitaxial growth. It is necessary to perform a surface planarization process on the spot. However, the MSE liquid phase growth method corresponding to the mass production process of this embodiment solves this problem by the following advantages. As a first advantage, since the film thickness of the carbon supply feed layer is controlled, the epitaxial film thickness may be reproducible. A second advantage is that the step of dissolving and removing the excess silicon film is omitted. As a third advantage, since the surplus silicon melt (surplus silicon film) is not solidified on the SiC epitaxial layer, it is possible to prevent the occurrence of strain and dislocation defects in the SiC epitaxial layer caused by silicon solidification (aggregation). As a fourth advantage, since the surplus silicon melt (surplus silicon film) is removed by heating sublimation, the surface flattening process of the SiC epitaxial layer may be automatically started after the silicon melt removing process. These advantages solve the above problems.

以上に示したように、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、SiC基板に対向配置される炭素供給フィード基板7の一側の面には差込部92が形成されている。炭素供給フィード基板7の背面に配置される非炭素供給補助基板90には、差込部92に対応する突起91が形成されている。前記液相エピタキシャル成長工程において、突起91と差込部92が嵌合した状態で、シード基板としてのSiC基板と炭素供給フィード基板7との間の隙間にシリコン極薄融液層4を介在させてエピタキシャル成長を可能とする。炭素供給フィード基板7が消失して枯渇した状態で、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層(エピタキシャル成長膜)の厚みが制御される。また、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶SiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。   As described above, the SiC substrate on which the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC of this embodiment is epitaxially grown is manufactured by the following manufacturing method. That is, the insertion part 92 is formed in the surface of the one side of the carbon supply feed board 7 arrange | positioned facing a SiC substrate. On the non-carbon supply auxiliary substrate 90 arranged on the back surface of the carbon supply feed substrate 7, a protrusion 91 corresponding to the insertion portion 92 is formed. In the liquid phase epitaxial growth step, the ultrathin silicon melt layer 4 is interposed in the gap between the SiC substrate as the seed substrate and the carbon supply feed substrate 7 with the protrusion 91 and the insertion portion 92 fitted. Enables epitaxial growth. Since epitaxial growth stops when the carbon supply feed substrate 7 disappears and is depleted, the thickness of the epitaxial growth layer (epitaxial growth film) is controlled. Moreover, the process of removing excess silicon melt and the process of planarizing the surface of the single crystal SiC epitaxial layer are automatically started.

これにより、エピタキシャル成長層を所定の厚みに制御できる。加えて、液相エピタキシャル層成長機能が停止した時に、シード基板と炭素供給フィード基板との間に隙間ができるので、余剰シリコン融液が冷却されて固まることなく外気に触れて自動的に気化する。従って、冷却された余剰シリコン膜を溶解除去する等の作業を省略でき、また、単結晶SiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。このように、作業を省略による合理化を達成できるので生産性を効果的に向上させることができる。更に、余剰シリコン融液がSiCエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化(凝集)によって生じるSiCエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防止できる。また、炭素供給フィード層93の表面に突起を設けないことによって、MSE成長工程におけるシリコン融液の安定保持を実現している。   Thereby, the epitaxial growth layer can be controlled to a predetermined thickness. In addition, when the liquid phase epitaxial layer growth function is stopped, a gap is formed between the seed substrate and the carbon supply feed substrate, so that the excess silicon melt is automatically vaporized by touching the outside air without being cooled and solidified. . Accordingly, it is possible to omit work such as dissolving and removing the cooled surplus silicon film, and the surface flattening process of the single crystal SiC epitaxial layer is automatically started. Thus, rationalization can be achieved by omitting the work, so that productivity can be effectively improved. Furthermore, since the surplus silicon melt is not solidified on the SiC epitaxial layer, it is possible to prevent the occurrence of distortion and dislocation defects in the SiC epitaxial layer caused by silicon solidification (aggregation). Further, by not providing protrusions on the surface of the carbon supply feed layer 93, the silicon melt is stably maintained in the MSE growth process.

また、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板の製造に用いられるマスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムである。   Further, the mask member used for manufacturing the SiC substrate on which the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC of this embodiment is epitaxially grown is pyrolytic graphite or aluminum nitride.

これにより、基板が用いられる用途に応じて、導電材である熱分解グラファイトと、絶縁材である窒化アルミニウムと、を使い分けることができる。また、窒化アルミニウムを絶縁膜として機能させることで、プロセスの簡略化を実現できる。   Thereby, according to the use for which a board | substrate is used, the pyrolytic graphite which is a electrically conductive material, and the aluminum nitride which is an insulating material can be used properly. Further, the process can be simplified by using aluminum nitride as an insulating film.

また、以上に示してきたように、本実施形態で用いられる炭素供給フィード基板7は、3C−SiC多結晶基板、3C−SiC単結晶基板、又は適宜の基材の表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかで構成される。   Further, as described above, the carbon supply feed substrate 7 used in the present embodiment is a 3C-SiC polycrystalline substrate, a 3C-SiC single crystal substrate, or a graphene sheet or carbon nanotube on the surface of an appropriate base material. It is comprised with at least any one of the board | substrates in which carbon nanomaterials, such as, are formed.

これにより、高い自由エネルギーを有する炭素供給フィード基板によって、炭素原子を良好に供給することができる。   Thereby, carbon atoms can be satisfactorily supplied by the carbon supply feed substrate having high free energy.

図37に、グラフェンFETデバイス用SiC基板の製造方法の一例を示す。前記製造方法は、AlN(窒化アルミニウム)絶縁膜蒸着工程と、グラファイト膜形成工程と、グラファイト薄膜化工程と、を含む。AlN絶縁膜蒸着工程(図37(a))では、SiC基板101の全面にAlN膜102をMOCVD法やCVDなどの化学気相蒸着法により形成させる。次に、グラファイト膜形成工程(図37(b))では、グラファイト膜103を前記AlN膜102の表面に形成させる。最終工程である前記グラファイト薄膜化工程(図37(c))では、オゾンガスを用いてグラファイト膜103を薄膜化することで、前記AlN絶縁膜表面に分子層レベルのグラフェン膜を形成させる。これにより、図37(d)及び図38に示すような、SiC基板表面に形成される絶縁膜上にグラフェン膜104を形成した電界効果半導体ウエハーが形成される。   FIG. 37 shows an example of a method for producing a SiC substrate for graphene FET devices. The manufacturing method includes an AlN (aluminum nitride) insulating film vapor deposition step, a graphite film formation step, and a graphite thinning step. In the AlN insulating film deposition step (FIG. 37A), the AlN film 102 is formed on the entire surface of the SiC substrate 101 by a chemical vapor deposition method such as MOCVD or CVD. Next, in the graphite film forming step (FIG. 37B), the graphite film 103 is formed on the surface of the AlN film 102. In the graphite thinning step (FIG. 37C) which is the final step, the graphene film at the molecular layer level is formed on the surface of the AlN insulating film by thinning the graphite film 103 using ozone gas. Thereby, a field effect semiconductor wafer in which the graphene film 104 is formed on the insulating film formed on the surface of the SiC substrate as shown in FIGS. 37 (d) and 38 is formed.

以上に本発明の実施形態を説明したが、上記の構成は更に以下のように変更することができる。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the above configuration can be further modified as follows.

エピタキシャル成長層付き単結晶及びヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板の製造方法において、前記液相エピタキシャル工程で、坩堝2の密閉度を高めることで、又は、坩堝2の内容積を基板と炭素供給フィード基板7の積層体の体積に近づけることで、坩堝2内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つように構成することもできる。   In the method of manufacturing a SiC substrate in which single crystal SiC having an epitaxial growth layer and single crystal SiC of a heterocrystalline polymorph is epitaxially grown, in the liquid phase epitaxial step, the sealing degree of the crucible 2 is increased, or the internal volume of the crucible 2 is increased. The volume of the silicon vapor pressure in the crucible 2 can be kept large by approaching the volume of the laminate of the substrate and the carbon supply feed substrate 7.

また、本発明を適用する限りにおいて、以上に説明してきた製造方法の一部を変更して単結晶SiC基板、エピタキシャル成長層付き単結晶SiC基板、ヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板、又は炭素ナノ材料付きSiC基板を製造することが可能である。例えば、本明細書で説明した各種の工程を適宜組み合わせて基板を製造することも可能である。また、上記実施形態の温度条件や圧力条件等は一例であって、事情に応じて適宜変更することができる。   In addition, as long as the present invention is applied, a part of the manufacturing method described above is modified, and a single crystal SiC substrate, a single crystal SiC substrate with an epitaxial growth layer, and SiC obtained by epitaxial growth of a heterocrystalline polymorph single crystal SiC. It is possible to manufacture a substrate or a SiC substrate with a carbon nanomaterial. For example, the substrate can be manufactured by appropriately combining various processes described in this specification. Moreover, the temperature condition, pressure condition, etc. of the said embodiment are examples, and can be suitably changed according to a situation.

2 坩堝(嵌合容器)
4 極薄融液層
5 単結晶SiC基板
7 炭素供給フィード基板
91 突起(凸部)
92 差込部(凹部)
2 Crucible (fitting container)
4 Ultra-thin melt layer 5 Single crystal SiC substrate 7 Carbon feed substrate 91 Projection (convex part)
92 Insertion (recess)

Claims (14)

溝加工を施した多結晶SiC基板上の局所領域上にヘテロ結晶多形の単結晶SiCをエピタキシャル成長させたSiC基板において、
SiC多結晶基板の表面を半導体デバイス1チップサイズの複数の領域に分割するように当該SiC多結晶基板に溝加工を施す溝形成工程と、
前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、前記マスクの前記領域の中央部にあたる部分に微小な開口部を形成するマスク工程と、
シード基板となる溝加工を施した前記SiC多結晶基板の前記開口部に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の4H−SiC単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長工程と、
を含む製造方法によって製造されることを特徴とするSiC基板。
In a SiC substrate obtained by epitaxially growing a heterocrystalline polymorphic single crystal SiC on a local region on a polycrystalline SiC substrate subjected to groove processing,
A groove forming step of performing groove processing on the SiC polycrystalline substrate so as to divide the surface of the SiC polycrystalline substrate into a plurality of regions of the semiconductor device 1 chip size;
A mask step of applying a mask with a mask member for each of the plurality of regions formed by the groove forming step, and forming a minute opening in a portion corresponding to a central portion of the region of the mask;
A liquid phase epitaxial growth step of epitaxially growing a heterocrystalline polymorphic 4H-SiC single crystal vertically and horizontally in a metastable solvent epitaxy method in the opening of the SiC polycrystalline substrate subjected to groove processing to be a seed substrate;
A SiC substrate manufactured by a manufacturing method including:
請求項1に記載のSiC基板であって、
前記マスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムであることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to claim 1,
The SiC substrate, wherein the mask member is pyrolytic graphite or aluminum nitride.
請求項1又は2に記載のSiC基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素原子を供給するための炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to claim 1 or 2,
A SiC substrate characterized in that, in the liquid phase epitaxial growth step, an impurity concentration of a carbon supply feed substrate for supplying carbon atoms is controlled.
請求項1から3までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記ヘテロ結晶多形の単結晶SiCの液相エピタキシャル成長工程において、
準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小SiC単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限することで、微小SiC単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の4H−SiC単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御し、
単一の4H−SiC単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小4H−SiC単結晶の水平方向への成長を促すことを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 3,
In the liquid phase epitaxial growth process of the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC,
In the initial heating stage of the metastable solvent epitaxy method, the heating temperature is maintained at a constant temperature, and the fluctuation of the supersaturation degree in the epitaxial growth environment of the fine SiC single crystal is limited, thereby suppressing the nucleation frequency of the fine SiC single crystal, Control so that only a single 4H-SiC single crystal of the heterocrystalline polymorph is epitaxially grown;
After a single 4H-SiC single crystal is epitaxially grown, a single minute 4H-SiC single crystal is promoted to grow in the horizontal direction by repeating a temperature variation process consisting of a cooling process and a temperature raising process a plurality of times. SiC substrate characterized by the above.
請求項1から4までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記ヘテロ結晶多形の単結晶SiCの液相エピタキシャル成長工程では、1600℃以上2200℃以下の温度で加熱することで、前記SiC多結晶基板を構成する微小SiC単結晶粒の表面に準安定溶媒エピタキシー法で4H−SiC単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein
In the liquid phase epitaxial growth step of the heterocrystalline polymorphic single crystal SiC, metastable solvent epitaxy is formed on the surface of the fine SiC single crystal grains constituting the SiC polycrystalline substrate by heating at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. A SiC substrate characterized by epitaxially growing a 4H-SiC single crystal by a method.
請求項1から5までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記シード基板は、溝を形成した炭素基材に多結晶SiC膜をコーティングして構成されることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 5,
The seed substrate is configured by coating a polycrystalline SiC film on a carbon base material having grooves formed thereon.
請求項1から5までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記シード基板は、溝を形成した金属体に多結晶SiC膜をコーティングして構成されることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 5,
The seed substrate is formed by coating a polycrystalline SiC film on a metal body having grooves.
請求項1から6までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記SiC基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されており、
前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されており、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのSiC基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とし、炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御され、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶SiCエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始されることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein
A concave portion is formed on one surface of the carbon supply feed substrate disposed to face the SiC substrate,
The non-carbon supply auxiliary substrate disposed on the back surface of the carbon supply feed substrate has a convex portion corresponding to the concave portion,
In the liquid phase epitaxial growth step, in a state where the convex portion and the concave portion are fitted, it is possible to perform epitaxial growth by interposing a silicon melt in a gap between the SiC substrate as a seed substrate and the carbon supply feed substrate, Since the epitaxial growth stops when the carbon supply feed substrate disappears and is depleted, the thickness of the epitaxial growth layer is controlled, and the process of removing excess silicon melt and the surface flattening process of the single crystal SiC epitaxial layer are automatically started. SiC substrate characterized by the above-mentioned.
請求項1から8までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
当該SiC基板の製造方法は、
SiC基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する積層工程と、
前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する収容工程と、
を含み、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くすることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 8,
The manufacturing method of the SiC substrate is as follows:
A laminating step in which a SiC substrate and a carbon supply feed substrate are arranged to face each other, and a silicon substrate is interposed therebetween to form a laminate,
An accommodating step of accommodating the laminate in a fitting container having a carbon getter effect;
Including
In the liquid phase epitaxial growth step, by maintaining a large amount of silicon vapor pressure in the fitting container, the retention time of the silicon melt layer of the laminate is lengthened, and the liquid phase epitaxial growth step operation time is lengthened. The SiC substrate characterized.
請求項9に記載のSiC基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をSiC基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に極力近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことが可能になることを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to claim 9, wherein
In the liquid phase epitaxial growth step, the fitting is performed by increasing the sealing degree of the fitting container, or by bringing the inner volume of the fitting container as close as possible to the volume of the laminated body of the SiC substrate and the carbon supply feed substrate. A SiC substrate characterized in that a large amount of silicon vapor pressure in the container can be maintained.
請求項1から10までの何れか一項に記載のSiC基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記SiC基板を、炉内圧力が10-2Pa以下の減圧下であり、酸素分圧が10-5Pa以下の状態であって、前記SiC基板を収容する嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は1Pa以下の状態で加熱処理することを特徴とするSiC基板。
The SiC substrate according to any one of claims 1 to 10,
In the liquid phase epitaxial growth step, the SiC substrate is fitted under the reduced pressure of the furnace pressure of 10 −2 Pa or less, the oxygen partial pressure of 10 −5 Pa or less, and accommodating the SiC substrate. A SiC substrate characterized in that the internal atmosphere of the container is under a silicon vapor pressure and the internal pressure is 1 Pa or less.
請求項1から11までの何れか一項に記載の前記液相エピタキシャル成長工程で、炭素を供給するために用いられる炭素供給フィード基板であって、
3C−SiC多結晶基板、3C−SiC単結晶基板、又は表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかの材料によって構成されることを特徴とする炭素供給フィード基板。
A carbon supply feed substrate used for supplying carbon in the liquid phase epitaxial growth process according to any one of claims 1 to 11,
Carbon supply comprising at least one of a 3C-SiC polycrystalline substrate, a 3C-SiC single crystal substrate, or a substrate having a carbon nanomaterial such as graphene sheet or carbon nanotube formed on a surface thereof Feed board.
請求項1から11までの何れか一項に記載のSiC基板の各領域に成長させた4H−SiC単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で1500℃以上2200℃以下で加熱することで、
SiC単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該SiC基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む製造方法によって製造されることを特徴とする炭素ナノ材料付きSiC基板。
By heating the surface of the 4H-SiC single crystal epitaxial growth layer grown in each region of the SiC substrate according to any one of claims 1 to 11 at a temperature of 1500 ° C or higher and 2200 ° C or lower in a high-temperature vacuum environment,
It is manufactured by a manufacturing method including a carbonization treatment step in which silicon on the surface of an SiC single crystal epitaxial growth layer is sublimated and a thin film graphene sheet or carbon nanotube of a molecular layer level is generated on the surface of the SiC substrate by the remaining carbon. SiC substrate with carbon nanomaterial.
請求項13に記載の炭素ナノ材料付きSiC基板であって、
前記炭化処理工程において、基板を、炉内圧力が10-3Pa以下の減圧下であって、酸素分圧が10-5Pa以下の状態で加熱処理することを特徴とする炭素ナノ材料付きSiC基板。
The SiC substrate with carbon nanomaterial according to claim 13,
In the carbonization step, the substrate is subjected to heat treatment in a state where the pressure in the furnace is 10 −3 Pa or less and the oxygen partial pressure is 10 −5 Pa or less. substrate.
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