(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体封止チョクラルスキー法を用いた単結晶製造方法であって、
前記単結晶の原料融液に浸せきした種結晶を引き上げて、ネック部成長を開始するとともに、
ルツボの回転数を上昇させることを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ開始の際より、前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎであり、かつ、ヒーターの昇降温速度が−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲内にあることを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の単結晶製造方法であって、
前記単結晶のネック部成長後、コーン成長が開始する際のルツボの回転数が１〜３０ｒｐｍの範囲内であることを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ開始の際のヒーター温度と、前記単結晶のコーン成長が開始するまでのヒーター温度との差が、５℃以下であることを特徴とする単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体封止チョクラルスキー法（以下、ＬＥＣ法と記載する。）による単結晶の製造方法および化合物半導体の単結晶インゴットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の化合物半導体単結晶を得る方法として、ＬＥＣ法がある。ここで図２を参照しながら、ＬＥＣ法を用いた従来の技術に係る単結晶の成長方法の一例について説明する。
図２は、単結晶製造装置１０を用い、従来の技術によってＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている際の断面模式図である。
【０００３】
単結晶製造装置１０は、内部を高圧雰囲気に保つことのできる圧力容器１１と、圧力容器１１の内側に設置された断熱材１９と、断熱材１９の内側に設置されたヒーター１６と、ヒーター１６の内側に設置され且つルツボホルダー１４に保持されたルツボ１３とを有している。
ルツボ１３は、これを保持するルツボホルダー１４が図示していない回転・昇降機構を有するルツボ回転軸１５に接続されており、圧力容器１１内の気密を破ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
このルツボ１３内では、ＧａＡｓ等の化合物半導体の原料がヒーター１６に加熱されて融解し、原料融液３１となっている。この原料融液３１はＢ2Ｏ3等の液体封止材３７で封止されている。
一方、ルツボ１３の上方には、図示していない回転・昇降機構に支持され、前記ルツボ回転軸１５と回転中心を一致させた種結晶（以下、シードと記載する。）回転軸１８に接続されたシードホルダー１７が設置され、シードホルダー１７にはシード３２が取り付けられているので、シード３２は、ルツボ１３中の原料融液３１および液体封止材３７における液表面の中心にて、圧力容器１１内の気密を破ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
尚、圧力容器１１内は、加圧されたＡｒ、Ｎ2等の不活性ガス雰囲気１２で満たされ、上述した液体封止材３７とともに原料融液３１の揮散を抑制している。また、ヒーター１６とルツボホルダー１４との間には温度センサー２０が設置されルツボ１３の温度制御をおこなう。
【０００４】
次に、単結晶製造装置１０を用いた、従来の技術によるＧａＡｓ等の半導体単結晶の引き上げについて、簡単に説明する。
まず、ルツボ１３とシード３２を互いに逆方向または同方向に回転させながらシード３２を降下し、先端を原料融液３１に浸せきする。そしてシード３２が原料融液３１液面に浸せきしている固液の境界（以下、メニスカスと記載する。）３４が、単結晶の成長開始に適した状態となるようにルツボ１３周囲のヒーター１６の制御温度を設定する。次にシード３２の引き上げを開始してネック部３３を形成し、さらにシード３２を引き上げつつヒーター１６の温度を徐々に降温して、ネック部３３より単結晶のコーン成長を開始させている。
【０００５】
ところが従来の方法により、ヒーター１６の温度を徐々に降温しながらネック部３３よりコーン成長を開始させると、ネック部３３において針状結晶（以下、デンドライトと記載する。）３８が成長を始め、これが原因となって単結晶コーン部の多結晶化が始まってしまうことがしばしば発生する。
この多結晶化が確認された場合は、単結晶成長工程をもとに戻して、多結晶化した部分とデンドライト３８とを再融解（以下、メルトバックと記載する。）し、再度メニスカス３４が好ましい結晶成長開始状態となるように、温度等を調整する必要がある。このため、単結晶製造の生産効率を上げることは困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ＬＥＣ法による単結晶成長工程において、シードのネック部よりコーン成長が開始し成長する際の、デンドライト発生を抑制する手段を提供し、併せて生産効率の高い単結晶インゴットを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの研究の結果、まず前記ヒーターの降温速度が大きいとデンドライトの発生頻度は高くなることが判明した。
しかし、デンドライトの発生頻度を抑制するためにヒーターの降温速度を小さくすると、今度はシードのネック部よりコーン成長が開始するまでの時間が延長されてしまい、これではネック部の長さが、不要に長くなるため単結晶製造の生産効率を上げることは困難である。
【０００８】
ここで本発明者らは、デンドライトの発生・成長する原因について、さらに解明をおこなった。その解明結果について、再び、図２を参照しながら説明する。すなわち、デンドライト３８が発生・成長する原因とは、まず原料融液３１において水平方向の温度勾配が小さい部分がメニスカス３４付近に形成される。次に、原料融液３１の液温の低下とともに、このメニスカス３４付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する過冷却状態部分３９となる。そしてこの過冷却状態部分３９の存在がデンドライト３８の発生・成長原因であるということに想達した。
そこで、ヒーター１６の降温速度を制御して、上述した原料融液３１における水平方向の温度勾配が小さい部分を縮小させようとした。しかし、ヒーター１６の降温速度制御では、原料融液３１の精密な温度制御が困難なため、却ってデンドライド３８の発生・成長を助長してしまう結果となった。
【０００９】
ここで本発明者らは、発想を全く転換し、ヒーター１６の降温速度を大きくするのではなく、ルツボ１３の回転速度を制御することで、メニスカス３４付近における原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御できることに想到した。すなわち、従来、単結晶引き上げの際は、正確な温度制御とネック部３３の切断現象を回避するためルツボ１３の回転数は一定としていたのである。しかし、本発明者らは、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配と、この上昇開始時と上昇完了時の回転数の変化幅とを精密に制御することで、ネック部３３の切断現象を回避しつつ、ヒーター１６の降温速度制御では実現できなかったメニスカス３４付近における原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御することができることを見出した。
【００１０】
この温度勾配を精密に制御することができるメカニズムは、ルツボ１３の回転に伴うコリオリの力により原料融液３１の対流が抑制される結果、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配を下げると原料融液３１の温度が上昇し、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配を上げると原料融液３１の温度が下降するのであると推察される。
すなわち、上記原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御するという困難な制御を、ルツボ１３の回転数制御という極めて容易な制御で達成できることを見出したものである。
さらに好ましいことには、上記メカニズムは、原料融液３１において、上述した水平方向の温度勾配の小さな原料融液部分を縮小する効果を有し、広い分布を有する過冷却状態部分３９の発生を抑制することも達成している。
この結果、ネック部３３からのデンドライト３８の発生・成長を抑制することを実現したものである。
【００１１】
すなわち、課題を解決するための第１の発明は、液体封止チョクラルスキー法を用いた単結晶製造方法であって、
ルツボの回転数を上昇させながら、前記単結晶の原料融液に浸せきした種結晶を引き上げることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１２】
この構成を採ることで、メニスカス付近の過冷却状態の部分を狭く保ったまま、融液の温度を極めて正確に制御することが実現できた。この結果、単結晶成長においてメニスカス付近のデンドライトの発生は抑制しつつ、前記ネック部より前記単結晶のコーン成長を開始させることができるので、単結晶製造の生産効率を大きく上げることが可能になった。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明に記載の単結晶製造方法であって、
前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎであり、前記単結晶のコーン成長が開始する際のルツボの回転数が、１〜３０ｒｐｍの範囲内であることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１４】
ここで、第１の発明に記載の単結晶製造方法において、前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎであることが好ましい。何となれば、ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５ｒｐｍ／ｍｉｎ以上あれば、メニスカス付近における原料融液の温度勾配の小さな部分を縮小させることができる。一方、ルツボの回転数を上昇させる勾配が５ｒｐｍ／ｍｉｎ以下であれば、原料融液中に乱流が発生しないからである。
さらに、ネック部より単結晶のコーン成長を開始させる際のルツボの回転数は、１〜３０ｒｐｍの範囲内であることが好ましい。何となれば、このときのルツボの回転数が１ｒｐｍ以上あれば、単結晶がネック部よりコーン成長を開始するのに好適な、原料融液温度の制御が実現できるからである。一方、ルツボの回転数が３０ｒｐｍ以下であれば、原料融液内に発生する激しい乱流を回避することができる。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明に記載の単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ開始の際より、前記単結晶のコーン成長が開始するまでのヒーターの昇降温速度が−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲内にあり、かつ前記シードの引き上げ開始の際のヒーター温度と前記単結晶の成長が開始するまでのヒーター温度との差が５℃以下であることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１６】
ここで、第１または第２のの発明に記載の単結晶製造方法において、シードの引き上げ開始の際より、単結晶がネック部よりコーン成長を開始するまでのヒーターの昇降温速度が−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲にあることが好ましい。何となれば、ヒーターの降温速度が−０．０４℃／ｍｉｎより低いとネック部からのデンドライトの発生・成長頻度が増加し、昇降温速度が−０．０４℃／ｍｉｎ〜＋５℃の範囲にあると、ネック部からのデンドライトの発生・成長を効果的に抑制でき、ヒーターの昇温速度が＋５℃／ｍｉｎより高いと、原料融液に浸せきされたシードが溶ける（以下、メルトオフと記載する。）頻度が増加するからである。
さらに、シードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と、単結晶がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差が５℃以下であると、ネック部におけるデンドライトの発生・成長頻度を効果的に抑制でき好ましい。
すなわち、ヒーターの昇降温速度、シードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度および単結晶がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を上記の範囲に設定することで、シードのメルトオフおよびネック部におけるデンドライトの発生・成長の両者を抑制し、安定した単結晶成長を実現することができる。
【００１７】
第４の発明は、液体封止チョクラルスキー法によって引き上げられた、ＧａまたはＩｎを含有する化合物半導体の単結晶インゴットであって、
ネックの長さが８ｍｍ以下であることを特徴とする単結晶インゴットである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例について、ＧａＡｓ単結晶引き上げを例として、図１を参照しながら説明する。
尚、図１、図２において、相当する部分には同一の符号を付して示した。
【００１９】
（単結晶成長装置）
図１は、単結晶製造装置１０を用い、本発明の実施の形態例に係るＧａＡｓ化合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている際の断面模式図である。
図１に示した単結晶製造装置１０は、構造および機構において、図２に示した単結晶製造装置１０と同様の装置である。
すなわち、単結晶製造装置１０は、圧力容器１１と、圧力容器１１の内側に設置された断熱材１９と、断熱材１９の内側に設置されたヒーター１６と、ヒーター１６の内側に設置され且つルツボホルダー１４に保持されたルツボ１３とを有している。
ルツボ１３は、これを保持するルツボホルダー１４とルツボ回転軸１５とに接続されているので、圧力容器１１内の加圧された不活性ガス雰囲気１２の気密性を破ることなく所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
【００２０】
このルツボ１３内では、ＧａＡｓ等の化合物半導体がヒーター１６に加熱されて融解し、原料融液３１となっている。この原料融液３１はＢ2Ｏ3等の液体封止材３７で封止されている。尚、ルツボ１３の温度は温度センサー２０で制御される。
一方、ルツボ１３の上方には、前記ルツボ回転軸１５と回転中心を一致させたシード回転軸１８にシードホルダー１７を介してシード３２が取り付けられており、シード３２は、ルツボ１３中の原料融液３１および液体封止材３７における液表面の中心にて、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
【００２１】
ルツボ１３内には、ヒーター１６により加熱されて液体となったＧａＡｓ融液３１が下層に、同じく加熱されて液体となったＢ2Ｏ3が封止材３７として上層に存在している。
シードホルダー１７にはＧａＡｓ単結晶のシード３２が設置され、ＧａＡｓ融液３１よりＧａＡｓ単結晶インゴットが引き上げられつつある。図１に示した状態は、ネック部３３からコーン成長が開始し、コーン成長部３５が形成された後、直胴部３６が形成されつつある状態である。
【００２２】
（単結晶インゴットの引き上げ）
ルツボ１３内に、原料のＧａＡｓと封止材のＢ2Ｏ3を装填し、圧力容器１１内を不活性ガスによる高圧雰囲気とする。ルツボ１３を回転しながらヒーター１６にて加熱し、ＧａＡｓとＢ2Ｏ3とを２層の融液とする。
ここで、ＧａＡｓ融液３１の液温をＧａＡｓの融点である１２３８℃、ルツボ１３の回転数を１〜３０ｒｐｍとした後、シード３２を回転数１０ｒｐｍでルツボ１３と逆回転させながら降下させ、先端をＧａＡｓ融液３１に浸せきする。
ここでシード３２の回転方向とルツボ１３の回転方向とを逆回転させるのは、この逆回転によりネック部３３の切断現象を回避できるからである。
【００２３】
次に、ヒーター１６による加熱を適宜に調整して、メニスカス３４の部分が単結晶の成長開始に適した状態となったらシード３２の引き上げを開始しネック部３３を形成する。
シード３２の引き上げとともにルツボ１３の回転数を上げていくが、その回転数を上昇させる勾配は、上述したように０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎが好ましい。
すると、ネック部３３よりコーン成長が開始するが、その際のルツボ１３の回転数は、上述したように１〜３０ｒｐｍとすることが好ましい。
さらに、シード３２の引き上げ開始の際より、ネック部３３よりコーン成長部３５が成長を開始するまでのヒーター１６の昇降温速度を、上述したように−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲とし、かつシード３２の引き上げ開始におけるヒーター１６の温度と、ネック部３３よりコーン成長部３５の成長を開始させる際のヒーター１６の温度との差を５℃以下とする。
この構成を採ることで、ネック部３３よりコーン成長部３５が成長を開始する際、ＧａＡｓ融液３１と封止材３７との界面にあたるネック部３３を基点とするデンドライトの発生・成長を抑制することができる。
【００２４】
上述したように、デンドライトの発生・成長する要因は、まず原料融液において水平方向の温度勾配が小さい部分がメニスカス付近に形成されることにある。次に、原料融液の液温の低下とともに、そのメニスカス付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する過冷却状態部分となる。そしてこの過冷却状態部分の存在がデンドライトの発生・成長原因となっていた。
そして、上記構成によりデンドライトの発生・成長が抑制されたのは、シード３２の引き上げとともにルツボ１３の回転数を上げることで、ＧａＡｓ融液３１の水平方向の温度勾配が大きくなり、図２に示したメニスカス３４付近に、ＧａＡｓ融液３１の過冷却状態部分３９が形成されるのを抑制した状態で、単結晶インゴットのコーン成長を開始できたことにあると考えられる。
【００２５】
さらに加えて、上記構成を採ることで、ここで再び図１に戻り、ネック部３３よりコーン成長を開始させる際の、ネック部３３の長さを８ｍｍ以下とすることが可能になった。
前述したように、従来このネック部３３の長さを短縮化することを目論んで、ヒーター１６の降温速度を速めても、デンドライト３８の発生・成長が促進されてしまい、その度にメルトバックを実施せざるを得ず、結局、ネック部３３の長さを１５ｍｍ以下へ短縮化することは困難であった。そして、このネック部３３の長さを短縮化することの困難性は、単結晶インゴット製造における生産効率向上を阻む問題点の１つであった。
【００２６】
以上、説明したように上記の構成を採ることにより、単結晶インゴットの引き上げにおいてシード３２をメルトバックする頻度が減少し、さらにネック部３３の長さを８ｍｍ以下とすることが可能になったことより、単結晶インゴットの生産効率を大幅に上げることが可能となった。
【００２７】
（実施例１）
ルツボ内に、原料のＧａＡｓと封止材のＢ2Ｏ3を装填し、圧力容器内を不活性ガスにより高圧雰囲気とする。ルツボを回転しながらヒーターにて加熱し、ＧａＡｓとＢ2Ｏ3とを２層の融液とする。
ここで、ＧａＡｓ融液の液温を１２３８℃とした後、シードをルツボと逆回転させながら降下させ、シードの先端をＧａＡｓ融液に浸せきする。
【００２８】
ヒーターの加熱を調整し、シードの先端に形成されるメニスカスの状態が単結晶の成長開始に適した状態となったらシードの引き上げを開始する。
シードの引き上げとともにルツボの回転数を上げていくが、その回転数を上昇させる勾配は０．０９ｒｐｍ／ｍｉｎとし、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅は５ｒｐｍとした。
同様に、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．０２℃／ｍｉｎとし、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を１℃とし、ＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００２９】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを８ｍｍとすることができた。
【００３０】
（実施例２）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を０．２４ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を９ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．１℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を２．５℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３１】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを６ｍｍとすることができた。
【００３２】
（実施例３）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を０．５ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を１０ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．１５℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を３℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３３】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを５ｍｍとすることができた。
【００３４】
（実施例４）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を１ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を１５ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．２６℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を４℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３５】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを４ｍｍとすることができた。
【００３６】
（比較例）
ルツボの回転数は一定とし、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を−０．０９℃／ｍｉｎとし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３７】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は５０％であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さは１５ｍｍであった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＬＥＣ法による単結晶成長工程において、原料融液に浸せきしたシードを引き上げる際、ルツボの回転数を上昇させながら単結晶を引き上げることにより、単結晶がネック部よりコーン成長する際に、ネック部よりデンドライトが発生・成長するのを抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法による単結晶の引き上げの際の断面模式図である。
【図２】従来の方法による単結晶の引き上げの際の断面模式図である。
【符号の説明】
１０      単結晶製造装置
１１      圧力容器
１２      不活性ガス雰囲気
１３      ルツボ
１４      ルツボホルダー
１５      ルツボ回転軸
１６      ヒーター
１７      シードホルダー
１８      シード回転軸
１９      断熱材
２０      温度センサー
３１      原料融液
３２      シード
３３      ネック部
３４      メニスカス
３５      コーン成長部
３６      直胴部
３７      封止材
【図１】
0004091762.tif 000002
【図２】
0004091762.tif 000003