JP4912729B2

JP4912729B2 - 炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法

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Publication number: JP4912729B2
Application number: JP2006110427A
Authority: JP
Inventors: 弘克矢代; 昇大谷; 泰三星野; 辰雄藤本; 崇藍郷; 正和勝野; 弘志柘植; 充澤村; 正史中林; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: JP2007283411A

Description

本発明は、導電性インゴットの外形加工方法に関し、特に、青色発光ダイオードや電子デバイス等の基板ウェハの母材となる良質で大型の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法に関するものである。

炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとして、SiC単結晶ウェハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にも拘らず、その実用化が阻まれていた。

従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約２０%もあること等により、多くの欠陥(〜10⁷cm^-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。

これらの問題点を解決するために、SiC単結晶[0001]ウェハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献１)。この方法では、種結晶を用いているため、結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。現在、口径２インチ(50mm)〜４インチ(100mm)のSiC単結晶インゴットは成長できるようになり、ウェハに加工されて、種々のデバイス作製に供されるようになって来た。

ウェハに加工するに際しては、成長したインゴットを所望の直径、即ち2インチ(50mm)〜4インチ(100mm)で目的に合致する口径の円筒形に加工した後、ウェハにスライスして更に表面を研磨する工程を踏む。その外形加工に際しては、従来、例えば、特許文献１に記載されているように、研削砥石を使って外周研削するのが一般的である。

しかるに、SiC単結晶に代表される硬脆性材料では、機械研削の際に力学的な加工歪が入って外周表面に加工変質層が残る、あるいは、インゴットにクラックが入ることがある。その場合、外周表面の加工変質層は、ウェハにスライスした後、べべリングによって除去することで対応できる。しかしながら、クラックが入ったインゴットはウェハ化しても最早商品価値は無く、無駄になってしまうと言う課題があった。
特開2002-75924号公報 Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146-150

上記したように、従来の機械的な研削加工でSiC単結晶インゴットの外形加工を施すと、機械加工が故の力学的作用により、単結晶インゴットに悪影響を及ぼす。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機械的な研削加工に起因して発生する加工変質層を抑え、外形加工中にインゴットにクラックが入ることを回避できる外形加工法を提供するものである。

SiC単結晶インゴットは、結晶成長プロセスで不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、様々な抵抗率のものを得ることができる。特に、パワーデバイス、発光デバイスの基板として用いられるウェハを得るためには、抵抗率の低い、即ち、キャリア濃度の高いインゴットが好まれる。

そこで、本発明者らは、SiC単結晶インゴットの外形加工について鋭意比較検討・観察・解析を行った結果、ワイヤー放電加工機によって外形加工が可能であることを見出し、従来の結晶成長プロセス後にワイヤー放電加工機で外形加工し、その後、従来のべべリング、研磨プロセスを通しても問題なく、ワイヤー放電加工の妥当性を確認し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は、
(1) キャリア濃度が１×１０¹⁷cm^-3以上４．５×１０¹⁷cm^-3以下である炭化珪素単結晶インゴットを、比抵抗２．５MΩ・cm以上１８．３MΩ・cm以下の誘電体の加工液に浸け、あるいは、加工液をかけながら、ワイヤー放電加工機によって外形加工することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、

(2) 前記インゴットのキャリア濃度が４×１０¹⁷cm^-3以上である(1)記載の導電性インゴットの外形加工方法、

(3) 前記誘電体加工液の比抵抗が５MΩ・cm以上である(1)記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、

(4) 前記インゴットの外周とワイヤーとの相対移動速度が１〜１０mm/分である(1)記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、
(5) 前記ワイヤーが、太さ０．０８〜０．５mmのワイヤーである(1)記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、

(6) 前記ワイヤーを１〜１０m/分で繰り出す(1)記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、
(7) 前記インゴットとワイヤーの間に１０〜１００Aの電流を流す(1)記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、

(8) 前記ワイヤーが黄銅ワイヤーである(1)〜(7)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法、
である。

本発明の外形加工方法によれば、加工後のインゴット側面の加工変質層を抑制することができ、ましてや、インゴットにクラックが入ってインゴットそのものを無駄にすることを皆無にできる。

また、SiC単結晶インゴットでは、ワイヤー放電加工によって、外形加工した跡は黒く焼け焦げたような表面になるが、ウェハ状にスライスした後のべべリングプロセスによって、黒く変色した部分は容易に除去できる。したがって、外形加工以降のプロセスにも何ら悪影響を与えない。

また、SiC単結晶に関して説明を加えると、その機械的性質として、たいへん硬く、脆いと言う特徴がある。したがって、特許文献１に示すような従来の機械的加工法では、SiC単結晶インゴットに歪、クラック等の大変悪い影響を与えることが多かった。したがって、SiC単結晶インゴットの中でも充分導電性を有する材料については、機械的ダメージを与えない本発明が最適な加工法である。

本発明で加工の対象となるSiC単結晶インゴットは、導電性を有することが必須条件である。即ち、導電性が高く電気抵抗が小さいことが、本発明を適用できるための必須条件である。導電性は高ければ高いほど電気が流れ易く、本発明の対象として適しているが、具体的な導電性を表すSiC単結晶インゴットのキャリア濃度で比較すると、キャリア濃度が１×１０¹⁷cm^-3以上であると加工し易く、更に、４×１０¹⁷cm^-3以上になると加工し易さは顕著になる。キャリア濃度の上限値としては、ドーパントが固溶限界で制限されるので、高々２×１０¹⁹cm^-3程度である。ここで、SiC単結晶インゴットに導電性を付与する方法としては、例えば、不純物窒素のドーピング、不純物アルミニウムのドーピング、不純物ホウ素のドーピング等の方法があり、また、そのキャリア濃度の測定方法としては、例えば、ホール測定、Ｃ-Ｖ測定等の方法がある。

このSiC単結晶インゴットを誘電体の加工液に浸漬、あるいは、加工液をかけながら、パルス電圧をかけながらワイヤー放電加工機のワイヤーをインゴットに近づけると、誘電体の加工液で保たれていたワイヤーとSiC単結晶インゴットの間で絶縁破壊が起こって、アーク放電が起こる。アーク放電の火花によりSiC単結晶インゴット表面が高温になって溶解し、溶解した材料は、同じく急激に高温になる加工液の熱膨張により、ワイヤーとSiC単結晶インゴットの間から除去される。その加工液の性質としては、アーク放電を起こすために、比抵抗２．５MΩ・cm以上の導電性液体であることが必須であるが、より好ましい条件として５MΩ・cm以上１８．３MΩ・cm以下であることが望ましい。このような加工液として、例えば、比抵抗５MΩ・cmの脱イオン水を始めとして、ppmオーダーの濃度で不純物を含む比抵抗１０MΩ・cm未満の純水、ppbオーダーの濃度で不純物を含む比抵抗１０〜１８．３MΩ・cmの超純水等を例示することができる。

本発明で実施するワイヤー放電加工では、扱い易さ、コスト等の観点から廉価なワイヤーを用いる。その点で、ワイヤーの材質としては、黄銅、黄銅系合金、Ａｌ入り黄銅、亜鉛被覆合金等を例示でき、信頼性、費用体効果の観点から好ましくは黄銅であるのがよい。また、そのワイヤーが細過ぎると断線し易く、太過ぎるとコストアップに繋がる。そこで、太さ０．０８mm以上０．５mm以下、好ましくは０．１mm以上０．３mm以下のワイヤー用い、誘電体の加工液に浸け、あるいは、加工液をかけながら、SiCインゴットとワイヤーの間に電流を流して放電させてSiC結晶を分解・除去しながら、SiCインゴットとワイヤーの位置関係を変えることにより、SiCインゴットを所望の直径の円筒形状に加工する。

SiCインゴットとワイヤーの間に流す電流は、小さ過ぎては効率的に加工できず、大き過ぎては電源が巨大化してコストアップに繋がる。そこで、１０A以上１００A以下、好ましくは２０A以上８０A以下の電流を流してSiC結晶を分解・除去する。放電の際、SiC結晶が分解・除去されるのみならず、ワイヤー自身も損耗するので、少しずつ新たなワイヤーを繰り出して、損耗によりワイヤーが断線しないようにして加工する。

ワイヤーの繰り出し速度は、遅過ぎるとワイヤー供給が間に合わずにワイヤーが断線し、早過ぎるとコストアップに繋がるので、１m/分以上１０m/分以下、好ましくは２m/分以上８m/分以下の範囲が適切である。インゴットに対するワイヤーの位置を動かすことにより、所望の円筒形状にインゴットを加工するのだが、その速度が速過ぎるとワイヤーがインゴットにぶつかって断線を招き、遅過ぎると加工効率が落ちる。インゴットとワイヤーの相対移動速度は１mm/分以上１０mm/分以下、好ましくは２mm/分以上８mm/分以下が適切な範囲である。この場合、インゴットを固定してワイヤーを移動させても、ワイヤーを固定してインゴットを移動させても、更には、インゴットとワイヤーの双方を移動させても良く、適宜選択すれば良い。

円筒形状に加工されたインゴットは、その後、スライサーに依って、円盤状のウェハにスライス加工される。スライス直後のウェハは、表面が凸凹で、ダメージが残っているので、鏡面に研磨する。研磨に先立って、ウェハ周辺部、即ち、円筒形状に加工した部分には、べべリングと呼ぶ面取り加工を施す。これは、研磨加工中にエッジ部分からチッピングが起こるのを防ぐために必要不可欠な工程である。例え円筒形状に加工したインゴット側面の面粗さが大きかったり、黒く焦げていても、このべべリング工程によって表面が除去されるので、問題は無い。

べべリング工程の後、ウェハの表面は研磨されるが、砥粒の粒径、研磨装置の運転状態を適切に調整することにより、最終的に、ウェハの表面は鏡面状態にまで研磨される。

以下に、本発明を実施例で説明する。
図１は、本発明におけるワイヤーがインゴットに接する部分の拡大図を示す。成長したSiC単結晶インゴット１は、所望の直径より少し大きな円筒形をしている。その中心軸と並行にワイヤー放電加工機の黄銅ワイヤー２を配置し、電流を流しながら、SiC単結晶インゴット１に対して黄銅ワイヤー２を矢印の方向に移動させる。SiC単結晶インゴット１と黄銅ワイヤー２の間では放電現象が起こり、SiC単結晶インゴット１に機械的なダメージが入ることなく、黄銅ワイヤー２に接するSiC単結晶インゴット１の表面が分解・除去される。放電現象によって黄銅ワイヤー２も損耗し、放置しておくと黄銅ワイヤー２が細くなって断線してしまうので、新しい黄銅ワイヤーを図１中の上方から常に供給し、古いワイヤーは図１中の下方へと排出される。

図２は、本方法によって外周加工を施したSiC単結晶インゴットの断面形状を示す。外形加工後のSiC単結晶インゴットはほぼ円筒形であるため、その断面形状はほぼ円形になるが、一部円弧形状ではなく直線状になっている部分がある。これはオリエンテーションフラットと呼ばれる部分で結晶の方位を示す。即ち、外形加工の前に、SiC単結晶インゴットの方位をＸ線で計測しておき、図２中第１オリエンテーションフラットが[1-100]方向を示し、第２オリエンテーションフラットが[1-210]方向を示すように配置する。図と垂直な方向が、本工程の後に研磨加工した後のウェハ表面に該当し、[-1000]方向、又は、[-1000]方向から、[1-210]方向若しくは[1-100]方向に数度傾いた方向に対応する。

(実施例１)
本実施例では、図１中の矢印方向に、φ０．１８mmのワイヤーを繰り出し速度５m/分及びウェハとの相対移動速度１．５mm/分で移動させながら加工した。直径が３インチ(75mm)になるように、即ち、ワイヤーは、概ね、直径に対応する円弧状に矢印方向に移動させるが、上記、第１オリエンテーションフラット、及び、第２オリエンテーションフラットに対応する箇所では、ワイヤーは、円弧状ではなく、直線状に矢印方向に移動させる。インゴットは、結晶成長中に窒素を添加することによって導電性を持たせたもので、そのキャリア濃度は凡そ１．２×１０¹⁷cm^-3である。電流は５０A流しており、インゴットは直径が３インチ(75mm)になるように寸法調整をして外形加工しており、２時間で外形加工は終了した。本放電加工は加工液として比抵抗５MΩ・cmの脱イオン水を用いて実施した。即ち、脱イオン水に浸漬した状態のインゴットを放電加工したものである。加工後のインゴット外周表面は黒く焼け焦げたような性状を持ち、顕微鏡で拡大すると、梨地のザラザラな面になっていた。図３は、本方法によって加工した後のSiC単結晶インゴット側面の実体顕微鏡像例である。

(実施例２)
本実施例では、図１中の矢印方向に、φ０．１８mmのワイヤーを繰り出し速度５m/分及びウェハとの相対移動速度６mm/分で移動させながら加工した。インゴットは、結晶成長中に窒素を添加することによって導電性を持たせたもので、そのキャリア濃度は凡そ４．５×１０¹⁷cm^-3である。電流は実施例１と同じく５０Aであったが、こちらのインゴットの方が電気抵抗が小さいために早く加工することができて、６mm/分の速度で外形加工した。インゴットは直径が３インチ(75mm)になるように寸法調整をして外形加工しており、３０分で外形加工は終了した。本放電加工は加工液として比抵抗５MΩ・cmの脱イオン水を用いて実施した。本実施例では、インゴットを脱イオン水に浸漬する代わりに、インゴットとワイヤーの間に脱イオン水をかけながら行った。加工後の表面は黒く焼け焦げたような性状を持ち、顕微鏡で拡大すると、梨地のザラザラな面になっていた。加工後のインゴット外周表面は、実施例１同様、黒く焼け焦げたような性状を持つ。

上記各実施例１及び２のインゴット共、本外形加工工程の後に、ウェハにスライスして、べべリング、研磨加工を行ったが、その過程で、ウェハ周辺の加工変質層は除去されて、黒く焼け焦げた表面性状は全く悪影響を及ぼさなかった。本外形加工工程によってインゴットにクラックが入ることも無かったため、インゴットを無駄にすることがなかったのは、言うまでもない。

本発明によって、導電性を有するSiC単結晶インゴットは、全く機械的なダメージを受けることなく外形加工ができ、その意味で歩留りは１００%である。他方、従来の研削砥石を使って外周研削する方法では、機械の動作条件を改善して歩留りは良くなりつつあるものの、現時点では１０%以下の歩留りである。

ワイヤー加工放電においてワイヤーがインゴットに接する部分の拡大図ワイヤー放電加工後のインゴット断面形状実施例１のワイヤー放電加工後のインゴット表面実体顕微鏡写真

符号の説明

１…インゴット
２…ワイヤー

Claims

キャリア濃度が１×１０¹⁷cm^-3以上４．５×１０¹⁷cm^-3以下である炭化珪素単結晶インゴットを、比抵抗２．５MΩ・cm以上１８．３MΩ・cm以下の誘電体の加工液に浸け、あるいは、加工液をかけながら、ワイヤー放電加工機によって外形加工することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記インゴットのキャリア濃度が４×１０¹⁷cm^-3以上である請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記誘電体加工液の比抵抗が５MΩ・cm以上である請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記インゴットの外周とワイヤーとの相対移動速度が１〜１０mm/分である請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記ワイヤーが、太さ０．０８〜０．５mmのワイヤーである請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記ワイヤーを１〜１０m/分で繰り出す請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記インゴットとワイヤーの間に１０〜１００Aの電流を流す請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。
前記ワイヤーが黄銅ワイヤーである請求項１、４〜７のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの外形加工方法。