JP5029184B2 - 半導体結晶の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体結晶の製造方法及びその製造装置に関するものであり、特に、単結晶インゴット全長に亘ってその外形をよく制御するための半導体結晶の製造方法及びその製造装置に関するものである。

半導体単結晶の製造方法のひとつに引上げ法と称されるＣＺ法及びＬＥＣ法があり、ＳｉやＧａＡｓ，ＩｎＰ等の単結晶成長に広く用いられている。
その一例として、図２を参照してＬＥＣ法でＧａＡｓ単結晶を製造する際の半導体結晶製造装置及びその製造方法について説明する。
図２に示すように、圧力容器からなる成長炉１００には、単結晶を引上げるための引上げ軸（上軸）１０１が設けられ、引上げ軸１０１の先端に、種結晶（シード結晶）１０２が取り付けられる。引上げ軸１０１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１０３に対峙される。
ルツボ１０３は、サセプタ１０４を介して回転及び昇降自在なペデスタル（下軸）１０５に支持される。
ルツボ１０３には、単結晶の原料１０６（以下、原料という）、例えば、ＩＩＩ族原料、Ｖ族原料と、液体封止材１０７として、例えば、Ｂ_２Ｏ_３とが収容される。
ペデスタル１０５は、成長炉１００の下方より引上げ軸１０１と同心に炉内に挿入され、サセプタ１０４はペデスタル１０５の上端に固定される。
ペデスタル１０５、引上げ軸１０１はそれぞれ回転装置（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１０６及び液体封止材１０７を溶融する加熱手段として、ヒータ１０８と、ヒータ１０８の温度を制御する温度コントローラと（図示せず）とが設けられ、ルツボ１０３内の原料１０６及び液体封止材１０７の温度を検出するための温度検出手段として熱電対１０９が設けられる。
ヒータ１０８は、サセプタ１０４を円周方向に沿って包囲するように炉内にサセプタ１０４と同心に設置され、熱電対１０９はペデスタル１０５の軸内上部に設置される。

化合物半導体結晶を製造する際は、まず、炉内が所定圧の不活性ガス雰囲気に保持される。ルツボ１０３に原料としてＩＩＩ族、Ｖ族原料を収容した場合、不活性ガスの圧力は、原料１０６からのＶ族原料の解離を防止する圧力に設定される。
次に、温度コントローラによりヒータ１０８が加熱される。
ルツボ１０３の温度がヒータ１０８の加熱により液体封止材１０７の溶融温度に到達すると、液体封止材１０７が溶融する。
ヒータ１０８の温度が原料１０６の溶融温度に到達すると原料１０６が溶融する。
このとき、液体封止材１０７の比重よりも、一般に、原料１０６の融液の比重が大きいので液体封止材により、原料融液の表面が覆われる。これにより、原料１０６の融液からのＶ族元素の解離が防止される。
結晶成長の際は、引上げ軸１０１の先端に固定された種結晶１０２を原料１０６の融液に接触させ、この状態で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１０８の温度を徐々に低下させながらゆっくりと引上げていく。
こうすることで、結晶が成長し、成長結晶１１０が液体封止材１０７を貫いて引上げられていく。

ところで、このような単結晶の引上げにおいては、一般に、引上げ及びペデスタルは、いずれも前記回転装置により相対的に回転される。
また、成長結晶の外径を一定に制御するため、成長結晶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の外形が目標の外径となるように、ヒータ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、結晶成長の進行に伴ってルツボ内の融液が減少すると、必然的に液面位置が下がり、ヒータと結晶成長界面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ってしまう。このため、結晶の成長量から液面の低下量を算出してこれを補正するように昇降装置を制御し、ペデスタルを徐々に上昇させて、ルツボの位置を調整し、融液の液面を、ヒータの発熱帯に対して常に一定の位置に調節する制御が実行される。

しかし、結晶成長においては、結晶の成長につれて、温度制御の対象であるルツボ内の融液の量が徐々に減少していくため、温度制御のフィードバックにかかる時定数が短くなり、制御パラメータが最適値からずれていってしまうため、結晶外径の安定性が、成長結晶の尾部にいくに従って低下してしまうという問題がある。
また、結晶成長が進行すると、既に成長した成長結晶を通じての熱伝導によって融液から結晶へと流れる放熱量が増えていく。このため、ルツボの中の融液の残量が減少すると、結晶成長界面が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、少しの温度ゆらぎで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するという問題がある。

これらの問題を回避するために、ヒータ温度を上げて融液の加熱量を増加させることが考えられるが、融液の加熱量を増加すると、温度が高くなって成長結晶の外径が細くなってしまったり、成長した結晶の表面が幅射で加熱されて結晶の分解が生じ、表面荒れを起こしてしまうなどの問題がある。
また、使い残した原料は、組成のずれや不純物汚染の問題があり、再利用ができないため、融液量が少なくなり過ぎないうちに、結晶成長を終了させると、原料の利用効率が低下し、収率が低下するという問題につながってしまう。

本発明の目的は、上記事情に鑑み、引上げ法により結晶を成長させる際に、成長初期から成長完了までに亘って、融液の温度制御精度を安定に保ち、原料を無駄なく活用しつつ、外径の制御性の良い結晶を成長させることにある。

本発明の第１の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、ルツボ、原料、支持部材とは異なる材質の介在物を挿入するとともに、
前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第２の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい比熱を有する材料である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第３の様態は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい熱伝導率を有する材料である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第４の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、粒状又は粉末状の金属材料である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第５の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、結晶成長温度において液体状の材料である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第６の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属である半導体結晶の製造方法を提供する。

本発明の第７の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
前記ルツボの底部又は前記ルツボを支持する支持部材のルツボ底部に接触する部位の肉厚を厚く形成することで、前記ルツボの底部又は前記支持部材の接触部位に、前記ルツボに収容した原料の熱容晶の１／１０以上の熱容量を持たせる半導体結晶の製造方法を提供する。

なお、本発明の第１〜７の態様において、ルツボ底部に配した前記介在物又は挿入物の熱容量を有する材料の温度を検知し、検知した信号を加熱ヒータにフィードバックして、原料融液の温度制御を行うことが望ましい。

また、本発明の第１〜７の態様において、成長結晶の単位時間当たりの重量増加量を測定し、ここから結晶外径を計算して、目標とする外径になるよう、ヒータの温度にフィードバックする制御がかけられていることが望ましい。

さらに本発明の第１〜７の態様において、結晶の成長量から液面の低下量を計算し、これを補正するようにルツボ位置を徐々に上昇させて、液面がヒータの発熱帯に対して常に一定の位置になるように制御することが望ましい。

本発明の第８の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、ルツボ、原料、支持部材とは異なる材質の介在物を挿入するとともに、
前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属で構成される半導体結晶の製造装置を提供する。

本発明の第９の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
前記ルツボと前記ルツボを支持する部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい比熱を有する材料、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい熱伝導率を有する材料、粒状又は粉末状の金属材料、又は、結晶成長温度において液体状の材料のいずれかの材料で構成される半導体結晶の製造装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
前記ルツボの底部又は前記ルツボを支持する支持部材のルツボ底部に接触する部位の肉厚を厚く形成することで、前記ルツボの底部又は前記支持部材の接触部位に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を持たせるように構成した半導体結晶の製造装置を提供する。

本発明によれば、引上げにより結晶を成長させる際に、成長初期から成長完了までに亘って、融液の温度制御精度を安定に保ち、原料を無駄なく活用しつつ、外径の制御性の良い結晶を成長させることができる。

本発明は、Ｓｉ結晶やＧｅ結晶のＣＺ法成長や、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰなどのIII
−Ｖ族化合物半導体結晶のＬＥＣ法成長、及びその製造方法に適用される。
以下、発明の最良の形態として図１を参照して本発明に係るＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体結晶のＬＥＣ法に係る製造方法と製造装置について説明す
る。なお、本発明の実施の形態の説明では、本発明を説明するために、「熱容量」、「比熱」という用語を用いる。一般に、熱容量という呼び方は、比熱と同義に扱われることがあるが、本発明の実施の形態において、熱容量とは、（Ｊ／ｇ・Ｋ）又は（ｃａｌ／ｇ・Ｋ）で表される材料の比熱と、（ｇ）で表される重量との積によって求められる値を指すものとして、比熱とは区別して扱う。

図１は本発明に係る製造装置としての成長炉（ＬＥＣ炉）の構造を示す解説断面図である。
圧力容器から成る成長炉１には、上方側から引上げ軸２が挿入され、下方側からペデスタル３が挿入される。ペデスタル３及び引上げ軸２とは互いに同軸的に配置される。ペデスタル３及び引上げ軸２は、成長炉１に回転且つ昇降自在に支持されており、回転装置（図示せず）の回転駆動力によって回転され、昇降装置（図示せず）の駆動力によって昇降される。
ペデスタル３の上端にはこれに同心にサセプタ４が取り付けられる。
サセプタ４は、上方に開口する有底筒体状に形成され、ルツボ５と、介在物６とを収容している。介在物６は、原料８等の溶融の際に熱を蓄積し、結晶成長の際の原料融液１２の液位低下の際に、サセプタ４とルツボ５の底部を介して蓄熱を原料融液１２に放熱することによって、原料融液１２の温度変動やゆらぎを抑制する蓄熱部材としてルツボ５の底面とサセプタ４のルツボ支持面との間に挿入され、ルツボ５の底面と支持部材であるサセ
プタ４とに接触される。

炉内にはルツボ５を加熱するため、サセプタ４と同心にヒータ７が設けられる。
ヒータ７は、サセプタ４を円周方向に沿って取り囲むように、炉内に配置され、サセプタ４を胴部中心に加熱する第１加熱部７ａと、サセプタ４を底部中心に加熱する第２の加熱部７ｂとから構成される。第２の加熱部７ｂは、サセプタ４の下面と所定間隔を隔ててサセプタ４の下面と対峙される。

ルツボ５には、単結晶の原料（以下、原料という）８と液体封止材９とが収容され、引上げ軸２の先端に、単結晶を成長させるための種結晶１０が取り付けられる。
原料８と液体封止材９は、ヒータ７の加熱によりルツボ５内で溶融される。
ペデスタル３内には、温度検出手段として熱電対１１が設けられ、引上げ軸２に、成長結晶１３の重量を検出するための重量検出手段として、例えば、ロードセル（図示せず）が取り付けられる。
熱電対１１は、ヒータ７の温度をフィードバック制御する温度コントローラ（図示せず）の入力部に接続され、ロードセルは、昇降装置の昇降の制御により外形を制御する外形制御コントローラの入力部に接続される。

前記サセプタ４、ペデスタル３は、例えば、グラファイトで構成され、ルツボ５は、ＰＢＮで構成される。

前記介在物６は、結晶成長の後半以降での原料融液１２の温度変動を防止するため、ルツボ５、原料８、サセプタ４とは異なる材質で構成され、介在物６の熱容量、熱伝導率、比熱が次のように決定される。
まず、原料融液１２の液位が結晶引き上げ開始前の液位の１／１０以下となると、原料融液１２に温度変動が発生し易くなり、結晶成長の不具合が発生する。このため、介在物６の熱容量は、ルツボ５に投入された原料８の熱容量（比熱×重量（質量））の１／１０以上に決定される。このようにすると、原料融液１２の温度変動を、介在物６からの熱伝導により抑制することができる。
一方、介在物６の熱伝導率は、原料融液１２が少なくなった時の原料融液１２の温度変動を効率良く抑制するため、原料融液１２と略等しいかそれ以下に決定され、原料融液１２と略等しいかそれ以上の比熱の材料で構成される。介在物６を構成する材料の比熱を、原料融液１２の比熱よりも大きくすると、介在物６をコンパクトに形成することができるので、ルツボ５の底部に熱容量を持たせるためのスペースを小さくしたい場合に対応することができる。
介在物６は、結晶成長温度において安定であり、昇華や蒸発、熱分解などが起こらず、ルツボ５やサセプタ４の材質と反応しない材料で形成される。
このような熱容量、熱伝導率、比熱等の熱物性の条件を満足する介在物６の材料としては、金属、セラミックスが好ましい。

前記の熱物性の条件を満足する限り、前記介在物６は、ルツボ５の底面に密着する板状、盤状、又は粒子状、粉末状に形成され、ルツボ５とサセプタ４との間に介設される。介在物６を、粒子状や微粉末状の金属、セラミックス等から構成すると、ルツボ５の底部やサセプタ４との密着性が良くなり、温度むらが抑制されるので好ましい。また、他の形態としては、ルツボ５の底部を厚くすることによって、ルツボ５の底部に介在物６を一体に形成してもよいし、同様に、サセプタ４のルツボ支持部を厚くすることによって介在物６を構成してもよい。

また、介在物６を結晶成長時の温度で液体となる金属で構成してもよい。この場合、原料融液１２を構成する原料の一部と同じ原料で且つ揮発しない材料が好ましい。このよう
な材料としては、例えば、III族原料が挙げられる。
III−Ｖ族結晶を成長させる場合は、III族原料の比熱に基づいて熱容量を決定したIII
族原料の介在物６がルツボと支持部材であるサセプタの間に挿入され、結晶成長の後期には、加熱により融液化したIII族原料の介在物６から原料融液１２に介在物６の蓄熱が供
給されることになる。
なお、成長結晶１３がＧａＡｓの場合に、介在物６は、ＧａＡｓ融液と熱物性の近いIII族材料であるＧａ融液であることが望ましいが、Ｇａ融液内の対流が原因で温度分布の
不安定性が現れる場合は、上述の粒状、粉体状、板状、盤状の介在物６を用いれば良い。Ｇａ融液内に激しい対流が生じるかどうかは、挿入するＧａの量と挿入空間の形状に依存するが、これはルツボ形状やチャージするＧａＡｓ原料量に依存し、一義的に決められるものではない。

このように、介在物６が前記した熱物性の条件を満足すると、原料８の溶融の際に介在物６に蓄えられた熱により、結晶成長後期の原料融液１２の温度変動やゆらぎが抑制されるので、引上げ法により結晶を成長させるＬＥＣ炉やＣＺ炉において、成長初期から成長完了までに亘って、原料融液１２の温度制御精度を安定化することができ、原料８を無駄なく活用した外径の制御性の良い結晶を成長させることができる。

次に、本発明に係る半導体結晶の製造方法について説明する。
この製造方法では、前記成長炉１を用いる。
まず、成長炉１のサセプタ４にルツボ５を収容する前に、サセプタ４に、前記介在物６を収容する。次に介在物６にルツボ５を載置する。ルツボ５には、熱容量が介在物６の熱容量の１０倍の原料８、例えば、III−Ｖ族化合物半導体多結晶原料と、液体封止材９と
を投入する。
次に、成長炉１内を真空排気により減圧し、不活性ガスを導入して結晶成長に適した圧力の不活性ガス雰囲気とし、熱電対１１の検出値及びヒータ７の設定値に基づく温度コントローラのフィードバック制御により、原料８及び液体封止材９を溶融させる。
液体封止材９及び原料８が溶融すると、結晶の引き上げを行う。
結晶成長の際は、引上げ軸２の先端に固定された種結晶１０を原料融液１２に接触させ、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７の温度を徐々に低下させながら、前記回転装置により引上げ軸２及びペデスタル３を相対的に回転させると共に、前記昇降装置により引き上げ軸２をゆっくりと引上げていく。こうすることで、単結晶が成長し、成長結晶１３が液体封止材９を通して引上げられていく。また、この際に、成長結晶１３の外径を一定に制御するため、成長結晶１３の単位時間当たりの重量増加量を測定し、これから結晶外径を計算して、目標とする外径になるよう、温度コントローラによりヒータ７の温度をフィードバック制御する。
さらに、結晶成長の進行に応じて、結晶の成長量から原料融液１２の液面の低下量を計算し、これを補正するようにペデスタル３の昇降装置を制御してペデスタル３の位置を徐々に上昇させ、ルツボ５の位置を徐々に上昇させて、原料融液１２の液面がヒータ７の発熱帯に対して常に一定の位置になるように制御する。
原料融液１２の残量が、ルツボ５に投入した引き上げ前の原料８の１／１０になっても、介在物６の蓄熱により、原料融液１２の温度変動やゆらぎが抑制される。これにより原料融液１２全体の凝固や、固液界面の張り出しに起因する成長結晶１３とルツボ５との固着が防止され、また、成長結晶１３の外形制御が良好になる。
また、介在物６の蓄熱により原料融液１２の温度が安定化するので、温度の上がりすぎによる成長結晶１３の細径化や成長結晶１３の表面加熱に起因する結晶分解による表面荒れが防止されるので、原料８の９０パーセント以上を良好な結晶状態で引上げることができる。

（実施形態の効果）
（１）融液残量が１／１０以下になっても原料融液１２内の温度分布が大きく変化せず、また原料融液１２の温度変動が抑えられて、成長結晶１３の尾部とルツボ５の底との接触が回避され、残留する原料融液１２の凝固を回避することができる。この結果、ルツボ５にチャージした原料８を無駄なく利用してその９０％以上を単結晶インゴットとすることができる。
（２）また、原料融液１２を含め、温度制御すべき対象物の熱容量が一定値以上に保ってヒータ７の温度制御精度を向上させることができるので、結果として、原料融液１２の温度が結晶成長の最後まで安定し、成長結晶１３の外径制御精度も向上する。
（３）原料融液１２の温度が結晶成長終了時まで安定に保たれるので、成長結晶１３の、特に結晶の尾部に近い側の表面がヒータ７からの輻射により炙られて過熱され、結晶が熱分解して荒れを生じるといった現象が軽減できる。成長結晶１３の表面荒れは、結晶の外径不良による歩留りの低下につながる現象であるが、これを抑制することができる。
（４）原料融液１２の温度が結晶成長終了時まで安定に保たれるので、成長結晶１３の受ける熱履歴にばらつきがなくなり、結晶の頭部〜尾部間の特性ばらつきが軽減できると同時に、結晶間のばらつきも抑えることができる。
（５）結晶成長終了後にルツボ５に残る原料融液１２が少なくて済むため、凝固、取り出しの際のルツボ５のダメージが少なくて済み、ルツボ５の寿命を向上させることができる。
（６）従来の成長炉（ＬＥＣ炉、ＣＺ炉）１に大きな変更を加えることなく簡便な方法で高い効果を上げることができる。

なお、本発明の実施の形態では、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰなどのIII−Ｖ族化合物半
導体結晶のＬＥＣ法に係る製造方法（引き上げ法）と製造装置について説明をしたが、これに限定されることなく、Ｓｉ結晶やＧｅ結晶、或いは酸化物等のＣＺ成長法に係る製造方法と製造装置に適用することができることは当然である。

まず、本発明の実施例１を図１を参照して説明する。
この実施例では、直径３００ｍｍ径のＰＢＮ製のルツボ５に、原料８であるＧａＡｓ多結晶原料３０ｋｇと、液体封止材９であるＢ_２Ｏ_３を３ｋｇ充填し、圧力容器である成長炉１内に設置した。
原料８を収容したＰＢＮ製のルツボ５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の底部には、予め、熱容量を持たせるための介在物６として、金属Ｇａを、４ｋｇ収容した。
３０ｋｇのＧａＡｓの原料融液１２の熱容量は、約１３ｋＪ／ｄｅｇ、介在物６である４ｋｇの金属Ｇａの熱容量は、約１．７ｋＪ／ｄｅｇであり、比率は７．２：１である。
これらを収容したサセプタ４は、回転、昇降自在なグラファイト製のペデスタル３上に載置した。
ルツボ５に原料８をチャージした後は、成長炉１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５内をＧａＡｓの融点である１２３８℃以上まで昇温させ、原料８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、０．３ＭＰａとした。
次に、引上げ軸２を下げ、種結晶１０の先端を原料融液１２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７の設定温度を３℃／ｈの割合で下げながら、種結晶１０を８〜１２ｍｍ／ｈの速度でゆっくりと引上げて行った。結晶成長時は、引上げ軸２及びペデスタル３により種結晶１０とルツボ５とを回転させた。このとき、種結晶１０の回転数は、時計まわりに１０ｒｐｍ、ルツボ５の回転数は、反時計まわりに２０ｒｐｍとした。
結晶肩部１４の成長が終了し、直径が約１６０ｍｍになったところで外形制御コントローラにより、成長結晶１３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２に設置したロードセル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２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７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。
結晶成長中は、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、前述の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７に対して定位置に来るように、ルツボ５を自動で上昇させる制御を行った。
こうして成長させた結晶は、チャージした原料８の９５％が引上げられた時点でヒータ７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１２から切り離した。

成長した結晶の重量は、最終的に２９ｋｇあり、チャージした原料８の約９７％を引上げることができた。
引上げられた結晶の外径は、１６０ｍｍの目標値に対して、頭部〜尾部に亘って全域で±３％以内の変動に抑えられていて、非常に制御性が良好であった。

上記と同条件で、２０回の結晶成長を行った。熱容量を持たせるための介在物（挿入部材）６として入れた金属Ｇａは、毎回同じものを繰り返し使用したが、全く問題なく使用することができた。
結晶の外径の制御性、再現性は良好で、全ての結晶で１６０ｍｍ±５％以内の変動に抑えることができた。
また、結晶成長界面がルツボ５の底に接触したり、原料融液１２が突然凝固したりすることも一度も発生しなかった。
＜比較例＞
比較例として、熱容量を持たせるための介在物６を使用せずに、結晶成長を行った。サセプタ４の底に熱容量を持たせる介在物６である金属Ｇａを使用しない以外は、実施例１と全く同条件で１０回の成長を行った。
１０回の内９回はＧａＡｓ結晶を引上げることができたが、１回は、原料８の９１％が引き上がった時点で、結晶の成長界面がルツボ５の底に接触し、引き続いて原料融液１２全体が凝固してしまって、まともな結晶を得ることができなかった。
また、得られた９本の結晶も、結晶の尾部に近づくほど外径の制御性が悪くなる傾向が見られ、最も外径変動の大きい結晶では、１６０ｍｍも制御目標に対して＋７％〜−１０％もの変動幅となってしまった。

次に、本発明の他の実施例２を説明する。
成長炉は実施例１と同じ成長炉１を用いた。
この実施例では、直径３００ｍｍ径のＰＢＮ製のルツボ５に、原料８としてＧａＡｓ多結晶原料を２４ｋｇと液体封止材９であるＢ_２０_３を２．５ｋｇ充填し、圧力容器である成長炉１内に設置した。
原料８を収容したＰＢＮ製のルツボ５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の底部には、あらかじめ、熱容量を持たせるための介在物６として、＃４００の粒径のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミックス粉末を１ｋｇを配置し、この上にルツボ５を支持させた。
２４ｋｇのＧａＡｓの原料融液１２の熱容量は、約１０４ｋＪ／ｄｅｇであり、１ｋｇのアルミナ粉末の熱容量は、約１．３ｋＪ／ｄｅｇである。
これらを収容したサセプタ４は、回転、昇降自在なグラファイト製のペデスタル３上に載置した。
原料８と液体封止材９をルツボ５にチャージした後、成長炉１内は、真空引きにより炉内雰囲気を排気した後、不活性ガスを充填した。
次に、ルツボ５内をＧａＡｓの融点である１２３８℃以上まで昇温させ、原料である多
結晶を融解させた。
続いて、引上げ軸を下げ、種結晶１０の先端を融液に接触させ温度を十分なじませた後、ヒータ７の設定温度を３℃／ｈの割合で下げながら、種結晶１０を８〜１２ｍｍ／ｈの速度でゆっくりと引上げて行った。
結晶成長時の種結晶１０の回転数は、時計まわりに１０ｒｐｍ、ルツボ５の回転数は、反時計まわりに２０ｒｐｍとした。
結晶肩部１４の成長が終了し、直径が約１１０ｍｍになったところで外径の自動制御を開始した。これは、実施例１で用いたものと同じ制御機構である。
また、原料融液１２の液面位置を一定に保つルツボ５の自動上昇制御も実施例１と同様に実施した。
こうして成長させた結晶は、チャージした原料８の９５％が引上げられた時点でヒータ７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１２から切り離した。
成長した結晶の重量は、最終的に２３．５ｋｇあり、チャージした原料８の約９８％を引上げることができた。引上げられた結晶の外径は、１１０ｍｍの目標値に対して、頭部〜尾部に亘って全域で±３％以内の変動に抑えられていて、非常に制御性が良好であった。
上記と同条件で、１０回の結晶成長を行った。熱容量を持たせるための介在物６としてルツボ５の底面とペデスタル３との間に介設したアルミナ粉末は、毎回同じものを繰り返し使用したが、まったく問題なく使用することができた。
結晶の外径の制御性、再現性は良好で、全ての結晶で１１０ｍｍ±４％以内の変動に抑えることができた。
また、結晶成長界面がルツボ５の底に接触したり、融液が突然凝固するようなことも１度も発生したりしなかった。

このように、ＧａＡｓの引上げ結晶成長において、成長結晶１３が、ルツボ５にチャージした原料８の重量の９０％以上の重量になると、言い換えると、原料融液１２の残量が、成長開始前の１０％以下になると、とたんに結晶とルツボ５の底が接触したり、残留した原料融液１２の凝固といった問題が頻発するが、介在物６に、予め、原料８のｌ／１０以上の熱容量を持たせておけば、融液残量がｌ／１０以下になっても融液内の温度分布が大きく変化せず、また融液温度の変動が抑制され、上述のような問題となる現象が抑えられる。その結果、再現良く、結晶を成長させることができるようになる。また、温度制御すべき対象物である原料融液１２の熱容量が一定値以上に保たれるということは、ヒータ７の温度制御精度が向上し、その結果として融液の温度が結晶成長の最後まで安定し、成長結晶１３の外径制御精度も向上する。従って、ルツボ５の底部に持たせるべき熱容量は、チャージする原料重量のｌ／１０以上とし、チャージした原料８の９０％以上を結晶成長に供することで、本発明の効果が顕著に得られる。
［他の実施例、変形例］
実施例では、サセプタ４とルツボ５の底面との間に熱容量を持つ介在物６を挿入したが、サセプタ４の底部の肉厚を単純に厚くするだけでも、熱容量を増加させることができる。また、ペデスタル３の頂部を大きくすることで熱容量を増加させて、同様の効果を得ることもできる。
さらに、ルツボ５の底部に熱容量を持たせる際に、底部全域に均一に分布させるのではなく、中心部ほど熱容量が大きくなるように部材を配するといった、故意に分布を持たせるような変形例が考えられる。これにより、原料融液１２内の温度分布を設計することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る半導体製造装置の断面摸式図である。 従来のＬＥＣ炉の断面模式図である。

符号の説明

５ ルツボ
６ 介在物
８ 原料
１０ 種結晶
１２ 原料融液

Claims (10)

1. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、ルツボ、原料、支持部材とは異なる材質の介在物を挿入するとともに、
   前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい比熱を有する材料であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
3. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい熱伝導率を有する材料であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
4. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、粒状又は粉末状の金属材料であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
5. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、結晶成長温度において液体状の材料であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
6. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
7. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得る、ＣＺ法、ＬＥＣ法を含む半導体結晶の製造方法において、
   前記ルツボの底部又は前記ルツボを支持する支持部材のルツボ底部に接触する部位の肉厚を厚く形成することで、前記ルツボの底部又は前記支持部材の接触部位に、前記ルツボに収容した原料の熱容晶の１／１０以上の熱容量を持たせることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
8. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する支持部材の間に、ルツボ、原料、支持部材とは異なる材質の介在物を挿入するとともに、
   前記ルツボに収容する原料がＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記介在物を構成する材料がＩＩＩ族金属で構成されることを特徴とする半導体結晶の製造装置。
9. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
   前記ルツボと前記ルツボを支持する部材の間に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を有する介在物を収容するとともに、前記介在物を構成する材料が、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい比熱を有する材料、前記ルツボに収容される原料融液と略等しい熱伝導率を有する材料、粒状又は粉末状の金属材料、又は、結晶成長温度において液体状の材料のいずれかの材料で構成されることを特徴とする半導体結晶の製造装置。
10. ルツボ内に収容した原料を加熱、融解し、前記ルツボ内に得られた原料融液に種結晶を接触させつつ、当該種結晶を引上げて単結晶を得るための、ＣＺ炉、ＬＥＣ炉を含む半導体結晶の製造装置において、
    前記ルツボの底部又は前記ルツボを支持する支持部材のルツボ底部に接触する部位の肉厚を厚く形成することで、前記ルツボの底部又は前記支持部材の接触部位に、前記ルツボに収容した原料の熱容量の１／１０以上の熱容量を持たせるように構成したことを特徴とする半導体結晶の製造装置。