JP6214038B2 - 窒化アルミニウム単結晶の製造方法 - Google Patents

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）単結晶の製造方法に関するものである。

窒化アルミニウム単結晶の製造方法として、高温領域で原料を加熱して昇華させ、低温領域に設けられた種結晶上で当該昇華ガスを再凝縮させる、いわゆる昇華再結晶法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１３２０７９号公報

上述の昇華再結晶法では、原料と種結晶の間に温度勾配が形成されていることを必要とする。しかしながら、昇温過程においてもこの温度勾配が形成されていると、種結晶の温度が単結晶成長に必要な温度に達する前に原料の昇華が開始してしまい、当該種結晶上に窒化アルミニウム多結晶や低品質の窒化アルミニウム単結晶が成長してしまう、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、品質の向上を図ることができる窒化アルミニウム単結晶の製造方法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方法は、原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、前記坩堝の周囲に上下動可能に配置され、前記坩堝を加熱する加熱手段と、を備えた製造装置を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、前記坩堝の温度が所定温度になるまで、前記加熱手段を前記種結晶側の第１の加熱位置に位置させる第１のステップと、前記坩堝の温度が前記所定温度に達したら、前記加熱手段を前記原料側の第２の加熱位置に移動させる第２のステップと、前記第２の加熱位置に位置する前記加熱手段を、前記第１の加熱位置と前記第２の加熱位置との間の第３の加熱位置にさらに移動させる第３のステップと、を備えたことを特徴とする。

［２］上記発明において、前記加熱手段は、前記坩堝を囲む誘導コイルを含み、前記第１の加熱位置は、前記誘導コイルが前記種結晶及び前記原料の両方を囲む位置であり、前記第２の加熱位置は、前記誘導コイルが前記原料を囲む位置であり、前記種結晶は、前記第２の加熱位置に位置する前記誘導コイルの外側に位置してもよい。

［３］上記発明において、前記所定温度は、１４５０［℃］〜１５５０［℃］であってもよい。

本発明によれば、坩堝の温度に応じて加熱手段の位置を変えることで、昇温過程において坩堝の上部と下部の間に温度差が生じるのを抑制することができ、窒化アルミニウム単結晶の品質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実施形態における坩堝の変形例を示す断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明の第１実施形態において誘導コイルが第１及び第２の加熱位置に位置している状態をそれぞれ示す図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本発明の第２実施形態において誘導コイルが第１〜第３の加熱位置に位置している状態をそれぞれ示す図である。

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は坩堝の変形例を示す断面図、図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態において誘導コイルが第１及び第２の加熱位置に位置している状態をそれぞれ示す図である。

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、当該坩堝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、坩堝１０を囲むように結晶成長炉２０の外側に配置された誘導コイル５０と、誘導コイル５０を上下方向に移動させる位置調整装置６０と、坩堝１０の温度を計測する第１及び第２の温度計７１，７２と、温度計７１，７２の計測結果に基づいて位置調整装置６０を制御する制御装置８０と、を備えている。

坩堝１０は、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２０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。

蓋体１２は、種結晶５の外径よりも大きな外径の円板形状を有しており、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種結晶５が貼り付けられており、当該種結晶５は容器本体１１内に収容された原料２に対向している。

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。また、種結晶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、図２に示すように、蓋体１２が２つの蓋部材１３，１４を備えてもよく、この場合には上述の接着剤が不要となる。具体的には、第１の蓋部材１３は、種結晶５の外径よりも小さな内径の貫通開口１３１を有するリング状の部材であり、この第１の蓋部材１３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。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。一方、第２の蓋部材１４は、種結晶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１３に保持されている種結晶５の上に載置されており、種結晶５は第１の蓋部材１３と第２の蓋部材１４の間に挟まれている。

図１に戻り、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。

特に、窒化アルミニウム単結晶６への汚染（固溶による汚染）を防止する観点から、アルミニウムのイオン半径と大きく異なる金属の単体、又は、その窒化物若しくは炭化物から構成されていることが好ましい。具体的には、上述の材料の中でも、坩堝１０の容器本体１１及び蓋体１２が、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、及び、炭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ことが好ましい。なお、上述の窒化アルミニウム単結晶６の汚染は、窒化アルミニウムから生じた昇華ガスにより坩堝１０がエッチングされ、当該微粒子が窒化アルミニウム単結晶６に混入することで発生するものである。

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及び単結晶５が所望の温度に加熱される。なお、誘導コイル５０に代えて、抵抗加熱や赤外加熱を利用した加熱手段を用いてもよい。

この誘導コイル５０は、位置調整手段６０によって当該誘導コイル５０の軸方向に沿って移動が可能となっている。この位置調整手段６０の具体例としては、例えば、ボールねじ機構等を備えた直動機構を例示することができる。また、結晶成長炉２０の外側には２つの温度計７１，７２が配置されている。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。この放射温度計７１，７２は、結晶成長炉２０の透明な壁面を介して、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。

第１の温度計７１は、結晶成長炉２０内の坩堝１０の蓋体１２の上面（坩堝１０の上部）に対向するように配置されており、当該坩堝１０の上部の温度を測定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２０内の坩堝１０の容器本体１１の底面（坩堝１０の下部）に対向するように配置されており、当該坩堝１０の下部の温度を測定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によって種結晶５の温度を測定し、第２の温度計７２によって原料２の温度を測定する。

温度計７１，７２は制御装置８０に接続されており、当該制御装置８０は、温度計７１，７２の計測結果に基づいて位置調整装置６０を制御する。具体的には、制御装置８０は、当該計測結果が所定温度未満である場合には、誘導コイル５０が種結晶５に近い第１の加熱位置Ｐ_１に位置するように位置調整装置６０を制御する。これに対し、当該計測結果が所定温度に達したら、制御装置８０は、第１の加熱位置Ｐ_１よりも原料２に近い第２の加熱位置Ｐ_２に誘導コイル５０を移動させるように位置調整装置６０を制御する。

ここで、第１の加熱位置Ｐ_１は、図３（ａ）に示すように、誘導コイル５０の巻線部が坩堝１０内の原料２と種結晶５の両方を囲む位置である。これに対し、第２の加熱位置Ｐ_２は、図３（ｂ）に示すように、誘導コイル５０の巻線部が坩堝１０内の原料２のみを囲む位置であり、この第２の加熱位置Ｐ_２においては種結晶５が誘導コイル５０の巻線部の外側に位置している。つまり、第１の加熱位置Ｐ_１では、誘導コイル５０によって原料２と種結晶５が同程度に加熱されるのに対し、第２の加熱位置Ｐ_２では単結晶５よりも原料２が積極的に加熱される。

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、種結晶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に対向するように種結晶５が坩堝１０に保持される。

次いで、坩堝１０を結晶成長炉２０内に設置した後、減圧装置４０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３０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、位置調整装置６０によって誘導コイル５０を第１の加熱位置Ｐ_１（図３（ａ）参照）に位置させた状態で、当該誘導コイル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。この第１の加熱位置Ｐ_１では、原料２及び種結晶５の両方が誘導コイル５０の巻線部の中に包含されているため、原料２及び種結晶５が同程度に加熱される。

このように、本実施形態では、昇温過程において誘導コイル５０を種結晶５に近い第１の加熱位置Ｐ_１に位置させるので、原料２の昇華が開始する前に、種結晶５の温度を単結晶成長に必要な温度まで昇温させることができる。

この際、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おり、坩堝１０の上部の温度と下部の温度がいずれも第１の設定温度Ｔ_１に達したら、制御装置８０は、誘導コイル５０を第１の加熱位置Ｐ_１から第２の加熱位置Ｐ_２（図３（ｂ）参照）に移動させるように、位置調整装置６０を制御する。この第１の設定温度Ｔ_１は、窒化アルミニウムの昇華開始温度であり、具体的には１４５０［℃］〜１５５０［℃］である。

第２の加熱位置Ｐ_２に移動した後も誘導コイル５０によって坩堝１０をさらに加熱するが、この第２の加熱位置Ｐ_２では、坩堝１０内の原料２のみが誘導コイル５０の巻線部に囲まれており、種結晶５は誘導コイル５０の巻線部の外側に位置している。このため、単結晶５よりも原料２が積極的に加熱される。この状態で、坩堝１０の下部温度（すなわち原料２の温度）が１８００［℃］〜２３００［℃］（第２の設定温度Ｔ_２）となり、坩堝１０の上部温度（すなわち種結晶５の温度）が１７００［℃］〜２２００［℃］（第２の設定温度Ｔ_２）となるまで、誘導コイル５０によって坩堝１０を昇温する。

坩堝１０の温度が上記の第２の設定温度Ｔ_２に達したら、減圧装置３０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の成長が始まる。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、当該種結晶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）

そして、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２１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。

以上のように、本実施形態では、坩堝１０の温度に応じて誘導コイル５０の位置を変えることで、昇温過程において坩堝１０の上部と下部の間に温度差が生じるのを抑制することができ、窒化アルミニウム単結晶６の品質向上を図ることができる。

<<第２実施形態>>
図４（ａ）〜図４（ｃ）は本実施形態において誘導コイルが第１〜第３の加熱位置に位置している状態をそれぞれ示す図である。本実施形態では、誘導コイル５０が第１及び第２の加熱位置Ｐ_１，Ｐ_２に加えて第３の加熱位置Ｐ_３に移動する点で第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。

この第３の加熱位置Ｐ_３は、坩堝１０の温度が上述の第２の設定温度Ｔ_２に達した後に、坩堝１０の下部温度（原料２の温度）と坩堝１０の上部温度（種結晶５の温度）との間に１００［℃］程度の温度差が維持されるような位置であり、結晶成長時の最適コイル位置である。具体的には、この第３の加熱位置Ｐ_３は、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示す第１の加熱位置Ｐ_１と、図４（ｂ）に示す第２の加熱位置Ｐ_２との間に位置している。

次に、本実施形態における単結晶製造装置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、第１実施形態と同様に、原料２と種結晶５を坩堝１０にセットし、減圧装置４０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３０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３０内を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧する。次いで、位置調整装置６０によって誘導コイル５０を第１の加熱位置Ｐ_１（図４（ａ）参照）に位置させた状態で、当該誘導コイル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。第１実施形態と同様に、この第１の加熱位置Ｐ_１では、原料２及び種結晶５の両方が誘導コイル５０の巻線部の中に包含されているため、原料２及び種結晶５が同程度に加熱されるので、原料２の昇華が開始する前に、種結晶５の温度を単結晶成長に必要な温度まで昇温させることができる。

そして、坩堝１０の上部及び下部の温度がいずれも第１の設定温度Ｔ_１に達したら、位置調整装置６０は誘導コイル５０を第１の加熱位置Ｐ_１から第２の加熱位置Ｐ_２（図４（ｂ）参照）に移動させる。第１実施形態と同様に、この第２の加熱位置Ｐ_２では、坩堝１０内の原料２のみが誘導コイル５０の巻線部に囲まれており、種結晶５は誘導コイル５０の巻線部の外側に位置している。このため、単結晶５よりも原料２が積極的に加熱される。この状態で、坩堝１０を第２の設定温度Ｔ_２までそれぞれ昇温する。

坩堝１０の温度が上記の第２の設定温度Ｔ_２に達したら、位置調整装置６０は誘導コイル５０を第２の加熱位置Ｐ_２から第３の加熱位置Ｐ_３（図４（ｃ）参照）へさらに移動させると共に、減圧装置３０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の成長が始まる。具体的には、上記の（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、当該種結晶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。

以上のように、本実施形態では、坩堝１０の温度に応じて誘導コイル５０の位置を変えることで、昇温過程において坩堝１０の上部と下部の間に温度差が生じるのを抑制することができ、窒化アルミニウム単結晶６の品質向上を図ることができる。

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、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
１２…蓋体
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
６０…位置調整装置
７１，７２…温度計
８０…制御装置

Claims (3)

1. 原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、
   前記坩堝の周囲に上下動可能に配置され、前記坩堝を加熱する加熱手段と、を備えた製造装置を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、
   前記坩堝の温度が所定温度になるまで、前記加熱手段を前記種結晶側の第１の加熱位置に位置させる第１のステップと、
   前記坩堝の温度が前記所定温度に達したら、前記加熱手段を前記原料側の第２の加熱位置に移動させる第２のステップと、
   前記第２の加熱位置に位置する前記加熱手段を、前記第１の加熱位置と前記第２の加熱位置との間の第３の加熱位置にさらに移動させる第３のステップと、を備えたことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の窒化アルミニウムの製造方法であって、
   前記加熱手段は、前記坩堝を囲む誘導コイルを含み、
   前記第１の加熱位置は、前記誘導コイルが前記種結晶及び前記原料の両方を囲む位置であり、
   前記第２の加熱位置は、前記誘導コイルが前記原料を囲む位置であり、
   前記種結晶は、前記第２の加熱位置に位置する前記誘導コイルの外側に位置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。
3. 請求項１又は２に記載の窒化アルミニウムの製造方法であって、
   前記所定温度は、１４５０［℃］〜１５５０［℃］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方法。

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