(57)【要約】【課題】  コンパクトな装置で、多数の基板を同時に処理することができ、高圧容器の気密性にも優れ、また同様品質の窒化物単結晶が得られる高圧液相エピタキシャル成長装置を提供する。【解決手段】  本発明に係る高圧液相エピタキシャル成長装置は、高圧容器１と、前記高圧容器１の内部に設けられた断熱構造体２と、前記断熱構造体２の内側に設けられたヒータ３と、種結晶が形成された基板を収容する処理容器１１を複数有する。前記各処理容器１１は前記ヒータ３の内側で上下方向に配置される。前記各処理容器１１を同一動作にて水平状態から傾斜状態に揺動させるカム２６および従動ロッド２７が高圧容器１の内部に設けられ、前記カム２６を駆動する電動機２９がヒータ３から離隔した高圧容器１の下部に設けられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧容器と、前記高圧容器の内部に設けられた断熱構造体と、前記断熱構造体の内側に設けられたヒータと、種結晶が形成された基板を収容する処理容器を複数有し、前記処理容器は前記ヒータの内側で上下方向に配置された高圧液相エピタキシャル成長装置であって、
前記各処理容器を同一動作にて水平状態から傾斜状態に揺動させる揺動機構が高圧容器の内部に設けられ、前記揺動機構を駆動する駆動源が前記ヒータから離隔した高圧容器の下部に設けられた高圧液相エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記各処理容器は、その外周部の一端が前記高圧容器の内部に立設された支持部材に回動自在に連結され、
前記揺動機構は、前記各処理容器の外周部の他端が回転自在に連結されたリンクロッドと、前記リンクロッドを上下動させる昇降手段を備えた請求項１に記載した高圧液相エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記昇降手段は、前記高圧容器の下部に回転自在に設けられたカムと、上端部が前記リンクロッドの下端部に当接すると共に下端部が前記カムの外周面に当接して昇降する従動ロッドを備え、前記駆動源は、前記カムを回転させる電動機で構成された請求項２に記載した高圧液相エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記各処理容器は、高温高圧処理の際に発生した原料蒸気の拡散を防止する蒸気拡散防止チャンバに収容された請求項１から３のいずれか１項に記載した高圧液相エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
前記処理容器は、前記支持部材及びリンクロッドに連結される連結部を有する本体部と、前記本体部に付設され、ボロンナイトライドで形成され、前記基板を収容する基板収容部とを有する請求項１から４のいずれか１項に記載した高圧液相エピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄い膜状の窒化物単結晶等を種結晶として、高圧の窒素等を含むガス雰囲気下で、III 族金属元素とＮａ，Ｃａ等のアルカリまたはアルカリ土類金属元素の混合融液から窒化物を種結晶上にエピタキシャルに析出させて大きな窒化物単結晶を製造する装置に関するものである。窒化物の代表例としては、ＧａＮ，ＡｌＮを挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
III 族元素の窒化物の一つである窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色発光素子（例えば、ＬＥＤ：Light Emitting Diode，ＬＤ：Laser Diode）の材料として注目されており、工業的には、サファイア単結晶基板上にＧａＮをＣＶＤ法により析出させることにより製造されている。しかし、特にＬＤ用の場合、長期的な安定性（寿命）の観点から、サファイア基板はＧａＮ薄膜との格子定数の差異（１３．８％）や熱膨張係数の差異（２５．５％）があるため、理想的な基板とはいえない。このため、同一の材料すなわちＧａＮからなる基板が種結晶を提供する基板として理想的とされている。
【０００３】
通常、ＧａＮ以外の化合物半導体の場合には、同一の材料からなる単結晶基板を得るために同一組成の融液からバルク結晶成長させる方法が採用されており、蒸気圧が高い成分系ではその成分の蒸気圧を維持しながら、すなわち高圧下で結晶成長させる方法が採用されている。ＧａＮの場合に、この方法を採用するには、ＧａＮの物性上から、２１５０℃以上、５．６ＧＰａ以上の高温高圧の状態で析出させることが必要である。しかしながら、このような高圧下では数インチを越えるような単結晶の育成は工業的には実施不可能である。このため、溶融したＧａをＮａフラックスで希釈した溶液法による単結晶の製造が検討されている。
【０００４】
この溶液法によれば、７５０−８００℃、窒素ガス圧力５ＭＰａ程度の条件でＧａＮの析出による単結晶の製造が可能である。もっとも、この方法では結晶の成長速度が遅く、また結晶も１０−２０ｍｍ程度までしか成長させることができない。この原因としては、Ｇａ−Ｎａ溶液中でのＮの拡散速度が小さいこと、ＧａとＮの反応が緩慢であること、などが挙げられる。
【０００５】
前者の問題を改善するには、種結晶もしくはすでに精製したＧａＮ結晶と高圧の窒素ガス空間の間に存在するＧａ−Ｎａ溶液層の厚さ（拡散距離）を短くする方法やＧａ−Ｎａ溶液に適度の対流を生じさせて実質的な拡散速度の向上を図ることが考えられる。また、後者の問題については、Ｇａ−Ｎａ溶液に触媒的な機能を持つ成分を混合したり、窒化反応性が窒素よりも大きいアンモニア（ＮＨ3 ）を窒素に混合する方法などが考えられ、特開２００２−２９３６９６号公報（特許文献１）には、窒素の一部をアンモニアで置換する方法が提案されている。
【０００６】
一方、高圧窒素雰囲気下でのＧａ−Ｎａ溶液からのＧａＮの液相エピタキシャル成長用の装置については、「Novel Liquid Phase Epitaxy (LPE) Growth Method for Growing Large GaN Single Crstals: Introduction of Flux Film Coated-Liquid Phase Epitaxy (FFC-LPE) Method」(Jpn. J. Appl. Phys., Vol 42, (2003), PP. L879-L881)（非特許文献１）に、シャーレ状をしたボロンナイトライド製の処理容器（坩堝）に種結晶となるＧａＮ板結晶（１５mm×１５mm）を置き、処理容器の揺動により、Ｇａ−Ｎａ溶液がＧａＮ種結晶の表面を間欠的に覆うようにし、その表面が窒素ガスに暴露されたり、溶液で覆われるようにした液相エピタキシャル装置（８００℃，窒素圧1MPa未満）が提案されている。より具体的には、耐圧容器と、その耐圧容器内に設けられた電気炉と、その電気炉内に設けられた、種結晶基板を収容するためのシャーレ状の処理容器とを備え、前記電気炉が前記耐圧容器の側壁を貫通する支持軸によって支持され、前記耐圧容器の外側に前記支持軸を回動させる電動機が設けられたものである。
【特許文献１】特開２００２−２９３６９６号公報
【非特許文献１】Novel Liquid Phase Epitaxy (LPE) Growth Method for Growing Large GaN Single Crstals: Introduction of Flux Film Coated-Liquid Phase Epitaxy (FFC-LPE) Method  (Jpn. J. Appl. Phys., Vol 42, (2003), PP. L879-L881)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記高圧液相エピタキシャル成長装置は、構造上、処理容器を電気炉に収容し、耐圧容器の容器壁を貫通する支持軸で前記電気炉を回動自在に支持し、この支持軸を耐圧容器の外側に設けた電動機によって回動し、処理容器を電気炉ごと揺動させる構造となっている。このような構造では、処理容器に比して大重量の電気炉を揺動させることになるため、装置の大形化が避けられず、また耐圧容器の内部に供給された窒素ガスの圧力が高くなれば、容器壁の貫通部での支持軸の回動と気密性の両立が困難になる。また、多数の基板を同時に処理する場合、多数の処理容器を積み重ねて炉内に配置すると、支持軸の軸線の近くに配置された処理容器と、離れた位置に配置された処理容器では揺動の際の傾き動作が異なるため、処理溶液の被覆状態も異なり、各処理容器で処理した単結晶の品質の同一性が確保されない。一方、多数の処理容器を支持軸の軸線から等距離になるように、処理容器を炉内に並置すると、支持軸の回動により処理容器は同一の傾き動作で揺動するようになるが、電気炉やこれを収容する耐圧容器が支持軸の軸線方向（横方向）に伸び、装置の大形化のみならず大きな設置スペースが必要となる。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、コンパクトな装置で、多数の基板を同時に処理することができ、高圧容器の気密性にも優れ、また品質が一様な単結晶が得られる高圧液相エピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る高圧液相エピタキシャル成長装置は、高圧容器と、前記高圧容器の内部に設けられた断熱構造体と、前記断熱構造体の内側に設けられたヒータと、種結晶が形成された基板を収容する処理容器を複数有し、前記各処理容器は前記ヒータの内側で上下方向に配置され、前記各処理容器を同一動作にて水平状態から傾斜状態に揺動させる揺動機構が高圧容器の内部に設けられ、前記揺動機構を駆動する駆動源が前記ヒータから離隔した高圧容器の下部に設けられたものである。
【０００９】
この高圧液相エピタキシャル成長装置によると、複数の処理容器はヒータの内側に上下方向に配置され、揺動機構はヒータとは別に前記処理容器のみを揺動させるので、処理容器が多数であっても、装置をコンパクトにすることができる。また、各処理容器を揺動させる揺動機構及びその駆動源が高圧容器内に設けられるので、高圧容器の容器壁を貫通して回動する部材を設ける必要がなく、このため簡単なシール構造で優れた気密性を確保することができる。さらにまた、前記揺動機構は、各処理容器を同一動作にて揺動させるので、処理容器が多数の場合でも、各処理容器に収容された基板に対して処理溶液を間欠に被覆する揺動条件が同じになり、引いては各処理容器に収容される種結晶付きの基板に対しても同様の熱履歴、成長条件を付与することができる。このため、処理容器の配置位置に拘わらず同様な品質の単結晶を同時に得ることができる。このため、本発明の装置は同一品質を有する窒化物単結晶を容易に多量生産することができる。
【００１０】
上記高圧液相エピタキシャル成長装置において、前記各処理容器は、その外周部の一端が前記高圧容器の内部に立設された支持部材に回動自在に連結され、前記揺動機構は、前記各処理容器の外周部の他端が回転自在に連結されたリンクロッドと、前記リンクロッドを上下動させる昇降手段を備えた構造とすることができる。
このように各処理容器を、支持部材及びリンクロッドを含む揺動リンク機構の一節とすることで、簡単な構造で、ヒータの内側の狭い領域において全ての処理容器を同一条件で容易に上下に揺動させることができる。
【００１１】
また、前記昇降手段は、前記高圧容器の下部に回転自在に設けられたカムと、上端部が前記リンクロッドの下端部に当接すると共に下端部が前記カムの外周面に当接して昇降する従動ロッドを備え、前記駆動源は、前記カムを回転させる電動機で構成することができる。
このようなカム、従動ロッドを用いた昇降手段とすることで、簡単な構成でリンクロッドを昇降させ、引いては全ての処理容器を同一条件で容易に揺動させることができる。また、高温の処理部に設けられるリンクロッドと、カム及び駆動源が設けられる低温部とが従動ロッドで連動されるため、低温部への熱影響を可及的に抑制することができ、カムや駆動源の耐久性を向上させることできる。
【００１２】
また、前記各処理容器は、高温高圧処理の際に発生した原料蒸気の拡散を防止する蒸気拡散防止チャンバに収容される構造とすることが好ましい。
前記蒸気拡散防止チャンバを設けることによって、高温の処理部で蒸発した原料蒸気が低温の高圧容器の下部において凝結、固化することを防止することができ、これによって発生するヒータや電動機の電気絶縁性等の劣化を防止することができ、耐久性に優れた装置を提供することができる。
【００１３】
また、前記処理容器は、前記支持部材及びリンクロッドに連結される連結部を有する本体部と、前記本体部に付設され、ボロンナイトライドで形成され、前記基板を収容する基板収容部とを有する構造とすることができる。
処理容器をこのような二重構造とすることにより、基板収容部を処理物と反応したり、汚染するおそれがないものの、高価なボロンナイトライドで形成する一方、連結部の加工が必要な本体部を加工が容易で安価な材料、例えば黒鉛で形成することができ、処理容器の製造コストを低減することができる。特に、本発明の装置では複数の処理容器が同時に使用されるため、処理容器のコスト低減効果は大きい。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明の高圧液相エピタキシャル成長装置によれば、複数の処理容器は上下方向に配置され、ヒータとは別に処理容器のみを揺動させる揺動機構も高圧容器内に設けられるため、装置および設置スベースをコンパクトにすることができ、簡単なシール構造で優れた気密性を確保することができる。さらに、処理に際して各処理容器は同一動作にて揺動されるので、処理容器が複数の場合でも、処理容器の配置位置に拘わらず同一品質を有する単結晶を容易に多量生産することができる。III 族元素の窒化物は、光記憶技術における記憶量の大容量化に必要な青色あるいはさらに短波長の紫外線域の光を発光する発光素子への利用が期待されており、その基板の多量生産を可能にした本発明の装置は、光通信・情報分野の発展に寄与するところ多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係る高圧液相エピタキシャル成長装置の断面構造を示しており、この装置は、高圧容器１と、前記高圧容器１の内部に設けられ、上部が閉塞され下部が開口された筒状の断熱構造体２と、前記断熱構造体２の内側に設けられた筒状ヒータ３を備える。前記高圧容器１は、筒状の胴部５と、前記胴部５の上部開口をシールリング９を介して着脱自在に閉塞する上蓋６と、前記胴部５の下部開口をシールリング９を介して着脱自在に閉塞する下蓋７とで構成される。前記上蓋６には、高圧容器１の内部に高圧の窒素ガスを供給すると共に処理後にこれを排出するガス導入排出孔８が開設されている。前記筒状ヒータ３は、上部ヒータ３Ａと下部ヒータ３Ｂとからなり、図示省略した温度センサーからの温度信号に基づいて、上下方向における温度分布が均一になるように、それぞれ独立して温度制御される。なお、図例では筒状ヒータ３は２段構造としたが、２段以上の多段に構成してもよい。
【００１６】
前記筒状ヒータ３の内側には、処理容器１１が上下方向に一定間隔を置いて配置されている。これらの処理容器１１を一括して「処理容器群」と呼ぶ場合がある。前記処理容器群の下方には断熱体１３が設けられ、前記下蓋７の上面中央部には設置板１５を介して、電動機等を収容する断熱収容部１４が設けられ、その上に前記断熱体１３が設置されている。
【００１７】
前記処理容器１１は、高純度の黒鉛で形成されており、図２(1) に示すように、平面視が八角形で、その中央部が開口するトレー形状の形態を有している。その外周部の一端側及び他端側に第１連結部１７、第２連結部１８が形成され、前記第１連結部１７は、処理容器群に隣接して立設された柱状の支持部材２１に取付け取外し自在に設けられた第１回動軸２２に回動自在に取付けられており、前記第１連結部１７と第１回動軸２２とでヒンジ機構が構成されている。他方、他端部側の第２連結部１８は、前記支持部材２１の反対側に設けられたリンクロッド２４に取付け取外し自在に設けられた第２回動軸２５に回動自在に取付けられており、前記第２連結部１８と第２回動軸２５とでヒンジ機構が構成されている。すなわち、前記支持部材２１と、各処理容器１１と、リンクロッド２４とは、リンクロッド２４の昇降動作により各処理容器１１が第１回動軸２２を中心としてに上下方向に揺動する揺動リンク機構を構成している。
【００１８】
一方、前記高圧容器１の下部には、カム２６と、そのカム２６の回転に従って上下動する従動ロッド２７を備えたカム装置が設けられている。前記従動ロッド２７の下端は前記カム２６の外周面に当接し、その上端は前記リンクロッド２４の下端に当接している。前記カム２６の回転軸は、断熱収容部１４に収容された電動機２９に連動連結されて回転駆動される。カム２６の回転軸と電動機２９とは適宜の減速機を介して連動連結してもよい。また、カム２６は、連続的に回転させてもよく、あるいはリンクロッド２４が上死点、下死点間を移動するように所定の角度を往復回動するようにしてもよい。この場合、カム２６の回転角度の制御が重要となるので、使用する電動機２９としてパルスモータが推奨される。
【００１９】
ここで、前記カム装置の動作を説明する。図１の状態では、従動ロッド２７は上死点にあり、カム２６が回転すると下死点に下降し、各処理容器１１は図２(2) から図３に示すように、同一動作にて下方に傾斜する。そして、カム２６が図１に示す位置に戻ると、各処理容器１１は元の水平位置に復帰する。このように、カム２６の回転により、従動ロッド２７を介してリンクロッド２４が昇降し、各処理容器１１は同一の動作で第１回動軸２２を中心として水平位置と傾斜位置との間を揺動する。
【００２０】
上記高圧液相エピタキシャル成長装置による窒化物単結晶の製造例について説明する。
まず、図２に示すように、各処理容器１１に種結晶となる窒化物薄膜が形成された基板（種結晶基板）Ｗを載置した後、図１のように高圧容器１をセットし、高圧窒素ガスを注入し、筒状ヒータ３により、各処理容器１１が同様の処理温度となるように加熱する。
前記種結晶基板Ｗは、図３に示すように、処理容器１１を傾斜させた際に、基板の表面が高圧窒素に曝されるように、処理容器１１の中央に置かずに、支持部材２１側に偏るように載置することが好ましい。各処理容器１１には、種結晶基板Ｗの他、種結晶を成長させる原料となるＧａなどのIII 属金属元素及びフラックスとなるアルカリもしくはアルカリ土類の金属の所定量が供給される。
【００２１】
所定の処理温度、処理圧力になった後、カム装置を駆動して各処理容器１１を図２(2) と図３に示すように上下に揺動させる。各処理容器１１が水平状態にあるときには、フラックスと共に溶融した金属元素からなる処理溶液が種結晶基板Ｗの表面を覆った状態であるが、傾斜状態になると種結晶基板Ｗの表面が処理溶液で濡れた状態、すなわち非常に薄い処理溶液で覆われた状態となり、高圧の窒素ガスに暴露される。これにより、III 属金属元素と窒素が化合して種結晶の表面で種結晶と同じ結晶方位を有する窒化物の結晶が、いわゆるホモエピタキシャル成長し、種結晶から大きな単結晶に成長する。所定サイズの単結晶が得られた後、加熱を止め、冷却後窒素ガスを排出し、処理容器群を下蓋７とともに高圧容器１の胴部５から下降して炉外に取り出し、単結晶を処理容器１１から回収する。そして、次の処理のために、種結晶基板や処理溶液原料を処理容器１１に供給する。
【００２２】
上記実施形態では、処理容器１１として黒鉛製容器を用いたが、その材質は黒鉛に限らず、耐熱性があり、処理物と反応したり、処理物を汚染しないようなものであればよい。特に、処理物と同じIII 属金属元素の窒化物であるボロンナイトライドは、耐久性に富み、好適であるが、非常に高価であるので、図２(1) に示すように、ヒンジ機構を構成する連結部１７，１８を含む全体をボロンナイトライドで形成することは経済的ではない。そこで、ボロンナイトライドを用いる場合、図４に示すように、処理容器１１を、前記連結部１７，１８が形成される外周部を構成する本体部１１Ａと、その内側に装着されるシャーレ形状の基板収容部１１Ｂとで構成し、前記本体部１１Ａを黒鉛で形成し、前記基板収容部１１Ｂをパイロリティクボロンナイトライドで形成するとよい。
【００２３】
また、上記実施形態では、リンクロッド２４を上下動させる昇降手段としてカム装置を用いたが、昇降手段とてはこれに限るものではなく、ラック・ピニオン機構を用いることもできる。また、リンクロッド２４を昇降させる手段として、図５に示すように、常時進出状態に保持される従動ロッド３１と、これを電磁力の作用で下方へ降下させる電磁コイル（駆動源）３２とで構成することができる。前記従動ロッド３１は、その下端部に強磁性材料からなる電磁片が取付けられており、非磁性材で形成された管状ポート３３に収納されている。管状ポート３３の下部外側には前記電磁コイル３２が付設され、電磁コイル３２に電流を印加することによって前記電磁片が下方へ吸引され、従動ロッド３１は下降し、電流の印加を止めることで従動ロッド３１はコイルバネの弾発力により上昇する。
【００２４】
ところで、フラックスの形成のために添加されるアルカリもしくはアルカリ土類の金属は、大気圧下での融点や沸点が低く、高温下では溶融し、かつ飽和蒸気圧が高いという物性を有する。このため、ＧａＮ単結晶の製造を例にとれば、フラックスの形成原料としてＮａを添加した場合、高温の処理部（結晶成長部）ではＮａが蒸発してＧａＮ単結晶の成長の促進効果が低下する一方、高圧容器内の下部等の低温部分では蒸発したＮａ蒸気が凝結あるいは温度によっては固化して、ヒータ３や電動機２９の電気絶縁性を損なうおそれがある。
【００２５】
このような危惧を解消するには、図５に示すように、断熱体１３の上に処理容器１１、支持部材２１Ａ、リンクロッド２４を収容する蒸気拡散防止チャンバ３５を設けることが好ましい。また、蒸気拡散防止チャンバ３５には、チャンバ内外の圧力差による破損を防止するため、チャンバの内部と高圧容器１の下部とを連通する連通パイプ（図示省略）を設けることが好ましい。なお、図例では蒸気拡散防止チャンバ３５の底板３６に前記支持部材２１Ａが立設され、また前記管状ポート３３が取付けられている。前記従動ロッド３１は前記底板３６の開口を通して、その先端が前記リンクロッド２４の下端に当接している。その他、図１に示した実施形態と同様の部材は同符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係る高圧液相エピタキシャル成長装置の断面説明図である。
【図２】(1) は支持部材およびリンクロッドに連結された処理容器の平面図、(2) はその断面図である。
【図３】リンクロッドの下降時における処理容器の傾斜状態を示す断面図である。
【図４】処理容器の他例を示す断面図である。
【図５】他の実施形態に係る高圧液相エピタキシャル成長装置の断面説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  高圧容器
２  断熱構造体
３  ヒータ
６  固定チャンバ部
１１  処理容器
１７，１８  第１，第２連結部
２１，２１Ａ  支持部材
２２  リンクロッド
２２，２４  第１，第２回動軸
２６  カム
２７  従動ロッド
２９  電動機（駆動源）
３５  蒸気拡散防止チャンバ
【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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