(57)【要約】【課題】処理対象物面内に形状の揃った複数の凹部を再現性よく形成でき、量産性に適した凹部形成方法及び熱処理炉を提供する。【解決手段】少なくとも一方の面に炭化珪素層を有する基板を処理対象物Ｗとし、この炭化硅素層にエッチング処理により凹部を形成するエッチング工程と、エッチング済みの処理対象物に対して熱処理を施す熱処理工程とを含む。熱処理工程は、凹部が形成された一方の面を開放してエッチング済みの処理対象物を、熱伝導性を有するトレイＴで保持する工程と、トレイから処理対象物に向かう方向を上として少なくとも凹部の開口面の直上に位置するように炭化硅素で構成される昇華材Ｓを保持する工程と、処理対象物をトレイと昇華材と共に加熱する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の面に炭化珪素層を有する基板を処理対象物とし、この炭化硅素層にエッチング処理により凹部を形成するエッチング工程と、エッチング済みの処理対象物に対して熱処理を施す熱処理工程とを含む凹部形成方法において、
熱処理工程は、凹部が形成された一方の面を開放してエッチング済みの処理対象物を、熱伝導性を有するトレイで保持する工程と、トレイから処理対象物に向かう方向を上として少なくとも凹部の開口面の直上に位置するように炭化硅素で構成される昇華材を保持する工程と、処理対象物をトレイと昇華材と共に加熱する工程とを含むことを特徴とする凹部形成方法。
【請求項２】
前記処理対象物の一方の面と前記昇華材との間の間隔を１０ｍｍ以下に設定することを特徴とする請求項１記載の凹部形成方法。
【請求項３】
前記処理対象物を１４００℃以上２０００℃以下の範囲内の温度に加熱することを特徴とする請求項１または２記載の凹部形成方法。
【請求項４】
少なくとも一方の面に炭化珪素層を有してこの炭化珪素層にエッチング処理により凹部が形成されている基板を処理対象物とし、この処理対象物に対して熱処理を施す熱処理炉において、
炉内を加熱するヒータと、
炉内に着脱自在に設置され、凹部が形成された一方の面を開放して処理対象物を保持する熱伝導性を有するトレイと、
炉内で処理対象物の少なくとも凹部の開口面の直上位置に、炭化硅素製の昇華材を保持するホルダと、を備えることを特徴とする熱処理炉。
【請求項５】
前記トレイは、一方の面に環状の突条壁を備える板状部材で構成され、この突条壁で囲われる空間を処理対象物の収容部とすると共に、前記昇華材として板状に成形したものを用い、この板状の昇華材が突条壁の先端で支持されるようにしてこの突条壁で前記ホルダを構成したことを特徴とする請求項４記載の熱処理炉。
【請求項６】
前記トレイは、他方の面に昇華材が設けられた板状部材で構成され、
一のトレイ上に他のトレイを積み重ねたとき、トレイの他方の面がホルダを構成するようにしたことを特徴とする請求項４記載の熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹部形成方法及び熱処理炉に関し、より詳しくは、少なくとも一方の面に炭化硅素層を有する基板を処理対象物とし、この炭化硅素層に凹部を形成するのに適したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化硅素はパワー半導体の材料として注目されており、パワー半導体の製造工程においては、炭化硅素基板や炭化硅素膜の一方の面に、ポリシリコンなどの充填材料が充填されるトレンチやホール（以下、これらを纏めて「凹部」という）を形成する工程がある。ここで、パワー半導体の耐圧特性を向上させるには、凹部の形状を所定形状に制御する必要がある。具体的には、凹部の底面と内壁面とのコーナーを丸めてＵ字状の輪郭を持つ断面形状にすると共に、凹部の内壁面を凹凸のない滑らかなものにする必要があるが、炭化硅素はシリコンに比べて硬質の材料である。このため、所謂ドライエッチング処理により凹部をエッチングしても、その形状を上記断面形状に制御することには大変な困難が伴うという問題がある。
【０００３】
このような問題の解決策として、従来、少なくとも一方の面に炭化珪素層を有する基板を処理対象物とし、この炭化硅素層にエッチング処理により凹部を形成するエッチング工程と、エッチング済みの処理対象物に対して熱処理を施す熱処理工程とを含む処理対象物への凹部形成方法が例えば特許文献１で知られている。このものでは、熱処理工程の際、エッチング済みの処理対象物に対して熱処理を施す熱処理炉内にシランガスを導入し、シランガスに含まれるシリコンを凹部内に供給しつつ処理対象物を加熱している。
【０００４】
ここで、処理対象物面内に形成される全ての凹部の形状を揃えるには、処理対象物全体を均一に加熱しながら各凹部内にシリコンを均一に供給することが必要となる。然し、量産性を高めるために熱処理を実施する熱処理炉内にエッチング済みの処理対象物の複数枚を格納し、シランガスを導入しながら熱処理を施すような場合（所謂バッチ処理）、各処理対象物の全ての凹部内に対してシリコンが均一に供給されるようなガス分布を持つ装置構成に設計することが難しく、また、たとえ均一ガス分布を持つような装置構成に設計できたとしても、熱処理炉の使用状態や熱処理炉への各処理対象物の出し入れで炉内の雰囲気が変化すると、ガス分布も変化してしまい、結果として、再現性が悪く、量産性に適したものと言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８９９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、処理対象物面内に形状の揃った複数の凹部を再現性よく形成でき、量産性に適した凹部形成方法及び熱処理炉を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、少なくとも一方の面に炭化珪素層を有する基板を処理対象物とし、この炭化硅素層にエッチング処理により凹部を形成するエッチング工程と、エッチング済みの処理対象物に対して熱処理を施す熱処理工程とを含む本発明の凹部形成方法は、熱処理工程が、凹部が形成された一方の面を開放してエッチング済みの処理対象物を、熱伝導性を有するトレイで保持する工程と、トレイから処理対象物に向かう方向を上として少なくとも凹部の開口面の直上に位置するように炭化硅素で構成される昇華材を保持する工程と、処理対象物をトレイと昇華材と共に加熱する工程とを含むことを特徴とする。なお、本発明において、炭化硅素層を有する基板には、基板自体が炭化硅素層の機能を果たす炭化硅素基板が含まれるものとする。
【０００８】
本発明によれば、熱処理工程にてエッチング済み処理対象物を加熱すると、凹部の内壁面からシリコンが脱離する一方で、この凹部のシリコン脱離部分には、同時に加熱されている昇華材から昇華したシリコンが供給される。シリコン脱離部分では、昇華材から供給されるシリコンや、処理対象物から脱離したシリコンが付着して炭素と反応し、再度炭化硅素を生成する。このように凹部の内壁面にてシリコンの脱離と炭化硅素の生成とを繰り返して平衡状態になると、凹部の内壁面が滑らかになると共に凹部のコーナーが丸められ、その結果、Ｕ字状の輪郭となる。上記熱処理工程の際、処理対象物をトレイで保持させて当該トレイも加熱されるようにすることで、処理対象物が略均等に加熱されると共に、各凹部の開口面の直上に昇華材が存して当該昇華材から昇華したシリコンが各凹部内に夫々供給されるため、形状の揃った複数の凹部を形成できる。この場合、処理対象物の各凹部の開口面の直上に昇華材を設置するだけで、熱処理炉内の雰囲気に関係なく、再現性よく各処理対象物の全ての凹部に対してシリコンが均一に供給されるため、量産性を著しく向上することができる。
【０００９】
なお、作業性を高めて量産性を更に向上するには、昇華材を、処理対象物の一方の面と同等以上の面積を持つ板状部材で構成することが好ましく、板状部材で構成する場合には、処理対象物の一方の面に板状部材としての昇華材を載置、または、トレイで保持させ、この状態で熱処理を施すようにしてもよい。ここで、処理対象物の一方の面の面積と板状部材の面積が同等とは、両面積が厳密に一致する場合だけでなく、処理対象物の一方の面で凹部を含むデバイスが形成される領域の面積と板状部材の面積とが一致する場合を含むものとする。また、昇華材の厚さは、処理対象物の厚さと同等であってもよい。
【００１０】
本発明において、前記処理対象物の一方の面と前記炭化硅素との間の間隔を１０ｍｍ以下に設定すれば、凹部のシリコン脱離部分に、昇華材から昇華したシリコンや、処理対象物から脱離したシリコンを効率よく付着させることができる。
【００１１】
本発明において、加熱工程での加熱温度を１４００℃以上２０００℃以下に設定することが好ましい。加熱温度がこの範囲を外れると、凹部形状を上記形状に制御できない場合がある。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、少なくとも一方の面に炭化珪素層を有してこの炭化珪素層にエッチング処理により凹部が形成されている基板を処理対象物とし、この処理対象物に対して熱処理を施す本発明の熱処理炉は、炉内を加熱するヒータと、炉内に着脱自在に設置され、凹部が形成された一方の面を開放して処理対象物を保持する熱伝導性を有するトレイと、炉内で処理対象物の少なくとも凹部の開口面の直上位置に、炭化硅素製の昇華材を保持するホルダと、を備えることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、保持手段により処理対象物の少なくとも凹部の開口面の直上の位置に昇華材を保持するため、処理対象物と共に加熱された昇華材から昇華したシリコンが各凹部内に供給される。これと同時に、処理対象物を保持するトレイも加熱されるため、処理対象物が略均等に加熱される。従って、上述したように、処理対象物面内での凹部形状のバラツキを可及的に少なくでき、処理室内の雰囲気に関係なく再現性よく全ての凹部内にシリコンを均一に供給できる、量産性に適した熱処理炉が得られる。
【００１４】
本発明において、前記トレイは、一方の面に環状の突条壁を備える板状部材で構成され、この突条壁で囲われる空間を処理対象物の収容部とすると共に、前記昇華材として板状に成形したものを用い、この板状の昇華材が突条壁の先端で支持されるようにしてこの突条壁で前記ホルダを構成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明において、前記トレイは、一方の面に昇華材が設けられた板状部材で構成され、一のトレイ上に他のトレイを積み重ねたとき、トレイの他方の面がホルダを構成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の熱処理炉を示す模式的断面図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の凹部形成方法の工程を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施形態の変形例の熱処理炉の要部を拡大して示す模式図。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の効果を確認する実験結果を示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の凹部形成方法及び熱処理炉について説明する。
【００１８】
図１を参照して、ＴＭは、複数枚の処理対象物Ｗに対して一括して熱処理を施す熱処理炉であり、この熱処置炉ＴＭは、熱処理が施される処理室１を備える。処理室１の天井部には、マスフローコントローラ２１が介設されたガス管２が接続され、処理室１に所定流量の不活性ガス（例えば、アルゴンガスや窒素ガス）を導入できるようになっている。処理室１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管３が接続され、処理室１内を真空引きできるようになっている。以下においては、図１中、処理室１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
【００１９】
炉内（処理室１内）には、マガジン４が配置されている。マガジン４には、処理対象物Ｗを保持したトレイＴの複数個が上下方向に間隔を存して収容でき、これにより、炉内にトレイＴを着脱自在に設置できる。各トレイＴに保持された処理対象物Ｗは、後述する凹部が形成された一方の面が開放されている。マガジン４の底部には昇降手段４１の昇降軸４１ａが連結されており、図示省略の搬送ロボットを用いて炉内のマガジン４に対してトレイＴを搬送（搬出または搬入）する際、マガジン４が昇降自在となっている。トレイＴは、上面に環状の突条壁Ｔｗを備える板状部材で構成され、この突条壁Ｔｗで囲われる空間を処理対象物Ｗの収容部としている。処理対象物Ｗとしては、少なくとも一方の面に炭化硅素層を有する基板を用いることができ、この炭化硅素層にはエッチング処理により凹部が形成されている。尚、炭化硅素層を有する基板には、基板自体が炭化硅素層として機能する炭化硅素基板が含まれるものとする。トレイＴに保持された処理対象物Ｗ上には、処理対象物Ｗの上面と同等の面積を持つ板状に成形した炭化硅素製の昇華材Ｓが載置されている。これにより、炉内で処理対象物Ｗの少なくとも凹部の開口面の直上位置に、昇華材Ｓが保持され、この板状の昇華材Ｓが突条壁Ｔｗの先端で支持されることで、この突条壁Ｔｗが、昇華材Ｓを上記位置に保持するホルダを構成する。この場合、突条壁Ｔｗの高さは、処理対象物Ｗと昇華材Ｓとの合計の厚みと同等以上に設定すればよい。トレイＴは、例えばカーボンのような熱伝導性を有し、炉内で処理対象物Ｗと共に加熱されることで、処理対象物Ｗを略均等に加熱できるようになっている。
【００２０】
熱処理炉ＴＭは、ヒータ５を備え、このヒータ５は、処理室１の側壁外側に巻回されるコイル５１と、コイル５１に高周波電力を投入する電源５２とで構成される。そして、電源５２からコイル５１に高周波電力を投入することで、炉内を誘導加熱できるようになっている。
【００２１】
以下、図２も参照して、処理対象物Ｗを炭化硅素基板とし、この炭化硅素基板Ｗの上面に凹部たるトレンチを形成する場合を例に、本実施形態の凹部形成方法について説明する。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、炭化硅素基板Ｗの表面にマスクＭを形成した後、炭化硅素基板Ｗをドライエッチング処理することによりトレンチＴＲ１を形成する（エッチング工程）。マスクＭとしては、酸化シリコンで形成されるハードマスクを用いることができ、マスクＭやエッチング条件については公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。エッチングにより形成されたトレンチＴＲ１の形状は、底面と内壁面とのコーナーが角張っており、その内壁面には凹凸が形成されている。このようなトレンチＴＲ１に充填材料を充填すると、絶縁耐圧が低くなることから、以下に説明するように、上記熱処理炉ＴＭを用いて、エッチング済みの炭化硅素基板Ｗに対して熱処理を施す熱処理工程を行う。
【００２３】
先ず、エッチング済みの炭化硅素基板ＷをトレイＴに保持した後、炭化硅素基板Ｗ上に昇華材Ｓを載置してこの昇華材Ｓを突条壁Ｔｗの先端で支持する。これにより、炭化硅素基板Ｗの少なくともトレンチＴＲ１の各々の開口面の直上位置に、昇華材Ｓが保持される。その後、図外の搬送ロボットを用い、昇降手段４１を作動させながら、複数枚のトレイＴを炉内のマガジン４に収容する。その後、炉内を所定の真空度まで真空引きした後、マスフローコントローラ２１を制御して不活性ガスを所定の流量で導入して炉内の圧力を大気圧とする。不活性ガスとしては、アルゴンガスや窒素ガスを用いることができる。これと併せて、電源５２からコイル５１に高周波電力を投入して炉内を誘導加熱することにより、炭化硅素基板ＷがトレイＴと昇華材Ｓと共に加熱される（熱処理工程）。
【００２４】
ここで、熱処理工程にて、エッチング済みの炭化硅素基板Ｗを加熱すると、トレンチＴＲ１の内壁面からシリコンが脱離する一方で、このシリコン脱離部分には、同時に加熱されている昇華材Ｓから昇華したシリコンが供給される。シリコン脱離部分では、昇華材Ｓから昇華したシリコンや、炭化硅素基板Ｗから脱離したシリコンが付着して炭素と反応し、炭化硅素を生成する。このようにトレンチＴＲ１の内壁面にてシリコンの脱離と炭化硅素の生成とを繰り返して平衡状態になると、トレンチＴＲ２の内壁面が滑らかになると共にトレンチＴＲ２のコーナーが丸められ、その結果、Ｕ字状の輪郭となる。このとき、炭化硅素基板ＷをトレイＴに保持させてトレイＴも加熱されるようにすることで、炭化硅素基板Ｗが略均等に加熱されると共に、各トレンチＴＲ２の開口面の直上に昇華材Ｓが存して、昇華材Ｓから昇華したシリコンが各トレンチＴＲ２内に夫々供給されるため、形状の揃った複数のトレンチＴＲ２を形成できる。この場合、炭化硅素基板Ｗの各トレンチＴＲ１の開口面の直上に昇華材Ｓを設置するだけで、熱処理炉内の雰囲気に関係なく、再現性よく各炭化硅素基板Ｗの全てのトレンチＴＲ２に対してシリコンが均一に供給されるため、量産性を著しく向上することができる。しかも、従来例の如くシランガスを用いる必要はないため、除外設備を設ける必要がなく、従来例に比べて低コストである。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、炭化硅素基板Ｗと昇華材Ｓとが相互に接しているが、両者の間に間隔が存していてもよい。この場合、両者間の間隔は１０ｍｍ以下に設定することができ、この範囲内では、トレンチのシリコン脱離部分に、昇華材Ｓから昇華したシリコンを供給でき、上記効果が得られる。一方、１０ｍｍを超えると、昇華材Ｓから昇華したシリコンをトレンチ内壁面に効果的に供給することができず、また、トレンチ内壁面から脱離したシリコンがトレンチ内壁面に再び戻り難くなるため、トレンチを所定形状に制御し難くなる。
【００２６】
また、上記実施形態では、炭化硅素基板Ｗ上に昇華材Ｓを載置しているが、例えば、図３に示すように、トレイＴを、その下面に昇華材Ｓが設けられた板状部材で構成してもよい。この場合、複数のトレイＴがマガジン４に収容されて積み重ねられると、トレイＴの下面がホルダを構成する。すなわち、一のトレイＴで保持された炭化硅素基板Ｗの少なくともトレンチの開口部の直上に、他のトレイＴの下面に設けられた炭化硅素膜もしくは炭化硅素板Ｓが配置されることとなる。昇華材Ｓの面積は、炭化硅素基板Ｗの上面の面積と同等以上に設定できる。ここで、昇華材Ｓの面積と炭化硅素基板Ｗの上面の面積とが同等とは、両面積が厳密に一致する場合だけでなく、炭化硅素基板Ｗの上面で凹部を含むデバイスが形成される領域（エッジ領域を除く領域）の面積と昇華材Ｓの面積とが一致する場合を含むものとする。
【００２７】
また、上記実施形態によれば、トレイＴの上面に設けられた突条壁Ｔｗにより炭化硅素基板Ｗを保持しているが、突条壁Ｔｗを設ける代わりに、トレイＴ上面に粘着テープを貼付し、この粘着テープにより炭化硅素基板Ｗを保持するように構成してもよい。また、上記実施形態によれば、炭化硅素基板ＷにトレンチＴＲ２を形成する場合を例に説明したが、ホールを形成する場合にも本発明を適用することができる。
【００２８】
次に、上記効果を確認するために、上記熱処理炉ＴＭを用いて次の実験を行った。本実験では、処理対象物Ｗとしてφ１００ｍｍの炭化硅素基板を用い、この基板Ｗをドライエッチングすることにより、トレンチを形成した。エッチング条件は以下の通りである。即ち、エッチングガスとしてＳＦ６ガスとＯ２ガスを用い、その流量比を１：１、圧力を１．５Ｐａ、投入電力を１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗに設定した。エッチング済みの炭化硅素基板ＷをトレイＴに保持し、炭化硅素基板Ｗ上にφ１００ｍｍ、厚み０．３５ｍｍの炭化硅素製の昇華材Ｓを載置し、このトレイＴの複数個（２５個）を炉内のマガジン４に収容した。これと共に、炉内にアルゴンガスを導入して炉内の圧力を大気圧とし、炭化硅素基板Ｗを１４００℃に加熱し３分間保持した。加熱終了後のトレンチの断面ＳＥＭ写真を図４（ａ）に示す。これによれば、トレンチの断面形状がＵ字状であり、内壁面の凹凸が少なく滑らかであることが確認された。炭化硅素基板Ｗの加熱温度を１５００℃、１７００℃、１９００℃、２０００℃と変化させた点を除き、上記と同様に加熱したトレンチの断面ＳＥＭ写真を図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示す。これらについても同様に、断面Ｕ字状であり、滑らかな内壁面のトレンチが形成できることが確認された。また、写真では１つのトレンチを示しているが、炭化硅素基板Ｗ面内で形状の揃ったトレンチが形成されることが確認され、これより、炭化硅素基板Ｗを略均等に加熱でき、各トレンチ内にシリコンを均一に供給できることが判った。
【符号の説明】
【００２９】
ＴＭ…熱処理炉、Ｗ…処理対象物（炭化硅素基板，炭化硅素層を有する基板）、ＴＲ１，ＴＲ２…凹部（トレンチ）、Ｔ…トレイ（ホルダ）、Ｔｗ…突条壁、Ｓ…昇華材、５…ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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