JP2013006739A - Method for producing single crystal - Google Patents

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Manabu Saito
学 齋藤
Tomohisa Kato
智久 加藤
Ichiro Nagai
一郎 長井
Tomonori Miura
知則 三浦
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Fujikura Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing single crystal, which can suppress dropping of atoms from a side or a surface outer peripheral part of a seed crystal and can produce high quality single crystal.SOLUTION: There is provided the method for producing single crystal in which a raw material 6 is positioned in a crucible 7 sealed by a crucible lid 8 to which the seed crystal 9 is fixed and the raw material 6 is sublimated to produce the single crystal. The method includes: a film-forming process of forming a crystal thin film 15 in advance in a temperature region in which the seed crystal 9 is not sublimated so as to cover an exposed surface of the seed crystal 9 fixed to the crucible lid 8; and a growing process of sublimating the raw material 6 to grow the single crystal by sealing the crucible 7 with the crucible lid 8 on which the crystal thin film 15 is formed.

Description

本発明は、昇華法を用いた単結晶の製造方法に関する。さらに詳しくはAlN(窒化アルミニウム)、SiC(炭化ケイ素)などの昇華性の単結晶の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a single crystal using a sublimation method. More specifically, the present invention relates to a method for producing a sublimable single crystal such as AlN (aluminum nitride) or SiC (silicon carbide).

化合物半導体結晶は、複数の元素を材料にして、組み合わせた半導体結晶であり、発光素子、電子素子、半導体センサ等の半導体デバイスを形成するための材料として有用なものである。化合物半導体は、SiやGeなどの単元素半導体と比べても大きいバンドギャップを持つことから、絶縁破壊電圧が大きくなるため、高効率パワー半導体デバイスの材料として注目されている。   A compound semiconductor crystal is a semiconductor crystal obtained by combining a plurality of elements as materials, and is useful as a material for forming a semiconductor device such as a light emitting element, an electronic element, or a semiconductor sensor. Compound semiconductors are attracting attention as materials for high-efficiency power semiconductor devices because they have a larger band gap than single-element semiconductors such as Si and Ge, and therefore have a higher dielectric breakdown voltage.

化合物半導体は単元素半導体と比べると、溶融時の蒸気圧が高いものが多いため、大気圧で加熱すると融体にはならずに昇華、分解することが知られている。このため、化合物半導体結晶の製造方法として一般的に昇華法が用いられている。昇華法は坩堝を加熱して、坩堝内に配置した粉末原料を高温下で昇華させ、発生した昇華ガスを、上部の蓋に固定された種結晶方向へ拡散、輸送する。この際、原料となる粉末原料に比べ、種結晶が低温になるように温度勾配を設定する事で、昇華ガスの拡散方向を種結晶方向へ制御することができる。これにより、種結晶に到着した昇華ガスが種結晶上で再結晶化することにより単結晶成長が行われる。ここで、使用する種結晶は、例えばAlNやSiCなどが挙げられる。なお、昇華法はMOCVD法(有機金属気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシー法)と比べて成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法である。   Since compound semiconductors often have higher vapor pressures when melted than single element semiconductors, it is known that when heated at atmospheric pressure, they do not become melts but sublime and decompose. For this reason, a sublimation method is generally used as a method for producing a compound semiconductor crystal. In the sublimation method, the crucible is heated to sublimate the powder raw material placed in the crucible at a high temperature, and the generated sublimation gas is diffused and transported in the direction of the seed crystal fixed to the upper lid. At this time, the diffusion direction of the sublimation gas can be controlled in the direction of the seed crystal by setting the temperature gradient so that the seed crystal has a lower temperature than the powder raw material as the raw material. As a result, the sublimation gas that has arrived at the seed crystal is recrystallized on the seed crystal, whereby single crystal growth is performed. Here, examples of the seed crystal used include AlN and SiC. Note that the sublimation method has a higher growth rate than the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy method) and the MBE method (molecular beam epitaxy method), and thus is an effective method for producing a bulk crystal.

高品質の単結晶を得るためには、吸着原子の表面マイグレーションを促進できるように、比較的高温で成長することが必要であるが、成長する際、種結晶に特有の問題点が存在する。   In order to obtain a high-quality single crystal, it is necessary to grow at a relatively high temperature so that surface migration of adsorbed atoms can be promoted. However, there is a problem peculiar to a seed crystal when growing.

そうした問題の一つとして、結晶成長温度がある一定以上の場合においては、種結晶面から原子が脱難してしまう、という点が挙げられる。使用する種結晶の一例として、SiCの場合、結晶成長温度が1500℃以上であると、飽和蒸気圧がC原子よりもSi原子の方が高いことから、SiC種結晶面からC原子よりもSi原子が優先的に脱難してしまう。この結果、種結晶にはSi原子が抜けた穴(ボイド)が発生し、このボイドがSiC種結晶面に発生すると、成長させる単結晶の結晶品質に影響する。したがって、単結晶成長時に用いられる種結晶面はできる限り平坦であることが望ましい。   One such problem is that atoms are difficult to escape from the seed crystal plane when the crystal growth temperature is above a certain level. As an example of the seed crystal to be used, in the case of SiC, when the crystal growth temperature is 1500 ° C. or higher, the saturation vapor pressure is higher for Si atoms than for C atoms. Atoms are preferentially escaped. As a result, holes (voids) from which Si atoms have escaped are generated in the seed crystal. If these voids are generated on the SiC seed crystal surface, the crystal quality of the single crystal to be grown is affected. Therefore, it is desirable that the seed crystal plane used during single crystal growth be as flat as possible.

種結晶裏面に有機膜である感光レジストを塗布した後に炭化処理することで保護膜を形成する方法が下記特許文献1に記載されている。この保護膜を付けたSiC種結晶を用いて結晶成長を行うと、前述した種結晶裏面からのSi原子の脱離が保護膜により抑制され、ボイドの発生を防止することができる。   A method for forming a protective film by applying a photosensitive resist, which is an organic film, to the rear surface of the seed crystal and then performing carbonization is described in Patent Document 1 below. When crystal growth is performed using the SiC seed crystal with the protective film, the elimination of Si atoms from the back surface of the seed crystal is suppressed by the protective film, and generation of voids can be prevented.

特開2003−226600号公報JP 2003-226600 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の単結晶の製造方法では、保護膜が種結晶SiCの裏面を覆うと、裏面からSi原子が脱離する代わりに種結晶側面や表面外周部からのSi原子の脱離が促進される。そのため、昇華法による単結晶の成長が進むにつれて、種結晶側面や表面外周部からSi原子が脱離し、その結果、種結晶側面や表面外周部にボイドが発生してしまう。   However, in the method for producing a single crystal described in Patent Document 1, when the protective film covers the back surface of the seed crystal SiC, Si atoms are removed from the side surface of the seed crystal and the outer periphery of the surface instead of detaching Si atoms from the back surface. Desorption is promoted. Therefore, as the growth of the single crystal by the sublimation method proceeds, Si atoms are desorbed from the side surface of the seed crystal and the outer peripheral portion of the surface, and as a result, a void is generated on the side surface of the seed crystal and the outer peripheral portion of the surface.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、種結晶の側面や表面外周部からの原子の脱離を抑えることができ、高品質な単結晶の作製が可能な単結晶の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can produce a high-quality single crystal that can suppress the detachment of atoms from the side surface and the outer peripheral portion of the seed crystal. The purpose is to provide.

上記課題を解決するため、種結晶自体に着目して鋭意検討した。その結果、種結晶上に、結晶薄膜を形成することで、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち本発明は、種結晶が固定された坩堝蓋で密閉される坩堝内に原料を配置して、原料を昇華させて単結晶を製造する単結晶の製造方法であって、坩堝蓋に固定された種結晶の露出面を覆うように、予め、種結晶が昇華しない温度領域で結晶薄膜を形成する成膜工程と、結晶薄膜が形成された坩堝蓋で坩堝を密閉して、原料を昇華させて単結晶を成長させる成長工程と、を有することを特徴とする単結晶の製造方法である。   In order to solve the above-mentioned problems, the inventors studied diligently by paying attention to the seed crystal itself. As a result, it has been found that the above problem can be solved by forming a crystal thin film on the seed crystal, and the present invention has been completed. That is, the present invention is a method for producing a single crystal in which a raw material is placed in a crucible sealed with a crucible lid to which a seed crystal is fixed, and the raw material is sublimated to produce a single crystal, which is fixed to the crucible lid. In order to cover the exposed surface of the seed crystal, the crystal thin film is formed in advance in a temperature region where the seed crystal does not sublimate, and the crucible is sealed with the crucible lid on which the crystal thin film is formed to sublimate the raw material. And a growth process for growing the single crystal.

この単結晶の製造方法によれば、昇華法で単結晶を成長させる前に、坩堝蓋に固定された種結晶の露出面を覆うように、予め、種結晶が昇華しない温度領域で結晶薄膜を形成する事で、昇華法で単結晶を成長する時に、種結晶が昇華する温度域であっても、種結晶が結晶薄膜で覆われているので、種結晶からの原子の脱離を抑えることができる。このため、種結晶の側面や表面外周部からの原子の脱離を抑えることができ、より平坦な種結晶面上で単結晶を作製できる。その結果、高品質な単結晶の作製が可能になる。   According to this method for producing a single crystal, before growing the single crystal by the sublimation method, the crystal thin film is previously formed in a temperature region where the seed crystal is not sublimated so as to cover the exposed surface of the seed crystal fixed to the crucible lid. By forming the single crystal by the sublimation method, the seed crystal is covered with the crystal thin film even in the temperature range where the seed crystal is sublimated, so that desorption of atoms from the seed crystal is suppressed. Can do. For this reason, desorption of atoms from the side surface of the seed crystal and the outer peripheral portion of the surface can be suppressed, and a single crystal can be produced on a flatter seed crystal surface. As a result, a high-quality single crystal can be produced.

また、本発明は、前記成膜工程が、CVD法、PVD法又はLPE法を用いることを特徴とする単結晶の製造方法である。   The present invention is also a method for producing a single crystal, wherein the film forming step uses a CVD method, a PVD method, or an LPE method.

この単結晶の製造方法によれば、昇華法よりも成長速度を遅くすることができ、原子層オーダーで膜厚を制御することができるため、より高品質な結晶界面を得ることが可能となる。このため、昇華法により単結晶を成長させる成長工程で、高品質な単結晶の作製が可能となる。   According to this single crystal manufacturing method, the growth rate can be made slower than the sublimation method, and the film thickness can be controlled on the atomic layer order, so that a higher quality crystal interface can be obtained. . For this reason, it is possible to produce a high-quality single crystal in the growth step of growing the single crystal by the sublimation method.

上記単結晶の製造方法においては、前記結晶薄膜が単結晶であることが好ましい。   In the method for producing a single crystal, the crystal thin film is preferably a single crystal.

この場合、昇華法による単結晶成長の際に、単結晶の薄膜を用いることで、高品質な単結晶の作製が可能となる。   In this case, when a single crystal is grown by a sublimation method, a high-quality single crystal can be manufactured by using a single crystal thin film.

上記単結晶の製造方法においては、前記結晶薄膜と、前記単結晶とが、同種の物質であることが好ましい。   In the method for producing a single crystal, the crystal thin film and the single crystal are preferably the same kind of substance.

ここで、結晶薄膜と同種の物質を用いて単結晶を成長させると、種結晶と成長させる結晶との格子定数が一致する。このため、異種の物質を用いた場合に比べ、単結晶と結晶薄膜との格子不整合度をより低減することができ、歪による結晶の割れを防ぐことができるため、高品質な単結晶の作製が可能となる。   Here, when a single crystal is grown using the same kind of material as the crystal thin film, the lattice constants of the seed crystal and the crystal to be grown coincide. For this reason, compared to the case of using different kinds of materials, the degree of lattice mismatch between the single crystal and the crystal thin film can be further reduced, and the crystal can be prevented from cracking due to strain. Fabrication is possible.

本発明によれば、種結晶の側面や表面外周部からの原子の脱離を抑えることができ、高品質な単結晶の作製が可能な単結晶の製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detachment | leave of the atom from the side surface and surface outer peripheral part of a seed crystal can be suppressed, and the manufacturing method of the single crystal which can produce a high quality single crystal is provided.

本発明に係る単結晶の製造方法に用いられる製造装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of the manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the single crystal which concerns on this invention. 本発明に係る単結晶の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the single crystal which concerns on this invention. 本実施形態における作用を説明する概念図であって、(a)は図1の蓋体を用いた場合の種結晶の状態を示す概念図、(b)は従来の単結晶の製造方法における種結晶の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram explaining the effect | action in this embodiment, Comprising: (a) is a conceptual diagram which shows the state of a seed crystal at the time of using the cover body of FIG. 1, (b) is a seed in the manufacturing method of the conventional single crystal. It is a conceptual diagram which shows the state of a crystal | crystallization. 他の実施形態に用いられる製造装置の蓋体を用いた場合の種結晶の状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state of the seed crystal at the time of using the cover body of the manufacturing apparatus used for other embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1に示すように、単結晶の製造装置(以下、単に「製造装置」と呼ぶ事がある。)100は、単結晶4の成長が行われる結晶成長部1と、結晶成長部1を収容し、加熱を行う場所である加熱炉本体2と、加熱炉本体2の周囲に巻回される高周波コイル3とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a single crystal manufacturing apparatus (hereinafter, simply referred to as “manufacturing apparatus”) 100 accommodates a crystal growth unit 1 in which a single crystal 4 is grown and a crystal growth unit 1. The heating furnace body 2 is a place where heating is performed, and the high-frequency coil 3 is wound around the heating furnace body 2.

結晶成長部1は、単結晶4を成長させる成長容器5を備えており、成長容器5は、原料6が収容される坩堝7と、坩堝7を密閉する蓋体8とを有している。   The crystal growth unit 1 includes a growth vessel 5 for growing a single crystal 4, and the growth vessel 5 includes a crucible 7 in which a raw material 6 is accommodated and a lid 8 that seals the crucible 7.

この蓋体8には、種結晶9が収容される種結晶収容部10が形成されている。この種結晶収容部10の開口形状は、収容する種結晶9の外形と一致しており、種結晶9が隙間なく収まるように加工されている。また、種結晶収容部10の深さ方向の寸法は、種結晶9の厚さ寸法と一致している。そのため、種結晶9が収容された状態では、蓋体8の表面に対して種結晶9の露出面が一致している。   The lid 8 is formed with a seed crystal accommodating portion 10 in which the seed crystal 9 is accommodated. The opening shape of the seed crystal accommodating portion 10 matches the outer shape of the seed crystal 9 to be accommodated, and is processed so that the seed crystal 9 can be accommodated without a gap. In addition, the dimension in the depth direction of the seed crystal accommodating portion 10 matches the thickness dimension of the seed crystal 9. Therefore, in the state where the seed crystal 9 is accommodated, the exposed surface of the seed crystal 9 matches the surface of the lid 8.

この蓋体8は、種結晶収容部10に種結晶9が固定された状態で、種結晶9が内側になるように坩堝7を密閉するように固定される。この蓋体8の固定面を表面と定義する。坩堝7及び蓋体8を構成する材料としては、熱伝導性の材料で構成されていればよく、例えばグラファイト、アルミナ、マグネシア、ジルコニアおよび石英などが用いられる。ここで、経済的、高温耐熱の観点からグラファイトを用いるのが好ましい。なお、グラファイトを用いると、焼成中に生起される炭素雰囲気によって単結晶が分解昇華するため、これを防ぐために、坩堝7の内壁面7aおよび蓋体8の表面が、窒化タングステン等の金属窒化物で被覆されることが好ましい。   The lid 8 is fixed so as to seal the crucible 7 so that the seed crystal 9 is inside, in a state where the seed crystal 9 is fixed to the seed crystal accommodating portion 10. The fixed surface of the lid 8 is defined as the surface. As a material constituting the crucible 7 and the lid 8, it is sufficient if it is made of a heat conductive material. For example, graphite, alumina, magnesia, zirconia, quartz and the like are used. Here, it is preferable to use graphite from the viewpoint of economical and high temperature heat resistance. If graphite is used, the single crystal is decomposed and sublimated by the carbon atmosphere generated during firing. To prevent this, the inner wall surface 7a of the crucible 7 and the surface of the lid 8 are made of a metal nitride such as tungsten nitride. It is preferable to coat with.

加熱炉本体2には、ガス導入口11と、ガス排出口12とが形成されており、結晶成長中に、坩堝7の内壁面7aおよび蓋体8の表面に被覆されている金属窒化物が昇華するのを防ぐため、坩堝7および加熱炉本体2の内部はガスで充填されている。不活性ガスは、不活性ガス供給装置(図示せず)からガス導入口11を通して導入(F1)され、加熱炉本体2内のガスが、減圧装置(例えば真空ポンプ)によってガス排出口12を通して排出(F2)されるようになっている。ここで、不活性ガスとしては、例えばアルゴン、ヘリウムもしくはネオン等の希ガス又は窒素ガスが挙げられる。また、加熱炉本体2には、結晶成長部1を収容するための開口部(図示せず)も形成されている。さらに、加熱炉本体2の上下端部には、成長容器5の下面および上面の温度を測定するための放射温度計13が設けられている。   A gas inlet 11 and a gas outlet 12 are formed in the heating furnace body 2, and metal nitrides coated on the inner wall surface 7 a of the crucible 7 and the surface of the lid 8 are formed during crystal growth. In order to prevent sublimation, the insides of the crucible 7 and the heating furnace body 2 are filled with gas. The inert gas is introduced (F1) from the inert gas supply device (not shown) through the gas introduction port 11, and the gas in the heating furnace main body 2 is discharged through the gas discharge port 12 by a decompression device (for example, a vacuum pump). (F2). Here, examples of the inert gas include a rare gas such as argon, helium, or neon, or a nitrogen gas. The heating furnace body 2 is also formed with an opening (not shown) for accommodating the crystal growth part 1. Furthermore, radiation thermometers 13 for measuring the temperatures of the lower surface and the upper surface of the growth vessel 5 are provided at the upper and lower ends of the heating furnace body 2.

高周波コイル3は、加熱炉本体2の周囲に螺旋状に巻かれており、高周波電流を印加することで、誘導加熱によって、熱伝導性の材料からなる成長容器5を発熱させる役割を持つ。   The high-frequency coil 3 is spirally wound around the heating furnace main body 2 and has a role of generating heat from the growth vessel 5 made of a heat conductive material by induction heating by applying a high-frequency current.

なお、上記実施形態では、坩堝7は、高周波コイル3の誘導加熱によって発熱しているが、高周波コイル3は必ずしも必要ではない。例えば抵抗加熱によって坩堝7を発熱させることも可能である。   In the above embodiment, the crucible 7 generates heat by induction heating of the high frequency coil 3, but the high frequency coil 3 is not necessarily required. For example, the crucible 7 can be heated by resistance heating.

さらに、上記実施形態では、製造装置100は結晶成長部1のほか、加熱炉本体2、高周波コイル3を備えているが、結晶成長部1のみで構成されてもよい。   Furthermore, although the manufacturing apparatus 100 includes the heating furnace body 2 and the high-frequency coil 3 in addition to the crystal growth unit 1 in the above embodiment, the manufacturing apparatus 100 may include only the crystal growth unit 1.

次に、図2を参照して上記製造装置100を用いた本実施形態に係る単結晶の製造方法について説明する。図2は、本発明に係る単結晶の製造方法を示すフロー図である。   Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the single crystal which concerns on this embodiment using the said manufacturing apparatus 100 is demonstrated. FIG. 2 is a flowchart showing a method for producing a single crystal according to the present invention.

まず、蓋体8に種結晶9を固定する(ステップS1)。種結晶9は、後述する保護膜14により接着させ、種結晶収容部10と種結晶9との間が離間しないように固定する。ここで、種結晶9の裏面には、原子の脱離を防止する目的で、保護膜14を施している。保護膜14を構成する材料としては、単結晶の成長温度における昇華速度が種結晶以下である材料であれば特に制限がない。例えば、感光レジストといった有機薄膜を炭化処理した炭素薄膜などが挙げられる。   First, the seed crystal 9 is fixed to the lid 8 (step S1). The seed crystal 9 is adhered by a protective film 14 to be described later, and is fixed so that the seed crystal housing portion 10 and the seed crystal 9 are not separated from each other. Here, a protective film 14 is provided on the back surface of the seed crystal 9 for the purpose of preventing the detachment of atoms. The material constituting the protective film 14 is not particularly limited as long as the material has a sublimation rate equal to or lower than that of the seed crystal at the growth temperature of the single crystal. Examples thereof include a carbon thin film obtained by carbonizing an organic thin film such as a photosensitive resist.

種結晶9としては、単結晶を成長させることができるものであれば特に限定されないが、例えば、Si、Geなどの単元素半導体からなる半導体結晶基板又はSiC、SiGeなどのIV族化合物半導体からなる半導体結晶基板又はAl、MgAl、ZnO、MgOもしくはSiOなどの酸化物半導体からなる半導体結晶基板又はGaAs、GaP、InP、BN、もしくはAlInGa(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、および0≦x+y≦1)などのIII−V族化合物半導体などからなる半導体結晶基板を用いることができる。なかでも、欠陥の少ない高品質の単結晶を効率的に製造する観点から、熱特性に優れる種結晶が好ましく、例えば、SiC、Al又はAlInGa(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、および0≦x+y≦1)からなる半導体結晶基板を用いることが好ましい。 The seed crystal 9 is not particularly limited as long as a single crystal can be grown. For example, the seed crystal 9 is made of a semiconductor crystal substrate made of a single element semiconductor such as Si or Ge, or a group IV compound semiconductor such as SiC or SiGe. Semiconductor crystal substrate or semiconductor crystal substrate made of an oxide semiconductor such as Al 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , ZnO, MgO or SiO 2, GaAs, GaP, InP, BN, or Al x In y Ga (1-x− y) A semiconductor crystal substrate made of a III-V group compound semiconductor such as N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ x + y ≦ 1) can be used. Among these, from the viewpoint of efficiently producing a high-quality single crystal with few defects, a seed crystal having excellent thermal characteristics is preferable. For example, SiC, Al 2 O 3 or Al x In y Ga (1-xy) is preferable. It is preferable to use a semiconductor crystal substrate composed of N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ x + y ≦ 1).

次に、蓋体8に固定された種結晶9の露出面を覆うように、結晶薄膜15を成膜する(ステップS2;成膜工程)。結晶薄膜15の成膜方法としては、種結晶9が昇華しない温度領域、即ち、種結晶9における原子の脱離が起こり始める温度以下で結晶薄膜を成膜できる方法であれば特に限定するものではないが、例えば、HVPE法(ハイドライド気相成長法)もしくはMOCVD法等のCVD法(化学気相成長法)、MBE法等のPVD法(物理気相成長法)又はLPE法(液相成長法)などが挙げられる。これによれば、昇華法よりも成長速度を遅くすることができ、原子層オーダーで膜厚を制御することができるため、より高品質な結晶薄膜15の結晶界面を得ることが可能となる。これらの成膜法は、高品質な単結晶の作製が実現できるように、真空度が10−2Pa以下の高真空領域で成長させるのが好ましい。 Next, a crystal thin film 15 is formed so as to cover the exposed surface of the seed crystal 9 fixed to the lid 8 (step S2; film forming step). The method for forming the crystal thin film 15 is not particularly limited as long as the crystal thin film 15 can be formed at a temperature range where the seed crystal 9 does not sublime, that is, at a temperature lower than the temperature at which desorption of atoms in the seed crystal 9 starts to occur. Although there is no, for example, CVD method (chemical vapor deposition method) such as HVPE method (hydride vapor deposition method) or MOCVD method, PVD method (physical vapor deposition method) such as MBE method, or LPE method (liquid phase growth method) ) And the like. According to this, the growth rate can be made slower than the sublimation method, and the film thickness can be controlled on the atomic layer order, so that a higher quality crystal interface of the crystal thin film 15 can be obtained. These film forming methods are preferably grown in a high vacuum region with a degree of vacuum of 10 −2 Pa or less so that high-quality single crystals can be produced.

また、昇華法による単結晶成長の際に、高品質な単結晶4が得られるように、成膜された結晶薄膜15が単結晶であることが好ましい。さらに、結晶薄膜15と単結晶4とが、同種の物質であることが好ましい。結晶薄膜15と同種の物質を用いて単結晶4を成長させると、種結晶と成長させる結晶との格子定数が一致する。このため、異種の物質を用いた場合に比べ、単結晶4と結晶薄膜15との格子不整合度をより低減することができ、歪による結晶の割れを防ぐことができるため、高品質な単結晶の作製が可能となる。   Moreover, it is preferable that the deposited crystal thin film 15 is a single crystal so that a high-quality single crystal 4 can be obtained during the single crystal growth by the sublimation method. Furthermore, it is preferable that the crystal thin film 15 and the single crystal 4 are the same kind of substance. When the single crystal 4 is grown using the same kind of material as the crystal thin film 15, the lattice constants of the seed crystal and the crystal to be grown coincide. For this reason, compared to the case of using a different kind of substance, the degree of lattice mismatch between the single crystal 4 and the crystal thin film 15 can be further reduced, and the crystal can be prevented from cracking due to strain. Crystals can be produced.

そして、成長容器5内に原料6を収容する(ステップS3)。本実施形態により得られる単結晶4は、例えば、SiC単結晶、AlN単結晶およびGaN単結晶などが挙げられる。そして、これらの原料としては、これらの粉末の結晶が用いられる。   And the raw material 6 is accommodated in the growth container 5 (step S3). Examples of the single crystal 4 obtained by the present embodiment include a SiC single crystal, an AlN single crystal, and a GaN single crystal. As these raw materials, crystals of these powders are used.

さらに、結晶薄膜15を成膜した蓋体8によって坩堝7を密閉する(ステップS4)。このとき、蓋体8の表面を坩堝7の内壁面7a側に向けて坩堝7を密閉する。この状態で、結晶成長部1を、加熱炉本体2の開口部から内部に収容する。   Further, the crucible 7 is sealed with the lid body 8 on which the crystal thin film 15 is formed (step S4). At this time, the crucible 7 is sealed with the surface of the lid 8 facing the inner wall surface 7 a of the crucible 7. In this state, the crystal growth part 1 is accommodated inside from the opening of the heating furnace body 2.

次に、加熱炉本体2を減圧装置により真空引きして脱気する(ステップS5)。その後、ガス導入口11から加熱炉本体2に不活性ガスを導入するとともにガス排出口12から加熱炉本体2内のガスを排出させる。こうして、結晶成長部1の周囲を不活性ガス雰囲気下に置く。   Next, the heating furnace body 2 is evacuated by vacuuming with a decompression device (step S5). Thereafter, an inert gas is introduced into the heating furnace body 2 from the gas inlet 11 and the gas in the heating furnace body 2 is discharged from the gas outlet 12. Thus, the periphery of the crystal growth part 1 is placed in an inert gas atmosphere.

次に、高周波コイル3に高周波電流を印加することで、成長容器5に高周波磁場が印加される。すると、成長容器5に誘導電流が流れ、成長容器5が発熱する。このとき、原料6の温度を種結晶9の温度よりも高温に制御し、成長容器5内部の温度勾配を設定することで、坩堝7の熱が原料6に伝わり、原料6が加熱されて分解、昇華される。成長温度は、吸着原子の表面マイグレーションを促進できるように、成膜工程時よりも高温であることが望ましい。具体的には、例えばAlN単結晶を得る場合は、1500〜2000℃程度である。これにより、昇華した原料のガスが、ガス導入口11から流入した不活性ガスと混合する。そして、この混合ガスが蓋体8に固定された種結晶9を覆っている結晶薄膜15に付着して再結晶し、単結晶4が成長する(ステップS6;成長工程)。坩堝7内部の雰囲気温度は種結晶9の温度よりも高温になっているので、上記混合ガスは、坩堝7の側面に付着しにくくなり、種結晶9に向かって付着しやすくなる。製造装置100によって成長される単結晶4は、昇華性の単結晶であればいかなるものもよい。   Next, a high frequency magnetic field is applied to the growth vessel 5 by applying a high frequency current to the high frequency coil 3. Then, an induced current flows through the growth vessel 5 and the growth vessel 5 generates heat. At this time, by controlling the temperature of the raw material 6 to be higher than the temperature of the seed crystal 9 and setting a temperature gradient inside the growth vessel 5, the heat of the crucible 7 is transferred to the raw material 6, and the raw material 6 is heated and decomposed. Sublimated. The growth temperature is desirably higher than that during the film formation step so that surface migration of adsorbed atoms can be promoted. Specifically, for example, when obtaining an AlN single crystal, the temperature is about 1500 to 2000 ° C. Thereby, the sublimated raw material gas is mixed with the inert gas flowing in from the gas inlet 11. Then, the mixed gas adheres to the crystal thin film 15 covering the seed crystal 9 fixed to the lid 8 and recrystallizes to grow the single crystal 4 (step S6; growth process). Since the atmosphere temperature inside the crucible 7 is higher than the temperature of the seed crystal 9, the mixed gas is less likely to adhere to the side surface of the crucible 7 and is likely to adhere toward the seed crystal 9. The single crystal 4 grown by the manufacturing apparatus 100 may be any as long as it is a sublimable single crystal.

以下、図3を参照して本実施形態の作用効果を説明する。ここでは一例として、種結晶9にSiCを、結晶薄膜15および単結晶4にAlNを用いた場合で説明する。   Hereinafter, the function and effect of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, the case where SiC is used for the seed crystal 9 and AlN is used for the crystal thin film 15 and the single crystal 4 will be described as an example.

図3は、本実施形態における作用を説明する概念図であって、(a)は図1の蓋体8を用いた場合の種結晶9の状態を示す概念図、(b)は従来の単結晶の製造方法における種結晶9の状態を示す概念図である。   3A and 3B are conceptual diagrams for explaining the operation in the present embodiment. FIG. 3A is a conceptual diagram showing the state of the seed crystal 9 when the lid 8 of FIG. 1 is used, and FIG. It is a conceptual diagram which shows the state of the seed crystal 9 in the manufacturing method of a crystal.

図3(b)に示すように、従来においては、保護膜14をSiC種結晶の裏面に施すことで1500℃以上の高温成長であってもSiC種結晶の裏面からはSi原子の脱離を抑制することができる。しかし、裏面を保護膜14で覆うことで、裏面からSi原子が脱離する代わりにSiC種結晶の側面や主面からのSi原子の脱離が促進される。このため、Si原子が抜けたことによって、種結晶側面や主面にボイドが発生してしまう。   As shown in FIG. 3B, conventionally, by providing the protective film 14 on the back surface of the SiC seed crystal, Si atoms are desorbed from the back surface of the SiC seed crystal even at high temperature growth of 1500 ° C. or higher. Can be suppressed. However, by covering the back surface with the protective film 14, the desorption of Si atoms from the side surface or main surface of the SiC seed crystal is promoted instead of desorbing Si atoms from the back surface. For this reason, voids are generated on the side surfaces and the main surface of the seed crystal due to the elimination of Si atoms.

そこで図3(a)に示すように、種結晶収容部10に隙間なくSiC種結晶を納める。そして、SiC種結晶が露出面である主面を覆うようにAlN結晶薄膜を成膜すると、SiC種結晶9の露出面は、AlN結晶薄膜で覆われることになる。さらに、SiC種結晶9の側面および裏面は蓋体8で保護されているので、脱離しようとするSi原子がブロックされて抜けなくなるために、ボイドの発生が抑制される。したがって、種結晶SiCの側面や主面からのSi原子の脱離を抑えることができ、高品質なAlN単結晶の作製が可能となる。なお、CVD法、PVD法もしくはLPE法を用いたAlN結晶薄膜の適切な成膜温度条件は、SiC種結晶からSi原子が脱離しない1500℃以下であることが望ましい。   Therefore, as shown in FIG. 3A, the SiC seed crystal is placed in the seed crystal accommodating portion 10 without a gap. Then, when the AlN crystal thin film is formed so that the SiC seed crystal covers the exposed main surface, the exposed surface of the SiC seed crystal 9 is covered with the AlN crystal thin film. Furthermore, since the side surface and the back surface of the SiC seed crystal 9 are protected by the lid 8, Si atoms to be desorbed are blocked and cannot be removed, so that generation of voids is suppressed. Therefore, desorption of Si atoms from the side surface or main surface of the seed crystal SiC can be suppressed, and a high-quality AlN single crystal can be produced. It should be noted that an appropriate film formation temperature condition for the AlN crystal thin film using the CVD method, the PVD method, or the LPE method is desirably 1500 ° C. or less at which Si atoms are not desorbed from the SiC seed crystal.

次に他の実施形態について説明する。図4は、他の実施形態に用いられる製造装置の蓋体を用いた場合の種結晶9の状態を示す概略図である。即ち、図4に示すように、種結晶9を直接表面に固定した蓋体8を用いてもよい。この場合、前述した保護膜14により接着させることで、蓋体8の表面と種結晶9の裏面とに隙間が形成されないように固定する。そして、種結晶9の露出面、即ち、種結晶9における固定面の反対側の主面と、側面とに結晶薄膜15を形成する。この蓋体8で坩堝7を密閉固定して、上記実施形態と同様の手順で単結晶を製造しても良い。   Next, another embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic view showing the state of the seed crystal 9 when the lid of the manufacturing apparatus used in another embodiment is used. That is, as shown in FIG. 4, a lid 8 in which the seed crystal 9 is directly fixed to the surface may be used. In this case, by adhering with the protective film 14 described above, fixing is performed so that no gap is formed between the surface of the lid 8 and the back surface of the seed crystal 9. Then, a crystal thin film 15 is formed on the exposed surface of the seed crystal 9, that is, the main surface opposite to the fixed surface of the seed crystal 9 and the side surface. The crucible 7 may be hermetically fixed with the lid 8 and a single crystal may be manufactured in the same procedure as in the above embodiment.

以下、この他の実施形態の効果について説明する。ここでは一例として、種結晶9にSiCを、結晶薄膜15および単結晶4にAlNを用いた場合で説明する。   Hereinafter, effects of other embodiments will be described. Here, the case where SiC is used for the seed crystal 9 and AlN is used for the crystal thin film 15 and the single crystal 4 will be described as an example.

図4に示すように、蓋体8にSiC種結晶を、前述した保護膜14により接着させ、直接表面に固定する。そして、SiC種結晶9の側面と主面の露出面を覆うようにAlN結晶薄膜を成膜すると、SiC種結晶9の側面と主面は、AlN結晶薄膜で覆われているので、脱離しようとするSi原子がブロックされて抜けなくなるために、ボイドの発生が抑制される。したがって、種結晶SiCの側面や主面からのSi原子の脱離を抑えることができ、高品質なAlN単結晶の作製が可能となる。   As shown in FIG. 4, the SiC seed crystal is adhered to the lid 8 with the protective film 14 described above, and directly fixed to the surface. Then, when an AlN crystal thin film is formed so as to cover the side surface of SiC seed crystal 9 and the exposed surface of the main surface, the side surface and main surface of SiC seed crystal 9 are covered with the AlN crystal thin film, so let's desorb. The generation of voids is suppressed because the Si atoms are blocked and cannot escape. Therefore, desorption of Si atoms from the side surface or main surface of the seed crystal SiC can be suppressed, and a high-quality AlN single crystal can be produced.

1…結晶成長部、2…加熱炉本体、3…高周波コイル、4…単結晶、5…成長容器、6…原料、7…坩堝、8…蓋体(坩堝蓋)、9…種結晶、10…種結晶収容部、11…ガス導入口、12…ガス排出口、13…放射温度計、14…保護膜、15…結晶薄膜、100…単結晶の製造装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crystal growth part, 2 ... Heating furnace main body, 3 ... High frequency coil, 4 ... Single crystal, 5 ... Growth vessel, 6 ... Raw material, 7 ... Crucible, 8 ... Lid (crucible lid), 9 ... Seed crystal, 10 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Seed crystal accommodating part, 11 ... Gas inlet, 12 ... Gas outlet, 13 ... Radiation thermometer, 14 ... Protective film, 15 ... Crystal thin film, 100 ... Single crystal manufacturing apparatus.

Claims (4)

種結晶が固定された坩堝蓋で密閉される坩堝内に原料を配置して、前記原料を昇華させて単結晶を製造する単結晶の製造方法であって、前記坩堝蓋に固定された前記種結晶の露出面を覆うように、予め、前記種結晶が昇華しない温度領域で結晶薄膜を形成する成膜工程と、前記結晶薄膜が形成された前記坩堝蓋で前記坩堝を密閉して、前記原料を昇華させて単結晶を成長させる成長工程と、を有することを特徴とする単結晶の製造方法。   A method for producing a single crystal in which a raw material is placed in a crucible sealed with a crucible lid to which a seed crystal is fixed, and the raw material is sublimated to produce a single crystal, the seed fixed to the crucible lid Forming a crystal thin film in advance in a temperature region where the seed crystal does not sublime so as to cover the exposed surface of the crystal, and sealing the crucible with the crucible lid on which the crystal thin film is formed, And a growth step of growing the single crystal by sublimating the substrate. 前記成膜工程が、CVD法、PVD法又はLPE法を用いることを特徴とする請求項1記載の単結晶の製造方法。   The method for producing a single crystal according to claim 1, wherein the film forming step uses a CVD method, a PVD method, or an LPE method. 前記結晶薄膜が単結晶であることを特徴とする請求項1又は2記載の単結晶の製造方法。   3. The method for producing a single crystal according to claim 1, wherein the crystal thin film is a single crystal. 前記結晶薄膜と、前記単結晶とが、同種の物質であることを特徴とする請求項1〜3うちのいずれかの請求項に記載の単結晶の製造方法。 The method for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 3 , wherein the crystal thin film and the single crystal are the same kind of substance.
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