(57)【要約】【課題】多結晶化や外径不足を抑えた化合物半導体単結晶成長方法を提供する。【解決手段】化合物半導体単結晶１２の外径より大きい内径の孔２３を底部中央に有し、外径がるつぼ２１の内径より小さい他のるつぼ２４を、るつぼ２１内に同軸状に配置することにより、外部からの熱伝導による化合物半導体単結晶１２の温度上昇や化合物半導体単結晶１２の周囲の空間の温度上昇を抑えると共に、化合物半導体単結晶１２からの熱放散を促進するので、多結晶化や外径不足を抑えた化合物半導体単結晶１２を得ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ内に化合物半導体単結晶の原料及び封止剤を充填し、上記るつぼを成長炉内で加熱して上記原料及び上記封止剤を融液化すると共に、種結晶を上記原料の融液に接触させた後、回転手段で上記るつぼ若しくは上記種結晶を鉛直軸のまわりに回転させながら引き上げ手段で上記種結晶を鉛直に引き上げることにより上記種結晶の下端に化合物半導体単結晶を成長させる化合物半導体単結晶成長方法において、外径が上記るつぼの内径より小さく、底部中央に上記化合物半導体単結晶の外径より大きい孔を有する他のるつぼを上記るつぼ内に同軸状、かつ上記他のるつぼの孔が上記原料の融液と上記封止剤の融液との界面に位置するように配置した後で上記種結晶を上記他のるつぼの孔を通過させるように上記化合物半導体単結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体単結晶成長方法。
【請求項２】
上記るつぼの内側面と上記他のるつぼの外側面との間に断熱材からなるスペーサを挿入した後で上記化合物半導体単結晶を成長させる請求項１に記載の化合物半導体単結晶成長方法。
【請求項３】
上記るつぼ及び上記他のるつぼの密度を１．９〜２．２×１０−６ｇ／ｍ３とし、上記るつぼの内径と上記他のるつぼの外径との差を２〜４ｍｍの範囲内とし、上記他のるつぼの孔の内径と上記化合物半導体単結晶の外径との差を１０〜２０ｍｍの範囲内とする請求項１または２に記載の化合物半導体単結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体単結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体単結晶成長方法の一種に、ＬＥＣ法（液体封止チョクラルスキー法）がある。
【０００３】
図３はＬＥＣ法を適用した従来の製造装置の概念図である。
【０００４】
同図に示す製造装置１は、ヒータ２及びチャンバ３からなる成長炉４と、成長炉４内に配置され、図示しないモータ等により鉛直な回転軸５により矢印ａ方向に回転する回転支持台６と、回転支持台６上に同軸状に支持されたるつぼ７と、下端に種結晶８を保持すると共に、るつぼ７と同軸状でるつぼ７の上方に鉛直に配置され、図示しないモータ等により鉛直な中心軸のまわりに矢印ｂ方向（矢印ａ方向とは逆方向）に回転すると共に鉛直に（矢印ｃ方向に）移動する回転引き上げ軸９とで構成されている。
【０００５】
ＬＥＣ法は、るつぼ７内に化合物半導体単結晶の原料（固体）１０及び封止剤（固体）１１を充填し、るつぼ７を成長炉４内で加熱して原料１０及び封止剤１１を融液化すると共に、種結晶８を原料１０の融液に接触させた後、徐々に成長炉４内の温度を低下させて種結晶８の下端に化合物半導体単結晶（以下「結晶」という。）１２の成長が始まると、るつぼ７及び種結晶８を回転させながら種結晶８を鉛直に引き上げることにより種結晶８の下端に結晶１２を形成するものである。
【０００６】
このＬＥＣ法を用いて結晶１２を成長させる際に効率よく結晶１２を冷却するために成長炉４内の温度分布を結晶１２の成長面では高くし、結晶１２の頭部あるいは成長炉４内の上側を低くすることにより、結晶１２の成長面から結晶１２の頭部に向かって温度差を設けて熱を伝導しやすくすることが行われている。そのためには、成長炉４内に設けられたヒータ２や断熱材等の部材の形状や配置を工夫することにより、成長炉４内を最適な温度分布にしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−０５２７９０号公報（第３−第４頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、結晶１２の成長は１０００℃を超える高温の限られたスペースの成長炉４内で行われるため、ヒータ２や断熱材等の部材だけの工夫では、結晶１２や成長炉４内の上下部に十分な温度差を設けることができず、熱の伝導が結晶１２の成長に対して不足し、冷却が不十分になるため、結晶１２の成長界面の固化が遅れて図３に示すように、結晶１２の下部の断面形状がＵ字形状にならず、結晶１２の成長界面において周方向に凹部１３が発生した状態での成長となってしまう。
【０００９】
このような凹部１３が発生した状態での結晶成長は、ＧａＡｓ結晶の特性である転位が集中して多結晶の原因になってしまう。また、結晶１２の冷却が進まずに結晶１２の温度が高いままだと固化した結晶１２の表面からＡｓの揮散（揮発及び発散）が発生して表面が荒れ、Ａｓ揮散によって析出したＧａが結晶１２の表面を流れて結晶１２の表面を大きくえぐってしまうことがあり、その場合、外径が不足して商品化できないことがあるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多結晶化や外径不足を抑えた化合物半導体単結晶成長方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、るつぼ内に化合物半導体単結晶の原料及び封止剤を充填し、るつぼを成長炉内で加熱して原料及び封止剤を融液化すると共に、種結晶を原料の融液に接触させた後、回転手段でるつぼ若しくは種結晶を鉛直軸のまわりに回転させながら引き上げ手段で種結晶を鉛直に引き上げることにより種結晶の下端に化合物半導体単結晶を成長させる化合物半導体単結晶成長方法において、外径がるつぼの内径より小さく、底部中央に化合物半導体単結晶の外径より大きい孔を有する他のるつぼをるつぼ内に同軸状、かつ他のるつぼの孔が原料の融液と封止剤の融液との界面に位置するように配置した後で種結晶を他のるつぼの孔を通過させるように化合物半導体単結晶を成長させるものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、るつぼの内側面と他のるつぼの外側面との間に断熱材からなるスペーサを挿入した後で化合物半導体単結晶を成長させてもよい。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、るつぼ及び他のるつぼの密度を１．９〜２．２×１０−６ｇ／ｍ３とし、るつぼの内径と他のるつぼの外径との差を２〜４ｍｍの範囲内とし、他のるつぼの孔の内径と化合物半導体単結晶の外径との差を１０〜２０ｍｍの範囲内とするのが好ましい。
【００１４】
本発明によれば、外径がるつぼの内径より小さく、化合物半導体単結晶の外径より大きい内径の孔を底部中央に有する他のるつぼを、るつぼ内に同軸状に配置することにより、外部からの熱伝導による化合物半導体単結晶の温度上昇や化合物半導体単結晶の周囲の空間の温度上昇を抑えると共に、化合物半導体単結晶からの熱放散を促進するので、多結晶化や外径不足を抑えた化合物半導体単結晶を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１は本発明の化合物半導体単結晶成長方法を適用した製造装置の概念図である。尚、本実施の形態では、ＧａＡｓ単結晶を成長させる場合で説明する。
【００１７】
同図に示す製造装置２０は、ヒータ２及びチャンバ３からなる成長炉４と、成長炉４内に配置され、図示しないモータ等により鉛直な回転軸５により矢印ａ方向に回転する回転支持台６と、回転支持台６上に同軸状に配置されたるつぼ（以下「外るつぼ」という。）２１と、外るつぼ２１内に同軸状、かつ浮いた状態でチャンバ３の天板に設けられた断熱性のロッド２２により支持され、底部中央に結晶１２の外径より大きい孔２３を有し、外径が外るつぼ２１の内径より小さい他のるつぼ（以下「内るつぼ」という。）２４と、下端に種結晶８を保持すると共に、両るつぼ２１、２４と同軸状で両るつぼ２１、２４の上方に配置され、図示しないモータ等により鉛直な中心軸のまわりに矢印ｂ方向に回転すると共に鉛直（矢印ｃ方向）に移動する回転引き上げ軸９とで構成されている。
【００１８】
外るつぼ２１及び内るつぼ２４の密度は１．９〜２．２×１０−６ｇ／ｍ３とし、外るつぼ２１の内径と内るつぼ２４の外径との差は２〜４ｍｍの範囲内とし、内るつぼ２４の底部中央の孔２３の内径と結晶１２の外径との差は１０〜２０ｍｍの範囲内とし、内るつぼ２４の底部中央の孔２３は原料（融液）１０と封止剤（融液）１１との界面に位置するように設定するのが好ましい。
【００１９】
ここで、内るつぼ２４の底部中央の孔２３の内径と結晶１２の外径との差を１０〜２０ｍｍの範囲内とするのは、ＬＥＣ法による結晶成長では、外径制御を行っても多少の外径の変動が生じてしまい、成長した結晶１２が内るつぼ２４の底部中央の孔２３を通過するときに内るつぼ２４と接触しないようにするためである。
【００２０】
また、内るつぼ２４の外径を外るつぼ２１の内径より２〜４ｍｍ小さくするのは、内るつぼ２４の位置が原料１０や封止剤１１の融液による影響で本来の位置から水平方向に移動したときに内るつぼ２４の孔２３の位置も結晶１２の中心軸からはずれて内るつぼ２４と結晶１２とが接触するのを防止するためである。
【００２１】
次に図１に示した製造装置２０を用いた化合物半導体単結晶１２の成長について説明する。
【００２２】
まず、外るつぼ２１内に、内るつぼ２４を配置し、内るつぼ２４内にＧａＡｓ単結晶の原料（Ｇａ（固体）、Ａｓ（固体））１０及び封止剤（例えばＢ２Ｏ３（固体））１１を充填する。回転引き上げ軸９の下端にＧａＡｓの種結晶８を取付け、チャンバ３内に不活性ガス（例えばＡｒガス）を封入する。成長炉４のヒータ２を通電加熱し、原料１０及び封止剤１１を融液化させる。
【００２３】
原料１０及び封止剤１１の融液化後、内るつぼ２４の底部中央の孔２３が原料（融液）１０と封止剤（融液）１１との界面（成長界面）に位置するようにロッド２２の長さを調整する（若しくは孔２３が界面に位置するように充填時に原料（固体）１０及び封止剤（固体）１１の量を設定しておく。）。
【００２４】
このような状態で回転軸５を回転させると共に、回転引き上げ軸９を回転させながら、矢印ｃ方向とは逆方向に降下させる。種結晶８の下端が原料（融液）１０と封止剤（融液）１１との界面に到達したら回転引き上げ軸９の降下を停止し、ヒータ２の電流を減少させる等して成長炉４内の温度を徐々に低下させると、種結晶８の下端に結晶１２が成長し始める。結晶１２が成長し始めたら回転引き上げ軸９を回転させながら矢印ｃ方向に引き上げると、種結晶８の下端に結晶１２が形成される。
【００２５】
結晶１２の成長時には、内るつぼ２４の底面は、成長界面近傍以外の原料（融液）１０を覆っており、成長した結晶１２の直胴部の側面に対して原料（融液）１０から熱が伝導しないようにする遮蔽効果を発揮する。また、内るつぼ２４の側壁は外るつぼ２１の側壁からの熱を遮る効果がある。外るつぼ２１と内るつぼ２４との間には空間を作り、外るつぼ２１の熱が内るつぼ２４へは直接伝導しないようにするのが好ましい。
【００２６】
内るつぼ２４の遮蔽効果により、内るつぼ２４の外側の空間と結晶１２の成長面がある内るつぼ２４の内側の空間とで遮蔽され、内るつぼ２４の外側（内るつぼ２４と外るつぼ２１との間）にある成長界面と、内るつぼ２４の内側にある結晶１２の頭部との間に温度差が生じるため、熱が伝導しやすくなり、結晶１２からの放熱も増加して冷却が促進され、従来技術の問題点である冷却不足が原因の結晶１２の成長界面の周方向の凹部１３（図３参照。）による多結晶化や結晶表面のＡｓ揮散が原因の外径不足を防止することができる。
【００２７】
尚、本実施の形態ではＧａＡｓ単結晶成長の場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＧａＰやＧａＩｎＰ等の他の化合物半導体単結晶成長であってもよい。
【００２８】
（最適条件の根拠）
▲１▼内るつぼ２４の外径が外るつぼ２１の内径より２〜４ｍｍの範囲内が好ましい点。
【００２９】
図１に示す製造装置２０において、回転支持台６、外るつぼ２１、内るつぼ２４、結晶１２及び回転引き上げ軸９の中心軸が共通であるが、外るつぼ２１と内るつぼ２４との隙間を大きくすると、結晶１２の成長途中に内るつぼ２４の位置が水平方向に動いて中心軸からずれる。このため、成長中の結晶１２と内るつぼ２４の底部中央の孔２３の内壁とが接触してしまい、結晶１２の成長を中断しなければならなくなる。その結果、内るつぼ２４の外径は、外るつぼ２１の内側に内るつぼ２４が収納できる範囲で極力外るつぼ２１の内径に近い寸法にして中心軸の水平方向への移動を抑えるようにするのが好ましい。
【００３０】
▲２▼内るつぼ２４の底部中央の孔２３が結晶１２の最大外径に対して１０〜２０ｍｍ大きくするのが好ましい点。
【００３１】
ＬＥＣ法では、外径制御しながら結晶１２の成長を行うが、結晶１２の成長中に外径変動があるため、結晶１２の最大外径よりも裕度をもった孔径にしなければ結晶１２と内るつぼ２４の底部中央の孔２３とが接触してしまい、結晶１２の成長を中断しなければならなくなる。また、内るつぼ２４の位置が水平方向に動いて中心軸から移動した場合についても結晶１２と内るつぼ２４の底部中央の孔２３の内壁とが接触してしまうので、結晶１２の最大外径に対して１０ｍｍ以上の隙間が必要である。さらに、成長中の結晶１２に対して原料１０や封止剤１１の融液からの熱を遮るためには、結晶１２の最大外径と内るつぼ２４の孔２３との隙間は極力小さい方が望ましく（隙間を大きくすると効果が小さくなってしまうため）、２０ｍｍ以下とした方が好ましい。
【００３２】
図２は本発明の化合物半導体単結晶成長方法の他の実施の形態を適用した製造装置の概念図である。
【００３３】
図２に示した製造装置３０と図１に示した製造装置２０との相違点は、外るつぼ２１に内るつぼ２４を断熱材からなるスペーサ３１で固定した後で結晶１２を成長させる点である。
【００３４】
このようなスペーサ３１を用いることにより、結晶１２の成長中に内るつぼ２４が水平方向に移動して結晶１２の中心と内るつぼ２４の孔２３の位置が中心軸からずれるのが防止され、内るつぼ２４の孔２３の径をより小さく制限して、成長界面以外で原料（融液）１０や封止剤（融液）１１からの結晶１２への熱の伝導が遮断され、結晶１２の本体と結晶１２の周囲の温度上昇が防止され、内るつぼ２４による遮蔽効果が促進される。
【００３５】
また、スペーサ３１を用いることにより、内るつぼ２４の中心軸の水平方向への移動が制限されるので、内るつぼ２４の外径を外るつぼ２１の内径より４ｍｍ以上小さくしても内るつぼ２４の中心軸の位置が変わらないため、内るつぼ２４の外径を小さくすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、多結晶化や外径不足を抑えた化合物半導体単結晶成長方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶成長方法を適用した製造装置の概念図である。
【図２】本発明の化合物半導体単結晶成長方法の他の実施の形態を適用した製造装置の概念図である。
【図３】ＬＥＣ法を適用した従来の製造装置の概念図である。
【符号の説明】
２  ヒータ
３  チャンバ
４  成長炉
５  回転軸
６  回転支持台
８  種結晶
９  回転引き上げ軸
１０  原料
１１  封止剤
２０  製造装置
２１  外るつぼ（るつぼ）
２２  ロッド
２３  孔
２４  内るつぼ（他のるつぼ）
【図１】
2004155619.tif 000003
【図２】
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【図３】
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