(57)【要約】【課題】  縦型ボート法の単結晶成長において，るつぼ内の結晶成長界面の正確な位置を把握し，るつぼに対する温度勾配領域の位置調整を行う。【解決手段】  るつぼ１２の上方に上下動可能な電極５４，５５を配置する。電極５４，５５は，電気配線５６を介して電源５７に接続される。電気配線５６には，電流計５８が接続される。結晶成長中に，るつぼ１２内の原料融液Ｂの上界面に上方から電極５４，５５を接触させる。この接触により，電極５４，５５間に電流が流れ，電流計５８によって電流が検出され，その電流の検出により原料融液Ｂの上界面の位置が測定される。当該上界面の位置に基づいて原料融液Ｂの結晶化している比率が導出され，結晶成長界面の位置が特定される。メインコントローラ４０では，当該結晶成長界面の位置に基づいて各ヒータ３０の発熱量が制御され，温度勾配領域の位置が所定の位置に調整される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって，
結晶成長中に，前記容器内における原料融液の上界面の位置を測定する工程と，
当該測定された上界面の位置に基づいて，原料融液の結晶化している比率を導出し，当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と，
当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と，を有することを特徴とする，半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記原料融液の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき，
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には，結晶成長中に測定された前記原料融液の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われることを特徴とする，請求項１に記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては，容器内の総ての原料融液が結晶化した時の当該結晶の上界面の位置と，総ての原料融液が液体の状態の時の当該原料融液の上界面の位置とを予め求めておき，それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されることを特徴とする，請求項１又は２のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記原料融液の上界面の位置を測定する工程は，電位差がある２つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ，前記２つの電極間に前記原料融液を通じて通電させ，当該通電した位置を検出することによって行われることを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項５】
容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって，
結晶成長中に，前記容器内における封止用液体の上界面の位置を測定する工程と，
当該測定された上界面の位置に基づいて，原料融液の結晶化している比率を導出し，当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と，
当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と，を有することを特徴とする，半導体単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記封止用液体の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき，
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には，結晶成長中に測定された前記封止用液体の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われることを特徴とする，請求項５に記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては，容器内の総ての原料融液が結晶化した時の前記封止液体の上界面の位置と，総ての原料融液が液体の状態の時の前記封止液体の上界面の位置とを予め求めておき，それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されることを特徴とする，請求項５又は６のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記封止用液体の上界面の位置を測定する工程は，電位差がある２つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ，前記２つの電極間に前記封止用液体を通じて通電させ，当該通電した位置を検出することによって行われることを特徴とする，請求項５，６又は７のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は，結晶成長中の前記容器内において移動する結晶成長界面の移動速度が一定になるように行われることを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７又は８のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は，前記結晶成長界面の位置と前記温度勾配領域の中心位置とのずれが前記温度勾配領域の長さの０．５％以内に収まるように行われることを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７又は８のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記結晶の原料は，周期表の第III族の元素とＶ族の元素からなる化合物半導体の原料であることを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１２】
前記結晶の原料は，ＧａＡｓ又はＩｎＰであることを特徴とする，請求項１１に記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１３】
容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法が行われる，半導体単結晶の製造装置であって，
前記容器内の原料融液の上界面の位置又は前記封止用液体の上界面の位置を測定する測定機構を備えたことを特徴とする，半導体単結晶の製造装置。
【請求項１４】
前記測定機構は，下端面が揃えられた２つの電極と，当該２つの電極に電位差を与える電源と，前記電極を前記上界面に接触させるために上下動させる昇降機構とを備えたことを特徴とする，請求項１３に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項１５】
前記測定機構によって測定された前記上界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する調整機構をさらに備えたことを特徴とする，請求項１３又は１４のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項１６】
前記調整機構は，
前記測定機構で測定される上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め設定する設定部と，
前記測定された上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の相対的な位置を調整する調整部と，を備えたことを特徴とする，請求項１５に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項１７】
前記温度分布を形成するために前記容器の周辺に上下方向に配列された複数の発熱体をさらに備えており，
前記調整部は，前記各発熱体の発熱量を制御することにより，前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できることを特徴とする，請求項１６に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項１８】
前記容器を上下方向に移動させる移動機構をさらに備えており，
前記調整部は，前記移動機構の駆動を制御して，前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できることを特徴とする，請求項１６に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項１９】
前記結晶の原料は，周期表のIII族の元素とＶ族の元素からなる化合物半導体の原料であることを特徴とする，請求項１３，１４，１５，１６，１７又は１８のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項２０】
前記結晶の原料は，ＧａＡｓ又はＩｎＰであることを特徴とする，請求項１９に記載の半導体単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，化合物半導体などの半導体単結晶の製造方法及び半導体単結晶の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ単結晶などの半導体単結晶の製造方法として，縦型ブリッジマン法や縦型温度傾斜法などの縦型ボート法が知られている。縦型ボート法は，るつぼの底部に種結晶を配置し，その種結晶の上層に単結晶の原料融液と封止用液体を配置して，当該るつぼを所定の温度分布内で相対的に移動させることにより，原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる方法である。この縦型ボート法によれば，結晶内の温度分布を小さく維持しながら結晶を成長させることができるので，結晶欠陥の密度を示すエッチピット密度（ＥＰＤ）が低く，良質の結晶を製造することができる。
【０００３】
ところが，エレクトロニクス技術の進歩によって，近年では，さらにＥＰＤの低い単結晶が要求されている。ＥＰＤをさらに低下させるためには，例えばるつぼ内の原料融液の結晶成長界面（原料融液が固化し結晶化する時の固液界面）の位置を前記温度分布内の所定の温度勾配内に正確かつ確実に維持する必要がある。このためには，結晶成長界面の正確な位置を把握し，その結晶成長界面の位置に基づいて，るつぼに対する温度勾配の相対的な位置を調整する必要がある。
【０００４】
しかしながら，縦型ボート法による単結晶の成長は，るつぼ内の原料融液内で行われており，外観から結晶成長界面の正確な位置を把握することはできない。そこで，従来の縦型ボート法においては，例えばるつぼの周辺に複数の温度計を上下方向に配置し，当該温度計の測定結果から，例えば原料融液の凝固点となる上下方向の位置を結晶成長界面の位置と定めるようにしていた（例えば，特許文献１参照）。また，予め行われる実験などで，実際に一定の速度で結晶を成長させ，その結晶成長途中で外観上認識できる結晶異常を意図的に形成し，当該異常箇所の位置に基づいて結晶成長界面の位置を定めるようにしていた（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら，上述の前者の例のようにるつぼの外側に温度計を設置した場合，例えば前記温度分布を形成するためにるつぼの周辺に配置されたヒータからの輻射熱やるつぼから放射される輻射熱，るつぼの外壁の熱伝導分布，温度計を保護する管の熱伝導分布などの各要因により，温度計による測定温度とるつぼ内の結晶原料の実際の温度とが異なってくる。したがって，前記温度計による測定結果からでは，結晶成長界面の正確な位置を特定することはできなかった。
【０００６】
また，上述の後者の例のように，事前の実験により結晶成長界面の位置を定める場合，結晶成長の度に異なる結晶成長界面の位置を正確に知るには，各結晶成長毎に実験を行わなければならない。しかしながら，このような測定は，スループットなどの観点から現実的には不可能であり，実際には，総ての結晶成長において結晶成長界面の正確な位置を把握することはできていなかった。
【０００７】
【特許文献１】特許第３１３４４１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２２６５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，縦型ボート法を用いて半導体単結晶を製造するにあたり，結晶成長界面の正確な位置をより簡単な手法で特定し，当該結晶成長界面の位置に基づいてるつぼなどの容器と温度勾配との相対的な位置を調整して，ＥＰＤをさらに低下させることのできる半導体単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために，本発明は，容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって，結晶成長中に，前記容器内における原料融液の上界面の位置を測定する工程と，当該測定された上界面の位置に基づいて，原料融液の結晶化している比率を導出し，当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と，当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と，を有することを特徴とする。なお，前記原料融液の上界面とは，原料融液の上面にある，原料融液と封止用液体との界面を示す。
【００１０】
本発明によれば，結晶成長中の原料融液の上界面の位置に基づいて原料融液の結晶成長界面の位置を特定することができる。この場合，結晶成長中の実際の原料融液の動きから結晶成長界面の位置が特定されるので，当該結晶成長界面の正確な位置を把握することができる。そして，当該正確な結晶成長界面の位置に基づいて，温度勾配領域の容器に対する位置を調整し，例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。この結果，ＥＰＤの低い良質の半導体単結晶を製造することができる。
【００１１】
前記原料融液の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき，前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には，結晶成長中に測定された前記原料融液の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われるようにしてもよい。かかる場合，原料融液の上界面の測定，結晶成長界面の位置の特定，温度勾配領域の位置調整といった手順を踏まなくとも，原料融液の上界面の測定位置から直接温度勾配領域の相対的な位置調整を行うことができる。
【００１２】
前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては，容器内の総ての原料融液が結晶化した時の当該結晶の上界面の位置と，総ての原料融液が液体の状態の時の当該原料融液の上界面の位置とを予め求めておき，それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されるようにしてもよい。
【００１３】
前記原料融液の上界面の位置を測定する工程は，電位差がある２つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ，前記２つの電極間に前記原料融液を通じて通電させ，当該通電した位置を検出することによって行われてもよい。このように上界面の位置の測定を，電極間の通電により行うことにより，上界面の位置の測定を簡単な手法で正確に行うことができる。
【００１４】
本発明は，容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって，結晶成長中に，前記容器内における封止用液体の上界面の位置を測定する工程と，当該測定された上界面の位置に基づいて，原料融液の結晶化している比率を導出し，当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と，当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と，を有することを特徴とする。なお，前記封止用液体の上界面とは，封止用液体の上面にあたる封止用液体と気相との界面を示す。
【００１５】
本発明によれば，結晶成長中の実際の原料融液の動きに対応した封止用液体の位置から結晶成長界面の位置が特定されるので，当該結晶成長界面の正確な位置を把握することができる。そして，当該正確な結晶成長界面の位置に基づいて，温度勾配領域の容器に対する位置を調整して，例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。この結果，ＥＰＤの低い良質の半導体単結晶を確実に製造することができる。
【００１６】
前記封止用液体の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき，前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には，結晶成長中に測定された前記封止用液体の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われるようにしてもよい。また，前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては，容器内の総ての原料融液が結晶化した時の前記封止液体の上界面の位置と，総ての原料融液が液体の状態の時の前記封止液体の上界面の位置とを予め求めておき，それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されるようにしてもよい。さらに，前記封止用液体の上界面の位置を測定する工程は，電位差がある２つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ，前記２つの電極間に前記封止用液体を通じて通電させ，当該通電した位置を検出することによって行われるようにしてもよい。
【００１７】
前記前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は，結晶成長中の前記容器内において移動する結晶成長界面の移動速度が一定になるように行われるようにしてもよい。かかる場合，容器内において原料融液の下部から上方に向けて成長する単結晶が上下方向の位置にかかわらず同じ質に製造され，容器の全体において良質の単結晶が製造される。
【００１８】
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は，前記結晶成長界面の位置と前記温度勾配領域の中心位置とのずれが前記温度勾配領域の長さの０．５％以内に収まるように行われてもよい。かかる場合，発明者らの検証によれば，
単結晶化率が９５％以上の良質の単結晶が製造できる。
【００１９】
前記結晶の原料は，周期表のIII族の元素とＶ族の元素からなる化合物半導体の原料であってもよく，さらにＧａＡｓ（ガリウムヒ素）又はＩｎＰ（イリジウムリン）であってもよい。
【００２０】
本発明は，容器の底部に種結晶を配置し，前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し，当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて，容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法が行われる，半導体単結晶の製造装置であって，前記容器内の原料融液の上界面の位置又は前記封止用液体の上界面の位置を測定する測定機構を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば，結晶成長中の原料融液の上界面又は封止用液の上界面の位置を測定し，当該上界面の位置に基づいて，その時点の結晶成長界面の正確な位置を特定することができる。したがって，その正確な結晶成長界面の位置に基づいて，例えば容器の置かれた温度分布温内の温度勾配領域の位置を調整し，例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。これによって，ＥＰＤの低い良質の半導体単結晶を製造することができる。
【００２２】
前記測定機構は，下端面が揃えられた２つの電極と，当該２つの電極に電位差を与える電源と，前記電極を前記上界面に接触させるために上下動させる昇降機構とを備えていてもよい。この測定機構によって，電位差のある２つの電極を前記上界面に接触させ，その２つの電極間に液体を通じて通電させ，当該通電した位置を測定することによって，前記上界面の位置を測定することができる。
【００２３】
前記半導体単結晶の製造装置は，前記測定機構によって測定された前記上界面の位置に基づいて，前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する調整機構をさらに備えていてもよい。また，前記調整機構は，前記測定機構で測定される上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め設定する設定部と，前記測定された上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の相対的な位置を調整する調整部と，を備えていてよい。
【００２４】
前記半導体単結晶の製造装置は，前記温度分布を形成するために前記容器の周辺に上下方向に配列された複数の発熱体をさらに備えており，前記調整部は，前記各発熱体の発熱量を制御することにより，前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できてもよい。また，前記半導体単結晶の製造装置は，前記容器を上下方向に移動させる移動機構をさらに備えており，前記調整部は，前記移動機構の駆動を制御して，前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できてもよい。
【００２５】
前記結晶の原料は，周期表のIII族の元素とＶ族の元素からなる化合物半導体の原料であってよく，ＧａＡｓ又はＩｎＰであってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば，ＥＰＤが低い良質の単結晶を安定して製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本実施の形態にかかる単結晶製造装置１の構成の概略を示す縦断面図である。単結晶製造装置１は，縦型ボート法の一つである縦型温度傾斜法によって半導体単結晶を製造するものである。
【００２８】
単結晶製造装置１は，内部が密閉可能な筐体１０を備え，その筐体１０の中央部には，底面が閉鎖され上面が開口した略円筒状のるつぼ収納容器１１が配置されている。るつぼ収納容器１１内には，種結晶Ａ，結晶の原料融液Ｂ及び封止用液体Ｃを下から順に配置する容器としてのるつぼ１２が配置されている。るつぼ１２は，上端が開口した円筒部１２ａと，この円筒部１２ａの下部を塞ぐように接続された円錐部１２ｂを備えている。円錐部１２ｂの頂点部分（るつぼ１２の最下部）には，種結晶Ａを収容する種結晶収容部１３が形成されている。なお，るつぼ１２の材質には，耐熱性に優れ，原料融液Ｂと反応し難い材質，例えばカーボン，ＰＢＮ（積層窒化ホウ素）などが用いられている。
【００２９】
るつぼ収納容器１１は，下部ロッド２０の上端に支持されている。下部ロッド２０の下端は，筐体１０の下面に装着されたシールリング２１を介して，筐体１０の下方に突出している。下部ロッド２０の下端には，当該下部ロッド２０を上下動させる移動機構２２が接続されている。この移動機構２２は，下部ロッド２０を回転させる機能も有している。移動機構２２の駆動により，下部ロッド２０を介して，るつぼ収納容器１１及びるつぼ１２を一体的に回転及び昇降させることができる。なお，シールリング２１によって，筐体１０の内部は気密に保持できる。
【００３０】
筐体１０内において，るつぼ収納容器１１の周囲を囲むように，複数の発熱体としてのヒータ３０が上下方向に配列されている。各ヒータ３０は，互いに独立しており，各ヒータ３０毎に発熱量を設定できる。ヒータ３０の外側は，断熱材３１で囲まれており，ヒータ３０の熱が効果的にるつぼ収納容器１１に伝達される。
【００３１】
例えば，ヒータ３０の発熱量は，調整部としてのメインコントローラ４０によって制御されている。このメインコントローラ４０によって，各ヒータ３０の発熱量を制御し，るつぼ１２の上下方向に対し所望の温度分布を形成し，さらに当該温度分布中の所定の位置に所望の温度勾配領域を形成することができる。そして，メインコントローラ４０は，その温度勾配領域をるつぼ１２の下部から上方に低速で移動させていくことによって，るつぼ１２内の原料融液Ｂを下から徐々に凝固させ結晶化することができる。また，メインコントローラ４０は，例えば移動機構２２の駆動や動作を制御することができ，るつぼ１２を上下方向の所定の位置に移動させたり，回転させたりすることもできる。
【００３２】
るつぼ収納容器１１の上方には，上下方向に長い上部ロッド５０が配置されている。上部ロッド５０は，例えば筐体１０の上面に装着されたシーリング５１を介して筐体１０の上面を貫通している。例えば上部ロッド５０の上端部は，筐体１０の外側に配置された昇降機構５２に接続されている。上部ロッド５０の下端部には，例えば絶縁板５３を介して２本の電極５４，５５が取り付けられている。各電極５４，５５は，例えば細長の略円柱状に形成され，上下方向に向けて平行に配置されている。電極５４，５５の下端部の位置は，互いに揃えられている。なお，電極５４，５５の形状は，上下方向に長い板形状であってもよい。
【００３３】
各電極５４，５５は，例えば上部ロッド５０の内部を通過する電気配線５６によって電源５７に接続されており，電極５４，５５には，所定の電位差を付加できる。電気配線５６には，電流計５８が接続されており，電極５４，５５間に電流が流れ，電極５４，５５，電気配線５６，電源５７からなる閉回路５９が形成された際に，電流計５８によってその電流値を検出することができる。かかる構成によって，昇降機構５２によって上部ロッド５０を上下動させて，電圧が付加された電極５４，５５をるつぼ１２内の液界面（原料融液Ｂの上界面又は封止用液体Ｃの上界面）に上方から接触させることができる。そして，当該電極５４，５５の液界面への接触によって，当該電極５４，５５間に液体を通じて電流が流れ，電流計５８によってその電流値を検出することができる。つまり，この電流値の検出によって，電極５４，５５が液界面に接触したことを検出することができる。その接触が原料融液Ｂの上界面であるか封止用液体Ｃの上界面であるかの判断は，原料融液Ｂと封止用液体Ｃの電気伝導率が異なるので電流計５８の示す電流値により行うことができる。なお，電極５４，５５の材質には，耐熱性に優れ，原料融液Ｂと封止用液体Ｃと反応しない，さらに導電性の高い材質，例えばカーボンなどが用いられる。
【００３４】
電流計５８で検出された電流値は，例えば第１のサブコントローラ７０に出力できる。また，第１のサブコントローラ７０は，例えば上部ロッド５０の昇降機構５２の駆動や動作を制御しており，昇降機構５２によって昇降する電極５４，５５の下端部の位置を把握している。したがって，電流計５８からの電流値の出力をトリガとして，第１のサブコントローラ７０では，その時の電極５４，５５の下端部の位置，つまり電極５４，５５が接触したるつぼ１２内の液界面の位置を検出することができる。なお，本実施の形態においては，上部ロッド５０，昇降機構５２，電極５４，５５，電気配線５６，電源５７，電流計５８及び第１のサブコントローラ７０によって液界面の測定機構を構成している。
【００３５】
例えば第１のサブコントローラ７０で測定されたるつぼ１２内の液界面の位置は，設定部としての第２のサブコントローラ７１に出力できる。るつぼ１２内において原料融液Ｂが固体に変化する時，原料融液Ｂの体積は一定の比率で膨張する。つまり，るつぼ１２内で結晶が成長するに従って，るつぼ１２内の液界面の位置が上昇する。第２のサブコントローラ７１には，図２に示すようなるつぼ１２内の総ての原料融液Ｂが融解している状態の時の液界面Ｅの位置と，総ての原料融液が結晶化した時の液界面Ｆの位置とが記憶されている。そして第２のサブコントローラ７１では，例えば当該記憶されている液界面Ｅ，Ｆの位置と，結晶成長途中で測定された液界面Ｈの位置との関係から，その時点での原料融液Ｂの結晶化している比率を算出し，当該比率からその時点の原料融液Ｂの結晶成長界面Ｇの位置を算出できる。
【００３６】
また，第２のサブコントローラ７１は，算出された結晶成長界面Ｇの位置を，メインコントローラ４０に出力できる。メインコントローラ４０では，出力された結晶成長界面Ｇの位置に基づいて，各ヒータ３０の発熱量や移動機構２２の動作を制御し，ヒータ３０によって形成される温度勾配領域とるつぼ１２との上下方向の相対的な位置を調整することができる。なお，本実施の形態では，ヒータ３０，メインコントローラ４０及び第２のサブコントローラ７１によって温度勾配領域とるつぼ１２との相対的な調整機構が構成されている。
【００３７】
単結晶製造装置１は，以上のように構成されており，次にかかる単結晶製造装置１で行われる半導体単結晶の製造について，ＧａＡｓの化合物半導体を製造する場合を例に採って説明する。
【００３８】
先ず，図１に示すようにるつぼ１２の種結晶収容部１３にＧａＡｓの種結晶Ａが収容され，当該種結晶Ａの上層にＧａＡｓの化合物原料及びＢ２Ｏ３などの液体封止剤が投入される。なお，この際必要に応じてドーパントを投入してもよい。
【００３９】
その後，るつぼ１２がるつぼ収納容器１１内にセットされ，筐体１０の内部が所定の圧力に昇圧された後，ヒータ３０によりるつぼ１２が加熱される。この加熱により，るつぼ１２内の化合物原料が溶融し，原料融液Ｂとなる。また，その上層に封止用液体Ｃが配置される。次に，メインコントローラ４０によって各ヒータ３０の発熱量が制御され，図３に示すようにるつぼ１２に対する温度分布Ｌが形成され，当該温度分布Ｌの中に所定の温度勾配領域Ｒが形成される。そして，例えばこの温度勾配領域Ｒの位置を，メインコントローラ４０の制御によってるつぼ１２の底部の種結晶Ａの位置から上方に移動させていき，原料融液Ｂを下部から上方に向けて徐々に冷却し固化させて，ＧａＡｓ単結晶Ｄを成長させていく。このとき，必要に応じて移動機構２２によって，るつぼ１２全体を回転及び昇降させながら，ＧａＡｓ単結晶Ｄを成長させてもよい。
【００４０】
ＧａＡｓ単結晶Ｄを成長させている時に，るつぼ１２の上方で待機していた電極５４，５５を低速で下降させ，図４に示すように電位差のある電極５４，５５の下端部を，液界面である例えば原料融液Ｂの上界面Ｈ１に接触させる。この接触によって電極５４，５５間に電流が流れ，閉回路５９が形成されて，電流計５８から第１のコントローラ７０にその電流値が出力される。第１のコントローラ７０では，例えばその電流値の入力をトリガとして原料融液Ｂの上界面Ｈの位置が測定される。この測定結果は，第２のコントローラ７１に出力され，当該第２のコントローラ７１では，当該原料融液Ｂの上界面Ｈの位置から，原料融液Ｂが結晶化している比率が算出され，当該比率に基づいて結晶成長界面Ｇの位置が特定される。この時の原料融液Ｂが結晶化している比率の算出は，予め第２のコントローラ７１に記憶された，原料融液Ｂが総て結晶化した時の液界面としての原料融液Ｂの上界面Ｅ１の位置及び原料融液Ｂの総てが液体の状態の時の上界面Ｆ１の位置と，測定された上界面Ｈ１の位置との位置関係から算出される。
【００４１】
結晶成長界面Ｇの位置が特定されると，その結果がメインコントローラ４０に出力される。そして例えば図５に示すように結晶成長界面Ｇの位置が温度勾配領域Ｒの所定位置，例えば温度勾配領域Ｒにおいて原料融液Ｂの凝固温度になっている特定点Ｊの位置とずれているような場合には，メインコントローラ４０よって，例えば各ヒータ３０の発熱量が変更され，温度勾配領域Ｒの特定点Ｊの位置が結晶成長界面Ｇの位置に合わせ込まれる。つまり，メインコントローラ４０によってるつぼ１２に対する温度勾配領域Ｒの相対的な位置が調整される。
【００４２】
このような，電極５４，５５による原料融液Ｂの上界面Ｈ１の位置の測定から温度勾配領域Ｒの位置調整に至る一連の位置調整プロセスは，例えば結晶成長中に連続して行われ，その都度結晶成長界面Ｇの位置と温度勾配領域Ｒとの位置が修正される。なお，この一連の位置調整プロセスは，所定の時間間隔で行われてもよいし，予め定められた回数行われてもよい。
【００４３】
ＧａＡｓ単結晶Ｄの成長が進んで，総ての原料融液Ｂが結晶化すると，その後ＧａＡｓ単結晶Ｄは冷却され，当該ＧａＡｓ単結晶Ｄがるつぼ１２内から取り出されて，一連の単結晶の製造プロセスが終了する。
【００４４】
以上の実施の形態によれば，単結晶製造装置１に，るつぼ１２内の上界面Ｈ１の位置を測定する測定機構が設けられたので，当該上界面Ｈ１の位置からその時の原料融液Ｂの結晶化率を算出し，当該結晶化率から結晶成長界面Ｇの厳密な位置を特定することができる。そして，メインコントローラ４０によって，結晶成長界面Ｇの位置を例えば温度勾配領域Ｒの所定の位置に合わせ込むことができる。この結果，縦型ボート法において，ＥＰＤの低い良質のＧａＡｓ単結晶を成長させることができる。また，当該温度勾配領域Ｒの位置調整を結晶成長中に連続して行うことができるので，るつぼ１２内の単結晶全体の質を向上させることができる。
【００４５】
前記上界面Ｈ１の測定を２本の電極５４，５５を用いて行ったので，比較的簡単な機構で測定できる。また，電極５４，５５間の通電によって位置が測定されるので，位置測定を正確に行うことができる。
【００４６】
上記実施の形態では，るつぼ１２と温度勾配領域Ｒとの相対的な位置調整を，温度勾配領域Ｒ側を移動させることによって行っていたが，るつぼ１２の移動機構２２を用いてるつぼ１２側を移動させることによって行っていてもよい。
【００４７】
上記実施の形態では，原料融液Ｂの上界面Ｈ１の位置を測定し，当該原料融液Ｂの上界面Ｈ１の位置に基づいて，るつぼ１２と温度勾配領域Ｒとの位置調整を行っていたが，原料融液Ｂの上界面Ｈ１に代えて原料融液Ｂの上層にある封止用液体Ｃの上界面の位置を測定してもよい。この測定は，結晶成長中に電極５４，５５をるつぼ１２内の封止用液体Ｃの上界面に接触させることによって行われる。そして，例えば第２のコントローラ７１において，測定された封止用液体Ｃの上界面の位置に基づいてその時点の原料融液Ｂの結晶化率が算出され，当該結晶化率からその時点の結晶成長界面Ｇの位置が特定される。そして，メインコントローラ４０によって，当該結晶成長界面Ｇの位置に基づいてるつぼ１２と温度勾配領域Ｒとの相対的な位置が調整される。かかる場合，電極５４，５５が原料融液Ｂに接触することがないので，原料融液Ｂの汚染を防止できる。
【００４８】
前記実施の形態では，原料融液Ｂの上界面Ｈ１の位置を測定し，当該上界面Ｈ１の位置から結晶成長界面Ｇの位置が特定され，当該結晶成長界面Ｇの位置に基づいて温度勾配領域Ｒの位置調整を行っていたが，例えば第２のコントローラ７１に，原料融液Ｂの上界面Ｈ１の位置と最終的な温度勾配領域Ｒの調整位置との相関関係を予め設定しておき，例えば第２のコントローラ７１において，前記相関関係と上界面Ｈ１の測定結果から，直接温度勾配領域Ｒの調整位置を算出し，例えばメインコントロール４０において，温度勾配領域Ｒの位置調整を行ってもよい。かかる場合，その都度結晶成長界面Ｇの位置を算出する必要がない。
【００４９】
以上の実施の形態では，結晶成長界面Ｇの位置を温度勾配領域Ｒ内の所定の位置に合わせ込んでいたが，結晶成長中にるつぼ１２内で上方に移動していく結晶成長界面Ｇの移動速度を一定にするように，温度勾配領域Ｒとるつぼ１２との相対的な位置調整を行ってもよい。かかる場合，るつぼ１２内の結晶化が上下方向に位置にかかわらず常に一定の条件で行われるので，るつぼ１２内の全体で良質の単結晶を製造できる。
【００５０】
さらに，上述のるつぼ１２と温度勾配領域Ｒの相対的な位置調整は，図６に示すように前記結晶成長界面Ｇの位置と前記温度勾配領域Ｒの中心位置Ｑとのずれが前記温度勾配領域Ｒの長さの０．５％以内に収まるように行われてもよい。かかる場合，結晶成長界面Ｇにおける径方向の温度分布がより均一になり，結晶中の転位集中・集積を抑制し，単結晶化率を大幅に向上させることができる。発明者らの検証によれば，結晶成長界面Ｇの位置と温度勾配領域Ｒの中心位置Ｑとのずれが０．５％を遙かに越えていた従来において単結晶化率が８０％程度であったのに対し，本発明のように０．５％以内に位置調整した場合，単結晶化率が９５％以上になり，極めて良質の単結晶が製造できることが分かった。
【００５１】
以上，本発明の好ましい実施の形態を説明したが，本発明はここに例示した形態に限定されない。例えば，本発明は，縦型温度傾斜法に限らず，縦型ブリッジマン法など，他の方法でも適用できる。また，本発明は，ＧａＡｓ単結晶以外の他の半導体単結晶，例えばＩｎＰのようにIII族とＶ族の元素からなる半導体単結晶にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は，縦型ボート法によりＧａＡｓのような化合物半導体の単結晶を製造する場合において，ＥＰＤを低下し良質の単結晶を製造する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施の形態にかかる単結晶製造装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【図２】液界面の変動を説明するためのるつぼの縦断面図である。
【図３】電極を上界面に接触させた状態を示す単結晶製造装置の縦断面の説明図である。
【図４】結晶成長時のるつぼ内の状態と，そのるつぼ周囲に形成される温度分布の状態を示す説明図である。
【図５】るつぼに対する温度勾配領域の位置調整の様子を示す説明図である。
【図６】るつぼと温度勾配領域との相対的な位置調整の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    単結晶製造装置
１２    るつぼ
３０    ヒータ
４０    メインコントローラ
５４，５５  電極
５６    電気配線
５７    電源
５８    電流計
７１    第２のサブコントローラ
Ａ    種結晶
Ｂ    原料融液
Ｃ    封止用液体
Ｄ    ＧａＡｓ単結晶
Ｇ    結晶成長界面
Ｈ１    上界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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