(57)【要約】【課題】蒸気圧制御しながらＬＥＣ法を利用して結晶成長を行う単結晶成長装置であって、双晶や多結晶のない、高品質の化合物半導体単結晶を育成できる単結晶成長装置を提供する。【解決手段】外側容器（１）内に耐熱性の内側容器（２）を設け、前記内側容器内にルツボ（１３）を配設するとともに、そのルツボ中に半導体原料（１１）および液体封止材（１２）を投入し、この内側容器外側に配設されたヒータ（３）により半導体原料を加熱するとともに、前記内側容器内における半導体原料である揮発性元素の蒸気圧を制御しながら化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記内側容器（２）の少なくとも内壁を炭化珪素（ＳｉＣ）で被覆するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側容器内に耐熱性の内側容器を設け、前記内側容器内にルツボを配設するとともに、そのルツボ中に半導体原料および液体封止材を投入し、この内側容器外側に配設されたヒータにより半導体原料を加熱するとともに、前記内側容器内における半導体原料である揮発性元素の蒸気圧を制御しながら化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成長装置において、
前記内側容器は、少なくともその内壁を炭化珪素で被覆されていることを特徴とする単結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体の単結晶成長装置に関し、特に、液体封止チョクラルスキー法により高解離圧の化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成長装置に適用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体単結晶は、ＡｓやＰ等の蒸気圧の高いＶ族元素が原料融液および育成中の結晶表面から解離しやすいため、一般に液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）により育成されている。
ＬＥＣ法は、ルツボ中の原料融液をＢ２Ｏ３等の液体封止剤で封止し、不活性ガスによって液体封止剤に高圧を加えながら結晶を引き上げて結晶成長させる方法であり、原料融液または育成結晶から揮発性元素が蒸発するのを液体封止剤により有効に抑制できるという利点がある。さらに、半導体原料が揮発性元素（例えば、Ｖ族元素）を含む場合は、その揮発性元素の蒸気圧を制御しながらＬＥＣ法により結晶成長を行うことにより、原料融液および育成結晶表面から前記揮発性元素が解離するのを防ぐようにしている。
この方法は特に蒸気圧制御法と呼ばれ、高圧容器からなる外側容器内に小型の密閉容器からなる内側容器を設け、内側容器内に揮発性元素の蒸気圧を充分に印加しながら内側容器内に配置されるルツボ内で結晶成長を行う方法である。
【０００３】
ここで、蒸気圧制御法に用いられる結晶成長装置の一例を図１に基づいて説明する。
図中、符号１は両端を閉塞した円筒状の高圧容器からなる外側容器である。この外側容器１内には上下に分割可能な略円筒状の密閉容器からなる内側容器２が設けられており、内側容器上部２ａと内側容器下部２ｂとは摺り合わせにより接合されている。
また、内側容器上部２ａの外周には線ヒータ４が配設され、内側容器下部２ｂ外周にはヒータ３が配設されている。
【０００４】
また、外側容器１の上面および底面に設けられた導入口から上軸７と下軸８とが同軸になるように導入され、それぞれ昇降かつ回転自在に設けられている。さらに、上軸７は、その内端部に種結晶保持具（図示しない）を備え、種結晶９を保持可能に構成される。一方、下軸８は、その内端部にサセプタ１０が固着され、原料融液（半導体用材料）１１および液体封止材（例えば、Ｂ２Ｏ３）１２を入れたルツボ１３を支持可能に構成される。
また、内側容器下部２ｂの底部には、内側容器下部２ｂと連通する、例えばＭｏ製のリザーバ１５が取り付けられている。このリザーバ１５には、例えば、Ｖ族元素からなる揮発性元素材料６が収容される。また、揮発性材料６が収容されたリザーバ１５の外周には、リザーバ用ヒータ５が配設されている。
【０００５】
従来は、このような結晶成長装置を用いてＬＥＣ法（特に蒸気圧制御法）により化合物半導体単結晶を育成していた。具体的には、リザーバ１５に収容された揮発性元素材料６を蒸発させることにより、内側容器２内における蒸気圧制御を精密かつ適切に行っていた。
なお、内側容器下部２ｂの少なくとも内壁は気密性を得るために、ｐＢＮで被覆していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内側容器下部２ｂをｐＢＮで被覆した場合でも、ｐＢＮ膜は経時的に変化して、シールドとしての効果を消失してしまうという問題があった。具体的には、ｐＢＮ膜はヒータの熱で昇華してしまうために、単結晶成長の回数に伴い膜厚は薄くなり、２０〜３０回の結晶成長でシールドとしての効果はほとんどなくなり、気密性が保持できなくなっていた。
また、ｐＢＮ膜が薄くなるにつれて内側容器２内の熱環境が変化するために、内側容器２内の温度分布を最適に制御することが困難となり、特に成長結晶の肩部に双晶や多結晶が発生してしまい単結晶化率が低下してしまうという問題も生じた。
そのため、シールド効果のなくなった内側容器を交換しなければならないので、生産効率が低下するという問題も生じた。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、蒸気圧制御しながらＬＥＣ法を利用して結晶成長を行う単結晶成長装置であって、双晶や多結晶のない、高品質の化合物半導体単結晶を育成できる単結晶成長装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外側容器（１）内に耐熱性の内側容器（２）を設け、前記内側容器内にルツボ（１３）を配設するとともに、そのルツボ中に半導体原料（１１）および液体封止材（１２）を投入し、この内側容器外側に配設されたヒータ（３）により半導体原料を加熱するとともに、前記内側容器内における半導体原料である揮発性元素の蒸気圧を制御しながら化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記内側容器（２）の少なくとも内壁を炭化珪素（ＳｉＣ）で被覆するようにしたものである。
なお、前記内側容器として上下に分割可能な内側容器を用いてもよく、その場合は、少なくとも内側容器下部の内壁をＳｉＣで被覆すればよい。
また、被覆するＳｉＣの厚さは１００μｍ以上とするのが望ましく、これにより半永久的にシールドとしての効果を得ることができる。また、内側容器の製造コストや生産効率の点から１ｍｍ以下とするのが望ましい。
【０００９】
この単結晶成長装置によれば、ＳｉＣにより半永久的なシールド効果を得ることができる。また、ＳｉＣ膜は経時劣化がほとんどないため、膜厚の変化により内側容器内の熱環境が変化するのを回避できるので、双晶や多結晶の発生を抑制して単結晶化率を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る結晶成長装置の一実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の単結晶成長装置の基本構造は従来の単結晶成長装置と同様であり、内側容器壁面の被覆材をＳｉＣとしている点が異なる。
図中、符号１は両端を閉塞した円筒状の高圧容器からなる外側容器である。この外側容器１内には上下に分割可能な略円筒状の密閉容器からなる内側容器２が設けられており、内側容器上部２ａと内側容器下部２ｂとは摺り合わせにより接合されている。
【００１１】
内側容器上部２ａは石英製のベルジャー（断熱真空容器）からなり、その外周には線ヒータ４が配設されている。なお、線ヒータ４は周知の構造（例えば、特公平５−７１５５９号公報に開示されている構造）を有するものを使用することができる。
一方、内側容器下部２ｂは、例えば、高温下で使用可能な材料により形成され、さらに、その壁面は厚さ１００μｍのＳｉＣ膜で被覆されている。また、内側容器下部２ｂの外周には、ヒータ３が内側容器下部２ｂ外周を囲繞して配設されている。
【００１２】
また、外側容器１の上面および底面に設けられた導入口から上軸７と下軸８とが同軸になるように導入され、それぞれ昇降かつ回転自在に設けられている。さらに、上軸７は、その内端部に種結晶保持具（図示しない）を備え、種結晶９を保持可能に構成される。一方、下軸８は、その内端部にサセプタ１０が固着され、原料融液（半導体用材料）１１および液体封止材（例えば、Ｂ２Ｏ３）１２を入れたルツボ１３を支持可能に構成される。
【００１３】
また、前記上軸７および下軸８は、内側容器２内に気密に導入されている。具体的には、上軸７と内側容器上部２ａとは、上軸が摺り合わせ構造で挿通されたシールアダプタ１４により気密にシールされている。
例えば、ヒータ３、４の加熱により外側容器内の温度が充分に高くなったときに、上軸７をシールアダプタ１４に挿通して上軸７のシールを行うことにより内側容器２内を密閉状態にすることができる。
【００１４】
また、内側容器下部２ｂの底部には、内側容器下部２ｂと連通する、例えばＭｏ製のリザーバ１５が取り付けられている。このリザーバ１５には、例えば、Ｖ族元素からなる揮発性元素材料６が収容される。また、揮発性材料６が収容されたリザーバ１５の外周には、リザーバ用ヒータ５が配設されている。
このリザーバ用ヒータ５でリザーバ１５を加熱してリザーバ１５内の揮発性元素材料６を蒸発させ、内側容器２内に揮発性元素材料６の蒸気を充満させることにより内側容器２内の蒸気圧を制御することができる。
【００１５】
本実施形態の単結晶成長装置は上述した構造を有し、内側容器下部２ｂをＳｉＣで被覆するようにしたので、半永久的に内側容器の気密を保持することができる。また、ＳｉＣ膜は経時劣化がほとんどないため、膜厚の変化により内側容器内の熱環境が変化するのを回避できるので、双晶や多結晶の発生を抑制して単結晶化率を向上することができる。
【００１６】
次に、本実施形態の単結晶成長装置を用いてＩｎＰ単結晶を育成する場合について説明する。
まず、ルツボ１３内にＩｎＰ多結晶を４０００ｇ収容し、さらに、ドーピング剤としてＦｅを１ｇ収容した。そして、その上にＢ２Ｏ３からなる液体封止材１２を７００ｇ投入した。そして、このルツボ１３を下軸７の内端部に設けたサセプタ１０上に載置した。また、リザーバ１５内には純度９９．９９９９％のＰを約２０ｇ収容した。
【００１７】
次に、内側容器上部２ａを内側容器下部２ｂ上に載置して接合した後、外側容器１を密閉して内部を真空排気した。その後、Ａｒガスで内部を加圧するとともに、ヒータ３、４により内側容器２の加熱を開始した。ヒータ３、４による加熱に伴いルツボ１３内の液体封止剤１２は融解され、この液体封止材１２により原料１１は封止された。その後、さらに昇温してＩｎＰを溶解し液体の原料融液１１とした。
この時点で、上軸７を下降させてシールアダプタ１４に挿通し、上軸７と内側容器上部２ａとのシールを行った。
【００１８】
その後、リザーバ用ヒータ５の加熱を開始して、リザーバ１５内の揮発性元素材料（Ｐ）を蒸発させて、内側容器２内にリン蒸気を充満させた。そして、上軸７および下軸８を駆動させ、上軸７の内端部に配置された種結晶９を原料融液１１中に浸し、上軸７と下軸８とを相対的に回転させながら、結晶の引き上げを行い、直径３インチ、長さ１５０ｍｍのＩｎＰ単結晶を育成した。
このようにして育成されたＩｎＰ単結晶は、表面分解が全くなかったことから、結晶育成中に内側容器２内には充分なリン蒸気圧が印加されていたことが分かった。
【００１９】
さらに、同様の成長条件でＩｎＰ結晶を１５回成長させて、単結晶化率を計算したところ、単結晶化率は８６％となり高品質なＩｎＰ単結晶を成長させることができた。
また、同様の成長条件で、ドーピング剤としてＳ（サルファ）を使用してＩｎＰ結晶を１５回成長させて、単結晶化率を計算したところ、単結晶化率は８７％となった。
【００２０】
比較のため、本実施形態の単結晶成長装置において内側容器下部（ＳｉＣコート）２ｂをｐＢＮで被覆した内側容器下部に替えた単結晶成長装置を用いて、他は同様の条件で結晶成長を行った。そして、この単結晶成長装置を用いてＩｎＰ結晶を１５回成長させて単結晶化率を計算した。
表１は、本実施例および比較例の単結晶成長装置を用いて得られたＩｎＰ結晶の単結晶化率である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１より、内側容器下部２ｂをＳｉＣで被覆した本実施例の場合、単結晶化率はそれぞれ、８６％（Ｆｅドープ）、８７％（Ｓドープ）であった。一方、内側容器下部２ｂをｐＢＮで被覆した比較例の場合、単結晶化率はそれぞれ、７１％（Ｆｅドープ）、５０％（Ｓドープ）であり、本実施例での単結晶化率に比較して劣っていることが分かった。
【００２３】
さらに、比較例では、ＩｎＰ単結晶成長の回数を重ねるごとに単結晶化率が低下している傾向が見られた。そして、比較例の場合は、ＩｎＰ単結晶成長を２０〜３０回行うとｐＢＮ被覆によるシールド効果がほとんど消失して単結晶化率が著しく低下してしまった。
これに対して、本実施例の場合は、ＩｎＰ単結晶成長の回数を重ねても単結晶化率の低下は見られず、ＩｎＰ単結晶成長を１００回以上行ってもシールド効果は持続され高い単結晶化率を保持することができた。
【００２４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、揮発性元素の蒸気圧を制御しながらＬＥＣ法を利用してＩｎＰ単結晶を成長させる単結晶成長装置について説明したが、ＩｎＰ以外にも、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ等の化合物半導体単結晶、すなわちＡｓやＰ等の揮発性のＶ族元素を原料として含む化合物半導体単結晶をＬＥＣ法により成長させる場合に適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、外側容器内に耐熱性の内側容器を設け、前記内側容器内にルツボを配設するとともに、そのルツボ中に半導体原料および液体封止材を投入し、この内側容器外側に配設されたヒータにより半導体原料を加熱するとともに、前記内側容器内における半導体原料である揮発性元素の蒸気圧を制御しながら化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成長装置において、前記内側容器の少なくとも内壁を炭化珪素（ＳｉＣ）で被覆するようにしたので、半永久的にシールド効果を得ることができ、内側容器内の気密性を保持することができる。また、ＳｉＣ膜は経時劣化がほとんどなく、膜厚の変化により内側容器内の熱環境が変化するのを回避できるので、双晶や多結晶の発生を抑制して単結晶化率を向上できるとともに、内側容器を頻繁に交換する必要がなくなるので生産効率を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る結晶成長装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  高圧容器
２  内側容器（内側容器上部２ａ、内側容器下部２ｂ）
３  ヒータ
４  線ヒータ
５  リザーバ用ヒータ
６  揮発性元素材料
７  上軸
８  下軸
９  種結晶
１０  サセプタ
１１  半導体原料
１２  液体封止剤（Ｂ２Ｏ３）
１３  ルツボ
１４  シールアダプタ
１５  リザーバ
【図１】
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