JPH09315887A

JPH09315887A - 単結晶の製造方法及びそれに用いられる単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH09315887A
Application number: JP13822096A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Asahi; 聰明朝日; Hidekazu Shimizu; 英一清水
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＥＣ法によりより長尺の単結晶を歩留まり
よく得ることができる製造方法及び製造装置を提供す
る。【解決手段】結晶の引上げ開始前に、原料融液４の表
面または内部の温度分布を熱電対２により計測し、その
計測結果に基づいて、るつぼ１１の高さ位置、るつぼ底
の温度及びヒータ出力を調整して原料融液４の表面また
は内部の温度分布が単結晶育成にとって最適な温度分布
となるようにした後、結晶引上げを開始することによ
り、再現性よく長尺の単結晶を得るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶の製造技術
に関し、例えば液体封止チョクラルスキー（ＬＥＣ）法
による化合物半導体単結晶の製造に適用して有用な技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＥＣ法では、るつぼに原料及び
封止剤を入れ、それを高圧容器内のるつぼ軸上に設置
し、ヒータにより加熱して原料及び封止剤を溶融し、る
つぼ底の位置及び温度並びにヒータ出力が、予め予備実
験等により求めておいた所定のるつぼ底位置、るつぼ底
温度及びヒータ出力を満たした後、原料融液の表面に種
結晶を接触させて徐々に引き上げて、単結晶の育成を開
始するようにしている。結晶育成中は、結晶引上げ装置
の引上げ軸上に取り付けられたロードセル等により引上
げ結晶の重量を計測して育成中の結晶の径が一定となる
ように制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法により直径３インチのＧａＡｓ単結晶の育成を
行うと、結晶の長さが１０cm程度であれば略１００％の
歩留まりで再現性よく単結晶が得られるが、結晶の長さ
が２０cm以上の長尺になると単結晶が得られないことが
あり、歩留まりが低下するという問題点があった。

【０００４】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、より長尺の単
結晶を歩留まりよく得ることができる製造方法及び製造
装置を提供することにある。

【０００５】

【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、長尺の単結晶育成において歩留まり
が低下する原因について調べた。その結果、結晶育成の
各ラン毎に、結晶引上げ開始前に、予め予備実験等によ
り炉毎に求めておいたるつぼの高さ位置、るつぼ底の温
度及びヒータ出力の最適な組合わせを満たすようにして
も、実際には結晶引上げ開始時点において、各ラン毎に
原料融液の表面または内部の温度分布にばらつきがあ
り、種結晶と原料融液との固液界面形状が理想的な下凸
状となる最適な条件で結晶引上げが開始されていないこ
とがわかった。

【０００６】そこで、本発明者らは、結晶育成の各ラン
毎あるいは数ラン毎に、結晶引上げ開始前の原料融液の
径方向及び深さ方向の温度分布を計測し、その計測結果
に基づいて、原料融液の表面または内部の温度分布が常
に所定の条件を満たすようにるつぼ底の高さ位置、るつ
ぼ底の温度及びヒータ出力の調整を行うことを考えた。

【０００７】本発明は、上記着眼に基づきなされたもの
で、るつぼ内に原料及び封止剤を入れ、それをヒータに
より加熱して融解させ、その原料融液の表面に種結晶を
接触させてこれを徐々に引き上げることにより単結晶の
育成を行うにあたり、結晶の引上げ開始前に、原料融液
の表面または内部の温度分布を計測し、その計測結果に
基づいて、前記温度分布に影響を与え得る温度因子の制
御を行って該温度分布が所定の引上げ開始条件を満たし
た後、結晶引上げを開始するようにしたことを特徴とす
る。それによって、原料融液の表面または内部の温度分
布が所定の引上げ開始条件を満足した状態で結晶の引上
げが開始されるので、再現性よく長尺の単結晶が得られ
る。

【０００８】この発明において、前記温度因子は、例え
ばるつぼの位置、るつぼ底の温度及びヒータの出力であ
る。そして、原料融液のるつぼ径方向及び深さ方向の少
なくとも一方の温度分布の計測を行う。

【０００９】また、上記製造方法の実施に用いられる単
結晶製造装置は、るつぼ上方から垂下され、その下端が
原料融液中に没入可能な高さまで下降可能でかつ水平方
向に移動可能な熱電対と、該熱電対を駆動する駆動手段
を備えていることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る単結晶製造方法の実
施に使用して好適な結晶製造装置の実施形態の一例を図
１に示す。

【００１１】この単結晶製造装置は、結晶引上げ炉１、
該引上げ炉１内に垂下されかつ上下移動及び水平移動自
在に支持されてなる例えば熱電対２よりなる温度計測手
段及びその熱電対２を上下方向及び水平方向に移動させ
る駆動手段３を備えている。

【００１２】結晶引上げ炉１は、下部ジャケット１０
Ａ、胴体部ジャケット１０Ｂ及び上部ジャケット１０Ｃ
からなる水冷ジャケット構造の高圧容器１０、原料４及
び封止剤５を入れるるつぼ１１、該るつぼ１１を回転可
能かつ上下動可能に支持するるつぼ軸１２、下端に種結
晶を回転可能かつ上下動可能に保持する引上げ軸１３、
原料４及び封止剤５を加熱して融解するためのヒータ１
４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ、高圧容器１０内を外部から観察
するための覗き窓１５を備えた構成となっている。それ
らの構成及び作用等はＬＥＣ法において従来用いられて
いた単結晶製造装置におけるものと同じである。

【００１３】前記熱電対２は、計測する温度域に応じて
適宜選択されるが、例えばＧａＡｓ融液の温度を計測す
る場合には白金（Ｐｔ）と白金ロジウム（Ｐｔ−Ｒｈ）
の組合わせよりなるものが使用される。熱電対２は、ｐ
ＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製の管の中に挿入されて保護
されている。

【００１４】前記駆動手段３は、高圧容器１０の上部ジ
ャケット１０Ｃ上のハウジング内に設けられている。こ
の駆動手段３は、例えばモータ３０と、該モータ３０の
回転駆動により上下動する昇降ロッド３１を備えてい
る。昇降ロッド３１は、高圧シール３２を介して高圧容
器１０内に挿入されている。昇降ロッド３１の下端に
は、高圧容器１０の径方向の中心に向かってその略中心
位置まで水平に延びる水平中継ロッド３３が連結されて
いる。水平中継ロッド３３の先端からは、下端に熱電対
２を保持可能な熱電対保持ロッド３４が垂下されてい
る。

【００１５】昇降ロッド３１の昇降機構は、例えば次の
ように構成されている。すなわち、モータ３０のシャフ
トはねじ状に形成されている。一方、昇降ロッド３１は
例えば水平な帯状のロッド支持部材３５と一体化されて
おり、そのロッド支持部材３５がモータ３０のシャフト
のねじ部に螺合されている。そして、モータ３０のシャ
フトが回転することにより、ロッド支持部材３５が昇降
して昇降ロッド３１が昇降する。

【００１６】また、昇降ロッド３１は、モータ３０の回
転駆動により該ロッド３１の軸を中心として回転するよ
うにもなっている。昇降ロッド３１は、例えばクラッチ
機構（図示省略）を介してモータ３０のシャフトに結合
されたり切り離されたりされるようになっている。従っ
て、そのクラッチ機構により、昇降ロッド３１がモータ
３０のシャフトから切り離されている状態の時には、モ
ータ３０の回転駆動力により昇降ロッド３１が上下に移
動して熱電対２が昇降する。一方、昇降ロッド３１がモ
ータ３０のシャフトに結合されている状態の時には、昇
降ロッド３１が回転し、図２に示すように、水平中継ロ
ッド３３が昇降ロッド３１の軸を中心として扇形の軌跡
をなすように水平方向に揺動され、熱電対２が水平方向
に移動する。特に限定されないが、例えば熱電対２は、
昇降ロッド３１の軸を中心として、るつぼ２の略中心を
通るような円弧状の軌跡を描くように水平に移動するよ
うにされている。

【００１７】また、駆動手段３は、図２に示すように、
高圧容器１０の軸の回りに回転自在にされている。それ
によって、るつぼ１１の径方向の温度計測をより広い範
囲で行うことができるようになっている。

【００１８】熱電対２、るつぼ軸１２の駆動装置（図示
省略）、ヒータ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃへの給電装置
（図示省略）及び駆動手段３への給電装置（図示省略）
は、図示しない制御装置に接続されている。その制御装
置は、結晶引上げ開始にあたって、駆動手段３への給電
装置に駆動信号を出力してモータ３０等を駆動し、熱電
対２を複数の温度計測点へ順次移動させる。そして、制
御装置は、熱電対２の温度信号に基づいて原料融液４の
表面または内部の温度分布を演算して求め、その温度分
布に基づいてるつぼ軸１２の駆動装置、ヒータ１４Ａ，
１４Ｂ，１４Ｃへの給電装置及び駆動手段３への給電装
置にそれぞれ制御信号を出力する。それら各駆動装置や
給電装置は、制御装置から入力される制御信号に基づい
て動作し、それによってるつぼ１１が昇降されたり、各
ヒータ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの出力が調整される。な
お、熱電対２を原料融液４に接触させる前に、原料融液
４の表面に種結晶を接触させて種結晶の融解状況を確認
し、原料融液４の温度が融点であることを確認して、熱
電対２の示す温度と実際の融液温度との差を補正するよ
うにするとよい。そうすれば、より正確に原料融液４の
温度を計測することができる。

【００１９】なお、本発明に係る結晶引上げ装置は、上
述した構成のものに限らず、種々設計変更可能であるの
はいうまでもない。例えば、駆動手段３は、熱電対２を
昇降させるモータと水平移動させるモータとを有してい
てもよい。また、熱電対２を昇降させるモータとして、
リニアモータを用いてもよい。

【００２０】

【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
下の実施例により何ら限定されるものではないのはいう
までもない。

【００２１】（実施例）図１及び図２に示した構成の結
晶引上げ装置を用いてＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶の
育成を行った。

【００２２】内径９インチのｐＢＮ製るつぼ１１内に約
１１kgの高純度ＧａＡｓ原料４と封止剤５として適量の
Ｂ₂Ｏ₃を入れ、それを高圧容器１０内のるつぼ軸１２
上に設置した。高圧容器１０内を真空ポンプ（図示省
略）で排気した後、Ａｒガスを導入して容器１０内を２
０気圧のＡｒガス雰囲気とした。その後、ヒータ１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃに給電してるつぼ１１内の原料４及
び封止剤５を融解させた。

【００２３】しかる後、種結晶（図示省略）を保持した
引上げ軸１３を下降させて、種結晶を原料融液４の表面
に接触させ、覗き窓１５から種結晶と原料融液４との接
触部位を確認し、種結晶が融解していることを確認し
た。つまり、原料融液４がＧａＡｓの融点温度になって
いることを確認した。

【００２４】続いて、駆動手段３を駆動させて、熱電対
２を所定の温度計測点上に移動させ、下降させて原料融
液４中に浸漬させた。その際、熱電対２の先端が、液体
封止剤５と原料融液４との界面から約１０mm下方に位置
するようにした。そして、るつぼ軸１２を時計方向に５
〜６rpm で回転させながら、るつぼ１１の径方向の複数
の点で融液温度を計測し、るつぼ中心から径方向の温度
分布が所定の値、例えば６〜１５℃／mm（個々の炉によ
り異なる。）となるようにるつぼ１１の高さ位置、るつ
ぼ底の温度、必要に応じてヒータの出力を調整した。な
お、るつぼ中心から径方向の温度分布の最適値は、予め
予備実験や過去の結晶育成データ等に基づいて求めてお
いた。

【００２５】この実施例で用いた結晶引上げ炉では、る
つぼ１１の位置を高くすると、るつぼ１１の径方向の温
度勾配が大きくなり、るつぼ１１の位置を低くすると、
るつぼ１１の径方向の温度勾配が小さくなる、という傾
向があった。

【００２６】るつぼ１１の高さ位置及びるつぼ底の温度
の調整が終了した後、引上げ軸１３を時計回りに５〜６
rpm で回転させるとともにるつぼ軸１２を反時計回りに
１５〜３０rpm で回転させながら、毎時６〜１０mmの引
上げ速度でもって引上げ軸１３を上昇させて結晶の引上
げを開始し、直径８０〜９０mm（３インチ）、長さ２５
０mmで成長方位が〈１００〉のＧａＡｓの結晶を育成し
た。なお、結晶育成中、固液界面の位置が下がらないよ
うに、るつぼ軸１２によりるつぼ１１を徐々に上昇させ
た。また、るつぼ底の温度を一定のスロープで昇温させ
るため、るつぼ底を加熱するヒータ１４Ｃの出力を調整
した。以上の手順で、ＧａＡｓ結晶の育成を合計で３回
行った。

【００２７】得られた３個の結晶を調べたところ、結晶
全体に亘って双晶や多結晶部分を含まないＧａＡｓ単結
晶が１００％の歩留まりで得られた。

【００２８】（比較例）従来の結晶引上げ装置（図１の
装置において、熱電対２及び駆動手段３が設けられてい
ないもの）を用いた。上記実施例と同一条件でるつぼ内
の原料及び封止剤を融解させた後、るつぼの高さ位置、
るつぼ底の温度及びヒータの出力を、結晶（種結晶もし
くは育成結晶）と原料融液との固液界面形状が理想的な
下凸形状になるとされる条件を満たすように調整した。
この条件は、予め予備実験等により求めておいたもので
ある。

【００２９】上記実施例と同一条件で結晶の引上げを開
始して直径３インチ、長さ２５０mmで成長方位が〈１０
０〉のＧａＡｓの結晶を育成した。以上の手順で、Ｇａ
Ａｓ結晶の育成を合計で５回行った。

【００３０】得られた５個の結晶を調べたところ、結晶
全体に亘って双晶や多結晶部分を含まないＧａＡｓ単結
晶が得られる歩留まりは４０％であった。なお、結晶の
育成長が１００mmまでの範囲においては、８０％の歩留
まりで単結晶が得られていたが、結晶の育成長が１００
mmを超えると多結晶が発生しており歩留まりが低下して
いた。

【００３１】なお、上記実施例において、るつぼ１１の
径方向の温度を３箇所以上で計測してもよいし、るつぼ
１１の中心部と、育成結晶の目標とする径（上記実施例
では５０mm）に相当する箇所付近（目標径の±１０mm程
度の範囲）の２点で行うようにしてもよい。

【００３２】また、上記実施例では、るつぼ１１の径方
向の温度のみを計測して温度分布を求めたが、原料融液
４の深さ方向についても温度の計測を行って温度分布を
求め、両温度分布に基づいてるつぼ１１の高さ位置、る
つぼ底の温度及びヒータ出力の調整を行うようにしても
よい。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ＬＥＣ法により単結晶
を育成するにあたって、結晶の引上げ開始前に、原料融
液の表面または内部の温度分布を計測し、その計測結果
に基づいて、前記温度分布に影響を与え得る温度因子の
制御を行って該温度分布が所定の引上げ開始条件を満た
した後、結晶引上げを開始するようにしたので、最適な
温度環境でもって結晶の引上げを開始することができ、
種結晶もしくは育成中の結晶と原料融液との固液界面が
単結晶育成にとって理想的な下凸形状となり、長尺の単
結晶が歩留まりよく得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された結晶引上げ装置の一例の概
略を示す側面断面図である。

【図２】その結晶引上げ装置の熱電対の動きについて説
明する図である。

【符号の説明】

１結晶引上げ装置２熱電対３駆動手段４原料５封止剤１１るつぼ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼ内に原料及び封止剤を入れ、それ
をヒータにより加熱して融解させ、その原料融液の表面
に種結晶を接触させてこれを徐々に引き上げることによ
り単結晶の育成を行うにあたり、結晶の引上げ開始前
に、原料融液の表面または内部の温度分布を計測し、そ
の計測結果に基づいて、前記温度分布に影響を与え得る
温度因子の制御を行って該温度分布が所定の引上げ開始
条件を満たした後、結晶引上げを開始することを特徴と
する単結晶の製造方法。
【請求項２】前記温度因子は、るつぼの位置、るつぼ
底の温度及びヒータの出力であることを特徴とする請求
項１記載の単結晶の製造方法。
【請求項３】原料融液のるつぼ径方向及び深さ方向の
少なくとも一方の温度分布を計測することを特徴とする
請求項１または２記載の単結晶の製造方法。
【請求項４】るつぼ内に入れた原料及び封止剤をヒー
タにより加熱して融解させ、その原料融液の表面に種結
晶を接触させてこれを徐々に引き上げることにより単結
晶を育成する装置において、るつぼ上方から垂下され、
その下端が原料融液中に没入可能な高さまで下降可能で
かつ水平方向に移動可能な熱電対と、該熱電対を駆動す
る駆動手段を備えていることを特徴とする単結晶製造装
置。