TWI833919B - 碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法 - Google Patents

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青木一史
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Abstract

本發明的課題係在於提供一種降低了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法。又，本發明的課題係在於提供一種去除了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置。本發明所提供之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器20，係能夠收容碳化矽基板10，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐30，係收容前述本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；前述本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在前述碳化矽基板被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器20之一部分與前述碳化矽基板10相對而形成。

Description

碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法
本發明係關於一種降低了加工變質層之碳化矽(SiC)基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法。此外，本發明係關於一種去除了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置。
碳化矽基板係藉由對以昇華法等所製作之單晶碳化矽的鑄錠(ingot)施予機械式加工(切片(slice)或磨光／研磨)所形成。在被施予過機械式加工之碳化矽基板的表面係存在以下的表面層(以下稱作加工變質層)：具有於加工時所導入的傷、結晶的應變等。為了在器件(device)製造步驟不讓良率降低，有必要去除該加工變質層。
在習知上，以該加工變質層的去除來說，由使用金剛石(diamond)等研磨粒之表面加工所進行的去除為主流。在近年裡，也提案出各種不使用研磨粒的技術。 例如，在專利文獻1中係記載有以下的蝕刻技術(以下亦稱作矽蒸氣壓蝕刻)：將碳化矽晶圓(SiC wafer)在矽蒸氣壓下加熱，藉此進行蝕刻(etching)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-16691號公報。
[發明所欲解決之課題]
本發明的課題係在於提供一種降低了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法。又，本發明的課題係在於提供一種去除了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置。 [用以解決課題之手段]
為了解決上述課題，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度(temperature gradient)的方式進行加熱；前述本體容器係具有：蝕刻空間，係在前述碳化矽基板被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分與前述碳化矽基板相對而形成。
如此，將碳化矽基板配置於使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器內，使該碳化矽基板與比該碳化矽基板還低溫的本體容器之一部分相對，藉此能夠不使用機械加工地將碳化矽基板予以蝕刻。結果，能夠製造已將加工變質層降低／去除的碳化矽基板。
在該態樣中，前述本體容器係具有：基板保持具，係被設置於前述碳化矽基板與前述本體容器之間。 如此，藉由在碳化矽基板與本體容器之間設置基板保持具，能夠容易地形成蝕刻空間。
在該態樣中，前述本體容器係由包含多晶(polycrystalline)碳化矽之材料所構成。 如此，本體容器由包含多晶碳化矽之材料所構成，藉此在用加熱爐來加熱本體容器時，能夠在本體容器內使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓產生。
在該態樣中，前述加熱爐係具有：高熔點容器，係能夠收容前述本體容器；以及矽蒸氣供給源，係能夠對前述高熔點容器內供給矽蒸氣。 如此，藉由加熱爐具有高熔點容器與矽蒸氣供給源，能夠將本體容器在矽蒸氣壓環境下加熱。藉此，能夠抑制本體容器內之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓降低。
在該態樣中，前述高熔點容器係由包含鉭的材料所構成，且前述矽蒸氣供給源是矽化鉭(tantalum silicide)。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造方法。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係將碳化矽基板收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有溫度梯度的方式將前述本體容器加熱，藉此蝕刻前述碳化矽基板。 如此，在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的環境內，將溫度梯度作為驅動力來將碳化矽基板予以蝕刻，藉此能夠製造已將加工變質層降低／去除的碳化矽基板。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係具有：矽原子昇華步驟，係使矽原子從碳化矽基板的表面熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留於碳化矽基板之表面的碳原子與前述本體容器內的矽蒸氣反應，藉此使碳原子從碳化矽基板的表面昇華。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
又，本發明也關於一種降低碳化矽基板的加工變質層的方法。亦即，本發明的一態樣之降低碳化矽基板的加工變質層的方法係用以降低碳化矽基板的加工變質層，並包含：蝕刻步驟，係在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的環境下將前述碳化矽基板予以蝕刻；前述蝕刻步驟係將在溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的蝕刻空間予以加熱。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是在蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，該蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造方法。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的環境下將碳化矽基板予以蝕刻；前述蝕刻步驟係將在溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的蝕刻空間予以加熱。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是在蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，前述蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造裝置。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；前述本體容器係具有：蝕刻空間，係於前述溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板。
在該態樣中，前述本體容器係具有：基板保持具，係能夠將前述碳化矽基板的至少一部分保持在前述本體容器的中空部位。 [發明功效]
根據已揭示的技術，能夠提供一種降低了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法。又，根據已揭示的技術，能夠提供一種去除了加工變質層之碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置。
在一併結合圖式及申請專利範圍時，藉由參酌以下所記載的用以實施發明的形態，能夠明瞭其他的課題、特徵及優點。
以下，使用圖1至圖6，詳細地說明將本發明示於圖式之一較佳實施形態。本發明之技術的範圍並非限定於隨附的圖式所示的實施形態，在申請專利範圍所記載的範圍內能夠適當變更。
[碳化矽基板的製造裝置] 以下，對屬於本發明之一實施形態之碳化矽基板的製造裝置詳細地進行說明。
如圖1所示，本實施形態之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器20，係能夠收容碳化矽基板10，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐30，係收容該本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱。 又，本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成。
藉由使用這樣的碳化矽基板的製造裝置，能夠如圖2所示般製造已將加工變質層11降低／去除的碳化矽基板。
[碳化矽基板10] 以作為碳化矽基板10來說，能夠例示從以昇華法等製作之鑄錠切片成圓盤狀而得的碳化矽晶圓、將單晶碳化矽加工成薄板狀而得的碳化矽基板。另外，以作為單晶碳化矽的結晶多型(crystal polymorphism)來說，也能夠採用任意的多型體(polytype)。
如圖2所示，通常，經過了機械式加工(例如切片或磨光／研磨)或雷射加工的碳化矽基板10係具有：加工變質層11，係導入有傷111、潛傷112、應變113等加工損傷；以及體層(bulk layer)12，係未導入有這樣的加工損傷。 能夠以SEM-EBSD法、TEM(Transmission Electron Microscope；穿透式電子顯微鏡)、μXRD(Micro X-Ray Diffractometer；微X射線繞射儀)、拉曼(RAMAN)分光等來確認有無該加工變質層11。另外，為了在器件製造步驟不讓良率降低，較佳為將加工變質層11去除，使未導入有加工損傷之體層12表露出來。
在本說明書中的說明裡，將碳化矽基板10之製作半導體元件那面(具體來說是堆積磊晶層(epitaxial layer)之面)稱作主面101，將與該主面101相對的面稱作背面102。又，將主面101及背面102合起來稱作表面，將貫通主面101與背面102的方向稱作表背方向。
另外，以作為主面101來說，能夠例示從(0001)面或(000-1)面設置了數度(例如0.4°至8°)的偏離角(off angle)的表面(另外，在本說明書中，於密勒指數(Miller index)的標記中，「-」係意味著附在緊接在-後面之指數的桿(bar))。
另外，以作為碳化矽基板10之大小來說，從幾公分見方的晶片尺寸的觀點，能夠例示6吋晶圓或8吋晶圓。
[本體容器20] 本體容器20只要是能夠收容碳化矽基板10且在加熱處理時使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的構成即可。例如，本體容器20係由包含多晶碳化矽之材料所構成。在本實施形態中，本體容器20之全體係由多晶碳化矽所構成。藉由將以此種材料所構成的本體容器20予以加熱，能夠使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓產生。
亦即，加熱處理過的本體容器20內之環境較期望為包含矽元素的氣相種及包含碳元素的氣相種之混合系的蒸氣壓環境。以作為該包含矽元素的氣相種來說，能夠例示Si、Si2 、Si3 、Si2 C、SiC2 、SiC。又，以作為該包含碳元素的氣相種來說，能夠例示Si2 C、SiC2 、SiC、C。亦即，成為SiC系氣體存在於本體容器20內的狀態。
又，在本體容器20之加熱處理時，只要是使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的構成，則能夠採用該構成。例如，能夠表示多晶碳化矽已在內面的一部分露出之構成、或在本體容器20內分開配置多晶碳化矽之構成等。
如圖3所示，本體容器20是具備能夠互相地嵌合的上容器21與下容器22之嵌合容器。於上容器21與下容器22的嵌合部係形成有微小的間隙23，且構成為能夠從該間隙23進行本體容器20內的排氣(抽真空)。
本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成。亦即，藉由設於加熱爐30之溫度梯度，至少本體容器20的一部分(例如下容器22之底面)變得比碳化矽基板10還低溫，藉此形成蝕刻空間S1。
蝕刻空間S1是把設於碳化矽基板10與本體容器20之間的溫度差作為驅動力，來將碳化矽基板10的表面之矽原子及碳原子對本體容器20輸送的空間。 例如，在將碳化矽基板10之主面101(或者是背面102)的溫度與相對於該主面101之下容器22的底面之溫度予以比較時，以主面101側的溫度變高且下容器22之底面側的溫度變低的方式配置碳化矽基板10(參照圖4)。如此地形成在主面101與下容器22的底面之間設定了溫度差之空間(蝕刻空間S1)，藉此能夠把溫度差作為驅動力來將主面101之矽原子及碳原子對下容器22的底面輸送。
本體容器20也可以具有被設置於碳化矽基板10與本體容器20之間的基板保持具24。 本實施形態之加熱爐30是以形成以下的溫度梯度之方式進行加熱的構成：俾使溫度從本體容器20的上容器21朝向下容器22而下降。因此，藉由在碳化矽基板10與下容器22之間設置能夠將碳化矽基板10予以保持的基板保持具24，能夠在碳化矽基板10與下容器22之間形成蝕刻空間S1。
基板保持具24只要是能夠將碳化矽基板10的至少一部分保持在本體容器20之中空部位的構成即可。例如，1點支持、3點支持、將外周緣予以支持的構成、將一部分予以挾持的構成等，只要是慣用的支持手段則當然能夠採用。以作為該基板保持具24的材料來說，能夠採用碳化矽材料、高熔點金屬材料。
另外，也可以因應加熱爐30之溫度梯度的方向而不設置基板保持具24。例如，在加熱爐30形成使溫度從下容器22朝向上容器21而下降的溫度梯度之情形下，也可以在下容器22的底面(不設置基板保持具24地)配置碳化矽基板10。
[加熱爐30] 如圖1所示，加熱爐30係具備：主加熱室31，係能夠將被處理物(碳化矽基板10等)加熱到1000℃以上至2300℃以下的溫度；預備加熱室32，係能夠將被處理物預備加熱到500℃以上的溫度；高熔點容器40，係能夠將本體容器20予以收容；以及移動手段33(移動台)，係能夠將該高熔點容器40從預備加熱室32往主加熱室31移動。
主加熱室31係在俯視剖視觀看時形成為正六角形，且於主加熱室31的內側配置有高熔點容器40。 於主加熱室31的內部係具備有加熱器(heater)34(網目加熱器(mesh heater))。又，於主加熱室31的側壁及／或天花板係固定有多層熱反射金屬板(未圖示)。該多層熱反射金屬板係以使加熱器34的熱朝向主加熱室31的大致中央部反射的方式所構成。
藉此，在主加熱室31內，以將收容有被處理物之高熔點容器40予以包圍的方式配置加熱器34，進一步地在高熔點容器40的外側配置多層熱反射金屬板，藉此能夠升溫到1000℃以上至2300℃以下的溫度。 另外，以作為加熱器34來說，能夠使用例如電阻加熱式的加熱器或高頻率感應加熱式的加熱器。
又，加熱器34也可以採用能夠在高熔點容器40內形成溫度梯度之構成。例如，加熱器34也可以在上側(或者是下側)配置多個加熱器地構成。又，加熱器34也可以用寬度隨著朝向上側(或者是下側)而變大的方式構成。或者是，加熱器34也可以用能夠隨著朝向上側(或者是下側)而將所供給的電力放大的方式構成。
又，於主加熱室31係連接有：真空形成用閥(valve)35，係進行主加熱室31內的排氣；惰性氣體注入用閥36，係對主加熱室31內導入惰性氣體；以及真空計37，係測定主加熱室31內的真空度。
真空形成用閥35係與將主加熱室31內予以排氣並抽真空的抽真空泵連接(未圖示)。藉由該真空形成用閥35及抽真空泵，主加熱室31內的真空度係能夠調整至例如10 Pa以下，更佳為1 Pa以下，再更佳為10-3 Pa以下。以作為該抽真空泵來說，能夠例示渦輪分子泵(turbomolecular pump)。
惰性氣體注入用閥36係與惰性氣體供給源連接(未圖示)。藉由該惰性氣體注入用閥36及惰性氣體供給源，能夠以10-5 Pa至10000 Pa的範圍對主加熱室31內導入惰性氣體。以作為該惰性氣體來說，能夠選擇Ar、He、N2 等。
預備加熱室32係與主加熱室31連接，且藉由移動手段33構成為能夠移動高熔點容器40。另外，以本實施形態之預備加熱室32來說，以能夠藉由主加熱室31之加熱器34的餘熱而升溫的方式所構成。例如，在將主加熱室31升溫到2000℃之情形下，預備加熱室32係被升溫到1000℃左右，能夠進行被處理物(碳化矽基板10、本體容器20、高熔點容器40等)的脫氣處理。
移動手段33係構成為能夠將高熔點容器40載置而在主加熱室31與預備加熱室32之間移動。由該移動手段33所進行的主加熱室31與預備加熱室32之間的搬運以最短1分鐘左右完成，因此能夠實現1 ℃至1000 ℃／min的升溫／降溫。 由於如此地進行急速升溫及急速降溫，因此能夠觀察升溫中及降溫中的不具有低溫成長歷程之表面形狀，而這在習知的裝置上是困難的。 又，在圖1中雖將預備加熱室32配置在主加熱室31的下方，但也可不限於此地配置於任意方向。
又，本實施形態之移動手段33是將高熔點容器40予以載置的移動台。讓微小的熱從該移動台與高熔點容器40的接觸部散逸。藉此，能夠在高熔點容器40內形成溫度梯度。
在本實施形態之加熱爐30中，由於高熔點容器40的底部與移動台接觸，因此以溫度從高熔點容器40的上容器41朝向下容器42而下降的方式設有溫度梯度。 另外，該溫度梯度的方向能夠藉由將移動台與高熔點容器40之接觸部的位置予以變更來設定成任意的方向。例如，在對移動台採用垂吊式等而將接觸部設於高熔點容器40的天花板之情形下，熱會往上方向散逸。因此對溫度梯度來說，以溫度從高熔點容器40的上容器41朝向下容器42而上升的方式設有溫度梯度。另外，該溫度梯度較佳為沿著碳化矽基板10的表背方向所形成。 又，也可以如上述般，藉由加熱器34的構成來形成溫度梯度。
[高熔點容器40] 本實施形態之加熱爐30內的包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境係使用高熔點容器40及矽蒸氣供給源44來形成。例如，只要是能夠在本體容器20的周圍形成包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境的方法，則能夠採用到本發明之碳化矽基板的製造裝置。
高熔點容器40係包含高熔點材料而構成。例如，能夠例示：屬於泛用耐熱構件的碳；屬於高熔點金屬的W、Re、Os、Ta、Mo；屬於碳化物的Ta9 C8 、HfC、TaC、NbC、ZrC、Ta2 C、TiC、WC、MoC；屬於氮化物的HfN、TaN、BN、Ta2 N、ZrN、TiN；屬於硼化物的HfB2 、TaB2 、ZrB2 、NB2 、TiB2 ；多晶碳化矽等。
該高熔點容器40與本體容器20同樣地是具備能夠互相地嵌合的上容器41與下容器42的嵌合容器，且構成為能夠將本體容器20予以收容。於上容器41與下容器42的嵌合部係形成有微小的間隙43，且構成為能夠從該間隙43進行高熔點容器40內的排氣(抽真空)。
高熔點容器40係具有：矽蒸氣供給源44，係能夠對高熔點容器40內供給包含矽元素的氣相種之蒸氣壓。矽蒸氣供給源44只要是在加熱處理時使矽蒸氣在高熔點容器40內產生的構成即可，能夠例示例如固體的矽(單晶矽片或矽粉末等的矽丸(Si pellet))或矽化合物。
在本實施形態之碳化矽基板的製造裝置中，採用碳化鉭作為高熔點容器40的材料，且採用矽化鉭作為矽蒸氣供給源44。亦即，如圖3所示般構成為：於高熔點容器40的內側形成有矽化鉭層，於加熱處理時包含矽元素的氣相種之蒸氣壓從矽化鉭層對容器內供給，藉此形成矽蒸氣壓環境。 除此之外，只要是在加熱處理時於高熔點容器40內形成包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的構成則能夠採用。
根據本發明之碳化矽基板的製造裝置，成為以下的構成：具備本體容器20與加熱爐30，且本體容器20具有蝕刻空間S1；該本體容器20係將碳化矽基板10收容，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；該加熱爐30係收容本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；該蝕刻空間S1係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成。
藉由這樣的構成，在碳化矽基板10與本體容器20之間能夠形成近熱平衡狀態，且在本體容器20內能夠形成包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓(Si、Si2 、Si3 、Si2 C、SiC2 、SiC等之氣相種的分壓)環境。在這樣的環境下，將加熱爐30的溫度梯度作為驅動力而引起質量的輸送，其結果為將碳化矽基板10蝕刻，藉此能夠製造已將加工變質層11降低／去除的碳化矽基板。
又，根據本實施形態之碳化矽基板的製造裝置，藉由在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)下加熱本體容器20，能夠抑制包含矽元素的氣相種被從本體容器20內排氣的情形。亦即，使本體容器20內之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓與本體容器20外之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓平衡，藉此能夠維持本體容器20內的環境。
換言之，本體容器20係被配置於形成有包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)的高熔點容器40內。如此，藉著經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)而將本體容器20內排氣(抽真空)，能夠抑制矽原子從蝕刻空間S1內減少的情形。藉此，能夠將蝕刻空間S1內長時間維持成有利於蝕刻的原子數比Si／C。
又，根據本實施形態之碳化矽基板的製造裝置，本體容器20係由多晶碳化矽所構成。藉由設為此種構成，在使用加熱爐30將本體容器20予以加熱時，能夠僅使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在本體容器20內產生。
[碳化矽基板的製造方法] 以下，對屬於本發明之一實施形態的碳化矽基板的製造方法詳細地進行說明。
如圖3及圖4所示，本實施形態之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係將碳化矽基板10收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器20之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有溫度梯度的方式將本體容器20加熱，藉此蝕刻碳化矽基板10。 另外，在同實施形態中，對於與前面的碳化矽基板的製造裝置基本上相同的構成要素附加相同的符號而將說明簡略化。
以下，對本實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻步驟詳細地進行說明。
[蝕刻步驟] 圖4是將蝕刻機構之概要予以表示的說明圖。將配置了碳化矽基板10的本體容器20以1400℃以上至2300℃以下的溫度範圍加熱，藉此持續地進行以下1)至5)的反應，結果認定蝕刻有在進行。
1)　SiC(s)→Si(v)+C(s) 2)　2C(s)+Si(v)→SiC2 (v) 3)　C(s)+2Si(v)→Si2 C(v) 4)　Si(v)+SiC2 (v)→2SiC(s) 5)　Si2 C(v)→Si(v)+SiC(s)
1)的說明：碳化矽基板10(SiC(s))被加熱，藉此矽原子(Si(v))因熱分解而從碳化矽基板10的表面脫離(矽原子昇華步驟)。 2)及3)的說明：藉著矽原子(Si(v))脫離而殘留在碳化矽基板10的表面的碳(C(s))係與本體容器20內的矽蒸氣(Si(v))反應，藉此成為Si2 C或者是SiC2 等而從碳化矽基板10的表面昇華(碳原子昇華步驟)。 4)及5)的說明：已昇華的Si2 C或者是SiC2 等係藉由溫度梯度而到達本體容器20內的底面(多晶碳化矽)且成長。
亦即，蝕刻步驟係具有：矽原子昇華步驟，係使矽原子從碳化矽基板10的表面熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留於碳化矽基板10之表面的碳原子與本體容器20內的矽蒸氣反應，藉此使碳原子從碳化矽基板10的表面昇華。
又，蝕刻步驟的特徵在於：使被配置於溫度梯度之高溫側的碳化矽基板10與被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分相對以進行蝕刻。 亦即，使碳化矽基板10的主面101與溫度比該主面101還低的本體容器20的底面相對地配置，藉此在它們之間形成蝕刻空間S1。在該蝕刻空間S1中，將加熱爐30形成的溫度梯度作為驅動力而引起質量的輸送，結果能夠將碳化矽基板10蝕刻。
換言之，蝕刻步驟係使碳化矽基板10與本體容器20的一部分相對地配置，以本體容器20的一部分成為低溫側且碳化矽基板10成為高溫側的方式附加溫度梯度來加熱。藉由該溫度梯度，將矽元素及碳元素從碳化矽基板10對本體容器20輸送，來將碳化矽基板10蝕刻。
本手法中的蝕刻溫度較佳為以1400℃至2300℃的範圍設定，更佳為以1600℃至2000℃的範圍設定。 本手法中的蝕刻速度係能夠藉由上述溫度區域來控制，能夠在0.001 μm／min至2 μm／min的範圍選擇。 本手法中的蝕刻量只要是能夠將碳化矽基板10的加工變質層11去除的蝕刻量則能夠採用。以該蝕刻量來說，能夠例示0.1 μm以上至20 μm以下，不過也能夠因應需求來應用。 本手法中的蝕刻時間能夠以成為期望的蝕刻量之方式設定為任意的時間。例如，在蝕刻速度為1 μm／min時欲將蝕刻量設為1 μm之情形下，蝕刻時間是1分鐘。 本手法中的溫度梯度係在蝕刻空間S1中以0.1℃／mm至5℃／mm的範圍設定。
[實施例] 用以下的方法製造了實施例1的碳化矽基板。
[實施例1] 用以下的條件在本體容器20及高熔點容器40收容了碳化矽基板10(配置步驟)。
[碳化矽基板10] 多型：4H-SiC。 基板尺寸：橫寬10mm × 縱寬10mm × 厚度0.45mm。 偏離方向及偏離角：>11-20>方向偏離4°。 蝕刻面：(0001)面。 加工變質層11的深度：5μm。 另外，以SEM-EBSD法確認了加工變質層11的深度。又，能夠以TEM、μXRD、拉曼分光來確認該加工變質層11。
[本體容器20] 材料：多晶碳化矽。 容器尺寸：直徑60 mm × 高度4 mm。 基板保持具24的材料：單晶碳化矽。 碳化矽基板10與本體容器20之底面的距離：2 mm。
[高熔點容器40] 材料：TaC。 容器尺寸：直徑160 mm × 高度60 mm。 矽蒸氣供給源44(矽化合物)：TaSi2 。
[蝕刻步驟] 將以上述條件配置的碳化矽基板10用以下的條件加熱處理。 加熱溫度：1800℃。 加熱時間：20 min。 蝕刻量：5μm。 溫度梯度：1℃／mm。 蝕刻速度：0.25μm／min。 主加熱室真空度：10-5 Pa。
[由SEM-EBSD法所進行之加工變質層11的測定] 藉由與作為基準之基準晶格(crystal lattice)進行比較，能夠求得碳化矽基板10的晶格應變(lattice strain)。能夠使用例如SEM-EBSD法來作為測定該晶格應變的手段。SEM-EBSD法是能夠在掃描式電子顯微鏡(SEM)之中基於藉由電子線背向散射所得的菊池線(Kikuchi lines)繞射圖形而測定微小區域之應變的手法(EBSD)。在該手法中，將作為基準之基準晶格的繞射圖形與已測定之晶格的繞射圖形予以比較，藉此能夠求得晶格應變量。
以作為基準晶格來說，例如將基準點設定在被認為不產生晶格應變的區域。亦即，較佳為將基準點配置在圖2中的體層12之區域。通常，確定說法是加工變質層11的深度成為10μm左右。因此，在被認為是比加工變質層11還足夠深之深度20μm至35μm左右的位置設定基準點即可。
其次，將該基準點上的晶格之繞射圖形與用奈米等級(nanometer order)的間距(pitch)所測定之各測定區域的晶格之繞射圖形予以比較。藉此，能夠算出針對基準點之各測定區域的晶格應變量。
又，以作為基準晶格來說，表示了將被認為不產生晶格應變的基準點予以設定之情形，不過將單晶碳化矽之理想晶格作為基準的情形、將佔據測定區域面內的大多數(例如過半數以上)之晶格作為基準的情形當然也是可行的。
藉由該SEM-EBSD法測定晶格應變是否存在，藉此能夠判斷有無加工變質層11。亦即，由於在導入有傷111、潛傷112、應變113等加工損傷之情形下晶格應變會在碳化矽基板10產生，故藉由SEM-EBSD法觀察應力。
藉由SEM-EBSD法觀察了存在於蝕刻步驟前後的實施例1之碳化矽基板10的加工變質層11。將其結果表示於圖5及圖6。
另外，在該測定中，使用掃描式電子顯微鏡，用以下的條件對於切開了實施例1之蝕刻步驟前後的碳化矽基板10之剖面進行了測定。 SEM裝置：Zeiss公司製Merline。 EBSD解析：TSL Solutions公司製OIM(Orientation Imaging Microscopy；定向成像顯微鏡法)結晶方位解析裝置。 加速電壓：15 kV。 探測器(probe)電流：15 nA。 階(step)尺寸：200 nm。 基準點R的深度：20μm。
圖5是實施例1之蝕刻步驟前的碳化矽基板10之剖面SEM-EBSD成像影像。 如該圖5所示，於蝕刻步驟之前，在碳化矽基板10內觀察到深度5μm的晶格應變。這是機械加工時所導入的晶格應變，可知具有加工變質層11。另外，皆觀測到壓縮應力。
圖6是實施例1之蝕刻步驟後的碳化矽基板10之剖面SEM-EBSD成像影像。 如該圖6所示，於蝕刻步驟之後，在碳化矽基板10內未觀察到晶格應變。亦即，可知加工變質層11藉由蝕刻步驟而被去除。
根據本發明之碳化矽基板的製造方法，包含：蝕刻步驟，係將碳化矽基板10收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器20之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓下形成有溫度梯度的方式加熱該本體容器20，藉此蝕刻碳化矽基板10。 如此，將碳化矽基板10配置於使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生之本體容器20內，且將加熱爐30的溫度梯度作為驅動力來進行蝕刻，藉此能夠製造已將加工變質層11降低／去除的碳化矽基板。
10:碳化矽基板 11:加工變質層 12:體層 20:本體容器 21,41:上容器 22,42:下容器 23,43:間隙 24:基板保持具 30:加熱爐 31:主加熱室 32:預備加熱室 33:移動手段(移動台) 34:加熱器 35:真空形成用閥 36:惰性氣體注入用閥 37:真空計 40:高熔點容器 44:矽蒸氣供給源 101:主面 102:背面 111:傷 112:潛傷 113:應變 S1:蝕刻空間
[圖1]是一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之概略圖。 [圖2]是由一實施形態之碳化矽基板的製造裝置所蝕刻之碳化矽基板的說明圖。 [圖3]是一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之說明圖。 [圖4]是一實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻步驟的說明圖。 [圖5]是一實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻前的碳化矽基板之剖面SEM(Scanning Electron Microscope；掃描式電子顯微鏡)-EBSD(Electron Back Scattering Diffraction；背向散射電子繞射技術)成像影像。 [圖6]是一實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻後的碳化矽基板之剖面SEM-EBSD成像影像。
10:碳化矽基板
20:本體容器
21,41:上容器
22,42:下容器
24:基板保持具
30:加熱爐
31:主加熱室
32:預備加熱室
33:移動手段(移動台)
34:加熱器
35:真空形成用閥
36:惰性氣體注入用閥
37:真空計
40:高熔點容器
S1:蝕刻空間

Claims (15)

  1. 一種碳化矽基板的製造裝置，係具備：本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；前述本體容器係具有：蝕刻空間，係在前述碳化矽基板被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分與前述碳化矽基板相對而形成。
  2. 如請求項1所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述本體容器係具有：基板保持具，係被設置於前述碳化矽基板與前述本體容器之間。
  3. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述本體容器係由包含多晶碳化矽之材料所構成。
  4. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述加熱爐係具有：高熔點容器，係能夠收容前述本體容器；以及矽蒸氣供給源，係能夠對前述高熔點容器內供給矽蒸氣。
  5. 如請求項4所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述高熔點容器係由包含鉭的材料所構成；前述矽蒸氣供給源是矽化鉭。
  6. 一種碳化矽基板的製造方法，係包含： 蝕刻步驟，係將碳化矽基板收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有前述碳化矽基板成為高溫側之溫度梯度的方式加熱前述本體容器，藉此蝕刻前述碳化矽基板。
  7. 如請求項6所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係具有：矽原子昇華步驟，係使矽原子從前述碳化矽基板的表面熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留於前述碳化矽基板之表面的碳原子與前述本體容器內的矽蒸氣反應，藉此使碳原子從前述碳化矽基板的表面昇華。
  8. 如請求項6或7所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
  9. 一種降低碳化矽基板的加工變質層的方法，係用以降低碳化矽基板的加工變質層，並包含：蝕刻步驟，係在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的環境下將前述碳化矽基板予以蝕刻；前述蝕刻步驟係將在溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的蝕刻空間予以加熱。
  10. 如請求項9所記載之降低碳化矽基板的加工變質層的方法，其中前述蝕刻步驟是在前述蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，前述蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
  11. 如請求項9或10所記載之降低碳化矽基板的加工變質層的方法，其中前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
  12. 一種碳化矽基板的製造方法，係包含：蝕刻步驟，係在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的環境下將碳化矽基板予以蝕刻；前述蝕刻步驟係將在溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的蝕刻空間予以加熱。
  13. 如請求項12所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟是在前述蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，前述蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
  14. 如請求項12或13所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
  15. 一種碳化矽基板，係由請求項6至8、12至14中任一項所記載之碳化矽基板的製造方法所製造。
TW109107166A 2019-03-05 2020-03-05 碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的加工變質層的方法 TWI833919B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017188381A1 (ja) 2016-04-28 2017-11-02 学校法人関西学院 気相エピタキシャル成長方法及びエピタキシャル層付き基板の製造方法

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WO2017188381A1 (ja) 2016-04-28 2017-11-02 学校法人関西学院 気相エピタキシャル成長方法及びエピタキシャル層付き基板の製造方法

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