JP5182758B2 - 窒化物単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの単結晶の製造方法に係わり、より詳しくは、窒化アルミニウムなどの長尺化、および大口径化を実現させる窒化物単結晶の作製方法およびその装置に関する。

窒化アルミニウム系半導体は、深紫外のレーザーダイオードや高効率、高周波の電子デバイスとして期待されている。この半導体を育成する基板としては、窒化アルミニウム単結晶が最適であることから、窒化アルミニウム単結晶作製の開発が進められている。
窒化アルミニウム単結晶の特長としては、熱伝導率が２９０Ｗｍ^−１Ｋ^−１と非常に高いことが挙げられ、デバイス作動時に発生する熱を放散する上で大変有利である。

窒化アルミニウム単結晶の製造方法としては、溶液法ではフラックス法が、気相法では有機金属気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy，ＭＯＶＰＥ）、水素化物気相堆積法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，ＨＶＰＥ)、昇華法などが挙げられる。この中でも、昇華法は、一般的に成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法である。この昇華法とは、原料である窒化アルミニウムを昇華させ、それを昇華温度より低い温度域で再凝縮させることにより単結晶を作製する方法である。
本願は、その中でも種子基板を利用した昇華法（改良レイリー法）に関わるものである。

図２に種子基板を利用した昇華法により窒化物単結晶を作製することを可能にする、従来の窒化物製造装置１を示す。
従来の窒化物製造装置１は、成長容器２と、成長容器２の内底部に配置された原料容器１４と、成長容器２の上部に取り付けられたサセプタ３と、を備えて構成されている。原料容器１４の底部には窒化アルミニウム粉末などの原料２２が収納されている。
サセプタ３の下面には原料２２と対向するように種子基板２３が貼り付けられている。成長容器２本体外周に沿って、成長容器２内部に配された原料２２やサセプタ３、種子基板２３を加熱する抵抗加熱方式による加熱手段７が設けられている。成長容器２および加熱手段７は、チャンバー８によって包囲されている。チャンバー８の天井部には、窒素ガスなどのガス導入部５および圧力調整弁６が形成され、チャンバー８の内部を所定のガス圧力に調整できるようになっている。

窒化物単結晶の作製に際しては、まず、チャンバー８に設けられている図示略の搬入口を開けて、原料２２を原料容器１４の底部にセットし、搬入口を閉じてチャンバー８を密閉する。次いで、チャンバー８内を圧力調整弁６により真空排気した後、ガス導入部５により窒素ガス等のプロセスガスを成長容器２内に導入して、圧力を調整する。
そして、原料２２が配された原料容器１４の下部の方が、種子基板２３が配されたサセプタ３よりも高温となるように、加熱手段７を用いて成長容器２本体内の原料２２やサセプタ３、種子基板２３を加熱する。加熱で昇華させて分解気化された原料２２は、窒素ガス雰囲気下で種子基板２３上に結晶成長することで、窒化物単結晶２４となり成長する。

改良レイリー法による窒化アルミニウム単結晶作製方法として、特許文献１には、窒化物と酸化物との混合粉末を、窒化物と酸化物の反応を利用することにより、窒化物の昇華温度よりも低い温度で加熱して気化させ、この窒素雰囲気中で、基板上に窒化物単結晶を育成するという方法が記載されている。
特許文献２には、種子基板として炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶を用い、この上に窒化アルミニウム単結晶を成長させるという方法が記載されている。
非特許文献１には、ＳｉＣ基板上に窒化アルミニウム単結晶をＭＯＣＶＤ法で２００〜４００ｎｍの単結晶長まで成長させたテンプレート基板上に、１段階目で１０〜３０μｍ／ｈの成長速度で成長させた後、２段階目で温度を上昇させて７０μｍ／ｈの成長速度で成長させる方法が記載されている。
特開平１０−５３４９５号公報 特表２００２−５２７３４３号公報 Journal of Crystal Growth 281 (2005) 68-74

しかしながら、上記従来の昇華法による窒化アルミニウム単結晶の製造方法においては、原料容器１４に原料２２を充填して、バッチ式により単結晶の成長が行われていた。この場合は、成長結晶の大きさが、充填する原料量により決定されてしまうため、結晶の大口径化、長尺化には限界があった。大口径の結晶を作製するためには、バッチ式による結晶成長を繰り返して実施しなければならないため、多大な労力を要するという問題があった。

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、
原料を昇華させて成長容器内で窒化物蒸気を再凝縮させることにより窒化物単結晶を成長させる昇華法による窒化物単結晶の製造方法であって、
前記成長容器と連通している原料昇華容器と、
該原料昇華容器の上面に設けられたフィーダーと、
該フィーダーの上面に設けられ、前記原料を収納する原料ホッパーとを備え、
前記フィーダーから前記原料昇華容器へ前記原料を連続的に供給する工程と、
前記原料昇華容器内で前記原料を昇華させ、窒化物蒸気を発生させる工程と、
前記窒化物蒸気を前記成長容器内へ輸送する工程と、
を有志、前記成長容器の成長部で連続的に窒化物単結晶を成長させることを特徴とする。

前記窒化物は窒化アルミニウムであることが好ましい。

前記原料ホッパーは、ガス導入部および圧力調整弁を備え、前記原料ホッパー内の圧力を前記成長容器内圧力と同等に制御することが好ましい。

本発明の窒化物単結晶の製造装置は、
成長容器と、
該成長容器と連通している原料昇華容器と、
該原料昇華容器の上面に設けられたフィーダーと、
該フィーダーの上面に設けられ原料を収納する原料ホッパーとを備え、
前記フィーダーから前記原料昇華容器へ前記原料を連続的に供給し、前記原料昇華容器で昇華させた窒化物蒸気を前記成長容器内へ輸送することで、前記成長容器の成長部で、連続的に窒化物単結晶を成長させることができることを特徴とする。

前記窒化物単結晶の製造装置の前記原料ホッパーは、ガス導入部および圧力調整弁を備え、前記原料ホッパー内の圧力を前記成長容器内圧力と同等に制御することが好ましい。

本発明による窒化物単結晶製造装置は、成長容器とは別に成長容器と連通した原料昇華容器を設け、この原料昇華容器に原料を供給するためのフィーダーおよび原料ホッパーを設ける構成とした。
上記のように構成された本発明の装置によれば、フィーダーから原料昇華容器へ原料を連続的に供給し、原料昇華容器で昇華させた窒化物蒸気を成長容器に輸送し、成長容器の成長部で連続的に窒化物単結晶を成長させる。ゆえに、長時間安定した結晶成長を行うことが可能となり、窒化アルミニウム単結晶の長尺化、および大口径化が容易となる。

以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。図１は本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一例を示す概略構成図である。図１において、図２で示した従来の装置の要素と同一の要素には同一の符号を付している。

本実施形態の窒化物単結晶の製造装置１は、成長容器２と、成長容器２と連通している原料昇華容器１１と、原料２１を収容する原料ホッパー１２と、原料ホッパー１２から原料２１を供給するフィーダー１３と、フィーダー１３の下方に設けられているシャッター１２Ｂを備えて構成されている。原料昇華容器１１は、成長容器２の側壁に連結部（フランジ）１１Ａを介して横向きに接続されたものである。
成長容器２の上部中央（天井部）には、サセプタ３が配置されており、サセプタ３の下面に貼り付けられている種子基板２３上に窒化物単結晶２４が成長するようになっている。サセプタ３は、黒鉛などからなる板状のもので、結晶成長用の種子基板２３は、例えば直径２５ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣまたは窒化アルミニウム単結晶板である。

成長容器２には、成長容器２内部に配されたサセプタ３、種子基板２３を加熱する抵抗加熱方式による加熱手段７が設けられている。同様に、原料昇華容器１１には、原料昇華容器１１内部に配された原料２２を加熱する抵抗加熱方式による加熱手段１８が設けられている。このような加熱手段７，１８としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。例えば、ヒーター材として、カーボン、タングステンなどを使用することができる。また、成長容器２、原料昇華容器１１、および加熱手段７，１８は、チャンバー８によって包囲されている。

原料ホッパー１２の上部側には、窒素ガスなどのガス導入部１５および圧力調整弁１６が設けられており、原料ホッパー１２の内部圧力をチャンバー８の内部圧力と同等に制御できるようになっている。原料ホッパー１２の底部は、連結部（フランジ）１２Ａを介して、原料昇華容器１１の上部に接続されている。
原料昇華容器１１内部には、上部に開口部１４ａを有している原料容器１４が配置されており、フィーダー１３より供給された原料２１が原料容器１４に受け入れられる。
成長容器２の底部には、窒素ガスなどの導入部４が形成され、原料昇華容器１１の先端部には、窒素ガスなどのガス導入部１７が形成されていて、チャンバー８の天井部にはガス導入部５および圧力調整弁６が設けられている。これらにより、チャンバー８の内部を、所定のガス圧力に個別に調整できるようになっている。

次に、本発明の製造装置１を用いた窒化アルミニウム単結晶２４の製造方法について説明する。
まず、原料ホッパー１２に設けられている搬入口１２ａを開けて、窒化アルミニウムの粉末などの原料２１を原料ホッパー１２に収容した後、搬入口１２ａを閉じて原料ホッパー１２を密閉する。
次いで、シャッター１２Ｂを開けて、フィーダー１３より原料２１を原料容器１４に供給する。次いで、チャンバー８内を圧力調整弁６に接続された真空ポンプより真空排気した後、ガス導入部４，５，１７により窒素ガス等のプロセスガスを成長容器２および原料昇華容器内１１の内部空間に導入して、圧力を調整する。ここでの圧力は１〜１０００Ｔｏｒｒ、より好ましくは１０〜７６０Ｔｏｒｒに設定することができる。
そして、原料２２が配された原料容器１４（原料部）の方が、種子基板２３が配されたサセプタ３（成長部）よりも高温となるように、加熱手段７，１８を用いて原料２２やサセプタ３、種子基板２３を加熱する。ここで、原料部の温度は１８００〜２５００℃、より好ましくは２０００〜２４００℃に設定することができる。また、成長部の温度は１７００〜２４００℃、より好ましくは１８００〜２３００℃に設定することができる。

また、加熱中は、チャンバー８の上面の圧力調整弁６から成長容器２内のガスを排気しつつ、ガス導入部４，５，１７からガスを成長容器２および原料昇華容器１１内に供給することにより、成長容器２および原料昇華容器１１内のガス圧力、および流量を適切に調整する。原料ホッパー１２に設けられたガス導入部１５および圧力調整弁１６は、チャンバー８内圧力と、原料ホッパー１２内圧力とを同等に制御する。

加熱で昇華させて分解気化された原料蒸気は、原料昇華容器１１と連通している成長容器２へ輸送される。輸送は、ガス導入部１７より導入されたガスによって行われる。輸送された原料蒸気は成長容器２上部に配置されたサセプタ３下面に配置された種子基板２３上に、窒素ガス雰囲気下で窒化アルミニウム単結晶２４となり成長する。本発明では、この結晶成長中において、種子基板２３での結晶成長の結晶化速度を制御するため、サセプタ３の温度と原料２２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温度制御を行う。

本発明では、この間、原料２２を、フィーダー１３によって適宜定量供給することが可能となる。
また、窒化物単結晶２４の作製の間にも、原料ホッパー１２と原料昇華容器１１との間のシャッター１２Ｂを閉じた上で、搬入口１２ａを開けることにより、原料２１を原料ホッパー１２に補給することができる。シャッター１２Ｂを閉じた上で搬入口１２ａを開けることにより、原料容器２および原料昇華容器１１の内部圧力に影響を与えることはない。補給された原料２１をフィーダー１３によって供給する際は、原料ホッパー１２の内部を個別に真空にしてからシャッター１２Ｂを開けるため、原料昇華容器１１の真空状態に影響を与えることなく、原料２１を原料容器１４に供給できるので、半永久的に安定した結晶成長が可能となる。
以上の方法により、原料ホッパー１２に収容された原料２１は原料容器１４に連続的に供給され、種子基板２３の被堆積面に成長した窒化アルミニウム単結晶２４は、半永久的に連続成長が可能となる。

図１に示す構成の装置を用い、種子基板２３の一面に、窒化アルミニウム単結晶２４を作製した。この作製にあたっての実験条件および実験結果を、以下の表１に示す。

この実験条件において、実施例１〜４は、本願の連続式による実施例である。比較例１〜４は、図２に示す従来の装置を用いる実施例である。

＜実施例１＞
種子基板として、直径２５ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣを用い、図１に示した製造装置を用いて原料を連続的に定量供給しながら、表１に示した実施例１の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製し、これを実施例１とした。実験時間は３００時間とした。
＜実施例２＞
表１に示した実施例２の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、実施例１と同様に行い、これを実施例２とした。
＜実施例３＞
表１に示した実施例３の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、実施例１と同様に行い、これを実施例３とした。種子基板として、直径２５ｍｍの窒化アルミニウムを用いた。実験時間は１００時間とした。
＜実施例４＞
表１に示した実施例４の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、実施例３と同様に行い、これを実施例４とした。

＜比較例１＞
種子基板として、直径２５ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣを用い、図２に示した製造装置を用いて、表１に示した比較例１の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製し、これを比較例１とした。実験時間は１００時間とした。
＜比較例２＞
表１に示した比較例２の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、比較例１と同様に行い、これを比較例２とした。
＜比較例３＞
表１に示した比較例３の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、比較例１と同様に行い、これを比較例３とした。種子基板として、直径２５ｍｍの窒化アルミニウムを用いた。実験時間は１５時間とした。
＜比較例４＞
表１に示した比較例４の条件で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は、比較例３と同様に行い、これを比較例４とした。

実施例１，２では、３００時間、実施例３，４では１００時間、それぞれ原料ホッパーに収容された原料を連続的に定量供給しながら、また、必要であれば、原料ホッパーに原料を追加しながら、成長実験を行った。その結果、長時間安定してバルク窒化アルミニウム単結晶を作製可能であった。窒化アルミニウム単結晶は、種子基板に対して５ｍｍ以上の口径拡大を達成した。

比較例１〜４では、図２に示す装置を用いて成長実験を行った。原料は５００ｇ充填した。比較例での実験時間は、実験を停止する目安とした原料が残り５０ｇを切るまでの時間である。いずれの条件においても、種子基板に対して５ｍｍ以上の口径拡大を成し遂げることはできなかった。５ｍｍを超える口径拡大を実現するには、複数回の実験が必要であり、実験のセッティングや、降温過程など、多大な時間と労力を要することになり、効率的ではない。

以上の結果のように、昇華法による窒化アルミニウム成長において、図１に示す装置を用いて、原料ホッパー内部の原料をフィーダーから連続的に定量供給することにより、長時間安定した結晶成長を行うことができた。ゆえに、窒化アルミニウム単結晶の長尺化、および大口径化が容易となった。

本発明に係る第１実施形態の窒化物単結晶の製造装置を模式的に示した概略構成図である。 従来の窒化物単結晶の製造装置の一例を模式的に示した概略構成図である。

符号の説明

１…窒化物単結晶の製造装置、２…成長容器、３…サセプタ、４…ガス導入部、５…ガス導入部、６…圧力調整弁、７…加熱装置、８…チャンバー、１１…原料昇華容器、１１Ａ…連結部、１２…原料ホッパー、１２ａ…搬入口、１２Ａ…連結部、１２Ｂ…シャッター、１３…フィーダー、１４…原料容器、１４ａ…開口部、１５…ガス導入部、１６…圧力調整弁、１７…ガス導入部、１８…加熱装置、１９…ガス導入部、２１，２２…原料、２３…種子基板、２４…窒化物単結晶。

Claims (5)

1. 原料を昇華させて成長容器内で窒化物蒸気を再凝縮させることにより窒化物単結晶を成長させる昇華法による窒化物単結晶の製造方法であって、
   前記成長容器と連通している原料昇華容器と、
   該原料昇華容器の上面に設けられたフィーダーと、
   該フィーダーの上面に設けられ、前記原料を収納する原料ホッパーとを備え、
   前記フィーダーから前記原料昇華容器へ前記原料を連続的に供給する工程と、
   前記原料昇華容器内で前記原料を昇華させ、窒化物蒸気を発生させる工程と、
   前記窒化物蒸気を前記成長容器内へ輸送する工程と、
   を有し、前記成長容器の成長部で連続的に窒化物単結晶を成長させることを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。
2. 前記窒化物は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶の製造方法。
3. 前記原料ホッパーは、ガス導入部および圧力調整弁を備え、前記原料ホッパー内の圧力を前記成長容器内圧力と同等に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物単結晶の製造方法。
4. 成長容器と、
   該成長容器と連通している原料昇華容器と、
   該原料昇華容器の上面に設けられたフィーダーと、
   該フィーダーの上面に設けられ原料を収納する原料ホッパーとを備え、
   前記フィーダーから前記原料昇華容器へ前記原料を連続的に供給し、前記原料昇華容器で昇華させた窒化物蒸気を前記成長容器内へ輸送することで、前記成長容器の成長部で、連続的に窒化物単結晶を成長させることができることを特徴とする窒化物単結晶の製造装置。
5. 前記原料ホッパーは、ガス導入部および圧力調整弁を備え、前記原料ホッパー内の圧力を前記成長容器内圧力と同等に制御することを特徴とする請求項４に記載の窒化物単結晶の製造装置。

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