JP7138561B2 - Vapor phase growth apparatus and method for producing group III nitride single crystal - Google Patents

Vapor phase growth apparatus and method for producing group III nitride single crystal Download PDF

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Description

本発明は、気相成長装置および該気相成長装置を用いたIII族窒化物単結晶の製造方法に関する。詳しくは高品質のIII族窒化物単結晶を安定的に製造することが可能な気相成長装置および該気相成長装置を用いたIII族窒化物単結晶の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a vapor phase growth apparatus and a method for producing a Group III nitride single crystal using the vapor phase growth apparatus. More specifically, the present invention relates to a vapor phase growth apparatus capable of stably producing high-quality group III nitride single crystals and a method for producing group III nitride single crystals using the vapor phase growth apparatus.

窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムといったIII族窒化物半導体は任意の組成の混晶半導体をつくることが可能であり、その混晶組成によって、バンドギャップの値を変えることが可能である。したがって、III族窒化物半導体結晶を用いることにより、原理的には赤外光から紫外光までの広範囲な発光素子を作ることが可能となる。特に、近年ではアルミニウム系III族窒化物半導体(主に窒化アルミニウムガリウム混晶)を用いた発光素子の開発が精力的に進められている。 Group III nitride semiconductors such as aluminum nitride, gallium nitride, and indium nitride can be mixed crystal semiconductors of any composition, and the bandgap value can be changed depending on the composition of the mixed crystal. Therefore, by using a group III nitride semiconductor crystal, in principle, it is possible to manufacture a wide range of light-emitting devices from infrared light to ultraviolet light. In particular, in recent years, the development of light-emitting devices using aluminum-based group III nitride semiconductors (mainly aluminum gallium nitride mixed crystals) has been vigorously pursued.

上記III族窒化物単結晶基板の製造方法としては、昇華(PVT:Physical Vapor Transport)法や有機金属気相成長(MOCVD:Metalorganic Chimical Vapor Deposition)法、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の気相成長法が知られている。PVT法とは、固体のIII族窒化物を高温で昇華させ、低温のベース基板上で析出させることでIII族窒化物単結晶を成長させる方法である。高い成長速度で厚膜を成長することが可能であるというメリットがある。一方、MOCVD法や、HVPE法は、ベース基板上に、III族源ガス(例えば塩化アルミニウムガス等)と窒素源ガス(例えば、アンモニアガス等)とを反応させて、単結晶を製造する方法である。 Examples of the method for producing the group III nitride single crystal substrate include a sublimation (PVT: Physical Vapor Transport) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and a hydride vapor phase epitaxy (HVPE: Hydride Vapor Phase Epitaxy) method. ) method is known. The PVT method is a method for growing a group III nitride single crystal by sublimating a solid group III nitride at a high temperature and precipitating it on a low-temperature base substrate. There is an advantage that a thick film can be grown at a high growth rate. On the other hand, the MOCVD method and the HVPE method are methods of producing a single crystal by reacting a Group III source gas (eg, aluminum chloride gas, etc.) and a nitrogen source gas (eg, ammonia gas, etc.) on a base substrate. be.

上記の気相成長法の課題として、ベース基板表面或いは該III族窒化物単結晶層中への異物の混入がある。異物が結晶成長表面に付着した状態で結晶成長を行うと、付着した異物周辺における結晶成長異常による結晶欠陥の発生や成長層の膜厚異常の要因となり、III族窒化物単結晶層上に積層される発光素子における発光効率の低下等の性能低下の要因となることが知られている。さらに、異物が付着した箇所は他の領域と比べて機械強度が著しく低下し、研磨加工時においてピット(窪み)を形成するばかりでなく、発光素子層を積層させた後にチップ形状に切断加工する際に、加工割れの起点となりやすく、該基板を用いて製造される発光素子の歩留を大きく低下させる要因となることも知られている。従って、III族窒化物単結晶積層体の製造時における異物の混入は可能な限り低減させることが望まれている。 A problem with the vapor phase growth method is the contamination of the base substrate surface or the Group III nitride single crystal layer with foreign matter. If crystal growth is performed with foreign matter adhering to the crystal growth surface, crystal growth abnormalities around the adhering foreign matter will cause crystal defects and abnormal thickness of the growth layer, and will be stacked on the group III nitride single crystal layer. It is known that it causes deterioration in performance such as reduction in luminous efficiency in a light-emitting element that is used. Furthermore, the location where the foreign matter adheres has a significantly lower mechanical strength than other regions, and not only forms pits (dents) during polishing, but also cuts into chip shapes after laminating the light emitting element layer. It is also known that the substrate tends to become a starting point of cracks during processing and causes a significant decrease in the yield of light-emitting devices manufactured using the substrate. Therefore, it is desired to reduce the contamination as much as possible during the production of the Group III nitride single crystal laminate.

ここで、異物の混入の主な原因は、原料ガスの輸送あるいは反応中に副生するIII族窒化物やIII族金属等の固体粒子がベース基板に付着することであると考えられており、固体粒子の生成を防ぎながら、結晶成長を行う方法は種々提案されている。例えば、窒化アルミニウム単結晶の製造方法として原料ガスであるハロゲン化アルミニウムガスと窒素源ガスとを塩化水素ガスのようなハロゲン系ガス存在下で反応させることにより、一ハロゲン化アルミニウムガスの平衡分圧を格段に下げて単結晶を製造する方法(特許文献1参照)、反応器内のガスの流れを調整することにより、気相反応で生じた粒子が結晶成長面に付着するのを防止し、高品質な単結晶を製造する方法(特許文献2参照)、原料ガスを供給する前にハロゲン系ガスを供給することで、反射X線トポグラフにより明点として観察される結晶欠陥を低減できる方法(特許文献3、4参照)、等が知られている。上記の方法により気相成長法における異物の混入、副反応の抑制がある程度達成され、高品質なIII族窒化物単結晶層が製造できるようになってきている。 Here, it is believed that the main cause of contamination by foreign matter is adherence of solid particles such as group III nitrides and group III metals, which are produced by-products during the transportation or reaction of the raw material gas, to the base substrate. Various methods have been proposed for growing crystals while preventing the formation of solid particles. For example, as a method for producing an aluminum nitride single crystal, an aluminum halide gas as a raw material gas and a nitrogen source gas are reacted in the presence of a halogen-based gas such as hydrogen chloride gas to obtain an equilibrium partial pressure of an aluminum monohalide gas. A method for producing a single crystal by significantly lowering the A method for producing a high-quality single crystal (see Patent Document 2), a method for reducing crystal defects observed as bright spots by reflection X-ray topography by supplying a halogen-based gas before supplying a raw material gas (see Patent Document 2). See Patent Documents 3 and 4), etc. are known. By the above method, contamination by foreign substances and side reactions in the vapor phase epitaxy can be suppressed to some extent, and a high-quality Group III nitride single crystal layer can be produced.

特開2015-017030号JP 2015-017030 国際公開WO2014/031119号International publication WO2014/031119 特開2016-216342JP 2016-216342 国際公開WO2016/076270号International publication WO2016/076270

気相成長装置において、原料ガスは、成長部の種基板上での結晶成長や、気相成長を行う反応管を構成する部材の壁面や気相中での寄生反応により消費される。しかしながら、上記反応に供される原料ガスは、反応管に供給される原料ガスの一部であり、多くの原料ガスはそのまま排気される。 In the vapor phase growth apparatus, the raw material gas is consumed by crystal growth on the seed substrate in the growth section, and by parasitic reactions in the vapor phase and on the walls of the members constituting the reaction tube for vapor phase growth. However, the raw material gas supplied to the reaction is a part of the raw material gas supplied to the reaction tube, and most of the raw material gas is exhausted as it is.

気相成長反応を行った際に排出される排ガスは、気相成長装置に接続される湿式スクラバー等の排ガス処理装置に送られ排ガス処理装置にて排ガス中の原料ガス等の有害成分を吸収させることで除害する構成になっていることが一般的である。 Exhaust gas emitted during the vapor phase growth reaction is sent to an exhaust gas treatment device such as a wet scrubber connected to the vapor phase growth apparatus, and the exhaust gas treatment device absorbs harmful components such as raw material gases in the exhaust gas. It is common to have a configuration that abolishes harm by

しかしながらIII族窒化物単結晶の成長条件によっては、排ガス処理装置での排ガスの除害が十分に行えずに大気中に排気されてしまう場合や、反応管から排ガス処理装置へ通ずる排気配管中で固体の析出が生じ、III族窒化物単結晶層の成長中に上記排気配管の閉塞が生じる場合があることが本発明者らの検討により判明した。そして、閉塞が生じると、圧力が上がるためそれ以上の時間の成長が行えないことのほか、排ガスが逆流することによってIII族窒化物単結晶中への異物の混入の原因にもなることが分かった。 However, depending on the growth conditions of the group III nitride single crystal, the exhaust gas may not be sufficiently detoxified in the exhaust gas treatment apparatus and may be exhausted into the atmosphere, or in the exhaust pipe leading from the reaction tube to the exhaust gas treatment apparatus. The study by the present inventors has revealed that the exhaust pipe may be clogged during the growth of the group III nitride single crystal layer due to solid precipitation. It was also found that when clogging occurs, growth cannot be continued for a longer period of time due to an increase in pressure, and in addition, backflow of exhaust gas may cause foreign matter to enter the group III nitride single crystal. rice field.

従って、本発明の目的は、排ガス処理装置における排ガスの除害の課題、および排気配管中の固体の析出による閉塞の課題を解決し、高品質のIII族窒化物単結晶層を安定的に製造することが可能な気相成長装置及び該気相成長装置を用いたIII族窒化物単結晶の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problem of exhaust gas abatement in an exhaust gas treatment device and the problem of clogging due to deposition of solids in the exhaust pipe, and to stably produce a high-quality group III nitride single crystal layer. It is an object of the present invention to provide a vapor phase epitaxial growth apparatus and a method for producing a Group III nitride single crystal using the vapor phase epitaxial growth apparatus.

本発明者らは、上記問題を解決するために検討を行った。III族ハロゲン化物ガスとアンモニアガスを用いてIII族窒化物単結晶を成長する反応管より排出される排ガスの組成およびそれらのガスを冷却した場合に析出する固体の組成を熱力学解析により求めた。その結果、排ガス中には、主にIII族ハロゲン化物ガス、アンモニアガス、ハロゲン化水素ガスおよびキャリアガスが含まれることが分かった。また、冷却した場合の析出物には、主にIII族窒化物、ハロゲン化アンモニウムおよびIII族ハロゲン化物が含まれることが分かった。そしてそれらの組成は、原料ガスやキャリアガスの供給流量および冷却温度によって変化することが分かった。さらにそれらのガスまたは析出物が排ガス処理装置である湿式スクラバーへ供給された場合に生じる反応を解析したところ、塩化ガリウムや塩化アルミニウム等のガス状或いは固体状のIII族ハロゲン化物が、スクラバー中の水と接触すると激しい発熱反応により塩化水素を発生し、発熱による排ガス処理装置への負荷が懸念されることが推測された。通常は排ガス処理装置内は室温であるため、III族ハロゲン化物がガスの状態で該排ガス処理装置内に供給されることは殆どないが、排ガス処理装置へ通じる配管内に析出したIII族ハロゲン化物の固体が気流にのって排ガス処理装置内へ供給されることはあると考えられる。これらのことから、排ガスの除害の課題および排ガス処理装置への負荷の懸念は、主としてIII族ハロゲン化物が原因であると推測された。また、閉塞の課題にあたっては、III族窒化物ではなく、比較的密度の低いIII族ハロゲン化物およびハロゲン化アンモニウムが原因であると推測された。従って、III族窒化物単結晶を成長する反応管から排ガス処理装置に至るまでに該反応管より排出される排ガス中のIII族ハロゲン化物ガス、およびハロゲン化アンモニウムの原料となるハロゲン系ガスとアンモニウムガスのいずれかの成分を捕集することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors conducted studies to solve the above problems. The composition of the exhaust gas discharged from a reaction tube for growing a group III nitride single crystal using a group III halide gas and an ammonia gas and the composition of a solid precipitated when these gases are cooled were determined by thermodynamic analysis. . As a result, it was found that the exhaust gas mainly contained group III halide gas, ammonia gas, hydrogen halide gas and carrier gas. It was also found that the precipitates upon cooling mainly contained group III nitrides, ammonium halides and group III halides. It was also found that their composition changes depending on the supply flow rates of the raw material gas and carrier gas and the cooling temperature. Furthermore, analysis of the reaction that occurs when these gases or precipitates are supplied to a wet scrubber, which is an exhaust gas treatment device, revealed that gaseous or solid group III halides such as gallium chloride and aluminum chloride are contained in the scrubber. It was presumed that hydrogen chloride was generated by a violent exothermic reaction when it came into contact with water, and there was concern about the load on the exhaust gas treatment equipment due to heat generation. Since the inside of the exhaust gas treatment apparatus is usually at room temperature, group III halides are hardly supplied in the gaseous state into the exhaust gas treatment apparatus, but group III halides precipitated in the pipe leading to the exhaust gas treatment apparatus It is conceivable that the solids may be supplied into the exhaust gas treatment apparatus along with the air current. From these facts, it was speculated that the problem of exhaust gas abatement and concern about the load on the exhaust gas treatment apparatus were mainly caused by group III halides. It was also speculated that the clogging problem was due to relatively low density group III halides and ammonium halides rather than group III nitrides. Therefore, from the reaction tube for growing the group III nitride single crystal to the exhaust gas treatment apparatus, the group III halide gas in the exhaust gas discharged from the reaction tube, and the halogen-based gas and ammonium which are the raw materials of the ammonium halide The inventors have found that the above problems can be solved by collecting any component of the gas, and have completed the present invention.

すなわち、第一の発明は、III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させることにより基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる成長部反応域を有する成長部、及び該成長部を経たガスを排出する排出部を備えた気相成長装置であって、
前記排出部が、前記成長部を経た排出ガスの少なくとも一種の成分を捕集する捕集部と、該捕集部を経た排ガス中の少なくとも一種の成分を捕集する排ガス処理装置とを備え、
前記III族原料ガスがハロゲン化アルミニウムガスであり、前記窒素源ガスがアンモニアガスであり、前記III族窒化物単結晶が窒化アルミニウム単結晶であり、
前記排出ガスは、塩化アルミニウムガス及び塩化水素ガスを含み、
前記成長部と前記捕集部との間に、
前記成長部を経た前記排出ガスのうち前記塩化水素ガスと反応するアンモニアガスを供給し、前記成長部を経た前記排出ガス中の該塩化水素ガス成分と該アンモニアガスとを反応せしめる排出ガス反応域を有し、
前記排出ガス反応域は、前記成長部と第1の排出ガス供給管で接続されているとともに前記捕集部と第2の排出ガス供給管で接続されており、前記アンモニアガスを供給する ンモニアガス供給口を複数有し、
前記第2の排出ガス供給管は、10cm以上2m以下であり、
前記捕集部は、フィルター及び外部冷却装置を備え、塩化アルミニウム及び塩化アンモ ニウムを捕集し、
前記排ガス処理装置は、水を含む捕集液を備え、
前記捕集部の温度を190℃以下とする、気相成長装置である。
That is, the first invention provides a growth section having a growth section reaction zone for growing a group III nitride single crystal on a substrate by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas, and a gas that has passed through the growth section. A vapor phase growth apparatus comprising a discharge section for discharging
The discharge unit includes a collection unit that collects at least one component of the exhaust gas that has passed through the growth unit, and an exhaust gas treatment device that collects at least one component in the exhaust gas that has passed through the collection unit,
The group III source gas is an aluminum halide gas, the nitrogen source gas is ammonia gas, the group III nitride single crystal is an aluminum nitride single crystal,
The exhaust gas contains aluminum chloride gas and hydrogen chloride gas,
Between the growth section and the collection section,
an exhaust gas reaction zone for supplying ammonia gas that reacts with the hydrogen chloride gas out of the exhaust gas that has passed through the growth section, and causing the hydrogen chloride gas component in the exhaust gas that has passed through the growth section to react with the ammonia gas; has
The exhaust gas reaction zone is connected to the growth section by a first exhaust gas supply pipe and is connected to the trapping section by a second exhaust gas supply pipe . having a plurality of gas supply ports,
The second exhaust gas supply pipe has a length of 10 cm or more and 2 m or less,
The collecting unit is equipped with a filter and an external cooling device to collect aluminum chloride and ammonium chloride ,
The exhaust gas treatment device includes a collection liquid containing water,
In the vapor phase growth apparatus, the temperature of the collection part is set to 190° C. or less.

上記本発明の気相成長装置では、以下の態様を取ることが好ましい。
前記排出部反応域は、複数の前記アンモニアガス供給口を有するアンモニアガス供給管 を備えることが好ましい。
また、前記成長部が、前記III族原料ガスと前記窒素源ガスとを反応させることにより基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる成長部反応域を有する反応管と、
前記成長部反応域に配設され、基板を保持する保持台と、
III族原料ガスを前記反応域へ供給する、III族原料ガス供給ノズルと、
窒素源ガスを成長部反応域へ供給するための窒素源ガス供給ノズルとを有し、
さらに、ハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを成長部反応域へ供給する構造となっていることが好ましい。
It is preferable that the vapor phase growth apparatus of the present invention take the following aspects.
It is preferable that the outlet reaction zone includes an ammonia gas supply pipe having a plurality of the ammonia gas supply ports .
a reaction tube in which the growth section has a growth section reaction zone for growing a group III nitride single crystal on a substrate by reacting the group III source gas and the nitrogen source gas;
a holding table disposed in the reaction zone of the growth section and holding a substrate;
a group III source gas supply nozzle for supplying a group III source gas to the reaction zone;
a nitrogen source gas supply nozzle for supplying the nitrogen source gas to the growth zone reaction zone;
Furthermore, it is preferable to have a structure in which at least one type of halogen-based gas selected from hydrogen halide gas and halogen gas is supplied to the growth zone reaction zone.

また、第二の本発明は、上記の気相成長装置の前記成長部反応域に、III族原料ガスであるハロゲン化アルミニウムガスと、窒素源ガスであるアンモニアガスとを供給することにより、前記III族原料ガスと前記窒素源ガスとを反応させる工程を有し、
該工程において、ハロゲン化水素ガス及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを前記成長部反応域に供給する、III族窒化物単結晶である窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。
In the second aspect of the present invention, the above- described Having a step of reacting the group III source gas and the nitrogen source gas,
In the process, at least one halogen-based gas selected from a hydrogen halide gas and a halogen gas is supplied to the reaction zone of the growth section, in the method for producing an aluminum nitride single crystal which is a Group III nitride single crystal.

本発明の気相成長装置は、III族窒化物単結晶を気相成長法により製造する際に排出されるガスを排ガス処理装置で処理する前に該排ガス中に含有される塩化ガリウムガスや塩化アルミニウムガス等のIII族ハロゲン化物ガス、あるいはハロゲン化アンモニウム析出の原料となるハロゲン系ガスあるいはアンモニアガスを予め捕集する捕集部を設けることが特徴である。このような構造とすることによりIII族ハロゲン化物の排ガス処理装置への流入を抑制し、該排ガス処理装置中の水とIII族ハロゲン化物との反応を抑制することができ、排ガス処理装置における排ガスの除害の課題、および、III族ハロゲン化物やハロゲン化アンモニウムが排気配管中に析出することによる閉塞の課題を解決し、高品質のIII族窒化物単結晶を安定的に製造することが可能である。 The vapor phase growth apparatus of the present invention removes gallium chloride gas and chloride contained in the exhaust gas emitted from the production of a group III nitride single crystal by the vapor phase growth method, before treating the gas with the exhaust gas treatment apparatus. It is characterized by the provision of a collecting section for previously collecting group III halide gas such as aluminum gas, or halogen-based gas or ammonia gas as raw materials for deposition of ammonium halide. By adopting such a structure, it is possible to suppress the inflow of group III halides into the exhaust gas treatment apparatus, suppress the reaction between water in the exhaust gas treatment apparatus and the group III halides, and suppress the exhaust gas in the exhaust gas treatment apparatus. and the problem of clogging due to the precipitation of group III halides and ammonium halides in the exhaust pipe can be solved, and high-quality group III nitride single crystals can be produced stably. is.

特に、ハロゲン系ガス共存化でIII族窒化物単結晶を成長する前記特許文献1に記載の方法にてIII族窒化物単結晶を製造する場合には、III族ハロゲン化物ガスが多量に排ガス中に含有される傾向にあることから当該方法を採用する場合には本発明の気相成長装置を用いることで高品質のIII族窒化物単結晶を安定的に製造することが可能である。 In particular, when a group III nitride single crystal is produced by the method described in Patent Document 1, in which a group III nitride single crystal is grown in the coexistence of a halogen-based gas, a large amount of the group III halide gas is contained in the exhaust gas. When this method is adopted, it is possible to stably produce a high-quality Group III nitride single crystal by using the vapor phase growth apparatus of the present invention.

上記本発明の気相成長装置により上記課題が解決できる理由について、本発明者らは以下のとおり推測している。成長部に供給されるガスとして、アンモニアガスが少ない場合(例えばIII族ハロゲン化物ガスとアンモニアガスを当モル使用した場合など)や塩化水素ガスが多い場合(例えば特許文献1のようにハロゲン系ガスを供給した場合など)には、排ガス処理装置に供給されるガスは、III族ハロゲン化物ガス、塩化水素ガス、及びキャリアガス(例えば水素)の混合ガスとなる。これらのガスが排ガス処理装置で処理されるが、III族ハロゲン化物はスクラバー等の排ガス処理装置中の水と接触すると激しく反応して塩化水素を発生するため、排ガス処理装置での塩化水素ガスの吸収除害が十分に行えずに大気中に排気されてしまうものと推測される。そこで、排ガス処理装置で処理する前に、成長部反応域から排出されるガスのうち、III族ハロゲン化物を捕集することにより排ガス処理装置へのIII族ハロゲン化物の流入および排気配管内でのIII族ハロゲン化物による閉塞を抑制できるため、上記課題が解決できるものと推測される。一方、成長部に供給されるガスとして、III族ハロゲン化物ガスに対してアンモニアガスが多い場合、成長部では、III族ハロゲン化物ガスに対してアンモニアガスとの反応により目的物であるIII族窒化物が生成すると共に塩化水素ガスが副生する。ここで、成長部反応域に供給されるIII族ハロゲン化物ガスに対してアンモニアガスが過剰であるため、副生する塩化水素ガスは、残留したアンモニアガスと反応し、固体の塩化アンモニウムとなり、閉塞の原因となる。そこで、本発明において、捕集部にて塩化アンモニウムの原料となる塩化水素ガスあるいはアンモニアガスを捕集することで、排気配管内に塩化アンモニウムが析出することを抑制し、閉塞を抑制することが可能となり、上記課題を解決できるものと推測する。よって、いかなるIII族窒化物単結晶成長条件においても閉塞を抑制することができるものと推測される。 The present inventors presume the reason why the vapor phase growth apparatus of the present invention can solve the above problems as follows. As the gas to be supplied to the growth section, when there is little ammonia gas (for example, when equimolar group III halide gas and ammonia gas are used) or when there is much hydrogen chloride gas (for example, as in Patent Document 1, halogen-based gas is supplied to the exhaust gas treatment device), the gas supplied to the exhaust gas treatment apparatus is a mixed gas of group III halide gas, hydrogen chloride gas, and carrier gas (for example, hydrogen). These gases are treated in an exhaust gas treatment system, but when group III halides come into contact with water in an exhaust gas treatment system such as a scrubber, they react violently to generate hydrogen chloride. It is presumed that the absorption and detoxification cannot be carried out sufficiently, and it is exhausted into the atmosphere. Therefore, group III halides are collected from the gas discharged from the reaction zone of the growth section before being treated by the exhaust gas treatment apparatus, thereby allowing the group III halides to flow into the exhaust gas treatment apparatus and in the exhaust pipe. It is presumed that the above problem can be solved because clogging by group III halides can be suppressed. On the other hand, when the gas supplied to the growth section is more ammonia gas than the group III halide gas, in the growth section, the group III halide gas reacts with the ammonia gas to produce the target group III nitriding gas. Hydrogen chloride gas is produced as a by-product. Here, since the ammonia gas is excessive with respect to the group III halide gas supplied to the growth zone reaction zone, the by-produced hydrogen chloride gas reacts with the remaining ammonia gas to become solid ammonium chloride, resulting in clogging. cause. Therefore, in the present invention, by collecting hydrogen chloride gas or ammonia gas, which is a raw material of ammonium chloride, in the collection unit, deposition of ammonium chloride in the exhaust pipe can be suppressed and clogging can be suppressed. It is assumed that it is possible to solve the above problems. Therefore, it is presumed that clogging can be suppressed under any Group III nitride single crystal growth conditions.

本発明の気相成長装置の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a vapor phase growth apparatus of the present invention; FIG. 本発明の気相成長装置の一部である成長部の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a growth section that is a part of the vapor phase growth apparatus of the present invention; FIG. ハロゲン系ガスをIII族原料ガスノズルから供給する態様を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the aspect which supplies halogen-type gas from a III group source gas nozzle. ハロゲン系ガスを窒素源ガスノズルから供給する態様を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the aspect which supplies a halogen-type gas from a nitrogen source gas nozzle. 本発明の気相成長装置の一部である排出部の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of an exhaust section which is a part of the vapor phase growth apparatus of the present invention; FIG.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明がこれらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the forms shown below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to these forms.

<I.本発明の気相成長装置>
本発明の第1の態様に係る気相成長装置について説明する。図1は本発明の気相成長装置の構成の概略図である。図1に示すとおり、本発明の気相成長装置100は、成長部200と排出部300とで構成され、さらに排出部300は捕集部340と排ガス処理装置360とで構成されていることが特徴である。成長部200と捕集部340、及び捕集部340と排ガス処理装置360とは、それぞれ排出ガス供給管311、及び350で接続されている。成長部200から排出される排出ガスは排出ガス供給管311を経て捕集部340に導入され、該捕集部340にて排出ガス中の少なくとも一種の成分が捕集される。捕集部340を経た排出ガスは排出ガス供給管350を経て排ガス処理装置360に導入され、該排ガス処理装置360にて排出ガス中の他の成分が捕集され、系外に排出される。以下、本発明の気相成長装置における各構成について詳細に説明する。
<I. Vapor-phase growth apparatus of the present invention>
A vapor phase growth apparatus according to a first aspect of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of the vapor phase growth apparatus of the present invention. As shown in FIG. 1, the vapor phase growth apparatus 100 of the present invention is composed of a growth section 200 and an exhaust section 300, and the exhaust section 300 is composed of a collection section 340 and an exhaust gas processing apparatus 360. It is a feature. The growing section 200 and the collection section 340, and the collection section 340 and the exhaust gas treatment device 360 are connected by exhaust gas supply pipes 311 and 350, respectively. Exhaust gas discharged from the growing section 200 is introduced into the collection section 340 through the exhaust gas supply pipe 311, and at least one component in the exhaust gas is collected in the collection section 340. FIG. The exhaust gas that has passed through the collection unit 340 is introduced into an exhaust gas treatment device 360 through an exhaust gas supply pipe 350, where other components in the exhaust gas are collected and discharged outside the system. Each component of the vapor phase growth apparatus of the present invention will be described in detail below.

<成長部>
成長部200は、III族原料ガス及び窒素源ガスを反応させることにより基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる装置である。図2は成長部200の一例を示す概略図である。成長部200は、III族窒化物単結晶を成長させる基板(ベース基板)220を保持する基板保持台203を有し、III族窒化物単結晶を成長させる成長部反応域201を有する反応管202と、III族原料ガスを成長部反応域201へ供給する、III族原料ガス供給ノズル211と、窒素源ガスを成長部反応域201へ供給する、窒素源ガス供給ノズル210で構成される。
<Growing part>
The growth section 200 is an apparatus for growing a group III nitride single crystal on a substrate by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the growing part 200. As shown in FIG. The growth section 200 has a substrate holder 203 that holds a substrate (base substrate) 220 on which the group III nitride single crystal is grown, and a reaction tube 202 that has a growth section reaction zone 201 on which the group III nitride single crystal is grown. , a group III source gas supply nozzle 211 that supplies the group III source gas to the growth section reaction zone 201 , and a nitrogen source gas supply nozzle 210 that supplies the nitrogen source gas to the growth section reaction zone 201 .

基板保持台203に保持される基板220上に供給されるIII族原料ガス及び窒素源ガスのガス流の乱流を抑制させる点、成長部反応域201を経た排出ガスの排出を効率的に行う点から、排出ガス供給管311は、基板保持台203に対し、III族原料ガス供給ノズル211及び、窒素源ガス供給ノズル210の反対側、すなわち基板保持台203の下流側に設けることが好ましい。 It suppresses turbulence in the gas flow of the group III source gas and the nitrogen source gas supplied onto the substrate 220 held on the substrate holding table 203, and efficiently discharges exhaust gas that has passed through the reaction zone 201 of the growth section. From this point of view, the exhaust gas supply pipe 311 is preferably provided on the side opposite to the group III source gas supply nozzle 211 and the nitrogen source gas supply nozzle 210 with respect to the substrate holding table 203 , that is, on the downstream side of the substrate holding table 203 .

上記成長部200における基板保持台203は、III族窒化物単結晶の成長時に該保持台に保持された基板220を回転させるための機構(図2では非表示)を備えていても良く、また基板保持台203を加熱し該保持台からの伝熱により基板220を加熱するための加熱手段204を有しても良い。該加熱手段204として具体的には、高周波コイルによる加熱手段、抵抗式ヒータ等、公知の加熱手段が挙げられる。 The substrate holding table 203 in the growth section 200 may include a mechanism (not shown in FIG. 2) for rotating the substrate 220 held on the holding table during growth of the group III nitride single crystal. A heating means 204 may be provided for heating the substrate holding table 203 and heating the substrate 220 by heat transfer from the holding table. Specific examples of the heating means 204 include known heating means such as a heating means using a high-frequency coil and a resistance heater.

また、前記反応管202を加熱し反応管202内の成長部反応域201を加熱する外部加熱手段205を設けることもできる。 Further, an external heating means 205 for heating the reaction tube 202 to heat the reaction zone 201 in the reaction tube 202 can be provided.

さらに成長部反応域201には、III族原料ガスや窒素源ガスの他に、ハロゲン化水素ガス及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガス(以下単に「ハロゲン系ガス」とも言う。)を供給する手段を有していても良い。ハロゲン系ガスの供給手段としては、図2に示すようにハロゲン系ガス供給ノズル212を設置し該ノズルより供給しても良い。又は、図3に示すように、III族原料ガス供給ノズル211の、一方の端部であるIII族原料ガス供給ノズル吹き出し口から他方の端部である原料部までの任意の位置に、前記ハロゲン化水素ガス及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガス(以下、このIII族原料ガスに追加するハロゲン系ガスを「III族追加ハロゲン系ガス」ということがある。)を供給するための追加ハロゲン系ガス供給ノズルを設置し、III族原料ガス供給ノズル211内でIII族原料ガスとIII族追加ハロゲン系ガスとが合流する構造となっていてもよい。 Further, in the growth zone reaction zone 201, in addition to the Group III raw material gas and the nitrogen source gas, at least one halogen-based gas selected from hydrogen halide gas and halogen gas (hereinafter also simply referred to as "halogen-based gas") is supplied. You may have a means to supply. As a means for supplying the halogen-based gas, as shown in FIG. 2, a halogen-based gas supply nozzle 212 may be installed and supplied from the nozzle. Alternatively, as shown in FIG. 3, the halogen gas is placed at an arbitrary position from the group III source gas supply nozzle outlet, which is one end of the group III source gas supply nozzle 211, to the source portion, which is the other end, of the group III source gas supply nozzle 211. for supplying at least one halogen-based gas selected from hydrogen chloride gas and halogen gas (hereinafter, the halogen-based gas added to this group III raw material gas may be referred to as "group III additional halogen-based gas"); An additional halogen-based gas supply nozzle may be installed, and the group III source gas and the additional group III halogen-based gas may be merged in the group III source gas supply nozzle 211 .

或いは図4に示すように、窒素源ガス供給ノズル210の任意の位置に、前記ハロゲン化水素ガス及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガス(以下、この窒素源ガスに追加するハロゲン系ガスを「窒素源追加ハロゲン系ガス」ということがある。)を供給するための追加ハロゲン系ガス供給ノズルを設置し、窒素源ガス供給ノズル210内で窒素源ガスとIII族追加ハロゲン系ガスとが合流する構造となっていてもよい。ハロゲン系ガスを供給しない構造とすることもできるが、本発明においては、ハロゲン系ガスを供給する構造とし、結晶成長時にハロゲン系ガスを供給する条件で結晶成長を行う場合に特に効果を発揮する。 Alternatively, as shown in FIG. 4, at an arbitrary position of the nitrogen source gas supply nozzle 210, at least one halogen-based gas selected from the hydrogen halide gas and the halogen gas (hereinafter referred to as a halogen-based gas added to the nitrogen source gas) (sometimes referred to as "nitrogen source added halogen-based gas") is installed, and the nitrogen source gas and the group III added halogen-based gas are supplied in the nitrogen source gas supply nozzle 210. may merge. A structure in which a halogen-based gas is not supplied may be employed, but in the present invention, a structure in which a halogen-based gas is supplied is employed, and is particularly effective when crystal growth is performed under conditions in which a halogen-based gas is supplied during crystal growth. .

本発明の気相成長装置を用いて、例えばIII族原料ガス供給ノズル211より供給されるIII族原料ガスとしてIII族ハロゲン化物ガス(例えば塩化アルミニウムガスや塩化ガリウムガス等)を用い、窒素源ガス供給ノズル210より供給される窒素源ガスとしてアンモニアガスを用いて、HVPE法によってIII族窒化物単結晶を成長させることができる。成長部反応域201を通過したガスは排出ガス供給管311から成長部200の外部に排出される。III族原料ガスとしては、III族ハロゲン化物ガスのほか、III族有機金属化合物ガス(例えばトリメチルアルミニウムガスやトリメチルガリウムガス等)やIII族金属ガス(例えばアルミニウムガスやガリウムガス等)を使用することもできる。以下、III族ハロゲン化物ガスを用いたHVPE法の場合について説明する。 Using the vapor phase growth apparatus of the present invention, for example, a group III halide gas (eg, aluminum chloride gas, gallium chloride gas, etc.) is used as the group III source gas supplied from the group III source gas supply nozzle 211, and nitrogen source gas A group III nitride single crystal can be grown by the HVPE method using ammonia gas as the nitrogen source gas supplied from the supply nozzle 210 . The gas that has passed through the growth section reaction zone 201 is discharged to the outside of the growth section 200 through an exhaust gas supply pipe 311 . As the group III source gas, in addition to group III halide gas, group III organometallic compound gas (e.g., trimethylaluminum gas, trimethylgallium gas, etc.) and group III metal gas (e.g., aluminum gas, gallium gas, etc.) can be used. can also The case of the HVPE method using group III halide gas will be described below.

III族原料ガスであるIII族ハロゲン化物ガスは、III族原料ガス供給ノズル211の上流側に設けた原料部(不図示)で発生することができる。例えば、原料部に配置したIII族金属にハロゲン系ガス(例えば塩化水素ガスや塩素ガス等)を供給することによりIII族ハロゲン化物ガス(例えば塩化アルミニウムガスや塩化ガリウムガス等)が生成する。この生成反応を進行させるため、原料部は反応に適した温度((例えば塩化アルミニウムガスの発生においては通常150~1000℃程度、好ましくは300~660℃程度、より好ましくは300~600℃程度であり、塩化ガリウムガスの発生においては通常300~1000℃程度等である。)に加熱される。また、原料部には、III族ハロゲン化物の固体を配置し、これを加熱して昇華させることでIII族ハロゲン化物ガスを発生することもできる。 A group III halide gas, which is a group III source gas, can be generated in a source section (not shown) provided upstream of the group III source gas supply nozzle 211 . For example, group III halide gas (eg, aluminum chloride gas, gallium chloride gas, etc.) is generated by supplying a halogen-based gas (eg, hydrogen chloride gas, chlorine gas, etc.) to the group III metal placed in the raw material section. In order to proceed with this production reaction, the raw material is heated at a temperature suitable for the reaction (for example, in the generation of aluminum chloride gas, it is usually about 150 to 1000 ° C., preferably about 300 to 660 ° C., more preferably about 300 to 600 ° C. and in the generation of gallium chloride gas, it is usually heated to about 300 to 1000° C.) In addition, a solid group III halide is placed in the raw material section and heated to sublime it. Group III halide gases can also be generated at .

III族ハロゲン化物ガス(III族原料ガス)は、III族原料ガス供給ノズル211によって反応管202内の成長部反応域201に導かれる。III族原料ガス供給ノズル211は、III族ハロゲン化物ガス(III族原料ガス)を基板保持台203の側上方から基板保持台203の上方へ向けて吹き出すように配設されている。 A group III halide gas (group III source gas) is led to the growth section reaction zone 201 in the reaction tube 202 by a group III source gas supply nozzle 211 . The group III source gas supply nozzle 211 is arranged to blow out a group III halide gas (group III source gas) from the upper side of the substrate holding table 203 toward the upper side of the substrate holding table 203 .

III族原料ガス供給ノズル211、或いは、III族追加ハロゲン系ガスを供給するための追加ハロゲン系ガス供給ノズルを構成する材料としては、耐熱ガラス、石英ガラス、アルミナ、ジルコニア、ステンレス、またインコネル等の耐腐食性合金等を例示でき、中でも、石英ガラスを好ましく用いることができる。 Materials constituting the group III raw material gas supply nozzle 211 or the additional halogen-based gas supply nozzle for supplying the group III additional halogen-based gas include heat-resistant glass, quartz glass, alumina, zirconia, stainless steel, and inconel. Corrosion-resistant alloys and the like can be exemplified, among which quartz glass can be preferably used.

窒素源ガス供給ノズル210は、III族原料ガス供給ノズル211の吹き出し口の上方から基板保持台203の上方へ向けて窒素源ガスを吹き出すように配設されている。窒素源ガス供給ノズル210の吹き出し口をIII族原料ガス供給ノズル211の吹き出し口よりも上方に配設することにより、基板保持台203上に均一に窒素源ガス(窒素源ガス)を供給することができるため好ましい。また、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用する場合には、アンモニアガスは比較的拡散し易いため、窒素源ガス供給ノズル210の吹き出し口をIII族原料ガス供給ノズル211の吹き出し口の下方に配設してもよい。窒素源ガス供給ノズル210、或いは、窒素源追加ハロゲン系ガスを供給するための追加ハロゲン系ガス供給ノズルを構成する材料としては、耐熱ガラス、石英ガラス、アルミナ、ジルコニア、ステンレス、またインコネル等の耐腐食性合金等を例示でき、中でも、石英ガラスを好ましく用いることができる。 The nitrogen source gas supply nozzle 210 is arranged so as to blow out the nitrogen source gas from above the outlet of the group III source gas supply nozzle 211 toward above the substrate holding table 203 . By disposing the outlet of the nitrogen source gas supply nozzle 210 above the outlet of the group III source gas supply nozzle 211, the nitrogen source gas (nitrogen source gas) can be uniformly supplied onto the substrate holding table 203. It is preferable because Further, when ammonia gas is used as the nitrogen source gas, ammonia gas diffuses relatively easily. Therefore, the outlet of the nitrogen source gas supply nozzle 210 is arranged below the outlet of the group III raw material gas supply nozzle 211. You may Materials for constituting the nitrogen source gas supply nozzle 210 or the additional halogen-based gas supply nozzle for supplying the nitrogen source additional halogen-based gas include heat-resistant glass, quartz glass, alumina, zirconia, stainless steel, and heat-resistant materials such as Inconel. Corrosive alloys and the like can be exemplified, among which quartz glass can be preferably used.

III族原料ガス供給ノズル211から供給されたIII族原料ガスと、窒素源ガス210から供給された窒素源ガスとが、成長部における成長部反応域201において反応することにより、基板保持台203上に設置された基板220上にIII族窒化物単結晶が成長する。この反応を進行させるため、基板220は反応に適した温度(例えば窒化アルミニウム単結晶の成長においては通常1000~1700℃程度、好ましくは1200~1700℃程度、より好ましくは1350~1650℃程度であり、窒化ガリウム単結晶の成長においては通常800~1100℃程度等である。)に加熱される。基板の加熱手段としては基板保持台203を加熱することにより、該保持台からの伝熱により基板220を加熱する加熱手段204を用いてもよく、反応管202の外部に外部加熱装置205を設置して、反応管202全体を加熱する手段を用いてもよい。加熱手段204および外部加熱装置205は各々単独で用いてもよく、併用してもよい。 The group III source gas supplied from the group III source gas supply nozzle 211 and the nitrogen source gas supplied from the nitrogen source gas 210 react in the growth section reaction zone 201 in the growth section, whereby a A group III nitride single crystal is grown on the substrate 220 placed on the . In order to advance this reaction, the substrate 220 is kept at a temperature suitable for the reaction (for example, in the case of growing an aluminum nitride single crystal, it is usually about 1000 to 1700° C., preferably about 1200 to 1700° C., more preferably about 1350 to 1650° C.). , which is usually about 800 to 1100° C. in the growth of gallium nitride single crystal). As a means for heating the substrate, a heating means 204 for heating the substrate 220 by heating the substrate holder 203 and heat transfer from the holder may be used. Alternatively, a means for heating the entire reaction tube 202 may be used. The heating means 204 and the external heating device 205 may be used alone or in combination.

反応管202は、成長部反応域201を内部に有することから、石英ガラス、アルミナ、サファイア、耐熱ガラス等の耐熱性かつ耐酸性の非金属材料で構成されることが好ましい。反応管202の外周に外チャンバ(不図示)を設けてもよい。外チャンバは、反応管202と同様の材質で構成してもよいが、外チャンバは成長部反応域201に直接には接していないので、一般的な金属材料、たとえばステンレス鋼等で構成することも可能である。 Since the reaction tube 202 has the growth part reaction zone 201 inside, it is preferably made of a heat-resistant and acid-resistant nonmetallic material such as quartz glass, alumina, sapphire, heat-resistant glass, or the like. An outer chamber (not shown) may be provided around the outer circumference of the reaction tube 202 . The outer chamber may be made of the same material as the reaction tube 202, but since the outer chamber is not in direct contact with the growth reaction zone 201, it should be made of a general metal material such as stainless steel. is also possible.

また例えばHVPE法によって混晶を成長させる場合においては、原料部反応器(不図示)に複数種類のIII族金属原料を配置してハロゲン化物ガスの供給によりIII族ハロゲン化物の混合ガスを発生させ、該混合ガスをIII族原料ガス供給ノズル211を通じて成長部反応域201に導入することも可能である。一方で、III族金属原料を配置しない形態の原料部反応器とすること、すなわち、ハロゲン化物ガスとIII族金属との反応を行うことなく、別途III族ハロゲン化物の混合ガスを生成し、該混合ガスを加熱装置により所望の温度(例えば150~1000℃等。)まで昇温して、III族原料ガスとして供給する形態の原料部反応器を採用することも可能である。 Further, for example, when a mixed crystal is grown by the HVPE method, a plurality of types of Group III metal raw materials are arranged in a raw material section reactor (not shown), and a group III halide mixed gas is generated by supplying a halide gas. , it is also possible to introduce the mixed gas into the growth zone reaction zone 201 through the group III source gas supply nozzle 211 . On the other hand, the raw material section reactor is configured so that no group III metal raw material is arranged, that is, a group III halide mixed gas is separately generated without reacting the halide gas and the group III metal, and the It is also possible to adopt a raw material section reactor in which the mixed gas is heated to a desired temperature (for example, 150 to 1000° C.) by a heating device and supplied as a Group III raw material gas.

本発明に関する上記説明では、成長部反応域201内部にIII族原料ガス供給ノズル211単管が存在する形態の気相成長装置100を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、III族原料ガス供給ノズル211の外周を覆うようにIII族原料ガスの流路の外側にバリアガスの流路(不図示)が形成され、III族原料ガス供給ノズルの吹き出し口を取り囲むようにバリアガス吹き出し口が形成されていてもよい。バリアガスとしては、例えば、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等のバリアガスとして一般的なガスを特に制限なく用いることができる。バリアガスは、III族原料ガスと窒素源ガスとが成長部反応域201において混合する位置を制御することを可能にする他、意図しない位置における窒素源ガスとIII族原料ガスとの混合や反応を未然に防止することを可能にするので、ノズルへの析出物を大幅に低減することを可能にする。また、III族原料ガス供給ノズル211の軸心(ノズルの高さ方向の中心位置)は、結晶成長に悪影響を与えない範囲において、バリアガスノズルの軸心に対して高さ方向にオフセットして(ずれて)いてもよい。 In the above description of the present invention, the vapor phase growth apparatus 100 in which the group III source gas supply nozzle 211 single pipe is present inside the growth zone reaction zone 201 was exemplified, but the present invention is not limited to this form. For example, a barrier gas channel (not shown) is formed outside the group III source gas channel so as to cover the outer circumference of the group III source gas supply nozzle 211, and surrounds the outlet of the group III source gas supply nozzle. A barrier gas outlet may be formed. As the barrier gas, for example, gases commonly used as barrier gases such as hydrogen, nitrogen, argon, and helium can be used without particular limitation. The barrier gas makes it possible to control the position where the group III source gas and the nitrogen source gas mix in the growth zone reaction zone 201, and also prevents mixing and reaction of the nitrogen source gas and the group III source gas at unintended positions. Since it is possible to prevent it in advance, it is possible to greatly reduce deposits on the nozzle. In addition, the axis of the group III source gas supply nozzle 211 (central position in the height direction of the nozzle) is offset in the height direction with respect to the axis of the barrier gas nozzle within a range that does not adversely affect the crystal growth ( offset).

また、気相成長装置100は、押し出しガスを供給する構造を有していてもよい。すなわち、III族原料ガス、窒素源ガス、及びバリアガスが、排出ガス供給管311が設けられた側へ、反応管202内で逆流することなく一様に流通するように、押し出しガスを反応管202内に導入する、押し出しガス導入口(不図示)が設けられていてもよい。押し出しガスとしては、例えば水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等の一般的なガスを用いることができる。さらに、III族原料ガス、窒素源ガス、及びバリアガスが、排出ガス供給管311が設けられた側へ、反応管202内で逆流することなく一様に流通するように、反応管202内部を減圧排気する機構(不図示)を排出部に設けることにより、反応管202内部のガス流の逆流を抑制してもよい。減圧排気する機構は、捕集部と排ガス処理装置の間に配置することが好ましい。反応管202内部の圧力は、結晶成長に悪影響を与えない範囲において選択される。反応管202内部の圧力は通常0.1~1.5atmであり、一般的には0.2atm~大気圧である。 Also, the vapor phase growth apparatus 100 may have a structure for supplying a pushing gas. That is, the pushing gas is supplied to the reaction tube 202 so that the group III raw material gas, the nitrogen source gas, and the barrier gas uniformly flow to the side where the exhaust gas supply pipe 311 is provided without backflow in the reaction tube 202. A push gas inlet port (not shown) may be provided for introducing into. Usual gases such as hydrogen, nitrogen, argon, and helium can be used as the pushing gas. Further, the inside of the reaction tube 202 is decompressed so that the group III source gas, the nitrogen source gas, and the barrier gas uniformly flow to the side where the exhaust gas supply pipe 311 is provided without backflowing in the reaction tube 202. Backflow of the gas flow inside the reaction tube 202 may be suppressed by providing an exhaust mechanism (not shown) in the exhaust portion. It is preferable that the mechanism for evacuating under reduced pressure is arranged between the collection section and the exhaust gas treatment device. The pressure inside the reaction tube 202 is selected within a range that does not adversely affect crystal growth. The pressure inside the reaction tube 202 is usually 0.1 to 1.5 atm, generally 0.2 atm to atmospheric pressure.

窒素源ガス供給ノズル210の吹き出し口、及びIII族原料ガス供給ノズル211の吹き出し口の断面形状は特に制限されるものではなく、円形、楕円形、矩形等、供給する基板の寸法に応じて自由に形状を選択することが可能である。 The cross-sectional shape of the outlet of the nitrogen source gas supply nozzle 210 and the outlet of the group III source gas supply nozzle 211 is not particularly limited, and may be circular, elliptical, rectangular, or the like depending on the size of the substrate to be supplied. It is possible to select the shape to

<排出部>
以下、排出部300について説明する。排出部300は、成長部200から供給される排出ガスを大気中に排出するための処理を行う目的で設けられる。図5は排出部300の一例を示す概略図である。
<Discharge part>
The discharge unit 300 will be described below. The discharge section 300 is provided for the purpose of performing processing for discharging the exhaust gas supplied from the growth section 200 into the atmosphere. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the discharge section 300. As shown in FIG.

排出ガス供給管311は、成長部200(図2)の下流側に接続され、成長部反応域201内のガスは、該排出ガス供給管311を通って捕集部340に供給される。捕集部340は、前記成長部を経たガス中の少なくとも一種の成分を捕集する。また、捕集部340を経た排出ガスは、排出ガス供給管350を通って、排ガス処理装置360に供給され、排ガス処理装置360にて排出ガス中の他の成分が捕集され、系外に排出される。 The exhaust gas supply pipe 311 is connected to the downstream side of the growth section 200 ( FIG. 2 ), and the gas in the growth section reaction zone 201 is supplied to the collection section 340 through the exhaust gas supply pipe 311 . The collection section 340 collects at least one component in the gas that has passed through the growth section. In addition, the exhaust gas that has passed through the collection unit 340 is supplied to the exhaust gas treatment device 360 through the exhaust gas supply pipe 350, and other components in the exhaust gas are collected in the exhaust gas treatment device 360 and released outside the system. Ejected.

排出ガス供給管311は、成長部を加熱している影響を引き継いだ成り行きの温度とすることもできるが、外部加熱手段または外部冷却手段312によって該排出ガス供給管311の温度を制御することもできる。前述したように、成長部を経たガス中の少なくとも一種の成分は捕集部340で捕集されるが、排出部300の温度と構造によっては、排出ガス供給管311で析出する場合もある。本発明においては、排出部の析出による閉塞を抑制するため、固体の析出は捕集部340にて生じることが好ましい。よって、排出ガス供給管311の温度は、固体が析出しない温度とすることが好ましい。ただし、本発明者らの検討により、成長部反応域201の温度より高温にすると、排出ガス供給管311から成長部反応域201へガスが逆流する場合があることがわかっている。これはIII族窒化物単結晶を成長している間のみならず、成長部の昇温中や降温中、あるいは成長部を加熱していない間においても生じる現象である。よって、排出ガス供給管311の温度は、成長部反応域201の温度以下に保つことが好ましい。従って、外部加熱手段または外部冷却手段312によって、適宜温度を調節することが好ましい。具体的に、成長中の排出ガス供給管311の温度は、50℃以上400℃以下であることが好ましく、50℃以上300℃以下であることがさらに好ましい。 The exhaust gas supply pipe 311 can be at a temperature that follows the effects of heating the growth zone, but it is also possible to control the temperature of the exhaust gas supply pipe 311 by an external heating means or an external cooling means 312. can. As described above, at least one component in the gas that has passed through the growth section is collected by the collection section 340, but may precipitate in the exhaust gas supply pipe 311 depending on the temperature and structure of the discharge section 300. In the present invention, it is preferable that solid deposition occurs in the collection section 340 in order to suppress clogging due to deposition in the discharge section. Therefore, it is preferable to set the temperature of the exhaust gas supply pipe 311 to a temperature at which solids do not precipitate. However, the inventors have found that if the temperature is higher than the temperature of the growth reaction zone 201 , the gas may flow back from the exhaust gas supply pipe 311 to the growth reaction zone 201 . This phenomenon occurs not only during the growth of the group III nitride single crystal, but also during the temperature rise or fall of the growing portion, or while the growing portion is not heated. Therefore, it is preferable to keep the temperature of the exhaust gas supply pipe 311 below the temperature of the growth reaction zone 201 . Therefore, it is preferable to adjust the temperature appropriately by the external heating means or external cooling means 312 . Specifically, the temperature of the exhaust gas supply pipe 311 during growth is preferably 50° C. or higher and 400° C. or lower, and more preferably 50° C. or higher and 300° C. or lower.

捕集部340における排出ガス中の少なくとも一成分の捕集手段としては、捕集する成分の性状に応じて適宜選択すればよい。図5では固体分として捕集する手段としてフィルター341を図示しているが、該捕集部340に水や有機溶媒等の捕集成分を溶解せしめる溶媒を充填し、排出ガスを該溶媒に通気せしめて排出ガス中の少なくとも一成分を該溶媒に溶解させて捕集する手段を採用しても良い。これらの手段の中でもガスのみを通過し、固体を通過しないメッシュ状のフィルターを用いる方法が好ましく採用できる。捕集すべき固体の塩化アンモニウムや塩化アルミニウムは、温度や周囲のガス雰囲気にもよるが、粉末状であることが通常である。そのため、フィルターのろ過精度は1~500μmが好ましく、10~300μmがより好ましい。 The means for collecting at least one component in the exhaust gas in the collecting section 340 may be appropriately selected according to the properties of the component to be collected. In FIG. 5, a filter 341 is shown as a means for collecting solid content, but the collecting part 340 is filled with a solvent such as water or an organic solvent that dissolves the collected components, and exhaust gas is passed through the solvent. At least one component in the exhaust gas may be dissolved in the solvent and collected. Among these means, a method using a mesh-like filter that allows only gas to pass through but does not allow solids to pass through is preferably employed. Solid ammonium chloride and aluminum chloride to be collected are usually in the form of powder, depending on the temperature and the surrounding gas atmosphere. Therefore, the filtration accuracy of the filter is preferably 1-500 μm, more preferably 10-300 μm.

さらに、排出ガス中の成分によっては、排出部300が排出ガス供給管311と捕集部340のみで構成されている場合は、捕集部340での捕集が十分に行われない場合がある。このため、捕集部340にて捕集されるまでに、排出ガス中の一成分と反応する反応性ガスを供給し、成長部200を経た排出ガス中の該成分と該反応性ガスとを反応せしめた後、生成物を捕集部340にて捕集する構成としても良い。図5では、捕集部340の前に排出ガスが反応性ガスと反応する空間、すなわち排出部反応域320を設置し、該排出部反応域320に反応性ガスを供給するための反応性ガス供給管321が設置されている。反応性ガスは反応性ガス供給管321における反応性ガス供給口322より該排出部反応域320に供給され、排出ガスと反応性ガスが接触することで排出ガス中の少なくとも一成分と反応する。排出部反応域320は、前記成長部200と捕集部340の間、或いは、捕集部340の少なくともいずれかにあれば良い。排出ガス供給管311中に反応性ガス供給口322を設け排出ガス供給管311内を排出部反応域320としても良いし、或いは捕集部340中に反応性ガス供給管321を設置し、捕集部340内を排出部反応域320としても良い。排出ガス中の少なくとも一成分と反応性ガスとを効率良く反応させる点から、成長部200と捕集部340との間に排出部反応域320を設ける構造とすることが好ましい。この場合、排出部反応域320と捕集部340は、排出ガス供給管330で接続される。また、排出部反応域320にて排出ガス中の少なくとも一成分と反応した反応生成物が排出ガス供給管330中で析出することを抑制するため、外部加熱手段または外部冷却手段331によって、排出ガス供給管330内の温度を適宜調節することが好ましい。 Furthermore, depending on the components in the exhaust gas, if the exhaust unit 300 is composed only of the exhaust gas supply pipe 311 and the collecting unit 340, the collecting unit 340 may not sufficiently collect them. . For this reason, a reactive gas that reacts with one component in the exhaust gas is supplied before being collected in the collecting unit 340, and the component in the exhaust gas that has passed through the growth unit 200 and the reactive gas are combined. After reacting, the product may be collected by the collection unit 340 . In FIG. 5, a space in which the exhaust gas reacts with the reactive gas, that is, the exhaust reaction zone 320 is installed in front of the collector 340, and the reactive gas for supplying the reactive gas to the exhaust reaction zone 320 is installed. A supply pipe 321 is installed. A reactive gas is supplied to the exhaust reaction zone 320 from a reactive gas supply port 322 in a reactive gas supply pipe 321, and reacts with at least one component in the exhaust gas by contact between the exhaust gas and the reactive gas. The discharge section reaction zone 320 may be located between the growth section 200 and the collection section 340 or at least in the collection section 340 . A reactive gas supply port 322 may be provided in the exhaust gas supply pipe 311 and the inside of the exhaust gas supply pipe 311 may be used as the exhaust reaction zone 320, or the reactive gas supply pipe 321 may be installed in the collection unit 340 to The inside of the collecting section 340 may be used as the discharging section reaction zone 320 . From the viewpoint of efficiently reacting at least one component in the exhaust gas with the reactive gas, it is preferable to have a structure in which the exhaust reaction zone 320 is provided between the growth section 200 and the collection section 340 . In this case, the exhaust reaction zone 320 and the collector 340 are connected by the exhaust gas supply pipe 330 . In addition, in order to suppress precipitation in the exhaust gas supply pipe 330 of a reaction product that has reacted with at least one component in the exhaust gas in the exhaust reaction zone 320, the exhaust gas is heated by an external heating means or an external cooling means 331. It is preferable to appropriately adjust the temperature in the supply pipe 330 .

捕集部340は、上記反応生成物を確実に捕集するために、外部冷却手段342により冷却することが好ましい。 The collecting section 340 is preferably cooled by an external cooling means 342 in order to reliably collect the reaction product.

また、排ガス処理装置360としては、スクラバー等の、捕集液に排出ガスを吸収せしめて該ガス中の成分を捕集する手段等を採用することができる。排ガス処理装置360に供給されるガスの成分は、窒素ガスや水素ガスといったキャリアガスのほかには、主に、排出部反応域320に供給した反応性ガスの未反応分である。該排ガス処理装置360内で該反応性ガスが溶解度の高い捕集液を循環させ、該反応性ガスと該捕集液とを接触させることで該反応性ガスを捕集することができる。捕集液は、水のほか、酸性水溶液、塩基性水溶液または有機溶媒を用いることができる。または、排出部反応域320のように、反応性ガスと反応する、第二の反応性ガスを供給することで、該排ガス処理装置360内で捕集液への溶解のみならず、該溶媒の中和反応も発生させることもできる。例えば、成長部200から供給された塩化水素ガスを捕集部340で捕集するために排出部反応域320にアンモニアガスを供給し、該アンモニアガスの未反応分を排ガス処理装置360で捕集するために排ガス処理装置360に塩化水素ガスを供給することができる。該塩化水素ガスは、例えば、気相成長装置のIII族原料ガス供給ノズル211、ハロゲン系ガス供給ノズル212とは別に設けた、塩化水素ガスのバイパス配管(ガスボンベを開けてから成長部200に供給するまでにガスを流通させる配管や、成長部200への供給を停止してからガスボンベを閉じるまでにガスを流通させる配管)を排ガス処理装置360に直接接続しておくことで、排ガス処理装置に塩化水素ガスを無駄なく供給することができる。この際、捕集液が少なかったり、排出ガス供給管350の供給口と第二の反応性ガス供給管の供給口との距離が近かったりすると、気相中あるいは排ガス処理装置360壁面で析出が生じるため、捕集液の量を十分に保つこと、両配管の供給口の距離を十分に保つことが好ましい。また、排出部300を構成する配管は、ステンレス鋼や石英ガラス、塩化ビニル等が用いられるが、強度の観点からステンレス鋼を用いることが好ましい。 Further, as the exhaust gas treatment device 360, a means such as a scrubber, etc., for absorbing the exhaust gas in a collecting liquid and collecting the components in the gas can be adopted. The components of the gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 are mainly the unreacted portion of the reactive gas supplied to the exhaust reaction zone 320 in addition to the carrier gas such as nitrogen gas and hydrogen gas. A collection liquid in which the reactive gas has a high solubility is circulated in the exhaust gas treatment device 360, and the reactive gas can be collected by bringing the reactive gas into contact with the collection liquid. The collecting liquid may be water, an acidic aqueous solution, a basic aqueous solution, or an organic solvent. Alternatively, by supplying a second reactive gas that reacts with the reactive gas as in the exhaust reaction zone 320, not only dissolution in the collected liquid in the exhaust gas treatment device 360 but also the solvent Neutralization reactions can also occur. For example, ammonia gas is supplied to the discharge section reaction zone 320 in order to collect the hydrogen chloride gas supplied from the growth section 200 in the collection section 340, and the unreacted portion of the ammonia gas is collected in the exhaust gas processing device 360. Hydrogen chloride gas can be supplied to the exhaust gas treatment device 360 for this purpose. The hydrogen chloride gas is supplied to the growth section 200 after a hydrogen chloride gas bypass pipe (opening the gas cylinder) is provided separately from the group III source gas supply nozzle 211 and the halogen-based gas supply nozzle 212 of the vapor phase growth apparatus, for example. By directly connecting the piping for circulating the gas until the gas supply to the growing part 200 is stopped and the piping for circulating the gas until the gas cylinder is closed after the supply to the growing part 200 is stopped, the exhaust gas processing device 360 can be Hydrogen chloride gas can be supplied without waste. At this time, if the amount of collected liquid is small or the distance between the supply port of the exhaust gas supply pipe 350 and the supply port of the second reactive gas supply pipe is short, precipitation will occur in the gas phase or on the wall surface of the exhaust gas treatment device 360. Therefore, it is preferable to maintain a sufficient amount of collected liquid and a sufficient distance between the supply ports of both pipes. Stainless steel, quartz glass, vinyl chloride, or the like is used for the piping constituting the discharge part 300, but it is preferable to use stainless steel from the viewpoint of strength.

<排ガスの捕集方法>
以下、III族ハロゲン化物ガスを用いたHVPE法の場合についての排出ガス中の成分の捕集方法について説明する。
<Method of collecting exhaust gas>
A method for collecting components in the exhaust gas in the case of the HVPE method using group III halide gas will be described below.

成長部200より排出される排出ガスには、水素ガスや窒素ガス等の押し出しガス、未反応のIII族原料ガス、未反応の窒素源ガスおよび、副生したハロゲン系ガスが存在する可能性がある。さらに、成長部反応域201にハロゲン系ガスを供給した場合には、該ハロゲン系ガスも存在すると考えられる。例えば、III族原料ガスとして一塩化ガリウムガスを、窒素源ガスとしてアンモニアガスを用いて窒化ガリウム単結晶を成長する場合には、成長部では、GaCl(g)+NH3(g)→GaN(s)+HCl(g)+H2(g)の反応が起こり、排出部には塩化水素ガスおよび水素ガスが供給される。また、一般的に窒化ガリウム単結晶の成長条件として、塩化ガリウムガス(III族原料ガス)に比べてアンモニアガス(窒素源ガス、V族原料ガス)を過剰に供給する場合もある。かかる場合には、未反応のアンモニアガスも排出ガス中に含有される。そして、該未反応のアンモニアガスと上記反応で副生した塩化水素ガスとが反応すると塩化アンモニウムの固体が生成する。塩化アンモニアの昇華点は常圧で338℃であるため、塩化アンモニウムの固体を確実に捕集部340にて捕集させるためには捕集部340の温度は338℃以下にすることが好ましい。そうすることにより、排ガス処理装置360へ供給されるガスは、押し出しガスのほか、未反応のアンモニアガスのみとなる。アンモニアガスと塩化水素ガスがともに捕集部340で捕集されずに通過した場合、排出ガス供給管350で塩化アンモニウムの固体が析出して閉塞の危険性がある。 Exhaust gas discharged from the growth unit 200 may contain push-out gas such as hydrogen gas or nitrogen gas, unreacted group III raw material gas, unreacted nitrogen source gas, and by-produced halogen-based gas. be. Furthermore, when a halogen-based gas is supplied to the reaction zone 201 of the growing part, it is considered that the halogen-based gas is also present. For example, when gallium monochloride gas is used as the group III source gas and ammonia gas is used as the nitrogen source gas to grow a gallium nitride single crystal, in the growth section, GaCl(g)+NH3(g)→GaN(s) A reaction of +HCl(g)+H2(g) takes place, and hydrogen chloride gas and hydrogen gas are supplied to the outlet. Further, in general, as a condition for growing a gallium nitride single crystal, ammonia gas (nitrogen source gas, group V source gas) may be excessively supplied as compared with gallium chloride gas (group III source gas). In such cases, unreacted ammonia gas is also contained in the exhaust gas. When the unreacted ammonia gas reacts with the hydrogen chloride gas produced as a by-product in the above reaction, solid ammonium chloride is produced. Since the sublimation point of ammonium chloride is 338° C. under normal pressure, the temperature of the collecting portion 340 is preferably 338° C. or lower in order to ensure that the solid ammonium chloride is collected by the collecting portion 340 . By doing so, the gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 is only the unreacted ammonia gas in addition to the pushing gas. If both the ammonia gas and the hydrogen chloride gas pass through without being collected by the collection unit 340, solid ammonium chloride precipitates in the exhaust gas supply pipe 350, and there is a risk of clogging.

一方、例えば、III族原料ガスとして三塩化アルミニウムガスを、窒素源ガスとしてアンモニアガスを用いて窒化アルミニウム単結晶を成長する場合には、窒化ガリウム単結晶に比べて、アンモニアガス供給流量が小さい成長条件が用いられる場合がある。この場合、成長部ではAlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g)が起こる。そして、排出部には副生した塩化水素ガスのほか、未反応の塩化アルミニウムガスが供給される場合がある。塩化アルミニウムの昇華点は190℃であるため、捕集部を190℃以下にすることが好ましく、安定して固体化するためには、150℃以下にすることがさらに好ましい。塩化アルミニウムが捕集部340で捕集されずに通過した場合、排出ガス供給管350で塩化アルミニウムの固体が析出して閉塞の危険性がある。さらに、排ガス処理装置360の捕集液として水あるいは水溶液が使用される場合、塩化アルミニウムと水が反応して高熱とともにHClの白煙が生じるため危険である。捕集部340で塩化アルミニウムを確実に捕集することにより、安全かつ安定的に窒化アルミニウム単結晶を成長することができる。 On the other hand, for example, when aluminum trichloride gas is used as the group III source gas and ammonia gas is used as the nitrogen source gas to grow an aluminum nitride single crystal, the ammonia gas supply flow rate is smaller than that for the gallium nitride single crystal. Conditions may be used. In this case, AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g) occurs in the growing part. In addition to the by-produced hydrogen chloride gas, unreacted aluminum chloride gas may be supplied to the discharge part. Since the sublimation point of aluminum chloride is 190° C., the temperature of the collecting portion is preferably 190° C. or lower, and more preferably 150° C. or lower for stable solidification. If the aluminum chloride passes through without being collected by the collecting portion 340, there is a risk of clogging due to precipitation of solid aluminum chloride in the exhaust gas supply pipe 350. FIG. Furthermore, if water or an aqueous solution is used as the collecting liquid for the exhaust gas treatment device 360, aluminum chloride reacts with water to generate high heat and white smoke of HCl, which is dangerous. By reliably collecting the aluminum chloride in the collecting section 340, the aluminum nitride single crystal can be grown safely and stably.

上記のように、アンモニアガス供給流量が少ない場合のほか、アンモニアガス供給流量が多い場合であっても、特許文献1のように原料ガス以外にハロゲン系ガスを供給する場合においては、排出ガスに塩化アルミニウムガスが残留しやすいことが、本発明者らによる熱力学解析および元素分析によりわかった。これは、塩化水素ガスが多いことにより、AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g)の反応の平衡が左に移動するためである。この平衡移動は、400℃以下で顕著であり、塩化水素ガスを供給しない場合には塩化アルミニウムガスはアンモニアガスと反応して窒化アルミニウムの固体を生成しやすいが、塩化水素ガスを過剰に供給する場合には400℃以下では窒化アルミニウムの固体が生成されず、ガス成分に塩化アルミニウムガスが残留する。そのため、成長部反応域201に供給するアンモニアガスが少ない場合と同様に、捕集部340を190℃以下にすることが好ましいと考えられる。そして、この温度にすることにより、未反応のアンモニアガスおよび塩化水素ガスが塩化アンモニウムの固体となる反応も起こり、捕集部340には塩化アルミニウムおよび塩化アンモニウムが捕集されることとなる。そして、排ガス処理装置360へ供給されるガスは、押し出しガスのほか、塩化水素ガスのみとなる。 As described above, in addition to the case where the ammonia gas supply flow rate is small, even when the ammonia gas supply flow rate is large, when supplying a halogen-based gas in addition to the raw material gas as in Patent Document 1, the exhaust gas Thermodynamic analysis and elemental analysis by the present inventors revealed that aluminum chloride gas tends to remain. This is because the equilibrium of the reaction of AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g) shifts to the left due to the large amount of hydrogen chloride gas. This equilibrium shift is remarkable at 400° C. or less, and when hydrogen chloride gas is not supplied, aluminum chloride gas tends to react with ammonia gas to form aluminum nitride solids, but hydrogen chloride gas is supplied excessively. In this case, at 400° C. or below, no solid aluminum nitride is produced, and aluminum chloride gas remains in the gas component. Therefore, it is considered preferable to set the temperature of the collecting section 340 to 190° C. or lower, as in the case where the amount of ammonia gas supplied to the growth section reaction zone 201 is small. At this temperature, a reaction occurs in which unreacted ammonia gas and hydrogen chloride gas become solid ammonium chloride, and aluminum chloride and ammonium chloride are collected in the collecting section 340 . The gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 is only hydrogen chloride gas in addition to the pushing gas.

排出部300を構成する配管、特に排出ガス供給配管350にステンレス鋼を用い、排ガス処理装置360の捕集液として水を用いる場合、耐腐食性の観点から、排ガス処理装置360へ供給するガスには酸性ガスが含まれないほうが好ましい。酸性ガスが含まれると、排ガス処理装置360の水分または接触する可能性がある大気中の水分と酸性ガスが反応して酸性水溶液となり、ステンレス鋼を腐食する可能性があるためである。また、安定的に捕集させるためには、排ガス処理装置360へ供給するガスに含まれる、排ガス処理装置360で捕集すべきガスの水への溶解度が高いことが好ましい。上記で説明した例においては、アンモニアガスが排ガス処理装置360へ供給される場合と、塩化水素ガスが排ガス処理装置360へ供給される場合を挙げたが、これらの観点から、排ガス処理装置360へ供給されるガスとしてより好ましいのはアンモニアガスである。 When stainless steel is used for the pipes constituting the exhaust part 300, particularly the exhaust gas supply pipe 350, and water is used as the collection liquid for the exhaust gas treatment device 360, the gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 is selected from the viewpoint of corrosion resistance. preferably does not contain acid gas. This is because if acidic gas is contained, the moisture in the exhaust gas treatment device 360 or moisture in the atmosphere that may come into contact with the acidic gas react with each other to form an acidic aqueous solution, which may corrode stainless steel. In order to stably collect the gas, it is preferable that the gas to be collected by the exhaust gas processing device 360 contained in the gas supplied to the exhaust gas processing device 360 has a high solubility in water. In the example described above, the case where the ammonia gas is supplied to the exhaust gas processing device 360 and the case where the hydrogen chloride gas is supplied to the exhaust gas processing device 360 are mentioned. Ammonia gas is more preferable as the gas to be supplied.

そのため、成長部反応域201に供給するアンモニアガスが少ない場合や成長部反応域201に塩化水素ガスを供給する場合においては、排ガス処理装置360に供給される前に塩化水素ガスを除去するために、該塩化水素ガスと、塩化水素ガスと反応する反応性ガスを接触させて捕集部340で捕集したのちに排ガス処理装置360へ供給することが望ましい。例えば、排出部反応域320にアンモニアガスを供給し、塩化水素ガスと接触させることで、塩化アンモニウムとして捕集部340で捕集することができる。この場合、排ガス処理装置360へ供給されるガスは、未反応のアンモニアガスとなる。 Therefore, when the amount of ammonia gas supplied to the growth reaction zone 201 is small, or when hydrogen chloride gas is supplied to the growth zone reaction zone 201, the hydrogen chloride gas is removed before it is supplied to the exhaust gas treatment device 360. It is desirable that the hydrogen chloride gas and a reactive gas that reacts with the hydrogen chloride gas are brought into contact with each other and collected by the collection unit 340 before being supplied to the exhaust gas treatment device 360 . For example, by supplying ammonia gas to the outlet reaction zone 320 and contacting it with hydrogen chloride gas, it can be collected by the collector 340 as ammonium chloride. In this case, the gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 is unreacted ammonia gas.

排出部反応域320においては、その温度によっては塩化アンモニウムの固体が生成するため、できるだけ広い領域(壁面から離れた位置)に、反応性ガス供給口322を複数設けることが好ましい。狭い領域あるいは、ひとつの供給口のみから大量に反応性ガスを供給すると、その部分に集中して塩化アンモニウムが析出するため、閉塞の恐れがある。また、捕集部340で確実に塩化水素ガスを塩化アンモニウムとして捕集するためには、塩化水素ガスと、排出部反応域320に供給したアンモニアガスの接触効率を高めることが好ましい。そのためにも、反応性ガス供給口322は複数あったほうが好ましく、また、排出部反応域320は捕集部340よりも上流にあることが好ましい。排出部反応域320と捕集部340との距離、つまり排出ガス供給管330の長さは、塩化水素ガスとアンモニアガスが完全に接触し反応する距離であればよいが、装置サイズおよび装置の管理の観点をふまえると、好ましくは5cm以上3m以下、さらに好ましくは、10cm以上2m以下である。 In the discharge part reaction zone 320, depending on the temperature, solid ammonium chloride is generated, so it is preferable to provide a plurality of reactive gas supply ports 322 in as wide a region as possible (a position away from the wall surface). If a large amount of reactive gas is supplied from a narrow area or only from one supply port, ammonium chloride will concentrate and precipitate in that portion, which may cause clogging. Moreover, in order to reliably collect the hydrogen chloride gas as ammonium chloride in the collection section 340, it is preferable to increase the contact efficiency between the hydrogen chloride gas and the ammonia gas supplied to the discharge section reaction zone 320. For this reason as well, it is preferable that there are a plurality of reactive gas supply ports 322 , and that the discharge section reaction zone 320 is located upstream of the collection section 340 . The distance between the discharge part reaction zone 320 and the collection part 340, that is, the length of the exhaust gas supply pipe 330, may be any distance at which the hydrogen chloride gas and the ammonia gas are in complete contact and react. From the viewpoint of management, it is preferably 5 cm or more and 3 m or less, more preferably 10 cm or more and 2 m or less.

排出部反応域320に供給する反応性ガスは、III族窒化物単結晶を成長するための原料ガスと同じものが好ましい。具体的には、上記の例のように、塩化アルミニウムガスとアンモニアガスを原料ガスとしてIII族窒化物単結晶を成長する場合には、排出部反応域320に供給するガスはアンモニアガスであることが好ましい。 The reactive gas supplied to the outlet reaction zone 320 is preferably the same as the raw material gas for growing the group III nitride single crystal. Specifically, as in the above example, when a Group III nitride single crystal is grown using aluminum chloride gas and ammonia gas as raw material gases, the gas supplied to the exhaust reaction zone 320 is ammonia gas. is preferred.

排出部300を構成する配管がステンレス鋼製であり排ガス処理装置360の捕集液が水である場合において好ましい状態を示したが、配管の材質や排ガス処理装置360での捕集方法によっては、排ガス処理装置360へ供給するガスを酸性ガスとすることも可能であるし、そのために、排出部反応域320に供給するガスを酸性ガスとすることも可能である。 Although the preferable state is shown when the pipe that constitutes the discharge part 300 is made of stainless steel and the collection liquid of the exhaust gas treatment device 360 is water, depending on the material of the pipe and the collection method in the exhaust gas treatment device 360, The gas supplied to the exhaust gas treatment device 360 can be an acidic gas, and for that reason, the gas supplied to the exhaust reaction zone 320 can also be an acidic gas.

<2.III族窒化物単結晶の製造方法>
本発明の第2の態様に係るIII族窒化物単結晶の製造方法は、上記本発明の第1の態様に係るIII族窒化物単結晶製造装置の成長部反応域にIII族原料ガス及び窒素源ガスを供給することにより、III族原料ガスと該窒素源ガスとを反応させる工程(以下において単に工程(a)ということがある。)を有する。工程(a)において、III族原料ガスと窒素源ガスとの反応により、基板上にIII族窒化物単結晶が成長する。
<2. Method for producing group III nitride single crystal>
A method for producing a Group III nitride single crystal according to the second aspect of the present invention is characterized in that a Group III source gas and nitrogen are added to the growth section reaction zone of the Group III nitride single crystal production apparatus according to the first aspect of the present invention. It has a step of reacting the group III source gas and the nitrogen source gas by supplying the source gas (hereinafter sometimes simply referred to as step (a)). In step (a), a Group III nitride single crystal is grown on the substrate by the reaction between the Group III source gas and the nitrogen source gas.

以下においては、本発明の第1の態様に係るIII族窒化物単結晶製造装置として、上記説明したIII族窒化物単結晶製造装置100を用いる形態を例に挙げて説明する。 In the following, as an apparatus for producing a group III nitride single crystal according to the first aspect of the present invention, an embodiment using the group III nitride single crystal production apparatus 100 described above will be described as an example.

III族窒化物単結晶製造装置100の成長部200(図2)においてIII族原料ガス供給ノズル211から供給するIII族原料ガスとしては、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム等のハロゲン化アルミニウム、塩化ガリウム等のハロゲン化ガリウム、塩化インジウム等のハロゲン化インジウム、等のIII族ハロゲン化物ガスや、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム等のIII族有機金属化合物ガスを特に制限なく採用可能である。混晶を製造する場合には、複数のIII族原料ガスを含有する混合ガスを使用する。HVPE法を採用する場合、上記の通り、III族原料ガス供給ノズル211の上流側の原料部反応器にIII族金属原料を配置し、外部加熱装置によって原料部反応器を加熱(例えば塩化アルミニウムガスを発生させる場合には通常150~1000℃程度、好ましくは300~660℃程度、より好ましくは300~600℃程度であり、塩化ガリウムガスを発生させる場合には通常300~1000℃程度等である。)しながら原料部反応器にハロゲン系ガス(例えば塩化水素ガスや塩素ガス等。)を供給することにより原料部反応器において生成するIII族ハロゲン化物ガスを、III族原料ガス供給ノズル211を通じて成長部反応域201内に導入することができる。 The group III source gas supplied from the group III source gas supply nozzle 211 in the growth section 200 (FIG. 2) of the group III nitride single crystal manufacturing apparatus 100 includes aluminum halides such as aluminum chloride and aluminum bromide, gallium chloride, and the like. Group III halide gases such as gallium halides, indium halides such as indium chloride, etc., and group III organometallic compound gases such as trimethylaluminum and trimethylgallium can be employed without particular limitation. When producing mixed crystals, a mixed gas containing a plurality of group III source gases is used. When the HVPE method is employed, as described above, the group III metal raw material is placed in the raw material section reactor on the upstream side of the group III raw material gas supply nozzle 211, and the raw material section reactor is heated by an external heating device (for example, aluminum chloride gas When generating gallium chloride gas, it is usually about 150 to 1000 ° C., preferably about 300 to 660 ° C., more preferably about 300 to 600 ° C. When generating gallium chloride gas, it is usually about 300 to 1000 ° C. ), a group III halide gas generated in the raw material reactor by supplying a halogen-based gas (for example, hydrogen chloride gas, chlorine gas, etc.) to the raw material reactor is fed through the group III raw material gas supply nozzle 211. It can be introduced into the growth zone reaction zone 201 .

本発明においては、III族原料ガスと窒素源ガスとを成長部反応域に供給しIII族窒化物を製造する際に、ハロゲン系ガスも供給する場合において、好適である。ハロゲン系ガスは、ハロゲン系ガス供給ノズル212から供給することができる。また、III族原料ガス供給ノズル211のIII族原料ガス吹き出し口からIII族原料ガスとともに成長部反応域201に供給してもよいし、窒素源ガス供給ノズル210の窒素源ガス吹き出し口から窒素源ガスとともに成長部反応域201に供給してもよい。該ハロゲン系ガスとしては、塩化水素ガス、塩素ガス等を用いることができるが、原料部に供給するハロゲン系ガスと同一のガスであることが好ましい。 The present invention is suitable in the case where a halogen-based gas is also supplied when supplying the group III source gas and the nitrogen source gas to the growth zone reaction zone to produce the group III nitride. A halogen-based gas can be supplied from a halogen-based gas supply nozzle 212 . Further, the group III source gas may be supplied to the growth zone reaction zone 201 together with the group III source gas from the group III source gas outlet of the group III source gas supply nozzle 211 , or the nitrogen source may be supplied from the nitrogen source gas outlet of the nitrogen source gas supply nozzle 210 . It may be supplied to the growth zone reaction zone 201 together with the gas. Hydrogen chloride gas, chlorine gas, or the like can be used as the halogen-based gas, but it is preferably the same gas as the halogen-based gas supplied to the raw material section.

原料部で生成したIII族ハロゲン化物ガスにハロゲン系ガスを合流させることにより、III族ハロゲン化物ガスとハロゲン系ガスとのガス組成比を任意の組成比に制御することができる。ただし、III族原料ガスとしてハロゲン化ガリウムガスを使用して窒化ガリウム単結晶を製造する場合には、III族追加ハロゲン系ガスとハロゲン化ガリウムガスとの同時の供給量の比率:(III族追加ハロゲン系ガス中のハロゲン原子の物質量)/(ハロゲン化ガリウムガス中のハロゲン原子の物質量)は、好ましくは0.01~10であり、より好ましくは0.05~1である。また、III族原料ガスとしてハロゲン化アルミニウムを用いて窒化アルミニウム単結晶を成長する場合には、III族追加ハロゲン系ガスとハロゲン化アルミニウムガスとの同時の供給量の比率:(III族追加ハロゲン系ガス中のハロゲン原子の物質量)/(ハロゲン化アルミニウムガス中のハロゲン原子の物質量)は、好ましくは0.1~1000、より好ましくは0.5~100である。上記の比率の算出も、結晶成長装置においてガスの供給量の制御に一般的に使用される質量流量(単位時間当たり与えられた面を通過する物質の質量)に基づいて行うことができる。III族追加ハロゲン系ガスとIII族原料ガスとを共存させることにより、例えば塩化アルミニウムガスや塩化ガリウムガスの不均化反応によるIII族金属の析出を抑制することができる。 By joining the halogen-based gas with the group III halide gas generated in the raw material section, the gas composition ratio of the group III halide gas and the halogen-based gas can be controlled to an arbitrary composition ratio. However, when a gallium nitride gas is used as the group III raw material gas to produce a gallium nitride single crystal, the ratio of the simultaneous supply amounts of the group III added halogen-based gas and the halogenated gallium gas: (group III added Substance amount of halogen atoms in halogen-based gas)/(substance amount of halogen atoms in gallium halide gas) is preferably from 0.01 to 10, more preferably from 0.05 to 1. In the case of growing an aluminum nitride single crystal using an aluminum halide as the group III raw material gas, the ratio of the simultaneous supply amounts of the group III additional halogen-based gas and the aluminum halide gas: (group III additional halogen-based Substance amount of halogen atoms in gas)/(substance amount of halogen atoms in aluminum halide gas) is preferably 0.1-1000, more preferably 0.5-100. The calculation of the above ratio can also be performed based on the mass flow rate (mass of material passing through a given surface per unit time) generally used for controlling the gas supply rate in a crystal growth apparatus. Coexistence of the Group III additional halogen-based gas and the Group III raw material gas can suppress deposition of Group III metals due to disproportionation reaction of, for example, aluminum chloride gas or gallium chloride gas.

他方、III族金属原料を配置される形態の原料部に代えて、別途生成されたIII族原料ガス(HVPE法の場合にはIII族ハロゲン化物ガス、MOCVD法の場合にはIII族有機金属化合物ガス。)を供給し、これを加熱装置により所望の温度(例えば室温~200℃。)まで昇温する形態のIII族原料供給部を採用することも可能である。 On the other hand, in place of the source material section in which the group III metal source material is placed, a separately generated group III source gas (group III halide gas in the case of the HVPE method, group III organometallic compound gas in the case of the MOCVD method, gas.) and heated to a desired temperature (for example, room temperature to 200° C.) by a heating device.

これらのIII族原料ガスやIII族追加ハロゲン系ガスは、通常、キャリアガスによって希釈した状態で供給する。キャリアガスとしては、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを特に制限なく用いることができ、水素ガスを含むキャリアガスを用いることが好ましい。III族原料ガスをキャリアガスで希釈された状態で供給する場合には、III族原料ガスの濃度は、III族原料ガスと該III族原料ガスを希釈するキャリアガスとの合計量を基準(100体積%)として、例えば0.0001~10体積%とすることができる。III族原料ガスの供給量は、例えば0.005~500sccmとすることができる。なおIII族原料ガスは、ハロゲン系ガスの基板220上への供給を開始した後に、成長部反応域201(基板220上)に供給することが好ましい。 These Group III raw material gases and Group III additional halogen-based gases are usually supplied in a state diluted with a carrier gas. As the carrier gas, hydrogen gas, nitrogen gas, helium gas, argon gas, or a mixed gas thereof can be used without particular limitation, and a carrier gas containing hydrogen gas is preferably used. When supplying the group III source gas diluted with a carrier gas, the concentration of the group III source gas is based on the total amount of the group III source gas and the carrier gas that dilutes the group III source gas (100 volume %) can be, for example, 0.0001 to 10 volume %. The supply amount of the group III source gas can be, for example, 0.005 to 500 sccm. The Group III source gas is preferably supplied to the growth section reaction zone 201 (on the substrate 220 ) after starting the supply of the halogen-based gas onto the substrate 220 .

窒素源ガス供給ノズル210から成長部反応域201に供給する窒素源ガスは、通常キャリアガスによって希釈した状態で供給する。窒素源ガスとしては、窒素を含有する反応性ガスを特に制限なく採用可能であるが、コストと取扱の容易性の点で、アンモニアガスを好ましく用いることができる。キャリアガスとしては、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを特に制限なく用いることができ、水素ガスを含むキャリアガスを用いることが好ましい。窒素源ガスをキャリアガスによって希釈した状態で成長部反応域201に供給する場合には、装置の大きさ等に基づいて、窒素源ガスの供給量、およびキャリアガスの供給量を決定することができる。III族窒化物単結晶の製造のし易さ等を考慮すると、キャリアガスの供給量は50~10000sccmであることが好ましく、100~5000sccmであることがより好ましい。窒素源ガスの濃度は、窒素源ガスと該窒素源ガスを希釈するキャリアガスとの合計量を基準(100体積%)として、例えば0.0000001~10体積%とすることができる。また、窒素源ガスの供給量は、例えば0.01~1000sccmとすることができる。窒素源ガスを基板220上に供給する順番は、特に制限されるものではないが、ハロゲン系ガス及びIII族原料ガスが成長部反応域201(基板220上)に供給される前に窒素源ガスを反応域201(基板220上)に供給することが好ましい。 The nitrogen source gas supplied from the nitrogen source gas supply nozzle 210 to the growth zone reaction zone 201 is generally diluted with a carrier gas. As the nitrogen source gas, any reactive gas containing nitrogen can be used without particular limitation, but ammonia gas can be preferably used in terms of cost and ease of handling. As the carrier gas, hydrogen gas, nitrogen gas, helium gas, argon gas, or a mixed gas thereof can be used without particular limitation, and a carrier gas containing hydrogen gas is preferably used. When the nitrogen source gas is diluted with a carrier gas and supplied to the growth zone reaction zone 201, the supply amount of the nitrogen source gas and the supply amount of the carrier gas can be determined based on the size of the apparatus. can. Considering the ease of production of group III nitride single crystals, the supply amount of the carrier gas is preferably 50 to 10000 sccm, more preferably 100 to 5000 sccm. The concentration of the nitrogen source gas can be, for example, 0.0000001 to 10% by volume based on the total amount of the nitrogen source gas and the carrier gas that dilutes the nitrogen source gas (100% by volume). Also, the supply amount of the nitrogen source gas can be, for example, 0.01 to 1000 sccm. The order in which the nitrogen source gas is supplied onto the substrate 220 is not particularly limited. is preferably supplied to reaction zone 201 (on substrate 220).

ハロゲン系ガスの成長部反応域201への供給は、III族原料ガスが成長部反応域201に供給される前に開始することが好ましい。より詳しくは、III族原料ガスが基板220上に供給される前にハロゲン系ガスの基板220上への供給を開始することが好ましい。つまり、III族原料ガスと窒素源ガスとが基板220上に供給されて両者が反応する前に、ハロゲン系ガスの基板220上への供給を開始することが好ましい。III族原料ガスを基板220上に供給する前にハロゲン系ガスの基板220上への供給を開始することにより、同一の上記III族窒化物単結晶製造装置100を用いて工程(a)を繰り返して行うことにより複数のIII族窒化物単結晶を製造する工程(工程(b))を含む形態のIII族窒化物単結晶の製造方法において、製造されるIII族窒化物単結晶の品質のばらつきを低減し、安定して良好な品質のIII族窒化物単結晶を製造することが可能になる。 The supply of the halogen-based gas to the growth part reaction zone 201 is preferably started before the group III source gas is supplied to the growth part reaction zone 201 . More specifically, it is preferable to start supplying the halogen-based gas onto the substrate 220 before the Group III source gas is supplied onto the substrate 220 . That is, it is preferable to start supplying the halogen-based gas onto the substrate 220 before the Group III source gas and the nitrogen source gas are supplied onto the substrate 220 and react with each other. The step (a) is repeated using the same group III nitride single crystal production apparatus 100 by starting to supply the halogen-based gas onto the substrate 220 before supplying the group III source gas onto the substrate 220. In a method for producing a group III nitride single crystal including the step (step (b)) of producing a plurality of group III nitride single crystals by performing can be reduced, and group III nitride single crystals of good quality can be produced stably.

III族原料ガスが基板220上に供給される前にハロゲン系ガスの基板220上への供給を開始する場合、ハロゲン系ガスがノズルの吹き出し口を出てから基板220上に供給されるまでの時間は、ハロゲン系ガスが供給されるノズルの吹き出し口部分から基板220へ到達するまでの反応器202内の体積をハロゲン系ガスの供給流量(又は、ハロゲン系ガスが例えばキャリアガス等の他のガスと同時に供給される場合には、該他のガスとハロゲン系ガスとの合計の供給流量。)(cm/分)で除して求めることができる。また、ハロゲン系ガスの導入を開始してからハロゲン系ガスがノズルの吹き出し口に到達するまでの時間は、ハロゲン系ガスが導入されるノズルの導入口から吹き出し口に至るまでのハロゲン系ガスの移動経路を構成する配管内の総容積をハロゲン系ガスの供給流量(又は、ハロゲン系ガスと例えばキャリアガス等の他のガスとが同一の配管に同時に流通される場合には、該他のガスとハロゲン系ガスとの合計の供給流量。)で除して求めることができる。ハロゲン系ガスの反応器202内への導入を開始した後、この方法で算出した時間が経過した後にIII族原料ガスの供給を開始することにより、III族原料ガスが基板220上に供給される前に確実にハロゲン系ガスを基板220上に供給できる。 When the halogen-based gas is started to be supplied onto the substrate 220 before the group III source gas is supplied onto the substrate 220, the halogen-based gas exits the nozzle outlet and is supplied onto the substrate 220. The time is defined by the supply flow rate of the halogen-based gas (or the supply flow rate of the halogen-based gas, for example, a carrier gas), and the volume in the reactor 202 from the outlet portion of the nozzle to which the halogen-based gas is supplied until it reaches the substrate 220. When supplied simultaneously with the gas, it can be obtained by dividing by the total supply flow rate of the other gas and the halogen-based gas (cm 3 /min). In addition, the time from the start of introduction of the halogen-based gas to the arrival of the halogen-based gas at the outlet of the nozzle is the length of the halogen-based gas from the inlet of the nozzle into which the halogen-based gas is introduced to the outlet The total volume in the piping that constitutes the movement path is the supply flow rate of the halogen-based gas (or, if the halogen-based gas and another gas such as a carrier gas are simultaneously distributed in the same piping, the other gas and the total supply flow rate of the halogen-based gas.). After the introduction of the halogen-based gas into the reactor 202 is started, the supply of the group III source gas is started after the time calculated by this method has elapsed, whereby the group III source gas is supplied onto the substrate 220. Halogen-based gas can be reliably supplied onto the substrate 220 before.

III族原料ガスを金属アルミニウムや有機金属ガスと原料生成用ハロゲン系ガスとの反応により得る場合には、金属アルミニウムや有機金属ガスと原料生成用ハロゲン系ガスとの反応を、意図的に未反応のガスが残留するように反応率を制御することにより、III族原料ガスとハロゲン系ガスとの混合ガスを生成して、該混合ガスを成長部反応域201に供給することも可能である。 When the Group III source gas is obtained by reacting a metallic aluminum or organometallic gas with a halogen-based gas for source generation, the reaction between the metallic aluminum or organometallic gas and the halogen-based gas for source generation is intentionally left unreacted. It is also possible to generate a mixed gas of the III-group source gas and the halogen-based gas and supply the mixed gas to the growth part reaction zone 201 by controlling the reaction rate so that the gas remains.

III族窒化物単結晶製造装置100の成長部反応域201においてIII族原料ガス供給ノズル211から流出するIII族ハロゲン化物ガス(III族原料ガス)のフローと、窒素源ガス供給ノズル210から流出する窒素源ガスのフローとの間には、バリアガスのフローを介在させてもよい。III族原料ガスのフローと窒素源ガスのフローとの間に流出させるバリアガスとしては、不活性である点、及び、分子量が大きいためにIII族原料ガスや窒素源ガスのバリアガスへの拡散が遅い(バリア効果が高い)点で、窒素ガス若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを好ましく用いることができる。ただしバリアガスの効果を調整するために、窒素ガス若しくはアルゴンガス又はこれらの混合ガスに、水素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス等の、不活性な(すなわち、III族原料ガス及び窒素源ガスと反応しない)低分子量ガスを混合してもよい。バリアガスの供給量は、装置の大きさ、混合を抑制する効果等に基づいて決定され、特に制限されるものではないが、例えば50~10000sccmとすることができ、好ましくは例えば100~5000sccmとすることができる。 Flow of group III halide gas (group III source gas) flowing out from group III source gas supply nozzle 211 and flow out from nitrogen source gas supply nozzle 210 in growth section reaction zone 201 of group III nitride single crystal manufacturing apparatus 100 A barrier gas flow may be interposed between the flow of the nitrogen source gas and the flow of the nitrogen source gas. As a barrier gas flowing out between the flow of the group III source gas and the flow of the nitrogen source gas, diffusion of the group III source gas and the nitrogen source gas into the barrier gas is slow because it is inert and has a large molecular weight. Nitrogen gas, argon gas, or a mixed gas thereof can be preferably used in terms of (high barrier effect). However, in order to adjust the effect of the barrier gas, nitrogen gas, argon gas, or a mixture of these gases should be combined with an inert gas such as hydrogen gas, helium gas, neon gas, etc. (that is, it does not react with the group III source gas and the nitrogen source gas). A low molecular weight gas may be mixed. The supply amount of the barrier gas is determined based on the size of the device, the effect of suppressing mixing, etc., and is not particularly limited, but can be, for example, 50 to 10,000 sccm, preferably, for example, 100 to 5000 sccm. be able to.

III族窒化物単結晶を析出させる基板220の材質としては、例えばサファイア、シリコン、シリコンカーバイド、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、ガリウムヒ素、ホウ素化ジルコニウム、ホウ素化チタニウム等を特に制限なく採用できる。また、ベース基板の厚みも特に制限されるものではなく、例えば100~2000μmとすることができる。また、基板12を構成する結晶の面方位も特に制限されるものではなく、例えば+c面、-c面、m面、a面、r面等とすることができる。 Examples of materials for the substrate 220 on which group III nitride single crystals are deposited include sapphire, silicon, silicon carbide, zinc oxide, gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, gallium arsenide, zirconium boride, and titanium boride. Can be used without restrictions. Also, the thickness of the base substrate is not particularly limited, and can be, for example, 100 to 2000 μm. Further, the plane orientation of the crystal forming the substrate 12 is not particularly limited, and may be, for example, the +c plane, -c plane, m plane, a plane, r plane, or the like.

その後、窒素源ガス供給ノズル210を通じて窒素源ガスを成長部反応域201に導入しながら、III族原料ガス供給ノズル211を通じてIII族原料ガスを成長部反応域201に導入し、加熱された基板220上にIII族窒化物単結晶を成長させる。このとき、上記したように、ハロゲン系ガスが基板220上に供給された後に、III族原料ガスの供給を開始して、III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させて結晶成長を開始することが好ましい。 Thereafter, while introducing the nitrogen source gas into the growth section reaction zone 201 through the nitrogen source gas supply nozzle 210, the group III source gas is introduced into the growth section reaction zone 201 through the group III source gas supply nozzle 211, and the substrate 220 is heated. A III-nitride single crystal is grown thereon. At this time, as described above, after the halogen-based gas is supplied onto the substrate 220, the supply of the group III source gas is started, and the group III source gas and the nitrogen source gas are reacted to start crystal growth. is preferred.

結晶成長時の基板220の加熱温度は、結晶成長を行うIII族窒化物単結晶の種類、或いは原料として用いるIII族原料ガス及び窒素源ガスの種類に応じて適宜決定すれば良い。例えば、HVPE法により窒化アルミニウム単結晶を製造する場合には1000~1700℃、特に好ましくは1200~1650℃であり、MOCVD法により窒化アルミニウム単結晶を製造する場合には好ましくは1000~1600℃である。本発明のIII族窒化物単結晶の製造方法におけるIII族窒化物単結晶の成長は、HVPE法を用いる場合(すなわちIII族原料ガスとしてIII族ハロゲン化物ガスを用いる場合。)には、通常、大気圧付近の圧力下(すなわち、反応器内部、III族原料ガス供給ノズル内部、及び窒素源ガス供給ノズル内部の圧力が、0.1~1.5atmとなる条件下。窒化アルミニウム単結晶を製造する場合には好ましくは0.2atm~大気圧となる条件下。)で行われ、MOCVD法を用いる場合(すなわちIII族原料ガスとしてIII族有機金属化合物ガスを用いる場合。)には通常100Pa~大気圧の圧力下で行われる。 The heating temperature of the substrate 220 during crystal growth may be appropriately determined according to the type of group III nitride single crystal for crystal growth, or the type of group III source gas and nitrogen source gas used as raw materials. For example, the temperature is 1000 to 1700° C., particularly preferably 1200 to 1650° C. when producing an aluminum nitride single crystal by HVPE, and preferably 1000 to 1600° C. when producing an aluminum nitride single crystal by MOCVD. be. When the HVPE method is used (that is, when a group III halide gas is used as the group III source gas), the growth of the group III nitride single crystal in the method for producing a group III nitride single crystal of the present invention is usually performed as follows. Under pressure near atmospheric pressure (that is, under conditions where the pressure inside the reactor, inside the group III raw material gas supply nozzle, and inside the nitrogen source gas supply nozzle is 0.1 to 1.5 atm. Manufacturing an aluminum nitride single crystal When using the MOCVD method (that is, when using a group III organometallic compound gas as the group III source gas), the pressure is usually 100 Pa or higher. It is carried out under atmospheric pressure.

HVPE法を用いる場合、III族原料ガス(III族ハロゲン化物ガス)の供給量は、供給分圧(供給される全ガス(キャリアガス、III族原料ガス、窒素源ガス、バリアガス、押し出しガス)の標準状態における体積の合計に対するIII族原料ガスの標準状態における体積の割合。)に換算して通常1Pa~1000Paである。MOCVD法を用いる場合、III族原料ガス(III族有機金属化合物ガス)の供給量は、供給分圧換算で通常0.1~100Paである。窒素源ガスの供給量は特に制限されるものではないが、一般的には、供給する上記III族原料ガスの0.5~1000倍であり、好ましくは1~200倍である。 When using the HVPE method, the supply amount of the group III raw material gas (group III halide gas) is the supply partial pressure (of the total supplied gas (carrier gas, group III raw material gas, nitrogen source gas, barrier gas, extrusion gas) The ratio of the volume of the group III source gas under standard conditions to the total volume under standard conditions.) is usually 1 Pa to 1000 Pa. When the MOCVD method is used, the supply amount of the group III source gas (group III organometallic compound gas) is usually 0.1 to 100 Pa in terms of supply partial pressure. The supply amount of the nitrogen source gas is not particularly limited, but is generally 0.5 to 1000 times, preferably 1 to 200 times, the Group III source gas to be supplied.

成長時間は所望の成長膜厚が達成されるように適宜調節される。一定時間結晶成長を行った後、III族原料ガスの供給を停止することにより結晶成長を終了する。その後、基板220を室温まで降温する。以上の操作により、基板220上にIII族窒化物単結晶を成長させることができる。 The growth time is appropriately adjusted so that the desired grown film thickness is achieved. After crystal growth is performed for a certain period of time, the crystal growth is terminated by stopping the supply of the Group III raw material gas. After that, the temperature of the substrate 220 is lowered to room temperature. Through the above operations, a Group III nitride single crystal can be grown on the substrate 220 .

本発明のIII族窒化物単結晶製造装置及びIII族窒化物単結晶の製造方法は、特に制限されるものではないが、基板220上に膜厚20μm以上のIII族窒化物単結晶、とりわけ窒化アルミニウム単結晶を成長させる場合に好ましく採用でき、基板220上に膜厚100μm以上のIII族窒化物単結晶、とりわけ窒化アルミニウム単結晶を成長させる場合に特に好ましく用いることができる。III族窒化物単結晶の厚みの上限は、特に制限されるものではないが、例えば2000μm以下とすることができる。また、III族窒化物単結晶、とりわけ窒化アルミニウム単結晶の大きさは、特に制限されるものではないが、該基板上にIII族窒化物単結晶が成長する面積(結晶成長面の面積)として好ましくは100mm以上、より好ましくは400mm以上、さらに好ましくは1000mm以上である。結晶成長面の面積の上限値は特に制限されるものではないが、例えば10000mm以下とすることができる。 The group III nitride single crystal manufacturing apparatus and the group III nitride single crystal manufacturing method of the present invention are not particularly limited, but a group III nitride single crystal, particularly nitriding, having a film thickness of 20 μm or more is formed on the substrate 220 . It can be preferably used when growing an aluminum single crystal, and can be particularly preferably used when growing a Group III nitride single crystal, especially an aluminum nitride single crystal, with a film thickness of 100 μm or more on the substrate 220 . Although the upper limit of the thickness of the group III nitride single crystal is not particularly limited, it can be, for example, 2000 μm or less. The size of the group III nitride single crystal, especially the aluminum nitride single crystal, is not particularly limited, but the area of the group III nitride single crystal grown on the substrate (the area of the crystal growth surface) is It is preferably 100 mm 2 or more, more preferably 400 mm 2 or more, and still more preferably 1000 mm 2 or more. Although the upper limit of the area of the crystal growth surface is not particularly limited, it can be, for example, 10000 mm 2 or less.

III族窒化物単結晶製造装置100の排出部300(図5)において、前述したように、固体析出の抑制のためには、排出ガス供給管311は、50℃以上400℃以下であることが好ましく、50℃以上300℃以下であることがさらに好ましい。 In the discharge section 300 (FIG. 5) of the group III nitride single crystal production apparatus 100, as described above, the temperature of the discharge gas supply pipe 311 is set to 50° C. or higher and 400° C. or lower in order to suppress solid precipitation. It is preferably 50° C. or higher and 300° C. or lower, more preferably.

排出部反応域320では、塩化アンモニウムや塩化アルミニウムを捕集部340で完全に捕集するために、成長部200から排出されたガスと反応する反応性ガスを供給することができる。供給する反応性ガスは、塩化水素ガス、塩素ガス、アンモニアガス等、排出部を構成する部材の材質やIII族窒化物単結晶成長条件によって適宜選択できるが、成長部反応域201に供給するガスから選ばれる少なくとも一種のガスを含むことが好ましい。反応性ガスの供給流量は、成長部200から排出されたガスのうち、該反応性ガスと反応するガス成分(以下、「ガス成分A」とも言う。)がすべて反応しきる量以上であることが好ましい。成長部200から排出されるガスのうちのガス成分Aの量は、III族窒化物単結晶の成長速度および寄生反応の反応速度により推定することができるが、寄生反応の反応速度を算出することは困難であるため、以下のように制御することが好ましい。例えば、ガス成分Aが、排出部反応域に供給する反応性ガス以外に、成長部反応域に供給する任意のガスと反応する場合は、成長部反応域201に供給するガス成分Aと反応するガスと、排出部反応域320に供給する該反応性ガスとの合計量が、成長部に供給したガスのうちのガス成分Aと成長部で副生するガス成分Aの最大量(反応の歩留まりが100%という前提での副生量)との合計量と過不足なく反応する量以上とすればよい。より好ましくは1.1倍以上、さらに好ましくは1.2倍以上である。そうすることにより、ガス成分Aと反応性ガスの接触効率が高まり、捕集部でガス成分A起因の析出物を捕集することができる。該反応性ガスは、窒素ガスや水素ガス等のキャリアガスとともに供給することもできる。排出部反応域340に反応性ガス供給口322を複数設けた場合、反応性ガスの合計供給量は、成長部に供給したガスのうちのガス成分Aと成長部で副生するガス成分Aの最大量(反応の歩留まりが100%という前提での副生量)との合計量と過不足なく反応する量以上とすればよい。例えば、成長部反応域201にハロゲン系ガスを供給しながら塩化アルミニウムガスとアンモニアガスを供給して窒化アルミニウムを成長させる場合、排出部反応域320にアンモニアガスを供給して、成長部反応域で副生した塩化水素と反応させて塩化アンモニウムとして捕集することができる。この場合、成長部反応域201に供給するハロゲン系ガスを100sccm、塩化アルミニウムガスを10sccm、アンモニアガスを40sccmとすると、排出部反応域320に供給するアンモニアガスは90sccm以上であることが好ましく、99sccm以上であることがさらに好ましく、108sccm以上であることがさらに好ましい。 In the outlet reaction zone 320 , a reactive gas that reacts with the gas discharged from the growth section 200 can be supplied in order to completely collect ammonium chloride and aluminum chloride in the collector 340 . The reactive gas to be supplied can be appropriately selected from hydrogen chloride gas, chlorine gas, ammonia gas, etc., depending on the material of the member constituting the discharge part and the group III nitride single crystal growth conditions, but the gas supplied to the growth part reaction zone 201 It preferably contains at least one gas selected from The supply flow rate of the reactive gas should be equal to or greater than the amount at which all of the gas components (hereinafter also referred to as “gas component A”) that react with the reactive gas in the gas discharged from the growth section 200 can completely react. preferable. The amount of gas component A in the gas discharged from the growth section 200 can be estimated from the growth rate of the group III nitride single crystal and the reaction rate of the parasitic reaction. is difficult, it is preferable to control as follows. For example, if the gas component A reacts with any gas supplied to the growth zone reaction zone other than the reactive gas supplied to the discharge zone reaction zone, it reacts with the gas component A supplied to the growth zone reaction zone 201. The total amount of the gas and the reactive gas supplied to the discharge section reaction zone 320 is the maximum amount of the gas component A in the gas supplied to the growth section and the gas component A by-produced in the growth section (reaction yield is 100% by-product) and the amount that reacts with the total amount without excess or deficiency. More preferably 1.1 times or more, still more preferably 1.2 times or more. By doing so, the contact efficiency between the gas component A and the reactive gas is increased, and the deposits caused by the gas component A can be collected in the collecting portion. The reactive gas can also be supplied together with a carrier gas such as nitrogen gas or hydrogen gas. When a plurality of reactive gas supply ports 322 are provided in the discharge section reaction zone 340, the total supply amount of the reactive gas is the sum of the gas component A in the gas supplied to the growth section and the gas component A by-produced in the growth section. The amount should be equal to or more than the sum of the maximum amount (the amount of by-products on the premise that the yield of the reaction is 100%) and the amount that reacts without excess or deficiency. For example, when aluminum chloride gas and ammonia gas are supplied to the growth part reaction zone 201 while supplying a halogen-based gas to grow aluminum nitride, ammonia gas is supplied to the discharge part reaction zone 320 and It can be collected as ammonium chloride by reacting with the by-produced hydrogen chloride. In this case, if the halogen-based gas supplied to the growth part reaction zone 201 is 100 sccm, the aluminum chloride gas is 10 sccm, and the ammonia gas is 40 sccm, the ammonia gas supplied to the discharge part reaction zone 320 is preferably 90 sccm or more, preferably 99 sccm. It is more preferably 108 sccm or more, and more preferably 108 sccm or more.

また、上述したように、基板220上でIII族原料ガスと窒素源ガスを反応させてIII族窒化物を成長する前に成長部反応域201にハロゲン系ガス、III族原料ガス、窒素源ガスを供給する場合には、成長前においても、排出部反応域320に反応性ガスを供給することが好ましい。この場合、成長前に供給する反応性ガスと成長中に供給する反応性ガスは同一ガスであることが好ましい。 Further, as described above, before the group III source gas and the nitrogen source gas are reacted on the substrate 220 to grow the group III nitride, the growth part reaction zone 201 is supplied with a halogen-based gas, a group III source gas, and a nitrogen source gas. is preferably supplied to the exhaust reaction zone 320 even before growth. In this case, the reactive gas supplied before growth and the reactive gas supplied during growth are preferably the same gas.

前述したように、捕集部340における捕集の手段は限定されないが、固体を通過させずガスのみを通過させるフィルター341を設ける場合、ガスから固体に昇華することにより捕集するため、該捕集部340を外部冷却手段342により冷却することが好ましい。具体的には、190℃以下が好ましく、150℃以下がさらに好ましく、100℃以下がさらに好ましい。 As described above, the means for collecting in the collection unit 340 is not limited. Preferably, the collector 340 is cooled by external cooling means 342 . Specifically, the temperature is preferably 190° C. or lower, more preferably 150° C. or lower, and even more preferably 100° C. or lower.

<製造後の処理>
得られたIII族窒化物単結晶は、アルミニウム系III族窒化物半導体(主に窒化アルミニウムガリウム混晶)を用いた発光素子や、ショットキーバリアダイオードや高電子移動トランジスター等の電子デバイス等に好適に用いることができる。上記本発明の製造方法により得られるIII族窒化物単結晶は、必要に応じて、所望する厚さに研削し、次いで、研削加工により、表面を平坦化させ、その後化学的機械的研磨(CMP)で、表面の研削による研磨ダメージ層を除去することで、表面の平坦なIII族窒化物単結晶とすることができる。また、ベース基板を機械切断やレーザー切断、研削等の公知の加工方法により除去し、ベース基板上に積層したIII族窒化物単結晶層のみからなる新たなIII族窒化物単結晶とすることもできる。研削加工、化学的機械的研磨(CMP)の方法については公知の方法を採用することができる。使用する研磨剤は、シリカ、アルミナ、セリア、炭化ケイ素、窒化ホウ素、ダイヤモンド等の材質を含む研磨剤を用いることができる。また、研磨剤の性状は、アルカリ性、中性、または酸性のいずれでもよい。中でも、窒化アルミニウムは、窒素極性面(-c面)の耐アルカリ性が低いため、強アルカリ性の研磨剤よりも、弱アルカリ性、中性または酸性の研磨剤、具体的には、pH9以下の研磨剤を用いることが好ましい。もちろん、窒素極性面に保護膜を設置すれば強アルカリ性の研磨剤も問題なく使用することも可能である。研磨速度を高めるために酸化剤等の添加剤を追加することも可能であり、研磨パットの材質や硬度は市販のものを使用することができる。
<Treatment after manufacturing>
The resulting group III nitride single crystal is suitable for light emitting devices using aluminum-based group III nitride semiconductors (mainly aluminum gallium nitride mixed crystals), electronic devices such as Schottky barrier diodes and high electron mobility transistors, and the like. can be used for The group III nitride single crystal obtained by the production method of the present invention is ground to a desired thickness, if necessary, and then the surface is flattened by grinding, followed by chemical mechanical polishing (CMP). ) to remove the polishing damage layer caused by the grinding of the surface, thereby making it possible to obtain a Group III nitride single crystal with a flat surface. Alternatively, the base substrate may be removed by a known processing method such as mechanical cutting, laser cutting, or grinding to form a new group III nitride single crystal consisting of only the group III nitride single crystal layer laminated on the base substrate. can. Known methods can be employed for grinding and chemical mechanical polishing (CMP). Abrasives that can be used include materials such as silica, alumina, ceria, silicon carbide, boron nitride, and diamond. Moreover, the properties of the abrasive may be alkaline, neutral, or acidic. Among them, since aluminum nitride has low alkali resistance on the nitrogen polar plane (−c plane), weakly alkaline, neutral or acidic abrasives, specifically pH 9 or less abrasives, are preferred over strongly alkaline abrasives. is preferably used. Of course, if a protective film is provided on the nitrogen-polar surface, a strong alkaline abrasive can be used without any problem. Additives such as an oxidizing agent can be added to increase the polishing speed, and commercially available materials and hardness of the polishing pad can be used.

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
(窒化アルミニウム単結晶層の成長)
(ベース基板の準備)
昇華法により作製された、直径22mm、厚さ510μmの市販の窒化アルミニウム単結晶基板をベース基板として使用した。このベース基板である窒化アルミニウム単結晶基板をアセトンとイソプロピルアルコールで超音波洗浄したのち、窒化アルミニウム単結晶基板のAl極性側が成長面になるように、該窒化アルミニウム単結晶基板をHVPE装置内のBNコートグラファイト製サセプタ上に設置した。
<Example 1>
(Growth of aluminum nitride single crystal layer)
(Preparation of base board)
A commercially available aluminum nitride single crystal substrate having a diameter of 22 mm and a thickness of 510 μm, which was produced by a sublimation method, was used as a base substrate. After ultrasonically cleaning the aluminum nitride single crystal substrate as the base substrate with acetone and isopropyl alcohol, the aluminum nitride single crystal substrate was subjected to BN deposition in an HVPE apparatus so that the Al polarity side of the aluminum nitride single crystal substrate became the growth surface. It was installed on a coated graphite susceptor.

(窒化アルミニウム単結晶の製造条件)
窒化アルミニウム単結晶層の成長には、図1に示した態様のHVPE装置(III族窒化物単結晶製造装置100)において、III族原料ガス供給ノズル211の先端から上流側250mmのフローチャネル内部に整流隔壁を設けた装置を使用した。整流隔壁は直径3mmの貫通孔が24個設けられた石英ガラス製の板であり、石英ガラス製フローチャネルの内壁に溶接して設けられた。
(Conditions for manufacturing aluminum nitride single crystal)
For the growth of the aluminum nitride single crystal layer, in the HVPE apparatus (group III nitride single crystal production apparatus 100) of the mode shown in FIG. An apparatus provided with a rectifying partition was used. The rectifying partition is a quartz glass plate having 24 through-holes with a diameter of 3 mm and is welded to the inner wall of the quartz glass flow channel.

整流隔壁の貫通孔を通して、フローチャネルのさらに上流側から押し出しキャリアガスを流通した。押し出しキャリアガスには、水素と窒素を7:3の割合で混合した混合キャリアガス6500sccmを使用した。 Through the through-holes of the rectifying partition, the carrier gas was circulated from the further upstream side of the flow channel. A mixed carrier gas of 6500 sccm in which hydrogen and nitrogen were mixed at a ratio of 7:3 was used as the extrusion carrier gas.

また、バリアガスノズルから窒素ガス1500sccmを供給した。成長中の系内の圧力は0.9atmに保持した。 Further, 1500 sccm of nitrogen gas was supplied from a barrier gas nozzle. The pressure in the system during growth was kept at 0.9 atm.

III族原料ガス供給ノズル211よりさらに上流部の原料部反応器内に、6Nグレードの高純度アルミニウムを配置した。原料部反応器内部を400℃に加熱した。基板220を1500℃に加熱した。 6N grade high-purity aluminum was placed in the raw material section reactor further upstream from the group III raw material gas supply nozzle 211 . The inside of the raw material part reactor was heated to 400°C. The substrate 220 was heated to 1500°C.

(排出部の構造)
中央に、直径10mmの反応性ガス供給口322を10個有する反応性ガス供給管321を有する、内容積5000cm3の排出部反応域320と、該排出部反応域320の下流端に接続された直径70mm、長さ1000mmの排出ガス供給配管330と、該排出ガス供給配管330の他方端に接続された捕集部340を有する。該捕集部340は、内容積5000cm3であり、その内部に市販のフィルター341(ポール社製ダイナメッシュPWC70-10SDOE)を2個有する。フィルター341を通過したガスは直径23mmの排出ガス供給管350を通って排ガス処理装置360へ供給される。捕集部340から排ガス処理装置360の間にドライポンプを設置し、成長部反応域201が0.9atmになるよう制御して減圧した。捕集部340からドライポンプまでの配管の任意の位置に圧力計を設けた。該圧力計より上流側に固体の析出があり、配管径が狭くなると、圧損が生じるため、析出箇所より上流側と下流側で差圧が生じる。本実施例では、該差圧をモニタリングし、差圧が生じたときに閉塞の兆候が出たとの判断にした。排出ガス供給管311は、成り行きの温度とし、排出部反応域320および捕集部340は、外部冷却装置323、342にて50℃に制御した。排ガス処理装置360には水7リットルを循環させた。排ガス処理装置360へ接続される排出ガス供給配管350は一部を除いてステンレス鋼製である。該一部とは、排ガス処理装置360へ接続される30cmのみであり、該一部は塩化ビニル製とした。
(Structure of discharge part)
An exhaust reaction zone 320 with an internal volume of 5000 cm3 having a reactive gas supply pipe 321 having ten reactive gas supply ports 322 with a diameter of 10 mm in the center, and a diameter connected to the downstream end of the exhaust reaction zone 320. It has an exhaust gas supply pipe 330 with a length of 70 mm and a length of 1000 mm, and a collection part 340 connected to the other end of the exhaust gas supply pipe 330 . The collecting part 340 has an internal volume of 5000 cm 3 and has two commercially available filters 341 (Dynamesh PWC70-10SDOE manufactured by Pall Corporation) inside. The gas that has passed through the filter 341 is supplied to the exhaust gas treatment device 360 through an exhaust gas supply pipe 350 having a diameter of 23 mm. A dry pump was installed between the collection part 340 and the exhaust gas treatment device 360, and the pressure in the growth part reaction zone 201 was controlled to 0.9 atm. A pressure gauge was provided at an arbitrary position of the piping from the collection part 340 to the dry pump. Solid deposition occurs on the upstream side of the pressure gauge, and when the pipe diameter becomes narrow, pressure loss occurs, resulting in a differential pressure between the upstream side and the downstream side of the deposition point. In this example, the differential pressure was monitored, and it was determined that a sign of blockage had appeared when a differential pressure occurred. The exhaust gas supply pipe 311 was at a temperature of course, and the exhaust reaction zone 320 and the collector 340 were controlled at 50° C. by external cooling devices 323 and 342 . Seven liters of water was circulated through the exhaust gas treatment device 360 . Exhaust gas supply pipe 350 connected to exhaust gas treatment device 360 is made of stainless steel except for a part. The part is only 30 cm connected to the exhaust gas treatment device 360, and the part is made of vinyl chloride.

(ベース基板の温度と窒化アルミニウム単結晶の成長)
原料部反応器が400℃、基板220が1500℃になった時点で、窒素源ガス供給ノズル210からは、アンモニアガス50sccmと水素キャリアガス150sccmの合計で200sccmを成長部反応域201へ供給した。その30秒後に、原料部反応器にキャリアガスとともに塩化水素ガスを30sccm供給することにより、塩化アルミニウムガスを10sccm発生させた。水素窒素混合キャリアガス1790sccmを含めた合計1800sccmの混合ガスとして、該混合ガスをIII族原料供給ノズル吹き出し口から成長部反応域201に導入した。また、排出部反応域320へ、反応性ガス供給管321を通して、原料部反応器への塩化水素ガスの供給と同時にアンモニアガスを10sccm供給した。上記条件で、窒化アルミニウム単結晶層を40時間成長した。窒化アルミニウム単結晶層の成長後、塩化アルミニウムガス、塩化水素ガスおよびアンモニアガスの供給を停止して、基板220を室温まで冷却した。
(Temperature of base substrate and growth of aluminum nitride single crystal)
When the raw material reactor reached 400° C. and the substrate 220 reached 1500° C., a total of 200 sccm of ammonia gas of 50 sccm and hydrogen carrier gas of 150 sccm was supplied from the nitrogen source gas supply nozzle 210 to the growth part reaction zone 201 . After 30 seconds, 10 sccm of aluminum chloride gas was generated by supplying 30 sccm of hydrogen chloride gas together with the carrier gas to the source reactor. A mixed gas of 1800 sccm in total including 1790 sccm of a hydrogen-nitrogen mixed carrier gas was introduced into the growth zone reaction zone 201 from the group III raw material supply nozzle outlet. In addition, 10 sccm of ammonia gas was supplied to the discharge part reaction zone 320 through the reactive gas supply pipe 321 at the same time as the hydrogen chloride gas was supplied to the raw material part reactor. Under the above conditions, an aluminum nitride single crystal layer was grown for 40 hours. After the growth of the aluminum nitride single crystal layer, the supply of aluminum chloride gas, hydrogen chloride gas and ammonia gas was stopped and the substrate 220 was cooled to room temperature.

(排出部閉塞状態および排ガス処理装置からの排ガスの分析)
窒化アルミニウム単結晶成長40時間中、差圧は生じなかった。また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、析出物はなかった。成長開始40時間後の成長終了直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH7を示した。
(Analysis of Exhaust Blockage State and Exhaust Gas from Exhaust Gas Processing Equipment)
No differential pressure occurred during 40 hours of aluminum nitride single crystal growth. Further, when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, no precipitate was found. After 40 hours from the start of the growth, just before the end of the growth, a pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360, and a pH of 7 was indicated.

<実施例2>
III族原料ガスおよびハロゲン系ガスの供給において、図3に示すように、発生した塩化アルミニウムガスに、III族追加ハロゲン系ガス供給ノズルから塩化水素ガスを100sccm供給し、水素窒素混合キャリアガス1690sccmを含めた合計1800sccmの混合ガスとして、該混合ガスをIII族原料供給ノズル吹き出し口から成長部反応域201に導入したことおよび、排出部反応域320にアンモニアガスを100sccm供給したこと以外は実施例1と同様の成長方法で窒化アルミニウム単結晶を成長した。
<Example 2>
In the supply of the group III raw material gas and the halogen-based gas, as shown in FIG. 3, 100 sccm of hydrogen chloride gas was supplied to the generated aluminum chloride gas from the group III additional halogen-based gas supply nozzle, and 1690 sccm of the hydrogen-nitrogen mixed carrier gas was supplied. 1800 sccm in total including An aluminum nitride single crystal was grown by the same growth method.

窒化アルミニウム単結晶成長40時間中、差圧は生じなかった。また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、析出物はなかった。成長開始40時間後の成長終了直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH7を示した。 No differential pressure occurred during 40 hours of aluminum nitride single crystal growth. Further, when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, no precipitate was found. After 40 hours from the start of the growth, just before the end of the growth, a pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360, and a pH of 7 was indicated.

<比較例3>
実施例2で用いた排出部反応域320および排出ガス供給配管330を取り外し、捕集部340の外壁上流側から1個の反応性ガス供給口322を設け、捕集部340と排出部反応域320を兼ねる構造としたこと以外は実施例2と同様の成長方法にて窒化アルミニウム単結晶を成長した。
<Comparative Example 3>
The exhaust reaction zone 320 and the exhaust gas supply pipe 330 used in Example 2 are removed, and one reactive gas supply port 322 is provided from the upstream side of the outer wall of the collection part 340, and the collection part 340 and the discharge reaction zone An aluminum nitride single crystal was grown by the same growth method as in Example 2, except that the structure also served as 320.

窒化アルミニウム単結晶成長40時間中、差圧は生じなかった。また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、配管350内に塩化アンモニウムの析出物がわずかにあった。成長開始40時間後の成長終了直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH7を示した。 No differential pressure occurred during 40 hours of aluminum nitride single crystal growth. Further, when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, a slight amount of precipitate of ammonium chloride was found inside the pipe 350 . After 40 hours from the start of the growth, just before the end of the growth, a pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360, and a pH of 7 was indicated.

<比較例4>
捕集部340の温度を200℃にしたこと以外は比較例3と同様の成長方法にて窒化アルミニウム単結晶を成長した。
<Comparative Example 4>
An aluminum nitride single crystal was grown by the same growth method as in Comparative Example 3 , except that the temperature of the collecting portion 340 was set to 200.degree.

窒化アルミニウム単結晶成長40時間中、差圧は生じなかった。また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、塩化アルミニウムおよび塩化アンモニウムの析出物がわずかにあった。成長開始40時間後の成長酋長直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH7を示した。 No differential pressure occurred during 40 hours of aluminum nitride single crystal growth. Further, when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, a slight deposit of aluminum chloride and ammonium chloride was found. When pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360 just before the growth chief after 40 hours from the start of growth, a pH of 7 was indicated.

<比較例1>
排出部反応域320、捕集部340および排出ガス供給配管330を設けなかったことと反応性ガスを供給しなかったこと以外は実施例1と同様の成長方法にて窒化アルミニウム単結晶を成長した。
<Comparative Example 1>
An aluminum nitride single crystal was grown by the same growth method as in Example 1, except that the discharge section reaction zone 320, the collection section 340, and the exhaust gas supply pipe 330 were not provided, and the reactive gas was not supplied. .

13時間成長後に差圧が生じ、成長を停止した。また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、塩化アルミニウムおよび塩化アンモニウムの析出物があった。成長開始13時間後の成長終了直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH7を示した。 After 13 hours of growth, a differential pressure developed and stopped growth. Further, when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, deposits of aluminum chloride and ammonium chloride were found. Thirteen hours after the start of the growth, just before the end of the growth, a pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360, and a pH of 7 was indicated.

<比較例2>
排出部反応域320、捕集部340および排出ガス供給配管330を設けなかったことと反応性ガスを供給しなかったこと以外は実施例2と同様の成長方法にて窒化アルミニウム単結晶を成長した。
<Comparative Example 2>
An aluminum nitride single crystal was grown by the same growth method as in Example 2 except that the exhaust reaction zone 320, the trapping part 340 and the exhaust gas supply pipe 330 were not provided and the reactive gas was not supplied. .

6時間成長後に差圧が生じ、また、成長後に排出ガス供給配管350を大気開放したところ、塩化アルミニウムおよび塩化アンモニウムの析出物があった。成長開始40時間後の成長終了直前に、超純水で湿らせたpH試験紙を排ガス処理装置360の排気口361に近づけたところ、pH6.5を示した。 A differential pressure occurred after the growth for 6 hours, and when the exhaust gas supply pipe 350 was opened to the atmosphere after the growth, deposits of aluminum chloride and ammonium chloride were found. 40 hours after the start of the growth, just before the end of the growth, a pH test paper moistened with ultrapure water was brought close to the exhaust port 361 of the exhaust gas treatment device 360, and the pH was 6.5.

100.気相成長装置(HVPE装置)
200.成長部
201.成長部反応域
202.反応管
203.基板保持台
204.加熱手段
205.外部加熱手段
210.窒素源ガス供給ノズル
211.III族原料ガス供給ノズル
212.ハロゲン系ガス供給ノズル
220.基板
300.排出部
311.排出ガス供給管
312.外部加熱手段または外部冷却手段
320.排出部反応域
321.反応性ガス供給管
322.反応性ガス供給口
330.排出ガス供給管
331.外部加熱手段または外部冷却手段
340.捕集部
341.フィルター
342.外部冷却手段
350.排出ガス供給管
360.排ガス処理装置
361.排気口
100. Vapor deposition equipment (HVPE equipment)
200. growing part 201 . Growth zone reaction zone
202. reaction tube
203. Substrate holding table 204 . heating means 205 . external heating means 210 . Nitrogen source gas supply nozzle 211 . Group III raw material gas supply nozzle 212 . Halogen gas supply nozzle 220 . Substrate 300 . discharge section 311 . Exhaust gas supply pipe 312 . external heating or cooling means 320 . Exhaust reaction zone 321 . reactive gas supply pipe 322 . Reactive gas supply port 330 . Exhaust gas supply pipe 331 . external heating or cooling means 340 . Collection unit 341 . filter 342 . external cooling means 350 . Exhaust gas supply pipe 360 . Exhaust gas treatment device 361 . exhaust port

Claims (4)

III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させることにより基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる成長部反応域を有する成長部、及び該成長部を経たガスを排出する排出部を備えた気相成長装置であって、
前記排出部が、前記成長部を経た排出ガスの少なくとも一種の成分を捕集する捕集部と、該捕集部を経た排ガス中の少なくとも一種の成分を捕集する排ガス処理装置とを備え、
前記III族原料ガスがハロゲン化アルミニウムガスであり、前記窒素源ガスがアンモニアガスであり、前記III族窒化物単結晶が窒化アルミニウム単結晶であり、
前記排出ガスは、塩化アルミニウムガス及び塩化水素ガスを含み、
前記成長部と前記捕集部との間に、
前記成長部を経た前記排出ガスのうち前記塩化水素ガスと反応するアンモニアガスを供給し、前記成長部を経た前記排出ガス中の該塩化水素ガス成分と該アンモニアガスとを反応せしめる排出ガス反応域を有し、
前記排出ガス反応域は、前記成長部と第1の排出ガス供給管で接続されているとともに前記捕集部と第2の排出ガス供給管で接続されており、前記アンモニアガスを供給する ンモニアガス供給口を複数有し、
前記第2の排出ガス供給管は、10cm以上2m以下であり、
前記捕集部は、フィルター及び外部冷却装置を備え、塩化アルミニウム及び塩化アンモ ニウムを捕集し、
前記排ガス処理装置は、水を含む捕集液を備え、
前記捕集部の温度を190℃以下とする、気相成長装置。
A growth section having a growth section reaction zone for growing a group III nitride single crystal on a substrate by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas, and a discharge section for discharging gas that has passed through the growth section. A vapor phase growth apparatus,
The discharge unit includes a collection unit that collects at least one component of the exhaust gas that has passed through the growth unit, and an exhaust gas treatment device that collects at least one component in the exhaust gas that has passed through the collection unit,
The group III source gas is an aluminum halide gas, the nitrogen source gas is ammonia gas, the group III nitride single crystal is an aluminum nitride single crystal,
The exhaust gas contains aluminum chloride gas and hydrogen chloride gas,
Between the growth section and the collection section,
an exhaust gas reaction zone for supplying ammonia gas that reacts with the hydrogen chloride gas out of the exhaust gas that has passed through the growth section, and causing the hydrogen chloride gas component in the exhaust gas that has passed through the growth section to react with the ammonia gas; has
The exhaust gas reaction zone is connected to the growth section by a first exhaust gas supply pipe and is connected to the trapping section by a second exhaust gas supply pipe . having a plurality of gas supply ports,
The second exhaust gas supply pipe has a length of 10 cm or more and 2 m or less,
The collecting unit is equipped with a filter and an external cooling device to collect aluminum chloride and ammonium chloride ,
The exhaust gas treatment device includes a collection liquid containing water,
A vapor phase growth apparatus, wherein the temperature of the collecting part is 190° C. or lower.
前記排出ガス反応域は、複数の前記アンモニアガス供給口を有するアンモニアガス供給 The exhaust gas reaction zone is an ammonia gas supply having a plurality of the ammonia gas supply ports. 管を備える、with a tube,
請求項1に記載の気相成長装置。 The vapor phase growth apparatus according to claim 1.
前記成長部が、前記III族原料ガスと前記窒素源ガスとを反応させることにより基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる成長部反応域を有する反応管と、
前記成長部反応域に配設され、基板を保持する保持台と、
III族原料ガスを前記反応域へ供給する、III族原料ガス供給ノズルと、
窒素源ガスを成長部反応域へ供給するための窒素源ガス供給ノズルとを有し、
さらに、ハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを成長部反応域へ供給する構造となっている、請求項1又は2に記載の気相成長装置。
a reaction tube in which the growth section has a growth section reaction zone for growing a group III nitride single crystal on a substrate by reacting the group III source gas and the nitrogen source gas;
a holding table disposed in the reaction zone of the growth section and holding a substrate;
a group III source gas supply nozzle for supplying a group III source gas to the reaction zone;
a nitrogen source gas supply nozzle for supplying the nitrogen source gas to the growth zone reaction zone;
3. The vapor phase growth apparatus according to claim 1, further comprising a structure for supplying at least one halogen-based gas selected from hydrogen halide gas and halogen gas to the reaction zone of the growth section.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の気相成長装置の前記成長部反応域に、III族原料ガスであるハロゲン化アルミニウムガスと、窒素源ガスであるアンモニアガスとを供給することにより、前記III族原料ガスと前記窒素源ガスとを反応させる工程を有し、
該工程において、ハロゲン化水素ガス及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを前記成長部反応域に供給する、III族窒化物単結晶である窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
By supplying an aluminum halide gas as a group III source gas and an ammonia gas as a nitrogen source gas to the growth zone reaction zone of the vapor phase growth apparatus according to any one of claims 1 to 3 , a step of reacting the group III source gas and the nitrogen source gas,
A method for producing an aluminum nitride single crystal, which is a Group III nitride single crystal, wherein in the step, at least one halogen-based gas selected from hydrogen halide gas and halogen gas is supplied to the reaction zone of the growth part.
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