JP2005053725A - 化合物半導体単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物半導体単結晶成長の成長過程において、当該単結晶と化合物半導体原料融液との境界面である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し、当該単結晶中の転位を抑制することの出来る化合物半導体単結晶成長装置を提供する。
【解決手段】ルツボ５に、化合物半導体原料９と液体封止材６とを充填し、これをチャンバー２内に設置する。そして、液体封止材６の直上にドーナツ状の円盤形状を有する反射板１２を設置する。次に、抵抗加熱ヒータ８に通電し、ＧａＡｓおよび三酸化硼素を融液化し、種結晶７を反射板１２の中央部の通過孔１５を介してＧａＡｓ融液に接触させ、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ、一定の速度で上昇させることで種結晶７を起点とし、通過孔１５を介して単結晶１０を引き上げる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体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（以下、ＬＥＣ法と記載する。）等により化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長装置に関する。

化合物半導体単結晶の成長方法として、化合物半導体原料と液体封止材原料とをルツボ内で溶融させ、その化合物半導体原料融液表面に種結晶を接触させて回転させながら徐々に引き上げることにより化合物半導体単結晶を育成するＬＥＣ法が公知である。このＬＥＣ法により、化合物半導体単結晶として例えばＧａＡｓ単結晶を成長させる際、当該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好ましい。そこで、例えば特許文献１には、育成中の結晶が受ける熱量を減少させ、結晶内を上方向に伝わる熱量を大きくするため、ＧａＡｓ単結晶の冷却促進を目的として、抵抗加熱ヒータからの熱輻射を遮蔽する目的で、ＧａＡｓ単結晶の周囲に熱遮蔽筒を配置した化合物半導体単結晶成長装置が提案されている。
特開平９−５２７９０号公報

上述したように、ＬＥＣ法等を用いた例えばＧａＡｓ結晶のような化合物半導体単結晶成長における問題点の一つとして、成長過程において当該結晶中の転位が集合し、結晶が多結晶化するという問題がある。この転位は当該結晶と化合物半導体原料融液と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ことが好ましい。そこで特許文献１に記載されているような装置が提案されているが、製造歩留まりの観点からは、さらに当該結晶中の転位を抑制することの出来る化合物半導体単結晶成長装置が望まれている。

本発明は、上述の背景を基に成されたものであり、ＬＥＣ法等を用い、より転位の少ない化合物半導体単結晶を成長させることの出来る化合物半導体単結晶成長装置を提供するものである。

上述の課題を解決するため本発明者らが鋭意研究を行った結果、結晶成長中に固液界面が融液側に凹面形状となる要因とは、化合物半導体単結晶エッジ部付近において、そこに接触している液体封止材の相対温度が当該単結晶より低いために、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面→当該単結晶側面→液体封止材という熱流の発生であることに想到した。この熱流のため、化合物半導体単結晶エッジ部付近の固液界面形状が凹面化し、遂には、得られた化合物半導体単結晶中に転位集合による結晶の多結晶が発生するのであると考えられた。

ここで本発明者らは、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面は熱流に対して垂直に形成されることに鑑み、上述した化合物半導体原料と当該単結晶とにおける固液界面→当該単結晶側面→液体封止材という熱流を抑制し、固液界面→結晶中央部→結晶上部→結晶外部という熱流を促進させることで、固液界面を融液側に凸化させることができることに想到した。

即ち、上述の課題を解決するための第１の手段は、
ルツボ内に充填された化合物半導体の原料と、液体封止材の原料とを加熱手段により加熱して溶融させ、
化合物半導体原料融液と、液体封止材とした後、前記化合物半導体原料融液の上面に種結晶を接触させて、これを引き上げることにより化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長装置であって、
前記化合物半導体原料融液からの熱輻射を前記液体封止材へ反射する反射板が、前記液体封止材の上面上に設けられていることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置である。

上述の構成を有する化合物半導体単結晶成長装置は、化合物半導体融液からの熱輻射を反射板により液体封止材側に反射させる事で、熱輻射を受けた液体封止材の温度を上昇させる事が可能となる結果、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面を融液側に凸化させ、転位の少ない化合物半導体単結晶を成長させることが出来る。

第２の手段は、第１の手段に記載の化合物半導体単結晶成長装置であって、
前記反射板は、前記ルツボの内部に収納可能な外径を有し、且つ前記種結晶により引き上げられる化合物半導体単結晶が通過する開口が設けられていることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置である。

上述の構成を有する化合物半導体単結晶成長装置は、反射板が、液体封止材直上のほぼ全面を覆うので、前記原料融液からの熱輻射を高い効率で前記液体封止材へ反射することができる。

第３の手段は、第１または第２の手段に記載の化合物半導体単結晶成長装置であって、
前記反射板は、モリブデンを含む材質であることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置である。

以上詳述したように、本発明は、ルツボ内に充填された化合物半導体の原料と液体封止材の原料とを加熱手段により加熱して溶融させ、化合物半導体原料融液と液体封止材とした後、前記化合物半導体原料融液の上面に種結晶を接触させて、これを引き上げることにより化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長装置であって、
前記化合物半導体原料融液からの熱輻射を前記液体封止材へ反射する反射板が、前記液体封止材の上面上に設けられている化合物半導体単結晶成長装置であり、この構成を有する当該単結晶成長装置は、化合物半導体融液からの熱輻射を反射板により液体封止材側に反射させる事で、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面を融液側に凸化させ、転位の少ない化合物半導体単結晶を成長させることが出来た。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る化合物半導体単結晶成長装置（以下、単結晶成長装置と記載する）の縦断面図であり、図２は、図１に示した単結晶成長装置のルツボ周辺の斜視図である。

まず図１に示した、本発明に係る単結晶成長装置１は、炉体部分であるチャンバー２内に、ルツボ軸４に支持されたルツボ５が上下動および回転可能に設けられている。このルツボ５の周囲は、加熱手段である抵抗加熱ヒータ８で囲まれている。ルツボ５内には、抵抗加熱ヒータ８の発熱部１１からの発熱を受けて溶融した化合物半導体原料９が下層を、同じく溶融した液体封止材６が上層を形成して充填されている。液体封止材６は、化合物半導体原料９中の成分（例えば、Ａｓ）の揮発防止を行う。

一方、チャンバー２の上方からルツボ５へ向けて引上軸３が上下動および回転可能に設置されており、さらに引上軸３の下端には種結晶７が設けられている。種結晶７は溶融した化合物半導体原料９の表面と接触した後、適宜に引き上げられることで、肩部１３を有する化合物半導体単結晶（以下、単結晶と記載する。）１０が引き上げられる。

さらに、本発明に係る単結晶成長装置１においては、液体封止材６の上面の直上に、ドーナツ状の円盤形状を有する反射板１２が反射板支柱１４に支持されている。

次に、本発明に係る単結晶成長装置１を用いた、単結晶１０の引上げについて説明する。尚、本説明においては、化合物半導体原料９としてＧａＡｓ、液体封止材６として三酸化硼素、ルツボ５としてパイロリティック窒化硼素製のルツボ（以下、ＰＢＮルツボと記載する。）を用いた場合を例としている。

先ず原料の容器となるＰＢＮルツボに、化合物半導体原料９としてＧａとＡｓ、およびＡｓの揮発を防止する液体封止材６の原料として三酸化硼素を充填し、これをチャンバー２内のルツボ軸４上に設置する。

次に、ＰＢＮルツボ上に設けられた引上軸３の下端に種結晶７を取りつける。尚、このとき種結晶７において、ＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面とするのが一般的である。

チャンバー２に原料を設置し終わったら、チャンバー２内を真空に引き、さらに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る。すると、ＰＢＮルツボ内においてＧａとＡｓとが反応しＧａＡｓが生成するが、その後も昇温を続けＧａＡｓを融液化する。このとき三酸化硼素も融液化しＧａＡｓ融液層の上層となって、これを封止する。

続いて、引上軸３とルツボ軸４とを、互いに逆回転させながら引上軸３の下端に取り付けてある種結晶７をＧａＡｓ融液に接触するまで下降させる。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を起点とし、徐々に結晶径を太らせながら結晶の肩部１３を形成させつつ単結晶１０を引き上げる。単結晶１０の肩部１３を形成後、目標とする結晶外径となったら、以降の外径を一定に保つ為、外形を制御しつつ単結晶１０の引き上げを行う。

本発明では、液体封止材６の直上に熱輻射を反射する反射板１２が配設され、反射板１２の中央部には、単結晶１０が通過する通過孔１５が設けられているので、単結晶１０はこの通過孔１５を通過しながら引き上げられる。

ここで、反射板１２について、図２を参照しながらさらに説明する。

図２において、ルツボ５内には、化合物半導体原料９と液体封止材６が融液化して充填されている。この化合物半導体原料９に接した後、引き上げられた種結晶７からは肩部１３を介して単結晶１０が引き上げられている。融液化した化合物半導体原料９と液体封止材６上にはドーナツ状の円盤形状を有する反射板１２が設けられ、反射板１２の中央部には通過孔１５が開口している。そして上記引き上げられている単結晶１０は、この通過孔１５を通過しながら引き上げられる。尚、図２においては、反射板支柱、抵抗加熱ヒータ等は記載を省略している。

反射板１２は、ルツボ５の内部に収納可能な外径を有するドーナツ状の円盤形状とし単結晶１０が中央の穴を通過出来る形状とし、液体封止材６の上面の直上に設置することで、化合物半導体原料９の融液からの熱輻射は高い効率で液体封止材６へ反射される。

また、反射板１２の材質には、化合物半導体原料９の融点下の高温状態でも耐えうる材質としてモリブデン等が好ましく、さらに反射率が高くなるよう表面を研磨し金属光沢を出しておくことが好ましい。

反射板１２が液体封止材６の直上に設けられたことで、化合物半導体原料９からの熱輻射は反射板１２により液体封止材６側に反射される。するとこの熱輻射を受けた液体封止材６の温度が上昇するので、引き上げられる単結晶１０の側面の温度と液体封止材６との相対温度差が低減し、単結晶１０の側面から液体封止材６への放熱量が低減する。この結果、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面→当該単結晶側面→液体封止材という熱流が抑制され、化合物半導体原料と当該単結晶との固液界面→結晶中央部→結晶上部→結晶外部という熱流を促進されるので、単結晶１０のエッジ部付近で発生する固液界面形状の凹面化を回避し、固液界面を融液側に凸化させて、転位の少ない化合物半導体単結晶を成長させることが出来た。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。

本実施例では、φ６サイズのＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により成長させた。

この成長について、図１を参照しながら説明する。

上述した単結晶成長装置１を用いて、先ず原料の容器となるルツボ５としてＰＢＮルツボを準備し、ここへ、Ｇａを１２，０００ｇ、Ａｓを１３，０００ｇ、およびＡｓの液体封止材６である三酸化硼素を２，０００ｇ充填した後、チャンバー２内にセットした。

一方、引上軸３の下端に結晶の元となる種結晶７を取りつけた。なお、この種結晶７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面とした。そして、本発明に係る反射板１２をルツボ５内であって、液体封止材６の直上に位置するよう配置した。反射板１２の材質にはＧａＡｓ融点下の高温状態でも耐えうる材質としてモリブデンを使用し、反射率が高くなるよう表面を研磨し金属光沢を出した。反射板１２の形状は、ルツボ５内に収納可能な外径とφ６超の通過孔１５とを有するドーナツ状の円盤形状とし、単結晶１０が中央の通過孔１５を通過出来る形状とした。

チャンバー２に原料及び部材等をセット完了した後、チャンバー２内を真空に引き、次に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に通電しチャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓと反応させて化合物半導体原料９であるＧａＡｓを合成した。

その後、更に昇温させてＧａＡｓを融液化し、続いて、引上軸３を１０ｒｐｍ、ルツボ軸４は回転方向を逆転させ２０ｒｐｍで回転させた。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ＧａＡｓ単結晶を得た。

上述のＧａＡｓ単結晶の成長を１０ロット実施したところ、得られたＧａＡｓ単結晶の単結晶化率は９２．１％であった。尚、結晶の単結晶化率とは、結晶のウエハ取得可能な理想有効長に対して、結晶外観から判定した多結晶でない単結晶部分が占める有効長の割合を示す指標である。

さらに、比較のため反射板１２を用いない以外は、実施例と同様にしてＧａＡｓ単結晶の成長を１０ロット実施したところ、得られたＧａＡｓ単結晶の単結晶化率は７５．８％であった。

以上の結果より、反射板１２を用いた場合の方が結晶の単結晶化率が高い結果となり、本発明の効果が確認出来た。

今回の実施例はＬＥＣ法ＧａＡｓ単結晶製造によるものであるが、本発明は、化合物半導体原料として他の材料を用いたＬＥＣ法等による単結晶製造方法についても適用可能である。

本発明の実施に係る化合物半導体単結晶成長装置の縦断面図である。 図１に示した化合物半導体単結晶成長装置のルツボ周辺の斜視図である。

符号の説明

１ 化合物半導体単結晶成長装置
２ チャンバー
３ 引上軸
４ ルツボ軸
５ ルツボ
６ 液体封止材
７ 種結晶
８ 抵抗加熱ヒータ
９ 化合物半導体原料
１０ （化合物半導体）単結晶
１１ 発熱部
１２ 反射板
１３ （化合物半導体単結晶の）肩部
１４ 反射板支柱
１５ 通過孔

Claims (3)

1. ルツボ内に充填された化合物半導体の原料と、液体封止材の原料とを加熱手段により加熱して溶融させ、
   化合物半導体原料融液と、液体封止材とした後、前記化合物半導体原料融液の上面に種結晶を接触させて、これを引き上げることにより化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長装置であって、
   前記化合物半導体原料融液からの熱輻射を前記液体封止材へ反射する反射板が、前記液体封止材の上面上に設けられていることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置。
2. 請求項１に記載の化合物半導体単結晶成長装置であって、
   前記反射板は、前記ルツボの内部に収納可能な外径を有し、且つ前記種結晶により引き上げられる化合物半導体単結晶が通過する開口が設けられていることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置。
3. 請求項１または２に記載の化合物半導体単結晶成長装置であって、
   前記反射板は、モリブデンを含む材質であることを特長とする化合物半導体単結晶成長装置。

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