JP6317868B1 - 窒化アルミニウム単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇華した原料物質が種結晶以外の部位に堆積することを防止し、種結晶上で優先的に結晶成長させ、単結晶を効率よく成長させることができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置を提供する。【解決手段】昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、育成坩堝１は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体３と、下面中央部に種結晶を保持し、坩堝本体３に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体４を備え、この蓋体４は、その中央領域に薄肉部４０を有する。薄肉部４０は抜熱効果が高いため、種結晶及びその周囲（蓋体の部位）を種結晶＜種結晶周囲となるような温度分布とすることができるので、昇華した原料物質の種結晶周囲への堆積を防止し、種結晶上で優先的に結晶成長させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、加熱して昇華させた原料物質を種結晶に堆積させ、種結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる単結晶製造装置に関するものである。

近年、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの第１３族元素の窒化物からなる単結晶が、広いエネルギーバンドギャップ、高い熱伝導率及び高い電気抵抗を有していることから、種々の光デバイスや電子デバイスなどの半導体デバイス用の基板材料として注目されている。
従来、第１３族元素の窒化物である窒化アルミニウム単結晶の製造方法としては、加熱により昇華した原料物質を単結晶として成長させる昇華法が知られている（例えば、特許文献１など）。この昇華法では、通常、坩堝内に入れた原料物質を非酸化性雰囲気中で加熱することにより分解気化させ、この分解気化成分を種結晶上に結晶成長させることにより窒化アルミニウム単結晶を得る。

特開平１０−５３４９５号公報

昇華法で窒化アルミニウム単結晶を製造する場合、一度に坩堝内に収容できる原料物質の量は限られるため、分解気化させた原料物質を効率よく種結晶上に集めることが重要であるが、従来の製造技術では、昇華した原料物質が種結晶以外にも堆積して多結晶が生成してしまい、種結晶上で効率良く結晶成長させることができないという問題がある。

また、大径サイズの窒化アルミニウム単結晶を製造するためには、繰り返し育成を行うことで結晶を径方向で成長させる必要があるが（例えば、特許文献１参照）、種結晶の周囲に多結晶が生成すると、単結晶が径方向で成長するための物理的スペースがなくなるため、単結晶の径方向での成長が阻害されるという問題がある。また、窒化アルミニウム単結晶は、その結晶成長過程において径方向の成長によりドメインの収斂が起こり、結晶性が向上するが、上記のように径方向の成長が阻害されると、そのドメインの収斂が起こりにくいため、結晶性の向上も阻害されることになる。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、昇華した原料物質が種結晶以外の部位に堆積することが防止され、種結晶上で優先的に結晶成長させることにより、窒化アルミニウム単結晶を効率よく成長させることができるとともに、種結晶径方向への単結晶の成長が促進され、ドメインの収斂による結晶性の向上を図ることができる窒化アルミニウム単結晶製造装置及びその部品である育成坩堝用の蓋体を提供することにある。

昇華法による窒化アルミニウム単結晶の製造では、原料物質を収容するとともに、この原料物質の上方に種結晶が保持された育成坩堝が用いられる。この育成坩堝は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体と、下面中央部に種結晶を保持し、坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体を備えている。従来技術では、昇華した原料物質が種結晶周囲の部位（蓋体）にも堆積して多結晶が生成してしまい、上述したように、種結晶上で効率よく結晶成長させることができなかった。本発明者らは、このような課題を解決するために検討を重ねた結果、以下のような知見を得た。

（i）種結晶及びその周囲（蓋体の部位）の温度分布を適正化すること、具体的には、種結晶＜種結晶周囲となるような温度分布とすることにより、昇華した原料物質の種結晶周囲への堆積を防止し、種結晶上で優先的に結晶成長させることができる。また、原料物質の種結晶周囲への堆積が防止される結果、種結晶径方向での結晶成長を阻害するものがなくなり、これにより種結晶径方向での結晶成長が促進され、ドメインの収斂による結晶性の向上を図ることができる。
（ii）下面中央部に種結晶を保持する蓋体について、その中央領域の肉厚を外側領域よりも薄くする（すなわち、蓋体の中央領域に薄肉部を形成する）ことにより、上記（i）のような温度分布を形成することができる。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］育成坩堝（１）と、該育成坩堝（１）を外側から加熱する加熱手段（２）を備え、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、
育成坩堝（１）は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体（３）と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、坩堝本体（３）に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体（４）を備え、
蓋体（４）は、その中央領域に薄肉部（４０）を有することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。

［2］上記［1］の単結晶製造装置において、蓋体（４）の上面に窪み（４１）が設けられることで薄肉部（４０）が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［3］上記［2］の単結晶製造装置において、窪み（４１）の外周縁がテーパー状であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［4］上記［2］又は［3］の単結晶製造装置において、窪み（４１）の全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。

［5］上記［4］の単結晶製造装置において、窪み（４１）の底面の全体又は中央領域が、円錐形状又は円錐台形状に隆起していることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［6］上記［2］〜［5］のいずれかの単結晶製造装置において、窪み（４１）の底面に複数の溝又は／及び小穴が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［7］上記［6］の単結晶製造装置において、複数の溝が、窪み（４１）の底面に同心状に形成される複数の環状溝であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。

［8］上記［1］〜［7］のいずれかの単結晶製造装置において、蓋体（４）の薄肉部（４０）の径Ｄ1と坩堝本体（３）上端位置の内径Ｄ2の比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［9］上記［1］〜［8］のいずれかの単結晶製造装置において、蓋体（４）の薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体（４）の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．６〜１．２となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［10］上記［1］〜［8］のいずれかの単結晶製造装置において、蓋体（４）の薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体（４）の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．８０〜１．０５となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。

［11］上記［1］〜［10］のいずれかの単結晶製造装置において、蓋体（４）が、上下に重ねられた蓋本体（４ａ）とプレート（４ｂ）からなり、プレート（４ｂ）の下面中央部に種結晶が保持されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
［12］上記［1］〜［11］のいずれかの単結晶製造装置において、雰囲気ガスの導入口と排出口を備えた炉体（Ａ）内に育成坩堝（１）と加熱手段（２）が収納され、加熱手段（２）と炉体（Ａ）の内壁面との間に遮熱体（５）が設けられることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。

［13］昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、中央領域に薄肉部（４０）を有することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［14］上記［13］の蓋体において、上面に窪み（４１）が設けられることで薄肉部（４０）が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。

［15］上記［14］の蓋体において、窪み（４１）の外周縁がテーパー状であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［16］上記［14］又は［15］の蓋体において、窪み（４１）の全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［17］上記［16］の蓋体において、窪み（４１）の底面の全体又は中央領域が、円錐形状又は円錐台形状に隆起していることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。

［18］上記［14］〜［17］のいずれかの蓋体において、窪み（４１）の底面に複数の溝又は／及び小穴が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［19］上記［18］の蓋体において、複数の溝が、窪み（４１）の底面に同心状に形成される複数の環状溝であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［20］上記［13］〜［19］のいずれかの蓋体において、薄肉部（４０）の径Ｄ1は、坩堝本体上端位置の内径Ｄ2との比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。

［21］上記［13］〜［20］のいずれかの蓋体において、薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．６〜１．２となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［22］上記［13］〜［20］のいずれかの蓋体において、薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．８０〜１．０５となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
［23］上記［13］〜［22］のいずれかの蓋体において、上下に重ねられた蓋本体（４ａ）とプレート（４ｂ）からなり、プレート（４ｂ）の下面中央部に種結晶が保持されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。

本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置及びその部品である育成坩堝用の蓋体は、下面中央部に種結晶を保持する蓋体の中央領域に薄肉部を形成することにより、種結晶及びその周囲（蓋体の部位）を種結晶＜種結晶周囲となるような温度分布とすることができる。このため、昇華した原料物質の種結晶周囲への堆積を防止し、種結晶上で優先的に結晶成長させることができ、窒化アルミニウム単結晶を効率よく成長させることができる。また、原料物質の種結晶周囲への堆積が防止される結果、種結晶径方向での結晶成長を阻害するものがなくなり、これにより種結晶径方向での結晶成長が促進され、ドメインの収斂による結晶性の向上を図ることができる。このため、半導体デバイス用の基板材料などに適した高品質の窒化アルミニウム単結晶を効率的且つ低コストに製造することができる。

本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置の一実施形態を示す縦断面図 図１のII-II線に沿う断面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図 本発明の窒化アルミニウム単結晶製造装置に用いる蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図

本発明の単結晶製造装置は、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置である。図１及び図２は、本発明の単結晶製造装置の一実施形態を示すもので、図１は縦断面図、図２は図１のII-II線に沿う断面図である。
図において、１は育成坩堝、２はこの育成坩堝１を外側から加熱する加熱手段であり、これらは炉体Ａ（結晶成長炉）内に収納されている。
育成坩堝１は、上部が開放し、下部に原料物質ｘが収容される円筒状で有底の坩堝本体３と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、この坩堝本体３に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体４を備えている。

坩堝本体３は、原料物質ｘのセットを容易にするため上下２分割されており、原料物質ｘが収容される有底の下部坩堝本体３ａと、その上に置かれる筒状の上部坩堝本体３ｂで構成されている。なお、本実施形態では、下部坩堝本体３ａと上部坩堝本体３ｂは同径としてあるが、例えば、結晶成長部である上部坩堝本体３ｂの方を下部坩堝本体３ａより大径に構成してもよい。また、坩堝本体３は、本実施形態のように上下２分割された構造ではなく、一体型の構造としてもよい。
蓋体４は、下面中央部に種結晶ｓを保持（密着状態で保持）しており、坩堝本体３の上部にセット（載置）された状態で、保持した種結晶ｓが下向きとなり、坩堝本体３の下部に収容された原料物質ｘと対向する。
本発明装置の蓋体４は、その中央領域（保持した種結晶ｓの背面側となる中央領域）に薄肉部４０を有することを特徴とするが、これについては後に詳述する。

本実施形態の蓋体４は、種結晶ｓの交換や育成で得られた単結晶の取り出しを容易にするため、上下に重ねられた蓋本体４ａとプレート４ｂで構成され、プレート４ｂの下面中央部に種結晶ｓが保持されている。したがって、蓋体４は、下面中央部に種結晶ｓを保持したプレート４ｂが坩堝本体３の上部に置かれ、その上に重ねて蓋本体４ａが置かれることで、坩堝本体３に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる。なお、蓋体４は、本実施形態のように蓋本体４ａとプレート４ｂからなるのではなく、一体型のものとしてもよい。
蓋体４の径は、坩堝本体３（本実施形態では上部坩堝本体３ｂ）の外径とほぼ同じであり、特に制限はないが、一般には１０〜１５０ｍｍ程度である。また、蓋体４の厚み（蓋本体４ａとプレート４ｂを合わせた厚み）も特に制限はないが、一般には、中央領域の薄肉部４０及び外側領域の厚肉部を含めて０．２〜２０ｍｍ程度の範囲とする。

種結晶ｓは、任意の形状を有することができるが、本実施形態では円板状であり、蓋体４（本実施形態ではプレート４ｂ）の下面中央部に密着した状態で固定される。固定方法としては、例えば、熱融着による固定、固定具を用いた機械的な固定など、適宜な方法を採ることができる。
通常、種結晶ｓは、窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させ得るような方位を持った単結晶であって、表面（下面）が化学機械的研磨（ＣＭＰ）された窒化アルミニウム単結晶である。なお、種結晶ｓは、表面（下面）だけでなく、裏面についてもＣＭＰなどにより処理されていてもよい。

育成坩堝１は、下部坩堝本体３ａの上に上部坩堝本体３ｂを重ね置いて坩堝本体３を構成し、この坩堝本体３の上に、下面中央部に種結晶ｓを保持した蓋体４（蓋本体４ａ及びプレート４ｂ）を置くだけで組み立てられる。このように育成坩堝１は、原料物質ｘや種結晶ｓのセッティングの都合上、分解・組立式としてあるが、昇華した原料物質が育成坩堝１から漏出しないようにするため、育成坩堝１を構成する各部材間になるべく隙間が生じないように組み立てられることが好ましい。このため、例えば、隙間を生じやすい部分にシール材を巻き付けるようにしてもよい。

加熱手段２（ヒーター）は、例えば、抵抗加熱式ヒーター、高周波加熱装置、高周波誘導加熱装置などで構成される。加熱手段２は、育成坩堝１を所定の間隔で外囲するように配置される。この加熱手段２は、種結晶ｓ上で結晶成長させるのに最適な温度と、原料物質ｘを昇華させるのに最適な温度となるように、育成坩堝１を加熱する。
炉体Ａは、雰囲気ガスの導入口６と排気口７を備えている。導入口６にはガス供給管８が接続され、図示しないガス供給源から雰囲気ガスが供給される。また、排気口７には排気管９が接続され、この排気管９には排気ポンプ（図示せず）が設けられる。

この炉体Ａ内に収納された加熱手段２と炉体Ａの内壁面との間には、加熱手段２の熱から炉体Ａを保護するための遮熱体５が設けられている。本実施形態の遮熱体５は、上部及び下部に開口部５０、５１を有する筒体であり、炉体Ａの底部に置かれ、その内部に育成坩堝１と加熱手段２が収納されている。遮熱体５の下端には内フランジ５２が形成され、この内フランジ５２の上面に支持台１１がその外縁部を介して支持されるとともに、この支持台１１上に育成坩堝１と加熱手段２が支持されている。なお、遮熱体５は、複数のリング状部材を重ねて構成してもよいし、一体型に構成してもよい。
炉体Ａの上部中央部には石英ガラス板が嵌め込まれた窓１２が設けられ、この窓１２に面して放射温度計１０が配置され、この放射温度計１０により遮熱体５の開口部５０を通して蓋体４の温度が測定できるようになっている。

育成坩堝１を構成する坩堝本体３（下部坩堝本体３ａ、上部坩堝本体３ｂ）と蓋体４（蓋本体４ａ、プレート４ｂ）は、窒化アルミニウム単結晶よりも高い融点を有する材料で構成される。例えば、窒化アルミニウム単結晶の融点よりも高い融点を有する金属、窒化物、炭化物などの中から選ばれる１種以上で構成することができる。また、金属などの適当な母材に窒化アルミニウム単結晶の融点よりも高い融点を有する金属、窒化物、炭化物などの中から選ばれる１種以上からなるコーティングを施したもので構成してもよい。また、窒化アルミニウム単結晶の融点よりも高い融点を有する金属、窒化物、炭化物としては、特に、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、これらの各金属の合金、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）が好ましい。これらの材料は、窒化アルミニウム単結晶との反応性が低く、且つ高温での耐熱性に優れているため特に好適な材料である。

蓋体４は、その中央領域（保持した種結晶ｓの背面側となる中央領域）に薄肉部４０、すなわち外側領域よりも肉厚が薄い部分を有するが、本実施形態では、蓋体４（蓋本体４ａ）の上面に窪み４１（凹陥部）が設けられることで薄肉部４０が形成されている。通常、薄肉部４０（窪み４１）は、種結晶ｓと同じく円形状に形成され、且つ蓋体４の下面中央部に保持される種結晶ｓと同心状になるように形成される。

蓋体４の中央領域に薄肉部４０を形成する狙いは、次の通りである。育成坩堝１内で昇華した原料物質は温度が低い部位ほど堆積しやすい。一方、育成坩堝１の外側の雰囲気ガス温度は、加熱されている育成坩堝１よりも低く、このため蓋体４からその外側の雰囲気ガス中に抜熱が生じるが、蓋体４は厚さが薄いほど熱容量が小さいために抜熱効果が大きく、温度が低下しやすい。そこで、種結晶ｓの背面側（蓋体４の中央領域）の蓋体部分を薄肉部４０とすることで、種結晶ｓの温度が周囲の温度よりも低くなるようにし、原料物質が種結晶ｓに優先的に堆積し、種結晶ｓ上での結晶成長が促進されるようにしたものである。

薄肉部４０の厚さや径を選択することで、蓋体径方向での温度分布を調整することができる。
上述したように、薄肉部４０は抜熱効果によって種結晶ｓの温度を低下させるために設けられるので、その大きさ（径）は基本的に種結晶ｓの大きさ（径）との関係で決めることが好ましいが、種結晶ｓの一般的な大きさ（径）や、薄肉部４０を設けることによる効果を考慮した場合、通常、蓋体４の薄肉部４０の径Ｄ1と坩堝本体３の上端位置の内径Ｄ2の比率（Ｄ1／Ｄ2）は０．３〜０．９程度となる。

また、薄肉部４０（窪み４１）は、種結晶ｓの背面側の領域の温度だけが限定的に低下するように形成されることが好ましいので、蓋体４の薄肉部４０は、その径Ｄ1と蓋体４の下面中央部に保持される種結晶ｓの径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．６〜１．２となるように形成されるが好ましく、０．８０〜１．０５となるように形成されることが特に好ましい。ここで、比率（Ｄ1／Ｄs）の下限側の許容範囲に較べて上限側の許容範囲が狭いのは、種結晶ｓの径Ｄsに対して薄肉部４０の径Ｄ1が大きくなりすぎると、薄肉部４０により温度が低下して原料物質が堆積しやすくなる範囲が、種結晶周囲（蓋体下面）に大きく広がり、薄肉部４０を設けることによる効果が阻害されことになるからである。

薄肉部４０の厚さｔは、抜熱効果に大きな影響を与えるので、所望の温度分布に応じて決められる。したがって、薄肉部４０の厚さｔは特に限定しないが、通常、本実施形態や後述する図３、図９、図１０の実施形態のように窪み４１の底面がフラットの場合には、薄肉部４０の厚さｔは、外側領域の厚さｔ_０との比率（ｔ／ｔ_０）が０．０５〜０．９程度となるようにすることが好ましい。

一方、後述する図４〜図８の実施形態のように窪み４１の底面の全体又は中央領域が、中心側ほど高くなるような形状に隆起している場合には、窪みが最も深い薄肉部４０の外縁部での厚さｔ_１は、外側領域の厚さｔ_０との比率（ｔ_１／ｔ_０）が０．０５〜０．９程度となるようにし、また、薄肉部４０の中心部での厚さｔ_２（図４、図６〜図８の実施形態のように、この厚さｔ_２は外側領域の厚さｔ_０と同等かそれ以上の場合がある）は、外側領域の厚さｔ_０との比率（ｔ_２／ｔ_０）が０．１〜２．０程度となるようにすることが好ましい。なお、代表して、図４にｔ_１、ｔ_２、ｔ_０を示した。

図１及び図２の実施形態では、蓋体４の窪み４１は底面がフラットで外周縁が垂直に形成されているが、これに限らず種々の形態で形成することができる。
図３〜図１０は、それぞれ蓋体の他の実施形態を示すもので、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は平面図である。
図３の蓋体４は、窪み４１の外周縁がテーパー状（傾斜面）に構成されている。この場合、テーパー面４１０の直下に種結晶ｓの外周縁を位置させることにより、薄肉部４０により温度低下する領域を、種結晶ｓの背面側の領域に一致させやすくなる利点がある。

図４〜図８の蓋体４は、窪み４１全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成されたものであり、これらの実施形態では、窪み４１の底面の全体又は中央領域が、中心側ほど高くなるような形状（円錐形状又は円錐台形状）に隆起している。種結晶ｓと蓋体４は加熱手段２で外側から加熱されるので、窪み４１により形成される薄肉部４０は、その中心側ほど温度が低くなる。そこで、薄肉部４０の温度を径方向で均一化するため、薄肉部４０について中心側ほど厚みをもたせるようにしたものである。
なお、窪み４１の中心部の厚さｔ_２に特に制限はなく、薄肉部４０の温度を径方向で均一化するために、必要に応じて外側領域の厚さｔ_０よりも厚くしてもよい。

図４の蓋体４は、窪み４１の底面全体を円錐形状（図中の二点鎖線よりも上の部分）に隆起させ、窪み４１全体の厚さが中心側ほど厚くなるように構成されたものであるが、この実施形態の場合、窪み４１の中心部での蓋体４の厚さｔ_２は、外側領域での蓋体４の厚さｔ_０とほぼ同じである。
図５の蓋体４は、窪み４１の底面の中央領域を円錐形状（図中の二点鎖線よりも上の部分）に隆起させ、窪み４１の中央領域の厚さが中心側ほど厚くなるように構成されたものであるが、この実施形態の場合、窪み４１の中心部での蓋体４の厚さｔ_２は、外側領域での蓋体４の厚さｔ_０よりも薄い。

図６の蓋体４は、窪み４１の底面全体を円錐台形状（図中の二点鎖線よりも上の部分）に隆起させ、窪み４１全体の厚さが中心側ほど厚くなるように構成されたものであるが、この実施形態の場合、窪み４１の中心部での蓋体４の厚さｔ_２は、外側領域での蓋体４の厚さｔ_０とほぼ同じである。
図７の蓋体４は、窪み４１の底面全体を円錐形状（図中の二点鎖線よりも上の部分）に隆起させ、窪み４１全体の厚さが中心側ほど厚くなるように構成されたものであるが、この実施形態の場合、窪み４１の中心部での蓋体４の厚さｔ_２は、外側領域での蓋体４の厚さｔ_０よりも厚い。

図８の蓋体４は、窪み４１の底面全体を円錐台形状（図中の二点鎖線よりも上の部分）に隆起させ、窪み４１全体の厚さが中心側ほど厚くなるように構成されたものであるが、この実施形態の場合も、窪み４１の中心部での蓋体４の厚さｔ_２は、外側領域での蓋体４の厚さｔ_０よりも厚い。
なお、図４〜図８の実施形態では、窪み４１の底面の全体又は中央領域を、円錐形状又は円錐台形状に隆起させているが、底面の全体又は中央領域を球面状やドーム状に隆起させてもよい。

図９の蓋体４は、窪み４１の底面（フラットな底面）に複数の溝４１１が格子状に形成され、薄肉部４の表面積を増加させることで抜熱効果が高められるようにしている。また、溝の代わりに或いは溝とともに小穴を形成してもよい。
図１０の蓋体４は、図９の蓋体４と同じ目的で、窪み４１の底面（フラットな底面）に複数の環状溝４１１ａが同心状に形成されている。また、さきに述べたように、窪み４１により形成される薄肉部４０は、その中心側ほど温度が低くなるので、薄肉部４０の温度を径方向で均一化するため、最内側の環状溝４１１ａの直径をある程度の大きさとし、その内側に適当な大きさの平坦部４１２が形成されるようにしてもよい。

また、図９、図１０の実施形態では、窪み４１の底面に溝４１１や環状溝４１１ａを設けることにより、薄肉部４０に凹凸が形成されて厚みが一定でない構造となるが、このような構造により、次のような作用効果も得られる。種結晶ｓの表面は、温度が低い部位ほど原料物質が堆積しやすい（結晶成長がしやすい）。蓋体４（薄肉部４０）に凹凸を形成して厚みが一定でない構造とすると、蓋体４の抜熱効果が面内で不均一になるため、種結晶ｓの面内に温度が高い部位と低い部位が生じ、種結晶面内の温度分布が不均一となる。これにより、種結晶面内におけるドメイン領域ごとの結晶成長速度に差が生じて、種結晶面内において温度が低い部位のドメイン領域に堆積が起こりやすくなり（すなわち結晶成長速度が大きくなる）、当該ドメイン領域の優先的な成長が起こり、成長速度の遅いドメインを覆いこむように結晶成長が生じる。このためドメインの収斂が効率的に起こり、窒化アルミニウム単結晶の結晶性を向上させることができる。
なお、薄肉部４０に形成する凹凸は、図９や図１０に示すような複数の溝や小穴を、蓋体４の下面に設けることにより形成してもよく、さらに、窪み４１の底面と蓋体４の下面の両方に設けることにより形成してもよい。また、溝や穴の形態、設け方などは任意である。

また、図３〜図１０の実施形態の窪み４１の構成を組み合わせたもの、すなわち、（i）窪み４１の外周縁がテーパー状（傾斜面）に構成される、（ii）窪み４１全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成される（例えば、窪み４１の底面の全体又は中央領域を、中心側ほど高くなるような形状（円錐形状又は円錐台形状など）に隆起させる）、（iii）窪み４１の底面に複数の溝又は／及び小穴が形成される（複数の溝が、同心状に形成される複数の環状溝である場合を含む）、という構成を２つ以上を備える蓋体４としてもよい。
また、以上述べた各実施形態では、薄肉部４０は蓋体４の上面に窪み４１を設けることで形成されているが、薄肉部４０の設け方はこれに限定されるものではない。

次に、本実施形態の単結晶製造装置を使用した単結晶の製造方法について説明する。
原料物質ｘとしては、例えば、市販のＡｌＮ粉末を１８００〜２３００℃程度で加熱処理し、凝集体としたものを使用する。
原料物質ｘを収容した坩堝本体３（下部坩堝本体３ａ及び上部坩堝本体３ｂ）と、下面中央部に種結晶ｓを保持した蓋体４（蓋本体４ａ及びプレート４ｂ）を図１のような育成坩堝１に組み立て、この育成坩堝１と加熱手段２と遮熱体５を図１のように炉体Ａ内にセットする。
製造開始に当たり、炉体Ａの排出口７に接続された排気管９の排気ポンプにより炉体Ａ内を減圧し、ガス供給源から供給される雰囲気ガス（窒素ガスなどの非酸化性ガス）をガス供給管８及び導入口６を通じて炉体Ａ内に導入し、炉体Ａ内を非酸化性ガス雰囲気とする。

次いで、加熱手段２による加熱を開始し、種結晶ｓの表面を昇温させるとともに、原料物質ｘを昇温させる。この時、蓋体４からの抜熱の影響により、育成坩堝１内では、上部側ほど温度が低く、下部側ほど温度が高くなるような温度勾配が形成される。原料物質ｘが一定温度まで加熱されると、原料物質ｘの昇華が始まる。昇華した原料物質ｘは、上記のような温度勾配に従い低温側である育成坩堝１の上部側に移動する。昇華した原料物質ｘは、温度が低い部位ほど堆積しやすいが、坩堝本体３の上部坩堝本体３ｂは加熱手段２による加熱の影響を大きく受けるために、種結晶ｓや蓋体４よりも高温状態となっているため、その内面には原料物質ｘの堆積は生じにくい。

一方、種結晶ｓと蓋体４の温度は、加熱手段２による加熱と蓋体４からの抜熱の影響を大きく受ける。育成坩堝１の外側の炉内雰囲気ガス温度（一般に１５００〜２０００℃程度）は、加熱手段２で加熱されている種結晶ｓや蓋体４の温度（一般に１８００〜２３００℃程度）よりも低く、このため蓋体４から炉内雰囲気ガス中に抜熱が生じるが、蓋体４は厚さが薄いほど熱容量が小さいために抜熱効果が大きい。したがって、蓋体４の中央領域（保持した種結晶ｓの背面側となる中央領域）に形成された薄肉部４０は、外側領域の部分（厚肉部）よりも抜熱効果が大きく、外側領域よりも温度が低くなり、このため蓋体４の下面中央部に保持（密着保持）された種結晶ｓの温度も、その周囲（蓋体４の外側領域の部分）よりも低くなる。昇華した原料物質は、温度が低い部位ほど堆積しやすいため、温度が高い種結晶ｓの周囲に堆積することなく、温度が低い種結晶ｓ上に優先的に堆積し、種結晶ｓ上での結晶成長が促進されることになる。また、昇華した原料物質が種結晶ｓの周囲に堆積することが防止される結果、種結晶径方向での結晶成長を阻害するものがなくなり、このため種結晶径方向での結晶成長が促進され、ドメインの収斂による結晶性の向上を図ることが可能となる。

なお、以上のような窒化アルミニウム単結晶の製造中、炉体Ａ内にはガス供給管８及び導入口６を通じて雰囲気ガスが導入されるとともに、排気ポンプにより排気口７及び排気管９を通じて炉体Ａ内の雰囲気ガスが排出され、且つ炉内圧力が一定に保たれる。このようなガスの給排気と炉内圧力のコントロールにより、炉体Ａや育成坩堝１内に酸素を浸入させることなく、安定した操業を行うことができる。
また、放射温度計１０で蓋体４の温度を測定し、例えば、加熱手段２の不具合による蓋体４の温度異常などを検知する。

また、窒化アルミニウム単結晶製造装置の部品である本発明に係る育成坩堝用の蓋体は、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、中央領域に薄肉部４０を有するものであり、その構成及び実施形態は、上述した通りである。

［窒化アルミニウム単結晶の製造例］
図１及び図２に示す本発明の単結晶製造装置を用い、窒化アルミニウム単結晶を製造した。装置の仕様は以下の通りである。
（1）坩堝本体３
・高さ：１００ｍｍ
・内径Ｄ2：６５ｍｍ
（2）蓋体４
・薄肉部４０の厚さ：０．５ｍｍ
・薄肉部４０以外の部分（外側領域）の厚さ：５ｍｍ
・薄肉部４０（窪み４１）の径Ｄ1：４１ｍｍ
（3）加熱手段２
・加熱方式：高周波誘導加熱式ヒーター
（4）種結晶s
・（０００１）方位を有し、表面がＣＭＰで表面処理されたＡｌＮ単結晶板
・径Ｄs：４０ｍｍ
・厚さ：１．０ｍｍ

原料物質としては、市販のＡｌＮ粉末（平均粒径１．２μｍ）を予め窒素雰囲気中で約１５００〜２０００℃で加熱処理し、凝集させて得られたＡｌＮ凝集体を用いた。この原料物質を坩堝本体３に収容した後、装置を構成する各部材を組み立て、図１及び図２に示すような装置とした。

製造開始に当たり、排気管９に設けられた排気ポンプを用いて、炉体Ａ内の空気を１．０×１０^−３Ｐａ以下となるまで排気した後、原料物質ｘ中の吸着酸素の蒸発を容易にするために、坩堝本体３を加熱手段２により下部坩堝本体３ａが約４００℃になるまで加熱した。その後、前記排気ポンプで炉体Ａ内を５．０×１０^−４Ｐａ以下まで排気した後、窒素ガスを導入し、炉体Ａ内が所定圧力（３００ｋＰａ）に到達したところで、加熱手段２によるさらなる加熱を行い、種結晶ｓの温度が１８００〜２０００℃、原料物質ｘの温度が２０００〜２３００℃になるまで昇温を行いながら（蓋体４からの抜熱の影響によってこのような温度勾配となる）、前記排気ポンプで炉体Ａ内を１００ｋＰａまで排気し、原料物質ｘを昇華させ、種結晶ｓの方位（０００１）でＡｌＮ単結晶の育成を１００時間行った。育成後、育成坩堝１を取り出し、種結晶ｓの周囲を確認したところ、蓋体４（プレート４ｂ）下面や坩堝本体３（上部坩堝本体３ｂ）の内壁面にはＡｌＮ多結晶の堆積はほとんど見られず、種結晶ｓにのみＡｌＮが堆積し、ＡｌＮ単結晶が成長しているのが確認できた。ＡｌＮの堆積している範囲の直径は約４０ｍｍであった。

比較例の製造装置として、蓋体４のみを薄肉部４０（窪み４１）がない平坦な蓋体（厚さ５ｍｍ）に変更した製造装置を用い、ＡｌＮ単結晶を製造した。その結果、種結晶ｓの周囲の蓋体面にＡｌＮ多結晶の堆積が多く確認された。ＡｌＮの堆積している範囲の直径は約６５ｍｍであり、坩堝本体の内径と同等の範囲にＡｌＮの堆積が見られた。

上述した本発明の製造装置と比較例の製造装置でそれぞれ製造されたＡｌＮ単結晶の結晶性を以下のように評価した。製造されたＡｌＮ単結晶から所定の面方位に切り出し、外形を整えたＡｌＮ単結晶基板を、遊離砥粒にて両面ラッピング加工した後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）を実施した。このようにして得られたＡｌＮ単結晶基板のロッキングカーブ測定を行い、半値全幅（FWHM：Full Width at Half Maximum）を求めた。
その結果、比較例の製造装置で製造されたＡｌＮ単結晶基板は１４７arcsecであったのに対して、本発明の製造装置で製造されたＡｌＮ単結晶基板は９０arcsecであり、本発明の製造装置で製造されたＡｌＮ単結晶は、比較例の製造装置で製造されたＡｌＮ単結晶に較べて結晶性の面でも優れていることが確認できた。

１ 育成坩堝
２ 加熱手段
３ 坩堝本体
３ａ 下部坩堝本体
３ｂ 上部坩堝本体
４ 蓋体
４ａ 蓋本体
４ｂ プレート
５ 遮熱体
６ 導入口
７ 排気口
８ ガス供給管
９ 排気管
１０ 放射温度計
１１ 支持台
１２ 窓
４０ 薄肉部
４１ 窪み
５０，５１ 開口部
５２ 内フランジ
４１０ テーパー面
４１１ 溝
４１１ａ 環状溝
４１２ 平坦部
Ａ 炉体
ａ 炉内空間

Claims (21)

1. 育成坩堝（１）と、該育成坩堝（１）を外側から加熱する加熱手段（２）を備え、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、
   育成坩堝（１）は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体（３）と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、坩堝本体（３）に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体（４）を備え、
   蓋体（４）は、その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
   蓋体（４）の薄肉部（４０）の径Ｄ1と坩堝本体（３）上端位置の内径Ｄ2の比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
2. 育成坩堝（１）と、該育成坩堝（１）を外側から加熱する加熱手段（２）を備え、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、
   育成坩堝（１）は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体（３）と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、坩堝本体（３）に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体（４）を備え、
   蓋体（４）は、その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
   蓋体（４）の薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体（４）の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．６〜１．２となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
3. 蓋体（４）の薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体（４）の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．８０〜１．０５となるように形成されることを特徴とする請求項２に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
4. 蓋体（４）の薄肉部（４０）の径Ｄ1と坩堝本体（３）上端位置の内径Ｄ2の比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９であることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
5. 育成坩堝（１）と、該育成坩堝（１）を外側から加熱する加熱手段（２）を備え、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、
   育成坩堝（１）は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体（３）と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、坩堝本体（３）に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体（４）を備え、
   蓋体（４）は、その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
   窪み（４１）の全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
6. 窪み（４１）の底面の全体又は中央領域が、円錐形状又は円錐台形状に隆起していることを特徴とする請求項５に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
7. 育成坩堝（１）と、該育成坩堝（１）を外側から加熱する加熱手段（２）を備え、昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置であって、
   育成坩堝（１）は、上部が開放し、下部に原料物質が収容される坩堝本体（３）と、下面中央部に種結晶を保持した状態で、坩堝本体（３）に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体（４）を備え、
   蓋体（４）は、その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
   窪み（４１）の底面に複数の溝又は／及び小穴が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置。
8. 複数の溝が、窪み（４１）の底面に同心状に形成される複数の環状溝であることを特徴とする請求項７に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
9. 窪み（４１）の外周縁がテーパー状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
10. 蓋体（４）が、上下に重ねられた蓋本体（４ａ）とプレート（４ｂ）からなり、プレート（４ｂ）の下面中央部に種結晶が保持されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
11. 雰囲気ガスの導入口と排出口を備えた炉体（Ａ）内に育成坩堝（１）と加熱手段（２）が収納され、加熱手段（２）と炉体（Ａ）の内壁面との間に遮熱体（５）が設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置。
12. 昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、
    その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
    薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と坩堝本体上端位置の内径Ｄ2との比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
13. 昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、
    その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
    薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．６〜１．２となるように形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
14. 薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と蓋体の下面中央部に保持される種結晶の径Ｄsとの比率（Ｄ1／Ｄs）が０．８０〜１．０５となるように形成されることを特徴とする請求項１３に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
15. 薄肉部（４０）は、その径Ｄ1と坩堝本体上端位置の内径Ｄ2との比率（Ｄ1／Ｄ2）が０．３〜０．９となるように形成されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
16. 昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、
    その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
    窪み（４１）の全体又は中央領域の厚さが、中心側ほど厚くなるように構成されることを特徴とする記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
17. 窪み（４１）の底面の全体又は中央領域が、円錐形状又は円錐台形状に隆起していることを特徴とする請求項１６に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
18. 昇華法により窒化アルミニウム単結晶を製造する装置において、下面中央部に種結晶を保持した状態で、育成坩堝を構成する坩堝本体に対してその開放した上部を塞ぐようにセットされる蓋体であって、
    その中央領域に、蓋体上面に窪み（４１）が設けられることで形成される薄肉部（４０）を有するとともに、蓋体下面が種結晶保持用の台座がない単一の平坦面で構成され、
    窪み（４１）の底面に複数の溝又は／及び小穴が形成されることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
19. 複数の溝が、窪み（４１）の底面に同心状に形成される複数の環状溝であることを特徴とする請求項１８に記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
20. 窪み（４１）の外周縁がテーパー状であることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。
21. 上下に重ねられた蓋本体（４ａ）とプレート（４ｂ）からなり、プレート（４ｂ）の下面中央部に種結晶が保持されることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶製造装置における育成坩堝の蓋体。

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