專利名稱：氮化鋁單晶制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)晶性良好的氮化鋁單晶的新制造方法。
背景技術(shù)：
由于氮化鋁是高機(jī)械強(qiáng)度而且放熱性能優(yōu)異的材料，因此被作為填料、電子·電氣零件的基板、散熱構(gòu)件使用。特別是AIN單晶，從晶格的整合性及紫外線透射性的觀點(diǎn)看，作為構(gòu)成發(fā)藍(lán)色可見光區(qū)域一紫外光區(qū)域的短波長光的發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)等發(fā)光器件的基板材料引起人們的注意。
當(dāng)前，氮化鋁單晶用有機(jī)金屬氣相生長法(M0VP法)、氫化物氣相生長法(HVPE法)等氣相生長法、化學(xué)輸送法、熔劑法、升華再結(jié)晶法等方法制造薄膜單晶或塊狀單晶。其中，采用化學(xué)輸送法、升華再結(jié)晶法時，得到板狀結(jié)晶或針狀結(jié)晶等形狀不同的結(jié)晶性好的單晶，因此正在進(jìn)行各種研究。
具體地說，提出了將氧化鋁和其他金屬氧化物作為原料，在氮?dú)庵写嬖谔嫉那闆r下，以1650°C以上2200°C以下的溫度進(jìn)行加熱，借助于此，制造針狀及板狀氮化鋁單晶的方法(日本特開2005 - 132699號公報參照專利文獻(xiàn)I)。但是專利文獻(xiàn)I所述的方法中，還用了鋁以外的金屬氧化物，因此恐怕得到的氮化鋁結(jié)晶中會含有雜質(zhì)，在這一點(diǎn)上是有改進(jìn)余地的。又，不能控制氮化鋁析出的地方，只在有必要的部分有選擇地使氮化鋁析出是困難的。還有，專利文獻(xiàn)I的方法中，將鋁等原料收容于碳制的坩堝，在加蓋的狀態(tài)下在氮?dú)獗Ｗo(hù)中進(jìn)行加熱。被認(rèn)為由于蓋妨礙了氮?dú)饬魍?，氮化鋁的生成效率不十分高。
專利文獻(xiàn)I :特開2005 — 132699號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述已有技術(shù)而作出的發(fā)明，其目的在于提供一種效率高并且簡便的制造結(jié)晶性良好的氮化鋁單晶的制造方法。
當(dāng)前作為氮化鋁廣泛使用的氮化鋁多晶粉末是將鋁粉末和碳粉末在氮?dú)鈿夥罩屑訜岬玫降?。在這種情況下，由氧化鋁生成的原料氣體認(rèn)為是由于被附近的碳源直接還原氮化，因此無法得到單晶，而生成多晶粉末。根據(jù)該考察，本發(fā)明人想到能不將由氧化鋁等發(fā)生的原料氣體直接還原氮化，而在保持某種程度上保持浮游狀態(tài)后使其析出，以更高效率地得到氮化鋁單晶。根據(jù)這樣的構(gòu)想完成的本發(fā)明以下述事項為要旨。
(1)在發(fā)生鋁氣體或氧化鋁氣體的原料氣體發(fā)生源與碳成型體存在的條件下使氮?dú)饬魍?，在加熱環(huán)境下使氮化鋁單晶生長的氮化鋁單晶的制造方法，
碳成型體的至少一部分不與原料氣體發(fā)生源直接接觸，
原料氣體發(fā)生源的至少一部分不與碳成型體直接接觸，
在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與該原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間存在具有的O. 01 50mm間隔的空間，以這樣的配置，對原料氣體發(fā)生源和碳成型體進(jìn)行配置，
在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間，設(shè)定加熱溫度、氮?dú)饬髁恳詽M足氮化鋁析出條件。
(2)原料氣體發(fā)生源為氧化鋁成型體的，(I)所述的氮化鋁單晶的制造方法。
(3 )在氧化鋁成型體上配置比該氧化鋁成型體更小的碳成型體的，(2 )所述的氮化鋁單晶的制造方法。
(4)使氧化鋁成型體與碳成型體隔開O.05 40mm的間隔配置的，(2)所述的氮化鋁單晶的制造方法。
(5)在氧化鋁成型體和碳成型體的近旁配置氮化鋁成型體作為氮化鋁單晶生長用的基板的，(3)或(4)所述的氮化鋁單晶的制造方法。
(6)在不與所述碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間內(nèi)，以在23°C的溫度換算為O. Icc/分 100L/分的流量使氮?dú)饬魍ǖ模?I)
(5)中的任一項所述的氮化鋁單晶的制造方法。
如果采用本發(fā)明，能夠提供一種效率高而且簡便的制造結(jié)晶性良好的氮化鋁結(jié)晶的方
法。


圖I是表示能夠在氮化鋁單晶的制造方法中合適使用的單晶制造裝置以及原料氣體發(fā)生源與碳成型體的位置關(guān)系的一個例子的概略剖面圖。
圖2是表示原料氣體發(fā)生源與碳成型體的位置關(guān)系的一個例子的概略剖面圖。
圖3是表示原料氣體發(fā)生源與碳成型體、與氮化鋁單晶生長用的基板的位置關(guān)系的一個例子的概略剖面圖。
圖4是表示單晶氮化鋁的生長狀態(tài)的照片。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖對本發(fā)明，包括其最佳實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
本發(fā)明的氮化鋁單晶的制造方法，首先在單晶制造裝置I內(nèi)配置發(fā)生鋁氣體或氧化鋁氣體的原料氣發(fā)生源5和碳成型體6，并且使其滿足規(guī)定的位置關(guān)系。
氮化鋁單晶制造裝置
圖I中是表示能夠在本發(fā)明的氮化鋁單晶的制造方法中合適使用的單晶制造裝置的概略剖面圖的一個例子。以下用該圖I對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于以下的實(shí)施方式。
上述單晶制造裝置I具備在上游側(cè)具有供給氮?dú)獾牡獨(dú)夤┙o口 2、在下游側(cè)具有排出系統(tǒng)內(nèi)的氣體的排出口 3的反應(yīng)容器4。反應(yīng)容器4內(nèi)配置原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6，并且使其滿足規(guī)定的位置關(guān)系。反應(yīng)容器4可用加熱器8加熱。
又，上述單晶制造裝置中，各構(gòu)件、例如反應(yīng)容器4、氮?dú)夤┙o口 2、排出口 3當(dāng)然采用在使氮化鋁單晶生長時的溫度下能夠充分耐熱的材料構(gòu)成。
本發(fā)明中，使用上述那樣的單晶制造裝置，可以使氮化鋁單晶生長，以下對其方法進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
反應(yīng)容器
本發(fā)明中，使用的反應(yīng)容器4，如上所述，采用在氮化鋁單晶生長溫度，具體地說15000C以上2400°C以下的溫度能夠充分耐熱的材料構(gòu)成。具體的材料有例如氮化鋁、氮化硼的燒結(jié)體、碳等。其中，考慮到制造的氮化鋁單晶的純度，反應(yīng)容器4最好是由氮化鋁燒結(jié)體構(gòu)成。又，即使是氮化鋁燒結(jié)體，也最好使用不含燒結(jié)助劑的。
反應(yīng)容器4的形狀、大小沒有特別限制，只要是在工業(yè)上能夠制造的范圍內(nèi)即可。其中，從反應(yīng)容器4的制造容易，而且，使氮化鋁單晶生長時供給的氮?dú)馊菀拙鶆虻叵蚍磻?yīng)容器4內(nèi)提供考慮，最好是圓柱狀。
、 原料氣體發(fā)生源
原料氣體發(fā)生源5由發(fā)生能夠與氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化鋁的原料鋁氣體的物質(zhì)構(gòu)成。本發(fā)明的原料鋁氣體是鋁氣體或氧化鋁氣體，為使鋁氣體發(fā)生使用金屬鋁，或在發(fā)生氧化鋁氣體的情況下使用氧化鋁(氧化鋁、藍(lán)寶石)。
氧化鋁只要是鋁被氧化的物質(zhì)即可，可以使用市售的氧化鋁、藍(lán)寶石、或使氮化鋁氧化得到的物質(zhì)。對于使氮化鋁氧化得到的物質(zhì)，可使用在上述反應(yīng)容器外預(yù)先氧化的物質(zhì)，又可使用在所述反應(yīng)容器內(nèi)使氮化鋁氧化的物質(zhì)。
即使在這樣的氧化鋁中，也為了使工序更簡化，提高氮化鋁單晶的收獲量，也不采用使氮化鋁氧化的物質(zhì)，最好使用通常的氧化鋁或藍(lán)寶石(下面也有將不是使氮化鋁氧化得到的物質(zhì)的這種通常的氧化鋁或藍(lán)寶石記為Al2O3的情況。)。
在本發(fā)明中使用氮化鋁(Al2O3)的情況下沒有特別限制，但是考慮到得到的氮化鋁單晶的純度，最好使用高純度氧化鋁。但是，在制造市售的氧化鋁(Al2O3)時不可避免要混入雜質(zhì)，氧化鋁(Al2O3)的純度以99%以上為宜，99. 9%以上則更好。
上述原料氣體發(fā)生源的形狀沒有特別限制，可以是板狀的，也可以是顆粒狀的、粉末狀的。但是，本發(fā)明中，特別是氧化鋁成型體，具體地說，最好使用氧化鋁盤。在使用顆粒狀乃至于粉末狀的原料氣體發(fā)生源的情況下，由于生成原料氣體速度快，恐怕無法得到良好的單晶。
滿足這樣條件的氧化鋁市場上有銷售，作為其一個例子例示，可以使用和光純藥株式會社制的氧化鋁和光特級、株式會社高純度化學(xué)研究所制造的氧化鋁AL001PB、AL002PB、AL003PB、AL016PB、AL013PB、AL014PB、AL011PB、AL012PB。還可以使用株式會社京七 7 制造的氧化鋁A — 479、A - 480、A601與同樣是京七^制造的單晶藍(lán)寶石。又，作為金屬鋁，可以使用例如株式會社高純度化學(xué)研究所制造的ALE系列的粉末狀、粒狀、棒狀、片狀、芯片狀、板狀、箔狀的純度99%以上的市場銷售品。
碳成型體
本發(fā)明中，作為使原料氣體還原氮化時的還原劑使用碳成型體。碳成型體6只要有形狀，其形態(tài)沒有特別限定，但最好是塊狀。因此，作為理想的碳成型體，是例如碳黑等碳粉末用少量粘接劑樹脂使其成型的成型塊，還有例如將石墨等切削成形的成型塊等。
本發(fā)明的制造方法中使用碳粉末作為還原劑時，碳素的氣化和還原氮化反應(yīng)發(fā)生迅速，在充分進(jìn)行反應(yīng)前碳就從反應(yīng)體系中消失，而且氮化鋁的生成變快，不能夠得到良好的單晶。
但是，在使用碳成型體作為還原劑時，由于碳的氣化只限于成型體表面，抑制了碳的快速氣化。其結(jié)果是，由碳成型體生成的還原性氣體(一氧化碳?xì)怏w等)量合適，適度抑制還原反應(yīng)，得到了良好的單晶。為了抑制了這樣的碳的快速氣化，本發(fā)明中使用碳成型體，以每單位重量的有效表面積為O. 5m2/g以下為宜，更理想的是O. 25m2/g以下，特別是O. 025m2/g以下最好。在這里，所謂有效表面積，是不考慮細(xì)孔等的表面積，例如長方體的情況下，是指上下面以及四個側(cè)面的面積的合計值。
原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6的位置關(guān)系
本發(fā)明中，在使原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6滿足規(guī)定的位置關(guān)系地進(jìn)行配置的狀態(tài)下使氮化鋁生成。
具體地說，碳成型體6的至少一部分不與原料氣體發(fā)生源5直接接觸，原料氣體發(fā)生源5的至少一部分不與碳成型體6直接接觸，不與該碳成型體6接觸的原料氣體發(fā)生源5和不與該原料氣體發(fā)生源5接觸的碳成型體6之間存在O. 01 50mm,較理想的是O. 05 40mm,更好的是O. 08 30mm，再好的是O. I 25mm，特別好的是O. 3 20mm，最好的是O. 8 15mm的間隔的空間；以這樣的間隔配置來配置原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6。
又，所謂“間隔”是指連接任意“不與碳成型體6接觸的原料氣體發(fā)生源5”與離其最近的“不與原料氣體發(fā)生源5接觸的碳成型體6”的直線的長度。
又，所謂“存在.…空間”是指上述直線上不存在其他的原料其他發(fā)生源5與碳成型體6的狀態(tài)。
又，本發(fā)明中，連結(jié)“不與碳成型體6接觸的原料氣體發(fā)生源5”和“不與原料氣體發(fā)生源5接觸的碳成型體6”的全部直線的長度無需在上述范圍內(nèi)。即原料氣體發(fā)生源5的一部分與碳成型體6的一部分只要滿足上述關(guān)系即可。因此，原料氣體發(fā)生源5與碳成型體6也可以部分接觸。在接觸部分中兩者的間隔為O。又，也可以在原料氣體發(fā)生源5的一部分與碳成型體6的一部分之間保持超過50mm的間隔。
在碳粉末與鋁粉末混合的情況下，由于碳粉末與鋁粉末均勻混合，即使是存在“不與碳粉末接觸的鋁粉末”，并且也存在“不與鋁粉末接觸的碳粉末”，也由于兩者的間隔小，不能夠滿足上述關(guān)系。
另一方面，如上述本發(fā)明那樣，使用碳成型體作為碳源時，只要碳成型體6的整個周圍不被原料氣體發(fā)生源5包裹限制，就有碳成型體表面的至少一部分不與原料氣體發(fā)生源5接觸。又，“不與碳成型體6接觸的原料氣體發(fā)生源5”可以通過使用例如比原料氣體發(fā)生源5小的碳成型體實(shí)現(xiàn)。具體地說，例如使用比碳成型體6的下表面的面積更大面積的氧化鋁盤，或在反應(yīng)容器內(nèi)敷設(shè)氧化鋁粉，使其形成比碳成型體6的下表面積更大的面積，在該氧化鋁盤或氧化鋁粉上配置碳成型體來實(shí)現(xiàn)。
圖I中表示這樣的原料氣體發(fā)生源5與碳成型體6的位置關(guān)系的更具體的例子。圖I表示在原料氣體發(fā)生源5 (作為例子是氧化鋁盤)上配置底面積比其小的碳素成型體6 (例如碳塊)的狀態(tài)。在這種情況下，碳塊的底面與氧化鋁盤的上表面的一部分接觸。但是在與碳塊的接觸面以外，氧化鋁盤不與碳塊接觸。因此存在“不與碳成型體6接觸的原料氣體發(fā)生源”。同樣，碳塊的底面外不與氧化鋁盤接觸。因此存在“不與原料氣體發(fā)生源5接觸的碳成型體6”。本發(fā)明中，使“不與碳塊接觸的氧化鋁盤”與“不與氧化鋁盤接觸的碳塊”之間的間隔滿足上述條件地加以配置。因此，在采取圖I的配置的情況下，碳塊的尺寸小，例如邊長為O. Olmm的立方體的情況下，沒有滿足上述的關(guān)系。從而，碳塊必須具有某種程度以上的尺寸是可以理解的，本發(fā)明中沒有使用顆粒狀或粉末狀的碳。
圖2中是表示原料氣體發(fā)生源5與碳成型體6的位置關(guān)系的另一個例子。圖2表示使氧化鋁盤與碳塊隔開規(guī)定的間隔并列配置的狀態(tài)。在這種情況下，兩者不接觸，因此存在“不與碳塊接觸的氧化鋁盤”和“不與氧化鋁盤接觸的碳塊”。從而，通過將氧化鋁盤的側(cè)面與碳塊的側(cè)面之間的間隔形成為O. 01 50mm地進(jìn)行配置，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明規(guī)定的配置。
本發(fā)明中，在不與碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間，設(shè)定加熱溫度、氮?dú)饬髁浚蛊錆M足氮化鋁析出的條件，以得到氮化鋁單晶。但是，在本發(fā)明中，即使在上述空間以外的其他空間，也只要能夠滿足氮化鋁的析出條件即可，這更理想。即在本發(fā)明中，如上所述規(guī)定的規(guī)定空間必須滿足氮化鋁的析出條件，而且最好是在此外的其他空間也滿足氮化鋁析出條件。
氮化鋁單晶生長用的基板
在如上所述規(guī)定的規(guī)定空間以外的其他空間也滿足氮化鋁析出條件的情況下，最好是在該其他空間配置氮化鋁單晶生長用的基板7，在氮化鋁單晶生長用的基板7上使氮化鋁單晶生長，這樣可以制造高純度的氮化鋁單晶。又，在這里，作為氮化鋁單晶生長用的基板，其形狀根據(jù)反應(yīng)容器的容量、使用的氧化鋁、得到的氮化鋁單晶的量，采用處理容易的尺寸即可。
本發(fā)明中，上述氮化鋁單晶生長用的基板只要是適于氮化鋁生長的材料即可，沒有特別限定，但最好是以氮化鋁作為材料的基板。具體地說，可以使用由氮化鋁單晶或氮化鋁燒結(jié)體形成的基板。其中，本發(fā)明中最好是使用氮化鋁燒結(jié)體形成的基板(以下采用氮化鋁燒結(jié)體基板)。
上述氮化鋁燒結(jié)體基板可以用公知的方法制造，也可以使用市售的氮化鋁燒結(jié)體基板。通過使用氮化鋁燒結(jié)體基板，可以提高氮化鋁單晶的收獲率。雖然其理由不清楚，但是氮化鋁燒結(jié)體是多晶體，有各種形狀，表面存在結(jié)晶面的顆粒，因此可以認(rèn)為該顆粒容易成為氮化鋁單晶生長時的核。
作為特別理想的氮化鋁燒結(jié)體基板，最好是使用以電子顯微鏡觀察時粒徑在I 30 μ m范圍內(nèi)的氣化招基板。
又，上述氮化鋁燒結(jié)體基板在考慮得到的氮化鋁單晶的純度時最好是使用燒結(jié)助劑的含量未滿40000ppm的燒結(jié)體基板，特別理想的是使用不含燒結(jié)助劑的燒結(jié)體基板。但是，上述氮化鋁燒結(jié)體基板可以適當(dāng)使用含氧的氮化鋁燒結(jié)基板。具體地說，可以使用含氧量為100 25000ppm的基板，最好是使用含氧量為500 7000ppm的基板。這個理由也不清楚，但可以認(rèn)為，使用含有某種程度的氧的氮化鋁燒結(jié)體基板，能夠促進(jìn)氮化鋁單晶的生長。這樣的氮化鋁燒結(jié)體基板也可以用公知的方法制造，市售的氮化鋁基板可以使用例如株式會社制造的SH - 50、SH — 15。
氮化鋁單晶生長用基板7的配置沒有特別限定，只要在該基板7使氮化鋁析出的條件得到滿足，怎么樣配置都可以。但是，在本發(fā)明中如上所述，在不與碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間，氮化鋁的析出條件確實(shí)得到了滿足，因此最好是如圖3所示配置基板7，以使該空間近旁，具體地說離開該空間0. Olmm以內(nèi)的地方存在氮化鋁單晶生長用基板7的至少一部分。
氮化鋁單晶的生長方法 本發(fā)明中，在原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6與根據(jù)需要使用的氮化鋁單晶生長用基板7滿足特定的位置關(guān)系配置的狀態(tài)下，從氮?dú)夤┙o口 2通入氮?dú)?，在加熱環(huán)境中使氮化鋁單晶生長。
氮?dú)饪梢杂眉兊部梢杂玫獨(dú)庖酝獾牟换顫姎怏w進(jìn)行稀釋后通入。作為氮?dú)庖酝獾牟换顫姎怏w，可以使用例如氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣等不活潑氣體。氮?dú)獾牧魍恐灰堑X生成的量沒有特別限制，而且與熱處理溫度等各種熱力學(xué)條件相關(guān)，流通量各種各樣。但是，為了更高效率地生成氮化鋁，在上述不與碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間內(nèi)，使以23°C換算的理想的0. Icc/分 100L/分的量、更理想的Icc/分 50L/分的量、還要理想的30cc/分 30L/分的量、特別理想的50cc/分 20L/分的量的氮?dú)饬魍ā?br> 本發(fā)明中，在上述流量范圍內(nèi)使氮?dú)庠诜磻?yīng)容器內(nèi)流通時，在流通流量增加的同時，增加了得到的氮化鋁單晶收獲量。
本發(fā)明中，反應(yīng)容器內(nèi)的溫度，只要是由原料氣體發(fā)生源發(fā)生原料氣體，并且原料氣體氮化還原生成氮化鋁的溫度，沒有特別限定，而且與在反應(yīng)系統(tǒng)中存在的氮分壓等各種熱力學(xué)條件相關(guān)，該溫度是各式各樣的。又，原料氣體發(fā)生源5和碳成型體6，與根據(jù)需要使用的氮化鋁單晶生長用基板7相互接近，他們之間實(shí)質(zhì)上不存在溫度差。
反應(yīng)容器內(nèi)的溫度最好是1500°C以上2400°C以下。在該溫度未滿1500°C的情況下，氮化鋁單晶難以成長因此不能令人滿意。另一方面，在超過2400°C的情況下，由于溫度過高，對工業(yè)生產(chǎn)不利?？紤]到氮化鋁單晶的工業(yè)化生產(chǎn)，反應(yīng)容器內(nèi)的溫度以1700°C以上22000C以下為宜，17500C以上未滿2150°C更理想，特別理想的是1750°C以上2100°C以下。
本發(fā)明中，將反應(yīng)容器內(nèi)的溫度控制在上述溫度范圍內(nèi)，以此提高溫度，同時提高得到的氮化鋁單晶的結(jié)晶性。又能夠空間結(jié)晶顆粒的擴(kuò)大。還增大了收獲量。
其他條件
在本發(fā)明中，在以上所述條件下使氮化鋁單晶在氮化鋁單晶生長用基板上生長，借助于此，可以制造氮化鋁單晶。
反應(yīng)時間(使氮化鋁單晶生長的時間)沒有特別限制，根據(jù)所希望的氮化鋁單晶的形狀、收獲量適當(dāng)決定即可。反應(yīng)時間越長，則能夠得到的外徑越大、長度越長的柱狀氮化鋁單晶。但是，在考慮工業(yè)生廣，反應(yīng)時間最好是在I小時以上200小時以內(nèi)。
還有，該反應(yīng)時間是從全部條件都準(zhǔn)備好的時刻開始計算的時間。總之，是從反應(yīng)容器內(nèi)的溫度、氮?dú)夥謮喝織l件滿足設(shè)定的條件開始的時間。因此，在一邊將氮?dú)馓峁┙o反應(yīng)容器內(nèi)，一邊設(shè)定反應(yīng)容器內(nèi)的溫度的情況下，將從達(dá)到設(shè)定溫度開始的時間作為反應(yīng)時間。又，在使反應(yīng)容器達(dá)到設(shè)定溫度后將氮?dú)馓峁┙o反應(yīng)容器的情況下，從供給氮?dú)馄鸬臅r間作為反應(yīng)時間。
在這樣的條件下使氮化鋁單晶生長后，使反應(yīng)容器內(nèi)的溫度降低到室溫附近，將生成的氮化鋁單晶從反應(yīng)容器取出，這樣可以制造出氮化鋁單晶。
氮化鋁單晶
本發(fā)明中，在不與碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間生成氮化鋁單晶。由于利用原料氣體的還原氮化生成氮化鋁，因此氮化鋁單晶主要在碳成型體近旁生長。即如圖4所示圍繞碳成型體6生成針狀或板狀的氮化鋁單晶。
本發(fā)明不受任何理論制約，但是本發(fā)明的發(fā)明者們?nèi)缫韵滤隹紤]這種生成反應(yīng)。即在碳成型體與原料氣體發(fā)生源相互接近的區(qū)域中，使生成的原料氣體直接還原，在碳成型體近旁生成氮化鋁多晶。接著，浮游于不與碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間的原料氣體,與由碳成型體生成的還原性氣體(一氧化碳?xì)怏w等)，以該多晶作為核進(jìn)行反應(yīng)，使氮化鋁單晶生長。
又，該氮化鋁單晶的大小，如上所述，可以利用反應(yīng)時間進(jìn)行調(diào)整，通過使反應(yīng)時間延長，可以形成例如最大外經(jīng)為8mm,長度為IOOmm的氮化招單晶。
如果采用本發(fā)明，可以制造以往所沒有的大氮化鋁單晶。得到的氮化鋁單晶有各種用途，例如可以用作發(fā)光元件的基礎(chǔ)基板。
實(shí)施例
以下在下述實(shí)施例中對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不限于以下的實(shí)施例。還有，下面所述中“上游側(cè)”和“下游側(cè)”表示相對于氮?dú)夤┙o口 2的相對位置，“上游側(cè)”意思是靠近氮?dú)夤┙o口 2的一側(cè)，“下游側(cè)”意思是離氮?dú)夤┙o口 2遠(yuǎn)的一側(cè)。
評價方法 <結(jié)晶性的評價>用X射線衍射裝置(BrukerAXS制)計算出搖擺曲線的半值寬度。
實(shí)施例I
用圖I所示的結(jié)構(gòu)的單晶制造裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)容器4使用圓柱狀反應(yīng)器。向反應(yīng)容器4內(nèi)的上游側(cè)投入株式會社京七9制造的尺寸為50mmX50mmX Imm (t)的氧化招板(Al2O3) (A479、純度99%)(氧化鋁5)作為原料。投入位置在氮?dú)夤┙o口 2的正下方。在該氧化招5的上部(離開氧化招的下游側(cè)端部20mm的地方)設(shè)置切斷為5mmX5mmX30mm的碳成型體6，使得成型體的長軸與氮?dú)饬鞔怪薄?
使氧化鋁5及碳成型體6的溫度為1950°C。
使從氮?dú)夤┙o口 2提供的氮?dú)獾牧髁繛镮L/分。
保溫時間(反應(yīng)時間)30小時使氮化鋁單晶析出。反應(yīng)結(jié)束后，如圖4所示，確認(rèn)圍繞碳成型體6在氧化鋁5上有氮化鋁結(jié)晶析出(生長)。又，析出的氮化鋁結(jié)晶以離反應(yīng)前安裝的碳成型體約0. 6mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為5 6_，長度30mm。測定析出的氮化鋁結(jié)晶的重量，結(jié)果為0. 7g。
得到的氮化鋁結(jié)晶用X射線衍射裝置(BrukerAXS制)評估。AIN (002)峰的半值寬度為40arcsec,確認(rèn)為氮化招單晶。
實(shí)施例2
實(shí)施例I中，除了使碳成型體6的形狀為ImmX ImmX 30mm外，與實(shí)施例I 一樣進(jìn)行反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有氮化鋁結(jié)晶析出(生長)。又，析出的氮化鋁結(jié)晶以離反應(yīng)前安裝的碳成型體約0. 6mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為3 5mm,長度為25mm。AIN (002)峰的半值寬度為43arcsec,確認(rèn)為氮化招單晶。
實(shí)施例3
實(shí)施例I中，除了使碳成型體6的形狀為IOmmX IOmmX 30mm外，與實(shí)施例I 一樣進(jìn)行反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有氮化鋁結(jié)晶析出(生長)。以離反應(yīng)前安裝的碳成型體約0. 5mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為4 7mm，長度為35mm。AIN (002)峰的半值寬度為38arcsec，確認(rèn)為氮化鋁單晶。
實(shí)施例4
實(shí)施例I中，除了使碳成型體6的設(shè)置場所不在氧化鋁5的上部，而在不接觸地離氧化招下游側(cè)端部Imm的地方外,與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有氮化鋁結(jié)晶析出(生長)。又，析出氮化鋁結(jié)晶的地方是距離碳成型體Imm氧化鋁的端部。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為3 5mm，長度為23mm。AIN (002)峰的半值寬度為50arcsec，確認(rèn)為氮化鋁單晶。
實(shí)施例5
實(shí)施例I中，除了使碳成型體6的設(shè)置場所不在氧化鋁5的上部，而在不接觸地離氧化招下游側(cè)端部10_的地方外,與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有氮化鋁結(jié)晶析出(生長)。又，析出氮化鋁結(jié)晶的地方是離碳成型體IOmm的氧化鋁的端部。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為3 4mm，長度為20mm。AIN (002)峰的半值寬度為52arcsec，確認(rèn)為氮化鋁單晶。
實(shí)施例6
實(shí)施例I中，除了在離開氧化鋁5的下游側(cè)端部Imm距離的地方(離開碳成型體21mm距離的場所)設(shè)置氮化鋁單晶生長用基板7 (材質(zhì)為氮化鋁燒結(jié)體)外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)氧化鋁5以及氮化鋁單晶生長用基板7上有結(jié)晶析出。氧化鋁上的氮化鋁結(jié)晶以相距反應(yīng)前設(shè)置的碳成型體大概0. 5mm距離的地方為起點(diǎn)生長，而且氮化鋁單晶生長用基板上的氮化鋁結(jié)晶在與氧化鋁對向的一側(cè)的端部析出。析出物中最大的氮化招單晶的最外徑為7 9mm,長度為55mm。AIN (002)峰的半值寬度為35arcsec,確認(rèn)為氮化鋁單晶。
實(shí)施例7
實(shí)施例I中，除了由氮?dú)夤┙o口提供的氮?dú)饬髁繛镮OL/分外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有結(jié)晶析出。以距離反應(yīng)前設(shè)置的碳成型體大概0. 5mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為8 9mm，長度為57mm。測定析出的氮化鋁結(jié)晶的重量，結(jié)果為2. 4g。AIN (002)峰的半值寬度為60arcSec，確認(rèn)為氮化招單晶。
實(shí)施例8
實(shí)施例I中，除了使由氮?dú)夤┙o口提供的氮?dú)饬髁繛镮Occ/分外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)在氧化鋁5上有結(jié)晶析出。以距離反應(yīng)前設(shè)置的碳成型體大概0. 6mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁單晶的最外徑為3 6_，長度為38_。測定析出的氮化鋁結(jié)晶的重量，結(jié)果為0. 4g。AIN (002)峰的半值寬度為63arcSec，確認(rèn)為氮化招單晶
實(shí)施例9
實(shí)施例I中，除了使氧化鋁5以及碳成型體6的溫度為2050°C外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)氧化鋁5上有結(jié)晶析出。以距離反應(yīng)前設(shè)置的碳成型體大概0. 6mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為9 11mm，長度為48mm。測定析出的氮化鋁結(jié)晶的重量，結(jié)果為1.6g。AIN (002)峰的半值寬度為38arcSec，確認(rèn)為氮化招單晶。
實(shí)施例10
實(shí)施例I中，除了使氧化鋁5以及碳成型體6的溫度為1850°C外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，確認(rèn)氧化鋁5上有結(jié)晶析出。以距離反應(yīng)前設(shè)置的碳成型體大概0. 5mm的地方為起點(diǎn)生長。析出物中最大的氮化鋁結(jié)晶的最外徑為4 6mm，長度為28mm。測定析出的氮化鋁結(jié)晶的重量，結(jié)果為0. 4g。AIN (002)峰的半值寬度為65arcSec，確認(rèn)為氮化招單晶。
比較例I
實(shí)施例I中，除了使碳成型體6的設(shè)置場所不在氧化鋁5的上部，而在不接觸地離開氧化鋁下游側(cè)端部IOOmm的地方外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，未能確認(rèn)氧化鋁5上有結(jié)晶析出。
比較例2
實(shí)施例I中，除了碳成型體6采用平均粒徑為2微米的碳粉末以外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。碳成型體的每單位重量的表面積為0. 6m2/g。
反應(yīng)結(jié)束后，未能確認(rèn)氧化鋁5上有結(jié)晶析出。
、
比較例3
實(shí)施例I中，除了從氮?dú)夤┙o口供給的氮?dú)饬髁繛镺cc/分以外，與實(shí)施例I 一樣實(shí)施反應(yīng)。
反應(yīng)結(jié)束后，未能確認(rèn)氧化鋁5上有結(jié)晶析出。如上所述，顯然如果采用本發(fā)明的制造方法，能夠在作為對象的析出部高效率地析出結(jié)晶性良好的氮化鋁單晶。比較例I中，由于氧化鋁與碳成型體的間隔過大，不能得到單晶。又，比較例2中，由于氧化鋁與碳成型體間隔過小，不能得到單晶。比較例3中，反應(yīng)系統(tǒng)中不存在氮?dú)?，因此不析出單晶。又，比較例4中氮?dú)饬髁窟^多，因此不析出單晶。
符號説明
I單晶制造裝置 2氮?dú)夤┙o口 3排出口 4反應(yīng)容器
5原料氣體發(fā)生源(氧化鋁)
6碳成型體
7氮化鋁單晶生長用基板 8加熱器
權(quán)利要求
1.一種氮化鋁單晶的制造方法，在發(fā)生鋁氣體或氧化鋁氣體的原料氣體發(fā)生源與碳成型體存在的條件下使氮?dú)饬魍ǎ诩訜岘h(huán)境中使氮化鋁單晶生長，其特征在干， 碳成型體的至少一部分不與原料氣體發(fā)生源直接接觸， 原料氣體發(fā)生源的至少一部分不與碳成型體直接接觸， 在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間存在具有O. Ol 50mm間隔的空間，以這樣的配置對原料氣體發(fā)生源和碳成型體進(jìn)行配置， 在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間，設(shè)定加熱溫度、氮?dú)饬髁恳詽M足氮化鋁析出條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化鋁單晶的制造方法，其特征在于，原料氣體發(fā)生源為氧化鋁成型體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鋁單晶的制造方法，其特征在干，氧化鋁成型體上配置比該氧化鋁成型體更小的碳成型體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鋁單晶的制造方法，其特征在于，將氧化鋁成型體與碳成型體隔開O. 05 40mm的間隔配置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的氮化鋁單晶的制造方法，其特征在于，在氧化鋁成型體和碳成型體的近旁配置氮化鋁成型體作為氮化鋁單晶生長用基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5中的任一項所述的氮化鋁單晶的制造方法，其特征在于，在不與所述碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間，以在23°C的溫度換算為O. Icc/分 100L/分的流量使氮?dú)饬魍ā?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠更有效、簡便地制造結(jié)晶性良好的氮化鋁單晶的方法。本發(fā)明的氮化鋁單晶的制造方法，在發(fā)生鋁氣體或氧化鋁氣體的原料氣體發(fā)生源與碳成型體存在的條件下使氮?dú)饬魍?，在加熱環(huán)境中使氮化鋁單晶生長，其特征在于，碳成型體的至少一部分不與原料氣體發(fā)生源直接接觸，原料氣體的至少一部分不與碳成型體直接接觸；在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間存在有0.01～50mm的間隔的空間，以這樣的配置對原料氣體發(fā)生源和碳成型體進(jìn)行配置；在不與該碳成型體接觸的原料氣體發(fā)生源和不與原料氣體發(fā)生源接觸的碳成型體之間的空間內(nèi)，設(shè)定加熱溫度和氮?dú)饬髁恳詽M足析出氮化鋁的條件。
文檔編號C30B25/02GK102639764SQ20108005427
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者東正信, 服部剛, 福山博之, 高田和哉 申請人:國立大學(xué)法人東北大學(xué), 株式會社德山