JP2011157235A

JP2011157235A - 結晶製造装置及び結晶製造方法

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Publication number: JP2011157235A
Application number: JP2010021171A
Authority: JP
Inventors: Naoto Nakamura; 直人中村
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】例えばＧａＮ等の結晶を成長させる場合において、多数の基板を効率的に切り出せる結晶を短時間で製造させ、結晶製造の生産性を向上させることが可能な結晶製造装置及び結晶製造方法を提供する。
【解決手段】棒状に形成された種結晶材２００を保持する種結晶材保持台２１７と、種結晶材保持台２１７に保持された種結晶材２００が搬入され、種結晶材２００の表面に結晶を成長させる処理室２０１と、処理室２０１の外側に配置され、処理室２０１内を加熱する加熱部２０６と、処理室２０１内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、処理室内の雰囲気を排出するガス排出部２３１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶製造装置及び結晶製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）等の物質の単結晶は、溶融液から成長させることが困難である。ＧａＮの単結晶を製造する方法として、例えば、ＧａＮと格子定数の近いサファイヤ等の単結晶からなる下地基板の上に、ガリウム（Ｇａ）を含むガスと窒素（Ｎ）を含むガスとを供給し、この下地基板上にＧａＮの単結晶をヘテロエピタキシャル成長させた後、得られたＧａＮの単結晶を下地基板から剥離する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２２５１８０号公報

しかしながら、例えば特許文献１に示すような従来技術では、多数の基板を効率的に切り出せる結晶を短時間で製造することは困難であり、高い生産性が得られ難いという課題があった。

そこで本発明は、例えばＧａＮ等の結晶を成長させる場合において、多数の基板を効率的に切り出せる結晶を短時間で製造することができ、結晶製造の生産性を向上させることが可能な結晶製造装置及び結晶製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、
棒状に形成された種結晶材を保持する種結晶材保持台と、
前記種結晶材保持台に保持された前記種結晶材が搬入され、前記種結晶材の表面に結晶を成長させる処理室と、
前記処理室の外側に配置され、前記処理室内を加熱する加熱部と、
前記処理室内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出部と、を備える
結晶製造装置である。

本発明の他の態様によれば、
種結晶材保持台に保持され、棒状に形成された種結晶材を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室の外側に配置された加熱部で前記処理室内を加熱し、原料ガス供給部から所定のガスを前記処理室内に供給しつつ、前記処理室内の雰囲気をガス排出部から排出して前記種結晶材の表面に結晶を成長させる工程と、を有する
結晶製造方法である。

本発明に係る結晶製造装置及び結晶製造方法によれば、例えばＧａＮ等の結晶を成長させる場合において、多数の基板を効率的に切り出せる結晶を短時間で製造することができ、結晶製造の生産性を向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る結晶製造装置の処理炉の縦断面図であり、結晶成長前の状態を示している。本発明の第１の実施形態に係る結晶製造装置の処理炉の縦断面図であり、結晶成長後の状態を示している。従来の結晶製造装置を示す模式図である。従来技術に係る結晶成長の様子を表わす基板の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る結晶成長の様子を表わす模式図である。従来技術に係る結晶成長の様子を表わす模式図である。本発明の第２の実施形態に係る結晶製造装置の処理炉の縦断面図である。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を、以下に説明する。

（１）結晶製造装置の構成
図１は、本実施形態に係る結晶製造装置のホットウォール型の処理炉２０２の縦断面図であり、結晶成長前の状態を示している。図２は、本実施形態に係る結晶製造装置のホットウォール型の処理炉２０２の縦断面図であり、結晶成長後の状態を示している。図１、図２に示すように、処理炉２０２は、種結晶材としての単結晶棒材２００を収容する処理室２０１と、処理室２０１内で単結晶棒材２００を保持する種結晶材保持台としてのボート２１７と、処理室２０１内に所定のガスを供給する後述のガス供給部と、処理室２０１内のガスを排出するガス排出部２３１と、を備えている。なお、単結晶棒材２００は、例えばＧａＮ単結晶を棒状に形成したものである。単結晶棒材２００の表面は例えば円筒形状を成すよう平坦に成形されており、この表面上に例えばＧａＮの結晶３００をエピタキシャル成長させる。

（処理室）
処理室２０１は処理容器としての反応管２０４内に設けられている。反応管２０４は、上端が閉塞し、下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管２０４は、例えばＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２膜）で表面がコーティングされた、石英（ＳｉＯ_２）やシリコン（Ｓｉ）等の耐熱性材料により構成されている。処理室２０１内には単結晶棒材２００を保持した上述のボート２１７が収容可能に構成されている。

反応管２０４の下端部には、反応管２０４の下端開口を気密に閉塞可能な保持体としてのベース２５７が設けられている。ベース２５７は、例えばステンレス等の金属により、円盤状に形成されている。ベース２５７の上面には、反応管２０４の下端に当接するシール部材としてのＯリング２２０が設けられている。

ベース２５７の下には、炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、例えばステンレス等の金属により円盤状に形成されている。シールキャップ２１９は、ボートエレベータ１１５により後述するボート２１７を処理室２０１内に搬入する際に、ベース２５７、Ｏリング２２０を介して反応管２０４の下端を気密に閉塞するように構成されている。

シールキャップ２１９の下側中心付近には、ボート２１７を回転させる回転機構２５４が設置されている。回転機構２５４の回転軸２５５は、シールキャップ２１９とベース２５７とを貫通し、後述する断熱筒２１８を介してボート２１７に接続されている。

（ボート）
種結晶材保持台としてのボート２１７は、円盤状に形成された種結晶材保持棚２１７ａと、その中央に単結晶棒材２００を種結晶材保持棚２１７ａに対して垂直に保持する種結晶材保持部２１７ｂとを備えている。種結晶材保持部２１７ｂには、単結晶棒材２００の下端を差し込んで固定する穴部（図示せず）が設けられている。ボート２１７はこのほか、単結晶棒材２００の下端だけでなく、上端も固定するように構成されていてもよい。したがってボート２１７は、例えば処理室２０１内に立設されるよう複数本の支柱（図示せず）を備えていてもよく、例えば支柱の両端に、種結晶材保持部２１７ｂを備える種結晶材保持棚２１７ａがそれぞれ設けられていてもよい。これによって、より安定的に単結晶棒材２００を保持することができる。ボート２１７を構成する各部は、例えばＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２膜）で表面がコーティングされた、石英や炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性非金属材料により構成されている。

（回転機構及びボートエレベータ）
ボート２１７の下方には、断熱部材としての断熱筒２１８が、ボート２１７を下方から支持するように設けられている。断熱筒２１８は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料により、円筒形状に形成されている。断熱筒２１８は、後述するヒータ２０６からの熱を反応管２０４の下端側に伝達し難く構成されている。断熱筒２１８は、回転機構２５４の回転軸２５５により下方から支持されている。回転機構２５４を作動させることにより、ボート２１７に保持された単結晶棒材２００を、処理室２０１内で回転させることが可能に構成されている。

シールキャップ２１９の下側周縁は、昇降機構であるボートエレベータ１１５のアームに連結されている。ボートエレベータ１１５は、反応管２０４の外部に垂直に設置されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を垂直方向に昇降させるように構成されている。すなわち、ボートエレベータ１１５は、処理室２０１内に対してボート２１７を搬入搬出可能となっている。ボートエレベータ１１５により処理室２０１内に搬入されたボート２１７は、予め種結晶材保持部２１７ｂに固定された単結晶棒材２００を、処理室２０１の軸心方向に延在するように処理室２０１内に保持する。回転機構２５４及びボートエレベータ１１５は、後述するコントローラ２４０の駆動制御部２３７に電気的に接続されている。

（ガス供給部）
反応管２０４の下端部には、ガス導入部２３０ａ、２３０ｂが設けられている。ガス導入部２３０ａ、２３０ｂの下流端には、細管２３３ａ、２３３ｂの上流端が接続されている。細管２３３ａ、２３３ｂは、反応管２０４の下方から反応管２０４の天井部に至るまで、反応管２０４の外壁に沿って垂直に設けられている。細管２３３ａ、２３３ｂの下流端は、反応管２０４の天井部に開口するように形成されたガス導入口２３４ａ、２３４ｂにそれぞれ接続されている。ガス導入部２３０ａ、２３０ｂから導入されたガスは、細管２３３ａ、２３３ｂ内を流通し、ガス導入口２３４ａ、２３４ｂから処理室２０１内に導入されるようになっている。

ガス導入部２３０ａの上流端には、ガス供給管２３２ａの下流端が接続されている。ガス供給管２３２ａは、ガリウム含有ガスとして例えば塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）を含むガスを供給するガリウム含有ガス供給管として構成されている。ガス供給管２３２ａの上流端には、ガリウム（Ｇａ）融液を貯留したＧａ融液タンク２６５が設けられている。Ｇａ融液タンク２６５には、塩素含有ガスとして例えば塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給する塩素含有ガス供給管２６１の下流端が接続されている。

塩素含有ガス供給管２６１には、上流側から順に、ＨＣｌガス供給源２６２、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２６３、開閉弁であるバルブ２６４が
設けられている。ＨＣｌガス供給源２６２から供給されるＨＣｌガスは、バルブ２６４の開動作により、マスフローコントローラ２６３で所定の流量に調整されつつ、塩素含有ガス供給管２６１内を流通し、Ｇａ融液タンク２６５内に供給される。Ｇａ融液タンク２６５内では、供給されたＨＣｌガスと貯留されていたＧａ融液とが反応し、ＧａＣｌ_３が生成される。ＧａＣｌ_３を含むガスはガス供給管２３２ａを流れ、ガス導入部２３０ａ、細管２３３ａ、ガス導入口２３４ａを介して処理室２０１内に導入されるようになっている。

ガス導入部２３０ｂの上流端には、ガス供給管２３２ｂの下流端が接続されている。ガス供給管２３２ｂの上流端には、窒素含有ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給する窒素含有ガス供給管２７１が接続されている。

窒素含有ガス供給管２７１には、上流側から順に、ＮＨ_３ガス供給源２７２、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２７３、開閉弁であるバルブ２７４が設けられている。ＮＨ_３ガス供給源２７２から供給されるＮＨ_３ガスは、バルブ２７４の開動作により、マスフローコントローラ２７３で所定の流量に調整されつつ、窒素含有ガス供給管２７１内を流通し、ガス供給管２３２ｂ、ガス導入部２３０ｂ、細管２３３ｂ、ガス導入口２３４ｂを介して処理室２０１内に導入されるようになっている。

主に、塩素含有ガス供給管２６１、ＨＣｌガス供給源２６２、マスフローコントローラ２６３、バルブ２６４、Ｇａ融液タンク２６５、ガス供給管２３２ａ、ガス導入部２３０ａ、細管２３３ａ、ガス導入口２３４ａにより、本実施形態に係るガリウム含有ガス供給部が構成されている。また主に、窒素含有ガス供給管２７１、ＮＨ_３ガス供給源２７２、マスフローコントローラ２７３、バルブ２７４、ガス供給管２３２ｂ、ガス導入部２３０ｂ、細管２３３ｂ、ガス導入口２３４ｂにより、本実施形態に係る窒素含有ガス供給部が構成されている。そして主に、ガリウム含有ガス供給部、窒素含有ガス供給部により処理室２０１内に所定のガスを供給する原料ガス供給部が構成されている。そして、マスフローコントローラ２６３、２７３及びバルブ２６４、２７４は、後述するコントローラ２４０のガス流量制御部２３５に電気的に接続されている。

（ガス排出部）
また、反応管２０４の下端部であってガス導入部２３０ａ、２３０ｂと対向する位置に排気口２３１ａが設けられている。排気口２３１ａには、排気管２２９が接続されている。排気管２２９には、上流側から順に、圧力検出器としての圧力センサ２４５、圧力調整装置としてのＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４２、排気装置としての真空ポンプ２４６が設けられている。圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいてＡＰＣバルブ２４２の弁開度をフィードバック制御することにより、処理室２０１内の圧力を所定の圧力に調整可能なように構成されている。

主に、排気口２３１ａ、排気管２２９、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４２及び真空ポンプ２４６により、処理室２０１内のガス（雰囲気）を排出するガス排出部２３１が構成されている。圧力センサ２４５及びＡＰＣバルブ２４２は、後述するコントローラ２４０の圧力制御部２３６に電気的に接続されている。

（加熱部）
ヒータ２０６の下端部には、ヒータベース２５１が設けられている。ヒータベース２５１は、加熱部としてのヒータ２０６を下方から支持している。ヒータ２０６は、円筒形状に形成されている。ヒータ２０６は、反応管２０４の外側に同心円状に配設されている。ヒータ２０６は、反応管２０４を介して、処理室２０１内の単結晶棒材２００を加熱するようになっている。なお、ヒータ２０６は鉛直方向に複数のゾーンに分割されている。ヒ
ータ２０６を構成する複数のゾーンの温度は、それぞれ独立して制御できるように構成されている。これにより、処理室２０１内での均熱性が向上する。なお、ヒータ２０６は、好適には二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）材料等で形成される、抵抗加熱式の発熱体として構成されている。

また、ヒータ２０６と反応管２０４との間には、温度検出器としての温度センサ２０６ａが設置されている。ヒータ２０６は、温度センサ２０６ａの温度情報に基づき制御されるようになっている。ヒータ２０６及び温度センサ２０６ａは、後述するコントローラ２４０の温度制御部２３８に電気的に接続されている。

（制御部）
制御部としてのコントローラ２４０は、駆動制御部２３７、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、温度制御部２３８、及びこれらを制御して結晶製造装置全体を制御する主制御部２３９を備えている。また、コントローラ２４０は、操作部及び入出力部（共に図示しない）を更に備えている。

駆動制御部２３７は、回転機構２５４及びボートエレベータ１１５にそれぞれ電気的に接続されている。駆動制御部２３７は、回転機構２５４の動作を制御し、所定のタイミングにてボート２１７を回転させるようにしている。また、駆動制御部２３７は、ボートエレベータ１１５の動作を制御し、処理室２０１内外に所定のタイミングでボート２１７を搬送するようにしている。

ガス流量制御部２３５は、マスフローコントローラ２６３、２７３及びバルブ２６４、２７４にそれぞれ電気的に接続されている。ガス流量制御部２３５は、マスフローコントローラ２６３、２７３による流量調整動作と、バルブ２６４、２７４の開閉動作を制御することにより、処理室２０１内へのガス供給を所定のタイミングかつ所定の流量で行なうようにしている。

圧力制御部２３６は、圧力センサ２４５及びＡＰＣバルブ２４２にそれぞれ電気的に接続されている。圧力制御部２３６は、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいてＡＰＣバルブ２４２の弁開度を制御し、処理室２０１内の圧力が所定のタイミングで所定の圧力となるようにしている。

温度制御部２３８は、温度センサ２０６ａ及びヒータ２０６にそれぞれ電気的に接続されている。温度制御部２３８は、温度センサ２０６ａにより検出された温度情報に基づいてヒータ２０６への通電具合を制御し、処理室２０１内の温度及び単結晶棒材２００の温度が所定のタイミングで所定の温度となるようにしている。

（２）結晶製造工程
次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、単結晶棒材２００の表面に例えばＧａＮの結晶３００を成長させる工程を有する結晶製造工程について説明する。尚、以下の説明において、結晶製造装置を構成する各部の動作はコントローラ２４０により制御される。

（搬入工程（Ｓ１０））
まず、ボート２１７が備える種結晶材保持部２１７ｂに、単結晶棒材２００を保持させる。次に、コントローラ２４０（駆動制御部２３７）の制御に基づいてボートエレベータ１１５を駆動させ、ボート２１７を上昇させる。これにより、図１に示すように、単結晶棒材２００を保持したボート２１７が処理室２０１内に搬入（ボートローディング）される。このとき、シールキャップ２１９は、ベース２５７、Ｏリング２２０を介して反応管２０４の下端を閉塞する。これにより、処理室２０１は気密に封止される。

（減圧工程（Ｓ２０）及び昇温工程（Ｓ３０））
処理室２０１内へのボート２１７の搬入が完了したら、処理室２０１内の雰囲気を真空ポンプ２４６により排気して、処理室２０１内を減圧する。そして、回転機構２５４を作動させ、処理室２０１内に搬入された単結晶棒材２００の回転を開始する。なお、単結晶棒材２００の回転は、後述する結晶成長工程（Ｓ４０）が終了するまで継続する。

また、処理室２０１内が所定温度となるようヒータ２０６によって加熱する。具体的には、温度センサ２０６ａにより検出された温度情報に基づいてヒータ２０６への通電具合を制御して、処理室２０１内を所定の温度とする。

（結晶成長工程（Ｓ４０））
結晶成長工程（Ｓ４０）では、処理室２０１内に原料ガス供給部から所定のガスを供給しつつ、処理室２０１内の雰囲気をガス排出部２３１から排出して、単結晶棒材２００の表面にＧａＮの結晶３００を成長させる。

具体的にはまず、処理室２０１内へ、ガリウム含有ガスとしてのＧａＣｌ_３を含むガスの供給を開始する。すなわち、バルブ２６４を開け、ＨＣｌガス供給源２６２から供給されたＨＣｌガスを、マスフローコントローラ２６３により所定の流量に調整しつつ、塩素含有ガス供給管２６１内を流通させ、Ｇａ融液タンク２６５内に供給する。Ｇａ融液タンク２６５内では、供給されたＨＣｌガスと貯留されていたＧａ融液とが反応し、ＧａＣｌ_３が生成される。ガス供給管２３２ａを流れたＧａＣｌ_３を含むガスは、ガス導入部２３０ａ、細管２３３ａ、ガス導入口２３４ａを介して処理室２０１内に供給される。

処理室２０１内へのＧａＣｌ_３を含むガスの供給と並行して、処理室２０１内へ、窒素含有ガスとしてのＮＨ_３ガスの供給を開始する。すなわち、バルブ２７４を開け、ＮＨ_３ガス供給源２７２から供給されたＮＨ_３ガスを、マスフローコントローラ２７３により所定の流量に調整しつつ、窒素含有ガス供給管２７１内を流通させ、ガス供給管２３２ｂ、ガス導入部２３０ｂ、細管２３３ｂ、ガス導入口２３４ｂを介して処理室２０１内に供給する。

このとき、処理室２０１内へ上記所定のガスを供給しつつ真空ポンプ２４６により排気して、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて圧力調整装置２４２のバルブの開度をフィードバック制御し、処理室２０１内を所定の圧力とする。なお、処理室２０１内の圧力条件及び温度条件は、単結晶棒材２００の表面にのみＧａＮの結晶３００が選択的に成長し、反応管２０４内壁面などにはＧａＮ（窒化ガリウム）の結晶が成長しない条件とすることが好ましい。

ＧａＣｌ_３を含むガスとＮＨ_３ガスとが処理室２０１内で気相反応することにより、単結晶棒材２００の表面にてＧａＮの結晶３００の成長（気相成長）が開始される。成長が開始されると、ＧａＮの結晶３００は主に、単結晶棒材２００の表面全体に延び広がる方向、すなわち、単結晶棒材２００の表面を覆うように成長する。その後、単結晶棒材２００の円筒形状を成す表面に対して半径方向（垂直方向）に成長する。そして結晶成長を継続させると、図２に示すように、結晶３００は単結晶棒材２００を中心軸とする柱状結晶となる。つまり、柱状結晶の半径分の成長時間で結晶３００が形成される。なお、単結晶棒材２００は、柱状となった結晶３００の中に包含されることになる。

処理室２０１内の圧力は、減圧〜大気圧の範囲内（例えば５０Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下）とするのが好ましく、成長領域におけるＧａＣｌ_３を含むガス、ＮＨ_３ガス及びＨＣｌガスの各分圧を、常圧下においてそれぞれ１００〜２０００Ｐａ、２９００〜１０００
Ｐａ及び１０〜７００Ｐａとするのが好ましい。これにより結晶欠陥の少ないＧａＮの結晶３００が得られる。例えば、ＧａＣｌ_３を含むガスの供給流量を２０〜２００ｓｃｃｍとし、ＮＨ_３ガスの供給流量を３００〜１０００ｓｃｃｍとし、ＨＣｌガスの供給流量を２〜７０ｓｃｃｍとするのが好ましい。

成長領域の温度は８００℃以上１１５０℃未満の範囲内に制御するのが好ましい。成長領域の温度を８００℃未満とすると、ＧａＮの結晶３００の成長速度が遅くなり過ぎてしまう。一方、成長領域の温度を１１５０℃以上とすると、ＧａＣｌ_３を含むガスとＮＨ_３ガスとの反応性が高くなり過ぎてしまう。なお、成長領域の温度は８５０℃以上１１００℃以下に制御するのがより好ましい。

結晶３００が所定の大きさに成長したら、バルブ２６４を閉めて処理室２０１内へのＧａＣｌ_３を含むガスの供給を停止すると共に、バルブ２７４を閉めて処理室２０１内へのＮＨ_３ガスの供給を停止する。そして、処理室２０１内の排気を継続し、処理室２０１内に残留しているＧａＣｌ_３を含むガス、ＮＨ_３ガス、反応生成物等を排気する。

（大気圧復帰工程（Ｓ５０））
結晶成長工程（Ｓ４０）が完了したら、ボート２１７の回転を停止させて単結晶棒材２００の回転を停止する。そして、処理室２０１内の圧力を大気圧に復帰させつつ、単結晶棒材２００を降温させる。具体的には、図示しないパージガス供給部から処理室２０１内に不活性ガスとしてのＮ_２ガスを供給しつつ、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて圧力調整装置２４２のバルブの開度をフィードバック制御し、処理室２０１内の圧力を大気圧に昇圧する。そして、ヒータ２０６への通電量を制御して、柱状に成長した結晶３００の温度を降温させる。

（搬出工程（Ｓ６０））
その後、コントローラ２４０（駆動制御部２３７）の制御に基づいてボートエレベータ１１５を駆動させ、ボート２１７を降下させる。そして、成長させた柱状の結晶３００をボート２１７から取り出す。

（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示すひとつまたは複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態に係る結晶製造装置は、棒状に形成された単結晶棒材２００を保持するボート２１７と、単結晶棒材２００の表面に結晶３００を成長させる処理室２０１と、処理室２０１内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、処理室２０１内の雰囲気を排出するガス排出部２３１と、を備える構成となっている。そして、ボート２１７に保持された単結晶棒材２００が搬入された処理室２０１内に、原料ガス供給部から所定のガスを供給しつつ、処理室２０１内の雰囲気をガス排出部２３１から排出して棒状の単結晶棒材２００の表面に結晶３００を成長させる。これによって、多数の基板を効率的に切り出せる結晶３００を短時間で製造することができ、結晶製造の生産性を向上させることができる。

参考までに、従来の結晶製造装置の構成、及び係る装置を用いた従来の結晶製造工程について、図３、図４を用いて説明する。

図３に示すように、従来の結晶製造装置は、反応管４１０内の一端側（図中右側）に炭化珪素（ＳｉＣ）から成るサセプタ４２０を備えていた。サセプタ４２０は、サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる下地基板４００を保持するように構成されていた。サセプタ４２０上に保持された下地基板４００は、反応管４１０の外周を囲うように設けられたヒータ
（ＲＦコイル）４５０により加熱されるように構成されていた。また、反応管４１０内には、反応管４１０内の他端（図中左側）側から下地基板４００に向けて延在するＧａＣｌガス供給管４３０と、ＮＨ_３ガス供給管４４０と、が設けられていた。ＧａＣｌガス供給管４３０には、Ｇａ融液を貯留するＧａ融液タンク４３１が設けられていた。そして、下地基板４００をヒータ４５０により加熱しつつ、反応管４１０内にＧａＣｌガス供給管４３０からＧａＣｌガスを供給すると共に、反応管４１０内にＮＨ_３ガス供給管４４０からＮＨ_３ガスを供給することにより、下地基板４００上にＧａＮの結晶５００を製造するようにしていた。

なお、図４（ａ）に示すように、結晶５００を製造する際には、下層側の結晶５００ｂを成長させた後、結晶５００ｂ上に微細孔マスク（ナノマスク）５００ｎを自己形成させ、その後、上層側の結晶５００ａを成長させるようにする場合もあった。係る場合、下層側の結晶５００ｂに発生した転位５００ｅが、上層側の結晶５００ａに継承されてしまうことを抑制できる。また、微細孔マスク５００ｎと上層側の結晶５００ａとの界面にボイド５００ｖが形成されることから、結晶５００を冷却する際に、図４（ｂ）に示すように、熱応力により上層側の結晶５００ａを自然剥離させることができる。

しかしながら上述の従来技術では、下地基板４００の表面全体に結晶５００が延び広がった後は、概ね一方向、すなわち図６に示すように下地基板４００の表面に対して垂直方向ｇ_０へしか、結晶５００は成長していかない。このため、所定の厚さの結晶５００を成長させるには時間がかかるので、例えば多数の基板が切り出せるような厚みを持った結晶５００を製造することは事実上困難であり、高い生産性が得られ難いという課題があった。

これに対して本実施形態によれば、種結晶材としての単結晶棒材２００の表面に結晶３００を成長させるから、図５に示すように、例えば単結晶棒材２００の表面が円筒形状を成す場合には、単結晶棒材２００の表面に対して垂直方向（法線の方向）ｇ_１、ｇ_２、ｇ_３・・・に放射状に結晶３００が成長していく。このため、所定の大きさの結晶３００を効率よく成長させることができる。また、結晶３００を例えば柱状に成長させるため、多数の基板を効率的に切り出せる結晶３００を短時間、つまり、柱状結晶の半径分の成長時間で製造することができ、結晶製造の生産性を向上させることが可能となる。

なお、所定の大きさの結晶を効率よく成長させる方法として、例えば複数の下地基板を用いる方法等も考えられる。処理室内に、例えば複数の下地基板を多段に収容し、各々の下地基板表面に結晶を成長させるのである。この状態で結晶成長を継続させると、下地基板の数に応じて複数の球状の結晶が得られる。しかしこの場合であっても、各下地基板の間は結晶が形成されないデッドスペースとなるので、こと効率面でいえば本実施形態による結晶製造方法がより有利である。また、球状に対して柱状の結晶のほうが、基板に切り出すときの切り出し効率もよい。

（ｂ）本実施形態によれば、処理室２０１は筒状に構成され、単結晶棒材２００は処理室２０１の軸心方向に延在するように保持される構成となっている。これにより、処理室２０１内に供給される所定のガスの流量や組成比、処理室２０１内の温度等が均一になり、より均質で高品質の結晶３００が得られる。

（ｃ）また本実施形態によれば、単結晶棒材２００の表面は円筒形状に構成され、円筒形状の表面に対して半径方向に結晶３００を成長させる。これにより、凹凸や角部のない平坦な表面上に結晶３００が成長するから結晶欠陥を低減できる。また放射状に成長が進むので所定の大きさの結晶３００をより効率よく成長させることができる。

（ｄ）本実施形態によれば、抵抗加熱方式等のホットウォール型の処理炉において、反応管２０４内壁やボート２１７等の表面をＳｉ酸化膜で構成する。そして、結晶成長工程（Ｓ４０）における処理室２０１内の圧力条件及び温度条件を、ＧａＮ等からなる単結晶棒材２００の表面にのみ結晶３００が選択的に成長し、処理室２０１内壁上やボート２１７表面上には結晶が成長しない条件とすることができる。すなわち、反応管２０４内壁やボート２１７等にＧａＮ等からなる薄膜を成膜させないようにしつつ、種結晶材としての単結晶棒材２００の表面にのみＧａＮ等を厚く成膜させることができ、バルクの結晶３００を容易に製造することが可能となる。

（ｅ）本実施形態によれば、種結晶材としての単結晶棒材２００の材料として、例えばＧａＮ単結晶を用いるようにしている。このように、同じ物質の上にエピタキシャル成長させると、成長による幾何学的選択効果（ジオメトリカルセレクション）によって欠陥を減少させることができる。そして、ＧａＮを厚く成長させるほど欠陥を減少させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る結晶製造装置について、図７を用いて説明する。本実施形態においては、上述の結晶成長工程（Ｓ４０）に加えて、処理室２０１内にエッチングガスとして例えばＨＣｌガスを供給し、成長した結晶３００の一部を除去するエッチング工程（Ｓ４１）を行なう点が、上述の実施形態と異なる。つまり、結晶成長工程（Ｓ４０）とエッチング工程（Ｓ４１）とを交互に繰り返したり、あるいは並行して実施したりする。したがってそれ以外の構成についての詳細な説明は、前記結晶製造装置と同様の機能を有する構成要件に同一の符号を付して省略する。

ここでは一例として、第１の実施形態と同様、ＧａＮ単結晶を単結晶棒材２００として用い、ＧａＮの結晶３００を成長させる場合について述べる。図７に示す結晶製造装置には、第１の実施形態に記載のガリウム含有ガス供給部及び窒素含有ガス供給部に加えて、エッチングガス供給部が設けられている。すなわち、ＨＣｌガス供給源２８２から供給されるＨＣｌガスは、バルブ２８４の開動作により、マスフローコントローラ２８３で所定の流量に調整されつつ、エッチングガス供給管２８１内を流通し、ガス供給管２３２ｃ、ガス導入部２３０ｃ、細管２３３ｃ、ガス導入口２３４ｃを介して処理室２０１内に導入されるようになっている。

主に、エッチングガス供給管２８１、ＨＣｌガス供給源２８２、マスフローコントローラ２８３、バルブ２８４、ガス供給管２３２ｃ、ガス導入部２３０ｃ、細管２３３ｃ、ガス導入口２３４ｃにより、本実施形態に係るエッチングガス供給部が構成されている。また、マスフローコントローラ２８３及びバルブ２８４は、上述のマスフローコントローラ２６３、２７３及びバルブ２６４、２７４と同様、コントローラ２４０のガス流量制御部２３５に電気的に接続され、処理室２０１内へのガス供給を所定のタイミングかつ所定の流量で行なうようにしている。

上述の構成を持つ結晶製造装置を用いて結晶３００を成長させる場合、上述の結晶成長工程（Ｓ４０）を所定時間実施した後、処理室２０１内にエッチングガスとしてのＨＣｌガスを供給するエッチング工程（Ｓ４１）を所定時間実施することとし、結晶成長工程（Ｓ４０）とエッチング工程（Ｓ４１）とを１サイクルとしてこのサイクルを繰り返すようにする。または、結晶３００が所望の大きさに到達するまで、上述の結晶成長工程（Ｓ４０）とエッチング工程（Ｓ４１）とを並行して同時に実施するようにする。

なお、エッチング工程（Ｓ４０）では、バルブ２８４を開け、ＨＣｌガス供給源２８２から供給されたＨＣｌガスを、マスフローコントローラ２８３により所定の流量に調整し
つつ、エッチングガス供給管２８１内を流通させ、ガス供給管２３２ｃ、ガス導入部２３０ｃ、細管２３３ｃ、ガス導入口２３４ｃを介して処理室２０１内に供給させるようにする。

このように、成長した結晶３００の一部を除去するエッチング工程（Ｓ４１）を行なうことで、成長の初期段階で発生する初期成長核の比較的小さいものを除去することができ、結晶３００中の欠陥の発生を抑制することができる。

なお、エッチング工程（Ｓ４１）を実施することにより、結晶３００の成長速度が低下してしまう場合もある。そのため、結晶３００の成長の初期段階でのみエッチング工程（Ｓ４１）を実施することとしてもよい。

本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。

また本実施形態によれば、エッチングガス供給部からエッチングガスを前記処理室２０１内に供給し、単結晶棒材２００の表面に成長した結晶３００の一部を除去する構成としている。これにより、結晶３００中の欠陥発生を抑制することができる。

すなわち、結晶３００は、単結晶棒材２００の表面に形成された初期成長核を基に成長していく。本実施形態のように、結晶成長工程（Ｓ４０）と交互に、或いは並行してエッチング工程（Ｓ４１）を実施することにより、単結晶棒材２００の表面に形成された初期成長核のうち、比較的小さな初期成長核を除去することができる。そして、大きな初期成長核のみが単結晶棒材２００の表面に存在する状態（低初期核密度の状態）を得ることができる。係る状態で結晶３００を成長させることにより、例えば結晶３００中における転位密度を抑制することができるなど、結晶３００中の欠陥の発生を抑制することが可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る結晶製造装置について説明する。本実施形態に係る結晶製造装置は、種結晶材としてＧａＮ単結晶の替わりに例えばＳｉ単結晶の単結晶棒材２１０を用い、原料ガス供給部によってＧａＣｌ_３を含むガス及びＮＨ_３ガスの替わりに例えばシラン系ガスを供給し、Ｓｉの結晶３１０を製造する点が上述の実施の形態と異なる。したがって、それ以外の構成については第１の実施形態に係る説明及び図１、図２を参照するものとし、詳細な説明は省略する。

本実施形態において、種結晶材として例えばＳｉ単結晶を棒状に形成した単結晶棒材２１０を用いる。このＳｉの単結晶棒材２１０を、第１の実施形態と同様の方法により処理室２０１内に収容し、単結晶棒材２１０の表面に例えばＳｉの結晶３１０をエピタキシャル成長させる。

原料ガスとしては、例えばシラン系ガスやクロル系のシランガス等のシリコン含有ガスを用いることができ、より具体的には例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスやトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガス等を用いることができる。ＳｉＨ_４ガスやＳｉＨＣｌ_３ガスは、例えば金属級Ｓｉから生成することができる。シリコン含有ガスを供給する装置構成としては、例えば第１の実施形態における窒素含有ガス供給部と同態様のシリコン含有ガス供給部を用いればよい。

上記構成により、ボート２１７に保持されたＳｉの単結晶棒材２１０を処理室２０１内に搬入し、ヒータ２０６で処理室２０１内を所定温度に加熱し、シリコン含有ガス供給部からシリコン含有ガスを処理室２０１内に供給しつつ、処理室２０１内の雰囲気をガス排
出部２３１から排出して単結晶棒材２１０の表面にＳｉの結晶３１０を成長させる。

このようにして、図２に示すように、単結晶棒材２１０の表面に例えばＳｉの柱状の結晶３１０が得られる。

本実施形態によれば、ボート２１７に保持したＳｉより成る単結晶棒材２１０を処理室２０１内に搬入し、ガス供給部からシリコン含有ガスを処理室２０１内に供給して単結晶棒材２１０の表面にＳｉの結晶３１０を成長させている。これにより、金属級Ｓｉから生成したシリコン含有ガスから直接的にＳｉの結晶３１０を製造することができ、工程やコストの大幅削減が可能となる。

従来において、半導体デバイス用として高品質の単結晶Ｓｉを得るには高コストの工程を多数、経ていた。すなわち、まず金属級ＳｉからＳｉＨ_４ガスやＳｉＨＣｌ_３ガス等のシリコン含有ガスを製造し、これをＣＶＤ法で析出させて高純度Ｓｉを得ていた。この高純度Ｓｉから、チョコラルスキー法等を用いて単結晶Ｓｉのインゴットを製造し、基板に切り出していた。半導体デバイス製造においてはＳｉ基板の寸法精度等の規格も厳しく、上述のような製造方法を用いて単結晶ＳｉやＳｉ基板を製造すると、高価であった。

しかし、太陽電池用で使用される単結晶Ｓｉにおいてはそこまでの品質は求められておらず、また更にコストを抑制しなければならない。そこで従来は、半導体デバイス用の単結晶ＳｉやＳｉ基板の規格外品が太陽電池用として使用されていた。ところが近年、太陽電池用の単結晶Ｓｉの需要が高まり、上記のような半導体デバイス用の規格外品だけではその需要をまかなえないことから、別途、価格や品質を抑えた太陽電池用の単結晶Ｓｉを製造する必要が生じてきた。このため、半導体デバイス用の単結晶Ｓｉよりも簡便で安価に単結晶Ｓｉが得られる製造方法が求められていた。

本実施形態によれば、金属級Ｓｉから生成したＳｉＨ_４ガスやＳｉＨＣｌ_３ガス等を用いて、直接、Ｓｉの結晶３１０を製造することができるので、工程やコストを大幅に削減することができる。これにより、低コストをひとつの理由に太陽電池に多用されてきた多結晶シリコンに対抗しうる低コストで、発電効率のより高い単結晶Ｓｉを製造することができる。

また、本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。

［第４の実施の形態］
上述の実施形態では、単結晶棒材２００、２１０の材質として、ＧａＮ単結晶、Ｓｉ単結晶を例に挙げて説明したが、単結晶棒材の材質は所望の結晶の種類に応じて種々変更可能である。具体的には、単結晶棒材の材質は、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶等であってもよい。

これらの単結晶棒材を基に、それぞ結晶を成長させる場合は、使用する原料ガスも適宜、変更するものとする。具体的には、例えばＳｉＣの結晶を成長させる場合は、シリコン含有ガスおよび炭素（Ｃ）含有ガスを処理室２０１内に供給し、ＳｉＣ単結晶の単結晶棒材の表面にＳｉＣの結晶を成長させる。係る場合、単結晶棒材の表面にのみＳｉＣの結晶を選択的に成長させ、反応管２０４内壁面等にはＳｉＣの結晶を成長させないようにするために、シリコン含有ガスや炭素含有ガスとして、塩素（Ｃｌ）やフッ素（Ｆ）を更に含有するガスを用いるか、或いは、処理室２０１内に塩素（Ｃｌ）やフッ素（Ｆ）を含有するガスを別途供給するようにすることが好ましい。

また、例えばＡｌＮの結晶を成長させる場合は、アルミニウム（Ａｌ）含有ガスおよび
窒素含有ガスを処理室２０１内に供給し、ＡｌＮ単結晶の単結晶棒材の表面にＡｌＮの結晶を成長させる。

［第５の実施の形態］
また、処理室２０１内に搬入する単結晶棒材２００等は、一度に１本のみであっても複数本であってもよい。例えばＧａＮにより形成された複数の単結晶棒材２００を、処理室２０１内に搬入してＧａＮの結晶３００を成長させる場合について説明すると、複数の単結晶棒材２００の表面にそれぞれ結晶３００を成長させて、複数の結晶３００を製造することができ、より効率的である。その場合、処理室２０１内において、互いの単結晶棒材２００の距離や反応管２０４内壁までの距離が一定になるよう、それぞれの単結晶棒材２００を配置することで、より均質で高品質の結晶３００が複数得られる。また、各々の単結晶棒材２００を独立に自己の中心軸周りに回転（自転）させる構成としてもよく、上記自転に替えて、あるいは上記自転に加えて、各々の単結晶棒材２００の互いの位置関係を保ったまま全体を回転（公転）させる構成としてもよい。

［他の実施の形態］
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、単結晶棒材２００は棒状に形成され、単結晶棒材２００の表面は例えば円筒形状を成すよう平坦に成形されるとしたが、単結晶棒材２００は処理室２０１内に延在させて収容される形状、例えば断面が楕円形となるような棒材のほか、板材や角材のように表面に角部を持つものであってもよく、その角部に丸みを持たせたものでもよい。但し、上述の実施形態のように単結晶棒材２００を凹凸や角部のない平坦な表面にすることで、結晶３００中の結晶欠陥を低減できる。

上述の実施形態では、ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃ、ガス導入部２３０ａ〜２３０ｃ、細管２３３ａ〜２３３ｃ、ガス導入口２３４ａ〜２３４ｃを介して処理室２０１内にそれぞれ供給することとした。しかしながら、本発明は係る形態に限定されない。例えば、エッチングガスと窒素含有ガスとを同じガス供給管、細管、ガス導入部、ガス導入口を介して供給するようにしてもよい。但し、ＧａＣｌ_３とＮＨ_３等の原料ガス同士の組み合わせは互いに反応し易いため、上述の実施形態のように処理室２０１内に別々に供給するようにすることで、ガス供給管、細管、ガス導入部、ガス導入口内が詰まってしまったり、これらの内部にて異物が発生してしまったりすることを抑制できる。

上述の実施形態では、処理室２０１内へのガス供給を、ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃ、ガス導入部２３０ａ〜２３０ｃ、細管２３３ａ〜２３３ｃ、ガス導入口２３４ａ〜２３４ｃを介して行なうようにしていたが、本発明は係る形態に限定されない。すなわち、ヒータ２０６上端に複数の貫通孔を設け、該貫通孔を貫通させるようにガス供給管２３２ａ〜２３２ｃを設け、該ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃの下流端を反応管２０４の天井部に設けたガス導入口２３４ａ〜２３４ｃにそれぞれ接続するように構成してもよい。

また、本発明は、反応管２０４やボート２１７が上述の部材により構成されている場合に限らず、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、ＳｉＣコートカーボンのいずれか１種類、もしくは２種類以上で構成されており、これらの表面がＳｉ酸化膜によりコーティングされている場合にも好適に適用可能である。これらいずれの部材を使用した場合においてもＳｉ酸化膜によりコーティングすることで、反応管２０４やボート２１７の表面にＧａＮ等の結晶を成長させないようにすることができる。

＜本発明の好ましい態様＞
以下に、本発明の好ましい態様を付記する。

本発明の一の態様は、
棒状に形成された種結晶材を保持する種結晶材保持台と、
前記種結晶材保持台に保持された前記種結晶材が搬入され、前記種結晶材の表面に結晶を成長させる処理室と、
前記処理室の外側に配置され、前記処理室内を加熱する加熱部と、
前記処理室内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出部と、を備える
結晶製造装置である。

本発明の他の態様は、
種結晶材保持台に保持され、棒状に形成された種結晶材を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室の外側に配置された加熱部で前記処理室内を加熱し、原料ガス供給部から所定のガスを前記処理室内に供給しつつ、前記処理室内の雰囲気をガス排出部から排出して前記種結晶材の表面に結晶を成長させる工程と、を有する
結晶製造方法である。

好ましくは、前記処理室は筒状に構成され、
前記種結晶材は前記処理室の軸心方向に延在するように保持される。

また好ましくは、
前記種結晶材はＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＡｌＮのいずれかにより成る。

また好ましくは、
前記種結晶材保持台に複数の前記種結晶材を保持させて前記処理室内に搬入し、
複数の前記種結晶材の前記表面にそれぞれ前記結晶を成長させて、複数の結晶を製造する。

また好ましくは、
前記種結晶材の前記表面は円筒形状に構成され、
前記円筒形状の前記表面に対して半径方向に前記結晶を成長させる。

また好ましくは、
エッチングガス供給部を備え、
前記処理容器の外側に配置された加熱部で前記処理室内を加熱し、エッチングガス供給部からエッチングガスを前記処理室内に供給し、前記種結晶材の前記表面に成長した前記結晶の一部を除去する。

本発明の更に他の態様は、
棒状に形成された種結晶材を保持する種結晶材保持台と、
前記種結晶材保持台に保持された前記種結晶材が搬入され、前記種結晶材の表面に結晶を成長させる処理室と、
前記処理室の外側に配置され、前記処理室内を加熱する加熱部と、
前記処理室内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出部と、を備える結晶製造装置にて処理され、
円筒形状を成す表面を有し、
前記円筒形状の前記表面に対して半径方向に結晶をエピタキシャル成長させる
種結晶材である。

２００単結晶棒材（種結晶材）
２０１処理室
２０６ヒータ（加熱部）
２１７ボート（種結晶保持台）
２３１ガス排出部
３００結晶

Claims

棒状に形成された種結晶材を保持する種結晶材保持台と、
前記種結晶材保持台に保持された前記種結晶材が搬入され、前記種結晶材の表面に結晶を成長させる処理室と、
前記処理室の外側に配置され、前記処理室内を加熱する加熱部と、
前記処理室内に所定のガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出部と、を備える
ことを特徴とする結晶製造装置。
種結晶材保持台に保持され、棒状に形成された種結晶材を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室の外側に配置された加熱部で前記処理室内を加熱し、原料ガス供給部から所定のガスを前記処理室内に供給しつつ、前記処理室内の雰囲気をガス排出部から排出して前記種結晶材の表面に結晶を成長させる工程と、を有する
ことを特徴とする結晶製造方法。