(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023169572
(43)【公開日】2023-11-30
(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法および製造装置
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20231122BHJP
C30B 25/12 20060101ALI20231122BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20231122BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231122BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/12
C23C16/34
H01L21/205
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080764
(22)【出願日】2022-05-17
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、環境省、令和２年度未来のあるべき社会・ライフスタイルを創造する技術イノベーション事業（高品質ＧａＮ基板を用いた超高効率ＧａＮパワー・光デバイスの技術開発とその実証）委託業務、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100113170
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 和久
(72)【発明者】
【氏名】布袋田 暢行
(72)【発明者】
【氏名】滝野 淳一
(72)【発明者】
【氏名】松野 俊一
【テーマコード（参考）】
4G077
4K030
5F045
【Ｆターム（参考）】
4G077AA02
4G077AA03
4G077BE15
4G077DB30
4G077EG03
4G077EG23
4G077HA02
4G077HA12
4G077TA04
4G077TF02
4G077TH11
4K030AA01
4K030AA13
4K030BA08
4K030BA38
4K030BB02
4K030CA04
4K030EA04
4K030EA06
4K030GA02
4K030JA06
4K030JA09
4K030JA10
5F045AA03
5F045AB14
5F045AB17
5F045AC00
5F045AC12
5F045AD14
5F045AD15
5F045AD16
5F045AD17
5F045AD18
5F045AF02
5F045AF03
5F045AF04
5F045AF07
5F045AF10
5F045BB20
5F045DP03
5F045DP28
5F045DQ05
5F045DQ08
5F045EE14
5F045EF02
5F045EF08
5F045EK06
5F045EM02
5F045EM09
(57)【要約】
【課題】構成部材の腐食を抑制し、製造の歩留まりを向上させることができるＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、を含み、成長工程において、基板保持部材と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
【選択図】図１
【解決手段】反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、を含み、成長工程において、基板保持部材と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、前記基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、
ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を前記反応容器に供給して、前記種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、
を含み、
前記成長工程において、前記基板保持部材と前記筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を前記反応容器に供給して、前記種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、
を含み、
前記成長工程において、前記基板保持部材と前記筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【請求項2】
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、前記筒状部材の半径方向に重なりを有し、
前記筒状部材の外部に向けて、前記折返し部と前記筒状部材との間から前記非反応性ガスを噴出する、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、前記筒状部材の半径方向に重なりを有し、
前記筒状部材の外部に向けて、前記折返し部と前記筒状部材との間から前記非反応性ガスを噴出する、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【請求項3】
反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、前記基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、
ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を前記反応容器に供給して、前記種基板にＩＩＩ族窒化物結晶成長させる成長工程と、
を含み、
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、前記筒状部材の半径方向に重なりを有する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を前記反応容器に供給して、前記種基板にＩＩＩ族窒化物結晶成長させる成長工程と、
を含み、
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、前記筒状部材の半径方向に重なりを有する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【請求項4】
前記折返し部は、鉛直下方向に対して－９０度から＋９０度の角度で延在している、請求項２又は３に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【請求項5】
反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、
前記反応容器は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、
前記基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、
を備え、
前記基板保持部材と前記筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
前記反応容器は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、
前記基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、
を備え、
前記基板保持部材と前記筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項6】
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有し、
前記筒状部材の外部に向けて、前記折返し部と前記筒状部材との間から前記非反応性ガスを噴出する、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有し、
前記筒状部材の外部に向けて、前記折返し部と前記筒状部材との間から前記非反応性ガスを噴出する、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項7】
反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、
前記反応容器は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、
前記基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、
を備え、
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
前記反応容器は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、
前記基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、
を備え、
前記基板保持部材は、前記種基板を載置する平坦部と、前記平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、
前記折返し部は、前記筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項8】
前記折返し部は、鉛直下方向に対して－９０度から＋９０度の角度で延在している、請求項６又は７に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項9】
ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応部から供給される前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスを反応させ、前記種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長する結晶成長部と、
前記原料反応部から前記結晶成長部へ前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスを供給する原料ガスノズルと、
前記原料ガスノズルの周囲に配置され、前記結晶成長部へ前記窒素元素含有ガスを供給する窒素源ガスノズルと、
を備える、請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
前記原料反応部から供給される前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスを反応させ、前記種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長する結晶成長部と、
前記原料反応部から前記結晶成長部へ前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスを供給する原料ガスノズルと、
前記原料ガスノズルの周囲に配置され、前記結晶成長部へ前記窒素元素含有ガスを供給する窒素源ガスノズルと、
を備える、請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項10】
前記原料ガスノズルは、噴射口の噴射方向が前記種基板の表面に対して対向するように配置されている、請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項11】
前記窒素源ガスノズルは、噴射口の噴射方向が前記種基板の表面に対して傾斜するように配置されている、請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項12】
前記基板保持部材を回転させる回転機構を備えた、請求項５又は７に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項13】
前記窒素源ガスノズルは、噴射口の前記種基板の表面における噴射方向が、前記種基板の回転の半径方向に対して偏向するように配置されている、請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項14】
前記非反応性ガスの流速は、前記折返し部の外周を通過する前記ＩＩＩ族元素酸化物ガスと前記窒素元素含有ガスを含む全てのガス流速、の０．５倍以上であることを特徴とする、請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法および製造装置に関する。特に、反応容器内に配置された被処理基板に向かってガスを供給する気相成長法によるＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３などのＩＩＩ族窒化物半導体は、例えば、発光ダイオードや半導体レーザーなどの光デバイスやヘテロ接合高速電子デバイス等の分野に利用されている。ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮの製造方法の１つに、ＩＩＩ族元素金属（例えば、Ｇａ金属）と塩化物ガス（例えば、ＨＣｌガス）を反応させて、ＩＩＩ族元素金属塩化物ガス（ＧａＣｌガス）を生成し、前記ＩＩＩ族元素金属塩化物と窒素元素含有ガス（例えば、ＮＨ３ガス）からＧａＮを成長させる、Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＨＶＰＥ法）が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
【0003】
しかし、前記ＨＶＰＥ法では、結晶成長において副生成物であるＮＨ４Ｃｌ（塩化アンモニウム）が多量に発生し、製造装置の排気配管を詰まらせるため、結晶成長を阻害するという問題があった。この問題を解決する方法として、前記ＩＩＩ族元素金属（例えば、Ｇａ金属）と酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏガス）とを反応させて前記ＩＩＩ族元素金属酸化物ガス（Ｇａ２Ｏガス）を生成し、前記ＩＩＩ族元素金属酸化物ガスと窒素元素含有ガス（例えば、ＮＨ３ガス）からＧａＮを成長させる、Ｏｘｙｇｅｎ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＯＶＰＥ法）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【0004】
前記ＨＶＰＥ法や前記ＯＶＰＥ法の特徴としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）など他の結晶成長法で典型的な１μｍ／ｈ程度の成長速度と比較して、１０μｍ／ｈ以上あるいは１００μｍ／ｈ以上の非常に大きい成長速度を得られることが挙げられる。このため、ＨＶＰＥ法やＯＶＰＥ法は、ＧａＮ自立基板の製造に用いられている。
【0005】
図５は、従来のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の１つであるＯＶＰＥ装置の断面構造を示す概略断面図である。このＯＶＰＥ装置は、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長を行う反応容器１０１を備え、反応容器１０１内には、Ｇａ２ＯなどのＩＩＩ族元素ガスを発生させる原料反応室１０２が設けられている。第１のヒータ１０４により加熱される原料反応室１０２内には、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌなどを含む金属原料１０６が原料容器１０３内に収容されている。また、原料反応室１０２には、Ｈ２Ｏガスなどの反応性ガスを供給する反応性ガス供給管１０７が接続されている。
【0006】
反応性ガス供給管１０７から原料容器１０３内に供給された反応性ガスと金属原料１０６との反応により、原料反応室１０２内にＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。生成されたＩＩＩ族元素含有ガスは、原料反応室１０２に接続された原料ガスノズル１０８から反応容器１０１内に導入され、基板支持部１１２上に載置された種基板１１１へと輸送される。種基板１１１は、第２ヒータ１０５により加熱される。また、反応容器１０１には、ＮＨ３ガスなどの窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給管１０９ａおよび１０９ｂが接続されている。種基板１１１へと輸送されたＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応して、種基板１１１にＩＩＩ族窒化物結晶１１０が成長する。基板支持部１１２は、図示していない回転駆動手段と接続されており、基板支持部１１２の中心軸を回転軸として回転可能に構成されている。窒素元素含有ガスの１つであるＮＨ３ガスは腐食性ガスであり、ＮＨ３ガスが基板支持部１１２の下部空間に混入してしまうことを抑制するために、基板支持部１１２の下部空間を覆うように筒状部材１０が設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開昭５２－２３６００号公報
【特許文献2】ＷＯ２０１５／０５３３４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、基板支持部１１２と筒状部材との間には回転するための隙間が存在し、隙間からＮＨ３ガスが侵入することで、回転駆動手段等を構成している機構部品が腐食してしまうことが課題となっている。
【0009】
本開示の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、構成部材の腐食を抑制し、製造の歩留まりを向上させることができるＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法と製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記目的を達成するために、本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、反応容器
の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、を含み、成長工程において、基板保持部材と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、を含み、成長工程において、基板保持部材と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
【0011】
本開示に係る別例のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶成長させる成長工程と、を含み、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する。
【0012】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、反応容器は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、を備え、基板保持部材と前記筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
【0013】
本開示に係る別例のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、反応容器は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、を備え、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する。
【発明の効果】
【0014】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法によれば、基板保持部材の下部空間に配置した構成部材の腐食を抑制し、種基板上に成長するＩＩＩ族窒化物結晶へのパーティクルの混入を抑制する。これによって、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の断面構成の一例を示す概略断面図である。
【図3】本開示の比較例２に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図4】基板保持部材の下部空間から噴射する非反応性ガスと結晶成長部に流入する原料ガスとキャリアガスの流速比と基板保持部材の下部空間に設置したカーボン部品の重量減少との関係を表すグラフである。
【図5】従来のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の１つであるＯＶＰＥ装置の典型的な断面構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本開示の第１の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法によれば、反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、種基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる成長工程と、を含み、成長工程において、基板保持部材と筒状部材の間から非反応性ガスを噴出する。
【0017】
本開示の第２の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法によれば、上記第１の態様において、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有し、筒状部材の外部に向けて、折返し部と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出してもよい。
【0018】
本開示の第３の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法によれば、反応容器の基板保持部材に種基板を配置すると共に、基板保持部材の下部空間を取り囲む筒状部材を配置する準備工程と、ＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスと、を反応容器に供給して、前記種基板にＩＩＩ族窒化物結晶成長させる成長工程と、を含み、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する。
【0019】
本開示の第４の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法によれば、上記第２又は第３の態様において、折返し部は、鉛直下方向に対して－９０度から＋９０度の角度で延在していてもよい。
【0020】
本開示の第５の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、反応容器は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材とを備え、基板保持部材と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出する。
【0021】
本開示の第６の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、上記第５の態様において、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有し、筒状部材の外部に向けて、折返し部と筒状部材との間から非反応性ガスを噴出してもよい。
【0022】
本開示の第７の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、反応容器を備えるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置であって、反応容器は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる種基板を載置する基板保持部材と、基板保持部材より下部空間を取り囲む筒状部材と、を備え、基板保持部材は、種基板を載置する平坦部と、平坦部から鉛直下方向に延びる折返し部と、を有し、折返し部は、筒状部材よりも大きく、筒状部材の半径方向に重なりを有する。
【0023】
本開示の第８の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、上記第６又は第７の態様において、折返し部は、鉛直下方向に対して－９０度から＋９０度の角度で延在していてもよい。
【0024】
本開示の第９の様態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、上記第６の態様において、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する原料反応部と、原料反応部から供給されるＩＩＩ族元素酸化物ガスと窒素元素含有ガスを反応させ、種基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長する結晶成長部と、原料反応部から結晶成長部へＩＩＩ族元素酸化物ガスを供給する原料ガスノズルと、原料ガスノズルの周囲に配置され、結晶成長部へ窒素元素含有ガスを供給する窒素源ガスノズルと、を備えてもよい。
【0025】
本開示の第１０の様態によれば、上記第９の態様において、原料ガスノズルは、噴射口の噴射方向が種基板の表面に対して対向するように配置されていてもよい。
【0026】
本開示の第１１の様態によれば、上記第９の態様において、窒素源ガスノズルは、噴射口の噴射方向が種基板の表面に対して傾斜するように配置されていてもよい。
【0027】
本開示の第１２の様態によれば、上記第５又は第７の態様において、基板保持部材を回転させる回転機構を備えてもよい。
【0028】
本開示の第１３の様態によれば、上記第９の態様において、窒素源ガスノズルは、噴射口の種基板の表面における噴射方向が、種基板の回転の半径方向に対して偏向するように配置されていてもよい。
【0029】
本開示の第１４の様態によれば、上記第９の態様において、非反応性ガスの流速は、折返し部の外周を通過するガス流速の０．５倍以上であってもよい。
【0030】
以下、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法について、図面を参照しながら説明する。尚、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【0031】
（実施の形態１）
＜ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置＞
以下、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置について図１を参照して説明する。
図１は、本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成の一例を示す概略断面図である。なお、図１において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。また、便宜上、鉛直上方をＺ方向、これに垂直な水平面内をＸＹ平面として、紙面右側に向かう方向をＸ方向、紙面手前から奥に向かう方向をＹ方向として示している。
＜ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置＞
以下、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置について図１を参照して説明する。
図１は、本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成の一例を示す概略断面図である。なお、図１において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。また、便宜上、鉛直上方をＺ方向、これに垂直な水平面内をＸＹ平面として、紙面右側に向かう方向をＸ方向、紙面手前から奥に向かう方向をＹ方向として示している。
【0032】
図１に示す本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１は、気相成長装置であり、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長を行う反応容器２０を備えている。反応容器２０は、例えば、円筒形状であってもよく、ＩＩＩ族元素含有ガスを発生する原料反応部５と、結晶成長部６と、窒素元素含有ガスを噴射する窒素源ガスノズル９と、を有する。原料反応部５内に設けられた原料反応室２において、ＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。生成されたＩＩＩ族元素含有ガスは、原料ガスノズル８によって導出され、結晶成長部６に向けて噴射される。結晶成長部６において、原料ガスノズル８により噴出されたＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素源ガスノズル９により導入された窒素源含有ガスとは、混合領域Ｓ１で混合された後、基板保持部材１２に載置された種基板１１上の結晶成長領域Ｓ２において反応することで、種基板１１上にＩＩＩ族窒化物結晶が成長する。
【0033】
原料反応部５と結晶成長部６と窒素源ガスノズル９内で一定の温度を維持するために、反応容器２０の外周部には、加熱部１６が設置されている。また、未反応のＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源含有ガスとの原料ガス、およびＨ２やＮ２などのキャリアガスは、種基板１１の下流側に設けられた排気口１７から排出される。
【0034】
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１によれば、基板保持部材１２の下部空間に配置した構成部材の腐食を抑制する。また、種基板１１上に成長するＩＩＩ族窒化物結晶へのパーティクルの混入を抑制することで、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造の歩留まりを向上させることができる。
【0035】
以下に、図１に示す実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成部材について詳細に説明する。
【0036】
＜原料反応部＞
原料反応部５は、原料反応室２と原料ガスノズル８とを備え、本実施の形態１において、円筒形状を有する。原料反応部５において、ＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。原料反応部５の材質としては、特に限定されないが、例えば、石英、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
原料反応部５は、原料反応室２と原料ガスノズル８とを備え、本実施の形態１において、円筒形状を有する。原料反応部５において、ＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。原料反応部５の材質としては、特に限定されないが、例えば、石英、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
【0037】
（原料反応室）
原料反応室２内には、ＩＩＩ族元素含有ガスである出発Ｇａ源４を収容している原料容器３が配置されている。また、原料反応室２は、反応性ガス供給管７に接続され、反応性ガス供給管７により、出発Ｇａ源４と反応する反応性ガスが導入される。原料反応室２の内部は、加熱部１６の第１のヒータ１４により、所望の温度に維持されている。好ましくは、第１のヒータ１４の加熱によって、９００℃以上１３００℃以下に保っている原料反応室２において出発Ｇａ源４と反応性ガスとが反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。原料反応室２および原料容器３の材質としては、石英、カーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
原料反応室２内には、ＩＩＩ族元素含有ガスである出発Ｇａ源４を収容している原料容器３が配置されている。また、原料反応室２は、反応性ガス供給管７に接続され、反応性ガス供給管７により、出発Ｇａ源４と反応する反応性ガスが導入される。原料反応室２の内部は、加熱部１６の第１のヒータ１４により、所望の温度に維持されている。好ましくは、第１のヒータ１４の加熱によって、９００℃以上１３００℃以下に保っている原料反応室２において出発Ｇａ源４と反応性ガスとが反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。原料反応室２および原料容器３の材質としては、石英、カーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
【0038】
ここで、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する方法としては、ＩＩＩ族元素含有源を酸化する方法と、ＩＩＩ族元素含有源を還元する方法がある。
【0039】
ＩＩＩ族元素含有源を酸化する方法として、出発Ｇａ源４として金属Ｇａを用い、反応性ガスとして酸化性ガスであるＨ２Ｏガスを用いた場合の反応系を説明する。この場合は、下記化学反応式（１）に示すように、加熱している状態で、導入されたＨ２Ｏガスは、金属Ｇａと反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスが生成される。
２Ｇａ＋Ｈ２Ｏ→Ｇａ２Ｏ＋Ｈ２ （１）
なお、ＩＩＩ族元素含有としては、Ｇａの他に、ＡｌやＩｎなども利用することができる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
２Ｇａ＋Ｈ２Ｏ→Ｇａ２Ｏ＋Ｈ２ （１）
なお、ＩＩＩ族元素含有としては、Ｇａの他に、ＡｌやＩｎなども利用することができる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
【0040】
次に、ＩＩＩ族元素含有源を還元する方法として、出発Ｇａ源としてＧａ２Ｏ３を用い、反応性ガスとして還元性ガスであるＨ２ガスを用いた場合の反応系を説明する。下記化学反応式（２）に示すように、加熱している状態で、導入されたＨ２ガスは、Ｇａ２Ｏ３と反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスが生成される。
Ｇａ２Ｏ３＋Ｈ２→Ｇａ２Ｏ＋２Ｈ２Ｏ （２）
なお、ＩＩＩ族元素含有源としては、Ａｌ２Ｏ３やＩｎ２Ｏ３なども利用することができる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
Ｇａ２Ｏ３＋Ｈ２→Ｇａ２Ｏ＋２Ｈ２Ｏ （２）
なお、ＩＩＩ族元素含有源としては、Ａｌ２Ｏ３やＩｎ２Ｏ３なども利用することができる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
【0041】
（原料ガスノズル）
原料反応室２で生成されたＩＩＩ族元素含有ガス、例えば、Ｇａ２Ｏガスは、原料反応部５の下流側に設けられた原料ガスノズル８により導出されて、結晶成長部６に向けて噴射される。ＩＩＩ族元素含有ガスのキャリアガスとしては、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。ＩＩＩ族窒化物結晶からなる堆積物がＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成部材へ付着することを抑制するために、原料ガスノズル８は、その内周又は外周にセパレートガス排出口が形成されていることが好ましい。セパレートガスとして、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。原料ガスノズル８の内径は、特に限定されないが、好ましくは、０ｍｍを超え、１００ｍｍ以下の範囲、より好ましくは、２０ｍｍ以上、６０ｍｍ以下である。原料ガスノズル８の肉厚は、特に限定されないが、好ましくは、０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、より好ましくは、１ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。原料ガスノズル８の材質としては、石英、カーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
原料反応室２で生成されたＩＩＩ族元素含有ガス、例えば、Ｇａ２Ｏガスは、原料反応部５の下流側に設けられた原料ガスノズル８により導出されて、結晶成長部６に向けて噴射される。ＩＩＩ族元素含有ガスのキャリアガスとしては、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。ＩＩＩ族窒化物結晶からなる堆積物がＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成部材へ付着することを抑制するために、原料ガスノズル８は、その内周又は外周にセパレートガス排出口が形成されていることが好ましい。セパレートガスとして、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。原料ガスノズル８の内径は、特に限定されないが、好ましくは、０ｍｍを超え、１００ｍｍ以下の範囲、より好ましくは、２０ｍｍ以上、６０ｍｍ以下である。原料ガスノズル８の肉厚は、特に限定されないが、好ましくは、０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、より好ましくは、１ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。原料ガスノズル８の材質としては、石英、カーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
【0042】
＜窒素源ガスノズル＞
窒素源ガスノズル９は、ＩＩＩ族元素含有ガスと反応してＩＩＩ族窒化物結晶を生成させるための窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する。図１に示すＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１において、窒素源ガスノズル９は、少なくとも２本以上から構成されており、２本以上の窒素源ガスノズル９は、基板保持部材１２の中心に対して、特に限定されないが、例えば、放射状に配置することができる。原料ガスノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素源ガスノズル９から噴射される窒素元素含有ガスとの混合性を向上させるために、窒素源ガスノズル９の噴射方向は、基板保持部材１２の平坦部１２ａに対する正面視および上面視において、種基板１１の上流側の手前で原料ガスノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと混合されることが好ましい。
窒素源ガスノズル９は、ＩＩＩ族元素含有ガスと反応してＩＩＩ族窒化物結晶を生成させるための窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する。図１に示すＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１において、窒素源ガスノズル９は、少なくとも２本以上から構成されており、２本以上の窒素源ガスノズル９は、基板保持部材１２の中心に対して、特に限定されないが、例えば、放射状に配置することができる。原料ガスノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素源ガスノズル９から噴射される窒素元素含有ガスとの混合性を向上させるために、窒素源ガスノズル９の噴射方向は、基板保持部材１２の平坦部１２ａに対する正面視および上面視において、種基板１１の上流側の手前で原料ガスノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと混合されることが好ましい。
【0043】
図２は、図１のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１における原料ガスノズル８と窒素源ガスノズル９との配置の一例を示す正面断面図（ａ）および上面透過図（ｂ）である。図２（ａ）に示すように、原料ガスノズル８は、噴射口の噴射方向が基板保持部材１２の平坦部１２ａに対して対向しており、直線方向Ｄ（＋Ｚ方向）に沿って配置されている。窒素源ガスノズル９は、本体部２１と、噴射口２２とを有する先端部２３とを備えている。先端部２３は、上記直線方向Ｄ（＋Ｚ方向）に対して傾斜角度θａで傾斜している。すなわち、図２（ａ）の正面視において、窒素源ガスノズル９の噴射方向Ｅに沿った仮想線２４は、基板保持部材１２の上方にある位置Ｆを中心とした円周上において交差する。傾斜角度θａは、基板保持部材１２の平坦部１２ａに対する鉛直面において、原料ガスノズル８の噴射方向（－Ｚ方向）と窒素源ガスノズル９の噴射方向とがなす角度である。
【0044】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１は、少なくとも２本以上の窒素源ガスノズル９を備える。本実施の形態１において、少なくとも２本以上の窒素源ガスノズル９は、図２（ｂ）の上面視に示すように、基板保持部材１２の中心に対して放射状に配置されている。窒素源ガスノズル９の先端部２３は、基板保持部材１２の平坦部１２ａにおいて、半径方向２６に対して偏向角度θｂで傾斜している方向２７（噴射方向Ｅ）に沿っている。すなわち、偏向角度θｂは、図２（ｂ）の上面視において、窒素源ガスノズル９の先端部２３の方向２７（噴射方向ＥのＸ－Ｙ平面の成分ベクトル）と種基板１１の半径方向２６とのなす角度である。
【0045】
本実施の形態１では、それぞれの窒素源ガスノズル９は、図２（ｂ）の上面視で基板保持部材１２の回転方向Ａと順方向に偏向角度θｂを自己回転すると基板保持部材１２の平坦部１２ａの半径方向２６となるように配置されている。これによって、複数の窒素源ガスノズル９により噴出された窒素元素含有ガスは、旋回流を形成し、ＩＩＩ族元素含有ガスとの混合性を高めることができる。なお、複数の窒素源ガスノズル９は、噴射方向がこれに限定されず、図２（ｂ）の逆方向に偏向して配置されてもよい。
【0046】
ＩＩＩ族窒化物結晶として、例えばＧａＮ結晶を成長させる場合には、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガス、などの窒素元素含有ガスを使用することができる。キャリアガスとして、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。また、原料ガスノズル８と同様に、ＩＩＩ族窒化物結晶からなる堆積物がＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１の構成部材への付着を抑制するために、窒素源ガスノズル９は、その内周又は外周にセパレートガス排出口が形成されることが好ましい。セパレートガスとしては、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
【0047】
窒素源ガスノズル９の材質としては、窒素元素含有ガスに対する耐腐食性を有していることが必要であり、例えば、石英、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔ、またはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
【0048】
窒素源ガスノズル９の内径は、特に限定されないが、好ましくは０ｍｍを超え、３０ｍｍ以下の間、より好ましくは、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。窒素源ガスノズル９の傾斜角度θａは、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から６０度の範囲である。窒素源ガスノズル９の偏向角度θｂは、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から４５度の範囲である。
【0049】
なお、結晶成長領域Ｓ２におけるＩＩＩ族窒化物結晶の生成を促進するため、窒素源ガスノズル９を加熱し、窒素源ガスノズル９内の窒素元素含有ガスを所定の割合で分解した状態にすることが好ましい。本実施の形態１において、窒素源ガスノズル９は、その外周部に設置された加熱部１６の第１のヒータ１４と第２のヒータ１５とによって加熱されている。
【0050】
＜結晶成長部＞
結晶成長部６は、基板保持部材１２と筒状部材１０とを備え、本実施の形態１において、それぞれ筒状、例えば、円筒形状を有する。結晶成長部６において、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応し、種基板１１上にＩＩＩ族窒化物結晶が成長する。混合された原料ガスの反応を促進するため、混合領域Ｓ１および結晶成長領域Ｓ２の外周部には、加熱部１６の第２のヒータ１５が設けられている。第２のヒータ１５の温度は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるために、１０００℃以上１５００℃以下に保つことが好ましい。
結晶成長部６は、基板保持部材１２と筒状部材１０とを備え、本実施の形態１において、それぞれ筒状、例えば、円筒形状を有する。結晶成長部６において、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応し、種基板１１上にＩＩＩ族窒化物結晶が成長する。混合された原料ガスの反応を促進するため、混合領域Ｓ１および結晶成長領域Ｓ２の外周部には、加熱部１６の第２のヒータ１５が設けられている。第２のヒータ１５の温度は、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるために、１０００℃以上１５００℃以下に保つことが好ましい。
【0051】
＜基板保持部材＞
基板保持部材１２は、例えば、基板サセプタであってもよい。種基板１１は、基板保持部材１２の平坦部１２ａに保持される。基板保持部材１２の形状は、特に限定されないが、種基板１１を載置する平坦部１２ａと、平坦部１２ａから下方向に延びる折返し部１２ｂとから構成されていることが好ましい。折返し部１２ｂを筒状部材１０の半径方向に覆うように重ねることにより、基板保持部材１２の下部空間への腐食性ガスの混入を抑制できることが期待される。折返し部１２ｂは、図１に示すように、筒状部材１０の鉛直線Ｂ（－Ｚ方向）に対して傾斜角度θｃで傾斜していてもよい。傾斜角度θｃは、図１に示す概略断面図において、鉛直線Ｂ（－Ｚ方向）に対して時計回りを正、反時計回りを負とした場合、折返し部１２ｂの傾斜角度θｃは、特に限定されないが、－９０度から＋９０度の角度であり、好ましくは、―６０度から＋６０度未満、より好ましくは、―１０度から＋１０度の範囲である。折返し部１２ｂの形状は、特に限定されないが、筒状部材１０を囲むように、筒状部材１０の半径方向に重なりを有していることが好ましい。筒状部材１０の形状は、特に限定されないが、基板保持部材１２の下部空間を取り囲む構造であることが好ましく、例えば円筒形状である。
基板保持部材１２は、例えば、基板サセプタであってもよい。種基板１１は、基板保持部材１２の平坦部１２ａに保持される。基板保持部材１２の形状は、特に限定されないが、種基板１１を載置する平坦部１２ａと、平坦部１２ａから下方向に延びる折返し部１２ｂとから構成されていることが好ましい。折返し部１２ｂを筒状部材１０の半径方向に覆うように重ねることにより、基板保持部材１２の下部空間への腐食性ガスの混入を抑制できることが期待される。折返し部１２ｂは、図１に示すように、筒状部材１０の鉛直線Ｂ（－Ｚ方向）に対して傾斜角度θｃで傾斜していてもよい。傾斜角度θｃは、図１に示す概略断面図において、鉛直線Ｂ（－Ｚ方向）に対して時計回りを正、反時計回りを負とした場合、折返し部１２ｂの傾斜角度θｃは、特に限定されないが、－９０度から＋９０度の角度であり、好ましくは、―６０度から＋６０度未満、より好ましくは、―１０度から＋１０度の範囲である。折返し部１２ｂの形状は、特に限定されないが、筒状部材１０を囲むように、筒状部材１０の半径方向に重なりを有していることが好ましい。筒状部材１０の形状は、特に限定されないが、基板保持部材１２の下部空間を取り囲む構造であることが好ましく、例えば円筒形状である。
【0052】
＜非反応性ガスの噴出＞
基板保持部材１２の下部空間への窒素元素含有ガスの侵入を抑制するために、特に限定されないが、基板保持部材の折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から、結晶成長部６内に向けて非反応性ガスを噴出させることが好ましい。折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、結晶成長部６に流入し、折返し部１２ｂの外周を通過する原料ガスやキャリアガスなどのガス流速Ｖｒとの比率Ｖｉ／Ｖｒは、特に限定されないが、好ましくは、０．５倍以上、より好ましくは、１．５倍以上である。
基板保持部材１２の下部空間への窒素元素含有ガスの侵入を抑制するために、特に限定されないが、基板保持部材の折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から、結晶成長部６内に向けて非反応性ガスを噴出させることが好ましい。折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、結晶成長部６に流入し、折返し部１２ｂの外周を通過する原料ガスやキャリアガスなどのガス流速Ｖｒとの比率Ｖｉ／Ｖｒは、特に限定されないが、好ましくは、０．５倍以上、より好ましくは、１．５倍以上である。
【0053】
非反応性ガスの種類としては、特に限定されないが、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
【0054】
＜基板保持部材の下部空間への窒素元素含有ガスの侵入について＞
例えば、窒素元素含有ガスのＮＨ３ガスが基板の下部空間に侵入してしまうと、カーボン部品やステンレス部品などの構成部品とＮＨ３ガスとが接触し、構成部品が腐食してしまうこととなる。腐食した構成部品から発生したパーティクルは、基板保持部材１２の平坦部１２ａ上に載置された種基板１１上のＩＩＩ族窒化物結晶中に混入してしまうと、デバイス動作を阻害する転位が高密度で集中し、ピットと呼ばれる領域や貫通穴など、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの欠陥を生じさせてしまう可能性がある。これらの欠陥は、半導体デバイスの歩留まりの低下を引き起こしてしまう。
上記のように、基板保持部材の折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から、結晶成長部６内に向けて非反応性ガスを噴出させることによって、上記課題である基板保持部材１２の下部空間への腐食性ガスの混入を抑制できる。
例えば、窒素元素含有ガスのＮＨ３ガスが基板の下部空間に侵入してしまうと、カーボン部品やステンレス部品などの構成部品とＮＨ３ガスとが接触し、構成部品が腐食してしまうこととなる。腐食した構成部品から発生したパーティクルは、基板保持部材１２の平坦部１２ａ上に載置された種基板１１上のＩＩＩ族窒化物結晶中に混入してしまうと、デバイス動作を阻害する転位が高密度で集中し、ピットと呼ばれる領域や貫通穴など、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの欠陥を生じさせてしまう可能性がある。これらの欠陥は、半導体デバイスの歩留まりの低下を引き起こしてしまう。
上記のように、基板保持部材の折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から、結晶成長部６内に向けて非反応性ガスを噴出させることによって、上記課題である基板保持部材１２の下部空間への腐食性ガスの混入を抑制できる。
【0055】
種基板１１の材質としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＳｃＡｌＭｇ４などを用いることができる。
基板保持部材１２および筒状部材１０の材質としては、例えば、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔまたはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
基板保持部材１２および筒状部材１０の材質としては、例えば、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、ＳｉＣ、などのセラミックスや、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、及びＰｔまたはこれらを主成分とする合金を用いることができる。
【0056】
また、基板保持部材１２は、回転シャフト１３に接続されており、回転シャフト１３により、ＩＩＩ族窒化物結晶成長中に、基板保持部材１２は、種基板１１を回転させることができる。回転シャフト１３は、例えば、３０００ｒｐｍまでの回転を制御できる機構であることが好ましい。
【0057】
以上により、基板保持部材１２の下部空間に配置した構成部材の腐食を抑制し、種基板１１上に成長するＩＩＩ族窒化物結晶へのパーティクルの混入を抑制することができる。これにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造の歩留まりを向上させることができる。
【0058】
（実施例１）
実施例１では、図１に示すＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１を用いて、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の１つであるＧａＮ結晶を成長させた。出発Ｇａ源として金属Ｇａを原料容器３内に配置し、反応性ガス供給管７から導入した反応性ガスであるＨ２Ｏガスと反応させ、生成したＧａ２ＯガスをＩＩＩ族元素含有ガスとして用いた。生成したＧａ２Ｏガスは、原料ガスノズル８より結晶成長部６内の種基板１１に向けて噴射した。窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガスを用い、窒素源ガスノズル９より結晶成長部６内の種基板１１に向けて噴射した。原料ガスノズル８および窒素源ガスノズル９の外周部に設けたセパレートガス排出口から、Ｎ２ガスとＨ２ガスとを排出した。
実施例１では、図１に示すＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１を用いて、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の１つであるＧａＮ結晶を成長させた。出発Ｇａ源として金属Ｇａを原料容器３内に配置し、反応性ガス供給管７から導入した反応性ガスであるＨ２Ｏガスと反応させ、生成したＧａ２ＯガスをＩＩＩ族元素含有ガスとして用いた。生成したＧａ２Ｏガスは、原料ガスノズル８より結晶成長部６内の種基板１１に向けて噴射した。窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガスを用い、窒素源ガスノズル９より結晶成長部６内の種基板１１に向けて噴射した。原料ガスノズル８および窒素源ガスノズル９の外周部に設けたセパレートガス排出口から、Ｎ２ガスとＨ２ガスとを排出した。
【0059】
基板保持部材１２は、平坦部１２ａから下方向に延びる折返し部１２ｂが、筒状部材１０を囲むように、また、筒状部材１０の半径方向に重なるように、基板保持部材１２と筒状部材１０とを設置した。筒状部材１０は、基板保持部材１２の下部空間を取り囲むような円筒形状とした。基板保持部材の折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から、結晶成長部６内に向けて、非反応性ガスであるＮ２ガスを噴射した。種基板１１は、ＧａＮ単結晶基板を用いた。
【0060】
成長条件として、原料反応部５の温度を１１００℃、結晶成長部６の温度を１２００℃となるように、第１のヒータ１４と第２のヒータ１５に電力を供給した。Ｇａ２Ｏガスの分圧を０．００１０８ａｔｍ、Ｈ２Ｏガスの分圧を０．０００４５ａｔｍ、ＮＨ３ガスの分圧を０．１５７８４ａｔｍ，Ｈ２ガスの分圧を０．７１８５０ａｔｍ、Ｎ２ガスの分圧を０．１２２４９ａｔｍとし、１時間の結晶成長を実施した。
【0061】
また、筒状部材１０に対する折返し部１２ｂの傾斜角度θｃは０度、折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、結晶成長部６に流入し折返し部１２ｂの外周を通過するガス流速Ｖｒ、の比率Ｖｉ／Ｖｒは、０．５から４．４の範囲とした。基板保持部材１２の下部空間に配置した構成部材の腐食性は、基板保持部材１２の下部空間に設置したカーボン部品の単位時間に対する重量減少で評価した。
【0062】
（実施例２）
図３は、本開示の実施例２に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１Ａの構成を示す概略断面図である。本実施例２では、実施例１と対比すると、基板保持部材１２は、折返し部１２ｂが無い平坦部１２ａのみから構成されていること以外は、実施例１と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。尚、本実施例２では、平坦部１２ａと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、筒状部材１０の外周を通過する結晶成長部６に流入するガス流速Ｖｒとした。
図３は、本開示の実施例２に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置１Ａの構成を示す概略断面図である。本実施例２では、実施例１と対比すると、基板保持部材１２は、折返し部１２ｂが無い平坦部１２ａのみから構成されていること以外は、実施例１と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。尚、本実施例２では、平坦部１２ａと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、筒状部材１０の外周を通過する結晶成長部６に流入するガス流速Ｖｒとした。
【0063】
（実施例３）
実施例３は、図１において、ガス流速の比率Ｖｉ／Ｖｒが０となるように、すなわち、折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスを流さなかったこと以外は、実施例１と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。
実施例３は、図１において、ガス流速の比率Ｖｉ／Ｖｒが０となるように、すなわち、折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスを流さなかったこと以外は、実施例１と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。
【0064】
（比較例１）
比較例１は、図３において、ガス流速の比率Ｖｉ／Ｖｒが０となるように、すなわち、平坦部１２ａと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスを流さなかったこと以外は、実施例２と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。
比較例１は、図３において、ガス流速の比率Ｖｉ／Ｖｒが０となるように、すなわち、平坦部１２ａと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスを流さなかったこと以外は、実施例２と同じ条件でＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ結晶を成長させた。
【0065】
実施例１、２、３、および比較例１の評価結果を図４に示す。非反応性ガスを流すことにより、図３に示す折返し部１２ｂが無い構造では、基板保持部材１２の下部空間に設置したカーボン部品の重量減少は、約１／１２．５となり、図１に示す折返し部１２ｂを有する構造では、約１／５３８となった。また、折返し部１２ｂが無い構造では、Ｖｉ／Ｖｒが０．５から４．４の範囲において、カーボン部品の重量減少は、平均約１．８ｇ／ｈにとどまり、Ｖｉ／Ｖｒを大きくしてもカーボン部品の重量減少を完全に抑制することはできなかった。一方、折返し部１２ｂを有する構造では、Ｖｉ／Ｖｒが０．５から４．４の範囲において、カーボン部品の重量減少を抑制することが確認できた。
【0066】
基板保持部材１２の下部空間から結晶成長部６内に向けて非反応性ガスを噴射し、基板保持部材１２の折返し部１２ｂを筒状部材１０の半径方向に重なるようにすることにより、基板保持部材１２の下部空間への腐食性ガスの混入を抑制できたものと推察される。さらに、折返し部１２ｂと筒状部材１０との間から結晶成長部６内に向けて噴出する非反応性ガスの流速Ｖｉと、結晶成長部６に流入し、折返し部１２ｂの外周を通過するガス流速Ｖｒを順方向とする。これによって、基板保持部材１２の下部空間に配置した構成部材から発生するパーティクルがＧａＮ成長膜中に混入することを抑制することができる。すなわち、基板保持部材１２の下部空間に配置した構成部材の腐食を抑制し、ＧａＮ成長膜中へのパーティクルの混入を抑制し、成長したＧａＮ表面のピットや貫通穴を低減させることができる。
【0067】
本開示は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【0068】
本開示のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によれば、基板保持部材の下部空間に配置した構成部材の腐食を抑制し、種基板上に成長するＩＩＩ族窒化物結晶へのパーティクルの混入を抑制することができる。これによって、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造の歩留まりを向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【0069】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置によって得られるＩＩＩ族窒化物結晶は、例えば、発光ダイオード、レーザーダイオードなどの光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタなどの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視―紫外光検出器などの半導体センサなどに用いることができる。但し、本開示は、上述の用途に限定されず、広い分野に適用可能である。
【符号の説明】
【0070】
１ ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置
２ 原料反応室
３ 原料容器
４ 出発Ｇａ源
５ 原料反応部
６ 結晶成長部
７ 反応性ガス供給管
８ 原料ガスノズル
９ 窒素源ガスノズル
１０ 筒状部材
１１ 種基板
１２ 基板保持部材
１２ａ 平坦部
１２ｂ 折返し部
１３ 回転シャフト
１４ 第１のヒータ
１５ 第２のヒータ
１６ 加熱部
１７ 排気口
２０ 反応容器
Ｓ１ 混合領域
Ｓ２ 結晶成長領域
２ 原料反応室
３ 原料容器
４ 出発Ｇａ源
５ 原料反応部
６ 結晶成長部
７ 反応性ガス供給管
８ 原料ガスノズル
９ 窒素源ガスノズル
１０ 筒状部材
１１ 種基板
１２ 基板保持部材
１２ａ 平坦部
１２ｂ 折返し部
１３ 回転シャフト
１４ 第１のヒータ
１５ 第２のヒータ
１６ 加熱部
１７ 排気口
２０ 反応容器
Ｓ１ 混合領域
Ｓ２ 結晶成長領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】