JP2005104767A - 半導体単結晶の製造方法及び半導体単結晶の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 縦型ボート法の単結晶成長において,るつぼ内の結晶成長界面の正確な位置を把握し,るつぼに対する温度勾配領域の位置調整を行う。
【解決手段】 るつぼ12の上方に上下動可能な電極54,55を配置する。電極54,55は,電気配線56を介して電源57に接続される。電気配線56には,電流計58が接続される。結晶成長中に,るつぼ12内の原料融液Bの上界面に上方から電極54,55を接触させる。この接触により,電極54,55間に電流が流れ,電流計58によって電流が検出され,その電流の検出により原料融液Bの上界面の位置が測定される。当該上界面の位置に基づいて原料融液Bの結晶化している比率が導出され,結晶成長界面の位置が特定される。メインコントローラ40では,当該結晶成長界面の位置に基づいて各ヒータ30の発熱量が制御され,温度勾配領域の位置が所定の位置に調整される。
【選択図】 図1
【解決手段】 るつぼ12の上方に上下動可能な電極54,55を配置する。電極54,55は,電気配線56を介して電源57に接続される。電気配線56には,電流計58が接続される。結晶成長中に,るつぼ12内の原料融液Bの上界面に上方から電極54,55を接触させる。この接触により,電極54,55間に電流が流れ,電流計58によって電流が検出され,その電流の検出により原料融液Bの上界面の位置が測定される。当該上界面の位置に基づいて原料融液Bの結晶化している比率が導出され,結晶成長界面の位置が特定される。メインコントローラ40では,当該結晶成長界面の位置に基づいて各ヒータ30の発熱量が制御され,温度勾配領域の位置が所定の位置に調整される。
【選択図】 図1
Description
本発明は,化合物半導体などの半導体単結晶の製造方法及び半導体単結晶の製造装置に関する。
GaAs単結晶などの半導体単結晶の製造方法として,縦型ブリッジマン法や縦型温度傾斜法などの縦型ボート法が知られている。縦型ボート法は,るつぼの底部に種結晶を配置し,その種結晶の上層に単結晶の原料融液と封止用液体を配置して,当該るつぼを所定の温度分布内で相対的に移動させることにより,原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる方法である。この縦型ボート法によれば,結晶内の温度分布を小さく維持しながら結晶を成長させることができるので,結晶欠陥の密度を示すエッチピット密度(EPD)が低く,良質の結晶を製造することができる。
ところが,エレクトロニクス技術の進歩によって,近年では,さらにEPDの低い単結晶が要求されている。EPDをさらに低下させるためには,例えばるつぼ内の原料融液の結晶成長界面(原料融液が固化し結晶化する時の固液界面)の位置を前記温度分布内の所定の温度勾配内に正確かつ確実に維持する必要がある。このためには,結晶成長界面の正確な位置を把握し,その結晶成長界面の位置に基づいて,るつぼに対する温度勾配の相対的な位置を調整する必要がある。
しかしながら,縦型ボート法による単結晶の成長は,るつぼ内の原料融液内で行われており,外観から結晶成長界面の正確な位置を把握することはできない。そこで,従来の縦型ボート法においては,例えばるつぼの周辺に複数の温度計を上下方向に配置し,当該温度計の測定結果から,例えば原料融液の凝固点となる上下方向の位置を結晶成長界面の位置と定めるようにしていた(例えば,特許文献1参照)。また,予め行われる実験などで,実際に一定の速度で結晶を成長させ,その結晶成長途中で外観上認識できる結晶異常を意図的に形成し,当該異常箇所の位置に基づいて結晶成長界面の位置を定めるようにしていた(例えば特許文献2参照)。
しかしながら,上述の前者の例のようにるつぼの外側に温度計を設置した場合,例えば前記温度分布を形成するためにるつぼの周辺に配置されたヒータからの輻射熱やるつぼから放射される輻射熱,るつぼの外壁の熱伝導分布,温度計を保護する管の熱伝導分布などの各要因により,温度計による測定温度とるつぼ内の結晶原料の実際の温度とが異なってくる。したがって,前記温度計による測定結果からでは,結晶成長界面の正確な位置を特定することはできなかった。
また,上述の後者の例のように,事前の実験により結晶成長界面の位置を定める場合,結晶成長の度に異なる結晶成長界面の位置を正確に知るには,各結晶成長毎に実験を行わなければならない。しかしながら,このような測定は,スループットなどの観点から現実的には不可能であり,実際には,総ての結晶成長において結晶成長界面の正確な位置を把握することはできていなかった。
本発明は,かかる点に鑑みてなされたものであり,縦型ボート法を用いて半導体単結晶を製造するにあたり,結晶成長界面の正確な位置をより簡単な手法で特定し,当該結晶成長界面の位置に基づいてるつぼなどの容器と温度勾配との相対的な位置を調整して,EPDをさらに低下させることのできる半導体単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することをその目的とする。
上記目的を達成するために,本発明は,容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって,結晶成長中に,前記容器内における原料融液の上界面の位置を測定する工程と,当該測定された上界面の位置に基づいて,原料融液の結晶化している比率を導出し,当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と,当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と,を有することを特徴とする。なお,前記原料融液の上界面とは,原料融液の上面にある,原料融液と封止用液体との界面を示す。
本発明によれば,結晶成長中の原料融液の上界面の位置に基づいて原料融液の結晶成長界面の位置を特定することができる。この場合,結晶成長中の実際の原料融液の動きから結晶成長界面の位置が特定されるので,当該結晶成長界面の正確な位置を把握することができる。そして,当該正確な結晶成長界面の位置に基づいて,温度勾配領域の容器に対する位置を調整し,例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。この結果,EPDの低い良質の半導体単結晶を製造することができる。
前記原料融液の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき,前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には,結晶成長中に測定された前記原料融液の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われるようにしてもよい。かかる場合,原料融液の上界面の測定,結晶成長界面の位置の特定,温度勾配領域の位置調整といった手順を踏まなくとも,原料融液の上界面の測定位置から直接温度勾配領域の相対的な位置調整を行うことができる。
前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては,容器内の総ての原料融液が結晶化した時の当該結晶の上界面の位置と,総ての原料融液が液体の状態の時の当該原料融液の上界面の位置とを予め求めておき,それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されるようにしてもよい。
前記原料融液の上界面の位置を測定する工程は,電位差がある2つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ,前記2つの電極間に前記原料融液を通じて通電させ,当該通電した位置を検出することによって行われてもよい。このように上界面の位置の測定を,電極間の通電により行うことにより,上界面の位置の測定を簡単な手法で正確に行うことができる。
本発明は,容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって,結晶成長中に,前記容器内における封止用液体の上界面の位置を測定する工程と,当該測定された上界面の位置に基づいて,原料融液の結晶化している比率を導出し,当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と,当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と,を有することを特徴とする。なお,前記封止用液体の上界面とは,封止用液体の上面にあたる封止用液体と気相との界面を示す。
本発明によれば,結晶成長中の実際の原料融液の動きに対応した封止用液体の位置から結晶成長界面の位置が特定されるので,当該結晶成長界面の正確な位置を把握することができる。そして,当該正確な結晶成長界面の位置に基づいて,温度勾配領域の容器に対する位置を調整して,例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。この結果,EPDの低い良質の半導体単結晶を確実に製造することができる。
前記封止用液体の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき,前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には,結晶成長中に測定された前記封止用液体の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われるようにしてもよい。また,前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては,容器内の総ての原料融液が結晶化した時の前記封止液体の上界面の位置と,総ての原料融液が液体の状態の時の前記封止液体の上界面の位置とを予め求めておき,それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されるようにしてもよい。さらに,前記封止用液体の上界面の位置を測定する工程は,電位差がある2つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ,前記2つの電極間に前記封止用液体を通じて通電させ,当該通電した位置を検出することによって行われるようにしてもよい。
前記前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は,結晶成長中の前記容器内において移動する結晶成長界面の移動速度が一定になるように行われるようにしてもよい。かかる場合,容器内において原料融液の下部から上方に向けて成長する単結晶が上下方向の位置にかかわらず同じ質に製造され,容器の全体において良質の単結晶が製造される。
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は,前記結晶成長界面の位置と前記温度勾配領域の中心位置とのずれが前記温度勾配領域の長さの0.5%以内に収まるように行われてもよい。かかる場合,発明者らの検証によれば,
単結晶化率が95%以上の良質の単結晶が製造できる。
単結晶化率が95%以上の良質の単結晶が製造できる。
前記結晶の原料は,周期表のIII族の元素とV族の元素からなる化合物半導体の原料であってもよく,さらにGaAs(ガリウムヒ素)又はInP(イリジウムリン)であってもよい。
本発明は,容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法が行われる,半導体単結晶の製造装置であって,前記容器内の原料融液の上界面の位置又は前記封止用液体の上界面の位置を測定する測定機構を備えたことを特徴とする。
本発明によれば,結晶成長中の原料融液の上界面又は封止用液の上界面の位置を測定し,当該上界面の位置に基づいて,その時点の結晶成長界面の正確な位置を特定することができる。したがって,その正確な結晶成長界面の位置に基づいて,例えば容器の置かれた温度分布温内の温度勾配領域の位置を調整し,例えば結晶成長界面の位置を所定の温度勾配領域内に厳密に維持することができる。これによって,EPDの低い良質の半導体単結晶を製造することができる。
前記測定機構は,下端面が揃えられた2つの電極と,当該2つの電極に電位差を与える電源と,前記電極を前記上界面に接触させるために上下動させる昇降機構とを備えていてもよい。この測定機構によって,電位差のある2つの電極を前記上界面に接触させ,その2つの電極間に液体を通じて通電させ,当該通電した位置を測定することによって,前記上界面の位置を測定することができる。
前記半導体単結晶の製造装置は,前記測定機構によって測定された前記上界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する調整機構をさらに備えていてもよい。また,前記調整機構は,前記測定機構で測定される上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め設定する設定部と,前記測定された上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の相対的な位置を調整する調整部と,を備えていてよい。
前記半導体単結晶の製造装置は,前記温度分布を形成するために前記容器の周辺に上下方向に配列された複数の発熱体をさらに備えており,前記調整部は,前記各発熱体の発熱量を制御することにより,前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できてもよい。また,前記半導体単結晶の製造装置は,前記容器を上下方向に移動させる移動機構をさらに備えており,前記調整部は,前記移動機構の駆動を制御して,前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できてもよい。
前記結晶の原料は,周期表のIII族の元素とV族の元素からなる化合物半導体の原料であってよく,GaAs又はInPであってもよい。
本発明によれば,EPDが低い良質の単結晶を安定して製造できる。
以下,本発明の好ましい実施の形態について説明する。図1は,本実施の形態にかかる単結晶製造装置1の構成の概略を示す縦断面図である。単結晶製造装置1は,縦型ボート法の一つである縦型温度傾斜法によって半導体単結晶を製造するものである。
単結晶製造装置1は,内部が密閉可能な筐体10を備え,その筐体10の中央部には,底面が閉鎖され上面が開口した略円筒状のるつぼ収納容器11が配置されている。るつぼ収納容器11内には,種結晶A,結晶の原料融液B及び封止用液体Cを下から順に配置する容器としてのるつぼ12が配置されている。るつぼ12は,上端が開口した円筒部12aと,この円筒部12aの下部を塞ぐように接続された円錐部12bを備えている。円錐部12bの頂点部分(るつぼ12の最下部)には,種結晶Aを収容する種結晶収容部13が形成されている。なお,るつぼ12の材質には,耐熱性に優れ,原料融液Bと反応し難い材質,例えばカーボン,PBN(積層窒化ホウ素)などが用いられている。
るつぼ収納容器11は,下部ロッド20の上端に支持されている。下部ロッド20の下端は,筐体10の下面に装着されたシールリング21を介して,筐体10の下方に突出している。下部ロッド20の下端には,当該下部ロッド20を上下動させる移動機構22が接続されている。この移動機構22は,下部ロッド20を回転させる機能も有している。移動機構22の駆動により,下部ロッド20を介して,るつぼ収納容器11及びるつぼ12を一体的に回転及び昇降させることができる。なお,シールリング21によって,筐体10の内部は気密に保持できる。
筐体10内において,るつぼ収納容器11の周囲を囲むように,複数の発熱体としてのヒータ30が上下方向に配列されている。各ヒータ30は,互いに独立しており,各ヒータ30毎に発熱量を設定できる。ヒータ30の外側は,断熱材31で囲まれており,ヒータ30の熱が効果的にるつぼ収納容器11に伝達される。
例えば,ヒータ30の発熱量は,調整部としてのメインコントローラ40によって制御されている。このメインコントローラ40によって,各ヒータ30の発熱量を制御し,るつぼ12の上下方向に対し所望の温度分布を形成し,さらに当該温度分布中の所定の位置に所望の温度勾配領域を形成することができる。そして,メインコントローラ40は,その温度勾配領域をるつぼ12の下部から上方に低速で移動させていくことによって,るつぼ12内の原料融液Bを下から徐々に凝固させ結晶化することができる。また,メインコントローラ40は,例えば移動機構22の駆動や動作を制御することができ,るつぼ12を上下方向の所定の位置に移動させたり,回転させたりすることもできる。
るつぼ収納容器11の上方には,上下方向に長い上部ロッド50が配置されている。上部ロッド50は,例えば筐体10の上面に装着されたシーリング51を介して筐体10の上面を貫通している。例えば上部ロッド50の上端部は,筐体10の外側に配置された昇降機構52に接続されている。上部ロッド50の下端部には,例えば絶縁板53を介して2本の電極54,55が取り付けられている。各電極54,55は,例えば細長の略円柱状に形成され,上下方向に向けて平行に配置されている。電極54,55の下端部の位置は,互いに揃えられている。なお,電極54,55の形状は,上下方向に長い板形状であってもよい。
各電極54,55は,例えば上部ロッド50の内部を通過する電気配線56によって電源57に接続されており,電極54,55には,所定の電位差を付加できる。電気配線56には,電流計58が接続されており,電極54,55間に電流が流れ,電極54,55,電気配線56,電源57からなる閉回路59が形成された際に,電流計58によってその電流値を検出することができる。かかる構成によって,昇降機構52によって上部ロッド50を上下動させて,電圧が付加された電極54,55をるつぼ12内の液界面(原料融液Bの上界面又は封止用液体Cの上界面)に上方から接触させることができる。そして,当該電極54,55の液界面への接触によって,当該電極54,55間に液体を通じて電流が流れ,電流計58によってその電流値を検出することができる。つまり,この電流値の検出によって,電極54,55が液界面に接触したことを検出することができる。その接触が原料融液Bの上界面であるか封止用液体Cの上界面であるかの判断は,原料融液Bと封止用液体Cの電気伝導率が異なるので電流計58の示す電流値により行うことができる。なお,電極54,55の材質には,耐熱性に優れ,原料融液Bと封止用液体Cと反応しない,さらに導電性の高い材質,例えばカーボンなどが用いられる。
電流計58で検出された電流値は,例えば第1のサブコントローラ70に出力できる。また,第1のサブコントローラ70は,例えば上部ロッド50の昇降機構52の駆動や動作を制御しており,昇降機構52によって昇降する電極54,55の下端部の位置を把握している。したがって,電流計58からの電流値の出力をトリガとして,第1のサブコントローラ70では,その時の電極54,55の下端部の位置,つまり電極54,55が接触したるつぼ12内の液界面の位置を検出することができる。なお,本実施の形態においては,上部ロッド50,昇降機構52,電極54,55,電気配線56,電源57,電流計58及び第1のサブコントローラ70によって液界面の測定機構を構成している。
例えば第1のサブコントローラ70で測定されたるつぼ12内の液界面の位置は,設定部としての第2のサブコントローラ71に出力できる。るつぼ12内において原料融液Bが固体に変化する時,原料融液Bの体積は一定の比率で膨張する。つまり,るつぼ12内で結晶が成長するに従って,るつぼ12内の液界面の位置が上昇する。第2のサブコントローラ71には,図2に示すようなるつぼ12内の総ての原料融液Bが融解している状態の時の液界面Eの位置と,総ての原料融液が結晶化した時の液界面Fの位置とが記憶されている。そして第2のサブコントローラ71では,例えば当該記憶されている液界面E,Fの位置と,結晶成長途中で測定された液界面Hの位置との関係から,その時点での原料融液Bの結晶化している比率を算出し,当該比率からその時点の原料融液Bの結晶成長界面Gの位置を算出できる。
また,第2のサブコントローラ71は,算出された結晶成長界面Gの位置を,メインコントローラ40に出力できる。メインコントローラ40では,出力された結晶成長界面Gの位置に基づいて,各ヒータ30の発熱量や移動機構22の動作を制御し,ヒータ30によって形成される温度勾配領域とるつぼ12との上下方向の相対的な位置を調整することができる。なお,本実施の形態では,ヒータ30,メインコントローラ40及び第2のサブコントローラ71によって温度勾配領域とるつぼ12との相対的な調整機構が構成されている。
単結晶製造装置1は,以上のように構成されており,次にかかる単結晶製造装置1で行われる半導体単結晶の製造について,GaAsの化合物半導体を製造する場合を例に採って説明する。
先ず,図1に示すようにるつぼ12の種結晶収容部13にGaAsの種結晶Aが収容され,当該種結晶Aの上層にGaAsの化合物原料及びB2O3などの液体封止剤が投入される。なお,この際必要に応じてドーパントを投入してもよい。
その後,るつぼ12がるつぼ収納容器11内にセットされ,筐体10の内部が所定の圧力に昇圧された後,ヒータ30によりるつぼ12が加熱される。この加熱により,るつぼ12内の化合物原料が溶融し,原料融液Bとなる。また,その上層に封止用液体Cが配置される。次に,メインコントローラ40によって各ヒータ30の発熱量が制御され,図3に示すようにるつぼ12に対する温度分布Lが形成され,当該温度分布Lの中に所定の温度勾配領域Rが形成される。そして,例えばこの温度勾配領域Rの位置を,メインコントローラ40の制御によってるつぼ12の底部の種結晶Aの位置から上方に移動させていき,原料融液Bを下部から上方に向けて徐々に冷却し固化させて,GaAs単結晶Dを成長させていく。このとき,必要に応じて移動機構22によって,るつぼ12全体を回転及び昇降させながら,GaAs単結晶Dを成長させてもよい。
GaAs単結晶Dを成長させている時に,るつぼ12の上方で待機していた電極54,55を低速で下降させ,図4に示すように電位差のある電極54,55の下端部を,液界面である例えば原料融液Bの上界面H1に接触させる。この接触によって電極54,55間に電流が流れ,閉回路59が形成されて,電流計58から第1のコントローラ70にその電流値が出力される。第1のコントローラ70では,例えばその電流値の入力をトリガとして原料融液Bの上界面Hの位置が測定される。この測定結果は,第2のコントローラ71に出力され,当該第2のコントローラ71では,当該原料融液Bの上界面Hの位置から,原料融液Bが結晶化している比率が算出され,当該比率に基づいて結晶成長界面Gの位置が特定される。この時の原料融液Bが結晶化している比率の算出は,予め第2のコントローラ71に記憶された,原料融液Bが総て結晶化した時の液界面としての原料融液Bの上界面E1の位置及び原料融液Bの総てが液体の状態の時の上界面F1の位置と,測定された上界面H1の位置との位置関係から算出される。
結晶成長界面Gの位置が特定されると,その結果がメインコントローラ40に出力される。そして例えば図5に示すように結晶成長界面Gの位置が温度勾配領域Rの所定位置,例えば温度勾配領域Rにおいて原料融液Bの凝固温度になっている特定点Jの位置とずれているような場合には,メインコントローラ40よって,例えば各ヒータ30の発熱量が変更され,温度勾配領域Rの特定点Jの位置が結晶成長界面Gの位置に合わせ込まれる。つまり,メインコントローラ40によってるつぼ12に対する温度勾配領域Rの相対的な位置が調整される。
このような,電極54,55による原料融液Bの上界面H1の位置の測定から温度勾配領域Rの位置調整に至る一連の位置調整プロセスは,例えば結晶成長中に連続して行われ,その都度結晶成長界面Gの位置と温度勾配領域Rとの位置が修正される。なお,この一連の位置調整プロセスは,所定の時間間隔で行われてもよいし,予め定められた回数行われてもよい。
GaAs単結晶Dの成長が進んで,総ての原料融液Bが結晶化すると,その後GaAs単結晶Dは冷却され,当該GaAs単結晶Dがるつぼ12内から取り出されて,一連の単結晶の製造プロセスが終了する。
以上の実施の形態によれば,単結晶製造装置1に,るつぼ12内の上界面H1の位置を測定する測定機構が設けられたので,当該上界面H1の位置からその時の原料融液Bの結晶化率を算出し,当該結晶化率から結晶成長界面Gの厳密な位置を特定することができる。そして,メインコントローラ40によって,結晶成長界面Gの位置を例えば温度勾配領域Rの所定の位置に合わせ込むことができる。この結果,縦型ボート法において,EPDの低い良質のGaAs単結晶を成長させることができる。また,当該温度勾配領域Rの位置調整を結晶成長中に連続して行うことができるので,るつぼ12内の単結晶全体の質を向上させることができる。
前記上界面H1の測定を2本の電極54,55を用いて行ったので,比較的簡単な機構で測定できる。また,電極54,55間の通電によって位置が測定されるので,位置測定を正確に行うことができる。
上記実施の形態では,るつぼ12と温度勾配領域Rとの相対的な位置調整を,温度勾配領域R側を移動させることによって行っていたが,るつぼ12の移動機構22を用いてるつぼ12側を移動させることによって行っていてもよい。
上記実施の形態では,原料融液Bの上界面H1の位置を測定し,当該原料融液Bの上界面H1の位置に基づいて,るつぼ12と温度勾配領域Rとの位置調整を行っていたが,原料融液Bの上界面H1に代えて原料融液Bの上層にある封止用液体Cの上界面の位置を測定してもよい。この測定は,結晶成長中に電極54,55をるつぼ12内の封止用液体Cの上界面に接触させることによって行われる。そして,例えば第2のコントローラ71において,測定された封止用液体Cの上界面の位置に基づいてその時点の原料融液Bの結晶化率が算出され,当該結晶化率からその時点の結晶成長界面Gの位置が特定される。そして,メインコントローラ40によって,当該結晶成長界面Gの位置に基づいてるつぼ12と温度勾配領域Rとの相対的な位置が調整される。かかる場合,電極54,55が原料融液Bに接触することがないので,原料融液Bの汚染を防止できる。
前記実施の形態では,原料融液Bの上界面H1の位置を測定し,当該上界面H1の位置から結晶成長界面Gの位置が特定され,当該結晶成長界面Gの位置に基づいて温度勾配領域Rの位置調整を行っていたが,例えば第2のコントローラ71に,原料融液Bの上界面H1の位置と最終的な温度勾配領域Rの調整位置との相関関係を予め設定しておき,例えば第2のコントローラ71において,前記相関関係と上界面H1の測定結果から,直接温度勾配領域Rの調整位置を算出し,例えばメインコントロール40において,温度勾配領域Rの位置調整を行ってもよい。かかる場合,その都度結晶成長界面Gの位置を算出する必要がない。
以上の実施の形態では,結晶成長界面Gの位置を温度勾配領域R内の所定の位置に合わせ込んでいたが,結晶成長中にるつぼ12内で上方に移動していく結晶成長界面Gの移動速度を一定にするように,温度勾配領域Rとるつぼ12との相対的な位置調整を行ってもよい。かかる場合,るつぼ12内の結晶化が上下方向に位置にかかわらず常に一定の条件で行われるので,るつぼ12内の全体で良質の単結晶を製造できる。
さらに,上述のるつぼ12と温度勾配領域Rの相対的な位置調整は,図6に示すように前記結晶成長界面Gの位置と前記温度勾配領域Rの中心位置Qとのずれが前記温度勾配領域Rの長さの0.5%以内に収まるように行われてもよい。かかる場合,結晶成長界面Gにおける径方向の温度分布がより均一になり,結晶中の転位集中・集積を抑制し,単結晶化率を大幅に向上させることができる。発明者らの検証によれば,結晶成長界面Gの位置と温度勾配領域Rの中心位置Qとのずれが0.5%を遙かに越えていた従来において単結晶化率が80%程度であったのに対し,本発明のように0.5%以内に位置調整した場合,単結晶化率が95%以上になり,極めて良質の単結晶が製造できることが分かった。
以上,本発明の好ましい実施の形態を説明したが,本発明はここに例示した形態に限定されない。例えば,本発明は,縦型温度傾斜法に限らず,縦型ブリッジマン法など,他の方法でも適用できる。また,本発明は,GaAs単結晶以外の他の半導体単結晶,例えばInPのようにIII族とV族の元素からなる半導体単結晶にも適用できる。
本発明は,縦型ボート法によりGaAsのような化合物半導体の単結晶を製造する場合において,EPDを低下し良質の単結晶を製造する際に有用である。
1 単結晶製造装置
12 るつぼ
30 ヒータ
40 メインコントローラ
54,55 電極
56 電気配線
57 電源
58 電流計
71 第2のサブコントローラ
A 種結晶
B 原料融液
C 封止用液体
D GaAs単結晶
G 結晶成長界面
H1 上界面
12 るつぼ
30 ヒータ
40 メインコントローラ
54,55 電極
56 電気配線
57 電源
58 電流計
71 第2のサブコントローラ
A 種結晶
B 原料融液
C 封止用液体
D GaAs単結晶
G 結晶成長界面
H1 上界面
Claims (20)
- 容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって,
結晶成長中に,前記容器内における原料融液の上界面の位置を測定する工程と,
当該測定された上界面の位置に基づいて,原料融液の結晶化している比率を導出し,当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と,
当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と,を有することを特徴とする,半導体単結晶の製造方法。 - 前記原料融液の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき,
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には,結晶成長中に測定された前記原料融液の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われることを特徴とする,請求項1に記載の半導体単結晶の製造方法。 - 前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては,容器内の総ての原料融液が結晶化した時の当該結晶の上界面の位置と,総ての原料融液が液体の状態の時の当該原料融液の上界面の位置とを予め求めておき,それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されることを特徴とする,請求項1又は2のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記原料融液の上界面の位置を測定する工程は,電位差がある2つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ,前記2つの電極間に前記原料融液を通じて通電させ,当該通電した位置を検出することによって行われることを特徴とする,請求項1,2又は3のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法による半導体単結晶の製造方法であって,
結晶成長中に,前記容器内における封止用液体の上界面の位置を測定する工程と,
当該測定された上界面の位置に基づいて,原料融液の結晶化している比率を導出し,当該比率から原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程と,
当該特定された結晶成長界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する工程と,を有することを特徴とする,半導体単結晶の製造方法。 - 前記封止用液体の上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め求めておき,
前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する際には,結晶成長中に測定された前記封止用液体の上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の位置調整が行われることを特徴とする,請求項5に記載の半導体単結晶の製造方法。 - 前記原料融液の結晶成長界面の位置を特定する工程においては,容器内の総ての原料融液が結晶化した時の前記封止液体の上界面の位置と,総ての原料融液が液体の状態の時の前記封止液体の上界面の位置とを予め求めておき,それらの求められた上界面の位置と結晶成長中に測定された前記上界面の位置から前記原料融液の結晶化している比率が導出されることを特徴とする,請求項5又は6のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記封止用液体の上界面の位置を測定する工程は,電位差がある2つの電極を前記上界面に対して上方から接触させ,前記2つの電極間に前記封止用液体を通じて通電させ,当該通電した位置を検出することによって行われることを特徴とする,請求項5,6又は7のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は,結晶成長中の前記容器内において移動する結晶成長界面の移動速度が一定になるように行われることを特徴とする,請求項1,2,3,4,5,6,7又は8のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置調整は,前記結晶成長界面の位置と前記温度勾配領域の中心位置とのずれが前記温度勾配領域の長さの0.5%以内に収まるように行われることを特徴とする,請求項1,2,3,4,5,6,7又は8のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記結晶の原料は,周期表の第III族の元素とV族の元素からなる化合物半導体の原料であることを特徴とする,請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9又は10のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
- 前記結晶の原料は,GaAs又はInPであることを特徴とする,請求項11に記載の半導体単結晶の製造方法。
- 容器の底部に種結晶を配置し,前記種結晶の上層に原料融液と封止用液体を下から順に配置し,当該容器を所定の温度分布内において当該温度分布に対して相対的に移動させて,容器内の原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる縦型ボート法が行われる,半導体単結晶の製造装置であって,
前記容器内の原料融液の上界面の位置又は前記封止用液体の上界面の位置を測定する測定機構を備えたことを特徴とする,半導体単結晶の製造装置。 - 前記測定機構は,下端面が揃えられた2つの電極と,当該2つの電極に電位差を与える電源と,前記電極を前記上界面に接触させるために上下動させる昇降機構とを備えたことを特徴とする,請求項13に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記測定機構によって測定された前記上界面の位置に基づいて,前記温度分布内に形成された所定の温度勾配領域の前記容器に対する相対的な位置を調整する調整機構をさらに備えたことを特徴とする,請求項13又は14のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記調整機構は,
前記測定機構で測定される上界面の位置と前記温度勾配領域の相対的な調整位置との相関関係を予め設定する設定部と,
前記測定された上界面の位置と前記相関関係から前記温度勾配領域の相対的な位置を調整する調整部と,を備えたことを特徴とする,請求項15に記載の半導体単結晶の製造装置。 - 前記温度分布を形成するために前記容器の周辺に上下方向に配列された複数の発熱体をさらに備えており,
前記調整部は,前記各発熱体の発熱量を制御することにより,前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できることを特徴とする,請求項16に記載の半導体単結晶の製造装置。 - 前記容器を上下方向に移動させる移動機構をさらに備えており,
前記調整部は,前記移動機構の駆動を制御して,前記温度勾配領域の相対的な位置を調整できることを特徴とする,請求項16に記載の半導体単結晶の製造装置。 - 前記結晶の原料は,周期表のIII族の元素とV族の元素からなる化合物半導体の原料であることを特徴とする,請求項13,14,15,16,17又は18のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記結晶の原料は,GaAs又はInPであることを特徴とする,請求項19に記載の半導体単結晶の製造装置。
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JP2003340135A JP2005104767A (ja) | 2003-09-30 | 2003-09-30 | 半導体単結晶の製造方法及び半導体単結晶の製造装置 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101469107B1 (ko) * | 2013-03-28 | 2014-12-04 | 주식회사 썸백 | 태양전지용 실리콘 잉곳 제조장치 및 방법 |
CN112146729A (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-29 | 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 | 坩埚内原料剩余量的检测装置及检测方法 |
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2003
- 2003-09-30 JP JP2003340135A patent/JP2005104767A/ja active Pending
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