JP6083766B2 - Ｎｈ３雰囲気高温加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱装置に関し、特に、アンモニア雰囲気で使用する誘導加熱方式の高温加熱装置に関する。

従来の誘導加熱方式の加熱装置では、カーボンフェルトのような断熱材で周囲が囲まれたカーボンサセプタが、石英管の中に配置される。石英管の周囲には高周波誘導コイルが配置される。カーボンサセプタの上にサンプルを乗せた状態で高周波誘導コイルに高周波電流を流すことにより、カーボンサセプタが誘導加熱され、サンプルが加熱される。一方で、石英管は断熱材により昇温が抑えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１４８９２号公報

しかしながら、ＡｌＮのような窒化物半導体の成長に加熱装置を用いる場合、石英管中にアンモニアガスを流すため、断熱材として用いられるカーボンフェルトが高温で分解したアンモニアガスと反応して腐食するという問題があった。同様のカーボン製品であっても、例えば固体状のカーボンサセプタは変形しないためＰＢＮ等でコーティングしてアンモニアガスによる腐食を防止できるが、繊維状のカーボンフェルトはコーティングができず、腐食による劣化が問題であった。

そこで、本発明は、例えば窒化物半導体の成長に必要なアンモニア雰囲気でも、安定した加熱が可能な誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの形態は、
誘導加熱装置に用いる加熱機構であって、
円筒形の発熱体と、
発熱体の側面を囲む円筒形のカバーと、
カバーの側面を囲む円筒形の断熱材と、
断熱材の側面を囲む側面部と、側面部の一端に設けられた端面部とを有する円筒形のボートであって、カバーの一端が端面部の内側に接するように配置されたボートと、
ボートの側面部の他端において、ボートの側面部とカバーとに接するように配置されたリング状の遮蔽板と、を含み、
断熱材は、ボートと、カバーと、遮蔽板とで囲まれたことを特徴とする加熱機構である。

本発明の他の形態は、
誘導加熱装置であって、
反応管と、
反応管の周囲に設けられた高周波誘導コイルと、
反応管の中に配置された加熱機構と、を含み、
高周波誘導コイルに高周波電流を流すことにより、加熱機構の発熱体が誘導加熱されることを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明によれば、アンモニア雰囲気で高温に加熱した場合であっても、加熱装置の腐食が発生せず、安定、かつコストを抑えた加熱工程を提供できる。

本発明の実施の形態にかかる加熱装置の概略図である。 本発明の実施の形態にかかる加熱装置に使用する加熱機構の長手方向の断面図である。 図２の加熱機構をＡ−Ａ方向に見た場合の断面図である。 使用前の断熱材の外観写真である。 本発明の実施の形態にかかる加熱装置で使用後の断熱材の外観写真である。 図５の断熱材の内部の写真である。 従来の加熱装置で使用後の断熱材のＢ−Ｂ方向の断面写真である。 従来の加熱装置に使用する加熱機構の長手方向の断面図である。

図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態にかかる加熱装置の概略図である。ここでは、加熱装置１０００としてＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）装置について説明するが、本発明は、ＭＯＣＶＤ、アニール装置等のような他の加熱装置にも適用できる。また、図１は、横型フロー構造の加熱装置であるが、縦型フロー構造の加熱装置にも適用できる。

加熱装置１０００は、例えば電気炉（図示せず）で低温（例えば５００〜６００℃）に加熱する電気炉加熱部１０００ａと、誘導加熱により高温（例えば１０００〜１８００℃）に加熱する高周波加熱部１０００ｂとを含む。

加熱装置１０００は、例えば石英からなる円筒形の反応管２００を含む。加熱装置１０００は、反応管２００中に流される反応ガスの上流側（図１では左側）が電気炉加熱部１０００ａ、下流側（図１では右側）が高周波加熱部１０００ｂとして使用される。

電気炉加熱部１０００ａでは、例えば電気炉（図示せず）を用いて、反応管２００の内部を約４００℃〜約５００℃、好ましくは約５５０℃に加熱する。

電気炉加熱部１０００ａでは、反応管２００の内部に、材料ガスの供給管４００が設けられている。供給管４００の中には、例えばアルミニウムのような固体の材料４１０が配置される。供給管４００の中には、ガス４２０として、例えばＨＣｌとＨ_２が供給される。反応管２００の内部が、例えば５５０℃に加熱されることにより、ガス４２０は、材料４１０と、以下のように反応する。

６ＨＣｌ＋Ｈ_２＋２Ａｌ→２ＡｌＣｌ_３＋４Ｈ_２

この反応の結果、供給管４００の出口から、ＡｌＣｌ_３とＨ_２が、材料ガス４３０として供給される。

また、供給管４００の外部には、例えばＮＨ_３のような他の材料ガス４４０が、キャリアガス（例えば、Ｎ_２：Ｈ_２＝１：１）と共に供給される。

材料ガス４３０と材料ガス４４０は、混ざり合って、高周波加熱部１０００ｂに導入される。

加熱装置１０００の高周波加熱部１０００ｂでは、反応管２００の周囲に、高周波誘導コイル３００が設けられている。また、反応管２００の内部には、加熱機構１００が挿入されている。

図２は、高周波加熱部１０００ｂの反応管２００の中に挿入される加熱機構１００の、反応管２００の長手方向（中心軸方向）の断面図である。また、図３は、図２をＡ−Ａ方向に見た場合の断面図である。

加熱機構１００は、発熱体１０を含む。発熱体１０は、例えば高純度カーボンのような、高周波で誘導加熱が可能な導電体からなる。発熱体１０の表面は、例えばＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ等で表面コーティングされている。表面コーティングは、アンモニアガスによる腐食から発熱体１０を保護する。

発熱体１０の内部には、例えば断面が矩形の空洞部１１が設けられ、中央部１２の近傍にサンプル（図示せず）が配置される。サンプルは、ここではＡｌＮ層を成長させるサファイア基板であるが、Ｓｉ基板やＧａＮ基板のような他の半導体基板でも良い。また、サンプルは、ＡｌＮの成長面が上になるようなフェイスアップに配置しても、成長面が下になるようなフェイスダウンに配置しても構わない。また、発熱体１０は、一体成形された構造でも、上下２つの部分のような、複数の部分を組み合わせた構造でも良い。

発熱体１０は、円筒カバー２０の中に挿入され、発熱体１０の側面（曲面）が円筒カバー２０で覆われる。円筒カバー２０は、例えば、ＢＮ（ボロンナイトライド）、ＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）、アルミナ、ジルコニアのような、発熱体１０が高温になっても腐食されない耐熱性の材料からなる。

円筒カバー２０の周囲は、円筒状の断熱材４０で覆われている。断熱材４０は、例えばフェルト状のカーボン繊維のような成形断熱材からなり、不活性雰囲気では２０００℃程度まで耐熱性を示す。一方で、フェルト状であるため、発熱体１０のように表面コーティングは困難であり、高温ではアンモニアガスのような腐食性ガスにより腐食される。

発熱体１０を円筒カバー２０の中に挿入し、その周囲に断熱材４０を配置した状態で、これらは円筒状のボート３０に挿入される。ボート３０は、円筒状の側面部３１と、側面部３１の一端（図２では左側）に設けられた端面部３２からなる。端面部３２には、発熱体１０の空洞部１１に対応する位置に開口部３３が設けられている。側面部３１の他端（図２では右側）は、円筒状に開口しており、ここから断熱材４０等が挿入される。ボート３０は、例えば石英から形成される。

図２に示すように、加熱機構１００では、ボート３０の右側の開口部から、断熱材４０等が挿入され、ボート３０の左側の端面部３２の内側に当たるように配置される。この状態で、リング状の遮蔽リング５０で、断熱材４０の端部が覆われる。遮蔽リング５０は、例えば石英からなり、ボート３０と円筒カバー２０との間を遮蔽するようなリング形状となっている。

このように、ボート３０内に、発熱体１０、円筒カバー２０、断熱材４０を挿入し、遮蔽リング５０を配置することで、加熱機構１００の組み立ては完了する。この状態では、断熱材４０は、円筒カバー２０、ボート３０（３１、３２を含む）、および遮蔽リング５０で周囲を覆われている。

組み立てられた加熱機構１００は、発熱体１０の中央部１２にサンプルを配置した状態で、加熱装置１０００の反応管２００の中に挿入され、高周波加熱部１０００ｂに配置される。図１では、加熱機構１００は、右側から反応管２００の中に挿入される。加熱機構１００のボート３０の直径は、反応管２００の直径より少し小さく設計されている。

高周波加熱部１０００ｂに加熱機構１００を配置した状態で、高周波誘導コイル３００に高周波電流を流すと、誘導加熱により発熱体１０の温度が上昇し、発熱体１０の空洞部１１内に配置したサンプルが加熱される。サンプルの温度は、成長材料に応じて約１０００℃〜１８００℃の範囲で制御可能であり、例えばＡｌＮの成長時には約１４００℃〜約１６００℃、ＧａＮの成長時には約１０００℃〜約１２００℃に制御される。

上述のように、加熱装置１０００では、材料ガス４３０と材料ガス４４０が混ざり合って、高周波加熱部１０００ｂに導入される。高周波加熱部１０００ｂでは、２つの材料ガス４３０、４４０の混合ガスが、図２の矢印の方向に、加熱された発熱体１０の空洞部１１の中を流れる。この結果、発熱体１０の中央部１２に配置されたサンプル上で、ＡｌＣｌ_３とＮＨ_３が反応し、ＡｌＮが成長する。

本発明の実施の形態では、断熱材４０は、円筒カバー２０、ボート３０、および遮蔽リング５０で周囲が覆われているため、反応管２００の中に、高温状態でアンモニアガスが供給されても、断熱材４０の腐食は殆ど起こらない。

なお、加熱装置１０００は、ガスの供給ライン、真空ゲージ、真空ポンプのような一般的な機器を備えるが、ここでは説明を容易にするために省略する。

図４は、使用前の断熱材４０の外観写真である。断熱材４０は、カーボン繊維の成形断熱材からなる。図５は、図４の断熱材４０を、加熱装置１０００で結晶成長に用いた後の外観写真である。結晶成長は、材料ガス４３０、４４０としてＡｌＣｌ_３とＮＨ_３を用い、成長温度は１４５０℃、成長時間は６０分〜１８０分とした。結晶成長は、このような成長条件で５０回行った。

図５の写真（使用後）を図４の写真（使用前）と比較すると分かるように、外観に殆ど変化は見られない。また、図６は、図５の断熱材４０の、内部の写真であるが、外部と同様に、殆ど変化は見られない。

一方、図７は、図８に示す従来の加熱機構に用いた断熱材の、Ｂ−Ｂ方向の断面における写真である。図８は、全体が５００で表される、従来の加熱機構の断面図である。図８中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示し、断面方向も図２と同じ方向である。

従来の加熱機構５００では、発熱体１０の周囲に、円筒カバー無しに直接、断熱材４０を配置し、その状態でボート３５に乗せる。ボート３５は、発熱体１０の空洞部１１より下方を覆う構造（半円構造）となっている。

加熱機構５００は、発熱体１０の中央部１２にサンプルを配置した状態で、図１に示す加熱装置１０００の高周波加熱部１０００ｂに挿入して使用される。結晶成長は、本発明の実施の形態にかかる加熱機構１００に適用した条件と同様の条件を用い、同じく数回の結晶成長を行った。

図７に示すように、結晶成長後において、断熱材４０は中央部分が腐食しており、また周辺部も白く変色して変質していることがわかる。

このように、本発明の実施の形態にかかる加熱機構１００を用いることにより、アンモニア雰囲気で高温加熱を行った場合でも、アンモニアによる断熱材４０の腐食を防止できる。特に、高温においても断熱材４０の劣化が殆どないため、１８００℃程度の高温での結晶成長も安定して行うことができる。また、断熱材４０の寿命が延び、メンテナンス回数も大幅に削減でき、製造コストの低減も可能となる。

なお、加熱機構１００では、円筒カバー２０はボート３０の側壁の内側に当たるように配置し、更に遮蔽リング５０を取り付けて断熱材４０を覆うが、断熱材４０を密閉しているわけではない。しかしながら、このように断熱材４０を覆うだけで、アンモニアによる断熱材４０の劣化を十分に防止できることが確認されている。

また、円筒カバー２０は断熱材４０へのＮＨ_３ガスの侵入防止が目的であるので、断熱材４０と発熱体１０との間の隙間を埋めるものであれば、発熱体の接合部のみを覆うように形成するなど円筒形状でなくても良い。

なお、発熱体１０が一体成形され接合部などの隙間がない場合、発熱体１０を断熱材４０に密着させることが出来れば、円筒カバー２０がなくても、石英ボード３０と遮蔽リング５０のみで、断熱材１０へのＮＨ_３の侵入を防ぐことができ、同様の腐食防止効果が得られる。

本発明の実施の形態にかかる加熱装置１０００を用いて、以下の条件でＡｌＮの結晶成長を行った。サンプルは、２インチｃ面のサファイア基板（１／２にカット）を用いた。

工程１：サンプルを加熱装置１０００内に入れて、Ｈ_２ガスを供給し、９００℃、１０分間、Ｈ_２クリーニングを行った。

工程２：Ｈ_２ガスをＮ_２ガスに切り換えて、３０秒間、窒化処理を行った。

工程３：材料ガス（ＡｌＣｌ_３）４３０と材料ガス（ＮＨ_３）４４０を高周波加熱部１０００ｂに導入して、加熱温度９００℃で６０秒間、ＡｌＮバッファ層を成長させた。材料ガス４３０、４４０の作製方法は上述のとおりである。また、加熱温度はサンプルの温度である。

工程４：加熱温度を１５００℃〜１５９０℃の間の温度に上げて、３０秒〜５時間の間の時間、ＡｌＮ層の成長を行った。ＡｌＮバッファ層およびＡｌＮ層の成長中の反応管２００内の圧力は９５ｋＰａ、Ｖ／ＩＩＩ比は７．６５であった。

ＡｌＮ層の成長温度が異なる複数のサンプルについて、ＡｌＮ層の評価を、Ｘ線回折法を用いて行った。Ｘ線回折の結果では、成長温度が高いほど、（０００２）回折の半値幅が減少し、結晶性が向上していることがわかった。また、加熱温度１５９０℃で３０分間ＡｌＮ層を成長させたサンプルでは、（０００２）回折の半値幅、（１０−１２）回折の半値幅は、それぞれ３２６ａｒｃｓｅｃ、７２９ａｒｃｓｅｃとなり、良好なＡｌＮ結晶が得られることがわかった。当然に、かかるＡｌＮ層の成長条件において、断熱材４０の劣化は認められなかった。

このように、本発明の実施に形態にかかる加熱機構１００を用いた加熱装置１０００では、高温の窒素雰囲気でも安定した結晶成長が可能となり、良好な品質の結晶を成長させることが可能となる。

１０ 発熱体
２０ 円筒カバー
３０ ボート
４０ 断熱材
５０ 遮蔽リング
１００ 加熱機構
２００ 反応管
３００ 高周波誘導コイル
１０００ 加熱装置

Claims (6)

1. アンモニア雰囲気で使用する誘導加熱装置に用いる加熱機構であって、
   円筒形の発熱体と、
   該発熱体の側面を囲む円筒形のカバーと、
   該カバーの側面を囲む円筒形の断熱材であって、カーボンの成形断熱材からなる断熱材と、
   該断熱材の側面を囲む側面部と、該側面部の一端に設けられた端面部とを有する円筒形のボートであって、該カバーの一端が該端面部の内側に接するように配置されるボートと、
   該ボートの側面部の他端において、該ボートの側面部と該カバーとに接するように配置されたリング状の遮蔽板と、を含み、
   該断熱材は、該ボートと、該カバーと、該遮蔽板とで囲まれたことを特徴とする加熱機構。
2. アンモニア雰囲気で使用する誘導加熱装置に用いる加熱機構であって、
   円筒形の発熱体と、
   該発熱体の側面を囲む円筒形の断熱材であって、カーボンの成形断熱材からなる断熱材と、
   該断熱材の側面を囲む側面部と、該側面部の一端に設けられた端面部とを有する円筒形のボートであって、該断熱材の一端が該端面部の内側に接するように配置されるボートと、
   該ボートの側面部の他端において、該ボートの側面部と該断熱材とに接するように配置されたリング状の遮蔽板と、を含み、
   該断熱材は、該ボートと、該発熱体と該遮蔽板とで囲まれたことを特徴とする加熱機構。
3. 上記カバーは、ＢＮ（ボロンナイトライド）、ＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）、アルミナ、およびジルコニアからなるグループから選択される１またはそれ以上の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 誘導加熱装置であって、
   反応管と、
   該反応管の周囲に設けられた高周波誘導コイルと、
   該反応管の中に配置された、請求項１〜３のいずれかに記載の加熱機構と、を含み、
   該高周波誘導コイルに高周波電流を流すことにより、該加熱機構の該発熱体が誘導加熱されることを特徴とする誘導加熱装置。
5. 上記反応管の中に、アンモニアガスが供給されることを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
6. 上記発熱体の加熱温度は、１０００℃から１８００℃までの範囲の温度であることを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。