(57)【要約】【課題】ルツボ内の液体封止剤中に攪拌に効果的な姿態で邪魔板を配置して、固液界面の凹面化による多結晶化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上し得るＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供すること。【解決手段】原料容器たるルツボ５内の液体封止剤６中に、液体封止剤の攪拌を目的とした邪魔板１１を、攪拌に適切な傾斜角（設置傾斜角θ）で配置して、結晶の多結晶化をなくす。設置傾斜角θは、各邪魔板１１をルツボ５の回転方向と逆方向に回転させて傾ける場合は鋭角、好ましくは３０°〜６０°であり、邪魔板１１は結晶を取り囲む周方向に２〜４枚等間隔で設ける。【選択図】      図１
2005298253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧容器内の加熱されたルツボをルツボ軸で支え、ルツボに原料融液、液体封止剤を収納し、ルツボを回転させつつ、原料融液に種結晶を接触させて、これを引き上げることにより単結晶を育成する化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記ルツボの内壁面と単結晶の外周との間における液体封止剤中に、液体封止剤の攪拌を目的として複数枚の邪魔板を縦形に配置し、
その各邪魔板を、平面内で見て、ルツボの回転方向と逆方向にルツボ半径線から鋭角だけ傾け、
この傾けた邪魔板の存在により上記ルツボの回転に伴って液体封止剤を攪拌しつつ、単結晶を引き上げることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記邪魔板をルツボ半径線から傾ける設置傾斜角θを３０°〜６０°の範囲に設定することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記邪魔板を２〜４枚周方向に等間隔で設けることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）を用いた化合物半導体単結晶の製造方法に係り、特に半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の製造方法に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図４によって説明する。
【０００３】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置１は、炉体部分（耐圧容器）であるチャンバー２と、結晶を引き上げる為の引上軸３と、原料の容器であるＰＢＮルツボ５と、このルツボを受ける為のルツボ軸４を有する構造となっている。
【０００４】
結晶製造方法については、先ず原料の容器となるＰＢＮルツボ５に原料としてのＧａとＡｓ及びＡｓの揮発を防止するための三酸化硼素６を入れ、これをチャンバー２内にセットする。又、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取り付ける。この種結晶７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面としているのが一般的である。
【０００５】
チャンバー２に原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー２内に設置してある抵抗加熱ヒータ８に通電し、チャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９を作成する。
【０００６】
続いて、引上軸３、ルツボ軸４を回転方向が逆になるように回転させる。この状態で、引上軸３を先端に取り付けてある種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触するまで下降させる。
【０００７】
続いて、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ引上軸３を一定の速度で上昇させることで、種結晶７から徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部を形成する。肩部形成後、目標とする結晶外径となったならば、外径を一定に保つ為、外径を制御しつつＧａＡｓ単結晶１０の製造を行う。
【０００８】
上記ＧａＡｓの単結晶を成長する場合、結晶が有転位結晶であるため転位集合防止のために、その固液界面形状は融液側に凸となる形状で行うのが一般的である。
【０００９】
ところで、上記のＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶の成長に際しては、結晶が多結晶化するのを防止して単結晶部分をできるだけ長くすることが好ましい。単結晶部分が長ければ、１本の材料からより多くのウェハをスライスすることができ、また引上げ炉の準備時間と準備回数を削減でき、さらには特性評価の回数も減らすことができる。また、引き上げに用いる消耗品（ルツボ、封止剤）費用の原価に対する割合を下げることができる。
【００１０】
上記の多結晶化の原因は主として２つあり、一つは固液界面形状が凹凸になり、その部分に熱応力が集中して転位が発生して起こるものであり、他の一つは結晶の表面荒れ、つまり結晶表面が輻射熱を受けて高温となり、Ａｓが解離して残されたＧａが表面を伝わって固液界面に達して起こるものである。
【００１１】
前者の原因の解消策としては、ヒータの発熱量の制御、ヒータやホットゾーンの形状等を改良する試みがなされており、また、後者の原因の解消策としては、単結晶の周りに筒や板を設けて輻射熱を遮ったり、筒や板或いは単結晶にガスを吹き付けることが試みられている。 
【００１２】
なお、固液界面形状の凹面化防止技術の見地から直接に論じられたものではないが、特開２０００−２８１５００号公報（特許文献１）には、２つの邪魔板で封止剤融液を攪拌することにより、炉内の雰囲気ガスと原料融液との間接的な接触頻度を高め、ＧａＡｓ単結晶中の炭素濃度として、高炭素濃度が要求される場合であっても、原料融液中の炭素濃度を目標値に設定するまでの時間を短縮することが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２８１５００号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、図４のＧａＡｓ単結晶成長における問題点の一つとして、転位の集合による結晶の多結晶化という問題がある。転位は結晶と融液の境界面である固液界面に垂直に伝播する性質があり、固液界面が融液側に凹面形状をしていると転位の集合が起こってしまう。よって、転位の集合を防止する為には、固液界面の形状を結晶成長中に常に融液側に凸となるように制御する必要がある。又、固液界面は熱流に対して垂直に形成される。よって、固液界面を凸化させるには、結晶の冷却を促進させ、熱の流れを固液界面→結晶中央部→結晶上部→結晶外部という流れにすれば良いことになる。
【００１４】
しかしながら、本発明者等の知見によれば、従来技術の場合、結晶エッジ部付近において、液体封止剤の相対温度が結晶より低いことが原因で、熱流が固液界面→結晶側面→液体封止剤という流れが発生し、これにより結晶エッジ部付近の固液界面形状が凹面化し、強いては転位集合による結晶の多結晶が発生する。液体封止剤の相対温度が結晶より低くなる理由として、通常、液体封止剤の材料としては三酸化硼素を用いるのが一般的であるが、三酸化硼素の特徴として熱伝導率が低い、粘性が高いがため熱伝達も悪い、ということが理由として挙げられる。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ルツボ内の液体封止剤中に攪拌を目的とした邪魔板なる部材を配置することで、固液界面の凹面化による多結晶化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上し得るＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１６】
なお、上記液体封止剤における熱伝達の悪さの問題は、ルツボ内の液体封止剤中に攪拌を目的とした邪魔板を配置して、液体封止剤を攪拌することが有効な解決策となると考えられ、特許文献１はこれに近似した邪魔板をもつものであるが、そもそも特許文献１は固液界面形状を凸面化させることとは別の観点から記述されており、また邪魔板を傾斜して配置することについては全く記載がない。本発明は、ルツボ内の液体封止剤中に攪拌に効果的な姿態で邪魔板を配置して、固液界面の凹面化による多結晶化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１８】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、耐圧容器内の加熱されたルツボをルツボ軸で支え、ルツボに原料融液、液体封止剤を収納し、ルツボを回転させつつ、原料融液に種結晶を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する化合物半導体単結晶の製造方法（ＬＥＣ法）において、上記ルツボの内壁面と単結晶の外周との間における液体封止剤中に、液体封止剤の攪拌を目的として複数枚の邪魔板を縦形に配置し、その各邪魔板を、平面内で見て、ルツボの回転方向と逆方向にルツボ半径線から鋭角だけ傾け、この傾けた邪魔板の存在により上記ルツボの回転に伴って液体封止剤を攪拌しつつ、単結晶を引き上げることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記邪魔板をルツボ半径線から傾ける設置傾斜角θを３０°〜６０°の範囲に設定することを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記邪魔板を２〜４枚周方向に等間隔で設けることを特徴とする。
【００２１】
＜発明の要点＞
本発明は、上記課題を解決するために、ＬＥＣ法による例えばＧａＡｓ単結晶の製造方法において、原料容器たるルツボ内の液体封止剤中に、液体封止剤の攪拌を目的とした邪魔板なる部材を、攪拌に適切な傾斜角（設置傾斜角θ）で配置して、結晶の多結晶化をなくすものである。攪拌に適切な設置傾斜角θは、各邪魔板をルツボの回転方向と逆方向に回転させて傾ける場合は鋭角、好ましくは３０°〜６０°の範囲であり、邪魔板は結晶を取り囲む周方向に２〜４枚等間隔で設けられる。
【００２２】
上記の手段をとった理由は下記の通りである。
【００２３】
結晶エッジ部付近で発生する固液界面形状の凹面化を防止するためには、結晶側面から液体封止剤への放熱量を低減する必要がある。結晶側面から液体封止剤への放熱量を低減するには、結晶側面の温度に対して液体封止剤の温度を高く、若しくは液体封止剤と結晶との相対温度差を低減してやれば良い。
【００２４】
従来技術の問題点にも記載したが、液体封止剤は熱伝導率が低く、粘性が高い材料である。よって、抵抗加熱ヒータに近いルツボ側壁近傍で加熱された液体封止剤の熱が、ルツボ中央に近い結晶エッジ部付近に伝わりにくい状態となっている。
【００２５】
そこで、本発明では、液体封止剤に強制的に対流を起こさせ熱伝達率を向上させることによって結晶エッジ部付近の液体封止剤の温度を上昇させるべく、結晶とルツボの間の液体封止剤内にルツボの回転を利用した液体封止剤の攪拌を目的とした邪魔板を設置する手段をとった。その攪拌に適切な設置傾斜角θは、各邪魔板をルツボの回転方向と逆方向に回転させて傾ける場合は鋭角、好ましくは３０°〜６０°の範囲であり、邪魔板は結晶を取り囲む周方向に２〜４枚等間隔で設けられる。これにより、結晶エッジ部の液体封止剤の温度を効果的に上昇させることができ、固液界面→結晶側面→液体封止剤という熱流の抑制が図れ、結晶エッジ部付近の固液界面形状が凹面化防止、強いては転位集合による結晶の多結晶抑制が可能となる。
【００２６】
又、邪魔板を複数枚設置する様にしたのは、液体封止剤の温度の対称性を取りやすくする為にとった手段である。ちなみに液体封止剤の温度の対称性が悪いと、結晶にスリップが発生したり、部分的な転位増殖、多結晶の発生要因となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ＬＥＣ法による例えばＧａＡｓ単結晶の製造方法において、原料容器たるルツボ内の液体封止剤中に、液体封止剤の攪拌を目的として複数枚の邪魔板を、攪拌に適切な傾斜角（設置傾斜角θ）で配置し、その設置傾斜角θとして、各邪魔板をルツボの回転方向と逆方向に鋭角、好ましくは３０°〜６０°の範囲で傾けているので、攪拌を効果的に行うことができ、固液界面の凹面化による多結晶化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２９】
本発明の製造方法を実施する成長装置の構成は、液体封止剤を攪拌する手段を除き、図４について上述したところと同一である。すなわち、この化合物半導体単結晶成長装置は、原料融液を収容するＰＢＮルツボ５と、このＰＢＮルツボ５を受ける為のルツボ軸４と、ルツボ５内の原料融液及び液体封止剤を加熱すべくルツボ５の周囲を取り巻いて設置された抵抗加熱ヒータ８としてのグラファイトヒータと、上記原料融液に接触させた種結晶７を支持し、上記原料融液９から成長する結晶を引き上げる引上軸３とを有する。
【００３０】
上記ルツボ５の内壁面と化合物半導体単結晶１０の外周との間における液体封止剤６中には、液体封止剤の攪拌を目的として複数枚、ここでは３枚の長方形の邪魔板１１が縦形に配置されている。これらの邪魔板１１は、邪魔板から上方に延在する取付部材１２を介して、ヒータ８の外周囲に配置した断熱部材１３の頂部に取り付けられている。
【００３１】
邪魔板１１は、長さＤ×高さＨの長方形の耐熱性板材から成る。その長さＤは、ルツボ５の内壁面と単結晶１０の外周との間の間隔Ｇにほぼ等しい。また、高さＨは、液体封止剤（三酸化硼素）６の層厚さより高く、従って図３に示すように、液体封止剤６内に深く配置した場合でも、液体封止剤６から上に露出した状態になる。
【００３２】
上記３枚の邪魔板１１は、図２に示すように、平面内で見て、邪魔板の設置位置におけるルツボ半径線Ｌに対し、ルツボの回転方向Ｋと逆方向に鋭角θだけ回転させて傾けられている。換言すれば、このルツボ半径線Ｌからのずれ角を邪魔板１１の設置傾斜角θとした場合、その角度θはルツボ５の回転方向Ｋが、時計回りであるか、反時計回りであるかによって次のようになる。
【００３３】
０°＜θ＜９０°（時計回り）
９０°＜θ＜１８０°（反時計回り）
かかる邪魔板の設置傾斜角θとする理由は、上記角度範囲を取ることによって、ルツボ側壁で加熱された液体封止剤６を、ルツボ５の回転を利用して、ルツボ中央、つまりは結晶エッジ部付近へ向かう流れを効率良く発生させることが可能となり、強いては結晶エッジ部の液体封止剤の温度上昇が可能となるからである。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を確認するため、以下のように実施例及び比較例について試作を行った。ここでは、試作例として、φ６サイズ（直径６インチ）のＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により成長した。試作の方法を図１を用いて説明する。
【００３５】
図１のＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置１を用いて、先ず原料の容器となるＰＢＮルツボ５にＧａを１２０００ｇ、Ａｓを１３０００ｇ、及びＡｓの揮発を防止するための三酸化硼素６を２０００ｇ入れ、これをチャンバー２内にセットした。又、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取り付けた。なお、この種結晶７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面とした。
【００３６】
又、本発明の特徴である上記邪魔板１１を、ＰＢＮルツボ５内の液体封止剤６中に挿入するよう配置した。邪魔板１１の材質には、ルツボの材質と同様のＰＢＮを用いた。
【００３７】
チャンバー２に原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、不活性ガスを充填し、その後チャンバー２内に設置してある抵抗加熱ヒータ８に通電してチャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９とした。
【００３８】
続いて、引上軸３を１０ｒｐｍ、ルツボ軸４を回転方向を逆として２０ｒｐｍで回転させた。尚、当試作ではルツボの回転方法は時計回りに設定した。この状態で、引上軸３を先端に取り付けてある種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触するまで下降させ、続いて、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ、引上軸３を１０mm／ｈの速度で上昇させることで、ＧａＡｓ単結晶１０の成長試作を行なった。
【００３９】
又、本発明の効果を確認するため、邪魔板１１の設置傾斜角θを４５°に固定した状態で、邪魔板１１の設置枚数を０〜５枚と変更して試作を実施した。
【００４０】
又、邪魔板１１の設置枚数を３枚に固定して、それら邪魔板１１の設置傾斜角θを０°から３０°おきに１８０°まで変えて試作を実施した。
【００４１】
以上２通りの試作例について、各設定毎に１０ロットの結晶成長を実施し、結晶の単結晶化率を比較した。ここで、結晶の単結晶化率とは、結晶のウェハ取得可能な理想有効長に対して、結晶外観で多結晶でない単結晶部分の有効長の割合を示す指標である。
【００４２】
試作の結果を下記表１、表２に示す。
【表１】
2005298253.tif 000003
【表２】
2005298253.tif 000004
表１の結果から判るように、邪魔板１１を用いた場合の方が結晶の単結晶化率が高い結果となった。又、邪魔板１１の設置枚数が２枚以上の場合に歩留りが大幅に向上しており、４枚設置以降は歩留りが頭打ちの状態となった。当結果から本発明の請求項３の効果が確認できた。
【００４３】
又、表２の結果から、ルツボ回転方向が時計回りの場合、邪魔板１１の設置傾斜角θが０°＜θ＜９０°の範囲にあるときに歩留りが向上しており、当特許の効果が確認出来た。当結果はルツボ回転方向が時計回り時の結果であるが、反時計回りの場合は、邪魔板設置角度が軸対称の関係にあるので同様の結果が得られるのは明白である。
【００４４】
上記試作結果から本発明の請求項２で規定した条件が最適であると判断できる。
【００４５】
このように本発明の効果として、結晶エッジ部付近での固液界面形状を効果的に凸化することができ、結晶に発生する転位の集合が低減され、単結晶の収率向上がはかれるようになった。
【００４６】
上記実施例では、ＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により製造する方法を例にして説明したが、ＧａＡｓ以外の他の化合物半導体単結晶をＬＥＣ法により製造する方法についても適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法を実施するための化合物半導体単結晶製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の製造方法において邪魔板を液体封止剤内に設置した状態を示す概略平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る図２のＡ−Ａ′縦断面図である。
【図４】従来の化合物半導体単結晶の製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  化合物半導体単結晶製造装置（ＧａＡｓ単結晶製造装置）
２  チャンバー
３  引上軸
４  ルツボ軸
５  ルツボ（ＰＢＮルツボ）
６  液体封止剤（三酸化硼素）
７  種結晶
８  ヒータ（抵抗加熱ヒータ）
９  原料融液（ＧａＡｓ融液）
１０  化合物半導体単結晶（ＧａＡｓ単結晶）
１１  邪魔板
１２  取付部材
１３  断熱部材
Ｄ  長さ
Ｈ  高さ
Ｇ  間隔
Ｋ  ルツボの回転方向
Ｌ  ルツボ半径線
θ  設置傾斜角
【図１】
2005298253.tif 000005
【図２】
2005298253.tif 000006
【図３】
2005298253.tif 000007
【図４】
2005298253.tif 000008