JP2599306B2 - 結晶の製法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、結晶素材の融液中にたとえばシード（種子
結晶）先端部を挿入するなどして該先端部に結晶を析出
成長させ、得られた柱状の結晶体（インゴット）を、結
晶の析出成長速度に見合う速度で融液中から引き出す方
式等の結晶の製法、およびその方法に好都合に使用でき
る結晶製造装置に関する。

本発明の製法および製造装置は特に寸法の大きい単結
晶の製造に好適であるが、多結晶の製造にも好都合に使
用できる。

［従来の技術］ 従来、単結晶の製造方法としてゾーンレベリング法、
フローティングゾーン法、ブリッジマン法、グラディエ
ントフリーズ法および引き上げ法等が実用化されてい
る。しかし、これらの方法は、高価な封入アンプル使用
によるコストの増加、アンプル取り扱いの煩わしさ、結
晶への不純物の混入、面積の広いウェハの採取不能等の
改善すべき諸問題をそれぞれ幾つか残したままである。

一般に単結晶の製造には、問題点が比較的少なく容易
に行える引き上げ法が広く用いられている。引き上げ法
とは、石英等からなるるつぼに結晶素材を入れて加熱ま
たは加圧融解し、この融液にシード（種子結晶）の先端
を接触させ、このシードをゆっくりと引き上げながら析
出した結晶を冷却していくことにより、シードの方位配
列を有する柱状の結晶体を得る方法である。

しかし前記従来の引き上げ法では析出した結晶が、通
常、融液外に出ている結晶表面からしか冷却されていな
かったため、大口径の長い結晶体を製造しようとすると
きは固液界面（結晶析出面）における熱分布を均一にす
ることが困難となり、中心へ向かうほど熱がにげにくく
なる。このように結晶析出面の熱分布が不均一になる
と、熱がにげやすい部分から新たな結晶の成長が始まり
転移等が生じてしまう。そこで、従来の技術では、融液
から引き上げられた結晶体の外壁面を、結晶が溶解しな
い程度に加熱したり、シード（種子結晶）取り付け部や
るつぼ底面を冷却することにより結晶析出面である固液
界面が均一に冷却されるようにコントロールしていた。
しかし、このような手段では、あまりに間接的であるた
め温度のコントロールが困難であり、しかも温度コント
ロールできる結晶体の口径に制限があるという問題点が
残されていた。

また、引き上げ法は成長した結晶体を上方へ引き抜い
て行くため、結晶体の強度に伴い引き上げされる結晶体
の長さおよび重量が制限されてしまう。さらに、化合物
半導体結晶を製造する場合には、冷却された結晶析出面
のわずかな温度差が敏感に影響するため、細密な温度コ
ントロールが困難な従来の技術によるものでは、多結晶
およびツインが発生しやすいという問題点もある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、製造可
能な結晶の種類および結晶体の大きさの制限を緩和し、
しかも容易かつ安価に結晶の製造が行えるように改良さ
れた結晶の製法および製造装置を提供することを目的と
している。

［課題を解決するための手段および作用］ 上記課題は、シード（または既に結晶が析出したも
の、以下単に「シード」という）の先端面と結晶素材融
液との接触面である固液界面の温度を、該界面に近接し
た融液中に配置した特定形状の熱拡散体で調整すること
によって、一様な結晶を得ることを内容とする本発明の
出現により解決された。すなわち、本発明では、結晶析
出面の中央部へ向かって円錐、角錐等の錐体；円錐台、
角錐台等の錐台（切頭錐体）；半球；またはこれらに類
する立体たとえば円錐と半球との中間的曲面を持つ立体
をなす熱拡散体の頂点が突出するようにるつぼ内の結晶
素材融液中に熱拡散体を配置する。この熱拡散体の吸熱
（外部からの冷却）により、結晶の析出する固液界面が
均一に冷却され、該界面の形状が平坦、凹状もしくは凸
状等の各種所定形状に保持されるように結晶素材融液側
から結晶析出面の温度を調節しながら、結晶体を形成し
ていくことにより一様な結晶を得ることができるように
なった。

次に、本発明による単結晶の製造を例にとって説明す
る。まず結晶素材をるつぼ内で溶融し、シードを挿入し
てその先端面を素材の融液に接触させる。この時結晶析
出面からの奪熱量が中心へ向かうほど多くなるように熱
拡散させて、温度勾配を打ち消すようにコントロールす
る。そのための結晶析出面の温度のコントロールは、た
とえば、結晶析出面の中心を通る鉛直線上、前記中心近
傍に頂点のある円錐形の熱拡散体を融液中に設けること
により行う。熱拡散体は、結晶析出面の熱を伝導吸収し
てその熱勾配を打ち消す構造になっているため、結晶析
出面の熱分布は均一化される。すなわち、結晶析出面の
中心部に向かうほど熱拡散体への放熱量が多くなり冷却
度が増すようにするため熱拡散体壁面と結晶析出面との
垂直距離が中央部に近い位置ほど次第に小さくなるよう
に構成する。このようにして、結晶析出面の熱分布を融
液側からコントロールしながら結晶析出面に析出する結
晶を徐々に融液外に引き出す。その際の引き出し速度
は、熱拡散体外壁面と結晶析出面上の任意の点との垂直
距離が常に適切な値に保てるように調節する。このよう
にして析出させた結晶を融液外に引き出し、さらにその
外周を均一に冷却することにより、前記融液側からの冷
却との総合的効果により、次々に新たな結晶が均一に析
出し、シード（種子結晶）の方位配列を有する一様な単
結晶体が得られる。

また、従来の技術による引き上げ方法では、大きな寸
法の一様な単結晶を得たいときは析出した結晶を上方に
引き出すことしかできなかった。しかし本発明の結晶製
法による場合は、結晶析出面の温度コントロールを正確
かつ細密に行えるため、下方へ向けても引き出すことが
できるようになった。このため、結晶素材融液表面に浮
上する酸化物等の混入、結晶体の直径の不均一化等が防
止できるようになり、さらにシードおよび成長した柱状
結晶体の強度限界による製造可能な結晶の重量の制限も
著しく緩和された。

本発明の結晶製造装置は、外面にヒーター等の加熱手
段を装備したるつぼ内に融壁側から固液界面に突出する
錐面、半球面またはこれらに類する面を持つ熱拡散体を
設け、該るつぼ周囲を気密構造の炉体で包囲した構成を
している。熱拡散体は、その壁面が結晶析出面の熱を奪
って析出面の温度分布を均一化させ得る位置まで析出面
に近接させて配置し、水冷または空冷装置等の冷却手段
と連結して壁面の内側を冷却できるようにし、また、製
造する結晶体の大きさに応じて結晶析出面から奪熱でき
るようにし、各位置で結晶析出面からの適切な垂直距離
が確保できるようにその立体形状を選ぶ。さらに熱拡散
体は第１図および第２図に示すように、結晶の取り出し
方式に応じてるつぼの上下どちらにでも配置することが
できる。

熱拡散体の形状は、結晶析出面の熱を融液による伝導
を経て吸熱放散させることにより結晶析出面を適切に冷
却して該面の熱分布を均一化し得るものであれば特に制
限はないが、一般には結晶析出面の中央部が熱がにげに
くくなる状態となるので析出面の中央部に向かって突出
する錐面を持つ錐、一般的には円錐、また多角錐とする
のが好ましい。また、熱拡散体に用いる素材は例えばカ
ーボン、石英、およびセラミックス等の、融液と反応せ
ず、しかも熱伝導性の良いものであれば問題はない。

本発明によって、従来技術の問題点として指摘されて
いた製造可能な結晶の種類、結晶体の大きさおよび重量
の制限が著しく緩和された。また本発明の製法では、析
出成長した結晶体を上方および下方のどちらへでも取り
出せるため、必要に応じ好ましい方式を選ぶことがで
き、結晶生成条件のコントロールが極めて容易になっ
た。さらに熱拡散体を結晶析出面の近傍に位置させるこ
とによって、結晶析出面の熱分布のコントロールが正確
かつ細密に行えるようになったため、化合物半導体結晶
も容易に製造可能となった。

また、この方式は金属や凝固にも応用できることが確
認された。

以下実施例により本発明をさらに詳しく説明する。し
かし本発明の範囲は以下の実施例により制限されるもの
ではない。

［実施例１］ 本発明の一実施例として、第１図に示す結晶製造装置
を用いたガリウム砒素単結晶の製造方法について説明す
る。図中の１は、シード（種子結晶）であり、２は結
晶、具体的にはシードの先端面に析出成長したガリウム
砒素の単結晶体である。３は結晶素材の融液、具体的に
はガリウム砒素多結晶を加圧融解したガリウム砒素融液
である。４はるつぼであり、５は熱拡散体である。６
は、熱拡散体の冷却効果を高めるために配設した冷却管
であり、本実施例では冷却液としての水を通している。
７は、るつぼ内の結晶素材の融液の温度を調整するため
の加熱手段（ヒーター）である。８は、熱拡散体の非利
用部分の吸熱作用を遮断するための断熱材である。

第１図の結晶製造装置における熱拡散体５は、円柱の
上に同径の円錐を乗せた形状をしており、その壁面の外
側には冷却管６が配設されている。

本実施例では、まず第１図のるつぼ４内の結晶素材の
ガリウム砒素多結晶を融解する。次いでシード１の先端
面を融液と接触させ、回転速度10rpmで回しながら、5mm
/hの速度でシード上に析出成長し柱状体となった結晶２
を引き上げる。この引き上げ操作の際、結晶析出面と熱
拡散体円錐部頂点との距離は当初60mmであり、次第に近
づけていき最終的には40mmとなるように調整した。上記
のような方法で結晶の製造を行うことにより、直径約30
mmの円柱形の一様な単結晶２を得た。

［実施例２］ 本発明の別の実施例として、第２図に示す結晶製造装
置を用いて単結晶を製造した例を示す。図中の３は、結
晶素材の多結晶ガリウム砒素化合物を融解した融液であ
る。４は、製造しようとする単結晶の直径と同径の穴が
底部に開いているるつぼである。12は、該るつぼ底面に
設けられた、製造しようとする結晶の直径と同径の穴か
らなるノズルである。

本実施例では、まず第２図のるつぼ４内で結晶素材の
多結晶ガリウム砒素化合物を融解する。次いでシード１
の先端面を融液と接触させ、2mm/hの速度で、その上に
結晶が析出成長したシード１を引き下げていった。上記
のような方法で結晶の製造を行うことにより、直径約30
mmの一様な単結晶体を得ることができた。本実施例の結
晶製造装置は図示の熱拡散体５がるつぼ中で上下移動可
能にしてあるため、結晶生成条件のコントロールを極め
て容易に行うことができた。

［発明の効果］ 本発明の出現により、断面寸法の大きな長い単結晶
も、均質で高品位のものが容易に製造できるようにな
り、また製造することができる結晶の種類、種々の製造
可能な結晶体の断面寸法と長さおよび重量の範囲が著し
く拡大された。また、結晶生成条件のコントロールが極
めて正確かつ細密に行えるようになった。さらに本発明
は容易かつ安価に実施できること等からその商業的価値
は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の結晶製造装置の一例を用いた引き上
げ法による結晶製造態様の一例で、結晶を引き上げてい
る状態を示す断面図である。 第２図は、本発明の結晶製造装置の別の一例を用いた結
晶製造態様の一例で、結晶を引き下ろしている状態を示
す断面図である。 符号の説明 １……シード、２……結晶 ３……融液、４……るつぼ ５……熱拡散体、６……冷却管 ７……ヒーター、８……断熱材 ９……B₂O₃皮膜 10……液面レベル調節装置 11……隔壁、12……ノズル

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶素材の融液中に結晶を析出させる結晶
   の製法において、融液中に、該融液と反応しない材質の
   固体材料でつくられ融液側から結晶析出面である固液界
   面に向って突出する錐体、半球またはこれに類する面を
   持ち、該固液界面の温度に影響を与え得る熱拡散体を配
   置し、前記固液界面を液相側から冷却することにより、
   該界面の形状を所定形状に保持するように融液の温度を
   調節しながら結晶を析出成長させることを特徴とする結
   晶の製法。
2. 【請求項２】前記熱拡散体として、その形状が固液界面
   の中心またはその近傍を通る垂直線上に頂点をもち、固
   液界面に向って突出した形に配置され、周辺にいくに従
   い底面からの距離が小さくなる、底部が円形または多角
   形をした錐体、錐台、半球またはこれらに類する立体か
   らなる構造物、またはそのような構造物の部分を前記結
   晶析出面に近い側の末端部に有している円柱もしくは角
   柱である熱拡散体を使用する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】結晶素材の融液を保持するためのるつぼ、
   該るつぼの周辺に配置された加熱手段、および結晶が析
   出成長して得られた柱状の結晶体を引き上げるための引
   き上げ手段を有してなる結晶の製造装置であって、該る
   つぼ底面には該るつぼ内の融液中に保持される結晶の析
   出面に向って突出させた熱拡散体があり、該熱拡散体の
   壁面の外側には、壁面を隔ててるつぼ内の結晶素材融液
   を冷却することにより結晶析出界面の形状を平坦もしく
   は凸状に保持するように融液の温度を調節するための冷
   却手段が設けられていることを特徴とする結晶製造装
   置。
4. 【請求項４】前記熱拡散体の形状が、るつぼ中央部に頂
   点のある錐体、錐台、半球もしくはこれらに類する立
   体、または上部が錐体、錐台、半球もしくはこれらに類
   する立体になっている円柱もしくは角柱である請求項３
   記載の結晶製造装置。
5. 【請求項５】結晶素材の融液を保持するためのるつぼ、
   該るつぼの周囲に配置された加熱手段、結晶が析出成長
   して得られた柱状の結晶体を下方に取り出すためにるつ
   ぼ底面に開口して設けられたノズルおよびこの柱状の結
   晶体を徐々に引き下げるための引き下げ手段を有してな
   る結晶の製造装置であって、るつぼ中央部にるつぼ内の
   結晶素材融液中に上から挿入して配置する熱拡散体があ
   り、該熱拡散体は下端が結晶析出面中央部に向って突出
   した形状をしており、該熱拡散体の壁面の外側には、壁
   面を隔ててるつぼ内の結晶素材融液を冷却することによ
   り、結晶析出界面の形状を平坦もしくは凸状に保持する
   ように融液の温度を調節するための冷却手段が設けられ
   ていることを特徴とする結晶製造装置。
6. 【請求項６】前記熱拡散体の形状が、るつぼ中央部に頂
   点のある下向きの錐体、錐台、半球もしくはこれらに類
   する立体、または下部が下向きの錐体、錐台、半球もし
   くはこれらに類する立体になっている円柱もしくは角柱
   である請求項５記載の結晶製造装置。