(57)【要約】【課題】種結晶裏面と種結晶支持部との間で生じる裏面昇華を防止し、成長結晶中に伸長するマクロ欠陥の発生をより確実に抑制できるようにした炭化珪素結晶成長用の種結晶固定部と固定方法を提供する。【解決手段】蓋体の種結晶支持部の表面に接着剤を介して第１の炭化珪素基板を接着し、この第１の炭化珪素基板上に接着剤を介して、種結晶として第２の炭化珪素基板を接着し、炭化珪素単結晶を成長させることにより、種結晶の裏面昇華を防ぎ、成長結晶中に伸長するマクロ欠陥を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素からなる支持部に種結晶を固定する種結晶固定部において、
前記支持部の表面に接着剤を介して第１の炭化珪素基板が接着され、
前記第１の炭化珪素基板上に前記接着剤と同一の接着剤を介して単結晶である第２の炭化珪素基板が接着されていることを特徴とする種結晶固定部。
【請求項２】
前記第１の炭化珪素基板が多結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の種結晶固定部。
【請求項３】
前記第１の炭化珪素基板が単結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の種結晶固定部。
【請求項４】
炭素からなる支持部の表面に第１の接着剤を介して第１の炭化珪素基板を配置する工程と、
前記第１の炭化珪素基板上に前記接着剤と同一である第２の接着剤を介して単結晶である第２の炭化珪素基板を配置する工程と、
前記第１と第２の接着剤とを硬化させる工程と、
を含むことを特徴とする種結晶固定方法。
【請求項５】
前記第１の炭化珪素基板が多結晶基板であることを特徴とする請求項４に記載の種結晶固定方法。
【請求項６】
前記第１の炭化珪素基板が単結晶基板であることを特徴とする請求項４に記載種結晶固定方法。
【請求項７】
前記接着剤は、耐熱性微粒子と熱硬化性樹脂と有機溶剤を含んでおり、加熱により硬化することを特徴とする請求項４乃至６に記載の種結晶固定方法。
【請求項８】
前記耐熱性微粒子は黒鉛微粒子であり、前記熱硬化性樹脂はフェノール樹脂であり、前記有機溶剤はフルフリルアルコールであることを特徴とする請求項７に記載の種結晶固定方法。
【請求項９】
前記第１と第２の接着剤の塗布厚みは、５０μｍから２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の種結晶固定方法。
【請求項１０】
前記接着剤を硬化させる工程は、
室温で約４時間放置する工程と、
室温から約１２９℃まで毎分１０℃で昇温する工程と、
約１２９℃で約４時間保持する工程と、
約１２９℃から約２６０℃まで毎分１０℃で昇温する工程と、
約２６０℃で約２時間保持する工程と
からなることを特徴とする請求項４に記載の種結晶固定方法。
【請求項１１】
前記第１と第２の接着剤を硬化させる工程において、前記第２の炭化珪素基板上に加圧部材を配置して前記第２の炭化珪素基板に０．５ＭＰａ以上の圧力を加えることを特徴とする請求項４に記載の種結晶固定方法。
【請求項１２】
請求項４乃至１１のいずれかに記載の固定方法により固定された種結晶を用いて製造されたことを特徴とする単結晶炭化珪素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素単結晶成長用の種結晶を種結晶支持部に固定するための固定構造と固定方法、及びそれらを用いた炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、大きな熱伝導率、低い誘電率、広いバンドギャップを有し、熱的、機械的に安定した特性を持っている。従って、炭化珪素を用いた半導体素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子よりも高い性能を持つ。その利用範囲は、高温の環境で使用される耐環境デバイス材料、耐放射線デバイス材料、電力制御用パワーデバイス材料、高周波デバイス材料などが期待されている。この炭化珪素単結晶基板の製造方法として、昇華再結晶法（「改良レーリー法」とも呼ばれる）が主に採用されている。
【０００３】
図７は、この昇華再結晶法に用いられる装置の概略図で、坩堝７と種結晶支持部を備えた蓋体１よりなる黒鉛製坩堝７の下半部内には、原料粉末として炭化珪素粉末６が収容してあり、これに対向する蓋体１の種結晶支持部には種結晶４が配置してある。坩堝内は、炭化珪素粉末６側が高温に、種結晶４側が低温になるように保持され、炭化珪素粉末６の昇華ガスが低温の種結晶４上で再結晶することにより単結晶５が成長する。
【０００４】
上記方法において、種結晶４は、通常、蓋体１に設けた種結晶支持部に接着剤２を用いて固定される。その固定方法として、例えば、種結晶支持部と種結晶とを固定する際に用いる接着剤として、高分子材料を含有する接着剤を用いて高温処理することにより前記接着剤を炭化させるという方法が開示されている（特許文献１）。
【０００５】
また、炭水化物と耐熱性微粒子と溶媒からなる接着剤（固定剤）を常温で乾燥させるという方法が開示されている（特許文献２）。
【０００６】
また、種結晶の種結晶支持部と接着する面側の表面層を除去し、この表面層が除去された新たな面と種結晶支持部をカーボン粉末、高分子材料、有機溶媒から構成される接着剤を介して配置し、熱処理することにより固定するという方法が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平９−１１０５８４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７１６９１号公報
【特許文献３】特開２００３−１１９０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の特許文献１から３における種結晶の固定方法の場合、図８（ａ）に示すように、接着剤２を乾燥・硬化させる工程において、接着層２に気泡が発生しやすく、接着層２に空隙８が残ってしまう。この空隙８が存在する状態で単結晶を成長させると、空隙８がなく接着剤２に密着している場所では蓋体１に熱が伝導するため、種結晶４と蓋体１の温度勾配はなく、空隙８が存在する場所では種結晶４が蓋体１に熱を逃がさないために、局所的に種結晶４と蓋体１の間に温度勾配が生じる。この結果、図８（ｂ）に示すように、空隙２部分で種結晶４から温度の低い蓋体１に向かって種結晶４の昇華が起こる。昇華ガスは黒鉛製の蓋体１がガス不透過性ではないため、蓋体１を透過して外側に出て行く。こうした、種結晶４裏面で起こる裏面昇華は、種結晶４と蓋体１の貼付け面の複数箇所で発生し、単結晶成長中において継続して起こり、図８（ｃ）に示すように、種結晶４を貫通し、成長結晶に伝播する大きな欠陥（マクロ欠陥）９を引き起こす。このマクロ欠陥９は、成長結晶からウェーハを切り出した際に、厚さ方向に貫通する中空欠陥となる。このような中空欠陥上にデバイスを作成した場合、デバイス特性が極端に劣化する、あるいはデバイス動作さえしないという問題がある。
【０００８】
本発明は、この従来の課題を解決するもので、種結晶裏面と種結晶支持部との間で生じる裏面昇華を防止し、成長結晶中に伸長するマクロ欠陥の発生をより確実に抑制できるようにした単結晶成長用の種結晶固定部と固定方法、およびそれらを用いた単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の種結晶固定部は、炭素からなる支持部に種結晶を固定する種結晶固定部において、前記支持部の表面に接着剤を介して第１の炭化珪素基板が接着され、前記第１の炭化珪素基板上に前記接着剤と同一の接着剤を介して単結晶である第２の炭化珪素基板が接着されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の種結晶固定方法は、炭素からなる支持部の表面に第１の接着剤を介して第１の炭化珪素基板を配置する工程と、前記第１の炭化珪素基板上に前記接着剤と同一である第２の接着剤を介して単結晶である第２の炭化珪素基板を配置する工程と、前記第１と第２の接着剤とを硬化させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の種結晶固定部は、種結晶支持部の表面に接着剤を介して第１の炭化珪素基板が接着され、この第１の炭化珪素基板上に接着剤を介して第２の炭化珪素基板が接着されている。そのため、接着剤を硬化させる工程において、仮に種結晶支持部と第１の炭化珪素基板間の接着剤に空隙ができたとしても、第１の炭化珪素基板は裏面昇華するが、第１の炭化珪素基板と第２の炭化珪素基板間の接着剤があるため、昇華再結晶法において炭化珪素の結晶を作るための種結晶基板である第２の炭化珪素基板の裏面昇華が防止され、成長結晶中に伸長するマクロ欠陥の発生を抑制できる。
【００１２】
また、第１の炭化珪素基板と種結晶である第２の炭化珪素基板間の接着剤に空隙ができたとしても、この空隙ができた接着剤よりも低温側に、第１の炭化珪素基板があるため、種結晶基板である第２の炭化珪素基板の裏面昇華が防止され、成長結晶中に伸長するマクロ欠陥の発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、種結晶固定構造と固定方法及びそれらを用いた単結晶製造方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１における種結晶の固定構造を示すものである。まず黒鉛製の蓋体１に設けられた種結晶支持部に接着剤２を均一な厚さになるように塗布する。接着剤２として、フェノール樹脂とホルムアルデヒドが主成分であり、フルフリルアルコールを溶剤とし、耐熱性微粒子である黒鉛粒子が含まれている商品名グラフィボンド５５１−RN（アレムコ・プロダクツ製）を用いた。その後、厚さが約６００μｍの多結晶炭化珪素基板３を、種結晶支持部に塗布した接着剤に密着させて貼り合せる。
【００１５】
然る後、この多結晶炭化珪素基板３上に、接着剤２を均一な厚さとなるように塗布し、その上に種結晶４を密着させ貼り合せる。本実施例では、種結晶４としてレーリー法により製造された厚さ約４００μｍのレーリー基板を用い、（０００−１）カーボン面を接着面とした。
【００１６】
その後、接着面を加圧して接着部の密着性を向上させるために、加圧部材５を前記種結晶上に配置する。
【００１７】
次に、前述のように加圧部材５を載せたまま、恒温槽中に配置し、熱処理により接着剤を乾燥・硬化する。これは、接着剤２中に含まれる溶媒を蒸発させるとともに、フェノール樹脂を硬化させるためである。この乾燥・硬化の熱処理は空気中で行い、熱処理温度と時間としては、室温で約４時間保持した後、約１２９℃まで１０℃／分で昇温し、約１２９℃で約４時間保持し、約１２９℃から約２６０℃まで１０℃／分で昇温して約２６０℃で約２時間保持した後、自然冷却する。
【００１８】
なお、上述の接着剤２の塗布厚さと、加圧部材５により種結晶に加える加重については、接着剤２の塗布厚さ、および加圧部材５により種結晶に加わる加重を変えて、熱処理により硬化させて、接着強度を評価し、最適な条件を決定した。接着剤２の硬化条件は、上記に示した本実施例の接着剤２の硬化条件で行った。その結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
種結晶に加わる加重が０．３ＭＰａでは、接着剤の塗布厚さに依らず接着強度が弱く、ピンセット等で少し力を加えるだけで簡単に接着面が剥がれた。また、この場合は、硬化後の接着剤中に空隙の発生が多く見られた。種結晶に加わる加重が０．５ＭＰａ以上の場合は、接着剤の塗布厚さが５０μｍ以上であれば、十分な接着強度が得られた。しかしながら、種結晶に加わる加重が０．５ＭＰａ以上の場合、接着剤の塗布厚さが３００μｍ以上では、硬化中に接着剤が貼り付け面の端から溢れ出していた。この状態のまま、後述のような結晶成長を行うと、溢れ出した接着剤上に多結晶炭化珪素が成長し、種結晶から成長した炭化珪素単結晶と接触し、成長した炭化珪素単結晶の結晶品質を悪化させた。従って、接着剤２の塗布厚さの最良の範囲は５０μｍから２００μｍであり、また加圧部材５による種結晶への加重は０．５ＭＰａ以上が良い。
【００２１】
本実施例では、接着剤の塗布厚さを２００μｍ、加圧部材５により種結晶に加わる加重を１．０ＭＰａとした。また、本実施例において、接着剤２は商品名グラフィボンド５５１−ＲＮ（アレムコプロダクツ製）を用いたが、これに限ることなく、黒鉛微粒子やセラミック微粒子等の高耐熱性微粒子と熱硬化樹脂を有機溶媒により混合したものであれば使用できる。また、接着剤の硬化条件も、本実施例に記載した条件に限らず、接着剤の材質に応じて適宜調整すれば良い。
【００２２】
上記のようにして、図１ｂに示すような種結晶固定構造体を得た。その後、昇華再結晶法を用いて炭化珪素単結晶を成長した。図２は、本実施例で用いた成長装置の概略図である。坩堝７内に炭化珪素原料６を収容し、蓋体１の種結晶支持部に固定した種結晶４を、炭化珪素原料６に対向するように配置する。
【００２３】
昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶成長では、炭化珪素原料６を昇華させなければならないが、炭化珪素の昇華は、２０００℃以上の高温が必要である。２０００℃以上の高温では、温度の４乗に比例して輻射熱が失われるため、坩堝７および蓋体１を断熱材８で覆う必要がある。この断熱材８で覆った坩堝７及び蓋体１を、石英製の反応管９内に配置する。この反応管９は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水１０を流して冷却している。また反応管９の上部にガス導入口１１が、下部にはガス排気口１２が設けられている。
【００２４】
その後、反応管９内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、純度などの面から、アルゴン（Ａｒ）が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口１２から反応管９内を高真空排気し、その後、ガス導入口１１から不活性ガスを常圧まで充填する。反応管９内部を十分にアルゴンガス置換するために、この工程を数回繰り返した方が良い。
【００２５】
その後、反応管９の周囲にらせん状に巻かれたコイル１３に高周波電流を流すことにより、坩堝７および蓋体１を高周波加熱し昇温する。昇温時には、反応管９内部は、数１０ｋＰａ程度の圧力にしておく必要がある。これは、低温時（所望の結晶成長温度以下）における炭化珪素原料６の昇華を防ぎ、結晶成長を開始させないようにするためである。
【００２６】
加熱時の温度制御は、反応管９上下部に設けられている石英製の温度測定用窓１４、及び断熱材８の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計１５で、坩堝７下部、及び蓋体１上部の温度を測定し、高周波電源（図示せず）にフィードバックをかけ、コイル１３に流す高周波電流を制御して行っている。このようにして、所望の温度まで昇温した後、徐々に圧力を下げて結晶成長を開始させる。本実施例では、坩堝７下部温度を２２５０℃、坩堝上部の中心点の温度を２２００℃、反応管９内部の圧力を０．６６５ｋPaとし、２０時間保持して結晶成長を行った。
【００２７】
結晶成長終了時は、成長開始時とは逆に、反応管９内部の圧力を８０ｋＰａまで１時間かけて昇圧して、炭化珪素原料６からの原料の昇華を止め、その後、常温までゆっくりと冷却した。
【００２８】
上記のようにして得られた炭化珪素単結晶を成長方向に平行にスライスし、透過型光学顕微鏡で観察を行った。図３にその写真を示す。図３から明らかなように、種結晶裏面からの昇華は観察されず、そのため成長した炭化珪素単結晶中にマクロ欠陥は全く無かった。
【００２９】
以上のように、種結晶支持部の表面に接着剤を介して炭化珪素多結晶基板を接着し、この炭化珪素多結晶基板上に接着剤を介して種結晶を接着して、炭化珪素単結晶を成長させることにより、マクロ欠陥を抑制でき、高品質な単結晶を得ることができる。
【実施例２】
【００３０】
図４は、本発明の実施例２における種結晶の固定構造を示すものである。まず黒鉛製の蓋体１に設けられた種結晶支持部に接着剤２を均一な厚さになるように塗布する。本実施例では、接着剤２として、フェノール樹脂とホルムアルデヒドが主成分であり、フルフリルアルコールを溶剤とし、耐熱性微粒子である黒鉛粒子が含まれている商品名グラフィボンド５５１−ＲＮ（アレムコ・プロダクツ製）を用いた。また塗布厚さは、２００μｍとした。その後、炭化珪素単結晶基板１６を、種結晶支持部に塗布した接着剤２に密着させて貼り合せる。この炭化珪素単結晶基板１６としては、レーリー法で作製された厚さ約４００μｍのレーリー基板を用い、（０００−１）カーボン面を種結晶支持部側に向けて貼り合せた。
【００３１】
然る後、この炭化珪素単結晶基板１６の（０００１）シリコン面に接着剤２を均一な厚さとなるように塗布し、その上に種結晶４を密着させ貼り合せる。本実施例では、接着剤２の塗布厚さを２００μｍに、また種結晶４としてレーリー法により製造された厚さ約４００μｍのレーリー基板を用い、（０００−１）カーボン面を接着面とした。
【００３２】
その後、加圧部材５を前記種結晶４上に配置する。本実施例では、加圧部材５として黒鉛製のブロックを用い、荷重として種結晶に対して１．０ＭＰａ加わるようにした。  次に、前述のように加圧部材５を載せたまま、恒温槽中に配置し、熱処理により接着剤を乾燥・硬化する。これは、接着剤２中に含まれる溶媒を蒸発させるとともに、フェノール樹脂を硬化させるためである。この乾燥・硬化の熱処理は空気中で行い、熱処理温度と時間としては、室温で４時間保持した後、約１２９℃まで１０℃／分で昇温し、約１２９℃で４時間保持し、約１２９℃から約２６０℃まで１０℃／分で昇温して約２６０℃で２時間保持し、その後、自然冷却した。
【００３３】
本実施例では、接着剤２として商品名グラフィボンド５５１−ＲＮ（アレムコプロダクツ製）を用いたが、これに限ることなく、黒鉛微粒子やセラミック微粒子等の高耐熱性微粒子と熱硬化樹脂を有機溶媒により混合したものであればかまわない。また、接着剤の硬化条件も、本実施例に記載した条件に限らず、接着剤の材質に応じて調整すれば良い。
【００３４】
上記のようにして、図４ｂに示すような種結晶固定構造体を作製した。その後、昇華再結晶法を用いて炭化珪素単結晶を成長した。この炭化珪素単結晶の成長は、実施例１と全く同じ成長装置および成長条件で行った。
【００３５】
このようにして、得られた炭化珪素単結晶を成長方向に平行にスライスし、透過型光学顕微鏡で観察を行った。その結果、種結晶裏面からの昇華は観察されず、そのため成長した炭化珪素単結晶中にマクロ欠陥は全く無かった。
【００３６】
以上のように、種結晶支持部の表面に接着剤を介して炭化珪素単結晶基板を接着し、この炭化珪素単結晶基板上に接着剤を介して種結晶を接着して、炭化珪素単結晶を成長させることにより、マクロ欠陥を抑制でき、高品質な単結晶を得ることができる。
【００３７】
（比較例）
以上の実施例１および実施例２で作製した炭化珪素単結晶と、従来の方法で作製した炭化珪素単結晶の比較を行った。図５は、本比較例における種結晶の固定構造を示すものである。まず黒鉛製の蓋体１に設けられた種結晶支持部に接着剤２を均一な厚さになるように塗布する。接着剤２としては、実施例１および実施例２で用いたものと同じ、フェノール樹脂とホルムアルデヒドが主成分であり、フルフリルアルコールを溶剤とし、耐熱性微粒子である黒鉛粒子が含まれている商品名グラフィボンド５５１−ＲＮ（アレムコ・プロダクツ製）を用いた。また塗布厚さは、実施例１および実施例２と同じく２００μｍとした。その後、種結晶を密着させ貼り合せる。種結晶としてレーリー法により製造された厚さ約４００μｍのレーリー基板を用い、（０００−１）カーボン面を接着面とした。
【００３８】
その後、加圧部材５を前記種結晶上に配置する。加圧部材として黒鉛製のブロックを用い、実施例１および実施例２と同じく荷重として種結晶に対して１．０MPa加わるようにした。
【００３９】
次に、前述のように加圧部材５を載せたまま、恒温槽中に配置し、熱処理により接着剤を乾燥・硬化する。この乾燥・硬化の熱処理は、実施例１および実施例２と同様に行い、その後、自然冷却した。
【００４０】
上記のようにして、図５ｂのような構造体を得た。その後、昇華再結晶法を用いて炭化珪素単結晶を成長した。結晶成長は、実施例１および実施例２と全く同じ成長条件で行った。
【００４１】
上記のようにして得られた炭化珪素単結晶を成長方向に平行にスライスし、透過型光学顕微鏡で観察を行った。その写真を図６に示す。前述したように図３に示される実施例１および実施例２により得られた炭化珪素単結晶は、種結晶の裏面昇華および単結晶中に伸長するマクロ欠陥は全く見られない。しかし、図６で明らかなように、比較例で示した従来方法で得られた炭化珪素単結晶は、蓋体の種結晶支持部と種結晶との間の接着剤から種結晶を貫通し単結晶部分まで伸長するマクロ欠陥が多数観察されている。
【００４２】
以上のことから、本発明を用いて製造された炭化珪素単結晶は、種結晶の裏面昇華が防止されているため、単結晶部分へ伸長するマクロ欠陥が全く発生せず、従来技術によって得られた炭化珪素単結晶と比較して、非常に高品質の炭化珪素単結晶を作製できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明にかかる種結晶固定構造と固定方法及びそれらを用いた単結晶製造方法は、種結晶裏面からの昇華を防止し、成長結晶中へのマクロ欠陥の導入を抑制できるため、昇華法により成長できる単結晶である硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１における種結晶固定方法および固定部を示す図
【図２】本発明の実施例１における炭化珪素単結晶の製造装置の概略図
【図３】本発明の実施例１で得られた炭化珪素単結晶の断面写真を示す図
【図４】本発明の実施例２における種結晶固定方法および固定部を示す図
【図５】従来方法における種結晶固定方法および固定構造を示す図
【図６】従来方法で得られた炭化珪素単結晶の断面写真を示す図
【図７】昇華再結晶法の説明図
【図８】従来方法におけるマクロ欠陥の発生メカニズムの説明図
【符号の説明】
【００４５】
１  蓋体
２  接着剤
３  炭化珪素多結晶基板
４  炭化珪素単結晶基板（種結晶）
５  加圧部材
６  炭化珪素原料
７  坩堝
８  断熱材
９  反応管
１０  冷却水
１１  ガス導入口
１２  ガス排気口
１３  コイル
１４  温度測定用窓
１５  放射温度計
１６  炭化珪素単結晶基板
【図１】
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【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６】
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【図７】
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【図８】
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