JPH0365593A - 単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液体封止チョクラルスキー法により化合物半
導体単結晶を成長させる単結晶成長装置に関し、特に揮
発性元素の蒸気圧を制御しながら低温度勾配下で低転位
密度の単結晶を成長するのに適した単結晶成長装置に関
する。

［従来の技術］ 一般に、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　、　Ｇ　ａ　Ｐ　、　　Ｉ　
ｎ　Ａ　ｓ　、　　Ｉ　ｎ　Ｐ等の高解離圧化合物半導
体単結晶の育成においては、Ａ　ｓ　ｐ　Ｐ等の蒸気圧
の高いＶ族元素が、原料融液および育成中の結晶表面か
ら解離し易く、これを防止する方法として、液体封止チ
ョクラルスキー法（ＬＥＣ法）が工業的に用いられてい
る。

このＬＥＣ法は、るつぼ中の原料融液をＢ２０．等の液
体封止剤で封止し、不活性ガスによって液体封止剤に高
圧を加えながら結晶の引上げを行なう方法であり、原料
融液からの揮発性元素の蒸発は有効に抑制される。とこ
ろが、炉内の縦方向の温度勾配が大きいため、成長結晶
内に熱応力に伴なう転位が発生するという、高転位化が
問題となっていた。また低転位密度化のためには温度勾
配を小さくするとよいが、温度勾配を小さくすると、液
体封止剤上部が高温になるため、育成した結晶から■族
元素が解離して結晶の電気特性等に重大な影響を及ぼす
が、解離が著しい場合には種結晶が消失して結晶成長そ
のものを行なうことが不可能となる問題点があった。

そこで、近年、上記問題点を解決して表面分解のない低
転位結晶を育成すべく、蒸気圧制御法と呼ばれる結晶引
上げ法が提案されている（例えば、特願昭６２−２３４
３４５号）。この蒸気圧制御法は、高耐圧容器からなる
外側容器内に小型の密閉容器からなる内側容器を設け、
この内側容器内で結晶育成を行なうもので、内側容器内
に■族元素蒸気圧を充分に印加することによって、原料
融液および育成中の結晶表面から■族元素の解離を防ぐ
ことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら従来の蒸気圧制御ＬＥＣ法では、温度勾配
を低減させるには内側容器の上部にヒータを配置する必
要があったが、この方法では育成結晶の表面がヒータか
らの輻射熱を直接受けるため、■族元素が解離し易いと
ともに、ガス対流が激しくなり固液界面の温度のゆらぎ
が大きくなるため双晶や多結晶が発生し易くなるという
問題点があることが分かった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的
は、蒸気圧制御ＬＥＣ法による揮発性元素を含む化合物
半導体単結晶の育成において、転位密度を低減するとと
もに、双晶や多結晶の発生を防止することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、この発明は、外側容器内に上
下に分割可能な内側容器を設け、この内側容器の外側に
ヒータを配設し、内側容器内下部にるつぼを配設すると
ともに、内側容器には揮発性元素の蒸気を補給する蒸気
補給手段を接続し、上記るつぼ中に原料および封止剤を
入れて加熱、溶解させ、上記揮発性元素の蒸気雰囲気中
で引上げ法により化合物半導体単結晶を成長させる単結
晶成長装置において、上記内側容器内に育成結晶を覆う
熱遮蔽板を設置するようにした。

上記熱遮蔽板の材質は、石英ガラス、グラファイト、モ
リブデン、ｐＢＮ、窒化はう素、窒化珪素その他耐熱性
を有し、育成結晶を汚染しないような材料もしくはそれ
らの積層体または組み合わせたものとする。

さらに、熱遮蔽板の半径Ｒは、育成結晶と接触しない範
囲でできるだけ小さいのが望ましく、結晶の半径をｒと
すると、Ｒ／ｒが１．１〜２程度が最も妥当である。Ｒ
／ｒが１．１以下では半径や形状のばらつきから結晶が
熱遮蔽板に接触するおそれがあるとともに、Ｒ／ｒが２
以上では温度勾配を充分に小さくすることができないの
みならず温度のゆらぎも大きくなって熱遮蔽板を設ける
意義がなくなってしまうからである。

［作用］ 上記した手段によれば、蒸気圧制御法により化合物半導
体単結晶を引き上げる際に育成結晶がヒータから直接輻
射熱を受けるのを防止して転位の増殖を抑えることがで
きるとともに、引き上げる結晶の周囲の温度勾配を小さ
くし、かつ温度のゆらぎを少なくシ、これによって転位
密度を低減し、双晶や多結晶の発生を防止することがで
きる。

［実施例］ 第１図において、１は不活性ガスもしくは窒素ガスによ
って加圧される高圧容器、２は高圧容器１の中央に配置
され、回転軸３によって支持されたるつぼで、このるつ
ぼ２内にＩｎＰ多結晶のような原料とＢ２０．のような
封止剤４が収納される。

また、高圧容器１の上方からは、るつぼ２内に向かって
引上げ軸５が回転可能かつ上下動可能に垂下されている
。

上記るつぼ２の周囲には上下に分割可能な酩円筒状の半
密閉型内側容器６が設けられている。内側容器６は、下
部カバ一部材６Ａと上部覆い部材６Ｂとからなり、下部
カバ一部材６Ａの外側に加熱用ヒータ７が、また上部覆
い部材６Ｂの周囲には保温用ヒータ９が配置されている
。下部カバー部材６Ａの底壁には、上記回転軸３と嵌合
する円筒部６ａが形成されている。また、上部覆い部材
６Ｂの上端には、上記引上げ軸５と嵌合する円筒部６ｃ
が形成されている。

上記円筒部６ｃと引上げ軸５との隙間および回転軸３と
円筒部６ａとの隙間が、その隙間の断面積Ａと円筒部６
ａ、６ｃの長さＬとの比Ａ／Ｌが各々０．０６ＱＩｌ以
下となるように設計されている。

さらに、下部カバ一部材６Ａの底壁の一部から下方に向
かって下端が閉塞された導管６ｂが延設されており、導
管６ｂの下部周囲には補助ヒータ１０が配置されている
。この導管６ｂ内にリンのような揮発性元素を入れ、補
助ヒータ１０により加熱することによって、その蒸気を
適宜量だけカバ一部材６Ａと覆い部材６Ｂとで囲まれた
結晶成長雰囲気となる空間内に供給できるようにされて
いる。つまり、導管６ｂの一部と補助ヒータ１０とによ
り、蒸気補給手段としてのリザーバが構成されている。

このリザーバを構成するヒータ１０の温度を調節するこ
とにより、引上げ軸５と回転軸３の隙間から流出するリ
ンの蒸気量に見合った量の蒸気を発生させて補うことが
できる。これにより、るつぼ２の周囲のリン蒸気圧を、
長時間（十数時間）の結晶育成中ずっと一定に保つこと
、ができる。

このように、リンの蒸気圧が一定に保たれると、るつぼ
内の原料融液１６および成長結晶体１７の表面からのリ
ンの揮散を極力防止することができる。また１本実施例
は装置の構造が簡単であるとともに、２重融液シール法
で問題となっていた軸と容器との密着が回避され、装置
を繰り返し使用できるようになり、生産性が飛躍的に向
上するとともに、融液シール部からのシール材料の滴下
による汚染が防止され、高品質の単結晶を再現性良く製
造することができる。

さて本実施例では第１図に示すように内側容器６を構成
する上部覆い部材６Ｂの内側に符号１８で示されるよう
な熱遮蔽板が配設されている。熱遮蔽板１８は、その外
周にフランジ部１８ａを有し、このフランジ部１８ａが
下部カバ一部材６Ａと上部覆い部材６Ｂとの接合部に挾
持もしくは載置されることで支持され、上端は引上げ軸
５に近接するように径が狭められた形状をなしている。

熱遮断板１８は、石英ガラス、グラファイト、モリブデ
ン、ｐＢＮ、窒化はう素、窒化珪素もしくはそれらの積
層体または組み合わせからなる。

（具体例１） 先ず、原料としてＨＢ法によって合成したＩｎＰ多結晶
２３００ｇとＩｎ、Ｓ、０．８ｇをるっぽ２内に仕込み
、その上に封止剤としてＢ、Ｏ，を７００ｇ入れた。使
用したるつぼは石英ガラス製で、内径が６インチの大き
さである。

また、熱遮蔽板１８は石英ガラス製の直径が７２ｍのも
のを用いた。Ｂ、Ｏ，中の温度勾配を７５’Ｃ／　ｅｘ
とするとともに、高圧容器ｌ内は４０ａｔｍのＮ２ガス
で満たし、リザーバーにより補給するリンの蒸気圧は０
．１ａｔｍとした。そして、引上げ軸５を１０ｒｐ−の
速度で、またるっぽ２の回転軸３を３Ｑｒｐｍの速度で
引上げ軸と逆方向に回転させながら、ｉｏａｍ／ｈｒの
速さで引上げ軸５を上昇させ、およそ１２時間かけて結
晶の成長を行なった。

その結果、直胴部の直径６０ｍ＋、長さ１５０ｎｎ、重
量約２．０ｋｇのＩｎＰ単結晶が得られた。結晶の表面
は金属光沢を有し、リンの解離のないことを示していた
。容器を半密閉とせず開放系とし。

蒸気圧を制御しないで育成した結晶は表面分解が大きく
、成長方向に垂直に切断してウェーハを切り出すと周辺
部に分解に起因するＩｎのドロップレットがみられたが
、上記実施例の蒸気圧制御を行なって育成した結晶では
Ｉｎドロップレソトの発生はなかった。

上記のようにして得られたＳドープＩｎＰ結晶を引上げ
方向に垂直に切断し、キャリア濃度と転位密度を測定し
た。第２図にキャリア濃度６．０ＸＩＯ”ａｍ−３にお
けるＥＰＤマツプを示す。比較のため従来のＬＥＣ法と
熱遮蔽板を用いない蒸気圧制御法を適用して得られたＩ
ｎＰ結晶についての測定結果も併せて示した。同図にお
いて、（ａ）が従来のＬＥＣ法によるもの、（ｂ）が熱
遮蔽板を用いない従来の蒸気圧制御法によるもの、（ｃ
）が本実施例を適用したものを示す。

第２図より本実施例ではウェーハ全面に亘って無転位化
されていることがわかる。

（具体例２） 具体例１と同様にしてアンドープＩｎＰｑｌ結晶を引上
げ、転位密度を測定した。その結果を第３図に示す。同
図において、◆印が従来のＬＥＣ法によるもの、０印が
熱遮蔽板を用いない従来の蒸気圧制御法によるもの、■
印が本実施例を適用したものを示す。同図より従来のＬ
ＥＣ法と比較して本実施例の熱遮蔽板を用いた蒸気圧制
御ＬＥＣ法を適用して得られた結晶の転位密度は１桁低
いことがわかる。

なお、上記実施例では一例としてＩｎＰ単結晶の育成を
行なったが、この発明はＬＥＣ法による単結晶の一般に
適用することができ、特にＧａＡＳ単結晶その低揮発性
元素を含むｍ−ｖ族化合物半導体単結晶の育成に利用す
ると有効である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、外側容器内に上下に
分割可能な内側容器を設け、この内側容器の外側にヒー
タを配設し、内側容器内下部にるつぼを配設するととも
に、内側容器には揮発性元素の蒸気を補給する蒸気補給
手段を接続し、上記るつぼ中に原料および封止剤を入れ
て加熱、溶解させ、上記揮発性元素の蒸気雰囲気中で引
上げ法により化合物半導体単結晶を成長させる単結晶成
長装置において、上記内側容器内に育成結晶を覆う熱遮
蔽板を設置するようにしたので、蒸気圧制御法による化
合物単結晶を引き上げる際に育成結晶がヒータから直接
輻射熱を受けるのを防止して結晶表面からの揮発性元素
の分解を抑えることができるとともに、引き上げる結晶
の周囲の温度勾配を小さくし、かつ固液界面の温度のゆ
らぎを少なくし、これによって転位密度を低減し、双晶
や多結晶の発生を防止することができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る単結晶成長装置の一実施例を示
す断面正面図、 第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は従来法および本発明を
適用して得られたＩｎＰ単結晶の転位密度の測定結果を
示すもので、同図（ａ）が従来のＬＥＣ法によるもの、
（ｂ）が従来の蒸気圧制御法によるもの、（ｃ）が本実
施例を適用したものを示す。 第３図は、従来法および本発明を適用して得られたＩｎ
Ｐ単結晶の転位密度の測定結果を種結晶からの距離との
関係で示すグラフである。 １・・・・高圧容器、２・・・・るつぼ、３・・・・回
転軸、５・・・・引上げ軸、６・・・・内側容器、７，
９・・・・ヒータ、６ｂ、１０・・・・蒸気補給手段（
リザーバ）、１８・・・・熱遮蔽板。 第　　１　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）外側容器内に上下に分割可能な内側容器を設け、
   この内側容器の外側にヒータを配設し、内側容器内下部
   にるつぼを配設するとともに、内側容器には揮発性元素
   の蒸気を補給する蒸気補給手段を接続し、上記るつぼ中
   に原料および封止剤を入れて加熱、溶解させ、上記揮発
   性元素の蒸気雰囲気中で引上げ法により化合物半導体単
   結晶を成長させる単結晶成長装置において、上記内側容
   器内に育成結晶を覆う熱遮蔽板を設置したことを特徴と
   する単結晶成長装置。