JP5696630B2 - 炭化珪素基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素基板およびその製造方法に関し、より特定的には、良好な特性のデバイスを形成することが可能な炭化珪素基板およびその製造方法に関する。
近年、半導体装置の製造用に炭化珪素基板が用いられ始めている。炭化珪素は、より一般的な材料であるシリコンに比べて、より大きなバンドギャップを有する。そのため、炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の低下が小さい、といった利点を有する。
一方、上記のような優れた特性の半導体装置を実現するため、結晶欠陥の密度を低減した炭化珪素基板を用いることが従来より提案されている。たとえば、米国特許第７３１４５２０号明細書（特許文献１）においては、螺旋転位の密度が２０００ｃｍ-2以下とされた炭化珪素基板が開示されている。また、米国特許第７３１４５２１号明細書（特許文献２）においは、直径１００ｍｍ以上であってマイクロパイプ密度が２５ｃｍ-2以下とされた炭化珪素基板が開示されている。また、米国特許第７２９４３２４号明細書（特許文献３）においては、直径が７５ｍｍ以上であって１インチ四方（６．２５ｃｍ2）で基底面転位の密度が５００ｃｍ-2以下とされた炭化珪素基板が開示されている。
しかし、発明者が鋭意研究した結果、上述した先行技術文献において開示された欠陥のみを抑制しても、当該炭化珪素基板上に形成されたデバイスの特性を安定して向上させることは難しいことが判明した。また、上述した先行技術文献において開示された炭化珪素基板の製造方法はいずれも一般的な方法が開示されているのみであり、上記のような欠陥密度の低い炭化珪素基板を安定して製造することは困難である。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、優れた特性のデバイスを安定して製造することが可能な炭化珪素基板およびその製造方法を提供することである。
この発明に従った炭化珪素基板は、炭化珪素の単結晶からなり、幅が１００ｍｍ以上、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2以下、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、積層欠陥密度が０．１ｃｍ-1以下、導電性不純物濃度が１×１０18ｃｍ-2以上、残留不純物濃度が１×１０16ｃｍ-2以下、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが１個・ｃｍ-3以下である。
このようにすれば、炭化珪素基板の主面上に炭化珪素からなるエピタキシャル層を形成した場合に、当該エピタキシャル層を含むデバイスの特性に影響を及ぼす欠陥の密度を確実に低減することができる。このため、当該デバイスの特性の向上を図ることができる。
なお、炭化珪素基板の幅（たとえば直径）を１００ｍｍ以上としたのは、デバイス製造コストを低減するためである。なお、炭化珪素基板の幅は、好ましくは１２０ｍｍ以上、より好ましくは１５０ｍｍ以上である。また、上記マイクロパイプ密度を７ｃｍ-2以下としたのは、デバイス製造プロセスにおけるフォトレジスト塗布時にフォトレジストが裏面へ回り込むことを防止するためである。なお、マイクロパイプ密度は、好ましくは５ｃｍ-2以下、より好ましくは３ｃｍ-2以下である。また、当該マイクロパイプ密度の下限は、製造上の制約などから０．０１ｃｍ-2である。
また、上記貫通螺旋転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのはデバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、貫通螺旋転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該貫通螺旋転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記貫通刃状転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのは、デバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、貫通刃状転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該貫通刃状転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記基底面転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのは、デバイスの長期信頼性の向上を図るためである。なお、基底面転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該基底面転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記積層欠陥密度を０．１ｃｍ-1以下としたのは、デバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、積層欠陥密度は、好ましくは０．０５ｃｍ-1以下、より好ましくは０．０３ｃｍ-1以下である。また、当該積層欠陥密度の下限は、製造上の制約などから０．００１ｃｍ-1である。
また、上記導電性不純物濃度を１×１０18ｃｍ-2以上としたのは、縦型デバイス作製時においてオン抵抗の増加を抑制するためである。なお、導電性不純物濃度は、好ましくは５×１０18ｃｍ-2以上、より好ましくは１×１０19ｃｍ-2以上である。また、当該導電性不純物濃度の上限は、炭化珪素基板の結晶性といった観点から１×１０21ｃｍ-2である。
また、上記残留不純物濃度を１×１０16ｃｍ-2以下としたのは、炭化珪素基板への残留不純物取り込みに伴って各種の欠陥が増殖することを抑制するためである。なお、残留不純物濃度は、好ましくは５×１０17ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０17ｃｍ-2以下である。また、当該残留不純物濃度の下限は、製造上の制約などから１×１０14ｃｍ-2である。
また、上記Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓを１個・ｃｍ-3以下としたのは、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓに伴う各種欠陥の増殖を抑制するためである。なお、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓは、好ましくは０．５個・ｃｍ-3以下、より好ましくは０．３個・ｃｍ-3以下である。また、当該Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓの下限は、製造上の制約などから０．０１個・ｃｍ-3である。
この発明に従った炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素単結晶からなる種結晶基板を準備する工程と、種結晶基板の表面に成長させる炭化珪素の原料粉末を準備する工程と、種結晶基板および原料粉末を処理容器の内部に配置して、昇華法により種結晶基板の表面に炭化珪素を成長させる工程とを備える。炭化珪素を成長させる工程においては、処理容器に加えられる振動について、当該振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定されている。
ここで、発明者は炭化珪素を成長させるときに、処理容器に振動が加えられた場合には成長した炭化珪素の層に当該振動に起因する欠陥が導入されるという知見を得た。具体的には、処理容器に振動が加えられた場合には、処理容器の内部に配置された原料粉末の表面において当該振動に起因する形状の変動が発生し、結果的に種結晶基板の表面に形成される炭化珪素の成長条件が最適な条件からずれる場合があった。また、このような振動に起因して、原料粉末の一部が処理容器中で舞上がり、形成される炭化珪素での欠陥発生の原因となる場合もあった。このような問題の発生を防止するために、処理容器に加えられる振動について上記のように周波数及び振幅の最大値を規制することが有効である。
このように振動の周波数及び振幅を規制するためには、たとえば以下のような装置構成を採用することができる。具体的には、処理容器を除振台などの固定部材上に配置するとともに、処理容器に接続され振動を発生させるポンプなどについても除振台上に配置する。さらに、当該ポンプを処理容器から十分離れた位置に配置する。また、当該ポンプと処理容器とを接続する配管の経路途中にバッファとなるタンクを配置するといった対応が考えられる。
なお、上記のように振動の周波数の最大値を１０Ｈｚとしたのは、周波数の低い振動のほうが伝わりやすい為、製造される炭化珪素基板が当該振動の影響を受けやすいためである。また、当該周波数は、好ましくは７Ｈｚ以下、より好ましくは５Ｈｚ以下である。また、上記のように振動の振幅の最大値を１ｍｍとしたのは、当該振動により結晶成長の各種パラメーターにできるだけ影響を与えないようにするためである。また、当該振幅は、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下である。
本発明によれば、欠陥の低減された、優れた特性のデバイスを形成することが可能な炭化珪素基板を得ることができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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返さない。
図１に示すように、本実施の形態の炭化珪素基板８０は、六方晶の結晶構造を有する炭化珪素から作られた単結晶基板である。炭化珪素基板８０は、側面ＳＤと、側面ＳＤに取り囲まれた主面Ｍ８０とを有するものである。六方晶のポリタイプは、好ましくは４Ｈである。
さらに図２に示すように、主面Ｍ８０（図１）は、六方晶ＨＸの｛０００１｝面からオフ角ＯＡだけ傾斜していてもよい。すなわち主面Ｍ８０の法線方向ＤＺは、＜０００１＞方向からオフ角ＯＡだけ傾斜していてもよい。この傾斜はオフ方向ＤＸにおいて設けられている。図１中、方向ＤＹは、主面Ｍ８０内において方向ＤＸに対して垂直な方向である。なお本実施の形態においては、オフ方向ＤＸは、｛０００１｝面における＜１１−２０＞方向に対応している。
本発明に従った炭化珪素基板８０は、上述のように炭化珪素の単結晶からなり、幅が１００ｍｍ以上、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2以下、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、積層欠陥密度が０．１ｃｍ-1以下、導電性不純物濃度が１×１０18ｃｍ-2以上、残留不純物濃度が１×１０16ｃｍ-2以下、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが１個・ｃｍ-3以下である。
このようにすれば、炭化珪素基板８０の主面Ｍ８０上に炭化珪素からなるエピタキシャル層を形成した場合に、当該エピタキシャル層を含むデバイスの特性に影響を及ぼす欠陥の密度を確実に低減することができる。このため、当該デバイスの特性の向上を図ることができる。
なお、炭化珪素基板８０の幅（たとえば直径）を１００ｍｍ以上としたのは、デバイス製造コストを低減するためである。なお、炭化珪素基板８０の幅は、好ましくは１２０ｍｍ以上、より好ましくは１５０ｍｍ以上である。また、上記マイクロパイプ密度を７ｃｍ-2以下としたのは、デバイス製造プロセスにおけるフォトレジスト塗布時にフォトレジストが炭化珪素基板８０の裏面へ回り込むことを防止するためである。なお、マイクロパイプ密度は、好ましくは５ｃｍ-2以下、より好ましくは３ｃｍ-2以下である。また、当該マイクロパイプ密度の下限は、製造上の制約などから０．０１ｃｍ-2である。
また、上記貫通螺旋転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのは、デバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、貫通螺旋転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該貫通螺旋転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記貫通刃状転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのは、デバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、貫通刃状転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該貫通刃状転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記基底面転位密度を１×１０4ｃｍ-2以下としたのは、デバイスの長期信頼性の向上を図るためである。なお、基底面転位密度は、好ましくは５×１０５ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０５ｃｍ-2以下である。また、当該基底面転位密度の下限は、製造上の制約などから１×１０６ｃｍ-2である。
また、上記積層欠陥密度を０．１ｃｍ-1以下としたのは、デバイスの耐圧歩留まりの向上を図るためである。なお、積層欠陥密度は、好ましくは０．０５ｃｍ-1以下、より好ましくは０．０３ｃｍ-1以下である。また、当該積層欠陥密度の下限は、製造上の制約などから０．００１ｃｍ-1である。
また、上記導電性不純物濃度を１×１０18ｃｍ-2以上としたのは、縦型デバイス作製時においてオン抵抗の増加を抑制するためである。なお、導電性不純物濃度は、好ましくは５×１０18ｃｍ-2以上、より好ましくは１×１０19ｃｍ-2以上である。また、当該導電性不純物濃度の上限は、炭化珪素基板の結晶性といった観点から１×１０21ｃｍ-2である。
また、上記残留不純物濃度を１×１０16ｃｍ-2以下としたのは、炭化珪素基板８０への残留不純物取り込みに伴って各種の欠陥が増殖することを抑制するためである。なお、残留不純物濃度は、好ましくは５×１０17ｃｍ-2以下、より好ましくは３×１０17ｃｍ-2以下である。また、当該残留不純物濃度の下限は、製造上の制約などから１×１０14ｃｍ-2である。
また、上記Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓを１個・ｃｍ-3以下としたのは、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓに伴う各種欠陥の増殖を抑制するためである。なお、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓは、好ましくは０．５個・ｃｍ-3以下、より好ましくは０．３個・ｃｍ-3以下である。また、当該Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓの下限は、製造上の制約などから０．０１個・ｃｍ-3である。
また、マイクロパイプ密度、貫通螺旋転位密度、貫通刃状転位密度、基底面転位密度の測定方法としては、溶融ＫＯＨエッチング或いはガスエッチングを炭化珪素基板８０に対して行い、その後当該炭化珪素基板８０の表面に形成されたエッチピットを観察する、といった方法を用いることができる。
また、積層欠陥密度の測定方法としても、溶融ＫＯＨエッチング或いはガスエッチングを炭化珪素基板８０に対して行い、その後当該炭化珪素基板８０の表面に形成されたエッチピットを観察する、といった方法を用いることができる。
また、導電性不純物濃度および残留不純物濃度の測定方法としては、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いることができる。
次に、図１に示した炭化珪素基板８０の製造方法を、図３〜図１４を参照して説明する。
図１に示した炭化珪素基板８０の製造方法では、図３に示すように、まず原料準備工程（Ｓ１０）を実施する。この原料準備工程は、後述するように炭化珪素の原料粉末を準備する工程および種結晶基板を準備する工程を含む。
原料粉末を準備する工程は、たとえば図４に示すような工程により構成される。以下、原料粉末を準備する工程を説明する。
まず、図４に示すように準備工程（Ｓ１１）を実施する。具体的には、炭化珪素の原料粉末となるべき材料であるシリコン小片と炭素粉末とを準備する。これらのシリコン小片と炭素粉末とは高純度のものを用いることが好ましい。次に、プレ洗浄工程（Ｓ１２）を実施する。この工程（Ｓ１２）では、シリコン小片や炭素粉末に付着している異物を除去するために従来周知の任意の洗浄工程を実施する。なお、シリコン小片および炭素粉末の品質によっては、当該プレ洗浄工程（Ｓ１２）は実施しなくてもよい。
次に、プレ洗浄工程（Ｓ１２）が終わったシリコン小片および炭素粉末とを混合して混合物を作製する工程を行なう。混合物を作製する工程は、たとえば、シリコン小片と炭素粉末とをそれぞれ坩堝（たとえば黒鉛製の坩堝）に収容し、坩堝中でこれらを混合して混合物を作製することによって行なうことができる。なお、混合物は、坩堝への収容前に、シリコン小片と炭素粉末とを混合して作製してもよい。
ここで、シリコン小片としては、たとえば図５の模式的平面図に示すシリコン小片の径ｄが０．１ｍｍ以上５ｃｍ以下であるものを用いることが好ましく、１ｍｍ以上１ｃｍ以下であるものを用いることがより好ましい。この場合には、内部まで炭化珪素で構成された高純度の炭化珪素粉末が得られる傾向にある。なお、本明細書において、「径」とは、表面に存在する任意の２点を結ぶ線分のうち最長の線分の長さを意味する。
炭素粉末としては、平均粒径（個々の炭素粉末の径の平均値）が１０μｍ以上２００μｍ以下である炭素粉末を用いることが好ましい。この場合には、内部まで炭化珪素で構成された高純度の炭化珪素粉末が得られる傾向にある。
次に、図４に示した加熱工程（Ｓ１３）を実施する。具体的には、上記のようにして作製した混合物を２０００℃以上２５００℃以下に加熱して、まず炭化珪素粉末前駆体を作製する工程を実施する。炭化珪素粉末前駆体を作製する工程は、たとえば、上記のように坩堝に収容されたシリコン小片と炭素粉末との混合物を１ｋＰａ以上１．０２×１０5Ｐａ以下、特に１０ｋＰａ以上７０ｋＰａ以下の圧力の不活性ガス雰囲気下で２０００℃以上２５００℃以下の温度に加熱することにより行なうことができる。これにより、坩堝中でシリコン小片のシリコンと炭素粉末の炭素とが反応することによって、シリコンと炭素との化合物である炭化珪素が形成されて炭化珪素粉末前駆体が作製される。
ここで、加熱温度が２０００℃未満である場合には、加熱温度が低すぎて、シリコンと炭素との反応が内部まで進行せず、内部まで炭化珪素で形成された高純度の炭化珪素粉末前駆体を作製することができない。また、加熱温度が２５００℃を超える場合には、加熱温度が高すぎて、シリコンと炭素との反応が進行しすぎて、シリコンと炭素との反応により形成された炭化珪素からシリコンが脱離するため、内部まで炭化珪素で形成された高純度の炭化珪素粉末前駆体を作製することができない。
なお、上記において、不活性ガスとしては、たとえば、アルゴン、ヘリウムおよび窒素からなる群から選択された少なくとも１種を含むガスを用いることができる。
また、シリコン小片と炭素粉末との混合物の加熱時間は、１時間以上１００時間以下であることが好ましい。この場合には、シリコンと炭素との反応が十分に行なわれて良好な炭化珪素粉末前駆体を作製することができる傾向にある。
また、上記の加熱後に雰囲気の圧力を低下する工程を行なうことが好ましい。この場合には、後述する炭化珪素粉末前駆体を構成する炭化珪素結晶粒子のそれぞれの内部まで炭化珪素が形成される傾向が大きくなる。
ここで、雰囲気の圧力を低下する工程において、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以下の圧力まで低下させる場合には、圧力の低下時間は１０時間以下であることが好ましく、５時間以下であることがより好ましく、１時間以下であることがさらに好ましい。圧力の低下時間が、１０時間以下である場合、より好ましくは５時間以下である場合、特に１時間以下である場合には、シリコンと炭素との反応により形成された炭化珪素からシリコンが脱離するのを好適に抑制することができるため、良好な炭化珪素粉末前駆体を作製することができる傾向にある。
また、上記のように、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以下の圧力まで低下した後には、不活性ガスを供給することなどによって雰囲気の圧力を５０ｋＰａ以上の圧力まで圧力を上昇させた後に炭化珪素粉末前駆体を室温（２５℃）まで冷却してもよく、１０ｋＰａ以下の圧力に保持した状態で炭化珪素粉末前駆体を室温（２５℃）まで冷却してもよい。ここで、炭化珪素粉末前駆体は、複数の炭化珪素結晶粒子の集合体であって、個々の炭化珪素結晶粒子が互いに連結することによって構成されている。
次に、図４に示した粉砕工程（Ｓ１４）を実施する。具体的には、上記のようにして作製された炭化珪素粉末前駆体を粉砕して炭化珪素粉末を作製する。この工程（Ｓ１４）では、たとえば、複数の炭化珪素結晶粒子の集合体である炭化珪素粉末前駆体を、炭化珪素の単結晶若しくは多結晶のインゴット、または炭化珪素の単結晶若しくは多結晶がコーティングされた工具で粉砕することによって行なうことができる。
次に、図４に示した洗浄工程（Ｓ１５）を実施する。具体的には、たとえば王水により炭化珪素粉末を洗浄する。このような洗浄工程（Ｓ１５）は、特に炭化珪素の単結晶若しくは多結晶以外のもので炭化珪素粉末前駆体の粉砕を行なった場合に実施することが好ましい。たとえば炭化珪素粉末前駆体を鋼鉄製のもので粉砕した場合には、粉砕された炭化珪素粉末に、たとえば、鉄、ニッケル、コバルトなどの金属不純物が混入または付着しやすくなる。そのため、このような金属不純物を除去するために、上記の酸で洗浄することが好ましい。
上記のようにして作製された炭化珪素粉末は、その表面だけでなく内部までも炭化珪素で形成されている傾向が大きくなり、実質的に炭化珪素から構成されている。なお、実質的に炭化珪素から構成されているとは、炭化珪素粉末の９９質量％以上が炭化珪素から形成されていることを意味する。
なお、上記のように炭化珪素前駆体を形成するのではなく、原料粉末として炭化珪素粉末を準備してもよい。その場合も、上述のように原料粉末を王水により洗浄する工程を実施してもよい。この場合、原料粉末中の不純物を容易に除去できる。
次に、原料準備工程（Ｓ１０）に含まれる、種結晶基板を準備する工程について説明する。
まず、各々が主面を有する、複数の炭化珪素単結晶を準備する工程を実施する。具体的には、図６に示すように、種結晶基板の候補材料であり、各々が主面Ｍ７０を有する炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉ（７０とも総称する）を準備する。炭化珪素単結晶７０は、六方晶の結晶構造を有し、好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。主面Ｍ７０の面方向は、たとえば図１に示した炭化珪素基板８０の主面Ｍ８０（図１）の面方向に対応している。炭化珪素単結晶７０の厚さ（図中、縦方向の寸法）は、たとえば０．７ｍｍ（７００μｍ）以上１０ｍｍ以下である。また炭化珪素単結晶７０の平面形状は、たとえば円形であり、その直径は、２５ｍｍ以上が好ましく、１００ｍｍ以上がより好ましい。炭化珪素単結晶７０の主面Ｍ７０は、（０００１）面に対して傾斜していることが好ましい。このようにすれば、後述する炭化珪素を成長させる結晶成長工程（Ｓ２０）において、種結晶基板７０Ｓの主面Ｍ７０にてステップフロー成長を容易に維持することができる。
次に、前数の炭化珪素単結晶７０の各々の主面Ｍ７０のフォトルミネッセンス測定を行なうことにより、炭化珪素単結晶７０中の欠陥の密度を測定する工程を実施する。具体的には、図７および図８に示すように、炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉの各々の主面Ｍ７０のフォトルミネッセンス測定が行なわれる。これにより、後述する特性値が算出される。
ここで、上記フォトルミネッセンス測定において用いる測定装置について説明する。図７に示すように、フォトルミネッセンス測定装置４００は、励起光生成ユニット４２０と、顕微鏡ユニット４３０とを有する。
励起光生成ユニット４２０は、光源部４２１と、導光部４２２と、フィルタ４２３とを有する。光源部４２１は、六方晶炭化珪素のバンドギャップよりも高いエネルギー成分を含む光源であり、たとえば水銀ランプである。導光部４２２は、光源部４２１から出射した光を導くものであり、たとえば光ファイバーを含む。フィルタ４２３は、六方晶炭化珪素のバンドギャップよりも高いエネルギーに対応する特定の波長を有する光を選択的に透過するものである。六方晶炭化珪素のバンドギャップに対応する波長は典型的には３９０ｎｍ程度であることから、たとえば約３１３ｎｍの波長を有する光を特に透過するバンドパスフィルタをフィルタ４２３として用いることができる。この構成により、励起光生成ユニット４２０は、六方晶炭化珪素のバンドギャップよりも高いエネルギーを有する励起光ＬＥを出射することができる。
顕微鏡ユニット４３０は、制御部４３１と、ステージ４３２と、光学系４３３と、フィルタ４３４と、カメラ４３５とを有する。制御部４３１は、ステージ４３２の変位動作の制御と、カメラ４３５による撮影動作の制御とを行なうものであり、たとえばパーソナルコンピュータである。ステージ４３２は、主面Ｍ７０が露出するように炭化珪素単結晶７０を支持し、かつ主面Ｍ７０の位置を変位させるものであり、たとえばＸＹステージである。光学系４３３は、励起光ＬＥによる励起にともなって主面Ｍ７０から放射されたフォトルミネッセンス光ＬＬを受光するためのものである。フィルタ４３４は、光学系４３３によって受光された光のうち７５０ｎｍ以上の波長を選択的に透過するものであり、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタである。カメラ４３５は、フィルタ４３４を透過した透過光ＬＨによる像を撮影してそのデータを制御部４３１に送信するものであり、たとえばＣＣＤカメラである。
次にフォトルミネッセンス測定装置４００の使用方法について説明する。
炭化珪素単結晶７０の主面Ｍ７０へ励起光ＬＥが入射される。これにより主面Ｍ７０上においてフォトルミネッセンス光ＬＬの発光が生じる。フォトルミネッセンス光ＬＬのうちフィルタ４３４を透過したものである透過光ＬＨが、カメラ４３５によって像として観測される。すなわち主面Ｍ７０上において、７５０ｎｍ超の波長を有するフォトルミネッセンス光ＬＬの発光領域が観測される。
炭化珪素単結晶７０の主面Ｍ７０へ励起光ＬＥが入射される。これにより主面Ｍ７０上においてフォトルミネッセンス光ＬＬの発光が生じる。フォトルミネッセンス光ＬＬのうちフィルタ４３４を透過したものである透過光ＬＨが、カメラ４３５によって像として観測される。すなわち主面Ｍ７０上において、７５０ｎｍ超の波長を有するフォトルミネッセンス光ＬＬの発光領域が観測される。
図８に示すように、各発光領域ＲＬについて方向ＤＸおよびＤＹのそれぞれに沿う最大の寸法ＬＸおよびＬＹが算出される。発光領域ＲＬのうち、励起光ＬＥの六方晶炭化珪素への侵入長をオフ角ＯＡ（図２参照）の正接で除した値以下の寸法ＬＸを有し、かつ、１５μｍ以下の寸法ＬＹを有するものの個数が算出される。次にこの個数が、主面Ｍ７０のうち観測対象となった部分の面積（ｃｍ2）で除される。これによって得られた値は、炭化珪素単結晶７０の主面Ｍ７０のフォトルミネッセンス特性のひとつの指標となる特性値となる。
なお侵入長とは、観測される主面に垂直な長さであって、かつ、主面に入射した光の強度が１／ｅ（ｅはネイピア数）の割合にまで減衰する長さである。
次に、上述した測定する工程において得られた欠陥の密度の測定値（上記特性値）を、予め設定されている基準と対比することにより、当該基準を満足する炭化珪素単結晶７０を種結晶基板に決定する工程を実施する。具体的には、上記特性値が所定の値よりも小さいものが種結晶基板７０Ｓ（図９参照）として決定される。この所定の値（基準）は、たとえば、１×１０4ｃｍ-2である。
次に、このようにして決定された種結晶基板７０Ｓを、ベース部材としての台座４１に接続する工程を実施する。具体的には、まず、種結晶基板７０Ｓの裏面（主面Ｍ７０とは反対の面）の表面粗さをより大きくする加工が行われる。この加工は、十分に大きな粒径を有する砥粒を用いて種結晶基板７０Ｓの裏面を研磨することによって行われ得る。砥粒の粒度分布は、好ましくは１６μｍ以上の成分を有する。砥粒の平均粒径は、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下であり、さらに好ましくは１２〜２５μｍである。
そして、好ましくは上記の砥粒はダイヤモンド粒子である。また好ましくは、上記の砥粒はスラリー中に分散されて用いられる。よって上記の研磨は、ダイヤモンドスラリーを用いて行うことが好ましい。平均粒径が５μｍ以上５０μｍ以下であり、かつ粒度分布において１６μｍ以上の成分を有するダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンドスラリーは、一般的に、容易に入手することができる。
なお上記のように種結晶基板７０Ｓの裏面の表面粗さをより大きくする工程を行なう代わりに、最初から十分に大きな表面粗さを有する裏面を形成し、この裏面を研磨することなく種結晶基板７０Ｓを使用してもよい。具体的には、ワイヤソーによるスライスによって形成された種結晶基板７０Ｓの裏面を、研磨することなく用いてもよい。すなわち裏面として、スライスによって形成されかつその後に研磨されていない面であるアズスライス面を用いてもよい。好ましくはワイヤソーによるスライスにおいて、上述した砥粒が用いられる。
次に、図９に示すように、種結晶基板７０Ｓの裏面上に、炭素を含む被覆膜２１を形成する。好ましくは、被覆膜２１の表面粗さは、被覆膜２１が形成される種結晶基板７０Ｓの裏面の表面粗さに比して小さくされる。
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、エポキシ樹脂などの各種樹脂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。
まず種結晶基板７０Ｓ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、種結晶基板７０Ｓが回転させられる。回転している種結晶基板７０Ｓ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。種結晶基板７０Ｓ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。
次に、図１０に示すように、種結晶基板７０Ｓ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。この取付面は、好ましくは炭素からなる面を含む。たとえば台座４１はグラファイトによって形成されている。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。
次に接着剤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。また接着剤３１が種結晶基板７０Ｓおよび台座４１に挟まれた領域からはみ出さないにようにされると、後述する、種結晶基板７０Ｓを用いた単結晶の成長工程において、接着剤３１による悪影響を抑制することができる。
接着剤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。なお難黒鉛化炭素となる樹脂は、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である。
耐熱性微粒子は、接着剤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。また、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。
接着剤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、種結晶基板７０Ｓの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。また接着剤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。また接着剤３１の塗布量は、好ましくは、１０ｍｇ／ｃｍ2以上１００ｍｇ／ｃｍ2以下である。また接着剤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。
次に、好ましくは接着剤３１のプリベークが行われる。プリベークの温度は、好ましくは１５０℃以上である。
なお、台座４１を構成する材料として、ヤング率が１０ＧＰａ以上、曲げ強さが４０ＭＰａ以上、引張り強さが３０ＭＰａ以上となる材料を用いることが好ましい。台座４１の厚み（たとえば種結晶基板７０Ｓと直接的に対向する台座４１の部分の厚み）は１５ｍｍ以上であることがこのましい。
次に、図１１に示すように、被覆膜２１および接着剤３１（図１０）が加熱される。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。すなわち種結晶基板７０Ｓ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の間において接着剤３１が硬化されることで固定層３２となる。これにより種結晶基板７０Ｓが台座４１に固定される。
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。
なお上記工程においては接着剤３１が硬化される際に被覆膜２１が炭化されるが、接着剤３１が形成される前に被覆膜２１が炭化されてもよい。
次に、図３に示した結晶成長工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、図１２に示すように、坩堝４２内に原料５１が収められる。原料５１は、たとえば上記原料準備工程（Ｓ１０）で準備した炭化珪素粉末である。坩堝４２は、たとえばグラファイト製である。次に坩堝４２の内部へ種結晶基板７０Ｓが面するように、台座４１が坩堝４２に取り付けられる。なお図１２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１２中の矢印で示すように原料５１を昇華させ、かつ種結晶基板７０Ｓ上で再結晶させることで、種結晶基板７０Ｓ上に昇華物が堆積させられる。これにより種結晶基板７０Ｓ上にインゴット５２が形成される。炭化珪素を昇華および再結晶させる温度は、たとえば、２１００℃以上２５００℃以下とされる。また原料５１の温度に対して種結晶基板７０Ｓの温度が低くなるように、坩堝４２内には温度勾配が設けられる。またこの坩堝４２内の圧力は、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。このようにして、炭化珪素のインゴット５２が形成される。
このとき、処理容器としての坩堝４２に加えられる振動について、当該振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定されている。具体的には、図１４に示すように、坩堝４２（図１２参照）を含む処理容器５００は、除振台５１０などの固定部材上に配置されるとともに、処理容器５００に接続され振動を発生させるポンプ５３０についても除振台５２０上に配置される。なお、ポンプ５３０は冷却媒体の移送用あるいは処理容器５００の雰囲気圧力制御などに用いられる。さらに、当該ポンプ５３０を処理容器５００から十分離れた位置に配置する。また、当該ポンプ５３０と処理容器５００とを接続する配管５５０、５６０の経路途中に、冷却媒体または気体などを貯めるバッファとなるタンク５４０を配置する。このようにすれば、処理容器５００に加えられる振動について周波数および振幅の最大値を規制することができ、結果的に優れた品質の炭化珪素基板を得ることができる。
次に、図３に示した加工工程（Ｓ３０）が実施される。具体的には、図１３に示すように、インゴット５２がスライスされる。これにより単結晶基板である炭化珪素基板８０（図１）が得られる。
以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
この発明に従った炭化珪素基板８０は、炭化珪素の単結晶からなり、幅が１００ｍｍ以上、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2以下、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、積層欠陥密度が０．１ｃｍ-1以下、導電性不純物濃度が１×１０18ｃｍ-2以上、残留不純物濃度が１×１０16ｃｍ-2以下、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが１個・ｃｍ-3以下である。
このようにすれば、炭化珪素基板８０の主面上に炭化珪素からなるエピタキシャル層を形成した場合に、当該エピタキシャル層を含むデバイスの特性に影響を及ぼす欠陥の密度を確実に低減することができる。このため、当該デバイスの特性の向上を図ることができる。
この発明に従った炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素単結晶からなる種結晶基板を準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））と、種結晶基板の表面に成長させる炭化珪素の原料粉末を準備する工程（図３の原料準備工程（Ｓ１０）、図４の工程（Ｓ１１〜Ｓ１５））と、種結晶基板７０Ｓおよび原料粉末（原料５１）を処理容器（坩堝４２または坩堝４２を含む処理容器５００）の内部に配置して、昇華法により種結晶基板７０Ｓの表面に炭化珪素（インゴット５２）を成長させる工程（結晶成長工程（Ｓ２０））とを備える。炭化珪素を成長させる工程においては、処理容器に加えられる振動について、当該振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定されている。
このようにすれば、炭化珪素を成長させるときに、坩堝４２に振動が加えられた場合には成長したインゴット５２に当該振動に起因する欠陥が導入されるといった問題の発生を抑制できる。
このように振動の周波数及び振幅を規制するためには、たとえば以下のような装置構成を採用することができる。具体的には、図１４に示すように、処理容器５００を除振台５１０などの固定部材上に配置するとともに、処理容器５００に接続され振動を発生させるポンプ５３０などについても除振台５２０上に配置する。さらに、当該ポンプを処理容器５００から十分離れた位置に配置する。また、当該ポンプ５３０と処理容器５００とを接続する配管５５０、５６０の経路途中にバッファとなるタンク５４０を配置するといった装置構成を採用できる。
上記炭化珪素基板の製造方法において、原料粉末を準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））は、炭化珪素を含む粉末を準備する工程（図４の工程（Ｓ１１）〜工程（Ｓ１４））と、粉末を王水により洗浄する工程（図４の洗浄工程（Ｓ１５））とを含んでいてもよい。
この場合、原料粉末（原料５１）中の不純物（残留不純物）の濃度を確実に低減できる。
上記炭化珪素基板の製造方法において、炭化珪素からなる粉末を準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））は、シリコン小片と炭素粉末との混合物を加熱する工程（図４の加熱工程（Ｓ１３））と、加熱する工程の後、混合物を粉砕することにより、粉末を得る工程（図４の粉砕工程（Ｓ１４））とを有していてもよい。シリコン小片と炭素粉末とについては、特に高純度のものを用いることが好ましい。たとえば、シリコン小片の純度は９９．９９９９質量％以上とすることができる。また、炭素粉末の純度は９９．９９質量％以上とすることができる。
上記炭化珪素基板の製造方法において、種結晶基板を準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））では、主表面（主面Ｍ７０）が（０００１）面に対して傾斜しているオフ基板を種結晶基板７０Ｓとして準備してもよい。
この場合、炭化珪素を成長させる工程（結晶成長工程（Ｓ２０））において、種結晶基板７０Ｓの主面Ｍ７０にてステップフロー成長を容易に維持することができる。このため、形成された炭化珪素の層における欠陥の発生を抑制できる。なお、当該炭化珪素を成長させる工程（結晶成長工程（Ｓ２０））では、種結晶基板７０Ｓと原料粉末（原料５１）間の熱流分布を極力均一化することが好ましく、種結晶基板７０Ｓおよび形成された炭化珪素の層（インゴット５２）における等温度面を平坦化することで、炭化珪素の成長面を常に平坦化することが好ましい。
なお、ここで種結晶基板７０Ｓの主面Ｍ７０が（０００１）面に対して傾斜している角度（オフ角度）は、たとえば０．１°以上１５°以下とすることができる。また、当該オフ角の下限は、好ましくは１°、より好ましくは２°である。また、当該オフ角の上限は、好ましくは１０°、より好ましくは８°である。
上記炭化珪素基板の製造方法において、種結晶基板７０Ｓを準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））では、厚みが７００μｍ以上の種結晶基板７０Ｓを準備してもよい。ここで、得られる炭化珪素基板８０の幅（直径）を１００ｍｍ以上とするためには、種結晶基板７０Ｓの幅（直径）も同程度（１００ｍｍ以上）必要である。そして、種結晶基板７０Ｓの厚みが薄いと、当該種結晶基板７０Ｓの形状が劣化する（たとえば反りが発生する）といった問題が起きやすい。このような形状の劣化が起きると、種結晶基板７０Ｓを坩堝４２の内部（たとえば台座４１上）に固定するときに、固定される部材（台座４１）の表面と種結晶基板７０Ｓの裏面との間に隙間が形成されることになる。このような隙間が発生すると、種結晶基板７０Ｓの裏面側での昇華が激しくなり、結果的に形成された炭化珪素のインゴット５２において新たな欠陥の発生原因となる。したがって、このような種結晶基板７０Ｓの形状の劣化を防止するため、当該種結晶基板７０Ｓの厚みは７００μｍ以上とすることが好ましい。なお、種結晶基板７０Ｓの厚みは、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは１．３ｍｍ以上である。
上記炭化珪素基板の製造方法において、炭化珪素を成長させる工程（結晶成長工程（Ｓ２０））では、種結晶基板７０Ｓは処理容器（処理容器５００または処理容器５００に含まれる坩堝４２）の内部においてベース部材（台座４１）上に固定されていてもよく、ベース部材（台座４１）を構成する材料として、ヤング率が１０ＧＰａ以上、曲げ強さが４０ＭＰａ以上、引張り強さが３０ＭＰａ以上となる材料を用てもよい。ベース部材の厚みは１５ｍｍ以上であってもよい。
ここで、炭化珪素を成長させる工程（結晶成長工程（Ｓ２０））において炭化珪素の成長が進むと、種結晶基板７０Ｓを固定している台座４１には炭化珪素の成長に起因する応力が加わる。そして、種結晶基板７０Ｓのサイズ（すなわち形成される炭化珪素のサイズ）が大きくなるほど、当該応力の値は大きくなる。当該応力により台座４１が変形した場合、炭化珪素の成長条件が変動することになり、結果的に形成される炭化珪素（インゴット５２）の品質が劣化することになる。そのため、当該台座４１の変形を防止するために上記のように台座４１の構成材料の機械的特性を規定することが好ましい。なお、台座４１の材料としては、たとえばカーボンまたはカーボンを主成分とする複合材料を用いることができる。
なお、ベース部材（台座４１）の構成材料のヤング率を１０ＧＰａ以上としたのは、上記のような炭化珪素の成長に応じた応力に十分耐えることができるベース部材を実現するためである。なお、ヤング率は、好ましくは１２ＧＰａ以上、より好ましくは１４ＧＰａ以上である。また、当該ヤング率の上限は、ベース部材の構成材料として利用可能な材料の種類から考えると２０ＧＰａである。
また、ベース部材（台座４１）の構成材料の曲げ強さを４０ＭＰａ以上としたのは、上記のような炭化珪素の成長に応じた応力に十分耐えることができるベース部材を実現するためである。なお、曲げ強さは、好ましくは５０ＭＰａ以上、より好ましくは６０ＭＰａ以上である。また、当該曲げ強さの上限は、ベース部材の構成材料として利用可能な材料の種類から考えると１００ＭＰａである。
また、ベース部材（台座４１）の構成材料の引張り強さを３０ＭＰａ以上としたのは、上記のような炭化珪素の成長に応じた応力に十分耐えることができるベース部材を実現するためである。なお、引張り強さは、好ましくは４０ＭＰａ以上、より好ましくは５０ＭＰａ以上である。また、当該引張り強さの上限は、ベース部材の構成材料として利用可能な材料の種類から考えると１００ＭＰａである。
上記炭化珪素基板の製造方法において、種結晶基板を準備する工程（原料準備工程（Ｓ１０））は、図６に示すように、各々が主面を有する、複数の炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉを準備する工程と、複数の炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉの各々の主面のフォトルミネッセンス測定を行なうことにより、炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉ中の欠陥の密度に対応する特性値を測定する工程と、測定する工程において得られた特性値の測定値を、予め設定されている基準と対比することにより、当該基準を満足する炭化珪素単結晶７０ａ〜７０ｉを種結晶基板７０Ｓと決定する工程とを含んでいてもよい。
この場合、種結晶基板７０Ｓとして欠陥密度の十分低い基板を用いることができるので、形成される炭化珪素に当該種結晶基板７０Ｓからの欠陥が引き継がれることで炭化珪素の特性が劣化するといった問題の発生を抑制できる。
この発明に従った炭化珪素基板８０は、上記炭化珪素基板の製造方法を用いて製造されている。この場合、優れた特性のデバイスを形成することが可能な炭化珪素基板８０を得ることができる。
（実施例）
以下、本発明の効果を確認するために炭化珪素基板のサンプルを形成した。
以下、本発明の効果を確認するために炭化珪素基板のサンプルを形成した。
（原料の準備）
まず、シリコン小片として径が１ｍｍ以上１ｃｍ以下のシリコン小片を複数用意し、炭素粉末として平均粒径が２００μｍである炭素粉末を用意した。ここで、シリコン小片は、シリコン単結晶引き上げ用純度９９．９９９９９９９９９％のシリコンチップとした。
まず、シリコン小片として径が１ｍｍ以上１ｃｍ以下のシリコン小片を複数用意し、炭素粉末として平均粒径が２００μｍである炭素粉末を用意した。ここで、シリコン小片は、シリコン単結晶引き上げ用純度９９．９９９９９９９９９％のシリコンチップとした。
次に、上記で用意したシリコン小片１５４１ｇと、炭素粉末６５９ｇとを軽く混練して得られた混合物を黒鉛坩堝に投入した。ここで、黒鉛坩堝としては、予め０．０１３Ｐａのアルゴンガス減圧下で高周波加熱炉を用いて２３００℃に加熱し、１４時間保持する処理を行なったものを用いた。
次に、上記のように、シリコン小片と炭素粉末との混合物が投入された黒鉛坩堝を電気加熱炉に入れ、一旦雰囲気圧力が０．０１Ｐａとなるまで真空引きした。その後、純度が９９．９９９９％以上のアルゴンガスで雰囲気ガスを置換することで電気炉内の雰囲気圧力を７０ｋＰａとした。
次に、図１５に示すように、電気炉内の圧力および黒鉛坩堝の温度を制御することで加熱処理を行なった。なお、図１５は、経過時間に対する黒鉛坩堝の温度と電気炉内の圧力（雰囲気圧力）のプロファイルを示している。図１５を参照して、図１５の横軸は時間（熱処理時間）を示し、左側の縦軸は圧力（単位：ｋＰａ）を示し、右側の縦軸は黒鉛坩堝の温度（単位：℃）を示している。図１５において、電気炉内の雰囲気圧力は一点鎖線により示されている。また、図１５において、黒鉛坩堝の温度は実線で示されている。
当該熱処理では、図１５に示すように、電気炉内の圧力を７０ｋＰａに保持した状態でシリコン小片と炭素粉末との混合物が収容された黒鉛坩堝を２３００℃に加熱し、その温度条件で２０時間保持した。その後、電気炉内の圧力を２分間で１０ｋＰａまで減圧した。その後、黒鉛坩堝の温度の降下を開始した。そして、黒鉛坩堝の温度を室温（２５℃）まで低下させた。
次に、上記の加熱処理によって作製された炭化珪素粉末前駆体を黒鉛坩堝から取り出した。ここで、炭化珪素粉末前駆体を観察したところ、炭化珪素粉末前駆体は、複数の炭化珪素結晶粒子の集合体であって、個々の炭化珪素結晶粒子が互いに連結することによって構成されていた。
次に、上記のようにして得られた炭化珪素粉末前駆体を、炭化珪素多結晶でコーティングされた工具を用いて粉砕した。このようにして、炭化珪素粉末を作製した。ここで、実施例１の炭化珪素粉末の平均粒径は２０μｍであった。
その後、粉砕した炭化珪素粉末を王水で洗浄した。その後、当該炭化珪素粉末を塩酸で洗浄し、さらに超純水で洗浄した。その後、炭化珪素粉末を乾燥した。
（種結晶基板の準備）
種結晶基板用インゴットを作製するための種基板として、（０００−１）面がＣＭＰ研磨された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を準備した。上記単結晶基板は直径が１５０ｍｍ、[１１−２０]方向に２度オフ、厚み１ｍｍである。また、当該単結晶基板においては、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2、貫通刃状転位密度が３×１０4ｃｍ-2、基底面転位密度が３×１０4ｃｍ-2であった。なお、本明細書中においては、個別の面方位を（ｈｋｉｌ）で表わし、（ｈｋｉｌ）およびそれに結晶幾何学的に等価な面方位を含む総称的な面方位を｛ｈｋｉｌ｝で表わす。また、個別の方向を［ｈｋｉｌ］で表わし、［ｈｋｉｌ］およびそれに結晶幾何学的に等価な方向を含む方向を＜ｈｋｉｌ＞で表わす。また、負の指数については、結晶幾何学上は「−」（バー）を指数を表す数字の上に付けて表わすのが一般的であるが、本明細書中では指数を表す数字の前に負の符号（−）を付けて表わす。
種結晶基板用インゴットを作製するための種基板として、（０００−１）面がＣＭＰ研磨された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を準備した。上記単結晶基板は直径が１５０ｍｍ、[１１−２０]方向に２度オフ、厚み１ｍｍである。また、当該単結晶基板においては、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2、貫通刃状転位密度が３×１０4ｃｍ-2、基底面転位密度が３×１０4ｃｍ-2であった。なお、本明細書中においては、個別の面方位を（ｈｋｉｌ）で表わし、（ｈｋｉｌ）およびそれに結晶幾何学的に等価な面方位を含む総称的な面方位を｛ｈｋｉｌ｝で表わす。また、個別の方向を［ｈｋｉｌ］で表わし、［ｈｋｉｌ］およびそれに結晶幾何学的に等価な方向を含む方向を＜ｈｋｉｌ＞で表わす。また、負の指数については、結晶幾何学上は「−」（バー）を指数を表す数字の上に付けて表わすのが一般的であるが、本明細書中では指数を表す数字の前に負の符号（−）を付けて表わす。
次に、図１２のように、上記種結晶基板を台座４１（図１２参照）に固定した。また、上記炭化珪素粉末をカーボン製の坩堝４２（図１２参照）の内部に配置した。そして、図１２に示すように種結晶基板が固定された台座４１を坩堝４２上に配置するとともに、当該坩堝４２を加熱装置に入れた。その後、坩堝下部温度が２４００度、坩堝上部温度が２１００度になるように、アルゴンと窒素の混合雰囲気として雰囲気圧力が１ｋＰａという条件で加熱を行った。なお、アルゴンと窒素の分圧比は３：１であった。上記のような条件で１００時間加熱を行った結果、直径１５０ｍｍで高さ３０ｍｍの炭化珪素の単結晶インゴットが作製出来た。
インゴット作製後、(０００１)面から[１１−２０]方向に２度オフするように、つまり種基板と平行に、厚み１ｍｍで当該インゴットをスライスした。スライス後、切出された基板（種結晶基板）の（０００−１）面を、研削、ＭＰ研磨、ＣＭＰ研磨の順で研磨した。研磨後、ＰＬイメージング装置を用いて種結晶基板について各種欠陥評価を実施した。この結果、評価対象の種結晶基板について、マイクロパイプ密度が５ｃｍ-2、貫通螺旋転位密度が５×１０３ｃｍ-2、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2であることを確認した。
（結晶成長工程の条件）
図１２のように、上記種結晶基板を台座４１（図１２参照）に固定した。また、上記炭化珪素粉末をカーボン製の坩堝４２（図１２参照）の内部に配置した。そして、図１２に示すように種結晶基板が固定された台座４１を坩堝４２上に配置するとともに、当該坩堝４２を加熱装置に入れた。その後、坩堝下部温度が２４００度、坩堝上部温度が２１００度になるように、アルゴンと窒素の混合雰囲気として雰囲気圧力が１ｋＰａという条件で加熱を行った。なお、アルゴンと窒素の分圧比は１０：１であった。このような条件で１００時間加熱を行った結果、直径１５０ｍｍで高さ３０ｍｍの炭化珪素の単結晶インゴットが作製出来た。
図１２のように、上記種結晶基板を台座４１（図１２参照）に固定した。また、上記炭化珪素粉末をカーボン製の坩堝４２（図１２参照）の内部に配置した。そして、図１２に示すように種結晶基板が固定された台座４１を坩堝４２上に配置するとともに、当該坩堝４２を加熱装置に入れた。その後、坩堝下部温度が２４００度、坩堝上部温度が２１００度になるように、アルゴンと窒素の混合雰囲気として雰囲気圧力が１ｋＰａという条件で加熱を行った。なお、アルゴンと窒素の分圧比は１０：１であった。このような条件で１００時間加熱を行った結果、直径１５０ｍｍで高さ３０ｍｍの炭化珪素の単結晶インゴットが作製出来た。
（加工工程の条件）
インゴット作製後、(０００１)面から[１１−２０]方向に４度オフするように、厚み０．７ｍｍの基板を切出すようにインゴットをスライスした。スライス後、切出した基板の（０００１）面を、研削、ＭＰ研磨、ＣＭＰ研磨の順で研磨した。この結果、直径１５０ｍｍで厚みが０．６ｍｍの炭化珪素単結晶基板が得られた。
インゴット作製後、(０００１)面から[１１−２０]方向に４度オフするように、厚み０．７ｍｍの基板を切出すようにインゴットをスライスした。スライス後、切出した基板の（０００１）面を、研削、ＭＰ研磨、ＣＭＰ研磨の順で研磨した。この結果、直径１５０ｍｍで厚みが０．６ｍｍの炭化珪素単結晶基板が得られた。
（測定方法）
マイクロパイプ、貫通螺旋転位、貫通刃状転位、基底面転位については、炭化珪素単結晶基板の表面について溶融ＫＯＨエッチング及び顕微鏡によるエッチピット観察にて、各欠陥の密度を評価した。また、積層欠陥についても、炭化珪素単結晶基板に対して溶融ＫＯＨエッチング及び顕微鏡によるエッチピット観察により評価した。導電性不純物濃度及び残留不純物濃度についてはＳＩＭＳ分析により評価した。Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓについては、裏面照射による顕微鏡観察にて評価した。
マイクロパイプ、貫通螺旋転位、貫通刃状転位、基底面転位については、炭化珪素単結晶基板の表面について溶融ＫＯＨエッチング及び顕微鏡によるエッチピット観察にて、各欠陥の密度を評価した。また、積層欠陥についても、炭化珪素単結晶基板に対して溶融ＫＯＨエッチング及び顕微鏡によるエッチピット観察により評価した。導電性不純物濃度及び残留不純物濃度についてはＳＩＭＳ分析により評価した。Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓについては、裏面照射による顕微鏡観察にて評価した。
（結果）
上述した測定の結果、炭化珪素単結晶基板においては、マイクロパイプ密度が０．１ｃｍ-2、貫通螺旋転位密度が５×１０３ｃｍ-2、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2、積層欠陥密度が０ｃｍ-1、導電性不純物濃度が５．０×１０18ｃｍ-2、残留不純物濃度が５×１０15ｃｍ-2、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが０．１個・ｃｍ-3であった。
上述した測定の結果、炭化珪素単結晶基板においては、マイクロパイプ密度が０．１ｃｍ-2、貫通螺旋転位密度が５×１０３ｃｍ-2、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2、積層欠陥密度が０ｃｍ-1、導電性不純物濃度が５．０×１０18ｃｍ-2、残留不純物濃度が５×１０15ｃｍ-2、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが０．１個・ｃｍ-3であった。
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。
この発明は、特に直径が１００ｍｍ以上の炭化珪素基板に対して有利に適用される。
２１ 被覆膜、２２ 炭素膜、３１ 接着剤、３２ 固定層、４１ 台座、４２ 坩堝、５１ 原料、５２ インゴット、７０，７０ａ〜７０ｉ 炭化珪素単結晶、７０Ｓ 種結晶基板、８０ 炭化珪素基板、４００ フォトルミネッセンス測定装置、４２０ 励起光生成ユニット、４２１ 光源部、４２２ 導光部、４２３，４３４ フィルタ、４３０ 顕微鏡ユニット、４３１ 制御部、４３２ ステージ、４３３ 光学系、４３５ カメラ、５００ 処理容器、５１０，５２０ 除振台、５３０ ポンプ、５４０ タンク、５５０，５６０ 配管。
Claims (6)
- 炭化珪素の単結晶からなり、
幅が１００ｍｍ以上、マイクロパイプ密度が７ｃｍ-2以下、貫通螺旋転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、貫通刃状転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、基底面転位密度が１×１０4ｃｍ-2以下、積層欠陥密度が０．１ｃｍ-1以下、導電性不純物濃度が１×１０18ｃｍ-2以上、残留不純物濃度が１×１０16ｃｍ-2以下、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓが１個・ｃｍ-3以下である、炭化珪素基板。 - 炭化珪素単結晶からなる種結晶基板を準備する工程と、
前記種結晶基板の表面に成長させる炭化珪素の原料粉末を準備する工程と、
前記種結晶基板および前記原料粉末を処理容器の内部に配置して、昇華法により前記種結晶基板の表面に炭化珪素を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素を成長させる工程においては、前記処理容器に加えられる振動について、前記振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定され、
前記炭化珪素を成長させる工程では、前記種結晶基板は前記処理容器の内部においてベース部材上に固定されており、
前記ベース部材を構成する材料として、ヤング率が１０ＧＰａ以上、曲げ強さが４０ＭＰａ以上、引張り強さが３０ＭＰａ以上となる材料を用い、
前記ベース部材の厚みは１５ｍｍ以上である、炭化珪素基板の製造方法。 - 炭化珪素単結晶からなる種結晶基板を準備する工程と、
前記種結晶基板の表面に成長させる炭化珪素の原料粉末を準備する工程と、
前記種結晶基板および前記原料粉末を処理容器の内部に配置して、昇華法により前記種結晶基板の表面に炭化珪素を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素を成長させる工程においては、前記処理容器に加えられる振動について、前記振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定され、
前記種結晶基板を準備する工程は、
各々が主面を有する、複数の炭化珪素単結晶を準備する工程と、
前記複数の炭化珪素単結晶の各々の前記主面のフォトルミネッセンス測定を行なうことにより、前記炭化珪素単結晶中の欠陥の密度に対応する特性値を測定する工程と、
前記測定する工程において得られた前記特性値の測定値を、予め設定されている基準と対比することにより、前記基準を満足する前記炭化珪素単結晶を前記種結晶基板に決定する工程とを含む、炭化珪素基板の製造方法。 - 炭化珪素単結晶からなる種結晶基板を準備する工程と、
前記種結晶基板の表面に成長させる炭化珪素の原料粉末を準備する工程と、
前記種結晶基板および前記原料粉末を処理容器の内部に配置して、昇華法により前記種結晶基板の表面に炭化珪素を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素を成長させる工程においては、前記処理容器に加えられる振動について、前記振動の周波数の最大値が１０Ｈｚかつ振幅の最大値が１ｍｍに設定され、
前記原料粉末を準備する工程は、
炭化珪素を含む粉末を準備する工程と、
前記粉末を王水により洗浄する工程とを含み、
前記炭化珪素からなる粉末を準備する工程は、
シリコン小片と炭素粉末との混合物を加熱する工程と、
前記加熱する工程の後、混合物を粉砕することにより、前記粉末を得る工程とを有する、炭化珪素基板の製造方法。 - 前記種結晶基板を準備する工程では、主表面が（０００１）面に対して傾斜しているオフ基板を前記種結晶基板として準備する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
- 前記種結晶基板を準備する工程では、厚みが７００μｍ以上の前記種結晶基板を準備する、請求項２〜５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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