JP2010006685A - ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶および電磁波透過体 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波透過体として好適なＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶およびＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含む電磁波透過体を提供する。
【解決手段】好ましくは昇華法により好適な条件で成長させたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶２は、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である。また、電磁波透過体４は、一主面２ｍを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２を含み、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気部品、電子部品、光学部品などに好適に用いられるＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶およびＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含む電磁波透過体に関する。

ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、電磁波透過体として石英ガラスなどが用いられている。この電磁波透過体は、Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂、ＳｉＨ₄などの非腐食性ガスのプラズマに曝されると、高周波の吸収に加えて、イオンボンバートメントやプラズマによる輻射熱により発熱するため、電磁波透過体の発熱の防止と耐熱衝撃性が必要となる。また、電磁波透過体としての石英ガラスは、塩素やフッ素などを含む腐食性ガス、たとえばＣｌＦ₃、ＮＦ₃、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＣＦ₃などのガス腐食性ガスのプラズマに曝されると、高速でエッチングされ、石英のエッチング生成物であるＳｉおよびＯがプラズマ中に混入して問題が生じる。

腐食性ガスに対する耐性がある点からは、アルミナ（酸化アルミニウム）が有効である。しかし、アルミナは耐熱衝撃性が悪く、また熱伝導率が低いため、高パワーのプラズマに対しては局所的に高温になり、熱応力で破壊してしまう問題がある。

高パワーのプラズマに対しては、アルミナに比べて耐熱衝撃性があり、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低い窒化アルミニウム焼結体セラミックスが、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐性も高く、好適である（たとえば、特開平７−１４２１９７号公報（特許文献１）、特開平７−１４２４１４号公報（特許文献２）を参照）。しかし、窒化アルミニウム焼結体の電磁波透過体も、高パワーのプラズマに曝されると、温度が急激に上昇して誘電特性が変化し放電が維持できなくなったり、ロット間で誘電特性のばらつきが生じて高周波の透過特性が再現できないなどの問題があった。

このため、特に高周波数の電磁波に対しては、発熱の原因の一つである誘電正接の小さな高品質な電磁波透過体が求められていた。これらの問題を解決するために、焼結体中の珪素濃度（たとえば、特開２０００−３３５９７４号公報（特許文献３）を参照）または酸素濃度（たとえば、特開２００２−１７２３２２号公報（特許文献４）を参照）の制御や、プラズマ処理方法に工夫を加えて、電磁波の吸収の原因となる結晶相中の欠陥に起因した双極子密度やその活性化を抑えること（たとえば、特開２００２−１７２３２２号公報（特許文献４）を参照）や、窒化アルミニウムに酸化イットリウムおよび酸化マグネシウムもしくは窒化マグネシウムを加えて焼結すること（たとえが、特開２００６−００８４９３号公報（特許文献５）を参照）が行なわれていた。

特開平７−１４２１９７号公報 特開平７−１４２４１４号公報 特開２０００−３３５９７４号公報 特開２００２−１７２３２２号公報 特開２００６−００８４９３号公報

しかし、窒化アルミニウム焼結体には、結晶の粒界が多く存在し、また焼結助剤が含まれることも多い。このため、窒化アルミニウム焼結体は、その熱伝導率が窒化アルミニウム単結晶に比べて低く、またその熱膨張係数も局所的にばらついているため、耐熱衝撃性を高めることに限界があった。

また、窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム単結晶に比べて、結晶欠陥が多く、また原料にＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₅、ＣａＯ、ＭｇＯなどの焼結助剤を用いるため、酸素濃度が高い。このため、窒化アルミニウム焼結体は、誘電正接が大きくなり、高パワーの高周波電力が印加されると、温度が急激に上昇して誘電特性が変化するという問題があった。

さらに、窒化アルミニウム焼結体は、表面の研磨の際に脱粒が生じるため、表面の平坦化が困難であるという問題もあった。

そこで、本発明は、上記問題を解決して、電磁波透過体として好適なＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶およびＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含む電磁波透過体を提供することを目的とする。

本発明は、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶である。

本発明にかかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接を５×１０^-3以下とし、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接を５×１０^-3以下とすることができる。また、本発明にかかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の酸素濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の転位密度を１×１０⁶ｃｍ^-2以下とすることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の幅または直径を１０ｍｍ以上かつ厚さを３００μｍ以上とすることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の表面粗さＲＭＳを１００ｎｍ以下とすることができる。

また、本発明は、一主面を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶を含み、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である電磁波透過体である。

本発明にかかる電磁波透過体において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接を５×１０^-3以下とし、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接を５×１０^-3以下とすることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の酸素濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の転位密度を１×１０⁶ｃｍ^-2以下とすることができる。また、電磁波透過体の幅または直径を１０ｍｍ以上かつ厚さを３００μｍ以上とすることができる。また、電磁波透過体の表面粗さＲＭＳを１００ｎｍ以下とすることができる。

本発明によれば、電磁波透過体として好適なＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶およびＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含む電磁波透過体を提供することができる。

本発明にかかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を製造する装置および方法の一例を示す概略断面図である。 本発明にかかる電磁波透過体の例を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は電磁波透過体の全部がＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶で形成されている例を示し、（ｂ）は電磁波透過体の一部がＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶で形成されている例を示す。 本発明にかかる電磁波透過体の誘電率および誘電正接の測定方法の一例を示す概略断面図である。 本発明にかかる電磁波透過体の誘電率および誘電正接の測定方法の他の例を示す概略断面図である。

（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶）
本発明の一実施形態であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）焼結体に比べて、熱伝導率が高く、熱膨張係数の局所的なばらつきが小さい。このため、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、高周波のプラズマに曝されても、熱応力が生じ難く、高い耐熱衝撃性を有する。また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であるため、高周波の電磁波が透過しても誘電損失が極めて少なく、電磁波透過体として好適に用いられる。

また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、２５℃の雰囲気温度下で、１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であり、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であることが好ましい。かかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、ＭＨｚ単位からＧＨｚ単位の広範囲の高周波領域の電磁波が透過しても誘電損失が極めて少なく、電磁波透過体としてより好適に用いられる。

本発明者らの知見によれば、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶に含まれた酸素原子は、窒素原子と置換され（置換酸素原子Ｏ_N）、かつ、アルミニウムの格子欠陥（空孔欠陥Ｖ_Al）と結合して、複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nを形成する。この複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nが双極子を形成することにより誘電正接が大きくなると考えられる。

したがって、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、特に制限はないが、酸素濃度を小さくして、複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nの形成を抑制して誘電正接を小さくする観点から、酸素濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下が好ましく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下がより好ましく、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下がさらに好ましい。

また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、特に制限はないが、転位密度を小さくして、複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nの形成を抑制して誘電正接を小さくする観点から、転位密度は１×１０⁶ｃｍ^-2以下が好ましく、５×１０⁵ｃｍ^-2以下がより好ましく、１×１０⁵ｃｍ^-2以下がさらに好ましい。

また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、特に制限はないが、電磁波透過体として好ましい大きさおよび機械的強度を有する観点から、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の幅または直径が１０ｍｍ以上かつ厚さが３００μｍ以上であることが好ましい。同様の観点から、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の幅または直径は５０ｍｍ以上がより好ましく１００ｍｍ以上がさらに好ましい。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の厚さは、３００μｍ以上が好ましく、１０００μｍ以上がより好ましく、３０００μｍ以上がさらに好ましい。ここで、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の幅とは、単結晶の主面が多角形状のとき、その主面において中央部を挟んで対向する任意に特定される２辺に内接する円の直径を意味する。またＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の直径とは、単結晶の主面が円状または楕円状のとき、その主面において任意に特定される直径を意味する。

また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、特に制限はないが、表面の平坦性を高めてＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶とプラズマガスとの相互作用を小さくする観点から、表面粗さＲＭＳは、１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましく、１ｎｍ以下がさらに好ましい。ここで、表面粗さＲＭＳとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定する表面の二乗平均粗さ、すなわち、平均面から測定面までの距離（偏差）の二乗を平均した値の平方根を意味する。

本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の製造方法は、特に制限はないが、酸素濃度および転位密度が低く、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の製造が容易な観点から、気相成長法、特に、昇華法（図１を参照）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などが好ましく挙げられる。

また、本実施形態のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の製造方法は、上記と同様の観点から、図１を参照して、下地基板１を準備する工程と、下地基板１上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２を成長させる工程とを備えることが好ましい。ここで、下地基板１は、成長させるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶と格子定数の不整合を小さくする観点から、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶（０＜ｚ≦１）が好ましく、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶においてｚ＝ｘであることがより好ましい。また、転位密度が低く結晶性の高いＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を成長させるのが容易な観点から、下地基板１たるＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶は、転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下で、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。

（電磁波透過体）
図２を参照して、本発明の他の実施形態である電磁波透過体４は、一主面２ｍを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶２を含み、かかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である。このため、本実施形態の電磁波透過体は、高周波の電磁波が透過しても誘電損失が極めて少ない。

また、本実施形態の電磁波透過体４に含まれるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は、２５℃の雰囲気温度下で、１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であり、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であることが好ましい。かかる電磁波透過体は、ＭＨｚ単位からＧＨｚ単位の広範囲の高周波領域の電磁波が透過しても誘電損失が極めて少ない。

本実施形態の電磁波透過体４は、一主面２ｍを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶２を含む。かかるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は、ＡｌＮ焼結体に比べて、熱伝導率が高く、熱膨張係数の局所的なばらつきが小さい。このため、電磁波透過体は、それに含まれるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶の上記一主面２ｍにおいて、高周波のプラズマに曝されても、熱応力が生じ難く、高い耐熱衝撃性を有する。

本実施形態の電磁波透過体４は、一主面を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含んで入れば足り、図２（ａ）に示すように電磁波透過体４の全部がＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２で形成されていてもよく、図２（ｂ）に示すように電磁波透過体４の一部がＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２で形成されていてもよい。図２（ｂ）のように本実施形態の電磁波透過体４が一主面２ｍを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２とＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２以外の電磁波透過材３を含む場合、かかる電磁波透過材３は、電磁波の透過を特に妨げるものでない限り特に制限はなく、たとえば、石英ガラス、アルミナ、ＡｌＮ焼結体などを用いることができる。かかる場合には、電磁波透過体４は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２の主面２ｍがより厳しい環境（たとえば、腐食性ガスのプラズマ、高パワーのプラズマに曝されるなど）に置かれるように配置される。

また、本実施形態の電磁波透過体４は、それに含まれるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶が、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であるため、高周波の電磁波が透過しても誘電損失が極めて少ない。

本実施形態の電磁波透過体４に含まれるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は、特に制限はないが、酸素濃度を小さくして、複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nの形成を抑制して誘電正接を小さくする観点から、酸素濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下が好ましく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下がより好ましく、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下がさらに好ましい。

また、本実施形態の電磁波透過体４に含まれるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２は、特に制限はないが、転位密度を小さくして、複合欠陥Ｖ_Al−Ｏ_Nの形成を抑制して誘電正接を小さくする観点から、転位密度は１×１０⁶ｃｍ^-2以下が好ましく、５×１０⁵ｃｍ^-2以下がより好ましく、１×１０⁵ｃｍ^-2以下がさらに好ましい。

また、本実施形態の電磁波透過体４は、特に制限はないが、電磁波透過体として好ましい大きさおよび機械的強度を有する観点から、電磁波透過体の幅または直径が１０ｍｍ以上かつ厚さが３００μｍ以上であることが好ましい。同様の観点から、電磁波透過体の幅または直径は５０ｍｍ以上がより好ましく１００ｍｍ以上がさらに好ましい。また、電磁波透過体の厚さは、３００μｍ以上が好ましく、１０００μｍ以上がより好ましく、３０００μｍ以上がさらに好ましい。ここで、電磁波透過体の幅とは、透過体の主面が多角形状のとき、その主面において中央部を挟んで対向する任意に特定される２つの頂点間の距離を意味する。また電磁波透過体の直径とは、透過体の主面が円状または楕円状のとき、その主面において任意に特定される直径を意味する。

また、本実施形態の電磁波透過体は、特に制限はないが、表面の平坦性を高めて電磁波透過体とプラズマガスとの相互作用を小さくする観点から、表面粗さＲＭＳは、１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましく、１ｎｍ以下がさらに好ましい。

本実施形態の電磁波透過体の製造方法は、特に制限はないが、酸素濃度および転位密度が低く、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であり一主面を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶を含む電磁波透過体の製造が容易な観点から、気相成長法（特に好ましくは昇華法またはＨＶＰＥ法）により成長させたＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶から所定の形状に加工する方法、または上記所定の形状に加工したＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶に他の電磁波透過材（たとえば、石英ガラス、アルミナ、ＡｌＮ焼結体など）を貼り合わせる方法などが挙げられる。

ここで、気相成長法（特に好ましくは昇華法またはＨＶＰＥ法）により成長させたＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶から所定の形状に加工する方法には、特に制限はないが、図１および図２（ａ）を参照して、下地基板１の主面上に成長させたＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２を下地基板１の主面に平行な面でスライスして、スライス面を研削および／または研磨により平坦化して主面２ｍ，２ｎを形成する方法などが挙げられる。また、所定の形状に加工したＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶に他の電磁波透過材を貼り合わせる方法には、特に制限はないが、図２（ｂ）を参照して、平坦化された主面２ｍ，２ｎを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２の一方の主面２ｎに他の電磁波透過材を貼り合わせる方法などが挙げられる。こうして、主面２ｍを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２を含む電磁波透過体４が得られる。

（実施例１）
１．ＡｌＮ単結晶の製造
昇華法により、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２としてＡｌＮ単結晶を成長させた。本実施例のＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の成長においては、図１に示すような高周波加熱方式の縦型の昇華炉１０を用いた。この縦型の昇華炉１０における反応容器１１の中央部には、結晶成長容器として排気口１２ｃを有するＷＣ製の坩堝１２が設けられ、坩堝１２の周りに坩堝の内部から外部への通気を確保するように加熱体１４が設けられている。また、反応容器１１の外側中央部には、坩堝１２を加熱する加熱体１４を加熱するための高周波加熱コイル１５が設けられている。さらに、反応容器１１の端部には、反応容器１１の坩堝１２の外側にＮ₂ガスを流すためのＮ₂ガス導入口１１ａおよびＮ₂ガス排気口１１ｃと、坩堝１２の下面および上面の温度を測定するための放射温度計１６が設けられている。

図１を参照して、ＷＣ製の坩堝１２の下部にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）原料５としてＡｌＮ粉末を収納し、坩堝１２の上部に下地基板１として直径１２ｍｍで厚さ１ｍｍのＡｌＮ下地基板を配置した。このＡｌＮ下地基板１は、ＡｌＮ単結晶で形成され、転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下で、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であった。ここで、このＡｌＮ下地基板１は、そのＡｌ表面がＡｌ_yＧａ_1-yＮ原料５に対向するように、坩堝１２と同一の材質の坩堝蓋１３に保持され落下しないように配置した。

次に、反応容器１１内にＮ₂ガスを流しながら、Ｎ₂ガスの分圧が１０ｋＰａ〜１００ｋＰａになるようにＮ₂ガス導入量とＮ₂ガス排出量とを制御しながら、高周波加熱コイル１５を用いて坩堝１２内の温度を上昇させた。坩堝１２内の昇温中は、坩堝１２のＡｌＮ下地基板１側の温度をＡｌ_yＧａ_1-yＮ原料５側の温度よりも高くして、昇温中にＡｌＮ下地基板１の表面をエッチングにより清浄するとともに、昇温中にＡｌＮ下地基板１および坩堝１２内部から放出された不純物を、排気口１２ｃを通じて除去した。

次に、坩堝１２のＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）側の温度が２０５０℃に達した後、Ｎ₂ガスの分圧を８０ｋＰａ、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ原料５）側の温度を２３５０℃、ＡｌＮ下地基板１側の温度が１９１０℃になるように制御して、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）からＡｌＮを昇華させて、坩堝１２の上部に配置されたＡｌＮ下地基板１上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた。ＡｌＮ単結晶成長中も、反応容器１１内の坩堝１２の外側にＮ₂ガスを流し続け、反応容器１１内の坩堝１２の外側のガス分圧が１０ｋＰａ〜１００ｋＰａになるように、Ｎ₂ガス導入量とＮ₂ガス排気量とを制御した。上記の結晶成長条件で４０時間、ＡｌＮ下地基板１上にＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた後、室温（２５℃）まで冷却して、ＡｌＮ単結晶を得た。得られたＡｌＮ単結晶は、直径約１２ｍｍで厚さ約４．２ｍｍであり、結晶成長速度は１０５μｍ／ｈｒと見積もられた。

２．ＡｌＮ単結晶の評価
図１および図２（ａ）を参照して、得られたＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を、ＡｌＮ単結晶の結晶成長面に平行な面でスライスして、数枚の板状のＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を得た。次いで、上記板状ＡｌＮ単結晶に隣接する板状ＡｌＮ単結晶の両側の主面２ｍ，２ｎを研削および研磨により平坦化した。板状ＡｌＮ単結晶のＡｌ表面側の主面２ｍの表面粗さＲＭＳは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて５０μｍ□（５０μｍ×５０μｍの正方形領域）の視野内で測定したところ、２８ｎｍと小さかった。

ＡｌＮ単結晶の最上部の板状ＡｌＮ単結晶は、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が３５ａｒｃｓｅｃと小さく、高品質の結晶であった。さらに、この板状ＡｌＮ単結晶の転位密度は、ＥＰＤ（エッチピット密度）法により算出したところ、３×１０⁴ｃｍ^-2と低かった。ここで、ＥＰＤ法による転位密度の算出は、２５０℃で溶融させたＫＯＨ：ＮａＯＨの質量比が１：１の融液中に、板状ＡｌＮ単結晶を３０分間浸漬させてエッチングし、板状ＡｌＮ単結晶を洗浄した後、顕微鏡を用いて板状ＡｌＮ単結晶の主面に発生したエッチピットの単位面積あたりの個数を算出することにより行なった。

また、図３を参照して、ＬＣＲメータ２０を用いて、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの交流による高周波信号を印加して、ＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の誘電率と誘電正接を測定した。具体的には、この板状ＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の両側の主面２ｍ，２ｎに、電極８として、蒸着法により、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極（厚さは、２０ｎｍ／１００ｎｍ／２０ｎｍ／５０ｎｍ）を形成し、赤外線ランプ加熱炉内に入れてＮ₂ガス雰囲気下６００℃で1分間アニールさせて電極８を合金化させた。次いで、ＬＣＲメータ２０を用いて、２５℃の雰囲気温度下で板状ＡｌＮ単結晶の両側の主面２ｍ，２ｎ上に形成された電極８間に１ＭＨｚの交流による高周波信号を印加して、板状ＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の誘電率と誘電正接を測定した。こうして得られた２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号が印加された板状ＡｌＮ単結晶の誘電率εおよび誘電正接ｔａｎδは、それぞれε＝８．９およびｔａｎδ＝５．３×１０^-5であった。

また、ＡｌＮ単結晶中の酸素濃度は、別の板状ＡｌＮ単結晶の中心から切り出した５ｍｍ□の試料を用いてＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）をしたところ、５．２×１０¹⁷ｃｍ^-3と小さかった。

（実施例２）
Ｎ₂ガスの分圧を５０ｋＰａ、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）側の温度を２３００℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた。得られたＡｌＮ単結晶は、厚さが５．２ｍｍ、成長速度が１３０μｍ／ｈｒ、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が４２ａｒｃｓｅｃ、転位密度が４．０×１０⁴ｃｍ^-2、表面粗さＲＭＳが４３ｎｍ、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号を印加したときの誘電率εが８．７で誘電正接ｔａｎδが７．２×１０^-5であり、酸素濃度が４．７×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。結果を表１にまとめた。

（実施例３）
Ｎ₂ガスの分圧を１０ｋＰａ、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）側の温度を２２５０℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた。得られたＡｌＮ単結晶は、厚さが５．８ｍｍ、成長速度が１４５μｍ／ｈｒ、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が７２ａｒｃｓｅｃ、転位密度が９．０×１０⁴ｃｍ^-2、表面粗さＲＭＳが２８ｎｍ、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号を印加したときの誘電率εが８．７で誘電正接ｔａｎδが２．８×１０^-4であり、酸素濃度が５．１×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。結果を表１にまとめた。

（実施例４）
下地基板１として直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＳｉＣ下地基板を用いて、Ｎ₂ガスの分圧を５０ｋＰａ、ＳｉＣ下地基板１側の温度を１７３０℃、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）側の温度を２０５０℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた。得られたＡｌＮ単結晶は、厚さが４．３ｍｍ、成長速度が１０７．５μｍ／ｈｒ、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が１１５ａｒｃｓｅｃ、転位密度が５．６×１０⁵ｃｍ^-2、表面粗さＲＭＳが４０ｎｍ、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号を印加したときの誘電率εが８．６で誘電正接ｔａｎδが１．６×１０^-3であり、酸素濃度が１．４×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

また、図４を参照して、空洞共振器法により、２５℃の雰囲気温度下で１ＧＨｚの高周波信号を印加して、ＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の誘電率と誘電正接を測定した。ここで、空洞共振器法においては、図４に示す測定システムが使用される。すなわち、円筒型の空洞共振器３１は、銅、アルミニウムなどの良導体で形成されており、内部が中空となっている。この中空空間が、電磁界の共振場として利用される。この空洞共振器３１は、共振器を励振するための電磁波による高周波信号を入力するための信号入力用の開口部３２と、共振状態を測定するための信号検出用の開口部３３とを備える。高周波信号発生器３５により発生させた電磁波による高周波信号は、たとえば信号線３６を介して開口部３２から空洞共振器３１に入力される。これにより、空洞共振器３１内に所定のモードの電磁界の共振状態を生じさせる。この共振状態を示す信号を、開口部３３から信号線３７を介して取り出し、スペクトルアナライザなどの共振状態分析器３８に送る。共振状態分析器３８は、検出した信号から共振状態を測定し、この測定結果から測定対象物であるＡｌＮ単結晶の誘電物性値を求めることができる。

すなわち、上記の測定システムにおいて、空洞共振器３１内に、別の板状ＡｌＮ単結晶から切り出した１ｍｍ×１ｍｍ×３０ｍｍのＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）の結晶片を入れた時と出した時の共振状態の変化を検出し、かかる共振状態の変化を演算処理することにより、ＡｌＮ単結晶の誘電率εおよび誘電正接ｔａｎδを算出した。こうして得られた２５℃の雰囲気温度下で１ＧＨｚの高周波信号が印加されたＡｌＮ単結晶の誘電率εおよび誘電正接ｔａｎδは、それぞれε＝８．５およびｔａｎδ＝１．９×１０^-3であった。結果を表１にまとめた。

（実施例５）
下地基板１として直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＡｌＮ下地基板を用いて、Ｎ₂ガスの分圧を５０ｋＰａ、ＡｌＮ下地基板１側の温度を１９３０℃、ＡｌＮ粉末（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料５）側の温度を２３１０℃としたこと以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ単結晶（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶２）を成長させた。得られたＡｌＮ単結晶は、厚さが３．２ｍｍ、成長速度が８０μｍ／ｈｒ、（０００２）面に関するＸ線回折ピークの半値幅が８６ａｒｃｓｅｃ、転位密度が１．３×１０⁵ｃｍ^-2、表面粗さＲＭＳが３５ｎｍ、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号を印加したときの誘電率εが８．８で誘電正接ｔａｎδが６．２×１０^-4であり、２５℃の雰囲気温度下で１ＧＨｚの高周波信号を印加したときの誘電率εが８．７で誘電正接ｔａｎδが６．５×１０^-4であり、酸素濃度が５．８×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。結果を表１にまとめた。

表１から明らかなように、酸素濃度および転位密度を低減（好ましくは、酸素濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、転位密度を１×１０⁶ｃｍ^-2以下）することにより２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚの高周波信号を印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下および／または２５℃の雰囲気温度下で１ＧＨｚの高周波信号を印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である誘電損失が極めて小さいＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶が得られる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 下地基板、２ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶、２ｍ，２ｎ 主面、３ 他の電磁波透過材、４ 電磁波透過体、５ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ原料、８ 電極、１０ 昇華炉、１１ 反応容器、１１ａ Ｎ₂ガス導入口、１１ｃ Ｎ₂ガス排気口、１２ 坩堝、１２ｃ 排気口、１３ 坩堝蓋、１４ 加熱体、１５ 高周波加熱コイル、１６ 放射温度計、２０ ＬＣＲメータ、３１ 空洞共振器、３２，３３ 開口部、３５ 高周波信号発生器、３６，３７ 信号線、３８ 共振状態分析器。

Claims (12)

1. ２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶。
2. １ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの前記誘電正接が５×１０^-3以下であり、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの前記誘電正接が５×１０^-3以下である請求項１に記載のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶。
3. 酸素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である請求項１または請求項２に記載のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶。
4. 転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下である請求項１または請求項２に記載のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶。
5. 幅または直径が１０ｍｍ以上かつ厚さが３００μｍ以上である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶。
6. 表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下である請求項１から請求項５までのいずれかに記載のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶。
7. 一主面を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）単結晶を含み、
   前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、２５℃の雰囲気温度下で１ＭＨｚおよび１ＧＨｚの少なくともいずれかの高周波信号が印加されたときの誘電正接が５×１０^-3以下である電磁波透過体。
8. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は、１ＭＨｚの高周波信号が印加されたときの前記誘電正接が５×１０^-3以下であり、かつ、１ＧＨｚの高周波信号が印加されたときの前記誘電正接が５×１０^-3以下である請求項７に記載の電磁波透過体。
9. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は酸素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である請求項７または請求項８に記載の電磁波透過体。
10. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶は転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下である請求項７または請求項８に記載の電磁波透過体。
11. 幅または直径が１０ｍｍ以上かつ厚さが３００μｍ以上である請求項７から請求項１０までのいずれかに記載の電磁波透過体。
12. 表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下である請求項７から請求項１１までのいずれかに記載の電磁波透過体。

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