JP7104266B1 - 希土類含有ＳｉＣ基板及びＳｉＣ複合基板 - Google Patents

Abstract

基板加工時の割れ及びクラックを低減可能な希土類含有ＳｉＣ基板が提供される。この希土類含有ＳｉＣ基板は、Ｂの濃度ＣＢの、希土類元素の濃度ＣＲＥに対する比ＣＢ／ＣＲＥが、１．０×１０－２～１．０×１０５である二軸配向ＳｉＣ層を備える。

Description

本発明は、希土類含有ＳｉＣ基板及びＳｉＣ複合基板に関する。

ＳｉＣ（炭化珪素）は大電圧及び大電力を低損失で制御できるワイドバンドギャップ材料として注目を集めている。特に近年、ＳｉＣ材料を用いたパワー半導体デバイス（ＳｉＣパワーデバイス）は、Ｓｉ半導体を用いたものよりも、小型化、低消費電力化及び高効率化に優れるため、様々な用途における利用が期待されている。例えば、ＳｉＣパワーデバイスを採用することで、電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）向けのコンバータ、インバータ、車載充電器等を小型化して効率を高めることができる。

ＳｉＣパワーデバイスを作製するには、ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させる必要がある。ＳｉＣ単結晶の成長方法として知られる液相成長法では、液相として用いる溶媒の炭素溶解度を向上させ、成長速度を増加させるためにＹを用いることが好適であると報告されている。例えば、特許文献１（特開２０１９－１９０３７号公報）には、Ｓｉ、Ｙ及びＣを含む溶液にＳｉＣ種結晶の結晶成長面を接触させ、この結晶成長面にＳｉＣを結晶成長させる、ＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されており、ＳｉＣ単結晶の結晶成長速度の向上と金属不純物（ＣｒやＴｉ）の濃度低減を両立できるとされている。また、この文献には、得られるＳｉＣ単結晶のＹ濃度が１×１０^１４～５×１０^１５／ｃｍ^３ でありうることも記載されている。また、特許文献２（特開２０１２－４６３８４号公報）には、希土類元素を６０ａｔ％以上含有した融液を利用した溶液成長法によるＳｉＣ単結晶の製造方法が開示されている。この文献には、希土類元素の例としてＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕが記載されており、中でもＤｙが好ましいとされている。

特開２０１９－１９０３７号公報 特開２０１２－４６３８４号公報

上述のように希土類元素を使用することによりＳｉＣ単結晶の品質を向上させることができるものの、それだけでは十分ではない。例えば、ＳｉＣ単結晶に希土類元素（例えばＹ）だけを添加すると、格子定数の変化により結晶に歪みが生じることや、結晶成長中にマクロステップが巨大化し溶媒の巻き込みや異種多形等のマクロ欠陥が生じることで、研削や研磨等の加工中にＳｉＣ基板に割れやクラックが多く発生しうる。

本発明者らは、今般、希土類含有ＳｉＣ基板にホウ素（Ｂ）を所定の濃度比で含有させることで、基板加工時の割れ及びクラックを低減できるとの知見を得た。

したがって、本発明の目的は、基板加工時の割れ及びクラックを低減可能な希土類含有ＳｉＣ基板を提供することにある。

本発明の一態様によれば、Ｂの濃度Ｃ_Ｂの、希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^－２～１．０×１０^５である二軸配向ＳｉＣ層を備えた、希土類含有ＳｉＣ基板が提供される。

本発明の他の一態様によれば、ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板上の前記希土類含有ＳｉＣ基板とを備えた、ＳｉＣ複合基板が提供される。

ＳｉＣ複合基板１０の縦断面図である。 ＳｉＣ複合基板１０の製造工程図である。 エアロゾルデポジション（ＡＤ）装置５０の構成を示す概念図である。

希土類含有ＳｉＣ基板
本発明による希土類含有ＳｉＣ基板は、希土類元素及びホウ素（Ｂ）を含む二軸配向ＳｉＣ層を備える。二軸配向ＳｉＣ層は、Ｂの濃度Ｃ_Ｂの、希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^－２～１．０×１０^５である。このように、希土類含有ＳｉＣ基板（具体的には二軸配向ＳｉＣ層）にホウ素（Ｂ）を所定の濃度比で含有させることで、基板加工時の割れ及びクラックを低減することができる。したがって、本発明の希土類含有ＳｉＣ基板は高い歩留まりで製造及び加工することができる。

前述したように、希土類元素を使用することによりＳｉＣ単結晶の品質を向上させることができるが、ＳｉＣ単結晶に希土類元素（例えばＹ）だけを添加すると、研削や研磨等の加工中にＳｉＣ基板に割れやクラックが多く発生する。この点、本発明によれば、かかる問題が好都合に解消される。そのメカニズムは必ずしも定かでないが、基板内部に希土類元素のみならずＢが存在することでＳｉＣ結晶内の歪みが緩和された結果、加工時の割れやクラックが低減するものと考えられる。

本発明の希土類含有ＳｉＣ基板が備える二軸配向ＳｉＣ層は、Ｂの濃度Ｃ_Ｂの、希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^－２～１．０×１０^５である。このＣ_Ｂ／Ｃ_ＲＥは１．０×１０^０～１．０×１０^４であるのが好ましい。このような濃度比とすることで、より効果的に基板加工時の割れ及びクラックを低減することができる。

希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥは３．０×１０^１３～９．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるのが好ましく、より好ましくは１．０×１０^１４～９．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。Ｂの濃度Ｃ_Ｂは４．５×１０^１４～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるのが好ましく、より好ましくは１．０×１０^１５～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。このような希土類元素及びＢの濃度とすることで、より効果的に基板加工時の割れ及びクラックを低減することができる。

二軸配向ＳｉＣ層に含まれる希土類元素の例としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、及びそれらの組合せが挙げられる。この希土類元素は、Ｙ及び／又はＣｅであるのが割れ及びクラック低減の観点から好ましく、より好ましくはＹである。

二軸配向ＳｉＣ層は、ｃ軸方向及びａ軸方向に配向しているのが好ましい。また、希土類含有ＳｉＣ基板が二軸配向ＳｉＣ層で構成されるのが好ましい。二軸配向ＳｉＣ層は、ｃ軸及びａ軸の二軸方向に配向している限り、ＳｉＣ単結晶であってもよいし、ＳｉＣ多結晶であってもよいし、モザイク結晶であってもよい。モザイク結晶とは、明瞭な粒界は有しないが、結晶の配向方位がｃ軸及びａ軸の一方又は両方がわずかに異なる結晶の集まりになっているものをいう。配向の評価方法は、特に限定されるものではないが、例えばＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法やＸ線極点図等の公知の分析手法を用いることができる。例えば、ＥＢＳＤ法を用いる場合、二軸配向ＳｉＣ層の表面（板面）又は板面と直交する断面の逆極点図マッピングを測定する。得られた逆極点図マッピングにおいて、（Ａ）板面の略法線方向の特定方位（第１軸）に配向していること、（Ｂ）第１軸に直交する、略板面内方向の特定方位（第２軸）に配向していること、（Ｃ）第１軸からの傾斜角度が±１０°以内に分布していること、及び（Ｄ）第２軸からの傾斜角度が±１０°以内に分布していること、という４つの条件を満たすときに略法線方向と略板面方向の２軸に配向していると定義できる。言い換えると、上記４つの条件を満たしている場合に、ｃ軸及びａ軸の２軸に配向していると判断する。例えば板面の略法線方向がｃ軸に配向している場合、略板面内方向がｃ軸と直交する特定方位（例えばａ軸）に配向していればよい。二軸配向ＳｉＣ層は、略法線方向と略板面内方向の２軸に配向していればよいが、略法線方向がｃ軸に配向していることが好ましい。略法線方向及び／又は略板面内方向の傾斜角度分布は小さい方が二軸配向ＳｉＣ層のモザイク性が小さくなり、ゼロに近づくほど単結晶に近くなる。このため、二軸配向ＳｉＣ層の結晶性の観点では、傾斜角度分布は略法線方向及び略板面方向共に小さい方が好ましく、例えば±５°以下がより好ましく、±３°以下がさらに好ましい。

ＳｉＣ複合基板
本発明の希土類含有ＳｉＣ基板はＳｉＣ複合基板の形態であるのが好ましい。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、ＳｉＣ単結晶基板と、ＳｉＣ単結晶基板上の上述した希土類含有ＳｉＣ基板とを備えた、ＳｉＣ複合基板が提供される。このように、希土類元素及びホウ素（Ｂ）を所定の濃度比で含む二軸配向ＳｉＣ層を備えた希土類含有ＳｉＣ基板をＳｉＣ複合基板が備えることで、基板加工時の割れ及びクラックを低減することができる。

ＳｉＣ単結晶基板は、典型的にはＳｉＣ単結晶で構成される層であり、結晶成長面を有する。ＳｉＣ単結晶のポリタイプ、オフ角、及び極性は特に限定されるものではないが、ポリタイプは４Ｈ又は６Ｈが好ましく、オフ角は単結晶ＳｉＣの［０００１］軸から０．１～１２°であることが好ましく、極性はＳｉ面であることが好ましい。ポリタイプは４Ｈ、オフ角は単結晶ＳｉＣの［０００１］軸から１～５°、極性はＳｉ面であることがより好ましい。

本発明の希土類含有ＳｉＣ基板は、二軸配向ＳｉＣ層単独の自立基板の形態であってもよいし、ＳｉＣ単結晶基板を伴ったＳｉＣ複合基板の形態であってもよい。したがって、必要に応じて、二軸配向ＳｉＣ層は最終的にＳｉＣ単結晶基板から分離されてもよい。ＳｉＣ単結晶基板の分離は、公知の手法により行えばよく、特に限定されない。例えば、ワイヤーソーによって二軸配向ＳｉＣ層を分離する手法、放電加工によって二軸配向ＳｉＣ層を分離する手法、レーザーを利用して二軸配向ＳｉＣ層を分離する手法等が挙げられる。また、ＳｉＣ単結晶基板上に二軸配向ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる形態の場合、ＳｉＣ単結晶基板を分離後、二軸配向ＳｉＣ層を別の支持基板に設置してもよい。別の支持基板の材質は特に限定はないが、材料物性の観点から好適なものを選択すればよい。例えば熱伝導率の観点では、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミックス基板等が挙げられる。

ＳｉＣ複合基板の製造方法
本発明の希土類含有ＳｉＣ基板を備えるＳｉＣ複合基板は、（ａ）ＳｉＣ単結晶基板上に所定の配向前駆体層を形成し、（ｂ）ＳｉＣ単結晶基板上で配向前駆体層を熱処理してその少なくともＳｉＣ単結晶基板近くの部分を希土類含有ＳｉＣ基板（二軸配向ＳｉＣ層）に変換し、所望により（ｃ）研削や研磨等の加工を施して二軸配向ＳｉＣ層の表面を露出させることにより好ましく製造することができる。しかしながら、ＳｉＣ複合基板の製造方法には限定がなく、希土類元素を含有するＳｉＣ基板を得ることができればよい。例えば、ＣＶＤや昇華法のような気相法でもよいし、溶液法のような液相法でもよい。二軸配向ＳｉＣ層中のＢの濃度は、原料に添加するホウ素やホウ素化合物（例えば炭化ホウ素）の量を調節したり、原料を仮焼したり、ＳｉＣ単結晶へ金属ホウ素を蒸着することにより、制御することができる。このような製造方法によれば、希土類元素とＢの濃度比が制御された二軸配向ＳｉＣ層を備えた希土類含有ＳｉＣ基板を好ましく作製することができ、希土類含有ＳｉＣ基板ないしそれを用いたＳｉＣ複合基板加工時の割れ及びクラックを効果的に低減することができる。

以下、ＳｉＣ複合基板の好ましい製造方法を説明する。図１はＳｉＣ複合基板１０の縦断面図（ＳｉＣ複合基板１０の中心軸を含む面でＳｉＣ複合基板１０を縦に切断したときの断面図）であり、図２はＳｉＣ複合基板１０の製造工程図である。

図１に示すように、本実施形態のＳｉＣ複合基板１０は、ＳｉＣ単結晶基板２０と、ＳｉＣ単結晶基板上の希土類含有ＳｉＣ基板３０（本発明の希土類含有ＳｉＣ基板に相当）とを備えている。

（ａ）配向前駆体層の形成工程（図２（ａ）参照）
配向前駆体層４０は、後述の熱処理により希土類含有ＳｉＣ基板（二軸配向ＳｉＣ層）３０となるものである。配向前駆体層４０の形成工程では、ＳｉＣ単結晶基板２０の結晶成長面に配向前駆体層４０を形成する。

配向前駆体層４０の形成方法は、公知の手法が採用可能である。配向前駆体層４０の形成方法は、例えば、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、ＨＰＰＤ（超音速プラズマ粒子堆積法）法等の固相成膜法、スパッタリング法、蒸着法、昇華法、各種ＣＶＤ（化学気相成長）法等の気相成膜法、溶液成長法等の液相成膜法が挙げられ、配向前駆体層４０を直接ＳｉＣ単結晶基板２０上に形成する手法が使用可能である。ＣＶＤ法としては、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ミストＣＶＤ法、ＭＯ（有機金属）ＣＶＤ法等を用いることができる。また、配向前駆体層４０として、予め昇華法や各種ＣＶＤ法、焼結等で作製した多結晶体を使用し、ＳｉＣ単結晶基板２０上に載置する方法も用いることができる。あるいは、配向前駆体層４０の成形体を予め作製し、この成形体をＳｉＣ単結晶基板２０上に載置する手法であってもよい。このような配向前駆体層４０は、テープ成形により作製されたテープ成形体でもよいし、一軸プレス等の加圧成形により作製された圧粉体でもよい。

これらの配向前駆体層４０を形成するにあたり、配向前駆体層４０の原料に希土類化合物が含まれるようにするのが好ましい。希土類化合物としては、特に限定されるものではないが、上述した１７種類の希土類元素のうちの少なくとも１種類の元素の酸化物、窒化物、炭化物、及びフッ化物等が挙げられる。希土類化合物として希土類元素の酸化物が好ましく、より好ましくはＹの酸化物（酸化イットリウム）やＣｅの酸化物（酸化セリウム）である。前述したように、最終的に得られる二軸配向ＳｉＣ層中の希土類元素とＢの濃度比は、例えば、原料に添加するホウ素やホウ素化合物（例えば炭化ホウ素）の量を調節したり、原料を仮焼したり、ＳｉＣ単結晶へ金属ホウ素を蒸着することにより、制御することができる。

なお、ＳｉＣ単結晶基板２０上に直接配向前駆体層４０を形成する手法において、各種ＣＶＤ法や昇華法、溶液成長法等を用いる場合、後述する熱処理工程を経ることなくＳｉＣ単結晶基板２０上にエピタキシャル成長を生じ、希土類含有ＳｉＣ基板３０が成膜される場合がある。しかし、配向前駆体層４０は、形成時には配向していない状態、即ち非晶質や無配向の多結晶であり、後段の熱処理工程でＳｉＣ単結晶を種として配向させることが好ましい。このようにすることで、希土類含有ＳｉＣ基板３０の表面に到達する結晶欠陥を効果的に低減することができる。この理由は定かではないが、一旦成膜された固相の配向前駆体層がＳｉＣ単結晶を種として結晶構造の再配列を生じることも結晶欠陥の消滅に効果があるのではないかと考えている。従って、各種ＣＶＤ法や昇華法、溶液成長法等を用いる場合は、配向前駆体層４０の形成工程においてエピタキシャル成長が生じない条件を選択することが好ましい。

しかしながら、ＡＤ法、各種ＣＶＤ法でＳｉＣ単結晶基板２０上に直接配向前駆体層４０を形成する手法、又は昇華法、各種ＣＶＤ法、焼結等で別途作製した多結晶体をＳｉＣ単結晶基板２０上に載置する手法が好ましい。これらの方法を用いることで配向前駆体層４０を比較的短時間で形成することが可能となる。ＡＤ法は高真空のプロセスを必要とせず、成膜速度も相対的に速いため、特に好ましい。配向前駆体層４０として、予め作製した多結晶体を用いる手法では、多結晶体とＳｉＣ単結晶基板２０の密着性を高めるため、多結晶体の表面を十分に平滑にしておく等の工夫が必要である。このため、コスト的な観点では配向前駆体層４０を直接形成する手法が好ましい。また、予め作製した成形体をＳｉＣ単結晶基板２０上に載置する手法も簡易な手法として好ましいが、配向前駆体層４０が粉末で構成されているため、後述する熱処理工程において焼結させるプロセスを必要とする。いずれの手法も公知の条件を用いることができるが、以下ではＡＤ法又は熱ＣＶＤ法によりＳｉＣ単結晶基板２０上に直接配向前駆体層４０を形成する方法及び予め作製した成形体をＳｉＣ単結晶基板２０上に載置する手法について述べる。

ＡＤ法は、微粒子や微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、このエアロゾルをノズルから高速噴射して基板に衝突させ、被膜を形成する技術であり、常温で被膜を形成できるという特徴を有している。このようなＡＤ法で用いられる成膜装置（ＡＤ装置）の一例を図３に示す。図３に示されるＡＤ装置５０は、大気圧より低い気圧の雰囲気下で原料粉末を基板上に噴射するＡＤ法に用いられる装置として構成されている。このＡＤ装置５０は、原料成分を含む原料粉末のエアロゾルを生成するエアロゾル生成部５２と、原料粉末をＳｉＣ単結晶基板２０に噴射して原料成分を含む膜を形成する成膜部６０とを備えている。エアロゾル生成部５２は、原料粉末を収容し図示しないガスボンベからのキャリアガスの供給を受けてエアロゾルを生成するエアロゾル生成室５３と、生成したエアロゾルを成膜部６０へ供給する原料供給管５４と、エアロゾル生成室５３及びその中のエアロゾルに１０～１００Ｈｚの振動数で振動が付与する加振器５５とを備えている。成膜部６０は、ＳｉＣ単結晶基板２０にエアロゾルを噴射する成膜チャンバ６２と、成膜チャンバ６２の内部に配設されＳｉＣ単結晶基板２０を固定する基板ホルダ６４と、基板ホルダ６４をＸ軸－Ｙ軸方向に移動するＸ－Ｙステージ６３とを備えている。また、成膜部６０は、先端にスリット６７が形成されエアロゾルをＳｉＣ単結晶基板２０へ噴射する噴射ノズル６６と、成膜チャンバ６２を減圧する真空ポンプ６８とを備えている。噴射ノズル６６は、原料供給管５４の先端に取り付けられている。

ＡＤ法は、成膜条件によって膜中に気孔を生じる場合や、膜が圧粉体となることが知られている。例えば、原料粉末の基板への衝突速度や原料粉末の粒径、エアロゾル中の原料粉末の凝集状態、単位時間当たりの噴射量等に影響を受けやすい。原料粉末の基板への衝突速度に関しては、成膜チャンバ６２と噴射ノズル６６内の差圧や、噴射ノズルの開口面積等に影響を受ける。このため、緻密な配向前駆体層を得るには、これらのファクターを適切に制御することが必要である。

熱ＣＶＤ法では、成膜装置は市販のもの等公知のものを利用することができる。原料ガスは特に限定されるものではないが、Ｓｉの供給源としては四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）ガスやシラン（ＳｉＨ_４）ガス、Ｃの供給源としてはメタン（ＣＨ_４）ガスやプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス等を用いることができる。成膜温度は１０００～２２００℃が好ましく、１１００～２０００℃がより好ましく、１２００～１９００℃がさらに好ましい。

熱ＣＶＤ法を用いてＳｉＣ単結晶基板２０上に成膜する場合、ＳｉＣ単結晶基板２０上にエピタキシャル成長を生じ、希土類含有ＳｉＣ基板３０を形成する場合があることが知られている。しかし、配向前駆体層４０は、その作製時には配向していない状態、即ち非晶質や無配向の多結晶であり、熱処理工程時にＳｉＣ単結晶を種結晶として結晶の再配列を生じさせることが好ましい。熱ＣＶＤ法を用いてＳｉＣ単結晶上に非晶質や多結晶の層を形成するには、成膜温度やＳｉ源、Ｃ源のガス流量及びそれらの比率、成膜圧力等が影響することが知られている。成膜温度の影響は大きく、非晶質又は多結晶層を形成する観点では成膜温度は低い方が好ましく、１７００℃未満が好ましく、１５００℃以下がより好ましく、１４００℃以下がさらに好ましい。しかし、成膜温度が低すぎると成膜レート自体も低下するため、成膜レートの観点では成膜温度は高い方が好ましい。

配向前駆体層４０として予め作製した成形体を用いる場合、配向前駆体の原料粉末を成形して作製することができる。例えば、プレス成形を用いる場合、配向前駆体層４０は、プレス成形体である。プレス成形体は、配向前駆体の原料粉末を公知の手法に基づきプレス成形することで作製可能であり、例えば、原料粉末を金型に入れ、好ましくは１００～４００ｋｇｆ／ｃｍ^２、より好ましくは１５０～３００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力でプレスすることにより作製すればよい。また、成形方法に特に限定はなく、プレス成形の他、テープ成形、押出し成形、鋳込み成形、ドクターブレード法及びこれらの任意の組合せを用いることができる。例えば、テープ成形を用いる場合、原料粉末にバインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等の添加物を適宜加えてスラリー化し、このスラリーをスリット状の細い吐出口を通過させることにより、シート状に吐出及び成形するのが好ましい。シート状に成形した成形体の厚さに限定はないが、ハンドリングの観点では５～５００μｍであるのが好ましい。また、厚い配向前駆体層が必要な場合はこのシート成形体を多数枚積み重ねて、所望の厚さとして使用すればよい。これらの成形体はその後のＳｉＣ単結晶基板２０上での熱処理によりＳｉＣ単結晶基板２０近くの部分が、希土類含有ＳｉＣ基板３０となるものである。このような手法では、後述する熱処理工程において成形体を焼結させる必要がある。成形体が焼結し、多結晶体としてＳｉＣ単結晶基板２０と一体となる工程を経たのちに、希土類含有ＳｉＣ基板３０を形成することが好ましい。成形体が焼結した状態を経ない場合、ＳｉＣ単結晶を種としたエピタキシャル成長が十分に生じない場合がある。このため、成形体はＳｉＣ原料の他に、焼結助剤等の添加物を含んでいてもよい。

（ｂ）熱処理工程（図２（ｂ）参照）
熱処理工程では、ＳｉＣ単結晶基板２０上に配向前駆体層４０が積層又は載置された積層体を熱処理することにより希土類含有ＳｉＣ基板３０を生成させる。熱処理方法は、ＳｉＣ単結晶基板２０を種としたエピタキシャル成長が生じるかぎり特に限定されず、管状炉やホットプレート等、公知の熱処理炉で実施することができる。また、これらの常圧（プレスレス）での熱処理だけでなく、ホットプレスやＨＩＰなどの加圧熱処理や、常圧熱処理と加圧熱処理の組み合わせも用いることができる。熱処理の雰囲気は真空、窒素、及び不活性ガス雰囲気から選択することができる。熱処理温度は、好ましくは１７００～２７００℃である。温度を高くすることで、ＳｉＣ単結晶基板２０を種結晶として配向前駆体層４０がｃ軸及びａ軸に配向しながら成長しやすくなる。したがって、熱処理温度は、好ましくは１７００℃以上、より好ましくは１８００℃以上、さらに好ましくは１９００℃以上、特に好ましくは２２００℃以上である。一方、温度が過度に高いと、ＳｉＣの一部が昇華により失われたり、ＳｉＣが塑性変形して反り等の不具合が生じたりする可能性がある。したがって、熱処理温度は、好ましくは２７００℃以下、より好ましくは２５００℃以下である。しかしながら、熱処理条件は、二軸配向ＳｉＣ層中の希土類元素やＢの含有量に影響を与えるため、その条件（例えば熱処理温度や保持時間）を適宜制御するのが好ましい。このような観点から、熱処理温度は、好ましくは１９００～２７００℃、より好ましくは２２００～２６００℃、さらに好ましくは２４００～２５００℃である。また、その保持時間は２～３０時間が好ましく、より好ましくは４～２０時間である。また、熱処理は複数の段階に分けて行ってもよい。例えば、窒素雰囲気中で１９５０℃にて３時間熱処理し、その後アルゴン雰囲気中で２４００℃にて３時間熱処理する等の条件で実施してもよい。このような場合であっても、熱処理温度及び合計保持時間は、上記範囲内であることが好ましい。さらに、熱処理温度や保持時間はエピタキシャル成長で生じる希土類含有ＳｉＣ基板３０の厚さにも関係しており、適宜調整することができる。

但し、配向前駆体層４０として予め作製した成形体を用いる場合、熱処理中に焼結させる必要があり、高温での常圧焼成やホットプレスやＨＩＰ又はそれらの組み合わせが好適である。例えば、ホットプレスを用いる場合、面圧は５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上が好ましく、より好ましくは１００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であり、特に上限はない。また、焼成温度も焼結とエピタキシャル成長が生じる限り、特に限定はない。しかしながら、焼成条件は、二軸配向ＳｉＣ層中の希土類元素やＢの含有量に影響を与えるため、その条件（例えば焼成温度や保持時間）を適宜制御するのが好ましい。このような観点から、焼成温度は、好ましくは１７００～２７００℃である。また、その保持時間は２～１８時間が好ましい。焼成時の雰囲気は真空、窒素、不活性ガス雰囲気又は窒素と不活性ガスの混合ガスから選択することができる。また、上記同様、焼成は複数の段階に分けて行ってもよく、焼成温度及び合計保持時間は、上記範囲内であることが好ましい。原料となるＳｉＣ粉末は、α－ＳｉＣ及びβ－ＳｉＣの少なくとも一方で構成されていてもよいが、β－ＳｉＣで構成されるのが好ましい。ＳｉＣ粉末は、好ましくは０．０１～１００μｍの平均粒径を有するＳｉＣ粒子で構成される。なお、平均粒径は走査型電子顕微鏡にて粉末を観察し、１次粒子１００個分の定方向最大径を計測した平均値を指す。

熱処理工程では、配向前駆体層４０内の結晶はＳｉＣ単結晶基板２０の結晶成長面からｃ軸及びａ軸に配向しながら成長していくため、配向前駆体層４０は、結晶成長面から徐々に希土類含有ＳｉＣ基板３０に変わっていく。生成した希土類含有ＳｉＣ基板３０を備えるＳｉＣ複合基板は、基板加工時の割れ及びクラックが低減されたものになる。この理由は不明だが、基板内部に希土類元素及びＢが存在することでＳｉＣ結晶内の歪みが緩和された結果、基板加工時の割れやクラックが低減すると考えられる。

（ｃ）研削工程（図２（ｃ）参照）
研削工程では、熱処理工程後に希土類含有ＳｉＣ基板３０上に残った配向前駆体層４０を研削除去して、希土類含有ＳｉＣ基板３０の表面を露出させ、露出した表面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨加工し、更にＣＭＰ（化学機械研磨）仕上げを行う。こうすることにより、ＳｉＣ複合基板１０を得る。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。例えば、上述した実施形態では、ＳｉＣ単結晶基板２０上に希土類含有ＳｉＣ基板３０を１層のみ設けたが、２層以上設けてもよい。具体的には、ＳｉＣ複合基板１０の希土類含有ＳｉＣ基板３０に配向前駆体層４０を積層し、熱処理及び研削をこの順に行うことにより、希土類含有ＳｉＣ基板３０の上に２層目の希土類含有ＳｉＣ基板３０を設けることができる。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

例１
（１）配向前駆体層の作製
市販の微細β－ＳｉＣ粉末（体積基準Ｄ５０粒径：０．７μｍ）１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末（体積基準Ｄ５０粒径：０．１μｍ）９．０重量％、炭化ホウ素粉末（体積基準Ｄ５０粒径：０．５μｍ）１５．０重量％を、ＳｉＣボールを使用してエタノール中で２４時間ボールミル混合し、乾燥することで混合粉末（原料粉体）を得た。ＳｉＣ単結晶層として市販のＳｉＣ単結晶基板（ｎ型４Ｈ－ＳｉＣ、直径約１００ｍｍ（４インチ）、Ｓｉ面、（０００１）面、オフ角４°、厚さ０．３５ｍｍ、オリフラなし）を用意し、図３に示すＡＤ装置５０によりＳｉＣ単結晶基板上に混合粉末を噴射してＡＤ膜（配向前駆体層）を形成した。

ＡＤ成膜条件は以下のとおりとした。まずキャリアガスはＮ_２とし、長辺５ｍｍ×短辺０．４ｍｍのスリットが形成されたセラミックス製のノズルを用いて成膜した。ノズルのスキャン条件は、０．５ｍｍ／ｓのスキャン速度で、スリットの長辺に対して垂直且つ進む方向に１０５ｍｍ移動、スリットの長辺方向に５ｍｍ移動、スリットの長辺に対して垂直且つ戻る方向に１０５ｍｍ移動、スリットの長辺方向且つ初期位置とは反対方向に５ｍｍ移動、とのスキャンを繰り返し、スリットの長辺方向に初期位置から１０５ｍｍ移動した時点で、それまでとは逆方向にスキャンを行い、初期位置まで戻るサイクルを１サイクルとし、これを１２００サイクル繰り返した。このようにして形成したＡＤ膜の厚さは約１２０μｍであった。

（２）配向前駆体層の熱処理
配向前駆体層であるＡＤ膜を形成したＳｉＣ単結晶基板をＡＤ装置から取り出し、Ｎ_２雰囲気中で１９５０℃にて３時間アニールし、その後アルゴン雰囲気中で２４００℃にて３時間アニールした。すなわち、配向前駆体層を熱処理して熱処理層とした。

（３）研削及び研磨
得られた熱処理層の表面全域が裏面（ＳｉＣ単結晶基板の底面）と平行となるようにグラインダ（１０００～６０００番手のダイヤモンドホイール）で平面研削を行った。続いて熱処理層の表面全域を、ダイヤモンド砥粒（粒度３．０μｍ、１．０μｍ、０．５μｍ及び０．１μｍのもの）を粒度の大きい順に用いて研磨加工した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）仕上げをし、目標の厚さ及び面状態にして、研削及び研磨加工を終了した。このようにしてＳｉＣ基板を得た。

（４）ＳｉＣ基板の評価
（４－１）研磨後の割れ及びクラック発生率
工業用顕微鏡（ニコン製、ＥＣＬＩＰＳＥ、ＬＶ１５０Ｎ）を用いて、接眼レンズを１０倍、対物レンズを５倍とした。偏光モード及び微分干渉モードにてＳｉＣ基板の表面全体を観察し、割れやクラックが確認された場合は割れやクラックが存在する基板とみなした。このとき、割れ及びクラックは長さが１００μｍ以上のもののみを、割れ及びクラックとしてカウントした。上記のように作製したＳｉＣ基板と同一条件で作製したＳｉＣ基板１００枚のうち、長さが１００μｍ以上の割れ及びクラックがあるＳｉＣ基板の数を求めることで、割れ及びクラックの発生率（％）を算出した。

（４－２）熱処理層（二軸配向ＳｉＣ層）内の希土類元素及びＢの含有量
上記（４－１）の評価後、作製した１００枚のＳｉＣ基板から１枚抜き取り、ＳｉＣ基板の研磨面に対してダイナミック二次イオン質量分析（Ｄ－ＳＩＭＳ）を行った。希土類元素（本例ではＹ）とＢの分析装置はＣＡＭＥＣＡ社製ＩＭＳ－７ｆを用い、一次イオン種Ｏ_２ ^＋、及び加速電圧１１．０ｋｖにて測定を実施した。この測定は、熱処理層（二軸配向ＳｉＣ層）の研磨面上で１０箇所実施した。この１０箇所の各箇所において、希土類元素の濃度の最大値及びＢの濃度の最大値を測定し、これら１０箇所の各最大値の平均値を算出した。この平均値を、二軸配向ＳｉＣ層中の希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）及びＢの濃度Ｃ_Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とした。また、Ｂの濃度Ｃ_Ｂの希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥも求めた。得られた結果を表１に示す。

（５）研削及び研磨
上記（４－２）の評価後、ＳｉＣ基板を板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、化学機械研磨（ＣＭＰ）により鏡面仕上げとした。

（６）ＳｉＣ基板の評価
（６－１）二軸配向性
ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法を用いて、以下に示す条件により、上記（５）にて作製した熱処理層の表面（板面）及び板面と直交する断面の逆極点図マッピングを測定したところ、傾斜角度分布は略法線方向及び略板面方向ともに０．０１°以下であったため、熱処理層はｃ軸とａ軸に配向した二軸配向ＳｉＣ層であると判断した。

＜ＥＢＳＤ測定条件＞
・加速電圧：１５ｋｖ
・スポット強度：７０
・ワーキングディスタンス：２２．５ｍｍ
・ステップサイズ：０．５μｍ
・試料傾斜角：７０°
・測定プログラム：Ａｚｔｅｃ（ｖｅｒｓｉｏｎ ３．３）

例２（比較）
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１０．０重量％、炭化ホウ素粉末を３５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例３
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１０．０重量％、炭化ホウ素粉末を３４．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例４
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１０．０重量％、炭化ホウ素粉末を３０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例５
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１１．０重量％、炭化ホウ素粉末を３０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例６
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１０．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例７
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を６．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例８
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を５．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例９
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を２．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１０
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１１
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を２１．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１２
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を１９．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１３
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を９．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１４
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を８．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１５
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を７．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１６
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を７．０重量％、炭化ホウ素粉末を６．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１７
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１５．０重量％、炭化ホウ素粉末を２０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１８
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を１６．０重量％、炭化ホウ素粉末を２０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１９
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を２５．０重量％、炭化ホウ素粉末を２０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例２０（比較）
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を２６．０重量％、炭化ホウ素粉末を２０．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例２１
上記（１）において、α－ＳｉＣ粉末（体積基準Ｄ５０粒径：０．７μｍ）１００重量％に対して、酸化イットリウム粉末を９．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例２２
上記（１）において、β－ＳｉＣ粉末１００重量％に対して、酸化セリウム粉末（体積基準Ｄ５０粒径：０．５μｍ）を９．０重量％、炭化ホウ素粉末を１５．０重量％含む原料粉体を用いたこと以外は、例１と同様にしてＳｉＣ基板の作製及び評価を行った。得られた熱処理層は二軸配向ＳｉＣ層であることが確認された。結果は表１に示されるとおりであった。

例１、３～１９、２１及び２２より、ＳｉＣ基板加工時の割れ及びクラックの減少は、二軸配向ＳｉＣ層において、Ｂの濃度Ｃ_Ｂの希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥを、１．０×１０^－２～１．０×１０^５とすることにより達成されることが分かった。一方、例２及び２０（比較）より、比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが上記範囲を外れると、ＳｉＣ基板の割れ及びクラックが増加することが分かった。また、比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^０～１．０×１０^４であると割れ及びクラックがより減少することが分かった。Ｃ_ＲＥが３．０×１０^１３～９．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、さらには１．０×１０^１４～９．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることや、Ｃ_Ｂが４．５×１０^１４～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、さらには１．０×１０^１５～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることが、割れ及びクラックの減少により効果的であることが分かった。

Claims (9)

1. Ｂの濃度Ｃ_Ｂの、希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥに対する比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^－２～１．０×１０^５であり、かつ、前記希土類元素の濃度Ｃ _ＲＥ が３．０×１０ ^１３ ～９．０×１０ ^１５ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ である二軸配向ＳｉＣ層を備えた、希土類含有ＳｉＣ基板。
2. 前記比Ｃ_Ｂ／Ｃ_ＲＥが、１．０×１０^０～１．０×１０^４である、請求項１に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
3. 前記希土類元素の濃度Ｃ_ＲＥが１．０×１０^１４～９．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である、請求項１又は２に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
4. 前記Ｂの濃度Ｃ_Ｂが４．５×１０^１４～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である、請求項１～３のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
5. 前記Ｂの濃度Ｃ_Ｂが１．０×１０^１５～１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である、請求項１～４のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
6. 前記希土類元素が、Ｙ及び／又はＣｅである、請求項１～５のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
7. 前記希土類元素が、Ｙである、請求項１～６のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
8. 前記二軸配向ＳｉＣ層が、ｃ軸方向及びａ軸方向に配向している、請求項１～７のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板。
9. ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板上の請求項１～８のいずれか一項に記載の希土類含有ＳｉＣ基板とを備えた、ＳｉＣ複合基板。

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