WO2012063853A1

WO2012063853A1 - 窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法

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Publication number: WO2012063853A1
Application number: PCT/JP2011/075793
Authority: WO
Inventors: 鎌田　弘之; 智久加藤; 長井　一郎; 知則三浦
Original assignee: 株式会社フジクラ; 独立行政法人産業技術総合研究所
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2012-05-18
Also published as: JP5744052B2; EP2639345A1; US20130239878A1; JPWO2012063853A1; CN103249877A; EP2639345A8; EP2639345A4

Abstract

　本発明は窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させ、種結晶に窒化アルミニウムを再結晶させることにより窒化アルミニウム単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、窒化アルミニウム原料を収納し、窒化アルミニウム原料の昇華時に発生するアルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなる成長容器と、成長容器の外側に設けられ、成長容器を介して窒化アルミニウム原料を加熱する発熱体とを備え、成長容器が、窒化アルミニウムを収納する収納部を有する本体部と、本体部の収納部を密閉する蓋体とを有し、発熱体が、タングステンを含む金属材料で構成される窒化アルミニウム単結晶の製造装置である。

Description

窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法

　本発明は、窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法に関する。

　窒化アルミニウム系半導体は、６．２ｅＶという広いバンドギャップを有することから、青色・紫外発光素子、白色ＬＥＤ、高耐圧・高周波電源ＩＣなどへの利用が期待されている。また、窒化アルミニウム単結晶は、窒化ガリウムとの格子不整合が２．４％と小さいことから、窒化ガリウム系半導体を成長させる際の成長用基板としても期待されている。

　このような窒化アルミニウム単結晶の製造方法として、種々のものが知られている。例えば溶液法では、フラックス法、気相法では、ＭＯＶＰＥ法、水素化物気相堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy，ＨＶＰＥ）、昇華法などが知られている。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。昇華法は、成長容器であるるつぼを加熱して、るつぼの上部および下部に温度差を設け、下部に載置した原料を昇華させ、その昇華ガスを下部より温度の低い上部の成長部において再結晶させることで結晶を成長させる方法である。この昇華法においては、原料に窒化アルミニウム粉末が用いられ、窒化アルミニウム粉末が昇華するとアルミニウムガス及び窒素ガスが発生する。窒化アルミニウム単結晶は２０００℃付近で育成するが、この温度域では、発生するアルミニウムガスの腐食性が高い。このため、るつぼに使用可能な材料が限定される。このような材料として、炭化タンタル（ＴａＣ）やタングステン（Ｗ）を用いることが知られている（非特許文献１及び特許文献１）。

　具体的には、下記非特許文献１には、グラファイト製の発熱体の内側にＴａＣるつぼを設置することが開示されている。

　また下記特許文献１には、多数のタングステン結晶を含み、アルミニウムの吸収によって膨張されるように構成された壁組織からなるタングステンるつぼを用いることによりるつぼの破損を排除することが開示されている。

C. Hartmann et al. Journal of Crystal Growth 310(2008)930

特表２００５－５１９８４１号公報

　しかし、上記非特許文献１及び特許文献１に記載のるつぼを使用した窒化アルミニウム結晶の製造方法は、以下の課題を有していた。

　即ち、非特許文献１に記載のるつぼを用いた場合、成長した窒化アルミニウムの中にカーボンが多く混入するという問題があった。このようにＡｌＮ結晶にカーボンのような不純物が混入すると、結晶品質が低下する。またカーボンが塊状に混入した場合には、このカーボンを基点としてＡｌＮが成長してしまい、多結晶化してしまうことがあった。

　一方、特許文献１に記載のるつぼを用いた場合、２３２０℃という高温では、タングステンるつぼがアルミニウムガスと反応する。その結果、るつぼ内におけるタングステンるつぼとアルミニウムガスとが反応した場所と反応しない場所との間で熱膨張係数差が生じ、降温時にるつぼが破損するおそれがあった。またるつぼが破損しないまでも、るつぼの体積が変化することにより成長前後でるつぼが変形し、るつぼの繰り返し利用が困難となる。特に、タングステンは一般的にるつぼ材として良く利用されているカーボンに比べると高価であるため、繰り返し利用できないことは工業的に用いる上で問題となる。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、窒化アルミニウムの結晶中へのカーボンの混入量を十分に低減でき、且つ、繰り返し利用が可能な窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

　本発明者らは上記課題を解決するため、非特許文献１において窒化アルミニウムの単結晶にカーボンが混入する原因について検討した。即ち窒化アルミニウムの単結晶に混入しているカーボンが、成長容器であるＴａＣるつぼに由来するのか、Ｔａｃるつぼの外側に設けられたグラファイト製の発熱体に由来するのかを検討した。当初の予想では、ＴａＣるつぼが密閉されているため、グラファイト製の発熱体からのカーボンが窒化アルミニウム単結晶に混入することは考えにくいものと本発明者らは考えた。従って、窒化アルミニウムの単結晶に混入したカーボンは、ＴａＣるつぼに由来するものと本発明者らは考えた。しかし、意外なことに、窒化アルミニウムの単結晶に混入したカーボンは、主として、ＴａＣるつぼではなくＴａＣるつぼの外側に設けられたグラファイト製の発熱体に由来するものであった。そこで、本発明者らは、発熱体に由来するカーボンの窒化アルミニウム単結晶への混入を防止するため、ＴａＣるつぼの外側に設ける発熱体として、タングステンからなる発熱体を配置することを考えた。ここで、ＴａＣるつぼの外側に設けられたグラファイト製発熱体のカーボンが単結晶に混入することから、ＴａＣるつぼ内で発生したアルミニウムガスがＴａＣるつぼから漏出してタングステンの発熱体と反応し、その結果、タングステンの発熱体の破損を招くことが考えられた。しかし、意外にも、タングステンの発熱体の破損は見られなかった。こうして本発明者らは、本発明を完成するに至った。

　即ち本発明は、窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させ、種結晶に窒化アルミニウムを再結晶させることにより窒化アルミニウム単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、前記窒化アルミニウム原料を収納し、前記窒化アルミニウム原料の昇華時に発生するアルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなる成長容器と、前記成長容器の外側に設けられ、前記成長容器を介して前記窒化アルミニウム原料を加熱する発熱体とを備え、前記成長容器が、前記窒化アルミニウムを収納する収納部を有する本体部と、前記本体部の前記収納部を密閉する蓋体とを有し、前記発熱体が、タングステンを含む金属材料で構成される窒化アルミニウム単結晶の製造装置である。

　この製造装置によれば、成長容器の本体部における収納部に窒化アルミニウム原料が収納され、蓋体に種結晶が固定され、蓋体によって収納部が密閉される。そして、発熱体が発熱し、成長容器を介して窒化アルミニウム原料が加熱されて昇華する。このとき、アルミニウムガス及び窒素ガスが発生する。そして、蓋体に固定された種結晶に窒化アルミニウムが再結晶されて、窒化アルミニウム単結晶が製造される。このとき、成長容器の外側に設けられる発熱体は、タングステンを含む金属材料で構成されている。このため、発熱体から、成長した窒化アルミニウム単結晶へのカーボンの混入がなくなる。その結果、窒化アルミニウム単結晶へのカーボンの混入を十分に低減することができる。また成長容器は、アルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなる。このため、成長容器がアルミニウムガスによって腐食されることが十分に抑制される。このため、成長容器からのアルミニウムガスの漏出が十分に抑制され、発熱体中にアルミニウムが混入することが十分に抑制される。その結果、発熱体において、熱膨張係数差を十分に小さくすることが可能となる。このため、発熱体の降温時において、発熱体の変形や、発熱体におけるクラックの発生を十分に抑制することができる。

　上記窒化アルミニウム単結晶の製造装置においては、前記成長容器を構成する材料が、アルミニウムのイオン半径の１．３７倍以上１．８５倍以下のイオン半径を有する金属の炭化物または窒化物であることが好ましい。

　この場合、上記金属の炭化物または窒化物中の金属が、上記のようにアルミニウムのイオン半径よりも大きいイオン半径を有するため、窒化アルミニウム原料の昇華により発生するアルミニウムガスの一部のアルミニウムと置換して固溶体が形成されるのを抑制できる。このため、上記金属の炭化物または窒化物は、よりアルミニウムガスに対する耐食性に優れる。従って、窒化アルミニウム単結晶に不純物がより混入しにくいという利点がある。

　上記窒化アルミニウム単結晶の製造装置においては、前記成長容器を構成する材料が、炭化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化タングステン及び窒化タンタルからなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

　これらの材料は、アルミニウムガスに対する耐食性により一層優れ、化学的により一層安定であるため、より一層窒化アルミニウム単結晶に不純物が混入しにくいという利点がある。

　上記窒化アルミニウム単結晶の製造装置においては、前記発熱体を構成する金属材料がタングステン単体であることが好ましい。

　この場合、発熱体の金属材料をタングステン単体とすることで、発熱体の耐熱性をより向上させることができ、窒化アルミニウム単結晶の製造装置の繰り返し利用をより容易にすることができる。

　上記窒化アルミニウム単結晶の製造装置においては、前記発熱体と前記成長容器とが接触していることが好ましい。

　この場合、発熱体から成長容器への伝熱が効率よく行われるため、窒化アルミニウム原料の昇華をより効率よく行うことができる。

　上記窒化アルミニウム単結晶の製造装置においては、前記発熱体と前記成長容器とが離間していてもよい。この場合でも、発熱体からの輻射熱によって成長容器を介して窒化アルミニウム原料を加熱することができる。また発熱体と成長容器とが離間していると、仮に成長容器からアルミニウムガスが漏出した場合でも、アルミニウムガスが希釈されてから発熱体に接触する。このため、タングステンとアルミニウムガスとの反応が、発熱体と成長容器とが接触している場合に比べてより十分に抑制され、発熱体の降温時における変形や、発熱体におけるクラックの発生をより十分に抑制することができる。

　また本発明は、上述した窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、前記成長容器の前記本体部における前記収納部に前記窒化アルミニウム原料を収納し、前記蓋体に種結晶を固定し、前記蓋体で前記収納部を密閉する第１工程と、前記発熱体を発熱させ、前記成長容器を介して前記窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させ、前記蓋体に固定された前記種結晶に窒化アルミニウムを再結晶させることにより前記窒化アルミニウム単結晶を製造する第２工程とを含む、窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。

　この製造方法によれば、成長容器の外側に設けられる発熱体が、タングステンを含む金属材料で構成されているため、発熱体から、成長した窒化アルミニウム単結晶へのカーボンの混入がなくなる。その結果、窒化アルミニウム単結晶へのカーボンの混入を十分に低減することができる。また、成長容器は、アルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなるため、成長容器がアルミニウムガスによって腐食されることが十分に抑制される。このため、成長容器からのアルミニウムガスの漏出が十分に抑制され、発熱体中にアルミニウムが混入することが十分に抑制される。その結果、発熱体において、熱膨張係数差を十分に小さくすることが可能となり、発熱体の降温時において、発熱体におけるクラックの発生を十分に抑制することができる。

　本発明によれば、窒化アルミニウムの結晶中へのカーボンの混入量を十分に低減でき、且つ、繰り返し利用が可能な窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法が提供される。

本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態を示す断面図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

　図１は、本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、窒化アルミニウム単結晶の製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ）１００は、窒化アルミニウム単結晶１９の成長が行われる結晶成長部１と、結晶成長部１を収容する収容部２と、収容部２の周囲に巻回される高周波コイル３とから構成されている。収容部２には、ガス導入口４と、ガス排出口５とが形成されており、不活性ガス供給装置（図示せず）からガス導入口４を通して不活性ガスが導入され、収容部２内のガスが、減圧装置（例えば真空ポンプ）によってガス排出口５を通して排出されるようになっている。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスなどが使用されるようになっている。また収容部２には、結晶成長部１を収容するための開口部（図示せず）も形成されている。

　結晶成長部１は、窒化アルミニウム原料６を収納する成長容器７と、成長容器７の外側に設けられる発熱体８と、発熱体８を覆う断熱材９とを備えている。

　成長容器７としては、例えばるつぼが用いられる。従って、成長容器７は、窒化アルミニウム原料６を収納する収納部１０を有する本体部１１と、本体部１１の収納部１０を密閉する蓋体１２とを有している。蓋体１２の収納部１０側の面には種結晶１３が固定されるようになっている。成長容器７は、アルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなる。このような材料としては、アルミニウムのイオン半径の１．３７倍以上１．８５倍以下のイオン半径を有する金属の炭化物または窒化物が好ましい。この場合、上記金属の炭化物または窒化物中の金属が、上記のようにアルミニウムのイオン半径よりも大きいイオン半径を有するため、窒化アルミニウム原料の昇華により発生するアルミニウムガスの一部のアルミニウムと置換して固溶体が形成されるのを抑制できる。このため、上記金属の炭化物または窒化物は、よりアルミニウムガスに対する耐食性に優れる。従って、窒化アルミニウム単結晶に不純物がより混入しにくくなる。上記のような金属の炭化物または窒化物としては、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化ジルコニウム、窒化タングステン及び窒化タンタルなどが挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの材料は、アルミニウムガスに対する耐食性により一層優れ、化学的に特に安定であるため、より一層窒化アルミニウム単結晶に不純物が混入しにくいという利点がある。中でも、アルミニウムガスに対する耐腐食性に特に優れることから、炭化タンタルが好ましい。

　発熱体８としては、例えばるつぼが用いられる。従って、発熱体８は、成長容器７を収納する本体部１４と、本体部１４を密閉する蓋体１５とを有している。発熱体８は、成長容器７を介して窒化アルミニウム原料６を加熱する発熱体として機能するものであり、成長容器７に接触している。発熱体８は、高周波コイル３によって高周波磁場を印加されることにより誘導電流が流され、発熱するようになっている。

　発熱体８は、窒化アルミニウム原料６の昇華時に発生するアルミニウムガスに対する耐腐食性が成長容器７よりも大きい材料、即ち、タングステンを含む金属材料で構成されている。このような金属材料としては、タングステン単体、タングステンとレニウム、鉄、ニッケル又は銅などの金属との合金が挙げられる。中でも、耐熱性に優れることから、タングステン単体が好ましい。

　断熱材９は、発熱体８を収納する本体部１７と、本体部１７を密閉する蓋体１８とを有している。断熱材９は、発熱体８の熱を成長容器７に効率よく伝えるためのものであり、例えばカーボンなどで構成される。

　次に、上記製造装置１００を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法について説明する。

　まず結晶成長部１において、断熱材９の蓋体１８を外し、発熱体８の蓋体１５を外し、成長容器７の蓋体１２を外した状態にする。

　次に、成長容器７の収納部１０に窒化アルミニウム原料６を収納する。一方、蓋体１２には、種結晶１３を固定する。種結晶１３としては通常、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などを使用することも可能である。

　そして、蓋体１２によって、成長容器７の本体部１１の収納部１０を密閉する。このとき、蓋体１２は、種結晶１３を収納部１０側に向ける。続いて、蓋体１５により発熱体８の本体部１４を密閉する。さらに続いて、蓋体１８により本体部１７を密閉する（第１工程）。

　そして、結晶成長部１を、収容部２の開口部から内部に収容する。

　次に、収容部２を減圧装置により真空引きする。その後、ガス導入口４から収容部２に不活性ガスを導入するとともにガス排出口５から収容部２内のガスを排出させる。こうして、結晶成長部１の周囲を不活性ガス雰囲気下に置く。ここで、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス、アルゴンガスなどが挙げられる。またこのとき、収容部２の内部の圧力は、好ましくは１．３～１０１ｋＰａとし、より好ましくは１３．３～８０．０ｋＰａとする。

　次に、高周波コイル３に高周波電流を印加し、それにより発熱体８に高周波磁場を印加する。すると、発熱体８に誘導電流が流れ、発熱体８が発熱する。そして、発熱体８の蓋体１５の熱が、成長容器７を介して窒化アルミニウム原料６に伝わり、窒化アルミニウム原料６が加熱され、昇華される。このとき、発熱体８と成長容器７とが接触しているため、発熱体８の熱は、成長容器７に効率よく伝わり、窒化アルミニウム原料６が効率よく加熱される。

　こうして窒化アルミニウム原料６が、昇華点以上の温度まで加熱されると、窒化アルミニウム原料６からアルミニウムガスと窒素ガスとが発生する。

　このとき、成長容器７においては、窒化アルミニウム原料６の温度（以下、「原料部温度」と呼ぶ）が、窒化アルミニウム単結晶１９の温度（以下、「成長部温度」と呼ぶ）よりも高くなるように設定する。ここで、原料部温度とは、具体的には、本体部１１の底部の温度を言い、成長部温度とは、具体的には、蓋体１２の温度を言う。このように成長容器７の温度プロファイルを設定することで、アルミニウムガスと窒素ガスとが、蓋体１２に固定された種結晶１３に付着して再結晶し、窒化アルミニウム単結晶１９が成長する。こうして窒化アルミニウム単結晶１９が製造される（第２工程）。

　ここで、原料部温度は、１８００℃以上の温度であることが好ましく、２０００℃以上であることがより好ましい。この場合、原料部温度が、１８００℃以下である場合に比べて、成長速度をより増大させることができる。但し、原料部温度は、好ましくは成長容器７の融点未満の温度にする。

　また成長部温度は、原料部温度よりも低い温度であればよいが、原料部温度よりも５０℃～２００℃だけ低いことが好ましい。この場合、上記範囲を外れる場合に比べて、単結晶が得られやすい。即ち、上記範囲を外れる場合に比べて、多結晶の析出がより十分に抑制されたり、結晶が成長しやすくなったりする。

　原料部温度および成長部温度の制御は、例えば、発熱体８の本体部１４の底部、及び蓋体１５にそれぞれ設けた放射温度計で原料部温度および成長部温度を測定し、その測定結果に基づいて高周波コイル３に流れる高周波電流の出力を制御することにより行うことができる。

　また成長容器７の外側に設けられる発熱体８は、タングステンを含む金属材料で構成されている。このため、発熱体８中から成長した窒化アルミニウム単結晶１９へのカーボンの混入がなくなる。その結果、窒化アルミニウム単結晶１９へのカーボンの混入量を十分に低減することができる。

　また成長容器７は、アルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなるため、成長容器７がアルミニウムガスによって腐食されることが十分に抑制される。このため、成長容器７からのアルミニウムガスの漏出が十分に抑制され、発熱体８中にアルミニウムが混入することが十分に抑制される。その結果、発熱体８において、熱膨張係数差を十分に小さくすることが可能となり、発熱体８の降温時において、発熱体８の変形や、発熱体８におけるクラックの発生を十分に抑制することができる。よって、製造装置１００を１回のみならず、繰り返し利用することが可能となる。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、成長容器７と発熱体８とが接触しているが、成長容器７と発熱体８とは離間していてもよい。この場合でも、発熱体８からの輻射熱によって成長容器７を介して窒化アルミニウム原料６を加熱することができる。また発熱体８と成長容器７とが離間していると、仮に成長容器７からアルミニウムガスが漏出した場合でも、アルミニウムガスが希釈されてから発熱体８に接触することになる。このため、タングステンとアルミニウムガスとの反応が、発熱体８と成長容器７とが接触している場合に比べてより十分に抑制され、発熱体８の降温時における変形や、発熱体８におけるクラックの発生をより十分に抑制することができる。なお、本発明に用いる発熱体は、るつぼである必要はなく、板状、球状、棒状等、種々の形状を有していてもよい。また発熱体は、１つに限らず、複数の発熱部を有していてもよい。ここで、複数の発熱部は、互いに接触していても、離間していてもよい。

　また上記実施形態では、発熱体８は、高周波コイル３により誘導加熱によって発熱しているが、高周波コイル３は必ずしも必要ではない。この場合、抵抗加熱によって発熱体８を発熱させることが可能である。

　さらに上記実施形態では、製造装置１００は、結晶成長部１のほか、収容部２、高周波コイル３を備えているが、結晶成長部１のみで構成されてもよい。

　以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

　（実施例１）
　図１に示す製造装置を用いて以下のようにして窒化アルミニウム単結晶を製造した。即ち、まずカーボンからなる断熱材９の蓋体１８を外し、タングステン単体からなる発熱体８の蓋体１５を外し、炭化タンタル（ＴａＣ）からなる成長容器７の蓋体１２を外した状態にした。そして、成長容器７の収納部１０に、原料である窒化アルミニウム粉末を収納した。一方、蓋体１２には、接着剤によって、直径２インチ、厚さ０．５ｍｍの種結晶１３を担持させた。このとき、種結晶としては、６Ｈ－ＳｉＣ（０００１）を用いた。

　そして、蓋体１２で、成長容器７の本体部１１の収納部１０を密閉した。続いて、蓋体１５により発熱体８の本体部１４を密閉し、最後に蓋体１８により本体部１７を密閉した。

　そして、結晶成長部１を収容部２内に設置した。次に、収容部２内を真空ポンプを用いて真空引きした。その後、ガス導入口４から収容部２に不活性ガスとして窒素ガスを５００ｓｃｃｍの流量で導入するとともに、ガス排出口５から収容部２内のガスを排出させた。こうして収容部２内の圧力を１００Ｔｏｒｒに保持した。

　次に、高周波コイル３に高周波磁場を印加して発熱体８を発熱させ、成長容器７を介して窒化アルミニウム粉末を加熱した。このとき、成長容器７の原料部温度と、成長部温度はそれぞれ、１８７０℃及び１８００℃となるようにした。そして、２００ｈにわたって窒化アルミニウム単結晶を成長させた。

　（実施例２）
　表１に示すように、種結晶を、実施例１で作製した窒化アルミニウム結晶に変更し、収容部内の圧力を２５０Ｔｏｒｒに変更し、成長部温度と原料部温度をそれぞれ２０００℃、２１００℃に変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム結晶を成長させた。

　（実施例３）
　表１に示すように、種結晶を、実施例１で作製した窒化アルミニウム単結晶に変更し、収容部内の圧力を５００Ｔｏｒｒに変更し、成長部温度と原料部温度をそれぞれ２２００℃、２３２０℃に変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。

　（比較例１）
　表１に示すように、発熱体の構成材料を黒鉛に変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム結晶を成長させた。

　（比較例２）
　表１に示すように、発熱体の構成材料を黒鉛に変更し、種結晶を窒化アルミニウムに変更したこと以外は実施例２と同様にして窒化アルミニウム結晶を成長させた。

　（比較例３）
　表１に示すように、成長容器の構成材料をタングステン単体に変更し、発熱体を使用しなかったこと以外は実施例３と同様にして窒化アルミニウム結晶を成長させた。

　実施例１～３及び比較例１～３で得られた窒化アルミニウムの単結晶について、成長速度、結晶性、カーボン濃度、及び成長容器におけるクラックの有無を以下のようにして調べた。

　（成長速度）
　窒化アルミニウム単結晶の厚さを測定し、下記式：
成長速度（μｍ／ｈ）＝（窒化アルミニウム単結晶の厚さ）／２００ｈ
に基づいて成長速度を算出した。結果を表１に示す。

　（結晶性）
　窒化アルミニウム単結晶について、Ｘ線回折装置を用いて窒化アルミニウム（０００２）反射のロッキングカーブを得た。そして、このロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を測定した。結果を表１に示す。

　（カーボン濃度）
　窒化アルミニウム単結晶について、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）でカーボン濃度の定量分析を行った。結果を表１に示す。

　（成長容器におけるクラックの有無）
　成長容器におけるクラックの有無を目視にて観察した。結果を表１に示す。

　表１に示す結果より、実施例１～３の窒化アルミニウム単結晶においてはカーボン濃度が１００ｐｐｍを下回っており、成長容器においてクラックの発生は見られないことが分かった。これに対し、比較例１～２の窒化アルミニウム単結晶においては、成長容器においてクラックの発生が見られなかったものの、カーボン濃度が１５０～１５０００ｐｐｍと非常に高く、カーボンの混入量が十分に低減されないことが分かった。

　また比較例３の窒化アルミニウム単結晶においてはカーボン濃度が１０ｐｐｍと非常に小さかったものの、成長容器にクラックが発生することが分かった。クラックが発生したのは、成長容器のタングステンとアルミニウムとが反応して成長容器が体積膨張し、窒化アルミニウム単結晶に応力が印加され、窒化アルミニウム単結晶がひずんだためと考えられる。また成長容器は非常に脆くなっており、複数回の使用は困難であった。

　なお、実施例１～３の窒化アルミニウム単結晶はいずれも、小さいＦＷＨＭを有しており、良好な結晶性を有することが分かった。これに対し、比較例１の窒化アルミニウム単結晶では、カーボン濃度が高かったためか、ＦＷＨＭが広く、結晶性が低かった。また比較例２の窒化アルミニウム単結晶も、ＦＷＨＭが広く、結晶性が低いものであった。比較例３は、ＦＷＨＭがかなり広くなっており、結晶性がかなり低いものであった。

　以上より、本発明の窒化物単結晶の製造装置及び製造方法によれば、窒化アルミニウムの結晶中へのカーボンの混入量を十分に低減でき、且つ、繰り返し利用が可能であることが確認された。

　６…窒化アルミニウム原料
　７…成長容器
　８…発熱体
　１０…収納部
　１１…本体部
　１２…蓋体
　１３…種結晶
　１４…本体部
　１５…蓋体
　１９…窒化アルミニウムの単結晶
　１００…窒化アルミニウム単結晶の製造装置

Claims

　窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させ、種結晶に窒化アルミニウムを再結晶させることにより窒化アルミニウム単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
　前記窒化アルミニウム原料を収納し、前記窒化アルミニウム原料の昇華時に発生するアルミニウムガスに対して耐腐食性を有する材料からなる成長容器と、
　前記成長容器の外側に設けられ、前記成長容器を介して前記窒化アルミニウム原料を加熱する発熱体とを備え、
　前記成長容器が、前記窒化アルミニウムを収納する収納部を有する本体部と、前記本体部の前記収納部を密閉する蓋体とを有し、
　前記発熱体が、タングステンを含む金属材料で構成される窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　前記成長容器を構成する材料が、アルミニウムのイオン半径の１．３７倍以上１．８５倍以下のイオン半径を有する金属の炭化物または窒化物である請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　前記成長容器を構成する材料が、炭化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化タングステン及び窒化タンタルからなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　前記発熱体を構成する金属材料がタングステン単体である請求項１～３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　前記発熱体と前記成長容器とが接触している請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　前記発熱体と前記成長容器とが離間している請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
　請求項１～６のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、
　前記成長容器の前記本体部における前記収納部に前記窒化アルミニウム原料を収納し、前記蓋体に種結晶を固定し、前記蓋体で前記収納部を密閉する第１工程と、
　前記発熱体を発熱させ、前記成長容器を介して前記窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させ、前記蓋体に固定された前記種結晶に窒化アルミニウムを再結晶させることにより前記窒化アルミニウム単結晶を製造する第２工程とを含む、窒化アルミニウム単結晶の製造方法。