(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ内の融液表面に種結晶を接触させ、メニスカスが安定した後、結晶育成時よりも速い所定範囲内の引上げ速度で種結晶を上昇させ、種結晶が融液から離れた時の引上げ距離を検知し、その検知した引上げ距離が予め決定した長さに一致した時点で再び融液表面に種結晶を接触させて結晶育成のための引上げを開始させるようにしたことを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記引上げ速度は、毎時２０〜５００ｍｍの範囲内の任意の速度であることを特徴とする請求項１記載の単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、単結晶の製造方法に関し、特にチョクラルスキー法（液体封止チョクラルスキー（ＬＥＣ）法を含む。）による単結晶の成長方法に利用される技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓやＩｎＰのような化合物半導体単結晶の成長方法の一つに、るつぼ内に原料を入れて加熱、溶融させ、その融液表面に種結晶を接触させてから徐々に引き上げることによって結晶方位の揃った単結晶を成長させるチョクラルスキー法がある。
このチョクラルスキー法による結晶成長においては、単結晶引上げ開始時（種付け時）における融液表面の温度が高すぎると種結晶が溶けてしまって結晶は成長せず、また低すぎると多結晶化したり結晶欠陥が発生する。そのため、チョクラルスキー法では、種付け時の融液温度と引上げタイミングの決定が非常に重要となる。
【０００３】
種付け時の融液表面温度を知り、最適な温度でもって引上げを開始する従来技術として、種結晶を融液に接触させて重量変化量を測定し、所定時間経過後に種結晶を融液から離した後再び融液に接触させて重量変化量を測定し、両者の重量変化量の差分が０．１ｇ以下になった時に最適な種付け温度になったとする方法が特開昭５６−１６４０９８号公報に開示されている。
【０００４】
また、他の従来技術として、本出願人が先に出願したものがある（特開平２−２０４３８８号、特開平２−２０４３８９号）。特開平２−２０４３８８号公報に記載された単結晶の製造方法は、単結晶の引上げを開始し、単結晶引上げ軸に接続した重量測定器からの検出信号に基づいて結晶重量の変化率を逐次算出し、少なくとも引上げ開始後２０分間その変化率の軌跡が予め設定しておいた許容範囲に入るように引上げ開始時の融液表面温度を決定するようにしたものであり、同一形状でしかも欠陥の少ない単結晶を再現性よく成長させることができるという効果を有する。また、特開平２−２０４３８９号公報に記載された方法は、融液表面に種結晶を接触させ、メニスカスが安定した後引上げ軸を毎時２０〜３００ｍｍの速さで上昇させ、その時の重量変化を単結晶引上げ軸もしくはるつぼ支持軸に接続した重量測定器で検出し、重量変化量が予め決定した大きさになった時点もしくは測定値から重量の時間的変化ｄｗ／ｄｔを算出し、その値が所定の大きさになった時点で結晶育成のための引上げを開始させるようにしたものであり、毎回同一の最適温度で結晶の成長を開始させることができるとともに、バラツキの少ない形状制御が可能となるという効果を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平２−２０４３８８号及び特開平２−２０４３８９号の方法は、何れも本出願人によりその効果が確認されており、十分に実用化可能な技術であるが、上記特開昭５６−１６４０９８号の方法にあっては、その実用化にあたって高精度な重量センサが必要となるという欠点を有するだけでなく、高精度な重量センサはノイズの影響を著しく受け易いことや、種結晶を融液に接触させた際の接触時間の長短によって種結晶の重量変化量が変わってしまうなどの欠点により、重量変化量の差分を精度良く求めて最適な種付け温度を決定することは困難であるという問題点があることが本発明者らによって明らかとされた。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、チョクラルスキー法による単結晶の育成工程において、結晶欠陥が少なく且つ形状のバラツキの少ない単結晶を再現性よく成長させることができるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、融液表面に接触させた種結晶を高速で引き上げた時に、融液表面から離れるまでの種結晶の引上げ距離が融液表面の温度によって変化することに着目し、その引上げ距離によって種付け温度を決定することができると考え、鋭意研究を重ねた。その結果、融液表面に種結晶を接触させた後、直に種結晶を引き上げず、メニスカスが安定するまで待ってから引き上げるようにすることによって、引上げ距離と融液表面の温度との間に相関関係が得られることがわかり、本発明の完成に至った。
【０００８】
この発明は上記のような知見に基づいてなされたもので、請求項１記載の発明は、るつぼ内の融液表面に種結晶を接触させ、メニスカスが安定した後、結晶育成時よりも速い所定範囲内の引上げ速度で種結晶を上昇させ、種結晶が融液から離れた時の引上げ距離を検知し、その検知した引上げ距離が予め決定した長さに一致した時点で再び融液表面に種結晶を接触させて結晶育成のための引上げを開始させるようにしたことを特徴とする。
この発明において、請求項２記載の発明のように、前記引上げ速度は、毎時２０〜５００ｍｍの範囲内の任意の速度であるとよい。より好ましくは、毎時５０〜２００ｍｍの範囲内とされる。
【０００９】
ここで、種結晶の引上げ速度が上記範囲であるのは、上記下限に達しない場合には種結晶が融液から離れ難くなってしまい、一方、上記上限を超える場合には極めて短時間のうちに種結晶が融液から離れてしまって引上げ距離を正確に知ることが困難となるからである。
【００１０】
また、メニスカスが安定するとは、メニスカスの形状や大きさが変化せず一定となった状態のことをいう。
【００１１】
【作用】
上記した手段によれば、融液表面に種結晶を接触させてから、これを高速、例えば毎時２０〜５００ｍｍの範囲内の任意の速度で引き上げると、種結晶は融液から離れるが、その時の引上げ距離は種結晶の引上げ速度及び融液の表面温度が一定であれば略一定になる。従って、上記した手段により種付け温度を決定すれば、毎回同一の最適温度で単結晶の育成を開始させることができる。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例において使用する単結晶引上げ炉を示すもので、密閉型の高圧容器３内には、略円筒状のヒータ４が配設されており、このヒータ４の中央には例えばｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製のるつぼ５が配置されている。そして、このるつぼ５中には、融液６が入れられており、融液６の上面はＢ２  Ｏ３  からなる液体封止剤層７で覆われている。また、るつぼ５は、その下端に固着された支持軸８により回転及び上下動可能に支持されている。９は支持軸８の下端に設けられた支持軸回転・上下駆動機構である。なお、１１はヒータ４の外周を囲繞するように配置された断熱部材である。
【００１３】
一方、るつぼ５の上方からは、高圧容器３内に結晶引上げ軸１２が回転且つ上下動可能に垂下されており、この結晶引上げ軸１２の下端に種結晶１を保持し、るつぼ５中の融液６の表面に接触させることができるようになっている。１３は結晶引上げ軸１２の上端に設けられた引上げ軸回転・上下駆動機構である。また、結晶引上げ軸１２には、結晶の重量を測定できる重量センサ１４が取り付けられている。
【００１４】
さらに、高圧容器３の側壁上部には、高圧のＡｒガスを導入するためのガス導入管１５が接続され、側壁下部には、そのＡｒガスを高圧容器３の外部へ排出するガス排出管１６が接続されている。これらガス導入管１５及びガス排出管１６を介して高圧容器３内を加圧、減圧して内部圧力を所定圧力とすることができるようになっている。
【００１５】
以下、上記構成の単結晶引上げ炉を用いて、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を育成する場合の実施例について説明する。
先ず、原料としてＧａＡｓ多結晶を用意し、これをるつぼ５中に入れる。次いで、Ｂ２  Ｏ３  を封止剤としてるつぼ５内に入れ、このるつぼ５をヒータ４の内側に設置した後、高圧容器３内に高圧のＡｒガスを導入するとともに、ヒータ４を加熱してるつぼ５内の原料を融解させる。
【００１６】
次に、引上げ軸回転・上下駆動機構１３を作動させて先ず引上げ軸１２を降下させて、その下端に保持されている種結晶１をるつぼ５内の原料融液６の表面に接触させる。このとき、融液表面の高熱によって種結晶１が溶け、メニスカスが生ずる。このメニスカスは、融液表面の温度が高くなるに従って細長くなる。このメニスカスが安定するまで待ってから、種結晶１を高速で引き上げて融液表面から離し、その離れるまでの種結晶１の引上げ距離を測定する。
【００１７】
このときの種結晶１の引上げ速度は２０〜５００ｍｍ／ｈｒの範囲が妥当である。引上げ速度がこれよりも小さいと、種結晶１が融液６からなかなか離れず、一方、引上げ速度が５００ｍｍ／ｈｒよりも大きいと、極めて短時間のうちに種結晶１が融液から離れてしまって引上げ距離を正確に測定することが困難となるからである。
【００１８】
引上げ距離の測定にあたっては、炉に設けられた図示しない覗き窓からの目視観察、或は重量センサ１４による種結晶１の急激な重量変化などにより種結晶１が融液６から離れる瞬間を知り、その瞬間までの引上げ軸１２の実際の上昇量（引上げ量）を引上げ軸回転・上下駆動機構１３などにおいて検出するようにしてもよいし、引上げ開始から離れる瞬間までに要した時間と引上げ速度とから引上げ距離を算出するようにしてもよい。
【００１９】
種結晶１が融液６から離れるまでの引上げ距離は、引上げ速度が一定であれば融液６の表面温度に依存し、つまり表面温度が高ければ引上げ距離は小さくなり、表面温度が低ければ大きくなる。従って、上記種結晶１の接触、引上げを繰り返してその都度融液６から離れるまでの引上げ距離を測定し、その測定値が所定値よりも大きければヒータ４の電力を上げて融液６の温度を高くし、また、測定値が所定値よりも小さければヒータ４の電力を下げて融液６の温度を低くする。そうすることによって、融液６の表面温度の調節を行なう。そして、融液６から離れるまでの種結晶１の引上げ距離が所定の値になったら、融液６の表面が最適な種付け温度になったとして、再び融液６の表面に種結晶１を接触させて結晶育成のための引上げを開始する。
【００２０】
本発明者らは、種結晶１が融液６から離れるまでの引上げ距離と融液表面温度との関係を実験により調べた。その結果、引上げ速度が一定の場合には、両者の間には図２に示すような相関関係があり、例えば引上げ速度が３００ｍｍ／ｈｒの時の最適温度Ｔｓ  に相当する引上げ距離ｌは５．０ｍｍであることがわかった。
このように実験により、最適温度Ｔｓ  と引上げ距離ｌの関係が求まれば、毎回再現性よく同一の最適温度で種付けを行なうことが可能となり、種付け不良による時間のロスがなくなる。
【００２１】
従って、原料融解後、融液表面に種結晶１を接触させて一定の速度で引上げ軸１２を上昇させ、種結晶１が融液６から離れるまでの引上げ距離ｌを求め、それが所定値（引上げ速度が３００ｍｍ／ｈｒのときは５．０ｍｍである。）になった時点で結晶の成長を開始させるようにすれば、毎回同一の最適温度で結晶成長を開始させることができる。
【００２２】
その結果、種付け時に融液６が高温過ぎて種結晶１が融解したり、低温過ぎて多結晶化したり結晶欠陥が増大したりするなどの不都合が回避され、また得られた結晶における肩部の形状及び直胴部の形状の制御性が良好であり、同一形状の単結晶を再現性よく育成することができるということが実験により確認された。
【００２３】
なお、上記実施例では最適温度Ｔｓ  に対応する種結晶１の引上げ距離ｌを５．０ｍｍとしたが、これは引上げ速度が３００ｍｍ／ｈｒの時の値であり、引上げ速度を２０〜５００ｍｍ／ｈｒの範囲で変えた時にはそれに応じて最適な引上げ距離ｌを実験により決定してやればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る単結晶の製造方法によれば、るつぼ内の融液表面に種結晶を接触させ、メニスカスが安定した後、結晶育成時よりも速い所定範囲、例えば毎時２０〜５００ｍｍの範囲内の任意の引上げ速度で種結晶を上昇させ、種結晶が融液から離れた時の引上げ距離を検知し、その検知した引上げ距離が予め決定した長さに一致した時点で再び融液表面に種結晶を接触させて結晶育成のための引上げを開始させるようにしたため、毎回同一の最適温度で単結晶の育成を開始させることができるので、結晶欠陥が少なく且つ形状のバラツキの少ない単結晶を再現性よく成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において使用した単結晶引上げ炉の一例を示す縦断面図である。
【図２】本実施例における種結晶の引上げ距離と融液表面温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１  種結晶
５  るつぼ
６  融液
【図１】
0003551270.tif 000002
【図２】
0003551270.tif 000003