JP2013124216A

JP2013124216A - Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法及びＧａ２Ｏ３系基板の製造方法

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Publication number: JP2013124216A
Application number: JP2011275878A
Authority: JP
Inventors: Kimiyoshi Koshi; 公祥輿; Takekazu Ujiie; 建和氏家
Original assignee: Tamura Corp; Koha Co Ltd
Current assignee: Tamura Corp; Koha Co Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-24
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP5891028B2

Abstract

【課題】加工時の原料効率に優れたＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法及びＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態において、ダイ１４のスリットから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液１２に種結晶２０を接触させる工程と、種結晶２０を引き上げ、板状のＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる工程と、を含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法を提供する。ダイ１４は、スリットの長手方向に垂直な断面が上部にＶ字状の窪みを有する形状を有し、その窪みのＶ字開き角は、１５０°以上、１８０°未満である。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法及びＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法に関する。

従来、ＥＦＧ法によりサファイア単結晶を同時に成長させる結晶成長方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された方法によれば、ダイに設けられた複数のスリットからそれぞれ結晶を成長させ、複数のサファイア単結晶を同時に得ることができる。

ＥＦＧ法によるサファイアの単結晶の成長には、モリブデン製のルツボやダイが用いられる。通常、ＬＥＤ用基板を製造する場合には、ダイの厚みは１ｍｍ以下となるため、成長後のサファイア単結晶の厚みもダイの厚み同様１ｍｍ以下となる。その後、サファイア単結晶はＬＥＤ用基板として加工され、最終厚みは約０．４ｍｍ程度となり、原料効率は約４０％となる。

特開２０１０−５２９９３号公報

ＥＦＧ法によるＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長には、高価なＩｒ製のルツボやダイを用いる。Ｇａ_２Ｏ_３の融点がおよそ１７００〜１８００℃と高いことと、Ｇａ_２Ｏ_３と反応しないことから、Ｉｒ製のルツボやダイが用いられる。本発明者らがＩｒよりも安価な他の金属材料であるモリブデンやタングステンも使用可能かどうか鋭意検討したが、いずれもＧａ_２Ｏ_３と反応を起す結果となった。

Ｉｒを用いてダイを製造する場合、現状の製造技術では、Ｉｒの板材の厚みが１ｍｍ未満になると反りが発生するため、精度良くダイを製造することができない。よって精度良くダイを製造することができる厚みは２．４ｍｍ以上(スリット幅は０．４ｍｍ以上)となる。このようなダイを用いて成長させるＧａ_２Ｏ_３系単結晶の厚みはダイの厚み同様２．４ｍｍとなる。例えば、ＬＥＤ用基板や電子デバイス用基板を製造する場合には、厚みを約０．４ｍｍにしなければならないため、その後の研削・研磨の除去量が多く、原料効率が１６．７％と非常に悪い。

したがって、本発明の目的は、加工時の原料効率に優れたＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法及びＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法を提供することである。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［４］のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法、及び［５］、［６］のＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法を提供する。

［１］ダイのスリットから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液に種結晶を接触させる工程と、前記種結晶を引き上げ、板状のＧａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる工程と、を含み、前記ダイは、前記スリットの長手方向に垂直な断面が上部にＶ字状の窪みを有する形状を有し、前記窪みのＶ字開き角は、１５０°以上、１８０°未満である、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［２］前記スリットは、複数のスリットである、前記［１］に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［３］前記スリットは、２〜５本のスリットである、前記［２］に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［４］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の厚さが５ｍｍ以上である、
前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［５］前記複数のスリットの間隔は３ｍｍ以下である、前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［６］前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の方法により成長させた前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をその面方向に切断して、複数のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板を形成する工程と、前記複数のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板の各々を研磨する工程と、を含むＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法。

［７］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、マルチワイヤーソーを用いて切断される、前記［６］に記載のＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法。

本発明によれば、加工時の原料効率に優れたＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法及びＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。図２は、実施の形態に係るダイの部分拡大図である。図３は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。図４は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液が上昇するダイの高さとスリット幅の関係を示すグラフである。

〔実施の形態〕
本実施の形態においては、ＥＦＧ（Edge-defined film-fed growth）法により、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる。

〔ＥＦＧ結晶製造装置の構成〕
図１は、本実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。このＥＦＧ結晶製造装置１０は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を受容するルツボ１３と、このルツボ１３内に設置されたスリット１１（１１ａ〜１１ｃ）を有するダイ１４と、スリット１１の開口を除くルツボ１３の上面を閉塞する蓋１５と、Ｇａ_２Ｏ_３系種結晶（以下、「種結晶」という）２０を保持する種結晶保持具２１と、種結晶保持具２１を昇降可能に支持するシャフト２２とを有する。

ルツボ１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系粉末を溶解させて得られたＧａ_２Ｏ_３系融液１２を収容する。ルツボ１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を収容しうる耐熱性を有するイリジウム等の金属材料からなる。

蓋１５は、ルツボ１３から高温のＧａ_２Ｏ_３系融液１２が蒸発することを防止し、さらにダイ１４の上面以外の部分にＧａ_２Ｏ_３系融液１２の蒸気が付着することを防ぐ。

図２は、本実施の形態のダイの部分拡大図である。ダイ１４は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を毛細管現象により上昇させるためのスリット１１を有する。スリット１１は、単スリット又は複数のスリット、例えば２〜５本のスリットから構成され、１本のスリットから構成される場合と比較して、厚いＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を形成することができる。図２に示される例では、スリット１１は、３本のスリット１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより構成される。

また、ダイ１４は、図２に示されるように、スリット１１の長手方向に垂直な断面が上部にＶ字状の窪みを有する形状を有する。この窪みのＶ字開き角θは、１５０°以上、１８０°未満である。この場合、スリット１１の複数のスリット１１ａ〜１１ｃから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液がダイ１４の上面に拡がり易く、後述するように一枚の厚いＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を形成することができる。

スリット１１を構成するスリット１１ａ〜１１ｃの各々の幅は、所望のダイの高さによって適宜選択することが可能である。図４は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液が上昇するダイの高さとスリット幅の関係を示すグラフである。ここで、図中の○は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液が上昇したことを表し、◆は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液が上昇しなかったことを表す。これによると、例えば、ダイの高さを５０ｍｍにしたいときにはスリット幅は０．４ｍｍ以下であればよいことになる。また、スリット１１の複数の複数のスリット１１ａ〜１１ｃから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液がダイ１４の上面で容易に一体化するために、スリット１１を構成するスリット１１ａ〜１１ｃの間隔（スリット１１ａと１１ｂの間隔、及びスリット１１ｂと１１ｃの間隔）は３ｍｍ以下であることが好ましい。

〔Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法〕
種結晶２０を下降させて毛細管現象でスリット１１から溢出したＧａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させ、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２と接触した種結晶２０を引き上げることにより、平板状のＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる。

スリット１１の複数のスリット１１ａ〜１１ｃから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液は、一体となってダイ１４の上面に拡がり、それによって一枚の厚い、例えば、１１ｍｍ以上の厚さを有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５が成長する。

種結晶２０の底面の幅はダイ１４の長手方向の幅よりも小さく、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５は種結晶２０の引き上げに伴ってダイ１４の長手方向に拡張しながら成長する（肩拡げ工程）。Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位は種結晶２０の結晶方位と等しく、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位を制御するためには、例えば、種結晶２０の底面の面方位及び水平面内の角度を調整する。

Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５及び種結晶２０は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶である。

図３は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。図３中の面２６は、スリット１１のスリット方向と平行なＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の主面である。成長させたＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を切り出してＧａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、Ｇａ_２Ｏ_３系基板の所望の主面の面方位にＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の面２６の面方位を一致させる。例えば、（１０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、面２６の面方位を（１０１）とする。また、成長させたＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５は、新たなＧａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させるための種結晶として用いることができる。

〔Ｇａ_２Ｏ_３系基板の製造方法〕
まず、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５をその面方向（面２６に平行な方向）に切断して、複数の板状のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板を形成する。Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５は、例えば、マルチワイヤーソーを用いて切断される。

その後、複数のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板の各々を研磨して、複数のＧａ_２Ｏ_３系基板を得る。

例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の厚さが１１ｍｍである場合、厚さ０．４ｍｍのＧａ_２Ｏ_３系基板を最大１２枚得ることができる。この場合の原料効率は約４４％である。なお、従来の方法により、２．４ｍｍ厚のＧａ_２Ｏ_３系単結晶を形成して一枚の厚さ０．４ｍｍのＧａ_２Ｏ_３系基板を得た場合、原料効率は１６．７％となる。このため、本実施の形態の方法の原料効率は、この従来の方法の原料効率の約２．６倍となる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、一枚の薄い（例えば２．４ｍｍ厚）Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長する速度と同等の速度（例えば１０〜２０ｍｍ／ｈ）で一枚の厚いＧａ_２Ｏ_３系単結晶をえることができる。このため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を切断して各々を研磨することにより、複数のＧａ_２Ｏ_３系基板を効率よく製造することができる。

また、本実施の形態の方法は、例えば、ダイに設けられた複数のスリットからそれぞれＧａ_２Ｏ_３系結晶を成長させ、各々を研磨して複数のＧａ_２Ｏ_３系基板を形成する方法と比較して、原料効率に優れる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０…ＥＦＧ結晶製造装置、２０…種結晶、２５…Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶、１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）…スリット、１４…ダイ

Claims

ダイのスリットから溢出するＧａ_２Ｏ_３系融液に種結晶を接触させる工程と、
前記種結晶を引き上げ、板状のＧａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる工程と、
を含み、
前記ダイは、前記スリットの長手方向に垂直な断面が上部にＶ字状の窪みを有する形状を有し、
前記窪みのＶ字開き角は、１５０°以上、１８０°未満である、
Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
前記スリットは、複数のスリットである、
請求項１に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
前記スリットは、２〜５本のスリットである、
請求項２に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の厚さが５ｍｍ以上である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
前記複数のスリットの間隔は３ｍｍ以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法により成長させた前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をその面方向に切断して、複数のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板を形成する工程と、
前記複数のＧａ_２Ｏ_３系単結晶板の各々を研磨する工程と、
を含むＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法。
前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、マルチワイヤーソーを用いて切断される、
請求項６に記載のＧａ_２Ｏ_３系基板の製造方法。