説明

高い熱伝導率を有する炭化珪素

【課題】高い熱伝導率を有し、積層欠陥が低下した炭化珪素膜を提供する。
【解決手段】炭化珪素膜はアルゴンキャリアガスと、水素ガスおよびメチルトリクロロシランを反応物質として用いる減圧CVD法で成膜される。炭化珪素の熱伝導率は、高い熱負荷が発生する電子デバイスの装置の一部および部品として用いることができるほど十分高い。このような部品としては、アクティブ熱電クーラー、ヒートシンクおよびファンが挙げられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、改良された化学蒸着(CVD)炭化珪素(SiC)に関する。より詳細には、本発明は、積層欠陥が減少し、高い熱伝導率を有する化学蒸着(CVD)炭化珪素(SiC)に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスの製造においては、多くの製造段階が含まれる。半導体デバイスの製造におけるいくつかの段階は、半導体加工においてウェハおよびウェハホルダーに必然的に熱が加えられ、またこれらから速やかに熱を放散させる、急速熱加工を含む。ウェハおよびウェハホルダーを含む物質が不十分な高さの熱伝導率を有するならば、該物質は熱応力のために破損、すなわち、ひび割れたり、破砕される。加えて、電子デバイスにおいては熱の発生および流れを管理する必要がある。例えば、アクティブ熱電クーラー(active thermoelectric cooler)ならびにヒートシンク(heat sink)、およびファンは、マイクロプロセッサーなどの電子デバイスにおいて一般的になってきている。かかる「冷却装置」を含む電子デバイスは高い熱導電性を有している必要性がある。操作中、多くの電子デバイスは多量の熱を発生する。適当な熱電クーラー、ヒートシンク、またはファンがないと、電子デバイスは十分早く熱を放散させることができず、退化または故障する。したがって、このような電子デバイスは寿命が短く、該デバイスを使用する産業界にとって非能率的である。したがって、かかる電子デバイスは発生した熱を放散させるために高い熱伝導性の材料で構成されたヒートシンクを有することが絶対に必要である。
【0003】
SiCは、SiC結晶の高い理論的熱伝導率のために、半導体プロセッシング装置および電子デバイスの部品における材料として非常に有用であることが判明している。かかる装置および部品に望ましいSiCの他の固有の性質は、高い比剛性、強度、硬度、低い熱膨張性、耐薬品性および耐酸化性、ならびに耐熱衝撃性である。SiCは装置および電子デバイスにおいて効果的に用いられてきたが、向上された性質を有するSiCが依然として必要とされている。コンピューター産業が、さらに小さく、さらに進歩した半導体デバイスを実現するにつれ、装置の組み立て中での、さらに迅速な加熱および冷却、ならびにこれらの操作中でのウェハのさらなる表面加熱が必要とされる。したがって、半導体を製造するために用いられる装置は、熱を速やかに放散できる材料で作られているのが好ましい。さらに、電子デバイスの速度およびメモリーが増大するにつれ、操作中により多くの熱が発生し、したがって、かかるデバイスにおける部品の熱伝導性も増大させなければならない。
【0004】
単結晶SiCの理論的最高熱伝導率は約490W/mKであると算出されている。しかしながら、単結晶SiCは、かかる物質を半導体ファーネス支持部品としての製造において用いるのに十分大きいサイズにおいて製造するのが困難であり、多結晶SiCよりもかなり高価である。残念ながら、フォノン(phonon)または音エネルギーを散乱させる結晶粒界が存在するために、多結晶SiCはSiCの単結晶の理論的熱伝導率に達しない。したがって、特定の値はいうまでもなく、化学蒸着された多結晶SiCの熱伝導率の範囲を予測するのは非常に困難である。加えて、点、線およびエクステンディッド(extended)欠陥は多結晶SiCの熱伝導率を減少させる。かかる欠陥は、所望の高い熱伝導率を有するSiCの製造を困難にする。熱伝導率に影響を及ぼしうる多結晶SiCに関連するもう一つの結晶の問題は、W. Kowbel et al. ”Effects of Boron Doping on the Thermal Conductivity of Chemical Vapor Infiltration (CVI) SiC”, Journal of Material Synthetic Processes, 4 (1996)pg. 195−204において示唆されているような積層欠陥(stacking fault)である。Kowbelらは繊維強化されたSiC複合体(SiC/SiC)における積層欠陥を減少させるためにホウ素ドーピングと1500℃の温度でのアニーリングの両方を使用している。Kowbelらは、積層欠陥を減少させると、繊維強化されたSiCの熱伝導性が向上することを示している。しかしながら、Kowbelらは最大熱伝導率140W/mKを達成しただけであった。このように低い熱伝導率は、半導体デバイスおよび電子デバイス産業の要求に適さない。
【0005】
積層欠陥は多結晶SiCの結晶格子の連続性におけるギャップまたは分離である。結晶格子におけるこのようなギャップが、SiCの熱を伝えたり、放散させる能力を減少させるならば、このような物質で構成されるヒートシンクなどの「冷却装置」は、高い熱負荷が連続して発生する電子デバイスにおいて信頼性がない。発達した電子デバイスは操作中に非常に多量のエネルギーを発生させるので、このようなヒートシンクの多量の熱を伝達し、放散させる信頼性は、ますます重要になってきている。300Kcal/分を越える値の熱負荷を発生することができる装置もある。このように高い熱の発生は、適当ヒートシンクがなければ、約200時間の操作後に容易に、電子デバイスに損害を与え得る。このようなデバイスにおけるヒートシンクは、少なくとも300W/mKの熱伝導率を有するSiCなどの物質でできているのが好ましい。SiCの熱伝導率は少なくとも375W/mKであるのが最も好ましい。しかしながら、後記の方法を除いては、375W/mKはいうまでもなく、300W/mKを越える熱伝導率を有するSiCを提供する方法はほとんど開発されなかった。さらに、半導体製造において用いられる改良された装置も非常に多量の熱を発生させ、高い熱伝導率を有する部品を必要とする。したがって、非常に高い熱負荷を発生させる装置および電子デバイスにおいて用いることができるような熱伝導率を有する改良されたSiCの開発が依然として必要とされる。
【0006】
炭化珪素を、メチルトリクロロシラン(MTS)、H、および不活性または非反応性気体、例えば、アルゴン、ヘリウムまたは窒素(アルゴンが好ましい)の気体状混合物からCVDにより堆積させる。フリースタンディング(freestanding)SiCは、マンドレル、例えばグラファイトマンドレル上に熱分解的に堆積され、これから取り外し可能である。MTSは珪素および炭素の両方の好ましい供給源であり、これらの反応物質を化学量論比(1:1)において提供する。Hは塩素を捕捉して、塩酸を生じさせる。不活性または非反応性気体はMTS(周囲温度で液体である)のキャリアガスとして作用し;堆積したSiCから、塩酸などの反応生成物をスイープする必要があるので、ファーネスを通る気体の流速を調節するために変えることができる。不活性または非反応性気体はまた、希釈剤としても作用し、SiC中に不純物を導入する可能性のある気相反応を防止する。フリースタンディングSiC物質のCVD製造は、米国特許第4990374号;第4997678号;および第5071596号に記載され、これらの特許に開示される内容は本発明の一部として参照される。しかしながら、前記特許に記載されている方法は、300W/mKより高い熱伝導率を有するSiCを達成しない。300W/mKの熱伝導率を有するSiCを得る方法を見いだすために、さらなる研究が必要であった。
【0007】
米国特許第5374412号(Pickeringら、CVD,Inc.に譲渡)は、高い熱伝導率を有する多結晶SiCを製造するための衝突流法(impinging flow method)を開示する。該特許において開示される方法により調製されるSiCの熱伝導率は少なくとも約300W/mKである。該特許は、28℃で熱伝導率304.9W/mKを記録している。不活性キャリアガス環境中反応物質メチルトリクロロシラン(MTS)、およびHガスを用いてSiCを堆積させる。条件は以下の通りである:堆積チャンバー圧 約180torr〜220torr、堆積チャンバー温度 約1340℃〜1380℃、堆積速度 約1.0μm/分〜約2.0μm/分、H/MTS気体分圧流量比 約4〜約10。さらに、気体流れの一部として供給されるHを精製して、Hが約1ppmより少ないOガスを含むようにし、さらに堆積チャンバーから粒子状汚染物質を排除するためのさまざまな手段が用いられる。
【0008】
SiCは、前記プロセスにより、反応物質の流れに対して垂直、すなわち衝突流れの配置に設置されたマンドレル上で作成される。高い熱導電性SiCを、例えばハードディスクまたはリード/ライトヘッドなどの最終用途の形態に機械加工し、適当な表面に、高度にポリッシュされる。前記の非常に特異的な堆積パラメータのセットは、高いポリッシャビリティー(polishability)および高い熱伝導率の組合せを達成する。
【0009】
米国特許第5374412号は、SiCの熱伝導率はSiC物質の粒子サイズおよび純度に依存する、すなわち、熱伝導率は結晶粒界に沿った、粒子サイズと低い不純物濃度の増加に伴って増大することを開示している。粒子サイズ、したがって熱伝導率は、堆積チャンバー温度、圧力および反応物質気体流量により制御される。例えば、高温および低MTS流量(その結果、MTS分圧が低くなる)の条件下で、粒子サイズは増大する。堆積温度が低下し、MTS流れが増大するにつれ、粒子サイズが減少する。したがって、SiCのCVDにおける前記パラメーターを変更することは、SiCの熱伝導率を増大させることが知られている。しかしながら、前記の多結晶SiCにおける結晶欠陥のために、1またはそれ以上の前記パラメータを変更することは、特定の熱伝導率を有するSiCを得る信頼できる手段を提供しない。例えば、反応物質気体流量を半減させても、蒸着させたSiCの熱伝導率は予想値まで増大しない。熱伝導率はわずかしか増大しない。前記の他のパラメータを変更する場合にも同様の結果が得られる。
【0010】
米国特許第5354580号(Goelaら、CVD,Inc.に譲渡)は平行堆積プロセスによるSiCのCVD堆積の装置および方法を開示する。平行プロセスにおいて、反応物質流れは、SiCがその上に堆積するマンドレルに対して平行である。チャンバー内の流れが堆積表面またはマンドレルに対して平行である堆積チャンバーでは、高い堆積効率、および高品質の製品が得られる優れた可能性がある。該特許において開示されている特定のプロセスにより製造されるSiCは、315W/mKの熱伝導率および良好なポリッシャビリティーを有していた。SiCは以下の特定の条件で生成された:ファーネス温度 1350℃、ファーネス圧 200torr、アルゴン流量 13slpm(大気圧および20℃で測定された標準リットル/分)、H流量 22slpm、MTS流量5.1slpm。堆積は76時間行った。
【0011】
前記方法は向上した熱伝導率を有する多結晶炭化珪素を製造した。しかしながら、非常に高い熱伝導率を有するSiCに対する需要が引き続き増大しているので、少なくとも375W/mKの熱伝導率を有するSiCおよびその製造法が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許第4990374号明細書
【特許文献2】米国特許第4997678号明細書
【特許文献3】米国特許第5071596号明細書
【特許文献4】米国特許第5374412号明細書
【特許文献5】米国特許第5354580号明細書
【非特許文献】
【0013】
【非特許文献1】W. Kowbel et al著、「Effects of Boron Doping on the Thermal Conductivity of Chemical Vapor Infiltration (CVI) SiC」、 Journal of Material Synthetic Processes、4(1996)pg.195−204
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明は化学蒸着法(CVD)により製造されるフリースタンディング多結晶炭化珪素(SiC)に関する。本発明のSiCは積層欠陥が減少し、熱伝導率が少なくとも375W/mKであり、熱の放散において有利な性質を有する。SiCは、SiCが悪化する可能性があるという心配なしに、半導体が製造される高い熱負荷の装置において使用されることができる。SiCはまたアクティブサーモプラスティッククーラーならびに高熱が発生する電子デバイスにおけるヒートシンクおよびファンにおいて用いられる。
【課題を解決するための手段】
【0015】
SiCは化学蒸着チャンバー内での平行な流れにより好適なマンドレル上に特定の堆積条件で堆積される。平行流堆積において、堆積チャンバー中の反応物質ガスは、その上にSiCが堆積されるマンドレルの表面に対して平行に流れる。少なくとも375W/mKの熱伝導率を有するSiCは、気体反応物質の供給源から約50cm〜約140cmのマンドレルから得られる。
【0016】
SiCを化学蒸着させるために用いられる反応物質は、メチルトリクロロシラン(MTS)、Hガスおよび不活性キャリアガスである。条件は、堆積チャンバー圧が約100torr〜約300torrであり;堆積チャンバー温度が1350℃より高く約1450℃までであり;堆積速度が約1.0μm/分〜約3.0μm/分であり;H/MTSガス分圧比が約4〜約10である。
【0017】
有利なことには、本発明のSiCは高い熱伝導率を有するので、SiCは高い熱負荷が発生する半導体を製造する装置の部品として容易に用いることができる。このような熱負荷は300Kcal/分を超える場合もある。また、SiCは、高熱を発生する電子デバイスにおけるアクティブサーモクーラー、ヒートシンクおよびファンにおいて用いることができる。
【0018】
本発明の目的は、少なくとも375W/mKの熱伝導率を有する化学蒸着された炭化珪素を提供することである。
【0019】
本発明のさらなる目的は、積層欠陥が低下した化学蒸着された炭化珪素を提供することである。
【0020】
本発明のさらなる目的は、高い熱負荷が発生する半導体を製造するために用いられる装置における部品として用いることができる化学蒸着された炭化珪素を提供することである。
【0021】
本発明のさらなる目的は、高い熱放射を生じる電子装置におけるアクティブサーモクーラー、ヒートシンクおよびファンの部品として用いることができる化学蒸着された炭化珪素を提供することである。
【0022】
他の目的および利点は、以下の本発明の記載および請求の範囲を読むことにより、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】図1は、ファーネスにおける本発明の単一の化学蒸着セルの配置を示す化学蒸着ファーネスの上部平面図である。
【図2】図2は、気体が重力と同じ方向に流れる本発明の化学蒸着セルを用いた化学蒸着ファーネスの配置を示す、図1の2−2線に沿った断面図である。
【図3】図3はファーネス内の本発明の複数の化学蒸着セルの配置を示す化学蒸着ファーネスの上部平面図である。
【図4】図4はファーネス内の本発明の複数の化学蒸着セルの配置を示す図3の4−4線に沿った断面図である。
【図5】図5は、図2および図4の化学蒸着セルが組み入れられることができる化学蒸着システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明は、積層欠陥が減少し、他の結晶欠陥、例えば、点欠陥が減少した、フリースタンディング化学蒸着β相多結晶炭化珪素(SiC)に関する。SiCは、X線回折で測定して、少なくとも約0.10より小さな、結晶の不規則性を有する。本発明のβ多結晶炭化珪素はまた、少なくとも375W/mKの熱伝導率を有する。SiCにおける積層欠陥数が減少するにつれ、熱伝導率が増大する。
【0025】
積層欠陥は当業者に周知のX線回折法によりモニターすることができる。立方体β多結晶SiC(格子定数a=4.35Å)から集められたX線回折パターンは、Cu Kα線:35.8°{111}および41.5°{200}を用いる場合に、多結晶SiCにおいて2θの位置でシャープな回折Braggピークを有する。{111}および{200}の数値は結晶方位である。積層欠陥の特徴は、標準的Bragg回折よりもブロードであり、そのBraggカウンターパート近傍で数度の幅を有する。したがって、当該分野における標準的X線回折法を用いることにより、多結晶SiCにおける積層欠陥を容易にBragg回折カウンターパートと区別し、測定することができる。化学蒸着された炭化珪素における積層欠陥を測定するために、32°から48°の2θ値からの全回折強度を合計し、ベースラインと35.5°〜36°および41.25°〜41.75°のBragg回折に起因する強度を差し引く。得られた数値を残留強度と称する。残留強度と全回折強度の比は、結晶秩序における不規則性の量の基準である。結晶秩序比は、SiCにおける積層欠陥の基準を提供する。この比が大きいほど、SiCにおける積層欠陥数が大きい。この比が小さいほど、SiCにおける積層欠陥数が小さい。本発明のβ多結晶SiCに関する比は、約0.10よりも小さく、好ましくは約0.05から約0.01である。
【0026】
本発明のβ相多結晶SiCのフォノン平均自由行路は、約50ナノメートルから約100ナノメートルの範囲であり、好ましくは約75ナノメートルから約90ナノメートルの範囲である。フォノン平均自由行路とは、フォノン(音エネルギー)が衝突するまで結晶格子中を移動する平均距離(ナノメートルで測定)である。このような衝突は、SiCにおいて積層欠陥、結晶粒界または他の任意の欠陥に関連する不完全さに伴って生じることができる。このようなフォノン平均自由行路は、結晶格子からエネルギーを放散させる手段を提供する。フォノン平均自由行路は、積層欠陥に関連する特徴的な寸法に匹敵する。したがって、SiCにおける積層欠陥を減少させると、フォノン平均自由行路が増大し、これによりSiCの熱伝導率が増大する。化学蒸着されたSiCにおける粒子サイズは約5〜約20ミクロンの範囲である。一般に、粒子サイズが増大すると多結晶物質における熱伝導率が増大するが、SiCにおいては、粒子サイズはフォノン平均自由行路よりもかなり大きい。したがって、熱伝導がSiC粒子サイズにより影響を受けることは予想されない。しかしながら、積層欠陥を制御することにより、フォノン平均自由行路、したがって熱伝導率を制御することができ、熱伝導を向上させることができる。
【0027】
本発明のSiCにおける熱伝導率は、以下の式により表すことができる:
K=Cvl/3
式中、Kは熱伝導率であり、Cは容積熱容量であり、vはキャリア速度であり、lは熱を運ぶフォノンの衝突に依存する平均自由行路である。平均自由行路はまた、電子、合金元素、不純物、空孔、結晶欠陥、弾性および光学的不連続性などによっても影響を受ける。平均自由行路に影響を及ぼす結晶欠陥はまた前記のような積層欠陥も包含する。したがって、SiCの積層欠陥を制御することにより、熱伝導率も制御することができる。
【0028】
本発明の熱伝導率は、少なくとも375W/mK〜約390W/mKの範囲である。本発明のβ多結晶炭化珪素は、その上にSiCが堆積される加熱されたマンドレルプレートの表面に平行に反応物質が流れる化学蒸着装置において特定の条件下で調製される。本発明のSiCは、メチルトリクロロシラン(MTS)、Hガスおよび不活性キャリアガスを用いて調製される。不活性キャリアガスとしては、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノンまたは他の非反応性ガス、例えば、Nが挙げられるが、これに限定されない。さらに、ガス流れの一部として供給されるHは、Hが含むOガスが約1ppmより少なくなるように精製される。堆積チャンバー温度は、1350℃より高く約1450℃まで、好ましくは約1355℃〜約1370℃の範囲である。ファーネス圧は、約10torr〜約760torrの範囲であり、好ましくは約150torr〜約220torr、最も好ましくは約200torrである。H/MTSガス分圧流量比は約4〜約10の範囲、好ましくは約4〜約7、最も好ましくは約5〜約6の範囲である。Hの分圧は、約10torr〜約120torrの範囲であり、好ましくは約60torr〜約100torrである。MTSの分圧は、約2.5torr〜約20torrであり、好ましくは約10torr〜約15torrである。不活性または非反応性ガスの分圧は、約50torr〜約190torrの範囲であり、好ましくは約80torr〜約150torrである。任意に、さらなる量のHClガスが堆積チャンバー内に発生し、高い熱伝導率のSiCが得られる場合がある。HClの分圧は約0.1torr〜約10torrの範囲であり、好ましくは約1.0torr〜約5.0torrである。反応物質についての堆積チャンバー内での堆積速度は、約0.1μm/分〜約3.0μm/分の範囲であり、好ましくは約0.8μm/分〜約1.7μm/分の範囲である。
【0029】
の気体流量は約55slpm〜約75slpm(大気圧、20℃で測定した標準リットル/分)の範囲である。MTS気体流量は約10slpm〜約15slpmの範囲である。不活性または非反応性ガスの気体流量は約60〜約140slpmの範囲である。堆積時間は変更することができるが、約60〜約250時間であることが多く、好ましくは約170時間〜約200時間である。
【0030】
前記の特定の条件で平行流堆積によりSiCをマンドレル上に堆積させることができるならば、任意の好適な化学蒸着チャンバーを用いて本発明を実施することができる。少なくとも375W/mKの熱伝導率を有するSiCを得るために用いることができる好適な化学蒸着装置を、図1、2、3および4において10で示す。装置は、幅が等しく、長さが幅の約3〜4倍である壁14、16および18を有する三角形セル12で構成される。壁14、16、18は化学蒸着三角形セルカバープレート20を支持する。三角形セル12は、外壁24、カバープレート26、およびベースプレート28を有する真空ファーネス22内に含まれる。化学蒸着ファーネス22および三角形セル12の壁14、16および18の温度を操作温度まで上昇させ、化学蒸着プロセスの間、真空ファーネス22および三角形セル12を操作温度に維持するために発熱体30を用いる。図2を参照すると、反応ガス32は不活性キャリアガスと共にインレットチューブ34を通過し、図1において示されるように、真空ファーネス22の頂部(入り口側)36から三角形チャンバーカバープレート20の中心40の周りに設置されたインジェクター38を通って導入される。反応ガス32およびキャリアガスは三角形セル12中の堆積ゾーン42を通過し、未反応のガスは排気口44を通して排出される。
【0031】
図1に示すような三角形の形状の結果、インジェクター38の壁(14、16および18)の中心46から壁(14、16および18)の端部48までの距離は、正三角形に関して2倍に変化する。この変化は壁(14,16および18)の中心46から壁(14,16および18)の対応する端部48へと堆積された物質50の厚さが先細りになることを確実にするのに有用である。堆積された物質50の中心46から端部48までの厚さの変化は図1に最も明確に示されている。したがって、厚い堆積物質50を壁の中心46中に堆積させることができ、対応する壁の端部48では物質は依然としてかなり薄く、したがって機械工程を使用せずに堆積した物質50を取り外すことができる。他の幾何学的形状(すなわち、四角形、五角形など)では、中心に位置するインジェクターから壁(14,16および18)の中心46までとインジェクター38から壁端部48までの距離の比はこのように大きくない。正三角形の利点は、任意の既知の等辺等角形(すなわち、正方形、円など)の面積に対する周長の最大比を提供することである。結果として、三角形セル12は、同じ体積の堆積ゾーンに関してより高い試薬利用効率を提供する可能性が高い。
【0032】
垂直セル12のさらなる利点は、マンドレルが上方向に向いている衝突流配置よりも生成物におけるインクルージョン(inclusion)が少ないことである。本発明の装置に関して、垂直方向に配向するマンドレル壁、重力のためにインジェクターから落下する任意の粒子は、重力および反応ガスの流れにより排出領域へスイープされる。一方、衝突流配置に関しては、重力および反応ガス流は、粒子をマンドレルへと向かわせ、そこで該粒子はインクルージョンとして生成物中に組み入れられる。このように、三角形堆積配置は、衝突流配置により製造される生成物と比較して同じかまたはより高品質の生成物を提供する。
【0033】
反応物質を通過させるための堆積管52はサポート56上の三角形セル12の底部(排出側)54に設置することができる。反応ガス32は堆積管52の周り、その中、またはその周りおよびその下を流れることができ、その後、排出口44を通って排気ガス処理システム(図示せず)中に排出される。堆積管52はさらなる堆積表面として機能し、化学蒸着SiCの三次元部分を形成することができる。
【0034】
三角形堆積セル12はスケーリングによく適している。三角形堆積セルは、四角形または円筒形セルよりも円形ファーネス中に三角形堆積セルを密にパックするのが容易である。図3および4は、六角形に配置された6つの三角形セル12を示す。試薬を供給するために各三角形セルにおいて1つのインジェクターが用いられる。密にパックされる配置は、物質の堆積に関してかなり大きな表面積を提供し、デザインはコンパクトである。例えば、6つの三角形(それぞれ幅8インチ、高さ27インチ)は、合計堆積は約3900平方インチであるが、直径25インチのファーネス内に収容することができる。衝突流配置において同じ堆積面積を得るためには、ファーネスは71インチの直径を必要とする。
【0035】
壁14,16および18は化学蒸着プロセスに相当する任意の物質、例えばグラファイトで作ることができ、シリコン、炭化珪素、モリブデン、タングステン、またはタンタルが挙げられるがこれらに限定されるものではない。グラファイトはSiCプロセスに適合する高温物質であり、グラファイトは比較的安価であり、製造しやすく、さらにグラファイトはSiCとよく一致する熱膨張率(以下、CTEと記載)を有するので、グラファイトが好ましい物質である。後者の利点は、物質が堆積温度から室温まで冷却された場合にSiCにおける応力を最小限にする。本発明に関して用いられる真空ファーネス22は、化学蒸着用途に関して使用するのに適した任意のファーネスである。
【0036】
図5は本発明の三角形セル12に関して用いることができる化学蒸着システム62の構成図である。図5においてみられるように、不活性ガスは好適な供給源(図示せず)からバルブ66およびフローライン68によりバブラーチャンバー64に入る。バブラーチャンバー64はMTSまたはトリクロロシラン(SiHCl、以下、TSと記載)を含むことができる。MTSはSiC堆積物を製造するのに好ましい。TSはSi堆積物を製造するのに好ましい。しかしながら、当業者には理解されるように、他の炭化水素およびシラン供給源を用いて、SiCおよびSi堆積物を製造することができる。
【0037】
試薬MTSまたはTSを運ぶ不活性ガス、例えばアルゴンガスの気泡は、バルブ72の制御下でフローライン70に入る。水素はバルブ76の制御下で好適な供給源(図示せず)からフローライン74を通ってフローライン70に入る。水素ガスを精製することができる。試薬は、図2に示すインジェクター32と同じであってもよいインジェクター78を通って化学蒸着システム62の三角形セル12中に導入されることができる。物質を三角形セル12の壁14、16および18上に堆積させる。前記の三角形セル12は、上述のように、発熱体30により、1350℃より高く約1450℃までの範囲の温度に加熱することができる。
【0038】
気体状生成物は、三角形セル12から、排気口44を通り、フィルター80を通り、フローライン82を通って真空ポンプ84へと除去され、気体はフローラインを通ってスクラバー88へと輸送される。洗浄された気体は次に大気中へと放出される。
【0039】
以下の実施例は本発明をさらに説明するためのものであって、本発明の範囲を制限するものではない。
【実施例1】
【0040】
SiCを、図3および4に示すような6つの個別の堆積ボックスからなる三角形堆積セットアップ中で堆積させた。使用した各三角形堆積ボックスのサイズは、高い熱伝導率のSiCが産生されるように最適化された。各ボックスの長さは約78インチであり、三角形の各辺は約21インチであった。試薬流れは頂部から底部へ、試薬流れがグラファイトマンドレルと平行になるようなものであった。本発明にしたがってCVD−堆積SiCを製造するために、温度、圧力、H/MTS比および堆積速度は、具体的なファーネスデザインに関係なく、好ましくは以下に記載する範囲内である。
【0041】
堆積チャンバーの温度は約1355℃であった。ファーネス圧は約200torrであった。Hのガス流速は約67slpm(大気圧、20℃で測定された標準リットル/分)、MTSのガス流量は約11slpmであった。アルゴンガスを約69slpmの流速でキャリアガスとして用いた。SiC堆積を約190時間、約1.5μm/分の速度で行った。
【0042】
SiC堆積厚はマンドレル上で、約1.02cmから約2.15cmの範囲で変化した。マンドレルの頂部および底部領域で堆積層は薄く、マンドレルの中心部において堆積層は厚かった。三角形堆積チャンバーの中心領域から6つのサンプルを調製し、熱導電率について測定した。サンプルを当業界で一般的なレーザーフラッシュ技術により、成長方向におけるその熱伝導率に関して測定した。採用されたレーザー技術において、レーザービームを用いてサンプルの一表面を加熱した。熱電対をサンプルの背面に固定して、サンプルの温度の上昇を記録した。熱がサンプルを通過するのに要する時間を測定し、サンプルの熱拡散性を計算するために用いた。この拡散性に、サンプルの既知の密度および比熱をかけて、熱伝導率を求めた。堆積チャンバーの中央(気体供給源から約50cm〜約140cm)から採取したサンプルは最も高い熱伝導率を有していた。堆積チャンバーの中央から採取したサンプルのうち、約16.7%が約389W/mKの熱伝導率を有していた。残りの熱伝導率は330W/mK、331W/mK、336W/mKおよび278W/mKであった。
【0043】
389W/mK SiCの収率は、高熱伝導率SiCの収率のわずか約16.7%であったが、16.7%の収率はSiC産業にとっては重要な向上であった。高熱伝導率β相多結晶SiC、特に、375W/mKまたはそれ以上の高熱伝導率を有するSiCを製造するのは非常に困難である。本発明は高熱伝導率SiCを製造するためのブレイクスルーを提供する。少なくとも375W/mKの熱伝導率を有するSiCについての産業界の需要を満たす方法が開発された。
【符号の説明】
【0044】
10 化学蒸着装置
12 三角形セル
14、16、18 壁
20 化学蒸着三角形セルカバープレート
22 真空ファーネス
24 外壁
26 カバープレート
28 ベースプレート
30 発熱体
32 反応ガス
34 インレットチューブ
36 頂部
38 インジェクター
40 中心
42 堆積ゾーン
44 排気口
46 中心
48 端部
50 堆積物質
52 堆積管
54 底部
56 サポート
62 化学蒸着システム
64 バブラーチャンバー
66 バルブ
68 フローライン
70 フローライン
72 バルブ
74 フローライン
76 バルブ
78 インジェクター
80 フィルター
82 フローライン
84 真空ポンプ
88 スクラバー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも375W/mKの熱伝導率及び0.10より小さい結晶秩序比を有する化学蒸着されたフリースタンディングβ相多結晶炭化珪素。
【請求項2】
熱伝導率が375W/mK〜390W/mKの範囲である請求項1記載の炭化珪素。
【請求項3】
熱伝導率が389W/mK以下である請求項2記載の炭化珪素。
【請求項4】
結晶秩序比が0.05から0.01である請求項1記載の炭化珪素。
【請求項5】
50ナノメートルから100ナノメートルのフォノン平均自由行路をさらに有する、請求項1記載の化学蒸着されたフリースタンディングβ相多結晶炭化珪素。

【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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【公開番号】特開2013−100608(P2013−100608A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2013−16694(P2013−16694)
【出願日】平成25年1月31日(2013.1.31)
【分割の表示】特願2009−176358(P2009−176358)の分割
【原出願日】平成13年11月12日(2001.11.12)
【出願人】(591016862)ローム・アンド・ハース・エレクトロニック・マテリアルズ,エル.エル.シー. (270)
【Fターム(参考)】