KR20120022782A - 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정 - Google Patents

질화 알루미늄 단결정의 제조 장치, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정 Download PDF

Info

Publication number
KR20120022782A
KR20120022782A KR1020117024509A KR20117024509A KR20120022782A KR 20120022782 A KR20120022782 A KR 20120022782A KR 1020117024509 A KR1020117024509 A KR 1020117024509A KR 20117024509 A KR20117024509 A KR 20117024509A KR 20120022782 A KR20120022782 A KR 20120022782A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
aluminum nitride
single crystal
crucible
crystal
nitride single
Prior art date
Application number
KR1020117024509A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101425498B1 (ko
Inventor
도모히사 가토
이치로 나가이
도모노리 미우라
히로유키 가마타
Original Assignee
도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠
가부시키가이샤후지쿠라
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠, 가부시키가이샤후지쿠라 filed Critical 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠
Publication of KR20120022782A publication Critical patent/KR20120022782A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101425498B1 publication Critical patent/KR101425498B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 질화 알루미늄 원료와, 이 질화 알루미늄 원료와 대향하도록 배치된 종결정(種結晶)을 내부에 수용하는 도가니를 구비한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치로서, 상기 도가니가, 내부에 상기 질화 알루미늄 원료와 상기 종결정을 수납하고, 또한 상기 질화 알루미늄 원료의 승화(昇華) 가스에 대한 내식성(耐蝕性)을 가지면서, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체(單體) 또는 그 질화물로 형성되는 내측 도가니와, 상기 내측 도가니를 덮고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니로 이루어진다.

Description

질화 알루미늄 단결정의 제조 장치, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정{APPARATUS FOR MANUFACTURING ALUMINUM NITRIDE SINGLE CRYSTAL, METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM NITRIDE SINGLE CRYSTAL, AND ALUMINUM NITRIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은, 질화 알루미늄(AIN) 단결정의 제조 장치와 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정에 관한 것이다. 본원은, 2009년 4월 24일자로 일본에 출원된 일본 특허출원번호 2009-106689호에 따라 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
질화 알루미늄계 반도체는, 와이드 갭 반도체 중에서도 6eV의 매우 큰 밴드 갭을 가지고, 자외 LED나 레이저 소자의 재료로서 매우 유망시되고 있다. 또한, 질화 알루미늄의 격자 정수가, 고내압(高耐壓) 고주파 파워 디바이스로서 기대되는 질화 갈륨(GaN)의 격자 정수와 극히 유사하므로, 질화 알루미늄계 반도체는 GaN 디바이스 제작용의 기판 재료로서도 큰 주목을 받고 있다.
일반적인 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법으로서는, 액상 성장법(플럭스법), 승화(昇華)법(승화 재결정 성장법), 수소화물 기상 퇴적법(기상 성장법) 등을 예로 들 수 있다. 이들 중에서도, 승화법은, 결정의 성장 속도가 빠르고, 수mm 이상의 두께를 가지는 벌크 결정을 얻는 것이 가능한 방법으로서 알려져 있다. 이 승화법은, 차세대 파워 반도체 재료로서 주목받고 있는 탄화 실리콘(SiC)의 단결정의 성장 방법으로서 널리 인지되어 있고, 그 기술을 응용하는 형태로 질화 알루미늄(AIN) 단결정의 성장을 행하는 연구개발이 행해져 왔다.
여기서, 일반적인 질화 알루미늄 단결정의 성장에 있어서의 승화법에 대하여 설명한다.
도 2는, 일반적인 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치(51)의 일례를 나타낸다. 도 2에서 부호 "52"는 도가니, 부호 "53"은 커버체, 부호 "10"은 결정 성장용 로(爐), 부호 "11"은 질화 알루미늄 원료, 부호 "12"는 종결정(種結晶), 부호 "13"은 질화알루미늄 단결정, 부호 "15"는 가열 장치, 부호 "16"은 가스 도입부, 부호 "17"은 가스 배출부이다.
도가니(52)는, 흑연 또는 탄화 탄탈(TaC)에 의해 형성된 용기이다. 도가니(52)에는, 질화 알루미늄 원료(11)가 수납되어 있다. 도가니(52)의 상면에는 커버체(53)가 탑재되어 있고, 이 커버체 (53)와 도가니(52)에 의해 내부 공간(14)이 형성되어 있다. 커버체(53)의 하면에는 질화 알루미늄 또는 탄화 실리콘(SiC)에 의해 형성된 종결정(12)이 고착되어 있다.
도가니(52)는 가열 장치(15)를 구비한 결정 성장용 로(10) 내에 고정되어 있다. 결정 성장용 로(10)의 천정부에는, 질소 가스 등을 결정 성장용 로(10) 내에 도입하기 위한 가스 도입부(16)가 형성되어 있다. 결정 성장용 로(10)의 바닥부에는, 질소 가스 등 결정 성장용 로(10) 내에 도입된 가스 또는 결정 성장용 로(10) 내에서 발생한 가스를 배출하기 위한 가스 배출부(17)가 형성되어 있다. 결정 성장용 로(10)의 내부는, 이들 가스 도입부(16)와 가스 배출부(17)에 의해, 소정의 가스 압력으로 조정된다.
질화 알루미늄 단결정(13)을 성장시킬 때는, 질화 알루미늄 원료(11)를 가열 장치(15)에 의해 약 2000℃까지 가열하는 것에 의해 승화시킨다. 이로써, 질화 알루미늄 조성의 승화 가스가 내부 공간(14)에 발생하고, 종결정(12) 상으로 이송된다. 이로써, 승화 가스로부터 질화 알루미늄 단결정(13)이 종결정(12) 상에 재결정화(再結晶化)된다. 이 때, 승화 가스의 이송을 촉진하기 위하여, 종결정(12)의 온도는 질화 알루미늄 원료(11)의 온도보다 낮게 설정된다.
일반적인 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법에 있어서의 승화법으로서는, 비특허 문헌 1, 비특허 문헌 2에 기재된 바와 같은 방법이 알려져 있다. 이들 방법에서는, 질화 알루미늄 원료를 수납하는 도가니로서 TaC 도가니, 텅스텐 도가니, 질화 붕소(BN) 도가니, 흑연 도가니, 도가니 내부를 질화물로 피복한 흑연 도가니 등이 사용되고 있다. 질화 알루미늄 단결정의 제조에 고주파 가열로를 사용하는 경우에는, 일반적으로 가열로의 발열체로서 흑연 도가니를 이용한다. 이 때, 원료 수납용의 도가니를 흑연 도가니 내에 설치하여 질화 알루미늄 단결정의 제조를 행한다.
가열된 질화 알루미늄 원료로부터 생기는 승화 가스는 부식성이 강하다. 특히, 1900℃ 이상에서 가열된 질화 알루미늄 원료로부터 생기는 승화 가스는, 가열 온도의 상승과 함께 그 부식성이 현저하게 강해진다. TaC 도가니는, 질화 알루미늄의 승화 가스에 대한 내식성(耐蝕性)이 가장 높은 도가니의 하나로 여겨지고 있으며, 2000℃ 이상에서 결정 성장을 행할 수 있다. 한편, 산업상, 벌크 결정 성장에 있어서는 100㎛/h 이상의 결정 성장 속도가 요구되고 있다. 승화법에 따른 질화 알루미늄 단결정의 성장에서는, 100㎛/h 이상의 성장 속도를 얻기 위해서는 종결정의 온도를 2000℃ 이상으로 할 필요가 있다. 그러므로, TaC 도가니는 벌크 결정 성장에 적합한 몇 안되는 도가니의 하나이며, 이 TaC 도가니를 사용한 경우, 수mm 이상의 두께를 가지는 질화 알루미늄 벌크 결정을 얻을 수 있다.
E. N. Mokhov et al., Journal of Crystal Growth 281(2005) 93 C. Hartmann et al., Journal of Crystal Growth 310(2008) 930
승화법과 같이 도가니를 이용한 결정 성장에서는, 도가니를 구성하는 재료(이하, "도가니재"라고 할 경우가 있음)로부터 발생한 불순물이 성장 결정에 혼입되는 오염이 자주 생기는 경우가 있다. TaC 도가니를 사용한 승화법에 따른 질화 알루미늄 단결정의 성장의 경우, 질화 알루미늄 단결정 중에 탄소가 수백 ppm 정도 존재하고 있는 것이 밝혀져 있다(비특허 문헌 1 참조). 이와 같이, 탄소를 포함하는 화합물(탄화물)로 구성되는 도가니를 사용하여 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행하는 경우, 의도하지 않게 탄소가 결정 중에 혼입될 우려가 있다. 이러한 탄소의 혼입에 의해, 이하의 현상이 발생하여, 중대한 문제로 될 우려가 있다.
(a) 탄소가 탄소 클러스터로서 결정 내에 받아들여진 경우에는, 각각의 탄소 클러스터가 핵이 되어 결정 성장이 진행하게 되어, 다결정화를 유발시킨다.
(b) 결정 중에 혼입된 탄소가 전기 전도도에 영향을 미치는 캐리어 생성의 원인이 되어, 원하는 캐리어 농도와는 다른 농도를 부여한다.
(c) 결정 중에 혼입된 탄소가 주위에 격자 결함을 발생시켜, 결정 품질의 열화(劣化)를 초래한다.
실제로, 전술한 TaC 도가니를 사용한 결정 성장으로 얻어지는 질화 알루미늄 단결정은, X선 회절 록킹 커브에서의 (0002) 반사의 반가폭(FWHM)이 100 arcsec 이상이며, 그 결정성(結晶性)이 양호하다고는 할 수 없다.
텅스텐 등의 비탄화물계 재료의 도가니를 사용하는 경우에도, 탄소가 질화 알루미늄 단결정에 혼입될 수 있다. 예를 들면, 히터로서 흑연재가 도가니 주변에 배치되는 경우, 결정 성장이 실시되는 2000℃ 이상의 환경에서, 그 도가니재와 히터로부터 유리(遊離)된 탄소가 반응하여, 결정 성장 중에 그 비탄화물계 도가니재가 탄화물로 변질된다. 그 결과, TaC 도가니를 사용한 결정 성장과 마찬가지로, 질화 알루미늄 단결정 중에 탄소가 혼입될 우려가 있다.
한편으로, 산업상의 관점에서는, 100㎛/h 이상의 결정의 성장 속도가 필요하므로, 종결정을 2000℃ 이상의 온도로 할 필요가 있다. 그러나, 2000℃ 이상의 질화 알루미늄의 승화 가스에 의한 부식에 견딜 수 있는 도가니로서는, TaC 도가니와 텅스텐 도가니 밖에 보고되어 있지 않다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 행해진 것으로서, 질화 알루미늄 단결정의 제조 중에 발생하는 질화 알루미늄의 승화 가스에 대한 내식성이 우수하며, 100㎛/h 이상의 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 실현할 수 있는 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치의 제공을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 질화 알루미늄 원료와, 이 질화 알루미늄 원료와 대향하도록 배치된 종결정을 내부에 수용하는 도가니를 구비한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치로서, 상기 도가니가, 내부에 상기 질화 알루미늄 원료와 상기 종결정을 수납하고, 또한 상기 질화 알루미늄 원료의 승화 가스에 대한 내식성을 가지고, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체(單體) 또는 그 질화물로 형성되는 내측 도가니와, 상기 내측 도가니를 덮고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니로 이루어진다.
(2) 상기 (1)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 상기 금속의 이온 반경이, 상기 알루미늄의 이온 반경의 1.3배 이상인 것이 바람직하다.
(3) 상기 (2)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 상기 금속의 이온 반경이, 상기 알루미늄의 이온 반경의 1.37배 이상 1.85배 이하인 것이 바람직하다.
(4) 상기 (3)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 상기 내측 도가니는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 질화 몰리브덴, 질화 지르코늄, 질화 텅스텐, 질화 탄탈 중 적어도 1종류로 형성되는 것이 바람직하다.
(5) 상기 (1)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치는, 상기 도가니가, 상기 외측 도가니를 덮는 흑연 도가니를 더 가지는 것이 바람직하다.
(6) 본 발명의 질화 알루미늄 단결정은, 상기 (1)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 사용하여 얻어지는 질화 알루미늄 단결정으로서, 상기 질화 알루미늄 단결정 내의 탄소 농도가 100ppm 이하이다.
(7) 상기 (6)에 기재된 질화 알루미늄 단결정은, 상기 탄소 농도가 10ppm 이하인 것이 바람직하다.
(8) 본 발명의 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법은, 내부에 질화 알루미늄 원료와 이 질화 알루미늄 원료와 대향하도록 배치된 종결정을 수납하고, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체 또는 그 질화물로 형성되는 내측 도가니, 및 상기 내측 도가니를 덮고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니로 이루어지는 도가니를 구비한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 사용하여, 상기 종결정 상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법으로서, 상기 내측 도가니 내를 질소 가스 분위기로 하는 공정과, 상기 도가니를 가열하는 공정과, 상기 내측 도가니 내를 감압하는 공정을 가진다.
(9) 상기 (8)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법은, 상기 내측 도가니는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 질화 몰리브덴, 질화 지르코늄, 질화 텅스텐, 질화 탄탈 중 적어도 1종류로 형성되는 것이 바람직하다.
(10) 상기 (8)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법은, 상기 외측 도가니를 덮는 흑연 도가니를 더 설치하여 질화 알루미늄 단결정의 제조를 행하는 것이 바람직하다.
(11) 상기 (8)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법은, 상기 도가니를 가열할 때, 상기 종결정과 상기 질화 알루미늄 원료의 온도가 1700℃?2300℃로 되도록 상기 도가니 가열하는 것이 바람직하다.
상기 (1)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치에서는, 도가니를 이중 구조로 하고, 내측의 도가니가, 질화 알루미늄의 승화 가스에 대한 내식성을 가지고, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체 또는 그 질화물로 형성되어 있다. 그러므로, 2000℃ 이상의 질화 알루미늄 승화 가스의 부식에 견딜 수 있다. 그 결과, 100㎛/h 이상의 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 실현할 수 있다.
또한, 상기 (1)에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치에서는, 도가니를 이중 구조로 하고, 외측의 도가니가 질화 붕소에 의해 형성되어 있다. 그러므로, 상기 (5)의 경우와 같이 외측 도가니의 더 외측에 흑연 도가니를 배치한 경우라도, 흑연 도가니의 탄소가 내측 도가니 내에 침입하여 질화 알루미늄 단결정 중에 유입되는 것이 억제된다. 그 결과, 질화 알루미늄 단결정 내의 탄소 농도를 100ppm 이하로 억제할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 종래의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 나타낸 개략 구성도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 나타낸 개략 구성도이다. 이 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치(1)는, 승화 재결정법에 따라 종결정 상에 질화 알루미늄을 승화 재결정시켜, 질화 알루미늄 단결정을 성장시킨다.
질화 알루미늄 단결정의 제조 장치(1)는, 일반적인 결정 제조 장치와 마찬가지로, 도가니(9), 결정 성장용 로(10), 종결정(12), 가스 도입부(16), 가스 배출부(17), 가열 장치(15), 도시하지 않은 드라이 펌프, 및 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프 장치 등으로 구성되어 있다.
본 실시형태의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치(1)에서는, 도가니(9)는 삼중 구조로 되어 있다. 이 삼중 구조의 도가니(9)는, 내측 도가니(2)[및 상측 커버(3)]와, 이 내측 도가니(2)의 외측에 배치된 외측 도가니(4)[및 커버체(5)]와, 이 외측 도가니(4)의 더 외측에 배치된 흑연 도가니(6)[및 흑연 커버체(7)]를 구비한다. 질화 알루미늄 원료(11)는, 내측 도가니(2) 내에 수납된다. 종결정(12)은, 내측 도가니(2)의 상부에 탑재된 상측 커버(3)의 하면에 고착된다.
먼저, 삼중 구조의 도가니(9) 중, 가장 내측에 위치하는 내측 도가니(2)에 대하여 설명한다.
내측 도가니(2)의 상면에는 상측 커버(3)가 탑재되어 있다. 이로써, 내측 도가니(2)에 내부 공간(14)이 형성되어 있다. 내부 공간(14)은 준밀폐 공간이며, 외부와의 가스의 출입이 가능하도록 되어 있다.
전술한 바와 같이, 내측 도가니(2)에는, 질화 알루미늄 원료(11)가 수납된다. 상측 커버(3)의 하면에는 질화 알루미늄 원료(11)와 대향하도록, 결정 성장용의 종결정(12)이 고착되어 있다. 이 종결정(12)은, 예를 들면, 6H-SiC 단결정판이다.
내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)는, 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체 또는 그 질화물로 형성된다. 예를 들면, 그 금속의 이온 반경이, 알루미늄의 이온 반경(4배위)의 1.3배 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 그 금속의 이온 반경이, 알루미늄의 이온 반경(4배위)의 1.37배 이상 1.85배 이하이다. 이와 같은 물질로서는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈을 예로 들 수 있다. 이들 물질에서는, 6배위일 때의 이온 반경이, 4배위일 때의 알루미늄의 이온 반경(53pm)의 1.3배 이상으로 되어 있다. 보다 상세하게는, 6배위일 때의 몰리브덴의 이온 반경이 73pm, 6배위일 때의 텅스텐의 이온 반경이 78pm, 6배위일 때의 탄탈의 이온 반경이 78pm이므로[R.D. Shannon, Acta Cryst. (1976). A32, 751 참조], 이들의 이온 반경이, 상기 4배위일 때의 알루미늄의 이온 반경 53pm의 1.3배 이상, 더욱 상세하게는 1.37배 이상(몰리브덴의 이온 반경 73pm/알루미늄의 이온 반경 53pm)으로 되어 있다. 또한, 이들의 질화물로서 질화 몰리브덴, 질화 텅스텐, 질화 탄탈을 예로 들 수 있다. 또한, 질화 지르코늄을 사용할 수 있다. 지르코늄의 이온 반경(6배위일 때가 86pm, 8배위일 때가 98pm)도 알루미늄의 이온 반경(4배위)보다 커서, 1.3배 이상으로 되어 있다. 그리고, 전술한 수치 1.85는, (8배위일 때의 지르코늄의 이온 반경 98pm)/(4배위일 때의 알루미늄의 이온 반경 53pm)에 의해 산출하였다. 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)의 재료는, 이들 중 1종류로부터 선택되는 것으로 한다. 그 이유를 이하에서 설명한다.
내측 도가니(2)에는 질화 알루미늄 원료(11)이 직접 수납되고, 또한 상측 커버(3)에는 종결정(12)이 고착되어 있다. 이들 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)는, 질화 알루미늄 단결정의 성장 시에, 벌크 결정 성장에 적합한 질화 알루미늄의 승화 가스에 노출된다. 따라서, 이들 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)는, 질화 알루미늄의 승화 가스에 의하여 부식되지 않는 것으로 한정한다. 여기에 더하여, 이들 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)를 구성하고 있는 재료가 질화 알루미늄 단결정(13)을 오염[고용(固溶)에 의한 오염]시키는 것을 방지하기 위하여, 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)의 재료는, 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경(1.3배 이상)을 가진 금속의 단체, 또는 그것의 질화물이 바람직하다. 알루미늄의 이온 반경의 1.3배 이상의 이온 반경을 가진 금속을 사용함으로써, 이 금속이 질화 알루미늄의 일부의 알루미늄과 치환하여 고용체가 형성되는 것을 억제할 수 있다. 몰리브덴의 이온 반경을 6배위일 때의 수치, 텅스텐의 이온 반경을 6배위일 때의 수치, 탄탈의 이온 반경을 6배위일 때의 수치, 및 텅스텐의 이온 반경을 6배위 또는 8배위일 때의 수치로 한 것은, 이들 금속이 알루미늄과 치환하여 고용체가 형성될 때, 각각의 금속 원자와 질소 원자가, 전술한 바와 같이 기재된 배위 구조로 되기 때문이다. 그리고, 질화 알루미늄의 결정 중에서는, 알루미늄 원자와 질소 원자는, 통상 4배위의 구조를 가지고 있다.
내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)로서 산화물을 사용한 경우에는, 열에 의해 산화물로부터 방출된 산소에 의해, 질화 알루미늄 단결정 중에 산질화 알루미늄(AION) 층이 형성된다. 이 AION층은, 질화 알루미늄의 결정 성장을 저해한다. 그러므로, 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)로서 산화물을 사용할 수는 없다. 또한, 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)로서 붕소화물을 사용한 경우에도, 질화 알루미늄으로의 붕소의 오염이 1950℃ 이상에서 생긴다. 그러므로, 붕소화물도 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)로서 부적합하다.
이상의 조건으로부터, 질화 알루미늄 원료(11)가 직접 수납되는 내측 도가니(2) 및 상측 커버(3)는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 질화 몰리브덴, 질화 지르코늄, 질화 텅스텐, 질화 탄탈 중 1종류로 구성되는 것으로 한다.
다음으로, 내측 도가니(2)와 흑연 도가니(6)와의 사이에 배치되어 있는 외측 도가니(4)에 대하여 설명한다.
외측 도가니(4)는, 내측 도가니(2)를 수용하며 이것을 덮기에 충분한 크기를 가진다. 이 외측 도가니(4)는, 내측 도가니(2)의 주위면 및 상측 커버(3)와 거의 밀착되도록 배치되어 있다. 외측 도가니(4)의 상면에는 커버체(5)가 탑재되어 있다.
외측 도가니(4)는, 질화 붕소(BN)에 의해 형성되어 있다. 그 이유를 이하에서 설명한다.
본 실시형태의 삼중 구조의 도가니(9) 중 가장 외측에는, 흑연 도가니(6)가 배치되어 있다. 이 흑연 도가니(6)는, 발열체로서 사용된다. 그러나, 질화 알루미늄 단결정의 결정 성장 중에, 이 흑연 도가니(6)를 구성하는 흑연 부재로부터 탄소가 유리하여, 질화 알루미늄 단결정(13)에 유입되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해서는, 먼저, 질화 알루미늄 단결정(13)이나 질화 알루미늄 원료(11)가 각각 접촉하고 있거나 대면하고 있는 상측 커버(3)나 내측 도가니(2)로의 탄소의 오염을 방지해야만 한다. 이를 위해서는, 탄소를 차단할 수 있는 부재로, 상측 커버(3) 및 내측 도가니(2)의 외측을 덮을 필요가 있다. 탄소를 차단할 수 있는 재료란, 이 경우, 결정 성장을 행하는 2000℃ 이상에서 탄소와 반응하지 않는 재료가 된다. 이 조건을 만족시키는 재료로서는, 질화 붕소(BN)가 가장 적합하다.
한편, 질화 붕소에는, 이하와 같은 문제점이 있다.
(a) 질화 붕소는, 질화 알루미늄의 승화 가스에 대한 내식성이 낮다. 그러므로, 질화 알루미늄 원료(11)를 직접 수납하는 도가니와 상측 커버를 이 질화 붕소로 형성한 경우, 2000℃ 이상에서의 질화 알루미늄의 벌크 결정 성장이 곤란하다.
(b) 질화 붕소가 붕소화물이므로, 질화 붕소가 질화 알루미늄 원료(11)나 질화 알루미늄 단결정(13)에 접촉하고 있는 경우, 전술한 바와 같이 1950℃ 이상에서 붕소가 질화 알루미늄에 혼입된다.
그러므로, 질화 붕소는, 질화 알루미늄 단결정(13) 및 질화 알루미늄 원료(11)에 직접 접촉하거나 대면하는 내측 도가니(2)나 상측 커버(3)로서는 사용하지 않고, 탄소를 차단할 목적으로 특화시키고 있다.
흑연 도가니(6)는, 소정의 방법으로 결정 성장용 로(10)에 고정되어 있다. 흑연 커버체(7)는, 흑연 도가니(6)의 개구부 상면에 탑재되어 있다(또는, 단순히 끼워맞추어져 있음). 그러므로, 흑연 도가니(6)는, 질소 가스의 출입이 용이한 준밀폐적인 구조로 되어 있다. 상측 커버(3)와 내측 도가니(2), 및 커버체(5)와 외측 도가니의 관계도 마찬가지이며, 가스 도입부(16)로부터 질소 가스를 도입함으로써, 내부 공간(14) 내에 질소 가스가 유입 가능하게 되어 있다. 또한, 결정 성장용 로(10)는, 도시가 생략된 진공 펌프 장치에 의해 그 내부를 감압 가능하도록 구성되어 있다.
다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 사용한 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 대하여 설명한다.
먼저, 질화 알루미늄 원료(11)를 내측 도가니(2)에 수납하고, 종결정(12)을 상측 커버(3)의 하면에 고착하고, 질화 알루미늄 원료(11)과 종결정(12)이 대향하도록 배치한다.
질화 알루미늄 원료(11)에는 통상적으로, 질화 알루미늄 분말을 사용한다. 종결정(12)에는, SiC 단결정, AIN 단결정, 또는 AIN/SiC 단결정(AIN 단결정 상에 막 두께 200?500 ㎛정도의 AIN 단결정막을 헤테로 성장시킨 단결정)을 사용한다.
질화 알루미늄 단결정의 성장 시에는, 먼저, 도시하지 않은 진공 펌프 장치를 가동시켜, 결정 성장용 로(10)의 내부에 있는 대기를 제거하여, 결정 성장용 로(10)의 내부의 압력을 감압시킨다. 다음으로, 결정 성장용 로(10)에 가스 도입부(16)로부터 질소 가스를 도입한다. 이로써, 질화 알루미늄 단결정의 성장은, 고순도 질소 가스 분위기 하에서 행해진다. 결정 성장용 로(10)에 도입된 질소 가스는, 가스 배출부(17)로부터 배출된다.
다음으로, 고주파로, 저항 가열로, 적외로 등의 가열 장치(15)에 의해 도가니(9)를 가열한다. 이 때, 도가니(9)의 상단(上端)의 온도[종결정(12)의 온도]와 도가니(9)의 하단의 온도[질화 알루미늄 원료(11)의 온도]를 방사 온도계로 측정하면서 가열 온도를 제어한다. 이 때, 종결정(12)의 온도 및 질화 알루미늄 원료(11)의 온도를 1700℃?2300℃로 제어한다.
질화 알루미늄 단결정의 성장은, 종결정(12)의 온도 및 질화 알루미늄 원료(11)의 온도가 전술한 온도까지 가열된 후에 결정 성장용 로(10) 내를 감압함으로써 개시된다. 이 때, 결정 성장용 로(10) 내는 100?600 torr까지 감압하여, 정압(定壓)을 유지한다. 이 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치(1)에 의해 전술한 조건으로 결정의 성장을 행함으로써, 종결정(12) 상에 질화 알루미늄 단결정(13)이 성장한다.
본 실시형태의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치에서는, 도가니(9)를 삼중 구조로 하고, 탄탈 등에 의해 형성된 내측 도가니(2)를 배치하였다. 그러므로, 이 도가니(9) 및 제조 장치는 2000℃ 이상의 질화 알루미늄 승화 가스의 부식에 견딜 수 있다. 그 결과, 100㎛/h 이상의 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치에서는, 도가니(9)를 삼중 구조로 하고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니(4)를 배치하였다. 그러므로, 외부로부터 탄소가 내측 도가니(2) 내에 침입하는 것을 억제할 수 있어, 이 제조 장치로 제조되는 질화 알루미늄 단결정 내의 탄소 농도를 100ppm 이하로 억제할 수 있게 된다.
[실시예]
이하, 구체예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1에 나타낸 질화 알루미늄 단결정 제조 장치를 사용하여, 종결정(12) 상에 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행하였다. 도가니의 재질은, 내측 도가니(2)가 탄탈이며, 외측 도가니(4)는 질화 붕소로 하였다. 도가니의 가장 외측에 흑연 도가니를 배치하였다. 종결정(12)으로서는, 원판형의 6H-SiC 단결정(직경 48mm, 두께 600㎛)을 사용하였다. 결정 성장면은 (0001) Si면 및 C면으로 하였다.
도가니(9)를 결정 성장용 로(10) 내에 설치한 후, 도시하지 않은 드라이 펌프, 터보 분자 펌프를 축차(逐次) 가동함으로써, 결정 성장용 로(10) 내에 있는 대기를 제거하여, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 5×10-6 torr까지 감압하였다. 이 후, 가스 도입부(16)로부터 질소 가스를 결정 성장용 로(10) 내에 도입하여, 700 torr까지 승압(昇壓)했다. 다음으로, 종결정(12)의 온도를 1700℃?2000℃로 승온(昇溫)한 후, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 100?600 torr까지 감압시킴으로써, 질화 알루미늄 단결정의 성장을 개시하였다.
결정의 성장 개시로부터 10?120 시간 경과했을 때, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 질소 가스에 의해 700 torr까지 승압하고, 그 후, 종결정(12) 및 질화 알루미늄 원료(11)를 실온까지 냉각시킴으로써 결정 성장을 종료시켰다.
얻어진 질화 알루미늄 단결정(13)의 사이즈는, 직경이 48mm, 두께가 0.1?4 mm이며, 결정의 성장 속도가 10?130 ㎛/h였다.
이 질화 알루미늄 단결정(13)을 그 성장 방향에 대하여, 수직 및 평행 방향으로 1mm 두께의 판형으로 절단하여, 평가용 시료를 작성하였다. 평가용 시료는 표면을 평탄하게 또한 경면(鏡面)으로 연마하여, 가공에 의한 손상을 표면으로부터 제거하였다. 평가에 대해서는, 상(相)의 동정(同定)을 라만 산란 측정, 결정성을 X선 회절 록킹 커브에서의 반가폭(FWHM) 측정에 의해 조사하였다. 또한, 결정 중에 포함되는 탄소 농도를 2차 이온 질량 분석(SIMS)에 의해 측정하였다.
라만 산란 측정으로부터, 얻어진 결정의 상이 질화 알루미늄인 것 알았다. 또한, X선 회절에서의 (0002) 반사의 FWHM은 40 arcsec였다. 2차 이온 질량 분석으로부터, 얻어진 결정 중의 탄소 농도는 10ppm 이하였다. 이들 값은, 종래의 승화법에 의해 얻어지는 질화 알루미늄 단결정 성장에 대하여 보고된 값에 비해 작은 값이며, 결정성이 우수한 저탄소 농도의 질화 알루미늄 단결정인 것을 의미한다.
(실시예 2)
도 1에 나타낸 질화 알루미늄 단결정 제조 장치에 의해 종결정(12) 상에 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행하였다. 도가니의 재질은, 내측 도가니(2)가 탄탈이며, 외측 도가니(4)가 질화 붕소로 하였다. 도가니의 가장 외측에는, 흑연 도가니를 배치하였다. 종결정(12)으로서는, 원판형의 AIN/SiC 단결정(직경 48mm, 두께 2mm)을 사용하였다. 이 AIN/SiC 단결정은, 실시예 1에 의해 얻어진 단결정을 사용하였다.
도가니(9)를 결정 성장용 로(10) 내에 설치한 후, 도시하지 않은 드라이 펌프, 터보 분자 펌프를 축차 가동함으로써, 결정 성장용 로(10) 내에 있는 대기를 제거하여, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 5×10-6 torr까지 감압하였다. 이 후, 가스 도입부(16)로부터 질소 가스를 결정 성장용 로(10) 내에 도입하여, 700 torr까지 승압했다. 다음으로, 종결정(12)의 온도를 2000℃?2200℃로 승온한 후, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 100?600 torr까지 감압시킴으로써, 질화 알루미늄 단결정의 성장을 개시하였다.
결정의 성장 개시로부터 10?70 시간 경과했을 때, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 질소 가스에 의해 700 torr까지 승압하고, 그 후, 종결정(12) 및 질화 알루미늄 원료(11)를 실온까지 냉각시킴으로써 결정 성장을 종료시켰다. 얻어진 질화 알루미늄 단결정(13)의 사이즈는, 직경이 48mm, 두께가 9?17 mm이며, 결정의 성장 속도가 130?500 ㎛/h였다.
이 질화 알루미늄 단결정(13)을 성장 방향에 대하여, 수직 및 평행 방향으로 1mm 두께의 판형으로 절단하여, 평가용 시료를 작성하였다. 평가용 시료는 표면을 평탄하게 또한 경면으로 연마하여, 가공에 의한 손상을 표면으로부터 제거하였다. 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 질화 알루미늄 단결정 중에 포함되는 산소의 농도 등을 측정하였다.
라만 산란 측정으로부터, 얻어진 결정의 상이 질화 알루미늄인 것을 알 수 있었다. X선 회절에서의 (0002) 반사의 FWHM은 20 arcsec였다. 2차 이온 질량 분석으로부터, 얻어진 결정 중의 탄소 농도는 30?50 ppm이었다. 이들 값은, 종래의 승화법에 따라 얻어진 질화 알루미늄 단결정 성장에 대하여 보고된 값에 비해 작은 값이며, 결정성이 우수한 저탄소 농도 질화 알루미늄 단결정인 것을 의미한다.
(실시예 3)
도 1에 나타낸 질화 알루미늄 단결정 제조 장치(1)에 의해 종결정(12) 상에 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행하였다. 도가니의 재질은, 내측 도가니(2)가 탄탈이며, 외측 도가니(4)는 질화 붕소로 하였다. 도가니의 가장 외측에 흑연 도가니를 배치하였다. 종결정(12)으로서는, 원판형의 질화 알루미늄 단결정(직경 48mm, 두께 1mm)을 사용하였다. 질화 알루미늄 단결정은, 이하의 방법에 의해 제조하였다.
실시예 2에 의해 얻어진 단결정의 질화 알루미늄 결정을, 그 성장 방향에 대하여 평행으로 1mm 두께의 판형으로 절단한 후, 표면을 평탄하게 또한 경면으로 연마하여, 가공에 의한 손상을 표면으로부터 제거하였다. 이 판형의 질화 알루미늄 단결정을, 실시예 3에 사용할 종결정(12)으로 하였다.
도가니(9)를 결정 성장용 로(10) 내에 설치한 후, 도시하지 않은 드라이 펌프, 터보 분자 펌프를 축차 가동함으로써, 결정 성장용 로(10) 내에 있는 대기를 제거하여, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 5×10-6 torr까지 감압했다. 이 후, 가스 도입부(16)로부터 질소 가스를 결정 성장용 로(10) 내에 도입하여, 700 torr까지 승압했다. 다음으로, 종결정(12)의 온도를 2000℃?2200℃로 승온한 후, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 100?600 torr까지 감압시킴으로써, 질화 알루미늄 단결정의 성장을 개시하였다.
결정의 성장 개시로부터 30?100 시간 경과했을 때, 결정 성장용 로(10) 내의 압력을 질소 가스에 의해 700 torr까지 승압하고, 그 후, 종결정(12) 및 질화 알루미늄 원료(11)를 실온까지 냉각시킴으로써 결정 성장을 종료시켰다. 얻어진 질화 알루미늄 단결정(13)의 사이즈는, 직경이 48mm, 두께가 15?40 mm이며, 성장 속도가 130?500 ㎛/h였다.
이 질화 알루미늄 단결정(13)을 성장 방향에 대하여, 수직 및 평행 방향으로 1mm 두께의 판형으로 절단하여, 평가용 시료를 작성하였다. 평가용 시료는 표면을 평탄하게 또한 경면으로 연마하여, 가공에 의한 손상을 표면으로부터 제거하였다. 실시예 1 및 실시예 2와 마찬가지의 방법에 의해 결정 중에 포함되는 산소 농도 등을 측정하였다. 라만 산란 측정으로부터, 얻어진 결정의 상이 질화 알루미늄인 것을 알 수 있었다. X선 회절에서의 (0002) 반사의 FWHM은 10 arcsec였다. 2차 이온 질량 분석으로부터, 얻어진 결정 중의 탄소 농도는 50?70 ppm이었다. 이들 값은, 종래의 승화법에 따른 질화 알루미늄 단결정의 성장에 대하여 보고된 값에 비해 작은 값이며, 결정성이 우수한 저탄소 농도의 질화 알루미늄 단결정인 것을 의미한다.
실시예 1?3의, 주요 실험 조건 및 결과를 표 1에 정리하였다.
(비교예)
도가니가, TaC로 이루어지는 도가니와, 이 도가니의 외측을 덮는 흑연 도가니로 이루어지는 점, 및 결정의 성장을 100시간 행한 점 이외는, 실시예 1과 동일하게 행하여 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행하였다. 얻어진 질화 알루미늄 단결정(13)의 사이즈는, 직경이 48mm, 두께가 12mm이며, 결정의 성장 속도가 120㎛/h였다.
얻어진 질화 알루미늄 단결정에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 상의 동정을 라만 산란 측정, 결정성을 X선 회절 록킹 커브에서의 반가폭(FWHM) 측정에 의해 조사하였다. 또한, 결정 중에 포함되는 탄소 농도를 2차 이온 질량 분석(SIMS)에 의해 측정하였다. 라만 산란 측정으로부터, 얻어진 결정의 상이 질화 알루미늄인 것을 알 수 있었다. 또한, X선 회절에서의 (0002) 반사의 FWHM은 35 arcsec였다. 2차 이온 질량 분석으로부터, 얻어진 결정 중의 탄소 농도는 150ppm 이상이었다. 이와 같이, 종래와 동일한 구조를 가진 도가니를 사용하여 질화 알루미늄 단결정을 제조한 비교예에서는, 실시예 1?3에 비해, 보다 많은 탄소가 질화 알루미늄 단결정 중에 혼입되어 있었다.
비교예의 주요 실험 조건 및 결과를 표 1에 정리하였다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1에 의하면, 본 발명의 삼중 구조의 도가니를 채용한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치에서는, 도가니(9)의 부식이 생기지 않고, 특히 종결정의 온도를 2000℃ 이상으로 함으로써, 100㎛/h 이상의 성장 속도를 얻을 수 있었다. 또한, 형성된 결정 내의 탄소 농도가 100ppm 이하로 되었다. 이들 특징에 기인하여, 무색 투명하며 높은 결정성을 가지는 대형 질화 알루미늄 결정을 얻을 수 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종결정의 온도를 1700℃?2000℃로 하여 질화 알루미늄 단결정의 성장을 행할 때에서는, 결정의 성장 속도는 지연되지만 순도가 높은(결정 내의 탄소 농도가 10ppm 이하의) 질화 알루미늄 단결정을 제조할 수 있다. 한편, 종결정의 온도를 2000℃ 이상으로 함으로써, 100㎛/h 이상의 결정의 성장 속도에서, 결정 내의 탄소 농도가 100ppm 이하인 질화 알루미늄 단결정을 제조할 수 있다. 따라서, 요구되는 제조 속도나 질화 알루미늄 단결정의 순도에 따라 적절하게 온도를 조절하여 제조하면 된다.
실시예에서는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법으로서, 승화법을 이용하였지만, 본 발명은 이 방법으로 한정되지 않고, 액상 성장법(플럭스법), 수소화물 기상 퇴적법(기상 성장법) 등의 방법도 적절하게 이용 가능하다.
실시예에서는, 탄탈로 형성된 내측 도가니, 및 질화 붕소로 형성된 외측 도가니의 더 외측에 흑연 도가니를 배치하는 구성으로 하였지만, 흑연 도가니를 배치하지 않고, 직접 외측 도가니(4)를 가열하는 이중 도가니 구조도 적용할 수 있다. 이와 같이 해도 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 각종 변경을 가할 수 있다.
[산업상 이용가능성]
본 발명의 질화 알루미늄의 단결정의 제조 장치에 의하면, 2000℃ 이상의 질화 알루미늄 승화 가스의 부식에 견딜 수 있고, 또한 100㎛/h 이상의 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 실현할 수 있다. 또한, 제조된 질화 알루미늄 단결정 중의 탄소 농도의 저하(100ppm 이하)를 도모할 수 있다.
1: 질화 알루미늄의 단결정의 제조 장치
2: 내측 도가니 3: 상측 커버
4: 외측 도가니 5: 커버체
6: 흑연 도가니 7: 흑연 커버체
9: 도가니 10: 결정 성장용 로
11: 질화 알루미늄 원료 12: 종결정
13: 질화 알루미늄 단결정 14: 내부 공간
15: 가열 장치 16: 가스 도입부
17: 가스 배출부

Claims (11)

  1. 질화 알루미늄 원료와, 상기 질화 알루미늄 원료와 대향하도록 배치된 종결정(種結晶)을 내부에 수용하는 도가니를 구비한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치로서,
    상기 도가니는, 내부에 상기 질화 알루미늄 원료와 상기 종결정을 수납하고, 또한 상기 질화 알루미늄 원료의 승화(昇華) 가스에 대한 내식성(耐蝕性)을 가지고, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체(單體) 또는 그 질화물로 형성되는 내측 도가니; 및
    상기 내측 도가니를 덮고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니
    로 이루어지는 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속의 이온 반경은, 상기 알루미늄의 이온 반경의 1.3배 이상인, 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속의 이온 반경은, 상기 알루미늄의 이온 반경의 1.37배 이상 1.85배 이하인, 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내측 도가니는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 질화 몰리브덴, 질화 지르코늄, 질화 텅스텐, 질화 탄탈 중 적어도 1종류로 형성되는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는, 상기 외측 도가니를 덮는 흑연 도가니를 더 포함하는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치.
  6. 제1항에 기재된 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 사용하여 얻어지는 질화 알루미늄 단결정으로서,
    상기 질화 알루미늄 단결정 내의 탄소 농도는 100ppm 이하인, 질화 알루미늄 단결정.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소 농도는 10ppm 이하인, 질화 알루미늄 단결정.
  8. 내부에 질화 알루미늄 원료와 상기 질화 알루미늄 원료와 대향하도록 배치된 종결정을 수납하고, 또한 알루미늄의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가진 금속의 단체 또는 그 질화물로 형성되는 내측 도가니, 및 상기 내측 도가니를 덮고, 질화 붕소에 의해 형성된 외측 도가니로 이루어지는 도가니를 구비한 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치를 사용하여, 상기 종결정 상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법으로서,
    상기 내측 도가니 내를 질소 가스 분위기로 하는 공정;
    상기 도가니를 가열하는 공정; 및
    상기 내측 도가니 내를 감압하는 공정
    을 포함하는 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내측 도가니는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 질화 몰리브덴, 질화 지르코늄, 질화 텅스텐, 질화 탄탈 중 적어도 1종류로 형성되는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 외측 도가니를 덮는 흑연 도가니를 더 설치하여 질화 알루미늄 단결정의 제조를 행하는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 도가니를 가열할 때,
    상기 종결정과 상기 질화 알루미늄 원료와의 온도가 1700℃?2300℃로 되도록 상기 도가니를 가열하는, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법.
KR1020117024509A 2009-04-24 2010-04-22 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정 KR101425498B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2009-106689 2009-04-24
JP2009106689 2009-04-24
PCT/JP2010/002928 WO2010122801A1 (ja) 2009-04-24 2010-04-22 窒化アルミニウム単結晶の製造装置、窒化アルミニウム単結晶の製造方法および窒化アルミニウム単結晶

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120022782A true KR20120022782A (ko) 2012-03-12
KR101425498B1 KR101425498B1 (ko) 2014-08-01

Family

ID=43010926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117024509A KR101425498B1 (ko) 2009-04-24 2010-04-22 질화 알루미늄 단결정의 제조 장치, 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 단결정

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8641821B2 (ko)
EP (1) EP2410082B1 (ko)
JP (1) JP5257959B2 (ko)
KR (1) KR101425498B1 (ko)
CN (1) CN102405310B (ko)
CA (1) CA2759530C (ko)
RU (1) RU2485219C1 (ko)
WO (1) WO2010122801A1 (ko)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102776568B (zh) * 2011-05-13 2015-09-16 中国科学院物理研究所 一种激光晶体及其制备方法和用途
JP2013071855A (ja) * 2011-09-27 2013-04-22 Fujikura Ltd 窒化アルミニウム種結晶の固定方法、台座−種結晶固定体、窒化アルミニウム単結晶の製造方法および窒化アルミニウム単結晶
EP2796596B1 (en) * 2011-12-22 2021-01-27 National University Corporation Tokyo University of Agriculture and Technology A single-crystalline aluminum nitride substrate and a manufacturing method thereof
CN102618930B (zh) * 2012-03-31 2015-09-09 哈尔滨工业大学 一种AlN晶体的制备方法
CN102586858A (zh) * 2012-04-01 2012-07-18 北京华进创威电子有限公司 一种双坩埚感应加热物理气相传输生长单晶的装置
JP2014024736A (ja) * 2012-07-30 2014-02-06 Fujikura Ltd 窒化アルミニウム単結晶の製造装置および製造方法
JP6302192B2 (ja) * 2013-09-04 2018-03-28 株式会社福田結晶技術研究所 単結晶の育成装置及び育成方法
JP6527667B2 (ja) * 2014-04-18 2019-06-05 古河機械金属株式会社 窒化物半導体基板の製造方法
CN104357912B (zh) * 2014-12-07 2016-09-21 中国电子科技集团公司第四十六研究所 一种感应加热炉内的钨坩埚保护方法
KR101878465B1 (ko) * 2016-07-12 2018-07-13 기초과학연구원 단결정 금속포일, 및 이의 제조방법
CN106637411B (zh) * 2016-12-22 2019-04-05 苏州奥趋光电技术有限公司 一种氮化铝单晶生长方法
CN107354503B (zh) * 2017-07-12 2019-05-03 吴晨 一种晶体生长装置及其组装方法
CN107723788A (zh) * 2017-10-20 2018-02-23 苏州奥趋光电技术有限公司 一种用于氮化铝单晶生长的坩埚装置
KR102396215B1 (ko) 2017-11-28 2022-05-10 기초과학연구원 단결정 금속포일 및 이의 제조방법
CN108179470B (zh) * 2017-12-29 2021-04-27 北京华进创威电子有限公司 一种低成本的氮化铝晶体生长方法
US11840773B1 (en) 2018-06-19 2023-12-12 Crystal Is, Inc. Aluminum nitride single crystals having controllable color and methods of forming them
US11168411B2 (en) 2018-06-19 2021-11-09 Crystal Is, Inc. Impurity control during formation of aluminum nitride crystals and thermal treatment of aluminum nitride crystals
WO2021117498A1 (ja) * 2019-12-12 2021-06-17 信越化学工業株式会社 炭化タンタル被覆グラファイト部材及びその製造方法
CN113652738B (zh) * 2021-07-27 2022-08-26 奥趋光电技术(杭州)有限公司 一种用于物理气相传输法生长晶体的坩埚系统及其使用方法
WO2023181258A1 (ja) * 2022-03-24 2023-09-28 日本碍子株式会社 ＡｌＮ単結晶基板及びデバイス

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4382837A (en) * 1981-06-30 1983-05-10 International Business Machines Corporation Epitaxial crystal fabrication of SiC:AlN
JPS61266389A (ja) * 1985-05-21 1986-11-26 Sumitomo Electric Ind Ltd 結晶内不純物均一化用二重るつぼ
US5858086A (en) * 1996-10-17 1999-01-12 Hunter; Charles Eric Growth of bulk single crystals of aluminum nitride
US5954874A (en) * 1996-10-17 1999-09-21 Hunter; Charles Eric Growth of bulk single crystals of aluminum nitride from a melt
US6045612A (en) * 1998-07-07 2000-04-04 Cree, Inc. Growth of bulk single crystals of aluminum nitride
RU2158789C1 (ru) * 1999-08-04 2000-11-10 Водаков Юрий Александрович Способ эпитаксиального выращивания монокристаллического нитрида алюминия и ростовая камера для осуществления способа
US7553373B2 (en) * 2001-06-15 2009-06-30 Bridgestone Corporation Silicon carbide single crystal and production thereof
US6770135B2 (en) * 2001-12-24 2004-08-03 Crystal Is, Inc. Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride
US7011804B2 (en) * 2003-07-02 2006-03-14 Taiwan Salt Company Method and apparatus for preparing aluminum nitride
US7087112B1 (en) * 2003-12-02 2006-08-08 Crystal Is, Inc. Nitride ceramics to mount aluminum nitride seed for sublimation growth
US7056383B2 (en) * 2004-02-13 2006-06-06 The Fox Group, Inc. Tantalum based crucible
US7553469B2 (en) * 2004-03-29 2009-06-30 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Aluminum nitride powder and aluminum nitride sintered compact
JP4558584B2 (ja) * 2004-07-08 2010-10-06 日本碍子株式会社 窒化アルミニウム単結晶の製造方法
WO2006010075A1 (en) * 2004-07-09 2006-01-26 Cornell Research Foundation, Inc. Method of making group iii nitrides
DE102004050806A1 (de) * 2004-10-16 2006-11-16 Azzurro Semiconductors Ag Verfahren zur Herstellung von (AI,Ga)N Einkristallen
TW200523209A (en) * 2004-12-01 2005-07-16 Taiyen Biotech Co Ltd Method for synthesizing aluminum nitride
WO2006110512A1 (en) * 2005-04-07 2006-10-19 North Carolina State University Seeded growth process for preparing aluminum nitride single crystals
JP2007145679A (ja) * 2005-11-30 2007-06-14 Fujikura Ltd 窒化アルミニウム単結晶の製造装置及びその製造方法
JP5187846B2 (ja) * 2006-03-23 2013-04-24 日本碍子株式会社 窒化物単結晶の製造方法および装置
EP2000567B1 (en) * 2006-03-29 2014-12-31 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method for growing iii nitride single crystal
US7524376B2 (en) * 2006-05-04 2009-04-28 Fairfield Crystal Technology, Llc Method and apparatus for aluminum nitride monocrystal boule growth
US20080175807A1 (en) * 2007-01-24 2008-07-24 Fujifilm Corporation Composition for hair
JP5196958B2 (ja) 2007-11-01 2013-05-15 キヤノン株式会社 Ｘ線撮影装置

Also Published As

Publication number Publication date
CA2759530A1 (en) 2010-10-28
JP5257959B2 (ja) 2013-08-07
CN102405310A (zh) 2012-04-04
US8641821B2 (en) 2014-02-04
WO2010122801A1 (ja) 2010-10-28
CN102405310B (zh) 2014-05-21
KR101425498B1 (ko) 2014-08-01
JPWO2010122801A1 (ja) 2012-10-25
EP2410082A1 (en) 2012-01-25
US20120039789A1 (en) 2012-02-16
RU2485219C1 (ru) 2013-06-20
EP2410082A4 (en) 2014-08-27
EP2410082B1 (en) 2015-12-16
CA2759530C (en) 2015-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5257959B2 (ja) 窒化アルミニウム単結晶の製造装置、窒化アルミニウム単結晶の製造方法
Galazka β-Ga2O3 for wide-bandgap electronics and optoelectronics
Balkaş et al. Sublimation growth and characterization of bulk aluminum nitride single crystals
JP5068423B2 (ja) 炭化珪素単結晶インゴット、炭化珪素単結晶ウェハ及びその製造方法
US11708644B2 (en) Method for preparing SiC ingot, method for preparing SiC wafer and the SiC wafer prepared therefrom
EP1852527B1 (en) Silicon carbide single crystal and silicon carbide single crystal wafer
EP3816328A1 (en) Method for preparing a sic ingot, method for preparing a sic wafer, and a device for preparing a sic ingot
CN111819311A (zh) 碳化硅单晶的制造方法
JP4460236B2 (ja) 炭化珪素単結晶ウェハ
JP5517123B2 (ja) 窒化アルミニウム単結晶とその製造方法および製造装置
JP2007204324A (ja) 高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法および高純度酸化亜鉛単結晶
JP5131262B2 (ja) 炭化珪素単結晶及びその製造方法
JP4157326B2 (ja) ４ｈ型炭化珪素単結晶インゴット及びウエハ
JP4595592B2 (ja) 単結晶成長方法
US20210115593A1 (en) Method and apparatus for manufacturing silicon carbide single crystal
KR100821360B1 (ko) 탄화규소 단결정, 탄화규소 단결정 웨이퍼 및 그것의 제조 방법
US20230203708A1 (en) Silicon carbide ingot manufacturing method, silicon carbide ingots, and growth system therefor
TWI839934B (zh) 碳化矽晶圓以及其製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170511

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180528

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190604

Year of fee payment: 6