(57)【要約】【課題】　高品質、即ち特に欠陥がほとんど無く、ｃ軸（０°）の方向に配向されたサファイア結晶をコスト効率的に製造することができる方法および装置を利用可能にすること。【解決手段】　結晶核をゆっくり引き出す間、溶融結晶材料と溶融体から引き出された単結晶との間に小さな温度勾配を設定する。装置に関しては、溶融結晶材料を受けるためのルツボ、このルツボおよび／または結晶材料を加熱するための加熱装置、および例えば浸漬結晶核を使用する、溶融体から結晶を引き出すための装置を用いる単結晶成長装置であって、引き出し中に結晶を取り囲む保護および／または加熱要素が備えられ、これが溶融体に比べ凝固結晶材料が急激に冷却されること、および／または凝固結晶材料中の大きな温度勾配を防止することを特徴とする構成とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
　結晶材料をルツボ中に溶融し、この溶融された結晶材料中に結晶核を浸漬し、そしてゆっくりと引き出す単結晶成長方法であって、溶融体から引き出され凝固した結晶材料を、熱放射損失および伝導損失から少なくとも部分的に保護すること、および／または追加の加熱により熱損失を少なくとも部分的に補うことにより、引き出し中に形成される結晶が融点に近い温度に保持されることを特徴とする方法。
【請求項２】
　結晶核をゆっくり引き出す間に、溶融結晶材料と溶融体から引き出された単結晶の間に、小さい温度勾配が設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
　実質的に一定の温度勾配が結晶の引き出し方向に設定されるように保護および／または追加加熱手段が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
　凝固結晶材料中の温度勾配が、引き出し中の最大値４°Ｋ／ｃｍより低く保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
　結晶引き出し後、結晶内部の最大温度勾配が３°Ｋ／ｃｍより低く設定され、そして結晶全体が均一に冷却されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
　ルツボが、少なくともゆっくりとした引き出す段階の間、サセプタとして機能する、導電性材料から成るチューブの中に配置され、好適には垂直に配置され、そしてチューブが誘導加熱されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
　少なくともゆっくりとした引き出しが真空下、即ち好ましくは１０−２から１０−６ヘクトパスカルの間の圧力下に行われることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
　少なくともゆっくりとした引き出しが、アルゴンもしくは窒素、または酸素の割合が０から２容積％の間であることが好ましいアルゴンと酸素の混合体、または酸素の割合が０から２容積％の間であることが好ましい窒素と酸素の混合体、あるいは水素の割合が０から１０容積％の間であることが好ましいアルゴンと水素の混合体である成長雰囲気中に行われることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
　ルツボの環境温度が制御または調整されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
　ルツボの環境温度がインダクタの寸法および／またはサセプタの幾何学的形状を好適に選択することにより制御されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
　成長した単結晶に沿った温度勾配が、溶融結晶材料と種結晶間で制御または調整されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
　温度勾配の設定がインダクタの寸法および／またはサセプタの幾何学的形状を介し行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
　サセプタ材料がルツボ材料および成長雰囲気に応じて選択されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
　非金属結晶核が使用されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
　コランダム結晶核（Ａｌ２Ｏ３）、好ましくはサファイア結晶核が使用されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
　結晶核が結晶材料中に浸漬されてから、結晶のほぼｃ軸方向、好ましくは偏差が±１５°より小さい方向にゆっくり引き出されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
　溶融結晶材料を受けるためのルツボ、このルツボおよび／または結晶材料を加熱するための加熱装置、および例えば浸漬結晶核を使用する、溶融体から結晶を引き出すための装置を用いる単結晶の成長装置であって、引き出し中に結晶を取り囲む保護および／または加熱要素が備えられ、これが溶融体に比べ凝固結晶材料が急激に冷却されること、および／または凝固結晶材料内の大きな温度勾配を防止することを特徴とする装置。
【請求項１８】
　加熱装置が電導性材料から成り、好ましくは垂直に配置され、その内部にルツボが配置されるチューブ（サセプタ）と、誘導的にこのチューブを加熱するインダクタとにより構成されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
　チューブが、グラファイト、タングステン、モリブデン、イリジウム、レニウム、タンタル、オスミウムまたは上記元素の合金であることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
　サセプタの長さが調整可能であることを特徴とする請求項１７から１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
　インダクタの位置が調整可能であることを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
　ルツボがイリジウム、モリブデン、タングステン、レニウム、タンタル、オスミウムまたは上記元素の合金であることを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は単結晶を成長させるための装置に関し、この装置では結晶材料はルツボ内で溶融され、結晶核または種結晶が溶融結晶材料内に浸漬され、そして溶融物からゆっくり引き出され、その結果結晶核上に追加の材料が連続的に結晶化して単結晶を形成する。本発明は更に、この結晶成長方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　本発明はコランダム単結晶成長試験に基づいており、従って例示によりこれら結晶の成長を参照しながら記載される。しかし、本発明はコランダム結晶の成長に限定されないことが理解される。
【０００３】
　鉱物コランダムＡｌ２Ｏ３は三方−斜軸対称性であり、一般にはプリズム、正角錐型、板状、または菱形の結晶を形成する。コランダム結晶の一例はサファイアである。サファイアは天然に産する宝石で、コランダム構造を持つ酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３で作られている。サファイアは一般には０．００５から０．８％Ｆｅの鉄含有量を持ち、酸化段階＋４のチタンを少量含んでいる。工業的には、合成により作られた無色のコランダム単結晶もサファイアと呼ばれている。
【０００４】
　最近、ＬＥＤ、特に青色／白色ＬＥＤの製造向けに、０°サファイアウエハがＧａＮ、ＩｎＧａＮおよび類似の半導体層成長のための搬送基板として利用されている。ここでいう０°とは、結晶のｃ軸がウエハ表面に対し直角方向にあることを意味する。０°サファイアウエハは、好適な格子定数と好適な表面特性を持ち、その結果所望する半導体層のエピタキシャル成長が容易であることから、特にエピタキシに好適である。
【０００５】
　特にＬＥＤ製造では、結晶材料、即ち特に基材として用いられるサファイアウエハについては、可能な限り結晶構造欠陥が少ないほど、１つのウエハ当たり良好なＬＥＤ産出量を増量することができ、言い換えればコストを下げることができるため好都合である。
【０００６】
　しかし、サファイアは異方性の物理的性質を有している。例えば直線膨張率は２主要結晶方向で異なっている。例えばサファイア結晶を２０℃から９８０℃に加熱すると、格子定数はａ軸では約０．８％変化するのに対し、ｃ軸の格子定数は約０．９％変化する。既知の結晶成長方法では、これが合成サファイアの品質低下問題の原因となっている。
【０００７】
　サファイア結晶の製造−主に時計用のガラス産業−では、従来はベルヌイ法が主に使用されている。この方法では酸化アルミニウム粉末を酸水素炎内に少しずつ流して溶融し、滴を形成させ、下に配置されたサファイアの種の上に落としてそこで成長させる。この方法では直径約４０ｍｍ以下のサファイア結晶が成長するが、一般的に小角結晶粒界やその他の結晶構造欠陥を持つ。
【０００８】
　従って現時点ではＧａＮエピタキシ用のサファイア結晶は本質的には次の４種類の方法により成長させられている：
　１．チョクラルスキ法：この方法では種結晶は自立的な形でルツボ中の溶融体に浸漬され、再度引き出されるが、この時引き出し速度は正確に制御される。溶融体の温度が結晶の融点より高く、種結晶の温度がこれより低いため、引き出し速度を好適に選ぶと、結晶材料が種結晶上に結晶化する。しかし、この方法では溶融体から既に引き出されている結晶の上に比較的高温の温度勾配が形成される。異方性の直線熱膨張係数が原因となって、これが結晶内に格子構造欠陥をもたらすことがある。
　この成長過程に於ける結晶内へのこの作用を最小化するために、結晶のｃ軸が引き出し方向に対し６０°または９０°になるように種結晶が配置される。この方法では比較的高級な結晶が製造されるが、ｃ軸方向のウエハの結晶産出は極めて低く、ウエハを製造する場合には、インゴット、即ち結晶の塊からこの様に製造された結晶の側部に穴をあけなければならない。従って、この方法は非常に時間とコストがかかる。
【０００９】
　２．Ｎａｃｋｅｎ−Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ法：この方法では９０°サファイア結晶、即ち引き出し方向が結晶のｃ軸に対し直角である結晶が比較的大きな直径まで成長する。０°ウエハインゴットを得るには、結晶のｃ軸の方向である引き出し方向に対し垂直に、製造された結晶からそれに対応する円筒体に穴を開けこの円筒をスライスしてウエハを得る。この方法は極めて労力を要するものであり、収量も僅かである。
【００１０】
　３．Ｂａｇｄａｓａｒｏｖ−法：この方法の手段により成長したサファイア単結晶は０°の方向、即ち結晶のｃ軸方向に棒形に拡大し、最適な方法では通常最小直径の方向に位置し、一般に最小直径は３０ｍｍより小さい。この場合も対応する０°ウエハインゴットに穴を開けることはできるが、これらは短かすぎるためウエハ製造を効率的により一層加工することは、ほとんど実用的ではない。
【００１１】
　４．熱交換法：熱交換法はＨＥＭともいわれるが、この方法ではルツボ内で溶融された原料は好適な冷却によって、ルツボ床から上向きに凝固される。ルツボ床に種結晶を置くことで結晶の方向をあらかじめ決定することができる。この成長法を利用すれば大量かつ高品質の結晶を製造することができるが、この方法では相当の時間が必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
　この様な状況より、本発明の目的は高い結晶品質とｃ軸（０°）の方向に配向されたサファイア結晶をコスト効率的に製造することができる方法および装置を利用可能にすることである。即ち０°ウエハはこの様な結晶から円筒研削とのこ挽きによって、材料の大量損失なしに製造できる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
　この方法に関する目的は、最初に記載した方法に於いて、結晶核をゆっくり引き出す間、溶融結晶材料と溶融体から引き出された単結晶との間に小さい温度勾配を設定することで達成される。換言すれば、引き出し最中の結晶形成は、溶融体から引き出された結晶材料と凝固体を熱の放射損失から少なくとも部分的に保護すること、および／または追加加熱により少なくとも部分的に熱損失を補うことで、融点に近い温度に保持される。
【００１４】
　チョクラルスキ法を実行する既知の装置では、結晶材料は一般にはサセプタとして機能するルツボの中でインダクタとして機能する誘導コイルを使って溶融されるが、ルツボサセプタはこのインダクタによって加熱され、その結果ルツボ中に存在する材料が加熱される。その他の加熱要素は備えられていないため、成長した結晶に沿って必然的に非常に高い温度勾配ができてしまう。
【００１５】
　本発明によるこの温度勾配の縮小は、例えば追加の過熱手段によって、ルツボが位置している加熱炉のスペースを分離して加熱することで実行できる。
【００１６】
　数多くの試験が、標準的なチョクラルスキ法により製造された結晶の品質不良、特に多くの結晶構造欠陥が本質的に比較的高温の温度勾配、特に引き出し方向、即ちｃ方向に向けられた結晶の軸方向の温度勾配を原因とするものであることを示している。それ故に、発明ではルツボから引き出される結晶に関し、この温度勾配は可能な限り小さく保持されている。
【００１７】
　温度勾配が小さいことは利点ではあるが、溶融体が結晶材料の融点より高い温度を有利に保持しながら、引き出される結晶は常に融点より低い温度でなければならないことに注意しなければならない。
【００１８】
　更に特に好ましい形では、上記の温度保護および／または追加加熱は、実質一定の温度勾配が結晶の引き出し方向に設定されるように配置される。この様にすることで、特に均質で、とりわけ上手くいった場合には欠陥のない結晶を製造することができる。
【００１９】
　凝固した結晶材料内の温度勾配は、引き出し中、最大値４°Ｋ／ｃｍより小さく、好ましくは最大値３°Ｋ／ｃｍより小さく有利に維持することができる。
【００２０】
　更に、好適な形態の１つでは、結晶を引き出した後、結晶内の最大温度勾配を２°Ｋより小さい値に設定すること、および結晶全体を均一に冷却することで結晶の欠陥を十分に回避する手段がとられる。
【００２１】
　本発明による方法の好適例の１つでは、少なくともゆっくりと引き出す段階の間、サセプタとして機能し、好ましく垂直に配置された電導性物質製チューブ内に配置され、そしてこのチューブはインダクタにより誘導加熱されるルツボの中で小さな温度勾配がもたらされる。
【００２２】
　原則としてはこのチューブの断面はいずれの形でも良いが、チューブ内の温度分布を最も均一にするには、円形の断面を用いることが好ましい。管状の配置をとるために、とりわけ既知のチョクラルスキ法と比べ軸方向、即ち引き出し方向の温度勾配を大きく縮小できる。
【００２３】
　さらに特に有利な例では、少なくとも結晶核のゆっくりした引き出しは、真空下、好ましくは１０−２から１０−８ｈＰａの圧力下で行われる。
【００２４】
　あるいは別の有利な例では、少なくとも結晶核のゆっくりとした引き出しがアルゴンもしくは窒素、あるいはアルゴンと酸素の混合気体にあって酸素の割合が０から２容積％の間であることが好ましい混合気体、もしくはアルゴンと水素の混合気体にあって水素の割合が０から１０容積％の間であることが好ましい混合気体の雰囲気中に行われるよう準備される。
【００２５】
　成長状況を適切に選択することで、成長対象となる結晶の品質を上げることができる。さらに使用する成長状況の熱容量および誘電率の違いによって、温度勾配は対応する影響を与える。
【００２６】
　ルツボ環境内の温度は都合良く調整できる。この調整はインダクタの寸法および／またはサセプタの幾何学形状を好適に選択することで適切に実行できる。この方法により温度勾配もまた必然的に調整される。
【００２７】
　発明による方法の特に好ましい例では、サセプタ材料、即ちチューブを作る材料は、使用するルツボの材料および成長雰囲気に応じて選択される。成長対象となる結晶に応じて−融解温度の違いにより−異なるルツボ材料が好適になるだろう。ルツボ材料を選ぶことにより、結晶材料を溶融するためにインダクタにより供給される電力も同時に決定される。サセプタチューブは一般には同一インダクタにより加熱されるため、サセプタチューブより供給される加熱エネルギはサセプタ材料を選ぶことで調整できる。
【００２８】
　この方法は、最初に記載したように、結晶核または種結晶としてコランダム結晶（Ａｌ２Ｏ３）またはサファイア結晶を用いるコランダム結晶の成長、特にサファイア結晶の成長に特に好都合である。
【００２９】
　結晶核は結晶材料中に好都合に浸漬されてからゆっくりと結晶のｃ軸方向に引き出される。これにより形成された単結晶が０°ウエハの製造に特に好適であることが保証される。本発明による小さな温度勾配により、本発明による方法を利用することでｃ軸に沿って方向付けされ、そして構造欠陥がほとんど無く、エピタキシに極めて好適であるサファイア結晶を初めて簡単に製造することが可能になった。
【００３０】
　装置に関しては、最初に記載した目的は溶融した結晶材料を受けるためのルツボを利用した単結晶を成長させるための装置、このルツボおよび／または結晶材料を加熱するための加熱装置、ならびに例えば浸漬した結晶核を用いて溶融体から結晶を引き出すための装置にあって、引き出しの間結晶を取り巻いているシールドおよび／または加熱要素が備えられていることを特徴とし、これが凝固した結晶材料が溶融体に比べ急激に冷却されること及び／または凝固結晶材料内の温度勾配が大きくなることを防ぐための装置によってもたらされる。
【００３１】
　加熱装置は、その内部にルツボが配置される、垂直に好ましく配置された導電性材料（サセプタ）より作られたチューブおよびそのチューブを誘導加熱するインダクタから有利に構成される。誘導構造は炉内に電気的接続を持ち込む必要がないという利点を持っている。たとえサセプタの構造として単部品型のチューブが特に好ましい場合でも、当然サセプタは相互に依存している、または別の様式にある、２またはそれ以上のチューブ部品から作ることもできると理解される。
【００３２】
　抵抗発熱炉に比べた別の利点は、保守コストが極めて低いことである。２０００°Ｃ領域で抵抗発熱炉を使用した場合、成長方法を数回おこなった後に高価な発熱体を取り外して交換しなければならない。比較的コスト効率的なサセプタチューブは簡単に交換することができる。
【００３３】
　標準的なチョクラルスキ法では誘導線をルツボに直接接続するため、ルツボ内にも張力が生じ、これがルツボの寿命に大きく影響する。周囲に配されたチューブによるルツボの加熱はルツボに対しかなり穏やかであり、寿命を延ばす。
【００３４】
　さらにサセプタチューブを使って既存の結晶成長板を改良することは容易である。そうすることで既存のインダクタまたは拡張インダクタをルツボ加熱用インダクタとして利用することができる。
【００３５】
　特に好適な例では、チューブ／サセプタはグラファイト、タングステン、モリブデン、イリジウム、レニウム、タンタル、オスミウムまたは上記元素の合金であることが示されている。本例ではモリブデン−タングステンおよびタングステン−レニウムが好ましい合金と考えられる。
【００３６】
　別の特に好ましい例では、サセプタの長さが調整できる。この調整能は、例えば長さの異なる少なくとも２種類のサセプタを利用可能にし、それらを随意炉内に導入することで達成できる。あるいはサセプタを可動式にして、インダクタが作る誘導場から少なくとも部分的にサセプタを引き抜くこともできる。
【００３７】
　特に好都合な例では、結晶を引き出すための装置は加熱装置として機能する。これは引き出し装置がサセプタとして作られている場合、またはサセプタ要素を引き出し装置に取り付けることで達成できる。特にこの例では、結晶の上端部、即ち溶融体から遠い端部を融点より低い一定温度に保持することが特に簡単である。もちろんこのことは記載の他の例でも好都合に達成することができる。
【００３８】
　ルツボがイリジウム、モリブデン、タングステン、レニウム、タンタル、オスミウム、または上記元素の合金、例えばモリブデン−タングステン、タングステン−レニウム製の場合、特に好都合であることが証明されている。
【００３９】
　温度勾配をできるだけ良好に設定可能にするために、好都合例ではサセプタチューブの壁厚は変化しており、そして移動可能な形に好ましく配置されている。それによりサセプタチューブを軸方向に移動させることで温度勾配を簡単に設定できる。
【００４０】
　本発明の特徴および利用可能な別の利点は、以下の具体的好適例の説明より明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
　本発明による方法の特に好適な例では、酸化アルミニウム粉末をイリジウム製ルツボ内に配置する。次にこのルツボを炉内に入れ、グラファイト、タングステン、レニウムまたはその他好適材料で製造されたサセプタチューブをルツボにかぶせ、サセプタチューブでルツボと種結晶用固定装置を取り囲む。インダクタを使ってサセプタチューブを、そして結果として結晶材料が溶融するまでルツボを加熱する。
【００４２】
　次に、まずそのｃ軸が引き出し方向に配位されたサファイア種結晶を溶融体内に浸漬し、次にゆっくりと種結晶を引き出すと、引き出し方向に配向したサファイアの単結晶が種結晶上に結晶化する。サセプタチューブもインダクタにより加熱されるという事実、即ちそれが抵抗発熱体として機能するという事実により、引き出される単結晶に沿った溶融体から種結晶に向かう温度勾配は２°Ｋ／ｃｍ未満となる。この様な小さい温度勾配を与えることで、成長する単結晶の質を大きく改善することができる。温度勾配はサセプタチューブの大きさと材質を適切に選ぶことで設定できる。
【００４３】
　発明による方法および装置はサファイアの単結晶の成長を唯一の参考として説明されているが、本発明は他の結晶の成長にも利用可能であり、特に強い異方性の物理特性を持つ単結晶の成長にも利用できる。
【００４４】
　この方法は、成長中に水平方向の成長先端部を設定しなければならない場合に特に有益である。