JPH09157086A

JPH09157086A - 単結晶の育成方法

Info

Publication number: JPH09157086A
Application number: JP31896195A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Nozaki; 竜也野崎; Hiromasa Yamamoto; 裕正山本
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-17

Abstract

(57)【要約】【課題】原料融液に種結晶を接触させて結晶成長を行
う際に、原料融液と種結晶との固液界面に異常成長が起
こるのを抑制して大口径の単結晶を歩留まり良く得るこ
とができる結晶育成方法を提供する。【解決手段】ＣＺ法やＬＥＣ法により単結晶を育成す
る際に、種結晶として、少なくとも原料融液の表面と接
触する下端近傍の側面が滑らかな曲面で構成されている
ようなものを用いる。すなわち、種結晶の少なくとも下
端近傍の横断面形状が、仮想の正方形１０１や仮想の長
方形１１１の頂角部を滑らかな円弧状とした形状１０
０，１１０（すなわち、頂角部を面取りしたような形
状）、または円形１２０もしくは楕円形１３０など、角
張る部分のないような形状の種結晶を用いる。そうする
ことによって、種結晶と原料融液との固液界面に結晶の
異常成長が生じるのを抑制することができるので、単結
晶育成の歩留まりが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種結晶を用いた単
結晶の育成方法に関し、特にチョクラルスキー法（以
下、ＣＺ法とする。）や液体封止チョクラルスキー法
（以下、ＬＥＣ法とする。）による結晶育成に適用して
有用な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｓｉ単結晶を製造する方法として、原料
融液の表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げるＣＺ
法が知られている。また、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物
半導体単結晶は、原料融液の表面を封止剤で覆った状態
で種結晶を接触させて引き上げるＬＥＣ法により育成さ
れる。育成された結晶に対する単結晶の収率、転位密度
及び結晶性等の特性は、使用される種結晶の面方位や形
状の影響を受けて変わる。そこで、単結晶の収率、転位
密度及び結晶性等の特性を改善するために、種結晶に関
する種々の提案がなされている。

【０００３】特開昭５８−１６１９９９号公報には、Ｇ
ａＡｓ単結晶を育成する際、種結晶の結晶成長面を｛１
００｝面から±３°の範囲内で傾斜させるようにした発
明に関して開示されている。この発明によれば、原料融
液に対する種付けが容易になるとともに、育成結晶中に
双晶及び多結晶が生じ難いという効果が得られる。

【０００４】特開昭６０−１４５９８９号公報には、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ及びＩｎＰなどの閃亜鉛鉱型
結晶構造の単結晶を育成する際に用いる種結晶につい
て、その形状を直方体棒状とし、結晶成長面の方位を実
質的に｛１００｝面とするとともに、側面を｛１００｝
面または結晶成長面に垂直な軸を回転軸として｛１０
０｝面から２０°以内回転させた面とした発明に関して
開示されている。この発明によれば、結晶育成中におけ
る種結晶の破損が起こり難くなり、単結晶の収率が著し
く向上するという効果が得られる。

【０００５】特開昭６０−１８０９９３号公報には、Ｇ
ａＡｓ単結晶を育成する際、引き上げる単結晶の外径に
近い断面寸法の種結晶を用いるようにした発明に関して
開示されている。この発明によれば、結晶肩部を形成せ
ずに済む。また、温度変動の大きいるつぼ中心部からの
結晶成長を回避できるので、デンドライト状の結晶成長
が起こり難く、転位の少ない単結晶が得られる。

【０００６】特開昭６２−７０２９３号公報には、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ及びＩｎＰなどの化合物半導体
単結晶を育成する際、種結晶の結晶成長面を（１０
０）、（１１１）または（１１０）面から所定角度傾斜
した面とするようにした発明に関して開示されている。
この発明によれば、エピタキシャル膜を成長させる基板
として適した良好な表面状態の単結晶ウェハを得ること
ができるとされている。

【０００７】特開平１−２０３２８６号公報には、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ及びＩｎＰに代表されるダイヤモンド型、
閃亜鉛型または面心立方型の結晶構造の単結晶を育成す
る際、種結晶の結晶成長面を〈８７０〉方位とするよう
にした発明に関して開示されている。この発明によれ
ば、転位の少ない単結晶を得ることができるとされてい
る。

【０００８】特開平１−２０３２８７号公報には、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ及びＩｎＰに代表されるダイヤモンド型、
閃亜鉛型または面心立方型の結晶構造の単結晶を育成す
る際、種結晶の結晶成長面を〈１１０〉方位とするよう
にした発明に関して開示されている。この発明によれ
ば、転位の少ない単結晶を得ることができるとされてい
る。

【０００９】特開平４−１３００９５号公報には、フラ
ットトップで引き上げてＩｎＰ単結晶を育成する際、種
結晶下部の横断面形状を、結晶成長時にファセット面
（安定して成長する面）がＰ面となる辺の長さとＩｎ面
となる辺の長さとの比が所定の範囲内に納まるような形
状とし、かつ（００１）方位の種結晶を用いるようにし
た発明に関して開示されている。この発明によれば、結
晶成長初期に正方形状に結晶が成長する確率が高くな
り、単結晶成長のために非常に有効である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】近時、大口径ウェハの
需要が高くなり、ＧａＡｓでは直径４インチ、ＩｎＰで
は直径３インチのウェハが使用されることがある。その
ような大口径の結晶を引上げ法により工業的に製造する
際には、口径が１５０mm以上、場合によっては２５０mm
を超えるようなるつぼが使用される。

【００１１】しかし、るつぼの口径が大きくなると、種
結晶の径がるつぼの口径よりもかなり小さい場合には、
原料融液と種結晶との固液界面にてデンドライト状の異
常成長が起こり、単結晶の育成が困難になるという問題
点がある。この問題は、上述した種々の従来技術をもっ
てしても解決することはできない。また、引き上げる単
結晶の外径に近い断面寸法の種結晶を用いる場合には、
育成結晶の大口径化により種結晶の径も大きくなり、種
結晶のコストが増大化するという問題点がある。

【００１２】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、原料融液に種
結晶を接触させて結晶成長を行う際に、原料融液と種結
晶との固液界面に異常成長が起こるのを抑制して大口径
の単結晶を歩留まり良く得ることができる結晶育成方法
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、大口径るつぼを用いる場合に異常成
長が起こり易くなる原因について検討を行った。その結
果、るつぼ中心部における原料融液内の径方向の温度勾
配が小さくなって、育成初期段階における結晶成長が不
安定になることと、直方体である種結晶の側面の四隅が
成長核になり易いことと、種結晶の側面と稜とでは結晶
を介した放熱効果が異なることとの相乗効果により異常
成長が起こるとの知見を得た。

【００１４】本発明は、上記知見に基づきなされたもの
で、原料を入れたるつぼを炉内に設置し、ヒーターによ
り加熱して溶融させ、原料融液表面に種結晶を接触させ
て徐々に引き上げることにより単結晶を育成するにあた
り、種結晶の少なくとも原料融液と接触する部分の近傍
の側面が曲面で構成されていることを特徴とするもので
ある。このような種結晶を用いることにより、種結晶と
原料融液との固液界面に結晶の異常成長が生じるのが抑
制される。

【００１５】具体的には、前記種結晶の少なくとも原料
融液と接触する部分の近傍の横断面形状が、４つの直線
状の辺と、それら４つの辺のうちの隣り合う辺同士を滑
らかに繋ぐ４つの円弧とで囲まれてなる形状をしてお
り、前記４つの辺は、そのうちの隣り合う２つの辺のそ
れぞれの仮想の延長線同士が直交するような関係になっ
ている形であってもよい。そして、前記種結晶の少なく
とも原料融液と接触する部分の近傍の横断面形状におけ
る前記円弧部分の曲率半径が、種結晶の当該横断面に外
接する仮想の長方形のうちの最小のものの短辺の長さの
１０％以上の大きさ、または種結晶の当該横断面に外接
する仮想の正方形のうちの最小のものの一辺の長さの１
０％以上の大きさになっていてもよい。前記円弧部分の
曲率半径が上述した１０％以上の大きさであれば、結晶
が異常成長するのを抑制する効果が十分に得られる。

【００１６】また、前記種結晶の少なくとも原料融液と
接触する部分の近傍の横断面に外接する仮想の長方形の
うちの最小のものの短辺の長さ、または前記種結晶の少
なくとも原料融液と接触する部分の近傍の横断面に外接
する仮想の正方形のうちの最小のものの一辺の長さは、
育成する単結晶の直胴部の直径の３％以上でかつ１０％
以下の長さであってもよい。その理由は、仮想の長方形
の短辺または仮想の正方形の一辺の長さが上記３％未満
では大口径で長尺の単結晶を引き上げるためには種結晶
の強度が十分でなく、１０％を超えると種結晶が大きく
なって不経済となってしまうからである。

【００１７】あるいは、前記種結晶の少なくとも原料融
液と接触する部分の近傍の横断面形状が円形であっても
よいし、楕円形であってもよい。円形の場合にはその直
径は、育成する単結晶の直胴部の直径の３％以上でかつ
１０％以下の長さであってもよい。また、楕円形の場合
にはその短軸の長さは、育成する単結晶の直胴部の直径
の３％以上でかつ１０％以下の長さであってもよい。

【００１８】種結晶の少なくとも原料融液と接触する部
分の近傍の横断面形状が、仮想の正方形に内接しかつそ
の仮想の正方形の四隅部に相当する４つの円弧の曲率半
径が同一であるような形状、または円形状であれば、結
晶成長が均一に起こり、好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の一例を説明す
る。

【００２０】本発明の実施に供せられる単結晶引上げ装
置の一例を図１に示す。この装置は、密閉型の高圧容器
３内に略円筒状のヒーター４が配設されており、このヒ
ーター４の中央にるつぼ５が配置されている。そして、
このるつぼ５中には、ヒーター４の加熱により融解され
た原料融液６が入れられており、原料融液６の上面はＢ
₂Ｏ₃からなる液体封止剤７で覆われている。また、る
つぼ５は支持軸８により回転及び上下動可能に支持され
ており、図示省略した変位センサによりるつぼ５の上下
方向の変位量が検知されるようになっている。９は支持
軸８の下端に設けられた支持軸回転・上下駆動機構であ
る。１１はヒーター４の外周を囲繞するように配置され
た断熱部材でできた保温筒である。高圧容器３はその周
囲に巡らされたパイプ（図示省略した。）内を流れる冷
却水により冷却されている。

【００２１】るつぼ５の上方からは、高圧容器３内に結
晶引上げ軸１２が回転かつ上下動可能に垂下されてお
り、その下端に種結晶１を保持してるつぼ５中の原料融
液６の表面に接触させることができるようになってい
る。１３は結晶引上げ軸１２の上端に設けられた引上げ
軸回転・上下駆動機構である。また、例えば、結晶引上
げ軸１２には、引き上げた結晶の重量を測定できる重量
センサ１４及び引き上げた結晶の変位量を検知する変位
センサ（図示省略した。）が取り付けられている。

【００２２】高圧容器３の側壁上部には、高圧のＡｒガ
スを導入するためのガス導入管１５が接続され、側壁下
部には、高圧容器３内の空気やＡｒガスを外部へ排出す
るガス排出管１６が接続されている。これらガス導入管
１５及びガス排出管１６及び圧力センサ（図示省略し
た。）などを介して高圧容器３内を加圧、減圧して内部
圧力を所定圧力に調整することができるようになってい
る。

【００２３】上述した構成の引上げ装置を用いて単結晶
を育成する場合に、少なくとも原料融液６の表面と接触
する下端近傍の側面が滑らかな曲面で構成されているよ
うな種結晶１を用いる。すなわち、従来は、例えば横断
面形状が正方形の角柱状の種結晶を用いるのが一般的で
ある。しかし、その種結晶の下端面の正方形の各頂角部
や角柱体の側面の稜となる部分が特異点となり、その特
異点が結晶育成初期段階で成長核となりやすいこと、ま
た結晶の各頂部や稜と側面部とは放熱性に異方性が有る
こと、またるつぼが大口径となることで動径方向への温
度勾配が低下しやすいこと、などの相乗効果により、デ
ンドライト状の異常成長が起こると推測される。そこ
で、本発明に係る育成方法においては、従来のように特
異点となるような頂角部や稜の部分を有しない種結晶１
を用いる。そうすることによって、種結晶１と原料融液
６との固液界面に結晶の異常成長が生じるのを抑制する
ことができるので、単結晶育成の歩留まりが向上する。

【００２４】そのような種結晶１の具体例として、種結
晶１の少なくとも下端近傍の横断面形状が、図１
（ａ），（ｂ）に示すように、仮想の正方形１０１（二
点鎖線で示した。）や仮想の長方形１１１（二点鎖線で
示した。）の頂角部を滑らかな円弧状とした形状１０
０，１１０（すなわち、頂角部を面取りしたような形
状）、または図１（ｃ），（ｄ）に示すように、円形１
２０もしくは楕円形１３０など、角張る部分のないよう
な形状のものが挙げられる。そして、種結晶１が、その
少なくとも下端近傍において仮想の正方形１０１の頂角
部を円弧状としたような横断面形状を有するもの（図１
（ａ）参照）である場合には、その円弧部分の曲率半径
は、その仮想の正方形１０１（仮想の正方形が複数ある
場合には、最小のもの）の一辺の長さの１０％以上の大
きさであるとよい。あるいは、種結晶１が、その少なく
とも下端近傍において仮想の長方形１１１の頂角部を円
弧状としたような横断面形状を有するもの（図１（ｂ）
参照）である場合には、その円弧部分の曲率半径は、そ
の仮想の長方形１１１（仮想の長方形が複数ある場合に
は、最小のもの）の短辺の長さの１０％以上の大きさで
あるのが適当である。円弧部分の曲率半径がそのような
大きさであれば、結晶が異常成長するのを抑制する効果
が十分に得られる。

【００２５】また、種結晶１は、前記仮想の正方形１０
１（最小初のもの）の一辺の長さ、または前記仮想の長
方形１１１（最小のもの）の短辺の長さが、育成する単
結晶の直胴部の直径の３％以上でかつ１０％以下の長さ
となるような大きさであるとよい。そうすれば、種結晶
１が小さくて経済的であるとともに、大口径で長尺の単
結晶を引き上げる際に、種結晶１が育成結晶の重さに十
分耐え得る強度を有するからである。同じ理由により、
種結晶１の少なくとも下端近傍の横断面形状が円形１２
０（図１（ｃ）参照）や楕円形１３０（図１（ｄ）参
照）の場合には、円形１２０の直径または楕円形１３０
の短軸の長さは、それぞれ育成する単結晶の直胴部の直
径の３％以上でかつ１０％以下の長さであるのが適当で
ある。

【００２６】

【実施例】以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明の
特徴とするところを明らかとする。なお、本発明は、以
下の各実施例により何ら制限されるものではない。

【００２７】（実施例１）図１に示した構成の単結晶引
上げ装置を使用した。また、種結晶１として、その成長
面の横断面形状が一辺の長さ６mmの仮想の正方形の四隅
部を約２mmの曲率半径で面取りしたような形状のＧａＡ
ｓ単結晶を用いた。種結晶１の結晶成長面を＜１００＞
方位とした。

【００２８】１０kgの高純度ＧａＡｓ原料と１．７kgの
Ｂ₂Ｏ₃からなる封止剤を口径２００mmのるつぼ５に充
填した。高圧容器３内の空気を真空ポンプ（図示省略し
た。）で排気した後、容器３内にＡｒガスを２０atm と
なるように導入してＡｒガス雰囲気とした。ヒーター４
に給電してるつぼ５を加熱し、るつぼ５内の封止剤と原
料を融解した。しかる後、ヒーター４ヘの供給電力を制
御して結晶と原料融液６との固液界面の形状が下凸状に
なるように炉内の温度分布を調整し、種結晶１を原料融
液６の表面に接触させた。結晶引上げ軸１２を時計回り
に６rpm 、るつぼ５を反時計回りに２０rpm でそれぞれ
回転させながら、毎時６〜１０mmの速さで種結晶１を引
き上げて、直径１１０mm（４インチ）、結晶長２００m
m、成長方位〈１００〉のＧａＡｓ単結晶を育成した。

【００２９】このＧａＡｓ単結晶の育成を２５回行った
ところ、異常成長は全く観察されなかった。得られた各
結晶を調べた結果、２５本の結晶はいずれも全てＧａＡ
ｓ単結晶であることが確認された。

【００３０】（実施例２）図１に示した構成の単結晶引
上げ装置を使用した。また、種結晶１として、その成長
面の横断面形状が一辺の長さ６mmの仮想の正方形の四隅
部を約２mmの曲率半径で面取りしたような形状のＩｎＰ
単結晶を用いた。種結晶１の結晶成長面を＜１００＞方
位とした。

【００３１】５kgの高純度ＩｎＰ原料と１．２kgのＢ₂
Ｏ₃からなる封止剤を口径１５０mmのるつぼ５に充填
し、直径８０mm、結晶長１５０mm、成長方位〈１００〉
のＩｎＰ単結晶を育成した。その他の条件は上記実施例
１と同じであった。

【００３２】このＩｎＰ単結晶の育成を２０回行ったと
ころ、異常成長は全く観察されなかった。得られた各結
晶を調べた結果、２０本の結晶はいずれも全てＩｎＰ単
結晶であることが確認された。

【００３３】（比較例１）図１に示した構成の単結晶引
上げ装置を使用し、種結晶１として、その成長面の横断
面形状が一辺の長さ６mmの正方形状のＧａＡｓ単結晶を
用いた。その他の条件を上記実施例１と同じにしてＧａ
Ａｓ単結晶の育成を２０回行ったところ、１２回につい
ては異常成長が起こったことが観察された。その異常成
長が起こった１２回のうちの１０回については、異常成
長の発生を早期に発見することができたので、種結晶の
異常成長が生じた部分を溶解させて再度結晶引上げを行
った。その結果、５本の結晶は多結晶化しており、１５
本しかＧａＡｓ単結晶が得られなかった。

【００３４】（比較例２）図１に示した構成の単結晶引
上げ装置を使用し、種結晶１として、その成長面の横断
面形状が一辺の長さ６mmの正方形状のＩｎＰ単結晶を用
いた。その他の条件を上記実施例２と同じにしてＩｎＰ
単結晶の育成を２０回行ったところ、１３回については
異常成長が起こったことが観察された。その異常成長が
起こった１３回のうちの１０回については、異常成長の
発生を早期に発見することができたので、種結晶の異常
成長が生じた部分を溶解させて再度結晶引上げを行っ
た。その結果、７本の結晶は多結晶化しており、１３本
しかＩｎＰ単結晶が得られなかった。

【００３５】なお、上記各実施例においては種結晶１の
横断面形状は正方形の四隅部を面取りしたような形状で
あるとしたが、それに限らず、長方形の四隅部を面取り
したような形状、円形状または楕円形状であってもよ
い。

【００３６】また、上記各実施例においては種結晶１の
結晶成長面を〈１００〉方位としたが、それに限らず、
本発明では結晶成長面の方位として従来から知られてい
る方位を用いることができる。その理由は、本発明者ら
の研究によれば、種結晶の結晶成長面の方位は異常成長
に影響を及ぼさないことが判明したからである。

【００３７】さらに、上記各実施例では口径が１５０mm
または２００mmのるつぼ５を用いたが、本発明は、特に
口径が１５０mm以上のるつぼを用いる場合に有効であ
る。

【００３８】さらにまた、上記各実施例では、ＧａＡｓ
やＩｎＰなどの閃亜鉛鉱型結晶構造の化合物半導体単結
晶を育成したが、本発明は、Ｓｉ単結晶やその他の酸化
物単結晶を育成する場合にも適用できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明に係る単結晶育成方法によれば、
原料を入れたるつぼを炉内に設置し、ヒーターにより加
熱して溶融させ、原料融液表面に種結晶を接触させて徐
々に引き上げることにより単結晶を育成するにあたり、
種結晶の少なくとも原料融液と接触する部分の近傍の側
面が曲面で構成されているようにしたため、種結晶と原
料融液との固液界面に結晶の異常成長が生じるのが抑制
されるので、大口径の単結晶を育成する際の歩留まりが
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶育成方法において使用される
種結晶の横断面形状の例を示す図である。

【図２】本発明の実施において使用した単結晶引上げ装
置の一例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１種結晶４ヒーター５るつぼ６原料融液７液体封止剤１０１仮想の正方形１１１仮想の長方形

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料を入れたるつぼを炉内に設置し、ヒ
ーターにより加熱して溶融させ、原料融液表面に種結晶
を接触させて徐々に引き上げることにより単結晶を育成
するにあたり、種結晶の少なくとも原料融液と接触する
部分の近傍の側面が曲面で構成されていることを特徴と
する単結晶の育成方法。
【請求項２】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面形状は、４つの直線状の辺と、
それら４つの辺のうちの隣り合う辺同士を滑らかに繋ぐ
４つの円弧とで囲まれてなる形状をしており、前記４つ
の辺は、そのうちの隣り合う２つの辺のそれぞれの仮想
の延長線同士が直交するような関係になっていることを
特徴とする請求項１記載の単結晶の育成方法。
【請求項３】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面形状における前記円弧部分の曲
率半径は、種結晶の当該横断面に外接する仮想の長方形
のうちの最小のものの短辺の長さの１０％以上の大きさ
であることを特徴とする請求項２記載の単結晶の育成方
法。
【請求項４】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面に外接する仮想の長方形のうち
の最小のものの短辺の長さは、育成する単結晶の直胴部
の直径の３％以上でかつ１０％以下の長さであることを
特徴とする請求項２または３記載の単結晶の育成方法。
【請求項５】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面形状における前記円弧部分の曲
率半径は、種結晶の当該横断面に外接する仮想の正方形
のうちの最小のものの一辺の長さの１０％以上の大きさ
であることを特徴とする請求項２記載の単結晶の育成方
法。
【請求項６】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面に外接する仮想の正方形のうち
の最小のものの一辺の長さは、育成する単結晶の直胴部
の直径の３％以上でかつ１０％以下の長さであることを
特徴とする請求項２または５記載の単結晶の育成方法。
【請求項７】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面形状は円形であることを特徴と
する請求項１記載の単結晶の育成方法。
【請求項８】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面の円形の直径は、育成する単結
晶の直胴部の直径の３％以上でかつ１０％以下の長さで
あることを特徴とする請求項７記載の単結晶の育成方
法。
【請求項９】前記種結晶の少なくとも原料融液と接触
する部分の近傍の横断面形状は楕円形であることを特徴
とする請求項１記載の単結晶の育成方法。
【請求項１０】前記種結晶の少なくとも原料融液と接
触する部分の近傍の横断面の楕円形の短軸の長さは、育
成する単結晶の直胴部の直径の３％以上でかつ１０％以
下の長さであることを特徴とする請求項９記載の単結晶
の育成方法。