JPS60239389A - 単結晶引上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）　技術分野 この発明は単結晶引上装置に関する。

化合物半導体単結晶は、発光ダイオード、レーザダイオ
ード、ホトダイオード、電界効果トランジスタなどの基
板として使用される。■−ｖ族化合物半導体は、ＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ、　ＧａＳｂ、　ＧａＰ、　ＩｎＳｂなどが
ある。製造方法は引上法、水平式ブリ・フジマン法など
を用いる。

引上法の場合、■族元素が逃げやすいのＦ、原料融液の
上を液体カプセルで覆い、さらに不活性ガス、窒素ガス
により液体カプセルに高圧を掛けておく。これが液体カ
プセル引上法（ＬＥＣ法）である。

引上げた単結晶は、はぼ円形の断面をもったインゴット
となるから、これを切断した時、円形ウェハ（基板）を
容易に得ることができ、材料の加工損が少い。また、ポ
ート法に比して、高抵抗の基板を得る事ができる。

（イ）　従来技術とその問題点 第４図に従来のＬＥＣ法による単結晶引上装置の断面図
を示す。

サセプタ４の中にるつぼ５が設置され、この中に化合物
半導体の原料融液９と液体力プセｌｖ６とが液状に加熱
されて保持されている。サセプタ４は昇降回転自在の下
軸１１によって支持される。

上方から垂下された昇降回転自在の上軸１０の下端には
種結晶７が固定されている。種結晶７を原料融液９に漬
けて、上方へ回転させながら、徐々に引上げると、種結
晶７につづいて単結晶８が引上げられてくる。

るつぼ５、原料融液９を加熱するのは、サセプタ４を囲
んで設けられるヒータ１５である８、ヒータ１５はカー
ボン抵抗体で、大電流を流すことにより、発熱させる。

耐圧容器１３は縦長の強い容器であり、外壁は水冷しで
あることが多い。縦長であるが、この図ではるつぼ近傍
を拡大して示すこととし、上方の空間の図示を省略して
いる。

耐圧容器１３の中には不活性ガス又は窒素ガス１　１２
が高圧Ｋｆｉ、ＬＪ″う封１２１１“４・０１は液体カ
プセル６を押え、Ｖ族元素Ｐ、　Ａｓ、　Ｓｂが逃げる
のを抑制するためである。

化合物半導体単結晶に要望される条件は、ストイキオメ
トリである事、転位密度（ＥＰＤ）が少ない事、などで
ある。

ストイキオメトリである、というのは■族、■族元素の
数が一対一であって等しいという事である。これは難し
い条件である。ストイキオメトリツクな多結晶から出発
したとしても、昇温してゆく過程で■族元素の蒸気圧が
高くなって、原料融液からＶ族元素が逃げてゆくからで
ある。

そこで、■族、Ｖ族元素単体を、予め■族元素の方が多
くなるようるつぼ５に入れてこれを加熱して溶融し、■
族過剰の原料融液９を作る、という事も考えられる。し
かし、この場合、液体カプセル・６になるべき材料が融
ける前にＶ族元素が加熱されて飛んでしまう、という事
がありうる。これは直接合成法と呼ぶが、これにも難点
・がある。

液体カフセルは、ＧａＡｓ　ｔｙ）場合Ｂ２Ｏ３、Ｇａ
Ｓｂの場合Ｎａ、ＣＩ、　ＫＣｌなどである。゛例えば
、Ｂ２Ｏ３が溶けるのはかなシの高温であって、この時
Ａｓの蒸気圧はかなシ大きくなっている。

原料融液９の温度が融点以上になって引上げを始めた後
も■族元素の逃げは持続する。

液体カプセルを厚くすればよいが、こうすると、カプセ
ル材による粘性抵抗が大きくなり、単結晶の直径制御が
難しくなる。

転位密度（ＥＰＤ）は、ウェハにした時、これを適当な
エツチング液でエツチングした時、表面にエッチピッ）
　（Ｅｔｃｈ　Ｐｉｔ）が現われるので、単位面積あた
りの数を計えてＥＰＤとする。

転位密度は転位の数を示しているから、これが多いと、
格子欠陥が多い、という事である。ＧａＡｓの場合、３
インチウェハで、ＥＰＤは５万〜１０万／−の程度ある
ことが多い。

転位密度が多いと、例えば発光ダイオード、レーザダイ
オードとする場合、転位を源として欠陥が成長Ｉ〜劣化
するので、素子寿命が短い。まだＦＥＴの場合ピンチオ
フ電圧がばらつく、という欠点がある。

転位密度は少なく、しかも均一分布している事が望まし
い。

転位密度を減するには、引上時に於て、固液界面近くの
結晶中の温度勾配を極力低くし、温度勾配を均一にする
のが良い。

原料融液の対流の問題もある。ヒータ１５はるつぼ５の
側面を加熱する。このため、原料融液９には強い対流が
生じる。対流は外周部で上向き、中心部で下向きの流れ
となる。

しかも対流は非定常運動であり、その強さが一定しない
。強弱の波がある。このため、固液界面の等温度面が降
下、上昇し、転位密度のバラつきを招いている。

そこで、強磁場をかけて原料融液の対流を抑制しようと
する思想が現われた゛。ローレンツ力によシ、荷電粒子
の運動を抑え、融液の実効的な粘性を高め、対流を鎮め
ようとする。

しかしながら、粘性を高めることができる程の強磁場を
作る事は大層難しい。磁石が大きくなシすぎる、という
欠点があり、未だ実用的水準に達していない。

このように、温度制御を精密に行い、温度勾配を低くす
る事が望まれるが、従来のように一段のヒータだけを用
いるものでは、温度勾配を自在に制御する事ができない
。

（つ）　発明の構成 温度の制御性を高めるために、本発明は、上下方向に分
離した３段のヒータを設け、３つの異なるヒータ出力を
独立に制御する。

第１図は本発明の単結晶引上装置の縦断面図である。ヒ
ータは上、中、下３段に分けて、互に独立に設けられて
いる。

上ヒータ１、中ヒータ２、下ヒータ３よりヒータは構成
される。上ヒータ１は、固゛液界面Ｓより上にある。中
ヒータ２は、原料融液９とほぼ同じ高さにある。下ヒー
タ３はるつぼ５の底面より下にある。

ヒータ１．２．３はカーボン抵抗体である。

サセプタ４はヒータ群の中にあって、この中にるつぼ５
を支持している。るつぼ５は、例えばＰＢＮ（パイロリ
ティックＢＮ　）などを用いる。サセプ１　．４は１軸
１ｊＫよつア支持ａｈ、ｇｏＴ軸１１は回転昇降自在で
ある。上軸１０も回転昇降自在であり、下端に種結晶７
が取付けられている。

るつぼ５の中には、原料融液９と、液体力プセ／Ｉ／６
が入っている。種結晶７を原料融液９に漬けて、回転さ
せながら引上げると、単結晶８が種結晶７に続いて成長
してくる。

液体力プヒ）ｖ６は、耐圧容器１３の中に充填された不
活性ガス又は窒素ガス１２によって強い圧力を受け、原
料融液９からＶ族元素が逃げるのを防止している。

原料融液は、多結晶材料から出発することもあり、成分
の単体元素から直接合成することもある。

直接合成の場合、合成時は上ヒータ１、中ヒータ２を使
う。引上時は上ヒータ１、中ヒータ２を固液界面、結晶
付近の温度分布の制御に用い、中ヒータ２、下ヒータ３
を原料融液の対流の制御に用いる。

（１）作用 直接合成の場合、液体カプセル材が固体から液体へなる
前にＶ族元素が加熱されて散逸するのを防ぐ必要がある
。

そこで、合成時に、まず上ヒータ１に通電し、カプセル
材を早く溶かして液体にする。この後、上ヒータ１と中
ヒータ２に通電して、単体元素を加熱し多結晶原料を合
成し、さらに融点以上に加熱して原料融液とする。

単結晶引上時は中ヒータ２が最も強いパワーを生ずるが
、上ヒータ１も重要な役割を果す。引上げられた単結晶
が急速に冷却されると、熱応力が生じて転位が発生した
。これを防ぐだめ上ヒータ１にも通電して、引上げられ
た単結晶の冷却速度を遅くする。どのように遅くするか
、という事は上ヒータ１のパワーｐＨと中ヒータ２のパ
フ−ｐＨのパワーの比ＰＩ／ＰＩ［によって自在に設定
できる。

このようにして、固液界面近傍の縦方向、横方向の温度
勾配を小さくすることができる。

次に対流の抑制の点であるが、従来のように単一ヒータ
の引上炉の場合、第２図に示すように、るつぼの側面か
ら加熱されるので原料融液は周辺部で上昇流、中心部で
下降流となる。

本発明では、下ヒータ３を設けておシ、下ヒータ３で加
熱することができる。この場合、るつぼは下底から加熱
されるので、第３図に示すように、原料融液９は周辺部
で下降流、中心部で上昇流となる。このようなことは単
一ヒータの炉では実現できないことである。

固液界面Ｓの中心Ｍに関して、第２図、第３図の対流モ
ードは、擬似的に吸い込みモード、わき出しモードと名
づけることかできる。

従来の構造であると、吸い込みモードしか実現できない
が、本発明によるとわき出しモードを実現することもで
きる。わき出しモードの強さは、下ヒータ３のパワーＰ
ａｌと中ヒータ２のパワーＰ［［の比、ＰＩＩＩ／ＰＩ
［によって調節する事ができる。

そして、なお注意すべきことは、パワー比を適当に選ぶ
ことにより、両対流モードが打ち消し合い、固液界面Ｓ
の中心Ｍの近傍で対流の影響を０にすることができる、
ということである。

（オ）　実施例 以下に実施例を示す。第１図に示す単結晶引上装置によ
って、次の条件により　ＧａＡｓ単結晶を製造した。

原料は、純度が９９．９９９９％の Ｇａ　２０００ｇ　（２８，６９モノｖ）Ａｓ　２１７
５ｇ　（２９，０３モル）　と　、Ｂ２０＋１　６００
ｇ　（液体力ｆセｔｖ）を６インチ直径のＰＢＮるつぼ
の中へ入れてセットした。ＧａＡｓ原料をるつぼ中で直
接合成する。

（１）　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓの合成 窒素ガスで５９ａｔｍの雰囲気に加圧し、上ヒータ１に
通電して上方から加熱しＢ２Ｏ３を溶かす。

ついで、Ｐ）＝１８Ｋｗ、Ｐ■＝１１Ｋｗとして合成を
完了した。

（２１ＧａＡｓ単結晶の引上げ 窒素ガスで２０ａｔＩｎの雰囲気に減圧する。

Ｐ　Ｉ＝１２Ｋｗ、ＰＩＩ−ＩＱＫｗ、ｐＨ−５Ｋｗで
加熱しながら、種結晶７を原料融液９へ降下させて種付
けする。この後、ＰＩ　／ｐＨ−１，２の比を維持しな
がら、中ヒータ２の横のるつぼに接して設け１　た熱電
対によって、中ヒータ２を温度制御しつつ、３インチ径
の単結晶を引上げだ。

（３）３インチ径半絶縁性ＧａＡｓ単結晶直径　約３イ
ンチ 重量　約４０００　ｇ 長さ　１５ｃｍ 平均のＥＰＤはフロント部Ｃ種結晶に近い方）で６．０
００　ａｍ　２、バック部（種結晶に遠い方）で１２．
０００鍋−２であった。

半絶縁性は良好で、比抵抗ρは４〜６　Ｘ　１０７Ω・
−てあった。

合成時のＡｓの散逸量は２５ｇであった。極めて少量で
ある。予め加えだＡｓ過剰量にほぼ等しく、結晶はスト
イキオメトリ−であった。

Ｃ力）効果 （１）原料合成する場合、合成時に於けるＶ族元素の散
逸量が極めて少い。このだめ、ストイキオメトリの制御
が容易になる。また引上装置の内部がＶ族元素の気体に
よって汚染されることが少いので、引上装置内部の清掃
も容易である。

上ヒータ１によシ上部から加熱し、カプセル材を早く溶
融し、液体にして封止作用を早くがら発揮するようにし
たからである。

（２）　固液界面Ｓ及び結晶周辺の鉛直方向の湿度勾配
、水平方向の温度分布を小さくすることが可能である。

上ヒータ１、中ヒータ２のパワーＰ■、ｐＨを制御し、
温度の上下方向のバランスを調節できるからである。　
“ このため、転位の少ない、高品質の単結晶が得られる。

（３）原料融液の自然対流が抑制される。対流の方向、
強さを制御できる。中ヒータ２、下ヒータ３のパワーＰ
［、Ｐａｌを制御して、対流を実効的に停止させること
もできる。

下ヒータ３はるつぼの底部を加熱しわき出しモードの対
流を発生させるからである。

対流による固液界面の変動を減じ、高品質な、つまシ転
位密度が少なく、密度分布が均一な結晶が得られる。

更に、結晶中の不純物のゆらぎが抑制され、ウェハーの
エツチングによっても、そのストリエーションは見−ら
れない。

（キ）　用　途 木兄は■−■族化合物半導体単結晶の製造のだめに広く
用いることができる。ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、Ｇ
ａＰ・・などである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶引上装置の、容器の上方を一部
省略した縦断面図。 第２図はるつぼの中の原料融液の吸い込みモードの対流
を示す断面図。 第３図はるつぼの中の原料融液のわき出しモードの対流
を示す断面図。 第４図は従来の単結晶引上装置の、容器の上方を一部省
略した縦断面図。 １　・−上ヒータ ２　・・・・　中ヒータ ３　゛下ヒータ ４　サセプタ ５　・　るつぼ ６　・・・　液体カプセル ７　・・・　、一種　結、〜１１ ８　・単結晶 ９・・・　原料融液 １０　・・上　軸 １１　・−下　軸 １２　・　不活性ガス又は窒素ガス −３・・　耐圧容器 Ｓ　−固液界面 Ｍ−・・・−・固液界面の中心 発　明　者　河　崎　亮　入 子　川　圭　吾 特許出願人　住友電気工業株式会社 日本電信電話公社 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原料融液９と液体力プセｌｖ６を内部に保持するるつぼ
   ５と、るつ９第５を保持するサセプタ４を支持する昇降
   回転自在の下軸１１と、下端に種結晶７を取付けて原料
   融液９に漬けこれに続く単結晶８を引上げるべき昇降回
   転自在の上軸１０と、るつぼ５の周囲に設けられるヒー
   タと、これらを囲む耐圧容器１３とよシなる単結晶引上
   装置に於て、ヒータが上下方向に少なくとも３つの独立
   な上ヒータ１、中ヒータ２、下ヒータ３に分割されてお
   シ、液体カプセル６、原料融液９、るつぼの下底を主に
   加熱する事のできるヒータがそれぞれ存在する事を特徴
   とする単結晶引上装置。