JPS61158897A - 化合物半導体単結晶の引上げ方法 - 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】 ケ）　　技　　術　　分　　野 この発明は、長尺の化合物半導体単結晶の引上げ方法及
び装置に関する。

化合物半導体は、Ｉ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−■族化
合物半導体などがある。

１［−Ｖ　族生ｉＬ体トＬ、テ、例えばＧａＡｓ　１Ｇ
ａＰ　。

ＩｎＰ　、　　ＩｎＡｓ　、　ＧａＳｂ　、　　ＩｎＳ
ｂなどがある。

■−■族半導体としては、例えばＣｄ’ｓ　、　ＣｄＴ
ｅ、Ｚｎ５ｅ　、、ＨｇＳなトカある。

イ）従来技術とその問題点 化合物半導体単結晶の成長方法として、液体カプセル引
き上げ法（ＬＥＣ法）が使われることが多い。液体カプ
セルで覆われた原料融液に、種結晶を漬け、回転させな
がら引上げ、単結晶を、これに続いて成長させる方法で
ある。

Ｖ族元素、■族元素などは蒸気圧が高く、化合物の鵬点
の近くでは、これら元素の揮散を防ぐ必要があり、この
ため液体カプセルを用いる。液体カプセルに高圧を加え
るため、容器内には不活性ガス又は窒素ガスを数十ａｔ
ｍ程度まで充填する。

半導体であるから、半絶縁型（Ｓ　Ｉ　：　ＳｅｍｉＩ
ｎｓｕｌａｔｉｎｇ　）　、及びｎ型、ｐ型のもツカあ
る。

不純物によって、これら電気的特性を決定することがで
きる。

不純物を入れる場合と、入れない場合がある。

いずれＫしても、るつぼの中に原料多結晶、又は原料単
体元素や不純物を、最初に１回チャージするだけで、途
中で原料を補充する、という事は行われない。

単結晶インゴットは２インチから、３インチのものが引
上げられるが、実用的な意義の高いものは、直径が大き
く、長さも十分長いものである。

インゴットは薄くスライスされてウェハにし、ミラーウ
ェハに仕上げて呂荷される。デバイスメーカーは、ウェ
ハ上にエピタキシー、蒸着、熱拡散、エツチングなどの
ウエハプロセヌを実行して、エレクトロニクス素子を数
多く製造する。従って、ウェハは広い方がよいし、ひと
つのインゴットから、多数のウェハが取れる、という方
がよい。素子１個あたシのコストが低下するからである
。

ところが、引上げられる単結晶の大きさは、最初にるつ
ぼ内ヘチャージされた原料多結晶の分量によって制限さ
れる。

多くの場合、単結晶の直径の２倍の直径（内径）を持つ
るつぼが用いられる。つまり断面積にして、引上げるべ
き単結晶の４倍の断面積をもつるつぼを用いる。るつぼ
の高さは、あまシ高くない。

単結晶引き上げ中に、単結晶の直径などを観察しなけれ
ばならないが、これは覗き窓から目視する、という事が
多い。覗き窓は、耐圧容器の斜め上方にあるが、視野は
狭く、必ずしも、単結晶の育成状態を明瞭に知りうると
はいえない。熱電対によシ、るつぼ、ヒータの温度を測
定し、間接的に単結晶の直径を推測する、という事も可
能であるが、それでも目視観察は必要である。るつぼが
深いと、融液が減った時に、単結晶の下方が見えなくな
る。

このため、引き上げられる単結晶の長さには制限がある
。例えば、るつぼに原料多結晶を４０００　ｇチャージ
したとする。全量を引上げるということはできない。不
純物の析出が起ったシして、下端は良い単結晶にならな
いからである。せいぜい３０００〜３５００　ｇ分しか
引き上げることはできない。

密度が約５として、３インチウェハを取るため、約３イ
ンチの単結晶を引上げるとすると、１４〜１６ｃＷｔの
長さの（直胴部が）ものしか得られない。

るつぼの直径は、単結晶の直径の約２倍、るつぼの深さ
は、単結晶の直径にほぼ等しい、というのがＬＥＣ法の
常識である。

もつと大きな単結晶を引き上げたいという強い要求があ
る。このためにはるつぼを大きくする、という事が考え
られる。しかし、るつぼはそれ自体高価なものであるし
、広くするとるつぼのコストがよシ高くなる。また、液
体カプセルもより多く必要になシ、コスト的にかえって
不利になる、ということもある。

さらに、不純物をドープする場合、偏析係数が１より小
さいので、単結晶引き上げが進行するとともに、不純物
の濃縮が起こり、析出、双晶などの発生のため、途中で
成長を中断しなければならないという事もある。

り）＠的 るつぼを大きくすることなく、よシ長い単結晶を引上げ
るようにすることが、本発明の目的である。この単結晶
は、不純物を含まないもの（ノンドープ）であってもよ
いし、不純物を含むものであってもよい。いずれにして
も、従来の方法によるよりも、長い単結晶を引上げる、
というのが本発明の目的である。

に）発明の方法と装置 原料多結晶のチャージを最初に１回だけ行うのではなく
、引き上げ中に、連続的に多結晶を原料融液の中へ補給
してゆく。化合物多結晶は、予め、棒状や円筒状に形成
しておき、これを適当な筒体で囲み、液体カプセルで覆
い、適当なスピードで融液中へ溶かし込んでゆくのであ
る。こうすれば、るつぼ中の融液の減少を補うことがで
き、長い単結晶を引き上げることができるのである。

第１図によって本発明の詳細な説明する。

これは、全体を、高圧容器によって囲まれた一部を示し
ている。高圧容器の中には、窒素ガスや不活性ガスを充
填し、液体カプセルを押えるようになっている。このよ
うな構成は周知であるので、容器などの図示は省略した
。

１は円筒形状の融液加熱ヒータである。回転昇降可能な
下軸２の上端にはサセプタ３が取付けである。るつぼ４
がサセプタ３の中に装入されている。るつぼ４は、ＰＢ
Ｎ、ＢＮ、石英などによって作られている。

るつぼ４の中には、原料融液５があシ、融液加熱ヒータ
１からの熱を受けて、液体状態を保っている。原料融液
５は、不純物を含まない場合もあり、意図的に不純物を
添加している場合もある。

原料融液は、■−■族化合物、又はＩ−Ｖｌ族化合物の
多結晶又は単結晶を融かしたものである。

原料融液５は、液体カプセル層６によって全面が覆われ
る。これは■族、■族元素の逃げを防ぐ。

液体カプセルは、原料融液がＧａＡｓ　、　　ＩｎＡｓ
などの場合、Ｂ２Ｏ３テある。Ｇａｒｂ　Ｃ）場合は、
ＫＣｌ　／　ＮａＣ１共晶材料である。

これらの装置は高圧に耐える容器の中に設けられている
。耐圧容器の上方からは、垂直方向に上軸１３が垂下さ
れ、下端に種結晶７が取付けである。上軸１３は回転昇
降自在である。

上軸１３を下げ、種結晶７を原料融液５の中へ漬け、引
上げてゆくと、単結晶８が種結晶７に続いて成長してゆ
く。

以上の構成は通常のＬＥＣ装置と同じである。

本発明に於ては、原料融液を構成する化合物と同じ化合
物の多結晶又は単結晶９（単に補給結晶という）を原料
融液５の中へ徐々に差入れて、融液面が下降するのを防
ぎ、長い単結晶を作るようにする。

補給結晶９は、原料融液５と全く成分比が同一であって
もよい。ノンドープの゛場合は、いずれもノンドープと
なり成分は同一である。

原料融液が、不純物を含む場合、偏析係数が１より小さ
いものであれば補給結晶９はノンドープの化合物である
のがよい。偏析係数が１より大きい場合、補給結晶９は
不純物を含むものであるのが望ましい。これは、単結晶
の長手方向の不純物濃度変化をできるだけ抑えるためで
ある。

補給結晶９自体が■−■族結晶であり、原料融液５の中
に漬けると、融けて、融ｉｔＫ混るが、その近傍でも、
高温に加熱されるので、■族元素が極めて抜は易くなる
。

Ｖ族元素の抜けを防ぐ之め、補給結晶９も、液体カプセ
ル層によって覆わなければならない。

このため、補給結晶９を囲む液体カプセル保持円筒１２
を設ける。この下端は、原料融ｇ！５の中にある。液体
カプセル保持円筒１２の中には、液体カプセル層１６が
収容されている。これは、原料融液の上を覆う液体カプ
セル層６と同じものであってもよい。

補給結晶９は、上方から補給結晶支持棒１０によって（
１）下げられており、徐々に原料融ｇ！５の中へ漬して
ゆくようになっている。

円筒１２の中の固液界面１７と、るつぼの固液界面１５
は高さが異なる。

原料融液５を覆う液体カプセル層６は、高熱状態の融液
に接しているから液状を保つのは当然である。しかし、
液体カプセル保持円筒１２の内部の液体カプセル剤は、
融液に接するのではなく固体に接している。補給結晶の
固体は、融液以下であるので、必ずしも液体カプセル剤
が融けるとは限らない。

融液加熱ヒータ１から遠く離れた位置では、補給結晶の
温度が低く、液体カプセルが液体になっていないことが
ある。こ九ではカプセルにならないので、局所的に液体
カプセル加熱ヒータ１４を設けて、液体カプセル剤を融
かすようにしている。

液体カプセル剤は、保持円筒の中では、るつぼ内の液体
カプセル層６より、Ｈだけ高い液面をもつとする。この
差は、保持円筒１２の内外での固液界面の差り、に起因
している。

耐圧容器の中には、不活性ガス１１による高圧がかかつ
ている。液体カプセル層６．１６の表面の圧力は同一で
ある。液体力グセルの密度と、原料融液の密度の違いに
よって、補給結晶９を囲む液体カプセル層１６の液面は
高くなる。

原料融液の密度をρ。、液体力プセ／Ｉ／層の密度をρ
１とする。液体カプセル保持円筒１２の内外での固液界
面１５．１７の差ｈ１、と液体カプセル層の液面の差Ｈ
は、 ρ１ の関係がある。

例えば、ｃａＡｓ単結晶の場合、融液の密度ρ。が５．
７　夛釉、液体カプセルＢ２Ｏ３の密度ρ１は、１　、
５　ｇ／ｃｍ３である。Ｈ／ｈ　、は約２．６である。

ｈ、は、保持円筒１２へ予め充填した液体カプセル剤の
分量によって決まる。保持円筒１２の中へ入れた液体カ
プセル剤の分１が少いと、ｈｌは小さく、Ｈも小さくな
る。

保持円筒１２の中へ入れる液体カプセル剤の分量を増加
すると、液体カプセル剤の重みが増え、ｈｌが増加する
。このためＨも増加する。固液界面ｈ１は、その最大値
がｈであることは明らかである。

ｈは、円筒の下端と、円筒外の固液界面１５との距離で
ある。

結局、液体カプセル剤の高さＨば、その最大値Ｈｍａｘ
が ρ　ｌ で早見られる。すると、液体カプセル保持円筒１２をる
つぼの原料融ｇ！５内へ深く差込んで、この保持筒１２
の中へ液体カプセル剤を多量に充填しておけば、液体カ
プセル保持円筒１２内のカブ−ａ　／Ｌ／液面Ｈを高く
する事ができる。

もちろん、補給結晶９が長い場合、上方は、液体カプセ
ル層１６によって覆われず、露出することになる。しか
し、露出部分は、融液加熱ヒータ１より遠く離れており
、温度も低いから、Ｖ族元素の逃げは少い。問題になら
ない程度である。

第１図に示すものは、補給結晶が棒状であるので、十分
な断面積をとることができないし、また、るつぼの回転
運動に対する摂動として働く可能性もある。

補給結晶９を囲む液体力ブセ）Ｖ保持筒１２の存在のた
め（で、るつぼの回転による融液の回転運動が妨げられ
、流れが不規則になる、ということもあシうる。

このような場合には、第２図に示すような装置を使えば
よい。

この例では、補給結晶９′は円筒形状に形成されている
。るつぼ内径に近い外径を持つ円筒形状である。

補給結晶９′を囲むためて、同心円状の二重円筒１２．
１２　　を用いている。二重円筒の液体カプセル保持円
筒１２　．１２の中に液体カプセル層１６を設ける。

補給結晶９′は数ケ所を補給結晶支持棒１０．１０・・
・・によって支持されている。

液体カプセル加熱ヒータ１４は、内側と外側の二重のコ
イル状になっている。液体カプセル加熱ヒータ１４は、
液体カプセル層１６の上端を加熱する。

（９）　　効　　　果 （１）長尺の単結晶を引上げることができる。るつぼの
大きさを大きくすることなく、補給結晶を融液の中へ入
れてゆくので、補給結晶が続く限シ、単結晶を引上げて
ゆくことができる。

るつぼを大きくするためには、るつぼそのものタケでな
く、サセプタ、ヒータなども大きくしなければならない
が、本発明によれば、そのような欠点を克服することが
できる。

（２）もしも不純物を含む単結晶の引上げて使った場合
は、補給結晶の不純物濃度を適当に設定することによシ
、不純物濃度の一様な単結晶を引き上げることができる
。

Φ）　　適　　用　　範　　囲 ＬＥＧ法によって製造される化合物半導体の全般に適用
できる。ＧａＡｓ　、　ＧａＰ　、　ＩｎＰ　、　Ｉｎ
Ａｓ　。

ＩｎＳｂ　すど（７）Ｉｌ［−Ｖ族化合物半導体、Ｃｄ
Ｓｅ　、　ＣｄＴｅ、ＺｎＳ　ｅなどのＵ−Ｖｌ族化合
物半導体の単結晶引上げに用いることができる。

ノンドープの単結晶にも使えるし、不純物ドープの単結
晶の成長にも使うことができる。不純物をドープする場
合は、補給結晶の不純物濃度を適当に定める事によって
、均一性の高い単結晶を引上げることができる。

【図面の簡単な説明】

Ｓｇ　１図は本発明の化合物半導体単結晶引き上げ装置
の一例を示す縦断面図。 第２図は本発明の化合物半導体単結晶引き上げ装置の他
の一例を示す縦断面図。 １　・・・・・・融液加熱ヒータ ２・・・・・・下　　軸 ３・・・・・・サセプタ ４・・・・・・る　つ　ぼ ５・・・・・・原料融液 ６　・・・・・・　液体カプセル層 ７・・・・・・種線　晶 ８・・・・・・単結　晶 ９．９′・・補給結晶 １０・・・・・・補給結晶支持棒 １１・・・・・・不活性気体 １２・・・・・・　液体カプセル保持円筒１２′　・・
・・　液体力プセ／Ｌ／保持二重円筒１３・・・・・・
上　　軸 １４・・・・・・　液体力デセル加熱ヒータ１５・・・
・・・固液界面 １６・・・・・・　液体カプセル層 １７・・・・・・固液界面 Ｈ・・・・・・　原料融液の液体カプセルの上面から多
結晶を被覆する液体力プセ／Ｌ／Ｍｌの上面までの高さ ｈ　・・・・・・　液体カプセル保持円筒の下端から、
原料融液と単結晶の固液界面との距離 り、・・・・・・　液体カプセルの保持円筒の中の液体
カプセル層と融液の界面と、るつぼ内の原料融液と液体
カプセル層の界面との距離 発明者　　　　河　崎　亮　久

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）融液加熱ヒータ１によつて加熱され、るつぼ４の
   中に収容された化合物半導体の原料融液５を液体カプセ
   ル層６で覆い、上方から種結晶７を漬して引上げること
   によつて原料融液５から単結晶８を引上げる化合物半導
   体単結晶の引上げ方法に於て、るつぼ４の原料融液５の
   中へ、液体カプセル層１６によつて少なくとも下方が被
   覆された補給結晶９、９′を、原料融液５の中へ差入れ
   て溶解してゆくことを特徴とする化合物半導体単結晶の
   引上げ方法。
2. （２）るつぼ４を支持するサセプタ３と、サセプタ３を
   支持し回転昇降自在に設けられる下軸２と、種結晶７を
   下端に取り付け回転昇降自在に設けられる上軸１３と、
   るつぼ４の中の原料融液５を加熱する融液加熱ヒータ１
   と、原料融液５の上面を被覆する液体カプセル層６と、
   るつぼ４の周辺に於て原料融液５の中へ差入れられる補
   給結晶９を囲み液体カプセル層１６を内部に保持する液
   体カプセル保持円筒１２、１２′と、補給結晶９、９を
   上方から支持しこれを下降させてゆく補給結晶支持棒１
   ０と、液体カプセル保持円筒１２、１２′の中へ収容さ
   れた液体カプセル層１６を加熱する液体カプセル加熱ヒ
   ータ１４とより構成される事を特徴とする化合物半導体
   単結晶の引上げ装置。