專利名稱：氮化物單晶的制造方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物單晶的制造方法及其裝置。
背景技術(shù)：
氮化鎵系III-V氮化物是受人關(guān)注的優(yōu)良的藍(lán)色發(fā)光元件、可實(shí)際應(yīng)用于發(fā)光二極管并且預(yù)計(jì)將用作拾光器的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光元件。在Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42(2003) PP. L879-L881中記載的GaN單晶的生長(zhǎng)方法中，將氮化硼坩堝放置在耐壓容器內(nèi)，在氮化硼坩堝中放置III族原料金屬Ga和作為助熔劑的Na，耐壓容器中供給高壓氮?dú)?。然后，通過加熱和加壓在Ga-Na混合熔體中熔解V族的原料氮，在坩堝內(nèi)的種晶基板上生長(zhǎng)GaN單晶。這時(shí)，通過將旋轉(zhuǎn)軸連接到容納氮化硼坩堝的電爐上，將該旋轉(zhuǎn)軸連接到馬達(dá)軸上并開動(dòng)馬達(dá)來搖動(dòng)氮化硼坩堝。此外，根據(jù)特開2001-64098和特開2005-298269，在通過助熔劑法生長(zhǎng)GaN單晶的過程中，在壓力容器中設(shè)置一個(gè)坩堝，坩堝內(nèi)容納一個(gè)種晶，在種晶上生成GaN單晶。此外，在特開2004-224600中，公開了在壓力容器內(nèi)設(shè)置一個(gè)坩堝，通過在坩堝內(nèi)置入多個(gè)種晶來進(jìn)行多個(gè)結(jié)晶的生長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
在壓力容器中設(shè)置一個(gè)坩堝并且在坩堝內(nèi)置入一個(gè)種晶的氮化物單晶生長(zhǎng)的方法中，因?yàn)橐淮芜\(yùn)作只能制造出一根晶體，難以提高生產(chǎn)率。另一方面，如特開2004-224600 所公開的，也嘗試了在坩堝內(nèi)置入多個(gè)種晶，一次生成多個(gè)單晶。根據(jù)這種方法，應(yīng)該能夠
提高生產(chǎn)率。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，各個(gè)種晶上生成的單晶狀態(tài)和結(jié)晶性存在差異，結(jié)晶質(zhì)量存在不均勻。雖然該原因不清楚，但是人們認(rèn)為，因?yàn)樵谯釄鍍?nèi)的各個(gè)位置上， 溫度分布和原料濃度有微小的不均勻，而且對(duì)流狀態(tài)存在差異，所以結(jié)晶的生長(zhǎng)狀態(tài)會(huì)變化。因此，即使在某個(gè)種晶上生成品質(zhì)優(yōu)良的單晶的時(shí)候，相同坩堝內(nèi)的其他種晶上也易于形成次品單晶，為此，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率低下，難以提高生產(chǎn)率。本發(fā)明所解決的問題是，提供一種提高單晶生產(chǎn)率、減少次品量并適合批量生產(chǎn)的方法及其裝置，該方法使用包含助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶。本發(fā)明提供了一種使用包含助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶的方法，其特征在于使用的生長(zhǎng)裝置包括用于容納溶液的多個(gè)坩堝；用于加熱坩堝的發(fā)熱體；及
用于至少容納多個(gè)坩堝和發(fā)熱體并填充至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w的壓力容器；該方法包括分別在每個(gè)坩堝內(nèi)設(shè)置有一個(gè)種晶，由該種晶來生長(zhǎng)氮化物單晶。此外，本發(fā)明提供了一種使用包含助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶的裝置，其特征在于包括用于容納溶液的多個(gè)坩堝；用于加熱坩堝的發(fā)熱體；及用于至少容納多個(gè)坩堝和發(fā)熱體并填充至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w的壓力容器?；谏鲜龅陌l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人想到，通過在壓力容器內(nèi)容納多個(gè)坩堝并分別在各個(gè)坩堝內(nèi)都容納一個(gè)種晶來進(jìn)行生長(zhǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)沒有研究這種方法，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為坩堝從來都是昂貴的產(chǎn)品，并且認(rèn)為通過在坩堝內(nèi)投下多個(gè)種晶來生長(zhǎng)氮化物單晶可獲得非常高的生產(chǎn)率。本發(fā)明得到的結(jié)果是，成功地同時(shí)生成了多個(gè)優(yōu)質(zhì)的單晶，且各個(gè)坩堝內(nèi)種晶上的單晶生長(zhǎng)狀態(tài)均勻。


圖1是示意性地顯示本發(fā)明實(shí)施方式之一的制造裝置的透視斜視圖。圖2是示意性地顯示本發(fā)明實(shí)施方式之一的制造裝置的透視正視圖。圖3(a)是簡(jiǎn)要顯示組件5的剖面圖，圖3(b)是圖3(a)的組件5的橫截面圖。圖4是示意性地顯示在組件5的各容納室內(nèi)設(shè)置的各個(gè)坩堝的狀態(tài)剖面圖。圖5是示意性地顯示包括對(duì)應(yīng)于各個(gè)容納室的溫度測(cè)量裝置和發(fā)熱體的組件15 的剖面圖。圖6是顯示坩堝10內(nèi)的溶液9和種晶32的容納狀態(tài)的剖面圖。圖7是顯示底面形成凸部的坩堝20的剖面圖。圖8是顯示底面形成突起22的組件15A的剖面圖。圖9(a)是顯示壓力容器1公轉(zhuǎn)的俯視圖，圖9 (b)是顯示壓力容器1公轉(zhuǎn)的斜視圖。圖10是顯示壓力容器1搖擺運(yùn)動(dòng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中，將多個(gè)坩堝和發(fā)熱體容納在壓力容器內(nèi)，壓力容器內(nèi)填充有至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w。然后，分別在各個(gè)坩堝內(nèi)設(shè)置一個(gè)種晶，由該種晶來生長(zhǎng)氮化物單晶。該單晶生長(zhǎng)的具體形式?jīng)]有特別地限定。然而，為了將多個(gè)坩堝設(shè)置在壓力容器中，有必要增大壓力容器的容積，因此有必要保持壓力容器內(nèi)的各個(gè)坩堝的溫度均勻性。為此，優(yōu)選能夠使各個(gè)坩堝的溫度均勻化的設(shè)計(jì)。在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用了容納有多個(gè)坩堝并由熱傳導(dǎo)性材料制成的組件。 因?yàn)橥ㄟ^使用這樣的組件能夠使組件內(nèi)部的各個(gè)坩堝的溫度均勻化，所以對(duì)于生產(chǎn)率提高更加有利。這里的組件是指設(shè)置在結(jié)晶生長(zhǎng)裝置上來容納并固定坩堝的裝置或者容器。盡管對(duì)這種熱傳導(dǎo)性的材料沒有特別的限定，但它應(yīng)當(dāng)具有高的熱傳導(dǎo)性和對(duì)助熔劑蒸汽的耐久性。因此，優(yōu)選AlN、SiC、硅、石墨、銀、銅、銅合金、鎢、銥。在又一優(yōu)選實(shí)施方式中，組件包括水平設(shè)置的多個(gè)容納室，這樣的多個(gè)容納室內(nèi)分別容納有坩堝。從而組件內(nèi)在水平方向上能夠保持各個(gè)坩堝溫度的均勻性。因此，沿著壓力容器內(nèi)的水平方向也能同時(shí)生長(zhǎng)多個(gè)單晶。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，對(duì)應(yīng)于組件內(nèi)的各個(gè)容納室，分別使用相應(yīng)的坩堝加熱裝置。這樣，能夠更精確地控制各個(gè)容納室內(nèi)的各坩堝的溫度。例如，當(dāng)組件中央設(shè)置的坩堝溫度降低時(shí)，通過只進(jìn)一步加熱容納該坩堝的容納室，就能夠防止次品的發(fā)生。此時(shí)，對(duì)坩堝加熱裝置沒有特別的限制，但優(yōu)選電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，對(duì)應(yīng)于各個(gè)容納室分別使用相應(yīng)的溫度測(cè)量裝置，以測(cè)量各個(gè)容納室中坩堝附近的溫度。將該溫度測(cè)量值反饋給溫度控制機(jī)構(gòu)，從而能夠控制各個(gè)發(fā)熱體，特別是連接到組件上的那個(gè)發(fā)熱體的發(fā)熱量。通過這樣，就能控制各個(gè)容納室內(nèi)各個(gè)坩堝的溫度，從而防止該坩堝中產(chǎn)生次品。在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，壓力容器內(nèi)垂直方向上設(shè)置有多個(gè)發(fā)熱體，以單獨(dú)控制各個(gè)發(fā)熱體的發(fā)熱量。也就是，沿著垂直方向進(jìn)行多區(qū)段的控制。因?yàn)閴毫θ萜鲀?nèi)經(jīng)受高溫高壓，垂直方向上的溫度梯度容易變大，因此，沿垂直方向觀察時(shí)，傾向于在部分橫排上容易多次發(fā)現(xiàn)次品。因此，將多個(gè)發(fā)熱體和高頻感應(yīng)加熱用的工作線圈設(shè)置在垂直方向上， 通過對(duì)各個(gè)發(fā)熱體進(jìn)行區(qū)域控制，抑制了因垂直方向的溫度梯度而產(chǎn)生的次品。在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，在氮化物單晶生長(zhǎng)時(shí)，通過移動(dòng)壓力容器，使多個(gè)坩堝內(nèi)的溶液同時(shí)攪拌。也就是說，通過壓力容器的移動(dòng)，能夠施加相同的驅(qū)動(dòng)力來同時(shí)攪拌該壓力容器內(nèi)的多個(gè)坩堝。在這種情況下，壓力容器能夠沿水平面公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)，或者公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。然而，因?yàn)橥ǔ毫θ萜鬟B接有多個(gè)管子以及線路，當(dāng)壓力容器自轉(zhuǎn)時(shí)，管子和線路會(huì)纏結(jié)起來。因此， 特別優(yōu)選使壓力容器公轉(zhuǎn)。此外，在坩堝底面上設(shè)置突起，能夠在移動(dòng)壓力容器時(shí)搖動(dòng)坩堝。在這種情況下， 能夠賦予坩堝適當(dāng)控制的搖動(dòng)而不用特意為坩堝設(shè)計(jì)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在又一優(yōu)選實(shí)施方式中，在組件的底面設(shè)計(jì)突起，以在移動(dòng)壓力容器時(shí)搖動(dòng)組件。 這種情況下，能夠賦予容納在該組件內(nèi)的多個(gè)坩堝適當(dāng)控制的搖動(dòng)而不用特意為組件設(shè)計(jì)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，壓力容器也可以進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)來代替沿水平面的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)或者公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。所謂的搖擺運(yùn)動(dòng)(precession)是指在壓力容器的中心線現(xiàn)對(duì)垂直線為傾斜的狀態(tài)下， 繞垂直線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。在此期間，壓力容器不自轉(zhuǎn)。通過這種搖擺運(yùn)動(dòng)，能夠施加相同的驅(qū)動(dòng)力來同時(shí)攪拌該壓力容器內(nèi)的多個(gè)坩堝。此外，為了攪拌坩堝中的溶液，沒有必要總是移動(dòng)壓力容器，例如可以使用或者結(jié)合使用以下的方法。(1)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接到組件上，通過移動(dòng)組件使容納在組件內(nèi)部的多個(gè)坩堝移動(dòng)，由此攪拌各個(gè)坩堝內(nèi)的溶液。(2)直接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接到各個(gè)坩堝上，通過使各個(gè)坩堝移動(dòng)來攪拌容納在各個(gè)坩堝內(nèi)的溶液。另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，在多個(gè)坩堝內(nèi)，設(shè)置至少表面是由與溶液不反應(yīng)的材料制成的攪拌介質(zhì)來生長(zhǎng)氮化物單晶。在這種情況下，當(dāng)通過上述的方法來攪拌溶液時(shí)，與不使用攪拌介質(zhì)的情況相比，能夠更有效地?cái)嚢枞芤海虼四軌蜷L(zhǎng)成品質(zhì)更加均勻的結(jié)晶。
另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)了監(jiān)控器，監(jiān)控器容納有粘度與氮化物單晶的生長(zhǎng)條件下溶液的粘度接近的物質(zhì)。通過觀察監(jiān)控器內(nèi)的溶液狀態(tài)，能夠推測(cè)出不能直接觀察的壓力容器內(nèi)的坩堝中的溶液狀態(tài)。通過觀察監(jiān)控器內(nèi)物質(zhì)的狀態(tài)，可優(yōu)化施加至壓力容器和坩堝的驅(qū)動(dòng)力，因而能夠優(yōu)化壓力容器內(nèi)的坩堝中的溶液的攪拌狀態(tài)。在該實(shí)施方式中，監(jiān)控器裝置中可設(shè)計(jì)坩堝和其他容器，其中容納有上述物質(zhì)。這時(shí)，監(jiān)控器內(nèi)部的溫度也可以是室溫或者也可以是比室溫高的適當(dāng)溫度。然而，在測(cè)定溫度方面，上述物質(zhì)有必要具有與所設(shè)定的生長(zhǎng)條件(溫度和壓力)下的生長(zhǎng)溶液的粘度相近的粘度。優(yōu)選兩者的粘度差為50厘泊以下，更優(yōu)選兩者的差為20厘泊以下。但注意的是， 粘度是用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量的。此外，作為監(jiān)控器內(nèi)的物質(zhì)的測(cè)量方式，雖然目測(cè)也可以，但也可以測(cè)定液面的位置或者測(cè)定監(jiān)控器內(nèi)容器的重心位置。以下更詳細(xì)地依次說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式之一的制造裝置的透視斜視圖。圖2示意性地顯示圖1中裝置的透視圖。圖3(a)是組件5的剖面圖，圖3(b)是組件5的俯視圖。該實(shí)施方式中，在壓力容器1的內(nèi)部空間2內(nèi)，沿垂直方向設(shè)置有多個(gè)加熱區(qū)域 (生長(zhǎng)區(qū)域)4々、48、4(、40。加熱區(qū)域(生長(zhǎng)區(qū)域)的數(shù)目和配置可以適當(dāng)?shù)馗淖?。各個(gè)加熱區(qū)域4A、4B、4C、4D上分別設(shè)置有環(huán)形的發(fā)熱體3A、3B、3C、3D。在各個(gè)發(fā)熱體的內(nèi)側(cè)，分別設(shè)置有如圖3所示的組件5。壓力容器1固定在支持臺(tái)30上，并設(shè)置有圖中未示出的線路和配管。各個(gè)組件5分別由蓋體6和本體7組成，通過蓋體6和本體7設(shè)計(jì)成多個(gè)容納室 8。蓋體6上，對(duì)應(yīng)于各個(gè)容納室8的位置形成有圓形突起6a。此外，本體7包括底板7a、 外壁7b及隔板壁7c，這樣形成多個(gè)容納室8。主要通過外壁7b和隔板壁7c促進(jìn)圖1中垂直方向的熱傳導(dǎo)。通過底板7a和隔板壁7c促進(jìn)圖1中水平方向的熱傳導(dǎo)。如圖4所示，組件5的各個(gè)容納室8內(nèi)分別設(shè)置有坩堝10。各個(gè)坩堝10由蓋體 11和本體12組成。坩堝10內(nèi)，容納有種晶32、預(yù)定的生長(zhǎng)材料以及根據(jù)需要的添加劑、摻雜劑，生長(zhǎng)時(shí)通過加熱和加壓生成溶液9。此外，如圖5所示，對(duì)應(yīng)于組件15的各個(gè)容納室的部分上能夠設(shè)計(jì)相應(yīng)的溫度測(cè)量裝置16。盡管這種溫度測(cè)量裝置沒有特別的限制，但優(yōu)選使用封套型熱電偶。此外，在對(duì)應(yīng)于各容納室的位置上，可以在底板部分上分別設(shè)置相應(yīng)的發(fā)熱體17。 這樣，通過溫度測(cè)量裝置16可測(cè)定各容納室設(shè)定點(diǎn)的溫度。在測(cè)量的溫度過高或過底的時(shí)候，改變發(fā)熱體的發(fā)熱量，從而可防止由此引起的次品產(chǎn)生。各個(gè)坩堝的形狀沒有特別地限制。例如，如圖6所示，坩堝10的蓋體11可以是平板形狀，坩堝的本體12的底面是平坦的。另外，優(yōu)選在坩堝10的蓋體11的下側(cè)面上，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于坩堝本體12的內(nèi)徑的突起。在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖7所示，坩堝20的本體12A的底面上設(shè)置有突起部分21。該突起部分21優(yōu)選是形成為平滑的曲面形狀。更優(yōu)選突起的最高點(diǎn)21a位于底面的中央部分上。這樣，當(dāng)水平方向上施加給坩堝20直線加速度J時(shí)，坩堝本體12A搖擺起來(K)。因此，通過施加給壓力容器和組件的直線加速度J，可以使坩堝擺動(dòng)而不需要設(shè)置特殊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。進(jìn)一步地，通過施加給壓力容器和組件水平方向上的周期運(yùn)動(dòng)(例如往復(fù)運(yùn)動(dòng)，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，能夠施加給坩堝周期性的擺動(dòng)K，由此可以攪拌坩堝內(nèi)部的溶液9。在另一實(shí)施方式中，如圖8所示，在組件15A的本體7的底板部7a上設(shè)置有突起部分22。該突起部分22優(yōu)選形成光滑的曲面形狀，更優(yōu)選突起的最高點(diǎn)22a位于底面的中央部分上。這樣，當(dāng)水平方向上施加給壓力容器直線加速度時(shí)，組件15A搖擺起來。因此，通過施加給壓力容器和組件的直線加速度，可以使組件擺動(dòng)而不需要設(shè)置特殊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 進(jìn)一步地，通過施加給壓力容器水平方向上的周期運(yùn)動(dòng)(例如往復(fù)運(yùn)動(dòng)，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，能夠施加給組件周期性的擺動(dòng)，由此可以攪拌坩堝內(nèi)部的溶液9。在另一實(shí)施方式中，組件容納在防氧化容器23中，防氧化容器23的底面上設(shè)置有突起部分24。該突起部分24優(yōu)選形成光滑的曲面形狀，更優(yōu)選突起的最高點(diǎn)24a位于底面的中央部分上。這樣，當(dāng)水平方向上施加給壓力容器直線加速度時(shí)，防氧化容器搖擺起來。 因此，通過施加給壓力容器直線加速度，能夠攪拌坩堝內(nèi)部的溶液9而不需要設(shè)置特殊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如上所述，通過使壓力容器沿水平面周期性地運(yùn)動(dòng)，能夠搖動(dòng)坩堝內(nèi)的溶液。所謂的這種周期性運(yùn)動(dòng)優(yōu)選是往復(fù)運(yùn)動(dòng)、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但是，當(dāng)壓力容器自轉(zhuǎn)時(shí)，配管和線路可以被纏結(jié)起來，因此特別優(yōu)選公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，圖9 (a)中，27表示壓力容器1的中心軸，26表示公轉(zhuǎn)軸。并且，以中心軸27 如箭頭A所示的那樣繞公轉(zhuǎn)軸26公轉(zhuǎn)的方式來驅(qū)動(dòng)壓力容器1。這時(shí)，壓力容器并不自轉(zhuǎn)。 由此，能夠以等量的動(dòng)量，同時(shí)攪拌設(shè)置在壓力容器內(nèi)部的多個(gè)坩堝內(nèi)的溶液。此外，通過調(diào)整公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度和振幅，能夠調(diào)整坩堝內(nèi)溶液的攪拌程度。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，作為壓力容器沿水平面的周期性運(yùn)動(dòng)的替代方式，還可以是搖擺運(yùn)動(dòng)。例如，如圖10所示，在壓力容器1的中心軸27相對(duì)垂直軸28傾斜僅θ 度的狀態(tài)下，使中心軸27如箭頭B所示繞垂直軸28旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，壓力容器不自轉(zhuǎn)。通過該搖擺運(yùn)動(dòng)，能夠以等量的動(dòng)量，同時(shí)攪拌設(shè)置在壓力容器內(nèi)部的多個(gè)坩堝內(nèi)的溶液。此外， 通過調(diào)整搖擺運(yùn)動(dòng)的速度和傾斜角度，能夠調(diào)整坩堝內(nèi)的溶液的攪拌程度。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，在一部分壓力容器中設(shè)置監(jiān)控器25。該監(jiān)控器中，容納有粘度與氮化物單晶的生長(zhǎng)條件下溶液的粘度接近的物質(zhì)33。31表示容器。并且，當(dāng)向壓力容器1施加如上所述的驅(qū)動(dòng)力來攪拌壓力容器1內(nèi)的多個(gè)坩堝內(nèi)的溶液時(shí)，能夠通過目測(cè)推定監(jiān)控器內(nèi)物質(zhì)33的攪拌狀態(tài)。在具體的生長(zhǎng)期間，壓力容器1的外部設(shè)置有圖中未示出的混合氣體氣缸。在混合氣體的汽缸內(nèi)，填充有特定組成的混合氣體，該混合氣體通過壓縮機(jī)壓縮到設(shè)定的壓力， 并通過圖中未示出的導(dǎo)管供到壓力容器1的內(nèi)部。該氣氛氣體中的氮?dú)獬蔀榈?，氬氣等惰性氣體抑制助熔劑如Na的蒸發(fā)。通過圖中未示出的壓力計(jì)來監(jiān)控該壓力。當(dāng)通過使各個(gè)發(fā)熱體發(fā)熱和壓力容器1內(nèi)氮?dú)鈿怏w的流動(dòng)并且加熱加壓時(shí)，坩堝內(nèi)的混合原料全部溶解，生成了溶液。此時(shí)，如果保持設(shè)定的單晶生長(zhǎng)條件，并穩(wěn)定地給原料溶液中供入氮?dú)?，就?huì)在種晶上長(zhǎng)成單晶膜。本發(fā)明中，爐材沒有特別的限制，可枚舉的有高氧化鋁耐火磚(Isolite， IS0-C0R(商標(biāo)名))、石墨基耐火材料(GRAFSHIELD (商標(biāo)名))、中空球狀熔融氧化鋁(氧化鋁球泡)。
此外，在本發(fā)明中，發(fā)熱體的材料沒有特別的限制，可以枚舉的有鉭、SiC、SiC涂覆的石墨、鎳鉻耐熱合金和Kanthal-Super (商標(biāo)名)。在本發(fā)明的單晶生長(zhǎng)裝置中，用于通過加熱原料混合物生成溶液的裝置沒有特別的限制。該裝置優(yōu)選熱等靜壓裝置，除此以外也可以是氣氛加壓型加熱爐。用于生成溶液的助熔劑沒有特別的限制，優(yōu)選選自由堿金屬和堿土金屬組成的組中的至少一種金屬或其合金。作為金屬特別優(yōu)選鈉、鋰和鈣，最優(yōu)選鈉。此外，作為原料混合物中添加的除助熔劑和單晶原料以外的物質(zhì)，可以枚舉以下的金屬鉀、銣、鈰、鎂、鍶、鋇、錫。此外，作為摻雜劑，可以添加少量的摻雜元素。例如能夠添加硅作為η型摻雜劑。本發(fā)明的生長(zhǎng)方法能夠適合生長(zhǎng)例如以下的單晶GaN、A1N、InN、它們的混晶 (AlGaInN)、BN。單晶生長(zhǎng)過程中的加熱溫度、壓力因?yàn)橐鶕?jù)單晶的種類進(jìn)行選擇，因此沒有特別的限制。加熱溫度例如可以設(shè)置為800 1500°C。壓力雖然沒有特別的限制，但優(yōu)選設(shè)置為IMPa以上，更優(yōu)選設(shè)置為5MPa以上。壓力的上限沒有特別的規(guī)定，例如可以設(shè)置為 200MPa 以下。用于進(jìn)行反應(yīng)的坩堝的材質(zhì)沒有特別的限制，只要是在期望的加熱和加壓條件下具有耐久性的任何氣密性材料即可。作為這樣的材料，可以枚舉的有金屬鉭、鎢、鉬等高熔點(diǎn)的金屬；氧化鋁、藍(lán)寶石、氧化釔等氧化物；氮化鋁、氮化鈦、氮化鋯或氮化硼等氮化物陶瓷；碳化鎢或碳化鉭等高熔點(diǎn)金屬碳化物和P-BN(熱解氮化硼)、ρ-Gr (熱解石墨)等的熱分解產(chǎn)品。以下依次更具體地示例說明單晶和其生長(zhǎng)過程。氮化鎵單晶的生長(zhǎng)實(shí)施例通過利用本發(fā)明并使用至少包含鈉金屬的助熔劑能夠長(zhǎng)成氮化鎵單晶。該助熔劑中混合有鎵的原料物質(zhì)。作為鎵的原料物質(zhì)，適合使用鎵的單質(zhì)金屬、鎵合金、鎵化合物，但從操作的角度而言優(yōu)選使用鎵的單質(zhì)金屬。該助熔劑中，能夠包含除鈉以外的金屬，例如鋰。鎵原料物質(zhì)與鈉等助熔劑原料物質(zhì)之間使用的比例要適當(dāng)設(shè)置，通常要考慮使用過剩量的鈉。當(dāng)然，這并非限定。該實(shí)施方式中，在含有氮?dú)獾幕旌蠚怏w組成的氣氛氣體中，在總壓300大氣壓以上、2000大氣壓以下的壓力下生長(zhǎng)出氮化鎵單晶。通過將總壓設(shè)置在300大氣壓以上，能夠例如在900°C以上的高溫區(qū)域，更優(yōu)選在950°C的高溫區(qū)域生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的氮化鎵單晶。盡管理由并不確定，但可以推測(cè)，隨著溫度上升，氮?dú)馊芙舛仍黾?，因此氮?dú)飧行У厝芙獾缴L(zhǎng)溶液中。此外，當(dāng)氣氛氣體的總壓在2000大氣壓以上時(shí)不優(yōu)選，因?yàn)楦邏簹怏w的密度與生長(zhǎng)溶液的密度變得非常的接近，因此難以將生長(zhǎng)溶液保持在進(jìn)行反應(yīng)的容器內(nèi)。表1各種材料的密度(g/cm3)
權(quán)利要求
1.一種氮化物單晶的制造方法，其為使用含有助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶的方法，其特征在于，使用的生長(zhǎng)裝置包括用于容納所述溶液的多個(gè)坩堝、用于加熱所述坩堝的發(fā)熱體、容納所述多個(gè)坩堝并由熱傳導(dǎo)性材料制成的組件以及用于至少容納所述組件和所述發(fā)熱體并填充至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w的壓力容器；分別在所述每個(gè)坩堝內(nèi)設(shè)置一個(gè)種晶，通過移動(dòng)所述組件來同時(shí)攪拌所述各坩堝內(nèi)的所述溶液，在所述各坩堝內(nèi)由各個(gè)種晶生長(zhǎng)成所述氮化物單晶。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，水平方向上施加給所述組件直線加速度。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，施加給所述組件水平方向上的周期運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，對(duì)所述組件施加往復(fù)運(yùn)動(dòng)、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，所述組件具有設(shè)置在水平方向上的多個(gè)容納室，該多個(gè)容納室內(nèi)分別容納所述坩堝。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，對(duì)應(yīng)于所述各個(gè)容納室分別使用各自的坩堝加熱裝置。
7.如權(quán)利要求5或6所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，對(duì)應(yīng)于所述各個(gè)容納室分別使用各自的溫度測(cè)量裝置。
8.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，所述壓力容器內(nèi)，垂直方向上設(shè)置有多個(gè)所述的發(fā)熱體，并對(duì)各個(gè)發(fā)熱體的發(fā)熱量進(jìn)行單獨(dú)控制。
9.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，在所述坩堝的底面上設(shè)置有突起，所述組件移動(dòng)時(shí)使所述坩堝搖動(dòng)起來。
10.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，在所述多個(gè)坩堝內(nèi)， 設(shè)置至少表面是由與所述溶液不反應(yīng)的材料制成的攪拌介質(zhì)，使該介質(zhì)與所述溶液保持接觸狀態(tài)，來同時(shí)攪拌所述多個(gè)坩堝內(nèi)的所述溶液。
11.如權(quán)利要求10所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，所述攪拌介質(zhì)的形狀為球形。
12.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物單晶的制造方法，其特征在于，在所述壓力容器中， 設(shè)置了容納有粘度與所述溶液的粘度相近的物質(zhì)的監(jiān)控器。
13.一種氮化物單晶的制造裝置，其為使用包含有助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶的裝置，其特征在于，包括用于容納所述溶液的多個(gè)坩堝、用于加熱所述坩堝的發(fā)熱體、容納所述多個(gè)坩堝并由熱傳導(dǎo)性材料制成的組件以及用于至少容納所述組件和所述發(fā)熱體并填充至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w的壓力容器；分別在所述每個(gè)坩堝內(nèi)設(shè)置一個(gè)種晶，通過移動(dòng)所述組件來同時(shí)攪拌所述各坩堝內(nèi)的所述溶液，在所述各坩堝內(nèi)由各個(gè)種晶生長(zhǎng)成所述氮化物單晶。
14.如權(quán)利要求13所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，水平方向上施加給所述組件直線加速度。
15.如權(quán)利要求13所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，施加給所述組件水平方向上的周期運(yùn)動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，對(duì)所述組件施加往復(fù)運(yùn)動(dòng)、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
17.如權(quán)利要求13或14所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，所述組件具有設(shè)置在水平方向上的多個(gè)容納室，該多個(gè)容納室內(nèi)分別容納所述坩堝。
18.如權(quán)利要求17所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，具有對(duì)應(yīng)于所述各個(gè)容納室的各自的坩堝加熱裝置。
19.如權(quán)利要求17或18所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，還具有對(duì)應(yīng)于所述各個(gè)容納室的各自的溫度測(cè)量裝置。
20.如權(quán)利要求13或14所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，所述壓力容器內(nèi)， 垂直方向上設(shè)置有多個(gè)所述的發(fā)熱體，并對(duì)各個(gè)發(fā)熱體的發(fā)熱量進(jìn)行單獨(dú)控制。
21.如權(quán)利要求13或14所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，在所述坩堝的底面上設(shè)置有突起，所述組件移動(dòng)時(shí)使所述坩堝搖動(dòng)起來。
22.如權(quán)利要求13或14所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，在所述多個(gè)坩堝內(nèi)，設(shè)置至少表面是由與所述溶液不反應(yīng)的材料制成的攪拌介質(zhì)，使該介質(zhì)保持與所述溶液接觸的狀態(tài)，來同時(shí)攪拌所述多個(gè)坩堝內(nèi)的所述溶液。
23.如權(quán)利要求22所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于，所述攪拌介質(zhì)的形狀為球形。
24.如權(quán)利要求13或14所述的氮化物單晶的制造裝置，其特征在于在所述壓力容器中，設(shè)置了容納有粘度與所述溶液的粘度相近的物質(zhì)的監(jiān)控器。
全文摘要
本發(fā)明涉及氮化物單晶的制造方法及其裝置，本發(fā)明提供一種氮化物單晶的制造方法，其為使用含有助熔劑和原料的溶液來制造氮化物單晶的方法，其特征在于，使用的生長(zhǎng)裝置包括用于容納所述溶液的多個(gè)坩堝、用于加熱所述坩堝的發(fā)熱體、容納所述多個(gè)坩堝并由熱傳導(dǎo)性材料制成的組件以及用于至少容納所述組件和所述發(fā)熱體并填充至少包含氮?dú)獾臍夥諝怏w的壓力容器；分別在所述每個(gè)坩堝內(nèi)設(shè)置一個(gè)種晶，通過移動(dòng)所述組件來同時(shí)攪拌所述各坩堝內(nèi)的所述溶液，在所述各坩堝內(nèi)由各個(gè)種晶生長(zhǎng)成所述氮化物單晶。
文檔編號(hào)C30B9/00GK102492993SQ20121000353
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2007年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者下平孝直, 今井克宏, 佐佐木孝友, 巖井真, 川村史朗, 森勇介 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人大阪大學(xué), 日本礙子株式會(huì)社