(57)【要約】【課題】所望の光吸収特性を有するIII族窒化物単結晶を得ることができるIII族窒化物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、昇華再結晶法を用いて種結晶４の所定領域４ａにＡｌＮ単結晶２を成長させる装置であり、原料３を収容する収容空間１０１を有する容器本体１１と、所定領域４ａが原料３に対向するように種結晶４を保持する蓋体１２と、を有する第１の坩堝１０と、容器本体１１の内側に設けられ、酸素又は炭素の少なくとも一方の濃度を低減させる不純物ゲッター３０と、を備えており、不純物ゲッター３０は、所定領域４ａに対向する第１の開口３１１と、原料３に対向する第２の開口３１２と、を持つ筒型形状を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華再結晶法を用いて下地基板上の所定領域にIII族窒化物単結晶を製造するIII族窒化物単結晶製造装置であって、
原料を収容する収容空間を有する容器本体と、前記所定領域が前記原料に対向するように前記下地基板を保持する蓋体と、を有する坩堝と、
前記収容空間内に設けられ、酸素又は炭素の少なくとも一方の濃度を低減させる不純物ゲッターと、を備え、
前記不純物ゲッターは、前記所定領域に対向する第１の開口と、前記原料に対向する第２の開口と、を持つ筒型形状を有することを特徴とするIII族窒化物単結晶製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物単結晶製造装置であって、
前記不純物ゲッターは、前記第２の開口から前記第１の開口に向かって内径が縮径するテーパ筒型形状、又は、前記第１の開口の内径と前記第２の開口の内径とが実質的に同一である直筒型形状を有することを特徴とするIII族窒化物単結晶製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のIII族窒化物単結晶製造装置であって、
前記不純物ゲッターは、ジルコニウムを含むことを特徴とするIII族窒化物単結晶製造装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のIII族窒化物単結晶製造装置であって、
前記蓋体は、前記容器本体の上部開口を覆うと共に、前記下地基板を保持する蓋部材を有しており、
前記蓋部材は、前記所定領域に対応した貫通開口を有することを特徴とするIII族窒化物単結晶製造装置。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載のIII族窒化物単結晶製造装置であって、
前記蓋体は、前記容器本体の上部開口を覆っており、
前記下地基板は、前記蓋体の内側面に取り付けられていることを特徴とする特徴とするIII族窒化物単結晶製造装置。
【請求項６】
昇華再結晶法を用いて、下地基板上の所定領域にIII族窒化物単結晶を製造する製造方法であって、
原料を収容する収容空間を有する容器本体、及び、前記所定領域が前記原料に対向するように前記下地基板を保持する蓋体を有する坩堝と、前記収容空間内に設けられ、酸素又は炭素の少なくとも一方の濃度を低減させる不純物ゲッターと、を備えた製造装置を準備する第１の工程と、
前記坩堝を加熱することにより前記原料から発生する昇華ガスを、前記不純物ゲッターを介して前記所定領域に到達させて前記III族窒化物単結晶を成長させる第２の工程と、を有することを特徴とするIII族窒化物単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇華再結晶法によって窒化アルミニウム（ＡＩＮ）単結晶等のIII族窒化物単結晶を製造する製造装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
耐熱性や耐腐食性の高いタングステンやタンタル等の反応物から形成される坩堝に原料を入れて加熱し、当該原料を昇華させることによって窒化アルミニウム単結晶を製造する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１３２０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術では、使用した原料の純度や、単結晶成長時における当該単結晶周辺の酸素の影響等により、製造した単結晶においてカーボンや酸素等の不純物濃度が高まるため、所望の光吸収特性を有する単結晶を得ることができない場合があるという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、所望の光吸収特性を有するIII族窒化物単結晶を得ることができるIII族窒化物単結晶製造装置及び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】
【０００６】
［１］本発明に係るIII族窒化物単結晶製造装置は、昇華再結晶法を用いて下地基板上の所定領域にIII族窒化物単結晶を製造するIII族窒化物単結晶製造装置であって、原料を収容する収容空間を有する容器本体と、前記所定領域が前記原料に対向するように前記下地基板を保持する蓋体と、を有する坩堝と、前記収容空間内に設けられ、酸素又は炭素の少なくとも一方の濃度を低減させる不純物ゲッターと、を備え、前記不純物ゲッターは、前記所定領域に対向する第１の開口と、前記原料に対向する第２の開口と、を持つ筒型形状を有することを特徴とする。
【０００７】
［２］上記発明において、前記不純物ゲッターは、前記第２の開口から前記第１の開口に向かって内径が縮径するテーパ筒型形状、又は、前記第１の開口の内径と前記第２の開口の内径とが実質的に同一である直筒型形状を有していてもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記不純物ゲッターは、ジルコニウムを含んでいてもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記蓋体は、前記容器本体の上部開口を覆うと共に、前記下地基板を保持する蓋部材を有しており、前記蓋部材は、前記所定領域に対応した貫通開口を有していてもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記蓋体は、前記容器本体の上部開口を覆っており、前記下地基板は、前記蓋体の内側面に取り付けられていてもよい。
【００１１】
［６］本発明に係るIII族窒化物単結晶の製造方法は、昇華再結晶法を用いて、下地基板上の所定領域にIII族窒化物単結晶を製造する製造方法であって、原料を収容する収容空間を有する容器本体、及び、前記所定領域が前記原料に対向するように前記下地基板を保持する蓋体を有する坩堝と、前記収容空間内に設けられ、酸素又は炭素の少なくとも一方の濃度を低減させる不純物ゲッターと、を備えた製造装置を準備する第１の工程と、前記坩堝を加熱することにより前記原料から発生する昇華ガスを、前記不純物ゲッターを介して前記所定領域に到達させて前記III族窒化物単結晶を成長させる第２の工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、下地基板の所定領域に対向する第１の開口を有する筒型形状の不純物ゲッターが坩堝の収容空間内に設けられている。このため、III族窒化物単結晶の成長時において、昇華ガスから不純物を取り除くことが可能となり、製造するIII族窒化物単結晶中の不純物濃度を低減させることができるため、所望の光吸収特性を有するIII族窒化物単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態におけるIII族窒化物単結晶製造装置を示す概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態におけるIII族窒化物単結晶製造装置の第１坩堝、第２の坩堝及び不純物ゲッターを示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態におけるIII族窒化物単結晶製造装置の第１の坩堝、不純物ゲッター及び支持部を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態におけるIII族窒化物単結晶製造装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
<<第１実施形態>>
図１は本実施形態におけるIII族窒化物単結晶製造装置を示す概略構成図であり、図２は本実施形態における坩堝及び不純物ゲッターを示す断面図である。
【００１６】
本実施形態における単結晶製造装置１は、昇華再結晶法（改良レーリー法）によって窒化アルミニウム（ＡＩＮ）単結晶２（以下、ＡＩＮ単結晶２と称する。）を製造する装置である。具体的には、高温領域で原料を加熱して昇華させ、低温領域に設けられた種結晶４上で当該昇華ガスを再凝縮させることによりＡＩＮ単結晶２を製造する。本実施形態における種結晶４が本発明における下地基板の一例に相当し、本実施形態における単結晶製造装置１が本発明におけるIII族窒化物単結晶製造装置の一例に相当する。
【００１７】
この単結晶製造装置１は、図１に示すように、原料３を収容する第１の坩堝１０と、第１の坩堝１０を収容する第２の坩堝２０と、第１の坩堝１０内に設けられた不純物ゲッター３０と、第２の坩堝２０を覆う断熱容器４０と、断熱容器４０に覆われた第１及び第２の坩堝１０、２０を収容する結晶成長炉５０と、結晶成長炉５０内に窒素ガスを供給するガス供給装置６０と、結晶成長炉５０内を減圧する減圧装置７０と、結晶成長炉５０の外側に配置された誘導コイル８０と、坩堝１０、２０の温度を測定する第１の温度計９１及び第２の温度計９２と、を備えている。
【００１８】
第１の坩堝１０は、図２に示すように、容器本体１１と蓋体１２とを備えている。容器本体１１は、円筒状の筒部１１１および筒部１１１の下端を塞ぐ底部１１２によって形成される収容空間１０１を有している。筒部１１１は、下筒部１１１ａと、上端に上部開口１１３を有する上筒部１１１ｂと、から構成されており、それら下筒部１１１ａと上筒部１１１ｂとの間には不純物ゲッター３０のフランジ部３２が挟まれている。本実施形態における下筒部１１１ａと上筒部１１１ｂは、互いに略等しい内径及び厚さを有しているが、それらの上下筒部１１１ａ、１１１ｂが互いに異なる内径及び厚さを有していてもよい。この容器本体１１の収容空間１０１には原料３が収容されている。原料３の具体例としては、窒化アルミニウムの粉末や焼結体を挙げることができる。
【００１９】
本実施形態における蓋体１２は、第１の坩堝１０の上部開口１１３を覆う第１の蓋部材１３と、種結晶４を介して当該第１の蓋部材１３の上方に設けられた第２の蓋部材１４と、を有している。
【００２０】
第１の蓋部材１３は、中央部に円形状の貫通開口１３１が設けられた平板ドーナツ状であり、第１の坩堝１０の上部開口１１３を覆うように第１の坩堝１０の容器本体上に設けられている。この第１の蓋部材１３は、容器本体１１に載置されているだけであり、当該容器本体１１及び第１の蓋部材１３で閉じられた領域は、流体の出入りが容易な準密閉構造となっている。このため、結晶成長炉５０内に導入された窒素ガス等が当該領域内に流入することが可能となっている。この第１の蓋部材１３は、当該第１の蓋部材１３の上面で種結晶４を保持しており、ＡｌＮ単結晶の製造時には、図２に示すように、種結晶４における貫通開口１３１に対応する領域（以下、所定領域４ａとも称する。）に当該ＡｌＮ単結晶２が形成される。本実施形態における第１の蓋部材１３が本発明の蓋部材の一例に相当する。
【００２１】
第２の蓋部材１４は、容器本体１１に対応する径の円板形状を有しており、種結晶４の上面を覆うように設けられている。なお、第２の蓋部材１４を省略してもよく、この場合には、第１の蓋部材１３の貫通開口１３１を覆うように種結晶４のみを当該第１の蓋部材１３上に載置することとなる。
【００２２】
本実施形態において、第１の坩堝１０を構成する材料としては、ＡｌＮ単結晶２の結晶成長時（２０００［℃］程度）において、窒化アルミニウムの昇華ガスによる腐食を受けないものが好ましく、この様な材料としては、モリブデン、タングステン、タンタル、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、炭化モリブデン、炭化タングステン、炭化タンタル等を例示することができる。
【００２３】
種結晶４は、第１の蓋部材１３の貫通開口１３１の径よりも大きな外径を有する円板形状であり、当該貫通開口１３１を塞ぐように第１の坩堝１０上に載置されている。第２の蓋部材１４及び種結晶４は、第１の蓋部材１３によって支持されていると共に、種結晶４の所定領域４ａは第１の蓋部材１３の貫通開口１３１を介して原料３に対向している。
【００２４】
種結晶４の具体例としては、ＡｌＮ単結晶や、バッファー層を有する結晶（例えば、ＡｌＮ／ＳｉＣ単結晶（ＳｉＣ単結晶上に膜厚２００〜５００［μｍ］程度のＡｌＮ単結晶膜をヘテロ成長させた単結晶））等から構成される板状又は円板状の基板を挙げることができる。なお、種結晶４の種類は、製造するIII族窒化物単結晶と同種であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態における第２の坩堝２０は、容器本体２１と蓋体２２とを有している。容器本体２１は、筒形状の筒部２１１と、当該筒部２１１の下側を塞ぐ底部２１２と、から構成されている。上述した第１の坩堝１０は、図２に示すように、第２の坩堝２０の筒部２１１内に収まっていると共に第２の坩堝２０の底部２１２上に設置されている。
【００２６】
また、第２の坩堝２０の底部２１２には、図２に示すように、後述する第１の温度計９１の視路を確保するための円形の開口２１２ａが設けられている。また、蓋体２２には、後述する第２の温度計９２の視路を確保するための円形の開口２２ａが設けられている。これらの開口２１２ａ、２２ａは、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さな内径（例えば１０［ｍｍ］程度）を有している。
【００２７】
第２の坩堝２０を構成する材料としては、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長時の温度（２０００［℃］程度）において耐熱性を有する材料であればよい。この様な材料としては、例えば、黒鉛、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、炭化珪素、窒化珪素、モリブデン、タングステン、タンタル、炭化モリブデン、炭化ジルコニウム、炭化タングステン、炭化タンタル、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、及び窒化タンタル等を挙げることができる。これらの中でも、耐熱性及び加工の容易性から黒鉛を用いることが好ましい。
【００２８】
本実施形態における不純物ゲッター３０は、第１の坩堝１０における容器本体１１の収容空間１０１に設けられており、ジルコニウム（Ｚｒ）から構成されている。なお、不純物ゲッター３０を構成する材料は、特に上記に限定されない。例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）等から不純物ゲッター３０を構成してもよい。因みに、これらの中でも、ＡｌＮ単結晶製造時における不純物回収効果の観点から、ジルコニウム（Ｚｒ）を用いて不純物ゲッター３０を構成することが好ましい。
【００２９】
不純物ゲッター３０は、図２に示すように、筒型形状のテーパ筒部３１とフランジ部３２とを有している。テーパ筒部３１は、図２中の上部に第１の開口３１１を有していると共に下部に第２の開口３１２とを有しており、第１の開口３１１の径は第２の開口３１２の径よりも小さくなっている。また、第１の開口３１１は、第２の蓋部材１４に取り付けられた種結晶４の所定領域４ａに、第１の蓋部材１３の貫通開口１３１を介して対向している。この第１の開口３１１の形状は、種結晶４の所定領域４ａの形状に対応する円形状となっている。
【００３０】
本実施形態における不純物ゲッター３０のテーパ筒部３１は、第２の開口３１２から第１の開口３１１に向かって直線状に縮径する円錐筒状である。なお、テーパ筒部３１の形状は特にこれに限定されず、例えば、第２の開口３１２から第１の開口３１１に向かって曲線状に縮径する形状であってもよい。
【００３１】
不純物ゲッター３０のフランジ部３２は、テーパ筒部３１の第２の開口３１２に沿って当該第２の開口３１２の水平方向外側に環状に形成されており、フランジ部３２の長さ（図２中の横幅）は、第１の坩堝１０の筒部１１１の幅（厚さ）と略等しくなっている。本実施形態の不純物ゲッター３０において、テーパ筒部３１とフランジ部３２は一体的に形成されているが、テーパ筒部３１とフランジ部３２とがそれぞれ独立して形成されていてもよい。
【００３２】
この不純物ゲッター３０は、図２に示すように、フランジ部３２が、第１の坩堝１０の筒部１１１における下筒部１１１ａと上筒部１１１ｂとの間で挟まれている。これにより、不純物ゲッター３０の第１の開口３１１が、第１の蓋部材１３を介して種結晶４の所定領域４ａに対向した状態で保持されていると共に、第２の開口３１２が原料３に対向した状態で保持されている。
【００３３】
また、本実施形態における不純物ゲッター３０では、テーパ筒部３１の第１の開口３１１と第１の坩堝１０における第１の蓋部材１３とは、所定距離Ｄほど互いに離間している。これにより、ＡｌＮ単結晶の製造時において、当該結晶成長後に第１の坩堝１０内に充満する余分なガスを、当該第１の坩堝１０の容器本体１１と第１の蓋部材１３との間から外部に逃がし、ＡｌＮ単結晶の表面に不純物が積層されることを抑制できる。
【００３４】
本実施形態における第２の坩堝２０の周囲には、図２に示すように、外部への放熱を抑制するために断熱容器４０が設けられている。この断熱容器４０を構成する材料としては、炭素繊維を用いた成形断熱材等を例示することができる。
【００３５】
断熱容器４０は、図１に示すように、円筒状の筒部４１と、当該筒部４１の下端を塞ぐ底部４２と、筒部４１の上部を覆う蓋部４３を有している。筒部４１の内径は、第２の坩堝２０の外径よりも大きくなっていると共に、当該筒部４１の高さは、第２の坩堝２０の高さよりも高くなっている。これにより、断熱容器４０の筒部４１は、第２の坩堝２０の筒部２１１を覆っており、断熱容器４０の底部４２は第２の坩堝２０の底部２１２を直接覆っている。また、断熱容器４０の蓋部４３は、第２の坩堝２０の蓋体２２を離れて覆っており、断熱容器４０の蓋部４３と第２の坩堝２０の蓋体２２との間には間隔Ｓが形成されている。こうした間隔Ｓを設けることにより、開口４３１（後述）を介した種結晶４の放熱の均一化を図ることが可能となっている。
【００３６】
断熱容器４０の底部４２には、後述する第１の温度計９１の視路を確保するための円形の開口４２１が形成されている。この開口４２１は、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さな内径（例えば１０［ｍｍ］程度）を有している。
【００３７】
断熱容器４０の蓋部４３にも、後述する第２の温度計９２の視路を確保するための円形の開口４３１が形成されている。なお、この開口４３１の内径も、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さいことが好ましい（例えば１０［ｍｍ］程度）。
【００３８】
図１に示すように、断熱容器４０に覆われた第１及び第２の坩堝１０、２０は、不図示の固定手段を介して結晶成長炉５０内に固定されている。この結晶成長炉５０は、例えば二重構造の透明な石英管から構成されており、その上部にガス導入口５１が設けられていると共に、その下部にガス排出口５２が設けられている。ガス導入口５１には、窒素（Ｎ２）ガス等を供給可能なガス供給装置６０が接続されている。一方、ガス排出口５２には、特に図示しない圧力調整弁を介して真空ポンプ等の減圧装置７０が接続されている。このガス供給装置６０や減圧装置７０を駆動させることで、結晶成長炉５０内の雰囲気を所定の圧力に調整することが可能となっている。
【００３９】
結晶成長炉５０の周囲には誘導コイル８０が配置されている。この誘導コイル８０は、結晶成長炉５０内の第１及び第２の坩堝１０、２０を取り囲んでおり、この誘導コイル８０に高周波電流を通電することで坩堝１０、２０が自己発熱し、これにより原料３及びＡｌＮ単結晶２が所望の温度に加熱される。なお、誘導コイル８０に代えて、抵抗加熱や赤外加熱を利用した加熱手段を用いてもよい。
【００４０】
また、結晶成長炉５０の外側には２つの温度計９１、９２が配置されている。第１及び第２の温度計９１、９２の具体例としては、例えば放射温度計等を例示することができる。この放射温度計９１、９２は、結晶成長炉５０の透明な壁面を介して、第１の坩堝１０から放射される赤外線や可視光線の強度を測定することで当該坩堝１０の温度を検出する。
【００４１】
第１の温度計９１は、断熱容器４０の下部に形成された開口４２１及び第２の坩堝２０の下部に形成された開口２１２ａを介して、結晶成長炉５０内における第１の坩堝１０の底部２１２に対向するように配置されており、当該坩堝１０の下部の温度を測定することが可能となっている。
【００４２】
一方、第２の温度計９２は、断熱容器４０の蓋部４３の開口４３１及び第２の坩堝２０の上部に形成された開口２２ａを介して、結晶成長炉５０内の第１の坩堝１０の第２の蓋部材１４の上面に対向するように配置されており、当該坩堝１０の上部の温度を測定することが可能となっている。つまり、本実施形態では、第１の温度計９１によって原料３の温度を測定し、第２の温度計９２によって種結晶４の温度を測定する。
【００４３】
次に、以上に説明した単結晶製造装置１を用いたＡｌＮ単結晶２の製造方法について説明する。
【００４４】
先ず、第２の坩堝２０の容器本体２１内に、第１の坩堝１０の容器本体１１における底部１１２及び下筒部１１１ａを設置する。次いで、窒化アルミニウム粉末等の原料３を、当該第１の坩堝１０内にセットする。この際、原料３の上面の高さは下筒部１１１ａの上端以下となるようにする。次いで、下筒部１１１ａの上にフランジ部３２が位置するよう不純物ゲッター３０を設置し、当該フランジ部３２の上に上筒部１１１ｂを設置する。続いて、当該上筒部１１１ｂの上に第１の蓋部材１３を設置した後、種結晶４が貼り付けられた第２の蓋部材１４を第１の蓋部材１３に設置する。これにより、原料３が第１の坩堝１０内に収容されると共に、当該原料３に対向するように種結晶４が第１の坩堝１０内に保持される。
【００４５】
なお、蓋体１２の第２の蓋体１４に貼り付ける種結晶４は、図２中下側の主面（原料３に対向する主面）がＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により鏡面研磨仕上げされていることが好ましく、図２中の上下両方の主面が鏡面研磨仕上げされていることが更に好ましい。
【００４６】
その後、第１及び第２の坩堝１０、２０を、断熱容器４０の底部４２に設置した後、蓋部４３を筒部４１に向かって押し込むことにより、断熱容器４０内の流体が出入り容易な準密閉状態とする。
【００４７】
次いで、断熱容器４０で覆った第１及び第２の坩堝１０、２０を結晶成長炉５０内に設置する（第１の工程）。そして、減圧装置７０を駆動させてガス排出口５２を介して結晶成長炉５０内の大気を除去し、当該結晶成長炉５０内を真空引きする。次いで、ガス供給装置６０を駆動させ、ガス導入口５１を介して結晶成長炉５０内に窒素ガスを導入して結晶成長炉５０内を４５０［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧すると共に、種結晶４を１０００［℃］で１時間程度加熱して当該種結晶４の表面を清浄にする。
【００４８】
次いで、誘導コイル８０に高周波電流を通電して坩堝２０を発熱させることで、原料３及び種結晶４を加熱すると共に結晶成長炉５０内を昇圧する。この時の種結晶４の温度は１７００［℃］〜２３００［℃］であることが好ましく、圧力は４５０［ｔｏｒｒ］〜７６０［ｔｏｒｒ］であることが好ましい。
【００４９】
この際、第１の坩堝１０の上部と下部の温度は、上述の第１及び第２の温度計９１、９２によってそれぞれ測定し、第１の坩堝１０の上部温度（すなわち種結晶４の温度）が、第１の坩堝１０の下部温度（すなわち原料３の温度）よりも３０［℃］程度低くなるようにする。なお、このような温度調整は、例えば、第１の坩堝１０に対する誘導コイル８０の位置を調整することにより行う。
【００５０】
第１の坩堝１０の温度が上記の設定温度に達したら、減圧装置７０によって結晶成長炉５０内を１００［ｔｏｒｒ］〜６００［ｔｏｒｒ］に減圧する。この減圧により、ＡｌＮ単結晶２の成長が始まる。例えば、窒化アルミニウム単結晶の製造時には、下記の（１）式及び（２）式に示すように、上述の第１及び第２の坩堝１０、２０の上部と下部の間に設定された温度勾配によって、原料３から発生した昇華ガスが、種結晶４の所定領域４ａに向かって移送され、当該種結晶４上で再結晶化しＡｌＮ単結晶２が成長する（第２の工程）。
【００５１】
２ＡｌＮ（ｓ）  →  ２Ａｌ（ｇ）＋Ｎ２（ｇ）  …（１）
２Ａｌ（ｇ）＋Ｎ２（ｇ）  →  ２ＡｌＮ（ｓ）  …（２）
【００５２】
一般に、ＡｌＮ単結晶２を成長させる際の第１の坩堝１０内の温度において、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の標準生成エネルギーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の標準生成エネルギーよりも小さい。このため、第１の坩堝１０内において下記（３）式が進行し、種結晶４の所定領域４ａに到達する昇華ガスに含まれる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の量を低減することができる（酸素吸収効果）。
Ｚｒ＋Ｏ２  →  ＺｒＯ２  …（３）
【００５３】
また、ＡｌＮ単結晶２を成長させる際の第１の坩堝１０内の温度において、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）の標準生成エネルギーは、炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）の標準生成エネルギーよりも小さい。このため、第１の坩堝１０内において下記（４）式が進行し、種結晶４の所定領域４ａに到達する昇華ガスに含まれる炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）の量を低減することができる（炭素吸収効果）。
Ｚｒ＋Ｃ  →  ＺｒＣ  …（４）
【００５４】
これら酸素吸収効果及び炭素吸収効果により、製造するＡｌＮ単結晶に含まれる不純物（Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ４Ｃ３）の量を低減し、所望の光吸収特性を有するＡｌＮ単結晶を製造することができる。
【００５５】
特に、本実施形態においては、図２に示すように、不純物ゲッター３０が第１の坩堝１０における容器本体１１の収容空間１０１内に設けられている。当該不純物ゲッター３０は、第２の開口３１２から第１の開口３１１に向かって縮径する形状のテーパ筒部３１を有しており、第１の開口３１１は種結晶４の所定領域４ａに対向している。そして、当該第１の開口３１１は種結晶４の所定領域４ａと対応した形状となっている。これにより、ＡｌＮ単結晶製造時における原料３からの昇華ガスは、不純物ゲッター３０のテーパ筒部３１の形状に沿って上昇するため、酸素吸収効果および炭素吸収効果を効率的に奏することができる。
【００５６】
なお、不純物ゲッター３０が、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、又は酸化バリウム（ＢａＯ）等の二価の酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一種類の材料等の添加物を含んでいてもよい。この場合には、不純物ゲッター３０に高い靭性を付与することができると共に、温度変化に伴う不純物ゲッター３０の体積変化を軽減し、不純物ゲッター３０にクラックが発生することを抑制できる。
【００５７】
ＡｌＮ単結晶２の成長を停止させる場合には、ガス導入口５１から窒素ガスを結晶成長炉５０内に供給して結晶成長炉５０内を７００［ｔｏｒｒ］程度まで昇圧させた後に、誘導コイル８０への通電を停止して原料３及び種結晶４を室温まで自然冷却又は一定速度（例えば１００［℃／ｈｒ］）で降温し、成長したＡｌＮ単結晶２を第１の坩堝１０から取り出す。
【００５８】
<<第２実施形態>>
図３は、本実施形態における第１の坩堝、不純物ゲッター、及び支持部を示す断面図である。第２実施形態における単結晶製造装置は、不純物ゲッター３０Ｂの形状が第１実施形態の酸素ゲッター３０と異なると共に、当該不純物ゲッター３０Ｂが収容空間１０１内で支持部３３によって支持されていること以外は、上述した第１実施形態と同様である。このため、第１実施形態と相違する部分についてのみ説明し、第１実施形態と同一である部分については、第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
本実施形態における不純物ゲッター３０Ｂは、図３に示すように、第１の開口３１１の内径と第２の開口３１２Ｂの内径とが実質的に同一である直筒型形状であり、当該開口３１１、３１２Ｂの間において略一定の厚さを有している。この不純物ゲッター３０Ｂは、第１実施形態で説明した不純物ゲッター３０と同様の材料から構成されている。不純物ゲッター３０Ｂの第１の開口３１１は、第１の蓋部材１３を介して種結晶４の所定領域４ａに対向していると共に、当該種結晶４の所定領域４ａに対応した円形状を有している。一方、不純物ゲッター３０Ｂの第２の開口３１２Ｂは、原料３に対向している。
【００６０】
本実施形態における不純物ゲッター３０Ｂも、第１の開口３１１と第１の坩堝１０の第１の蓋部材１３とは、所定距離Ｄほど互いに離間している。これにより、ＡｌＮ単結晶の表面に不純物が積層されることを抑制できる。この不純物ゲッター３０Ｂは、支持部３３上に設置されている。
【００６１】
支持部３３は、中心に開口３３１が形成された平板ドーナツ状を有しており、例えば、第１の坩堝１０を構成する材料と同様の材料から形成されている。開口３３１の径は不純物ゲッター３０Ｂにおける第２の開口３１２Ｂの内径に対応していると共に、支持部３３の外径は第１の坩堝１０の容器本体１１の径に対応している。この支持部３３は、第１の坩堝１０の下筒部１１ａと上筒部１１ｂとの間に挟まれて保持されている。
【００６２】
本実施形態における単結晶製造装置を用いてＡｌＮ単結晶２を製造する際は、まず、第２の坩堝２０の容器本体２１における底部１１２及び下筒部１１１ａを設置する。次いで、窒化アルミニウム粉末等の原料３を、当該第１の坩堝１０内にセットする。この際、原料３の上面の高さは下筒部１１１ａの上端以下となるようにする。次いで、下筒部１１１ａの上に支持部３３を設置した後、支持部３３の上に不純物ゲッター３０Ｂを設置する。この際、支持部３３の開口３３１が不純物ゲッター３０Ｂの第２の開口３１２Ｂに対応するように配置する。続いて、支持部３３の上に上筒部１１１ｂを設置する。その後は、第１実施形態で説明した単結晶製造装置１と同様にしてＡｌＮ単結晶２を製造する。
【００６３】
本実施形態における単結晶製造装置においても、ＡｌＮ単結晶製造時における原料３からの昇華ガスが不純物ゲッター３０Ｂを通過する際に、酸素吸収効果及び炭素吸収効果を奏することができる。このため、所望の光吸収特性を有するＡｌＮ単結晶２を製造することができる。
【００６４】
また、不純物ゲッター３０Ｂが、上述した酸化カルシウム（ＣａＯ）等の添加物を含む場合には、不純物ゲッター３０Ｂに高い靭性を付与することができると共に、温度変化に伴う不純物ゲッター３０Ｂの体積変化を軽減し、不純物ゲッター３０Ｂにクラックが発生することを抑制できる。
【００６５】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００６６】
例えば、図４に示すように、第１実施形態で説明した単結晶製造装置１から第１の蓋部材１３を省略してもよい。この場合には、第１の坩堝１０の第２の蓋部材１４の内側面１４１に種結晶４が接着剤で取り付けられた状態で、第１の坩堝１０の上筒部１１１ｂの上部開口１１３を直接覆うように、当該第２の蓋部材１４が上筒部１１１ｂ上に設置される。このような接着剤としては、樹脂、無機化合物系セラミックス、黒鉛を主成分とした高温用接着剤等を例示することができる。この場合においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６７】
また、例えば、第２の坩堝２０を省略して第１の坩堝１０のみから構成される坩堝構造を採用してもよいし、第２の坩堝２０を第３の坩堝内に収容した三重坩堝構造を採用してもよい。
【００６８】
また、上述の実施形態では、III族窒化物単結晶として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶を製造する装置及び方法について説明したが、特にこれに限定されず、窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶や、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）単結晶を製造する装置及び方法に本発明を適用してもよい。
【００６９】
また、上述の実施形態では、第１の坩堝１０における蓋体１２の第２の蓋体１４に取り付けられた種結晶４を用いてIII族窒化物単結晶を製造する装置及び方法について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、種結晶４に代えて、製造するIII族窒化物単結晶とは異なる表面材料から構成される下地基板を第２の蓋体１４に取り付け、当該下地基板上でIII族窒化物単結晶を成長させる装置及び方法に本発明を適用してもよい。
【実施例】
【００７０】
以下に、本発明をさらに具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した実施形態における酸素吸収効果及び炭素吸収効果を確認するためのものである。
【００７１】
＜実施例１＞
実施例１では、第１実施形態で説明した図１に示すような単結晶製造装置を作製した。
【００７２】
具体的には、第１の坩堝１０を構成する材料として炭化タンタルを使用し、第２の坩堝２０を構成する材料として高純度黒鉛を使用した。また、種結晶４は、（０００１）面を成長面とする直径２５ｍｍの円板上の窒化アルミニウム単結晶基板を用いた。不純物ゲッター３０を構成する材料としてはジルコニウム（Ｚｒ）を使用し、テーパ筒部３１の形状は、第１の開口３１１を直径２６ｍｍの円形状の開口とし、第２の開口３１２を直径５０ｍｍの円形状の開口とし、高さを４ｍｍとする形状とした。
【００７３】
ＡｌＮ単結晶を成長させる際は、まず、結晶成長炉５０内を十分に真空排気した後、窒素ガス等のプロセスガスを導入し、圧力を１００〜６００［ｔｏｒｒ］に設定した。圧力が安定した後、誘導コイル８０による誘導加熱により、種結晶４の温度を１７００〜２２００［℃］、原料３の温度を１８００〜２２００［℃］に設定し、１００時間の成長を行った後、室温まで徐冷し、ＡｌＮ単結晶を厚さ５mmまで成長させた。なお、昇温速度は３０［℃ / min］とし、降温速度は１０［℃ / min］とした。この様にして得られたＡｌＮ単結晶を評価サンプルとして用いた。
【００７４】
以上に説明した実施例１の評価サンプルについて、炭素濃度と酸素濃度の測定を行った。炭素濃度及び酸素濃度の測定は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry、ＣＡＭＥＣＡ社製）を用いた。本例では、一次イオン種としてはＣｓ＋を用い、一次イオンの加速電圧は１４．５［ｋＶ］の条件で、ＡｌＮ単結晶の表面における元素（Ｃ、Ｏ）の分布量を測定した。
【００７５】
＜実施例２＞
実施例２では、第２実施形態で説明した図３に示すような形状の不純物ゲッター３０Ｂ及び支持部３３を用いたこと以外は、実施例１と同様にして単結晶製造装置を作製した。不純物ゲッター３０Ｂを構成する材料としてはジルコニウム（Ｚｒ）を使用し、支持部３３としては炭化タンタルを使用した。不純物ゲッター３０Ｂの形状は、第１及び第２の開口３１１、３１２Ｂの内径を２６ｍｍとし、高さを４ｍｍとする円筒形状とした。
【００７６】
この単結晶製造装置を用いて作製した評価サンプル（ＡｌＮ単結晶）についても、実施例１と同様にして炭素濃度および酸素濃度の測定を行った。
【００７７】
＜実施例３＞
実施例３では、不純物ゲッターの材料として窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして単結晶製造装置を作製した。
【００７８】
この単結晶製造装置を用いて作製した評価サンプル（ＡｌＮ単結晶）についても、実施例１と同様にして炭素濃度および酸素濃度の測定を行った。
【００７９】
＜比較例１＞
比較例１では、炭化タンタルを用いて、不純物ゲッター３０と同一形状の擬似ゲッターを作製し、当該擬似ゲッターを不純物ゲッター３０に代えて設置したこと以外は、実施例１と同様にして単結晶製造装置を作製した。
【００８０】
この単結晶製造装置を用いて作製した評価サンプル（ＡｌＮ単結晶）についても、実施例１と同様にして炭素濃度および酸素濃度の測定を行った。
【００８１】
実施例１、実施例２、実施例３、及び比較例１のそれぞれの測定結果を表１に示す。
【表１】
2015168600.tif 000003
【００８２】
表１に示す結果によると、実施例１の評価サンプルでは、炭素濃度および酸素濃度が比較例１の評価サンプルに比べて有意に減少していることが分かった。また、実施例２及び実施例３の評価サンプルでは、酸素濃度が比較例１の評価サンプルに比べ有意に減少していることが分かった。
【００８３】
以上のように、実施例１における単結晶製造装置で作製したＡｌＮ単結晶では、不純物としての炭素及び酸素が減少していることが確認された。また、実施例２及び実施例３における単結晶製造装置でそれぞれ作製したＡｌＮ単結晶では、不純物としての酸素が減少していることが確認された。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・単結晶製造装置
２・・・窒化アルミニウム単結晶
３・・・原料
４・・・種結晶
４ａ・・・所定領域
１０・・・第１の坩堝
１１・・・容器本体
１１１・・・筒部
１１２・・・底部
１１３・・・上部開口
１２・・・蓋体
１３・・・第１の蓋部材
１３１・・・貫通開口
１４・・・第２の蓋部材
１４１・・・内側面
２０・・・第２の坩堝
２１・・・容器本体
２１１・・・筒部
２１２・・・底部
２２・・・蓋体
３０、３０Ｂ・・・不純物ゲッター
３１・・・テーパ筒部
３１１・・・第１の開口
３１２、３１２Ｂ・・・第２の開口
３２・・・フランジ部
３３・・・支持部
４０・・・断熱容器
５０・・・結晶成長炉
６０・・・ガス供給装置
７０・・・減圧装置
８０・・・誘導コイル
９１・・・第１の温度計
９２・・・第２の温度計
【図１】
2015168600.tif 000004
【図２】
2015168600.tif 000005
【図３】
2015168600.tif 000006
【図４】
2015168600.tif 000007