WO2023074200A1 - Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

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WO2023074200A1
WO2023074200A1 PCT/JP2022/035068 JP2022035068W WO2023074200A1 WO 2023074200 A1 WO2023074200 A1 WO 2023074200A1 JP 2022035068 W JP2022035068 W JP 2022035068W WO 2023074200 A1 WO2023074200 A1 WO 2023074200A1
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substrate
group iii
gas
iii nitride
susceptor
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PCT/JP2022/035068
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English (en)
French (fr)
Inventor
淳一 滝野
暢行 布袋田
俊一 松野
Original Assignee
パナソニックホールディングス株式会社
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    • 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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/12—Substrate holders or susceptors

Definitions

  • the present disclosure relates to a Group III nitride crystal manufacturing apparatus and manufacturing method.
  • III-nitride crystals such as GaN are used in next-generation optical devices such as high-power LEDs (light-emitting diodes) and LDs (laser diodes), as well as in high-performance devices such as EVs (electric vehicles) and PHVs (plug-in hybrid vehicles). It is expected to be applied to next-generation electronic devices such as output power transistors.
  • a method for producing group III nitride crystals an oxide vapor phase epitaxy (OVPE) method using group III oxides as raw materials is used (see, for example, Patent Document 1).
  • OVPE oxide vapor phase epitaxy
  • reaction systems in the OVPE method are as shown below.
  • Ga is heated and H 2 O gas is introduced in this state.
  • the introduced H 2 O gas reacts with Ga to generate Ga 2 O gas (formula (I) below).
  • NH 3 gas is introduced and reacted with the generated Ga 2 O gas to form a GaN crystal on the seed substrate ( formula (II) below).
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus includes a raw material chamber for generating a group III element oxide gas, and a group III element oxide gas supplied from the raw material chamber and a nitrogen element-containing gas reacting with each other.
  • a growth chamber for growing group III nitride crystals on the seed substrate the growth chamber having a substrate tray on which the seed substrate is placed and a substrate tray on which the seed substrate is placed on the rear surface side of the seed substrate; and a rotating shaft on which the substrate susceptor is mounted.
  • a method for producing a Group III nitride crystal according to one aspect of the present disclosure includes reacting a Group III element source and a reactive gas to produce a Group III element oxide gas, and The difference between the surface temperature and the back surface temperature obtained by reacting with the element-containing gas to form a group III nitride crystal on the seed substrate and subtracting the back surface temperature of the seed substrate from the surface temperature of the seed substrate is providing the seed substrate with a temperature gradient that is 0 or a positive number.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a group III nitride crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a flow chart showing a method for manufacturing a group III nitride crystal according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the shapes of the substrate tray, the substrate susceptor, and the rotating shaft when the substrate tray and the substrate susceptor are in contact over the entire surface, and the substrate susceptor and the rotating shaft are in contact over the entire surface; FIG.
  • 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the shapes of the substrate tray, the substrate susceptor, and the rotating shaft when the substrate tray and the substrate susceptor are partially in contact and the substrate susceptor and the rotating shaft are partially in contact; 4 is a graph showing the relationship between the number of polycrystals generated and the ratio of contact area to surface area. 4 is a graph showing the relationship between the contact area to surface area ratio and the temperature gradient within the crystal.
  • An object of the present disclosure is to solve the above problems, and to provide a group III nitride crystal production apparatus and a production method capable of suppressing the generation of polycrystals and producing high quality group III nitride crystals.
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus includes a raw material chamber for generating a group III element oxide gas, and a reaction between the group III element oxide gas supplied from the raw material chamber and a nitrogen element-containing gas.
  • a growth chamber for growing group III nitride crystals on the seed substrate the growth chamber having a substrate tray on which the seed substrate is placed and a substrate tray on which the seed substrate is placed on the rear surface side of the seed substrate; and a rotating shaft on which the substrate susceptor is mounted.
  • the substrate tray and the substrate susceptor may be in contact with each other over the entire surface of the substrate susceptor.
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus is the apparatus according to the first aspect, wherein the substrate tray and the substrate susceptor are in contact with each other at a portion of the surface of the substrate susceptor. It may have a non-contact part that is not.
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus is the apparatus according to the third aspect, wherein the non-contact portion between the substrate tray and the substrate susceptor is arranged with the rotation axis in plan view in the direction of the rotation axis. It may overlap with the area where
  • the non-contact portion may be larger than the region where the rotating shaft is arranged.
  • a group III nitride crystal production apparatus is the apparatus for producing a group III nitride crystal according to any one of the third to fifth aspects, wherein the ratio of the surface area of the substrate tray to the contact area between the substrate tray and the substrate susceptor is , 0.34 or more.
  • the apparatus for producing a group III nitride crystal according to the seventh aspect may have a structure that allows cooling water to flow inside the rotating shaft.
  • a Group III nitride crystal production apparatus is characterized in that, in any one of the first to seventh aspects, the substrate tray is made of SiC, C, BN, SiO 2 , SiN, AlN, and a transition metal. It may be made of a material containing at least one selected from the group consisting of:
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus is the apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein the substrate susceptor is made of SiC, C, BN, SiO 2 , SiN, AlN, and a transition metal. It may be made of a material containing at least one selected from the group consisting of:
  • a method for producing a group III nitride crystal according to a tenth aspect comprises: reacting a group III element source with a reactive gas to produce a group III element oxide gas; reacting with the containing gas to form a group III nitride crystal on the seed substrate, wherein the difference between the surface temperature and the back surface temperature is 0 or a positive number from the front surface to the back surface of the seed substrate.
  • a temperature gradient is provided.
  • Group III nitride crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to the present disclosure polycrystals can be suppressed, and high-quality Group III nitride crystals can be manufactured.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a Group III nitride crystal manufacturing apparatus 200 according to Embodiment 1. As shown in FIG. Note that FIG. 1 is a schematic diagram, and the size, ratio, etc. of each component may differ from the actual one.
  • a group III nitride crystal manufacturing apparatus 200 includes a raw material chamber 100 for generating a group III element oxide gas, a growth chamber 111 for generating a group III nitride crystal on a seed substrate, have A raw material reaction chamber 101 is arranged in the raw material chamber 100 , and a raw material boat 104 carrying a starting group III element source 105 is arranged in the raw material reaction chamber 101 .
  • the starting group III element source 105 is a starting Ga source.
  • a reactive gas supply pipe 103 is connected to the raw material reaction chamber 101 to supply a reactive gas that reacts with the starting group III element source 105 .
  • the raw material reaction chamber 101 has a Group III element oxide gas outlet 107 .
  • the starting group III element source 105 is an oxide
  • a reducing gas is used as the reactive gas.
  • an oxidizing gas is used as the reactive gas.
  • the raw material chamber 100 is provided with a first carrier gas supply port 102 .
  • the first carrier gas supplied from the first carrier gas supply port 102 passes through the group III element oxide gas discharged from the group III element oxide gas discharge port 107 from the gas discharge port 108 through the connecting pipe 109, Transfer to growth chamber 111 .
  • the growth chamber 111 includes a gas supply port 118 for supplying the group III element oxide gas and the first carrier gas, a third carrier gas supply port 112, a nitrogen element-containing gas supply port 113, and a second carrier gas supply port 114. , and an exhaust port 119 .
  • a substrate tray 120 on which a seed substrate 116 is placed is arranged in the growth chamber 111 .
  • a substrate tray 120 rests on the substrate susceptor 117 .
  • the substrate susceptor 117 is placed on the rotating shaft 121 .
  • the growth chamber 111 also has a fourth heater 122 below the substrate susceptor 117 .
  • the temperature gradient [(surface temperature) ⁇ (back surface temperature)] from the front surface to the back surface of seed substrate 116 is set to 0 or a positive value.
  • the substrate tray 120, the substrate susceptor 117, and the rotary shaft 121 in the growth chamber facilitate heat escape from the rear surface side of the seed substrate (heat escape promotion structure). This creates a heat flow from the substrate tray to the rotating shaft, causing heat to escape from the front surface to the back surface of the seed substrate.
  • heat escape promotion structure By having a heat escape promoting structure, destabilization of Mullins-Sekerka can be suppressed, and occurrence of abnormal growth of polycrystals, pits, and the like can be reduced.
  • the quality of the group III nitride crystal can be improved.
  • the method for producing a group III nitride crystal according to the first embodiment includes a reactive gas supply step, a group III element oxide gas generation step, a group III element oxide gas supply step, a nitrogen element-containing gas supply step, a group III It has a nitride crystal formation process and a residual gas discharge process.
  • the reactive gas is supplied from the reactive gas supply pipe 103 to the raw material reaction chamber 101 inside the raw material chamber 100 .
  • the reactive gas can be a reducing gas or an oxidizing gas, if desired.
  • a starting group III element source 105 and a reactive gas to generate a Group III element oxide gas.
  • the group III element oxide gas produced in the group III element oxide gas generation step is supplied to the growth chamber 111 .
  • the group III element oxide gas is discharged from the raw material reaction chamber 101 through the group III element oxide gas discharge port 107 and discharged from the gas discharge port 108 together with the first carrier gas supplied from the first carrier gas supply port 102 . , is transported through the connection pipe 109 and supplied into the growth chamber 111 from the gas supply port 118 .
  • the nitrogen element-containing gas is supplied from the nitrogen element-containing gas supply port 113 to the growth chamber 111 .
  • the group III element oxide gas supplied into the growth chamber 111 in the group III element oxide gas supply step and the nitrogen supplied into the growth chamber 111 in the nitrogen element-containing gas supply step A III-nitride crystal is grown on the seed substrate 116 by reacting with the element-containing gas.
  • arrows indicate between steps, but in reality, each step shown in the flowchart may be performed at the same time.
  • arrows indicate from the upstream process to the downstream process in the Group III nitride crystal manufacturing apparatus.
  • the reactive gas is supplied from the reactive gas supply pipe 103 to the raw material reaction chamber 101 .
  • H 2 O gas is used as the reactive gas.
  • O 2 gas, CO gas, NO gas, N 2 O gas, NO 2 gas, and N 2 O 4 gas may be used.
  • the reactive gas supplied to the raw material reaction chamber 101 in the reactive gas supply step reacts with Ga, which is the starting group III element source 105, to form a group III element oxide gas.
  • Ga 2 O gas is generated.
  • the generated Ga 2 O gas is discharged from the raw material reaction chamber 101 to the raw material chamber 100 via the Group III element oxide gas outlet 107 .
  • the discharged Ga 2 O gas is mixed with the first carrier gas supplied from the first carrier gas supply port 102 to the raw material chamber 100 and supplied to the gas discharge port 108 .
  • the source chamber 100 is heated by the first heater 106 .
  • the temperature of the raw material chamber 100 is preferably 800° C. or higher, which is higher than the boiling point of Ga 2 O gas.
  • the temperature of the raw material chamber 100 is preferably lower than that of the growth chamber 111 .
  • the temperature of the raw material chamber 100 is preferably less than 1800° C., for example.
  • a starting group III element source 105 is placed in a raw material boat 104 located within the raw material reaction chamber 101 .
  • the raw material boat 104 preferably has a shape that allows a large contact area between the reactive gas and the starting group III element source 105 .
  • the raw material boat 104 preferably has a multi-tier dish shape in order to prevent the starting group III element source 105 and the reactive gas from passing through the raw material reaction chamber 101 in a non-contact state.
  • Methods for generating the group III element oxide gas are roughly classified into a method of reducing the starting group III element source 105 and a method of oxidizing the starting group III element source 105 .
  • the starting Group III element source 105 is an oxide (eg Ga 2 O 3 ) and the reactive gas is a reducing gas (eg H 2 gas, CO gas, CH 4 gas, C 2 H 6 gas). , H 2 S gas, SO 2 gas).
  • the group III element source 105 to be oxidized e.g., liquid Ga
  • the reactive gas as an oxidizing gas e.g., H 2 O gas, O 2 gas, CO gas, NO gas, N 2 O gas, NO 2 gas, N 2 O 4 gas.
  • an In source and an Al source may be used.
  • An inert gas, H2 gas, or the like can be used as the first carrier gas.
  • the Ga 2 O gas generated in the group III element oxide gas generation step is introduced into the growth chamber 111 via the gas outlet 108, the connection pipe 109, and the gas supply port 118. supply.
  • the connection pipe 109 is heated by the third heater 110 so that the temperature does not drop below the temperature of the raw material chamber 100 .
  • the nitrogen element-containing gas is supplied from the nitrogen element-containing gas supply port 113 to the growth chamber 111 .
  • nitrogen element -containing gases include NH3 gas, NO gas , NO2 gas, N2O gas, N2O4 gas , N2H2 gas, and N2H4 gas.
  • the raw material gas supplied into the growth chamber 111 through each supply process is reacted to grow the Group III nitride crystal on the seed substrate 116 .
  • the growth chamber 111 is preferably heated by the second heater 115 to a temperature at which the Group III element oxide gas and the nitrogen element-containing gas react.
  • the temperature of the growth chamber 111 is kept below the temperature of the raw material chamber 100 and the temperature of the connection pipe 109 . It is preferable to control the temperature of The temperature of growth chamber 111 heated by second heater 115 is preferably 1000° C. or higher and 1800° C. or lower.
  • Group III nitride crystal manufacturing apparatus 200 has substrate tray 120, substrate susceptor 117, and rotary shaft 121 used in the group III nitride crystal growth step to allow heat to escape from the rear surface side of seed substrate 116. It has a structure that promotes heat dissipation, that is, a structure that promotes heat escape.
  • the substrate tray 120 and substrate susceptor 117 are configured to contact each other as shown in FIGS. 3A and 3B. For example, when the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 are brought into contact with each other over the entire surface, the contact surface has a structure as shown in FIG. 3A.
  • a structure in which a space is formed between the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 is also possible.
  • a structure that avoids contact with the central portion of the substrate tray 120 are, for example, disk-shaped, and in order to avoid contact, a shape having a circular depression is conceivable.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams, and the size, ratio, etc. of each component may differ from the actual one. Also, the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 may be of an integral structure.
  • Materials of the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 are, for example, SiC, C (carbon), BN (boron nitride), transition metals, SiO 2 (quartz), SiN (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and the like. be.
  • the rotating shaft 121 and the substrate susceptor 117 are configured to contact each other at least partially.
  • the contact surface has a structure as shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3A shows an example of the shapes of the substrate tray 120, the substrate susceptor 117, and the rotating shaft 121 when the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 are in contact over the entire surface, and the substrate susceptor 117 and the rotating shaft 121 are in contact over the entire surface. It is a schematic cross-sectional view showing the.
  • FIG. 3B shows the shapes of the substrate tray 120, the substrate susceptor 117, and the rotating shaft 121 when the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 are partially in contact and the substrate susceptor 117 and the rotating shaft 121 are partially in contact. It is a schematic cross-sectional view showing an example of. In FIG.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams, and the sizes, proportions, and the like of the constituent members may differ from the actual ones.
  • the material of the rotating shaft 121 is SiC, C (carbon), BN (boron nitride), transition metal, SiO 2 (quartz), SiN (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), or the like.
  • rotating shaft 121 preferably has a structure in which cooling water can flow inside the rotating shaft in order to further promote heat dissipation from the rear surface side of seed substrate 116 .
  • the second heater 115 heats the surface side of the seed substrate 116 in the group III nitride crystal growth step.
  • the heat dissipation flow of the seed substrate 116 can be considered as follows.
  • heat from the rear surface of the seed substrate 116 is transferred from the center of the rear surface of the seed substrate 116 to the outside via the substrate tray 120 and the rotating shaft 121 as indicated by arrow 11 .
  • the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 are not in contact with each other over the entire surface, and the substrate susceptor 117 is contacted not through the center of the substrate tray 120 but through the periphery as indicated by arrow 12 .
  • the substrate susceptor 117 and the rotating shaft 121 are not in contact with each other over the entire surface, and heat is transferred through the periphery of the rotating shaft as indicated by arrow 13 .
  • the contact area between the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 can be adjusted.
  • a recess may be provided in the center of the substrate susceptor 117 so that the contact area with the substrate tray 120 can be adjusted.
  • a structure in which the rotation shaft 121 contacts the center of the substrate susceptor 117 may be employed. In this case, heat escape from the rear surface of the seed substrate 116 is achieved by contacting the rear surface of the substrate tray 120 and the front surface of the substrate susceptor 117 over the entire surface. Therefore, heat escape from the center of substrate tray 120 and substrate susceptor 117 is promoted, that is, heat escape from the center of seed substrate 116 is promoted.
  • the contact position between the substrate tray 120 and the substrate susceptor 117 can be shifted or the contact area can be adjusted.
  • the temperature distribution on the wafer surface can be adjusted. Reducing the temperature distribution difference on the wafer surface further improves the quality of the in-plane grown crystal.
  • the fourth heater 122 is provided to shorten the temperature rise time of the seed substrate 116 .
  • the temperature rise time will be long and the process time will be prolonged. After heating to the desired temperature, the seed substrate 116 is heated mainly by the second heater.
  • seed substrate 116 examples include gallium nitride, gallium arsenide, silicon, sapphire, silicon carbide, zinc oxide, gallium oxide, and ScAlMgO4 .
  • An inert gas, H2 gas, or the like can be used as the second carrier gas.
  • the unreacted Group III element oxide gas and nitrogen element-containing gas, as well as the first carrier gas, the second carrier gas, and the third carrier gas are discharged from the exhaust port 119 .
  • Group III nitride crystals were grown using the growth furnace shown in FIG.
  • GaN was grown as a group III nitride crystal.
  • Liquid Ga was used as a starting Ga source
  • Ga was reacted with H 2 O gas as a reactive gas
  • Ga 2 O gas was used as a group III element oxide gas.
  • NH3 gas was used as the nitrogen element-containing gas
  • a mixture of H2 gas and N2 gas was used as the first carrier gas and the second carrier gas.
  • a GaN free-standing substrate was used as the seed substrate.
  • the generated polycrystal was estimated from optical observation of the crystal surface, and the growth rate was estimated from the amount of change in weight.
  • the temperature of the raw material portion was 1140° C.
  • the temperature of the substrate surface was 1144° C.
  • the temperature gradient of the inner layer of the substrate was ⁇ 0.3° C./cm.
  • the Ga 2 O gas partial pressure in the growth chamber is 5.07 ⁇ 10 ⁇ 4 atm
  • the H 2 O gas partial pressure is 5.66 ⁇ 10 ⁇ 4 atm
  • the NH 3 gas partial pressure is 4.82 ⁇ 10 ⁇ 1 .
  • H 2 gas partial pressure was 1.33 ⁇ 10 ⁇ 2 atm
  • N 2 gas partial pressure was 5.04 ⁇ 10 ⁇ 1 atm
  • crystal growth was performed for 6 hours.
  • Met As a result of evaluating the grown crystal, the number of polycrystals on the surface of the grown crystal was 7.2/cm 2 . Also, the growth rate was 38 ⁇ m/h.
  • Example 1 The temperature of the raw material portion was 1140° C., the temperature of the substrate surface was 1127° C., and the temperature gradient of the inner layer of the substrate was 1.1° C./cm. Further, the Ga 2 O gas partial pressure in the growth chamber is 4.98 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, the H 2 O gas partial pressure is 5.74 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, and the NH 3 gas partial pressure is 4.82 ⁇ 10 ⁇ 1 . Atm, H 2 gas partial pressure was 1.33 ⁇ 10 ⁇ 2 atm, N 2 gas partial pressure was 5.04 ⁇ 10 ⁇ 1 atm, and crystal growth was performed for 6 hours.
  • the number of polycrystals on the surface of the grown crystal was 4.1/cm 2 .
  • the growth rate was 78 ⁇ m/h.
  • the number of polycrystals on the surface of the grown crystal was 0.9/cm 2 .
  • the growth rate was 72 ⁇ m/h.
  • Example 3 The temperature of the raw material portion was 1140° C., the temperature of the substrate surface was 1174° C., and the temperature gradient of the inner layer of the substrate was 1.8° C./cm. Further, the Ga 2 O gas partial pressure in the growth chamber is 5.40 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, the H 2 O gas partial pressure is 5.33 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, and the NH 3 gas partial pressure is 4.82 ⁇ 10 ⁇ 1 . Atm, H 2 gas partial pressure was 1.33 ⁇ 10 ⁇ 2 atm, N 2 gas partial pressure was 5.04 ⁇ 10 ⁇ 1 atm, and crystal growth was performed for 6 hours.
  • the area ratio of the contact surface between the substrate tray and the substrate susceptor to the surface of the substrate tray was 0.815.
  • the number of polycrystals on the surface of the grown crystal was 0.6/cm 2 . Also, the growth rate was 51 ⁇ m/h.
  • Example 4 The temperature of the raw material portion was 1140° C., the temperature of the substrate surface was 1163° C., and the temperature gradient of the inner layer of the substrate was 2.8° C./cm. Further, the Ga 2 O gas partial pressure in the growth chamber is 5.07 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, the H 2 O gas partial pressure is 5.66 ⁇ 10 ⁇ 4 atm, and the NH 3 gas partial pressure is 4.82 ⁇ 10 ⁇ 1 . Atm, H 2 gas partial pressure was 1.33 ⁇ 10 ⁇ 2 atm, N 2 gas partial pressure was 5.04 ⁇ 10 ⁇ 1 atm, and crystal growth was performed for 6 hours.
  • the area ratio of the contact surface between the substrate tray and the substrate susceptor to the surface of the substrate tray was 0.900.
  • the number of polycrystals on the surface of the grown crystal was 0.4/cm 2 .
  • the growth rate was 51 ⁇ m/h.
  • FIG. 4A shows the relationship between the contact area/surface area ratio and the number of polycrystals generated in the grown crystal.
  • the dashed straight line is an approximation line created based on the experimental results.
  • the coefficient of determination R2 exceeds 0.9, which is a good approximation.
  • polycrystal tends to be suppressed as the ratio of contact area to surface area (contact area/surface area) increases.
  • FIG. 4B by increasing the ratio of the contact area to the surface area (contact area/surface area), the temperature gradient [(front side)-(back side)] from the crystal surface to the back surface becomes large.
  • the straight line indicated by the dashed line in FIG. 4B is also an approximation line created based on the experimental results, and good approximation is achieved because the coefficient of determination R2 exceeds 0.9.
  • Devices such as transistors and diodes are formed after the grown GaN crystals are processed and made into wafers. At this time, since the crystal structure of the region in which the polycrystal is formed is significantly disturbed, the desired device characteristics cannot be obtained if the region exists directly under the electrode during device formation.
  • the heat escape promoting structure used in the present disclosure it is possible to reduce polycrystals that affect the improvement of the yield during device fabrication. For example, when (contact area/surface area) is 0.34 or more, polycrystals can be reduced by 70% or more, and good crystals can be obtained when (contact area/surface area) is 0.34 or more.
  • the electrode size is preferably 50 ⁇ m or more in diameter. Assuming that the electrode size is 50 ⁇ m, and the polycrystal density is 4/cm 2 , the number of electrodes with a diameter of 50 ⁇ m overlapping the polycrystal is 0.0000785 per 1 cm 2 . In other words, the probability that the electrode portion coincides with the polycrystalline region is 0.0079%, and the non-defective product rate is a good value of 99.99% or more. As can be seen from FIG.
  • group III nitride crystal manufacturing apparatus since it has a structure that promotes heat escape from the rear surface side of the seed substrate, it is possible to suppress the generation of polycrystals and manufacture high-quality group III nitride crystals. .

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Abstract

ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料チャンバと、原料チャンバから供給されるＩＩＩ族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成する育成チャンバと、を備え、育成チャンバは、種基板下部に、種基板が載置される基板トレーと、基板トレーが載置される基板サセプタと、基板サセプタが載置される回転軸と、を含む種基板の裏面側からの熱逃げ促進構造を有する。

Description

ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法
　本開示は、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法に関する。
　ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物結晶は、高出力ＬＥＤ（発光ダイオード）及びＬＤ（レーザーダイオード）等の次世代光デバイスや、ＥＶ（電気自動車）及びＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等に搭載される高出力パワートランジスタ等の次世代電子デバイスへの応用が期待されている。ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法として、ＩＩＩ族酸化物を原料とするＯｘｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ（ＯＶＰＥ）法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
　ＯＶＰＥ法における反応系の例は、以下に示す通りである。
（１）Ｇａを加熱し、この状態で、Ｈ２Ｏガスを導入する。導入されたＨ２Ｏガスは、Ｇａと反応して、Ｇａ２Ｏガスを生成させる（下記式（Ｉ））。
（２）そして、ＮＨ３ガスを導入し、ＮＨ３ガスを生成されたＧａ２Ｏガスと反応させて、種基板上にＧａＮ結晶を生成する（下記式（ＩＩ））。
２Ｇａ（ｌ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→Ｇａ２Ｏ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）・・・（Ｉ）
Ｇａ２Ｏ（ｇ）＋２ＮＨ３（ｇ）→２ＧａＮ（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）＋２Ｈ２（ｇ）・・・（ＩＩ）
国際公開第２０１５／０５３３４１号
　本開示の一態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料チャンバと、原料チャンバから供給されるＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成する育成チャンバと、を備え、育成チャンバは、種基板の裏面側に、種基板が載置される基板トレーと、基板トレーが載置される基板サセプタと、基板サセプタが載置される回転軸と、を含む種基板の裏面側からの熱逃げ促進構造を有する。
　本開示の一態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、ＩＩＩ族元素源と反応性ガスとを反応させてＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成することと、ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成することと、種基板の表面温度から種基板の裏面温度を引くことにより得られる表面温度と裏面温度との差が０又は正の数値である温度勾配を種基板に設けることと、を含む。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の断面構成を示す概略断面図である。 実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法を示すフローチャートである。 基板トレーと基板サセプタとが全面で接触し、基板サセプタと回転軸が全面で接触している場合の基板トレー、基板サセプタ、および回転軸の形状の一例を示す概略断面図である。 基板トレーと基板サセプタとが一部で接触し、基板サセプタと回転軸が一部で接触している場合の基板トレー、基板サセプタ、および回転軸の形状の一例を示す概略断面図である。 接触面積と表面積の比に対する発生した多結晶数との関係を示すグラフである。 接触面積と表面積の比に対する結晶内の温度勾配との関係を示すグラフである。
　特許文献１に記載の製造方法では、基板上流、および基板内部の温度勾配を制御することは難しい場合があり、安定した単結晶成長を実現することが困難であった。具体的には、結晶化反応が発熱反応の場合、結晶の表面から裏面に掛けての温度勾配［（表面温度）－（裏面温度）］が負であると、マリンズ・セケルカの不安定化により多結晶が発生し、結晶品質の劣化を引き起こしやすい。
　本開示は、上記の問題を解決するものであり、多結晶の発生を抑制し、高品質のＩＩＩ族窒化物結晶を製造できるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
　第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料チャンバと、原料チャンバから供給される前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成する育成チャンバと、を備え、育成チャンバは、種基板の裏面側に、種基板が載置される基板トレーと、基板トレーが載置される基板サセプタと、基板サセプタが載置される回転軸と、を含む種基板の裏面側からの熱逃げ促進構造を有する。
　第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１の態様において、基板トレーと基板サセプタとは、基板サセプタの表面の全面において互いに接触していてもよい。
　第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１の態様において、基板トレーと基板サセプタとは、基板サセプタの表面の一部において互いに接触している接触部と、接触していない非接触部とを有してもよい。
　第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第３の態様において、基板トレーと基板サセプタとの非接触部は、回転軸の方向から見た平面視において、回転軸が配置されている領域と重なってもよい。
　第５の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第３又は第４の態様において、非接触部は、回転軸が配置されている領域よりも大きくてもよい。
　第６の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第３から第５のいずれかの態様において、基板トレーの表面積と、基板トレーと前記基板サセプタとの接触面積と、の比が、０．３４以上であってもよい。
　第７の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第６のいずれかの態様において、回転軸の内部に冷却水を流通できる構造を有してもよい。
　第８の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第７のいずれかの態様において、基板トレーは、ＳｉＣ、Ｃ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、及び遷移金属からなる群から選択される少なくとも一つを含む材料からなってもよい。
　第９の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第８のいずれかの態様において、基板サセプタは、ＳｉＣ、Ｃ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、及び遷移金属からなる群から選択される少なくとも一つを含む材料からなってもよい。
　第１０の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、ＩＩＩ族元素源と反応性ガスとを反応させてＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成することと、ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成することと、を含み、種基板の表面から裏面において、表面温度と裏面温度との差が０又は正の数値である温度勾配を設けている。
　本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法によれば、多結晶を抑制することができ、高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を製造することができる。
　以下、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、同じ構成部分には同じ符号を付して、適宜説明を省略している。
　（実施の形態１）
　＜ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の概要＞
　本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置２００の概要を、図１の概略図を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置２００の断面構成を示す概略断面図である。なお、図１は概略図であり、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なる場合がある。
　本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置２００は、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料チャンバ１００と、種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成する育成チャンバ１１１と、を有する。原料チャンバ１００内に、原料反応室１０１が配置されており、原料反応室１０１内に出発ＩＩＩ族元素源１０５を載置した原料ボート１０４が配置されている。本実施の形態では、出発ＩＩＩ族元素源１０５は出発Ｇａ源である。原料反応室１０１には、出発ＩＩＩ族元素源１０５と反応する反応性ガスを供給する反応性ガス供給管１０３が接続されている。原料反応室１０１は、ＩＩＩ族元素酸化物ガス排出口１０７を有する。出発ＩＩＩ族元素源１０５が酸化物の場合は、反応性ガスとして還元性ガスを用いる。また、出発ＩＩＩ族元素源１０５が金属の場合は、反応性ガスとして酸化性ガスを用いる。また、原料チャンバ１００には、第１搬送ガス供給口１０２が設けられている。第１搬送ガス供給口１０２から供給された第１搬送ガスは、ＩＩＩ族元素酸化物ガス排出口１０７から排出されるＩＩＩ族元素酸化物ガスを、ガス排出口１０８から接続管１０９を通過し、育成チャンバ１１１へと搬送する。
　育成チャンバ１１１は、ＩＩＩ族元素酸化物ガス及び第１搬送ガスを供給するガス供給口１１８と、第３搬送ガス供給口１１２と、窒素元素含有ガス供給口１１３と、第２搬送ガス供給口１１４と、排気口１１９と、を有する。育成チャンバ１１１内には、種基板１１６を設置する基板トレー１２０が配置されている。基板トレー１２０は、基板サセプタ１１７に載置されている。基板サセプタ１１７は、回転軸１２１に載置されている。また、育成チャンバ１１１は、基板サセプタ１１７の下部に第４ヒータ１２２を有する。
　本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置では、種基板１１６の表面から裏面の温度勾配［（表面温度）―（裏面温度）］が０または正の数値になるように、育成チャンバ内の基板トレー１２０、基板サセプタ１１７、回転軸１２１により、種基板の裏面側からの熱逃げが促進される構造（熱逃げ促進構造）を有する。これによって、基板トレーから回転軸への熱フローが形成され、種基板の表面から裏面への熱逃げが生じる。熱逃げ促進構造を有することによって、マリンズ・セケルカの不安定化を抑制でき、多結晶やピットなどの異常成長の発生を低減することが可能となる。以上より、ＩＩＩ族窒化物結晶の品質を向上させることができる。
　＜ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法の概要＞
　本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法の概要を、図２のフローチャートを参照して説明する。本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、反応性ガス供給工程、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程、窒素元素含有ガス供給工程、ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程、及び残留ガス排出工程を有する。
　反応性ガス供給工程では、反応性ガスを、反応性ガス供給管１０３から原料チャンバ１００内の原料反応室１０１へ供給する。上述の通り、反応性ガスは、必要に応じて還元性ガス又は酸化性ガスを用いることができる。
　ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、原料反応室１０１内において、出発ＩＩＩ族元素源１０５と反応性ガス（出発ＩＩＩ族元素源が酸化物の場合は還元性ガス、出発ＩＩＩ族元素源が金属の場合は酸化性ガス）とを反応させ、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する。
　ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程で製造されたＩＩＩ族元素酸化物ガスを、育成チャンバ１１１へ供給する。ＩＩＩ族元素酸化物ガスは、原料反応室１０１内からＩＩＩ族元素酸化物ガス排出口１０７を通じて排出され、第１搬送ガス供給口１０２から供給される第１搬送ガスと共にガス排出口１０８から排出され、接続管１０９を通って搬送され、ガス供給口１１８から育成チャンバ１１１内へと供給される。
　窒素元素含有ガス供給工程では、窒素元素含有ガスを窒素元素含有ガス供給口１１３から育成チャンバ１１１へ供給する。
　ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程で育成チャンバ１１１内へ供給されたＩＩＩ族元素酸化物ガスと、窒素元素含有ガス供給工程で育成チャンバ１１１内へ供給された窒素元素含有ガスとを反応させ、ＩＩＩ族窒化物結晶を種基板１１６上に成長させる。
　残留ガス排出工程では、ＩＩＩ族窒化物結晶の生成に寄与しない未反応のガスを排気口１１９から育成チャンバ１１１の外に排出する。
　なお、フローチャートでは工程間を矢印で示しているが、実際には、フローチャートに示す各工程は同時に行われていてよい。フローチャートは、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置において上流で行われる工程から下流へ行われる工程へと矢印で示している。
　＜ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法及び製造装置の詳細＞
　本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法の詳細を説明する。なお、本実施の形態１では、出発ＩＩＩ族元素源１０５として金属Ｇａを用いている。
　反応性ガス供給工程では、反応性ガス供給管１０３より反応性ガスを原料反応室１０１へ供給する。本実施の形態１の例では、出発ＩＩＩ族元素源１０５として金属Ｇａを用いているため、反応性ガスとしてＨ２Ｏガスを用いる。尚、反応性ガスとしては、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｏ４ガスを用いてもよい。
　ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、反応性ガス供給工程で原料反応室１０１へ供給された反応性ガスが、出発ＩＩＩ族元素源１０５であるＧａと反応し、ＩＩＩ族元素酸化物ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。生成されたＧａ２ＯガスはＩＩＩ族元素酸化物ガス排出口１０７を経由し、原料反応室１０１から原料チャンバ１００に排出される。排出されたＧａ２Ｏガスは第１搬送ガス供給口１０２から原料チャンバ１００へと供給される第１搬送ガスと混合され、ガス排出口１０８へと供給される。
　本実施の形態１では、第１ヒータ１０６によって原料チャンバ１００を加熱する。原料チャンバ１００を加熱する場合、原料チャンバ１００の温度を、Ｇａ２Ｏガスの沸点よりも高い８００℃以上とすることが好ましい。また、原料チャンバ１００の温度を、育成チャンバ１１１よりも低温とすることが好ましい。後述のように、第２ヒータ１１５によって育成チャンバ１１１を加熱する場合には、原料チャンバ１００の温度を、例えば、１８００℃未満とすることが好ましい。出発ＩＩＩ族元素源１０５は、原料反応室１０１内に配置された原料ボート１０４内に載置されている。原料ボート１０４は、反応性ガスと出発ＩＩＩ族元素源１０５との接触面積を大きくできる形状であることが好ましい。例えば、出発ＩＩＩ族元素源１０５と反応性ガスとが非接触の状態で原料反応室１０１を通過することを防ぐために、原料ボート１０４は、多段の皿形状であることが好ましい。
　なお、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する方法には、大別して、出発ＩＩＩ族元素源１０５を還元する方法と、出発ＩＩＩ族元素源１０５を酸化する方法とがある。例えば、還元する方法においては、出発ＩＩＩ族元素源１０５として酸化物（例えばＧａ２Ｏ３）、反応性ガスとして還元性ガス（例えばＨ２ガス、ＣＯガス、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ６ガス、Ｈ２Ｓガス、ＳＯ２ガス）を用いる。
　一方、酸化する方法においては、出発ＩＩＩ族元素源１０５として被酸化物（例えば液体Ｇａ）、反応性ガスとして酸化性ガス（例えばＨ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｏ４ガス）を用いる。出発ＩＩＩ族元素源１０５として、Ｇａ源の他に、Ｉｎ源、Ａｌ源を用いてもよい。第１搬送ガスとしては、不活性ガス、Ｈ２ガス等を用いることができる。
　ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程で生成されたＧａ２Ｏガスを、ガス排出口１０８、接続管１０９、ガス供給口１１８を経由し、育成チャンバ１１１へと供給する。原料チャンバ１００と育成チャンバ１１１とを接続する接続管１０９の温度が、原料チャンバ１００の温度より低下すると、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じ、出発ＩＩＩ族元素源１０５が接続管１０９内で析出するおそれがある。そのため、接続管１０９は第３ヒータ１１０によって、原料チャンバ１００の温度より低下しないように加熱されることが好ましい。
　窒素元素含有ガス供給工程では、窒素元素含有ガスを窒素元素含有ガス供給口１１３から育成チャンバ１１１に供給する。窒素元素含有ガスの例は、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｏガス、Ｎ２Ｏ４ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、及びＮ２Ｈ４ガスを含む。
　ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、各供給工程を経て、育成チャンバ１１１内へと供給された原料ガスを反応させ、ＩＩＩ族窒化物結晶を種基板１１６上に成長させる。育成チャンバ１１１は第２ヒータ１１５により、ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとが反応する温度まで高温化されることが好ましい。この際、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じないようにするため、育成チャンバ１１１の温度が、原料チャンバ１００の温度及び接続管１０９の温度より低下しないよう、育成チャンバ１１１の温度を制御することが好ましい。第２ヒータ１１５によって加熱される育成チャンバ１１１の温度は、１０００℃以上１８００℃以下であることが好ましい。
　ＩＩＩ族元素酸化物供給工程を経て、育成チャンバ１１１へと供給されたＩＩＩ族元素酸化物ガスと、窒素元素含有ガス供給工程を経て、育成チャンバ１１１へと供給される窒素元素含有ガスと、を種基板１１６より上流で混合することによって、種基板１１６上でＩＩＩ族窒化物結晶の成長を行うことができる。
　＜熱逃げ促進構造について＞
　実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置２００は、ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程で用いる基板トレー１２０、基板サセプタ１１７、および回転軸１２１によって、種基板１１６の裏面側からの熱逃げを促す構造、つまり熱逃げ促進構造を有する。基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とは、図３Ａおよび図３Ｂに示すような互いに接触する構造とする。接触する面とは、例えば、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とを全面で接触させる場合、図３Ａに示すような構造となる。
　一方で、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７との間に空間を形成する構造も可能である。例えば、図３Ｂに示すように、基板トレー１２０の中心部との接触を回避する構造である。基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とは、例えば円盤形状が用いられ、接触を回避する場合、円状の窪みを有する形状が考えられる。
　なお、図３Ａおよび図３Ｂは概略図であり、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なる場合がある。また、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とは一体の構造であってもよい。
　基板トレー１２０および基板サセプタ１１７の材質は、例えば、ＳｉＣ、Ｃ（カーボン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、遷移金属、ＳｉＯ２（石英）、ＳｉＮ（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等から構成される。
　さらに、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、回転軸１２１と基板サセプタ１１７とは、少なくとも一部で互いに接触する構造とする。接触する面は、例えば、回転軸１２１と基板サセプタ１１７とを全面で接触させる場合、図３Ａに示すような構造となる。図３Ａは、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とが全面で接触し、基板サセプタ１１７と回転軸１２１が全面で接触している場合の基板トレー１２０、基板サセプタ１１７、および回転軸１２１の形状の一例を示す概略断面図である。
　一方で、回転軸１２１と基板サセプタ１１７との間に空間を形成する構造も可能である。例えば、図３Ｂに示すように、回転軸１２１の中心部との接触を回避する構造である。図３Ｂは、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とが一部で接触し、基板サセプタ１１７と回転軸１２１が一部で接触している場合の基板トレー１２０、基板サセプタ１１７、および回転軸１２１の形状の一例を示す概略断面図である。図３Ｂでは、種基板１１６の裏面からの熱は、矢印１２、１３で示すように、種基板１１６の周縁から基板トレー１２０及び回転軸１２１の周縁を経由して外部に伝熱する。回転軸１２１は、例えば、円柱形状が用いられ、基板サセプタ１１７との全面での接触を回避する場合、例えば、円状の窪みを有する形状が考えられる。なお、図３Ａおよび図３Ｂは概略図であり、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なる場合がある。
　回転軸１２１の材質は、ＳｉＣ、Ｃ（カーボン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、遷移金属、ＳｉＯ２（石英）、ＳｉＮ（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等から構成される。また、回転軸１２１は、種基板１１６の裏面側からの熱逃げをさらに促進させるために、回転軸の内部に冷却水を流通できる構造であることが好ましい。
　ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、第２ヒータ１１５によって種基板１１６の表面側が温められる。種基板１１６の放熱の流れとしては、例えば、以下のように考えられる。
　ｉ）まず、種基板１１６の熱が基板トレー１２０に伝達する。
　ｉｉ）次に、基板トレー１２０から基板サセプタ１１７に伝達する。
　ｉｉｉ）最後に基板サセプタ１１７から回転軸１２１に伝達することで、種基板１１６表面側から裏面側にかけて熱伝導が生じる。
　図３Ａの場合には、種基板１１６の裏面からの熱は、矢印１１で示すように、種基板１１６の裏面の中央から基板トレー１２０及び回転軸１２１を経由して外部に伝熱する。
　一方、図３Ｂの場合には、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７とは全面で接触しておらず、基板トレー１２０の中心を経由せず、矢印１２で示すように、周縁を経由して基板サセプタ１１７に伝熱する。また、基板サセプタ１１７と回転軸１２１とも全面で接触しておらず、矢印１３で示すように、回転軸の周縁を介して伝熱する。
　上記の熱伝導を制御するために、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７との接触面積を調整できる構成であることが望ましい。例えば、図３Ｂに示す構造のように、基板サセプタ１１７の中心に窪みを設けることで、基板トレー１２０との接触面積を調整できる構成としてもよい。尚、図１及び図３Ａに示すように、第４ヒータ１２２を回避するために、基板サセプタ１１７の中心に回転軸１２１が接触する構造をとしてもよい。この場合には、種基板１１６の裏面からの熱逃げは、基板トレー１２０の裏面と基板サセプタ１１７の表面が全面で接触している。そこで、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７の中心から熱逃げが促進される、つまり種基板１１６の中心から熱逃げが促進されることとなる。
　一方、図３Ｂに示すように、基板サセプタ１１７の中心に窪みを設けることで、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７との間に空間を形成する場合、基板サセプタ１１７と接触している箇所から熱逃げが促進される。例えば、種基板１１６の外側から中心にかけて温度が低下する等の、ウェハ表面の温度分布が生じる場合、基板トレー１２０と基板サセプタ１１７との接触位置をずらしたり、接触面積を調整したりすることで、ウェハ表面の温度分布を調整することができる。ウェハ表面の温度分布の差を低減すれば、面内での成長結晶の品質がより向上する。
　なお、第４ヒータ１２２は、種基板１１６の昇温時間を短縮するために設けている。種基板１１６を加熱により昇温する工程で、第２ヒータ１１５のみでは、昇温時間が長くなり工程時間が長期化するため、基板直下の第４ヒータにより加熱を補助する。所望の温度まで加熱が完了した後は、第２ヒータを主として種基板１１６を加熱する。
　種基板１１６の例は、窒化ガリウム、ガリウム砒素、シリコン、サファイア、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化ガリウム、及びＳｃＡｌＭｇＯ４を含む。
　第２搬送ガスとしては、不活性ガス、Ｈ２ガス等を用いることができる。
　未反応のＩＩＩ族元素酸化物ガス及び窒素元素含有ガス、並びに第１搬送ガス、第２搬送ガス、及び第３搬送ガスは、排気口１１９から排出される。
　（実施例と比較例の概要）
　図１に示す成長炉を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させた。ここでは、ＩＩＩ族窒化物結晶としてＧａＮを成長させた。出発Ｇａ源として液体Ｇａを用い、Ｇａを反応性ガスであるＨ２Ｏガスと反応させ、Ｇａ２ＯガスをＩＩＩ族元素酸化物ガスとして用いた。窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガスを用い、第１搬送ガスおよび第２搬送ガスとして、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合物を用いた。種基板としては、ＧａＮ自立基板を用いた。また、発生した多結晶は結晶表面を光学的に観察することから見積り、成長速度は重量の変化量から見積もった。
　（比較例１）
　原料部の温度を１１４０℃、基板表面の温度を１１４４℃、基板内層の温度勾配を－０．３℃／ｃｍとした。また育成チャンバ内のＧａ２Ｏガス分圧を５．０７×１０－４ａｔｍ、Ｈ２Ｏガス分圧を５．６６×１０－４ａｔｍ、ＮＨ３ガス分圧を４．８２×１０－１ａｔｍ、Ｈ２ガス分圧を１．３３×１０－２ａｔｍ、Ｎ２ガス分圧を５．０４×１０－１ａｔｍとし、６時間の結晶成長を行った。基板トレーと基板サセプタとの接触面と、基板トレーの表面積との面積比が（接触面積／表面積）＝０．０７４のものを用いた。また、基板トレーと基板サセプタとの接触面積と、回転軸と基板サセプタとの接触面積との比は、（基板トレーと基板サセプタの接触面積／回転軸と基板サセプタの接触面積）＝８．８２であった。成長結晶の評価を行った結果、成長結晶の表面の多結晶は７．２個／ｃｍ２であった。また成長速度は３８μｍ／ｈであった。
　（実施例１）
　原料部の温度を１１４０℃、基板表面の温度を１１２７℃、基板内層の温度勾配を１．１℃／ｃｍとした。また育成チャンバ内のＧａ２Ｏガス分圧を４．９８×１０－４ａｔｍ、Ｈ２Ｏガス分圧を５．７４×１０－４ａｔｍ、ＮＨ３ガス分圧を４．８２×１０－１ａｔｍ、Ｈ２ガス分圧を１．３３×１０－２ａｔｍ、Ｎ２ガス分圧を５．０４×１０－１ａｔｍとし、６時間の結晶成長を行った。基板サセプタは、接触面と表面との面積比が（接触面積／表面積）＝０．４５３のものを用いた。また、基板トレーと基板サセプタとの接触面積と、回転軸と基板サセプタとの接触面積の比は、（基板トレーと基板サセプタの接触面積／回転軸と基板サセプタの接触面積）＝５３．８１であった。成長結晶の評価を行った結果、成長結晶の表面の多結晶は４．１個／ｃｍ２であった。また成長速度は７８μｍ／ｈであった。
　（実施例２）
　原料部の温度を１１４０℃、基板表面の温度を１１６１℃、基板内層の温度勾配を１．５℃／ｃｍとした。また育成チャンバ内のＧａ２Ｏガス分圧を４．７９×１０－４ａｔｍ、Ｈ２Ｏガス分圧を５．９４×１０－４ａｔｍ、ＮＨ３ガス分圧を４．８２×１０－１ａｔｍ、Ｈ２ガス分圧を１．３３×１０－２ａｔｍ、Ｎ２ガス分圧を５．０４×１０－１ａｔｍとし、６時間の結晶成長を行った。基板トレーと基板サセプタとの接触面と、基板トレーの表面との面積比が（接触面積／表面積）＝０．７２５のものを用いた。また、基板トレーと基板サセプタとの接触面積と、回転軸と基板サセプタとの接触面積の比は、（基板トレーと基板サセプタの接触面積／回転軸と基板サセプタの接触面積）＝８６．１０であった。成長結晶の評価を行った結果、成長結晶の表面の多結晶は０．９個／ｃｍ２であった。また成長速度は７２μｍ／ｈであった。
　（実施例３）
　原料部の温度を１１４０℃、基板表面の温度を１１７４℃、基板内層の温度勾配を１．８℃／ｃｍとした。また育成チャンバ内のＧａ２Ｏガス分圧を５．４０×１０－４ａｔｍ、Ｈ２Ｏガス分圧を５．３３×１０－４ａｔｍ、ＮＨ３ガス分圧を４．８２×１０－１ａｔｍ、Ｈ２ガス分圧を１．３３×１０－２ａｔｍ、Ｎ２ガス分圧を５．０４×１０－１ａｔｍとし、６時間の結晶成長を行った。基板トレーと基板サセプタとの接触面と、基板トレーの表面との面積比が（接触面積／表面積）＝０．８１５のものを用いた。また、基板トレーと基板サセプタとの接触面積と、回転軸と基板サセプタとの接触面積の比は、（基板トレーと基板サセプタの接触面積／回転軸と基板サセプタの接触面積）＝９６．８６であった。成長結晶の評価を行った結果、成長結晶の表面の多結晶は０．６個／ｃｍ２であった。また、成長速度は５１μｍ／ｈであった。
　（実施例４）
　原料部の温度を１１４０℃、基板表面の温度を１１６３℃、基板内層の温度勾配を２．８℃／ｃｍとした。また育成チャンバ内のＧａ２Ｏガス分圧を５．０７×１０－４ａｔｍ、Ｈ２Ｏガス分圧を５．６６×１０－４ａｔｍ、ＮＨ３ガス分圧を４．８２×１０－１ａｔｍ、Ｈ２ガス分圧を１．３３×１０－２ａｔｍ、Ｎ２ガス分圧を５．０４×１０－１ａｔｍとし、６時間の結晶成長を行った。基板トレーと基板サセプタとの接触面と、基板トレーの表面の面積比が（接触面積／表面積）＝０．９００のものを用いた。また、基板トレーと基板サセプタとの接触面積と、回転軸と基板サセプタとの接触面積の比は、（基板トレーと基板サセプタの接触面積／回転軸と基板サセプタの接触面積）＝１１８．８２であった。成長結晶の評価を行った結果、成長結晶の表面の多結晶は０．４個／ｃｍ２であった。また成長速度は５１μｍ／ｈであった。
　（実施例と比較例のまとめ）
　図４Ａに接触面積と表面積の比に対する成長結晶に発生した多結晶数の関係を示す。破線で示す直線は実験結果を基に作成した近似線である。決定係数Ｒ２は０．９を上回っており、良好な近似ができている。この結果から分かるように、接触面積と表面積との比（接触面積／表面積）が大きくなるにしたがって、多結晶が抑制させる傾向が確認される。これは、図４Ｂに示すように、接触面積と表面積との比（接触面積／表面積）を大きくすることで、結晶表面から裏面への温度勾配［（表面側）―（裏面側）］が大きくなることに起因する。つまり、温度勾配の増加によってマリンズ・セケルカの不安定性が抑制され、安定した単結晶成長が可能となり、多結晶は低減した。なお、図４Ｂの破線で示す直線も実験結果を基に作成した近似線であり、決定係数Ｒ２は０．９を上回っていることから良好な近似ができている。
　成長したＧａＮ結晶は加工処理を施しウェハ化した後に、トランジスタやダイオードとったデバイスが形成される。この際、多結晶が形成されている領域は、結晶構造が著しく乱れているため、デバイス形成時の電極直下にその領域が存在すると、所望のデバイス特性を得ることはできない。本開示で用いた熱逃げ促進構造を用いた場合、デバイス作製時の歩留まりを向上に影響する多結晶低減が可能となる。例えば、（接触面積／表面積）が０の場合と比較して、（接触面積／表面積）が０．３４以上の場合、７０％以上の多結晶低減が可能であり良好な結晶が得られる。さらに、（接触面積／表面積）が０．４５以上の場合、８０％以上の多結晶低減が可能であり、さらに良好な結晶が得られる。またさらに、（接触面積／表面積）が０．６５以上の場合、９０％以上の多結晶低減が可能であり、極めて良好な結晶が得られる。なお、これらの結果数値は、近似線を基に算出した値である。
　ここで、例えば電子デバイスであるｐｎ接合ダイオードを考えた場合、印加電流密度を考慮すると、電極サイズは直径５０μｍ以上であることが好ましい。電極サイズ５０μｍを考えた場合、多結晶密度４個／ｃｍ２であると、直径５０μｍの電極が多結晶と重なる個数は、１ｃｍ２あたりで０．００００７８５個となる。つまり、電極部が多結晶領域と一致する確率は０．００７９％となり、良品率は９９．９９％以上の良好な値となる。図４Ａから判るように、（接触面積／表面積）が０．３４以上の場合、多結晶密度は４個／ｃｍ２以下となり、上記ｐｎダイオードの良品率は９９．９９％以上の極めて高い値となる。
　本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、種基板の裏面側からの熱逃げ促進構造を有するので、多結晶の発生を抑制し、高品質のＩＩＩ族窒化物結晶を製造できる。
１１　熱フローの経路
１２　熱フローの経路
１３　熱フローの経路
１００　　原料チャンバ
１０１　　原料反応室
１０２　　第１搬送ガス供給口
１０３　　反応性ガス供給管
１０４　　原料ボート
１０５　　出発ＩＩＩ族元素源
１０６　　第１ヒータ
１０７　　ＩＩＩ族元素酸化物ガス排出口
１０８　　ガス排出口
１０９　　接続管
１１０　　第３ヒータ
１１１　　育成チャンバ
１１２　　第３搬送ガス供給口
１１３　　窒素元素含有ガス供給口
１１４　　第２搬送ガス供給口
１１５　　第２ヒータ
１１６　　種基板
１１７　　基板サセプタ
１１８　　ガス供給口
１１９　　排気口
１２０　　基板トレー
１２１　　回転軸
１２２　　第４ヒータ
２００　ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置

Claims (10)

  1. 　ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料チャンバと、
    　前記原料チャンバから供給される前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成する育成チャンバと、
    を備え、
    　前記育成チャンバは、前記種基板の裏面側に、前記種基板が載置される基板トレーと、前記基板トレーが載置される基板サセプタと、前記基板サセプタが載置される回転軸と、を含む前記種基板の裏面側からの熱逃げ促進構造を有する、
    　ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  2. 　前記基板トレーと前記基板サセプタとは、前記基板サセプタの表面の全面において互いに接触している、
    　請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  3. 　前記基板トレーと前記基板サセプタとは、前記基板サセプタの表面の一部において互いに接触している接触部と、接触していない非接触部とを有する、
    　請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  4. 　前記基板トレーと前記基板サセプタとの前記非接触部は、前記回転軸の方向から見た平面視において、前記回転軸が配置されている領域と重なる、
    　請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  5. 　前記非接触部は、前記回転軸が配置されている領域よりも大きい、
    　請求項３又は４に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  6. 　前記基板トレーの表面積と、前記基板トレーと前記基板サセプタとの接触面積と、の比が、０．３４以上である請求項３から５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  7. 　前記回転軸の内部に冷却水を流通できる構造を有する、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  8. 　前記基板トレーは、ＳｉＣ、Ｃ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、及び遷移金属からなる群から選択される少なくとも一つを含む材料からなる、
    　請求項１から７のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  9. 　前記基板サセプタは、ＳｉＣ、Ｃ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、及び遷移金属からなる群から選択される少なくとも一つを含む材料からなる、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
  10. 　ＩＩＩ族元素源と反応性ガスとを反応させてＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成することと、
    　前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を生成することと、
     　前記種基板の表面温度から前記種基板の裏面温度を引くことにより得られる前記表面温度と前記裏面温度との差が０又は正の数値である温度勾配を前記種基板に設けることと、
    　を含むＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
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