JP2003176198A - 単結晶製造方法および化合物半導体の単結晶インゴット - Google Patents
単結晶製造方法および化合物半導体の単結晶インゴットInfo
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Abstract
ドのネック部よりコーン成長が開始し単結晶が成長する
際に発生するデンドライトを抑制して、単結晶インゴッ
ト製造の生産効率を上げる。 【解決手段】 GaAs融液31にシード32を浸せき
してネック部33を形成し、つぎにシード32を引き上
げて、前記ネック部33より単結晶のコーン成長を開始
させる際、ルツボ13の回転数を勾配0.05〜5rp
m/minで上昇させ続け、単結晶のコーン成長が開始
する際のルツボ13の回転数を1〜30rpmの範囲内
とする。
Description
ルスキー法(以下、LEC法と記載する。)による単結
晶の製造方法および化合物半導体の単結晶インゴットに
関する。
導体単結晶を得る方法として、LEC法がある。ここで
図2を参照しながら、LEC法を用いた従来の技術に係
る単結晶の成長方法の一例について説明する。図2は、
単結晶製造装置10を用い、従来の技術によってGaA
s等の化合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている
際の断面模式図である。
に保つことのできる圧力容器11と、圧力容器11の内
側に設置された断熱材19と、断熱材19の内側に設置
されたヒーター16と、ヒーター16の内側に設置され
且つルツボホルダー14に保持されたルツボ13とを有
している。ルツボ13は、これを保持するルツボホルダ
ー14が図示していない回転・昇降機構を有するルツボ
回転軸15に接続されており、圧力容器11内の気密を
破ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうこ
とができる。このルツボ13内では、GaAs等の化合
物半導体の原料がヒーター16に加熱されて融解し、原
料融液31となっている。この原料融液31はB2O3等
の液体封止材37で封止されている。一方、ルツボ13
の上方には、図示していない回転・昇降機構に支持さ
れ、前記ルツボ回転軸15と回転中心を一致させた種結
晶(以下、シードと記載する。)回転軸18に接続され
たシードホルダー17が設置され、シードホルダー17
にはシード32が取り付けられているので、シード32
は、ルツボ13中の原料融液31および液体封止材37
における液表面の中心にて、圧力容器11内の気密を破
ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうこと
ができる。尚、圧力容器11内は、加圧されたAr、N
2等の不活性ガス雰囲気12で満たされ、上述した液体
封止材37とともに原料融液31の揮散を抑制してい
る。また、ヒーター16とルツボホルダー14との間に
は温度センサー20が設置されルツボ13の温度制御を
おこなう。
の技術によるGaAs等の半導体単結晶の引き上げにつ
いて、簡単に説明する。まず、ルツボ13とシード32
を互いに逆方向または同方向に回転させながらシード3
2を降下し、先端を原料融液31に浸せきする。そして
シード32が原料融液31液面に浸せきしている固液の
境界(以下、メニスカスと記載する。)34が、単結晶
の成長開始に適した状態となるようにルツボ13周囲の
ヒーター16の制御温度を設定する。次にシード32の
引き上げを開始してネック部33を形成し、さらにシー
ド32を引き上げつつヒーター16の温度を徐々に降温
して、ネック部33より単結晶のコーン成長を開始させ
ている。
の温度を徐々に降温しながらネック部33よりコーン成
長を開始させると、ネック部33において針状結晶(以
下、デンドライトと記載する。)38が成長を始め、こ
れが原因となって単結晶コーン部の多結晶化が始まって
しまうことがしばしば発生する。この多結晶化が確認さ
れた場合は、単結晶成長工程をもとに戻して、多結晶化
した部分とデンドライト38とを再融解(以下、メルト
バックと記載する。)し、再度メニスカス34が好まし
い結晶成長開始状態となるように、温度等を調整する必
要がある。このため、単結晶製造の生産効率を上げるこ
とは困難であった。
C法による単結晶成長工程において、シードのネック部
よりコーン成長が開始し成長する際の、デンドライト発
生を抑制する手段を提供し、併せて生産効率の高い単結
晶インゴットを提供することである。
果、まず前記ヒーターの降温速度が大きいとデンドライ
トの発生頻度は高くなることが判明した。しかし、デン
ドライトの発生頻度を抑制するためにヒーターの降温速
度を小さくすると、今度はシードのネック部よりコーン
成長が開始するまでの時間が延長されてしまい、これで
はネック部の長さが、不要に長くなるため単結晶製造の
生産効率を上げることは困難である。
・成長する原因について、さらに解明をおこなった。そ
の解明結果について、再び、図2を参照しながら説明す
る。すなわち、デンドライト38が発生・成長する原因
とは、まず原料融液31において水平方向の温度勾配が
小さい部分がメニスカス34付近に形成される。次に、
原料融液31の液温の低下とともに、このメニスカス3
4付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する過
冷却状態部分39となる。そしてこの過冷却状態部分3
9の存在がデンドライト38の発生・成長原因であると
いうことに想達した。そこで、ヒーター16の降温速度
を制御して、上述した原料融液31における水平方向の
温度勾配が小さい部分を縮小させようとした。しかし、
ヒーター16の降温速度制御では、原料融液31の精密
な温度制御が困難なため、却ってデンドライド38の発
生・成長を助長してしまう結果となった。
ヒーター16の降温速度を大きくするのではなく、ルツ
ボ13の回転速度を制御することで、メニスカス34付
近における原料融液31の水平方向の温度勾配を精密に
制御できることに想到した。すなわち、従来、単結晶引
き上げの際は、正確な温度制御とネック部33の切断現
象を回避するためルツボ13の回転数は一定としていた
のである。しかし、本発明者らは、ルツボ13の回転数
を上昇させる勾配と、この上昇開始時と上昇完了時の回
転数の変化幅とを精密に制御することで、ネック部33
の切断現象を回避しつつ、ヒーター16の降温速度制御
では実現できなかったメニスカス34付近における原料
融液31の水平方向の温度勾配を精密に制御することが
できることを見出した。
るメカニズムは、ルツボ13の回転に伴うコリオリの力
により原料融液31の対流が抑制される結果、ルツボ1
3の回転数を上昇させる勾配を下げると原料融液31の
温度が上昇し、ルツボ13の回転数を上昇させる勾配を
上げると原料融液31の温度が下降するのであると推察
される。すなわち、上記原料融液31の水平方向の温度
勾配を精密に制御するという困難な制御を、ルツボ13
の回転数制御という極めて容易な制御で達成できること
を見出したものである。さらに好ましいことには、上記
メカニズムは、原料融液31において、上述した水平方
向の温度勾配の小さな原料融液部分を縮小する効果を有
し、広い分布を有する過冷却状態部分39の発生を抑制
することも達成している。この結果、ネック部33から
のデンドライト38の発生・成長を抑制することを実現
したものである。
明は、液体封止チョクラルスキー法を用いた単結晶製造
方法であって、ルツボの回転数を上昇させながら、前記
単結晶の原料融液に浸せきした種結晶を引き上げること
を特徴とする単結晶製造方法である。
過冷却状態の部分を狭く保ったまま、融液の温度を極め
て正確に制御することが実現できた。この結果、単結晶
成長においてメニスカス付近のデンドライトの発生は抑
制しつつ、前記ネック部より前記単結晶のコーン成長を
開始させることができるので、単結晶製造の生産効率を
大きく上げることが可能になった。
製造方法であって、前記ルツボの回転数を上昇させる勾
配が0.05〜5rpm/minであり、前記単結晶の
コーン成長が開始する際のルツボの回転数が、1〜30
rpmの範囲内であることを特徴とする単結晶製造方法
である。
法において、前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が
0.05〜5rpm/minであることが好ましい。何
となれば、ルツボの回転数を上昇させる勾配が0.05
rpm/min以上あれば、メニスカス付近における原
料融液の温度勾配の小さな部分を縮小させることができ
る。一方、ルツボの回転数を上昇させる勾配が5rpm
/min以下であれば、原料融液中に乱流が発生しない
からである。さらに、ネック部より単結晶のコーン成長
を開始させる際のルツボの回転数は、1〜30rpmの
範囲内であることが好ましい。何となれば、このときの
ルツボの回転数が1rpm以上あれば、単結晶がネック
部よりコーン成長を開始するのに好適な、原料融液温度
の制御が実現できるからである。一方、ルツボの回転数
が30rpm以下であれば、原料融液内に発生する激し
い乱流を回避することができる。
載の単結晶製造方法であって、前記種結晶の引き上げ開
始の際より、前記単結晶のコーン成長が開始するまでの
ヒーターの昇降温速度が−0.04〜+5℃/minの
範囲内にあり、かつ前記シードの引き上げ開始の際のヒ
ーター温度と前記単結晶の成長が開始するまでのヒータ
ー温度との差が5℃以下であることを特徴とする単結晶
製造方法である。
単結晶製造方法において、シードの引き上げ開始の際よ
り、単結晶がネック部よりコーン成長を開始するまでの
ヒーターの昇降温速度が−0.04〜+5℃/minの
範囲にあることが好ましい。何となれば、ヒーターの降
温速度が−0.04℃/minより低いとネック部から
のデンドライトの発生・成長頻度が増加し、昇降温速度
が−0.04℃/min〜+5℃の範囲にあると、ネッ
ク部からのデンドライトの発生・成長を効果的に抑制で
き、ヒーターの昇温速度が+5℃/minより高いと、
原料融液に浸せきされたシードが溶ける(以下、メルト
オフと記載する。)頻度が増加するからである。さら
に、シードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度
と、単結晶がネック部よりコーン成長を開始する際のヒ
ーター温度との差が5℃以下であると、ネック部におけ
るデンドライトの発生・成長頻度を効果的に抑制でき好
ましい。すなわち、ヒーターの昇降温速度、シードの引
き上げ開始の際におけるヒーター温度および単結晶がネ
ック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との
差を上記の範囲に設定することで、シードのメルトオフ
およびネック部におけるデンドライトの発生・成長の両
者を抑制し、安定した単結晶成長を実現することができ
る。
法によって引き上げられた、GaまたはInを含有する
化合物半導体の単結晶インゴットであって、ネックの長
さが8mm以下であることを特徴とする単結晶インゴッ
トである。
GaAs単結晶引き上げを例として、図1を参照しなが
ら説明する。尚、図1、図2において、相当する部分に
は同一の符号を付して示した。
置10を用い、本発明の実施の形態例に係るGaAs化
合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている際の断面
模式図である。図1に示した単結晶製造装置10は、構
造および機構において、図2に示した単結晶製造装置1
0と同様の装置である。すなわち、単結晶製造装置10
は、圧力容器11と、圧力容器11の内側に設置された
断熱材19と、断熱材19の内側に設置されたヒーター
16と、ヒーター16の内側に設置され且つルツボホル
ダー14に保持されたルツボ13とを有している。ルツ
ボ13は、これを保持するルツボホルダー14とルツボ
回転軸15とに接続されているので、圧力容器11内の
加圧された不活性ガス雰囲気12の気密性を破ることな
く所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
物半導体がヒーター16に加熱されて融解し、原料融液
31となっている。この原料融液31はB2O3等の液体
封止材37で封止されている。尚、ルツボ13の温度は
温度センサー20で制御される。一方、ルツボ13の上
方には、前記ルツボ回転軸15と回転中心を一致させた
シード回転軸18にシードホルダー17を介してシード
32が取り付けられており、シード32は、ルツボ13
中の原料融液31および液体封止材37における液表面
の中心にて、所望の回転および昇降運動をおこなうこと
ができる。
熱されて液体となったGaAs融液31が下層に、同じ
く加熱されて液体となったB2O3が封止材37として上
層に存在している。シードホルダー17にはGaAs単
結晶のシード32が設置され、GaAs融液31よりG
aAs単結晶インゴットが引き上げられつつある。図1
に示した状態は、ネック部33からコーン成長が開始
し、コーン成長部35が形成された後、直胴部36が形
成されつつある状態である。
3内に、原料のGaAsと封止材のB2O3を装填し、圧
力容器11内を不活性ガスによる高圧雰囲気とする。ル
ツボ13を回転しながらヒーター16にて加熱し、Ga
AsとB2O3とを2層の融液とする。ここで、GaAs
融液31の液温をGaAsの融点である1238℃、ル
ツボ13の回転数を1〜30rpmとした後、シード3
2を回転数10rpmでルツボ13と逆回転させながら
降下させ、先端をGaAs融液31に浸せきする。ここ
でシード32の回転方向とルツボ13の回転方向とを逆
回転させるのは、この逆回転によりネック部33の切断
現象を回避できるからである。
整して、メニスカス34の部分が単結晶の成長開始に適
した状態となったらシード32の引き上げを開始しネッ
ク部33を形成する。シード32の引き上げとともにル
ツボ13の回転数を上げていくが、その回転数を上昇さ
せる勾配は、上述したように0.05〜5rpm/mi
nが好ましい。すると、ネック部33よりコーン成長が
開始するが、その際のルツボ13の回転数は、上述した
ように1〜30rpmとすることが好ましい。さらに、
シード32の引き上げ開始の際より、ネック部33より
コーン成長部35が成長を開始するまでのヒーター16
の昇降温速度を、上述したように−0.04〜+5℃/
minの範囲とし、かつシード32の引き上げ開始にお
けるヒーター16の温度と、ネック部33よりコーン成
長部35の成長を開始させる際のヒーター16の温度と
の差を5℃以下とする。この構成を採ることで、ネック
部33よりコーン成長部35が成長を開始する際、Ga
As融液31と封止材37との界面にあたるネック部3
3を基点とするデンドライトの発生・成長を抑制するこ
とができる。
長する要因は、まず原料融液において水平方向の温度勾
配が小さい部分がメニスカス付近に形成されることにあ
る。次に、原料融液の液温の低下とともに、そのメニス
カス付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する
過冷却状態部分となる。そしてこの過冷却状態部分の存
在がデンドライトの発生・成長原因となっていた。そし
て、上記構成によりデンドライトの発生・成長が抑制さ
れたのは、シード32の引き上げとともにルツボ13の
回転数を上げることで、GaAs融液31の水平方向の
温度勾配が大きくなり、図2に示したメニスカス34付
近に、GaAs融液31の過冷却状態部分39が形成さ
れるのを抑制した状態で、単結晶インゴットのコーン成
長を開始できたことにあると考えられる。
こで再び図1に戻り、ネック部33よりコーン成長を開
始させる際の、ネック部33の長さを8mm以下とする
ことが可能になった。前述したように、従来このネック
部33の長さを短縮化することを目論んで、ヒーター1
6の降温速度を速めても、デンドライト38の発生・成
長が促進されてしまい、その度にメルトバックを実施せ
ざるを得ず、結局、ネック部33の長さを15mm以下
へ短縮化することは困難であった。そして、このネック
部33の長さを短縮化することの困難性は、単結晶イン
ゴット製造における生産効率向上を阻む問題点の1つで
あった。
とにより、単結晶インゴットの引き上げにおいてシード
32をメルトバックする頻度が減少し、さらにネック部
33の長さを8mm以下とすることが可能になったこと
より、単結晶インゴットの生産効率を大幅に上げること
が可能となった。
と封止材のB2O3を装填し、圧力容器内を不活性ガスに
より高圧雰囲気とする。ルツボを回転しながらヒーター
にて加熱し、GaAsとB2O3とを2層の融液とする。
ここで、GaAs融液の液温を1238℃とした後、シ
ードをルツボと逆回転させながら降下させ、シードの先
端をGaAs融液に浸せきする。
形成されるメニスカスの状態が単結晶の成長開始に適し
た状態となったらシードの引き上げを開始する。シード
の引き上げとともにルツボの回転数を上げていくが、そ
の回転数を上昇させる勾配は0.09rpm/minと
し、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長
を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅は5rp
mとした。同様に、シードの引き上げ開始におけるヒー
ターの昇降温速度を+0.02℃/minとし、かつシ
ードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と、単結
晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始す
る際のヒーター温度との差を1℃とし、GaAs単結晶
インゴットを引き上げた。
において、デンドライトの発生頻度は10%以下であっ
た。また引き上げられたGaAs単結晶インゴットのネ
ック部の長さを8mmとすることができた。
勾配を0.24rpm/min、単結晶インゴットの成
長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツ
ボの回転数の変化幅を9rpm、シードの引き上げ開始
におけるヒーターの昇降温速度を+0.1℃/min、
かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と
単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開
始する際のヒーター温度との差を2.5℃とし、他は実
施例1と同様の操作によりGaAs単結晶インゴットを
引き上げた。
において、デンドライトの発生頻度は10%以下であっ
た。また引き上げられたGaAs単結晶インゴットのネ
ック部の長さを6mmとすることができた。
勾配を0.5rpm/min、単結晶インゴットの成長
がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボ
の回転数の変化幅を10rpm、シードの引き上げ開始
におけるヒーターの昇降温速度を+0.15℃/mi
n、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温
度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長
を開始する際のヒーター温度との差を3℃とし、他は実
施例1と同様の操作によりGaAs単結晶インゴットを
引き上げた。
において、デンドライトの発生頻度は10%以下であっ
た。また引き上げられたGaAs単結晶インゴットのネ
ック部の長さを5mmとすることができた。
勾配を1rpm/min、単結晶インゴットの成長がネ
ック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回
転数の変化幅を15rpm、シードの引き上げ開始にお
けるヒーターの昇降温速度を+0.26℃/min、か
つシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単
結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始
する際のヒーター温度との差を4℃とし、他は実施例1
と同様の操作によりGaAs単結晶インゴットを引き上
げた。
において、デンドライトの発生頻度は10%以下であっ
た。また引き上げられたGaAs単結晶インゴットのネ
ック部の長さを4mmとすることができた。
ードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を−
0.09℃/minとし、他は実施例1と同様の操作に
よりGaAs単結晶インゴットを引き上げた。
において、デンドライトの発生頻度は50%であった。
また引き上げられたGaAs単結晶インゴットのネック
部の長さは15mmであった。
成長工程において、原料融液に浸せきしたシードを引き
上げる際、ルツボの回転数を上昇させながら単結晶を引
き上げることにより、単結晶がネック部よりコーン成長
する際に、ネック部よりデンドライトが発生・成長する
のを抑制することができた。
の断面模式図である。
模式図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 液体封止チョクラルスキー法を用いた単
結晶製造方法であって、 ルツボの回転数を上昇させながら、前記単結晶の原料融
液に浸せきした種結晶を引き上げることを特徴とする単
結晶製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の単結晶製造方法であっ
て、 前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が0.05〜5r
pm/minであり、前記単結晶のコーン成長が開始す
る際のルツボの回転数が、1〜30rpmの範囲内であ
ることを特徴とする単結晶製造方法。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の単結晶製造方
法であって、 前記種結晶の引き上げ開始の際より、前記単結晶のコー
ン成長が開始するまでのヒーターの昇降温速度が−0.
04〜+5℃/minの範囲内にあり、かつ前記種結晶
の引き上げ開始の際のヒーター温度と前記単結晶の成長
が開始するまでのヒーター温度との差が5℃以下である
ことを特徴とする単結晶製造方法。 - 【請求項4】 液体封止チョクラルスキー法によって引
き上げられたGaまたはInを含有する化合物半導体の
単結晶インゴットであって、 ネック部の長さが8mm以下であることを特徴とする化
合物半導体の単結晶インゴット。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008063165A (ja) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Sumco Corp | シリコン単結晶の製造方法 |
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- 2001-12-07 JP JP2001373847A patent/JP4091762B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP2008063165A (ja) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Sumco Corp | シリコン単結晶の製造方法 |
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