JP2020050551A - 炭化珪素多結晶基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＶＤ法によって支持基板上にＳｉＣ多結晶膜を成膜するＳｉＣ多結晶基板の製造方法において、支持基板を破壊せずに、ＳｉＣ多結晶膜と支持基板とを容易に分離することができるＳｉＣ多結晶基板の製造方法を提供することにある。【解決手段】珪素含有ガス、炭素含有ガス、水素ガスおよび窒素ガスからなる混合ガスを支持基板に供給し、化学気相成長法によって前記支持基板に窒素原子濃度が１×１０18〜１×１０20個／ｃｍ3である炭化珪素の第一多結晶膜を成膜する第一成膜工程を含む、炭化珪素多結晶基板の製造方法。【選択図】図１
Description
本発明は、化学気相成長法（以下、「ＣＶＤ法」とする場合がある）により支持基板上に炭化珪素（以下、「ＳｉＣ」とする場合がある）多結晶膜を形成して得られる、ＳｉＣ多結晶基板の製造方法に関する。
ＳｉＣは、珪素（以下、「Ｓｉ」とする場合がある）と炭素で構成される化合物半導体材料である。絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍であり、バンドギャップがＳｉの３倍と優れているだけでなく、デバイスの作製に必要なｐ型、ｎ型の制御が広い範囲で可能であることなどから、Ｓｉの限界を超えるパワーデバイス用材料として期待されている。
しかしながら、ＳｉＣ半導体は、広く普及するＳｉ半導体と比較し、大面積のＳｉＣ単結晶基板が得られず、製造工程も複雑であることから、Ｓｉ半導体と比較して大量生産ができず、高価であった。
そこで、ＳｉＣ半導体のコストを下げるため、様々な工夫が行われてきた。例えば、特許文献１には、ＳｉＣ基板の製造方法が開示されており、その特徴として、少なくとも、マイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ2以下のＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板を準備し、ＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、ＳｉＣ単結晶基板を薄膜化する工程を行うことで、ＳｉＣ多結晶基板上にＳｉＣ単結晶層を形成した基板を製造することが記載されている。
更に、特許文献１には、ＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程の前に、ＳｉＣ単結晶基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、ＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程の後、ＳｉＣ単結晶基板を薄膜化する工程の前に、３５０℃以下の温度で熱処理を行い、ＳｉＣ単結晶基板を薄膜化する工程を、水素イオン注入層にて機械的に剥離する工程とするＳｉＣ基板の製造方法が記載されている。
このような方法により、１つのＳｉＣ単結晶のインゴットから、より多くのＳｉＣ基板が得られるようになった。
しかしながら、前記記載の方法で製造されたＳｉＣ基板は大部分が多結晶基板である。このため、ＳｉＣ基板が研磨などハンドリングの際に損傷しないように、機械的な強度を有するよう十分な厚さのＳｉＣ多結晶基板を使用しなければならない。
また、従来、前記ＳｉＣ多結晶基板は、ＣＶＤ法によって支持基板上にＳｉＣ多結晶膜を成膜したのち、必要に応じで端面研削により支持基板を側面から露出させ、酸性溶液に浸漬させる、もしくは酸化雰囲気で焼成する等の手段により、支持基板を一部もしくは全部を破壊することで、支持基板とＳｉＣ多結晶膜を分離していた。
しかしながら、これらの手法によると、ＳｉＣ多結晶膜にクラックが生じることで、歩留まりが悪化するという課題があった。
例えば、支持基板にＳｉ基板を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜したＳｉ基板をフッ酸と硝酸との混合溶液中に浸漬し、Ｓｉ基板を溶解させることでＳｉＣ多結晶膜を分離することができる。この際、Ｓｉとフッ酸および硝酸との反応で生じた熱によって、ＳｉＣ多結晶膜とＳｉ基板との熱膨張係数の差によって生じる応力に起因して、ＳｉＣ多結晶膜にクラックが生じる不具合があった。
また、支持基板に黒鉛を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜したＳｉ基板を酸素または大気雰囲気中において数百度で加熱し、黒鉛を焼成することでＳｉＣ多結晶膜を分離することができる（例えば、特許文献２）。この際も、ＳｉＣ多結晶膜と黒鉛基板との熱膨張係数の差によって生じる応力に起因して、ＳｉＣ多結晶膜にクラックが生じる不具合があった。
さらに、支持基板としてＳｉ基板および黒鉛基板のいずれを用いた場合でも、ＳｉＣ多結晶膜を分離するために支持基板は一部もしくは全部が破壊されるため、製造コストを増加させる要因となっていた。
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、ＣＶＤ法によって支持基板上にＳｉＣ多結晶膜を成膜するＳｉＣ多結晶基板の製造方法において、支持基板を破壊せずに、ＳｉＣ多結晶膜と支持基板とを容易に分離することができるＳｉＣ多結晶基板の製造方法を提供することにある。
そこで、本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った。その結果、支持基板とＳｉＣ多結晶膜との界面においてＳｉＣ多結晶膜の窒素原子濃度を所定範囲とすることで、支持基板とＳｉＣ多結晶膜との密着性を著しく低下させることができ、支持基板とＳｉＣ多結晶膜との剥離が容易になることを見出した。これにより、支持基板を破壊することなく、容易にＳｉＣ多結晶膜を分離できることがわかった。
上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、珪素含有ガス、炭素含有ガス、水素ガスおよび窒素ガスからなる混合ガスを支持基板に供給し、化学気相成長法によって前記支持基板に窒素原子濃度が１×１０18〜１×１０20個／ｃｍ3である炭化珪素の第一多結晶膜を成膜する第一成膜工程を含む。
前記第一成膜工程は、平均膜厚が１〜１０μｍの前記第一多結晶膜を成膜する工程であり、当該第一成膜工程後、化学気相成長法によって前記第一多結晶膜に平均膜厚が４００〜１０００μｍである炭化珪素の第二多結晶膜を成膜する第二成膜工程を含んでもよい。
前記珪素含有ガスが塩素を含んでもよい。
前記支持基板が、表面層として平均膜厚が１〜１００μｍの二酸化珪素膜を有する珪素基板であってもよい。
前記支持基板に前記第一多結晶膜が成膜した第一複合基板から前記支持基板を分離する第一分離工程、または前記支持基板に前記第一多結晶膜が成膜し、さらに当該第一多結晶膜に前記第二多結晶膜が成膜した第二複合基板から前記支持基板を分離する第二分離工程を含んでもよい。
本発明のＳｉＣ多結晶基板の製造方法によれば、支持基板を破壊せずに、ＳｉＣ多結晶膜と支持基板とを容易に分離することができる。そのため、支持基板を分離する際のＳｉＣ多結晶膜の割れが大幅に抑制でき、歩留まりが向上する。さらに、分離した支持基板は再利用できるため、製造コストの低減にも効果がある。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明するが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
［第一成膜工程］
本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、所定の混合ガスを支持基板に供給し、化学気相成長法によって、支持基板に所定の窒素原子濃度の炭化珪素の多結晶膜（第一多結晶膜）を成膜する工程（第一成膜工程）を含む。
本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、所定の混合ガスを支持基板に供給し、化学気相成長法によって、支持基板に所定の窒素原子濃度の炭化珪素の多結晶膜（第一多結晶膜）を成膜する工程（第一成膜工程）を含む。
（化学気相成長法）
化学気相成長法は、所定の薄膜を形成する蒸着方法のひとつであり、石英等で作られた反応炉内で基板を加熱し、加熱した基板の上に成膜目的となる薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面あるいは気相での化学反応により、基板に膜を成膜する方法である。本発明では、例えば下記の支持基板を反応炉内に固定し、まず、減圧状態でＡｒ等の不活性ガスを流しながら反応炉内を反応温度まで昇温させる。そして、成膜可能な反応温度に達したら、不活性ガスの流通を止め、下記の混合ガスを流して支持基板に供給することで、支持基板にＳｉＣ多結晶膜を成膜することができる。なお、本発明では、既存のＣＶＤ装置を用いてＳｉＣ多結晶膜を成膜することができる。
化学気相成長法は、所定の薄膜を形成する蒸着方法のひとつであり、石英等で作られた反応炉内で基板を加熱し、加熱した基板の上に成膜目的となる薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面あるいは気相での化学反応により、基板に膜を成膜する方法である。本発明では、例えば下記の支持基板を反応炉内に固定し、まず、減圧状態でＡｒ等の不活性ガスを流しながら反応炉内を反応温度まで昇温させる。そして、成膜可能な反応温度に達したら、不活性ガスの流通を止め、下記の混合ガスを流して支持基板に供給することで、支持基板にＳｉＣ多結晶膜を成膜することができる。なお、本発明では、既存のＣＶＤ装置を用いてＳｉＣ多結晶膜を成膜することができる。
（支持基板）
支持基板には、Ｓｉ基板や黒鉛基板を用いることができる。また、Ｓｉ基板の場合、Ｓｉ単結晶基板を用いると、成膜されるＳｉＣ多結晶膜がＳｉ単結晶基板の結晶構造情報を引き継いで、格子定数の差による応力差でＳｉＣ多結晶膜に欠陥が導入される場合がある。これを防止する目的として、Ｓｉ単結晶基板はその基板上に熱酸化法またはＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ2膜を表面層として備えてもよい。例えば、表面層として平均膜厚が１〜１００μｍのＳｉＯ2膜を有することで、ＳｉＣ多結晶膜に欠陥が導入されることを防止することができる。かかる平均膜厚が１μｍ未満の場合には、欠陥の導入を防止する効果が不十分となるおそれがあり、また、平均膜厚は１００μｍよりも厚くしなくとも、欠陥の導入を防止する効果は十分に得られる。また、Ｓｉ基板としては、Ｓｉ多結晶基板や、Ｓｉ多結晶基板の上に平均膜厚が１〜１００μｍのＳｉＯ2膜を表面層として備えた基板も使用することができる。
支持基板には、Ｓｉ基板や黒鉛基板を用いることができる。また、Ｓｉ基板の場合、Ｓｉ単結晶基板を用いると、成膜されるＳｉＣ多結晶膜がＳｉ単結晶基板の結晶構造情報を引き継いで、格子定数の差による応力差でＳｉＣ多結晶膜に欠陥が導入される場合がある。これを防止する目的として、Ｓｉ単結晶基板はその基板上に熱酸化法またはＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ2膜を表面層として備えてもよい。例えば、表面層として平均膜厚が１〜１００μｍのＳｉＯ2膜を有することで、ＳｉＣ多結晶膜に欠陥が導入されることを防止することができる。かかる平均膜厚が１μｍ未満の場合には、欠陥の導入を防止する効果が不十分となるおそれがあり、また、平均膜厚は１００μｍよりも厚くしなくとも、欠陥の導入を防止する効果は十分に得られる。また、Ｓｉ基板としては、Ｓｉ多結晶基板や、Ｓｉ多結晶基板の上に平均膜厚が１〜１００μｍのＳｉＯ2膜を表面層として備えた基板も使用することができる。
また、支持基板として黒鉛基板を用いる場合、一般的な黒鉛基板を使用することができ、例えばＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形により製造される等方性黒鉛が適している。また、基板の表面は研磨等して鏡面状態となっていれば、成膜した多結晶膜を剥離し易くなる。
（混合ガス）
混合ガスは、珪素含有ガス、炭素含有ガス、水素ガスおよび窒素ガスからなるガスである。珪素含有ガスは、ＳｉＣ多結晶膜を構成する原料ガスであり、例えば、シラン（ＳｉＨ4）ガスを用いることができる。また、ＳｉＨ3Ｃｌ、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＣｌ4などのエッチング作用があるＣｌを含む塩素系珪素含有ガス（クロライド系珪素原料）を用いることもできる。これらの塩素系珪素含有ガスは、含有する塩素（Ｃｌ）が成膜の過程において熱分解されて、その後Ｈ2ガスと反応して塩化水素（ＨＣｌ）ガスとなり、ＨＣｌガスのエッチング作用により、成膜途中に不純物として生じ得るＳｉ単体の凝集を抑制することができる。特に、Ｓｉの凝集が発生しやすい高速での成膜において、塩素系珪素含有ガスの使用が有効である。なお、これらのガスは単独での使用や併用が可能である。
混合ガスは、珪素含有ガス、炭素含有ガス、水素ガスおよび窒素ガスからなるガスである。珪素含有ガスは、ＳｉＣ多結晶膜を構成する原料ガスであり、例えば、シラン（ＳｉＨ4）ガスを用いることができる。また、ＳｉＨ3Ｃｌ、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＣｌ4などのエッチング作用があるＣｌを含む塩素系珪素含有ガス（クロライド系珪素原料）を用いることもできる。これらの塩素系珪素含有ガスは、含有する塩素（Ｃｌ）が成膜の過程において熱分解されて、その後Ｈ2ガスと反応して塩化水素（ＨＣｌ）ガスとなり、ＨＣｌガスのエッチング作用により、成膜途中に不純物として生じ得るＳｉ単体の凝集を抑制することができる。特に、Ｓｉの凝集が発生しやすい高速での成膜において、塩素系珪素含有ガスの使用が有効である。なお、これらのガスは単独での使用や併用が可能である。
炭素含有ガスは、ＳｉＣ多結晶膜を構成する原料ガスであり、例えば、メタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタン（Ｃ4Ｈ10）ガス等のパラフィン系炭化水素ガスや、エチレン（Ｃ2Ｈ4）ガス、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）ガス、ブチレン（Ｃ4Ｈ8）ガス等のオレフィン系炭化水素ガス等を用いることができる。なお、これらのガスは単独での使用や併用が可能である。
また、塩素系珪素含有ガスであり、炭素含有ガスでもあるメチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン等も原料ガスとして使用することができる。なお、これらのガスは単独での使用や併用が可能である。
水素ガス（Ｈ2ガス）は、珪素含有ガス、炭素含有ガスおよび窒素ガスを運搬するキャリアガスである。熱伝導率に優れる点でキャリアガスとして好まれ、また、Ｈ2が成膜の過程においてＣｌと反応してＨＣｌガスとなり、ＨＣｌガスのエッチング作用により、成膜途中に不純物として生じ得るＳｉ単体の凝集を抑制することができる。特に、Ｓｉの凝集が発生しやすい高速での成膜において、塩素系珪素含有ガスとの併用が有効である。また、Ｈ2ガスはＳｉＣに対してエッチング作用があり、成膜過程において突出したＳｉＣ部分をエッチングすることで、平滑なＳｉＣを成膜できるという点で、Ｈ2ガスの使用は有効である。さらに、Ｈ2ガスは、過剰にＳｉＣのエッチングが進まないよう、生成したＨＣｌガスを系外へ運搬する役割を果たす。
窒素ガス（Ｎ2ガス）は、珪素含有ガスおよび炭素含有ガス等の原料ガスと併用することで、Ｎ2ガスが成膜したＳｉＣ多結晶膜に添加され、ＳｉＣ多結晶中のＣサイトにＮが取り込まれることで、結晶格子が収縮して、ＳｉＣ膜中に残留応力が発生する。Ｎの取り込み量が多いほど、残留応力は高くなる傾向にあり、この残留応力の発生によって支持基板とＳｉＣ多結晶膜の密着性が著しく低下するため、支持基板とＳｉＣ多結晶膜との分離が容易になる。
また、Ｎ2ガスは不純物のドーピング用ガスとしても用いることができ、例えば、導電型をｎ型とする場合のドーピングガスとなる。また、導電型をｐ型とする場合には、混合ガスと共に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等をドーピングガスとして用いることができる。
（第一多結晶膜）
上記の混合ガスを使用し、成膜時の混合ガスの流量や反応温度等を制御することで、支持基板にＳｉＣの第一多結晶膜を成膜する。第一多結晶膜の窒素原子濃度（Ｎ濃度）が１×１０18〜１×１０20個／ｃｍ3となるようにＳｉＣ多結晶膜を成膜することにより、後述する分離工程において、支持基板と第一多結晶膜とを容易に分離することが出来る。なお、Ｎ濃度は、二次イオン質量分析装置等により測定することができる。
上記の混合ガスを使用し、成膜時の混合ガスの流量や反応温度等を制御することで、支持基板にＳｉＣの第一多結晶膜を成膜する。第一多結晶膜の窒素原子濃度（Ｎ濃度）が１×１０18〜１×１０20個／ｃｍ3となるようにＳｉＣ多結晶膜を成膜することにより、後述する分離工程において、支持基板と第一多結晶膜とを容易に分離することが出来る。なお、Ｎ濃度は、二次イオン質量分析装置等により測定することができる。
Ｎ濃度が１×１０18個／ｃｍ3未満の場合には、ＳｉＣ多結晶中へのＮの取り込み量が十分ではないことで、支持基板とＳｉＣ多結晶膜の密着性が十分に低下せず、支持基板とＳｉＣ多結晶膜との分離が容易とならないおそれがある。また、Ｎ濃度が１×１０20個／ｃｍ3より多い場合には、支持基板とＳｉＣ多結晶膜の密着性が過剰に低下してしまい、若干の衝撃によっても支持基板とＳｉＣ多結晶膜が分離してしまうことが予想され、ハンドリングに不具合が生じるおそれがある。また、ｎ型半導体として用いる場合には、ドーピングの量が多くなることで、性能に不具合の生じるおそれがある。
また、第一多結晶膜の膜厚は、支持基板にＳｉＣ多結晶膜の単一層を成膜して基板（第一複合基板）とする場合にはＳｉＣ多結晶膜として通常の膜厚である４００〜１０００μｍ程度の平均膜厚とすることが好ましい。なお、ＳｉＣ多結晶膜の平均膜厚は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により測定することができる。
ただし、以下に説明する第二成膜工程によって第二多結晶膜を成膜して基板（第二複合基板）とする場合には、第一多結晶膜と第二多結晶膜の平均膜厚を合計して、ＳｉＣ多結晶膜として通常の膜厚である４００〜１０００μｍ程度の平均膜厚とすればよい。この場合には、ＳｉＣ多結晶膜としての特性は第二多結晶膜において発揮することができるよう、第一多結晶膜の平均膜厚は、第二多結晶膜の特性を阻害しないよう１〜１０μｍ程度とすることが好ましい。第一多結晶膜の平均膜厚が１μｍ未満の場合には、支持基板との密着性が十分に低下しないおそれがある。また、かかる平均膜厚が１０μｍより大きいと、支持基板との密着性の低下の効果は十分に得られるものの、第二多結晶膜の特性を阻害してしまうおそれがある。
［第二成膜工程］
第二成膜工程は、上記した第一成膜工程後、化学気相成長法によって第一多結晶膜に平均膜厚が４００〜１０００μｍである炭化珪素の第二多結晶膜を成膜する工程である。第一多結晶膜では例えば窒素原子濃度の点でｎ型半導体等として要求される性能を満足することが困難な場合には、支持基板とＳｉＣ多結晶膜の密着性の観点から薄膜の第一多結晶膜を成膜し、その膜に要求性能を満たす第二多結晶膜を成膜すればよい。炭化珪素の第二多結晶膜の成膜は、上記した化学気相成長法により行う。
第二成膜工程は、上記した第一成膜工程後、化学気相成長法によって第一多結晶膜に平均膜厚が４００〜１０００μｍである炭化珪素の第二多結晶膜を成膜する工程である。第一多結晶膜では例えば窒素原子濃度の点でｎ型半導体等として要求される性能を満足することが困難な場合には、支持基板とＳｉＣ多結晶膜の密着性の観点から薄膜の第一多結晶膜を成膜し、その膜に要求性能を満たす第二多結晶膜を成膜すればよい。炭化珪素の第二多結晶膜の成膜は、上記した化学気相成長法により行う。
［分離工程］
分離工程は、支持基板に第一多結晶膜が成膜した第一複合基板から支持基板を分離する第一分離工程、または支持基板に第一多結晶膜が成膜し、さらに第一多結晶膜に第二多結晶膜が成膜した第二複合基板から支持基板を分離する第二分離工程を含む。第一分離工程と第二分離工程は、分離対称が第一複合基板であるか第二複合基板であるかの違いはあるものの、分離工程そのものに違いはないため、以下、第一分離工程と第二分離工程をまとめて説明する。
分離工程は、支持基板に第一多結晶膜が成膜した第一複合基板から支持基板を分離する第一分離工程、または支持基板に第一多結晶膜が成膜し、さらに第一多結晶膜に第二多結晶膜が成膜した第二複合基板から支持基板を分離する第二分離工程を含む。第一分離工程と第二分離工程は、分離対称が第一複合基板であるか第二複合基板であるかの違いはあるものの、分離工程そのものに違いはないため、以下、第一分離工程と第二分離工程をまとめて説明する。
〈支持基板の露出〉
図１に、第一複合基板１００を模式的に示した断面図を示す。第一成膜工程後の支持基板１０には、その第１表面１１ａと第２表面１１ｂのみならず、側面１２にも第一多結晶膜２０が成膜されている（図１（ａ））。そこで、支持基板１０と第一多結晶膜２０との分離を容易とするべく、第一多結晶膜２０が成膜した支持基板１０を、端面加工装置等を用いて、端面から２〜４ｍｍ研削して、支持基板１０の側面１２を露出させる（図１（ｂ））。これにより、第１表面１１ａに第一多結晶膜２０ａが成膜し、第２表面１１ｂに第一多結晶膜２０ｂが成膜した第一複合基板１００を得ることができる。なお、成膜前に支持基板１０の外周部（側面１２）をリング状の黒鉛等でマスクし、その後に第一多結晶膜を成膜すれば、成膜後にマスクを除去することで側面１２を露出させることができるため、端面加工は不要である。また、図１では、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂに成膜する態様を説明したが、本発明はこれに限定されず、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂのいずれかのみを成膜する場合も含まれる。
図１に、第一複合基板１００を模式的に示した断面図を示す。第一成膜工程後の支持基板１０には、その第１表面１１ａと第２表面１１ｂのみならず、側面１２にも第一多結晶膜２０が成膜されている（図１（ａ））。そこで、支持基板１０と第一多結晶膜２０との分離を容易とするべく、第一多結晶膜２０が成膜した支持基板１０を、端面加工装置等を用いて、端面から２〜４ｍｍ研削して、支持基板１０の側面１２を露出させる（図１（ｂ））。これにより、第１表面１１ａに第一多結晶膜２０ａが成膜し、第２表面１１ｂに第一多結晶膜２０ｂが成膜した第一複合基板１００を得ることができる。なお、成膜前に支持基板１０の外周部（側面１２）をリング状の黒鉛等でマスクし、その後に第一多結晶膜を成膜すれば、成膜後にマスクを除去することで側面１２を露出させることができるため、端面加工は不要である。また、図１では、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂに成膜する態様を説明したが、本発明はこれに限定されず、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂのいずれかのみを成膜する場合も含まれる。
図２に、第二複合基板２００を模式的に示した断面図を示す。図１（ａ）の場合と同様に、第一成膜工程および第二成膜工程後の支持基板１０には、その第１表面１１ａと第２表面１１ｂのみならず、側面１２にも第一多結晶膜２５および第二多結晶膜３０が成膜されている（図２（ａ））。そこで、支持基板１０と第一多結晶膜２５との分離を容易とするべく、端面加工装置等を用いて、支持基板１０の側面１２を露出させる（図２（ｂ））。これにより、第１表面１１ａに第一多結晶膜２５ａおよび第二多結晶膜３０ａが成膜し、第２表面１１ｂに第一多結晶膜２５ｂおよび第二多結晶膜３０ｂが成膜した第一複合基板１００を得ることができる。なお、成膜前に支持基板１０の外周部（側面１２）をリング状の黒鉛等でマスクし、その後に第一多結晶膜および第二多結晶膜を成膜すれば、成膜後にマスクを除去することで側面１２を露出させることができるため、端面加工は不要である。また、図２では、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂに成膜する態様を説明したが、本発明はこれに限定されず、第１表面１１ａおよび第２表面１１ｂのいずれかのみを成膜する場合も含まれる。
〈支持基板とＳｉＣ多結晶膜の分離〉
従来の方法で支持基板にＳｉＣ多結晶膜を成膜すると、支持基板とＳｉＣ多結晶膜は強固に密着しているため、支持基板を破壊する方法によりＳｉＣ多結晶膜と分離して、ＳｉＣ多結晶基板を製造する。支持基板としてＳｉ基板を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜したＳｉ基板を、フッ酸と硝酸を体積比で１：１に混合した溶液等に２４時間以上浸漬することで、Ｓｉ基板を溶解し、ＳｉＣ多結晶膜を分離できる。また、支持基板として黒鉛基板を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜した黒鉛基板を例えば大気雰囲気中において８００℃で１００時間以上加熱することによって、黒鉛基板が焼成するため、ＳｉＣ多結晶膜を分離できる。
従来の方法で支持基板にＳｉＣ多結晶膜を成膜すると、支持基板とＳｉＣ多結晶膜は強固に密着しているため、支持基板を破壊する方法によりＳｉＣ多結晶膜と分離して、ＳｉＣ多結晶基板を製造する。支持基板としてＳｉ基板を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜したＳｉ基板を、フッ酸と硝酸を体積比で１：１に混合した溶液等に２４時間以上浸漬することで、Ｓｉ基板を溶解し、ＳｉＣ多結晶膜を分離できる。また、支持基板として黒鉛基板を用いた場合、ＳｉＣ多結晶膜が成膜した黒鉛基板を例えば大気雰囲気中において８００℃で１００時間以上加熱することによって、黒鉛基板が焼成するため、ＳｉＣ多結晶膜を分離できる。
ただし、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法では、上記のような溶液の浸漬や加熱は不要であり、特別な処理をすることなく、わずかに支持基板を変形させることで、支持基板とＳｉＣ多結晶膜を分離できる。また、変形による分離が困難である場合は、支持基板が破損しない程度の機械的衝撃、または、湯浴等により分離が可能である。
［その他の工程］
本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、上記の工程に加え、その他の工程を含んでもよい。例えば、ＣＶＤ法を行う前に支持基板を清浄な状態にすることや、支持基板を所定の大きさや形状に加工する前処理工程等が挙げられる。
本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、上記の工程に加え、その他の工程を含んでもよい。例えば、ＣＶＤ法を行う前に支持基板を清浄な状態にすることや、支持基板を所定の大きさや形状に加工する前処理工程等が挙げられる。
以下、本発明について、実施例および比較例を挙げて具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
（実施例１）
支持基板として、表面にＳｉＯ2膜が平均膜厚で１μｍ成膜された厚み５００μｍのＳｉ単結晶基板を使用した。そして、支持基板を熱ＣＶＤ装置の炉内に固定し、炉内を排気ポンプにより真空引きを行った後、１３５０℃まで加熱した。
支持基板として、表面にＳｉＯ2膜が平均膜厚で１μｍ成膜された厚み５００μｍのＳｉ単結晶基板を使用した。そして、支持基板を熱ＣＶＤ装置の炉内に固定し、炉内を排気ポンプにより真空引きを行った後、１３５０℃まで加熱した。
珪素含有ガスとしてＳｉＣｌ4、炭素含有ガスとしてＣＨ4、キャリアガスとしてＨ2ガス、不純物ドーピングガスとしてＮ2ガスを用いた。第一成膜工程ではＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１０の比率とする混合ガスを支持基板に供給し、３０分間の成膜を実施して第一多結晶膜を得た。続いて、第二成膜工程では第一成膜工程よりもＮ2ガス流量を低減し、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：５の比率とする混合ガスを第一多結晶膜に供給し、４０時間の成膜を実施して第二多結晶膜を得た。第二成膜工程における炉内圧力は、３０ｋＰａであった。
得られた第二複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板との界面において、平均膜厚が１０μｍ、Ｎ濃度が４×１０19個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例１の第二複合基板について、端面加工装置により基板外周部で支持基板を露出させる分離工程を行ったところ、わずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜および第二多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
（実施例２）
第一成膜工程として、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１０の比率とする混合ガスを支持基板に供給して、４０時間３０分間の成膜を実施して第一多結晶膜を得た。第二成膜工程は実施しなかった。その他の条件は、実施例１と同様とした。得られた実施例２の第一複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板上に平均膜厚が８００μｍ、Ｎ濃度が４×１０19個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例２の第一複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
第一成膜工程として、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１０の比率とする混合ガスを支持基板に供給して、４０時間３０分間の成膜を実施して第一多結晶膜を得た。第二成膜工程は実施しなかった。その他の条件は、実施例１と同様とした。得られた実施例２の第一複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板上に平均膜厚が８００μｍ、Ｎ濃度が４×１０19個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例２の第一複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
（実施例３）
第一成膜工程において、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１００の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして成膜を実施した。得られた第二複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板との界面において、平均膜厚が１０μｍ、Ｎ濃度が１×１０20個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例３の第二複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜および第二多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
第一成膜工程において、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１００の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして成膜を実施した。得られた第二複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板との界面において、平均膜厚が１０μｍ、Ｎ濃度が１×１０20個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例３の第二複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜および第二多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
（実施例４）
第一成膜工程において、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして成膜を実施した。得られた第二複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板との界面において、平均膜厚が１０μｍ、Ｎ濃度が１×１０18個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例４の第二複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜および第二多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
第一成膜工程において、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：１の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして成膜を実施した。得られた第二複合基板の断面構造を走査電子顕微鏡により、また、Ｎ濃度を二次イオン質量分析装置により評価したところ、支持基板との界面において、平均膜厚が１０μｍ、Ｎ濃度が１×１０18個／ｃｍ3の第一多結晶膜の層が確認できた。実施例４の第二複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削加工後にわずかに支持基板を変形させることのみによって、支持基板から第一多結晶膜および第二多結晶膜からなるＳｉＣ多結晶膜を容易に剥離させることができ、炭化珪素多結晶基板を得ることができた。
（比較例１）
第一成膜工程に変えて、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：０の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして３０分の成膜および４０時間の成膜を実施し、ＳｉＣ多結晶膜を形成した。比較例１の複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削後において、支持基板が破損しない程度の機械的衝撃および湯浴を行っても、支持基板とＳｉＣ多結晶膜が剥離しなかった。そこで、この複合基板をフッ酸と硝酸を体積比で１：１に混合した溶液に２４時間浸漬した。その結果、支持基板（Ｓｉ単結晶基板）を溶解させることで、ＳｉＣ多結晶膜を分離できたものの、Ｓｉとフッ酸および硝酸との反応で生じた熱によって、ＳｉＣ多結晶膜とＳｉ基板との熱膨張係数の差によって生じる応力に起因して、ＳｉＣ多結晶膜にクラックが生じた。
第一成膜工程に変えて、ＳｉＣｌ4：ＣＨ4：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１０：０の比率とする混合ガスを支持基板に供給した以外は、実施例１と同様にして３０分の成膜および４０時間の成膜を実施し、ＳｉＣ多結晶膜を形成した。比較例１の複合基板について、実施例１と同様に分離工程を行ったところ、端面研削後において、支持基板が破損しない程度の機械的衝撃および湯浴を行っても、支持基板とＳｉＣ多結晶膜が剥離しなかった。そこで、この複合基板をフッ酸と硝酸を体積比で１：１に混合した溶液に２４時間浸漬した。その結果、支持基板（Ｓｉ単結晶基板）を溶解させることで、ＳｉＣ多結晶膜を分離できたものの、Ｓｉとフッ酸および硝酸との反応で生じた熱によって、ＳｉＣ多結晶膜とＳｉ基板との熱膨張係数の差によって生じる応力に起因して、ＳｉＣ多結晶膜にクラックが生じた。
［まとめ］
以上、実施例において説明したように、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法であれば、フッ酸と硝酸との混合溶液に浸漬する処理や、焼成処理を必要とせず、これらの処理による不具合であるＳｉＣ多結晶膜へのクラックは生じない。そして、支持基板を破壊することなく、ＳｉＣ多結晶膜と支持基板とを容易に分離することができる。
以上、実施例において説明したように、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法であれば、フッ酸と硝酸との混合溶液に浸漬する処理や、焼成処理を必要とせず、これらの処理による不具合であるＳｉＣ多結晶膜へのクラックは生じない。そして、支持基板を破壊することなく、ＳｉＣ多結晶膜と支持基板とを容易に分離することができる。
１０ 支持基板
１１ａ 第１表面
１１ｂ 第２表面
１２ 側面
２０ 第一多結晶膜
２０ａ 第一多結晶膜
２０ｂ 第一多結晶膜
２５ 第一多結晶膜
２５ａ 第一多結晶膜
２５ｂ 第一多結晶膜
３０ 第二多結晶膜
３０ａ 第二多結晶膜
３０ｂ 第二多結晶膜
１００ 第一複合基板
２００ 第二複合基板
１１ａ 第１表面
１１ｂ 第２表面
１２ 側面
２０ 第一多結晶膜
２０ａ 第一多結晶膜
２０ｂ 第一多結晶膜
２５ 第一多結晶膜
２５ａ 第一多結晶膜
２５ｂ 第一多結晶膜
３０ 第二多結晶膜
３０ａ 第二多結晶膜
３０ｂ 第二多結晶膜
１００ 第一複合基板
２００ 第二複合基板
Claims (5)
- 珪素含有ガス、炭素含有ガス、水素ガスおよび窒素ガスからなる混合ガスを支持基板に供給し、化学気相成長法によって前記支持基板に窒素原子濃度が１×１０18〜１×１０20個／ｃｍ3である炭化珪素の第一多結晶膜を成膜する第一成膜工程を含む、炭化珪素多結晶基板の製造方法。
- 前記第一成膜工程は、平均膜厚が１〜１０μｍの前記第一多結晶膜を成膜する工程であり、
当該第一成膜工程後、化学気相成長法によって前記第一多結晶膜に平均膜厚が４００〜１０００μｍである炭化珪素の第二多結晶膜を成膜する第二成膜工程を含む、請求項１に記載の炭化珪素多結晶基板の製造方法。 - 前記珪素含有ガスが塩素を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素多結晶基板の製造方法。
- 前記支持基板が、表面層として平均膜厚が１〜１００μｍの二酸化珪素膜を有する珪素基板である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素多結晶基板の製造方法。
- 前記支持基板に前記第一多結晶膜が成膜した第一複合基板から前記支持基板を分離する第一分離工程、または
前記支持基板に前記第一多結晶膜が成膜し、さらに当該第一多結晶膜に前記第二多結晶膜が成膜した第二複合基板から前記支持基板を分離する第二分離工程
を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素多結晶基板の製造方法。
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Citations (6)
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- 2018-09-27 JP JP2018182420A patent/JP7322371B2/ja active Active
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