JP2007145679A - 窒化アルミニウム単結晶の製造装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶に欠陥が発生することを抑制でき、良質で大口径の単結晶が効率よく製造できる、昇華法を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】加熱炉本体２内の下部に配置される黒鉛るつぼ４の内側面に、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物でなる被覆膜５を形成した。このような被覆膜５は、２０００℃以上の高温下でも安定で、昇華ガス（Ａｌ，Ｎ_２）に対しても化学的に安定であるため、この黒鉛るつぼから発生させたガスを用いて結晶成長させた窒化アルミニウム単結晶に欠陥が発生することを抑制でき、良質で大口径の単結晶を効率よく製造できる。
【選択図】図１

Description

この発明は窒化アルミニウム単結晶の製造装置及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、欠陥の少ない窒化アルミニウム単結晶を昇華法により製造する技術に関するものである。

ＩＩＩ族元素の窒化物のうち、窒化アルミニウムは熱伝導率が高く、窒化ガリウムと格子整合性が高いことから、ＧａＮ系半導体デバイス用基板の材料として期待されている。従来、この種の窒化物単結晶の製造方法としては、いくつかの方法が知られているが、特に昇華法が有望視されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図２は、昇華法を用いて窒化物単結晶を製造する従来の加熱炉（製造装置）１００を示している。この加熱炉１００は、加熱炉本体１０１と、この加熱炉本体１０１を取り囲む誘導加熱コイル１０２と、を備えている。

加熱炉本体１０１内の下部には、容器状の黒鉛るつぼ１０３が配置されている。この黒鉛るつぼ１０３内には、窒化物の粉末や焼結体などの原料１０４が配置される。

また、加熱炉本体１０１内の上壁部には、黒鉛るつぼ１０３に対向するように板状のサセプタ１０５が配置されている。このサセプタ１０５は、黒鉛で形成されている。また、サセプタ１０５の下面には、種子結晶１０６が貼り付けられている。このサセプタ１０５の下面及び種子結晶１０６の表面（下面）は、水平となるように設定されている。

さらに、加熱炉本体１０１の底部には雰囲気ガスの流入口１０７が形成され、加熱炉本体１０１の上壁部には雰囲気ガスの排出口１０８が形成されている。

このような加熱炉１００を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する方法について説明する。先ず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料１０４を黒鉛るつぼ１０３内に配置させる。次に、加熱炉本体１０１内を真空排気した後、底部の雰囲気ガスの流入口１０７から窒素等の雰囲気ガスを導入する。そして、誘導加熱コイル１０２を動作させて、黒鉛るつぼ１０３内の原料１０４やサセプタ１０５、種子結晶１０６を加熱する。また、加熱炉本体１０１の上壁部に形成された排気口１０８から雰囲気ガスを排気する。

この加熱により、黒鉛るつぼ１０３内の原料１０４が溶融、昇華し、昇華ガスが種子結晶１０６の表面に付着し、結晶成長する。この際、種子結晶１０６での結晶成長の結晶化速度を制御するため、サセプタ１０５の温度と原料１０４から昇華する昇華ガスの昇華速度をそれぞれ最適化することが行われている。

また、窒化アルミニウム等の窒化物単結晶の製造方法に関する先行技術としては、以下のような非特許文献１及び非特許文献２に記載されたものが知られている。
特開平１０−５３４９５号公報 特開２００４−２８４８６９号公報 Glen A. Slack and T. F. Mcnelly, J. Cryst. Growth, 34(1976)263-279 R. Schlesser and Z. Sitar, J. Cryst. Growth, 234(2002)349

しかしながら、従来の窒化アルミニウム単結晶の製造方法では、種子結晶の表面に原料ガスを供給する際に、原料ガスの発生と同時に黒鉛るつぼの成分であるカーボンが単結晶中に混入し、欠陥の起点となったり、コンタミネーションとなるなどの問題点がある。

また、特許文献２に記載された窒化物単結晶の製造方法では、るつぼ及びサセプタの表面を窒化ホウ素（ＢＮ）や窒化珪素（ＳｉＮ）で被覆した黒鉛製のものを用いているが、ホウ素はアルミニウムと同様、ＩＩＩ族元素であるため、混晶（Ａｌ_ｘＢ_１−ｘＮ）を作るため、作製した単結晶の品質が低下する。また、珪素（Ｓｉ）はフィールドエミッションの効率向上のためにドーパントとして使用する材料である。珪素の混入により、材料の導電性や、品質が大きく変化することはよく知られており、窒化珪素でるつぼを被覆することは適当ではない。また、実際にドーピングの際にも、被覆物からのドーピング濃度への影響が無視できないため、ドーピング量が精密に制御できない可能性があり、不適である。

そこで、本発明の目的は、単結晶に欠陥が発生することを抑制でき、良質で大口径の単結晶が効率よく製造できる、昇華法を用いた窒化物単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することにある。

本発明の第１の特徴は、窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼと、黒鉛るつぼから昇華した窒化アルミニウムを付着させて単結晶を成長させる種子結晶を支持するサセプタと、を備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、黒鉛るつぼの表面を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物で被覆したことを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼと、前記黒鉛るつぼから昇華した窒化アルミニウムを付着させて単結晶を成長させる種子結晶を支持するサセプタと、を備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、黒鉛るつぼ、前記サセプタ及び昇華ガスが接触する部位の表面を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物で被覆したことを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼの少なくとも内側面に、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物を被覆した後、黒鉛るつぼ内に窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納し、黒鉛るつぼを加熱して窒化アルミニウム単結晶用の原料を昇華させて原料ガスを発生させ、原料ガスを付着させて窒化アルミニウム単結晶を成長させることを要旨とする。

本発明によれば、使用する黒鉛るつぼの、原料ガスと接触する部分を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムの窒化物で被覆することにより、原料ガス中にカーボンの混入がみられなくなり、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する際に、得られる単結晶中に欠陥がなく、良質で、大口径の単結晶が効率よく製造できる。

以下、本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置及びその製造方法について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置としての加熱炉１を示している。この加熱炉１は、加熱炉本体２と、この加熱炉本体２を取り囲む誘導加熱コイル３と、を備えている。

図１に示すように、加熱炉本体（チャンバ）２内の下部には、容器状の黒鉛るつぼ４が配置されている。この黒鉛るつぼ４の内側面には、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物でなる被覆膜５が形成されている。この黒鉛るつぼ４には、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料６が配置される。なお、このような材料でなる被覆膜５は、２０００℃以上の高温下でも安定で、昇華ガス（Ａｌ，Ｎ_２）に対しても化学的に安定である。

また、加熱炉本体２内の上壁部には、黒鉛るつぼ４に対向するように板状のサセプタ７が配置されている。このサセプタ７は、黒鉛で形成されている。また、サセプタ７の下面には、種子結晶８が貼り付けられるようになっている。このサセプタ７の下面及び種子結晶８の表面（下面）は、水平となるように設定されている。

さらに、加熱炉本体２の底部には雰囲気ガスの流入口９が形成され、加熱炉本体２の上壁部には雰囲気ガスの排出口１０が形成されている。

このような加熱炉１を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する方法について説明する。先ず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料６を黒鉛るつぼ４内に配置させる。次に、加熱炉本体２内を真空排気した後、底部の雰囲気ガスの流入口９から窒素等の雰囲気ガスを導入する。そして、誘導加熱コイル３を動作させて、黒鉛るつぼ４内の原料６やサセプタ７、種子結晶８を加熱する。因みに、黒鉛るつぼ４内の温度は２０００〜２３００℃、種子結晶８の表面温度は１９９０〜２０５０℃となるように制御する。また、加熱炉本体２の上壁部に形成された排気口１０から雰囲気ガスを排気する。

この加熱により、黒鉛るつぼ４内の原料６が溶融、昇華し、昇華ガスが種子結晶８の表面に付着し、結晶成長する。この結晶成長中においては、種子結晶８の表面での結晶成長の結晶化速度を制御するため、種子結晶８の温度と原料６から昇華する昇華ガスの昇華速度（単位時間当たりの昇華量）とをそれぞれ最適化する温度制御が行われている。

以下に実施例を示す。

下表１に、黒鉛るつぼ４の内側面のコーティング材料の有無、種類と、これらの黒鉛るつぼ４を用いた加熱炉１で製造した窒化アルミニウム単結晶のカーボン含有率（ｐｐｍ）及びＸ線ロッキングカーブの半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を示す。

上記表１に示すように、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのそれぞれの窒化物で黒鉛るつぼ４の内側面をコーティングすることで、原料ガス中にカーボンが混入することを抑え、窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率を１００ｐｐｍ以下に抑えることができる。従って、窒化アルミニウム単結晶にカーボンが混入して欠陥が発生することを抑制できる。これに対して、黒鉛るつぼ４の内側面に被覆膜を形成しない場合は窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率は１０００ｐｐｍであり、被覆膜としてホウ素窒化物をコーティングした場合の窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率は１２０ｐｐｍ、被覆膜として珪素窒化物をコーティングした場合の窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率は１１０ｐｐｍであった。このため、本発明によれば、窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率を低くすることができ、単結晶中に欠陥が発生することを抑制できる。

また、上記表１に示すように、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのそれぞれの窒化物で黒鉛るつぼ４の内側面をコーティングして窒化アルミニウム単結晶の製造を行った場合、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が２７０秒以下となり良質な結晶性を有していることがわかる。これに対して、黒鉛るつぼ４の内側面に被覆膜を形成しない場合は窒化アルミニウム単結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５４０秒であり、被覆膜としてホウ素窒化物をコーティングした場合の窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率は１２０ｐｐｍ、被覆膜として珪素窒化物をコーティングした場合の窒化アルミニウム単結晶中のカーボン含有率は１１０ｐｐｍであった。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置としての加熱炉２０を示している。この加熱炉２０は、加熱炉本体２１と、この加熱炉本体２１を取り囲む誘導加熱コイル（加熱ヒータ）２２とを備えている。

図２に示すように、加熱炉本体２１内には、容器状の黒鉛るつぼ２３が配置されている。この黒鉛るつぼ２３の内側面には、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物でなる被覆膜２４が形成されている。この黒鉛るつぼ２３の上部開口部は、黒鉛で形成されたるつぼ蓋２５で閉塞されるようになっている。このるつぼ蓋２５の下面には、黒鉛るつぼ２３と同様の被覆膜２４が形成されている。なお、このような材料でなる被覆膜２４は、２０００℃以上の高温下でも安定で、昇華ガス（Ａｌ，Ｎ_２）に対しても化学的に安定である。そして、黒鉛るつぼ２３内には、窒化アルミニウムの多結晶粉末や焼結体などの窒化金属粉末からなる原料２６が配置される。

また、るつぼ蓋２５の下面には、種子結晶２７が貼り付けられるようになっている。このるつぼ蓋２５の下面及び種子結晶２７の表面（下面）は、水平となるように設定されている。

本実施の形態に係る加熱路２０では、誘導加熱コイル２２により加熱炉本体２１が加熱され、黒鉛るつぼ２３の下部が昇華部（気化部）となり、るつぼ蓋２５の下面側が析出部となる。

さらに、加熱炉本体２１の底部には雰囲気ガスの流入口２８が形成され、加熱炉本体２１の上壁部には雰囲気ガスの排出口２９が形成されている。

このような加熱炉２０を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する方法について説明する。先ず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料２６を黒鉛るつぼ２３内に配置させる。次に、加熱炉本体２１内を真空排気した後、底部の雰囲気ガスの流入口２８から窒素等の雰囲気ガスを所定量導入する。そして、誘導加熱コイル２２を動作させて、原料２６を気化させる。この気化した原料は、るつぼ蓋２５の下面に接触することにより冷却され、種子結晶２７上に単結晶が析出する。

このとき、使用する黒鉛るつぼ２３の、原料ガスと接触する部分を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムの窒化物でなる被覆膜２４で被覆することにより、原料ガス中にカーボンの混入がみられなくなり、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する際に、得られる単結晶中に欠陥がなく、良質で、大口径の単結晶が効率よく製造できる。

下表２に、黒鉛るつぼ２３の内側面及びるつぼ蓋２５の下面のコーティング材料の有無、種類と、製造した窒化アルミニウム単結晶のカーボン含有率を示す。

以上のように、２０００℃以上の高温下でも安定で、昇華ガス（Ａｌ、Ｎ_２）に化学的に安定な材料を原料ガスが接する黒鉛るつぼ２３の内側面及びるつぼ蓋２５の下面に形成することで、得られる単結晶に欠陥がなく、良質で、大口径の単結晶が効率よく製造することができる。

このように、本発明に係る窒化物単結晶の製造装置及びその製造方法によれば、良質で大口径の単結晶窒化物を効率よく製造できる。

なお、上記実施の形態及び実施例では、窒化物として窒化アルミニウムを適用して説明したが、他の窒化物単結晶の製造に本発明を適用できることは云うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物単結晶の製造装置を示す断面説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物単結晶の製造装置を示す断面説明図である。 従来の窒化物単結晶の製造装置を示す断面説明図である。

符号の説明

１，２０ 加熱炉（製造装置）
２，２１ 加熱炉本体
３，２２ 誘導加熱コイル
４，２３ 黒鉛るつぼ
５，２４ 被覆膜
６，２６ 原料
７ サセプタ
８，２６ 種子結晶
９，２８ 流入口
１０、２９ 排気口
２５ るつぼ蓋

Claims (3)

1. 窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼと、前記黒鉛るつぼから昇華した窒化アルミニウムを付着させて単結晶を成長させる種子結晶を支持するサセプタと、を備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記黒鉛るつぼの表面を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物で被覆したことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
2. 窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼと、前記黒鉛るつぼから昇華した窒化アルミニウムを付着させて単結晶を成長させる種子結晶を支持するサセプタと、を備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記黒鉛るつぼ、前記サセプタ及び昇華ガスが接触する部位の表面を、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物で被覆したことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
3. 窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納する黒鉛るつぼの少なくとも内側面に、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、モリブデン、レニウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムから選ばれる少なくとも１種の材料の窒化物を被覆した後、
   前記黒鉛るつぼ内に前記窒化アルミニウム単結晶用の原料を収納し、
   前記黒鉛るつぼを加熱して前記窒化アルミニウム単結晶用の原料を昇華させて原料ガスを発生させ、
   前記原料ガスを付着させて窒化アルミニウム単結晶を成長させることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

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