JP2013237592A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型で高品質の炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】支持部３０上に、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する流動体部を介して、単結晶構造を有する炭化珪素から作られた材料基板１１が配置される。熱処理によって流動体部を硬化することで、材料基板１１の各々と支持部３０とを互いに接合する接合部７２が形成される。支持部３０に、炭素から作られた台座４１が取り付けられる。支持部３０を介して台座４１によって支持された材料基板１１上において炭化珪素のエピタキシャル成長が行われる。
【選択図】図１１

Description

本発明は炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。

より大きな炭化珪素（ＳｉＣ)単結晶を得るためには、より大きなＳｉＣ種結晶が必要である。この目的で米国特許第６８０５７４５号明細書（特許文献１）に記載の技術によれば、たとえば、均一な結晶配向を有するいくつかの種タイルが石英製ホルダーに砂糖溶液を用いて接着される。

米国特許第６８０５７４５号明細書

上記技術によると、いくつかの種タイル（材料基板）をホルダーに、強固にかつ精度よく固定することが困難なことがあった。この結果、得られる単結晶の品質が低くなることがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い品質を有する単結晶を製造することができる方法を提供するものである。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、次の工程を有する。第１の面および第２の面を有し、炭化珪素から作られた支持部が準備される。支持部の第１の面上に、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する流動体部を介して、単結晶構造を有する炭化珪素から作られた複数の材料基板が配置される。熱処理によって流動体部を硬化することで、複数の材料基板の各々と支持部の第１の面とを互いに接合する接合部が形成される。支持部の第２の面に、炭素から作られた台座が取り付けられる。支持部を介して台座によって支持された複数の材料基板上において炭化珪素のエピタキシャル成長が行われる。

この製造方法によれば、複数の材料基板の各々が、炭化珪素から作られた支持部に対して、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する流動体部を熱処理によって硬化することにより形成された接合部によって固定される。これにより複数の材料基板の各々が支持部に、強固にかつ高い精度で接合される。よって複数の材料基板の配置を、複数の材料基板上において行われるエピタキシャル成長により適したものとすることができる。よってこのエピタキシャル成長により得られる単結晶の品質を高めることができる。

１００ｍｍ超の直径を有する円を複数の材料基板が包含するように、複数の材料基板が配置されてもよい。これにより、得られる単結晶をより大きくすることができる。

複数の材料基板の各々を配置する工程の後かつ接合部を形成する工程の前に、支持部の第１の面上へ複数の材料基板の各々が押し付けられてもよい。これにより、複数の材料基板と支持部との間の間隔が狭められる。この結果、複数の材料基板と支持部との間から過剰な流動体部を押し出すことができる。よって流動体部が過剰であることに起因した、所望の位置からの複数の材料基板のずれを抑制することができる。

台座が取り付けられる際に、支持部の第２の面と台座との間に、カーボン接着剤から作られた接着層が形成されてもよい。これにより支持部を、炭素から作られた台座に強固に接着することができる。

接合部によって支持部に接合された複数の材料基板の各々の結晶軸のばらつきは０．２度未満であってもよい。これにより、エピタキシャル成長の進行にともなう結晶欠陥の低減をより顕著なものとすることができる。

複数の材料基板の間の隙間の寸法が５０μｍ未満であってもよい。これにより、エピタキシャル成長において複数の材料基板の間の上に結晶欠陥が生じることを抑制することができる。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法によれば、上記のように、単結晶の品質を高めることができる。

本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第１工程を概略的に示す図であり、図２の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。 図１の概略平面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第５工程を概略的に示す平面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第６工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第７工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第８工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第９工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第１０工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法の第１１工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素基板の構成を概略的に示す斜視図である。 比較例の炭化珪素単結晶の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態と比較例とのそれぞれについて、エピタキシャル成長の進行と結晶欠陥の低減との関係を概略的に示すグラフ図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。

図１および図２を参照して、材料基板１１の群（基板群１０とも称する）が準備される。各材料基板１１は、単結晶構造を有する炭化珪素から作られている。好ましくは、各材料基板１１の主面（図１における上面）は実質的に同一の面方位を有する。具体的には各材料基板１１の主面の面方位のばらつきは０．２度未満とされる。各材料基板１１の炭化珪素の結晶構造は、好ましくは六方晶系を有し、より好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。

また表面Ｐ１（第１の面）および裏面Ｐ２（第２の面）を有し、炭化珪素から作られた支持部３０が準備される。支持部３０の炭化珪素の結晶構造は多結晶構造を有してもよい。

また流動体部７１に用いられる流動体が準備される。流動体は、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する。好ましくは流動体はポリカルボシランを含有する。たとえば、流動体はスターファイアシステムズ社(Starfire Systems Inc.)製で型番「ＲＤ−４７８」の「プリカーサーポリマー」を含有する。流動体は溶剤を含んでもよく、たとえばキシレンを含んでもよい。なお流動体は溶液に限定されず、たとえばゲル、ゾル、またはスラリーであってもよい。

ポリカルボシランの「誘導体」とは、ポリカルボシランの原子および官能基の少なくともいずれかが置換された構造を有する高分子をいう。このような置換は、たとえば、ポリカルボシランの製造過程において意図せずして混入した不純物に起因して生じ得る。

次に上記流動体からなる流動体部７１を介して、支持部３０の表面Ｐ１上に基板群１０が配置される。好ましくは、基板群１０は、基板群１０が１００ｍｍ超の直径を有する円ＣＬを包含するように配置される。たとえば、支持部３０の表面Ｐ１上に流動体が塗布され、その後に流動体部７１を介して表面Ｐ１上に各材料基板１１が載置される。流動体の粘度は過度に高くないことが好ましい。

図３に示すように、次に支持部３０の表面Ｐ１上へ各材料基板１１が押し付けられてもよい。この目的で、たとえば、基板群１０上に重し８０が載せられる。これにより、基板群１０と支持部３０との間の間隔が狭められる。この結果、基板群１０と支持部３０との間から過剰な流動体部７１が押し出され得る。次に重し８０が除かれる（図４）。

次に、熱処理によって流動体部７１（図４）を硬化することで、各材料基板１１と支持部３０の表面Ｐ１とを互いに接合する接合部７２（図５）が形成される。熱処理に用いられる雰囲気は、酸化反応を防ぐために低い酸素分圧を有することが好ましく、たとえば不活性雰囲気または真空雰囲気である。雰囲気圧力は、大気圧またはそれ以下が好ましい。熱処理の温度は、好ましくは８００℃以上であり、たとえば１０００℃程度である。流動体部７１中に含まれる水素をより十分に除去することが望まれる場合は、熱処理温度は１３００℃以上が好ましい。流動体部７１のより十分な結晶化が望まれる場合は、熱処理温度は１６００℃以上が好ましい。また熱処理温度は、炭化珪素の昇華を抑えるために、２０００℃以下とされ、好ましくは１８００℃以下とされる。熱処理時間は、たとえば３０分程度である。

好ましくは、接合部７２によって支持部３０に固定された各材料基板１１の結晶軸ＣＡは実質的に同じ方向を有する。具体的には結晶軸ＣＡのばらつきは０．２度未満である。結晶軸ＣＡは、特定の結晶方位に対応し、たとえば＜０００１＞、すなわちｃ軸である。結晶軸ＣＡは、各材料基板１１の主面に垂直であってもよく、あるいは、たとえば数度程度のオフ角を有してもよい。好ましくは互いに隣り合う材料基板１１の間の隙間ＣＲの寸法は５０μｍ未満である。

図６に示すように、次に基板群１０の平面形状が調整されてもよい。好ましくはこの平面形状は、１００ｍｍ超の直径を有する円を包含するものであり、たとえば１００ｍｍ超の直径を有する円である。

図７に示すように、支持部３０の裏面（図中、上面）上に、炭素原子を含む被覆膜２１が形成される。好ましくは、この形成は液体材料の塗布によって行われ、より好ましくは、この液体材料は微粒子のような固体物を含有しない。これにより薄い被覆膜２１を容易かつ均一に形成することができる。

被覆膜２１は、本実施の形態においては有機膜である。この有機膜は、好ましくは有機樹脂から形成される。有機樹脂としては、たとえば、アクリル樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができ、また光の作用で架橋または分解される感光性樹脂として組成されたものを用いることもできる。この感光性樹脂としては、半導体装置の製造用に用いられているポジ型またはネガ型フォトレジストを用いることができ、これらについてはスピンコート法による塗布技術が確立されているので、被覆膜２１の厚さを容易に制御することができる。スピンコート法は、たとえば、以下のように行われる。

まず基板群１０がホルダーに吸着される。このホルダーが所定の回転速度で回転することで、基板群１０上の支持部３０が回転させられる。回転している支持部３０上にフォトレジストが滴下された後、所定時間回転が継続されることで、薄く均一にフォトレジストが塗布される。支持部３０上の全面に渡る均一性を確保するためには、たとえば、回転速度は１０００〜１００００回転／分、時間は１０〜１００秒、塗布厚は０．１μｍ以上とされる。

次に塗布されたフォトレジストが乾燥されることで固化される。乾燥温度および時間は、フォトレジストの材料および塗布厚によって適宜選択され得る。好ましくは、乾燥温度は１００℃以上４００℃以下であり、乾燥時間は５分以上６０分以下である。たとえば乾燥温度が１２０℃の場合、揮発に要する時間は、たとえば、厚さ５μｍで１５分間、厚さ２μｍで８分間、厚さ１μｍで３分間である。

なお、上記の塗布および乾燥からなる工程を１回行えば被覆膜２１を形成することができるが、この工程が繰り返されることで、より厚い被覆膜２１が形成されてもよい。繰り返しの回数が多すぎるとこの工程に必要以上に時間を要してしまう点で好ましくなく、通常、２〜３回程度の繰り返しに留めることが好ましい。

図８を参照して、支持部３０が取り付けられることになる取付面を有する台座４１が準備される。台座４１は炭素から作られており、好ましくはグラファイトによって作られている。好ましくは取付面の平坦性を向上させるために取付面が研磨される。

台座４１が取り付けられる際に、被覆膜２１が設けられた支持部３０と、台座４１との間に、カーボン接着剤から作られた接着層３１が形成される。すなわち接着層３１を挟んで被覆膜２１と台座４１とが互いに接触させられる。好ましくはこの接触は、５０℃以上１２０℃以下の温度で、また０．０１Ｐａ以上１ＭＰａ以下の圧力で両者が互いを押し付け合うように行われる。接着層３１は支持部３０および台座４１に挟まれた領域からはみ出さないことが好ましく、これにより、後述する炭化珪素単結晶の成長工程において、接着層３１による悪影響を抑制することができる。

接着層３１は、好ましくは、加熱されることによって炭化されることで難黒鉛化炭素となる樹脂と、耐熱性微粒子と、溶媒とを含み、より好ましくは、さらに炭水化物を含む。

難黒鉛化炭素となる樹脂としては、たとえば、ノボラック樹脂、フェノール樹脂、またはフルフリルアルコール樹脂がある。

耐熱性微粒子は、接着層３１が高温加熱されることで形成される固定層中において、上記の難黒鉛化炭素を均一に分布させることでこの固定層の充填率を高める機能を有する。耐熱性微粒子の材料としては、グラファイトなどの炭素（Ｃ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの耐熱材料を用いることができる。またこれ以外の材料として、高融点金属、またはその炭化物もしくは窒化物などの化合物を用いることもできる。高融点金属としては、たとえば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、またはハフニウム（Ｈｆ）を用いることができる。耐熱性微粒子の粒径は、たとえば０．１〜１０μｍである。

炭水化物としては、糖類またはその誘導体を用いることができる。この糖類は、グルコースのような単糖類であっても、セルロースのような多糖類であってもよい。

溶媒としては、上記の樹脂および炭水化物を溶解・分散させることができるものが適宜選択される。またこの溶媒は、単一の種類の液体からなるものに限られず、複数の種類の液体の混合液であってもよい。たとえば、炭水化物を溶解させるアルコールと、樹脂を溶解させるセロソルブアセテートとを含む溶媒が用いられてもよい。

接着層３１中における、樹脂、炭水化物、耐熱性微粒子、および溶媒の間の比率は、適切な接着と固定強度とが得られるように適宜選択される。また接着層３１の成分は、上述した成分以外の成分を含んでもよく、たとえば、界面活性剤および安定剤などの添加材を含んでもよい。また接着層３１の塗布量は、好ましくは、１０ｍｇ／ｃｍ²以上１００ｍｇ／ｃｍ²以下である。 また接着層３１の厚さは、好ましくは１００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。

好ましくは接着層３１のプリベークが行われてもよい。プリベークの温度は、好ましくは１５０℃以上である。

次に硬化のために被覆膜２１および接着層３１が加熱される。
さらに図９を参照して、この加熱によって被覆膜２１は、炭化されることで炭素膜２２となる。すなわち支持部３０の裏面上に炭素膜２２が設けられる。またこの加熱によって、炭素膜２２および台座４１の間において接着層３１が硬化されることで固定層３２となる。これにより支持部３０のに台座４１が取り付けられる。すなわち基板群１０が支持部３０を介して台座４１によって支持される。

好ましくは上記の加熱は、８００℃以上１８００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間で、０．１３ｋＰａ以上大気圧以下の圧力で、また不活性ガス雰囲気中で行なわる。不活性ガスとしては、たとえば、ヘリウム、アルゴン、または窒素ガスが用いられる。

図１０に示すように、坩堝４２内に、昇華法による炭化珪素単結晶の形成のための原料５１が収められる。たとえば、坩堝４２はグラファイト坩堝であり、原料５１は炭化珪素粉末である。次に坩堝４２の内部へ基板群１０が面するように、台座４１が取り付けられる。なお図１０に示すように、台座４１が坩堝４２の蓋として機能してもよい。次に、図中矢印で示すように原料５１が昇華させられる。

図１１に示すように、原料５１から昇華した気体を再結晶させることで基板群１０上に炭化珪素単結晶５２がエピタキシャル成長させられる。すなわち炭化珪素単結晶５２が昇華法によって形成される。炭化珪素単結晶５２は、互いに隣り合う材料基板１１をまたぐように形成される。この昇華法における温度は、たとえば２１００℃以上２５００℃以下とされる。またこの昇華法における圧力は、好ましくは１．３ｋＰａ以上大気圧以下とされ、より好ましくは、成長速度を高めるために１３ｋＰａ以下とされる。また好ましくは炭化珪素単結晶５２の厚さは１μｍ以上とされる。

さらに図１２を参照して、台座４１が坩堝４２（図１１）から取り出される。これにより炭化珪素単結晶５２が得られる。破線（図１２）に示すように炭化珪素単結晶５２がスライスされることで、炭化珪素基板５２ｗ（図１３）が作られてもよい。

次に比較例（図１４）について説明する。本比較例では、炭化珪素からなる基板群１０と、グラファイトからなる台座４１とが、カーボン系接着剤によって直接に接合される。この場合、十分な接合力を確保するためには、硬化前のカーボン系接着剤の粘度として、本実施の形態における流動体の粘度よりも高いものを使用する必要がある。この結果、各材料基板１１の配置が、接合工程の際に乱されやすくなる。よって支持部３０に接合された各材料基板１１の配置が所望のものから逸脱しやすい。具体的には、各材料基板１１の間での結晶軸のばらつきが大きくなったり、互いに隣り合う材料基板１１の間の隙間の寸法が過度に大きくなったりしやすい。この結果、図１５の破線に示すように、エピタキシャル成長の成長距離Ｚ（図１１）の増大にともなう結晶欠陥Ｄの低減が緩慢となる。

これに対して本実施の形態によれば、各材料基板１１が、炭化珪素から作られた支持部３０に対して、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する流動体部７１を熱処理によって硬化することにより形成された接合部７２（図５）によって固定される。これにより複数の材料基板１１の各々が支持部３０に、強固にかつ高い精度で接合される。よって基板群１０の配置を、基板群１０上において行われるエピタキシャル成長により適したものとすることができる。よってこのエピタキシャル成長により得られる単結晶炭化珪素５２（図１２）の品質を高めることができる。

１００ｍｍ超の直径を有する円ＣＬを基板群１０が包含するように基板群１０が配置される場合（図２）、得られる炭化珪素単結晶５２（図１２）をより大きくすることができる。

支持部３０の表面上へ各材料基板１１が押し付けられる場合（図３）、基板群１０と支持部３０との間の間隔が狭められる。この結果、基板群１０と支持部３０との間から過剰な流動体部７１を押し出すことができる。よって流動体部７１が過剰であることに起因した、所望の位置からの複数の材料基板１１のずれを抑制することができる。

台座４１が取り付けられる際に、支持部３０の裏面Ｐ２と台座４１との間に、カーボン接着剤から作られた接着層３１（図８）が形成される場合、ＳｉＣから作られた支持部３０を、炭素から作られた台座４１に強固に接着することができる。

接合部７２によって支持部３０に接合された各材料基板１１の結晶軸ＣＡ（図５）のばらつきが０．２度未満の場合、エピタキシャル成長の成長距離Ｚの増大にともなう結晶欠陥Ｄの低減を、図１５の実線に示すように、より顕著なものとすることができる。

互いに隣り合う材料基板１１の間の隙間ＣＲ（図５）の寸法が５０μｍ未満である場合、エピタキシャル成長において材料基板１１の間の上に結晶欠陥が生じることを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 基板群、１１ 材料基板、２１ 被覆膜、２２ 炭素膜、３０ 支持部、３１ 接着層、３２ 固定層、４１ 台座、４２ 坩堝、５１ 原料、５２ 単結晶、５２ｗ 炭化珪素基板、７１ 流動体部、７２ 接合部、８０ 重し。

Claims (6)

1. 第１の面および第２の面を有し、炭化珪素から作られた支持部を準備する工程と、
   前記支持部の前記第１の面上に、ポリカルボシランおよびその誘導体の少なくともいずれかを含有する流動体部を介して、単結晶構造を有する炭化珪素から作られた複数の材料基板を配置する工程と、
   熱処理によって前記流動体部を硬化することで、前記複数の材料基板の各々と前記支持部の前記第１の面とを互いに接合する接合部を形成する工程と、
   前記支持部の前記第２の面に、炭素から作られた台座を取り付ける工程と、
   前記支持部を介して前記台座によって支持された前記複数の材料基板上において炭化珪素のエピタキシャル成長を行う工程とを備える、炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記複数の材料基板を配置する工程は、前記複数の材料基板が、１００ｍｍ超の直径を有する円を包含するように行われる、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 前記複数の材料基板の各々を配置する工程の後かつ前記接合部を形成する工程の前に、前記支持部の前記第１の面上へ前記複数の材料基板の各々を押し付ける工程をさらに備える、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記台座を取り付ける工程は、前記支持部の前記第２の面と前記台座との間に、カーボン接着剤から作られた接着層を形成する工程を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記接合部によって前記支持部に接合された前記複数の材料基板の各々の結晶軸のばらつきは０．２度未満である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記複数の材料基板の間の隙間の寸法が５０μｍ未満である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

Images