(57)【要約】【課題】フラックス法における外部容器の雰囲気の内部容器内への拡散防止。【解決手段】高温に適応し、耐圧性を有しない反応容器１００と、高温高圧に適応する外部容器２００の開閉可能な二重容器を用い、外部容器内に配置した加熱装置３１ａ、３１ｂ及び３１ｃで反応容器１００を加熱する。反応容器１００には窒素供給管１０と排出管１１とが接続されている。窒素供給管１０にはバルブ１０ｖが接続され、その他端は高圧の窒素タンクに接続されている。排出管１１にはトラップ１１ｔが接続されており、任意の方法で冷却することにより、ナトリウム蒸気とガリウム蒸気を凝結させて排気から除去する。また、トラップ１１ｔには２次供給管１１’が接続されており、ナトリウム蒸気とガリウム蒸気を除去した排気は外部容器２００に供給される。一方、外部容器２００には排出管２１が接続され、バルブ２１ｖを介して図示しない排気ポンプに接続されている。【選択図】図１
2007277059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体の製造装置であって、
III族金属とそれとは異なる金属とを溶融した状態で保持する反応容器と、
当該反応容器とそれを加熱する加熱装置とを内部に有する外部容器とを有し、
当該外部容器内の雰囲気が前記反応容器内に拡散しないことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項２】
前記反応容器の圧力を前記外部容器の圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項３】
前記反応容器と前記外部容器との差圧が５ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項４】
前記外部容器の外側から前記反応容器内に少なくとも窒素を含む気体を供給するための供給管と当該反応容器からの排気のための排出管を有し、
前記排出管は、前記外部容器に窒素を含む気体を供給するための配管に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項５】
前記外部容器の圧力保持中に前記反応容器に供給する少なくとも窒素を含む気体の流量が１〜２００ｍｌ／分であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項６】
前記排出管内部と前記外部容器に少なくとも窒素含む気体を供給するための配管内部に、III族金属及びそれとは異なる前記金属が付着しないことを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項７】
前記排出管と前記外部容器に少なくとも窒素を含む気体を供給するための配管との間に、III族金属及びそれとは異なる前記金属を吸着除去又はトラップするための器具が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項８】
前記排出管と前記外部容器に少なくとも窒素を含む気体を供給するための配管をIII族金属及びそれとは異なる前記金属の蒸気の温度よりも高温に保持することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【請求項９】
III族金属がガリウム（Ｇａ）であり、それとは異なる前記金属がナトリウム（Ｎａ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体の製造方法及び製造装置に関する。本発明は例えばＮａとＧａの混合物を溶融した状態を保持してその表面に窒素を供給し、ＧａＮ種結晶表面にＧａＮを成長させる、いわゆるフラックス法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるフラックス法による窒化ガリウム(ＧａＮ）その他のIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方法は下記特許文献等に報告されている。これは、例えば、溶融ナトリウム（Ｎａ）中にガリウム（Ｇａ）を溶解させて８００℃程度に保ち、１００気圧程度の高圧下で窒素と反応させて、窒化ガリウム(ＧａＮ）を種結晶表面に結晶成長させるものである。例えば図２のIII族窒化物系化合物半導体製造装置９００のように、高温に適応し、耐圧性を有しない反応容器１００と、高温高圧に適応する外部容器２００の開閉可能な二重容器を用い、外部容器内に配置した加熱装置３１ａ、３１ｂ及び３１ｃで反応容器１００を加熱して、反応容器１００内部のナトリウム（Ｎａ）及びガリウム（Ｇａ）を溶融させる。反応容器１００には窒素供給管１０と排出管１１とが接続されており、図示しない制御装置により反応容器１００内部が例えば１００気圧となるように調整しながら窒素の給排気が行われる。
【特許文献１】特開２００１−０５８９００号公報
【特許文献２】特開２００３−３１３０９９号公報
【０００３】
さて、図２に示す通り、外部容器２００についても、反応容器１００との差圧を小さくするため、供給管２０と排出管２１を設けて、加圧状態とできるようになっている。フラックス法においては、通常、供給管２０から供給される気体は供給管１０から供給される気体と同じ窒素とすることが一般的である。また、排出管１１及び２１後段には図示しない排気ポンプが接続される。こうして、反応容器１００については供給管１０と排出管１１各々に設けられたバルブ１０ｖ及び１１ｖ、外部容器２００については供給管２０と排出管２１各々に設けられたバルブ２０ｖ及び２１ｖの開閉により、それぞれ別個に排気及び窒素供給が行えるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、加熱装置３１ａ乃至３１ｃは塵埃や酸素、水分、有機物などの不純物を出しやすく、外部容器２００内部の塵埃や酸素、水分、有機物などの不純物が拡散により反応容器１００に吸入されてしまうことは避けなければならない。塵埃が種となって、そこに望まない結晶成長生じうるからである。即ち、反応容器１００を低圧とし、その外側の外部容器２００内を高圧とする状態は好ましくない。また、逆に、反応容器１００を高圧とし、その外側の外部容器２００内を低圧とする状態が長時間続くと、反応容器１００が膨張する結果、反応終了後に反応容器１００を開封しにくくなるという問題もある。
【０００５】
そこで本発明は、III族金属とそれとは異なる金属とを溶融した状態で保持する例えば坩堝を収容する反応容器と、当該反応容器とそれを加熱する例えば加熱装置とを内部に有する外部容器の二重容器を用いるIII族窒化物系化合物半導体の製造装置において、外部容器内の雰囲気が反応容器内に拡散しないことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造装置であって、III族金属とそれとは異なる金属とを溶融した状態で保持する反応容器と、当該反応容器とそれを加熱する加熱装置とを内部に有する外部容器とを有し、当該外部容器内の雰囲気が反応容器内に拡散しないことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造装置である。また、請求項２に係る発明は、更に反応容器の圧力を外部容器の圧力よりも高くすることを特徴とする。また、請求項３に係る発明は、更に反応容器と外部容器との差圧が５ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に係る発明は、外部容器の外側から反応容器内に少なくとも窒素を含む気体を供給するための供給管と当該反応容器からの排気のための排出管を有し、排出管は、外部容器に窒素を含む気体を供給するための配管に接続されていることを特徴とする。窒素を含む気体とは、窒素分子及び／又は窒素化合物の気体を含む単一又は混合気体を言い、例えば希ガス等の不活性ガスを任意割合で含んでいても良い。請求項５に係る発明は、外部容器の圧力保持中に反応容器に供給する少なくとも窒素を含む気体の流量が１〜２００ｍｌ／分であることを特徴とする。
【０００８】
請求項６に係る発明は、排出管内部と外部容器に少なくとも窒素含む気体を供給するための配管内部に、III族金属及びそれとは異なる金属が付着しないことを特徴とする。請求項７に係る発明は、排出管と外部容器に少なくとも窒素を含む気体を供給するための配管との間に、III族金属及びそれとは異なる金属を吸着除去又はトラップするための器具が設けられていることを特徴とする。請求項８に係る発明は、排出管と外部容器に少なくとも窒素を含む気体を供給するための配管をIII族金属及びそれとは異なる金属の蒸気の温度よりも高温に保持することを特徴とする。
【０００９】
請求項９に係る発明は、III族金属がガリウム（Ｇａ）であり、それとは異なる金属がナトリウム（Ｎａ）であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、反応容器内部が、その外側である外部容器内部に対して若干の陽圧であるように保てるので、外部容器内部の塵埃、酸素、水分、有機物などの不純物が反応容器内部に侵入することは無い。またその陽圧の程度が小さいので、反応容器が膨張して開閉が困難となることも無い。また、反応容器内部と、その外側である外部容器内部とを同時に排気及び窒素供給ができるので、素早くガス導入が可能となる。このように、工程全体の時間を短縮できると共に、反応容器内部に塵埃、酸素、水分、有機物などの不純物が侵入しないので結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体単結晶を得ることができる。尚、反応容器内の金属蒸気が除去されるように器具を介すると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、反応容器と、加熱装置とを内部に配置する外部容器を用いるIII族窒化物系化合物半導体のフラックス法による製造装置に適用できる。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体製造装置１０００の構成を示す模式図である。図１のように、高温に適応し、耐圧性を有しない反応容器１００と、高温高圧に適応する外部容器２００の開閉可能な二重容器を用いる。反応容器１００は容積０．１〜１００Ｌ、外部容器２００は容積１〜１００ｍ3程度とする。外部容器内に配置した加熱装置３１ａ、３１ｂ及び３１ｃで反応容器１００を例えば８００〜９００℃に加熱する。反応容器１００には窒素供給管１０と排出管１１とが接続されている。窒素供給管１０にはバルブ１０ｖが接続されており、その他端は高圧の窒素タンクに接続されている。また、窒素供給管１０と排出管１１とは反応容器と同程度に加熱され、８００〜９００℃に保持されて、その内部でナトリウムやガリウムの蒸気が凝結又は固化しないようになっている。
【００１３】
また、排出管１１にはトラップ１１ｔが接続されており、任意の方法で冷却することにより、ナトリウム蒸気とガリウム蒸気を凝結させて排気から除去する。また、トラップ１１ｔには２次供給管１１’が接続されており、ナトリウム蒸気とガリウム蒸気を除去した排気は外部容器２００に供給される。一方、外部容器２００には排出管２１が接続されており、バルブ２１ｖを介して図示しない排気ポンプに接続されている。
尚、トラップ１１ｔは図示したように外部容器２００の外側に設けても良いし、内側に設けても良い。
【００１４】
こうして、反応開始前の、反応容器１００及び外部容器２００の排気及び窒素置換においては、供給管１０、反応容器１００、排出管１１、二次供給管１１’、外部容器２００、排出管２１の順に圧力勾配が常に形成されることとなる。即ち、バルブ１０ｖを閉じ、バルブ２１ｖを開いて排気ポンプから排気する際も、バルブ２１ｖを閉じ、バルブ１０ｖを開いて窒素タンクから給気する際も、常に供給管１０の圧が最も高く、反応容器１００、排出管１１、二次供給管１１’、外部容器２００、排出管２１の順に圧力が小さくなるように圧力勾配が形成される。また、この際、反応容器１００内部とその外側である外部容器２００内部との圧力差を１気圧未満とすることは容易である。よって、外部容器２００内部の塵埃、酸素、水分、有機物などの不純物が反応容器１００内部に侵入することは無く、また、反応容器１００が、その内外の圧力差により著しく膨張することも無い。
【００１５】
反応中は、外部容器２００内の圧力を１ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲で一定時間保持する。この保持中に反応容器１００を陽圧に保つために、窒素を供給する。この流量は１〜２００ｍｌ／分が好ましい。流量が少なすぎると陽圧を保てない。流量が多すぎると反応容器１００内の温度が不安定になる。更に好ましくは、流量は５０〜１００ｍｌ／分である。
【００１６】
尚、図１の構成に追加して、トラップ１１ｔの出力側にバルブと排気ポンプとを接続しても良く、また、外部容器２００に別途窒素タンクからの供給管とバルブとを接続した構成として、反応終了後については図２のIII族窒化物系化合物半導体製造装置９０００と同様に、反応容器１００内部の窒素を入れ換える前に外部容器２００内の窒素を入れ換えて、反応容器１００を冷却することとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体製造装置１０００の構成を示す模式図。
【図２】従来例に係るIII族窒化物系化合物半導体製造装置９０００の構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００１８】
１００：反応容器
２００：外部容器
１０、２０：供給管
１１、２１：排出管
１１’：二次供給管
１１ｔ：トラップ
１０ｖ、１１ｖ、２０ｖ、２１ｖ：バルブ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：加熱装置
【図１】
2007277059.tif 000003
【図２】
2007277059.tif 000004