(57)【要約】【課題】  ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、原料融液からの輻射熱を断熱材で遮断することで、固液界面の凸面形状の凸度のバランスをとり、固液界面とルツボ底部との接触による不良を低減することを可能にする。【解決手段】  ルツボ７からサセプター９のベース部９ａへの輻射熱を、サセプター９のベース部９ａの内側に設けた断熱材１０で遮断することにより、化合物半導体単結晶と原料融液の固液界面１２を原料融液側に凸面形状に維持し、かつ、その固液界面１２が成長中にルツボ７の底部に接触しないように固液界面１２の凸面形状のバランスをとる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボをサセプターに乗せ、これを不活性ガスで充填された耐圧容器内に収容して加熱し、その加熱されたルツボ内に原料融液と液体封止剤を収納し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記ルツボからサセプターのベース部への輻射熱を、サセプターのベース部の内側に設けた断熱材で遮断することにより、化合物半導体単結晶と原料融液の固液界面を原料融液側に凸面形状に維持し、かつ、その固液界面が成長中にルツボの底部に接触しないようにすることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記サセプターを、上記ルツボの底面と接するベース部及びルツボの周面と接する周壁部からなる有底無蓋の円筒状とし、そのベース部にのみ内側に上記断熱材を設けて、上記ルツボからサセプターのベース部への輻射熱を遮断することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記サセプターのベース部の断熱材の平面的に見た大きさ及び形状を、上記ルツボ底面の大きさ及び形状とほぼ同一にすることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｍｅｔｈｏｄ：液体封止引上げ法）による化合物半導体単結晶の製造方法、特に固液界面が成長中にルツボの底部に接触しないように固液界面の凸面形状のバランスをとる技術に関するものである。
【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速く、１０7Ω・ｃｍ以上の比抵抗のウエハが製造容易という特長がある。現在では上記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３によって説明する。
【０００４】
図３に示すＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造装置は、耐圧容器であるチャンバー１１と、結晶を引き上げる為の引上軸１、化合物半導体原料を収容する容器であるＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ：熱分解窒化ホウ素）製のルツボ７と、このルツボ７を受ける為のサセプター９と、ルツボ軸８を有する構造となっている。
【０００５】
ルツボ７を受けるサセプター９は、ルツボ７と相似形の有底無蓋の円筒状（カップ状）に形成され、サセプター９内にルツボ７が収容されるようになっている。サセプター９は、鉛直なルツボ軸８の上端に固定されている。このルツボ軸８の下端はチャンバー１１の外部下側に設けられた回転・昇降手段（図示せず）に連結され、これによりサセプター９及びルツボ７はルツボ軸８を中心として回転、昇降自在となっている。チャンバー１１内において、サセプター９の周囲には円筒状のカーボン製のヒータ５が配置されている。ヒータ５とチャンバー１１の側壁との間には円筒状の熱シールド部材１３、１４が配置され、サセプター９とチャンバー１１の底板との間には円板状の熱シールド部材１５が配置されている。チャンバー１１内のルツボ７の上側にはルツボ軸８と同軸に引上軸１が設けられている。引上軸１はチャンバー１１の外部上側に設けられた回転・昇降手段（図示せず）により、回転、昇降自在となっている。引上軸１の下端にはホルダにより種結晶２が取り付けられる。
【０００６】
結晶製造方法については、先ず原料の容器となるルツボ７にＧａとＡｓ及び液体封止剤である三酸化硼素４を入れ、これをチャンバー１１内にセットする。又、引上軸１の先端に目的の方位を持った種結晶２を取りつける。
【０００７】
チャンバー１１に原料をセットした後、チャンバー１１内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー１１内に設置してあるヒータ５に通電しチャンバー１１内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓ多結晶を作成する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液（原料融液）６とする。
【０００８】
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に接触するまで引上軸１を下降させる。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を成長する。
【０００９】
ＧａＡｓ単結晶の成長中は、ＧａＡｓ単結晶の外径を一定に保つ外径制御を行う。また、ＧａＡｓ単結晶の成長によりＧａＡｓ融液６の液面が減少した分だけルツボ軸８を上昇させて、ＧａＡｓ融液の液面が常に一定の位置になるようにする制御を行う。
【００１０】
ＧａＡｓ単結晶の製造においては、固液界面の凹面化が進むと、ＧａＡｓ単結晶が成長する過程において結晶格子がずれ、多結晶化が促進される為、固液界面を融液側に凸面にしてＧａＡｓ単結晶を成長する必要がある。
【００１１】
従来、ＰＢＮ製の直径１５．２４ｃｍ（６インチ径）のルツボを用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法において、ＧａＡｓ融液の温度が高いときは固液界面形状が融液に対して凹状になるので多結晶が発生するとの見地から、ヒータの上下部スリットの重複長さとルツボ内の融液深さを考慮した一定温度範囲内に、ＧａＡｓ融液の温度（即ちルツボ底部の温度）が入るようにヒータの発熱量を制御し、固液界面の形状を融液に対して凸状にすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【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】
【００１２】
しかしながら、成長させる結晶径が１００ｍｍ以上の大口径の単結晶の場合には、固液界面の凸面化が進んで、固液界面がルツボ底部に接触することがある。特許文献１には、このように固液界面の凸面化が進んだ場合の不都合については、何ら言及するところがない。
【００１３】
すなわち、１００ｍｍ以上の大口径の単結晶を製造する場合には、当然ながら固液界面の重要性が小口径の単結晶よりも増し、原料融液側に凸面であることが必要とされるが、図３の公知例を適用すると、固液界面の凸面化が進み、つまり凸度が大きくなり、成長中に固液界面がルツボ底部に接触するという事象（不良）が多発する問題が発生する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、原料融液からの輻射熱を断熱材で遮断することで、固液界面の凸面形状の凸度のバランスをとり、固液界面とルツボ底部との接触による不良を低減することが出来る化合物半導体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】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１６】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、ルツボをサセプターに乗せ、これを不活性ガスで充填された耐圧容器内に収容して加熱し、その加熱されたルツボ内に原料融液と液体封止剤を収納し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、上記ルツボからサセプターのベース部への輻射熱を、サセプターのベース部の内側に設けた断熱材で遮断することにより、化合物半導体単結晶と原料融液の固液界面を原料融液側に凸面形状に維持し、かつ、その固液界面が成長中にルツボの底部に接触しないようにすることを特徴とする。
【００１７】
この特徴によれば、固液界面の凸面形状のバランスをとり、固液界面の凸度を適正に維持して、固液界面が成長中にルツボの底部に接触する事象の発生率を激減させることができる。
【００１８】
断熱材は、サセプターのベース部の内側に設ければ足りるが、事情によってはベース部及び周壁部からなる有底無蓋の円筒状（カップ状）のサセプターにおいて、そのベース部の内側だけでなく周壁部の内側にも部分的に設けることができる。すなわち、周壁部の上下方向の領域のうちの下部領域（ベース部の周縁から上方向に続く領域）にも、断熱材を設けることができる。このように周壁部の下領域に断熱材を設けると、原料融液が減少してルツボ及びサセプターが上昇した場合に、ルツボ及びサセプターの下部がヒータに過度に加熱されて、熱流のバランスが崩れるという不都合な事態の発生を緩和することができる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記サセプターを、上記ルツボの底面と接するベース部及びルツボの周面と接する周壁部からなる有底無蓋の円筒状とし、そのベース部にのみ内側に上記断熱材を設けて、上記ルツボからサセプターのベース部への輻射熱を遮断することを特徴とする。
【００２０】
この特徴によれば、断熱材を、有底無蓋の円筒状のサセプタのベース部（底部）にのみ設けるという比較的簡易な手段でありながら、固液界面の凸度を適正に維持するように、固液界面の凸面形状のバランスを容易にとることができる。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記サセプターのベース部の断熱材の平面的に見た大きさ及び形状を、上記ルツボ底面の大きさ及び形状とほぼ同一にすることを特徴とする。
【００２２】
この特徴によれば、固液界面が成長中にルツボの底部に接触する事象の発生率を最小にすることができる。この請求項３には、上記サセプターのベース部の断熱材の直径ｄをルツボの直径Ｄとほぼ同一にする形態が含まれる。
【００２３】
＜発明の要点＞
ＧａＡｓ単結晶を成長する際における問題点の一つとして、転位の集合による結晶の多結晶化がある。転位は、ＧａＡｓ単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面形状を成していると、転位の集合が生じる。よって、転位の集合を防止するため、ＧａＡｓ単結晶の成長中、常に融液側に凸となるように固液界面の形状を制御する。
【００２４】
ところが、１００ｍｍ以上の大口径の単結晶を製造する場合においては、固液界面の凸面化が進み過ぎることがある。つまり、図３の公知例を適用した場合に、固液界面の凸度が大きくなり、成長中に固液界面がルツボ底部に接触するという事象（不良）が多発する。
【００２５】
本発明者が鋭意研究した結果、その原因は、上記図３の引上げ法において、ＧａＡｓ融液からの輻射熱が、ＰＢＮ製のルツボを通して、グラファイト製のサセプターのベース部へ逃げる為、成長中に固液界面がルツボ底部に接触しない最適な凸度とするように固液界面の凸面のバランスをとることが困難であることに起因することが分かった。
【００２６】
そこで、本発明では、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、ＧａＡｓ融液からの輻射熱を断熱材で遮断することで、固液界面の凸面形状のバランスをとる、つまり固液界面の凸度を適正に維持することを容易にして、固液界面とルツボ底部との接触による不良を低減する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ルツボからサセプターのベース部への輻射熱を、サセプターのベース部の内側に設けた断熱材で遮断するので、これにより、化合物半導体単結晶と原料融液の固液界面が原料融液側に凸面形状に維持された状態において、その固液界面の凸面形状のバランスをとること、つまり固液界面の凸度を適正に維持することが容易となり、固液界面が成長中にルツボの底部に接触する事象の発生率を激減させることができる。
【００２８】
従って、本発明の効果として、理想的な固液界面形状を形成することが可能となり、高品質の単結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
この実施形態は、ＰＢＮ製のルツボ内に封止剤と共に入れた化合物半導体の原料を加熱して、液体封止剤で覆われた化合物半導体の融液に種結晶を接触させ、この種結晶を引上げることにより化合物半導体の単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、ＰＢＮ製のルツボからグラファイト製のサセプターのベース部への輻射熱を断熱材で遮断し、これにより固液界面がＰＢＮ製のルツボ底部と接触する不都合を防止し、良質な単結晶を引上げるものである。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る化合物半導体単結晶の製造装置の構成を示す。
【００３２】
この化合物半導体単結晶の製造装置は、従来の図３の装置の場合と同様に、円筒状のチャンバー１１を有しており、このチャンバー１１内に、原料容器としてのＰＢＮ製のルツボ７と、このルツボ７を受けるグラファイト製のサセプター９とを有し、このサセプター９は、鉛直なルツボ軸８の上端に固定されている。このルツボ軸８の下端はチャンバー１１の外部下側に設けられた回転・昇降手段（図示せず）に連結され、これによりルツボ７及びサセプター９はルツボ軸８を中心として回転、昇降自在となっている。
【００３３】
チャンバー１１内において、サセプター９の周囲にはこれを取り巻いて電磁誘導加熱用のコイル部からなるヒータ又はカーボン製のヒータ５が配置される。ヒータ５とチャンバー１１の側壁との間には円筒状の熱シールド部材１３、１４が配置され、サセプター９とチャンバー１１の底板との間には円板状の熱シールド部材１５が配置されている。チャンバー１１内のルツボ７の上側にはルツボ軸８と同軸に引上軸１が設けられている。引上軸１はチャンバー１１の外部上側に設けられた回転・昇降手段（図示せず）により、回転、昇降自在となっている。引上軸１の下端にはホルダにより種結晶２が取り付けられる。
【００３４】
図１において、ルツボ７を支える上記サセプター９は、ルツボ７と相似形の有底無蓋の円筒状（カップ状）に形成され、サセプター９内にルツボ７が収容されるようになっている。すなわち、サセプター９は、ルツボ７の底面と接するベース部（底面部）９ａと、その外周縁に立設され且つルツボ７の周壁と接する周壁部９ｂとからなる有底無蓋の円筒状（カップ状）に形成されている。
【００３５】
このルツボ７には、化合物半導体を成長させる原料融液であるＧａＡｓ融液６と、このＧａＡｓ融液６の上面を覆う液体封止剤（封止剤融液）である三酸化硼素４が収容される。このＧａＡｓ融液６及び三酸化硼素４は、ルツボ７に多結晶原料及び封止剤を収容し、加熱溶融させることで形成される。この目的で、ルツボ７の外周には、電磁誘導加熱用のコイル部からなるヒータ又はカーボン製のヒータ５が設けられる。ルツボ７の底部中央に連結した回転軸８によりルツボ７を回転させ、ルツボ７内の多結晶原料や封止剤の状態を周方向に均一にする。
【００３６】
上記した部分の構成は従来と同じである。しかし、図１に示した製造装置において、サセプター９のベース部９ａの内側には、本発明に従い、熱遮蔽特性に優れる材料、例えば、グラファイトから成る断熱材１０が設けてあり、この断熱材１０により、ルツボ７からサセプター９のベース部９ａへの輻射熱を遮断する構成となっている。換言すれば、ＰＢＮ製のルツボ７を乗せる保持治具であるサセプター９は、グラファイト製のサセプター本体（図のサセプター９）とそのベース部９ａの内側に設置した断熱材１０から成る二重構造となっている。また見方を変えれば、サセプター９はグラファイトから成り、そのベース部９ａの肉厚を周壁部９ｂの肉厚よりも厚くした構成となっている。
【００３７】
上記サセプター９のベース部９ａの断熱材１０の平面的に見た大きさ及び形状は、ルツボ７の底面の大きさ及び形状とほぼ同一になっている。ここではサセプター９のベース部９ａ上における断熱材１０の直径ｄをルツボ７の直径Ｄとほぼ同一にしてある。また、ルツボ７の中心と断熱材１０の中心とは同心軸上に位置している。これらはＧａＡｓ融液６のルツボ底面内における熱の分布を均一にするためである。
【００３８】
このようにサセプター９のベース部９ａの内側に断熱材１０を設け、上記ルツボ７からサセプター９のベース部９ａへの輻射熱を断熱材１０で遮断することにより、ＧａＡｓ単結晶３とＧａＡｓ融液（原料融液）６の固液界面１２をＧａＡｓ融液側に凸面形状に維持し、かつ、その固液界面１２が成長中にルツボ７の底部に接触しないように、固液界面１２の凸面形状のバランスをとることができる。
【００３９】
この効果は、断熱材１０の直径ｄがルツボ７の直径Ｄとほぼ同一である場合に顕著となり、ＧａＡｓ融液６からの輻射熱が断熱材１０で均一に遮断され、固液界面１２の凸面形状のバランスが容易にとれ、固液界面１２の適正な凸度が維持される。このことにより、固液界面１２がルツボ７の底部に接触せず、単結晶を成長するのに理想な固液界面１２を形成することが可能となる。また、断熱材１０の直径ｄがルツボ７の直径Ｄよりも小さい場合はＧａＡｓ融液からサセプター９のベース部９ａへ流れる輻射熱を十分に遮断することが出来ない為、固液界面１２がルツボ７の底部に接触する不良が発生する。
【実施例１】
【００４０】
次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、図１の構成の化合物半導体単結晶製造装置を用いて、ＬＥＣ法により直径約１５．２４ｃｍ（６インチ）のＧａＡｓ単結晶３を試作した。この直径約１５．２４ｃｍ（６インチ）のＧａＡｓ単結晶を育成する為に、使用したＰＢＮルツボの直径Ｄは３５０ｍｍとした。
【００４１】
ルツボ７に原料であるＧａを１２，０００ｇ、Ａｓを１３，０００ｇ、及びＡｓの揮発防止剤である三酸化硼素４を２，０００ｇ入れた。また、結晶の元となる種結晶２を引上軸１の先端の種ホルダに取りつけた。なお、この種結晶２は、融液化したＧａＡｓ融液６と接する面を（１００）面とした。
【００４２】
チャンバー１１内に上記ルツボ７をセットした後、チャンバー１１内を真空にし、更に不活性ガスを充填し、その後、ヒータ５に通電を行ってチャンバー１１内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成し、ＧａＡｓを作製し、更に昇温を続けてＧａＡｓを融液化させた。続いて、引上軸１を１０ｒｐｍで回転させると共に、ルツボ軸８を引上軸１とは逆方向に２０ｒｐｍで回転させた。この状態で、種結晶２が融液化したＧａＡｓに接触するまで引上軸１を下降させ、続いて、ヒータ５の設定温度を徐々に下げつつ引上軸を１０ｍｍ／ｈの速度で上昇させ、ＧａＡｓ単結晶３の成長を行った。
【００４３】
ＧａＡｓ単結晶の成長中は、ＧａＡｓ単結晶の外径を一定に保つ外径制御を行うと共に、ＧａＡｓ単結晶の成長によりＧａＡｓ融液６の液面が減少した分だけルツボ軸８を上昇させて、ＧａＡｓ融液の液面が常に一定の位置になるようにする制御を行った。
【００４４】
図２に、上記製造方法において、ルツボ７の直径Ｄ（Ｄ＝３５０ｍｍ）に対し上記断熱材１０の直径ｄを５０ｍｍ〜３５０ｍｍと変化させた場合に、固液界面１２がルツボ７の底部に接触する事象が発生する発生率（％）を示す。図２から分かるように、断熱材１０の直径ｄがルツボ７の直径Ｄに近づくにつれて、固液界面１２がルツボ７の底部に接触する事象の発生率が下がっている。そして、断熱材１０の直径ｄがルツボ７の直径Ｄとほぼ同一になった時点で、固液界面１２がルツボ７の底部に接触する事象の発生率が最低（ほぼゼロ）となることが分かる。
【００４５】
［他の実施の形態］
上記実施の形態においては、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を製造する場合を例にして説明したが、本発明は、ＧａＡｓ以外の他の材料を用いたＬＥＣ法による単結晶の製造方法についても適用可能である。
【００４６】
上記実施の形態においては、断熱材１０は、サセプター９のベース部９ａの内側にのみ設けたが、事情によってはベース部９ａの内側だけでなく周壁部９ｂの内側にも部分的に設ける形態としてもよい。すなわち、周壁部９ｂの上下方向の領域のうち、その下部領域（ベース部９ａの周縁から上方向に続く部分領域）にも、断熱材１０を設けることができる。このように周壁部９ｂの下領域に断熱材１０を設けると、原料融液が減少し、これに応じた位置補正のためルツボ７及びサセプター９が上昇した場合に、そのルツボ７及びサセプター９の下部がヒータ５に過度に加熱されて、熱流のバランスが崩れるという不都合を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法により砒化ガリウム単結晶を成長する製造装置の概念図である。
【図２】ルツボの直径Ｄに対し断熱材の直径ｄを変化させた場合に、固液界面がルツボ底部に接触する発生率（％）が変化する関係を示した図である。
【図３】従来の化合物半導体単結晶の製造方法により砒化ガリウム単結晶を成長する製造装置の概念図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  引上軸
２  種結晶
３  ＧａＡｓ単結晶
４  三酸化硼素
５  ヒータ
６  ＧａＡｓ融液（原料融液）
７  ルツボ
８  ルツボ軸
９  サセプター
９ａ  ベース部（底面部）
９ｂ  周壁部
１０  断熱材
１１  チャンバー
１２  固液界面
１３  熱シールド部材
１４  熱シールド部材
１５  熱シールド部材
【図１】
2006327879.tif 000003
【図２】
2006327879.tif 000004
【図３】
2006327879.tif 000005