(57)【要約】【課題】  大口径の単結晶を育成する際にも、固液界面形状を融液側に凸面に制御可能としたＬＥＣ法による化合物単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】  ルツボ７の底壁外周部側の下方に、リング状のルツボ下ヒータ１０を設け、そのヒータ面をルツボ側壁７aの底部側に向けるために、水平面に対して傾斜させる。このルツボ下ヒータ１０によりルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、ルツボ壁の近傍から上昇して育成中のＧａＡｓ単結晶３に向かう大きなＧａＡｓ融液６の自然対流Ｓを形成する。これにより、ＧａＡｓ単結晶３とルツボ７との相対回転に起因する固液界面付近の強制対流に打ち勝って、ＧａＡｓ融液６内の対流は自然対流Ｓが支配的となり、固液界面形状をＧａＡｓ融液６側に凸面に制御可能となる。【選択図】  図１
2006290641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボに原料及び封止剤を収納し、上記ルツボの周囲に設けた加熱手段により上記ルツボ内を加熱して原料及び封止剤を融解し、融解した原料融液に種結晶を接触させ、上記種結晶を上記ルツボに対して相対的に回転させながら引き上げることにより、化合物単結晶を成長させる液体封止引上げ法を用いた化合物単結晶の製造方法において、
上記ルツボの底壁外周部側の下方に底部加熱手段を設け、この底部加熱手段により上記ルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、上記ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたことを特徴とする化合物単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の化合物単結晶の製造方法において、
上記底部加熱手段は、
上記ルツボ底壁外周部に沿ったリング状のヒータであって、そのヒータ面は内周側が外周側よりも高くなって水平面に対して傾斜して形成され、且つ、上記ヒータの内周縁部及び外周縁部から半径方向に切り込まれたスリットを交互に有すると共に、
上記スリットの長さＢを、育成する化合物単結晶の径Ａで割った値αが、
０.１≦α≦０.４５
を満たし、且つ
上記ヒータ面の水平面に対する傾斜角θが、
３０°≦θ≦４０°
を満たすことを特徴とする化合物単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）により化合物単結晶を製造する方法に係り、特に、加熱手段によって融液内対流の改善を図った化合物単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体は、その単結晶の高品質化により、高速集積回路、光−電子集積回路やその他の電子素子に広く用いられるようになってきた。なかでも、III‐Ｖ族化合物半導体の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）は電子移動度がシリコンに比べて早く、１０7Ω・ｃｍ以上の比抵抗のウエハが製造容易という特徴がある。現在では、ＧａＡｓの単結晶は、主に液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）により製造されている。
【０００３】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図５によって説明する。
図５に示すＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造装置（引上げ炉）は、耐圧容器であるチャンバー９と、結晶を引き上げるための引上軸１と、化合物半導体原料を収容する容器であるＰＢＮ(Pyrolytic Boron Nitride)製のルツボ７と、このルツボ７を支持するルツボ軸８と、ルツボ７の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのカーボン製のヒータ５とを有する。
【０００４】
結晶製造にあたっては、まず、Ｇａ、Ａｓ及び封止剤であるＢ2Ｏ3(三酸化硼素)をルツボ７に入れ、このルツボ７をチャンバー９内にセットする。また、引上軸１の先端に、目的の方位を持った種結晶２を取り付ける。次いで、チャンバー９内を真空にし、不活性ガスを充填した後、ヒータ５に通電し、チャンバー９内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成してＧａＡｓ多結晶を作成する。その後、更に昇温させてＧａＡｓを融液化し、その表面がＢ2Ｏ3融液４で覆われたＧａＡｓ融液６とする。
【０００５】
続いて、引上軸１、ルツボ軸８を相対的に回転させる。この状態で、引上軸１を、その先端に取り付けてある種結晶２がＧａＡｓ融液６に接触するまで下降させる。その後、この種結晶２を回転させながらゆっくりと引き上げることで、ＧａＡｓ単結晶３を成長させる。
【０００６】
ところで、ＬＥＣ法による化合物単結晶の製造においては、固液界面が融液側に凹面形状になりやすく、その部分から多結晶化するという問題がある。特に、成長させる結晶径が１００ｍｍ以上の大口径結晶では、固液界面の重要性は小口径結晶よりも増し、安定的に融液側に凸面形状であることが必要となる。
【０００７】
そこで、固液界面の形状を融液側に凸状にするために、ヒータの発熱量の制御、ヒータやホットゾーンの形状等を改良する試みがなされている。例えば、初期原料融液のルツボ内深さと、ヒータの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複した部分の長さと、ルツボ底部の温度との関係に着目し、これらを一定の条件下で成長させるもの（特許文献１参照）などがある。
【特許文献１】特公平６−８８８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の技術では、大口径の単結晶を成長させる場合、固液界面形状を、安定的に融液側に凸面に制御するのは難しかった。
このことを更に述べると、結晶欠陥の発生を左右する固液界面形状は、原料融液（ＧａＡｓ融液）の融液内対流に密接な関係がある。この融液内対流は、融液内温度差に起因してルツボ壁近傍から上昇し成長結晶に向かう自然対流と、結晶・ルツボの相対回転に起因して固液界面付近で渦巻く強制対流とがある。結晶が大口径になるにつれて、回転に起因する固液界面付近の強制対流が支配的になってくる。このため、固液界面形状は融液側に凹面になり易い。転位は固液界面に垂直に伝播するので、固液界面が融液側に凹面の場合、そこに転位が集合して多結晶化することになり、結晶の品質を悪くしているのが現状である。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決し、大口径の単結晶を育成する際にも、固液界面形状を融液側に凸面に制御可能とした化合物単結晶の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、ルツボに原料及び封止剤を収納し、上記ルツボの周囲に設けた加熱手段により上記ルツボ内を加熱して原料及び封止剤を融解し、融解した原料融液に種結晶を接触させ、上記種結晶を上記ルツボに対して相対的に回転させながら引き上げることにより、化合物単結晶を成長させる液体封止引上げ法を用いた化合物単結晶の製造方法において、上記ルツボの底壁外周部側の下方に底部加熱手段を設け、この底部加熱手段により上記ルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、上記ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたことを特徴とする化合物単結晶の製造方法である。
【００１１】
このように、底部加熱手段によりルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するように構成しているので、単結晶とルツボとの相対回転に起因する固液界面付近の強制対流に打ち勝って、原料融液内の対流は自然対流が支配的な状態となり、固液界面形状を融液側に凸面に制御可能となる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、上記底部加熱手段は、上記ルツボ底壁外周部に沿ったリング状のヒータであって、そのヒータ面は内周側が外周側よりも高くなって水平面に対して傾斜して形成され、且つ、上記ヒータの内周縁部及び外周縁部から半径方向に切り込まれたスリットを交互に有すると共に、上記スリットの長さＢを育成する化合物単結晶の径Ａで割った値α(α＝Ｂ／Ａ)が、０.１≦α≦０.４５を満たし、且つ上記ヒータ面の水平面に対する傾斜角θが、３０°≦θ≦４０°を満たすことを特徴とする化合物単結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたので、単結晶を成長するのに理想的な、融液側に凸面である固液界面形状を形成することが可能となる。よって、高品質の化合物単結晶を歩留りよく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態に使用される化合物単結晶の製造装置である。この単結晶製造装置は、原料のＧａおよびＡｓとＡｓの揮発防止用の封止剤であるＢ2Ｏ3とを収容するＰＢＮ製のルツボ７と、このルツボ７が設置され不活性ガスが充填される炉体部分であるチャンバー（耐圧容器）９と、種結晶２がその下端に取り付けられ、回転・昇降移動可能にチャンバー９内に設けられた引上軸１と、チャンバー９内のルツボ７を回転・昇降移動可能に支持するルツボ軸８と、ルツボ側壁７ａの外周を取り巻くように設けられた加熱手段としてのメインヒータ１５と、ルツボ底壁７ｂの外周部側の下方に設けられた底部加熱手段としてのルツボ下ヒータ１０と、これらヒータ１５，１０の周囲に配設された保温部材１６とを有している。
【００１５】
メインヒータ１５は、円筒体状のカーボン製ヒータであり、上部・中部・下部の三部に分割され、各部ごとに温度制御できるようになっているが、全体としてはルツボ７より上下方向の長さは長く、ルツボ７外周を包囲するように設けられている。
【００１６】
ルツボ下ヒータ１０は、ルツボ底壁７ｂの外周部に沿ったリング状ないし円環状のヒータであり、メインヒータ１５と同様にカーボン製ヒータである。ルツボ下ヒータ１０のルツボ底壁７ｂに対向するヒータ面は、外周側から内周側へと次第に高くなった円錐面状となっており、ヒータ面が、ルツボ側壁７ａの底部側に向くように、水平面に対して傾斜角(円錐の底角)θだけ傾斜している。
【００１７】
また、ルツボ下ヒータ１０は、図２にこれを展開して示すように、ヒータ１０の内周縁部１０ａ及び外周縁部１０ｂから半径方向（幅方向）に内スリット１１及び外スリット１２を交互に入れたもので、ヒータ線が蛇行したベルト状のヒータが円環状に配設された構造となっている。内スリット１１及び外スリット１２の長さＢは同一であり、これらスリット１１，１２が円環状のルツボ下ヒータ１０の周方向に沿って等間隔に形成されている。なお、上記の円筒体状のメインヒータ１５にも、図２に示すようなスリットが、ヒータ上端部及びヒータ下端部から垂直方向に交互に設けられている。
【００１８】
上記のルツボ下ヒータ１０は、スリット１１，１２の長さＢを育成する結晶径(ＧａＡｓ単結晶３の直径)Ａで割った値α＝Ｂ／Ａ、つまり育成する結晶径Ａに対するスリットの長さＢの割合αが、０.１≦α≦０.４５ を満足するように設定されている。例えば、成長結晶の直径が４インチ(１０１.６ｍｍ)の場合には、スリットの長さＢ(ｍｍ)は、101.6×0.45≒45.7≧Ｂ≧101.6×0.1≒10.2の範囲にする。また、上述したルツボ下ヒータ１０のヒータ面の水平面に対する傾斜角θは、３０°≦θ≦４０°を満たす範囲に設定されている。
【００１９】
上記製造装置を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法は、基本的には従来技術で説明したＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶の製造方法と同様である。すなわち、図１において、Ｇａ、Ａｓ及びＢ2Ｏ3を充填したルツボ７をチャンバー９内のルツボ軸８上に設置し、チャンバー９内を真空引きした後、不活性ガスで置換し、チャンバー９内を加圧された不活性ガスの雰囲気とする。次いで、ルツボ７内をメインヒータ１５及びルツボ下ヒータ１０により融点温度以上に加熱し、表面がＢ2Ｏ3融液４で覆われたＧａＡｓ融液６を形成する。更に、ルツボ軸８によりルツボ７を上下方向に移動させ、ＧａＡｓ融液６最上面の位置をメインヒータ５の発熱する部分の中心の位置とほぼ一致させる。その後、引上軸１を下降させて種結晶２をＧａＡｓ融液６に接触させ、主にメインヒータ５の出力の調整により、チャンバー９内の温度を徐々に下げつつ、種結晶２をルツボ７に対して相対的に回転させながら、引上軸１を一定の速度で上昇させることで、ＧａＡｓ単結晶３を成長させる。
【００２０】
本実施の形態において、特徴とするところは、ＬＥＣ法を用いたＧａＡｓ単結晶の製造において、ＧａＡｓ融液６内の対流を単結晶成長に好適な流れに改善すべく、メインヒータ１５だけでなく、更にルツボ底壁７ｂの外周部側の下方にルツボ下ヒータ１０を設け、このルツボ下ヒータ１０によりルツボ底壁７ｂを介してルツボ側壁７ａを加熱するように構成したことにある。
【００２１】
即ち、主にルツボ底壁７ｂ外周部を通じてルツボ側壁７ａの底部側を加熱するために、ルツボ下ヒータ１０を、ルツボ底壁７ｂの外周部側の下方に、ルツボ底壁７ｂ外周部に沿ったリング状に形成し、且つ、ルツボ下ヒータ１０の内・外スリット１１，１２の長さＢ（ルツボ下ヒータ１０の幅方向の有効発熱部長さに対応する）を育成するＧａＡｓ単結晶３の直径Ａで割った値α(＝Ｂ／Ａ)を、０.１〜０.４５に設定している。更に、ルツボ下ヒータ１０のヒータ面を、ルツボ側壁７ａの底部側に向けるために、水平面に対して傾斜角θ（３０度〜４０度）だけ傾斜させている。
【００２２】
このようにルツボ下ヒータ１０を設定することにより、ルツボ下ヒータ１０から放射される熱線Ｒは、図１に示すように、主にルツボ底壁７ｂ外周部を通過してルツボ側壁７ａの底部側に照射され、ルツボ底壁７ｂ外周部およびルツボ側壁７ａの底部側を加熱する。（ルツボ下ヒータ１０のヒータ面を水平面に対して傾斜角θだけ傾斜させているので、熱線Ｒは、θ＝０のときの垂直上方向からルツボ７の半径方向外方に角度θだけ傾いた方向に進み、ルツボ側壁７ａに対して角度θをなして斜めに入射する。）この加熱により、ＧａＡｓ融液６内の対流は、図１に示すように、ルツボ７壁近傍から上昇し成長結晶に向かう流れ（自然対流Ｓ）が大きくなり、自然対流Ｓが支配的となって、固液界面形状はＧａＡｓ融液６側に凸面になりやすい。このことにより、ＧａＡｓ単結晶３を成長するのに理想的な固液界面形状を形成することが可能となる。
【００２３】
これに対し、上記範囲をはずれて、α値が０.４５を超えた場合や、ヒータ面の傾斜角θが２５度以下の場合には、ルツボ下軸８がルツボ下ヒータ１０により熱せられることにより、ＧａＡｓ融液６内の対流は、ＧａＡｓ単結晶３の回転により固液界面付近で渦巻く強制対流が支配的となって、固液界面形状がＧａＡｓ融液６側に凹面になりやすい。また、ルツボ下ヒータ１０のヒータ面の傾斜角θが４５度以上の場合は、ルツボ側壁７ａが熱せられず、ルツボ壁近傍から上昇する自然対流Ｓが小さくなるため、固液界面形状は凸面になりにくい。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。この実施例では、上記実施形態の効果を確認するために、直径６インチ（15.24ｃｍ）のＧａＡｓ単結晶の成長を行った。ここでは、ルツボ下ヒータ１０のスリットの長さＢを変更することにより、育成する結晶径(ＧａＡｓ単結晶３の直径)Ａに対するスリット長さＢの割合であるα値を０.０１〜０.５０まで変化させて成長を行った。ルツボ下ヒータ１０の傾斜角θは一定（θ＝３５度）とした。
【００２５】
図３に、この場合のα値に対する全域単結晶の生産歩留り（単結晶歩留り）の関係を示す。図３に示す通り、単結晶歩留りはα値が大きくなるにつれて徐々に上がり始め、０.１位から単結晶歩留りが８０％以上、０.２２位から８５％以上、０.３６位から９０％以上となり、０.４５を超えたあたりで急激に下がることが分かった。よって単結晶歩留りを高く維持するα値としては、結晶径Ａに対してスリット長さＢが０.１〜０.４５の割合、好ましくは０.２２〜０.４５の割合、更に好ましくは０.３６〜０.４５の割合のルツボ下ヒータ１０を使用するのが良い。
【００２６】
次に、ルツボ下ヒータ１０のヒータ面の傾斜角θを０〜５５度の範囲で変えて成長を行った。育成する結晶径Ａに対するスリット長さＢの割合であるα値は、一定（α＝０．４０）とした。
【００２７】
図４に、この場合のヒータ傾斜角θに対する全域単結晶の生産歩留り（単結晶歩留り）の関係を示す。ヒータ傾斜角θが大きくなるにつれて、単結晶歩留りが徐々に上がり始め、図４に示すように、傾斜角θが３０度のときには単結晶歩留りが９０％に達し、傾斜角θが４０度を超えた付近から単結晶歩留りが９０％未満に低下する。つまりルツボ下ヒータ１０は、傾斜角θが３０〜４０度の範囲範囲で高い歩留り値を示すことが分かった。よってルツボ下ヒータ１０は傾斜角θが３０〜４０度の範囲で傾けるのが良い。
【００２８】
上記の実施形態・実施例では、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を製造する場合について説明したが、本発明はＧａＡｓ単結晶だけでなく、ＧａＰ、ＩｎＰなど他の材料を用いた化合物単結晶の製造方法についても、もちろん適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態で使用される化合物単結晶製造装置の概略構造を示す縦断面図である。
【図２】図１のリング状のルツボ下ヒータを展開して示した平面図である。
【図３】本発明の実施例におけるα値と単結晶歩留りとの関係を示した図である。
【図４】本発明の実施例におけるルツボ下ヒータ面の傾斜角θと単結晶歩留りとの関係を示した図である。
【図５】従来の化合物単結晶の製造装置を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１      引上軸
２      種結晶
３      ＧａＡｓ単結晶
４      Ｂ2Ｏ3融液
５      メインヒータ
６      ＧａＡｓ融液
７      ルツボ
７ａ    ルツボ側壁
７ｂ    ルツボ底壁
８      ルツボ軸
９      チャンバー
１０    ルツボ下ヒータ
１０ａ  内周縁部
１０ｂ  外周縁部
１１    内スリット
１２    外スリット
Ａ      ＧａＡｓ単結晶の直径
Ｂ      スリットの長さ
Ｓ      自然対流
θ      ヒータ面の傾斜角
【図１】
2006290641.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006290641.tif 000006
【図５】
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