JPH0688873B2 - GaAs単結晶の引上げ方法 - Google Patents

GaAs単結晶の引上げ方法

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JPH0688873B2
JPH0688873B2 JP25496288A JP25496288A JPH0688873B2 JP H0688873 B2 JPH0688873 B2 JP H0688873B2 JP 25496288 A JP25496288 A JP 25496288A JP 25496288 A JP25496288 A JP 25496288A JP H0688873 B2 JPH0688873 B2 JP H0688873B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高圧下で液体カプセル引上げ法にて単結晶を引
き上げる方法に関するものである。
〔従来の技術〕
GaAs,GaP,InP等の高分解化合物半導体結晶の製造方法の
一例として、液体カプセル引上げ法(Liquid Encapslat
ion Czocho-ralski法、以下LEC法と略記する)が知られ
ている。
このLEC法は第1図(イ)に示すように周囲にグラファ
イトヒーター(1)を配設したルツボサセプタ(2)内
に縦型ルツボ(3)を内設し、その中に目的単結晶の原
料およびカプセル剤としてB2O3等を充填し、該ルツボ
(3)を高圧容器(4)内に設置して該容器(4)内を
加圧した不活性ガスで置換し、ヒーター(1)でルツボ
(3)を加熱して原料等を溶融し、原料融液(5)表面
を液体カプセル剤(6)で覆い、この液体カプセル剤
(6)を貫通して該原料融液(5)表面に上軸シャフト
(7)の下端に設けた単結晶の種結晶(8)を接触さ
せ、該上軸シャフト(7)およびルツボサセプタ(2)
を支持する下軸シャフト(9)を回転して上記種結晶
(8)の周りに単結晶(10)を成長させながら引き上げ
るものである。
なお図中(11)はルツボの周囲を覆う熱シールド、(1
2)は上下軸シャフトの高圧容器貫通部をシールする高
圧シール、さらに(13)はルツボ底部の温度を測定する
熱電対を示す。
このとき使用するグラファイトヒーター(1)は通常第
1図(ロ)に示すように、略円筒形で、その壁にその上
端および下端から縦方向に上部スリット(14)および下
部スリット(15)を交互に設けた形状をしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが従来の技術では、GaAs単結晶を引上げるとき成
長結晶の縦方向の中央部から最後尾にかけては外周部よ
り内側に向って多結晶が発生していた。この原因は結晶
成長がつぎのような過程をたどるためであるといわれて
いる。即ち通常成長結晶は表面の方が内部より早く冷え
るので固液界面付近では中心部で温度が高く、表面外周
部では低い。従って成長結晶は中心部で圧縮応力を受け
て外周部で引張り応力を受け、そしてこのような応力が
ある臨界値以上になると応力を緩和するために外周部か
ら内部に向ってサブグレインが発生し、多結晶化に至る
ものである。
このように多結晶化の原因は特開昭59-182298号に述べ
られているように成長結晶の固液界面での径方向の温度
分布によるものであると考えられるが、一般にこの径方
向の温度分布は固液界面の形状と強く係わっている。そ
こで成長結晶の固液界面付近の等温線の代表的な形状を
第2図に模式的に示す。即ち第2図(イ)は成長結晶
(10)と原料融液(5)の界面形状が原料融液(5)に
対して凹状の場合、(ロ)は平坦な場合、そして(ハ)
は凸状の場合である。図に示す各成長結晶(10)では結
晶の成長軸に垂直な平面内での中心部と外周部との温度
差は、(ロ)、(ハ)に比べて(イ)が大きい。従って
(ロ)、(ハ)の場合は中心部と外周部との応力の差が
小さいので多結晶化を防止することができる。
しかし従来の技術では融液温度(特にルツボ底部の温
度)が高いときは、固液界面形状が融液に対して凹状と
なるので多結晶が発生するという欠点があった。またル
ツボ内融液を覆う不活性ガス圧力を20気圧以上、特に30
気圧以上にすると融液温度(特にルツボ底部の温度)は
低下して好ましい傾向を示すが、ガス対流等で温度分布
の変動等を生ずるので得られる結晶の再現性に問題があ
った。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はこれに鑑み種々検討し、成長GaAs結晶と融液の
界面形状は融液の温度によっても変化することを知見
し、さらに検討の結果、このような多結晶の発生を大幅
に抑制したGaAs単結晶の引上げ方法を開発したものであ
る。
即ち本発明は、縦型のPBN製のルツボの外周に、該ルツ
ボを囲む円筒形のグラファイトヒーターであってこの円
筒形ヒーターの上端および下端から縦方向に上部スリッ
トおよび下部スリットを交互に形成したヒーターを設
け、該ヒーターによりルツボ内の原料を溶融し、その融
液表面を不活性液体カプセルで覆い、さらに該カプセル
表面を加圧した不活性ガスで覆い、不活性液体カプセル
を貫通して原料融液に種結晶を接触させ、該種結晶の周
りにGaAs単結晶を成長させて引き上げる方法において、 (i)雰囲気ガス圧を10〜20kg/cm2とし、 (ii)初期原料融液のルツボ内深さをL(mm)とし、ヒ
ーターの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複し
た部分の長さをX(mm)としたときに、次の第式が成
り立つようなヒーターを用い、 1≦X/(L+80)≦1.5・・・ (iii)かつルツボ底部の温度をTc(℃)とし、初期原
料融液のルツボ内深さをL(mm)としたときに、次の第
式が成り立つようにルツボ底部の温度を制御する ことを特徴とするものである。
〔作用〕
上記の如く成長GaAs結晶と融液との界面形状は、径方向
の温度勾配によって変化する。しかもこの径方向の温度
勾配は上軸シャフト回転数、下軸シャフト回転数、不活
性ガス圧、ヒーターの形状、融液量、融液の温度等によ
って変化するが、本発明では、影響の大きい不活性ガス
圧、ヒーターの形状、融液量、融液の温度に着目した。
まず不活性ガス圧については、10〜20kg/cm2とした。20
kg/cm2をこえるとガス対流等で温度分布の変動を生じや
すいからである。次に多結晶を発生させないヒーターの
形状としては、第1図(ロ)に示すヒーターの上部スリ
ット(14)と下部スリット(15)が縦方向で重複する部
分の長さ[図中X(mm)で示す]初期融液深さL(mm)
との関係が、次の第式を満足するのが良い。
1≦X/(L+80)≦1.5・・・ このとき第式において、X/(L+80)の値が1.5を超
える場合は、ヒーター下部の発熱量が大きいため融液の
温度が上昇して固液界面が外周部で融液に対して凹状と
なり、外周部から多結晶化してしまう。またX/(L+8
0)の値が1未満の場合は、ヒーターのトータル発熱量
が小さいためルツボ内は原料融液を合成するのに必要な
温度に達しない。従って第式の範囲のスリット長さX
を持つヒーターを使用することにより、融液の温度(即
ちルツボ底部の温度)を低下させることができるので固
液界面の形状は融液に対して凸状になり、外周部からの
多結晶の発生を防ぐことができる。
なお第式の最適範囲を図示すると第4図に斜線で示す
領域となる。
次に発明者等が多くの実験結果によって得た界面形状と
融液の温度変化との関係についての知見について述べ
る。なお融液の温度としてルツボ底部の温度を採用し
た。成長結晶と融液との界面形状と上記ルツボ底部の温
度との関係を第3図(イ)(ロ)に示す。(イ)ではル
ツボ底部の温度が低く、成長結晶(10)中に多結晶の発
生はないが、(ロ)では図中Pで示す箇所から多結晶が
発生した。従って融液温度を下げると固液界面の形状は
融液に対して凸になり、また多結晶の発生する位置が最
後尾側に下がっていることが判る。従って固液界面の特
に外周部の形状を融液に対して平坦からやや凸状にする
ことで、外周部からの多結晶の発生を防ぐことができ
る。
またルツボ底部の温度は装置によってその最適値は異な
るが、ルツボ内の固液界面位置が第1図に示すヒーター
(1)下端から形成した下部スリット(15)の上端位置
(図中Aで示す)より下方に70〜80mmの場合は不活性ガ
スの圧力には無関係に、初期原料融液の深さ(図中Lで
示す)を第1表に示す値にしたときに成長結晶に外周部
からの多結晶の発生をなくすには、ルツボ底部の温度Tc
を同じく第1表に示す温度範囲にする必要があることが
わかった。
即ち成長結晶に多結晶が発生しない、ルツボ内の初期原
料融液の深さLとルツボ底部の温度Tcとの最適条件は、
次の第式を満たすことである。
第式で(1238−Tc)/Lの値が、−1.3未満の場合は、
結晶のミドル部から多結晶が発生する恐れがあり、又0.
98を超えるとルツボ底部から多結晶が発生する恐れがあ
るからである。なお上記第式の最適範囲を図示すると
第5図の斜線で示す領域となる。
〔実施例〕
次に本発明の実施例について説明する。
第1図に示す単結晶の引上げ装置を用いて、次のような
条件でGaAs単結晶を作成した。
即ち熱分解型窒化硼素(以下PBNと記す)製の6インチ
径のルツボ(3)内に、原料融液であるGaAs融液(5)
のルツボ(3)内の初期深さL(mm)が第2表の如く、
80mm、60mm、40mmになるように調整したGaとAsを充填
し、さらに原料融液を覆うカプセル剤としてB2O3を700g
入れて、このルツボ(3)を高圧容器(4)内設置し、
該容器(4)内を不活性ガスで置換した。次にヒーター
(1)の形状としてはその上部スリット(14)と下部ス
リット(15)の縦方向の重複した長さX(mm)が第2表
に示す寸法のものを用いて、ルツボ(3)内の原料とB2
O3とを溶融し、ヒーター(1)の出力を調整して熱電対
(13)で計ったルツボ(3)底部の温度Tc(℃)を第2
表に示すように変化させ、さらに不活性ガスの圧力を第
2表のように変化させてそれぞれGaAs単結晶を引き上げ
た。
なおこのとき下軸シャフト(9)の回転数は10〜20rp
m、上軸シャフト(7)の回転数は3〜6rpmで回転して
5〜10mm/minの速度で単結晶を引き上げた。
そして引き上げたそれぞれの単結晶について多結晶化す
る固化率gを求め、その結果を第2表に併記した。なお
多結晶化する固化率gとは引き上げた結晶全体の重量
と、結晶上端から多結晶に変化し始めた位置までの単結
晶の領域の重量の比をいう。従ってこの値が大きいほ
ど、即ち1.0に近いほど単結晶領域が大きいことにな
る。
第2表から明らかなように、本発明法No.1〜No.3によれ
ば雰囲気ガス圧が10〜20kg/cm2という比較的低圧力であ
っても結晶全体の9割以上が単結晶化しているものが再
現性良く得られた。これに対して比較法No.4〜No.6によ
れば雰囲気ガス圧が20〜40kg/cm2という比較的高圧力で
あっても結晶全体の4割しか単結晶が得られなかった。
なお本発明装置に用いることのできるヒーターの形状と
しては、第1図に示すピケット型の他ワインカップ型の
ものも使用可能である。
〔発明の効果〕
このように本発明によれば、ヒーターの上下部スリット
の重複長さをルツボ内の初期の融液深さを基準として決
定し、融液の温度(即ちルツボ底部の温度)も初期の融
液深さを基準にして温度制御することにより、固液界面
の形状を融液に対して凸状にすることができるので、引
き上げ結晶の外周部からの多結晶の発生を防止すること
ができる。また雰囲気ガス圧は10〜20kg/cm2という比較
的低圧力にすることが可能であるため、ガス対流による
温度分布の変動が少ないのでえられる結晶の再現性も向
上する等工業上顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図(イ)は単結晶の引き上げ装置を示す側断面図、
第1図(ロ)はヒーターを示す側面図、第2図(イ)
(ロ)(ハ)は夫々成長結晶の固液界面付近の等温線を
示す模式図、第3図(イ)(ロ)はそれぞれルツボ底部
の温度と成長結晶の固液界面形状を示す模式図、第4図
は単結晶となるためのルツボ内初期融液深さとヒーター
の上下部スリットの重複する長さとの関係を示す線図、
第5図は単結晶となるためのルツボ内初期融液深さとル
ツボ底部の温度との関係を示す線図である。 1……グラファイトヒーター 2……ルツボサセプタ 3……ルツボ 4……高圧容器 5……原料融液 6……不活性液体カプセル剤 7……上軸シャフト 8……種結晶 9……下軸シャフト 10……成長結晶 11……熱シールド 12……高圧シール 13……熱電対 14……上部スリット 15……下部スリット
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−182298(JP,A) 特開 昭59−174593(JP,A) 特公 昭52−39787(JP,B1)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】縦型のPBN製のルツボの外周に、該ルツボ
    を囲む円筒形のグラファイトヒーターであって、この円
    筒形ヒーターの上端および下端から縦方向に上部スリッ
    トおよび下部スリットを交互に形成したヒーターを設
    け、該ヒーターによりルツボ内の原料を溶融し、その融
    液表面を不活性液体カプセルで覆い、さらに該カプセル
    表面を加圧した不活性ガスで覆い、不活性液体カプセル
    を貫通して原料融液に種結晶を接触させ、該種結晶の周
    りにGaAs単結晶を成長させて引き上げる方法において、 (i)雰囲気ガス圧を10〜20kg/cm2とし、 (ii)初期原料融液のルツボ内深さをL(mm)とし、ヒ
    ーターの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複し
    た部分の長さをX(mm)としたときに、次の第式が成
    り立つようなヒーターを用い、 1≦X/(L+80)≦1.5…… (iii)かつルツボ底部の温度をTc(℃)とし、初期原
    料融液のルツボ内深さをL(mm)としたときに、次の第
    式が成り立つようにルツボ底部の温度を制御すること
    を特徴とするGaAs単結晶の引上げ方法。
JP25496288A 1988-10-12 1988-10-12 GaAs単結晶の引上げ方法 Expired - Lifetime JPH0688873B2 (ja)

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