CN110284183B - ScAlMgO4单晶基板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种ScAlMgO₄单晶基板及其制造方法，其能够减少晶向的错乱。提供一种ScAlMgO₄单晶基板，将基板的中心设为坐标(0，0)，且将测定光束的宽度设为1mm×7mm，在用X射线衍射法分别对在x轴方向上以1mm的间隔从(x_‑m，0)到(x_m，0)和在y轴方向上以1mm的间隔从(0，y_‑n)到(0，y_n)的坐标位置进行分析时，各所述坐标位置处的摇摆曲线的半峰全宽的最差值小于20秒，其中，m及n是使所述测定光束收敛在不超出基板的范围内的整数。

Description

ScAlMgO4单晶基板及其制造方法

技术领域

本发明涉及ScAlMgO₄单晶基板及其制造方法。

背景技术

近年来，作为用于形成氮化镓(GaN)的基板，ScAlMgO₄正被关注。与以往的蓝宝石相比较，ScAlMgO₄与GaN的晶格失配为1/10左右，作为用于发光二极管(LED)高亮度化的材料而被期待。

作为ScAlMgO₄单晶的制造方法，已知有切克劳斯基法(以下，也称作“CZ 法”)。CZ法是如下方法：将材料放入到设置在腔体内的坩埚中，使该材料熔融后，使籽晶接触熔液，使用拉晶机构一边使籽晶缓慢旋转一边拉晶的方法。根据该方法，能够使具有与籽晶相同的晶向排列的单晶生长，得到圆柱状的晶锭。在此，在专利文献1、专利文献2中记载有ScAlMgO₄的制造方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-48296号公报

专利文献2：日本特开2017-119597号公报

发明内容

发明要解决的问题

在用CZ法拉单晶的情况下，为了使籽晶不熔融，需要使熔液正上方的环境气与熔液之间的交界面处的温度梯度变大。即，需要设为在熔液侧为材料充分熔融的高温，而熔液的表面侧(熔液正上方的环境气)为不使籽晶熔融的温度。但是，若使上述交界面处的温度梯度较大，则熔液(表面)的中心侧容易被冷却，拉出的单晶的中心的晶向容易错乱。图1是在c面将用以往的方法制作出的圆柱状的单晶切割而得到的晶片的照片。当用显微镜进行观察时，晶向的错乱作为黑的区域被观察到。而且，如图1所示，用以往的方法制作出的晶片在晶片的中心附近发生晶向的错乱。

在图2中示出对该晶片的从中心起±20mm的区域，以约4mm的间隔进行基于X射线衍射法的分析并获得摇摆曲线时的各个位置上的半峰全宽[秒]。此外，图2的横轴表示距中心的距离。如图2所示，若晶向错乱，则通过基于X射线衍射法的分析得到的摇摆曲线的半峰全宽变大，不能说是高质量的晶体。

因此，本发明的目的是提供一种晶向的错乱少的高质量的ScAlMgO₄单晶基板及其制造方法。

解决问题的方案

本发明人等为了解决上述问题而不断专心研究，发现通过将拉晶的 ScAlMgO₄单晶的晶粒直径和晶体生长速度设为特定条件，从而所得到的单晶的晶向的错乱变少，并得到本发明。

本发明提供以下的ScAlMgO₄基板。

一种ScAlMgO₄单晶基板，将基板的中心设为坐标(0，0)，且将测定光束的宽度设为1[mm]×7[mm]，在用X射线衍射法分别对在x轴方向上以1[mm] 的间隔从(x_-m，0)到(x_m，0)和在y轴方向上以1[mm]的间隔从(0，y_-n)到(0， y_n)的坐标位置进行分析时，各所述坐标位置处的摇摆曲线的半峰全宽的最差值小于20[秒]，其中，m及n是使所述测定光束收敛在不超出基板的范围内的整数。

另外，本发明也提供以下的ScAlMgO₄单晶基板的制造方法。

一种ScAlMgO₄单晶基板的制造方法，是使籽晶接触坩埚中的熔液进行拉晶的ScAlMgO₄单晶的制造方法，使由下式1表示的晶体生长速度d与制作的 ScAlMgO₄单晶的直径的1/3次幂之积为大于等于2.6且小于3.0，

晶体生长速度d＝c+(c×b²×q)/(a²×p) (1)

在式1中，a表示坩埚的内径，b表示制作的ScAlMgO₄单晶的直径，c表示提拉速度，p表示ScAlMgO₄的液体密度，q表示ScAlMgO₄的固体密度。

发明效果

本发明的ScAlMgO₄单晶基板的晶向的错乱少，质量高。另外，根据本发明的ScAlMgO₄单晶基板的制造方法，能够对应于晶粒直径以最适的晶体生长速度制作晶体。由此，单晶的中心的晶向不会错乱，从而能够得到高质量的 ScAlMgO₄单晶基板。

附图说明

图1是示出通过以往的方法制作的ScAlMgO₄单晶的晶向的错乱的图。

图2是示出对图1所示的ScAlMgO₄单晶进行基于X射线衍射法的分析，并获得摇摆曲线时的半峰全宽的图。

图3是示出本发明的一实施方式的ScAlMgO₄单晶基板的制造中使用的电阻加热方式炉的结构的示意图。

图4是示出本发明的一实施方式的ScAlMgO₄单晶基板的制造中使用的高频加热方式炉的结构的示意图。

图5是示出ScAlMgO₄单晶基板的半峰全宽与在该单晶基板上制作的GaN 晶体的半峰全宽之间的关系的图。

图6是示出本发明的实施例及比较例的ScAlMgO₄单晶基板制作时的晶体生长速度与晶粒直径的1/3次幂之积与所制作的ScAlMgO₄单晶基板的摇摆曲线的半峰全宽的最差值f[秒]之间的关系的图。

附图标记说明

100：电阻加热方式炉

110：ScAlMgO₄原料

120：坩埚

121：坩埚支撑轴

122：耐火件

130：隔热件

140：加热器

150：拉晶轴

151：籽晶保持器

152：籽晶

200：高频加热方式炉

230：隔热件

240：加热线圈

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

本发明的一实施方式的ScAlMgO₄单晶基板能够用加热装置制作。在能够制作本实施方式的ScAlMgO₄单晶基板的加热装置的示例中，包括电阻加热方式炉或高频加热方式炉。图3及图4是分别示出电阻加热方式炉100的结构及高频加热方式炉200的结构的示意图。以下，分别对通过电阻加热方式和高频加热方式制造ScAlMgO₄单晶的方法进行说明。

图3所示的电阻加热方式炉100是基于CZ法的拉晶装置，具有：坩埚 120，其用于使ScAlMgO₄原料110熔融；坩埚支撑轴121，其用于支撑坩埚120；耐火件122，其配置在坩埚120和坩埚支撑轴121之间；加热器140，其配置在坩埚120的周围；隔热件130，其包围坩埚120及加热器140；拉晶轴150，其用于拉晶；籽晶保持器151，其配置在拉晶轴150的端部，用于支撑籽晶 152。此外，虽然图3中未示出，但是电阻加热方式炉100通常也可以还具有基于CZ法的拉晶所需要的腔体、真空泵、气体导入口、气体排出口、电源、以及温度等的控制装置等。

可以将ScAlMgO₄原料110设为将氧化钪(Sc₂O₃)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化镁 (MgO)混合，并在坩埚120内熔融一次后的原料。

在本实施方式中，坩埚120是由铱制成的，是用于使ScAlMgO₄原料110 熔融且进行保持的容器。而且，在本实施方式中，坩埚支撑轴121是由钨制成的，具有以设定的速度旋转和升降的功能。

在本实施方式中，耐火件122是由氧化锆制成的，且对坩埚120和坩埚支撑轴121中的无论哪个材质都具有耐反应性。

在本实施方式中，隔热件130是由碳制成的圆柱状的部件，在顶面配置有用于插入拉晶轴150的贯通孔，在底面配置有用于插入坩埚支撑轴121的贯通孔。

在本实施方式中，加热器140具有形成为筒状的碳制电阻加热式的发热部，若在加热器140流过电流，则发热部发热，坩埚120内的材料被加热。

在本实施方式中，拉晶轴150是由氧化铝制成的，具有以设定的速度旋转或升降的功能。另外，籽晶保持器151是由铱制成的。籽晶保持器151与拉晶轴150的一个端部连接，能够在前端放置籽晶152。籽晶152是由ScAlMgO₄制成的，形状是正四棱柱。

在使用电阻加热方式炉100制作ScAlMgO₄基板的情况下，首先，实施 ScAlMgO₄原料110的熔融工序。在熔融工序中，为了使环境气为惰性气体环境气，在对被隔热件130包围的空间抽真空之后，向该空间内填充惰性气体环境气并使该空间成为常压。然后，接通加热器140的电源，以不至于对坩埚120施加大的负荷的方式，花费时间逐渐加大施加到加热器140的功率并进行加热，直到成为使ScAlMgO₄原料110熔融的温度为止。

在确认ScAlMgO₄原料110熔融后，使拉晶轴150一边以一定速度旋转一边逐渐下降，直至籽晶152接触已熔融的ScAlMgO₄原料110为止。在此，优选拉晶轴150的旋转速度在1rpm到10rpm之间。在已熔融的ScAlMgO₄原料 110的熔液温度为适合拉晶的温度并稳定之后，使拉晶轴150一边以一定速度旋转一边上升。在此，优选拉晶轴150的旋转速度在1rpm到10rpm之间。开始拉晶后，通过自动直径控制(Automatic Diameter Control(ADC))，控制要制作的晶体的形状(例如直径等)。然后，在进行拉晶直至达到所希望的长度后，从已熔融的ScAlMgO₄原料110的熔液切离晶体。之后，以不至于对坩埚120或拉出的晶体施加大的负荷的方式，花费时间逐渐减少施加到加热器 140的功率并进行冷却。

另一方面，图4所示的高频加热方式炉200除了替代隔热件130及加热器140而具有隔热件230和加热线圈240之外，具有与上述电阻加热方式炉 100相同的结构。此外，对于相同的结构，在图4中赋予相同的标记，并省略详细的说明。

在本实施方式中，隔热件230是由氧化锆制成的，以包围坩埚120的方式配置。另一方面，加热线圈240配置在隔热件230的外侧，若在加热线圈 240中流过高频电流，则产生高频磁通。而且，通过高频磁通在坩埚120中产生涡电流，从而坩埚120的表面发热，由此，坩埚120内的ScAlMgO₄原料 110被加热。

在使用高频加热方式炉200制作ScAlMgO₄基板的情况下，首先，实施 ScAlMgO₄原料110的熔融工序。在熔融工序中，为了使环境气为惰性气体环境气，在对被隔热件230包围的空间抽真空后，向该空间内填充惰性气体环境气并使该空间成为常压。然后，接通加热线圈240的电源，以不至于对坩埚120施加大的负荷的方式，花费时间逐渐加大施加到加热线圈240的功率并进行加热，直到成为使ScAlMgO₄原料110熔融的温度为止。

在确认ScAlMgO₄原料110熔融后，使拉晶轴150逐渐下降，直至籽晶152 接触已熔融的ScAlMgO₄原料110为止。在已熔融的ScAlMgO₄原料110的熔液温度为适合拉晶的温度并稳定之后，使拉晶轴150以一定速度上升。开始拉晶后，通过自动直径控制(ADC)，控制要制作的晶体的形状(例如直径等)。在进行拉晶直至达到所希望的长度后，从已熔融的ScAlMgO₄原料110的熔液切离晶体。之后，以不至于对坩埚120施加大的负荷的方式，花费时间逐渐减少施加到加热线圈240的功率并进行冷却。

在表1中示出使用图3的电阻加热方式炉100或图4的高频加热方式炉 200进行了ScAlMgO₄单晶基板的制作的结果。比较例1～6及实施例1～3分别示出在使坩埚120的内径、所制作的ScAlMgO₄单晶的直径及拉晶轴150的提拉速度中的任意一个变化的情况下，在所制作的晶体的中心是否观察到晶向的错乱。

此外，表1中的晶体生长速度d是表示晶体的实际长度的变化量(生长速度)的参数，该参数不仅考虑了拉晶时的拉晶轴150的提拉速度，还考虑了坩埚120内的ScAlMgO₄原料110因晶体制作而减少从而熔液表面下降的速度。在将坩埚120的内径设为a[mm]，将拉出的晶体的晶粒直径设为b[mm]，将拉晶轴150的提拉速度设为c[mm/h]，将ScAlMgO₄原料110的液体密度设为p(通常3.0[g/cm³])，将ScAlMgO₄原料110的固体密度设为q(通常3.5[g/cm³])时，能够用下式1表示该晶体生长速度d[mm/h]。

晶体生长速度d＝c+(c×b²×q)/(a²×p)(1)

而且，表1所记载的数值e是通过下式2根据上述的晶体生长速度d[mm/h] 和所制作的ScAlMgO₄单晶的晶粒直径b[mm]而得到的值。

数值e＝d×b^1/3 (2)

表1

如上述表1所示，在以使上述由e表示的值大于等于3.0的方式制作了 ScAlMgO₄单晶基板的比较例1～5中，在晶体的中心观察到晶向错乱。另一方面，在以使上述由e表示的值小于3.0的方式制作了ScAlMgO₄单晶基板的实施例1～3及比较例6中，未在晶体的中心观察到晶向错乱。从上述表1明确可知，在制造ScAlMgO₄单晶时，通过使由e表示的值小于3.0，即使单晶的直径在20[mm]以上，也未在晶体的中心观测到图1所示那样的晶向错乱。对于在晶体的中心没有晶向错乱且直径为20[mm]以上的ScAlMgO₄基板，能够与例如蓝宝石等其他用于制作GaN的基板一样使用。

在此，在表1中还示出用X射线衍射法对在c面从拉出的晶体切出的晶片进行分析时的多个位置处的摇摆曲线的半峰全宽之中最差的值[秒](最差值f[秒])。具体如下确定最差值f。

对晶片的X射线衍射使用了D8DISCOVER(布鲁克AXS公司(BRUKER AXS) 制造)。分析时以1[mm]间隔，将测定光束的宽度设为1[mm]×7[mm]，以 0.0001[°]步长测定了各坐标位置处的±0.025[°]的范围。另外，为了检测是否在中心存在晶体错乱，将晶片(基板)的中心设为坐标(0，0)，在x轴方向上以1[mm]的间隔对从(x_-m，0)到(x_m，0)(即(x_-m，0)，(x_-(m-1)，0)，…，(-2， 0)，(-1，0)，(0，0)，(1，0)，(2，0)，…，(x_m-1，0)，(x_m，0))进行了分析。而且，在y轴方向上也以1[mm]的间隔对从(0，y_-n)到(0，y_n)(即(0，y_-n)， (0，y_-(n-1))，…，(0，-2)，(0，-1)，(0，0)，(0，1)，(0，2)，…，(0， y_n-1)，(0，y_n))进行了分析。其中，m及n是整数，且是在不使光束超出基板的范围内。另外，确定了各坐标位置处的摇摆曲线的半峰全宽，并确定了其最差值f。

在此，说明半峰全宽的最差值f的优选范围。图5示出ScAlMgO₄单晶基板的半峰全宽与形成在该ScAlMgO₄单晶基板上的GaN晶体的半峰全宽之间的关系。通常，需要使GaN晶体的半峰全宽为300[秒]以下。另外，从图5明确可知，若ScAlMgO₄单晶的半峰全宽超过20[秒]，则GaN晶体的半峰全宽超过300[秒]。也就是说，可知，需要使ScAlMgO₄单晶的半峰全宽的最差值小于20[秒]。

另外，本发明人等专心研究的结果，发现为了使ScAlMgO₄单晶的半峰全宽的最差值f小于20[秒]，只要使上述由e表示的值即晶体生长速度d与制作的晶体的直径的1/3次幂之积小于3.0即可。认为，通过使由e表示的值为小于3.0，从而籽晶的提拉速度被适当地控制，熔液的中心侧的温度降低被抑制。其结果，不仅能够使所制造的单晶的中心附近的晶向难以错乱，而且能够使所制造的单晶整体的半峰全宽的最差值小于20[秒]。对此，根据上述的实施例也可明确。以下，详细说明此点。

在图6中示出在上述实施例及比较例中制作出的ScAlMgO₄单晶基板的由 e表示的值与ScAlMgO₄的半峰全宽的最差值f[秒]之间的关系。如图6所示，在上述由e表示的值是2.8的情况下，半峰全宽的最差值f[秒]为最小，当e 的值大于2.8时，最差值f[秒]増加。而且，若将e设为小于3.0，则上述坐标位置处的ScAlMgO₄单晶的半峰全宽的最差值为小于20[秒]。另一方面，即使在由e表示的值小于2.8的情况下，最差值f[秒]也増加。例如，如比较例6那样，在e为1.4的情况下，虽然未在中心观测到晶向的错乱，但是摇摆曲线的半峰全宽的最差值为39[秒]，超过用于使GaN晶体的半峰全宽为 300[秒]以下的阈值20[秒]。

因此，将上述由e表示的值的下限值设为2.6。在未观测到晶向的错乱，且e为2.6的实施例1中，半峰全宽的最差值是19[秒]，也就是说，最差值为小于20[秒]。因此，根据实施例1，可支持优选下限值是2.6。

并且，在上述的说明中，虽然将电阻加热方式炉100的隔热件130设为碳制，又将高频加热方式炉200的隔热件230设为氧化锆制，但是不限于此。而且，只要不损害本发明的目的及效果，坩埚120、籽晶保持器151、坩埚支撑轴121、耐火件122、拉晶轴150等也不限于上述情况。而且，加热器140 也不限于碳制，也可以是钨等的金属制的加热器。

本发明的ScAlMgO₄单晶基板，在整个基板中，通过基于X射线衍射法的分析得到的摇摆曲线的半峰全宽狭窄，因而作为用于制造GaN的基板等是有用的。而且，根据上述ScAlMgO₄单晶基板的制造方法，能够对应于晶粒直径，以最适的晶体生长速度拉晶，所以能够得到上述摇摆曲线的半峰全宽狭窄、晶向错乱少、且高质量的ScAlMgO₄单晶基板。

工业实用性

根据本发明，提供一种例如能够用于GaN制作等的高质量的ScAlMgO₄单晶基板及其制造方法。因此，对各种半导体的制造非常有用。

Claims (3)

1.一种ScAlMgO₄单晶基板，其特征在于，

将基板的中心设为坐标(0，0)，且将测定光束的宽度设为1mm×7mm，在用X射线衍射法分别对在x轴方向上以1mm的间隔从(x_-m，0)到(x_m，0)和在y轴方向上以1mm的间隔从(0，y_-n)到(0，y_n)的坐标位置进行分析时，各所述坐标位置处的摇摆曲线的半峰全宽的最差值小于20秒，其中，m及n是使所述测定光束收敛在不超出基板的范围内的整数。

2.如权利要求1所述的ScAlMgO₄单晶基板，其特征在于，

该ScAlMgO₄单晶基板的尺寸为直径大于等于20mm。

3.一种ScAlMgO₄单晶基板的制造方法，其为如权利要求1或2所述的ScAlMgO₄单晶基板的制造方法，所述ScAlMgO₄单晶基板的制造方法的特征在于，

在使籽晶接触坩埚中的熔液进行拉晶，并在c面进行切出的ScAlMgO₄单晶基板的制造方法中，

在进行所述拉晶时，使由下式1表示的晶体生长速度d与制作的ScAlMgO₄单晶的直径的1/3次幂之积为大于等于2.6且小于3.0，

晶体生长速度d＝c+(c×b²×q)/(a²×p) (1)

在式1中，a表示所述坩埚的内径，b表示所述ScAlMgO₄单晶的直径，c表示提拉速度，p表示ScAlMgO₄的液体密度，q表示ScAlMgO₄的固体密度。

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