(57)【要約】【課題】  基板表面の単結晶シリコン層を短時間で加熱して単結晶炭化シリコンに変成させる。【解決手段】  基板１００を複合炭素からなるカーボンサセプタ４２０上に置き、炭素源ガスを供給しつつ基板１００の表面に赤外線ランプ４００からの赤外線を照射して表面の単結晶シリコン薄膜を炭化シリコンに変成させる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射された近遠赤外線の５０％以上を吸収する赤外線吸収体の上に、表面に単結晶シリコン層を有する基板を置き、
該基板表面に炭素を含有するガスを供給し、
該炭素含有ガスの供給下で該赤外線吸収体上の基板の表面を加熱することによって単結晶シリコンを単結晶炭化シリコンに変成させることを含む単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項２】
前記赤外線吸収体はアモルファス炭素と該アモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素とを含む複合炭素材料を有する請求項１記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項３】
前記赤外線吸収体は炭化シリコンを有する請求項１記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項４】
前記基板は前記単結晶シリコン層の下に酸化シリコンの絶縁層を有する請求項１〜３のいずれか１項記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項５】
前記炭素含有ガスの供給下の加熱を続行することによって前記単結晶炭化シリコンの薄膜の上に炭素薄膜を堆積させ、
前記炭素含有ガスの少なくとも一部を酸素ガスが混合された不活性ガスで置換することによって該炭素薄膜を除去することをさらに含む請求項１〜４のいずれか１項記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項６】
前記炭素薄膜の除去後において、シラン系ガスを含む混合ガスを供給して、前記単結晶炭化シリコンの薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜を成長させることをさらに含む請求項５記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項７】
アモルファス炭素と該アモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素とを含む複合炭素材料を有する単結晶炭化シリコン基板製造用のカーボンサセプタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に単結晶炭化シリコン層を有する単結晶炭化シリコン基板の製造方法およびそれに用いるカーボンサセプタに関する。本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法は特に、ＳｉＯ2の絶縁層上に光デバイスとして用いるＧａＮと物性定数の近いＳｉＣ層を形成したＳｉＣ／ＯＩ（ＳｉＣ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を得るために、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板における埋め込み絶縁層上の単結晶シリコン層を単結晶炭化シリコン層に変成させる場合に適した手法である。
【背景技術】
【０００２】
表面に単結晶炭化シリコンの層を有する基板は、単結晶シリコンの基板の表面に炭素を含む原料ガスを供給しつつ基板の表面を加熱して単結晶シリコンを単結晶炭化シリコンに変成させることによって得ることができる。
【０００３】
しかしながら、ＳＯＩ基板表面のＳｉ層をＳｉＣに変成させてＳｉＣ／ＯＩ構造を得る場合に上記の手法を適用すると、シリコン層直下の埋め込み絶縁層が加熱により軟化もしくは溶融し、これにより単結晶炭化シリコンに変成されなかったシリコン層の魂が埋め込み絶縁層に埋没するなどの問題がある。
【０００４】
下記特許文献１には、この問題を回避するため、炭化シリコンに変成させる単結晶シリコン層の膜厚を１０nm以下とし、その表面に炭素源ガスを供給しつつ赤外線を照射して単結晶シリコンの薄膜を加熱して短時間で変成させ、その後、単結晶炭化シリコンに変成された薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン層を成長させることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９６５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記手法においても、単結晶シリコンの薄膜を短時間で均一な昇温速度で均一に加熱して均一な単結晶炭化シリコン薄膜を得ることが課題となっている。
【０００７】
したがって本発明の目的は、基板表面の単結晶シリコン層を短時間で均一に単結晶炭化シリコンに変成させることのできる単結晶炭化シリコン基板の製造方法とそれに用いて好適なカーボンサセプタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、照射された近遠赤外線の５０％以上を吸収する赤外線吸収体の上に、表面に単結晶シリコン層を有する基板を置き、該基板表面に炭素を含有するガスを供給し、該炭素含有ガスの供給下で該赤外線吸収体上の基板の表面を加熱することによって単結晶シリコンを単結晶炭化シリコンに変成させることを含む単結晶炭化シリコン基板の製造方法が提供される。
【０００９】
基板を赤外線吸収体上に置くことにより、赤外線吸収体が赤外線を吸収して昇温するので基板の温度勾配が緩和され、基板の表面を短時間のうちに所望の温度まで加熱することができる。
【００１０】
前記赤外線吸収体はアモルファス炭素と該アモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素とを含む複合炭素材料を有することが好ましい。
【００１１】
或いはまた、前記赤外線吸収体は炭化シリコンを有するものでも良い。
本発明によれば、アモルファス炭素と該アモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素とを含む複合炭素材料を有する単結晶炭化シリコン基板製造用のカーボンサセプタもまた提供される。
【００１２】
アモルファス炭素とアモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素粉末とを含む複合炭素材料は高い熱伝導率、充分な曲げ強度、および気体不透過性といった、単結晶炭化シリコン基板製造用の赤外線吸収体として必要な特性をすべて備えており、加工性にも優れている。
この複合炭素原料は、賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物に炭素粉末を加え、必要があればさらに金属または半金属化合物を加えて良く混合し、所要の形状に賦形した後、不活性ガス雰囲気中で１０００℃以上の温度で焼成炭素化して得られる。
【００１３】
前述の組成物としては、不活性ガス雰囲気中での焼成により５％以上の炭化収率を示す有機物質を使用するものである。具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の熱硬化性樹脂、リグニン、セルロース、トラガントガム、アラビアガム、糖類等の縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ天然高分子物質、及び前記には含有されない、ナフタレンスルホン酸のホルマリン縮合物、コブナ樹脂等の縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ合成高分子物質が挙げられる。使用する組成物種と量は、目的とする発熱体の形状により適宜選択され、単独でも二種以上の混合体でも使用することができるが、特にポリ塩化ビニル樹脂、フラン樹脂を使用することが好ましい。
【００１４】
前述の炭素粉末としては、カーボンブラック、黒鉛、コークス粉等が挙げられ、単独でも二種以上の混合体でも使用することができるが、特に形状制御の簡易さから黒鉛を使用することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法を、前述の特許文献１に記載された絶縁層埋め込み型単結晶炭化シリコン基板の製造方法の第１ステップに適用した場合を例にとって説明する。
【００１６】
本発明の実施形態を説明する前に、前記の特許文献１に記載された絶縁層埋め込み型単結晶炭化シリコン基板の製造方法について説明する。
【００１７】
図１は特許文献１に記載された絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造装置の概略的説明図、図２は同製造装置の制御部を説明するためのブロック図、図３はこの絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法の各工程を示す概略的説明図である。なお、図３における各層の厚さ寸法は図示の都合上、具体的なものとは相違している。
【００１８】
図１の絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造装置は、シリコン基板１１０（図３）上に設けられた埋め込み絶縁層１２０とこの埋め込み絶縁層１２０上に形成された表面シリコン層１３０とを有するＳＯＩ基板１００を成膜室２００内に設置し、この成膜室２００内で絶縁層埋め込み型単結晶炭化シリコン基板を製造する装置であって、ＳＯＩ基板１００が設置される成膜室２００と、絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造に必要な各種のガスを成膜室２００に供給するガス供給手段３００と、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０に向けて赤外線を照射する赤外線照射手段４００と、ガス供給手段３００と赤外線照射手段４００とを制御する制御部５００とを具備している。
【００１９】
ＳＯＩ基板１００は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）基板である（図３の（Ａ）参照）。このＳＯＩ基板の表面シリコン層１３０の膜厚は１０nm以下であり、具体的には２nm〜４nmの間である。なお、ＳＩＭＯＸ基板以外のＳＯＩ基板１００を用いることも可能である。
【００２０】
成膜室２００は、図１に示すように、石英等から構成されており、その内部はＳＯＩ基板１００が載置されるステージ２２０が設けられている。このステージ２２０は石英やセラミックスで構成されている。石英には透明石英、不透明石英、黒色石英等があり、赤外線の吸収が各々異なる。すなわち、石英は、その種類によって赤外線により熱せられる度合いが異なる。このため、ステージ２２０に石英を用いる場合には、ＳＯＩ基板１００の載置面の温度に与える影響等を考慮した上で、その材質を適宜選択する。なお、ＳＯＩ基板１００等は図示しない出入口からＳＯＩ基板１００等が出し入れされる。
【００２１】
この成膜室２００には、ステージ２２０に載置されたＳＯＩ基板１００に対向する位置に赤外線照射手段４００が取り付けられている。また、成膜室２００の外部には、内部の温度を検知するためのパイロメータ７００（図２参照）が成膜室２００内に向けて設置されている。
【００２２】
成膜室２００は、当該成膜室２００の内部に各種のガスを供給するガス供給手段３００と、前記各種のガスを排出するための排気手段６００とが取り付けられている。なお、成膜室２００の内部の圧力は大気圧と同等にしてある。
【００２３】
ガス供給手段３００は、水素ガスＧ１を供給する水素ガス供給部３１０と、炭化水素系ガスＧ２を供給する炭化水素系ガス供給部３２０と、酸素ガスＧ３を供給する酸素ガス供給部３３０と、不活性ガスＧ４（純粋な不活性ガスを含む）としてのアルゴンガスを供給する不活性ガス供給部３４０と、シラン系ガスＧ５を供給するシラン系ガス供給部３５０とを有している。これらのガス供給部３１０〜３５０は切換弁３６１〜３６５（図２）に各々接続されており、供給管３７０を介して成膜室２００に接続されている。なお、混合ガスの供給方法は目的に応じて選定される。
【００２４】
水素ガスＧ１はキャリアガスである。炭化水素系ガスＧ２としてはプロパンガスを、不活性ガスＧ４としてはアルゴンガス、シラン系ガスＧ５としてはシリコン原子と炭素原子とが含まれるモノメチルシランガスが用いられる。なお、シラン系ガスＧ５としてはモノメチルシランガスの他に、シリコン原子と炭素原子とが含まれるジメチルシランガス、トリメチルシランガス等を使用することもできる。
【００２５】
赤外線照射手段４００は、約８００nmの波長の赤外線を出力する一般的な赤外線照射装置であり、ランプ部分が成膜室２００内に配設されている。一方、赤外線照射手段４００の配線設備は成膜室２００外に設けられている。赤外線照射手段４００は位置調整可能に構成されている。具体的には、Ｘ軸、Ｙ軸及び回転軸を有する機構部を有しており、この機構部が制御部５００によって制御されるようになっている。これにより赤外線の照射領域や照射角度を必要に応じて適宜調整することができる。ここでは、赤外線照射手段４００の位置は赤外線がＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０の表面全域に向けて照射されるように設定されている。なお、赤外線照射手段４００の位置を調整して変更し、表面シリコン層１３０を局所的に単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させることもできる。赤外線照射手段４００は近遠赤外線（波長が約７００nm〜２５００nm）を出力できるものであれば良い。
【００２６】
制御部５００は、ここではシーケンサが用いられており、入力ポートには、パイロメータ７００が電気的に接続されている一方、出力ポートには、切換弁３６１〜３６５、排気手段６００の切換弁及び赤外線照射手段４００が電気的に接続されている。制御部５００は、パイロメータ７００の検出結果を入力しつつ、所定のシーケンスパターンに基いて各部のＯＮ／ＯＦＦを制御するようになっている。
【００２７】
まず、成膜室２００内のステージ２２０上にＳＯＩ基板１００を設置する。
【００２８】
その後、切換弁３６１及び３６２を切り換え、水素ガス供給部３１０から１０００cc／分の水素ガスＧ１を、炭化水素ガス供給部３２０から１０cc／分の炭化水素系ガスＧ２を各々噴出させる。これにより混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を成膜室２００内に供給する。一方、赤外線照射手段４００に通電し、赤外線をＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０に向けて照射する。これにより表面シリコン層１３０の温度を当該表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させるのに必要な温度（約１２００℃）に上昇させ、この状態を３０分間維持して当該表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させる（第１の工程、図３の（Ｂ）参照）。
【００２９】
このように表面シリコン層の膜厚を２〜４nm程度とし、赤外線のみで、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させるのに必要な温度（約１２００℃）を得るようにすると、表面シリコン層１３０は赤外線を吸収し、その温度が約１２００℃となる。一方、埋め込み絶縁層１２０は赤外線をほとんど吸収せず、表面シリコン層１３０等からの熱伝導によってその温度が約２５０℃と低い値になる。すなわち、埋め込み絶縁層１２０は、その温度が表面シリコン層１３０と同様に上昇せず、約２５０℃と低い温度となることから、溶解や軟化といった不要な変化が起こらない。なお、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させるのに必要な温度は５００℃〜１４５０℃の間であれば良い。
【００３０】
前記第１の工程の後、この第１の工程の前記状態と同一の状態をさらに３０分間継続して保ち、これにより単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に炭素薄膜１５０を堆積させる（第２の工程、図３の（Ｃ）参照）。
【００３１】
この第２の工程後、切換弁３６３及び３６４を切り換え、不活性ガス供給部３４０から１０００cc／分の不活性ガスＧ４を、酸素ガス供給部３３０から１００cc／分の酸素ガスＧ３を各々噴出させる。これにより混合ガス（Ｇ３＋Ｇ４）を成膜室２００内に供給する。これと共に、排気手段６００の切換弁を所定時間開け、これにより混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を成膜室２００の外部に排出する。このようにして混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を混合ガス（Ｇ３＋Ｇ４）に置き換える。一方、赤外線照射手段４００の通電時間や供給電力等を制御して炭素薄膜１５０の温度を当該炭素薄膜１５０をエッチングして除去するのに必要な温度（５５０℃以上）とし、この状態を１０分間維持して当該炭素薄膜１５０をエッチングして除去する（第３の工程、図３の（Ｄ）参照）。
【００３２】
このように炭素薄膜１５０の温度を５５０℃以上に１０分間維持すると、この炭素薄膜１５０は、Ｃ＋Ｏ→ＣＯ若しくは、Ｃ＋Ｏ2→ＣＯ2という化学変化を起こし、一酸化炭素ガス若しくは二酸化炭素ガスに変化する。これにより、炭素薄膜１５０はエッチングされて除去される。
【００３３】
第３の工程の後、切換弁３６４を切り換え、不活性ガス供給部３４０から不活性ガスＧ４を噴出させる。これにより不活性ガスＧ４を成膜室２００内に供給する。これと共に、排気手段６００の切換弁を所定時間開け、これにより混合ガス（Ｇ３＋Ｇ４）を成膜室２００の外部に排出する。このようにして混合ガス（Ｇ３＋Ｇ４）を当該不活性ガスＧ４に置き換える。このように混合ガス（Ｇ３＋Ｇ４）を純粋な不活性ガスＧ４に置き換えることにより酸素ガスＧ３と後述するシラン系ガスとが爆発的に反応する危険性を回避する。
【００３４】
その後、切換弁３６１及び３６５を切り換え、水素ガス供給部３１０から１０００cc／分の水素ガスＧ１を、シラン系ガス供給手段３５０から１０cc／分のシラン系ガスＧ４を各々噴出させる。これにより混合ガス（Ｇ１＋Ｇ５）を成膜室２００内に供給する。一方、赤外線照射手段４００の通電時間や供給電力等を制御して単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜１６０を成長させるのに必要な温度（約１２００℃）とし、この状態を３０分間維持して当該単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜１６０を成長させる（第４の工程、図３の（Ｅ）参照）。
【００３５】
このようにシラン系ガスＧ５が単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上で分解及び反応することで、当該単結晶炭化シリコン薄膜１４０上にさらなる単結晶炭化シリコン薄膜１６０が形成される。なお、単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜１６０を成長させるのに必要な温度は５００℃〜１４５０℃の間であれば良い。
【００３６】
以上のようにして、単結晶炭化シリコン薄膜１４０，１６０を有する絶縁層埋め込み型単結晶炭化シリコン基板が製造される。
図４は本発明の一実施形態を示す。本実施形態において、石英製のステージ２２０に代えて、またはステージ２２０の上に、赤外線吸収体としての複合炭素材料からなるカーボンサセプタ４２０が設けられ、その上にＳＯＩ基板１００が置かれる。それ以外の点は前述した特許文献１に記載されたものと同じで良い。
石英はそれに照射された近遠赤外線の９０％以上を透過するのに対して、炭素の場合は逆にその９０％以上を吸収する。そのような炭素材料からなるカーボンサセプタ４２０を設けることにより、これが赤外線ランプ４００からの赤外線を吸収して昇温するのでＳＯＩ基板１００の温度勾配が緩和されてＳＯＩ基板１００の表面を短時間のうちに所望の温度まで加熱することができる。
【００３７】
複合炭素材料からなるカーボンサセプタ４２０は、アモルファス炭素（ガラス状炭素）とアモルファス炭素中に均一に分散した結晶性炭素粉末（特に黒鉛）とからなり、表１に示すように、高い熱伝導率、充分な曲げ強度、および気体不透過性といった、単結晶炭化シリコン基板製造用の赤外線吸収体として必要な特性をすべて備えており、成形後の加工性にも優れている。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１において、本発明において用いられる黒鉛／ガラス状炭素複合材料からなる炭素板は、曲げ強さの点ではガラス状炭素にわずかに劣っているが、そのガラス状炭素は熱伝導率の点で黒鉛／ガラス状炭素複合材料に著しく劣っている。また、熱伝導率の点では等方性高密度炭（黒鉛）の方が優れているが、曲げ強さおよび気体透過性の点で黒鉛／ガラス状炭素複合材料に著しく劣っている。
【００４０】
この黒鉛／ガラス状炭素複合炭素板は、例えば以下のようにして得ることができる。フラン樹脂（日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０２）９２部に天然鱗状黒鉛粉末（日本黒鉛工業（株）製  平均粒度１μｍ）８部を添加して、充分に分散、混合することで、基板用液状材料を得、次に、この液状材料をドクターブレードタイプ塗工機に投入し、塗工後固化させることでグリーンシートを作製する。グリーンシートを所要の形状に加工後乾燥炉内で加熱硬化処理を施すことで硬化板を得、得られた硬化板を、窒素ガス雰囲気下１０００℃まで５０時間で昇温させ炭素化処理した後、真空高温炉により１４００℃処理を施すことで、ガラス状炭素／黒鉛の割合が重量比で約８０／２０の炭素板が得られる。この炭素板を切削加工して所望の寸法および形状とする。
【００４１】
カーボンサセプタ４２０の厚みは温度を均一にするため４mm以下、好ましくは２mm程度とする。黒鉛／ガラス状炭素複合材料は、焼成炭素化した後において精密に加工することが容易であるので（表１参照）、この点においてもカーボンサセプタ４２０の材料として優れている。この黒鉛／ガラス状炭素複合材料の他にも炭化シリコンを含む炭素板も用いることができる。
図５は本発明の他の実施形態を示す。本実施形態においては、基板１００の表面に対向して、カーボンサセプタ４２０とともに基板１００を収容する箱体を形成するように、第２の赤外線吸収体としての複合炭素板４１０が配置される。基板１００の表面は赤外線ランプ４００からの赤外線で直接加熱されるのでなく、赤外線ランプ４００からの赤外線で加熱された複合炭素板４１０からの輻射熱で加熱される。基板１００と複合炭素板４１０との距離は好ましくは１０mm以下、さらに好ましくは１mm以下であり、或いはまた両者を互いに接触させても良い。
複合炭素板４１０をＳＯＩ基板１００の表面に対向して置くことで、赤外線ランプ４００からの赤外線はまず複合炭素板４１０を加熱することになる複合炭素板４１０の高い熱伝導率によりその全体が均一に加熱されて所定の温度に達すると輻射熱が発せられ、それにより基板１００の表面が均一に加熱される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】特許文献１に記載の絶縁層埋め込み型炭化シリコン基板の製造装置の概略的説明図である。
【図２】図１の製造装置の制御部を説明するためのブロック図である。
【図３】絶縁層埋め込み型炭化シリコン基板の製造方法の各工程を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す図である。
【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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