(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体供給部から結晶成長室へ気体を供給する工程と、
前記結晶成長室から気体排出部へ気体を排出する工程とを備え、
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程の少なくとも一方では、前記気体供給部と前記結晶成長室との間、および、前記結晶成長室および前記気体排出部との間の少なくとも一方に接続され、かつ前記結晶成長室と、前記気体供給部および前記気体排出部の少なくとも一方とに、それぞれ開放されることで断続的に圧力が変化する圧力制御部を用いて、前記結晶成長室の内部の圧力を制御し、
前記圧力制御部が前記結晶成長室と開放された場合、前記圧力制御部の圧力と前記結晶成長室の圧力とが等しくなるように気体が流動し、
前記圧力制御部が前記気体供給部および前記気体排出部の少なくとも一方に開放された場合、前記圧力制御部の圧力と前記気体供給部の圧力および前記気体排出部の圧力との少なくとも一方が等しくなるように気体が流動する、化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程では、前記圧力制御部を用いて、前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項１に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程では、前記気体供給部と前記結晶成長室との間の圧力を制御する制御部と、前記結晶成長室および前記気体排出部との間の圧力を制御する制御部とが同じである前記圧力制御部を用いて前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項２に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項４】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程の少なくとも一方では、２つの弁と、前記弁で仕切られる配管とを有する前記圧力制御部を用いて前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項５】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程の少なくとも一方では、３つ以上の弁と、前記弁で２つ以上の領域に仕切られる配管とを有する前記圧力制御部を用いて前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項６】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程の少なくとも一方では、前記結晶成長室と前記圧力制御部とを接続する接続配管に設けられ、かつ前記接続配管と異なる容積のバッファ配管を用いて、前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【請求項７】
前記気体を供給する工程および前記気体を排出する工程の少なくとも一方では、前記圧力制御部を加熱して前記結晶成長室の内部の圧力を制御する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体結晶の製造装置および化合物半導体結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体結晶は、発光素子、電子素子、および半導体センサなどの半導体デバイスを形成するための材料として非常に有用である。このような化合物半導体結晶を成長させるために、従来から、たとえばフラックス法などが提案されている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
上記特許文献１に開示の結晶成長装置は、反応容器（結晶成長室）と、反応容器内の圧力以上の窒素ガスが充填されている第１のガス供給装置と、窒素ガスの圧力を調整する圧力調整機構とを備えている。圧力調整機構は、圧力センサと圧力調整弁とを有している。そして、特許文献１には、この結晶成長装置を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６４０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示の結晶成長装置および結晶成長方法では、１つの圧力調整弁を用いて、反応容器内の窒素ガス圧力を調整している。本発明者が鋭意研究した結果、上記特許文献１に開示の１つの圧力調整弁を用いて窒素ガスなどの気体の圧力を制御すると、反応容器内の気体の圧力を精密に制御できないことを見い出した。
【０００６】
図１７および図１８は、特許文献１に開示の結晶成長装置の構成例を示す図である。図１７および図１８を参照して、特許文献１の課題について、以下に詳細に説明する。
【０００７】
特許文献１において、図１７に示すように、第１のガス供給装置２２０の第１のシリンダー２１０は常に反応容器２０１の内部の圧力以上になるようにガスが充填されており、これらの間に圧力調整弁２０８が介されて圧力を調整していると記載されている（特許文献１の請求項１および段落００２３−００２５など）。このことから、第１のシリンダー２１０の内部の圧力と反応容器２０１との内部の圧力とが等しくなるように、圧力調整弁２０８が全開に開放されることはなく、また圧力調整弁は一般に、設定された圧力に応じて弁の開度を調整するものであるから、その調整は連続的になされる。このような機構においては、圧力調整弁の開度の精度が、そのまま圧力制御の精度を決定づけるため、反応容器２０１の内部の圧力の精密な制御は非常に困難である。
【０００８】
また、特許文献１において、図１８に示すように、第２のガス供給装置２３０を用意した場合、フラックス法においては、Ｎａ（ナトリウム）などの危険物が第１のシリンダー２１０に拡散することを防ぐ効果は期待できることが記載されている（特許文献１の段落００３８など）。しかし、第２のガス供給装置２３０の第２のシリンダー２１２は常に反応容器２０１の内部の圧力以上になるようにガスが充填されており、これらの間に圧力調整弁２０８が介されて圧力を調整していると記載されている（特許文献１の請求項２および段落００３４など）。このことから、やはり第２のシリンダー２１２の内部の圧力と反応容器２０１の内部の圧力とが等しくなるように、圧力調整弁２０８が全開に開放されることはなく、また圧力調整弁は一般に、設定された圧力に応じて弁の開度を調整するものであるから、その調整は連続的に為される。このような機構においては、圧力調整弁の開度の精度が、そのまま圧力制御の精度を決定づけるため、反応容器２０１の内部の圧力の精密な制御はやはり非常に困難である。
【０００９】
このように、特許文献１における反応容器２０１の内部の圧力の制御性は、圧力調整弁２０８の前後の圧力が常に異なっていることから、連続的に調整される圧力調整弁２０８の開度の精度に依存している。本発明者が追試したところによると、様々な機器を用いても、その精度は反応容器２０１の内部の設定圧力に対して１０％以内に収めるのがせいぜいであり、たとえば１％未満となるような高精度な圧力制御弁は、得られ難いのが現状である。
【００１０】
本発明者は、実際にこのような圧力調整弁２０８を用いた機器構成で、フラックス法によりＧａＮの結晶の成長を試みた。その結果、内部の圧力の制御性が設定圧力に対して±１０％と大きく、結晶が成長しない場合が発生し、再現性に問題があり、また成長した結晶も全面で等しい成長速度で成長しないなど、品質面の問題があることが分かった。結晶成長を安定的に進行させるのに必要な圧力制御性は一般に高精度なものが必要であり、たとえば１０ＭＰａの反応容器の設定圧力に対して、０．１ＭＰａ〜０．０１ＭＰａの精度を実現するなど、圧力制御機構は、反応容器の内部の設定圧力に対して１％未満、より良くは０．１％未満が望まれる。このように、化合物半導体結晶の製造装置は、高精度な圧力制御が可能であることが望ましい。
【００１１】
また、図１７および図１８に示す特許文献１の機器構成においては、連続的に圧力を調整している圧力調整弁２０８の開度の制御性の問題から、しばしば閉の状態にすべき時に完全に閉の状態にならず、微小流量のガスを通過させてしまう現象、いわゆる“出流れ”と呼ばれる現象が起こる恐れがある。この場合は、圧力の制御性が悪化するだけでなく、加熱された反応容器２０１の内部の圧力が所望の圧力以上に上昇して破裂するなど、設備が危険な状態になる恐れがある。この危険は、特許文献１の圧力調整弁２０８をマスフローコントローラーに変更し、精密な流量制御によって反応容器２０１の内部の圧力を制御しようと試みても同様に起こり得る。このように制御性および安全上の観点からも、化合物半導体結晶の製造装置は、反応容器にガスを供給する弁に、圧力調整弁やマスフローコントローラーなど、連続的に圧力または流量を調整する機器を用いるのではなく、ストップバルブなどの断続的に開または閉の状態を確実に作れる弁を用いるものであることが望ましい。
【００１２】
また、図１７および図１８に示す特許文献１の機器構成においては、たとえば反応容器２０１が加熱装置２０５によって加熱された際、圧力調整弁２０８によってではなく、ボイル・シャルルの法則によって反応容器２０１の内部の圧力が上昇し、所望の圧力以上になり、その後圧力調整弁２０８では減圧側に圧力を調整できず、反応容器２０１の内部の圧力が大幅に設計を超えた圧力となって、反応容器２０１が破裂するなど、設備が危険な状態になる恐れもある。このように制御性および安全上の観点から、化合物半導体結晶の製造装置は、反応容器に接続する圧力制御機構によって、加圧および減圧の双方を行えることが望ましい。
【００１３】
また、特許文献１の機器構成に見られる圧力調整弁２０８は、一般に価格がストップバルブの１０倍以上であるなど、たいへん高価な機器である。安全性、制御性を確保しることが前提だが、産業上の利用を考えると、化合物半導体結晶の製造装置は、出来るだけ安価な機器を用いることが望ましい。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、結晶成長室内部の気体の圧力制御の精度を向上して化合物半導体結晶の製造を行なう、化合物半導体結晶の製造装置および化合物半導体結晶の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、気体供給部と、結晶成長室と、気体排出部と、圧力制御部とを備えている。結晶成長室は、気体供給部から気体が供給される。気体排出部は、結晶成長室から気体を排出する。圧力制御部は、気体供給部と結晶成長室との間、および、結晶成長室および気体排出部との間の少なくとも一方に接続され、かつ結晶成長室と、気体供給部および気体排出部の少なくとも一方とに、それぞれ開放されることで断続的に圧力が変化する。
【００１６】
本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、気体供給部から結晶成長室へ気体を供給する工程と、結晶成長室から気体排出部へ気体を排出する工程とを備える。気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、気体供給部と結晶成長室との間、および、結晶成長室および気体排出部との間の少なくとも一方に接続され、かつ結晶成長室と、気体供給部および気体排出部の少なくとも一方とに、それぞれ開放されることで断続的に圧力が変化する圧力制御部を用いて、結晶成長室の内部の圧力を制御する。
【００１７】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置および製造方法によれば、気体を供給する工程時には、結晶成長室の圧力と異なる圧力となるように気体供給部からの気体を圧力制御部に一旦保持し、その気体を結晶成長室へ供給することができる。気体を結晶成長室に供給した際、圧力制御部の圧力と結晶成長室の圧力とは一時的に等しくなる。圧力制御部から結晶成長室への１回の気体の供給量はその最大量が圧力制御部に保持した量（モル数）以下である。圧力制御部に保持した気体の量（モル数）は、圧力制御部の圧力と、圧力制御部の体積とに比例し、圧力制御部の絶対温度に反比例する。このため、圧力制御部の圧力、体積および温度を任意に設定することによって、圧力制御部から結晶成長室への１回の気体の供給量を自在に制御でき、結晶成長室の内部の気体の圧力上昇の精度を自在に高めることができる。これを繰り返すことにより、気体を供給する工程時に精度を向上して結晶成長室の内部の気体の圧力を制御することができる。
【００１８】
また、気体を排出する工程時には、圧力制御部の圧力を結晶成長室の内部の圧力と異なる圧力としておき、次に結晶成長室の圧力と圧力制御部の圧力とが一時的に等しい圧力となるように、結晶成長室からの気体を圧力制御部に排出して圧力制御部で保持する。次にその気体を、圧力制御部の圧力と気体排出部の圧力とが等しい圧力になるように圧力制御部から気体排出部に排出することができる。結晶成長室から圧力制御部への１回の気体の排出量はその最大量が圧力制御部に保持した量（モル数）以下である。圧力制御部に保持した気体の量（モル数）は、圧力制御部の圧力と、圧力制御部の体積とに比例し、圧力制御部の絶対温度に反比例する。このため、圧力制御部の圧力、体積および温度を任意に設定することによって、結晶成長室から圧力制御部への１回の気体の排出量を自在に制御でき、結晶成長室の内部の気体の圧力減少の精度を自在に高めることができる。これを繰り返すことにより、気体を排出する工程時に精度を向上して結晶成長室の内部の気体の圧力を制御することができる。
【００１９】
このように、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくともいずれか一方で、動作１回あたりの気体の供給量または排出量を自在に制御できる圧力制御部を用いることにより、結晶成長室内部の気体の圧力制御の精度を自在に向上して化合物半導体結晶の製造を行なう。
【００２０】
ここで、上記「結晶成長室と、開放されることで断続的に圧力が変化する」とは、圧力制御部が結晶成長室と開放された場合、圧力制御部の圧力と結晶成長室の圧力とが等しくなるように気体が流動することを言う。上記「気体供給部および気体排出部の少なくとも一方に、開放されることで断続的に圧力が変化する」とは、圧力制御部が気体供給部または気体排出部の少なくとも一方に開放された場合、圧力制御部の圧力と、気体供給部の圧力および気体排出部の圧力との少なくとも一方が等しくなるように気体が流動することを言う。
【００２１】
上記化合物半導体結晶の製造装置において好ましくは、圧力制御部は、気体供給部と結晶成長室との間、および、結晶成長室と気体排出部との間に接続される。
【００２２】
上記化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、気体を供給する工程および気体を排出する工程では、圧力制御部を用いて、結晶成長室の内部の圧力を制御する。
【００２３】
これにより、気体を供給する工程および気体を排出する工程の両方の工程で、圧力制御部を用いることができるので、気体供給部または気体排出部の圧力や、圧力制御部の内容積や温度などを適切に設定することによって、結晶成長室内部の気体の圧力制御の精度を自在に向上して化合物半導体結晶の製造を行なうことができる。
【００２４】
上記化合物半導体結晶の製造装置において、圧力制御部において、気体供給部と結晶成長室との間の圧力を制御する制御部と、結晶成長室および気体排出部との間の圧力を制御する制御部とが同じとしてもよい。
【００２５】
上記化合物半導体結晶の製造方法において、気体を供給する工程および気体を排出する工程では、気体供給部と結晶成長室との間の圧力を制御する制御部と、結晶成長室および気体排出部との間の圧力を制御する制御部とが同じである圧力制御部を用いて結晶成長室の内部の圧力を制御してもよい。
【００２６】
これにより、気体を供給する工程での圧力制御部と、気体を排出する工程での圧力制御部とを共有することができる。このため、結晶製造装置の構成要素を低減できるので、コストを低減して化合物半導体結晶を製造することができる。
【００２７】
上記化合物半導体結晶の製造装置において好ましくは、圧力制御部は、２つの弁と、弁で仕切られる配管とを有する制御部を含む。
【００２８】
上記化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、２つの弁と、弁で仕切られる配管とを有する制御部を含む圧力制御部を用いて前記結晶成長室の内部の圧力を制御する。
【００２９】
弁は連続的に開度を調整できるものである必要は無いが、断続的に確実に開閉できるものであれば好ましい。このような弁の開閉の動作により、弁で仕切られる配管に気体を確実に保持することができる。このため、結晶成長室の内部の気体の圧力変動の精度をより高めることができる。
【００３０】
上記化合物半導体結晶の製造装置において好ましくは、圧力制御部は、３つ以上の弁と、弁で２つ以上の領域に仕切られる配管とを有する制御部を含む。
【００３１】
上記化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、３つ以上の弁と、弁で２つ以上の領域に仕切られる配管とを有する制御部を含む圧力制御部を用いて結晶成長室の内部の圧力を制御する。
【００３２】
弁を開閉の動作により、弁で仕切られる配管における２つ以上の領域に気体を保持することができる。この２つ以上の領域を異なる圧力に制御することもできる。このため、結晶成長室の内部の気体の圧力制御の精度をより高めることができる。
【００３３】
上記化合物半導体結晶の製造装置において好ましくは、結晶成長室と、圧力制御部とを接続する接続配管と、接続配管に設けられたバッファ配管とをさらに備え、バッファ配管は、接続配管の容積と異なる容積を有する。
【００３４】
上記化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、結晶成長室と圧力制御部とを接続する接続配管に設けられ、かつ接続配管と異なる容積のバッファ配管を用いて、結晶成長室の内部の圧力を制御する。
【００３５】
バッファ配管により、結晶成長室の内部の圧力の変化量をより最適化することができる。このため、結晶成長室の内部の気体の圧力変動の精度をより高めることができる。
【００３６】
上記化合物半導体結晶の製造装置において好ましくは、圧力制御部を加熱する加熱部をさらに備えている。
【００３７】
上記化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、圧力制御部を加熱する。
【００３８】
これにより、圧力制御部で保持する気体のモル数を調整することができる。このため、結晶成長室の内部の気体の圧力変動の精度をより高めることができる。
【００３９】
上記化合物半導体結晶の製造装置および製造方法において好ましくは、結晶成長室の圧力を制御するための指令部を設け、指令部に予め設定された圧力制御プログラムと、圧力計からの圧力の値とに応じて、指令部から圧力制御部に指令を出す。
【００４０】
これにより、結晶成長に必要な圧力制御と温度制御とを同時に行なうことや、圧力計からの圧力の値に応じて、最も圧力制御性が良くなるように圧力制御部に指令を出すことができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置および化合物半導体結晶の製造方法によれば、結晶成長室内部の気体の圧力制御の精度を向上して化合物半導体結晶の製造を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における化合物半導体結晶の製造方法において結晶成長室の内部を加圧する際の圧力制御部の１回の動作の開始状態を概略的に示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における化合物半導体結晶の製造方法において結晶成長室の内部を加圧する際の圧力制御部の１回の動作の終了状態を概略的に示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１における化合物半導体結晶の製造方法における制御動作を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２における化合物半導体結晶の製造装置を概略的に示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態３における化合物半導体結晶の製造装置を概略的に示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態４における化合物半導体結晶の製造装置を概略的に示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態４における化合物半導体結晶の製造方法において結晶成長室の内部を加圧する際の圧力制御部の１回の動作の開始状態を概略的に示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態４における化合物半導体結晶の製造方法において結晶成長室の内部を加圧する際の圧力制御部の１回の動作の終了状態を概略的に示す模式図である。
【図１０】実施例における加圧時の結晶成長室内部の気体の圧力を示す図である。
【図１１】実施例における加圧時の結晶成長室内部の気体の圧力変化量を示す図である。
【図１２】実施例における減圧時の結晶成長室内部の気体の圧力を示す図である。
【図１３】実施例における減圧時の結晶成長室内部の気体の圧力変化量を示す図である。
【図１４】実施例における結晶成長室の中の温度および圧力を示す図である。
【図１５】実施例における結晶成長後の結晶表面の顕微鏡写真を示す図である。
【図１６】実施例における結晶成長後の結晶表面の顕微鏡写真を示す他の図である。
【図１７】特許文献１の結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図１８】特許文献１の結晶成長装置の構成例を示す他の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【００４４】
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置を説明する。図１に示すように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置は、気体供給部１０１と、配管１０２、１０３と、結晶成長室１１０と、気体排出部１２０と、圧力制御部１３０、１４０と、減圧弁１５０と、圧力計１５１と、指令部１６０とを備えている。
【００４５】
気体供給部１０１は、結晶成長室１１０へ気体を供給する。気体供給部１０１が供給する気体は、たとえば製造する化合物半導体結晶の原料を含む。気体供給部１０１は、結晶成長室１１０の内部よりも高い圧力で保持されている。気体供給部１０１は、たとえば窒素ガスボンベである。
【００４６】
配管１０２は、気体供給部１０１と圧力制御部１３０とを接続し、内部に気体を流動させる。配管１０３は、圧力制御部１３０、１４０と、結晶成長室１１０とを接続し、内部に気体を流動させる。
【００４７】
結晶成長室１１０は、気体供給部１０１から気体が供給される。結晶成長室１１０は、所望の圧力になるように気体が供給され、内部で化合物半導体結晶を成長する。結晶成長室１１０は、たとえばフラックス法などの液相成長法の場合、加熱部１１１と反応容器１１２とを含む。加熱部１１１は、気体供給部１０１から供給され、かつ圧力制御された気体１１４および原料を含む溶媒１１３を加熱する。反応容器１１２は、溶媒１１３および種基板１１５を内部に保持する。
【００４８】
気体排出部１２０は、結晶成長室１１０から製造装置の外部へ気体を排出する。気体排出部１２０は、結晶成長室１１０よりも低い圧力になっており、たとえば大気圧となっている。気体排出部１２０を大気圧とする場合は、排出ガスの成分に安全上や環境上の問題が無ければ、そのまま大気開放としてもよい。
【００４９】
圧力制御部１３０、１４０は、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間、および、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間に接続されている。圧力制御部１３０、１４０は、それぞれ結晶成長室１１０と、気体供給部１０１および気体排出部１２０の少なくとも一方とに、それぞれ開放されることで断続的に圧力が変化する。
【００５０】
圧力制御部１３０は、２つの弁１３１、１３２と、この２つの弁１３１、１３２で仕切られる配管１３３とを有している。圧力制御部１４０は、２つの弁１４１、１４２と、この２つの弁１４１、１４２で仕切られる配管１４３とを有している。弁１３１、１３２、１４１、１４２は、それぞれ開閉可能である。弁１３１、１３２および弁１４１、１４２で仕切られる配管１３３および配管１４３の内部の圧力を、それぞれ弁１３１、１４２を開くことで、結晶成長室１１０の内部の圧力と異なる圧力にすることができる。あるいは、それぞれ弁１３２、１４１を開くことで、結晶成長室１１０と配管１３３および配管１４３が開放され、結晶成長室１１０の内部の圧力と等しい圧力にすることができる。配管１３３、１４３は弁１３１、１３２、１４１、１４２により閉空間にすることができる。
【００５１】
圧力制御部１３０、１４０を加熱する加熱部（図示せず）が配置されてもよい。この場合、加熱部はたとえば配管１３３、１４３を加熱可能である。加熱部によっても配管１３３、１４３内部の気体のモル数を調整することができる。
【００５２】
減圧弁１５０は、気体供給部１０１から供給される気体の圧力を減圧する。圧力計１５１は、結晶成長室１１０内部の圧力を測定する。または、気体供給部１０１から供給される気体の圧力が不足している場合には、減圧弁１５０に代えてこの箇所にコンプレッサを設け、気体供給部１０１から供給される気体の圧力を加圧しても良い。
【００５３】
指令部１６０は、結晶成長室１１０の圧力を制御するために、圧力計１５１からの圧力の値に応じて弁１３１、１３２、１４１、１４２の開閉を指令する。
【００５４】
続いて、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法について説明する。本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法は、図１に示す製造装置を用いて行なう。
【００５５】
まず、気体供給部１０１から結晶成長室１１０へ気体を供給する。気体供給部１０１から導出された気体は、減圧弁１５０により圧力がＰ１（Ｐ１は結晶成長室１１０の圧力よりも高い）に調整され、配管１０２を介して、圧力制御部１３０へ流入する。圧力制御部１３０へ流入した気体を、結晶成長室１１０へ供給する。
【００５６】
このとき、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間に接続される圧力制御部１３０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する。本実施の形態では、２つの弁１３１、１３２と、この２つの弁１３１、１３２で仕切られる配管１３３とを有する圧力制御部１３０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する。
【００５７】
具体的には、図２に示すように、弁１３１を開け、弁１３２、１４１、１４２を閉じる。この状態で、圧力がＰ１に調整された気体を配管１３３に供給する。これにより、配管１３３には、圧力がＰ１で、体積がＶ１で、温度がＴ１の気体が充填される。このとき、圧力制御部１３０（本実施の形態では配管１３３）を加熱して温度Ｔ１をさらに調整してもよい。
【００５８】
その後、図３に示すように、弁１３１を閉め、弁１３２を開ける。これにより、圧力がＰ１で、体積がＶ１で、温度がＴ１の気体が、配管１０３を介して結晶成長室１１０に供給されるので、結晶成長室１１０内部の圧力を高めることができる。
【００５９】
この圧力制御部１３０の１回の動作（図２における開始状態から図３における終了状態までの動作）において、質量保存の法則および気体の状態方程式から、Ｔ１、ＴＡをそれぞれ絶対温度（単位Ｋ）として、（Ｐ１×Ｖ１）／（Ｒ×Ｔ１）＋（Ｐ２×ＶＡ）／（Ｒ×ＴＡ）＝（Ｐ３×Ｖ１）／（Ｒ×Ｔ１）＋（Ｐ３×ＶＡ）／（Ｒ×ＴＡ）の関係が成立する。したがって、圧力制御部１３０の１回の動作において、結晶成長室１１０の内部の圧力はＰ２からＰ３へ上昇する。一方、圧力制御部１３０の内部の圧力は、Ｐ１からＰ３に下降する。このように、圧力制御部１３０内部の気体は、結晶成長室１１０に向かって全てが押し出されるのではない。弁１３２を開けることで、圧力制御部１３０の内部の圧力と結晶成長室１１０の内部の圧力とが、それぞれＰ１とＰ２との間の圧力であるＰ３に等しくなるように気体が流動する。このことは、結晶成長室１１０の内部の圧力を精密に制御できることに寄与している。その後、弁１３２を閉じる。
【００６０】
そして、上述の工程を断続的に繰り返すことにより、圧力制御部１３０の１回の動作毎に、圧力がＰ１で、体積がＶ１で、温度がＴ１の気体を上記関係式に従ってその一部を結晶成長室１１０に供給できるので、精度を向上して結晶成長室１１０内部の圧力を上昇することができる。なお、圧力制御部１３０の１回の動作については、圧力計１５１により測定される結晶成長室１１０内部の圧力に基づいて、指令部１６０により弁１３１、１３２の開閉およびその開になる時間を制御してもよい。
【００６１】
結晶成長室１１０の内部が所望の圧力に達すると、化合物半導体結晶の成長を行なう。たとえば、種基板１１５が反応容器１１２の内部に配置され、反応容器１１２内に原料である金属を含む溶媒１１３が収容されている。加熱部１１１により溶媒１１３を加熱して、液化する。そして、圧力制御部１３０から供給される気体を溶媒１１３に溶解させる。これにより、気体が溶解した溶媒を種基板１１５に接触させることができる。この状態で、圧力制御部１３０から供給される気体の圧力を調整して、種基板１１５上に化合物半導体結晶を成長する。
【００６２】
なお、結晶成長中においても、圧力が下がった場合には、圧力制御部１３０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を上昇させてもよい。この場合、結晶成長室１１０内部の圧力を制御するために、指令部１６０を用いてもよい。
【００６３】
次に、結晶成長室１１０の内部を冷却および減圧するために、結晶成長室１１０から気体排出部１２０へ気体を排出する。このとき、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間に接続される圧力制御部１４０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する。本実施の形態では、２つの弁１４１、１４２と、この弁１４１、１４２で仕切られる配管１４３とを有する圧力制御部１４０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する。
【００６４】
具体的には、弁１３１、１３２、１４２を閉じ、弁１４１を開ける。この状態で、配管１４３に結晶成長室１１０から排出した気体を供給する。この場合、配管１４３は、圧力が高い気体が充填される。このとき、圧力制御部１４０（本実施の形態では配管１４３）を加熱して充填される気体のモル数を調整してもよい。
【００６５】
その後、弁１４１を閉め、弁１４２を開ける。これにより、配管１４３に充填された気体が、気体排出部１２０に排出されるので、結晶成長室１１０内部の圧力を低くすることができる。圧力制御部１４０の１回の動作で、結晶成長室１１０からの気体を少しずつ減圧することができるので、上述の工程を断続的に繰り返すことにより、精度を向上して圧力を下降することができる。なお、圧力制御部１４０の１回の動作については、圧力計１５１により測定される結晶成長室１１０内部の圧力に基づいて、指令部１６０により弁１４１、１４２の開閉およびその開になる時間を制御してもよい。また、気体排出部１２０の圧力は大気圧でもよく、結晶成長室１１０の内部の圧力より低い任意の圧力に制御してもよい。
【００６６】
次に、結晶成長室１１０から化合物半導体結晶を取り出す。以上の工程を実施することにより、化合物半導体結晶を製造することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、気体を供給する工程および気体を排出する工程で、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間、および、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間に接続される圧力制御部１３０、１４０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を制御している。しかし、本発明は、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方において、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間、および、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間の少なくとも一方に接続される圧力制御部１３０、１４０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を制御すればよい。
【００６８】
また、本実施の形態では、化合物半導体結晶の成長方法としてフラックス法などの液相成長法を例に挙げて説明したが、圧力の精密制御が必要な結晶成長法が広く適用可能であり、ガスが直接結晶の原料とならない液相成長法である融液成長法や、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法などの気相成長法などを適用してもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、気体供給部１０１から供給される気体は、原料を含む気体を例に挙げて説明したが、気体供給部１０１から供給される気体は、キャリアガスなど、原料を含んでいなくてもよい。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法によれば、圧力制御部１３０、１４０により、結晶成長室１１０の内部の圧力変化をたとえば図４に示すような状態にすることができる。なお、図４において、矢印は、圧力制御部１３０、１４０の１回の動作による時間変化および圧力変化を示し、実線は設定圧力を示し、点線は温度を示す。また、ｅ（時間）からｆ（時間）は結晶成長室１１０内部の圧力を上昇する工程であり、ｆ（時間）からｇ（時間）は結晶成長する工程であり、ｇ（時間）からｈ（時間）は結晶成長室１１０内部の圧力を下降する工程である。
【００７１】
具体的には、気体を供給する工程時には、結晶成長室１１０の圧力よりも高い圧力となるように気体供給部１０１からの気体を圧力制御部１３０（本実施の形態では配管１３３）に一旦保持し、その気体を結晶成長室１１０へ供給することができる。圧力制御部１３０から結晶成長室１１０への１回の気体の供給では、圧力制御部１３０の圧力Ｐ１、体積Ｖ１、温度Ｔ１をそれぞれ適切に選んで、圧力制御部１３０の１回の動作によって結晶成長室１１０に供給する気体のモル数を少なくすることで、圧力制御部１３０の１回の動作による圧力変化を少なくできる。また１回の気体の供給のために弁１３１、１３２が開閉する時間を短くすることで、圧力制御部１３０の１回の動作による時間変化を少なくできる。これらの結果として図４における矢印がそれぞれ短くなり、結晶成長室１１０の内部の気体の圧力上昇の精度を高めることができる。これを繰り返すことにより、図４に示すように、時間ｅ（時間）からｆ（時間）の間に、結晶成長室１１０の温度をｃ（℃）からｄ（℃）まで上昇するとともに、圧力をａ（ＭＰａ）からｂ（ＭＰａ）まで少しずつ（階段状に）上昇することができる。このため、設定圧力通りに、精度を向上して結晶成長室１１０の内部の気体の圧力を上昇することができる。
【００７２】
また、気体を排出する工程時には、結晶成長室１１０の圧力よりも低い圧力である圧力制御部１４０（本実施の形態では配管１４３）に、結晶成長室１１０からの気体を一旦保持し、その気体を気体排出部１２０から排出することができる。結晶成長室１１０から圧力制御部１４０への１回の気体の排出では、結晶成長室１１０の内部の気体の圧力減少の精度を高めることができる。これを繰り返すことにより、図４に示すように、時間ｇ（時間）からｈ（時間）の間に、結晶成長室１１０の温度をｄ（℃）からｃ（℃）まで下降するとともに、圧力をｂ（ＭＰａ）からａ（ＭＰａ）まで、少しずつ（階段状に）下降することができる。このため、設定圧力通りに、精度を向上して結晶成長室１１０の内部の気体の圧力を下降することができる。
【００７３】
以上より、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくともいずれか一方で、圧力制御部１３０、１４０を用いることにより、結晶成長室１１０の内部の気体の圧力制御の精度を向上して化合物半導体結晶の製造を行なうことができる。
【００７４】
このように本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法は圧力制御の精度を向上できるので、突発的な核生成や不均一な成長が起こりにくく、面内での成長速度や結晶品質が均一化される。このため、成長表面が平坦であったり均質であったりする化合物半導体結晶を製造することができる。また核生成が面内で不均一に起こりにくくなるので、転位密度分布の少ない化合物半導体結晶を製造することができる。さらに、このような高品質な化合物半導体結晶をコストを低減して製造することができる。
【００７５】
特に、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法は、フラックス法に好適に用いられる。フラックス法は、気体、液体、および固体が共存する系であり、液体内にはフラックス（溶媒）としてＮａなどのアルカリ金属や、自己フラックスとして成長しようとする結晶の構成元素（たとえばＧａ）などを入れてもよい。このような系では基本的に気相成分の液相への溶解量はヘンリーの法則により気相成分の分圧に比例する。この溶解量と液相の温度とによって、結晶成長速度、核生成に影響を及ぼす過飽和度が決まる。したがって、本実施形態のように圧力制御の精度を向上できる製造装置および製造方法によれば、均質な化合物半導体結晶を製造することができる。
【００７６】
本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法において製造する化合物半導体結晶は特に限定されないが、窒化物結晶を製造することが好ましく、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）などを製造することがより好ましい。窒素は溶媒１１３に溶けにくいが、圧力制御の精度を向上することで、窒素を溶媒１１３に各温度で必要な量だけ精密に制御して溶解させることができるためである。
【００７７】
（実施の形態２）
図５を参照して、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置を説明する。図５に示すように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置は、基本的には図１に示す実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置と同様の構成を備えているが、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間の圧力を制御する制御部と、結晶成長室１１０と気体排出部１２０との間の圧力を制御する制御部とが同じである点において異なっている。
【００７８】
具体的には、図５に示すように、本実施の形態では、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間であって、かつ結晶成長室１１０と気体排出部１２０との間に、圧力制御部１３０が配置されている。
【００７９】
続いて、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法について説明する。本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法は、基本的には実施の形態１の化合物半導体結晶の製造方法と同様の構成を備えているが、気体を供給する工程および気体を排出する工程では、気体供給部１０１と結晶成長室１１０との間の圧力を制御する制御部と、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間の圧力を制御する制御部とが同じである圧力制御部１３０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する点において異なっている。具体的には、気体を排出する工程では、弁１２１を開けて、圧力制御部１３０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を制御している。
【００８０】
以上説明したように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法によれば、気体を供給する工程および気体を排出する工程の両方の工程で、圧力制御部１３０を用いるので、結晶成長室１１０内部の気体圧力の制御精度を向上して化合物半導体結晶の製造を行なうことができる。
【００８１】
（実施の形態３）
図６を参照して、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置を説明する。図６に示すように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置は、基本的には図１に示す実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置と同様の構成を備えているが、圧力制御部１３０、１４０は、３つ以上の弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４と、この３つ以上の弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４で２つ以上の領域に仕切られる配管１３３、１３５、１４３、１４５とを有する点において異なっている。
【００８２】
具体的には、圧力制御部１３０は、３つの弁１３１、１３２、１３４と、弁１３１、１３２で仕切られている配管１３３と、弁１３２、１３４で仕切られている配管１３５とを有している。圧力制御部１４０は、３つの弁１４１、１４２、１４４と、弁１４１、１４２で仕切られている配管１４３と、弁１４１、１４４で仕切られている配管１４５とを有している。
【００８３】
続いて、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法について説明する。本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法は、基本的には実施の形態１の化合物半導体結晶の製造方法と同様の構成を備えているが、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、３つ以上の弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４と、この３つ以上の弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４で２つ以上の領域に仕切られる配管１３３、１３５、１４３、１４５とを有する圧力制御部１３０、１４０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する点において異なる。
【００８４】
具体的には、気体を供給する工程において、結晶成長室１１０の内部の圧力を高める場合には、まず、３つの弁１３１、１３２、１３４のうち、弁１３２、１３４を閉じ、弁１３１を開ける。その後、弁１３２を開ける。最後に弁１３１、１３２を閉じる。これにより、配管１３３、１３５に圧力を高めた気体を充填することができる。このとき、配管１３３、１３５の内部の容積は同じであっても、異なっていてもよい。
【００８５】
その後、弁１３１、１３２を閉じたままで、かつ弁１３４を開けると、配管１３５に充填された気体が結晶成長室１１０へ流入する。その後、弁１３１を閉じたままで、かつ弁１３２、１３４を開けると、配管１３３に充填された気体が結晶成長室１１０へ流入する。最後に弁１３１、１３２、１３４を閉じる。このような動作を繰り返すことにより、結晶成長室１１０内部の圧力を段階的に高めることができる。
【００８６】
さらに、気体を供給する工程において、制御性を一層高めて結晶成長室１１０の圧力を高める場合には、まず、３つの弁１３１、１３２、１３４のうち、弁１３２、１３４を閉じ、弁１３１を開ける。その後、弁１３１を閉じてから、弁１３２を開ける。最後に弁１３２を閉じる。これにより、配管１３３、１３５に圧力を高めた気体を充填することができ、配管１３３、１３５に充填される圧力は、減圧弁１５０によって制御する圧力よりも低くなる。このとき、配管１３３、１３５の内部の容積は同じであっても、異なっていてもよい。
【００８７】
その後、弁１３１、１３２を閉じたままで、かつ弁１３４を開けると、配管１３５に充填された気体が結晶成長室１１０へ流入する。その後、弁１３１を閉じたままで、かつ弁１３２、１３４を開けると、配管１３３に充填された気体が結晶成長室１１０へ流入する。最後に、弁１３１、１３２、１３４を閉じる。このような動作を繰り返すことにより、結晶成長室１１０内部の圧力を一層小刻みに、段階的に高めることができる。このような動作は、結晶成長工程で特に圧力の精密な制御を行ないたい場合に、好適に用いられる。
【００８８】
結晶成長室１１０の内部が所望の圧力に達するまで、圧力制御部１３０の上記動作を繰り返す。
【００８９】
また、気体を排出する工程において、結晶成長室１１０の内部の圧力を下げる場合には、まず、３つの弁１４１、１４２、１４４のうち、弁１４１、１４２を閉じ、弁１４４を開ける。これにより、結晶成長室１１０からの気体は、配管１４５に充填される。その後、弁１４２を閉じたままで、弁１４１を開けると、結晶成長室１１０からの気体は、配管１４３にも充填される。この状態で、弁１４１、１４４を閉じ、弁１４２を開けると、配管１４３に充填された気体が気体排出部１２０から外部に排出される。弁１４４を閉じ、弁１４１を開けると、配管１４５に充填された気体も気体排出部１２０から排出される。これらにより、結晶成長室１１０内部の圧力を段階的に低くすることができる。
【００９０】
さらに、気体を排出する工程において、制御性を一層高めて結晶成長室１１０の内部の圧力を下げる場合には、まず、３つの弁１４１、１４２、１４４のうち、弁１４１、１４２を閉じ、弁１４４を開ける。これにより、結晶成長室１１０からの気体は、配管１４５に充填される。その後、弁１４４を閉じてから、弁１４２を閉じたままで、弁１４１を開けると、配管１４５に充填された気体は、その一部が配管１４３にも充填され、配管１４５、１４３に充填された気体の圧力は、結晶成長室１１０の圧力よりも低くなる。この状態で、弁１４１、１４４を閉じ、弁１４２を開けると、配管１４３に充填された気体が気体排出部１２０から外部に排出される。最後に、弁１４１、１４２、１４４を閉じる。このような動作を繰り返すことにより、結晶成長室１１０内部の圧力を一層小刻みに、段階的に低くすることができる。このような動作は、結晶成長工程で特に圧力の精密な制御を行ないたい場合に、好適に用いられる。
【００９１】
結晶成長室１１０の内部が所望の圧力に達するまで、圧力制御部１３０の動作を繰り返す。
【００９２】
なお、圧力制御部１３０、１４０の１回の動作において、上記に説明した場合以外で、２以上の配管１３３、１３５、１４３、１４５のうちの１つの配管のみに気体を充填させる場合があってもよい。
【００９３】
また、圧力制御部１３０、１４０の１回の動作は上記の弁の開閉の順序に限定されず、他の順序により結晶成長室１１０の内部の圧力を制御してもよい。
【００９４】
以上説明したように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法によれば、弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４の開閉の動作により、弁１３１、１３２、１３４、１４１、１４２、１４４で仕切られる配管１３３、１３５、１４３、１４５に気体を保持することができる。この配管１３３、１３５、１４３、１４５内の圧力を互いに異なる圧力に制御することもできる。このため、結晶成長室１１０の内部の気体の圧力上昇の精度をより高めることができる。
【００９５】
（実施の形態４）
図７を参照して、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置について説明する。図７に示すように、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置は、図１に示す実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置と基本的には同様の構成を備えているが、配管１０３の容積と異なる容積を有するバッファ配管１７０をさらに備えている点において異なる。本実施の形態では、圧力制御部１３０、１４０と、結晶成長室１１０との間に、バッファ配管１７０が配置されている。
【００９６】
続いて、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法について説明する。本実施の形態における化合物半導体結晶の製造方法は、基本的には実施の形態１における化合物半導体結晶の製造方法と同様の構成を備えているが、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方では、結晶成長室１１０と圧力制御部１３０、１４０とを接続する配管１０３に設けられ、かつ配管１０３と異なる容積のバッファ配管１７０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を制御する点において異なる。
【００９７】
具体的には、気体を供給する工程において、結晶成長室１１０の内部の圧力を高める場合には、まず、図８に示すように、弁１３１を開け、弁１３２、１４１、１４２を閉じた状態で、配管１３３は、圧力がＰ１で、体積がＶ１で、温度がＴ１の気体を充填する。次いで、図９に示すように、弁１３１を閉め、弁１３２を開ける。これにより、圧力がＰ１で、体積がＶ１で、温度がＴ１の気体が、配管１０３およびバッファ配管１７０に充填されると共に結晶成長室１１０に供給される。
【００９８】
この１回の動作において、質量保存の法則および気体の状態方程式から、（Ｐ１×Ｖ１）／（Ｒ×Ｔ１）＋（Ｐ２×ＶＢ）／（Ｒ×ＴＢ）＋（Ｐ２×ＶＡ）／（Ｒ×ＴＡ）＝（Ｐ３×Ｖ１）／（Ｒ×Ｔ１）＋（Ｐ３×ＶＢ）／（Ｒ×ＴＢ）＋（Ｐ３×ＶＡ）／（Ｒ×ＴＡ）の関係が成立する。したがって、圧力制御部１３０の１回の動作において、結晶成長室１１０の内部の圧力はＰ２からＰ３へ上昇する際に、バッファ配管１７０でも結晶成長室１１０の内部の圧力を調整することができる。たとえば関係式より、バッファ配管の容積ＶＢを大きくするほど、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差は小さくなるので、結晶成長室１１０内部の圧力をより小刻みに、段階的に変化させることができる。
【００９９】
また、気体を排出する工程において、結晶成長室１１０の内部の圧力を下げる場合においても同様に、バッファ配管１７０でも結晶成長室１１０の内部の圧力を調整することができる。
【０１００】
以上より、本実施の形態における化合物半導体結晶の製造装置および製造方法によれば、バッファ配管１７０により、結晶成長室１１０の内部の圧力の変化量をより最適化することができる。このため、結晶成長室１１０の内部の気体の圧力変動の精度をより高めることができる。
【実施例】
【０１０１】
本実施例では、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方で、気体供給部と結晶成長室との間、および、結晶成長室および気体排出部との間の少なくとも一方に接続され、結晶成長室の内部の圧力と異なる圧力に制御可能な圧力制御部を用いて、結晶成長室の内部の圧力を制御することの効果について調べた。
【０１０２】
（本発明例１）
本発明例１では、図１に示す実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置を用いて、結晶成長室１１０に気体を供給し、その後結晶成長室１１０から気体を排出した。先ずはこの製造装置の圧力の制御の基本的な精度を調べるため、結晶成長室１１０、圧力制御部１３０、１４０の温度を全て室温として、結晶成長室１１０の圧力上昇および圧力下降の速度、および圧力制御部１３０、１４０のそれぞれの１回の動作における、結晶成長室１１０の圧力変化量を調べた。
【０１０３】
具体的には、まず、気体供給部１０１から結晶成長室１１０へ気体として窒素ガスを圧力制御部１３０へ流動させ、さらに結晶成長室１１０へ供給した。このとき、２つの弁１３１、１３２と、この弁１３１、１３２で仕切られる配管１３３とを有する圧力制御部１３０を用いて結晶成長室１１０の内部の圧力を以下のように１０ＭＰａ近傍まで上昇した。
【０１０４】
なお、気体供給部１０１から排出される気体の圧力は１４．７ＭＰａであり、減圧弁１５０により１１．０ＭＰａまで減圧した。配管１３３の体積は、１．７ｃｃであった。結晶成長室１１０の体積は、５００ｃｃであった。また、結晶成長室１１０の温度は、加圧前は室温であり、加圧後も室温であった。
【０１０５】
結晶成長室１１０の圧力の上昇は以下のようにした。すなわち、図２に示すように、弁１３１を開け、弁１３２、１４１、１４２を閉じた状態で、配管１３３に気体を供給した。その後、図３に示すように、弁１３１を閉め、弁１３２を開け、配管１０３に充填された気体を結晶成長室１１０に供給した。この動作を断続的に繰り返して、結晶成長室１１０の内部の圧力を上昇した。その結果を図１０および図１１に示す。なお、図１０は、圧力を上昇する工程において、経過時間に対する圧力を示す。図１１は、圧力を上昇する工程において、経過時間に対する圧力変化量を示す。図１１中、実線は、本発明例１の圧力変化量を二乗近似した値である。
【０１０６】
図１０に示すように、本発明例１の製造装置および製造方法によれば、結晶成長室の内部を４１分以内に１０ＭＰａまで上昇することができた。
【０１０７】
また、図１１に示すように、本発明例１の加圧工程における圧力変化量を理論値とほぼ同様にできた。さらに、結晶成長室１１０の内部の圧力を１０ＭＰａまで加圧した時には、１動作当たりの圧力変化量は最も小さい場合で０．００２ＭＰａであり、最も大きい場合でも０．０１ＭＰａとなり、結晶成長室１１０内部の圧力は非常に安定することがわかった。
【０１０８】
次に、結晶成長室１１０の内部を減圧するために、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間に接続される圧力制御部１４０を用いて、結晶成長室１１０から気体排出部１２０へ気体を排出した。圧力制御部１４０は、２つの弁１４１、１４２と、この２つの弁１４１、１４２で仕切られる配管１４３とを有していた。配管１４３の体積は、１．７ｃｃであった。また、結晶成長室１１０の温度は、減圧前は室温であり、減圧後の温度も室温であった。
【０１０９】
結晶成長室１１０の圧力の下降は以下のようにした。すなわち、弁１３１、１３２、１４２を閉じ、弁１４１を開けた状態で、配管１４３に結晶成長室１１０から排出した気体を充填した。その後、弁１４１を閉め、弁１４２を開け、配管１４３に充填した気体を気体排出部１２０に排出した。この動作を断続的に繰り返して、結晶成長室１１０の内部の圧力を１０ＭＰａから低減した。その結果を図１２および図１３に示す。なお、図１２は、圧力を下降する工程において、経過時間に対する圧力を示す。図１３は、圧力を下降する工程において、経過時間に対する圧力変化量を示す。図１３中、実線は、本発明例１の圧力変化量を二乗近似した値である。
【０１１０】
図１２に示すように、本発明例１の製造装置および製造方法によれば、６０分経過後の結晶成長室の内部の圧力を０．５６ＭＰａ以下まで下降することができた。
【０１１１】
また、図１３に示すように、理論値とほぼ同様にすることができた。さらに、１動作当たりの圧力変化量は最も小さい場合で−０．００２ＭＰａであり、最も大きい場合でも−０．０１ＭＰａとなり、結晶成長室１１０内部の圧力は非常に安定することがわかった。
【０１１２】
（本発明例２）
本発明例２では、図１に示す実施の形態１における化合物半導体結晶の製造装置を用いて、化合物半導体であるＧａＮの結晶成長をフラックス法（溶液成長法）によって行なった。本発明例２では結晶成長室１１０の圧力および温度をそれぞれ、所定の結晶成長条件とし、反応容器１１２をｐＢＮ坩堝とし、溶媒１１３を金属ガリウムとし、気体１１４を窒素ガスとし、種基板１１５を１辺１０ｍｍの正方形状で、厚さ４００μｍのＧａＮ種基板とした。ＧａＮ種基板１１５上にて、液体状の金属ガリウムと、液体状の金属ガリウムに溶解した窒素ガスとを反応させることによって、ＧａＮの結晶成長を行なった。
【０１１３】
具体的には、結晶成長室１１０の内部の温度の上昇の開始と同時に、気体供給部１０１から気体として窒素ガスを圧力制御部１３０へ流動させ、さらに結晶成長室１１０へ供給した。このとき、２つの弁１３１、１３２と、この弁１３１、１３２で仕切られる配管１３３とを有する圧力制御部１３０を用いて、結晶成長室１１０の内部の圧力を０ＭＰａから９ＭＰａまで上昇させた。この結晶成長における結晶成長室１１０の中の温度および圧力条件を図１４に示す。図１４において、横軸は時間（単位：時間（ｈｒｓ））を示し、０ｈｒｓは動作開始を示し、２３６ｈｒｓは動作終了を示す。また、図１４において、実線は圧力を示し、点線は温度を示す。
【０１１４】
なお、気体供給部１０１から排出される気体の圧力は１４．７ＭＰａであり、減圧弁１５０により１１．０ＭＰａまで減圧した。配管１３３の体積は、１．７ｃｃであった。結晶成長室１１０の体積は、５００ｃｃであった。また、結晶成長室１１０の温度は、結晶成長室１１０の圧力上昇前で圧力が０ＭＰａの時は室温であり、結晶成長室１１０の圧力上昇後で圧力が９ＭＰａの時は９００℃であった。この圧力上昇および温度上昇はそれぞれ１８時間で行なった。
【０１１５】
結晶成長室１１０の圧力の上昇は以下のように行なった。図２に示すように、弁１３１を開け、弁１３２、１４１、１４２を閉じた状態で、配管１３３に気体を供給した。その後、図３に示すように、弁１３１を閉じ、弁１３２を開け、配管１０３に充填された気体を結晶成長室１１０に供給した。最後に、弁１３２を閉じた。弁１３１および弁１３２を開けている時間はそれぞれ１秒間とし、全ての弁を閉じている時間はそれぞれ０．５秒間とした。よってこれら一連の動作に必要な時間は合計３秒間である。この一連の動作を、指令部１６０によって断続的に繰り返し行なうことで、徐々に結晶成長室１１０の圧力を上昇させた。一連の動作の繰り返しの間隔は、結晶成長室１１０の内部の圧力が０ＭＰａから９ＭＰａまで１８時間で直線的に上昇するように、その時の結晶成長室１１０の内部の圧力に応じて指令部１６０から制御した。その後結晶成長室１１０の温度を９００℃に、圧力を９ＭＰａに保持する結晶成長時間を２００時間設けた。この結晶成長時間中に、気体１１４である窒素ガスが、溶媒１１３である金属ガリウム中に溶解し、種基板１１５であるＧａＮ種基板上に到達し、ＧａＮ結晶として成長する。結晶成長時間中に結晶成長に伴って消費された窒素ガスは、指令部１６０からの指令によって圧力制御部１３０から供給され、結晶成長時間中の圧力は一定に保たれる。
【０１１６】
本発明例２において、結晶成長室１１０の圧力の上昇時および圧力を保持する結晶成長時間中の結晶成長室１１０の内部の圧力は、結晶成長室１１０の温度にかかわらず所望の値に制御することができ、さらに、１動作当たりの圧力変化量は最も小さい場合で０．００４ＭＰａであり、最も大きい場合でも０．０１ＭＰａとなった。これは結晶成長時間における結晶成長室１１０の内部の圧力の０．０４％〜０．１％の精度に収まっており、結晶成長室１１０内部の圧力は圧力上昇時および圧力保持時の双方で、非常に精密に制御させることができた。
【０１１７】
次に、結晶成長室１１０の内部を減圧するために、結晶成長室１１０および気体排出部１２０との間に接続され、結晶成長室１１０の内部の圧力と異なる圧力に制御可能な圧力制御部１４０を用いて、結晶成長室１１０から気体排出部１２０へ気体を排出した。この圧力制御部１４０は、結晶成長室１１０と、気体供給部１０１および気体排出部１２０の少なくとも一方とに、それぞれ開放されることで断続的に圧力が変化する。圧力制御部１４０は、２つの弁１４１、１４２と、この２つの弁１４１、１４２で仕切られる配管１４３とを有しており、配管１４３の体積は、１．７ｃｃとした。また、結晶成長室１１０の温度は、減圧前は９００℃であり、減圧後の温度は室温とした。
【０１１８】
結晶成長室１１０の圧力の下降は以下のようにした。弁１３１、１３２、１４２を閉じ、弁１４１を開けた状態で、配管１４３に結晶成長室１１０から排出した気体を充填した。その後、弁１４１を閉じ、弁１４２を開け、配管１４３に充填した気体を気体排出部１２０に排出した。最後に、弁１４２を閉じた。これらの一連の動作を断続的に繰り返して、結晶成長室１１０の内部の圧力を９ＭＰａから低減した。
【０１１９】
本発明例２において、圧力下降時においても、結晶成長室１１０の温度が変化していても、所望の時間で結晶成長室１１０の圧力を所望の値に制御することができ、さらに、１動作当たりの圧力変化量は最も小さい場合で−０．００４ＭＰａであり、最も大きい場合でも−０．０１ＭＰａとなった。これは結晶成長時間における結晶成長室１１０の内部の圧力の、０．０４％〜０．１％の精度に収まっており、圧力下降時においても、結晶成長室１１０の内部の圧力は非常に精密に制御させることができた。
【０１２０】
結晶成長室１１０の内部の圧力が０ＭＰａとなり、温度が室温となった後、反応容器１１２から種基板１１５（ＧａＮ種基板）およびその上に成長したＧａＮ結晶を取り出し、王水に浸漬して溶媒１１３（金属ガリウム）を除去した後、ノマルスキ−顕微鏡で種基板１１５上に成長しているＧａＮ結晶の表面形状を観察した。また、エッチングによって現れるエッチピットの密度によって表面の転位密度を評価した。
【０１２１】
その結果、種基板１１５上に成長しているＧａＮ結晶の表面は、図１５に示すように、ノマルスキ−顕微鏡観察で、非常に平坦で、全面に安定的に二次元的に成長したことを表す、ほぼ平行な成長縞が複数本観察された。また表面の転位密度はリン酸および硫酸の混合液によるエッチングでエッチピットを観察したところ、１０5個／ｃｍ2台またはそれ以下と見積もれ、低転位密度の結晶が成長していることを確認した。なお、図１５は、本発明例２の結晶の１００μｍ四方の視野のノマルスキー顕微鏡写真である。
【０１２２】
本発明例２において、成長した結晶は平坦で、転位密度も低いので、結晶成長室１１０の内部の圧力の制御性は十分に良好であったと考えられる。更に圧力を精密に制御したい場合は、気体供給部１０１から排出される気体の圧力を、減圧弁１５０により現状の１１ＭＰａより低く減圧することや、配管１３３の体積を更に少なくすることや、あるいは図７に記載されるバッファ配管１７０を設けることなどにより、上記質量保存の法則および気体の状態方程式から導いた関係式におけるＰ２（圧力制御部の動作前）とＰ３（圧力制御部の動作後）との圧力差を小さくすることで、自在に精密に制御することができる。
【０１２３】
（比較例）
本発明例２において、圧力制御部１３０の代わりに圧力制御弁を用いて、圧力制御部１４０の代わりに開閉が可能なストップバルブ（弁）を用いて、圧力制御弁は指令部１６０によって制御し、他の条件は同じとしてＧａＮの結晶成長を行なった。その結果、結晶成長室の内部の圧力を９ＭＰａまで上昇させることはできたが、９ＭＰａに保持すべき結晶成長時間（２００時間）の圧力が、８．８ＭＰａ〜９．１ＭＰａの間で変動しており、本発明例２と比較して、圧力の制御性が１０倍以上悪かった。
【０１２４】
結晶成長時間の終了後、結晶成長室１１０の温度を室温まで低減し、内部の窒素ガスを排出した後、反応容器１１２から種基板１１５（ＧａＮ種基板）およびその上に成長したＧａＮ結晶を取り出し、王水に浸漬して溶媒１１３（金属ガリウム）を除去した後、ノマルスキ−顕微鏡で種基板１１５上に成長しているＧａＮ結晶の表面形状を観察した。また、カソードルミネッセンスによって表面の転位密度を評価した。
【０１２５】
その結果、種基板１１５上に成長しているＧａＮ結晶の表面は、図１６に示すように、ノマルスキ−顕微鏡観察で、ランダムな成長縞が観察された。また表面の転位密度はリン酸および硫酸の混合液によるエッチングでエッチピットを観察したところ、１０7〜１０8個／ｃｍ2台と見積もれ、高転位密度の結晶が成長していることを確認した。結晶成長時間における窒素ガスの圧力の制御性が悪かったため、溶液中の窒素濃度が不安定になり、ＧａＮ種基板表面でランダムにＧａＮ結晶の核生成が起こりやすくなり、その後も面内で不均一に成長が進んだ結果、核同士が合体するように結晶成長が進んだことを表すランダムな成長縞が見られ、またその合体部では結晶の方位ずれが起こり、転位密度が高くなったものと考えられる。なお、図１６は、比較例の結晶の１００μｍ四方の視野のノマルスキー顕微鏡写真である。
【０１２６】
以上より、気体を供給する工程および気体を排出する工程の少なくとも一方で、気体供給部と結晶成長室との間、および、結晶成長室および気体排出部との間の少なくとも一方に接続され、結晶成長室の内部の圧力と異なる圧力に制御可能な圧力制御部を用いることにより、結晶成長室内部の気体圧力を高精度に制御できることが確認できた。またこの際に連続的に圧力を調整する圧力制御弁は用いる必要がないため、製造装置の機器を安価にすることが可能であり、また断続的に確実に弁の開閉ができるため、安全に化合物半導体結晶を製造することができる。
【０１２７】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２８】
１０１  気体供給部、１０２，１０３，１３３，１３５，１４３，１４５  配管、１１０  結晶成長室、１１１  加熱部、１１２  反応容器、１１３  溶媒、１１４  気体、１１５  種基板、１２０  気体排出部、１３０  圧力制御部、１２１，１３１，１３２，１３４，１４１，１４２，１４４  弁、１５０  減圧弁、１５１  圧力計、１６０  指令部、１７０  バッファ配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１５】
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【図１６】
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