JP5867856B2 - 種結晶保持部材、窒化アルミニウム単結晶の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、種結晶保持部材、窒化アルミニウム単結晶の製造方法およびその製造装置に関する。

窒化アルミニウム系半導体は、深紫外のレーザーダイオードやＬＥＤ（Light Emitting Diode）、高周波電子デバイス等としての利用が期待されている。この半導体を育成する基板としては、窒化アルミニウム単結晶が最適であることから、窒化アルミニウム単結晶作製技術の開発が進められている。また、窒化アルミニウムの他に、ＳｉＣやＧａＮなどいわゆる化合物半導体用結晶は多岐の用途に使用され、更なる大型化が期待されているが、これらの化合物はいずれも、解離圧が高く、通常の圧力では加熱しても溶融せず、昇華・分解する。

例えば、窒化アルミニウム単結晶の製造方法としては、溶液法ではフラックス法、気相法では有機金属気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy、 MOVPE）、水素化物気相堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy、 HVPE）、昇華法などが挙げられる。しかし、その原料となる窒化アルミニウムは、上述の如く通常の圧力では昇華・分解するので、融液を用いるフラックス法は適用が難しく、結晶の成長速度を上げやすく、大口径の結晶を得やすいとされている昇華法が有望視されている。
昇華法による単結晶の成長方法では、窒化アルミニウムの粉末原料を収容した原料部を高温に保持し、原料部に対向させて設けた単結晶成長部との間に温度差を付与することで、蒸気圧の差を発生させ、化学ポテンシャル差を作り出し、単結晶成長部において単結晶を析出させる。
この昇華法では、原料が昇華・分解し、発生した原料ガスが成長部に到達し、結晶が成長するため、系内の温度分布に従った結晶形が決定される。そのため、系内の温度分布を考慮し、主に面内方向に均一な温度分布にすることで、成長面が均一な良質の結晶を作製することが可能となる。

昇華法を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造装置として、例えば特許文献１に記載された製造装置が提案されている。図４は、特許文献１に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造装置を模式的に示す概略構成図である。
坩堝５１の底部に窒化アルミニウムの原料１２が収納され、坩堝５１の上部にリング状の種子基板保持部材５３と種子基板（種結晶）１４と蓋体５２が配置されている。種子基板１４は、窒化アルミニウムまたは炭化シリコン（ＳｉＣ）等からなり、種子基板保持部材５３と蓋体５２との間に挟持されることで、その結晶成長面１４ａが原料１２と対峙する。
坩堝５１は、高周波誘導加熱装置２１を備えた結晶成長用炉１０内に固定されている。結晶成長用炉１０の天井部には窒素ガスなどのガス導入部２２が形成され、結晶成長用炉１０の底部にはガス排出部２３が形成され、結晶成長用炉１０の内部を、所定のガス圧に調整できるようになっている。
窒化アルミニウム単結晶１６を成長させるには、坩堝５１を約２０００℃まで加熱し、原料１２の昇華ガスを発生させる。原料１２の近傍と種子基板１４の近傍に温度差を与えることにより両者間の化学ポテンシャルに差を生じるため、昇華ガスは、種子基板１４の結晶成長面１４ａにおいて再凝縮し、窒化アルミニウム単結晶１６として再結晶化する。

特開２０１１−１３２０７９号公報

ところで、一般的に、結晶成長させた単結晶からデバイス基板となるウェハを作成する場合、単結晶を、その結晶成長面に対して平行な面で切断し、研磨する。このとき、単結晶の結晶成長面が平坦でないと、切り出すウェハの径が制限されてしまい、大面積のウェハを得ることができない。このため、ウェハを作成するための単結晶は、その結晶成長面が平坦であることが好ましい。
ここで、前述のような昇華法による単結晶の成長過程では、得られる窒化アルミニウム単結晶１６の形状が、坩堝５１内の温度分布に従って決定され、主に面内方向に均一な温度分布を形成することで、結晶成長面１６ａが平坦な窒化アルミニウム単結晶１６を作成できる。

しかし、一般的な坩堝５１内での昇華ガスの対流を考えると、図４に示すような高周波誘導加熱装置２１では坩堝５１の壁面を主に加熱するため、原料１２で発生した昇華ガスは、坩堝５１の壁面付近では上昇し、結晶成長面１４ａに到達してからこの面に沿って中心方向に移動した後結晶成長面１４ａの中心付近で下降するような対流を形成する。
このため、結晶成長面１４ａの外周部に、主に昇華ガスが供給されるかたちになり、この領域は窒化アルミニウム単結晶１６が成長し易い環境になっているが、結晶成長面１４ａの中心付近では、昇華ガスが下向きの流れとなっているため、窒化アルミニウム単結晶１６が成長し難く、成長した場合にも再昇華の起こり易い環境となっている。

特に、窒化アルミニウム単結晶１６を昇華法によって成長させる場合、炭化珪素の単結晶等を成長させる場合に比べ、数十倍の圧力下で結晶成長を行う必要がある。このような高圧条件下では、窒化アルミニウムの昇華ガスは数ｍｍ／ｓｅｃという極めて低速の流れとなるため、窒化アルミニウム単結晶１６の側面付近では昇華ガスの過飽和度が高くなり、中心部に向かうに従って、昇華ガスの過飽和度が低下する現象が生じ、外周部での結晶成長がより促進されるのに対して、その中心付近での結晶成長速度はより遅くなる。その結果、得られる窒化アルミニウム単結晶１６の結晶成長面１６ａは、外周部で盛り上がり、中心付近で凹んだ形状になってしまう。

さらに、この製造装置５０では、種子基板保持部材５３がリング状をなしているため、種子基板保持部材５３の原料側の開口周囲（エッジ部分）５３ａに昇華ガスが滞留し易く、これによって、結晶成長面１４ａ、１６ａの外周部でさらに結晶成長が促進される。そのため、結晶成長面１６ａの外周部と中心付近との高さ差はより著しいものとなる問題がある。

本発明は、前述の実情に鑑みなされたものであり、結晶成長端面の平坦性が高く、大面積のウェハを切り出すことが可能な窒化アルミニウム単結晶を得ることができる種結晶保持部材、これを用いた窒化アルミニウム単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の種結晶保持部材は、昇華法によって単結晶を成長させる際、種結晶の結晶成長面側に配され、前記種結晶を、前記結晶成長面が原料と対峙するように保持する種結晶保持部材であって、前記単結晶の結晶成長方向に沿って貫通し、前記種結晶の前記結晶成長面の一部を露出させる複数の貫通孔を有し、隣り合う前記貫通孔の中心間距離は、前記貫通孔の孔径をφとしたとき、φ×１．５〜φ×２．０であることを特徴とする。

本発明の種結晶保持部材によれば、原料の昇華ガスは、種結晶保持部材の各貫通孔内を通過して種結晶の結晶成長面もしくは各貫通孔内で成長した単結晶の結晶成長端面に供給され、再凝集する。これにより、各貫通孔内を充填するように単結晶が成長する（第１の結晶成長過程）。その後、各貫通孔内で成長した単結晶は、その成長端が各貫通孔の原料側の開口を超えたところで四方に拡大するように結晶成長し、一体化する（第２の結晶成長過程）。これにより、種結晶保持部材の原料側（種結晶と反対側）にバルク状の単結晶が得られる。
ここで、このような種結晶保持部材では、原料で発生した昇華ガスが、各貫通孔の原料側の開口周囲（エッジ部分）に滞留し易く、この滞留ガスが各貫通孔内に流れ込むため、各貫通孔の内部はいずれも昇華ガスの過飽和度が高い状態になる。このため、各貫通孔内およびその周囲において、単結晶が、同程度の速度で効率良く成長し、全面的に結晶成長が均一に進行する。したがって、結晶成長端面の平坦性が高く、高品質な単結晶を得ることができる。
本発明において、隣り合う前記貫通孔の中心間距離は、前記貫通孔の孔径をφとしたとき、φ×１．５〜φ×２．０である。
この場合、結晶成長端面が平坦な窒化アルミニウム単結晶を短時間に得ることが可能となる。

本発明において、前記貫通孔の孔径は、１ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましい。
この場合、種結晶保持部材の各貫通孔の内部において、昇華ガスの過飽和度の偏りが確実に抑えられ、より平坦性の高い単結晶を得ることが可能となる。

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造装置は、昇華法によって、種結晶の結晶成長面上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、内上部に種結晶を有し、内底部に原料を収納する結晶成長容器と、前記種結晶に接して前記種結晶の原料側に配置された種結晶保持部材を備え、前記種結晶保持部材は、先のいずれかに記載の種結晶保持部材であることを特徴とする。
本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置によれば、先に記載の種結晶保持部材を用いているため、種結晶保持部材の各貫通孔内およびその周囲において、窒化アルミニウム単結晶を同程度の速度で効率良く成長し、全面的に結晶の成長を均一に進行できる。したがって、結晶成長端面の平坦性が高く、高品質な窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、昇華法によって、種結晶の結晶成長面上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、前記種結晶の前記結晶成長面側に、前記窒化アルミニウム単結晶の結晶成長方向に沿って貫通し、前記種結晶の前記結晶成長面の一部を露出させる貫通孔を複数設けた種結晶保持部材を配することによって、前記種結晶の結晶成長面を前記原料と対峙するように保持する工程と、前記原料を昇華温度以上に加熱し、前記原料の昇華ガスを、前記種結晶保持部材の前記各貫通孔内を通過させ、前記種結晶の前記各貫通孔内に対応する領域もしくは前記各貫通孔内で成長した窒化アルミニウム単結晶の結晶成長端面に供給することにより、窒化アルミニウム単結晶を前記各貫通孔内に結晶成長させる工程と、前記各貫通孔内で成長した窒化アルミニウム単結晶の成長端が前記各貫通孔の前記原料側の開口を超えたところで周囲に拡大するように結晶成長させる工程を有することを特徴とする。

本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、原料で発生した昇華ガスは、種結晶保持部材の各貫通孔の原料側の開口周囲に滞留し易く、この滞留ガスを各貫通孔内に流入できるため、各貫通孔の内部をいずれも昇華ガスの過飽和度が高い状態にできる。このため、各貫通孔内およびその周囲において、窒化アルミニウム単結晶を同程度の速度で効率良く成長し、全面的に結晶成長を均一に進行できる。したがって、結晶成長端面の平坦性が高く、高品質な窒化アルミニウム単結晶を製造することが可能となる。

本発明によれば、種結晶の結晶成長面上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる際、種結晶の結晶成長面側に、貫通孔を複数設けた種結晶保持部材を配するため、原料で発生した昇華ガスを種結晶保持部材の各貫通孔内を通過させて種結晶の結晶成長面もしくは各貫通孔内で成長した窒化アルミニウム単結晶の結晶成長端面に供給することができ、各貫通孔内を充填するように窒化アルミニウム単結晶を成長できる。更に、種結晶保持部材の貫通孔で成長させた窒化アルミニウム単結晶を貫通孔の原料側開口を超えたところで周囲に拡大するように結晶成長させることで、種結晶保持部材の種結晶と反対側に、バルク状の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
このような結晶成長過程において、貫通孔の内部はいずれも昇華ガスの過飽和度が高い状態になり、各貫通孔内およびその周囲において、窒化アルミニウム単結晶を同程度の速度で効率良く成長できるので、結晶成長端面の平坦性が高く、高品質な窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。

本発明の実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置が備える種結晶保持部材（本発明の実施形態に係る種結晶保持部材）を拡大して示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、第２の工程および第３の工程を説明するための模式図である。 従来の窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る種結晶保持部材および窒化アルミニウム単結晶の製造装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一例を模式的に示す概略構成図、図２は、図１に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置が備える種結晶保持部材を拡大して示す斜視図である。図１において、図４で示した従来の製造装置の要素と同一の要素には同一の符号を付してある。
本実施形態の窒化アルミニウム単結晶の製造装置１は、昇華法によって種結晶１４の結晶成長面１４ａ上に窒化アルミニウムを昇華再結晶させて、窒化アルミニウム単結晶を成長させる装置である。

本実施形態の窒化アルミニウム単結晶の製造装置１は、上部に開口部を有する結晶成長容器１１と、前記開口部近傍に設けられた蓋体１３と、蓋体１３の下方に設けられた板状の種結晶保持部材２０と、種結晶保持部材２０の上面と蓋体１３の下面との間に狭持された板状の種結晶１４とを備えて構成されており、結晶成長容器１１と、種結晶１４及び種結晶保持部材２０とで構成される空間が単結晶を成長させるための結晶成長空間１７とされている。
また、結晶成長容器１１、蓋体１３、種結晶１４、種結晶保持部材２０は、黒鉛製の坩堝１８および坩堝１８の上面に載置された黒鉛製の蓋体１９により形成される空間内に配置され、坩堝１８および結晶成長容器１１は、側面視Ｔ字状のスタンド型の支持手段２４により結晶成長用炉１０内に固定されている。結晶成長容器１１の内底部には、窒化アルミニウム粉末等の原料１２が収納されており、種結晶１４の結晶成長面１４ａおよび種結晶保持部材２０の種結晶１４と反対側の面は、原料１２と対峙されている。
結晶成長用の種結晶１４は、例えば、板状又は円板状のＳｉＣ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＡｌＮ／ＳｉＣ単結晶（ＳｉＣ単結晶上に膜厚２００〜５００μｍ程度のＡｌＮ単結晶膜をヘテロ成長させた単結晶）である。

また、結晶成長用炉１０の側壁には、結晶成長用炉１０内に配された、坩堝１８、結晶成長容器１１、原料１２、種結晶１４を加熱する複数の加熱手段２１が設けられている。加熱手段としては特に限定されるものではなく、高周波誘導加熱（高周波コイル）、抵抗加熱および赤外加熱といった、従来公知のものを用いることができる。加熱温度の制御は、図示略の放射温度計により坩堝１８の表面温度を測定しながら、加熱手段２１を調整することにより行うことができる。

結晶成長用炉１０の天井部には窒素ガスなどのガス供給装置に接続されたガス導入部２２が形成されている。また、結晶成長用炉１０の底部には、図示略の圧力調整弁を介して真空ポンプ等の減圧装置が接続され、ガス排出部２３が形成されている。これらガス導入部２２およびガス排出部２３を操作することにより、結晶成長用炉１０、坩堝１８内部および結晶成長容器１１内の結晶成長空間１７を所定のガス圧に調整できるようになっている。ここで、外側蓋体１９は、坩堝１８の開口部上部に載置または嵌め合わせされている状態であり、窒素ガスの出入りが容易な準密閉的な構造となっている。同様に、蓋体１３および種結晶保持部材２０は、結晶成長容器１１の開口部上部に載置または嵌め合わせられている状態であり、窒素ガスの出入りが容易な準密閉的な構造となっている。ガス導入部２２から窒素ガスなどのプロセスガスを導入することにより、坩堝１８と外側蓋体１９とで形成された内部空間、および、結晶成長容器１１内の結晶成長空間１７に、窒素ガスなどが流入可能となっている。

結晶成長容器１１、蓋体１３および種結晶保持部材２０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、窒化タンタルのうち少なくとも一種類から形成されている。これらの材料は、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長時の２０００℃程度の高温での熱的耐性を有するため、結晶成長容器１１、蓋体１３および種結晶保持部材２０の材料として好ましい。
また、結晶成長容器１１の内底部には窒化アルミニウム粉末などの原料１２が収納されるとともに、蓋体１３と種結晶保持部材２０との間に種結晶１４が設置され、バルク結晶成長に適した窒化アルミニウムの昇華ガスに曝される。よって、結晶成長容器１１、蓋体１３および種結晶保持部材２０を構成する材料は、窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けないものに限られる。加えて、これらの結晶成長容器１１、蓋体１３および種結晶保持部材２０を構成する材料からの窒化アルミニウム単結晶１６への汚染（固溶による汚染）を防ぐために、アルミニウムのイオン半径と大きく異なる金属の単体、ないしはその窒化物又は炭化物が望ましい。したがって、結晶成長容器１１、蓋体１３および種結晶保持部材２０の材料として前記した材料の中でも、モリブデン、タングステン、タンタル、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、炭化モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタルがより好ましい。
なお、酸化物については、放出された酸素により窒化アルミニウム結晶中に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）層を形成し、窒化アルミニウムの結晶成長を阻害するため、用いることはできない。

前記種結晶保持部材２０には、後述するように多数の貫通孔２０ａが設けられる。このため、その構成材料としては、ドリル加工等の機械加工によって貫通孔２０ａを容易に形成し得るものであることが好ましく、タンタル、タングステン等が好適である。このうちタンタルを用いて種結晶保持部材２０を作成する場合には、タンタルからなる板材にドリル加工等によって貫通孔２０ａを形成した後、その表面に炭化処理を施して炭化タンタルの皮膜を形成することが好ましい。タンタルは、ドリル加工によって比較的容易に貫通孔２０ａを形成することができ、また、炭化タンタルの皮膜を形成することによって耐熱性、耐食性を向上させることができる。

種結晶保持部材２０は、結晶成長容器１１の開口部を覆うように結晶成長容器１１の周縁１１ａ上に設置され、その上に種結晶１４と蓋体１３とが設置されている。すなわち、種結晶保持部材２０は、種結晶１４の下部（結晶成長面１４ａ側）に配置され、種結晶１４は蓋体１３の下面と種結晶保持部材２０の上面との間に狭持されて、保持されている。そのため、種結晶１４は、
接着剤などで蓋体１３に固着されることなく、蓋体１３の下面に原料１２と対向して配置される。

図２に示すように、種結晶保持部材２０は、結晶成長容器１１の内径よりも若干大径の円盤状をなし、その厚さ方向（単結晶の結晶成長方向）に貫通する多数の貫通孔２０ａが、全面的に略均一に設けられている。
このような種結晶保持部材２０が種結晶１４の結晶成長面１４ａ側に配置されていると、原料で発生した昇華ガスは、各貫通孔２０ａ内を通過して種結晶１４の結晶成長１４ａ面もしくは各貫通孔２０ａ内で成長した窒化アルミニウム単結晶の結晶成長端面に供給される。
原料で発生した昇華ガスは、各貫通孔２０ａの原料側の開口周囲（エッジ部分）に滞留し易く、この滞留ガスが各貫通孔２０ａ内に流れ込むため、各貫通孔２０ａの内部はいずれも昇華ガスの過飽和度が高い状態になる。このため、各貫通孔２０ａ内およびその周囲において、窒化アルミニウム単結晶１６が、同程度の速度で効率良く成長し、全面的に結晶成長が均一に進行する。なお、種結晶保持部材２０の各貫通孔２０ａの断面形状は、特に限定されない。

また、各貫通孔２０ａの孔径φは、１〜３ｍｍの範囲が好ましく、さらには２〜３ｍｍの範囲であることがより好ましい。各貫通孔２０ａの孔径φが１ｍｍ未満であると、温度等の結晶成長条件によっては、原料からの昇華ガスが各貫通孔２０ａ内を通過し難くなり、窒化アルミニウム単結晶１６の成長速度が遅くなるか、成長が阻害された状態となってしまう。また、各貫通孔２０ａの孔径φが３ｍｍを超える場合には、各貫通孔２０ａのエッジ部分に滞留する昇華ガスが各貫通孔２０ａ内の全域に行き渡らなくなる可能性がある。

各貫通孔２０ａのピッチ（中心間距離）Ｐは、貫通孔２０ａの孔径をφとしたとき、φ×１．５〜φ×２．０の範囲であることが好ましい。各貫通孔２０ａのピッチＰを、前記範囲より大きくした場合には、各貫通孔２０ａ付近に比べて各貫通孔２０ａから離れた領域での結晶成長速度が遅くなり、結晶成長端面１６ａに凹凸が生じる可能性がある。また、ピッチＰが小さいと、種結晶保持部材２０の強度が弱くなり、貫通孔２０ａ加工が困難となる問題や、結晶成長中に割れてしまうといった問題がある。

種結晶保持部材２０の厚さは０．２〜１ｍｍ以下であるのが好ましい。種結晶保持部材２０の厚さが１ｍｍより厚い場合、各貫通孔２０ａの原料側の開口から種結晶１４表面までの距離が長くなるため、原料からの昇華ガスが各貫通孔を通過して種結晶まで届きにくくなり、窒化アルミニウム単結晶１６の成長速度が遅くなるか、成長が阻害された状態となる問題がある。また、厚さが０．２ｍｍより薄い場合、種結晶の重量を支えきれず、変形、破損してしまうという問題がある。

なお、本実施形態においては、結晶成長容器１１の開口部に種結晶保持部材２０を載置した構造を例示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。結晶成長容器１１の開口部に蓋体１３を載置または嵌め合わせて設置され、蓋体１３の下部であり結晶成長容器１１の内壁よりも内側に種結晶保持部材２０が設置されていてもよい。なお、この場合の蓋体１３の下部に種結晶保持部材２０を形成する方法として、例えば、蓋体１３の下面に２０００℃程度の結晶成長時の高温に耐えうる接合方法により接合されていればよい。
また、本実施形態においては、坩堝１８の内部に結晶成長容器１１が設置された２重坩堝構造を例示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。

次に、本実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法を、図１に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置１を用いる場合を例にして説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、第２の工程および第３の工程を説明するための模式図である。
まず、窒化アルミニウム粉末等の原料１２を結晶成長容器１１内底部にセットし、結晶成長容器１１の開口部に、種結晶保持部材２０、種結晶１４および蓋体１３をこの順に設置する(第１の工程)。これにより、種結晶１４が、その結晶成長面１４ａ側に配された種結晶保持部材２０によって原料１２と対峙するように保持された状態になる。続いて、結晶成長容器１１内の結晶成長空間１７および坩堝１８と外側蓋体１９とで形成された内部空間を準密閉状態とする。

次いで、図示略の真空ポンプを稼動させてガス排出口２３より結晶成長用炉１０内部の大気を除去し、結晶成長用炉１０内の圧力を減圧させる。続いて、結晶成長用炉１０にガス導入部２２から窒素ガスを導入する。
そして、加熱手段２１により坩堝１８および外側蓋体１９を加熱し、図示略の放射温度計で坩堝１８の温度を測定してこれらの温度を制御する。窒化アルミニウム単結晶成長時は坩堝１８の温度を２０００℃前後に一定制御する。
なお、窒化アルミニウム単結晶成長時は、坩堝１８下端の温度（原料温度）は、外側蓋体１９上側の温度（結晶成長部温度）よりも高温となるように設定する。
結晶成長は、前述の設定温度まで加熱した後に結晶成長用炉１０を減圧することで開始され、１００ｔｏｒｒ以上６００ｔｏｒｒ以下に定圧保持することで行われる。

また、加熱中は、ガス排出部２３から結晶成長用炉１０内の窒素ガスを排出しつつ、ガス導入部２２から窒素ガスを結晶成長用炉１０内に供給することにより、結晶成長用炉１０内の窒素ガス圧力および流量を適切に調整する。

以上のような条件下で昇華温度以上に加熱された原料１２は、分解、気化して昇華する。発生した昇華ガスは、種結晶保持部材２０の各貫通孔２０ａ内を通過して種結晶１４の結晶成長１４ａ面もしくは各貫通孔２０ａ内で成長した窒化アルミニウム単結晶の結晶成長端面に供給され、再凝集する。これにより、図３（ａ）に示すように、各貫通孔２０ａ内を充填するように窒化アルミニウム単結晶１６Ｃが成長する（第２の工程）。

各貫通孔２０ａ内で成長させた窒化アルミニウム単結晶１６Ｃの成長端を各貫通孔２０ａの原料１２側の開口を超えた後、更に成長させると、図３（ｂ）に示すように、窒化アルミニウム単結晶が周囲に拡大するように結晶成長し、一体化してバルク状の窒化アルミニウム単結晶１６Ａが得られる（第３の工程）。

このような結晶成長過程において原料１２で発生した昇華ガスは、種結晶保持部材２０の各貫通孔２０ａの原料１２側の開口周囲（エッジ部分）に滞留し易く、この滞留ガスが各貫通孔２０ａ内に流れ込むため、各貫通孔２０ａの内部はいずれも昇華ガスの過飽和度が高い状態になる。このため、各貫通孔２０ａ内およびその周囲において、窒化アルミニウム単結晶が、同程度の速度で効率良く成長し、全面的に結晶成長が均一に進行する。したがって、結晶成長端面の平坦性が高く、高品質な窒化アルミニウム単結晶１６Ａを製造できる。そして、このような窒化アルミニウム単結晶１６Ａを用いることで、大面積で高品質な窒化アルミニウムウェハを作成することが可能となる。

以上、本発明の種結晶保持部材、窒化アルミニウム単結晶の製造装置および製造方法について説明したが、上記実施形態において、種結晶保持部材および窒化アルミニウム単結晶の製造装置を構成する各部、窒化アルミニウム単結晶の製造方法の各工程は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図１に示す構成の製造装置１を用いて種結晶１４に対し窒化アルミニウム単結晶の成長を行った。
種結晶１４としては、円板状の６Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いた。種結晶の外径は３０ｍｍである。なお、成長面の方位は（０００１）面とした。原料１２には窒化アルミニウム粉末を用いた。
また、種結晶保持部材２０には、厚さ方向に複数の貫通孔が形成された炭化タンタル（表面に炭化タンタル層が形成されたタンタル）製の円盤を使用した。種結晶保持部材２０の寸法は、外径４０ｍｍ、厚さ１ｍｍであり、貫通孔の孔径φおよびピッチＰは表１に示すように変化させた。
坩堝１８としては高純度黒鉛製のものを使用し、結晶成長容器１１および蓋体１３としては炭化タンタル製のものを使用した。

坩堝を成長装置内に設置した後、図示略の真空ポンプにより、結晶成長用炉１０内にある大気を除去し、結晶成長用炉１０内を減圧した。
この後、窒素ガスを装置内に導入し、坩堝温度を約２０００℃（結晶成長部の温度：１７００〜２２００℃、原料部の温度：１８００〜２３００℃）に昇温したのち、結晶成長用炉１０内圧力を１００〜６００ｔｏｒｒへ減圧させることで、窒化アルミニウム結晶成長を開始した。成長開始から３０時間経過したところで、種結晶１４および原料温度を室温まで冷却させることで結晶成長を終了させた。

結晶の平坦度は結晶の最も薄い部分と厚い部分との差が０．５ｍｍ以下を合格とする。この場合自立した窒化アルミニウム単結晶を切り出すことができる。

以上の結果から、複数の貫通孔を設けた種結晶保持部材を種結晶の結晶成長面側に配し、原料の昇華ガスが、各貫通孔を介して、種結晶もしくは成長した窒化アルミニウム単結晶に供給される構成とすることにより、結晶性および平坦性に優れた窒化アルミニウム単結晶が得られることがわかった。そして、特に、種結晶保持部材の貫通孔の孔径φを１〜３ｍｍ、より好ましくは２〜３ｍｍとすると、より平坦性に優れた窒化アルミニウム単結晶が得られるようになることがわかった。

本発明は、深紫外のレーザーダイオードやＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、高効率、高周波の電子デバイス等として使用される窒化アルミニウム系半導体に利用することができる。

１…製造装置、１０…結晶成長用炉、１１…結晶成長容器、１２…原料、１３…蓋体、１４…種結晶、１６…窒化アルミニウム単結晶、１７…結晶成長空間、１８…坩堝、１９…外側蓋体、２０…種結晶保持部材、２０ａ…貫通孔、２１…加熱手段、２２…ガス導入部、２３…ガス排出部。

Claims (4)

1. 昇華法によって単結晶を成長させる際、種結晶の結晶成長面側に配され、前記種結晶を、前記結晶成長面が原料と対峙するように保持する種結晶保持部材であって、
   前記単結晶の結晶成長方向に沿って貫通し、前記種結晶の前記結晶成長面の一部を前記原料側に露出させる複数の貫通孔を有し、
   隣り合う前記貫通孔の中心間距離は、前記貫通孔の孔径をφとしたとき、φ×１．５〜φ×２．０であることを特徴とする種結晶保持部材。
2. 前記貫通孔の孔径は、１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の種結晶保持部材。
3. 昇華法によって、種結晶の結晶成長面上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、
   内上部に種結晶を有し、内底部に原料を収納する結晶成長容器と、
   前記種結晶に接して前記種結晶の原料側に配置された種結晶保持部材を備え、
   前記種結晶保持部材は、請求項１または請求項２に記載の種結晶保持部材であ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。
4. 昇華法によって、種結晶の結晶成長面上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶の前記結晶成長面側に、前記窒化アルミニウム単結晶の結晶成長方向に沿って貫通し、前記種結晶の前記結晶成長面の一部を露出させる貫通孔を複数設けた種結晶保持部材を配することによって、前記種結晶の結晶成長面を前記原料と対峙するように保持する工程と、
   前記原料を昇華温度以上に加熱し、前記原料の昇華ガスを、前記種結晶保持部材の前記各貫通孔内を通過させ、前記種結晶の前記各貫通孔内に対応する領域もしくは前記各貫通孔内で成長した窒化アルミニウム単結晶の結晶成長端面に供給することにより、窒化アルミニウム単結晶を前記各貫通孔内に結晶成長させる工程と、
   前記各貫通孔内で成長した窒化アルミニウム単結晶が前記各貫通孔の前記原料側の開口を超えたところで周囲に拡大するように結晶成長させる工程を有することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

Images