JPWO2014091969A1 - 単結晶製造装置、当該装置を用いる単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 - Google Patents
単結晶製造装置、当該装置を用いる単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2014091969A1 JPWO2014091969A1 JP2014551994A JP2014551994A JPWO2014091969A1 JP WO2014091969 A1 JPWO2014091969 A1 JP WO2014091969A1 JP 2014551994 A JP2014551994 A JP 2014551994A JP 2014551994 A JP2014551994 A JP 2014551994A JP WO2014091969 A1 JPWO2014091969 A1 JP WO2014091969A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- film
- producing
- seed substrate
- zno
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 381
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 243
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 93
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 203
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 169
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 93
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 54
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 24
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical group [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 61
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical group [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 25
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 20
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 19
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 18
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 18
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 16
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 16
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 16
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 15
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 13
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 9
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims description 9
- 238000001540 jet deposition Methods 0.000 claims description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 9
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 8
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 8
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 8
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 8
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 8
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 8
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 33
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 26
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 23
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 13
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 4
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical group 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 3
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000007716 flux method Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000989 no adverse effect Toxicity 0.000 description 1
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
- C30B1/02—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
- C30B1/02—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing
- C30B1/06—Recrystallisation under a temperature gradient
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
噴射手段により原料の粉体を種基板に向かって噴射して種基板の表面上に膜を形成する成膜ステップと、種基板の表面上に形成された膜を加熱手段により加熱する加熱ステップとを実行することにより、粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置において、噴射手段と加熱手段とを種基板を挟んで互いに対向するように配置する。これにより、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置を提供する。
Description
本発明は、単結晶製造装置に関する。より具体的には、本発明は、気孔が少なく均質な単結晶を高い生産性にて製造することができる単結晶製造装置に関する。また、本発明は、かかる単結晶製造装置を用いる単結晶製造方法にも関する。更に、本発明は、かかる単結晶製造方法によって製造される単結晶にも関する。
例えば、圧電ポンプ、インクジェットプリンタのインクヘッド等の種々の用途において使用される圧電アクチュエータに用いられる圧電体材料や、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の種々の半導体素子に用いられる半導体材料として、セラミックスを始めとする種々の無機材料が利用されている。かかる無機材料の性能を向上させるためには、これらの無機材料における結晶配向度を高くすることが重要であることが知られている。
例えば、圧電セラミックスにおいて、より高い圧電効果を発揮させるためには、圧電セラミックスに電界を印加することによって結晶中の電気双極子の向きを揃える処理（分極処理）が施されるが、この際、結晶配向度が高い程、より分極され易くなり、その結果、高い圧電性能を得ることができる。
ところで、単結晶膜や、結晶がある程度配向されている膜を含む配向膜（以降、「配向性膜」と称する場合がある）を形成する方法として、作製しようとする単結晶や配向性多結晶膜の原料融液を調製し、種となる単結晶上で結晶化させる方法がある。しかしながら、かかる方法において使用される酸化物（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等）や窒化物（例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等）や炭化物（例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等）等の原料が非常に高い融点を有したり、もしくは分解し易かったりする場合がある。このような原料については原料融液を得ることが困難であり、かかる材料系に上記方法を適用することは困難であった。そこで、例えば、ＧａＮの単結晶を作製しようとする場合において、ナトリウム（Ｎａ）をフラックスとして原料を溶解し、種に析出させて単結晶を得るＮａフラックス法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。また、サファイア等の異種基板上にハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いてＧａＮ層を形成し、ＧａＮ層の成長後に異種基板を除去することにより、自立したＧａＮの単結晶基板を得る方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、これらの従来技術に係る方法は、結晶の成長速度が遅いという問題を有する。
一方、固相成長法によって単結晶膜及び配向性膜を製造することもできる（例えば、特許文献３を参照）。具体的には、例えば、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなり０．０１〜８体積％の気孔率を有する単結晶又は配向性多結晶が圧電材料等として優れた特性を発揮することができることが開示されている。また、特定の組成を有する酸化物粉末の成形体又は焼結体を所定の温度において熱処理することにより、配向性多結晶又は単位面積当たりに所定個数の小傾角粒界を形成する結晶粒子を含む単結晶から実質的に構成される良質な酸化物イオン伝導性結晶体を効率的に製造することが開示されている（例えば、特許文献４を参照）。
加えて、上記特許文献３及び４においては、結晶体を製造する１つの方法として、焼結体と単結晶（種基板）とを接触させた状態で、接触部分を加熱すると共にそれ以外の末端部分を冷却する温度制御を行うことにより所定の温度勾配を生じさせて、種基板を起点として多結晶の焼結体を単結晶化又は配向化することが開示されている（例えば、特許文献３の図４、特許文献４の図４を参照）。
しかしながら、かかる固相成長による結晶の配向化においては、以下に示すような問題が懸念される。先ず、上記のように焼結体と種基板とを接触させて接触部分を加熱することにより焼結体の粒子を種基板の単結晶に取り込ませて固相成長させるためには、例えば、種基板の表面を鏡面研磨したり、焼結体と種基板とを加圧接触したり、両者の界面に空隙が生じないように、界面に液相材料を充填したりして、両者を密着させることが重要である。そのため、製造工程及び製造装置が複雑になる。特に、大面積の焼結体と種基板とを均一に密着させることは極めて困難である。
また、
上記従来技術においては、多結晶の焼結体と種基板との接触部分を加熱すると共に当該焼結体の他の末端領域を冷却することにより所定の温度勾配を発生させているが、温度勾配が小さい場合は、焼結体と種基板との界面では固相成長するものの、当該界面から離れた焼結体の内部では個々の粒子において別個に粒成長が進む。この結果、固相成長が進むにつれて種結晶に取り込まれる粒子が粗大となり、最終的には固相成長が停止する。また、粗大粒子が別個に種結晶に取り込まれるため、膜中に気孔が残留しやすい。一方、このような問題を防ぐために温度勾配を過大にするとワークそのものが破損する虞がある。
上記従来技術においては、多結晶の焼結体と種基板との接触部分を加熱すると共に当該焼結体の他の末端領域を冷却することにより所定の温度勾配を発生させているが、温度勾配が小さい場合は、焼結体と種基板との界面では固相成長するものの、当該界面から離れた焼結体の内部では個々の粒子において別個に粒成長が進む。この結果、固相成長が進むにつれて種結晶に取り込まれる粒子が粗大となり、最終的には固相成長が停止する。また、粗大粒子が別個に種結晶に取り込まれるため、膜中に気孔が残留しやすい。一方、このような問題を防ぐために温度勾配を過大にするとワークそのものが破損する虞がある。
そこで、当該技術分野においては、原料の粉体（原料粉）の粒径が種基板から離れるに従って次第に大きくなるようにエアロゾルデポジション法（以降、「ＡＤ法」と称する場合がある）によって粒径の異なる原料粉を種基板上に噴射し、種基板上に堆積させ、斯くして形成された原料を含む膜を熱処理することにより、良質な単結晶膜又は配向性多結晶膜を製造する技術が開示されている（例えば、特許文献５を参照）。
しかしながら、上記従来技術に係る単結晶膜及び配向性多結晶膜の製造方法は、上記のように非常に複雑であり、且つ手間がかかる。また、固相成長の進行方向を制御して結晶粒の配向を制御するために原料粉に混入される固溶不純物及び配向化温度をより低温側にシフトさせるために原料粉の膜に添加される焼結助剤の膜内での濃度分布を狙い通りに正確に制御することは極めて困難であり、均質な結晶を得ることが難しい。また、特許文献３及び４に記載の方法と同様に、膜と種基板との界面から離れた領域に存在する粒子は熱処理によって粒成長して粗大粒子となるため、固相成長には多大なエネルギーが必要となり、最終的には固相成長が停止する。また、粗大粒子が別個に種結晶に取り込まれるため、膜中に気孔が残留しやすい。また、上述した何れの従来技術に係る単結晶膜及び配向性多結晶膜の製造方法においても、膜の作製と当該膜の加熱とが別個の装置によって行われる。従って、単結晶膜の製造工程及び製造手段が複雑になり、例えば、製造コストの増大等の問題を招く虞がある。
ところで、当該技術分野においては、ＡＤ法を用いてセラミックス膜構造体を基板上に形成する方法であって、ＡＤ法による成膜（以降、「ＡＤ成膜」と称する場合がある）後又はＡＤ成膜中に、赤外線レーザー照射による熱処理を行うことにより、基板への熱処理の影響を抑えつつ、膜質を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献６及び非特許文献１を参照）。
上記方法は、エピタキシャル成長法による単結晶化ではなく、例えば、結晶性等の膜質の改善を目的とするものである。また、上記方法においては、熱源となる赤外線レーザーが膜の表面側（基板とは反対側）から照射されるため、基板に近付くにつれて低温となるような温度勾配がセラミックス膜構造体の内部に生ずる。しかしながら、このような方法では膜と種基板との界面における固相成長よりも（当該界面から離れた）膜の表面側での粒成長が優先して生じるため、固相成長には多大なエネルギーが必要となり、最終的には固相成長が停止する。また、粗大粒子が別個に種結晶に取り込まれるため、膜中に気孔が残留しやすい。即ち、上記方法における加熱様式は、原料粉の単結晶化には必ずしも適していない。
加えて、上記方法においては、ＡＤ成膜中に赤外線レーザー照射による加熱を行うことが可能であるものの、成膜中に赤外線レーザー照射を行おうとする場合、成膜室内がエアロゾルで充満しており、レーザー光が散乱しやすいため、原料粉にレーザー光を効果的に照射することが難しいという問題がある。
以上のように、当該技術分野においては、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置に対する要求が存在する。
「エアロゾルデポジション法の基礎から応用まで」シーエムシー出版、ｐ．４８（２００８）
上述のように、当該技術分野においては、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置に対する要求が存在する。本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。即ち、本発明は、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置を提供することを１つの目的とする。
本発明の上記１つの目的は、
原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び
前記種基板の表面上に堆積された前記膜を加熱する加熱手段、
を備え、
前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップ、及び
前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップ、
を実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置であって、
前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されていること、
を特徴とする単結晶製造装置によって達成される。
原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び
前記種基板の表面上に堆積された前記膜を加熱する加熱手段、
を備え、
前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップ、及び
前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップ、
を実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置であって、
前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されていること、
を特徴とする単結晶製造装置によって達成される。
本発明に係る単結晶製造装置によれば、原料融液を得ることが困難な材料系においても、気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することができる。
前述のように、当該技術分野においては、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置に対する要求が存在する。本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。即ち、本発明は、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を作製可能な生産性に優れた単結晶製造装置を提供することを１つの目的とする。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、噴射手段により原料の粉体を種基板に向かって噴射して種基板の表面上に粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップと、種基板の表面上に形成された膜を加熱手段により加熱する加熱ステップとを実行することにより、粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置において、噴射手段と加熱手段とを種基板を挟んで互いに対向するように配置することにより、原料融液を得ることが困難な材料系においても、気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することができることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。
即ち、本発明の第１の実施態様は、
原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び
前記種基板の表面上に堆積された前記膜を加熱する加熱手段、
を備え、
前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップ、及び
前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップ、
を実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置であって、
前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されていること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び
前記種基板の表面上に堆積された前記膜を加熱する加熱手段、
を備え、
前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップ、及び
前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップ、
を実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置であって、
前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されていること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造装置は、原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱手段を備える。これにより、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する成膜ステップと、前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップとを実行することにより、前記粉体から単結晶を作製することができる。尚、本実施態様に係る単結晶製造方法によって単結晶を得る物質の主成分は、特に限定されないが、例えば、種々のセラミックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物等を挙げることができる（詳しくは後述する）。
尚、上記噴射手段は、原料の粉体を種基板に向かって噴射して種基板の表面上に粉体を堆積させることが可能である限り、如何なる構成を有するものであってもよい。具体的には、上記噴射手段は、例えば、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）、パウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）等において、原料の粉体を種基板に向けて噴射するための噴射ノズル等を含むことができる。
また、上記加熱手段は、種基板の表面上に形成された膜を加熱して、当該膜から単結晶を成長させることができる限り、如何なる構成を有する加熱手段であってもよい。典型的には、上記加熱手段としては、例えば、赤外線ランプ（例えば、近赤外線ランプ等）、各種レーザー（例えば、ＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、半導体レーザー等）、及び高周波加熱装置等を挙げることができる。
上記のような構成を有する本実施態様に係る単結晶製造装置は、成膜ステップにおいて上記噴射手段により原料の粉体を種基板に向かって噴射して種基板の表面上に粉体を堆積させ、膜を形成し、加熱ステップにおいて種基板の表面上に形成された膜を上記加熱手段により加熱して、原料の粉体から単結晶を作製する。
この際、前述のように、加熱ステップにおいて熱源となるエネルギー（例えば、赤外線、レーザー光等）が噴射手段が配設されている側から照射される従来技術に係る単結晶製造装置においては、種基板の表面上に形成された膜の内部において、種基板に近付くにつれて低温となるような温度勾配が生ずることに加え、熱源となるエネルギーが粉体に到達する経路となる空間に噴射手段から噴射された粉体が充満しているため、熱源となるエネルギーが散乱される等して、熱源となるエネルギーが粉体に有効に到達することが困難である。その結果、膜を種基板の単結晶に取り込ませて、単結晶を有効に固相成長させることが難しい。
しかしながら、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、上述のように、前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されている。これにより、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、熱源となるエネルギー（例えば、赤外線、各種レーザー光、高周波電磁波等）が膜への到達経路において充満する粉体によって散乱されることが防止されると共に、膜と種基板との接触部分側から膜を加熱することができる。その結果、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、熱源となるエネルギーを膜に有効に到達させることができると共に、種基板に近付くにつれて高温となるような温度勾配を種基板の表面上に形成された膜の内部に生じさせることができるので、良質な単結晶を効率的に固相成長させることができる。尚、例えば、加熱手段と噴射手段とが完全に独立しておらず、噴射手段から噴射される粉体の量が著しく多い場合等において、加熱手段周辺に粉体が侵入し、熱源となるエネルギー（例えば、赤外線、各種レーザー光、高周波電磁波等）が膜への到達経路において粉体によって散乱される可能性がある。また、例えば赤外線ランプ等の加熱手段へ粉体が付着することにより、当該加熱手段において故障が生ずる場合がある。かかる場合は、噴射手段の周囲や加熱手段から膜への到達経路の周囲を、例えば多孔質フィルター等によって遮蔽してもよい。この場合、多孔質フィルターの気孔率及び気孔径については特に限定されないが、粉体の放散を抑制しつつ、キャリアガスは透過させるものを選んでもよい。また、多孔質フィルターの材質についても特に限定されないが、多孔質フィルターを熱源付近に設置する場合は耐熱性を有する材質を適用する必要がある。
ところで、前述したように、従来技術に係る単結晶の製造方法においては、膜の作製と当該膜の加熱とが別個の装置によって行われるのが一般的である。従って、従来技術に係る単結晶製造方法においては、単結晶の製造工程及び製造手段が複雑になり、例えば、製造コストの増大等の問題を招く虞がある。しかしながら、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、上述のように、膜の作製と当該膜の加熱とを同一の装置によって行うことができる。その結果、本実施態様に係る単結晶製造装置によれば、単結晶の製造工程及び製造手段の複雑化を回避して、例えば、製造コストの増大等の問題を低減することができる。
尚、本発明に係る単結晶製造装置が備える加熱手段は、種基板の表面上に形成された膜から単結晶を固相成長させるために必要な条件にて当該膜を加熱することが可能である限り、特に限定されるものではない。但し、詳しくは後述するように、加熱ステップにおいて単結晶を得る過程における気孔の発生をより確実且つ容易に抑制して良質な単結晶を効率的に固相成長させるためには、例えば、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する場合、高い昇温速度を実現可能な（即ち、高い加熱効率を有する）加熱手段を採用することが望ましい。かかる観点からも、本発明に係る単結晶製造装置が備える加熱手段としては、上述のように、例えば、赤外線ランプ（例えば、近赤外線ランプ等）、各種レーザー（例えば、ＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、半導体レーザー等）、及び高周波加熱装置等を挙げることができる。
従って、本発明の第２の実施態様は、
本発明の前記第１の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記加熱手段が、赤外線ランプ、レーザー、及び高周波加熱装置からなる群より選ばれる何れかの熱源を利用して前記膜を加熱する加熱手段であること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
本発明の前記第１の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記加熱手段が、赤外線ランプ、レーザー、及び高周波加熱装置からなる群より選ばれる何れかの熱源を利用して前記膜を加熱する加熱手段であること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、前記加熱手段が、赤外線ランプ、レーザー、及び高周波加熱装置からなる群より選ばれる何れかの熱源を利用して前記膜を加熱する加熱手段である。結果として、本実施態様に係る単結晶製造装置によれば、加熱ステップにおいて、種基板の表面上に形成された膜から良質な単結晶を固相成長させるのに好適な条件にて当該膜を加熱することができる。
ところで、本実施態様に係る単結晶製造装置によって単結晶化しようとする膜は、必ずしも、上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換して、その温度を効率良く上昇させることができる材料であるとは限らない。換言すれば、本実施態様に係る単結晶製造装置によって単結晶化しようとする膜が、上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換することができない材料である場合も想定される。
かかる膜を本実施態様に係る単結晶製造装置によって単結晶化しようとする際には、上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換することができる部材（以降、「発熱部材」と称する場合がある）を利用して、加熱ステップを実行可能とすることができる。具体的には、本実施態様に係る単結晶製造装置において、種基板の膜が形成される側とは反対側に、上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換する発熱部材を配置して、当該発熱部材から生ずる熱エネルギーにより、種基板の表面上に形成された膜を加熱して、当該膜から単結晶を固相成長させることができる。
即ち、本発明の第３の実施態様は、
本発明の前記第２の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記エネルギーを吸収して発熱する発熱部材を更に備えること、及び
前記発熱部材が、前記種基板の前記膜が形成される側とは反対側に配置されること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
本発明の前記第２の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記エネルギーを吸収して発熱する発熱部材を更に備えること、及び
前記発熱部材が、前記種基板の前記膜が形成される側とは反対側に配置されること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、前記エネルギーを吸収して発熱する発熱部材が、前記種基板の前記膜が形成される側とは反対側に配置される。これにより、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、本実施態様に係る単結晶製造装置によって単結晶化しようとする膜が上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換することができない材料である場合においても、種基板の膜が形成される側とは反対側に配置された発熱部材が上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換し、当該発熱部材から生ずる熱により、種基板を経由して、種基板の表面上に形成された膜を加熱し、当該膜から単結晶を固相成長させることができる。
ところで、上記発熱部材を構成する材料としては、例えば、上述した熱源から供給されるエネルギーを効率良く吸収して熱に変換することができ、且つ当該発熱部材から生ずる熱エネルギーを、種基板を経由して、種基板の表面上に形成された膜に均一に効率良く伝えることができる材料が望ましい。かかる材料としては、例えば、高い熱伝導率を有する金属、セラミックス等を挙げることができる。
即ち、本発明の第４の実施態様は、
本発明の前記第３の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記発熱部材が、金属又はセラミックスを含んでなること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
本発明の前記第３の実施態様に係る単結晶製造装置であって、
前記発熱部材が、金属又はセラミックスを含んでなること、
を特徴とする単結晶製造装置である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造装置が備える発熱部材は、金属又はセラミックスを含んでなる。発熱部材に含まれる材料として好適な金属の具体例としては、例えば、白金、ニオブ、タングステン、及びモリブデン等の高融点金属を挙げることができる。また、発熱部材に含まれる材料として好適なセラミックスの具体例としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、及び窒化珪素等を挙げることができる。発熱部材は、種基板と直接接触するため種基板との反応性が無いことが必要であり、且つ所望の熱処理温度に耐え、熱伝導率が高いものを利用することが望ましい。より好ましくは、種基板の熱膨張率に近い熱膨張率を有する発熱部材を利用することが更に望ましい。
ところで、本明細書の冒頭において述べたように、本発明は、気孔が少なく均質な単結晶を高い生産性にて製造することができる単結晶製造装置に関するのみならず、かかる単結晶製造装置を用いる単結晶製造方法にも関する。
従って、本発明の第５の実施態様は、
本発明の前記第１乃至第４の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを逐次的に実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法である。
本発明の前記第１乃至第４の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを逐次的に実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法である。
上述した単結晶製造装置としての各種実施態様に関する説明からも明らかであるように、本実施態様に係る単結晶製造方法によれば、気孔が少なく均質な単結晶を高い生産性にて製造することができる。
ところで、本発明に係る単結晶製造方法に含まれる成膜ステップにおいて原料の粉体を種基板の表面上に堆積させ、膜を形成する方法は、種基板との良好な密着性を有し且つ膜内に（ミクロンオーダー（即ち、大きさが１μｍ以上）の）気孔が生じない緻密な膜を種基板上に形成することが可能である限り、特に限定されるものではない。しかしながら、前述のように、本発明に係る単結晶製造装置は、原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段を備える。従って、本発明に係る単結晶製造方法に含まれる成膜ステップにおいて原料の粉体を種基板の表面上に堆積させ、膜を形成する方法は、噴射手段を使用して、原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させる方法であることが望ましい。かかる方法の具体例としては、例えば、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）、パウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）等を挙げることができる。
従って、本発明の第６の実施態様は、
本発明の前記第５の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第５の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）又はパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）の何れかの方法が採用される。その結果、本実施態様に係る単結晶製造方法によれば、種基板との良好な密着性を有し且つ膜内に（ミクロンオーダーの）気孔が生じない緻密な膜を種基板上に確実に形成することができる。尚、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）の各々の詳細については当業者に周知であるので、本明細書においては説明を省略する。
ところで、単結晶の固相成長においては、膜と種基板との接触部分を加熱して、種基板に近付くにつれて高温となるような温度勾配を膜内に生じさせることにより、膜を種基板の単結晶に取り込ませて固相成長させることが望ましい。即ち、本発明に係る単結晶製造方法に含まれる加熱ステップにおいては、膜を種基板の側から加熱することが望ましい。
即ち、本発明の第７の実施態様は、
本発明の前記第６の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第６の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱される。これにより、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、種基板に近付くにつれて高温となるような温度勾配が、膜内に生ずる。その結果、本実施態様に係る単結晶製造方法によれば、原料融液を得ることが困難な材料系においても、気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することができる。
ところで、本発明者らは、鋭意研究の結果、所定値以下の厚みとなるように種基板の表面上に形成された膜を種基板側から所定値以上の昇温速度にて加熱することにより、気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することができることを見出した。かかる知見は、本実施態様に係る単結晶製造方法にも適用することができる。
即ち、本発明の第８の実施態様は、
本発明の前記第７の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における厚みである膜厚が１００μｍ以下であること、及び
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３０℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第７の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における厚みである膜厚が１００μｍ以下であること、及び
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３０℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における厚みである膜厚が１００μｍ以下であり、且つ前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３０℃／分以上である。これにより、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、原料融液を得ることが困難な材料系においても、気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することができる。
尚、上記のように所定値以下の厚みを有する膜を所定値以上の昇温速度にて加熱することにより気孔が少ない高品質な単結晶が得られる詳細なメカニズムについては未だ解明されていない。しかしながら、上記のように所定値以下の厚みを有する膜を所定値以上の昇温速度にて加熱することにより、膜の内部に適度な温度勾配が発生して、膜内の粒成長を抑えつつ膜と種基板との界面から固相成長が順次進むため、気孔の発生が抑制されたものと考えられる。
尚、前述のように種基板の表面上に形成された膜を種基板側から加熱することが可能な加熱手段としては、例えば、セラミックスヒーター等の一般的なステージヒーターを挙げることもできる。しかしながら、かかるステージヒーターでは、例えば、本実施態様に係る単結晶製造方法において規定される昇温速度を実現することは困難である。かかる観点からも、前述したように、本発明に係る単結晶製造装置が備える加熱手段としては、例えば、赤外線ランプ（例えば、近赤外線ランプ等）、各種レーザー（例えば、ＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、半導体レーザー等）、及び高周波加熱装置等が望ましい。
尚、本実施態様に係る単結晶製造方法に含まれる成膜ステップにおいて種基板の表面上に形成される膜の（種基板の表面に直交する方向における厚みである）膜厚は１００μｍ以下であることが望ましく、より好ましくは３０μｍ以下であることが望ましい。また、本実施態様に係る単結晶製造方法に含まれる加熱ステップにおける膜の昇温速度は３０℃／分以上であることが望ましく、より好ましくは３００℃／分以上であることが望ましい。
従って、本発明の第９の実施態様は、
本発明の前記第８の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の膜厚が３０μｍ以下であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第８の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の膜厚が３０μｍ以下であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
また、本発明の第１０の実施態様は、
本発明の前記第８又は第９の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３００℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第８又は第９の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３００℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
ところで、一般に酸化物又は窒化物（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等）を主成分とする単結晶を作製しようとする場合、加熱ステップにおいて過剰な熱エネルギーが与えられると、材料の分解や昇華により、得られる結晶膜に組成ずれ及び気孔が発生し易くなる。一方、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する本発明に係る単結晶製造方法は、上述のように所定値以下の厚みを有する膜を所定値以上の昇温速度にて加熱することにより、膜の内部に適度な温度勾配を発生させて、得られる単結晶における気孔の発生を抑制することができる。即ち、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する本発明に係る単結晶製造方法は、酸化物又は窒化物を主成分とする単結晶を得ようとする場合に、特に好適に適用することができる。
従って、本発明の第１１の実施態様は、
本発明の前記第５乃至前記第１０の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか１種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第５乃至前記第１０の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか１種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
尚、本実施態様に係る単結晶製造方法において種基板の表面上に形成される膜の主成分として使用することができる酸化物及び窒化物の具体例としては、それぞれ酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）を挙げることができる。
従って、本発明の第１２の実施態様は、
本発明の前記第１１の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１１の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
尚、上記のように、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等の昇華性が高い材料を膜の主成分として使用する場合、かかる材料が加熱ステップにおいて昇華して、結果として得られる単結晶に組成ずれ又は気孔が発生する等の問題を招くことを抑制することが望ましい。かかる目的を達成するための方策としては、例えば、加熱ステップにおける最高到達温度に上限を設けたり、最高到達温度での保持時間に上限を設けたりすることが挙げられる。但し、この場合、膜の主成分として使用する物質の融点、膜の厚み等を十分に考慮して、これらの上限を定める必要がある。
ところで、本発明に係る単結晶製造方法は、エピタキシャル成長法による単結晶の製造方法であるが、当該単結晶製造方法によって作製される単結晶の主成分と種基板の主成分とは、同じであっても、あるいは異なっていてもよい。換言すれば、本発明に係る単結晶製造方法は、ホモエピタキシャル成長法であっても、あるいはヘテロエピタキシャル成長法であってもよい。
本発明に係る単結晶製造方法がホモエピタキシャル成長法である場合、当該単結晶製造方法によって作製される単結晶の主成分と種基板の主成分とは同じである。この場合、例えば、種基板の表面上に形成される膜の主成分が酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であるとすると、種基板の主成分もまた、それぞれ酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）である。一方、本発明に係る単結晶製造方法がヘテロエピタキシャル成長法である場合、当該単結晶製造方法によって作製される単結晶の主成分と種基板の主成分とは異なる。この場合、例えば、種基板の表面上に形成される膜の主成分が酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であっても、種基板の主成分は、それぞれ酸化亜鉛（ＺｎＯ）ではない物質又は窒化ガリウム（ＧａＮ）ではない物質である。尚、種基板の主成分として使用可能な、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）の何れでもない物質の具体例としては、例えば、サファイアを挙げることができる。
従って、本発明の第１３の実施態様は、
本発明の前記第５乃至前記第１２の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか１種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第５乃至前記第１２の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか１種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか一種の材料である。従って、種基板の表面上に形成される膜の主成分及び種基板の主成分が何れも酸化亜鉛（ＺｎＯ）であるか又は窒化ガリウム（ＧａＮ）である場合、本実施態様に係る単結晶製造方法はホモエピタキシャル成長法となる。一方、種基板の表面上に形成される膜の主成分と種基板の主成分との組み合わせが上記以外である場合、本実施態様に係る単結晶製造方法はヘテロエピタキシャル成長法となる。
また、本発明に係る単結晶製造方法において、種基板上に形成される膜は、結果として得られる単結晶の特性等に悪影響を及ぼさない限りにおいて、上述した種々の主成分の他に、不純物（ドーパント）を含有していてもよい。具体的には、膜を構成する成分として、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素をドープした材料等を使用してもよい。
即ち、本発明の第１４の実施態様は、
本発明の前記第５乃至前記第１３の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第５乃至前記第１３の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含む。これにより、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、例えば、結果として得られる単結晶の導電性を所望のレベルに調整することができる。尚、本実施態様に係る単結晶製造方法において、種基板の表面上に形成される膜の主成分としてアルミニウム（Ａｌ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する物質を使用する場合は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）又はガリウム（Ｇａ）を不純物（ドーパント）として含有することはできないことは言うまでもない。
ところで、本発明に係る単結晶製造方法においては、前述のように、原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段と、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱手段とを備える単結晶製造装置において、前記噴射手段により前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記膜を形成させる成膜ステップと、前記種基板の表面上に形成された前記膜を前記加熱手段により加熱する加熱ステップとを実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する。この際、本発明に係る単結晶製造方法においては、従来技術に係る単結晶製造方法と同様に、成膜ステップを実行した後に加熱ステップを実行することにより、原料の粉体から単結晶を作製することができる。
しかしながら、本発明に係る単結晶製造装置においては、前述のように、膜の作製（成膜ステップ）と当該膜の加熱（加熱ステップ）とを同一の装置によって実行することができる。加えて、本実施態様に係る単結晶製造装置においては、前述のように、噴射手段と加熱手段とが種基板を挟んで互いに対向するように配置されている。従って、かかる単結晶製造装置を用いる本発明に係る単結晶製造方法においては、成膜ステップを実行しながら、加熱ステップを実行することもできる。
即ち、本発明の第１５の実施態様は、
本発明の前記第１乃至第４の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを並行して実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法である。
本発明の前記第１乃至第４の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを並行して実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを並行して実行する。即ち、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、成膜ステップを実行しながら、加熱ステップを実行する。従って、本実施態様に係る単結晶製造方法によれば、より高い生産性を達成することができる。
尚、本実施態様に係る単結晶製造方法においては、加熱手段による加熱温度を一定に保ったまま成膜することができるため、昇温速度が遅いステージヒーター等を用いることができる。しかしながら、このように加熱手段による加熱温度を一定に保ったまま成膜する場合であっても、噴射によって種基板に粒子が衝突した際には衝突粒子内に温度勾配を生じさせる必要がある。従って、雰囲気全体を均質に加熱する方法は望ましくない。
ところで、本実施態様に係る単結晶製造方法に含まれる成膜ステップにおいて原料の粉体を種基板の表面上に堆積させ、膜を形成する方法もまた、噴射手段を使用して、原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させる方法であることが望ましい。かかる方法の具体例としては、例えば、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）、パウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）等を挙げることができる。
従って、本発明の第１６の実施態様は、
本発明の前記第１５の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１５の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
また、本実施態様に係る単結晶製造方法においても、単結晶の固相成長においては、成膜と同時に固相成長する場合もあるが、固相成長速度が成膜速度よりも遅い場合もある。後者の場合（即ち、固相成長速度が成膜速度よりも遅い場合）、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する場合と同様に、膜と種基板との接触部分を加熱して、種基板に近付くにつれて高温となるような温度勾配を膜内に生じさせることにより、膜を種基板の単結晶に取り込ませて固相成長させることが望ましい。即ち、本実施態様に係る単結晶製造方法においても、膜を種基板の側から加熱することが望ましい。
従って、本発明の第１７の実施態様は、
本発明の前記第１６の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１６の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
ところで、前述のように、一般に酸化物又は窒化物（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等）を主成分とする単結晶を作製しようとする場合、加熱ステップにおいて過剰な熱エネルギーが与えられると、材料の分解や昇華により、得られる結晶膜に組成ずれ及び気孔が発生し易くなる。一方、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法においても、上述のように膜の内部に適度な温度勾配を発生させて、得られる単結晶における気孔の発生を抑制することができる。即ち、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法もまた、酸化物又は窒化物を主成分とする単結晶を得ようとする場合に、好適に適用することができる。
従って、本発明の第１８の実施態様は、
本発明の前記第１５乃至前記第１７の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１５乃至前記第１７の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
また、本実施態様に係る単結晶製造方法において種基板の表面上に形成される膜の主成分として使用することができる酸化物及び窒化物の具体例としては、それぞれ酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）を挙げることができる。
従って、本発明の第１９の実施態様は、
本発明の前記第１８の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１８の実施態様に係る単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
ところで、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法においても、当該方法によって作製される単結晶の主成分と種基板の主成分とは、同じであっても、あるいは異なっていてもよい。換言すれば、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法もまた、ホモエピタキシャル成長法であっても、あるいはヘテロエピタキシャル成長法であってもよい。即ち、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法において使用される種基板の主成分もまた、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する本発明に係る単結晶製造方法において使用される種基板の主成分と同様に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ぶことができる。
従って、本発明の第２０の実施態様は、
本発明の前記第１５乃至前記第１９の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１５乃至前記第１９の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
また、成膜ステップ及び加熱ステップを並行して実行する本発明に係る単結晶製造方法において、種基板上に形成される膜もまた、結果として得られる単結晶の特性等に悪影響を及ぼさない限りにおいて、上述した種々の主成分の他に、不純物（ドーパント）を含有していてもよい。具体的には、膜を構成する成分として、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素をドープした材料等を使用してもよい。
即ち、本発明の第２１の実施態様は、
本発明の前記第１５乃至前記第２０の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第１５乃至前記第２０の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法である。
ところで、本発明の種々の実施態様に係る単結晶製造方法のうち成膜ステップと加熱ステップとを逐次的に行う方法においては、種基板の表面上に膜を形成する成膜ステップにおいて、前記種基板の表面に直交する方向における厚みである膜厚が１００μｍ以下である膜を形成し、次いで、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱して単結晶を得る加熱ステップにおいて、前記膜を前記種基板の側から加熱して、３０℃／分以上の昇温速度にて昇温させることにより、原料融液を得ることが困難な材料系においても気孔が少ない高品質な単結晶を高い生産性にて作製することを可能とする。
即ち、本発明の種々の実施態様に係る単結晶製造方法のうち成膜ステップと加熱ステップとを逐次的に行う方法においては、当該方法を１サイクルのみ実行する場合、得られる単結晶の厚みは概して１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下となる。従って、例えば、単結晶ウェハー等、より大きい厚みを有する単結晶を作製しようとする場合には、かかる単結晶製造方法を複数サイクルに亘って繰り返し実行することが必要である。また、本発明に係る単結晶製造方法のうち成膜ステップと加熱ステップとを並行して行う方法においても、所望の大きい厚みを有する単結晶を作製することが困難である場合がある。かかる場合においても、本発明に係る単結晶製造方法を複数サイクルに亘って繰り返し実行することが必要である。
従って、本発明の第２２の実施態様は、
本発明の前記第５乃至前記第２１の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法を繰り返し実行することによって単結晶を得ること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
本発明の前記第５乃至前記第２１の実施態様の何れか１つに係る単結晶製造方法を繰り返し実行することによって単結晶を得ること、
を特徴とする単結晶製造方法である。
上記のように、本実施態様に係る単結晶製造方法によれば、これまで説明してきた種々の実施態様を始めとする本発明に係る単結晶製造方法を複数サイクルに亘って繰り返し実行することにより、所望の厚みを有する単結晶を得ることができる。
ところで、前述のように、本発明は、本発明に係る単結晶製造方法によって製造される単結晶にも関する。また、本実施態様に係る単結晶製造方法によって単結晶を得る物質の主成分は、特に限定されないが、例えば、種々のセラミックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物等を挙げることができる。これらの中でも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶化に、本発明に係る単結晶製造方法を適用することが望ましく、特に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶化に、本発明に係る単結晶製造方法を適用することが望ましい。
即ち、本発明の第２３の実施態様は、
本発明の前記第５乃至前記第２２の実施態様に係る単結晶製造方法によって得られること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第５乃至前記第２２の実施態様に係る単結晶製造方法によって得られること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
また、前述のように、本発明に係る単結晶製造方法のうち、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する方法を１サイクルのみ実行する場合は、得られる単結晶膜の厚みは概して１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下となる。また、成膜ステップと加熱ステップとを並行して実行する方法においても、所望の大きい厚みを有する単結晶を作製することが困難である場合がある。しかしながら、用途によっては、３０μｍを超える厚みを有する単結晶が望ましい場合もある。
従って、本発明の第２４の実施態様は、
本発明の前記第２３の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が３０μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第２３の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が３０μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
更に、用途によっては、１００μｍを超える厚みを有する単結晶が望ましい場合もある。しかしながら、前述のように、本発明に係る単結晶製造方法のうち、成膜ステップ及び加熱ステップを逐次的に実行する方法を１サイクルのみ実行する場合は、得られる単結晶膜の厚みは概して１００μｍ以下となる。また、成膜ステップと加熱ステップとを並行して実行する方法においても、所望の大きい厚みを有する単結晶を作製することが困難である場合がある。従って、例えば、単結晶ウェハー等、より大きい厚みを有する単結晶を作製しようとする場合には、本発明に係る単結晶製造方法を複数サイクルに亘って繰り返し実行することが必要である。
即ち、本発明の第２５の実施態様は、
本発明の前記第２４の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
請求項２２に記載の単結晶製造方法によって得られること、及び
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が１００μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第２４の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
請求項２２に記載の単結晶製造方法によって得られること、及び
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が１００μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
更に、前述のように、本発明に係る単結晶製造方法において、種基板の表面上に形成される膜は、結果として得られる単結晶の特性等に悪影響を及ぼさない限りにおいて、前述した種々の主成分の他に、不純物（ドーパント）を含有していてもよい。具体的には、膜を構成する成分として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の主成分にドープした材料等を使用してもよい。これらのドーパントを含有させることにより、例えば、ｎ型化、ｐ型化、又はバンドギャップ制御等、所望の特性を単結晶に付与することができる。
これらの中では、ｎ型ドーパントとしてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、硼素（Ｂ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、及びシリコン（Ｓｉ）が望ましく、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）が特に望ましい。尚、これらの不純物（ドーパント）の含有率は０．０２ａｔ％以上、より好ましくは０．１ａｔ％以上であることが望ましい。これらの不純物（ドーパント）の含有率が０．０２ａｔ％未満である場合、例えば、高い導電性（低い電気抵抗）等、目的とする所望の特性を達成する効果を得ることが困難となるので望ましくない。
従って、本発明の第２６の実施態様は、
本発明の前記第２３乃至前記２５の実施態様の何れか１つに係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、並びに
前記不純物の含有率が０．０２ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第２３乃至前記２５の実施態様の何れか１つに係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、並びに
前記不純物の含有率が０．０２ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
また、本発明の第２７の実施態様は、
本発明の前記第２６の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記不純物の含有率が０．１ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第２６の実施態様に係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記不純物の含有率が０．１ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
ところで、上述したように、本発明に係る単結晶を構成する主成分にｎ型ドーパントを含有させることによって達成することができる特性としては、例えば、高い導電性（低い電気抵抗）等を挙げることができる。この場合、例えば、ＬＥＤ等のｐ−ｎ接合を用いる電子デバイスの基板として酸化亜鉛単結晶を用いるときに、単結晶自体をｎ型層側の電極（カソード）として使用するには、結果として得られる単結晶が有する抵抗率は１×１０−３Ω・ｃｍ以下であることが望ましい。このように基材として導電性の酸化亜鉛単結晶を用いることによりカソードが不要となるばかりでなく、ＬＥＤ等の発光素子において縦型構造を実現することができる。
即ち、本発明の第２８の実施態様は、
本発明の前記第２３乃至前記２７の実施態様の何れか１つに係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
抵抗率が１×１０−３Ω・ｃｍ以下であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
本発明の前記第２３乃至前記２７の実施態様の何れか１つに係る酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
抵抗率が１×１０−３Ω・ｃｍ以下であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶である。
以下、本発明の幾つかの実施態様に係る単結晶製造装置及び当該装置を用いる単結晶製造方法の構成等につき更に詳しく説明する。但し、以下に述べる説明はあくまでも例示を目的とするものであり、本発明の範囲が以下の説明に限定されるものと解釈されるべきではない。
《単結晶製造装置の構成》
図１は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る単結晶製造装置２０の構成の概略を示す模式的な構成図の一例である。図１に示すように、本実施例に係る単結晶製造装置２０は、大気圧より低い気圧の雰囲気下において、原料成分を含む粉体（原料粉）を種基板２１の表面上に噴射して堆積させ、膜を形成するエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）に用いられる装置として構成されている。かかる単結晶製造装置２０は、原料粉のエアロゾルを生成するエアロゾル生成部２２と、原料粉を種基板２１に噴射して原料成分を含む膜を形成すると共に、当該膜を単結晶化させる結晶生成部３０と、種基板２１上に形成された膜を照射熱によって加熱する加熱用光源（加熱手段）４０と、種基板２１の温度を測定するための熱電対３５を備えている。
図１は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る単結晶製造装置２０の構成の概略を示す模式的な構成図の一例である。図１に示すように、本実施例に係る単結晶製造装置２０は、大気圧より低い気圧の雰囲気下において、原料成分を含む粉体（原料粉）を種基板２１の表面上に噴射して堆積させ、膜を形成するエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）に用いられる装置として構成されている。かかる単結晶製造装置２０は、原料粉のエアロゾルを生成するエアロゾル生成部２２と、原料粉を種基板２１に噴射して原料成分を含む膜を形成すると共に、当該膜を単結晶化させる結晶生成部３０と、種基板２１上に形成された膜を照射熱によって加熱する加熱用光源（加熱手段）４０と、種基板２１の温度を測定するための熱電対３５を備えている。
エアロゾル生成部２２は、原料粉１１を収容し、ガスボンベ（図示せず）から供給されるキャリアガス１２，１３によって、エアロゾルを生成するエアロゾル生成室２３と、生成したエアロゾルを結晶生成部３０へ供給する原料供給管２４とを備えている。結晶生成部３０は、種基板２１を内包し、種基板２１に減圧条件下でエアロゾルを噴射する成膜室３１と、成膜室３１の内部に配設され、種基板２１を固定する基板設置ステージ３４と、基板設置ステージ３４をＸ軸−Ｙ軸方向に移動するＸ−Ｙステージ３３と、を備えている。また、結晶生成部３０は、先端に形成された矩形状のスリット３７を介してエアロゾルを種基板２１へ噴射する噴射ノズル（噴射手段）３６と、成膜室３１を減圧する真空ポンプ３８と、を備えている。
基板設置ステージ３４及びＸ−Ｙステージ３３の内部は空洞になっており、その中に加熱用光源４０が配設されている。加熱用光源４０からの光（例えば、赤外光）が種基板２１の下側（即ち、膜とは反対側）に設置された発熱部材３２に照射され、発熱部材３２が発熱することにより、種基板２１の裏面から膜を加熱することが可能となっている。尚、前述のように、膜を加熱するための熱源は特に限定されるものではなく、例えば、赤外線ランプ、ＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、半導体レーザー等の各種レーザーに加え、高周波加熱装置等を使用してもよい。また、これらの加熱源によって種基板を直接加熱することができる場合は発熱部材３２を設置しなくてもよい。
本実施例に係る単結晶製造装置２０においては、種基板２１の表面上に原料粉を堆積させて膜を形成した後に、単結晶化を行うための加熱ステップを逐次的に行ってもよく、あるいは加熱用光源４０からの光によって種基板２１を裏面から加熱しつつエアロゾルを種基板２１へ噴射して種基板２１の表面上に膜を形成することにより、成膜ステップと加熱ステップ（単結晶化）とを同時並行的に行ってもよい。
１．各種評価用試料の作製
（１）膜及び種基板の材料
本実施例においては、以下に示す表１に列挙した各種成膜用原料粉（成膜粉）及び種基板を使用して、各種評価用試料を作製した。尚、本実施例においては、何れの実験例についても、種基板としては、ＺｎＯ単結晶基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ平方、厚さ０．５ｍｍ、ｃ面）を用いた。尚、本実施例においては、成膜ステップと加熱ステップとを逐次的に実行する実施形態を採用した。
（１）膜及び種基板の材料
本実施例においては、以下に示す表１に列挙した各種成膜用原料粉（成膜粉）及び種基板を使用して、各種評価用試料を作製した。尚、本実施例においては、何れの実験例についても、種基板としては、ＺｎＯ単結晶基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ平方、厚さ０．５ｍｍ、ｃ面）を用いた。尚、本実施例においては、成膜ステップと加熱ステップとを逐次的に実行する実施形態を採用した。
（２）成膜用原料粉の調製
実験例０１及び０２において成膜用原料粉（成膜粉）として使用した、アルミニウム（Ａｌ）が固溶している酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、以下のようにして調製した。先ず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）粉末（体積基準メジアン径（Ｄ５０）＝０．８μｍ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末（体積基準Ｄ５０＝０．５μｍ）とを、アルミニウム（Ａｌ）の原子モル比率が０．２ａｔ％となるように秤量し、混合した。斯くして得られた混合粉末を、ポットミルにて湿式混合した。
実験例０１及び０２において成膜用原料粉（成膜粉）として使用した、アルミニウム（Ａｌ）が固溶している酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、以下のようにして調製した。先ず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）粉末（体積基準メジアン径（Ｄ５０）＝０．８μｍ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末（体積基準Ｄ５０＝０．５μｍ）とを、アルミニウム（Ａｌ）の原子モル比率が０．２ａｔ％となるように秤量し、混合した。斯くして得られた混合粉末を、ポットミルにて湿式混合した。
このようにして湿式混合した粉末を、大気中で１４００℃において５時間に亘って焼成して、アルミニウム（Ａｌ）が固溶している酸化亜鉛（ＺｎＯ）粉末を合成した。斯くして得られた合成粉末を、体積基準Ｄ５０が２．６μｍとなるように、ポットミル中で、ジルコニアボールを用いて、５時間に亘って湿式粉砕した。以上のようにして得られた、アルミニウム（Ａｌ）が０．２ａｔ％固溶している酸化亜鉛（ＺｎＯ）を、実験例０１及び０２において、成膜用原料粉（成膜粉）として使用した。
（３）成膜ステップ
本実施例においては、何れの実験例についても、図１に示す単結晶製造装置を用いて、ＡＤ法により、上記各種成膜用粉体をそれぞれの種基板の表面上に堆積させ、膜を形成した。具体的には、窒素（Ｎ２）ガスを６Ｌ／分の流量にてキャリアガスとして流し、エアロゾル生成室の圧力は５０〜７０ｋＰａとし、成膜室内の圧力は０．１ｋＰａ以下とし、成膜粉の噴射ノズル（ＳＵＳ製）の開口サイズは１０ｍｍ×０．８ｍｍとした。また、成膜時のノズルの走査方法としては、表１に列挙した走査距離、走査速度、及び走査回数にて、成膜と同時に走査した。
本実施例においては、何れの実験例についても、図１に示す単結晶製造装置を用いて、ＡＤ法により、上記各種成膜用粉体をそれぞれの種基板の表面上に堆積させ、膜を形成した。具体的には、窒素（Ｎ２）ガスを６Ｌ／分の流量にてキャリアガスとして流し、エアロゾル生成室の圧力は５０〜７０ｋＰａとし、成膜室内の圧力は０．１ｋＰａ以下とし、成膜粉の噴射ノズル（ＳＵＳ製）の開口サイズは１０ｍｍ×０．８ｍｍとした。また、成膜時のノズルの走査方法としては、表１に列挙した走査距離、走査速度、及び走査回数にて、成膜と同時に走査した。
（４）加熱ステップ
加熱ステップもまた、図１に示す単結晶製造装置を使用して、上記各種膜を加熱した。尚、光加熱のための光源としては、近赤外線ランプを使用した。また、上記各種膜は近赤外線の吸収係数が低いため、種基板の膜を形成する面とは反対側の面に発熱部材として白金板を配設し、種基板の膜を形成する面とは反対側から近赤外線を照射して、当該近赤外線を上記白金板に吸収させることにより、膜を種基板側から加熱した。尚、加熱ステップにおける雰囲気、加熱温度（表面温度）、昇温速度、及び保持時間については、表１に列挙した通りである。加熱ステップ後の単結晶膜の厚みについても、表１に列挙した。
加熱ステップもまた、図１に示す単結晶製造装置を使用して、上記各種膜を加熱した。尚、光加熱のための光源としては、近赤外線ランプを使用した。また、上記各種膜は近赤外線の吸収係数が低いため、種基板の膜を形成する面とは反対側の面に発熱部材として白金板を配設し、種基板の膜を形成する面とは反対側から近赤外線を照射して、当該近赤外線を上記白金板に吸収させることにより、膜を種基板側から加熱した。尚、加熱ステップにおける雰囲気、加熱温度（表面温度）、昇温速度、及び保持時間については、表１に列挙した通りである。加熱ステップ後の単結晶膜の厚みについても、表１に列挙した。
２．各種評価用試料の評価方法
（１）断面ＳＥＭ観察
上記加熱ステップを経た各種評価用試料を種基板の主面に直交する面に沿って研磨し、走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＳＭ−６３９０）を使用して、５０００倍の倍率にて当該研磨面（断面）における膜の端部から４０視野を観察した。かかる断面ＳＥＭ観察の結果、ミクロンオーダー（即ち、大きさが１μｍ以上）の気孔が無く、サブミクロンオーダー（即ち、大きさが１μｍ未満）の気孔が検出された箇所が１０箇所未満であり、且つ膜と種基板との間の界面が加熱ステップ後に消失している場合、緻密な単結晶が良好に得られたと判断した。尚、加熱ステップ前の膜の状態を同様の手法によって観察したところ、全ての実験例において、ミクロンオーダー（即ち大きさが１μｍ以上）の気孔は観察されず、アルキメデス法によって測定された相対密度は９５％以上であった。
（１）断面ＳＥＭ観察
上記加熱ステップを経た各種評価用試料を種基板の主面に直交する面に沿って研磨し、走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＳＭ−６３９０）を使用して、５０００倍の倍率にて当該研磨面（断面）における膜の端部から４０視野を観察した。かかる断面ＳＥＭ観察の結果、ミクロンオーダー（即ち、大きさが１μｍ以上）の気孔が無く、サブミクロンオーダー（即ち、大きさが１μｍ未満）の気孔が検出された箇所が１０箇所未満であり、且つ膜と種基板との間の界面が加熱ステップ後に消失している場合、緻密な単結晶が良好に得られたと判断した。尚、加熱ステップ前の膜の状態を同様の手法によって観察したところ、全ての実験例において、ミクロンオーダー（即ち大きさが１μｍ以上）の気孔は観察されず、アルキメデス法によって測定された相対密度は９５％以上であった。
（２）面内ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定
上記加熱ステップを経た各種評価用試料のＣ面につき、多機能高分解能Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製、Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ）を、以下の条件下で使用して、面内ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行った。（１００）ピークが検出された場合、単結晶が良好に得られたと判断した。
上記加熱ステップを経た各種評価用試料のＣ面につき、多機能高分解能Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製、Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ）を、以下の条件下で使用して、面内ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行った。（１００）ピークが検出された場合、単結晶が良好に得られたと判断した。
・管電圧：４０ｋＶ
・管電流４０ｍＡ
・アンチスキャッタリングスリット：３°
・ステップ幅：０．００１°
・スキャンスピード：０．５秒／ステップ
・入射角：１°
・管電流４０ｍＡ
・アンチスキャッタリングスリット：３°
・ステップ幅：０．００１°
・スキャンスピード：０．５秒／ステップ
・入射角：１°
（３）二次イオン質量分析（Ｄ−ＳＩＭＳ）
上記加熱ステップを経た各種評価用試料につき、二次イオン質量分析計（アメテック株式会社カメカ事業部製、ＩＭＳ−６ｆ）を以下の条件下で使用して、単結晶化膜内における不純物（ドーパント）としてのアルミニウム（Ａｌ）の濃度及び分布状態を評価した。分布状態については、膜内のＡｌ濃度が０．１〜０．３ａｔ％の範囲にあれば均質とした。
上記加熱ステップを経た各種評価用試料につき、二次イオン質量分析計（アメテック株式会社カメカ事業部製、ＩＭＳ−６ｆ）を以下の条件下で使用して、単結晶化膜内における不純物（ドーパント）としてのアルミニウム（Ａｌ）の濃度及び分布状態を評価した。分布状態については、膜内のＡｌ濃度が０．１〜０．３ａｔ％の範囲にあれば均質とした。
・イオン種：Ｃｓ＋
・イオンエネルギー１４．５ｋｅＶ
・帯電補償：白金（Ｐｔ）コート
・イオンエネルギー１４．５ｋｅＶ
・帯電補償：白金（Ｐｔ）コート
（４）四探針法による抵抗率測定
上記加熱ステップを経た各種評価試料につき、低抵抗率計（株式会社三菱化学アナリテック製、ロレスタ−ＡＸ、ロレスタ用四探針ＰＳＰプローブ（ＭＣＰ−ＴＰ０６Ｐ））を用いて四探針法による抵抗率測定を行った。ＪＩＳ Ｋ ７１９４に概ね準拠して測定を行ったが、電極間隔は１．５ｍｍ、試料面積は１０ｍｍ×１０ｍｍとし、測定箇所は試料中央部のみとした。抵抗率は以下の式（１）に基づいて算出した。
上記加熱ステップを経た各種評価試料につき、低抵抗率計（株式会社三菱化学アナリテック製、ロレスタ−ＡＸ、ロレスタ用四探針ＰＳＰプローブ（ＭＣＰ−ＴＰ０６Ｐ））を用いて四探針法による抵抗率測定を行った。ＪＩＳ Ｋ ７１９４に概ね準拠して測定を行ったが、電極間隔は１．５ｍｍ、試料面積は１０ｍｍ×１０ｍｍとし、測定箇所は試料中央部のみとした。抵抗率は以下の式（１）に基づいて算出した。
上式中、ρは抵抗率［Ω・ｃｍ］、Ｆは抵抗率補正係数、ｔは膜厚［ｃｍ］、及びＲは抵抗［Ω］をそれぞれ表す。尚、抵抗率補正係数Ｆは、ＪＩＳ Ｋ ７１９４に記載されている式を用いて計算した。
３．各種評価用試料の評価結果
上記加熱ステップを経た各種評価用試料についての上記評価方法（１）乃至（３）の結果についても、表１に列挙されている。表１に示された評価結果からも明らかであるように、実験例０１及び０２の何れについても、膜内における気孔の抑制、単結晶化の促進、及び不純物（ドーパント）の均質な分布という観点から見て、極めて良好な品質を有する単結晶を得ることができた。尚、不純物としてのアルミニウム（Ａｌ）が０．１〜０．３ａｔ％の濃度範囲にて膜内に均質に含まれることが確認され、１×１０−３Ω・ｃｍ以下の非常に低い抵抗率を有する単結晶を得ることができた。
上記加熱ステップを経た各種評価用試料についての上記評価方法（１）乃至（３）の結果についても、表１に列挙されている。表１に示された評価結果からも明らかであるように、実験例０１及び０２の何れについても、膜内における気孔の抑制、単結晶化の促進、及び不純物（ドーパント）の均質な分布という観点から見て、極めて良好な品質を有する単結晶を得ることができた。尚、不純物としてのアルミニウム（Ａｌ）が０．１〜０．３ａｔ％の濃度範囲にて膜内に均質に含まれることが確認され、１×１０−３Ω・ｃｍ以下の非常に低い抵抗率を有する単結晶を得ることができた。
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成有する幾つかの実施態様について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができることは言うまでも無い。
１１…原料の粉体、１２…キャリアガス、１３…圧力調整ガス、２０…単結晶製造装置、２１…種基板、２２…エアロゾル生成部、２３…エアロゾル生成室、２４…原料供給管、３０…結晶生成部、３１…成膜室、３２…サセプタ（発熱部材）、３３…Ｘ−Ｙステージ、３４…基板設置ステージ、３５…熱電対、３６…噴射ノズル（噴射手段）、３７：矩形状スリット、３８…真空ポンプ、及び４０…加熱用光源（加熱手段）。
Claims (28)
- 原料の粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記粉体を堆積させ、膜を形成する噴射手段、及び
前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱手段、
を備え、
前記噴射手段により、前記粉体を種基板に向かって噴射して前記種基板の表面上に前記膜を形成する成膜ステップ、及び
前記加熱手段により、前記種基板の表面上に形成された前記膜を加熱する加熱ステップ、
を実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造装置であって、
前記噴射手段と前記加熱手段とが前記種基板を挟んで互いに対向するように配置されていること、
を特徴とする単結晶製造装置。 - 請求項１に記載の単結晶製造装置であって、
前記加熱手段が、赤外線ランプ、レーザー、及び高周波加熱装置からなる群より選ばれる何れかの熱源を利用して前記膜を加熱する加熱手段であること、
を特徴とする単結晶製造装置。 - 請求項２に記載の単結晶製造装置であって、
前記エネルギーを吸収して発熱する発熱部材を更に備えること、及び
前記発熱部材が、前記種基板の前記膜が形成される側とは反対側に配置されること、
を特徴とする単結晶製造装置。 - 請求項３に記載の単結晶製造装置であって、
前記発熱部材が、金属又はセラミックスを含んでなること、
を特徴とする単結晶製造装置。 - 請求項１乃至４の何れか１項に記載の単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを逐次的に実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法。
- 請求項５に記載の単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項６に記載の単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項７に記載の単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における厚みである膜厚が１００μｍ以下であること、及び
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３０℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項８に記載の単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に形成される前記膜の膜厚が３０μｍ以下であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項８又は９の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおける前記膜の昇温速度が３００℃／分以上であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項５乃至１０の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１１に記載の単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項５乃至１２の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項５乃至１３の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１乃至４の何れか１項に記載の単結晶製造装置を用いて、前記成膜ステップ及び前記加熱ステップを並行して実行することにより、前記粉体から単結晶を作製する単結晶製造方法。
- 請求項１５に記載の単結晶製造方法であって、
前記成膜ステップにおいて前記種基板の表面上に前記膜を形成する方法が、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）及びパウダージェットデポジション法（ＰＪＤ法）からなる群より選ばれる何れかの方法であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１６に記載の単結晶製造方法であって、
前記加熱ステップにおいて前記膜が前記種基板の側から加熱されること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１５乃至１７の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記膜の主成分が、酸化物及び窒化物からなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１８に記載の単結晶製造方法であって、
前記酸化物が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であり、前記窒化物が窒化ガリウム（ＧａＮ）であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１５乃至１９の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記種基板の主成分が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びサファイアからなる群より選ばれる何れか一種の材料であること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項１５乃至２０の何れか１項に記載の単結晶製造方法であって、
前記膜が、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、銀（Ａｇ）、及び銅（Ｃｕ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項５乃至２１の何れか１項に記載の単結晶製造方法を繰り返し実行することによって単結晶を得ること、
を特徴とする単結晶製造方法。 - 請求項５乃至２２の何れか１項に記載の単結晶製造方法によって得られること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。 - 請求項２３に記載の酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が３０μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。 - 請求項２４に記載の酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
請求項２２に記載の単結晶製造方法によって得られること、及び
前記成膜ステップにおいて形成される前記膜の前記種基板の表面に直交する方向における当該結晶の厚みである結晶厚が１００μｍを超えること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。 - 請求項２３乃至２５の何れか１項に記載の酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる少なくとも何れか１種以上の元素を不純物として含むこと、並びに
前記不純物の含有率が０．０２ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。 - 請求項２６に記載の酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
前記不純物の含有率が０．１ａｔ％以上であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。 - 請求項２３乃至２７の何れか１項に記載の酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶であって、
抵抗率が１×１０−３Ω・ｃｍ以下であること、
を特徴とする酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012273562 | 2012-12-14 | ||
| JP2012273562 | 2012-12-14 | ||
| PCT/JP2013/082495 WO2014091969A1 (ja) | 2012-12-14 | 2013-12-03 | 単結晶製造装置、当該装置を用いる単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2014091969A1 true JPWO2014091969A1 (ja) | 2017-01-12 |
Family
ID=50934261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014551994A Pending JPWO2014091969A1 (ja) | 2012-12-14 | 2013-12-03 | 単結晶製造装置、当該装置を用いる単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPWO2014091969A1 (ja) |
| WO (1) | WO2014091969A1 (ja) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2906076B2 (ja) * | 1990-06-08 | 1999-06-14 | 真空冶金株式会社 | ガス・デポジション法による高温超伝導体厚膜の形成法およびその形成装置 |
| JPH07138094A (ja) * | 1993-11-16 | 1995-05-30 | Ngk Insulators Ltd | 酸化亜鉛単結晶の育成方法 |
| JPH11199393A (ja) * | 1998-01-16 | 1999-07-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 強誘電体薄膜素子の作製方法 |
| JP3268443B2 (ja) * | 1998-09-11 | 2002-03-25 | 科学技術振興事業団 | レーザ加熱装置 |
| JP4538609B2 (ja) * | 2003-09-26 | 2010-09-08 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | セラミックス膜構造体とその形成方法及び装置 |
| JP4949668B2 (ja) * | 2004-12-09 | 2012-06-13 | 富士フイルム株式会社 | セラミックス膜の製造方法及びセラミックス膜を含む構造物 |
| JP4682054B2 (ja) * | 2005-03-22 | 2011-05-11 | 富士フイルム株式会社 | 配向膜の製造方法、及び、液体吐出ヘッドの製造方法 |
| JP5914348B2 (ja) * | 2010-11-02 | 2016-05-11 | 日本碍子株式会社 | 結晶製造方法 |
-
2013
- 2013-12-03 JP JP2014551994A patent/JPWO2014091969A1/ja active Pending
- 2013-12-03 WO PCT/JP2013/082495 patent/WO2014091969A1/ja active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014091969A1 (ja) | 2014-06-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101235772B1 (ko) | 탄화규소 단결정의 성장방법 | |
| JP5068423B2 (ja) | 炭化珪素単結晶インゴット、炭化珪素単結晶ウェハ及びその製造方法 | |
| CN101896647A (zh) | 碳化硅单晶锭、由该单晶锭得到的基板及外延片 | |
| CN102597337A (zh) | SiC 单晶晶片及其制造方法 | |
| CN105734671B (zh) | 一种高质量碳化硅晶体生长的方法 | |
| WO2014091968A1 (ja) | 単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 | |
| KR101152857B1 (ko) | 탄화규소 단결정의 성장방법 | |
| CN110857476A (zh) | 一种低电阻率低位错密度的n型SiC单晶的生长方法 | |
| JP5866727B2 (ja) | β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の製造方法及び結晶積層構造体 | |
| CN114269972A (zh) | 半导体膜 | |
| Hsu et al. | Vertical single-crystal ZnO nanowires grown on ZnO: Ga/glass templates | |
| Song et al. | Physically processed Ag-doped ZnO nanowires for all-ZnO p–n diodes | |
| EP3929336A1 (en) | Gan crystal and substrate | |
| US20210355602A1 (en) | Underlying substrate | |
| JP2021070620A (ja) | 炭化珪素インゴットの製造方法、炭化珪素ウエハの製造方法及びその成長システム | |
| US20210408242A1 (en) | Semiconductor film | |
| CN101805885A (zh) | 一种制备MgZnO三元化合物有序薄膜的方法 | |
| US20120104557A1 (en) | Method for manufacturing a group III nitride crystal, method for manufacturing a group III nitride template, group III nitride crystal and group III nitride template | |
| Zhang et al. | Space-confined growth of large-mismatch CsPb (Br x CI 1− x) 3/GaN heterostructures with tunable band alignments and optical properties | |
| JP2016172674A (ja) | 炭化珪素単結晶及びそれを用いた電力制御用デバイス基板 | |
| WO2014091969A1 (ja) | 単結晶製造装置、当該装置を用いる単結晶製造方法、及び当該方法によって製造される単結晶 | |
| JP2016172677A (ja) | 炭化珪素単結晶及びその製造方法 | |
| US20140196775A1 (en) | Synthesis method of cu(in,ga)se2 nanorod or nanowire and materials including the same | |
| TW202210669A (zh) | GaN結晶及GaN基板 | |
| JP7439117B2 (ja) | 下地基板及びその製造方法 |