JP2000044397A

JP2000044397A - 炭化珪素単結晶の製造方法

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Publication number: JP2000044397A
Application number: JP10217724A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Kamiya; 信雄神谷; Atsuhito Okamoto; 篤人岡本; Naohiro Sugiyama; 尚宏杉山; Toshihiko Tani; 俊彦谷; Hiroyuki Kondo; 宏行近藤
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】新たな成長層にてマイクロパイプ欠陥の発
生、承継を抑制するのではなく、炭化珪素単結晶に存在
しているマイクロパイプ欠陥を閉塞させることができる
ようにする。【解決手段】マイクロパイプ欠陥を有する基板結晶６
を用意する。そして、スーパーマグネトロンプラズマ装
置内に基板結晶６を配置し、マグネトロンプラズマにて
基板結晶６の表面、若しくはマイクロパイプ欠陥の内壁
表面を加熱する。このプラズマ加熱によって電気的、磁
気的な相互作用が生じ、表面原子の表面拡散を促進させ
ることができる。これにより、表面原子が移動してマイ
クロパイプ欠陥内に入り込むため、マイクロパイプ欠陥
を閉塞することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロパイプ欠
陥が閉塞された炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳｉＣ単結晶を種結晶として、改良レー
リー法にてＳｉＣ単結晶を製造する際、マイクロパイプ
欠陥（中空貫通欠陥）と呼ばれる直径サブμｍ乃至数μ
ｍの中空貫通孔が略成長方向に沿って成長結晶中に内在
される。マイクロパイプ欠陥はデバイスの電気的特性に
悪影響を与えるため、マイクロパイプ欠陥があるＳｉＣ
単結晶はデバイス形成用の基板に適さない。このため、
マイクロパイプ欠陥を低減することが重要な課題となっ
ている。

【０００３】マイクロパイプ欠陥の低減方法として、米
国特許第５、６７９、１５３号明細書や特開平５−２６
２５９９号公報に示される方法が提案されている。米国
特許第５、６７９、１５３号明細書に示される方法は、
シリコン中へのＳｉＣ溶融を用いた液相エピタキシー法
によって結晶成長させると、エピタキシャル成長途中で
マイクロパイプ欠陥が閉塞されていくことを利用して、
マイクロパイプ欠陥を有する種結晶（欠陥密度：５０〜
４００ｃｍ^-2）上にマイクロパイプ欠陥が低減されたエ
ピタキシャル層（欠陥密度：０〜５０ｃｍ^-2）を成長さ
せている。

【０００４】特開平５−２６２５９９号公報に示される
方法は、種結晶の成長面として（０００１）面に垂直な
面を使用することによって、アルカリエッチングに際
し、六角形エッチピットが全く観察されない単結晶、つ
まりマイクロパイプ欠陥が存在しない単結晶を種結晶上
に成長させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した２つの方法は
共に、種結晶上に新たな単結晶を成長させ、その成長層
のマイクロパイプ欠陥を低減するようにしている。この
ため、前者の方法では、マイクロパイプ欠陥が無い部分
を得るために、液相エピタキシー法にて２０〜７５μｍ
以上のエピタキシャル層を成長させなければならず、２
０μｍ以下の成長では、依然としてマイクロパイプ欠陥
の開口部が結晶表面に存在し、デバイス作製に問題があ
る。また、このように形成されたエピタキシャル層を種
結晶として、再び昇華法によって単結晶成長を行うと、
マイクロパイプ欠陥が閉塞された部分が薄いことから、
その閉塞された部分が昇華して再びマイクロパイプ欠陥
の開口部を生じる可能性があり、種結晶の試料調整や昇
華法成長条件の適正化が困難であるという問題もある。

【０００６】一方、後者の方法では、マイクロパイプ欠
陥の発生を抑制する点では効果があるが、成長させた単
結晶に新たな積層欠陥が導入されるため、基板の電気的
特性に異方性を生じ、電子デバイス用基板としては適さ
ないという問題がある。本発明は上記問題に鑑みてなさ
れ、新たな成長層にてマイクロパイプ欠陥の発生、承継
を抑制するのではなく、炭化珪素単結晶に存在している
マイクロパイプ欠陥を閉塞させることができるようにす
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、以下の技術的手段を採用する。請求項１に記載の発
明においては、マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単
結晶を用意したのち、電磁波により、炭化珪素単結晶の
表面における原子の表面拡散を促進させ、マイクロパイ
プ欠陥を閉塞することを特徴としている。

【０００８】このように、電磁波により、炭化珪素単結
晶の表面における原子の表面拡散を促進させれば、原子
が移動してマイクロパイプ欠陥内に入り込み、もしくは
マイクロパイプ内壁の原子が移動してマイクロパイプ欠
陥を閉塞することができる。これにより、新たな成長層
にてマイクロパイプ欠陥の発生、承継を抑制するのでは
なく、炭化珪素単結晶内において、この中に存在するマ
イクロパイプ欠陥を閉塞することができる。

【０００９】具体的には、電磁波により、炭化珪素単結
晶の表面やマイクロパイプ欠陥の内壁表面を加熱するこ
とによって、原子の表面拡散を促進させることができ
る。電磁波としては、プラズマ、マイクロ波、マグネト
ロンプラズマ、マイクロ波プラズマ、レーザ、若しくは
電子線を利用することができる。例えば、マグネトロン
プラズマ発生装置を使用したり、マイクロ波プラズマ発
生装置を使用することによって、上記原子の表面拡散を
促進させることができる。

【００１０】さらに、炭化珪素単結晶に存在するマイク
ロパイプ欠陥中にガスを充填すると共に、炭化珪素単結
晶を被覆材料で覆うことによって、マイクロパイプ欠陥
の内壁表面において効果的に原子の表面拡散を促進させ
ることができ、より効果的にマイクロパイプ欠陥を閉塞
することができる。なお、原子の表面拡散を促進させる
のは、炭化珪素単結晶の表面全体である必要はなく、例
えばマイクロパイプ欠陥の近傍の表面又はマイクロパイ
プ欠陥の内壁表面のみに行ってもよい。

【００１１】このようにしてマイクロパイプ欠陥が閉塞
された炭化珪素単結晶は、デバイス形成用の基板とし
て、若しくはマイクロパイプ欠陥を有しない新たな炭化
珪素単結晶を成長させるための種結晶としての使用に適
している。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図に示す実施形態について
説明する。図１に、マイクロパイプ欠陥の閉塞に使用す
るスーパーマグネトロンプラズマ発生装置を示す。図１
に示すスーパーマグネトロンプラズマ発生装置は、真空
容器１と、真空容器１の内において上下に配置された２
枚のカソード２ａ、２ｂ、カソード２ａを挟んで両側に
配置されたマグネット３、及び２枚のカソード２ａ、２
ｂのそれぞれに接続される高周波電源４、５が備えられ
た構成となっている。

【００１３】２枚のカソード２ａ、２ｂの間隔は、カソ
ード２ａ、２ｂのそれぞれに発生するマグネトロンプラ
ズマが融合できる程度の短い間隔で設定されている。高
周波電源４、５は、全く同一周波数の電圧を有してお
り、カソード２ａ、２ｂに印加する電圧の位相差のみ制
御可能となっている。真空容器１は、雰囲気圧力が調節
可能な構成となっている。

【００１４】このように構成されたスーパーマグネトロ
ンプラズマ発生装置は、２枚の平行なカソード２ａ、２
ｂに対して、ほぼ平行を成すように磁界を印加すること
で、スーパーマグネトロンプラズマを発生させられるよ
うになっている。具体的には、所定の圧力条件下でカソ
ード２ａ、２ｂに所定の電圧を印加すると、上部及び下
部のカソード２ａ、２ｂ表面上において、Ｅ×Ｂドリフ
トがそれぞれ逆方向に行われると共に、狭くなったカソ
ード２ａ、２ｂ間をマグネトロンプラズマが融合し、均
一なスーパーマグネトロンプラズマを発生させられるよ
うになっている。

【００１５】具体的な条件としては、例えば、高周波電
源の周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１０ｗ〜１ｋｗ、磁
界強度１０〜５００Ｇａｕｓ、雰囲気圧力を０．１ｍＴ
ｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒとすることができる。また、このと
きの真空容器１内の雰囲気ガスとしてはＡｒ、Ｎ₂、Ｈ
₂、ＮＨ₃のいずれかを選択することができ、さらに炭
化珪素原料となるＣ₃Ｈ₈等の炭素含有ガス、ＳｉＨ₄
等のＳｉ含有ガスも選択することができる。

【００１６】このようなスーパーマグネトロンプラズマ
発生装置を使用して、以下のようにマイクロパイプ欠陥
の閉塞を行う。まず、マイクロパイプ欠陥を有する（０
００１）面に平行な基板、もしくはその面から所定の角
度傾いたオフアングル基板の炭化珪素単結晶で構成され
た結晶基板６を用意する。このとき、図２に示すよう
に、基板結晶６に存在するマイクロパイプ欠陥中にガス
（図中の点々）を充填しておくと共に、基板結晶６の表
面の少なくとも一方を被覆材７で覆った状態としてお
く。

【００１７】マイクロパイプ欠陥中に充填するガスとし
ては、Ａｒ、Ｈ₂、Ｎ₂、ＮＨ₄、Ｃ₃Ｈ₈、ＳｉＨ₄
等のいずれか、あるいは混合ガスを選択できる。また、
被覆材料７は、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法や分子線
エピタキシー（ＭＢＥ）法やスパッタ蒸着法や昇華法な
どの気相成長法、液相エピタキシー（ＬＰＥ）法などの
液相成長法によって基板結晶６上に堆積させることがで
きる。

【００１８】被覆材料７には基板結晶６と同じ結晶形の
ＳｉＣ、異なる結晶形のＳｉＣいずれも適用可能である
が、基板結晶６の材料が六方晶形炭化珪素単結晶の場
合、立方晶形や菱面体晶形の炭化珪素が適している。特
に、基板結晶６の結晶形が６Ｈ−ＳｉＣの場合には、３
Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣが被覆材料
７として適しており、４Ｈ−ＳｉＣの場合には、３Ｃ−
ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣが被覆材料７と
して適している。

【００１９】その他、被覆材料７として、ＳｉＣ多結晶
体、ＳｉＣ焼結体、アモルファスＳｉＣ、カーボン材料
（例えば黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレン等）
を適用することもできる。このようにガス充填及び被覆
材料７による被覆が施された基板結晶６を、図１のスー
パーマグネトロンプラズマ発生装置におけるカソード２
ａ、２ｂの一方に、マイクロパイプ欠陥を有する（００
０１）面の炭化珪素単結晶で構成された基板結晶６を配
置する。

【００２０】その後、上記条件にてスーパーマグネトロ
ンプラズマを発生させ、基板結晶６を加熱する。このプ
ラズマ加熱処理の後における基板結晶６の様子を図３に
示す。この図に示されるように、プラズマ加熱処理前に
基板結晶６中に存在していたマイクロパイプ欠陥８が、
プラズマ加熱処理によって開口端の少なくとも一方（本
図では両側）から閉塞され、閉塞孔９となっている。こ
のマイクロパイプ欠陥閉塞のメカニズムは以下のように
推測される。

【００２１】スーパーマグネトロンプラズマを発生させ
ると、荷電粒子が基板結晶６の表面、若しくはマイクロ
パイプ欠陥８の内壁表面に当たり、基板結晶６そのもの
が加熱される。このとき、上述したように、マイクロパ
イプ欠陥８の中にガスが充填されており、さらに基板結
晶６を被覆材料８で覆っているため、マイクロパイプ欠
陥の内壁表面が効果的に加熱される。

【００２２】そして、プラズマ加熱によって電気的、磁
気的な相互作用が生じ、この相互作用によって基板結晶
６の表面若しくはマイクロパイプ欠陥８の内壁表面の表
面原子の表面拡散が早くなり、原子の移動が容易にな
る。この移動してきた原子がマイクロパイプ欠陥８端部
に析出し、マイクロパイプ欠陥８を閉塞させ、閉塞孔９
にすると考えられる。

【００２３】このように、マイクロパイプ欠陥８を有す
る基板結晶６をプラズマ加熱することによって、基板結
晶６の表面、若しくはマイクロパイプ欠陥８の内壁表面
に存在する表面原子の表面拡散を早くし、マイクロパイ
プ欠陥８を効率的に閉塞することができる。そして、マ
イクロパイプ欠陥８を基板結晶６内で閉塞できるため、
基板の大口径化プロセス、すなわち、高品位を維持した
まま基板口径を順次拡大するための数多くの成長実験に
多大な労力を要する必要がなくなり、製造コストが大幅
に削減される。

【００２４】こうようにして得られた基板結晶６からマ
イクロパイプ欠陥の存在しない領域（例えば、（０００
１）面に平行な基板もしくはオフアングル基板）を切り
出すことによって、実質的に全くマイクロパイプ欠陥の
ない基板結晶６を得ることが可能になる。また、こうし
て得られた基板結晶６を加工処理、化学洗浄処理したの
ちデバイスに供すれば、高性能の高耐圧、高周波数、高
速、耐環境デバイスを作製することができる。また、再
度、昇華法の種結晶として供することも可能となる。

【００２５】なお、一旦閉塞したマイクロパイプ欠陥８
はエネルギー的には安定であることが実験により確認さ
れた。このため、マイクロパイプ欠陥８を閉塞した単結
晶成長の種結晶として用いて、この種結晶上に炭化珪素
単結晶を昇華法等によって成長させても再度マイクロパ
イプ欠陥が発生することはなく、高品位長尺単結晶成長
を行って得られた単結晶インゴットから数多くのマイク
ロパイプ欠陥のない炭化珪素単結晶（例えば、デバイス
形成用の基板）を切り出すことができる。

【００２６】（第２実施形態）マイクロ波プラズマ発生
装置を使用してマイクロパイプ欠陥の閉塞を行う場合に
ついて説明する。図４にマイクロ波プラズマ発生装置を
示す。マイクロ波プラズマ発生装置は、共振器１０の中
に、マイクロ波を供給する同軸管１１と、外径が共振器
１０の内径よりも若干小さなガラス管１２とが装填され
た構成となっている。ガラス管１２は、共振器１０の中
を摺動できるように構成されており、連通管１３を通じ
てガラス管１２の中にガスを充填できるようになってい
る。

【００２７】このように構成されたマイクロ波プラズマ
発生装置は、連通管１３を通じてガラス管１２の中にガ
ス（例えば水素）を封入し、同軸管１１を通じてマイク
ロ波を供給すると共に、ガラス管１２を摺動させて位置
調節すると、ガラス管１２の中にプラズマボール１４を
発生させることができる。具体的な条件としては、例え
ば、マイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚ、電力０．１〜
１０ｋｗ、雰囲気圧力を０．１ｍＴｏｒｒ〜１００Ｔｏ
ｒｒとすることができる。また、このときの雰囲気ガス
としてはＡｒ、Ｎ₂、Ｈ₂等のいずれかを選択すること
ができる。

【００２８】このようなマイクロ波プラズマ発生装置内
に、図２に示す構成を有する基板結晶６を配置したの
ち、上記条件にてプラズマボール１４を発生させ、基板
結晶６を加熱する。このとき、試料温度は２０００℃程
度と推定される。このプラズマボール１４による加熱処
理によって、上記第１実施形態と同様に、基板結晶６の
表面、若しくはマイクロパイプ欠陥８の内壁表面に存在
する表面原子の表面拡散を早くでき、マイクロパイプ欠
陥８を効率的に閉塞することができる。

【００２９】このように、マグネトロンプラズマ以外の
加熱処理によって基板結晶６を加熱しても、マイクロパ
イプ欠陥８を閉塞することができる。（他の実施形態）上記第１、第２実施形態では、電磁波
として、マグネトロンプラズマやマイクロ波プラズマを
利用して基板結晶の加熱処理を行ったが、他の電磁波、
例えばマイクロ波、プラズマ、レーザ、若しくは電子線
を利用して基板結晶の熱処理を行ってもよい。

【００３０】マイクロ波を利用する場合には、例えばマ
イクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚ、電力を１〜１０ｋ
ｗとすればよい。プラズマを使用する場合には、例えば
プラズマを第１、第２実施形態と同様の周波数、電力、
雰囲気条件として、熱プラズマを誘起させることによっ
て加熱処理を行えばよい。また、レーザを利用する場合
には、例えば紫外レーザ（エキシマレーザ）を使用し
て、波長１９３ｎｍ、繰り返し周波数１０〜１０００Ｈ
ｚ、１パルス当たりのエネルギー密度０．２〜５００ｍ
Ｊとすればよい。さらに、電子線を利用する場合には、
電子線の加速電圧を５〜５０ｋＶ、投入電力を５〜１５
０ｋｗとすればよい。

【００３１】上記実施形態では、基板結晶を加熱する例
を挙げたが、必ずしも基板結晶全体を加熱する必要はな
く、マイクロパイプ欠陥近傍における基板結晶の表面、
若しくはマイクロパイプ欠陥の内壁表面を局所的に加熱
するようにしても、上記各実施形態と同様の効果が得ら
れる。また、上記実施形態では、マイクロパイプ欠陥８
の中にガスを充填しておくと共に、基板結晶６の表面を
被覆材料７で覆っているが、これはより効果的にマイク
ロパイプ欠陥８の内壁表面を加熱するためであり、これ
らガス充填及び被覆材７による被覆がなくてもマイクロ
パイプ欠陥８を閉塞することは可能である。

【００３２】なお、基板結晶１の結晶形は６Ｈ多形のも
の、４Ｈ多形のもの、それ以外のものいずれにも適用可
能である。また、基板結晶１としては（０００１）面に
平行な面（ジャスト面）のみでなく、例えば（０００
１）面からある角度傾いたようなオフアングル基板を用
いても同様な効果がある。

【００３３】さらに、後述する実施例においては、基板
結晶１として厚みが１ｍｍ以下のものを例に挙げて説明
を行うが、それ以上の厚みの基板結晶１にも適用可能で
ある。特に本発明を単結晶インゴットに適用すれば、マ
イクロパイプ欠陥が全く存在しない多数枚の基板が一度
に得られるため、工業的プロセスとして有効である。

【００３４】

【実施例】以下、上記実施形態における実施例について
具体的に説明する。（実施例１）まず、欠陥密度が約５０ｃｍ^-2のマイクロ
パイプ欠陥を有する厚さ３００μｍの６Ｈ多形のＳｉＣ
単結晶で構成された基板結晶を用意した。なお、基板結
晶６の表面は（０００１）ジャスト面となっている。

【００３５】この基板結晶６の表面に被覆材料５として
３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル膜をＣＶＤ法にて約２０μ
ｍの厚さで形成した。微分干渉顕微鏡、偏光顕微鏡、走
査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、マイクロパイ
プ欠陥８の開口部は３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル膜によ
って完全に被覆されていた。

【００３６】この基板結晶６を図１に示したマグネトロ
ンプラズマ発生装置内に配置したのち、上記条件下でマ
グネトロンプラズマを発生させて、加熱処理を行った。
加熱温度は２０００℃とし、処理時間は４ｈｒとした。
雰囲気ガスとしてはＡｒを用い、雰囲気圧力は１０ｍＴ
ｏｒｒとした。このような工程を経て得られた基板結晶
を切断研磨し、透過明視野にて顕微鏡観察を行った。そ
の結果、基板結晶６の中に存在していたマイクロパイプ
欠陥の７０％が、少なくとも成長表面の一方向から閉塞
していた。

【００３７】さらに、基板結晶６を（０００１）面に平
行に研磨して、直交偏光顕微鏡観察を行った。その結
果、マイクロパイプ欠陥が閉塞した部分では、もはやマ
イクロパイプ欠陥周辺に特徴的に観察される、不均一な
弾性歪みに対応した複屈折干渉パターンを示さなかっ
た。このため、一旦閉塞したマイクロパイプ欠陥はエネ
ルギー的に安定であるといえる。

【００３８】（実施例２）まず、欠陥密度が約５０ｃｍ
^-2のマイクロパイプ欠陥を有する厚さ３００μｍの６Ｈ
多形のＳｉＣ単結晶で構成された基板結晶を用意した。
なお、基板結晶６の表面は（０００１）ジャスト面とな
っている。この基板結晶６の表面に被覆材料５として３
Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル膜をＣＶＤ法にて約２０μｍ
の厚さで形成した。

【００３９】微分干渉顕微鏡、偏光顕微鏡、走査型電子
顕微鏡を用いて観察したところ、マイクロパイプ欠陥８
の開口部は３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル膜によって完全
に被覆されていた。この基板結晶６を図１に示したマイ
クロ波プラズマ発生装置内に配置したのち、上記条件下
でマイクロ波プラズマを発生させて、加熱処理を行っ
た。加熱温度は２０００℃、処理時間は４ｈｒとした。
雰囲気ガスはＨを用い、雰囲気圧力は１００ｍＴｏｒｒ
とした。

【００４０】このような工程を経て得られた基板結晶を
切断研磨し、透過明視野にて顕微鏡観察を行った。その
結果、基板結晶６の中に存在していたマイクロパイプ欠
陥の７０％が、少なくとも成長表面の一方向から閉塞し
ていた。さらに、基板結晶６を（０００１）面に平行に
研磨して、直交偏光顕微鏡観察を行った。その結果、マ
イクロパイプ欠陥が閉塞した部分では、もはやマイクロ
パイプ欠陥周辺に特徴的に観察される、不均一な弾性歪
みに対応した複屈折干渉パターンを示さなかった。この
ため、一旦閉塞したマイクロパイプ欠陥はエネルギー的
に安定であるといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態において、マイクロパイプ欠陥閉
塞に使用するマグネトロンプラズマ発生装置の図であ
る。

【図２】マグネトロンプラズマによる加熱処理の前の基
板結晶６を示す図である。

【図３】マグネトロンプラズマによる加熱処理の後の基
板結晶６を示す図である。

【図４】第２実施形態において、マイクロパイプ欠陥閉
塞に使用するマイクロ波プラズマ発生装置の図である。

【符号の説明】

１…真空容器、２ａ、２ｂ…カソード、３…マグネッ
ト、４、５…高周波電源、６…基板結晶、７…被覆材
料、８…マイクロパイプ欠陥、９…閉塞孔、１０…共振
器、１１…同軸管、１２…ガラス管、１３…連通管、１
４…プラズマボール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本篤人愛知県愛知郡長久手町大字長湫横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者杉山尚宏愛知県愛知郡長久手町大字長湫横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者谷俊彦愛知県愛知郡長久手町大字長湫横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者近藤宏行愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AB10 BE08 ED01 EE01 EE06 EF02 EJ01 EJ02 HA05 HA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単
結晶を用意する工程と、電磁波の照射により、前記炭化
珪素単結晶の表面において原子の表面拡散を促進させ、
前記マイクロパイプ欠陥を閉塞する工程と、を備えてい
ることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。