種結晶保持体及びこれを用いた単結晶の製造方法
【課題】高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができる種結晶保持体の製造方法及びこれを用いた単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】基材９と、基材９の上に接合部１１を介して接合される種結晶１０とを備える種結晶保持体８の製造方法であって、基材９上に気相法により種結晶１０と同一材料からなる多結晶体を接合部１１として形成する接合部形成工程と、接合部１１において種結晶１０を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、接合部１１の平滑化面に種結晶１０を接合させる種結晶接合工程とを含む。
【解決手段】基材９と、基材９の上に接合部１１を介して接合される種結晶１０とを備える種結晶保持体８の製造方法であって、基材９上に気相法により種結晶１０と同一材料からなる多結晶体を接合部１１として形成する接合部形成工程と、接合部１１において種結晶１０を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、接合部１１の平滑化面に種結晶１０を接合させる種結晶接合工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種結晶保持体及びこれを用いた単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどの化合物半導体は、広いバンドギャップを有することから、発光素子、高耐圧・高周波電源ＩＣなどへの利用が期待されている。特に、窒化アルミニウム単結晶は、窒化ガリウムとの格子不整合が２．４％と小さいことから、窒化ガリウム系半導体を成長させる際の成長用基板としても期待されている。
【０００３】
このような化合物半導体単結晶の製造方法としては、種々のものが知られており、中でも、昇華法は、一般的に成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法としてよく用いられている。昇華法は、成長容器を加熱して、成長容器の底部および蓋部に温度差を設け、底部に載置した原料を昇華させ、その昇華ガスを、底部より温度の低い蓋部に固定した種結晶にて再結晶させることで結晶を成長させる方法である。
【０００４】
種結晶を成長容器の蓋部に固定する方法として、蓋部に、結晶成長の条件で安定な金属およびそのケイ化物、炭化物、窒化物を介して種結晶を固定する方法が知られている（下記特許文献１）。
【０００５】
また種結晶と黒鉛台座との間に金属材料を挟み、種結晶の上に加圧部材を配置し、加圧部材で種結晶を加圧しながら金属材料をその融点以上の温度で加熱処理した後、冷却することによって種結晶を黒鉛台座に固定する方法も知られている（下記特許文献２）。
【０００６】
さらに蓋状部材に、炭化ケイ素からなる多結晶層を介して、炭化ケイ素の種結晶を設けることにより種結晶を蓋状部材に固定する方法も知られている（下記特許文献３）。この方法では、蓋状部材に設けたフック状部材により種結晶が非接着で機械的に保持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５１０７８１号公報
【特許文献２】特開２００５−２４７６８１号公報
【特許文献３】特開２００２−２０１０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１〜３では、得られる単結晶において、以下の課題が生じていた。
【０００９】
即ち、特許文献１，２記載の方法では、得られる単結晶において、ひずみやクラックが生じる場合があり、高品質の単結晶を得ることができなかった。
【００１０】
また特許文献３記載の方法では、得られる単結晶において空隙が生じる場合があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができる種結晶保持体の製造方法及びこれを用いた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】
【００１２】
本発明者らは上記課題を解決するため、特許文献１〜３において上記課題が生じる原因について検討した。まず特許文献１、２記載の発明では、種結晶とそれに接合される金属等とが異なる材料で構成され、両者の熱膨張係数が異なっている。このため、種結晶から結晶を成長させる際、金属等が高温に加熱されると、種結晶にひずみが生じ、その結果、種結晶に設けられる成長結晶にもひずみが生じるのではないかと本発明者らは考えた。
【００１３】
また特許文献３記載の発明では、種結晶が、フック状部材によって蓋状部材に非接着で機械的に保持されているため、蓋状部材と多結晶層との間に隙間が生じやすい。このことから、単結晶を成長させる際、多結晶層よりも蓋状部材の方が低温となるため、多結晶層の裏面から蓋状部材に向かって昇華が起こり、この現象が、種結晶、成長結晶にまで引き続き起こり、その結果、成長結晶内に空隙が発生するのではないかと考えた。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、下記発明により上記課題を解決し得ることを見出した。
【００１４】
即ち本発明は、基材と、前記基材の上に接合部を介して接合される種結晶とを備える種結晶保持体の製造方法であって、前記基材上に気相法により前記種結晶と同一材料からなる多結晶体を前記接合部として形成する接合部形成工程と、前記接合部において前記種結晶を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、前記接合部の前記平滑化面に前記種結晶を接合させる種結晶接合工程とを含むことを特徴とする種結晶保持体の製造方法である。
【００１５】
この発明によれば、接合部が、基材の上に気相法により形成されることによって得られるため、接合部が緻密に形成されるとともに接合部と基材との密着性が向上し、接合部に空隙が生じることが十分に防止される。また、種結晶は、接合部の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部の平滑化面に接合される。このため、種結晶と接合部との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、上記製造方法によって得られる種結晶保持体を、単結晶の原料を収容した成長容器内に設置し、成長容器で単結晶の原料を昇華させると、種結晶保持体の種結晶から結晶が成長する。このとき、接合部と基材との密着性が向上しており、接合部に空隙が生じることが十分に防止される。加えて、種結晶は、接合部の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部の平滑化面に接合されるため、種結晶と接合部との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、種結晶が基材側から昇華することが十分に防止され、種結晶中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶から成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部は、種結晶と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部と種結晶との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部が加熱されても、種結晶に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【００１６】
上記製造方法は、前記接合部表面粗さ減少工程と前記種結晶接合工程との間に、前記種結晶のうち前記接合部と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る種結晶表面粗さ減少工程をさらに含むことが好ましい。
【００１７】
この場合、接合部の接合予定面、及び種結晶の接合予定面のいずれも平滑化されることになるため、接合部と種結晶との密着性をより向上させることができる。従って、種結晶において昇華ガスの発生がより十分に防止され、種結晶中における空隙の発生をより十分に抑制することができる。その結果、得られる単結晶において、昇華による空隙の発生をより十分に抑制することができる。
【００１８】
また本発明は、上記製造方法で得られた種結晶保持体を、単結晶の原料を収容する成長容器内に設置する種結晶保持体設置工程と、前記原料を昇華させ、前記種結晶保持体の前記種結晶から結晶を成長させる結晶成長工程とを含むことを特徴とする単結晶の製造方法である。
【００１９】
この発明によれば、種結晶保持体として、上述した種結晶保持体が用いられるため、単結晶成長を行っている間、種結晶が基材側から昇華することが十分に防止され、種結晶中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶から成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部は、種結晶と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部と種結晶との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部が加熱されても、種結晶に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができる種結晶保持体の製造方法及びこれを用いた単結晶の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る単結晶の製造方法を実施する製造装置の一例を示す切断面端面図である。
【図２】昇華法により基材上に接合部を形成するための接合部製造装置の一例を示す切断面端面図である。
【図３】基材と接合部との積層体を示す断面図である。
【図４】本発明に係る種結晶保持体の製造方法により得られる種結晶保持体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
まず本発明に係る単結晶の製造方法を実施する製造装置の一例について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る単結晶の製造装置を示す切断面端面図である。図１に示すように、窒化アルミニウム単結晶の製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ）１００は、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容する成長容器２と、成長容器２を包囲する反応管３と、反応管３の周囲に設けられる加熱装置４とから構成されている。
【００２４】
反応管３は、筒状の反応管本体部３ａと、反応管本体部３ａの側面に接続され、成長容器２から排出されたガスを希釈する希釈ガスを反応管本体部３ａ内に導入するガス導入管３ｂとを備えている。反応管３は、例えば黒鉛、タングステン又は炭化タンタルで構成されている。希釈ガスは、成長容器２から排出されるガスを希釈可能なものであればよく、このような希釈ガスとしては、窒素ガス及びアルゴンガスなどが挙げられる。
【００２５】
成長容器２は、筒状の原料収容部２ａと、原料収容部２ａの外周面に突設され、溝２ｂを形成する環状部材２ｃと、原料収容部２ａを覆うドーム状のキャップ部材２ｄとを有している。
【００２６】
原料収容部２ａの内部には、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容するルツボ５が収容されている。また原料収容部２ａには、窒素ガスを導入するガス導入管２ｆが反応管３の本体部３ａを貫通して原料収容部２ａに接続されている。ガス導入管２ｆの先端にはガス導入口２ｈが形成されている。
【００２７】
キャップ部材２ｄには、支持部材７の先端に固定した種結晶保持体８を挿入するための挿入口２ｇが形成されている。ここで、種結晶保持体８は、支持部材７に固定される基材９と、種結晶１０と、基材９及び種結晶１０を接合する接合部１１とで構成されている。ここで、支持部材７及び基材９は例えば黒鉛又はタングステンで構成される。種結晶１０は通常、窒化アルミニウム単結晶で構成されるが、炭化ケイ素又は炭化ケイ素の単結晶上に窒化アルミニウム単結晶膜を成長させたもので構成されてもよい。接合部１１は、例えば種結晶１０と同一材料からなる多結晶体で構成される。多結晶体は窒化アルミニウム単結晶体の集合体である。
【００２８】
キャップ部材２ｄは、その内側に原料収容部２ａの上端部を挿入可能となっている。またキャップ部材２ｄの端部は、環状部材２ｃの溝２ｂに挿入可能となっている。そして、キャップ部材２ｄの内側に原料収容部２ａの上端部を挿入し、キャップ部材２ｄの端部を環状部材２ｃの溝２ｂに挿入することで、単結晶成長領域６が形成されるとともに、ガス排出路２ｅが形成される。
【００２９】
ここで、ガス排出路２ｅは、ガス排出路２ｅの出口が入口よりも加熱装置４に近い位置に設けられている。即ちガス排出路２ｅは、原料収容部２ａの外側に設けられている。このため、ガス排出路２ｅにおいては、入口から出口に向かうにつれて温度が高くなる。
【００３０】
単結晶成長領域６は、原料収容部２ａの上端と、キャップ部材２ｄの内壁面とによって形成されるものであり、ガス排出路２ｅ及び原料収容部２ａよりも上方に設けられている。そして、ガス排出路２ｅは、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも高い位置で且つ単結晶配置領域６よりも低い位置に配置されている。即ち、ガス排出路２ｅは、ルツボ５と単結晶配置領域６との間に配置されている。
【００３１】
加熱装置４は、ガス排出路２ｅの温度を、単結晶成長領域６よりも高い温度とすることが可能となっている。具体的に、加熱装置４は、図１に示すように、複数の独立したリング状のヒータ４ａ、４ｂ、４ｃを備えている。これらの複数のヒータ４ａ、４ｂ、４ｃは、成長容器２の下部から上部に向かって順次配置され、各ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃにおける発熱量を独立して調整することが可能である。ヒータ４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれ、蛇行状であることが好ましい。ヒータ４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれは、複数（例えば２つ）に分割されていてもよい。ここで、ヒータ４ａは、原料１の温度を調整するためのものである。従って、ヒータ４ａは、ルツボ５を包囲するように配置されている。ヒータ４ｂはガス排出路２ｅの温度を調整するためのものである。従って、ヒータ４ｂはガス排出路２ｅを包囲するように配置されている。またヒータ４ｃは単結晶成長領域６を加熱するためのものである。従って、ヒータ４ｃは、単結晶配置領域６を包囲するように配置されている。従って、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすれば、ガス排出路２ｅの温度を、単結晶成長領域６の温度よりも高くすることが可能となる。
【００３２】
なお、原料収容部２ａ及びキャップ部材２ｄは通常、黒鉛で構成される。但し、原料収容部２ａ及びキャップ部材２ｄの内壁面は、原料１の昇華時に生成されるアルミニウムガスによる腐食を抑制する観点からは、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ），窒化タングステン（ＷＮ），窒化タンタル（ＴａＮ）などの材料でコーティングされることが好ましく、中でも、アルミニウムガスに対する耐腐食性に特に優れることから、炭化タンタルでコーティングされることが好ましい。
【００３３】
次に、上記製造装置１００を用いた単結晶の製造方法について説明する。
【００３４】
まず棒状の支持部材７の先端に固定する種結晶支持体８の製造方法について説明する。種結晶支持体８は、上述したように、支持部材７の先端に固定される基材９と、種結晶１０と、基材９と種結晶１０とを接合する接合部１１とを備えている。
【００３５】
（接合部形成工程）
まず基材９上に、気相法により多結晶体を形成する。気相法としては、昇華法、水素化物堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy，ＨＶＰＥ）、ＭＯＣＶＤ法、熱蒸着法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法、プラズマ法及びスパッタ法などが挙げられる。中でも、単結晶の成長速度が大きいことから、昇華法が好ましく用いられる。多結晶体の厚さは通常1〜5000μｍであり、好ましくは20〜500μｍである。
【００３６】
図２は、昇華法により基材上に接合部を形成するための接合部製造装置の一例を示す切断面端面図、図３は、基材及び接合部の積層体を示す断面図、図４は、種結晶保持体を示す断面図である。図２に示すように、接合部製造装置２０は、発熱体１４と、発熱体１４を包囲する断熱材１３と、断熱体１３の周囲に巻回される加熱コイル１６とを備えている。発熱体１４は、原料１５を収容する原料収容部１４ａと、原料収容部１４ａを密閉する蓋体１４ｂとで構成されている。断熱材１３も断熱材本体部１３ａと、断熱材本体部１３ａに設けられる蓋体１３ｂとを有している。また断熱材１３には、発熱体１４の蓋体１４ｂを露出させるように形成される貫通孔１３ｃと、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部を露出させるように形成される貫通孔１３ｄとが形成されている。貫通孔１３ｃは、放射温度計を挿入し、蓋体１４ｂから放射される赤外線によって蓋体１４ｂの温度を計測するためのものである。貫通孔１３ｄは、放射温度計を挿入し、原料収容部１４ａの底部から放射される赤外線によって底部の温度を計測するためのものである。
【００３７】
そして、接合部製造装置２０において、断熱材１３の蓋体１３ｂを外し、発熱体１４の蓋体１４ｂを外した状態にする。そして、発熱体１４の蓋体１４ｂには、原料収容部１４ａを蓋体１４ｂで密閉した場合に原料１５に対向する面に基材９を固定する。基材９の固定は、例えば基材９を発熱体１４の蓋体１４ｂとして発熱体１４の上に嵌め合せて載置したり、発熱体１４の蓋体１４ｂに機械的に嵌め合せたりすることによって行うことができる。
【００３８】
そして、原料収容部１４ａに原料１５を収納した後、蓋体１４ｂで原料収容部１４ａを密閉する。続いて、断熱材本体部１３ａを蓋体１３ｂで密閉する。
【００３９】
そして、加熱コイル１６に電流を印加して磁界を発生させることにより発熱体１４を発熱させる。このとき、断熱材１３の貫通孔１３ｃ、１３ｄの各々に放射温度計を挿入し、発熱体１４の蓋体１４ｂ、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を計測しながら、原料１５が昇華する温度まで原料１５を加熱する。このとき、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度が、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度よりも低くなるようにする。すると、原料１５が昇華し、昇華したガスにより基材９の表面上に、種結晶１０と同一材料からなる多結晶体が析出する。こうして基材９上に接合部１１が形成され、基材９及び接合部１１の積層体が得られる（図３）。
【００４０】
次に、断熱材１３の蓋体１３ｂを取り外し、続いて発熱体１４の蓋体１４ｂを取り外す。そして、蓋体１４ｂから、基材９及び接合部１１の積層体を取り外す。
【００４１】
（接合部表面粗さ減少工程）
次に、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成する。ここで、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させるには、例えば接合部１１の接合予定面に対して研削又は研磨などを行えばよい。中でも、研削が加工速度が大きいことから好ましいが、表面粗さは研磨の方が低くなるので、両者を併用しても良い。また接合部１１の接合予定面の表面粗さは、平滑化面の算術表面粗さRaが0.05〜2μｍとなるまで減少させることが好ましく、0.2〜1μｍとなるまで減少させることがより好ましい。
【００４２】
一方、種結晶１０を用意する。種結晶１０としては通常、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用することも可能である。種結晶１０の厚さは通常は100〜2000μｍであり、好ましくは200〜1000μｍである。
【００４３】
そして、上記積層体の接合部１１の平滑化面に種結晶１０を重ね合わせ、この状態で接合部１１及び種結晶１０を熱処理する。こうして接合部１１と種結晶１０とが接合し、種結晶保持体８が得られる（図４）。このとき、熱処理の温度は、接合部１１と種結晶１０とが接合する温度であればよいが、通常1800〜2100℃、好ましくは1900〜2000℃とする。また接合部１１及び種結晶１０の熱処理は、加圧しながら行うことが好ましい。この場合、加圧しないで熱処理を行う場合に比べて種結晶１０を接合部１１により強固に接合することができる。このときの加圧圧力は通常、5〜200ｋＰａであり、好ましくは10〜50ｋＰａである。
【００４４】
（種結晶表面粗さ減少工程）
なお、接合部１１及び種結晶１０を熱処理する前に、種結晶１０のうち接合部１１との接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成することが好ましい。この場合、接合部１１と種結晶１０との密着性をより向上させることができる。
【００４５】
種結晶１０の接合予定面の表面粗さを減少させるには、例えば種結晶１０の接合予定面に対して研削又は研磨などを行えばよい。中でも、研削が加工速度が大きいことから好ましい。また種結晶１０の接合予定面の表面粗さは、平滑化面の算出表面粗さＲａが0.05〜2μｍとすることが好ましく、0.2〜1μｍとすることがより好ましい。
【００４６】
こうして種結晶保持体８が得られた後は、図１に示すように、まず成長容器２において、原料収容部２ａ内に配置したルツボ５に窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容する。
【００４７】
（種結晶保持体設置工程）
一方、棒状の支持部材７の先端に、上記のようにして得られた種結晶保持体８を固定する。このとき、種結晶保持体８の基材９を支持部材７の先端に固定する。そして、種結晶保持体８を支持した支持部材７を、キャップ部材２ｄの挿入口２ｇに、種結晶保持体８側から挿入する。このとき、種結晶１０は、成長容器２内の単結晶成長領域６に配置される。具体的には、種結晶１０は、原料１側に面した表面が原料収容部２ａの底面２ｉから所定の距離離れた位置に配置されるように単結晶成長領域６に配置される。
【００４８】
他方、成長容器２内にガス導入管２ｆのガス導入口２ｈを経て窒素ガスを導入しながら、加熱装置４を作動させる。このとき、例えばリング状ヒータ４ｂの発熱量を、ヒータ４ａよりも大きくし、ヒータ４ａの発熱量をヒータ４ｃよりも大きくする。これにより、ガス排出路２ｅの温度が原料１及び単結晶成長領域６の温度よりも高くなり、原料１の温度が単結晶成長領域６の温度よりも高くなる。
【００４９】
（結晶成長工程）
こうして、加熱装置４により、窒化アルミニウム単結晶の原料１が加熱されて昇華すると、原料１から昇華した昇華ガスとガス導入口２ｈから導入された窒素ガスとの混合ガスが、種結晶１０において冷却されることで再結晶して固相になり種結晶１０に結晶１２が成長する。こうして窒化アルミニウム単結晶が得られる。
【００５０】
上記製造方法によれば、接合部１１が、基材９の上に気相法により形成されることによって得られるため、接合部１１が緻密に形成されるとともに接合部１１と基材９との密着性が向上し、接合部１１に空隙が生じることが十分に防止される。また、種結晶１０は、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部１１の平滑化面に接合される。このため、種結晶１０と接合部１１との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、上記製造方法によって得られる種結晶保持体８を、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容した成長容器２内に設置し、成長容器２内に単結晶の原料１を収容して昇華させると、種結晶保持体８の種結晶１０から結晶１２が成長する。このとき、接合部１１と基材９との密着性が向上しており、接合部１１に空隙が生じることが十分に防止される。加えて、種結晶１０は、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部１１の平滑化面に接合されるため、種結晶１０と接合部１１との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、種結晶１０が基材９側から昇華することが十分に防止され、種結晶１０中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶１０上に成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部１１は、種結晶１０と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部１１と種結晶１０との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部１１が加熱されても、種結晶１０に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【００５１】
特に、上記実施形態において、接合部１１の表面粗さを減少させた後で且つ種結晶１０を接合部１１に接合する前に、種結晶１０のうち接合部１１と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成すると、接合部１１の接合予定面、及び種結晶１０の接合予定面のいずれも平滑化されるため、接合部１１と種結晶１０との密着性をより向上させることができる。従って、種結晶１０において昇華ガスの発生がより十分に防止され、種結晶１０中における空隙の発生をより十分に抑制することができる。その結果、得られる単結晶において、昇華による空隙の発生をより十分に抑制することができる。
【００５２】
さらに結晶１２を成長させている間は、ガス導入管３ｂから反応管本体部３ａ内に希釈ガスを導入することが好ましい。この場合、成長容器２のガス排出路２ｅから排出されるガス中の窒化アルミニウムが希釈され、反応管本体部３ａの内壁に窒化アルミニウム粒子が析出することを抑制することができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、窒化アルミニウム単結晶が、密閉していない成長容器２内で製造されているが、窒化アルミニウム単結晶は、密閉された成長容器内で製造されてもよい。
【００５４】
また上記実施形態は、単結晶が窒化アルミニウムの場合について説明したが、本発明は、炭化ケイ素などの単結晶においても適用可能である。この場合、接合部１１としては、炭化ケイ素の多結晶体が使用され、種結晶１０としては、炭化ケイ素の単結晶が使用される。
さらに上記実施形態では、ガス排出路２ｅが、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも高い位置で且つ単結晶配置領域６よりも低い位置に配置されているが、ガス排出路２ｅは、ルツボ５と単結晶配置領域６との間に配置されていればよく、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも低い位置で且つ単結晶配置領域６よりも高い位置に配置されていてもよい。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５６】
（実施例１）
黒鉛製の基材を準備した。次に、図２に示す接合部製造装置２０において、断熱材１３の蓋体１３ｂを外し、発熱体１４の蓋体１４ｂを外した状態にした。そして、基材９は、発熱体１４の蓋体１４ｂに基材９を嵌め合せることによって固定した。
【００５７】
そして、原料収容部１４ａに窒化アルミニウムからなる原料１５を収納した後、蓋体１４ｂで原料収容部１４ａを密閉した。続いて、断熱材本体部１３ａを蓋体１３ｂで密閉した。
【００５８】
そして、断熱材１３の周りに窒素ガスを５００ｓｃｃｍの流量で流しながら、加熱コイル１６に電流を印加して磁界を発生させることにより発熱体１４を発熱させた。発熱体１４の内部の圧力は４００Ｔｏｒｒとした。このとき、断熱材１３の貫通孔１３ｃ、１３ｄの各々に放射温度計を挿入し、発熱体１４の蓋体１４ｂ、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を計測しながら、原料１５が昇華する温度まで原料１５を加熱した。このとき、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度を２１００℃、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を２２００℃とし、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度が、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度よりも小さくなるようにした。この状態を２０時間保持した。
【００５９】
こうして、基材９の表面上に、窒化アルミニウムからなる多結晶体を得た。
【００６０】
次に、断熱材１３の蓋体１３ｂを取り外し、続いて発熱体１４の蓋体１４ｂを取り外した。そして、蓋体１４ｂから、基材９及び接合部１１の積層体を取り外した。
【００６１】
一方、種結晶１０を用意した。種結晶１０としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた。
【００６２】
そして、接合部１１及び種結晶１０のいずれについても、研削により平滑化を行い、平滑化面の算術表面粗さＲａが0.3μｍとなるようにした。
【００６３】
そして、上記積層体の接合部１１に種結晶１０を重ね合わせた後、種結晶１０の上に、種結晶１０に２×１０４Ｐａの圧力が印加されるようにタングステンからなる重りを載せた。そして、窒素ガス気流中、大気圧下、接合部１１及び種結晶１０を２０００℃で２４時間保持することにより熱処理を行った。こうして接合部１１と種結晶１０とが接合し、種結晶保持体８を得た。
【００６４】
こうして得られた種結晶保持体８を用いて、図１に示す製造装置により、窒化アルミニウム単結晶を製造した。具体的には、黒鉛からなる支持部材７を、キャップ部材２ｄの支持部挿入口２ｇに挿入した状態で支持部材７の先端に、機械的な嵌め合せによって種結晶保持体８を固定した。
【００６５】
次に、キャップ部材２ｄで原料収容部２ａを覆った。このとき、ガス導入管２ｆから窒素ガスを導入し、ガス導入管３ｂからは希釈ガスとして窒素ガスを導入した。そして、昇華法により結晶成長を行った。
【００６６】
結晶成長の条件は以下の通りとした。即ち、成長容器２内の圧力、成長時間、窒素ガスの流量、希釈ガスの流量、原料部温度、中間部温度および成長部温度はそれぞれ下記の通りとした。
成長容器２内の圧力：２００Ｔｏｒｒ
成長時間 ：３００時間
窒素ガス流量 ：１ＳＬＭ
希釈ガスの流量 ：１ＳＬＭ
原料部温度 ：２３００℃
中間部温度 ：２３５０℃
成長部温度 ：２２００℃
【００６７】
（比較例１）
種結晶を、カーボン系接着剤（ＳＴ−２０１、日清紡ケミカル株式会社製）を用いて基材に固定することによって種結晶保持体を作製したこと以外は実施例１と同様にして単結晶の製造を行った。なお、カーボン系接着剤は、フェノール樹脂及びカーボンを溶剤中に溶解させてなるものとした。
【００６８】
（比較例２）
種結晶を、窒化アルミニウム系接着剤を用いて基材に固定することによって種結晶保持体を作製したこと以外は実施例１と同様にして単結晶の製造を行った。なお、窒化アルミニウム系接着剤は、窒化アルミニウムを、水からなる溶剤中に溶解させてなるものとした。
【００６９】
実施例１、比較例１及び比較例２で得られた種結晶保持体について、種結晶及び基材を横切るように切断し、その断面を目視にて観察したところ、以下の結果が得られた。
【００７０】
即ち、実施例１の種結晶保持体においては、種結晶と接合部との界面、接合部と基材との界面の各々において空隙の存在は認められなかった。
【００７１】
これに対し、比較例１では、種結晶の裏面（基材側の面）昇華が顕著であった。即ち、種結晶において大きな空隙の存在が認められた。また比較例２でも、種結晶の裏面（基材側の面）昇華が見られた。即ち、種結晶において空隙の存在が認められた。
【００７２】
また得られた単結晶を切断してその断面を目視にて観察し、成長結晶における空隙の有無を調べた。結果を表１に示す。
【００７３】
さらに、得られた単結晶について、Ｘ線回折により窒化アルミニウムの（０００２）面のロッキングカーブを測定し、そのピークの半値幅（ＦＷＨＭ）を求めた。結果を表１に示す。
【表１】
【００７４】
表１に示す結果より、実施例１では、得られた単結晶において、空隙の存在が認められず、ＦＷＨＭの値も小さかったことから結晶性の高い結晶が得られていることが分かった。
【００７５】
従って、本発明に係る種結晶保持体の製造方法によれば、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができることが確認された。
【符号の説明】
【００７６】
８…種結晶保持体
９…基材
１０…種結晶
１１…接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種結晶保持体及びこれを用いた単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどの化合物半導体は、広いバンドギャップを有することから、発光素子、高耐圧・高周波電源ＩＣなどへの利用が期待されている。特に、窒化アルミニウム単結晶は、窒化ガリウムとの格子不整合が２．４％と小さいことから、窒化ガリウム系半導体を成長させる際の成長用基板としても期待されている。
【０００３】
このような化合物半導体単結晶の製造方法としては、種々のものが知られており、中でも、昇華法は、一般的に成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法としてよく用いられている。昇華法は、成長容器を加熱して、成長容器の底部および蓋部に温度差を設け、底部に載置した原料を昇華させ、その昇華ガスを、底部より温度の低い蓋部に固定した種結晶にて再結晶させることで結晶を成長させる方法である。
【０００４】
種結晶を成長容器の蓋部に固定する方法として、蓋部に、結晶成長の条件で安定な金属およびそのケイ化物、炭化物、窒化物を介して種結晶を固定する方法が知られている（下記特許文献１）。
【０００５】
また種結晶と黒鉛台座との間に金属材料を挟み、種結晶の上に加圧部材を配置し、加圧部材で種結晶を加圧しながら金属材料をその融点以上の温度で加熱処理した後、冷却することによって種結晶を黒鉛台座に固定する方法も知られている（下記特許文献２）。
【０００６】
さらに蓋状部材に、炭化ケイ素からなる多結晶層を介して、炭化ケイ素の種結晶を設けることにより種結晶を蓋状部材に固定する方法も知られている（下記特許文献３）。この方法では、蓋状部材に設けたフック状部材により種結晶が非接着で機械的に保持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５１０７８１号公報
【特許文献２】特開２００５−２４７６８１号公報
【特許文献３】特開２００２−２０１０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１〜３では、得られる単結晶において、以下の課題が生じていた。
【０００９】
即ち、特許文献１，２記載の方法では、得られる単結晶において、ひずみやクラックが生じる場合があり、高品質の単結晶を得ることができなかった。
【００１０】
また特許文献３記載の方法では、得られる単結晶において空隙が生じる場合があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができる種結晶保持体の製造方法及びこれを用いた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】
【００１２】
本発明者らは上記課題を解決するため、特許文献１〜３において上記課題が生じる原因について検討した。まず特許文献１、２記載の発明では、種結晶とそれに接合される金属等とが異なる材料で構成され、両者の熱膨張係数が異なっている。このため、種結晶から結晶を成長させる際、金属等が高温に加熱されると、種結晶にひずみが生じ、その結果、種結晶に設けられる成長結晶にもひずみが生じるのではないかと本発明者らは考えた。
【００１３】
また特許文献３記載の発明では、種結晶が、フック状部材によって蓋状部材に非接着で機械的に保持されているため、蓋状部材と多結晶層との間に隙間が生じやすい。このことから、単結晶を成長させる際、多結晶層よりも蓋状部材の方が低温となるため、多結晶層の裏面から蓋状部材に向かって昇華が起こり、この現象が、種結晶、成長結晶にまで引き続き起こり、その結果、成長結晶内に空隙が発生するのではないかと考えた。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、下記発明により上記課題を解決し得ることを見出した。
【００１４】
即ち本発明は、基材と、前記基材の上に接合部を介して接合される種結晶とを備える種結晶保持体の製造方法であって、前記基材上に気相法により前記種結晶と同一材料からなる多結晶体を前記接合部として形成する接合部形成工程と、前記接合部において前記種結晶を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、前記接合部の前記平滑化面に前記種結晶を接合させる種結晶接合工程とを含むことを特徴とする種結晶保持体の製造方法である。
【００１５】
この発明によれば、接合部が、基材の上に気相法により形成されることによって得られるため、接合部が緻密に形成されるとともに接合部と基材との密着性が向上し、接合部に空隙が生じることが十分に防止される。また、種結晶は、接合部の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部の平滑化面に接合される。このため、種結晶と接合部との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、上記製造方法によって得られる種結晶保持体を、単結晶の原料を収容した成長容器内に設置し、成長容器で単結晶の原料を昇華させると、種結晶保持体の種結晶から結晶が成長する。このとき、接合部と基材との密着性が向上しており、接合部に空隙が生じることが十分に防止される。加えて、種結晶は、接合部の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部の平滑化面に接合されるため、種結晶と接合部との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、種結晶が基材側から昇華することが十分に防止され、種結晶中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶から成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部は、種結晶と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部と種結晶との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部が加熱されても、種結晶に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【００１６】
上記製造方法は、前記接合部表面粗さ減少工程と前記種結晶接合工程との間に、前記種結晶のうち前記接合部と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る種結晶表面粗さ減少工程をさらに含むことが好ましい。
【００１７】
この場合、接合部の接合予定面、及び種結晶の接合予定面のいずれも平滑化されることになるため、接合部と種結晶との密着性をより向上させることができる。従って、種結晶において昇華ガスの発生がより十分に防止され、種結晶中における空隙の発生をより十分に抑制することができる。その結果、得られる単結晶において、昇華による空隙の発生をより十分に抑制することができる。
【００１８】
また本発明は、上記製造方法で得られた種結晶保持体を、単結晶の原料を収容する成長容器内に設置する種結晶保持体設置工程と、前記原料を昇華させ、前記種結晶保持体の前記種結晶から結晶を成長させる結晶成長工程とを含むことを特徴とする単結晶の製造方法である。
【００１９】
この発明によれば、種結晶保持体として、上述した種結晶保持体が用いられるため、単結晶成長を行っている間、種結晶が基材側から昇華することが十分に防止され、種結晶中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶から成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部は、種結晶と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部と種結晶との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部が加熱されても、種結晶に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができる種結晶保持体の製造方法及びこれを用いた単結晶の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る単結晶の製造方法を実施する製造装置の一例を示す切断面端面図である。
【図２】昇華法により基材上に接合部を形成するための接合部製造装置の一例を示す切断面端面図である。
【図３】基材と接合部との積層体を示す断面図である。
【図４】本発明に係る種結晶保持体の製造方法により得られる種結晶保持体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
まず本発明に係る単結晶の製造方法を実施する製造装置の一例について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る単結晶の製造装置を示す切断面端面図である。図１に示すように、窒化アルミニウム単結晶の製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ）１００は、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容する成長容器２と、成長容器２を包囲する反応管３と、反応管３の周囲に設けられる加熱装置４とから構成されている。
【００２４】
反応管３は、筒状の反応管本体部３ａと、反応管本体部３ａの側面に接続され、成長容器２から排出されたガスを希釈する希釈ガスを反応管本体部３ａ内に導入するガス導入管３ｂとを備えている。反応管３は、例えば黒鉛、タングステン又は炭化タンタルで構成されている。希釈ガスは、成長容器２から排出されるガスを希釈可能なものであればよく、このような希釈ガスとしては、窒素ガス及びアルゴンガスなどが挙げられる。
【００２５】
成長容器２は、筒状の原料収容部２ａと、原料収容部２ａの外周面に突設され、溝２ｂを形成する環状部材２ｃと、原料収容部２ａを覆うドーム状のキャップ部材２ｄとを有している。
【００２６】
原料収容部２ａの内部には、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容するルツボ５が収容されている。また原料収容部２ａには、窒素ガスを導入するガス導入管２ｆが反応管３の本体部３ａを貫通して原料収容部２ａに接続されている。ガス導入管２ｆの先端にはガス導入口２ｈが形成されている。
【００２７】
キャップ部材２ｄには、支持部材７の先端に固定した種結晶保持体８を挿入するための挿入口２ｇが形成されている。ここで、種結晶保持体８は、支持部材７に固定される基材９と、種結晶１０と、基材９及び種結晶１０を接合する接合部１１とで構成されている。ここで、支持部材７及び基材９は例えば黒鉛又はタングステンで構成される。種結晶１０は通常、窒化アルミニウム単結晶で構成されるが、炭化ケイ素又は炭化ケイ素の単結晶上に窒化アルミニウム単結晶膜を成長させたもので構成されてもよい。接合部１１は、例えば種結晶１０と同一材料からなる多結晶体で構成される。多結晶体は窒化アルミニウム単結晶体の集合体である。
【００２８】
キャップ部材２ｄは、その内側に原料収容部２ａの上端部を挿入可能となっている。またキャップ部材２ｄの端部は、環状部材２ｃの溝２ｂに挿入可能となっている。そして、キャップ部材２ｄの内側に原料収容部２ａの上端部を挿入し、キャップ部材２ｄの端部を環状部材２ｃの溝２ｂに挿入することで、単結晶成長領域６が形成されるとともに、ガス排出路２ｅが形成される。
【００２９】
ここで、ガス排出路２ｅは、ガス排出路２ｅの出口が入口よりも加熱装置４に近い位置に設けられている。即ちガス排出路２ｅは、原料収容部２ａの外側に設けられている。このため、ガス排出路２ｅにおいては、入口から出口に向かうにつれて温度が高くなる。
【００３０】
単結晶成長領域６は、原料収容部２ａの上端と、キャップ部材２ｄの内壁面とによって形成されるものであり、ガス排出路２ｅ及び原料収容部２ａよりも上方に設けられている。そして、ガス排出路２ｅは、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも高い位置で且つ単結晶配置領域６よりも低い位置に配置されている。即ち、ガス排出路２ｅは、ルツボ５と単結晶配置領域６との間に配置されている。
【００３１】
加熱装置４は、ガス排出路２ｅの温度を、単結晶成長領域６よりも高い温度とすることが可能となっている。具体的に、加熱装置４は、図１に示すように、複数の独立したリング状のヒータ４ａ、４ｂ、４ｃを備えている。これらの複数のヒータ４ａ、４ｂ、４ｃは、成長容器２の下部から上部に向かって順次配置され、各ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃにおける発熱量を独立して調整することが可能である。ヒータ４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれ、蛇行状であることが好ましい。ヒータ４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれは、複数（例えば２つ）に分割されていてもよい。ここで、ヒータ４ａは、原料１の温度を調整するためのものである。従って、ヒータ４ａは、ルツボ５を包囲するように配置されている。ヒータ４ｂはガス排出路２ｅの温度を調整するためのものである。従って、ヒータ４ｂはガス排出路２ｅを包囲するように配置されている。またヒータ４ｃは単結晶成長領域６を加熱するためのものである。従って、ヒータ４ｃは、単結晶配置領域６を包囲するように配置されている。従って、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすれば、ガス排出路２ｅの温度を、単結晶成長領域６の温度よりも高くすることが可能となる。
【００３２】
なお、原料収容部２ａ及びキャップ部材２ｄは通常、黒鉛で構成される。但し、原料収容部２ａ及びキャップ部材２ｄの内壁面は、原料１の昇華時に生成されるアルミニウムガスによる腐食を抑制する観点からは、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ），窒化タングステン（ＷＮ），窒化タンタル（ＴａＮ）などの材料でコーティングされることが好ましく、中でも、アルミニウムガスに対する耐腐食性に特に優れることから、炭化タンタルでコーティングされることが好ましい。
【００３３】
次に、上記製造装置１００を用いた単結晶の製造方法について説明する。
【００３４】
まず棒状の支持部材７の先端に固定する種結晶支持体８の製造方法について説明する。種結晶支持体８は、上述したように、支持部材７の先端に固定される基材９と、種結晶１０と、基材９と種結晶１０とを接合する接合部１１とを備えている。
【００３５】
（接合部形成工程）
まず基材９上に、気相法により多結晶体を形成する。気相法としては、昇華法、水素化物堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy，ＨＶＰＥ）、ＭＯＣＶＤ法、熱蒸着法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法、プラズマ法及びスパッタ法などが挙げられる。中でも、単結晶の成長速度が大きいことから、昇華法が好ましく用いられる。多結晶体の厚さは通常1〜5000μｍであり、好ましくは20〜500μｍである。
【００３６】
図２は、昇華法により基材上に接合部を形成するための接合部製造装置の一例を示す切断面端面図、図３は、基材及び接合部の積層体を示す断面図、図４は、種結晶保持体を示す断面図である。図２に示すように、接合部製造装置２０は、発熱体１４と、発熱体１４を包囲する断熱材１３と、断熱体１３の周囲に巻回される加熱コイル１６とを備えている。発熱体１４は、原料１５を収容する原料収容部１４ａと、原料収容部１４ａを密閉する蓋体１４ｂとで構成されている。断熱材１３も断熱材本体部１３ａと、断熱材本体部１３ａに設けられる蓋体１３ｂとを有している。また断熱材１３には、発熱体１４の蓋体１４ｂを露出させるように形成される貫通孔１３ｃと、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部を露出させるように形成される貫通孔１３ｄとが形成されている。貫通孔１３ｃは、放射温度計を挿入し、蓋体１４ｂから放射される赤外線によって蓋体１４ｂの温度を計測するためのものである。貫通孔１３ｄは、放射温度計を挿入し、原料収容部１４ａの底部から放射される赤外線によって底部の温度を計測するためのものである。
【００３７】
そして、接合部製造装置２０において、断熱材１３の蓋体１３ｂを外し、発熱体１４の蓋体１４ｂを外した状態にする。そして、発熱体１４の蓋体１４ｂには、原料収容部１４ａを蓋体１４ｂで密閉した場合に原料１５に対向する面に基材９を固定する。基材９の固定は、例えば基材９を発熱体１４の蓋体１４ｂとして発熱体１４の上に嵌め合せて載置したり、発熱体１４の蓋体１４ｂに機械的に嵌め合せたりすることによって行うことができる。
【００３８】
そして、原料収容部１４ａに原料１５を収納した後、蓋体１４ｂで原料収容部１４ａを密閉する。続いて、断熱材本体部１３ａを蓋体１３ｂで密閉する。
【００３９】
そして、加熱コイル１６に電流を印加して磁界を発生させることにより発熱体１４を発熱させる。このとき、断熱材１３の貫通孔１３ｃ、１３ｄの各々に放射温度計を挿入し、発熱体１４の蓋体１４ｂ、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を計測しながら、原料１５が昇華する温度まで原料１５を加熱する。このとき、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度が、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度よりも低くなるようにする。すると、原料１５が昇華し、昇華したガスにより基材９の表面上に、種結晶１０と同一材料からなる多結晶体が析出する。こうして基材９上に接合部１１が形成され、基材９及び接合部１１の積層体が得られる（図３）。
【００４０】
次に、断熱材１３の蓋体１３ｂを取り外し、続いて発熱体１４の蓋体１４ｂを取り外す。そして、蓋体１４ｂから、基材９及び接合部１１の積層体を取り外す。
【００４１】
（接合部表面粗さ減少工程）
次に、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成する。ここで、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させるには、例えば接合部１１の接合予定面に対して研削又は研磨などを行えばよい。中でも、研削が加工速度が大きいことから好ましいが、表面粗さは研磨の方が低くなるので、両者を併用しても良い。また接合部１１の接合予定面の表面粗さは、平滑化面の算術表面粗さRaが0.05〜2μｍとなるまで減少させることが好ましく、0.2〜1μｍとなるまで減少させることがより好ましい。
【００４２】
一方、種結晶１０を用意する。種結晶１０としては通常、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用することも可能である。種結晶１０の厚さは通常は100〜2000μｍであり、好ましくは200〜1000μｍである。
【００４３】
そして、上記積層体の接合部１１の平滑化面に種結晶１０を重ね合わせ、この状態で接合部１１及び種結晶１０を熱処理する。こうして接合部１１と種結晶１０とが接合し、種結晶保持体８が得られる（図４）。このとき、熱処理の温度は、接合部１１と種結晶１０とが接合する温度であればよいが、通常1800〜2100℃、好ましくは1900〜2000℃とする。また接合部１１及び種結晶１０の熱処理は、加圧しながら行うことが好ましい。この場合、加圧しないで熱処理を行う場合に比べて種結晶１０を接合部１１により強固に接合することができる。このときの加圧圧力は通常、5〜200ｋＰａであり、好ましくは10〜50ｋＰａである。
【００４４】
（種結晶表面粗さ減少工程）
なお、接合部１１及び種結晶１０を熱処理する前に、種結晶１０のうち接合部１１との接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成することが好ましい。この場合、接合部１１と種結晶１０との密着性をより向上させることができる。
【００４５】
種結晶１０の接合予定面の表面粗さを減少させるには、例えば種結晶１０の接合予定面に対して研削又は研磨などを行えばよい。中でも、研削が加工速度が大きいことから好ましい。また種結晶１０の接合予定面の表面粗さは、平滑化面の算出表面粗さＲａが0.05〜2μｍとすることが好ましく、0.2〜1μｍとすることがより好ましい。
【００４６】
こうして種結晶保持体８が得られた後は、図１に示すように、まず成長容器２において、原料収容部２ａ内に配置したルツボ５に窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容する。
【００４７】
（種結晶保持体設置工程）
一方、棒状の支持部材７の先端に、上記のようにして得られた種結晶保持体８を固定する。このとき、種結晶保持体８の基材９を支持部材７の先端に固定する。そして、種結晶保持体８を支持した支持部材７を、キャップ部材２ｄの挿入口２ｇに、種結晶保持体８側から挿入する。このとき、種結晶１０は、成長容器２内の単結晶成長領域６に配置される。具体的には、種結晶１０は、原料１側に面した表面が原料収容部２ａの底面２ｉから所定の距離離れた位置に配置されるように単結晶成長領域６に配置される。
【００４８】
他方、成長容器２内にガス導入管２ｆのガス導入口２ｈを経て窒素ガスを導入しながら、加熱装置４を作動させる。このとき、例えばリング状ヒータ４ｂの発熱量を、ヒータ４ａよりも大きくし、ヒータ４ａの発熱量をヒータ４ｃよりも大きくする。これにより、ガス排出路２ｅの温度が原料１及び単結晶成長領域６の温度よりも高くなり、原料１の温度が単結晶成長領域６の温度よりも高くなる。
【００４９】
（結晶成長工程）
こうして、加熱装置４により、窒化アルミニウム単結晶の原料１が加熱されて昇華すると、原料１から昇華した昇華ガスとガス導入口２ｈから導入された窒素ガスとの混合ガスが、種結晶１０において冷却されることで再結晶して固相になり種結晶１０に結晶１２が成長する。こうして窒化アルミニウム単結晶が得られる。
【００５０】
上記製造方法によれば、接合部１１が、基材９の上に気相法により形成されることによって得られるため、接合部１１が緻密に形成されるとともに接合部１１と基材９との密着性が向上し、接合部１１に空隙が生じることが十分に防止される。また、種結晶１０は、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部１１の平滑化面に接合される。このため、種結晶１０と接合部１１との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、上記製造方法によって得られる種結晶保持体８を、窒化アルミニウム単結晶の原料１を収容した成長容器２内に設置し、成長容器２内に単結晶の原料１を収容して昇華させると、種結晶保持体８の種結晶１０から結晶１２が成長する。このとき、接合部１１と基材９との密着性が向上しており、接合部１１に空隙が生じることが十分に防止される。加えて、種結晶１０は、接合部１１の接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面とされてから、接合部１１の平滑化面に接合されるため、種結晶１０と接合部１１との間の隙間を十分に小さくすることが可能となる。このため、種結晶１０が基材９側から昇華することが十分に防止され、種結晶１０中に空隙が発生することも十分に防止される。その結果、種結晶１０上に成長する成長結晶においても、空隙が発生することが十分に防止される。また、接合部１１は、種結晶１０と同一材料からなる多結晶体で構成されるため、接合部１１と種結晶１０との間の熱膨張係数の差が十分に小さくなる。このため、接合部１１が加熱されても、種結晶１０に印加されるひずみを十分に小さくすることが可能となり、得られる成長結晶においても、ひずみを十分に小さくすることが可能となる。その結果、高品質の単結晶を得ることができる。
【００５１】
特に、上記実施形態において、接合部１１の表面粗さを減少させた後で且つ種結晶１０を接合部１１に接合する前に、種結晶１０のうち接合部１１と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を形成すると、接合部１１の接合予定面、及び種結晶１０の接合予定面のいずれも平滑化されるため、接合部１１と種結晶１０との密着性をより向上させることができる。従って、種結晶１０において昇華ガスの発生がより十分に防止され、種結晶１０中における空隙の発生をより十分に抑制することができる。その結果、得られる単結晶において、昇華による空隙の発生をより十分に抑制することができる。
【００５２】
さらに結晶１２を成長させている間は、ガス導入管３ｂから反応管本体部３ａ内に希釈ガスを導入することが好ましい。この場合、成長容器２のガス排出路２ｅから排出されるガス中の窒化アルミニウムが希釈され、反応管本体部３ａの内壁に窒化アルミニウム粒子が析出することを抑制することができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、窒化アルミニウム単結晶が、密閉していない成長容器２内で製造されているが、窒化アルミニウム単結晶は、密閉された成長容器内で製造されてもよい。
【００５４】
また上記実施形態は、単結晶が窒化アルミニウムの場合について説明したが、本発明は、炭化ケイ素などの単結晶においても適用可能である。この場合、接合部１１としては、炭化ケイ素の多結晶体が使用され、種結晶１０としては、炭化ケイ素の単結晶が使用される。
さらに上記実施形態では、ガス排出路２ｅが、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも高い位置で且つ単結晶配置領域６よりも低い位置に配置されているが、ガス排出路２ｅは、ルツボ５と単結晶配置領域６との間に配置されていればよく、原料が配置されるルツボ（原料配置部）５よりも低い位置で且つ単結晶配置領域６よりも高い位置に配置されていてもよい。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５６】
（実施例１）
黒鉛製の基材を準備した。次に、図２に示す接合部製造装置２０において、断熱材１３の蓋体１３ｂを外し、発熱体１４の蓋体１４ｂを外した状態にした。そして、基材９は、発熱体１４の蓋体１４ｂに基材９を嵌め合せることによって固定した。
【００５７】
そして、原料収容部１４ａに窒化アルミニウムからなる原料１５を収納した後、蓋体１４ｂで原料収容部１４ａを密閉した。続いて、断熱材本体部１３ａを蓋体１３ｂで密閉した。
【００５８】
そして、断熱材１３の周りに窒素ガスを５００ｓｃｃｍの流量で流しながら、加熱コイル１６に電流を印加して磁界を発生させることにより発熱体１４を発熱させた。発熱体１４の内部の圧力は４００Ｔｏｒｒとした。このとき、断熱材１３の貫通孔１３ｃ、１３ｄの各々に放射温度計を挿入し、発熱体１４の蓋体１４ｂ、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を計測しながら、原料１５が昇華する温度まで原料１５を加熱した。このとき、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度を２１００℃、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度を２２００℃とし、発熱体１４の蓋体１４ｂの温度が、発熱体１４の原料収容部１４ａの底部の温度よりも小さくなるようにした。この状態を２０時間保持した。
【００５９】
こうして、基材９の表面上に、窒化アルミニウムからなる多結晶体を得た。
【００６０】
次に、断熱材１３の蓋体１３ｂを取り外し、続いて発熱体１４の蓋体１４ｂを取り外した。そして、蓋体１４ｂから、基材９及び接合部１１の積層体を取り外した。
【００６１】
一方、種結晶１０を用意した。種結晶１０としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた。
【００６２】
そして、接合部１１及び種結晶１０のいずれについても、研削により平滑化を行い、平滑化面の算術表面粗さＲａが0.3μｍとなるようにした。
【００６３】
そして、上記積層体の接合部１１に種結晶１０を重ね合わせた後、種結晶１０の上に、種結晶１０に２×１０４Ｐａの圧力が印加されるようにタングステンからなる重りを載せた。そして、窒素ガス気流中、大気圧下、接合部１１及び種結晶１０を２０００℃で２４時間保持することにより熱処理を行った。こうして接合部１１と種結晶１０とが接合し、種結晶保持体８を得た。
【００６４】
こうして得られた種結晶保持体８を用いて、図１に示す製造装置により、窒化アルミニウム単結晶を製造した。具体的には、黒鉛からなる支持部材７を、キャップ部材２ｄの支持部挿入口２ｇに挿入した状態で支持部材７の先端に、機械的な嵌め合せによって種結晶保持体８を固定した。
【００６５】
次に、キャップ部材２ｄで原料収容部２ａを覆った。このとき、ガス導入管２ｆから窒素ガスを導入し、ガス導入管３ｂからは希釈ガスとして窒素ガスを導入した。そして、昇華法により結晶成長を行った。
【００６６】
結晶成長の条件は以下の通りとした。即ち、成長容器２内の圧力、成長時間、窒素ガスの流量、希釈ガスの流量、原料部温度、中間部温度および成長部温度はそれぞれ下記の通りとした。
成長容器２内の圧力：２００Ｔｏｒｒ
成長時間 ：３００時間
窒素ガス流量 ：１ＳＬＭ
希釈ガスの流量 ：１ＳＬＭ
原料部温度 ：２３００℃
中間部温度 ：２３５０℃
成長部温度 ：２２００℃
【００６７】
（比較例１）
種結晶を、カーボン系接着剤（ＳＴ−２０１、日清紡ケミカル株式会社製）を用いて基材に固定することによって種結晶保持体を作製したこと以外は実施例１と同様にして単結晶の製造を行った。なお、カーボン系接着剤は、フェノール樹脂及びカーボンを溶剤中に溶解させてなるものとした。
【００６８】
（比較例２）
種結晶を、窒化アルミニウム系接着剤を用いて基材に固定することによって種結晶保持体を作製したこと以外は実施例１と同様にして単結晶の製造を行った。なお、窒化アルミニウム系接着剤は、窒化アルミニウムを、水からなる溶剤中に溶解させてなるものとした。
【００６９】
実施例１、比較例１及び比較例２で得られた種結晶保持体について、種結晶及び基材を横切るように切断し、その断面を目視にて観察したところ、以下の結果が得られた。
【００７０】
即ち、実施例１の種結晶保持体においては、種結晶と接合部との界面、接合部と基材との界面の各々において空隙の存在は認められなかった。
【００７１】
これに対し、比較例１では、種結晶の裏面（基材側の面）昇華が顕著であった。即ち、種結晶において大きな空隙の存在が認められた。また比較例２でも、種結晶の裏面（基材側の面）昇華が見られた。即ち、種結晶において空隙の存在が認められた。
【００７２】
また得られた単結晶を切断してその断面を目視にて観察し、成長結晶における空隙の有無を調べた。結果を表１に示す。
【００７３】
さらに、得られた単結晶について、Ｘ線回折により窒化アルミニウムの（０００２）面のロッキングカーブを測定し、そのピークの半値幅（ＦＷＨＭ）を求めた。結果を表１に示す。
【表１】
【００７４】
表１に示す結果より、実施例１では、得られた単結晶において、空隙の存在が認められず、ＦＷＨＭの値も小さかったことから結晶性の高い結晶が得られていることが分かった。
【００７５】
従って、本発明に係る種結晶保持体の製造方法によれば、高品質で且つ空隙の発生が十分に抑制される単結晶を形成することができることが確認された。
【符号の説明】
【００７６】
８…種結晶保持体
９…基材
１０…種結晶
１１…接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
基材の上に接合部を介して接合される種結晶とを備える種結晶保持体の製造方法であって、
前記基材上に気相法により前記種結晶と同一材料からなる多結晶体を前記接合部として形成する接合部形成工程と、
前記接合部において前記種結晶を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、
前記接合部の前記平滑化面に前記種結晶を接合させる種結晶接合工程とを含む
ことを特徴とする種結晶保持体の製造方法。
【請求項２】
前記接合部表面粗さ減少工程と前記種結晶接合工程との間に、前記種結晶のうち前記接合部と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る種結晶表面粗さ減少工程をさらに含む請求項１に記載の種結晶保持体の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の種結晶保持体の製造方法で得られた種結晶保持体を、単結晶の原料を収容する成長容器内に設置する種結晶保持体設置工程と、
前記原料を昇華させ、前記種結晶保持体の前記種結晶から結晶を成長させる結晶成長工程とを含む、
ことを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項１】
基材と、
基材の上に接合部を介して接合される種結晶とを備える種結晶保持体の製造方法であって、
前記基材上に気相法により前記種結晶と同一材料からなる多結晶体を前記接合部として形成する接合部形成工程と、
前記接合部において前記種結晶を接合させる接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る接合部表面粗さ減少工程と、
前記接合部の前記平滑化面に前記種結晶を接合させる種結晶接合工程とを含む
ことを特徴とする種結晶保持体の製造方法。
【請求項２】
前記接合部表面粗さ減少工程と前記種結晶接合工程との間に、前記種結晶のうち前記接合部と接合する接合予定面の表面粗さを減少させて平滑化面を得る種結晶表面粗さ減少工程をさらに含む請求項１に記載の種結晶保持体の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の種結晶保持体の製造方法で得られた種結晶保持体を、単結晶の原料を収容する成長容器内に設置する種結晶保持体設置工程と、
前記原料を昇華させ、前記種結晶保持体の前記種結晶から結晶を成長させる結晶成長工程とを含む、
ことを特徴とする単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１６６７９（Ｐ２０１２−１１６６７９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５８７５（Ｐ２０１０−２６５８７５）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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