半導体結晶製造方法
【課題】高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法および転位密度の均一な半導体結晶を提供する。
【解決手段】半導体結晶成長方法は、半導体の種結晶３０と半導体の原料とを収容した容器２０を加熱して、原料を半導体融液３４とする原料融解工程と、容器２０の種結晶３０側の一端３０ａを、種結晶３０を収容している側とは反対側の容器２０の他端２０ａよりも低温に保持する温度保持工程と、種結晶３０側の半導体融液３４の温度の降下量を、他端２０ａ側の半導体融液３４の温度の降下量よりも少なくした状態で半導体融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側から容器２０の他端２０ａに向けて半導体融液３４を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える。
【解決手段】半導体結晶成長方法は、半導体の種結晶３０と半導体の原料とを収容した容器２０を加熱して、原料を半導体融液３４とする原料融解工程と、容器２０の種結晶３０側の一端３０ａを、種結晶３０を収容している側とは反対側の容器２０の他端２０ａよりも低温に保持する温度保持工程と、種結晶３０側の半導体融液３４の温度の降下量を、他端２０ａ側の半導体融液３４の温度の降下量よりも少なくした状態で半導体融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側から容器２０の他端２０ａに向けて半導体融液３４を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶製造方法に関する。特に、本発明は、半導体融液から成長する半導体結晶のインゴット全長にわたって欠陥密度を低減させる半導体結晶製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶等の結晶成長方法として、半導体融液をボートやルツボ等の容器に収容して、半導体融液の一端に種結晶を接触させた状態で種結晶側から容器の他端に向けて徐々に半導体融液を固化させることにより単結晶を成長させる結晶成長技術が開発されている。
【０００３】
例えば、横型のボートに半導体融液を収容して結晶成長を実施する、水平ブリッジマン（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＨＢ）法、水平温度勾配凝固（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＧＦ）法、水平炉体移動（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＴＦ）法、水平帯溶融凝固（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔ：ＺＭ）法等がある。また、縦型のルツボの下端に種結晶を搭載すると共に半導体融液を収容して、ルツボの下方から上方に向けて結晶を成長させる縦型成長法として、垂直ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法、垂直温度勾配凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法、垂直帯溶融凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔ：ＶＺＭ）法がある。更には、縦型のルツボに収容した半導体融液に種結晶を接触させて、上方から下方に結晶を成長させるカイロポーラス（Ｋｙｒｏｐｕｌｏｓ）法、液体封止技術とカイロポーラス法とを組み合わせた液体封止カイロポーラス（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｋｙｒｏｐｕｌｏｓ：ＬＥＫ）法が知られている。
【０００４】
そして、例えば、特許文献１には、原料融液を収容する容器と、容器の周囲に配置した温度勾配炉と、温度勾配炉を容器に対して相対的に移動する手段とを有し、容器の一端から固化成長させる単結晶の製造装置において、容器の壁内にＢ２Ｏ３を含有させたＢＮ製容器を用いた単結晶の製造装置が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載の単結晶製造装置によれば、使用時にＢＮ製容器の壁面から徐々にＢ２Ｏ３が染み出してＢ２Ｏ３膜でルツボの壁面が覆われるので、原料融液とルツボ表面の凹凸壁面とが接触することにより生じる結晶核の発生を防止できる。
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の化合物半導体結晶の製造技術や特許文献１に記載の従来の化合物半導体結晶の製造装置では、結晶内部に発生する転位欠陥の密度が十分に低減できず、結晶成長方向に沿って結晶内部の欠陥密度の分布が大きく変化する場合があった。そして、結晶内部の欠陥の発生が甚だしい場合、双晶及び多結晶が結晶成長中に生成する場合があった。更に、結晶成長ごとに欠陥密度及び欠陥密度の分布形態がばらつくことがあり、低欠陥の単結晶を再現性よく得ることが困難であった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、結晶欠陥が少なく高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、発明者が得た以下の知見によりなされたものである。すなわち、まず、従来の化合物半導体結晶成長方法では、結晶成長の全域にわたり、結晶成長界面が略一定の温度勾配下を通過するか、あるいは略一定の温度勾配を維持しつつヒータ温度が降下する。単結晶の成長を開始するためには、種結晶のみから確実に結晶の成長が開始されなければならい。そのため、半導体融液はある程度の温度勾配下になければならない。この場合に、半導体融液内の温度勾配が緩やかすぎると、結晶成長開始時に種結晶以外の場所に結晶核が析出する。結晶核が析出すると、単結晶の成長が阻害される。一方、この温度勾配を急にしすぎると、凝固した結晶内部に熱歪みが生じ、転位などの結晶欠陥が生じる原因となる。
【０００９】
しかしながら、結晶成長の初期は、半導体融液を単結晶の成長に必要な比較的大きい温度勾配下に置く必要があるが、凝固する結晶がまだ小さい間は、成長した結晶内部に生じる温度差もわずかであり、成長した結晶中の熱応力はそれほど大きくない。したがって、成長した結晶中に結晶欠陥も生じにくいと本発明者は考察した。更に、結晶成長が進行して、成長した結晶の領域の体積が増加すると、半導体融液から成長した結晶へと伝搬する熱流も安定するので、半導体融液中の温度勾配を緩やかにしても、単結晶の成長は阻害されることなく続けることができる。そして、温度勾配を緩やかにすることにより、体積が増加した成長結晶の内部に生じる温度差も低減することができるので、成長した結晶中の結晶欠陥の発生も大幅に抑制できると本発明者は考察した。このような考察により、本発明者は、連続的に進行する結晶成長中に、上述した温度勾配の緩和も連続的に制御する、すなわち、結晶成長の初期段階と、後期段階とで、半導体融液中の温度勾配を徐々に変化させるという知見に至った。
【００１０】
したがって、本発明は、上記目的を達成するため、半導体の種結晶と半導体の原料とを収容した容器を加熱して、原料を半導体融液とする原料融解工程と、容器の種結晶側の一端を、種結晶を収容している側とは反対側の容器の他端よりも低温に保持する温度保持工程と、種結晶側の半導体融液の温度の降下量を、他端側の半導体融液の温度の降下量よりも少なくした状態で半導体融液の温度を降下させて、種結晶側から容器の他端に向けて半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【００１１】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、種結晶側の半導体融液の温度の降下速度を、他端側の半導体融液の温度の降下速度よりも遅くした状態で、半導体融液の温度を降下させて半導体融液を固化させてもよい。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、複数個の加熱用ヒータを備える結晶成長炉内に、種結晶を収容した種結晶配置部を有すると共に、半導体の原料を収容した結晶成長用の容器を収容する容器収容工程と、容器に収容した原料が融解した半導体融液に種結晶を接触させた状態で、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度の降下量を、容器の種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下量よりも少なくした状態で、半導体融液の温度を降下させて、種結晶側から容器の他端に向けて半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【００１３】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度よりも遅くした状態で、半導体融液の温度を降下させてもよい。
【００１４】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度を一定に保ちつつ、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度を降下させて、半導体融液の温度を降下させてもよい。
【００１５】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側の加熱温度と、種結晶配置部とは別の端部の加熱温度とを制御して、結晶成長中の半導体融液内の結晶成長方向（容器の長手方向）の温度勾配を、結晶成長の進行につれて結晶成長の開始時よりも小さくしてもよく、結晶成長工程は、容器の種結晶側の加熱温度を略一定に保持してもよい。
【００１６】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くしてもよい。あるいは、結晶成長工程は、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にしてもよい。
【００１７】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、結晶成長中の半導体融液内の結晶成長方向（容器の長手方向）の温度勾配を、結晶成長の進行につれて結晶成長の開始時よりも小さくすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にしてもよい。
【００１８】
また、上記半導体結晶成長方法において、半導体融液を収容する容器が水平に載置され、容器の一端に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が水平方向に進行する水平ボート法を用いてもよく、又は、半導体融液を収容する容器が垂直に保持され、容器の下端に設けられた種結晶収容部に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が下方から上方に向けて進行する縦型ボート法を用いてもよい。若しくは、半導体融液を収容する容器が垂直に保持され、容器の上端に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を用いてもよい。
【００１９】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長炉は、容器を包囲する位置に配置されて容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータと、容器の側面を除く端面を加熱する位置に配置されて容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータとを有してもよい。
【００２０】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長炉は、容器を包囲する位置に配置されて容器を加熱する加熱用ヒータと、容器の長手方向に対して垂直な位置に発熱面を含み、容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータとを有してもよい。
【００２１】
また、上記半導体結晶成長方法において、容器は、断面が円形であり、結晶成長工程は、半導体融液及び半導体融液から成長する成長結晶内の等温面が略平坦に維持された状態で結晶成長が進行するように、半導体融液を凝固させてもよい。
【００２２】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長中において、容器を包囲して配置されている加熱用ヒータの温度が、容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度よりも低い温度に保持されてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体結晶成長方法によれば、結晶欠陥が少なく高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することができ、更には、転位密度の均一な半導体結晶を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００２５】
（結晶成長炉１の構造）
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ２０と、ルツボ２０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ５０と、サセプタ５０を収容して保持するサセプタ支持部材５５と、ルツボ２０を上部から加熱する上部加熱部としての上部加熱ヒータ１０と、ルツボ２０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１２とを備える。
【００２６】
更に、結晶成長炉１は、加熱用ヒータとしての上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２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６０と、一の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｂ）と他の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｃ）との間に設けられる断熱材６２と、複数の断熱材６０及び断熱材６２等を外部から覆うチャンバー７０とを備える。
【００２７】
本実施形態に係る結晶成長炉１は、ＶＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した原料融液としての融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉１で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００２８】
ルツボ２０は、化合物半導体結晶の種結晶３０を収容する種結晶配置部としての細径部２５と、所定の角度で細径部２５に連続して設けられる傾斜部２６と、傾斜部２６に連続して設けられ、細径部２５の長手方向と略平行な部分を含む断面円形の直胴部２７とを有する。ルツボ２０の直胴部２７は、上面視において略円形状であり、一例として、直径１６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの略円筒形に形成される。また、ルツボ２０は、熱分解窒化ホウ素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）から形成される。なお、ルツボ２０は石英から形成することもできる。
【００２９】
すなわち、ルツボ２０は細径部２５を底部に有すると共に、略円筒形状の直胴部２７の端部にルツボ２０の内部を露出するルツボ開口部２２を有する。ルツボ２０は、細径部２５に種結晶３０を収容すると共に、ルツボ開口部２２から導入された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、ルツボ２０は、Ｂ２Ｏ３等の液体封止剤４０を更に収容する。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００３０】
ルツボ２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液３４が細径部２５の種結晶３０と接触して単結晶の成長が開始される。そして、ルツボ２０内において、種結晶３０の側から結晶成長炉１の上方に向かって、成長結晶３２として徐々に成長していく。
【００３１】
サセプタ５０はグラファイトから形成され、ルツボ２０を保持して収容する。また、サセプタ支持部材５５は、結晶成長炉１内で昇降及び回転が自在にできるように設けられる。そして、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載されて保持される。この場合に、サセプタ５０の下方のサセプタ下部５２がサセプタ支持部材５５に接触して、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載される。これにより、ルツボ２０内の温度分布を緩やか、かつ、一定に保つことを目的として、結晶成長中にルツボ２０を回転させることができる。
【００３２】
複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、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。この場合に、複数の外周加熱ヒータ１２は、サセプタ５０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。具体的には、外周加熱ヒータ１２ａと、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｂと、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｃと、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｄとが、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。
【００３３】
そして、複数の外周加熱ヒータ１２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。すなわち、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度が設定される。
【００３４】
上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、種結晶３０が収容される細径部２５よりもルツボ開口部２２の近くに配置される。そして、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０内の融液３４を、サセプタ上部５１及びルツボ開口部２２の側から加熱する。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０の側面を加熱せずに、端面を加熱する。なお、上部加熱ヒータ１０は、発熱面を有しており、当該発熱面が、ルツボ２０の長手方向に略垂直に配置される。換言すると、当該発熱面が、ルツボ２０が収容する融液３４の液面と略水平に配置される。
【００３５】
上部加熱ヒータ１０は、融液３４を加熱する熱を融液３４の上方から供給することにより、ルツボ２０の上方から下方への一方向に熱流が流れるようにする。すなわち、ルツボ２０内の融液３４を通過する熱流が、ルツボ開口部２２側から種結晶３０の側に向かって略直線となるように、上部加熱ヒータ１０は、所定の熱量の熱を融液３４の上方から供給する。
【００３６】
また、上部加熱ヒータ１０の設定温度は、複数の外周加熱ヒータ１２のいずれの設定温度よりも高く設定される。なお、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される限り、その形状及び大きさ、並びに外周加熱ヒータ１２に対する位置は問わない。なお、結晶成長炉１は、サセプタ下部５２の側からルツボ２０を加熱する下部加熱ヒータを更に備えて形成することもできる。下部加熱ヒータは、その加熱面が、ルツボ２０内の融液３４の液面と略平行となるようにチャンバー７０内に配置される。
【００３７】
上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。なお、上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、カーボンヒータ、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等で構成することもできる。
【００３８】
断熱材６０は、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０の外側を包囲して設けられる。断熱材６０を設けることにより、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０が発した熱を、ルツボ２０に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６２は、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差を確保するために、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間に配置される。なお、断熱材６２を設置しなくても一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差が確保される場合、断熱材６２を省略することができる。
【００３９】
断熱材６２は、一例として、グラファイトの成型材から形成される。また、断熱材６２は、アルミナ材、グラスウール、又は耐火レンガ等から形成することもできる。
【００４０】
チャンバー７０は、ルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０を保持するサセプタ支持部材５５と、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２と、断熱材６０及び断熱材６２とを密閉する。なお、結晶成長炉１は、チャンバー７０内の雰囲気を所定のガス雰囲気に設定する機能と、チャンバー７０内の圧力を一定値に保つガス圧制御機能とを有する。
【００４１】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ＧａＡｓ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することもできる。例えば、結晶成長炉１を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉１を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶の成長にも応用できる。
【００４２】
また、結晶成長炉１を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００４３】
また、本実施形態においてルツボ２０内において成長する化合物半導体の融液３４が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー７０を圧力容器とすることもできる。チャンバー７０を圧力容器とすることにより、化合物半導体の融液３４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４０を用いると共に、チャンバー７０内を解離圧以上の圧力に設定することにより、融液３４の分解等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００４４】
また、ルツボ２０の全体を石英等から形成されたアンプルに封入することもできる。そして、ルツボ２０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、化合物半導体の単結晶を成長することもできる。
【００４５】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２０内の温度を低下させ、ルツボ２０内の融液３４から単結晶としての成長結晶３２を成長させるが、成長結晶３２の成長方法はこの方法に限られない。例えば、本実施の形態の変形例においては、サセプタ支持部材５５を徐々に降下させることにより成長結晶３２を成長させることもできる。
【００４６】
図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図２Ａ（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図２Ａ（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図２Ａ（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【００４７】
まず、図２Ａ（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶３０の上端である種結晶端３０ａよりも上のルツボ２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端３０ａに対応する位置Ｐ１の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ１から融液３４の液面に対応する位置Ｐ２までの温度が少なくとも融点以上となるように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。具体的に、ルツボ２０内の温度の状況が、温度プロファイル１００で示したように、種結晶端３０ａからルツボ端２０ａに向かって温度が徐々に上昇するように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。なお、この場合における融液３４の上端の温度、すなわち位置Ｐ２における温度を温度Ｔ１とする。
【００４８】
続いて、図２Ａ（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図２Ａ（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ２０内の温度の状態が、温度プロファイル１００、１０２、１０４、１０６と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液３４となった時点において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を制御することにより、温度プロファイル１００を、種結晶端３０ａの温度が融点よりも低い温度ｔ１であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２である温度プロファイル１０２に変化させる。温度プロファイル１０２では、少なくとも位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲内で、ルツボ２０の中の温度が、位置Ｐ１から位置Ｐ２に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル１０２では、位置Ｐ２側が位置Ｐ１側より高温に設定される。すなわち、温度プロファイル１０２では、少なくとも位置Ｐ１から位置Ｐ２までルツボ２０の位置が上昇するに伴い、温度ｔ１から温度Ｔ２まで温度が単調に上昇する。
【００４９】
この場合において、種結晶端３０ａの融液３４の温度の降下量が、ルツボ２０の開口部側の融液３４の温度の降下量よりも少なくなるように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶３０の側を加熱する外周加熱ヒータ１２の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液３４の液面の側を加熱する上部加熱ヒータ１０の温度を、液面付近の温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【００５０】
更に、温度プロファイル１０２から温度プロファイル１０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、上部加熱ヒータ１０及び外周加熱ヒータ１２の温度を制御して、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ１よりも低い温度ｔ２であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ２よりも低い温度Ｔ３となるような温度プロファイル１０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル１０４から温度プロファイル１０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ２よりも低い温度ｔ３であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ４となるような温度プロファイル１０６に変化させる。
【００５１】
温度プロファイル１０４から温度プロファイル１０６に変化する過程で、融液３４の温度は、全域が融点以下となり、融液３４の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル１０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００５２】
このように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液３４内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル１００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル１０２、１０４、１０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【００５３】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶３０の端部から結晶成長を開始させ、融液３４の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液３４の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【００５４】
なお、種結晶３０の側を加熱する外周加熱ヒータ１２の温度の降下速度を、上部加熱ヒータ１０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶端３０ａに接している融液３４の温度の降下速度を融液３４の液面付近の温度の降下速度より遅くすることにより、融液３４の液面における温度の降下量を、種結晶端３０ａに接している融液３４の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、上部加熱ヒータ１０及び外周加熱ヒータ１２の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【００５５】
図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルの詳細を示す。
【００５６】
結晶成長界面の移動速度を一定に制御する点について、より詳細に説明する。まず、結晶成長界面の移動速度を一定に制御することは、融液３４と成長結晶との界面位置（温度分布上の融点ｍ．ｐ．の位置）の単位時間ｔ当たりの変化量ΔＰを一定にすることに相当する。具体的に、図２Ｂを参照すると、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値と、位置Ｐ２と位置Ｐ３との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値と、位置Ｐ３と位置Ｐ４との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値とがそれぞれ、一定になる関係を成立させるようにヒータ温度を制御する。すなわち、｜Ｐａ−Ｐｂ｜／ｔ＝｜Ｐｂ−Ｐｃ｜／ｔ＝｜Ｐｃ−Ｐｄ｜／ｔ＝ｃｏｎｓｔ．という関係式が成り立つように、ヒータ温度を制御する。
【００５７】
このような関係式を成立させるために、ヒータ温度の降下速度を、結晶成長の進行に応じて徐々に低下させる。例えば、単位時間ｔ当たりの所定の位置Ｐにおける温度の降下量が、（Ｔａ−Ｔｂ）／ｔ＞（Ｔｂ−Ｔｃ）／ｔ＞（Ｔｃ−Ｔｄ）／ｔとなるようにヒータ温度の降下速度を制御する。なお、この場合における温度勾配（１／ｔａｎθ）は、ヒータ温度の降下速度を制御して、（１／ｔａｎθａ）＞（１／ｔａｎθｂ）＞（１／ｔａｎθｃ）＞（１／ｔａｎθｄ）のように、結晶成長の進行に応じて徐々に減少させることが必要条件となる。
【００５８】
本実施の形態では、ルツボ２０内の温度プロファイルの制御を容易にすることを目的として上部加熱ヒータ１０を用いているが、図２Ａに示した温度プロファイルを実現することができる限り、上部加熱ヒータ１０を用いずに、外周加熱ヒータ１２だけで結晶成長炉を構成することもできる。
【００５９】
（変形例）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、ルツボ２０内の化合物半導体の原料の融液３４の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を更に有していてもよい。なお、ルツボ２０内の融液３４に上部加熱ヒータ１０からの熱を効率よく伝熱させることを目的として、熱伝導率が高い材料からルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を形成することが好ましい。一例として、当該蓋はグラファイト、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成することができる。
【００６０】
また、ルツボ２０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、ルツボ２０の細径部２５側に冷却手段を組み合わせた結晶成長炉を構成することもできる。
【００６１】
［第１の比較例］
図３は、第１の比較例に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００６２】
第１の比較例に係る結晶成長炉２は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１から上部加熱ヒータ１０を取り除いた点を除き、結晶成長炉１と略同一の構成を備えるので、詳細な説明は省略する。
【００６３】
図４は、第１の比較例に係るＶＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図４（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図４（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図４（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【００６４】
まず、図４（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶端３０ａよりも上のルツボ２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端３０ａに対応する位置Ｐ１の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ１から融液３４の液面に対応する位置Ｐ２までの温度が少なくとも融点以上となるように、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。具体的に、ルツボ２０内の温度の状況が、温度プロファイル１００で示したように、種結晶端３０ａからルツボ端２０ａに向かって温度が徐々に上昇するように、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。なお、この場合における融液３４の上端の温度、すなわち位置Ｐ２における温度を温度Ｔ１とする。
【００６５】
続いて、図４（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図４（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ２０内の温度の状態が、温度プロファイル１００、１０１、１０３、１０５と徐々に変化する様子を示す。
【００６６】
まず、原料が融液３４となった時点において、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を制御することにより、温度プロファイル１００を、種結晶端３０ａの温度が融点よりも低い温度ｔ１’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２’である温度プロファイル１０１に変化させる。この場合において、温度プロファイル１００の温度勾配と温度プロファイル１０１の温度勾配とは略同一に保たれており、位置Ｐ１における温度の降下量と位置Ｐ２における温度の降下量とは略同一である。すなわち、温度プロファイル１００と温度プロファイル１０１とでは、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の温度差は略同一である。
【００６７】
更に、温度プロファイル１０１から温度プロファイル１０３に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ１２の温度を制御して、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ１’よりも低い温度ｔ２’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ２’よりも低い温度Ｔ３’となるような温度プロファイル１０３に変化させる。同様にして、温度プロファイル１０３から温度プロファイル１０５に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ２’よりも低い温度ｔ３’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ３’よりも低い温度Ｔ４’となるような温度プロファイル１０５に変化させる。この場合において、いずれの温度プロファイルにおいても、温度勾配は略一定に保たれている。
【００６８】
温度プロファイル１０３から温度プロファイル１０５に変化する過程で、融液３４の温度は、全域が融点以下となり、融液３４の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル１０５は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００６９】
このように、第１の比較例に係る結晶成長炉においては、結晶成長中の融液３４内の結晶成長方向に沿った温度勾配が、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち、温度プロファイル１００に示した温度勾配を保ちつつ、結晶成長中も温度プロファイル１０１、１０３、及び１０５に示したように、常に一定に保たれる。
【００７０】
その結果、結晶成長の初期に必要な、種結晶３０の端部から結晶成長を開始させ、融液３４の一方向凝固を可能にするのに十分な温度勾配が、融液３４の凝固が完了した時点においても保たれたままであり、成長した結晶の内部に大きな温度差が生じる。すなわち、成長した結晶内部に過剰な熱応力が発生することとなり、成長した結晶中に結晶欠陥が発生しやすくなると共に、発生した結晶欠陥が増殖しやすくなることとなる。
【００７１】
第１の比較例では、上部加熱ヒータ１０を用いない構成の結晶成長炉であるが、たとえ上部加熱ヒータ１０を用いた場合であっても、図４に示したような温度プロファイルを適用して結晶成長を実施する限り、結晶欠陥を低減することは困難である。図２Ａに示した本発明の第１の実施の形態に係る温度プロファイルによる結晶成長炉１内の温度の制御方法を実現することができる限り、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１のヒータ構成は、図１において述べたヒータ構成に限定されるものではない。
【００７２】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ２０内の結晶成長方向の温度勾配を第１の比較例よりも緩やかにすることができるので、成長結晶３２内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶３２内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第１の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７３】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できるので、結晶成長中に成長結晶３２が受ける熱履歴を、成長結晶３２の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶３２をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【００７４】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液３４内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶３２中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【００７５】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶３２の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶３２中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７６】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配をも緩やかにすることができるので、ルツボ２０の径が大口径であっても、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７７】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００７８】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのボート１２０と、ボート１２０を収容する石英アンプル１５０と、石英アンプル１５０を外周から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１３０とを備える。
【００７９】
更に、石英アンプル１５０は、石英アンプル１５０内をＶ族雰囲気に保つ原料となるＶ族元素１１０と、石英アンプル１５０内を２つのゾーンに区切る拡散障壁１４０とを有する。拡散障壁１４０は、一例として、石英で形成され、その中央部分には連通孔（キャピラリー）が形成されている。また、複数の外周加熱ヒータ１３０は、個々のヒータの温度をそれぞれ独立に制御できるように構成されており、その温度域は、少なくとも成長する単結晶の原料を溶融することができる温度である高温の結晶成長ゾーン１８０と、結晶成長ゾーン１８０の温度より低温のＶ族元素圧制御ゾーン１９０とに分かれる。
【００８０】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、ＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉３は、ボート１２０内に収容した融液１６０を、ボート１２０の一端に設置された種結晶１７０と接触させた状態で、種結晶１７０側のボート１２０の一端を、ボート１２０の他端よりも低温に保持しつつ、融液１６０の温度を降下させて、種結晶１７０側からボート１２０の他端に向けて融液１６０を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉３で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００８１】
ボート１２０は、化合物半導体結晶の種結晶１７０を収容する種結晶配置部としての細径部１２２と、船型の融液収容部１２４とを有する。ボート１２０の融液収容部１２４は、その断面形状が略半円形又は台形であり、一例として、上底８０ｍｍ、下底６０ｍｍ、高さ５０ｍｍの台形に形成される。また、ボート１２０は、一例として、高純度石英から形成される。なお、ボート１２０は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）から形成することもできる。
【００８２】
ボート１２０は、細径部１２２に種結晶１７０を収容すると共に、ボート１２０の融液収容部１２４に載置された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、石英アンプル１５０は、アンプル内のＶ族元素の蒸気圧を補償するためのＶ族元素１１０を更に収容する。Ｖ族元素１１０は、例えば、ＧａＡｓの結晶成長を実施する場合、砒素である。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００８３】
ボート１２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液１６０が細径部１２２の種結晶１７０と接触して単結晶の成長を開始する。そして、ボート１２０内において、種結晶１７０の側から結晶成長炉３の高温側に向かって成長結晶として徐々に成長していく。
【００８４】
複数の外周加熱ヒータ１３０はそれぞれ、結晶成長炉３の長手方向に沿って配置される。この場合において、複数の外周加熱ヒータ１３０は、石英アンプル１５０の周囲を囲む位置にそれぞれ配置される。そして、複数の外周加熱ヒータ１３０の設定温度は以下のように制御する。例えば、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する位置に配置される外周加熱ヒータ１３０は、石英アンプル１５０の内部の圧力が大気圧と釣り合うように（平衡するように）Ｖ族元素１１０の蒸気圧を制御すべく温度が設定され、Ｖ族元素１１０を加熱する。また、結晶成長ゾーン１８０に対応する位置に配置される外周加熱ヒータ１３０は、ボート１２０の種結晶１７０側（細径部１２２側又はボート１２０の一端）から、ボート１２０の反対側（ボート１２０の他端）に向かう方向に沿って順次、温度が上昇するように温度が設定される。
【００８５】
複数の外周加熱ヒータ１３０は、一例として、カンタル線等の材料から形成される抵抗加熱ヒータを用いることができる。なお、複数の外周加熱ヒータ１３０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、カーボンヒータ、又は赤外線加熱ヒータ等から形成することもできる。
【００８６】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉３においては、ＧａＡｓ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することもできる。例えば、結晶成長炉３を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉３を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶の成長にも応用できる。
【００８７】
また、結晶成長炉３を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００８８】
また、本実施形態において石英アンプル１５０内において成長する化合物半導体の融液１６０が、大気圧以上の解離圧を有する場合、石英アンプル１５０及び複数の外周加熱ヒータ１３０を、圧力容器内に収容することもできる。石英アンプル１５０を圧力容器に収容することにより、化合物半導体の融液１６０が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、石英アンプル１５０の外部圧力を、収容する化合物半導体の融液１６０の解離圧力と釣り合うように設定することにより、融液１６０の分解等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００８９】
また、本実施形態に係る結晶成長炉３においては、複数の外周加熱ヒータ１３０の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ボート１２０内の温度を低下させ、ボート１２０内の融液１６０から単結晶としての成長結晶を成長させるが、成長結晶の成長方法はこの方法に限られない。例えば、本実施の形態の変形例においては、ボート１２０を徐々に移動させることにより成長結晶を成長させることもできる。
【００９０】
本実施形態に係る結晶成長炉３においては、結晶成長炉３に、ＧＦ法の原型であるブリッジマン法（Ｂｒｉｄｇｍａｎ法）、又は加熱ヒータを有する炉体をボート１２０に対して移動させて結晶成長する炉体移動法（Ｔｒａｂｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ法：ＴＦ法）を適用することもできる。
【００９１】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図６（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、図６（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示している。更に、図６（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す。
【００９２】
まず、図６（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶１７０よりも高温側のボート１２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ３の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ３からボート１２０の種結晶１７０側とは反対の端部に対応する位置Ｐ４までの温度が少なくとも融点以上となるように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。具体的に、ボート１２０内の温度の状況が、温度プロファイル２００で示したように、種結晶端から種結晶端の反対側のボート１２０端に向かって温度が徐々に上昇するように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。なお、この場合における融液１６０の最高温度、すなわち位置Ｐ４における温度を温度Ｔ１１とする。
【００９３】
続いて、図６（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図６（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ボート１２０内の温度の状態が、温度プロファイル２００、２０２、２０４、２０６と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液１６０となった時点において、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御することにより、温度プロファイル２００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ１１であると共に、融液１６０の液面の温度が温度Ｔ１１よりも低い温度Ｔ１２である温度プロファイル２０２に変化させる。温度プロファイル２０２では、少なくとも位置Ｐ３から位置Ｐ４までの範囲内で、ボート１２０の中の温度が、位置Ｐ３から位置Ｐ４に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル２０２では、位置Ｐ４側が位置Ｐ３側より高温に設定される。
【００９４】
この場合において、種結晶端の融液１６０の温度の降下量が、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の融液１６０の温度の降下量よりも少なくなるように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶１７０の側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液１６０の種結晶１７０とは反対側（位置Ｐ４）を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度を、位置Ｐ４の温度が温度Ｔ１１から温度Ｔ１２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【００９５】
更に、温度プロファイル２０２から温度プロファイル２０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ１３０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ１１よりも低い温度ｔ１２であると共に、融液１６０の高温側の温度が温度Ｔ１２よりも低い温度Ｔ１３となるような温度プロファイル２０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル２０４から温度プロファイル２０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ１２よりも低い温度ｔ１３であると共に、融液１６０の高温側の温度が温度Ｔ１３よりも低い温度Ｔ１４となるような温度プロファイル２０６に変化させる。
【００９６】
温度プロファイル２０４から温度プロファイル２０６に変化する過程で、融液１６０の温度は、全域が融点以下となり、融液１６０の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル２０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００９７】
このように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液１６０内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル２００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル２０２、２０４、２０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【００９８】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶１７０の端部から結晶成長を開始させ、融液１６０の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液１６０の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【００９９】
なお、種結晶１７０の側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度を、種結晶１７０とは反対側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶１７０に接している融液１６０の温度の降下速度を融液１６０の高温側の温度の降下速度より遅くすることにより、融液１６０の高温側の温度の降下量を、種結晶１７０側の融液１６０の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【０１００】
［第２の比較例］
第２の比較例に係る結晶成長に用いる結晶成長炉は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉３と同一の構成を備えるので、図示は省略する。
【０１０１】
図７は、第２の比較例に係るＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図７（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、図７（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示している。更に、図７（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す。
【０１０２】
まず、図７（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶１７０よりも高温側のボート１２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ３の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ３から融液１６０の種結晶１７０側とは反対の端部に対応する位置Ｐ４までの温度が少なくとも融点以上となるように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ設定する。具体的に、ボート１２０内の温度の状況が、温度プロファイル２００で示したように、種結晶端からボート１２０の反対側の端に向かって温度が徐々に上昇するように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。なお、この場合における融液１６０の高温側の温度、すなわち位置Ｐ４における温度を温度Ｔ１１とする。
【０１０３】
続いて、図７（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図７（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ボート１２０内の温度の状態が、温度プロファイル２００、２０１、２０３、２０５と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液１６０となった時点において、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御することにより、温度プロファイル２００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ１１’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０が搭載されている側とは反対側の融液１６０の温度が温度Ｔ１１よりも低い温度Ｔ１２’である温度プロファイル２０１に変化させる。この場合において、温度プロファイル２０１の温度勾配は、温度プロファイル２００の温度勾配と略同一に保たれており、位置Ｐ３における温度の降下量と位置Ｐ４における温度の降下量とは略同一である。すなわち、温度プロファイル２００と温度プロファイル２０１とにおいて、位置Ｐ３と位置Ｐ４との間の温度差は略同一に設定される。
【０１０４】
更に、温度プロファイル２０１から温度プロファイル２０３に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ１１’よりも低い温度ｔ１２’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の端の融液１６０の温度が温度Ｔ１２’よりも低い温度Ｔ１３’となるような温度プロファイル２０３に変化させる。同様にして、温度プロファイル２０３から温度プロファイル２０５に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ１２’よりも低い温度ｔ１３’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の端の融液１６０の温度が温度Ｔ１３’よりも低い温度Ｔ１４’となるような温度プロファイル２０５に変化させる。この場合において、いずれの温度プロファイルにおいても、温度勾配は略一定を保つ。
【０１０５】
温度プロファイル２０３から温度プロファイル２０５に変化する過程で、融液１６０の温度は、全域が融点以下となり、融液１６０の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル２０５は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【０１０６】
このように、第２の比較例に係る結晶成長方法においては、結晶成長中の融液１６０内の結晶成長方向に沿った温度勾配が、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち、温度プロファイル２００に示した温度勾配を保ちつつ、結晶成長中も温度プロファイル２０１、２０３、及び２０５に示したように、常に一定に保たれる。
【０１０７】
その結果、結晶成長の初期に必要な、種結晶１７０の端部から結晶成長を開始させ、融液１６０の一方向凝固を可能にするのに十分な温度勾配が、融液１６０の凝固が完了した時点においても保たれたままであり、成長した結晶の内部に大きな温度差が生じる。すなわち、成長した結晶内部に過剰な熱応力が発生することとなり、成長した結晶中に結晶欠陥が発生しやすくなると共に、発生した結晶欠陥が増殖しやすくなることとなる。
【０１０８】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のボート１２０内の結晶成長方向の温度勾配を第２の比較例よりも緩やかにすることができるので、成長結晶内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第２の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１０９】
また、第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液１６０内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【０１１０】
また、第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１１１】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【０１１２】
第３の実施の形態に係るルツボ３１０、サセプタ３２０、サセプタ支持部材３３０、断熱材３５０、チャンバー３６０、及び液体封止剤３９０は、第１の実施の形態に係るルツボ２０、サセプタ５０、サセプタ支持部材５５、断熱材６２、チャンバー７０、及び液体封止剤４０と略同一の構成を有すると共に、略同一の機能・作用を奏するので、相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【０１１３】
第３の実施の形態に係る結晶成長炉４は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ３１０と、ルツボ３１０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ３２０と、サセプタ３２０を収容して保持するサセプタ支持部材３３０と、ルツボ３１０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ３４０とを備える。
【０１１４】
更に、結晶成長炉４は、種結晶３７０を吊り下げ支持する種結晶支持部材３８０と、複数の外周加熱ヒータ３４０が発する熱の結晶成長炉４の外部への伝熱を防止する断熱材３５０と、断熱材３５０等を外部から覆うチャンバー３６０とを備える。
【０１１５】
本実施形態に係る結晶成長炉４は、カイロポーラス法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉４は、ルツボ３１０内に収容した融液４００の表面に、種結晶３７０と接触させた状態で、種結晶３７０側のルツボ３１０の一端を、ルツボ３１０の他端（ルツボ３１０の底部側）よりも低温に保持しつつ、融液４００の温度を降下させて、種結晶３７０側からルツボ３１０の他端に向けて融液４００を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。なお、結晶成長炉４で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【０１１６】
具体的に、ルツボ３１０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液４００が種結晶支持部材３８０に支持された種結晶３７０と接触して単結晶の成長が開始される。そして、ルツボ３１０内において、種結晶３７０の側から結晶成長炉４の下方に向かって、成長結晶として徐々に成長していく。この場合において、複数の外周加熱ヒータ３４０の設定温度は、結晶成長炉４の下部から上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。すなわち、複数の外周加熱ヒータ３４０の設定温度は、ルツボ３１０の底部から開口部側に向かって徐々に低下するように設定される。
【０１１７】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉４においては、ＧａＡｓ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することもできる。また、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶を成長することもできる。
【０１１８】
また、本実施形態においても、第１の実施の形態と同様に、ルツボ３１０内の融液４００が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー３６０を圧力容器とすることができる。本実施の形態に係るチャンバー３６０が圧力容器である場合の機能及び作用は、第１の実施の形態におけるチャンバー７０と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１１９】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図９（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図９（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図９（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【０１２０】
まず、図９（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶３７０の下端よりも下のルツボ３１０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ５の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ５から融液４００の最下端に対応する位置Ｐ６までの温度が少なくとも融点以上となるように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を設定する。具体的に、ルツボ３１０内の温度の状況が、温度プロファイル３００で示したように、種結晶３７０の下端からルツボ３１０の底部に向かって温度が徐々に上昇するように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を設定する。なお、この場合における融液３１０の最下端の温度、すなわち位置Ｐ６における温度を温度Ｔ３１とする。
【０１２１】
続いて、図９（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図９（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ３１０内の温度の状態が、温度プロファイル３００、３０２、３０４、３０６と徐々に変化するように複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を制御する。まず、原料が融液４００となった時点において、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を制御することにより、温度プロファイル３００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ３１であると共に、融液４００の底部の温度が温度Ｔ３１よりも低い温度Ｔ３２である温度プロファイル３０２に変化させる。温度プロファイル３０２では、少なくとも位置Ｐ５から位置Ｐ６までの範囲内で、ルツボ３１０の中の温度が、位置Ｐ５から位置Ｐ６に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル３０２では、位置Ｐ６側が位置Ｐ５側より高温に設定される。
【０１２２】
この場合において、種結晶端の融液４００の温度の降下量が、ルツボ３１０の底部側の融液４００の温度の降下量よりも少なくなるように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶３７０の側を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液４００の底部に近い側（位置Ｐ６付近）を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度を、温度Ｔ３１から温度Ｔ３２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【０１２３】
更に、温度プロファイル３０２から温度プロファイル３０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ３４０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ３１よりも低い温度ｔ３２であると共に、融液４００の底部の温度が温度Ｔ３２よりも低い温度Ｔ３３となるような温度プロファイル３０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル３０４から温度プロファイル３０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ３２よりも低い温度ｔ３３であると共に、融液４００の底部（位置Ｐ６）の温度が温度Ｔ３３よりも低い温度Ｔ３４となるような温度プロファイル３０６に変化させる。
【０１２４】
温度プロファイル３０４から温度プロファイル３０６に変化する過程で、融液４００の温度は、全域が融点以下となり、融液４００の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル３０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【０１２５】
このように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液４００内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル３００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル３０２、３０４、３０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【０１２６】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶３７０の先端からのみ結晶成長を開始させ、融液４００の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液４００の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【０１２７】
なお、種結晶３７０の側を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度を、ルツボ３１０の底部側（位置Ｐ６付近側）を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶端に接している融液４００の温度の降下速度を融液４００の底部付近の温度の降下速度より遅くすることにより、融液４００の底部における温度の降下量を、種結晶３７０に接している融液４００の表面側の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、設定温度を降下させる外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【０１２８】
（第３の実施の形態の変形例）
第３の実施の形態の変形例に係る結晶成長炉は、複数の外周加熱ヒータ３４０に加えて、ルツボ３１０の底部を加熱する底部加熱ヒータを更に備えて構成することができる。また、第３の実施の形態に係る結晶成長炉４は、ルツボ３１０内の化合物半導体の原料の融液４００の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部を塞ぐ蓋を更に備えることもできる。更に、第３の実施の形態の変形例に係る結晶成長炉においては、ルツボ３１０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、種結晶３７０を支持する種結晶支持部材３８０に冷却手段を組み合わせることもできる。
【０１２９】
（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ３１０内の結晶成長方向の温度勾配を従来よりも緩やかにすることができるので、成長結晶内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第３の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１３０】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、ルツボ３１０の下方から上方への熱流を実現できるので、結晶成長中に成長結晶が受ける熱履歴を、成長結晶の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【０１３１】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液４００内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【０１３２】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１３３】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ３１０内の径方向の温度勾配をも緩やかにすることができるので、ルツボ３１０の径が大口径であっても、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【実施例】
【０１３４】
（実施例１）
本発明の第１の実施例として、第１の実施の形態で説明した結晶成長炉１を用いてＶＧＦ法によりＧａＡｓの単結晶成長を実施した例を以下に述べる。
【０１３５】
図１０は、本発明の実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【０１３６】
まず、直胴部２７の直径１６０ｍｍ、直胴部２７の長さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０の細径部２５に、ＧａＡｓの種結晶を収容した（Ｓ１００）。続いて、予め合成した塊状のＧａＡｓの多結晶をルツボ２０内に２４０００ｇ充填した（Ｓ１０５）。次に、ドーパントとしてのＳｉを７．２ｇと、液体封止剤４０としてのＢ２Ｏ３を４００ｇ、ルツボ２０内に添加した（Ｓ１１０）。
【０１３７】
次に、このルツボ２０を、グラファイト製のサセプタ５０に収容した（Ｓ１１５）。更に、このサセプタ５０を、結晶成長炉１内で昇降が自在であって、回転が自在であるサセプタ支持部材５５の上に搭載した（Ｓ１２０）。次に、結晶成長炉１を密閉して、結晶成長炉１内を窒素ガスでガス置換した（Ｓ１２５）。これにより、結晶成長炉１内のガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気となった。
【０１３８】
続いて、ルツボ２０の回転を開始した（Ｓ１３０）。ここで、ルツボ２０の回転速度は１ｒｐｍに設定した。なお、ルツボ２０の回転は、サセプタ支持部材５５を回転させて行い、結晶成長が終了するまでルツボ２０の回転を継続した。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれに通電して、ルツボ２０の加熱を開始した（Ｓ１３５）。ルツボ２０の加熱の開始後、所定時間ルツボ２０を加熱し続けることにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を完全に融解して融液３４とした（Ｓ１４０）。
【０１３９】
なお、ルツボ２０を加熱する工程で、チャンバー７０内の雰囲気ガスの体積は膨張する。そこで、チャンバー７０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー７０内の圧力を制御した。すなわち、本実施例においては、チャンバー７０内の圧力が結晶成長中も常に０．５ＭＰａに保持されるように、自動的かつ連続的にチャンバー７０内のガス圧を制御した。
【０１４０】
ここで、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解させる過程において、ルツボ２０内に添加されたＢ２Ｏ３は、ＧａＡｓ多結晶が融解するより早く軟化した。そして、軟化したＢ２Ｏ３は、透明な水飴状になって融液３４の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑制できた。
【０１４１】
続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を１２９５℃に設定した（Ｓ１４５）。また、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を、結晶成長炉１の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち上部加熱ヒータ１０に最も近い位置に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２６０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。
【０１４２】
更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【０１４３】
なお、Ｓ１５０の工程において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の位置に対するルツボ２０の位置は、予め結晶成長炉１内に熱電対を挿入して計測した温度分布に基づいて決定した。具体的には、ルツボ２０を保持している間に種結晶３０が融解して消失することを防止すべく、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、種結晶３０の上端部分にかかるようにルツボ２０を配置した。
【０１４４】
結晶成長炉１内の温度が安定した後、サセプタ支持部材５５を１ｒｐｍの回転速度で回転させた。続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を、０．５ｄｅｇ／ｈの速度で降下させた（Ｓ１５５）。そして、約３日かけて上部加熱ヒータ１０の設定温度が１２６０℃になった時点で上部加熱ヒータ１０の温度効果を停止した。更に、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１４５】
その後、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が４００℃になるまで、−２０℃／ｈの速度で上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を低下させた。続いて、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の通電を停止して、ルツボ２０を室温まで冷却した（Ｓ１６５）。ルツボ２０を室温まで冷却した後、ルツボ２０内の成長結晶３２が全長にわたってＧａＡｓの単結晶であることが確認された。
【０１４６】
なお、上記Ｓ１００からＳ１６５の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【０１４７】
結晶成長炉１を用いて図１０に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶の内の１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位に対応して発生するピットの密度測定、すなわち転位密度測定を実施した。
【０１４８】
図１１は、本発明の実施例１に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【０１４９】
ＫＯＨエッチング処理を施したウェハを観察した結果、ＧａＡｓ単結晶の全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、図１１に示すように、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって５×１０３ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは２５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから２５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が３×１０３ｃｍ−２から５×１０３ｃｍ−２の範囲であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、２×１０３ｃｍ−２未満に収まった。
【０１５０】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【０１５１】
（第１の比較例の成長Ａ）
まず、第１の比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除いた上で、図１０と同様の工程でＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。
【０１５２】
ここで、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度は、結晶成長炉２の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち最上部に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２７０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、各外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【０１５３】
結晶成長に当たっては、４つの外周加熱ヒータ１２の設定温度を、それぞれ０．５ｄｅｇ／ｈの速度で６０時間にわたって降下させ、その後、更に各外周加熱ヒータ１２の温度が全て９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１５４】
第１の比較例の成長Ａにおいては、ヒータの温度設定及び温度降下プログラム以外の項目については、第１の実施例と条件を同一にしてＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長（すなわち、第１の比較例の成長Ａ）は２回実施した。
【０１５５】
１回目の成長によって得られたＧａＡｓの結晶は、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶は得られなかった。また、２回目の成長では、得られたＧａＡｓの結晶の直胴部分に多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶が全長にわたっては得られなかった。
【０１５６】
（第１の比較例の成長Ｂ）
次に、第１の比較例に係る結晶成長炉２を用いて、第１の比較例の成長Ａとは、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度及び温度降下速度を変えて成長を実施した。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち最上部に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２９０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１２００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。
【０１５７】
結晶成長に当たっては、４つの外周加熱ヒータ１２の設定温度を、それぞれ０．６ｄｅｇ／ｈの速度で６０時間にわたって降下させ、その後、更に各外周加熱ヒータ１２の温度が全て９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１５８】
第１の比較例の成長Ｂにおいても、ヒータの温度設定及び温度降下プログラム以外の項目については、第１の実施例と条件を同一にしてＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長は２回実施した。この成長において得られたＧａＡｓの結晶は、全長にわたって端結晶であった。
【０１５９】
次に、得られたＧａＡｓの単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【０１６０】
図１２は、第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長方法で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【０１６１】
第１の比較例の成長Ｂでは、結晶内で平均転位密度が最も低い部位でも、ウェハ面内平均で５×１０３ｃｍ−２以上であり、多い部位では１×１０４ｃｍ−２に近い転位密度であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、少なくとも４×１０３ｃｍ−２以上あった。更に、ウェハ面内で転位密度が高い領域には、スリップラインやリネージ欠陥の発生が多く観察された。
【０１６２】
図１２を参照すると、第１の比較例の成長Ｂで得られた結晶においては、本発明の実施例１に係る結晶よりも全体的に大きい平均転位密度を示した。これは、結晶の長手方向の温度勾配が、比較的大きいまま成長を続けたため、成長結晶３２に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。更に、成長した結晶の長手方向にわたって、転位密度の分布の変化が大きかった。これは、上部加熱ヒータ１０を使用していないために、外周加熱ヒータ１２の継ぎ目の温度分布の影響が、成長結晶に強く反映されたためと推測された。
【０１６３】
なお、第１の比較例の成長Ｂにおいては、更に１０回の成長を実施した。その結果、７本の結晶は結晶の全長にわたって単結晶となったが、２本の結晶についてはルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶の発生がみられた。また、残りの１本の結晶については、結晶の直胴部分の途中から多結晶が発生していた。これも、結晶に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【０１６４】
（実施例２）
本発明の他の実施例に係る実施例２として、第２の実施の形態で説明した結晶成長炉３を用いてＧＦ法によりＧａＡｓの単結晶成長を実施した例を以下に述べる。
【０１６５】
図１３は、本発明の実施例２に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【０１６６】
まず、幅５５ｍｍ、直胴部（融液収容部１２４の直胴部分）の長さ６００ｍｍの石英製のボート１２０の細径部１２２にＧａＡｓの種結晶１７０を収容すると共に、直胴部にＧａＡｓの原料多結晶４０００ｇ及びドーパントとして１９０ｍｇのＳｉを収容した（Ｓ２００）。
【０１６７】
次に、このボート１２０を、Ｖ族元素１１０としての６０ｇの砒素と共に、石英製の石英アンプル１５０に収容した（Ｓ２０５）。石英アンプル１５０の内部で、ボート１２０と砒素とは、拡散障壁１４０により仕切られている。そして、この石英アンプル１５０の内部を不活性ガスとしての窒素ガスで置換した後、真空排気して、＜５×１０−６ｔｏｒｒの圧力にして封じ切った（Ｓ２１０）。続いて、この石英アンプル１５０を、結晶成長炉３の外周加熱ヒータ１３０内にセットした（Ｓ２１５）。
【０１６８】
原料多結晶を融解するにあたり、まず、外周加熱ヒータ１３０の設定温度を６１０℃として外周加熱ヒータ１３０の通電を開始すると共に（Ｓ２２０）、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する外周加熱ヒータ１３０にてＶ族元素圧制御ゾーン１９０を加熱して、石英アンプル１５０内の砒素の蒸気圧と大気圧とを釣り合わせた（Ｓ２２５）。そして、結晶成長が完了して結晶成長炉の冷却を開始するまでの間、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度は、６１０℃に保持した。
【０１６９】
次に、結晶成長ゾーン１８０に対応する外周加熱ヒータ１３０の温度を昇温させ、原料多結晶を融解してＧａＡｓの融液１６０を形成した（Ｓ２３０）。結晶成長ゾーン１８０においては、種結晶１７０の融解を防止することを目的として、種結晶１７０側の温度がＧａＡｓの融点である１２３８℃を超えない温度となると共に、ボート１２０の種結晶１７０側の反対側の端部が約１２７０℃となるように、各外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ設定した（Ｓ２３５）。その結果、融液１６０の内部のボート１２０の長手方向の温度分布は、種結晶１７０側からボート１２０の種結晶１７０側とは反対側に向かって単調増加する温度勾配となった。
【０１７０】
各外周加熱ヒータ１３０の温度を設定した後、融液１６０の内部の温度が安定するまで、約４時間放置した。続いて、結晶成長ゾーン１８０の種結晶１７０側の温度を一定に保ちつつ、ボート１２０の種結晶１７０の反対側の端の最高温部に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度を０．５ｄｅｇ／ｈの割合で降下させることにより結晶成長を開始した（Ｓ２４０）。結晶成長ゾーン１８０の中央部に位置する外周加熱ヒータ１３０の設定温度は、融液１６０の内部のボート１２０の長手方向の温度分布が、各時刻において種結晶１７０側から最高温部に向かって単調増加する温度勾配となるように、その降下速度を設定して制御した。
【０１７１】
結晶成長ゾーン１８０に位置する外周加熱ヒータ１３０の設定温度を降下させることで、ＧａＡｓの融液１６０が種結晶１７０と接触している側から最高温部側に向かって順に凝固を開始して、ＧａＡｓ単結晶の成長が進行した。そして、約２．５日を経て融液１６０が完全に凝固した。次に、最高温部に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度の効果を停止すると共に、結晶成長ゾーン１８０に位置する外周加熱ヒータ１３０の温度を１００ｄｅｇ／ｈの割合で６００℃近傍まで冷却（徐冷）した（Ｓ２４５）。更に、結晶成長ゾーン１８０及びＶ族元素圧制御ゾーン１９０のそれぞれに対応する外周加熱ヒータ１３０の通電を停止して、室温まで冷却した（Ｓ２５０）。
【０１７２】
その後、石英アンプル１５０から成長した結晶を取り出して観察したところ、全長にわたってＧａＡｓの単結晶となっていることが確認された。なお、上記説明におけるＳ２００からＳ２５０の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【０１７３】
結晶成長炉３を用いて図１３に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶のうちの１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略台形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【０１７４】
ＫＯＨエッチング処理を施したウェハを観察した結果、ＧａＡｓ単結晶の全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって５０ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは５５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから５５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が５ｃｍ−２から５０ｃｍ−２の範囲であった。
【０１７５】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は５０ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【０１７６】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図２Ａ】第１の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図２Ｂ】第１の実施の形態に係る結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルの詳細を示す図である。
【図３】第１の比較例に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図４】第１の比較例に係るＶＧＦ法のおける結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図６】第２の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図７】第２の比較例に係るＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図８】第３の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図９】第３の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図１０】実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す図である。
【図１１】実施例１に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す図である。
【図１２】第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長方法で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す図である。
【図１３】実施例２に係る結晶成長の工程の流れを示す図である。
【符号の説明】
【０１７８】
１、２、３、４ 結晶成長炉
１０、１１ 上部加熱ヒータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１３０、３４０ 外周加熱ヒータ
１５ 熱伝導部材
２０、３１０ ルツボ
２０ａ、２０ｂ ルツボ端
２２ ルツボ開口部
２４ ルツボ側面
２５ 細径部
２６ 傾斜部
２７ 直胴部
３０、１７０、３７０ 種結晶
３０ａ 種結晶端
３２ 成長結晶
３４、１６０、４００ 融液
４０、３９０ 液体封止剤
５０、３２０ サセプタ
５１ サセプタ上部
５２ サセプタ下部
５５、３３０ サセプタ支持部材
６０、６２、３５０ 断熱材
７０、３６０ チャンバー
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 温度プロファイル
１１０ Ｖ族元素
１２０ ボート
１２２ 細径部
１２４ 融液収容部
１４０ 拡散障壁
１５０ 石英アンプル
１８０ 結晶成長ゾーン
１９０ Ｖ族元素圧制御ゾーン
２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ 温度プロファイル
３００、３０２、３０４、３０６ 温度プロファイル
３８０ 種結晶支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶製造方法に関する。特に、本発明は、半導体融液から成長する半導体結晶のインゴット全長にわたって欠陥密度を低減させる半導体結晶製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶等の結晶成長方法として、半導体融液をボートやルツボ等の容器に収容して、半導体融液の一端に種結晶を接触させた状態で種結晶側から容器の他端に向けて徐々に半導体融液を固化させることにより単結晶を成長させる結晶成長技術が開発されている。
【０００３】
例えば、横型のボートに半導体融液を収容して結晶成長を実施する、水平ブリッジマン（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＨＢ）法、水平温度勾配凝固（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＧＦ）法、水平炉体移動（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＴＦ）法、水平帯溶融凝固（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔ：ＺＭ）法等がある。また、縦型のルツボの下端に種結晶を搭載すると共に半導体融液を収容して、ルツボの下方から上方に向けて結晶を成長させる縦型成長法として、垂直ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法、垂直温度勾配凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法、垂直帯溶融凝固（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔ：ＶＺＭ）法がある。更には、縦型のルツボに収容した半導体融液に種結晶を接触させて、上方から下方に結晶を成長させるカイロポーラス（Ｋｙｒｏｐｕｌｏｓ）法、液体封止技術とカイロポーラス法とを組み合わせた液体封止カイロポーラス（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｋｙｒｏｐｕｌｏｓ：ＬＥＫ）法が知られている。
【０００４】
そして、例えば、特許文献１には、原料融液を収容する容器と、容器の周囲に配置した温度勾配炉と、温度勾配炉を容器に対して相対的に移動する手段とを有し、容器の一端から固化成長させる単結晶の製造装置において、容器の壁内にＢ２Ｏ３を含有させたＢＮ製容器を用いた単結晶の製造装置が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載の単結晶製造装置によれば、使用時にＢＮ製容器の壁面から徐々にＢ２Ｏ３が染み出してＢ２Ｏ３膜でルツボの壁面が覆われるので、原料融液とルツボ表面の凹凸壁面とが接触することにより生じる結晶核の発生を防止できる。
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の化合物半導体結晶の製造技術や特許文献１に記載の従来の化合物半導体結晶の製造装置では、結晶内部に発生する転位欠陥の密度が十分に低減できず、結晶成長方向に沿って結晶内部の欠陥密度の分布が大きく変化する場合があった。そして、結晶内部の欠陥の発生が甚だしい場合、双晶及び多結晶が結晶成長中に生成する場合があった。更に、結晶成長ごとに欠陥密度及び欠陥密度の分布形態がばらつくことがあり、低欠陥の単結晶を再現性よく得ることが困難であった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、結晶欠陥が少なく高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、発明者が得た以下の知見によりなされたものである。すなわち、まず、従来の化合物半導体結晶成長方法では、結晶成長の全域にわたり、結晶成長界面が略一定の温度勾配下を通過するか、あるいは略一定の温度勾配を維持しつつヒータ温度が降下する。単結晶の成長を開始するためには、種結晶のみから確実に結晶の成長が開始されなければならい。そのため、半導体融液はある程度の温度勾配下になければならない。この場合に、半導体融液内の温度勾配が緩やかすぎると、結晶成長開始時に種結晶以外の場所に結晶核が析出する。結晶核が析出すると、単結晶の成長が阻害される。一方、この温度勾配を急にしすぎると、凝固した結晶内部に熱歪みが生じ、転位などの結晶欠陥が生じる原因となる。
【０００９】
しかしながら、結晶成長の初期は、半導体融液を単結晶の成長に必要な比較的大きい温度勾配下に置く必要があるが、凝固する結晶がまだ小さい間は、成長した結晶内部に生じる温度差もわずかであり、成長した結晶中の熱応力はそれほど大きくない。したがって、成長した結晶中に結晶欠陥も生じにくいと本発明者は考察した。更に、結晶成長が進行して、成長した結晶の領域の体積が増加すると、半導体融液から成長した結晶へと伝搬する熱流も安定するので、半導体融液中の温度勾配を緩やかにしても、単結晶の成長は阻害されることなく続けることができる。そして、温度勾配を緩やかにすることにより、体積が増加した成長結晶の内部に生じる温度差も低減することができるので、成長した結晶中の結晶欠陥の発生も大幅に抑制できると本発明者は考察した。このような考察により、本発明者は、連続的に進行する結晶成長中に、上述した温度勾配の緩和も連続的に制御する、すなわち、結晶成長の初期段階と、後期段階とで、半導体融液中の温度勾配を徐々に変化させるという知見に至った。
【００１０】
したがって、本発明は、上記目的を達成するため、半導体の種結晶と半導体の原料とを収容した容器を加熱して、原料を半導体融液とする原料融解工程と、容器の種結晶側の一端を、種結晶を収容している側とは反対側の容器の他端よりも低温に保持する温度保持工程と、種結晶側の半導体融液の温度の降下量を、他端側の半導体融液の温度の降下量よりも少なくした状態で半導体融液の温度を降下させて、種結晶側から容器の他端に向けて半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【００１１】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、種結晶側の半導体融液の温度の降下速度を、他端側の半導体融液の温度の降下速度よりも遅くした状態で、半導体融液の温度を降下させて半導体融液を固化させてもよい。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、複数個の加熱用ヒータを備える結晶成長炉内に、種結晶を収容した種結晶配置部を有すると共に、半導体の原料を収容した結晶成長用の容器を収容する容器収容工程と、容器に収容した原料が融解した半導体融液に種結晶を接触させた状態で、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度の降下量を、容器の種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下量よりも少なくした状態で、半導体融液の温度を降下させて、種結晶側から容器の他端に向けて半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【００１３】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度よりも遅くした状態で、半導体融液の温度を降下させてもよい。
【００１４】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータの温度を一定に保ちつつ、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度を降下させて、半導体融液の温度を降下させてもよい。
【００１５】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、容器の種結晶側の加熱温度と、種結晶配置部とは別の端部の加熱温度とを制御して、結晶成長中の半導体融液内の結晶成長方向（容器の長手方向）の温度勾配を、結晶成長の進行につれて結晶成長の開始時よりも小さくしてもよく、結晶成長工程は、容器の種結晶側の加熱温度を略一定に保持してもよい。
【００１６】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くしてもよい。あるいは、結晶成長工程は、種結晶配置部とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にしてもよい。
【００１７】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、結晶成長中の半導体融液内の結晶成長方向（容器の長手方向）の温度勾配を、結晶成長の進行につれて結晶成長の開始時よりも小さくすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にしてもよい。
【００１８】
また、上記半導体結晶成長方法において、半導体融液を収容する容器が水平に載置され、容器の一端に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が水平方向に進行する水平ボート法を用いてもよく、又は、半導体融液を収容する容器が垂直に保持され、容器の下端に設けられた種結晶収容部に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が下方から上方に向けて進行する縦型ボート法を用いてもよい。若しくは、半導体融液を収容する容器が垂直に保持され、容器の上端に種結晶が配置され、半導体融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を用いてもよい。
【００１９】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長炉は、容器を包囲する位置に配置されて容器の種結晶側を加熱する加熱用ヒータと、容器の側面を除く端面を加熱する位置に配置されて容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータとを有してもよい。
【００２０】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長炉は、容器を包囲する位置に配置されて容器を加熱する加熱用ヒータと、容器の長手方向に対して垂直な位置に発熱面を含み、容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータとを有してもよい。
【００２１】
また、上記半導体結晶成長方法において、容器は、断面が円形であり、結晶成長工程は、半導体融液及び半導体融液から成長する成長結晶内の等温面が略平坦に維持された状態で結晶成長が進行するように、半導体融液を凝固させてもよい。
【００２２】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長中において、容器を包囲して配置されている加熱用ヒータの温度が、容器の種結晶側とは別の端部を加熱する加熱用ヒータの温度よりも低い温度に保持されてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体結晶成長方法によれば、結晶欠陥が少なく高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することができ、更には、転位密度の均一な半導体結晶を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００２５】
（結晶成長炉１の構造）
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ２０と、ルツボ２０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ５０と、サセプタ５０を収容して保持するサセプタ支持部材５５と、ルツボ２０を上部から加熱する上部加熱部としての上部加熱ヒータ１０と、ルツボ２０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１２とを備える。
【００２６】
更に、結晶成長炉１は、加熱用ヒータとしての上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２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６０と、一の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｂ）と他の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｃ）との間に設けられる断熱材６２と、複数の断熱材６０及び断熱材６２等を外部から覆うチャンバー７０とを備える。
【００２７】
本実施形態に係る結晶成長炉１は、ＶＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した原料融液としての融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉１で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００２８】
ルツボ２０は、化合物半導体結晶の種結晶３０を収容する種結晶配置部としての細径部２５と、所定の角度で細径部２５に連続して設けられる傾斜部２６と、傾斜部２６に連続して設けられ、細径部２５の長手方向と略平行な部分を含む断面円形の直胴部２７とを有する。ルツボ２０の直胴部２７は、上面視において略円形状であり、一例として、直径１６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの略円筒形に形成される。また、ルツボ２０は、熱分解窒化ホウ素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）から形成される。なお、ルツボ２０は石英から形成することもできる。
【００２９】
すなわち、ルツボ２０は細径部２５を底部に有すると共に、略円筒形状の直胴部２７の端部にルツボ２０の内部を露出するルツボ開口部２２を有する。ルツボ２０は、細径部２５に種結晶３０を収容すると共に、ルツボ開口部２２から導入された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、ルツボ２０は、Ｂ２Ｏ３等の液体封止剤４０を更に収容する。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００３０】
ルツボ２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液３４が細径部２５の種結晶３０と接触して単結晶の成長が開始される。そして、ルツボ２０内において、種結晶３０の側から結晶成長炉１の上方に向かって、成長結晶３２として徐々に成長していく。
【００３１】
サセプタ５０はグラファイトから形成され、ルツボ２０を保持して収容する。また、サセプタ支持部材５５は、結晶成長炉１内で昇降及び回転が自在にできるように設けられる。そして、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載されて保持される。この場合に、サセプタ５０の下方のサセプタ下部５２がサセプタ支持部材５５に接触して、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載される。これにより、ルツボ２０内の温度分布を緩やか、かつ、一定に保つことを目的として、結晶成長中にルツボ２０を回転させることができる。
【００３２】
複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、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。この場合に、複数の外周加熱ヒータ１２は、サセプタ５０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。具体的には、外周加熱ヒータ１２ａと、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｂと、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｃと、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｄとが、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。
【００３３】
そして、複数の外周加熱ヒータ１２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。すなわち、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度が設定される。
【００３４】
上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、種結晶３０が収容される細径部２５よりもルツボ開口部２２の近くに配置される。そして、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０内の融液３４を、サセプタ上部５１及びルツボ開口部２２の側から加熱する。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０の側面を加熱せずに、端面を加熱する。なお、上部加熱ヒータ１０は、発熱面を有しており、当該発熱面が、ルツボ２０の長手方向に略垂直に配置される。換言すると、当該発熱面が、ルツボ２０が収容する融液３４の液面と略水平に配置される。
【００３５】
上部加熱ヒータ１０は、融液３４を加熱する熱を融液３４の上方から供給することにより、ルツボ２０の上方から下方への一方向に熱流が流れるようにする。すなわち、ルツボ２０内の融液３４を通過する熱流が、ルツボ開口部２２側から種結晶３０の側に向かって略直線となるように、上部加熱ヒータ１０は、所定の熱量の熱を融液３４の上方から供給する。
【００３６】
また、上部加熱ヒータ１０の設定温度は、複数の外周加熱ヒータ１２のいずれの設定温度よりも高く設定される。なお、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される限り、その形状及び大きさ、並びに外周加熱ヒータ１２に対する位置は問わない。なお、結晶成長炉１は、サセプタ下部５２の側からルツボ２０を加熱する下部加熱ヒータを更に備えて形成することもできる。下部加熱ヒータは、その加熱面が、ルツボ２０内の融液３４の液面と略平行となるようにチャンバー７０内に配置される。
【００３７】
上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。なお、上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、カーボンヒータ、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等で構成することもできる。
【００３８】
断熱材６０は、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０の外側を包囲して設けられる。断熱材６０を設けることにより、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０が発した熱を、ルツボ２０に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６２は、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差を確保するために、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間に配置される。なお、断熱材６２を設置しなくても一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差が確保される場合、断熱材６２を省略することができる。
【００３９】
断熱材６２は、一例として、グラファイトの成型材から形成される。また、断熱材６２は、アルミナ材、グラスウール、又は耐火レンガ等から形成することもできる。
【００４０】
チャンバー７０は、ルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０を保持するサセプタ支持部材５５と、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２と、断熱材６０及び断熱材６２とを密閉する。なお、結晶成長炉１は、チャンバー７０内の雰囲気を所定のガス雰囲気に設定する機能と、チャンバー７０内の圧力を一定値に保つガス圧制御機能とを有する。
【００４１】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ＧａＡｓ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することもできる。例えば、結晶成長炉１を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉１を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶の成長にも応用できる。
【００４２】
また、結晶成長炉１を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００４３】
また、本実施形態においてルツボ２０内において成長する化合物半導体の融液３４が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー７０を圧力容器とすることもできる。チャンバー７０を圧力容器とすることにより、化合物半導体の融液３４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４０を用いると共に、チャンバー７０内を解離圧以上の圧力に設定することにより、融液３４の分解等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００４４】
また、ルツボ２０の全体を石英等から形成されたアンプルに封入することもできる。そして、ルツボ２０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、化合物半導体の単結晶を成長することもできる。
【００４５】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２０内の温度を低下させ、ルツボ２０内の融液３４から単結晶としての成長結晶３２を成長させるが、成長結晶３２の成長方法はこの方法に限られない。例えば、本実施の形態の変形例においては、サセプタ支持部材５５を徐々に降下させることにより成長結晶３２を成長させることもできる。
【００４６】
図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図２Ａ（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図２Ａ（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図２Ａ（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【００４７】
まず、図２Ａ（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶３０の上端である種結晶端３０ａよりも上のルツボ２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端３０ａに対応する位置Ｐ１の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ１から融液３４の液面に対応する位置Ｐ２までの温度が少なくとも融点以上となるように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。具体的に、ルツボ２０内の温度の状況が、温度プロファイル１００で示したように、種結晶端３０ａからルツボ端２０ａに向かって温度が徐々に上昇するように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。なお、この場合における融液３４の上端の温度、すなわち位置Ｐ２における温度を温度Ｔ１とする。
【００４８】
続いて、図２Ａ（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図２Ａ（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ２０内の温度の状態が、温度プロファイル１００、１０２、１０４、１０６と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液３４となった時点において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を制御することにより、温度プロファイル１００を、種結晶端３０ａの温度が融点よりも低い温度ｔ１であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２である温度プロファイル１０２に変化させる。温度プロファイル１０２では、少なくとも位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲内で、ルツボ２０の中の温度が、位置Ｐ１から位置Ｐ２に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル１０２では、位置Ｐ２側が位置Ｐ１側より高温に設定される。すなわち、温度プロファイル１０２では、少なくとも位置Ｐ１から位置Ｐ２までルツボ２０の位置が上昇するに伴い、温度ｔ１から温度Ｔ２まで温度が単調に上昇する。
【００４９】
この場合において、種結晶端３０ａの融液３４の温度の降下量が、ルツボ２０の開口部側の融液３４の温度の降下量よりも少なくなるように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶３０の側を加熱する外周加熱ヒータ１２の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液３４の液面の側を加熱する上部加熱ヒータ１０の温度を、液面付近の温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【００５０】
更に、温度プロファイル１０２から温度プロファイル１０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、上部加熱ヒータ１０及び外周加熱ヒータ１２の温度を制御して、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ１よりも低い温度ｔ２であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ２よりも低い温度Ｔ３となるような温度プロファイル１０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル１０４から温度プロファイル１０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ２よりも低い温度ｔ３であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ４となるような温度プロファイル１０６に変化させる。
【００５１】
温度プロファイル１０４から温度プロファイル１０６に変化する過程で、融液３４の温度は、全域が融点以下となり、融液３４の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル１０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００５２】
このように、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液３４内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル１００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル１０２、１０４、１０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【００５３】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶３０の端部から結晶成長を開始させ、融液３４の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液３４の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【００５４】
なお、種結晶３０の側を加熱する外周加熱ヒータ１２の温度の降下速度を、上部加熱ヒータ１０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶端３０ａに接している融液３４の温度の降下速度を融液３４の液面付近の温度の降下速度より遅くすることにより、融液３４の液面における温度の降下量を、種結晶端３０ａに接している融液３４の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、上部加熱ヒータ１０及び外周加熱ヒータ１２の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【００５５】
図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルの詳細を示す。
【００５６】
結晶成長界面の移動速度を一定に制御する点について、より詳細に説明する。まず、結晶成長界面の移動速度を一定に制御することは、融液３４と成長結晶との界面位置（温度分布上の融点ｍ．ｐ．の位置）の単位時間ｔ当たりの変化量ΔＰを一定にすることに相当する。具体的に、図２Ｂを参照すると、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値と、位置Ｐ２と位置Ｐ３との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値と、位置Ｐ３と位置Ｐ４との差異の絶対値を単位時間ｔで除した値とがそれぞれ、一定になる関係を成立させるようにヒータ温度を制御する。すなわち、｜Ｐａ−Ｐｂ｜／ｔ＝｜Ｐｂ−Ｐｃ｜／ｔ＝｜Ｐｃ−Ｐｄ｜／ｔ＝ｃｏｎｓｔ．という関係式が成り立つように、ヒータ温度を制御する。
【００５７】
このような関係式を成立させるために、ヒータ温度の降下速度を、結晶成長の進行に応じて徐々に低下させる。例えば、単位時間ｔ当たりの所定の位置Ｐにおける温度の降下量が、（Ｔａ−Ｔｂ）／ｔ＞（Ｔｂ−Ｔｃ）／ｔ＞（Ｔｃ−Ｔｄ）／ｔとなるようにヒータ温度の降下速度を制御する。なお、この場合における温度勾配（１／ｔａｎθ）は、ヒータ温度の降下速度を制御して、（１／ｔａｎθａ）＞（１／ｔａｎθｂ）＞（１／ｔａｎθｃ）＞（１／ｔａｎθｄ）のように、結晶成長の進行に応じて徐々に減少させることが必要条件となる。
【００５８】
本実施の形態では、ルツボ２０内の温度プロファイルの制御を容易にすることを目的として上部加熱ヒータ１０を用いているが、図２Ａに示した温度プロファイルを実現することができる限り、上部加熱ヒータ１０を用いずに、外周加熱ヒータ１２だけで結晶成長炉を構成することもできる。
【００５９】
（変形例）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、ルツボ２０内の化合物半導体の原料の融液３４の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を更に有していてもよい。なお、ルツボ２０内の融液３４に上部加熱ヒータ１０からの熱を効率よく伝熱させることを目的として、熱伝導率が高い材料からルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を形成することが好ましい。一例として、当該蓋はグラファイト、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成することができる。
【００６０】
また、ルツボ２０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、ルツボ２０の細径部２５側に冷却手段を組み合わせた結晶成長炉を構成することもできる。
【００６１】
［第１の比較例］
図３は、第１の比較例に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００６２】
第１の比較例に係る結晶成長炉２は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１から上部加熱ヒータ１０を取り除いた点を除き、結晶成長炉１と略同一の構成を備えるので、詳細な説明は省略する。
【００６３】
図４は、第１の比較例に係るＶＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図４（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図４（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図４（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【００６４】
まず、図４（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶端３０ａよりも上のルツボ２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端３０ａに対応する位置Ｐ１の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ１から融液３４の液面に対応する位置Ｐ２までの温度が少なくとも融点以上となるように、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。具体的に、ルツボ２０内の温度の状況が、温度プロファイル１００で示したように、種結晶端３０ａからルツボ端２０ａに向かって温度が徐々に上昇するように、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定する。なお、この場合における融液３４の上端の温度、すなわち位置Ｐ２における温度を温度Ｔ１とする。
【００６５】
続いて、図４（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図４（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ２０内の温度の状態が、温度プロファイル１００、１０１、１０３、１０５と徐々に変化する様子を示す。
【００６６】
まず、原料が融液３４となった時点において、複数の外周加熱ヒータ１２の温度を制御することにより、温度プロファイル１００を、種結晶端３０ａの温度が融点よりも低い温度ｔ１’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２’である温度プロファイル１０１に変化させる。この場合において、温度プロファイル１００の温度勾配と温度プロファイル１０１の温度勾配とは略同一に保たれており、位置Ｐ１における温度の降下量と位置Ｐ２における温度の降下量とは略同一である。すなわち、温度プロファイル１００と温度プロファイル１０１とでは、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の温度差は略同一である。
【００６７】
更に、温度プロファイル１０１から温度プロファイル１０３に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ１２の温度を制御して、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ１’よりも低い温度ｔ２’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ２’よりも低い温度Ｔ３’となるような温度プロファイル１０３に変化させる。同様にして、温度プロファイル１０３から温度プロファイル１０５に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端３０ａの温度が温度ｔ２’よりも低い温度ｔ３’であると共に、融液３４の液面の温度が温度Ｔ３’よりも低い温度Ｔ４’となるような温度プロファイル１０５に変化させる。この場合において、いずれの温度プロファイルにおいても、温度勾配は略一定に保たれている。
【００６８】
温度プロファイル１０３から温度プロファイル１０５に変化する過程で、融液３４の温度は、全域が融点以下となり、融液３４の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル１０５は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００６９】
このように、第１の比較例に係る結晶成長炉においては、結晶成長中の融液３４内の結晶成長方向に沿った温度勾配が、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち、温度プロファイル１００に示した温度勾配を保ちつつ、結晶成長中も温度プロファイル１０１、１０３、及び１０５に示したように、常に一定に保たれる。
【００７０】
その結果、結晶成長の初期に必要な、種結晶３０の端部から結晶成長を開始させ、融液３４の一方向凝固を可能にするのに十分な温度勾配が、融液３４の凝固が完了した時点においても保たれたままであり、成長した結晶の内部に大きな温度差が生じる。すなわち、成長した結晶内部に過剰な熱応力が発生することとなり、成長した結晶中に結晶欠陥が発生しやすくなると共に、発生した結晶欠陥が増殖しやすくなることとなる。
【００７１】
第１の比較例では、上部加熱ヒータ１０を用いない構成の結晶成長炉であるが、たとえ上部加熱ヒータ１０を用いた場合であっても、図４に示したような温度プロファイルを適用して結晶成長を実施する限り、結晶欠陥を低減することは困難である。図２Ａに示した本発明の第１の実施の形態に係る温度プロファイルによる結晶成長炉１内の温度の制御方法を実現することができる限り、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１のヒータ構成は、図１において述べたヒータ構成に限定されるものではない。
【００７２】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ２０内の結晶成長方向の温度勾配を第１の比較例よりも緩やかにすることができるので、成長結晶３２内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶３２内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第１の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７３】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できるので、結晶成長中に成長結晶３２が受ける熱履歴を、成長結晶３２の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶３２をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【００７４】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液３４内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶３２中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【００７５】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶３２の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶３２中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７６】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配をも緩やかにすることができるので、ルツボ２０の径が大口径であっても、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００７７】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００７８】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのボート１２０と、ボート１２０を収容する石英アンプル１５０と、石英アンプル１５０を外周から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１３０とを備える。
【００７９】
更に、石英アンプル１５０は、石英アンプル１５０内をＶ族雰囲気に保つ原料となるＶ族元素１１０と、石英アンプル１５０内を２つのゾーンに区切る拡散障壁１４０とを有する。拡散障壁１４０は、一例として、石英で形成され、その中央部分には連通孔（キャピラリー）が形成されている。また、複数の外周加熱ヒータ１３０は、個々のヒータの温度をそれぞれ独立に制御できるように構成されており、その温度域は、少なくとも成長する単結晶の原料を溶融することができる温度である高温の結晶成長ゾーン１８０と、結晶成長ゾーン１８０の温度より低温のＶ族元素圧制御ゾーン１９０とに分かれる。
【００８０】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、ＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉３は、ボート１２０内に収容した融液１６０を、ボート１２０の一端に設置された種結晶１７０と接触させた状態で、種結晶１７０側のボート１２０の一端を、ボート１２０の他端よりも低温に保持しつつ、融液１６０の温度を降下させて、種結晶１７０側からボート１２０の他端に向けて融液１６０を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉３で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００８１】
ボート１２０は、化合物半導体結晶の種結晶１７０を収容する種結晶配置部としての細径部１２２と、船型の融液収容部１２４とを有する。ボート１２０の融液収容部１２４は、その断面形状が略半円形又は台形であり、一例として、上底８０ｍｍ、下底６０ｍｍ、高さ５０ｍｍの台形に形成される。また、ボート１２０は、一例として、高純度石英から形成される。なお、ボート１２０は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）から形成することもできる。
【００８２】
ボート１２０は、細径部１２２に種結晶１７０を収容すると共に、ボート１２０の融液収容部１２４に載置された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、石英アンプル１５０は、アンプル内のＶ族元素の蒸気圧を補償するためのＶ族元素１１０を更に収容する。Ｖ族元素１１０は、例えば、ＧａＡｓの結晶成長を実施する場合、砒素である。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００８３】
ボート１２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液１６０が細径部１２２の種結晶１７０と接触して単結晶の成長を開始する。そして、ボート１２０内において、種結晶１７０の側から結晶成長炉３の高温側に向かって成長結晶として徐々に成長していく。
【００８４】
複数の外周加熱ヒータ１３０はそれぞれ、結晶成長炉３の長手方向に沿って配置される。この場合において、複数の外周加熱ヒータ１３０は、石英アンプル１５０の周囲を囲む位置にそれぞれ配置される。そして、複数の外周加熱ヒータ１３０の設定温度は以下のように制御する。例えば、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する位置に配置される外周加熱ヒータ１３０は、石英アンプル１５０の内部の圧力が大気圧と釣り合うように（平衡するように）Ｖ族元素１１０の蒸気圧を制御すべく温度が設定され、Ｖ族元素１１０を加熱する。また、結晶成長ゾーン１８０に対応する位置に配置される外周加熱ヒータ１３０は、ボート１２０の種結晶１７０側（細径部１２２側又はボート１２０の一端）から、ボート１２０の反対側（ボート１２０の他端）に向かう方向に沿って順次、温度が上昇するように温度が設定される。
【００８５】
複数の外周加熱ヒータ１３０は、一例として、カンタル線等の材料から形成される抵抗加熱ヒータを用いることができる。なお、複数の外周加熱ヒータ１３０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、カーボンヒータ、又は赤外線加熱ヒータ等から形成することもできる。
【００８６】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉３においては、ＧａＡｓ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することもできる。例えば、結晶成長炉３を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉３を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶の成長にも応用できる。
【００８７】
また、結晶成長炉３を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００８８】
また、本実施形態において石英アンプル１５０内において成長する化合物半導体の融液１６０が、大気圧以上の解離圧を有する場合、石英アンプル１５０及び複数の外周加熱ヒータ１３０を、圧力容器内に収容することもできる。石英アンプル１５０を圧力容器に収容することにより、化合物半導体の融液１６０が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、石英アンプル１５０の外部圧力を、収容する化合物半導体の融液１６０の解離圧力と釣り合うように設定することにより、融液１６０の分解等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００８９】
また、本実施形態に係る結晶成長炉３においては、複数の外周加熱ヒータ１３０の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ボート１２０内の温度を低下させ、ボート１２０内の融液１６０から単結晶としての成長結晶を成長させるが、成長結晶の成長方法はこの方法に限られない。例えば、本実施の形態の変形例においては、ボート１２０を徐々に移動させることにより成長結晶を成長させることもできる。
【００９０】
本実施形態に係る結晶成長炉３においては、結晶成長炉３に、ＧＦ法の原型であるブリッジマン法（Ｂｒｉｄｇｍａｎ法）、又は加熱ヒータを有する炉体をボート１２０に対して移動させて結晶成長する炉体移動法（Ｔｒａｂｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ法：ＴＦ法）を適用することもできる。
【００９１】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図６（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、図６（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示している。更に、図６（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す。
【００９２】
まず、図６（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶１７０よりも高温側のボート１２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ３の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ３からボート１２０の種結晶１７０側とは反対の端部に対応する位置Ｐ４までの温度が少なくとも融点以上となるように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。具体的に、ボート１２０内の温度の状況が、温度プロファイル２００で示したように、種結晶端から種結晶端の反対側のボート１２０端に向かって温度が徐々に上昇するように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。なお、この場合における融液１６０の最高温度、すなわち位置Ｐ４における温度を温度Ｔ１１とする。
【００９３】
続いて、図６（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図６（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ボート１２０内の温度の状態が、温度プロファイル２００、２０２、２０４、２０６と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液１６０となった時点において、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御することにより、温度プロファイル２００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ１１であると共に、融液１６０の液面の温度が温度Ｔ１１よりも低い温度Ｔ１２である温度プロファイル２０２に変化させる。温度プロファイル２０２では、少なくとも位置Ｐ３から位置Ｐ４までの範囲内で、ボート１２０の中の温度が、位置Ｐ３から位置Ｐ４に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル２０２では、位置Ｐ４側が位置Ｐ３側より高温に設定される。
【００９４】
この場合において、種結晶端の融液１６０の温度の降下量が、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の融液１６０の温度の降下量よりも少なくなるように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶１７０の側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液１６０の種結晶１７０とは反対側（位置Ｐ４）を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度を、位置Ｐ４の温度が温度Ｔ１１から温度Ｔ１２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【００９５】
更に、温度プロファイル２０２から温度プロファイル２０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ１３０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ１１よりも低い温度ｔ１２であると共に、融液１６０の高温側の温度が温度Ｔ１２よりも低い温度Ｔ１３となるような温度プロファイル２０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル２０４から温度プロファイル２０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ１２よりも低い温度ｔ１３であると共に、融液１６０の高温側の温度が温度Ｔ１３よりも低い温度Ｔ１４となるような温度プロファイル２０６に変化させる。
【００９６】
温度プロファイル２０４から温度プロファイル２０６に変化する過程で、融液１６０の温度は、全域が融点以下となり、融液１６０の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル２０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【００９７】
このように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液１６０内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル２００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル２０２、２０４、２０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【００９８】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶１７０の端部から結晶成長を開始させ、融液１６０の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液１６０の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【００９９】
なお、種結晶１７０の側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度を、種結晶１７０とは反対側を加熱する外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶１７０に接している融液１６０の温度の降下速度を融液１６０の高温側の温度の降下速度より遅くすることにより、融液１６０の高温側の温度の降下量を、種結晶１７０側の融液１６０の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、外周加熱ヒータ１３０の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【０１００】
［第２の比較例］
第２の比較例に係る結晶成長に用いる結晶成長炉は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉３と同一の構成を備えるので、図示は省略する。
【０１０１】
図７は、第２の比較例に係るＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図７（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、図７（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示している。更に、図７（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す。
【０１０２】
まず、図７（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶１７０よりも高温側のボート１２０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ３の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ３から融液１６０の種結晶１７０側とは反対の端部に対応する位置Ｐ４までの温度が少なくとも融点以上となるように、結晶成長ゾーン１８０の複数の外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ設定する。具体的に、ボート１２０内の温度の状況が、温度プロファイル２００で示したように、種結晶端からボート１２０の反対側の端に向かって温度が徐々に上昇するように、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を設定する。なお、この場合における融液１６０の高温側の温度、すなわち位置Ｐ４における温度を温度Ｔ１１とする。
【０１０３】
続いて、図７（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図７（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ボート１２０内の温度の状態が、温度プロファイル２００、２０１、２０３、２０５と徐々に変化する様子を示す。まず、原料が融液１６０となった時点において、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御することにより、温度プロファイル２００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ１１’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０が搭載されている側とは反対側の融液１６０の温度が温度Ｔ１１よりも低い温度Ｔ１２’である温度プロファイル２０１に変化させる。この場合において、温度プロファイル２０１の温度勾配は、温度プロファイル２００の温度勾配と略同一に保たれており、位置Ｐ３における温度の降下量と位置Ｐ４における温度の降下量とは略同一である。すなわち、温度プロファイル２００と温度プロファイル２０１とにおいて、位置Ｐ３と位置Ｐ４との間の温度差は略同一に設定される。
【０１０４】
更に、温度プロファイル２０１から温度プロファイル２０３に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、結晶成長ゾーン１８０の外周加熱ヒータ１３０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ１１’よりも低い温度ｔ１２’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の端の融液１６０の温度が温度Ｔ１２’よりも低い温度Ｔ１３’となるような温度プロファイル２０３に変化させる。同様にして、温度プロファイル２０３から温度プロファイル２０５に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ１２’よりも低い温度ｔ１３’であると共に、ボート１２０の種結晶１７０とは反対側の端の融液１６０の温度が温度Ｔ１３’よりも低い温度Ｔ１４’となるような温度プロファイル２０５に変化させる。この場合において、いずれの温度プロファイルにおいても、温度勾配は略一定を保つ。
【０１０５】
温度プロファイル２０３から温度プロファイル２０５に変化する過程で、融液１６０の温度は、全域が融点以下となり、融液１６０の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル２０５は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【０１０６】
このように、第２の比較例に係る結晶成長方法においては、結晶成長中の融液１６０内の結晶成長方向に沿った温度勾配が、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち、温度プロファイル２００に示した温度勾配を保ちつつ、結晶成長中も温度プロファイル２０１、２０３、及び２０５に示したように、常に一定に保たれる。
【０１０７】
その結果、結晶成長の初期に必要な、種結晶１７０の端部から結晶成長を開始させ、融液１６０の一方向凝固を可能にするのに十分な温度勾配が、融液１６０の凝固が完了した時点においても保たれたままであり、成長した結晶の内部に大きな温度差が生じる。すなわち、成長した結晶内部に過剰な熱応力が発生することとなり、成長した結晶中に結晶欠陥が発生しやすくなると共に、発生した結晶欠陥が増殖しやすくなることとなる。
【０１０８】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のボート１２０内の結晶成長方向の温度勾配を第２の比較例よりも緩やかにすることができるので、成長結晶内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第２の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１０９】
また、第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液１６０内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【０１１０】
また、第２の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１１１】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【０１１２】
第３の実施の形態に係るルツボ３１０、サセプタ３２０、サセプタ支持部材３３０、断熱材３５０、チャンバー３６０、及び液体封止剤３９０は、第１の実施の形態に係るルツボ２０、サセプタ５０、サセプタ支持部材５５、断熱材６２、チャンバー７０、及び液体封止剤４０と略同一の構成を有すると共に、略同一の機能・作用を奏するので、相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【０１１３】
第３の実施の形態に係る結晶成長炉４は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ３１０と、ルツボ３１０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ３２０と、サセプタ３２０を収容して保持するサセプタ支持部材３３０と、ルツボ３１０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ３４０とを備える。
【０１１４】
更に、結晶成長炉４は、種結晶３７０を吊り下げ支持する種結晶支持部材３８０と、複数の外周加熱ヒータ３４０が発する熱の結晶成長炉４の外部への伝熱を防止する断熱材３５０と、断熱材３５０等を外部から覆うチャンバー３６０とを備える。
【０１１５】
本実施形態に係る結晶成長炉４は、カイロポーラス法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉４は、ルツボ３１０内に収容した融液４００の表面に、種結晶３７０と接触させた状態で、種結晶３７０側のルツボ３１０の一端を、ルツボ３１０の他端（ルツボ３１０の底部側）よりも低温に保持しつつ、融液４００の温度を降下させて、種結晶３７０側からルツボ３１０の他端に向けて融液４００を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。なお、結晶成長炉４で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【０１１６】
具体的に、ルツボ３１０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液４００が種結晶支持部材３８０に支持された種結晶３７０と接触して単結晶の成長が開始される。そして、ルツボ３１０内において、種結晶３７０の側から結晶成長炉４の下方に向かって、成長結晶として徐々に成長していく。この場合において、複数の外周加熱ヒータ３４０の設定温度は、結晶成長炉４の下部から上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。すなわち、複数の外周加熱ヒータ３４０の設定温度は、ルツボ３１０の底部から開口部側に向かって徐々に低下するように設定される。
【０１１７】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉４においては、ＧａＡｓ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することもできる。また、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶を成長することもできる。
【０１１８】
また、本実施形態においても、第１の実施の形態と同様に、ルツボ３１０内の融液４００が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー３６０を圧力容器とすることができる。本実施の形態に係るチャンバー３６０が圧力容器である場合の機能及び作用は、第１の実施の形態におけるチャンバー７０と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１１９】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図を示す。具体的には、図９（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、図９（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示している。更に、図９（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す。
【０１２０】
まず、図９（ｂ）に示すように、結晶成長の開始時において、種結晶３７０の下端よりも下のルツボ３１０内に収容した原料を溶融させる。すなわち、種結晶端に対応する位置Ｐ５の温度が融点（ｍ．ｐ．）となると共に、位置Ｐ５から融液４００の最下端に対応する位置Ｐ６までの温度が少なくとも融点以上となるように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を設定する。具体的に、ルツボ３１０内の温度の状況が、温度プロファイル３００で示したように、種結晶３７０の下端からルツボ３１０の底部に向かって温度が徐々に上昇するように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を設定する。なお、この場合における融液３１０の最下端の温度、すなわち位置Ｐ６における温度を温度Ｔ３１とする。
【０１２１】
続いて、図９（ｃ）に示すように、結晶成長を開始させる。具体的には、図９（ｃ）は、結晶成長の進行に伴い、ルツボ３１０内の温度の状態が、温度プロファイル３００、３０２、３０４、３０６と徐々に変化するように複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を制御する。まず、原料が融液４００となった時点において、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度を制御することにより、温度プロファイル３００を、種結晶端の温度が融点よりも低い温度ｔ３１であると共に、融液４００の底部の温度が温度Ｔ３１よりも低い温度Ｔ３２である温度プロファイル３０２に変化させる。温度プロファイル３０２では、少なくとも位置Ｐ５から位置Ｐ６までの範囲内で、ルツボ３１０の中の温度が、位置Ｐ５から位置Ｐ６に向けて単調に増加する温度勾配に設定される。したがって、温度プロファイル３０２では、位置Ｐ６側が位置Ｐ５側より高温に設定される。
【０１２２】
この場合において、種結晶端の融液４００の温度の降下量が、ルツボ３１０の底部側の融液４００の温度の降下量よりも少なくなるように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度をそれぞれ制御する。一例として、種結晶３７０の側を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度を、所定の温度において一定となるように保持する。そして、融液４００の底部に近い側（位置Ｐ６付近）を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度を、温度Ｔ３１から温度Ｔ３２に降下するように、所定の温度に降下させる。
【０１２３】
更に、温度プロファイル３０２から温度プロファイル３０４に温度の状態が変化するように結晶成長を進行させる。この場合においても、外周加熱ヒータ３４０の温度を制御して、種結晶端の温度が温度ｔ３１よりも低い温度ｔ３２であると共に、融液４００の底部の温度が温度Ｔ３２よりも低い温度Ｔ３３となるような温度プロファイル３０４に変化させる。同様にして、温度プロファイル３０４から温度プロファイル３０６に温度の状態が変化するように更に結晶成長を進行させる。この場合においても、種結晶端の温度が温度ｔ３２よりも低い温度ｔ３３であると共に、融液４００の底部（位置Ｐ６）の温度が温度Ｔ３３よりも低い温度Ｔ３４となるような温度プロファイル３０６に変化させる。
【０１２４】
温度プロファイル３０４から温度プロファイル３０６に変化する過程で、融液４００の温度は、全域が融点以下となり、融液４００の凝固が完了する。したがって、温度プロファイル３０６は、凝固が完了した結晶インゴット内部の温度勾配を示すプロファイルである。
【０１２５】
このように、複数の外周加熱ヒータ３４０の温度設定を結晶成長の進行に応じて変化させることにより、結晶成長中の融液４００内の結晶成長方向に沿った温度勾配を、結晶成長の開始時の温度勾配、すなわち温度プロファイル３００に示した温度勾配よりも、温度プロファイル３０２、３０４、３０６に示した温度勾配のように徐々に小さくする。
【０１２６】
その結果、結晶成長の初期には、種結晶３７０の先端からのみ結晶成長を開始させ、融液４００の一方向凝固を可能とするのに十分な温度勾配を確保しつつ、融液４００の凝固が完了した時点においては、成長した結晶の内部に大きな温度差を生じさせずに結晶成長を実施できる。換言すると、過剰な熱応力を結晶内部に発生させることを抑制して、結晶成長を実施できる。
【０１２７】
なお、種結晶３７０の側を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度を、ルツボ３１０の底部側（位置Ｐ６付近側）を加熱する外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度よりも遅くして、種結晶端に接している融液４００の温度の降下速度を融液４００の底部付近の温度の降下速度より遅くすることにより、融液４００の底部における温度の降下量を、種結晶３７０に接している融液４００の表面側の温度の降下量よりも多くすることもできる。また、より欠陥の少ない単結晶の成長を目的として、設定温度を降下させる外周加熱ヒータ３４０の温度の降下速度は、結晶成長の開始時における降下速度から徐々に遅くして、結晶成長を実施することもできる。
【０１２８】
（第３の実施の形態の変形例）
第３の実施の形態の変形例に係る結晶成長炉は、複数の外周加熱ヒータ３４０に加えて、ルツボ３１０の底部を加熱する底部加熱ヒータを更に備えて構成することができる。また、第３の実施の形態に係る結晶成長炉４は、ルツボ３１０内の化合物半導体の原料の融液４００の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部を塞ぐ蓋を更に備えることもできる。更に、第３の実施の形態の変形例に係る結晶成長炉においては、ルツボ３１０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、種結晶３７０を支持する種結晶支持部材３８０に冷却手段を組み合わせることもできる。
【０１２９】
（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ３１０内の結晶成長方向の温度勾配を従来よりも緩やかにすることができるので、成長結晶内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶内の欠陥の発生密度を低減することができるので、第３の実施の形態に係る結晶成長方法を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１３０】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、ルツボ３１０の下方から上方への熱流を実現できるので、結晶成長中に成長結晶が受ける熱履歴を、成長結晶の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【０１３１】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を、成長開始時よりも常に低く保持することから、融液４００内の対流等による急激な温度変化の影響を抑制でき、その結果、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【０１３２】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、成長する結晶中の長手方向の温度勾配を徐々に小さくしていくことにより、結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶の内部に加わる熱応力を低減することができる。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【０１３３】
また、第３の実施の形態に係る結晶成長方法によれば、結晶成長中のルツボ３１０内の径方向の温度勾配をも緩やかにすることができるので、ルツボ３１０の径が大口径であっても、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【実施例】
【０１３４】
（実施例１）
本発明の第１の実施例として、第１の実施の形態で説明した結晶成長炉１を用いてＶＧＦ法によりＧａＡｓの単結晶成長を実施した例を以下に述べる。
【０１３５】
図１０は、本発明の実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【０１３６】
まず、直胴部２７の直径１６０ｍｍ、直胴部２７の長さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０の細径部２５に、ＧａＡｓの種結晶を収容した（Ｓ１００）。続いて、予め合成した塊状のＧａＡｓの多結晶をルツボ２０内に２４０００ｇ充填した（Ｓ１０５）。次に、ドーパントとしてのＳｉを７．２ｇと、液体封止剤４０としてのＢ２Ｏ３を４００ｇ、ルツボ２０内に添加した（Ｓ１１０）。
【０１３７】
次に、このルツボ２０を、グラファイト製のサセプタ５０に収容した（Ｓ１１５）。更に、このサセプタ５０を、結晶成長炉１内で昇降が自在であって、回転が自在であるサセプタ支持部材５５の上に搭載した（Ｓ１２０）。次に、結晶成長炉１を密閉して、結晶成長炉１内を窒素ガスでガス置換した（Ｓ１２５）。これにより、結晶成長炉１内のガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気となった。
【０１３８】
続いて、ルツボ２０の回転を開始した（Ｓ１３０）。ここで、ルツボ２０の回転速度は１ｒｐｍに設定した。なお、ルツボ２０の回転は、サセプタ支持部材５５を回転させて行い、結晶成長が終了するまでルツボ２０の回転を継続した。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれに通電して、ルツボ２０の加熱を開始した（Ｓ１３５）。ルツボ２０の加熱の開始後、所定時間ルツボ２０を加熱し続けることにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を完全に融解して融液３４とした（Ｓ１４０）。
【０１３９】
なお、ルツボ２０を加熱する工程で、チャンバー７０内の雰囲気ガスの体積は膨張する。そこで、チャンバー７０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー７０内の圧力を制御した。すなわち、本実施例においては、チャンバー７０内の圧力が結晶成長中も常に０．５ＭＰａに保持されるように、自動的かつ連続的にチャンバー７０内のガス圧を制御した。
【０１４０】
ここで、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解させる過程において、ルツボ２０内に添加されたＢ２Ｏ３は、ＧａＡｓ多結晶が融解するより早く軟化した。そして、軟化したＢ２Ｏ３は、透明な水飴状になって融液３４の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑制できた。
【０１４１】
続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を１２９５℃に設定した（Ｓ１４５）。また、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を、結晶成長炉１の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち上部加熱ヒータ１０に最も近い位置に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２６０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。
【０１４２】
更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【０１４３】
なお、Ｓ１５０の工程において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の位置に対するルツボ２０の位置は、予め結晶成長炉１内に熱電対を挿入して計測した温度分布に基づいて決定した。具体的には、ルツボ２０を保持している間に種結晶３０が融解して消失することを防止すべく、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、種結晶３０の上端部分にかかるようにルツボ２０を配置した。
【０１４４】
結晶成長炉１内の温度が安定した後、サセプタ支持部材５５を１ｒｐｍの回転速度で回転させた。続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を、０．５ｄｅｇ／ｈの速度で降下させた（Ｓ１５５）。そして、約３日かけて上部加熱ヒータ１０の設定温度が１２６０℃になった時点で上部加熱ヒータ１０の温度効果を停止した。更に、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１４５】
その後、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が４００℃になるまで、−２０℃／ｈの速度で上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を低下させた。続いて、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の通電を停止して、ルツボ２０を室温まで冷却した（Ｓ１６５）。ルツボ２０を室温まで冷却した後、ルツボ２０内の成長結晶３２が全長にわたってＧａＡｓの単結晶であることが確認された。
【０１４６】
なお、上記Ｓ１００からＳ１６５の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【０１４７】
結晶成長炉１を用いて図１０に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶の内の１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位に対応して発生するピットの密度測定、すなわち転位密度測定を実施した。
【０１４８】
図１１は、本発明の実施例１に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【０１４９】
ＫＯＨエッチング処理を施したウェハを観察した結果、ＧａＡｓ単結晶の全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、図１１に示すように、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって５×１０３ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは２５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから２５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が３×１０３ｃｍ−２から５×１０３ｃｍ−２の範囲であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、２×１０３ｃｍ−２未満に収まった。
【０１５０】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【０１５１】
（第１の比較例の成長Ａ）
まず、第１の比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除いた上で、図１０と同様の工程でＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。
【０１５２】
ここで、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度は、結晶成長炉２の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち最上部に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２７０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、各外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【０１５３】
結晶成長に当たっては、４つの外周加熱ヒータ１２の設定温度を、それぞれ０．５ｄｅｇ／ｈの速度で６０時間にわたって降下させ、その後、更に各外周加熱ヒータ１２の温度が全て９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１５４】
第１の比較例の成長Ａにおいては、ヒータの温度設定及び温度降下プログラム以外の項目については、第１の実施例と条件を同一にしてＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長（すなわち、第１の比較例の成長Ａ）は２回実施した。
【０１５５】
１回目の成長によって得られたＧａＡｓの結晶は、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶は得られなかった。また、２回目の成長では、得られたＧａＡｓの結晶の直胴部分に多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶が全長にわたっては得られなかった。
【０１５６】
（第１の比較例の成長Ｂ）
次に、第１の比較例に係る結晶成長炉２を用いて、第１の比較例の成長Ａとは、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度及び温度降下速度を変えて成長を実施した。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち最上部に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２９０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１２００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。
【０１５７】
結晶成長に当たっては、４つの外周加熱ヒータ１２の設定温度を、それぞれ０．６ｄｅｇ／ｈの速度で６０時間にわたって降下させ、その後、更に各外周加熱ヒータ１２の温度が全て９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【０１５８】
第１の比較例の成長Ｂにおいても、ヒータの温度設定及び温度降下プログラム以外の項目については、第１の実施例と条件を同一にしてＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長は２回実施した。この成長において得られたＧａＡｓの結晶は、全長にわたって端結晶であった。
【０１５９】
次に、得られたＧａＡｓの単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【０１６０】
図１２は、第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長方法で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【０１６１】
第１の比較例の成長Ｂでは、結晶内で平均転位密度が最も低い部位でも、ウェハ面内平均で５×１０３ｃｍ−２以上であり、多い部位では１×１０４ｃｍ−２に近い転位密度であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、少なくとも４×１０３ｃｍ−２以上あった。更に、ウェハ面内で転位密度が高い領域には、スリップラインやリネージ欠陥の発生が多く観察された。
【０１６２】
図１２を参照すると、第１の比較例の成長Ｂで得られた結晶においては、本発明の実施例１に係る結晶よりも全体的に大きい平均転位密度を示した。これは、結晶の長手方向の温度勾配が、比較的大きいまま成長を続けたため、成長結晶３２に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。更に、成長した結晶の長手方向にわたって、転位密度の分布の変化が大きかった。これは、上部加熱ヒータ１０を使用していないために、外周加熱ヒータ１２の継ぎ目の温度分布の影響が、成長結晶に強く反映されたためと推測された。
【０１６３】
なお、第１の比較例の成長Ｂにおいては、更に１０回の成長を実施した。その結果、７本の結晶は結晶の全長にわたって単結晶となったが、２本の結晶についてはルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶の発生がみられた。また、残りの１本の結晶については、結晶の直胴部分の途中から多結晶が発生していた。これも、結晶に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【０１６４】
（実施例２）
本発明の他の実施例に係る実施例２として、第２の実施の形態で説明した結晶成長炉３を用いてＧＦ法によりＧａＡｓの単結晶成長を実施した例を以下に述べる。
【０１６５】
図１３は、本発明の実施例２に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【０１６６】
まず、幅５５ｍｍ、直胴部（融液収容部１２４の直胴部分）の長さ６００ｍｍの石英製のボート１２０の細径部１２２にＧａＡｓの種結晶１７０を収容すると共に、直胴部にＧａＡｓの原料多結晶４０００ｇ及びドーパントとして１９０ｍｇのＳｉを収容した（Ｓ２００）。
【０１６７】
次に、このボート１２０を、Ｖ族元素１１０としての６０ｇの砒素と共に、石英製の石英アンプル１５０に収容した（Ｓ２０５）。石英アンプル１５０の内部で、ボート１２０と砒素とは、拡散障壁１４０により仕切られている。そして、この石英アンプル１５０の内部を不活性ガスとしての窒素ガスで置換した後、真空排気して、＜５×１０−６ｔｏｒｒの圧力にして封じ切った（Ｓ２１０）。続いて、この石英アンプル１５０を、結晶成長炉３の外周加熱ヒータ１３０内にセットした（Ｓ２１５）。
【０１６８】
原料多結晶を融解するにあたり、まず、外周加熱ヒータ１３０の設定温度を６１０℃として外周加熱ヒータ１３０の通電を開始すると共に（Ｓ２２０）、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する外周加熱ヒータ１３０にてＶ族元素圧制御ゾーン１９０を加熱して、石英アンプル１５０内の砒素の蒸気圧と大気圧とを釣り合わせた（Ｓ２２５）。そして、結晶成長が完了して結晶成長炉の冷却を開始するまでの間、Ｖ族元素圧制御ゾーン１９０に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度は、６１０℃に保持した。
【０１６９】
次に、結晶成長ゾーン１８０に対応する外周加熱ヒータ１３０の温度を昇温させ、原料多結晶を融解してＧａＡｓの融液１６０を形成した（Ｓ２３０）。結晶成長ゾーン１８０においては、種結晶１７０の融解を防止することを目的として、種結晶１７０側の温度がＧａＡｓの融点である１２３８℃を超えない温度となると共に、ボート１２０の種結晶１７０側の反対側の端部が約１２７０℃となるように、各外周加熱ヒータ１３０の温度をそれぞれ設定した（Ｓ２３５）。その結果、融液１６０の内部のボート１２０の長手方向の温度分布は、種結晶１７０側からボート１２０の種結晶１７０側とは反対側に向かって単調増加する温度勾配となった。
【０１７０】
各外周加熱ヒータ１３０の温度を設定した後、融液１６０の内部の温度が安定するまで、約４時間放置した。続いて、結晶成長ゾーン１８０の種結晶１７０側の温度を一定に保ちつつ、ボート１２０の種結晶１７０の反対側の端の最高温部に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度を０．５ｄｅｇ／ｈの割合で降下させることにより結晶成長を開始した（Ｓ２４０）。結晶成長ゾーン１８０の中央部に位置する外周加熱ヒータ１３０の設定温度は、融液１６０の内部のボート１２０の長手方向の温度分布が、各時刻において種結晶１７０側から最高温部に向かって単調増加する温度勾配となるように、その降下速度を設定して制御した。
【０１７１】
結晶成長ゾーン１８０に位置する外周加熱ヒータ１３０の設定温度を降下させることで、ＧａＡｓの融液１６０が種結晶１７０と接触している側から最高温部側に向かって順に凝固を開始して、ＧａＡｓ単結晶の成長が進行した。そして、約２．５日を経て融液１６０が完全に凝固した。次に、最高温部に対応する外周加熱ヒータ１３０の設定温度の効果を停止すると共に、結晶成長ゾーン１８０に位置する外周加熱ヒータ１３０の温度を１００ｄｅｇ／ｈの割合で６００℃近傍まで冷却（徐冷）した（Ｓ２４５）。更に、結晶成長ゾーン１８０及びＶ族元素圧制御ゾーン１９０のそれぞれに対応する外周加熱ヒータ１３０の通電を停止して、室温まで冷却した（Ｓ２５０）。
【０１７２】
その後、石英アンプル１５０から成長した結晶を取り出して観察したところ、全長にわたってＧａＡｓの単結晶となっていることが確認された。なお、上記説明におけるＳ２００からＳ２５０の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【０１７３】
結晶成長炉３を用いて図１３に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶のうちの１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略台形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【０１７４】
ＫＯＨエッチング処理を施したウェハを観察した結果、ＧａＡｓ単結晶の全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって５０ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは５５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから５５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が５ｃｍ−２から５０ｃｍ−２の範囲であった。
【０１７５】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は５０ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【０１７６】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図２Ａ】第１の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図２Ｂ】第１の実施の形態に係る結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルの詳細を示す図である。
【図３】第１の比較例に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図４】第１の比較例に係るＶＧＦ法のおける結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図６】第２の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図７】第２の比較例に係るＧＦ法における結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したボートの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解したときのボート内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ボート内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図８】第３の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図９】第３の実施の形態に係る結晶成長炉内の結晶成長方向に沿った温度変化の模式図であり、（ａ）は、種結晶と融液とを収容したルツボの縦断面図であり、（ｂ）は、原料の多結晶を融解するときのルツボ内の温度の状況を示す図であり、（ｃ）は、結晶成長の進行に伴った、ルツボ内の温度変化のプロファイルを示す図である。
【図１０】実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す図である。
【図１１】実施例１に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す図である。
【図１２】第１の比較例の成長Ｂに係る結晶成長方法で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す図である。
【図１３】実施例２に係る結晶成長の工程の流れを示す図である。
【符号の説明】
【０１７８】
１、２、３、４ 結晶成長炉
１０、１１ 上部加熱ヒータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１３０、３４０ 外周加熱ヒータ
１５ 熱伝導部材
２０、３１０ ルツボ
２０ａ、２０ｂ ルツボ端
２２ ルツボ開口部
２４ ルツボ側面
２５ 細径部
２６ 傾斜部
２７ 直胴部
３０、１７０、３７０ 種結晶
３０ａ 種結晶端
３２ 成長結晶
３４、１６０、４００ 融液
４０、３９０ 液体封止剤
５０、３２０ サセプタ
５１ サセプタ上部
５２ サセプタ下部
５５、３３０ サセプタ支持部材
６０、６２、３５０ 断熱材
７０、３６０ チャンバー
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 温度プロファイル
１１０ Ｖ族元素
１２０ ボート
１２２ 細径部
１２４ 融液収容部
１４０ 拡散障壁
１５０ 石英アンプル
１８０ 結晶成長ゾーン
１９０ Ｖ族元素圧制御ゾーン
２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ 温度プロファイル
３００、３０２、３０４、３０６ 温度プロファイル
３８０ 種結晶支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の種結晶と前記半導体の原料とを収容した容器を加熱して、前記原料を半導体融液とする原料融解工程と、
前記容器の前記種結晶側の一端を、前記種結晶を収容している側とは反対側の前記容器の他端よりも低温に保持する温度保持工程と、
前記種結晶側の前記半導体融液の温度の降下量を、前記他端側の前記半導体融液の温度の降下量よりも少なくした状態で前記半導体融液の温度を降下させて、前記種結晶側から前記容器の前記他端に向けて前記半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項２】
前記結晶成長工程は、前記種結晶側の前記半導体融液の温度の降下速度を、前記他端側の前記半導体融液の温度の降下速度よりも遅くした状態で、前記半導体融液の温度を降下させて前記半導体融液を固化させる
請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項３】
複数個の加熱用ヒータを備える結晶成長炉内に、種結晶を収容した種結晶配置部を有すると共に、半導体の原料を収容した結晶成長用の容器を収容する容器収容工程と、
前記容器に収容した前記原料が融解した半導体融液に種結晶を接触させた状態で、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下量を、前記容器の前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下量よりも少なくした状態で、前記半導体融液の温度を降下させて、前記種結晶側から前記容器の他端に向けて前記半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項４】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度よりも遅くした状態で、前記半導体融液の温度を降下させる
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項５】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度を一定に保ちつつ、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度を降下させて、前記半導体融液の温度を降下させる
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項６】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側の加熱温度と、前記種結晶配置部とは別の端部の加熱温度とを制御して、結晶成長中の前記半導体融液内の結晶成長方向（前記容器の長手方向）の温度勾配を、前記結晶成長の進行につれて前記結晶成長の開始時よりも小さくする
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項７】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側の加熱温度を略一定に保持する
請求項６に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項８】
前記結晶成長工程は、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くする
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項９】
前記結晶成長工程は、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にする
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１０】
前記結晶成長工程は、結晶成長中の前記半導体融液内の結晶成長方向（前記容器の長手方向）の温度勾配を、前記結晶成長の進行につれて前記結晶成長の開始時よりも小さくすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にする
請求項６又は７に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１１】
前記半導体融液を収容する前記容器が水平に載置され、前記容器の一端に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が水平方向に進行する水平ボート法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１２】
前記半導体融液を収容する前記容器が垂直に保持され、前記容器の下端に設けられた種結晶収容部に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が下方から上方に向けて進行する縦型ボート法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１３】
前記半導体融液を収容する前記容器が垂直に保持され、前記容器の上端に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１４】
前記結晶成長炉は、前記容器を包囲する位置に配置されて前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータと、前記容器の側面を除く端面を加熱する位置に配置されて前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータとを有する
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１５】
前記結晶成長炉は、前記容器を包囲する位置に配置されて前記容器を加熱する前記加熱用ヒータと、前記容器の長手方向に対して垂直な位置に発熱面を含み、前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータとを有する
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１６】
前記容器は、断面が円形であり、
前記結晶成長工程は、前記半導体融液及び前記半導体融液から成長する成長結晶内の等温面が略平坦に維持された状態で結晶成長が進行するように、前記半導体融液を凝固させる
請求項１２又は１３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１７】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長中において、前記容器を包囲して配置されている前記加熱用ヒータの温度が、前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度よりも低い温度に保持される
請求項１４又は１５に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１】
半導体の種結晶と前記半導体の原料とを収容した容器を加熱して、前記原料を半導体融液とする原料融解工程と、
前記容器の前記種結晶側の一端を、前記種結晶を収容している側とは反対側の前記容器の他端よりも低温に保持する温度保持工程と、
前記種結晶側の前記半導体融液の温度の降下量を、前記他端側の前記半導体融液の温度の降下量よりも少なくした状態で前記半導体融液の温度を降下させて、前記種結晶側から前記容器の前記他端に向けて前記半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項２】
前記結晶成長工程は、前記種結晶側の前記半導体融液の温度の降下速度を、前記他端側の前記半導体融液の温度の降下速度よりも遅くした状態で、前記半導体融液の温度を降下させて前記半導体融液を固化させる
請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項３】
複数個の加熱用ヒータを備える結晶成長炉内に、種結晶を収容した種結晶配置部を有すると共に、半導体の原料を収容した結晶成長用の容器を収容する容器収容工程と、
前記容器に収容した前記原料が融解した半導体融液に種結晶を接触させた状態で、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下量を、前記容器の前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下量よりも少なくした状態で、前記半導体融液の温度を降下させて、前記種結晶側から前記容器の他端に向けて前記半導体融液を徐々に固化させる結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項４】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度よりも遅くした状態で、前記半導体融液の温度を降下させる
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項５】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータの温度を一定に保ちつつ、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度を降下させて、前記半導体融液の温度を降下させる
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項６】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側の加熱温度と、前記種結晶配置部とは別の端部の加熱温度とを制御して、結晶成長中の前記半導体融液内の結晶成長方向（前記容器の長手方向）の温度勾配を、前記結晶成長の進行につれて前記結晶成長の開始時よりも小さくする
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項７】
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶側の加熱温度を略一定に保持する
請求項６に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項８】
前記結晶成長工程は、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くする
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項９】
前記結晶成長工程は、前記種結晶配置部とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度の降下速度を結晶成長の開始時の降下速度から徐々に遅くすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にする
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１０】
前記結晶成長工程は、結晶成長中の前記半導体融液内の結晶成長方向（前記容器の長手方向）の温度勾配を、前記結晶成長の進行につれて前記結晶成長の開始時よりも小さくすることにより、結晶成長界面の移動速度を略一定にする
請求項６又は７に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１１】
前記半導体融液を収容する前記容器が水平に載置され、前記容器の一端に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が水平方向に進行する水平ボート法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１２】
前記半導体融液を収容する前記容器が垂直に保持され、前記容器の下端に設けられた種結晶収容部に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が下方から上方に向けて進行する縦型ボート法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１３】
前記半導体融液を収容する前記容器が垂直に保持され、前記容器の上端に前記種結晶が配置され、前記半導体融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を用いる
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１４】
前記結晶成長炉は、前記容器を包囲する位置に配置されて前記容器の前記種結晶側を加熱する前記加熱用ヒータと、前記容器の側面を除く端面を加熱する位置に配置されて前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータとを有する
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１５】
前記結晶成長炉は、前記容器を包囲する位置に配置されて前記容器を加熱する前記加熱用ヒータと、前記容器の長手方向に対して垂直な位置に発熱面を含み、前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータとを有する
請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１６】
前記容器は、断面が円形であり、
前記結晶成長工程は、前記半導体融液及び前記半導体融液から成長する成長結晶内の等温面が略平坦に維持された状態で結晶成長が進行するように、前記半導体融液を凝固させる
請求項１２又は１３に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１７】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長中において、前記容器を包囲して配置されている前記加熱用ヒータの温度が、前記容器の前記種結晶側とは別の端部を加熱する前記加熱用ヒータの温度よりも低い温度に保持される
請求項１４又は１５に記載の半導体結晶成長方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１９０９１４（Ｐ２００９−１９０９１４Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１５８１（Ｐ２００８−３１５８１）
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【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２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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