TW202146714A

TW202146714A - 氧化鎵結晶的製造裝置

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Publication number: TW202146714A
Application number: TW110106923A
Authority: TW
Inventors: 干川圭吾; 小林拓實; 大塚美雄; 太子敏則
Original assignee: 日商不二越機械工業股份有限公司; 國立大學法人信州大學; 日商諾維晶科股份有限公司
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-12-16
Also published as: DE102021104600A1; US20210269941A1; KR20210109470A; JP2021134140A; CN113308728A; CN113308728B; US11674239B2; RU2765034C1

Abstract

一種氧化鎵結晶的製造裝置，包含：一坩堝，用於容納氧化鎵原材料於其中；一坩堝支架，從下方支撐前述坩堝；一坩堝支軸，從下方連接至前述坩堝支架且垂直可移動地支撐前述坩堝及前述坩堝支架；一管狀的爐芯管，圍繞前述坩堝、前述坩堝支架及前述坩堝支軸；一管狀的爐內管，圍繞前述爐芯管；及一電阻加熱元件，包含一發熱部，前述發熱部安置在前述爐芯管與前述爐內管之間的一空間。前述爐芯管及前述爐內管的熔點不少於1900℃。在前述爐芯管的一徑向方向上位於前述坩堝的正側面之前述爐芯管的一部分的導熱率高於前述爐內管的導熱率。

Description

氧化鎵結晶的製造裝置

本發明關於一種氧化鎵結晶的製造裝置。

已知有一種氧化鎵結晶的製造裝置，其使用垂直布里奇曼法（vertical Bridgman method）成長結晶（參照專利文獻1）。在前述專利文獻1所述之氧化鎵結晶的製造裝置中，藉由一電阻加熱元件加熱一坩堝，以熔化容納於前述坩堝中的氧化鎵原材料。

依據專利文獻1，藉由使用具有2英寸的一內徑之一坩堝，成功獲得了具有2英寸的一直徑之一β-Ga₂ O₃ 結晶，即使前述坩堝並非完美的單晶。 [先前專利文獻] （專利文獻）

專利文獻1：日本特開第2017-193466號公報

為了藉由前述垂直布里奇曼法成長一品質良好之單晶，在前述坩堝周圍需要製作出適合結晶成長的溫度分布，要成長的結晶的尺寸越大，要滿足的溫度分布條件就越嚴格。

為了製作出一所欲的溫度分布，前述裝置需要被配置以適當控制前述坩堝周圍的一熱流（flow of heat）。因此，關於前述專利文獻1所述的製造裝置，認為因其結構而難以獲得具有2英寸或更大的一尺寸之氧化鎵單晶。

本發明之一目的在於提供一種氧化鎵結晶的製造裝置，其被配置以藉由前述垂直布里奇曼法而獲得氧化鎵單晶，前述氧化鎵單晶具有一大尺寸且包括少量的在前述結晶成長中會造成結晶品質劣化之結晶缺陷。

依據本發明的一實施方式，可提供下述[1]～[7]定義的氧化鎵結晶的製造裝置。

[1]一種氧化鎵結晶的製造裝置，包含：一坩堝，用於容納氧化鎵原材料於其中；一坩堝支架，從下方支撐該坩堝；一坩堝支軸，從下方連接至該坩堝支架且垂直可移動地支撐該坩堝及該坩堝支架；一管狀的爐芯管，圍繞該坩堝、該坩堝支架及該坩堝支軸；一管狀的爐內管，圍繞該爐芯管；及一電阻加熱元件，包含一發熱部，該發熱部安置在該爐芯管與該爐內管之間的一空間；其中該爐芯管及該爐內管的熔點不少於1900℃；及其中在該爐芯管的一徑向方向上位於該坩堝的正側面之該爐芯管的一部分的導熱率高於該爐內管的導熱率。 [2]如[1]所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該爐芯管包含一第一部分及該第一部分以外的一第二部分，該第一部分包括在該爐芯管的該徑向方向上位於該坩堝的正側面之該部分，且該第一部分的導熱率高於該第二部分的導熱率。 [3]如[1]或[2]所述的氧化鎵結晶的製造裝置，包含：一板狀構件，覆蓋該爐芯管的一上端的一開口；及一保溫材料，安置於該板狀構件上。 [4]如[1]～[3]中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中在該爐芯管的該徑向方向上位於該坩堝的正側面之該爐芯管的該部分包含氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷，且該爐內管包含氧化鋯系陶瓷。 [5]如[1]～[4]中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該坩堝包含一鉑系合金。 [6]如[5]所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該坩堝支架包含作為最上部之一第一區塊及位於該第一區塊下方之一第二區塊，該第一區塊包含氧化鋯系陶瓷且直接接觸該坩堝，該第二區塊包含氧化鋁系陶瓷且不接觸該坩堝。 [7]如[1]～[6]中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該爐內管從側面、上方及下方被一保溫層圍繞，該保溫層垂直地被分隔為一上側保溫層及一下側保溫層之二個區段，該上側保溫層及該下側保溫層垂直地夾有一空隙，且該空隙係被提供以使該保溫層從內部至外部在水平方向上不連續。

依據本發明的實施方式，能夠提供一種氧化鎵結晶的製造裝置，其被配置以藉由前述垂直布里奇曼法而獲得氧化鎵單晶，前述氧化鎵單晶具有一大尺寸且包括少量的在前述結晶成長中會造成結晶品質劣化之結晶缺陷。

（實施方式）（製造裝置的配置）第1圖是顯示本發明的一實施方式的氧化鎵結晶的製造裝置1的一垂直剖面圖。前述製造裝置1是藉由前述垂直布里奇曼法成長氧化鎵系結晶之裝置。此處，氧化鎵結晶意指一β-Ga₂ O₃ 結晶或意指含有鋁（Al）、銦（In）等取代型雜質或錫（Sn）、矽（Si）等摻雜物之一β-Ga₂ O₃ 結晶。

前述製造裝置1包括：一坩堝20，用於容納氧化鎵原材料於其中；一坩堝支架21，從下方支撐前述坩堝20；一坩堝支軸22，從下方連接至前述坩堝支架21且垂直可移動地支撐前述坩堝20及前述坩堝支架21；一管狀的爐芯管（furnace core tube）10，圍繞前述坩堝20、前述坩堝支架21及前述坩堝支軸22；一管狀的爐內管（furnace inner tube）11，圍繞前述爐芯管10；及加熱元件23，各個具有發熱部231，該些發熱部231安置在前述爐芯管10與前述爐內管11之間的一空間。

前述製造裝置1亦包括：一爐內管支撐板12，作為前述爐內管11的一底座；一保溫層13，布置在前述爐內管11的外側上，藉由從側面、上方及下方圍繞前述爐內管11內部的一結晶成長空間以抑制熱向前述裝置外部流出；一排氣管16，從前述製造裝置1的內部貫穿前述保溫層13而延伸至前述裝置外部；及一基體17，安置前述製造裝置1的各個構件於其上。此外，前述保溫層13的外部可使用一外壁加以覆蓋（未圖示）。

前述爐芯管10及前述爐內管11的熔點不少於1900℃，且前述爐芯管10及前述爐內管11能夠耐受用於成長氧化鎵之高溫。此外，前述爐內管11的一軟化點較佳是不少於1800℃。

一般而言，在藉由前述垂直布里奇曼法之結晶成長中，前述坩堝周圍的一溫度分布梯度大時，難以成長一品質良好的結晶，且此傾向在成長具有一大尺寸的一結晶時會更加顯著。在前述製造裝置1中，藉由使用前述爐芯管10控制前述坩堝20周圍的一熱流，能夠在前述坩堝20周圍製作出適合成長一品質良好且大尺寸之氧化鎵結晶的具有一小梯度之一溫度分布。

為了在前述坩堝20的周圍製作出具有一較小的梯度的一溫度分布，前述爐芯管10較佳是具備一較大的導熱率，且較佳是使用緻密且高純度的氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷等作為一材料。例如，能夠適宜地使用TEP股份有限公司（TEP Corporation）製的4NA作為前述爐芯管10的材料。

此外，前述爐芯管10從前述加熱元件23分隔前述坩堝20，因而能夠抑制來自前述加熱元件23之Si、鉬（Mo）等雜質的混入（污染）。

藉由使用前述爐內管11，可抑制來自前述加熱元件23之熱流及減少前述加熱元件23的損耗。因此，前述爐內管11較佳是耐熱衝擊性優良且較佳是具備比前述爐芯管10的導熱率更小的一導熱率。因此，前述爐內管11較佳是由一材料（例如一多孔質的氧化鋯系陶瓷）形成，前述材料具備一導熱率，前述導熱率比一緻密且高純度的氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷也就是前述爐芯管10的材料的導熱率更低，例如可適宜地使用TEP股份有限公司製的ZIR-Y作為前述爐芯管10的材料。

在使用氧化鋯系陶瓷作為前述爐內管11的材料時，前述爐內管11被布置以使得被加熱至1800℃以上的一部分不接觸其他構件，因為其易與其他材料反應。

前述爐內管11亦能夠抑制布置於前述爐內管11的外側之前述保溫層13的局部燒結或變形。

前述爐芯管10及前述爐內管11典型具備一圓管形狀。前述爐芯管10及前述爐內管11能夠分別藉由積層具有不同外徑及內徑之環狀（典型為圓環狀）的構件而形成。此外，構成前述爐內管11之環狀構件可以是藉由從前述環的中心延伸至外周之複數條直線所分割之複數個分割片的一組合。

如第1圖所示，前述保溫層13被配置成複數層以一嵌套（nesting）方式而從內側（前述坩堝20側）朝向外部重疊，較佳是被配置成前述複數層中的最內側者具備最高的耐熱溫度且較接近外部的層具備一較低的耐熱溫度。用於前述保溫層13之一保溫材料在具備一較高的耐熱溫度時較為昂貴。因此，藉由如上述般地配置，可在確保前述保溫層13的耐熱性的同時降低成本。

例如，在第1圖所示之示例中，位於最內側的一層131由具備約1800℃之一耐熱溫度的氧化鋁系纖維板形成，圍繞其的一層132由具備約1700℃之一耐熱溫度的氧化鋁系纖維板形成，且位於最外側的一層133由具備約1400℃之一耐熱溫度的一無機材料系纖維板形成。

前述層131、前述層132、前述層133能夠分別藉由積層具有不同外徑及內徑之環狀（典型為圓環狀）的構件而形成。此外，構成前述層131、前述層132、前述層133之環狀構件可以是藉由從前述環的中心延伸至外周之複數條直線所分割之複數個分割片的一組合。在此情況下，為了提高保溫性，較佳是積層前述環狀構件以使得前述環狀構件的相鄰分割片的邊界不會垂直地重疊且不會在內部及外部重疊。

第2圖是顯示前述爐芯管10及其周圍的構件的放大剖面圖。如第2圖所示，前述爐芯管10可被配置成包含在前述爐芯管10的一徑向方向上位於前述坩堝20的正側面的一部分之部分101及一其餘部分120由不同的材料形成。

在此情況下，如上所述，接近前述坩堝20之前述部分101較佳是具備一高導熱率以提供前述坩堝20周圍的一所需的溫度分布，且較佳是使用一緻密且高純度的氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷等作為一材料。另一方面，距前述坩堝20相對遠離的前述部分102較佳是耐熱衝擊性優良且較佳是由一材料（例如一多孔質的氧化鋯系陶瓷）形成，前述材料具備一導熱率，前述導熱率比一緻密且高純度的氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷也就是前述部分101的材料的導熱率更低。

在前述爐芯管10由前述部分101及前述部分102組成時，前述部分101的導熱率高於前述部分102的導熱率。此外，無論前述爐芯管10的配置，在前述爐芯管10的一徑向方向上位於前述坩堝20的正側面之前述爐芯管10的前述部分的導熱率高於前述爐內管11的導熱率。

此外，如第2圖所示，一保溫材料15可安置在前述爐芯管10上。使用前述保溫材料15有助於避免前述坩堝20周圍的熱向上方逃逸，因而容易製作出一所需的溫度分布。前述保溫材料15安置在覆蓋於前述爐芯管10的一上端的一開口之一板狀構件14上。此外，可使用覆蓋前述保溫材料15的一側面之一管狀構件18及覆蓋前述上側之一板狀構件19以抑制前述保溫材料15的局部燒結或變形。前述板狀構件14及前述板狀構件19典型具備一圓盤形狀。

前述保溫材料15例如由與前述保溫層的前述層131相同的材料形成。前述板狀構件14、前述管狀構件18、及前述板狀構件19之全部皆由具備不少於1900℃的一熔點之一材料（例如氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷）形成。

前述坩堝20例如由鉑銠合金等之一鉑系合金形成。由於前述鉑系合金與一般用作為用於成長氧化鎵結晶之一坩堝的一材料也就是銥不同，即便在一氧氣氛中也難以氧化，故可藉由使用由鉑銠合金形成之前述坩堝20而在一大氣氣氛中成長氧化鎵。氧化鎵具備弱的氧化力，且若在氣氛中缺氧，則在接近熔點的一溫度時，會分解成鎵與氧。然而，藉由在含有氧之大氣氣氛中進行成長，則可獲得一具有少量氧缺陷之品質良好的氧化鎵單晶。

前述坩堝20具備一形狀及一尺寸，前述形狀及前述尺寸對應於要成長之氧化鎵結晶的一形狀及一尺寸。在要成長例如具備一圓柱形的固定直徑部之結晶且前述圓柱形的固定直徑部具有2英寸的一直徑時，使用具備一圓柱形的固定直徑部之前述坩堝20且前述圓柱形的固定直徑部具有2英寸的一內徑。同時，在要成長具備一固定直徑部的一結晶且前述固定直徑部具有圓柱形以外的形狀（例如，一四角柱形或一六角柱形）時，使用具備一四角柱形或六角柱形之固定直徑部之前述坩堝20。此外，可使用一蓋以覆蓋前述坩堝20的一開口。

前述坩堝支軸22可藉由一驅動機構（未圖示）而垂直地移動，且藉由前述坩堝支架21所支撐之前述坩堝20因而可在前述爐芯管10內部垂直地移動。此外，前述坩堝支軸22可藉由前述驅動機構而繞一垂直方向可旋轉地移動。在此情況下，藉由前述坩堝支架21所支撐之前述坩堝20可在前述爐芯管10的內部被旋轉。

前述坩堝支架21及前述坩堝支軸22為管狀構件，在其內部運作用於測定前述坩堝20的一溫度之一熱電偶26。前述坩堝支架21及前述坩堝支軸22的各個例如由具備不少於1900℃的一熔點之一材料（例如耐熱陶瓷）形成。

第3圖是顯示前述坩堝20、前述坩堝支架21、及前述坩堝支軸22的一放大剖面圖。如第3圖所示，前述坩堝支架21較佳是具備：作為最上部之一區塊21a及位於前述區塊21a下方之一區塊21b，前述區塊21a由氧化鋯系陶瓷形成且直接接觸前述坩堝，前述區塊21b由氧化鋁系陶瓷形成且不接觸前述坩堝。此外，前述區塊21a可由在垂直方向上連結之複數個區塊（在第3圖所示之示例中為區塊211〜213）組成。同樣地，前述區塊21b亦可由在垂直方向上連結之複數個區塊（在第3圖所示之示例中為區塊214～217）組成。

前述氧化鋁系陶瓷就高導熱率這方面而言作為前述坩堝支架21的一材料而優良，但其在高溫條件下會與一鉑銠合金反應及其耐熱衝擊性低這方面不利。因此，較佳是：使用即使在超過1830℃之高溫條件下也不會與由一鉑銠合金形成之一坩堝反應且耐熱衝擊性優良之氧化鋯系陶瓷作為接觸前述坩堝20之前述區塊21a的材料，且使用氧化鋁系陶瓷作為提供在前述區塊21a下方之前述區塊21b的材料。

可適宜地使用例如TEP股份有限公司製之ZIR-Y作為前述區塊21a的材料。同時，可適宜地使用例如TEP股份有限公司製之4NA作為前述區塊21b的材料。就此而言，在由前述氧化鋯系陶瓷形成之前述區塊21a與由前述氧化鋁系陶瓷形成之前述區塊21b之間的一接合位置，其需為即便在高溫下也不會在此發生反應的一位置。

雖然未圖示於第3圖，前述坩堝支軸22可由在垂直方向上連結之複數個區塊組成。

第4A圖及第4B圖分別是顯示前述加熱元件23的一透視圖及一側視圖。前述加熱元件23是由可被加熱至不少於1800℃之一高溫之二矽化鉬（MoSi₂ ）等形成之電阻加熱元件。前述加熱元件23具備：一U形發熱部231，具備一小直徑且根據施加一電流來發熱；及一電極部232，具備大於前述發熱部231的一直徑且連接至將一電流供給至前述加熱元件23之一外部裝置。

此外，前述加熱元件23在前述電極部232的彎曲部233處被彎曲成L形且以相對於前述彎曲部233而較接近前述電極部232側的一端部的部分通過水平地穿透前述爐內管11及前述保溫層13之孔而插入的一狀態作固定。在製造裝置1中，布置複數個（例如4〜12個）加熱元件23以圍繞前述爐芯管11。

關於前述加熱元件23，產生高溫的熱之前述發熱部231的一材料、及用以將一電流供給至此發熱部231且用以在前述高溫爐的一內側空間中機械性穩定地固持前述發熱部231之前述電極部232的一材料較佳是相同或大致相同，但前述電極部232的一厚度（剖面積）較佳是比前述發熱部231的一厚度大數倍。例如，在前述發熱部231的一直徑Dl相對於前述電極部232的一直徑D2之一比率（D1/D2）具備不超過0.5之一數值時，前述發熱部231的剖面積不超過前述電極部232的剖面積的1/4。在此情況下，前述電極部232的機械強度不少於前述發熱部231的機械強度的4倍，且前述發熱部231的每單位長度的發熱量不少於前述電極部232的每單位長度的發熱量的4倍，就發熱量及機械強度二方面而言，滿足前述加熱元件23的功能。因此，D1/D2較佳是不超過0.5。然而，考慮一昂貴材料的所需的量，則D1/D2較佳是接近0.5，且較佳是不少於0.4。

此外，貫通前述爐內管11及前述保溫層13之前述加熱元件23的部分較佳是插入由藍寶石等形成之管24。藉由使用管24，可將前述加熱元件23自前述爐內管11熱電絕緣且抑制前述加熱元件23與前述爐內管11之間的反應。在前述爐內管11由氧化鋯系陶瓷形成時，藉由使用由藍寶石形成之管24，能夠抑制前述爐內管11與前述管24之間的反應。此外，即便在約1800℃之高溫下，藍寶石也不會軟化，因此作為前述管24的一材料而較佳。此外，可藉由管24機械性支撐前述加熱元件23的前述彎曲部233，因而抑制前述加熱元件23的損傷。

前述製造裝置1亦包括用於測定前述加熱元件23的溫度之熱電偶25。前述熱電偶25以其一前端位於與前述加熱元件23的前述發熱部231實質相同的位置的方式貫穿水平地穿透前述爐內管11及前述保溫層13之孔而插入前述裝置。

第5圖是顯示本發明的實施方式中的氧化鎵結晶的製造裝置1的變形例也就是一製造裝置2的垂直剖面圖。前述製造裝置2主要在前述保溫層的配置與前述製造裝置1不同。

前述製造裝置2中的前述保溫層13垂直地分為二個區段：一上側保溫層13a及一下側保溫層13b。典型地，如第5圖所示，配置成前述保溫層13a覆蓋前述爐內管11及前述保溫層13b的上側且前述下側保溫層13b覆蓋前述爐內管11的側面及下側。

前述保溫層13a藉由前述保溫層13a安置於其上之保溫材料支撐板31、32、33、36而與前述保溫層13b分隔，支撐最外側之保溫材料支撐板33且覆蓋前述保溫層13a的上表面之一基體34及固定至前述基體34之一懸吊構件35懸吊前述基體34及前述保溫材料支撐板36且因而懸吊整個保溫層13a。因此，在前述保溫層13a與前述保溫層13b之間形成一空隙36，因而可抑制構成前述保溫層13a之層131、132、133之間的熱膨脹係數的一差異造成之前述層131、132、133的垂直擴張及收縮造成的彼此接觸。

更具體而言，在加熱元件37的外側的一區域中，垂直移動之前述基體34支撐前述保溫材料支撐板33，前述保溫材料支撐板33上依序安置前述保溫層133的一部分、前述保溫材料支撐板32、前述保溫層132的一部分、前述保溫材料支撐板31、及前述保溫層131的一部分。隨後，位於前述加熱元件37的內側的前述保溫層131的一部分藉由以前述懸吊構件35懸吊之前述保溫材料支撐板36而支撐。

此外，在前述保溫層13a與前述保溫層13b之間的前述層131、132、133被分隔之分隔表面具有不同的高度，使得在前述保溫層13a與前述保溫層13b之間的前述分隔表面形成一階梯狀。因此，藉由調整前述保溫層13a與前述保溫層13b之間的一空隙而使得在前述保溫層13a與前述保溫層13b之間的前述空隙36從前述保溫層13的內部至外部水平不連續，可抑制熱通過前述空隙36外流至前述裝置外部。

就此而言，用於布置前述保溫層13a及前述保溫層13b以具備一空隙的方法不限於上述第5圖所示的方法。

在第5圖所示之示例中，前述直線狀的加熱元件37用於前述製造裝置2。前述加熱元件37具備與前述加熱元件23的前述發熱部231及前述電極部232相似的一發熱部371及一電極部372，通過水平地穿透前述基體34、前述保溫層13a及前述保溫材料支撐板31的一孔而插入前述裝置並固定。或者，可以與前述製造裝置1相同的方式使用通過提供在前述保溫層13a中的一孔而插入之前述L形的加熱元件23。

（氧化鎵結晶的製造方法）首先，將β-Ga₂ O₃ 的燒結體等氧化鎵原材料導入前述坩堝20。為了獲得一品質良好的結晶，前述氧化鎵原材料的一純度較佳是不少於5N。此時，在前述坩堝20的底部可安置晶種，也可不安置晶種。

隨後，藉由使用前述加熱元件23加熱前述製造裝置1的內部（或前述保溫層13的內側），而在前述坩堝20的周圍製作出一溫度梯度，使得上側的溫度高且下側的溫度低，因而熔化前述坩堝20中的前述氧化鎵原材料。尤其是，製作出一溫度分布，其中在氧化鎵的熔點（約1795℃）附近的沿著垂直方向之前述溫度梯度為1～10℃/cm。提供有前述爐芯管10及前述爐內管11之前述製造裝置1、2，其能夠穩定地製作出具有一低的溫度梯度之一溫度分布，且因此能夠成長一種氧化鎵單晶，其具備一大尺寸之固定直徑部，前述固定直徑部具有不少於2英寸之一直徑，且含有少量的結晶缺陷。

在一典型的方法中，首先，藉由垂直地移動前述坩堝支軸22以調整前述坩堝20的高度，使得前述坩堝20內部的一上側區域中的溫度被提高至不少於氧化鎵的熔點。前述坩堝20內部的前述原材料的一上側部分因此熔化。隨後，使前述坩堝支軸22向上移動，以在使前述坩堝20以一預定的速度（例如，1～15mm/h）上升的同時，使前述原材料熔解至下側，因而最後熔化整個原材料及前述晶種的一部分。隨後，使前述坩堝支軸22向下移動，以在使前述坩堝20以一預定的速度（例如，1～15mm/h）下降的同時，使熔融液從下側（晶種側）結晶化，由此成長一單晶。可選擇地，在前述原材料的熔化或前述熔融液的結晶化期間，除了使前述坩堝20上升及下降之外，可藉由控制前述加熱元件23的發熱溫度來提高或降低前述製造裝置1內部的溫度。在前述氧化鎵熔融液完全結晶化後，移除前述坩堝20並取出一成長出的結晶。

上述氧化鎵的結晶成長在一大氣氣氛中或在一O₂ 氣體與一惰性氣體或中性氣體之一混合氣體氣氛中進行。此外，在藉由供給一氧濃度調整氣體而將不少於1770℃之一高溫區域的一氧濃度保持在超過20%且不超過50%之範圍內時，相較於在具有約20%之一氧濃度的一大氣氣氛中成長，可成長具有較少氧缺陷的一結晶。

（氧化鎵結晶及晶圓的特性）藉由使用上述本實施方式的製造裝置1、2之結晶成長，能夠獲得氧化鎵單晶（鑄錠），其具備一圓柱形的固定直徑部，前述圓柱形的固定直徑部具有不少於2英寸的一直徑，且由此能夠切出一圓形的氧化鎵單晶晶圓，其具有不少於2英寸的一直徑。

此外，藉由使用本實施方式中的製造裝置1、2之結晶成長，可獲得氧化鎵單晶，其具有一圓柱形的固定直徑部，前述圓柱形的固定直徑部具有至多約8英寸的一直徑。例如，藉由安裝能夠插入具有一英寸計的所需尺寸的前述坩堝20之前述爐內管11、及藉由在徑向方向上相應地加大前述保溫層13的內徑，可獲得氧化鎵單晶，其具備一固定直徑部，前述固定直徑部具有至多約8英寸之任意直徑。

亦可成長具備一多角柱形的固定直徑部之一結晶。在此情況下，較佳是成長一結晶，其正交於前述結晶成長方向之前述固定直徑部的一剖面的一尺寸收斂在不超過2英寸的一圓形內，使得可切出一圓形晶圓，其具有不超過2英寸的一直徑。在成長例如具備一四角柱形之固定直徑部的一結晶時，較佳是成長一結晶，其中正交於前述結晶成長方向之一剖面為單邊少於2英寸之正方形。

使用本實施方式的製造裝置1或2所獲得之氧化鎵單晶及從其切出之一晶圓所含有的銥（Ir）的一濃度為不超過0.01ppm。此處，ppm為重量的比率。0.01ppm為藉由一輝光放電質譜術（glow-discharge mass spectrometry，GDMS）測定裝置之檢測下限，且不超過0.01ppm意指藉由前述GDMS測定裝置無法檢測出Ir。

由於使用不包含Ir之由一鉑系合金形成之前述坩堝20，本實施方式的前述氧化鎵單晶及前述晶圓中的Ir濃度低。就此而言，在使用由Ir形成的一坩堝取代前述坩堝20時，所獲得的氧化鎵單晶中的Ir濃度為數ppm至數十ppm。

由於本實施方式中的前述氧化鎵單晶及前述晶圓中的Ir濃度低，因此會抑制雜質散射所造成之載子遷移率的下降。此外，由於Ir濃度低，因此孔洞（void）少。認為藉由使用由Ir形成之一坩堝之導膜（EFG）法所成長之氧化鎵單晶含有高濃度的Ir所造成的大量的孔洞。此外，由於在Ir濃度低時，Ir造成的光散射減少，因此在光學用途有利。

本實施方式中的氧化鎵單晶晶圓包括具備不超過1000個/cm² 之一差排密度之複數個1mm×1mm的區域。隨後，本實施方式中的來自前述氧化鎵單晶及前述晶圓的（001）晶面的X射線繞射（XRD）的繞射峰的半高寬（full width at half maximum，FWHM）的一平均值為不超過20角秒（arcsec）。

在使用由一鉑銠合金形成之前述坩堝20時，本實施方式中的前述氧化鎵單晶及前述晶圓中的一銠（Rh）濃度落入在不少於10ppm且不超過40ppm的一範圍內。氧化鎵中的Rh作為受體而作用，因此在用作為一高電阻基板的材料時有利。

此外，本實施方式中的氧化鎵單晶中的Rh濃度，其特徵在於：沿著一長度方向（結晶成長方向）及一徑向方向為實質均勻。由於Rh濃度的一梯度在前述氧化鎵單晶的前述長度方向上最大，且如上所述，前述氧化鎵單晶中的Rh濃度落入在不少於10ppm且不超過40ppm的一範圍內，因此前述長度方向上的前述Rh濃度的最大值與最小值之差值為不超過30ppm。此外，前述徑向方向上的前述Rh濃度的最大值與最小值之差值遠小於前述長度方向上的前述Rh濃度的最大值與最小值之差值。因此，從前述氧化鎵單晶切出的前述晶圓中的Rh的面內濃度實質均勻，且晶圓之間的Rh濃度的變化少。例如，在形成一高電阻氧化鎵基板時，一般會添加鐵（Fe）或鎂（Mg）。在此情況下，本實施方式中的前述氧化鎵單晶晶圓中的面內方向的Rh濃度的均勻性高於面內方向的Fe或Mg的濃度的均勻性。

此外，在本實施方式中的使用前述製造裝置1、2之結晶成長中，可成長氧化鎵單晶，其具備足夠大之一尺寸以切出上述具有不少於2英寸之一直徑之晶圓，且不含有雙晶。

此外，在本實施方式中的使用前述製造裝置1、2之結晶成長中，在成長期間於具有不少於5N的一純度之前述氧化鎵原材料中添加不少於0.1mol%的Sn時，前述氧化鎵單晶及前述晶圓中的一n型載子濃度不少於3×10¹⁸ cm^-3 。可以說此載子濃度適合作為用於製造肖特基障壁二極體所需的一n型低電阻半導體基板的一載子濃度。

（實施方式的功效）依據本實施方式中的包括前述爐芯管10及前述爐內管11之前述製造裝置1、2，可成長一種氧化鎵單晶，其具備足夠大之一尺寸以切出具有不少於2英寸之一直徑之一圓形晶圓，且含有少量的會造成結晶品質劣化之結晶缺陷。 [實施例]

隨後，描述藉由使用上述本實施方式中的前述製造裝置1之結晶成長所獲得的氧化鎵單晶（鑄錠）及從其切出之一晶圓的特性的評估結果。本實施例中的氧化鎵單晶之各者皆為使用一β-Ga₂ O₃ 單晶形成之一晶種所成長之一β-Ga₂ O₃ 單晶，前述晶種安置在具有一圓柱形的固定直徑部之前述鉑銠合金坩堝20的底部。

第6圖是顯示二個β-Ga₂ O₃ 單晶及從其切出之二片晶圓的照片，前述二個β-Ga₂ O₃ 單晶為本實施例中的氧化鎵單晶且各個具備一圓柱形的固定直徑部，前述圓柱形的固定直徑部具有2英寸的一直徑。第6圖所示之二個氧化鎵單晶在徑向方向上之前述固定直徑部的剖面皆具備一（001）晶面，且藉由在徑向方向上切片，能夠從其切出在主表面具備一（001）晶面之晶圓。

第7圖是藉由X射線形貌術獲得的一觀察圖像且顯示從本實施例中的氧化鎵單晶切出的氧化鎵單晶晶圓，前述氧化鎵單晶摻雜0.2mol%的Sn且主表面具備一（001）晶面。第8A圖～第8D圖顯示藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之第7圖所示之晶圓上的區域1～4中的（001）晶面繞射峰。

以下的表1顯示第8A圖～第8D圖所示且來自前述區域1～4之（001）晶面繞射峰的半高寬（度，角秒）。

[表1]

第9圖是顯示摻雜0.2mol%的Sn且主表面具備一（001）晶面之本實施例中的氧化鎵單晶晶圓的照片。第10圖是藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之一圖表且顯示第9圖所示之晶圓的（001）晶面繞射峰的半高寬的一分布。第10圖中的「上段」、「中段」及「下段」意指分別沿著第9圖中的直線A、B及C而以1mm×1mm的間隔測定之繞射峰的半高寬。

認為在具有高的半高寬的位置存在結晶缺陷。因此，依據第10圖，認為上段不存在結晶缺陷，中段於20～25mm的一範圍內存在結晶缺陷，且下段於-10～-5mm、0～5mm及15～20mm的一範圍內存在結晶缺陷。就此而言，氧化鎵單晶晶圓中的一Sn濃度不會影響繞射峰的半高寬。

第11圖是顯示第9圖所示之晶圓的差排密度的一分布之一圖表。第11圖中的「上段」、「中段」及「下段」意指分別沿著第9圖所示之直線A、B及C而以1mm×1mm的間隔測定的差排密度。為了測定差排密度，使用氫氧化鉀（KOH）蝕刻前述晶圓的前述表面並觀察形成的蝕孔（etch pit）。依據第11圖，晶圓中含有具有不超過1000個/cm² 之一差排密度之複數個1mm×1mm的區域。

第12A圖～第12C圖是光學顯微鏡拍攝之觀察圖像且顯示出現在晶圓表面之蝕孔的示例。此處，第12A圖、第12B圖所示之具有芯之子彈狀的蝕孔被判定為由差排造成，且將這種蝕孔的數量作為差排的數量來計算。另一方面，第12C圖所示之沒有芯的蝕孔則未被判定為由差排造成。第12A圖～第12C圖的觀察圖像的倍率相同。

第13A圖、第13B圖及第13C是顯示分別在第9圖所示之晶圓的上段、中段及下段的（001）晶面繞射峰的半高寬及差排密度的分布之圖表。依據第13A圖、第13B圖及第13C圖，由於在具有特別高的（001）晶面繞射峰的半高寬的位置，差排密度超過1000個/cm² ，且二者具備相似的分布傾向，因此認為（001）晶面繞射峰的半高寬與差排密度彼此具有相關關係。雖然第13C圖中的-10mm附近的分布傾向不一致，但其原因被認為是因為結晶性以外的因素造成（由研磨痕等造成）之凹陷被判定為差排造成之蝕孔。

以下，顯示藉由GDMS測定之本實施例中的氧化鎵單晶中含有的雜質的濃度。表2顯示未刻意摻雜Sn之氧化鎵單晶晶圓中含有的雜質的濃度，表3顯示摻雜0.05mol%的Sn之氧化鎵單晶晶圓中含有的雜質的濃度，表4顯示摻雜0.1mol%的Sn之氧化鎵單晶晶圓中含有的雜質的濃度，且表5顯示摻雜0.2mol%的Sn之氧化鎵單晶晶圓中含有的雜質的濃度。此外，濃度的單位「ppm」為重量的比率。

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

如表3～表5所示，這些氧化鎵單晶中含有的Ir的濃度不超過0.01ppm。此外，如表2～表5所示，這些氧化鎵單晶中含有的Rh的濃度落入不少於10ppm且不超過50ppm的一範圍內。這被認為是由於使用了不包含Ir之由一鉑銠合金形成之前述坩堝20。

此外，依據表2，具有0.5之一固化速率的一位置處的Rh濃度實質等於具有0.9之一固化速率的一位置處的Rh濃度。

以下，表6顯示本實施例中的9片氧化鎵晶圓（樣本A～I）的特性。在表6中，「摻雜量」意指一Sn的摻雜量。隨後，「UID」意指未刻意摻雜Sn。此外，「固化速率」意指切出前述晶圓之前述氧化鎵單晶（鑄錠）的一部分的一固化速率。

[表6]

以下，表7顯示本實施例中的4片氧化鎵單晶（樣本J～M）的特性。在表7中，「UID」意指未刻意摻雜Si及Sn。

[表7]

依據表6及表7，樣本A及樣本K中的載子濃度不少於3×10¹⁸ cm^-3 。亦即，在使用本發明的實施方式中的前述製造裝置1、2之結晶成長中，可成長具有不少於3×10¹⁸ cm^-3 之一n型載子濃度的氧化鎵單晶及從其切出之一晶圓。

以上說明了本發明的實施方式及實施例，但本發明不限於前述實施方式及實施例，在不脫離發明的主旨的範圍內，可實施各種變形。

此外，上述實施方式及實施例並非用以限定申請專利範圍之發明。進一步，須留意的是，並非全部前述實施方式及實施例中描述的特徵的組合皆對於解決本發明的問題為必須。

1、2:製造裝置 10:爐芯管 101、102:部分 11:爐內管 12:爐內管支撐板 13、13a、13b:保溫層 131、132、133:層 14:板狀構件 15:保溫材料 16:排氣管 17:基體 18:管狀構件 19:板狀構件 20:坩堝 21:坩堝支架 21a、21b、211、212、213、214、215、216、217:區塊 22:坩堝支軸 23:加熱元件 231:發熱部 232:電極部 233:彎曲部 24:管 25、26:熱電偶 31、32、33:保溫材料支撐板 34:基體 35:吊掛構件 36:空隙 37:元件 371:發熱部 372:電極部 D1、D2:直徑

第1圖是顯示本發明的一實施方式中的氧化鎵結晶的製造裝置的一垂直剖面圖。第2圖是顯示本發明的實施方式中的一爐芯管及其周圍的構件的一放大剖面圖。第3圖是顯示本發明的實施方式中的一坩堝、一坩堝支架、及一坩堝支軸的一放大剖面圖。第4A圖是顯示本發明的實施方式中的一加熱元件的一透視圖。第4B圖是顯示本發明的實施方式中的加熱元件的一側視圖。第5圖是顯示本發明的實施方式中的氧化鎵結晶的製造裝置1的變形例的一垂直剖面圖。第6圖是顯示二個β-Ga₂ O₃ 單晶及從其切出之二片晶圓的照片，前述二個β-Ga₂ O₃ 單晶皆為實施例中的氧化鎵單晶且各個具備一圓柱形的固定直徑部，前述固定直徑部具有2英寸的一直徑。第7圖是藉由X射線形貌術獲得的一觀察圖像且顯示從實施例中的氧化鎵單晶切出的氧化鎵單晶晶圓，前述氧化鎵單晶摻雜0.2mol%的Sn且主表面具備一（001）晶面。第8A圖顯示藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之第7圖所示之晶圓上的區域1中的一（001）晶面繞射峰。第8B圖顯示藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之第7圖所示之晶圓上的區域2中的一（001）晶面繞射峰。第8C圖顯示藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之第7圖所示之晶圓上的區域3中的一（001）晶面繞射峰。第8D圖顯示藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之第7圖所示之晶圓上的區域4中的一（001）晶面繞射峰。第9圖是顯示摻雜0.2mol%的Sn且主表面具備一（001）晶面之實施例中的氧化鎵單晶晶圓的照片。第10圖是藉由X射線搖擺曲線測定所獲得之一圖表且顯示第9圖所示之晶圓的（001）晶面繞射峰的半高寬的一分布。第11圖是顯示第9圖所示之晶圓的差排密度的一分布之一圖表。第12A圖是光學顯微鏡拍攝之觀察圖像且顯示出現在一晶圓表面之一蝕孔的一示例。第12B圖是光學顯微鏡拍攝之觀察圖像且顯示出現在一晶圓表面之一蝕孔的一示例。第12C圖是光學顯微鏡拍攝之觀察圖像且顯示出現在一晶圓表面之一蝕孔的一示例。第13A圖是顯示第9圖所示之晶圓的一上段的（001）晶面繞射峰的半高寬及差排密度的分布之一圖表。第13B圖是顯示第9圖所示之晶圓的一中段的（001）晶面繞射峰的半高寬及差排密度的分布之一圖表。第13C圖是顯示第9圖所示之晶圓的一下段的（001）晶面繞射峰的半高寬及差排密度的分布之一圖表。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

1:製造裝置

10:爐芯管

11:爐內管

12:爐內管支撐板

13:保溫層

131、132、133:層

14:板狀構件

15:保溫材料

16:排氣管

17:基體

20:坩堝

21:坩堝支架

22:坩堝支軸

23:加熱元件

231:發熱部

232:電極部

24:管

25、26:熱電偶

Claims

一種氧化鎵結晶的製造裝置，包含：一坩堝，用於容納氧化鎵原材料於其中；一坩堝支架，從下方支撐該坩堝；一坩堝支軸，從下方連接至該坩堝支架且垂直可移動地支撐該坩堝及該坩堝支架；一管狀的爐芯管，圍繞該坩堝、該坩堝支架及該坩堝支軸；一管狀的爐內管，圍繞該爐芯管；及一電阻加熱元件，包含一發熱部，該發熱部安置在該爐芯管與該爐內管之間的一空間；其中該爐芯管及該爐內管的熔點不少於1900℃；及其中在該爐芯管的一徑向方向上位於該坩堝的正側面之該爐芯管的一部分的導熱率高於該爐內管的導熱率。
如請求項1所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該爐芯管包含一第一部分及該第一部分以外的一第二部分，該第一部分包括在該爐芯管的該徑向方向上位於該坩堝的正側面之該部分，且該第一部分的導熱率高於該第二部分的導熱率。
如請求項1或2所述的氧化鎵結晶的製造裝置，包含：一板狀構件，覆蓋該爐芯管的一上端的一開口；及一保溫材料，安置於該板狀構件上。
如請求項1～3中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中在該爐芯管的該徑向方向上位於該坩堝的正側面之該爐芯管的該部分包含氧化鋁系陶瓷或氧化鎂系陶瓷，且該爐內管包含氧化鋯系陶瓷。
如請求項1～4中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該坩堝包含一鉑系合金。
如請求項5所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該坩堝支架包含作為最上部之一第一區塊及位於該第一區塊下方之一第二區塊，該第一區塊包含氧化鋯系陶瓷且直接接觸該坩堝，該第二區塊包含氧化鋁系陶瓷且不接觸該坩堝。
如請求項1～6中任一項所述的氧化鎵結晶的製造裝置，其中該爐內管從側面、上方及下方被一保溫層圍繞，該保溫層垂直地被分隔為一上側保溫層及一下側保溫層之二個區段，該上側保溫層及該下側保溫層垂直地夾有一空隙，且該空隙係被提供以使該保溫層從內部至外部在水平方向上不連續。