JP3127500B2 - Construction method of ampoule for growing single crystal - Google Patents

Construction method of ampoule for growing single crystal

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は帯溶融法を用いて単結晶
を育成する際に用いる、原料,種子結晶,ソルベント材
等を収容するアンプルの構成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for constructing an ampoule for accommodating a raw material, a seed crystal, a solvent material and the like, which is used when growing a single crystal by using a zone melting method.

【0002】[0002]

【従来の技術】帯溶融法は、古くから半導体や酸化物単
結晶の育成に用いられてきた方法である。この方法はゾ
ーンメルト法あるいはトラベリングゾーン(TZ)法あ
るいはTHM(トラベリングヒーター法)などとよばれ
ており、具体的には化合物半導体HgCdTeについて
その一例が「SPIE vol.659,Materi
als Technologies for IR D
etectrs(1986)/131〜136」に掲載
されている。
2. Description of the Related Art The zone melting method has been used for growing semiconductors and oxide single crystals for a long time. This method is called a zone melt method, a traveling zone (TZ) method, or a THM (traveling heater method), and specifically, one example of the compound semiconductor HgCdTe is “SPIE vol. 659, Materi.
als Technologies for IR D
ecttrs (1986) / 131-136 ".

【0003】図2にその原理を示す。まずアンプル1の
中に、下から順に種子結晶2,ソルベント材(溶媒)
3,結晶の原料4を積み重ね、最後に栓5を嵌入してア
ンプル1の中を真空封止する。
FIG. 2 shows the principle. First, seed crystal 2, solvent material (solvent) in ampoule 1 in order from the bottom
3. The crystal raw material 4 is stacked, and finally the stopper 5 is inserted and the inside of the ampule 1 is vacuum-sealed.

【0004】次に環状のヒーター6の中央にアンプル1
を吊し、ヒーター6とソルベント材3とが同じ高さにな
るように位置を調節した後、ヒーター6に通電,加熱す
ることによってソルベント材3を溶融させる。ソルベン
ト材3が溶融したならば、アンプル1をゆっくりと下降
させる。
Next, an ampoule 1 is placed at the center of the annular heater 6.
And the position is adjusted so that the heater 6 and the solvent material 3 are at the same height. Then, the heater 6 is energized and heated to melt the solvent material 3. When the solvent 3 has melted, the ampoule 1 is slowly lowered.

【0005】この移動によって原料4の下部は、ソルベ
ント材3の中に溶解し始め、一方、種子結晶2の上に
は、ソルベント材3から単結晶が晶出してきて次第に厚
みを増し、ソルベント材3がアンプル1の上端にまで到
達したときには、原料はすべて単結晶化している。
[0005] By this movement, the lower part of the raw material 4 begins to dissolve into the solvent material 3, while a single crystal is crystallized from the solvent material 3 on the seed crystal 2, and the thickness gradually increases. When 3 reaches the upper end of the ampoule 1, all the raw materials are single crystallized.

【0006】結晶の育成とは、つまるところ、固液界面
での熱の逃がし方、即ち融解している原料から固体であ
る種子結晶側あるいは既に固体化している単結晶側へ如
何に理想的に熱を逃がしてやるかに尽きる。
[0006] The growth of a crystal is, in the end, how to release heat at the solid-liquid interface, that is, how ideally heat is transferred from a molten raw material to a solid seed crystal or a solidified single crystal. It's all about getting away.

【0007】ここに理想的とは、流れる熱の量が適切で
あると同時に終始一定の割合(速度)で熱が移動してい
くことである。
[0007] Here, the ideal means that the amount of heat flowing is appropriate and at the same time the heat moves at a constant rate (speed) throughout.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】こうした点に着目して
従来のアンプル構成方法を、HgCdTeを例にとって
考えてみる。アンプルの構成方法とは、アンプルの中に
収容する材料群の収納方法である。前記アンプルの構成
方法によれば、結晶育成開始段階とある程度育成が進ん
だ段階とでは、熱の移動に相違があることが分かる。
Focusing on these points, a conventional method for forming an ampoule will be considered using HgCdTe as an example. The configuration method of the ampoule is a method of storing a group of materials to be stored in the ampule. According to the method of constructing the ampoule, it can be seen that there is a difference in heat transfer between the crystal growth start stage and the stage where the growth has progressed to some extent.

【0009】即ち、図3の(a)は、結晶育成開始段階
であって、熱は、融解物であるソルベント材3から固体
である種子結晶2へ向かって矢印のように流れ、さらに
アンプル1の底面1′を通って大気中へ逃げる。(b)
は、ある程度育成が進んだ段階で、熱は、ソルベント材
3から育成結晶7を通って拡散していく。
That is, FIG. 3A shows a crystal growth start stage, in which heat flows from the solvent material 3 as a melt to the seed crystal 2 as a solid as indicated by an arrow, and further, the ampoule 1 is heated. Escapes into the atmosphere through the bottom surface 1 'of the (B)
In the stage where the growth has progressed to some extent, the heat diffuses from the solvent material 3 through the grown crystal 7.

【0010】この時、種子結晶2を構成するCdTe
と、単結晶7を構成するHgCdTeとでは熱伝導率に
違いがあり、CdTeの方が大きい。一方、ソルベント
材と育成単結晶との境界面を固液界面と呼んでいるが、
結晶性の良好な単結晶を育成するには、この固液界面が
単結晶側から見て平坦かやや凸であることが望ましい。
At this time, CdTe constituting the seed crystal 2
And HgCdTe constituting the single crystal 7 have a difference in thermal conductivity, and CdTe is larger. On the other hand, the interface between the solvent material and the grown single crystal is called the solid-liquid interface,
In order to grow a single crystal having good crystallinity, this solid-liquid interface is desirably flat or slightly convex when viewed from the single crystal side.

【0011】そしてこの固液界面の形状は、ヒーターか
らの熱とソルベント材の厚みとで決まり、これらの条件
は、結晶育成がある程度進んで熱の流れが定常化した場
合に合わせて調整してある。
The shape of the solid-liquid interface is determined by the heat from the heater and the thickness of the solvent, and these conditions are adjusted in accordance with the case where crystal growth has progressed to some extent and the heat flow has become steady. is there.

【0012】従って初期の育成開始段階では、種子結晶
であるCdTeからの熱の逃げが大きいため固液界面の
凸の度合いは大きくなってしまう。この固液界面の形状
を示す曲線は、すなわち等温度曲線であり、さらにこれ
は、結晶の組成から見ると等組成曲線である。
Therefore, at the initial growth start stage, the degree of protrusion of the solid-liquid interface becomes large because heat escapes from CdTe which is a seed crystal. The curve indicating the shape of the solid-liquid interface is an isothermal curve, which is an iso-composition curve from the viewpoint of the crystal composition.

【0013】結晶をデバイス化するためには、輪切りに
しなければならないが、この輪切りの断面上では等組成
曲線は多くの同心円となる。このことは、断面において
中心部から円周部へ向かって結晶の組成が変化している
ことを示す。
In order to make a crystal into a device, it must be sliced, but on the cross section of the slice, the iso-composition curve becomes many concentric circles. This indicates that the crystal composition changes from the center to the circumference in the cross section.

【0014】良好な特性を持つデバイス(例えば赤外線
センサー)を製造するには、この組成変化は少ないこと
が必要である。
In order to manufacture a device having good characteristics (for example, an infrared sensor), it is necessary that the change in the composition be small.

【0015】例えば10μm帯の赤外線センサーを良好
な特性で得ようとしたとき、HgCdTeのCdの値
は、1cmの長さにおいて22.0%±0.5%の範囲
に入っていなければならないが、結晶育成が進んだ段階
でこの値が得られる温度条件を与えていたとすると、育
成の初期段階では、22%±1.5%と誤差範囲が拡大
している。
For example, in order to obtain an infrared sensor in the 10 μm band with good characteristics, the value of Cd of HgCdTe must fall within a range of 22.0% ± 0.5% for a length of 1 cm. If a temperature condition for obtaining this value is given at the stage where the crystal growth has progressed, the error range is expanded to 22% ± 1.5% at the initial stage of the growth.

【0016】結晶の長さ方向において、どの位まで大き
な誤差範囲が伸びているかを、数例の育成結晶について
調べたところ、種子結晶の上面から測定して育成結晶の
半径程度までの長さ、つまり本例の場合10mm程度で
あることが判明した。
The extent to which the large error range extends in the length direction of the crystal was examined for several examples of grown crystals. That is, in the case of this example, it turned out that it is about 10 mm.

【0017】結晶の長さは、60mmであるから約17
%の長さの結晶が使用できないことになる。結晶の育成
速度は0.15mm/Hであるから全育成時間は400
時間であり、その17%は67時間に当り、これだけの
時間とエネルギーおよび材料(資源)を無駄にしたこと
になる。
Since the length of the crystal is 60 mm, it is about 17 mm.
% Of the crystals would not be usable. Since the crystal growth rate is 0.15 mm / H, the total growth time is 400
It is time, 17% of which is 67 hours, which means that time, energy and materials (resources) are wasted.

【0018】本発明の目的は、単結晶育成の初期段階で
あっても、あるいはある程度育成が進んだ段階であって
も、ソルベント材から結晶側への熱の流れ方が一定であ
るように単結晶育成用アンプルを構成する方法を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to provide a single crystal so that the flow of heat from the solvent material to the crystal side is constant even at the initial stage of growing a single crystal or at a stage where growth has progressed to some extent. An object of the present invention is to provide a method of forming an ampoule for growing a crystal.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による単結晶育成用アンプルの構成方法にお
いては、帯溶融法によって単結晶を育成するためのアン
プルを構成するに際し、原料インゴットから切出された
下端部を含む部分を捨材としてアンプルの一番下に置
き、その上に順に種子結晶,ソルベント材,原料インゴ
ットを積み重ねてアンプル内に充填するものである。
In order to achieve the above object, in the method of constructing an ampoule for growing a single crystal according to the present invention, when forming an ampoule for growing a single crystal by a band melting method, a starting material ingot is used. The portion including the cut lower end is disposed at the bottom of the ampoule as a discarded material, and the seed crystal, the solvent material, and the raw material ingot are sequentially stacked thereon and filled in the ampoule.

【0020】[0020]

【作用】種子結晶の下に、育成すべき結晶と同じ材料を
置くことにより、熱の流れはこの材料によって規制さ
れ、種子結晶のもつ熱伝導の良さは妨げられ、結晶育成
の初期段階においても、ある程度育成が進んだ段階と同
様な固液界面での熱の流れが実現される。種子結晶の下
に置く材料の厚さはその直径が半分でよい。
[Function] By placing the same material as the crystal to be grown under the seed crystal, the heat flow is restricted by this material, the good heat conduction of the seed crystal is hindered, and even in the initial stage of crystal growth. Thus, a heat flow at the solid-liquid interface similar to the stage where the growth has progressed to some extent is realized. The thickness of the material placed under the seed crystal may be half its diameter.

【0021】[0021]

【実施例】以下に本発明の実施例を図を用いて説明す
る。単結晶の原料となるHgCdTeのインゴットは、
従来通り丸封じ(試験管型)の内径20mmの高純度石
英製のアンプル中で水銀とカドミウムとテルルとの三元
素から合成して長さ70mmに作った。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The ingot of HgCdTe, which is a single crystal raw material,
In the same manner as in the prior art, in a round-sealed (test tube type) ampule made of high-purity quartz having an inner diameter of 20 mm, mercury, cadmium, and tellurium were synthesized to make the length 70 mm.

【0022】又、ソルベント材も同様に準備した。原料
インゴットは、下端の丸い部分を下から10mmのとこ
ろで切断し、半球と円柱とに2分した。ソルベント材は
厚さ10mmに輪切りにした。
A solvent material was prepared in the same manner. The raw material ingot was cut into a hemisphere and a cylinder by cutting a rounded portion at the lower end at a distance of 10 mm from the bottom. The solvent material was sliced to a thickness of 10 mm.

【0023】別にやはり丸封じの内径20mmの高純度
石英製のアンプル1を用意し、図1の如くこれに下から
順に捨材8としての半球上の原料,種子結晶2としての
CdTe単結晶(直径20mm,厚さ5mm)、ソルベ
ント材3、最後に円柱状の原料インゴット4を積み重ね
た。尚、種子結晶2と捨材8との間には熱接触をよくす
るために厚さ300μmの薄いTe層を挿入した。
Separately, a high-purity quartz ampoule 1 having an inner diameter of 20 mm, which is also enclosed in a circle, is prepared, and as shown in FIG. A solvent material 3 and finally a cylindrical raw material ingot 4 were stacked. Note that a thin Te layer having a thickness of 300 μm was inserted between the seed crystal 2 and the waste material 8 in order to improve thermal contact.

【0024】こうして構成されたアンプル全体は、従来
通り真空ポンプで高真空に排気し、栓5によって真空封
じを行った後、環状ヒーター6の中に吊り、これも従来
通りの条件で単結晶育成を行った。
The entire ampoule thus constructed is evacuated to a high vacuum with a vacuum pump, sealed with a stopper 5 and then suspended in an annular heater 6, which is then grown under the same conditions as before. Was done.

【0025】育成したHgCdTe単結晶を縦に切断し
て固液界面を調べたところ、結晶育成の初期段階での固
液界面、即ち種子結晶と単結晶との境界も、最終段階で
の固液界面、即ちアンプルの最上部に到達したソルベン
ト材と単結晶との境界も共に同じような曲率で少し上方
に凸の形状を示していることが分かった。つまり、初期
段階での固液界面は捨材を置いた効果によって熱の流れ
が適正化されたわけである。
When the grown HgCdTe single crystal was cut longitudinally and the solid-liquid interface was examined, the solid-liquid interface at the initial stage of crystal growth, that is, the boundary between the seed crystal and the single crystal, was changed to the solid-liquid interface at the final stage. It was found that the interface, that is, the boundary between the solvent and the single crystal that reached the uppermost part of the ampoule also showed a slightly upwardly convex shape with the same curvature. In other words, the heat flow was optimized by the effect of the waste material at the solid-liquid interface in the initial stage.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、単
結晶育成の初期段階とそれ以後の段階とで熱の流れ方が
不変であるので、全体にわたって均一な組成の単結晶を
得ることができる効果を有する。
As described above in detail, according to the present invention, since the flow of heat is invariable between the initial stage of growing a single crystal and the subsequent stages, a single crystal having a uniform composition over the whole is obtained. Has the effect that can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the present invention.

【図2】従来法の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional method.

【図3】単結晶育成の段階を示した図であり、(a)
は、初期段階、(b)は、ある程度育成が進んだ段階を
示している。
FIG. 3 is a view showing a stage of growing a single crystal, and FIG.
Shows the initial stage, and (b) shows the stage where the breeding has progressed to some extent.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アンプル 2 種子結晶 3 ソルベント材 4 原料 5 栓 6 ヒーター 8 捨材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ampoule 2 Seed crystal 3 Solvent material 4 Raw material 5 Plug 6 Heater 8 Discarded material

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 帯溶融法によって単結晶を育成するため
のアンプルを構成するに際し、原料インゴットから切出
された下端部を含む部分を捨材としてアンプルの一番下
に置き、その上に順に種子結晶,ソルベント材,原料イ
ンゴットを積み重ねてアンプル内に充填することを特徴
とする単結晶育成用アンプルの構成方法。
When an ampoule for growing a single crystal is formed by a zone melting method, a portion including a lower end portion cut out from a raw material ingot is disposed at the bottom of the ampoule as a discarded material, and is sequentially placed thereon. A method for forming an ampule for growing a single crystal, comprising stacking a seed crystal, a solvent material, and a raw material ingot and filling the ampule.
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