(57)【要約】【課題】  ＬＥＣ法による直径６５〜８０ｍｍのリン化ガリウム単結晶を製造する際に、転位が線上に集積するリネージ不良や、転位の集積がさらに発達した多結晶化不良の発生を抑え、単結晶の収率を向上させる。【解決手段】    液体封止引上げ法によりリン化ガリウム単結晶を製造する装置において、径の異なる上段円筒部および下段円筒部が一体に形成された黒鉛ヒータを備え、該黒鉛ヒータの上段円筒部のスリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して３２〜３６％とし、かつ、下段円筒部の高さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して１２〜１７％とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
径の異なる上段円筒部および下段円筒部が一体に形成された黒鉛ヒータを備え、上段円筒部には発熱体として機能するスリット部が設けられ、液体封止引上げ法によりリン化ガリウム単結晶を製造する装置において、該黒鉛ヒータの上段円筒部のスリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して３２〜３６％とし、かつ、下段円筒部の高さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して１２〜１７％としたことを特徴とするリン化ガリウム単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）を用いるリン化ガリウム単結晶の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視発光ダイオード（ＬＥＤ）基板として用いられるリン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶は、ＬＥＣ法により育成される。
【０００３】
従来のＧａＰ単結晶製造装置の一例を、図３に断面図で示す。図４は、図３の加熱用の黒鉛ヒータを示す断面図である。
【０００４】
ＬＥＣ法によるＧａＰ単結晶製造装置は、１００気圧程度の圧力に耐える高圧容器（１）からなり、通常、ＧａＰ単結晶の製造は、該高圧容器（１）内で、５０気圧の窒素やアルゴンといった不活性ガス雰囲気下で行われる。高圧容器（１）の中心部には、保温筒（１０）と、加熱用の黒鉛ヒータ（３ａ）に囲まれた石英ルツボ（２）が配置され、上方には単結晶の引上げシャフト（８）が備えられる。
【０００５】
加熱用の黒鉛ヒータ（３ａ）は、図４に示すように、径の異なる上段円筒部（３１ａ）および下段円筒部（３２ａ）が一体に形成され、上段円筒部（３１ａ）は、上部（３３ａ）、スリットを有するスリット部（３４ａ）、および下部（３５ａ）で構成され、上段円筒部（３４ａ）の底部（３６ａ）から下方に凸状に下段円筒部（３２ａ）が形成される。このうち、上段円筒部のスリット部（３４ａ）のみが発熱に寄与する。スリット部（３４ａ）は、上下方向を長手方向としたつづら折れ状に構成され、発熱体として機能する。
【０００６】
通常、上段円筒部（３１ａ）の底部（３６ａ）と石英ルツボ（２）の底はできるだけ近づけるように設計することで、黒鉛ヒータ（３ａ）の保温性を向上させるとともに、５０気圧の雰囲気ガスの対流による温度揺らぎを防ぎ、育成中のＧａＰ単結晶（６）がＧａＰ融液（５）と接する界面である固液界面を、安定に保って、長尺のＧａＰ単結晶の育成を可能にしている。
【０００７】
結晶育成の初期から終了までの間、石英ルツボ（２）内の温度分布を一定にし、固液界面付近の温度勾配を一定に保ちつつ、結晶育成を行うために、結晶育成に伴い降下する融液上面を、黒鉛ヒータ（３ａ）に対して一定位置に維持するように、石英ルツボ（２）を押し上げる押上げシャフト（１１）が下方に備えられる。
【０００８】
ＧａＰ単結晶製造装置で結晶育成を行うにあたって、まず、石英ルツボ（２）の中に、原料のリン化ガリウム（ＧａＰ）多結晶を入れ、ｎ型不純物のＳ、ＴｅおよびＳｉのいずれかを添加する。その上に、原料融解時のリンの揮発分解を防止する封止剤（４）であるＢ2Ｏ3を載せて、アルゴンや窒素などの高圧不活性ガス雰囲気下で、黒鉛ヒータ（３ａ）により、ＧａＰの融点１４６５℃以上まで加熱する。原料融解後、引上げシャフト（８）に取り付けた種結晶（７）を降下させて、封止剤（４）の下に位置するＧａＰ融液表面に浸けた後に、融液温度を下げ、石英ルツボ（２）を回転させ、かつ、種結晶（７）を回転させながら引き上げて、ＧａＰ単結晶（６）を育成する。
【０００９】
得られた単結晶（６）は、外形を整えるために、円筒研削を行った後、ワイヤーソーや内周刃切断機などで、厚さ３００〜５００μｍ程度のウエハに切断する。ウエハは、電気特性、結晶欠陥の有無、外観の汚れやキズなどの有無の検査を行い、規格に合格したウエハを製品とする。
【００１０】
前述の方法で得られたＧａＰ単結晶（６）は、結晶直胴部や結晶底部に転位が線上に集積するリネージ不良、あるいはリネージの発達による多結晶化不良が発生する。また、結晶育成の途中で結晶質量をモニターする結晶質量センサ（図示略）に急激な質量増加信号が入って育成中止となる固化が、発生する。
【００１１】
転位が線状に集積するリネージ不良、あるいはリネージの発達による多結晶化不良が発生する原因は、固液界面形状が融液に対して全体的あるいは部分的に凹になるために、固液界面に垂直に伝播する性質を持つ転位が、凹形状の箇所で集積することにある。したがって、転位の集積を抑制するためには、固液界面の凸度を適度な大きさにすればよい。
【００１２】
これまでにも、特開２００３−２１２６９８号公報に記載されるように、直径５０ｍｍ程度のＧａＰ単結晶の育成では、得られた固液界面形状を測定することにより得られる凸度のデータを基に、適度な固液界面の凸度を得て、多結晶化不良を低減することが提案されている。
【００１３】
ＬＥＤの需要増加に伴い、直径６５〜８０ｍｍの大口径ＧａＰ基板が求められている。直径６５〜８０ｍｍの大口径ＧａＰ単結晶育成用の石英ルツボの直径は１３０ｍｍ程度、加熱用黒鉛ヒータの直径、すなわち上段円筒部（３１ａ）の直径は１４０〜１７０ｍｍが、一般的に用いられる。しかし、直径６５〜８０ｍｍの大口径ＧａＰ単結晶を育成するために、単純に石英ルツボを大型化して１３０ｍｍ程度とすると、石英ルツボ底の温度を調節しても、小さな固液界面の凸度しか得られず、転位が線上に集積するリネージ不良や、転位の集積が発達した多結晶化不良を防止することはできない。
【特許文献１】特開２００３−２１２６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、ＬＥＣ法による直径６５〜８０ｍｍのＧａＰ単結晶を製造する際に、転位が線上に集積するリネージ不良や、転位の集積がさらに発達した多結晶化不良の発生を抑え、ＧａＰ単結晶の収率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のＧａＰ単結晶製造装置は、径の異なる上段円筒部および下段円筒部が一体に形成された黒鉛ヒータを備え、上段円筒部には発熱体として機能するスリット部が設けられ、液体封止引上げ法により直径６５〜８０ｍｍのＧａＰ単結晶を製造するための装置において、該黒鉛ヒータの上段円筒部のスリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して３２〜３６％とし、かつ、下段円筒部の高さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して１２〜１７％とすることに特徴を有する。
【００１６】
本発明は、黒鉛ヒータ全体の高さが２２８〜２３２ｍｍであるＧａＰ単結晶製造装置へ適用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、ＬＥＣ法による直径６５〜８０ｍｍのＧａＰ単結晶を製造する際において、転位が線上に集積するリネージ不良や、転位の集積がさらに発達した多結晶化不良の発生を著しく低減することができ、ＧａＰ単結晶の収率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
一般に、上段円筒部のスリット部の下端より下にある黒鉛ヒータ下部の空間を大きく取ると、該黒鉛ヒータ下部は発熱に寄与しないため、石英ルツボの底付近の保温性を減少させ、結晶育成中の固液界面付近の温度勾配は大きくなることから、固液界面の凸度が大きくなることが知られている。しかし、該黒鉛ヒータ下部の空間を大きく取りすぎると、５０気圧の雰囲気ガスの対流による温度揺らぎは大きくなり、結晶育成中の固液界面を安定に保ちながら長尺の単結晶を製造することは困難である。本発明者らは、固液界面の凸度を適度にとれ、かつ、安定な結晶育成を可能とするために、該黒鉛ヒータ下部の空間を調節することが有効であるとの知見を得て、本発明に至った。
【００１９】
本発明のＧａＰ単結晶製造装置は、径の異なる上段円筒部および下段円筒部が一体に形成された黒鉛ヒータを備え、該黒鉛ヒータの上段円筒部のスリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して３２〜３６％とし、かつ、下段円筒部の高さを、黒鉛ヒータ全体の高さに対して１２〜１７％とする。
【００２０】
すなわち、本発明では、上段円筒部と下段円筒部を一体に形成することで、下段円筒部により空間を絞ることで対流により温度揺らぎを減少させる作用と、上段円筒部のスリット部の下端より下にある黒鉛ヒータ下部の空間を大きくすることで、石英ルツボの底付近の保温性を減少させ、結晶育成中の固液界面付近の温度勾配を大きくするという作用を、黒鉛ヒータの上段円筒部のスリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さと、下段円筒部の高さを、規定することにより、固液界面の凸度を適切に制御し、リネージ不良と多結晶化不良を減少させている。
【００２１】
なお、黒鉛ヒータの形状は、３つ以上の円筒部からなっていてもよいが、目的を最小限達成し、かつ、黒鉛ヒータの加工による製造コストの増加を最小に抑えるために、２つの円筒部からなることが望ましい。
【００２２】
スリット部の下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向の長さが、黒鉛ヒータ全体の高さに対して３２％未満では、固液界面の凸度が不十分となり、リネージ不良と多結晶化不良が多発することとなり好ましくない。一方、３６％を超えると、凸度が過大となり、結晶育成の途中で結晶質量をモニターする結晶質量センサに急激な質量増加信号が入って、育成中止となる固化が発生しやすくなり好ましくない。
【００２３】
下段円筒部の高さが、黒鉛ヒータ全体の高さに対して１２％未満では、凸度が過大となり固化が発生しやすくなり好ましくない。一方、１７％を超えると、凸度が不十分となり好ましくない。
【００２４】
黒鉛ヒータ全体の高さは、必要に応じて変更できる。しかし、ＬＥＣ法によるＧａＰ単結晶製造装置は、１００気圧程度の圧力に耐える高圧容器からなり、通常、ＧａＰ単結晶の製造は、５０気圧の窒素やアルゴンといった不活性ガス雰囲気で行われることから、使用する高圧容器の高さで制限されることになる。前述の一般的に用いられる石英ルツボを用いて、直径６５〜８０ｍｍのＧａＰ単結晶を製造するためには、黒鉛ヒータ全体の高さは、２２８〜２３２ｍｍであることが望ましい。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
図２に断面図を示した黒鉛ヒータ（３）を用いた。黒鉛ヒータ全体の高さ（Ｔ）を２３０ｍｍ±２ｍｍ、スリット部（３４）の下端から下段円筒部（３２）の下端までの鉛直方向の長さ（Ｆ１）を７３ｍｍ、下段円筒部の高さ（Ｓ１）を３８ｍｍとした。すなわち、Ｆ１はＴに対して３１．５〜３２％であり、Ｓ１はＴに対して１６〜１７％である。
【００２６】
図１に断面図を示したＧａＰ単結晶製造装置を用いて、通常のＬＥＣ法で直径６５〜８０ｍｍのＧａＰ単結晶の結晶育成を３回、行った。
【００２７】
その結果、平均質量１８６０ｇの単結晶（６）が得られ、リネージ不良および多結晶化不良発生率は９％であった。また、単結晶育成中の固液界面形状の目安となる単結晶インゴットの底部は、周囲に対して中央が５〜９ｍｍ凸の形状であった。
【００２８】
（実施例２）
スリットの下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向高低差（Ｆ１）を８３ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして、結晶育成を４回、行った。なお、Ｆ１はＴに対して３５〜３６％であった。
【００２９】
その結果、平均質量１８６０ｇの単結晶（６）が得られ、リネージ不良および多結晶化不良発生率は０％であった。また、単結晶育成中の固液界面形状の目安となる単結晶インゴットの底部は、周囲に対して中央が６〜７ｍｍ凸の形状であった。
【００３０】
（実施例３）
下段円筒部の高さ（Ｓ１）を２８ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして、結晶育成を２回、行った。なお、Ｓ１はＴに対して１２％であった。
【００３１】
その結果、平均質量１８６０ｇの単結晶（６）が得られ、リネージ不良および多結晶化不良発生率は０％であった。また、単結晶育成中の固液界面形状の目安となる単結晶インゴットの底部は、周囲に対して中央が５〜７ｍｍ凸の形状であった。
【００３２】
（比較例１）
図４に断面図を示した黒鉛ヒータ（３ａ）を用いた。下段円筒部の高さ（Ｓ２）を４９．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして、結晶育成を１２回、行った。なお、Ｓ２はＴに対して２１〜２２％であった。
【００３３】
その結果、平均質量１８６０ｇの単結晶（６）が得られ、リネージ不良および多結晶化不良発生率は３６％であった。また、単結晶育成中の固液界面形状の目安となる単結晶インゴットの底部は、周囲に対して中央が２〜４ｍｍ凸の形状であった。
【００３４】
上記実施例および比較例の結果を表１にまとめて示す。表１の結果より、本発明に係る実施例は、比較例に対して、リネージおよび多結晶化不良の発生が著しく低減している。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のＧａＰ単結晶製造装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の加熱用の黒鉛ヒータを示す断面図である。
【図３】従来のＧａＰ単結晶製造装置の一例を示す断面図である。
【図４】図３の加熱用の黒鉛ヒータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  高圧容器
２  石英ルツボ
３，３ａ  黒鉛ヒータ
３１，３１ａ  上段円筒部
３２，３２ａ  下段円筒部
３４，３４ａ  スリット部
４  封止剤
５  ＧａＰ融液
６  ＧａＰ単結晶
７  種結晶
８  引上げシャフト
９  石英キャップ
１０  保温筒
１１  押上げシャフト
Ｔ  黒鉛ヒータ全体の高さ
Ｆ１、Ｆ２  スリットの下端から下段円筒部の下端までの鉛直方向高低差
Ｓ１、Ｓ２  下段円筒部の高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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