JP5828353B2 - 窒化物結晶製造方法および窒化物結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物結晶製造方法および窒化物結晶製造装置に関するものである。

従来の窒化物結晶製造装置を図３に示す。この窒化物結晶製造装置を用いて、窒化物結晶は、以下の様にして製造されていた。

すなわち、育成炉１と、この育成炉内に配置された結晶成長容器６と、この結晶成長容器を加熱するヒーター３と、前記結晶成長容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給部（図示せず）と、前記結晶成長容器内に設けた坩堝８と、この坩堝内に設けた原料液１０を備えた構成となっていた。

このような構成において、窒化物結晶製造装置として、前記ヒーター３に対して前記結晶成長容器６内の温度を均一化するために結晶成長容器６を熱伝導性材料より形成したものを用いて、結晶成長容器６内の温度を均一化して結晶の品質を安定化したものもあった（例えば、これに類似する技術は下記特許文献１に記載されている）。

国際公開第２００７／１２２８６７号

上記従来例における課題は、結晶の品質が劣化してしまうことであった。

すなわち、従来例においては、育成炉１内に配置された結晶成長容器６をヒーター３によって加熱する構成となっていたが、結晶成長容器６をヒーター３で直接加熱してしまうことは、結晶成長容器６内において、ヒーター３が直接加熱する部分と、それ以外の部分において温度差が発生してしまい、場所により結晶特性のバラツキが発生し、結晶品質が悪くなる問題があった。

そこで本発明は、結晶の品質向上を図ることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、断熱材および前記断熱材で囲われた加熱手段を有する加熱装置と、前記加熱手段の内側に配置され、均熱性を保つための炉心管と、前記炉心管の内側に配置され、結晶材料とアルカリ金属又はアルカリ土類金属とを収納する坩堝が内部に設置される結晶成長容器とを備え、前記結晶成長容器内に原料ガスが供給された状態で、前記加熱装置が前記炉心管を介して前記坩堝を加熱することにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、準備工程と、その後の結晶育成工程とを有し、前記準備工程は、種基板と、結晶材料とアルカリ金属またはアルカリ土類金属を、坩堝に収納するとした第の工程と、前記結晶育成工程は、前記坩堝を結晶成長容器内に配置し、この結晶成長容器６を炉心管４内に配置した状態で、この炉心管を加熱手段により所定の温度で加熱し、前記坩堝を原料ガス供給手段により所定の気圧の窒素雰囲気下にした状態で、前記種基板上に結晶を育成するとした第２の工程と、を備えたので、結晶の品質を向上することができる。

すなわち、本発明においては、坩堝内の温度を均一化するために、結晶成長容器を炉心管内に配置し、この炉心管自体を加熱するようにしたので、炉心管内の温度が均一に保たれ、それによって結晶成長容器内に配置した坩堝内の温度の均一化が可能となるので、これによって結晶の品質を向上させることができることとなったものである。

本発明の一実施形態の窒化物結晶製造装置の構成図 温度測定実験図 従来の結晶製造装置の構成図

以下、本発明の一実施形態を窒化物結晶製造装置の一例として窒化物結晶成長装置に適用したものを、添付図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における窒化物結晶成長装置の構成図である。育成炉１は、内部を高圧に加圧できるように圧力容器で作成されており、育成炉１の内部には、内部を高温に加熱できるように断熱材２で囲われた加熱手段としてのヒーター３が設置されている。この構成により、育成炉１内を加圧及び加熱が可能な構成となっている。さらに、このヒーター３の内部に、炉心管４を設置する。

なお、育成炉１及びヒーター３を含む断熱体２、炉心管４は、内部に結晶成長容器６を設置できる構造となっている。具体的には、本体と蓋の２部材で構成することにより、容易に内部に成長容器６を設置できる。

次に、育成炉１内に設置する結晶成長容器６を準備する行程を説明する。まず、アルミナ等の耐熱材料で作成されたカップ状の坩堝８に、結晶を成長させる種基板（図示せず）を設置する。さらに、結晶材料（例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム）とフラックスの役割を果たすアルカリ金属（例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム）またはアルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、ベリリウム、マグネシウム）とを所定の量に計って坩堝８に入れる。これらアルカリ金属およびアルカリ土類金属は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。

なお、結晶材料とアルカリ金属またはアルカリ土類金属は、加熱することによって液化し、この図１に示す原料液１０となる。この状態で結晶成長させても良いが、結晶成長中に原料液の蒸発が多くなるので、坩堝８に坩堝蓋９で蓋をすることによって蒸発が抑えることが出来る。その場合は、原料ガスが坩堝８内に流入できるように、坩堝８と坩堝蓋９の接触面に溝等を設けることによって、原料ガス流入路を確保する必要がある。結晶材料およびアルカリ金属の秤量や取り扱いは、アルカリ金属の酸化や水分吸着を回避するために、窒素ガスやアルゴンガスやネオンガスなどで置換されたグローブボックス中で行うことが好ましい。

次に、原料の入った坩堝８を結晶成長容器６の中に設置する。このときに、坩堝８を縦方向へ多段に設置する場合は坩堝台１１等を用いると良く、図に示すように坩堝蓋９の上に坩堝台１１を設置する方法や、坩堝台１１に脚を形成して坩堝蓋と坩堝台１１を接触させない方法などがある。そして、坩堝８を結晶成長容器６に設置した後に、結晶成長容器蓋７で結晶成長容器６に蓋をして、グローブボックスから取り出し、炉心管４の内部に設置する。

その後、原料ガス供給装置（図示せず）から供給管１２を通して結晶成長容器６に原料ガスを供給する。結晶成長容器６内を密閉状態として、原料ガス供給装置から供給管１２を通して結晶成長容器６に原料ガスを直接供給することにより、不純物ガスが結晶成長容器６内に入るのを防ぐことが出来る。そして、供給した原料ガスのうち余分な原料ガスは、排気管１３から結晶成長容器の外部に排出され、排出管１４から育成炉の外部へ排出される。

なお、供給管１２を育成炉１に連結して育成炉１に原料ガスを供給することにより、結晶成長容器６と結晶成長容器蓋７の隙間等から結晶成長容器６内に原料ガスを供給することも可能である。その場合は、排気管１３が必要ない。

その後、熱電対（図示せず）や圧力調整器（図示せず）によって、育成炉１の温度および育成雰囲気の圧力を制御しながら加圧・加熱を行う。なお、結晶を生成するための原料の溶融および育成の条件は、原料である結晶材料やアルカリ金属の成分、および原料ガスの成分およびその圧力に依存するが、例えば、温度は７００℃〜１１００℃、好ましくは７００℃〜９００℃の低温が用いられる。圧力は２０気圧（２０×１．０１３２５×１０^５Ｐａ）以上、好ましくは３０気圧（３０×１．０１３２５×１０^５Ｐａ）〜１００気圧（１００×１．０１３２５×１０^５Ｐａ）が用いられる。

このように、育成温度に昇温することにより、坩堝内で結晶材料／アルカリ金属の融解液、つまり原料液１０が形成され、この原料液１０中に原料ガスが溶け込み、結晶材料と原料ガスとが反応して、種基板の上に結晶基板が育成される。

本発明の一実施形態では、ヒーター３で結晶成長容器６を直接加熱するのではなく、炉心管４を介して加熱していることが特徴となっている。つまり、側面及び底面からヒーター３で加熱された炉心管４は均熱体及び蓄熱体の役割を果たし、炉心管４内の温度が一定に保たれるようになる。この温度が一定に保たれた空間に結晶成長容器６を設置しているので、結晶成長容器内はさらに高精度で均熱性を保つことが可能となる。その結果、結晶成長容器６内の各坩堝８の温度も均一となり、成長条件のバラツキによる結晶特性のバラツキが無くなり、結晶品質の向上を図ることが可能となる。

この炉心管４は、結晶成長容器６内から発生するアルカリ蒸気と、ヒーター３加熱による高温にさらされることになるので、耐アルカリ性と耐熱性を有する材料（ステンレスやインコネル等）を用いると良く、再利用も可能となる。また、炉心管４をヒーター３から取り外し可能にしておくと、炉心管４に付着したアルカリ成分を除去可能になるので、育成炉１内の結晶成長環境を良い状態にキープすることができる。

ここで、炉心管４自体は直接ヒーター３で加熱されているので、表面に温度バラツキが発生している。そこで、炉心管４内に結晶成長容器台５を設置して、結晶成長容器台５の上に結晶成長容器６を設置すると、結晶成長容器６の底面が直接炉心管４に接しないので、結晶成長容器６の均熱性がさらに向上する。

さらに、結晶成長容器６の外周部のうち、一部で外径を大きくすることにより、外径が大きい部分だけが直接炉心管４に接するので接触面積が小さくなり、結晶成長容器６の均熱性がいっそう向上する。

また、炉心管４をできるだけ温度バラツキがなく加熱できるように、ヒーター３は炉心管４の外周面に対向する位置だけでなく、底面に対向する位置にも設置すると良い。

これらの効果を確認するために、炉心管４がある場合と無い場合で実験を行った。具体的には、図２に示すように３個の坩堝８を２段、合計６個配置して、それぞれの坩堝に熱電対（温度計）を設置し、図１の窒化物結晶成長装置で結晶成長条件まで加熱・加圧を行い、それぞれの坩堝８の温度を測定した。なお、温度は８６０℃、圧力は３２気圧の条件で測定を行った。その結果を図２に示す。

この結果から分かるように、炉心管４が無い場合は坩堝８間で最大１２．８℃の温度バラツキが生じているが、炉心管４がある場合の温度バラツキは３．４℃まで大幅に減少している。他の実験において、温度が１０℃違えば結晶特性が変わることが分かっており、炉心管４が無い場合は、坩堝８によって結晶特性がばらばらとなり、結晶品質が悪くなるので、炉心管４を加熱手段により所定の温度で加熱することで、結晶成長容器６の均熱性が保たれることとなる。

以上のように、炉心管４を用いることによって、結晶特性に影響を与えないレベルまで温度バラツキを抑えられるので、結晶品質向上を図ることができる。

以上のように本発明は、準備工程と、その後の結晶育成工程とを有し、前記準備工程は、種基板と、結晶材料とアルカリ金属またはアルカリ土類金属を、坩堝に収納するとした第１の工程と、前記結晶育成工程は、前記坩堝を結晶成長容器内に配置し、この結晶成長容器を炉心管内に配置した状態で、この炉心管を加熱手段により所定の温度で加熱し、前記坩堝を原料ガス供給手段により所定の気圧の窒素雰囲気下にした状態で、前記種基板上に結晶を育成するとした第２の工程と、を備えたので、結晶の品質を向上することができる。

すなわち、本発明においては、坩堝内の温度を均一化するために、結晶成長容器を炉心管内に配置し、この炉心管自体を加熱するようにしたので、炉心管内の温度が均一に保たれ、それによって結晶成長容器内に配置した坩堝内の温度の均一化が可能となるので、これによって結晶の品質を向上させることができることとなったものである。

したがって、たとえば、窒化物結晶製造装置として広く活用が期待されるものである。

１ 育成炉
２ 断熱材
３ ヒーター
４ 炉心管
５ 結晶成長容器台
６ 結晶成長容器
７ 結晶成長容器蓋
８ 坩堝
９ 坩堝蓋
１０ 原料液
１１ 坩堝台
１２ 供給管
１３ 排気管
１４ 排出管

Claims (5)

1. 断熱材および前記断熱材で囲われた加熱手段を有する加熱装置と、
   前記加熱装置の内側に配置され、均熱性を保つための炉心管と、
   前記炉心管の内側に配置され、結晶材料とアルカリ金属又はアルカリ土類金属とを収納する坩堝が内部に設置される結晶成長容器とを備え、
   前記結晶成長容器内に原料ガスが供給された状態で、前記加熱装置が前記炉心管を介して前記坩堝を加熱する
   窒化物結晶製造装置。
2. 前記結晶成長容器内に複数の前記坩堝を設置した場合に前記坩堝が設置された各部分の温度差が１０度未満である
   請求項１に記載の窒化物結晶製造装置。
3. 複数の前記坩堝は多段に配置されている
   請求項２に記載の窒化物結晶製造装置。
4. 前記結晶成長容器と前記炉心管との間に間隔を有する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物結晶製造装置。
5. 結晶材料とアルカリ金属又はアルカリ土類金属とを坩堝に収納する工程と、
   均熱性を保つための炉心管の内側に配置された結晶成長容器内に前記坩堝を設置する工程と、
   前記炉心管の外側に配置され、断熱材および前記断熱材で囲われた加熱手段を有する加熱装置により前記炉心管を介して前記坩堝を加熱する工程と
   を含む窒化物結晶製造方法。

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