(57)【要約】      （修正有）【課題】基板表面が分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板を提供する。【解決手段】炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に単結晶４Ｈ−ＳｉＣ又は単結晶６Ｈ−ＳｉＣからなる単結晶ＳｉＣ基板５を収容し、前記嵌合容器の内部をシリコンの飽和蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に、前記嵌合容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御する。これによって、当該単結晶ＳｉＣ基板５の表面が、単結晶ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端し、分子レベルで平坦化される。前記方法で製造した単結晶ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコンの極薄融液層を介在させつつ加熱することで、準安定溶媒エピタキシー法によって単結晶４Ｈ−ＳｉＣを液相エピタキシャル成長させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶４Ｈ−ＳｉＣ又は単結晶６Ｈ−ＳｉＣからなる単結晶ＳｉＣ基板において、
前記単結晶ＳｉＣ基板が４Ｈ−ＳｉＣ単結晶で構成される場合は、ステップの高さは、０．５ｎｍで一定であるか、１．０ｎｍで一定であるか、又は０．５ｎｍと１．０ｎｍが混在した状態であり、
前記単結晶ＳｉＣ基板が６Ｈ−ＳｉＣ単結晶で構成される場合は、ステップの高さは、０．７５ｎｍで一定であるか、１．５ｎｍで一定であるか、又は０．７５ｎｍと１．５ｎｍが混在した状態であることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項２】
請求項１に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記単結晶ＳｉＣ基板の表面は、（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面で構成されていることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記単結晶ＳｉＣ基板の表面が、[１１−２０]方向及び［１−１００］方向のオフ角が４度以下の面であることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に前記単結晶ＳｉＣ基板を収容し、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に、前記嵌合容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御することで、
当該単結晶ＳｉＣ基板の表面が、単結晶ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端し、分子レベルで平坦化される工程を含む製造方法によって製造されることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項５】
請求項４に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
当該単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、より低い加熱温度で、前記単結晶ＳｉＣ基板のエッチング及び前記ステップ高さの分子レベルの平坦化を行う工程を含むことを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項６】
請求項５に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
当該単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ工程を含むことを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項７】
請求項４から６までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板であって、
当該単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、当該単結晶ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理する工程を含むことを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項８】
請求項１から７までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する積層工程と、
前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する収容工程と、
前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に前記嵌合容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら、前記単結晶ＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間にシリコンの極薄融液層を介在させつつ加熱することで、単結晶ＳｉＣ基板の表面に、準安定溶媒エピタキシー法によって単結晶４Ｈ−ＳｉＣを液相エピタキシャル成長させ、単結晶４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル成長層を形成する液相エピタキシャル成長工程と、
を含む製造方法によって製造されることを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項９】
請求項８に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、
前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下でかつ高温真空下とし、１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御することを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該単結晶ＳｉＣ基板に溝加工を施す溝形成工程を含み、
前記液相エピタキシャル成長工程において、
溝加工を施した前記単結晶ＳｉＣ基板の領域ごとに単結晶エピタキシャル成長層を形成させることで、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面に、半導体デバイス１チップサイズごとに分割された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を製造することを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１１】
請求項８から１０までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１２】
請求項８から１１までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記積層工程で、前記単結晶ＳｉＣ基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されており、
前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されており、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とし、炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御され、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始されることを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１３】
請求項８から１２までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くすることを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１４】
請求項８から１３までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に極力近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１５】
請求項８から１４までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理することを特徴とするエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板。
【請求項１６】
溝加工を施した多結晶ＳｉＣ基板上の局所領域上にヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板において、
ＳｉＣ多結晶基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該ＳｉＣ多結晶基板に溝加工を施す溝形成工程と、
前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、前記マスクの前記領域の中央部にあたる部分に微小な開口部を形成するマスク工程と、
シード基板となる溝加工を施した前記ＳｉＣ多結晶基板の前記開口部に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長工程と、
を含む製造方法によって製造されることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＳｉＣ基板であって、
前記マスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムであることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載のＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素原子を供給するための炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項１９】
請求項１６から１８までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長工程において、
準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限することで、微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御し、
単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の水平方向への成長を促すことを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２０】
請求項１６から１９までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長工程では、１６００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することで、前記ＳｉＣ多結晶基板を構成する微小ＳｉＣ単結晶粒の表面に準安定溶媒エピタキシー法で４Ｈ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２１】
請求項１６から２０までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記シード基板は、溝を形成した炭素基材に多結晶ＳｉＣ膜をコーティングして構成されることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２２】
請求項１６から２０までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記シード基板は、溝を形成した金属体に多結晶ＳｉＣ膜をコーティングして構成されることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２３】
請求項１６から２１までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記ＳｉＣ基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されており、
前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されており、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とし、炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御され、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始されることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２４】
請求項１６から２３までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
当該ＳｉＣ基板の製造方法は、
ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する積層工程と、
前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する収容工程と、
を含み、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くすることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２５】
請求項２４に記載のＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に極力近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことが可能になることを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２６】
請求項１６から２５までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板であって、
前記液相エピタキシャル成長工程において、前記ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記ＳｉＣ基板を収容する嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理することを特徴とするＳｉＣ基板。
【請求項２７】
請求項８から２６までの何れか一項に記載の前記液相エピタキシャル成長工程で、炭素を供給するために用いられる炭素供給フィード基板であって、
３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶基板、又は表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかの材料によって構成されることを特徴とする炭素供給フィード基板。
【請求項２８】
請求項１から７までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板に分子層レベルのグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させることを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【請求項２９】
請求項８から１５までの何れか一項に記載のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板に、分子層レベルのグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させることを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【請求項３０】
請求項２８に記載の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板であって、
単結晶ＳｉＣ基板を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下で加熱することで、前記単結晶ＳｉＣ基板表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該単結晶ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む製造方法によって製造されることを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【請求項３１】
請求項２９に記載の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板であって、
エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下の範囲で加熱することで、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む製造方法によって製造されることを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【請求項３２】
請求項１６から２６までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板の各領域に成長させた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下で加熱することで、
ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む製造方法によって製造されることを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【請求項３３】
請求項３０から３２までの何れか一項に記載の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板であって、
前記炭化処理工程において、基板を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理することを特徴とする炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ基板の製造方法に関するものである。主要には、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ又は単結晶６Ｈ−ＳｉＣからなる単結晶ＳｉＣ基板の平坦化処理及び製造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波デバイスの半導体材料としては、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等が従来から知られるところである。高周波デバイスの利用分野は近年急速に拡大しており、それに伴って、高温環境等の苛酷な領域で使用される機会も増加している。従って、高温環境に耐えられる高周波デバイスの実現は、幅広い用途環境における動作の信頼性と大量の情報処理・制御性の向上にとって重要な課題の１つである。
【０００３】
そこで、耐熱性に優れる半導体の材料の１つとして、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が注目されている。ＳｉＣは、機械的強度に優れるとともに、放射線にも強い。また、ＳｉＣは、不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅（６Ｈ型の単結晶ＳｉＣで約３．０ｅＶ、４Ｈ型の単結晶ＳｉＣで３．３ｅＶ）を有するという特徴を備えている。このような理由から、ＳｉＣは、上述した既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現できる次世代のパワーデバイスの材料として期待されている。
【０００４】
また、耐熱性に優れるＳｉＣと超高周波デバイスの実現が期待される物質であるグラフェンを組み合わせることが、各々の材料物性の優位性及び作製手法の簡便さから重要であると考えられる。グラフェンは、Ｃ原子が１個分の厚みで蜂の巣状に連なった二次元六方晶格子であり、グラファイトやカーボンナノチューブ、フラーレンをはじめとするすべての黒鉛構造の基本構造となるものである。この六方晶格子は、極めて欠陥の少ない高品質な結晶構造であり、物理的・化学的安定性と常温で他の物質を凌駕する高い電子移動度をもつ。
【０００５】
ＳｉＣ表面へのグラフェン形成は、ＳｉＣ単結晶を真空中で高温アニール（熱分解）することにより得られる。この手法は、高温真空加熱によりＳｉＣ基板からのＳｉ原子の熱脱離を促し、基板表面に生じた余剰Ｃ原子によってグラフェンを簡便に形成するものである。前記熱分解法によって、数百μｍ程度のグラフェンシートを形成する方法を開示するものに例えば特許文献１がある。
【０００６】
また、グラフェンのデバイス化を考慮した場合、大面積の単一グラフェンシートをＳｉＣ基板表面に形成することが望まれる。このような大面積の単一グラフェンシートは、テラス幅の広い平坦表面が得られる傾斜角度（以下、オフ角）が４度以下のＳｉＣ基板に形成することが原理的に有利であると考えられる（非特許文献１参照）。更に、オフ角が４度以下のＳｉＣ基板表面の大部分が均一な平坦性を有していることが好ましい。しかしながら、ＳｉＣ基板表面の平坦化技術は、ＳｉＣ基板上のエピタキシャル膜形成技術に付随した技術であり、その要因により、（０００１）面からの４度〜８度傾斜した基板（以下、オフ基板）表面の平坦化を対象に、その技術は進歩してきた面がある。
【０００７】
現在報告されているＳｉＣ表面平坦化技術としては、主に、化学機械研磨技術であるメカノケミカルポリシング（ＣＭＰ）法と、気相平坦化技術である高温水素エッチング法が挙げられる。ＣＭＰ法とは、研磨剤自体が有する表面化学作用と回転運動による機械的研磨作用を表面研磨に用いることで、高速かつ平滑な研磨面を得る技術である。一方、高温水素エッチング法は、１５００℃程度の高温環境下でのＨ2ガスやＨＣｌ／Ｈ2混合ガスを用い、ＳｉＣ基板表面に存在する研磨によるダメージを主にエッチングによって除去する方法である。この種の高温水素エッチング法を用いたＳｉＣ基板の平坦化処理を開示するものに、非特許文献２及び非特許文献３がある。
【０００８】
また、ＳｉＣ基板の更なる表面の平坦化を達成するためには、平坦化処理を行う前のＳｉＣ基板自体の結晶品質の向上も合わせて必要になる。これは、均一な大面積のグラフェンを得るために行われる表面平坦化処理が、エッチングを基本原理としているためである。即ち、平坦化処理によってエピタキシャル成長層を含むバルク結晶内部が表面に露出され、転位欠陥に由来するエッチピットが現れる等、表面形状の不均一性を招くため、平坦化処理を行う前のＳｉＣ結晶自体の品質向上が必要となる。
【０００９】
ＳｉＣ単結晶の製造方法において、一般にバルク結晶の製造は昇華再結晶法が用いられる。昇華再結晶法は、例えば特許文献２に開示されている。この特許文献２の方法では、まず、単結晶ＳｉＣ基板と、Ｓｉ原子及びＣ原子により構成された板材と、を微少隙間を隔てて互いに平行に対峙させた状態とする。そして、大気圧以下の不活性ガス雰囲気、かつ、ＳｉＣ飽和蒸気雰囲気下で、上記単結晶ＳｉＣ基板側が上記板材よりも低温に保たれるように熱処理する。これにより、上記微小隙間内でＳｉ原子及びＣ原子を昇華再結晶させて上記単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶を析出させるとともに、この析出単結晶を種結晶として上記板材を単結晶に変態させて、上記単結晶ＳｉＣ基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶を一体に成長させる。
【００１０】
しかしながら、特許文献２のような昇華再結晶法では、種結晶としての単結晶ＳｉＣ基板が有する結晶欠陥（例えば、マイクロパイプ欠陥、螺旋転位、基底面転位、及びｃ軸方位欠陥等）が、析出する単結晶のエピタキシャル構造に伝播し易く、これが、製造されるＳｉＣ単結晶を前述のパワーデバイス等として用いる際の大きな障害となっている。
【００１１】
マイクロパイプ欠陥の減少という課題は特許文献３も指摘するところであり、これを解決する方法として以下のようなＳｉＣエピタキシャル層の形成方法を提案している。即ち、特許文献３のＳｉＣエピタキシャル層の形成方法は、種結晶添加昇華技術を用いてＳｉＣのバルク結晶を成長させる工程と、バルク結晶表面に液相エピタキシャル成長させる工程とを含む。前記液相エピタキシャル成長させる工程では、溶融成長を行うことで、前記種結晶からバルク結晶基板に伝播したマイクロパイプ欠陥を塞ぐことができ、マイクロパイプ欠陥の少ないＳｉＣのエピタキシャル層を形成させることが可能となる。
【００１２】
また、シリコン融液中への他元素の添加を行わず、速い結晶成長速度が得られる単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長方法として、炭素供給フィード基板とシード基板を挟む溶媒の厚みを極めて小さくし、炭素の拡散を速めることにより、これを実現可能とする準安定溶媒エピタキシー（ＭＳＥ）法がある。この種のＭＳＥ法を用いたものを開示するものとして例えば特許文献４がある。
【００１３】
これは、単結晶ＳｉＣからなるシード基板に対向して、このシード基板より自由エネルギーの高い炭素供給フィード基板を配置し、前記シード基板と前記炭素供給フィード基板との間にケイ素の極薄融液層を溶媒として介在させて真空高温環境で加熱処理することにより、前記シード基板の表面に単結晶ＳｉＣを液相エピタキシャル成長させる方法である。また、このＭＳＥ法では、温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるので、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができ、高品質なエピタキシャル成長層を得ることができる。加えて、様々な化学ポテンシャルの差に基づく自由エネルギーを結晶成長の駆動力として用いることができるので、ＳｉＣを大面積エピタキシャル成長させることが容易である。
【００１４】
更には、ＳｉＣ単結晶内の結晶欠陥を減少させる根本的な解決方法として、結晶欠陥の数が少ないＳｉＣ単結晶種基板の作製を行う必要がある。
【００１５】
４Ｈ−ＳｉＣ種結晶の製造方法として、種多結晶基板表面に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の小片を形成する製造方法が知られている。その製造方法は、ＳｉＣ多結晶基板表面の炭化処理工程と液相エピタキシャル成長工程とを含む。前記炭化処理工程では、ＳｉＣ多結晶基板を真空環境下で高温加熱することで、前記ＳｉＣ多結晶基板表面に炭化層を形成する。その後、前記炭化層付きＳｉＣ多結晶基板に対向してＳｉＣ多結晶基板を近接設置して両者の基板の隙間に金属シリコン融液を介在させて液相エピタキシャル成長させることにより、前記炭化層付きＳｉＣ多結晶基板の表面にＳｉＣ種結晶を自己成長させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００９−６２２４７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５０００号公報
【特許文献３】特開平１０−５０９９４３号公報
【特許文献４】特開２００８−２３０９４６号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｈａｓｓ  ｅｔ  ａｌ，ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ８９，１４３１０６（２００６）
【非特許文献２】Ｈ．Ｎａｋａｇａｗａ  ｅｔ  ａｌ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ９１，２２６１０７（２００３）
【非特許文献３】Ｊ．Ｈａｓｓａｎ  ｅｔ  ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ＧｒｏｗｔＨ  ３１０（２００８）４４３０
【非特許文献４】１９６９  窯業協会誌  [３] ７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
グラフェンのデバイス化を考慮した場合、基板全面へのグラフェンシートの形成が必要となる。上記で説明したような熱分解法によって大面積のグラフェンを得るには、下地基板であるＳｉＣ表面の全面が分子レベルで均一に平坦化されることが必要であり、この点、特許文献１の方法では分子レベルの平坦化を実現することが難しかった。また、ＳｉＣ基板表面の平坦化技術において、ダイヤモンドに匹敵する硬さを持つＳｉＣ結晶の化学的安定性、機械的強靭性の高さから、Ｓｉプロセスで多用されてきた表面平坦化技術のそのままの適用は困難とされている。従って、ＳｉＣ独自の表面平坦化技術を確立することは、ＳｉＣ上のグラフェン形成分野以外に、ＳｉＣ半導体のデバイス化にとっても必須の課題とされている。
【００１９】
また、非特許文献１のような手段をとる場合にしても、低オフ角のＳｉＣ基板表面を分子レベルで均一に平坦化させるに至っていないために更なる平坦化が求められており、この点で改善の余地があった。
【００２０】
また、上述したＣＭＰ法を用いることで、ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨よりも、ＳｉＣ基板の表面をより平坦化できることが報告されているが、分子層レベル（ＳｉＣ単分子層：０．２５ｎｍ、２分子層：０．５ｎｍなど）でのＳｉＣ表面の形状の均一性は得られていない。更に、ＳｉＣ表面層へのダメージは、ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨との比較では低減しているということができるものの、完全にダメージフリーな表面形成には至っていない。
【００２１】
非特許文献２に開示されるような水素雰囲気における高温加熱処理（高温水素エッチング法）では、（０００１）からのオフ角（３．５度〜８度）を有する基板に対して、周期的なナノファセットからなるステップ構造が形成される。しかしながら、オフ角が０度〜１度以下のＳｉＣ基板（オン基板）に対しては表面に１５ｎｍ〜２０ｎｍ高さのマクロステップが現れるなど、表面形状に不均一性が生じる（非特許文献３）。そのため、高温水素エッチング法においても、分子レベルでの平坦化という観点から改善の余地があった。
【００２２】
また、特許文献３の方法は、液相エピタキシャル成長させる工程において、シリコン融液中にＳｉＣを溶融した溶融物の溶解度を上げる元素を混入させているため、エピタキシャル結晶中への前記元素の意図しない混入、及び、シリコン融液中での高い溶媒（炭素）濃度に起因した異種多形の混入が懸念される（非特許文献４参照）。従って、ＳｉＣの液相成長において、シリコン融液に対する低い炭素の溶込み状態を維持しながらも、速い結晶成長速度（シリコン融液中の炭素の輸送速度の向上）が得られる効果的な液相成長法の開発が必要とされる。
【００２３】
以上に示してきたように、従来型のＳｉＣ平坦化技術はＳｉＣ基板表面を強制的に削り出す方法に特化されており、分子レベルでの表面の再構築等は考慮されていない。従って、表面のステップ方向が規定されていないオン基板表面を分子レベルで均一に平坦化させるには、基板表面を削る方法だけでなく、自発的に表面が再構成（修復）される自己組織化的な要素を有した新たな表面平坦化技術の開発が必要になる。このように、オフ角の小さな（０度〜１度）オン基板上における表面平坦化を可能とするとともに、前記基板表面上へ大面積に均一なグラフェンを形成可能とする技術が求められているのである。
【００２４】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００２５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【００２６】
（１）本発明の第１の観点によれば、以下のように構成される、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ又は単結晶６Ｈ−ＳｉＣからなる単結晶ＳｉＣ基板が提供される。即ち、前記単結晶ＳｉＣ基板が４Ｈ−ＳｉＣ単結晶で構成される場合は、ステップの高さは、０．５ｎｍで一定であるか、１．０ｎｍで一定であるか、又は０．５ｎｍと１．０ｎｍが混在した状態である。前記単結晶ＳｉＣ基板が６Ｈ−ＳｉＣ単結晶で構成される場合は、ステップの高さは、０．７５ｎｍで一定であるか、１．５ｎｍで一定であるか、又は０．７５ｎｍと１．５ｎｍが混在した状態である。
【００２７】
これにより、単結晶ＳｉＣ基板の表面が分子レベルで平坦化されているので、基板表面に微細構造を精密に作製することが可能になる。
【００２８】
（２）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面は、（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面で構成されていることが好ましい。
【００２９】
これにより、原子レベルで平坦な層を効率良く容易に得ることができる。
【００３０】
（３）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面が、［１１−２０］方向及び［１−１００］方向のオフ角が４度以下の面であることが好ましい。
【００３１】
（４）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、以下の工程を含む製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、当該工程では、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に前記単結晶ＳｉＣ基板を収容し、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に、前記嵌合容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御する。これによって、当該単結晶ＳｉＣ基板の表面が、単結晶ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端し、分子レベルで平坦化される。
【００３２】
これにより、機械的な研磨やエッチングでは困難な分子レベルでの平坦化を行うことができる。また、自己組織化されるような形でステップが単結晶ＳｉＣの基板表面に形成されるので、研磨やエッチング等による平坦化処理で生じていた表面のダメージを抑制できる。
【００３３】
（５）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、その製造方法が以下のような工程を含むことが好ましい。即ち、当該工程では、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、より低い加熱温度で、前記単結晶ＳｉＣ基板のエッチング及び前記ステップ高さの分子レベルの平坦化を行う。
【００３４】
これにより、前記単結晶ＳｉＣ基板のエッチング及び前記ステップ高さの分子レベルの平坦化を行うために必要な加熱温度を低くすることができ、単結晶ＳｉＣ基板の製造を効率化することができる。
【００３５】
（６）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、その製造方法が以下のような工程を含むことが好ましい。即ち、当該工程では、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ。
【００３６】
これにより、嵌合する部分の隙間等を調整することで、密閉度を調整してシリコンの蒸気圧量を増やすことができる。
【００３７】
（７）前記の単結晶ＳｉＣ基板においては、その製造方法が以下のような工程を含むことが好ましい。即ち、当該工程では、当該単結晶ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【００３８】
これにより、他の不純物が単結晶ＳｉＣ基板に侵入することを防止でき、高品質な単結晶ＳｉＣ基板を得ることができる。
【００３９】
（８）本発明の第２の観点によれば、以下の工程を含む製造方法によって製造されるエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板が提供される。即ち、前記製造方法は、積層工程と収容工程と液相エピタキシャル成長工程とを含む。前記積層工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する。前記収容工程では、前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する。前記エピタキシャル成長工程では、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に前記嵌合容器の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら、前記単結晶ＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間にシリコンの極薄融液層を介在させつつ加熱することで、単結晶ＳｉＣ基板の表面に、準安定溶媒エピタキシー法によって単結晶４Ｈ−ＳｉＣを液相エピタキシャル成長させ、単結晶４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル成長層を形成する。
【００４０】
これにより、分子レベルで平坦化された前記単結晶ＳｉＣ基板の表面に、高濃度のエピタキシャル層（エピタキシャル膜）又は高純度活性層エピタキシャル層（エピタキシャル膜）を準安定溶媒エピタキシー法で液相成長させることができるので、高品質なエピタキシャル成長結晶を得ることができる。
【００４１】
（９）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下でかつ高温真空下とし、１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御することが好ましい。
【００４２】
これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。
【００４３】
（１０）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記製造方法は、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該単結晶ＳｉＣ基板に溝加工を施す溝形成工程を含む。また、前記液相エピタキシャル成長工程において、溝加工を施した前記単結晶ＳｉＣ基板の領域ごとに単結晶エピタキシャル成長層を形成させることで、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面に、半導体デバイス１チップサイズごとに分割された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を製造する。
【００４４】
これにより、半導体デバイス１チップサイズごとに分割された微細な単結晶ＳｉＣを得ることができる。また、半導体デバイス１チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制できるので歩留まりの向上を実現できる。
【００４５】
（１１）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御する。
【００４６】
これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き単結晶ＳｉＣ基板の製造を効率的に行うことができる。
【００４７】
（１２）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記積層工程で、前記単結晶ＳｉＣ基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されている。前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されている。前記液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とし、炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御され、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。
【００４８】
これにより、エピタキシャル成長層を所定の厚みに制御できる。加えて、液相エピタキシャル層成長機能が停止した時に、シード基板と炭素供給フィード基板との間に隙間ができるので、余剰シリコン融液が冷却されて固まることなく外気に触れて自動的に気化する。従って、冷却された余剰シリコン膜を溶解除去する等の作業を省略できる。また、単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。このように、作業の省略による合理化が達成できるので生産性を効果的に向上させることができる。更に、余剰シリコン融液がＳｉＣエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化（凝集）によって生じるＳｉＣエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防止できる。
【００４９】
（１３）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くする。
【００５０】
これにより、液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くできるので、大面積かつ厚膜の単結晶エピタキシャル成長層を単結晶ＳｉＣ基板上に容易に形成することができる。
【００５１】
（１４）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ。
【００５２】
これにより、単結晶ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に前記嵌合容器の内容積を近づけることで、シリコンの蒸気圧量を増加させることができる。また、嵌合容器の容量や、嵌合する部分の隙間の長さ等を調整することで、密閉度を調整して、シリコンの蒸気圧量を増やすことができる。例えば、液相エピタキシャル工程が終了した後に、密閉度を緩和して嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を減らすことで、エピタキシャル成長層表面を荒らすことなく、短時間で効率的に前記余剰シリコン融液を除去することも可能である。
【００５３】
（１５）前記のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【００５４】
これにより、液相エピタキシャル成長工程において他の不純物が単結晶ＳｉＣ基板に侵入することを防止でき、高品質なエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を得ることができる。
【００５５】
（１６）本発明の第３の観点によれば、以下のような製造方法によって製造される、溝加工を施した多結晶ＳｉＣ基板上の局所領域上にヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板が提供される。即ち、前記製造方法は、溝形成工程と、マスク工程と、液相エピタキシャル成長工程と、を含む。前記溝形成工程では、ＳｉＣ多結晶基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該ＳｉＣ多結晶基板に溝加工を施す。前記マスク工程では、前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、前記マスクの前記領域の中央部にあたる部分に微小な開口部を形成する。前記液相エピタキシャル成長工程では、シード基板となる溝加工を施した前記ＳｉＣ多結晶基板の前記開口部に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる。
【００５６】
これにより、ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣを、半導体デバイス１チップサイズの複数の領域ごとに成長させることができる。また、半導体デバイス１チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。従って、単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制し、歩留まりの向上を実現できる。
【００５７】
（１７）前記のＳｉＣ基板においては、前記マスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムであることが好ましい。
【００５８】
これにより、基板が用いられる用途に応じて、導電材である熱分解グラファイトと、絶縁材である窒化アルミニウムと、を使い分けることができる。例えば、窒化アルミニウムを絶縁膜として機能させることで、プロセスの簡略化を実現できる。
【００５９】
（１８）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素原子を供給するための前記炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御する。
【００６０】
これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付きＳｉＣ基板の製造を効率的に行うことができる。
【００６１】
（１９）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長工程において、準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限する。これによって、微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御する。そして、単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の水平方向への成長を促す。
【００６２】
これにより、ＳｉＣ多結晶基板に形成される単一の微小４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を水平方向に成長させることができる。
【００６３】
（２０）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長工程では、１６００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することで、前記ＳｉＣ多結晶基板を構成する微小ＳｉＣ単結晶粒表面に、準安定溶媒エピタキシー法で４Ｈ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させる。
【００６４】
これにより、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記ＳｉＣ多結晶基板表面に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を一層良好に且つ効率良く、ヘテロエピタキシャル成長させることができる。
【００６５】
（２１）前記のＳｉＣ基板においては、前記シード基板は、溝を形成した炭素基材に多結晶ＳｉＣ膜をコーティングして構成されることが好ましい。
【００６６】
これにより、製造コストを低減することができる。
【００６７】
（２２）前記のＳｉＣ基板においては、前記シード基板は、溝を形成した金属体に多結晶ＳｉＣ膜をコーティングして構成されることが好ましい。
【００６８】
これにより、製造コストを低減することができる。
【００６９】
（２３）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記ＳｉＣ基板に対向配置される炭素供給フィード基板の一側の面には凹部が形成されている。前記炭素供給フィード基板の背面に配置される非炭素供給補助基板には、前記凹部に対応する凸部が形成されている。液相エピタキシャル成長工程において、前記凸部と前記凹部が嵌合した状態で、シード基板としてのＳｉＣ基板と前記炭素供給フィード基板との間の隙間にシリコン融液を介在させてエピタキシャル成長を可能とする。炭素供給フィード基板が消失して枯渇した状態では、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層の厚みが制御される。また、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。
【００７０】
これにより、エピタキシャル成長層を所定の厚みに制御できる。加えて、液相エピタキシャル層成長機能が停止した時に、シード基板と炭素供給フィード基板との間に隙間ができるので、余剰シリコン融液が冷却されて固まることなく外気に触れて自動的に気化する。従って、冷却された余剰シリコン膜を溶解除去する等の作業を省略でき、また、単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。このように、作業の省略による合理化が達成できるので生産性を効果的に向上させることができる。更に、余剰シリコン融液がＳｉＣエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化（凝集）によって生じるＳｉＣエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防止できる。
【００７１】
（２４）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、当該製造方法は、積層工程と、収容工程と、を含む。前記積層工程では、ＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板とを対向配置し、その間にシリコン基板を介在させて積層体を構成する。前記収容工程では、前記積層体を、炭素ゲッター効果を有する嵌合容器に収容する。前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、前記積層体のシリコン融液層の保持時間を長くして液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くする。
【００７２】
これにより、液相エピタキシャル成長工程稼動時間を長くできるので、大面積かつ厚膜の単結晶エピタキシャル成長層をＳｉＣ基板上に容易に形成することができる。
【００７３】
（２５）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の密閉度を高めることで、又は、前記嵌合容器の内容積をＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板の積層体の体積に極力近づけることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことが可能になる。
【００７４】
これにより、嵌合容器の容量を小さくすることで、シリコンの蒸気圧量を増加させることができる。また、嵌合容器の容量や、嵌合する部分の隙間の長さ等を調整することで、密閉度を調整して、シリコンの蒸気圧量を増やすことができる。例えば、液相エピタキシャル工程が終了した後に、密閉度を緩和して嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を減らすことで、エピタキシャル成長層表面を荒らすことなく、短時間で効率的に前記余剰シリコン融液を除去することも可能である。
【００７５】
（２６）前記のＳｉＣ基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下の減圧下であり、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【００７６】
これにより、液相エピタキシャル成長工程において他の不純物がＳｉＣ基板に侵入することを防止でき、高品質なＳｉＣ基板を得ることができる。
【００７７】
（２７）本発明の第４の観点によれば、前記液相エピタキシャル成長工程で炭素を供給するために用いられる炭素供給フィード基板の以下の構成が提供される。即ち、炭素供給フィード基板は、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶基板、又は表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかの材料によって構成される。
【００７８】
これにより、高い自由エネルギーを有する炭素供給フィード基板によって、炭素原子を良好に供給することができる。
【００７９】
（２８）本発明の第５の観点によれば、以下のように構成される炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板が提供される。即ち、前記の単結晶ＳｉＣ基板にグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させる。
【００８０】
これにより、炭素ナノ材料で形成されたグラフェンシートの分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを、分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板の表面に形成させることで、基板表面に炭素ナノ材料を均一に形成させることができる。
【００８１】
（２９）本発明の第６の観点によれば、以下のように構成される炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板が提供される。前記エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板に分子層レベルのグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させる。
【００８２】
これにより、炭素ナノ材料で形成されたグラフェンシートの分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを、分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板に形成されたエピタキシャル成長層の上に形成させることで、基板表面に炭素ナノ材料を均一に形成させることができる。
【００８３】
（３０）前記の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記製造方法は、炭化処理工程を含む。前記炭化処理工程では、単結晶ＳｉＣ基板を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下で加熱する。これによって、前記単結晶ＳｉＣ基板表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該単結晶ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。
【００８４】
これにより、単結晶ＳｉＣ基板の表面に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。
【００８５】
（３１）前記の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記製造方法は、炭化処理工程を含む。前記炭化処理工程では、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下の範囲で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。
【００８６】
これにより、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。
【００８７】
（３２）前記の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記製造方法は、炭化処理工程を含む。前記炭化処理工程では、ＳｉＣ基板の各領域に成長させた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。
【００８８】
これにより、ＳｉＣ基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。
【００８９】
（３３）前記の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板においては、以下のような製造方法によって製造されることが好ましい。即ち、前記炭化処理工程において、前記基板を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【００９０】
これにより、炭化処理工程において他の不純物がＳｉＣ結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板を得ることができる。
【００９１】
なお、本明細書において「フルユニット高さ」とは、図１及び図２に示すように、ＳｉとＣからなるＳｉＣ単分子層が積層方向に積み重ねられる１周期分の前記積層方向の高さをいう。図１は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の分子配列と周期の説明を示したものであり、図２は、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶の分子配列と周期の説明を示したものである。従って、フルユニット高さのステップとは、４Ｈ−ＳｉＣの場合は１．０ｎｍ、６Ｈ−ＳｉＣの場合１．５ｎｍのステップを意味する。一方、「ハーフユニット高さ」とは、前記１周期の半分の時点での積層方向の高さをいう。従って、ハーフユニット高さのステップとは、４Ｈ−ＳｉＣの場合０．５ｎｍ、６Ｈ−ＳｉＣの場合０．７５ｎｍのステップを意味する。また、「高真空環境」とは１０-2Ｐａ以下の真空環境を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の分子配列と周期を説明するための模式図。
【図２】６Ｈ−ＳｉＣ単結晶の分子配列と周期を説明するための模式図。
【図３】単結晶ＳｉＣ基板の表面が加熱処理によって平坦化される様子を示した模式図。
【図４】ＳｉＣ基板を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図。
【図５】高温真空炉の本加熱室及び予備加熱室を詳細に示す断面図。
【図６】炭素ゲッター効果を有する坩堝の外観写真及び断面写真。
【図７】炭素ゲッター効果を説明する模式図。
【図８】加熱温度の違いによるシリコン蒸気圧の変動を示す模式図。
【図９】加熱処理温度と、単結晶ＳｉＣ基板の表面粗さとの関係を示したグラフ。
【図１０】単結晶ＳｉＣ基板表面のテラス幅に対するステップ高さの分布を示したグラフ。
【図１１】４Ｈ−ＳｉＣにおける（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面の表面の様子を示した顕微鏡写真。
【図１２】加熱処理（アニール）温度に対するステップ高さの変化を示すグラフ。
【図１３】図１２に対応するアニール温度における単結晶ＳｉＣ基板の表面の様子を示す顕微鏡写真。
【図１４】加熱処理（アニール）温度に対するステップ高さの変化を示すグラフ。
【図１５】図１４に対応するアニール温度における単結晶ＳｉＣ基板の表面の様子を示す顕微鏡写真。
【図１６】シリコン蒸気圧量に依存する加熱処理（アニール）温度に対する４Ｈ−ＳｉＣ基板のエッチング速度の変化を示すグラフ。
【図１７】シリコン蒸気圧量に依存する加熱処理（アニール）温度に対する平均ステップ高さの変化を示すグラフ。
【図１８】単結晶ＳｉＣ基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する概念を説明する模式図。
【図１９】４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面それぞれに生成されたグラフェン層の様子を示す顕微鏡写真。
【図２０】単結晶ＳｉＣ基板に対して液相エピタキシャル成長工程を行うことにより、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を製造する様子を示した工程図。
【図２１】液相エピタキシャル工程後の積層体の断面写真。
【図２２】ＳｉＣ基板の膜厚に対する窒素ドーピング濃度の変化を示したグラフ。
【図２３】ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜を形成する様子を示した工程図。
【図２４】ＳｉＣ多結晶基板に溝加工を施した種基板表面への４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜を形成する様子を示した工程図。
【図２５】分割方式大口径半導体ウエハーの概念を説明する模式図。
【図２６】３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶をヘテロエピタキシャル成長させた様子を示す顕微鏡写真。
【図２７】ＳｉＣ微小単結晶の厚みと成長温度の関係を示したグラフ。
【図２８】温度に対する４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層の成長速度の変化を示すグラフ。
【図２９】液相エピタキシャル工程における温度履歴を示すグラフ。
【図３０】３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を示した顕微鏡写真。
【図３１】多結晶ＳｉＣ上の微小ＳｉＣ単結晶の水平方向への成長の様子を示した顕微鏡写真。
【図３２】過冷却過程を導入した前記エピタキシャル工程により形成した多結晶ＳｉＣ上の微小ＳｉＣ単結晶を示した顕微鏡写真。
【図３３】３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の２段構造の微小ＳｉＣ単結晶が形成した様子を示す模式図。
【図３４】量産化用炭素供給フィーダー基板の様子を概略的に示した模式図。
【図３５】量産化用炭素供給フィーダー基板を用いてＳｉＣ基板にエピタキシャル層を成長させる様子を示した工程図。
【図３６】量産工程に対応したＭＳＥ液相成長法の実施例の製造方法を示した工程図。
【図３７】グラフェンＦＥＴデバイス用ＳｉＣ基板の製造方法の工程を示した工程図。
【図３８】単結晶ＳｉＣ基板上の絶縁膜にグラフェン膜を形成した電界効果半導体ウエハーを模式的に示した外観斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００９３】
次に、発明の実施の形態を説明する。最初に、図３から図１９までを参照して、表面平坦化ＳｉＣ単結晶及びグラフェンの製造方法について実施例を参照しながら説明する。次に、図２０から図３８までを参照して、エピタキシャル層（エピタキシャル膜）付きＳｉＣ基板の製造方法について実施例を参照しながら説明する。
【００９４】
まず、図３を参照して、本発明によるＳｉＣ基板の平坦化処理の概念について説明する。図３は、単結晶ＳｉＣ基板の表面が加熱処理によって平坦化される様子を示した模式図である。
【００９５】
まず、図３（ａ）に示すように、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶又は６Ｈ−ＳｉＣ単結晶で所定の厚みに構成された単結晶ＳｉＣ基板５を用意する。この単結晶ＳｉＣ基板５は、直径が２インチ以上の真円度の高い円形の板状に形成されており、切欠き等がないものであることが好ましい。また、この単結晶ＳｉＣ基板５において、表面平坦化の対象となる面は、（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面であることが好ましい。更に、表面平坦化の対象となる面は、その［１−１００］方向及び［１１−２０］方向のオフ角が４度以下の面であることが好ましく、本実施形態においては１度以下の面（いわゆるジャスト面を含む）であることが更に好ましい。
【００９６】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、この単結晶ＳｉＣ基板５の表面には、結晶欠陥を含む不安定サイトと、基板の表面の研磨傷や研磨時に発生したストレス等からなるダメージ層が存在する。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、このＳｉＣ基板５をシリコン蒸気圧下（Ｓｉ雰囲気下）かつ高真空下で、１８００℃で高温加熱処理する。これによって、当該単結晶ＳｉＣ基板５は、その表面を炭化させることなく、ダメージ層を含む表面部分を除去することができる。
【００９７】
また、この平坦化処理によって、当該単結晶ＳｉＣ基板５の表面がステップ状に終端するように改質される。このステップの高さは、単結晶ＳｉＣ基板５の結晶多形によって決定される。
【００９８】
具体的には、単結晶ＳｉＣ基板５の結晶多形が４Ｈの場合は、前記ステップの高さが０．５ｎｍで一定であるか、１．０ｎｍで一定であるか、０．５ｎｍと１．０ｎｍの高さが混在した状態となる。一方で、結晶多形が６Ｈの場合は、前記ステップの高さが０．７５ｎｍで一定であるか、１．５ｎｍで一定であるか、０．７５ｎｍと１．５ｎｍの高さが混在した状態となる。これにより、単結晶ＳｉＣ基板５の表面が分子レベルで平坦化されているので、基板表面に微細構造を精密に作製することが可能になる。
【００９９】
次に、図４から図７までを参照して、図３で説明した内容を実現する坩堝（嵌合容器）２と高温真空炉１１について説明する。図４は、ＳｉＣ基板（単結晶ＳｉＣ基板５等）を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図である。図５は、高温真空炉の本加熱室及び予備加熱室を詳細に示す断面図である。図６（ａ）は坩堝２を上方から撮影した外観写真であり、図６（ｂ）は坩堝２の断面顕微鏡写真である。図７は、炭素ゲッター効果を説明する模式図である。
【０１００】
図３で説明した加熱処理は、例えば図４及び図５に示す熱処理装置としての高温真空炉を用いて行うことができる。以下、この高温加熱炉について説明する。図４及び図５に示すように、この高温真空炉１１は、被処理物を１０００℃以上２２００℃以下の温度に加熱することが可能な本加熱室２１と、被処理物を５００℃以上の温度に予備加熱可能な予備加熱室２２と、を備えている。予備加熱室２２は本加熱室２１の下方に配置され、本加熱室２１に対して上下方向に隣接している。また、高温真空炉１１は、予備加熱室２２の下方に配置された断熱室２３を備えている。この断熱室２３は予備加熱室２２に対して上下方向に隣接している。
【０１０１】
高温真空炉１１は真空チャンバ１９を備え、前記本加熱室２１と予備加熱室２２は、この真空チャンバ１９の内部に備えられている。真空チャンバ１９には真空形成装置としてのターボ分子ポンプ３４が接続されており、例えば１０-2Ｐａ以下、望ましくは１０-7Ｐａ以下の真空を真空チャンバ１９内に得ることができるようになっている。ターボ分子ポンプ３４と真空チャンバ１９との間には、ゲートバルブ２５が介設される。また、ターボ分子ポンプ３４には、補助のためのロータリポンプ２６が接続される。
【０１０２】
高温真空炉１１は、予備加熱室２２と本加熱室２１との間で被処理物を上下方向に移動させることが可能な移動機構２７を備えている。この移動機構２７は、被処理物を支持可能な支持体２８と、この支持体２８を上下動させることが可能なシリンダ部２９と、を備えている。シリンダ部２９はシリンダロッド３０を備え、このシリンダロッド３０の一端が前記支持体２８に連結されている。また、高温真空炉１１には、真空度を測定するための真空計３１、及び、質量分析法を行うための質量分析装置３２が設けられている。
【０１０３】
前記真空チャンバ１９は、被処理物を保管しておくための図略のストック室と、搬送路６５を通じて接続されている。この搬送路６５は、ゲートバルブ６６によって開閉可能になっている。
【０１０４】
前記本加熱室２１は、平面断面視で正六角形に形成されるとともに、真空チャンバ１９の内部空間の上部に配置される。図５に示すように、本加熱室２１の内部には、加熱ヒータとしてのメッシュヒータ３３が備えられている。また、本加熱室２１の側壁や天井には第１多層熱反射金属板４１が固定され、この第１多層熱反射金属板４１によって、メッシュヒータ３３の熱を本加熱室２１の中央部に向けて反射させるように構成されている。
【０１０５】
これにより、本加熱室２１内において、加熱処理対象としての被処理物を取り囲むようにメッシュヒータ３３が配置され、更にその外側に多層熱反射金属板４１が配置されるレイアウトが実現されている。従って、被処理物を強力且つ均等に加熱し、１０００℃以上２２００℃以下の温度まで昇温させることができる。
【０１０６】
本加熱室２１の天井側は第１多層熱反射金属板４１によって閉鎖される一方、底面の第１多層熱反射金属板４１には貫通孔５５が形成されている。被処理物は、この貫通孔５５を介して、本加熱室２１と、この本加熱室２１の下側に隣接する予備加熱室２２との間で移動できるようになっている。
【０１０７】
前記貫通孔５５には、移動機構２７の支持体２８の一部が挿入されている。この支持体２８は、上から順に、第２多層熱反射金属板４２、第３多層熱反射金属板４３、及び第４多層熱反射金属板４４を互いに間隔をあけて配置した構成となっている。
【０１０８】
３つの多層熱反射金属板４２〜４４は、何れも水平に配置されるとともに、垂直方向に設けた柱部３５によって互いに連結されている。そして、第２多層熱反射金属板４２及び第３多層熱反射金属板４３とで挟まれたスペースに受け台３６が配置され、この受け台３６上に被処理物（例えば、前記単結晶ＳｉＣ基板５）を載置できるように構成されている。本実施形態において、この受け台３６はタンタルカーバイドにより構成されている。
【０１０９】
前記シリンダ部２９のシリンダロッド３０の端部にはフランジが形成されて、このフランジが第４多層熱反射金属板４４の下面に固定される。この構成により、前記シリンダ部２９を伸縮させることで、受け台３６上の被処理物（単結晶ＳｉＣ基板５）を前記３つの多層熱反射金属板４２〜４４とともに上下動させることができる。
【０１１０】
前記予備加熱室２２は、本加熱室２１の下側の空間を、多層熱反射金属板４６で囲うことにより構成されている。この予備加熱室２２は、平面断面視で円状となるように構成されている。なお、予備加熱室２２内には、前記メッシュヒータ３３のような加熱手段は備えられていない。
【０１１１】
図５に示すように、予備加熱室２２の底面部においては、前記多層熱反射金属板４６に貫通孔５６が形成されている。また、予備加熱室２２の側壁をなす多層熱反射金属板４６において、前記搬送路６５と対面する部位に通路孔５０が形成されている。更に、前記高温真空炉１１は、前記通路孔５０を閉鎖可能な開閉部材５１を備えている。
【０１１２】
予備加熱室２２の下側で隣接する前記断熱室２３は、上側が前記多層熱反射金属板４６によって区画され、下側及び側部が多層熱反射金属板４７によって区画されている。断熱室２３の下側を覆う多層熱反射金属板４７には貫通孔５７が形成されて、前記シリンダロッド３０を挿通できるようになっている。
【０１１３】
前記貫通孔５７の上端部に相当する位置において、多層熱反射金属板４７には収納凹部５８が形成される。この収納凹部５８には、前記支持体２８が備える第４多層熱反射金属板４４を収納可能になっている。
【０１１４】
多層熱反射金属板４１〜４４，４６，４７は何れも、金属板（タングステン製）を所定の間隔をあけて積層した構造になっている。前記開閉部材５１においても、通路孔５０を閉鎖する部分には、同様の構成の多層熱反射金属板が用いられている。
【０１１５】
多層熱反射金属板４１〜４４，４６，４７の材質としては、メッシュヒータ３３の熱輻射に対して十分な加熱特性を有し、また、融点が雰囲気温度より高い物質であれば、任意のものを用いることができる。例えば、前記タングステンのほか、タンタル、ニオブ、モリブデン等の高融点金属材料や、タングステンカーバイド、ジリコニウムカーバイド、タンタルカーバイド、ハフニウムカーバイド、モリブデンカーバイド等の炭化物を、多層熱反射金属板４１〜４４，４６，４７として用いることができる。また、その反射面に、金やタングステンカーバイド等からなる赤外線反射膜を更に形成しても良い。
【０１１６】
そして、支持体２８に備えられる多層熱反射金属板４２〜４４は、小さな貫通孔を多数有するパンチメタル構造のタングステン板を、当該貫通孔の位置を異ならせつつ所定の間隔をあけて積層した構造になっている。
【０１１７】
また、支持体２８の最も上層に備えられる第２多層熱反射金属板４２の積層枚数は、本加熱室２１の第１多層熱反射金属板４１の積層枚数よりも少なくなっている。
【０１１８】
この構成で、被処理物としての単結晶ＳｉＣ基板５を、真空チャンバ１９内の汚染を防止するために適宜の容器に収納する。なお、前記容器は後述の坩堝２であっても良いし、それ以外の容器であっても良い。そして、この状態で前記単結晶ＳｉＣ基板５を搬送路６５から真空チャンバ１９の内部へ導入し、予備加熱室２２内にある前記受け台３６上に載置する。この状態で前記メッシュヒータ３３を駆動すると、本加熱室２１が１，０００℃以上２２００℃以下の所定の温度（今回は約１８００℃）に加熱される。またこのとき、前記ターボ分子ポンプ３４の駆動によって、真空チャンバ１９内の圧力は１０-3以下、好ましくは１０-5以下となるように調整されている。
【０１１９】
ここで前述したとおり、支持体２８の第２多層熱反射金属板４２の積層枚数は、前記第１多層熱反射金属板４１の積層枚数よりも少なくなっている。従って、メッシュヒータ３３が発生する熱の一部が第２多層熱反射金属板４２を介して予備加熱室２２に適度に供給（分配）され、予備加熱室２２内の単結晶ＳｉＣ基板を５００℃以上の所定の温度（例えば８００℃）となるように予備加熱することができる。即ち、予備加熱室２２にヒータを設置しなくても予備加熱を実現でき、予備加熱室２２の簡素な構造が実現できている。
【０１２０】
上記の予備加熱処理を所定時間行った後、シリンダ部２９を駆動し、支持体２８を上昇させる。この結果、単結晶ＳｉＣ基板が下側から貫通孔５５を通過して本加熱室２１内に移動する。これにより、直ちに本加熱処理が開始され、本加熱室２１内の単結晶ＳｉＣ基板を所定の温度（約１８００℃）に急速に昇温させることができる。
【０１２１】
今回の処理では、前記単結晶ＳｉＣ基板５を上記の温度に加熱した状態で約５分間以上保持する。これにより、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面とシリコン原子が反応し、単結晶ＳｉＣ基板の表面が平坦化される。詳細に言えば、図３（ｂ）に示すように単結晶ＳｉＣ基板の表面のダメージ層や不安定サイトの炭素と、一部のＳｉＣがシリコン原子と反応することで、気体分子であるＳｉ2ＣやＳｉＣ2が生成され、ダメージ層、及び、不安定サイトが除去される。これにより、ＳｉＣ基板表面が炭化されずに、分子レベルで平坦な単結晶ＳｉＣ基板が形成される。
【０１２２】
図６（ａ）に示すように、坩堝２は互いに嵌合可能な上容器２ａと下容器２ｂとを備えている。また、この坩堝２は、真空下で高温処理を行う場合に後述の炭素ゲッター効果を発揮するように構成されており、具体的には、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備えている。これにより、坩堝（嵌合容器）２に炭素ゲッター機能を良好に発揮させて、その内部空間を高純度のシリコン雰囲気に保つことができる。
【０１２３】
更に詳細に説明すると、坩堝２は図６（ｂ）に示すように、その最表層の部分にＴａＣ層を形成し、このＴａＣ層の内側にＴａ2Ｃ層を形成し、更にその内側に基材としてのタンタル金属を配置した構成となっている。なお、タンタルと炭素の結合状態は温度依存性を示すため、前記坩堝２は、炭素濃度が高いＴａＣを最も表層の部分に配置するとともに、炭素濃度が若干低いＴａ2Ｃを内側に配置し、更に内側に、炭素濃度がゼロである基材のタンタル金属を配置した構成となっている。
【０１２４】
図３に示したような処理を行う場合、坩堝２の内部に、シリコン供給源としての図略のシリコンペレットを単結晶ＳｉＣ基板５とともに配置する。この坩堝２を前記高温真空炉１１によって加熱することで、単結晶ＳｉＣ基板５の平坦化処理が行われることになる。なお、このときの加熱温度は、１５００℃以上２２００℃以下とすることが好ましく、１９００℃以上２２００℃以下とすることが更に好ましい。
【０１２５】
前記坩堝２を図５の鎖線で示すように高温真空炉１１の予備加熱室２２に配置し、約８００℃に予備加熱する。次に、約１８００℃まで予め昇温させておいた本加熱室２１へ、予備加熱室２２内の坩堝２をシリンダ部２９の駆動によって移動させ、急速に昇温させる。
【０１２６】
なお、本加熱室２１での加熱時において、坩堝２内の雰囲気は約１Ｐａ以下に維持されることが好ましい。また、上容器２ａと下容器２ｂとを嵌め合わせたときの嵌合部分の遊びは、約３ｍｍ以下であることが好ましい。これによって、実質的な密閉状態が実現され、前記本加熱室２１での加熱処理において坩堝２内のシリコン圧力を高めて外部圧力（本加熱室２１内の圧力）よりも高い圧力とし、不純物がこの嵌合部分を通じて坩堝２内に侵入するのを防止することができる。
【０１２７】
この昇温により、坩堝２の内部空間がシリコンの飽和蒸気圧に保たれる。また、前記坩堝２は上述したように、その表面が炭化タンタル層に覆われており、当該炭化タンタル層（ＴａＣ層）が坩堝２の内部空間に露出する構成になっている。従って、上述のように真空下で高温処理を続ける限りにおいて、坩堝２は図７に示すように、炭化タンタル層の表面から連続的に炭素原子を吸着して取り込む機能を奏する。この意味で、本実施形態の坩堝２は炭素原子吸着イオンポンプ機能（イオンゲッター機能）を有するということができる。これにより、加熱処理時に坩堝２内の雰囲気に含まれているシリコン蒸気及び炭素蒸気のうち、炭素蒸気だけが坩堝２に選択的に吸蔵されるので、坩堝２内を高純度のシリコン雰囲気に保つことができる。
【０１２８】
以上に示したように、単結晶ＳｉＣ基板の平坦化処理方法（製造方法）は、以下のような工程を含む。即ち、加熱処理は、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含む。前記予備加熱工程では、単結晶ＳｉＣ基板５を収容した坩堝（嵌合容器）２を、予備加熱室において８００℃以上の温度で加熱する。前記本加熱工程では、予め１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から坩堝２を移動することで、当該単結晶ＳｉＣ基板５を１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱する。このように、単結晶ＳｉＣ基板５を坩堝２に収容して事前に予備加熱しておき、予備加熱室から本加熱室へ移動させることで、単結晶ＳｉＣ基板５を急速に昇温させて加熱処理を行うことができる。従って、平坦化処理を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になる。また、本実施形態の高温真空炉１１（高温高真空加熱処理装置）は、水平方向でφ１６５ｍｍ、垂直方向で８０ｍｍまでの範囲で均一な加熱領域が確保されている。これによって、１０枚程度の単結晶ＳｉＣ基板５の全面を一括で表面平坦化することが可能になる。
【０１２９】
次に、シリコンの飽和蒸気圧下かつ高真空環境（具体的には、圧力が１０-2Ｐａ以下の環境）下での前記単結晶ＳｉＣ基板の加熱工程における温度の影響について説明する。この加熱工程における加熱温度は、１５００℃以上２２００℃以下とすることが好ましく、１９００℃以上２２００℃以下とすることが更に好ましい。また、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であって、前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下の状態であることが好ましい。
【０１３０】
まず、図８から図１５までを参照して、加熱処理温度に対するシリコン蒸気圧環境の変動の原理と４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の気相処理温度に対する表面粗さの関係について説明する。
【０１３１】
図８は、加熱温度の違いによるシリコン蒸気圧の変動を示した模式図である。図８に示すように、加熱温度が高温である場合、低温の場合と比較して、雰囲気のシリコン蒸気圧、及び、単結晶ＳｉＣ基板双方からのシリコン脱離量が増加する。これは、高温環境下で加熱処理を行った場合、単結晶ＳｉＣ基板表面のダメージ層や不安定サイト等が除去され易くなることを意味する。以下、図８に示した概念について実証例を参照しながら具体的に説明していく。
【０１３２】
図９は、加熱処理温度と、単結晶ＳｉＣ基板の表面粗さとの関係を示したグラフである。図９の横軸は加熱処理の温度（アニール温度）を示し、縦軸は表面粗さ（Ｒａ）を示す。この例では、単結晶４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面及びＣ面について、温度をそれぞれ変えながら１５分間の加熱処理を行い、平均表面粗さを調べた。この図９のグラフから、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面の何れにおいても、１５００℃以上の高温環境下で加熱処理を行った場合の方が表面の平坦化が進んでいることが判った。このように、図９に示す実証例からも、高温環境下での加熱処理である程、表面が平坦化され易くなることがわかる。
【０１３３】
次に、図１０及び図１１を参照して、平坦化処理された表面の均一性について説明する。図１０は、単結晶ＳｉＣ基板表面のテラス幅に対するステップ高さの分布を示したグラフである。図１１は、４Ｈ−ＳｉＣにおける（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面の表面の様子を示した顕微鏡写真である。
【０１３４】
図１０にはステップ構造のテラス幅に対するステップ高さが示されている。なお、加熱処理（アニール）は、１９００℃で６０分間行われた。図１０に示す結果から、単結晶ＳｉＣ基板の表面に、分子レベルで平坦なステップ構造が均一に形成されていることがわかる。この結果から、本発明の加熱処理を行うことで、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面は、何れも、その結晶多形を反映したステップ高さ（フルユニット又はハーフユニット）のみで表面を終端させることができることがわかる。
【０１３５】
次に、図１２から図１５までを参照して、加熱処理（アニール）温度と表面に形成されたステップ高さの傾向について説明する。図１２及び図１４には加熱処理（アニール）温度に対するステップ高さの変化がグラフで示されている。なお、加熱処理（アニール）時間は６０分間とした。図１３及び図１５は、それぞれのアニール温度における単結晶ＳｉＣ基板の表面の様子を示す顕微鏡写真である。
【０１３６】
結果として、前記加熱処理を行うことで、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶及び６Ｈ−ＳｉＣ単結晶は、ともに、その結晶多形を反映したステップ高さ（フルユニット又はハーフユニット）のみで表面が終端した。更に、加熱処理温度が増加するに従い、４Ｈ−ＳｉＣ及び６Ｈ−ＳｉＣの何れの場合も、フルユニット高さ（４Ｈ−ＳｉＣの場合１．０ｎｍ、６Ｈ−ＳｉＣの場合１．５ｎｍ）のステップ構造がハーフユニット高さ（４Ｈ−ＳｉＣの場合０．５ｎｍ、６Ｈ−ＳｉＣの場合０．７５ｎｍ）のステップに分解された。この結果は、高温環境下での加熱処理の方が、ＳｉＣ基板表面の分解が促進されることを示唆している。
【０１３７】
以上に示したように、本実施形態の単結晶ＳｉＣ基板５は以下の製造方法によって製造される。炭素ゲッター効果を有する坩堝２に単結晶ＳｉＣ基板５を収容し、坩堝２の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に、坩堝２の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら１５００℃以上２２００℃以下の範囲で加熱制御する。これによって、当該単結晶ＳｉＣ基板５の表面が、単結晶ＳｉＣ基板５を構成するＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端し、分子レベルで平坦化される。
【０１３８】
これにより、機械的な研磨やエッチングでは困難な分子レベルでの平坦化を行うことができる。また、自己組織化されるような形でステップが単結晶ＳｉＣ基板５の表面に形成されるので、研磨やエッチング等による平坦化処理で生じていた表面のダメージを抑制できる。
【０１３９】
次に、図１６及び図１７を参照して、前述した単結晶ＳｉＣ基板５の平坦化処理方法において、嵌合容器（坩堝２と同様の部材である）内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つように制御する構成について説明する。図１６及び図１７は、嵌合容器の容積と密閉度を変えることで、前記嵌合容器内のシリコン蒸気圧量（Ｓｉ蒸気圧量）を制御した結果を示すグラフである。図１６には、加熱処理（アニール）温度に対する４Ｈ−ＳｉＣ基板のエッチング速度の傾向を示している。図１７には、加熱処理温度に対する４Ｈ−ＳｉＣ表面に形成された平均ステップ高さの傾向を示している。なお、加熱処理時間は６０分間とした。
【０１４０】
前述したように、嵌合容器の容積と密閉度を変えることで、前記嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を制御する。具体的には、大きい容器（６インチサイズの基板を収納可能）と小さい容器（３インチサイズの基板を収納可能）のように、容積が異なる容器を嵌合容器として用いて実験を行った。ここで、容器に入れるシリコン量は一定である。図１６及び図１７に示すように、容器の小さい嵌合容器を用いた場合、嵌合容器内のシリコン蒸気圧量が増加する結果となっている。つまり、容器に入れるシリコン量を一定にした場合、容積の大きい容器を用いた場合の方が、小さい容器を用いた場合よりも、単位体積あたりの嵌合容器内部のシリコン蒸気圧量が減少することを示している。これは、嵌合容器の容量が大きくなるにつれてシリコンが付着した嵌合容器内部の表面積の増加率より嵌合容器の体積の増加率の方が大きくなるためと考えられる。
【０１４１】
また、密閉度の高い嵌合容器を用いた場合は、嵌合容器内部のシリコン蒸気圧量は増加する結果となっている。なお、密閉度の変更は、蓋の開き具合を変えたり、嵌合容器に孔を形成したりする等、事情に応じて適宜の方法を採用することができる。
【０１４２】
また、嵌合容器内のシリコン蒸気圧量が増加する場合、加熱温度（アニール温度）に対するエッチング速度及び４Ｈ−ＳｉＣ表面に形成された平均ステップ高さの傾向（基板表面が、エッチングされる温度及び平坦化処理される温度）が低温側にシフトした。この結果は、シリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、単結晶ＳｉＣ表面のエッチング及び分子レベルの平坦化を、通常より低い加熱温度で行うことができることを示している。
【０１４３】
以上に示すように、単結晶ＳｉＣ基板５は、嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ工程を経ることで、より低い加熱温度で、前記単結晶ＳｉＣ基板をエッチング、及び当該単結晶ＳｉＣ基板の表面のステップ高さの分子レベルの平坦化が可能になる。
【０１４４】
これにより、単結晶ＳｉＣ基板５のエッチング及び前記ステップ高さの分子レベルの平坦化を行うために必要な加熱温度を低くすることができ、単結晶ＳｉＣ基板５の製造を効率化することができる。
【０１４５】
また、本実施形態の単結晶ＳｉＣ基板５においては、嵌合容器の密閉度を高めることで、嵌合容器内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つ。
【０１４６】
これにより、嵌合容器の容量の調整や、嵌合する部分を調整（嵌合容器に対する蓋の位置等の調整）することによる密閉度の調整によって、シリコンの蒸気圧量を増やすことができる。
【０１４７】
次に、図１８を参照して、本発明の平坦化処理を行った単結晶ＳｉＣ基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する方法について説明する。平坦化処理を行った単結晶ＳｉＣ基板を下地基板として用いるのである。図１８は、単結晶ＳｉＣ基板の表面に炭素系ナノ素材を生成する概念を説明するための模式図である。
【０１４８】
炭素系ナノ素材の生成工程において、図１８（ａ）に示す平坦化した単結晶ＳｉＣ基板５に対し、前述の高温真空炉１１を用いて再び加熱処理を行う。なお、この加熱時に、前記平坦化した単結晶ＳｉＣ基板５を坩堝（嵌合容器）２に収容することが好ましい。また、炭素系ナノ素材の生成工程に用いられる嵌合容器は、シリコン蒸気圧環境を形成しない炭化タンタル化合物で構成されていることが好ましい。具体的には、上記坩堝２は、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備えたものとしている。また、炭化処理工程において、単結晶ＳｉＣ基板５を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理することが好ましい。
【０１４９】
次に、前記平坦化した単結晶ＳｉＣ基板５を高真空環境（具体的には、圧力が１０-2Ｐａ以下であることが好ましく、１０-3Ｐａ以下の環境であることが更に好ましい。）において加熱する。このときの加熱温度は、１５００℃以上２２００℃以下とすることが好ましく、１７００℃以上２２００℃以下とすることが更に好ましい。この加熱処理には、前述の高温真空炉を用いることができる。例えば１８００℃で加熱処理を行うことで、前記平坦化した単結晶ＳｉＣ基板５の表面に前記炭素系ナノ材料であるグラフェンシートを形成することができる。また、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理することが好ましい。図１８（ｂ）は、グラフェンシート半導体ウエハーの外観斜視図である。
【０１５０】
炭素系ナノ素材を生成する方法における表面炭化処理工程においても、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板を収容した嵌合容器を、予備加熱室において８００℃以上の温度で加熱する。前記本加熱工程では、予め１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記単結晶ＳｉＣ基板を１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱する。これにより、単結晶ＳｉＣ基板を嵌合容器に収容して事前に予備加熱しておき、予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、表面炭化処理工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になるのである。平坦化処理のときと同様に、本実施形態の高温真空炉１１は、水平方向でφ１６５ｍｍ、垂直方向で８０ｍｍまでの範囲で均一な加熱領域が確保されているため、１０枚程度の表面が平坦化処理された単結晶ＳｉＣ基板５の全面を一括で表面炭化することが可能になる。
【０１５１】
図１８の処理によって単結晶ＳｉＣ基板上に形成された炭素ナノ材料の実証例を図１９に示す。図１９は、高真空下において、２１００℃で６０分間行った前記加熱処理により４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面上に生成した前記グラフェンシート層の電子顕微鏡写真である。結果として、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面においても、（０００−１）Ｃ面においても、グラフェンシートとカーボンナノチューブを含む炭素ナノ材料が形成された。なお、原理的に加熱時間を短時間にすることで、この炭素ナノ材料の厚みを分子層レベルの薄膜に制御することは可能である。また、加熱時間は１分以上６０分以下が好ましい。
【０１５２】
以上に示すように、本実施形態の炭素ナノ材料付き単結晶ＳｉＣ基板は、分子レベルで平坦化処理された単結晶ＳｉＣ基板５の表面にグラフェンシート又はカーボンナノチューブを形成させて構成される。
【０１５３】
これにより、分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板５の表面に、炭素ナノ材料で形成されたグラフェンシートの分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを均一かつ大きく（大面積で）形成させることができる。
【０１５４】
また、本実施形態の炭素ナノ材料付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような炭化処理工程を含む製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程では、単結晶ＳｉＣ基板５を、高温真空環境であって、炭素ゲッター効果を有する坩堝２内で１５００℃から２２００℃の範囲で加熱することで、単結晶ＳｉＣ基板表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該単結晶ＳｉＣ基板の表面に炭素材料のグラフェンシート分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを生成させる。
【０１５５】
これにより、炭化処理によって当該単結晶ＳｉＣ基板５の表面に炭素材料のグラフェンシート分子層レベルの薄膜又はカーボンナノチューブを効率的に生成させることができる。
【０１５６】
また、本実施形態の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程において、単結晶ＳｉＣ基板５を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【０１５７】
これにより、炭化処理工程において他の不純物がＳｉＣ結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板を得ることができる。
【０１５８】
次に、図２０を参照して炭素ナノ半導体デバイス用、及び、高耐圧デバイス用の基板として用いられるＳｉＣ基板ウエハーの製造工程について説明する。
【０１５９】
本実施形態の製造方法では、まず図２０（ａ）に示すように、４Ｈ又は６Ｈ−単結晶ＳｉＣ基板６ｐに対し炭素供給フィード基板７を積層させ、積層体８を構成する。炭素供給フィード基板７は、切欠き等がなく真円度の高い円形状に形成されており、その直径は単結晶ＳｉＣ基板５の直径と同一とされている。また、前記炭素供給フィード基板７は前記単結晶ＳｉＣ基板に対向するように配置され、両者がズレなく一致するよう正確に位置決めされる。
【０１６０】
前記炭素供給フィード基板７はＳｉＣ単結晶の液相エピタキシャル成長に必要な炭素原子を供給するための基板であり、４Ｈ若しくは６Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりも高い自由エネルギーを有するものが用いられる。具体的には、例えば、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶、又は炭素ナノ材料が表面に存在する基板として用いることができる。本実施形態では、炭素供給フィード基板７として３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板を用いている。
【０１６１】
そして、この積層体８を、シリコン供給源としての図略のシリコンペレットとともに前記坩堝２に収容する。なお、シリコンの供給形態としては、前記シリコンペレットによることに代えて、例えば坩堝２の内壁に取り付けた板状のシリコンによって供給を行うようにしても良い。
【０１６２】
そして、この状態の坩堝２を、前述の高温真空炉１１によって加熱処理する。このときの加熱温度は、１５００℃以上２２００℃以下とすることが好ましく、１７００℃以上１９００℃以下とすることが更に好ましい。
【０１６３】
具体的には、前記坩堝２を図５の鎖線で示すように高温真空炉１１の予備加熱室２２に配置し、約８００℃に予備加熱する。次に、約１８００℃まで予め昇温させておいた本加熱室２１へ、予備加熱室２２内の坩堝２をシリンダ部２９の駆動によって移動させ、急速に昇温させる。この結果、前記シリコンペレットからシリコンが蒸発し、坩堝２の内部はシリコンの飽和蒸気圧に保たれる。
【０１６４】
なお、本加熱室２１での加熱時において、坩堝２内の雰囲気は約１Ｐａ以下に維持されることが好ましい。また、加熱時における坩堝２内のシリコン圧力を高め、外部圧力（本加熱室２１内の圧力）よりも高い圧力とすることが好ましい。これにより、不純物が坩堝２内に侵入するのを防止することができる。
【０１６５】
以上により、図２０（ａ）に示すように、前記単結晶ＳｉＣ基板５と炭素供給フィード基板７との間にシリコン極薄融液層４を介在させ、準安定溶媒エピタキシー法（ＭＳＥ）による液相エピタキシャル成長を行わせることができる。なお、前記シリコン極薄融液層４の原料とするために、前記積層体８における前記単結晶ＳｉＣ基板５と炭素供給フィード基板７との間に例えばシリコン板を予め配置しておくことが好ましい。また、液相エピタキシャル成長工程において、前記積層体は１８００℃以上２０００℃以下の温度で加熱されることが好ましい。これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。
【０１６６】
ここで、前記単結晶ＳｉＣ基板５及び炭素供給フィード基板７は、直径が等しく且つ２インチ以上の大径に形成されており、互いに位置を合わせるように位置決めされている。従って、両者の間にシリコン極薄融液層４を良好に保持させることができ、長時間の液相エピタキシャル成長が可能になる。
【０１６７】
更に、図２０（ａ）の液相エピタキシャル成長工程で用いられる坩堝２は、前述のとおり、その表面の炭化タンタル層が炭素ゲッターとしての機能を果たす。従って、坩堝２の内部空間のシリコン蒸気及び炭素蒸気のうち、炭素のみが選択的に坩堝２の内部に吸蔵される。この結果、坩堝２内を高純度のシリコン雰囲気に保つことができ、良好な液相エピタキシャル成長が可能になる。
【０１６８】
以上の加熱処理により、図２０（ｂ）に示すように、前記４Ｈ−ＳｉＣ単結晶層５ｃの表面にマイクロパイプ欠陥のない原子レベルに平坦な４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層５ｄを形成し、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板６ｑを得ることができる。
【０１６９】
以上に説明した液相エピタキシャル成長工程で行われる加熱処理は、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板を収容した嵌合容器を、予備加熱室において８００℃以上の温度で加熱する。本加熱工程では、予め１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記単結晶ＳｉＣ基板を１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することが好ましい。これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。また、事前に予備加熱しておいた前記積層体８を予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、液相エピタキシャル成長工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になるからである。また、高温真空炉１１は、水平方向でφ１６５ｍｍ、垂直方向で８０ｍｍの範囲で均一な加熱領域が確保されている。従って、高温真空炉１１を用いることで、原理的に６インチサイズまでの前記エピタキシャル層を成長可能にさせる。また、１０セット程度の複数セットの前記積層体を一括でエピタキシャル工程を行うことが可能になるため、短時間で効率良く、エピタキシャル層付き単結晶ＳｉＣ基板を得ることができる。
【０１７０】
本実施形態では、温度勾配がなく濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるＭＳＥ法を用いることで、エピタキシャル成長を自動的に安定化させることができ、高品質なＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層５ｄを得ることができる。更に、系に温度勾配を形成する必要がないので、プロセスを行うための装置構成を簡素化でき、プロセス制御も簡単になる。加えて、シリコン極薄融液層４の厚みが極めて小さいために炭素供給フィード基板７からの炭素の拡散が良好であり、温度上昇により前記シリコン極薄融液層４（溶媒）に対する炭素の溶解度を上昇させる必要がないので、プロセスの低温化が容易である。前記ＭＳＥ法における結晶化駆動力は、温度勾配がない溶液環境において、前記極薄シリコン融液を介して対峙したＳｉＣシード基板（種基板）と前記炭素供給フィード基板間での自由エネルギー差により生み出される。即ち、自由エネルギーの高い基板ほど、前記シリコン溶媒中に溶け易いため、前記基板間で自由エネルギーの差がある場合、前記極薄シリコン融液中に炭素（溶質）の濃度勾配が生じる。従って、ＭＳＥ法では、この濃度勾配だけで成長の動力学が制御されるのである。
【０１７１】
以上に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、積層工程と収容工程と液相エピタキシャル成長工程とを含む。積層工程では、単結晶ＳｉＣ基板５と炭素供給フィード基板７とを対向配置し、その間にシリコンペレット又はシリコン基板を介在させて積層体８を構成する。収容工程では、積層体８を、炭素ゲッター効果を有する坩堝２に収容する。エピタキシャル成長工程では、坩堝２の内部をシリコンの蒸気圧下かつ高温真空下とし、更に坩堝２の内部圧力が外部圧力よりも高くなる状態を維持しながら、単結晶ＳｉＣ基板５と炭素供給フィード基板７との間にシリコン極薄融液層４を介在させつつ加熱することで、単結晶ＳｉＣ基板５の表面に、準安定溶媒エピタキシー法によって単結晶４Ｈ−ＳｉＣを液相エピタキシャル成長させ、単結晶４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル成長層を形成する。
【０１７２】
これにより、分子レベルで平坦化された単結晶ＳｉＣ基板５の表面に、高濃度のエピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層を準安定溶媒エピタキシー法で液相成長させることができるので、極めて高品質なエピタキシャル成長結晶を得ることができる。
【０１７３】
以上に示したように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような製造方法で製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記嵌合容器の内部をシリコンの蒸気圧下でかつ高温真空下とし、１５００℃以上２２００℃以下で加熱制御する。
【０１７４】
これにより、エピタキシャル成長工程を一層良好に且つ効率良く行うことができる。
【０１７５】
なお、液相エピタキシャル成長工程においてシリコンの蒸気圧量を制御することで、以下のように液相エピタキシャル成長工程を制御することができる。例えば、坩堝２内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つことで、加熱処理時のシリコン融液層を長時間保持できる。また、坩堝２内のシリコンの蒸気圧量が少なく保つことで、液相エピタキシャル成長工程の最終段階（目的の膜厚のエピタキシャル成長層を形成した段階）に存在する余剰シリコン融液を、きれいに、かつ、速く（エピタキシャル成長表面を荒らすことなく）除去することができる。
【０１７６】
また、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板の製造工程後に、本発明の平坦化処理を行うことで、表面欠陥が除去されたサブナノオーダーの分子レベルに平坦なエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を形成することもできる。
【０１７７】
次に、図２１を参照して、前記ＭＳＥ法によるＳｉＣエピタキシャル成長の実施例を説明する。図２１は、前記液相エピタキシャル工程後の積層体の断面写真である。なお、図２１の例では、シード基板として４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板を用い、炭素供給フィード基板（フィーダー）は３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板を用いた。前記液相エピタキシャル工程においては、前記４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板と３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板の間にシリコン融液を介在させた前記積層体を、１９００℃で１時間加熱処理した。結果として、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面上に、２０μｍ厚程度の４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層が形成された。
【０１７８】
前記のＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長の製造方法において、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、ＳｉＣエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。これにより、高濃度エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１７〜１９乗）又は高純度活性層エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１３〜１５乗）の４Ｈ−ＳｉＣ若しくは６Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル膜付きＳｉＣ基板ウエハーの製造が可能になる。
【０１７９】
次に、図２２を参照して、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、ＳｉＣエピタキシャル層内の不純物濃度を制御した実証例を説明する。図２２は、ＳｉＣ基板の膜厚に対する窒素ドーピング濃度の変化を示したグラフである。
【０１８０】
本実証例においては、フィーダーとなる３Ｃ−ＳｉＣ多結晶層内の窒素含有量率が異なる基板を用いて、エピタキシャル層の形成を行った。前記液相エピタキシャル工程においては、シード基板として４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板を用いた。また、加熱処理温度は１９００℃、加熱処理時間は６０分間とした。図２２において、ＳｉＣ基板の膜厚が５μｍ以下の部分はＳｉＣエピタキシャル層、５μｍ以上は単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板を示している。結果として、窒素濃度が高い３Ｃ−ＳｉＣ多結晶をフィードとして用いた場合の方が、エピタキシャル層中に含まれる窒素濃度が高くなった。この結果は、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、ＳｉＣエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することが可能であることを示唆している。
【０１８１】
以上に示したように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板７の不純物濃度を制御する。
【０１８２】
これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き単結晶ＳｉＣ基板の製造を効率的に行うことができる。
【０１８３】
次に、図２３から図３８までを参照して、ＳｉＣ基板に溝加工を施した種基板表面へのＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層の形成、及び、グラフェンシート膜形成工程について説明する。本実施形態において、前記単結晶ＳｉＣ基板ウエハーの製造工程は、基板準備工程と、液相エピタキシャル工程と、表面炭化工程と、を含む。なお、前記溝加工は、ＵＶレーザー又は、ダイシングソーによって加工される。ＵＶレーザーを用いる場合、２６６ｎｍ以下のレーザー波長がＳｉＣ多結晶基板の凹加工に用いられることが好ましい。これにより、ＳｉＣ多結晶基板に熱損傷を与えない光反応により溝加工を可能にする。
【０１８４】
図２３には、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層の形成及びグラフェンシート膜を形成するための第１の例が示されている。この例では、まず図２３（ａ）に示すように、溝加工を施した４Ｈ若しくは６Ｈ−単結晶ＳｉＣ基板をシード基板として用意する（基板準備工程）。この溝加工は、図２５に示すように、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面を複数の領域（セグメント）に分割するように行われる。なお、溝によって区画された１個分の領域は、半導体デバイスの１チップサイズに相当する大きさとしている。
【０１８５】
次に、前記液相エピタキシャル工程として、ＭＳＥ法により、各セグメント表面にＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させる。図２３の例では、ＭＳＥ液相成長法は、図２３（ｂ）に示すような溝加工を施した種基板と炭素供給フィード基板７の間にシリコン極薄融液層４を介した積層体を組み、これを加熱することによって行う。また、前記液相エピタキシャル工程においては、フィーダーとなる炭素供給フィード基板は３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板を用いた。
【０１８６】
図２３（ｃ）に示すように、各セグメント表面にＳｉＣエピタキシャル層１２が形成される。この加熱処理の加熱温度としては、１５００℃以上２２００℃以下が好ましく、１８００℃以上２０００℃以下であることが更に好ましい。これにより、前記エピタキシャル成長工程において、前記単結晶ＳｉＣ基板５表面にＳｉＣ単結晶を一層良好に且つ効率良くエピタキシャル成長させることができる。
【０１８７】
なお、上記のように複数のセグメントに分割した前記シード基板を用いることで、前記エピタキシャル成長工程で基板の厚み方向（以下、垂直方向）にＳｉＣエピタキシャル層を成長させる過程で、前記シード基板から伝播した結晶欠陥（例えば螺旋転位、基底面転位、及びｃ軸方位欠陥等）が前記ＳｉＣエピタキシャル層の側面から開放される。この転位欠陥の側面開放により、前記ＳｉＣエピタキシャル層の上部では、ほぼ無欠陥のＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層が得られる。
【０１８８】
更に、前記液相エピタキシャル工程において、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、ＳｉＣエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することが可能となる。これにより、半導体チップサイズに分割した前記ＳｉＣ単結晶上に４Ｈ−ＳｉＣの高濃度エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１７〜１９乗）又は高純度活性層エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１３〜１５乗）の形成が可能になる。
【０１８９】
そして、最終段階である前記表面炭化工程（炭化処理工程）では、図２３（ｄ）に示すように、高温真空下で、１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱処理を行うことで、ＳｉＣ基板表面に形成したＳｉＣエピタキシャル層上にグラフェンシート（グラフェン分子薄膜）９を形成する。具体的には、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧環境下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態に維持しながら上記の温度で加熱処理することで、複数のセグメントに分割されたそれぞれの４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層において、その表面の全面にグラフェンシート９が形成される。
【０１９０】
以上に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該単結晶ＳｉＣ基板に溝加工を施す溝形成工程を含む。また、前記液相エピタキシャル成長工程において、溝加工を施した前記単結晶ＳｉＣ基板の領域ごとに単結晶エピタキシャル成長層を形成させることで、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面に、半導体デバイス１チップサイズごとに分割された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を製造する。
【０１９１】
これにより、半導体デバイス１チップサイズごとに分割された微細な単結晶ＳｉＣを得ることができる。また、半導体デバイス１チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制できるので歩留まりの向上を実現できる。
【０１９２】
また、本実施形態のエピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板７の不純物濃度を制御する。
【０１９３】
これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き単結晶ＳｉＣ基板の製造を効率的に行うことができる。
【０１９４】
また、本実施形態の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板は、以下のような炭化処理工程を含む方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程では、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下の範囲で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる。
【０１９５】
これにより、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。
【０１９６】
更に、本実施形態の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記炭化処理工程において、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【０１９７】
これにより、炭化処理工程において他の不純物がＳｉＣ結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板を得ることができる。
【０１９８】
図２４には、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層の形成及びグラフェンシート膜を形成するための第２の例が示されている。この例では、まず、図２４（ａ）に示すように、溝加工を施したシード基板８１を準備する。この例では、シード基板８１は、溝加工を施したグラファイト基板８２上に３Ｃ−ＳｉＣ多結晶膜をＣＶＤ法で形成することで、多結晶ＳｉＣ基板としたものを用いている。なお、溝加工は、図２３で示した例と全く同様に行われる。
【０１９９】
なお、グラファイト基板８２をベースとしたシード基板８１に代えて、溝加工を施した金属基板（金属体）の表面にＣＶＤ法によりＳｉＣ多結晶膜をコーティングした基板を用いてもよい。この場合も、前記ＳｉＣ多結晶基板の製造コストを抑えることが可能となる。
【０２００】
次に、図２４（ｂ）に示すように、前記溝加工を施したシード基板８１の表面に熱分解グラファイト（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）を用いたマスキングを行う。具体的には、前記マスク材料（前記熱分解グラファイト）を前記３Ｃ−ＳｉＣ基板表面にコートする。そして、各セグメントの中央部分において、１μｍ〜１００μｍΦの開口部８３をマスク材料に形成する。
【０２０１】
次に、前述のＭＳＥ法により、それぞれの開口部８３に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶をヘテロエピタキシャル成長させる。今回の例では、ＭＳＥ液相成長法は、図２４（ｃ）に示すように、シード基板８１と炭素供給フィード基板７の間にシリコン極薄融液層４を介在させた積層体を使用して行うことが好ましい。なお、図２４の例では、前記ＭＳＥ液相成長工程のフィーダーとしての炭素供給フィード基板７として、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板が用いられた。
【０２０２】
ＭＳＥ液相成長終了時においては、図２４（ｄ）で示すように、各セグメントにおいて、開口部８３を中心として、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶へテロエピタキシャル層が形成される。
【０２０３】
上記のＭＳＥ液相成長工程において、４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層１２は、基板の厚み方向（以下、垂直方向）及びそれに垂直な方向（以下、水平方向）に成長する。なお、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層が基板の厚みに垂直な方向に成長している部分については、前記３Ｃ−ＳｉＣ基板の内部に存在する結晶欠陥（例えば螺旋転位、基底面転位、及びｃ軸方位欠陥等）が伝播しないので、ほぼ無欠陥の単結晶４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル成長層が得られる。
【０２０４】
このように、ＳｉＣ多結晶表面へマスキングする方法を用いることで、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の形成密度と成長位置を正確に制御することができる。従って、近接した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶同士の合体による新たな転位の発生を抑制できるとともに、シリコン融液中の炭素を効率的に使用した結晶成長が可能になる。なお、液相エピタキシャル成長工程において、シリコン融液層（溶媒）に対する炭素の溶解度が低い環境を維持することが好ましい。また、液相エピタキシャル成長工程においては、１６００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することが好ましい。
【０２０５】
また、前記のＭＳＥ液相成長工程では、フィーダーとなる炭素供給フィード基板の不純物濃度を制御することにより、ＳｉＣエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。これにより、半導体チップサイズに分割した３Ｃ−ＳｉＣ多結晶上に４Ｈ−ＳｉＣの高濃度エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１７〜１９乗）又は高純度活性層エピタキシャル層（窒素濃度換算１０の１３〜１５乗）の形成が可能になる。
【０２０６】
図２４（ｅ）は、最終段階としての、前記４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層１２上へのグラフェンシート９の形成工程を示している。具体的には、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧環境下で１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱処理することで、複数のセグメントに分割されたそれぞれの４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層１２において、その表面の全面にグラフェンシート９が形成される。また、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態であることが好ましい。
【０２０７】
以上、半導体チップサイズに分割するように溝加工を施したＳｉＣ基板上へのＳｉＣ単結晶エピタキシャル層の成長工程、及び、前記エピタキシャル層上への炭素系ナノ薄膜形成工程について、２つの例を説明した。図２５はマルチ（半導体チップサイズ）分割方式大口径半導体ウエハーの概念図であり、直線状の溝により半導体ウエハーの表面が半導体デバイス１チップサイズに分割された様子が示されている。これら各セグメントに分割されたＳｉＣ基板は、多数の小面積の伝導領域を並列に接続したものと把握することができる。このように考えた場合、個々のＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層はそれぞれ無欠陥領域を備えているため、例えば高耐圧半導体ウエハーとしての用途に好適であり、歩留まりの向上が実現できる。
【０２０８】
次に、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板への４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のヘテロエピタキシャル成長の実施例、及び、水平方向への効率的な成長方法の一例について、図２６から図３４までを参照して説明する。
【０２０９】
図２６の顕微鏡写真には、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板への４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のヘテロエピタキシャル成長の実施例が示されている。図２６に示すように、柱状の結晶が３Ｃ−ＳｉＣの微小単結晶粒（３Ｃ−ＳｉＣ多結晶粒）であり、その結晶粒上に、茸型の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶が形成されている。なお、これら微結晶の結晶多形はラマン散乱法により特定することができる。なお、本実施例における加熱処理温度は１８００℃、加熱時間は２時間とした。
【０２１０】
次に、図２７を参照して、ＳｉＣ微小単結晶粒の形成過程における結晶多形の変化を説明する。図２７は、ＳｉＣ微小単結晶の厚みと成長温度の関係を示したグラフである。図２７の横軸はＭＳＥ法により形成したＳｉＣ微小単結晶の厚みであり、縦軸は加熱温度（１８００℃から２０００℃）である。なお、本実施例における加熱時間は３０分間である。結果として、微小単結晶粒の厚みが１０μｍ以上の場合、その結晶多形は４Ｈ−ＳｉＣであった。また、ラマン散乱を用いて、微小単結晶粒の厚みに対する結晶多形の変化を確認した結果、結晶内部から表面にかけて、結晶多形が３Ｃから４Ｈに変化していた。つまり、本ＭＳＥ液相成長環境では、４Ｈ−ＳｉＣ結晶多形が安定に結晶成長し易い系であることを示唆している。
【０２１１】
以上に示してきたように、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記製造方法は、溝形成工程と、マスク工程と、液相エピタキシャル成長工程と、を含む。前記溝形成工程では、ＳｉＣ多結晶基板の表面を半導体デバイス１チップサイズの複数の領域に分割するように当該ＳｉＣ多結晶基板に溝加工を施す。前記マスク工程では、前記溝形成工程によって形成された複数の領域のそれぞれについてマスク部材によってマスクを施し、マスクの領域の中央部にあたる部分に微小な開口部８３を形成する。前記液相エピタキシャル成長工程では、シード基板となる溝加工を施したＳｉＣ多結晶基板の開口部８３に準安定溶媒エピタキシー法でヘテロ結晶多形の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を垂直方向及び水平方向にエピタキシャル成長させる。
【０２１２】
これにより、多結晶ＳｉＣ基板上の局所領域上に、ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣを、半導体デバイス１チップサイズの複数の領域ごとに成長させることができる。また、半導体デバイス１チップサイズごとに分割することで、単結晶エピタキシャル成長層の側面から前記転位欠陥が開放され、単結晶エピタキシャル成長層の上部では無欠陥領域が形成される。このように、単結晶エピタキシャル成長層の表面に現れる欠陥を良好に抑制し、歩留まりの向上を実現できる。
【０２１３】
また、本実施形態のＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程において、炭素供給フィード基板７の不純物濃度を制御する。
【０２１４】
これにより、基板間の自由エネルギーの差によって生じる濃度勾配を利用してエピタキシャル層内の不純物濃度を制御することができる。従って、高濃度エピタキシャル層又は高純度活性層エピタキシャル層付き多結晶ＳｉＣ基板の製造を効率的に行うことができる。
【０２１５】
また、本実施形態のＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記液相エピタキシャル成長工程では、１６００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することで、前記ＳｉＣ多結晶基板を構成する微小ＳｉＣ単結晶粒の表面に、準安定溶媒エピタキシー法で、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させる。
【０２１６】
これにより、前記液相エピタキシャル成長工程において、前記ＳｉＣ多結晶基板表面に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を一層良好に且つ効率良く、ヘテロエピタキシャル成長させることができる。
【０２１７】
また、本実施形態のＳｉＣ基板においては、シード基板８１は、溝を形成した炭素基材に多結晶ＳｉＣ膜をＣＶＤ法によりコーティングして構成される。
【０２１８】
これにより、製造コストを低減することができる。
【０２１９】
また、本実施形態の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板は、以下に示す製造方法によって製造される。前記製造方法は、ＳｉＣ基板の各領域に成長させた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長層表面を、高温真空環境で１５００℃以上２２００℃以下で加熱する。これによって、単結晶エピタキシャル成長層表面のケイ素を昇華させ、残留した炭素によって当該ＳｉＣ基板の表面に分子層レベルの薄膜グラフェンシート又はカーボンナノチューブを生成させる炭化処理工程を含む。
【０２２０】
これにより、ＳｉＣ基板に炭素ナノ材料で構成される分子層レベルの薄膜を効率的かつ良好に生成させることができる。
【０２２１】
また、本実施形態の炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板においては、以下のような工程を含む製造方法によって製造される。前記炭化処理工程において、前記基板を、炉内圧力が１０-3Ｐａ以下の減圧下であって、酸素分圧が１０-5Ｐａ以下の状態で加熱処理する。
【０２２２】
これにより、炭化処理工程において他の不純物がＳｉＣ結晶層に侵入することを防止でき、高品質な炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板を得ることができる。
【０２２３】
次に、図２８及び図２９を参照して、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のヘテロエピタキシャル成長を水平方向に効率良く成長させるために好適な方法を説明する。
【０２２４】
図２８は、前記エピタキシャル成長工程における、加熱処理（成長）温度による４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層の成長速度の変化を示すグラフである。なお、図２８（ａ）の縦軸は水平方向への成長速度であり、一方、図２８（ｂ）の縦軸は垂直方向への成長速度である。
【０２２５】
これらのグラフに示すように、加熱温度を１８００℃から２０００℃に増加させることで、水平方向の成長速度が垂直方向へのそれと比較して速くなった。また、加熱温度が２０００℃の場合、垂直方向に対する水平方向の成長アスペクト比が約１対１０になった。これらの結果から、前記エピタキシャル成長工程において前記の加熱処理温度条件を用いることで、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を一層良好に且つ効率良く、前記ＳｉＣ多結晶基板表面にヘテロエピタキシャル成長させ得ることがわかる。
【０２２６】
また、図２９には、液相エピタキシャル工程における好適な温度制御の一例が示されている。図２９の温度制御例では、初期段階は一定温度に保持することで、シリコン融液内の過飽和度を一定に維持する。その後、冷却過程と昇温過程からなる過冷却過程（温度変動過程）を複数回繰り返すことで、前記エピタキシャル成長環境の過飽和度を変動させる。このように、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶におけるエピタキシャル成長環境の過飽和度を変化させることで、微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を抑制でき、また、水平方向（成長膜厚に対して垂直な方向）のエピタキシャル成長を促進することができる。なお、過冷却は、２０〜１００℃の範囲で複数回加熱冷却を繰り返す事が好ましい。
【０２２７】
図３０は、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶の様子を示した顕微鏡写真である。なお、図３０（ａ）は、前記温度履歴の初期において温度を一定に保持した後、過冷却過程を１０回程度繰り返した場合の様子であり、図３０（ｂ）には、前記温度履歴の初期に一定温度に保持せず、過冷却過程を１０回程度繰り返した場合の様子である。なお、温度を一定に保持する場合（図３０（ａ））の温度は１９００℃とし、過冷却過程においては、１８５０℃から１９００℃までの間で、１２℃／ｍｉｎの速度で加熱温度を昇降させた。この２つの顕微鏡写真により、液相エピタキシャル工程の初期において温度を一定に保持した方が、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を抑えることができることがわかる。
【０２２８】
図３１も図３０と同様に、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶の様子を顕微鏡写真で示している。なお、図３１（ａ）は過冷却過程を行わない場合の様子であり、図３１（ｂ）は過冷却過程を行った場合の様子である。なお、図３１（ｂ）においては、１８５０℃から１９００℃までを１２℃／ｍｉｎの速度で、加熱温度を昇降させた過冷却過程を３０回程度繰り返した。この２つの顕微鏡写真により、エピタキシャル工程において過冷却過程を導入すると、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上の微小ＳｉＣ単結晶が水平方向に拡大することがわかる。この結果は、前記エピタキシャル工程に過冷却過程を導入することで、水平方向への微小ＳｉＣ単結晶の成長を促すことが可能であることを示している。
【０２２９】
以上に示すように、本実施形態のＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、前記ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣの液相エピタキシャル成長工程において、準安定溶媒エピタキシー法の加熱初期段階には加熱温度を一定温度に保持し、微小ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長環境の過飽和度の変動を制限する。これによって、微小ＳｉＣ単結晶の核形成頻度を抑制し、ヘテロ結晶多形の単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶のみがエピタキシャル成長するように制御する。そして、単一の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶がエピタキシャル成長した後では、冷却過程と昇温過程からなる温度変動過程を複数回繰り返すことで、単一の微小４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の水平方向への成長を促す。
【０２３０】
これにより、ＳｉＣ多結晶基板に形成される単一の微小４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を水平方向に成長させることができる。
【０２３１】
なお、温度履歴に導入される過冷却過程における温度プロファイルによっては、液相エピタキシャル工程において微小ＳｉＣ単結晶が垂直方向へ成長するように促すことも可能である。図３２（ａ）は、過冷却過程を行わない場合の様子を示す顕微鏡写真であり、図３２（ｂ）は、過冷却過程を導入した場合の様子を示す顕微鏡写真である。また、図３３は微小ＳｉＣ単結晶の様子を示す模式図であり、図３３の（ａ）及び（ｂ）は、図３２の（ａ）及び（ｂ）に対応している。なお、図３２（ｂ）の例で行われた過冷却過程では、１７００℃から１８００℃までの範囲で加熱温度を３３℃／ｍｉｎの速度で昇降させることを１０回程度繰り返した。図３２（ｂ）に示すように、前記エピタキシャル工程において上記のような過冷却過程が行われた結果、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶表面上に２段構造の微小ＳｉＣ単結晶が形成された。この結果は、前記エピタキシャル工程に過冷却過程を導入することで、垂直方向への微小ＳｉＣ単結晶の成長を促すことが可能であることを示している。
【０２３２】
次に、図３４から図３８までを参照して、量産工程に対応したＭＳＥ液相成長工程を説明する。前記ＭＳＥ液相成長法を量産工程に対応させるには、以下の３点の条件を満たすことが好ましい。第１に、前記エピタキシャル工程後において前記積層体に存在する余剰シリコンを除去する工程を省略できることである。第２に、エピタキシャル膜厚（エピタキシャル層の厚み）を制御できること（再現性を得ること）である。第３に、液相エピタキシャル成長後にその場で表面平坦化処理が可能なことである。この点、本発明では、炭素供給フィーダー基板によってこれらの機能を実現できる。
【０２３３】
まず、図３４を参照して、量産工程に対応したＭＳＥ液相成長用炭素供給フィーダー基板（以下、量産化用炭素供給フィーダー基板）を説明する。図３４には、前記量産化用炭素供給フィーダー基板９５が概念的に示されている。具体的に説明すると、ＭＳＥ法における炭素供給フィーダーとしての量産化用炭素供給フィーダー基板９５は、所定の厚みに制御した炭素供給フィード層９３と、その一側の面に複数（少なくとも３箇所）の突起（凸部）９１を設けた非炭素供給補助基板９０と、を有する。図３４に示す例の非炭素供給補助基板９０においては、その一側の面に４つの突起９１が同一円周上に等間隔で配置されている。また、前記炭素供給フィード層９３の表面には突起構造は存在せず、前記突起９１に対応する差込部（凹部）９２が形成されている。このように、前記炭素供給フィード層９３の表面に突起を設けないことによって、ＭＳＥ成長工程におけるシリコン融液の安定保持を実現しているのである。
【０２３４】
次に、図３５を参照して、前記量産化用炭素供給フィーダー基板を用いたＭＳＥ法の工程を説明する。前記ＭＳＥ法は、大きく分けると、基板積層工程と、液相エピタキシャル成長工程と、蒸発による余剰シリコンの除去工程と、によりなる。
【０２３５】
基板積層工程では、図３５（ａ）に示すように、前記炭素供給フィード層９３と非炭素供給補助基板９０からなる基板をフィーダーとするとともに、シード基板８１となるＳｉＣ基板を前記フィーダーに対向させ、更に両基板の間にシリコン極薄融液層４を介在させて積層体を構成する。
【０２３６】
液相エピタキシャル成長工程では、前記積層体を加熱することで、前記ＳｉＣシード基板表面にＳｉＣエピタキシャル層１２を結晶成長させる。なお、液相エピタキシャル成長工程では、加熱処理の温度を１８００℃から２２００℃とすることが好ましい。この温度範囲で加熱処理を行うことで、エピタキシャル成長、及び、シリコン蒸発を伴う前記余剰シリコン除去工程を効率的に行うことができる。
【０２３７】
炭素供給フィード層９３は所定の厚みに制御されているので、前記液相エピタキシャル成長工程の中間段階では、図３５に示すように、炭素供給フィード層９３が消耗して枯渇する。これにより、エピタキシャル成長が自動的に停止され、前記ＳｉＣシード基板と非炭素供給補助基板との間にギャップが形成される。この場合、シリコン蒸発を伴う熱処理温度であれば、このギャップ間に存在する余剰シリコン融液が自動的に気化し始めるため、前記ギャップ間に余剰シリコン融液を残さない状態で前記液相エピタキシャル成長工程を終了させることができる。更に、加熱昇華により余剰シリコン融液の除去を行うため、前記シリコン融液除去工程後にＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。
【０２３８】
この量産化工程に対応したＭＳＥ法においても、液相エピタキシャル成長工程において、加熱処理が、予備加熱工程と、本加熱工程と、を含むことが好ましい。前記予備加熱工程では、前記積層体を収容した嵌合容器（坩堝２）を、予備加熱室において例えば、８００℃以上の温度で加熱する。そして、加熱工程においては、例えば、予め１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱されている本加熱室に前記予備加熱室から前記嵌合容器を移動することで、前記積層体を１５００℃以上２２００℃以下の温度で加熱することも可能である。これにより、事前に予備加熱しておいた前記積層体を予備加熱室から本加熱室へ移動させることで急速に昇温させて加熱処理を行うので、液相エピタキシャル成長工程を短時間で効率良く行うことができるとともに、その制御も容易になる。
【０２３９】
次に、図３６を参照して、量産工程に対応したＭＳＥ液相成長法の実施例の工程を説明する。前記量産工程に対応したＭＳＥ液相成長法は、ＭＳＥ準備工程と、積層工程と、液相エピタキシャル工程と、シリコン除去工程と、を含む。
【０２４０】
まず、ＭＳＥ準備工程では、図３６（ａ）に示すような量産化用炭素供給フィーダー基板が形成される。本実施形態では、非炭素供給補助基板として、３箇所以上の突起構造を有するグラファイト基板を用い、前記グラファイト基板７３の保護膜として熱分解グラファイト７２を用いた。一方、炭素供給フィーダー層においては、ＣＶＤ法により前記非炭素供給補助基板上に３Ｃ−ＳｉＣ多結晶７１を形成した。
【０２４１】
積層工程では、図３６（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板をシード基板とするとともに、フィーダーとなる前記炭素供給フィード基板をシード基板に対向させ、両基板の間にシリコン板７４を介在させた積層体を構成する。そして液相エピタキシャル工程では、前記積層体をＴａＣからなる嵌合容器に収納して、１８００℃以上２２００℃以下の温度で加熱する。この加熱の初期段階には、図３６（ｃ）に示すようにシリコン板７４が融解し、前記炭素供給フィード基板と前記ＳｉＣ基板の間に極薄シリコン融液層８４が形成される。その後、加熱中間段階では、極薄シリコン融液層８４を介した液相成長が進行することで、前記ＳｉＣ基板表面にＳｉＣエピタキシャル層７６が形成される。前記液相エピタキシャル工程の最終段階では、図３６（ｅ）に示すように、所定の膜厚に制御した炭素供給フィーダー層である前記３Ｃ−ＳｉＣ多結晶７１の枯渇及びシリコン融液の蒸発が生じるため、前記ＳｉＣ基板７５と前記グラファイト基板７３との間でギャップが形成される。このギャップの形成により、自動的にシリコン蒸気圧下での加熱処理が開始され、前記ＳｉＣ基板上に形成した前記エピタキシャル層の表面が平坦化される。
【０２４２】
なお、前記液相エピタキシャル工程において、前記積層体は、炉内圧力が１０-2Ｐａ以下に維持された減圧下で加熱され、かつ、この時の酸素分圧は１０-5Ｐａ以下の減圧下に維持されている。また、加熱時の前記嵌合容器の内部雰囲気はシリコン蒸気圧下であり、その内部圧力は１Ｐａ以下に維持されることが好ましい。
【０２４３】
なお、上記のマスキング材料として、熱分解グラファイトの代わりに絶縁材の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用することもできる。この場合、十分な耐熱性を有するマスクを実現できるとともに、当該マスクに、ＳｉＣを基板として用いたＦＥＴデバイス用の絶縁膜としての機能を持たせることができるため、プロセスの簡略化が可能になる。なお、図３８には、ＡｌＮを絶縁膜としたグラファイト膜付きＦＥＴデバイスが概念的に示されている。
【０２４４】
ところで、ＭＳＥ法において量産化工程に対応させるには、前記エピタキシャル工程後に前記積層体に存在する余剰シリコン膜の除去工程の省略、エピタキシャル膜厚の制御（再現性を得ること）、液相エピタキシャル成長後にその場で表面平坦化工程を行うことが必要になる。しかし、本実施形態の量産工程に対応したＭＳＥ液相成長法は、以下に示す利点によってこの問題を解決するのである。第１の利点として、前記炭素供給フィード層の膜厚を制御しているため、エピタキシャル膜厚に再現性があることがある。第２の利点として、余剰シリコン膜の溶解除去工程が省略されていることがある。第３の利点として、余剰シリコン融液（余剰シリコン膜）がＳｉＣエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化（凝集）によって生じるＳｉＣエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防げることがある。第４の利点として、加熱昇華により余剰シリコン融液（余剰シリコン膜）の除去を行うため、前記シリコン融液除去工程後にＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始されることがある。これらの利点によって、上記問題が解決されるのである。
【０２４５】
以上に示したように、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板は、以下のような製造方法によって製造される。即ち、ＳｉＣ基板に対向配置される炭素供給フィード基板７の一側の面には差込部９２が形成されている。炭素供給フィード基板７の背面に配置される非炭素供給補助基板９０には、差込部９２に対応する突起９１が形成されている。前記液相エピタキシャル成長工程において、突起９１と差込部９２が嵌合した状態で、シード基板としてのＳｉＣ基板と炭素供給フィード基板７との間の隙間にシリコン極薄融液層４を介在させてエピタキシャル成長を可能とする。炭素供給フィード基板７が消失して枯渇した状態で、エピタキシャル成長が停止するので、エピタキシャル成長層（エピタキシャル成長膜）の厚みが制御される。また、余剰シリコン融液の除去工程と単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。
【０２４６】
これにより、エピタキシャル成長層を所定の厚みに制御できる。加えて、液相エピタキシャル層成長機能が停止した時に、シード基板と炭素供給フィード基板との間に隙間ができるので、余剰シリコン融液が冷却されて固まることなく外気に触れて自動的に気化する。従って、冷却された余剰シリコン膜を溶解除去する等の作業を省略でき、また、単結晶ＳｉＣエピタキシャル層の表面平坦化工程が自動的に開始される。このように、作業を省略による合理化を達成できるので生産性を効果的に向上させることができる。更に、余剰シリコン融液がＳｉＣエピタキシャル層上で固化されないため、シリコン固化（凝集）によって生じるＳｉＣエピタキシャル層内への歪みや転位欠陥の発生を防止できる。また、炭素供給フィード層９３の表面に突起を設けないことによって、ＭＳＥ成長工程におけるシリコン融液の安定保持を実現している。
【０２４７】
また、本実施形態のヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板の製造に用いられるマスク部材は、熱分解グラファイト又は窒化アルミニウムである。
【０２４８】
これにより、基板が用いられる用途に応じて、導電材である熱分解グラファイトと、絶縁材である窒化アルミニウムと、を使い分けることができる。また、窒化アルミニウムを絶縁膜として機能させることで、プロセスの簡略化を実現できる。
【０２４９】
また、以上に示してきたように、本実施形態で用いられる炭素供給フィード基板７は、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶基板、又は適宜の基材の表面にグラフェンシートやカーボンナノチューブ等の炭素ナノ材料が形成されている基板の少なくとも何れかで構成される。
【０２５０】
これにより、高い自由エネルギーを有する炭素供給フィード基板によって、炭素原子を良好に供給することができる。
【０２５１】
図３７に、グラフェンＦＥＴデバイス用ＳｉＣ基板の製造方法の一例を示す。前記製造方法は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）絶縁膜蒸着工程と、グラファイト膜形成工程と、グラファイト薄膜化工程と、を含む。ＡｌＮ絶縁膜蒸着工程（図３７（ａ））では、ＳｉＣ基板１０１の全面にＡｌＮ膜１０２をＭＯＣＶＤ法やＣＶＤなどの化学気相蒸着法により形成させる。次に、グラファイト膜形成工程（図３７（ｂ））では、グラファイト膜１０３を前記ＡｌＮ膜１０２の表面に形成させる。最終工程である前記グラファイト薄膜化工程（図３７（ｃ））では、オゾンガスを用いてグラファイト膜１０３を薄膜化することで、前記ＡｌＮ絶縁膜表面に分子層レベルのグラフェン膜を形成させる。これにより、図３７（ｄ）及び図３８に示すような、ＳｉＣ基板表面に形成される絶縁膜上にグラフェン膜１０４を形成した電界効果半導体ウエハーが形成される。
【０２５２】
以上に本発明の実施形態を説明したが、上記の構成は更に以下のように変更することができる。
【０２５３】
エピタキシャル成長層付き単結晶及びヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板の製造方法において、前記液相エピタキシャル工程で、坩堝２の密閉度を高めることで、又は、坩堝２の内容積を基板と炭素供給フィード基板７の積層体の体積に近づけることで、坩堝２内のシリコンの蒸気圧量を大きく保つように構成することもできる。
【０２５４】
また、本発明を適用する限りにおいて、以上に説明してきた製造方法の一部を変更して単結晶ＳｉＣ基板、エピタキシャル成長層付き単結晶ＳｉＣ基板、ヘテロ結晶多形の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板、又は炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板を製造することが可能である。例えば、本明細書で説明した各種の工程を適宜組み合わせて基板を製造することも可能である。また、上記実施形態の温度条件や圧力条件等は一例であって、事情に応じて適宜変更することができる。
【符号の説明】
【０２５５】
２  坩堝（嵌合容器）
４  極薄融液層
５  単結晶ＳｉＣ基板
７  炭素供給フィード基板
９１  突起（凸部）
９２  差込部（凹部）
【図１】
2010265126.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図６】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２６】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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