JP2008266099A - Ｉｉｉ族窒化物半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体製造装置において、Ｎａが蒸発して排出管側に拡散することによる排出管の詰まりや窒素の流れの妨げを防ぐこと。
【解決手段】III 族窒化物半導体製造装置は、圧力容器１０の内部に反応容器１１を有する構成である。反応容器１１には、窒素を供給する供給管１４、反応容器１１からの排気のための排出管１５が接続している。排出管１５にはトラップ１６を設けられている。トラップ１６は、Ｎａ蒸気を冷却により凝縮させて除去するためのものである。ここで、排出管１５はトラップ１６に向かう下り傾斜を有している。そのため、Ｎａを効率的に除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、III 族窒化物半導体製造装置に関するもので、特に、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体製造装置に関する。

従来より、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の結晶成長方法が知られている（たとえば、特許文献１）。これは、Ｎａ（ナトリウム）とＧａ（ガリウム）を融解して８００℃程度に保ち、１００気圧程度の高圧下で窒素と反応させて、ＧａＮ（窒化ガリウム）を種結晶表面に結晶成長させるものである。特許文献１に記載のIII 族窒化物半導体製造装置では、高温に適応し耐圧性を有しない反応容器と、高温高圧に適応する圧力容器の閉開可能な二重容器が示されて、反応容器内でIII 族窒化物半導体を結晶成長させる。

このＮａフラックス法でのIII 族窒化物半導体の結晶成長中は、Ｎａが蒸発し、反応容器に窒素を供給する供給管にＮａが拡散し、ガスボンベ付近を汚染することがある。この対策として、反応容器とボンベの間にバッファを設け、このバッファから窒素を供給する方法が知られている（たとえば特許文献２、３）。特許文献２に記載のIII 族窒化物半導体製造装置は、第１のガス供給装置と第２のガス供給装置を有し、第２のガス供給装置には第１のガス供給装置から窒素が供給され、第２のガス供給装置から反応容器へ窒素が供給される。また、特許文献３に示されたIII 族窒化物半導体製造装置は、ガスボンベと反応容器の間に窒素をためるためのタンクを有している。
特開２００１−５８９００ 特開２００１−６４０９７ 特開２００４−１６８６５０

しかし、バッファを設けたとしても、バッファ自体がＮａで汚染され、毎回洗浄する必要があった。これにより育成条件が変化してしまい、再現性よくIII 族窒化物半導体を得ることができなかった。

また、Ｎａによるボンベ、バッファの汚染を防止するため、結晶成長中ボンベからガスを流し続ける方法があるが、その方法では反応容器から排気をするための排出管に液化したＮａが溜まり、窒素の流れを妨げたり、排出管を詰まらせたりした。

そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体製造装置において、供給管にＮａが拡散するのを防止すること、および排出管内にＮａが停留するのを防止することである。

第１の発明は、III 族金属とそのIII 族金属とは異なる金属とを融解した状態で保持する反応容器と、反応容器を加熱する加熱装置と、で構成されたIII 族窒化物半導体の製造装置において、反応容器内に少なくとも窒素を含む気体を供給するための供給管と当該反応容器からの排気のための排出管を有し、排出管にはIII 族金属とは異なる金属を除去するトラップ器具を有し、排出管は、トラップ器具側に向かう下り傾斜を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

III 族金属とは異なる金属には、Ｎａ（ナトリウム）やＫ（カリウム）等のアルカリ金属やＭｇ（マグネシウム）やＣａ（カルシウム）等のアルカリ土類金属を用いることができる。また、窒素を含む気体とは、窒素分子や窒素化合物の気体を含む単一または混合気体をいい、希ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。

トラップ器具は、たとえば、任意の方法による冷却により窒素中の金属蒸気を凝縮させて排気から除去する器具である。

第２の発明は、第１の発明において、III 族窒化物半導体製造装置は、圧力容器を有し、反応容器と加熱装置は圧力容器内に設置されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

第３の発明は、第２の発明において、排出管は、圧力容器に窒素を含む気体を供給するための配管に接続されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

この構成によると、供給管、反応容器、排出管、圧力容器、の順に圧力勾配を形成することができ、反応容器内部を圧力容器内部に対して若干の陽圧となる状態を保持することができる。

第４の発明は、第２の発明または第３の発明において、トラップ器具は、圧力容器内に設けられていることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

トラップ器具を圧力容器外に設けると、圧力容器内に設ける場合よりも排出管が長くなる。また、排出管の温度は反応容器から離れるほど下がる。そのため、トラップ器具を圧力容器外に設ける場合は、圧力容器内に設ける場合よりも融点の低い金属が排出管内で液化しやすくなってしまう。したがって、トラップ器具は圧力容器内部に設けることがより望ましい。

第５の発明は、第１の発明から第２の発明において、III 族金属はガリウムであり、III 族金属とは異なる金属はナトリウムであることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

第１の発明によると、排出管に傾斜をつけたため、排気に含まれる金属蒸気が排出管内で液化しても管内に停留することがなく、効率よく排気中の金属がトラップされる。窒素を含む気体を反応容器に供給し続けることで供給管側に金属蒸気が拡散するのを防止する場合は、反応容器から排出管を通して常時排気されることになるが、排気に含まれる金属蒸気はトラップ器具により効率よく除去されるため、排気を妨げたり、排出管を詰まらせることがない。その結果、高品質なIII 族窒化物半導体を製造することができるようになる。

また第２の発明のように二重容器を用いることで、反応容器として高耐圧なものを用いる必要がなくなる。

また第３の発明によると、反応容器内部が、その外側である圧力容器内部に対して若干の陽圧となるように保持できるため、圧力容器内部の不純物が反応容器内部に進入することがなくなる。

また第４の発明にように、トラップ器具を圧力容器内に設けると、トラップ器具を圧力容器外に設ける場合よりも、排出管内で金属蒸気が凝縮しにくくなる。また、トラップ器具の耐圧性能を考慮する必要がなくなり、簡易構造とすることができる。

また第５の発明のように、本発明においてIII 族金属としてＧａ、III 族金属とは異なる金属としてＮａを用いることができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図である。図１のように、圧力容器１０の内部に反応容器１１が設置されている。圧力容器１０の内部であって反応容器１１の周囲には加熱装置１２ａ、ｂ、ｃが配置され、反応容器１１と加熱装置１２ａ、ｂ、ｃは断熱材からなる断熱容器１３に入れられている。反応容器１１には、供給管１４と排出管１５が接続されている。供給管１４は、窒素タンク流量制御装置（図示しない）からの窒素を反応容器内に供給する。排出管１５は、反応容器１１から圧力容器１０外部へ排気する。供給管１４、排出管１５にはバルブ１４ｖ、１５ｖが設けられ、窒素タンク流量制御装置からの窒素供給量、反応容器１１内部の圧力を制御する。また、圧力容器１０には、供給管１７、排出管１８が接続していて、それぞれにバルブ１７ｖ、１８ｖが設けられている。このバルブ１７ｖ、１８ｖにより、圧力容器１０内部の圧力を制御する。

排出管１５には、トラップ１６が設けられている。排出管１５はトラップ１６に向かう下り傾斜を有している。このトラップ１６は、ナトリウム蒸気を冷却により凝縮させて排気から除去するためのものである。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置を用いたＧａＮ結晶の製造について説明する。

まず、反応容器１１内にＧａ、フラックス（本発明のIII 族金属とは異なる金属に相当）としてＮａ、種結晶（ＧａＮ基板）を入れる。また、バルブ１４ｖ、１５ｖ、１７ｖ、１８ｖを調整することで、窒素を反応容器１１内と圧力容器１０内に供給し、反応容器１１内部の圧力が、圧力容器１０内部の圧力に対して１気圧ほど高くなるようにする。

次に、加熱装置１２ａ、ｂ、ｃにより、反応容器１１内を加熱し、種結晶成長可能な温度まで上昇させ、ＧａＮ結晶を成長させる。また、供給管１４より常時微量の窒素を供給し続けることで、ＧａＮ結晶の成長に伴う窒素の消費を補い、供給管１４側にＮａ蒸気が拡散しないようにする。排出管１５側に拡散するＮａ蒸気は、トラップ１６で除去される。ここで、排出管１５にはトラップ１６に向かう下り傾斜があるため、液化したＮａは傾斜によってトラップ１６に集められ、Ｎａを効率的に除去することができる。これにより、排出管１５内でＮａが液化して停留し、排気の妨げとなったり、排出管１５を詰まらせたりすることがなくなる。

その後、反応容器１１の温度を下げ、ＧａＮ結晶の製造を終了する。

以上のように、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置を用いてIII 族窒化物半導体を製造すると、排出管１５内に液化したＮａが停留することがないため、高品質なIII 族窒化物半導体を製造することができる。

上記実施例１では、フラックスとしてナトリウムを用いているが、他にもリチウムやカリウムなどのアルカリ金属やマグネシウムやカルシウムなどのアルカリ土類金属、およびそれらの混合物を用いることができる。

図２は、実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図である。排出管１５が圧力容器１０に接続する供給管２７に接続している点が、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置と異なる。

この構成によると、供給管１４、反応容器１１、排出管１５、圧力容器１０、排出管１８の順に圧力勾配が形成される。そのため、反応容器１１内部は、圧力容器１０内部に対して常に陽圧となるよう保持することができる。また、反応容器１１内部の圧力と、圧力容器１０内部の圧力との差を１気圧未満とすることが容易にできる。そのため、圧力容器１０内部の塵埃、酸素、水分、有機物などの不純物が反応容器１１内に進入することがなく、反応容器１１が圧力差によって膨張することもない。

実施例１、２では、圧力容器１０の内部に反応容器１１を有する二重容器を用いているが、圧力容器は必ずしも必要ではない。しかし、圧力容器を用いない場合は反応容器として高耐圧なものが必要となり、コストが高くなってしまう。そのため、圧力容器１０の内部に反応容器１１を有する二重容器とした方が、反応容器のコストを抑えることができて望ましい。

また、実施例１、２では、トラップ１６は圧力容器１０の内部に設置されているが、トラップは圧力容器の外にあってもよい。しかしその場合、反応容器からトラップまでの排出管の長さが、トラップを圧力容器の内側に設けた場合よりも長くなり、また、排出管の温度は反応容器から離れるに従い下がるため、Ｎａが排出管内で凝縮しやすくなってしまう。そのため、トラップは圧力容器の内部に設置する方が望ましい。

また、実施例１、２ではトラップを一つ設けているが、複数個設けてもよい。

本発明は、III 族窒化物半導体のＮａフラックス法による製造に適用できる。

実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図。 実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図。

符号の説明

１０：圧力容器
１１：反応容器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：加熱装置
１３：断熱容器
１４、１７、２７：供給管
１５、１８：排出管
１６：トラップ
１４ｖ、１５ｖ、１７ｖ、１８ｖ：バルブ

Claims (5)

1. III 族金属とそのIII 族金属とは異なる金属とを融解した状態で保持する反応容器と、前記反応容器を加熱する加熱装置と、で構成されたIII 族窒化物半導体製造装置において、
   前記反応容器内に少なくとも窒素を含む気体を供給するための供給管と当該反応容器からの排気のための排出管を有し、
   前記排出管には前記III 族金属とは異なる金属を除去するトラップ器具を有し、
   前記排出管は、前記トラップ器具側に向かう下り傾斜を有する、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置。
2. 前記III 族窒化物半導体製造装置は、圧力容器を有し、
   前記反応容器と前記加熱装置は前記圧力容器内に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
3. 前記排出管は、前記圧力容器に窒素を含む気体を供給するための配管に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
4. 前記トラップ器具は、前記圧力容器内に設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
5. 前記III 族金属はガリウムであり、前記III 族金属とは異なる金属はナトリウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。

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