JP2011035047A - Manufacturing method of single crystal object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単結晶体を気相成長法によって成長させる単結晶体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a single crystal by growing the single crystal by a vapor phase growth method.
GaN,AlGaNなどの窒化物体は、例えば、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)などの発光素子、トランジスタ、パワーFET(Field Effect Transistor)などのパワーデバイスなどの電子素子などに用いられ、今後、使用の拡大が見込まれている。 Nitride objects such as GaN and AlGaN are used in, for example, light-emitting elements such as light-emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs), electronic devices such as power devices such as transistors and power FETs (Field Effect Transistors), and the like. , Expansion of use is expected.
しかしながら、GaN,AlGaNなどのIIIB族窒化物単結晶体は、高融点であること、N(窒素)の平衡蒸気圧が高いことなどから、液相からのバルク型の単結晶の製造が困難である。そのため、種基板の上に、IIIB族窒化物体から成る薄膜を気相成長させて、その薄膜を各種デバイス用に利用することが行われている。 However, group IIIB nitride single crystals such as GaN and AlGaN have a high melting point and a high equilibrium vapor pressure of N (nitrogen), which makes it difficult to produce a bulk single crystal from the liquid phase. is there. Therefore, a thin film made of a group IIIB nitride material is vapor-phase grown on a seed substrate, and the thin film is used for various devices.
しかし、IIIB族窒化物単結晶体を作製する際、ハロゲン化水素と窒素含有ガスとが反応してハロゲン化アンモニウムのような副生成物が生じやすい。このハロゲン化アンモニウムは、昇華性を有しており、低温になると固体として析出しやすいため、排気管がつまるという問題があった。 However, when producing a group IIIB nitride single crystal, a hydrogen halide and a nitrogen-containing gas react with each other, and a by-product such as ammonium halide tends to be generated. This ammonium halide has a sublimation property and easily precipitates as a solid at a low temperature, which causes a problem that the exhaust pipe is clogged.
例えば、特許文献1には、ハロゲン化アンモニウムの析出を抑制するため、排出管の周囲にヒータを設ける技術が記載されている。
For example,
しかしながら、排出管および気相成長装置は要求される性能が異なるため、実際は、排出管と気相成長装置とは異なる部材とすることが多い。そのため、排出管と気相成長装置との間には、Oリングなどの接続部が設けられて気密性を保持している。しかし、Oリングは、エラストマー材料から構成されるなどしており耐熱性に劣ることから、もし、特許文献1のように、排出管の周囲にヒータを設けると、Oリングが劣化して、排出管と気相成長装置との間の気密性が低下するという問題があった。
However, since the required performance differs between the exhaust pipe and the vapor phase growth apparatus, actually, the exhaust pipe and the vapor phase growth apparatus are often different members. For this reason, a connection such as an O-ring is provided between the discharge pipe and the vapor phase growth apparatus to maintain airtightness. However, since the O-ring is made of an elastomer material and is inferior in heat resistance, if a heater is provided around the discharge pipe as in
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、単結晶体の製造装置内の気密性の低下を抑制した単結晶体の製造方法を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a single crystal in which a decrease in hermeticity in the single crystal production apparatus is suppressed.
本発明の一実施形態にかかる単結晶体の製造方法は、気相成長法による単結晶の製造方法であって、窒素含有ガスとIIIB族元素のハロゲン化物とを種基板上に供給して、前記窒素含有ガスと前記IIIB族元素のハロゲン化物とを種基板上で反応させる工程1と、前記工程1の後に流された排出ガスを排気管に導入し、前記窒素含有ガスとハロゲン化水素ガスとが反応することで発生する化合物の気化温度よりも高い温度にて、前記排出ガスを前記排気管の内部に設けたヒータで加熱させる工程2と、を具備する。
A method for producing a single crystal according to an embodiment of the present invention is a method for producing a single crystal by a vapor phase growth method, supplying a nitrogen-containing gas and a halide of a group IIIB element on a seed substrate, A
前記ヒータは棒状であり、前記排気管と同心状に配置されることが好ましい。 The heater is rod-shaped and is preferably arranged concentrically with the exhaust pipe.
前記排気管は2以上の管から構成され、前記工程2におけるヒータを囲む前記排気管に2つの管の接続部が位置し、前記接続部にはOリングが設けられることが好ましい。
It is preferable that the exhaust pipe is composed of two or more pipes, a connection portion of the two pipes is located in the exhaust pipe surrounding the heater in the
前記工程2にて前記ヒータで加熱した前記化合物を、前記排気管から排出したのち冷却して固体化させて集める工程3をさらに具備することが好ましい。
Preferably, the method further comprises a step 3 in which the compound heated by the heater in the
前記気相成長法が、ハイドライド気相成長法であることが好ましい。 The vapor phase growth method is preferably a hydride vapor phase growth method.
前記工程1は気相成長装置内で行われ、前記工程1は、前記気相成長装置の内壁に沿わせてエッチングガスを流す工程を含むことが好ましい。
The
前記エッチングガスは、ハロゲン化水素であることが好ましい。 The etching gas is preferably a hydrogen halide.
本発明の単結晶体の製造方法によれば、窒素含有ガスとIIIB族元素のハロゲン化物ガスとを種基板上に供給して、窒素含有ガスとIIIB族元素のハロゲン化物ガスとを種基板上で反応させた後の排出ガスを排気管に導入し、窒素含有ガスとハロゲン化水素ガスとが反応することで発生する化合物の気化温度よりも高い温度にて、排出ガスを前記排気管の内部に設けたヒータで加熱させることで、ヒータと排気管との間が離れているため、排気管と気相成長装置との間にOリングのような接続部を設けたとしても、接続部がヒータの熱による劣化が抑制される。よって、気密性を維持したまま単結晶体を製造することができるため、転位および不純物の少ない高品質な単結晶体の成長を行うことが可能となる。
According to the method for producing a single crystal of the present invention, a nitrogen-containing gas and a group IIIB element halide gas are supplied onto a seed substrate, and the nitrogen-containing gas and a group IIIB element halide gas are supplied onto the seed substrate. The exhaust gas after reacting in
本発明の単結晶体の製造方法について以下に説明する。 The method for producing a single crystal of the present invention will be described below.
本発明は、気相成長法によって単結晶体を種結晶に成長させて単結晶体をバルク状に作製する製造方法である。 The present invention is a manufacturing method for producing a single crystal in bulk by growing a single crystal into a seed crystal by a vapor phase growth method.
図1に示すように、支持体1により支持した状態で種基板3aを気相成長装置S1に配置する。そして、ヒータ4aおよび4bにより700℃以上に加熱し、原料ガス5aおよび5bとともに、キャリアガス(不図示)を導入することで単結晶体(とくに窒化物単結晶体)を成長させる。なお、キャリアガスとは、原料ガスを乱流の起こらないように層流にするため、成長に寄与できなかった反応生成物を装置の外部に運ぶため、または、装置の内側に付着物が付着することを防止するために導入されるガス流である。キャリアガスとしては、窒素、水素またはこれらの混合ガスを用いることができ、原料ガス5a、5bの数倍〜数十倍の流量とする。具体的には、3〜20倍程度の流量とすることが望ましい。
As shown in FIG. 1, the
原料ガス5aまたは5bには、窒素含有ガスとIIIB族元素のハロゲン化物ガスが挙げられる。例えば、窒素含有ガスとしては、例えばアンモニアを用いる。また、IIIB族元素のハロゲン化物ガスとしては、例えば塩化ガリウムを用いる。他にキャリアガスには窒素、水素又はその混合ガスを用いる。塩化ガリウムをIIIB族原料に使用する場合は、例えば、約800℃にして金属ガリウムに塩化水素ガスを流して反応させることにより塩化ガリウムを生成する。そして塩化ガリウムとアンモニアとを反応させる際、ヒータ4aおよび4bの温度を単結晶成長時に1000〜1300℃とすることにより、支持体1および種基板3aを加熱するのが好ましい。
Examples of the
本発明における単結晶体の製造方法では、排気管14中にヒータ15を設けて、原料ガス5aの塩化ガリウムガスに含まれる塩化水素ガスと、原料ガス5bのアンモニアと、から生じる塩化アンモニウムなどの副生成物が、排気管14内において析出することを抑制する。図1(B)における排気管14の拡大図に示すように、排気管14は2つ以上の管を接続したものが多く、その場合、Oリング16が気密性を向上させるために設けられている。
In the method for producing a single crystal in the present invention, a
本発明においては、棒状のヒータ15を排気管14と同軸構造となるように、排気管14の中心部に好適に配置することで、できるだけOリング16とヒータ15との距離を離すことができる。これにより、ヒータ15からの熱によるOリング16の劣化が抑制される。これまで行われていたような排気管14の周囲へのヒータの設置は必要がなくなる。
In the present invention, the O-
なお、排気管14の中心部に設けたヒータ15だけでは、排気管14の内壁に少量の副生成物が付着する場合があるが、ガスを排気させるために重要な排気管14の中央部は空間が確保されるために問題はない。また、内壁に付着した副生成物がOリングに付着している場合、この副生成物がヒータ15からOリングへ伝達される熱を吸収して気化するため、Oリングを熱から保護することができる。
Note that a small amount of by-products may adhere to the inner wall of the
ヒータ15が円柱状である場合、排気管14の内径(直径)を100とすると、ヒータ15の直径は10〜50であることが好ましい。この範囲内であることにより、排気管14におけるガスの流路の確保と、排気管14におけるOリング16への熱伝達の抑制と、を両立することができる。
When the
ヒータ15の温度は、副生成物が塩化アンモニウムである場合、塩化アンモニウムの気化温度(約338℃)よりも高い温度に設定する。
When the by-product is ammonium chloride, the temperature of the
ヒータ15は、例えば、コイル状の熱を発生させるワイヤがその周囲を棒状の石英等の保護管に囲まれた構造をとる。
The
図1において排気管14を通ったガスは冷却室17にて冷却され、塩化アンモニウムなどの副生成物を析出させて集める。
In FIG. 1, the gas that has passed through the
以上のような本発明の製造方法により得られた単結晶体は、厚みが10mm以上と大きく、平均転位密度が1×109cm−2以下と低い高品質なものが得られる。 The single crystal obtained by the production method of the present invention as described above has a high quality with a thickness as large as 10 mm or more and a low average dislocation density of 1 × 10 9 cm −2 or less.
このバルク状の種結晶体からは、複数の単結晶基板を切り出すことができるため、一度に多くの単結晶基板を作製することができる。得られた単結晶基板は、結晶性に優れ、例えば、窒化ガリウム成長用の基板として好適に用いられる。 Since a plurality of single crystal substrates can be cut out from the bulk seed crystal, a large number of single crystal substrates can be manufactured at one time. The obtained single crystal substrate is excellent in crystallinity and is suitably used as a substrate for growing gallium nitride, for example.
なお、得られた単結晶体は、例えば、以下に示す方法により基板形状に加工される。 In addition, the obtained single crystal is processed into a substrate shape by the following method, for example.
まず、ダイアモンド砥石を使用して成長させた単結晶体を外周研削して所定の外径とする。次に、単結晶体を、ダイアモンド砥粒などを固着させたワイヤ、または、真鍮ワイヤにダイアモンドまたはSiC砥粒をスラリーで滴下しながら、ワイヤの往復運動で結晶を切断するワイヤーソーにより、所定厚み(例えば0.6mm)のウェハ形状に切り出す。 First, the outer periphery of a single crystal grown using a diamond grindstone is ground to a predetermined outer diameter. Next, with a wire saw that cuts the crystal by reciprocating the wire while dripping diamond or SiC abrasive grains into a brass wire with a slurry, the single crystal is fixed to a predetermined thickness. Cut into a wafer shape (for example, 0.6 mm).
そして、単結晶ウェハの両面をダイアモンド砥粒、または、SiC砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いてデバイス工程で使用する表面を鏡面研磨することにより、単結晶基板を得る。 And after rough-polishing both surfaces of a single crystal wafer using a diamond abrasive grain or a SiC abrasive grain, the single crystal substrate is obtained by carrying out mirror polishing of the surface used by a device process using colloidal silica.
上述の気相成長方法としてはハイドライド気相成長法を例としてあげたが、本発明における気相成長方法としては、有機金属気相成長法(MOVPE法)、昇華法などを用いてもよい。ただ、成長速度が速く、品質も良く、窒化物体を作製させやすいという理由によりハイドライド気相成長法(HVPE法)が好ましい。 Although the hydride vapor phase growth method has been described as an example of the above vapor phase growth method, a metal organic vapor phase growth method (MOVPE method), a sublimation method, or the like may be used as the vapor phase growth method in the present invention. However, the hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method) is preferred because it has a high growth rate, good quality, and is easy to produce a nitride body.
通常のHVPE法であれば、単結晶体を厚く成長させるほど、単結晶体の成長にともなって副生成物が多く生じる。この副生成物が成長させている単結晶体に混入する、あるいは、副生成物がHVPE装置に付着して装置が故障するなどの不利益が生じ、結果として、厚みが大きく結晶性の優れた単結晶体を得ることができないという課題が従来からあった。本発明の単結晶体の製造方法では、このような課題を解決することができる。 In the case of a normal HVPE method, the thicker the single crystal is grown, the more by-products are generated as the single crystal is grown. There is a disadvantage that this by-product is mixed into the growing single crystal, or the by-product adheres to the HVPE device and the device fails, resulting in a large thickness and excellent crystallinity. Conventionally, there has been a problem that a single crystal cannot be obtained. Such a problem can be solved by the method for producing a single crystal of the present invention.
図1には、横型の成長装置を示したが、本発明ではこれに限定されず、縦型の成長装置を用いてもよい。 Although FIG. 1 shows a horizontal growth apparatus, the present invention is not limited to this, and a vertical growth apparatus may be used.
以下に、図1に示した気相成長装置の各構成を示す。 Below, each structure of the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1 is shown.
支持体1にはグラファイトを用いることができるが、原料ガスとして腐食性のアンモニアおよび塩化水素を使用する場合、表面にSiC、BNおよびTaCからなる群から選ばれる1種以上をコーティングしておくことが好ましい。なお、コーティング法としては、CVD法、スパッタ法などが挙げられる。これにより支持体1の耐食性が向上する。なお、BNのなかでもPBNが好ましい。PBNとは、焦性窒化ホウ素(パイロリティックBN(p−BN))である。
Graphite can be used for the
また、支持体1の中心軸を中心として保持した種基板3aを回転させる機構(サセプター回転軸1a)を設け、結晶の成長中に自転させることが望ましい。これにより、種基板3a上に成長する結晶の均一性を向上させることができる。なお、回転数としては、例えば、2rpm〜50rpm程度の範囲から選択することが可能である。
In addition, it is desirable to provide a mechanism (susceptor rotating shaft 1a) for rotating the
種基板3aは、ここではIIIB族窒化物単結晶体を用いた例で説明する。具体的には、GaN,AlGaNなどの窒化ガリウム系化合物半導体、AlNなどを用いることができる。また、IIIB族窒化物単結晶体がGaN単結晶の場合、種基板3aとしては、サファイア、SiC、GaN単結晶、AlN単結晶、またはGaN単結晶およびAlN単結晶の混晶などを挙げることができる。中でも、GaN単結晶やAlN単結晶またはGaN単結晶およびAlN単結晶の混晶が好適に用いられる。成長用の種基板3aの厚みは0.3〜0.6mm程度である。また、成長用の種基板3aの直径は20mm〜60mmである。
Here, the
図2には、本発明の製造方法に用いられうる気相成長装置の一例を示す。図2における気相成長装置は縦型であり、原料ガス5aおよび5b、キャリアガス6の他に、エッチングガス10を流す。なお、図2に示す気相成長装置S2をA−A’線にて切断したときの断面の上面図を図3に示す。図3において、エッチングガス供給部12は、第1の内筒部9aと内筒部9bとの間に設けられた隙間をいう。
FIG. 2 shows an example of a vapor phase growth apparatus that can be used in the manufacturing method of the present invention. The vapor phase growth apparatus in FIG. 2 is a vertical type, and an
エッチングガス10は、種基板3a以外の箇所(例えば、図2における種基板3aと外筒部9bとの間)に成長した余分な結晶を除去するために用いられる。エッチングガス10としては、成長させる単結晶体をエッチング可能なガスが選択される。例えば、単結晶体がIIIB族窒化物単結晶体である場合、エッチングガス10としては、塩化水素、ホウ化水素、臭化水素、フッ化水素などのハロゲン化水素が挙げられる。とくに単結晶体がGaNの場合、エッチング性能に最も優れることからHClが好ましい。
The
このように、図2のように、エッチングガスを流す工程を含めた場合、原料ガス5bに含まれるハロゲン化水素にエッチングガスのハロゲン化水素が加わるため、エッチングガスおよび原料ガスの混合ガスである排気ガス11中におけるハロゲン化水素の濃度が増大する。そうすると、排気ガス中における原料ガス5aと反応して、多量の副生成物が生成される。しかし、本発明の単結晶の製造方法であれば、エッチングガスとしてハロゲン化水素を用いた場合でも、排気管14中における副生成物の発生を抑制することができる。そのため、排気管14内のガスの流路スペースを確保できるともに、種基板3aと近接する場所に発生してガスの流れを抑制する結晶をも除去することができる。このため、気相成長装置S2中における排出ガスの排気を十分に行うことが可能となる。これにより、流す原料ガスの流量も増加させることができるため、従来よりも厚みのあるバルク状の単結晶体を作製することが可能となる。
Thus, as shown in FIG. 2, when the step of flowing an etching gas is included, the etching gas hydrogen gas is added to the hydrogen halide contained in the
図2に示すような製造方法の場合、エッチングガス10を装置の内壁面に沿うように流すことにより、エッチングガス10は主として内壁面と種基板3aとの間を流れ、種基板3aへ流れにくくなり、エッチングすることで生じる単結晶体3bの成長抑制の発生を低下させることができる。また、図3に示すエッチングガス供給部12の場合、エッチングガス10は第2の内筒部2aの内壁面の全面に沿ってエッチングガス供給部12内を流れるため、エッチングガス供給部12から放出されたエッチングガス10は、反応加熱室2aにおいても内壁面の全周面に沿って流される。このため、反応加熱室2aの内壁面に生じた副生成物をまんべんなく除去することができる。
In the case of the manufacturing method as shown in FIG. 2, by flowing the
以上のような本発明の製造方法により得られた単結晶体3bは、厚みが25mm以上と大きく、平均転位密度が1×109cm−2以下と低い高品質なものが得られる。
The
なお、エッチングガスを用いる気相成長装置として、上述の説明には図2の装置をもとに説明したが、本発明ではこれに限定されない。 Note that the vapor phase growth apparatus using the etching gas has been described based on the apparatus of FIG. 2 in the above description, but the present invention is not limited to this.
以上より、光学素子、電子素子に適用される窒化ガリウム系化合物半導体などの単結晶基板をエピタキシャル成長するのに好適なバルク型でかつ高品質な単結晶基板の製造が可能となる。 As described above, it is possible to manufacture a bulk type and high quality single crystal substrate suitable for epitaxial growth of a single crystal substrate such as a gallium nitride compound semiconductor applied to an optical element and an electronic element.
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
S1、S2:気相成長装置
1:支持体
1a:サセプター回転軸
2:石英管
3a:種基板
3b:(成長した)単結晶体
4a,4b:ヒータ
5a,5b:原料ガス
6:キャリアガス
9a:内筒部
9b:外筒部
10:エッチングガス
11: エッチングガスおよび原料ガスの混合ガス(排出ガス)
12:エッチングガス供給部
14:排気管
15:排気管14内に設けられたヒータ
16:Oリング
S1, S2: Vapor phase growth apparatus 1: Support 1a: Susceptor rotating shaft 2:
12: Etching gas supply unit 14: Exhaust pipe 15:
Claims (8)
窒素含有ガスとIIIB族元素のハロゲン化物とを種基板上に供給して、前記窒素含有ガスと前記IIIB族元素のハロゲン化物とを種基板上で反応させる工程1と、
前記工程1の後に流された排出ガスを排気管に導入し、前記窒素含有ガスとハロゲン化水素ガスとが反応することで発生する化合物の気化温度よりも高い温度にて、前記排出ガスを前記排気管の内部に設けたヒータで加熱させる工程2と、
を具備する単結晶体の製造方法。 A method for producing a single crystal by vapor deposition,
Supplying a nitrogen-containing gas and a group IIIB element halide on a seed substrate, and reacting the nitrogen-containing gas and the group IIIB element halide on the seed substrate;
The exhaust gas flowed after Step 1 is introduced into an exhaust pipe, and the exhaust gas is introduced at a temperature higher than the vaporization temperature of the compound generated by the reaction between the nitrogen-containing gas and the hydrogen halide gas. Step 2 of heating with a heater provided inside the exhaust pipe;
A method for producing a single crystal comprising:
前記接続部にはOリングが設けられる請求項1乃至3のいずれか記載の単結晶体の製造方法。 The exhaust pipe is composed of two or more pipes, and a connecting portion of the two pipes is located in the exhaust pipe surrounding the heater in the step 2,
The method for producing a single crystal body according to claim 1, wherein an O-ring is provided in the connection portion.
前記工程1は、前記気相成長装置の内壁に沿わせてエッチングガスを流す工程を含む請求項1乃至6のいずれか記載の単結晶体の製造方法。 Step 1 is performed in a vapor deposition apparatus,
The method for manufacturing a single crystal according to claim 1, wherein the step 1 includes a step of flowing an etching gas along an inner wall of the vapor phase growth apparatus.
The method for producing a single crystal body according to claim 1, wherein the etching gas is hydrogen halide.
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