JP2542434B2 - 化合物半導体結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シーディング（種子つけ）後に引上げ法に
より肩部形状の形成と初期成長を行い、その後は垂直凝
固法により所定の温度プロファイルによりルツボ内で結
晶を成長させる化合物半導体結晶の製造方法および製造
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

融液からの結晶成長法のうちで縦型のものとして、引
上げ法（チョクラルスキー法）、カイロポーラス法、縦
型ブリッジマン法、縦型温度勾配凝固法等があげられ
る。

これらのうちで、引上げ法とカイロポーラス法は、シ
ードを融液の上部におき、そのシードを融液内に付着さ
せ、結晶を固化させる方法である。引上げ法は、結晶を
温度勾配のある方向に引き上げながら、結晶を固化させ
ていく方法であり、カイロポーラス法は、シードをメル
ト（融液）に付着させ、そのシードを冷却し続けること
により、結晶をルツボの中でそのまま固化させる方法で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の各方法によって、Inp（燐化インジウ
ム）等の化合物半導体を結晶成長させる場合に、引上げ
法では、結晶の形状制御が難しかった。

また、カイロポーラス法では、シードを融液内に付着
させ、固化させようとしたときに、InP等が積層欠陥エ
ネルガーの小さい物質であるため、シード直下から双晶
が発生しやすく、単結晶化が難しかった。さらに、結晶
が融液温度付近に長時間さらされるため、転位の再配列
や集合、セル構造等が発生しやすく、高品質の単結晶が
得にくかった。

本発明の目的は、前述したカイロポーラス法と引上げ
法のもつ問題点をともに解決し、シーディング後の単結
晶化がしやすく、結晶の形状制御がいらない化合物半導
体結晶の製造方法および製造装置を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するために、本発明による化合物半導
体結晶の製造方法は、ルツボ内に化合物半導体の融液を
収容しその化合物半導体と不活性な不発揮性の液体封止
剤の融液で被覆し、前記化合物半導体の融液にその化合
物半導体の種子結晶を接触させたのち徐々に上方に引き
上げながら凝固させ、肩部形状を形成しながら結晶を所
定の直径に達するまで成長させる引上げ工程と、前記引
上げ工程で成長させた結晶をもとにして前記ルツボ内の
融液に所定の温度プロファイルを形成して固液界面の温
度勾配の移動により前記ルツボ内で前記融液を凝固させ
て結晶を成長させる垂直凝固工程とから構成されてい
る。

この場合、前記温度プロファイルは、融液帯の温度を
融点から融点＋Ｔ℃（10≦Ｔ≦20）の範囲に設定し、固
液界面の温度勾配を20℃/cm〜60℃/cmに設定し、凝固帯
の温度を融点から融点−300℃の範囲に設定することが
できる。

また、本発明による化合物半導体結晶の製造方法は、
不活性ガスを充填して所定の圧力に加圧できる高圧容器
と、前記高圧容器内に収容され化合物半導体の融液をそ
の融液に不活性な不揮発性の液体封止剤の融液で被覆し
て収容するルツボと、前記ルツボを固定するルツボ受が
設けられ上下に移動する支持軸と、前記ルツボの上方に
配置され先端に前記化合物半導体の種子結晶が取り付け
られ上下に移動する引上軸と、前記ルツボの外周に配置
されそのルツボの上下方向に所定の温度プロファイルを
形成するヒータとからなり、前記引上軸を降下させて前
記種子結晶を前記ルツボ内の化合物半導体の融液に接触
させ、前記引上軸を徐々に引き上げながら前記融液を凝
固させて肩部を形成し結晶を所定の直径に達するまで成
長させ、前記支持軸および前記引上軸を同時に移動させ
るか、または前記ヒータの温度プロファイルを電気的に
移動して、前記ルツボに温度勾配を与え前記ルツボ内で
前記融液を凝固させて結晶を成長させるように構成され
ている。

〔作用〕

前記構成によれば、シーディング後は、引上げ法によ
り融液からシードを引き上げて、結晶の適切な肩部形状
を形成するので、単結晶化しやすくなった。

また、結晶が所望の直径に達したのちには、ブリッチ
マン法もしくは温度勾配凝固法などの垂直凝固法により
ルツボ内で結晶を固化させるので、結晶の形状がルツボ
の形状で決定され、形状制御が不要になった。

〔実施例〕

以下、図面等を参照して、実施例につき、本発明を詳
細に説明する。

第１図は、本発明による化合物半導体結晶の製造装置
の実施例を示した図、第２図〜第５図は、同実施例装置
の動作を説明するための図、第６図は、同実施例装置に
使用されるルツボを説明するための図である。

高圧容器１は、30〜50気圧程度の加圧に耐えられる容
器であって、上側には引上軸２が設けられ、下側には支
持軸４が設けられている。

引上軸２は、上下方向の移動および回転ができる構造
にしてある。この引上軸２の先端には、化合物半導体の
シード（種子結晶）３が固定されている。

支持軸４は、同様に上下方向の移動および回転ができ
る構造である。支持軸４の上端には、ルツボ受５が固定
されている。ルツボ受５には、止めねじ６が設けられて
おり、ルツボ７が機械的な力を受けても動かないように
締め付け固定することができる。

ルツボ７には、化合物半導体の融液８が収容され、そ
の上側にはその化合物半導体と不活性で不揮発性のある
液体封止剤の融液９が化合物半導体の融液８を被覆する
ようにして収容されている。この実施例では、化合物半
導体の融液８として燐化インジウム（InP）のポリ原料
を用い、液体封止剤の融液９として酸化ホウ素（B₂O₃）
を用いている。

ルツボ７の材質は、PBN（熱分解形ボロンナイトライ
ド）、もしくは石英を用いることができる。石英を用い
た場合には、ルツボ７が融液８にぬれないようにするた
めに、内表面に粗面化処理を施すことが好ましい。

ルツボ７の形状は、円筒形のものであってもよいし
（第６図（ａ））、上部口径が広く下部口径が狭い錐形
のものであってもよい（第６図（ｂ））。

ルツボ７の口径は、所望の単結晶の直径よりもやや広
めのもの、例えば、３インチの単結晶の場合には、３イ
ンチ＋α（α:5〜10mm）程度の口径（底部の口径）のも
のを用いることが好ましい。この理由は、結晶成長後の
ルツボ７からの分離が容易にできるからである。

ルツボ７の外周には、多分割ヒータ10が配置されてい
る。多分割ヒータ10は、ルツボ７の移動域に、上下方向
に所定の温度プロファイルをもたせるように、多分割さ
れている。この実施例では、５分割のものを使用してい
る。この多分割ヒータ10の外周には、さらに、温度プロ
ファイルを安定させるための熱遮蔽板11が配置されてい
る。

つぎに、第２図〜第５図を参照して、本発明による化
合物半導体結晶の製造方法の実施例を、前述した製造装
置の動作に対応させて説明する。

この実施例では化合物半導体として燐化インジウム
（InP）を用いた場合について説明する。

高圧容器１内に、アルゴンガスなどの不活性ガスを充
填して、30〜50気圧に加圧し、昇温中に、揮発性元素で
あるＰ（燐）が飛散しないようにする。

多分割ヒータ10を用いて、InPの融点1062℃を越える
までルツボ７内を加熱し、InPのポリ原料を溶かして融
液８にする。

融液８を合成したのち、第２図に示すように、引上軸
２を下降して、引上軸２の先端に設けられたシード３
を、その融液８の中に浸したのち、第３図に示すよう
に、引上軸２によりシード３を回転させながらゆっくり
結晶8Aを引き上げ、自由空間で、結晶の肩部形状を形成
させ、単結晶化をはかる。結晶8Aが、所望の直径（ルツ
ボ７の口径に近い）に到達したところで、引上軸２の上
昇を停止させるとともに回転を停止し、シード３の引き
上げおよび回転をゆっくりと停止する。

このとき、ルツボ７内は、多分割ヒータ10により、第
３図（ｂ）に示したような温度プロファイルに制御して
ある。温度プロファイルは、融液帯の温度を融点から融
点＋Ｔ℃（10≦Ｔ≦20）の範囲とし、固液界面の温度勾
配を20℃/cm〜60℃/cmとし、凝固帯の温度を融点から融
点−300℃の範囲とすることが好ましい。この実施例で
は、InPの融点が1062℃であるので、融液帯の温度は、1
070℃〜1080℃に設定し、固液界面の温度勾配は、10℃/
cm〜20℃/cmに設定し、凝固帯の温度は、1040℃〜1060
℃に設定してある。

この状態で、第４図に示すように、引上軸２と支持軸
４を同時に、同じ速度で、上方向に移動させる。すなわ
ち、ルツボ７を温度勾配のある方向に押し上げて、引き
続き結晶を一定速度で成長させ、結晶を固化する。

結晶8Aは、ルツボ７内で固化するようにしたので、直
胴部の直径が一定となり、特別な結晶の形状制御を行う
必要がない。また、この実施例のように、温度勾配が10
℃/cm〜20℃/cmと比較的小さい条件で結晶を固化できる
ので、熱歪みが少なく、低転位の単結晶を成長させるこ
とができる。

結晶8Aの成長が終了したのちには、結晶8Aをそのまま
固めずに、液体封止剤の融液９が溶けている状態、例え
ば600℃以上の高温中で、第５図に示すように、引上軸
２を上方向に移動させるとともに、支持軸４を下方向に
移動させ、ルツボ７から結晶8Aを分離する。このとき、
結晶8Aは、ルツボ７よりわずかに浮き上がる程度、例え
ば、2cm程度離しておけばよい。このようにすれば、高
温中でルツボ７と結晶8Aを切り離すことができるので、
結晶成長終了後の結晶8Aを極めて容易に取り出すことが
できる。

第７図は、本発明による化合物半導体結晶を製造装置
の他の実施例を示した図である。

なお、第１図に示した実施例と同様な機能を果たす部
分には、同一の符号を付して説明する。

第１図に示した製造装置では、結晶8Aの肩部を成形し
たのちに、ルツボ７を温度勾配のある方向に移動させ
て、結晶8Aを固化させる例を示したが、多分割ヒータ10
を利用して、温度勾配を付けてある部分を、第７図
（ｂ）の温度プロファイルに示すように、電気的にツル
ボ７の上部方向から下部方向に移動させて、結晶8Aを固
化するようにしてもよい。

この場合でも、固液界面の温度勾配は、10℃/cm〜20
℃/cmと前述の実施例と同程度にすればよい。

以上説明した実施例にとらわれることなく、種々の変
形ができる。

燐化インジウム結晶の製造について説明したが、他の
化合物半導体の製造にも適用できる。

〔発明の効果〕

以上詳しく説明したように、本発明によれば、シーデ
ィング後の結晶成長の初期には、引上げ法により結晶の
肩部を成形して、所定の口径まで比較的低温度勾配で結
晶を成長させるので、垂直凝固法では双晶の発生しやす
い化合物半導体であっても、単結晶化がしやすく、結晶
欠陥の少ない化合物半導体の単結晶を製造することがで
きる。

その後の成長工程では、ルツボ内で垂直凝固法により
単結晶を成長させるので、結晶の形状はルツボの形状に
より決まり、形状制御を行う必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による化合物半導体結晶の製造装置の
実施例を示した図、第２図〜第５図は、同実施例装置の
動作を説明するための図、第６図は、同実施例装置に使
用されるルツボを説明するための図である。 第７図は、本発明による化合物半導体結晶の製造装置の
他の実施例を示した図である。 １……高圧容器、２……引上軸 ３……シード、４……支持軸 ５……ルツボ受、６……ねじ ７……ルツボ ８……化合物半導体の融液 ９……液体封止剤の融液 10……多分割ヒータ、11……熱遮蔽板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊田 俊夫 神奈川県横浜市西区岡野２―４―３ 古 河電気工業株式会社横浜研究所内 (56)参考文献 特開 平１−126294（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−123095（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ルツボ内に化合物半導体の融液を収容しそ
   の化合物半導体と不活性な不揮発性の液体封止剤の融液
   で被覆し、前記化合物半導体の融液にその化合物半導体
   の種子結晶を接触させたのち徐々に上方に引き上げなが
   ら凝固させ、肩部形状を形成しながら結晶を所定の直径
   に達するまで成長させる引上げ工程と、前記引上げ工程
   で成長させた結晶をもとにして前記ルツボ内の融液に所
   定の温度プロファイルを形成して固液界面の温度勾配の
   移動により前記ルツボ内で前記融液を凝固させて結晶を
   成長させる垂直凝固工程とから構成した化合物半導体結
   晶の製造方法。
2. 【請求項２】前記温度プロファイルは、融液帯の温度を
   融点から融点＋Ｔ℃（10≦Ｔ≦20）の範囲に設定し、固
   液界面の温度勾配を20℃/cm〜60℃/cmに設定し、凝固帯
   の温度を融点から融点−300℃の範囲に設定することを
   特徴とする請求項（１）記載の化合物半導体結晶の製造
   方法。
3. 【請求項３】不活性ガスを充填して所定の圧力に加圧で
   きる高圧容器と、前記高圧容器内に収容され化合物半導
   体の融液をその融液に不活性な不揮発性の液体封止剤の
   融液で被覆して収容するルツボと、前記ルツボを固定す
   るルツボ受が設けられ上下に移動する支持軸と、前記ル
   ツボの上方に配置され先端に前記化合物半導体の種子結
   晶が取り付けられ上下に移動する引上軸と、前記ルツボ
   の外周に配置されそのルツボの上下方向に所定の温度プ
   ロファイルを形成するヒータとからなり、前記引上軸を
   降下させて前記種子結晶を前記ルツボ内の化合物半導体
   の融液に接触させ、前記引上軸を徐々に引き上げながら
   前記融液を凝固させて肩部を形成し結晶を所定の直径に
   達するまで成長させ、前記支持軸および前記引上軸を同
   時に移動させるか、または前記ヒータの温度プロファイ
   ルを電気的に移動して、前記ルツボに温度勾配を与え前
   記ルツボ内で前記融液を凝固させて結晶を成長させるよ
   うに構成した化合物半導体結晶の製造装置。