窒化アルミニウム単結晶積層基板及び窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法
【課題】高い電気機械結合係数および伝播速度の高速化を図る弾性表面波素子向け基板材料に好適に用いられる結晶配向性の改善を達成したｃ軸傾斜ＡｌＮ単結晶積層基板を提供する。
【解決手段】｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されて成り、前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜した窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【解決手段】｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されて成り、前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜した窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に窒化アルミニウム単結晶膜を有する窒化アルミニウム単結晶積層基板、及び、表面に窒化アルミニウム単結晶膜を有する窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年のマルチメディア通信の発展に伴って、高速通信サービスを支える無線基地局装置や携帯情報機器等の通信システムなどに向けたＧＨｚ帯の弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子へのニーズが高まっている。弾性表面波素子の中心周波数ｆ０は、圧電基板表面の音速（弾性表面波伝播速度）ｖと、すだれ状電極のピッチ（弾性表面波の波長λの１／４）との関係で、次式によって表される。
【０００３】
【数１】
【０００４】
従って弾性表面波素子の高周波数化に対応するには、高精度のフォトリソグラフィ技術を用いて電極ピッチの微細化を図る方法と、音速が速い圧電材料を採用する方法とが考えられる。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は既存の圧電材料である水晶（音速３１５０ｍ／ｓ）やニオブ酸リチウム（音速３９００ｍ／ｓ）に対して２倍程度の音速の実現が見込まれており、次世代の通信技術におけるキーマテリアルとされている。
【０００５】
弾性波の伝播速度や電気機械結合係数等の圧電材料の圧電特性は、結晶性や切り出し面方位などの結晶性状に強く依存する。圧電材料の形態は単結晶が望ましく、少なくとも１軸に対して圧電材料結晶の配向方向が揃っている必要がある。ＡｌＮは超高圧条件においてのみ液相が安定に存在すると考えられており、真空〜数気圧程度の圧力条件下で液相が得られた報告は無い。そこで、融液からの単結晶成長が可能な既存の圧電材料とは異なり、ＤＣマグネトロンスパッタ法をはじめとする真空蒸着技術を用いて前述の条件を満たす薄膜を形成する方法が一般的である。
【０００６】
これらの真空蒸着技術では、基板面に対してＡｌＮのｃ軸を基板法線に対して傾斜させた薄膜の形成が可能である。ｃ軸を概ね１５°以上傾斜させたＡｌＮ薄膜よりなる弾性表面波素子において、レイリー波の伝播速度および電気機械結合係数の改善が成されることが知られている（非特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】Ｙ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ｎ．Ｔａｎａｋａ、Ｈ．Ｏｋａｎｏ、Ｋ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔ．Ｕｓｕｋｉ ａｎｄ Ｋ．Ｓｈｉｂａｔａ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ１、１９９５年、Ｖｏｌｕｍｅ３４、２６６８。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の技術は、金属・セラミックス等様々な下地基板に対応できる優れた利点を有するが、結晶配向方向に大きなバラつきを包含する課題を有する。結晶配向方向のバラつきは、一般にＸ線回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）で評価される。ＡｌＮのｃ軸に対応する｛０ ０ ０ ２｝面では、この値が１°以上、｛０ ０ ０ ２｝面と直交する｛１ −１ ０ ０｝面等では５°以上の値をとる。そのため、圧電特性にバラつきが生じ、前述の融液成長による他物質の単結晶に比べて、Ｑ値で示される周波数選択性等の性能が大きく劣る。
【０００９】
なお、本出願の特許請求の範囲および本明細書で用いられている中括弧または括弧を含む４桁の数字は、六方晶の結晶において用いられるミラー指数を示しており、負の指数を本来の表記法に変えて、以下のように表現している。
【００１０】
【数２】
【００１１】
本発明に先立ち、本発明者らはアルミナ、カーボン（Ｃ）、窒素（Ｎ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を反応原料とした還元窒化反応を用いた高結晶性ＡｌＮ膜の作成法を開発し、特開２００４−１３７１４２号において既に提案した。この方法によれば、従来の手段のように基板上に目的の薄膜を付着形成させるのではなく、α−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板表面から内部に向かってアルミナをＡｌＮに変換させることにより、良好なＡｌＮ結晶が形成できる。
【００１２】
この既提案発明では、ａ面：｛１ １ −２ ０｝面よりなるα−アルミナ基板を用いて、基板面に対してＡｌＮのｃ軸が垂直となる関係を有する結晶、いわゆるｃ軸配向結晶よりなる薄膜を得ている。
【００１３】
本発明の目的は、上記既提案の技術を応用することによって、従来よりも結晶配向性を改善したｃ軸傾斜ＡｌＮ単結晶積層基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね、上記反応によって生成するＡｌＮの｛０ ０ ０ ２｝面は、その面間隔（０．２４９ｎｍ）と近い面間隔を有するα−アルミナ結晶中の結晶面と平行の関係を採りやすいことを見出した。すなわち、α−アルミナの｛１ ０ −１ ４｝面（面間隔０．２５５ｎｍ）、｛１ １ −２ ０｝面（面間隔０．２３８ｎｍ）、｛０ ０ ０ ６｝面（面間隔０．２１７ｎｍ）、｛１ １ −２ ３｝面（面間隔０．２０９ｎｍ）の４面が該当する。
【００１５】
さらに、このうちα−アルミナの｛１ １ −２ ０｝面に対しては、優先的にＡｌＮの｛０ ０ ０ ２｝面が平行となるように成長する傾向があることを見出し、これらの発見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層基板は、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されてなり、窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸がα−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の他の窒化アルミニウム単結晶積層基板は、上記構成で更に、窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法は、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面を基板面とするα−アルミナ単結晶基板を、カーボン、窒素、および一酸化炭素の存在下にて加熱し、α−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明によれば、単結晶α−アルミナを｛１ −１ ０ ０｝面と直交する結晶面、すなわち＜１ −１ ０ ０＞を晶帯軸とする晶帯のうち、｛１ １ −２ ０｝と成す角、いわゆる面間角が１５°〜４０°となる面で切り出した基板を原料として用い、特開２００４−１３７１４２号あるいは特願２００５−３１０８６号にて提案した反応を利用して最表面にＡｌＮを形成する。晶帯軸として[１ −１ ０ ０]をとるとき、単結晶α−アルミナと以下のような配向関係を満たす単結晶ＡｌＮが生成する。
【００２０】
【数３】
【００２１】
すなわち、単結晶α−アルミナの切り出し面と｛１ １ −２ ０｝面の成す角度が、生成するＡｌＮのｃ軸の基板法線に対する傾斜角度となるため、１５°〜４０°の任意のｃ軸傾斜角度を有するＡｌＮ単結晶膜が得られる。このＡｌＮ単結晶膜は、外部からＡｌＮ原料を供給して堆積させる従来の方法に比べて配向方向のバラつきが少なく、それに伴って発生する欠陥密度の大幅な低減を達成している。
【００２２】
得られたＡｌＮ単結晶積層基板は、高い電気機械結合係数および伝播速度の高速化を図る弾性表面波素子向け基板材料に用いることで更なる素子特性の向上が期待できる。
【００２３】
また、気相成長法等のエピタキシャル成長技術を併用して、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝に対して１５°〜４０°の面間角を有する結晶方位のＡｌＮ単結晶自立基板を製造するための種結晶として好適に使用できる。これらの基板はＡｌＮをはじめとするIII族窒化物を用いる発光素子の設計において、欠陥密度を小さく抑えると同時にIII族窒化物で発現する分極現象の制御を可能とするため、発光効率の向上につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
【００２５】
本発明は、単結晶α−アルミナ基板の表面を窒化することにより単結晶α−アルミナ基板上に直接ＡｌＮ結晶膜を形成する。具体的には、熱処理装置の均熱部に、単結晶α−アルミナ基板とグラファイトを装入し、Ｎ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御した雰囲気下で、単結晶α−アルミナ基板を以下の反応式に従って窒化させる。
【００２６】
【化１】
【００２７】
ａｌｏｎとは、Ａｌ（６４＋ｘ）／３□（８−ｘ）／３Ｏ３２−ｘＮｘ（但し□は陽イオン空孔）で示される酸窒化アルミニウムを指し、反応式（２）中ａｌｏｎ（Ａｌ２Ｏ３ｓａｔ．）はＡｌ２Ｏ３が飽和したａｌｏｎを意味する。また、反応式（３）中ａｌｏｎ（ＡｌＮｓａｔ．）はＡｌＮが飽和したａｌｏｎを意味する。さらに、ｘはａｌｏｎの不定比性に起因する変数で、２＜ｘ＜６の範囲の値をとる。
【００２８】
炉内雰囲気を構成する窒素分圧と一酸化炭素分圧の和ＰＣＯ＋ＰＮ２が１ｂａｒ、炭素の活量aｃが１の条件下では、１６３０℃未満では反応式（１）、１６３０℃以上では反応式（２）と反応式（３）で示す反応が起こるとされている。
【００２９】
これらの反応が進行するかどうかは下の一般式で示すＧｉｂｂｓエネルギー変化で推測することができる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｋｒ（ｘ）は各相の活量より計算される平衡定数である。
【００３２】
図1は、横軸にセルシウス温度、縦軸にエネルギー量をとったグラフである。右下がりの線は、上記３つの反応式について各々１ｍｏｌのＮ２が反応した場合の標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化項Δｒ（１）Ｇ°、Δｒ（２）Ｇ°、Δｒ（３）Ｇ°の関数を引いたものである。そして横線は、雰囲気総圧を１ｂａｒとした時の等窒素分圧曲線を示す。
【００３３】
平衡定数および絶対温度で構成される、いわゆるＲＴ項のエネルギー量が標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化量を上回った場合、各反応のＧｉｂｂｓエネルギー変化Δｒ（１）Ｇ、Δｒ（２）Ｇ、Δｒ（３）Ｇはマイナスになり窒化が進む。すなわち、図１中の直線より上の領域はＡｌＮの安定領域であり、直線より下の領域はＡｌ２Ｏ３の安定領域である。１６３０℃以上において、両者の境界にａｌｏｎの安定領域が存在する。図１中のＡｌＮ安定領域に該当する温度条件および雰囲気組成を選択することで窒化反応が進行する。
【００３４】
上述したα−アルミナ基板の表面を直接窒化する方法において用いられる加熱装置には特に制限はなく、任意の構造のものが使用できる。ただし窒素および一酸化炭素よりなる混合ガス中で、α−アルミナ基板を図１中に示す温度条件に曝す事が出来る能力が無くてはならない。また、α−アルミナ基板中の温度差を５℃以内に保つことができる設計であることが望ましい。
【００３５】
加熱炉材は、得られるＡｌＮ結晶への不純物混入を避ける観点から、反応に関与する物質であるところの黒鉛、α−アルミナ、ＡｌＮおよびａｌｏｎのみで構成することが望ましい。さらには黒鉛のみで構成し、炉内のアルミニウム濃度を管理する機構を設けて特願２００５−２２７１６５号にて開示した技術を併用することがさらに望ましい。
【００３６】
炉材に吸着した水蒸気や有機物は加熱時に炉内の酸素濃度を増加させ、雰囲気組成に対する変動要因となり反応挙動に影響を与えるため、製造前に加熱運転を行う、または昇温過程において１０００℃未満の低温域で真空引きによるクリーニングを行うなどの除去工程の導入が望ましい。
【００３７】
使用するα−アルミナ基板は良質且つ配向性が制御されたＡｌＮ結晶を得るために、その表面は平滑であることが好ましい。そのため、一般的なエピタキシャル成長用サファイア基板が好適に用いられる。
【００３８】
本発明の窒化アルミニウム単結晶膜を得るためには、α−アルミナ単結晶の切り出し面が、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°の結晶面となる基板を用いる。｛１ −１ ０ ０｝面と直交しない面である場合、複数の｛１ １ −２ ０｝面、例えば（１ １ −２ ０）面に加えて（−１ ２ −１ ０）面に対してそれぞれＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行の関係を有する結晶が生成し易くなる。また、｛１ −１ ０ ０｝と直交する面であっても｛１ １ −２ ０｝面とのなす角が４０°を上回る場合、（１ １ −２ ０）面に加えて（０ ０ ０ １）面等とＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行に生成し易くなる。つまり、いずれの場合も本発明の窒化アルミニウム単結晶膜を得るには再現性が不十分である。
【００３９】
反応系に共存させるカーボンとしては炉材を含め種々の市販品が使用できる。カーボンの純度は９９．９％以上であることが好ましく、９９．９９９％以上であることがより好ましい。
【００４０】
導入するガス種としては、窒素および一酸化炭素に限定されない。例えば、一酸化炭素の代わりに酸素や二酸化炭素を導入し、炉内の黒鉛と反応させて生成した一酸化炭素を反応に供しても本発明と同様の効果が得られる。
【００４１】
窒素および一酸化炭素は、通常ガス状のものが使用されるが、なるべく純度の高いものが好ましく、一般的には９９．９９９９％以上の窒素および９９．９％以上の一酸化炭素が該当する。不純物の中でも二酸化炭素・水蒸気等の化学種は、分解して発生する酸素原子が窒化反応の化学ポテンシャルを変化させ、制御パラメータに対する誤差要因となるため、これらの混入を極力防止する。
【００４２】
反応系の全圧は特に制限されないが、１ｂａｒ前後とするのが反応装置の製作や運転の容易さから好ましい。反応中は、所定の分圧になるようにした混合ガスを所定の流量で流す。窒素および一酸化炭素の混合比は、図１に示す相安定図に従って、反応温度に応じたＡｌＮ安定領域に入る（ＰＮ２/ＰＣＯ３）の範囲から決定する。
【００４３】
本発明のＡｌＮ単結晶基板を再現性良く得る温度条件としては、１４００〜１６５０℃が好適に用いられる。１４００℃未満では後述の窒化駆動力を適切に得るための雰囲気組成制御が比較的困難となる上、基板内部へ窒素が拡散する速度が十分に得られない。また、１６５０℃を超える高温では本発明のとる結晶配向関係以外の関係を有するＡｌＮ結晶が生成しやすくなり、単結晶を得ることが困難となる。すなわち、α−アルミナの｛１ １ −２ ０｝面以外の結晶面、例えば｛０ ０ ０ ６｝面とＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行な関係を有する結晶の混在が起こりやすくなる。
【００４４】
反応温度Ｔおよび（ＰＮ２/ＰＣＯ３）の選択で決定されるＲＴ項の値と、標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化項Δｒ（１）Ｇ°、Δｒ（２）Ｇ°、Δｒ（３）Ｇ°の差分が実質的な窒化駆動力の尺度となる。図１中の標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化量を示す直線と、選択した条件で一義的に決まる座標との縦軸座標間の距離にあたる。
【００４５】
本発明で用いる窒化反応の効果を最大限に得るためには、この窒化駆動力を適切に設定する必要がある。上記３つの反応式について各々１ｍｏｌのＮ２が反応した場合の理想的な窒化駆動力は１４００〜１６５０℃において０〜１５０ｋＪの範囲に入るように混合ガスの比率を選択することが望ましい。窒化駆動力が前述の範囲を超えて高すぎる場合、１６５０℃を超えて高温の条件に置いた場合と同じ現象が起こり、結果として単結晶の作製が困難となる。
【００４６】
混合ガスの流量は、常に基板表面に窒素原子を到達させる必要があることから、ガス流と垂直な面における反応装置の断面積１ｃｍ２に対して、２５℃・１気圧のガスを５ｍＬ／ｍｉｎ以上導入するのが好ましい。より好ましくはα−アルミナ基板に到達する前に導入するガスを予備加熱する装置を設置する。導入する一酸化炭素および窒素の分圧制御は市販の流量計が制限無く使える。
【００４７】
昇温速度は任意に決定できるが、毎分５℃以上が好適に採用される。
【００４８】
加熱時間は、所望するＡｌＮ膜厚により適宜決定される。例えば、全ての炉材に黒鉛を用いた加熱装置（以下、黒鉛炉と呼ぶ）において、１６００℃でＰＣＯ＝０．１０ｂａｒ、ＰＮ２＝０．９０ｂａｒの条件下において｛１ １ −２ ３｝面で切り出したα−アルミナ基板を窒化させた場合、ＡｌＮ膜の成長速度は、１２時間の反応で１０〜２０ｎｍである。
【００４９】
反応終了後は、冷却中に図１のＡｌ２Ｏ３安定領域に入ってしまうとＡｌＮが酸化してしまうため、１０００℃を超える温度域では常にＡｌＮが安定な状態に基板を置くよう一酸化炭素濃度を漸減させる手段を講じる。この方法としては、冷却開始前に一酸化炭素の供給を停止し、窒素のみ供給を続けて反応系内の一酸化炭素濃度を０.１%未満まで低下させる操作等が挙げられる。１０００℃以下においても、窒素のみの供給を続けて、可能な限り一酸化炭素濃度を希釈することが望ましい。
【００５０】
冷却速度は任意に決定できるが、α−アルミナ基板とＡｌＮ単結晶膜との熱膨張差に起因する残留歪を抑制するため、冷却速度が毎分２０℃以下となるよう制御することが望ましい。
【００５１】
上記方法により、本発明の効果を十分発現したＡｌＮ単結晶積層基板を作製することができる。
【００５２】
生成したＡｌＮ結晶の配向方向はＸ線（ＣｕＫα線）回折角２θ＝３６．０２°（ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面に対応）および３３．２０°（ＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面に対応）の極点図形を作成し、ＡｌＮが単結晶である事を確認する。また、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝が現れた方向に対して２θ−ωスキャンを行って平行な関係にある単結晶α−アルミナ中の結晶面を特定する。
【００５３】
結晶品質の評価はＸ線回折ωモードロッキングカーブ半値全幅により行う。背景技術の項で述べたとおり、本測定の半値全幅によって結晶品質の良否が判断できる。３次元全ての方向に対して結晶が揃っている事を確認するため、互いに直交する｛０ ０ ０ ２｝面および｛１ −１ ０ ０｝面について測定する。
【実施例】
【００５４】
［実施例１］
図２に示す構成よりなる反応系を用い、１６００℃でＮ２−ＣＯ混合ガスによって、（１ １ −２ ３）面で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板を窒化することにより、ＡｌＮ単結晶膜を形成した。
【００５５】
最初に炉内を一旦ロータリーポンプで真空排気して、一酸化炭素と窒素の分圧比が１：９である混合ガスに置換し、そのまま同組成の雰囲気を一定の流量で流した。排気弁は１．０２ｂａｒで開放する設定として、加熱中はほぼ１ｂａｒに保持した。
【００５６】
加熱時は単結晶α−アルミナ基板の直下にある黒鉛ブロックの発する赤外光を放射温度計で測定して基板の温度を管理した。１６００℃に到達して１２時間経過した後、１６００℃に保持したまま一酸化炭素の投入を停止し、炉の容積の２倍の量の純窒素を３０分間で流して炉内雰囲気を窒素に置換した。その後、冷却速度が常に毎分２０℃以下となるように冷却した。
【００５７】
得られた基板に対して２θ＝３６．０２°についての極点図形を作成し、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面のピークよりなる図３の図形を得た。ＡｌＮのｃ軸が基板法線に対して２９．４°の角度を持ち、１方向へ傾斜して生成していることが確認された。
【００５８】
さらに２θ＝３３．２０°についての極点図形を作成して、ＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面のピークよりなる図４の図形を得た。解析の結果、これら３つのピークは図３に示すＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝のピーク座標と各々９０°の角を成し、さらにそれぞれのピーク座標間の成す角は６０°であることが判った。すなわち、これは６回対称のＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面が膜内で全て揃っている事を示す。以上の情報から該基板中には単結晶ＡｌＮが生成していることが導かれる。
【００５９】
また、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面について２θ−ωスキャンを行い、図５の通りＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面とα−アルミナ（１ １ −２ ０）面が平行な関係にあることを確認した。
【００６０】
得られた単結晶ＡｌＮについてＸ線回折ωモードロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）を評価した結果、｛０ ０ ０ ２｝面については９２５ａｒｃｓｅｃ、｛１ −１ ０ ０｝面については６５７７ａｒｃｓｅｃであった。
［比較例１］
実施例１と同様の反応系を用い、１７５０℃でＮ２−ＣＯ混合ガスによって、（１ １ −２ ３）面で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板を窒化することにより、複数の配向関係よりなるＡｌＮ膜を形成した。
【００６１】
真空排気後の導入雰囲気の一酸化炭素と窒素の分圧比を６：４、保持する温度を１７５０℃に変更した他は実施例１と同様の操作を行い、反応を完了した。
【００６２】
得られた基板に対して２θ＝３６．０２°についての極点図形を作成し、少なくとも６つのＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面のピークよりなる図６の図形を得た。
【００６３】
これらのピークについて実施例１と同様の解析を行い、各々のＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面はα−アルミナの（１ １ −２ ０）面、（−１ ２ −１ ０）面、（２ −１ −１ ０）面、（０ ０ ０ １）面、（１ １ −２ ３）面、（１ １ −２ −３）面に平行となるように生成していることが判明した。
［比較例２］
実施例１と同様の反応系を用い、さらに実施例１と同様の反応条件で（０ ０ ０ １）面、（０ １ −１ ０）面、（０ １ −１ １）面、（０ １ −１ ２）面、（０ １ −１ ３）面、（０ −１ １ ２）面、で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板をそれぞれ窒化することにより、複数の配向関係よりなるＡｌＮ膜を形成した。
【００６４】
得られた基板に対して比較例１と同様の方法を用いて、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面の配向方向の数および平行な関係にあるα−アルミナ結晶面の特定を行った。その結果を表１に示す。結果として、これらの結晶面ではＡｌＮのｃ軸が基板法線に対して傾斜し、且つ単結晶である膜を得ることはできなかった。
【００６５】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、ＡｌＮ安定領域を示すＡｌ−Ｏ−Ｎ−Ｃ系相安定図である。
【図２】図２は、実施例にて用いた加熱装置の概要図である。
【図３】図３は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面の配向方向を示す極点図形である。
【図４】図４は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面の配向方向を示す極点図形である。
【図５】図５は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面と平行な面を示すＸ線回折２θスキャンチャートである。
【図６】図６は、比較例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面の配向方向を示す極点図形である。
【符号の説明】
【００６７】
２１ 環状電極
２２ 黒鉛発熱体
２３ 断熱材
２４ 黒鉛支持台
２５ 単結晶α−アルミナ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に窒化アルミニウム単結晶膜を有する窒化アルミニウム単結晶積層基板、及び、表面に窒化アルミニウム単結晶膜を有する窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年のマルチメディア通信の発展に伴って、高速通信サービスを支える無線基地局装置や携帯情報機器等の通信システムなどに向けたＧＨｚ帯の弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子へのニーズが高まっている。弾性表面波素子の中心周波数ｆ０は、圧電基板表面の音速（弾性表面波伝播速度）ｖと、すだれ状電極のピッチ（弾性表面波の波長λの１／４）との関係で、次式によって表される。
【０００３】
【数１】
【０００４】
従って弾性表面波素子の高周波数化に対応するには、高精度のフォトリソグラフィ技術を用いて電極ピッチの微細化を図る方法と、音速が速い圧電材料を採用する方法とが考えられる。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は既存の圧電材料である水晶（音速３１５０ｍ／ｓ）やニオブ酸リチウム（音速３９００ｍ／ｓ）に対して２倍程度の音速の実現が見込まれており、次世代の通信技術におけるキーマテリアルとされている。
【０００５】
弾性波の伝播速度や電気機械結合係数等の圧電材料の圧電特性は、結晶性や切り出し面方位などの結晶性状に強く依存する。圧電材料の形態は単結晶が望ましく、少なくとも１軸に対して圧電材料結晶の配向方向が揃っている必要がある。ＡｌＮは超高圧条件においてのみ液相が安定に存在すると考えられており、真空〜数気圧程度の圧力条件下で液相が得られた報告は無い。そこで、融液からの単結晶成長が可能な既存の圧電材料とは異なり、ＤＣマグネトロンスパッタ法をはじめとする真空蒸着技術を用いて前述の条件を満たす薄膜を形成する方法が一般的である。
【０００６】
これらの真空蒸着技術では、基板面に対してＡｌＮのｃ軸を基板法線に対して傾斜させた薄膜の形成が可能である。ｃ軸を概ね１５°以上傾斜させたＡｌＮ薄膜よりなる弾性表面波素子において、レイリー波の伝播速度および電気機械結合係数の改善が成されることが知られている（非特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】Ｙ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ｎ．Ｔａｎａｋａ、Ｈ．Ｏｋａｎｏ、Ｋ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔ．Ｕｓｕｋｉ ａｎｄ Ｋ．Ｓｈｉｂａｔａ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ１、１９９５年、Ｖｏｌｕｍｅ３４、２６６８。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の技術は、金属・セラミックス等様々な下地基板に対応できる優れた利点を有するが、結晶配向方向に大きなバラつきを包含する課題を有する。結晶配向方向のバラつきは、一般にＸ線回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）で評価される。ＡｌＮのｃ軸に対応する｛０ ０ ０ ２｝面では、この値が１°以上、｛０ ０ ０ ２｝面と直交する｛１ −１ ０ ０｝面等では５°以上の値をとる。そのため、圧電特性にバラつきが生じ、前述の融液成長による他物質の単結晶に比べて、Ｑ値で示される周波数選択性等の性能が大きく劣る。
【０００９】
なお、本出願の特許請求の範囲および本明細書で用いられている中括弧または括弧を含む４桁の数字は、六方晶の結晶において用いられるミラー指数を示しており、負の指数を本来の表記法に変えて、以下のように表現している。
【００１０】
【数２】
【００１１】
本発明に先立ち、本発明者らはアルミナ、カーボン（Ｃ）、窒素（Ｎ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を反応原料とした還元窒化反応を用いた高結晶性ＡｌＮ膜の作成法を開発し、特開２００４−１３７１４２号において既に提案した。この方法によれば、従来の手段のように基板上に目的の薄膜を付着形成させるのではなく、α−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板表面から内部に向かってアルミナをＡｌＮに変換させることにより、良好なＡｌＮ結晶が形成できる。
【００１２】
この既提案発明では、ａ面：｛１ １ −２ ０｝面よりなるα−アルミナ基板を用いて、基板面に対してＡｌＮのｃ軸が垂直となる関係を有する結晶、いわゆるｃ軸配向結晶よりなる薄膜を得ている。
【００１３】
本発明の目的は、上記既提案の技術を応用することによって、従来よりも結晶配向性を改善したｃ軸傾斜ＡｌＮ単結晶積層基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね、上記反応によって生成するＡｌＮの｛０ ０ ０ ２｝面は、その面間隔（０．２４９ｎｍ）と近い面間隔を有するα−アルミナ結晶中の結晶面と平行の関係を採りやすいことを見出した。すなわち、α−アルミナの｛１ ０ −１ ４｝面（面間隔０．２５５ｎｍ）、｛１ １ −２ ０｝面（面間隔０．２３８ｎｍ）、｛０ ０ ０ ６｝面（面間隔０．２１７ｎｍ）、｛１ １ −２ ３｝面（面間隔０．２０９ｎｍ）の４面が該当する。
【００１５】
さらに、このうちα−アルミナの｛１ １ −２ ０｝面に対しては、優先的にＡｌＮの｛０ ０ ０ ２｝面が平行となるように成長する傾向があることを見出し、これらの発見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層基板は、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されてなり、窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸がα−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の他の窒化アルミニウム単結晶積層基板は、上記構成で更に、窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法は、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面を基板面とするα−アルミナ単結晶基板を、カーボン、窒素、および一酸化炭素の存在下にて加熱し、α−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明によれば、単結晶α−アルミナを｛１ −１ ０ ０｝面と直交する結晶面、すなわち＜１ −１ ０ ０＞を晶帯軸とする晶帯のうち、｛１ １ −２ ０｝と成す角、いわゆる面間角が１５°〜４０°となる面で切り出した基板を原料として用い、特開２００４−１３７１４２号あるいは特願２００５−３１０８６号にて提案した反応を利用して最表面にＡｌＮを形成する。晶帯軸として[１ −１ ０ ０]をとるとき、単結晶α−アルミナと以下のような配向関係を満たす単結晶ＡｌＮが生成する。
【００２０】
【数３】
【００２１】
すなわち、単結晶α−アルミナの切り出し面と｛１ １ −２ ０｝面の成す角度が、生成するＡｌＮのｃ軸の基板法線に対する傾斜角度となるため、１５°〜４０°の任意のｃ軸傾斜角度を有するＡｌＮ単結晶膜が得られる。このＡｌＮ単結晶膜は、外部からＡｌＮ原料を供給して堆積させる従来の方法に比べて配向方向のバラつきが少なく、それに伴って発生する欠陥密度の大幅な低減を達成している。
【００２２】
得られたＡｌＮ単結晶積層基板は、高い電気機械結合係数および伝播速度の高速化を図る弾性表面波素子向け基板材料に用いることで更なる素子特性の向上が期待できる。
【００２３】
また、気相成長法等のエピタキシャル成長技術を併用して、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝に対して１５°〜４０°の面間角を有する結晶方位のＡｌＮ単結晶自立基板を製造するための種結晶として好適に使用できる。これらの基板はＡｌＮをはじめとするIII族窒化物を用いる発光素子の設計において、欠陥密度を小さく抑えると同時にIII族窒化物で発現する分極現象の制御を可能とするため、発光効率の向上につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
【００２５】
本発明は、単結晶α−アルミナ基板の表面を窒化することにより単結晶α−アルミナ基板上に直接ＡｌＮ結晶膜を形成する。具体的には、熱処理装置の均熱部に、単結晶α−アルミナ基板とグラファイトを装入し、Ｎ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御した雰囲気下で、単結晶α−アルミナ基板を以下の反応式に従って窒化させる。
【００２６】
【化１】
【００２７】
ａｌｏｎとは、Ａｌ（６４＋ｘ）／３□（８−ｘ）／３Ｏ３２−ｘＮｘ（但し□は陽イオン空孔）で示される酸窒化アルミニウムを指し、反応式（２）中ａｌｏｎ（Ａｌ２Ｏ３ｓａｔ．）はＡｌ２Ｏ３が飽和したａｌｏｎを意味する。また、反応式（３）中ａｌｏｎ（ＡｌＮｓａｔ．）はＡｌＮが飽和したａｌｏｎを意味する。さらに、ｘはａｌｏｎの不定比性に起因する変数で、２＜ｘ＜６の範囲の値をとる。
【００２８】
炉内雰囲気を構成する窒素分圧と一酸化炭素分圧の和ＰＣＯ＋ＰＮ２が１ｂａｒ、炭素の活量aｃが１の条件下では、１６３０℃未満では反応式（１）、１６３０℃以上では反応式（２）と反応式（３）で示す反応が起こるとされている。
【００２９】
これらの反応が進行するかどうかは下の一般式で示すＧｉｂｂｓエネルギー変化で推測することができる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｋｒ（ｘ）は各相の活量より計算される平衡定数である。
【００３２】
図1は、横軸にセルシウス温度、縦軸にエネルギー量をとったグラフである。右下がりの線は、上記３つの反応式について各々１ｍｏｌのＮ２が反応した場合の標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化項Δｒ（１）Ｇ°、Δｒ（２）Ｇ°、Δｒ（３）Ｇ°の関数を引いたものである。そして横線は、雰囲気総圧を１ｂａｒとした時の等窒素分圧曲線を示す。
【００３３】
平衡定数および絶対温度で構成される、いわゆるＲＴ項のエネルギー量が標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化量を上回った場合、各反応のＧｉｂｂｓエネルギー変化Δｒ（１）Ｇ、Δｒ（２）Ｇ、Δｒ（３）Ｇはマイナスになり窒化が進む。すなわち、図１中の直線より上の領域はＡｌＮの安定領域であり、直線より下の領域はＡｌ２Ｏ３の安定領域である。１６３０℃以上において、両者の境界にａｌｏｎの安定領域が存在する。図１中のＡｌＮ安定領域に該当する温度条件および雰囲気組成を選択することで窒化反応が進行する。
【００３４】
上述したα−アルミナ基板の表面を直接窒化する方法において用いられる加熱装置には特に制限はなく、任意の構造のものが使用できる。ただし窒素および一酸化炭素よりなる混合ガス中で、α−アルミナ基板を図１中に示す温度条件に曝す事が出来る能力が無くてはならない。また、α−アルミナ基板中の温度差を５℃以内に保つことができる設計であることが望ましい。
【００３５】
加熱炉材は、得られるＡｌＮ結晶への不純物混入を避ける観点から、反応に関与する物質であるところの黒鉛、α−アルミナ、ＡｌＮおよびａｌｏｎのみで構成することが望ましい。さらには黒鉛のみで構成し、炉内のアルミニウム濃度を管理する機構を設けて特願２００５−２２７１６５号にて開示した技術を併用することがさらに望ましい。
【００３６】
炉材に吸着した水蒸気や有機物は加熱時に炉内の酸素濃度を増加させ、雰囲気組成に対する変動要因となり反応挙動に影響を与えるため、製造前に加熱運転を行う、または昇温過程において１０００℃未満の低温域で真空引きによるクリーニングを行うなどの除去工程の導入が望ましい。
【００３７】
使用するα−アルミナ基板は良質且つ配向性が制御されたＡｌＮ結晶を得るために、その表面は平滑であることが好ましい。そのため、一般的なエピタキシャル成長用サファイア基板が好適に用いられる。
【００３８】
本発明の窒化アルミニウム単結晶膜を得るためには、α−アルミナ単結晶の切り出し面が、｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°の結晶面となる基板を用いる。｛１ −１ ０ ０｝面と直交しない面である場合、複数の｛１ １ −２ ０｝面、例えば（１ １ −２ ０）面に加えて（−１ ２ −１ ０）面に対してそれぞれＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行の関係を有する結晶が生成し易くなる。また、｛１ −１ ０ ０｝と直交する面であっても｛１ １ −２ ０｝面とのなす角が４０°を上回る場合、（１ １ −２ ０）面に加えて（０ ０ ０ １）面等とＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行に生成し易くなる。つまり、いずれの場合も本発明の窒化アルミニウム単結晶膜を得るには再現性が不十分である。
【００３９】
反応系に共存させるカーボンとしては炉材を含め種々の市販品が使用できる。カーボンの純度は９９．９％以上であることが好ましく、９９．９９９％以上であることがより好ましい。
【００４０】
導入するガス種としては、窒素および一酸化炭素に限定されない。例えば、一酸化炭素の代わりに酸素や二酸化炭素を導入し、炉内の黒鉛と反応させて生成した一酸化炭素を反応に供しても本発明と同様の効果が得られる。
【００４１】
窒素および一酸化炭素は、通常ガス状のものが使用されるが、なるべく純度の高いものが好ましく、一般的には９９．９９９９％以上の窒素および９９．９％以上の一酸化炭素が該当する。不純物の中でも二酸化炭素・水蒸気等の化学種は、分解して発生する酸素原子が窒化反応の化学ポテンシャルを変化させ、制御パラメータに対する誤差要因となるため、これらの混入を極力防止する。
【００４２】
反応系の全圧は特に制限されないが、１ｂａｒ前後とするのが反応装置の製作や運転の容易さから好ましい。反応中は、所定の分圧になるようにした混合ガスを所定の流量で流す。窒素および一酸化炭素の混合比は、図１に示す相安定図に従って、反応温度に応じたＡｌＮ安定領域に入る（ＰＮ２/ＰＣＯ３）の範囲から決定する。
【００４３】
本発明のＡｌＮ単結晶基板を再現性良く得る温度条件としては、１４００〜１６５０℃が好適に用いられる。１４００℃未満では後述の窒化駆動力を適切に得るための雰囲気組成制御が比較的困難となる上、基板内部へ窒素が拡散する速度が十分に得られない。また、１６５０℃を超える高温では本発明のとる結晶配向関係以外の関係を有するＡｌＮ結晶が生成しやすくなり、単結晶を得ることが困難となる。すなわち、α−アルミナの｛１ １ −２ ０｝面以外の結晶面、例えば｛０ ０ ０ ６｝面とＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面が平行な関係を有する結晶の混在が起こりやすくなる。
【００４４】
反応温度Ｔおよび（ＰＮ２/ＰＣＯ３）の選択で決定されるＲＴ項の値と、標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化項Δｒ（１）Ｇ°、Δｒ（２）Ｇ°、Δｒ（３）Ｇ°の差分が実質的な窒化駆動力の尺度となる。図１中の標準Ｇｉｂｂｓエネルギー変化量を示す直線と、選択した条件で一義的に決まる座標との縦軸座標間の距離にあたる。
【００４５】
本発明で用いる窒化反応の効果を最大限に得るためには、この窒化駆動力を適切に設定する必要がある。上記３つの反応式について各々１ｍｏｌのＮ２が反応した場合の理想的な窒化駆動力は１４００〜１６５０℃において０〜１５０ｋＪの範囲に入るように混合ガスの比率を選択することが望ましい。窒化駆動力が前述の範囲を超えて高すぎる場合、１６５０℃を超えて高温の条件に置いた場合と同じ現象が起こり、結果として単結晶の作製が困難となる。
【００４６】
混合ガスの流量は、常に基板表面に窒素原子を到達させる必要があることから、ガス流と垂直な面における反応装置の断面積１ｃｍ２に対して、２５℃・１気圧のガスを５ｍＬ／ｍｉｎ以上導入するのが好ましい。より好ましくはα−アルミナ基板に到達する前に導入するガスを予備加熱する装置を設置する。導入する一酸化炭素および窒素の分圧制御は市販の流量計が制限無く使える。
【００４７】
昇温速度は任意に決定できるが、毎分５℃以上が好適に採用される。
【００４８】
加熱時間は、所望するＡｌＮ膜厚により適宜決定される。例えば、全ての炉材に黒鉛を用いた加熱装置（以下、黒鉛炉と呼ぶ）において、１６００℃でＰＣＯ＝０．１０ｂａｒ、ＰＮ２＝０．９０ｂａｒの条件下において｛１ １ −２ ３｝面で切り出したα−アルミナ基板を窒化させた場合、ＡｌＮ膜の成長速度は、１２時間の反応で１０〜２０ｎｍである。
【００４９】
反応終了後は、冷却中に図１のＡｌ２Ｏ３安定領域に入ってしまうとＡｌＮが酸化してしまうため、１０００℃を超える温度域では常にＡｌＮが安定な状態に基板を置くよう一酸化炭素濃度を漸減させる手段を講じる。この方法としては、冷却開始前に一酸化炭素の供給を停止し、窒素のみ供給を続けて反応系内の一酸化炭素濃度を０.１%未満まで低下させる操作等が挙げられる。１０００℃以下においても、窒素のみの供給を続けて、可能な限り一酸化炭素濃度を希釈することが望ましい。
【００５０】
冷却速度は任意に決定できるが、α−アルミナ基板とＡｌＮ単結晶膜との熱膨張差に起因する残留歪を抑制するため、冷却速度が毎分２０℃以下となるよう制御することが望ましい。
【００５１】
上記方法により、本発明の効果を十分発現したＡｌＮ単結晶積層基板を作製することができる。
【００５２】
生成したＡｌＮ結晶の配向方向はＸ線（ＣｕＫα線）回折角２θ＝３６．０２°（ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面に対応）および３３．２０°（ＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面に対応）の極点図形を作成し、ＡｌＮが単結晶である事を確認する。また、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝が現れた方向に対して２θ−ωスキャンを行って平行な関係にある単結晶α−アルミナ中の結晶面を特定する。
【００５３】
結晶品質の評価はＸ線回折ωモードロッキングカーブ半値全幅により行う。背景技術の項で述べたとおり、本測定の半値全幅によって結晶品質の良否が判断できる。３次元全ての方向に対して結晶が揃っている事を確認するため、互いに直交する｛０ ０ ０ ２｝面および｛１ −１ ０ ０｝面について測定する。
【実施例】
【００５４】
［実施例１］
図２に示す構成よりなる反応系を用い、１６００℃でＮ２−ＣＯ混合ガスによって、（１ １ −２ ３）面で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板を窒化することにより、ＡｌＮ単結晶膜を形成した。
【００５５】
最初に炉内を一旦ロータリーポンプで真空排気して、一酸化炭素と窒素の分圧比が１：９である混合ガスに置換し、そのまま同組成の雰囲気を一定の流量で流した。排気弁は１．０２ｂａｒで開放する設定として、加熱中はほぼ１ｂａｒに保持した。
【００５６】
加熱時は単結晶α−アルミナ基板の直下にある黒鉛ブロックの発する赤外光を放射温度計で測定して基板の温度を管理した。１６００℃に到達して１２時間経過した後、１６００℃に保持したまま一酸化炭素の投入を停止し、炉の容積の２倍の量の純窒素を３０分間で流して炉内雰囲気を窒素に置換した。その後、冷却速度が常に毎分２０℃以下となるように冷却した。
【００５７】
得られた基板に対して２θ＝３６．０２°についての極点図形を作成し、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面のピークよりなる図３の図形を得た。ＡｌＮのｃ軸が基板法線に対して２９．４°の角度を持ち、１方向へ傾斜して生成していることが確認された。
【００５８】
さらに２θ＝３３．２０°についての極点図形を作成して、ＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面のピークよりなる図４の図形を得た。解析の結果、これら３つのピークは図３に示すＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝のピーク座標と各々９０°の角を成し、さらにそれぞれのピーク座標間の成す角は６０°であることが判った。すなわち、これは６回対称のＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面が膜内で全て揃っている事を示す。以上の情報から該基板中には単結晶ＡｌＮが生成していることが導かれる。
【００５９】
また、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面について２θ−ωスキャンを行い、図５の通りＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面とα−アルミナ（１ １ −２ ０）面が平行な関係にあることを確認した。
【００６０】
得られた単結晶ＡｌＮについてＸ線回折ωモードロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）を評価した結果、｛０ ０ ０ ２｝面については９２５ａｒｃｓｅｃ、｛１ −１ ０ ０｝面については６５７７ａｒｃｓｅｃであった。
［比較例１］
実施例１と同様の反応系を用い、１７５０℃でＮ２−ＣＯ混合ガスによって、（１ １ −２ ３）面で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板を窒化することにより、複数の配向関係よりなるＡｌＮ膜を形成した。
【００６１】
真空排気後の導入雰囲気の一酸化炭素と窒素の分圧比を６：４、保持する温度を１７５０℃に変更した他は実施例１と同様の操作を行い、反応を完了した。
【００６２】
得られた基板に対して２θ＝３６．０２°についての極点図形を作成し、少なくとも６つのＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面のピークよりなる図６の図形を得た。
【００６３】
これらのピークについて実施例１と同様の解析を行い、各々のＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面はα−アルミナの（１ １ −２ ０）面、（−１ ２ −１ ０）面、（２ −１ −１ ０）面、（０ ０ ０ １）面、（１ １ −２ ３）面、（１ １ −２ −３）面に平行となるように生成していることが判明した。
［比較例２］
実施例１と同様の反応系を用い、さらに実施例１と同様の反応条件で（０ ０ ０ １）面、（０ １ −１ ０）面、（０ １ −１ １）面、（０ １ −１ ２）面、（０ １ −１ ３）面、（０ −１ １ ２）面、で切り出した直径５０．８ｍｍの円板状の単結晶α−アルミナ基板をそれぞれ窒化することにより、複数の配向関係よりなるＡｌＮ膜を形成した。
【００６４】
得られた基板に対して比較例１と同様の方法を用いて、ＡｌＮ｛０ ０ ０ ２｝面の配向方向の数および平行な関係にあるα−アルミナ結晶面の特定を行った。その結果を表１に示す。結果として、これらの結晶面ではＡｌＮのｃ軸が基板法線に対して傾斜し、且つ単結晶である膜を得ることはできなかった。
【００６５】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、ＡｌＮ安定領域を示すＡｌ−Ｏ−Ｎ−Ｃ系相安定図である。
【図２】図２は、実施例にて用いた加熱装置の概要図である。
【図３】図３は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面の配向方向を示す極点図形である。
【図４】図４は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛１ −１ ０ ０｝面の配向方向を示す極点図形である。
【図５】図５は、実施例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面と平行な面を示すＸ線回折２θスキャンチャートである。
【図６】図６は、比較例１にて得られた基板においてＡｌＮ｛０ ０ ０ １｝面の配向方向を示す極点図形である。
【符号の説明】
【００６７】
２１ 環状電極
２２ 黒鉛発熱体
２３ 断熱材
２４ 黒鉛支持台
２５ 単結晶α−アルミナ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されてなり、前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする、窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【請求項２】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【請求項３】
｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面を基板面とするα−アルミナ単結晶基板を、カーボン、窒素、および一酸化炭素の存在下にて加熱し、前記α−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶膜を形成することを特徴とする、窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が、前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする、請求項３に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項５】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項６】
前記加熱の温度が１５００〜１６５０℃であることを特徴とする、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項１】
｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面で切り出したα−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶が形成されてなり、前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする、窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【請求項２】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板。
【請求項３】
｛１ −１ ０ ０｝面と直交し且つ｛１ １ −２ ０｝面との面間角が１５°〜４０°となる結晶面を基板面とするα−アルミナ単結晶基板を、カーボン、窒素、および一酸化炭素の存在下にて加熱し、前記α−アルミナ単結晶基板上に窒化アルミニウム単結晶膜を形成することを特徴とする、窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の＜０ ０ ０ １＞軸が、前記α−アルミナ単結晶基板の法線に対して最大４０°傾斜していることを特徴とする、請求項３に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項５】
前記窒化アルミニウム単結晶膜の｛０ ０ ０ ２｝回折ピークのωモードロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１０８０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ｛１ −１ ０ ０｝回折ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が７２００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【請求項６】
前記加熱の温度が１５００〜１６５０℃であることを特徴とする、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の窒化アルミニウム単結晶積層基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１５３６３４（Ｐ２００７−１５３６３４Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４７３５７（Ｐ２００５−３４７３５７）
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]