JPH0940492A

JPH0940492A - 単結晶の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JPH0940492A
Application number: JP19149395A
Authority: JP
Inventors: Michinori Wachi; 三千則和地; Tomoki Inada; 知己稲田; Takashi Suzuki; 隆鈴木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】上部結晶温度、及び引上成長炉の構成部材のう
ち結晶中の温度分布を支配する部材の温度を規定するこ
とによって、長尺結晶を製造するために必要な単結晶化
のための放熱条件と、結晶欠陥低減のための保温条件の
両者をバランスさせ、良質の単結晶を再現性良く製造す
る。【解決手段】液体封止引上法によって単結晶を製造する
引上炉内に、引き上げる単結晶３の上部をさらに保温す
るためのグラファイト上部保温部材１０を、グラファイ
ト保温部材９の上方に延設する。このグラファイト上部
保温部材１０は、ルツボ７内に収容された原料融液５の
表面からＬ＝２５０mm以上の上部の結晶部位に対面して
設けられる。当該部位に対面するグラファイト上部保温
部材１０の表面温度Ｔ2 は２００℃以下に設定する。こ
のとき、当該結晶部位の平均的な温度Ｔ1 が６００℃以
下であると、条件の最適化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体封止引上法に
よる単結晶の製造方法及び製造装置に係り、特に長尺な
ＧａＡｓ結晶の成長に好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】液体封止引上法で良質なＧａＡｓ単結晶
を製造する場合、一般に次の２点が技術上の重要点であ
る。

【０００３】（１）単結晶化のためには、融液中の結晶
／融液の境界（固液界面）を下方になだらかに凸の形状
とする必要がある。これは、凹部ができると固化が進む
につれて凹部部分に結晶欠陥である転位が集積し、亜粒
塊をへて粒塊が生ずることにより多結晶化を誘起するた
めにである。固液界面を下方になだらかに凸形状とする
ために、一般には、結晶からの放熱を相対的に大きく
し、冷却することが行われている。例えば、加熱部を３
つに分割し、融液中心に対し結晶上部が適正な温度にな
る工夫が行われている（文献：Ｍ．Ｏｏｎｉｓｈｉ，
Ｍ．Ｓｈｉｂａｔａ，Ｓ．Ｍｉｚｕｎｉｗａ，Ｍ．Ｗａ
ｃｈｉ，ＨｉｔａｃｈｉＣａｂｌｅＲｅｖｉｅｗ
Ｎｏ１２（１９９３））。

【０００４】（２）結晶特性のうち、最も重要なものに
は、結晶欠陥の密度である。結晶欠陥が多く存在すると
その結晶をウェハ状に切断、研磨された基板を使用して
作製された電子素子に欠陥や欠陥近傍の不純物が多大な
影響を及ぼす。欠陥の代表的なものは転位と呼ばれる原
子のズレであり、これを極力低減する必要がある。それ
には、一般的に結晶中の温度勾配を緩やかにする方法が
採られる。これは、温度差に基づく熱歪みが結晶中に転
位を誘起するのでそれを防ぐためである。この目的に合
致させるには、結晶の垂直方向において、融液近傍と結
晶上部の温度差を小さくする必要があり、それには結晶
上部からの放熱を小さくする必要がある。

【０００５】これらの２つの要件を満たす条件の最適化
により良質なＧａＡｓ結晶が成長できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記要件（１）と
（２）が二律背反することは自ずと明白である。そのた
め実用上は、両者のバランスをとり中庸の条件を個々に
設定することにより単結晶を製造している。これは、見
方を変えると、状況に応じた条件の変更が必要であるこ
とを意味し、工業生産上は、再現性の悪化、再現性管理
の困難さの原因となっている。

【０００７】未だに、（１）（２）のバランスをとるた
めの定量的、かつ普遍的な方法は見出されていない。そ
の理由の一つは、その必要性が生じていなかったことに
起因している。つまり、液体封止引上法によるＧａＡｓ
結晶成長では、従来は多結晶化が不可避と考えられてい
た。特に、類似の引上法で製造されるＳｉ結晶のような
１ｍクラスの長尺結晶での単結晶化は不可能と思われて
いた。そのため、高価な原料の節約のため、比較的少量
の原料から比較的短い結晶（２０〜２５cm）が生産され
ていた。

【０００８】このような短尺結晶では、上記の（１）
（２）のバランスに関しては、（２）の結晶上部の保温
に、より重点を置かざるを得ない状況で、（１）の放熱
は考慮に入れられていないことが殆どであった。すなわ
ち、一例として直径１０cm、長さ２０〜２５cmの結晶で
説明すると、結晶原料の収納容器として一般に内径２０
〜３０cmのルツボが使用されるが、このルツボに原料や
封止剤をチャージする場合の嵩を確保する必要から、ル
ツボの高さはやはり内径並みの２０〜３０cmとなってお
り、結晶は成長の最後までルツボ内に留らざるを得ない
状況である。従って、結晶の上部は、相対的に見て、冷
却というよりはむしろ保温されていた。

【０００９】ところが、最近Ｓｉ並みの長尺結晶を製造
できる方法が開発され（上記文献参照）、ルツボ外部の
はるか上部の温度条件を設定できる定量的な方法の開発
が必要となってきた。しかも、それらは個々の状況毎の
設定方法ではなく、工業生産上の再現性管理の容易さの
ための定量性、普遍性、再現性が必要である。

【００１０】本発明はこのような従来技術の欠点に鑑み
てなされたもので、その目的は、長尺結晶を製造するた
めに必要な単結晶化のための放熱条件と、結晶欠陥低減
のための保温条件の両者を定量的、普遍的かつ再現性良
く決定して、工業生産上の再現性管理を容易にすること
が可能な単結晶の製造方法を提供することにある。

【００１１】また、本発明の目的は、簡単な構造で、長
尺結晶を製造するために必要な単結晶化のための放熱条
件と、結晶欠陥低減のための保温条件の両者をバランス
させ、良質の単結晶を再現性良く製造することが可能な
単結晶の製造装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶の製造方
法は、液体封止引上法によって単結晶を製造するに際し
て、融液表面から２５０mm以上上部の結晶部位の平均的
な温度を６００℃以下とし、当該結晶部位の水平方向の
空間に配した部材の結晶に対面する部材表面温度を２０
０℃以下とするものである。

【００１３】つまり、結晶上部の結晶と対面する部材の
表面温度を２００℃以下の温度に設定することを特徴と
する方法である。この場合、結晶上部とは、融液表面か
ら２５０mm以上上部の結晶の部位である。さらにその部
位の結晶中の平均的な温度が６００℃以下の部位でなけ
ればならない。

【００１４】また、本発明の単結晶の製造装置は、ルツ
ボの外周を保温部材で保温しつつ、ルツボ内の原料融液
から単結晶を引き上げる単結晶の製造装置において、上
記引き上げる単結晶の上部をさらに保温するために原料
融液表面から２５０mm以上の上部に、上記保温部材から
上部保温部材を延設し、該延設した上部保温部材の結晶
に対面する当該上部保温部材表面温度を２００℃以下に
するとともに、原料融液表面から２５０mm以上上部の結
晶部位の平均的な温度を６００℃以下に制御するもので
ある。

【００１５】また、本発明の単結晶の製造装置は、上記
装置発明において、上部保温部材を延設せずに、引上炉
の内壁部材の結晶に対面する当該内壁部材表面温度を２
００℃以下に制御するものである。

【００１６】一般に引上結晶の上部には、円筒状の部材
や同心円上に配した部材などで、中心軸に回転対称に保
温部材が設置されている。結晶からの放熱（断熱も同
じ）は、結晶表面と、当該保温部材の結晶に対面する表
面との間の輻射熱の授受により決する。この温度を２０
０℃以下としたのは、２００℃を越える温度では結晶の
放熱が小さく、前記（１）の要件を満たさないために固
液界面が不良で多結晶化が生じるからである。当該保温
部材は、グラファイト製やセラミック製の保温材が使用
されていることが多く、これらの保温部材での効果を確
認した。当該保温部材の温度は、結晶加熱用のヒータの
余熱の利用や、専用ヒータ（あるいは熱交換器）による
温度制御で制御できるが、特にその方法は限定されな
い。

【００１７】なお、結晶上部に当該保温部材を一切使用
しなくても構わない。その場合、結晶は引上炉内壁のス
テンレス面と対向する。当該内壁は通常その外側を水冷
されているが、ステンレスの内面を上記と同じ理由によ
り２００℃以下の温度にする必要がある。当該ステンレ
ス表面温度は、引上炉内の熱の利用や冷却水の温度制御
により可能であるが、特にその方法は限定されない。

【００１８】結晶上部の位置として、融液表面から２５
０mm以上上部の結晶の部位を規定したのは、それ未満の
場合、結晶からの放熱の部位と融液との界面までの距離
が短くなり過ぎ、固液界面形状がなだらかにならず、前
記（１）の要件を満足できないことによる多結晶化が生
じるからである。

【００１９】さらにその部位の結晶中の平均的な温度が
６００℃以下でなければならないと規定したのは、それ
以上の温度では結晶欠陥が誘起されやすく、前記（２）
の要件を満足しないためである。平均的な温度の確認
は、結晶中に測温治具を挿入することや、模擬結晶（Ｇ
ａＡｓ代替えのセラミックス性結晶等）中の測温、計算
機シミュレーション等により行えるが、特にその方法は
限定されない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は液体封止引上法における引上
炉の内部構造の模式図である。

【００２１】１１は引上炉のステンレス内壁である。引
上炉内の中央にＰＢＮルツボ７がルツボ軸８によって回
転自在に軸支されている。ルツボの外周にはヒータ６が
設けられ、このヒータ６は上中下の３つに分割され、各
ヒータの出力バランスを変えることで適正な固液界面形
状が制御できるようになっている。このヒータ６の外周
にはグラファイト保温部材９が、ホットゾーンを保温す
るために筒状に設けられる。そして、このグラファイト
保温部材９の上には更にグラファイト上部保温部材１０
が上方に延設されている。

【００２２】ルツボ７内にはＧａＡｓ原料及び封止剤で
ある三酸化ホウ素の塊が入れられ、これらはヒータ６に
よって加熱溶融してＧａＡｓ融液５、及びＧａＡｓ融液
５の表面を覆う液体状の三酸化ホウ素４となる。単結晶
を製造するには、引上軸１の下端に取り付けた種結晶２
をＧａＡｓ融液５に接触させてＧａＡｓ単結晶３を引き
上げる。融液５の表面から２５０mm以上の高さＬのとこ
ろで、グラファイト保温部材９が終わり、ここからグラ
ファイト上部保温部材１０が始まる。

【００２３】融液５の表面から２５０mm以上上部の結晶
部位であって、平均的な温度が６００℃以下の部位に対
し、当該部位の水平方向の空間に配したグラファイト上
部保温部材１０の結晶に対面する部材表面温度を２００
℃以下とする。

【００２４】このように引上成長炉の構成部材のうち結
晶中の温度分布を支配するグラファイト上部保温部材１
０の温度、及び上部の結晶温度をも規定することによ
り、ルツボ上部の雰囲気温度を最適温度に制御する。こ
の制御により上記（１）、（２）の要素をバランスさ
せ、再現性良く良質の単結晶を製造できる。

【００２５】

【実施例】次に上記した引上炉を使ってＧａＡｓ単結晶
を製造する具体例を述べる。

【００２６】（実施例１）１００気圧耐圧の引上炉であ
って内壁のステンレスが水冷されている装置を使用し、
ＧａＡｓ結晶を製造した。炉内の部材は、高純度のグラ
ファイト製である。直径２８cmのＰＢＮ製のルツボに６
Ｎグレードの高純度のＧａ：１３５００ｇ、Ａｓ：１５
０００ｇをチャージし、その上に封止剤として三酸化ホ
ウ素：３０００ｇをチャージした。これを引上炉内にセ
ットし直接合成の後、引続き引上法により直径８０mmの
ＧａＡｓ単結晶を８００mm成長させた。

【００２７】図１中の、Ｌは２５０mmである。また図中
の結晶上部の温度Ｔ1 は、事前の測定において６００℃
であった。さらに結晶上部に配したグラファイト上部保
温部材１０の表面温度Ｔ2 は２００℃であった。

【００２８】得られた結晶は多結晶化の痕跡が全くな
く、結晶欠陥のうち転位密度の尺度であるエッチピット
密度が３００００個／cm²と通常製造されている２００
mmクラスの短尺結晶と同等のレベルであった。

【００２９】（実施例２）実施例１に用いた引上炉で、
図中のグラファイト上部保温部材１０を除いて結晶を製
造した。すなわち、結晶はステンレス製の炉内壁と対向
することになる。ステンレスの表面温度（実施例１のＴ
2 に相当）は１４０℃であった。その他の条件は実施例
１と全く同じ条件で行った。

【００３０】得られた結晶は多結晶化の痕跡が全くな
く、実施例１と同様にエッチピット密度が３０００個／
cm²と、通常製造されている２００mmクラスの短尺結晶
と同等のレベルであった。

【００３１】（その他の実施例）上記実施例の他に、結
晶の部位２５０mmの位置で結晶温度が５００℃となる場
合や、結晶の部位が３００mmで上部保温部材と対向し、
結晶温度が６００℃で他の条件が同一の場合においても
良好な結果が得られた。

【００３２】（比較例）比較例１〜３では、実施例１と
同一の引上炉を使用し、表１に記載した条件のみを変化
させて結晶を製造した。実施例１、２と併せて同表に結
果を示す。この結果からも歴然なように、本発明の優秀
性が示された。

【００３３】

【表１】

【００３４】なお、上記実施例ではＧａＡｓについて説
明したが、液体封止引上法で製造される他の結晶、例え
ばＩｎＰや、ＧａＰ等においては、欠陥が発生しない部
位や、温度の数値は変るものの同様な基本的な考え方に
より、最適な方法を容易に見出すことができる。

【００３５】また、本発明はＧａＡｓ結晶のうち特に長
尺の結晶成長に最適な方法である。最近、ＧａＡｓ応用
の電子素子分野では、素子歩留り、効率の点からますま
す長尺の結晶が求められており、本発明は、その分野に
も良好な波及効果を与えるものである。

【００３６】ちなみに、ＧａＡｓ結晶の製造において
は、長尺化は次のような利点を持つ。

【００３７】（１）１回の原料チャージの手間でより多
くのウェハを取得できる結晶を製造できることで、経済
的な効果がある。

【００３８】（２）結晶中の不純物は偏析現象により固
化率に相関のある濃度分布をするが、結晶長さ方向でみ
ると結晶が長いほど単位長さ当たりの濃度変化が小さい
ことになり、均一性が良いことになる。従って、ウェハ
１枚毎の特性の差の小さなウェハを作製できる。このた
め、目的の仕様の範囲のウェハを制御性良く製造できる
ため経済的効果が大きい。

【００３９】この２項目は、当該結晶ウェハを使用する
電子素子製造分野においても多大な経済効果をもたらす
ものである。

【００４０】

【発明の効果】本発明方法によれば、長尺結晶を製造す
るために必要な単結晶化のための放熱条件と、結晶欠陥
低減のための保温条件の両者を定量的、普遍的かつ再現
性良く決定したので、工業生産上の再現性管理が容易と
なる。

【００４１】本発明装置によれば、結晶上部の温度及び
引上成長炉の構成部材のうち結晶中の温度分布を支配す
る部材の温度を規定するという簡単な構造で、長尺結晶
を製造するために必要な単結晶化のための放熱条件と、
結晶欠陥低減のための保温条件の両者をバランスさせる
ことができ、良質の単結晶を再現性良く製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単結晶の製造装置に関する実施例及び
比較例に用いた引上炉の内部を模式的に示した構成図で
ある。

【符号の説明】

１引上軸２種結晶３ＧａＡｓ結晶４三酸化ホウ素５ＧａＡｓ融液６ヒータ７ＰＢＮルツボ８ルツボ軸９グラファイト保温材１０グラファイト上部保温材１１ステンレス内壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体封止引上法によって単結晶を製造する
に際して、融液表面から２５０mm以上上部の結晶部位の
平均的な温度を６００℃以下とし、当該結晶部位の水平
方向の空間に配した部材の結晶に対面する当該部材表面
温度を２００℃以下とすることを特徴とする単結晶の製
造方法。
【請求項２】ルツボの外周を保温部材で保温しつつ、ル
ツボ内の原料融液から単結晶を引き上げる単結晶の製造
装置において、上記引き上げる単結晶の上部をさらに保
温するために原料融液表面から２５０mm以上の上部に、
上記保温部材から上部保温部材を延設し、該延設した上
部保温部材の結晶に対面する当該上部保温部材表面温度
を２００℃以下にするとともに、原料融液表面から２５
０mm以上上部の結晶部位の平均的な温度を６００℃以下
に制御することを特徴とする単結晶の製造装置。
【請求項３】引上炉内に設けたルツボの外周を保温部材
で保温しつつ、ルツボ内の原料融液から単結晶を引き上
げる単結晶の製造装置において、上記原料融液表面から
２５０mm以上上部の引上炉の内壁部材の結晶に対面する
当該内壁部材表面温度を２００℃以下にするとともに、
原料融液表面から２５０mm以上上部の結晶部位の平均的
な温度を６００℃以下に制御したことを特徴とする単結
晶の製造装置。