JP2010095412A - ＧａＡｓ単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶の引き上げ速度と原料容器であるルツボの回転数の関係を最適化し、ウェハ取得枚数歩留を向上できるＧａＡｓ単結晶製造方法を提供する。
【解決手段】ルツボ内のＧａＡｓ融液に種結晶を接触させつつルツボを回転させながら種結晶を上方に引き上げてウェハサイズ１５０ｍｍ径のＧａＡｓ単結晶を成長させるＧａＡｓ単結晶製造方法において、ＧａＡｓ単結晶の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｈ）とルツボ回転数ｎ（ｒｐｍ）の関係が、３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14V（ただし、ｅは自然対数の底）を満たすように結晶成長させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法によるＧａＡｓ単結晶製造方法に係り、特に、単結晶の引き上げ速度とルツボ回転数の関係を最適化するＧａＡｓ単結晶製造方法に関するものである。

ＬＥＣ法による従来のＧａＡｓ単結晶製造方法を図３により説明する。

図３は、ＧａＡｓ単結晶の製造に用いるＧａＡｓ単結晶製造装置の断面模式図である。

図３に示すように、ＧａＡｓ単結晶製造装置３０は、ＧａＡｓ融液３１および液体封止剤３２を収容し、ＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなるルツボ３３と、ルツボ３３を回転可能に保持するルツボ軸３４と、ルツボ３３を側面および下面から加熱する複数のカーボンヒータ３５と、先端に種結晶３６が取り付けられ、その種結晶３６をルツボ３３内のＧａＡｓ融液３１界面に接触させると共に、結晶成長されたＧａＡｓ単結晶３７を引き上げるための昇降可能かつ回転可能な引き上げ軸３８と、これらを収容、密閉するチャンバー３９とを備える。

このＧａＡｓ単結晶製造装置３０を用いたＧａＡｓ単結晶製造方法は、まず、ルツボ３３にＧａ、ＡｓおよびＡｓの揮発を防止する液体封止剤３２、具体的には三酸化硼素を入れ、これをチャンバー３９内にセットする。

また、種結晶３６を引き上げ軸３８の先端に取り付ける。この種結晶３６はＧａＡｓ融液３１と接する面を（１００）面とするのが一般的である。

その後、チャンバー３９内を真空にして不活性ガスを充填し、チャンバー３９内に設置してあるカーボンヒータ３５に通電してチャンバー３９内の温度を昇温し、ＧａとＡｓを合成してＧａＡｓを作製し、さらに昇温してＧａＡｓを融液化させてＧａＡｓ融液３１を作製する。

続いて、引き上げ軸３８とルツボ軸３４を回転方向が逆になるように回転させる。この状態で、種結晶３６がＧａＡｓ融液３１に接触するまで引き上げ軸３８を降下させる。そして、カーボンヒータ３５の設定温度を徐々に下げつつ引き上げ軸３８を一定の引き上げ速度で上昇させることで種結晶３６から徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部４１を作製する。この結晶肩部４１の形成後、目標とする結晶外径となったら外径を一定に保つため、外径を制御しつつＧａＡｓ単結晶３７の製造を行う。

ＧａＡｓ単結晶３７の製造にあたって重要な点の一つに、結晶成長時の固液界面４０の形状が挙げられる。ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶は、その結晶成長過程で転位が発生する。転位は、固液界面４０に垂直に伝播する性質があり、固液界面４０の形状がＧａＡｓ融液３１側に凹面形状をしていると、転位が集中してしまい多結晶化してしまう。

よって、ＧａＡｓ単結晶３７の製造にあたっては、固液界面４０をＧａＡｓ融液３１側に凸面形状となるようにルツボ３３内のＧａＡｓ融液３１の温度分布を制御する必要がある。

また、この固液界面４０の凸度（凸部の高さ）と転位の集合には、これまでの調査により凸度が大きいほど転位集合が発生しにくいという相関関係があることが分かっている。固液界面４０の形状は、熱流に対して垂直に形成される。よって、固液界面４０の形状を凸面形状とするためには、固液界面４０で発生した凝固熱を放熱できるようにチャンバー３９内の温度条件を調節する必要がある。

ここで図４を用いて固液界面４０での熱収支モデルについて説明する。

図４に示すように、固液界面４０への流入熱としてＧａＡｓ融液３１からくる熱量Ｑ１がある。この熱量の大きさは、ＧａＡｓ融液３１の温度勾配によって決まると考えられる。また、固液界面４０で発生する凝固熱による熱量Ｑ２がある。

さらに、固液界面４０から既に固化したＧａＡｓ単結晶３７へ放出する熱量Ｑ３がある。この熱量Ｑ３の大きさは、固化したＧａＡｓ単結晶３７内の温度勾配によって決まると考えられる。これら３つの熱量には、
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３
の関係式が成り立つ。この関係式から、固液界面４０の凸度を増すために、より凝固熱、つまり熱量Ｑ２を放熱できるようにするためには、一つには熱量Ｑ３を増加させる、つまりは固化したＧａＡｓ単結晶３７内の温度勾配を大きくする手法がある。また、別手法として熱量Ｑ１を低減、つまりはＧａＡｓ融液３１中の温度勾配を小さくする手法が考えられる。

従来技術において、固液界面４０の凸度向上を図るべく、熱量Ｑ３の増加を目的にＧａＡｓ単結晶３７の温度勾配を大きくするために、ＧａＡｓ単結晶３７の冷却化を促進したチャンバー構造を用いる手法が採られ、改善の効果が得られている。

特開平６−５６５８２号公報 特開２００４−１０４６７号公報 特開２００４−１０４６９号公報 特開平９−７７５９０号公報 特開２００２−２０１９３号公報 特開平９−１４２９９７号公報

しかし、弊害として、極端にＧａＡｓ単結晶３７の冷却を促進すると、ＧａＡｓ単結晶３７にスリップ転位が発生するという問題が生じ、無制限にＧａＡｓ単結晶３７の冷却を促進するという手法は採れない。

熱量Ｑ１の低減、つまりはＧａＡｓ融液３１中の温度勾配を小さくする手法についてだが、これを達成するためには、固液界面４０近傍の温度を極力低くなるようにＧａＡｓ融液３１の温度分布を制御する必要がある。

この制御手段の一つとして、ＧａＡｓ単結晶３７およびルツボ３３の回転数の最適化が挙げられる。これまでの研究により、ルツボ３３の回転によってもたらされるＧａＡｓ融液３１の強制対流が、ＧａＡｓ融液３１の温度分布構成に影響していることが分かりつつある。

一般的には、ルツボ３３の回転数を増やすに従い、自然対流の影響が減り、ルツボ３３中央部から外周部にかけての温度勾配が急峻になる。つまりは、ルツボ３３の中央部付近の温度が低くなる。

しかしながら、この最適条件については、ＧａＡｓ融液３１の温度測定が困難であることから、未だこれといった最適条件の結論が出ていない状況にある。

また、ＧａＡｓ単結晶３７の引き上げ速度を変化させると単位時間あたりの固化量が変化する。つまりは、凝固熱の熱量Ｑ２に変化が起こることとなる。よって、引き上げ速度も固液界面４０の形状を決定するパラメータの一つである。

一般的に、引き上げ速度が遅いほど凝固熱の放熱に有利に働くため固液界面４０の形状が凸面形状になりやすい。

しかし、引き上げ速度が遅いとスループットの面では不利となる。引き上げ速度についてもルツボ３３の回転数と同様に未だこれといった最適条件の結論が出ていない状況にある。

以上のように、ルツボ３３の回転数およびＧａＡｓ単結晶３７の引き上げ速度の設定はＧａＡｓ単結晶３７を製造するためには重要なパラメータとなるが、ＧａＡｓ融液３１中の温度測定が困難である理由から、これら２つの設定についての最適な組み合わせが十分に把握されているとは言い難い状況である。

そこで、本発明の目的は、単結晶の引き上げ速度と原料容器であるルツボの回転数の関係を最適化し、ウェハ取得枚数歩留を向上できるＧａＡｓ単結晶製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ルツボ内のＧａＡｓ融液に種結晶を接触させつつ前記ルツボを回転させながら前記種結晶を上方に引き上げてウェハサイズ１５０ｍｍ径の単結晶を成長させるＧａＡｓ単結晶製造方法において、単結晶の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｈ）とルツボ回転数ｎ（ｒｐｍ）の関係が、
３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14V
（ただし、ｅは自然対数の底）
を満たすように結晶成長させるＧａＡｓ単結晶製造方法である。

請求項２の発明は、前記引き上げ速度Ｖと前記ルツボ回転数ｎの関係は、引き上げ速度Ｖを１〜１２ｍｍ／ｈの範囲で段階的に速度を設定し、その各引き上げ速度Ｖでルツボ回転数を変化させたときに、７０％のウェハ取得枚数歩留を得ることのできるルツボ回転数ｎを各引き上げ速度Ｖ毎に求め、これを引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係で表すと共に、その関係から近似させて求める請求項１に記載のＧａＡｓ単結晶製造方法である。

請求項３の発明は、前記種結晶を、前記ルツボの回転方向とは逆に回転速度５ｒｐｍで回転させる請求項１または２に記載のＧａＡｓ単結晶製造方法である。

本発明によれば、ＧａＡｓ単結晶製造方法において、単結晶の引き上げ速度と原料容器であるルツボの回転数の関係を最適化し、ウェハ取得枚数歩留を向上できる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明者は、ＧａＡｓ単結晶を製造する際の単結晶の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｈ）と原料容器であるルツボの回転数ｎ（ｒｐｍ）の関係を最適化するため、ＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法によるＧａＡｓ単結晶製造方法における、引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係について鋭意検討を行った。

具体的には、図３に示した従来と同様のＧａＡｓ単結晶製造装置３０にて、引き上げ速度Ｖを１〜１２ｍｍ／ｈの範囲で段階的（１、２、４、６、８、１０、１２ｍｍ／ｈの７通り）に速度を設定し、その各引き上げ速度Ｖでルツボ回転数ｎを０〜３５ｒｐｍまで１ｒｐｍずつ変化させて、各引き上げ速度Ｖの７通り×回転数ｎの３６通り＝総数２５２通りのＧａＡｓ単結晶を試作し、ウェハ取得枚数歩留がどのように推移するのか検討した。その結果を図１に示す。

図１は、各引き上げ速度Ｖをパラメータとしてルツボ回転数ｎを変化させたときのウェハ取得枚数歩留を示したものである。

図１に示すように、いずれの引き上げ速度Ｖにおいてもルツボ回転数ｎが低いときにはウェハ取得枚数歩留が低いが、ルツボ回転数ｎを上昇するにつれてウェハ取得枚数歩留が上昇する傾向にある。

ここで、引き上げ速度Ｖを１ｍｍ／ｈとしたときには、ルツボ回転数ｎが７ｒｐｍのときウェハ取得枚数歩留が７０％に達し、その後もルツボ回転数ｎを増加させるとウェハ取得枚数歩留が９０％程度まで増加する。

さらに、ルツボ回転数ｎを増加させたところ、徐々にウェハ取得枚数歩留が減少していき、ルツボ回転数ｎが３０ｒｐｍを超えたときウェハ取得枚数歩留が７０％を下回った。

また、引き上げ速度Ｖを２ｍｍ／ｈとしたときには、ルツボ回転数ｎが８ｒｐｍのときにウェハ取得枚数歩留７０％に達し、１ｍｍ／ｈのときと同様にルツボ回転数ｎが３０ｒｐｍを超えたときウェハ取得枚数歩留が７０％を下回った。

その他の回転数でも同様に、引き上げ速度Ｖが４ｍｍ／ｈのときにはルツボ回転数ｎが１０〜３０ｒｐｍ程度の範囲で、６ｍｍ／ｈのときには１３〜３０ｒｐｍ程度の範囲で、８ｍｍ／ｈのときには１８〜３０ｒｐｍ程度の範囲で、１０ｍｍ／ｈのときには２４〜３０ｒｐｍ程度の範囲で、１２ｍｍ／ｈのときには３０ｒｐｍ程度でウェハ取得枚数歩留が７０％を超えた。

そこで、図１のウェハ取得枚数歩留が７０％となる引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎをパラメータとしてプロットすると、図２に示す関係が得られた。

この図２より、ウェハ取得枚数歩留を７０％以上とするには、引き上げ速度Ｖが、例えば１ｍｍ／ｈであればルツボ回転数ｎを７ｒｐｍ以上に、６ｍｍ／ｈであれば１３ｒｐｍ以上に、１０ｍｍ／ｈであれば２４ｒｐｍ以上にすればよいことが分かる。

ただし、いずれの引き上げ速度Ｖにおいてもルツボ回転数ｎが３０ｒｐｍを超えるとウェハ取得枚数歩留が７０％を下回るので、ルツボ回転数ｎの上限値は３０ｒｐｍとする。

ウェハ取得枚数歩留が７０％以上となる引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係の境界の近似曲線を算出したところ、その近似式は、ｎ＝６．０１ｅ^0.14V（ただし、ｅは自然対数の底）となった。

この近似式から、引き上げ速度Ｖを優先して決定したいときには、ルツボ回転数を近似式で求められるルツボ回転数ｎ以上かつ３０ｒｐｍ以下にすればよく、ルツボ回転数ｎを優先して決定したい場合には、引き上げ速度を近似式で求められる引き上げ速度Ｖ以下にすればよいことが分かる。

ルツボ回転数ｎを６．０１ｅ^0.14V以上とすることで、ウェハ取得枚数歩留が７０％を超える理由は、ルツボ回転数ｎが６．０１ｅ^0.14Vｒｐｍより遅くなると、ルツボの回転によってもたらされるルツボ内のＧａＡｓ融液の強制対流の影響が減り、逆にＧａＡｓ融液の自然対流の影響が増加して固液界面の形状をＧａＡｓ融液側に凸面形状とするための好適な温度勾配を得られなくなるためと考えられる。

また、引き上げ速度Ｖに関わらずルツボ回転数ｎが３０ｒｐｍを超えるとウェハ取得枚数歩留が７０％を下回る理由は、ルツボ回転数ｎが３０ｒｐｍを超えると、ルツボの高速回転に伴うルツボ軸３４の偏芯の増加やルツボ軸３４に取り付けられているチャンバー３９内圧力の抑止部の摩耗によるチャンバー３９内ガス漏洩などの装置の機械的不具合が頻繁に発生してしまい、ウェハ取得枚数歩留を大きく低下するためと考えられる。

以上の検討により、本発明者は、単結晶の引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係が、３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14Vを満たすように結晶成長させることでウェハ取得枚数歩留７０％以上のＧａＡｓ単結晶が得られることを突き止めた。

ここで、上述の結晶成長条件を適用した本発明のＧａＡｓ単結晶製造方法を説明する。

まず、本発明のＧａＡｓ単結晶製造方法に用いるＧａＡｓ単結晶製造装置について説明する。

本発明で用いるＧａＡｓ単結晶製造装置は、図３に示す従来のＧａＡｓ単結晶製造装置３０と同様であり、ＧａＡｓ融液３１および液体封止剤３２を収容し、ＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなるルツボ３３と、ルツボ３３を回転可能に保持するルツボ軸３４と、ルツボ３３を側面および下面から加熱する複数のカーボンヒータ３５と、先端に種結晶３６が取り付けられ、その種結晶３６をルツボ３３内のＧａＡｓ融液３１界面に接触させると共に、結晶成長されたＧａＡｓ単結晶３７を引き上げるための昇降可能かつ回転可能な引き上げ軸３８と、これらを収容、密閉するチャンバー３９とを備える。

次に、このＧａＡｓ単結晶製造装置３０を用いた本発明のＧａＡｓ単結晶製造方法について説明する。

本発明のＧａＡｓ単結晶製造方法は、ルツボ３３内のＧａＡｓ融液３１に種結晶３６の（１００）面を接触させつつルツボ３３を回転させながら種結晶３６を上方に引き上げてウェハサイズ１５０ｍｍ径のＧａＡｓ単結晶３７を成長させる際に、単結晶の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｈ）とルツボ回転数ｎ（ｒｐｍ）の関係が、３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14V（ただし、ｅは自然対数の底）を満たすように結晶成長させる方法である。

具体的には、図３のＧａＡｓ単結晶製造装置３０を用いて、まず原料の容器となるルツボ３３にＧａ、Ａｓ、およびＡｓの揮発を防止する液体封止剤３２、具体的には三酸化硼素を入れ、これをチャンバー３９内にセットする。

また、引き上げ軸３８の先端にＧａＡｓ単結晶３７の元となる種結晶３６を取り付ける。この種結晶３６は、ＧａＡｓ融液３１と接する面を（１００）面とする。

そして、チャンバー３９にルツボ３３をセットした後、チャンバー３９内を真空にし、不活性ガスを充填し、その後チャンバー３９内に設置してあるカーボンヒータ３５に通電し、チャンバー３９内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成してＧａＡｓを作製する。

その後、さらに昇温させ、ＧａＡｓを融液化させてＧａＡｓ融液３１とする。続いて、引き上げ軸３８の回転数を５ｒｐｍに設定し、またルツボ軸３４を引き上げ軸３８の回転方向とは逆に所定の回転数ｎで回転させる。

この状態で、引き上げ軸３８の先端に取り付けてある種結晶３６がＧａＡｓ融液３１に接触するまで引き上げ軸３８を下降させ、続いてカーボンヒータ３５の設定温度を徐々に下げつつ引き上げ軸３８を所定の引き上げ速度Ｖで上昇させ、ＧａＡｓ単結晶３７を成長させる。

このとき、単結晶の引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係が、上述の３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14Vを満たすように結晶成長させる。これにより、ウェハ取得枚数歩留を向上させたＧａＡｓ単結晶３７を得られる。

以上要するに、本発明のＧａＡｓ単結晶製造方法によれば、結晶成長時の単結晶の引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係が、３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14Vを満たすように結晶成長させることで、ウェハ取得枚数歩留が７０％以上、すなわち製造したＧａＡｓ単結晶３７のうち電気特性などが均一なウェハを７０％以上の割合で得ることができる。

本実施の形態においては、本発明をＬＥＣ法に適用するものとしたが、本発明は液体封止剤を用いないＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法にも適用できる。

各引き上げ速度Ｖをパラメータとしてルツボ回転数ｎを変化させたときのウェハ取得枚数歩留を示す図である。 図１のウェハ取得枚数歩留が７０％となる引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎをパラメータとしてプロットした図である。 ＧａＡｓ単結晶の製造に用いるＧａＡｓ単結晶製造装置を示す断面模式図である。 単結晶の固液界面付近の熱収支を説明する図である。

符号の説明

３１ ＧａＡｓ融液
３３ ルツボ
３６ 種結晶
３７ ＧａＡｓ単結晶

Claims (3)

1. ルツボ内のＧａＡｓ融液に種結晶を接触させつつ前記ルツボを回転させながら前記種結晶を上方に引き上げてウェハサイズ１５０ｍｍ径の単結晶を成長させるＧａＡｓ単結晶製造方法において、
   単結晶の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｈ）とルツボ回転数ｎ（ｒｐｍ）の関係が、
   ３０≧ｎ≧６．０１ｅ^0.14V
   （ただし、ｅは自然対数の底）
   を満たすように結晶成長させることを特徴とするＧａＡｓ単結晶製造方法。
2. 前記引き上げ速度Ｖと前記ルツボ回転数ｎの関係は、引き上げ速度Ｖを１〜１２ｍｍ／ｈの範囲で段階的に速度を設定し、その各引き上げ速度Ｖでルツボ回転数を変化させたときに、７０％のウェハ取得枚数歩留を得ることのできるルツボ回転数ｎを各引き上げ速度Ｖ毎に求め、これを引き上げ速度Ｖとルツボ回転数ｎの関係で表すと共に、その関係から近似させて求める請求項１に記載のＧａＡｓ単結晶製造方法。
3. 前記種結晶を、前記ルツボの回転方向とは逆に回転速度５ｒｐｍで回転させる請求項１または２に記載のＧａＡｓ単結晶製造方法。

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