(57)【要約】【課題】最適化された成長条件の下で結晶への不純物の混入を防止して高品質の単結晶を製造することができる単結晶製造装置を提供する。【解決手段】単結晶製造装置１は、内部に原料４０を収容する成長坩堝２１と、成長坩堝２１の外側に配置された外側坩堝２２とを備えている。外側坩堝２２には、成長坩堝２１と外側坩堝２２との間に希釈換気用の窒素ガスを流通させるガス流路６６が形成されている。単結晶製造装置１は、ガスを外側坩堝２２に形成されたガス導入口６０からガス流路６６に供給して外側坩堝２２に形成されたガス排出口６７からガス流路６０内のガスを外部に排出するガス供給源６３と、成長坩堝２１に収容された原料４０を加熱して昇華させるコイル３０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に原料を収容する成長坩堝と、
該成長坩堝の外側に配置された外側坩堝であって、前記成長坩堝と前記外側坩堝との間に希釈換気用のガスを流通させるガス流路が形成された外側坩堝と、
前記ガスを前記外側坩堝に形成されたガス導入口から前記ガス流路に供給して前記外側坩堝に形成されたガス排出口から前記ガス流路内の前記希釈換気用のガスを外部に排出する希釈換気部と、
前記成長坩堝に収容された原料を加熱して昇華させる加熱部と、
を備えた単結晶製造装置。
【請求項２】
前記希釈換気部は、前記ガス排出口における前記ガスの流速が１５cm/s以上となるように前記ガスを前記ガス流路に供給することを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
前記希釈換気用のガスは窒素ガス又は不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
成長坩堝の内部に原料を収容し、
前記成長坩堝に収容された原料と対向するように種結晶を配置し、
前記成長坩堝の外側に配置された外側坩堝に形成されたガス導入口から、前記成長坩堝と前記外側坩堝との間に形成されたガス流路に希釈換気用のガスを供給して前記外側坩堝に形成されたガス排出口から前記ガス流路内の前記ガスを外部に排出しつつ、前記成長坩堝に収容された原料を加熱して昇華させることにより前記種結晶上に前記原料の単結晶を析出させる、
ことを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項５】
前記ガス排出口における前記ガスの流速が１５cm/s以上となるように前記ガスを前記ガス流路に供給することを特徴とする請求項４に記載の単結晶製造装置。
【請求項６】
前記希釈換気用のガスとして窒素ガス又は不活性ガスを用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶製造装置及び単結晶製造方法に係り、特に昇華法を用いて単結晶を製造する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III-Ｖ族窒化物半導体の一種である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、直接遷移型半導体の中で最も広いバンドギャップを有していることから、次世代の材料として期待されている。窒化アルミニウムを用いることにより、例えば波長２１０nmで発光する短波長の光デバイスを作製することができる。また、光デバイスだけではなく、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の低下が小さいといった利点を有するパワーデバイスを作製することが可能である。しかしながら、現在、窒化アルミニウムデバイスの作製に資する品質の窒化アルミニウムウエハを作製する方法は確立されておらず、早期の実現が期待されている。
【０００３】
ところで、単結晶の製造方法としては、融液からバルク結晶を成長させる引上げ法、気相から成長させる昇華法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などが知られている。窒化アルミニウムは融点付近での窒素の解離圧が高いことから、窒化アルミニウム単結晶の製造方法としては主に昇華法が用いられている。
【０００４】
この昇華法は、成長容器である坩堝を加熱して、坩堝の上部と下部との間に温度差を形成し、坩堝の下部に投入した原料を昇華させ、その昇華ガスを相対的に温度の低い坩堝の上部の成長部において再結晶させることで結晶を成長させる方法である。この昇華法の中でも種結晶を使用する方法を改良レーリー法と呼び、種結晶を用いることにより結晶成長の核生成過程を制御することができる。この方法では、原料から昇華したガスが拡散により輸送されて、原料より低温の種結晶上に過飽和状態で凝結する。
【０００５】
ここで、高品質の単結晶を作製するためには、成長条件の最適化が必要となるが、一般的には、坩堝の構造や材料によって結晶の成長条件が大きく変化するので、複数の坩堝を組み合わせることで最適な成長条件を得ることもなされている。例えば、黒鉛坩堝を用いてその内部で結晶の成長を行うと、結晶に炭素が不純物として混入してしまうので、黒鉛坩堝の内部に炭化タンタルからなる坩堝を配置することで、黒鉛坩堝を発熱体として使用しつつ、炭化タンタルの坩堝の内部で結晶を成長させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、複数の坩堝を組み合わせる場合には、熱エッチングなどで発生した不純物などが坩堝と坩堝の間に溜まりやすくなる。これらの不純物が成長坩堝に侵入すると、結晶に大量の不純物が混入してしまい、作製された単結晶の品質が著しく低下してしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１２２８０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、最適化された成長条件の下で結晶への不純物の混入を防止して高品質の単結晶を製造することができる単結晶製造装置及び単結晶製造方法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】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、最適化された成長条件の下で結晶への不純物の混入を防止して高品質の単結晶を製造することができる単結晶製造装置が提供される。この単結晶製造装置は、内部に原料を収容する成長坩堝と、該成長坩堝の外側に配置された外側坩堝とを備えている。上記外側坩堝には、上記成長坩堝と上記外側坩堝との間に希釈換気用のガスを流通させるガス流路が形成されている。上記単結晶製造装置は、上記ガスを上記外側坩堝に形成されたガス導入口から上記ガス流路に供給して上記外側坩堝に形成されたガス排出口から上記ガス流路内の上記希釈換気用のガスを外部に排出する希釈換気部と、上記成長坩堝に収容された原料を加熱して昇華させる加熱部とを備えている。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、最適化された成長条件の下で結晶への不純物の混入を防止して高品質の単結晶を製造することができる単結晶製造方法が提供される。この単結晶製造方法では、成長坩堝の内部に原料を収容し、上記成長坩堝に収容された原料と対向するように種結晶を配置する。上記成長坩堝の外側に配置された外側坩堝に形成されたガス導入口から、上記成長坩堝と上記外側坩堝との間に形成されたガス流路に希釈換気用のガスを供給して上記外側坩堝に形成されたガス排出口から上記ガス流路内の上記ガスを外部に排出しつつ、上記成長坩堝に収容された原料を加熱して昇華させることにより上記種結晶上に上記原料の単結晶を析出させる。
【００１１】
本発明によれば、成長坩堝と外側坩堝との間に形成されたガス流路に希釈換気用のガスを流しているので、熱エッチングなどで発生した不純物をガス流路のガスの流れによって外部に排出することができる。これにより、成長坩堝の内部に混入する不純物が抑制されるので、成長坩堝内で高純度の単結晶を成長させることが可能となる。
【００１２】
ここで、上記ガス排出口における上記ガスの流速が１５cm/s以上となるように上記ガスを上記ガス流路に供給することが好ましい。また、上記希釈換気用のガスとして窒素ガス又は不活性ガスを用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、最適化された成長条件の下で結晶への不純物の混入を防止して高品質の単結晶を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における単結晶製造装置を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の単結晶製造装置における外側坩堝の底面図である。
【図３】図１のIII-III線断面図である。
【図４】図１の単結晶製造装置における外側坩堝の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る単結晶製造装置の実施形態について図１から図４を参照して詳細に説明する。なお、図１から図４において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態における単結晶製造装置１を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態における単結晶製造装置１は、結晶成長炉１０と、結晶成長炉１０の内部空間１１に配置された結晶成長部２０と、結晶成長炉１０の周囲に巻回されるコイル３０とを備えている。
【００１７】
結晶成長部２０は、成長坩堝２１と、成長坩堝２１の外側に配置される外側坩堝２２と、外側坩堝２２の外部を覆う断熱材２３と、これらの部材を支持する支持部２４とから構成される。成長坩堝２１は、内部に原料４０としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を収容する本体部２５と、本体部２５を密閉する蓋体２６とを有している。
【００１８】
成長坩堝２１は、成長する結晶の融点よりも高い融点を有する材料から形成される。例えば、成長する結晶の融点よりも高い融点を有する金属や窒化物、炭化物、窒化物の合金、及び炭化物の合金などから成長坩堝２１を形成することができる。特に窒化アルミニウムの単結晶を製造する場合には、黒鉛（Ｃ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、これらの合金、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）などから成長坩堝２１を形成することが好ましい。これらの材料は、成長する結晶との反応性が低く、高温での耐熱性に優れているため好適に用いることができる。また、外側坩堝２２は、例えば、黒鉛（Ｃ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、これらの合金、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）などから形成される。
【００１９】
成長坩堝２１の蓋体２６の下面には種結晶載置部５０が固定されている。この種結晶載置部５０の下面には種結晶５１を載置できるようになっており、種結晶載置部５０上に載置された種結晶５１は成長坩堝２１内に収容された原料４０と対向するようになっている。この種結晶５１としては例えば窒化アルミニウムや炭化珪素などを用いることができる。また、バッファー層を成長させた基板を種結晶５１として用いることもできる。この種結晶５１の主面はＣＭＰなどにより鏡面研磨仕上げされているものが好ましく、主面だけでなくその裏側もＣＭＰなどにより鏡面研磨仕上げされていてもよい。
【００２０】
図２は、外側坩堝２２の底面図である。図２に示すように、外側坩堝２２の底面２２Ａの中央には、希釈換気用のガスを導入するガス導入口６０が形成されている。図１に示すように、断熱材２３にはこのガス導入口６０に対応する位置に孔６１が形成されており、支持部２４の内部には断熱材２３の孔６１に連通する流路６２が形成されている。この流路６２は、窒素ガスや不活性ガスなどの希釈換気用ガスを供給するガス供給源６３に接続されている。
【００２１】
図１に示すように、外側坩堝２２の内部には、底面２２Ａよりも上方に床面２２Ｂが形成されており、この床面２２Ｂ上に成長坩堝２１が配置されている。底面２２Ａと床面２２Ｂとの間には空間６４が形成されている。
【００２２】
図３は、図１のIII-III線断面図である。図３に示すように、外側坩堝２２の床面２２Ｂには、所定の間隔を開けて複数の連絡孔６５が形成されている。図１に示すように、床面２２Ｂの上方には、外側坩堝２２と成長坩堝２１との間で希釈換気用ガスを流通させるガス流路６６が形成されている。
【００２３】
図４は、外側坩堝２２の上面図である。図４に示すように、外側坩堝２２の上面２２Ｃには、ガス流路６６に導入された希釈換気用ガスを排出するガス排出口６７が形成されている。図４に示す例では、所定の間隔を開けて複数のガス排出口６７が外側坩堝２２の上面２２Ｃに形成されている。
【００２４】
このように、ガス供給源６３から窒素ガスや不活性ガスなどの希釈換気用ガスが支持部２４の流路６２、断熱材２３の孔６１、外側坩堝２２のガス導入口６０、空間６４、及び連絡口６５を通ってガス流路６６に供給され、さらにガス排出口６７を通って断熱材２３に形成された孔から結晶成長炉１０の内部空間１１に排出されるようになっている。すなわち、本実施形態におけるガス供給源６３は、希釈換気用ガスを外側坩堝２２のガス導入口６０からガス流路６６に供給して外側坩堝２２のガス排出口６７からガス流路６６内のガスを外部に排出する希釈換気部として機能する。
【００２５】
図１に示すように、結晶成長炉１０には単結晶の成長に用いられるガスを内部空間１１に導入するガス導入口１２が形成されており、このガス導入口１２はガス供給源１３に接続されている。これにより、結晶成長炉１０の内部空間１１には、ガス導入口１２を通じてガス供給源１３から窒素ガスや不活性ガスなどのガスが導入されるようになっている。また、結晶成長炉１０にはガス排出口１４も形成されており、このガス排出口１４は真空ポンプ１５に接続されている。これにより、ガス供給源１３から内部空間１１に供給されたガス、上述した外側坩堝２２と成長坩堝２１との間のガス流路６６を流れてガス排出口６７から排出された希釈換気用のガス、及び結晶成長炉１０の内部空間１１で生成されたガスがガス排出口１４を通じて排出される。このように、ガス供給源１３及びガス供給源６３からのガスの供給と真空ポンプ１５による減圧を調整することにより、結晶成長炉１０の内部空間１１が所望の圧力に調整される。
【００２６】
コイル３０には高周波電源（図示せず）が接続されており、コイル３０に高周波電流を流すと、外側坩堝２２及び成長坩堝２１に誘導電流が生じ、これにより成長坩堝２１内の原料４０が加熱され昇華される。このように、本実施形態におけるコイル３０は、成長坩堝２１の本体部２５に収容された原料４０を加熱して昇華させる加熱部として機能する。なお、このコイル３０は図示しない移動機構により成長坩堝２１に対して相対的に移動可能に構成されている。
【００２７】
なお、結晶成長炉１０の外部には放射温度計（図示せず）が配置されており、この放射温度計により成長坩堝２１の本体部２５の下部と蓋体２６の上部の温度が測定できるようになっている。これら測定された温度に基づき、コイル３０に供給する電流を制御し、成長坩堝２１内の温度が所望の分布となるように制御される。
【００２８】
このような構成の単結晶製造装置１において、まず、原料４０を成長坩堝２１の本体部２５に収容するとともに、種結晶５１を種結晶載置部５０に載置及び固定する。そして、蓋体２６により成長坩堝２１の本体部２５を密閉し、真空ポンプ１５を用いて結晶成長炉１０の内部空間１１を真空引きして内部空間１１の圧力を下げる。続いて、ガス供給源１３から結晶成長炉１０の内部空間１１に例えば窒素ガスを供給し、内部空間１１を窒素ガス雰囲気とする。これにより、単結晶５２の成長を高純度の窒素ガスの雰囲気下で行うことができる。
【００２９】
また、ガス供給源６３からガス流路６６に例えば窒素ガスを供給し、成長坩堝２１と外側坩堝２２との間のガス流路６６に窒素ガスの流れが形成されるようにする。このとき、ガス排出口６７における窒素ガスの流速が、好ましくは１５cm/s以上、より好ましくは３０cm/s以上となるようにガス供給源６３からの窒素ガスの流量を調整する。
【００３０】
そして、コイル３０に高周波電流を流すことにより成長坩堝２１内の原料４０を例えば約２０００℃まで加熱し、昇華させる。このとき、放射温度計により検出された成長坩堝２１の本体部２５の下部と蓋体２６の上部の温度とに基づいてコイル３０を成長坩堝２１に対して移動させ、成長坩堝２１の本体部２５に収容された原料４０よりも種結晶載置部５０上の種結晶５１の方が低温となるように調整する。このとき、単結晶５２の成長面の温度を１７００℃〜２３００℃にすることが好ましく、結晶成長炉１０の内部空間１１の圧力を１３．３kPa（１００Torr）〜１０１．３kPa（７６０Torr）にすることが好ましい。
【００３１】
上述したように、成長坩堝２１の本体部２５に収容された原料４０よりも種結晶載置部５０上の種結晶５１の方を低温にすることにより、原料４０の昇華ガスが本体部２５から種結晶５１上に移送され、種結晶５１上で単結晶５２が析出し再結晶化する。このとき、成長坩堝２１と外側坩堝２２との間のガス流路６６には常にガス供給源６３からの窒素ガスが供給されて、ガス流路６６が希釈換気される。したがって、断熱材２３、外側坩堝２２、及び成長坩堝２１において熱エッチングなどで発生した不純物は、ガス流路６６の窒素ガスの流れによって結晶成長部２０の外部に排出される。これにより、成長坩堝２１の内部に混入する不純物が抑制されるため、窒化アルミニウム単結晶５２の成長は、高純度窒素ガス雰囲気下で行われることとなる。したがって、種結晶５１上に高純度の窒化アルミニウム単結晶５２を成長させることができる。成長後は、単結晶５２を切断及び研磨することで単結晶基板を得ることができる。
【実施例１】
【００３２】
上述した実施形態に係る単結晶製造装置１を用いて窒化アルミニウム単結晶５２を製造した。まず、種結晶５１として面方位（０００１）を有する厚さ約５００μm、直径６０mmの窒化アルミニウム種結晶を用意した。成長坩堝２１として炭化タンタル焼結体からなる坩堝を用い、外側坩堝２２としてタングステン製の坩堝を用いた。原料４０として窒化アルミニウム粉体を成長坩堝２１の本体部２５に収容した。種結晶５１を種結晶載置部５０に接着剤により固定し、種結晶載置部５０上に保持した。このとき、種結晶５１の主面が本体部２５に収容された原料４０（窒化アルミニウム粉体）に対向するようにした。また、断熱材２３はカーボン製とし、結晶成長炉１０としては石英チャンバを用いた。
【００３３】
真空ポンプ１５を用いて結晶成長炉１０の内部空間１１を真空引きした後、ガス供給源１３から結晶成長炉１０の内部空間１１に窒素ガスを供給し、内部空間１１を５３．４kPa（４００Torr）の窒素雰囲気とした。単結晶の成長工程の前に、成長坩堝２１を１０００℃で１時間加熱して種結晶５１の表面を清浄にした。
【００３４】
次に、コイル３０に高周波電流を流すことにより成長坩堝２１内の原料４０を加熱し、昇華法によって種結晶５１上に窒化アルミニウムの単結晶５２を成長させた。成長条件は、成長面の温度２２００℃、結晶成長炉１０の内部空間１１の圧力５３．４kPa（４００Torr）、成長時間５０時間とした。種結晶５１の温度が原料４０の温度より約５０℃低くなるように設定した。この種結晶５１の温度と原料４０の温度の差は、成長坩堝２１に対してコイル３０を移動させることにより調整した。
【００３５】
この状態で、ガス供給源６３からガス流路６６に窒素ガスを供給しつつ、窒化アルミニウム単結晶５２を成長させた。このとき、ガス排出口６７での窒素ガスの流速がそれぞれ８cm/s、１５cm/s、３０cm/sとなるように窒素ガスの供給量を変化させた。単結晶５２を成長させた後、成長坩堝２１を室温まで約１００K/hの速さで降温し、窒化アルミニウムの単結晶５２を取り出した。
【００３６】
得られた単結晶５２中に不純物としてカーボンが混入しているかどうかを顕微ラマン散乱測定で確認した。顕微ラマン散乱測定においてカーボンの混入に由来するピークが確認されるかどうかで不純物としてのカーボンが混入しているかの判断を簡易的に行うことができる。表１はその結果を示すものである。
【００３７】
【表１】
2015096457.tif 000003
【００３８】
表１からわかるように、ガス排出口６７での窒素ガスの流速が１５cm/s以上である場合には、不純物の混入量が顕微ラマンの検出限界以下となることを確認した。このように、ガス排出口６７での窒素ガスの流速が１５cm/s以上となるように窒素ガスの供給量を調整すれば、高純度の単結晶５２が得られることがわかった。
【００３９】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００４０】
例えば、上述した実施形態においては、種結晶載置部５０を蓋体２６とは別の部材として設けた例を説明したが、蓋体２６の下面自体を種結晶載置部５０として用いることもできる。また、上述した実施形態においては、コイル３０を用いた高周波加熱により原料４０を昇華させる例について述べたが、原料４０の加熱方法はこれに限られるものではなく、例えば抵抗加熱により原料４０を加熱してもよい。
【００４１】
さらに、上述した実施形態においては、結晶成長炉１０の内部空間１１及び成長坩堝２１と外側坩堝２２との間のガス流路６６に窒素ガスを導入する例を説明したが、例えば炭化珪素の単結晶を作製する場合には、窒素ガスに代えてアルゴンガスなどの不活性ガスを導入してもよく、あるいは窒素ガスにアルゴンガスなどの不活性ガスを混合したガスを導入してもよい。さらに、上述した実施形態では、ガス供給源１３から供給されるガスとガス供給源６３から供給されるガスを同一のものとしたが、異なるガスとすることもできる。
【００４２】
また、上述した実施形態においては、坩堝として成長坩堝２１と外側坩堝２２の２つの坩堝を用いる例を説明したが、これに限られるものではない。３つ以上の坩堝を組み合わせて使用する場合にも本発明は適用できるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１    単結晶製造装置
１０    結晶成長炉
１１    内部空間
１２    ガス導入口
１３    ガス供給源
１４    ガス排出口
１５    真空ポンプ
２０    結晶成長部
２１    成長坩堝
２２    外側坩堝
２２Ａ  底面
２２Ｂ  床面
２２Ｃ  上面
２３    断熱材
２４    支持部
２５    本体部
２６    蓋体
３０    コイル
４０    原料
５０    種結晶載置部
５１    種結晶
５２    単結晶
６０    ガス導入口
６１    孔
６２    流路
６３    ガス供給源
６４    空間
６５    連絡孔
６６    ガス流路
６７    ガス排出口
【図１】
2015096457.tif 000004
【図２】
2015096457.tif 000005
【図３】
2015096457.tif 000006
【図４】
2015096457.tif 000007