JP2005298256A - ルツボ及び化合物半導体単結晶の製造装置並びに化合物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浮遊体リングを浮かべたり断熱性粒子で覆う必要なしに、つまりルツボそれ自体の構造を改善することにより、結晶成長方向の温度勾配を大きくして固液界面を凸化させることを可能とした化合物半導体単結晶の製造装置及び製造方法を提供すること。
【解決手段】液体封止チョクラルスキー法による化合物半導体単結晶の製造方法において、ルツボ１１の原料融液９に接触する接触部分１３の厚みと、ルツボ１１の原料融液９に接触しない非接触部分１２の厚みとが、接触部分の厚み＜非接触部分の厚みの関係にある環境下で、化合物半導体単結晶を成長する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体単結晶、主としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）単結晶を製造するのに適した液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）において用いられるルツボ及びそのルツボを構成要件として有する化合物半導体単結晶の製造装置、並びに化合物半導体単結晶の製造方法に関するものである。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図２によって説明する。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置１は、炉体部分（耐圧容器）であるチャンバー２と、結晶を引き上げる為の引上軸３と、原料の容器である熱分解性窒化硼素（ＰＢＮ）ルツボ５（ルツボの材質にはＰＢＮを用いるのが一般的である）と、このルツボ５を受ける為のルツボ軸４を有する構造となっている。

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５にＧａとＡｓ及びＡｓの液体封止剤となる三酸化硼素６を入れ、これをチャンバー２内にセットする。又、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取り付ける。この種結晶７はＧａＡｓ融液９と接する面を（１００）面としているのが一般的である。

チャンバー２に原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、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、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９を作成する。

続いて、引上軸３、ルツボ軸４を回転方向が逆になるように回転させる。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９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から徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部を形成する。肩部形成後、目標とする結晶外径となったならば、外径を一定に保つ為、外形を制御しつつＧａＡｓ単結晶１０の製造を行なう。

上記ＧａＡｓ単結晶を成長する場合、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なうのが一般的である。

ＧａＡｓ単結晶の成長における問題点の一つとして、転位の集合による結晶の多結晶化という問題がある。転位は結晶と融液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必要がある。又、固液界面は熱流に対して垂直に形成される。よって、固液界面を凸化させるには、結晶の冷却を促進させ、熱の流れを、固液界面→結晶中央部→結晶上部→結晶外部という流れにすることで可能となる。

かかる考えの下に、従来、固液界面形状の凹面化を抑制するための種々な方法が試みられている。

例えば、特開平５−１２４８９３号公報（特許文献１参照）では、加熱体からの熱をルツボ壁から直接受ける径方向外方側の液体封止剤の量を減らして、その液体封止剤の半導体融液との接触面積を低減する、との考えの下に、液体封止剤中に化合物半導体融液及び液体封止剤と反応しない高温安定物体（浮遊体リング）を浮かべて液体封止剤を径方向に分断し、この分断状態を保持しながら径方向内方側の液体封止剤を通して単結晶を引き上げる。これによれば、浮遊体リングの存在により、ヒータの近くの高温になる液体封止剤の外周部がＧａＡｓ融液と広い面積で接触するのを防ぎ、液体封止剤たるＢ₂Ｏ₃の熱分解されれたＢが結晶中に取り込まれるのを防止することができる。

また、特開平５−３３９０９８号公報（特許文献２参照）では、原料融液からの熱輻射を抑制するために、液体封止剤の表面を炭素繊維等の断熱性粒子で覆うことを提案している。これによれば、原料融液表面から輻射熱が奪われることはなく、単結晶と原料融液との固液界面付近の温度勾配の大きさが小さく抑えられる。
特開平５−１２４８９３号公報 特開平５−３３９０９８号公報

既に触れたように、固液界面を凸化させるには、結晶の冷却を促進させ、熱の流れを、固液界面→結晶中央部→結晶上部→結晶外部という流れにすることが重要である。

しかしながら、図２の化合物半導体単結晶の製造装置では、結晶成長時において、抵抗加熱ヒータの発熱の影響によりＧａＡｓ融液上部、つまり成長した結晶が位置する部分の温度上昇を引き起こし、結晶成長方向の温度勾配が不十分である為に結晶の冷却不足により固液界面から結晶上部への熱の流れが取れず、結晶側面から放熱が進むという現象が発生し、固液界面が凹面化、強いては転位集合による結晶の多結晶が発生するという問題があった。

一方、特許文献１の方法では、高温安定物体として浮遊体リングを浮かべるため、ルツボの管理の他に、浮遊体リングを管理及び取り扱い操作することが必要になる。

また特許文献２の方法でも、同様に、ルツボの管理の他に、熱輻射を抑制するために原料融液を断熱性粒子で覆い、管理及び取り扱い操作することが必要になる。

そこで、本発明の目的は、浮遊体リングを浮かべたり断熱性粒子で覆う必要なしに、つまりルツボそれ自体の構造を改善することにより、結晶成長方向の温度勾配を大きくして固液界面を効果的に凸化させることを可能としたＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法及び製造装置を提供することにある。

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。

請求項１の発明に係るルツボは、液体封止チョクラルスキー法において用いられるルツボにおいて、前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとを、接触部分の厚み＜非接触部分の厚みの関係にしたことを特徴とする。

請求項２の発明に係るルツボは、請求項１記載のルツボにおいて、前記ルツボの材料として熱分解性窒化硼素を用い、且つ前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとを、０．５mm≦接触部分の厚み≦１．０mm、４．０mm≦非接触部分の厚みの関係にしたことを特徴とする。

請求項３の発明に係る化合物半導体単結晶の製造装置は、請求項１又は２記載のルツボ、前記ルツボを加熱するためのヒータ、前記ルツボ内の原料融液に種結晶を接触させて化合物半導体単結晶を引き上げるための引上軸、前記ルツボを回転させるためのルツボ軸、そして、前記ルツボ、ヒータ、引上軸、およびルツボ軸を収納するための耐圧容器からなることを特徴とする。

請求項４の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、液体封止チョクラルスキー法による化合物半導体単結晶の製造方法において、ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとが、接触部分の厚み＜非接触部分の厚みの関係にある環境下で、化合物半導体単結晶を成長することを特徴とする。

請求項５の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、請求項４記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、前記ルツボの材料として熱分解性窒化硼素を用い、且つ前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとが、０．５mm≦接触部分の厚み≦１．０mm、４．０mm≦非接触部分の厚みの関係にある環境下で、化合物半導体単結晶を成長することを特徴とする。

請求項６の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、請求項４又は５記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記原料融液としてＧａＡｓ融液を用い、ＧａＡｓ単結晶を成長することを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明では上記課題を解決するために、原料容器であるルツボの形状において、原料となるＧａＡｓ融液と接触する接触部分と接触しない非接触部分でのルツボの厚みが、接触部分の厚み＜非接触部分の厚み、となる構造をとった。

又、原料容器であるルツボの材料としてＰＢＮを用いた場合、上記ルツボの厚みが、０．５mm≦接触部分の厚み≦１．０mmで、４．０mm≦非接触部分の厚みとなるようにした。

上記の手段を取った理由は下記の通りである。

従来の問題点として記載したように、図２の製造装置の場合、結晶成長時において、抵抗加熱ヒータの発熱の影響によりＧａＡｓ融液上部、つまり成長した結晶が位置する部分の温度上昇を引き起こし、結晶成長方向の温度勾配が不十分である為に結晶の冷却不足により固液界面から結晶上部への熱の流れが取れず、結晶側面から放熱が進むという現象が発生し、固液界面が凹面化、強いては転位集合による結晶の多結晶が発生するという現象がある。

これを解決する方法として、ＧａＡｓを融液化させる為の必要な抵抗加熱ヒータの出力低減化による、ＧａＡｓ融液上部の温度低下促進といった手段が考えられる。ヒータからの熱の伝達はルツボを介して行われる。よって、抵抗加熱ヒータの低減化を図る為には、抵抗加熱ヒータからの熱量を効率良くルツボ内のＧａＡｓに伝達できれば良い。その手段として、ルツボの厚みを極力薄くすることが有効な手段の一つとして考えられる。

一方、ＧａＡｓ融液上部の温度低減化の方法として、抵抗加熱ヒータからの熱遮蔽促進化が重要である。その手段として、ルツボの厚みを極力厚くすることで熱遮蔽効果を向上させることが手段の一つとして考えられる。

そこでこれら両者を達成するために、当特許ではルツボの厚みをＧａＡｓ融液が接触する接触部分の厚みを薄く、接触しない非接触部分の厚みを厚くする、つまりはルツボの厚みの関係が
ＧａＡｓ融液接触部分の厚み＜ＧａＡｓ融液非接触部分の厚み
となるようにした。これにより、ＧａＡｓ融液接触部分では抵抗加熱ヒータの熱量を効率良くＧａＡｓ融液に伝え、逆にＧａＡｓ融液非接触部分では抵抗加熱ヒータの熱遮蔽効果を向上させることが可能となり、結果的にＧａＡｓ融液上の結晶配置部の温度低減化が図れ、結晶の冷却促進化が図れる。

又、ルツボの材料としてＰＢＮを用いた場合、ＧａＡｓ融液と接触する接触部分と接触しない非接触部分とでの厚みが、
０．５mm≦ＧａＡｓ融液との接触部分の厚み≦１．０mm
４．０mm≦ＧａＡｓ融液との非接触部分の厚み
とした理由は下記の通りである。

先ず、「０．５mm≦ＧａＡｓ融液との接触部分の厚み≦１．０mm」としたのは、当部位は厚みが少ないほど本発明で記載している効果を発揮するが、厚みが０．５mm以下となるとルツボの強度が極端に低下し、一連のＬＥＣ法ＧａＡｓ単結晶製造作業においてルツボ破損の危険性が高まり量産に適さないという問題がある。よって、上記範囲での厚みを規定した。

続いて、「４．０mm≦ＧａＡｓ融液との非接触部分厚み」としたのは、当部位は厚みが厚いほど熱遮蔽効果が発揮されるが、ＰＢＮ（熱分解性窒化硼素）製造において、厚みムラ等の発生を起こさず均一に再現性良く製造可能な厚みの限界は４〜６mm程度である。よって、ＰＢＮ製品の製造上の理由を加味して最も効果を得られる厚みとして上記範囲での厚みを規定した。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

ルツボのＧａＡｓ融液が接触する接触部分の厚みを極力薄くしたので、抵抗加熱ヒータからの熱量が効率良くルツボ内のＧａＡｓに伝達され、ＧａＡｓ融液上部の温度低下の促進が図れる。

一方、ルツボのＧａＡｓ融液が接触しない非接触部分の厚みを極力厚くしたので、熱遮蔽効果を向上させることができ、ＧａＡｓ融液上部の温度の低減化を図ることができる。

本発明によれば、結果として、固液界面形状を効果的に凸化することができ、結晶に発生する転位の集合が低減され、単結晶の収率向上がはかれるようになった。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に本発明で用いるルツボを示す。このルツボ１１は、上方が解放され下方が閉じられた有底円筒型のＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ:熱分解窒化硼素）製の容器から成る。従来と異なり、このルツボ１１は原料融液９（この境界を符号Ｌで示す）に接触する部分１３と、原料融液９に接触しない非接触部分１２に分け、両部分でのルツボの厚みｔ１、ｔ２が、（接触部分の厚みｔ１）＜（非接触部分の厚みｔ２）の関係にあるように設定されている。

具体的には、直径（内径）Ｄ＝２８ｃｍ、高さＨ＝２８ｃｍのＰＢＮルツボにおいて、底部から高さｈ１＝９ｃｍまでがルツボの原料融液９に対する接触部分１３であり、その厚みｔ１は０．５mm以上、１．０mm以下である。また、それより上方の部分（高さ方向長さｈ２）がルツボの原料融液９に対する非接触部分１２であり、その非接触部分１２の厚みｔ２は４．０mm以下となっている。

もちろん、本発明は上記のような寸法のルツボに限定されるものではない。

＜実施例＞
本発明の効果を確認するため、以下のように実施例及び比較例について試作を行った。ここでは、試作例として、φ６サイズ（直径６インチ）のＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により成長した。前提となる製造装置には、上記した図２の装置において、ルツボを図１の構成のものに変更して使用した。試作の方法を図２を用いて説明する。

図２のＬＥＣ法ＧａＡｓ単結晶製造装置１を用いて、本発明で規定した図１のＰＢＮルツボ１１に、Ｇａを１２０００ｇ、Ａｓを１３０００ｇ、及びＡｓの揮発を防止する液体封止剤となる三酸化硼素６を２０００ｇ入れ、これをチャンバー２内にセットした。又、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取り付けた。なお、この種結晶７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面とした。

チャンバー２に原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、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に通電してチャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９とした。

続いて、引上軸３を１０ｒｐｍ、ルツボ軸４を回転方向を逆として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９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の速度で上昇させることで、ＧａＡｓ単結晶１０の成長試作を行なった。

又、この試作成長の際に、上記ＰＢＮルツボ１１について、ＧａＡｓ融液と接触する接触部分１３のルツボの厚みｔ１及びＧａＡｓ融液と接触しない非接触部分１２のルツボの厚みｔ２を、下記表１の様に種々変更し、その時の結晶の単結晶化率を調査した。ここで、結晶の「単結晶化率」とは、結晶のウェハ取得可能な理想有効長に対して、結晶外観で多結晶でない単結晶部分の有効長の割合を示す指標である。なお、当実験では設定毎に１０ロットの成長を試みた。以下、結果についても記載する。

上記表１から明らかな様に、ルツボの厚みｔ１、ｔ２がＧａＡｓ融液と接触、非接触の如何にかかわらず０．５mm以上ある場合においては、「接触部分の厚みｔ１＜非接触部分の厚みｔ２」の関係にあるときに、全ての場合において結晶の単結晶化率が８０％以上という値を得た。一方、「接触部分の厚みｔ１≧非接触部分の厚みｔ２」の関係にあるときには、単結晶化率は最大でも７９％であり、このことからも本発明の効果が確認できた結果となった。

又、ルツボの厚みの関係が、
０．５mm≦ＧａＡｓ融液との接触部分の厚みｔ１≦１．０mm
４．０mm≦ＧａＡｓ融液との非接触部分厚みｔ２
の時、結晶の単結晶化率が９０％以上の値を得た。一方、ＧａＡｓ融液との接触部分の厚みｔ１が０．５mmに満たない場合（この試作例では厚み０．３mmで試作を実施）、ルツボの強度低下により破損が頻繁に発生し、単結晶化率を大幅に低下する結果となった。

以上のことは、既に上記発明の要点において説明したところの条件の範囲と一致する結果となった。

上記実施例では、ＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により製造する方法を例にして説明したが、ＧａＡｓ以外の他の化合物半導体単結晶をＬＥＣ法により製造する方法についても適用することが可能である。

本発明で用いたルツボの構造を示すルツボ縦断面の略図である。 本発明の化合物半導体単結晶の製造方法を実施する装置の基本構成を示す概略図である。

符号の説明

１ ＧａＡｓ単結晶製造装置
２ 耐圧容器（チャンバー）
３ 引上軸
４ ルツボ軸
５ ルツボ（ＰＢＮルツボ）
６ 液体封止剤（三酸化硼素）
７ 種結晶
８ ヒータ（抵抗加熱ヒータ）
９ 原料融液（ＧａＡｓ融液）
１０ 化合物半導体単結晶（ＧａＡｓ単結晶）
１１ ルツボ（ＰＢＮルツボ）
１２ 非接触部分
１３ 接触部分
ｔ１ 非接触部分のルツボの厚み
ｔ２ 接触部分のルツボの厚み

Claims (6)

1. 液体封止チョクラルスキー法において用いられるルツボにおいて、
   前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとを、
   接触部分の厚み＜非接触部分の厚み
   の関係にしたことを特徴とするルツボ。
2. 請求項１記載のルツボにおいて、
   前記ルツボの材料として熱分解性窒化硼素を用い、
   且つ、前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとを、
   ０．５mm≦接触部分の厚み≦１．０mm
   ４．０mm≦非接触部分の厚み
   の関係にしたことを特徴とするルツボ。
3. 請求項１又は２記載のルツボ、前記ルツボを加熱するためのヒータ、前記ルツボ内の原料融液に種結晶を接触させて化合物半導体単結晶を引き上げるための引上軸、前記ルツボを回転させるためのルツボ軸、そして、前記ルツボ、ヒータ、引上軸、およびルツボ軸を収納するための耐圧容器からなることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
4. 液体封止チョクラルスキー法による化合物半導体単結晶の製造方法において、
   ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとが、
   接触部分の厚み＜非接触部分の厚み
   の関係にある環境下で、化合物半導体単結晶を成長することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
5. 請求項４記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
   前記ルツボの材料として熱分解性窒化硼素を用い、
   且つ、前記ルツボの原料融液に接触する接触部分の厚みと、前記ルツボの原料融液に接触しない非接触部分の厚みとが、
   ０．５mm≦接触部分の厚み≦１．０mm
   ４．０mm≦非接触部分の厚み
   の関係にある環境下で、化合物半導体単結晶を成長することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
6. 請求項４又は５記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
   上記原料融液としてＧａＡｓ融液を用い、ＧａＡｓ単結晶を成長することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。

Images