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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung, wie etwa auf eine
geeignete Technik, die bei einem Vertical-Gradient-Freeze-(VGF-)Verfahren
oder einem Vertical-Bridgman-(VB-)Verfahren
angewendet wird, um einen Einkristall in einer vertikalen Richtung
zu züchten,
indem eine Rohmaterialschmelze einer Halbleiterzusammensetzung,
wie etwa InP gekühlt
wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bislang
wurden zur industriellen Herstellung eines Einkristall-Gussblocks
mit Halbleiterzusammensetzung der Gruppe III-V, wie etwa GaAs, InP oder
dergleichen, im allgemeinen beispielsweise ein Liquid-Encapsulated-Czochralski-(LEC-)Verfahren oder
ein Horizontal-Bridgman-(HB-)Verfahren angewendet.
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Wenngleich
das LEC-Verfahren die Vorteile hat, dass die Kristallausrichtung
durch Einimpfen steuerbar ist, man einen Wafer mit großem Durchmesser
und einer kreisrunden Querschnittsform erzeugen kann und ein Kristall
hoher Reinheit auf einfache Weise mit Hilfe eines flüssigen Einkapselungsmaterials
(B2O3) herstellen
kann, hat das Verfahren den Nachteil, dass ein hoher Temperaturgradient
in einer Richtung des Kristallwachstums die thermischen Spannungen
im Kristall derart erhöht,
dass die Ätzlochdichte
(EPD) im Kristall hoch wird. Demzufolge tritt für den Fall der Herstellung
einer optischen Vorrichtung unter Verwendung des Kristalls ein Problem
auf, das darin besteht, dass sich eine Eigenschaft infolge eines
Kristalleffektes verschlechtert.
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Obwohl
andererseits das HB-Verfahren den Vorteil hat, dass man einen Kristall,
der eine geringe Ätzlochdichte
hat, infolge eines kleinen Temperaturgradienten in der Richtung
des Kristallwachstums erhalten kann, hat das Verfahren die Nachteile,
dass eine Ausbildung eines Wafers mit großem Durchmesser schwierig ist
und man nur einen Wafer erhalten kann, der von der Form eines Tiegels
(wie etwa einer gewölbeähnlichen
Form) abhängig
ist, da die Rohmaterialschmelze im Tiegel (Schiffchen) aushärtet.
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Als
ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, das die entsprechenden
Nachteile des HB-Verfahrens und des LEC-Verfahrens ausgleicht und über deren
jeweilige Vorteile verfügt,
wurden das Vertical-Gradient-Freeze-(VGF-)Verfahren und das Vertical-Bridgman-(VB-)Verfahren
entwickelt.
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Mit
dem VGF-Verfahren und dem VB-Verfahren wird eine Temperatur des
Kristallwachstumsofens abgesenkt, um allmählich die Rohmaterialschmelze
mit Halbleiterzusammensetzung zu kühlen, die in einem feuerbeständigen Tiegel
enthalten ist, wodurch der Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung
gezüchtet
wird. Daher haben diese Verfahren die Vorteile, dass die thermische
Spannung gering ist und die Ätzlochdichte
gering ist, da der Temperaturgradient in der Schmelze während des
Kristallwachstums das Zehnfache einiger °C/cm ist, was eine Stelle weniger
ist als beim LEC-Verfahren.
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Im
Fall des VGF-Verfahrens wird eine Kristallzüchtvorrichtung des Standes
der Technik auf der Basis von 4 und 5 beschrieben. 4 ist eine
Schnittansicht einer Kristallzüchtvorrichtung,
die beim VGF-Verfahren nach dem Stand der Technik verwendet wird,
und 5 ist eine schematische Schnittansicht eines unteren
Abschnittes einer weiteren Kristallzüchtvorrichtung.
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Die
Kristallzüchtvorrichtung,
die in 4 dargestellt ist, hat einen Glühraum Z,
der von einer zylindrischen feuerfesten Wand 113 und einer
oberen Abdeckung 114 in einem Hochdruckbehälter 110 umgeben
ist. Ein Innenbehälter 105 ist
auf der Innenseite der Heizeinrichtungen 111 angebracht,
wobei er von einem unteren Schaft 112 gehalten ist. Ein
feuerfester Tiegel 101, wie etwa ein pBN-Tiegel ist auf
einer Innenseite des Innenbehälters 105 angeordnet, wobei
er von einer Tiegel-Stützbasis 106 gestützt wird.
Ein Keimkristall-Einsetzabschnitt 102 mit einem Boden und
einer zylindrischen Form ist auf einem Boden des Tiegels 101 ausgebildet.
Der Innenbehälter 105,
der die Tiegel-Stützbasis 106 im
Bodenabschnitt und den unteren Schaft 112 umfasst, der
den Innenbehälter 105 trägt, bilden
eine Tiegel-Stützeinrichtung.
Ein Thermoelement 107 zum Messen einer Temperatur eines
Keimkristalls ist in der Tiegel-Stützbasis 106 in der
Nähe des
Keimkristall-Einsetzabschnittes
vorgesehen. Bezugszeichen 108 kennzeichnet eine Abdeckung,
die aus Quartz besteht und den Innenbehälter 105 durch Passung
abdichtet.
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Ein
Keimkristall S befindet sich im Keimkristall-Einsetzabschnitt 102.
Ein Rohmaterial mit Halbleiterzusammensetzung 103 und ein
Einkapselungsmaterial 104 befinden sich im Tiegel 101.
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In
der Kristallzüchtvorrichtung
wird der Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung gezüchtet, indem
die Glühraum
Z erwärmt
wird, wodurch das Rohmaterial 103 mit Halbleiterzusammensetzung
im Tiegel 101 zur Rohmaterialschmelze geschmolzen wird
und indem die Rohmaterialschmelze der Halbleiterzusammensetzung
derart abgekühlt
wird, dass ein Einkristall vom unteren Abschnitt des Tiegels 101 nach
oben wächst.
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Andererseits
ist bei der Kristallzüchtvorrichtung,
die in 5 gezeigt ist, eine zylindrische, feuerbeständige Wand 153 in
einen Hochdruckbehälter 151 eingesetzt,
wobei Heizeinrichtungen 154 in der zylindrischen, feuerbeständigen Wand 153 eingebettet
sind. Auf der Innenseite der zylindrischen, feuerbeständigen Wand 153 ist
eine Ofenröhre 152 vorgesehen,
wobei in ihrem Inneren ein Tiegel 156 befestigt ist, der
von einem Suszeptor 155 als Tiegel-Stützeinrichtung gestützt ist.
Der Suszeptor 155 hat einen Tiegel-Stützabschnitt 155a und
einen unteren Schaftabschnitt 155b. Bei diesem Beispiel
bildet das Innere der Ofenröhre 152 einen
Glühraum
Z. In der zylindrischen Kristallzüchtvorrichtung wird der Suszeptor 155 durch
die Heizeinrichtungen 154 erwärmt und der Tiegel 156 durch
den erwärmten
Suszeptor 155 erwärmt,
um das Rohmaterial mit Halbleiterzusammensetzung im Tiegel zur Rohmaterialschmelze
zu schmelzen. Anschließend
wird die Rohmaterialschmelze mit Halbleiterzusammensetzung allmählich abgekühlt, so
dass der Einkristall von einem un teren Abschnitt des Tiegels 156 anwächst, wodurch
der Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung gezüchtet wird.
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Gemäß dem VGF-Verfahren
und dem VG-Verfahren kann man den Wafer, der die Kreisrunde Form
hat unter Verwendung des Tiegels erhalten, der den Boden und die
zylindrische Form hat. Weiterhin wird die Rohmaterialschmelze mit
Halbleiterzusammensetzung, die im Tiegel enthalten ist, allmählich abgekühlt, um
den Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung zu züchten, indem
die Temperatur des Kristallzüchtofens
abgesenkt wird, wodurch der Temperaturgradient in der Richtung des
Kristallwachstums kleiner wird, so dass die Verringerung der Ätzlochdichte
des gezüchteten
Kristalls auf einfache Weise erreicht werden kann.
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Jedoch
werden das VGF-Verfahren und das VG-Verfahren leicht durch eine
geringfügige Änderung
der Temperatur im Reaktionsofen, eine Unebenheit der Innenwand des
Tiegels oder durch Verschmutzungen leicht beeinflusst, die an der
Innenwand haften. Auf diese Weise wird ein Kristalldefektabschnitt,
wie etwa ein Zwillings- oder Polykristall mit einem im Kristalldurchmesser
zunehmenden Abschnitt erzeugt, der von einem Ausgangspunkt des Kristallwachstums
im Tiegel zu einem Körperabschnitt
desselben reicht. Dies sind die Hauptgründe für einen geringeren Gewinn bei
der Herstellung eines Einkristalls.
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Von
diesen Defekten wird die Erzeugung der Polykristalle infolge des
Einflusses der Unebenheit des Tiegels oder der an diesem haftenden
Verunreinigungen mit Hilfe des flüssigen Einkapselungsmaterials
(B2O3) während des
Kristallwachstums verhindert. Andererseits wird die geringfügige Änderung der
Temperatur im Ofen durch die jüngsten
Fortschritte der Temperatursteuertechnologie behoben. Ein Verfahren
zur wirkungsvollen Verhinderung der Zwillingskristallerzeugung im
Abschnitt mit zunehmendem Kristalldurchmesser vom Ausgangspunkt des
Kristallwachstums zum Körperabschnitt
wurde jedoch nicht entwickelt.
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Im
Falle der Züchtung
eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung eines Zinkblendenaufbaus,
wie etwa GaAs oder InP unter Verwendung eines Keimkristalls, hat
es sich gezeigt, dass es eine enge Beziehung zwischen einem Neigungswinkel des
Abschnitts mit zunehmendem Durchmesser vom Keimkristall zum Körperabschnitt
und der Wahrscheinlichkeit der Erzeugung des Zwillingskristalls gibt.
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Das
heißt,
im Fall der Züchtung
eines (100)-ausgerichteten Kristalls, tritt eine (111)-Facettenebene im
Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser auf, wobei der Zwillingskristall
von der Facettenebene ausgeht. Dieses Phänomen wurde durch die Versuche
bestätigt,
die von den Erfindern durchgeführt
wurden. Gemäß den Versuchen
der Erfinder entstehen sämtliche
Zwillingskristalle entlang der Facettenebene des Kristalls in dem
die Zwillingskristalle entstehen.
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Ein
Winkel zwischen der (111)-Facettenebene und der (100)-Ausrichtung
beträgt
54,7°. Um
das Auftreten der (111)-Facettenebene zu verhindern, wird im allgemeinen
der Neigungswinkel des im Durchmesser zunehmenden Abschnittes des
Tiegels auf (90° bis
54,7°) eingestellt,
d.h. kleiner als 35,3°.
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Wenn
jedoch der Neigungswinkel des im Durchmesser zunehmenden Abschnittes
verringert wird, wird der im Durchmesser zunehmende Abschnitt des
gezüchteten
Kristalls ebenfalls lang. Daher besteht das Problem, dass die Produktion
abnimmt, weil sich der Gewinn beim Wafer verringert.
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Es
gibt Erfahrungen, dass eine Ausführung der
Kristallzüchtung
bei einem Neigungswinkel von 40° bis
50° des
im Durchmesser zunehmenden Abschnittes des Tiegels wirkungsvoll
ist (Semiconductor Investigation, Volume 35, Seite 4 oder dergleichen). Die
Erfinder haben jedoch ergänzende
Versuche ausgeführt,
durch die sich herausgestellt hat, das es Schwierigkeiten bereitete,
die Zwillingskristallerzeugung ausreichend zu unterdrücken, wenn
der Neigungswinkel des im Durchmesser zunehmenden Abschnittes zwischen
30° und
50° lag.
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Die
Anmelderin (Japan Energy Corp.) hat ein Verfahren zum Herstellen
eines Einkristalls vorgeschlagen, bei dem ein Tiegel, bei dem ein
Boden geneigt ist, um einen vorbestimmten Winkel von nicht weniger
als 80° und
weniger als 90° zu
einer vertikalen Richtung zu bilden, um so allmählich zum Zentrum des Bodens
abzunehmen, verwendet wird, um die Zwillingskristallausbildung bei
der Herstellung eines Einkris talls mit Halbleiterzusammensetzung
mit dem VGF-Verfahren oder dem VB-Verfahren zu unterdrücken (japanische Patentanmeldung
No. Hei 9-119069).
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Bei
diesem Herstellungsverfahren war der Boden des Tiegels beinahe eben,
wodurch ein Zustand eingerichtet war, dass es im wesentlichen einen
Abschnitt mit kleinem zunehmenden Durchmesser vom Keimkristall zum
Körperabschnitt
gab. Daher wurde die Zeit des Kristallwachstums am Abschnitt mit
zunehmenden Durchmesser, an dem die Neigung der Entstehung des Zwillingskristalls
bestand, extrem kurz, so dass eine drastische Abnahme der Nachweisbarkeit
der Zwillingskristallausbildung erwartet wurde.
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Im
Bezug auf InP besteht jedoch im Vergleich zu GaAs eine Neigung der
Zwillingskristallbildung, wodurch es Schwierigkeiten bereitete,
in ausreichendem Maße
die Erzeugung des Zwilingskristalis im Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser durch das Herstellungsverfahren zu unterdrücken, wenn
die Kristallzüchtung
mit dem VGF-Verfahren oder dem VB-Verfahren ausgeführt wurde.
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Somit
wurde im Bezug auf die Herstellung des InP-Einkristalls ein Verfahren
vorgeschlagen, bei dem ein Keimkristall, der ungefähr denselben
Durchmesser hat, wie jener des wachsenden Kristalls beim VGF-Verfahren
oder dem VB-Verfahren, verwendet wird, um physikalisch keinen Abschnitt
mit zunehmendem Durchmesser vom Keimkristall zum Körperabschnitt
zu erzeugen, um so keinen Zwillingskristall zu erzeugen.
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Jedoch
ist beim oben beschriebenen Verfahren der Keimkristall mit dem beinahe
selben Durchmesser wie der des anwachsenden Kristalls erforderlich,
wodurch das Problem besteht, dass ein unbrauchbarer Keimkristallabschnitt
zu groß ist,
wodurch die Herstellungskosten steigen, so dass dies für die industrielle
Produktion nicht praktikabel ist.
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Wenn
weiterhin die Züchtung
des Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung in einem Hochdruckbehälter mit
dem VGF-Verfahren oder dem VB-Verfahren ausgeführt wird, besteht bei einer
Einleitung des Hochdruck-Inertgases in diesen das Problem, dass
der Kristalldefektabschnitt, wie etwa ein Zwillings- oder Polykristall
im Keimabschnitt oder in einem Abschnitt erzeugt wird, der vom Keimabschnitt zum
Körperabschnitt
reicht, was einer der Faktoren ist, die den Gewinn bei der Herstellung
eines Einkristalls beeinträchtigen.
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Im
Hinblick auf dieses Problem wird dies durch eine Temperaturschwankung
während
des Züchtens
in der Vorrichtung verursacht, was sich durch Untersuchungen der
Erfinder gezeigt hat.
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Das
heißt,
in 4 zeigen die Pfeile G einen Gasfluss im Hochdruckbehälter, der
von einem Computer simuliert wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, wurde
bestätigt,
dass der Gasfluss unterschiedlicher Richtungen mit näherungsweise
derselben Geschwindigkeit auftraf, wodurch eine Störung des Gasflusses
hervorgerufen wurde, was einen Grund für das Auftreten der Temperaturschwankung
darstellte.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen
Probleme entwickelt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein Verfahren zu Herstellung eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung
anzugeben, das wirkungsvoll die Erzeugung eines Zwillings- oder
Polykristalls in einem Keimabschnitt oder einem Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser verhindert, der sich vom Keimabschnitt erstreckt, und
einen Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung mit einem höheren Gewinn
insbesondere bei jenem, wie etwa InP herzustellen, bei dem die Neigung
zu Entstehung eines Zwillingskristalls besteht.
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Beschreibung
der Erfindung
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Im
folgenden werden der Inhalt der Betrachtung und die Vorgänge der
Untersuchung kurz erläutert,
bis die Erfinder zur vorliegenden Erfindung gelangten.
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Zunächst schlugen
die Erfinder die Ausführung
der Kristallzüchtung
unter Verwendung eines Tiegels mit einem etwa flachen Boden vor,
um den Kristall zu züchten,
ohne ihn bis zum äußersten
des Abschnittes mit zunehmendem Durchmesser auszubilden, bei dem
die Nachweisbarkeit der Zwillingskristallerzeugung hoch ist. Im Bezug
auf diesen Vorschlag untersuchten die Erfinder eine optimale Bedingung
für das
Kristallwachstum im Abschnitt mit zunehmendem Kristalldurchmesser.
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Im
allgemeinen ist bei einem Übergang
vom Festkörper
zur Schmelze während
des Kristallwachstums zu bevorzugen, dass die Festkörperphase
konvex ist, damit daraus auf einfache Weise ein Einkristall entstehen
kann. Zu diesem Zweck ist es erwünscht,
dass das Kristallwachstum so langsam wie möglich ist. Jedoch zeigte sich
bei den Ergebnissen der Versuche, die von den Erfindern ausgeführt wurden,
dass, selbst wenn die Geschwindigkeit des Kristallwachstums verringert
wurde, der Zustand des Übergangs
zwischen Festkörper
und Schmelze im Abschnitt mit zunehmendem Kristalldurchmesser nicht
verbessert wurde, so dass es Schwierigkeiten bereitete, die Erzeugung
des Zwillingskristalls wirkungsvoll zu unterdrücken.
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Als
andere Maßnahmen
zur Verbesserung des Übergangs
zwischen Festkörper
und Schmelze wurde vorgeschlagen, dass ein Haltematerial für den Tiegel
in entsprechender Weise geändert,
die Kühlung
des Keimkristallabschnittes unterstützt wird und ähnliche
Maßnahmen
ergriffen werden. Gemäß den Versuchen
der Erfinder konnte keine der Maßnahmen mit Sicherheit die
Erzeugung des Zwillingskristalls verhindern.
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Mit
den Ergebnissen, die man durch die Versuche zur Züchtung des
GaAs-Einkristalls
mit dem VGF-Verfahren erhielt, untersuchten und prüften die Erfinder
eine Beziehung zwischen Positionen, an denen der Zwillingskristall
im Tiegel erzeugt wird und (111)-Facettenmustern, die sich im Abschnitt
mit zunehmenden Kristalldurchmesser zeigten, um herauszufinden,
dass sich die (111)-Facettenmuster auf die Erzeugung des Zwillingskristalls
bezogen.
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Das
heißt,
von den GaAs-Einkristallen, die mit dem VGF-Verfahren gezüchtet werden,
wurde, obwohl kein Zwillingskristall für den Fall erzeugt wurde, dass
die Facettenmuster beinahe ein Quadrat waren, die Erzeugung des
Zwillingskristalls für
den Fall beobachtet, dass die Facettenmuster unsymmetrisch waren,
wie etwa, dass lediglich eine Facette in einer Richtung lang wurde.
Die Erzeugung dieser asymmetrischen Facettenmuster zeigen, dass
die Aushärtung
der Schmelze im Abschnitt mit zunehmenden Durchmesser nicht in vier
Richtungen in einem einheitlichen Zustand, sondern schnell in einer Richtung
fortschreitet. Es ist in geeigneter Weise möglich, dass ein derartiger
Zustand des Facettenwachstums die Erzeugung des Zwillingskristalls
beeinflusst.
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Die
Erfinder haben auf der Basis der oben beschriebenen Erfahrung berücksichtigt,
dass ein Zustand des Kristallwachstums, durch den das Facettenwachstum
mit guter Symmetrie fortschreiten würde, erforderlich war, um die
Erzeugung des Kristallwachstums sicher zu unterdrücken. Als
Ergebnis zahlreicher Studien sind die Erfinder zu der Überzeugung
gelangt, dass die Geschwindigkeit des Kristallwachstums, die größer ist
als ein vorbestimmter Wert, wirkungsvoll ist, um die Facette mit
guter Symmetrie zu züchten.
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Da
bislang beim VGF-Verfahren der Temperaturgradient in der Nähe des Übergangs
zwischen dem Festkörper
und der Schmelze gering ist, war die Rate des Kristallwachstums
von annähernd
einigen mm/hr wünschenswert,
wenngleich sie gemäß der thermischen
Leitfähigkeit
des anwachsenden Kristalls geringfügig abweicht.
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Im
Hinblick auf InP, das über
die physikalische Eigenschaft verfügt, dass der Zwillingskristall dazu
neigt, sich darin auszubreiten, überprüften die Erfinder
das Kristallwachstum mit unterschiedlichen Wachstumsraten von 5
mm/hr, 10 mm/hr, 20 mm/hr oder 50 mm/hr am Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser,
wobei auf die oben beschriebene Rate des Kristallwachstums verzichtet
wurde. Wenngleich der Zwillingskristall im Abschnitt vom Keimkristall zum
Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser mit den Wachstumsraten von
5 mm/hr, 10 mm/hr und 20 mm/hr im Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser erzeugt
wurde, wurde er allmählich
verringert, wobei es erstmals erreicht wurde, den InP-Einkristall
zu erhalten, der keinen Zwillingskristall enthielt, wenn die Wachstumsrate
50 mm/hr am Abschnitt mit zunehmenden Durchmesser betrug.
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Für den Fall,
dass die Wachstumsrate 20 mm/hr am Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser
betrug, wurde der Zwillingskristall in einem kleinen Abschnitt des
Randes erzeugt, so dass man den InP-Einkristall einer hohen Qualität im Großteil des Kristallkörperabschnittes
erhalten konnte.
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Auf
der Basis der Ergebnisse werden die Zustände der Wachstumsrate für die industrielle
Erzeugung des Einkristalls aus InP oder dergleichen mit hohem Gewinn
untersucht, wobei es sich zeigt, dass eine wünschenswerte Rate des Kristallwachstums am
Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser (Schulterabschnitt) wenigstens
nicht geringer als 20 mm/hr, vorzugsweise nicht geringer als 30
mm/hr, oder vorzugsweise nicht geringer als 40 mm/hr und bestenfalls
nicht geringer als 50 mm/hr ist. Die vorliegende Erfindung wird
auf der Basis des oben beschriebenen Wissens erreicht.
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Wie
es oben erläutert
wurde, enthält
bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren nach Anspruch
1 zum Herstellen eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung
folgende Schritte: Verwenden eines Tiegels, der einen Boden, eine
zylindrische Form, einen Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser,
der eine umgekehrte konische Form an einer unteren Stirnseite des
Tiegels aufweist, und einen Einsetzabschnitt für einen Kristallkeim in einem
Zentrum des Bodens des Abschnittes mit zunehmendem Durchmesser hat;
Einsetzen eines Kristallkeims in den Kristallkeim-Einsetzabschnitt
des Tiegels; Einfüllen
eines Rohmaterials der halbleitenden Zusammensetzung und eines Einkapselungsmaterials
in den Tiegel; Einschließen
des Tiegels in einem Innenbehälter;
anschließendes
Einsetzen des Innenbehälters
in einen Vertikalofen; Erwärmen
des Rohmaterials und des Einkapselungsmaterials durch eine Heizeinrichtung
bis zur Schmelze; und Kristallisieren der erzeugten Rohmaterialschmelze
vom Kristallkeim zu einer Oberseite mit Anlassen der Rohmaterialschmelze
von einer Unterseite, um einen Einkristall der halbleitenden Zusammensetzung
zu züchten;
wobei die Rate des Kristallwachstums am Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser des Tiegels auf nicht weniger als 20 mm/h eingestellt ist,
während
der Kristall wächst.
Es kann bevorzugt werden, dass der Tiegel-Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser,
der eine umgekehrte konische Form hat, einen festgelegten Neigungswinkel
von nicht weniger als 40° und
weniger als 90°,
vorzugsweise nicht weniger als 60° und
weiniger als 90° und
insbesondere nicht weniger als 80° und
weniger als 90° zu
einer Normalen des Zentrums des Bodens hat. Ein Temperaturgradient
in einer Richtung des Kristallwachstums kann wenigstens am Abschnitt
mit zunehmendem Durchmesser derart gesteuert werden, dass er 1 bis
10°C/cm
während
des Kristallwachstums hat. Ein Vertikalofen kann einen Hochdruckbehälter und eine
Wärmezone
enthalten, die von einer zylindrischen, feuerfesten Wand und einer
oberen Abdeckung umgeben sind, die im Hochdruckbehälter angeordnet
sind.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung
der vorliegenden Erfindung kann die Erzeugung eines Zwillingskristalls
im Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser wirkungsvoll verhindert
werden. Dadurch kann ein Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung mit
einem hohen Gewinn, insbesondere der Einkristall mit Halbleiterzusammensetzung,
wie etwa InP, bei dem eine Neigung zu Erzeugung eines Zwillingskristalls
besteht, effizient bei geringen Kosten hergestellt werden.
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Um
das Problem zu lösen,
dass das Gas unterschiedlicher Richtungen, das in etwa dieselbe
Geschwindigkeit hat, kollidiert und dadurch der Fluss dazu neigt,
gestört
zu werden, und die Temperaturschwankung (eine Schwankung zwischen
einer Maximaltemperatur und eine Minimaltemperatur bei Änderungen
einer Temperatur, die bei der Einstelltemperatur in einer vorbestimmten
Zeitperiode ansteigt und fällt)
groß wird,
so dass die Tendenz der Entstehung des Kristalldefektabschnitts,
wie etwa eines Zwillingskristalls, eines Polykristalls oder dergleichen,
im Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser des Kristalls bei der Vorrichtung
des Standes der Technik besteht, haben die Erfinder vorgeschlagen, dass
die Erzeugung eines laminaren Flusses, der von einer unteren Seite
um den Tiegel nach oben gerichtet ist, erzwungen wird, um den Einfluss
eines verwirbelten Flusses zu verringern, der durch die Kollision
des Gases unterschiedlicher Richtungen erzeugt wird. Infolge der
Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass es optimal ist, dass ein
Loch (Luftloch) in einer oberen Abdeckung für eine Glühraum ausgebildet ist, um eine
Konvektion durch das Loch im gesamten Innenraum der Vorrichtung
zu erzeugen.
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Weiterhin
hat es sich herausgestellt, das zuvor, wenn der Boden des Tiegel-Stützabschnittes
einen Aufbau hatte, der flach oder beinahe flach war, dadurch, wenn
die Kristallzüchtung
im Hochdruckbehälter
ausgeführt
wurde, der Gasfluss, der auf den Boden trifft, gestört wurde,
wodurch er zu einem verwirbelten Strom wurde, was ein Grund einer
Temperaturschwankung eines Systems war. Es hat sich zudem herausgestellt,
dass es, um dies zu verhindern, wirkungsvoll war, den Boden kuppelähnlich (Kuppel) auszubilden,
so dass der Gasfluss um die untere Umfangsfläche des Stützabschnittes entlang einer Stromlinienform
floss.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines Tiegels und einer Umfangseinrichtung
darstellt, die bei einem Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls
mit Halbleiterzusammensetzung verwendet werden.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnittes mit zunehmendem Durchmesser eines Tiegels.
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3 ist
eine schematische Schnittansicht einer Kristallzüchtvorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform.
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4 ist
eine Schnittansicht einer Kristallzüchtvorrichtung, die beim VGF-Verfahren des Standes
der Technik verwendet wird.
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5 ist
eine schematische Schnittansicht eines unteren Abschnittes einer
weiteren Kristallzüchtvorrichtung.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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(Erste Ausführungsform)
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Als
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Fall der Herstellung eines InP-Einkristalls
unter Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung eines Einkristalls
mit Halbleiterzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. 1 ist
eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines Tiegels und einer Umfangseinrichtung
darstellt, die bei einem Verfahren zur Züchtung eines Einkristalls mit
Halbleiterzusammensetzung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, 2 ist eine
schematische Ansicht zur Erläuterung,
die einen Abschnitt mit einem zunehmenden Durchmesser eines Tiegels darstellt,
und 3 ist eine schematische Ansicht eines Kristallzüchtungsofens R1,
der verwendet wird, wenn die vorliegende Erfindung auf das VGF-Verfahren
angewendet wird.
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In 1 kennzeichnet
Bezugszeichen 1 einen Tiegel, der aus pBN besteht und feuerbeständig ist.
In einem Boden desselben ist ein Keimkristall-Einsetzabschnitt 2 ausgebildet,
der einen Boden und eine zylindrische Form hat.
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Ein
Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser A, der dem Boden des Tiegels 1 entspricht,
hat eine umgekehrte konische Form. Der Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser A ist, wie in 2 gezeigt,
derart ausgebildet, dass er einen Neigungswinkel von α (α = nicht
weniger als 40° und
weniger als 90°)
zu einer Normalen N eines Zentrums des Bodens hat.
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Ein
Kemikristall S aus InP wird in den Keimkristall-Einsetzabschnitt 2 des
Tiegels 1 eingesetzt, und ein polykristallines Rohmaterial 3 aus
InP sowie ein Einkapselungsmaterial (B2O3) 4 werden in einen Körper des
Tiegels 1 eingefüllt.
Anschließend
werden ein Tiegel-Suszeptor (eine Tiegel-Stützbasis) 6 und der
Tiegel 1, in den das Rohmaterial 3 eingefüllt ist, auf
eine Unterseite eines Innenbehälters 5 gesetzt, der
aus Quartz besteht. In der Nähe
des Keimkristall-Einsetzabschnittes 2 ist ein Thermoelement 7 zum
Messen einer Temperatur des Keimkristalls im Tiegel-Suszeptor 6 vorgesehen.
Anschließend
wird eine Abdeckung 8, die aus Quartz besteht, in einen oberen
Abschnitt des Innenbehälters 5 eingefügt, um den
Innenbehälter 5 zu
verschließen.
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Anschließend wird
der Innenbehälter 5,
der in der oben beschriebenen Art und Weise eingerichtet ist, wie
in 3 dargestellt, an einer vorbestimmten Position
einer zylindrischen Mehrstufen-Graphitheizeinrichtung 11 in
einem Hochdruckbehälter 10 in
Gestalt eines Vertikalofens eingesetzt, wobei er von einem unteren
Schaft 12 gestützt
wird. Auf einer Außenseite
der Heizeinrichtung 11 sind ein Glühraum (eine zylindrische, feuerbeständige Wand) 13 und
eine Glühraum-Oberabdeckung 14 vorgesehen, die
aus einem wärmeisolierenden
Material bestehen.
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Nachdem
das Einsetzen des Innenbehälters 5 in
den Hochdruckbehälter 10 abgeschlossen
ist, wird die Erwärmung
durch die zylindrische Mehrstufen- Graphitheizeinrichtung 11 begonnen,
wobei der vorbestimmte Druck ausgeübt wird, um das polykristalline
Material aus InP und das Einkapselungsmaterial (B2O3) 4 zu schmelzen. Zu diesem Zeitpunkt
werden entsprechende Ausgänge
der Mehrstufenheizeinrichtung 11 derart eingestellt, dass
ein vorbestimmter Temperaturgradient derart beibehalten wird, dass
er allmählich
eine hohe Temperatur von der Seite des Keimkristalls S zu einer
Oberseite der Rohmaterialschmelze annimmt. Anschließend wird
die Rohmaterialschmelze im Tiegel 1 allmählich auf
eine Temperatur, die nicht größer als
eine Schmelztemperatur ist, von der Unterseite abgekühlt, so
dass der Einkristall aus InP nach oben anwächst.
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Im
Bezug auf den Temperaturgradienten während des Kühlens befindet sich der Temperaturgradient
von 1°C/m
bis 10°C/m
vorzugsweise wenigstens am Abschnitt A mit zunehmendem Durchmesser
des Tiegels, das heißt
in einem Bereich von einem Übergang
des Festkörpers
und der Schmelze zwischen dem Keimkristall S für einen Ausgangspunkt des Kristallwachstums
und der Rohmaterialschmelze bis zu einem Abschnitt, an dem das Anwachsen
des Körperabschnittes
des Kristalls begonnen wird. Eine vorzuziehende Rate des Kristallwachstums
ist dabei nicht geringer als 20 mm/hr.
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Dadurch
kann die Erzeugung des Zwillingskristalls im Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser des InP-Kristalls wirkungsvoll unterdrückt werden,
wodurch man den InP-Einkristall mit hohem Gewinn erzeugen kann,
so dass es möglich
ist, die Herstellungskosten für
den InP-Einkristall zu verringern.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
wird der Fall der Züchtung
des InP-Einkristalls mit
dem VGF-Verfahren erläutert,
wobei dies jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es besteht die Möglichkeit
einer Anwendung auf das VB-Verfahren und auf einen Fall zur Herstellung
der Halbleiterzusammensetzung, wie etwa GaAs oder dergleichen mit
Ausnahme von InP.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
wird der Fall der Züchtung
des InP-Einkristalls mit
dem VGF-Verfahren beschrieben, wobei dies jedoch nicht drauf beschränkt ist.
Es besteht die Möglichkeit
der Anwendung auf das VB-Verfahren und auf einen Fall der Herstellung
der Halbleiterzusammensetzung, wie etwa GaAs oder dergleichen, mit Ausnahme
von InP.
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(Beispiel)
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Im
folgenden wird ein praktischeres Beispiel der ersten Ausführungsform
dargestellt, so dass die Charakteristik der vorliegenden Erfindung
klarer wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf die entsprechenden
Beispiele beschränkt.
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Bei
diesem Beispiel wurde ein Tiegel, der aus PbN besteht und einen
Durchmesser von etwa 4 Zoll und eine Dicke von 1 mm hat, als Tiegel 1 verwendet.
Der Winkel α der
Normalen N des Zentrums des Bodens des Abschnittes mit zunehmendem Durchmesser
A des Tiegels 1 der in 2 dargestellt ist,
betrug 87°.
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Zunächst wurde
der Keimkristall S des InP-Einkristalls in den Keimkristall-Einsetzabschnitt 2 des
Tiegels 1 eingesetzt. Weiterhin wurden der InP-Polykristall 3 von
etwa 5 kg als Rohrmaterial und B2O3 einer geeigneten Menge als Einkapselungsmaterial 4 in
den Tiegel 4 gefüllt.
Anschließend
wird der Tiegel-Suszeptor 6 in den unteren Abschnitt des
Innenbehälters 5 aus
Quartz eingesetzt. Der Tiegel 1, in den das Rohmaterial
eingefüllt
ist, wie es oben beschrieben ist, wird auf den Tiegel-Suszeptor 6 gesetzt.
Anschließend
wird die Abdeckung 8 aus Quartz in den oberen Abschnitt
des Innenbehälters 5 eingefügt, um den
Innenbehälter 5 zu
verschließen.
In der Nähe
des Keimkristall-Einfügeabschnittes 2 befindet sich
das Thermoelement 7 zum Messen der Temperatur des Keimkristalls
im Tiegel-Suszeptor 6.
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Als
nächstes
wird der Innenbehälter 5,
der in der oben beschriebenen Weise eingerichtet ist, wie in 3 gezeigt,
an der vorbestimmten Position der zylindrischen Mehrstufen-Graphitheizeinrichtung 11 im Hochdruckbehälter 10 eingesetzt,
wobei er von der unteren Schaft 12 gestützt wird.
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Nachdem
das Einsetzen des Innenbehälters 5 in
den Hochdruckbehälter 10 erfolgt
war, wurde die Erwärmung
durch die zylindrische Mehrstufen-Graphitheizeinrichtung 11 begonnen,
wobei der vorbestimmte Druck (von beispielsweise 45 atm) ausgeübt wurde.
Der Tiegel 1 wurde derart erwärmt, dass die Temperatur eines
oberen Endes des Keimkristalls S und des Rohmaterials 3 im
Bereich von 1.080°C
bis 1.062°C
lag, um das polykristalline Rohmaterial 3 des InP und das
Einkapselungsmaterial (B2O3) 4 zu schmelzen.
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Zu
diesem Zeitpunkt werden entsprechende Ausgänge der Mehrstufen-Heizeinrichtung 11 eingestellt,
um den festgelegten Temperaturgradienten so beizubehalten, dass
er allmählich
eine hohe Temperatur von der Seite des Keimkristalls S zu einer
oberen Seite der Rohmaterialschmelze annimmt. Anschließend wurde
die Rohmaterialschmelze im Tiegel 1 allmählich auf
die Temperatur, die nicht mehr als die Schmelztemperatur betrug,
von der Unterseite gekühlt,
so dass der Einkristall aus InP nach oben anwuchs.
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Im
Bezug auf den Temperaturgradient während des Kühlens wurde der Temperaturgradient
auf 1°C/cm
bis 10°C/cm
wenigstens am Abschnitt A mit zunehmendem Durchmesser A des Tiegels
eingestellt, d.h. im Bereich vom Übergang des Festkörpers und
der Schmelze zwischen dem Keimkristall S für den Ausgangspunkt des Kristallwachstums
und der Rohmaterialschmelze bis zum Abschnitt, an dem die Züchtung des
Körperabschnittes
des Kristalls initiiert wurde.
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Die
Einstelltemperatur im Hochdruckbehälter 10 wurde derart
abgesenkt, dass die Rate des Kristallwachstums von der Keimposition
durch den Abschnitt A mit zunehmendem Durchmesser bis zu den 10
mm des Körperabschnittes
nicht geringer als 50 mm/hr und die Wachstumsrate anschließend 1 mm/hr
war, wodurch die Züchtung
des Kristalls ausgeführt
wurde.
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Anschließend wurde
das gesamte Innere des Hochdruckbehälters 10 mit einer
Kühlrate
von 100°C/h
gekühlt.
Nachdem er beinahe auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde der gezüchtete Kristall aus
dem Hochdruckbehälter 10 entnommen.
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Der
hergestellte Kristall war der InP-Einkristall mit einem Durchmesser
von etwa 10,1 cm (4 Zoll) und einer Gesamtlänge von etwa 12 cm. Seine Kristallinität wurde
geprüft.
Die Erzeugung des Zwillings- oder Polykristalls konnte nicht festgestellt
werden.
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Weiterhin
wurde der InP-Einkristall zerschnitten, um die Ätzlochdichte (EPD) zu prüfen. Die Ätzlochdichte
an beliebigen Stellen des Kristalls war nicht mehr als 10.000 cm–2.
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Weiterhin
war es als Ergebnis zahlreicher Durchführungen der Versuche für die Kristallzüchtung möglich, einen
InP-Einkristall zu erzeugen, bei dem in allen Versuchen kein Zwillingskristall
erzeugt wurde. Es wurde bestätigt,
dass das Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden
Erfindung extrem wirkungsvoll war, um die Erzeugung des Zwillingskristalls
zu unterdrücken.
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Wie
es oben beschrieben wurde, kann man gemäß dem Verfahren zur Herstellung
eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung den InP-Einkristall mit
Hohem Gewinn herstellen, wobei es möglicht ist, die Herstellungskosten
des InP-Einkristalls zu verringern.
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Beim
oben beschriebenen Beispiel wird der Fall der Züchtung des InP-Einkristalls
beschrieben, wobei dies jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Das Verfahren kann auf einen Fall zur Herstellung der Halbleiterzusammensetzung,
wie etwa CdTe oder dergleichen angewendet werden, das über die
physikalischen Eigenschaften verfügt, dass der Zwillingskristall
dazu neigt, sich dort auszubreiten, und das schwer als Einkristall
mit dem VGF-Verfahren und dem VB-Verfahren ausgebildet werden kann.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls mit Halbleiterzusammensetzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
folgende Schritte: Verwenden eines Tiegels, der einen Boden, eine
zylindrische Form, einen Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser,
der eine umgekehrte konische Form an einer unteren Stirnfläche des
Tiegels hat, und einen Einsetzabschnitt für einen Keimkristall in einem Zentrum
des Bodens des Abschnittes mit zunehmendem Durchmesser hat; Einsetzen
eines Keimkristalls in den Keimkristall-Einsetzabschnitt des Tiegels;
Einfüllen
eines Rohmaterials der Halbleiterzusammensetzung und eines Einkapselungsmaterials
in den Tiegel; Einschließen
des Tiegels in einen Innenbehälter;
anschleißendes
Einsetzen des Innenbehälters
in einen Vertikalofen; Erwärmen
des Rohmaterials und des Einkapselungsmaterials durch eine Heizeinrichtung
bis zur Schmelze; und Kristallisieren der erzeugten Rohmaterialschmelze
vom Keimkristall zu einer Oberseite mit Anlassen der Rohmaterialschmelze von
einer Unterseite, um einen Einkristall der Halbleiterzusammensetzung
zu züchten,
wobei eine Rate des Kristallwachstums am Abschnitt mit zunehmendem
Durchmesser des Tiegels so eingestellt ist, dass sie nicht weniger
als 20 mm/hr beträgt,
während
der Kristall gezüchtet
wird. Daher hat das Verfahren den Vorteil, dass die Erzeugung eines
Zwillingskristalls in einem Abschnitt mit zunehmendem Durchmesser des
Kristalls wirkungsvoll verhindert werden kann.