JP2015054800A - 窒化アルミニウム単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化アルミニウムの多結晶の析出を抑制することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム単結晶の製造装置１は、原料２を収容すると共に種結晶５を保持する坩堝１０を備えており、坩堝１０は、上部開口１１１を有する容器本体１１と、上部開口１１１を覆う蓋体１２と、を備えており、蓋体１２は、種結晶５の外径Ｄ０よりも小さな内径Ｄ１を有する貫通開口１３１を有する第１の蓋部材１３を少なくとも有し（Ｄ１＜Ｄ０）、第１の蓋部材１３は、種結晶５が貫通開口１３１を介して原料２に対向するように、種結晶５を保持し、第１の蓋部材１３を構成する第１の材料の電気抵抗率は、容器本体１１を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高い。【選択図】 図２

Description

本発明は、昇華再結晶法（改良レーリー法）によって窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶を製造する窒化アルミニウム単結晶の製造装置に関するものである。

窒化アルミニウム単結晶の製造装置として、原料を収容する坩堝と、種結晶の外径よりも小さな貫通開口を有すると共に坩堝の開口部上に設置された保持部材と、を備え、当該保持部材が種結晶を保持することで種結晶を原料に対向させるものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１３２０７９号公報

上記の製造装置では、窒化アルミニウムの単結晶が成長して保持部材よりも厚くなると、当該単結晶の温度が保持部材の温度よりも高くなる。このため、保持部材に窒化アルミニウムの多結晶が析出して単結晶表面でのアルミニウムの過飽和度が減少するので、当該単結晶の成長速度が低下してしまう、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、窒化アルミニウムの多結晶の析出を抑制することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置を提供することである。

［１］本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置は、原料を収容すると共に種結晶を保持する坩堝を備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、前記坩堝は、上部開口を有する容器本体と、前記上部開口を覆う蓋体と、を備えており、前記蓋体は、前記種結晶の外径よりも小さな内径を有する貫通開口を有する第１の蓋部材を少なくとも有し、前記第１の蓋部材は、前記種結晶が前記貫通開口を介して前記原料に対向するように、前記種結晶を保持し、前記第１の蓋部材を構成する第１の材料の電気抵抗率は、前記容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いことを特徴とする。

［２］上記発明において、前記蓋体は、前記第１の蓋部材に保持された前記種結晶を覆う第２の蓋部材を有しており、前記第２の蓋部材は、前記第２の材料から構成されていてもよい。

［３］また、本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置は、原料を収容すると共に種結晶を保持する坩堝を備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、前記坩堝は、上部開口を有する容器本体と、前記上部開口を覆う蓋体と、を備えており、前記蓋体は、前記種結晶の外径よりも小さな内径を有する貫通開口と、前記種結晶を収容する収容空間と、を有し、前記貫通開口は、前記蓋体の底部を貫通して前記収容空間と連通しており、前記蓋体を構成する第１の材料の電気抵抗率は、前記容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いことを特徴とする。

［４］上記発明において、前記第１の材料は、黒鉛、タンタル、窒化タンタル、炭化ジルコニウム、及び、炭化モリブデンからなる群から選択される少なくとも一つの材料であり、前記第２の材料は、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、及び、窒化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも一つの材料であってもよい。

本発明によれば、第１の蓋部材を構成する第１の材料の電気抵抗率が、容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いので、第１の蓋部材への窒化アルミニウムの多結晶の析出を抑制することができる。

また、本発明によれば、蓋体を構成する第１の材料の電気抵抗率が、容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いので、蓋体への窒化アルミニウムの多結晶の析出を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態における窒化アルミニウム単結晶の製造装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態における坩堝の断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の実施形態における蓋体の第１〜第３の変形例を示す拡大断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｂ）は、本発明の実施形態における蓋体の第４〜第５の変形例を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態における窒化アルミニウム単結晶の製造装置の概略構成図、図２は本実施形態における坩堝の断面図である。

本実施形態における窒化アルミニウム単結晶の製造装置１は、昇華再結晶法（改良レーリー法）によって窒化アルミニウム単結晶を製造する装置である。具体的には、高温領域で原料２を加熱して昇華させ、低温領域に設けられた種結晶５上で当該昇華ガスを再凝縮させることにより窒化アルミニウム単結晶６を製造する。

図１に示すように、この単結晶製造装置１は、原料２を収容すると共に種結晶５を保持する坩堝１０と、坩堝１０を収容する結晶成長炉２０と、結晶成長炉２０内に窒素ガスを供給するガス供給装置３０と、結晶成長炉２０内を減圧する減圧装置４０と、結晶成長炉２０の外側に配置された誘導コイル５０と、を備えている。

坩堝１０は、図２に示すように、上部開口１１１を有する容器本体１１と、当該上部開口１１１を覆う蓋体１２と、を有している。なお、この蓋体１２は容器本体１１に載置されているだけであり、この第１の坩堝１０内は流体の出入りが容易な準密閉的な空間となっているため、結晶成長炉３０内に導入された窒素ガスが坩堝１０内に流入することが可能となっている。

容器本体１１は、有底の円筒形状を有しており、その内部には原料２が収容されている。この容器本体１１は、例えば、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、又は、窒化ジルコニウムから構成されている。なお、この容器本体１１を、例えば、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、及び、窒化ジルコニウムからなる群から選択される二つ以上の材料の混合物で構成してもよい。また、原料２の具体例としては、例えば、窒化アルミニウムの粉末等を例示することができる。

本実施形態における蓋体１２は、２つの蓋部材１３，１４から構成されている。第１の蓋部材１３は、円形の貫通開口１３１がその中央に形成されたリング形状を有しており、この貫通開口１３１は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも小さな内径Ｄ_１を有している（Ｄ_１＜Ｄ_０）。なお、貫通開口１３１の形状は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも小さな内径Ｄ_１を有し（Ｄ_１＜Ｄ_０）、且つ、種結晶５上に結晶成長に必要な面積が十分に確保されていれば、特に限定されない。

この第１の蓋部材１３は、容器本体１１の上部開口１１１を覆うように当該容器本体１１の上端１１２に載置されている。そして、種結晶５は、貫通開口１３１を塞ぐように第１の蓋部材１３に載置されており、第１の蓋部材１３によって種結晶５の外周部分が保持されている。このため、種結晶５の中央部分は、貫通開口１３１を介して容器本体１１内に露出しており、当該貫通開口１３１を介して原料２に対向している。

この第１の蓋部材１３は、上述の容器本体１１を構成する材料よりも相対的に高い電気抵抗率（比抵抗）を有する材料から構成されており、例えば、黒鉛、タンタル、窒化タンタル、炭化ジルコニウム、又は、炭化モリブデンから構成されている。なお、この第１の蓋部材１３を、例えば、黒鉛、タンタル、窒化タンタル、炭化ジルコニウム、及び、炭化モリブデンからなる群から選択される二つ以上の材料の混合物で構成してもよい。また、種結晶５の具体例としては、例えば、ＳｉＣ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＡｌＮ／ＳｉＣ単結晶（ＳｉＣ単結晶上に膜厚２００〜５００［μｍ］程度のＡｌＮ単結晶膜をヘテロ成長させた単結晶）等から構成される板状又は円板状の基板を例示することができる。

一方、第２の蓋部材１４は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも大きな外径Ｄ_２の円板形状を有している（Ｄ_２＞Ｄ_０）。この第２の蓋部材１４は、第１の蓋部材１３に保持された種結晶５の上に載置されており、種結晶５は第１の蓋部材１３の上面と第２の蓋部材１４の下面との間に挟まれている。なお、第２の蓋部材１４が種結晶５を覆っていれば、当該第２の蓋部材１４の形状は特に限定されない。

ここで、従来の製造装置のように種結晶を蓋体に接着する場合には、結晶成長時の熱膨張差等により種結晶が蓋体から剥離したり脱落するおそれがある。これに対し、本実施形態では上記のように第１及び第２の蓋部材１３，１４の間に種結晶５を挟むので、蓋体１２への種結晶５の接着が不要となり、結晶成長時の種結晶５の剥離や脱落を防止することが可能となっている。

この第２の蓋部材１４は、容器本体１１と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、又は、窒化ジルコニウムから構成されている。なお、この第２の蓋部材１４を、例えば、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、及び、窒化ジルコニウムからなる群から選択される二つ以上の材料の混合物で構成してもよい。このように、第２の蓋部材１４を、容器本体１１と同じ材料で構成することで、種結晶５を適切に加熱することができる。

なお、蓋体の構造は上記に特に限定されず、図３（ａ）〜図４（ｂ）に示すようにしてもよい。図３（ａ）〜図４（ｂ）は本発明の実施形態における蓋体の変形例を示す図である。

図３（ａ）に示すように、蓋体１２Ｂが、上述した第１及び第２の蓋部材１３，１４に加えて、第３の蓋部材１５を備えてもよい。この第３の蓋部材１５は、中央に貫通開口１５１が形成されたリング形状を有しており、この貫通開口１５１は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも大きな内径Ｄ_３を有している（Ｄ_３＞Ｄ_０）。この第３の蓋部材１５は、種結晶５を貫通開口１５１に挿入した状態で第１の蓋部材１３上に載置されており、種結晶５を取り囲んでいる。

ここで、種結晶５の外周部分が坩堝１０の外部に曝されていると、結晶成長の条件によっては当該外周部分から昇華し、種結晶５が消失してしまうおそれがある。これに対し、図３（ａ）に示す例では、第３の蓋部材１５によって種結晶５を囲んでいるので、種結晶５の消失を抑制することができる。

なお、この第３の蓋部材１５の厚さは特に限定されないが、結晶成長時に種結晶５が動いたり落下するのを防止するためには、第３の蓋部材１５の厚さを種結晶５の厚さ以下とすることで、第１の蓋部材１３と第２の蓋部材１４との間に種結晶５を挟むことが好ましい。因みに、第３の蓋部材１５の厚さを種結晶５の厚さ以下とした場合には、第２の蓋部材１４は種結晶５の上に載置される。一方、第３の蓋部材１５を種結晶５よりも厚くした場合には、第２の蓋部材１４は第３の蓋部材１５の上に載置される。

また、図３（ｂ）に示す蓋体１２Ｃのように、第１の蓋部材１３と第３の蓋部材１５とを一体的に形成してもよいし、若しくは、特に図示しないが、第３の蓋部材１５を接着や溶接等により第１の蓋部材１３に接合してもよい。なお、第１の蓋部材１３と第３の蓋部材１５を一体的に形成した場合には、貫通開口１３１，１５１を連続的にテーパ状に形成してもよい。

或いは、図３（ｃ）に示す蓋体１２Ｄのように、第２の蓋部材１４と第３の蓋部材１５とを一体的に形成してもよいし、若しくは、特に図示しないが、第３の蓋部材１５を接着や溶接等により第２の蓋部材１４に接合してもよい。

さらに、図４（ａ）に示すように、第１〜第３の蓋部材１３〜１５を一体的に形成することで蓋体１２Ｅを構成してもよい。この蓋体１２Ｅには、収容空間１６と貫通開口１７が形成されている。また、特に図示しないが、第１〜第３の蓋部材１３〜１５を接着や溶接等により接合することで、蓋体１２Ｅを構成してもよい。なお、収容空間１６が上述の第３の蓋部材１５の貫通開口１５１に対応し、貫通開口１７が上述の第１の蓋部材１３の貫通開口１３１に対応する。

この蓋体１２Ｅの収容空間１６は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも大きな内径Ｄ_４を有しており（Ｄ_４＞Ｄ_０）、種結晶５を収容することが可能となっている。なお、この蓋体１２Ｄには、収容空間１６に種結晶５を挿入するためのスリット（不図示）が形成されており、種結晶５が収容空間１６内に挿入された後にこのスリットは埋められる。また、成長後の窒化アルミニウム単結晶６は、蓋体１２Ｅの一部を破壊したり当該単結晶６を種結晶５から切り離すことで回収される。

貫通開口１７は、上述の収容空間１６を区画する蓋体１２Ｅの底部１８を貫通しており、収容空間１６に当該貫通開口１７が連通している。この貫通開口１７は、種結晶５の外径Ｄ_０よりも小さな内径Ｄ_５を有している（Ｄ_５＜Ｄ_０）。そのため、スリットを介して収容空間１６内に挿入された種結晶５の外周部分が蓋体１２Ｅの底部１８に保持されると共に、当該種結晶５の中央部分が貫通開口１７を介して容器本体１１内に露出して原料２に対向する。

或いは、図４（ｂ）に示すように、蓋体１２Ｆの一部を容器本体１１の内部に入り込ませてもよい。なお、同図に示すように、第１〜第３の蓋部材１３〜１５を一体的に形成することで蓋体１２Ｆを構成してもよいし、若しくは、特に図示しないが、第１〜第３の蓋部材１３〜１５を接着や溶接等により接合することで蓋体１２Ｆを構成してもよい。

図１に戻り、以上に説明した坩堝１０は、不図示の固定手段を介して結晶成長炉２０内に固定されている。この結晶成長炉２０は、例えば二重構造の石英管から構成されており、その上部にガス導入口２１が設けられていると共に、その下部にガス排出口２２が設けられている。ガス導入口２１には、窒素（Ｎ_２）ガス等の不活性ガスを供給可能なガス供給装置３０が接続されている。一方、ガス排出口２２には、特に図示しない圧力調整弁を介して真空ポンプ等の減圧装置４０が接続されている。このガス供給装置３０や減圧装置４０を駆動させることで、結晶成長炉２０内の雰囲気を所定の圧力に調整することが可能となっている。

結晶成長炉２０の周囲には誘導コイル５０が配置されている。この誘導コイル５０は、結晶成長炉２０内の坩堝１０を取り囲んでおり、この誘導コイル５０に高周波電流を通電することで坩堝１０が自己発熱し、これにより原料２及び種結晶５が所望の温度に加熱される。

次に、以上に説明した単結晶製造装置１を用いた窒化アルミニウム単結晶６の製造方法について説明する。

先ず、窒化アルミニウム粉末等の原料２を坩堝１０の容器本体１１内にセットする。次いで、第１の蓋部材１３を容器本体１１の上に載置した後に、当該第１の蓋部材１３の上に種結晶５を載置し、さらに当該種結晶５の上に第２の蓋部材１４を載置する。これにより、種結晶５が第１の蓋部材１３に保持され第１及び第２の蓋部材１３，１４の間に挟まれると共に、第１の蓋部材１３の貫通開口１３１を介して種結晶５が原料２に対向する。

次いで、坩堝１０を結晶成長炉２０内に設置した後、減圧装置５０を駆動させてガス排出口２２を介して結晶成長炉２０内の大気を除去し、当該結晶成長炉２０内を真空引きする。

次いで、ガス供給装置５０を駆動させてガス導入口２１を介して結晶成長炉２０内に窒素ガスを導入して結晶成長炉２０内を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧する。次いで、誘導コイル５０に高周波電流を通電して坩堝１０を発熱させることで、原料２及び種結晶５を加熱する。この際、不図示の放射温度計によって坩堝１０の上部と下部の温度がそれぞれ測定されている。誘導コイル５０は、この測定結果に基づいて、坩堝１０の下部温度（すなわち原料２の温度）を１８００［℃］〜２３００［℃］とするように制御されると共に、坩堝１０の上部温度（すなわち種結晶５の温度）が１７００［℃］〜２２００［℃］とするように制御される。

坩堝１０の温度が上記の設定温度に達したら、減圧装置４０によって結晶成長炉２０内を１００［ｔｏｒｒ］〜６００［ｔｏｒｒ］に減圧する。この減圧により、窒化アルミニウム単結晶６の成長が開始する。具体的には、下記の（１）式及び（２）式に示すように、上述の坩堝１０の上部と下部の間に設定された温度勾配によって、原料２から発生した昇華ガスが、種結晶５に向かって移送され、種結晶５上で再結晶化する。これにより、第１の蓋部材１３の貫通開口１３１を介して露出している種結晶５の中央部分に窒化アルミニウム単結晶６が成長する。

２ＡｌＮ（ｓ） → ２Ａｌ（ｇ）＋Ｎ_２（ｇ） …（１）
２Ａｌ（ｇ）＋Ｎ_２（ｇ） →２ＡｌＮ（ｓ） …（２）

この際、本実施形態では、上述のように、第１の蓋部材１３を構成する材料の電気抵抗率が容器本体１１を構成する材料の電気抵抗率よりも相対的に高いので、窒化アルミニウム単結晶６が成長して第１の蓋部材１３よりも厚くなっても、第１の蓋部材１３の温度が窒化アルミニウム単結晶の温度よりも高くなる。そのため、第１の蓋部材１３に窒化アルミニウムの多結晶が析出することはない。

窒化アルミニウム単結晶６の成長を停止させる場合には、ガス導入口２２から窒素ガスを結晶成長炉２０内に供給して結晶成長炉２０内の圧力を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧させた後に、誘導コイル５０への通電を停止して原料２及び種結晶５を室温まで自然冷却する。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、坩堝１０を第２の坩堝内に収容した二重坩堝構造を採用してもよいし、坩堝１０を第２及び第３の坩堝内に収容した三重坩堝構造を採用してもよい。

１…単結晶製造装置
２…原料
５…種結晶
６…窒化アルミニウム単結晶
１０…坩堝
１１…容器本体
１１１…上部開口
１１２…上端
１２，１２Ｂ〜１２Ｆ…蓋体
１３…第１の蓋部材
１３１…貫通開口
１４…第２の蓋部材
１５…第３の蓋部材
１５１…貫通開口
１６…収容空間
１７…貫通開口
１８…底部
２０…結晶成長炉
２１…ガス導入口
２２…ガス排出口
３０…ガス供給装置
４０…減圧装置
５０…誘導コイル

Claims (4)

1. 原料を収容すると共に種結晶を保持する坩堝を備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記坩堝は、
   上部開口を有する容器本体と、
   前記上部開口を覆う蓋体と、を備えており、
   前記蓋体は、前記種結晶の外径よりも小さな内径を有する貫通開口を有する第１の蓋部材を少なくとも有し、
   前記第１の蓋部材は、前記種結晶が前記貫通開口を介して前記原料に対向するように、前記種結晶を保持し、
   前記第１の蓋部材を構成する第１の材料の電気抵抗率は、前記容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
2. 請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記蓋体は、前記第１の蓋部材に保持された前記種結晶を覆う第２の蓋部材を有しており、
   前記第２の蓋部材は、前記第２の材料から構成されていることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
3. 原料を収容すると共に種結晶を保持する坩堝を備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記坩堝は、
   上部開口を有する容器本体と、
   前記上部開口を覆う蓋体と、を備えており、
   前記蓋体は、
   前記種結晶の外径よりも小さな内径を有する貫通開口と、
   前記種結晶を収容する収容空間と、を有し、
   前記貫通開口は、前記蓋体の底部を貫通して前記収容空間と連通しており、
   前記蓋体を構成する第１の材料の電気抵抗率は、前記容器本体を構成する第２の材料の電気抵抗率に対して相対的に高いことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   前記第１の材料は、黒鉛、タンタル、窒化タンタル、炭化ジルコニウム、及び、炭化モリブデンからなる群から選択される少なくとも一つの材料であり、
   前記第２の材料は、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル、及び、窒化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも一つの材料であることを特徴とする窒化アルミニウムの製造装置。

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