JP5750889B2 - 単結晶製造装置、単結晶の製造方法および単結晶 - Google Patents

Description

この発明は、単結晶製造装置および単結晶の製造方法に関し、より特定的には、原料容器を保持する石英アンプルを備える単結晶製造装置および単結晶の製造方法に関する。

従来、縦型ブリッジマン法（ＶＢ法）や縦型温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）などの縦型ボート法を用いた単結晶製造装置および単結晶の製造方法が知られている。このような単結晶製造装置では、単結晶を製造するためルツボの底部に種結晶を配置し、さらに原料となる多結晶を当該ルツボの内部に投入した状態で、これらの原料（種結晶より上に位置する原料）が融点以上になるように垂直方向における温度勾配を形成する。そして、ルツボを下方向（温度の相対的に低い側）へ引き抜く、あるいは温度勾配を保ったまま徐冷することにより、溶融した原料から種結晶を起点として単結晶を製造する（たとえば、特開平０４−１８７５８５号公報（特許文献１）および特開２００５−２９８３０１号公報（特許文献２）参照参照）。

そして、上記特許文献１では、得られる単結晶の品質を改善するため、溶融した原料（液相）から単結晶（固相）を形成するときに固液界面が液相側に凸となるように、ルツボを支持する台座（支持体）の構成を積層構造とすることを提案している。具体的には、熱伝導率の高い材料からなる薄板状部材と、熱伝導率の低い材料からなる薄板状部材とを交互に積層した構造を提案している。また、熱伝導率の高い材料の例として高純度カーボンが、また、熱伝導率の低い材料の例として石英が挙げられている。

また、特許文献２では、上記単結晶製造装置におけるルツボの搬送時の破損を防止するとともに、単結晶製造時における不良の発生防止を目的として、以下のような構成が開示されている。すなわち、ルツボが保持具によって保持され、当該保持具には手または治具で保持することができる把持部が形成されている。また、単結晶製造装置において、当該保持具は昇降動作可能な台座（ステージ）上に搭載される。保持具はルツボの外周に密着して当該ルツボを保持する。ルツボの材料として窒化ホウ素（ＢＮ）が、また保持具の材料として石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、カーボン、モリブデンなどが挙げられている。なお、特許文献２では台座の材料については特に明示していない。

特開平０４−１８７５８５号公報 特開２００５−２９８３０１号公報

上述した従来の単結晶製造装置では、以下のような問題がある。すなわち、台座を上述のような積層構造とするため構造が複雑であり、装置の製造コストが高くなる。また、熱伝導率と熱膨張係数の異なる材料を組み合わせるため、台座が変形や破損を起こしたり、台座に接触する部分で不連続な温度分布が生じて、結晶の品質が低下したりするという問題がある。

また、ルツボ（あるいはルツボと保持具（アンプル））からなる原料保持部と、当該原料保持部を支持する台座とについて、上述した従来の単結晶製造装置では、単結晶製造時の熱処理による熱膨張に関して配慮がなされていない。このため、たとえば保持具と台座とで熱膨張係数の大きく異なる材料を用いる場合、単結晶製造時の熱処理における温度変化に起因して、熱膨張による寸法変化の差により台座または保持具が破損する場合がある。また、このような構成機器の破損は、得られる単結晶の品質にも悪影響を与える。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、比較的簡単な構成により優れた品質の単結晶を得ることが可能な単結晶製造装置および単結晶の製造方法を提供することである。

また、この発明の別の目的は、単結晶製造時の熱処理に起因する単結晶製造装置の破損を防ぎ、優れた品質の単結晶を得ることが可能な単結晶製造装置および単結晶の製造方法を提供することである。

この発明に従った単結晶製造装置は、原料保持容器中に保持された原料を加熱溶解した後、たとえば縦型ブリッジマン法（ＶＢ法）や縦型温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）のように一方向から凝固させることにより単結晶を製造する単結晶製造装置であって、原料保持容器と、台座と、ヒータとを備える。台座は原料保持容器を支持する。ヒータは原料保持容器を加熱するためのものである。台座を構成する材料の熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、形成されるべき単結晶の熱伝導率の値以下である。台座を構成する材料は、厚みが４ｍｍの当該材料に対する波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光の透過率が１０％以下となっており、台座において、前記原料保持容器と接触する部分の表面には固着防止層が形成されている。また、台座を構成する材料について、上記透過率を５％以下とすることがより好ましい。

このようにすれば、台座を構成する材料を、波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光に対して不透明な材料とするという比較的簡単な構成を採用することで、原料保持容器内において原料を溶融状態とし、一方向から（具体的には台座側から）凝固させるときに、赤外線などによる原料保持容器から台座を介して外周側へ向かう熱放射を抑制できる。この結果、溶融した原料から台座へ伝わる熱の流れを台座の下面に向かう方向（下方向）へガイドすることができる。この結果、溶融した原料（液相）と、原料が凝固して単結晶となった部分（固相）との境界部（固液界面）を、平坦な形状または液相側へ凸形状とすることが可能になる。たとえば、原料保持容器が、台座側から徐々に幅が広くなる拡径部と、当該拡径部に連なり、幅の変化率が当該拡径部より小さくなっている（たとえば実質的に幅が一定になっている）直胴部とを含み、当該拡径部が台座と接触しているような場合、固液界面が拡径部に位置するときに、上述のように当該固液界面を平坦な形状または液相側へ凸形状とすることができる。この結果、得られる単結晶において結晶欠陥の発生を抑制できる。

なお、台座を構成する材料の熱伝導率の値の下限を０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）としたのは、当該材料の熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を下回ると原料保持容器内での原料の冷却効率が低下するするとともに、固液界面を上述のように平坦な形状または液相側へ凸形状とすることが難しくなるからである。また、当該熱伝導率の値の上限を形成されるべき単結晶の熱伝導率の値としたのは、台座を構成する材料の熱伝導率が当該単結晶の熱伝導率の値を超えると、やはり固液界面を上述のように平坦な形状または液相側へ凸形状とすることが難しくなるためである。また、台座を構成する材料について、透過率を規定する光の波長を１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下としたのは、単結晶成長時に熱源であるヒータより発生する光の波長が上記波長範囲に相当するためである。また、当該透過率を１０％以下としたのは、透過率が１０％以下であれば、上述した波長の光に対して台座の材料を実質的に不透明であるとみなすことができ、本発明の効果を確実に得ることが可能になるからである。また、上記透過率のより好ましい範囲を５％以下としたのは、透過率が５％以下であれば、上述した波長の光に対して題材の材料をより確実に不透明であるとみなすことができ、本発明の効果をより確実に得ることができるためである。

この発明に従った単結晶の製造方法は、上記単結晶製造装置を用いた単結晶の製造方法であって、以下の工程を実施する。すなわち、原料保持容器に種結晶および単結晶の原料物質を挿入する工程を実施する。そして、ヒータにより原料保持容器を加熱することにより原料物質を溶融する工程を実施する。さらに、溶融した原料物質を種結晶側から徐々に凝固させることにより単結晶を製造する工程を実施する。

このようにすれば、多結晶の原料片を一度溶解し（加熱工程（Ｓ３０））、その後凝固させるための処理（結晶成長工程（Ｓ４０））を行なう場合に、溶融した原料から台座へ伝わる熱の流れを台座の下面に向かう方向（下方向）へガイドすることができる。この結果、溶融した原料（液相）と、原料が凝固して単結晶となった部分（固相）との境界部（固液界面）を、平坦または液相側へ凸形状とすることが可能になる。たとえば、原料保持容器が、台座側から徐々に幅が広くなる拡径部と、当該拡径部に連なり、幅の変化率が当該拡径部より小さくなっている（たとえば実質的に幅が一定になっている）直胴部とを含み、当該拡径部が台座と接触しているような場合、固液界面が拡径部に位置するときに、上述のように当該固液界面を平坦な形状または液相側へ凸形状とすることができる。この結果、得られる単結晶において結晶欠陥の発生を抑制できる。

本発明によれば、比較的簡単な構成の単結晶製造装置によって優れた品質の単結晶を得ることができる。

また、本発明によれば、単結晶製造装置における熱処理に起因する破損を防ぎ、優れた品質の単結晶を得ることができる。

本発明による単結晶製造装置の実施の形態１を示す模式図である。 図１に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を示すフローチャートである。 図１に示した単結晶製造装置の使用状態を説明するための模式図である。 図１に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。 図１に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。 図１に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す拡大模式図である。 本発明による単結晶製造装置の実施の形態２を示す模式図である。 図７に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。 図７に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。 図７に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す拡大模式図である。 本発明による単結晶製造装置を用いて製造された単結晶を示す模式図である。 本発明による単結晶製造装置の実施の形態４を示す模式図である。 図１２に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を示すフローチャートである。 図１２に示した単結晶製造装置の使用状態を説明するための模式図である。 図１２に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。 図１２に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。 図１２に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す部分拡大模式図である。 本発明による単結晶製造装置の実施の形態５を示す模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明による単結晶製造装置の実施の形態１を示す模式図である。図１を参照して、本発明による単結晶製造装置を説明する。

図１を参照して、単結晶製造装置１は、台座２と、台座２上に搭載されたアンプル３と、アンプル３の内部に保持されたルツボ４と、ルツボ４の内部に充填される原料を加熱するためのヒータ５とを備える。台座２は、平面形状がたとえば円形状の円柱状体であって、上部表面にはすり鉢状の傾斜部１２と、この傾斜部１２の内周側（上部表面のほぼ中央）に位置する凹部１１とを有する。凹部１１の平面形状はたとえば円形状であって、当該凹部１１の幅は深さ方向においてほぼ一定である。傾斜部１２は、凹部１１の上端部から台座２の外周側に向かうにつれて台座２の底壁からの距離が大きくなるように（台座２の底壁に対して）傾斜した構成となっている。台座２の材料としては、たとえば石英を用いることができる。また、台座２の材料としては、その熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、形成されるべき単結晶の熱伝導率の値以下であることが好ましい。ここで「形成されるべき単結晶とその熱伝導率」の具体例としては、例えば形成されるべき単結晶の材質が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の場はその熱伝導率がおよそ５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、形成されるべき単結晶の材質がリン化インジウム（ＩｎＰ）の場合はその熱伝導率がおよそ７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。なお、これらの熱伝導率の値は室温での値である。また、台座２を構成する材料は、厚みが４ｍｍの当該材料に対する波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光の透過率が１０％以下となっていることが好ましい。また、当該透過率はより好ましくは５％以下である。ここで、透過率は、当該材料に入射した上記光の強度と厚みが４ｍｍの当該材料を透過した光の強度との比（（透過した光の強度）／（入射した光の強度）×１００）を意味する。

また、台座２の材料としては、アンプル３を構成する石英の熱膨張係数の±５０％以内の範囲となる熱膨張係数を有する材料であって、単結晶を形成するための熱処理温度において十分な強度を有する（たとえば融点が当該熱処理温度より高い）材料を用いることが好ましい。たとえば、台座２の材料として、不透明石英を用いることが好ましい。なお、石英アンプルを構成する石英の熱膨張係数は例えば、“信越石英（株）技術ガイド化学物理特性PC-TG-CFC-004、 2005,10,01版”に記載されているように、約５×１０ ^−７ （Ｋ ^−１ ）であり、その±５０％は約２．５×１０ ^−７ （Ｋ ^−１ ）以上約７．５×１０ ^−７ （Ｋ ^−１ ）以下の範囲に相当する。

この台座２上に搭載されるアンプル３は、石英製のアンプル（石英アンプル）であって、その形状は概略円筒形状となっている。アンプル３の底面は、上述した台座２の上部表面上に搭載可能な形状となっている。より具体的には、アンプル３は、台座２の凹部１１の内部に収納され、平面形状がほぼ円形状である小径部２１と、小径部２１の上に連なり、台座２の傾斜部１２に沿って傾斜した側壁を有する拡径部２２と、拡径部２２の上に連なり、平面形状が台座２と同様のたとえば円形状であって、幅がほぼ一定の直胴部２３と、を有する。なお、直胴部２３の幅は拡径部２２から離れるに従って徐々に大きくなっていてもよいし、直胴部２３の途中で幅の変化率が変更されていてもよい。つまり直胴部２３については、上述のように幅がほぼ一定の場合のみならず、ある程度幅が変化している（直胴部２３の側壁が台座２の外周側壁に対して若干傾斜している）場合もある。また、直胴部２３は、当該直胴部２３における幅の変化率が拡径部２２における幅の変化率より小さくなっていればよい。なお、ここで幅とは、アンプル３の延在方向に対して垂直な方向（水平方向）における幅を意味する。小径部２１の幅は、深さ方向の任意の位置においてほぼ一定である。小径部２１は台座２の凹部１１の内壁に沿った形状となっている。アンプル３の拡径部２２における側壁の（直胴部２３の側壁に対する）傾斜角度は、台座２の傾斜部１２の（台座２の外周側壁に対する）傾斜角度とほぼ同様となっている。

このアンプル３の内部に保持されるルツボ４は、基本的にはアンプル３の内周表面に沿った形状を有している。具体的には、ルツボ４の底部の中央には、アンプル３の小径部２１の内部に収納されるルツボ４の小径部３１が形成されている。小径部３１の平面形状はたとえば円形状である。この小径部３１の上端部からアンプル３の拡径部２２に沿って、ルツボ４の拡径部３２が形成されている。そして、この拡径部３２の上端に連なるように、直胴部３３が形成されている。このルツボ４の直胴部３３は、基本的にはアンプル３の直胴部２３の内周面に沿って配置されている。そして、台座２、アンプル３およびルツボ４の外周を囲むようにヒータ５が配置されている。

次に、図１に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を説明する。図２は、図１に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を示すフローチャートである。図２に示すように、本発明による単結晶製造方法では、まず種結晶準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、図１に示したルツボ４の小径部３１の内部に種結晶となる単結晶の小片を挿入する。

次に、図２に示すように、原料準備工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、ルツボ４の内部に単結晶の原料となるべき多結晶の原料片を所定の量だけ投入する。上述した単結晶の小片および多結晶の原料片の組成としては、任意の結晶性の材料を用いることができるが、たとえば珪素を含有する砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を当該組成として用いることができる。

次に、図２に示すように加熱工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、図１に示すヒータ５に通電することにより、ルツボ４の内部の多結晶の原料片を加熱して溶融状態とする。なお、このときルツボ４の小径部３１内部に配置された単結晶の小片は溶融しないように、ヒータ５による加熱条件を調整する。

次に、図２に示すように結晶成長工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、図示しない昇降装置などを用いて、ヒータ５に対して、台座２、アンプル３およびルツボ４を図１の下側（図３の矢印７により示す方向）に移動させることにより、溶融した多結晶原料の温度を、ルツボ４の小径部３１内部に配置された単結晶の小片（種結晶）の近傍から徐々に下げていく。この結果、加熱されて溶融していた原料が、種結晶の近傍から徐々に凝固（結晶化）する。このように凝固した部分は単結晶となっている。そして、徐々に台座２、アンプル３およびルツボ４をヒータ５の内周側から下側へと引き抜いていくことにより、溶融していた原料をルツボ４の下側（すなわち種結晶の近傍）から徐々に結晶化していく。このようにして単結晶を成長させることができる。なお、台座２、アンプル３およびルツボ４を固定し、ヒータ５を上方へと移動させてもよいし、ルツボ４やヒータ５の位置を固定した状態で、所定の温度分布となるようにしながらヒータ５の温度を降下させてもよい。そして、溶融した原料が完全に凝固したら、“冷却工程（Ｓ５０）を実施する。冷却工程（Ｓ５０）においては、ヒータ５の温度を降下させるなどして、ルツボ４内部の単結晶を室温まで冷却する。

このとき、台座２の材料としてたとえば不透明石英を用いることにより、上述した結晶成長工程（Ｓ４０）において、台座２を介してルツボ４およびアンプル３から赤外線などの熱放射により外周側へ熱が伝わることを抑制できる。このため、溶融した原料から台座２へ伝わる熱の流れを台座２の下面に向かう方向（下方向）へ、より好ましくは台座２の凹部１１へ向かう方向へガイドすることができる。この結果、図３に示すように、ルツボ４の拡径部において、溶融材料１６と、原料が凝固して成長した単結晶１５（固相）との境界部である固液界面１７を、平坦または溶融材料１６側へ凸形状とすることが可能になる。この結果、得られる単結晶１５において結晶欠陥の発生を抑制できる。なお、図３は、図１に示した単結晶製造装置の使用状態を説明するための模式図である。

図４は、図１に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。図４を参照して、図１に示した単結晶製造装置１の第１の変形例を説明する。

図４を参照して、本発明による単結晶製造装置の第１の変形例は、基本的には図１に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座２の傾斜部１２の表面に固着防止層としての凹凸形状部１３が形成されている点が図１に示した単結晶製造装置１と異なる。このようにすれば、単結晶を形成するときにアンプル３と台座２とが傾斜部１２において固着するといったトラブルの発生を抑制できる。なお、傾斜部１２の凹凸形状部１３における表面粗さはＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４参照）において、０．５以上、９．５以下とすることができる。また、当該表面粗さは、より好ましくはＲａで１．５以上７．０以下、さらに好ましくはＲａで２．５以上４．５以下とすることができる。傾斜部の凹凸は、Ｒａが小さ過ぎると接触面積が増加してアンプル３と台座２の固着が起こりやすくなる。また、Ｒａが大き過ぎるとアンプル３と接触する凸部の個数が減って個々の凸部への接触圧力が高くなって固着が起こりやすくなる。つまり、当該表面粗さはＲａで好ましくは０．５〜９．５、より好ましくは１．５〜７．０、さらに好ましくは２．５〜４．５である。

図５は、図１に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。図５を参照して、図１に示した単結晶製造装置１の第２の変形例を説明する。

図５を参照して、単結晶製造装置の第２の変形例は、基本的には図１に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座２の傾斜部１２に固着防止処理層１９が形成されている点が図１に示した単結晶製造装置１と異なっている。この固着防止処理層１９は、アンプル３を構成する材料である石英との反応性が（石英同士が接触している場合より）相対的に低い材料からなる層であって、たとえばＳｉＣ皮膜、アルミナ皮膜などを用いることができる。また、当該固着防止処理層１９の膜厚は１０μｍ以上１ｍｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下であることが望ましい。このような構成を採用することによっても、図４に示した単結晶製造装置と同様の効果を得ることができる。

図６は、図１に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す拡大模式図である。図６を参照して、図１に示した単結晶製造装置の第３の変形例を説明する。

図６を参照して、単結晶製造装置は基本的には図１に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座２の傾斜部１２の表面１４とアンプル３との間に離型剤２０が配置されている点が図１に示した単結晶製造装置１と異なっている。このような構成とすることによっても、図４に示した単結晶製造装置と同様に、台座２とアンプル３との間の固着を防止することができる。なお、離型剤２０としては、たとえばＳｉＣ粉末、アルミナ粉末などを用いることができる。また離型剤２０の粒子径は０．１μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１５μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。

（実施の形態２）
図７は、本発明による単結晶製造装置の実施の形態２を示す模式図である。図７を参照して、本発明による単結晶製造装置の実施の形態２を説明する。

図７を参照して、単結晶製造装置１は、基本的には図１に示した単結晶製造装置１と同様の構造を備えるが、台座２の上に直接ルツボ４が搭載されている（つまり、図１に示したアンプル３が無い）点が図１の単結晶製造装置１とは異なっている。具体的には、図７に示した単結晶製造装置１においては、台座２の凹部１１内部にルツボ４の小径部３１が配置されている。また、台座２の傾斜部１２に接触するように、ルツボ４の拡径部３２が配置されている。このような構成とすることによっても、図１に示した単結晶製造装置１と同様の効果を得ることができる。

図８は、図７に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。図８を参照して、図７に示した単結晶製造装置１の第１の変形例を説明する。

図８を参照して、本発明による単結晶製造装置の第１の変形例は、基本的には図７に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、図４に示した単結晶製造装置１と同様に、台座２の傾斜部１２の表面に固着防止層としての凹凸形状部１３が形成されている点が図７に示した単結晶製造装置１と異なる。このようにすれば、単結晶を形成するときにルツボ４と台座２とが傾斜部１２において固着するといったトラブルの発生を抑制できる。なお、傾斜部１２の凹凸形状部１３における表面粗さはＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４参照）において、０．５以上、９．５以下とすることができる。また、当該表面粗さは、より好ましくはＲａで１．５以上７．０以下、さらに好ましくはＲａで２．５以上４．５以下とすることができる。傾斜部の凹凸は、Ｒａが小さ過ぎると接触面積が増加してルツボ４と台座２の固着が起こりやすくなる。また、Ｒａが大き過ぎるとルツボ４と接触する凸部の個数が減って個々の凸部への接触圧力が高くなって固着が起こりやすくなる。つまり、当該表面粗さはＲａで好ましくは０．５〜９．５、より好ましくは１．５〜７．０、さらに好ましくは２．５〜４．５である。

図９は、図７に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。図９を参照して、図７に示した単結晶製造装置１の第２の変形例を説明する。

図９を参照して、単結晶製造装置の第２の変形例は、基本的には図７に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座２の傾斜部１２に固着防止処理層１９が形成されている点が図７に示した単結晶製造装置１と異なっている。この固着防止処理層１９は、ルツボ４を構成する材料との反応性が台座２を構成する材料より相対的に低い材料からなる層であって、たとえばルツボ４が石英の場合にはＳｉＣ皮膜やアルミナ皮膜などを用いることができる。また、当該固着防止処理層１９の膜厚は１０μｍ以上１ｍｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下であることが望ましい。このような構成を採用することによっても、図８に示した単結晶製造装置と同様の効果を得ることができる。

図１０は、図７に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す拡大模式図である。図１０を参照して、図７に示した単結晶製造装置の第３の変形例を説明する。

図１０を参照して、単結晶製造装置は基本的には図７に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座２の傾斜部１２の表面１４とルツボ４との間に離型剤２０が配置されている点が図７に示した単結晶製造装置１と異なっている。このような構成とすることによっても、図８に示した単結晶製造装置と同様に、台座２とルツボ４との間の固着を防止することができる。なお、離型剤２０としては、たとえばＳｉＣ粉末、アルミナ粉末などを用いることができる。また離型剤２０の粒子径は０．１μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１５μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。

（実施の形態３）
図１１は、本発明による単結晶製造装置を用いて製造された単結晶を示す模式図である。図１１を参照して、本発明に従った単結晶４０を説明する。

図１１を参照して、砒化ガリウムからなる単結晶４０は、図１に示した単結晶製造装置を用いて製造された単結晶であって、基本的に図１の単結晶製造装置１のルツボ４の内形と同様の外形を有する。すなわち、図１１の単結晶４０の下端には結晶成長の基点となった種結晶が位置し、当該下端から徐々にその径が大きくなる単結晶拡径部と、当該単結晶拡径部に連なり幅（直径）の変化率が単結晶拡径部より小さくなっている直胴部（胴部）とを含む。単結晶拡径部と直胴部との境界部を肩部４１と呼ぶ。また、直胴部の長さ方向（結晶成長方向）における中央部を胴部中央４２とし、直胴部の上端を尾部４３としている。単結晶拡径部と直胴部の境界（肩部４１）において、単結晶４０の成長軸方向に垂直な面内での、ケイ素の平均濃度は１×１０^１７ｃｍ^-3以上７×１０^１７ｃｍ^-3以下であり、転位密度の平均値が０ｃｍ^-２以上２０００ｃｍ^-２以下である。

ここで、本発明による単結晶製造装置１を用いて単結晶４０を形成する場合、固液界面が拡径部に位置するときに、上述のように液相側へ当該固液界面を平坦または凸形状とすることができる。この結果、得られる単結晶４０において結晶欠陥の発生を抑制できる。つまり、発明者は、拡径部の固液界面形状を“平坦または凸形状”に制御することによって、単結晶拡径部と直胴部の境界（肩部４１）における、転位密度を大幅に低減できることを見出した。その結果、低いケイ素濃度においても、肩部４１での転位密度を低減することが可能となった。その結果、結晶胴部（つまりウエハなどの製品となる部分）でのリネージ等の欠陥の発生数が大幅に低減することを見出した。なお、リネージとは、局所的に高濃度の転位が集まってできた欠陥を意味し、当該欠陥が存在する部分は製品にできない。

ここで、ケイ素濃度が一定量以下の単結晶４０では、リネージが発生しやすいという問題があったが、肩部４１の転位を一定の密度以下にすると、製品となる部分である直胴部（結晶胴部）でのリネージの発生が抑制されることを本願発明者は初めて見出した。さらに、“直胴部の長さ/直胴部の直径”の比率（直胴部の長さと直径との比）の大きな結晶、具体的には“直胴部の長さ/直胴部の直径”という比が１．５以上の結晶において、本発明はいっそう顕著な効果が得られることを見出した。さらに、ケイ素濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３と低い結晶では、ウエハの研磨工程において、転位に起因するピット（微小な窪み）が発生する場合があるが、転位密度が一定の密度（２０００ｃｍ^−２）以下ではこのようなピットが著しく減少することを見出した。

具体的には、肩部４１でのケイ素濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３のとき（なお、当該ケイ素濃度は単結晶の製品設計に応じて決定される）、転位密度が２０００ｃｍ^−２以下、より好ましくは１５００ｃｍ^−２以下、さらに好ましくは１０００ｃｍ^−２以下のとき、直胴部でのリネージ発生が抑制され、高い歩留まりが得られた。また、“直胴部の長さ/直胴部の直径”という比が、１．５×（７７÷直胴部の直径（ｍｍ））以上の時に好ましい効果が得られ、当該比が２．０×（７７÷直胴部の直径（ｍｍ））以上の時にさらに好ましい効果が得られ、当該比が２．５×（７７÷直胴部の直径（ｍｍ））以上の時に最も好ましい効果が得られた。

なお、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）にケイ素を添加すると、転位と呼ばれる結晶欠陥が減少する。ＧａＡｓ中のケイ素の濃度を高くするほど転位は減少し、転位密度は低くなる。一方、形成するべきデバイスの種類によって要求されるケイ素の濃度や転位密度が異なるため、これらの条件を考慮して、製造する単結晶４０のケイ素濃度を設計することになる。肩部４１でのケイ素濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３と比較的低いものでは、従来直胴部においてリネージが発生し易いという問題があった。本発明者は、肩部４１の転位密度を一定の値以下にすることによって、直胴部でのリネージの発生が抑制されることを初めて見出したのである。

ここで、ケイ素添加の単結晶４０では、肩部４１から尾部４３に向かってケイ素の濃度が上昇していく。そのため、尾部４３に近づくほど新たな転位は発生しにくくなっていく。つまり、転位密度は、肩部４１から尾部４３に向かって減少していく。そこで、発明者は、肩部４１の転位密度をコントロールすることによって、直胴部でのリネージ発生率が飛躍的に減少することを見出した。なお、肩部４１でのケイ素濃度（ケイ素の平均濃度）が７×１０^１７ｃｍ^−３を超えるものでは、そもそもリネージが形成されにくいため、本発明の効果が顕著に得られるのは、肩部４１でのケイ素濃度が７×１０^１７ｃｍ^−３以下となっている場合である。また、ケイ素を添加していない単結晶では、直胴部でも転位が発生しやすいため、肩部４１の転位密度を制御しただけでは、リネージの発生を抑制することは難しいと考えられる。そのため、肩部４１でのケイ素濃度を上述のような１×１０^１７ｃｍ^−３以上７×１０^１７ｃｍ^−３以下とした場合に本発明の効果は顕著であり、当該ケイ素濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上５．５×１０^１７ｃｍ^−３以下とした場合に本発明の効果はより顕著になり、当該ケイ素濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上４．０×１０^１７ｃｍ^−３以下とした場合にさらに本発明の効果は顕著なものとなる。

また、ケイ素の濃度は自然凝固の式にしたがって、結晶の長さ方向（単結晶４０の延在方向）において、肩部４１から尾部４３に向かって増加していく。そのため、単結晶の長さと直径の比（つまり“直胴部の長さ/直胴部の直径”という比）が小さなものではケイ素の濃度が長さ方向に急速に増加するため、転位の発生が抑制されていく。反対に、単結晶の長さと直径の比が大きなものでは、ケイ素の濃度は長さ方向にゆっくり増加していく。そのため、直胴部において、肩部４１までに発生した転位が集積してリネージを形成しやすくなることを本発明者は見出した。したがって、このような単結晶の長さと直径の比が大きな（直胴部の長さと直径との比が１．５以上である）単結晶４０において、本発明による「リネージの形成を抑制する」という効果が特に顕著に示される。

（実施の形態４）
図１２は、本発明による単結晶製造装置の実施の形態４を示す模式図である。図１２を参照して、本発明による単結晶製造装置を説明する。

図１２を参照して、単結晶製造装置１は、台座５２と、台座５２上に搭載されたアンプル３と、アンプル３の内部に保持されたルツボ４と、ルツボ４の内部に充填される原料を加熱するためのヒータ５とを備える。台座５２は、平面形状が円形状の円柱状体であって、上部表面にはすり鉢状の傾斜部１２と、この傾斜部１２の内周側（上部表面のほぼ中央）に位置する凹部１１とを有する。凹部１１の平面形状はたとえば円形状であって、当該凹部１１の幅は深さ方向においてほぼ一定である。傾斜部１２は、凹部１１の上端部から台座５２の外周側に向かうにつれて台座５２の底壁からの距離が大きくなるように（台座５２の底壁に対して）傾斜した構成となっている。台座５２の材料としては、たとえば石英を用いることができる。また、台座５２の材料としては、アンプル３を構成する石英の熱膨張係数の±５０％以内の範囲となる熱膨張係数を有する材料であって、単結晶を形成するための熱処理温度において十分な強度を有する（たとえば融点が当該熱処理温度より高い）材料であれば、任意の材料を用いることができる。たとえば、台座５２の材料として、石英、石英とアルミナの混合物、あるいは多孔質シリカなどを用いることができる。

この台座５２上に搭載されるアンプル３は、石英製のアンプル（石英アンプル）であって、その形状は概略円筒形状となっている。アンプル３の底面は、上述した台座５２の上部表面上に搭載可能な形状となっている。より具体的には、アンプル３は、台座５２の凹部１１の内部に収納され、平面形状がほぼ円形状である小径部２１と、小径部２１の上に連なり、台座５２の傾斜部１２に沿って傾斜した側壁を有する拡径部２２と、拡径部２２の上に連なり、平面形状が台座５２と同様のたとえば円形状であって、幅（直径）の変化率が拡径部２２より小さくなっている直胴部２３と、を有する。小径部２１の幅は、深さ方向の任意の位置においてほぼ一定である。小径部２１は台座５２の凹部１１の内壁に沿った形状となっている。アンプル３の拡径部２２における側壁の（直胴部２３の側壁に対する）傾斜角度は、台座５２の傾斜部１２の（台座５２の外周側壁に対する）傾斜角度とほぼ同様となっている。

このアンプル３の内部に保持されるルツボ４は、基本的にはアンプル３の内周表面に沿った形状を有している。具体的には、ルツボ４の底部の中央には、アンプル３の小径部２１の内部に収納されるルツボ４の小径部３１が形成されている。小径部３１の平面形状はたとえば円形状である。この小径部３１の上端部からアンプル３の拡径部２２に沿って、ルツボ４の拡径部３２が形成されている。そして、この拡径部３２の上端に連なるように、直胴部３３が形成されている。このルツボ４の直胴部３３は、基本的にはアンプル３の直胴部２３の内周面に沿って配置されている。そして、台座５２、アンプル３およびルツボ４の外周を囲むようにヒータ５が配置されている。

次に、図１２に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を説明する。図１３は、図１２に示した単結晶製造装置を用いた単結晶製造方法を示すフローチャートである。図１３に示すように、本発明による単結晶製造方法では、まず単結晶準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、図１２に示したルツボ４の小径部３１の内部に種結晶となる単結晶の小片を挿入する。

次に、図１３に示すように、原料準備工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、ルツボ４の内部に単結晶の原料となるべき多結晶の原料片を所定の量だけ投入する。上述した単結晶の小片および多結晶の原料片の組成としては、任意の結晶性の材料を用いることができるが、たとえばケイ素を含有する砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を当該組成として用いることができる。また、砒化ガリウムのように解離圧の高い材料の場合には、石英アンプルを真空に封止しても良い。

次に、図１３に示すように加熱工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、図１２に示すヒータ５に通電することにより、ルツボ４の内部の多結晶の原料片を加熱して溶融状態とする。なお、このときルツボ４の小径部３１内部に配置された単結晶の小片は溶融しないように、ヒータ５による加熱条件を調整する。

次に、図１３に示すように結晶成長工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、図示しない昇降装置などを用いて、ヒータ５に対して、台座５２、アンプル３およびルツボ４を図１２の下側に移動させることにより、溶融した多結晶原料の温度を、ルツボ４の小径部３１内部に配置された単結晶の小片（種結晶）の近傍から徐々に下げていく。この結果、加熱されて溶融していた原料が、種結晶の近傍から徐々に凝固（結晶化）する。このように凝固した部分は単結晶となっている。そして、徐々に台座５２、アンプル３およびルツボ４をヒータ５の内周側から下側へと引き抜いていくことにより、溶融していた原料をルツボ４の下側（すなわち種結晶の近傍）から徐々に結晶化していく。このようにして単結晶を成長させることができる。溶融した原料が完全に凝固したら、“冷却工程（Ｓ５０）を実施する。冷却工程（Ｓ５０）においては、ヒータ５の温度を降下させるなどして、ルツボ４内部の単結晶を室温まで冷却する。

このとき、台座５２の材料としてたとえば透明石英を用いることにより、石英からなるアンプル３と台座５２との間の熱膨張係数の差を実質的に無視できるほど小さくできる。このため、上述した単結晶を成長させるために台座５２とアンプル３との温度が変化するときに、台座５２とアンプル３との熱膨張係数の差に起因してアンプル３に加わる熱応力の値を小さくできる。したがって、台座５２とアンプル３との温度変化によりアンプル３が破損するといった問題の発生を防止できる。

また、台座５２の材料として透明な石英などの透明部材を用いることにより、台座５２の傾斜部１２を介して台座５２の外周側へとルツボ４から輻射熱が伝わる。このため、図１４に示すように、成長した単結晶１５と溶融材料１６との固液界面１７がルツボ４の直胴部３３に到達したときに、固液界面１７を溶融材料１６側に凸となる形状とすることができる。この結果、形成された単結晶１５において、直胴部３３の下部近辺における結晶不良(リネージ）の発生を抑制することができる。なお、図１４は、図１２に示した単結晶製造装置の使用状態を説明するための模式図である。

ここで、透明部材とは、波長２０００ｎｍの光についての単位長さ（１ｃｍ）あたりの透過率が９０％以上である材料を意味する。なお、透過率は、当該透明部材に入射した上記光の強度と透明部材を透過した光の強度との比（（透過した光の強度）／（入射した光の強度）×１００）を意味する。そのため、透明部材としては、たとえばMomentive Performance Materials社製ＧＥ１２４などの石英ガラスを用いることができる。

図１５は、図１２に示した単結晶製造装置の第１の変形例を示す拡大模式図である。図１５を参照して、図１２に示した単結晶製造装置１の第１の変形例を説明する。

図１５を参照して、本発明による単結晶製造装置の第１の変形例は、基本的には図１２に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座５２の傾斜部１２の表面に固着防止層としての凹凸形状部１３が形成されている点が図１２に示した単結晶製造装置１と異なる。このようにすれば、単結晶を形成するときにアンプル３と台座５２とが傾斜部１２において固着するといったトラブルの発生を抑制できる。なお、傾斜部１２の凹凸形状部１３における表面粗さはＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４参照）において、０．５以上、９．５以下とすることができる。また、当該表面粗さは、より好ましくはＲａで１．５以上７．０以下、さらに好ましくはＲａで２．５以上４．５以下とすることができる。傾斜部の凹凸は、Ｒａが小さ過ぎると接触面積が増加してアンプル３やルツボと台座５２の固着が起こりやすくなる。また、Ｒａが大き過ぎるとアンプル３やルツボと接触する凸部の個数が減って個々の凸部への接触圧力が高くなって固着が起こりやすくなる。つまり、表面粗さは、Ｒａで好ましくは０．５〜９．５、より好ましくは１．５〜７．０、さらに好ましくは２．５〜４．５である。

図１６は、図１２に示した単結晶製造装置の第２の変形例を示す拡大模式図である。図１６を参照して、図１２に示した単結晶製造装置１の第２の変形例を説明する。

図１６を参照して、単結晶製造装置の第２の変形例は、基本的には図１２に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座５２の傾斜部１２に固着防止処理層１９が形成されている点が図１２に示した単結晶製造装置１と異なっている。この固着防止処理層１９は、アンプル３を構成する材料である石英との反応性が（石英同士が接触している場合より）相対的に低い材料からなる層であって、たとえばＳｉＣ皮膜、アルミナ皮膜などを用いることができる。また、当該固着防止処理層１９の膜厚は１０μｍ以上１ｍｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下であることが望ましい。このような構成を採用することによっても、図１５に示した単結晶製造装置と同様の効果を得ることができる。

図１７は、図１２に示した単結晶製造装置の第３の変形例を示す部分拡大模式図である。図１７を参照して、図１２に示した単結晶製造装置の第３の変形例を説明する。

図１７を参照して、単結晶製造装置は基本的には図１２に示した単結晶製造装置１と同様の構成を備えるが、台座５２の傾斜部１２の表面１４とアンプル３との間に離型剤２０が配置されている点が図１２に示した単結晶製造装置１と異なっている。このような構成とすることによっても、図１５に示した単結晶製造装置と同様に、台座５２とアンプル３との間の固着を防止することができる。なお、離型剤２０としては、たとえばＳｉＣ粉末、アルミナ粉末などを用いることができる。また離型剤２０の粒子径は０．１μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１５μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。

（実施の形態５）
図１８は、本発明による単結晶製造装置の実施の形態５を示す模式図である。図１８を参照して、本発明による単結晶製造装置の実施の形態５を説明する。

図１８を参照して、単結晶製造装置１は、基本的には図１２に示した単結晶製造装置１と同様の構造を備えるが、台座５２の構成が図１２の単結晶製造装置１とは異なっている。具体的には、図１８に示した単結晶製造装置１においては、台座５２がベース体２５と、このベース体２５上に積層配置された石英部材２６とから構成されている。石英部材２６は、アンプル３の拡径部と直に接触する傾斜部１２を含んでいる。そして、ベース体２５については、石英以外の異なる材料を用いることができる。一方、石英部材２６は、透明な石英によって構成されている。図１８に示したベース体２５および石英部材２６からなる台座５２の形状は、基本的に図１２に示した単結晶製造装置１における台座５２と同様である。

このような構成とすることによっても、図１２に示した単結晶製造装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、台座５２がベース体２５と石英部材２６とにより構成されているので、台座５２の熱伝導特性や強度などの特性を調整するためにたとえばベース体２５の材質を任意に変更することができる。

また、上述した本発明による単結晶製造装置１は、半導体単結晶の製造に好適に用いられ、特に砒化ガリウム単結晶およびリン化インジウム単結晶の製造に適している。

上述した実施の形態の記載と一部重複する部分もあるが、本願発明の特徴的な構成を以下に列挙する。

この発明に従った単結晶製造装置１は、原料保持容器（図１のアンプル３およびルツボ４または図７のルツボ４）中に保持された原料（多結晶の原料片）を加熱溶解した後、一方向から凝固させることにより単結晶を製造する単結晶製造装置１であって、原料保持容器（図１のアンプル３およびルツボ４または図７のルツボ４）と、台座２と、ヒータ５とを備える。台座２は図１のアンプル３または図７のルツボ４を支持する。ヒータ５は図１のアンプル３およびルツボ４または図７のルツボ４を加熱するためのものである。台座２を構成する材料の熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、形成されるべき単結晶の熱伝導率の値以下である。台座２を構成する材料は、厚みが４ｍｍの当該材料に対する波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光の透過率が１０％以下となっている。また、台座２を構成する材料について、上記透過率を５％以下とすることがより好ましい。また、台座２を構成する材料の熱伝導率は、形成されるべき単結晶の熱伝導率の１／２以下、より好ましくは形成されるべき単結晶の熱伝導率の１／４以下である。

このようにすれば、台座２を構成する材料を、波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光に対して不透明な材料とするという比較的簡単な構成を採用することで、ルツボ４内において多結晶の原料片を溶融状態とし、一方向から（具体的には台座２側から）凝固させるときに、溶融した原料から台座２へ伝わる熱の流れを台座２の下面に向かう方向（下方向）へガイドすることができる。この結果、図３の溶融材料１６（液相）と、原料が凝固して単結晶となった部分である図３の単結晶１５（固相）との境界部である固液界面１７を、平坦または溶融材料１６側へ凸形状とすることが可能になる。このため、固液界面１７がルツボ４の拡径部３２に位置するときに、上述のように当該固液界面１７を平坦または溶融材料１６側へ凸形状とすることができる。この結果、得られる単結晶１５において結晶欠陥の発生を抑制できる。

上記単結晶製造装置１では、台座２において、図４〜図６のアンプル３または図８〜図１０のルツボ４と接触する部分の表面には固着防止層（凹凸形状部１３、固着防止処理層１９、離型剤２０）が形成されていてもよい。ここで、単結晶を製造するためにルツボ４に収容された原料をヒータ５により加熱した場合、図４〜図６に示すルツボ４を保持するアンプル３または図８〜図１０に示すルツボ４も加熱された状態になる。そして、加熱されたアンプル３またはルツボ４が台座２により支持されている（台座２と接触している）領域（図４〜図６のアンプル３の拡径部２２と台座２の傾斜部１２とが接触した部分、あるいは図８〜図１０のルツボ４における拡径部３２と台座２の傾斜部１２とが接触した部分）では、アンプル３およびルツボ４（図４〜図６参照）もしくはルツボ４（図８〜図１０参照）の自重によってアンプル３またはルツボ４が台座に押圧された状態になっている。この結果、アンプル３またはルツボ４が台座２に固着する場合がある。このようにアンプル３またはルツボ４が台座２に固着すると、単結晶を形成するために熱処理が行なわれた場合（つまり図２における加熱工程（Ｓ３０）および結晶成長工程（Ｓ４０）さらには室温まで冷却するための処理（冷却工程（Ｓ５０））が行なわれた場合）に、アンプル３またはルツボ４と台座２との熱膨張量の差により上記固着した部分に応力が発生することになる。このような応力はアンプル３、ルツボ４または台座２の破損の原因となる。

そこで、上述のように固着防止層（凹凸形状部１３、固着防止処理層１９、離型剤２０）を形成することで、アンプル３またはルツボ４の台座２への固着を防止すれば、アンプル３およびルツボ４と台座２とがそれぞれ個別に膨張・収縮できるので、上記固着に起因する応力の発生を抑制できる。この結果、アンプル３、ルツボ４または台座２の破損の可能性をより低減できる。

上記単結晶製造装置１において、原料保持容器は、図１、図３〜図６に示すように、原料を保持する原料容器としてのルツボ４と、当該ルツボ４を内部に保持する石英アンプルとしてのアンプル３とを含んでいてもよい。台座２において少なくともアンプル３と接触する部位を構成する材料の熱膨張係数が、アンプル３を構成する石英の熱膨張係数の±５０％以内の範囲に含まれる値となっていてもよい。

このようにすれば、単結晶を製造するためにヒータ５によりルツボ４が加熱されるとき、および加熱により液相となった原料を凝固させることで単結晶を得るために当該ルツボ４の温度を低下させるときに、アンプル３と台座２との間の熱膨張量の差を十分小さくすることができる。この結果、当該熱膨張量の差に起因してアンプル３または台座２が破損するといった問題の発生を抑制できる。

上記単結晶製造装置１では、原料保持容器が、台座２に支持される石英アンプルとしてのアンプル３を含んでいてもよく、台座２において少なくともアンプル３と接触する部位を構成する材料が石英であってもよい。また、好ましくは台座２を構成する材料が石英であってもよい。この場合、台座２がアンプル３と同じ材料により構成されることになる。このため、アンプル３と台座２との熱膨張係数は同じになるため、上記のような熱膨張量の差に起因する破損といった問題の発生をより確実に抑制できる。

上記単結晶製造装置１において、図４または図８に示すように固着防止層は凹凸形状部１３であってもよい。この凹凸形状部１３は、たとえば台座２における上記表面（傾斜部１２）を粗面化することにより形成されてもよい。この場合、台座２の上記表面においてアンプル３またはルツボ４に直接接触する面積を少なくすることができる。この結果、アンプル３またはルツボ４が台座２に固着する可能性を低減できる。

また、上記固着防止層は、図５または図９に示すように石英アンプルを構成する石英との反応性またはルツボ４を構成する材料との反応性が、台座２の本体部を構成する材料より低い材料からなる固着防止処理層１９であってもよい。固着防止処理層１９は、単一の層であってもよいし、複数の層が積層した積層構造を有していてもよい。また、固着防止処理層１９として、台座２の表面に対して改質処理（たとえば台座表面に対する結晶化処理）を行なうことにより得られた改質層を用いてもよい。この場合も、アンプル３またはルツボ４が台座２に固着する可能性を低減できる。

この発明に従った単結晶の製造方法は、上記単結晶製造装置１を用いた単結晶の製造方法であって、以下の工程を実施する。すなわち、原料保持容器（図１、図３〜図１０のルツボ４）に種結晶および単結晶の原料物質（多結晶の原料片）を挿入する工程（図２の種結晶準備工程（Ｓ１０）および原料準備工程（Ｓ２０））を実施する。そして、ヒータ５により原料保持容器（図１、図３〜図６のアンプル３およびルツボ４、または図７〜図１０のルツボ４）を加熱することにより原料物質を溶融する工程（加熱工程（Ｓ３０））を実施する。さらに、溶融した原料物質（多結晶の原料片）を種結晶側から徐々に凝固させることにより単結晶を製造する工程（結晶成長工程（Ｓ４０））を実施する。

このようにすれば、多結晶の原料片を一度溶解し（加熱工程（Ｓ３０））、その後凝固させるための処理（結晶成長工程（Ｓ４０））を行なう場合に、溶融した原料から台座２へ伝わる熱の流れを台座２の下面に向かう方向（下方向）へガイドすることができる。この結果、図３に示すように溶融材料１６（液相）と、原料が凝固して単結晶となった部分である単結晶１５（固相）との境界部（固液界面１７）を、平坦または溶融材料１６側へ凸形状とすることが可能になる。このため、固液界面１７がルツボ４の拡径部３２に位置するときに、上述のように当該固液界面１７を平坦または溶融材料１６側へ凸形状とすることができる。この結果、得られる単結晶１５において結晶欠陥の発生を抑制できる。

上記単結晶の製造方法において、製造される単結晶はケイ素（Ｓｉ）を含有する砒化ガリウム（ＧａＡｓ）からなっていてもよい。単結晶は、種結晶側から徐々に幅が広くなる単結晶拡径部と、単結晶拡径部に連なり幅の変化率が前記単結晶拡径部より小さくなっている（たとえば幅が実質的に一定となっている）直胴部とを含んでいてもよい。単結晶拡径部と直胴部の境界（図３に示した単結晶１５において径が拡大している拡径部と、当該拡径部の上に連なり径が実質的に一定になっている直胴部との境界）における単結晶の成長軸方向に垂直な面内での、ケイ素の平均濃度は１×１０^１７ｃｍ^-3以上７×１０^１７ｃｍ^-3以下であってもよい。また、当該境界における転位密度の平均値は０ｃｍ^-２以上２０００ｃｍ^-２以下であってもよい。このように、特に上述したＳｉ含有ＧａＡｓについて単結晶を形成する場合に、本発明による製造方法を適用すれば特に欠陥の発生を抑制する効果が顕著である。

また、異なる観点から言えば、この発明に従った単結晶４０は、ケイ素を含有する砒化ガリウムからなる単結晶４０であって、種結晶側から徐々に幅が広くなる単結晶拡径部（図１１の肩部４１より下の部分）と、単結晶拡径部に連なり幅の変化率が単結晶拡径部より小さくなっている直胴部（図１１において直径が略一定となっている胴部）とを含む。単結晶拡径部と直胴部の境界（肩部４１）において、単結晶４０の成長軸方向に垂直な面内での、ケイ素の平均濃度は１×１０^１７ｃｍ^-3以上７×１０^１７ｃｍ^-3以下であり、転位密度の平均値が０ｃｍ^-２以上２０００ｃｍ^-２以下である。

このように、肩部４１において転位密度を上記のような範囲に制御することで、胴部におけるリネージの発生を効果的に抑制できる。また、上記のようなケイ素の平均濃度である場合、当該単結晶から切り出したウエハの研磨工程において、転位に起因するピット（微小な窪み）が発生する場合があるが、上記のように肩部４１での転位密度が制御された単結晶から切り出されたウエハにおいてはこのようなピットの発生が抑制される。

また、上記単結晶４０では、直胴部の長さと直径との比（直胴部の長さ／直径）が１．５以上であることが好ましい。このように、直胴部の長さと直径との比が大きな単結晶において、本発明の効果が特に顕著である。

また、得られる単結晶４０の直径が大きいほど、拡径部での固液界面の凹化抑制が困難になるため、肩部４１で転位密度が増加しやすくなる。また、胴部（直胴部）においても固液界面が凹化しやすく、さらに、結晶内部に大きな温度差が生じやすいため、リネージの形成がより顕著となる。本発明の単結晶およびその製造方法は、肩部の直径が７７ｍｍ以上のときに顕著な効果が得られ、直径１０２ｍｍ以上のときにより顕著な効果が得られ、直径１５２ｍｍ以上のときにさらに顕著な効果が得られる。

この発明に従った単結晶製造装置１は、原料容器（ルツボ４）中に保持された原料（多結晶の原料片）を加熱溶解した後、一方向から凝固させることにより単結晶を製造する単結晶製造装置１であって、原料容器としてのルツボ４と、ルツボ４を内部に保持する石英アンプル（アンプル３）と、アンプル３を支持する台座５２と、ルツボ４を加熱するためのヒータ５とを備える。台座５２において少なくともアンプル３と接触する部位を構成する材料の熱膨張係数は、アンプル３を構成する石英の熱膨張係数の±５０％以内の範囲に含まれる値となっている。

このようにすれば、単結晶を製造するためにヒータ５によりルツボ４が加熱されるとき、および加熱により液相となった原料を凝固させることで単結晶を得るために当該ルツボ４の温度を低下させるときに、アンプル３と台座５２との間の熱膨張量の差を十分小さくすることができる。この結果、当該熱膨張量の差に起因してアンプル３または台座５２が破損するといった問題の発生を抑制できる。

上記単結晶製造装置１では、図１５〜図１７に示すように、台座５２において、アンプル３と接触する部分の表面には固着防止層（凹凸形状部１３、固着防止処理層１９、離型剤２０）が形成されていてもよい。ここで、単結晶を製造するためにルツボ４をヒータ５により加熱した場合、アンプル３も加熱された状態になる。そして、加熱されたアンプル３が台座５２により支持されている（台座５２と接触している）領域（アンプル３の拡径部２２と台座５２の傾斜部１２とが接触した部分）では、アンプル３の自重によってアンプル３が台座に押圧された状態になっている。この結果、アンプル３が台座５２に固着する場合がある。このようにアンプル３が台座５２に固着すると、単結晶を形成するために熱処理が行なわれた場合（つまり図１３における加熱工程（Ｓ３０）、結晶成長工程（Ｓ４０）および冷却工程（Ｓ５０）が行なわれた場合）に、アンプル３と台座５２との熱膨張量の差により上記固着した部分に応力が発生することになる。このような応力はアンプル３または台座５２の破損の原因となる。

そこで、上述のように固着防止層（凹凸形状部１３、固着防止処理層１９、離型剤２０）を形成することで、アンプル３の台座５２への固着を防止すれば、アンプル３と台座５２とがそれぞれ個別に膨張・収縮できるので、上記固着に起因する応力の発生を抑制できる。この結果、アンプル３または台座５２の破損の可能性をより低減できる。

上記単結晶製造装置１では、台座５２を構成する材料が石英であってもよい。また、上記単結晶製造装置１では、台座において少なくとも石英アンプルと接触する部位を構成する材料が石英であってもよい。この場合、台座５２がアンプル３と同じ材料により構成されることになる。このため、アンプル３と台座５２との熱膨張係数は同じになるため、上記のような熱膨張量の差に起因する破損といった問題の発生をより確実に抑制できる。

上記単結晶製造装置１において、図１５に示すように固着防止層は凹凸形状部１３であってもよい。この凹凸形状部１３は、たとえば台座５２における上記表面（傾斜部１２）を粗面化することにより形成されてもよい。この場合、台座５２の上記表面においてアンプル３に直接接触する面積を少なくすることができる。この結果、アンプル３が台座５２に固着する可能性を低減できる。

また、上記固着防止層は、図１６に示すように石英アンプルを構成する石英との反応性が低い材料からなる固着防止処理層１９であってもよい。固着防止処理層１９は、単一の層であってもよいし、複数の層が積層した積層構造を有していてもよい。また、固着防止処理層１９として、台座５２の表面に対して改質処理（たとえば台座表面に対する結晶化処理）を行なうことにより得られた改質層を用いてもよい。この場合も、アンプル３が台座５２に固着する可能性を低減できる。

上記単結晶製造装置１において、台座５２は透明部材からなっていてもよい。この場合、台座５２が不透明部材である場合より、加熱されたルツボ４およびアンプル３から、透明な台座５２を介して下方向（ルツボ４から台座５２に向かう方向）へ輻射による放熱が促進される。このため、直胴部３３の下部近辺において、図１４に示すように、溶融材料１６(液相）と、凝固した単結晶１５（固相）との界面である固液界面１７を、液相側に凸形状とすることができる。このように固液界面１７を液相側に凸とすることで、固液界面１７が固相側に凸となっている場合に起きる単結晶１５での欠陥の発生を抑制できる。

この発明に従った単結晶の製造方法は、上記単結晶製造装置１を用いた単結晶の製造方法であって、以下の工程を備える。すなわち、まず原料容器（ルツボ４）に種結晶（単結晶１５）および単結晶の原料物質（多結晶の原料片）を挿入する工程（図１３の種結晶準備工程（Ｓ１０）および原料準備工程（Ｓ２０））を実施する。そして、ヒータ５により原料容器（ルツボ４）を加熱することにより多結晶の原料片を溶融する工程(加熱工程（Ｓ３０））を実施する。さらに、溶融した原料物質（多結晶の原料片）を種結晶側から徐々に凝固させることにより単結晶を製造する工程（結晶成長工程（Ｓ４０））を実施する。

このようにすれば、多結晶の原料片を一度溶解し（加熱工程（Ｓ３０））、その後凝固させるための処理（結晶成長工程（Ｓ４０）さらには室温まで冷却するための処理（冷却工程（Ｓ５０））を行なう場合に、石英からなるアンプル３と台座５２との熱膨張係数に大きな差がないことから、アンプル３や台座５２の破損といった問題の発生を抑制できる。この結果、アンプル３や台座５２の破損に起因する単結晶の品質低下を抑制できるので、高品質な単結晶を安定して得ることができる。

上記単結晶の製造方法において、単結晶はケイ素（Ｓｉ）を添加物として含有しない砒化ガリウムまたはケイ素（Ｓｉ）を含有する砒化ガリウム（ＧａＡｓ）からなっていてもよい。単結晶は、種結晶側から徐々に幅が広くなる単結晶拡径部と、当該単結晶拡径部に連なり幅の変化率が前記単結晶拡径部より小さくなっている直胴部とを含んでいてもよい。単結晶拡径部と直胴部の境界（図１４に示した単結晶１５において径が拡大している拡径部と、当該拡径部の上に連なり径が一定になっている直胴部との境界）におけるケイ素（Ｓｉ）の濃度は７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、より好ましくは５．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、さらに好ましくは４．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であってもよい。このように、特に上述したＳｉ含有ＧａＡｓについて単結晶を形成する場合に、本発明による製造方法を適用すれば特に欠陥の発生を抑制する効果が顕著である。なお、ここでケイ素を添加物として含有しない砒化ガリウムとは、ケイ素を故意に添加していないことを意味しており、不可避不純物としてケイ素が含有されている場合であっても、積極的に添加物としてケイ素を添加していないものは含まれる。

（実施例１）
本発明の効果を確認するために、以下のようにＧａＡｓの単結晶を様々な条件で製造する実験を行なった。

（実験条件）
（ａ）３インチ径の砒化ガリウム結晶成長
本発明の装置を用いて、ケイ素を含む３インチ径の砒化ガリウム結晶の成長を行った。先端に種結晶収容部を有する、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）製ルツボを使用した。このルツボに、種結晶、予備合成を行った砒化ガリウム（ＧａＡｓ）原料、封止剤として酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、ドーパントとしてケイ素（Ｓｉ）を収容し、石英製のアンプルに真空封入を行った。そしてこの石英製アンプルを、不透明石英製の台座に載せた。台座に用いた不透明石英と同じ材質の厚さ２ｍｍの試験片を作成し、レーザフラッシュ法により室温での熱伝導率測定を行った結果、１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）の値を得た（なお、ここで説明する実験条件での結果については、後述する表１の実験４を参照）。また、厚さ４ｍｍの試験片を作成して分光光度計を用いて光透過率の測定を行った結果、波長１６００〜２４００ｎｍの波長領域で光透過率は１０％以下であり、砒化ガリウム結晶（融点１２３８℃）の成長温度で支配的となる波長領域の光をほとんど透過しないことを確認した。また、石英アンプルが固着するのを防止するため、台座傾斜部は研削加工によってＲａ＝３．５に調整し、さらに大気中で１２００℃、７２時間の熱処理を行って、表面を結晶化する処理を行った。

そして台座、石英アンプル、ルツボの外周を囲むように配置したヒータに通電して加熱し、砒化ガリウム原料と酸化ホウ素を溶融状態にしたのち、台座に設けた昇降装置を用いて、台座、石英アンプル、ルツボを下降させてヒータの低温側に引き抜き、種結晶から尾部に向かって溶融原料を一方向に凝固させ、ケイ素を含有する砒化ガリウム単結晶を成長させた。結晶成長終了後、室温まで冷却して石英アンプルを台座から取り外し、切断開放して結晶を取り出した。結晶の直径は、肩部で７７ｍｍであった。

得られた単結晶について、肩部でのケイ素濃度を測定した。ケイ素濃度は、結晶肩部で長さ方向に垂直に切り出したウェハの中央およびウェハの端部付近とその中間から１０ｍｍ角のチップを計３個作製してＳＩＭＳ分析を行い、３点の平均値を求めた。

また、単結晶について、肩部での転位密度を測定した。転位密度は、単結晶の肩部から得られたウエハをＫＯＨ（水酸化カリウム）でエッチングしたのち、ノマルスキー顕微鏡を用いて５ｍｍピッチで半径方向にエッチピットの個数を測定して転位密度の平均値を求めた。

また、単結晶について、肩部での散乱体の個数を測定した。具体的には、肩部からウエハを採取して研磨を行い、表面異物検査装置（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０）を用いてウエハ全面の散乱体の個数を測定した。

また、上述した３インチ径の単結晶と同様の工程により、肩部の直径が８５ｍｍの砒化ガリウム単結晶も形成し、同様の測定を行なった。

（ｂ）４インチ径の砒化ガリウム結晶成長
上述した３インチ径の砒化ガリウム結晶成長と基本的に同様の方法により、４インチ径の砒化ガリウム単結晶を形成し、また同様の項目について同様の方法を用いて測定を行なった。ただし、台座傾斜部は研削加工後にサンドブラスト処理を行ってＲａ＝７．０に調整した。また、台座傾斜部については、表面の結晶化処理の後、最後に、粒径１０μｍのアルミナ粉末を塗布した。そして、結晶成長終了後、室温まで冷却して石英アンプルを台座から取り外し、切断開放して結晶を取り出した。結晶の直径は、肩部で１０２ｍｍであった。

また、上述した４インチ径の単結晶と同様の工程により、肩部の直径が１１０ｍｍの砒化ガリウム単結晶も形成し、同様の測定を行なった。

（ｃ）６インチ径の砒化ガリウム結晶成長
上述した３インチ径の砒化ガリウム結晶成長と基本的に同様の方法により、６インチ径の砒化ガリウム単結晶を形成し、また同様の項目について同様の方法を用いて測定を行なった。ただし、台座傾斜部は研削加工後にサンドブラスト処理を行ってＲａ＝９．５に調整した。また、台座傾斜部については、表面の結晶化処理の後、最後に、粒径２０μｍのＳｉＣ粉末を塗布した。そして、結晶成長終了後、室温まで冷却して石英アンプルを台座から取り外し、切断開放して結晶を取り出した。結晶の直径は、肩部で１５２ｍｍであった。

また、上述した６インチ径の単結晶と同様の工程により、肩部の直径が１６０ｍｍの砒化ガリウム単結晶も形成し、同様の測定を行なった。

（結果）
（ａ）３インチ径の砒化ガリウム結晶
実験の結果を表１、表２に示す。

表１および表２には、台座の“熱伝導率”と“光の透過率”、“肩部のケイ素濃度”と“転位密度”、胴部の“リネージの有無”、“結晶胴部の長さと直径の比”の関係が示されている。なお、表１、表２における結晶胴部の長さとは、図１１に示した単結晶４０の肩部４１から尾部４３までの長さである。表１および表２からわかるように、本発明に従った実験２〜実験８、実験１２、実験１３により得られた単結晶ではリネージの発生は無く、また肩部での散乱体個数も極めて少なくなっていた。また、肩部の直径が８５ｍｍの単結晶についても、同様に本発明の効果を確認することができた。

（ｂ）４インチ径の砒化ガリウム結晶
実験の結果を表２、表３に示す。

表２および表３からわかるように、本発明に従った実験１６〜実験１９により得られた単結晶ではリネージの発生は無く、また肩部での散乱体個数も極めて少なくなっていた。また、肩部の直径が１１０ｍｍの単結晶についても、同様に本発明の効果を確認することができた。なお、表中において転位密度がゼロと表示された実験については、転位密度の平均値が０．５ｃｍ^−２未満であった場合を意味している。

（ｃ）６インチ径の砒化ガリウム結晶
実験の結果を表３に示す。

表３からわかるように、本発明に従った実験２３〜実験２６により得られた単結晶ではリネージの発生は無く、また肩部での散乱体個数も極めて少なくなっていた。また、肩部の直径が１６０ｍｍの単結晶についても、同様に本発明の効果を確認することができた。

（実施例２）
本発明の効果を確認するため、異なる熱膨張係数を有する台座を準備し、当該台座を用いて単結晶の製造を行ない、その耐久性を確認した。試験に用いた台座の材質や耐久性の調査結果を表４に示す。

表４には、台座の熱膨張係数と、石英アンプルまたは台座の破損発生本数とが示されている。台座には、透明石英、さらに石英よりも熱膨張係数の大きい材料として、石英とアルミナの混合物を使用した。石英とアルミナの混合物の熱膨張係数の調整は、アルミナの含有比率を調整することによって行った。また、石英よりも熱膨張係数の小さい材料として多孔質シリカを使用した。多孔質シリカの熱膨張係数の調整は、気孔率を調整することによって行った。表４から分かるように、石英の熱膨張係数の±５０％以内に熱膨張係数が入っている台座２〜４については、台座の破損は無かった。

なお、台座傾斜部に凹凸を形成してＲａで０．５以上９．５以下にしたもの、固着防止処理層を形成したもの、離型剤を配置したもの、などでは、１００本以上の単結晶製造においても、石英アンプルや台座が破損するという問題は全く発生せず、単結晶品質の再現性は極めて良好であった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、特に縦型ボート法を用いて単結晶を製造する場合に特に有効に適用される。

１ 単結晶製造装置、２，５２ 台座、３ アンプル、４ ルツボ、５ ヒータ、７ 矢印、１１ 凹部、１２ 傾斜部、１３ 凹凸形状部、１４ 表面、１５ 単結晶、１６ 溶融材料、１７ 固液界面、１９ 固着防止処理層、２０ 離型剤、２１，３１ 小径部、２２，３２ 拡径部、２３，３３ 直胴部、２５ ベース体、２６ 石英部材、４０ 単結晶、４１ 肩部、４２ 胴部中央、４３ 尾部。

Claims (3)

1. 原料保持容器中に保持された原料を加熱溶解した後、一方向から凝固させることにより単結晶を製造する単結晶製造装置であって、
   原料保持容器と、
   前記原料保持容器を支持する台座と、
   前記原料保持容器を加熱するためのヒータと、を備え、
   前記台座を構成する材料の熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、形成されるべき単結晶の熱伝導率の値以下であり、
   前記台座を構成する材料は、厚みが４ｍｍの前記材料に対する波長が１６００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の光の透過率が１０％以下となっており、
   前記台座において、前記原料保持容器と接触する部分の表面には固着防止層が形成されている、単結晶製造装置。
2. 前記原料保持容器は、前記台座に支持される石英アンプルを含み、
   前記台座において少なくとも前記石英アンプルと接触する部位を構成する材料が石英である、請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の単結晶製造装置を用いた単結晶の製造方法であって、
   前記原料保持容器に種結晶および単結晶の原料物質を挿入する工程と、
   前記ヒータにより前記原料保持容器を加熱することにより前記原料物質を溶融する工程と、
   溶融した前記原料物質を前記種結晶側から徐々に凝固させることにより単結晶を製造する工程とを備える、単結晶の製造方法。

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