JP2013222793A - 炭化珪素結晶体へのピット形成方法およびそれを用いた炭化珪素結晶積層体の製造方法、並びに炭化珪素結晶および炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素結晶体へ簡単にピットを形成できる方法およびそれを用いた炭化珪素結晶積層体の製造方法、並びに炭化珪素結晶および炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法を提供することである。
【解決手段】内部に存在する転位が表面まで延在した炭化珪素結晶体を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、表面に転位を中心としてピットを形成し、この方法によってピットが形成された表面に、炭化珪素からなる結晶層を、ピットを覆うように成長させて炭化珪素結晶積層体を製造する。また、内部に存在する転位が表面まで延在し、かつ表面に転位を中心としたピットを有した炭化珪素結晶である。さらに、前記炭化珪素結晶体を前記雰囲気下で加熱することによって、表面に転位を中心としてピットを形成して、該ピットの位置によって表面における転位の位置を確認する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素結晶体へのピット形成方法およびそれを用いた炭化珪素結晶積層体の製造方法、並びに炭化珪素結晶および炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法に関する。

炭素と珪素の化合物である炭化珪素（Silicon Carbide：以下、「ＳｉＣ」と言うことがある。）は、バンドギャップが珪素よりも広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きく、耐電圧特性に優れ、さらに熱伝導性、耐熱性、耐薬品性および耐放射線性等にも優れている。このような種々の利点を有するＳｉＣの結晶は、原子力を含む重電分野、自動車および航空を含む運輸分野、家電分野、並びに宇宙分野等の幅広い分野において注目されている。

一方、内部に存在する転位が表面まで延在したＳｉＣ結晶体を、水酸化カリウム等の薬液でアルカリエッチングすることによって、転位を中心としてＳｉＣ結晶体の表面にピットを形成し、ＳｉＣ結晶体の転位を評価する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ＳｉＣ結晶体へのピット形成方法としては、簡単なものが望ましい。

特開２００８−０２８１７８号公報

本発明の課題は、炭化珪素結晶体へ簡単にピットを形成できる方法およびそれを用いた炭化珪素結晶積層体の製造方法、並びに炭化珪素結晶および炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法を提供することである。

本発明の炭化珪素結晶体へのピット形成方法は、内部に存在する転位が表面まで延在した炭化珪素結晶体を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、前記表面に前記転位を中心としてピットを形成する方法である。

本発明の炭化珪素結晶積層体の製造方法は、上述した炭化珪素結晶体へのピット形成方法によって前記ピットが形成された前記表面に、炭化珪素からなる結晶層を、前記ピットを覆うように成長させる方法である。

本発明の炭化珪素結晶は、内部に存在する転位が表面まで延在し、かつ前記表面に前記転位を中心としたピットを有したものである。

本発明の炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法は、内部に存在する転位が表面まで延在した炭化珪素結晶体を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、前記表面に前記転位を中心としてピットを形成して、該ピットの位置によって前記表面における前記転位の位置を確認する方法である。

本発明によれば、炭化珪素結晶体へ簡単にピットを形成できるという効果がある。

（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る炭化珪素結晶体へのピット形成方法および炭化珪素結晶、並びに炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法を示す概略説明図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る炭化珪素結晶積層体の製造方法を示す概略説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係る炭化珪素結晶体へのピット形成方法および炭化珪素結晶、並びに炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法について、図１を用いて詳細に説明する。

本実施形態では、まず、図１（ａ）に示すように、内部に存在する転位１３が表面まで延在したＳｉＣ結晶体１を準備する。本実施形態のＳｉＣ結晶体１は、ＳｉＣの単結晶であり、炭素面１１および珪素面１２を備えている。

炭素面１１は、ＳｉＣ結晶体１を構成している炭素および珪素のうち主として炭素が片面に露出することによって構成されている結晶面である。また、珪素面１２は、ＳｉＣ結晶体１を構成している炭素および珪素のうち主として珪素が他面に露出することによって構成されている結晶面である。

ＳｉＣ結晶の結晶構造は、単位格子が、１つの炭素原子および４つの珪素原子（若しくは、１つの珪素原子および４つの炭素原子）からなる略三角錐構造となることから、当該結晶構造のうち切断されやすい箇所が存在する。そのため、ＳｉＣ結晶体１は、一方の結晶面が炭素面１１、他方の結晶面が珪素面１２となった配置構造をとりやすくなっている。

ＳｉＣ結晶体１が炭素面または珪素面であるかは、例えばＸ線光電子分光法または水酸化カリウムによるエッチング法などを用いて調べることができる。具体的に水酸化カリウムでエッチングを行なうと、結晶面が珪素面であった場合にはエッチングを行なっても平坦性が維持されたままである。一方、結晶面が炭素面であった場合には、複数の炭素面が露出した凹凸形状となる。

本実施形態では、これら炭素面１１および珪素面１２のうち炭素面１１が、上述したＳｉＣ結晶体１の表面になる。なお、ＳｉＣ結晶体１の両面が炭素面１１で構成されている場合には、両面の炭素面１１のそれぞれが、ＳｉＣ結晶体１の表面になる。

一方、転位１３は、線状の欠陥であり、一端部１３ａが炭素面１１に位置し、他端部１３ｂが珪素面１２に位置している。なお、転位１３は、両端部のうち少なくとも一端部１３ａが表面である炭素面１１に位置していればよく、他端部１３ｂはＳｉＣ結晶体１の内部に位置していてもよい。本実施形態のＳｉＣ結晶体１は、このような転位１３を複数有している。

ここで転位１３とは、ＳｉＣ結晶体１に、意図しない結晶面、原子ステップまたは不純物等に起因して発生するものであり、例えば基底面転位、刃状転位またはらせん状転位などの種類がある。また、ここでいう転位１３には、ＳｉＣ結晶体１を貫通するようなマイクロパイプを含むものである。転位１３は、厚み方向の途中から発生したり、厚み方向に貫通したりして含まれるものである。

次に、ＳｉＣ結晶体１を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱する。これにより、図１（ｂ）に示すように、表面である炭素面１１に転位１３を中心としてピット２１を形成することが可能となる。以下に、ピット２１が形成されるメカニズムとして考えられる理由を説明する。なお、雰囲気内に存在するモリブデンの状態としては、気体または固体などを挙げることができるが、固体の場合を例に説明をする。

ＳｉＣ結晶体１を加熱することによって、ＳｉＣ結晶体１から化学的に不安定な珪素が気体として抜ける。この珪素の気体がモリブデンの固体に触れてモリブデンシリサイドの気体となる。このモリブデンシリサイドがＳｉＣ結晶体１の炭素と再度反応することによって、炭化モリブデンを形成してＳｉＣ結晶体１の炭素が抜けることとなる。

ここで、転位１３の近傍の炭素は表面エネルギーが高くなっていることから、特に転位１３の表面近傍の炭素が抜け易くなっており、それゆえ表面である炭素面１１の転位１３付近にピット２１が形成されるものと推察される。

なお、上述した特許文献１に記載されているような従来の方法では、珪素面１２にのみピット２１を形成することができ、炭素面１１にピット２１を形成することはできなかった。すなわち、特許文献１に記載されているような従来の方法において、ピット２１が形成されるＳｉＣ結晶体１の表面は、炭素面１１ではなく、珪素面１２であった。本実施形態によれば、上述のように、炭素面１１にピット２１を形成することができる。

ピット２１は、転位１３のうち炭素面１１に位置する一端部１３ａを中心として形成される穴である。ピット２１の形状としては、例えば円錐形状等が挙げられる。ピット２１は、例えば、横幅が１μｍ以上２０μｍ以下、深さ１μｍ以上４μｍ以下となる。具体的にピット２１は、基底面転位および刃状転位に形成されるピット２１であれば例えば横幅が１μｍ以上５μｍ以下となり、らせん転位に形成されるピット２１であれば例えば横幅が５μｍ以上２０μｍ以下となる。

このようにピット２１は、一般的に横幅が数μｍ程度の大きさとなることから、光学顕微鏡等の観察方法によって比較的簡単に確認することができる。したがって、ＳｉＣ結晶体１をモリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、表面に転位１３を中心としてピット２１を形成すれば、ピット２１の位置によってＳｉＣ結晶体１の表面における転位１３の位置を確認することが可能となる。なお、基底面転位（および刃状転位）およびらせん転位に形成されるピット２１の大きさ（横幅）が明らかに違うことから、このピット２１の大きさによってらせん転位を見分けることができる。

モリブデンが存在する雰囲気は、雰囲気内に固体のモリブデンを配置するか、雰囲気内に気体のモリブデンを存在させるかによって構成することができる。具体的に、ＳｉＣ結晶体１の近傍に固体のモリブデンを配置した状態で、ＳｉＣ結晶体１を加熱すればよい。もしくは、雰囲気内にモリブデンの固体を配置して、その固体を加熱することによって、モリブデンの気体を雰囲気内に存在させてもよい。

固体のモリブデンは、ＳｉＣ結晶体１と接触するように配置してもよいし、ＳｉＣ結晶体１との間に所定の隙間ができるように配置してもよいし、一部がＳｉＣ結晶体１と接触して他の部分はＳｉＣ結晶体１との間に所定の隙間ができるように配置してもよい。具体例を挙げると、複数のモリブデンワイヤーの各々の先端部をフック状に成形してＳｉＣ結晶体１をフックし、この状態で加熱する場合等が挙げられる。

ＳｉＣ結晶体１を、１０００℃以上であり、かつＳｉＣ結晶体１の昇華温度未満である温度で加熱するのがよい。これにより、表面である炭素面１１にピット２１を確実に形成することができる。なお、ＳｉＣ結晶体１の昇華温度は、通常、２２００℃である。

雰囲気内の圧力は、特に限定されるものではないが、例えば大気圧と同じ圧力を用いることができる。また雰囲気内の圧力を大気圧よりも高くしてもよく、この場合、ＳｉＣ結晶体１にモリブデンシリサイドの気体（分子）がＳｉＣ結晶体１の表面に当たりやすくすることができる。その結果、モリブデンシリサイドから炭化モリブデンへの反応を促進させることができ、ＳｉＣ結晶体１にピット２１を形成しやすくすることができる。

モリブデンが存在する雰囲気に、希ガスを主成分とする雰囲気または還元雰囲気を用いてもよい。このようなＳｉＣ結晶体１に対して反応性の低い雰囲気下でＳｉＣ結晶体１を加熱することによって、表面である炭素面１１が汚染されるのを抑制することができる。希ガスとしては、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば窒素と水素との混合ガス雰囲気等が挙げられる。なお、このような雰囲気におけるモリブデンの割合は、特に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、所望の割合で存在させればよい。

以上のような工程を経て、内部に存在する転位１３が表面まで延在し、表面に転位１３を中心としたピット２１を有した図１（ｂ）に示すＳｉＣ結晶２が製造される。本実施形態のＳｉＣ結晶２は、表面である炭素面１１にピット２１を複数有している。

次に、本発明の一実施形態に係る炭化珪素結晶積層体の製造方法について、図２を用いて詳細に説明する。

本実施形態では、まず、図２（ａ）に示すように、上述した実施形態に係る炭化珪素結晶体へのピット形成方法によってピット２１が形成されたＳｉＣ結晶２を準備する。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＣ結晶２の表面である炭素面１１に、ＳｉＣからなる結晶層３１を、ピット２１を覆うように成長させる。このようにピット２１を覆うように結晶層３１を成長させることから、ＳｉＣ結晶２内に存在する転位１３が結晶層３１内に引き継がれにくくすることができる。

結晶層３１の成長方法としては、例えば気相成長法等が挙げられる。ここで、気相成長法を採用すると、成長条件を調整することによって、結晶層３１を、矢印ａに示す炭素面１１に沿った横方向に向かって成長させることができる。結晶層３１は、ＳｉＣ結晶２の炭素面１１のうちピット２１が無い領域に主として成長される。そのため、結晶層３１には、ＳｉＣ結晶２内に存在していた転位１３が引き継がれにくくすることができる。その結果、結晶層３１を高品質なものとすることができる。

また、結晶層３１を横方向に成長させることによって、成長途中の結晶層３１内に転位が新たに発生した場合でも、横方向に成長させる過程で他の転位と結合させることができる。これによって、結晶層３１の上表面に到達される転位の本数を減らすことができる。

さらに、炭化珪素の成長速度は、厚み方向よりも横方向（図２（ａ）の矢印ａの方向）の方が速いことから、炭化珪素からなる結晶層３１の成長速度を速くすることができる。したがって、結晶層３１を気相成長法によって成長させると、結晶層３１の結晶性を向上させることができるとともに、結晶層３１の成長速度を速くすることもできる。

以上のような工程を経て、ＳｉＣ結晶２の表面である炭素面１１に、ＳｉＣからなる結晶層３１を、ピット２１を覆うように成長させた図２（ｂ）に示すＳｉＣ結晶積層体３が製造される。

このＳｉＣ結晶積層体３の結晶層３１において、内部に存在する転位が結晶層３１の表面まで延在している場合には、上述した実施形態と同様にして、結晶層３１の表面における転位の位置を確認することができる。すなわち、炭素面１１に成長させた結晶層３１は、通常、表面が炭素面になる。したがって、ＳｉＣ結晶積層体３をモリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、結晶層３１の表面に転位を中心としてピットを形成すれば、該ピットの位置によって結晶層３１の表面における転位の位置を確認することができる。

本発明は、上述において、シリサイドまたはカーバイドを作る金属としてモリブデンを用いた例を説明したが、特にこれに限定されるものではなく、シリサイドまたはカーバイドを作る金属を用いることができる。

１ 炭化珪素結晶体
１１ 炭素面
１２ 珪素面
１３ 転位
１３ａ 一端部
１３ｂ 他端部
２ 炭化珪素結晶
２１ ピット
３ 炭化珪素結晶積層体
３１ 結晶層

Claims (7)

1. 内部に存在する転位が表面まで延在した炭化珪素結晶体を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、前記表面に前記転位を中心としてピットを形成する、炭化珪素結晶体へのピット形成方法。
2. 前記炭化珪素結晶体の近傍に固体のモリブデンを配置した状態で加熱することによって、モリブデンが気体として存在する前記雰囲気を形成する、請求項１に記載の炭化珪素結晶体へのピット形成方法。
3. 前記炭化珪素結晶体を、１０００℃以上であり、かつ前記炭化珪素結晶体の昇華温度未満である温度で加熱する、請求項１または２に記載の炭化珪素結晶体へのピット形成方法。
4. モリブデンが気体として存在する前記雰囲気に、希ガスを主成分とする雰囲気または還元雰囲気を用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素結晶体へのピット形成方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の炭化珪素結晶体へのピット形成方法によって前記ピットが形成された前記表面に、炭化珪素からなる結晶層を、前記ピットを覆うように成長させる、炭化珪素結晶積層体の製造方法。
6. 内部に存在する転位が表面まで延在し、かつ前記表面に前記転位を中心としたピットを有した、炭化珪素結晶。
7. 内部に存在する転位が表面まで延在した炭化珪素結晶体を、モリブデンが存在する雰囲気下で加熱することによって、前記表面に前記転位を中心としてピットを形成して、該ピットの位置によって前記表面における前記転位の位置を確認する、炭化珪素結晶体の表面における転位の位置の確認方法。

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