2018 Fiscal Year Research-status Report
六方晶窒化ホウ素のウエハ状大型単結晶を作製するための基本プロセスの開発
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18K04231
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
原 和彦 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80202266)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 六方晶窒化ホウ素 / 化学気相法 / 薄膜成長 / サファイア基板 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
六方晶窒化ホウ素（以降、h-BNと記す）の、数インチサイズのウエハ状単結晶を作製するための基本プロセスを開発することを目的とする。提案する新しい結晶作製法は、h-BNの結晶学的特性を考慮して考案したもので、BCl3とNH3を原料としたh-BNの減圧化学気相法（CVD）法をベースとする。今年度は、研究の第1段階として、これまでの柱状グレインからなる膜構造となる課題を解決し、一様な層状成長を実現するための予備実験として、既設装置による成長方法の改良と成長条件の最適化を行い、次いで得られた知見を基に新たなCVD結晶成長部を設計した。以下に得られた結果をまとめる。
（１）気相中での原料ガス間の反応の制御の試み：従来の反応管周囲からの基板加熱に局所基板加熱を併用することにより、反応管中のガス温度の低下が原料ガスの気相反応に与える影響を調べた。その結果、周囲温度を下げることにより膜を構成するグレイン径が増大した。これは、横方向成長を妨げる気相反応生成物が発生が抑制されたためと考えられ、ガス温度の低下が膜質改善につながることを示した。一方、ガス流速が高い場合は、成長圧力を下げても逆に表面状態が悪化することもわかった。これは、基板に到達した原料ガスの跳ね返りのためと考えられることから、ガス温度に加えガス流を制御することも膜成長の最適化のための重要な要素であることを示した。
（２）CVD結晶成長部の設計：（１）で得られた知見を基に、コールドウォール型で基板温度を1800°Cまで上昇可能な基板加熱機構を設計した。この反応管では、ガス流に対する基板の角度を精密に設定できることも特徴である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要（２）に記載のCVD結晶成長部の設計を元に、初年度経費により必要とされる主な部品は調達済みである。組立の完了後、現在の反応炉と置き換え、改善された装置により試料作製を進められる見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
提案した(i)から(iii)の結晶作製プロセスのうち、(i)低温エピタキシャル成長については、再成長時の種結晶の役割をもつため、面内配向の完全性が高い薄膜を得ることに注力する。(ii)サファイア基板からのh-BN薄膜の剥離については、剥離後から再成長までのハンドリング方法を検討する。(iii)高温再成長において高品質な結晶を高速（200 μm/h以上）で再成長可能な結晶成長条件を明らかにする。
特にプロセス(iii)の過程において高温で成長する理由は、原料供給量の極めて高い条件であっても、層状成長を実現するためである。このような環境下で、グレインの横方向成長が促進されて、(i)で残ったグレイン構造が早い段階で完全に消失して、表面を原子オーダーで平坦化できる条件を探索する。
以上の研究から、提案する手法によるデバイス作製に十分な品質を有するウエハ状単結晶の作製と、さらなる大面積化のための知見を蓄積することを目標とする。
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