JP2002540051A - 単結晶を製造するための装置 - Google Patents

単結晶を製造するための装置

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Abstract

(57)【要約】 フロアヒータ（２）およびカバーヒータ（３）を有する円筒形の加熱器具を有する、たとえば大きい直径のガリウム砒素の単結晶などの単結晶を製造するために利用可能な装置を提供する。フロアおよびカバーヒータの加熱面は、製造される単結晶の断面領域よりもかなり大きい。加えて、放射状の熱流を防ぎ、かつカバーヒータ（３）およびフロアヒータ（２）の間の反応空間の高さ全体にわたる厳密に軸方向の熱流を保証するよう設定される断熱材（６）が反応空間に対して企図される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は単結晶を製造するための装置に関する。この発明は特に、たとえば
ガリウム砒素の単結晶など、たとえばＩＩＩ−Ｖ材料などのさまざまな材料の単
結晶を製造するための装置に関する。
【０００２】 たとえばガリウム砒素単結晶など、たとえばＩＩＩ−Ｖ材料などのさまざまな
材料の単結晶を製造するためによく知られる装置は一般的に複数の温度ゾーンフ
ァーネスを含み、それらはＤＥ−ＯＳ−３８ ３９ ９７号ならびに米国特許Ｕ
Ｓ４，０８６，４２４号、ＵＳ４，４２３，５１６号およびＵＳ４，５１８，３
５１号などに記載される。
【０００３】 これらの複数の温度ゾーンファーネスは金属熱導体のみではなく、炭素を含む
加熱導体からなっていてもよい。いわゆる複数ゾーン管ファーネスは、結晶生長
に適した温度フィールドの可変性の構造およびそのファーネスの回転軸に沿った
変位を可能にする。
【０００４】 しかし、この種の装置は軸方向だけでなく放射状の熱流によって特徴付けられ
、これは生長速度を変化させて、好ましくない相間溶融結晶の形成に導くおそれ
がある。
【０００５】 加えて、マルチゾーンまたは複数の温度ゾーンファーネスはさまざまな熱構造
部材で構成されており、これはメンテナンス作業のための解体および組立にかな
りの費用を必要とする。ゾーンの数が増加すると自動化の量が増加し、それによ
ってマルチゾーンファーネスの故障発生度も増加する。
【０００６】 特に、たとえば２″、３″、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍ
ｍ、およびそれ以上などの大きい直径の単結晶を製造するためには、結晶中の放
射状の熱流が等温線に、すなわちそれぞれ垂直または軸方向の相間溶融単結晶に
影響するという問題がある。
【０００７】 この発明の課題は、熱制御がほぼ排他的に軸方向であるような、たとえばガリ
ウム砒素など、特にさまざまなＩＩＩ−Ｖ材料の単結晶を製造するための装置を
提供することである。
【０００８】 この課題は請求項１に記載の装置によって解決される。 従属請求項においてさらなる発展形が示される。
【０００９】 この装置は、一様な軸方向の熱流が保証され、かつ事実上熱が放射状の方向に
全く流出できない、すなわち上側および下側の加熱プレートならびに中間部分に
おいて放射状に一様な温度が得られるという利点を有する。
【００１０】 その他の構成要素および便宜は、図１による設計例の説明に見ることができる
。
【００１１】 単結晶を製造するための装置は円筒形のファーネス１を有し、それはフロアヒ
ータ２として下側の加熱プレートと、カバーヒータ３として上側の加熱プレート
とを有する。この高温の熱伝導プレート（たとえばＣＦＣ）は円形の断面を有す
る。フロアヒータ２およびカバーヒータ３の直径は製造される結晶の直径の１．
５から２倍以上であり、それによって特に電流供給の非軸対称の影響によって起
こされるシステム中での放射状の熱流がなくなる。フロアヒータ２とカバーヒー
タ３との間隔は、その間に結晶生長のための坩堝４を置けるように寸法取りされ
る。
【００１２】 図示されない制御器具が企図され、それによってフロアヒータ２およびカバー
ヒータ３を始動できることにより、カバーヒータ３をほぼ処理される材料の溶融
温度において保ち、フロアヒータ２をそれより少し低い温度に保つことができる
。加えてコントローラは、フロアヒータ２の温度がカバーヒータの温度に比べて
生長プロセスにおいて継続的に減少可能であるよう設計され、それによって坩堝
４中の原材料の溶融物は底部から頂部へと継続的に硬化できる。
【００１３】 加えて円筒形のファーネス１は、たとえばファーネスの円筒形の境界壁に形成
されるジャケットヒータ５を有する。そこには企図された制御器具があり、これ
はジャケットヒータ５を坩堝中の原材料の溶融点に近い温度に保ち得るように設
定される。
【００１４】 放射状の方向における熱の流れを防ぐために、ファーネス１は断熱性の材料で
作られる軸対称の断熱材６を付加的に有する。断熱材６は、頂部および底部が開
いた同軸の円筒形の内部を有する先細になった本体の形を有する。したがって断
熱材６の外壁７は先端を切った円錐のような形であり、内壁８は円筒のような形
である。断熱材６は、先細になった端部８がフロアヒータ２の方向にあり、かつ
先細になった端部と反対側の端部がカバーヒータ３の方向にあるような態様でフ
ァーネス中に配置される。断熱材の内側の直径は、そこに挿入される坩堝４の直
径よりも大きい。この断熱材はグラファイトでできていることが好ましい。この
熱伝導プロファイル６の、中空の先端を切った円錐形によって、主ヒータを通じ
た温度の方位角の補償に寄与する熱伝導プロファイルとジャケットヒータ５との
間の自由放射空間９ができる。
【００１５】 前述のファーネス１における断熱材６の設計および配置は、坩堝４中の原材料
の溶融物とジャケットヒータ５との間の放射状の方向をカバーヒータ３からフロ
アヒータ２に移動する断熱を減少させる。
【００１６】 動作上の目的のために、結晶核を含有する坩堝４がファーネスの中に置かれる
。次いで三酸化二ホウ酸Ｂ2Ｏ3および多結晶ガリウム砒素が加えられる。次いで
ジャケットヒータ５を始動させて、反応空間を加熱して作業温度にし、かつ固体
の供給材料を溶融させるために十分な温度にする。加えられた多結晶ガリウム砒
素は溶融してガリウム砒素溶融物１０を形成し、また溶融したＢ2Ｏ3でできた被
覆溶融物１１に覆われることによってガリウム砒素と坩堝の壁との接触が防がれ
る。
【００１７】 生長プロセスは以下のように行なわれる。カバーヒータ３は約１３００℃の温
度にされ、フロアヒータ２は約１２００℃の温度にされる。カバーヒータ３とフ
ロアヒータ２との間に温度勾配が形成され、これは事実上２つの無限に平行な水
平プレートの間に見られる温度勾配である。次にフロアヒータの温度を継続的に
減少させることによって、坩堝４中の溶融物１１を底部から頂部へと均一に結晶
化させる。カバーヒータ３の温度に対するフロアヒータ２の温度を制御および／
または調節することによって、２つのヒータの間の溶融等温線の垂直位置を移動
させることが可能であり、したがって結晶化を制御できる。システム全体のエネ
ルギレベルが減少するため、ジャケットヒータを通じて補償される放射状の損失
を減少させることを確実にするために、プロセス時間においてジャケットヒータ
をわずかに訂正して理想的な軸方向の温度を維持することが必要である。
【００１８】 ジャケットヒータ５は全体の熱損失を補償し、放射状の熱流を防ぐ働きをする
。断熱材６を通じて、カバーヒータ３の領域における放射状の方向の高レベルの
断熱が達成され、フロアヒータ２の領域における放射状の方向のより低いレベル
の断熱が達成される。このことは、結晶化プロセスにおけるファーネスの回転軸
に平行な軸方向の熱流を保証する。
【００１９】 結晶化プロセスおよびその後における反応容器中の等温線の形成は、この態様
においてあらゆる形で可能である。目標にされる等温線の形は、カバーヒータ３
およびフロアヒータ２の間の反応空間の高さ全体にわたる厳密に軸方向の熱流を
通じて置き換えられてもよい。
【００２０】 この発明に従った装置は、２″、３″、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ
、２００ｍｍ、およびそれ以上の直径を有するたとえばガリウム砒素など、大き
い直径を有する異なるＩＩＩ−Ｖ材料の単結晶の製造を可能にする。
【００２１】 製造される単結晶に依存して、たとえばその材料または直径に関して、断熱材
６は中空の円筒として設計されてもよい。そのねらいは単に、厳密に軸方向の熱
流を保証し、かつ放射状の方向への熱の流出を防ぐことである。この態様で、時
間単位当りの一定の速度の結晶生長を得るという目標に到達できる。
【００２２】 変更形においては、熱伝導円筒６は先細になった円錐の形ではなく、所望の軸
方向の等温線コースが達成されるように成形される。ここではあらゆる特定の形
が考えられ、所望の等温線コースによって算出される。材料の形および材料のタ
イプを通じて、あらゆるタイプの所望の熱流を設計できる。この態様で、時間単
位当り一定の速度の結晶生長を得るという目標に到達できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 垂直に延在する回転軸Ｍを有する、この発明に従った装置の概略
的な断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年３月１２日（２００１．３．１２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 請求項１の特徴に従った装置は、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス、
ＮＬ、ノースホランド・パブリッシング社、アムステルダム、１６６巻、１／４
号、１９９６年９月１日、５６６−５７１頁からよく知られる。 この発明の課題は、熱制御がほぼ排他的に軸方向であるような、たとえばガリ
ウム砒素など、特にさまざまなＩＩＩ−Ｖ材料の単結晶を製造するための装置を
提供することである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゾンネンベルク，クラウス ドイツ連邦共和国、デー−52382 ニーデ ルツィール、タウベンフォルスト、３ (72)発明者 キュッセル，エックハルト ドイツ連邦共和国、デー−52353 デュレ ン、フリッツ・プレイシュトラーセ、28 (72)発明者 ビュンガー，トマス ドイツ連邦共和国、デー−09131 ケムニ ッツ、クロップストックシュトラーセ、３ (72)発明者 フレイド，チロ ドイツ連邦共和国、デー−09599 フライ ベルク、ドルネルツァウンシュトラーセ、 11 (72)発明者 バイネルト，ベルント ドイツ連邦共和国、デー−09599 フライ ベルク、トゥルネルシュトラーセ、９ Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BE46 CD04 EG18 EG25 HA12 MB08

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 製造される単結晶の原材料の溶融物からの生長を通じて単結
    晶を製造するための装置であって、 原材料の溶融物内に温度勾配を生じさせるための加熱器具（１）を有し、前記
    加熱器具（１）は第１の本質的に水平な高温伝導ヒータ（２）と、前記ヒータ（
    ２）に平行かつそれから距離をおいて置かれる第２の本質的に水平な高温伝導ヒ
    ータ（３）とを有し、前記ヒータは異なる温度に制御でき、かつ製造される単結
    晶の直径に対する比におけるその加熱面を計算することによって、第１のヒータ
    （２）および第２のヒータ（３）の間の本質的に一様かつ一定の温度勾配ととも
    に、製造される単結晶の放射状の断面にわたって本質的に一様の温度を生じ得る
    ことを特徴とする、装置。
  2. 【請求項２】 各ヒータ（２、３）の表面の大きさは、製造される単結晶の
    断面領域の少なくとも１．５倍であることを特徴とする、請求項１に記載の装置
    。
  3. 【請求項３】 第１の水平なヒータ（２）の温度を第２の水平なヒータ（３
    ）に対して継続的に低くできるよう設定される、企図されたコントローラを特徴
    とする、請求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 加熱器具は円筒形のファーネス（１）として設計され、第１
    のヒータはフロアヒータ（２）として設計され、かつ第２のヒータはカバーヒー
    タ（３）として設計され、前記２つのヒータの間隔は製造される単結晶の長さよ
    りも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
  5. 【請求項５】 ヒータ（２、３）によって囲まれる空間は、この空間を包囲
    するジャケットヒータによって囲まれることを特徴とする、請求項１から４のい
    ずれかに記載の装置。
  6. 【請求項６】 ファーネスの円筒軸（Ｍ）に対して垂直な放射状の方向の熱
    流を制限する態様で設計される断熱装置（６）を特徴とする、請求項４または５
    に記載の装置。
  7. 【請求項７】 カバーヒータ（３）からフロアヒータ（２）に向けて減少す
    る断熱効果を有する態様で設計される断熱装置（６）を特徴とする、請求項６に
    記載の装置。
  8. 【請求項８】 頂部と底部とが開いた共軸の円筒形の中空空間を有する先細
    になった円錐体として設計され、かつ先細になった端部がフロアヒータに向けら
    れる態様でファーネス（１）中に置かれる断熱装置（６）を特徴とする、請求項
    ６または７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 たとえばグラファイトで作られた断熱装置を特徴とする、請
    求項６から８のいずれかに記載の装置。
  10. 【請求項１０】 第１のヒータ（２）と第２のヒータ（３）との間に置かれ
    た、製造される単結晶の原材料の溶融物を保持するための坩堝（４）を含むこと
    を特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記装置はＩＩＩ−Ｖ複合半導体から単結晶を製造するた
    めの装置であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記装置はガリウム砒素から単結晶を製造するための装置
    であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
  13. 【請求項１３】 製造される単結晶の原材料の溶融物からの生長によって単
    結晶を製造するための装置であって、 原材料の溶融物内に温度勾配を生じさせるための加熱器具（１）を有し、前記
    加熱器具（１）は回転軸（Ｍ）を有する軸対称のファーネス（１）を有し、前記
    ファーネスは異なる温度に制御可能な本質的に水平なフロアヒータ（２）と本質
    的に水平なカバーヒータ（３）とを有し、さらにファーネス（１）の回転軸（Ｍ
    ）に垂直な放射状の方向における熱流を予め設定した速度に制限できる態様で設
    定される断熱装置が企図されることを特徴とする、装置。
  14. 【請求項１４】 断熱効果をカバーヒータ（３）からフロアヒータ（２）に
    向けて減少させる態様で設計される断熱装置（６）を特徴とする、請求項１３に
    記載の装置。
  15. 【請求項１５】 ファーネスは円筒形に設計され、フロアヒータ（２）の温
    度をカバーヒータの温度に比べて減少できるよう設計されるコントローラを有す
    ることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 頂部と底部とが開いた共軸の円筒形の中空空間を有する先
    細になった円錐体として設計され、かつ先細になった端部がフロアヒータ（２）
    に向けられる態様でファーネス（１）中に置かれる断熱装置（６）を特徴とする
    、請求項１３から１５のいずれかに記載の装置。
  17. 【請求項１７】 ファーネス（１）はジャケットヒータ（５）を有すること
    を特徴とする、請求項１３から１６のいずれかに記載の装置。
  18. 【請求項１８】 あらゆるタイプの軸対称のプロファイリングされた、また
    はプロファイリングされない形を有し得る熱伝導部（６）を特徴とする、請求項
    １から１７のいずれかに記載の装置。
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