JP2013071855A - 窒化アルミニウム種結晶の固定方法、台座−種結晶固定体、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 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶成長時に台座と種結晶との間に空隙が生じることを抑制可能な窒化アルミニウム種結晶の固定方法、該固定方法を用いて得られる台座−種結晶固定体、前記固定方法を用いて固定された種結晶を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法、及び該製造方法により得られる窒化アルミニウム単結晶の提供。
【解決手段】本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法は、窒化アルミニウム単結晶を成長させるための窒化アルミニウム種結晶を台座に固定する方法であって、タングステンまたはタンタルを含んでなる台座１の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層２を形成する第１工程と、金属層２上に窒化アルミニウムの種結晶３を配置する第２工程と、台座１と金属層２と種結晶３とがこの順に積層された積層体５を加熱処理し、台座１上方に種結晶３を固定する第３工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化アルミニウム種結晶の固定方法、台座−種結晶固定体、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する。

近年、青色発光素子に端を発し、ＧａＮ系窒化物半導体に関する研究開発は目覚しい進展をみせている。ＧａＮ系半導体素子は、成長基板上に有機金属気相成長法（Metalorganic vapor phase epitaxy，MOVPE）により製造されており、現在、成長基板としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉが用いられている。これらの基板はＧａＮとの格子不整合が大きいため、ＧａＮ層に高密度に転位が発生してしまう。高密度の転位は、発光素子やパワーデバイスの性能や寿命に悪影響を及ぼす。このため、ＧａＮとの格子不整合がより小さい基板材料が求められている。

ＡｌＮ単結晶は、ＧａＮと全率固溶し、格子不整合は２．４％と小さい。また、熱伝導率は２９０Ｗｍ^−１Ｋ^−１と高いため、ＧａＮ系、特に格子不整合の小さいＡｌＧａＮ系半導体の基板材料として期待されている。ＡｌＮ単結晶の作製方法は、溶液法ではフラックス法、気相法ではＭＯＶＰＥ、水素化物気相堆積法（Hydride vapor phase epitaxy，HVPE）、昇華法などがある。これらの中でも、昇華法は、一般的に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。昇華法とは、原料であるＡｌＮを昇華させ、それを昇華温度より低い温度領域である成長部において再凝縮させ、結晶を成長させる方法である。特に、成長部において台座に種結晶を固定しておくと、種結晶に引き続いて単結晶が成長する。
種結晶の固定は、特許文献１に記載のように、カーボン系などの接着剤で行う方法がよく採られている。

特開２００３−１１９０９８号公報

接着剤による固定では、接着剤を熱処理により硬化する際、接着剤に含まれる溶剤が気化した部分に空隙が残りやすい。台座と種結晶の界面に空隙が存在すると、種結晶よりも台座の方が低温であるため、種結晶裏面から台座に向かって昇華が起こる。この現象は温度勾配のある方向、すなわち、種結晶から成長結晶にまで引き続いて起こり、成長結晶内に空隙をもたらす。成長結晶に空隙が入ることは、商品に欠陥が含まれていることであるため、重大な問題である。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、単結晶成長時に台座と種結晶との間に空隙が生じることを抑制可能な窒化アルミニウム種結晶の固定方法、該固定方法を用いて得られる台座−種結晶固定体、前記固定方法を用いて固定された種結晶を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法、および該製造方法により得られる窒化アルミニウム単結晶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法は、窒化アルミニウム単結晶を成長させるための窒化アルミニウム種結晶を台座に固定する方法であって、 タングステンまたはタンタルを含んでなる台座の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層を形成する第１工程と、前記金属層上に窒化アルミニウムの種結晶を配置する第２工程と、前記台座と前記金属層と前記種結晶とがこの順に積層された積層体を加熱処理し、前記台座上方に前記種結晶を固定する第３工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法は、タングステンまたはタンタルを含んでなる台座の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層と、窒化アルミニウムの種結晶を積層させて加熱処理を行う構成である。そのため、本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法によれば、台座を構成するタングステンまたはタンタルと金属層を構成する金属材料とが反応して合金を形成し、この合金からなる接合層を介して、台座と窒化アルミニウム種結晶とが強固に接合される。また、接合層は、金属層を構成する金属材料と、台座を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなるため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、接合層内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。

本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法において、前記金属層が、アルミニウムを含むことが好ましい。
アルミニウムは融点以上の還元雰囲気下で、台座を構成するタングステン或いはタンタルと反応して合金を形成することができる。形成された合金（Ａｌ−Ｗ合金またはＡｌ−Ｔａ合金）は、窒化アルミニウム昇華法成長条件では液体にならないため、窒化アルミニウム種結晶に顕著な影響を及ぼさない。また、窒化アルミニウムのアルミニウムへの溶解度は、２５００℃においても１ｗｔ％もない。そのため、第３工程でアルミニウムよりなる金属層を溶かして台座と反応させても、窒化アルミニウム種結晶は極僅かしかＡｌに溶けず、形状や品質を損ねることはない。以上の観点から、金属層はアルミニウムを含むことが特に好ましい。

本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法において、前記金属層の厚さが、２μｍ以上２００μｍ以下であることも好ましい。
この場合、金属層の厚さを前記範囲とすることにより、より密着性良好に台座に窒化アルミニウム種結晶を固定できる。

本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法において、前記第３工程における加熱処理を、８００℃以上１８００℃以下で行うことも好ましい。
この場合、窒化アルミニウム種結晶が昇華することを抑止しつつ、金属層と台座を構成するタングステンまたはタンタルとを反応させることができ、さらに密着性良好に台座に窒化アルミニウム種結晶を固定できる。

本発明の台座−種結晶固定体は、上記本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法を用いて得られ、前記台座上に、接合層を介して前記窒化アルミニウム種結晶が固定された台座−種結晶固定体であって、前記接合層が、前記金属層を構成する金属材料と、前記台座に含まれるタングステンまたはタンタルとが反応した合金を含んでなることを特徴とする。
本発明の台座−種結晶固定体において、台座と種結晶は、上記金属層を構成する金属材料と、台座を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金を含んでなる接合層を介して固定されている。そのため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、接合層内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上記本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法により台座に固定された種結晶を用い、前記種結晶上に窒化アルミニウム原料からの昇華ガスを供給し、前記種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させることを特徴とする。
本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上記本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法により台座に固定された種結晶を用いる構成である。台座と種結晶は、金属層を構成する金属材料と、台座を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金を介して固定されているため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、この合金（接合層）内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。
また、本発明は、上記本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法を用いて得られる窒化アルミニウム単結晶を提供する。

本発明によれば、単結晶成長時に台座と種結晶との間に空隙が生じることを抑制可能な窒化アルミニウム種結晶の固定方法、該固定方法を用いて得られる台座−種結晶固定体、前記固定方法を用いて固定された種結晶を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法、および該製造方法により得られる窒化アルミニウム単結晶を提供できる。

本発明に係る窒化アルミニウム種結晶の固定方法の一例を示す工程図である。 本発明に係る窒化アルミニウム種結晶の固定方法の第３工程における加熱処理に用いる装置の一例を示す断面模式図である。 本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法に用いる装置の一例を示す断面模式図である。

以下、本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法、台座−種結晶固定体、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の実施の形態について説明する。
［窒化アルミニウム種結晶の固定方法］
本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法は、窒化アルミニウム単結晶を成長させるための窒化アルミニウム種結晶を台座に固定する方法であって、
タングステンまたはタンタルを含んでなる台座の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層を形成する第１工程と、
前記金属層上に窒化アルミニウムの種結晶を配置する第２工程と、
前記台座と前記金属層と前記種結晶とがこの順に積層された積層体を加熱処理し、前記台座上方に前記種結晶を固定する第３工程と、を備えることを特徴とする。

図１は本発明に係る窒化アルミニウム種結晶の固定方法の一例を示す工程図である。
（第１工程）
第１工程では、まず、タングステンまたはタンタルを含んでなる台座１を準備する。タングステンおよびタンタルは、従来、種結晶固定用の台座として使用されている黒鉛よりも耐食性が高く、融点も高い（タングステンの融点：約３４００℃、タンタルの融点：約３０００℃）ため、台座１の材質として好適である。
台座１は、タングステンまたはタンタルを含む金属材料であれば好適であるが、中でも、タングステンまたはタンタルのいずれか一種から構成されることが特に好ましい。
台座１の形状は、特に限定されず適宜調整可能である。図１に示す例では、円盤状の台座１は、窒化アルミニウム種結晶３を固定する面側の中央部１ａが、種結晶３の形状に合わせて円柱状に突設されている。しかし、本発明に適用可能な台座１は、種結晶３を固定する面側の中央部が突設されていなくてもよく、また、円盤状以外に、矩形状、多角形状、不定形状のいずれでもよい。

次に、図１（ａ）に示すように、台座１の一面上（図１に示す例では台座１の中央部１ａ上）に、金属層２を形成する。
金属層２は、融点１９００℃以下で且つ後述する第３工程の加熱処理により、台座１１を構成するタングステンまたはタンタルと反応し、合金（接合層）を形成することができる金属材料から形成されている。
窒化アルミニウムは１９００℃を超えると昇華しやすくなる傾向があるため、金属層２の材質は融点が１９００℃以下の金属材料とする必要がある。金属層２を構成する金属材料の融点は、より好ましくは１８００℃以下である。

金属層２の材質としては、具体的には、アルミニウム、チタン、鉄を含むものが好ましく、中でもアルミニウムを含むものが好ましく、具体的にはアルミニウム、アルミニウム合金が好ましい。金属層２がアルミニウムを含む場合、金属層２中のアルミニウムの含有量は、好ましくは２０質量％以上、より好ましくは５０質量％以上である。

昇華法による窒化アルミニウム単結晶成長は、通常、圧力１００〜７６０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^４〜１０．１３×１０^４Ｐａ）、成長温度１７００〜２２００℃で行われる。そのため、金属層２としては、後述の第３工程で加熱処理され台座１を構成するタングステンまたはタンタルと反応して合金（接合層）となるが、この合金（接合層）が窒化アルミニウム単結晶成長条件において窒化アルミニウムおよび台座材料に影響を及ぼさないことが必要である。アルミニウムは融点（６６０℃）以上の還元雰囲気下で、台座１を構成するタングステン或いはタンタルと反応して合金を形成することができる。形成された合金（Ａｌ−Ｗ合金またはＡｌ−Ｔａ合金）は、窒化アルミニウム昇華法成長条件では液体にならないため、窒化アルミニウム種結晶３に顕著な影響を及ぼさない。また、窒化アルミニウムのアルミニウムへの溶解度は、２５００℃においても１ｗｔ％もない。そのため、後述する第３工程でアルミニウムよりなる金属層２を溶かして台座１と反応させても、窒化アルミニウム種結晶３は極僅かしかＡｌに溶けず、形状や品質を損ねることはない。以上の観点から、金属層２はアルミニウムを含むことが特に好ましい。

金属層２の厚さは、特に限定されず適宜調整可能であるが、２μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。金属層２の厚さを前記範囲とすることにより、より密着性良好に台座１に窒化アルミニウム種結晶３を固定できる。金属層２の厚さが２μｍ未満の場合は、金属層２の厚さが薄すぎるために、固定面全体に均一に台座１と窒化アルミニウム種結晶３を密着させることができない場合がある。また、金属層２の厚さが２００μｍを超える場合は、金属層２の厚さが厚すぎることにより、後述する第３工程の加熱処理時に、溶融した金属層２が種結晶３の周囲に回りこんでしまい、加熱処理後の冷却の際に熱応力が生じて種結晶３の周囲にクラックが発生する場合がある。

金属層２の形状および寸法は、固定しようとする種結晶３の固定面と同一あるいは若干小さい寸法であれば特に限定されず適宜調整可能である。

台座１上への金属層２の形成方法は、特に限定されず、従来公知の方法を適用でき、シート状に加工された金属材料（金属シート）を台座１上に載置して積層してもよく、スパッタ法や蒸着法などの気相法により成膜してもよい。

（第２工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、台座１上に形成された金属層２の上に、窒化アルミニウム種結晶３を配置する。
窒化アルミニウム種結晶３の寸法および形状は特に限定されず、例えば、板状または円板状である。

（第３工程）
第３工程では、まず、図１（ｃ）に示すように、第２工程で台座１上に金属層２を介して窒化アルミニウム単結晶３を積層した積層体の単結晶３の上に、加圧部材４を載置する。
加圧部材４は本工程における加熱処理により溶融せず、また、窒化アルミニウム単結晶３と反応しないものが好ましく、例えば、タングステン、タンタル、ニオブ、モリブデン、レニウム、黒鉛などが挙げられる。
加圧部材４の重量は、加熱処理中に窒化アルミニウム種結晶３の位置がずれることを抑制できればよく、例えば、０．５ｋＰａ〜３０ｋＰａの範囲の圧力を加えられる重量とすることができる。
加圧部材４の寸法および形状は特に限定されないが、円柱状が好ましい。

次に、台座１上に金属層２と窒化アルミニウム種結晶３と加圧部材４を積層した積層体５を、加熱処理する。
図２は、本実施形態の窒化アルミニウム種結晶の固定方法の第３工程における加熱処理に用いる装置の一例を示す断面模式図である。図２に示す加熱処理装置２０は、内部に積層体５を収容する空間を備えたるつぼ１１と、るつぼ１１の外周を覆う断熱材１２と、るつぼ１１と断熱材１２の外側に設けられたるつぼ１１を加熱するための加熱手段１５と、を備えている。断熱材１２には、るつぼ１１の上部側および下部側にそれぞれ１箇所づつ孔１２ａ、１２ｂが設けられており、この孔１２ａを介してるつぼ１１の上部温度を監視するための放射温度計１４がるつぼ１１および断熱材１２の上部に設けられており、孔１２ｂを介してるつぼ１１の下部温度を監視するための放射温度計１５がるつぼ１１および断熱材１２の下部に設けられている。

るつぼ１１は、有底筒状のるつぼ本体１１ａと、このるつぼ本体１１ａの上部に載置された、るつぼ本体１１ａ内の空間を外部と仕切るための蓋体１１ｂとから構成されている。ここで、蓋体１１ｂは、るつぼ本体１１ａの開口部上部に載置あるいは嵌め合わせられている状態であり、ガスの出入りが容易な準密閉空間となっている。
るつぼ１１の材質としては、黒鉛、タングステン、レニウム、タンタルが挙げられる。

断熱材１２としては、例えば、カーボン製成型断熱材が挙げられる。
加熱手段１５は、るつぼ１１および断熱材１２の周囲に螺旋状に巻かれた高周波コイルであり、この高周波コイルに高周波電流を印加することで誘導加熱によりるつぼ１１を発熱させる。
なお、加熱手段１５としては、誘導加熱による高周波コイルに限定されず、抵抗加熱によりるつぼ１１を発熱させることができるものでもよい。

加熱処理容器２０は、るつぼ１１および断熱材１２を収容する収容容器（図示略）を備えている。この収容容器には、収容容器内の圧力を減圧状態にするための真空ポンプなどの減圧装置（図示略）と、収容容器内に不活性ガスを導入するためのガス供給装置（図示略）がそれぞれ接続されている。ここで、不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムもしくはネオン等の希ガス、または窒素ガスが挙げられる。

図２に示す加熱処理装置２０のるつぼ１１内に、台座１上に金属層２と窒化アルミニウム種結晶３と加圧部材４を積層した積層体５を配置し、加熱処理を行う。
るつぼ１１内に積層体５を配置した後、るつぼ１１を収容している収容容器（図示略）に接続された減圧装置を操作し、さらに、ガス供給装置を操作して収容容器内にアルゴンなどの不活性ガスを供給し、還元雰囲気とする。加熱処理時のるつぼ１１および収容容器内の圧力は、例えば、１〜７６０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^２〜１０．１３×１０^４Ｐａ）に設定する。

次に、加熱手段１５によりるつぼ１１を発熱させて、積層体５を加熱処理する。
加熱処理の温度は、金属層２を構成する金属材料の融点以上、且つ、窒化アルミニウム単結晶３が著しく昇華する温度以下で行う必要がある。加熱処理の温度は、２０００℃未満が好ましく、１９００℃以下がより好ましく、１８００℃以下がさらに好ましい。また、加熱処理の温度の下限値は、金属層２を構成する金属材料の融点により適宜決定される。

金属層２がアルミニウムを含む金属材料からなる場合、加熱処理の温度は、８００℃以上２０００℃未満とすることが好ましく、８００℃以上１９００℃以下がより好ましく、８００℃以上１８００℃以下がさらに好ましい。このような温度範囲で加熱処理を行うことにより、金属層２に含まれるアルミニウムと、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応して合金（Ａｌ−Ｗ合金またはＡｌ−Ｔａ合金）を形成し、接合層７となる。この接合層７により、台座１と窒化アルミニウム種結晶３とが強固に接合される。また、接合層７は、金属層２を構成する金属材料と、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなるため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、接合層７内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。

加熱処理の時間は、金属層２が台座１１の構成材料と反応して合金を形成することができれば特に限定されず、例えば、１〜４８時間である。
加熱処理後、固定部材４を取り除くことにより、図２（ｄ）に示すように、台座１と窒化アルミニウム種結晶３とが接合層７により強固に接合された台座−種結晶固定体１０を得ることができる。
以上の工程により、窒化アルミニウム種結晶３を台座１に固定することができる。

本実施形態の窒化アルミニウム種結晶の固定方法は、タングステンまたはタンタルを含んでなる台座の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層と、窒化アルミニウムの種結晶を積層させて加熱処理を行う構成である。そのため、本実施形態の窒化アルミニウム種結晶の固定方法によれば、台座１を構成するタングステンまたはタンタルと金属層２を構成する金属材料とが反応して合金を形成し、この合金からなる接合層７により、台座１と窒化アルミニウム種結晶３とが強固に接合される。また、得られる台座−種結晶固定体１０の接合層７は、金属層２を構成する金属材料と、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなるため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、接合層７内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。

［窒化アルミニウム単結晶の製造方法］
本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上記本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法により台座に固定された種結晶を用い、この種結晶上に窒化アルミニウム原料からの昇華ガスを供給し、種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させることを特徴とする。

図３は、本実施形態の窒化アルミニウム単結晶の製造方法に用いる装置の一例を示す断面模式図である。図３において、図２に示す加熱処理装置２０と同一の構成要素には同一の符号を付してあり、これらの構成要素の説明は省略する。図３に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置３０は、昇華法によって窒化アルミニウム種結晶３上に窒化アルミニウムを昇華再結晶させて、窒化アルミニウム単結晶を成長させる装置である。

本実施形態の窒化アルミニウム単結晶の製造装置３０は、上部に開口部を有する内側るつぼ２１と、内側るつぼ２１の内底部に配置された窒化アルミニウム粉末などの原料２５と、るつぼ２１の開口部を塞ぎ且つ原料２５と窒化アルミニウム種結晶３とが対向するように設置された図２（ｄ）に示す台座−種結晶固定体１０と、内側るつぼ２１および台座−種結晶固定体１０の外側に配置された外側るつぼ２２と、内側るつぼ２１と台座−種結晶固定体１０と外側るつぼ２２の外周を覆う断熱材１２と、内側るつぼ２１と台座−種結晶固定体１０と外側るつぼ２２と断熱材１２の外側に設けられたるつぼ２１、２２を加熱するための加熱手段１５と、を備えている。

断熱材１２には、外側るつぼ２２の上部側および下部側にそれぞれ１箇所づつ孔１２ａ、１２ｂが設けられており、この孔１２ａを介して外側るつぼ２２の上部温度を監視するための放射温度計１４が外側るつぼ２２および断熱材１２の上部に設けられており、孔１２ｂを介して外側るつぼ２２の下部温度を監視するための放射温度計１５が外側るつぼ２２および断熱材１２の下部に設けられている。

台座−種結晶固定体１０は、上記本発明に係る窒化アルミニウム種結晶の固定方法により、台座１上に窒化アルミニウム種結晶３が接合層７を介して固定されたものである。台座−種結晶固定体１０は、種結晶３が内側るつぼ２１の内部空間側となるように、台座１の外周近傍部が内側るつぼ２１の開口部上部に載置あるいは嵌め合わせられている状態であり、ガスの出入りが容易な準密閉空間となっている。

内側るつぼ２１の内底部には窒化アルミニウム粉末などの原料２５が直接収納されるとともに、内側るつぼ２１の開口部上部には台座−種結晶固定体１０が配置され、種結晶３はバルク結晶成長に適した窒化アルミニウムの昇華ガスに曝される。よって、内側るつぼ２１と、台座−種結晶固定体１０を構成する台座１および接合層７の材質は、窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けないものに限られる。

内側るつぼ２１の材質としては、炭化タンタル、窒化タンタル、タングステン、炭化タングステン、窒化タングステン、レニウム、窒化硼素、窒化アルミニウムが挙げられる。これらの材質から内側るつぼ２１が構成されることにより、内側るつぼ２１は窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けない。
また、台座−種結晶固定体１０の台座１は耐食性の高いタングステンまたはタンタルからなるため、窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けない。
さらに、台座−種結晶固定体１０の接合層７は、金属層２を構成する金属材料と、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなる。タングステンおよびタンタルは融点が高く（タングステンの融点：約３４００℃、タンタルの融点：約３０００℃）、これらの合金である接合層７の融点も、約３０００℃近くであり、昇華法による窒化アルミニウム単結晶成長条件（通常、圧力１００〜７６０Ｔｏｒｒ、成長温度１７００〜２２００℃）において、窒化アルミニウム種結晶３および台座１に影響を及ぼさず、また、窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けない。

外側るつぼ２２は、上部に開口部を有する有底筒状のるつぼ本体２２ａと、このるつぼ本体２２ａの上部に載置されたるつぼ本体２２ａ内の空間を外部と遮断するための蓋体２２ｂとから構成されている。
外側るつぼ１１の材質としては、黒鉛、タングステン、レニウム、タンタルが挙げられる。

製造装置３０は、内側るつぼ２１、台座−種結晶固定体１０、外側るつぼ２２および断熱材１２を収容する収容容器（図示略）を備えている。この収容容器には、収容容器内の圧力を減圧状態にするための真空ポンプなどの減圧装置（図示略）と、収容容器内に窒素ガスを導入するためのガス供給装置（図示略）がそれぞれ接続されている。

図３に示す製造装置を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造するには、まず、窒化アルミニウム粉末などの原料２５を内側るつぼ２１の内底部にセットし、台座−種結晶固定体１０を、種結晶３が内側るつぼ２１の内部空間側となるように内側るつぼ２１の開口部上部に配置する。その後、外側るつぼ２２の蓋体２２ｂを、るつぼ本体２２ａの開口部上部に配置する。

次に、内側るつぼ２１と台座−種結晶固定体１０と外側るつぼ２２を収容している収容容器（図示略）に接続された減圧装置を稼動させて内側るつぼ２１と台座−種結晶固定体１０とで形成された内部空間の圧力を減圧させる。続いて、収容容器に接続されたガス供給装置により内側るつぼ２１と台座−種結晶固定体１０とで形成された内部空間内に窒素ガスを導入する。これにより、窒化アルミニウム単結晶の成長は、高純度窒素ガス雰囲気下で行われる。

次いで、加熱手段１５により内側るつぼ２１および外側るつぼ２２を加熱し、放射温度計１３、１４により外側るつぼ２２の上部および下部の温度を測定してこれらの温度を制御する。窒化アルミニウム単結晶成長時は、外側るつぼ２２の温度を１７００〜２２００℃で一定制御する。
なお、窒化アルミニウム単結晶成長時は、外側るつぼ２２の下部温度（原料温度）は、外側るつぼ２２の上部温度（結晶成長部温度）よりも高温となるように設定する。
結晶成長は、前述の設定温度まで加熱した後に内側るつぼ２１、外側るつぼ２２および台座−種結晶固定体１０を収容した収容容器内を減圧することで開始され、１００〜７６０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^４〜１０．１３×１０^４Ｐａ）に定圧保持することで行われる。

加熱で昇華されて分解気化された原料１２は、窒素ガス雰囲気下で台座−種結晶固定体１０の種結晶３上に結晶成長することで、種結晶３上に窒化アルミニウム単結晶となり成長する。

従来、接着剤により台座に固定された種結晶を用いた単結晶成長方法では、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温下で、接着剤中の溶剤が気化して空隙が発生し、この空隙に起因する熱分布により、得られる窒化アルミニウム単結晶の品質が低下する場合があった。

これに対し、本実施形態の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上記本発明に係る窒化アルミニウム種結晶の固定方法により台座１に接合層７を介して固定された種結晶３を用いている。接合層７は、金属層２を構成する金属材料と、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなるため、窒化アルミニウム単結晶成長時の高温条件化においても、接合層７内に空隙が形成されることがなく、高品質の窒化アルミニウム単結晶を成長させることができる。
本実施形態の製造方法により得られる窒化アルミニウム単結晶は、優れた品質を有する。
本実施形態の製造方法により得られる窒化アルミニウム単結晶は、Ｘ線回折装置を用いて（０００２）ロッキングカーブを測定した場合、得られるロッキングカーブの半値幅ＦＷＨＭが１００arcsec以下となり、結晶配向性が優れている。

以上、本発明の窒化アルミニウム種結晶の固定方法、台座−種結晶固定体、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の一実施形態について説明したが、上記実施形態において、窒化アルミニウム種結晶の固定方法に使用される加熱処理装置、窒化アルミニウム単結晶の製造方法使用される装置は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

なお、図１に示す上記実施形態では、加熱処理により金属層２の全てが、金属層２を構成する金属材料と、台座１を構成するタングステンまたはタンタルとが反応した合金からなる接合層７となる場合を例示したが、本発明はこの例に限定されない。金属層２の厚さが比較的厚く、金属層２と台座１との界面側が加熱処理により前記合金を形成しており、金属層２の種結晶３側は金属層２の構成材料のままである場合も、本発明における接合層７に含まれる。この場合も、接合層７と台座１は、金属層２を構成する金属材料とタングステンまたはタンタルとが反応した合金により接合されており、また、接合層７と種結晶３は、加熱処理により金属層２が溶融・凝固した金属層の構成材料からなる接合層７上部とアンカー効果的作用により接合される。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す形状のタングステン製の台座の上に、厚さ１０μｍの円形のアルミニウム製シート（直径は窒化アルミニウム種結晶と同一）を載せ、その上に、円板状の窒化アルミニウム種結晶を置いた。次に、図１（ｃ）に示すように、タングステン製の固定部材を載せて積層体とした。固定部材の重量は圧力が２ｋＰａになるようにした。
次に、上記積層体を、図２に示す装置のるつぼ（黒鉛製）内に設置し、真空排気後、圧力７６０Ｔｏｒｒ（１０．１３×１０^４Ｐａ）のアルゴン雰囲気下で、表１に示す温度で加熱し、５時間保持した。
以上の工程により、窒化アルミニウム種結晶と台座がＡｌ−Ｗ合金を介して接合一体化した台座−種結晶固定体を得た。

得られた台座−種結晶固定体を積層方向に沿って切断し、切断面を目視で観察することにより、各加熱処理温度で固定された窒化アルミニウム種結晶と台座との固定状態を判定した。切断面の接合界面（台座−接合層間、接合層−種結晶間）に隙間が存在しないものを、固定状態が良好と判定した。結果を表１に併記した。

表２に示すように、加熱処理温度が７００℃の場合、窒化アルミニウム種結晶と、アルミニウム製シートと、タングステン製の台座が剥離していた。これは、７００℃の加熱処理では温度が低く、アルミニウム表面の薄い酸化膜を破壊してタングステン製の台座と反応することが妨げられたためである。
加熱処理温度８００〜１８００℃では、窒化アルミニウム種結晶とタングステン製の台座との界面にＡｌ−Ｗ合金が形成されており、良好な密着性を示していた。
また、加熱処理温度２０００℃では、窒化アルミニウム種結晶とタングステン製の台座は密着していたものの、窒化アルミニウム種結晶表面が昇華して表面の凹凸が顕著となっており、種結晶としての利用は困難であった。

（実施例２）
図１に示す形状のタングステン製の台座の上に、表２に示す厚さの円形のアルミニウム製シート（直径は窒化アルミニウム種結晶と同一）を載せ、その上に、円板状の窒化アルミニウム種結晶を置いた。次に、図１（ｃ）に示すように、タングステン製の固定部材を載せて積層体とした。固定部材の重量は圧力が２ｋＰａになるようにした。
次に、上記積層体を、図２に示す装置のるつぼ（黒鉛製）内に設置し、真空排気後、圧力７６０Ｔｏｒｒ（１０．１３×１０^４Ｐａ）のアルゴン雰囲気下で、１２００℃で加熱し、５時間保持した。
以上の工程により、窒化アルミニウム種結晶と台座がＡｌ−Ｗ合金を介して接合一体化した台座−種結晶固定体を得た。

得られた台座−種結晶固定体を積層方向に沿って切断し、切断面を目視で観察することにより、固定された窒化アルミニウム種結晶と台座との固定状態を判定した。切断面の接合界面（台座−接合層間、接合層−種結晶間）に隙間が存在しないものを、固定状態が良好と判定した。結果を表２に併記した。

表２に示すように、アルミニウム製シートの厚さが１〜３００μｍではいずれも接着状況は良好であったが、厚さ３００μｍのものに関しては種結晶の円周部にクラックが発生していた。これは溶けたアルミニウム製シートが種結晶側に回り込んで付着し、降温する再に凝縮したため、応力が印加されていたことに起因する。

（実施例３）
表２のＮｏ．１〜５の台座−種結晶固定体を用い、図３に示す製造装置により窒化アルミニウム単結晶成長を行った。図３に示す製造装置において、内側るつぼとして炭化タンタル製のるつぼを使用し、外側るつぼとして黒鉛製のるつぼを使用した。窒素化アルミニウム単結晶成長は、表３に示す条件で行った。
得られた窒化アルミニウム種結晶の断面を目視で観察した結果を表２に併記した。
なお、表２に示す「評価」は、加熱処理後の状態が良好であり、且つ、単結晶が孔なく成長していた場合のみ「○」と判定し、それ以外の場合は「×」と判定した。

表２に示すように、厚さ１μｍのアルミニウム製シートを用いて固定したＮｏ．１の台座−単結晶固定体を使用して単結晶成長を行った場合、成長した窒化アルミニウム単結晶中に孔が存在していた。断面観察を行ったところ、孔が存在する箇所の種結晶裏面とＡｌ−Ｗ合金の界面に隙間が存在していた。アルミニウム製シートシートが薄かったため、全面に均一に密着しなかったためである。
厚さ２〜２００ｍｍのアルミニウム製シートを用いて固定したＮｏ．２〜５の台座−単結晶固定体を使用して単結晶成長を行った場合、成長した窒化アルミニウム単結晶中に孔は存在せず、良好な品質の単結晶が得られた。目視で断面観察を行ったところ、台座と窒化アルミニウム種結晶との間のＡｌ−Ｗ合金（接合層）には、空隙が存在していなかった。

また、実施例３で表２のＮｏ．３の台座−種結晶固定体を用いて窒化アルミニウム単結晶成長を行った単結晶について、Ｘ線回折装置（Ｘ’Ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ、スペクトリス株式会社製）を用いて（０００２）ロッキングカーブの測定を行ったところ、半値幅ＦＷＨＭは２４arcsecと良好であった。

これに対し、図１に示す形状のタングステン製の台座の上に、カーボン製接着剤（ＳＴ−２０１、日清紡ケミカル株式会社製）を用いて、窒化アルミニウム種結晶を接合した台座−種結晶固定体を用い、実施例３と同様の条件で窒化アルミニウム単結晶成長を行った単結晶について、Ｘ線回折装置（Ｘ’Ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ、スペクトリス株式会社製）を用いて（０００２）ロッキングカーブの測定を行ったところ、半値幅ＦＷＨＭは４５８arcsecであった。

１…台座、２…金属層、３…窒化アルミニウム種結晶、４…固定部材、５…積層体、７…接合層、１０…台座−種結晶固定体、１１…るつぼ、１２…断熱材、１３、１４…放射温度計、１５…加熱手段、２１…内側るつぼ、２２…外側るつぼ、３０…製造装置。

Claims (7)

1. 窒化アルミニウム単結晶を成長させるための窒化アルミニウム種結晶を台座に固定する方法であって、
   タングステンまたはタンタルを含んでなる台座の一面上に、融点１９００℃以下で且つ加熱処理により前記台座と反応しうる金属材料からなる金属層を形成する第１工程と、
   前記金属層上に窒化アルミニウムの種結晶を配置する第２工程と、
   前記台座と前記金属層と前記種結晶とがこの順に積層された積層体を加熱処理し、前記台座上方に前記種結晶を固定する第３工程と、
   を備えることを特徴とする窒化アルミニウム種結晶の固定方法。
2. 前記金属層が、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム種結晶の固定方法。
3. 前記金属層の厚さが、２μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化アルミニウム種結晶の固定方法。
4. 前記第３工程における加熱処理を、８００℃以上１８００℃以下で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム種結晶の固定方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム種結晶の固定方法を用いて得られ、
   前記台座上に、接合層を介して前記窒化アルミニウム種結晶が固定された台座−種結晶固定体であって、
   前記接合層が、前記金属層を構成する金属材料と、前記台座に含まれるタングステンまたはタンタルとが反応した合金を含んでなることを特徴とする台座−種結晶固定体。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム種結晶の固定方法により台座に固定された種結晶を用い、前記種結晶上に窒化アルミニウム原料からの昇華ガスを供給し、前記種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
7. 請求項６に記載の製造方法を用いて得られる窒化アルミニウム単結晶。

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