JPS61158892A - 単結晶引上方法およびその治具 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はチョクラルスキー法にて結晶用ｔげを行うに際
し、安定して単結晶を得る方法およびそのための治具に
関するものである。

［従来の技術］ 結晶成長に際し単結晶を得る為の条件の１つとして固液
界面形状を結晶側から流側に凸にすることがあることは
良く知られており、ＨＢ成長（Ｈａｒｉｚｏｎｔａｌ　
Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）　、　Ｖ　Ｇ成長（Ｖｅｒｔｉｃ
ａｌ　Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）　、　　Ｓ　Ｓ　Ｄ成長（
Ｓ７ｎｔｈｅｓｉｓ　５ｄｕｔｅ　Ｄｉｒｆｕｓｌｏｎ
）に於てその報告がされている（たとえば。

赤井慎−他：　「化学物結晶のストイキオメトリ−」東
北大電通研主催第１４回シンポジウム１９７１．１１　
）。チョクラルスキー法に於ても固液界面形状を下に凸
（結晶側から、流側に凸）にすると単結晶化率が向上す
ることは良く知られている。

チョクラルスキー法で固液界面形状を下に凸にする方法
としては第３右図のようにメルトを側壁より加熱し、加
熱されたメルトが側壁に沿って上昇することによって生
じる対流を利用する方法。

第４図のように結晶をルツボと反対向きに高速で回転し
遠心力を利用し表面で外に向かう対流を作り、ルツボ底
を冷やす等して下から冷いメルトを涌き上らせて固液界
面を下に凸ににする方法等が行なわれている。

［発明が解決しようとする問題点］ チョクラルスキー法で結晶を引上げるに際し、融点が８
００°Ｃ以下では輻射はあまり問題にならないが、融点
８００°Ｃ以上の結晶の場合、全体として固液界面が下
に凸であっても、詳細に観察すると、第５図に示すよう
に引上結晶の表面先端部２ａが突出し、固液界面の周辺
部３ｂは常に下に凹になっていることが成長縞模様のエ
ツチングによる観察から判かる。

これは結晶周辺部は結晶を通しての熱の流れが大きく、
結晶表面の輻射による熱放散が大きい為に温度が低下し
、結果として周辺部２ａの固液界面が下がり、下に凹に
なることによるものである。

結晶周辺の固液界面が下に凹ということは、結晶成長が
周辺から始まって内部へ進行することであり、周辺での
何らかの異常成長が生じた場合内部へと波及していくこ
とになる。

周辺部は温度ゆらぎや浮遊物による異常成長の最も起き
易いへ箇所であるので、単結晶を引上げるときには浮遊
物を無くすか若しくは影響を排除するようにし、温度ゆ
らぎを極力少なくするようにしているが、単結晶を安定
的に得ることは困難で、たとえ上部が単結晶であっても
結晶底部近くは多結晶化することがしばしばである。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明は上記の事情にみ、鑑み、上記の欠点を解消して
安定的に単結晶を引上げる方法およびそのための治具を
提供するものである。

その要旨はチョクラルスキー法にて単結晶を引上げるに
際して結晶の固液界面回りの融点環（Ｆｕｓｉｏｎ　Ｒ
ｉｎｇ　：いわゆるメニスカス）よりの輻射を押さえ保
温し、固液界面を全面に渡って下に凸にすることにより
安定的に単結晶を得るものである。

また、そのための治具としては、引上げ単結晶の外径よ
りも１０〜２ＯＩＩＩｌ大なる内径を有する環状の円板
部と、該環状の円板部に垂直で、引上げ単結晶の外径よ
りも１０〜２０１１Ｉｌ大なる内径を有し、高さが５ｍ
ｍ以上であり、かつ溶液面より浮上する部分の高さが５
ｍｍ以上となるごとく構成した円筒部とから成るもので
ある。

従来技術の問題点で述べたように、固液界面廻りのいわ
ゆる融解環よりの輻射がチョクラルスキー法の場合その
まま外部に発散することが周辺部で固液界面が下に凹に
なることの原因である。

■−ｖ族化合物半導体結晶引上げの場合にはＶ族元素の
蒸発を抑える為にＢよ０．で液封し、その上から分解圧
以上の圧力を不活性ガスでかけるいわゆるＬＥＣ法（Ｌ
ｉｑｕｉｄ　Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　Ｃｚｏｃｈｒ
ａｌｓｋｉ）で単結晶引上げが行なわれている。

しかしＬＥＣ法に於てもＢよＯ）が輻射に対して透明で
ある為、融解環よりの輻射はＢユ　ら　を通して外部へ
放散し１周辺部の固液界面は下に凹になる。

このメカニズムを考察するとメルトから結晶への熱伝達
は物性で定まるものであり、人為的に変え得るものでは
ない、結晶内の熱伝達は結晶の熱伝導率と温度勾配で決
まる。熱伝導率は物性で定まるものであるが、温度勾配
は固液界面と結晶表面までの距離並びに結晶の表面温度
で決まる。結晶の周辺部は表面までの距離が短かい為に
温度勾配が大きく、熱の流れが大きくなり、輻射による
熱放散が著しくなって表面温度は低下する。成長結晶の
直胴部に於ては、固液界面近傍の結晶表面部が固液界面
と結晶表面の距離が最も短かいので融解環と言われるリ
ング状の猛烈な輻射による熱放散が生じている。

一方結晶形状は直胴部径を一定にすることが単結晶ウェ
ハー収率を上げるに必要なことである。

直胴部径を一定にするためには固液界面近傍を、なるべ
く平衡状態に近い状態に維持しておく必要がある。そし
て一定速度で結晶を凝固させ引上げていく必要がある。

上記事情を考え合わせると周辺部の固液界面凹化現象を
解消するには融解環よりの熱輻射を極力押さえることが
有効な手段となることが判る。

融解環からの熱輻射は融液温度が８００℃を越えると著
しく大となる。その理由は５ｔｅｆａｎ−Ｂｏ　ｌ　ｔ
ｚｍ−ａｎｎの法則により説明することができる。すな
わち、固体表面の単位面積から、その上部空間に対して
発散する熱放射エネルギーの全量Ｅは次式で与えられる
。

Ｅ　＝　ｃｒ　（Ｔｇ／＋０００）’　（Ｋｃａｌ／　
ｒｎ’／ｈｒ）　ｃｒ　＝　４．８８＝　５．ｆ３７（
Ｔｇ／＋０００）　　（Ｗ／　ｃｍ’）　−（１）Ｅは
温度に関して指数関数的に増加していく。

たとえば、温度が７００℃の場合はＥ　＝　５．０８Ｗ
／　ｃ　ｍ’程度であるが、温度が８００°Ｃの場合は
Ｅ　＝　７．５２．９００℃ではＥ　＝　１０．７．１
０００℃ではＥ　＝　１４．９と急激に増加することが
わかる。従ってＥ値が急激に増大する８００℃以上の場
合に融解環からの熱放散を防止することが特に有効とな
ってくる。実際にはシリコン単結晶や、　ＧａＡｓをは
じめとする多くの［−Ｖ族化合物半導体結晶の引とげに
きわめて効果が有ることが認められる。

本発明者は融解環近傍からの熱輻射挙動を詳しく検討し
た結果、融解環近傍の一定範囲の熱輻射を防止すれば保
温効果がきわめて大となることを見出し、本発明に至っ
た。すなわち、＠１図において、単結晶側面の固液界面
３ａ点での熱輻射を考えると、３ａ点を中心として四半
空間に対して熱が発散している。モして熱放射線の強さ
は角度θが小さいほど大となる。θが４５度以下の範囲
熱輻射がされめて大きいことが判明した。

また、ＧａＡｓ単結晶引上げの場合、融解環の部分を測
定してみると、融液面との接点３ａよりも上方的５ｍｍ
の単結晶表面が強く輝いているのが観察された。融液面
との接点３ａ部分の結晶表面は、融液温度と同じで最も
高温の部分である。

従って単結晶周辺の固液界面３ａから見て、仰角θが４
５度以上で、融液面からの高さＨが５ｍｍ以上の範囲を
覆えば、固液界面３ａからの熱輻射の大部分を防止する
ことが可能となる。

上記範囲を覆うためには単結晶周辺を円筒で覆えば良い
、これに類似した技術としては特開昭５１−８４４８２
公報に示されるような、いわゆるコラクルと呼ばれる物
が有る。しかしながらコラクルの目的とするところは引
上げ結晶の直径制御であり、環状通路の内径は引上げ結
晶の直径と一致している。しかしこれでは結晶の直径が
拡がり過ぎた場合、結晶がコラクルにつかえコラクルを
持上げてしまう、また、持上げないまでも結晶先端部で
の応力の逃げ場が無くなり、歪に起因する欠陥の原因と
なる。したがって保温治具と結晶との間隙はある程度拡
くとり、しかも熱輻射を防ぐために可能な限り狭くする
必要がある。特に成長結晶先端の固液界面近傍では治具
の影響を避けるために、　　５＋ｕ＋以とは離しておく
と良い。あまり拡げすぎると保温の効果が減するからせ
いぜい１０ｍｍ程度とすべきである。

また、融液面上部にある成長結晶に関しては。

なるべくゆるやかな温度勾配で徐冷することが歪の無い
結晶を得る上で必要なことである。融解環から上の部分
については、結晶表面部においても結晶中心部の温度勾
配と同じにして直径方向の温度分布を均一化できれば理
想的である。結晶と治具をあまり接近させすぎると、治
具で覆われる部分は均熱化するがその直上で温度勾配が
きつくなり過ぎ、結晶の歪が大きくなる。したがってこ
の部分についても結晶と冶具との間隔は少くとも５ｍｍ
は必要であるが、固液界面より狭くすることが保温上効
果がある。

以上詳述したとおり、引上げ単結晶周辺の５〜１０ｍｍ
の範囲を、引上げ単結晶周辺の固液界面から見て仰角４
５度以上、融液面からの高さ５ｍｍ以上の範囲にわたっ
て覆えば、融解環からの輻射伝熱を抑え、結晶先端の固
液界面を常に下に凸に保って結晶成長を続けることが可
能となる。

次に本発明の方法を実施するための治具について説明す
る。

治具の材質としては高温に酎え、しかも融液や封止剤に
対して安定であるものでなければならない、使用できる
材料は、窒化硅素（ＳｉｊＮ＠　）、窒化硼素（ＯＮ）
　、窒化アルミ（Ａ文Ｎ）などのセラミックやモリブデ
ン（Ｍ、）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属がある
。　ＧａＡｓ単結晶引上げの場合、　ＧａＡｓ融液の比
重は５．７（ａｔ　１２３８℃）、封止材であるＢ、　
　Ｏ，の比重は約１．５であるので、比重２．３〜３，
２の上記セラミックを使用すると、治具を融液面上封止
材中に浮遊させることができるので特に都合が良い。Ｍ
、やＴａの場合は比重が１０〜１２と大きいので融液内
に沈下してしまうので、倍型構造として浮力を持たせる
か、別途支持具が必要となる。炭素はＢ、ＯＪ融液と反
応するので使用できない。

治具の構造は第２図に示すように内径が引上げ単結晶の
直径りよりも１０〜２０ｍｍ大きな環状体であって、円
板部８と該円板部に付属する高さ５１以上の円筒部９と
から構成されたものである０円板部８と円筒部８とは一
体構造であっても分割構造であってもかまわない。

円板部８は治具を融液表面４に安定して浮上させるため
のものである０円板部８が融液面４の上部に露出すると
円板部８からの熱放散が大きくなり、融液温度が低下す
るので、円板部８は融液１中に没するよう１円筒部８の
重量を考慮して厚さｔと巾Ｗを決めれば良い。

円筒部８は成長結晶の周囲に配置して融解環からの熱輻
射を防止するためのもので、前記円板部８に付属して配
置される０円筒部９の内径ｄユはやはり引上げ単結晶の
直径りよりも１０〜２０５ｍ大きいことが必要であるが
、円板部Ｂの内径ｃｉｔ　　と同じであっても異なって
いても支障はない。

円筒部９の高さＨは、引上げ結晶の融解環の巾よりも大
きく　５層層以上とし、かつ、融液面より上に浮上する
部分りが５＋ｅｍ以上とする必要がある。

したがって円筒部８の高さＨは通常１０〜２０■■とす
れば良い。

円筒部８は熱放散を防止するためいろいろな構造が考え
られる。その実例を第６図〜第９図に示す、たとえば第
６図は円筒部８を複層環構造としたものである。厚さ２
〜３層層の薄い環筒８ａ〜９ｅを１〜２ｍｍの間隙１０
を設けて同心円状に配置したものである。環筒９ａ〜９
ｅの間隙１０はなるべく小さい方がよい０間隙１０部は
封止材５が入ってもよいし、石英ウール等の断熱材を入
れても良い。

円筒＠１８を複層構造とすることにより融解環からの輻
射熱は各環筒壁面で反射されて上下に拡がるのを防止し
、融解環部を効果的に保温することができる。この治具
を作るには環状の円板部８の上面８ａに環筒９ａ−９ｅ
の入る同心円状の溝１１を刻んでおけば良い、第６図で
は環筒９ａ〜８ｅの上部に蓋となる環１２を置いて保温
効果を助けている。

第７図は１円筒部８を複層構造とし、さらに円筒部８の
上部の蓋となる環１２も複層構造となしたものである。

蓋も複層構造とすることにより、封止材上方への輻射熱
も効果的にさえぎることが可能となる。第７図の例では
環状の円板部８および環筒部８の内径は大きくとって結
晶成長時の歪発生を防止し、蓋となる１１１０の内径ｄ
、は環筒部８の内径ｄ　よりも小さくして保温効果の向
上をはかっている。

第８図および第９図は円筒部８の背面に石英ウールまた
はＳｉＣクールの断熱材１３をはめた構造のものである
。第８図は円筒部９を断熱構造としたものであり、第９
図は円筒部９およびｉ１２を断熱構造とした例である。

断熱材はあらかじめ環状に成形したものをはめ込めば良
く、きわめて簡単な構造で保温効果を高めることができ
る。

［実施例］ 第６図に示す構造の保温冶具を使用してチョクラルスキ
ー法により直径２インチのＧａＡｓ単結晶の引上げを行
った。浴の条件は次のとおりであった。

ルツボ内径　：　　　１５０＋ｓ腸 ＧａＡｓ装入量　：　　　２．５Ｋｇ　（Ｓｉドープ）
封　　止　　材　　：　　　Ｂ、　　０．　　８５０ｇ
　　（高さ２４■）治具は第６図の形状で材質はＳｌｊ
　％　　（比重：３．１？）　、円板８は巾２０＋ｓ腸
の環状で厚さ８ｍ履１円筒部９は厚さ２ｍｍ高さ：１５
ｍｍの環筒５本を互の間融１．５ｍｍで円心円状に配置
した。上蓋１２は内径６０＋ｓ＋＊、外径　１００１ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍとした。

上記の保温治具を使用し、他は通常の引上げ条件の基づ
いて結晶を引上げたところ、得られた単結晶の直径は平
均５０．４ｍｍ、直径変動は±３ＩＩ１以内のものであ
った。また成長縞観察によると固液界面形状は直胴部に
おいても下に凸な結晶が得られ、安定した引上げ操作が
行われたことを示していた。さらに固液界面近傍の径方
向の温度分布が改善されたことにより、結晶中のＥＰＤ
（エツチングピット富度）は全面に渡ってＩＱ−’ｃｍ
−２以下であった。

（本発明の、効果） 本発明によればチョクラルスキー法にて融点が８００℃
以上の単結晶を引上げるに際して、引上げ結晶の固液界
面近傍を保温することにより、引上げ結晶先端部の固液
界面を完全に下に凸に保持して引上げをおこない、多結
晶化を防止し、均質で歪の少ない単結晶を安定して得る
ことができる。

また、本発明による治具は浮力を利用して融液表面の一
定位置に治具を保持することが可能であり、固液界面を
観察しながら結晶成長を制御することができ、しかも効
果的に固液界面を保温できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を示す説明図、第２図は本発明の
治具を示す図で、ａは断面図、ｂは平面図である。第３
図、第４図は従来の方法を示す説明図、第５図は従来の
方法による結晶先端部の詳による治Ｙの実施例を説明す
るための断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）チョクラルスキー法にて単結晶を引上げるに際して
   、引上げ単結晶周囲の固液界面から見て仰角４５度以上
   で、融液面からの高さ５ｍｍ以上で、かつ、内径が単結
   晶外径よりも１０〜２０ｍｍ大であるところの固液界面
   保温治具を、引上げ単結晶周囲の融液面上に配置するこ
   とを特徴とする、単結晶引上方法。 ２）チョクラルスキー法にて単結晶を引上げるに際して
   、引上げ単結晶と融液との固液界面に配置して固液界面
   を保温するための治具であって、該治具は引上げ単結晶
   の外径よりも１０〜２０ｍｍ大なる内径を有する環状の
   円板部と、該環状の円板部に付属し、引上げ単結晶の外
   径よりも１０〜２０ｍｍ大なる内径を有し、高さが５ｍ
   ｍ以上であり、かつ融液面より浮上する部分の高さが５
   ｍｍ以上となるごとく構成した円筒部とから成ることを
   特徴とする単結晶引上げ用保温治具。 ３）円筒部が複層環構造であることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の単結晶引上げ用保温治具。 ４）円筒部がセラミックと断熱ウールとの積層構造であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の単結
   晶引上げ用保温治具。 ５）環状の円板部の内径が円筒部の内径よりも大である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の単結晶引
   上げ用保温治具。 ６）環状の円板部の一部および円筒部が複層構造であり
   、該複層構造の環状の円板部が円筒部の上部に配置され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
   単結晶引上げ用保温治具。