半導体結晶の製造方法
【課題】半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる半導体結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】外周にヒータ５が配置されたサセプタ３内にルツボ２を収容し、ルツボ２の底面１３に種結晶１０を配置すると共にルツボ２内に半導体融液１４を収容し、半導体融液１４を種結晶１０と接触させた状態で、ヒータ５とルツボ２を相対的に移動させるか或いはヒータ５に上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したままヒータ５の温度を下降させて、種結晶１０側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設ける方法である。
【解決手段】外周にヒータ５が配置されたサセプタ３内にルツボ２を収容し、ルツボ２の底面１３に種結晶１０を配置すると共にルツボ２内に半導体融液１４を収容し、半導体融液１４を種結晶１０と接触させた状態で、ヒータ５とルツボ２を相対的に移動させるか或いはヒータ５に上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したままヒータ５の温度を下降させて、種結晶１０側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設ける方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させて結晶を成長させる半導体結晶の製造方法に係り、特に、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる半導体結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、III−Ｖ族化合物半導体結晶などの結晶製造方法として、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより単結晶の半導体結晶を製造する垂直ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法、及び垂直温度勾配凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法が知られている。
【０００３】
従来のＶＢ法では、図２に示すように、ｐＢＮ製のルツボ２１の底部に種結晶２２を配置し、さらにルツボ２１内にIII−Ｖ族化合物半導体の多結晶原料を収容する。そして、このルツボ２１を、ルツボ収容容器（以下、サセプタという）２３内に収容して、チャンバ２４内のサセプタ支持部材２５上に載置する。サセプタ２３の外周部には、複数の加熱用のヒータ２６が設置されており、これらヒータ２６の温度は、下方が上方よりも低温となるような温度勾配を持つように調整されている。
【０００４】
結晶成長は、先ずヒータ２６でルツボ２１内の多結晶原料を加熱して融解させ、III−Ｖ族化合物半導体の半導体融液２７を作製し、その後、サセプタ支持部材２５を下降させてサセプタ２３を徐々に下降させることにより、ルツボ２１内で種結晶２２と同じ方位を持ったIII−Ｖ族化合物半導体の単結晶を、下方から上方に向けて凝固成長させていくことにより行われる。
【０００５】
以上はＶＢ法による半導体結晶の製造方法の例であるが、ＶＧＦ法においては、上記と同様に下方が上方よりも低温となるような温度勾配を持つチャンバ２４内で、この温度勾配を維持したまま、ヒータ２６の温度を徐々に下降させることにより、結晶成長が行われる。
【０００６】
これらＶＢ法或いはＶＧＦ法などでは、比較的大口径で、かつ結晶中の転位密度の低い単結晶を成長させることができることから、半導体結晶、特に、III−Ｖ族化合物半導体結晶の製造方法として広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【特許文献２】特許第２６６４０８５号公報
【特許文献３】特許第２８５０５８１号公報
【特許文献４】特許第３３９１５０３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｗ．Ａ．Ｇａｕｌｔ、「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ III−Ｖ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１９８６、Ｖｏｌ．７４、ｐ．４９１
【非特許文献２】干川圭吾、日本結晶成長学会誌、１９９３年、２０−１、ｐ４９
【非特許文献３】干川圭吾著、「バルク結晶成長技術」、培風館、１９９４年５月２０日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体結晶の結晶成長において、単結晶を得るためには、種結晶と接触する半導体融液から成長を開始させ、半導体融液を下方から上方にゆっくりと凝固させ、結晶成長を安定に進行させる必要がある。そのためには、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制する必要がある。これができないと、双晶や多結晶が高確率で発生してしまう。
【００１０】
従来の半導体結晶の製造方法では、ルツボ内の半導体融液の上下方向に温度勾配を設けるために、円筒状の複数のヒータを多段に設け、個々の設定温度を変えてチャンバ内の温度勾配を制御するのが一般的であるが、そうすると、ヒータの継ぎ目に非発熱帯ができてしまう。
【００１１】
従って、ルツボ外壁部、強いてはルツボ内の上下方向の温度分布は、ヒータとの相対的な位置関係によって大きく異なってしまい、連続的に安定した凝固を行うことが困難であった。
【００１２】
また、単結晶を成長させるには、半導体融液を凝固させる際の熱流の向きが重要である。具体的には、ルツボ内の上方から下方への熱流において、サセプタ側面側ではなく、種結晶側へ熱流の向きを制御しなければならない。
【００１３】
この熱流を制御する方法として、多段に設置したヒータのうち、種結晶より下方に配置したヒータの設定温度を低くすることが一般的であるが、この方法だと、熱流の向きの制御は十分できず、加えて、チャンバ内の熱環境までも変化させてしまうため、再現性が乏しい。
【００１４】
以上の観点から、従来の半導体結晶の製造方法では、単結晶の半導体結晶の製造に際して安定した歩留りを得ることが困難であった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる半導体結晶の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、外周にヒータが配置されたサセプタ内にルツボを収容し、該ルツボの底部に種結晶を配置すると共に前記ルツボ内に半導体融液を収容し、前記半導体融液を前記種結晶と接触させた状態で、前記ヒータと前記ルツボを相対的に移動させるか或いは前記ヒータに上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したまま前記ヒータの温度を下降させて、前記種結晶側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、前記サセプタ側に、前記半導体融液の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材を設ける半導体結晶の製造方法である。
【００１７】
請求項２の発明は、前記ルツボの側壁外周部に、前記熱流制御部材を設ける請求項１に記載の半導体結晶の製造方法である。
【００１８】
請求項３の発明は、前記サセプタの内部底面に、前記熱流制御部材を設ける請求項２に記載の半導体結晶の製造方法である。
【００１９】
請求項４の発明は、前記熱流制御部材は、アルミナからなる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【図２】従来の半導体結晶の製造方法で用いていた結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
先ず、本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉を説明する。
【００２４】
図１は、本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【００２５】
図１に示すように、結晶成長炉１は、成長させる半導体結晶の原料を収容するルツボ２と、ルツボ２を収容するサセプタ３と、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４と、サセプタ３の外周に配置され、ルツボ２を側面から加熱する複数のヒータ（外周加熱ヒータ）５とを備える。ヒータ５は、図示例では、結晶成長炉１内に上方から下方へ順次配置された４つのヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから構成されている。
【００２６】
さらに、結晶成長炉１は、ヒータ５が発する熱の結晶成長炉１の外部への伝熱を防止する複数の断熱材６ａと、上部のヒータ５ａ，５ｂと下部のヒータ５ｃ，５ｄとの間に設けられる断熱材６ｂと、これら断熱材６ａ，６ｂなどを覆うチャンバ７とを備える。
【００２７】
ルツボ２は、円筒体状の直胴部８と、直胴部８の下端に連続して設けられ、下方に向かって漸次縮径して形成された円錐筒体状の傾斜部９と、傾斜部９に連続して設けられ、半導体結晶の種結晶１０を収容する種結晶配置部としての有底円筒体状の細径部１１とからなる。
【００２８】
すなわち、ルツボ２は、細径部１１を底部に有すると共に、直胴部８の上端にルツボ開口部を有する。ルツボ２の直胴部８は、一例として、直径１６０ｍｍ、高さ３００ｍｍの円筒である。ルツボ２は、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）からなる。
【００２９】
ルツボ２の細径部１１には、種結晶１０が収容される。また、ルツボ２には、ルツボ開口部から導入される半導体結晶の原料と、必要に応じてｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとが所定量ずつ収容される。半導体結晶の原料には、成長させる半導体結晶の多結晶を用いる。また、ルツボ２には、Ｂ2Ｏ3などの液体封止剤をさらに収容してもよい。
【００３０】
ルツボ２を保持して収容するサセプタ３は、サセプタ３の下面がサセプタ支持部材４に接触するように、サセプタ支持部材４の上に搭載される。サセプタ３を搭載するサセプタ支持部材４は、結晶成長炉１内で昇降及び回転ができるように設けられている。これにより、結晶成長中にルツボ２を回転させて、ルツボ２内の温度分布を緩やかに、かつ、一定に保つことができる。
【００３１】
本発明においては、サセプタ３側、具体的にはルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３とに、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設ける。熱流制御部材１５としては、例えば、ＧａＡｓの単結晶を成長させる際には、ＧａＡｓの熱伝導率は５５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるので、これよりも熱伝導率が低いアルミナ（Ａｌ2Ｏ3、熱伝導率：２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を用いるとよい。
【００３２】
結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される複数のヒータ５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、サセプタ３の周囲を囲むように結晶成長炉１の内部の所定の高さの位置にそれぞれ配置される。複数のヒータ５の設定温度は、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って順次、低下するように設定される。つまり、ヒータ５ａの温度が最も高く、ヒータ５ｄの温度が最も低く設定される。
【００３３】
ヒータ５は、一例として、グラファイトなどの材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。また、ヒータ５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ヒータ、赤外線加熱ヒータ、ＲＦコイルで加熱した発熱体を２次ヒータとして用いるヒータなどで構成することもできる。
【００３４】
断熱材６ａは、複数のヒータ５の外側を包囲して設けられる。断熱材６ａを設けることにより、複数のヒータ５が発した熱を、ルツボ２に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６ｂは、上部のヒータ５ａ，５ｂと下部のヒータ５ｃ，５ｄとの間に所定の温度差を確保するために配置されるが、設置が必ず必要というわけではない。
【００３５】
断熱材６ａ，６ｂは、一例として、グラファイトの成型材から構成される。また、断熱材６ａ，６ｂは、アルミナ材、グラスウール、耐火レンガなどで構成することもできる。
【００３６】
チャンバ７は、ルツボ２と、ルツボ２を収容するサセプタ３と、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４と、複数のヒータ５と、断熱材６ａ及び断熱材６ｂとを密閉する。結晶成長炉１は、チャンバ７内の雰囲気を所定のガス雰囲気に設定する機構と、チャンバ７内の圧力を一定値に保つガス圧制御機構とを有する。
【００３７】
結晶成長炉１は、ＶＢ法で単結晶の半導体結晶を成長させるものである。結晶成長炉１で成長させる半導体結晶は、一例として、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓやＩｎＰの単結晶である。
【００３８】
この結晶成長炉１を用いて半導体結晶を製造する際には、ヒータ５の加熱により、ルツボ２内に収容したドーパントを含む半導体結晶の原料を所定の温度で融解した半導体融液１４を、ルツボ２の底部に設置された種結晶１０と接触させた状態で、種結晶１０側のルツボ２の下端を、ルツボ２の上端（ルツボ開口部側）よりも低温に保持しつつ、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４を回転させながら徐々に下降させる。
【００３９】
ルツボ２内では融解した半導体結晶の原料の半導体融液１４が細径部１１の種結晶１０と接触して単結晶の成長を開始し、種結晶１０側から結晶成長炉１の上方に向かって半導体融液１４が徐々に固化し、単結晶の半導体結晶が成長されていく。
【００４０】
このとき、結晶成長炉１は、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４の急激な温度変化を抑制し、かつ熱流を制御することができる。
【００４１】
具体的には、ルツボ２の側壁外周部１２に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、ルツボ２の外周部での熱の授受を鈍らせ、サセプタ３の外部で生じる温度分布の変化、すなわち、サセプタ３の周囲を囲むそれぞれのヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの継ぎ目に生じる非発熱帯による温度分布の変化によって、半導体融液１４に急激な温度変化を生じさせるのを防止できる。
【００４２】
また、サセプタ３の内部底面１３に、熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４を凝固させる際のルツボ２の上方から下方への熱流において、ルツボ２の上方からルツボ２の側壁外周部１２側（ルツボ２の傾斜部９側）ではなく、種結晶１０側（ルツボ２の中心側）へ熱流を制御することができる。種結晶１０側へ熱流を制御すると良い理由を以下に述べる。
【００４３】
従来の結晶成長炉では、単結晶の半導体結晶を成長させる過程において、熱歪みに起因する結晶格子のズレにより、転位が発生していた。転位が発生すると多結晶化し、良質な単結晶が得られない。
【００４４】
この転位は、固液界面（半導体融液１４が凝固した半導体結晶と、半導体融液１４との界面）に対して垂直に伝播していくため、転位が固液界面の複数箇所で発生しても単結晶の中心に集積せず結晶外へ出ていくように固液界面の形状を半導体融液１４側に凸形状となるように半導体融液１４を凝固させる必要がある。
【００４５】
しかし、半導体融液１４は、低温な部分ほど速く凝固するため、熱が逃げやすいルツボ２の側壁外周部１２側の方がルツボ２の中心側に比べて速く凝固する。そのため、固液界面の形状が半導体融液１４側に凹形状となってしまう。
【００４６】
これを防止するためには、熱をルツボ２の側壁外周部１２側ではなく、種結晶１０側に逃がす（ルツボ２の側壁外周部１２側よりも種結晶１０側を低温にする）必要がある。
【００４７】
そのため、本発明においては、サセプタ３の内部底面１３に熱流制御部材１５を設けて種結晶１０側へ熱流を制御するようにしている。
【００４８】
以上要するに、本発明の半導体結晶の製造方法によれば、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４の急激な温度変化を抑制でき、かつ熱流を制御でき、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる。
【００４９】
具体的には、ルツボ２の側壁外周部１２に熱流制御部材１５を設けているため、非発熱帯の近傍であっても半導体融液１４の急激な温度変化を抑制することができ、結晶成長を安定に進行させることができる。
【００５０】
また、サセプタ３の内部底面１３に、熱流制御部材１５を設けているため、固液界面の形状を半導体融液１４側に凸形状となるように半導体融液１４を凝固させることができ、結晶成長を安定に進行させることができる。
【００５１】
また、半導体結晶の半導体融液１４が大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバ７に圧力容器を用いるようにしてもよい。チャンバ７に圧力容器を用いることにより、半導体結晶の半導体融液１４が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、液体封止剤を用いると同時に、チャンバ内を解離圧以上の圧力に設定することにより、半導体融液１４の解離を防止して単結晶の半導体結晶を成長させることができる。
【００５２】
また、ルツボ２の全体を石英などから形成されたアンプルに封入するようにしてもよい。この場合、ルツボ２を封入したアンプルを結晶成長炉１内の所定の位置に設置して、単結晶の半導体結晶を成長させる。
【００５３】
上記の実施の形態では、サセプタ支持部材４を回転させながら徐々に降下させることにより単結晶を成長させているが、半導体結晶の製造方法はこれに限られない。例えば、複数のヒータ５の設定温度を、温度勾配を維持したまま所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２内の温度を低下させ、ルツボ２内の半導体融液１４から単結晶を成長させる、所謂ＶＧＦ法により半導体結晶を製造するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、ＧａＡｓやＩｎＰの単結晶だけではなく、他のIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることもできる。例えば、本発明を用いて、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂなどの半導体結晶の単結晶を成長させることができる。また、本発明を用いてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶の成長にも応用が可能である。
【００５５】
さらに、III−Ｖ族化合物半導体結晶以外にも、ＺｎＳｅやＣｄＴｅなどのII−VI族化合物半導体結晶、ＳｉやＧｅなどのIV族化合物半導体結晶の成長にも応用が可能である。また、各種の金属結晶や酸化物結晶、フッ化物結晶といった半導体結晶以外の材料の結晶成長にも同様の効果が期待できる。
【００５６】
上記の実施の形態では、熱流制御部材１５を、ルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３に設けたが、熱流制御部材１５の配置箇所はこれに限るものではなく、例えば、サセプタ３の側壁外周やサセプタ３の外部底面などに設けるようにしてもよい。
【００５７】
また、上記の実施の形態では、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５、具体的にはアルミナを設けたが、ＧａＡｓの融点以上の温度で液体である三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）を容器に収容して熱流制御部材１５としても本発明と同様の効果を期待できる。これは、一般に固体→液体→気体と変化するにつれて熱伝導率が大きく低下するため、半導体結晶の融点以上で液体であるＢ2Ｏ3ならば結晶成長時に半導体融液１４よりも熱伝導率が小さくなり好適だからである。Ｂ2Ｏ3以外でも熱伝導率が半導体融液１４より低い物質であれば同様に用いることができる。
【００５８】
本発明は、ＶＢ法、ＶＧＦ法の他に、ＶＢ法の変形例であるブリッジマン−ストックバーガー（Ｂｒｉｄｇｍａｎ−Ｓｔｏｃｋｂａｒｇａｒ）法や、ルツボに対して炉体を移動させることで結晶成長を行う垂直炉体移動（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＶＴＦ）法に適用することができる。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
本実施例では、図１に示した結晶成長炉１を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った例を説明する。
【００６０】
直胴部８の直径１６０ｍｍ、直胴部８の高さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２の下部の細径部１１に、種結晶１０を収容した後、原料として別工程で合成した塊状のＧａＡｓ多結晶を２４，０００ｇ充填し、さらにドーパントとして７．２ｇのＳｉと、液体封止剤としてＢ2Ｏ3を４００ｇ収容した。
【００６１】
このルツボ２をグラファイト製のサセプタ３に収容し、さらにサセプタ３を、結晶成長炉１内で昇降並びに回転自在なサセプタ支持部材４の上に載置した。そのサセプタ３の側壁内周部、すなわちルツボ２の側壁外周部１２にアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を、サセプタ３の内部底面１３にアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた。
【００６２】
その後、結晶成長炉１を密閉して炉内を窒素ガス雰囲気にガス置換し、次に各ヒータ５を通電加熱することにより、ＧａＡｓ多結晶を融解して、ＧａＡｓの半導体融液１４とした。原料の融解を開始するにあたり、ルツボ２を２ｒｐｍの速度で回転させた。
【００６３】
このルツボ回転は、結晶成長が終了するまで続けた。ヒータ５を加熱する過程で、炉内の雰囲気ガスは体積膨張するが、炉内の圧力が０．８ＭＰａを超えないように、圧力の自動制御を行った。このガス圧制御は、結晶成長中も常に０．８ＭＰａの圧力が保持されるように、連続的に行った。
【００６４】
ルツボ２内に一緒に収容したＢ2Ｏ3は、ＧａＡｓ多結晶が融解するよりも早く軟化し、透明な水飴状になって融液の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑えることができた。
【００６５】
ＧａＡｓ多結晶が完全に融解した後、サセプタ３の外周に配置した４台のヒータ５の設定温度を上から順にそれぞれ１２８０℃、１２５０℃、１１００℃、１０００℃にして、融液温度が安定するまで６ｈ保持した。このとき、ヒータ５に対するルツボ２の位置は、予め熱電対を炉内に挿入して計測した温度分布を元に、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、丁度種結晶１０の上部にかかるようにし、種結晶１０が全て融解してしまわないようにした。
【００６６】
炉内の温度が安定したところで、ルツボ２を４ｍｍ／ｈの速度で回転させながら、ゆっくりと降下させた。その後、約２．５日かけて、ルツボ２を２４０ｍｍ降下させたところで降下を止め、その後各ヒータ５の温度が９５０℃になるように２４ｈかけて徐冷した後、４００℃まで各ヒータ５の温度を−２０℃／ｈの速度で冷却、さらにヒータ５の電源を落として室温まで冷却した。
【００６７】
冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、全長に亘って単結晶となっていることが確認できた。
【００６８】
また、上記と同じ結晶成長条件にて、連続して２０回の結晶成長を行い、全ての結晶がその全長に亘って単結晶となっていることを確認した。
【００６９】
（実施例２）
図１に示した結晶成長炉１において、ルツボ２の側壁外周部１２にのみアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を設けた結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。ルツボ２の側壁外周部１２にのみアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を設けた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を行った。
【００７０】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、結晶の傾斜部（肩部）から直胴部に移行する過程で多結晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７１】
また、２回目の成長では、全長に亘って単結晶を得ることができた。同様に計１０回の成長を行ったところ、７本の結晶は全長に亘って単結晶を得られたが、３本の結晶は直胴部途中から多結晶の発生が見られた。
【００７２】
（実施例３）
図１に示した結晶成長炉１において、サセプタ３の内部底面１３にのみアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。サセプタ３の内部底面１３にのみアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を行った。
【００７３】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、肩口から双晶の発生が見られた。
【００７４】
また、２，３，４回目の成長では、全長に亘って単結晶を得ることができたが、５回目の成長で、結晶の傾斜部から直胴部に移行する過程で、多結晶が発生してしまった。
【００７５】
同様に計１０回の成長を行ったところ、６本の結晶は全長に亘って単結晶が得られたが、２本の結晶は直胴部の途中から多結晶の発生が見られ、残りの２本の結晶は、肩口から双晶の発生が見られた。
【００７６】
（比較例１）
図２に示した従来の結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。結晶成長炉を変えた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を３回行った。
【００７７】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、結晶の傾斜部（肩部）から直胴部に移行する過程で双晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７８】
また、２回目の成長では、結晶の傾斜部から直胴部に移行する過程で、多結晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７９】
３回目の成長は、直胴部の途中で多結晶が発生してしまい、全長に亘って単結晶を得ることができなかった。全３回の成長で単結晶を得ることができなかった。
【００８０】
以上より、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けることで、半導体融液１４を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、従来に比べて単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できることが分かる。
【００８１】
さらに、ルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３とに熱流制御部材１５を設けることで、単結晶の半導体結晶をより歩留り良く製造できることが分かる。
【符号の説明】
【００８２】
２ ルツボ
３ サセプタ
５ ヒータ
１０ 種結晶
１３ 底部
１４ 半導体融液
１５ 熱流制御部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させて結晶を成長させる半導体結晶の製造方法に係り、特に、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる半導体結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、III−Ｖ族化合物半導体結晶などの結晶製造方法として、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより単結晶の半導体結晶を製造する垂直ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法、及び垂直温度勾配凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法が知られている。
【０００３】
従来のＶＢ法では、図２に示すように、ｐＢＮ製のルツボ２１の底部に種結晶２２を配置し、さらにルツボ２１内にIII−Ｖ族化合物半導体の多結晶原料を収容する。そして、このルツボ２１を、ルツボ収容容器（以下、サセプタという）２３内に収容して、チャンバ２４内のサセプタ支持部材２５上に載置する。サセプタ２３の外周部には、複数の加熱用のヒータ２６が設置されており、これらヒータ２６の温度は、下方が上方よりも低温となるような温度勾配を持つように調整されている。
【０００４】
結晶成長は、先ずヒータ２６でルツボ２１内の多結晶原料を加熱して融解させ、III−Ｖ族化合物半導体の半導体融液２７を作製し、その後、サセプタ支持部材２５を下降させてサセプタ２３を徐々に下降させることにより、ルツボ２１内で種結晶２２と同じ方位を持ったIII−Ｖ族化合物半導体の単結晶を、下方から上方に向けて凝固成長させていくことにより行われる。
【０００５】
以上はＶＢ法による半導体結晶の製造方法の例であるが、ＶＧＦ法においては、上記と同様に下方が上方よりも低温となるような温度勾配を持つチャンバ２４内で、この温度勾配を維持したまま、ヒータ２６の温度を徐々に下降させることにより、結晶成長が行われる。
【０００６】
これらＶＢ法或いはＶＧＦ法などでは、比較的大口径で、かつ結晶中の転位密度の低い単結晶を成長させることができることから、半導体結晶、特に、III−Ｖ族化合物半導体結晶の製造方法として広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【特許文献２】特許第２６６４０８５号公報
【特許文献３】特許第２８５０５８１号公報
【特許文献４】特許第３３９１５０３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｗ．Ａ．Ｇａｕｌｔ、「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ III−Ｖ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１９８６、Ｖｏｌ．７４、ｐ．４９１
【非特許文献２】干川圭吾、日本結晶成長学会誌、１９９３年、２０−１、ｐ４９
【非特許文献３】干川圭吾著、「バルク結晶成長技術」、培風館、１９９４年５月２０日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体結晶の結晶成長において、単結晶を得るためには、種結晶と接触する半導体融液から成長を開始させ、半導体融液を下方から上方にゆっくりと凝固させ、結晶成長を安定に進行させる必要がある。そのためには、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制する必要がある。これができないと、双晶や多結晶が高確率で発生してしまう。
【００１０】
従来の半導体結晶の製造方法では、ルツボ内の半導体融液の上下方向に温度勾配を設けるために、円筒状の複数のヒータを多段に設け、個々の設定温度を変えてチャンバ内の温度勾配を制御するのが一般的であるが、そうすると、ヒータの継ぎ目に非発熱帯ができてしまう。
【００１１】
従って、ルツボ外壁部、強いてはルツボ内の上下方向の温度分布は、ヒータとの相対的な位置関係によって大きく異なってしまい、連続的に安定した凝固を行うことが困難であった。
【００１２】
また、単結晶を成長させるには、半導体融液を凝固させる際の熱流の向きが重要である。具体的には、ルツボ内の上方から下方への熱流において、サセプタ側面側ではなく、種結晶側へ熱流の向きを制御しなければならない。
【００１３】
この熱流を制御する方法として、多段に設置したヒータのうち、種結晶より下方に配置したヒータの設定温度を低くすることが一般的であるが、この方法だと、熱流の向きの制御は十分できず、加えて、チャンバ内の熱環境までも変化させてしまうため、再現性が乏しい。
【００１４】
以上の観点から、従来の半導体結晶の製造方法では、単結晶の半導体結晶の製造に際して安定した歩留りを得ることが困難であった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる半導体結晶の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、外周にヒータが配置されたサセプタ内にルツボを収容し、該ルツボの底部に種結晶を配置すると共に前記ルツボ内に半導体融液を収容し、前記半導体融液を前記種結晶と接触させた状態で、前記ヒータと前記ルツボを相対的に移動させるか或いは前記ヒータに上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したまま前記ヒータの温度を下降させて、前記種結晶側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、前記サセプタ側に、前記半導体融液の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材を設ける半導体結晶の製造方法である。
【００１７】
請求項２の発明は、前記ルツボの側壁外周部に、前記熱流制御部材を設ける請求項１に記載の半導体結晶の製造方法である。
【００１８】
請求項３の発明は、前記サセプタの内部底面に、前記熱流制御部材を設ける請求項２に記載の半導体結晶の製造方法である。
【００１９】
請求項４の発明は、前記熱流制御部材は、アルミナからなる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体融液を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【図２】従来の半導体結晶の製造方法で用いていた結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
先ず、本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉を説明する。
【００２４】
図１は、本発明の半導体結晶の製造方法で用いる結晶成長炉の構成を示す断面模式図である。
【００２５】
図１に示すように、結晶成長炉１は、成長させる半導体結晶の原料を収容するルツボ２と、ルツボ２を収容するサセプタ３と、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４と、サセプタ３の外周に配置され、ルツボ２を側面から加熱する複数のヒータ（外周加熱ヒータ）５とを備える。ヒータ５は、図示例では、結晶成長炉１内に上方から下方へ順次配置された４つのヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから構成されている。
【００２６】
さらに、結晶成長炉１は、ヒータ５が発する熱の結晶成長炉１の外部への伝熱を防止する複数の断熱材６ａと、上部のヒータ５ａ，５ｂと下部のヒータ５ｃ，５ｄとの間に設けられる断熱材６ｂと、これら断熱材６ａ，６ｂなどを覆うチャンバ７とを備える。
【００２７】
ルツボ２は、円筒体状の直胴部８と、直胴部８の下端に連続して設けられ、下方に向かって漸次縮径して形成された円錐筒体状の傾斜部９と、傾斜部９に連続して設けられ、半導体結晶の種結晶１０を収容する種結晶配置部としての有底円筒体状の細径部１１とからなる。
【００２８】
すなわち、ルツボ２は、細径部１１を底部に有すると共に、直胴部８の上端にルツボ開口部を有する。ルツボ２の直胴部８は、一例として、直径１６０ｍｍ、高さ３００ｍｍの円筒である。ルツボ２は、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）からなる。
【００２９】
ルツボ２の細径部１１には、種結晶１０が収容される。また、ルツボ２には、ルツボ開口部から導入される半導体結晶の原料と、必要に応じてｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとが所定量ずつ収容される。半導体結晶の原料には、成長させる半導体結晶の多結晶を用いる。また、ルツボ２には、Ｂ2Ｏ3などの液体封止剤をさらに収容してもよい。
【００３０】
ルツボ２を保持して収容するサセプタ３は、サセプタ３の下面がサセプタ支持部材４に接触するように、サセプタ支持部材４の上に搭載される。サセプタ３を搭載するサセプタ支持部材４は、結晶成長炉１内で昇降及び回転ができるように設けられている。これにより、結晶成長中にルツボ２を回転させて、ルツボ２内の温度分布を緩やかに、かつ、一定に保つことができる。
【００３１】
本発明においては、サセプタ３側、具体的にはルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３とに、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設ける。熱流制御部材１５としては、例えば、ＧａＡｓの単結晶を成長させる際には、ＧａＡｓの熱伝導率は５５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるので、これよりも熱伝導率が低いアルミナ（Ａｌ2Ｏ3、熱伝導率：２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を用いるとよい。
【００３２】
結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される複数のヒータ５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）は、サセプタ３の周囲を囲むように結晶成長炉１の内部の所定の高さの位置にそれぞれ配置される。複数のヒータ５の設定温度は、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って順次、低下するように設定される。つまり、ヒータ５ａの温度が最も高く、ヒータ５ｄの温度が最も低く設定される。
【００３３】
ヒータ５は、一例として、グラファイトなどの材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。また、ヒータ５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ヒータ、赤外線加熱ヒータ、ＲＦコイルで加熱した発熱体を２次ヒータとして用いるヒータなどで構成することもできる。
【００３４】
断熱材６ａは、複数のヒータ５の外側を包囲して設けられる。断熱材６ａを設けることにより、複数のヒータ５が発した熱を、ルツボ２に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６ｂは、上部のヒータ５ａ，５ｂと下部のヒータ５ｃ，５ｄとの間に所定の温度差を確保するために配置されるが、設置が必ず必要というわけではない。
【００３５】
断熱材６ａ，６ｂは、一例として、グラファイトの成型材から構成される。また、断熱材６ａ，６ｂは、アルミナ材、グラスウール、耐火レンガなどで構成することもできる。
【００３６】
チャンバ７は、ルツボ２と、ルツボ２を収容するサセプタ３と、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４と、複数のヒータ５と、断熱材６ａ及び断熱材６ｂとを密閉する。結晶成長炉１は、チャンバ７内の雰囲気を所定のガス雰囲気に設定する機構と、チャンバ７内の圧力を一定値に保つガス圧制御機構とを有する。
【００３７】
結晶成長炉１は、ＶＢ法で単結晶の半導体結晶を成長させるものである。結晶成長炉１で成長させる半導体結晶は、一例として、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓやＩｎＰの単結晶である。
【００３８】
この結晶成長炉１を用いて半導体結晶を製造する際には、ヒータ５の加熱により、ルツボ２内に収容したドーパントを含む半導体結晶の原料を所定の温度で融解した半導体融液１４を、ルツボ２の底部に設置された種結晶１０と接触させた状態で、種結晶１０側のルツボ２の下端を、ルツボ２の上端（ルツボ開口部側）よりも低温に保持しつつ、サセプタ３を保持するサセプタ支持部材４を回転させながら徐々に下降させる。
【００３９】
ルツボ２内では融解した半導体結晶の原料の半導体融液１４が細径部１１の種結晶１０と接触して単結晶の成長を開始し、種結晶１０側から結晶成長炉１の上方に向かって半導体融液１４が徐々に固化し、単結晶の半導体結晶が成長されていく。
【００４０】
このとき、結晶成長炉１は、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４の急激な温度変化を抑制し、かつ熱流を制御することができる。
【００４１】
具体的には、ルツボ２の側壁外周部１２に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、ルツボ２の外周部での熱の授受を鈍らせ、サセプタ３の外部で生じる温度分布の変化、すなわち、サセプタ３の周囲を囲むそれぞれのヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの継ぎ目に生じる非発熱帯による温度分布の変化によって、半導体融液１４に急激な温度変化を生じさせるのを防止できる。
【００４２】
また、サセプタ３の内部底面１３に、熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４を凝固させる際のルツボ２の上方から下方への熱流において、ルツボ２の上方からルツボ２の側壁外周部１２側（ルツボ２の傾斜部９側）ではなく、種結晶１０側（ルツボ２の中心側）へ熱流を制御することができる。種結晶１０側へ熱流を制御すると良い理由を以下に述べる。
【００４３】
従来の結晶成長炉では、単結晶の半導体結晶を成長させる過程において、熱歪みに起因する結晶格子のズレにより、転位が発生していた。転位が発生すると多結晶化し、良質な単結晶が得られない。
【００４４】
この転位は、固液界面（半導体融液１４が凝固した半導体結晶と、半導体融液１４との界面）に対して垂直に伝播していくため、転位が固液界面の複数箇所で発生しても単結晶の中心に集積せず結晶外へ出ていくように固液界面の形状を半導体融液１４側に凸形状となるように半導体融液１４を凝固させる必要がある。
【００４５】
しかし、半導体融液１４は、低温な部分ほど速く凝固するため、熱が逃げやすいルツボ２の側壁外周部１２側の方がルツボ２の中心側に比べて速く凝固する。そのため、固液界面の形状が半導体融液１４側に凹形状となってしまう。
【００４６】
これを防止するためには、熱をルツボ２の側壁外周部１２側ではなく、種結晶１０側に逃がす（ルツボ２の側壁外周部１２側よりも種結晶１０側を低温にする）必要がある。
【００４７】
そのため、本発明においては、サセプタ３の内部底面１３に熱流制御部材１５を設けて種結晶１０側へ熱流を制御するようにしている。
【００４８】
以上要するに、本発明の半導体結晶の製造方法によれば、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けているため、半導体融液１４の急激な温度変化を抑制でき、かつ熱流を制御でき、双晶や多結晶の発生を抑止し、単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できる。
【００４９】
具体的には、ルツボ２の側壁外周部１２に熱流制御部材１５を設けているため、非発熱帯の近傍であっても半導体融液１４の急激な温度変化を抑制することができ、結晶成長を安定に進行させることができる。
【００５０】
また、サセプタ３の内部底面１３に、熱流制御部材１５を設けているため、固液界面の形状を半導体融液１４側に凸形状となるように半導体融液１４を凝固させることができ、結晶成長を安定に進行させることができる。
【００５１】
また、半導体結晶の半導体融液１４が大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバ７に圧力容器を用いるようにしてもよい。チャンバ７に圧力容器を用いることにより、半導体結晶の半導体融液１４が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、液体封止剤を用いると同時に、チャンバ内を解離圧以上の圧力に設定することにより、半導体融液１４の解離を防止して単結晶の半導体結晶を成長させることができる。
【００５２】
また、ルツボ２の全体を石英などから形成されたアンプルに封入するようにしてもよい。この場合、ルツボ２を封入したアンプルを結晶成長炉１内の所定の位置に設置して、単結晶の半導体結晶を成長させる。
【００５３】
上記の実施の形態では、サセプタ支持部材４を回転させながら徐々に降下させることにより単結晶を成長させているが、半導体結晶の製造方法はこれに限られない。例えば、複数のヒータ５の設定温度を、温度勾配を維持したまま所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２内の温度を低下させ、ルツボ２内の半導体融液１４から単結晶を成長させる、所謂ＶＧＦ法により半導体結晶を製造するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、ＧａＡｓやＩｎＰの単結晶だけではなく、他のIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることもできる。例えば、本発明を用いて、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂなどの半導体結晶の単結晶を成長させることができる。また、本発明を用いてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶の成長にも応用が可能である。
【００５５】
さらに、III−Ｖ族化合物半導体結晶以外にも、ＺｎＳｅやＣｄＴｅなどのII−VI族化合物半導体結晶、ＳｉやＧｅなどのIV族化合物半導体結晶の成長にも応用が可能である。また、各種の金属結晶や酸化物結晶、フッ化物結晶といった半導体結晶以外の材料の結晶成長にも同様の効果が期待できる。
【００５６】
上記の実施の形態では、熱流制御部材１５を、ルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３に設けたが、熱流制御部材１５の配置箇所はこれに限るものではなく、例えば、サセプタ３の側壁外周やサセプタ３の外部底面などに設けるようにしてもよい。
【００５７】
また、上記の実施の形態では、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５、具体的にはアルミナを設けたが、ＧａＡｓの融点以上の温度で液体である三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）を容器に収容して熱流制御部材１５としても本発明と同様の効果を期待できる。これは、一般に固体→液体→気体と変化するにつれて熱伝導率が大きく低下するため、半導体結晶の融点以上で液体であるＢ2Ｏ3ならば結晶成長時に半導体融液１４よりも熱伝導率が小さくなり好適だからである。Ｂ2Ｏ3以外でも熱伝導率が半導体融液１４より低い物質であれば同様に用いることができる。
【００５８】
本発明は、ＶＢ法、ＶＧＦ法の他に、ＶＢ法の変形例であるブリッジマン−ストックバーガー（Ｂｒｉｄｇｍａｎ−Ｓｔｏｃｋｂａｒｇａｒ）法や、ルツボに対して炉体を移動させることで結晶成長を行う垂直炉体移動（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＶＴＦ）法に適用することができる。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
本実施例では、図１に示した結晶成長炉１を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った例を説明する。
【００６０】
直胴部８の直径１６０ｍｍ、直胴部８の高さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２の下部の細径部１１に、種結晶１０を収容した後、原料として別工程で合成した塊状のＧａＡｓ多結晶を２４，０００ｇ充填し、さらにドーパントとして７．２ｇのＳｉと、液体封止剤としてＢ2Ｏ3を４００ｇ収容した。
【００６１】
このルツボ２をグラファイト製のサセプタ３に収容し、さらにサセプタ３を、結晶成長炉１内で昇降並びに回転自在なサセプタ支持部材４の上に載置した。そのサセプタ３の側壁内周部、すなわちルツボ２の側壁外周部１２にアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を、サセプタ３の内部底面１３にアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた。
【００６２】
その後、結晶成長炉１を密閉して炉内を窒素ガス雰囲気にガス置換し、次に各ヒータ５を通電加熱することにより、ＧａＡｓ多結晶を融解して、ＧａＡｓの半導体融液１４とした。原料の融解を開始するにあたり、ルツボ２を２ｒｐｍの速度で回転させた。
【００６３】
このルツボ回転は、結晶成長が終了するまで続けた。ヒータ５を加熱する過程で、炉内の雰囲気ガスは体積膨張するが、炉内の圧力が０．８ＭＰａを超えないように、圧力の自動制御を行った。このガス圧制御は、結晶成長中も常に０．８ＭＰａの圧力が保持されるように、連続的に行った。
【００６４】
ルツボ２内に一緒に収容したＢ2Ｏ3は、ＧａＡｓ多結晶が融解するよりも早く軟化し、透明な水飴状になって融液の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑えることができた。
【００６５】
ＧａＡｓ多結晶が完全に融解した後、サセプタ３の外周に配置した４台のヒータ５の設定温度を上から順にそれぞれ１２８０℃、１２５０℃、１１００℃、１０００℃にして、融液温度が安定するまで６ｈ保持した。このとき、ヒータ５に対するルツボ２の位置は、予め熱電対を炉内に挿入して計測した温度分布を元に、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、丁度種結晶１０の上部にかかるようにし、種結晶１０が全て融解してしまわないようにした。
【００６６】
炉内の温度が安定したところで、ルツボ２を４ｍｍ／ｈの速度で回転させながら、ゆっくりと降下させた。その後、約２．５日かけて、ルツボ２を２４０ｍｍ降下させたところで降下を止め、その後各ヒータ５の温度が９５０℃になるように２４ｈかけて徐冷した後、４００℃まで各ヒータ５の温度を−２０℃／ｈの速度で冷却、さらにヒータ５の電源を落として室温まで冷却した。
【００６７】
冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、全長に亘って単結晶となっていることが確認できた。
【００６８】
また、上記と同じ結晶成長条件にて、連続して２０回の結晶成長を行い、全ての結晶がその全長に亘って単結晶となっていることを確認した。
【００６９】
（実施例２）
図１に示した結晶成長炉１において、ルツボ２の側壁外周部１２にのみアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を設けた結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。ルツボ２の側壁外周部１２にのみアルミナからなる円筒状の熱流制御部材１５を設けた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を行った。
【００７０】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、結晶の傾斜部（肩部）から直胴部に移行する過程で多結晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７１】
また、２回目の成長では、全長に亘って単結晶を得ることができた。同様に計１０回の成長を行ったところ、７本の結晶は全長に亘って単結晶を得られたが、３本の結晶は直胴部途中から多結晶の発生が見られた。
【００７２】
（実施例３）
図１に示した結晶成長炉１において、サセプタ３の内部底面１３にのみアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。サセプタ３の内部底面１３にのみアルミナからなるドーナツ状の熱流制御部材１５を設けた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を行った。
【００７３】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、肩口から双晶の発生が見られた。
【００７４】
また、２，３，４回目の成長では、全長に亘って単結晶を得ることができたが、５回目の成長で、結晶の傾斜部から直胴部に移行する過程で、多結晶が発生してしまった。
【００７５】
同様に計１０回の成長を行ったところ、６本の結晶は全長に亘って単結晶が得られたが、２本の結晶は直胴部の途中から多結晶の発生が見られ、残りの２本の結晶は、肩口から双晶の発生が見られた。
【００７６】
（比較例１）
図２に示した従来の結晶成長炉を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った。結晶成長炉を変えた以外は、実施例１と全く同じ条件で結晶成長を３回行った。
【００７７】
最初の成長では、冷却後、炉内から取り出した結晶を観察したところ、結晶の傾斜部（肩部）から直胴部に移行する過程で双晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７８】
また、２回目の成長では、結晶の傾斜部から直胴部に移行する過程で、多結晶が発生してしまい、単結晶を得ることができなかった。
【００７９】
３回目の成長は、直胴部の途中で多結晶が発生してしまい、全長に亘って単結晶を得ることができなかった。全３回の成長で単結晶を得ることができなかった。
【００８０】
以上より、サセプタ３側に、半導体融液１４の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材１５を設けることで、半導体融液１４を凝固させる過程での急激な温度変化を抑制して、双晶や多結晶の発生を抑止し、従来に比べて単結晶の半導体結晶を歩留り良く製造できることが分かる。
【００８１】
さらに、ルツボ２の側壁外周部１２とサセプタ３の内部底面１３とに熱流制御部材１５を設けることで、単結晶の半導体結晶をより歩留り良く製造できることが分かる。
【符号の説明】
【００８２】
２ ルツボ
３ サセプタ
５ ヒータ
１０ 種結晶
１３ 底部
１４ 半導体融液
１５ 熱流制御部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にヒータが配置されたサセプタ内にルツボを収容し、該ルツボの底部に種結晶を配置すると共に前記ルツボ内に半導体融液を収容し、前記半導体融液を前記種結晶と接触させた状態で、前記ヒータと前記ルツボを相対的に移動させるか或いは前記ヒータに上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したまま前記ヒータの温度を下降させて、前記種結晶側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、
前記サセプタ側に、前記半導体融液の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材を設けることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
前記ルツボの側壁外周部に、前記熱流制御部材を設ける請求項１に記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
前記サセプタの内部底面に、前記熱流制御部材を設ける請求項２に記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項４】
前記熱流制御部材は、アルミナからなる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項１】
外周にヒータが配置されたサセプタ内にルツボを収容し、該ルツボの底部に種結晶を配置すると共に前記ルツボ内に半導体融液を収容し、前記半導体融液を前記種結晶と接触させた状態で、前記ヒータと前記ルツボを相対的に移動させるか或いは前記ヒータに上下方向の温度勾配を持たせると共にその温度勾配を維持したまま前記ヒータの温度を下降させて、前記種結晶側から上方に向けて徐冷して徐々に固化させる半導体結晶の製造方法において、
前記サセプタ側に、前記半導体融液の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する熱流制御部材を設けることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
前記ルツボの側壁外周部に、前記熱流制御部材を設ける請求項１に記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
前記サセプタの内部底面に、前記熱流制御部材を設ける請求項２に記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項４】
前記熱流制御部材は、アルミナからなる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２６０７４７（Ｐ２０１０−２６０７４７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１１４１１（Ｐ２００９−１１１４１１）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]