(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス排出口内での窒化アルミニウム多結晶の析出が抑えられ、安定な結晶成長条件で良質な窒化アルミニウム単結晶を製造できる窒化アルミニウム単結晶の製造装置と製造方法を提供する。【解決手段】結晶成長容器２と、原料容器３と、種結晶６と、ガス導入口９と、ガス排出口１０と、前記結晶成長容器２の外周に配設された加熱手段１１ａ〜１１ｄとを備え、原料容器３内に収容された原料５を加熱して昇華ガスを発生させ、該昇華ガスを種結晶６上で凝縮させることで単結晶７を成長させ、種結晶６を通過したガスをガス排出口１０から排出する単結晶製造装置１であって、前記結晶成長容器２に前記ガス排出口１０の断面積よりも大きく、前記種結晶６を含み前記ガス排出口１０側に至るガス流路Ｒ１〜Ｒ３のうち、種結晶６に対し結晶を成長させる位置よりも下流側のガス流路Ｒ３に、結晶成長時に結晶成長位置の温度よりも低温度となる低温領域を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長容器と、該結晶成長容器の内底部に配置された原料容器と、前記結晶成長容器内の前記原料容器の上方に、前記原料容器と対向するように支持された種結晶と、前記結晶成長容器の結晶成長位置よりも下方に設けられたガス導入口と、前記結晶成長容器の結晶成長位置よりも上方に設けられたガス排出口と、前記結晶成長容器の外周に配設された加熱手段とを備え、
前記原料容器内に収容された原料を加熱して昇華ガスを発生させ、該昇華ガスを前記種結晶上で凝縮させることで単結晶を成長させ、前記種結晶を通過したガスを前記ガス排出口から排出する単結晶製造装置であって、
前記結晶成長容器に前記ガス排出口の断面積よりも大きく、前記種結晶を含み前記ガス排出口側に至るガス流路を設け、該ガス流路のうち、前記種結晶に対し結晶を成長させる位置よりも下流側のガス流路に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度よりも低温度とする低温領域を設けたことを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側の前記結晶成長位置に近い領域に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度と同等か、もしくはそれよりも温度を高くする高温領域を設け、前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側の前記結晶成長位置から遠い領域に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度よりも低温度とする低温領域を設けた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】
前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側に、その横断面積が下流側に向かって徐々に大きくされる領域を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶製造装置を用い、種結晶を基にして単結晶を製造する方法であって、結晶成長位置よりも下流側のガス流路を加熱して前記結晶成長位置の温度と同等か、もしくはそれよりも温度を高くして高温領域を生成し、該高温領域のガス流路周りにおける多結晶の析出を防止しつつ結晶成長を行うことを特徴とする単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶製造装置および単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青色発光素子に端を発し、窒化ガリウム系半導体に関する研究開発は目覚しい進展をみせている。窒化ガリウム系半導体素子は、成長基板上に有機金属気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy、ＭＯＶＰＥ）により製造されており、現在、成長基板としては、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）が用いられている。しかしながら、これらの基板は、窒化ガリウムとの格子不整合が大きいため、この上に成長させた窒化ガリウム層において高密度に転位が発生してしまうという問題がある。高密度の転位は、窒化ガリウムを発光素子やパワーデバイスに用いた場合に、その性能や寿命に悪影響を及ぼす。このため、窒化ガリウムとの格子不整合がより小さい基板材料が求められ、そのような材料として窒化アルミニウム単結晶が注目されている。
窒化アルミニウム単結晶は、窒化ガリウムと全率固溶し、窒化ガリウムとの格子不整合が２．４％と小さい。また、その熱伝導率は２９０Ｗｍ−１Ｋ−１と高く、放熱性に優れる。このため、窒化アルミニウム単結晶は、窒化ガリウム系、特に、より格子不整合の小さいＡｌＧａＮ系半導体の基板材料として期待されている。
【０００３】
窒化アルミニウム単結晶の製造方法としては、溶液法ではフラックス法、気相法ではＭＯＶＰＥ法、水素化物気相堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy、ＨＶＰＥ）、昇華法などがある。これらの中でも、昇華法は、一般的に成長速度が速いため、バルク結晶の作製に対して有力な方法である。この昇華法とは、原料である窒化アルミニウムを昇華させ、それを昇華温度より低い温度域である析出部において再凝縮させることにより単結晶を作製する方法である。
【０００４】
昇華法を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造装置としては、例えば特許文献１に記載された製造装置が提案されている。
図２は、特許文献１に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造装置を模式的に示す概略構成図である。
図２に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置１０１は、加熱炉本体（結晶成長容器）１０３と、加熱炉本体１０３の内底部に配置された黒鉛るつぼ（原料容器）１０４と、加熱炉本体１０３の天井部に取り付けられたサセプタ１０８を備えて構成されている。黒鉛るつぼ１０４内には窒化アルミニウム粉末などの原料１０９が収納され、サセプタ１０８の下面には原料１０９と対峙するように種結晶（種結晶）１０７が貼り付けられている。
【０００５】
また、加熱炉本体１０３の底部には、窒素ガスなどのガス供給装置に接続されたガス流入口１０５が形成され、加熱炉本体１０３の天井部には、真空ポンプなどの減圧装置に接続されたガス排出口１０６が形成されている。この減圧装置の作動により、加熱炉本体１０３の内部を所定のガス圧力に調整できるようになっている。また、加熱炉本体１０３の外側には、その外周に沿って、加熱炉本体１０３内部に配された原料１０９、サセプタ１０８、種結晶１０７を加熱する誘導加熱方式の加熱手段１０２が設けられている。
【０００６】
窒化アルミニウム単結晶の作製に際し、ガス排出口１０６を介し加熱炉本体１０３内を真空排気した後、ガス流入口１０５を介して窒素ガスなどのプロセスガスを加熱炉本体１０３内に導入し、圧力を調整する。続いて加熱炉本体１０３の内部に配された原料１０９、サセプタ１０８、種結晶１０７を加熱する。
加熱によって原料１０９から昇華した昇華ガスは、ガス流入口１０５から導入した窒素ガスと混合され、上方に流れる。そして、上方に流れた昇華ガスの一部は、種結晶１０７付近の低温領域（成長部）で冷却されて凝縮し、種結晶１０７上に窒化アルミニウム単結晶として結晶成長する。一方、余剰の昇華ガスは、窒素ガスとともに、さらに上方に流れ、ガス排出口１０６から外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９７０７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置１０１にあっては、ガス排出口１０６が種結晶１０７よりも上部側であって、加熱手段１０２が主に加熱する領域から離れた位置に形成されているので、ガス排出口１０６は窒化アルミニウムの結晶成長温度よりも低い温度にされている。
このため、ガス排出口１０６に到達した昇華ガスは、ガス排出口１０６でさらに冷却され、その内壁面に窒化アルミニウム多結晶となって析出する。そして、時間経過とともにこの窒化アルミニウム多結晶の堆積量が増大する結果、ガス排出口が閉塞する問題がある。この現象により、加熱炉本体内の圧力制御が困難になり、結晶の成長条件が変化し、得られる窒化アルミニウム単結晶の品質に悪影響が及ぼされるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みなされたものであり、窒化アルミニウム単結晶などの単結晶成長過程において、ガス排出口側における多結晶の析出を抑制し、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造することができる単結晶製造装置および単結晶の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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の単結晶製造装置は、結晶成長容器と、該結晶成長容器の内底部に配置された原料容器と、前記結晶成長容器内の前記原料容器の上方に、前記原料容器と対向するように支持された種結晶と、前記結晶成長容器において結晶成長位置よりも下方に設けられたガス導入口と、前記結晶成長容器において結晶成長位置よりも上方に設けられたガス排出口と、前記結晶成長容器の外周に配設された加熱手段とを備え、前記原料容器内に収容された原料を加熱して昇華ガスを発生させ、該昇華ガスを前記種結晶上で凝縮させることで単結晶を成長させ、前記種結晶を通過したガスを前記ガス排出口から排出する単結晶製造装置であって、前記結晶成長容器に前記ガス排出口の断面積よりも大きく、前記種結晶を含み前記ガス排出口側に至るガス流路を設け、該ガス流路のうち、前記種結晶に対し結晶を成長させる位置よりも下流側のガス流路に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度よりも低温度とする低温領域を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、ガス排出口の断面積よりも大きく、種結晶を含みガス排出口に至るガス流路を設け、結晶成長位置よりも下流側に低温領域を設けたので、結晶成長位置を通過した昇華ガスは、この低温領域において多結晶体の堆積をなす。これにより、ガス排出口側において多結晶体の堆積が抑制されるので、ガス排出口が閉塞もしくは狭小化することがない。また、ガス流路はガス排出口よりも大きく、多結晶体が堆積しても閉塞することがない。従って、長時間の運転であっても、ガスの流れを安定化することができ、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造する装置を提供できる。
【００１２】
本発明において、前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側の前記結晶成長位置に近い領域に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度と同等か、もしくはそれよりも温度を高くする高温領域を設け、前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側の前記結晶位置から遠い領域に、結晶成長時に前記結晶成長位置の温度よりも低温度とする低温領域を設けたことを特徴とすることが好ましい。
高温領域を結晶成長位置下流側の結晶成長位置に近いガス流路に設けることで、この高温領域のガス流路において多結晶体の堆積を抑制し、低温領域を結晶成長位置下流側の結晶成長位置から遠い領域に設けることで結晶成長位置から離れたガス流路に多結晶体の堆積を促進する。高温領域と低温領域をこのように配置することで結晶成長位置下流側の結晶成長位置に近いガス流路とガス排出口側での多結晶体の堆積を抑制できる。このため、長時間の運転であっても、ガスの流れを安定化することができ、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造する装置を提供できる。
【００１３】
本発明において、前記ガス流路のうち、前記結晶成長位置よりも下流側に、その横断面積が下流側に向かって徐々に大きくされる領域を設けることが好ましい。
結晶成長位置を通過したガスがガス流路に多結晶体を堆積させるおそれがあるが、結晶成長位置よりも下流側のガス流路に下流側に向かって徐々に広くなる領域を設けておくと、この領域に多結晶体が堆積しても、流路断面積が大きいのでガス流路の流れが妨げられるおそれがない。このため、長時間の運転であっても、ガスの流れを安定化することができ、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造する装置を提供できる。
【００１４】
本発明の単結晶の製造方法は、先のいずれかに記載の単結晶製造装置を用い、種結晶を基にして単結晶を製造する方法であって、結晶成長位置よりも下流側のガス流路を加熱して前記結晶成長位置の温度と同等か、もしくはそれよりも温度を高くして高温領域を生成し、該高温領域のガス流路周りにおける多結晶の析出を防止しつつ結晶成長を行うことを特徴とする。
上述の単結晶の製造方法によれば、結晶成長容器内の結晶成長位置とガス排出口との間にガス流路を形成し、単結晶の結晶成長時に、結晶成長位置よりも下流側の領域を、結晶成長位置の温度以上の高温領域とすることにより、この高温領域における多結晶体の堆積を防止しつつ結晶成長できる。この高温領域の下流側に低温領域を生成するので、この低温領域のガス流路に多結晶体の堆積を行うことができ、ガス排出口側と結晶成長位置側に多結晶体の堆積を防止しつつ長時間結晶成長できる方法を提供できる。
このため、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、種結晶の上方にガス排出口を有する結晶成長容器内で、昇華法によって単結晶を製造する単結晶製造装置であって、結晶成長容器内の種結晶とガス排出口との間にガス流路を有し、単結晶の結晶成長時に、このガス流路の少なくとも一部の領域を種結晶の温度よりも低温領域としているため、結晶成長位置を通過した昇華ガスが低温領域に優先的に多結晶体を堆積させる結果、ガス排出口とその近傍において多結晶体を堆積させることなく単結晶の成長ができる。
このため、ガス排出口側のガス流路が、多結晶体の析出によって狭小化もしくは閉塞することを防止でき、安定な結晶成長条件で良質な単結晶を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る単結晶製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
【図２】従来の単結晶製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る単結晶製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
本発明の単結晶製造装置１は、結晶成長容器２と、その内底部に配された原料容器３と、結晶成長容器２の上部側に設けられた種結晶保持部材４と、該種結晶保持部材４の下端部に保持された種結晶６を備えて構成され、昇華法により単結晶を製造する装置である。
なお、以下の説明では、単結晶として窒化アルミニウム単結晶を製造する場合を例にする。
結晶成長容器２は、内部の気密を保持し得る耐熱性容器である。結晶成長容器２は、全体として有底筒状をなし、下側から順に、小径部２１、拡径部２２、大径部２３により構成されている。これらのうち小径部２１および大径部２３は、それぞれ略一定の内径を有し、大径部２３の内径が小径部２１の内径より大きくされている。また、拡径部２２は、下端部から上端部に向かって徐々に内径が拡大する形状をなし、下端部が小径部２１と略同一の内径、上端部が大径部２３と略同一の内径とされている。これら各部２１、２２、２３は、互いに内部が連通されている。
【００１８】
小径部２１の内底部には、原料容器３が配置され、該原料容器３の内部に窒化アルミニウム粉末などの原料５が収納されている。
原料容器３の上方には、種結晶支持部材４が配設されている。種結晶支持部材４は、円柱状をなした管体であり、下端面が原料５と対向するように軸方向を鉛直方向として設けられている。種結晶支持部材４には、図示しない移動駆動機構および回転駆動機構が取り付けられており、これらの作動によって、原料５に対する進行方向および退行方向に移動駆動されるとともに軸回りに回転駆動されるようになっている。
【００１９】
種結晶支持部材４の下端面には原料５と対向するように種結晶６が担持されている。種結晶６は、窒化アルミニウム単結晶７を成長させる際、移動駆動機構による種結晶保持部材４の移動操作により、小径部２１内の上方（後述する成長部２ｃ）に位置するように位置調整される。
結晶成長用の種結晶６は、例えば、板状又は円板状のＳｉＣ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＡｌＮ／ＳｉＣ単結晶（ＳｉＣ単結晶上に膜厚２００〜５００μｍ程度のＡｌＮ単結晶膜をヘテロ成長させた単結晶）である。
【００２０】
小径部２１内の原料５と種結晶６との間には、仕切部材８が配設されている。仕切部材８は、小径部２１の内径と略同じ外径を有するドーナツ板状の円環部８ａと、この円環部８ａの内側から立設された円筒部８ｂとからなり、円環部８ａの外周端面が小径部２１の内壁面に固着されている。円筒部８ｂは、その内径が種結晶６の外径よりも大きくされており、その下部開口が原料５側に向き、上部開口が種結晶６側に向くように配されている。このような仕切部材８を設けることにより、原料５からの昇華ガスを仕切部材８より外側に分散することを抑え、昇華ガスを種結晶６付近に効率良く供給できる。このため、種結晶６上に、窒化アルミニウム単結晶７を効率良く成長できる。
【００２１】
また、小径部２１の周壁には、原料容器３の開口部近傍に臨むガス導入口９が形成されている。ガス導入口９は、窒素ガスなどのガス供給装置に接続されており、ガス導入口９から窒素ガスなどのプロセスガスを導入することにより、結晶成長容器２の内部にプロセスガスを満たすことができるようになっている。一方、大径部２３の上部（後述する第２下流部２ｅに対応する部分）の周壁には、真空ポンプなどの減圧装置に接続されたガス排出口１０が形成されており、結晶成長容器２の内部を所定のガス圧に調整できるようになっている。
【００２２】
なお、以下の説明では、結晶成長容器２の内部空間のうち、原料容器３が収容されている領域を原料部２ａ、窒化アルミニウム単結晶７を結晶成長させる際の種結晶６の設置領域と窒化アルミニウム単結晶７を成長させる領域とを合わせた領域（小径部２１の内側の上方領域）を成長部２ｃ、原料部２ａと成長部２ｃとの間の領域を中間部２ｂと称する。さらに、種結晶６の設置領域よりも上側の領域（空間）のうち、拡径部２２の内側の領域を第１下流部２ｄ、大径部２３の内側の領域を第２下流部２ｅと称する。ここで、大径部２３の内径が小径部２１の内径よりも大きいことにより、第１下流部２ｄおよび第２下流部２ｅの横断面積は、それより下方の原料部２ａ、中間部２ｂ、成長部２ｃの個々の横断面積よりも大きくされている。なお、ここで言う「横断面」とは、水平断面を示す。
【００２３】
以上のような結晶成長容器２、種結晶保持部材４、仕切部材８は、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、窒化タンタルのうち少なくとも一種類から形成されている。これらの材料は、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長時の２０００℃程度の高温での熱的耐性を有し、昇華ガスに対する耐腐食性に優れるため、結晶成長容器２、種結晶保持部材４、仕切部材８の構成材料として好ましい。なお、これらの材料よりなる各部分には、耐腐食性等を付与するために表面処理が施されていてもよい。
また、結晶成長容器２の内部において、種結晶６が設置される位置、換言すると成長部２ｃの位置から、第１下流部２ｄ、第２下流部２ｅを経てガス排出口１０の位置までガス流路が形成されている。本実施形態では便宜的に成長部２ｃのガス流路を第１のガス流路Ｒ１、第１下流部２ｄのガス流路を第２のガス流路Ｒ２、第２下流部２ｅのガス流路を第３のガス流路Ｒ３と呼称する。図１の装置では、第１のガス流路Ｒ１の中央部に種結晶保持部材４の先端部が配置され、種結晶保持部材４の周囲の空間はガス流路とされている。
【００２４】
前記結晶成長容器２の外側には、その外周に沿って、結晶成長容器２内の各内部空間（原料部２ａ、中間部２ｂ、成長部２ｃ、第１下流部２ｄ）を加熱するための加熱手段１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている。これらの加熱手段１１ａ〜１１ｄは、特に限定されるものではないが、高周波誘導加熱装置または抵抗加熱ヒータといった、従来公知のものを用いることができる。
加熱手段は、具体的には、原料部２ａを取り囲むように小径部２１の周囲に設けられた第１加熱手段１１ａと、中間部２ｂを取り囲むように小径部２１の周囲に設けられた第２加熱手段１１ｂと、成長部２ｃを取り囲むように小径部２１の周囲に設けられた第３加熱手段１１ｃと、第１下流部２ｄを取り囲むように拡径部２２の周囲に設けられた第４加熱手段１１ｄとから構成されている。
【００２５】
このように第１〜第４加熱手段１１ａ〜１１ｄが設けられていることにより、原料部２ａ、中間部２ｂ、成長部２ｃ、第１下流部２ｄの温度を、独立に制御可能とされている。
ここで、第１〜第４加熱手段１１ａ〜１１ｄによる結晶成長容器２内の温度分布の一例を、図１の結晶成長容器２の右側に示す。この例では、原料部２ａの温度は原料５の昇華温度以上、中間部２ｂの温度は原料部２ａの温度より若干高く、成長部２ｃの温度は原料部２ａの温度より低く、第１下流部２ｄの温度は成長部２ｃの温度以上の高温領域とされており、第２下流部２ｅは、上方側（下流側）に向かって温度が徐々に下降して成長部２ｃの温度より徐々に低くなる温度勾配を有する低温領域とされている。よって、第１下流部２ｄの内部のガス流路Ｒ２は高温領域とされ、第２下流部２ｅの内部のガス流路Ｒ３は低温領域とされる。
【００２６】
本実施形態の単結晶製造装置１は、結晶成長容器２内をこのような温度分布とすると、原料５を昇華させて昇華ガスを発生させることができ、この昇華ガスを円筒部８ｂに沿って上方に導き種結晶６に接触させ、この昇華ガスの少なくとも一部を種結晶６上で凝縮することによって、窒化アルミニウム単結晶７を結晶成長できる。
一方、種結晶６上で結晶成長に供されなった余剰の昇華ガスと結晶成長に利用された使用済みガスの混合ガスは、窒化アルミニウム単結晶７と種結晶６の周囲の空間である第１のガス流路Ｒ１を通過して上方に流れ、第１下流部２ｄの第２ガス流路Ｒ２に移行する。ここで、第１下流部２ｄの温度は成長部２ｃの温度と同等か若干高い温度であるため、混合ガスの大部分はガス状態を維持しつつ上方に流れ、第２下流部２ｅの第３のガス流路Ｒ３に移行する。
第３のガス流路Ｒ３では、上方に向かって温度が徐々に下降して成長部２ｃの温度より低温の領域となるため、第３のガス流路Ｒ３に移行しようとする混合ガスにより拡径部２２の下流端側（上端側）と大径部２３の内壁面に窒化アルミニウム多結晶体が堆積する。混合ガスからの窒化アルミニウム多結晶体の析出は混合ガスの流速が低下し温度が下がることで、混合ガス中に含まれている過飽和になった窒化アルミニウムが多結晶体として析出することによるので、拡径部２２の下流端側から大径部２３側にかけて主に析出がなされる。更に、窒化アルミニウムの多結晶体が主に析出する拡径部２２の下流端側から大径部２３側は、ガス排出口１０よりも流路断面積が大きいので、これらの領域に窒化アルミニウムの多結晶体が多少析出しても、ガス流路Ｒ２、Ｒ３のガスの流れに影響は生じない。
また、ガス排出口１０は成長部２ｃと距離が離れており、このガス排出口１０に至る間に混合ガスの温度は十分に降下されているので、ガス排出口１０とその近傍において窒化アルミニウム多結晶体が析出するおそれは少ない。
このため、結晶成長を長時間行った場合であっても、ガス排出口１０を窒化アルミニウム多結晶体などの析出物によって狭小化もしくは閉塞することを回避できる。これにより、長時間単結晶成長を行っても結晶成長容器２内の圧力制御を正確に行うことができ、種結晶６上で良質な窒化アルミニウム単結晶を連続成長させることができる。
【００２７】
本実施形態において、大径部２３の内径を結晶成長容器２の他の部分の内径よりも大きくしていることにより、原料５から上昇してくる昇華ガスの流速が第２下流部２ｅで低下し、第２下流部２ｅでは昇華ガスの過飽和度が高くなる。このため、大径部２３の内壁面に、昇華ガスが窒化アルミニウム多結晶体として析出し、その分、ガス排出口１０での窒化アルミニウム多結晶の析出量を低減できる。一方、大径部２３の内径が大きいので、第１のガス流路Ｒ１よりも第３のガス流路Ｒ３の横断面積が大きく、長時間の運転により窒化アルミニウム多結晶体が多量に析出したとしても大径部２３において十分に広いガス流路を確保でき、ガスの流れは阻害されないので結晶成長条件への悪影響は生じない。また、仮に、拡径部２２の下流端側に窒化アルミニウム多結晶の析出がなされたとしても、拡開部２２の下流端側は大径部２３と同等かそれに近い大きな内径を有しているので、長時間の運転により窒化アルミニウム多結晶が多量に析出したとしても拡径部２２において十分に広いガス流路を確保でき、ガスの流れは阻害されないので結晶成長条件への悪影響は生じない。
【００２８】
次に、上述の単結晶製造装置１を用いた窒化アルミニウム単結晶７の製造方法について更に説明する。
原料５を原料容器３内にセットし、種結晶６を種結晶支持部材４に配した後、種結晶支持部材４を移動駆動機構によって移動操作し、種結晶６を成長部２ｃの位置に調整した後、回転駆動機構によって種結晶６を回転させる。
次に、結晶成長容器２内を真空排気した後、ガス導入口９を介し窒素ガスなどのプロセスガスを結晶成長容器２内に導入して、圧力を調整する。ここでの圧力は一例として１〜１０００Ｔｏｒｒ、より好ましくは１０〜５００Ｔｏｒｒに設定できる。
【００２９】
そして、図１の右側に示す温度分布となるように加熱手段１１ａ〜１１ｄを制御する。
ここで、原料部２ａの温度は１７５０〜２４５０℃、より好ましくは１８００〜２４００℃に設定することができ、中間部２ｂの温度は１７５０〜２５００℃、より好ましくは１８００〜２４５０℃に設定することができ、成長部２ｃの温度は１７００〜２４００℃、より好ましくは１７５０〜２３５０℃に設定することができる。さらに、結晶成長容器２内の中間部２ｂと成長部２ｃの温度差は、１０〜３００℃の範囲とすることが好ましく、５０〜２５０℃の範囲とすることがより好ましい。中間部２ｂと成長部２ｃの温度差を前記範囲とすることにより、成長部２ｃにおいて急激に温度が低下するため、原料部２ａで加熱され分解気化された成分を良好な成長速度で種結晶上に結晶成長させることが可能となる。
また、第１下流部２ｄの温度は、１７５０℃〜２４５０℃に、より好ましくは１７５０℃〜２４００℃に設定することができる。
【００３０】
以上の温度分布により、第１下流部２ｄの下流側と第２下流部２ｅに窒化アルミニウム多結晶体を堆積させ、成長部２ｃと第１下流部２ｄの上流側に窒化アルミニウム多結晶の堆積を防止し、成長部２ｃにおける窒化アルミニウム単結晶７の結晶成長条件を乱すことなく結晶成長できる効果がある。なお、種結晶６の下に成長した窒化アルミニウム単結晶７は徐々に成長して大きくなるので、成長した窒化アルミニウム単結晶７の先端が成長部２ｃに位置するように種結晶保持部材４を図１の矢印方向（上方）に徐々に移動させながら窒化アルミニウム単結晶７を成長させることとする。種結晶保持部材４が徐々に上昇するので種結晶６の上に堆積した窒化アルミニウム単結晶７の先端位置が結晶成長位置に相当する。
結晶成長容器２内の原料部２ａ、中間部２ｂ、成長部２ｃ、第１下流部２ｄおよび第２下流部２ｅの温度制御は、結晶成長容器２の各部分の外壁の温度を図示しない放射温度計で測定しながら加熱手段１１ａ〜１１ｄの個々の出力を調整することにより行うことができる。
以上、本発明の単結晶製造装置および単結晶の製造方法について説明したが、上記実施形態において、単結晶製造装置を構成する各部、単結晶の製造方法の各工程は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜４）
図１に示す単結晶製造装置を用いて、窒化アルミニウム単結晶を製造した。原料５として窒化アルミニウム粉末を使用し、種結晶６として窒化アルミニウム単結晶を使用した。また、ガス導入口９からプロセスガスとして窒素ガスを導入した。単結晶製造装置において、種結晶の外径は５０．８ｍｍ、小径部の外径は１５０ｍｍ、大径部の外径は２５０ｍｍであり、ガス排出口の位置は種結晶の位置から５００ｍｍ上方の位置に設けた。
なお、結晶成長条件は、以下の通りであり、第１下流部の温度は表１に示すように変化させた。結晶成長容器内圧力：１５０Ｔｏｒｒ、結晶成長時間：３００時間、窒素ガス流量：１０００ｓｃｃｍ、原料部温度：２２００℃、中間部温度：２２５０℃、成長部温度：２１００℃。
【００３２】
（比較例１）
図２に示す単結晶製造装置（従来の単結晶製造装置）を用いて、窒化アルミニウム単結晶を製造した。原料および種結晶は、前記実施例１と同様のものを使用した。図２に示す単結晶製造装置において、加熱炉本体の外径は２００ｍｍ、種結晶の外径は５０．８ｍｍ、加熱炉本体の天井部の外周部に直径１２．７ｍｍのガス排出口を設けた構造とした。
【００３３】
（評価）
各実施例および各比較例について、得られた窒化アルミニウム単結晶のＸ線回折によるＡｌＮ（０００２）回折のロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）、およびガス排出口等における析出物の発生状況を調べた。その結果を表１に示す。なお、析出物の発生状況において、特に問題のないレベルである場合は「−」で表示した。
【００３４】
【表１】
2013159510.tif 000003
【００３５】
各実施例では、ガス排出口および成長部直上（拡径部の内壁面や種結晶支持部材の周面）での窒化アルミニウム多結晶の堆積を抑制することができ、長時間安定して連続運転することができた。このため、表１のＦＷＨＭの値からわかるように、得られた窒化アルミニウム単結晶は、いずれも良好な結晶性を有していた。
これらに対して、種結晶とガス排出口との間に内部空間を形成していない結晶成長装置を用いて結晶成長させた比較例１では、ガス排出口近傍で多結晶堆積が顕著に認められ、ガスの流通経路が狭くなることで結晶成長条件が変化してしまった。このため、得られた窒化アルミニウム単結晶は、表１のＦＷＨＭの値から判断できるように結晶性の低いものであった。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明により得られる単結晶は、深紫外〜青色の発光ダイオードおよびレーザーダイオード等の形成に用いられる成長基板や、高耐圧パワーデバイス、高周波電子デバイス等の基板に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…単結晶製造装置、２…結晶成長容器、２１…小径部、２２…拡径部、２３…大径部、２ａ…原料部、２ｂ…中間部、２ｃ…成長部、２ｄ…第1下流部（空間）、２ｅ…第２下流部（空間）、３…原料容器、４…種結晶保持部材、５…原料、６…種結晶、６…窒化アルミニウム単結晶（単結晶）、９…ガス導入口、１０…ガス排出口、１１ａ…第1加熱手段（加熱手段）、１１ｂ…第２加熱手段（加熱手段）、１１ｃ…第３加熱手段（加熱手段）、１１ｄ…第４加熱手段（加熱手段）、Ｒ１…第一のガス流路、Ｒ２…第２のガス流路、Ｒ３…第３のガス流路。
【図１】
2013159510.tif 000004
【図２】
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