(57)【要約】【課題】炉体上部を効率よく冷やして固液界面形状を凸化させる構造を有する化合物半導体単結晶の製造装置を提供すること。【解決手段】  耐圧容器９内に配置したＰＢＮルツボ７内のＧａＡｓ融液６から、引上軸１により単結晶を引き上げる化合物半導体単結晶の製造装置において、上記引上軸１にグラファイト製傘１０を取り付け、ＧａＡｓ融液６からの輻射を遮断し、炉体上部を効率よく冷やす構造とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶原料及び液体封止剤を収容したルツボと、このルツボを収容し不活性ガスを充填した耐圧容器と、ルツボ内の多結晶原料及び液体封止剤を加熱して融液とすべくルツボの外周に設けられた筒形のヒータと、この原料融液に接触させた種結晶を支持し、原料融液から成長する単結晶を引き上げる引上軸とを有する化合物半導体単結晶の製造装置において、
上記引上軸にグラファイト製傘を取り付け、原料融液からの輻射を遮断し、炉体上部を効率よく冷やす構造としたことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
上記グラファイト製傘が、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さい外径φＤ２を有することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
上記グラファイト製傘が、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さい外径φＤ２を有すると共に、その中心部に引上軸が貫通する直径φＤ３の通孔を有し、
グラファイト製傘の外径φＤ２と通孔の直径φＤ３の値が、引き上げ育成する結晶の直径φｄに対して、下記の範囲
φｄ×１．５  ≦  φＤ２  ＜  φＤ１
φｄ  ≦  φＤ３  ≦  φｄ×１．３
にあることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
上記グラファイト製傘の通孔の直径φＤ３から外径φＤ２の部分が、半径方向外側に向かって肉厚が小さくなる断面を有することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項５】
請求項４記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
上記グラファイト製傘の通孔の直径φＤ３から外径φＤ２の部分が、半径方向外側に向かって下に傾斜する表面と、平らな下面とを有することを特徴とする化合物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、化合物半導体単結晶の製造装置に係り、特に、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）によって転位密度の低い化合物半導体単結晶を成長するのに好適な結晶成長条件が得られる製造装置に関するものである。 
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体はその単結晶の高品質化により、高速集積回路、光−電子集積回路やその他の電子素子に広く用いられるようになってきた。なかでも、III−Ｖ族化合物半導体の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）は電子移動度がシリコンに比べて早く、１０7Ω・cm以上の比抵抗のウェハが製造容易という特徴がある。現在では上記ＧａＡｓの単結晶は、主にＬＥＣ法により製造されている。
【０００３】
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。
【０００４】
図４に示すＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造装置は、耐圧容器であるチャンバー９と、結晶を引き上げる為の引上軸１、化合物半導体原料を収容する容器であるＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ：熱分解窒化ホウ素）製のルツボ（ＰＢＮルツボ）７、このＰＢＮルツボ７を受ける為のルツボ軸８を有する構造となっている。
【０００５】
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７にＧａとＡｓ及び液体封止材である三酸化硼素４を入れ、これをチャンバー９内にセットする。又、引上軸１の先端に目的の方位を持った種結晶２を取り付ける。
【０００６】
チャンバー９に原料をセットした後、チャンバー９内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー９内に設置してあるカーボンヒータ５に通電し、チャンバー９内の温度を昇温させ、Ｇａ（ガリウム）とＡｓ（砒素）を合成しＧａＡｓ多結晶を作成する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液６とする。
【０００７】
続いて、引上軸１、ルツボ軸８を相対的に回転させる。この状態で引上軸１を先端に取り付けてある種結晶２がＧａＡｓ融液６に接触するまで下降させる。その後、この種結晶２を回転させながらゆっくりと引き上げることでＧａＡｓ単結晶３を成長させる方法である。
【０００８】
ところで、上記のＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶を製造するに際しては、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、また単結晶を引き上げるため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、液体封止剤）費用の原価に対する割合を下げることができる。
【０００９】
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。
【００１０】
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。 
【００１１】
例えば、特開平６−２７１３９５号公報（特許文献１）では、ルツボ内の上部に、ルツボ内壁面と液体封止剤表面とで囲まれるルツボ内の空間を分割する空間分割体を設置し、この空間分割体の通孔を通して化合物半導体の単結晶を引き上げる構成が開示されている。これによれば、液体封止剤上方の空間が空間分割体により閉ざされた状態となるので、液体封止剤上方の雰囲気の熱対流が弱まって、ＧａＡｓ単結晶表面からのＡｓ元素の解離が減少する。 
【００１２】
また、特再ＷＯ９７／２１８５３号公報（特許文献２）には、ルツボの内面と成長した単結晶の側面との間に熱遮蔽体を設け、その筒部で単結晶を囲繞してルツボから単結晶へ向かう輻射熱を遮り、また通気孔から上方へ高温ガスを逃がす構成が開示されている。 
【００１３】
さらにまた、特許第３１６７２８２号公報（特許文献３）には、シリコン単結晶の製造に関し、成長単結晶の円錐部いわゆる「初期コーン」の上方に、円板又は円錐の先端を除去した形状のシールド部を設ける構成が開示されている。
【００１４】
また、特許第２５５３４８５号公報（特許文献４）には、ルツボの上方に、ルツボより大径の輻射対流遮蔽板を二枚上下に配置した構成が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２７１３９５号公報
【特許文献２】特再ＷＯ９７／２１８５３号公報
【特許文献３】特許第３１６７２８２号公報
【特許文献４】特許第２５５３４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１〜４には、引上軸に熱遮蔽体を配置する形態については開示がない。特許文献１〜２は、引き上げる単結晶に熱遮蔽体を配置するものであり、また特許文献３はルツボの内部に熱遮蔽体の下端が来るようにシールド部を配置するものである。特許文献４は引上軸が貫く輻射対流遮蔽板を有するが、円筒形の輻射対流遮蔽筒と共働してルツボ上方全体を包むものである。
【００１６】
なお特許文献３は、成長単結晶の円錐部いわゆる「初期コーン」の上方に、円板又は円錐の先端を除去した形状のシールド部を設けた構成を開示しているが、この特許文献３は、シリコン単結晶に関するものであり、化合物半導体を扱ったものではない。また、この特許文献３のシールド部は、発熱体の領域内で、初期コーンの首部に設けたものであり、引上軸に傘を設けるという概念のものではない。
【００１７】
既に述べたように、図４の如き化合物半導体単結晶の製造装置においては、固液界面が凹面になりやすいという課題がある。特に、成長させる結晶径が１００mm以上の大口径結晶では、当然ながら固液界面の重要性は小口径結晶よりも増し、安定的に融液側に凸であることが必要となる。
【００１８】
本発明者等の知見によれば、結晶欠陥の発生を左右する固液界面形状は、炉内の熱の流れと密接な関係がある。ＧａＡｓ融液からの輻射熱により、炉内上部の温度は暖められる。炉内上部が暖められることにより、成長した結晶からの放熱が悪くなる。一般的に結晶からの放熱を悪くすると、固液界面形状が凹面になりやすいことが分かっている。転位は固液界面に垂直に伝播する為、固液界面が凹面の場合、そこに転位が集合し多結晶化になり、結晶の品質を悪くしているのが現状である。
【００１９】
特許文献１〜４の技術は多結晶化の防止にそれなりに有効であるが、炉体上部を効率よく冷やす別の実用的な手段の提供が望まれている。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、炉体上部を効率よく冷やして固液界面形状を凸化させ、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装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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。
【００２２】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶の製造装置は、多結晶原料及び液体封止剤を収容したルツボと、このルツボを収容し不活性ガスを充填した耐圧容器と、ルツボ内の多結晶原料及び液体封止剤を加熱して融液とすべくルツボの外周に設けられた筒形のヒータと、この原料融液に接触させた種結晶を支持し、原料融液から成長する単結晶を引き上げる引上軸とを有する化合物半導体単結晶の製造装置において、上記引上軸にグラファイト製傘を取り付け、原料融液からの輻射を遮断し、炉体上部を効率よく冷やす構造としたことを特徴とする。
【００２３】
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装置において、上記グラファイト製傘が、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さい外径φＤ２を有することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【００２４】
上記グラファイト製傘は、その外径φＤ２が上記ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さい。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、上記グラファイト製傘が、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さい外径φＤ２を有すると共に、その中心部に引上軸が貫通する直径φＤ３の通孔を有し、グラファイト製傘の外径φＤ２と通孔の直径φＤ３の値が、引き上げ育成する結晶の直径φｄに対して、下記の範囲
φｄ×１．５  ≦  φＤ２  ＜  φＤ１
φｄ  ≦  φＤ３  ≦  φｄ×１．３
にあることを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項３記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、上記グラファイト製傘の通孔の直径φＤ３から外径φＤ２の部分が、半径方向外側に向かって肉厚が小さくなる断面を有することを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項４記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、上記グラファイト製傘の通孔の直径φＤ３から外径φＤ２の部分が、半径方向外側に向かって下に傾斜する表面と、平らな下面とを有することを特徴とする。
【００２８】
＜発明の要点＞
本発明では、上記課題を解決するために、引上軸にＧａＡｓ融液からの輻射を防止するグラファイト製傘を引上軸に取り付け、ＧａＡｓ融液からの輻射伝熱を遮断しつつ炉体上部を冷やし、結晶中心付近からの放熱量を増大させる。グラファイト製傘の通孔の直径をφＤ３、外径をφＤ２としたとき、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりもグラファイト製傘の外径φＤ２を小さくして、φＤ２＜φＤ１の関係とし、グラファイト製傘の外径φＤ２、グラファイト製傘の内径（通孔の直径）φＤ３の値が、育成する結晶径（結晶の直径）φｄに対して下記の範囲
φｄ×１．５  ≦  φＤ２  ＜  φＤ１
φｄ  ≦  φＤ３  ≦  φｄ×１．３
にあるように構成する。
【００２９】
上記の手段を取った理由は下記の通りである。
【００３０】
多結晶化の原因である転位の集合は固液界面が凹面化になることにより発生することが過去の研究で報告されている。本発明に対して、結晶中心からの放熱量を良くすることにより、固液界面形状は凸面になりやすい。このことにより、単結晶を成長するのに理想な固液界面形状を形成することが可能である。
【００３１】
グラファイト製傘の外径φＤ２の下限を「φｄ×１．５以上」としたのは、グラファイト製傘の外径φＤ２の値が結晶の直径φｄの１．５倍より小さい場合は、融液からの輻射熱を十分に遮断することが出来ない為、炉内上部が暖められ、結晶中心からの放熱量が悪くなり、固液界面形状は凹面化になり、多結晶化になってしまうためである。
【００３２】
また、グラファイト製傘の内径（通孔の直径）φＤ３の下限を「φｄ以上」としたのは、グラファイト製傘の内径φＤ３の値が結晶径（結晶の直径）φｄよりも小さい場合は、結晶中心からの放熱量が充分でなく、凸面化しにくいためである。またグラファイト製傘の内径φＤ３の上限を「φｄ×１．３以下」としたのは、グラファイト製傘の内径φＤ３の値が結晶径φｄの１．３倍を超えると、逆に、ＧａＡｓ融液の輻射伝熱を充分に遮断できなくなり、炉体上部が暖められ、固液界面形状は凹面化になり、多結晶化してしまうためである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の化合物半導体単結晶の製造装置によれば、引上軸にグラファイト製傘を取り付けているので、これにより原料融液からの輻射伝熱を遮断し、炉体上部を効率よく冷やすことができる。この結果、結晶中心付近からの放熱量を大きくすることができ、結晶中心の固液界面形状を凸化させ、結晶欠陥である転位集合を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００３５】
図１に示すＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶製造装置は、化合物半導体原料のＧａ及びＡｓ（多結晶原料）とＡｓの揮発防止材である三酸化硼素（液体封止剤）を収容した原料容器たるＰＢＮ製のルツボ（ＰＢＮルツボ）７と、このＰＢＮルツボ７を収容し不活性ガスを充填した炉体部分であるチャンバー（耐圧容器）９と、このチャンバー９内においてＰＢＮルツボ７を受ける為のルツボ軸８と、ＰＢＮルツボ７内の多結晶原料及び液体封止剤を加熱して融液とすべく、上記ＰＢＮルツボ７の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのカーボンヒータ５と、この原料融液（ＧａＡｓ融液）６に接触させた種結晶２を支持し、ＧａＡｓ融液６から成長するＧａＡｓ単結晶３を引き上げる引上軸１とを有する構造となっている。ここで、カーボンヒータ５は上下方向に３部分に分かれており、全体としては従来のヒータと同様にＰＢＮルツボ７より長く設計されている。
【００３６】
ここで、ＰＢＮルツボ７の内径はφＤ１であり、このルツボ内部のＧａＡｓ融液６から、上記引上軸１により、直径φｄのＧａＡｓ単結晶を引き上げ育成する。引上軸１には円環状のグラファイト製傘１０が取り付けてあり、これによりＧａＡｓ融液６からの輻射を遮断し、炉体上部を効率よく冷やす構造となっている。
【００３７】
上記グラファイト製傘１０は、ＰＢＮルツボ７の内径φＤ１よりも小さい外径φＤ２を有すると共に、その中心部に引上軸１が貫通する直径φＤ３の通孔１１を有する。
【００３８】
上記グラファイト製傘１０の肉厚は、その内径（通孔の直径）φＤ３から外径φＤ２の部分が、半径方向外側に向かって肉厚断面が小さくなっている。この例では、グラファイト製傘１０の中央の内径（通孔の直径）φＤ３から外径φＤ２の部分は、半径方向外側に向かって下に傾斜する表面と、平らな下面とを有する。
【００３９】
上記グラファイト製傘１０の外径φＤ２は、ＰＢＮルツボの内径φＤ１よりも小さいが、あまり小さいと融液からの輻射熱を十分に遮断することが出来ない為、結晶径φｄの１．５倍以上となっている。すなわち、φｄ×１．５≦φＤ２＜φＤ１の関係となっている。
【００４０】
また、グラファイト製傘１０の内径（通孔の直径）φＤ３は、φｄ≦φＤ３≦  φｄ×１．３の関係となっている。これは内径φＤ３があまり小さいと結晶中心からの放熱量が充分でなく、凸面化しにくいため、結晶径φｄ以上である必要があること、また、内径φＤ３が結晶径φｄの１．３倍を越えると、逆に、ＧａＡｓ融液の輻射伝熱を充分に遮断できなくなり、炉体上部が暖められてしまうためである。
【００４１】
＜実施例＞
本発明の実施例として６インチ結晶の育成を実施した。
【００４２】
図２、図３に、実験した結果の全域単結晶の生産歩留り（単結晶歩留）の推移を示す。
【００４３】
図２は、ルツボの内径φＤ１＝３００mm、傘の内径（通孔の直径）φＤ３＝結晶径φｄ＝１５０mmの場合において、傘の外径φＤ２を０mm〜３００mmと変化させたときに、単結晶が得られる歩留り（単結晶歩留％）がどのように変化するか、を示したものである。
【００４４】
図２に示すとおり、φＤ１＝３００mm、φＤ３＝φｄと固定した場合、傘の外径φＤ２の値がφ２２５mm（＝φｄ×１．５）以上になると、単結晶歩留が急激に上昇して良くなることが実験で分かった。
【００４５】
次に図３は、ルツボの内径φＤ１＝３００mm、傘の外径φＤ２＝２９０mmの場合において、傘の内径（通孔の直径）φＤ３を０〜２９０mm（つまり通孔なし〜傘なし）までと変化させたときに、単結晶が得られる歩留り（単結晶歩留）がどのように変化するか、を示したものである。
【００４６】
図３に示すとおり、傘の外径φＤ２＝２９０mmと固定した場合、傘の内径（通孔の直径）φＤ３の値がφ１５０mm位（＝φｄ）で、単結晶歩留が急激に上昇して良くなり、その後、傘の内径（通孔の直径）φＤ３の値がφ１９５mm位（＝φｄ×１．３）になると、単結晶歩留が急激に下がって悪くなることが実験で分かった。
【００４７】
従って、図２及び図３の検討結果から、グラファイト製傘１０の外径φＤ２、内径（通孔の直径）φＤ３の最適値は、育成する結晶径φｄに対して、下記の範囲
φｄ×１．５  ≦  φＤ２  ＜  φＤ１
φｄ  ≦  φＤ３  ≦  φｄ×１．３
であることが分かる。
【００４８】
かかる範囲にグラファイト製傘を規定することにより、理想的な固液界面形状を形成することが可能となり、高品質の単結晶を得ることが出来た。
【００４９】
このように、本発明によれば、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶製造において、上記寸法形状のグラファイト製傘を引上軸に取りつけることにより、ＧａＡｓ融液からの輻射伝熱を遮断し、炉体上部を冷やしつつ、成長時の結晶中心付近からの放熱を良くすることができ、これにより、結晶中心の固液界面形状をより凸面化させ、結晶内に発生する転位集合の防止することができる。
【００５０】
上記実施例では、ＧａＡｓ単結晶を製造する場合について説明したが、他の化合物単結晶をＬＥＣ法で製造する装置に対しても、本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造装置を示す図である。
【図２】本発明の製造装置におけるグラファイト製傘の外径φＤ２に対する単結晶歩留の変化を示す図である。
【図３】本発明の製造装置におけるグラファイト製傘の内径（通孔の直径）φＤ３に対する単結晶歩留の変化を示す図である。
【図４】従来の化合物半導体単結晶の製造装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  引上軸
２  種結晶
３  ＧａＡｓ単結晶
４  三酸化硼素
５  カーボンヒータ
６  ＧａＡｓ融液
７  ＰＢＮルツボ
８  ルツボ軸
９  チャンバー（耐圧容器）
１０  グラファイト製傘
１１  通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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