JP7103182B2 - 黒鉛基材、炭化珪素の成膜方法および炭化珪素基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、黒鉛基材、炭化珪素の成膜方法および炭化珪素基板の製造方法に関する。

炭化珪素は、２．２～３．３ｅＶの広い禁制帯幅を有するワイドバンドギャップ半導体であり、その優れた物理的、化学的特性から、例えば、高周波電子デバイス、高耐圧かつ高出力電子デバイス、青色から紫外にかけての短波長光デバイス等をはじめとして、炭化珪素（ＳｉＣ）によるデバイス（半導体素子）作製の研究開発が盛んに行われている。ＳｉＣデバイスの実用化を進めるにあたっては、高品質のＳｉＣエピタキシャル成長のために大口径の炭化珪素基板を製造することが求められている。現在、その多くは、種結晶を用いた昇華再結晶法（改良レーリー法、改良型レーリー法等と呼ばれる）やCVD法等で製造されている。

ＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）を利用する炭化珪素基板の製造方法は、原料ガスを気相反応させて基材面上に炭化珪素生成物を析出させて被膜を生成した後、基材を除去するものであり、緻密で高純度の炭化珪素基板を得ることができる。また、基材は切削や研磨等により除去されるが、基材に炭素材を用いると空気中で熱処理することにより除去できるので、プロセスを簡易化できる利点がある。

特許文献１には、ＣＶＤ法による炭化珪素基板の製造方法として、基材の表面に化学蒸着法により炭化珪素膜を形成し、その後前記基材を除去して得られた炭化珪素基板の両面に、更に炭化珪素膜を形成することを特徴とする、化学蒸着法による炭化珪素基板の製造方法が提案されている。

また、特許文献２には、基材の表面に化学蒸着法により炭化珪素膜を形成し、その後前記基材を除去することにより、炭化珪素基板を製造する方法において、化学蒸着法により炭化珪素層を形成し、次いで該炭化珪素層の表面を平坦化する工程を複数回繰り返すことにより、各層の厚みが１００μm以下の炭化珪素層を所望厚み以上に積層した後、基材を除去することを特徴とする化学蒸着法による炭化珪素基板の製造方法が提案されている。

さらに、特許文献３には、上面および下面が凸形状の曲面からなり、側面部に円周方向に沿って溝を形成した円盤形状の黒鉛材を基材とし、該基材表面にＣＶＤ法により炭化珪素を析出被着させた後、基材を燃焼して除去する炭化珪素基板の製造方法が提案されている。

特開平８－１８８４０８号公報 特開平８－１８８４６８号公報 特開平１０－２５１０６２号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２の製造方法は、ＣＶＤ法で形成するＳｉＣ膜を所望の膜厚にまで一気に形成することなく、所望の膜厚になるまで複数回成膜する方法であり、また、平坦化処理する等の工程が煩雑化し、製造効率が低下するという問題点がある。

また、特許文献３の製造方法では、黒鉛材の基材の燃焼に時間がかかる。そこで、短時間で燃焼除去するには、基材を例えば溝の部分で水平に切断し、黒鉛を露出する必要がある。この場合、切断時に成膜した炭化珪素膜が割れたり、炭化珪素膜の端部が欠けたりするという問題が生じるおそれがある。

上記の問題点に鑑み、本発明では、煩雑な工程を必要とすることなく、化学蒸着により成膜した炭化珪素膜に亀裂や割れが発生せず、また、反りが少なく、表面の平滑な炭化珪素基板を能率よく製造することが可能な、黒鉛基材、炭化珪素の成膜方法および炭化珪素基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の黒鉛基材は、外側に突出する半楕円体形状の第１曲面と、前記第１曲面とは反対の面であって、かつ、直径が同一であり、外側に突出する半楕円体形状の第２曲面と、前記第１曲面および前記第２曲面の直径と同一の直径であり、前記第１曲面の円周と前記第２曲面の円周とをつなぐ円柱状の側面部と、を備え、前記側面部は、外部へ開口する複数の開口部を有する空隙を備える、円盤形状の黒鉛基材である。

前記第１曲面および前記第２曲面の曲率半径が５０００ｍｍ～１１０００ｍｍであってもよい。

前記黒鉛基材は、厚みが１．４ｍｍ～３．１ｍｍであってもよい。

前記空隙の数が３～５であってもよい。

前記黒鉛基材は、前記第１曲面を表面とし、前記第１曲面の直径と同一の直径を有する平面状の第１裏面、および、前記第１曲面および前記第１裏面の直径と同一の直径であり、前記第１曲面の円周と前記第１裏面の円周とをつなぐ円柱状の第１側面部を備える第１黒鉛材と、前記第２曲面を表面とし、前記第２曲面の直径と同一の直径を有する平面状の第２裏面、および、前記第２曲面および前記第２裏面の直径と同一の直径であり、前記第２曲面の円周と前記第２裏面の円周とをつなぐ円柱状の第２側面部を備える第２黒鉛材と、前記第１裏面および前記第２裏面と接合する接合層と、を備え、前記黒鉛基材の側面部は、前記第１側面部、前記第１裏面、前記接合層、前記第２裏面、前記第２側面部を有してもよい。

前記第１黒鉛材および前記第２黒鉛材の熱膨張係数が３．０×１０^-６／℃～６．０×１０^-６／℃であってもよい。

前記接合層は、カーボン接着剤によって前記第１裏面および前記第２裏面と接合してもよい。

前記第１側面部および前記第２側面部の厚みは、０．２ｍｍ～０．６ｍｍであってもよい。

前記接合層の厚みは、０．８ｍｍ～１．８ｍｍであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素の成膜方法は、前記黒鉛基材の表面に、化学蒸着によって炭化珪素を成膜する成膜工程を含む。

また、上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素基板の製造方法は、前記の成膜方法により得た、表面に前記炭化珪素が成膜した前記黒鉛基材に対し、成膜した前記炭化珪素の端部を除去して前記黒鉛基材を露出させる露出工程と、前記露出工程後、黒鉛基材を燃焼させて除去する燃焼除去工程と、を含む。

前記燃焼除去工程後、成膜した前記炭化珪素の表面を研磨する研磨工程を含んでもよい。

本発明によれば、反り量が少なく平坦性に優れ、かつ亀裂や割れのない炭化珪素基板を製造することが可能となる。したがって、デバイス作成用、エピタキシャル成長用ウエハやサセプター等の半導体の製造に用いられる各種部材、耐熱性や耐蝕性等が要求される工業用材料の製造において、極めて有用である。

本発明の黒鉛基材の一例として黒鉛基材１００を示す図である。 黒鉛基材の厚みが与える黒鉛基材の積層数への影響を計算した結果を示すグラフである。 黒鉛基材に炭化珪素膜を成膜する際に生じる応力を説明する図である。 図３とは異なる応力を説明する図である。 本発明の黒鉛基材の一例として黒鉛基材１１０を示す図である。 黒鉛製のシート材を加工して得た接合層４０を上から見た図である。 黒鉛基材１１０を用いた炭化珪素基板の製造の工程を説明するための断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［黒鉛基材］
本発明の黒鉛基材は、第１曲面と、第２曲面と、側面部を備える。化学蒸着によって表面に炭化珪素膜を成膜させるための基材であり、炭化珪素を成膜後は基材を燃焼させて除去することから、黒鉛製の基材を使用する。図１に、本発明の黒鉛基材の一例として、黒鉛基材１００を上からみた図（図１（ａ））と、図１（ａ）の側面図をしめす。黒鉛基材１００は円盤形状であり、上部から見ると円状であり（図１（ａ））、側面から見ると一定の厚みがある（図１（ｂ））。なお、黒鉛基材１００の直径Ｄは、特に限定されないが、通常は約４～６インチ（約１００～１５０ｍｍ）である。

（厚み）
黒鉛基材１００の厚みＴは、１．４ｍｍ～３．１ｍｍであることが好ましい。図２は、ＣＶＤ装置に黒鉛基材１００を収容する収容部の高さを２５０ｍｍと想定し、この収容部へ黒鉛基材１００を１０ｍｍ間隔で積層した場合の、黒鉛基材１００の厚みＴが与える黒鉛基材１００の積層数への影響を計算した結果を示す。厚みＴが３ｍｍの場合は、黒鉛基材１００を２０枚積層できるが、厚みＴが３．２ｍｍを超えると、積層可能な黒鉛基材１００の枚数が１枚減り、更に厚みＴが４ｍｍの場合には、積層可能な黒鉛基材１００の枚数が1８枚に減ることが分かる。よって、黒鉛基材１００の積層可能な枚数を考慮して、厚みＴの上限は３．１が好ましい。また、厚みＴが１．４ｍｍ未満の場合には、後述する第１側面部および前記第２側面部の厚みや接合層の厚みを好ましい範囲に設定することが難しくなり、黒鉛基材１００を良好な円盤形状とすることが困難となるおそれがある。

〈第１曲面〉
第１曲面１０は、外側に突出する半楕円体形状の曲面である。化学蒸着により黒鉛基材の表面に炭化珪素を析出させて炭化珪素膜を形成する場合、黒鉛基材と炭化珪素膜の熱膨張係数が異なるため、黒鉛基材および炭化珪素膜には内部応力が蓄積される。そのため、炭化珪素膜を形成する際の高温から、成膜を終了して成膜装置から取り出すまでの冷却過程において、内部応力によって炭化珪素膜に亀裂が生じたり、反りが発生したりする場合がある。

例えば、図３、４に示すように、平板形状の黒鉛基材５００に炭化珪素膜６００を化学蒸着により成膜する場合を想定し（図３（ａ）、図４（ａ））、黒鉛基材５００の熱膨張係数をα１、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０の熱膨張係数をα２－Ｌ、炭化珪素膜６００の微細組織６２０の熱膨張係数をα２－Ｓとする。

化学蒸着による炭化珪素膜６００の形成過程としては、まず黒鉛基材５００上に炭化珪素の核が生成してアモルファス質あるいは微粒多結晶の微細組織６２０が成長し、更に柱状組織６１０の結晶組織に成長を続け、炭化珪素膜６００が形成される。成膜後においては、黒鉛基材５００の熱膨張係数が炭化珪素膜６００よりも大きくなり、黒鉛基材５００が側面において内側へ圧縮される方向へ内部応力が作用する場合があり、この場合には、黒鉛基材５００の表面５５０は内側へ凹み、炭化珪素膜６００の表面６５０は外側へ出っ張る状態に変形するような反りが発生する（図３（ｂ））。

炭化珪素膜６００を成膜後、黒鉛基材５００を燃焼等により除去した後の場合について、図３（ｃ）に示す。黒鉛基材５００と接していた炭化珪素膜６００の微細組織６２０の熱膨張係数α２－Ｓは、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０の熱膨張係数α２－Ｌに比べて小さいために、黒鉛基材５００が除去された後は、炭化珪素膜６００の微細組織６２０では側面において外側へ引っ張られる方向へ内部応力が作用し、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０では側面において内側へ圧縮される方向へ応力が作用する。その結果、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０の表面６５０は凹み、炭化珪素膜６００の微細組織６２０の表面６６０は出っ張る状態に変形するような反りが発生する場合がある（図３（ｃ））。

また、図３の場合とは異なり、炭化珪素膜６００が成膜後において、黒鉛基材５００の熱膨張係数が炭化珪素膜６００よりも小さくなり、炭化珪素膜６００が側面において内側へ圧縮される方向へ内部応力が作用する場合がある（図４（ｂ））。この場合には、黒鉛基材５００の表面５５０は外側へ出っ張り、炭化珪素膜６００の表面６５０は内側へ凹む状態に変形するような反りが発生する（図４（ｂ））。

炭化珪素膜６００を成膜後、図４（ｂ）に示す反りの状態から、黒鉛基材５００を燃焼等により除去した後の場合について、図４（ｃ）に示す。黒鉛基材５００と接していた炭化珪素膜６００の微細組織６２０の熱膨張係数α２－Ｓは、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０の熱膨張係数α２－Ｌに比べて小さい。そのために、黒鉛基材５００が除去された後においても、炭化珪素膜６００の微細組織６２０では側面において外側へ引っ張られる方向へ内部応力が作用し、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０では側面において内側へ圧縮される方向へ応力が作用する。その結果、図３のように黒鉛基材５００の除去によって反りが反転せずに、炭化珪素膜６００の柱状組織６１０の表面６５０は凹み、炭化珪素膜６００の微細組織６２０の表面６６０は出っ張る状態に変形するような反りが発生する場合がある（図４（ｃ））。

本発明の黒鉛基材１００は、図１（ｂ）に示すように上面および下面の形状を外側に突出する半楕円体形状の曲面（第１曲面１０、第２曲面２０）とすることにより、この曲面に炭化珪素膜が凸形状に成膜されることで、内部応力により炭化珪素膜に凹方向の力が作用しても、凹形状の反りの程度を緩和することができる。

（曲率半径）
第１曲面１０の曲率半径は、５０００ｍｍ～１１０００ｍｍであることが好ましい。曲率半径がこの範囲内であることにより、第１曲面１０に成膜した炭化珪素膜が、黒鉛基材１００が除去されることにより発生する反りを緩和し、クラックの発生を抑制することができる。曲率半径が５０００ｍｍ未満や１１０００ｍｍを超える場合には、反りが大きくなるおそれや、クラックが発生するおそれがある。

〈第２曲面〉
第２曲面２０は、第１曲面１０とは反対の面であって、かつ、直径が第１曲面１０の直径（直径Ｄと同一）と同一であり、外側に突出する半楕円体形状の曲面である。黒鉛基材１００は、その両面に炭化珪素膜が成膜される場合があるため、第１曲面１０と第２曲面２０が両面の関係となるよう、第２曲面２０は第１曲面とは反対の面となる。そして、第２曲面２０を外側に突出する半楕円体形状とすることで、この曲面に炭化珪素膜が凸形状に成膜されることとなり、内部応力により炭化珪素膜に凹方向の力が作用しても、凹形状の反りの程度を緩和することができる。なお、第２曲面２０は第１曲面１０と同一形状であれば、炭化珪素の成膜条件が同一となるため、第１曲面１０および第２曲面２０のいずれにおいても同質の炭化珪素が成膜される。

（曲率半径）
第２曲面２０の曲率半径は、５０００ｍｍ～１１０００ｍｍであることが好ましい。曲率半径がこの範囲内であることにより、第１曲面１０に成膜した炭化珪素膜が、黒鉛基材１００が除去されることにより発生する反りを緩和し、クラックの発生を抑制することができる。曲率半径が５０００ｍｍ未満や１１０００ｍｍを超える場合には、反りが大きくおそれや、クラックが発生するおそれがある。

〈側面部〉
側面部３０は、第１曲面１０および第２曲面２０の直径と同一の直径であり、第１曲面１０の円周１１と第２曲面２０の円周２１とをつなぐ円柱状である。側面部３０には、円周方向に沿って周回する溝３１が設けられていてもよい。炭化珪素膜を成膜後の黒鉛基材１００を、溝３１において切断して上下に分離させることが可能であり、これにより黒鉛基材１００の燃焼を容易とすることができる。また、溝３１の内部には炭化珪素が蒸着し難いため、黒鉛基材１００を分離させなくても、溝３１より火が回って燃焼除去させやすくなる。

（空隙）
側面部３０は、外部へ開口する複数の開口部３２ａ、３２ｂを有する空隙３２を備える。空隙３２があることで、空隙３２内へ火が回って黒鉛基材１００を燃焼除去させやすくなる。また、１つの空隙３２に対して開口部が複数あることで（３２ａ、３２ｂ）、空隙３２が黒鉛基材１００を貫通するため、空隙３２内へより火が回りやすくなり、黒鉛基材１００の燃焼除去効果がより高くなる。空隙３２部には、化学蒸着用の原料ガスの供給が少ないため、その内部には炭化珪素膜が成膜され難い。従って、炭化珪素膜を成膜後に黒鉛基材１００を燃焼除去する際において、空隙３２が酸素に晒されて黒鉛基材１００の燃焼がより容易となる。

空隙３２の数は、３～５であることが好ましい。空隙３２の数が２以下では、黒鉛基材１００を燃焼除去する効果が小さくなるおそれがある。また、空隙の数が６以上では、黒鉛基材１００の強度が低下するおそれがある。空隙３２の円周方向の幅ｗは、黒鉛基材１００の燃焼除去効果の観点から０．８ｍｍ～３ｍｍであることが好ましい。幅ｗが０．８ｍｍ未満の場合には、黒鉛基材１００の燃焼除去に時間がかかるおそれがある。また、幅ｗが３ｍｍより大きいと、黒鉛基材１００の強度が低下するおそれがある。

本発明の黒鉛基材としては、例えば１つの黒鉛の塊を加工して黒鉛基材１００の形状としてもよいが、図５に示す黒鉛基材１１０のように、第１黒鉛材１５、第２黒鉛材２５、接合層４０といったいくつかの部品を組み合わせて黒鉛基材を形成してもよい。このようにいくつかの部品を組み合わせて黒鉛基材を組み立てることにより、黒鉛基材の形状が安定し、製造が容易となる。

（第１黒鉛材）
第１黒鉛材１５は、第１曲面１０を表面とし、第１曲面１０の直径Ｄ１と同一の直径を有する平面状の第１裏面１２を備える。そして、第１曲面１０および第１裏面１２の直径Ｄ１と同一の直径であり、第１曲面１０の円周１１と第１裏面１２の円周１３とをつなぐ円柱状の第１側面部１４を備える。第１裏面１２が平面状であることにより、後述する接合層４０との接合が容易となる。

（第２黒鉛材）
第２黒鉛材２５は、第２曲面２０を表面とし、第２曲面２０の直径Ｄ２と同一の直径を有する平面状の第２裏面２２を備える。そして、第２曲面２０および第２裏面２２の直径Ｄ２と同一の直径であり、第２曲面２０の円周２１と第２裏面２２の円周２３とをつなぐ円柱状の第２側面部２４を備える。第２裏面２２が平面状であることにより、後述する接合層４０との接合が容易となる。

第１側面部１４の厚みｔ１、および第２側面部２４の厚みｔ２は、０．２ｍｍ～０．６ｍｍであることが好ましい。この範囲の厚みであることにより、黒鉛材としての強度を維持しつつ、多くの黒鉛基材１１０を一度に成膜できる程度の厚さに留めることができる。厚みｔ１、ｔ２が０．２ｍｍ未満の場合には、第１黒鉛材１５、第２黒鉛材２５の強度が不足するおそれがある。また、厚みｔ１、ｔ２が０．６ｍｍを超えると、黒鉛基材１１０としての厚みが厚くなり、基材として一度に成膜できる数が少なくなるので、好ましくない。なお、第１黒鉛材１５は第２黒鉛材２５と同一形状であれば、炭化珪素の成膜条件が同一となるため、同質の炭化珪素が成膜される。

（接合層）
接合層４０は、第１黒鉛材１５の第１裏面１２と第２黒鉛材２５の第２裏面２２と接合する層である。第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と同様に素材は黒鉛とし、板状またはシート状のものを接合層４０とすることができる。図６に、黒鉛製のシート材を加工して得た接合層４０を上から見た図を示す。第１黒鉛材１５や第２黒鉛材２５を加工して空隙を設けることは難しい場合には、シート材を円状に切り出した後、切断加工することで接合層４０に空隙３２を設けることができる。

接合層４０の厚みｔ３（図５）は、０．８ｍｍ～１．８ｍｍであることが好ましい。化学蒸着により、炭化珪素膜を０．４ｍｍ程度成膜させる場合があるため、厚みｔ３が０．８ｍｍ未満の場合には、炭化珪素膜によって空隙３２が塞がれてしまい、黒鉛基材１１０を燃焼除去することが困難となるおそれがある。また、厚みｔ３が１．８ｍｍを超えると、黒鉛基材１１０の厚みＴが３．１ｍｍを超えるおそれがあり、成膜装置に積層可能な黒鉛基材１１０の枚数が減ることで、成膜の効率が低下する場合がある。

黒鉛基材１１０においては、側面部３０は、第１側面部１４、第１裏面１２、接合層４０、第２裏面２２、第２側面部２４を有する。また、第１黒鉛材１５と接合層４０および第２黒鉛材２５と接合層４０を接着するために、後述するカーボン接着剤５０を使用する場合には、これも側面部３０の構成に含まれる。

なお、黒鉛基材１１０において、厚みＴは第１側面部１４の厚みｔ１、第２側面部２４の厚みｔ２および接合層４０の厚みｔ３に加え、第１曲面１０の厚みｓ１および第２曲面２０の厚みｓ２を合計したものである。なお、後述するカーボン接着剤５０を使用する場合には、この厚みも考慮される。以下、厚みｓ１とｓ２は同じ値とし、厚みｓとして説明する。厚みｓは、黒鉛基材１１０の直径Wと第１曲面の曲率半径ｒ（第２曲面の場合も同じ）から、以下の式（１）、（２）によって計算できる。

［数１］
W=2*r*sin(θ/2) （１）
ｓ=r*(1-cos(θ/2)) （２）

黒鉛基材１１０の直径Ｗを１００ｍｍ、１５０ｍｍとした場合において、曲率半径を３０００～１２０００ｍｍとした場合の厚みｓを計算した結果を表１に示す。例えば、直径Ｗが１５０ｍｍの条件では、曲率半径が５０００ｍｍの場合において厚みｓは０．５６３ｍｍであり、曲率半径が１００００ｍｍの場合において厚みｓは０．２８１ｍｍになる。

また、表１に、黒鉛基材１１０の厚みＴの最小値と最大値を算出した結果を示す。厚みＴは、以下の式（３）によって計算できる。

［数２］
Ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｓ１＋ｓ２ （３）
（ｔ１とｔ２が等しく（いずれも「ｔ」とする）、ｓ１とｓ２が等しい（いずれも「ｓ」とする）場合は、Ｔ＝２×（ｔ＋ｓ）＋ｔ３でも算出可能）

例えば、直径Ｗが１００ｍｍの条件では、曲率半径が３０００ｍｍの場合において、厚みＴの最小値は、２×（０．４１７＋０．２）＋０．８＝２．０３４となり、厚みＴの最大値は、２×（０．４１７＋０．６）＋１．８＝３．８３４となる。

（熱膨張係数）
第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５の熱膨張係数は、黒鉛材の原料コークスや製造条件等により異なるが、黒鉛材として３．０×１０^-６／℃～６．０×１０^-６／℃（室温～４５０℃）の範囲にあることが好ましい。熱膨張係数が３．０×１０^-６／℃未満の場合には、黒鉛材としての黒鉛が等方性黒鉛ではなくなって、方位依存性を持ち、膨張によって黒鉛基材自体の形状が変わって、炭化珪素膜が割れるおそれがある。また、熱膨張係数が６．０×１０^-６／℃を超えると、成膜した炭化珪素膜の反りが大きくなるおそれや、クラックが発生するおそれがある。なお、例えば３．０×１０^-６／℃より大きい方位と小さな方位を持つ黒鉛粉末を、等方性プレス（CIP）で固めて焼結等することにより、等方性黒鉛を作成することが可能であり、この等方性黒鉛を黒鉛材として用いることができる。

（接着剤）
接合層４０は、高温の状態でも接着性が良好なカーボン接着剤５０によって第１裏面１２および第２裏面２２と接合することが好ましい。カーボン接着剤５０を用いることで、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と、接合層４０をより強固に接着することができる。

カーボン接着剤５０としては、特に制限はないが、例示すると、日清紡株式会社製のカーボン接着剤「ＳＴ－２０１」、コトロニクス（COTRONICS）社製のカーボン接着剤「Ｒｅｓｂｏｎｄ 931」が挙げられる。

カーボン接着剤５０は、例えば接合層４０の両面に塗布し、第１裏面１２および第２裏面２２と接合するように、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と押し合わせた後、乾燥させ硬化させることで、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と、接合層４０とを接着することができる。硬化させる際の温度条件としては、通常のフェノール樹脂が硬化する程度の温度範囲で良く、特に限定はないが、例えば、約６０～２５０℃程度の温度範囲で硬化させることが好ましい。

第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と、接合層４０とを接着させた後、不活性ガスまたは真空中でカーボン接着剤５０を加熱して炭素化することにより、カーボン接着剤５０は炭素のみで構成される炭素材となり、しかも第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と、接合層４０とを強固に接着することができる。尚、この炭素化させる温度は、炭素材料の耐えられる温度範囲内であれば、特に限定されない。

上記した本発明の黒鉛基板を、化学蒸着用の成膜装置にセットして、成膜処理をすると、第１曲面１０、第２曲面２０および側面部３０に炭化珪素膜が均一に成膜される。

成膜処理の際には、溝３１や空隙３２には原料ガスやキャリアガスが供給され難いため、これらの部分には炭化珪素膜が析出され難く、黒鉛基材が被覆されずに露出した状態を維持することができる。従って、成膜処理後の黒鉛基材の溝３１や空隙３２が酸素に晒されて容易に燃焼され、基材の除去が容易となる。

［炭化珪素の成膜方法］
次に、本発明の炭化珪素の成膜方法について、その一態様を説明する。かかる成膜方法は、本発明の黒鉛基材の表面に、化学蒸着によって炭化珪素を成膜する成膜工程を含む。この工程により、黒鉛基材の表面に炭化珪素の多結晶膜を成膜することができる。

〈成膜工程〉
成膜工程の一例としては、加熱した黒鉛基材１１０上に、１２００～１７００℃の温度に加熱した、炭化珪素膜６００の成分を含む原料ガスやキャリアガス等の混合ガスを供給し、大気圧下において黒鉛基材１１０の表面や気相での化学反応を所定時間行うことにより、炭化珪素膜６００を堆積する方法が挙げられる（図７（ａ））。ここで、黒鉛基材１１０の表面に炭化珪素膜６００が成膜するが、溝３１や空隙３２へは原料ガスやキャリアガスが届き難いため、これらの部分には炭化珪素膜６００が成膜されないか、成膜されても若干量であり、黒鉛基材１１０は露出した状態を維持することができる。また、接合層４０の厚みが十分にある黒鉛基材１１０を用いることで、溝３１の上下で炭化珪素膜６００が分断され、溝３１の上下で炭化珪素膜６００が連続膜となることを防止することができる。

（原料ガス）
炭化珪素膜を成膜することができれば、特に限定されず、一般的に使用される原料ガスを用いることができる。例えば、トリクロロメチルシラン、トリクロロフェニルシラン、ジクロロメチルシラン、ジクロロジメチルシラン、クロロトリメチルシラン等、又はテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、ＳｉＣｌ_２とメタン、プロパンやアセチレン等の炭化水素ガスを原料ガスとして用いることができる。

（キャリアガス）
成膜を阻害することなく、原料ガスを基板へ展開することができれば、一般的に使用されるキャリアガスを用いることができる。例えば、Ｈ_２ガス等をキャリアガスとして用いることができる。

〈その他の工程〉
本発明の炭化珪素の成膜方法は、成膜工程以外にも、他の工程を含むことができる。例えば、成膜装置内の基板ホルダーに黒鉛基材１１０を複数枚セットする工程や、セットした黒鉛基材１１０を加熱する工程、化学蒸着前の黒鉛基材１１０に、成膜を阻害するような何らかの反応が生じないよう、黒鉛基材１１０を不活性雰囲気下とするべく、アルゴン等の不活性ガスを流通させる工程等が挙げられる。

［炭化珪素基板の製造方法］
次に、本発明の炭化珪素基板の製造方法について、その一態様を説明する。かかる製造方法は、露出工程と、燃焼除去工程とを含む。

〈露出工程〉
露出工程の一例としては、上記した本発明の炭化珪素の成膜方法により得た、表面に炭化珪素膜６００が成膜した黒鉛基材１１０に対し（図７（ａ））、成膜した炭化珪素膜６００の外周側面６３０を除去して黒鉛基材１１０を露出させる工程が挙げられる（図７（ｂ））。この工程により、例えば、黒鉛基材１１０の側面３５が露出され、黒鉛基材１１０が燃焼し易くなる。

具体的には、ダイアモンドやC-BN（立方晶BN）砥粒を用いたシングルワイヤソーで外周側面６３０を切断する方法や、研磨ホイールで外周側面６３０を削り落とすことにより、黒鉛基材１１０を露出させることができる。

〈燃焼除去工程〉
燃焼除去工程の一例としては、露出工程後、黒鉛基材１１０を燃焼させて除去する工程が挙げられる（図７（ｃ））。この工程により、黒鉛基材１１０が消滅して、炭化珪素膜６００が残ってこれが炭化珪素基板７００となる。

黒鉛基材１１０の燃焼除去は、空気中で加熱する等の適宜な方法で行うことができる。加熱条件としては、例えば大気雰囲気下にて１０００℃程度に加熱する条件が挙げられる。

〈研磨工程〉
本発明の炭化珪素基板の製造方法は、燃焼除去工程後、成膜した炭化珪素膜６００の表面を研磨する研磨工程を含んでもよい。炭化珪素基板は、半導体の製造に用いられる基板とするのであれば、半導体製造プロセスで使用できる面精度が必要となる。そこで、本工程により、炭化珪素基板７００の表面を平滑化することが好ましい。

例えば、炭化珪素基板７００をダイアモンドスラリーでラップ処理し、ダイアモンドとアルミナとの混合スラリーでハードポリッシュした後に、シリカスラリー（コロイダルシリカ、ｐH１１）でポリッシュするという工程を経て、炭化珪素基板７００の表面を平滑化することができる。

〈その他の工程〉
本発明の炭化珪素基板の製造方法は、上記の工程以外にも、他の工程を含むことができる。例えば、燃焼除去工程後の炭化珪素基板７００を冷却する冷却工程等が挙げられる。

本発明の炭化珪素の成膜方法および炭化珪素基板の製造方法によれば、凸状の曲面形状を有する第１曲面および第２曲面に炭化珪素膜を成膜させた後、黒鉛基材を除去するものであるから、凹方向に作用する炭化珪素膜の内部応力を巧みに緩和することができる。更に、溝や空隙があることによって、黒鉛基材の表面全体に炭化珪素膜が一体的に形成することを防止できるので、反りおよび亀裂の少ない炭化珪素基板を製造することが可能となる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例の内容に何ら限定されるものではない。

［実施例１～６、比較例１、２］
（黒鉛基材１１０の製造）
熱膨張係数が異なる黒鉛材を加工して、直径Ｄ１およびＤ２が１５０．６ｍｍ、第１側面部１４の厚みｔ１および第２側面部２４の厚みｔ２が０．２ｍｍ、第１曲面１０および第２曲面２０の曲率半径が７０００ｍｍである、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５を作製した。接合層４０としては、カーボンシート（東洋炭素製PF-UHPL）を直径１４０ｍｍの円板上に切り出して幅ｗが２０ｍｍの空隙３２を３つ形成し、カーボン接着剤５０（日清紡ST-２０１）を用いて、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５と、接合層４０とを接着した。接着後、大気中にて８０℃で４時間、１２０℃で４時間、２００℃で１時間の加熱硬化を行った後、窒素雰囲気中で、０．８℃／分の昇温速度で１０００℃まで昇温し、接着剤の炭素化を行った。接合層４０の厚みｔ３は０．８ｍｍとした。表２に、実施例１～６および比較例１、２の黒鉛基材１１０に使用した第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５の熱膨張係数、第１曲面１０および第２曲面２０の曲率半径を示す。なお、各実施例および各比較例において、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５は熱膨張係数が同じものを使用した。

（炭化珪素基板７００の製造）
作製した黒鉛基材１１０を基板として、その表面に化学蒸着によって炭化珪素を成膜させた。具体的には、基板を成膜装置の石英反応管内にセットし、大気圧下において反応温度１４００℃で、トリクロロメチルシランと水素との混合ガス（トリクロロメチルシランの濃度７．５ vol％）を１９０l/min の流量で石英反応管内に送入し、２５時間化学蒸着反応を行うことで炭化珪素を析出被着させて、厚さ０．８mmの炭化珪素膜６００を形成した（図７（ａ））。炭化珪素膜６００の熱膨張係数は、４．３×１０^-６／℃であった。次いで、炭化珪素膜６００の外周側面６３０を切断除去して黒鉛基材１１０の側面３５を露出させた（露出工程）（図７（ｂ））。その後、黒鉛基材１１０を空気中で加熱して燃焼除去し（燃焼除去工程）、更に炭化珪素膜６００の両面を研磨加工して（研磨工程）、直径１５０mm、厚さ０．５mmの平板状の炭化珪素基板７００を製造した（図７（ｃ））。

（炭化珪素基板７００の評価）
このようにして得られた炭化珪素基板７００について、三次元形状測定機を用いて反り量を測定した。また、顕微鏡により炭化珪素基板７００の表面のクラックの発生状況を観察した。得られた結果を、黒鉛の機械的性質（硬度、ヤング率）と共に表２に示す。なお、硬度は、「JIS Z-2246ショア硬さ試験－試験方法」に基づき、指示形試験機より測定した硬さである。

表２の結果より、第１黒鉛材１５および第２黒鉛材２５の熱膨張係数が３．８×１０^-６／℃～５．６×１０^-６／℃であることにより、得られた炭化珪素基板７００は反りが少なく、クラックの発生は認められなかった（実施例１～６）。一方で、熱膨張係数が小さいと、得られた炭化珪素基板７００の反りが大きくなり、また、クラックの発生が認められた（比較例１、２）。なお、表２において、反り量がマイナスとなっている実施例１、２では、炭化珪素基板７００が、第１曲面１０や第２曲面２０の突出状態とは反対に、内側に突出して反った状態のものである。また、反り量がプラスとなっている実施例３～６、比較例１、２では、炭化珪素基板７００が、第１曲面１０や第２曲面２０の突出状態と同様に、外側に突出して反った状態のものである。

[実施例7～9、比較例3～5]
熱膨張係数が実施例４と同一の黒鉛材を用いて、曲率半径を２０００～１２０００ｍｍまで２０００ｍｍごとに変えた黒鉛基材１１０を、実施例４と同様の方法により作製した。次いで、実施例４と同一の方法により、平板状の炭化珪素基板７００を製造した。このようにして得られた炭化珪素基板７００について、同様に三次元形状測定機を用いて反り量を測定し、また顕微鏡により炭化珪素基板７００の表面のクラックの発生状況を観察した。黒鉛基材１１０の曲率半径、厚みＴと共に、炭化珪素基板７００の反り量およびクラックの発生の評価結果を、表３に示す。

表３の結果より、黒鉛基材１１０の曲率半径が６０００ｍｍ～１００００ｍｍであることにより、得られた炭化珪素基板７００は反りが少なく、クラックの発生は認められなかった（実施例７～９）。一方で、黒鉛基材１１０の曲率半径が２０００～４０００ｍｍの場合や１２０００ｍｍの場合には、得られた炭化珪素基板７００の反りが大きくなり、また、クラックの発生が認められた（比較例３～５）。

[比較例６]
実施例４と同一の熱膨張係数および曲率半径を有する円盤状の黒鉛材を加工して、特許文献３の図１に示す円盤形状の黒鉛基体を作製した。黒鉛基体は、直径１５０．６ｍｍ、側面部の厚さ１．２ｍｍ、上面および下面の凸形状の曲面の曲率半径７０００ｍｍであり、側面部の中央部を切削加工して形成された、円周方面に沿って幅（特許文献３ 図１の符号Ｗ）０．８ｍｍ、深さ（特許文献３ 図１の符号ｄ）１０ｍｍの溝を有したものである。黒鉛基体を１０個使用して、実施例４と同一の方法により、この黒鉛基体の表面に炭化珪素膜を成膜した。そして、特許文献３の図５に示すように、炭化珪素膜を成膜した黒鉛基体を横断方向に切断して上下に２分割し、その後、実施例４と同一の方法によって燃焼除去工程および研磨工程を実施し、平板状の炭化珪素基板を製造した。このようにして得られた炭化珪素基板について、三次元形状測定機を用いて反り量を測定し、また黒鉛基体を横断方向に切断して上下に２分割して黒鉛基体を露出させた際に炭化珪素膜に発生した割れや欠けの有無を観察した結果を、表４に示す。なお、表４において、比較例６の反り量は、黒鉛基体を１０個使用して製造した２０枚の炭化珪素基板の反り量の平均である。実施例４についても同様に、黒鉛基材１１０を１０個使用して製造した２０枚の炭化珪素基板７００の反り量の平均である。

表４の結果から、実施例４と比較例６とでは反り量に大きな違いは認められなかった。実施例４では、黒鉛基材１１０に空隙３２があることで燃焼除去し易いために、黒鉛基材１１０を横断方向に切断して上下に２分割する処理が必要ないため、黒鉛基材の切断による炭化珪素膜の割れや欠けは起こらなかった。しかしながら、比較例６では、炭化珪素膜を成膜した黒鉛基体を横断方向に切断して上下に２分割した処理を行ったことにより、炭化珪素膜２０枚中６枚に割れが確認された。

［まとめ］
以上より、本発明によれば、反り量が少なく平坦性に優れ、かつ亀裂や割れのない炭化珪素基板を容易に製造することができる。また、黒鉛基材に空隙があることで燃焼除去し易いために、黒鉛基材を横断方向に切断して上下に２分割する処理が必要ないため、この処理によって生じるおそれのある炭化珪素膜の割れの発生を防止することができる。よって、本発明であれば、高純度で緻密性、耐蝕性等に優れ、反りや亀裂のない炭化珪素基板、例えばデバイス作製用のウエハとして有用な炭化珪素基板を容易に製造することが可能であるため、産業上有用である。

１０ 第１曲面
１１ 円周
１２ 第１裏面
１３ 円周
１４ 第１側面部
１５ 第１黒鉛材
２０ 第２曲面
２１ 円周
２２ 第２裏面
２３ 円周
２４ 第２側面部
２５ 第２黒鉛材
３０ 側面部
３１ 溝
３２ 空隙
３２ａ 開口部
３２ｂ 開口部
３５ 側面
４０ 接合層
５０ カーボン接着剤
１００ 黒鉛基材
１１０ 黒鉛基材
５００ 黒鉛基材
５５０ 表面
６００ 炭化珪素膜
６１０ 柱状組織
６２０ 微細組織
６３０ 外周側面
６５０ 表面
６５０ 表面
７００ 炭化珪素基板
Ｄ 直径
Ｄ１ 直径
Ｄ２ 直径
ｓ 厚み
Ｔ 厚み
ｔ１ 厚み
ｔ２ 厚み
ｔ３ 厚み
Ｗ 直径
ｗ 幅

Claims (12)

1. 外側に突出する半楕円体形状の第１曲面と、
   前記第１曲面とは反対の面であって、かつ、直径が同一であり、外側に突出する半楕円体形状の第２曲面と、
   前記第１曲面および前記第２曲面の直径と同一の直径であり、前記第１曲面の円周と前記第２曲面の円周とをつなぐ円柱状の側面部と、を備え、
   前記側面部は、外部へ開口する複数の開口部を有する空隙を備える、円盤形状の黒鉛基材。
2. 前記第１曲面および前記第２曲面の曲率半径が５０００ｍｍ～１１０００ｍｍである、請求項１に記載の黒鉛基材。
3. 厚みが１．４ｍｍ～３．１ｍｍである、請求項１または２に記載の黒鉛基材。
4. 前記空隙の数が３～５である、請求項１～３のいずれか１項に記載の黒鉛基材。
5. 前記第１曲面を表面とし、前記第１曲面の直径と同一の直径を有する平面状の第１裏面、および、前記第１曲面および前記第１裏面の直径と同一の直径であり、前記第１曲面の円周と前記第１裏面の円周とをつなぐ円柱状の第１側面部を備える第１黒鉛材と、
   前記第２曲面を表面とし、前記第２曲面の直径と同一の直径を有する平面状の第２裏面、および、前記第２曲面および前記第２裏面の直径と同一の直径であり、前記第２曲面の円周と前記第２裏面の円周とをつなぐ円柱状の第２側面部を備える第２黒鉛材と、
   前記第１裏面および前記第２裏面と接合する接合層と、を備え、
   前記黒鉛基材の側面部は、前記第１側面部、前記第１裏面、前記接合層、前記第２裏面、前記第２側面部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の黒鉛基材。
6. 前記第１黒鉛材および前記第２黒鉛材の熱膨張係数が３．０×１０^-６／℃～６．０×１０^-６／℃である、請求項５に記載の黒鉛基材。
7. 前記接合層は、カーボン接着剤によって前記第１裏面および前記第２裏面と接合する、請求項５または６に記載の黒鉛基材。
8. 前記第１側面部および前記第２側面部の厚みは、０．２ｍｍ～０．６ｍｍである、請求項５～７のいずれか１項に記載の黒鉛基材。
9. 前記接合層の厚みは、０．８ｍｍ～１．８ｍｍである、請求項５～８のいずれか１項に記載の黒鉛基材。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の黒鉛基材の表面に、化学蒸着によって炭化珪素を成膜する成膜工程を含む、炭化珪素の成膜方法。
11. 請求項１０に記載の成膜方法により得た、表面に前記炭化珪素が成膜した前記黒鉛基材に対し、成膜した前記炭化珪素の端部を除去して前記黒鉛基材を露出させる露出工程と、
    前記露出工程後、黒鉛基材を燃焼させて除去する燃焼除去工程と、を含む、炭化珪素基板の製造方法。
12. 前記燃焼除去工程後、成膜した前記炭化珪素の表面を研磨する研磨工程を含む、請求項１１に記載の炭化珪素基板の製造方法。

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