JPH07291780A - 溶液結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小さなシード結晶から結晶性の良好な所望の
口径のバルク状単結晶を作製することが可能な結晶成長
技術を提供する。 【構成】 溶液の上下に温度差を形成し、溶液の高温部
にソース結晶を配置し、溶液の低温部にシード結晶を配
置して結晶成長を行なう溶液結晶成長装置において、シ
ード結晶とヒートシンクが収容される第１空間と、該第
１空間に収容されるシード結晶に隣接するように設けら
れた溶液が収容される第２空間とを有し、該第２空間の
少なくともシード結晶側部分はシード結晶側で内径が小
さくなるテーパ状内壁により側方が画定されており、該
テーパ状内壁部分の側壁の厚さは、シード結晶側がより
厚く形成され、前記第１空間のシード結晶が配置される
近傍の側壁の厚さは、前記テーパ状内壁のシード結晶側
側壁の厚さとほぼ等しいかまたはそれよりも厚く形成さ
れている熱輻射を透過する材質からなる結晶成長容器
と、前記第１空間内に挿入された、前記第１空間の内壁
にほぼ沿う形状を有するヒートシンクとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶成長に関し、特に溶
液結晶成長に関する。蒸気圧の高い化合物半導体、特に
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のバルク結晶成長技術とし
て、成長温度を低下できる溶液結晶成長が期待されてい
る。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来の溶液結晶成長装置の例を示
す。図中左側に結晶成長装置の断面を示し、右側に結晶
成長装置内に設定される温度分布をグラフで示す。結晶
成長装置は、真空封止された結晶成長容器１、その中に
配置されたヒートシンク７、その上面に固定されたシー
ド結晶２、シード結晶抑え３、ソース結晶４および溶媒
６を含んで構成されている。この結晶成長容器を、図中
右側のグラフに示す温度分布中に配置する。

【０００３】高温部のソース結晶４は、高温部での飽和
溶解度まで溶媒６に溶解する。溶媒６中に溶解したソー
ス結晶成分は、拡散によって低温部にも移動し、低温部
の溶液を過飽和状態にする。シード結晶２が過飽和溶液
に接触することにより、シード結晶２上にバルク状の単
結晶が成長する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図４に示した結晶成長
装置を使用したバルク状単結晶の作製では、円柱状の成
長結晶の径はシード結晶２の径より小さく、成長結晶か
らシード結晶を切り出して成長を繰り返すと次第に小さ
くなる。また、小さなシード結晶を用いて所望の口径の
ウエハを切り出すのに十分な大きさの単結晶を得ること
が困難である。

【０００５】本発明の目的は、小さなシード結晶から結
晶性の良好な所望の口径のバルク状単結晶を作製するこ
とが可能な結晶成長技術を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の溶液結晶成長装
置は、溶液の上下に温度差を形成し、溶液の高温部にソ
ース結晶を配置し、溶液の低温部にシード結晶を配置し
て結晶成長を行なう溶液結晶成長装置において、シード
結晶とヒートシンクが収容される第１の空間と、該第１
の空間に収容されるシード結晶に隣接するように設けら
れた溶液が収容される第２の空間とを有し、該第２の空
間の少なくともシード結晶側部分はシード結晶側で内径
が小さくなるテーパ状の内壁により側方が画定されてお
り、該テーパ状の内壁部分の側壁の厚さは、シード結晶
側がより厚く形成され、前記第１の空間のシード結晶が
配置される近傍の側壁の厚さは、前記テーパ状の内壁の
シード結晶側の側壁の厚さとほぼ等しいかまたはそれよ
りも厚く形成されている熱輻射を透過する材質からなる
結晶成長容器と、前記第１の空間内に挿入された、前記
第１の空間の内壁にほぼ沿う形状を有するヒートシンク
とを有する。

【０００７】

【作用】結晶成長容器内のシード結晶上方の空間の側方
を、シード結晶側で内径が小さくなるようなテーパ状の
内壁とし、シード結晶上に内壁に沿って結晶を成長させ
ることにより、シード結晶の径よりも大きな口径のバル
ク状結晶を得ることができる。

【０００８】結晶成長容器を石英等の熱輻射（光）に対
する透明体で形成すると、結晶成長容器は導光路とな
り、熱輻射を伝達する。結晶成長容器の径を絞ると、断
面積が減少し熱輻射の密度が上がると共に、その形状に
よって外部に強い熱輻射を照射する現象が起こる。この
熱輻射がシード結晶に照射されるとシード結晶が加熱さ
れ、溶解してしまう場合もある。

【０００９】テーパ状の内壁部分の側壁の厚さを、高温
部よりも低温部でより厚く形成しておくことにより、側
壁を伝達された熱輻射がシード結晶部分に集中すること
を抑制できる。このように、シード結晶に集中する熱輻
射を抑制することにより、シード結晶を効率的に冷却す
ることができる。また、シード結晶が所定温度よりも高
温になって溶媒中に溶解することを抑制することができ
る。

【００１０】

【実施例】まず、小さなシード結晶からより大きな口径
のバルク状単結晶を作製するための参考例について説明
する。

【００１１】図３に示すように、小口径の石英管１ａと
大口径の石英管１ｂとをテーパ状の内面を有するホーン
型石英管１ｃで接続した結晶成長容器１を準備する。初
期には、結晶成長容器１の上端は開放しておく。結晶成
長容器１の小口径部分１ａにヒートシンク７が収納され
ている。

【００１２】このように準備された結晶成長容器のヒー
トシンク７の上面にヒートシンクの径と同径のシード結
晶２を載置する。シード結晶２の側方の結晶成長容器１
側面を加熱して内側に窪ませることによりシード結晶２
を固定する。

【００１３】次に、ソース結晶４、溶媒６を投入した
後、結晶成長容器１内を真空排気し上端の開放端を封止
する。ソース結晶４は、結晶成長容器１の内面に設けら
れた突起等により所定の位置に保持される。

【００１４】このように準備した結晶成長容器１を、内
部空間を輻射熱により加熱する円筒状ヒータ内に配置
し、図中右側のグラフに示す温度分布とする。シード結
晶２上に、石英管１ｃのテーパ状の内面に沿って徐々に
径を拡大しながら成長結晶５が成長する。

【００１５】図３に示す参考例では、シード結晶２を固
定するために結晶成長容器１の側面から熱を加えるた
め、シード結晶２が結晶成長前に熱履歴を経験すること
になる。シード結晶２が高温にさらされると、結晶成分
が昇華して結晶表面が荒れたり組成変化を起こす。ま
た、昇華した結晶成分が結晶成長容器１の内面に付着す
るとそこを成長核として異常成長が起こり得る。さら
に、シード結晶を安定して再現性よく固定することが困
難である。

【００１６】また、高温部から低温部へ流れる熱輻射
は、石英管１ｂ、ホーン型石英管１ｃの側壁に沿って進
む。この輻射熱がシード結晶２に照射され、シード結晶
２を加熱する。このため、シード結晶２の冷却効果が低
減される。さらに、極端な場合には、シード結晶２が溶
液中に溶解してしまう場合もある。

【００１７】図１に、これらの欠点を解消するための本
発明の実施例を示す。図１に示すように、上下が開放さ
れ、ほぼ一様な外径を有する円筒状の結晶成長容器１を
準備する。結晶成長容器１の上部には大口径の円柱状空
洞１１ａ、下部には小口径の円柱状空洞１１ｃが相互に
中心軸が一致するように形成されている。両円柱状空洞
は、テーパ状の内壁により側方が画定された円錐台状空
洞１１ｂにより接続されている。

【００１８】すなわち、小口径の円柱状空洞１１ｃ部分
の側壁は、大口径の円柱状空洞１１ａ部分の側壁よりも
厚く形成され、円錐台状空洞１１ｂ部分の側壁は、上方
よりも下方がより厚く形成されている。

【００１９】円錐台状空洞１１ｂのテーパ面と円柱状空
洞１１ａ、１１ｃの中心軸との成す角は約６０°であ
る。小口径の円柱状空洞１１ｃと円錐台状空洞１１ｂと
の境界部分の内壁には、シード結晶を押さえて固定する
ための環状凸状部分８が設けられている。

【００２０】このように形成された結晶成長容器１を弗
酸でエッチングして表面を清浄化する。小口径の円柱状
空洞１１ｃとほぼ同径の外径を有する円柱状の高純度カ
ーボンからなるヒートシンク７を準備する。ヒートシン
ク７の上面にヒートシンク７の外径とほぼ同径のシード
結晶２を載置し、ヒートシンク７及びシード結晶２を円
柱状空洞１１ｃ内に下端から挿入する。

【００２１】シード結晶２は、凸状部分８とヒートシン
ク７に挟まれて固定される。円柱状空洞１１ｃの下端に
石英製キャップ９を挿入し溶封する。その後、ＺｎＳｅ
多結晶からなる円柱状のソース結晶４を上部の開放端か
ら大口径の円柱状空洞１１ａ内に挿入する。ソース結晶
４は、上下で結晶成長容器１を細めて固定する。

【００２２】次に溶媒塊６ａを上部の開放端から円柱状
空洞１１ａ内に挿入する。溶媒塊６ａは、ＳｅとＴｅを
モル比３０：７０の割合で配合して融解し、９５０℃に
おける飽和溶解度までＺｎＳｅを溶解した後、固化した
ものである。

【００２３】円柱状空洞１１ａの上部の開放端を石英製
のキャップ１０で塞ぎ、内部を２×１０^-6Ｔｏｒｒより
も高い真空度に真空排気して封止する。このように準備
した結晶成長容器１を、内部に加熱空間を有する円筒状
電気炉１２の中に配置する。結晶成長容器１を電気炉１
２と共に、ヒートシンク７が収容されている下端が上に
なるように傾ける。傾ける角度は、溶媒塊６ａが全て融
解したとき溶媒がシード結晶２及びソース結晶４に接触
しない程度とする。結晶成長容器１と電気炉１２とを傾
けた状態で昇温し、溶媒塊６ａを融解する。

【００２４】図２に示すように、下端が下になるように
結晶成長容器１と電気炉１２を直立させる。シード結晶
２及びソース結晶４が溶媒６に接触する。シード結晶２
が配置されている部分を約９５０℃、ソース結晶４が配
置されている部分が約１０００℃になるように電気炉１
２内に温度勾配を設ける。ソース結晶４は、その温度の
飽和溶解度まで溶解する。溶解したソース結晶成分は溶
媒中を拡散し、低温部にまで移動する。低温部において
は飽和溶解度が低いため、溶液は過飽和溶液となる。適
当な過飽和度を有する過飽和溶液がシード結晶２に接触
することにより、シード結晶２上に結晶成長が生じる。

【００２５】図１、図２に示す実施例においては、円柱
状空洞１１ａの側壁から円柱状空洞１１ｃの側壁に沿っ
て伝搬する熱輻射は、ほぼそのまま下方に進む。このた
め、シード結晶２に熱輻射が集中して照射される程度が
低減する。このように、円錐台状空洞１１ｂ部分の側壁
を、高温部よりも低温部側をより厚く形成することによ
り、シード結晶２を効率的に冷却することができる。ま
た、シード結晶が熱輻射により所定温度以上に加熱され
て溶液中に溶解することを防止できる。

【００２６】本実施例により、形成したバルク結晶の断
面を蛍光顕微鏡で観察し、シード結晶と成長結晶との蛍
光色の違いからシード結晶の厚さを測定した。その結
果、シード結晶が溶解した厚さは１００μｍ以下であっ
た。

【００２７】なお、図１、図２では、結晶成長容器１の
外径がほぼ一様である場合について示したが、必ずしも
一様である必要はない。円錐台状空洞１１ｂ部分の側壁
が、シード結晶２側でより厚く形成されており、小口径
の円柱状空洞１１ｃのシード結晶２近傍の側壁の厚さ
が、円錐台状空洞１１ｂのシード結晶２側の側壁の厚さ
と同等かそれ以上であればよい。

【００２８】上記実施例では、ＺｎＳｅを成長させる例
について説明したが、本発明はＺｎＳｅに限るものでは
なく、シード結晶より大口径のＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体のバルク状単結晶の成長にも適用可能である。

【００２９】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結晶成長中におけるシード結晶の溶解を抑制し、シード
結晶上に安定して単結晶を成長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による結晶成長装置の断面図で
ある。

【図２】本発明の他の実施例による結晶成長装置の断面
図である。

【図３】参考例による結晶成長装置の断面図である。

【図４】従来例による結晶成長装置の断面図、及び結晶
成長装置内の温度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 結晶成長容器 ２ シード結晶 ３ シード結晶抑え ４ ソース結晶 ５ 成長結晶 ６ 溶媒 ６ａ 溶媒塊 ７ ヒートシンク ８ 凸状部分 ９、１０ キャップ １１ａ、１１ｃ 円柱状空洞 １１ｂ 円錐台状空洞 １２ 電気炉

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶液の上下に温度差を形成し、溶液の高
   温部にソース結晶を配置し、溶液の低温部にシード結晶
   を配置して結晶成長を行なう溶液結晶成長装置におい
   て、 シード結晶とヒートシンクが収容される第１の空間と、
   該第１の空間に収容されるシード結晶に隣接するように
   設けられた溶液が収容される第２の空間とを有し、該第
   ２の空間の少なくともシード結晶側部分はシード結晶側
   で内径が小さくなるテーパ状の内壁により側方が画定さ
   れており、該テーパ状の内壁部分の側壁の厚さは、シー
   ド結晶側がより厚く形成され、前記第１の空間のシード
   結晶が配置される近傍の側壁の厚さは、前記テーパ状の
   内壁のシード結晶側の側壁の厚さとほぼ等しいかまたは
   それよりも厚く形成されている熱輻射を透過する材質か
   らなる結晶成長容器（１）と、 前記第１の空間内に挿入された、前記第１の空間の内壁
   にほぼ沿う形状を有するヒートシンク（７）とを有する
   溶液結晶成長装置。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の空間の外壁は、ほぼ
   同径の円筒状である請求項１記載の溶液結晶成長装置。
3. 【請求項３】 前記第１の空間と前記第２の空間との境
   界部には、内壁から内側に向かって突出したシード結晶
   を固定するための凸状部分が形成されている請求項１ま
   たは２記載の溶液結晶成長装置。