JP2011046573A - 化合物半導体結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体封止剤を用いた単結晶引き上げ法（ＬＥＣ法）において、結晶成長条件の再現性を確保し、安定した単結晶歩留まりを得る化合物半導体結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】サセプタ４によって支持されるルツボ３内に原料６及び液体封止剤７を収容する収容工程と、前記ルツボ３を加熱し、前記原料６及び液体封止剤７を融解する融解工程と、前記ルツボ３内の原料融液６に種結晶２を接触させ、前記種結晶２を引き上げて結晶成長させて化合物半導体結晶１０を得る結晶成長工程と、前記結晶成長工程の前に前記ルツボ３と前記サセプタ４との間に予め設けておいた熱量調整部１１の肉厚を、原料６及び液体封止剤７と接触していたルツボ３内周面の損耗量に応じて補正する補正工程と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体結晶の製造方法に関し、特に、ＬＥＣ法にて結晶成長させる化合物半導体結晶の製造方法に関するものである。

ＩＣやＬＳＩ等の基板のような半導体材料は、化合物半導体結晶から薄く切り出すことなどにより作製される。この化合物半導体結晶の製造方法としては種々の方法があるが、よく用いられている方法としてはＬＥＣ法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここでいうＬＥＣ法とは、簡単に言うと、ルツボ内に原料および液体封止剤を入れてこれらを融解させ、この原料融液に種結晶を接触させ、液体封止剤にて原料成分の流出を封止しつつ、この種結晶を引き上げることにより結晶成長した単結晶の化合物半導体結晶を得る方法である。

このＬＥＣ法は、化合物半導体結晶の製造方法としては確かによく用いられている方法であるが、化合物半導体結晶の製造工程において、原料融液の温度などのような結晶成長条件が結晶成長間に変動するという問題が生ずることもある。

例えば、結晶成長が進行すると、ルツボの中の融液の残量が減少し、結晶成長界面が原料融液中に張り出してきてルツボの底に接触し、成長が続行できなくなったり、結晶成長の進行に伴い発生する温度ゆらぎが少しであっても、融液全体が凝固して、結晶とルツボが固着してしまったりという問題がある。

本出願人はこの問題を解決すべく、ルツボとこのルツボを支えるサセプタとの間に介在物を設け、原料の融解の際に介在物に蓄えられた熱を利用して原料融液の温度ゆらぎを抑制する技術を開発している（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−５６５８２号公報 特開２００９−２３８６７号公報

一方、結晶成長条件が結晶成長間に変動する要因は上述した内容以外にも考えられ、例えば、ルツボの肉厚の変化によるルツボの熱伝導性の変化が挙げられる。

ルツボの材質としては一般にｐＢＮ（ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）が使用されているが、液体封止剤として一般に使用される三酸化硼素とｐＢＮからなるルツボとの間の濡れ性は良好であるため、三酸化硼素がルツボ内周面に固着しやすくなってしまう。この固着によりルツボ内周面が損耗してしまい、さらに、化合物半導体結晶の製造にこのルツボを使用する度に、この損耗が発生するため、結果としてルツボの肉厚が次第に薄くなってしまう。

ルツボの肉厚が薄くなることにより、原料を融解するためのヒータの熱に対する熱伝導性が大きくなり、ルツボを使用する度に結晶成長条件が変動することになる。さらに、ルツボの内周面が損耗してしまうため、結晶成長を行う前の原料融液と三酸化硼素との界面
位置が変動することにより、熱伝導性以外にも、熱流も変動することになる。これらの変動により、原料融液内の温度分布の再現性が得られなくなるおそれがある。

特に、化合物半導体結晶を製造した後、製造された化合物半導体結晶についての性能を測定し、次の化合物半導体結晶の製造工程で得られる化合物半導体結晶との偏差が小さくなるように製造工程に修正を加える制御方法（以降、Ｒｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎともいう）を用いる場合、前記偏差を小さくするためにも化合物半導体結晶の製造工程の再現性が重要になる。再現性が重要であるにもかかわらず、上述のようにルツボの肉厚が薄くなることにより、ルツボの熱伝導性および熱流が変動することになり、原料融液内の温度分布の再現性が得られなくなるおそれがある。その結果、Ｒｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎによって単結晶を再現性良く得ることが難しくなり、安定した単結晶歩留まりを得ることが困難となるおそれがある。

本発明の目的は、結晶成長条件の再現性を確保し、安定した単結晶歩留まりを得る化合物半導体結晶の製造方法を提供することである。

本発明の第一の態様は、サセプタによって支持されるルツボ内に原料及び液体封止剤を収容する収容工程と、前記ルツボを加熱し、前記原料及び液体封止剤を融解する融解工程と、前記ルツボ内の原料融液に種結晶を接触させ、前記種結晶を引き上げて結晶成長させて化合物半導体結晶を得る結晶成長工程と、前記結晶成長工程の前に前記ルツボと前記サセプタとの間に予め設けておいた熱量調整部の肉厚を、ルツボ内周面の損耗量に応じて補正する補正工程と、を有することを特徴とする。

本発明の第二の態様は、第一の態様に記載の発明において、前記補正工程では、前記結晶成長工程の前に予め設けておいた熱量調整部の少なくとも一部を、前記損耗量に応じた肉厚が加えられた熱量調整部の少なくとも一部と置換して新たな熱量調整部とすることにより補正することを特徴とする。

本発明の第三の態様は、第一または第二の態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボと同じ材質とすることを特徴とする。

本発明の第四の態様は、第一ないし第三のいずれかの態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボに対して密着自在な形状とすることを特徴とする。

本発明の第五の態様は、第一ないし第四のいずれかの態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部を前記サセプタに対して密着自在な形状とすることを特徴とする。

本発明の第六の態様は、第一ないし第五のいずれかの態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボ底部形と相似、または同一形状とすることを特徴とする。

本発明の第七の態様は、第一ないし第六のいずれかの態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部を円筒形状としたとき、前記補正工程前後の熱量調整部の外径を、前記ルツボ外径と同じとすることを特徴とする。

本発明の第八の態様は、第一ないし第七のいずれかの態様に記載の発明において、前記補正工程前後の熱量調整部の肉厚を、前記ルツボ底部肉厚よりも厚くすることを特徴とす
る。

本発明の第九の態様は、第一ないし第八のいずれかの態様に記載の化合物半導体結晶の製造方法を繰り返すことにより複数の化合物半導体結晶を製造するとき、前記熱量調整部の肉厚と前記ルツボ底部の肉厚との和を、少なくとも各々の補正工程において一定とすることを特徴とする。

本発明によれば、結晶成長条件の再現性を確保し、安定した単結晶歩留まりを得る化合物半導体結晶の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態におけるＬＥＣ法結晶成長炉の概略断面図である。 本発明の別の実施形態におけるＬＥＣ法結晶成長炉の概略断面図である。 本発明の別の実施形態におけるＬＥＣ法結晶成長炉の概略断面図である。 本発明の別の実施形態におけるＬＥＣ法結晶成長炉の概略断面図である。 従来の化合物半導体結晶の製造装置の構成を示す概略断面図である。

本発明者らは、製造工程の再現性を確保することができる化合物半導体結晶の製造方法について種々検討した。
その結果、発明者らは、サセプタとルツボとの間に前もって熱量調整部を設けておき、ルツボの肉厚が薄くなっても、ルツボ内周面の損耗量に応じて前記熱量調整部の肉厚を補正すればルツボの熱伝導性を維持することができることを見出した。

以下に、本発明の一実施形態に係る半導体結晶の製造方法およびその製造装置について説明する。なお、本実施形態においては、化合物半導体結晶の製造方法の１つであるＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）でＧａＡｓ単結晶を製造する際の製造装置及びその製造方法について説明する。

図１は、本発明の一実施形態における化合物半導体結晶の製造装置を示す概略断面図である。
図１に示すように、圧力容器からなる成長炉１００には、単結晶を引上げる為の引上げ軸１が設けられ、引上げ軸１の先端に、種結晶２が取り付けられる。

前記引上げ軸１は、成長炉１００の上方から炉内に挿入され、炉内に設置されているルツボ３に対峙される。そしてこのルツボ３は、サセプタ４を介して回転及び昇降自在なペデスタル５に支持される。

前記ルツボ３内には、単結晶の原料６と、液体封止材７とが収容される。なお、この原料６としては例えばＩＩＩ族原料やＶ族原料が挙げられ、液体封止材７としては例えば三酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３）が挙げられる。後述するように、原料６および液体封止材７はルツボ３内にて融解される。

前記ルツボ３の材質は、化合物半導体結晶の製造に用いることができるものであればよく、例えばｐＢＮやシリコン、またはこれらを含有したものなどが挙げられるが、本実施形態においてはルツボがｐＢＮからなる場合について説明する。

また、前記ルツボ３の形状としては、通常のルツボと同様の形状、すなわち上方が開口し、底部３３および側部３４を有する形状であればよい。前記側部３４の形状としては円
筒形状であってもよいし、複数のプレートを組み合わせたものからなる形状であっても良い。前記底部３３の形状としては、所定の曲率を有する球面形状であってもよいし、平面形状であってもよいが、温度分布を均一にするという観点から球面形状であることが好ましい。さらに、前記底部３３において、原料６と液体封止剤７とを収容する内周面（以降、ルツボ底部上面３３１ともいう）と、サセプタ４によって支持される外周面（以降、ルツボ底部下面３３２ともいう）とが相似形状または同一形状であってもよいし、異なる形状であっても良い。例えば、ルツボ底部上面３３１が球面形状で、ルツボ底部下面３３２が平面形状であってもよいし、その逆であってもよい。

ここで、本実施形態においては、前記種結晶２から単結晶を成長させる工程の前に、前記ルツボ３と前記サセプタ４との間に、後で詳述する熱量調整部１１を設けておく。この熱量調整部１１の肉厚を、後述するルツボ損耗量に応じて補正することになる。

前記サセプタ４は、前記ルツボ３と同じ材質であることが好ましい。本実施形態の場合、ルツボ３の材質をｐＢＮとしていることから、サセプタ４の材質もｐＢＮとすることが好ましい。後で詳述するが、Ｒｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎを行いながら複数の化合物半導体結晶を各々製造する際に、熱伝導性を一定にしやすくなるためである。

また、前記サセプタ４の形状としては、化合物半導体結晶の製造に用いられるサセプタ４と同様の形状、すなわちルツボ底部下面３３２を支持する形状であればよいが、後述する熱量調整部１１、そしてさらに熱量調整部１１により支持されるルツボ３全体を収納できる形状であることが好ましい。具体的には、ルツボ３が円筒形状であり、熱量調整部１１の外径とルツボ３外径とが略同一である場合、ルツボ３外径とサセプタ４内径とを略一致させた形状であり、熱量調整部１１および熱量調整部１１により支持されるルツボ３全体を収納できることが望ましい。熱伝導性を一定にしやすくなり、原料６を融解したときの原料融液の温度分布を一定にすることができるためである。本実施形態では、ルツボ３およびサセプタ４を円筒形状とし、かつルツボ底部上面３３１および下面３３２ならびにサセプタ４上面を球面形状とした場合について説明する。

前記ペデスタル５は、引上げ軸１と同心としながら成長炉１００の下方より成長炉１００内に挿入され、前記サセプタ４はこのペデスタル５の上端に固定される。
また、前記ペデスタル５および前記引上げ軸１は、それぞれ別個に設けられた回転装置（図示せず）により回転され、昇降装置（図示せず）により昇降される。

また、成長炉１００には、原料６及び液体封止材７を融解する加熱手段として、ヒータ８と、ヒータ８の温度を制御する温度コントローラ（図示せず）とが設けられている。さらに、ルツボ３内の原料６及び液体封止材７の温度を検出するための温度検出手段として熱電対９が設けられる。

前記ヒータ８は、サセプタ４と同心としながら、円筒形状のサセプタ４の外周に沿ってサセプタ４を包囲するように炉内に設置される。また、前記熱電対９はペデスタル５の軸内の上端部に設置される。

以上が化合物半導体結晶の製造装置の構成である。次に、化合物半導体結晶の製造方法について説明する。

（収容工程）
まず、サセプタ４によって支持されるルツボ３内に原料６及び液体封止剤７を収容する。このとき、炉内を所定圧の不活性ガス雰囲気に保持する。この不活性ガスの圧力は、原料６としてＩＩＩ族、Ｖ族原料をルツボ３内に収容した場合に、原料６からＶ族原料が解
離するのを防止する程度の圧力に設定される。

（融解工程）
次に、温度コントローラによりヒータ８が加熱される。このヒータ８の加熱によりルツボ３を加熱し、ルツボ内の原料６及び液体封止剤７を融解する。
具体的には、まず、ルツボ３の温度をヒータ８の加熱により液体封止材７の溶融温度に到達させ、液体封止材７を融解する。原料の融解前に液体封止剤が融解することで、液体封止剤がルツボ内周面の底部側に接触する。さらに、ヒータ８の温度を原料６の溶融温度に到達させ、原料６を融解する。このとき、液体封止材７の比重よりも原料６の融液の比重が大きいので、液体封止材７により原料融液の表面が覆われる。これにより、原料６の融液からのＶ族元素の解離を防止することができる。

（結晶成長工程）
原料６および液体封止剤７を融解した後、引上げ軸１の先端に固定された種結晶２を前記昇降装置により降ろし、液体封止剤７を貫いて原料６の融液に接触させる。そして、温度コントローラのフィードバック制御によってヒータ８の温度を徐々に低下させつつ、この状態のまま引上げ軸１を種結晶２とともに前記昇降装置によりゆっくりと引上げていく。こうすることで結晶が成長し、単結晶である成長結晶１０が液体封止材７を貫いて引上げられていく。

このような成長結晶１０の引上げの際に、引上げ軸１及びペデスタル５は、いずれも前記回転装置により相対的に回転される。また、成長結晶１０の外径を一定に制御するため、成長結晶１０の単位時間当たりの重量増加量を検出し、これから結晶外径を算出して成長結晶１０の外径が目標の外径となるように、ヒータ８が温度コントローラによりフィードバック制御される。

また、結晶外径の成長の進行に伴ってルツボ３内の融液が減少すると、必然的に液面位置が下がることになる。液面位置が下がると、ヒータ８と結晶成長界面との位置関係が変化し、融液を効率良く加熱することが難しくなる。このため、結晶の成長量から液面の低下量を算出して、この算出結果に基づいて昇降装置を制御する。具体的には、液面の低下に応じて、ペデスタル５を徐々に上昇させてルツボ３の位置を調整し、ヒータ８の発熱帯に対して融液の液面を常に一定の位置に調節する制御が実行される。

（損耗測定工程）
前記結晶成長工程の後、必要があれば、液体封止剤７と接触していたルツボ内周面３１の損耗量を測定する。
先にも述べたように、液体封止剤７がルツボ内周面３１に固着することにより、ルツボ内周面３１が損耗してしまう。この損耗に起因してルツボ３の肉厚が薄くなることにより、原料６を融解するためのヒータ８の熱に対する熱伝導性が大きくなり、原料融液内の温度分布の再現性が崩れ、ルツボ３を使用する度に結晶成長条件が変動することになる。その結果、単結晶を再現性良く得ることが難しくなってしまう。また、この損耗に起因する再現性の崩れは、特に、ルツボ底部での損耗が影響する。

そこで、本実施形態においては、後述の補正工程にて、ルツボ内周面３１の損耗による熱伝導性の変化が生じないようにするための下準備として、ルツボ内周面３１の損耗量を測定する。測定方法としては損耗量を調べることができる既存の方法を用いればよく、例えば、測定物中を超音波が往復する時間により厚さを測定する超音波厚さ計を用いてもよい。
なお本工程は、ルツボ内周面３１の損耗量が予測できる手法を用いる場合は行わなくともよい。例えば炉内圧力、原料融液量、ヒータ８の設定温度、結晶成長工程に費やす時間
、ルツボの材質、外径・内径および肉厚等から損耗量を予め計算してもよい。

（補正工程）
そして、本実施形態においては、結晶成長工程の前にルツボ３とサセプタ４との間に予め設けておいた熱量調整部１１の肉厚を、予測された損耗量または前記損耗測定工程で得られた損耗量に応じて補正する。つまり、結晶成長工程によるルツボ３の損耗分を補うように、熱量調整部１１の肉厚を補正する。これにより、結晶成長工程前すなわちルツボ３が損耗する前の熱伝導性と、化合物半導体結晶を製造した後に新たに化合物半導体結晶を製造する際の結晶成長工程における熱伝導性とを同等とすることができ、ひいては原料融液内の温度分布の再現性を確保することができる。その結果、化学半導体結晶の製造工程において、安定した単結晶歩留まりを得ることができる。

なお、上述の構成は、化合物半導体結晶の製造を繰り返す際において、化合物半導体結晶の製造工程の再現性が重要になるＲｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎを用いる場合、原料融液内の温度分布の良好な再現性が得られ、その結果、複数の化合物半導体結晶間の偏差を小さくでき、さらに有効である。

前記補正工程にて行う具体的な補正方法であるが、一つには、結晶成長工程の前に予め設けておいた熱量調整部１１の少なくとも一部を、予測された損耗量または前記損耗測定工程で得られた損耗量に応じた肉厚が加えられた熱量調整部の少なくとも一部と置換して、新たな熱量調整部とすることにより補正する方法が挙げられる。例えば、ルツボ３の損耗量に応じた肉厚（例えば、ルツボ底部上面３３１において削れた肉厚分を加えた肉厚）を有する新たな熱量調整部と、補正前の熱量調整部１１全体を交換してもよい。

この際、図２に示すように、ルツボ底部上面３３１において削れた肉厚分を加えた肉厚のみならず、ルツボ内周面３１の側部３４において削れた肉厚分を加えた肉厚を有する新たな熱量調整部と、補正前の熱量調整部全体を交換してもよい。

また、図３に示すように、熱量調整部１１の一部１１１を、ルツボ側熱量調整部１１ａおよびサセプタ側熱量調整部１１ｂに対して着脱自在としておき、その一部１１１のみを、ルツボ底部上面３３１において削れた肉厚分が反映された熱量調整部の一部と置換して、結晶成長工程前のルツボ３と熱量調整部１１との肉厚の和と、補正工程後のルツボ３と新たな熱量調整部との肉厚の和とを同じとするように構成してもよい。なおこのとき、ルツボ側熱量調整部１１ａおよびサセプタ側熱量調整部１１ｂを、ルツボ３およびサセプタ４と一体となるように固定していてもよい。

このように熱量調整部１１の少なくとも一部を、肉厚が調節された熱量調整部の一部すなわち損耗量分の肉厚が加えられた熱量調整部の一部と交換することにより、熱量調整部１１全体を交換するよりも容易に補正工程を行うことができる。さらに、種々の肉厚を有する、熱量調整部１１の一部を予め準備しておけば、半導体結晶の製造の度に熱量調整部１１を容易に補正することができる。

好適な例を挙げると、円筒形状の熱量調整部１１においてルツボ側熱量調整部１１ａ，サセプタ側熱量調整部１１ｂをルツボ３，サセプタ４に対して着脱自在とし、これらの部分以外の部分１１１を円板形状の部分としてもよい。この方法ならば、補正工程の際に、損耗量に応じた肉厚を有する円板形状の部分を、ルツボ３及びサセプタと接する部分の間に挟み込まれた部分１１１のみと交換すれば、熱量調整部１１を容易に補正することができる。

また、具体的な補正方法としてもう一つには、結晶成長工程の前に予め設けておいた熱
量調整部１１に、予測された損耗量または前記損耗測定工程で得られた損耗量に応じた肉厚を有する円板形状をなした熱量調整部の一部１１２を、置換するのではなく、加えることにより、新たな熱量調整部として補正する方法が挙げられる。図４に示すように、熱量調整部１１においてルツボ３及びサセプタ４と接する部分１１ａ，１１ｂをルツボ３，サセプタ４に対して着脱自在とし、これらの部分以外の部分１１１，１１２を本実施形態においては円板形状の部分とする。この方法ならば、補正工程の際に、損耗量に応じた肉厚を有する円板形状の部分１１２を、ルツボ側熱量調整部１１ａとサセプタ側熱量調整部１１ｂとの間に挟み込むことにより、熱量調整部１１を容易に補正することができる。
なお、この方法を、上述の具体的な一つ目の補正方法と組み合わせてもよい。つまり、熱量調整部１１の一部を置換しつつ、所定の肉厚を有する円板形状の部分を、ルツボ側熱量調整部１１ａとサセプタ側熱量調整部１１ｂとの間に挟み込んでもよい。

ここで、前記補正工程前後の熱量調整部１１においては、ルツボ３と同じ材質とすることが好ましい。先にも述べたように、結晶成長工程前後のルツボ３の熱伝導性の変化を抑制することが求められることから、前記熱量調整部１１がルツボ３と同じ材質であるならば、ルツボ３が損耗したとしても、熱量調整部１１とルツボ３との材質の違いによる熱伝導性の差を考慮することなく、損耗量に応じて熱量調整部１１を補正することができるためである。

さらに、熱量調整部１１をルツボ３と同じ材質にすると同時に、熱量調整部１１をサセプタ４と同じ材質にすることも望ましい。先にも述べたように、ヒータ８の温度制御の元となる原料融液温度検出のための熱電対９は、サセプタ４の下面を支えるペデスタル５の軸内上部に設けられているためサセプタ４と接しており、ルツボ４、熱量調整部１１およびサセプタ４が同材質ならば、これらの肉厚の合計値一定にすることにより、ルツボ４、熱量調整部１１およびサセプタ４との材質の違いによる熱伝導性の差を考慮することなく熱伝導性をほぼ一定に保つことができるためである。

また、熱量調整部１１の形状については、全体形状としては、ルツボ３およびサセプタ４の形状に合わせたものであればよく、円筒形状であっても良いし、直方体形状であっても良い。一方、上面および下面の形状としては、平面形状や平面形状を一部変形させた形状であっても球状であってもよいが、図１に示すように、前記補正工程前後の熱量調整部１１を前記ルツボ３に対して密着自在な形状とすることも好ましい。このような形状にすれば、ルツボ３と熱量調整部１１との間に隙間を無くすことができ、熱量調整部１１とルツボ３との肉厚の差による熱伝導性の変動を抑えることができるためである。

同様に、前記補正工程前後の熱量調整部１１を前記サセプタ４に対して密着自在な形状とすることも好ましい。両者の間に隙間を無くすことができ、ルツボ３、熱量調整部１１およびサセプタ４における結晶成長工程前後の熱伝導性の変動を抑えることができるためである。

特に、これらの好ましい形状をまとめて、前記補正工程前後の熱量調整部１１を前記ルツボ底部３３形状と相似、または同一形状とすると、より好ましい。このような形状にすると、熱量調整部１１とルツボ３及びサセプタ４間に、隙間がほとんどなくなるため、熱伝導性をより一定に維持することができるためである。

先にも述べたように、本実施形態においてはルツボ底部上面３３１及び下面３３２が球面形状をなしているものについて挙げているが、具体的にはルツボ３の底部上面３３２の曲率半径と、前記補正工程前後の熱量調整部１１の上面の曲率半径を同じとすることが好ましい。これに加えて、サセプタ上面４１の曲率半径と、前記補正工程前後の熱量調整部１１の下面の曲率半径を同じとすることも好ましい。このような形状にすると、熱量調整
部１１とルツボ３及びサセプタ４間に隙間がほとんどなくなるため、熱伝導性をより一定に維持することができるためである。

また、前記補正工程前後の熱量調整部１１の外径を、ルツボ外周面３２の外径と同じとしてもよい。このような構成を採用することにより、熱量調整部がルツボ底部下面３３２全体を支持することになり、熱伝導性の変動を抑制することができるためである。さらに、両者の外径が同じであるため、一定の内径を有するサセプタに両者を収納することができ、製造工程が容易になる。

また、熱量調整部１１の肉厚を、ルツボ底部３３の肉厚よりも厚くすることも好ましい。このような構成を採用することにより、熱伝導性においては熱量調整部１１の肉厚による影響の方が支配的になるため、ルツボ底部３３の肉厚が削れて薄くなったとしても、熱伝導性の変動を抑制することができるためである。
また、熱量調整部１１全体としての肉厚は、上下方向に一定でなくとも良いが、熱伝導性を一定に保ち、かつ補正工程を容易にするという観点からは一定である方が好ましい。

また、化合物半導体結晶の製造方法を繰り返すことにより複数の化合物半導体結晶を製造するとき、前記熱量調整部１１の肉厚と前記ルツボ底部３３の肉厚との和を、少なくとも各々の補正工程において一定とすることが好ましい。化合物半導体結晶の製造工程の再現性が重要になるＲｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎを用いる場合、前記熱量調整部１１の肉厚と前記ルツボ底部３３の肉厚との和を一定にすることにより、熱伝導性の変動を抑制することができるためである。

なお、ルツボ底部上面３３１において削れた肉厚分を加えた肉厚のみならず、ルツボ内周面３１において削れた肉厚分を考慮して、ルツボ底部３３と同様の上記補正を、ルツボ側部３４に対して行ってもよい。

上述の通り、本実施形態によれば、結晶成長条件の再現性を確保し、安定した単結晶歩留まりを得る化合物半導体結晶の製造方法を提供することができる。本実施形態によって製造された化合物半導体結晶は、ＩＣやＬＳＩなどの半導体材料を用いた半導体装置に好適である。

なお、本実施形態においては、成長結晶１０がＧａＡｓ単結晶の場合を挙げたが、シリコン単結晶などであってもよい。また、ルツボ３の材料がｐＢＮの場合を挙げたが、シリコンなどの他の材料であっても、ルツボ３内周面の損耗が発生する場合には、上述のような技術的思想を適用しうる。また、本実施形態においては予め熱量調整部１１を設けていたが、結晶成長工程後にルツボ損耗量に応じた肉厚を有する熱量調整部１１を設けてもよい。

以下に、本発明の実施例を、ＬＥＣ法結晶成長炉の概略断面図である図１を用いて説明する。

（実施例１）
直径３００ｍｍかつ底肉厚４ｍｍのｐＢＮ製のルツボ３内に、ＧａＡｓ多結晶原料４０ｋｇと、液体封止材７である三酸化硼素を３ｋｇ充填し、圧力容器である成長炉１００内に設置した。

原料６を収容したｐＢＮ製のルツボ３は、グラファイト製のサセプタ４に収納した。このとき、サセプタ４とルツボ３の間には、肉厚５ｍｍのｐＢＮ製の熱量調整部１１を収容
し、ルツボ底部３３の肉厚４ｍｍと合計して、ｐＢＮの合計肉厚を９ｍｍとした。
なお、このｐＢＮ製の熱量調整部１１はルツボ３の外径および底部形状と同一とし、さらにその上面においてはルツボ底部下面３３２との曲面形状を同一とし、下面においてはサセプタ上面４１との曲面形状を同一とした。

これらを収容したサセプタ４を、回転、昇降自在なグラファイト製のペデスタル５上に載置した。

ルツボ３に原料６および液体封止剤７をチャージした後は、成長炉１００内雰囲気を真空引きにより排気した後、不活性ガスを充填した。

次に、ルツボ３内をＧａＡｓの融点である１２３８℃以上まで昇温させ、原料６であるＧａＡｓ多結晶原料を融解させた。このとき、炉内の圧力は、０．５ＭＰａとした。

次に、引上げ軸１を降ろし、種結晶２の先端を原料融液６に接触させ、温度を十分なじませた後、温度コントローラによりヒータ８の設定温度を３℃／ｈの割合で下げながら、種結晶２を８〜１２ｍｍ／ｈの速度でと引上げた。結晶成長時は、引上げ軸１及びペデスタル５により種結晶２とルツボ３とを回転させた。このとき、種結晶２の回転数は時計まわりに５ｒｐｍ、ルツボ３の回転数は反時計まわりに２０ｒｐｍとした。

結晶肩部の成長が終了し、直径が約１６０ｍｍになったところで、外径制御コントローラにより成長結晶１０の外径の自動制御を開始した。これは、成長した結晶の重量を、引上げ軸１に設置したロードセル（図示せず）でリアルタイムに計測し、単位時間当たりの重量の増加分と引上げ軸１の移動量から結晶の外径をモニタし、外径が設定した値になるように、ヒータ８の温度制御を行う温度コントローラにフィードバックを行うものである。実施の形態において説明したように、結晶成長中においては、結晶成長量の増加に伴い融液量が徐々に減少し、液面位置が低下していく。これを補正すべく、前記ロードセル出力から液面の低下量を計算し、常に液面がヒータ８に対して定位置に来るように、ルツボ３を自動で上昇させる制御を行った。

チャージした原料６が所定の重量含まれるまで成長させた結晶を引上げた時点でヒータ８の温度を上昇させ、結晶の尾部形状を形成した後、結晶を原料融液から切り離し、室温まで冷却した。

この一連の結晶成長過程を経て成長炉１００から取り出したｐＢＮ製のルツボ３は、三酸化硼素７と接触しかつ三酸化硼素７が固着することによってルツボ内周面３１がほぼ均一に剥がれた為、ルツボ３の肉厚が、０．１ｍｍ減少した。新たな別の化合物半導体結晶を製造、すなわち２回目の結晶成長を行うために、この肉厚が減少したルツボ３を再び使用した。この際に、損耗量である削れた肉厚０．１ｍｍ分を補正する為、ｐＢＮ製の熱量調整部１１を肉厚５．０ｍｍのものから５．１ｍｍに変更して、ルツボ３と熱量調整部１１との合計肉厚が９．０ｍｍとなるように配置した。この熱量調整部１１の変更以外は、最初と同じ製造条件で２回目の結晶成長を行った。その結果、２本目も単結晶を得ることができた。

同様に３回目以降もｐＢＮ製のルツボ３の肉厚減少分、熱量調整部１１の肉厚を厚くし、連続して２０回の結晶成長を行った。その結果、全て結晶成長において単結晶が得られた。

さらに、ルツボ３の肉厚を変化させて上記の実験を行ったところ、以下の条件の場合、結晶成長において単結晶が安定して得られた。
・ルツボ底部の肉厚と熱量調整部の肉厚との合計が５ｍｍ以上とする。
・ルツボ底部の肉厚を１ｍｍ以上とし、結晶成長を連続して行う場合、ルツボ底部の肉厚が１ｍｍを下回ったらルツボを交換する。
・ルツボ底部の肉厚に対する熱量調整部の肉厚を１〜１０倍の範囲内とする。

なお、本実施例のように、ルツボ底部３３に対応する箇所に熱量調整部を設ければ、所望の単結晶を得ることができたが、さらに再現性よく結晶を成長させる場合には、ルツボ側部３４においても熱量調整部を形成するのが好ましい。

また、本実施例では結晶成長工程ごとに補正工程を実施したが、求められる結晶成長の再現性・単結晶の質によっては、所定の厚さが減少するごとに補正工程を実施してもよい。これにより、補正工程の回数を減らすことができ、生産性を向上させることができる。

（比較例）
以下、図５に示すように、熱量調整部を設けずに、ＬＥＣ法成長炉１００を用いてＧａＡｓの結晶成長を行った比較例について説明する。
比較例においては、成長炉１００を図５に示したものに変えた以外、すなわち本実施例における熱量調整部を設けなかったこと以外は、前述の実施例と全く同じ条件で結晶成長を１０回行った。最初の４回の結晶成長では単結晶が得られたものの、５〜６回日では直胴部の途中から多結晶が発生してしまっており、単結晶を得ることができなかった。
さらに、７〜１０回目の成長では、肩部を形成する段階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。結果として、全１０回の結晶成長のうち、単結晶は４本しか得られなかった。

１ 引上げ軸
２ 種結晶
３ ｐＢＮルツボ
３１ ルツボ内周面
３２ ルツボ外周面
３３ ルツボ底部
３３１ ルツボ底部上面
３３２ ルツボ底部下面
３４ ルツボ側部
４ サセプタ
４１ サセプタ上面
５ ペデスタル
６ 原料
７ 液体封止剤
８ ヒータ
９ 熱電対
１０ 成長結晶
１１ 熱量調整部
１１ａ ルツボ側熱量調整部
１１ｂ サセプタ側熱量調整部
１１１ 着脱可能な熱量調整部の一部
１１２ 加えられる熱量調整部の一部

Claims (9)

1. サセプタによって支持されるルツボ内に原料及び液体封止剤を収容する収容工程と、
   前記ルツボを加熱し、前記原料及び液体封止剤を融解する融解工程と、
   前記ルツボ内の原料融液に種結晶を接触させ、前記種結晶を引き上げて結晶成長させて化合物半導体結晶を得る結晶成長工程と、
   前記結晶成長工程の前に前記ルツボと前記サセプタとの間に予め設けておいた熱量調整部の肉厚を、ルツボ内周面の損耗量に応じて補正する補正工程と、
   を有することを特徴とする化合物半導体結晶の製造方法。
2. 前記補正工程では、前記結晶成長工程の前に予め設けておいた熱量調整部の少なくとも一部を、前記損耗量に応じた肉厚が加えられた熱量調整部の少なくとも一部と置換して新たな熱量調整部とすることにより補正することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
3. 前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボと同じ材質とすることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体結晶の製造方法。
4. 前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボに対して密着自在な形状とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の化合物半導体結晶の製造方法。
5. 前記補正工程前後の熱量調整部を前記サセプタに対して密着自在な形状とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の化合物半導体結晶の製造方法。
6. 前記補正工程前後の熱量調整部を前記ルツボ底部形状と相似し、または同一形状とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかにに記載の化合物半導体結晶の製造方法。
7. 前記補正工程前後の熱量調整部を円筒形状としたとき、前記補正工程前後の熱量調整部の外径を、前記ルツボの外径と同じとすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の化合物半導体結晶の製造方法。
8. 前記補正工程前後の熱量調整部の肉厚を、前記ルツボ底部の肉厚よりも厚くすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の化合物半導体結晶の製造方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の化合物半導体結晶の製造方法を繰り返すことにより複数の化合物半導体結晶を製造するとき、前記熱量調整部の肉厚と前記ルツボ底部の肉厚との和を、少なくとも各々の補正工程において一定とすることを特徴とする化合物半導体結晶の製造方法。

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