(57)【要約】【課題】  チャンバー内の温度の揺らぎに原因して固液界面の形状が不安定になるのを防止し、ひいては結晶の多結晶化を防止するＧａＡｓ単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】  引上軸１の周囲に、下端が引き上げ開始前にルツボ３上端よりも上側に在り、上端がチャンバー１２の上壁に接し又は上壁付近に位置し、かつチャンバー１２の上壁近傍の位置に排気口８を具備する熱誘導用筒状部材７を、引上軸１を取り巻くように設置し、単結晶２を引き上げる際に、この熱誘導用筒状部材７中を通して、下方の熱をチャンバー１２内の上部の温度の低い範囲へ効率よく誘導する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスで充填された耐圧容器たるチャンバー内にルツボを収容して加熱し、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、引上軸の下端に種結晶を取り付け、この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、ＧａＡｓ単結晶を成長させるＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法において、
上記引上軸の周囲に、下端が引き上げ開始前にルツボ上端よりも上側に在り、上端がチャンバーの上壁に接し又は上壁付近に位置し、かつチャンバー上壁近傍の位置に排気口を具備する熱誘導用筒状部材を、引上軸を取り巻くように設置し、
単結晶を引き上げる際に、この熱誘導用筒状部材中を通して、下方の熱をチャンバー内の上部の温度の低い範囲へ誘導することを特徴とするＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法において、
上記熱誘導用筒状部材の材質がグラファイトであることを特徴とするＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法において、
上記熱誘導用筒状部材の内径が、製造する単結晶の外径の±１０％以内であることを特徴とする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、ＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｍｅｔｈｏｄ：液体封止引上げ法）によるＧａＡｓ単結晶の製造方法、特に融液側に凸面形状とすべき固液界面の形状がチャンバー内の温度の揺らぎに起因して不安定になるのを防止す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２によって説明する。
【０００４】
図２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１２内に、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３を有し、このルツボ３を受けるルツボ軸１０の下端は、チャンバー１２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３がルツボ軸１０を中心として回転、昇降自在となっている。チャンバー１２内において、ルツボ３の周囲には円筒状のカーボン製のヒータ１１が配置されている。チャンバー１２内のルツボ３の上側には、ルツボ軸１０と同軸に引上軸１が設けられ、該引上軸１はチャンバー１２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の下端には種結晶４が取り付けられる。
【０００５】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法では、先ず、図２に示す通り、原料であるＧａＡｓと封止剤である三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）を入れたルツボ３をチャンバー１２内に配置し、温度を上げて融液の液体封止剤５と多結晶のＧａＡｓ融液（原料融液）６を作成する。続いて、引上軸１、ルツボ軸１０を相対的に回転させる。この状態で引上軸１を下降させ、先端に取り付けてある種結晶４をルツボ３内のＧａＡｓ融液６につけて徐々に温度を下げていき、図２に示すＧａＡｓの単結晶２の成長が始まると、単結晶２の引き上げを開始する。
【０００６】
ＬＥＣ法の特徴としては、引き上げ方向でのＧａＡｓ融液６からチャンバー１２内の温度勾配が他の単結晶の製造方法の場合よりも付き易く、単結晶の冷却が早く進むので、引き上げ速度、つまり成長速度を早くすることができる利点がある。
【０００７】
しかし、ＧａＡｓの単結晶を成長する際の最大の問題である多結晶化については、単結晶と融液の固液界面（固液界面）９の形状の如何が大きく影響し、固液界面９が融液側に凹面形状をしていると、転位が集中して多結晶化してしまう。転位は、ＧａＡｓ単結晶と融液の境界面である固液界面９に垂直に伝播する性質があるからである。
【０００８】
そこで、チャンバー１２内の温度分布を工夫し、固液界面９が融液側に凹面形状とならないようにする必要があるが、そのような温度条件に安定させることは非常にむずかしい。その要因のひとつとして、単結晶の成長中に雰囲気ガスの圧力制御を行うため、不活性ガスの入出があり、チャンバー１２内の温度がガスの入出によって揺らぎ、その揺らぎの発生に起因してチャンバー１２内の温度分布が不安定になることが挙げられる。チャンバー１２内の温度分布が不安定になると、固液界面の形状を不安定にさせるために、固液界面の形状も凹面化して転位の集合が発生し、多結晶化することがある。
【０００９】
なお、上記チャンバー内の温度分布の揺らぎをなくする技術に関するものではないが、引上軸の下端付近に種結晶を被うように輻射遮蔽部材を設けた装置構造を採るものとして、次のような公知技術がある。
【００１０】
特開２００３−１１２９９３号公報（特許文献１）では、種結晶を耐火性のカバーで覆うようにし、さらに、この耐火性のカバーの一部または全部が液体封止剤に浸るようにする。これにより、耐火性のカバーの内部を密閉状態にする。このようにすると、種結晶から分解したガスで耐火性のカバー内の内部圧力が比較的すぐに種結晶の解離圧となり、それ以上種結晶の分解が進行しなくなるので、容易に種付けをすることができる。
【００１１】
特開平５−４８９５号公報（特許文献２）では、引き上げ法における引上軸の下端に、円筒状の輻射遮蔽部材に円形の輻射遮蔽板をピストンのように移動可能に設けた構造の部材を取り付ける。これにより引き上げ開始時に原料融液からの輻射を効果的に遮断し、以て引き上げる単結晶の急成長を抑制し、転位密度の低い単結晶を育成する。
【００１２】
また、特開平５−２２１７８６号公報（特許文献３）では、引き上げ法によるシリコン単結晶の製造において、下端に種結晶を連結するための引上軸のチャックに、ルツボの底面に対向して反射板を設ける。これにより、シリコン単結晶の成長初期において単結晶ダッシュネック後の円錐部からの抜熱を抑制し、冷却速度を小さくする。
【特許文献１】特開２００３−１１２９９３号公報
【特許文献２】特開平５−４８９５号公報
【特許文献３】特開平５−２２１７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図２の従来技術による製造方法では、次のような課題がある。
【００１４】
チャンバー内には単結晶の成長中に不活性ガスの入出があり、これがチャンバー内の温度分布に影響を与える。従って、これにより単結晶の成長条件が変わる。特に、単結晶の成長開始から間もない時は、本来必要とする外径を目標に結晶の径を徐々に大きくして行く段階において、或いは結晶成長の終盤にあっては固液界面の凸度が小さい時において、チャンバー内の温度が揺らぐと、固液界面の形状が急激に変わり、結晶の成長が不安定な状況になる。つまり、固液界面の形状が融液側に凸面の形状に安定せず、結晶欠陥の原因であるところの融液側に凹面形状となる状態が発生し易くなる。こういった不安定な状況は、結晶欠陥の原因となる転位の集中を発生し易くさせ、結晶欠陥である多結晶の発生を誘発する原因になる。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、チャンバー内の温度の揺らぎに原因して固液界面の形状が不安定になるのを防止し、ひいては結晶の多結晶化を防止する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】
【００１６】
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。
【００１７】
請求項１の発明に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法は、不活性ガスで充填された耐圧容器たるチャンバー内にルツボを収容して加熱し、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、引上軸の下端に種結晶を取り付け、この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、ＧａＡｓ単結晶を成長させるＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法において、上記引上軸の周囲に、下端が引き上げ開始前にルツボ上端よりも上側に在り、上端がチャンバーの上壁に接し又は上壁付近に位置し、かつチャンバー上壁近傍の位置に排気口を具備する熱誘導用筒状部材を、引上軸を取り巻くように設置し、単結晶を引き上げる際に、この熱誘導用筒状部材中を通して、下方の熱をチャンバー内の上部の温度の低い範囲へ誘導することを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法において、上記熱誘導用筒状部材の材質がグラファイトであることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法において、上記熱誘導用筒状部材の内径が、製造する単結晶の外径の±１０％以内であることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、図１に示すように、単結晶成長の引上軸１の周囲にグラファイト製の熱誘導用筒状部材７を取り付けることにより、単結晶の成長時に単結晶２から放熱された熱を、このグラファイト製の熱誘導用筒状部材７中を通して、チャンバー１２内の上部の温度の低い範囲へ効率よく誘導する点にある。本発明は、この熱の誘導作用により、チャンバー１２内の熱流を安定させ、これにより固液界面９の形状をＧａＡｓ融液６側に凸面形状に安定化させ、転位の集中と結晶の多結晶化を防止する。
【００２１】
熱誘導用筒状部材７の寸法は、内径が小さすぎると熱が通りにくくなり、また、内径が大きすぎると熱の移動速度が遅くなり効果がなくなる。そこで本発明者等が実験を繰り返したところ、熱誘導用筒状部材７の内径は単結晶２の外径の±１０％以内とすると最良の結果が得られることが分かった。
【００２２】
なお、上述した特許文献１〜３は、チャンバー内の温度分布の揺らぎをなくする技術に関するものではなく、原料融液からの輻射を効果的に遮断することを目的とする。このため特許文献１〜３における円筒状の輻射遮蔽部材は輻射遮蔽板で蓋された構造となっており、本発明で言うところの熱誘導用筒状部材としては機能しない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、単結晶成長の引上軸の周囲に熱誘導用筒状部材を取り付けて、単結晶の成長時に単結晶から放熱された熱を、このグラファイト製の熱誘導用筒状部材７中を通して、チャンバー内の上部の温度の低い範囲へ効率よく誘導し、チャンバー内の熱流を安定させる。このため、チャンバー内の温度の揺らぎに原因して固液界面形状が不安定になる場合でも、本発明の製造方法によれば、従来の製造方法に比べ、固液界面の形状をＧａＡｓ融液側に凸面形状に安定化させ、転位の集中と結晶の多結晶化を防止することができる。よって、本発明の製造方法によれば、引上法によってＧａＡｓの単結晶を歩留良く成長することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造装置の構成を示す。
【００２６】
この化合物半導体単結晶の製造装置は、従来の図２の装置の場合と同様に、不活性ガスで充填される耐圧容器として円筒状のチャンバー１２を有しており、このチャンバー１２内に原料容器としてのＰＢＮ製のルツボ３を有し、このルツボ３は、鉛直なルツボ軸１０の上端に固定されて支持されている。このルツボ軸１０の下端はチャンバー１２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３はルツボ軸１０を中心として回転、昇降自在となっている。
【００２７】
上記のルツボ３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５としての三酸化硼素が収容される。このＧａＡｓ融液６及び液体封止剤５は、ルツボ３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３の外周にはカーボン製のヒータ１１が設けられる。ルツボ３の底部中央に連結したルツボ軸１０によりルツボ３を回転させ、ルツボ３内の多結晶原料や封止剤の状態を周方向に均一にする。
【００２８】
従来の製造方法であるＬＥＣ法では、固液界面９から単結晶２の頭部及びチャンバー１２内の上部にかけて温度差をつけ、固液界面９から単結晶２及びチャンバー１２内の上方へと効率良く熱を逃がす成長条件がよい、とされており実践されている。
【００２９】
この場合、単結晶２以外の場所でも温度差が大きくなり、熱の移動が盛んに発生して、チャンバー１２内及びＧａＡｓ融液６内の熱の移動も多くなる。このためにチャンバー１２内の温度の揺らぎも大きくなる。このようなチャンバー１２内の温度の揺らぎは、融液側に凸面形状とすべき固液界面９の形状の安定性を悪くする。このため、固液界面９の形状を融液側に凹面化して転位を集中させてしまい、結晶の多結晶化の原因になる。
【００３０】
そこで、図１に示す通り、引上軸１の周囲に、該引上軸を取り巻くようにグラファイト製の熱誘導用筒状部材７を設置する。この熱誘導用筒状部材７は、下端が引き上げ開始前にルツボ３の上端よりも上側に在り、上端がチャンバー１２の上壁に接するか又はチャンバー１２の上壁近傍に位置するような上下方向長さで設ける。そして、この熱誘導用筒状部材７には、その側壁のチャンバー上壁近傍における位置に排気口８を設け、熱誘導用筒状部材７の内外を連通させる。このように構成した熱誘導用筒状部材７を図１の如く設けることにより、単結晶２の頭部で放射された熱を、チャンバー１２内の上部つまり温度の低い範囲へ誘導し、単結晶２の頭部からチャンバー内上部への対流を発生させる。
【００３１】
詳述するに、グラファイト製の熱誘導用筒状部材７の上部側面には下方から送られてきた熱を周囲へ排出する排気口８があり、この排気口８からチャンバー１２内に流れて冷やされた雰囲気ガスは、熱誘導用筒状部材７の外側を通って下方へ送られる。それにより、熱誘導用筒状部材７の周囲には安定した雰囲気ガスの対流が発生して、チャンバー１２内の熱の対流が常に安定する。チャンバー１２内の対流を安定化させると、チャンバー１２内の温度の揺らぎが軽減され、ＧａＡｓ融液６側に凸面とすべき固液界面９の形状の安定性が増加し、転位の集中が低減されて多結晶化する確率も低減される。
【００３２】
熱誘導用筒状部材７の寸法は、内径が小さすぎると熱が通りにくくなるためチャンバー内上部へ熱を誘導できなくなり、また、内径が大きすぎると、熱の移動速度が遅くなり、単結晶２から放熱される熱が拡散してしまうため、熱誘導用筒状部材７を設けた効果がなくなる。そこで熱誘導用筒状部材７には成長する単結晶の外径に適した大きさがあり、熱誘導用筒状部材７の内径は単結晶２の外径の±１０％以内とするのが最適である。
【実施例１】
【００３３】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
【００３４】
実施例では図１の構成の単結晶製造装置を用いて、また比較例では図２の単結晶製造装置を用いて、それぞれＬＥＣ法により直径１００ｍｍのＧａＡｓ単結晶２を試作した。図１及び図２は、それぞれＧａＡｓ単結晶を直胴部まで成長した状態を示す。
【００３５】
チャンバー１２内に上記原料をセットした後、チャンバー１２内を真空にし、更に不活性ガスを充填し、その後、ヒータ１１に通電を行ってチャンバー１２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１０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４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１１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２の成長を行った。
【００３６】
表１に、本発明の実施例と比較例の製造結果を比較して示す。
【表１】
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【００３７】
表１の実施例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１０は、図１のグラファイト製の熱誘導用筒状部材７を備えた単結晶製造装置を用いて、直径が１００ｍｍで、長さが４００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を１０本引き上げた結果を示す。このときグラファイト製の熱誘導用筒状部材７の内径は１０５ｍｍとした。またＧａＡｓのチャージ量は２２ｋｇ、雰囲気ガスはＮ2、圧力は１０ｋｇ／ｃｍ2、引上速度は１０ｍｍ／ｈであった。
【００３８】
表１の比較例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１０は、グラファイト製の熱誘導用筒状部材７を具備しない図２の単結晶製造装置を用いて、直径が１００ｍｍで、長さが４００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を１０本引き上げた結果を示す。このとき図２に示すように、引上軸１には何もつけなかつた。この比較例においても、実施例と同じく、ＧａＡｓのチャージ量は２２ｋｇ、雰囲気ガスはＮ2、圧力は１０ｋｇ／ｃｍ2、引上速度は１０ｍｍ／ｈとした。表１中、比較例の欄の数値、例えば比較例のＮｏ．１の５０ｍｍは、全長４００ｍｍのうちで単結晶となっている部分の長さを示す。
【００３９】
表１に示した実施例と比較例の計２０本の成長結果から、実施例では１０本全てが全域単結晶であり、多結晶の発生する割合、つまり多結晶化した成長本数／成長本数で表されるところの多結晶発生率が０％であるのに対し、比較例の従来の方法では、全域単結晶であるのは１０本中で５本しかなく、この結果、多結晶発生率が５０％と高い値であることが分かる。すなわち、図１の実施例による製造方法によれば、比較例の従来の製造方法に比べて、単結晶を歩留良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の製造方法に係るＧａＡｓ単結晶の製造装置を示したもので、ＧａＡｓ単結晶が直胴部まで成長した状態を示す。
【図２】従来の製造方法に係るＧａＡｓ単結晶の製造装置を示したもので、ＧａＡｓ単結晶が直胴部まで成長した状態を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１  引上軸  
２  単結晶
３  ルツボ  
４  種結晶
５  液体封止剤
６  ＧａＡｓ融液（原料融液）
７  熱誘導用筒状部材
８  排気口
９  固液界面（結晶成長界面）
１０  ルツボ軸
１１  ヒータ
１２  チャンバー
【図１】
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【図２】
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