(57)【要約】【課題】  ルツボの回転数と引上軸の引上速度とを適切に制御することにより、ウエハ取得枚数の歩留の向上を図ったＧａＡｓ単結晶の製造方法を提供する。  【解決手段】  不活性ガスを充填したチャンバ２内に、ＧａＡｓ原料と封止剤としての三酸化硼素とを収納したルツボ５を設置する。ヒータ８によりルツボ５を加熱して、ルツボ５内にＧａＡｓ融液９を生成する。その後、ＧａＡｓ融液９に引上軸３の下端に取り付けた種結晶７を接触させ、ルツボ５を回転させながら種結晶７を引き上げてＧａＡｓ単結晶１０を製造する。このとき、ルツボ５の回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と引上軸３の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕とが、２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖを満足するようにする。【選択図】図１
2010163287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスを充填したチャンバ内に、ＧａＡｓ原料と封止剤とを収納したルツボを設置し、ヒータにより前記ルツボを加熱し、前記ＧａＡｓ原料と前記封止剤とを溶融させた後、ＧａＡｓ融液に引上軸に取り付けた種結晶を接触させ、前記ルツボを回転させながら前記種結晶を引き上げてＧａＡｓ単結晶を成長させるＧａＡｓ単結晶の製造方法において、
前記ルツボの回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と前記引上軸の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕との関係が、
２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖ
であることを特徴とするＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記ＧａＡｓ単結晶が、当該ＧａＡｓ単結晶から得られるウエハサイズ径が１００ｍｍ以上となる結晶径を有することを特徴とする請求項１に記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体封止引き上げ法（Liquid Encapsulated Czochralski法；以下ＬＥＣ法
と称する）によるＧａＡｓ単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、揮発性元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体単結晶（ＧａＡｓ、ＩｎＰ等）や、II−ＶI族化合物半導体単結晶（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等）の製造方法として、ＬＥＣ法が用いられている。
ＬＥＣ法では、不活性ガスを充填したチャンバ内で、原料と封止剤とを収納したルツボをヒータにより加熱して、原料と封止剤とを溶融させ、原料融液の表面を液体封止剤で覆い、原料融液に種結晶を接触させた後、ルツボを回転させながら種結晶を引き上げることにより、単結晶を成長させている（例えば、特許文献１ないし６参照）。
【０００３】
ＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶を製造する際に、結晶成長過程における固液界面の形状がＧａＡｓ融液側に凹形状であると、固液界面に垂直に伝播する性質をもった転位が集積して多結晶化するという問題がある。したがって、固液界面の形状がＧａＡｓ融液側に凸形状となるように制御する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−５６５８２号公報
【特許文献２】特開平０９−７７５９０号公報
【特許文献３】特開平０９−１４２９９７号公報
【特許文献４】特開２００２−２０１９３号公報
【特許文献５】特開２００４−１０４６７号公報
【特許文献６】特開２００４−１０４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、ＧａＡｓ単結晶の製造に当たっては、固液界面の形状をＧａＡｓ融液側に凸形状となるように、ルツボ内のＧａＡｓ融液の温度分布を制御する必要がある。この制御方法の一つとして、ＧａＡｓ単結晶及びルツボの回転数の最適化が挙げられる。しかしながら、この最適化の条件については、ＧａＡｓ融液の温度分布の状態把握が困難であることから、未だ結論が出ていない。
【０００６】
また、ＧａＡｓ単結晶の引上速度も固液界面の形状を決定するパラメータの一つである。一般的に、引上速度が遅いほど凝固熱の放熱に有利に働くため、固液界面は凸形状になりやすい。しかし、引上速度が遅ければスループットの面で不利となることから、引上速度についてもルツボの回転数と同様に最適化の条件に結論は出ていない。
【０００７】
本発明は、ルツボの回転数と引上軸の引上速度とを適切に制御することにより、ウエハ取得枚数の歩留の向上を図ったＧａＡｓ単結晶の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、不活性ガスを充填したチャンバ内に、ＧａＡｓ原料と封止剤を収納したルツボを設置し、ヒータにより前記ルツボ加熱し、前記ＧａＡｓ原料と前記封止
剤とを溶融させた後、ＧａＡｓ融液に引上軸に取り付けた種結晶を接触させ、前記ルツボを回転させながら前記種結晶を引き上げてＧａＡｓ単結晶を成長させるＧａＡｓ単結晶の製造方法において、前記ルツボの回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と前記引上軸の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕との関係が、２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７ＶであるＧａＡｓ単結晶の製造方法である。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様のＧａＡｓ単結晶の製造方法において、前記ＧａＡｓ単結晶が、当該ＧａＡｓ単結晶から得られるウエハサイズ径が１００ｍｍ以上となる結晶径を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＧａＡｓ単結晶からのウエハ取得枚数の歩留を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法に用いた製造装置の概略構成図である。
【図２】ＧａＡｓ単結晶の成長過程における固液界面での熱収支を説明するための模式図である。
【図３】引上軸の引上速度とルツボの回転数とウエハ取得枚数の歩留との関係を示すグラフである。
【図４】図３においてウエハ取得枚数の歩留が８０％を満足するときの、引上軸の引上速度とルツボの回転数の測定データ、及びこの測定データを近似する近似曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上述したように、ＧａＡｓ単結晶成長における問題として、転位の集積による結晶の多結晶化という問題がある。現在、この問題により結晶からのウエハ取得歩留は８０％程度に留まっている。転位は結晶と融液の境界面である固液界面に垂直に伝播する性質があり、固液界面が融液側に凹形状であると転位の集積が起こる。よって、転位の集積を防止する為には、結晶成長中の固液界面が常に融液側に凸形状となるように制御する必要がある。
また、この固液界面の凸度と転位の集積には、これまでの調査研究により凸度が大きいほど転位の集積が発生しにくいという相関関係がある事がわかっている。固液界面の形状は、熱流に対して垂直に形成される。よって、固液界面を凸形状とするには、固液界面で発生した凝固熱を、結晶を通じて結晶外部へ放熱する事で達成できる。また、固液界面の凸度を増す為には、より多く凝固熱を放熱できるように、結晶成長炉であるチャンバ内の温度条件を調節する必要がある。
【００１３】
ここで、図２を用いて固液界面での熱収支を説明する。図２はＧａＡｓ単結晶の成長過程における固液界面での熱収支を説明するための模式図である。
【００１４】
ルツボ５を加熱し、ルツボ５内で溶融され液体封止材６で覆われたＧａＡｓ融液９に種結晶７を接触させ、ルツボ５を回転させながら引上軸３を引き上げてＧａＡｓ単結晶１０を成長させる。
熱量Ｑ１はＧａＡｓ融液９から固液界面１１に流入する流入熱であり、熱量Ｑ２は固液界面１１で発生する凝固熱であり、熱量Ｑ３は固液界面１１から既に固化したＧａＡｓ単結晶１０に移動して放熱される熱量である。これらの熱量の間には、
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３
の関係式が成り立つ。ここで、熱量Ｑ１の大きさはＧａＡｓ融液９の温度勾配によって決
まると考えられる。また、熱量Ｑ３の大きさは固化したＧａＡｓ単結晶１０内の温度勾配によって決まると考えられる。
上述の関係式から、固液界面の凸度を増す為に、より多くの凝固熱Ｑ２を放熱する方法の一つとして、熱量Ｑ３を増加させる、つまり固化したＧａＡｓ単結晶１０の温度勾配を大きくする方法がある。
また、別の方法として、熱量Ｑ１を低減させる、つまりＧａＡｓ融液９中の垂直方向（ルツボの深さ方向）の温度勾配を小さくする方法が考えられる。
【００１５】
従来、熱量Ｑ３の増加、つまりＧａＡｓ単結晶１０の温度勾配を大きくする方法として、ＧａＡｓ単結晶１０の冷却化を促進したチャンバ２内構造を採る方法があり、改善の効果が得られている。しかし、極端にＧａＡｓ単結晶１０の冷却を促進すると、結晶にスリップ転位が発生するという弊害があるため、無制限に結晶の冷却を促進する方法は採れない。
【００１６】
一方、熱量Ｑ１の低減、つまりＧａＡｓ融液９中の垂直方向（ルツボの深さ方向）の温度勾配を小さくする方法を実現するためには、固液界面１１近傍の温度が極力低くなるようにＧａＡｓ融液９の温度分布を制御する必要がある。これまでの研究により、ルツボ５の回転によってもたらされるＧａＡｓ融液９の強制対流が、ＧａＡｓ融液９の温度分布に影響している事が分かりつつある。一般的には、ルツボ５の回転数を増やすに従って自然対流の影響が減り、ルツボ５中央部から外周部にかけてのＧａＡｓ融液９の温度勾配が急峻になる。つまり、ルツボ５の中央部付近の温度が低くなる。しかしながら、ＧａＡｓ融液９の温度分布を実際に測定することが困難である事から、その詳細は未だ不明な点が多い。
【００１７】
また、引上軸３の引上速度を変化させると単位時間当たりの固化量が変化する。つまり、凝固熱Ｑ２に変化が起こることとなる。よって、引上軸３の引上速度は固液界面１１の形状の凸化制御において重要なパラメータの一つである。
【００１８】
以上の事から、ルツボの回転数及び引上軸の引上速度の設定は、単結晶を製造する際の重要なパラメータとなる。しかしながら、ＧａＡｓ融液の温度分布の測定が困難である事から、これらの設定についての最適化の条件は十分に把握されているとは言い難い状況である。
過去の知見から、固液界面の凸化にはルツボの回転数を増加させる事が有効な方法である事は分かっている。しかし、引上速度に対して何処までルツボの回転数を増加させれば良いかが明確ではなかった。
そこで、本発明者らは、種々の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕に対してルツボの回転数ｎ〔ｒｐｍ〕を幾つに設定すれば、結晶からのウエハ取得枚数の歩留が向上するかを割り出す実験を実施した（図３参照）。その結果、
ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖ（ｅは自然対数の底）
という関係式を見出した（図４参照）。
さらに、ルツボの回転数が２８〔ｒｐｍ〕を越えると、高速回転に伴うルツボ軸の偏芯の増加により、ウエハ取得枚数の歩留が低下することがわかった。また、２８〔ｒｐｍ〕を越える高速回転を続けると、ルツボ軸に取り付けられているチャンバ内圧力の抑止部（シール部）の磨耗によるチャンバ内ガスの漏洩等の装置の機械的不具合が発生し、生産が困難な状況になることがわかった。
これらの事から、ルツボの回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と引上軸の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕との関係が
２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖ
を満足するように設定するのがよいとの知見を得た。
この知見を基に、以下に、本発明に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法の具体的な実施形態
を説明する。
【００１９】
本発明の実施形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法に用いた製造装置の概略構成図である。
【００２０】
まず、本実施形態に係るＧａＡｓ単結晶製造装置について説明し、続いて、ＧａＡｓ単結晶の製造方法について説明する。
【００２１】
＜ＧａＡｓ単結晶製造装置＞
ＧａＡｓ単結晶製造装置１は、チャンバ２と、熱分解窒化硼素（ＰＢＮ：Pyrolytic Boron Nitride）製のルツボ５と、ルツボ５を支えるルツボ軸４と、ＧａＡｓ単結晶１０を
引き上げる引上軸３と、ルツボ５の加熱手段であるヒータ（抵抗加熱ヒータ）としてのカーボンヒータ８と、断熱材１４とを備えている。
【００２２】
チャンバ２は、耐圧容器であって、ＧａＡｓ単結晶成長時には不活性ガスが充填される。チャンバ２内にはルツボ５が設置されている。カーボンヒータ８はルツボ５の外周部及び底部を取り囲むように設けられている。さらにカーボンヒータ８の周囲には断熱材１４が設置されている。なお、チャンバ２内に充填する不活性ガスにはＡｒ、Ｎ２などが用いられ、チャンバ２内の不活性ガス圧力は、例えば６０ａｔｍ程度とされる。
【００２３】
ルツボ５の底部中央にはルツボ軸４が取り付けられ、ルツボ５はルツボ軸４によって支持されている。また、ルツボ５はルツボ軸４によって回転自在となっている。ルツボ軸４はチャンバ２の底壁を垂直に貫通しており、貫通部は図示省略のシール部材でシールされている。
【００２４】
引上軸３は、チャンバ２の上壁を垂直に貫通して設けられ、回転自在及び昇降自在に構成されている。引上軸３の下端には、種結晶７を取り付けることができるようになっている。
【００２５】
＜ＧａＡｓ単結晶製造方法＞
次に、本実施形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法について説明する。
【００２６】
ルツボ５内に、Ｇａ及びＡｓと、Ａｓの揮発防止剤である三酸化硼素とを収納して、ルツボ５をチャンバ２内に設置する。また、引上軸３の下端に結晶の元となるＧａＡｓの種結晶７を取り付ける。なお、種結晶７は、ＧａＡｓ融液９と接する面を（１００）面とするのが一般的である。
【００２７】
チャンバ２内を真空排気した後、不活性ガスを充填する。その後、チャンバ２内に設置されたカーボンヒータ８に通電してルツボ５を加熱して、ＧａとＡｓを反応させることでＧａＡｓを合成し、引き続き昇温させてＧａＡｓ融液９を生成する。
【００２８】
引上軸３をルツボ５とは逆向きに５ｒｐｍ程度で回転させ、引上軸３を種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触するまで下降させる。続いて、カーボンヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ、種結晶７を一定の速度で引き上げる。単結晶は徐々に増径して結晶頭部１２から結晶肩部１３を形成した後、結晶の直径が目標値に達したら、結晶の直径を一定に維持するように設定温度などを制御しつつ成長させ、ＧａＡｓ単結晶１０を製造する。
【００２９】
ＧａＡｓ単結晶１０を製造する際、図１に示すように、結晶成長過程における固液界面１１がＧａＡｓ融液９側に凸形状に維持されるように製造する。具体的には、ルツボ５の
回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と引上軸３の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕との関係が、
２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖ（ｅは自然対数の底）
となるように制御する。
【００３０】
ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖとすることで、結晶成長過程において転位の集積を抑制でき、安定した歩留でウエハ取得が可能となる。さらに、ルツボ５の回転数ｎが２８≧ｎであれば、ルツボ５の高速回転に伴うルツボ軸４の偏芯の増加やルツボ軸４のシール部の磨耗を抑制することができ、生産性の低下を防止できる。
【００３１】
本実施形態では、引上軸３をルツボ５とは逆方向に回転させながら引き上げたが、引上軸３を回転させなくても良い。引上軸３を回転させずに、ルツボ５だけを回転させた場合でも、ほぼ同様の効果が得られることが確認されている。
【００３２】
さらに、本実施形態によれば固液界面の凸形状の安定が図れるため、ウエハサイズ径が１００ｍｍ以上となる結晶径を有するＧａＡｓ単結晶を歩留よく製造することができる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００３４】
図１におけるＧａＡｓ単結晶製造装置１を用いて、結晶の直径が１００ｍｍであるＧａＡｓ単結晶１０を製造した。外径２８０ｍｍのＰＢＮ製のルツボ５内に１１５００ｇのＧａと、１２５００ｇのＡｓと、Ａｓの揮発防止に必要な適量の三酸化硼素とを収納し、ルツボ５をチャンバ２内に設置して加熱昇温した。ＧａＡｓ融液９の加熱温度は１２３８℃以上とした。引上軸３の回転数を５ｒｐｍに設定し、引上速度Ｖを、２ｍｍ／ｈ、４ｍｍ／ｈ、６ｍｍ／ｈ、８ｍｍ／ｈ、１０ｍｍ／ｈ、１２ｍｍ／ｈ、１４ｍｍ／ｈ、１６ｍｍ／ｈ、１８ｍｍ／ｈ、２０ｍｍ／ｈの１０通りの条件を設定した。次に、それぞれの引上速度Ｖに対するルツボ５の回転数ｎを０ｒｍｐから１ｒｍｐずつ上げていき、製造されたＧａＡｓ単結晶１０からのウエハ取得枚数の歩留の推移を調査した。その結果を図３に示す。
【００３５】
図３に示すように、引上軸３のそれぞれの引上速度Ｖに対して、ルツボ５の回転数ｎを上げていくとウエハ取得枚数の歩留が向上することが確認できた。
一方、図３に示すように、ルツボ５の回転数が２８ｒｐｍを上回ると、歩留が大きく低下することになった。このことから、ルツボの回転数ｎの最適な上限値は２８ｒｐｍであることがわかった。
【００３６】
さらに、図３から、ウエハ取得枚数の歩留が８０％となる時の、引上速度Ｖとルツボ５の回転数ｎを調査した。その結果を図４に示す。調査によって得られたデータから近似曲線を描いたところ、ｎ＝５．８９ｅ０．０７Ｖとなった。
このことから、ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖの関係を満たす場合に、８０％以上の歩留でウエハ取得が可能であることがわかった。
【００３７】
以上により、ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の成長過程において、ルツボの回転数ｎ〔ｒｐｍ〕と引上軸の引上速度Ｖ〔ｍｍ／ｈ〕との最適な関係は、２８≧ｎ≧５．８９ｅ０．０７Ｖであり、このようにすると、８０％以上の高歩留でウエハを取得でき、しかも安定的にＧａＡｓ単結晶を生産できることになる。
【符号の説明】
【００３８】
１  ＧａＡｓ単結晶製造装置
２  チャンバ
３  引上軸
４  ルツボ軸
５  ルツボ
６  三酸化硼素融液（液体封止剤）
７  種結晶
８  カーボンヒータ（ヒータ）
９  ＧａＡｓ融液
１０  ＧａＡｓ単結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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