(57)【要約】      （修正有）【課題】液体封止チョクラルスキー法（LEC法）による結晶成長において、種結晶における局所的で不測な熱分解・再結晶の発生を抑制して、良質な単結晶インゴットを再現性よく育成する化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】種結晶２の長さが液体封止剤融液７の厚みよりも長く、前記種結晶２において前記液体封止剤融液７に浸漬されない部分の位置が、前記液体封止剤融液７を加熱するヒータ８の発熱帯上端の位置よりも常に鉛直方向の上方に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体封止チョクラルスキー法による化合物半導体単結晶の製造方法であって、
種結晶の長さが液体封止剤融液の厚みよりも長く、
前記種結晶において前記液体封止剤融液に浸漬されない部分の位置が、前記液体封止剤融液を加熱するヒータの発熱帯上端の位置よりも常に鉛直方向の上方に位置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】
前記ヒータの発熱帯上端の位置が、前記液体封止剤融液の下面よりも鉛直方向の上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の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、化合物半導体単結晶の製造方法に関し、特に、液体封止チョクラルスキー（LEC）法による化合物半導体単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶を製造する代表的な方法の１つに、ルツボのなかの融液に種結晶を漬け、回転させながら引き上げて結晶成長させる方法（チョクラルスキー法、CZ法）がある。CZ法の内で、特に化合物半導体のような蒸気圧が高い物質や解離圧の高い物質の融液を用いる場合には、融液の上部を液体で覆い圧力を加えて融液の蒸発・分解を抑制する方法（液体封止チョクラルスキー法、LEC法: Liquid Encapsulated Czochralski method）が用いられている。
【０００３】
図１は、LEC法における従来の結晶成長炉の構成例を示す断面模式図である。以下に、該結晶成長炉の構成について説明する。図１に示すように、圧力容器からなる結晶成長炉には、単結晶を引き上げるための引上軸（上軸）1が設けられ、引上軸1の先端に種結晶2が取り付けられる。引上軸1は、結晶成長炉の上方から炉内に挿入され、炉内に設置されているルツボ3に対峙される。ルツボ3は、サセプタ4を介してペデスタル（下軸）5に支持される。ペデスタル5は引上軸1と同心となるように結晶成長炉の下方より炉内に挿入され、サセプタ4はペデスタル5の上端に固定される。引上軸1およびペデスタル5は、それぞれ回転装置（図示せず）により回転され、昇降装置（図示せず）により昇降される。ルツボ3には、成長させる結晶の原料（例えば、III族原料とV族原料）と液体封止剤（例えば、B2O3）とが収容される。
【０００４】
また、結晶成長炉には、原料及び液体封止剤を溶融する加熱手段として、ヒータ8と、ヒータ8の温度を制御する温度コントローラ（図示せず）とが設けられ、ルツボ3内の原料及び液体封止剤の温度を検出するための熱電対9が設けられる。ヒータ8はサセプタ4の円周方向に沿ってサセプタ4を包囲するように設置され、熱電対9はペデスタル5の軸内上部に設置される。
【０００５】
次に、LEC法で化合物半導体単結晶インゴットを製造する基本的な手順例を説明する。まず、ルツボ3に原料と液体封止剤とを投入し、結晶成長炉内に設置する。炉内を不活性ガス雰囲気に置換し所定の圧力に保持する。原料としてIII族・V族原料を用いた場合、不活性ガスの圧力は、V族原料の蒸発を防止する圧力（例えば、V族原料の蒸気圧以上）に設定される。次に、温度コントローラで制御しながらヒータ8で加熱し、原料および液体封止剤を溶融する。このとき、液体封止剤融液7の比重は原料融液6の比重よりも小さいことから、液体封止剤融液7が原料融液6の表面を覆う。これら炉内圧力と液体封止剤融液7とにより、原料融液6からのV族元素の蒸発が防止される。
【０００６】
結晶成長の際は、引上軸1の先端に固定された種結晶2を原料融液6に接触させ、成長する結晶の融点以下の温度で種結晶2を回転させながらゆっくりと引き上げていく。一方、結晶成長の進行に伴ってルツボ3内の原料融液6が減少すると、必然的に液面位置が下がりヒータ8と結晶成長界面の位置関係が変化するため、そのままでは原料融液6の温度制御（成長温度の制御）が困難になる。そこで、結晶の成長量から融液面の低下量を算出してこれを補正するようにペデスタル5の昇降装置を作動させて（ペデスタル5を徐々に上昇させて）ルツボ3内の融液面の位置とヒータ8の発熱帯との位置関係が常に一定となるように制御する。このような手順により化合物半導体の単結晶インゴットを成長することができる。
【０００７】
なお、良質な単結晶インゴットを再現性よく製造したり、単結晶インゴットを大径化・長尺化したりするためには、上記に加えて様々な因子を制御する必要がある。例えば特許文献１〜４では、種結晶の固液界面の形状、結晶の引き上げ速度、結晶成長界面近傍の温度勾配を制御し、良質な単結晶インゴットを再現性よく製造するための方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４‐１０４６７号公報
【特許文献２】特開２００４‐１０４６９号公報
【特許文献３】特開平９‐７７５９０号公報
【特許文献４】特開２００２‐２０１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
単結晶を製造するにあたり、種結晶の表面温度や成長炉内の温度分布（特に、結晶と融液の境界である固液界面近傍の温度分布）は重要である。従来技術では、固液界面の形状を制御するため（すなわち、固液界面近傍の温度分布を制御するため）、液体封止剤融液を全体的に加熱できるようにヒータの主発熱帯位置を液体封止剤融液の位置に合わせるように設置していた。そのため、結晶成長の初期においては種結晶が加熱されやすく、温度制御の揺らぎ等によって種結晶が局所的に不測な熱分解・再結晶を起こし、それが多結晶化の要因となるなどして単結晶育成の歩留まりを低下させる問題があった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、種結晶における局所的で不測な熱分解・再結晶の発生を抑制し、良質な単結晶インゴットを再現性よく育成することができ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】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するため、液体封止チョクラルスキー法による化合物半導体単結晶の製造方法であって、種結晶の長さが液体封止剤融液の厚みよりも長く、前記種結晶において前記液体封止剤融液に浸漬されない部分の位置が、前記液体封止剤融液を加熱するヒータの発熱帯上端の位置よりも常に鉛直方向の上方に位置することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。
【００１２】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係る化合物半導体結晶の製造方法において、前記ヒータの発熱帯上端の位置が、前記液体封止剤融液の下面よりも鉛直方向の上方に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、LEC法による結晶成長において、種結晶における局所的で不測な熱分解・再結晶の発生を抑制して、良質な単結晶インゴットを再現性よく育成する化合物半導体単結晶の製造方法を提供することができる。その結果、単結晶育成の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】LEC法における従来の結晶成長炉の構成例を示す断面模式図である。
【図２】本発明に係る化合物半導体結晶の製造方法におけるLEC法の結晶成長炉の構成例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る実施の形態について説明する。図２は、本発明に係る化合物半導体結晶の製造方法におけるLEC法の結晶成長炉の構成例を示す断面模式図である。本発明に係るLEC法の結晶成長炉は、従来の結晶成長炉（図１参照）と基本的に類似であるが、種結晶2において液体封止剤融液7に浸漬されない部分（図中のB）がヒータ8の発熱帯上端の位置（図中のC）よりも常に鉛直方向の上方に位置する点において差異がある。また、固液界面近傍の温度分布を制御する観点から、ヒータ8の発熱帯上端の位置（図中のC）は、液体封止剤融液7の下面（すなわち、原料融液6との界面、図中のA）よりも鉛直方向の上方に位置することが好ましい。
【実施例】
【００１６】
以下、砒化ガリウム（GaAs）インゴットの結晶成長を行った実施例と比較例について説明する。LEC法の結晶成長炉としては、本発明に係る結晶成長炉（図２参照）と従来の結晶成長炉（図１参照）を用いた。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で組み合わせや改良が適宜可能である。
【００１７】
直径300 mmのルツボ3に約40 kgの原料と適量の液体封止剤を投入し、LEC法の結晶成長炉内に設置した。結晶成長炉内を真空排気した後、不活性ガス雰囲気に置換した。次に、ヒータ8によりルツボ3をGaAsの融点である1238℃以上まで昇温して原料と液体封止剤を融解させ、原料融液6と液体封止剤融液7（鉛直方向の厚さ約15 mm）とを形成した。このとき、成長炉内の圧力は0.5 MPaとした。
【００１８】
なお、本発明に係る結晶成長炉（図２参照）においては、ヒータ8の発熱帯上端の位置（図中のC）が液体封止剤融液7の下面（すなわち、原料融液6との界面、図中のA）から鉛直方向の上方5 mmに位置するように設定した。また、従来の結晶成長炉（図１参照）においては、ヒータ8の発熱帯上端の位置（図中のC）を液体封止剤融液7の下面（図中のA）から鉛直方向の上方80 mmに位置するように設定した。
【００１９】
次に、先端に種結晶2（長さ約50 mm）を固定した引上軸1を下げ、種結晶2の先端を原料融液６に接触させて温度を十分なじませた後、温度コントローラによりヒータ8を制御して適度な過冷度を保たせながら、引上軸1を8〜12 mm/hの速度でゆっくりと引き上げた。このとき、引上軸1を時計回りに回転させ、ペデスタル5を（すなわちルツボ3を）反時計回りに回転させた。
【００２０】
インゴットの直径が約160 mmまで増径成長したところで（結晶肩部を形成したところで）直胴部の形成モードに切り替えた。直胴部形成モードでは、成長した結晶の重量を引上軸1に配設したロードセルで計測し、単位時間当たりの重量増加分と引上速度とから算出される結晶のインゴット外径が設定した値になるように、原料融液6の温度（成長温度）を制御した。
【００２１】
また、前述したように、結晶成長量の増加に伴って原料融液6の量が減少し、原料融液6の液面位置が低下する。これを補正すべく、成長した結晶の重量から原料融液6の液面低下量を算出し、該液面がヒータ8に対して常に定位置にくるように、ペデスタル5（すなわちルツボ3）を上昇させる制御を行った。
【００２２】
成長した結晶が所定の重量まで引き上げられた時点でヒータ8の温度を上昇させ、結晶尾部を形成した後、インゴットを原料融液6から切り離した。その後、成長炉内で室温まで冷却しGaAsインゴットを得た。
【００２３】
上記の方法において、本発明に係る結晶成長炉（図２参照）と従来の結晶成長炉（図１参照）を用いて、それぞれ20回の結晶成長を行った。その結果、本発明に係る結晶成長炉（図２参照）では、すべての結晶成長において全体が単結晶となっているインゴットが得られた。一方、従来の結晶成長炉（図１参照）を用いた結晶成長では、70％（14本）のインゴットが多結晶体であり、全体が単結晶となっているインゴットは30％（6本）であった。
【００２４】
以上の結果から、本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法を用いることによって、良質な単結晶インゴットを再現性良く育成できることが実証された。なお、上記実施例ではGaAsについて例を記載したが、LEC法であればその他のIII-V族の化合物半導体についても適用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
1…引上軸、2…種結晶、3…ルツボ、4…サセプタ、5…ペデスタル、
6…原料融液、7…液体封止剤融液、8…ヒータ、9…熱電対。
【図１】
2011011960.tif 000003
【図２】
2011011960.tif 000004