JP2011057468A - Crucible, method for producing aluminum nitride single crystal, and aluminum nitride single crystal - Google Patents

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Keisuke Tanizaki
圭祐 谷崎
Kazunari Sato
一成 佐藤
Satoshi Arakawa
聡 荒川
Yoshiyuki Yamamoto
喜之 山本
Tomomasa Miyanaga
倫正 宮永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crucible which has improved durability and restrains mixing of impurities into an AlN single crystal. <P>SOLUTION: The crucible 1 is used for producing an aluminum nitride single crystal by a vapor deposition method, and includes an inside crucible 10, an inner lid 20 for holding a seed crystal so that the seed crystal opposes to the bottom wall of the inside crucible 10, and an outside crucible 30 arranged to surround the inside crucible 10 and the inner lid 20. The outside crucible 30 includes an outside crucible body 31 formed from carbon and a coating layer 32 covering the inner wall of the outside crucible body 31 and formed of a high-melting point material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は坩堝、窒化アルミニウム単結晶の製造方法および窒化アルミニウム単結晶に関し、より特定的には、窒化アルミニウム単結晶の製造において不純物の混入を低減することが可能な坩堝、不純物の混入を低減することが可能な窒化アルミニウム単結晶の製造方法、および不純物の混入が低減された窒化アルミニウム単結晶に関するものである。   The present invention relates to a crucible, a method for producing an aluminum nitride single crystal, and an aluminum nitride single crystal, and more specifically, a crucible capable of reducing contamination of impurities in the production of an aluminum nitride single crystal, and reducing contamination of impurities. The present invention relates to a method for producing an aluminum nitride single crystal that can be used, and an aluminum nitride single crystal with reduced contamination of impurities.

窒化アルミニウム(AlN)単結晶は、その優れた半導体特性から発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイスを形成するための材料として非常に有用である。そして、高性能な半導体デバイスを効率よく作製するためには、大口径で、かつ結晶性に優れたAlN単結晶を製造することが重要である。   Aluminum nitride (AlN) single crystal is very useful as a material for forming various semiconductor devices such as light-emitting elements, electronic elements, and semiconductor sensors because of its excellent semiconductor characteristics. In order to efficiently produce a high-performance semiconductor device, it is important to produce an AlN single crystal having a large diameter and excellent crystallinity.

AlN結晶を製造するための方法としては、昇華法、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy;ハイドライド気相成長)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシ)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相堆積)法などの各種気相成長法が採用されている。これらの方法の中でも、昇華法は、X線回折の半値幅が小さく結晶性に優れたAlN単結晶が得られ、かつ成長速度が速いことから、好ましく用いられている。ここで、昇華法とは、原料を一旦昇華させた後、再度固化させることにより結晶を成長させる方法をいう。   As a method for producing an AlN crystal, a sublimation method, HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, MOCVD (Metal Organic Chemical VD) Various vapor deposition methods such as chemical vapor deposition) are employed. Among these methods, the sublimation method is preferably used because an AlN single crystal having a small half width of X-ray diffraction and excellent crystallinity can be obtained and the growth rate is high. Here, the sublimation method refers to a method of growing a crystal by once sublimating a raw material and then solidifying it again.

昇華法によるAlN単結晶の製造においては、種結晶基板としてAlN、炭化珪素(SiC)などの化合物半導体からなる化合物半導体基板が用いられる。AlN種結晶やSiC種結晶は、成長させるべきAlN単結晶と格子定数の整合性がよく、かつ耐熱性に優れることから、昇華法によるAlN単結晶の製造には、AlNやSiCからなる種結晶基板が好適であると考えられる。   In the production of an AlN single crystal by a sublimation method, a compound semiconductor substrate made of a compound semiconductor such as AlN or silicon carbide (SiC) is used as a seed crystal substrate. Since the AlN seed crystal and SiC seed crystal have good lattice constant matching with the AlN single crystal to be grown and are excellent in heat resistance, the seed crystal composed of AlN or SiC is used for the production of the AlN single crystal by the sublimation method. A substrate is considered suitable.

AlN単結晶の結晶性を向上させるためには、AlN単結晶に混入する不純物の低減が必要である。また、上述のような昇華法によるAlN単結晶の成長において、成長速度を速くするとともに高品質なAlN単結晶を得るためには、たとえば2000℃以上の高温においてAlN単結晶を成長させる必要がある。そのため、AlNの製造に用いられる坩堝の耐久性も問題となる。そして、不純物の低減、製造に用いられる坩堝の耐久性向上など多くの課題に関しては様々な検討が行なわれ、種々の提案がなされている(たとえば、特許文献1〜3参照)。   In order to improve the crystallinity of the AlN single crystal, it is necessary to reduce impurities mixed in the AlN single crystal. Further, in the growth of the AlN single crystal by the sublimation method as described above, in order to increase the growth rate and obtain a high quality AlN single crystal, it is necessary to grow the AlN single crystal at a high temperature of 2000 ° C. or higher, for example. . Therefore, the durability of the crucible used for manufacturing AlN is also a problem. Various studies have been made on many issues such as reduction of impurities and improvement of durability of crucibles used for manufacturing, and various proposals have been made (for example, see Patent Documents 1 to 3).

特開2006−27988号公報JP 2006-27988 A 特開2007−308364号公報JP 2007-308364 A 国際公開第03/081730パンフレットInternational Publication No. 03/081730 Pamphlet

しかしながら、上記特許文献1に記載のように、炭素を原料中に混合し、AlN原料中に存在する酸素を除去する方法では、AlN原料に含まれる酸素量に合わせて混合すべき炭素の割合を制御する必要があり、当該制御が難しいという問題がある。また、特許文献2に開示された構成により坩堝の耐久性は向上するものの、当該構成では、外部に存在する断熱材などの部材から炭素などの不純物がAlN単結晶に混入するという問題がある。さらに、特許文献3のように、アルミニウムの吸収により膨張するタングステン結晶を含む坩堝を採用した場合、当該膨張の制御が難しく、また複数回使用した場合の機械強度の低下に課題が残る。このように、従来の坩堝を用いたAlN単結晶の製造方法においては、AlN単結晶への不純物混入の抑制や坩堝の耐久性の向上に問題が残っていた。   However, as described in Patent Document 1, in the method of mixing carbon in the raw material and removing oxygen present in the AlN raw material, the ratio of carbon to be mixed in accordance with the amount of oxygen contained in the AlN raw material is set. There is a problem that control is necessary and the control is difficult. Moreover, although the durability of the crucible is improved by the configuration disclosed in Patent Document 2, in this configuration, there is a problem that impurities such as carbon are mixed into the AlN single crystal from a member such as a heat insulating material existing outside. Furthermore, when a crucible containing a tungsten crystal that expands due to absorption of aluminum is employed as in Patent Document 3, it is difficult to control the expansion, and there remains a problem in lowering the mechanical strength when used multiple times. As described above, in the conventional method for producing an AlN single crystal using a crucible, there remain problems in suppressing the mixing of impurities into the AlN single crystal and improving the durability of the crucible.

そこで、本発明の一の目的は、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝を提供することである。また、本発明の他の目的は、坩堝の耐久性を向上させつつAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能なAlN単結晶の製造方法、および不純物の混入が抑制されたAlN単結晶を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a crucible that can improve the durability and suppress the mixing of impurities into the AlN single crystal. In addition, another object of the present invention is to provide an AlN single crystal manufacturing method capable of suppressing the mixing of impurities into the AlN single crystal while improving the durability of the crucible, and the AlN single crystal in which the mixing of impurities is suppressed. To provide crystals.

本発明に従った坩堝は、気相成長法による窒化アルミニウム単結晶の製造に用いられる坩堝である。この坩堝は、内側坩堝と、内側坩堝の底壁に対向するように種結晶を保持する保持部材と、内側坩堝および保持部材を取り囲むように配置された外側坩堝とを備えている。そして、外側坩堝は、炭素からなる外側坩堝本体と、外側坩堝本体の内壁を覆い、高融点材料からなるコーティング層とを含んでいる。   The crucible according to the present invention is a crucible used for producing an aluminum nitride single crystal by a vapor phase growth method. The crucible includes an inner crucible, a holding member that holds the seed crystal so as to face the bottom wall of the inner crucible, and an outer crucible arranged so as to surround the inner crucible and the holding member. The outer crucible includes an outer crucible body made of carbon and a coating layer made of a high melting point material that covers the inner wall of the outer crucible body.

本発明の坩堝においては、内部においてAlN単結晶が成長すべき内側坩堝が外側坩堝に取り囲まれた2重構造を有している。そして、外側坩堝本体が炭素からなることにより、複数回使用された場合でも高い機械的強度が維持され、高い耐久性が確保されている。また、炭素からなる外側坩堝本体は、高融点材料からなるコーティング層により被覆されている。そのため、外側坩堝本体を構成する炭素が内側坩堝内において成長するAlN単結晶に不純物として混入することが抑制されている。そして、このような外側坩堝によって内側坩堝が取り囲まれていることにより、AlN単結晶の成長時において坩堝の外側に配置される断熱材など、外部に配置された部材からの内側坩堝内への不純物(炭素など)の侵入が抑制される。このように、本発明の坩堝によれば、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝を提供することができる。   The crucible of the present invention has a double structure in which an inner crucible in which an AlN single crystal is to be grown is surrounded by an outer crucible. And when an outer crucible main body consists of carbon, even when it is used in multiple times, high mechanical strength is maintained and high durability is ensured. The outer crucible body made of carbon is covered with a coating layer made of a high melting point material. Therefore, it is suppressed that the carbon which comprises an outer crucible main body mixes as an impurity in the AlN single crystal which grows in an inner crucible. Further, since the inner crucible is surrounded by such an outer crucible, impurities from the member arranged outside such as a heat insulating material arranged outside the crucible during the growth of the AlN single crystal into the inner crucible. Intrusion (such as carbon) is suppressed. As described above, according to the crucible of the present invention, it is possible to provide a crucible capable of achieving improvement in durability and suppressing mixing of impurities into the AlN single crystal.

上記坩堝において好ましくは、外側坩堝は、タンタル(Ta)からなり、外側坩堝本体の内側の底壁上に形成されたコーティング層上を覆い、少なくとも当該コーティング層とは反対側の表面が炭化された底壁保護層と、タンタル(Ta)からなり、外側坩堝本体の内側の側壁上に形成されたコーティング層上を覆い、少なくとも当該コーティング層とは反対側の表面が炭化された側壁保護層とをさらに含んでいる。   Preferably, in the crucible, the outer crucible is made of tantalum (Ta), covers the coating layer formed on the inner bottom wall of the outer crucible body, and at least the surface opposite to the coating layer is carbonized. A bottom wall protective layer and a side wall protective layer made of tantalum (Ta), covering the coating layer formed on the inner side wall of the outer crucible body, and having a carbonized surface at least on the opposite side of the coating layer. In addition.

上記高融点材料からなるコーティング層には、高温下においてマイクロクラックと呼ばれる微小な穴が形成される場合がある。そして、当該マイクロクラックから外側坩堝本体を構成する炭素が放出され、内側坩堝内において成長するAlN単結晶に不純物として混入するおそれがある。これに対し、上記コーティング層上に内張りとしてさらに、Taからなり、表面が炭化された底壁保護層および側壁保護層を配置することにより、AlN単結晶への炭素の混入を一層確実に抑制することができる。   In the coating layer made of the high melting point material, a minute hole called a microcrack may be formed at a high temperature. And the carbon which comprises an outer crucible main body is discharge | released from the said micro crack, and there exists a possibility that it may mix as an impurity in the AlN single crystal which grows in an inner crucible. On the other hand, by arranging a bottom wall protective layer and a side wall protective layer made of Ta as a lining on the coating layer, and carbonized on the surface, mixing of carbon into the AlN single crystal is more reliably suppressed. be able to.

上記坩堝において好ましくは、コーティング層を構成する上記高融点材料は炭化タンタル(TaC)または炭化タングステン(WC)である。耐熱性に優れ、かつ緻密な皮膜を形成することが可能なTaCやWCは、コーティング層を構成する材料として好適である。   In the crucible, the refractory material constituting the coating layer is preferably tantalum carbide (TaC) or tungsten carbide (WC). TaC and WC which are excellent in heat resistance and can form a dense film are suitable as materials constituting the coating layer.

上記坩堝において好ましくは、コーティング層の厚みは0.1μm以上1mm以下である。コーティング層の厚みをこのような範囲とすることにより、複数回の使用によっても損傷しにくいコーティング層を形成することができる。   In the crucible, the thickness of the coating layer is preferably 0.1 μm or more and 1 mm or less. By setting the thickness of the coating layer in such a range, it is possible to form a coating layer that is not easily damaged even when used multiple times.

上記坩堝において好ましくは、外側坩堝本体の熱膨張率とコーティング層の熱膨張率との差の絶対値は、室温以上3000℃以下の温度範囲において30×10−6−1以下である。 In the crucible, preferably, the absolute value of the difference between the thermal expansion coefficient of the outer crucible body and the thermal expansion coefficient of the coating layer is 30 × 10 −6 K −1 or less in a temperature range of room temperature to 3000 ° C.

外側坩堝本体とコーティング層との熱膨張率の差の絶対値が大きい場合、複数回の使用による熱サイクルによって外側坩堝本体とコーティング層との界面に作用する応力が大きくなり、コーティング層の耐久性が低下する。そして、本発明者による検討の結果、室温以上3000℃以下の温度範囲において上記熱膨張率の差の絶対値を30×10−6−1以下とすることにより、コーティング層に高い耐久性を付与できることが分かった。したがって、上記構成により、コーティング層の高い耐久性を確保することができる。 If the absolute value of the difference in coefficient of thermal expansion between the outer crucible body and the coating layer is large, the stress acting on the interface between the outer crucible body and the coating layer will increase due to the thermal cycle of multiple use, and the durability of the coating layer will increase. Decreases. And as a result of examination by the present inventor, by setting the absolute value of the difference in thermal expansion coefficient to 30 × 10 −6 K −1 or less in a temperature range of room temperature to 3000 ° C., the coating layer has high durability. It turns out that it can be granted. Therefore, with the above configuration, high durability of the coating layer can be ensured.

上記坩堝においては、上記内側坩堝はタンタル(Ta)と炭素(C)とからなる焼結体であってもよい。この場合、当該焼結体におけるタンタルに対する炭素のモル比は0.001以上0.11以下であることが好ましい。   In the crucible, the inner crucible may be a sintered body made of tantalum (Ta) and carbon (C). In this case, the molar ratio of carbon to tantalum in the sintered body is preferably 0.001 or more and 0.11 or less.

内側坩堝がTaとCとからなる焼結体である場合、本発明者による検討によれば、Taに対するCのモル比が0.11を超えると、内側坩堝からのCの放出によりAlN単結晶に不純物として炭素が混入し、これに起因してAlN単結晶の一部に多結晶が混在するおそれがあることが分かった。また、上記モル比が0.11を超えると、内側坩堝の耐久性が低下することも分かった。一方、上記モル比が0.001未満となった場合も、内側坩堝の耐久性が低下することが明らかとなった。そのため、AlN単結晶の結晶性向上と内側坩堝の耐久性確保の観点から、上記モル比は0.001以上0.11以下であることが好ましい。   When the inner crucible is a sintered body made of Ta and C, according to the study by the present inventor, when the molar ratio of C to Ta exceeds 0.11, the release of C from the inner crucible causes AlN single crystal It has been found that carbon is mixed in as impurities, and polycrystals may be mixed in part of the AlN single crystal due to this. Moreover, when the said molar ratio exceeded 0.11, it also turned out that durability of an inner side crucible falls. On the other hand, it was revealed that the durability of the inner crucible also decreased when the molar ratio was less than 0.001. Therefore, from the viewpoint of improving the crystallinity of the AlN single crystal and ensuring the durability of the inner crucible, the molar ratio is preferably 0.001 or more and 0.11 or less.

上記坩堝においては、上記内側坩堝は、窒化ホウ素(BN)の焼結体であってもよい。この場合、当該焼結体の厚みは100μm以上30mm以下であることが好ましい。   In the crucible, the inner crucible may be a sintered body of boron nitride (BN). In this case, the thickness of the sintered body is preferably 100 μm or more and 30 mm or less.

内側坩堝をBNの焼結体からなるものとすることにより、化学的に安定な内側坩堝を容易に、かつ比較的安価に作製することができる。そして、焼結体の厚みを上記範囲とすることにより、内側坩堝の十分な耐久性を確保するとともに、高品質なAlN単結晶を成長させることができる。   By forming the inner crucible from a sintered body of BN, a chemically stable inner crucible can be easily produced at a relatively low cost. And by making the thickness of a sintered compact into the said range, while ensuring sufficient durability of an inner side crucible, a high quality AlN single crystal can be grown.

本発明に従った窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上記本発明の坩堝を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。この窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、内側坩堝内に窒化アルミニウムの原料を供給する工程と、当該原料に対向するように、保持部材に種結晶を保持させる工程と、内側坩堝を外側坩堝内に装入する工程と、原料を昇華させるとともに上記種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる工程とを備えている。   The method for producing an aluminum nitride single crystal according to the present invention is a method for producing an aluminum nitride single crystal using the crucible of the present invention. The method for producing an aluminum nitride single crystal includes a step of supplying an aluminum nitride raw material into the inner crucible, a step of holding a seed crystal in a holding member so as to face the raw material, and an inner crucible in the outer crucible. And a step of sublimating the raw material and growing an aluminum nitride single crystal on the seed crystal.

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝が採用されてAlN単結晶が成長するため、坩堝の耐久性を向上させつつAlN単結晶への不純物の混入を抑制することができる。   According to the method for producing an aluminum nitride single crystal of the present invention, an AlN single crystal grows by adopting a crucible that achieves an improvement in durability and suppresses mixing of impurities into the AlN single crystal. Impurities can be prevented from being mixed into the AlN single crystal while improving the durability of the crucible.

本発明に従った窒化アルミニウム単結晶は、上記本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法により製造される。本発明の窒化アルミニウム単結晶によれば、製造に用いられる坩堝の耐久性が高いことにより製造コストが低減されるとともに、不純物の混入が抑制された高品質なAlN単結晶を提供することができる。   The aluminum nitride single crystal according to the present invention is produced by the above-described method for producing an aluminum nitride single crystal of the present invention. According to the aluminum nitride single crystal of the present invention, it is possible to provide a high-quality AlN single crystal in which the manufacturing cost is reduced due to the high durability of the crucible used for manufacturing and the mixing of impurities is suppressed. .

以上の説明から明らかなように、本発明の坩堝によれば、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝を提供することができる。また、本発明のAlN単結晶の製造方法によれば、坩堝の耐久性を向上させつつAlN単結晶への不純物の混入を抑制することができる。さらに、本発明のAlN単結晶によれば、不純物の混入が抑制されたAlN単結晶を提供することができる。   As is clear from the above description, according to the crucible of the present invention, it is possible to provide a crucible that can improve the durability and suppress the mixing of impurities into the AlN single crystal. Moreover, according to the manufacturing method of the AlN single crystal of this invention, mixing of the impurity to an AlN single crystal can be suppressed, improving the durability of a crucible. Furthermore, according to the AlN single crystal of the present invention, an AlN single crystal in which mixing of impurities is suppressed can be provided.

坩堝の構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of a crucible. AlN単結晶の製造方法の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of an AlN single crystal. AlN単結晶の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of an AlN single crystal. AlN単結晶の製造方法を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of an AlN single crystal.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

まず、本発明の一実施の形態における坩堝の構造について説明する。図1を参照して、本実施の形態における坩堝1は、気相成長法による窒化アルミニウム単結晶の製造に用いられる坩堝である。この坩堝1は、内側坩堝10と、内側坩堝10の底壁に対向するように種結晶を保持することが可能な保持部材としての内蓋20と、内側坩堝10および内蓋20を取り囲むように配置された外側坩堝30とを備えている。   First, the structure of the crucible in one embodiment of the present invention will be described. Referring to FIG. 1, a crucible 1 in the present embodiment is a crucible used for manufacturing an aluminum nitride single crystal by a vapor phase growth method. The crucible 1 surrounds the inner crucible 10, the inner lid 20 as a holding member capable of holding the seed crystal so as to face the bottom wall of the inner crucible 10, and the inner crucible 10 and the inner lid 20. The outer crucible 30 is provided.

内側坩堝10は、たとえば円筒状の外形を有するとともに、内部に円筒状の空間が形成された形状を有している。また、内側坩堝10の素材としては、たとえばTaとCとからなる焼結体を採用することができる。この場合、焼結体におけるTaに対するCのモル比は0.001以上0.11以下であることが好ましい。   The inner crucible 10 has, for example, a cylindrical outer shape and a shape in which a cylindrical space is formed inside. Moreover, as a raw material of the inner crucible 10, for example, a sintered body made of Ta and C can be employed. In this case, the molar ratio of C to Ta in the sintered body is preferably 0.001 or more and 0.11 or less.

内蓋20は、円盤状の形状を有し、内側坩堝10の開口部に嵌め込むことにより、内側坩堝10内にAlN単結晶が成長するための空間を形成することができる。また、内蓋20は、たとえばCからなる内蓋本体21の表面がTaCからなるコーティング層22により被覆された構造を有している。そして、内蓋20において内側坩堝10の底壁に対向する保持面20Aには、種結晶を保持させることが可能となっている。   The inner lid 20 has a disk shape, and can fit into the opening of the inner crucible 10 to form a space for growing an AlN single crystal in the inner crucible 10. The inner lid 20 has a structure in which, for example, the surface of an inner lid body 21 made of C is covered with a coating layer 22 made of TaC. The seed crystal can be held on the holding surface 20 </ b> A facing the bottom wall of the inner crucible 10 in the inner lid 20.

外側坩堝30は、たとえば円筒状の外形を有するとともに、内蓋20が嵌め込まれた内側坩堝10を収納可能な円筒状の空間が形成された形状を有している。そして、外側坩堝30は、Cからなる外側坩堝本体31と、外側坩堝本体31の内壁を覆い、高融点材料からなるコーティング層32とを含んでいる。より具体的には、外側坩堝本体31は、たとえばCのバルク材からなっている。そして、コーティング層32を構成する高融点材料としては、たとえばTaCやWCを採用することができる。   The outer crucible 30 has, for example, a cylindrical outer shape and a shape in which a cylindrical space is formed in which the inner crucible 10 into which the inner lid 20 is fitted can be stored. The outer crucible 30 includes an outer crucible body 31 made of C and a coating layer 32 made of a high melting point material that covers the inner wall of the outer crucible body 31. More specifically, the outer crucible body 31 is made of, for example, a C bulk material. And as a high melting-point material which comprises the coating layer 32, TaC and WC are employable, for example.

さらに、坩堝1は、円盤状の形状を有し、外側坩堝30の開口部に嵌め込まれることにより、内側坩堝10が収納される空間を閉鎖する外蓋40を備えている。外蓋40は、たとえばCからなる外蓋本体41の表面がTaCからなるコーティング層42により被覆された構造を有している。   Furthermore, the crucible 1 has a disc shape and includes an outer lid 40 that closes a space in which the inner crucible 10 is accommodated by being fitted into an opening of the outer crucible 30. The outer lid 40 has a structure in which, for example, the surface of an outer lid main body 41 made of C is covered with a coating layer 42 made of TaC.

このように、坩堝1は、内側坩堝10が外側坩堝30に取り囲まれた2重構造を有している。そして、外側坩堝本体31が炭素からなることにより、複数回使用された場合でも高い機械的強度が維持され、高い耐久性が確保されている。また、外側坩堝本体31が、コーティング層32により被覆されているため、外側坩堝本体31を構成するCが内側坩堝10内において成長するAlN単結晶に不純物として混入することが抑制されている。そして、このような外側坩堝30によって内側坩堝10が取り囲まれていることにより、AlN単結晶の成長時において外部からの内側坩堝10内へのCなどの不純物の侵入が抑制されている。その結果、坩堝1は、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝となっている。   Thus, the crucible 1 has a double structure in which the inner crucible 10 is surrounded by the outer crucible 30. And since the outer crucible main body 31 consists of carbon, even when it is used in multiple times, high mechanical strength is maintained and high durability is ensured. In addition, since the outer crucible body 31 is covered with the coating layer 32, it is suppressed that C constituting the outer crucible body 31 is mixed as impurities into the AlN single crystal grown in the inner crucible 10. Since the inner crucible 10 is surrounded by the outer crucible 30 as described above, intrusion of impurities such as C from the outside into the inner crucible 10 during the growth of the AlN single crystal is suppressed. As a result, the crucible 1 is a crucible that can improve the durability and suppress the mixing of impurities into the AlN single crystal.

さらに、本実施の形態における坩堝1の外側坩堝30は、Taからなり、外側坩堝本体31の内側の底壁上に形成されたコーティング層32上を覆い、少なくとも当該コーティング層32とは反対側の表面を含む領域33Aが炭化された底壁保護層33と、Taからなり、外側坩堝本体31の内側の側壁上に形成されたコーティング層32上を覆い、少なくとも当該コーティング層32とは反対側の表面を含む領域34Aが炭化された側壁保護層34とをさらに含んでいる。   Further, the outer crucible 30 of the crucible 1 in the present embodiment is made of Ta, covers the coating layer 32 formed on the inner bottom wall of the outer crucible body 31, and is at least on the side opposite to the coating layer 32. The bottom wall protective layer 33 in which the region 33A including the surface is carbonized and the coating layer 32 made of Ta and formed on the inner side wall of the outer crucible body 31 cover at least the opposite side of the coating layer 32 The region 34A including the surface further includes a carbonized side wall protective layer 34.

この底壁保護層33および側壁保護層34の形成は本発明において必須のものではないが、外側坩堝30が上記底壁保護層33および側壁保護層34を含んでいることにより、コーティング層32に形成され得るマイクロクラックに起因したAlN単結晶への炭素の混入を抑制することができる。ここで、底壁保護層33および側壁保護層34は、図1に示すようにコーティング層32とは反対側の表面を含む領域33A,34Aのみが炭化されてTaCとなっており、他の領域は金属Taであってもよいし、底壁保護層33および側壁保護層34全域がTaCとなっていてもよい。   The formation of the bottom wall protective layer 33 and the side wall protective layer 34 is not essential in the present invention. However, since the outer crucible 30 includes the bottom wall protective layer 33 and the side wall protective layer 34, the coating layer 32 is formed. Mixing of carbon into the AlN single crystal due to microcracks that can be formed can be suppressed. Here, in the bottom wall protective layer 33 and the side wall protective layer 34, only the regions 33A and 34A including the surface opposite to the coating layer 32 are carbonized as shown in FIG. May be metal Ta, or the entire region of the bottom wall protective layer 33 and the side wall protective layer 34 may be TaC.

また、上記坩堝1において、コーティング層32の厚みは0.1μm以上1mm以下であることが好ましい。これにより、複数回の使用によっても損傷しにくいコーティング層32を形成することができる。   In the crucible 1, the thickness of the coating layer 32 is preferably 0.1 μm or more and 1 mm or less. Thereby, the coating layer 32 which is hard to be damaged even if used multiple times can be formed.

また、上記坩堝1において、外側坩堝本体31の熱膨張率(線膨張率)とコーティング層32の熱膨張率との差の絶対値は、室温以上3000℃以下の温度範囲において30×10−6−1以下であることが好ましい。これにより、複数回の使用による熱サイクルにおいて生じる外側坩堝本体31とコーティング層32との界面における応力が十分に低減され、コーティング層32の耐久性を向上させることができる。 In the crucible 1, the absolute value of the difference between the thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the outer crucible body 31 and the thermal expansion coefficient of the coating layer 32 is 30 × 10 −6 in the temperature range of room temperature to 3000 ° C. It is preferable that it is below K- 1 . Thereby, the stress at the interface between the outer crucible main body 31 and the coating layer 32 generated in the thermal cycle by multiple use can be sufficiently reduced, and the durability of the coating layer 32 can be improved.

また、内側坩堝10は、窒化ホウ素(BN)の焼結体であってもよい。この場合、当該焼結体の厚みは100μm以上30mm以下であることが好ましい。これにより、内側坩堝10の十分な耐久性を確保するとともに、高品質なAlN単結晶を成長させることができる。   The inner crucible 10 may be a sintered body of boron nitride (BN). In this case, the thickness of the sintered body is preferably 100 μm or more and 30 mm or less. Thereby, while ensuring sufficient durability of the inner crucible 10, a high quality AlN single crystal can be grown.

次に、上記本実施の形態における坩堝1を用いたAlN単結晶の製造方法の一例について、図2〜図4を参照して説明する。図2を参照して、本実施の形態におけるAlN単結晶の製造方法においては、まず工程(S10)として原料供給工程が実施される。この工程(S10)では、図3を参照して、内側坩堝10内に窒化アルミニウムの粉末、焼結体などの原料70が供給される。   Next, an example of a method for producing an AlN single crystal using the crucible 1 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. Referring to FIG. 2, in the method of manufacturing an AlN single crystal in the present embodiment, first, a raw material supply step is performed as a step (S10). In this step (S <b> 10), referring to FIG. 3, a raw material 70 such as aluminum nitride powder or sintered body is supplied into the inner crucible 10.

次に、工程(S20)として種結晶配置工程が実施される。この工程(S20)では、上記原料70に対向するように、内蓋20の保持面20Aに種結晶としての種基板80が貼り付けられる。この種基板80としては、SiC基板、AlN基板などを採用することができる。そして、種基板80を保持した状態で、内蓋20が内側坩堝10の開口部を塞ぐように内側坩堝10に嵌め込まれる。これにより、種基板80は、原料70に対向するように内蓋20により保持されるとともに、内側坩堝10と内蓋20とにより取り囲まれた、AlN単結晶が成長すべき空間が形成される。   Next, a seed crystal arranging step is performed as a step (S20). In this step (S20), a seed substrate 80 as a seed crystal is attached to the holding surface 20A of the inner lid 20 so as to face the raw material 70. As this seed substrate 80, a SiC substrate, an AlN substrate, or the like can be employed. Then, with the seed substrate 80 held, the inner lid 20 is fitted into the inner crucible 10 so as to close the opening of the inner crucible 10. As a result, the seed substrate 80 is held by the inner lid 20 so as to face the raw material 70, and a space in which the AlN single crystal is to be grown surrounded by the inner crucible 10 and the inner lid 20 is formed.

次に、工程(S30)として内側坩堝装入工程が実施される。この工程(S30)では、上記工程(S20)において内蓋20が取り付けられた内側坩堝10が外側坩堝30内に装入される。その後、外蓋40が外側坩堝30の開口部を塞ぐように外側坩堝30に嵌め込まれる。   Next, an inner crucible charging step is performed as a step (S30). In this step (S30), the inner crucible 10 to which the inner lid 20 is attached in the step (S20) is charged into the outer crucible 30. Thereafter, the outer lid 40 is fitted into the outer crucible 30 so as to close the opening of the outer crucible 30.

次に、工程(S40)として断熱材配置工程が実施される。この工程(S40)では、上記工程(S30)において外側坩堝30と外蓋40とが組み合わされて構成された坩堝1全体が断熱材50により覆われる。   Next, a heat insulating material arrangement | positioning process is implemented as process (S40). In this step (S40), the entire crucible 1 configured by combining the outer crucible 30 and the outer lid 40 in the step (S30) is covered with the heat insulating material 50.

そして、工程(S50)として結晶成長工程が実施される。この工程(S50)では、坩堝1が加熱されることにより、原料70が昇華するとともに種基板80上に窒化アルミニウム単結晶が成長する。具体的には、図3を参照して、工程(S40)において断熱材50に覆われた坩堝1が、たとえば誘導加熱用コイル60に取り囲まれる位置に配置される。そして、誘導加熱用コイル60に高周波電流が流されることにより、坩堝1が加熱される。このとき、たとえば坩堝1内には窒素ガスなどのガスが所定の流量で供給されるとともに、坩堝1内は所定の圧力に制御される。これにより、原料70が昇華するとともに、気体となった原料70が種基板80上において結晶化する。これにより、図4に示すように種基板80上にAlN単結晶90が成長する。以上の手順により、本実施の形態におけるAlN単結晶の製造方法は完了する。   And a crystal growth process is implemented as process (S50). In this step (S50), the crucible 1 is heated, so that the raw material 70 is sublimated and an aluminum nitride single crystal grows on the seed substrate 80. Specifically, referring to FIG. 3, crucible 1 covered with heat insulating material 50 in step (S <b> 40) is arranged at a position surrounded by, for example, induction heating coil 60. The crucible 1 is heated when a high-frequency current is passed through the induction heating coil 60. At this time, for example, a gas such as nitrogen gas is supplied into the crucible 1 at a predetermined flow rate, and the inside of the crucible 1 is controlled to a predetermined pressure. As a result, the raw material 70 is sublimated, and the gaseous raw material 70 is crystallized on the seed substrate 80. Thereby, an AlN single crystal 90 grows on the seed substrate 80 as shown in FIG. With the above procedure, the manufacturing method of the AlN single crystal in the present embodiment is completed.

上記本実施の形態におけるAlN単結晶の製造方法によれば、耐久性の向上を達成するとともにAlN単結晶への不純物の混入を抑制することが可能な坩堝1が採用されてAlN単結晶が成長するため、坩堝の耐久性を向上させつつAlN単結晶への不純物の混入を抑制することができる。そして、製造されたAlN単結晶90は、製造コストが低減されるとともに、不純物の混入が抑制された高品質なAlN単結晶となっている。   According to the method for producing an AlN single crystal in the present embodiment, the crucible 1 capable of achieving improvement in durability and suppressing the mixing of impurities into the AlN single crystal is employed to grow the AlN single crystal. Therefore, it is possible to suppress the mixing of impurities into the AlN single crystal while improving the durability of the crucible. The manufactured AlN single crystal 90 is a high-quality AlN single crystal in which manufacturing costs are reduced and mixing of impurities is suppressed.

本発明の坩堝の外側坩堝におけるコーティング層の効果を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   An experiment was conducted to confirm the effect of the coating layer in the outer crucible of the crucible of the present invention. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施の形態において説明した坩堝1と同様の構成を有する坩堝を作製するため、以下の手順で(1)外側坩堝の作製、(2)内側坩堝の作製を実施した。   First, in order to produce a crucible having the same configuration as the crucible 1 described in the above embodiment, (1) production of the outer crucible and (2) production of the inner crucible were performed in the following procedure.

(1)外側坩堝の作製
まず、外側坩堝の形状に対応した形状を有するカーボンのバルク材からなる母材を準備し、当該母材に対して溶射法により表面全体にTaCからなるコーティング層を形成した。母材の熱膨張率(線膨張率)は8.0×10−6−1、コーティング層の熱膨張率は7.1×10−6−1であり、両者の熱膨張率差の絶対値は0.9×10−6−1であった。また、コーティング層の膜厚は100μmとした。
(1) Production of outer crucible First, a base material made of a carbon bulk material having a shape corresponding to the shape of the outer crucible is prepared, and a coating layer made of TaC is formed on the entire surface by spraying the base material. did. The base material has a coefficient of thermal expansion (linear expansion coefficient) of 8.0 × 10 −6 K −1 , and the coating layer has a coefficient of thermal expansion of 7.1 × 10 −6 K −1 . The absolute value was 0.9 × 10 −6 K −1 . The film thickness of the coating layer was 100 μm.

次に、コーティング層が形成された外側坩堝の内側の底壁を覆うようにTaからなる底板を配置するとともに、外側坩堝の内側の側壁を覆うようにTaからなる内張りを配置した。底板の厚みは1mm、内張りの厚みは100μmとした。ここで、底板および内張りは、炭化することにより膨張することを考慮して、その寸法を外側坩堝の内側の寸法に対して適切な余裕をもたせたものとした。その後、底板および内張りに対向するように円柱状のカーボンのバルク材を配置した。そして、窒素ガスを100sccmの流量で供給しつつ圧力が90kPaとなるように調整された雰囲気下において、高周波コイルによる誘導加熱によって2000℃になるように外側坩堝を加熱して底板および内張りの表面を炭化し、底壁保護層および側壁保護層とした。その後、底壁保護層および側壁保護層が、それぞれ外側坩堝の底壁および側壁に密着していることを目視、及び実体顕微鏡にて確認した。以上の手順により、外側坩堝の作製を完了した。   Next, a bottom plate made of Ta was arranged so as to cover the bottom wall inside the outer crucible on which the coating layer was formed, and a lining made of Ta was arranged so as to cover the side wall inside the outer crucible. The thickness of the bottom plate was 1 mm, and the thickness of the lining was 100 μm. Here, considering that the bottom plate and the lining expand due to carbonization, the dimensions of the bottom plate and the lining are given an appropriate margin with respect to the inner dimensions of the outer crucible. After that, a cylindrical carbon bulk material was disposed so as to face the bottom plate and the lining. Then, in an atmosphere adjusted so that the pressure becomes 90 kPa while supplying nitrogen gas at a flow rate of 100 sccm, the outer crucible is heated to 2000 ° C. by induction heating with a high-frequency coil so that the surface of the bottom plate and the lining is removed. Carbonized to form a bottom wall protective layer and a side wall protective layer. Thereafter, it was confirmed visually and with a stereomicroscope that the bottom wall protective layer and the side wall protective layer were in close contact with the bottom wall and the side wall of the outer crucible, respectively. The production of the outer crucible was completed by the above procedure.

また、比較のため、コーティング層の形成を省略した外側坩堝についても作製した。
(2)内側坩堝の作製
まず、Ta粉末とC粉末とを、Taに対するCのモル比[C]/[Ta]が0.01となるように混合した。そして、焼結助剤であるカンフル粉末を添加し、アセトンと共に混合し、乾燥させることにより混合粉末を得た。
For comparison, an outer crucible in which the formation of the coating layer was omitted was also produced.
(2) Production of inner crucible First, Ta powder and C powder were mixed so that the molar ratio [C] / [Ta] of C to Ta was 0.01. And the camphor powder which is a sintering auxiliary agent was added, it mixed with acetone, and the mixed powder was obtained by making it dry.

次に、上記混合粉末を5kg用意し、CIP(Cold Isostatic Press;冷間等方圧プレス)により円柱状に固めて円柱状成形体とした。プレス条件は400MPaの圧力が混合粉末を投入したゴム容器に等方的に加わるものとした。さらに、上記円柱状成形体を成形加工することにより、外径70mm、内径60mm、高さ70mm、底厚10mmの内側坩堝の形状を有する加工成形体とした。   Next, 5 kg of the above mixed powder was prepared and solidified into a cylindrical shape by CIP (Cold Isostatic Press) to obtain a cylindrical molded body. The pressing conditions were such that a pressure of 400 MPa was applied isotropically to the rubber container charged with the mixed powder. Furthermore, the cylindrical molded body was formed into a processed molded body having an inner crucible shape having an outer diameter of 70 mm, an inner diameter of 60 mm, a height of 70 mm, and a bottom thickness of 10 mm.

次に、上記加工成形体を、高周波コイルを用いた誘導加熱により加熱し、焼結させた。焼結は、カーボンからなる坩堝内に上記加工成形体を装入し、窒素ガスを100sccm、アルゴンガスを300sccmの流量で供給しつつ圧力を80kPaに調整した雰囲気中で、坩堝の温度が2300℃になるように加熱し、20時間保持することにより実施した。以上の手順により、内側坩堝の作製を完了した。得られた内側坩堝は、上記焼結により収縮し、外径68mm、内径58mm、高さ68mm、底厚8mmとなっていた。また、得られた内側坩堝の表面を目視、実体顕微鏡、光学顕微鏡、SEM(Scanning Electron Microscope;電子顕微鏡)で観察し、ひび割れ、欠け、穴が無いことを確認した。   Next, the processed molded body was heated and sintered by induction heating using a high frequency coil. In the sintering, the above-mentioned processed compact is inserted into a crucible made of carbon, and the temperature of the crucible is 2300 ° C. in an atmosphere adjusted to a pressure of 80 kPa while supplying nitrogen gas at a flow rate of 100 sccm and argon gas at a flow rate of 300 sccm. This was carried out by heating and holding for 20 hours. With the above procedure, the production of the inner crucible was completed. The obtained inner crucible was shrunk by the sintering, and had an outer diameter of 68 mm, an inner diameter of 58 mm, a height of 68 mm, and a bottom thickness of 8 mm. Further, the surface of the obtained inner crucible was observed visually, with a stereomicroscope, an optical microscope, and an SEM (Scanning Electron Microscope), and it was confirmed that there were no cracks, chips, or holes.

次に、上記手順で作製した内側坩堝および外側坩堝を含む坩堝を用いて、(3)AlN単結晶の成長を実施した。   Next, (3) AlN single crystal was grown using the crucible including the inner crucible and the outer crucible produced by the above procedure.

(3)AlN単結晶の成長
まず、上記(1)で作製された内側坩堝内にAlNの原料粉末を投入するとともに、保持面に直径φ2インチのSiC種基板を貼り付けた内蓋を内側坩堝の開口部に嵌め込んだ。次に、これを上記(2)で作製された外側坩堝の中に装入し、外蓋を嵌め込んで坩堝を完成させた後、全体を断熱材で覆った。そして、高周波コイルを用いた誘導加熱によって昇華法による結晶成長を実施し、内蓋の保持面に貼り付けられたSiC種基板上にAlN結晶を成長させた。加熱条件は、1800℃、100時間とした。このとき、窒素ガスを300sccmの流量で供給しつつ圧力を90kPaとした。
(3) Growth of AlN single crystal First, the raw material powder of AlN is put into the inner crucible produced in (1) above, and the inner lid with the SiC seed substrate having a diameter of 2 inches attached to the holding surface is used as the inner crucible. Was fitted into the opening. Next, this was inserted into the outer crucible produced in (2) above, and the crucible was completed by fitting the outer lid, and then the whole was covered with a heat insulating material. And the crystal growth by the sublimation method was implemented by induction heating using the high frequency coil, and the AlN crystal was grown on the SiC seed substrate affixed on the holding surface of the inner lid. The heating conditions were 1800 ° C. and 100 hours. At this time, the pressure was 90 kPa while supplying nitrogen gas at a flow rate of 300 sccm.

その後、SiC種結晶上に成長したAlN結晶を採取し、当該結晶を目視、光学顕微鏡、SEM、X線回折装置を用いて評価した。評価結果を表1に示す。   Thereafter, an AlN crystal grown on the SiC seed crystal was collected, and the crystal was evaluated visually, using an optical microscope, SEM, and an X-ray diffractometer. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2011057468
Figure 2011057468

表1を参照して、TaCからなるコーティング層を外側坩堝に形成した坩堝を用いた場合、得られたAlN結晶についてX線回折装置によるロッキングカーブの半値幅の測定と広角スキャンを行ったところ、半値幅は45arcsecであり、広角スキャンでは(0002)面、(0004)面および(0006)面のみが計測された。また、目視により結晶表面は鏡面状態であることが確認されるとともに、光学顕微鏡およびSEMにより平坦なステップフロー成長が確認された。このことから、外側坩堝にTaCなどの高融点材料からなるコーティング層を形成した坩堝を用いることにより、良好な結晶性を有するAlN単結晶が製造可能であることが確認された。   Referring to Table 1, when a crucible in which a coating layer made of TaC was formed on the outer crucible was used, the obtained AlN crystal was subjected to measurement of the half-value width of the rocking curve by an X-ray diffractometer and wide-angle scanning. The full width at half maximum was 45 arcsec, and only the (0002) plane, (0004) plane, and (0006) plane were measured by wide-angle scanning. Further, it was confirmed by visual observation that the crystal surface was in a mirror state, and flat step flow growth was confirmed by an optical microscope and SEM. From this, it was confirmed that an AlN single crystal having good crystallinity can be produced by using a crucible in which a coating layer made of a high melting point material such as TaC is formed on the outer crucible.

一方、外側坩堝のコーティング層の形成を省略した坩堝を用いた場合に得られたAlN結晶についても同様の評価を行ったところ、凹凸が多く、均一で平坦な結晶成長が実現できないことがわかった。   On the other hand, when the same evaluation was performed on the AlN crystal obtained when the crucible without the formation of the outer crucible coating layer was used, it was found that there were many irregularities and uniform and flat crystal growth could not be realized. .

以上の実験結果より、良好な結晶性を有するAlN単結晶を得るためには、外側坩堝にTaCやAlNなどの高融点材料からなるコーティング層を形成することが有効であることが確認された。これは、高融点材料からなるコーティング層の形成により、外側坩堝本体からの炭素などの不純物の飛散が抑制され、AlNへの不純物混入が低減されたためであると考えられる。   From the above experimental results, it was confirmed that it is effective to form a coating layer made of a high melting point material such as TaC or AlN on the outer crucible in order to obtain an AlN single crystal having good crystallinity. This is presumably because the formation of a coating layer made of a high-melting-point material suppressed the scattering of impurities such as carbon from the outer crucible body, and the contamination of AlN with impurities was reduced.

本発明の坩堝の外側坩堝におけるコーティング層の厚みと当該コーティング層の耐久性との関係を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   An experiment was conducted to confirm the relationship between the thickness of the coating layer in the outer crucible of the crucible of the present invention and the durability of the coating layer. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施例1の(1)と同様の手順でTaCからなるコーティング層が形成された外側坩堝を作製するとともに、(2)と同様の手順で内側坩堝を作製した。そして、上記実施例1の(3)と同様の手順でAlN単結晶の成長を行ない、コーティング層の剥離、割れ、欠けなどの損傷発生の有無を調査した。また、得られたAlN単結晶についても実施例1と同様にその品質を確認した。さらに、AlN単結晶の成長とコーティング層の損傷の確認およびAlN単結晶の品質確認とを繰り返して実施した。実験の結果を表2に示す。   First, an outer crucible on which a coating layer made of TaC was formed by the same procedure as in (1) of Example 1 was prepared, and an inner crucible was prepared by the same procedure as (2). Then, an AlN single crystal was grown in the same procedure as in (3) of Example 1 above, and the presence or absence of damage such as peeling, cracking or chipping of the coating layer was investigated. Further, the quality of the obtained AlN single crystal was confirmed in the same manner as in Example 1. Furthermore, the growth of the AlN single crystal, the confirmation of the damage of the coating layer, and the quality confirmation of the AlN single crystal were repeated. The results of the experiment are shown in Table 2.

Figure 2011057468
Figure 2011057468

表2には、コーティング層の厚みとコーティング層に損傷を発生させることなくAlN単結晶の作製が可能であった回数とが表示されている。表2を参照して、コーティング層の厚みが0.01μmの場合、15回目の結晶成長まではコーティング層に損傷は発生せず、良好なAlN単結晶を製造することができたが、16回目の結晶成長でコーティング層の一部に剥離が発生し、得られたAlN単結晶にも一部に多結晶が混在した。また、コーティング層の厚みが10mmの場合、17回目の結晶成長まではコーティング層に損傷は発生せず、良好なAlN単結晶を製造することができたが、18回目の結晶成長でコーティング層に割れおよび欠けが発生し、得られたAlN単結晶にも一部に多結晶が混在した。   Table 2 shows the thickness of the coating layer and the number of times that an AlN single crystal could be produced without causing damage to the coating layer. Referring to Table 2, when the thickness of the coating layer was 0.01 μm, the coating layer was not damaged until the 15th crystal growth, and a good AlN single crystal could be produced. As a result of the crystal growth, peeling occurred in a part of the coating layer, and polycrystals were partially mixed in the obtained AlN single crystal. In addition, when the thickness of the coating layer was 10 mm, the coating layer was not damaged until the 17th crystal growth, and a good AlN single crystal could be produced. Cracking and chipping occurred, and polycrystals were partially mixed in the obtained AlN single crystal.

これに対し、コーティング層の厚みが0.1μm〜1mmの場合、20回目の結晶成長でもコーティング層に損傷は発生せず、良好なAlN単結晶を製造することができた。   On the other hand, when the thickness of the coating layer was 0.1 μm to 1 mm, the coating layer was not damaged even during the 20th crystal growth, and a good AlN single crystal could be produced.

このことから、コーティング層の耐久性を向上させるためには、コーティング層の厚みを0.1μm以上1mm以下とすることが好ましいことが確認された。   From this, in order to improve the durability of the coating layer, it was confirmed that the thickness of the coating layer is preferably 0.1 μm or more and 1 mm or less.

本発明の坩堝の外側坩堝におけるコーティング層の耐久性に及ぼす外側坩堝本体とコーティング層との熱膨張率の差の影響を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   An experiment was conducted to confirm the influence of the difference in thermal expansion coefficient between the outer crucible body and the coating layer on the durability of the coating layer in the outer crucible of the crucible of the present invention. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施例1の(1)と同様の手順でTaCからなるコーティング層が形成された外側坩堝を作製した。このとき、室温以上3000℃以下の範囲におけるコーティング層と外側坩堝本体との熱膨張率の差の絶対値を、外側坩堝の母材であるカーボンの仕様を変更することにより0〜50×10−6−1の範囲で変化させた。コーティング層の厚みは100μmとした。そして、当該外側坩堝に対して室温から2500℃まで昇温させた後、室温まで冷却する熱サイクルを与え、コーティング層における損傷の有無を確認した。そして、これを繰り返すことにより、コーティング層の耐久性を確認した。実験結果を表3に示す。 First, an outer crucible on which a coating layer made of TaC was formed in the same procedure as (1) of Example 1 was prepared. At this time, the absolute value of the difference in coefficient of thermal expansion between the coating layer and the outer crucible body in the range of room temperature to 3000 ° C. is changed to 0-50 × 10 by changing the specification of carbon that is the base material of the outer crucible. The variation was in the range of 6 K −1 . The thickness of the coating layer was 100 μm. And after heating up from the room temperature to 2500 degreeC with respect to the said outer crucible, the heat cycle which cools to room temperature was given, and the presence or absence of the damage in a coating layer was confirmed. And the durability of the coating layer was confirmed by repeating this. The experimental results are shown in Table 3.

Figure 2011057468
Figure 2011057468

表3は、コーティング層の材料ごとに、コーティング層と外側坩堝本体との熱膨張率の差の絶対値とコーティング層に損傷を発生されることなく上記熱サイクルを与えることができた回数とが表示されている。表3を参照して、上記熱膨張率の差の絶対値が30×10−6−1を超える場合、15回目の熱サイクルまではコーティング層に損傷は発生しなかったが、16回目の熱サイクルでコーティング層に損傷が発生した。これに対し、上記熱膨張率の差の絶対値が30×10−6−1以下の場合、20回目の熱サイクル終了後においてもコーティング層に損傷は発生しなかった。 Table 3 shows, for each coating layer material, the absolute value of the difference in thermal expansion coefficient between the coating layer and the outer crucible body and the number of times that the thermal cycle could be given without causing damage to the coating layer. It is displayed. Referring to Table 3, when the absolute value of the difference in thermal expansion coefficient exceeds 30 × 10 −6 K −1 , no damage occurred in the coating layer until the 15th thermal cycle, Damage to the coating layer occurred during thermal cycling. On the other hand, when the absolute value of the difference in thermal expansion coefficient was 30 × 10 −6 K −1 or less, the coating layer was not damaged even after the 20th thermal cycle.

このことから、外側坩堝本体の熱膨張率とコーティング層の熱膨張率との差の絶対値は、室温以上3000℃以下の温度範囲において30×10−6−1以下であることにより、コーティング層の耐久性の向上が可能であることが確認された。 From this, the absolute value of the difference between the thermal expansion coefficient of the outer crucible body and the thermal expansion coefficient of the coating layer is 30 × 10 −6 K −1 or less in the temperature range of room temperature to 3000 ° C. It was confirmed that the durability of the layer could be improved.

本発明の坩堝の内側坩堝がTaとCとからなる焼結体である場合において、当該焼結体の組成が当該内側坩堝の耐久性に及ぼす影響を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   When the inner crucible of the crucible of the present invention is a sintered body made of Ta and C, an experiment was conducted to confirm the influence of the composition of the sintered body on the durability of the inner crucible. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施例1の(2)と同様の手順でTaとCとからなる焼結体から構成される内側坩堝を作製した。このとき、Taに対するCのモル比である[C]/[Ta]の値を0.0001〜0.15の範囲で変化させた。そして、上記実施例1と同様の手順でAlN単結晶を作製し、その品質(結晶性)を確認した。また、内側坩堝に対して上記実施例3と同様の熱サイクルを50回付与し、破損の発生を調査することにより耐久性を確認した。実験結果を表4に示す。   First, an inner crucible composed of a sintered body made of Ta and C was produced in the same procedure as in (2) of Example 1 above. At this time, the value of [C] / [Ta], which is the molar ratio of C to Ta, was changed in the range of 0.0001 to 0.15. And the AlN single crystal was produced in the procedure similar to the said Example 1, and the quality (crystallinity) was confirmed. The inner crucible was subjected to the same heat cycle as in Example 3 50 times, and the durability was confirmed by investigating the occurrence of breakage. The experimental results are shown in Table 4.

Figure 2011057468
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表4を参照して、[C]/[Ta]の値を0.11以下とすることにより、内側坩堝の耐久性が向上するともに、多結晶の混在しない良好な結晶性を有する単結晶が得られることが分かった。一方、[C]/[Ta]の値が0.001未満となると、内側坩堝の耐久性が低下するため、[C]/[Ta]の値は0.001以上が好ましいことが確認された。   Referring to Table 4, by setting the value of [C] / [Ta] to 0.11 or less, the durability of the inner crucible is improved and a single crystal having good crystallinity with no polycrystals is obtained. It turns out that it is obtained. On the other hand, when the value of [C] / [Ta] is less than 0.001, the durability of the inner crucible is lowered, and it was confirmed that the value of [C] / [Ta] is preferably 0.001 or more. .

このことから、AlN単結晶の結晶性向上と内側坩堝の耐久性確保の観点から、上記モル比を0.001以上0.11以下とすることが好ましいことが分かった。   From this, it was found that the molar ratio is preferably 0.001 or more and 0.11 or less from the viewpoint of improving the crystallinity of the AlN single crystal and ensuring the durability of the inner crucible.

本発明の坩堝の内側坩堝が窒化ホウ素の焼結体である場合において、当該焼結体の厚みが当該内側坩堝の耐久性および得られるAlN単結晶の結晶性に及ぼす影響を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。   When the inner crucible of the crucible of the present invention is a sintered body of boron nitride, an experiment was conducted to confirm the influence of the thickness of the sintered body on the durability of the inner crucible and the crystallinity of the resulting AlN single crystal. It was. The experimental procedure is as follows.

まず、上記実施例1の(1)と同様の手順で、外側坩堝を作製した。一方、内側坩堝は、市販品のBN固体を準備し、成形加工することにより作製した。内側坩堝の外径は70mm、内径は60mm、高さは70mm、底厚は10mmとした。   First, an outer crucible was produced in the same procedure as in Example 1 (1). On the other hand, the inner crucible was prepared by preparing and molding a commercially available BN solid. The outer diameter of the inner crucible was 70 mm, the inner diameter was 60 mm, the height was 70 mm, and the bottom thickness was 10 mm.

そして、上記実施例1の(3)と同様の手順でAlN単結晶の成長を実施し、得られたAlN単結晶について実施例1と同様にその品質(結晶性)を確認した。また、AlN単結晶の成長を10回繰り返して行ない、その後内側坩堝における損傷発生の有無を調査した。実験の結果を表5に示す。   Then, AlN single crystals were grown in the same procedure as in (3) of Example 1 above, and the quality (crystallinity) of the obtained AlN single crystals was confirmed in the same manner as in Example 1. Further, the growth of the AlN single crystal was repeated 10 times, and then the presence or absence of damage in the inner crucible was investigated. The results of the experiment are shown in Table 5.

Figure 2011057468
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表5を参照して、内側坩堝を構成するBN焼結体の厚みを30mm以下とすることにより、内側坩堝の耐久性が向上するともに、多結晶の混在しない良好な結晶性を有する単結晶が得られることが分かった。一方、BN焼結体の厚みが100μm未満となると、内側坩堝の耐久性が低下するため、当該厚みは100μm以上であることが好ましいといえる。また、内側坩堝をBN焼結体からなるものとすることにより、比較的安価にかつ容易に、化学的に安定な内側坩堝を作製することができる。   Referring to Table 5, by setting the thickness of the BN sintered body constituting the inner crucible to 30 mm or less, the durability of the inner crucible is improved and a single crystal having good crystallinity with no polycrystals is obtained. It turns out that it is obtained. On the other hand, when the thickness of the BN sintered body is less than 100 μm, the durability of the inner crucible is lowered, and therefore it can be said that the thickness is preferably 100 μm or more. Further, by making the inner crucible made of a BN sintered body, a chemically stable inner crucible can be produced relatively easily and inexpensively.

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。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being 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.

本発明の坩堝、窒化アルミニウム単結晶の製造方法および窒化アルミニウム単結晶は、不純物混入の低減が求められる窒化アルミニウム単結晶の製造および窒化アルミニウム単結晶に、特に有利に適用され得る。   The crucible, the method for producing an aluminum nitride single crystal, and the aluminum nitride single crystal of the present invention can be particularly advantageously applied to the production of an aluminum nitride single crystal and the aluminum nitride single crystal that are required to reduce impurity contamination.

1 坩堝、10 内側坩堝、20 内蓋、20A 保持面、21 内蓋本体、22 コーティング層、30 外側坩堝、31 外側坩堝本体、32 コーティング層、33 底壁保護層、34 側壁保護層、40 外蓋、41 外蓋本体、42 コーティング層、50 断熱材、60 誘導加熱用コイル、70 原料、80 種基板、90 AlN単結晶。   1 crucible, 10 inner crucible, 20 inner lid, 20A holding surface, 21 inner lid body, 22 coating layer, 30 outer crucible, 31 outer crucible body, 32 coating layer, 33 bottom wall protective layer, 34 sidewall protective layer, 40 outer Lid, 41 outer lid body, 42 coating layer, 50 heat insulating material, 60 induction heating coil, 70 raw material, 80 seed substrate, 90 AlN single crystal.

Claims (9)

気相成長法による窒化アルミニウム単結晶の製造に用いられる坩堝であって、
内側坩堝と、
前記内側坩堝の底壁に対向するように種結晶を保持する保持部材と、
前記内側坩堝および前記保持部材を取り囲むように配置された外側坩堝とを備え、
前記外側坩堝は、
炭素からなる外側坩堝本体と、
前記外側坩堝本体の内壁を覆い、高融点材料からなるコーティング層とを含む、坩堝。
A crucible used for producing an aluminum nitride single crystal by a vapor phase growth method,
An inner crucible,
A holding member that holds the seed crystal so as to face the bottom wall of the inner crucible;
An outer crucible arranged to surround the inner crucible and the holding member;
The outer crucible is
An outer crucible body made of carbon;
A crucible covering an inner wall of the outer crucible body and including a coating layer made of a high melting point material.
前記外側坩堝は、
タンタルからなり、前記外側坩堝本体の内側の底壁上に形成された前記コーティング層上を覆い、少なくとも前記コーティング層とは反対側の表面が炭化された底壁保護層と、
タンタルからなり、前記外側坩堝本体の内側の側壁上に形成された前記コーティング層上を覆い、少なくとも前記コーティング層とは反対側の表面が炭化された側壁保護層とをさらに含む、請求項1に記載の坩堝。
The outer crucible is
A bottom wall protective layer made of tantalum, covering the coating layer formed on the inner bottom wall of the outer crucible body, and carbonized at least on the surface opposite to the coating layer;
The side wall protective layer made of tantalum, covering the coating layer formed on the inner side wall of the outer crucible body, and having a carbonized surface at least opposite to the coating layer. The crucible described.
前記コーティング層を構成する前記高融点材料は炭化タンタルまたは炭化タングステンである、請求項1または2に記載の坩堝。   The crucible according to claim 1 or 2, wherein the high melting point material constituting the coating layer is tantalum carbide or tungsten carbide. 前記コーティング層の厚みは0.1μm以上1mm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の坩堝。   The crucible according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating layer has a thickness of 0.1 µm or more and 1 mm or less. 前記外側坩堝本体の熱膨張率と前記コーティング層の熱膨張率との差の絶対値は、室温以上3000℃以下の温度範囲において30×10−6−1以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の坩堝。 The absolute value of the difference between the thermal expansion coefficient of the outer crucible body and the thermal expansion coefficient of the coating layer is 30 × 10 −6 K −1 or less in a temperature range of room temperature to 3000 ° C. 5. The crucible according to any one of the above. 前記内側坩堝はタンタルと炭素とからなる焼結体であり、前記焼結体におけるタンタルに対する炭素のモル比は0.001以上0.11以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の坩堝。   The inner crucible is a sintered body made of tantalum and carbon, and the molar ratio of carbon to tantalum in the sintered body is 0.001 or more and 0.11 or less. The crucible described. 前記内側坩堝は、窒化ホウ素の焼結体であり、
前記焼結体の厚みは100μm以上30mm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の坩堝。
The inner crucible is a sintered body of boron nitride,
The crucible according to claim 1, wherein the sintered body has a thickness of 100 μm or more and 30 mm or less.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の坩堝を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、
前記内側坩堝内に窒化アルミニウムの原料を供給する工程と、
前記原料に対向するように、前記保持部材に種結晶を保持させる工程と、
前記内側坩堝を前記外側坩堝内に装入する工程と、
前記原料を昇華させるとともに前記種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる工程とを備えた、窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
A method for producing an aluminum nitride single crystal using the crucible according to any one of claims 1 to 7,
Supplying an aluminum nitride raw material into the inner crucible;
Holding the seed crystal on the holding member so as to face the raw material;
Charging the inner crucible into the outer crucible;
And a step of growing the aluminum nitride single crystal on the seed crystal while sublimating the raw material.
請求項8に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法により製造された、窒化アルミニウム単結晶。   An aluminum nitride single crystal produced by the method for producing an aluminum nitride single crystal according to claim 8.
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CN103774215A (en) * 2012-10-26 2014-05-07 阿特斯(中国)投资有限公司 Crucible for silicon ingoting and preparation method of crucible coating

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