特許 7415680 窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法および炭化珪素多結晶基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法および炭化珪素多結晶基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/575 20060101AFI20240110BHJP

   C01B 32/956 20170101ALI20240110BHJP

   C04B 41/80 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

C04B35/575

C01B32/956

C04B41/80 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020039887

(22)【出願日】2020-03-09

(65)【公開番号】P2021138591

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2022-11-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000183303

【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100115048

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100161001

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 篤司

(72)【発明者】

【氏名】北川 泰三

【審査官】神▲崎▼ 賢一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０７４６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０８４４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０３５３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１５７１４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３５／５７５

Ｃ０１Ｂ ３２／９５６

Ｃ０４Ｂ ４１／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モード径が５０ｎｍ以下である炭化珪素の粉末に窒素を固溶させて得られる窒素固溶炭化珪素粉末を、不活性雰囲気中で焼結して炭化珪素多結晶の円盤状の焼結体を得る焼結工程を含み、
前記焼結工程は、炭素製の円筒状容器の内部で、炭素製で円盤状のスペーサーで仕切られた円盤状の前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結する工程であり、
前記スペーサーの厚みは１ｍｍ以上であり、
前記炭素製のスペーサーで仕切られた前記窒素固溶炭化珪素粉末の厚みは１ｍｍ以上２ｍｍ以下である、窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法。

【請求項2】

モード径が５０ｎｍ以下である炭化珪素の粉末に窒素を固溶させて、前記窒素固溶炭化珪素粉末を得る窒素固溶工程を含む、請求項１に記載の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法。

【請求項3】

焼結助剤を用いずに前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結する、請求項１または２に記載の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法。

【請求項4】

放電プラズマ焼結法により前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結する、請求項１～３のいずれかに記載の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載の焼結方法の後、前記焼結体から前記円筒状容器および前記スペーサーを分離する分離工程と、
前記焼結体のおもて面またはうら面の平滑性または表面粗さを調整する面加工工程と
を含む、炭化珪素多結晶基板の製造方法。

【請求項6】

前記焼結体の外周を研削する外周研削工程を含む、請求項５に記載の炭化珪素多結晶基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法および炭化珪素多結晶基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化珪素（ＳｉＣ）は珪素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）で構成される化合物半導体材料である。ＳｉＣは絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍、バンドギャップがＳｉの３倍と優れているだけでなく、デバイスの作製に必要なｐ型、ｎ型の制御が広い範囲で可能であること等から、Ｓｉの限界を超えるパワーデバイス用材料として期待されている。

【0003】

また、ＳｉＣは、より薄い厚さでも高い耐電圧が得られるため、薄く構成することにより、ＯＮ抵抗が小さく、低損失の半導体が得られることが特徴である。しかしながら、ＳｉＣ半導体は、広く普及するＳｉ半導体と比較し、製造工程が複雑かつその難易度が高いことに起因して、大面積のＳｉＣ単結晶ウェハを得ることが困難であることから、Ｓｉ半導体と比較して大量生産ができず、高価であった。

【0004】

これまで、ＳｉＣ半導体のコストを下げるため、様々な工夫が行われてきた。例えば、特許文献１には、ＳｉＣ基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ²以下のＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板を準備し、これらのＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、ＳｉＣ単結晶基板を薄膜化する工程を行うことで、ＳｉＣ多結晶基板上にＳｉＣ単結晶層を形成した基板を製造することが記載されている。

【0005】

さらに、特許文献１には、ＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程の前に、ＳｉＣ単結晶基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、ＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板とを貼り合わせる工程の後、ＳｉＣ単結晶基板を薄膜化する工程の前に、３５０℃以下の温度で加熱処理を施して水素イオン注入層の機械的な剥離を促すことで、ＳｉＣ多結晶基板に貼り合せたＳｉＣ単結晶基板を薄膜化するＳｉＣ基板の製造方法が記載されている。

【0006】

このような方法により、１つのＳｉＣ単結晶インゴットからより多くのＳｉＣウェハが得られるようになった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特願２００９－１１７５３３号公報

【文献】特公昭５７－１８６８２号公報

【文献】特開昭５２－１１０４９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載の方法で製造されたＳｉＣウェハの製造方法では、ＳｉＣウェハは水素イオン注入を行って薄いイオン注入層の形成されたＳｉＣ単結晶基板とＳｉＣ多結晶基板を貼り合わせた後に加熱して剥離することによって製造されている。そのため、ＳｉＣウェハは、厚さの大部分がＳｉＣ多結晶基板である。これは、ＳｉＣウェハは、研磨等のハンドリングの際に損傷しないように機械的な強度を有するべく、十分な厚さのＳｉＣ多結晶基板を使用する。そのため、半導体として機能するために必要な厚さよりも厚いＳｉＣ多結晶基板を用いることとなる。

【0009】

ところで、ＳｉＣ多結晶基板の抵抗値が高いとＯＮ抵抗が大きくなることで、本来のＳｉＣ半導体の特徴が充分に発揮できなくなるおそれがある。つまり、製造工程においてＳｉＣ基板の損傷を防ぐためには、機械的強度を有するＳｉＣ多結晶基板の厚みがある程度必要であり、得られるＳｉＣ半導体のＯＮ抵抗を小さくするためにはＳｉＣ多結晶基板の抵抗値が低い必要がある。

【0010】

従来、このようなＳｉＣ多結晶基板は、ＣＶＤ法等の気相成長法に窒素等のドーパントを加えながら、所定の厚さまで成膜を実施することで得ていた。しかしながら、気相法での成膜速度は、一時間あたり数～数十μｍであり、機械的強度を有するＳｉＣ多結晶基板を得るためには、数十時間の成膜時間が必要となり、コストと生産性の面で問題がある。

【0011】

一方で、ＳｉＣ多結晶基板の材料とすることが可能なＳｉＣ多結晶のバルク材料を作成する方法として、焼結よる方法がある。ＳｉＣは難焼結材に分類されるため、通常、ボロンやカーボン等の焼結助剤を用いて焼結され、その結果として得られたＳｉＣ多結晶の導電性が著しく低下する。焼結法によりＳｉＣ多結晶のバルク材料を製造する技術の中で、電気比抵抗を低下させるために炭化珪素の組織中に窒素を固溶させる試みは従来からなされており、数多く提案されている。例えば、特許文献２には炭化珪素を窒素雰囲気中で焼結する方法が示され、同様に特許文献３には炭化珪素を窒素雰囲気中でホットプレス焼結する方法が開示されている。

【0012】

しかしながら、これらの方法では、１回の焼結処理において得られるＳｉＣ多結晶基板は１枚であり、１回の焼結処理にかかる時間は、焼結処理温度に達するまでの昇温時間と、焼結処理後に焼結体を取り出せる温度まで降温を加味すると、実質的には数十時間を要し、かつ焼結温度は高温で高電力を要することから、焼結法はコストと生産性の面で問題があった。

【0013】

一方、１回の焼結処理において、充填する炭化珪素の微粉の量を増し、塊状のＳｉＣ多結晶バルクを得ることも示されている。この場合、ＳｉＣ多結晶バルクを板状のＳｉＣ多結晶基板へ加工するには、例えばダイヤモンドワイヤーでの切断等の手法を行うこととなる。しかしながら、ＳｉＣはダイヤモンドに次ぐ硬度を有するため、バルクから板状のＳｉＣ多結晶基板へ切断加工するには、高価なダイヤモンドワイヤーを大量に使用し、かつ切断加工に長時間を要することとなり、コストと生産性の面で問題があった。

【0014】

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、従来よりも安価で生産性が良く板状のＳｉＣ多結晶基板を得ることのできる、窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法および炭化珪素多結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、炭化珪素の粉末を炭素製の円筒状容器内へ充填し、その際に、充填する粉末をグラファイト製のスペーサーで区切ることで、所定の基板厚みを形成するために必要な量を充填した炭化珪素の粉末層としたものを焼結するという、導電性を有するＳｉＣ多結晶基板を１回の焼成で多数枚得ることのできる製造方法を見出すに至った。

【0016】

すなわち、上記課題を解決するため、本発明の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法は、モード径が５０ｎｍ以下である炭化珪素の粉末に窒素を固溶させて得られる窒素固溶炭化珪素粉末を、不活性雰囲気中で焼結して炭化珪素多結晶の円盤状の焼結体を得る焼結工程を含み、前記焼結工程は、炭素製の円筒状容器の内部で、炭素製で円盤状のスペーサーで仕切られた円盤状の前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結する工程であり、前記スペーサーの厚みは１ｍｍ以上であり、前記炭素製のスペーサーで仕切られた前記窒素固溶炭化珪素粉末の厚みは１ｍｍ以上である。

【0017】

本発明の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法は、モード径が５０ｎｍ以下である炭化珪素の粉末に窒素を固溶させて、前記窒素固溶炭化珪素粉末を得る窒素固溶工程を含んでもよい。

【0018】

本発明の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法は、焼結助剤を用いずに前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結してもよい。

【0019】

本発明の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法は、放電プラズマ焼結法により前記窒素固溶炭化珪素粉末を焼結してもよい。

【0020】

また、上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、本発明の窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法の後、前記焼結体から前記円筒状容器および前記スペーサーを分離する分離工程と、前記焼結体のおもて面またはうら面の平滑性または表面粗さを調整する面加工工程とを含む。

【0021】

本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法は、前記焼結体の外周を研削する外周研削工程を含んでもよい。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、従来よりも安価で生産性が良く板状のＳｉＣ多結晶基板を得ることのできる、窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法および炭化珪素多結晶基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】炭素製の円筒状容器１００の斜視概略図である。

【図2】炭素製で円盤状のスペーサー２００の斜視概略図である。

【図3】円筒状容器１００の内部でスペーサー２００と窒素固溶炭化珪素粉末３００が交互に積層した状態を示す側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

【0025】

［窒素固溶炭化珪素粉末の焼結方法］
本発明の焼結方法は、モード径が５０ｎｍ以下である炭化珪素の粉末に窒素を固溶させて得られる窒素固溶炭化珪素粉末を、不活性雰囲気中で焼結して炭化珪素多結晶の円盤状の焼結体を得る焼結工程を含む。

【0026】

（炭化珪素の粉末の粒子径）
炭化珪素の粉末としては、モード径が５０ｎｍ以下の粉末を使用することで、得られるＳｉＣ多結晶基板の導電性能を確保することができる。モード径が５０ｎｍよりも大きい粉末を使用すると、粒子が大きいことにより得られる焼結体に空孔や空隙が称してしまうおそれがあり、これがＳｉＣ多結晶基板の導電性能に影響するおそれがある。モード径の下限に制限は無いが、下限は５ｎｍ程度であり、入手の容易性の観点から、モード径が１０～５０ｎｍの炭化珪素の粉末を原料として用いることができる。

【0027】

（窒素固溶工程）
導電性能を確保するべく、窒素固溶炭化珪素粉末は、上記の炭化珪素の粉末に窒素を固溶させることで得られる。例えば、上記の炭化珪素の粉末を、窒素雰囲気の中で１６００～２１００℃の温度で加熱処理を施すことにより、高い導電性を有する炭化珪素の粉末が得られる。

【0028】

なお、窒素固溶炭化珪素粉末は、上記の窒素固溶工程のように加熱処理をして製造したものを用いてもよく、別途購入する等することにより入手してもよい。

【0029】

（不活性雰囲気による焼結）
焼結工程は、焼成に用いる後述の円筒状容器やスペーサーが炭素製であるため、焼成中にこれらが燃焼しないよう、不活性雰囲気により行う。例えば、窒素ガスや、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ等の希ガス等の雰囲気下とすることで、円筒状容器やスペーサーの燃焼を防止することができる。特に、製造コストを考慮すると、より安価な窒素ガスやＡｒガスを用いることが好ましい。

【0030】

焼結工程では、導電性が低下しない程度にボロンやカーボン等の焼結助剤を使用してもよいが、より良好で安定した導電性能を得るべく、焼結助剤を用いずに窒素固溶炭化珪素粉末を焼結することが好ましい。

【0031】

焼結手法としては、炭化珪素多結晶の円盤状の焼結体を得ることができれば、特に限定されないが、ホットプレス法や放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等の固体圧縮焼結法を用いることができる。特に、放電プラズマ焼結法を用いることが、短時間での焼結が可能で、焼結助剤の添加が不要であるため、より好ましい。

【0032】

本発明における焼結工程は、炭素製の円筒状容器の内部で、炭素製で円盤状のスペーサーで仕切られた円盤状の窒素固溶炭化珪素粉末を焼結する工程である。円筒状容器としては、例えば図１に示す円筒状容器１００が挙げられ、上下が開口した筒状の容器である。また、スペーサーとしては、例えば図２に示す厚みが均一な円盤状のスペーサー２００が挙げられる。焼成工程では、これらの円筒状容器１００やスペーサー２００を使用し、例えば図３に示すように円筒状容器１００の内部でスペーサー２００と窒素固溶炭化珪素粉末３００が交互に積層した状態となるように、スペーサー２００と窒素固溶炭化珪素粉末３００を交互に設置して、焼成することができる。

【0033】

スペーサー２００の厚みは、その厚みが薄いと焼成処理中にスペーサー２００が撓んでしまい、スペーサー２００に挟まれた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みが均一とならずに変化して、その厚みのばらつきが大きくなるおそれがあるため、１ｍｍ以上とする。ただし、スペーサー２００の厚みが大きくなると、円筒状容器１００に充填できる窒素固溶炭化珪素粉末３００の量が少なくなるおそれがあるため、その厚みは５ｍｍ以内であることが好ましい。

【0034】

また、スペーサー２００の厚みは、完全に均一であってもよいが、窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みがばらつかない程度であれば、略均一であってもよい。

【0035】

スペーサー２００で仕切られた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みは、１ｍｍ以上である。この厚みが１ｍｍ以上であることにより、焼成によって炭化珪素多結晶基板を製造する際の面加工が可能な最小厚みである４００μｍよりも厚い焼結体を得ることができる。窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みが１ｍｍ未満の場合には、焼結体の厚みが４００μｍに達しないおそれがあり、面加工が出来なくなることで炭化珪素多結晶基板への加工が出来なくなるおそれがある。なお、窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みが厚すぎると、上記の面加工によって研削されてしまうことによる炭化珪素のロスが大きくなることで、炭化珪素多結晶基板の製造効率が低下するおそれがある。そのため、窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みは、２ｍｍ以下を目安とすることが好ましい。

【0036】

また、スペーサー２００で仕切られた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みは、完全に均一であってもよいが、焼成処理後の炭化珪素焼結体としての厚みがばらつかない程度であれば、略均一であってもよい。

【0037】

なお、スペーサー２００の外径Ｄ２および窒素固溶炭化珪素粉末３００の外径は、円筒状容器１００の内径Ｄ１と略同一であることが好ましい。略同一であれば、スペーサー２００で窒素固溶炭化珪素粉末３００を十分に仕切ることができる。例えば、スペーサー２００の外径Ｄ２が円筒状容器１００の内径Ｄ１よりも極端に小さいと、仕切りとしての効果が得られなくなることで、スペーサー２００の上の窒素固溶炭化珪素粉末３００と下の窒素固溶炭化珪素粉末３００とがくっ付いて焼成されるおそれがある。

【0038】

例えば、放電プラズマ焼結装置を用いて焼結工程を行う場合、窒素固溶炭化珪素粉末を、放電プラズマ焼結装置内に設置した、炭素製の縦型の円筒状容器１００内へ充填していく。円筒状容器１００の周囲にはヒーターが設置してあり、円筒状容器１００を外部より加熱することが可能となっている。

【0039】

また、円筒状容器１００の上方および下方にはダイと呼ばれる一対の円筒状の炭素製治具が設置されており、これら一対の上下ダイの間に窒素固溶炭化珪素粉末３００を充填するためのキャビティを形成することができる。一方、これら上下ダイは一対の電極となっており、焼結の際にパルス電流を通電することで、焼結を促進する効果を発現させる。他方、これら上下ダイには鉛直方向へ荷重をかけることが可能で、焼結処理の際には上下方向へ加圧することもできる。

【0040】

例えば、１枚のスペーサー２００をキャビティ内の下方ダイの上へ設置し、その上に所定量の窒素固溶炭化珪素粉末３００を充填する。このとき充填１回あたりの窒素固溶炭化珪素粉末３００の量は、目標とする焼結後の炭化珪素多結晶基板１枚の厚みに対し、窒素固溶炭化珪素粉末３００の嵩密度を考慮して必要十分な量とした上で、充填した窒素固溶炭化珪素粉末３００の嵩高さが均一となるよう平板治具でならし、この上に２枚目のスペーサー２００を設置する。このような作業をキャビティ内が充満するまで繰り返した後、上方のダイを乗せ、放電プラズマ焼結装置内において、窒素雰囲気の中で加熱、通電、加圧による焼結処理を行う。焼結処理後は、焼結体を室温まで冷却したのち、円筒状容器より中身を取り出すと、複数の円形スペーサーと焼結体との積層体を得ることができる。

【0041】

なお、スペーサー２００と窒素固溶炭化珪素粉末３００との積層数は特に限定されず、例えば、スペーサー２００を１枚のみ使用し、スペーサー２００の上下に窒素固溶炭化珪素粉末３００の層を積層した、合計３層を上下よりダイを設置してもよく、円筒状容器１００の許容範囲までスペーサー２００と窒素固溶炭化珪素粉末３００との積層を繰り返してもよい。

【0042】

［炭化珪素多結晶基板の製造方法］
次に、本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法について説明する。本製造方法では、以下の分離工程と面加工工程とを含む。

【0043】

〈分離工程〉
本工程は、上記した本発明の焼結方法の後、得られた炭化珪素多結晶の円盤状の焼結体から円筒状容器１００およびスペーサー２００を分離する工程である。

【0044】

本発明の焼成方法を行った後は、図３に示す窒素固溶炭化珪素粉末３００が焼結体となり、円筒状容器１００の内部でスペーサー２００と焼結体とが交互に積層した状態となっている。そのため、炭化珪素多結晶基板を得るためには、本工程によって焼結体から円筒状容器１００およびスペーサー２００を分離する必要がある。

【0045】

円筒状容器１００およびスペーサー２００は、炭素製でありグラファイト構造の黒鉛等であるため、人力等の比較的弱い力でこれらを破壊し焼結体を分離して取り出すことが可能である。また、破壊とは別の方法としては、内部でスペーサー２００と焼結体とが交互に積層した状態の円筒状容器１００を酸素雰囲気下において加熱する方法が挙げられる。この加熱によって円筒状容器１００とスペーサー２００を燃焼させて除去することで、焼結体を分離することができる。

【0046】

〈面加工工程〉
本工程は、焼結体のおもて面またはうら面の平滑性または表面粗さを調整する工程である。例えば、研削処理や研磨処理等により、焼結体のおもて面やうら面を面加工することで、所望の平滑性や表面粗さに調整することができる。

【0047】

〈外周研削工程〉
本発明の炭化珪素多結晶基板の製造方法では、焼結体の外周を研削する外周研削工程を含んでもよい。本工程は、焼結体を所望の直径の炭化珪素多結晶基板とするべく、焼結体の直径を整えるための工程である。例えば、研削処理や研磨処理等により、焼結体の直径を整えることができる。

【0048】

面加工工程および外周研削工程を行う順番に特に制限は無く、また可能であれば同時に行うことができる。

【0049】

また、研削処理や研磨処理は、炭化珪素多結晶基板の製造に使用されている処理を採用することができる。例えば、端面加工装置を用いて焼結体を研削してもよく、焼結体をダイアモンドスラリーでラップ処理し、ダイヤモンドとアルミナとの混合スラリーでハードポリッシュした後に、シリカスラリー（コロイダルシリカ、ｐＨ１１）でポリッシュするという手順により研磨処理を行ってもよい。

【0050】

炭化珪素多結晶基板は、半導体の製造に用いられる基板とするのであれば、半導体製造プロセスで使用できる面精度が必要となるが、上記の研削処理や研磨処理によってこれを満たすことができる。

【0051】

以上の工程により、炭化珪素単結晶基板との貼り合せに適用可能な、導電性を有した炭化珪素多結晶基板を得ることができる。なお、焼結後の焼結体の厚みとしては、炭化珪素単結晶基板との貼り合せに供するための目標の基板厚みへ面加工するための研削や研磨等の加工代として、５０μｍ以上の加工代を加えた厚みが必要である。

【実施例】

【0052】

以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

【0053】

［実施例１］
（窒素固溶工程）
モード径が３０ｎｍの炭化珪素の粉末を密閉式加熱炉の炉内に設置した後、炉内に窒素ガスを流入しながら室温から２０００℃まで昇温し、２０００℃で１時間の加熱処理を行った。加熱処理後は粉末を室温まで冷却させ、導電性を有する窒素が固溶した炭化珪素の粉末を得た。

【0054】

（放電プラズマ焼結法を用いる焼結工程）
次いで、キャビティ内高１００ｍｍで内径１５５ｍｍの黒鉛製の円筒状容器１００内へ、直径１５４ｍｍで厚み１ｍｍのグラファイト製の円形のスペーサー２００を設置し、この上に窒素固溶炭化珪素粉末を２０ｇ充填し、平板治具を用いて約１ｍｍの均等な厚みへならした窒素固溶炭化珪素粉末３００の層を得た（嵩密度：約１．６ｇ／ｃｍ³に相当）。さらに、円筒状容器１００内へスペーサー２００の設置と窒素固溶炭化珪素粉末の充填を繰り返すことで、炭化珪素多結晶基板換算で５０枚分となる窒素固溶炭化珪素粉末３００の層とスペーサー２００との積層体を形成させた。

【0055】

上記の手順で積層体を収容した円筒状容器１００を、放電プラズマ焼結装置内へ設置し、窒素雰囲気下においてヒーターで約２時間をかけて室温から２０００℃まで昇温するとともに、積層体に対して上下のダイで５０ＭＰａの加圧を行い、さらに上下のダイ間に５ｋＡのパルス電流を流しながら１時間の焼結処理を行い、その後、約１０時間をかけて室温まで冷却した。

【0056】

得られた焼結体とスペーサー２００との積層体からスペーサー２００および円筒状容器１００を取り除いたところ、得られた焼結体の枚数は５０枚であり、これらの直径は約１５３ｍｍ、厚みは４３６～５５８μｍの範囲であった。これは目標として設定した３５０μｍの炭化珪素多結晶基板の厚みに対し、面加工工程を実施することが可能な最小厚み４００μｍ以上に、全ての焼結体がなっていた。また焼結体の比抵抗はいずれも１２ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。また、炭化珪素多結晶基板とした後の比抵抗も同様であった。その後、焼結体に対して外周研削工程と面加工工程を行うことで、炭化珪素単結晶基板との貼り合せに供することが可能な、直径１５０ｍｍ、厚み３５０μｍの導電性を有するＳｉＣ多結晶基板を５０枚得た。

【0057】

［実施例２］
スペーサー２００の厚みを２ｍｍとした以外は、実施例１と同様に窒素固溶炭化珪素粉末３００の充填および焼結処理を行い、３３枚の焼結体が得られ、これらを実施例１と同様の手順で加工して３３枚の炭化珪素多結晶基板を得た。実施例２で得られた焼結体の厚みは４５１～５４４μｍの範囲であり、いずれも面加工が可能な最小厚み４００μｍ以上となっていた。また、焼結体および炭化珪素多結晶基板の比抵抗はいずれも１１ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。

【0058】

［実施例３］
充填する窒素固溶炭化珪素粉末３００を１層あたり３０ｇとし、その窒素固溶炭化珪素粉末３００の層の厚みを１．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様に窒素固溶炭化珪素粉末３００の充填および焼結処理を行い、２８枚の焼結体が得られ、これらを実施例１と同様の手順で加工して２８枚の炭化珪素多結晶基板を得た。実施例３で得られた焼結体の厚みは６７２～８２７μｍの範囲であり、いずれも面加工が可能な最小厚み４００μｍ以上となっていた。また、焼結体および炭化珪素多結晶基板の比抵抗はいずれも１２ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。

【0059】

［比較例１］
スペーサー２００の厚みを０．２ｍｍとした以外は、実施例１と同様に窒素固溶炭化珪素粉末３００の充填および焼結処理を行い、８２枚の焼結体を得た。比較例１で得られた焼結体の厚みは３６２～６３６μｍの範囲であり、８２枚の焼結体のうち１３枚の焼結体において面加工が可能な最小厚み４００μｍを下回っており、炭化珪素多結晶基板へ加工することの出来ない焼結体が得られ、８２枚の焼結体から実施例１と同様の手順で加工して６９枚の炭化珪素多結晶基板が得られ、焼結体から炭化珪素多結晶基板への製造歩留まりが約８４％（（６９／８２）×１００）であったことから、生産性の低下が示唆された。なお、焼結体および炭化珪素多結晶基板の比抵抗はいずれも１３ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。

【0060】

［比較例２］
スペーサー２００の厚みを０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様に窒素固溶炭化珪素粉末３００の充填および焼結処理を行い、６５枚の焼結体を得た。比較例２で得られた焼結体の厚みは３８５～６０４μｍの範囲であり、６５枚の焼結体のうち５枚の焼結体において面加工が可能な最小厚み４００μｍを下回っており、炭化珪素多結晶基板へ加工することの出来ない焼結体が得られ、６５枚の焼結体から実施例１と同様の手順で加工して６０枚の炭化珪素多結晶基板が得られ、焼結体から炭化珪素多結晶基板への製造歩留まりが約９２％（（６０／６５）×１００）であったことから、生産性の低下が示唆された。なお、焼結体および炭化珪素多結晶基板の比抵抗はいずれも１０ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。

【0061】

［比較例３］
充填する窒素固溶炭化珪素粉末３００を１層あたり１８ｇとし、その窒素固溶炭化珪素粉末３００の層の厚みを０．９ｍｍとした以外は、実施例１と同様に窒素固溶炭化珪素粉末３００の充填および焼結処理を行い、５２枚の焼結体を得た。比較例３で得られた焼結体の厚みは３９２～５８９μｍの範囲であり、５２枚の焼結体のうち２枚の焼結体において面加工が可能な最小厚み４００μｍを下回っており、炭化珪素多結晶基板へ加工することの出来ない焼結体が得られ、５２枚の焼結体から実施例１と同様の手順で加工して５０枚の炭化珪素多結晶基板が得られ、焼結体から炭化珪素多結晶基板への製造歩留まりが約９６％（（５０／５２）×１００）であったことから、生産性の低下が示唆された。なお、焼結体および炭化珪素多結晶基板の比抵抗はいずれも１２ｍΩ・ｃｍであり、導電性能を満足する値であった。

【0062】

表１に、実施例１～３および比較例１～３のスペーサー２００の厚み、窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚み、焼結体の厚みおよびキャビティ内高１００ｍｍあたりの焼結体の取得枚数についてまとめた表を示す。

【0063】

【表1】

【0064】

［まとめ］
実施例１～３、比較例１～３の結果より、スペーサー２００の厚みを１ｍｍ以上とし、スペーサー２００で仕切られた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みを１ｍｍ以上とすることで、従来よりも安価で生産性が良く板状のＳｉＣ多結晶基板を得られることがわかった。

【0065】

なお、比較例１、２では、スペーサー２００の厚みが１ｍｍ未満であることにより、スペーサー２００の強度が弱くて撓む等の変形が認められ、この変形によりスペーサー２００で仕切られた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みが厚い部分と薄い部分が生じる粉末の偏りが発生したことで、焼結体の厚みにばらつきが生じる結果となり、歩留まりが低下した。

【0066】

また、比較例３では、スペーサー２００で仕切られた窒素固溶炭化珪素粉末３００の厚みが１ｍｍ未満であることにより、焼結によって体積の収縮が生じた結果、一部の焼結体は炭化珪素多結晶基板への加工に十分な厚みを得ることができず、焼結体から炭化珪素多結晶基板への製造歩留まりが低下した。

【符号の説明】

【0067】

１００ 円筒状容器
２００ スペーサー
３００ 窒素固溶炭化珪素粉末

【図1】

【図2】

【図3】