窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法
【課題】高品質の窒化アルミニウム単結晶を製造することができる窒化アルミニウム単結晶の製造方法及び製造装置を提供すること。
【解決手段】成長容器２内に内側ガス導入部２ｆを経て窒素ガスを導入するとともに成長容器２内のガスをガス排出部２ｅを経て排出させながら、成長容器２内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、成長容器２内の種結晶１０上に結晶１２を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、結晶成長工程において、成長容器２を収容する反応管３内に外側ガス導入部３ｂを経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、ガス排出部２ｅの外側に外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【解決手段】成長容器２内に内側ガス導入部２ｆを経て窒素ガスを導入するとともに成長容器２内のガスをガス排出部２ｅを経て排出させながら、成長容器２内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、成長容器２内の種結晶１０上に結晶１２を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、結晶成長工程において、成長容器２を収容する反応管３内に外側ガス導入部３ｂを経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、ガス排出部２ｅの外側に外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム系半導体は、６．２ｅＶという広いバンドギャップを有することから、青色・紫外発光素子、白色ＬＥＤ、高耐圧・高周波電源ＩＣなどへの利用が期待されている。また、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】
このような窒化アルミニウム単結晶の製造方法として、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使用されている。昇華法は、成長容器を加熱して、成長容器の底部および上部に温度差を設け、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上部に固定され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】
昇華法による窒化アルミニウム単結晶成長は、通常は密閉された成長容器内で行われるが、密閉しない成長容器内で行われることもある（下記特許文献１）。下記特許文献１に記載の単結晶の製造装置は加熱炉を備えており、その加熱炉には、窒化アルミニウム成長に関わる雰囲気ガスである窒素ガスを導入するガス導入口が設けられ、加熱炉内の圧力を一定にするためにガス排出口が設けられている。また加熱炉の底部には原料を収容するルツボが配置され、加熱炉の上部にはルツボの上方に種結晶が固定されている。そして、ガス導入口は加熱炉底部に設けられ、ガス排出口は種結晶よりも上方に設けられている。そして、原料を昇華させ、ガス導入口から窒素ガスを導入すると、原料から昇華したガスとガス導入口から導入された窒素ガスとの混合ガスが、種結晶において冷却されることで再結晶して固相になり結晶が成長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかし、上記特許文献１記載の発明は以下の課題を有していた。
【０００７】
即ち、特許文献１記載の発明では、ガス排出口は種結晶よりも上方に設けられている。通常、加熱炉においては底部から上部に向かって温度が低くなるように温度プロファイルが形成されるため、ガス排出口の温度は、種結晶の温度よりも低くなる。しかも、原料から昇華したガスとガス導入口から導入された窒素ガスとの混合ガスは、種結晶において冷却されてからガス排出口を経て排出される。このため、ガス排出口においては、混合ガスの温度が種結晶の先端部の温度より低くなっており、窒化アルミニウム粒子が析出しやすく、経過時間によっては、析出した窒化アルミニウム粒子でガス排出口が閉塞される場合があった。その結果、加熱炉内の圧力制御が困難になると共に成長条件が変化して窒化アルミニウム単結晶の品質に悪影響を及ぼす場合があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高品質の窒化アルミニウム単結晶を製造することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、前記結晶成長工程において、前記成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、前記ガス排出部の外側に前記外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。
【００１０】
この製造方法によれば、成長容器内に収容した窒化アルミニウム単結晶の原料を昇華させて、成長容器内の種結晶上に結晶を成長させることによって窒化アルミニウム単結晶が得られる。このとき、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入すると、窒素ガスと、原料の昇華ガスとの混合ガスが、種結晶上に成長した結晶に供給され、冷却されてから、ガス排出部を経て排出される。このとき、成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、ガス排出部の外側に外側ガスを流すことで、ガス排出部において、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出部の閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化も抑制することが可能となる。
【００１１】
上記窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、前記成長容器内の原料ガスの流量に対する前記反応管内に導入される前記外側ガスの流量の比が０．５０〜２０であることが好ましい。
【００１２】
上記比が上記範囲内にあると、上記比が０．５０未満である場合に比べて、ガス排出部から流出するガスの流路が狭くなることがより十分に抑制され、成長容器内の圧力上昇がより十分に抑制される。その結果、昇華速度の減少による成長条件の変化がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。また、上記比が上記範囲内にあると、上記比が２０を超える場合に比べて、過剰なガス消費がより抑えられ、経費面及び環境面で無駄がなくなる。
【００１３】
上記窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、前記外側ガスが、前記窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスであることが好ましい。
【００１４】
この場合、ガス排出部における窒化アルミニウムの析出がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００１５】
また本発明は、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る窒化アルミニウム単結晶の製造装置において、前記成長容器を収容する反応管と、前記成長容器の外側で且つ前記反応管内に窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入する外側ガス導入部とを備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置である。
【００１６】
この製造装置によれば、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入しながら、窒化アルミニウム単結晶の原料が昇華され、成長容器内の種結晶上に結晶が成長し窒化アルミニウム単結晶が得られる。そして、窒素ガスと原料の昇華ガスとの混合ガスが種結晶に供給され、冷却されてから、ガス排出部を経て排出される。このとき、成長容器の外側で且つ反応管内に、外側ガス導入部を通して、窒素ガス又は窒化アルミニウム生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入すると、ガス排出部の外側に、上記外側ガスを流すことが可能となる。その結果、ガス排出部において、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出部の閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化も小さくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高品質の窒化アルミニウム単結晶を製造することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態を示す切断面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
まず本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る窒化アルミニウム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を収容する反応管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。
【００２１】
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の外側で且つ反応管本体部３ａの内側に外側ガスを導入する外側ガス導入管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。外側ガスとしては、窒素ガス、又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスが挙げられる。窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスとしては、アルゴンガスなどが挙げられる。
【００２２】
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。
【００２３】
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内側ガス導入管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。内側ガス導入管２ｆの先端には内側ガス導入口２ｈが形成されている。
【００２４】
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、基材９は例えば黒鉛で構成される。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、炭化ケイ素の単結晶、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。
【００２５】
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、単結晶配置領域６が形成されるとともに、ガス排出路（ガス排出部）２ｅが形成される。
【００２６】
単結晶配置領域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。
【００２７】
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は単結晶配置領域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。
【００２８】
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）又は窒化タンタル（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。
【００２９】
次に、上記製造装置１００を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法について説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、棒状の支持部材７の先端に種結晶保持体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内の単結晶配置領域６に配置される。具体的には、種結晶１０は、その先端部が原料収容部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配置領域６に配置される。
【００３２】
他方、成長容器２内に内側ガス導入管２ｆの内側ガス導入口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４ａの発熱量を、ヒータ４ｂの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくする。
【００３３】
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内側ガス導入口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。
【００３４】
窒素ガスと原料１の昇華ガスとの混合ガスは、種結晶１０から成長した結晶１２に供給され、冷却されてから、ガス排出路２ｅを経て排出される。
【００３５】
一方、結晶１２を成長させている間は、成長容器２を収容する反応管３内に外側ガス導入管３ｂを経て外側ガスを導入することにより、ガス排出路２ｅの外側に外側ガスを流す。すると、ガス排出路２ｅにおいて、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出路２ｅの閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器２内の圧力調整が容易になり、成長容器２内の昇華速度などの成長条件の変化も抑制することが可能となる。よって、高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００３６】
このとき、成長容器２内の原料ガスの流量に対する反応管３内に導入される外側ガスの流量の比は特に制限されるものではないが、０．５０〜２０であることが好ましく、１〜２０であることがより好ましく、４〜２０であることがさらに好ましく、９〜２０であることが特に好ましい。
【００３７】
上記比が０．５０〜２０の範囲内にあると、上記比が０．５０未満である場合に比べて、ガス排出路２ｅから流出するガスの流路が狭くなることがより十分に抑制され、成長容器２内の圧力上昇がより十分に抑制される。その結果、昇華速度の減少による成長条件の変化がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。また、上記比が０．５０〜２０の範囲内にあると、上記比が２０を超える場合に比べて、過剰なガス消費がより抑えられ、経費面及び環境面で無駄がなくなる。
【００３８】
また外側ガスは、窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスであることが好ましい。この場合、外側ガスとして窒素ガスを用いる場合と比べて、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウムの析出がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００３９】
さらに、外側ガスの温度は、特に限定されるものではないが、ガス排出路２ｅの温度を原料部温度よりも高い温度にすることが可能な温度であることが好ましい。この場合、ガス排出路２ｅにおける温度を原料部温度よりも高くすることができるため、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウムの析出をより十分に抑制することができる。
【００４０】
こうして種結晶１０から結晶１２を成長させていると、結晶１２は、単結晶配置領域６から原料収容部２ａに向かって成長するため、結晶１２の先端部が、単結晶配置領域６から原料収容部２ａ内に侵入するおそれがある。この場合、結晶１２の先端部の温度が高くなり、原料１の昇華ガスが固相になりにくくなるため、結晶１２の成長が停止されるおそれがある。加えて、結晶１２の先端部の温度が、ガス排出路２ｅよりも高くなるため、ガス排出路２ｅで窒化アルミニウム粒子の析出によるガス排出路２ｅの閉塞が起こるおそれがある。そのため、結晶１２が常に単結晶配置領域６に配置され、結晶１２が原料収容部２ａ内に侵入しないように、支持部材７を結晶１２の成長に合わせて引き上げることが好ましい。このとき、結晶１２の最下端部の位置が原料収容部２ａの底面から常に一定の位置になるように支持部材７を引き上げることがより好ましい。
【００４１】
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、リング状ヒータ４ａの発熱量を、ヒータ４ｂの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすることにより、原料１、ガス排出路２ｅ及び単結晶配置領域６の順で温度が高くなっているが、リング状ヒータ４ｂの発熱量を、ヒータ４ａの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ａの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすることにより、ガス排出路２ｅの温度を原料１及び単結晶配置領域６の温度よりも高くすることが好ましい。この場合、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウム粒子が析出することをより効果的に抑制することができる。そのため、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出路２ｅの閉塞をより十分に抑制することができる。従って、成長容器２内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化もより小さくすることが可能となる。なお、ガス排出路２ｅの温度は、ガス排出路２ｅの入口よりも出口の方が高くなる。このため、上記実施形態においては、ガス排出路２ｅの入口における温度が、ガス排出路２ｅの温度となる。
【００４２】
また上記実施形態では、原料収容部２ａの外周面に環状部材２ｃを設け、この環状部材２ｃの溝２ｂにキャップ部材２ｄの先端を挿入してガス排出路２ｅを形成しているが、環状部材２ｃは必ずしも必要ではなく、省略が可能である。この場合でも原料収容部２ａとキャップ部材２ｄとによりガス排出路２ｅを形成することが可能である。
【００４３】
また上記実施形態では、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、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。
【００４４】
さらにまた上記実施形態では、支持部材７により結晶１２の位置を自由に変動させることが可能となっているが、支持部材７は必ずしも必要なものではなく、省略が可能である。支持部材７が省略される場合、結晶１２は成長容器２の内壁面に固定されていればよい。
【実施例】
【００４５】
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。
【００４６】
（実施例１）
図１に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用い、以下のようにして窒化アルミニウム単結晶を製造した。
【００４７】
即ち、まずドーム状のキャップ部材２ｄを取り外した。このとき、キャップ部材２ｄは、棒状の支持部材７を挿入口２ｇに挿入した状態で取り外した。支持部材７は、タングステンで構成した。
【００４８】
次に、ルツボ５に窒化アルミニウム粉末からなる原料１を収納した。その後、支持部材７の先端に、タングステンからなる基材９、窒化アルミニウム結晶の多結晶体からなる接合部１１、窒化アルミニウム単結晶からなる種結晶１０を順次積層してなる種結晶保持体８を固定した。
【００４９】
次に、キャップ部材２ｄの内側に、円筒状の原料収容部２ａの上端部を挿入し、キャップ部材２ｄの端部を、原料収容部２ａの外周面に設けた環状部材２ｃの溝２ｂに挿入した。こうして、キャップ部材２ｄと原料収容部２ａとによりガス排出路２ｅを形成した。
【００５０】
そして、内側ガス導入管２ｈから窒素ガスを４００ｓｃｃｍの流量で導入するとともにガス排出路２ｅからガスを排出させ、成長容器２内の圧力を１００Ｔｏｒｒに保持した。そして、支持部材７を引き上げ、種結晶１０を、原料収容部２ａの上端よりも上方にある単結晶配置領域６内に配置した。このとき、種結晶１０の先端部が、原料収容部２ａの底面から５ｃｍの位置に配置されるようにした。
【００５１】
また、反応管３の反応本体部３ａ内に、窒素ガスからなる外側ガスを２５０ｓｃｃｍの流量で導入することによりガス排出路２ｅの外側に外側ガスを流した。こうして、原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比を０．５０とした。このとき、原料ガスの流量は、内側ガスの流量と、昇華ガスの流量との和で算出し、昇華ガスの流量は、成長容器２内の昇華量を昇華時間で割ることによって算出した。さらに外側ガスについては、ガス排出路２ｅでの温度が原料部温度よりも高い２２５０℃となるようにした。
【００５２】
次に、加熱装置４として、リング状ヒータを３個用意し、これらのリング状ヒータを、反応管本体３ａの延び方向（高さ方向）に沿って配置した。以下、最も下側にあるヒータを「下部ヒータ」、最も上側にあるヒータを「上部ヒータ」、上部ヒータと下部ヒータとの間にあるヒータを「中央部ヒータ」と呼ぶこととする。そして、３個のリング状ヒータをそれぞれ作動させ、下部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「原料部温度」と呼ぶ）を２２００℃とし、上部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「成長部温度」と呼ぶ）を２１００℃とし、中央部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「中間部温度」と呼ぶ）を２２５０℃とした。なお、ガス排出路２ｅにおける最低温度はガス排出路２ｅの入口における温度であり、この温度は、中間部温度とほぼ同じであるため、中間部温度を、ガス排出路２ｅの温度とした。なお、原料部温度、中間部温度及び成長部温度は放射温度計により測定した。
【００５３】
こうして、中間部温度を、成長部温度よりも高い温度に保持しながら、窒化アルミニウム単結晶を２００時間にわたって成長させた。
【００５４】
（実施例２〜５及び７）
原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５５】
（実施例６）
外側ガスの種類を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５６】
（実施例８）
原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比、及び外側ガスの種類を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５７】
（実施例９）
原料部温度、中間部温度および成長部温度を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５８】
（比較例１）
反応管内に外側ガスを導入しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５９】
［評価］
（１）結晶の品質
実施例１〜８及び比較例１で得られた窒化アルミニウム単結晶について、Ｘ線回折により（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。
（２）ガス排出路における閉塞の有無
実施例１〜８及び比較例１で窒化アルミニウム単結晶を成長させた後、使用した単結晶製造装置におけるガス排出路を観察した。結果を表１に示す。
【表１】
【００６０】
表１に示す結果より、実施例１〜８で得られた窒化アルミニウム単結晶は、比較例１で得られた窒化アルミニウム単結晶に比べてＦＷＨＭの値がかなり小さかったことから、結晶性の高い窒化アルミニウム単結晶が得られていることが分かった。
【００６１】
一方、実施例１〜８で使用した単結晶の製造装置においては、ガス排出路において窒化アルミニウム粒子の析出がわずかながら見られたものの、窒化アルミニウム粒子による閉塞は見られなかった。これに対し、比較例１で使用した単結晶の製造装置においては、ガス排出路において窒化アルミニウム粒子がかなり析出し、ガス排出路を閉塞させていた。
【００６２】
なお、ガス排出路が閉塞されているかどうかについては、実施例１〜８及び比較例１のガス排出路を目視にて観察した場合に、窒化アルミニウム多結晶の析出が顕著であるかどうかによって判断した。
【００６３】
以上のことから、本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、ガス排出路における閉塞が十分に抑制され、その結果、高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができることが確認された。
【符号の説明】
【００６４】
１…原料
２…成長容器
２ｅ…ガス排出路（ガス排出部）
２ｆ…内側ガス導入管（内側ガス導入部）
２ｈ…内側ガス導入口
３…反応管
３ｂ…外側ガス導入管（外側ガス導入部）
１０…種結晶
１２…結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム系半導体は、６．２ｅＶという広いバンドギャップを有することから、青色・紫外発光素子、白色ＬＥＤ、高耐圧・高周波電源ＩＣなどへの利用が期待されている。また、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】
このような窒化アルミニウム単結晶の製造方法として、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使用されている。昇華法は、成長容器を加熱して、成長容器の底部および上部に温度差を設け、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上部に固定され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】
昇華法による窒化アルミニウム単結晶成長は、通常は密閉された成長容器内で行われるが、密閉しない成長容器内で行われることもある（下記特許文献１）。下記特許文献１に記載の単結晶の製造装置は加熱炉を備えており、その加熱炉には、窒化アルミニウム成長に関わる雰囲気ガスである窒素ガスを導入するガス導入口が設けられ、加熱炉内の圧力を一定にするためにガス排出口が設けられている。また加熱炉の底部には原料を収容するルツボが配置され、加熱炉の上部にはルツボの上方に種結晶が固定されている。そして、ガス導入口は加熱炉底部に設けられ、ガス排出口は種結晶よりも上方に設けられている。そして、原料を昇華させ、ガス導入口から窒素ガスを導入すると、原料から昇華したガスとガス導入口から導入された窒素ガスとの混合ガスが、種結晶において冷却されることで再結晶して固相になり結晶が成長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかし、上記特許文献１記載の発明は以下の課題を有していた。
【０００７】
即ち、特許文献１記載の発明では、ガス排出口は種結晶よりも上方に設けられている。通常、加熱炉においては底部から上部に向かって温度が低くなるように温度プロファイルが形成されるため、ガス排出口の温度は、種結晶の温度よりも低くなる。しかも、原料から昇華したガスとガス導入口から導入された窒素ガスとの混合ガスは、種結晶において冷却されてからガス排出口を経て排出される。このため、ガス排出口においては、混合ガスの温度が種結晶の先端部の温度より低くなっており、窒化アルミニウム粒子が析出しやすく、経過時間によっては、析出した窒化アルミニウム粒子でガス排出口が閉塞される場合があった。その結果、加熱炉内の圧力制御が困難になると共に成長条件が変化して窒化アルミニウム単結晶の品質に悪影響を及ぼす場合があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高品質の窒化アルミニウム単結晶を製造することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、前記結晶成長工程において、前記成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、前記ガス排出部の外側に前記外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。
【００１０】
この製造方法によれば、成長容器内に収容した窒化アルミニウム単結晶の原料を昇華させて、成長容器内の種結晶上に結晶を成長させることによって窒化アルミニウム単結晶が得られる。このとき、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入すると、窒素ガスと、原料の昇華ガスとの混合ガスが、種結晶上に成長した結晶に供給され、冷却されてから、ガス排出部を経て排出される。このとき、成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、ガス排出部の外側に外側ガスを流すことで、ガス排出部において、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出部の閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化も抑制することが可能となる。
【００１１】
上記窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、前記成長容器内の原料ガスの流量に対する前記反応管内に導入される前記外側ガスの流量の比が０．５０〜２０であることが好ましい。
【００１２】
上記比が上記範囲内にあると、上記比が０．５０未満である場合に比べて、ガス排出部から流出するガスの流路が狭くなることがより十分に抑制され、成長容器内の圧力上昇がより十分に抑制される。その結果、昇華速度の減少による成長条件の変化がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。また、上記比が上記範囲内にあると、上記比が２０を超える場合に比べて、過剰なガス消費がより抑えられ、経費面及び環境面で無駄がなくなる。
【００１３】
上記窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、前記外側ガスが、前記窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスであることが好ましい。
【００１４】
この場合、ガス排出部における窒化アルミニウムの析出がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００１５】
また本発明は、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る窒化アルミニウム単結晶の製造装置において、前記成長容器を収容する反応管と、前記成長容器の外側で且つ前記反応管内に窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入する外側ガス導入部とを備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置である。
【００１６】
この製造装置によれば、成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入しながら、窒化アルミニウム単結晶の原料が昇華され、成長容器内の種結晶上に結晶が成長し窒化アルミニウム単結晶が得られる。そして、窒素ガスと原料の昇華ガスとの混合ガスが種結晶に供給され、冷却されてから、ガス排出部を経て排出される。このとき、成長容器の外側で且つ反応管内に、外側ガス導入部を通して、窒素ガス又は窒化アルミニウム生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入すると、ガス排出部の外側に、上記外側ガスを流すことが可能となる。その結果、ガス排出部において、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出部の閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化も小さくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高品質の窒化アルミニウム単結晶を製造することができる窒化アルミニウム単結晶の製造装置及び製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態を示す切断面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
まず本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置の一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る窒化アルミニウム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を収容する反応管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。
【００２１】
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の外側で且つ反応管本体部３ａの内側に外側ガスを導入する外側ガス導入管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。外側ガスとしては、窒素ガス、又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスが挙げられる。窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスとしては、アルゴンガスなどが挙げられる。
【００２２】
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。
【００２３】
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内側ガス導入管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。内側ガス導入管２ｆの先端には内側ガス導入口２ｈが形成されている。
【００２４】
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、基材９は例えば黒鉛で構成される。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、炭化ケイ素の単結晶、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。
【００２５】
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、単結晶配置領域６が形成されるとともに、ガス排出路（ガス排出部）２ｅが形成される。
【００２６】
単結晶配置領域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。
【００２７】
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は単結晶配置領域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。
【００２８】
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）又は窒化タンタル（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。
【００２９】
次に、上記製造装置１００を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法について説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、棒状の支持部材７の先端に種結晶保持体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内の単結晶配置領域６に配置される。具体的には、種結晶１０は、その先端部が原料収容部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配置領域６に配置される。
【００３２】
他方、成長容器２内に内側ガス導入管２ｆの内側ガス導入口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４ａの発熱量を、ヒータ４ｂの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくする。
【００３３】
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内側ガス導入口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。
【００３４】
窒素ガスと原料１の昇華ガスとの混合ガスは、種結晶１０から成長した結晶１２に供給され、冷却されてから、ガス排出路２ｅを経て排出される。
【００３５】
一方、結晶１２を成長させている間は、成長容器２を収容する反応管３内に外側ガス導入管３ｂを経て外側ガスを導入することにより、ガス排出路２ｅの外側に外側ガスを流す。すると、ガス排出路２ｅにおいて、排出されるガス中に含まれる昇華ガスの再結晶による窒化アルミニウム粒子の析出を十分に抑制することができ、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出路２ｅの閉塞を十分に抑制することができる。従って、成長容器２内の圧力調整が容易になり、成長容器２内の昇華速度などの成長条件の変化も抑制することが可能となる。よって、高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００３６】
このとき、成長容器２内の原料ガスの流量に対する反応管３内に導入される外側ガスの流量の比は特に制限されるものではないが、０．５０〜２０であることが好ましく、１〜２０であることがより好ましく、４〜２０であることがさらに好ましく、９〜２０であることが特に好ましい。
【００３７】
上記比が０．５０〜２０の範囲内にあると、上記比が０．５０未満である場合に比べて、ガス排出路２ｅから流出するガスの流路が狭くなることがより十分に抑制され、成長容器２内の圧力上昇がより十分に抑制される。その結果、昇華速度の減少による成長条件の変化がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。また、上記比が０．５０〜２０の範囲内にあると、上記比が２０を超える場合に比べて、過剰なガス消費がより抑えられ、経費面及び環境面で無駄がなくなる。
【００３８】
また外側ガスは、窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスであることが好ましい。この場合、外側ガスとして窒素ガスを用いる場合と比べて、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウムの析出がより十分に抑制され、より高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００３９】
さらに、外側ガスの温度は、特に限定されるものではないが、ガス排出路２ｅの温度を原料部温度よりも高い温度にすることが可能な温度であることが好ましい。この場合、ガス排出路２ｅにおける温度を原料部温度よりも高くすることができるため、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウムの析出をより十分に抑制することができる。
【００４０】
こうして種結晶１０から結晶１２を成長させていると、結晶１２は、単結晶配置領域６から原料収容部２ａに向かって成長するため、結晶１２の先端部が、単結晶配置領域６から原料収容部２ａ内に侵入するおそれがある。この場合、結晶１２の先端部の温度が高くなり、原料１の昇華ガスが固相になりにくくなるため、結晶１２の成長が停止されるおそれがある。加えて、結晶１２の先端部の温度が、ガス排出路２ｅよりも高くなるため、ガス排出路２ｅで窒化アルミニウム粒子の析出によるガス排出路２ｅの閉塞が起こるおそれがある。そのため、結晶１２が常に単結晶配置領域６に配置され、結晶１２が原料収容部２ａ内に侵入しないように、支持部材７を結晶１２の成長に合わせて引き上げることが好ましい。このとき、結晶１２の最下端部の位置が原料収容部２ａの底面から常に一定の位置になるように支持部材７を引き上げることがより好ましい。
【００４１】
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、リング状ヒータ４ａの発熱量を、ヒータ４ｂの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ｂの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすることにより、原料１、ガス排出路２ｅ及び単結晶配置領域６の順で温度が高くなっているが、リング状ヒータ４ｂの発熱量を、ヒータ４ａの発熱量よりも大きくし、ヒータ４ａの発熱量をヒータ４ｃの発熱量よりも大きくすることにより、ガス排出路２ｅの温度を原料１及び単結晶配置領域６の温度よりも高くすることが好ましい。この場合、ガス排出路２ｅにおける窒化アルミニウム粒子が析出することをより効果的に抑制することができる。そのため、析出した窒化アルミニウム粒子によるガス排出路２ｅの閉塞をより十分に抑制することができる。従って、成長容器２内の圧力調整が容易になり、昇華速度などの成長条件の変化もより小さくすることが可能となる。なお、ガス排出路２ｅの温度は、ガス排出路２ｅの入口よりも出口の方が高くなる。このため、上記実施形態においては、ガス排出路２ｅの入口における温度が、ガス排出路２ｅの温度となる。
【００４２】
また上記実施形態では、原料収容部２ａの外周面に環状部材２ｃを設け、この環状部材２ｃの溝２ｂにキャップ部材２ｄの先端を挿入してガス排出路２ｅを形成しているが、環状部材２ｃは必ずしも必要ではなく、省略が可能である。この場合でも原料収容部２ａとキャップ部材２ｄとによりガス排出路２ｅを形成することが可能である。
【００４３】
また上記実施形態では、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、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。
【００４４】
さらにまた上記実施形態では、支持部材７により結晶１２の位置を自由に変動させることが可能となっているが、支持部材７は必ずしも必要なものではなく、省略が可能である。支持部材７が省略される場合、結晶１２は成長容器２の内壁面に固定されていればよい。
【実施例】
【００４５】
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。
【００４６】
（実施例１）
図１に示す窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用い、以下のようにして窒化アルミニウム単結晶を製造した。
【００４７】
即ち、まずドーム状のキャップ部材２ｄを取り外した。このとき、キャップ部材２ｄは、棒状の支持部材７を挿入口２ｇに挿入した状態で取り外した。支持部材７は、タングステンで構成した。
【００４８】
次に、ルツボ５に窒化アルミニウム粉末からなる原料１を収納した。その後、支持部材７の先端に、タングステンからなる基材９、窒化アルミニウム結晶の多結晶体からなる接合部１１、窒化アルミニウム単結晶からなる種結晶１０を順次積層してなる種結晶保持体８を固定した。
【００４９】
次に、キャップ部材２ｄの内側に、円筒状の原料収容部２ａの上端部を挿入し、キャップ部材２ｄの端部を、原料収容部２ａの外周面に設けた環状部材２ｃの溝２ｂに挿入した。こうして、キャップ部材２ｄと原料収容部２ａとによりガス排出路２ｅを形成した。
【００５０】
そして、内側ガス導入管２ｈから窒素ガスを４００ｓｃｃｍの流量で導入するとともにガス排出路２ｅからガスを排出させ、成長容器２内の圧力を１００Ｔｏｒｒに保持した。そして、支持部材７を引き上げ、種結晶１０を、原料収容部２ａの上端よりも上方にある単結晶配置領域６内に配置した。このとき、種結晶１０の先端部が、原料収容部２ａの底面から５ｃｍの位置に配置されるようにした。
【００５１】
また、反応管３の反応本体部３ａ内に、窒素ガスからなる外側ガスを２５０ｓｃｃｍの流量で導入することによりガス排出路２ｅの外側に外側ガスを流した。こうして、原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比を０．５０とした。このとき、原料ガスの流量は、内側ガスの流量と、昇華ガスの流量との和で算出し、昇華ガスの流量は、成長容器２内の昇華量を昇華時間で割ることによって算出した。さらに外側ガスについては、ガス排出路２ｅでの温度が原料部温度よりも高い２２５０℃となるようにした。
【００５２】
次に、加熱装置４として、リング状ヒータを３個用意し、これらのリング状ヒータを、反応管本体３ａの延び方向（高さ方向）に沿って配置した。以下、最も下側にあるヒータを「下部ヒータ」、最も上側にあるヒータを「上部ヒータ」、上部ヒータと下部ヒータとの間にあるヒータを「中央部ヒータ」と呼ぶこととする。そして、３個のリング状ヒータをそれぞれ作動させ、下部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「原料部温度」と呼ぶ）を２２００℃とし、上部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「成長部温度」と呼ぶ）を２１００℃とし、中央部ヒータの高さ方向に沿った中心位置と同じ高さ位置の反応管３の外壁温度（以下、「中間部温度」と呼ぶ）を２２５０℃とした。なお、ガス排出路２ｅにおける最低温度はガス排出路２ｅの入口における温度であり、この温度は、中間部温度とほぼ同じであるため、中間部温度を、ガス排出路２ｅの温度とした。なお、原料部温度、中間部温度及び成長部温度は放射温度計により測定した。
【００５３】
こうして、中間部温度を、成長部温度よりも高い温度に保持しながら、窒化アルミニウム単結晶を２００時間にわたって成長させた。
【００５４】
（実施例２〜５及び７）
原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５５】
（実施例６）
外側ガスの種類を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５６】
（実施例８）
原料ガスの流量に対する外側ガスの流量の比、及び外側ガスの種類を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５７】
（実施例９）
原料部温度、中間部温度および成長部温度を表１に示す通りに変更したこと以外は実施例１と同様にして、窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５８】
（比較例１）
反応管内に外側ガスを導入しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム単結晶を成長させた。
【００５９】
［評価］
（１）結晶の品質
実施例１〜８及び比較例１で得られた窒化アルミニウム単結晶について、Ｘ線回折により（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。
（２）ガス排出路における閉塞の有無
実施例１〜８及び比較例１で窒化アルミニウム単結晶を成長させた後、使用した単結晶製造装置におけるガス排出路を観察した。結果を表１に示す。
【表１】
【００６０】
表１に示す結果より、実施例１〜８で得られた窒化アルミニウム単結晶は、比較例１で得られた窒化アルミニウム単結晶に比べてＦＷＨＭの値がかなり小さかったことから、結晶性の高い窒化アルミニウム単結晶が得られていることが分かった。
【００６１】
一方、実施例１〜８で使用した単結晶の製造装置においては、ガス排出路において窒化アルミニウム粒子の析出がわずかながら見られたものの、窒化アルミニウム粒子による閉塞は見られなかった。これに対し、比較例１で使用した単結晶の製造装置においては、ガス排出路において窒化アルミニウム粒子がかなり析出し、ガス排出路を閉塞させていた。
【００６２】
なお、ガス排出路が閉塞されているかどうかについては、実施例１〜８及び比較例１のガス排出路を目視にて観察した場合に、窒化アルミニウム多結晶の析出が顕著であるかどうかによって判断した。
【００６３】
以上のことから、本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、ガス排出路における閉塞が十分に抑制され、その結果、高品質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができることが確認された。
【符号の説明】
【００６４】
１…原料
２…成長容器
２ｅ…ガス排出路（ガス排出部）
２ｆ…内側ガス導入管（内側ガス導入部）
２ｈ…内側ガス導入口
３…反応管
３ｂ…外側ガス導入管（外側ガス導入部）
１０…種結晶
１２…結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、
前記結晶成長工程において、前記成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、前記ガス排出部の外側に前記外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記成長容器内の原料ガスの流量に対する前記反応管内に導入される前記外側ガスの流量の比が０．５０〜２０である請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記外側ガスが、前記窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスである、請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項４】
成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る窒化アルミニウム単結晶の製造装置において、
前記成長容器を収容する反応管と、
前記成長容器の外側で且つ前記反応管内に窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入する外側ガス導入部とを備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
【請求項１】
成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る結晶成長工程を含み、
前記結晶成長工程において、前記成長容器を収容する反応管内に外側ガス導入部を経て、窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入することにより、前記ガス排出部の外側に前記外側ガスを流す窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記成長容器内の原料ガスの流量に対する前記反応管内に導入される前記外側ガスの流量の比が０．５０〜２０である請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記外側ガスが、前記窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスである、請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項４】
成長容器内に内側ガス導入部を経て窒素ガスを導入するとともに前記成長容器内のガスをガス排出部を経て排出させながら、前記成長容器内に収容した窒化アルミニウムからなる原料を昇華させ、前記成長容器内の種結晶上に結晶を成長させて窒化アルミニウム単結晶を得る窒化アルミニウム単結晶の製造装置において、
前記成長容器を収容する反応管と、
前記成長容器の外側で且つ前記反応管内に窒素ガス又は窒化アルミニウムの生成反応に対する不活性ガスからなる外側ガスを導入する外側ガス導入部とを備える窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−３５７２０（Ｐ２０１３−３５７２０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４１０９（Ｐ２０１１−１７４１０９）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【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２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【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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