(57)【要約】【課題】III 族窒化物半導体製造装置において、結晶成長中に混合融液のＮａ組成が変動しないようにすること。【解決手段】図１に示すIII 族窒化物半導体製造装置は、反応容器１０と、反応容器１０内部に配置され、ＧａとＮａとの混合融液１７を保持する坩堝１１と、坩堝１１用の蓋１２と、反応容器１０を加熱する加熱装置１３と、反応容器１０内部に窒素を供給する供給管１４と、反応容器１０内部から外部へ排気する排気管１５と、により構成されている。蓋１２は、坩堝１１の内部側に凹んだ円錐形状である。ＧａＮの結晶成長中に蒸発したＮａは、蓋１２の坩堝１１内側の面１２ａに液化して付着するが、蓋１２の傾斜によって効率よく混合融液１７中に回収することができる。そのため混合融液１７中のＮａ組成の変動が抑制される。【選択図】図１
2009091219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反応容器と、加熱装置と、前記第１反応容器の内部に配置された坩堝と、を有し、坩堝に保持したIII 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む融液と、少なくとも窒素を含む気体とを前記第１反応容器内で反応させてIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体製造装置において、
前記坩堝の開口部を覆う蓋を有し、
前記蓋は、前記坩堝の側面から前記坩堝内部側に向かう下り傾斜を有する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項２】
前記蓋の傾斜は、水平面に対して４０度以上であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項３】
前記蓋には穴が開けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項４】
少なくとも窒素を含む気体を前記第１反応容器内に供給する供給管と、前記第１反応容器からの排気を行う排気管とを有し、
前記供給管および前記排気管は、前記坩堝の開口部上部で前記第１反応容器に開口し、前記坩堝の開口部に向かう下り傾斜を有している、
ことを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項５】
前記供給管および前記排気管の傾斜は、水平面に対して４０度以上であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項６】
前記蓋は、坩堝用の蓋であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項７】
前記第１反応容器の内部に第２反応容器を有し、前記坩堝は前記第２反応容器の内部に配置され、前記蓋は、前記第２反応容器用の蓋であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項８】
アルカリ金属を用いたフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造に用いる坩堝の開口部を覆う坩堝用蓋において、
前記坩堝用蓋は、前記坩堝の側面から前記坩堝内部側に向かう下り傾斜を有する、
ことを特徴とする坩堝用蓋。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III 族窒化物半導体製造装置に関するもので、特に、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体製造装置に関する。また本発明は、III 族窒化物半導体の製造に用いる坩堝の蓋に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の結晶成長方法が知られている。これは、Ｎａ（ナトリウム）とＧａ（ガリウム）を融解して８００℃程度に保ち、数十気圧の圧力下で窒素と反応させて、ＧａＮ（窒化ガリウム）を種結晶表面に結晶成長させるものである。
【０００３】
このＮａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造に用いる製造装置において、ＮａとＧａの融液を保持する坩堝に蓋を設け、Ｎａの蒸発を抑える方法が特許文献１、２に記載されている。特に特許文献２には、坩堝の蓋の形状を皿状、円筒状、円柱状としてＮａの蒸発量を比較すると、円柱状とした場合が最もＮａの蒸発量を抑えられることが示されている。
【特許文献１】特開２００２−１２８５８６
【特許文献２】特開２００３−２３８２９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、坩堝に蓋を設けると、蓋の坩堝内部側の面、および坩堝の内壁に蒸発したＮａが付着し、結晶成長終了後の蓋の取り外しが困難であった。また、付着したＮａは坩堝内の融液に戻らないため、融液の組成が変わり、結晶成長の安定性に欠けていた。
【０００５】
そこで本発明の目的は、Ｎａの蒸発を抑制し、融液の組成が変動しないようにしたIII 族窒化物半導体製造装置を実現にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、第１反応容器と、加熱装置と、第１反応容器の内部に配置された坩堝と、を有し、坩堝に保持したIII 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む融液と、少なくとも窒素を含む気体とを第１反応容器内で反応させてIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体製造装置において、坩堝の開口部を覆う蓋を有し、前記蓋は、坩堝の側面から坩堝内部側に向かう下り傾斜を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【０００７】
蓋は坩堝の開口部を覆うものであれば、坩堝用の蓋である必要はない。たとえば、第１反応容器の内部に他の容器を設け、他の容器の蓋が間接的に坩堝の上部を覆うようにしてもよい。また蓋の表面は、バフ研磨、電界研磨などによって平坦にし、アルカリ金属で濡れないようにすることが望ましい。
【０００８】
アルカリ金属は通常Ｎａを用いるが、Ｋ（カリウム）を用いることもできる。また、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）などのアルカリ土類金属や、Ｌｉ（リチウム）などを混合させてもよい。また、窒素を含む気体とは、窒素分子や窒素化合物の気体を含む単一または混合気体をいい、希ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、蓋の傾斜は、水平面に対して４０度以上であることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、蓋には穴が開けられていることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、少なくとも窒素を含む気体を第１反応容器内に供給する供給管と、第１反応容器からの排気を行う排気管とを有し、供給管および排気管は、坩堝の開口部上部で第１反応容器に開口し、坩堝の開口部に向かう下り傾斜を有している、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、供給管および排気管の傾斜は、水平面に対して４０度以上であることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、蓋は、坩堝用の蓋であることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１４】
第７の発明は、第１の発明から第５の発明において、第１反応容器の内部に第２反応容器を有し、坩堝は第２反応容器の内部に配置され、蓋は、第２反応容器用の蓋であることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１５】
第８の発明は、アルカリ金属を用いたフラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造に用いる坩堝の開口部を覆う坩堝用蓋において、坩堝用蓋は、坩堝の側面から坩堝内部側に向かう下り傾斜を有する、ことを特徴とする坩堝用蓋である。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によると、蒸発によって蓋の坩堝側の面に付着したアルカリ金属を、蓋の傾斜によって効率よく融液中に回収することができる。そのため、アルカリ金属の蒸発が抑制され、融液の組成の変動を抑制することができる。その結果、結晶成長の安定性が向上し、III 族窒化物半導体の品質をより高くすることができる。
【００１７】
また第２の発明のように、蓋の傾斜を水平面に対して４０度以上の角度とすると、蓋の坩堝内部側に付着したアルカリ金属が蓋から離れやすくなるので、アルカリ金属をより融液中に回収しやすくなる。
【００１８】
また第３の発明のように、蓋に穴を設けると、坩堝内部への窒素の供給が容易となり、また、蓋の坩堝外部側に付着したアルカリ金属を蓋の穴を通して融液中に回収することができる。
【００１９】
また第４の発明によると、供給管および排気管内で液化し落下してきたアルカリ金属を蓋で受け、蓋の穴を通して融液中に回収することができ、融液の組成の変動をさらに抑制することができる。また、凝縮したＮａが供給管および排気管を詰まらせることが無くなる。
【００２０】
また第５の発明のように、供給管および排気管の傾斜を水平面に対して４０度以上とすると、供給管および排気管内からアルカリ金属が落下しやすくなり、アルカリ金属をより融液中に回収しやすくなる。
【００２１】
また第６の発明のように、蓋は坩堝用の蓋とすることができ、また第７の発明のように、内部に坩堝を配置する第２反応容器の蓋とすることができる。また、坩堝と蓋の隙間、もしくは第２反応容器と蓋の隙間にアルカリ金属が入り込むのが抑制されるため、蓋の取り外しが容易である。
【００２２】
また、アルカリ金属を用いたフラックス法によるIII 族窒化物半導体製造に用いる坩堝に、第８の発明の坩堝用蓋を用いると、アルカリ金属の蒸発が抑制されるため、III 族窒化物半導体の結晶成長が安定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図である。図１のように、反応容器１０と、反応容器１０内部に配置され、ＧａとＮａとの混合融液１７を保持する坩堝１１と、坩堝１１用の蓋１２と、反応容器１０を加熱する加熱装置１３と、反応容器１０内部に窒素を供給する供給管１４と、反応容器１０内部から外部へ排気する排気管１５と、により構成されている。
【００２５】
坩堝１１はＢＮ（窒化ホウ素）からなり、円筒状の形状を有している。坩堝１１上部には、蓋１２が接して置かれていて、坩堝１１の開口部を覆っている。蓋１２は、坩堝１１を蓋した場合に鉛直下方向（坩堝１１の内部側）に凹んだ円錐形状である。そのため、蓋１２によって坩堝１１に蓋をした状態では、蓋１２は坩堝１１の側面から内部に向かって下り傾斜を有している。この蓋１２の傾斜は、水平面に対して約４５度の角度を成している。また、蓋１２の円錐形状の頂部には、穴１６が開けられている。蓋１２の両面（蓋１２の坩堝１１内部側となる面１２ａおよび外側となる面１２ｂ）は、バフ研磨や電界研磨などによって平坦化することで、濡れを悪くしている。
【００２６】
反応容器１０は、円筒形状のステンレス製で、耐圧・耐熱性を有したものである。この反応容器１０の内部には、蓋１２によって蓋をされた坩堝１１が配置されている。
【００２７】
供給管１４と排気管１５は、坩堝１１上部にあたる位置で、かつ水平面に対して４５度の角度を成して、反応容器１０内部の坩堝１１の蓋１２の上部で穴１６の位置に重ならない位置で開口している。供給管１４と排気管１５には、それぞれバルブ１４ｖ、１５ｖが設けられていて、窒素供給量、排気量を制御することで反応容器１０内部の圧力を制御する。反応容器１０内部の窒素は、穴１６を通して坩堝１１内部に供給される。
【００２８】
加熱装置１３は、反応容器１０の側部および底部を囲うように配置されている。この加熱装置１３によって、反応容器１０内部の温度を制御する。
【００２９】
次に、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置を用いたＧａＮ結晶の製造について述べる。
【００３０】
まず、坩堝１１内部に種結晶１８、Ｇａ、Ｎａを入れ、坩堝１１の上部に蓋１２を置いて蓋する。そして、蓋１２によって蓋された坩堝１１を反応容器１０内部に配置する。次いでバルブ１４ｖを閉じ、バルブ１５ｖを開いて、反応容器１０内部の雰囲気を排気管１５を介して排気し、その後バルブ１４ｖを開いて反応容器１０内部に供給管１４を介して窒素を供給する。また、反応容器１０内部の圧力が５０気圧となるように、バルブ１４ｖ、１５ｖを調整する。
【００３１】
次に、加熱装置１３によって反応容器１０内を加熱し、反応容器１０内部を５０気圧、８００度の状態を維持し、種結晶上にＧａＮを結晶成長させる。
【００３２】
このＧａＮ結晶の成長中、Ｎａが蒸発して坩堝１１内部に拡散する。また、穴１６を通して反応容器１０内部にもＮａ蒸気は拡散する。しかし、蓋１２によってＮａの蒸発は抑制されるため、反応容器１０内部へのＮａ蒸気の拡散は少ない。拡散したＮａ蒸気は、蓋１２の坩堝１１内部側の面１２ａや、供給管１４、排気管１５の内部で液化して付着する。面１２ａに付着した液体Ｎａは、面１２ａが研磨により濡れが悪いため容易に傾斜に沿って滑り、落下して坩堝１１内部の混合融液１７中に回収される。また、供給管１４、排気管１５の内部に付着した液体Ｎａは、傾斜によって滑り落ち、蓋１２の面１２ｂによって受け止められる。そして、面１２ｂに付着した液体Ｎａは、面１２ｂが研磨により濡れが悪いため容易に傾斜に沿って滑り、穴１６を通して混合融液１７中に落下し回収される。また、供給管１４および排気管１５の開口部は、垂直方向上部に位置させていないので、穴１６から蒸発したＮａが直接供給管１４および排気管１５の管内に入ることが防止される。
【００３３】
その後、反応容器１０の温度を常温まで下げ、ＧａＮ結晶の製造を終了する。そして、反応容器１０内部から坩堝１１を取り出し、蓋１２をはずして成長したＧａＮ結晶を取り出す。このとき、Ｎａの蒸発は抑制され、蒸発した液体Ｎａは混合融液１７中へ回収されるため、坩堝１１と蓋１２の隙間１９に液体Ｎａが入り込み、凝固してしまうことがない。したがって、容易に坩堝１１から蓋１２を外すことができる。
【００３４】
以上のように、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置を用いると、ＧａＮ結晶の成長中において、蓋１２によってＮａの蒸発は抑制され、蒸発したＮａは効率よく混合融液１７中に回収することができるので、混合融液１７のＮａ組成の変動が抑制される。その結果、結晶成長の安定性が向上し、高品質なIII 族窒化物半導体を製造することができる。また、結晶成長終了後に坩堝１１の蓋１２を容易に取り外すことができ、作業効率を向上することができる。
【実施例２】
【００３５】
図２は、実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す模式図である。実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置との違いは２点あり、反応容器１０内部にさらに反応容器２０（本発明の第２反応容器に相当）を配置し、反応容器２０の内部に坩堝１１を配置している点と、坩堝１１用の蓋１２に替えて、反応容器２０用の蓋２２を用いている点である。したがって、坩堝１１に直接蓋をした状態ではなく、坩堝１１の上部に位置した反応容器２０用の蓋２２によって、間接的に蓋をした状態となる。
【００３６】
反応容器２０は、円筒形状のステンレス製で、反応容器１０の内部に配置されている。また、反応容器２０の内部には、坩堝１１が配置されている。反応容器２０上部には、蓋２２が接して置かれていて、反応容器２０の開口部を覆っている。蓋２２は、蓋１２と同様に、鉛直下方向に凹んだ円錐形状である。また、蓋２２の円錐形状の頂部には、穴２６が開けられている。蓋２２の両面（蓋２２の反応容器２０内部側となる面２２ａおよび外側となる面２２ｂ）は、バフ研磨や電界研磨などによって平坦化することで、濡れを悪くしている。
【００３７】
この反応容器２０とその蓋２２によって、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置と同様の効果を得ることができる。すなわち、結晶成長中のＮａの蒸発が蓋２２によって抑制される。また、蓋２２の面２２ａに液化して付着した液体Ｎａは、面２２ａの濡れの悪さと傾斜によって効率よく混合融液１７中に回収される。また、穴２６を通して反応容器２０の外部へ拡散し、供給管１４および排気管１５の内部で液化したＮａは、供給管１４および排気管１５の傾斜によって滑り落ちて蓋２２の面２２ｂに受け止められる。そして、面２２ｂに付着した液体Ｎａは、面２２ｂの濡れの悪さと傾斜により、穴１６を通して混合融液１７中に落下し回収される。効率よくＮａを混合融液１７中に回収できるため、混合融液１７のＮａ組成の変動が抑制される。また、反応容器２０と蓋２２の隙間２９に液体Ｎａが入り込むことがないため、結晶成長終了後の蓋２２の取り外しが容易である。
【００３８】
以上のように、この実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置も、実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置と同様に、混合融液１７のＮａ組成の変動が抑制されるため、結晶成長の安定性が向上し、高品質なIII 族窒化物半導体を製造することができる。また、結晶成長終了後に反応容器２０の蓋２２を容易に取り外すことができるので、作業効率の向上を図ることができる。
【００３９】
実施例では、蓋に穴を設けて坩堝内部に窒素を供給するようにしているが、必ずしも蓋に穴を設ける必要はない。たとえば図３に示す蓋３２のように、蓋１２と同様の円錐形状であって、頂部に穴のないものを、蓋１２、２２に替えて用いてもよい。蓋３２によってＮａの蒸発が抑制され、蓋３２の傾斜によって効率よく混合融液中にＮａを回収することができるので、実施例１、２と同様に混合融液のＮａ組成の変動を抑える効果を得ることができる。また、穴がないために蓋３２上面の凹みにＮａが溜まる場合があるが、蓋３２によってＮａの蒸発が抑制されるので、凹みにＮａが溜まったとしても少量であり、問題はない。また、蓋３２の上部に供給管および排気管の開口部がこないようにすることで、供給管および排気管の管内から落下したＮａが凹みに溜まるのを抑制することもできる。
また、穴のない蓋を用いる場合には、坩堝もしくは第２反応容器の側壁に穴を設けることで坩堝内部に窒素を供給するようにしてもよいし、坩堝と蓋との隙間、もしくは第２反応容器と蓋との隙間から窒素を供給するようにしてもよい。
【００４０】
また、蓋の形状は実施例に限るものではなく、坩堝の側面から坩堝内部側に向かう下り傾斜を有した形状であればどのような形状でもよい。たとえば、図４に示す蓋４２のように、鉛直下方向に三角の突起状に凹んだ２つの凹部３３が並んだ断面形状（図４）を有し、平面形状は円形であって、凹部３３はリング状に一続きに形成され、リング状の凹部３３の一部にスリット３６を設けた形状の蓋であってもよい。また、図５の蓋５２のように、蓋４２においてスリット３６のない形状であってもよい。
【００４１】
また、実施例では蓋、供給管、排気管の傾斜を４５度としているが、少なくとも傾斜を有していればよい。ただし、傾斜を４０度以上とすると、蓋や供給管、排気管からＮａが離れやすくなり、融液中へのＮａの回収効率が高くなるので望ましい。
【００４２】
実施例では、フラックスとしてＮａを用いているが、他にもＬｉやＫなどのアルカリ金属や、ＭｇやＣａなどのアルカリ土類金属、およびそれらの混合物を用いることができる。また、反応容器内部に窒素を供給しているが、アンモニアなどの窒素を含む化合物を供給するようにしてもよく、アルゴンなどの不活性ガスを混合して供給してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、III 族窒化物半導体のＮａフラックス法による製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す図。
【図２】実施例２のIII 族窒化物半導体製造装置の構成を示す図。
【図３】他の蓋の形状を示す断面図。
【図４】他の蓋の形状を示す断面図。
【図５】他の蓋の形状を示す断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１０、２０：圧力容器
１１：坩堝
１２、２２、３２、４２、５２：蓋
１３：加熱装置
１４：供給管
１５：排気管
１６、２６：穴
１７：混合融液
１８：種結晶
【図１】
2009091219.tif 000003
【図２】
2009091219.tif 000004
【図３】
2009091219.tif 000005
【図４】
2009091219.tif 000006
【図５】
2009091219.tif 000007