JP2010254495A - 基板製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガリウム及びナトリウムが含まれる融液中に窒素ガスを供給し、種基板に窒化ガリウム結晶を生成する窒化ガリウム基板の製造において、従来よりも坩堝の周囲の温度勾配を低減することによって、坩堝を均一に加熱することが出来る基板製造装置を提供する。
【解決手段】ヒータ１２ａが内部に取り付けられている第１の容器（内容器）１２と、第１の容器１２の内部に収容されている坩堝１４とを備え、第１の容器１２のヒータ１２ａによって坩堝１４を加熱することで坩堝１４内の融液３０に浸漬する種基板２０上に結晶基板を生成する基板製造装置Ａであって、第１の容器１２の内部に収容されると共に坩堝１４を収容する保温容器１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、坩堝内の種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置に関するものである。

近年、ダイオード等のパワー半導体には、省エネルギー化を実現するパワー半導体材料として窒化ガリウムを用いることが提案されている。そして、現在、この窒化ガリウムを製造する方法として、種基板を原料融液中に浸漬することによって種基板上に窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成する液相法が存在し、このような液相法を実現する装置として基板製造装置が開発されている。

この基板製造装置は、加圧装置と、断熱材によって構成される共にパネルヒータが埋め込まれた容器と、原料融液を収容する坩堝とを備え、容器のパネルヒータによって内部収容器を加熱することで坩堝を高温状態すると共に加圧装置によって坩堝を高圧状態にすることで、種基板上に結晶基板を形成している。なお、上記基板製造装置のように高熱または高圧を利用した装置に関する発明として、下記特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５及び特許文献６が開示されている。

特開２００５−２６３６２２号公報 特許第３３６８４１０号公報 特開２００３−１２６６７４号公報 特開２００５−２８８３５０号公報 特開２００１−２５０８２１号公報 特開平１１−８３３３８号公報

ところで、上記従来技術では、容器のパネルヒータによって坩堝を加熱することで、坩堝を高温にしているが、加熱された容器内の雰囲気ガスが上方に上昇してしまうことで、容器内の空間に温度勾配が生じてしまう為、坩堝を均等に加熱することが困難であった。そして、容器の上部からの熱の逃げを少なくする為に幾重にも断熱材を設置する必要があったり、またハウジングの上部から熱が逃げてしまう熱を新たに供給する為に容器の下部のヒータ容量を大きくする必要があった。このように、上記従来技術では、上記問題によって、容器内の坩堝を均一に加熱することが難しかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも坩堝の周囲の温度勾配を低減することによって、坩堝を均一に加熱することが出来る基板製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、基板製造装置に係る第１の解決手段として、ヒータが内部に取り付けられている第１の容器と、前記第１の容器の内部に収容されている坩堝とを備え、前記第１の容器の前記ヒータによって前記坩堝を加熱することで坩堝内の融液に浸漬する種基板上に結晶基板を生成する基板製造装置であって、前記第１の容器の内部に収容されると共に前記坩堝を収容する保温容器を備えるという手段を採用する。

本発明では、基板製造装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１の容器の内部には、前記第１の容器と前記保温容器によって形成される空間の流体を循環することで、前記第１の容器と前記保温容器によって形成される空間の熱を循環する循環ファンが取り付けられているという手段を採用する。

本発明では、基板製造装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記坩堝内に融液を供給する融液供給配管を備えており、前記融液供給配管は、第１の容器の下面を外部から内部に貫通し、前記保温容器の外面に沿って下方向から上方向に伸びているという手段を採用する。

本発明では、基板製造装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記融液供給配管は、管前記保温容器の外面にらせん状に沿って下方向から上方向に伸びているという手段を採用する。

本発明では、基板製造装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、前記融液にガリウム及びナトリウムが含まれ、前記融液中に窒素ガスを供給することで、窒化ガリウム層を備えるサファイア基板である前記種基板に窒化ガリウム基板である前記結晶基板を生成するという手段を採用する。

本発明によれば、基板製造装置が、ヒータが内部に取り付けられている第１の容器と、第１の容器の内部に収容されている坩堝とを備え、第１の容器のヒータによって坩堝を加熱することで坩堝内の融液に浸漬する種基板上に結晶基板を生成する基板製造装置であって、第１の容器の内部に収容されると共に坩堝を収容する保温容器を備える。このように、基板製造装置では、保温容器を設けることによって、第１の容器から逃げていた熱を低減することが出来る。これにより、従来よりも坩堝の周囲の温度勾配を低減することが出来る為に、坩堝を均一に加熱することが出来る。

本発明の一実施形態に係る基板製造装置Ａの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板製造装置Ａの保温容器１３、ガリウム供給配管１５、ナトリウム供給配管１６、窒素ガス供給配管１７の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、窒素ガリウムの結晶基板を製造する基板製造装置に関する。
まず、本実施形態に係る基板製造装置Ａの機能構成について、図１を参照して、説明する。図１は、本実施形態に係る基板製造装置Ａの概略構成を示す断面図である。

本実施形態に係る基板製造装置Ａは、種基板を原料融液中に浸漬することによって種基板上に窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成するものであり、図１に示すように、反応ユニット１、ガリウム供給装置２、ナトリウム供給装置３及び窒素ガス供給装置を備えている。
反応ユニット１は、窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成するものあり、図１に示すように、外容器１１、内容器１２、保温容器１３、坩堝１４、ガリウム供給配管１５、ナトリウム供給配管１６及び窒素ガス供給配管１７を備えている。

外容器１１は、略円筒形状であり、反応ユニット１の外形を構成している。そして、外容器１１は、内部の底面に取り付けられた内容器支持部１１ａによって、内容器１２を収容支持している。なお、外容器１１には、不図示の加圧減圧装置が接続されている。
内容器１２は、外容器１１と同様に、略円筒形状であり、外容器１１の内部の内容器支持部１１ａによって収容支持されている。この内容器１２は、断熱材から構成され、その断熱材によって構成された内部の内周面及び底面には、ヒータ１２ａが埋め込まれるように取り付けられている。そして、内容器１２は、内部の底面に取り付けられた保温容器支持部１２ｂによって、保温容器１３を収容支持している。

さらに、内容器１２には、その上面の中央近傍に循環ファン１２ｃが取り付けられている。基板製造装置Ａでは、この循環ファン１２ｃの送風によって、内容器１２と保温容器１３によって形成される空間１２ｄの空気を循環することで熱の循環を促進する。なお、循環ファン１２ｃは、循環ファン駆動部１２ｅによって回転駆動させられる。

保温容器１３は、外容器１１及び内容器１２と同様に、略円筒形状であり、内容器１２の内部の保温容器支持部１２ｂによって収容支持されている。この保温容器１３も、断熱材から構成されている。そして、保温容器１３は、内部の底面に取り付けられた坩堝支持部１３ａによって、坩堝１４を収容支持している。

坩堝１４は、種基板２０及び融液３０を収容することで種基板２０上に結晶基板を生成するものであり、上部が開口している円筒形状をしており、保温容器１３の内部に坩堝支持部１３ａによって収容支持されている。この坩堝１４は、セラミック部材から構成されている。坩堝１４は、上部の開口部を介して内側にガリウム供給配管１５、ナトリウム供給配管１６及び窒素ガス供給配管１７の供給口が挿入されている。

ガリウム供給配管１５、ナトリウム供給配管１６及び窒素ガス供給配管１７について、図１及び図２を参照して、説明する。
図２は、本実施形態に係る基板製造装置Ａの保温容器１３、ガリウム供給配管１５、ナトリウム供給配管１６、窒素ガス供給配管１７の斜視図である。

ガリウム供給配管１５は、ガリウム供給装置２が出力する液体のガリウムを、先端の供給口から坩堝１４内へ供給する配管である。このガリウム供給配管１５は、図１に示すように反応ユニット１の底面から、外容器１１及び内容器１２の底部を貫通して保温容器１３の底部近傍に到達し、そこから図２に示すように保温容器１３の外周面をらせん状に沿って下方向から上方向に伸び、保温容器１３の上部を越えたところまで伸びると折り返すように屈曲した後に保温容器１３の上部を貫通し、先端の供給口が坩堝１４の内側に挿入されている。

ナトリウム供給配管１６は、ナトリウム供給装置３が出力する液体のナトリウムを、先端の供給口から坩堝１４内へ供給する配管である。このナトリウム供給配管１６は、ガリウム供給配管１５と同様に、図１に示すように反応ユニット１の底面から、外容器１１及び内容器１２の底部を貫通して保温容器１３の底部近傍に到達し、そこから図２に示すようにガリウム供給配管１５に並走するように保温容器１３の外周面をらせん状に沿って下方向から上方向に伸び、保温容器１３の上部を越えたところまで伸びると折り返すように屈曲した後に保温容器１３の上部を貫通し、先端の供給口が坩堝１４の内側に挿入されている。

窒素ガス供給配管１７は、窒素ガス供給装置４が出力する気体の窒素ガスを、先端の供給口から坩堝１４内へ供給する配管である。この窒素ガス供給配管１７は、図１に示すように外容器１１及び内容器１２の底部を貫通し、図２に示すように内容器１２の内部を直線的に下方向から上方向に伸び、保温容器１３の上部の越えたところまで伸びると折り返すように屈曲した後に保温容器１３の上部を貫通し、先端の供給口が坩堝１４の内側に挿入されている。

ガリウム供給装置２は、ガリウム供給配管１５を介して、所定の供給速度で液体のガリウムを反応ユニット１の坩堝１４内へ供給する。
ナトリウム供給装置３は、ナトリウム供給配管１６を介して、所定の供給速度で液体のナトリウムを反応ユニット１の坩堝１４内へ供給する。

窒素ガス供給装置４は、窒素ガス供給配管１７を介して、所定の供給速度で気体の窒素ガスを反応ユニット１の坩堝１４内へ供給する。そして、窒素ガス供給装置４は、窒素ガスの供給によって坩堝１４内を加圧する。なお、基板製造装置Ａでは、純窒素ガスや少なくとも窒素ガスを含んだ不活性ガス混合ガスが用いられる。

上述のように構成された基板製造装置Ａでは、加圧及び加熱された保温容器１３の内部の坩堝１４内において種基板２０が融液３０に浸漬されることによって種基板２０上に結晶基板が形成される。そして、基板製造装置Ａでは、種基板２０として窒化ガリウム層を備えるサファイア基板を用い、融液３０にガリウム及びナトリウムを含ませ、さらに坩堝１４内に窒素ガスを供給することによって、種基板２０上に窒化ガリウム基板を生成する。

次に、このように構成された基板製造装置Ａの動作について、詳しく説明する。なお、本実施形態の基板製造装置Ａは、不図示の制御部を備えている。そして、特に断りがない限り、当該制御部が、主体者として以下の動作を制御する。
基板製造装置Ａでは、ヒータ１２ａ及び加圧減圧装置（不図示）によって坩堝１４の内部が真空（減圧）状態になった後に、加圧及び加熱状態になる。そして、基板製造装置Ａでは、保温容器１３によって坩堝１４の加熱状態が効率良く持続する。

また、基板製造装置Ａでは、ヒータ１２ａの稼動と同時に、循環ファン駆動部１２ｅが循環ファン１２ｃを回転駆動する。これにより、基板製造装置Ａでは、内容器１２と保温容器１３によって形成される空間１２ｄの空気を循環することで熱の循環を促進する。

引き続いて、ガリウム供給装置２は、ガリウム供給配管１５を介して、所定の供給速度で液体のガリウムを反応ユニット１の坩堝１４内へ供給する。また、ナトリウム供給装置３は、ナトリウム供給配管１６を介して、所定の供給速度で液体のナトリウムを反応ユニット１の坩堝１４内へ供給する。この際、ガリウム供給配管１５及びナトリウム供給配管１６は、保温容器１３の外周面にらせん状に沿って配置されている為、ガリウム供給配管１５内のガリウム及びナトリウム供給配管１６内のナトリウムは、ヒータ１２ａ及び保温容器１３の熱によって、温められる。
そして、ガリウム及びナトリウムの供給の結果、坩堝１４内の種基板２０は、ガリウムとナトリウムとを含む融液３０に浸漬される。

続いて、窒素ガス供給装置４は、窒素ガス供給配管１７を介して、所定の供給速度で反応ユニット１の坩堝１４内の融液表面の直上へ供給する。
この結果、融液３０に窒素ガスが溶け込み、このような融液３０に浸漬された種基板２０の表面に結晶基板が徐々に形成される。
このようにした後に、種基板２０の表面に結晶基板が形成されると、配管（不図示）によってナトリウム／ガリウム合金を吸引して除く。

以上のような本実施形態の基板製造装置Ａでは、坩堝１４が保温容器１３によって覆われている。このように、基板製造装置Ａでは、保温容器１３を設けることによって、内容器１２の上部近傍から逃げていた熱を低減することが出来る。これにより、基板製造装置Ａでは、従来よりも坩堝１４の周囲の温度勾配を低減することが出来る為に、坩堝１４を均一に加熱することが出来る。
また、基板製造装置Ａでは、内容器１２には、その上面の中央近傍に循環ファン１２ｃが取り付けられ、ヒータ１２ａの稼動と同時に、循環ファン駆動部１２ｅが循環ファン１２ｃを回転駆動する。これにより、基板製造装置Ａでは、内容器１２と保温容器１３によって形成される空間１２ｄの熱の循環を促進することが出来る為に、従来よりも坩堝１４の周囲の温度勾配を低減することが出来る。そして、これにより、坩堝１４を均一に加熱することが出来る。

さらに、基板製造装置Ａでは、ガリウム供給配管１５及びナトリウム供給配管１６が、保温容器１３の外周面にらせん状に沿って配置されている。これにより、ガリウム供給配管１５内のガリウム及びナトリウム供給配管１６内のナトリウムは、ヒータ１２ａ及び保温容器１３の熱によって温められる為に、基板製造装置Ａでは、坩堝１４内に供給されるガリウム及びナトリウムによって、坩堝１４内の温度の低下を抑制することが出来る。これにより、従来よりも坩堝１４の周囲の温度勾配を低減することが出来る為に、坩堝を均一に加熱することが出来る。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態が、種基板２０が窒化ガリウム層を備えるサファイア基板であり、融液３０にガリウム及びナトリウムが含まれ、反応容器６内部において融液３０中に窒素ガスが供給され、結晶基板が窒化ガリウム基板であるという構成であるとして説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置の全般に適用することが可能である。

（２）上記実施形態では、循環ファン１２ｃが、内容器１２と保温容器１３によって形成される空間１２ｄの空気を循環することで熱の循環を促進したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、内容器１２と保温容器１３によって形成される空間１２ｄに液体のガリウムを入れ、当該ガリウムを循環ファン１２ｃによって循環することで熱の循環を促進するようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、保温容器１３を断熱材によって構成したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、保温容器１３をステンレススチール、すなわち熱伝導率が良く、またナトリウム等が付着しても変化しない金属によって構成するようにしてもよい。

（４）上記実施形態では、循環ファン１２ｃを、内容器１２の上面の中央近傍に取り付けたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、循環ファン１２ｃを、内容器１２の内周面または底面に取り付けるようにしてもよい。また、取り付ける循環ファン１２ｃの数は、１つに限定されずに、複数であってもよい。

Ａ…基板製造装置、１…反応ユニット、２…ガリウム供給装置、３…ナトリウム供給装置、４…窒素ガス供給装置、１１…外容器、１１ａ…内容器支持部、１２…内容器、１２ａ…ヒータ、１２ｂ…保温容器支持部、１２ｃ…循環ファン、１２ｄ…空間、１２ｅ…循環ファン駆動部、１３…保温容器、１３ａ…坩堝支持部、１４…坩堝、１５…ガリウム供給配管、１６…ナトリウム供給配管、１７…窒素ガス供給配管、２０…種基板、３０…融液

Claims (5)

1. ヒータが内部に取り付けられている第１の容器と、前記第１の容器の内部に収容されている坩堝とを備え、
   前記第１の容器の前記ヒータによって前記坩堝を加熱することで坩堝内の融液に浸漬する種基板上に結晶基板を生成する基板製造装置であって、
   前記第１の容器の内部に収容されると共に前記坩堝を収容する保温容器を備えることを特徴とする基板製造装置。
2. 前記第１の容器の内部には、前記第１の容器と前記保温容器によって形成される空間の流体を循環することで、前記第１の容器と前記保温容器によって形成される空間の熱を循環する循環ファンが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板製造装置。
3. 前記坩堝内に融液を供給する融液供給配管を備えており、
   前記融液供給配管は、第１の容器の下面を外部から内部に貫通し、前記保温容器の外面に沿って下方向から上方向に伸びていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板製造装置。
4. 前記融液供給配管は、管前記保温容器の外面にらせん状に沿って下方向から上方向に伸びていることを特徴とする請求項３に記載の基板製造装置。
5. 前記融液にガリウム及びナトリウムが含まれ、前記融液中に窒素ガスを供給することで、窒化ガリウム層を備えるサファイア基板である前記種基板に窒化ガリウム基板である前記結晶基板を生成することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の基板製造装置。
   
   

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