KR20230167728A

KR20230167728A - SiC 단결정 기판

Info

Publication number: KR20230167728A
Application number: KR1020230069704A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 쇼나이
Original assignee: 가부시끼가이샤 레조낙
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2023-12-11
Also published as: EP4286571A1; KR102616150B1; JP2023177678A; JP7260039B1; JP2023178210A; TW202400861A; US20230392285A1; CN117166055A

Abstract

이온 주입의 전후에서 SORI의 변화가 작은 SiC 단결정 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 SiC 단결정 기판(1)은, 주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고, Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함한다.

Description

SiC 단결정 기판{SiC SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE}

본 발명은, SiC 단결정 기판에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는, 실리콘(Si)에 비해 절연 파괴 전계가 1자릿수 크고, 밴드 갭이 3배 크다. 또한, 탄화규소(SiC)는, 실리콘(Si)에 비해 열전도율이 3배 정도 높은 등의 특성을 갖는다. 그 때문에 탄화규소(SiC)는, 파워 디바이스, 고주파 디바이스, 고온 동작 디바이스 등에 대한 응용이 기대되고 있다. 이 때문에, 근년, 상기와 같은 반도체 디바이스에 SiC 에피택셜 웨이퍼가 사용되도록 되고 있다.

SiC 에피택셜 웨이퍼는, SiC 단결정 기판의 표면에 SiC 에피택셜층을 적층함으로써 얻어진다. 이하, SiC 에피택셜층을 적층 전의 기판을 SiC 단결정 기판이라 칭하고, SiC 에피택셜층을 적층 후의 기판을 SiC 에피택셜 웨이퍼라 칭한다. SiC 단결정 기판은, SiC 단결정 잉곳으로부터 잘라내어진다.

SiC 단결정 기판의 현재의 시장의 주류는 직경 6인치(150㎜)의 SiC 단결정 기판이지만, 8인치(200㎜)의 SiC 단결정 기판의 양산화를 위한 개발도 진행되고 있어, 본격적인 양산이 시작되어 가고 있는 상황이다. 6인치로부터 8인치로의 대구경화에 의한 생산 효율의 향상과 비용 저감에 의해, 에너지 절약 기술의 비방으로서 SiC 파워 디바이스의 한층 더한 보급이 기대되고 있다.

다음 세대의 대구경화된 SiC 단결정 기판의 제조 시에, 현행의 구경의 SiC 단결정 기판의 제조에서 최적화된 제조 조건을 적용해도 동일 정도의 품질은 얻어지지 않는다. 새로운 사이즈에 따라서 새로운 과제가 발생하기 때문이다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 6인치의 SiC 단결정 기판의 제조 시에, 4인치의 SiC 단결정 기판의 제조 기술을 적용하면, 종결정의 외주측 주변에서의 열분해가 빈발하고, 그 열분해가 기인이 되어 매크로 결함이 발생하기 때문에, 높은 결정 품질의 단결정이 수율 좋게 얻어지지 않는다고 하는 과제가 기재되어 있다. 특허문헌 1에서는, 소정의 두께의 종결정을 사용함으로써 그 과제를 해결하는 발명이 기재되어 있다. 이와 같이, 새로운 사이즈에 따라서 발생한 새로운 과제를 해결하면서, 새로운 사이즈의 SiC 단결정 기판의 제조 조건을 확립해 가는 것이 필요로 된다.

일본 특허 제6594146호 공보 일본 특허 제6598150호 공보 일본 특허 공개 제2020-17627호 공보 일본 특허 공개 제2019-189499호 공보

SiC 단결정 기판은, SiC 단결정 잉곳 제작 공정과, 그 SiC 단결정 잉곳으로부터 SiC 단결정 기판을 제작하는 SiC 단결정 기판 공정을 거쳐 얻어진다. 8인치의 SiC 단결정 기판의 제조 기술의 확립에는, SiC 단결정 잉곳 제작 공정 및 SiC 단결정 기판 공정의 각각에 대하여, 8인치 기판만의 새로운 과제를 해결해 가는 것이 필요하다.

여기서 8인치 기판만의 새로운 과제에는, SiC 단결정 잉곳 제작 공정에서는 예를 들어, 6인치 기판에서의 전위 밀도와 동일한 전위 밀도의 8인치 기판을 얻는 것도 포함된다. 6인치 기판의 제조에 최적화된 SiC 단결정 기판의 제조 기술을 단순히 적용하여, 8인치 기판을 제조한 경우, 6인치 기판에서의 전위 밀도보다도 큰 전위 밀도의 8인치 기판이 생겨 버린다. 사이즈가 커지면 동일한 품질을 얻기 위한 허들이 대폭 높아지기 때문이다. 따라서, 8인치의 SiC 단결정 기판의 제조 기술의 평가 시에는, 6인치 기판의 제조에 최적화된 SiC 단결정 기판의 제조 기술을 단순히 적용하여 얻어진 8인치 기판의 전위 밀도가 출발점이며, 그 출발점의 전위 밀도를 기준으로 하여 어느 정도 개선되었는지에 따라, 기술 가치가 평가되어야 할 것이다.

한편, 양산에 있어서의 8인치의 SiC 단결정 기판의 수율은, 6인치의 SiC 단결정 기판과 동일 정도의 평가 기준 또는 그 이상으로 엄격한 평가 기준에 의해 결정되는 것이다. 일보 일보의 개량이 8인치의 SiC 단결정 기판의 제조 기술의 확립으로 이어져 간다.

본 발명자는, 예의 검토한 결과, SiC 단결정 기판에 있어서 지금까지 보고가 없는 새로운 타입의 결함을 발견하고, 소정 범위의 밀도로 그 새로운 타입의 결함을 가질 때, 이온 주입의 전후에서 SORI의 변화가 작은 것을 알아냈다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 이온 주입의 전후에서 SORI의 변화가 작은 SiC 단결정 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 이하의 수단을 제공한다.

본 발명의 양태 1은, 주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고, Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과는 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함하고, 상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.1개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타나는, SiC 단결정 기판이다.

본 발명의 양태 2는, 상기 양태의 SiC 단결정 기판에 있어서, 상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.9개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타난다.

본 발명의 양태 3은, 상기 양태의 SiC 단결정 기판에 있어서, 기판의 반경 r로 해서, 중심으로부터 r/2의 범위의 중앙부 영역과 상기 중앙부 영역의 외측에 위치하는 외측 영역으로 나누었을 때, 상기 중앙부 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NA〔개/㎠〕와, 상기 외측 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NB〔개/㎠〕가,

0.01<NP<0.5(여기서, NP={NA/(NA+NB)})

의 관계를 충족시킨다.

본 발명의 양태 4는, 상기 양태의 SiC 단결정 기판에 있어서, 직경으로 145㎜ 내지 155㎜의 범위이다.

본 발명의 양태 5는, 상기 양태의 SiC 단결정 기판에 있어서, 직경으로 190㎜ 내지 205㎜의 범위이다.

본 발명의 양태 6은, 주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고, Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함하고, 상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.01개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타나고, 기판의 반경 r로 해서, 중심으로부터 r/2의 범위의 중앙부 영역과 상기 중앙부 영역의 외측에 위치하는 외측 영역으로 나누었을 때, 상기 중앙부 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NA〔개/㎠〕와, 상기 외측 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NB〔개/㎠〕가,

0.01<NP<0.5(여기서, NP={NA/(NA+NB)})

의 관계를 충족시키는, SiC 단결정 기판이다.

본 발명의 SiC 단결정 기판에 의하면, 이온 주입의 전후에서 SORI의 변화가 작은 SiC 단결정 기판을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 평면 모식도이다.
도 2a는 SiC 단결정 기판의 면 방위를 도시하는 모식도이며, 주면에 대하여 수직으로 자른 수직 단면도이다.
도 2b는 SiC 단결정 기판의 면 방위를 도시하는 모식도이며, 주면에 대하여 수직인 방향에서 본 평면 모식도이다.
도 3a는 SiC 단결정 기판의 비MP 에치 피트의 광학 현미경상이다.
도 3b는 SiC 단결정 기판의 MP 에치 피트의 광학 현미경상이다.
도 3c는 SiC 단결정 기판의 TSD 에치 피트의 광학 현미경상이다.
도 4a는 SiC 단결정 기판의 투과 X선 토포그래피상이다.
도 4b는 투과 X선 토포그래피상을 취득 후에, 에치 피트를 표출시킨 표면의 광학 현미경상이다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 평면 모식도이다.
도 6은 기판 어닐 공정을 실시하기 위한 어닐 도가니의 단면 모식도이다.
도 7은 우측에 SiC 단결정 기판의 XRT상(g(1-100)), 좌측 하단에 기판 어닐 없음 샘플의 용융 KOH 에칭 후의 광학 현미경상, 좌측 상단에 기판 어닐 있음 샘플의 용융 KOH 에칭 후의 광학 현미경상을 도시한다.
도 8은 SiC 단결정 제조 장치의 단면 모식도이다.
도 9는 SiC 단결정 제조 장치의 다른 예의 단면 모식도이다.
도 10a는 SiC 단결정 제조 장치에 있어서 단열재를 상하 이동시키는 구동 수단의 단면 모식도이다.
도 10b는 SiC 단결정 제조 장치에 있어서 단열재를 상하 이동시키는 구동 수단의 단면 모식도이다.
도 10c는 SiC 단결정 제조 장치에 있어서 단열재를 상하 이동시키는 구동 수단의 단면 모식도이다.
도 11a는 단열재의 하면과 단결정의 표면의 위치 관계와, 단결정의 근방의 등온면의 관계를 도시한다.
도 11b는 단열재의 하면과 단결정의 표면의 위치 관계와, 단결정의 근방의 등온면의 관계를 도시한다.
도 11c는 단열재의 하면과 단결정의 표면의 위치 관계와, 단결정의 근방의 등온면의 관계를 도시한다.
도 12a는 결정 성장 중의 단결정의 근방의 등온면의 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12b는 결정 성장 중의 단결정의 근방의 등온면의 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 대하여, 도면을 적절히 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있어, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 다르게 되어 있는 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재료, 치수 등은 일 예이며, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 또한, 각 도면에 있어서, 그 도면에서 설명하는 구성 요소 이외의 당업자에게 주지의 구성 요소에 대해서는 생략하고 있는 경우가 있다.

또한, 본 명세서 중의 결정학적 기재에 있어서는, 개별 방위를 [ ], 집합 방위를 < >, 개별면을 ( ), 집합면을 { }로 각각 나타내고 있다. 음의 지수에 대해서는, 결정학상, "-"(바)를 숫자 위에 붙이는 것으로 되어 있지만, 본 명세서 중에서는, 숫자 앞에 음의 부호를 붙이고 있다.

(SiC 단결정 기판)

도 1은 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 평면 모식도이다. 도 2는 SiC 단결정 기판의 면 방위를 도시하는 모식도이며, 도 2a는 주면에 대하여 수직으로 자른 수직 단면도이고, 도 2b는 주면에 대하여 수직인 방향에서 본 평면 모식도이다.

도 1에 도시한 SiC 단결정 기판(1)은, 주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고, Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과는 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함한다.

SiC 단결정 기판이 이러한 비MP 결함을 포함함으로써, 디바이스 제작 공정의 이온 주입 전후의 SORI의 변화가 억제되어, 수율이 향상된다. 비MP 결함을 포함함으로써 응력 완화 및 이온 주입에 의한 대미지가 경감되는 것에 기인하는 것으로 생각된다.

SiC 단결정 기판(1)의 외형에 특별히 제한은 없지만, 다양한 평판 형상, 두께의 것을 사용할 수 있지만, 전형적으로는 원판상이다. SiC 단결정 기판의 두께는 예를 들어, 300 내지 650㎛의 범위의 것으로 할 수 있다.

SiC 단결정 기판(1)의 사이즈는 비MP 결함을 발생시키는 한, 제한은 없지만, 예를 들어 6인치(직경으로 145㎜ 내지 155㎜의 범위)나 8인치(직경으로 190㎜ 내지 205㎜의 범위)로 할 수 있다.

SiC 단결정 기판(1)은 4H-SiC인 것이 바람직하다. SiC는 다양한 폴리 타입이 있지만, 실용적인 SiC 디바이스를 제작하기 위해 주로 사용되고 있는 것은 4H-SiC이기 때문이다.

SiC 단결정 기판(1)은, 주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있다.

오프각이 클수록 SiC 단결정 잉곳으로부터 얻어지는 웨이퍼 매수가 적어지기 때문에, 비용 삭감의 관점에서는 오프각이 작은 것이 바람직하다.

본 명세서에 있어서의 「비MP 결함」이란, 용융 KOH 에칭으로 표출되는 에치 피트에 있어서 마이크로 파이프(MP)와 공통되는 특징을 갖지만, 투과 X선 토포그래피에 의해 마이크로 파이프와 구별할 수 있는 결함을 의미한다. 구체적으로는, Si면에 대하여 500℃, 15분의 용융 KOH 에칭으로 표출되는 에치 피트의 형상이 육각 형상인 점은 MP 및 TSD와 공통된다(도 3 참조). TSD의 피트 중앙에는 코어가 보이는 것에 반해, MP 및 비MP 결함의 피트에는 코어가 보이지 않는다(도 3 참조). 큰 깊이를 갖고 있기 때문에 현미경에서의 초점이 맞지 않는 것에 기인한다고 생각된다. 관찰되는 에치 피트 면적은 TSD 에치 피트의 면적보다도 10％ 이상 크고, MP 에치 피트의 면적의 110％ 이하이다. 또한, 투과 X선 토포그래피에 의해 마이크로 파이프를 검출할 수 있지만, 비MP 결함은 투과 X선 토포그래피에 의해 검출되지 않거나 혹은 마이크로 파이프에 비해 농담이 매우 약하다.

여기서, 각 결함의 「에치 피트 면적」은, 용융 KOH 에칭에 의해 에치 피트가 표출된 기판의 표면을 광학 현미경 등에 의해 촬영한 현미경상에 기초하여 계측할 수 있다. 예를 들어, 현미경상을 컴퓨터에 도입하여 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 산출하거나, 시판되고 있는 웨이퍼 결함 해석 장치에 의해 계측할 수 있다. 「에치 피트 면적」은, 에치 피트가 표출된 기판의 표면에 있어서, 면내 중심을 포함하고, 반경 방향의 5점 이상의 개소에서 1.2×1.4㎜인 사각형의 범위에서 관찰되는 에치 피트의 면적을 평균하여 1개당의 면적으로서 산출하는 것으로 한다. 또한, 각 결함의 에치 피트수나 에치 피트 밀도도 마찬가지로 하여 광학 현미경 등에 의해 촬영한 현미경상에 기초하여 계측할 수 있다.

용융 KOH 에칭은, 결정 표면을 부식시켜 결정 결함 주변에 발생하는 표면의 패임부(에치 피트)를 선택적으로 형성하는 결함 선택 에칭의 1종이다. 부식에 의한 에치 피트는 결정 표면의 화학 퍼텐셜이 상대적으로 높은 부분이 선택적으로 에칭된다. 이 때문에, 에치 피트의 형상은 전위 결함의 종류, 전위선의 방향, 결정의 대칭성에 의해 결정되고, 그 형상으로부터 결함의 종류를 판정할 수 있다.

마이크로 파이프는, 결정을 성장 방향(c축 방향)으로 관통하는 직경 수㎛ 내지 수십㎛의 중공 관통 결함이며, 그 발생 원인은 관통 나선 전위의 변형 완화로 생각되고 있다. 즉, 관통 나선 전위가 결정 성장 중에 마이크로 파이프 결함의 발생을 수반하여 완화되고, 그 결과, 중공 코어의 중공 관통 결함으로서 형성되어, 전위의 일종으로 생각되고 있다.

전위의 종류(마이크로 파이프를 포함함)는 광학 현미경, 전자 현미경(SEM) 등을 사용하여, 용융 KOH 에칭에 의해 나타난 에치 피트의 형상으로부터 판별할 수 있다. 일반적으로는, 대형 육각 형상을 갖고 또한 코어가 없는 에치 피트는 마이크로 파이프(MP)에 상당하고, 중형 육각 형상을 갖고 또한 코어가 있는 에치 피트는 관통 나선 전위(TSD)에 상당하고, 소형 육각 형상을 갖고 또한 코어가 있는 에치 피트는 관통 칼날 전위(TED)에 상당하고, 타원 형상(패각 형상)을 갖는 에치 피트는 기저면 전위(BPD)에 상당한다. BPD는 c면 내로 신장하고 있기 때문에, BPD 에치 피트는 기판의 오프 방위를 향하여 확대된 패각상의 형태로 되어 있고, TSD 에치 피트 및 TED 에치 피트는, 결합이 약한 장소(전위 코어)가 우선적으로 에칭됨으로써 에치 피트가 형성된다.

마이크로 파이프(MP)의 에치 피트(이하, 「MP 에치 피트」라 하는 경우가 있음)와, 관통 나선 전위(TSD)의 에치 피트(이하, 「TSD 에치 피트」라 하는 경우가 있음) 및 관통 칼날 전위(TED)의 에치 피트(이하, 「TED 에치 피트」라 하는 경우가 있음)는, 육각 형상을 갖는 점에서 공통되지만, TSD 에치 피트 및 TED 에치 피트는, 코어를 갖는 점과, 그 크기에서, MP 에치 피트와는 다르다.

육각 형상의 에치 피트의 크기를 에치 피트의 이방성 육각형의 대각선 중 가장 긴 대각선의 직경으로 하면, MP 에치 피트는 5 내지 50㎛ 정도이고, TSD 에치 피트는 1 내지 10㎛ 정도이며, TED 에치 피트는 1 내지 10㎛ 정도이다.

도 3에, 500℃, 15분의 용융 KOH 에칭 후의 각 에치 피트의 전형적인 광학 현미경상을 도시한다. 도 3a는 비MP 결함에 상당하는 에치 피트(이하, 「비MP 에치 피트」라 하는 경우가 있음)이고, 도 3b는 MP 에치 피트이며, 도 3c는 TSD 에치 피트이다. 도 3a에 도시한 비MP 에치 피트는 육각 형상을 갖고, 코어를 갖지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3b에 도시한 MP 에치 피트도 마찬가지로 육각 형상을 갖고, 코어를 갖지 않는 점에서 비MP 에치 피트와 공통되는 것을 알 수 있다. 한편, 도 3c에 도시한 TSD 에치 피트도 육각 형상을 갖지만, 코어를 갖는 점에서 비MP 에치 피트와 다른 것을 알 수 있다.

또한, 동일 샘플 면내의 비MP 에치 피트의 면적(S_nMP)은, TSD 에치 피트(S_TSD)의 면적보다도 10％ 이상 크고(즉, {(S_nMP-S_TSD)/S_TSD)×100}≥10), MP 에치 피트(S_nMP)의 110％ 이하(즉, (S_nMP/S_MP)×100}≤110)였다.

SiC 단결정 기판(1)은, Si면에 대하여 500℃, 15분의 용융 KOH 에칭 후에 나타나는 비MP 에치 피트의 밀도(비MP 에치 피트)는, 0.01개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위인 것이 바람직하다. 즉, SiC 단결정 기판(1)의 비MP 밀도는 0.01개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위인 것이 바람직하다.

SiC 단결정 기판(1)의 비MP 밀도는, 0.1개/㎠ 내지 20개/㎠의 범위인 것이 보다 바람직하다.

SiC 단결정 기판(1)의 비MP 밀도는, 1개/㎠ 내지 10개/㎠의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

X선 토포그래피(XRT)는, X선 회절에 있어서 결정 중에 격자가 교란된 불완전한 영역(결정 결함)이 있으면, 그 불완전 영역 근방에서 회절 X선 강도가 증대되는 것을 이용하는 것이다. X선 토포그래피상은, 시료에 X선을 블랙 조건으로 조사하여 회절되어 온 X선의 강도를 농담(콘트라스트)으로 변환한 이차원 화상이다. 결정 결함의 주위에서는 결정 격자의 변형에 의해 회절 X선 강도가 증대되어, XRT상 상에서 색 농도가 진해진다. 이 농담의 패턴으로부터 결함의 형태나 분포의 정보를 얻을 수 있다. 반사 X선 토포그래피에서는 표층의 수㎛ 내지 20㎛ 정도의 결함 정보가 얻어지는 것에 반해, 투과 X선 토포그래피에서는 시료 판 두께 모든 결함 정보가 얻어진다.

도 4a에, 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 투과 X선 토포그래피상(g(1-100))을 도시한다. 도 4b는 동일한 SiC 단결정 기판에 대하여 투과 X선 토포그래피상을 취득 후에, 500℃, 15분의 용융 KOH 에칭으로 에치 피트를 표출시킨 표면의 광학 현미경상이다. 도 4a의 화살표 A 내지 C로 지시하는 개소는 각각, 도 4b의 화살표 A 내지 C로 지시하는 개소에 대응한다.

도 4a의 투과 X선 토포그래피상에 있어서, 화살표 A로 지시하는 것은 마이크로 파이프(MP)의 XRT상이며, 화살표 B 및 화살표 C로 지시하는 것은 비MP 결함의 XRT상이다. 마이크로 파이프의 XRT상과 비MP 결함의 XRT상에서는 농담이 명백하게 다르고, 비MP 결함의 XRT상은 거의 농담이 없고, 도 4b의 에치 피트의 광학 현미경상과의 대비에 의해 그 존재를 검지할 수 있었던 것이다.

결정 결함의 주위에서는 격자면이 일그러져 있기 때문에, 완전 결정 영역에서 회절을 일으키지 않은 파장의 X선까지도 회절 조건을 충족시키게 되어 회절 X선 강도가 증대되어, 마이크로 파이프의 XRT상은 완전 결정 영역에 비해 진해진다고 생각되고 있다. 이에 반해, 비MP 결함의 XRT상이 마이크로 파이프의 XRT상에 비해 농담이 약하거나(회절 X선 강도가 약하거나) 혹은 농담이 거의 없다(회절 X선 강도가 거의 없다)고 하는 것은, 비MP 결함이 마이크로 파이프와는 다른 구조를 갖는 것을 나타내는 것이다. 구조가 어떻게 다른지에 대해서는 향후의 한층 더한 연구가 필요하지만, 이 비MP 결함의 존재가 그 후의 디바이스 제작 공정에 있어서 유리한 효과를 갖는 경우가 있음을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.

새롭게 발견한 「비MP 결함」은, 에치 피트의 특징이 육각 형상이며 또한 코어가 없는 점에서 마이크로 파이프와 마찬가지이며, 또한, 크기도 동일 정도의 것이 많기 때문에, 에치 피트의 광학 현미경상 관찰만으로 찾아내는 것은 곤란하다. 또한, 「비MP 결함」은, XRT상으로서는 거의 콘트라스트가 없기 때문에, 투과 X선 토포그래피상 관찰만으로 찾아내는 것은 곤란하다. 또한, 에치 피트의 광학 현미경상 관찰 및 투과 X선 토포그래피상 관찰을 병용하여 연구 개발을 진행시키고 있었다고 해도, 애당초 「비MP 결함」의 존재 자체가 알려져 있지 않았기 때문에, 그것을 찾아내는 것이 곤란하였다고 할 수 있다. 본 발명자는 금회, 고품질의 8인치의 SiC 단결정 기판을 연구 개발하는 가운데, 6인치의 SiC 단결정 기판의 제조 공정을 하나하나, 신중하게 검토하고 있는 상황이었던 것으로 우연히, 발견할 수 있었던 것이다. 또한, 실시예에서 나타내는 대로, 이 「비MP 결함」은 8인치의 SiC 단결정 기판에 특유의 것은 아니고, 6인치의 SiC 단결정 기판에도 발견되는 것이다.

도 5는 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 평면 모식도이며, SiC 단결정 기판을 중앙부 영역과 그 주위에 위치하는 외측 영역에서 비MP 에치 피트의 밀도 분포가 다른 경우를 도시한다.

본 실시 형태의 SiC 단결정 기판(1)은, 기판의 반경 r로 해서, 중심으로부터 r/2의 범위의 중앙부 영역(1A)과 중앙부 영역(1A)의 외측에 위치하는 외측 영역(1B)으로 나누었을 때, 중앙부 영역(1A)의 비MP 결함 에치 피트(비MP 에치 피트)의 밀도 NA〔개/㎠〕와, 외측 영역(1B)의 비MP 결함 에치 피트의 밀도 NB〔개/㎠〕가,

NP<0.5(여기서, NP={NA/(NA+NB)})

의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다. 즉, 비MP 에치 피트의 밀도는 중앙부 영역(1A)보다 외측 영역(1B)쪽이 높은 것이 바람직하다.

비MP 에치 피트의 밀도가 중앙부 영역(1A)보다 외측 영역(1B)쪽이 높음으로써, 응력이 충분히 완화되고, 또한, 이온 주입에 의한 대미지가 적절하게 경감된다.

또한, 0.01<NP<0.5인 것이 바람직하다.

NP가 이 범위에 있으면, 응력 완화 효과 및 이온 주입에 의한 대미지 경감 효과가 크고, 그 결과, 디바이스 제작 공정의 이온 주입 전후의 SORI의 변화가 충분히 억제되어, 수율이 향상된다.

NP는, 0.05 내지 0.5인 것이 보다 바람직하다.

NP는, 0.1 내지 0.4인 것이 더욱 바람직하다.

NP는, 0.1 내지 0.3인 것이 더욱더 바람직하다.

NP는, 0.15 내지 0.25인 것이 보다 더 바람직하다.

SiC 단결정 기판(1)에 있어서의 중앙부 영역(1A)과 그 주위에 위치하는 외측 영역(1B)에 있어서의 비MP 에치 피트의 밀도 분포는, 예를 들어 어닐 조건에 의해 조정할 수 있다. 어닐 조건에 의해 조정하는 경우에 대해서는 후술한다.

SiC 단결정 기판(1)은, 표리 양면의 가공 변질층의 두께가 0.1㎚ 이하인 것이 바람직하다.

SiC 단결정 기판(1)의 주면(이하, 「표면」이라 하는 경우가 있음)은 경면이다. SiC 단결정 기판의 표면은, 각종 SiC 디바이스를 제작하기 위해 SiC의 단결정을 에피택셜 성장시켜 SiC 에피택셜층을 형성할 필요가 있기 때문이다. 따라서, 승화법 등을 사용하여 제조된 SiC 단결정 잉곳으로부터 기판(이 되는 부분)을 절단하고, 절단된 기판의 표면을 경면 가공함으로써 형성되는 것이다.

다른 쪽의 면(이하, 「이면」이라 하는 경우가 있음)은 경면이 아니어도 되지만, 표면이 경면이며 이면이 경면이 아닌 SiC 단결정 기판은 표면과 이면에서 잔류 응력의 차이가 발생하고, 잔류 응력을 보상하도록 기판이 뒤로 젖혀져 버린다(트와이먼 효과)고 하는 문제가 있다. 이면도 경면으로 함으로써 트와이먼 효과에 기인하는 기판의 휨을 억제할 수 있다. 표면은 경면이며 또한 이면은 비경면인 경우라도, 휨이 작은 SiC 단결정 기판을 제작하는 방법이 개발되고 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).

SiC 단결정 기판(1)은, 결정 방위의 지표로 되는 노치(2)를 갖지만, 노치(2) 대신에 OF(오리엔테이션 플랫, Orientation Flat)를 갖고 있어도 된다.

SORI는, 기판의 휨 상태를 나타내는 파라미터의 하나이며, 기판의 이면을 지지하여 원래의 형상을 변화시키지 않도록 측정한 경우에 있어서, 기판 표면 상의 전체 데이터를 사용하여 최소 제곱법에 의해 계산되는 최소 제곱 평면으로부터, 기판 표면 상의 최고점과 최저점까지의 법선 거리의 합계로 나타내어진다.

<가공 변질층과 SORI의 관계>

SiC 단결정 기판은, SiC 단결정 잉곳을 슬라이스하고, 표면을 평탄화함으로써 제작된다. 이와 같은 기계적 가공을 실시하면 기판의 표면에 가공 변형이 도입되어 버린다. SiC 단결정 기판의 표면에 있어서 가공 변형이 발생한 부분을 가공 변질층이라 한다. 표면, 이면에 가공 변질층을 갖는 경우, 표면 및 이면에서 가공 변형의 차이가 발생하고, 잔류 응력에도 차이가 발생하여, 트와이먼 효과에 의해 기판의 휨이 발생한다. 기판 양면에 있어서의 가공 변질층이 발하는 응력 상태의 밸런스로 기판의 형상(휨)이 결정된다.

특허문헌 3의 도 14에, 단결정 SiC 웨이퍼의 가공 변질층 깊이와 SORI의 관계가 도시되어 있다. 이 그래프에 의하면, 가공 변질층 깊이가 깊을수록, SORI의 값이 크게 되어 있다. 또한, 6인치의 SiC 단결정 기판과 4인치의 SiC 단결정 기판을 비교한 경우, 6인치의 SiC 단결정 기판쪽이 가공 변질층의 영향을 받기 쉬워, SORI가 크게 되어 있다. 이것으로부터, 8인치의 SiC 단결정 기판과 6인치의 SiC 단결정 기판을 비교한 경우, 8인치의 SiC 단결정 기판쪽이 가공 변질층의 영향을 더 받기 쉬워, SORI가 더 커질 것으로 추측된다. 따라서, 8인치의 SiC 단결정 기판에 대해서는 6인치의 SiC 단결정 기판보다도, 휨 저감을 위해 가공 변질층을 제거하는 것이 보다 중요해진다.

(SiC 단결정 기판의 제조 방법)

본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판의 제조 방법, 특히 8인치 직경의 SiC 단결정 기판의 제조 방법에 대하여, SiC 단결정 잉곳의 제작 공정과, 잉곳으로부터의 SiC 단결정 기판을 제작하는 공정으로 나누어 설명한다.

SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, (i) SiC 단결정 잉곳의 성장 후에 소정의 조건에서 냉각하고, (ii) SiC 단결정 잉곳의 성장 후에 소정의 조건에서 어닐하고, (iii) SiC 단결정 잉곳의 슬라이스 후에 소정의 조건에서 어닐하는 것 중 어느 것 또는 이것 중 2개 이상의 처리를 행한다.

예의 연구를 계속하는 가운데, 본 발명자는, 8인치 직경의 SiC 단결정 잉곳의 제작 시에는, 6인치 직경의 SiC 단결정 잉곳에 대하여, 직경 방향 및 수직 방향(결정 성장 방향)의 온도 구배에 대하여 보다 엄밀한 제어가 키포인트가 되는 것을 알아냈다. 그리고, 특허문헌 4에서 개시된 방법을 적용함으로써, 직경 방향 및 수직 방향(결정 성장 방향)의 온도 구배에 대하여 보다 엄밀한 제어를 실현할 수 있음을 알아냈다. 구체적으로는, 결정 성장을 가이드하는 가이드 부재의 외측을, 가이드 부재의 연장 방향을 따라서 이동할 수 있는 단열재를 구비한 SiC 단결정 제조 장치를 사용할 수 있다. 또한, 직경 방향 및 수직 방향(결정 성장 방향)의 온도 구배에 대하여 보다 엄밀한 제어하는 방법으로서, 특허문헌 4에서 개시된 방법에 한정되지는 않는다.

SiC 단결정 잉곳의 대구경화의 이행기에 있어서는 지금까지의 구경의 SiC 단결정 잉곳의 제작 방법의 적용으로는 마찬가지의 결정 품질의 대구경 SiC 단결정 잉곳이 얻어지지 않는다고 하는 문제에 부딪친다. 4인치 직경의 SiC 단결정 잉곳으로부터 6인치 직경의 SiC 단결정 잉곳으로의 이행기에 있어서는 예를 들어, 이하와 같은 문제가 있었다(특허문헌 1 참조).

종결정을 사용한 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 성장에 있어서, 높은 결정 품질을 실현하기 위한 성장 조건의 하나로서, 성장 시의 단결정 잉곳의 표면 형상을 성장 방향으로 대략 볼록상이 되도록 할 필요가 있다. 이것은, 예를 들어 파워 디바이스에 사용되는 4H형 SiC 단결정의 경우, <0001>축, 즉 결정의 c축 방향에 대략 평행으로 성장을 행할 때는, SiC 단결정은 관통 나선 전위로부터 조출되는 와권상 스텝의 진전에 의해 단결정 성장이 행해진다. 그 때문에, 대략 볼록상으로 함으로써, 성장 표면 상의 스텝 공급원이 실질적으로 1개소가 되어 폴리 타입 안정성을 향상시키는 것이 가능해진다고 알려져 있다. 만약, 성장 표면이 오목면, 혹은 복수의 정상부를 갖는 경우에는, 성장 스텝의 공급원이 복수 개소가 되고, 이것에 의해 각각의 공급원으로부터 조출되는 다른 스텝이 서로 부딪치는 부분이 발생한다. 이와 같은 경우, 서로 부딪치는 부분으로부터 전위 등의 결함이 발생할 뿐만 아니라, 4H형 폴리 타입에 특유의 c축 방향의 원자 적층 상태가 교란되기 쉬워지기 때문에, 6H형이나 15R형 등과 같은 적층 구조가 다른 이종 폴리 타입이 발생하여, 마이크로 파이프 결함이 생성되어 버린다.

따라서, 예를 들어 파워 디바이스에 적합한 4H형 폴리타입을 안정화시켜, 4H형 폴리타입만으로 이루어지는, 소위 싱글 폴리타입 결정을 성장시키기 위해서는, 성장 결정의 성장 표면 형상을 개략 볼록상으로 하는 것이 중요해진다. 구체적으로는, 성장 결정의 중심부의 온도를 성장 속도 등의 관점에서 최적화하면서, 또한 성장 시의 온도 분포, 즉 등온선 형상을 제어하여 개략 볼록상으로 되도록 함으로써 성장 결정의 볼록 형상이 실현된다. 이와 같은, 개략 볼록상의 등온선이 실현되어 있는 성장 조건 하에서 성장하는 SiC 단결정 잉곳은, 대략 등온선에 평행으로 되도록 성장하게 되어, 상기한 폴리 타입 안정성이 확보되게 된다고 생각되었다.

그러나, 성장 결정의 구경이 150㎜(6인치) 이상으로 대구경화되는 경우, 성장 결정의 중심부의 온도를 성장 속도 등의 관점에서 종래 100㎜(4인치) 구경의 단결정 성장과 동등하게 최적화하면서, 성장 시의 온도 구배를 제어하여 성장 결정의 성장 표면 형상이 성장 방향으로 개략 볼록상으로 되도록 하면, 어떻게 해도 종결정의 주변부가 소구경 결정 성장의 경우와 비교하여 온도가 높아져 버린다. 그 결과, 종결정 자체의 SiC 단결정이, 그 외주측의 주변부에서 열분해되기 쉬워진다고 하는 문제가 있었다. 이 문제에 대하여, 특허문헌 1에서는, 두께가 2.0㎜ 이상인 탄화규소 단결정으로 이루어지는 종결정을 사용하는 것을 주된 해결 수단에 의해 문제를 해결하였다.

본 발명에서는, 8인치 직경의 SiC 단결정 잉곳의 제작 시에는, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 전형적인 6인치 직경의 SiC 단결정 잉곳의 제작 방법에서는 행하지 않는 방법으로서, 결정 성장을 가이드하는 가이드 부재의 외측을 가이드 부재의 연장 방향을 따라서 이동할 수 있는 단열재를 사용하여, 직경 방향의 온도 구배만이 아니라, 수직 방향(결정 성장 방향)의 온도 구배도 제어함으로써, 6인치 직경의 SiC 단결정 잉곳에 필적하는 특성을 갖는 8인치 직경의 SiC 단결정 잉곳을 제작하는 것에 성공하였다. 이하, SiC 단결정 제조 장치, 및, SiC 단결정 잉곳의 제작 공정에 대하여 설명한다.

도 7은 SiC 단결정 잉곳의 제작 공정을 실시하기 위한 SiC 단결정 제조 장치의 일 예의 단면 모식도이다.

도 7에 도시한 SiC 단결정 제조 장치(100)는, 도가니(10)와, 종결정 설치부(11)와, 가이드 부재(20)와, 단열재(30)를 구비한다. 도 7에서는, 이해를 용이하게 하기 위해, 원료 G, 종결정 S, 종결정 S 상에 결정 성장한 단결정 C를 동시에 도시하고 있다.

이하 도시에 있어서, 종결정 설치부(11)와 원료 G가 대향하는 방향을 상하 방향이라 하고, 상하 방향에 대하여 수직인 방향을 좌우 방향이라 한다.

도가니(10)는, 단결정 C를 결정 성장시키는 성막 공간 K를 둘러싼다. 도가니(10)는, 단결정 C를 승화법에 의해 제작하기 위한 도가니이면, 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 흑연, 탄화탄탈 등을 사용할 수 있다. 도가니(10)는, 성장 시에 고온이 된다. 그 때문에, 고온에 견딜 수 있는 재료에 의해 형성되어 있을 필요가 있다. 예를 들어, 흑연은 승화 온도가 3550℃로 매우 높아, 성장 시의 고온에도 견딜 수 있다.

종결정 설치부(11)는, 도가니(10) 내의 원료 G와 대향하는 위치에 마련된다. 종결정 설치부(11)가 원료 G에 대하여 대향한 위치에 있음으로써, 종결정 S 및 단결정 C에 원료 가스를 효율적으로 공급할 수 있다.

가이드 부재(20)는, 종결정 설치부(11)의 주위로부터 원료 G를 향하여 연장된다. 즉, 가이드 부재(20)는, 단결정 C의 결정 성장 방향을 따라서 배치되어 있다. 그 때문에, 가이드 부재(20)는, 단결정 C가 종결정 S로부터 결정 성장할 때의 가이드로서 기능한다.

가이드 부재(20)의 하단은, 지지체(21)에 의해 지지되어 있다. 지지체(21)는, 가이드 부재(20)의 하단과 도가니(10) 사이를 폐색하여, 가이드 부재(20)의 외측 영역으로의 원료 가스의 침입을 억제한다. 당해 영역에 원료 가스가 침입하면, 가이드 부재(20)와 단열재(30) 사이에 다결정이 성장하여, 단열재(30)의 자유로운 이동을 저해한다.

가이드 부재(20)와 지지체(21)의 접속부는, 코킹 구조인 것이 바람직하다. 코킹 구조란, 가이드 부재(20)에 물리적인 힘이 가해졌을 때, 가이드 부재(20)와 지지체(21)의 접속부가 체결되도록 설계된 구조를 말한다. 예를 들어 접속부가 나사 절삭 가공된 나사 구조는, 코킹 구조의 일 예이다. 가이드 부재(20)는, 결정 성장하는 단결정 C와 물리적으로 접촉하는 경우가 있고, 그 경우에 가이드 부재(20)의 탈락을 방지할 수 있다.

도 7에 있어서의 가이드 부재(20)는, 상하 방향에 연직으로 연장되어 있다. 가이드 부재(20)의 형상은, 당해 형상에 한정되지는 않는다. 도 9는 본 실시 형태에 관한 SiC 단결정 제조 장치(101)의 다른 예의 단면 모식도이다. 도 9에 있어서의 가이드 부재(25)는, 종결정 설치부(11)로부터 원료 G를 향하여 직경 확대된다. 가이드 부재(25)가 직경 확대됨으로써, 단결정 C의 구경을 확대할 수 있다.

또한 도 7에 있어서의 가이드 부재(20)는 상단이 개구되어 있지만, 가이드 부재(20)의 상단을 도가니(10)의 내면과 접속하여, 단열재(30)가 존재하는 공간을 폐공간으로 해도 된다.

가이드 부재(20)의 표면은, 탄화탄탈로 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 가이드 부재(20)는, 원료 가스의 흐름을 제어하기 때문에, 항상 원료 가스에 노출되어 있다. 가이드 부재(20)를 흑연 노출에서 사용하면, 흑연이 원료 가스와 반응하여, 열화 손상되는 경우가 있다. 열화 손상되면, 가이드 부재(20)에 천공이 발생하는 경우가 발생한다. 또한 열화에 의해 박리된 카본 분말이 단결정 C 내에 도입되어, 단결정 C의 품질을 열화시키는 원인으로도 이어진다. 이에 반해, 탄화탄탈은, 고온에 견딜 수 있음과 함께, 원료 가스와 불필요한 반응을 발생시키는 일도 없다. 따라서, 안정적으로 고품질의 SiC 단결정 성장을 행할 수 있다.

단열재(30)는, 가이드 부재(20)의 외측을, 가이드 부재(20)의 연장 방향을 따라서 이동한다. 단열재(30)가 이동함으로써, 단열재(30)의 원료 G측의 단부면(이하, 하면(30a)이라 함)과 단결정 C의 표면 Ca의 위치 관계를 제어할 수 있다. 그 때문에, 단결정 C의 표면 Ca 근방에 있어서의 온도 분포를 자유롭게 제어할 수 있어, 결정 성장하는 단결정 C의 표면 형상을 자유롭게 제어할 수 있다.

결정 성장의 과정에 있어서, 단열재(30)의 원료측의 단부면(30a)과 단결정 C의 표면 Ca의 위치 관계를 제어할 수 있다.

또한, 결정 성장의 과정에 있어서, 단열재(30)의 원료측의 단부면(30a)이 단결정 C의 표면 Ca로부터 20㎜ 이내에 위치할 수 있다.

또한, 결정 성장의 과정에 있어서, 단열재(30)의 원료측의 단부면(30a)이, 단결정 C의 표면 Ca보다 종결정 설치부(11) 측에 배치되도록 할 수 있다.

또한, 단열재(30)의 두께가 0.2㎜ 이상 제조되는 SiC 단결정 잉곳의 성장량의 절반 이하로 할 수 있다.

도 10은 단열재(30)를 상하 이동시키는 구동 수단의 단면 모식도이다. 구동 수단은, 단열재(30)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 것이면, 특별히 상관없다. 예를 들어 도 10a에 도시한 바와 같이, 단열재(30)의 상부로부터 도가니(10)의 외부로 연장되는 구동 부재(31)를 마련하고, 구동 부재를 상하로 밀고 당김으로써 단열재(30)를 이동시켜도 된다. 또한 예를 들어 도 10b에 도시한 바와 같이, 단열재(30)의 하부로부터 단열재를 지지하고, 승강식의 구동 부재(32)를 마련해도 된다. 또한 예를 들어 도 10c에 도시한 바와 같이, 도가니(10)의 측면의 일부에 절입을 마련하고, 이 절입을 통해 도가니(10)의 외부로 연장되는 구동 부재(33)를 마련하고, 구동 부재를 상승 하강시킴으로써 단열재(30)를 이동시켜도 된다.

단열재(30)는, 2000℃ 이상의 고온에서 열전도율이 40W/mk 이하인 재료에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 2000℃ 이상의 고온에서 열전도율이 40W/mk 이하인 재료로서는, 상온 시의 열전도율이 120W/mk 이하인 흑연 부재 등을 들 수 있다. 또한, 단열재(30)는 2000℃ 이상의 고온에 있어서 5W/mk 이하인 재료로 구성되는 것이 보다 바람직하다. 2000℃ 이상의 고온에서 열전도율이 5W/mk 이하인 재료로서는 흑연, 탄소를 주성분으로 한 펠트재를 들 수 있다.

단열재(30)의 형상은, 가이드 부재(20)와 도가니(10)의 내면 사이에 끼워진 영역의 형상에 맞추어 적절히 설계한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 가이드 부재(20)와 도가니(10)의 내면의 거리가 일정한 경우에는, 이들 사이를 매립하도록 단열재(30)를 배치한다. 또한 도 8에 도시한 바와 같이, 가이드 부재(25)와 도가니(10)의 내면의 거리가 변화되는 경우에는, 이들 사이가 가장 좁아지는 위치에 맞추어 단열재(35)의 형상을 설계한다. 이와 같이 설계함으로써, 단열재(35)가 가이드 부재(25)와 도가니(10)의 내면 사이에서 꽉 차, 움직이지 않게 되는 것을 피할 수 있다.

단열재(30)의 두께는, 0.2㎜ 이상이 바람직하고, 5㎜ 이상이 보다 바람직하고, 20㎜ 이상이 보다 바람직하다. 단열재(30)의 두께가 너무 얇으면, 충분한 단열 효과를 발휘할 수 없는 경우가 있다. 또한, 단열재(30)의 두께는, 최종적 제조되는 단결정 길이의 절반 이하인 것이 바람직하다. 여기서 단결정 길이란, 결정 성장 후의 단결정 C의 상하 방향의 길이(단결정 C의 성장량)를 의미한다. 단결정의 성장량이 100㎜인 경우, 단열재(30)의 두께는 50㎜ 이하가 바람직하고, 단결정의 성장량이 50㎜인 경우 내이면, 단열재(30)의 두께는 25㎜ 이하가 바람직하다. 단열재(30)의 두께가 너무 두꺼우면, 단열재(30)의 이동이 저해된다. 또한 단열재(30)의 두께가 당해 범위 내이면, 단열재(30)를 통해 단결정 C 내의 상하 방향으로 온도차를 형성할 수 있다. 그 때문에, 단결정 C의 표면 Ca 이외의 부분에서 원료 가스가 재결정화되는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 SiC 단결정 제조 장치에 의하면, 결정 성장하는 단결정에 대하여 단열재의 위치를 상대적으로 제어할 수 있다. 단열재의 위치를 제어함으로써, 결정 성장 시의 단결정 C의 표면 근방의 온도 분포를 자유롭게 제어할 수 있다. 단결정 C는, 등온면을 따라서 성장하기 때문에, 단결정 C의 표면 근방의 온도 분포를 제어하는 것은, 단결정 C의 형상을 제어하는 것으로 이어진다.

SiC 단결정 잉곳의 제작 시에는, 상술한 SiC 단결정 제조 장치를 사용할 수 있다. 이하, 도 8에 도시한 SiC 단결정 제조 장치(100)를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.

SiC 단결정 잉곳의 제작 공정에서는, 종결정 설치부(11)에 설치한 종결정 S로부터 단결정 C를 결정 성장시킨다. 단결정 C는, 원료 G로부터 승화된 원료 가스가 종결정 S의 표면에서 재결정화됨으로써 성장한다. 원료 G는, 외부에 마련한 가열 수단에 의해 도가니(10)를 가열함으로써 승화된다. 승화된 원료 가스는, 가이드 부재(20)를 따라서 종결정 S를 향하여 공급된다.

SiC 단결정 잉곳의 제작 공정에서는, 종결정 S로부터 단결정 C를 결정 성장하는 과정에 있어서, 단열재(30)의 하면(30a)과 단결정 C의 표면 Ca의 위치 관계를 제어한다. 이들의 위치 관계를 제어함으로써, 단결정 C의 표면 Ca의 형상을 자유롭게 제어할 수 있다.

도 11은 단열재(30)의 하면(30a)과 단결정 C의 표면 Ca의 위치 관계와, 단결정 C의 근방의 등온면의 관계를 도시한다. 도 11a는 단결정 C의 표면 Ca(결정 성장면)가 플랫하게 되어 있는 경우의 예이며, 도 11b는 단결정 C의 표면 Ca(결정 성장면)가 오목상으로 되어 있는 경우의 예이며, 도 11c는 단결정 C의 표면 Ca(결정 성장면)가 볼록상으로 되어 있는 경우의 예이다.

도 11a 내지 도 11c에 도시한 바와 같이, 단결정 C의 표면 Ca의 형상은, 단결정 C의 표면 Ca에 대한 단열재(30)의 위치에 따라서 변화된다. 도 11a에 도시한 바와 같이, 단결정 C의 표면 Ca와 단열재(30)의 하면(30a)의 위치가 대략 동일한 경우에는, 단결정 C의 표면 Ca는 플랫으로 된다. 이에 반해 도 11b에 도시한 바와 같이, 단열재(30)의 하면(30a)이 단결정 C의 표면 Ca보다 원료 G측에 있는 경우에는, 단결정 C의 표면 Ca는 오목상으로 되고, 도 11c에 도시한 바와 같이, 단결정 C의 표면 Ca가 단열재(30)의 하면(30a)보다 원료 G측에 있는 경우에는, 단결정 C의 표면 Ca는 볼록상으로 된다.

단결정 C의 표면 Ca의 형상이, 단결정 C의 표면 Ca에 대한 단열재(30)의 위치에 따라 변화되는 것은, 성막 공간 K 내의 등온면 T의 형상이 변화되기 때문이다. 도 12는 결정 성장 중의 단결정 C의 근방의 등온면 T의 형상을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 12a는 단열재(30)를 마련하고 있지 않은 경우의 도면이며, 도 12b는 단열재(30)를 마련한 경우의 도면이다.

SiC의 단결정 C는, 열전도율이 낮기 때문에 그 자체가 단열 효과를 갖는다. 한편, 가이드 부재(20)의 열전도성은 단결정 C보다는 높다. 그 때문에, 도 12a와 같이 단열재(30)를 갖지 않는 경우의 등온면 T는, 단결정 C로부터 확대되도록 형성된다. 단결정 C의 결정 성장면은, 등온면 T를 따라서 성장한다. 그 때문에, 단열재(30)를 갖지 않는 경우, 단결정 C의 표면 Ca(결정 성장면)의 형상은 오목상으로 고정된다.

이에 반해, 도 12b에 도시한 바와 같이 단열재(30)를 마련하면, 등온면 T의 형상이 변화된다. 등온면 T의 형상은, 단열재(30)의 단결정 C에 대한 위치를 제어함으로써 자유롭게 설계할 수 있다. 등온면 T의 형상의 설계는, 시뮬레이션 등에 의해 사전에 확인함으로써, 고정밀도로 행할 수 있다. 이와 같이 단열재(30)의 단결정 C에 대한 위치를 제어함으로써, 단결정 C의 표면 Ca의 형상을 자유롭게 설계할 수 있다.

또한 단열재(30)의 단결정 C에 대한 위치를 제어하면, 가이드 부재(20)에 대한 다결정의 부착을 억제하는 효과, 및, 단결정 C 내의 면내 방향의 온도차를 작게 할 수 있다고 하는 효과도 발휘한다.

다결정은, 단결정 C의 결정 성장면 근방에서 온도가 낮은 부분에 형성된다. 예를 들어 도 12a에 도시한 바와 같이, 단결정 C와 가이드 부재(20)의 온도차가 큰 경우, 가이드 부재(20)에 다결정이 성장한다. 가이드 부재(20)에 성장한 다결정이 단결정 C와 접촉하면, 단결정 C의 결정성을 교란시켜 결함의 원인이 된다. 이에 반해, 도 12b에 도시한 바와 같이, 단결정 C의 표면 Ca 근방에 단열재(30)가 있으면, 단결정 C와 가이드 부재(20)의 온도차를 작게 할 수 있어, 다결정의 성장을 억제할 수 있다.

또한 단결정 C 내의 면내 방향의 온도차가 크면, 단결정 C의 성장 과정에서 응력이 발생한다. 단결정 C 내에 발생하는 응력은, 결정면의 변형, 어긋남 등을 만들어 낸다. 단결정 C 내의 변형이나 격자면의 어긋남은, 기저면 전위(BPD) 등의 킬러 결함의 발생 원인이 될 수 있다.

여기까지 단결정 C의 표면 Ca의 형상을 제어할 수 있는 것에 대하여 설명하였다. 단결정 C의 표면 Ca의 형상은, 플랫 또는 원료 G를 향하여 볼록 형상인 것이 바람직하다. 단결정 C의 표면 Ca의 형상이 원료 G를 향하여 오목 형상인 경우에는, 품질이 떨어지기 때문이다. 단결정 C의 표면 Ca의 형상을 플랫 또는 볼록 형상으로 하기 위해서는, 단결정 C의 표면 Ca와 단열재(30)의 하면(30a)의 위치를 대략 동일하게 하거나, 또는, 단결정 C의 표면 Ca를 단열재(30)의 하면(30a)보다 원료 G측에 마련한다.

여기에서 「대략 동일」이란, 단결정 C의 표면 Ca와 단열재(30)의 하면(30a)의 위치가 완전히 동일 높이에 있는 것을 의미하지 않고, 등온면 T에 큰 영향을 미치지 않는 범위에서의 위치 어긋남을 허용하는 것을 의미한다. 구체적으로는, 단열재(30)의 하면(30a)이, 단결정 C의 표면 Ca로부터 30㎜ 이내에 위치하면, 단결정 C의 표면 Ca와 단열재(30)의 하면(30a)이 대략 동일한 위치 관계에 있다고 할 수 있다. 한편, 단결정 C의 표면 Ca의 형상을 플랫으로 하기 위해서는, 단결정 C의 표면 Ca와 단열재(30)의 하면(30a)의 위치 관계는 완전 동일에 가까운 쪽이 바람직하고, 단열재(30)의 하면(30a)은 단결정 C의 표면 Ca로부터 20㎜ 이내의 위치에 있는 것이 바람직하고, 10㎜ 이내의 위치에 있는 것이 보다 바람직하다.

또한 단결정 C의 표면 Ca는 단열재(30)의 하면(30a)보다 원료 G측에 있는 것이 바람직하다. 즉, 단열재(30)의 하면(30a)은, 단결정 C의 표면 Ca보다 종결정 설치부(11) 측에 존재하는 것이 바람직하다. 성막 공간 K 내의 온도 변동 등의 외적인 요인이 발생한 경우라도, 단결정 C의 표면 Ca가 오목 형상으로 되는 것을 억제할 수 있다.

또한 단열재(30)의 위치는, 결정 성장의 개시 시부터 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 결정 성장의 개시 시에 있어서, 단열재(30)의 하면(30a)과 종결정 S의 표면의 위치 관계를 제어하는 것이 바람직하다.

결정 성장의 개시 직후에는, 종결정 설치부(11)가 종결정 S의 주위에 존재하고, 종결정 S와 도가니(10)의 거리도 가깝다. 그 때문에, 성막 공간 K 내의 등온면 T는, 이들 부재의 온도(열전도율)의 영향도 받는다. 즉 단열재(30)를 사용하는 것에 의한 효과는, 종결정 S로부터 단결정 C가 30㎜ 이상 성장한 영역에서 가장 발휘된다. 한편, 결정 성장의 개시 직후에 있어서 단열재(30)의 효과가 발휘되지 않는다고 하는 것은 아니다.

예를 들어, 단열재(30)를 마련하지 않고, 결정 성장 직후의 단결정 C의 결정 성장면의 형상이 오목상으로 된 경우, 그 후의 성장 과정에서 단결정 C의 결정 성장면의 형상을 볼록상으로 되돌릴 필요가 발생한다. 결정 성장면의 형상이 성장 과정에서, 오목상으로부터 볼록상으로 변화되면 단결정 C 내에 응력이 축적되어, 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 단열재(30)의 위치는, 결정 성장의 개시 시부터 제어하는 것이 바람직하다. 단열재(30)의 종결정 S에 대한 위치 관계는, 결정 성장 과정에 있어서의 단열재(30)와 단결정 C의 위치 관계와 마찬가지로 설계할 수 있다.

이상, SiC 단결정 잉곳의 제작 공정은, 결정 성장로 내에 SiC 원료 분말과 종결정을 배치하는 준비 공정과, SiC 원료 분말이 승화하는 결정 성장 온도까지 승온하는 승온 공정과, 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키는 단결정 성장 공정과, 소정 길이까지 SiC 단결정까지 성장하면, 결정 성장로 내를 강온시키는 강온 공정을 갖는 점은 통상의 SiC 단결정 잉곳의 제작 공정과 공통되지만, SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, (i) 강온 공정에 있어서, SiC 단결정 잉곳의 성장 후에 소정의 조건에서 냉각하거나, 또는, (ii) 단결정 성장 공정과 강온 공정 사이에 SiC 단결정 잉곳을 소정의 조건에서 어닐한다.

(i) 소정의 조건에서의 냉각 공정(강온 공정)

SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, 성장 온도 2000℃ 초과로부터 실온(25℃ 정도)까지의 냉각 공정에 있어서, 성장 후, 1500℃까지의 냉각 속도를 100 내지 320℃/h의 범위로 하고, 1500℃로부터 실온까지의 냉각 속도를 50 내지 300℃/h의 범위가 되도록 제어한다.

(ii) 단결정 성장 공정과 강온 공정 사이에 성장 후의 SiC 단결정 잉곳을 소정의 조건에서 어닐하는 공정(어닐 공정)

성장 후의 SiC 단결정 잉곳에 대해, 불활성 분위기 하에서 어닐을 행한다.

흑연제의 용기 내에 SiC 단결정 잉곳 및 잉곳 표면의 탄화를 억제하기 위해 Si원을 넣는다. 대표적인 Si원으로서 Si, SiC, Si₃N₄가 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 비용의 관점에서 아르곤 분위기 하에서 행하는 것이 바람직하다. 온도 구배를 제어하기 쉽게 하기 위해 용기 내에 흑연 분말을 충전해도 된다.

또한, SiC 단결정 잉곳의 직경 방향 온도 구배가 20℃/cm 이하이고 또한 성장 방향 온도 구배가 0 내지 50℃/㎝의 범위가 되도록 가열 수단 및 단열재(30) 등을 조정하여, 1800 내지 2000℃에서 10 내지 20시간, 어닐을 행한다.

얻어진 SiC 단결정 잉곳으로부터 SiC 단결정 기판을 제작하는 공정(이하, 기판화 공정이라 하는 경우가 있음)에 있어서는, 통상의 기판 가공(원통 가공, 슬라이스 내지 연마)을 행함으로써 SiC 단결정 기판을 얻을 수 있다. 예를 들어, 래핑을 포함하는 평탄화 공정, 가공 변질층 제거 공정 등을 포함한다. 상술한 바와 같이, SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, SiC 단결정 잉곳의 제작 공정에 있어서, SiC 단결정 잉곳의 성장 후에 소정의 조건에서 냉각하는 공정((i)), 혹은, SiC 단결정 잉곳의 성장 후에 소정의 조건에서 어닐하는 어닐 공정((ii)), 또는, (i) 및 (ii)의 양쪽을 행할 수 있지만, 그것들 대신에, 혹은, 그것들에 더하여, 이 기판화 공정에 있어서, SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, (iii) SiC 단결정 잉곳의 슬라이스 후에 소정의 조건에서 어닐하는 기판 어닐 공정을 행해도 된다. 이하에서는, 이 기판 어닐 공정 및 특징적인 슬러리를 사용한 래핑 가공에 대하여 설명한다. 그것 이외의, SiC 단결정 잉곳으로부터 SiC 단결정 기판을 얻을 때까지의 가공에 대해서는 공지의 방법을 사용할 수 있다.

기판 어닐 공정은, SiC 단결정 잉곳을 슬라이스한 후, 어닐 처리를 실시하는 것이다. 기판화 공정에서의 각 공정 후에 행해도 된다. SiC 단결정 잉곳 제작 공정에서 비MP 결함 에치 피트 밀도의 조정이 불순부였던 경우에, 즉, (i) 소정의 조건에서의 냉각 공정(강온 공정), 및/또는, (ii) 단결정 성장 공정과 강온 공정 사이의 어닐 공정에 있어서 비MP 결함 에치 피트 밀도의 조정이 불순부였던 경우에, 이 (iii) 기판 어닐 공정을 추가적인 어닐 처리로서 행해도 된다.

어닐에 의해 기판 표면의 조도가 증가하기 때문에, 최종적인 연마 마무리 후에 어닐 처리를 행하는 것은 비용의 관점에서는 바람직하지 않지만, 다시 가공을 실시하면 된다. 연마 전까지의 기판 표면 조도가 큰 단계에서 어닐 처리를 하는 것이 바람직하다.

도 6은 기판 어닐 공정을 실시하기 위한 일 예로서, 어닐 도가니를 사용한 기판 어닐 공정의 실시를 설명하기 위한 어닐 도가니의 단면 모식도이다.

도 6에 도시한 어닐 도가니(200)를 사용하여 기판 어닐 공정에 대하여 설명한다.

기판 어닐 공정은, 슬라이스한 상태의 기판(201)을 준비하는 공정과, 흑연제 용기(200) 내에 Si원을 배치하는 공정과, 이 용기 내에 대상의 기판(201)을 배치하는 공정과, 이들을 가열 장치에 배치하는 공정과, 어닐 처리하는 공정을 포함한다. Si원을 배치하는 공정은 대상의 기판을 용기(200) 내에 배치하는 공정과 함께 행해도 된다. 원하는 온도 분포를 형성하기 위해, 용기(200) 내에 흑연 분말(203)을 충전하거나, 또한, 흑연제 부재를 배치해도 된다. 어닐의 조건은 SiC 단결정 잉곳의 어닐과 마찬가지로, 예를 들어 아르곤 등의 불활성 분위기 하에서 1800℃ 내지 2000℃의 범위에서 10 내지 20시간 정도의 처리를 행한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 기판 어닐 공정의 대상이 되는 SiC 단결정 기판(201)은 예를 들어, 어닐 도가니(20)의 중심에 배치하여, SiC 단결정 기판(201)의 표면 탄화를 방지하기 위해 더미 웨이퍼(204)에 의해 SiC 단결정 기판(201)을 사이에 끼운 상태에서 기판 어닐 공정을 실시해도 된다.

기판 어닐 공정에서의 어닐 조건으로서는 예를 들어, 아르곤(Ar) 분위기 하(예를 들어, 700Torr)에서, 1950℃에서 20시간 유지한다.

비MP 결함 밀도의 계측을 위해, 용융 KOH 에칭을 실시할 때는, 기판 어닐 공정의 실시의 유무에 관계없이, 동량의 절삭 여유로 표면을 연삭하여, 용융 KOH 에칭을 실시한다.

도 7에 있어서, 우측에 SiC 단결정 기판의 XRT상(g(1-100))을 나타낸다. 이 XRT상에 있어서 결함에 대응하는 농담은 보이지 않았다. 도 7의 좌측 하단 도면 및 좌측 상단 도면은 용융 KOH 에칭 후의 광학 현미경상에 있어서 각 분할 구역마다 비MP 에치 피트의 발생의 유무를 나타내는 것이다. 좌측 하단 도면은 기판 어닐 공정을 실시하지 않은 것, 좌측 상단 도면은 기판 어닐 공정을 실시한 것이다. 기판 어닐 공정을 실시하지 않은 좌측 하단 도면에서는 에치 피트는 보이지 않지만, 기판 어닐 공정을 실시한 좌측 상단 도면에서는 화살표로 지시하는 바와 같이 비MP 에치 피트가 다수 발생하였다. 이와 같이 기판의 어닐 처리에 의해 비MP 에치 피트를 증가시킬 수 있다. 즉, 기판의 어닐 처리에 의해 비MP 에치 피트 밀도를 조정할 수 있다.

또한, 도 7의 좌측 상단 도면에 있어서, 중앙부 영역보다도 외측 영역에서 비MP 에치 피트의 증가가 큰 것을 알 수 있다. 이와 같이, 기판 어닐 공정에서의 어닐 조건에 의해 중앙부 영역과 외측 영역의 비MP 에치 피트 밀도의 비를 조정할 수 있다.

다음으로, 사용 가능한 래핑 가공용 슬러리에 대하여 상세하게 설명한다.

유리 지립 방식의 가공 공정에서는, 예를 들어 물과, 탄화붕소 지립과, 탄화붕소 지립을 분산시키는 첨가제를 포함하는 슬러리를 상부 정반과 하부 정반 사이에 흐르게 함과 함께 상부 정반(21)과 하부 정반에 의해 SiC 기판(1)에 압력을 가하여, SiC 기판(1)의 표면을 평탄화한다. 가공 공정에서 사용하는 슬러리는, 예를 들어 물을 주성분으로서 포함하는 슬러리이다. 물을 주성분으로서 포함하는 슬러리를 사용하는 경우, 탄화붕소 지립의 분산성을 높일 수 있어, 가공 공정에 있어서 2차 응집이 발생하기 어렵다. 또한, 물을 주성분으로서 포함하는 슬러리를 사용하는 경우, SiC 기판 중, 슬러리 공급 구멍이 마련된 상부 정반측의 면은, 물의 직접 공급에 의해, 표면이 세정되고, 슬러리 공급 구멍이 마련되어 있지 않은 하부 정반측의 면은, SiC 기판과 캐리어 플레이트의 간극으로부터 공급된 물에 의해 세정된다. 래핑 가공에서 사용된 슬러리는, 탱크에 회수되고, 당해 탱크로부터 다시 공급된다.

탄화붕소 지립의 수정 모스 경도(14)는, 피연마 대상으로서의 SiC 기판의 수정 모스 경도(13)보다도 약간 크고, 다이아몬드의 수정 모스 경도(15)보다도 작다. 그 때문에, 이와 같은 슬러리를 사용함으로써 수정 모스 경도(13)인 SiC 기판에 대한 크랙의 발생을 억제하면서 가공 속도를 비교적 높일 수 있고, 또한 탄화붕소 지립의 입경의 감소를 억제할 수 있다.

슬러리에 있어서의 탄화붕소 지립의 비율은, 예를 들어 15질량％ 이상 45질량％ 이하이며, 20질량％ 이상 40질량％ 이하인 것이 바람직하고, 25질량％ 이상 35질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 슬러리에 있어서의 탄화붕소 지립의 비율이 15질량％ 이상임으로써, 슬러리의 탄화붕소 지립의 함유량을 높게 할 수 있어, 래핑 가공의 가공 속도를 높일 수 있다. 또한, 슬러리에 있어서의 탄화붕소 지립의 비율이 45질량％ 이하임으로써, 탄화붕소 지립끼리의 접촉의 빈도 및 면적을 억제할 수 있어, 탄화붕소 지립의 입경의 감소 및 탄화붕소 지립의 마손을 억제하기 쉽다.

가공 공정에 있어서 사용하는 슬러리 중의 탄화붕소 지립은, 예를 들어 평균 입경이 15㎛ 이상 40㎛ 이하이며, 25㎛ 이상 35㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 입경이 15㎛ 이상인 탄화붕소 지립을 사용함으로써, SiC 기판(1)의 표면을 래핑 가공하는 가공 속도를 높이기 쉽고, 또한 표면에 충분히 후술하는 첨가제를 부착시킬 수 있어, 분산성의 향상이나 입경 감소의 억제로 이어진다. 또한, 평균 입경을 40㎛ 이하로 함으로써, SiC 기판에 크랙을 발생시키는 것 및 SiC 기판의 균열을 억제하는 효과를 얻기 쉽고, 또한 후술하는 첨가재가 표면에 과잉으로 부착되는 것을 억제하여, 피가공물로서의 SiC 기판과의 접촉 면적 저하에 의한 가공 속도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 이와 같은 탄화붕소 지립을 사용함으로써, 래핑 가공 전후에서의 입경의 변화를 억제하기 쉽다. 여기서, 상기 탄화붕소 지립의 평균 입경은, 가공 전의 탄화붕소 지립의 평균 입경이며, 가공 후의 탄화붕소 지립의 평균 입경은, 가공 전후의 탄화붕소 지립의 평균 입경의 비가 0.91 이상 1.2 이하이므로, 예를 들어 14㎛ 이상 48㎛ 이하이며, 23㎛ 이상 42㎛ 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 탄화붕소 지립의 평균 입경은, 입도 분포 측정 장치 마스터사이저 Hydro 2000MU(스펙트리스 가부시키가이샤) 혹은 MT3000II형(마이크로트랙·벨 가부시키가이샤)을 사용한 레이저 산란광 측정으로 측정한 입도 분포에 기초하여, 측정된다.

첨가제로서는, 다가 알코올이나, 에스테르 및 그의 염, 호모 폴리머 및 그의 염, 코폴리머 등을 사용할 수 있다. 구체적인 예로서는, 글리세린, 1-비닐이미다졸, 야자유 지방산메틸타우린나트륨, 라우르산아미드에테르황산에스테르나트륨염, 미리스트산아미드에테르황산에스테르나트륨염, 폴리아크릴산, 아크릴산-말레산 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.

이들 첨가제는, 슬러리 중의 탄화붕소 지립의 분산성을 높일 수 있다고 생각된다.

첨가제는, 탄화붕소 지립의 표면에 부착되어, 탄화붕소 지립끼리가 직접 접촉하는 것을 억제한다. 이와 같이 하여, 첨가제는, 슬러리 중의 탄화붕소 지립의 분산성을 높이고, 또한 가공 공정에 있어서의 지립의 입경 감소를 억제한다.

슬러리 중의 첨가제의 비율은, 예를 들어 3체적％ 이상 20체적％ 이하이며, 5체적％ 이상 15체적％ 이하인 것이 바람직하고, 10체적％ 이상 15체적％ 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 슬러리 중의 첨가제의 비율이란, 글리세린 등의 첨가제(첨가제 성분)의 체적을 슬러리의 체적으로 나눈 비율을 가리킨다. 슬러리 중의 첨가제가, 상기 범위 내임으로써, 슬러리 중의 탄화붕소의 표면에 필요 충분히 부착되어, 슬러리 중에 있어서의 탄화붕소 지립의 바람직한 분산도가 얻어지고, 가공 공정에 있어서 탄화붕소 지립의 입경이 감소하는 것을 억제하기 쉽다.

이 래핑 가공에서는, 가공 공정에 있어서, SiC 기판의 표면을 가공하는 가공 속도가, 예를 들어 14㎛/h 이상 45㎛/h 이하이며, 16㎛/h 이상 40㎛/h 이하인 것이 바람직하고, 18㎛/h 이상 25㎛/h 이하인 것이 보다 바람직하다. 가공 속도는, 앞서 기재한 가공 압력이나 탄화붕소 지립의 평균 입경에 의존한다. 가공 속도를 45㎛/h 이하로 함으로써, 탄화붕소 지립의 입경 감소 및 탄화붕소 지립의 마손을 억제하는 효과가 얻어지기 쉽다. 가공 속도를 14㎛/h 이상으로 함으로써, 스루풋이 높아진다. 래핑 가공을 복수회로 나누어 행하는 경우, SiC 기판의 판 두께의 총 변화량을 가공 시간의 합계로 나눔으로써 구해진 가공 속도가 상기 범위 내이면 되고, 어느 타이밍에 있어서의 가공 속도도 상기 범위 내인 것이 바람직하다. 즉, 복수회로 나누어 래핑 가공을 행하는 경우, 각 회에서 산출한 가공 속도가 모두 상기 범위 내인 것이 바람직하다.

여기서, 가공 속도는, 래핑 가공 전후의 SiC 기판(1)의 판 두께의 차 및 가공 시간으로부터 산출된다. 구체적으로는, 가공 속도는 이하의 방법으로 산출된다. SiC 기판(1)의 판 두께의 측정 위치는, SiC 기판(1)에 오리엔테이션 플랫 OF가 형성되기 전의 상태에 있어서의 SiC 기판의 중심에 대응하는 위치(1c)와, 오리엔테이션 플랫 OF의 중점으로부터 위치(1c)를 향하여 5 내지 10㎜ 이격된 위치(1a)와, 위치(1a, 1c)와 동일 직선 c 상이며, SiC 기판(1)의 외주로부터 위치(1a) 방향으로 5 내지 10㎜ 이격된 위치(1b)와, 직선 c에 대하여 수직인 직선 상이며, SiC 기판(1)의 외주로부터 위치(1a) 방향으로 5 내지 10㎜ 이격된 위치(1d, 1e)이다. 이 5개의 위치(1a 내지 1e)에 있어서의 SiC 기판(1)의 판 두께를 인디케이터(ID-C150XB, 미쓰토요제)로 측정하고, 구한 판 두께를 SiC 기판(1)의 판 두께로서 취급한다. 이와 같이 하여 구한 가공 전후에 있어서의 SiC 기판(1)의 판 두께(㎛)의 차를 가공 시간(h)으로 나눔으로써, 가공 속도는 산출된다.

가공 공정에 있어서 사용하는 슬러리 중의 탄화붕소 지립의 표면에 첨가제를 부착시켜, 탄화붕소 지립의 분산성을 높임과 함께, 탄화붕소 지립의 접촉을 억제할 수 있기 때문에, 탄화붕소 지립의 입경의 감소를 억제할 수 있다.

구체적으로는, 가공 공정에 있어서 가공 전의 탄화붕소 지립의 평균 입경에 대한 가공 후의 탄화붕소 지립의 평균 입경의 비가 0.91 이상 1.2 이하인 정도로, 탄화붕소 지립의 입경의 변화를 억제할 수 있다. 여기서, 해당 비에 1보다 큰 수치가 포함되는 이유는, 가공 공정에 있어서, 탄화붕소 지립이 2차 응집하여, 일부의 탄화붕소 지립의 입경이 가공 전보다도 커지는 경우가 있기 때문이다.

종래의 이 래핑 가공에서는, 래핑 가공에 의해 슬러리 중의 탄화붕소 지립의 입경이 크게 감소하기 때문에, 다시 래핑 가공을 행하는 경우, 그때마다 슬러리에 지립을 추가할 필요가 있고, 또한, 그때마다 래핑 가공에 사용한 횟수에 의존하는 슬러리 중의 지립의 입경 분포 등을 구하는 번잡한 관리가 필요하였다.

이와 같이, 이 래핑 가공에서는, 탄화붕소 지립의 입경의 관리를 용이하게 함과 함께, 비용 삭감을 실현할 수 있고, 게다가 환경 부하를 저감할 수 있음과 함께 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 이 래핑 가공에서는, 탄화붕소 지립의 입경이 그다지 변화되지 않기 때문에, 래핑 가공 중에 가공 속도가 변화되는 것을 억제하여, 동일한 조건에서 래핑 가공을 계속할 수 있다. 이 래핑 가공은, 피연마 대상으로서의 탄화규소보다도 수정 모스 경도가 약간 큰 탄화붕소를 지립으로서 사용하는 경우에 특히 유효하다. 이 래핑 가공은, 이와 같은 지립 및 기판을 사용하고 있기 때문에, 지립으로서 다이아몬드를 사용하고, 피연마 대상으로서 SiC 기판을 사용하는 경우에 다발하는 크랙을 억제하는 것도 가능하다.

또한, 이 래핑 가공에서는, 탄화붕소 지립의 입경의 감소나 마손을 억제할 수 있기 때문에, 래핑 가공 중의 슬러리에 있어서의 탄화붕소 지립의 입경의 변동이 작아진다. 래핑 가공의 가공 속도는, 사용하는 지립의 입경에 의존하는바, 이 래핑 가공에서는, 지립의 입경의 변동을 억제할 수 있기 때문에, SiC 기판의 표면 전체가 대략 균등한 입경의 지립에 의해 가공되어, 가공 후의 SiC 기판의 면내 변동이 작아진다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

먼저, 도 8에 도시한 SiC 단결정 제조 장치를 사용하여 SiC 단결정 잉곳을 제작하였다.

먼저, 종결정 S로서, (0001)면을 주면으로 하고, 오프각 4°이며, 직경 200㎜, 두께 5㎜의 4H-SiC 단결정을 사용하였다. 결정 성장에 맞추어, 단열재(30)를, 단열재(30)의 원료측 단부면(하면)이 단결정의 표면보다 덮개부 측이며 또한 단열재(30)의 원료측 단부면과 단결정의 표면의 성장 방향의 거리가 10㎜ 이내가 되도록 단계적으로 이동하면서, 결정 성장을 행하였다. SiC 단결정 잉곳이 길이 20㎜ 정도가 된 단계에서 단결정 성장 공정을 종료하고, 강온 공정으로서, SiC 단결정 잉곳 중의 비MP 결함의 발생량 및 분포를 조정하기 위해, 성장 온도 2000℃ 초과로부터 실온(25℃ 정도)까지의 냉각을, 1500℃까지의 냉각 속도가 300℃/h이며, 1500℃로부터 실온까지의 냉각 속도를 300℃/h가 되도록 제어하였다.

이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 직경이 208㎜, 높이가 20.2㎜였다.

이어서, SiC 단결정 잉곳을 공지의 가공 방법에 의해, 오프 각도 4°의 (0001)면을 갖고, 두께 1.0㎜의 8인치의 SiC 기판을 12매 얻었다.

이 SiC 기판에 대하여, 판 두께를 측정하였다.

이어서, 판 두께를 측정한 SiC 기판을 연마 장치의 캐리어 플레이트에 적재하여, 래핑 가공을 행하였다. 래핑 가공용 슬러리는, 물에 소정량의 탄화붕소 지립 및 첨가제로서의 AD8(10체적％)을 첨가하고, 분산함으로써 얻어졌다. 탄화붕소 지립으로서는, 입도 F320(JIS R6001)을 사용하였다. 여기서, 슬러리 중의 첨가제로서의 글리세린(아이케미테크노사제)의 비율은, 6체적％로 하였다.

래핑 가공은, 래핑 가공용 슬러리를 공급량 16L/min으로 공급하면서 유리 지립 방식으로 행하였다. 래핑 가공용 슬러리는, 순환하여 사용하였다.

래핑 가공에 있어서의 연마 장치의 구동 조건은, 가공 압력 160g/㎠, 하부 정반 회전수 16rpm, 상부 정반 회전수 5.5rpm, 중심 기어 회전수 2.8rpm, 인터널 기어 회전수 6.0rpm, 가공 시간 40분으로 하였다.

래핑 가공 후, 가공 전과 마찬가지의 방법으로 슬러리 중 탄화붕소 지립의 입경 분포의 측정을 행함과 함께 가공 전과 마찬가지의 방법으로 판 두께의 측정을 행하여, 가공 속도의 산출도 행하였다. 이 래핑 가공에 있어서, 15매의 SiC 기판의 가공 속도의 평균은, 18㎛/h였다.

측정을 행한 후에, 앞의 래핑 가공에서 사용한 슬러리를 공급하고, 슬러리를 순환시키면서 2회째의 래핑 가공 및 측정을 행하였다. 또한, 실시예 1에서는, 이것을 반복하여, 합계 8회의 래핑 가공 및 측정을 행하였다.

이어서, 가공 변질층을 제거하기 위한 에칭 공정, 경면 연마를 위한 CMP 공정을 행하여, 실시예 1의 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(실시예 2)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 200℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(실시예 3)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 100℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(실시예 4)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 100℃/h, 실온까지의 냉각 속도를 200℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(실시예 5)

종결정 S로서 직경 150㎜의 것을 사용한 것 이외에는 실시예 2와 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(비교예 1)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 330℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(비교예 2)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 40℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(비교예 3)

강온 공정에서의 냉각 조건에 대하여, 1500℃까지의 냉각 속도를 40℃/h, 실온까지의 냉각 속도를 50℃/h로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서 SiC 단결정 기판을 얻었다.

(평가)

실시예 1 내지 5, 비교예 1 내지 3의 SiC 단결정 기판에 대하여, 비MP 결함 피트 밀도 및 SORI를 측정하였다. 그 후, 이온 주입 장치를 사용하여 표면에 도펀트하여 질소 이온을 주입하고, 디바이스 제작 시에 통상, 이온 주입과 함께 행하는 어닐 처리를 진공 중, 1600℃에서 30분의 조건에서 행한 후, SiC 단결정 기판의 SORI를 측정하였다. 비MP 결함 피트 밀도는 550℃, 10분간의 KOH 에칭에 의해 나타나는 에치 피트에 의해 측정하였다. 표 1에 그 결과를 나타낸다. 이온 주입 전후의 SORI의 변화율은, {(주입 전의 SORI-주입 후의 SORI)/(주입 전의 SORI)}×100에 의해 산출하였다.

(실시예 6 내지 10, 비교예 4 내지 7)

실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정 기판을 얻고, 그 SiC 단결정 기판에 있어서의 중앙부 영역과 그 주위에 위치하는 외측 영역에서 비MP 에치 피트의 밀도 분포를 어닐 처리에 의해 조정하여, 실시예 6 내지 9 및 비교예 4 내지 7의 평가용의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 또한, 실시예 10에 대해서는 실시예 5와 마찬가지로 하여 SiC 단결정 기판을 얻은 것 이외에는 실시예 6 내지 9 및 비교예 4 내지 7과 마찬가지로 하여 그 평가용의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 얻어진 SiC 단결정 기판에 대하여, 중앙부 영역 및 외측 영역에서의 비MP 결함 피트의 밀도 및 SORI를 측정하였다. 표 2에 그 결과를 나타낸다.

표 1에서 나타낸 실시예 1 내지 4의 결과로부터, 결정 성장 후의 강온 공정에서의 냉각 속도에 의해, 비MP 결함 밀도를 조정할 수 있음을 알 수 있었다. 실시예의 냉각 속도의 범위에서는 냉각 속도가 작을수록 비MP 결함 밀도가 커지는 것을 알 수 있었다.

또한, 비MP 결함 밀도가 0.01 내지 50.2〔개/㎠〕일 때(실시예 1 내지 4), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 500％ 이하였다. 이에 반해, 비MP 결함 밀도가 0〔개/㎠〕일 때(비교예 1)는, 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 1500％를 초과하였다. 또한, 비MP 결함 밀도가 50〔개/㎠〕을 초과하면(비교예 2, 3), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율은 500％를 대폭 초과하였다.

또한, 비MP 결함 밀도가 1.5 내지 9.8〔개/㎠〕일 때는, 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 400％ 이하였다. 비MP 결함 밀도가 1.5〔개/㎠〕일 때, 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 가장 작고, 324％였다.

또한, 6인치 SiC 단결정 기판인 실시예 5에 대해서도, 8인치 SiC 단결정 기판인 실시예 1 내지 4와 마찬가지로, 비MP 결함의 존재를 확인할 수 있었다.

표 2에서 나타낸 실시예 6 내지 9 및 비교예 4 내지 5의 결과로부터, SiC 단결정 기판을 얻은 후에 기판 어닐 공정을 실시함으로써, 중앙부 영역 및 외측 영역에서의 비MP 결함 피트의 밀도의 비 NP를 조정할 수 있음을 알 수 있었다.

또한, NP가 0.051 내지 0.469일 때(실시예 6 내지 9), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 750％ 이하였다. 이에 반해, NP가 0.005일 때(비교예 4)는 이온 주입 전후의 SORI의 변화율은 1600％를 초과하였고, 또한, NP가 0.5를 초과하면(비교예 5 내지 7), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율은 1000％ 가까이 되고, NP가 0.694일 때는 이온 주입 전후의 SORI의 변화율은 3000％를 초과하였다.

또한, NP가 0.137 내지 0.213일 때(실시예 7 내지 8), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 300％ 정도 이하였다. NP가 0.213일 때(실시예 8), 이온 주입 전후의 SORI의 변화율이 가장 작고, 210％였다.

또한, 6인치 SiC 단결정 기판인 실시예 10에 대해서도, 8인치 SiC 단결정 기판인 실시예 6 내지 9와 마찬가지로, 중앙부 영역 및 외측 영역에서의 비MP 결함 피트의 밀도의 비 NP를 조정할 수 있음을 알 수 있었다.

1: SiC 단결정 기판
1A: 중앙부 영역
1B: 외측 영역

Claims

주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고,
Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함하고,
상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.1개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타나는, SiC 단결정 기판.
제1항에 있어서,
상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.9개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타나는, SiC 단결정 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
기판의 반경 r로 해서, 중심으로부터 r/2의 범위의 중앙부 영역과 상기 중앙부 영역의 외측에 위치하는 외측 영역으로 나누었을 때,
상기 중앙부 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NA〔개/㎠〕와, 상기 외측 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NB〔개/㎠〕가,
0.01<NP<0.5(여기서, NP={NA/(NA+NB)})
의 관계를 충족시키는, SiC 단결정 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
직경으로 145㎜ 내지 155㎜의 범위인, SiC 단결정 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서
직경으로 190㎜ 내지 205㎜의 범위인, SiC 단결정 기판.
주면이 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 0° 내지 6°의 범위, <1-100> 방향으로 0° 내지 0.5°의 범위에서 오프각을 갖고 있고,
Si면에 대하여 500℃의 용융 KOH로 15분의 에칭을 행하였을 때 표출되는 에치 피트가 육각 형상이며 또한 코어를 갖지 않고, 또한, 관찰되는 에치 피트 면적이 TSD 에치 피트의 에치 피트 면적보다도 10％ 이상 크고, 마이크로 파이프(MP) 에치 피트의 에치 피트 면적의 110％ 이하이며, 또한, 투과 X선 토포그래피상에 있어서 상기 마이크로 파이프(MP)의 투과 X선 토포그래피상과 구별할 수 있는, 비MP 결함을 포함하고,
상기 에치 피트에 있어서, 상기 비MP 결함으로서 동정되는 피트인 비MP 결함 피트가 0.01개/㎠ 내지 50개/㎠의 범위에서 나타나고,
기판의 반경 r로 해서, 중심으로부터 r/2의 범위의 중앙부 영역과 상기 중앙부 영역의 외측에 위치하는 외측 영역으로 나누었을 때,
상기 중앙부 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NA〔개/㎠〕와, 상기 외측 영역의 비MP 결함 피트의 밀도 NB〔개/㎠〕가,
0.01<NP<0.5(여기서, NP={NA/(NA+NB)})
의 관계를 충족시키는, SiC 단결정 기판.