JP2015166298A - 単結晶製造装置及び単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶を安定した温度条件で成長させることで、単結晶の品質の向上を図ることが可能な単結晶製造装置を提供する。【解決手段】単結晶製造装置１は、原料２を収容する坩堝１０と、坩堝１０を覆う断熱基材２１を少なくとも有する断熱材２０と、坩堝１０及び断熱材２０を収容する結晶成長炉３０と、結晶成長炉３０の外側に設けられ、坩堝１０を誘導加熱する誘導コイル６０と、を備えており、断熱材２０は、電気的絶縁性を有すると共に断熱基材２１を被覆する高融点絶縁層２２をさらに有しており、高融点絶縁層２２は、断熱基材２１の少なくとも一部を被覆しており、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点は、原料２の昇華温度に対して相対的に高い。【選択図】図１

Description

本発明は、昇華再結晶法（レーリー法）によって単結晶を製造する単結晶製造装置に関するものである。

昇華再結晶法によって単結晶を製造する製造装置として、坩堝の周囲を円筒状の断熱材で囲んだ構造が知られている（例えば特許文献１参照）。このような断熱材は、円筒形状の断熱基材と、断熱基材の内周面を覆う円筒形状の黒鉛シートと、黒鉛シートを覆う炭化タンタル膜と、から構造されている。

特開２０１２−９１９６６号公報

上記の単結晶製造装置では、誘導加熱方式により加熱する場合、炭化タンタル膜が発熱体として作用してしまうため、単結晶の成長条件（特に温度条件）に影響を及ぼすおそれがある、といった問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、安定した温度条件下において単結晶を成長させることで、単結晶の品質の向上を図ることが可能な単結晶製造装置を提供することである。

［１］本発明に係る単結晶製造装置は、昇華再結晶法によって単結晶を製造する単結晶製造装置であって、原料を収容する坩堝と、前記坩堝を覆う断熱基材を少なくとも有する断熱材と、前記坩堝及び前記断熱材を収容する結晶成長炉と、前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を誘導加熱する加熱手段と、を備えており、前記断熱材は、電気的絶縁性を有すると共に前記断熱基材を被覆する絶縁層をさらに有しており、前記絶縁層は、前記断熱基材の少なくとも一部を被覆しており、前記絶縁層を構成する材料の融点は、前記原料の昇華温度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、前記絶縁層を構成する材料は、窒化ホウ素であってもよい。

［３］上記発明において、前記断熱材は、前記断熱基材の浸透性よりも相対的に低い浸透性を有する黒鉛シートをさらに有しており、前記絶縁層は、前記黒鉛シートを介して、前記断熱基材を被覆していてもよい。

［４］本発明に係る単結晶製造方法は、原料を収容する坩堝と、前記坩堝を覆う断熱基材を有する断熱材と、前記坩堝及び前記断熱材を収容する結晶成長炉と、前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を誘導加熱する加熱手段と、を備えた製造装置を用いた単結晶製造方法であって、前記断熱材は、電気絶縁性を有すると共に前記断熱基材を被覆する絶縁層をさらに有しており、前記絶縁層は、前記断熱基材を被覆しており、前記絶縁層を構成する材料の融点は、前記原料の昇華温度に対して相対的に高く、前記坩堝を加熱することにより前記原料を昇華させて、前記原料に対向するように配設された下地基板上に単結晶を成長させることを特徴とする。

本発明によれば、電気絶縁性を有する絶縁層で断熱基材を被覆することで、誘導加熱方式においても、意図しない発熱が生じないので、安定した温度条件下において、単結晶を成長させることができる。これにより、単結晶の品質の向上を図ることができる。

図１は、本発明の第１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、本発明の第１実施形態における断熱材を示す図であり、図１のII−II線に沿った断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態における断熱材の変形例を示す断面図である。 図４は、本発明の第１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変形例を示す概略構成図である。 図５は、本発明の第１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変形例を示す概略構成図である。 図６は、本発明の第１実施形態における昇華ガスの流れを示す図である。 図７は、本発明の第２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８は、本発明の第２実施形態における断熱材を示す図であり、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
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断熱材を示す図であり、図１のII−II線に沿った断面図、図３は本実施形態における断熱材の変形例を示す断面図、図４及び図５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変形例を示す概略構成図である。

本実施形態における単結晶製造装置１は、昇華再結晶法（レーリー法）によって窒化アルミニウム単結晶６を製造する装置である。具体的には、高温領域で原料２を加熱し昇華させ、低温領域に設けられた下地基板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、坩堝１０と、断熱材２０と、結晶成長炉３０と、ガス供給装置４０と、減圧装置５０と、誘導コイル６０と、複数の温度計７１、７２と、を備えている。

坩堝１０は、原料２を収容すると共に、下地基板５を保持している。この坩堝１０は、容器本体１１と蓋体１２と、を有している。

容器本体１１は、円筒状の筒部１１１と、底部１１２と、を有している。この筒部１１１は、その上端に上部開口１１３を有している。また、底部１１２は、当該筒部１１１の下端を塞ぐ円板形状を有している。この容器本体１１の内部には原料２が収容されている。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や焼結体等を例示することができる。

蓋体１２は、下地基板５の外径よりも大きな外径の円板形状を有しており、上部開口１１３を覆うように容器本体１１上に載置されている。この蓋体１２の下面には接着剤を介して下地基板５が蓋体１２の中央付近に貼り付けられている。

下地基板５は、容器本体１１内に収容された原料２に対向している。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、この坩堝１０内は流体の出入りが容易な準密閉的な構造となっているので、結晶成長炉３０内に導入された窒素ガス等が坩堝１０外に流出することが可能となっている。

この下地基板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）等から構成される円板形状の種結晶を例示することができる。また、下地基板５を蓋体１２に貼り付ける接着剤の具体例としては、例えば、樹脂、無機物化合物系セラミックス、或いは、黒鉛を主成分とした高温用接着剤を例示することができる。なお、下地基板５の形状は、円板形状に限定されず、例えば、矩形板形状であってもよい。

この坩堝１０は、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長時（２０００℃程度）での耐熱性を有する材料から構成されている。具体的には、この坩堝１０の容器本体１１及び蓋体１２は、黒鉛、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、炭化珪素、窒化珪素、モリブデン、タングステン、タンタル、炭化モリブデン、炭化ジルコニウム、炭化タングステン、炭化タンタル、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、及び、窒化タンタルからなる群から選択される少なくとも一種類の材料から構成されている。

断熱材２０は、断熱基材２１と、高融点絶縁層２２と、を有している。断熱基材２１は、坩堝１０の全体を覆うように設けられている。このように断熱基材２１が、坩堝の周囲を覆うことで、外部への放熱が抑制される。この断熱基材２１は、筒部２１１と、底部２１４と、蓋部２１６と、を有している。

このような断熱基材２１を構成する材料としては、繊維状又は多孔質状の組織を有する黒鉛等を例示することができる。この繊維状の組織を有する黒鉛の具体例としては、例えば、炭素フェルトなどを例示することができる。

この断熱基材２１として用いられる炭素フェルトは、耐熱性に優れており、高温条件下においても劣化しにくい。また、このような炭素フェルトは、嵩密度が低くなるよう構成されており、断熱材２０の軽量化を図ることができる。こうした断熱基材２１は、例えば、１×１０^−１０［／ｍ^２］程度の高いガス浸透率を有している。

筒部２１１は、円筒形状を有しており、坩堝１０の筒部２１１の周囲を被覆している。具体的には、断熱材２０の筒部２１１と坩堝の筒部１１１との間に形成された第１の空間２１８を介して、坩堝１０の筒部１１１に対向するように設けられている。

なお、第１の空間２１８を介さずに、筒部２１１が坩堝１０の筒部１１１を直接被覆していてもよい。

底部２１４は、筒部２１１の下側の開口に嵌め込まれている。この底部２１４は、筒部２１１の下側の開口に対応した径を有する円板形状を有している。また、底部２１４は、坩堝１０における容器本体１１の底部１１２に対向するように設けられており、坩堝１０における容器本体１１の底部１１２を直接被覆している。

この底部２１４は、開口２１５を有している。この開口２１５は、底部２１４の中央付近に、当該底部２１４を略鉛直方向（図中Ｚ方向）に貫通するように設けられている。このような開口２１５は、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さな内径（例えば１０［ｍｍ］程度）を有している。

蓋部２１６は、筒部２１１の上側の開口に嵌め込まれている。この蓋部２１６は、筒部２１１の上側の開口に対応した径を有する円板形状を有している。また、蓋部２１６は、坩堝１０における蓋体１２に対向するように設けられており、第２の空間２１９を介して坩堝１０における蓋体１２を被覆している。

このように、第２の空間２１９は、断熱材２０の蓋部２１６と坩堝１０の蓋体１２との間に形成されている。この第２の空間２１９の鉛直方向の高さＨ１は、例えば、１０［ｍｍ］程度となっている。こうした第２の空間２１９を坩堝１０の上部と断熱材２０との間に設けることで、下地基板５の放熱の均一化を図ることができる。

なお、第２の空間２１９を介さずに、蓋部２１６が坩堝１０の蓋体１２を直接被覆していてもよい。

この蓋部２１６は、開口２１７を有している。この開口２１７は、蓋部２１６の中央付近に、当該蓋部２１６を略鉛直方向（図中Ｚ方向）に貫通するように設けられている。このような開口２１７は、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さな内径（例えば１０［ｍｍ］程度）を有している。

高融点絶縁層２２は、図１及び図２に示すように、断熱基材２１の全体を被覆するように、断熱基材２１の表面に形成されている。このように、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面を被覆していることで、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなるので、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。この高融点絶縁層２２を構成する材料としては、特に限定しないが、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を膜状にしたものを例示することができ、ＢＮを用いることがより好ましい。

このような高融点絶縁層２２を断熱基材２１の表面に形成する方法としては、気相成膜法を例示することができる。この気相成膜法の具体例としては、例えば、物理蒸着法（Physical Vapor Deposition）や化学蒸着法（Chemical Vapor Deposition）等を例示することができる。また、この物理蒸着法の具体例としては、例えば、イオンプレーティング法やスパッタリング法等を例示することができる。なお、高融点絶縁層２２の形成方法は、特に上述に限定されない。

なお、この高融点絶縁層２２は、断熱基材２１の全体を被覆することに限定されない。例えば、図３に示すように、断熱基材２１の内側面にのみ形成されていてもよい。この場合には、断熱基材２１の全体を被覆する場合と同様、当該断熱基材２１が劣化するのを抑制することができると共に、高融点絶縁層２２を形成する工程の簡略化を図ることができる。

また、図４に示すように、高融点絶縁層２２は、断熱基材２１における内側面の少なくとも一部が厚くなるように形成されていてもよい。具体的には、筒部２１１の坩堝１０の容器本体１１と蓋体１２との隙間に対向する部分、及び、蓋部２１６の坩堝１０の蓋体１２に対向する部分が厚くなるように高融点絶縁層２２を形成してもよい。この場合には、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されやすい箇所において、高融点絶縁層２２の破断が生じにくい構造を得ることができる。これにより、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

また、図５に示すように、高融点絶縁層２２は、断熱基材２１における内側面の少なくとも一部にのみ形成されていてもよい。この場合には、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されやすい箇所において、断熱基材２１の全体を被覆する場合と同様、当該断熱基材２１が劣化するのを抑制することができると共に、高融点絶縁層２２を形成する工程の簡略化をさらに図ることができる。

また、特に図示しないが、断熱基材２１における内側面の少なくとも一部に炭化タンタル膜が形成されると共に、断熱基材２１における外側面の少なくとも一部に高融点絶縁層２２が形成されていてもよい。

断熱基材２１は、上述のような高いガス浸透率を有しており、このような断熱基材２１が昇華ガスに曝露されると、当該断熱基材２１の内部まで昇華ガスが侵入している。このように断熱基材２１の表面だけでなく、断熱基材２１の内部においても、当該断熱基材２１と昇華ガスとが化学的に反応することにより、断熱基材２１が劣化する。これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面を被覆していることで、断熱基材２１が坩堝１０内より流出する昇華ガスに曝露されにくくなる。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

また、この高融点絶縁層２２は電気絶縁性を有しているため、高周波電流を通電しても発熱体として作用しない。これにより、意図しない発熱が生じないので、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、上述の炭化タンタル膜で断熱基材を被覆する場合にその炭化タンタル膜の発熱量を考慮して、単結晶を成長させる温度条件を決定することも考えられる。しかしながら、この場合には、炭化タンタル膜のような導電性を有する層に減肉や剥離などが生じることで、単結晶を成長させる温度条件が変わってしまい、安定した温度条件下において単結晶を成長させることが困難となる。

これに対し、本実施形態では、電気絶縁性を有している高融点絶縁層２２により断熱基材２１が被覆されているため、高融点絶縁層２２に減肉や剥離などが生じた場合でも、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、上述の炭化タンタル膜で断熱基材の全体を被覆する場合、当該断熱基材の外側面においても、当該炭化タンタル膜が発熱する。この場合には、断熱基材の外側面に形成された炭化タンタル膜が発熱することにより、当該炭化タンタル膜に近接する結晶成長炉が熱影響を受け、意図せず加熱されることとなる。これにより、単結晶製造装置を稼働する上で安全性を確保することが困難となる。このように、断熱基材の外側面においては、炭化タンタル膜を形成することが難しいため、断熱基材が昇華ガスに曝露されやすくなり、断熱基材が劣化するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有しているので、断熱基材２１の全体が被覆されている場合でも、断熱基材２１の外側面において高融点絶縁層２２が発熱しない。このように、結晶成長炉３０（後述）に対する意図しない加熱により熱影響を受けることを抑えることで、単結晶製造装置１を稼働する上での安全性を確保することができる。また、断熱基材２１の外側面においても高融点絶縁層２２により断熱基材２１を被覆することができるので、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

また、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点は、原料２の昇華温度に対して相対的に高い。これにより、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件において、高融点絶縁層２２が変質してしまうのを抑制することができる。

また、断熱基材２１と昇華ガスとが化学的に反応することで、断熱基材２１が劣化すると共に、断熱基材２１を構成する黒鉛と昇華ガスとの化合物が生成される。この劣化した断熱基材２１や化合物は、当該断熱基材２１から容易に剥離する。このような剥離した断熱基材２１等が坩堝１０内に混入した場合、窒化アルミニウム単結晶６の品質を低下させる（以下単に、コンタミネーションとも称する）。

これに対し、本実施形態では、断熱基材２１の表面に高融点絶縁層２２が形成されていることで、断熱基材２１と昇華ガスとの化学的な反応が生じるのを抑制することができる。これにより、剥離した断熱基材２１等によるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、高融点絶縁層２２としてＢＮ膜を用いている。このＢＮは、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件のような還元雰囲気においても、昇華ガスと反応しにくい（以下単に、「熱的安定性に優れる」とも称する）。したがって、高融点絶縁層２２が劣化しにくく、膜の破断等が生じにくい構造を得ることができる。これにより、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなるので、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

また、ＢＮは、上述の炭化タンタルよりも熱膨張率が低く、高融点絶縁層２２に対する加熱又は冷却が繰り返される場合においても、高融点絶縁層２２にクラックなどが生じにくい。このように、高融点絶縁層２２にＢＮを用いることで、断熱材２０を繰り返し使用しても、高融点絶縁層２２にクラックなどが生じにくいので、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなる。これにより、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

図１に示すように、断熱材２０に覆われた坩堝１０は、不図示の固定手段を介して結晶成長炉３０内に固定されている。この結晶成長炉３０は、例えば二重構造の透明な石英管から構成されており、その上部にガス導入口３１が設けられていると共に、その下部にガス排出口３２が設けられている。ガス導入口３１には、窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスを供給可能なガス供給装置４０が接続されている。一方、ガス排出口３２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５０が接続されている。このガス供給装置４０や減圧装置５０を駆動させることで、結晶成長炉３０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。

また、この結晶成長炉３０は、外部の温度計７１，７２が坩堝１０の温度を計測するための石英製の窓部３３，３４を備えている。第１の窓部３３は、断熱材２０の下側に設けられた開口２０１に対向するように、結晶成長炉３０の下部に設けられている。一方、第２の窓部３４は、断熱材２０の上側に設けられた開口２０２に対向するように、結晶成長炉３０の上部に設けられている。

誘導コイル６０は、結晶成長炉３０の周囲に配置されている。この誘導コイル６０は、結晶成長炉３０内の坩堝１０を取り囲んでおり、この誘導コイル６０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及び下地基板５が所望の温度に加熱される。なお、本実施形態における「誘導コイル６０」が本発明の「加熱手段」の一例に相当する。

第１及び第２の温度計７１，７２は、結晶成長炉３０の外側に配置されている。第１及び第２の温度計７１，７２の具体例としては、例えば放射温度計等を例示することができる。この第１及び第２の放射温度計７１，７２は、坩堝１０から放射される赤外線や可視光線の強度を測定することで、坩堝１０の温度を検出する。

具体的には、第１の温度計７１は、結晶成長炉３０の下部に設けられた第１の窓部３３に対向するように配置されており、当該第１の窓部３３と断熱材２０の下側の開口２０１を介して、結晶成長炉３０内の坩堝１０の容器本体１１の底面（坩堝１０の下部）の温度を計測することが可能となっている。

一方、第２の温度計７２は、結晶成長炉３０の上部に設けられた第２の窓部３４に対向するように配置されており、当該第２の窓部３４、断熱材２０の上側の開口２０２を介して、結晶成長炉３０内の坩堝１０の蓋体１２の上面（坩堝１０の上部）の温度を計測することが可能となっている。

つまり、本実施形態では、第１の温度計７１によって原料２の温度を測定し、第２の温度計７２によって下地基板５の温度を測定する。

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、下地基板５が貼り付けられた蓋体１２を容器本体１１に載置する。これにより、原料２が坩堝１０内に収容されると共に、当該原料２に対向するように下地基板５が坩堝１０に保持される。

次いで、坩堝１０を断熱材２０で覆い当該坩堝１０を結晶成長炉３０内に設置した後、減圧装置５０を駆動させてガス排出口３２を介して結晶成長炉３０内の大気を除去し、当該結晶成長炉３０内を真空引きする。

次いで、ガス供給装置４０を駆動させてガス導入口３１を介して結晶成長炉３０内に窒素ガスを導入して結晶成長炉３０内を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧する。次いで、誘導コイル６０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及び下地基板５を加熱する。

このとき、窒化アルミニウム単結晶６の成長が始まる前に約１０００［℃］で１時間程度加熱することが好ましい。これにより、下地基板５の表面を清浄にすることができるので、窒化アルミニウム単結晶６の品質の向上を図ることができる。

次いで、坩堝１０を誘導コイル６０により加熱する。この坩堝１０の上部と下部の温度は、上述の第１及び第２の温度計７１，７２によってそれぞれ測定されている。この際、坩堝１０の下部温度（すなわち原料２の温度）が２１００［℃］程度となり、坩堝１０の上部温度（すなわち下地基板５の温度）が坩堝１０の下部温度よりも５０〜１００［℃］程度低くなるよう加熱する。

この際、高融点絶縁層２２として電気絶縁性を有するＢＮ膜を用いることにより、高周波電流を通電しても高融点絶縁層２２が発熱体として作用しない。これにより、意図しない発熱が生じないので、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、炭化タンタル膜で断熱基材を被覆する場合には、導電性を有する層に減肉や剥離などが生じることで、単結晶を成長させる温度条件が変わってしまう。このため、安定した温度条件下において単結晶を成長させることが困難となる。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２として電気絶縁性を有するＢＮ膜を用いる。これにより、高融点絶縁層２２に減肉や剥離などが生じた場合でも、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

坩堝１０の温度が上記の設定温度に達したら、減圧装置５０によって結晶成長炉３０内を５００［ｔｏｒｒ］程度に減圧する。この減圧により、窒化アルミニウム単結晶６の成長が始まる。具体的には、下記の（１）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、下地基板５に向かって移送され、当該下地基板５上で再結晶化し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、図６において実線矢印で示すように、原料２から発生した昇華ガスの一部が、準密閉な坩堝１０の容器本体１１と蓋体１２の間の隙間から第１の空間２１８及び第２の空間２１９に漏洩してしまう場合がある。この第１の空間２１８及び第２の空間２１９は、２０００℃程度まで誘導加熱された坩堝１０に面しているため、結晶が析出することなく、昇華ガスが第１の空間２１８や第２の空間２１９に充満する。

このとき、断熱基材２１の表面に高融点絶縁層２２としてＢＮ膜が形成されていることで、断熱基材２１が坩堝１０内より流出する昇華ガスに曝露されにくくなり、断熱基材２１の劣化を抑制することができる。

また、断熱基材２１の表面に高融点絶縁層２２としてＢＮ膜が形成されていることで、断熱基材２１と昇華ガスとの化学的な反応が生じるのを抑制することができる。これにより、剥離した断熱基材２１等によるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

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３１から窒素ガスを結晶成長炉３０内に供給して結晶成長炉３０内を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧させた後、誘導コイル６０への通電を停止して原料２及び下地基板５を室温まで自然冷却する。

以上のように、本実施形態では、断熱材２０は、電気的絶縁性を有する高融点絶縁層２２を有しており、この高融点絶縁層２２は、断熱基材２１の表面を被覆している。さらに、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点は、原料２の昇華温度に対して相対的に高くなっている。

このように、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面を被覆していることで、断熱基材２１が坩堝１０内より流出する昇華ガスに曝露されにくくなる。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

また、この高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、誘導加熱方式において、意図しない発熱が生じない。これにより、高融点絶縁層２２が窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において、窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、炭化タンタル膜で断熱基材を被覆する場合には、導電性を有する層に減肉や剥離などが生じることで、単結晶を成長させる温度条件が変わってしまう。このため、安定した温度条件下において単結晶を成長させることが困難となる。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、高融点絶縁層２２に減肉や剥離などが生じた場合でも、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、上述の炭化タンタル膜で断熱基材の全体を被覆する場合には、当該断熱基材の外側面において、当該炭化タンタル膜が発熱する。これにより、結晶成長炉が意図せず加熱されるので、単結晶製造装置を稼働する上で安全性を確保することが困難となる。このように、断熱基材の外側面においては、炭化タンタル膜を形成することが難しいことにより、断熱基材が昇華ガスに曝露されやすくなり、断熱基材２１が劣化するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、断熱基材２１の外側面において高融点絶縁層２２が発熱しない。これにより、単結晶製造装置１を稼働する上での安全性を確保することができる。また、断熱基材２１の外側面においても高融点絶縁層２２により断熱基材２１を被覆することができるので、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

さらに、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点が原料２の昇華温度に対して相対的に高くなっていることで、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件において、高融点絶縁層２２が変質してしまうのを抑制することができる。

さらに、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面に形成されていることで、断熱基材２１と昇華ガスとが化学的な反応が生じるのを抑制することができる。これにより、剥離した断熱基材２１等によるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、高融点絶縁層２２としてＢＮ膜を用いている。このＢＮは、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件のような還元雰囲気においても、熱的安定性に優れており、膜の破断等が生じにくい構造を得ることができる。これにより、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなるので、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

また、ＢＮは、上述の炭化タンタルよりも熱膨張率が低いため、断熱材２０を繰り返し使用しても、高融点絶縁層２２にクラックなどが生じにくい。これにより、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなり、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

≪第２実施形態≫
図７は本発明の第２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。また、図８は本発明の第２実施形態における断熱材を示す図であり、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。以下において、図７及び図８を用いて、第２実施形態における単結晶製造装置１について説明する。

図７に示すように、単結晶製造装置１は、坩堝１０と、断熱材２０と、結晶成長炉３０と、ガス供給装置４０と、減圧装置５０と、誘導コイル６０と、複数の温度計７１、７２と、を備えている。第２実施形態における単結晶製造装置１は、断熱材２０は、断熱基材２１のガス浸透率よりも相対的に低いガス浸透率を有する黒鉛シート２３を有する点において、第１実施形態における単結晶製造装置１と異なる。

なお、第２実施形態に係る単結晶製造装置１を構成する坩堝１０、結晶成長炉３０、ガス供給装置４０、減圧装置５０、誘導コイル６０、及び、複数の温度計７１、７２は、第１実施形態における単結晶製造装置１が備える各構成と同じであるため、説明は省略する。

断熱材２０は、断熱基材２１と、黒鉛シート２３と、高融点絶縁層２２と、を有している。断熱基材２１は、坩堝１０の全体を覆うように設けられている。この様に断熱基材２１が、坩堝１０の周囲を覆うことで、外部への放熱が抑制される。この断熱基材２１は、第１実施形態と同様、筒部２１１と、底部２１４と、蓋部２１６と、を有しており、これらは第１実施形態の場合と同様の構成となっている。

黒鉛シート２３は、図７及び図８に示すように、断熱基材２１の全体を被覆するように、特に図示しない接着剤等を介して、断熱基材２１に積層されている。この黒鉛シート２３は、断熱基材２１のガス浸透率よりも相対的に低いガス浸透率を有する材料により構成されている。このような黒鉛シート２３を構成する材料としては、具体的には、グラフォイルやニカフィルム（登録商標）等を例示することができる。

例えば、断熱基材２１を構成する繊維状又は多孔質状の黒鉛は、１×１０^−１０［／ｍ^２］程度のガス浸透率を有しているのに対し、黒鉛シート２３を構成するグラフォイルは、１×１０^−１７［／ｍ^２］程度のガス浸透率を有している。すなわち、黒鉛シート２３のガス浸透率は、断熱基材２１のガス浸透率と比較して極めて小さい値となっている。このように、断熱材２０が黒鉛シート２３を有していることにより、断熱基材２１側へ昇華ガスが侵入するのを抑制することができる。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。なお、本実施形態における「ガス浸透率」が本発明の「浸透性」の一例に相当する。

また、黒鉛シート２３は、断熱基材２１の全体を被覆することに限定されない。例えば、特に図示しないが、断熱基材２１の内側面にのみ形成されていてもよい。この場合には、断熱基材２１の全体を被覆する場合と同様、当該断熱基材２１が劣化するのを抑制することができると共に、黒鉛シート２３を形成する工程の簡略化を図ることができる。

また、黒鉛シート２３は、特に図示しないが、断熱基材２１における内側面の少なくとも一部にのみ形成されていてもよい。具体的には、坩堝１０の容器本体１１と蓋体１２との隙間に対向する筒部２１１の一部分、及び、坩堝１０の蓋体１２に対向する蓋部２１６の一部分にのみ形成されていてもよい。この場合には、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されやすい箇所において、黒鉛シート２３を設けることで、断熱基材２１の全体を被覆する場合と同様、当該断熱基材２１が劣化するのを抑制することができるのと共に、黒鉛シート２３を形成する工程の簡略化を図ることができる。

高融点絶縁層２２は、断熱基材２１を被覆するように黒鉛シート２３に直接積層されている。このような高融点絶縁層２２を構成する材料としては、第１実施形態と同様のものを例示することができる。また、このような高融点絶縁層２２は、第１実施形態と同様の表面処理工程を経て、黒鉛シート２３の表面に形成されている。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制すると共に、黒鉛シート２３の表面が昇華ガスと化学反応し、エッチング等されることにより劣化するのを抑制することができる。

なお、このとき、黒鉛シート２３の表面は、繊維状又は多孔質状の黒鉛により構成される断熱基材２１の表面と比較して表面粗さが小さくなっている。このように、高融点絶縁層２２を黒鉛シート２３の表面上に形成させることで、断熱基材２１の表面に形成する場合と比較し、膜厚が均一な高融点絶縁層２２を得ることができる。

また、高融点絶縁層２２は、黒鉛シート２３に直接積層されていることに限定されない。特に図示しないが、例えば、高融点絶縁層２２が断熱基材の一部に積層されると共に、黒鉛シート２３の一部に積層されていてもよい。

以上のように、本実施形態では、断熱材２０は、電気的絶縁性を有する高融点絶縁層２２と、断熱基材２１のガス浸透率よりも相対的に低いガス浸透率を有する黒鉛シート２３を有している。また、この黒鉛シート２３は、断熱基材２１を被覆している。さらに、高融点絶縁層２２は、黒鉛シート２３を介して、断熱基材２１を被覆している。さらに、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点は、原料２の昇華温度に対して相対的に高くなっている。

このように、本実施形態においても、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面を被覆していることで、断熱基材２１が坩堝１０内より流出する昇華ガスに曝露されにくくなる。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

また、この高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、誘導加熱方式において、意図しない発熱が生じない。これにより、高融点絶縁層２２が窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において、窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、炭化タンタル膜で断熱基材を被覆する場合には、導電性を有する層に減肉や剥離などが生じることで、単結晶を成長させる温度条件が変わってしまう。このため、安定した温度条件下において単結晶を成長させることが困難となる。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、高融点絶縁層２２に減肉や剥離などが生じた場合でも、窒化アルミニウム単結晶６の温度条件に影響を及ぼすことなく、安定した温度条件下において窒化アルミニウム単結晶６を成長させることができる。

また、例えば、上述の炭化タンタル膜で断熱基材の全体を被覆する場合には、当該断熱基材の外側面において、当該炭化タンタル膜が発熱する。これにより、結晶成長炉が意図せず加熱されるので、単結晶製造装置を稼働する上で安全性を確保することが困難となる。このため、断熱基材の外側面においては、炭化タンタル膜を形成することが難しいため、断熱基材が昇華ガスに曝露されやすくなり、断熱基材２１が劣化するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、高融点絶縁層２２が電気絶縁性を有していることで、断熱基材２１の外側面において高融点絶縁層２２が発熱しない。これにより、単結晶製造装置１を稼働する上での安全性を確保することができる。また、断熱基材２１の外側面においても高融点絶縁層２２により断熱基材２１を被覆することができるので、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

さらに、高融点絶縁層２２を構成する材料の融点が原料２の昇華温度に対して相対的に高くなっているので、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件において、高融点絶縁層２２が変質してしまうのを抑制することができる。

さらに、高融点絶縁層２２が断熱基材２１の表面に形成されていることで、断熱基材２１と昇華ガスとが化学的な反応が生じるのを抑制することができる。これにより、剥離した断熱基材２１等によるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

また、本実施形態においても、高融点絶縁層２２としてＢＮ膜を用いている。このＢＮは、窒化アルミニウム単結晶６の成長条件のような還元雰囲気においても、熱的安定性に優れており、膜の破断等が生じにくい構造を得ることができる。これにより、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなるので、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

また、ＢＮは、上述の炭化タンタルよりも熱膨張率が低いため、断熱材２０が繰り返し使用されても、高融点絶縁層２２にクラックなどが生じにくい。これにより、断熱基材２１が昇華ガスに曝露されにくくなり、断熱基材２１が劣化するのをさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、断熱材２０は、断熱基材２１の少なくとも一部を被覆する黒鉛シート２３を有しており、この黒鉛シート２３のガス浸透率は、断熱基材２１のガス浸透率と比較して小さくなっている。この場合には、断熱基材２１側へ昇華ガスが侵入するのを抑制することができる。これにより、断熱基材２１が劣化するのを抑制することができる。

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、上述の実施形態では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の単結晶を製造する装置について説明したが、特にこれに限定されず、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、窒化硼素（ＢＮ）の単結晶を製造する装置に本発明を適用してもよい。

また、坩堝１０の蓋体１２が２つの蓋部材により構成されていてもよい。具体的には、第１の蓋部材は、下地基板５の外径よりも小さな内径の貫通開口を有するリング状の部材であり、この第１の蓋部材は、容器本体１１の上部開口１１３を覆うように当該容器本体１１上に載置されている。下地基板５は、貫通開口を塞ぐように第１の蓋部材に載置されており、第１の蓋部材によって下地基板５の外周部分が保持されている。一方、第２の蓋部材は、下地基板５の外径よりも大きな外径を有する円板状の部材であり、第１の蓋部材に保持されている下地基板５の上に載置されており、下地基板５は第１の蓋部材と第２の蓋部材の間に挟まれている。この場合には、蓋体１２に下地基板５を張り付けるための接着剤が不要となる。

また、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…下地基板
６…窒化アルミニウム単結晶
１０…坩堝
１１…容器本体
１１１…筒部
１１２…底部
１１３…上部開口
１２…蓋体
２０…断熱材
２０１…開口
２０２…開口
２１…断熱基材
２１１…筒部
２１４…底部
２１５…開口
２１６…蓋部
２１７…開口
２１８…第１の空間
２１９…第２の空間
２２…高融点絶縁層
２３…黒鉛シート
３０…結晶成長炉
３１…ガス導入口
３２…ガス排出口
３３，３４…窓部
４０…ガス供給装置
５０…減圧装置
６０…誘導コイル
７１，７２…温度計

Claims (4)

1. 昇華再結晶法によって単結晶を製造する単結晶製造装置であって、
   原料を収容する坩堝と、
   前記坩堝を覆う断熱基材を少なくとも有する断熱材と、
   前記坩堝及び前記断熱材を収容する結晶成長炉と、
   前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を誘導加熱する加熱手段と、を備えており、
   前記断熱材は、電気的絶縁性を有すると共に前記断熱基材を被覆する絶縁層をさらに有しており、
   前記絶縁層は、前記断熱基材の少なくとも一部を被覆しており、
   前記絶縁層を構成する材料の融点は、前記原料の昇華温度に対して相対的に高いことを特徴とする単結晶製造装置。
2. 請求項１に記載の単結晶製造装置であって、
   前記絶縁層を構成する材料は、窒化ホウ素であることを特徴とする単結晶製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の単結晶製造装置であって、
   前記断熱材は、前記断熱基材の浸透性よりも相対的に低い浸透性を有する黒鉛シートをさらに有しており、
   前記絶縁層は、前記黒鉛シートを介して、前記断熱基材を被覆することを特徴とする単結晶製造装置。
4. 原料を収容する坩堝と、
   前記坩堝を覆う断熱基材を有する断熱材と、
   前記坩堝及び前記断熱材を収容する結晶成長炉と、
   前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を誘導加熱する加熱手段と、を備えた製造装置を用いた単結晶製造方法であって、
   前記断熱材は、電気絶縁性を有すると共に前記断熱基材を被覆する絶縁層をさらに有しており、
   前記絶縁層は、前記断熱基材を被覆しており、
   前記絶縁層を構成する材料の融点は、前記原料の昇華温度に対して相対的に高く、
   前記坩堝を加熱することにより前記原料を昇華させて、前記原料に対向するように配設された下地基板上に単結晶を成長させることを特徴とする単結晶製造方法。

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