JPH0572356B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野 この発明は、Si、Ge、GaAs、GaP等の半導体
単結晶の製造方法及び装置に関する。

半導体単結晶の製造方法は、大別して、引上げ
法のボート法とがある。引上げ法は、るつぼ内の
原料融液に種結晶を漬け、回転しながら引上げる
ことによつて単結晶を引上げるものである。

ボート法は、石英ボート内の原料融液を入れ、
種結晶の方から徐々い固化させてゆくのである。

ボート内を固液界面が徐々に移動してゆくが、
温度分布の与え方によつて、水ブリツジマン法
（HB法）、グラジエントフリーズ法（GF法）な
どが区別される。グラジエントフリーズ法は、ヒ
ータと石英管とを相対移動させない。ヒータの電
力を徐々に減少させて、温度分布を下げてゆく。
温度分布は長手方向に勾配を持つているから、温
度分布の全体を等しく下げてゆくと、固液界面
は、ボートの中を種結晶のある方から、反対側の
端へと移動する。

(イ) 従来技術 グラジエントフリーズ法は、固液界面の実際の
動きを観察し難い、という欠点がある。ヒーター
の出力や熱電対の温度測定値によつて、ボート内
の原料融液と結晶内の温度分譜を推測しなければ
ならない。しかし、ヒーターの出力は変化する
し、石英管やボートや原料融液は、かなり大きな
熱容量を持つている。このため、ヒータ出力と、
原料融液の温度は必ずしも厳密に正比例関係を保
たない。

また、熱電対は、ヒータと石英管の中間の温度
を測るのであるから、ボート内の融液や結晶の正
確な温度をこれによつて直接知ることはできな
い。

特開昭58−156599号（昭和58年９月17日公開）
は、GF法で、固液界面の移動速度を一定にする
ようにした結晶成長装置を提案している。これ
は、水平方向に４分割された高温炉と、２分割さ
れた低温炉を含んでいる。高温炉には４つの固定
熱電対を取付けていて、４分割ヒータのすぐ外側
の温度を測定している。

石英管とヒータの間を水平方向に移動できる熱
電対をもうひとつ設ける。この熱電対の温度を一
定に保つ。GaAsの場合、この温度Tmは、融点
1238℃になるようにする。

この熱電対は一定速度で送る。この熱電対の温
度がTmを保つようヒータの電力を調節する。

こうすると、移動熱電対の存在する地点が固液
界面に当該するのであるから、一定速度で固液界
面を移動させることができるのである。

この装置は、固得界面をより把握しやすいもの
にし、固液界面の動きをよ的確に制御できるとい
う長所がある。と記載されている。のが移動熱電
対は、正しくは石英管の中の原料融液の温度を示
しているわけではない、したがつて、必ずしも、
固液界面位置と、移動熱電対位置とが対応しいな
い。固液界面が熱電対の隔離した地点に存在する
という事もありうる。測温点が、ボートとヒータ
の中間であり、温度勾配が水平方向及び円周方向
に存在するから、このような差異が生ずる。

これはグラジエントフリーズ法であり、しかも
固液界面を直接、観察するものではなかつた。

水平ブリツジマン（Horizontal Bridgman）
法に於て固液界面を観察しながら端結晶を成長さ
せる、という技術は、従来存在しなかつた。

このように、熱電対により、温度を測定する方
法は最も一般的であるが、熱電対は、必ず石英管
の外側にあるので、固液界面の位置を精度よく制
御できない、という欠点があつた、 (ウ) 目的 HB法による半導体単結晶の成長に於て、固液
界面位置及び固液界面の形状を視覚的に確認し、
それらを予め定められた位置及び形状になるよう
正確に制御できるようにする事が、本発明の目的
である。

(エ) 構成 本発明は、HB法による半導体単結晶の成長方
法、成長装置に関するが、ヒータに覗窓を設け
て、TVカメラによつて、固液界面を視覚的に観
察するところに特徴がある。

第１図は、本発明の装置の略断面図である。

ヒータ１ａ，１ｂ，……は、水平方向に配置さ
れた独立に制御できるヒータである。

ヒータ１ａ〜１ｆは高温用ヒータである。これ
らは、カーボン抵抗体を円筒形に形成し、電流路
をジグザグに形成したものである。

ヒータ１ｂと１ｃの間には、多分割ヒータ１′
がある。これは第２図に示すように、90℃の中心
角で４つに分割されている。上下左右のヒータの
電力個々に制御することができる。これは、固液
界面の傾きを自在に調節できるためである。

他のヒータ１ａ〜１ｆは分割ヒータでなく、単
一の円筒形ヒータになつている。これらは、ヒー
タを含む鉛直面内に於て同心的な温度分布を作り
だすだけでよい。

ヒータ１ｇ，１ｈ，１ｉはやはり、単一の円筒
形ヒータを３つ水平方向に並べたものである。こ
れは低温用のヒータである。

温度分布は、左端から右端にかけて低温になる
ようにする。このため、ヒータ１ａ，１ｂのヒー
タパワーは大きく、１ｅ，１ｆは小さい。１ｇ〜
１ｉはさらに小さい。

横長の石英管２は、ヒータ１ａ〜１ｉの中に設
けられる。石英管２とヒータ群とは、相対移動し
なければならない。多くの場合、石英管２は固定
されている。ヒータを平行移動する。

石英管２の内部の高温になる側には、石英ボー
ト３が置かれている、石英ボート３の低温になる
側の端には、棚があつて、ここに種結晶４が置い
てある。

石英ボート３の中には、原料融液１５と固化部
１６が共存する。境界が固液界面６である。固液
界面６は、その半導体の融点の等温面である。

石英管２の低温側の端には、Ｖ族元素の固体５
が置いてある。これは、−族化合物半導体単
結晶の成長についての例である。例えば、
GaAs、GaP、InSb、InAs、InPなどである。Ｖ
族元素は解離圧が高く、固化部や融液から抜けや
すい。このため、石英管２の中にＶ族元素を入
れ、この蒸気圧を適当に保つ。

低温部ヒータはＶ族元素の温度を一定に保持
し、蒸気圧を望ましい値に維持する。Ｖ族元素は
Ｐ、As、Sbなどである。

実際には、ボートのある部分と、Ｖ族元素のあ
る部分との対流を抑えるため、中間に隔壁を設け
ることが多い。隔壁には、Ｖ族ガスの通る小穴を
穿つておく。

多分割ヒータ１′の一部には覗窓１２が設けら
れる。覗窓１２は、その直下に固液界面６が存在
するような位置に設ける。

覗窓１２の上には、固液界面６を観察するため
のTVカメラ７が設けられる。

TVカメラ７によつて観察された固液界面６の
像は画像処理装置８によつて処理される。固液界
面６の覗窓１２における位置や形状、寸法など
が、画像処理８によつて判定される。

このような情報がコンピユーター９に入力され
る。コンピユーター９は、これによつて、温度調
節器１０と、駆動用モータ１１を制御する。

駆動用モータ１１は、ヒータ１ａ〜１ｉ，１′
の全体を左方へ動かす。通常は一定速度で送る。

TVカメラ７の一定位置に固液界面６が存在す
るのが平常の状態である。TVカメラもヒータと
いつしよに送るからである。

もしも固液界面６が、正規の位置より右方（低
温側）にずれたとする。ヒータのパワーが過大な
ものである。ヒータパワーを減少させるか、又は
ヒータの送りの速度を速くすることによつて、ず
れを正す。

もしも固液界面６が、正規の位置より左方（高
温側）にずれたとする。ヒータパワーが小さすぎ
るわけである。ヒータのパワーの増加させるか、
又はヒータ送り速度を遅くすることによつて、こ
のずれを正すことができる。

TVカメラによる視覚観察であるから、固液界
面と左右の傾きも分る。

等温面が鉛直方向であれば固液界面も鉛直面で
ある。しかし、ボートの上面と、下面では、放熱
の程度が相異するから、固液界面は鉛直ではな
く、傾斜することが多い。ボート上面では対流、
輻射がさかんであるから、下面より僅かり低温に
なる。このため、固化部１６が融液１５の方へせ
り出すような傾斜面となる。

このような鉛直方向に固液界面に傾きの他に、
横方向の傾きもある。ボートの液面、固化部表面
には、横方向の傾きが現われる。これは固化部か
らみて凸型、凹型の彎曲面であることもあり、左
右の傾きであることもある。

TVカメラによる観察であるから、表面に露出
した固液界面した分らない。しかし、固液界面の
表面の露出形状により、左右方向の傾き、彎曲だ
けでなく、鉛直方向の傾きについてもある程度推
測できることが多い。他のセンサの観測データを
合わせれば、より正確に固液界面に傾きを知るこ
とができる。

多分割ヒータ１′は上、下、左、右のチーハが
独立にパワー制御できるようになつているから、
固液界面の傾きを調整できる。固液界面の前方へ
の傾斜だけでなく、左右の傾斜もあるが、このよ
うな傾きも多分割ヒータ１′によつて是正するこ
とができる。

コンピユーター９は、このような調整動作を計
算し、温度調節器１０を通じてヒータ出力を調節
する。

多分割ヒータ１′は少なくとも４分割されてい
る必要がある。固液界面６を自在に制御するため
である。しかし、４分割以上であればよいので、
５分割、６分割、７分割、……であつても良い、
分割数が多いほど、微妙な制御が可能になる。

第１図の例では、Ｖ族元素５を石英管２の端に
置いている。これは−族化合物半導体の成長
の場合に必要である。族元素は揮発性で、化合
物の融点に近くで蒸気圧が大きく、固化部、融液
部の表面で族元素の抜けが起こりやすい。この
ため、一定の族ガス蒸気圧をかける必要があ
る、 しかし、Sa、Geなどの半導体の成長の場合、
このような事は不要である。

覗き窓１２には、TVカメラ７のかわりに、イ
メージフアイバ撮像装置の撮像部を設けることに
してもよい。

(オ) 作用 覗窓を通してTVカメラ７で固液界面近傍の画
像を撮る。こうして固液界面の位置、形状、傾き
を知る。

予め定めた形状、位置、傾きと比較し、これら
の位置、形状などになるよう、ヒータ出力、駆動
用モータを調整する。これによつて、 (1) 固液果面位置をヒータに対し常に一定の位置
に保持できる。つまり結晶成長の速度を一定に
維持できる。その結果、成長速度を変動によつ
て生ずる結晶欠陥の発生を抑制することができ
る (2) 固液界面を所望（一般にはフラツトであるこ
とが望ましい）形状に保つことができる。この
結果、界面の歪みによつて生ずる結晶欠陥の発
生を抑えることができる。

(カ) 効果 (1) HB法に於て、従来、温度測定のみによつ
て、成長状態をモニターしていたから、固液界
面の位置、速さ、形状、傾きなどはつきりしな
かつた。本発明は、固液界面を視覚的に観察す
るもので、固液界面を位置、速さ、形状、傾き
など、詳しい情報を得ることができる。

(2) 結晶成長の速度を一定に保ち、成長速度変動
にともなつて生ずる結晶欠陥を抑制できるか
ら、歩留り品質が向上する。

(3) 固液界面をフラツトな形状に維持できる。界
面のゆがみによつて生ずる結晶欠陥が少なくな
り、歩留りが高くなり、品質が向上する。

(キ) 実施例 本発明の方法によつて、GaAsの単結晶を成長
させた。

石英ボートに、次の材料をチヤージした。

Ga 300ｇ GaAs多結晶 3825ｇ Si 410mg 石英ボートの右端の棚に種結晶を置いた。これ
を石英管２の中の左端に置いた。他端には、
As345ｇを入れた。石英管を真空に引いて密封し
た。

石英管２を電気炉内に設置する。

ヒータに通電して、ボート内の材料を融かし、
原料融液とした。ボート３内の融液１５と種結晶
４とを接続する。ヒータ群（電気炉）を、石英反
応管に対して、左に向かつて３〜８mm／Ｈの速度
で移動させた。

覗き窓１２を通し、TVカメラ７で固液界面の
近傍の画像を撮り、この画像を処理することによ
つて、固液界面の位置、形状、傾きを認識させ
た。覗き窓、TVカメラに対して固液界面が一定
位置となるようヒータ、駆動用モータ１１にフイ
ードバツクさせた。

これによつて、幅65mm、長さ600mm、重さ4300
ｇのGaAs単結晶を成長させた。

この単結晶を斜めに切つて（100）ウエーハを
作つた。溶融KOHでエツチングした。エツチピ
ツトの数を計数して、エツチピツト密度EPDを
求めた。この結果、インゴツトの全長にわたつ
て、EPDは1000／cm²以下であることが分つた。

結晶欠陥の救い低転位密度の単結晶であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体単結晶の製造装置の断
面図。第２図は多分割ヒータの断面図。 １ａ〜１ｉ……ヒータ、１′……多分割ヒータ、
２……石英管、３……石英ボート、４……種結
晶、５……族元素、６……固液界面、７……
TVカメラ、８……画像処理装置、９……コンピ
ユータ、１０……温度調節器、１１……駆動用モ
ータ、１２……覗き窓、１５……原料融液、１６
……固化部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 石英ボート３の中に半導体材料を入れ種結晶
   ４を端部の棚に置いて石英管２の中へ入れ、必要
   であれば石英管２のボート３と反対側に揮発性成
   分の固体を置き、石英管２を密封し、水平方向に
   並べられ独立にパワー制御できるヒータ群１ａ，
   １ｂ，１ｃ，……の中に入れて、原料を溶融し、
   ヒータ群１ａ，１ｂ，……を水平に移動させなが
   ら種結晶４に続いて石英ボート３の中に単結晶を
   成長させてゆく半導体単結晶の製造方法に於て、
   石英ボート３内の固液界面６の周囲には少なくと
   も上下左右に分割された多分割ヒータ１′を設け、
   多分割ヒータ１′の覗窓にTVカメラ７又はイメ
   ージフアイバの撮像部を設けることによつて固液
   界面６を観察し、固液界面６に位置、寸法、形状
   を所定のものにするようヒータ駆動用モータ１
   １、及びヒータ１ａ，１ｂ，……の出力、多分割
   ヒータ１′の出力を制御するようにした事を特徴
   とする半導体単結晶の製造方法。 ２ 円筒形状で水平方向に並べられ独立にパワー
   制御できるヒータ群１ａ，１ｂ，１ｃ，……と、
   ヒータ群の中に設けられ、少なくとも上下左右に
   分割された固液界面６の近傍を加熱するための多
   分割ヒータ１′と、ヒータ群１ａ，１ｂ，……及
   び多分割ヒータ１′を全体的に移動させる駆動用
   モータ１１と、ヒータ群１ａ，１ｂ，……及び多
   分割ヒータ１′の出力を調節する温度調節器１０
   と、半導体原料を入れ種結晶４を端部の棚に置け
   るようにした石英ボート３と、石英ボート３を内
   部に入れ密封する横長の石英管２と、多分割ヒー
   タ１′に設けた覗窓１２から石英ボート３内の固
   液界面６を観察するTVカメラ７又はイメージフ
   アイバ撮像装置と、TVカメラ７又はイメージフ
   アイバ撮像装置によつて撮像したものを処理して
   固液界面６の位置、形状、寸法などを求める画像
   処理装置８と、画像処理装置８で得られた固液界
   面６の位置、形状、寸法などと、予め定めた好ま
   しい固液界面６の位置、形状、寸法などを比較し
   予め定めた固液界面に近づくように駆動用モータ
   １１及び温度調節器１０を制御するコンピユータ
   ９とより構成される事を特徴とする半導体単結晶
   の製造装置。