JP2011046587A - Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate - Google Patents
Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011046587A JP2011046587A JP2010141746A JP2010141746A JP2011046587A JP 2011046587 A JP2011046587 A JP 2011046587A JP 2010141746 A JP2010141746 A JP 2010141746A JP 2010141746 A JP2010141746 A JP 2010141746A JP 2011046587 A JP2011046587 A JP 2011046587A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aln
- single crystal
- sic
- substrate
- powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
本発明は、AlN単結晶の製造方法およびAlN単結晶基板に関するものであり、より特定的には、高品質のAlN単結晶基板を製造する方法および上記方法を用いて形成されたAlN単結晶基板に関するものである。 The present invention relates to a method for producing an AlN single crystal and an AlN single crystal substrate, and more particularly, a method for producing a high-quality AlN single crystal substrate and an AlN single crystal substrate formed by using the above method. It is about.
近年の半導体素子の小型化や高性能化に伴い、当該半導体素子を備えた電子回路の使用時における発熱量の増加が問題となっている。回路の内部において発生した発熱を高効率に放出するためには、熱伝導率の高い材質にて形成された基板を用いることが好ましい。熱伝導率の高い、たとえばAlN(窒化アルミニウム)の単結晶からなる基板を当該電子回路に導入すれば、効率よく回路内部の熱を放熱することができる。 With recent miniaturization and higher performance of semiconductor elements, there is a problem of an increase in the amount of heat generated when an electronic circuit including the semiconductor elements is used. In order to efficiently release heat generated in the circuit, it is preferable to use a substrate formed of a material having high thermal conductivity. If a substrate having a high thermal conductivity, such as a single crystal of AlN (aluminum nitride), is introduced into the electronic circuit, the heat inside the circuit can be efficiently radiated.
このようなAlNの単結晶基板を形成する技術としては、以下に述べる方法が知られている。たとえば昇華法を用いて、SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶からなるAlN層を形成する技術が、たとえば以下のEvaluation of AlN single-crystal grown by sublimation method(非特許文献1)に開示されている。非特許文献1には以下の方法により、SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を成長させる方法が開示されている。具体的には処理装置内にSiC基板を配置し、またSiC基板の一方の主表面に対向する位置にAlN原料を配置する。この状態で当該処理装置内のAlN原料を1900℃以上2250℃の高温に加熱することによりAlN原料を昇華させ、当該AlN原料が対向するSiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶からなる層として堆積させる。
As a technique for forming such an AlN single crystal substrate, the following method is known. For example, a technique for forming an AlN layer made of an AlN single crystal on one main surface of an SiC substrate using a sublimation method is disclosed in, for example, the following Evaluation of AlN single-crystal grown by sublimation method (Non-patent Document 1). Has been. Non-Patent
非特許文献1においては、AlN原料を加熱する際に、SiC基板が配置された領域についてはAlN原料を加熱する温度よりもたとえば100℃以上500℃以下だけ低い温度を保つように設定することが記載されている。このようにSiC基板をAlN原料よりも低い温度に加熱することにより、当該加熱時にSiC基板が昇華してダメージを受けることがないよう制御していると考えられる。しかし昇華法においては、AlN層を形成する際の加熱中に、処理装置の内部が昇華されたAlNのガスで充満する。このため当該処理装置内のガスの圧力のうちSiCの分圧が低下する。このためSiC基板がAlN原料よりも低い温度を保つように制御されていたとしても、AlN層を形成する際の加熱中に、SiC基板の一部が容易に昇華を起こす。このため、SiC基板の一部が昇華により貫通孔を形成するなど欠落を発生することがある。結果として、SiC基板の主表面上にAlN層を成長させることが困難となり、AlN層の品質を劣化させることになる。
In
上記の旨は、非特許文献1においても記載されている。具体的には、SiC基板が分解することにより、SiC基板とその主表面上に形成されるAlN層との格子不整合が起こるため、SiC基板上に形成されるAlN層の品質を向上することは困難であることが開示されている。
The above is also described in
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、SiC基板の昇華による品質低下を抑制することが可能なAlN単結晶の製造方法、および当該製造方法を用いて形成したAlN単結晶基板を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an AlN single crystal manufacturing method capable of suppressing deterioration in quality due to sublimation of an SiC substrate, and AlN formed using the manufacturing method. It is to provide a single crystal substrate.
本発明の一実施例に係るAlN単結晶の製造方法は、SiC基板を準備する工程と、SiCの粉末とAlNの粉末とを混合した(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する工程と、上記(SiC)1−x(AlN)xの粉末を用いて上記SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を形成する工程とを備える。 An AlN single crystal manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing a SiC substrate, and preparing a powder of (SiC) 1-x (AlN) x obtained by mixing SiC powder and AlN powder. And a step of forming an AlN single crystal on one main surface of the SiC substrate using the (SiC) 1-x (AlN) x powder.
AlN単結晶を製造するためのAlNの原料粉末に、SiC基板を構成するSiCの原料粉末を添加して混合した(SiC)1−x(AlN)xの粉末(0≦x≦1)を用いて、SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶(AlN層)を形成する。なお、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。 (SiC) 1-x (AlN) x powder (0 ≦ x ≦ 1) prepared by adding and mixing SiC raw material powder constituting the SiC substrate to AlN raw material powder for producing an AlN single crystal Then, an AlN single crystal (AlN layer) is formed on one main surface of the SiC substrate. Here, the main surface means a main surface having the largest area among the surfaces.
このようにすれば、たとえ加熱によりSiC基板の一部の領域が昇華されて貫通孔が形成されるなど欠落(劣化)したとしても、原料粉末中に含まれるSiCが昇華したものが、SiC基板の昇華されて欠落した領域を補填するように新たにSiC層として形成される。これは原料のAlN粉末が昇華法により昇華されてSiC基板の一方の主表面上にAlN層として形成されるのと同様の原理に基づく。 In this way, even if a partial region of the SiC substrate is sublimated by heating to form a through-hole and is missing (deteriorated), the SiC substrate sublimated with SiC contained in the raw material powder A new SiC layer is formed so as to fill up the missing region after sublimation. This is based on the same principle as when the raw material AlN powder is sublimated by the sublimation method and formed as an AlN layer on one main surface of the SiC substrate.
以上により、SiCの基板を劣化させることなく、AlN層を形成することができる。すなわち、均一な厚みや組成を有する高品質のAlN層を形成することができる。 As described above, the AlN layer can be formed without degrading the SiC substrate. That is, a high quality AlN layer having a uniform thickness and composition can be formed.
なお、上述したように原料粉末が(SiC)1−x(AlN)xの組成式で表わされる。このため、本発明に係るAlN単結晶の製造方法において形成されるAlN単結晶(AlN層)は、SiCを含んでいてもよい。すなわち、当該AlN単結晶は、AlNのみからなるものであってもよいし、AlNにSiCを含む構成であってもよい。 As described above, the raw material powder is represented by the composition formula of (SiC) 1-x (AlN) x . For this reason, the AlN single crystal (AlN layer) formed in the method for producing an AlN single crystal according to the present invention may contain SiC. That is, the AlN single crystal may be composed only of AlN, or may include SiC in AlN.
上述したAlN単結晶の製造方法においては、(SiC)1−x(AlN)xの粉末において、0.70≦x<0.90であることが好ましい。すなわち原料粉末の組成比が(SiC):(AlN)=1−x:xであり、0.70≦x<0.90となるように粉末を準備することが好ましい。 In the AlN single crystal manufacturing method described above, it is preferable that 0.70 ≦ x <0.90 in the (SiC) 1-x (AlN) x powder. That is, it is preferable to prepare the powder so that the composition ratio of the raw material powder is (SiC) :( AlN) = 1−x: x, and 0.70 ≦ x <0.90.
原料粉末におけるSiCとAlNとの組成比を上記の範囲にすれば、昇華法を用いてSiC基板の一方の主表面上にAlN層を形成する際に、SiC基板が劣化して均一なAlN層の成長が阻害されることを抑制することができる。 If the composition ratio of SiC and AlN in the raw material powder is within the above range, when the AlN layer is formed on one main surface of the SiC substrate using the sublimation method, the SiC substrate deteriorates and becomes a uniform AlN layer. It is possible to suppress the inhibition of growth.
上述したAlN単結晶の製造方法においては、AlN単結晶を形成する工程において、前記(SiC)1−x(AlN)xの粉末のxの値を漸次増加させることが好ましい。 In the AlN single crystal manufacturing method described above, it is preferable that the value of x of the (SiC) 1-x (AlN) x powder is gradually increased in the step of forming the AlN single crystal.
AlN単結晶(AlN層)を形成する際には上述したように(SiC)1−x(AlN)xの原料粉末を用いることが好ましい。しかしここで、(SiC)1−x(AlN)xのxの値を、AlN層を形成する工程を行なう過程において漸次増加するように時間変化させることが好ましい。すなわち、AlN層を形成する工程の初期においてはxの値を比較的小さくし、AlN層が成長する処理が進むにつれxの値を大きくする。このようにすればAlN層が成長する初期の段階においては、SiC基板が欠落(劣化)することによる均一なAlN層の成長の阻害をより確実に抑制することができる。また、ある程度AlN層が形成され後半に進むにつれ原料粉末中のAlNの割合を増加させることにより、形成されるAlN層におけるAlNの組成の割合が大きくなるように制御することができる。また、最終的に形成するAlN単結晶基板にはSiC基板は不要である場合、処理の終盤において原料の粉末中のSiCの割合を少なくすれば、SiC基板を昇華させ消滅することができる。このため改めてSiC基板を除去する工程を省略することができる。このようにして、高品質なAlN単結晶(AlN単結晶基板)を形成することができる。 When forming the AlN single crystal (AlN layer), it is preferable to use the raw material powder of (SiC) 1-x (AlN) x as described above. However, it is preferable to change the value of x of (SiC) 1-x (AlN) x with time so as to gradually increase in the process of forming the AlN layer. That is, in the initial stage of forming the AlN layer, the value of x is relatively small, and the value of x is increased as the process of growing the AlN layer proceeds. In this way, in the initial stage of growth of the AlN layer, it is possible to more reliably suppress the inhibition of uniform AlN layer growth due to the loss (degradation) of the SiC substrate. Further, by increasing the AlN ratio in the raw material powder as the AlN layer is formed to some extent and proceeding to the latter half, it is possible to control the AlN composition ratio in the formed AlN layer to be increased. Further, when the SiC substrate is unnecessary for the AlN single crystal substrate to be finally formed, the SiC substrate can be sublimated and disappeared by reducing the proportion of SiC in the raw material powder at the end of the process. For this reason, the process of removing a SiC substrate anew can be skipped. In this way, a high quality AlN single crystal (AlN single crystal substrate) can be formed.
本発明の他の実施例に係るAlN単結晶の製造方法は、SiC基板を準備する工程と、Siの粉末とCの粉末とAlNの粉末とを混合したSi1−x−yCy(AlN)xの粉末を準備する工程と、上記Si1−x−yCy(AlN)xの粉末を用いて上記SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を形成する工程とを備える。 An AlN single crystal manufacturing method according to another embodiment of the present invention includes a step of preparing a SiC substrate, and Si 1-xy Cy (AlN) obtained by mixing Si powder, C powder, and AlN powder. ) A step of preparing a powder of x , and a step of forming an AlN single crystal on one main surface of the SiC substrate using the powder of the Si 1-xy Cy (AlN) x .
AlN単結晶を形成する際に、SiC基板が昇華され劣化することを抑制するためにAlNの原料粉末に混合する粉末は、SiCの粉末であってもよいが、Siの粉末とCの粉末とが混合された粉末であってもよい。そして上記の組成式が示すように、Siの粉末とCの粉末との組成比が異なっていてもよい。この場合においても、たとえ加熱によりSiC基板の一部の領域が昇華されて貫通孔が形成されるなど欠落(劣化)したとしても、原料粉末中に含まれるSiやCが昇華したものが、SiC基板の昇華されて欠落した領域を補填するように新たにSiC層として形成される。したがって、SiCの基板を劣化させることなく、AlN単結晶(AlN層)を形成することができる。すなわち、均一な厚みや組成を有する高品質のAlN層を形成することができる。 When forming the AlN single crystal, the powder mixed with the AlN raw material powder in order to suppress the sublimation and deterioration of the SiC substrate may be SiC powder, but Si powder and C powder May be a mixed powder. And as said composition formula shows, the composition ratio of the powder of Si and the powder of C may differ. Even in this case, even if a partial region of the SiC substrate is sublimated by heating to form a through-hole and is missing (deteriorated), the Si or C contained in the raw material powder is sublimated. A new SiC layer is formed so as to compensate for the sublimated and missing region of the substrate. Therefore, an AlN single crystal (AlN layer) can be formed without degrading the SiC substrate. That is, a high quality AlN layer having a uniform thickness and composition can be formed.
なお、上述したように原料粉末がSi1−x−yCy(AlN)xの組成式で表わされる。このため、本発明に係るAlN単結晶の製造方法において形成されるAlN単結晶(AlN層)は、SiCを含んでいてもよい。すなわち、当該AlN単結晶は、AlNのみからなるものであってもよいし、AlNにSiCを含む構成であってもよい。 As described above, the raw material powder is represented by the composition formula of Si 1-xy Cy (AlN) x . For this reason, the AlN single crystal (AlN layer) formed in the method for producing an AlN single crystal according to the present invention may contain SiC. That is, the AlN single crystal may be composed only of AlN, or may include SiC in AlN.
上述したAlN単結晶の製造方法においては、Si1−x−yCy(AlN)xの粉末において、0.70≦x<0.90、0.05<yであることが好ましい。すなわち原料粉末の組成比がSi:C:AlN=(1−x−y):y:xであり、0.70≦x<0.90、0.05<yとなるように原料粉末を準備することが好ましい。 In the production method of the above-mentioned AlN single crystal in a powder of Si 1-x-y C y (AlN) x, it is preferable that 0.70 ≦ x <0.90,0.05 <y. That is, the raw material powder is prepared so that the composition ratio of the raw material powder is Si: C: AlN = (1-xy): y: x, and 0.70 ≦ x <0.90 and 0.05 <y. It is preferable to do.
原料粉末におけるSiとCとAlNとの組成比を上記の範囲にすれば、昇華法を用いてSiC基板の一方の主表面上にAlN層を形成する際に、SiC基板が劣化して均一なAlN層の成長が阻害されることを抑制することができる。 If the composition ratio of Si, C, and AlN in the raw material powder is within the above range, when the AlN layer is formed on one main surface of the SiC substrate using the sublimation method, the SiC substrate deteriorates and becomes uniform. The inhibition of the growth of the AlN layer can be suppressed.
上述したAlN単結晶の製造方法においては、SiCの粉末を用いてAlN単結晶を製造する場合と同様に、AlN層を形成する工程において、Si1−x−yCy(AlN)xの粉末のxの値を漸次増加させることが好ましい。 In the AlN single crystal manufacturing method described above, Si 1-xy Cy (AlN) x powder is formed in the step of forming the AlN layer, as in the case of manufacturing an AlN single crystal using SiC powder. It is preferable to gradually increase the value of x.
以上のAlN単結晶の製造方法を用いて形成されるAlN単結晶基板は、上述したように(SiC)1−x(AlN)xの組成式で表わされる。このため、たとえばxの値が1であれば、AlNのみからなるAlN単結晶基板となるが、x<1であれば、SiCとAlNとを含むAlN単結晶基板となる。 The AlN single crystal substrate formed by using the above AlN single crystal manufacturing method is represented by the composition formula of (SiC) 1-x (AlN) x as described above. For this reason, for example, if the value of x is 1, an AlN single crystal substrate made of only AlN is obtained, but if x <1, an AlN single crystal substrate containing SiC and AlN is obtained.
上述したAlN単結晶基板は、一方の主表面から当該一方の主表面に対向する他方の主表面に向けて上記AlN単結晶基板の組成を表わす(SiC)1−x(AlN)xのxの値が減少していることが好ましい。つまり、上述したAlN単結晶基板において、一方の主表面側の領域よりも他方の主表面側の領域の方が相対的にxの値が小さいことが好ましい。逆に言えば、上述したAlN単結晶基板は一方の主表面側においてxの値が大きい、つまりAlNの割合が大きくなっていることが好ましい。当該AlN単結晶基板の一方の主表面側のようにxの値が大きい、つまりAlNの割合が大きい領域は、AlNの基板としての機能をより高性能に発揮することができる。なお、このAlN単結晶基板の一方の主表面におけるxの値は0.90以上1以下であることが好ましい。このようにすれば、当該AlN単結晶基板は、AlNの基板としての機能をより高性能に発揮することができる。 The above-described AlN single crystal substrate represents the composition of the AlN single crystal substrate from one main surface toward the other main surface opposite to the one main surface (SiC) 1-x (AlN) x x Preferably the value is decreasing. That is, in the AlN single crystal substrate described above, it is preferable that the value of x is relatively smaller in the region on the other main surface side than on the region on one main surface side. In other words, it is preferable that the above-described AlN single crystal substrate has a large value of x on one main surface side, that is, the ratio of AlN is large. A region where the value of x is large, that is, the proportion of AlN is large, such as the one main surface side of the AlN single crystal substrate, can exhibit the function as an AlN substrate with higher performance. The value of x on one main surface of the AlN single crystal substrate is preferably 0.90 or more and 1 or less. In this way, the AlN single crystal substrate can exhibit the function as an AlN substrate with higher performance.
本発明に係るAlN単結晶の製造方法によれば、高品質かつ、大口径のAlN単結晶を再現性よく安定して得ることができる。 According to the method for producing an AlN single crystal of the present invention, a high-quality and large-diameter AlN single crystal can be stably obtained with good reproducibility.
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。
(実施の形態1)
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係るAlN単結晶の製造方法は、SiC基板を準備する工程(S10)と、SiCの粉末とAlNの粉末とを混合した(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する工程(S20)と、(SiC)1−x(AlN)xの粉末を用いて上記SiC基板の一方の主表面上にAlN層を形成する工程(S30)とを備える。以下、それぞれの工程について詳細に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the AlN single crystal manufacturing method according to the first embodiment of the present invention includes a step of preparing an SiC substrate (S10), and a mixture of SiC powder and AlN powder (SiC) 1. A step of preparing a powder of -x (AlN) x (S20), and a step of forming an AlN layer on one main surface of the SiC substrate using the powder of (SiC) 1-x (AlN) x (S30) ). Hereinafter, each process will be described in detail.
SiC基板を準備する工程(S10)は、AlNなどの窒化物単結晶を成長させる下地として用いる基板を準備する工程である。図2に示すように、AlNなどの窒化物単結晶は六方晶系の結晶構造(六方晶構造10)を有する。このため窒化物単結晶を成長するための下地として用いる基板も六方晶系の結晶構造を有する材質からなる基板であることが好ましい。 The step of preparing the SiC substrate (S10) is a step of preparing a substrate used as a base for growing a nitride single crystal such as AlN. As shown in FIG. 2, a nitride single crystal such as AlN has a hexagonal crystal structure (hexagonal crystal structure 10). Therefore, the substrate used as a base for growing the nitride single crystal is also preferably a substrate made of a material having a hexagonal crystal structure.
ここで準備する基板は自立結晶基板であっても、他の基板上に形成された結晶層であってもよい。自立結晶基板は、他の基板上に形成された結晶層に比べて、結晶性がよくまた反りが少ない。このため自立結晶基板を用いれば、結晶性の良好なAlN単結晶を成長することができる。ただし一般に自立結晶基板は高価である。しかしたとえばSiC基板は比較的廉価であり、大口径の基板の入手が比較的容易である。かかる観点から、上述したように、下地基板として、SiCの自立結晶からなる下地基板を用いることが好ましい。 The substrate prepared here may be a free-standing crystal substrate or a crystal layer formed on another substrate. A free-standing crystal substrate has better crystallinity and less warpage than a crystal layer formed on another substrate. For this reason, if a self-standing crystal substrate is used, an AlN single crystal with good crystallinity can be grown. In general, however, a free-standing crystal substrate is expensive. However, for example, a SiC substrate is relatively inexpensive and it is relatively easy to obtain a large-diameter substrate. From this point of view, as described above, it is preferable to use a base substrate made of a SiC free-standing crystal as the base substrate.
次に(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する工程(S20)を実施する。ここで上述したようにSiC基板上にAlN単結晶を成長させる場合には、SiCの粉末とAlNの粉末とが混合された粉末を準備する。当該混合された粉末は化学式で表わすと(SiC)1−x(AlN)xであり、1−xおよびxはそれぞれの組成比(モル数の比)を示す。したがって一般的に0≦x≦1と表わすことができる。 Next, a step (S20) of preparing a powder of (SiC) 1-x (AlN) x is performed. Here, as described above, when an AlN single crystal is grown on a SiC substrate, a powder in which SiC powder and AlN powder are mixed is prepared. The mixed powder is represented by chemical formula (SiC) 1-x (AlN) x , and 1-x and x represent respective composition ratios (ratio of the number of moles). Therefore, it can be generally expressed as 0 ≦ x ≦ 1.
ここではAlNの単結晶基板を形成するため、AlNからなる粉末を原料として用いることが好ましい。しかしAlNのみからなる粉末を原料として昇華法によりSiC基板上にAlNを成長させようとすると、原料粉末であるAlNが昇華するとともに、SiC基板のSiCも昇華を起こし、貫通孔を発生するなどの不具合が発生することがある。そこでSiC基板上にAlN単結晶を成長するにあたり、原料にSiC基板を構成するSiCの粉末をAlNの粉末に混合させておく。このようにすれば、AlN粉末を昇温して昇華する際にSiC基板の一部が昇華を起こし劣化したとしても、原料粉末のSiCが昇華を起こす。この昇華したSiCは、AlN粉末を昇華させてAlN単結晶を形成するのと同様の原理により、昇華により欠落したSiC基板の領域を補填する。 Here, in order to form an AlN single crystal substrate, it is preferable to use AlN powder as a raw material. However, when AlN is grown on a SiC substrate by a sublimation method using a powder made of only AlN as a raw material, AlN as a raw material powder is sublimated, and SiC of the SiC substrate also sublimes and generates a through hole. Problems may occur. Therefore, when growing an AlN single crystal on a SiC substrate, SiC powder constituting the SiC substrate is mixed with AlN powder as a raw material. In this way, even if a part of the SiC substrate undergoes sublimation and deteriorates when the AlN powder is heated and sublimated, the raw material SiC causes sublimation. This sublimated SiC compensates for the region of the SiC substrate that is missing due to sublimation according to the same principle as that of sublimating AlN powder to form an AlN single crystal.
上記のようにSiC基板の欠落した領域を補充させるために、原料粉末にAlNのみならずSiCを混合することが好ましい。昇華により欠落したSiC基板の領域を十分に補充するためには、SiCの粉末はSiCとAlNとの混合粉末全体に対して10%を超えるモル数を有することが好ましい。したがって1−x>0.10であることが好ましいため、x<0.90であることが好ましい。 In order to replenish the missing region of the SiC substrate as described above, it is preferable to mix not only AlN but also SiC in the raw material powder. In order to sufficiently replenish the region of the SiC substrate that has been lost due to sublimation, the SiC powder preferably has a mole number exceeding 10% with respect to the entire mixed powder of SiC and AlN. Therefore, since 1-x> 0.10 is preferable, x <0.90 is preferable.
このようにSiCの粉末とAlNの粉末とを混合した(SiC)1−x(AlN)xの粉末を用いてAlN単結晶(AlN層)を形成する。このため形成されるAlN単結晶中にはAlNのみならずSiCが含まれることがある。しかし少量のSiC粉末が形成されるAlN単結晶中に含まれても、当該AlN単結晶基板の機能上特に問題はない。したがって当該AlN単結晶中にSiCが含まれてもよい。ただし上記混合粉末に占めるSiC粉末の割合が高くなりすぎると、形成されるAlN単結晶に含まれるSiCの割合が高くなる。すると形成しようとするAlN単結晶とは大きく性質の異なる単結晶基板が形成される可能性がある。したがって形成される単結晶基板中に含まれるAlNの組成比を大きくするためには1−x≦0.30であることが好ましいため、0.70≦xであることが好ましい。以上より、工程(S20)において準備する(SiC)1−x(AlN)xの粉末は、0.70≦x<0.90であることが好ましい。 An AlN single crystal (AlN layer) is formed using (SiC) 1-x (AlN) x powder in which SiC powder and AlN powder are thus mixed. For this reason, the formed AlN single crystal may contain SiC as well as AlN. However, even if it is contained in an AlN single crystal in which a small amount of SiC powder is formed, there is no particular problem in terms of the function of the AlN single crystal substrate. Therefore, SiC may be contained in the AlN single crystal. However, if the proportion of the SiC powder in the mixed powder becomes too high, the proportion of SiC contained in the formed AlN single crystal increases. Then, there is a possibility that a single crystal substrate having a property different from that of the AlN single crystal to be formed is formed. Therefore, in order to increase the composition ratio of AlN contained in the formed single crystal substrate, it is preferable that 1−x ≦ 0.30, and therefore 0.70 ≦ x is preferable. As mentioned above, it is preferable that the powder of (SiC) 1-x (AlN) x prepared in a process (S20) is 0.70 <= x <0.90.
このように準備した混合粉末を用いてSiC基板の一方の主表面上にAlN層を形成する工程(S30)を実施する。ここではAlN層は昇華法を用いて形成することが好ましい。ここで昇華法とは、図3を参照して、形成しようとする窒化物単結晶(AlN単結晶)であるAlN粉末などのAlN原料(混合原料粉末5)を昇華させた後、再度固化させてAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)を得る方法をいう。昇華法による結晶成長においては、たとえば、図3に示すような高周波加熱方式の縦型の昇華炉20を用いる。この縦型の昇華炉20における反応容器21の中央部には、排気口23cを有する窒化ケイ素(BN)製の坩堝23が設けられ、坩堝23の周りに坩堝23の内部から外部への通気を確保するように加熱体25が設けられている。また、反応容器21の外側中央部には、加熱体25を加熱するための高周波加熱コイル27が設けられている。さらに、反応容器21の端部には、反応容器21の坩堝23の外部にN2ガスを流すためのN2ガス導入口21aおよびN2ガス導入口21cと、坩堝23の下面および上面の温度を測定するための放射温度計29が設けられている。
A step (S30) of forming an AlN layer on one main surface of the SiC substrate using the mixed powder thus prepared is performed. Here, the AlN layer is preferably formed using a sublimation method. Here, the sublimation method refers to FIG. 3 and sublimates an AlN raw material (mixed raw material powder 5) such as an AlN powder which is a nitride single crystal (AlN single crystal) to be formed, and then solidifies again. A method of obtaining an AlN single crystal (nitride single crystal film 1). In crystal growth by the sublimation method, for example, a high-frequency heating type
図3を参照して、上記縦型の昇華炉20を用いて、たとえば、以下のようにして本実施形態で用いられる窒化物単結晶膜1を形成することができる。形成しようとする窒化物単結晶膜1がAlN単結晶であり、下地基板9がSiC基板である場合、坩堝23の下部に上述したSiCの粉末とAlNの粉末とが混合した(SiC)1−x(AlN)xなどの混合原料粉末5を収納し、反応容器21内にN2ガスを流しながら、高周波加熱コイル27を用いて加熱体25を加熱する。このようにして坩堝23内の温度を上昇させて、坩堝23の側の温度を、それ以外の部分の温度よりも高く保持することによって、AlNを昇華させる。このようにすれば、坩堝23の上部でAlNが冷却することにより再度固化するため、AlN単結晶を窒化物単結晶膜1として形成することができる。ここで、坩堝23の上部にAlN単結晶を形成するための下地基板9(たとえば、SiC基板)を配置することにより、この下地基板9上にAlN単結晶を形成することができる。なお図3においては、坩堝23を下側に配置し、その上部に下地基板9を配置したフェイスダウン構造としている。しかし逆に坩堝23を上側に配置し、その下部に下地基板9を配置したフェイスアップ構造としてもよい。
Referring to FIG. 3, nitride
ここで、AlN単結晶の成長中は、坩堝23の混合原料粉末5側(AlN原料側)の温度は1800℃〜2200℃程度とし、坩堝23の上部の下地基板9の温度をAlN原料側の温度より1℃〜100℃程度低くする。このようにすれば、形成しようとする窒化物単結晶膜1と異種の下地基板9であるSiC基板上の成長であっても、他の成長方法では得られない結晶性のよいAlN単結晶が得られる。また、結晶成長中も反応容器21内の坩堝23の外側にN2ガスを、ガス分圧が101.3hPa〜1013hPa程度になるように流し続けることにより、AlN単結晶への不純物の混入を低減することができる。
Here, during the growth of the AlN single crystal, the temperature on the mixed
なお、たとえ上述したように坩堝23の上部の下地基板9の温度をAlN原料側の温度より1℃〜100℃程度低く設定したとしても、AlN原料を昇華させる過程でSiCからなる下地基板9も昇華する。その結果、下地基板9の一部の領域に貫通孔などの欠落が発生する。しかしここで、混合原料粉末5にはAlN原料のみならずSiC原料(SiC粉末)を含ませている。このため混合原料粉末5のSiC粉末が昇華し、坩堝23の上部(下地基板9の欠落が発生した領域の近傍)でSiCが冷却することにより再度固化する。このため下地基板9の欠落した箇所は、混合原料粉末5のSiC原料が昇華したものが冷却固化したもので補填修復される。このように、混合原料粉末5に含ませたSiC原料により、下地基板9を常に貫通孔などの欠落のない状態に保つことができる。その結果上記の方法により、均一な厚みや組成を有する高品質のAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)を形成することができる。仮に下地基板9のAlN単結晶が成長する主表面上の一部の領域において貫通孔などの欠落が存在すれば、当該欠落した領域の上にはAlN単結晶を成長することが困難である。つまりこの場合、下地基板9の主表面のほぼ全面に対して均一に高品質のAlN単結晶を形成することが困難となる。したがって均一な厚みや組成を有する高品質のAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)を形成するためには、下地基板9を常に貫通孔などの欠落のない状態に保つことが好ましい。
Even if the temperature of the
ここで、工程(S20)において準備する(SiC)1−x(AlN)xの粉末のxの値を、たとえば0.70≦x<0.90の範囲で比較的大きい値となるよう調整する場合を考える。このとき、工程(S30)において混合原料粉末5のSiC原料により下地基板9の劣化を抑制しながら下地基板9上にAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)が形成される。しかしこの場合、形成されるAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)の内部にはSiCが昇華して再度固化することにより形成されるSiCの結晶が含まれることになる。したがって、上記の方法により形成される窒化物単結晶膜1は、結晶の組成が(SiC)1−x(AlN)xとなる。
Here, the value of x of the powder of (SiC) 1-x (AlN) x prepared in the step (S20) is adjusted to be a relatively large value within a range of 0.70 ≦ x <0.90, for example. Think about the case. At this time, an AlN single crystal (nitride single crystal film 1) is formed on the
ただし上記の化学式より、当該窒化物単結晶膜1中の結晶においてはSiとCとのモル数は等しく、AlとNとのモル数も等しいといえる。この場合、特にxの値が大きく窒化物単結晶膜1の組成がAlNの単体に近い状態であれば、当該窒化物単結晶膜1の結晶中のSiが配置されるべき箇所にAlが、Cが配置されるべき箇所にNが置換して配列される現象が起こる。したがって、当該窒化物単結晶膜1中の結晶の組成を純粋なAlNに極めて近い状態とすることができる。つまり、純粋なAlNに極めて近い組成を有する高品質なAlN単結晶基板を形成することができる。
However, from the above chemical formula, it can be said that the number of moles of Si and C and the number of moles of Al and N are equal in the crystal in the nitride
なお所望の、たとえばAlN単結晶としての熱伝導性に優れた基板を形成したい場合には、形成されるAlN単結晶基板の組成式である(SiC)1−x(AlN)xにおいて、xが0.90以上1以下であることが好ましい。 If it is desired to form a desired substrate having excellent thermal conductivity as an AlN single crystal, for example, in (SiC) 1-x (AlN) x which is the composition formula of the formed AlN single crystal substrate, x is It is preferably 0.90 or more and 1 or less.
なお、坩堝23内部の昇温中は、坩堝23のAlN原料側の温度よりもそれ以外の部分の温度を高くすることが好ましい。このようにすれば、坩堝23内部の不純物を排気口23cを通じて除去することができ、AlN単結晶への不純物の混入を低減することができる。
During the temperature increase inside the
上記昇華法によって、転位密度が1×106cm-2以下である結晶性のよいAlN単結晶が得られる。なお、昇華法の条件を最適化することによって、AlN単結晶の転位密度を1×103cm-2〜1×105cm-2程度まで低減することが可能である。 By the sublimation method, an AlN single crystal with good crystallinity having a dislocation density of 1 × 10 6 cm −2 or less is obtained. Note that by optimizing the conditions of the sublimation method, the dislocation density of the AlN single crystal can be reduced to about 1 × 10 3 cm −2 to 1 × 10 5 cm −2 .
上記のように、昇華法によれば、下地基板9の有無にかかわらず、結晶性のよいAlN単結晶が得られる。大口径のAlN単結晶が得られる観点から、下地基板上にAlN単結晶を成長させることが好ましい。
As described above, according to the sublimation method, an AlN single crystal with good crystallinity can be obtained regardless of the presence or absence of the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係るAlN単結晶の製造方法は、上述した実施の形態1に係る製造方法と大筋で同様の構成や条件などを有している。しかし実施の形態2においては、AlN層を形成する工程(S30)において、混合原料粉末5の組成(SiC)1−x(AlN)xを時間変化させる。具体的には、工程(S30)の処理が進むにつれてxの値が大きくなるように変化させる。
(Embodiment 2)
The AlN single crystal manufacturing method according to the second embodiment of the present invention has the same configuration and conditions as the manufacturing method according to the first embodiment described above. However, in the second embodiment, in the step of forming the AlN layer (S30), the composition (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
工程(S30)において、処理の初期(AlN単結晶が形成され始める頃)においては、特に下地基板9の昇華による劣化を抑制することが好ましい。下地基板9が貫通孔などにより劣化していれば、たとえば下地基板9の一方の主表面上の孔が形成された領域の上にAlN単結晶を成長することは困難である。このため、処理の初期の段階で下地基板9に欠落した領域が存在すれば、均一で高品質なAlN単結晶を形成することが困難となる。その結果、形成されるAlN単結晶が全体を通じて不均一となったり、一部に欠落した領域を伴うものとなったり、品質が低下する可能性がある。
In the step (S30), in the initial stage of the treatment (when the AlN single crystal starts to be formed), it is particularly preferable to suppress the deterioration of the
このため、工程(S30)の処理の初期の段階においては、混合原料粉末5の組成(SiC)1−x(AlN)xはxの値が比較的小さいことが好ましい。すなわちSiCの割合が比較的大きいことが好ましい。このようにすれば、処理の初期における下地基板9の劣化をより確実に抑制することができる。
For this reason, in the initial stage of the process (S30), it is preferable that the composition (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
また、特に混合原料粉末5の(SiC)1−x(AlN)xにおけるxの値を大きくすれば、特に工程(S30)の処理が進行するにつれて混合原料粉末5中のSiC原料が消費され、SiC原料が無くなれば以後、下地基板9(SiC)の昇華が進み、下地基板9に欠陥が発生することになる。しかし所望のAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)が完全に形成されれば、下地基板9が昇華により消滅しても問題はない。むしろ下地基板9上に完全にAlN単結晶が形成された段階においては、下地基板9は完全に消滅していることがより好ましい。仮に下地基板9が部分的あるいは全体的に残留していれば、AlN単結晶からなる窒化物単結晶膜1の部分のみを取り出す処理を別途行なう必要が生じる場合があるためである。
In particular, if the value of x in (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
以上より、工程(S30)の処理の後期においては、特に混合原料粉末5の組成(SiC)1−x(AlN)xはxの値が比較的大きいことが好ましい。すなわちAlNの割合が比較的大きいことが好ましい。このようにすれば、処理の後期において下地基板9を昇華により消滅させることができる。
From the above, it is preferable that the composition (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
また上記のようにすれば、工程(S30)の処理の後期において形成される窒化物単結晶膜1中のAlNの割合を大きくすることができる。したがって上述したようにたとえば窒化物単結晶膜1中のSiが配置されるべき箇所にAlが、Cが配置されるべき箇所にNが置換して配列される現象を促進することができる。このため最終的に形成される窒化物単結晶膜1(AlN単結晶基板)をより確実に純粋なAlNに近い組成を有するものとすることができる。上述したように、少量のSiC粉末が形成されるAlN単結晶中に含まれても、当該AlN単結晶基板の機能上特に問題はない。しかし最終的に形成されるAlN単結晶基板は純粋なAlNに近い組成を有するものであることがより好ましい。このため、AlN層を形成する工程において、(SiC)1−x(AlN)xの粉末のxの値を漸次増加させることがより好ましい。
Further, as described above, the ratio of AlN in nitride
以上のように、工程(S30)の処理の初期においては混合原料粉末5の組成(SiC)1−x(AlN)xはxの値が比較的小さいことが好ましく、当該処理の後期においては上記xの値が比較的大きいことが好ましい。このため実施の形態2においては、工程(S30)の過程で混合原料粉末の上記組成式中のxの値を変化させる。
As described above, it is preferable that the composition (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
このためには、たとえば図4に示すように、坩堝23の内部に配置された混合原料粉末5を、領域ごとに異なる組成となるように配置することが好ましい。具体的には、坩堝23の内部壁面(底面)から遠く、下地基板9に近い上側混合粉末5aは、坩堝23の内部壁面に近い下側混合粉末5bよりもxの値が大きくなるように配置することが好ましい。なお、図4に示す混合原料粉末5の下端部から上端部に向かって上記xの値が0から1へ単調増加するように配置することがより好ましい。
For this purpose, for example, as shown in FIG. 4, it is preferable to arrange the mixed
工程(S30)において混合原料粉末5は、坩堝23の壁面に近い下部(下側混合粉末5b側)の方が上部(上側混合粉末5a側)よりも早く加熱されるため、早く昇華する。したがって下側混合粉末5bは工程(S30)の初期にAlN単結晶を形成させたりSiC基板を修復するために用いられる。すなわち上側混合粉末5aは工程(S30)の後期にAlN単結晶を形成させたりSiC基板を修復するために用いられる。
In the step (S30), the mixed
このため、上述したように下側混合粉末5bは上側混合粉末5aよりもxの値を小さくし、SiCの比率を比較的大きくすることが好ましいといえる。このようにすれば、さらに確実に下地基板9の劣化による形成されるAlN単結晶の品質低下を抑制し、高品質で大口径なAlN単結晶(AlN単結晶基板)を再現性よく安定して形成することができる。また、たとえばSiCの下地基板9を除去したい場合においても、AlN単結晶基板の形成が完了する時点でSiCの下地基板9が完全に消滅するように制御することにより、下地基板9を除去するなどの後工程を省略することができる。
For this reason, as mentioned above, it can be said that the lower
なお、上述したようにAlN単結晶基板の形成が完了する時点にちょうど下地基板9が完全に消滅するように混合原料粉末5の組成の比を制御してもよい。
As described above, the composition ratio of the mixed
また、上述したように混合原料粉末5中に組成変化をもたせる代わりに、たとえば(SiC)1−x(AlN)xの組成比が異なるものとなるように複数種類の混合原料粉末5を用意する方法を用いてもよい。具体的には、たとえば工程(S20)において、(SiC)1−x(AlN)xのxが0、0.25、0.5、0.75、1である合計5種類の混合原料粉末5を用意する。そして工程(S30)を行なうにあたり、最初にxが0である混合原料粉末5を用いて処理を行ない、次にxが0.25である混合原料粉末5を用いて処理を行なう。以下xが大きくなる順に昇華炉20の坩堝23内に投入して処理を行なう。
Also, as described above, instead of changing the composition in the mixed
このようにすれば、上記の上側混合粉末5aや下側混合粉末5bの領域を設けて処理を行なう場合と同様の効果を得ることができる。ただし複数種類の混合原料粉末5を用意する方法を用いれば、xの値を連続的に変化させることが困難になる。また、xの値が異なる混合原料粉末5に変更する都度、坩堝23の内部を真空解除し、原料の交換を行なう作業を行なう必要が生じる。
If it does in this way, the effect similar to the case where it processes by providing the area | region of said upper mixed powder 5a and lower
以上に述べた製造方法により形成される、図4の窒化物単結晶膜1としてのAlN単結晶基板を図5に示す。ここで、図5における上側の主表面1aは、図4における窒化物単結晶膜1の上側(下地基板9に近い側)の主表面であると仮定し、図5における下側の主表面1bは、図4における窒化物単結晶膜1の下側(下地基板9から遠い側)の主表面であると仮定する。つまり、主表面1a側は工程(S30)の処理の初期において形成される窒化物単結晶膜1であり、主表面1b側は工程(S30)の処理の後期において形成される窒化物単結晶膜1である。当該AlN単結晶基板は、一方の主表面(主表面1b)から他方の主表面(主表面1a)に向けてAlN単結晶基板の組成を表わす(SiC)1−x(AlN)xのxの値が減少していることが好ましい。つまり当該AlN単結晶基板中のAlNの濃度が主表面1a、1bに交差する方向に関して傾斜していることが好ましい。特に工程(S30)の処理の後期において形成される、AlNの濃度が高い主表面1bにおいてはxが0.90以上1以下であることが好ましい。
FIG. 5 shows an AlN single crystal substrate as the nitride
なお、当該AlN単結晶基板中のAlNの濃度は、主表面1bから主表面1aに向かう方向に単調減少することがより好ましい。しかし、当該AlN単結晶基板中の一部の領域において、たとえば主表面1bから主表面1aに向かう方向にAlNの濃度が増加する領域が存在してもよい。
It is more preferable that the concentration of AlN in the AlN single crystal substrate monotonously decreases in the direction from
本発明の実施の形態2は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態1と異なる。すなわち、本発明の実施の形態2について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態1に順ずる。 The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment of the present invention only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the second embodiment of the present invention are all in accordance with the first embodiment of the present invention.
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係るAlN単結晶の製造方法は、上述した実施の形態1または2に係る製造方法と大筋で同様の構成や条件などを有している。しかしたとえば下地基板9を構成する材質は必ずしもSiCである必要はなく、たとえばZnOを用いてもよい。また形成する窒化物単結晶膜1も、必ずしもAlNである必要はなく、たとえばGaNであってもよい。これらの材質を用いた場合においても、上述した実施の形態1または2に係る製造方法と同様の方法を用いて高品質な窒化物単結晶基板(GaN単結晶基板)を形成することができる。
(Embodiment 3)
The method for producing an AlN single crystal according to the third embodiment of the present invention has substantially the same configuration and conditions as the production method according to the first or second embodiment described above. However, for example, the material constituting the
GaNやZnOは、AlNやSiCと同様に、図2に示す六方晶系の結晶を有する材料である。またZnOはSiCに近い温度で昇華する性質を有し、GaNはAlNに近い温度で昇華する性質を有する。このため実施の形態1または2における下地基板9のSiCをZnOに、窒化物単結晶膜1のAlNをGaNに置き換えても、上述した本発明の実施の形態1または2と実質的に同一となる。
GaN and ZnO are materials having the hexagonal crystal shown in FIG. 2, like AlN and SiC. ZnO has a property of sublimating at a temperature close to SiC, and GaN has a property of sublimating at a temperature close to AlN. For this reason, even if SiC of
本発明の実施の形態3は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態1または2と異なる。すなわち、本発明の実施の形態3について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態1または2に順ずる。 The third embodiment of the present invention is different from the first or second embodiment of the present invention only in the points described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the third embodiment of the present invention are all in accordance with the first or second embodiment of the present invention.
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係るAlN単結晶の製造方法は、上述した実施の形態1または2に係る製造方法と大筋で同様の構成や条件などを有している。しかし本実施の形態においては図6のフローチャートに示す手順に従う。具体的には、図1に示す工程(S20)において、(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する代わりに、Si1−x−yCy(AlN)xの粉末を準備する。つまり図3の混合原料粉末5として、Siの粉末とCの粉末と、AlNの粉末とを混合したSi1−x−yCy(AlN)xの粉末を用いてAlN単結晶を成長させる。1−x−y、yおよびxはそれぞれの組成比(モル数の比)を示す。したがって一般的に0≦x≦1、0≦y≦1と表わすことができる。
(Embodiment 4)
The AlN single crystal manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention has the same configuration and conditions as the manufacturing method according to the first or second embodiment described above. However, in this embodiment, the procedure shown in the flowchart of FIG. 6 is followed. Specifically, in the step (S20) shown in FIG. 1, instead of preparing a powder of (SiC) 1-x (AlN) x, a powder of Si 1-xy Cy (AlN) x is prepared. . That is, as the mixed
実施の形態1および2と同様に、SiC基板の欠落した領域を補充させるために、原料粉末にAlNのみならずSiとCとを混合することが好ましい。原料粉末としてSiの粉末とCの粉末とを用いた場合においても、原料粉末としてSiCの粉末を用いた場合と同様の効果を奏する。 Similar to the first and second embodiments, it is preferable to mix not only AlN but also Si and C in the raw material powder in order to replenish the missing region of the SiC substrate. Even when Si powder and C powder are used as the raw material powder, the same effects as when the SiC powder is used as the raw material powder are obtained.
混合原料粉末5の組成式Si1−x−yCy(AlN)xが示すように、Siの粉末とCの粉末との組成比が異なっていてもよい。ただし混合原料粉末5全体に対するAlNの組成比は、実施の形態1および2の混合原料粉末5と同様に0.70≦x<0.90であることが好ましい。
As the composition formula Si 1-xy C y (AlN) x of the mixed
またCの粉末の割合を示すyの割合が非常に小さい場合には、SiC基板の欠落した領域をSiCで補充させることが困難になる。このため0.05<yであることが好ましい。このことと、0.70≦x<0.90でありかつSiの組成比である1−x−yについても0.05<(1−x−y)であることが好ましいこととから、0.05<y<0.25であることが好ましい。 In addition, when the ratio of y indicating the ratio of the C powder is very small, it is difficult to supplement the missing region of the SiC substrate with SiC. For this reason, it is preferable that 0.05 <y. From this and 0.70 ≦ x <0.90, and 1-xy, which is the Si composition ratio, is preferably 0.05 <(1-xy). .05 <y <0.25 is preferred.
以上の混合原料粉末5を用いて、実施の形態1および2と同様に、SiC基板の一方の主表面上にAlN層を形成する工程(S30)を実施する。このとき形成されるAlN単結晶(窒化物単結晶膜1)の内部にはSiCが昇華して再度固化することにより形成されるSiCの結晶が含まれることになる。したがって、上記の方法により形成される窒化物単結晶膜1は、結晶の組成が(SiC)1−x(AlN)xとなる。
Using the mixed
なお本実施の形態においても、実施の形態2と同様に、AlN層を形成する工程(S30)において、混合原料粉末5の組成(SiC)1−x(AlN)xを時間変化させてもよい。具体的には、工程(S30)の処理の初期の段階においては、混合原料粉末5の組成Si1−x−yCy(AlN)xはxの値が比較的小さいことが好ましい。すなわちSi1−x−yやCyの割合が比較的大きいことが好ましい。このようにすれば、処理の初期における下地基板9の劣化をより確実に抑制することができる。また工程(S30)の処理の後期においては、特に混合原料粉末5の組成Si1−x−yCy(AlN)xはxの値が比較的大きいことが好ましい。すなわちAlNの割合が比較的大きいことが好ましい。このようにすれば、処理の後期において下地基板9を昇華により消滅させることができる。
In the present embodiment, as in the second embodiment, the composition (SiC) 1-x (AlN) x of the mixed
また本実施の形態においても、実施の形態3と同様に、たとえば下地基板9を構成する材質は必ずしもSiCである必要はなく、たとえばZnOを用いてもよい。また形成する窒化物単結晶膜1も、必ずしもAlNである必要はなく、たとえばGaNであってもよい。
Also in the present embodiment, as in the third embodiment, for example, the material constituting the
本発明の実施の形態4は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態1と異なる。すなわち、本発明の実施の形態4について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態1に順ずる。 The fourth embodiment of the present invention is different from the first embodiment of the present invention only in each point described above. That is, in the fourth embodiment of the present invention, all the configurations, conditions, procedures, effects, and the like not described above are in accordance with the first embodiment of the present invention.
上述した本発明の実施の形態1に従い、窒化物単結晶膜1(AlN単結晶)を成長する実験を行なった。まず図1のフローチャートが示すSiC基板を準備する工程(S10)において、六方晶構造10(図2参照)を有する4H−SiC基板を合計5枚準備した。これらの4H−SiC基板は図3の下地基板9として用いるものであり、その主表面は直径2インチとした。
In accordance with
次に図1の(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する工程(S20)において、xの値が異なる5種類の、図3に示す混合原料粉末5を準備した。具体的には組成式(SiC)1−x(AlN)xのx=1である「AlN」、x=0.95である「(SiC)0.05(AlN)0.95」、x=0.90である「(SiC)0.10(AlN)0.90」、x=0.85である「(SiC)0.15(AlN)0.85」、x=0.70である「(SiC)0.30(AlN)0.70」の、組成が異なる5種類の混合原料粉末5である。上記の各混合原料粉末5には、粉末を混合した後に焼結処理を施した。
Next, in the step of preparing (SiC) 1-x (AlN) x powder in FIG. 1 (S20), five types of mixed
続いてAlN層を形成する工程(S30)において、図3に示す昇華炉20を用いて、坩堝23の内部の上側には工程(S10)で準備した下地基板9(主表面が直径2インチの円形である4H−SiC基板)をセットした。また、上記下地基板9の一方の主表面に対向する、坩堝23の内部の下側には工程(S20)で準備した5種類の混合原料粉末5のうちいずれか1種類をセットした。そしてN2ガス導入口21aおよびN2ガス導入口21cを用いて、反応容器21の坩堝23の外部にN2ガスを流し、坩堝23の外部におけるガス分圧を調整した。
Subsequently, in the step of forming the AlN layer (S30), using the
この状態で坩堝23の内部の混合原料粉末5側の温度を2300℃に加熱し、坩堝23の内部の下地基板9側の温度を2200℃に加熱した。このようにして混合原料粉末5を昇華させ、昇華法により下地基板9の一方(図3における下側)の主表面上に組成式が(SiC)1−x(AlN)xである窒化物単結晶膜1(AlN単結晶基板)を形成した。上述したように、下地基板9を合計5枚準備しているため、各種類の混合原料粉末5ごとに1枚ずつのAlN単結晶基板を形成した。このいずれの単結晶基板を形成する際にも、用いる混合原料粉末5の質量がほぼ等しくなるように調整した。また、形成される窒化物単結晶膜1の、図3における上下方向の厚みが約5mmとなるように加熱時間(上記温度をキープした時間)を制御した。そして約5mmの窒化物単結晶膜1が形成された時点で、加熱を終了して形成されたAlN単結晶基板を引き上げた。
In this state, the temperature on the mixed
以上の手順により、各組成のAlN単結晶基板を1枚ずつ形成し、それぞれにおける下地基板9が昇華して劣化(消滅)した面積の割合を測定した。具体的には、下地基板9の主表面の面積のうち、厚み方向において少しでも昇華により欠落した領域を有する面積の割合を、光学顕微鏡で観察することにより評価した。それぞれのAlN単結晶基板を形成した混合原料粉末5の組成に対する、形成したAlN単結晶基板の下地基板9の劣化面積の割合(%)を以下の表1に示す。
According to the above procedure, one AlN single crystal substrate of each composition was formed, and the ratio of the area where the
表1中において、「混合原料粉末5」は、各AlN単結晶基板を形成するために用いた混合原料粉末5の種類(組成式)を示している。また「SiC基板劣化面積(%)」は、上述したようにAlN単結晶基板を形成した後において、下地基板9が厚み方向において少しでも昇華により欠落した領域を有する面積の割合を示している。
In Table 1, “mixed
表1より、混合原料粉末5がAlN、すなわちSiCを含まない粉末を原料として用いた場合、AlN単結晶が5mm形成された時点で、SiCからなる下地基板9は100%、つまり完全に消滅した。しかし混合原料粉末5中に含まれるSiCの割合を増加させるにつれてSiC基板(下地基板9)が劣化する面積の割合が減少している。そして(SiC)1−x(AlN)xにおけるx=0.85またはx=0.70である混合原料粉末5を用いて形成したAlN単結晶基板については、AlN単結晶が5mm形成された時点においてもSiCからなる下地基板9が全く劣化しなかった。これは、下地基板9のSiCが昇華により一部の領域において欠落しても、混合原料粉末5中のSiCが昇華したものが、上記下地基板9の欠落した領域に供給されて冷却固化することにより補填されたためと考えられる。したがって、下地のSiCが主表面に沿った方向のほぼ全面に対して均一に形成された状態を保ちながら、AlN単結晶を成長させることができるため、成長するAlN単結晶基板を均一で高品質なものとすることができる。
From Table 1, when the mixed
以上の本実施例の結果より、SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を成長する際には、原料の粉末としてAlNの粉末のみならず下地基板を形成するSiCの粉末を混合して焼結したものを用いることが好ましいといえる。 From the above results of this example, when growing an AlN single crystal on one main surface of an SiC substrate, not only AlN powder but also SiC powder forming an underlying substrate was mixed as a raw material powder. It can be said that it is preferable to use a sintered material.
上述した本発明の実施の形態4に従い、窒化物単結晶膜1(AlN単結晶)を成長する実験を行なった。まず図6のフローチャートが示すSiC基板を準備する工程(S10)において、六方晶構造10(図2参照)を有する4H−SiC基板を合計7枚準備した。これらの4H−SiC基板は図3の下地基板9として用いるものであり、その主表面は直径2インチとした。
In accordance with the fourth embodiment of the present invention described above, an experiment for growing the nitride single crystal film 1 (AlN single crystal) was conducted. First, in the step of preparing the SiC substrate shown in the flowchart of FIG. 6 (S10), a total of seven 4H—SiC substrates having the hexagonal crystal structure 10 (see FIG. 2) were prepared. These 4H—SiC substrates are used as the
次に図6のSi1−x−yCy(AlN)xの粉末を準備する工程(S20)において、xおよびyの値が異なる7種類の、図3に示す混合原料粉末5を準備した。具体的には組成式Si1−x−yCy(AlN)xのx=0.95、y=0.025である「Si0.025C0.025(AlN)0.95」、x=0.85、y=0.025である「Si0.125C0.025(AlN)0.85」、x=0.90、y=0.05である「Si0.05C0.05(AlN)0.90」、x=0.80、y=0.05である「Si0.15C0.05(AlN)0.80」、x=0.85、y=0.075である「Si0.075C0.075(AlN)0.85」、x=0.75、y=0.175である「Si0.075C0.175(AlN)0.75」、x=0.70、y=0.075である「Si0.175C0.075(AlN)0.70」の、組成が異なる7種類の混合原料粉末5である。上記の各混合原料粉末5には、粉末を混合した後に焼結処理を施した。
Next, in the step of preparing the powder of Si 1-xy Cy (AlN) x in FIG. 6 (S20), seven kinds of mixed
続いてAlN層を形成する工程(S30)において、実施例1と同様に、図3に示す昇華炉20を用いて、混合原料粉末5を昇華させ、昇華法により下地基板9の一方(図3における下側)の主表面上に組成式が(SiC)1−x(AlN)xである窒化物単結晶膜1(AlN単結晶基板)を形成した。上述したように、下地基板9を合計7枚準備しているため、各種類の混合原料粉末5ごとに1枚ずつのAlN単結晶基板を形成した。
Subsequently, in the step of forming the AlN layer (S30), similarly to Example 1, the mixed
各組成のAlN単結晶基板を1枚ずつ形成し、それぞれにおける下地基板9が昇華して劣化(消滅)した面積の割合を、実施例1と同様に測定した。それぞれのAlN単結晶基板を形成した混合原料粉末5の組成に対する、形成したAlN単結晶基板の下地基板9の劣化面積の割合(%)を以下の表2に示す。表2に示す各項目は、表1と同様である。
One AlN single crystal substrate of each composition was formed one by one, and the ratio of the area where the
表2より、混合原料粉末5がSi0.025C0.025(AlN)0.95またはSi0.125C0.025(AlN)0.85である場合には、AlN単結晶が5mm形成された時点で、SiCからなる下地基板9は70%の面積分だけ劣化していることがわかる。これに対して、混合原料粉末5がSi0.05C0.05(AlN)0.90またはSi0.15C0.05(AlN)0.80である場合には、AlN単結晶が5mm形成された時点で、SiCからなる下地基板9は30%の面積分だけ劣化している。さらに、混合原料粉末5がSi0.075C0.075(AlN)0.85、Si0.075C0.175(AlN)0.75、Si0.175C0.075(AlN)0.70である場合には、SiCからなる下地基板9が全く劣化しなかった。
From Table 2, when the mixed
表2の結果より、AlN単結晶の形成時における下地基板9の劣化を抑制し、形成されるAlN単結晶を高品質なものとするためには、混合原料粉末5の組成式Si1−x−yCy(AlN)xにおけるxおよびyについて、0.70≦x<0.90、0.05<yであることが好ましいといえる。
From the results of Table 2, in order to suppress the deterioration of the
以上の本実施例の結果より、SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を成長する際には、原料の粉末としてAlNの粉末にSiCの粉末を混合したもののみならず、Siの粉末とCの粉末との組成比が異なる混合原料粉末を用いてもよいことがわかる。 From the above results of the present example, when growing an AlN single crystal on one main surface of an SiC substrate, not only a raw material powder obtained by mixing SiC powder with AlN powder, but also Si powder It can be seen that mixed raw material powders having different composition ratios of C and C may be used.
今回開示された各実施の形態および各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。本発明の範囲は上述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。 Each embodiment and each example disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は高品質のAlN単結晶基板を製造する技術として、特に優れている。 The present invention is particularly excellent as a technique for producing a high-quality AlN single crystal substrate.
1 窒化物単結晶膜、1a,1b 主表面、5 混合原料粉末、5a 上側混合粉末、5b 下側混合粉末、9 下地基板、10 六方晶構造、20 昇華炉、21 反応容器、21a,21c N2ガス導入口、23 坩堝、23c 排気口、25 加熱体、27 高周波加熱コイル、29 放射温度計。 1 Nitride single crystal film, 1a, 1b main surface, 5 mixed raw material powder, 5a upper mixed powder, 5b lower mixed powder, 9 base substrate, 10 hexagonal crystal structure, 20 sublimation furnace, 21 reaction vessel, 21a, 21c N 2 gas introduction port, 23 crucible, 23c exhaust port, 25 heating element, 27 high frequency heating coil, 29 radiation thermometer.
Claims (11)
SiCの粉末とAlNの粉末とを混合した(SiC)1−x(AlN)xの粉末を準備する工程と、
前記(SiC)1−x(AlN)xの粉末を用いて前記SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を形成する工程とを備える、AlN単結晶の製造方法。 Preparing a SiC substrate;
Preparing a powder of (SiC) 1-x (AlN) x in which SiC powder and AlN powder are mixed;
Forming an AlN single crystal on one main surface of the SiC substrate using the (SiC) 1-x (AlN) x powder.
Siの粉末とCの粉末とAlNの粉末とを混合したSi1−x−yCy(AlN)xの粉末を準備する工程と、
前記Si1−x−yCy(AlN)xの粉末を用いて前記SiC基板の一方の主表面上にAlN単結晶を形成する工程とを備える、AlN単結晶の製造方法。 Preparing a SiC substrate;
Preparing a powder of Si 1-xy Cy (AlN) x obtained by mixing Si powder, C powder, and AlN powder;
Forming an AlN single crystal on one main surface of the SiC substrate using the powder of Si 1-xy Cy (AlN) x .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010141746A JP2011046587A (en) | 2009-07-27 | 2010-06-22 | Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009174378 | 2009-07-27 | ||
JP2010141746A JP2011046587A (en) | 2009-07-27 | 2010-06-22 | Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011046587A true JP2011046587A (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=43833329
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010141746A Withdrawn JP2011046587A (en) | 2009-07-27 | 2010-06-22 | Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011046587A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107955970A (en) * | 2017-12-29 | 2018-04-24 | 北京华进创威电子有限公司 | A kind of growing method of high quality aluminum-nitride single crystal |
-
2010
- 2010-06-22 JP JP2010141746A patent/JP2011046587A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107955970A (en) * | 2017-12-29 | 2018-04-24 | 北京华进创威电子有限公司 | A kind of growing method of high quality aluminum-nitride single crystal |
CN107955970B (en) * | 2017-12-29 | 2021-04-27 | 北京华进创威电子有限公司 | Growth method of high-quality aluminum nitride single crystal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7524376B2 (en) | Method and apparatus for aluminum nitride monocrystal boule growth | |
JP5665094B2 (en) | n-type group III nitride compound semiconductor | |
JP2009091222A (en) | PRODUCTION METHOD FOR SiC SINGLE CRYSTAL, SiC SINGLE CRYSTAL WAFER AND SiC SEMICONDUCTOR DEVICE | |
JP2007126335A (en) | Manufacturing facility for manufacturing silicon carbide single crystal by means of solution method | |
JP2007055881A (en) | Ain crystal, method for growing the same, and ain crystal substrate | |
TWI558862B (en) | Method for producing ain bulk single crystal | |
WO2019171901A1 (en) | Production method for silicon carbide single crystal | |
JP5418385B2 (en) | Method for producing silicon carbide single crystal ingot | |
JP5303941B2 (en) | Method of growing AlxGa1-xN single crystal | |
JP6895496B2 (en) | Ingot manufacturing method, ingot growth raw material and its manufacturing method | |
JP5167947B2 (en) | Method for producing silicon carbide single crystal thin film | |
JP6286514B2 (en) | Method for producing polycrystalline silicon ingot | |
JP7182262B2 (en) | RAMO4 SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND GROUP III NITRIDE SEMICONDUCTOR | |
JP6335716B2 (en) | Method for producing silicon carbide single crystal ingot | |
JP2011046587A (en) | Method of manufacturing aln single crystal, and aln single crystal substrate | |
JP2007145679A (en) | Apparatus for and method of producing aluminum nitride single crystal | |
JP5428706B2 (en) | Method for producing SiC single crystal | |
JP2014024705A (en) | Method for producing silicon carbide substrate | |
KR101409424B1 (en) | Method for decreasing defects of silicon-carbide seed | |
JP2010037155A (en) | Method for producing group iii nitride compound semiconductor crystal | |
JP5651480B2 (en) | Method for producing group 3B nitride crystals | |
JP2006240968A (en) | Single crystal growing method, and group iii nitride single crystal and sic single crystal obtained by using the method | |
WO2019017043A1 (en) | Single-crystal aln production method and single-crystal aln | |
JP2011057468A (en) | Crucible, method for producing aluminum nitride single crystal, and aluminum nitride single crystal | |
JP2010150109A (en) | Nitride single crystal and method for producing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20130903 |