JP4512094B2 - 気体透過性の坩堝壁面によるＡｌＮ単結晶の製造方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、坩堝の貯蔵領域内にあり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶の少なくとも１成分を含む供給材料の一部から、少なくとも１つの気相を生成し、その気相から、ＡｌＮ単結晶を坩堝の貯蔵領域内で成長させることにより製造する、ＡｌＮ単結晶、特に嵩高な単結晶を生成する方法に関する。更に本発明は、ＡｌＮ単結晶の少なくとも１成分を含む供給材料を容れるための少なくとも１つの貯蔵領域と、また気相からＡｌＮ単結晶の成長を行う少なくとも１つの結晶領域を持つ、坩堝壁面及びこの坩堝壁面により囲まれている内部帯域とから成る、少なくとも１つのＡｌＮ単結晶、特に嵩高かな単結晶を製造する、少なくとも１つの坩堝から成る装置に関する。この種の装置は欧州特許出願第１２７０７６８号明細書から公知である。

単結晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、抜群の特性をもつＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である。特に６．２ｅＶの極めて高いバンドギャップは、この半導体材料を電子工学及び光電子工学の幅広い使用分野で、極めて有望な材料として特徴付ける。しかし今日迄、ＡｌＮ単結晶を半導体産業で必要とされるサイズ及び品質で製造することに成功していない。そのため現時点では、ＡｌＮの電子工学又は光電子工学部材のベース半導体材料としての普及は、なお限定的である。

ＡｌＮ単結晶の製造のため、種々の方法と装置が公知である。これ迄ＡｌN単結晶はアルミニウムと窒素を含む気体から気相晶出させる、つまり成長させる成膜法が最も頻繁に発表されている。この場合、物理的、化学的及び物理化学的析出法（ＰＶＴ（物理的気相搬送法）、ＣＶＤ（化学蒸着法）等）が使用される。この気相は、一つには、固体（例えば多結晶）ＡｌＮの昇華により生成可能である。これに関しては、特に欧州特許出願公開第１２７０７６８号明細書に開示がある。他方、米国特許第６０４５６１２号明細書の実施例に記載の如く、液体のアルミニウムの蒸発及びガス状窒素の添加も可能である。更にこの気相を固体又は液体のターゲットからスパッタリング法で生成することもできる。その例は、国際特許出願公開第０２／４４４４３号パンフレットに開示がある。上記の方法と異なり、米国特許第６０６６２０５号明細書に開示の方法では、ＡｌＮ単結晶を、気相からではなく、ガス状の窒素と混和した液体のアルミニウムの融成物から成長させる。この融成物中に種結晶を浸漬する。

単結晶のＡｌＮを製造する基礎研究は、G.A.Slack及びT.F.McNellyにより既に１９７０年代に行われており、その結果は、彼等の（学術論文）「AlN単結晶（AlN Single Crystal）」、J.Cryst.Growth、第４２号（１９７７年）、第５６０〜５６３頁、並びにその概要論文「高純度のAlN結晶の成長（Growth of High Purity AlN Crystals）」J.Cryst.Growth、第３４号（１９７６年）第２６３〜２７９頁に発表されている。特にこの２つの論文は、閉鎖した、即ち密封した成長用坩堝で別個に種結晶を使用しない昇華法（＝PVT法）について論じている。育種成長坩堝に特に有利な材料としてタングステン、レニウム及びタングステンとレニウムの合金を挙げている。同様に閉鎖した坩堝を使用する類似の昇華法は、J.C.Rojoその他による学術論文「バルク窒化アルミニウムの成長と、それに次ぐ基板作製に関する研究報告書（Report on Growth of Bulk Aluminum Nitride and Subsequent Substrate Preparation）」J.Crys.Growth、第２３１号（２００１年）第３１７〜３２１頁、G.A.Slackによる「単結晶の窒化アルミニウム基板の準備及びキャラクタリゼーション（Preparation and Characterization of Single-Crystal Aluminum Nitride Substrate）」MRS（Materials Research Society）（１９９９年）秋期会議、Paper W６．７（２０００年）に記載されている。その際それらの著者は、各々Slack及びMcNellyの基礎研究について言及している。閉鎖した坩堝で作業する、その方法の場合、坩堝の外側に配置した加熱装置による温度変化は別として、坩堝を密閉した後、坩堝の内部帯域内の処理雰囲気を調整して干渉する可能性は存在しない。従ってＡｌＮ単結晶の成長に対する影響力は限定的である。

欧州特許出願公開第１２７０７６８号パンフレットも、閉鎖した育種成長坩堝内での昇華法を開示する。その１実施例では、坩堝壁面に、基本的に、坩堝の内部帯域と外部帯域との間の交換を可能とする開口部を設けた、非密封形の坩堝についても開示している。坩堝の内部帯域内の成長過程に適合するよう調整した外部帯域の窒素の圧力に基づき、アルミニウムと窒素を含む気相成分が、開口部を介して内部帯域から外部帯域に達することと外から内部帯域内へ窒素の侵入することを阻止する。

他の昇華法は、開放性の育種成長坩堝を用いるものであり、坩堝壁面内に設けた開口部により坩堝の内部帯域と外部帯域間で気体の交換を可能としている。この方法は、例えば米国特許第６０４５６１２号明細書に開示されている。前記の開口部は、別個の気体排出システムの構成要素であり、成長しているＡｌＮ単結晶の成長表面の気相内の原子又は分子の不純物又は非化学量論組成分の排出のため設けている。開放形の坩堝による他の方法及び装置は、C.M.Balkas他による論文「バルクＡｌＮ単結晶の昇華成長とキャラクタリゼーション（Sublimation Growth and Characterization of Bulk Aluminium Nitride Single Crystals） 」J.Cryst.Growth、第１７９号（１９９７年）、第３６３−３７０頁、R.Schlesser他による「窒素雰囲気中でのアルミニウムの蒸発によるバルクAlN結晶の成長（Growth AlN Crystals by Vaporization of Aluminum in a Nitrogen Atmosphere）」、J.Cryst.Growth第２３４号（２００２年）、第３４９−３５３頁及びR.Schlesser他による「ＡｌＮバルク単結晶の種結晶による昇華成長（Seeded Growth of AlN Bulk Single Crystals by Sublimation）」J.Cryst.Growth、第２４１号（２００２年）第４１６−４２０頁に記載されている。開放形の坩堝により作業するそれらの方法の場合、特定の目標に合せて調整することから、特に連続した気体の流れにより、その成長表面の範囲内に結晶の成長に悪影響を及ぼす不所望な気相内層流又は乱流が形成されることになる。更にこの気体の流れは、気相成分の絶えまない送入と排出により、その成長表面の化学量論的組成をも妨げる可能性がある。同様のことは坩堝内の温度分布についても云え、気体の流れにより惹起される対流により、不都合な影響を受け得る。

種結晶を用い、又は用いずにＡｌＮ単結晶を成長させる方法は公知である。このような種結晶は、結晶成長の初期の支援に役立つ。Y.Shi他による論文「昇華サンドイッチ技術によるAlN成長の核生成に関するバッファ層及び６H-SiC基板の極性の影響（Influence of Buffer Layer and 6H-SIC Substrate Polarity on the Nucleation of AlN Grown by the Sublimation Sandwich Technique）」J.Cryst.Growth第２３３号（２００１年）第１７７−１８６頁、L.Liuによる「（０００１）6H-SiC基板上に昇華させた窒化アルミニウムにおける成長モードと欠点（Growth Mode and Defects in Aluminium Nitride Sublimed on (0001) 6H-SiC Substrates）」MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.６、７（２００１年）及びY.Shi他による「AlN単結晶の昇華成長のための新規技術（New Technique for Sublimation Growth of AlN Single Crystals）」MRS Internet Nitride Semicon.Res.６、５（２００１年）、等から出発して、被覆した種結晶も、被覆しない種結晶も、特に半導体材料の炭化ケイ素（SiC）でできたものを使用できる。その際この被覆は少なくとも１つのAlN、SiC又はその混合物のＡｌＮ_xＳｉＣ_1-xのエピタキシャル層を含み得る。

単結晶のAlNを製造するための様々の研究にも拘わらず、この種の単結晶を十分な大きさと品質で製造することに今日迄成功していない。これは、特に育種成長中の処理条件に対する極めて高度の要求に起因している。AlNの育種成長は、PVTプロセスで制御することの難しいものである。

本発明の課題は、巨大技術による経済上効率のよいAlN部材の製造要件に相応しい大きさと品質のAlN単結晶を製造可能な方法及び装置を提供することにある。

その方法に関する課題を解決すべく、独立請求項１の特徴を持つ方法を提供する。

本発明は、少なくとも１つの気体状成分を、少なくとも一時的に坩堝の外部帯域と坩堝の内部帯域との間で、第１の拡散により移転させることを特徴とする冒頭に記載したAlN単結晶の製造方法に関する。

装置に関する課題は、請求項８の特徴に適合する装置により解決される。

本発明の装置は、坩堝壁面が少なくとも気体透過性の一部範囲内で、少なくとも１つの気体成分、特にその気相中に存在する成分の一部の拡散を、坩堝の外部帯域と坩堝の内部帯域との間で実施できるように構成したことを特徴とする、冒頭に記載した形式のＡｌＮ単結晶の製造装置である。

その際本発明は、使用する坩堝の壁面を経て、例えば育種成長に関与する気相の成分を拡散させることで、坩堝内の処理条件を改善し、かつ調整できるという認識に基づく。その際気相の成分として、アルミニウム及び窒素を含有する気体種属の他に、特にドーピングガス、不活性ガス及びキャリアガスも考慮の対象とする。拡散により生ずる気体の交換は、特に２方向に、即ち外から内へ、またその逆の方向に起こる可能性がある。これは、特に坩堝の内部帯域で成長条件、特に圧力の状況を極めて厳密に調整することを可能にする。それにより、品質上極めて高価で、かつ大きなＡｌＮ単結晶の製造を可能にする。先に挙げた圧力変更の可能性は、成長速度も目標に合せて調整することを可能にする。

坩堝壁面を経て気体成分をゆっくりと導入又は搬出することで、貯蔵領域から結晶化領域への気相の送流も、またＡｌＮ単結晶の調整された成長に極めて重要な温度勾配も全く乱すことがなく、即ち否定的影響を受けることはない。この気体透過性の実施形態と、緩慢に、即ち特に層流又は乱流を生ずることなく経過する拡散メカニズムとは、特に内部帯域内の圧力の変化を無限小にすることを可能にする。従ってＡｌＮ単結晶の育種成長は、事実上如何なる時点でも、その平衡に近い状態、つまりほぼ一定した条件下に行い得る。

気相内部の化学量論的組成にも、その成長表面、即ち気相とＡｌＮ単結晶の相界面のそれにも、この拡散は確実に効果を生ずる。（その化学量論組成に、目標通りに影響を及ぼすことができ、従って密封した坩堝を使用して、外部から影響力を及ぼし得ない公知方法に比べて、著しい利点がある。但しこの拡散は、その成長表面の範囲内に平衡状態に不所望な著しい障害が起こらないように、常に準定常的なプロセスの一貫性を維持しながら、即ちほぼ平衡状態で行う。それに対し公知方法を開放形の坩堝で行った場合、成長表面に対する強い気体の流れにより、このリスクが顕著に高まる。

成長中のＡｌＮ単結晶のドーピングも、容易にかつ目標通りに制御できる。即ち、アルミニウム及び窒素を含む気体成分の他に、内部帯域内に拡散のためにドーパントを備えることもできる。その結果、成長中のＡｌＮ単結晶へのドーピングは、広範囲に影響を及ぼす。こうして、ｎ導電性、ｐ導電性、更には半絶縁性の特性も問題なく調整できる。

この拡散により内部帯域内の気相が受ける影響は、例えば育種成長プロセス中に測定された実際の必要量に応じて変更可能である。特に拡散を一時的に行ってもよい。監視中に内部帯域内の気相中のある成分が不足していることを確認したら、その成分を直ちに適切に再調整できる。他方、気相が実際に良好なＡｌＮ単結晶の成長条件を満たしている場合は、このような拡散をせずに済せ得る。

即ち本発明による方法と装置は、全体として極めて高品質で、同時に大きなのＡｌＮ単結晶の育種成長を可能にする。従って、電子工学又は光電子工学部材を、ＡｌＮをベースとして工業的かつ経済的に製造するための必要条件を満たし得る。

本発明による方法及び装置の有利な実施形態を、請求項１と８の従属請求項に示す。

坩堝を気体透過性とする実施形態の、第１の有利な変形例では、特に本来のＡｌＮ単結晶の製造前に、供給材料の浄化を行う。この場合、不所望な不純物を内部から外部に気体透過性の坩堝壁面を通して拡散させる。この前以って行う浄化は、その後に成長するＡｌＮ単結晶の品質を著しく高める。

坩堝壁面の拡散用の部分区間が、特に拡散を許容するが、気体が一直線に流れるのを許さない多孔性の気体透過性の坩堝材料を含むか、又はこの材料からなるとよい。

特に、この気体透過性の坩堝材料としてセラミックス、発泡金属又は焼結金属、特に各々相対密度５０％〜９５％の発泡金属又は焼結金属が適する。この密度範囲であると、材料は気密とは言えないが、緩慢な拡散が生じる程度に透過性である。

更に、気体透過性の坩堝材料が、０．１〜１０％の開放性多孔度を持つとよい。特にこの範囲の開放性多孔度は、一方で所望の処理作用のために十分に気体透過性の坩堝材料を経て材料を運び、また他方で坩堝の内部帯域内の特に結晶区間に好ましくない気体の流れを回避すべく、十分に高い「拡散抵抗」により支援する点で優れている。この気体透過性の坩堝材料を通しての材料の搬送は、拡散メカニズムを経て極めて緩慢に行われる。

１〜１００μｍの好適な気孔管径の場合、気体透過性の坩堝材料は、実際の車のブレーキのように、材料の搬送を完全には中断しないように挙動する。そのため拡散による処理雰囲気に対する直接の影響力は更に低下する。

気体透過性の坩堝材料として好適なセラミックス材料は、炭化ケイ素（SiC）や、例えば窒化ホウ素（BN）、窒化アルミニウム（AlN）又は窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のような窒化物又は非酸化物セラミックスを含む。即ち使用するセラミックス材料の成分の酸素が、拡散過程に先立って気体透過性の坩堝材料から脱離し、成長するＡｌＮ単結晶内にドーパントとして制御不能に組込まれる危険性を低減すべく、酸素を含むべきでない。

更に、例えば発泡金属や焼結金属の形で多孔質金属を気体透過性の坩堝材料として使用することも可能である。かかる多孔質金属を経ての拡散が、不純物を内部帯域にもたらさないので、この種の多孔質金属は、特に純粋に製造できる。更にこの種の多孔質金属は、坩堝の内部帯域内の気相の成分に対して不活性である。これは、特に多孔質金属が、例えばタングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）のような高融点金属をベースとする多孔質金属で形成された場合である。タングステン（Ｗ）もタンタル（Ｔａ）も、高耐熱性であり、従ってＡｌＮ単結晶の成長中の高い処理温度で使用するのに極めて適する。高融点金属の合金、特にタングステンやタンタルの合金、例えば炭化タンタル（ＴａＣ）合金から成る多孔質金属も、同様に使用できる。

貯蔵領域と結晶領域との間に気体透過性の拡散膜が存在するもう１つの変形も好ましい。その場合、気相の供給材料から得られる成分の結晶領域への搬送は、拡散膜を通しての拡散により行われる。それにより成長するＡｌＮ単結晶への特に均等な気体の搬送が行われる。特に、外側から内部帯域内に拡散する気相の成分が、まず貯蔵領域内に達すると、それらの成分もまた、成長するＡｌＮ単結晶に向かう途中で、拡散膜を通過する。即ちそれらの成分は２回拡散を受け、その結果一層均質化され、気相内の成長パラメータの不利な影響を受けるリスクは更に削減する。この拡散膜も、特にこれ迄挙げてきた有利な気体透過性の坩堝材料の１つからなると好ましい。

本発明の実施例（但し決して本発明を制限するものではない）を、以下に図面に基づき詳述する。明確化のため、図面は縮尺どおりではなく、一定の観点から概略的に示したものである。図１〜４内の互いに対応する箇所には同じ符号を付している。

図１は、特に種結晶３１上に大きな単結晶の形に成長させた窒化アルミニウム（AlN）単結晶３２の昇華育種成長のための装置１０１の切断面を示す。昇華育種成長のため、坩堝壁面１４で囲まれた内部帯域１１を持つ坩堝１０を用いる。結晶成長は、内部帯域１１内にある結晶領域１３内で起こる。種結晶３１は、坩堝１０の上方の制限壁面に取り付けている。坩堝の底面にある貯蔵領域１２内の供給材料３０から成る貯蔵物は、２０００℃以上の処理温度で昇華させるとよい。結果として、Al及びＮ含有成分を含むAlNの気相が生じる。AlN気相のそれら成分は、気相の搬送２６により貯蔵領域１２から結晶領域１３に搬送され、そこで成長中のAlN単結晶３２の結晶化表面、即ち成長表面３３に晶出する。供給材料３０の上方の境界面と成長表面３３との好ましい間隔は、約５〜２５ｍｍであるが、この値には制約されない。２５ｍｍ以上の間隔も可能である。

この気相の搬送２６は、特に高温の貯蔵領域１２から低温の結晶領域１３へと温度が降下する、内部帯域１１内に存在する軸方向の温度勾配により調整される。温度勾配は、特に１０〜３０℃／ｃｍの値に調整される。但しにそれより高温でも低温でもよい。

貯蔵領域１２内で供給材料３０は、コンパクトなＡｌＮの材料ブロック、特に焼結したＡｌＮ粉末、又は有利には、粒径１０〜２５０μｍの特に高純度の粉末状ＡｌＮからなり得る。その際ＡｌＮは多結晶又は単結晶でよい。図１の例では、多結晶のＡｌＮ粉末を供給材料３０として貯えている。更に出発物質の極く一部が固体の形で存在してもよい。特に気相のＡｌＮに必要な窒素分は、少なくとも一部気体の形で供給できる。この第１の実施形態では、供給材料３０は金属のアルミニウムからなり、それに対し窒素は、専らＮ₂の気体の流れを介して坩堝１０の外部帯域１５内に準備し、引続き坩堝壁面を通しての拡散に備える。もう１つの別の実施形態では、固体のＡｌＮとＡｌから成る混合物を供給材料３０として貯蔵領域１２内に貯え、付加的にＮＨ₃ガスをＡｌＮの成長に十分な窒素の供給を保証すべく供給する。

坩堝１０を誘導加熱装置１６で、特に２０００〜２３００℃の処理温度に加熱する。この処理温度は１８００〜２０００℃でも、２３００〜２４００℃でもよい。この加熱装置１６は、図１の例ではケーシング５０の外側に配置した坩堝壁面１４と坩堝１０を同時に加熱すべく、坩堝壁面１４内に誘導電流を発生させる加熱コイルを内包している。基本的に他の加熱装置、例えば抵抗加熱装置や誘導性及び抵抗性の部分加熱装置の組合せも可能である。この加熱装置１６と坩堝１０との間に、発泡グラファイトから成る断熱部１８を、坩堝１０からの放射による熱の損失を低減すべく設け得る。抵抗加熱装置を、図１とは異なりケーシング５０の内側に配置してもよい。

成長中のＡｌＮ単結晶３２の温度は、パイロメータ（図示せず）で監視できる。そのため気密封止ためのケーシング５０、絶縁部１８及び坩堝１０内にパイロメータ管４３を設けている。こうして得た温度に関する情報を、加熱装置１６の調整に参照できる。

種結晶３１として、特にＡｌＮ種結晶を使用し、その際その成長表面３３は、Ａｌ側にも、Ｎ側にも、即ち結晶学上のＡｌの方向又はＮの方向と合致可能である、結晶学上の主軸との０〜６°の極く小さい角度の配向誤差（Off-Orientierung）は、ＡｌＮ単結晶３２の成長を付加的に促進させる。更に同様に種結晶３１として例えば６Ｈ、４Ｈ又は１５Ｒのポリタイプの炭化ケイ素（ＳｉＣ）の種結晶を使用してもよい。成長表面３３として、先に挙げた範囲の角度と同様の配向誤差を有するＳｉ側か、Ｃ側も利用できる。その他に、基本的にＳｉＣ結晶格子内に全く任意に配向することが可能である。このＳｉＣの種結晶は任意のエピタキシャル法（例えばＭＯＣＶＤ、ＣＶＤ、ＶＰＥ、ＰＶＤその他）により前以て被覆してもよい。この被覆は、特に（ＡｌＮ）_x／（ＳｉＣ）_y合金（ここでx∈[０；１００]及びｙ＝１００−ｘ）合金でできていると有利である。

種結晶３１は、図示しないホルダで坩堝１０の上方の境界壁面に固定する。ホルダの材料として緊密に焼結したセラミックス、特に窒化ホウ素（ＢＮ）が適する。ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＳｉＣ等の他のセラミックス材料も同様に使える。更にタングステン、タンタル又はその合金等の金属も、単結晶又は多結晶の形で使用できる。タンタル（Ｔａ）や炭化タンタル（ＴａＣ）で被覆したグラファイト材料でホルダを作ってもよい。

坩堝壁面１４は、気体状成分、特に処理雰囲気中に存在する成分が、坩堝１０の内部帯域１１と坩堝の外側の外部帯域１５との間の拡散２７を可能にする気体透過性の材料からなる。この拡散で内部帯域１１内、特に結晶領域１３内の処理雰囲気を外から調整し、しかもその際結晶領域１３への材料の搬送を、特に成長表面３３の平衡状態に悪影響を及ぼすことなく、目標通りに調整可能である。外部帯域１５と内部帯域１１との間の気体の交換は、坩堝壁面１４の気体透過性坩堝材料の気孔を経た気体分子の拡散により行う。しかし特に気体成分の内部帯域１１への直接の流入は行わない。交換は、むしろ極めて緩慢な拡散プロセスで行う。その際、特に坩堝壁面１４の気体透過性の坩堝材料と、搬送する気体成分との間の、坩堝壁面１４を経た大量の搬送を低減する好ましい相互作用が起こる。これに対し、坩堝壁面１４内の極く小さい開口による外部帯域１５との交換は、気相の搬送２６にも、特に成長表面３３の平衡状態にも望ましくない障害を来たす。

坩堝壁面１４は、気体透過性の、特に多孔性の坩堝材料からなる。そのため各々５０〜９５％の相対密度と、０．１〜１０％の開放性多孔度を持つセラミックス材料又は発泡金属が使用される。図１の例では、坩堝壁面１４は、気孔管径１〜１００μｍの窒化ホウ素（ＢＮ）セラミックスからなる。但し原理的に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）或いは他の非酸化物セラミックスからなってもよい。これに対し酸化物セラミックスは、坩堝壁面１４の気体透過性の坩堝材料からの酸素が、成長中のＡｌＮ単結晶内にドーパントとして制御不能に組込まれることになり、極めて好ましくない。特に坩堝壁面１４が、上記の窒化ホウ素（ＢＮ）セラミックス等の電気絶縁材からなる場合や誘導加熱装置１６を備えている場合、付加的にケーシング５０の内部に図１には示さない導電性のサセプタを設け得る。特にサセプタを管状に形成し、坩堝１０を取り囲むとよい。それとは別に、誘導加熱装置１６の代わりに坩堝１０と絶縁部１８の間に抵抗加熱装置を設けてもよい。その際、補助的サセプタは不要となる。

拡散２７は、特に上に挙げた気体透過性の坩堝材料の多孔度により保証される。その開放性多孔度及び上述の好適な気孔管径は、一方では総じて一定量の透過性の気孔管が坩堝壁面１４を通しての材料搬送のため存在することを保証し、他方では、その材料の搬送を直接にではなく、即ち直にではなく、極めてゆるやかに、かつ拡散の枠組み内で一般的な迂回により行うことを保証する。

坩堝１０とは異なり、ケーシング５０は気密に形成する。これはガラス、石英ガラス又は例えば鋼鉄類のような金属で作れる。図１の例では石英ガラスで製造している。

上記の坩堝壁面１４内の拡散メカニズムに基づき、プロセスパラメータの調整が可能である。こうして、特に結晶成長の基準となるパラメータである、内部帯域１１内の圧力を変えることができ、実際に所望の値に厳密に調整できる。通常ＡｌＮの成長は２００〜６００ＨＰａの圧力で行う。但し１〜２００ＨＰａ並びに６００〜１０００ＨＰａの値も同様にＡｌＮ結晶の育種成長に好適である。

内部帯域１１内の圧力は、ＡｌとＮを含有する気体による以外に、プロセスガスによっても定まる。このガスは、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）又はキセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスである。窒素を含む単結晶の育種成長に関する本例では、窒素を含むプロセスガスを用意するとよい。従って特に有利なプロセスガスはＮ₂ガスである。同様に、窒素と不活性ガスを混合してもよい。ＮＨ₃又はＮ／Ｃｌ化合物から成る気体も使用できる。

この装置１０１を、本来の育種成長工程の開始前に、高真空に排気する。その際、不所望な不純物は、内から外への拡散２７により内部帯域１１から除去できる。必要に応じ更に浄化工程を行った後、内部帯域１１内の育種成長圧力を、外から内へと拡散する不活性ガス又はプロセスガスにより調整する。坩堝壁面１４が気体透過性なので、育種成長工程中に別の不活性ガスやプロセスガスを送給できる。ガス送給管４１によりプロセスガスは外部帯域１５内に、更にそこから既述の拡散メカニズムにより内部帯域１１に達する。

外部帯域１５内、同時に内部帯域１１内の雰囲気も、真空ポンプに接続したもう１つの送給管４２で調整できる。これらガス送給管４１も、ポンプ送給管４２も、気密なケーシング５０及び絶縁部１８を貫通している。ポンプは特に浄化に必要な高真空を発生すのに役立つ。

プロセスガスに関し述べたのと全く同様に、ドーパントも、まず外部帯域１５内、次いで坩堝壁面１４を経て内部帯域１１内に送り得る。ドーパントとして、ＡｌＮ単結晶の育種成長には硫黄（Ｓ）、ケイ素（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）が適する。ここに挙げた３元素は、全てＡｌＮ内でドナーの役目を果たし、ケイ素はアクセプタの機能をも果たし得る。他の２価、３価、５価又は６価の元素は、同様に基本的に、記載した形式の方法で、ドーパントとして内部帯域１１内に入れることができる。こうしてＡｌＮ単結晶３２はｎ導電性、ｐ導電性又は準絶縁性の形にも作製できる。このＡｌＮ単結晶３２のドーピングは目的に合せて調整可能である。

坩堝１０の気体透過性の構造は、上述した利点の他に、供給材料３０を本来の育種成長プロセスを行う前に浄化する可能性も提供する。そのため既述のように、外部帯域１５、同時にまた内部帯域１１にも高真空を生じさせる。内部帯域１１内の雰囲気中の気体状不純物及び少なくとも部分的に供給材料３０内のそれは外部帯域１５内に拡散し、そこから吸引濾過される。引続き不活性ガス又はプロセスガスを含む装置１０１の浄化を行う。必要なら１０００℃迄の熱処理を行ってもよく、その際供給材料３０から更に吸着した不純物を脱離させ、拡散２７及び吸引濾過により除去できる。従って、この気体透過性の坩堝壁面１４は、特に浄化と本来の育種成長工程との間にこの装置１０１をもはや明けることなく、従って新たな汚染の危険に曝されることなく極めて有利に洗浄プロセスを行える。この前以て行う洗浄プロセスにより、供給材料中の不純物の含量も、それに次ぐＡｌＮ単結晶３２の成長中の不純物の含有量も著しく削減できる。

図２は、ＡｌＮ単結晶３２を育種成長させる別の装置１０２を示す。図1の装置１０１と異なり、この坩堝１０は全域ではなく、部分容器１４１の範囲内のみ気体透過性としている。それに対し坩堝壁面１４の残りの部分は、範囲１４５内で気密になっている。

部分容器１４１は、既に挙げた気体透過性の坩堝材料の１つからなる。図２の例では、多孔性のＳｉＣセラミックスを用いている。この部分容器１４１は、貯蔵領域１２を備えており、供給材料３０を入れる役目をする。

それとは異なり、壁面区間１４５は、例えば金属として形成可能な気密な坩堝材料からなる。図２の例では、タングステン（Ｗ）を気密な坩堝材料として用いている。それに代えてタンタル（Ｔａ）を使用することもできる。このタングステンやタンタルに、補助的にタングステン又はタンタル合金（例えば炭化タンタル）を付加してもよい。基本的に他の、特に高融点の、即ちその処理温度以上の温度で融解する高融点金属が、気密な坩堝材料としての使用に適する。それらの金属は単結晶或いは多結晶の形でも使用できる。

上記の金属とは別に、気密な坩堝材料として、セラミックス材料、特に密度９０％以上、更には９５％以上の密度のセラミックス材料も使用できる。実際には０％の無視してよい開放性多孔度の、高熱及び高圧下に焼結した窒化ホウ素（ＢＮ）セラミックス（高温でアイソスタティックプレスしたＢＮ）が適する。但し基本的には他の方法で生成した、緊密な窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は他の非酸化物からなり、高密度で、かつ気孔率の極く低いセラミックスも好適である。不動態化保護層を備えた酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスも、気密な坩堝材料として使える。その際この被覆は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、タンタル（Ｔａ）又は炭化タンタル（ＴａＣ）の被膜からなる。この被覆は、特にＡｌ₂Ｏ₃材料の酸素が内部帯域１１内の処理雰囲気と直接触れるのを阻止するのに役立つ。

供給材料３０の昇華で生成する気相の成分が、部分タンク１４１の上方の境界壁面を経て拡散し、こうして成長するＡｌＮ単結晶３２に達する。貯蔵領域１２を結晶領域１３から分離する部分タンク１４１の上方の境界壁面は、従って拡散膜２０を意味する。貯蔵領域１２から結晶領域１３への気相の搬送２６は、全てこの拡散膜２０を通しての拡散２８により同時に定量される。特にこの拡散膜２０は、乱流を抑制し、気相の搬送２６の均質化に寄与する。

坩堝１０の外部帯域１５から内部帯域１１内への拡散２７は、供給材料３０の上方の境界面と、拡散膜２０との間の主に部分タンク１４１の範囲内で生ずる。こうして外部帯域１５から拡散侵入する成分は、再度の拡散２８により結晶領域１３内に達する。この２回の拡散は、均質化を助成し、外部帯域１５の範囲からの不所望な影響を受ける危険性を付加的に削減する。

図３に示すもう１つの装置１０３の場合、坩堝壁面１４は主に既に挙げた、特に気密な坩堝材料、特に炭化タンタルの被覆を持つタングステンからなり、気体透過性の坩堝材料（図３の例ではタンタルの発泡金属）でできた気体透過性の装入部１４２を１つだけ持っている。該装入部１４２により、外部帯域１５から内部帯域１１への拡散２７が起る。更に、この装置１０３は、供給材料３０と、装入部１４２の上方にあり成長中のＡｌＮ単結晶３２との間に配置されており、図３の例では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックスからなる気体透過性の坩堝材料製の拡散膜２１を内包している。該拡散膜２１の材料は５０〜９５％（図３の例では８０％）の相対密度を有する。原理上この装入部１４２と拡散膜２１は、特に異なる相対密度及び／又は異なる開放性多孔度及び／又は異なる小孔管径を有する材料から形成可能である。

全体として、この装置１０３では、先の図２の実施例に酷似した拡散が生じる。

図１〜３に示す装置１０１〜１０３は、各々１個のＡｌＮ単結晶３２の成長のためのものである。しかし、同時に複数のＡｌＮ単結晶を成長させる別の実施形態も全く同様に可能である。同時に複数のＡｌＮ単結晶を成長させる装置１０４を図４に示す。その普遍妥当性を制約することなく、図４の例では、その上に成長しているＡｌＮ単結晶３２１、３２２をもつ種結晶３１１、３１２の２つだけを示している。図４の装置１０４は、その他に複数の拡散区間２２１、２２２がある共有の拡散膜２２を持っている。これらの拡散区間２２１、２２２は、各々ＡｌＮ単結晶３２１、３２２の一方に属する。拡散区間２２１、２２２は、各々気相２６を各々所属するＡｌＮ単結晶３２１、３２２に導く。

図１〜４に示した装置１０１〜１０４を使って、特別な品質及び寸法の窒化アルミニウム単結晶３２、３２１及び３２２を生成できる。１０〜３０ｍｍの結晶の長さを問題なく獲得でき、長さと直径の比は０．２５〜１の間である。得られる結晶の直径は、特に１０ｍｍ以上である。従って育種成長させたＡｌＮ単結晶３２から、直径５又は７．５ｃｍ、或いはそれ以上の部品を製造するウェハを得ることができる。その成長速度は５０〜５００μｍ／時であり、しかもそれより大きな値に調整することも可能である。

本発明による１個のＡｌＮ単結晶を気体透過性の坩堝で成長させる装置。 図１と同様に１個のＡｌＮ単結晶を成長させるもう１つの形態の装置。 図１と同様に１個のＡｌＮ単結晶を成長させるもう１つの形態の装置。 複数個のＡｌＮ単結晶を成長させる装置。

符号の説明

１０ 坩堝、１１ 内部帯域、１２ 貯蔵領域、１３ 結晶領域、１４ 坩堝壁面、１５ 坩堝の外部帯域、１６ 誘導加熱装置、１８ 断熱部、２０、２１ 拡散膜、２６ 気相の搬送、２７ 拡散、２８ 第２の拡散、３０ 供給材料、３１ 種結晶、３２ ＡｌＮ単結晶、３３ 気相の成長表面、４１、４２ 送給管、４３ パイロメータ管、５０ ケーシング、１４２ 装入部、１４１、１４２ 気体透過性の部分区間、１４５ 坩堝壁面の気密な範囲

Claims (18)

1. 少なくとも、
   ａ）坩堝（１０）の貯蔵領域（１２）内にあり、ＡｌＮ単結晶の少なくとも１成分を含有する供給材料（３０）の少なくとも一部から気相を生成し、
   ｂ）該気相から、ＡｌＮ単結晶（３２）を坩堝（１０）の結晶領域（１３）内で成長させることにより生成する
   少なくとも１つのＡｌＮ単結晶（３２）の製造方法において、
   ｃ）少なくとも１つのガス状成分を、一時的に坩堝（１０）の外部帯域（１５）と坩堝（１０）の内部帯域（１１）との間で、坩堝（１０）に形成された気孔を経た第１の拡散（２７）により移転させ、この際
   ｄ）前記坩堝（１０）の壁面（１４）が少なくとも１つの気体透過性の部分区間（１４１、１４２）を有し、この部分区間（１４１、１４２）が５０％から９５％の相対密度を有する気体透過性の坩堝材料からなるか、又は少なくともそのような気体透過性の坩堝材料を含み、そして該気体透過性の坩堝材料の内部において前記第１の拡散が起こることを特徴とする少なくとも１つのＡｌＮ単結晶の製造方法。
2. 気相中に存在する成分の少なくとも一部を、第１の拡散(２７)により坩堝（１０）の外側から内部帯域（１１）内にもたらす請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１つの不純物成分を第１の拡散（２７）により内部帯域（１１）から外部帯域（１５）に運んで、供給材料（３０）を浄化する請求項１又は２記載の方法。
4. 第１の拡散（２７）を坩堝壁面（１４）の気体透過性の部分区間（１４１、１４２）内で実施できる坩堝（１０）を使用する請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 気体の流れを均等化するため、気体透過性の拡散膜（２０、２１）を貯蔵領域（１２）と結晶領域（１３）との間に配置する請求項１から３の１つに記載の方法。
6. 第１の拡散（２７）により、部帯域（１１）内に達した気相成分の少なくとも一部を第２の拡散（２８）により気体透過性の拡散膜（２０、２１）を通して結晶領域（１３）内に移送する請求項５記載の方法。
7. 少なくとも、
   ａ）坩堝壁面（１４）と、該壁面（１４）により囲まれた内部帯域（１１）を持ち、
   この内部帯域（１１）が、
   ａ１）ＡｌＮ単結晶の少なくとも１成分を含む供給材料（３０）を容れるための少なくとも１つの貯蔵領域（１２）と、
   ａ２）該貯蔵領域の内部で、ＡｌＮ単結晶（３２）の成長を気相から行う、少なくとも１つの結晶領域（１３）とを
   含む、少なくとも１つのＡｌＮ単結晶（３２）を製造する装置において、
   ｂ）坩堝壁面（１４）が、少なくとも１つの気体透過性の部分区間（１４１、１４２）内で、少なくとも１つの気体状成分を、坩堝（１０）の外部帯域（１５）と坩堝（１０）の内部帯域（１１）との間で拡散により移転できるように形成されており、この際
   ｂ１）部分区間（１４１、１４２）が気体透過性の坩堝材料からなるか又は少なくともそのような気体透過性の坩堝材料を含み、そして
   ｂ２）坩堝材料が５０〜９５％の相対密度を持つ
   ことを特徴とする製造装置。
8. 坩堝材料が、０．１〜１０％の開放性気孔度を有する請求項７記載の装置。
9. 坩堝材料が１〜１００μｍの気孔管径を持つ請求項７又は８記載の装置。
10. 気体透過性の坩堝材料がセラミックス材料である請求項７から９の１つに記載の装置。
11. セラミックス材料が、炭化ケイ素、窒化物、特に窒化ホウ素、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素から成るか、他の非酸化物セラミックスから成る請求項１０記載の装置。
12. 気体透過性の坩堝材料が多孔質金属である請求項８から１１の１つに記載の装置。
13. 多孔質発泡金属が高融点金属又は高融点金属の合金である請求項１２記載の装置。
14. 多孔質金属が、タングステン、タンタル或いはタングステン又はタンタルの合金から形成されている請求項１２又は１３記載の装置。
15. 気体透過性の部分区間として、貯蔵領域（１２）を容れるためにも予定されている、閉鎖した気体透過性の部分容器（１４１）を備える請求項７から１４の１つに記載の装置。
16. 気体透過性の部分区間として、その坩堝壁面（１４）内に気体透過性の装入部（１４２）を備える請求項７から１４の１つに記載の装置。
17. 貯蔵領域（１２）と結晶領域（１３）との間に、気体透過性の拡散膜（２０、２１）が配置された請求項７から１６の１つに記載の装置。
18. 拡散膜（２１）が気体透過性の坩堝材料からなるか、又は少なくともそのような気体透過性の坩堝材料の１つを含んでいる請求項１７記載の装置。

Images