JP2004277267A

JP2004277267A - 化合物半導体単結晶の製造装置

Info

Publication number: JP2004277267A
Application number: JP2003074682A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Yamamoto; 俊輔山本; Michinori Wachi; 三千則和地; Takeshi Nakazawa; 健中澤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】垂直ブリッジマン法を用いるに当たり、固液界面の形状が融液側に凹面になってしまうのを抑制することにより、転位密度の低い単結晶を歩留まり良く育成する。
【解決手段】垂直ブリッジマン法を用いる化合物半導体単結晶の製造装置において、単結晶の育成が行われるルツボ２と、このルツボ２の周りに配置されたヒータ３との間に、垂直方向に延在する熱シールド部材４を介在させ、この熱シールド部材４の上方にルツボ２内の固液界面Ｋが位置するようにしたことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直ブリッジマン法を用いる化合物半導体単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直径φ３インチを超える大型で、しかも転位密度の低い化合物半導体単結晶（例えば、ＧａＡｓ，ＩｎＰ等）を得る方法として、液体封止引上法（ＬＥＣ法）に代えて、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）が注目されている。ＶＢ法では、ＬＥＣ法に比べて低温度勾配下で単結晶を育成できるため、得られる単結晶は転位密度の低いものとなる。
【０００３】
このＶＢ法を用いる化合物半導体単結晶の製造装置（例えば、特許文献１参照）では、ルツボ内で原料融液を下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を育成する。詳細には、予めルツボの底部に種結晶を置き、その上に多結晶原料を置いて、該ルツボを取り囲むヒータによって、上部が高く下部が低い温度勾配を設けた状態で、ルツボをヒータの位置に対して相対的に降下させることにより、ルツボの原料融液を下方から上方に向けて徐々に固化させてゆく。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６９２７８号公報（第２−４頁，第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＶＢ法の特徴である低転位化を実現するためには、結晶固化後に発生する熱的な歪みの抑制が必要となる。この熱的な歪みの抑制対策としては、低温度勾配下での結晶成長が挙げられる。これは、結晶固化部及び成長部を低温度勾配下でゆっくりと冷却することで、冷却時の熱歪みにより発生する転位を抑制できるためである。
【０００６】
しかし、低温度勾配下で成長する場合、種結晶部や結晶固化部からの放熱量が不足しやすくなるので、固液界面の形状が融液側に凹面になりやすい。固液界面形状が融液側へ凹面になると、発生した転位が結晶の内部に向かって集まって多結晶化しやすくなり、歩留まりが低下するという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、ＶＢ法を用いるに当たって、固液界面の形状が融液側に凹面になってしまうのを抑制することにより、転位密度の低い単結晶を歩留まり良く育成する技術を提供することを目的とする。さらに本発明は、固液界面形状を融液側へ凸面に維持して、高品質な単結晶を得る技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の化合物半導体単結晶の製造装置は、ＶＢ法を用いる化合物半導体単結晶の製造装置において、前記単結晶の育成が行われるルツボと、このルツボの周りに配置されたヒータとの間に、垂直方向に延在する筒状の熱シールド部材を介在させ、この熱シールド部材の上端よりも上方に前記ルツボ内の固液界面が位置するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、前記ヒータが少なくとも前記固液界面部を加熱するゾーンを有し、このゾーンの長さをＬとした場合、該ゾーンの中心から下方Ｌ／４以内の高さに前記固液界面を位置させるのが好ましい。また本発明では、前記熱シールド部材の上端を、前記固液界面の下方３０［ｍｍ］以内の高さに位置させるのが好ましい。また本発明では、前記熱シールド部材の全長が、製造しようとする前記単結晶の長さよりも長いのが好ましい。
【００１０】
【作用】
ヒータからの熱は、熱シールド部材によって遮られるところ、この熱シールド部材の上方に固液界面が位置するようにしたから、この固液界面にはヒータからの熱が遮られることなく直接的に輻射される。従って、この固液界面の部分だけを相対的に強く加熱することを容易に実現できる。これにより、固液界面の形状を融液側に凸面に維持できる。一方、固液界面よりも垂直下方の部分、即ち結晶固化部においては、この部分に延在する筒状の熱シールド部材によって、該結晶固化部からの輻射による放熱が緩和されるから、この結晶固化部を徐冷できる。この様にして、固液界面形状を融液側に凸面に保ちながら、結晶固化部の熱歪みを抑制できるから、転位密度の低い単結晶を容易に育成できる。
【００１１】
また、ヒータの固液界面部を加熱するゾーンにおける中心から下方Ｌ／４以内の領域は、該ゾーンにおける熱放射が最も強い部分であるところ、その部分の高さに固液界面を位置させることにより、該固液界面部を局所的に強く加熱できる。これにより、固液界面の形状が融液側に凹面になってしまうのを抑制できるのは勿論、該固液界面を融液側に凸面とすることを容易に実現できる。その結果、高品質な単結晶を得ることができる。
【００１２】
特に、熱シールド部材の上端を、固液界面の下方３０［ｍｍ］以内の高さに位置させた条件下においては、特に固液界面を融液側に良好に凸面とすることができ、いっそう高品質な単結晶を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態による化合物半導体単結晶の製造装置を示す。この装置は、ＶＢ法を用いて化合物半導体単結晶を製造するものであり、チャンバ１内に、単結晶の育成が行われるルツボ２と、このルツボ２の周りに配置されたヒータ３とを備える。そして、この装置は、ルツボ２とヒータ３との間に、垂直方向に延在する熱シールド部材４を介在させ、この熱シールド部材４の上方にルツボ２内の固液界面Ｋが位置するようにしたことを最大の特徴とするものである。以下、詳細に説明する。
【００１４】
ルツボ２は、その底部に種結晶が収容される種結晶収容部２ａと、この種結晶収容部２ａから上方に向けて次第に直径が大きくなる増径部２ｂと、この増径部２ｂから上方に続く直胴部２ｃとを有する。
【００１５】
ヒータ３は、ルツボ２を取り囲んでおり、チャンバ１内にて下方から上方に向けて次第に高温となる温度勾配を構成するために、垂直方向に複数のゾーンに分割されて構成されている。本実施の形態においてヒータ３は、該温度勾配を高温部と低温部とに大きく２つに分けた場合に、その高温部を担う上部ゾーン３ａと、その低温部を担う下部ゾーン３ｂとからなる。
【００１６】
このうち上部ゾーン３ａは、ルツボ２内で融液８を形成する高温域と、固液界面Ｋの位置を制御する結晶融点近傍の界面温度域とを担う。このように上部ゾーン３ａは、少なくとも固液界面Ｋの部分を加熱すると共に、固液界面Ｋを制御するためのものである。一方、下部ゾーン３ｂは、融点よりも低い低温域を担うものである。
【００１７】
熱シールド部材４は、ルツボ２を取り囲むことができるように該ルツボ２の直胴部２ｃよりも大きな径を有する円筒状に形成されている。該熱シールド部材４は、垂直方向に延在しており、その全長は製造しようとする単結晶の長さよりも長い。この熱シールド部材４は、輻射熱を遮ることができるものであれば、特にその材質は限定されないが、不透明で、且つ高温まで安定な物質を用いるのが好ましい。具体的には、熱シールド部材の材質としては、カーボン、ＢＮ、アルミナ、ジルコニア等のセラミックやタンタル、モリブデン、白金等の高融点金属を用いることができる。
【００１８】
この熱シールド部材４とルツボ２とは、チャンバ１内において垂直方向に相対昇降するようになっている。本実施の形態では、その相対昇降手段を上軸５が担っている。即ち、熱シールド部材４が固定されていて、ルツボ２が上軸５によって垂直方向に昇降可能となっている。上軸５はその一端がチャンバ１に接続され、他端がルツボ２に接続されており、単結晶の育成時にはルツボ２を所定の速度で降下させる。その速度は図示せぬ制御手段によって制御される。
【００１９】
この化合半導体単結晶製造装置の作用は次の通りである。
【００２０】
まず、ルツボ２の種結晶収容部２ａに種結晶を収容し、その上部に多結晶原料を充填し、その上に多結晶原料の融液が揮発するのを防止する液体封止剤６を充填する。その後、ヒータ３によって、多結晶原料を加熱溶融すると共に、その融液と接触する種結晶の一部を溶融して種付けを行い、その種付け箇所から上方に向かって融液８を固化させるために、ルツボ２をヒータ３に対して相対下降せしめながら単結晶を育成する。
【００２１】
詳細には、育成の過程で上軸５は、上部ゾーン３ａの長さをＬとした場合、該ゾーン３ａの中心から下方Ｌ／４以内の高さに常に固液界面Ｋが位置するような速度でルツボ２を降下させる。尚、固液界面Ｋとは、ルツボ２内における固化した結晶である結晶固化部７と、多結晶原料の融液８との界面をいう。好ましくは、上軸５は、熱シールド部材４の上端が、育成の過程で常に固液界面Ｋの下方３０［ｍｍ］以内の高さに位置するような速度でルツボ２を降下させる。
【００２２】
この化合物半導体単結晶製造装置によれば、固液界面Ｋの周辺部への加熱を強くすることによって、固液界面Ｋの形状を融液８側へ凸面に維持できると共に、結晶固化部７の輻射による放熱を抑えることで転位密度の低い単結晶を歩留まり良く育成できる。
【００２３】
即ちこの装置においては、育成のときに、固液界面Ｋと対向する位置に熱シールド部材４がなく、固液界面Ｋの位置がヒータ３の上部ゾーン３ａの中心付近にあるため、該ゾーン３ａからの最も強い輻射熱を直接受け、その部分の外周部の温度が上昇し、固液界面Ｋの形状を融液８側へ凸面に維持することができる。一方、結晶の固化部７は、熱シールド部材４に覆われるため、この固化部７からの輻射による放熱が緩和され、単結晶の固化後の熱的歪みが抑制されるので、転位密度の低い単結晶を歩留まり良く育成できる。
【００２４】
〔実施例〕
図１の装置を用いて、化合物半導体単結晶の一つである半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を育成した。ここで熱シールド部材４としては、内径１４０［ｍｍ］、厚さ５［ｍｍ］の円筒形で、直胴部２Ｃの長さが２００［ｍｍ］程度のグラファイト製のものを用いた。また本実施例において上部ゾーン３ａ、下部ゾーン３ｂは共に長さが２００［ｍｍ］である。さらに、熱シールド部材４は、その上端が上部ゾーン３ａの中心から５０［ｍｍ］下方に位置するよう固定した。
【００２５】
以上の条件下において、ＰＢＮ製のルツボ３に、種結晶と、ＧａＡｓ多結晶原料と、液体封止剤６としてのＢ_２Ｏ_３（酸化ホウ素）とをこの順に収容した。その後、該ＰＢＮ製ルツボ３をチャンバ１内にセットし、セット完了後にチャンバ１内を真空引きし、不活性ガスで置換した。その後、上部ゾーン３ａ、下部ゾーン３ｂにより昇温して、多結晶原料を完全に溶融して融液２化した。育成の過程では、上軸５によってＰＢＮ製ルツボ２を３［ｍｍ／時］の速度で下方に移動しながら結晶成長を行った。
【００２６】
この方法によれば、直径φ４インチ、直胴部の結晶長２００［ｍｍ］の単結晶で、平均転位密度が３００［個／ｃｍ^２］と、転位密度の低い半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を得ることができた。また、同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶の歩留まりは８０％であった。
【００２７】
さらに、上記の結晶成長における固液界面Ｋの形状を確認するために、結晶原料にＳｉを添加して同様の実験を行った。得られた単結晶の断面に赤外線を照射しながら、該断面を硫酸系のエッチャントでエッチングして固液界面形状を観察したところ、その形状は、全長に渡って融液８側に凸面になっていることが確認された。また固液界面Ｋの高さ位置が、上部ゾーン３ａの中心から下方２０［ｍｍ］〜５０［ｍｍ］以内であることも確認された。このことから、熱シールド部材４の上端は、固液界面Ｋの下方０〜３０［ｍｍ］以内の高さに位置させるのが好ましいといえる。
【００２８】
〔比較例１〕
熱シールド部材４の上端位置を、結晶の固化部７から固液界面Ｋの部分までを覆うような高さとした以外は、上記実施例と同じ条件下でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。その結果、全長にわたって固液界面Ｋは融液８側に凹面となり、歩留まりも６０％以下と上記実施例の８０％よりも低下した。これは、固液界面Ｋの部分を熱シールド部材４によって覆ってしまったことにより、上部ゾーン３ａから固液界面Ｋに至ろうとする輻射熱が遮られ、該固液界面Ｋの熱量が不足した為と考えられる。
【００２９】
〔比較例２〕
熱シールド部材４の上端を、固液界面Ｋの高さ位置よりも下方３０［ｍｍ］以上の位置に配置させた以外は、上記実施例と同じ条件下でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。その結果、得られた単結晶の平均転位密度が４０００［個／ｃｍ^２］以上となり、上記実施例の３０００［個／ｃｍ^２］よりも増加した。これは、熱シールド部材４の上端位置を低くしすぎたことにより、垂直方向の温度勾配が急峻になりすぎてしまい、結晶固化部７に熱的な歪みが発生した為と考えられる。
【００３０】
〔比較例３〕
熱シールド部材４の長さを成長する結晶長よりも短くした以外は、上記実施例と同じ条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。その結果、得られた単結晶の平均転位密度が３５００［個／ｃｍ^２］以上と上記実施例の３０００［個／ｃｍ^２］よりも増加した。これは、熱シールド部材４を結晶長よりも短くしたことにより、所定長以上に単結晶が成長したときに、結晶固化部７の一部が熱シールド部材４によって覆われない状態となってしまい、その部分の熱輻射が緩和されないことになって、当該部分に熱歪みが発生した為と考えられる。
【００３１】
〔比較例４〕
育成の過程で、固液界面Ｋの高さ位置を、上部ゾーン３ａの中心から下方５０［ｍｍ］以上、又は上部ゾーン３ａの中心から上方５０［ｍｍ］以上とした以外は、上記実施例と同じ条件でＧａＡｓの成長を行った。その結果、全長にわたって固液界面Ｋが融液８側に凹面となり、歩留まりも７０％以下に低下した。これは、固液界面Ｋの部分が、上部ゾーン３ａの垂直方向中心部分で充分に加熱されなかったために、該固液界面が融液８側に凹面となってしまった為と考えられる。
【００３２】
以上の実施例及び比較例から、結晶成長容器（ルツボ２）と、炉（チャンバ１）内のヒータ３との間に円筒状の熱シールド部材４を設けて、固液界面Ｋの位置を上部ゾーン３ａの長さＬに対して、該ゾーン３ａの中心から下方Ｌ／４以内に配置し、熱シールド部材４の上端を固液界面Ｋの下方３０［ｍｍ］以内に配置し、熱シールド部材４の長さを成長する結晶長以上とすることにより、固液界面Ｋの形状を融液８側へ凸面に維持して、結晶固化部７からの輻射による放熱を緩和することで、固化後の熱的歪みが抑制され、転位密度の低い単結晶を歩留まりよく製造できると考えられる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られない。実施例では、ＧａＡｓの成長について説明したが、ＧａＡｓの他にも例えばＩｎＰ、ＧａＰ等の化合物半導体単結晶の成長にも適用できる。またヒータの分割数は特に２つに限定されない。ヒータは３つ以上のゾーンに分割されたものであってもよい。またヒータは、固液界面を制御する部分を有していれば、特に分割されていなくてもよい。また熱シールド部材４の個数も特に限定されない。例えば、熱シールド部材４は、内管と外管からなる二重管構造を有するものであってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＶＢ法を用いるに当たって、固液界面の形状が融液側に凹面になってしまうのを抑制することにより、転位密度の低い単結晶を歩留まり良く育成できる。さらに本発明によれば、固液界面形状を融液側へ凸面に維持して、高品質な単結晶を育成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による化合物半導体単結晶製造装置を示す図。
【符号の説明】
１チャンバ（炉）
２ルツボ（結晶成長容器）
３ヒータ
３ａ上部ゾーン
３ｂ下部ゾーン
４熱シールド部材
５上軸（昇降手段）
６液体封止剤（Ｂ_２Ｏ_３）
７結晶固化部
８多結晶原料の融液
Ｋ固液界面

Claims

垂直ブリッジマン法を用いる化合物半導体単結晶の製造装置において、
前記単結晶の育成が行われるルツボと、このルツボの周りに配置されたヒータとの間に、垂直方向に延在する筒状の熱シールド部材を介在させ、
この熱シールド部材の上方に前記ルツボ内の固液界面が位置するようにしたことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
前記ヒータは、少なくとも前記固液界面部を加熱するゾーンを有し、
このゾーンの長さをＬとした場合、該ゾーンの中心から下方Ｌ／４以内の高さに前記固液界面が位置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
前記熱シールド部材の上端が、前記固液界面の下方３０ミリメートル以内の高さに位置するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
前記熱シールド部材の全長が、製造しようとする前記単結晶の長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載の化合物半導体単結晶の製造装置。