JP2006290641A - Production method of compound single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体封止引上げ法(LEC法)により化合物単結晶を製造する方法に係り、特に、加熱手段によって融液内対流の改善を図った化合物単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a compound single crystal by a liquid sealing pulling method (LEC method), and more particularly to a method for producing a compound single crystal in which convection in a melt is improved by a heating means.
化合物半導体は、その単結晶の高品質化により、高速集積回路、光−電子集積回路やその他の電子素子に広く用いられるようになってきた。なかでも、III‐V族化合物半導体の砒化ガリウム(GaAs)は電子移動度がシリコンに比べて早く、107Ω・cm以上の比抵抗のウエハが製造容易という特徴がある。現在では、GaAsの単結晶は、主に液体封止引上げ法(LEC法)により製造されている。 Compound semiconductors have been widely used in high-speed integrated circuits, opto-electronic integrated circuits, and other electronic devices due to the high quality of single crystals. Among these, gallium arsenide (GaAs), a group III-V compound semiconductor, has a feature that the electron mobility is faster than that of silicon, and a wafer having a specific resistance of 10 7 Ω · cm or more is easy to manufacture. At present, GaAs single crystals are mainly manufactured by the liquid sealing pulling method (LEC method).
LEC法によるGaAs単結晶の製造方法を図5によって説明する。
図5に示すLEC法によるGaAs単結晶の製造装置(引上げ炉)は、耐圧容器であるチャンバー9と、結晶を引き上げるための引上軸1と、化合物半導体原料を収容する容器であるPBN(Pyrolytic Boron Nitride)製のルツボ7と、このルツボ7を支持するルツボ軸8と、ルツボ7の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのカーボン製のヒータ5とを有する。
A method for producing a GaAs single crystal by the LEC method will be described with reference to FIG.
The GaAs single crystal manufacturing apparatus (pulling furnace) by the LEC method shown in FIG. 5 is a
結晶製造にあたっては、まず、Ga、As及び封止剤であるB2O3(三酸化硼素)をルツボ7に入れ、このルツボ7をチャンバー9内にセットする。また、引上軸1の先端に、目的の方位を持った種結晶2を取り付ける。次いで、チャンバー9内を真空にし、不活性ガスを充填した後、ヒータ5に通電し、チャンバー9内の温度を昇温させ、GaとAsを合成してGaAs多結晶を作成する。その後、更に昇温させてGaAsを融液化し、その表面がB2O3融液4で覆われたGaAs融液6とする。
In manufacturing the crystal, first, Ga, As, and B 2 O 3 (boron trioxide) as a sealing agent are put in the
続いて、引上軸1、ルツボ軸8を相対的に回転させる。この状態で、引上軸1を、その先端に取り付けてある種結晶2がGaAs融液6に接触するまで下降させる。その後、この種結晶2を回転させながらゆっくりと引き上げることで、GaAs単結晶3を成長させる。
Subsequently, the pull-up
ところで、LEC法による化合物単結晶の製造においては、固液界面が融液側に凹面形状になりやすく、その部分から多結晶化するという問題がある。特に、成長させる結晶径が100mm以上の大口径結晶では、固液界面の重要性は小口径結晶よりも増し、安定的に融液側に凸面形状であることが必要となる。 Incidentally, in the production of a compound single crystal by the LEC method, there is a problem that the solid-liquid interface tends to be concave on the melt side and polycrystallizes from that portion. In particular, in a large-diameter crystal having a crystal diameter of 100 mm or more to be grown, the importance of the solid-liquid interface is more important than that of a small-diameter crystal, and it is necessary to have a convex surface stably on the melt side.
そこで、固液界面の形状を融液側に凸状にするために、ヒータの発熱量の制御、ヒータやホットゾーンの形状等を改良する試みがなされている。例えば、初期原料融液のルツボ内深さと、ヒータの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複した部分の長さと、ルツボ底部の温度との関係に着目し、これらを一定の条件下で成長させるもの(特許文献1参照)などがある。
しかしながら、上記従来の技術では、大口径の単結晶を成長させる場合、固液界面形状を、安定的に融液側に凸面に制御するのは難しかった。
このことを更に述べると、結晶欠陥の発生を左右する固液界面形状は、原料融液(GaAs融液)の融液内対流に密接な関係がある。この融液内対流は、融液内温度差に起因してルツボ壁近傍から上昇し成長結晶に向かう自然対流と、結晶・ルツボの相対回転に起因して固液界面付近で渦巻く強制対流とがある。結晶が大口径になるにつれて、回転に起因する固液界面付近の強制対流が支配的になってくる。このため、固液界面形状は融液側に凹面になり易い。転位は固液界面に垂直に伝播するので、固液界面が融液側に凹面の場合、そこに転位が集合して多結晶化することになり、結晶の品質を悪くしているのが現状である。
However, in the conventional technique described above, when growing a large-diameter single crystal, it is difficult to stably control the solid-liquid interface shape to be convex toward the melt side.
More specifically, the solid-liquid interface shape that affects the generation of crystal defects is closely related to the convection in the melt of the raw material melt (GaAs melt). This convection in the melt consists of natural convection that rises from the vicinity of the crucible wall due to the temperature difference in the melt and moves toward the growing crystal, and forced convection that swirls near the solid-liquid interface due to the relative rotation of the crystal and crucible. is there. As the crystal diameter increases, forced convection near the solid-liquid interface due to rotation becomes dominant. For this reason, the solid-liquid interface shape tends to be concave on the melt side. Since dislocations propagate perpendicularly to the solid-liquid interface, if the solid-liquid interface is concave on the melt side, the dislocations will collect and polycrystallize, resulting in poor crystal quality. It is.
本発明は、上記課題を解決し、大口径の単結晶を育成する際にも、固液界面形状を融液側に凸面に制御可能とした化合物単結晶の製造方法を提供する。 The present invention solves the above-described problems and provides a method for producing a compound single crystal that allows the solid-liquid interface shape to be controlled to a convex surface on the melt side even when growing a large-diameter single crystal.
第1の発明は、ルツボに原料及び封止剤を収納し、上記ルツボの周囲に設けた加熱手段により上記ルツボ内を加熱して原料及び封止剤を融解し、融解した原料融液に種結晶を接触させ、上記種結晶を上記ルツボに対して相対的に回転させながら引き上げることにより、化合物単結晶を成長させる液体封止引上げ法を用いた化合物単結晶の製造方法において、上記ルツボの底壁外周部側の下方に底部加熱手段を設け、この底部加熱手段により上記ルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、上記ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたことを特徴とする化合物単結晶の製造方法である。 According to a first aspect of the present invention, a raw material and a sealing agent are housed in a crucible, the inside of the crucible is heated by a heating means provided around the crucible to melt the raw material and the sealing agent, and a seed is added to the molten raw material melt. In the method for producing a compound single crystal using a liquid-sealed pulling method for growing a compound single crystal by bringing the seed crystal into contact with the crystal and pulling the seed crystal while rotating relative to the crucible, the bottom of the crucible A bottom heating means is provided below the wall outer peripheral side. The bottom heating means heats the crucible side wall through the crucible bottom wall, and rises from the vicinity of the crucible wall toward the growing compound single crystal. A method for producing a compound single crystal characterized by forming natural convection of a raw material melt.
このように、底部加熱手段によりルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するように構成しているので、単結晶とルツボとの相対回転に起因する固液界面付近の強制対流に打ち勝って、原料融液内の対流は自然対流が支配的な状態となり、固液界面形状を融液側に凸面に制御可能となる。 In this manner, the crucible side wall is heated through the bottom wall of the crucible by the bottom heating means, and the natural convection of the large raw material melt rising from the vicinity of the crucible wall toward the growing compound single crystal is formed. Therefore, overcoming the forced convection near the solid-liquid interface caused by the relative rotation of the single crystal and the crucible, natural convection is dominant in the convection in the raw material melt, and the solid-liquid interface shape is It becomes controllable to the convex side.
第2の発明は、第1の発明において、上記底部加熱手段は、上記ルツボ底壁外周部に沿ったリング状のヒータであって、そのヒータ面は内周側が外周側よりも高くなって水平面に対して傾斜して形成され、且つ、上記ヒータの内周縁部及び外周縁部から半径方向に切り込まれたスリットを交互に有すると共に、上記スリットの長さBを育成する化合物単結晶の径Aで割った値α(α=B/A)が、0.1≦α≦0.45を満たし、且つ上記ヒータ面の水平面に対する傾斜角θが、30°≦θ≦40°を満たすことを特徴とする化合物単結晶の製造方法である。 According to a second invention, in the first invention, the bottom heating means is a ring-shaped heater along the outer peripheral portion of the crucible bottom wall, and the heater surface has a horizontal surface whose inner peripheral side is higher than the outer peripheral side. The diameter of the compound single crystal that is formed so as to be inclined with respect to the heater and alternately has slits cut in the radial direction from the inner peripheral edge and the outer peripheral edge of the heater and grows the length B of the slit. The value α (α = B / A) divided by A satisfies 0.1 ≦ α ≦ 0.45, and the inclination angle θ of the heater surface with respect to the horizontal plane satisfies 30 ° ≦ θ ≦ 40 °. It is a manufacturing method of the compound single crystal characterized.
本発明によれば、ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたので、単結晶を成長するのに理想的な、融液側に凸面である固液界面形状を形成することが可能となる。よって、高品質の化合物単結晶を歩留りよく製造することができる。 According to the present invention, natural convection of a large raw material melt rising from the vicinity of the crucible wall toward the growing compound single crystal is formed, so that the melt is ideal for growing a single crystal. It is possible to form a solid-liquid interface shape that is convex on the side. Therefore, a high-quality compound single crystal can be produced with a high yield.
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本実施形態に使用される化合物単結晶の製造装置である。この単結晶製造装置は、原料のGaおよびAsとAsの揮発防止用の封止剤であるB2O3とを収容するPBN製のルツボ7と、このルツボ7が設置され不活性ガスが充填される炉体部分であるチャンバー(耐圧容器)9と、種結晶2がその下端に取り付けられ、回転・昇降移動可能にチャンバー9内に設けられた引上軸1と、チャンバー9内のルツボ7を回転・昇降移動可能に支持するルツボ軸8と、ルツボ側壁7aの外周を取り巻くように設けられた加熱手段としてのメインヒータ15と、ルツボ底壁7bの外周部側の下方に設けられた底部加熱手段としてのルツボ下ヒータ10と、これらヒータ15,10の周囲に配設された保温部材16とを有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an apparatus for producing a compound single crystal used in this embodiment. This single crystal manufacturing apparatus is made of PBN crucible 7 containing raw materials Ga and As and B 2 O 3 which is a sealing agent for preventing volatilization of As, and this
メインヒータ15は、円筒体状のカーボン製ヒータであり、上部・中部・下部の三部に分割され、各部ごとに温度制御できるようになっているが、全体としてはルツボ7より上下方向の長さは長く、ルツボ7外周を包囲するように設けられている。
The
ルツボ下ヒータ10は、ルツボ底壁7bの外周部に沿ったリング状ないし円環状のヒータであり、メインヒータ15と同様にカーボン製ヒータである。ルツボ下ヒータ10のルツボ底壁7bに対向するヒータ面は、外周側から内周側へと次第に高くなった円錐面状となっており、ヒータ面が、ルツボ側壁7aの底部側に向くように、水平面に対して傾斜角(円錐の底角)θだけ傾斜している。
The crucible
また、ルツボ下ヒータ10は、図2にこれを展開して示すように、ヒータ10の内周縁部10a及び外周縁部10bから半径方向(幅方向)に内スリット11及び外スリット12を交互に入れたもので、ヒータ線が蛇行したベルト状のヒータが円環状に配設された構造となっている。内スリット11及び外スリット12の長さBは同一であり、これらスリット11,12が円環状のルツボ下ヒータ10の周方向に沿って等間隔に形成されている。なお、上記の円筒体状のメインヒータ15にも、図2に示すようなスリットが、ヒータ上端部及びヒータ下端部から垂直方向に交互に設けられている。
In addition, the
上記のルツボ下ヒータ10は、スリット11,12の長さBを育成する結晶径(GaAs単結晶3の直径)Aで割った値α=B/A、つまり育成する結晶径Aに対するスリットの長さBの割合αが、0.1≦α≦0.45 を満足するように設定されている。例えば、成長結晶の直径が4インチ(101.6mm)の場合には、スリットの長さB(mm)は、101.6×0.45≒45.7≧B≧101.6×0.1≒10.2の範囲にする。また、上述したルツボ下ヒータ10のヒータ面の水平面に対する傾斜角θは、30°≦θ≦40°を満たす範囲に設定されている。
The crucible
上記製造装置を用いたGaAs単結晶の製造方法は、基本的には従来技術で説明したLEC法のGaAs単結晶の製造方法と同様である。すなわち、図1において、Ga、As及びB2O3を充填したルツボ7をチャンバー9内のルツボ軸8上に設置し、チャンバー9内を真空引きした後、不活性ガスで置換し、チャンバー9内を加圧された不活性ガスの雰囲気とする。次いで、ルツボ7内をメインヒータ15及びルツボ下ヒータ10により融点温度以上に加熱し、表面がB2O3融液4で覆われたGaAs融液6を形成する。更に、ルツボ軸8によりルツボ7を上下方向に移動させ、GaAs融液6最上面の位置をメインヒータ5の発熱する部分の中心の位置とほぼ一致させる。その後、引上軸1を下降させて種結晶2をGaAs融液6に接触させ、主にメインヒータ5の出力の調整により、チャンバー9内の温度を徐々に下げつつ、種結晶2をルツボ7に対して相対的に回転させながら、引上軸1を一定の速度で上昇させることで、GaAs単結晶3を成長させる。
The method for producing a GaAs single crystal using the production apparatus is basically the same as the method for producing a GaAs single crystal of the LEC method described in the prior art. That is, in FIG. 1, the
本実施の形態において、特徴とするところは、LEC法を用いたGaAs単結晶の製造において、GaAs融液6内の対流を単結晶成長に好適な流れに改善すべく、メインヒータ15だけでなく、更にルツボ底壁7bの外周部側の下方にルツボ下ヒータ10を設け、このルツボ下ヒータ10によりルツボ底壁7bを介してルツボ側壁7aを加熱するように構成したことにある。
The present embodiment is characterized by not only the
即ち、主にルツボ底壁7b外周部を通じてルツボ側壁7aの底部側を加熱するために、ルツボ下ヒータ10を、ルツボ底壁7bの外周部側の下方に、ルツボ底壁7b外周部に沿ったリング状に形成し、且つ、ルツボ下ヒータ10の内・外スリット11,12の長さB(ルツボ下ヒータ10の幅方向の有効発熱部長さに対応する)を育成するGaAs単結晶3の直径Aで割った値α(=B/A)を、0.1〜0.45に設定している。更に、ルツボ下ヒータ10のヒータ面を、ルツボ側壁7aの底部側に向けるために、水平面に対して傾斜角θ(30度〜40度)だけ傾斜させている。
That is, in order to heat the bottom side of the
このようにルツボ下ヒータ10を設定することにより、ルツボ下ヒータ10から放射される熱線Rは、図1に示すように、主にルツボ底壁7b外周部を通過してルツボ側壁7aの底部側に照射され、ルツボ底壁7b外周部およびルツボ側壁7aの底部側を加熱する。(ルツボ下ヒータ10のヒータ面を水平面に対して傾斜角θだけ傾斜させているので、熱線Rは、θ=0のときの垂直上方向からルツボ7の半径方向外方に角度θだけ傾いた方向に進み、ルツボ側壁7aに対して角度θをなして斜めに入射する。)この加熱により、GaAs融液6内の対流は、図1に示すように、ルツボ7壁近傍から上昇し成長結晶に向かう流れ(自然対流S)が大きくなり、自然対流Sが支配的となって、固液界面形状はGaAs融液6側に凸面になりやすい。このことにより、GaAs単結晶3を成長するのに理想的な固液界面形状を形成することが可能となる。
By setting the
これに対し、上記範囲をはずれて、α値が0.45を超えた場合や、ヒータ面の傾斜角θが25度以下の場合には、ルツボ下軸8がルツボ下ヒータ10により熱せられることにより、GaAs融液6内の対流は、GaAs単結晶3の回転により固液界面付近で渦巻く強制対流が支配的となって、固液界面形状がGaAs融液6側に凹面になりやすい。また、ルツボ下ヒータ10のヒータ面の傾斜角θが45度以上の場合は、ルツボ側壁7aが熱せられず、ルツボ壁近傍から上昇する自然対流Sが小さくなるため、固液界面形状は凸面になりにくい。
On the other hand, the crucible
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。この実施例では、上記実施形態の効果を確認するために、直径6インチ(15.24cm)のGaAs単結晶の成長を行った。ここでは、ルツボ下ヒータ10のスリットの長さBを変更することにより、育成する結晶径(GaAs単結晶3の直径)Aに対するスリット長さBの割合であるα値を0.01〜0.50まで変化させて成長を行った。ルツボ下ヒータ10の傾斜角θは一定(θ=35度)とした。
Next, specific examples of the present invention will be described. In this example, in order to confirm the effect of the above embodiment, a GaAs single crystal having a diameter of 6 inches (15.24 cm) was grown. Here, by changing the slit length B of the
図3に、この場合のα値に対する全域単結晶の生産歩留り(単結晶歩留り)の関係を示す。図3に示す通り、単結晶歩留りはα値が大きくなるにつれて徐々に上がり始め、0.1位から単結晶歩留りが80%以上、0.22位から85%以上、0.36位から90%以上となり、0.45を超えたあたりで急激に下がることが分かった。よって単結晶歩留りを高く維持するα値としては、結晶径Aに対してスリット長さBが0.1〜0.45の割合、好ましくは0.22〜0.45の割合、更に好ましくは0.36〜0.45の割合のルツボ下ヒータ10を使用するのが良い。
FIG. 3 shows the relationship of the production yield (single crystal yield) of the whole area single crystal to the α value in this case. As shown in FIG. 3, the single crystal yield starts to gradually increase as the α value increases, and the single crystal yield is 80% or higher from the 0.1th position, from 0.22 to 85%, from the 0.36th position to 90%. It became the above, and it turned out that it falls rapidly around 0.45. Accordingly, the α value for maintaining a high single crystal yield is a ratio of the slit length B to the crystal diameter A of 0.1 to 0.45, preferably 0.22 to 0.45, and more preferably 0. It is preferable to use the
次に、ルツボ下ヒータ10のヒータ面の傾斜角θを0〜55度の範囲で変えて成長を行った。育成する結晶径Aに対するスリット長さBの割合であるα値は、一定(α=0.40)とした。
Next, growth was performed by changing the inclination angle θ of the heater surface of the
図4に、この場合のヒータ傾斜角θに対する全域単結晶の生産歩留り(単結晶歩留り)の関係を示す。ヒータ傾斜角θが大きくなるにつれて、単結晶歩留りが徐々に上がり始め、図4に示すように、傾斜角θが30度のときには単結晶歩留りが90%に達し、傾斜角θが40度を超えた付近から単結晶歩留りが90%未満に低下する。つまりルツボ下ヒータ10は、傾斜角θが30〜40度の範囲範囲で高い歩留り値を示すことが分かった。よってルツボ下ヒータ10は傾斜角θが30〜40度の範囲で傾けるのが良い。
FIG. 4 shows the relationship of the production yield (single crystal yield) of the entire area single crystal to the heater inclination angle θ in this case. As the heater tilt angle θ increases, the single crystal yield begins to gradually increase. As shown in FIG. 4, when the tilt angle θ is 30 degrees, the single crystal yield reaches 90% and the tilt angle θ exceeds 40 degrees. From the vicinity, the single crystal yield is reduced to less than 90%. That is, it was found that the
上記の実施形態・実施例では、LEC法によりGaAs単結晶を製造する場合について説明したが、本発明はGaAs単結晶だけでなく、GaP、InPなど他の材料を用いた化合物単結晶の製造方法についても、もちろん適用することができる。 In the above-described embodiments and examples, the case where a GaAs single crystal is manufactured by the LEC method has been described. However, the present invention is not limited to a GaAs single crystal but a method for manufacturing a compound single crystal using other materials such as GaP and InP. Of course, it can also be applied.
1 引上軸
2 種結晶
3 GaAs単結晶
4 B2O3融液
5 メインヒータ
6 GaAs融液
7 ルツボ
7a ルツボ側壁
7b ルツボ底壁
8 ルツボ軸
9 チャンバー
10 ルツボ下ヒータ
10a 内周縁部
10b 外周縁部
11 内スリット
12 外スリット
A GaAs単結晶の直径
B スリットの長さ
S 自然対流
θ ヒータ面の傾斜角
1 Pulling
Claims (2)
上記ルツボの底壁外周部側の下方に底部加熱手段を設け、この底部加熱手段により上記ルツボ底壁を介してルツボ側壁を加熱して、上記ルツボ壁の近傍から上昇して育成中の化合物単結晶に向かう大きな原料融液の自然対流を形成するようにしたことを特徴とする化合物単結晶の製造方法。 The raw material and the sealing agent are stored in the crucible, the inside of the crucible is heated by heating means provided around the crucible, the raw material and the sealing agent are melted, the seed crystal is brought into contact with the molten raw material melt, and the above In the method for producing a compound single crystal using a liquid sealing pulling method for growing a compound single crystal by pulling the seed crystal while rotating it relative to the crucible,
A bottom heating means is provided below the outer peripheral portion of the bottom wall of the crucible. The bottom heating means heats the crucible side wall through the crucible bottom wall, and ascends from the vicinity of the crucible wall to raise the growing compound alone. A method for producing a compound single crystal characterized by forming a natural convection of a large raw material melt toward a crystal.
上記底部加熱手段は、
上記ルツボ底壁外周部に沿ったリング状のヒータであって、そのヒータ面は内周側が外周側よりも高くなって水平面に対して傾斜して形成され、且つ、上記ヒータの内周縁部及び外周縁部から半径方向に切り込まれたスリットを交互に有すると共に、
上記スリットの長さBを、育成する化合物単結晶の径Aで割った値αが、
0.1≦α≦0.45
を満たし、且つ
上記ヒータ面の水平面に対する傾斜角θが、
30°≦θ≦40°
を満たすことを特徴とする化合物単結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the compound single crystal of Claim 1,
The bottom heating means is
A ring-shaped heater along the outer peripheral portion of the bottom wall of the crucible, the heater surface being inclined with respect to a horizontal plane such that the inner peripheral side is higher than the outer peripheral side, and the inner peripheral portion of the heater and While having alternately slits cut in the radial direction from the outer peripheral edge,
A value α obtained by dividing the length B of the slit by the diameter A of the compound single crystal to be grown is
0.1 ≦ α ≦ 0.45
And the inclination angle θ of the heater surface with respect to the horizontal plane is
30 ° ≦ θ ≦ 40 °
The manufacturing method of the compound single crystal characterized by satisfy | filling.
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