JP3695263B2 - 化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置に関し、特に垂直ブリッジマン法によって化合物半導体結晶を製造する化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直径７６．２ｍｍ（約３インチ）を超える大型でしかも低転位密度の化合物半導体単結晶（ＧａＡｓ、ＩｎＰ等）が得られる方法として、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）に代わって、垂直ブリッジマン法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ Ｍｅｔｈｏｄ、以下「ＶＢ法」という。）が注目されている。
【０００３】
図４はＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の従来例を示す概念図である。
【０００４】
この製造装置は、種結晶１及び原料を収納する石英アンプルとしてのＰＢＮルツボ３と、ＰＢＮルツボ３及びＰＢＮルツボ３の開口部を閉じるための石英キャップ４とを収納する石英アンプル成長容器５と、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと鉛直方向に移動させる昇降手段６と、石英アンプル成長容器５の外側に配置されＰＢＮルツボ３内の種結晶１及び原料を加熱する加熱炉７ａ、７ｂとで構成されたものである。
【０００５】
昇降手段６は、中心軸が鉛直で昇降自在な結晶受け軸８と、結晶受け軸８の上端に取付けられ石英アンプル成長容器５が鉛直になるように支持する結晶支持台９とを有する。
【０００６】
次にこのような製造装置を用いた化合物半導体結晶の製造方法（ＶＢ法）について述べる。
【０００７】
ＰＢＮルツボ３を石英アンプル成長容器５内に挿入し、ＰＢＮルツボ３内の下部に種結晶１を設置し、その種結晶１の上に原料（ＧａＡｓ、固体状のため図には示されていない）を置いて充填し、石英キャップ４を石英アンプル成長容器５で閉じて封管した後、石英アンプル成長容器５の下端を結晶支持台９の凹部に挿入して鉛直に支持させる。加熱炉７ａ、７ｂの温度分布を、上側の加熱炉７ａの温度が下側の加熱炉７ｂの温度より高くなるように設定し、種結晶１側の下部から上部に向かって結晶固化させるものである。なお、図中２ａはＧａＡｓ原料が溶けた原料融液２ａであり、２ｂは単結晶である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＶＢ法の特徴である低転位化を実現するためには、
▲１▼結晶固化後に単結晶２ｂに発生する熱的な歪みの抑制と、
▲２▼固液界面（結晶成長時の結晶固化形状を示す）２ｃの原料融液２ａ側への凹面形状による機械的な歪みの抑制と、
が必要となる。
【０００９】
熱的な歪み抑制対策の一つとして、低温度勾配下での結晶成長が挙げられる。これは結晶固化部及び成長部を低温度勾配下で徐々に冷却することで冷却時の熱歪みにより発生する転位を抑制することができるためである。また、ＶＢ法には凹面成長による転位の抑制が不可欠である。
【００１０】
しかしながら、上述したようにＶＢ法での結晶成長時は、低温度勾配下での結晶成長となるため、種結晶１の近傍からの放熱量を多くすることができない。そのため、結晶成長速度を高速化すると種結晶１側からの放熱量が不足し、固液界面２ｃの形状が原料融液２ａ側に凹面となってしまう。従って、ＶＢ法で高速成長を行った場合、単結晶化、低転位化するのは非常に困難となる。
【００１１】
以上のような理由により、ＶＢ法を用いて成長させた化合物半導体結晶は、一般に、引上げ法、横型ボート法よりも成長速度が遅く、長尺化した場合も成長サイクルが長いため非量産的であるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、成長時間の短縮化と、使用部材の再利用と、成長した結晶の破損防止と、結晶の低転位化に有効な化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、垂直ブリッジマン法を用いた化合物半導体結晶の製造方法において、石英アンプルの開口部から種結晶及び原料を充填した後その石英アンプルの開口部を石英キャップで閉じて封管し、変位センサが取付けられたセラミックス棒を石英キャップの上面に接触させながら石英アンプルを加熱し、変位センサでセラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出するものである。
【００１４】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、セラミックス棒の材質としてＳｉＣまたはアルミナを用いるのが好ましい。
【００１５】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、石英アンプルと、セラミックス棒とを同時に鉛直方向に移動させながら石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱するのが好ましい。
【００１６】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、開口部から種結晶及び原料を収納する石英アンプルと、石英アンプルの開口部を閉じて封管するための石英キャップと、石英アンプルを鉛直になるように昇降させる昇降手段と、石英アンプルの外側に配置され石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱する加熱炉とを有する化合物半導体結晶の製造装置において、下端が石英キャップの上面と接触するセラミックス棒と、セラミックス棒に取付けられセラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出する変位センサとを備えたものである。
【００１７】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、セラミックス棒の材質がＳｉＣか、あるいはアルミナであるのが好ましい。
【００１８】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、石英アンプルとセラミックス棒とが支持部材で接続され、同時に昇降できるようになっているのが好ましい。
【００１９】
ＶＢ法には、石英アンプル中で成長させる方式と、不活性ガス中においてＢ2 Ｏ3 で融液表面を覆いＡｓの揮散を防ぎながら成長させる方式とがあるが、本発明は主に石英アンプル内で成長させるものである。
【００２０】
ＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造装置において、熱歪みによる転位の増加を抑制するため、炉内上下方向の温度勾配を熱歪みが発生しない低温度勾配 （１〜１０ｄｅｇ／ｃｍ）に設定する。原料融解後、結晶成長させるため、原料を収納した石英アンプルを温度の低い領域である下部方向へ移動させる。
【００２１】
ＶＢ法結晶成長において、低転位単結晶成長させるには、熱応力により発生する転位を抑制しなければならない。そのため、固液界面を融液側に凸面或いは平面とする必要がある。このような炉内温度環境を実現するには、固液界面形状が融液側へ凸面か、或いは平坦となるのに十分な潜熱を種結晶側から放熱する必要がある。上述したように、ＶＢ法は低温度勾配下での成長であるため、固液界面を融液側へ凸面か、あるいは平面となる程度にまで温度勾配を急峻化し、種結晶側からの放熱量を多くすることは通常困難である。
【００２２】
そのため、ＶＢ法では種結晶側からの放熱量に見合った結晶成長速度で成長させなければならない。この結果、ＶＢ法は他の結晶成長法である引上げ法と比べると成長速度が遅いため、成長サイクルが長く、結晶の長尺化も時間的問題があり、非量産的であるという問題が生じてしまう。
【００２３】
ＶＢ法で成長した結晶は上述したような制限があるため、結晶長が短く、所得枚数が少ない。低価格化、量産化するためには、結晶の長尺化、成長速度の高速化に加え、成長サイクルの短縮、使用部材の再利用等を実施する必要がある。
【００２４】
従来の成長方式（特開平９−２９６０８５号公報参照）では、固液界面の位置を検出する手段として、融液上部に重量検出装置か、あるいは超音波センサを設置した装置が提案されているが、石英封管方式では直接融液中にセンサを取付けるのは困難であり、また、不活性ガス中での結晶製造装置においても構造が複雑となり、さらに高価なものになってしまう。
【００２５】
以上のような理由により、実際に結晶成長しているときの固液界面の位置を検出することは困難である。
【００２６】
本発明において、石英キャップの上面と接触するセラミックス棒の変形量を検出することで、結晶の完全固化状態を確認することが可能となり、
▲１▼成長時間の短縮、▲２▼使用部材の再利用、▲３▼成長した結晶の破損防止、▲４▼結晶の低転位が可能となる製造装置を提供することができる。
【００２７】
原料融液が完全に固化した場合、石英アンプルを閉じる石英キャップの上面と接触するセラミックス棒の累積変形量が減少する（図３参照）。
【００２８】
尚、図３は石英アンプルを収容する石英アンプル成長容器の累積変形量を示す図であり、横軸が時間軸、縦軸が累積変形量軸である。
【００２９】
同図より、原料融液２ａが完全に固化した場合、石英アンプル成長容器５の累積変形量が常に増加していることが分かる。この累積変形量の変化を検出することで原料融液２ａの完全固化を確認することができ、固化直後に徐々に冷却することが可能となる。
【００３０】
この操作により無駄な成長時間を低減できるため、結晶成長サイクル時間を短縮できる。また、石英アンプル成長容器５を用いたＶＢ方式（石英アンプル方式）でＶＢ成長させる際に原料融液２ａが完全固化した場合、石英アンプル成長容器５内の原料中の過剰Ａｓが少なくなるため、石英アンプル成長容器５の内圧が大気圧以下となり、石英アンプル成長容器５が凹む。石英アンプル成長容器５が凹んだ場合、石英アンプル成長容器５内のＰＢＮルツボ３及び単結晶２ｂへ機械的歪みが加わり、ＰＢＮルツボ３及び単結晶２ｂが破損してしまう。このＰＢＮルツボ３の凹みを防止するためには、石英アンプル成長容器５が凹み始める前に加熱炉７ａ、７ｂの内部温度を徐冷点（約１１８０℃：石英が熱変形する温度）よりも下げる必要がある。この対策として、結晶固化直後に徐冷投入することが有効である。
【００３１】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置を用いることにより、結晶固化時の判断がリアルタイムに行えるので、結晶固化直後に徐冷投入することができる。
【００３２】
また、結晶固化信号を得ることができないと、原料融液２ａが完全固化しない状態で徐冷投入されるおそれもある。単結晶２ｂが完全に固化していない状態で徐冷投入した場合、結晶テール部の融液部が急冷され、テール部固化時に発生する潜熱による熱歪みの影響で結晶テール部にスリップ転位が発生するおそれもある。
【００３３】
図４に示した化合物半導体結晶の製造装置では、原料融液２ａが完全固化した時点をリアルタイムに検出できないため、完全固化時を判断することが不可能となる。このため、結晶完全固化前に徐冷投入を行ったり、原料融液２ａが完全固化してから数時間経過後徐冷投入したりする可能性がある。
【００３４】
一方、図２に示すように、結晶完全固化時に、石英キャップ４が破線で示すように変形し、石英アンプル成長容器５の石英キャップ４の上面と接触するように設置されたセラミックス棒１０が矢印方向に変形し、その累積変形量の減少を変位センサ１１で検出することができるので、上述したように結晶固化直後に徐冷投入することが可能となる。従って、完全固化後の無駄な結晶成長時間の短縮及び結晶完全固化前の徐冷投入の防止が可能となり、成長サイクルの短縮、ＰＢＮルツボ３、石英キャップ４及び石英アンプル成長容器５の再利用等が可能となる。尚、図２は図１に示した製造装置の動作説明図である。
【００３５】
以上において、本発明によれば、ＶＢ法により化合物半導体結晶を製造する際にＰＢＮルツボ３を封管するための石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０の累積変形量の変化を変位センサ１１で検出することによって結晶の完全固化状態が確認可能となり、結晶テール部の低転位化、成長サイクルの短縮及び結晶成長用部材の再利用が可能となる化合物半導体結晶の製造装置を提供することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３７】
図１は本発明の化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の一実施の形態を示す概念図である。尚、図４に示した従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００３８】
本化合物半導体結晶の製造装置は、種結晶１及び原料を収納する石英アンプルとしてのＰＢＮルツボ３と、ＰＢＮルツボ３及びＰＢＮルツボ３の開口部を閉じるための石英キャップ４とを収納する石英アンプル成長容器５と、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと鉛直方向に移動させる昇降手段６と、石英アンプル成長容器５の外側に配置されＰＢＮルツボ３内の種結晶１及び原料を加熱する加熱炉７ａ、７ｂと、下端が石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０と、セラミックス棒１０に取付けられセラミックス棒１０の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出する変位センサ１１とで構成されている。
【００３９】
昇降手段６は、中心軸が鉛直で昇降自在な結晶受け軸８と、結晶受け軸８の上端に取付けられ石英アンプル成長容器５が鉛直になるように支持する結晶支持台９とを有する。
【００４０】
結晶支持台９及びセラミックス棒１０の材質は高熱伝導率のセラミックス（ＳｉＣ）であるがアルミナであってもよい。
【００４１】
石英アンプル成長容器５とセラミックス棒１０とは、図示しないコの字形状の支持部材により接続されており、同時に昇降するようになっている。
【００４２】
この製造装置は、結晶成長時に石英アンプル成長容器５が加熱炉７ａ、７ｂ内に配置されると共に、結晶支持台９に支持されるようになっている。加熱炉７ａ、７ｂは、石英アンプル成長容器５の下部が結晶固化温度となり、石英アンプル成長容器５の上部が原料の融液状態を保持できる温度となるように制御される。
【００４３】
ＰＢＮルツボ３は種結晶１を収容する種結晶収容部と、種結晶収容部から上側に向かって径が増加する増径部と、増径部から上側に伸びる円筒部とで構成されている。石英キャップ４はＰＢＮルツボ３の外径と等しい円板と環状の縁を有する。石英アンプル成長容器５は、ＰＢＮルツボ３と石英キャップ４とを収納するように種結晶収容部を収容する円筒部と、この円筒部から上側に向かって径が増加する増径部と、増径部から上側に伸びる円筒部とで構成されている。
【００４４】
石英アンプル成長容器５は、加熱炉７ａ、７ｂ内に対して縦型に配置されるように結晶支持台９に支持される。石英アンプル成長容器５を結晶支持台９に支持させた後、セラミックス棒１０を石英キャップ４の上面と接触するように位置調整する。ＰＢＮルツボ３内の種結晶収容部に収容された種結晶１の上にＧａＡｓ等の原料が充填される。
【００４５】
成長開始時は、石英アンプル成長容器５の上部の温度が高く、下部の温度が低くなるように加熱炉７ａ、７ｂ内の上下方向の温度勾配を熱歪みの入らないように調整する（温度勾配１〜１０ｄｅｇ／ｃｍ）。温度勾配調整終了後、種結晶付けを行う。種付け後、石英アンプル成長容器５を昇降手段６で下降させることによって成長させる。この時、結晶支持台９を下降させるのと同時にセラミックス棒１０及び変位センサ１１も結晶支持台９と同調して下降するように設定してからＶＢ法にて成長を開始する。
【００４６】
この結果、結晶支持台９と変位センサ１１との相対位置関係が常に一定になるように下降するため、ＰＢＮルツボ３（石英キャップ４）の累積変形量を変位センサ１１でリアルタイムに検出することが可能となる。
【００４７】
成長開始と同時にセラミックス棒１０の累積変形量を測定する。図２、３に示すように原料融液２ａが完全固化した状態となったとき、セラミックス棒１０の累積変形量が減少したら直ちに石英アンプル成長容器５、結晶支持台９及び変位センサ１１の下降を停止した後、熱歪みが入らないように−２０〜−１００ｄｅｇ／ｈｒで室温まで降温させる。この操作により、石英アンプル成長容器５は熱変形せず、ＰＢＮルツボ３、石英キャップ４、石英アンプル成長容器５及び単結晶２ｂを破損せずに取り出すことができる。
【００４８】
単結晶２ｂの成長終了後の部材は、石英キャップ４以外の石英アンプル成長容器５、ＰＢＮルツボ３等の結晶成長用部材は共に変形しないため、王水処理、純水洗浄処理及び乾燥処理を順次行うことで再利用可能である。
【００４９】
以上において、石英アンプル成長容器５の石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０の累積変形量の変化を検出することにより、単結晶２ｂの完全固化状態の確認が可能となり、結晶テール部の低転位化、成長サイクルの短縮及び結晶成長用部材の再利用が可能となる化合物半導体結晶の製造装置を提供することができる。
【００５０】
尚、本実施の形態ではＶＢ結晶成長方式（結晶受け軸を下降させることで結晶成長させる方式）についてのみ説明したが、炉内温度を下げることで結晶成長させる方式であるＶＧＦ結晶成長方式においても同様に融液の完全固化状態を検出することができる。
【００５１】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げて説明するが限定されるものではない。
【００５２】
ＧａＡｓ単結晶成長を例にとり、図１を参照して説明する。
【００５３】
石英アンプル成長容器５内のＰＢＮルツボ３の中に種結晶１と６５００ｇのＧａＡｓ及びドーパントであるＳｉを２．０ｇ入れた後、石英キャップ４で蓋をすると共に真空で封じる（封管）。原料が封入された石英アンプル成長容器５をＳｉＣ製の結晶支持台９の上に支持させる。
【００５４】
石英アンプル成長容器５の設置終了後、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと加熱炉７ａ、７ｂで大気中で昇温させる。種結晶収納部の温度を約１２００℃、原料の温度を約１２４５℃となるように調整する。原料を溶かして原料融液２ａとした後、固液界面２ｃの温度勾配を約１０℃／ｃｍに調整しながら種付けを行う。種付け完了後、結晶受け軸８を下降させると同時にセラミックス棒１０及び変位センサ１１を結晶受け軸８と同調して下降するように設定してから３ｍｍ／ｈｒの速度で石英アンプル成長容器５を下降させて結晶固化を行う。ＶＢ成長開始後、結晶受け軸８と変位センサ１１との相対位置関係が常に一定に保持されているため、セラミックス棒１０は成長中の石英キャップ４の膨張した分の変形量を検出することができる。ＶＢ成長開始後、約８０時間経過した時点で変位センサ１１の値が減少し始めたため、結晶支持台９及び変位センサ１１の下降を停止する。ＶＢ成長終了後、加熱炉７ａ、７ｂの温度を約−３０℃／ｈｒで室温まで冷却し、石英アンプル成長容器５を加熱炉７ａ、７ｂから取り出す。この方法により、石英アンプル成長容器５を熱変形させることなく、直径φ約８０ｍｍ、胴部長さ約２００ｍｍの長尺低転位ＧａＡｓ単結晶を得ることができる。
【００５５】
尚、本実施例ではＧａＡｓの単結晶成長について述べたが、ＧａＡｓの他に例えばＩｎＰ、ＧａＰ等の単結晶成長に応用することもできる。
【００５６】
以上において本発明によれば、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長させる装置において、石英アンプル成長容器の石英キャップの上面に接触するように設置されたセラミックス棒の変形量の変化を検出することにより、結晶の完全固化状態を確認することが可能となり、
▲１▼成長時間の短縮、
▲２▼使用部材の再利用、
▲３▼成長した結晶の破損防止、
▲４▼結晶の低転位、
が可能となる化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置を提供することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５８】
成長時間の短縮化と、使用部材の再利用と、成長した結晶の破損防止と、結晶の低転位化に有効な化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１に示した製造装置の動作説明図である。
【図３】石英アンプルを収容する石英アンプル成長容器の累積変形量を示す図である。
【図４】ＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の従来例を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 種結晶
２ａ 原料融液
２ｂ 単結晶
３ ＰＢＮルツボ
４ 石英キャップ
６ 昇降手段
７ａ、７ｂ 加熱炉
１０ セラミックス棒
１１ 変位センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置に関し、特に垂直ブリッジマン法によって化合物半導体結晶を製造する化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直径７６．２ｍｍ（約３インチ）を超える大型でしかも低転位密度の化合物半導体単結晶（ＧａＡｓ、ＩｎＰ等）が得られる方法として、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）に代わって、垂直ブリッジマン法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ Ｍｅｔｈｏｄ、以下「ＶＢ法」という。）が注目されている。
【０００３】
図４はＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の従来例を示す概念図である。
【０００４】
この製造装置は、種結晶１及び原料を収納する石英アンプルとしてのＰＢＮルツボ３と、ＰＢＮルツボ３及びＰＢＮルツボ３の開口部を閉じるための石英キャップ４とを収納する石英アンプル成長容器５と、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと鉛直方向に移動させる昇降手段６と、石英アンプル成長容器５の外側に配置されＰＢＮルツボ３内の種結晶１及び原料を加熱する加熱炉７ａ、７ｂとで構成されたものである。
【０００５】
昇降手段６は、中心軸が鉛直で昇降自在な結晶受け軸８と、結晶受け軸８の上端に取付けられ石英アンプル成長容器５が鉛直になるように支持する結晶支持台９とを有する。
【０００６】
次にこのような製造装置を用いた化合物半導体結晶の製造方法（ＶＢ法）について述べる。
【０００７】
ＰＢＮルツボ３を石英アンプル成長容器５内に挿入し、ＰＢＮルツボ３内の下部に種結晶１を設置し、その種結晶１の上に原料（ＧａＡｓ、固体状のため図には示されていない）を置いて充填し、石英キャップ４を石英アンプル成長容器５で閉じて封管した後、石英アンプル成長容器５の下端を結晶支持台９の凹部に挿入して鉛直に支持させる。加熱炉７ａ、７ｂの温度分布を、上側の加熱炉７ａの温度が下側の加熱炉７ｂの温度より高くなるように設定し、種結晶１側の下部から上部に向かって結晶固化させるものである。なお、図中２ａはＧａＡｓ原料が溶けた原料融液２ａであり、２ｂは単結晶である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＶＢ法の特徴である低転位化を実現するためには、
▲１▼結晶固化後に単結晶２ｂに発生する熱的な歪みの抑制と、
▲２▼固液界面（結晶成長時の結晶固化形状を示す）２ｃの原料融液２ａ側への凹面形状による機械的な歪みの抑制と、
が必要となる。
【０００９】
熱的な歪み抑制対策の一つとして、低温度勾配下での結晶成長が挙げられる。これは結晶固化部及び成長部を低温度勾配下で徐々に冷却することで冷却時の熱歪みにより発生する転位を抑制することができるためである。また、ＶＢ法には凹面成長による転位の抑制が不可欠である。
【００１０】
しかしながら、上述したようにＶＢ法での結晶成長時は、低温度勾配下での結晶成長となるため、種結晶１の近傍からの放熱量を多くすることができない。そのため、結晶成長速度を高速化すると種結晶１側からの放熱量が不足し、固液界面２ｃの形状が原料融液２ａ側に凹面となってしまう。従って、ＶＢ法で高速成長を行った場合、単結晶化、低転位化するのは非常に困難となる。
【００１１】
以上のような理由により、ＶＢ法を用いて成長させた化合物半導体結晶は、一般に、引上げ法、横型ボート法よりも成長速度が遅く、長尺化した場合も成長サイクルが長いため非量産的であるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、成長時間の短縮化と、使用部材の再利用と、成長した結晶の破損防止と、結晶の低転位化に有効な化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、垂直ブリッジマン法を用いた化合物半導体結晶の製造方法において、石英アンプルの開口部から種結晶及び原料を充填した後その石英アンプルの開口部を石英キャップで閉じて封管し、変位センサが取付けられたセラミックス棒を石英キャップの上面に接触させながら石英アンプルを加熱し、変位センサでセラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出するものである。
【００１４】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、セラミックス棒の材質としてＳｉＣまたはアルミナを用いるのが好ましい。
【００１５】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造方法は、石英アンプルと、セラミックス棒とを同時に鉛直方向に移動させながら石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱するのが好ましい。
【００１６】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、開口部から種結晶及び原料を収納する石英アンプルと、石英アンプルの開口部を閉じて封管するための石英キャップと、石英アンプルを鉛直になるように昇降させる昇降手段と、石英アンプルの外側に配置され石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱する加熱炉とを有する化合物半導体結晶の製造装置において、下端が石英キャップの上面と接触するセラミックス棒と、セラミックス棒に取付けられセラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出する変位センサとを備えたものである。
【００１７】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、セラミックス棒の材質がＳｉＣか、あるいはアルミナであるのが好ましい。
【００１８】
上記構成に加え本発明の化合物半導体結晶の製造装置は、石英アンプルとセラミックス棒とが支持部材で接続され、同時に昇降できるようになっているのが好ましい。
【００１９】
ＶＢ法には、石英アンプル中で成長させる方式と、不活性ガス中においてＢ2 Ｏ3 で融液表面を覆いＡｓの揮散を防ぎながら成長させる方式とがあるが、本発明は主に石英アンプル内で成長させるものである。
【００２０】
ＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造装置において、熱歪みによる転位の増加を抑制するため、炉内上下方向の温度勾配を熱歪みが発生しない低温度勾配 （１〜１０ｄｅｇ／ｃｍ）に設定する。原料融解後、結晶成長させるため、原料を収納した石英アンプルを温度の低い領域である下部方向へ移動させる。
【００２１】
ＶＢ法結晶成長において、低転位単結晶成長させるには、熱応力により発生する転位を抑制しなければならない。そのため、固液界面を融液側に凸面或いは平面とする必要がある。このような炉内温度環境を実現するには、固液界面形状が融液側へ凸面か、或いは平坦となるのに十分な潜熱を種結晶側から放熱する必要がある。上述したように、ＶＢ法は低温度勾配下での成長であるため、固液界面を融液側へ凸面か、あるいは平面となる程度にまで温度勾配を急峻化し、種結晶側からの放熱量を多くすることは通常困難である。
【００２２】
そのため、ＶＢ法では種結晶側からの放熱量に見合った結晶成長速度で成長させなければならない。この結果、ＶＢ法は他の結晶成長法である引上げ法と比べると成長速度が遅いため、成長サイクルが長く、結晶の長尺化も時間的問題があり、非量産的であるという問題が生じてしまう。
【００２３】
ＶＢ法で成長した結晶は上述したような制限があるため、結晶長が短く、所得枚数が少ない。低価格化、量産化するためには、結晶の長尺化、成長速度の高速化に加え、成長サイクルの短縮、使用部材の再利用等を実施する必要がある。
【００２４】
従来の成長方式（特開平９−２９６０８５号公報参照）では、固液界面の位置を検出する手段として、融液上部に重量検出装置か、あるいは超音波センサを設置した装置が提案されているが、石英封管方式では直接融液中にセンサを取付けるのは困難であり、また、不活性ガス中での結晶製造装置においても構造が複雑となり、さらに高価なものになってしまう。
【００２５】
以上のような理由により、実際に結晶成長しているときの固液界面の位置を検出することは困難である。
【００２６】
本発明において、石英キャップの上面と接触するセラミックス棒の変形量を検出することで、結晶の完全固化状態を確認することが可能となり、
▲１▼成長時間の短縮、▲２▼使用部材の再利用、▲３▼成長した結晶の破損防止、▲４▼結晶の低転位が可能となる製造装置を提供することができる。
【００２７】
原料融液が完全に固化した場合、石英アンプルを閉じる石英キャップの上面と接触するセラミックス棒の累積変形量が減少する（図３参照）。
【００２８】
尚、図３は石英アンプルを収容する石英アンプル成長容器の累積変形量を示す図であり、横軸が時間軸、縦軸が累積変形量軸である。
【００２９】
同図より、原料融液２ａが完全に固化した場合、石英アンプル成長容器５の累積変形量が常に増加していることが分かる。この累積変形量の変化を検出することで原料融液２ａの完全固化を確認することができ、固化直後に徐々に冷却することが可能となる。
【００３０】
この操作により無駄な成長時間を低減できるため、結晶成長サイクル時間を短縮できる。また、石英アンプル成長容器５を用いたＶＢ方式（石英アンプル方式）でＶＢ成長させる際に原料融液２ａが完全固化した場合、石英アンプル成長容器５内の原料中の過剰Ａｓが少なくなるため、石英アンプル成長容器５の内圧が大気圧以下となり、石英アンプル成長容器５が凹む。石英アンプル成長容器５が凹んだ場合、石英アンプル成長容器５内のＰＢＮルツボ３及び単結晶２ｂへ機械的歪みが加わり、ＰＢＮルツボ３及び単結晶２ｂが破損してしまう。このＰＢＮルツボ３の凹みを防止するためには、石英アンプル成長容器５が凹み始める前に加熱炉７ａ、７ｂの内部温度を徐冷点（約１１８０℃：石英が熱変形する温度）よりも下げる必要がある。この対策として、結晶固化直後に徐冷投入することが有効である。
【００３１】
本発明の化合物半導体結晶の製造装置を用いることにより、結晶固化時の判断がリアルタイムに行えるので、結晶固化直後に徐冷投入することができる。
【００３２】
また、結晶固化信号を得ることができないと、原料融液２ａが完全固化しない状態で徐冷投入されるおそれもある。単結晶２ｂが完全に固化していない状態で徐冷投入した場合、結晶テール部の融液部が急冷され、テール部固化時に発生する潜熱による熱歪みの影響で結晶テール部にスリップ転位が発生するおそれもある。
【００３３】
図４に示した化合物半導体結晶の製造装置では、原料融液２ａが完全固化した時点をリアルタイムに検出できないため、完全固化時を判断することが不可能となる。このため、結晶完全固化前に徐冷投入を行ったり、原料融液２ａが完全固化してから数時間経過後徐冷投入したりする可能性がある。
【００３４】
一方、図２に示すように、結晶完全固化時に、石英キャップ４が破線で示すように変形し、石英アンプル成長容器５の石英キャップ４の上面と接触するように設置されたセラミックス棒１０が矢印方向に変形し、その累積変形量の減少を変位センサ１１で検出することができるので、上述したように結晶固化直後に徐冷投入することが可能となる。従って、完全固化後の無駄な結晶成長時間の短縮及び結晶完全固化前の徐冷投入の防止が可能となり、成長サイクルの短縮、ＰＢＮルツボ３、石英キャップ４及び石英アンプル成長容器５の再利用等が可能となる。尚、図２は図１に示した製造装置の動作説明図である。
【００３５】
以上において、本発明によれば、ＶＢ法により化合物半導体結晶を製造する際にＰＢＮルツボ３を封管するための石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０の累積変形量の変化を変位センサ１１で検出することによって結晶の完全固化状態が確認可能となり、結晶テール部の低転位化、成長サイクルの短縮及び結晶成長用部材の再利用が可能となる化合物半導体結晶の製造装置を提供することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３７】
図１は本発明の化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の一実施の形態を示す概念図である。尚、図４に示した従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００３８】
本化合物半導体結晶の製造装置は、種結晶１及び原料を収納する石英アンプルとしてのＰＢＮルツボ３と、ＰＢＮルツボ３及びＰＢＮルツボ３の開口部を閉じるための石英キャップ４とを収納する石英アンプル成長容器５と、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと鉛直方向に移動させる昇降手段６と、石英アンプル成長容器５の外側に配置されＰＢＮルツボ３内の種結晶１及び原料を加熱する加熱炉７ａ、７ｂと、下端が石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０と、セラミックス棒１０に取付けられセラミックス棒１０の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出する変位センサ１１とで構成されている。
【００３９】
昇降手段６は、中心軸が鉛直で昇降自在な結晶受け軸８と、結晶受け軸８の上端に取付けられ石英アンプル成長容器５が鉛直になるように支持する結晶支持台９とを有する。
【００４０】
結晶支持台９及びセラミックス棒１０の材質は高熱伝導率のセラミックス（ＳｉＣ）であるがアルミナであってもよい。
【００４１】
石英アンプル成長容器５とセラミックス棒１０とは、図示しないコの字形状の支持部材により接続されており、同時に昇降するようになっている。
【００４２】
この製造装置は、結晶成長時に石英アンプル成長容器５が加熱炉７ａ、７ｂ内に配置されると共に、結晶支持台９に支持されるようになっている。加熱炉７ａ、７ｂは、石英アンプル成長容器５の下部が結晶固化温度となり、石英アンプル成長容器５の上部が原料の融液状態を保持できる温度となるように制御される。
【００４３】
ＰＢＮルツボ３は種結晶１を収容する種結晶収容部と、種結晶収容部から上側に向かって径が増加する増径部と、増径部から上側に伸びる円筒部とで構成されている。石英キャップ４はＰＢＮルツボ３の外径と等しい円板と環状の縁を有する。石英アンプル成長容器５は、ＰＢＮルツボ３と石英キャップ４とを収納するように種結晶収容部を収容する円筒部と、この円筒部から上側に向かって径が増加する増径部と、増径部から上側に伸びる円筒部とで構成されている。
【００４４】
石英アンプル成長容器５は、加熱炉７ａ、７ｂ内に対して縦型に配置されるように結晶支持台９に支持される。石英アンプル成長容器５を結晶支持台９に支持させた後、セラミックス棒１０を石英キャップ４の上面と接触するように位置調整する。ＰＢＮルツボ３内の種結晶収容部に収容された種結晶１の上にＧａＡｓ等の原料が充填される。
【００４５】
成長開始時は、石英アンプル成長容器５の上部の温度が高く、下部の温度が低くなるように加熱炉７ａ、７ｂ内の上下方向の温度勾配を熱歪みの入らないように調整する（温度勾配１〜１０ｄｅｇ／ｃｍ）。温度勾配調整終了後、種結晶付けを行う。種付け後、石英アンプル成長容器５を昇降手段６で下降させることによって成長させる。この時、結晶支持台９を下降させるのと同時にセラミックス棒１０及び変位センサ１１も結晶支持台９と同調して下降するように設定してからＶＢ法にて成長を開始する。
【００４６】
この結果、結晶支持台９と変位センサ１１との相対位置関係が常に一定になるように下降するため、ＰＢＮルツボ３（石英キャップ４）の累積変形量を変位センサ１１でリアルタイムに検出することが可能となる。
【００４７】
成長開始と同時にセラミックス棒１０の累積変形量を測定する。図２、３に示すように原料融液２ａが完全固化した状態となったとき、セラミックス棒１０の累積変形量が減少したら直ちに石英アンプル成長容器５、結晶支持台９及び変位センサ１１の下降を停止した後、熱歪みが入らないように−２０〜−１００ｄｅｇ／ｈｒで室温まで降温させる。この操作により、石英アンプル成長容器５は熱変形せず、ＰＢＮルツボ３、石英キャップ４、石英アンプル成長容器５及び単結晶２ｂを破損せずに取り出すことができる。
【００４８】
単結晶２ｂの成長終了後の部材は、石英キャップ４以外の石英アンプル成長容器５、ＰＢＮルツボ３等の結晶成長用部材は共に変形しないため、王水処理、純水洗浄処理及び乾燥処理を順次行うことで再利用可能である。
【００４９】
以上において、石英アンプル成長容器５の石英キャップ４の上面と接触するセラミックス棒１０の累積変形量の変化を検出することにより、単結晶２ｂの完全固化状態の確認が可能となり、結晶テール部の低転位化、成長サイクルの短縮及び結晶成長用部材の再利用が可能となる化合物半導体結晶の製造装置を提供することができる。
【００５０】
尚、本実施の形態ではＶＢ結晶成長方式（結晶受け軸を下降させることで結晶成長させる方式）についてのみ説明したが、炉内温度を下げることで結晶成長させる方式であるＶＧＦ結晶成長方式においても同様に融液の完全固化状態を検出することができる。
【００５１】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げて説明するが限定されるものではない。
【００５２】
ＧａＡｓ単結晶成長を例にとり、図１を参照して説明する。
【００５３】
石英アンプル成長容器５内のＰＢＮルツボ３の中に種結晶１と６５００ｇのＧａＡｓ及びドーパントであるＳｉを２．０ｇ入れた後、石英キャップ４で蓋をすると共に真空で封じる（封管）。原料が封入された石英アンプル成長容器５をＳｉＣ製の結晶支持台９の上に支持させる。
【００５４】
石英アンプル成長容器５の設置終了後、ＰＢＮルツボ３及び石英キャップ４を石英アンプル成長容器５ごと加熱炉７ａ、７ｂで大気中で昇温させる。種結晶収納部の温度を約１２００℃、原料の温度を約１２４５℃となるように調整する。原料を溶かして原料融液２ａとした後、固液界面２ｃの温度勾配を約１０℃／ｃｍに調整しながら種付けを行う。種付け完了後、結晶受け軸８を下降させると同時にセラミックス棒１０及び変位センサ１１を結晶受け軸８と同調して下降するように設定してから３ｍｍ／ｈｒの速度で石英アンプル成長容器５を下降させて結晶固化を行う。ＶＢ成長開始後、結晶受け軸８と変位センサ１１との相対位置関係が常に一定に保持されているため、セラミックス棒１０は成長中の石英キャップ４の膨張した分の変形量を検出することができる。ＶＢ成長開始後、約８０時間経過した時点で変位センサ１１の値が減少し始めたため、結晶支持台９及び変位センサ１１の下降を停止する。ＶＢ成長終了後、加熱炉７ａ、７ｂの温度を約−３０℃／ｈｒで室温まで冷却し、石英アンプル成長容器５を加熱炉７ａ、７ｂから取り出す。この方法により、石英アンプル成長容器５を熱変形させることなく、直径φ約８０ｍｍ、胴部長さ約２００ｍｍの長尺低転位ＧａＡｓ単結晶を得ることができる。
【００５５】
尚、本実施例ではＧａＡｓの単結晶成長について述べたが、ＧａＡｓの他に例えばＩｎＰ、ＧａＰ等の単結晶成長に応用することもできる。
【００５６】
以上において本発明によれば、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長させる装置において、石英アンプル成長容器の石英キャップの上面に接触するように設置されたセラミックス棒の変形量の変化を検出することにより、結晶の完全固化状態を確認することが可能となり、
▲１▼成長時間の短縮、
▲２▼使用部材の再利用、
▲３▼成長した結晶の破損防止、
▲４▼結晶の低転位、
が可能となる化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置を提供することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５８】
成長時間の短縮化と、使用部材の再利用と、成長した結晶の破損防止と、結晶の低転位化に有効な化合物半導体結晶の製造方法及び製造装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１に示した製造装置の動作説明図である。
【図３】石英アンプルを収容する石英アンプル成長容器の累積変形量を示す図である。
【図４】ＶＢ法を用いた化合物半導体結晶の製造方法を適用した製造装置の従来例を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 種結晶
２ａ 原料融液
２ｂ 単結晶
３ ＰＢＮルツボ
４ 石英キャップ
６ 昇降手段
７ａ、７ｂ 加熱炉
１０ セラミックス棒
１１ 変位センサ
Claims (6)
- 垂直ブリッジマン法を用いた化合物半導体結晶の製造方法において、石英アンプルの開口部から種結晶及び原料を充填した後その石英アンプルの開口部を石英キャップで閉じて封管し、変位センサが取付けられたセラミックス棒を上記石英キャップの上面に接触させながら上記石英アンプルを加熱し、上記変位センサで上記セラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出することを特徴とする化合物半導体結晶の製造方法。
- 上記セラミックス棒の材質としてＳｉＣまたはアルミナを用いる請求項１に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
- 上記石英アンプルと、上記セラミックス棒とを同時に鉛直方向に移動させながら上記石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱する請求項２に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
- 開口部から種結晶及び原料を収納する石英アンプルと、該石英アンプルの開口部を閉じて封管するための石英キャップと、上記石英アンプルを鉛直になるように昇降させる昇降手段と、上記石英アンプルの外側に配置され上記石英アンプル内の種結晶及び原料を加熱する加熱炉とを有する化合物半導体結晶の製造装置において、下端が上記石英キャップの上面と接触するセラミックス棒と、該セラミックス棒に取付けられ上記セラミックス棒の変形量を検出することにより、結晶完全固化を検出する変位センサとを備えたことを特徴とする化合物半導体結晶の製造装置。
- 上記セラミックス棒の材質がＳｉＣか、あるいはアルミナである請求項４に記載の化合物半導体結晶の製造装置。
- 上記石英アンプルと上記セラミックス棒とが支持部材で接続され、同時に昇降できるようになっている請求項５に記載の化合物半導体結晶の製造装置。
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