WO2004088734A1

Method of heat treatment and heat treatment apparatus

Abstract

A method of heat treatment suitable for heat treatment in a process for liquid phase epitaxial growth of single-crystal silicon carbide, the process comprising superimposing a single-crystal silicon carbide substrate as seed crystal and a polycrystalline silicon carbide substrate upon each other, disposing the laminate in a closed vessel, performing high-temperature heat treatment and, during the heat treatment, interposing an extremely thin metallic silicon melt between the single-crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate so as to effect a liquid phase epitaxial growth of single-crystal silicon carbide on the single-crystal silicon carbide substrate. In the heat treatment method, the closed vessel is heated in advance to about 800°C or above in a preheating chamber of 10<-5> Pa or below pressure, with the internal pressure of the closed vessel simultaneously reduced to 10<-5> Pa or below, and moved into and disposed in a heating chamber of inert gas atmosphere preheated to given temperature within the range of about 1400 to 2300°C and having its pressure reduced to 10<-2> Pa or below vacuum or given degree, so that the single-crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate are heated within a short time to given temperature within the range of about 1400 to 2300°C, thereby obtaining a single-crystal silicon carbide free of microcrystalline grain boundary whose surface micropipe defect density is 1/cm<2> or less. Further, there is provided a heat treatment apparatus for use in the performing of the heat treatment method.

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  1. 1
    請 求 の 範 囲 1 . 被処理物を短時間で約 1 2 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の範囲内の 所定の温度に加熱する加熱室と、 前記加熱室に連結され、 前記加熱室に被処理物を移動するための移動 手段が設けられている前室と、 前記前室に連結され、前記被処理物を予め所定の温度に加熱する予備 加熱室とを備える熱処理装置による熱処理方法であって、 前記被処理物を予め圧力約 1 0— 2 P a以下好ましくは約 1 0— 5 P a以 下の真空の予備加熱室で約 8 0 0 °C以上に加熱した後、 予め約 1 2 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の範囲内で所定の温度に加熱された圧力約 1 0 _ 2 P a以下好ましくは約 1 0— 5 P a以下の真空、 又は予め圧力約 1 0 一 2 P a以下、 好ましくは約 1 0— 5 P a以下の真空に到達した後に不活性 ガスを導入した希薄ガス雰囲気下の加熱室に移動することで、前記被処 理物を、 短時間で約 1 2 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の範囲内で所定の温 度に加熱する熱処理方法。
  2. 2
    種結晶となる単結晶炭化ケィ素基板と多結晶炭化ケィ素基板とを 重ね、 密閉容器内に設置して、 高温熱処理を行なうことによって、 前記 単結晶炭化ケィ素基板と前記多結晶炭化ケィ素基板との間に、熱処理中 に極薄金属シリコン融液を介在させ、 前記単結晶炭化ケィ素基板上に単 結晶炭化ケィ素を液相ェピタキシャル成長させる単結晶炭化ケィ素の 液相ェピタキシャル成長法における熱処理方法であって、 前記密閉容器を、 予め圧力約 1 0— 2 P a以下の予備加熱室で約 8 0 0 °C以上に加熱するとともに、 前記密閉容器内を圧力約 1 0— 5 P a以下 に減圧し、 予め約 1 4 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の範囲内で所定の温度 に加熱された圧力約 1 0— 2 P a以下、 好ましくは約 10_ 5 Pa以下の真空、 又は予め圧力約 1 0— 5 P a以下に到達した後に不活性ガスを導入した希 薄ガス雰囲気下の加熱室に移動して設置することで、前記単結晶炭化ケ ィ素基板と多結晶炭化ケィ素基板とを短時間で約 1 4 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の温度範囲内で所定の温度に加熱して微結晶粒界の存在しな い、 表面のマイク口パイプ欠陥密度が約 1 Z c m 2 以下である単結晶炭 化ケィ素を製造する単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャル成長法に おける熱処理方法。
  3. 3
    前記密閉容器を、 前記加熱室に移動した際に、 前記密閉容器の軸 方向には温度差を設けず、 前記密閉容器の面内方向に温度勾配を設け、 前記温度勾配を任意に制御することによつて微結晶粒界の生成を抑制 する請求の範囲第 2項に記載の単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャ ル成長法における熱処理方法。
  4. 4
    前記密閉容器が、 タンタル又は炭化タンタルのいずれかで形成さ れている請求の範囲第 2項に記載の単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキ シャル成長法における熱処理方法。
  5. 5
    前記密閉容器が上容器及び下容器で形成され、 前記上容器及び前 記下容器の嵌合部からシリコン蒸気が漏れ出す程度に前記密閉容器内 の圧力が前記加熱室内の圧力よりも高くなるように制御し、 前記密閉容 器内に不純物が混入するのを抑制する請求の範囲第 2項に記載の単結 晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャル成長法における熱処理方法。
  6. 6
    前記加熱室内に、 前記密閉容器から漏出するシリコン蒸気を物理 吸着する汚染物除去機構が設けられている請求の範囲第 2項に記載の 単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャル成長法における熱処理方法。
  7. 7
    前記単結晶炭化ケィ素の表面が、 3分子層を最小単位とした原子 オーダーステップと、 幅広のテラスと、 を有し、 前記テラスの幅が約 1 0 μ ητ_以上である請求の範囲第 2項に記載の単結晶炭化ケィ素の液相 ェピタキシャル成長法における熱処理方法。
  8. 8
    前記表面が、 (0 0 0 1 ) S i面である請求の範囲第 7項に記載 の単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャル成長法における熱処理方法。
  9. 9
    前記極薄金属シリコン融液が、 約 5 0 /i m以下の厚みである請求 の範囲第 2項に記載の単結晶炭化ケィ素の液相ェピタキシャル成長法 における熱処理方法。
  10. 10
    1 0 . 被処理物を圧力約 1 CT 2 P a以下、好ましくは約 1' 0— 5 P a以 下の真空、又は予め圧力約 1 0— 2 P a以下に好ましくは約 1 0— 5 P a以 下の真空に到達した後に不活性ガスを導入した希薄ガス雰囲気下にお いて短時間で約 1 2 0 0 °C以上 2 3 0 0 °C以下の温度範囲に加熱する 加熱室と、 前記加熱室に連結され、 前記加熱室に被処理物を移動するための移動 手段が設けられている前室と、 前記前室に連結され、 前記被処理物を約 1 0— 2 P a以下好ましくは約 1 CT 5 P a以下の真空において予め約 8 0 0 °C以上に加熱する予備力口 熱室とを備える熱処理装置。
  11. 11
    1 1 . 前記予備加熱室の加熱手段が、 ランプ式加熱手段である請求の 範囲第 1 0項に記載の熱処理装置。
  12. 12
    1 2 . 真空高温炉の内部が 2槽以上の複数の分離された槽からなり、 その複数の槽内部が主加熱槽と予備加熱槽から構成され、前記予備加熱 槽が主に試料に吸着したガスと試料に内蔵するガスの脱ガスのため室 温から約 8 0 0 °Cに加熱され、脱ガス終了後、予め加熱真空排気されて、 清浄高温下に保持されている前記主加熱槽に速やかに移動され、また前 記主加熱槽は常に約 1 0 -3 P a以下の圧力、 または、 一度約 1 0 - 3 P a以下の圧力に到達した後、 若干の不活性ガスを導入し、 大気圧から約 1 0 -3 P aまでの任意の圧力の希薄ガス雰囲気下で約 8 0 0 °C以上 2 6 0 0 °C以下の範囲内で所定の高温に常に加熱されており、 前記予備加 熱槽が試料の出し入れのための大気圧から、前記主加熱槽との間で試料 を移動させるために必要な、前記主加熱槽と同等の圧力に排気可能な機 能を有し、 室温から約 8 0 0 °Cの温度に試料を予備加熱した後、 前記主 加熱槽に早く移動することにより、試料の最適処理温度約 8 0 0 °C以上 2 6 0 0 °C以下の温度範囲内で高温かつ高純度雰囲気を速やかに達成 する高温加熱炉を有することを特徴とする熱処理装置。
  13. 13
    1 3 . 前記主加熱槽の処理温度が約 1 2 0 0 °C以上 2 6 0 0 °C以下の 高純度雰囲気の高温加熱炉で、 高温炉の発熱部が Wまたは T aの高融点 金属からなり、高温領域を取り卷く、熱反射及び保温領域の構成材料が、 W, T a , M oの中から選択した高融点金属材料からなる複合構造にな つており、 熱遮断領域の構成材料の高融点金属の表面に発熱部の発光波 長領域を反射する波長が約 0 . 4以上約 3 . 5 /z m以下の範囲の中の任 意の波長領域の赤外反射膜が形成されている高温加熱炉を有すること を特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載の熱処理装置。
  14. 14
    1 4 . 前記主加熱槽のヒータ部を取り卷く高融点金属板で構成される 保温領域が、 保温層と熱線反射層からなる複合構造になっており、 各層 が高温保持および熱線反射する機能を有し、保温領域を構成する高融点 金属板表面が、 WC、 T a C、 M o C、 Z r C、 H f C、 B Nなどの高 耐熱性金属炭化物、 または、 金属窒化物が単独、 もしくは、 複合で被覆 されることで、 高融点金属の劣化、 変形を防止する機能を有し、 かつ、 熱線反射層となる高融点金属表面が A uなどの赤外線反射膜で被覆さ れることで、 約 0 . 4以上 3 . 5 m以下の範囲の任意の発光波長領域 を高効率で反射する機能を有する高温加熱炉を備えることを特徴とす る請求の範囲第 1 2項に記載の熱処理装置。
  15. 15
    1 5 . 試料を急速に加熱するため、 真空高温炉が主加熱槽と予備加熱 槽の二つに分かれ、 かつ、 高純度な雰囲気を維持するため、 各々の室内 が個々の独立した真空排気系と、 あるいは個々の独立したガス導入系、 及び大気圧雰囲気に維持可能で、 かつ、 主加熱槽と予備加熱槽が、 遮断 バルブの開閉によって、 一体化と分離を相互に維持されている高速な高 温加熱炉を有する熱処理装置において、 前記主加熱槽が常用時に常に約 1 0 -3 P a以下の圧力、 または、 一度 約 1 0 -3 P a以下の圧力に到達した後、 若干の不活性ガスを導入し、 大 気圧から約 1 0 - 3 P aまでの任意の圧力の希薄ガス雰囲気下に約 8 0 0 °C以上 2 6 0 0 °C以下の温度範囲内で高温状態に保持されており、 前 記予備加熱槽が約室温以上 1 0 0 o °c以下の温度範囲に保持されてい る状態において、試料等から発生する内蔵ガスを吸着するためのコール ドトラップが内蔵され、加熱終了後の高温から室温に速やかに冷却する 為の急冷用ガス循環装置が内蔵されている高温加熱炉を有することを 特徴とする熱処理装置。
  16. 16
    1 6 . 前記予備加熱槽の加熱源が、短時間に急速に加熱するために 、 試料に近赤外線を集光するための反射鏡を持つ、ハロゲン及び X eラン プまたはランプの風袋外面に赤外線発生機能膜を付加した赤外線加熱 ランプである高温加熱炉を有することを特徴とする請求の範囲 1 5項 に記載の熱処理装置。 ' 1 7 . 前記主加熱槽の加熱部が高融点金属からなる円筒状の主ヒー タと平面状の補助ヒータとからなる高温加熱炉を有することを特徴と する請求の範囲 1 5項に記載の熱処理装置。
Independent claims16