(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体封止型チョクラルスキー法により、拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有するＩｎＰ単結晶を製造する方法であって、
前記ＩｎＰ単結晶の軸線を含む断面において、該軸線と、前記拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度とし、
前記拡径部の形成中に、前記拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる期間を設け、さらにその期間中に、前記拡径部の直径の増加率をしだいに増加させることを特徴とするＩｎＰ単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記拡径部の直径が、１０ｍｍとなってから前記定径部の直径の７０％となるまでの期間を通して、前記拡径部角度を前記双晶形成角度よりも大きくするとともに、前記拡径部の直径の増加率をしだいに増加させることを特徴とする請求項１に記載のＩｎＰ単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記ＩｎＰ単結晶の軸線を含む断面において、該ＩｎＰ単結晶の軸方向にｘ軸をとり、前記ＩｎＰ単結晶の径方向をｒ軸とし、前記拡径部の外形線を、ｘ及びｒの関数で表したとき、
前記拡径部の直径が、１０ｍｍとなってから前記定径部の直径の７０％となるまでの期間を通して、前記拡径部の外形線を表す関数が、０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１を満足するように、前記拡径部を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩｎＰ単結晶の製造方法。
【請求項４】
結晶方位＜１００＞の前記ＩｎＰ単結晶を成長させるものであって、前記双晶形成角度は３５．３°とされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＩｎＰ単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記拡径部角度が７０°を越えないように、前記拡径部を形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のＩｎＰ単結晶の製造方法。
【請求項６】
拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有し、
軸線を含む断面において、該軸線と、前記拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度としたとき、
該拡径部角度が双晶形成角度よりも大きい領域中に、前記拡径部の直径の増加率が、前記定径部側ほどしだいに増加している領域があることを特徴とするＩｎＰ単結晶。
【請求項７】
前記拡径部の直径が、１０ｍｍ以上、かつ、前記定径部の直径の７０％以下となる領域において、前記拡径部角度が前記双晶形成角度よりも大きく、かつ、前記拡径部の直径の軸線方向における増加率が、前記定径部側ほどしだいに増加していることを特徴とする請求項６に記載のＩｎＰ単結晶。
【請求項８】
前記軸線を含む断面において、軸方向にｘ軸をとり、径方向をｒ軸として、前記拡径部の外形線を、ｘ及びｒの関数で表したとき、
前記拡径部の直径が、１０ｍｍ以上、かつ、前記定径部の直径の７０％以下となる領域において、前記拡径部の外形線を表す関数が、０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１を満足することを特徴とする請求項６又は７に記載のＩｎＰ単結晶。
【請求項９】
結晶方位が＜１００＞とされ、前記双晶形成角度が３５．３°とされることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載のＩｎＰ単結晶。
【請求項１０】
前記拡径部において、前記拡径部角度が７０°以下であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載のＩｎＰ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＩｎＰ単結晶の製造方法及びＩｎＰ単結晶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎＰ単結晶基板は、例えば発光素子やその他の半導体装置の基板として使用される。これらの基板は、例えば液体封止型チョクラルスキー（ＬＥＣ：Liquid Encapsulated Czochralski）法により製造されたＩｎＰ単結晶のインゴットを、ウェーハ形状にスライスすることにより得ることができる。ＬＥＣ法とは、ルツボに収容されたＩｎＰの融液を酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）にて封止した状態で、種結晶をＩｎＰ融液に接触させ、その状態でゆっくりと種結晶を軸線方向に引上げることにより、単結晶を成長させるものである。ＩｎＰ等の化合物半導体は高温中で分解する性質があるため、数十気圧の高圧雰囲気下で成長を行うとともに、液体封止材により原料融液が分解するのを間接的に抑える。所望の直径の定径部を得る為に、ＩｎＰ単結晶のインゴットには種結晶から定径部までに、定径部側ほど直径が増加する拡径部が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＩｎＰ単結晶のインゴットをＬＥＣ法により製造する場合、直径が大幅に変化する拡径部に、双晶が形成され易いという問題がある。拡径部に双晶が形成されると、それ以降に成長される部分、例えば定径部は単結晶ではなくなってしまう。そのため、単結晶製品の収率が低下し、製品コストが高くなる。成長するＩｎＰ単結晶の結晶方位が＜１００＞の場合、図６（ａ）に示すように、この拡径部の軸線を含む断面において、該軸線と拡径部の外形線における接線との成す角（以下、拡径部角度とする）が３５．３°であるとき、特に、双晶が形成されやすい。そのため、拡径部角度を３５．３°から離れた角度にして、拡径部の形成を行う。また、成長するＩｎＰ単結晶の結晶方位が＜１１１＞の場合は、図６（ｂ）に示すように拡径部角度が１９．５°のときに拡径部に双晶が形成されやすい。以下、双晶が形成される際に当該双晶の軸線の成す角度を双晶形成角度とする。
【０００４】
ここで、双晶の形成を抑制するために、拡径部角度を双晶形成角度より大きくして拡径部を形成すると、拡径部から定径部に成長が移行する際に、拡径部角度が双晶形成角度となるときが必ず存在するので、双晶の発生率が高まると危惧されている。そのため従来では、拡径部角度が双晶形成角度より小さくなるように拡径部を形成していた。これによれば、拡径部から定径部に成長が移行する際に、拡径部角度が双晶形成角度となる機会は全くないので、双晶の形成は抑制される。しかしながら、このように拡径部を形成しても、拡径部における双晶の形成がまったく無くなったわけではなく、拡径部における双晶の発生率を十分に低減することはできなかった。
【０００５】
本発明は、拡径部における双晶の発生率をより一層低減できるＩｎＰ単結晶の製造方法を提供し、さらに、拡径部及び定径部における双晶の形成が抑制されたＩｎＰ単結晶を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明のＩｎＰ単結晶の製造方法の第一は、液体封止型チョクラルスキー法により、拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有するＩｎＰ単結晶を製造する方法であって、ＩｎＰ単結晶の軸線を含む断面において、該軸線と、拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度とし、拡径部の形成中に、拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる期間を設け、さらにその期間中に、拡径部の直径の増加率をしだいに増加させることを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明のＩｎＰ単結晶の第一は、拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有し、軸線を含む断面において、該軸線と、拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度としたとき、該拡径部角度が双晶形成角度よりも大きい領域中に、拡径部の直径の増加率が、定径部側ほどしだいに増加している領域があることを特徴とする。
【０００８】
本発明者等は、従来採用されてこなかった、双晶形成角度よりも大きな拡径部角度により、拡径部を形成する方法を見なおし、拡径部角度の大きさ及びその変化率と、ＩｎＰ単結晶に形成される双晶の発生率とについて検討した。その結果、拡径部の形成中に、拡径部角度が双晶形成角度より大きくなっても、該拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる期間中に、拡径部の直径の増加率がしだいに増加していくように融液温度を制御していくことで、双晶の発生を抑制できることを見出し、本発明の完成に至った。該方法により、双晶の発生が抑制されるのは、上記のような融液温度の制御により固液界面における再溶融現象を抑制することができるためである。本発明によれば、従来採用されてきた、拡径部角度を双晶形成角度よりも小さくして拡形部を形成する方法よりも、双晶の発生率がより一層減少する。このようにして製造されたＩｎＰ単結晶は、拡径部において、拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる領域を有しており、その領域内で、定径部側ほど直径の増加率が増加している形態となる。
【０００９】
双晶は、ＩｎＰ単結晶の成長過程において、固液界面にエッジファセットと呼ばれる原子レベルで平らな成長面が形成されたときに、正常な方位の原子配列でなく、双晶面を境に原子配列が異なる双晶核が生じて形成される。特に、双晶核は、再溶融現象による過冷却後に優先的に形成されやすい。本発明者等によれば、このような双晶が発生するのを抑制するためには、拡径部角度を双晶形成角度よも大きくする範囲を設け、その範囲内で拡径部角度がしだいに増加するように、融液温度を制御することが有効であることがわかった。すなわち、拡径部角度をしだいに増加させようとすると、融液温度をしだいに減少させなければならないが、このような融液の温度制御により、固液界面での再溶融現象が起こりにくくなり、双晶核の発生が抑制されるのである。
【００１０】
一方、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくして拡径部を形成する方法が敬遠されてきた理由は、拡径部から定径部にＩｎＰ単結晶の成長が移行する途中、拡径部角度が双晶形成角度と等しくなる部分が必ず存在するためである。しかしながら、本発明を適用して拡径部を形成したとき、定径部に成長が移行する期間中に、拡径部角度が双晶形成角度となっても、その領域における双晶の形成は抑制されることがわかった。つまり、本発明によって拡径部を形成すれば、結晶の成長が拡径部から定径部に移行される際に、既に成長済みの拡径部が十分な温度勾配を持つために再溶融現象が起こりにくくなり、拡径部角度が双晶形成角度となっても双晶の形成が抑制されるのである。
【００１１】
なお、双晶は結晶中の温度勾配が小さいときに起こり易い。具体的には、拡径部の直径が定径部直径の７０％となるまでの期間で顕著である。ただし、拡径部の直径が１０ｍｍ未満の領域は、種結晶に近接しているので、拡径部を形成する当初、その直径を増加させる際に、拡径部角度が双晶形成角度よりも小さくなる期間が存在せざるをえない。そのため、拡径部の直径が、１０ｍｍとなってから定径部の直径の７０％となるまでの期間を通して、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくするのがよい。さらに、該範囲において拡径部の直径の増加率をしだいに増加させるのがよい。一方、拡径部の直径が増加していき、定径部直径の７０％に達してからは、上述したように、再溶融現象が起こりにくく双晶の形成も抑制されやすい。また、このような期間中は、結晶の成長が拡径部から定径部に移行する期間でもある。このときに、拡径部の直径の増加率、つまり拡径部角度をしだいに減少させ、定径部の成長に移行するのがよい。拡径部の直径が定径部の直径に近づきすぎてから、拡径部の直径の増加率を急激に減少させると、双晶にかぎらず他の転位等が発生する惧れもある。
【００１２】
また、本発明者等によれば、拡径部における双晶の発生を抑制するためには、拡径部の温度勾配が小さい範囲、つまり上記のように拡径部の直径が１０ｍｍ以上となり、定径部の直径の７０％以下となる領域で、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくするだけでも効果があることがわかった。すなわち、本発明のＩｎＰ単結晶の製造方法の第二は、液体封止型チョクラルスキー法により、拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有するＩｎＰ単結晶を製造する方法であって、ＩｎＰ単結晶の軸線を含む断面において、該軸線と、拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度とし、該拡径部の直径が、１０ｍｍとなってから定径部の直径の７０％となるまでの期間を通して、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくすることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のＩｎＰ単結晶の第二は、拡径部と、該拡径部に続く定径部とを有し、軸線を含む断面において、該軸線と、前記拡径部の外形線における接線とが成す角度を拡径部角度としたとき、前記拡径部の直径が、１０ｍｍ以上、かつ、前記定径部の直径の７０％以下となる領域において、前記拡径部角度が双晶形成角度よりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
このように、最も温度勾配が小さくなり易い範囲を通して、拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなるように融液温度を制御すれば、該範囲における拡径部の温度勾配を大きくすることができ、ひいては再溶融現象を抑制し、双晶の発生を抑えることができる。そして、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、かつ、定径部の直径の７０％以下となるかなり広い範囲内で、拡径部角度が双晶形成角度となる期間はないので、拡径部形成中における双晶の発生する要因が軽減する。さらに、拡径部の直径が定径部の直径の７０％を超えてからは、形成されている拡径部が十分な温度勾配を有することもあり、拡径部角度が双晶形成角度となっても双晶の形成は抑制される。
【００１５】
さらに、本発明の第一及び第二において、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくすることで、双晶の発生率を低減する効果のみではなく、拡径部角度を双晶形成角度よりも小さくする場合と比較して、拡径部の形成にかかる成長時間を短縮することもできる。なお、ＩｎＰ単結晶の定径部における直径が大きくなればなるほど、拡径部の形成には時間がかかってしまう。そのため、拡径部の形成に要する時間を低減できるという効果は、ＩｎＰ単結晶の大口径化が進むほどより顕著となる。
【００１６】
拡径部は、具体的に、以下のような方法により形成するのがよい。つまり、ＩｎＰ単結晶の軸線を含む断面において、該ＩｎＰ単結晶の軸方向にｘ軸をとり、ＩｎＰ単結晶の径方向をｒ軸とし、拡径部の外形線を、ｘ及びｒの関数で表したとき、拡径部の直径が、１０ｍｍとなってから定径部の直径の７０％となるまでの期間を通して、拡径部の外形線を表す関数が、０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１を満足するように、拡径部を形成する。このように、拡径部の外形線形状を、ｒ及びｘの関数、つまりｒ＝ｆ（ｘ）の関数で表すとき、ｄ２ｒ／ｄｘ２は、該外形線の接線の傾きの増加率、つまり拡径部角度の増加率を示す。すなわち、拡径部角度がしだいに増加するように、融液温度を制御するとともに（０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２）、その拡径部角度の増加率（ｄ２ｒ／ｄｘ２）を０．１以下に抑えるのがよい。ｄ２ｒ／ｄｘ２が０．１を超えるほど融液の温度を減少させると、融液中に著しい過冷却が生じる。そのため、双晶の発生率が逆に高まるだけではなく、その他の転位等が発生する原因となる。
【００１７】
このようなＩｎＰ単結晶の製造方法は、成長させるＩｎＰ単結晶の成長方位が＜１００＞の場合に特に有効である。すなわち、本発明の製造方法は、結晶方位＜１００＞のＩｎＰ単結晶を成長させるものであって、双晶形成角度は３５．３°とされるものとすることができる。結晶方位が＜１００＞の場合、ＩｎＰ単結晶の軸線とのなす角が３５．３°の方向に双晶が発生することが知られている。
【００１８】
また、本発明の第一及び第二においては、以上のような条件を満足しつつ、拡径部角度が７０°を越えないように、拡径部を形成するのがよい。拡径部の成長中に、拡径部角度が７０°を超えるほど、拡径部の直径を大幅に変動させると、ＩｎＰ単結晶と融液との固液界面での温度変動が、ある一定値を超えて大きくなってしまう。そのため、前述したような本発明の方法を採用しても、固液界面にて過冷却現象が起こり易くなってしまうので好ましくない。
【００１９】
前述のような方法により製造される本発明のＩｎＰ単結晶は、拡径部及び定径部において殆ど双晶が形成されない。そのため、ＩｎＰ単結晶の収率が上がる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態について述べる。
図１（ａ）は、本発明の方法により製造された本発明のＩｎＰ単結晶１０を示すものである。該ＩｎＰ単結晶１０は、種結晶１２と、成長するに従い直径が増加する拡径部１３と、拡径部１３に続いて形成され、直径が略一定である定径部１１とにより構成されている。さらに、ＩｎＰ単結晶１０の結晶方位は＜１００＞とされ、このときの双晶形成角度は３５．３°である。また、定径部１１の直径は、２〜３インチ（約５０．８〜７６．２ｍｍ）とされる。
【００２１】
図１（ｂ）は、該ＩｎＰ単結晶１０の軸線を含む断面を示したものである。図１（ｂ）に示すように、ＩｎＰ単結晶１０の軸線（ｘ軸）と、拡径部１３の外形線における接線（例えばｌ１）との成す角が拡径部角度（α）とされる。ＩｎＰ単結晶１０の拡径部１３においては、拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる範囲が存在する。具体的には、拡径部１３の直径が、１０ｍｍ以上、かつ、定径部１１の直径の７０％以下となる領域において、拡径部角度が双晶形成角度、具体的には３５．３°よりも大きくなっている。さらに、拡径部１３の直径の軸線方向における増加率が、定径部１１側ほどしだいに増加している。
【００２２】
さらに、本実施の形態においては、ＩｎＰ単結晶１０は、軸線を含む断面において、該ＩｎＰ単結晶１０の軸方向にｘ軸をとり、径方向をｒ軸として、拡径部１３の外形線を、ｘ及びｒの関数で表したとき、拡径部１３の直径が、１０ｍｍ以上（拡径部１３の半径が５ｍｍ以上）、かつ、定径部１１の直径（２ｒmax）の７０％以下となる領域（５ｍｍ≦ｒ≦０．７ｒmax）において、拡径部１３の外形線を表す関数が、０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１を満足する。なお、拡径部１３において、拡径部角度は７０°以下となっている。より具体的には、図１（ｂ）に示すように、拡径部１３の直径が１０ｍｍとなるときのｘをｘ０とし、ｘ＝ｘ０のときのｒ＝ｆ（ｘ）の接線をｌ０としたとき、該接線ｌ０とｘ軸とのなす角は、３５．３°より大きくなっており、さらに、拡径部１３の直径が定径部１１の直径の７０％となる（ｘ＝ｘ２）ときのｒ＝ｆ（ｘ）の接線（ｌ２）とｘ軸とのなす角は７０°以下となる。さらにこれらの接線（ｌ０、ｌ１、ｌ２）の傾きは、ｄｒ／ｄｘで表されるが、この傾きはｘが増加するほどしだいに増加する（０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２）。ただし、拡径部１３の直径が７０％を越える領域（０．７ｒmax＜ｒ≦ｒmax）では、拡径部角度の増加率、つまりｄ２ｒ／ｄｘ２が定径部１１側ほどしだいに減少する。なお、微視的には、拡径部１３の外形線形状は連続的に変化するわけではない。そのため、本明細書における拡径部１３の外形線は、微小なｘの範囲（ｄｘ）が０．１ｍｍ未満の領域で、その連続性が問題とされないものとする。
【００２３】
次に、上記のようなＩｎＰ単結晶１０の製造方法について説明する。図２は、本発明のＩｎＰ単結晶１０の製造方法を行うためのＬＥＣ法による成長炉１（以下、単にＬＥＣ成長炉１という）の概要を示すものである。ＬＥＣ成長炉１は、高圧炉１４内に、ＩｎＰの原料融液７を収容した例えば石英製あるいはＰＢＮ（Pyloritic Boron Nitride）製のルツボ９が配置されてなる。そして、該ルツボ９の外周には、ルツボ９に収容される原料融液７を加熱するための加熱ヒータ２が配置されている。ＩｎＰ単結晶１０を成長させる際には、図示しない加熱制御機構により電極から加熱ヒータ２に電力を供給して発熱させ、その電力を調節することにより、原料融液７の温度を制御する。加熱ヒータ２は例えばグラファイト製とすることができるが、ＩｎＰ単結晶１０への炭素のドーピングを抑制したい場合には、ＰＢＮにてコーティングしたものを使用することもできる。
【００２４】
加熱ヒータ２と高圧炉１４の炉壁との間には、金属製の炉壁を保護し高圧炉１４内を効率的に保温するために、炉内断熱材３が置かれている。該断熱材３もグラファイト製とすることができ、さらにＰＢＮコーティングされているものを使用してもよい。高圧炉１４内の略中央に配置されたルツボ９は、底部をルツボ支持軸４によって支持されており、ルツボ支持軸４の下端部に取り付けられた図示しないルツボ駆動機構によって、上下動及び回転動自在とされている。これによってＩｎＰ単結晶１０の成長時に原料融液７の液面を一定の高さに保持したり、単結晶成長時にルツボを所望の方向や速さで回転させることができるようになっている。また、高圧炉１４内の圧力を調整するための図示しない圧力制御装置が備えられており、ＩｎＰ単結晶１０の成長時には、この圧力制御機構によって炉内の圧力が調整される。
【００２５】
高圧炉１４の天井部からは、原料融液７からＩｎＰ単結晶１０を引上げるための引上げ軸５が高圧炉１４内に延びており、図示しない引上げ軸駆動機構が高圧炉１４外に備えられている。この引上げ軸駆動機構に設けられた引上げ軸５の先端部には種結晶１２を保持するための種結晶ホルダー１５が取り付けられており、この種結晶ホルダー１５に種結晶１２を係止して、その先端を原料融液７の表面に接融し引き上げることにより、ＩｎＰ単結晶１０が成長される。また、該引上げ軸５は、上下方向に移動可能であるのはもちろんのこと、径方向に回転可能とされており、図示しない結晶回転制御機構によりその回転速度等が制御される。
【００２６】
なお、ルツボ９内の原料融液７は、その上部が酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）にて構成される液体封止材８により覆われている。ＩｎＰ等の化合物半導体は、非常に分解しやすいので、液体封止材８により原料融液７からＩｎＰの分解を抑制している。この液体封止材８は、ＩｎＰ多結晶原料よりも融点が低く、当該原料の溶融が始まるまえに溶融するので、原料塊の温度がその分解温度に達しても、液体封止材８により分解を抑えることができる。
【００２７】
さらに、本発明に使用されるＬＥＣ成長炉１においては、結晶の重量を測定するロードセル６が結晶を引上げるための引上げ軸５の上部に配置されている。該ロードセル６によりＩｎＰ単結晶１０の重量の時間変化が得られるようになっている。さらに、原料融液７の液面の位置と、ルツボ９及び引上げ軸５の上下方向への移動速度等からＩｎＰ単結晶１０の成長速度を演算する図示しない成長速度演算機構が備えられている。また、これらのロードセル６や成長速度演算機構により得られる結果に基づき、ＩｎＰ単結晶１０の直径変化分、すなわち拡径部の形成時においては拡径部角度を算出する拡径部角度演算機構と、得られる拡径部角度とＩｎＰ単結晶１０の位置から、ＩｎＰ単結晶１０の成長長さ当りの拡径部角度の変化率を算出する拡径部角度変化率演算機構とをさらに有する。例えば、ロードセル６、引上げ軸駆動機構、ルツボ駆動機構等は、図示しないコンピュータに接続されており、該コンピュータに内蔵されるＣＰＵが、前述の成長速度演算機構、拡径部角度演算機構及び拡径部角度変化率演算機構を兼ねるものとすることができる。そして、該コンピュータは加熱制御機構と接続されており、コンピュータ内のＲＯＭに格納された加熱制御プログラムに基づき、ＣＰＵにおける各々の演算結果から、加熱ヒータ２の発熱量を制御する。
【００２８】
このような、ＬＥＣ成長炉１において、まず、高圧炉１４の内部に置かれたルツボ９にＩｎＰの原料塊を充填し、さらに、その原料塊の上方に液体封止材８としての酸化ホウ素を配置する。そして、炉内を不活性ガス、例えば窒素ガスやアルゴンガスで満たした後、高圧炉１４内の加熱ヒータ２を発熱させて、ＩｎＰの融点である１０６０℃程度以上にＩｎＰの原料塊を加熱し、原料融液７とする。この時、高圧炉１４の内部は、ＩｎＰの蒸気圧である２７気圧以上の高圧雰囲気とし、原料融液７からＩｎＰが分解しないようにする。さらに具体的には高圧炉１４内を４０気圧以上の高圧とする。
【００２９】
ルツボ９に収容された全ての原料塊が溶融したら、原料融液７の温度をＩｎＰ単結晶１０の成長に適した温度に調整し、種結晶ホルダー１５に種結晶１２が保持された引上げ軸５を高圧炉１４内で降下させて種結晶１２の先端部を原料融液７の表面に着液させる。そして、加熱ヒータ２による融液の温度制御や、種結晶１２及びルツボ９の回転速度、及び結晶の引上げ速度等を制御して、種結晶１２を引上げることにより、種結晶１２の下方にＩｎＰ単結晶１０を成長させる。
【００３０】
種結晶１２の下方に、所定径の定径部１１を有するＩｎＰ単結晶１０を成長させるには、まず、直径が定径部１１に向かって徐々に増加する拡径部１３を形成する。このとき、本発明の製造方法が実現できるように、上記の演算機構により得られる拡径部１３の直径、拡径部角度及びその増加率等をモニタリングしながら、加熱ヒータ２のヒートパターンを図示しない加熱制御機構により制御して、拡径部１３に双晶が形成されないようにする。そして、拡径部１３の形成中に所定の径となるところで、拡径部１３における直径の増加を止めて、所望とする一定直径でＩｎＰ単結晶１０の成長を行うことにより、ＩｎＰ単結晶１０の定径部１１を形成することができる。
【００３１】
一定径を持った定径部１１を所望長さ引き上げたならば、ＩｎＰ単結晶１０を原料融液７から切り離した時に生じる温度変化によって転位が形成されないように、徐々に結晶の直径を小さくして縮径部を形成した後、ＩｎＰ単結晶１０を融液から切り離し、静かにＩｎＰ単結晶１０を上方に引き上げ常温付近まで冷却し成長を完了する。
【００３２】
以下、本発明の製造方法を実現するための、加熱ヒータ２のヒートパターンについて説明する。図３は、本発明のヒートパターンと従来のヒートパターンとを比較して説明するものである。従来のように、拡径部角度を双晶形成角度よりも小さくして、ＩｎＰ単結晶１０’の拡径部１３’を形成する場合、図３（ａ）のようなヒートパターンにより原料融液の温度制御を行っていた。つまり、拡径部１３’の成長が進行するにつれて、加熱ヒータ２のヒータ出力を徐々に減少させている。さらに、拡径部１３’が成長するにつれて、ヒータ出力の減少率が徐々に減少するようにし、所望の直径となるときにヒータ出力を一定にし、定径部１１’を形成している。これにより、図３（ａ）のような形状のＩｎＰ単結晶１０’が形成される。
一方、本発明の製造方法においては、図３（ｂ）のようなヒートパターンにより拡径部１３を形成する。図３（ａ）と同様に拡径部１３の成長につれてヒータ出力を徐々に減少させているものの、その減少率が、拡径部１３の成長に伴って増加するようにしている点が上記の場合と異なる。さらに、拡径部１３の直径が１０ｍｍとなる時点では、拡径部角度が双晶形成角度よりも既に大きくなっているように、拡径部１３形成当初において、融液温度を調節している。このように、ヒータ出力の減少率を徐々に増加することにより、拡径部１３において、図３（ｂ）のように拡径部の直径の増加率がしだいに増加する形態を実現することができる。そして、拡径部１３の直径が定径部の７０％を越えてから、ヒータ出力の減少率を徐々に減少させるようにして、拡径部１３の直径の増加率をしだいに減少させ、ひいてはヒータ出力を一定値にし定径部１１の成長に移る。
【００３３】
なお、このヒータ出力、あるいはその減少率等の具体的な数値としては、使用されるＬＥＣ成長炉１の熱特性等により違いがあるため言及できないが、拡径部１３の直径が１０ｍｍ以上、定径部１１の直径の７０％以下となる期間において、拡径部角度が双晶形成角度より大きく、かつ７０°以下となり、さらに、拡径部角度の増加率（ｄ２ｒ／ｄｘ２）が、０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１を満足するように、使用するＬＥＣ成長炉１の熱特性に合わせて経験的に決定することができる。このように経験的に決定されたヒートパターンに対応するように、前述の加熱制御プログラムを設定し、それに基づいてＩｎＰ単結晶１０を製造すれば、複数のＩｎＰ単結晶１０を略同一の条件で製造することが可能となる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本実施の形態においては、結晶方位が＜１００＞であるＩｎＰ単結晶の製造に関して説明したが、結晶方位が＜１１１＞のＩｎＰ単結晶の製造においても、本発明を適用することができる。その場合、双晶形成角度は、１９．５°である。
【００３５】
【実施例】
本発明の効果を調べるために以下の実験を行った。
結晶の重量を測定するロードセルと、該ロードセルで検出した結晶重量から直径変化分を算出する演算機構と、直径変化分と結晶の移動量から結晶の成長長さ当りの直径変化分の増加率を算出する演算機構を備えたＬＥＣ成長炉を用いて、ＩｎＰ単結晶の製造を行った。
【００３６】
まず、ＩｎＰ多結晶原料１０００ｇを直径１００ｍｍの石英ルツボにセットし、さらにその上にＢ２Ｏ３を３２０ｇをセットした。そして、ＬＥＣ炉内で５０気圧に加圧した１００％窒素雰囲気下で、定径部の直径が５０ｍｍ、結晶方位が＜１００＞のＩｎＰ単結晶を、拡径部の形成条件を様々に変えて引上げた。なお、種結晶の引上げ速度は１０ｍｍ／ｈｒ、種結晶の回転速度は１０ｒｐｍ、ルツボの回転速度は種結晶の回転方向とは反対方向に３０ｒｐｍとする条件でＩｎＰ単結晶を引上げた。
【００３７】
（実験例１）
まず、拡径部の形成中における拡径部角度の範囲を変えて、それぞれの条件にてＩｎＰ単結晶を２０本成長させたときの、双晶の発生率を比較した。結果を図４に示す。拡径部角度の範囲は、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下の範囲において測定したものである。なお、条件３、４においては、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下の範囲で拡径部の直径の増加率が徐々に増加するように形成し、条件１、２においては、上記範囲で拡径部の直径の増加率が徐々に減少するように形成している。条件１、２が比較例とされ、条件３、４が実施例とされる。図４によれば、条件１は、最も双晶の発生率が高い。つまり、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下（定径部の直径の７０％以下）の範囲のとき、拡径部角度が双晶形成角度（３５．３°）となってしまう期間が存在し、かつ、該範囲で拡径部の直径の増加率が徐々に減少するように形成しているためである。条件２においては、拡径部角度を双晶形成角度よりも常に小さくしているので、条件１よりは、双晶が発生していない。しかし、本発明の範囲内である条件３および４においては、さらに双晶の発生率が低いことがわかる。これは、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下の範囲で拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくしているためであり、また該範囲において拡径部の直径の増加率を増加させているためである。また、条件３及び４を比較すれば拡径部角度の範囲を７０°以下に抑えることで、より一層双晶の発生率が低下することがわかる。
【００３８】
（実験例２）
次に、拡径部の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下となる期間において、拡径部角度を双晶形成角度（３５．３°）よりも大きく、かつ、７０°以下に保ちながら、拡径部の直径の増加率（ｄ２ｒ／ｄｘ２）を変えて、それぞれの条件にてＩｎＰ単結晶を２０本成長させたときの、双晶の発生率を調べた。結果を図５に示す。なお、ｄ２ｒ／ｄｘ２の値は、拡径部の形成中に一定値となるわけではなく、それぞれ、ある範囲内で広がりを持っている。図５より、ｄ２ｒ／ｄｘ２の値が小さい範囲ほど双晶の発生率が減少していることがわかる。さらに、ｄ２ｒ／ｄｘ２の値の範囲が０．１以下となる条件３及び４においては、ｄ２ｒ／ｄｘ２の値が０．１を越える条件１及び２の場合に比べ、双晶の発生率が半分以下であることがわかる。
【００３９】
以上の実験により、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくしても、拡径部角度が双晶形成角度よりも大きくなる期間中に、拡径部の直径の増加率をしだいに増加させるように融液温度を制御することにより、双晶の発生率が減少することが示された。また、拡径部角度の直径が１０ｍｍ以上、３５ｍｍ以下となる期間中に、拡径部角度を双晶形成角度よりも大きくするように融液温度を制御することで双晶の発生率が減少することが示された。さらに、拡径部の直径の増加率（ｄ２ｒ／ｄｘ２）を０＜ｄ２ｒ／ｄｘ２≦０．１の範囲に規定することで、さらに双晶の発生率が減少することが示された。このような本発明の方法により製造されたＩｎＰ単結晶は、双晶が形成される可能性が低く、良好な品質を有するので、半導体装置の基板として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＩｎＰ単結晶の概略図。
【図２】本発明の製造方法に使用されるＬＥＣ成長炉の概略図。
【図３】本発明の製造方法を実現するためのヒートパターンと従来のヒートパターンを比較して示す図。
【図４】実験例１の結果を示す図。
【図５】実験例２の結果を示す図。
【図６】具体的は双晶形成角度を説明する図。
【符号の説明】
１  ＬＥＣ成長炉
２  加熱ヒータ
３  断熱材
４  ルツボ支持軸
５  引上げ軸
６  ロードセル
７  原料融液
８  液体封止材（Ｂ２Ｏ３）
９  ルツボ
１０  ＩｎＰ単結晶
１１  定径部
１３  拡径部
１４  高圧炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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