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Verweis auf verwandte
Anmeldungen:
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Diese
Anmeldung ist eine Anmeldung, die unter 35 U.S.C. §111(a) eingereicht
wurde, wobei nach 35 U.S.C. §119
(e) (1) das Anmeldedatum der Provisional Application mit der Serien-Nr. 60/512,858, angemeldet
am 22. Oktober 2003 nach 35 U.S.C. §111 (b), in Anspruch genommen
wurde.
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Technisches Gebiet:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Einkristalls aus einem Verbindungshalbleiter, wie zum Beispiel GaAs
oder InP, mittels des Vertical Gradient Freezing-Verfahrens (im Folgenden
als "VGF" bezeichnet) oder
des vertikalen Bridgman-Verfahrens (im Folgenden als "VB" bezeichnet).
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Hintergrundtechnik
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Das
flüssigkeitsverkapselte
Czochralski-Verfahren bzw. Liquid Encapsulated Czochralski-Verfahren
(im Folgenden als "LEC" bezeichnet) ist
im Allgemeinen zur Herstellung eines GaAs-Einkristalls oder eines InP-Einkristalls
eingesetzt worden. Das LEC-Verfahren ist dahingehend vorteilhaft,
dass damit relativ leicht ein Wafer mit großem Durchmesser hergestellt
werden kann. Das LEC-Verfahren weist jedoch Probleme dahingehend
auf, dass ein Kristall mit einer hohen Versetzungsdichte, welche
die Vorrichtungseigenschaften oder Vorrichtungslebensdauer beeinflussen
würde,
aufgrund eines hohen Temperaturgradienten in der Kristallwachstumsrichtung
gezüchtet
wird. Währenddessen
ist das VGF- oder VB-Verfahren vorteil haft dahingehend, dass damit der
Temperaturgradient in der Kristallwachstumsrichtung vermindert werden
kann und somit leicht ein Kristall mit niedriger Versetzungsdichte
hergestellt werden kann. In dem VGF- oder VB-Verfahren wird jedoch
ein Kristall bei einem geringen Temperaturgradienten gezüchtet, und
somit tritt leicht eine Bildung von Zwillingskristallen als Ergebnis
eines nicht-einheitlichen Kristallwachstums aufgrund der Temperaturfluktuation
in einem Ofen auf. Weiterhin besteht die Tendenz, dass durch Anhäufung von
in einem gezüchteten
Kristall enthaltenen Versetzungen, welche sich von einem Impfkristall
fortgepflanzt haben, oder die durch Anhäufung von Versetzungen, welche
durch in dem gezüchteten
Kristall erzeugte Wärmespannungen
gebildet wurden, eine Polykristallisation auftritt. Bei dem VGF-
oder VB-Verfahren trifft man daher auf Schwierigkeiten bei der Herstellung
eines Einkristalls mit niedriger Versetzungsdichte bei hoher Reproduzierbarkeit.
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Die
Wahrscheinlichkeit der Bildung von Zwillingskristallen hängt eng
mit dem Neigungswinkel des im Durchmesser zunehmenden Teils eines
Kristalls zusammen, wobei dieser Teil zwischen dem Teil des Kristalls
mit konstantem Durchmesser und einem Impfkristall gebildet wird.
Im Fall des Wachstums eines (100)-Kristalls wird eine (111)-Flächenebene
an dem Teil des Kristalls mit zunehmendem Durchmesser gebildet,
und es bilden sich aus der Flächenebene
Zwillingskristalle. Da der Winkel zwischen der (111)-Flächenebene
und der (100)-Kristallebene 54,7° beträgt, wird,
um eine Bildung der Flächenebene
zu verhindern, der Winkel des im Durchmesser zunehmenden Abschnitts
eines Tiegels bezüglich
der Kristallwachstumsrichtung bevorzugt auf 35,3° (d. h. 90°–54,7°) oder weniger reguliert. Wenn
jedoch der Winkel des im Durchmesser zunehmenden Abschnitts vermindert
wird, nimmt die Länge
des im Durchmesser zunehmenden Teils eines zu züchtenden Kristalls zu, und
das Kristallwachstum erfordert einen langen Zeitraum, was eine geringe
Waferausbeute und eine minderwertige Produktivität mit sich bringt. Um diese
Probleme zu lösen,
ist von einem Kristallzüchtungsverfahren
berichtet worden, bei dem der Winkel des im Durchmesser zunehmenden Teils
bei 40 bis 50° gehalten
wird (siehe Handotai Kenkyu ("Semiconductor
Research"), Bd.
35, herausgegeben von Junichi Nishizawa, Kogyo Chosakai Publishing
Co., Ltd., S. 19).
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Wenn
jedoch ein Kristall mittels dieses Verfahrens gezüchtet wird, überschreitet
der Winkel des im Durchmesser zunehmenden Teils des Kristalls 35°, wo Zwillingskristalle
gebildet werden. Insbesondere wenn ein InP-Kristall mittels dieses
Verfahrens gezüchtet
werden soll, trifft man auf Schwierigkeiten bei der Herstellung
eines Einkristalls.
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Wenn
ein Verbindungshalbleiter-Einkristall mit einer Zinkblendestruktur
mittels des VGF- oder VB-Verfahrens gezüchtet werden soll, wird, wenn
ein Tiegel eingesetzt wird, dessen Boden mit einem vorbestimmten
Winkel (80° oder
mehr und weniger als 90°)
bezüglich
der Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, und der Temperaturgradient
(in der Kristallwachstumsrichtung) zumindest des geneigten Bodens
des Tiegels auf 1°C/cm
oder mehr und weniger als 5°C/cm
während
des Kristallwachstums reguliert wird, der Einkristall ohne Bildung
eines im Durchmesser zunehmenden Teils gezüchtet. Die zur Bildung eines
Teils zwischen dem Schulterteil und dem Teil mit konstantem Durchmesser
des Kristalls erforderliche Zeit wird somit verkürzt, und ein Facettenwachstum wird
unterdrückt,
wodurch die Bildung von Zwillingskristallen verhindert wird (siehe
JP-A HEI 10-87392). Gemäß diesem
Stand der Technik muss die Temperaturfluktuation in dem Tiegel (welcher
ein Rohmaterial und ein flüssiges
Verkapselungsmittel hermetisch versiegelt enthält) so reguliert werden, dass
sie innerhalb von ± 0,1°C fällt, gemessen
mittels eines Thermoelements, welches an einer Position an der Außenwand
des Tiegels vorgesehen ist, wobei die Position dem Boden des Tiegels
entspricht. Insbesondere wenn jedoch ein InP-Kristall gezüchtet werden
soll, muss der Druck in dem Tiegel auf 30 bis 50 atm (3 bis 5 MPa)
während
der Kristallzüchtung
erhöht
werden, und daher ist die Temperaturfluktuation in dem Tiegel, die
durch Konvektion eines in dem Tiegel enthaltenen Gases verursacht
wird, sehr schwierig zu vermindern. Eine Verminderung der Temperaturfluktuation
erfordert eine präzise
Temperatursteuerung, und dieses erfordert hohe Kosten.
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Mittlerweile
ist von einem Kristallwachstumsverfahren berichtet worden, bei dem
ein Impfkristall mit fast der gleichen Querschnittsform und -dimensionen
wie denen eines zu züchtenden
Kristalls verwendet wird. Gemäß diesem
Verfahren wird kein im Durchmesser zunehmender Teil gebildet, und
somit ist eine präzise
Temperatursteuerung nicht erforderlich. Weiterhin wird ein Einkristall
bei hoher Ausbeute gezüchtet,
da die Bildung eines im Durchmesser zunehmenden Teils, was allgemein
im Fall des Züchtens
eines Kristalls unvermeidbar ist, verhindert werden kann (siehe
Advanced Electronics Series I-4, Baruku Kessho Seicho Gijutsu ("Massekristallzüchtungsverfahren"), Herausgeber und
Autor Keigo Hoshikawa, Baifukan Co., Ltd., S. 239).
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Wenn
jedoch ein Kristall mit großem
Durchmesser mittels dieses Verfahrens gezüchtet werden soll, muss ein
Impfkristall mit großem
Durchmesser verwendet werden, der gegenwärtig nicht leicht erhältlich ist.
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Um
die oben erwähnten
Probleme zu lösen, sind
Ziele der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines hochqualitativen Einkristalls eines Verbindungshalbleiters
bereitzustellen, wobei der Einkristall einen großen Durchmesser (z.B. 3 Inch oder
mehr) aufweist, und einen Verbindungshalbleiter-Einkristall mit
einer niedrigen durchschnittlichen Versetzungsdichte (vorzugsweise
weniger als 5 000 Versetzungen/cm2) herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung:
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Um
die oben erwähnten
Ziele zu erreichen, wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines Ein kristalls eines Verbindungshalbleiters bereitgestellt,
wobei das Verfahren das Inkontaktbringen einer geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit
mit einem in einem unteren Abschnitt eines Tiegels angeordneten
Impfkristall; und ein graduelles Kühlen der geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit
in dem Tiegel derart, dass die Verfestigung der Rohmaterialflüssigkeit
aufwärts
abläuft
bzw. fortschreitet, umfasst, um so einen Einkristall zu züchten, wobei
der Impfkristall einen Durchmesser aufweist, der das 0,50- bis 0,96-fache
desjenigen eines Teils bzw. Bereichs des Einkristalls mit konstantem Durchmesser
beträgt,
und ein im Durchmesser zunehmender Teil des Einkristalls einen Durchmesser aufweist,
der während
des Wachstums des Einkristalls derart größer wird, dass eine Umfangswand bzw.
Außenwand
des im Durchmesser zunehmenden Teils 5° oder mehr und weniger als 35° bezüglich einer
Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, gefolgt von einem Züchten eines
im Durchmesser konstanten Teils des Einkristalls.
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In
dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls weist
der Impfkristall eine durchschnittliche Versetzungsdichte von weniger
als 10 000 Versetzungen/cm2 auf.
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In
dem ersten oder zweiten erwähnten
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls
weist der Impfkristall einen Durchmesser von mindestens 50 mm auf.
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In
einem der ersten bis dritten erwähnten Verfahren
zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls weist der
Bereich mit konstantem Durchmesser einen Durchmesser von mindestens
75 mm auf.
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In
einem der ersten bis vierten erwähnten Verfahren
zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls weist der
im Durchmesser zunehmende Bereich eine Länge von 20 bis 100 mm auf,
gemessen in der Kristallwachstumsrichtung.
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In
einem der ersten bis fünften
erwähnten Verfahren
zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls ist der
Verbindungshalbleiter ein GaAs- oder InP-Halbleiter.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird auch ein Einkristall aus einem Verbindungshalbleiter
bereitgestellt, hergestellt mittels eines der erwähnten ersten
bis sechsten Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls,
wobei der Verbindungshalbleiter-Einkristall eine durchschnittliche
Versetzungsdichte von weniger als 5 000 Versetzungen/cm2 aufweist.
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In
dem Verbindungshalbleiter-Einkristall ist der Verbindungshalbleiter
ein GaAs- oder InP-Halbleiter.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird auch ein Tiegel zum Züchten eines
Einkristalls bereitgestellt, der für ein Verbindungshalbleiter-Einkristall-Züchtungsverfahren
eingesetzt wird, worin eine geschmolzene Rohmaterialflüssigkeit
mit einem in einem unteren Abschnitt eines Tiegels angeordneten Impfkristall
in Kontakt gebracht wird, und die geschmolzene Rohmaterialflüssigkeit
graduell in dem Tiegel derart abgekühlt wird, dass eine Verfestigung der
Rohmaterialflüssigkeit
aufwärts
abläuft
bzw. fortschreitet, um so einen Einkristall zu züchten, wobei der Tiegel einen
Impfkristall-Anordnungsabschnitt umfasst; einen Durchmesserzunahmeabschnitt,
der oberhalb des Impfkristall-Anordnungsabschnitts vorgesehen ist,
und welcher eine bezüglich
der Kristallwachstumsrichtung um 5° oder mehr und weniger als 35° geneigte
Außenwand
aufweist; sowie einen Abschnitt konstanten Durchmessers, der oberhalb
des Durchmesserzunahmeabschnitts vorgesehen ist, wobei der Impfkristall-Anordnungsabschnitt
einen Innendurchmesser aufweist, der das 0,50- bis 0,96-fache desjenigen
des Abschnitts konstanten Durchmessers beträgt.
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In
dem Tiegel zum Züchten
des Einkristalls weist der Impfkristall-Anordnungsabschnitt einen
Innendurchmesser von mindestens 50 mm auf.
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In
dem ersten oder zweiten erwähnten
Tiegel zum Züchten
eines Einkristalls weist der Abschnitt konstanten Durchmessers einen
Durchmesser von mindestens 75 mm auf.
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In
einem der ersten bis dritten erwähnten
Tiegel zum Züchten
eines Einkristalls weist der Durchmesserzunahmeabschnitt eine Länge von
20 bis 100 mm auf.
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Die
vorliegenden Erfinder haben erfolgreich ein Verfahren zur zuverlässigen und
einfachen Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls mit einem
großen
Durchmesser und einer niedrigen Versetzungsdichte entwickelt, wobei
der Einkristall herkömmlicherweise
mittels des VGF- oder VB-Verfahrens
als schwierig herzustellen angesehen wurde.
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Die
obigen und anderen Ziele, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile werden
anhand der nachfolgenden Beschreibung klar, wobei auf die anliegenden
Zeichnungen Bezug genommen wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen für den Fall
eingesetzten Kristallwachstumsofen zeigt, bei dem das VGF-Verfahren
in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen in dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung eingesetzten Impfkristall und Tiegel
zeigt.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen im Vergleichsbeispiel
gezeigten Kristall und Tiegel zeigt.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung:
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Es
wird zunehmend erwartet, dass ein InP-Substrat mit einem so großen Durchmesser
wie 3 Inch oder mehr in optischen Kommunikationsvorrichtungen oder
elektronischen Vorrichtungen oder als ein Substrat, worauf solche
Vorrichtungen zur Her stellung einer optoelektronischen integrierten Schaltung
(OEIC) angebracht werden, eingesetzt werden. Um die Ausbeute einer
solchen Vorrichtung zu erhöhen,
wird bevorzugt ein Substrat mit einer geringen Versetzungsdichte
(d.h. einer durchschnittlichen Versetzungsdichte von 5 000 Versetzungen/cm2) verwendet. Um einen Kristall mit einer
niedrigen Versetzungsdichte (d.h. einer durchschnittlichen Versetzungsdichte
von 5 000 Versetzungen/cm2) herzustellen,
wird bevorzugt ein Impfkristall mit einer niedrigen Versetzungsdichte
(d.h. einer durchschnittlichen Versetzungsdichte von weniger als
10 000 Versetzungen/cm2) eingesetzt, wobei
berücksichtigt
wird, dass die Zahl der Versetzungen (vom Impfkristall fortgepflanzt),
die in dem resultierenden Kristall enthalten sind, auf möglicherweise
so wenig wie 1/10 derjenigen Versetzungen, die im Impfkristall enthalten
sind, vermindert wird. Zunächst
haben die vorliegenden Erfinder versucht, einen Impfkristall mit
einem Durchmesser von 3 Inch zu verwenden (d.h. einen Impfkristall
mit der gleichen Querschnittsform und den gleichen Querschnittsdimensionen
wie denjenigen eines zu züchtenden
Kristalls), um einen Kristall mit einem Durchmesser von 3 Inch mittels
des VGF- oder VB-Verfahrens zu züchten. Wenn
jedoch ein 2-Inch-Impfkristall mit einer niedrigen Versetzungsdichte
(d.h. weniger als 10 000 Versetzungen/cm2)
verwendet wird, welcher leicht erhältlich ist, tritt eine Schwierigkeit
bei der Herstellung gemäß einem
zum Stand der Technik gehörenden Verfahren
eines Einkristalls mit einem so großen Durchmesser wie 3 Inch
oder mehr und einer ausreichend geringen Versetzungsdichte auf,
da während des
Kristallwachstums oder des Kühlens
eine Wärmespannung
in dem Einkristall erzeugt wird. Dabei erfordert der Einsatz eines
Impfkristalls mit einem so großen
Durchmesser und einer durchschnittlichen Versetzungsdichte von weniger
als 10 000 Versetzungen/cm2, wobei dieser
Impfkristall nicht leicht erhältlich
ist, hohe Herstellungskosten.
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Bei
dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Einkristall,
dessen Bereich mit konstantem Durchmesser einen Durchmesser von
3 oder 4 Inch aufweist, mittels eines relativ leicht erhältlichen
Kristalls, der als Impfkristall dient (z.B. eines Kristalls mit
einer durchschnittlichen Versetzungsdichte von 10 000 Versetzungen/cm2 und einem Durchmesser von 2 Inch), hergestellt.
Der resultierende Einkristall weist eine durchschnittliche Versetzungsdichte
von 10 000 Versetzungen/cm2 oder weniger
auf. Wenn der Einkristall als Impfkristall eingesetzt wird, kann
ein Einkristall mit einem größeren Durchmesser
hergestellt werden.
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Ein
charakteristisches Merkmal des Herstellungsverfahrens der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass bei dem Verfahren das VB- oder VGF-Verfahren;
ein Tiegel, der einen Impfkristall-Anordnungsabschnitt an dessen
Boden enthält,
einen Durchmesserzunahmeabschnitt, der oberhalb des Anordnungsabschnitts
vorgesehen ist und mit 5° oder
mehr und weniger als 35° bezüglich der
Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, und einen Abschnitt konstanten Durchmessers,
der oberhalb des Durchmesserzunahmeabschnitts vorgesehen ist; sowie
ein Impfkristall mit einem Durchmesser des 0,50- bis 0,96-fachen desjenigen
eines Abschnitts konstanten Durchmessers eines herzustellenden Einkristalls,
eingesetzt wird. Wenn der Durchmesserzunahmeabschnitt weniger als
5° bezüglich der
Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, wird die Länge des
Abschnitts übermäßig groß, was zu
einem Fehler bei der Herstellung eines Einkristalls führt, dessen
Abschnitt mit konstantem Durchmesser einen Zieldurchmesser aufweist.
Weiterhin sind eine große
Herstellungsvorrichtung und hohe Kosten erforderlich.
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Im
Gegensatz dazu werden, wenn der Durchmesserzunahmeabschnitt um 35° oder mehr bezüglich der
Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, Zwillingskristalle gebildet.
Der Winkel zwischen dem Durchmesserzunahmeabschnitt und der Kristallwachstumsrichtung
ist bevorzugter 20 bis 30°.
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Wenn
der Durchmesser des einzusetzenden Impfkristalls weniger als das
0,5-fache oder das 0,96-fache oder mehr desjenigen des Teils des
Einkristalls mit konstantem Durchmesser beträgt, ist ein zusätzlicher
Schritt zur Verarbeitung eines gegenwärtig erhältlichen 2-Inch- oder 3-Inch-Impfkristalls erforderlich.
Das Verhältnis
des Impfkristalldurchmessers zum Bereich mit konstantem Durchmesser beträgt bevorzugt
0,6 bis 0,8.
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Bevorzugt
ist der Durchmesser (Innendurchmesser) des Impfkristall-Anordnungsabschnitts
des Tiegels 50 mm oder mehr, und die Länge des Abschnitts konstanten
Durchmessers des Tiegels beträgt
75 mm oder mehr. Die Länge
des Durchmesserzunahmeabschnitts ist bevorzugt 20 bis 100 mm, gemessen
in Kristallwachstumsrichtung. Der einzusetzende Impfkristall weist
bevorzugt eine durchschnittliche Versetzungsdichte von weniger als
10 000 Versetzungen/cm2 und einen Durchmesser
von 50 mm oder mehr auf.
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Mit
dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann ein Einkristall
(z.B. ein InP- oder GaAs-Einkristall) mit einer durchschnittlichen
Versetzungsdichte von weniger als 5 000 Versetzungen/cm2 hergestellt
werden.
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei
die Züchtung
eines InP-Kristalls als ein Beispiel genommen wird.
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen für den Fall
eingesetzten Kristallzüchtungsofen
zeigt, bei dem das VGF-Verfahren in dem Herstellungsverfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 1 bezeichnet
Bezugsziffer 1 einen aus BN hergestellten Tiegel. Der Tiegel
enthält einen
Impfkristall-Anordnungsabschnitt mit einem Durchmesser von 50 mm
oder mehr an seinem Boden; einen Durchmesserzunahmeabschnitt, der oberhalb
des Anordnungsabschnitts vorgesehen ist und bezüglich der Kristallwachstumsrichtung
um einen Winkel (θ)
von 5° oder
mehr und weniger als 35° geneigt
ist; sowie einen Abschnitt konstanten Durchmessers mit einem gleichen
Durchmesser wie dem eines zu züchtenden
Einkristalls.
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Der
am Boden des Tiegels vorgesehene Anordnungsabschnitt nimmt einen
Impfkristall 2 mit einer niedrigen Versetzungsdichte auf,
d.h. einer durchschnittlichen Versetzungsdichte von weniger als
10 000 Versetzungen/cm2. Eine geschmolzene Rohmaterialflüssigkeit 3 eines
InP-Kristalls wird oberhalb des Impfkristalls 2 bereitgestellt.
Bezugsziffer 4 bezeichnet einen Kristall, der von dem Impfkristall 2 durch
Verfestigung der geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit 3 aufwärts gezüchtet wurde.
Die obere Oberfläche
der geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit
ist mit einem flüssigen
Verkapselungsmittel 5 (B2O3) bedeckt, sodass eine Verdampfung von Phosphor
aus der geschmolzenen Flüssigkeit
verhindert wird. Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Heizvorrichtung, die
zum Schmelzen des Rohmaterials 3 und des Verkapselungsmittels 5,
zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Abschnitts des Tiegels,
wo der Impfkristall 2 auf einer niedrigen Höhe angeordnet
ist, derart, dass ein Kristall auf dem Impfkristall gezüchtet werden
kann, und zur Ausbildung eines Temperaturprofils derart, dass die
Temperatur in dem Tiegel aufwärts
zunimmt, vorgesehen ist. Bezugsziffer 7 bezeichnet einen
Suszeptor zum Tragen des Tiegels.
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Dieser
Züchtungsofen
ist in einem Hochdruckbehälter
vorgesehen, und der Ofen ist mit einem Inertgas gefüllt. Die
geschmolzene Rohmaterialflüssigkeit
wird durch Steuerung der Temperatur des Impfkristall-Anordnungsabschnitts
mittels der Heizvorrichtung gesteuert, um so einen Kristall von
dem Impfkristall an aufwärts
zu züchten.
Wenn das VB-Verfahren verwendet wird, werden die Heizvorrichtung
und der Tiegel relativ zueinander bewegt, um so einen Kristall durch
Verfestigung der geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit zu züchten.
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Ein
Kristall mit niedriger Versetzungsdichte, der mittels eines typischen
LEC-Verfahrens hergestellt wurde, ist nicht zur Verwendung als Impfkristall geeignet,
da wenn ein solcher Kristall als Impfkristall verwendet wird, die
Versetzungsdichte eines auf dem Impfkristall gezüchteten Kristalls nicht ausreichend vermindert
wird. In der vorliegenden Erfindung wird als Impfkristall ein Kristall
mit niedriger Versetzungsdichte verwendet, der anstatt mit dem typischen LEC-Verfahren
mittels eines modifizierten LEC-Verfahrens oder eines Horizontalbootverfahrens
in einer Atmosphäre
eines Elements der Gruppe V bei einem geringen Temperaturgradienten
gezüchtet
wurde. Es erübrigt
sich zu erwähnen,
dass ein Kristall mit niedriger Versetzungsdichte, der mittels des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezüchtet wurde, wobei das VGF-
oder VB-Verfahren verwendet wurde, als Impfkristall verwendbar ist.
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Die
durchschnittliche Versetzungsdichte eines Kristalls wird durch Berechnung
des Durchschnitts von Versetzungsdichten, gemessen in Intervallen
von 5 mm in einer radialen Richtung in der Oberfläche eines
aus dem Kristall geschnittenen Wafers, erhalten.
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Der
einzusetzende Impfkristall kann ein Kristall sein, der nicht mit
einem Dotierungsmittel dotiert ist (d.h. ein nichtdotierter Kristall)
oder ein Kristall, der mit einem Element dotiert ist, aus welchem
ein zu züchtender
Kristall aufgebaut ist. Der Impfkristall kann recycelt werden.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ist dahingehend vorteilhaft,
dass ein Kristall mit zwei oder mehr verschiedenen Durchmessern
(z. B. ein Kristall mit Durchmessern von 2 Inch und 3 Inch) in einem
Einkristall-Züchtungsschritt
durch Regulieren der Höhe
des Impfkristall-Anordnungsabschnitts des Tiegels, wie in 2 gezeigt,
und durch Regulieren des Winkels zwischen dem Durchmesserzunahmeabschnitt
und der Kristallwachstumsrichtung in einem Bereich von 5° oder mehr
und weniger als 35°,
gezüchtet
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mittels eines spezifischen
Beispiels beschrieben.
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Beispiel:
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Ein
in 1 gezeigter VGF-Ofen wurde als Kristallzüchtungsvorrichtung
eingesetzt.
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Es
wurde ein aus BN hergestellter Tiegel verwendet (Gesamtlänge: 250
mm), der einen Impfkristall-Anordnungsabschnitt (Innendurchmesser:
52 mm, Höhe:
20 mm), einen Durchmesserzunahmeabschnitt (Winkel bezüglich der
Kristallwachstumsrichtung: 30°,
Länge,
gemessen in Kristallwachstumsrichtung: 24 mm) und einen Abschnitt
mit konstantem Durchmesser (Innendurchmesser: 80 mm) beinhaltet.
Zunächst
wurden ein Impfkristall (Durchmesser: 51,5 mm, Dicke: 20 mm), ein
polykristallines InP-Rohmaterial (2 500 g), als Dotierungsmittel
dienendes Fe (0,03 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des polykristallinen
Rohmaterials) und B2O3 (400
g) in den aus BN hergestellten Tiegel eingeführt, und der Tiegel wurde in
einem Suszeptor angeordnet. Der eingesetzte Impfkristall war ein
Kristall (durchschnittliche Versetzungsdichte: 8 000 Versetzungen/cm2), der mittels eines modifizierten LEC-Verfahrens
(anstelle eines typischen LEC-Verfahrens) in einer Phosphoratmosphäre gezüchtet wurde.
Der den Impfkristall enthaltende Suszeptor, das polykristalline Rohmaterial
und B2O3 wurden
in den Ofen überführt, und
Argongas (d.h. ein Inertgas) wurde in den Ofen eingebracht, wobei
der Druck in dem Ofen auf 40 atm (4 MPa) reguliert wurde. Der Ofen
wurde auf etwa 1 070°C
unter Verwendung einer Heizvorrichtung derart erhitzt, dass B2O3 und das polykristalline
Rohmaterial schmolzen. Nachdem das vollständige Schmelzen des polykristallinen
Rohmaterials bestätigt
wurde, wurde die Temperatur des Impfkristall-Anordnungsabschnitts auf den Schmelzpunkt
von InP (1 062°C)
reguliert, und die Temperatur des Ofens wurde derart vermindert,
dass die Kristallwachstumsgeschwindigkeit 2 mm/h wurde. Nachdem
eine Kristallzüchtung
für etwa
50 Stunden durchge führt
wurde, wurde der Ofen über
10 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Nachdem
der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde der Tiegel aus
dem Ofen entfernt. In dem BN-Tiegel enthaltenes B2O3 wurde in Alkohol gelöst, um so einen Fe-dotierten
InP-Einkristallblock mit
einem Durchmesser von 3 Inch und einer Gesamtlänge von 90 mm zu ergeben. Es
wurde gefunden, dass der so erhaltene Einkristallblock keine Zwillingskristalle
enthielt. Der Einkristallblock wurde in Stücke geschnitten, und die Versetzungsdichte hiervon
wurde gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, dass der Einkristall
eine niedrige Versetzungsdichte aufwies, d.h. eine durchschnittliche
Versetzungsdichte von 2 500 Versetzungen/cm2.
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Auf ähnliche
Weise wie oben beschrieben, wurden Züchtungsversuche Fe-dotierter
InP-Einkristalle fünfmal
durch Verwendung eines Impfkristalls mit einer durchschnittlichen
Versetzungsdichte von weniger als 10 000 Versetzungen/cm2 durchgeführt. In einem der fünf Versuche
wurde eine Bildung von Zwillingskristallen an dem Durchmesserzunahmebereich
des resultierenden Einkristalls beobachtet. Im Gegensatz dazu wurde
in vier der fünf
Versuche ein InP-Einkristall mit hoher Ausbeute hergestellt, der keine
Zwillingskristalle enthielt und eine niedrige Versetzungsdichte
aufwies (d.h. weniger als 5 000 Versetzungen/cm2).
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Vergleichsbeispiel:
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Das
Verfahren des zuvor erwähnten
Beispiels wurde wiederholt, ausgenommen dass ein aus BN hergestellter
Tiegel (Gesamtlänge:
250 mm) verwendet wurde, der einen Impfkristall-Anordnungsabschnitt (Innendurchmesser:
10 mm, Höhe:
40 mm), einen Durchmesserzunahmeabschnitt (Winkel bezüglich der
Kristallwachstumsrichtung: 45°)
und einen Abschnitt mit konstantem Durchmesser (Innendurchmesser:
80 mm) sowie einen Impfkristall mit einem Durchmesser von 9,5 mm
und einer Länge
von 40 mm beinhaltete, um so einen InP-Kristall zu züchten. Die Bildung
von Zwillingskristallen wurde an einem anfänglich gezüchteten Bereich des Durchmesserzunahmeabschnitts
des resultierenden Fe-dotierten Kristalls beobachtet. Auf ähnliche
Weise wie oben beschrieben, wurden InP-Kristallzüchtungsversuche fünfmal durchgeführt. In
allen Versuchen wurde eine Bildung von Zwillingskristallen an dem
Durchmesserzunahmebereich des resultierenden Kristalls beobachtet,
und ein Einkristall konnte nicht erhalten werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
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Mit
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bei hoher Ausbeute
ein Einkristall aus einem Verbindungshalbleiter (z.B. aus GaAs oder
InP) mit hoher Qualität,
niedriger Versetzungsdichte und großem Durchmesser bereitgestellt
werden, wobei der Einkristall in Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenzelektronischen
Vorrichtungen zum Beispiel auf dem Gebiet der optischen Kommunikation
oder des Funkverkehrs eingesetzt wird. Der Verbindungshalbleiter-Einkristall
mit großem
Durchmesser kann in optischen Kommunikationsvorrichtungen oder elektronischen
Vorrichtungen sowie als Substrat für optoelektronische integrierte
Schaltungen verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls beinhaltet
das Inkontaktbringen einer geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit mit
einem in einem unteren Abschnitt eines Tiegels angeordneten Impfkristall
und das graduelle Kühlen der
geschmolzenen Rohmaterialflüssigkeit
in dem Tiegel derart, dass eine Verfestigung der Rohmaterialflüssigkeit
aufwärts
abläuft,
wodurch ein Einkristall gezüchtet
wird. Der Impfkristall weist einen Durchmesser auf, der das 0,50-
bis 0,96-fache desjenigen eines Bereichs konstanten Durchmessers
des Einkristalls beträgt.
Ein Durchmesserzunahmebereich des Einkristalls weist einen während des
Wachstums des Einkristalls größer gewordenen
Durchmesser derart auf, dass eine Umfangswand des Durchmesserzunahmebereichs
um 5° oder
mehr und weniger als 35° bezüglich einer
Kristallwachstumsrichtung geneigt ist, gefolgt von einem Züchten eines
Bereichs konstanten Durchmessers des Einkristalls.