JP2015127068A - 炭化珪素基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反りがより低減された炭化珪素基板を得ることが可能な炭化珪素基板の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素インゴット１を準備する工程と、炭化珪素インゴット１をワーク保持部３２の保持面３２ａに設置する工程と、ワーク保持部３２に設置された炭化珪素インゴット１を８００ｍ／ｍｉｎ以上の速度で走行するワイヤ３４により切断して炭化珪素基板を得る工程とを備えている。炭化珪素基板を得る工程では、保持面３２ａと保持面３２ａに対向するワーク保持部３２のベース面３２ｂとの間における最短距離Ｈが４０ｍｍ以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は、炭化珪素基板の製造方法に関し、より特定的には、反りがより低減された炭化珪素基板を得ることが可能な炭化珪素基板の製造方法に関する。

炭化珪素基板は、ワイヤーソーなどを用いて炭化珪素インゴットを所定の厚みに切断することにより得られる。たとえば特開２０１０−２３２０８号公報には、ワイヤーソーを用いたシリコンインゴットなどの切断において、ワーク（インゴット）の上端と当該ワークを保持するワーク保持部の下端面との間の距離を大きくする技術が開示されている。

特開２０１０−２３２０８号公報

従来のワイヤーソーを用いたインゴットの切断においては、特にインゴットのサイズが大きい場合（たとえば４インチ以上である場合）に基板の表面粗さが大きくなり、基板の反りも大きくなり、基板形状や厚みのばらつきが不均一になるという問題がある。また、インゴットの材質が炭化珪素などの高硬度な材質である場合やワイヤの走行速度が高い場合にも同様の問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反りがより低減された炭化珪素基板を得ることが可能な炭化珪素基板の製造方法を提供することである。

本発明に従った炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素インゴットを準備する工程と、炭化珪素インゴットを保持部材の保持面に設置する工程と、保持部材に設置された炭化珪素インゴットを８００ｍ／ｍｉｎ以上の速度で走行するワイヤにより切断して炭化珪素基板を得る工程とを備えている。上記炭化珪素基板を得る工程では、保持面と保持面に対向する保持部材のベース面との間における最短距離が４０ｍｍ以下である。

本発明によれば、反りがより低減された炭化珪素基板を得ることが可能な炭化珪素基板の製造方法を提供することができる。

本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法における工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）を説明するための概略断面図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法における工程（Ｓ４０）を説明するための概略斜視図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法における工程（Ｓ４０）を説明するための概略正面図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法により得られる炭化珪素基板を示す概略斜視図である。 保持部材における保持面とベース面との間の最短距離と基板の反り（ＳＯＲＩ）との関係を示すグラフである。 保持部材における保持面とベース面との間の最短距離と基板のＴＴＶ（Ｔｏｔａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）との関係を示すグラフである。 保持部材における保持面とベース面との間の最短距離と基板の表面粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。

[本願発明の実施形態の説明]
まず、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１） 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素インゴット（１）を準備する工程と、炭化珪素インゴット（１）を保持部材（３２）の保持面（３２ａ）に設置する工程と、保持部材（３２）に設置された炭化珪素インゴット（１）を８００ｍ／ｍｉｎ以上の速度で走行するワイヤ（３４）により切断して炭化珪素基板（１０）を得る工程とを備えている。炭化珪素基板（１０）を得る工程では、保持面（３２ａ）と保持面（３２ａ）に対向する保持部材（３２）のベース面（３２ｂ）との間における最短距離（Ｈ）が４０ｍｍ以下である。

上記炭化珪素基板の製造方法では、炭化珪素インゴット（１）が設置される保持部材（３２）の保持面（３２ａ）とベース面（３２ｂ）との間の最短距離（Ｈ）が４０ｍｍ以下に確保された状態で炭化珪素インゴット（１）がワイヤ（３４）を用いて切断される。そのため、炭化珪素インゴット（１）のように材質の硬度が高く、ワイヤ（３４）の走行速度が高い場合でも、上記最短距離（Ｈ）が大きくなり過ぎることで切断中に炭化珪素インゴット（１）が振動することを抑えることができる。その結果、切断時の炭化珪素インゴット（１）の振動に起因した基板の表面粗さの悪化や、基板の反りおよび厚みのばらつきの増大を抑えることができる。したがって、本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、反りが低減された炭化珪素基板（１０）を得ることができる。

（２） 上記炭化珪素基板の製造方法において、炭化珪素インゴット（１）の成長方向から見たときの幅であるインゴット幅（Ｗ２）が１００ｍｍ以上である。

炭化珪素インゴット（１）の幅が大きい場合には、ワイヤ（３４）による切断時に振動がより発生し易くなる。そのため、炭化珪素インゴット（１）の上記インゴット幅（Ｗ２）が１００ｍｍ以上である場合には、振動抑制の効果がより大きくなる。

（３） 上記炭化珪素基板の製造方法において、ワイヤ（３４）の表面には砥粒が固定されている。

固定砥粒方式を採用して炭化珪素インゴット（１）を切断する場合には、遊離砥粒方式を採用して切断する場合に比べて切断時に振動がより発生し易くなる。そのため、表面に砥粒が固定されたワイヤ（３４）を用いて炭化珪素インゴット（１）を切断する場合には、切断時における振動抑制の効果がより大きくなる。

（４） 上記炭化珪素基板の製造方法において、保持部材（３２）の保持面（３２ａ）とベース面（３２ｂ）との間における最短距離（Ｈ）は１５ｍｍ以上である。

上記最短距離（Ｈ）が小さくなり過ぎる場合（１５ｍｍ未満である場合）には、炭化珪素インゴット（１）を切断する際にワイヤ（３４）がベース面（３２ｂ）に接触して切断される懸念がある。そのため、上記最短距離（Ｈ）は１５ｍｍ以上確保することが好ましい。

（５） 上記炭化珪素基板の製造方法においては、得られる炭化珪素基板（１０）の表面粗さは０．６μｍ未満である。このように上記炭化珪素基板の製造方法によれば、表面粗さが０．６μｍ未満にまで低減された炭化珪素基板（１０）を製造することができる。また、炭化珪素基板（１０）の表面粗さは、０．４μｍ未満であることがより好ましく、０．３μｍ未満であることがさらに好ましい。

（６） 上記炭化珪素基板の製造方法では、保持部材（３２）において保持面（３２ａ）から見たときのワイヤ（３４）による切断方向に沿った方向における幅（Ｗ１）は、上記インゴット幅（Ｗ２）の１／２以下である。これにより、ワイヤ（３４）の断線を防止することができる。

（７） 上記炭化珪素基板の製造方法において、保持部材（３２）はカーボンからなっている。保持部材（３２）を炭化珪素インゴット（１）の構成元素であるカーボンから構成することにより、インゴットの切断時に生じた保持部材（３２）の切り屑がインゴットや基板の表面に付着した場合でも品質異常の発生を防止することができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施形態の具体例を図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

以下、本発明の一実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法について説明する。図１を参照して、本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）として種基板および原料準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図２を参照して、まず炭化珪素単結晶からなる種基板１１と、多結晶の炭化珪素粉末や炭化珪素焼結体からなる原料１２とがそれぞれ準備される。そして、種基板１１および原料１２は、図２に示すようにカーボン製の坩堝２の内部において互いに対向した状態で配置される。

次に、工程（Ｓ２０）として昇温工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図２を参照して、まずキャリアガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスが、坩堝２の内部へ供給される。そして、加熱コイル（図示しない）などにより坩堝２の内部が２０００℃以上２５００℃以下の温度にまで加熱される。このとき、坩堝２の内部は原料１２が配置される側から種基板１１が配置される側に向かう方向において温度が低くなるように（温度勾配が形成されるように）加熱される。

次に、工程（Ｓ３０）として結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、アルゴンガスを供給しつつ坩堝２の内部を所定の圧力にまで減圧する。これにより、原料１２が昇華して炭化珪素の原料ガスが発生し、当該原料ガスが種基板１１の表面１１ａ上において固化することにより炭化珪素層１３が成長する。またドーパントガスである窒素ガスもアルゴンガスとともに坩堝２の内部に供給される。そして、窒素ガスが熱分解されて発生した窒素原子が、成長中の炭化珪素層１３にドーパントとして取り込まれる。このようにして、窒素ガスおよびアルゴンガスを供給しつつ原料１２を昇華させることにより、種基板１１上の表面１１ａ上において窒素原子を含む炭化珪素層１３が成長する。上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）が実施されることにより、単結晶炭化珪素からなる炭化珪素インゴット１が準備される。

次に、工程（Ｓ４０）として切断工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図３および図４を参照して、ワイヤーソー３を用いて炭化珪素インゴット１が所定の厚みに切断される。これにより、炭化珪素インゴット１から所定の厚みを有する複数枚の炭化珪素基板１０（図５）が得られる。まず、図６および図７を参照してワイヤーソー３の構造について説明する。

ワイヤーソー３は、治具３０（本体部３１およびワーク保持部３２）と、一組のローラ３３と、ワイヤ３４と、切削液供給部３５とを主に有している。ローラ３３は円柱形状を有しており、他方のローラ３３との間に所定の間隔をおいて並んで配置されている。ローラ３３は、図３中矢印に示すように円柱形状の中心軸周りに回転可能になっている。

ワイヤ３４は、たとえばピアノ線などの表面に電着によってダイヤモンド砥粒が固定された電着ダイヤモンドワイヤである。ワイヤ３４の直径はたとえば２５０μｍである。ワイヤ３４は、図３に示すように一組のローラ３３の各々の外周面に複数回巻き掛けられている。ワイヤ３４の張力はたとえば４５Ｎである。これにより、ワイヤ３４は一方のローラ３３と他方のローラ３３との間を往復しつつ上流側Ｕ（図３中左側）から下流側Ｄ（図３中右側）へ走行することが可能になっている。なお、ワイヤーソー３は上述のように固定砥粒方式を採用したものであるがこれに限定されず、遊離砥粒方式が採用されてもよい。

切削液供給部３５は、ワイヤ３４の上方において配置されている。切削液供給部３５は、ワイヤ３４の上方から切削油（クーラント）を供給する。なお、遊離砥粒方式が採用される場合には、たとえばダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒などの硬質砥粒がクーラントに混合したスラリーが切削液供給部３５からワイヤ３４に供給されてもよい。

治具３０は、本体部３１とワーク保持部３２（保持部材）とを含んでいる。図４を参照して、ワーク保持部３２は、保持面３２ａと当該保持面３２ａに対向するベース面３２ｂとを有している。保持面３２ａは炭化珪素インゴット１の外周面に沿った曲面からなり、ベース面３２ｂは平面からなっている。ワーク保持部３２は、保持面３２ａにおいて炭化珪素インゴット１を保持し、ベース面３２ｂにおいて本体部３１に固定されている。ワーク保持部３２の保持面３２ａとベース面３２ｂとの間における最短距離Ｈは４０ｍｍ以下であり、好ましくは３０ｍｍ以下であり、より好ましくは２０ｍｍ以下である。また、保持面３２ａとベース面３２ｂとの間における最短距離Ｈは１５ｍｍ以上である。

ワーク保持部３２において保持面３２ａから見たときのワイヤ３４による切断方向（図４中片矢印）に沿った方向における幅Ｗ１は、炭化珪素インゴット１の成長方向から見たときの幅Ｗ２（インゴット幅）の１／２以下である。炭化珪素インゴット１の幅Ｗ２が１００ｍｍ（４インチ）である場合にはワーク保持部３２の幅Ｗ１は５０ｍｍ以下であり、炭化珪素インゴット１の幅Ｗ２が１５０ｍｍ（６インチ）である場合にはワーク保持部３２の幅Ｗ１は７５ｍｍ以下である。

ワーク保持部３２はカーボンからなることが好ましいが材質は特に限定されず、たとえばセラミックスからなっていてもよい。上記構成により、治具３０はワーク保持部３２において被切断物である炭化珪素インゴット１を保持しつつ、ワイヤ３４に接近する方向またはワイヤ３４から退避する方向に移動可能になっている。

ワイヤーソー３は、炭化珪素インゴット１を下降させてワイヤ３４と接触させるダウンカット方式を採用したものであるがこれに限定されず、炭化珪素インゴット１を上昇させてワイヤ３４と接触させるアッパーカット方式が採用されてもよい。上記ダウンカット方式の方がアッパーカット方式に比べて炭化珪素インゴット１の振動がより小さく、基板の反りや表面粗さなどを良化させる観点から好ましい。

次に、上記ワイヤーソー３を用いた炭化珪素インゴット１の切断手順について、図３および図４を参照して説明する。まず、上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）において準備された炭化珪素インゴット１が、その外周面の一部がワーク保持部３２の保持面３２ａに接触するように設置される。ワーク保持部３２において保持面３２ａとベース面３２ｂとの間の最短距離Ｈは、上述のように４０ｍｍ以下である。そのため、ワーク保持部３２のベース面３２ｂから炭化珪素インゴット１までの最短距離は同様に４０ｍｍ以下（好ましくは３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下）になる。また、炭化珪素インゴット１は円柱形状を有しており、成長方向から見たときの幅Ｗ２（インゴット幅）は１００ｍｍ以上（４インチ以上）であり、好ましくは１５０ｍｍ以上（６インチ以上）である。

次に、ローラ３３を回転させることにより、ワイヤ３４をローラ３３の間を往復させつつ上流側Ｕから下流側Ｄに向かって走行させる。これにより、ワイヤ３４が炭化珪素インゴット１の成長方向に沿って走行する。ワイヤ３４の走行速度（線速）は８００ｍ／ｍｉｎ以上であり、より具体的には平均走行速度が１１００ｍ／ｍｉｎである。

次に、治具３０をワイヤ３４側へ下降させることにより、炭化珪素インゴット１をワイヤ３４に接触させる。このとき、ワイヤ３４はローラ３３の間を往復するように設けられているため、炭化珪素インゴット１は複数の切断部においてワイヤ３４と接触する。炭化珪素インゴット１における切断部同士の間隔は、ローラ３３を跨ぐワイヤ３４同士の間隔に相当する。そして、ワイヤ３４を炭化珪素インゴット１の複数の切断部に接触させつつ上記走行速度で上流側Ｕから下流側Ｄに向かって走行させ、かつ炭化珪素インゴット１をさらに下降させて切断を進行させる。切断速度の平均値はたとえば０．２５ｍｍ／ｍｉｎである。このように炭化珪素インゴット１が複数の切断部において切断されることにより、複数枚の炭化珪素基板１０（図５）が得られる。

図５を参照して、炭化珪素基板１０の表面粗さはたとえば０．６μｍ未満であり、好ましくは０．４μｍ以下であり、より好ましくは０．３μｍ以下である。炭化珪素基板１０のＴＴＶは１５μｍ以下であり、好ましくは１４μｍ以下である。炭化珪素基板１０の反り（ＳＯＲＩ）は３０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下である。上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ４０）が実施されることにより炭化珪素基板１０（図５）が得られ、本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法が完了する。

炭化珪素インゴットをワイヤーソーにより切断したときの炭化珪素基板の品質について調査した。まず、上記本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法と同様の手順により炭化珪素基板１０を得た。炭化珪素インゴット１の幅Ｗ２は４インチとした。ワーク保持部３２の幅Ｗ１は３０ｍｍとした。ワーク保持部３２における保持面３２ａとベース面３２ｂとの間の最短距離Ｈは、２０ｍｍ、２８ｍｍ、４０ｍｍ、４９ｍｍおよび６０ｍｍとした。そして、炭化珪素基板１０の反り（ＳＯＲＩ）、厚みのばらつき（ＴＴＶ）および表面粗さ（Ｒａ）についてそれぞれ調査した。表１は、ワーク保持部３２における最短距離Ｈと炭化珪素基板１０の反り、厚みのばらつきおよび表面粗さとのそれぞれの関係を示している。図６は、上記最短距離Ｈと炭化珪素基板１０の反りとの関係を示すグラフであり、横軸が最短距離Ｈ（ｍｍ）を示し、縦軸が反り（μｍ）を示している。図７は、上記最短距離Ｈと炭化珪素基板１０の厚みのばらつきとの関係を示すグラフであり、横軸が最短距離Ｈ（ｍｍ）を示し、縦軸が厚みばらつき（μｍ）を示している。図８は、最短距離Ｈと炭化珪素基板１０の表面粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフであり、横軸が最短距離Ｈ（ｍｍ）を示し、縦軸が表面粗さ（μｍ）を示している。

炭化珪素基板１０の反り（ＳＯＲＩ）および厚みのばらつき（ＴＴＶ）は、平面度測定機（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｔｒｏｐｅｌ社製、ＦｌａｔＭａｓｔｅｒ）を用いて基板全面における厚み分布を測定し、当該分布に基づいて得た。また、炭化珪素基板１０の表面粗さ（Ｒａ）は、表面粗さ測定機（Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ社製、ＳＪ−４００）を用いて測定した（測定長：５ｍｍ）。

表１および図６〜図７から明らかなように、ワーク保持部３２における保持面３２ａとベース面３２ｂとの間の最短距離Ｈが４０ｍｍ以下である場合には、炭化珪素基板１０の反り、厚みのばらつきおよび表面粗さのいずれも良化することが分かった。また、上記最短距離Ｈが４０ｍｍを超える場合には炭化珪素基板１０の形状が一定でなかったのに対し、上記最短距離Ｈが４０ｍｍ以下である場合には切断開始部の方が切断終了部よりも基板厚みが小さく、切断開始部から切断終了部に向かって基板厚みが増加しており、一定の基板形状を有する炭化珪素基板１０が得られた。切断開始部の方が切断終了部よりも基板厚みが小さくなるのは、ワイヤ３４の表面に電着されたダイヤモンド砥粒が切断中に徐々に摩耗していくためである。上記調査結果より、炭化珪素インゴット１が設置されるワーク保持部３２において保持面３２ａとベース面３２ｂとの間の最短距離Ｈを４０ｍｍ以下に規定することで、炭化珪素基板１０の反り、表面粗さおよび厚みばらつきがいずれも良化し、さらに基板形状も安定することが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の炭化珪素基板の製造方法は、反りが低減された炭化珪素基板を得ることが要求される炭化珪素基板の製造方法において、特に有利に適用され得る。

１ 炭化珪素インゴット、２ 坩堝、３ ワイヤーソー、１０ 炭化珪素基板、１１ 種基板、１１ａ 表面、１２ 原料、１３ 炭化珪素層、３０ 治具、３１ 本体部、３２ ワーク保持部、３２ａ 保持面、３２ｂ ベース面、３３ ローラ、３４ ワイヤ、３５ 切削液供給部、Ｕ 上流側、Ｄ 下流側、Ｈ 最短距離、Ｗ１，Ｗ２ 幅。

Claims (7)

1. 炭化珪素インゴットを準備する工程と、
   前記炭化珪素インゴットを保持部材の保持面に設置する工程と、
   前記保持部材に設置された前記炭化珪素インゴットを８００ｍ／ｍｉｎ以上の速度で走行するワイヤにより切断して炭化珪素基板を得る工程とを備え、
   前記炭化珪素基板を得る工程では、前記保持面と前記保持面に対向する前記保持部材のベース面との間における最短距離が４０ｍｍ以下である、炭化珪素基板の製造方法。
2. 前記炭化珪素インゴットの成長方向から見たときの幅であるインゴット幅が１００ｍｍ以上である、請求項１に記載の炭化珪素基板の製造方法。
3. 前記ワイヤの表面には砥粒が固定されている、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
4. 前記最短距離が１５ｍｍ以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
5. 前記炭化珪素基板の表面粗さは０．６μｍ未満である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
6. 前記保持部材において前記保持面から見たときの前記ワイヤによる切断方向に沿った方向における幅は、前記炭化珪素インゴットの成長方向から見たときの幅の１／２以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
7. 前記保持部材はカーボンからなる、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。

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