JP2008297153A

JP2008297153A - Ｉｉｉ族窒化物半導体製造装置、およびｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP2008297153A
Application number: JP2007144220A
Authority: JP
Inventors: Koji Hirata; 宏治平田; Shiro Yamazaki; 史郎山崎
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: US20080295763A1; JP4702324B2

Abstract

【課題】Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造において、従来結晶成長工程終了後に廃棄されていたＮａを再利用できる製造装置を実現すること。
【解決手段】
Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の結晶成長工程終了後、坩堝１１の温度が１００℃以上である時に、回収装置２０にてＮａを吸引し、保持容器２２内に液体状態で保持する。回収したＮａは、蛇口２４より取り出すことができる。ここで、結晶成長工程終了後に残存するＮａは、蒸気圧の高い不純物を含んでいないため高純度である。そのため、回収したＮａをフラックスとして再利用すると、不純物濃度の低いIII 族窒化物半導体を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法、およびフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造に用いる製造装置に関する。

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。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Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法では、結晶成長工程の終了後、室温まで放冷し、エタノールで処理することでＮａを除去してＧａＮ結晶を取り出している。
特開２００６−１３１４５４

上記エタノールによる処理では、エタノールとの反応によりＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を生じる。しかし、ＮａＯＨからＮａを得るのは容易でなく、結晶成長工程終了後に残存するＮａはフラックスとして再利用されることなく廃棄されていた。

そこで本発明の目的は、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造に用いるIII 族窒化物半導体製造装置において、Ｎａを再利用できるIII 族窒化物半導体製造装置を実現すること、および、Ｎａを再利用できるＮａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法を実現することである。

第１の発明は、III 族金属と少なくともアルカリ金属を含むフラックス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第１加熱装置と、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、反応容器に挿入された吸引用配管と、吸引用配管と接続し、結晶成長の終了後に反応容器内の液化したフラックスを吸引する回収装置と、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。

フラックスには、ＮａやＫ（カリウム）を用いることができ、Ｃａ（カルシウム）等のアルカリ土類金属やＬｉ（リチウム）などを含んでもよい。

回収装置における吸引手段には、真空ポンプ、シリンダポンプなどの減圧できるポンプを用いることができる。回収したフラックスは、ポンプ等によって加圧することで回収装置から吸引用配管を介して反応容器に戻し再利用することもできる。

第２の発明は、第１の発明において、吸引用配管を加熱する第２加熱装置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。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、フラックスは、Ｎａを含むことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、回収装置は、フラックスを液体状態で保持する保持容器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。

第５の発明は、第４の発明において、保持容器は、前記フラックスを取り出すための蛇口を有し、蛇口は、前記フラックスと反応しない気体によって内部が保持されているグローブボックス内に配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。

グローブボックス内は、たとえば、アルゴンガスなどの不活性ガスを満たすようにする。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、回収装置は、真空ポンプを有し、フラックスの吸引は前記真空ポンプにより行うことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

第７の発明は、第１の発明から第５の発明において、回収装置は、シリンダポンプを有し、フラックスの吸引はシリンダポンプにより行うことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、III 族金属は、ガ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９の発明は、III 族金属と少なくともアルカリ金属を含むフラックスとの混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とからIII 族窒化物半導体を結晶成長させるフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法において、結晶成長の終了後、フラックスの融点より高い温度において、フラックスを吸引して回収する回収工程を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１０の発明は、第９の発明において、フラックスは、Ｎａを含むことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１１の発明は、第１０の発明において、回収工程は、フラックスの温度が１００〜２００℃の範囲のときに行うことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

フラックスの温度は、回収の容易さの観点から２００℃以下であることが望ましく、また、Ｎａの融点は約９８℃であるから１００℃以上が望ましい。

第１の発明のIII 族窒化物半導体製造装置によると、吸引用配管から回収装置によって結晶成長終了後に残存するフラックスを回収することができ、再利用することができる。この回収したフラックスは、蒸気圧の高い不純物を含んでいない。そのため、この回収したフラックスを再利用することにより、不純物の濃度が低く高品質なIII 族窒化物半導体を得ることができる。

また、第２の発明のように、加熱装置により吸引用配管を加熱することで、吸引用配管の温度をフラックスの融点以上の温度に保持すると、吸引用配管内でフラックスが凝固して詰まらせたりすることを防止することができる。

また、第３の発明のように、フラックスとしてＮａを用いることができる。

また、第４の発明のように、保持容器によりフラックスを液体状態で保持するようにしておくと、容易に再利用することができ、効率がよい。

また、第５の発明のように、保持容器に蛇口を設け、その蛇口をグローブボックス内に配置すれば、フラックスを酸化等させることなくそのまま蛇口より取り出すことができるので、利便性が高く、作業効率が向上する。

また、第６、７の発明のように、フラックスの吸引には、真空ポンプやシリンダポンプを用いることができる。

また、第８の発明のように、III 族金属としてガリウムを用いることができ、本発明のIII 族窒化物半導体製造装置により窒化ガリウム（ＧａＮ）を製造することができる。

また、第９〜１１の発明は、フラックスを回収して再利用することができるIII 族窒化物半導体の製造方法である。

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１の構成を示す模式図である。以下、その構成について説明する。

III 族窒化物半導体製造装置１は、反応容器１０と、回収装置２０と、回収装置２０に接続し反応容器１０内の坩堝１１に挿入された吸引用配管３０と、反応容器１０を加熱する第１加熱装置１２ａ、ｂと、吸引用配管３０を加熱する第２加熱装置３１で構成されている。

反応容器１０の内部には、ＧａとフラックスであるＮａとの混合融液１５と、種結晶１６とを保持する坩堝１１が配置され、その坩堝１１を加熱する第１加熱装置１２ａ、ｂが反応容器１０の外部側面に設置されている。また、反応容器１０内に窒素を供給する供給管１３が反応容器１０に接続している。供給管１３には、バルブ１３ｖが設けられている。このバルブ１３ｖにより、反応容器１０内への窒素の供給量、および反応容器１０内の圧力を調整する。

回収装置２０は、真空ポンプ２１、保持容器２２、保持容器２２に接続する配管２３、、配管２３に付設された蛇口２４、真空ポンプ２１と保持容器２２を接続する配管２５、で構成されている。配管２５にはバルブ２５ｖが設けられている。また、吸引用配管３０と保持容器２２は接続している。保持容器２２、配管２３、蛇口２４は、グローブボックス４０内部に配置されている。保持容器２２内は、Ｎａを液体状態で保持するために約１００℃に維持されている。保持容器２２内のＮａは、蛇口２４の開閉により自在に取り出すことができる。また、グローブボックス４０内はアルゴンガスにより満たされている。そのため、Ｎａを酸化等させることなく、蛇口２４より坩堝などの容器に液体Ｎａを注ぎ入れることが可能である。

吸引用配管３０は、保持容器２２に接続し、反応容器１０内の坩堝１１に挿入されている。また、吸引用配管３０は、第２加熱装置３１によって加熱され、約１００℃の温度に維持されている。また、吸引用配管３０にはバルブ３０ｖが設けられている。この吸引用配管３０は、結晶成長工程終了後に残る液体Ｎａを吸引し、保持容器２２内へ送るものである。

回収装置２０は、結晶成長工程終了後であって、Ｎａが固体化しない温度である９８℃以上に保持された状態のときに、次のような動作により坩堝１１内の液体Ｎａを吸引し、保持容器２２内に保持する。

まず、バルブ３０ｖは閉じ、バルブ２５ｖは開いておく。そして、真空ポンプ２１により保持容器２２内を真空引きし、バルブ２５ｖを閉じる。その後、バルブ３０ｖを開くと、圧力差により坩堝１１内の液体Ｎａは吸引用配管３０を通して保持容器２２内へと吸引される。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置を用いたIII 族窒化物半導体の製造方法について説明する。

まず、坩堝１１にＧａとフラックスであるＮａの混合融液と、種結晶（ＧａＮ基板）を入れ、反応容器１０内に置く。バルブ１３ｖを開けて窒素を反応容器１０内に供給し、第１加熱装置１２ａ、ｂにより坩堝１１を加熱し、反応容器１０内の圧力を約５ＭＰａ、坩堝１１の温度を８００℃で約１００時間保持する。この工程により、種結晶表面上にＧａＮが結晶成長する。

上記結晶成長工程の終了後、反応容器１０を降温させ、坩堝１１の温度が１００℃以上であるときに、回収装置２０により坩堝１１内に残存する液体Ｎａを吸引し回収する。１００℃以上とするのは、Ｎａの融点が約９８℃であるからである。なお、作業の容易さの点から、坩堝１１の温度が１００〜２００℃の範囲のときに液体Ｎａを回収するのが望ましい。

蒸気圧の高い不純物は、結晶成長の過程において気化しており、排気とともに排出されるため、結晶成長工程終了後に残存するＮａは、蒸気圧の高い不純物を含んでいない高純度なものである。したがって、回収装置２０により回収されたＮａをフラックスとして再利用することで、不純物濃度の低いIII 族窒化物半導体を製造することができる。

図２は、実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置２の構成を示す模式図である。III 族窒化物半導体製造装置２の構成は、回収装置１２０の構成が、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置１の回収装置２０の構成と異なっていて、それ以外の構成についてはIII 族窒化物半導体製造装置１の構成と同様である。

回収装置１２０は、吸引用配管３０に接続するシリンダポンプ１２１、吸引用配管３０から分岐する配管１２５、配管１２５に設けられたバルブ１２５ｖ、配管１２５に接続する保持容器１２２、保持容器１２２に接続する配管１２３、配管１２３に付設された蛇口１２４、で構成されている。また、保持容器１２２、配管１２３、蛇口１２４は、グローブボックス１４０内部に配置されている。保持容器１２２内は、実施例１の場合と同様に約１００℃に維持されていて、蛇口１２４の開閉によりＮａを自在に取り出すことができる。また、グローブボックス１４０内はアルゴンガスにより満たされている。そのため、実施例１の場合と同様に、Ｎａを酸化等させることなく坩堝などの容器に液体Ｎａを注ぎ入れることが可能である。

回収装置１２０は、結晶成長工程終了後であって、Ｎａが固体化しない温度である９８℃以上に保持された状態のときに、次のような動作により坩堝１１内の液体Ｎａを吸引し、保持容器１２２内に保持する。

まず、バルブ３０ｖは開き、バルブ１２５ｖは閉じておく。この状態でシリンダポンプ１２１を引くことで吸引用配管３０内を減圧し、坩堝１１内の液体Ｎａを吸引用配管３０およびシリンダポンプ１２１内に吸引する。次に、バルブ３０ｖは閉じ、バルブ１２５ｖは開いてシリンダポンプ１２１を押し込み、吸引用配管３０およびシリンダポンプ１２１内の液体Ｎａを保持容器１２２に入れる。このようにして、フラックスとしての再利用が可能な高純度のＮａを回収することができる。

図３は、実施例３のIII 族窒化物半導体製造装置３の構成を示す模式図である。III 族窒化物半導体製造装置３の構成は、III 族窒化物半導体製造装置２における回収装置１２０からシリンダポンプ１２１以外を省いた構成である。つまり、III 族窒化物半導体製造装置３の回収装置はシリンダポンプ１２１のみからなる。

回収装置であるシリンダポンプ１２１は、結晶成長工程終了後であって、Ｎａが固体化しない温度である９８℃以上に保持された状態のときに、次のような動作により坩堝１１内の液体Ｎａを吸引し保持する。

バルブ３０ｖを開いてシリンダポンプ１２１を引くことで坩堝１１内の液体Ｎａを吸引用配管３０およびシリンダポンプ１２１内に吸引し、バルブ３０ｖを閉じることで、吸引用配管３０およびシリンダポンプ１２１内にそのまま液体Ｎａを保持する。Ｎａを再利用するときは、バルブ３０ｖを開いてシリンダポンプ１２１を押し込み、反応容器１０内の坩堝１１に液体Ｎａを戻す。

実施例ではＮａの吸引に真空ポンプ、シリンダポンプを用いているが、それ以外にも減圧できるポンプであれば用いることができる。

また、実施例ではフラックスとしてＮａを用いているが、Ｋ（カリウム）などを用いてもよい。さらに、Ｌｉ（リチウム）やＭｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）等のアルカリ土類金属が添加されていてもよい。この場合にも、フラックスの融点以上の温度においてIII 族窒化物半導体製造装置の回収装置を動作させることでフラックスを吸引、保持し、再利用することができる。

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。実施例３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

１、２、３：III 族窒化物半導体製造装置
１０：反応容器
１１：坩堝
１２ａ、ｂ：第１加熱装置
１３：供給管
１３ｖ、２５ｖ、３０ｖ、１２５ｖ：バルブ
２０、１２０：回収装置
２１：真空ポンプ
２２、１２２：保持容器
２４、１２４：蛇口
４０、１４０：グローブボックス
１２１：シリンダポンプ

Claims

III 族金属と少なくともアルカリ金属を含むフラックス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第１加熱装置と、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、
前記反応容器に挿入された吸引用配管と、
前記吸引用配管と接続し、結晶成長の終了後に前記反応容器内の液化した前記フラックスを吸引する回収装置と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置。
前記吸引用配管を加熱する第２加熱装置を有す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。
前記フラックスは、ナトリウムを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
前記回収装置は、前記フラックスを液体状態で保持する保持容器を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
前記保持容器は、前記フラックスを取り出すための蛇口を有し、
前記蛇口は、前記フラックスと反応しない気体によって内部が保持されているグローブボックス内に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
前記回収装置は、真空ポンプを有し、前記フラックスの吸引は前記真空ポンプにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
前記回収装置は、シリンダポンプを有し、前記フラックスの吸引は前記シリンダポンプにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
前記III 族金属は、ガリウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
III 族金属と少なくともアルカリ金属を含むフラックスとの混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とからIII 族窒化物半導体を結晶成長させるフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
結晶成長の終了後、前記フラックスの融点より高い温度において、前記フラックスを吸引して回収する回収工程を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記フラックスは、ナトリウムを含むことを特徴とする請求項９に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記回収工程は、前記フラックスの温度が１００〜２００℃の範囲のときに行うことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。