JPS61286296A - 半導体単結晶の成長方法および装置 - 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】 （ト）技術分野 この発明は、ＧａＰ　、　ＧａＡｓ　１ＧａＳｂ　１１
ｎＰ　１１ｎＡｓ。

Ｉｎ、Ｓｂ　、　Ｓｉ　、　Ｇｅ　　なと半導体単結晶
の直径制御を好握に行うことのできる結晶成長方法及び
装置に関する。

（イ）従来技術とその問題点 チョクラルスキー法や液体封止チョクラルスキー法で単
結晶を引上げると、断面が円形である単結晶インゴット
を得る事ができる。理想的には直径が一定の円柱形のイ
ンゴットであることが望ましい。単結晶の直径を一定に
するため）Ｃ１様々な工夫がなされている。

従来の、単結晶の直径制御法は２つに大別される。

（１）温度による直径制御法 ′固液界面近傍の融液の温度が高ければ、単結晶の直径
は細くなり、温度が低ければ、単結晶の直径は太くなる
。炉内の適当な位置に設けられた熱電対によって温度を
測り、これに従って、ヒータの発熱量を変化させ、成長
温度を制御する。これは、最も一般的に用いられており
、コンピュータにζよって自動直径制御することも多い
。

（２）コラクルによる直径制御法 リング状の部材を融液の中へ入れて（コラクルという）
これエリ直径が大きくならないようにする。コラクルの
直径を、望ましい単結晶の直径より少し大きくしておく
。コラクルによって単結晶の直径が抑えられるから、肥
大を防ぐことができる。

この他に、単結晶と融液との間の相対回転の速さや引上
げ速度も単結晶の直径変化に影響を及ぼし得るが、回転
数や引上速度は通常一定に保持する事が多い。直径制御
のために、引上げ速度、回転数を変数として制御する事
はない。

温度による直径制御法には次の難点がある。

熱電対の出力が、炉内の雰囲気の対流に影響されやすく
温度測定値のふらつきが大きい、という事がある。熱電
対は、ヒータの近傍やるつぼ下底の温度など測りやすい
ところを測っている。これは必ずしも融液温度の変化を
忠実に反映するわけではない。融液温度を実際には知る
ことができない。もうひとつは、融液温度を変化させて
から、実際は結晶の直径変化に効果が生ずるまでに、時
間遅れがある、という事である。

このため、急に直径が過度）ζ肥大したり、急に細くな
ったりした場合、温度制御法では対応が°できない。コ
ンピュータを用いた自動直径制御（ＡＤＣ）方式であっ
ても基本的には温度変化によって直径を制御するもので
ある。このため応答が遅く、急な変動には追随できない
。

コラクルを用いる方法は、コラクルから融液中に溶けこ
む不純物が結晶にとりこまれる、双晶などの結晶欠陥が
発生しやすいなどの欠点があった。

ゆ）目　的 単結晶の引上げに於て、急激な直径変動が起った場合に
、これに迅速に対応できるような応答の速い直径制御方
法とそのための装置を提供することが本発明の目的であ
る。

コラクルを用いると、単結晶が不純物によって汚染され
る惧れがある。コラクルは用いず、温度制御と併用して
、応答性の優れた直径制御を実現する。

に）新たな発見と考察 単結晶成長装置に於て、強い磁場を印加して、単位密度
の低い単結晶を引上げる、という事は、既に提案されて
いる。

強い磁場の中で、融液の原子は強いローレンツ力を受け
るから、動きに（くなる。このため対流が抑制され、固
液界面が安定する。磁場によって、みかけ上、粘性が増
加したように見えるので磁場粘性ということもある。固
液界面がふらついていると、単結晶を縦に切断して、適
当なエッチング液でエツチングした時、成長縞が現われ
る。磁場を掛けると、成長縞が薄くなり、ピッチも広が
る。

それゆえ、転位密度も少なくなる、と提案者達は主張す
る。しかし、対流を抑制すると、温度勾配が強くなるの
で、果して、それが、転位密度を低下させる上で有効か
どうかという点（ζ疑問がある。

転位密度の多少は、融液の温度勾配や固液界面の温度勾
配だけでなく、冷却ゾーンの温度分布にも関係がある。

磁場法を提案した人達の報告によっても、転位密度の低
下が、磁場によってもたらされたのか、温度勾配の選択
によってもたらされたものか明確でない。

磁場を加える事によって、荷電粒子の動きが抑制される
というのは事実であろう。しかし、融液の対流は、熱平
衡への回帰運動なのであるから、これは温度分布を融液
の中で均一にしようとする働きがある。

磁場は、この対流を妨げるのであるから、熱平衡から遠
ざかる運動である。すると、融液中の温度勾配が大きく
なりやすい。融液中の温度勾配の高まりは、単結晶側に
於てどのような温度分布の変化をもたらすのか明白でな
い。

本発明者は、むしろ、磁場印加によって転位密度が減少
したのではなく、別の要素が働いて転位密度が減少した
のではないかと考えている。るつぼとヒータの高さの関
係や、不純物添加などが転位密度と、重大な関係をもっ
ており、磁場の効果だけを取り出した、再現性の高い実
験はなされていないと、本発明者は考える。

掩：いずれにしても、転位密度を減少させるために磁場
を加える、という場合、磁場は静磁場であるのが望まし
いわけである。

転位密度が磁場の函数として、磁場の強さとともに減少
するものだとすれば、磁場の大きさが変動す糺ば゛、転
位密度も変動してしまう。

転位密度というものは、少ないということとともに、ウ
ェハ内或はインゴット内で均一である、ということが重
要である。従って、磁場は変動してはならないはずであ
る。

これは厳密な意味で、静磁場でなければならない、とい
うことである。

交流を整流し、平滑しない場合、脈流となる。

脈流による磁場は、直流磁場といえる。しかし、このよ
うな磁場であっても役に立たない。たとえば、引上速度
を１２８／Ｈとすると、６０Ｈ２の脈流として、１周期
の間に５５０Ａ程度成長することになる。格子間隔でこ
れを割ると、１周期内で約、１００層分成長する、とい
う事が分る。

これは、６０Ｈ２の脈流による磁場であっても、原子レ
ベルでみれば静磁場でないという事である。

つまり、転位密度のようにミクロスコピックな量−を制
御するためにもしも磁場が本当に有効であるとすれば、
それは静磁場でなければならない。

つまり、従来、提案されてきた磁場印加法に於ける磁場
は静磁場であって変動しないものである。

本発明者は、転位密度を減する上で、磁場の効用が存在
するかどうか疑問であると思う。しかし、磁場の変動に
よって、単結晶の直径制御を行うことができる、と考え
た。

磁場そのものは役に立たないが、磁場の変動ｔ；よって
、直径を迅速に変化させることができるのである。これ
は、本発明者が初めて着想しえたダイナミズムであろう
。

温度分布や温度の全体のレベルを昇降させるために、ヒ
ータ電流を変動させる。しかし、ヒータ電流の変化は、
すぐに温度変化をもたらさない。

かなりの時間変化がある。

第２図はヒータ電流を変化させた時の、るつぼ下底に於
・ける温度の時間変化を示すグラフである。

横軸は時間（分）、縦軸は温度増加分である。

旭−夕電流を増しても、２分はどは殆ど変化がない。２
分後に少しづつ立上る。いちどオーバーシュート（１２
分程度で）があって、安定するのに約１５分かかる。

ヒータ電流を増すと発熱量が増え融液が加熱される。融
液の温度も上昇するが、新しく、放熱と吸熱のバランス
する温度で平衡する。しかし、融液内の温度は、平衡状
態にないから、全体で平衡するまでに長い時間がかかる
わけである。

磁場の場合は違う。

磁場を印加するのは電磁石に大電流を流すことによって
行うが、電流と磁場の発生シで時間遅れはない。原料融
液は、殆どが中性原子からなり、一部に電離したイオン
が存在する。プラズマ状態ではない。従って、融液は強
磁性又は反強磁性ではない。常磁性であるか又は弱い反
磁性である。従って、磁場形成について時間遅れは全く
存在しないＯ 本発明者は、さらに、固液界面の近傍の温度分布が磁場
印加によってどのように変化するのか実験によって確め
た。

第３図は固液界面の近傍に於ける等混線を示している。

破線は磁場のない時の等混線である。るつぼは周囲から
加熱されるので、中央よし周辺の方が高温である。等混
線は真中で低く両端で高くなる。下に凸の曲線である。

ところが、磁場がない場合、周縁と中央で、温度差は少
ない。

磁場を加えると、実線で示すような等混線になる。下に
凸である点は同じであるが、中央と周縁での温度差が著
しくなる。

この理由は、次の二うに考えられる。固液界面近傍の熱
は、液体カプセル剤への熱伝導によって上方へ逃げてゆ
く。また単結晶を通じて逃げる分もある。液体カプセル
剤は断熱性が高く、単結晶は比較的、熱をよく通す。

このため、融液の中央部は冷却されやすいし、ヒータの
熱も周縁に比較して届きにくいので、加熱が十分になさ
れない。このため、中央部は周縁度差はそれほど大きく
ない。磁場をかけると、対流が抑制されるので、中央部
と周縁部の温度差が拡大してしまう。このため、た、磁
場印加時の等混線プロフィルは深いＵ字型となるのであ
る。

固液界面は、その単結晶（化合物又は単体）の融点の等
温面であるはずである。等温面であるから、磁場によっ
て、深いＵ字型になる。

本発明者は、このようなことを、実験によって知った。

そして、単結晶を成長させている時、磁場を強くすれば
、固液界面が深（なり、直径は減少する、という事も分
った。反対ｔζ磁場を弱くすれば、固液界面が平担にな
り引上げている単結晶の直径は増加する、という事も分
った。

固液界面の変化は短時間に起こる。この時間遅れは２分
以内で、約１分径度である。これは表層部に於ける対流
の強弱の変化だけの問題だからである。この点、ヒータ
電流による温度変化よりも著しく応答が速い、というこ
とができる。

）に）構　成 一本発明の単結晶引上装置を第１図によって説明する。

チャンバ１は高圧に耐える容器で、中に不活性ガスを導
入し数十ａｔｍに維持できる。

チャンバ１の上下には、回転昇降自在の上軸２と、下軸
３が設けられている。

下軸３の上にはるつぼ４がサセプタによって支持される
。るつぼ４の周囲には、カーボンなどの抵抗加熱ヒータ
５が設けられる。

上軸２の下端には種結晶６を取付ける。単結晶７が種結
晶６に続いて、原料融液８から引上げられる。原料融液
８の上は、封止剤９によって覆われる。不活性ガス、窒
素などを数十ａｔｍの高圧になるよう充填し、封止剤９
から揮発しゃすい成分れる。この他にるつぼ４の下に熱
電対を設けることもあり、ヒータに熱電対を付けること
もある。

ここではこれらの熱電対も含めて、熱電対といい、温度
を測定する手段を示すことにする。

さらに、本発明では、磁場センサ１１をるつぼ４の近く
に設ける。ここではるつぼの下底に設けているが、場所
や数は任意である。これは、磁場の大きさを測定するも
のである。

チャンバｌの斜め上方には、のぞき窓１２が設けられる
。これは、単結晶７、原料融液８液体封止剤９、固液界
面１７の近傍を直接に観察するためのものである。

のぞき窓１２に続いて光学的センサ１３を設ける。これ
はたとえば工業用テレビなどであって、ここでは直径を
光学的に測定するものである。

この他にも、上軸２の上に、重量Ｗを測定するロードセ
ルを設け、引上げている単結晶の重量の増加率ｄｗ／ｄ
ｔ　　を測定して、単結晶の直径を検出するセンサもあ
る。このようなロードセルの出力をｄと書く。ロードセ
ルは公知であるので、ここでは図示しない。

゛　このよう）ζして、センサ系統は、４つあることに
なる。

３・光学センサーーーーー直径測定 り１温度センサーーーー・温度測定 Ｃ・磁場センサー−−−・磁場測定 ｄ・ロードセルーーーーー直径測定 これらの８％　ｂ％　　ｃｌ　ｄのセンサ入力を制御シ
ステム１５に与える。制御システム１５は、ヒータの電
力と、チャンバ１の周囲に設けた電磁石１４の電流とを
、８％　　ｂ％　　０％　ｄ入力に従って調整する。

制御システム１５の出力は、ヒータ電力Ｘと、電磁石１
４の電流ｙということになる。出力ｘ１ｙは、入力ａ１
　ｂ％　ｃ、ｄの函数である。

ｘ＝ｆ１（ａ　、　ｂ　、　ｃ　、　ｄ）　　　　　（
１）ｙ＝ｆｌ（ａ　＃　ｂ　＃　Ｃ９ｄ）　　　　　（
２）と一般に書くことができる。

（２）作　用 るつぼ４の中に、原料となる多結晶又は単結晶と、必要
な場合、不純物と、封止剤の固体を入れｈ る。チャンバを閉じ真空に引いてから不活性気体を導入
し、ヒータ５に通電し、るつぼ４を加熱する。

封止剤や原料化合物などが融ける。るつぼ４や、上軸２
は適当な速度で回転している。

上軸２を下降させ、種結晶６を、原料融液８の中へ漬け
る。上軸２を徐々に引上げる。単結晶７が、これについ
て引上る。

最初は、直径を少しずつ拡大してゆく。肩部である。こ
れは温度を少しずつ下げてゆくことにテよってなすこと
ができる。肩部の成長が終ると、直胴部の成長に入る。

ここで、直径制御が重要になる。

温度、磁場を最初適当なレベルに保っておく。

磁場の平衡値ＨＯとする。

熱電対、光学センサ、ロードセルなどで温度や直径を常
時監視する。遅い直径変動は、ヒータ電力Ｘを制御する
ことによって行うことができる。

ところが、ヒータ電力制御を行っているにもかかわらず
、急に直径が過小になったり過大になったりすることが
ある。この場合に電磁石１４の磁場を変更する。

直径が細くなりはじめた場合は、これを太くするため、
磁場をＨｏ　　より弱くする。磁場の変更は電流の変更
によって、瞬間的に行うことができる。

磁場の影響は直ちに固液界面１７近傍の温度分”布に反
映されるから、単結晶の直径は直ちに太くなりはじめる
。温度分布はより平坦なものになるからである。

直径が太りはじめた場合、これを細くするため、磁場を
ＨＯＡり強くする。電流ｙを増加させる。

磁場が増加すれば、固液界面の温度勾配がより急になる
から、単結晶の直径はより細くなる。

急激な直径変動がこれによって防がれる。直径が安定す
ると、磁場の大きさを元の値にもどし、かわりにヒータ
電流を相補的に調整する。

例えば、直径の観測値と設計値の差が０．５Ｂ以上にな
った時に磁場の強さを変動させるようにする。

また直径変化だけでなく、温度変化が急な場合にも、磁
場を変動させる上うにしてもよい。

例えば、降温温度が０．０５℃／ｍｉｎ〜０．２０°ｃ
／ｍｉｎとなった時、又は昇温温度が０．０１℃／ｍ１
　ｎ−１，１２℃／ｍ　１　ｎとなった時、磁場の強さ
にフィードバックさせるようにする。

さらに、磁場の強さは３５０Ｏｅ〜２５００Ｏｅ程度の
範囲で変化させる。

磁場の変化の速さは７．５Ｏｅ／　ｓｅｃ〜１４０Ｏｅ
／ｓｅｅであるようにする。

（４）実施例 この発明を利用して、ＧａＡｓ　　単結晶を引上げた。

条件は以下のようである。

るつぼ　　　　　直径６インチ、ＰＢＮ原　料　　　　
　ノンドープＧａＡｓ多結晶　　４　ＫＰ封止剤　　　
　　ＢｗＯｓ　　　　　　５００．ｇ磁場平衡値Ｈｏ　
　　　　　　　　２０００Ｏｅ基準直径　　　　　　　
　　　　７５ｒＩＬ１！ＬＩｌｆ直径の観測値と基準値
との差がＬ８Ｍとなった時に、磁場を８．６Ｏｅ　／　
ｓｅｅ　〜１　Ｂ、３Ｏｅ　／　ｓｅｃの速さで変化さ
せた。このようにして、ａ、５９１（ｐの単結晶を引上
げた。

第４図に、この単結晶の縦方向の半径の測定値をグラフ
によって示す。横軸は単結晶の種結晶側からの長さであ
る（胆）。縦軸はその位置における単結晶の半径である
。はぼ平坦なグラフであって、半径の変動が殆んどない
ということが分る。

比較のために、同じ装置で、磁場をかけずに、ＧａＡｓ
　　単結晶の成長を行った。温度制御だけを行って、直
径制御している。るつぼ、チャージ量などは全て同一で
ある。引上げた単結晶は＆６５Ｋｓ＋であった。

第５図に磁場制御なしく従来法）で引上げに単結晶の軸
方向の半径の測定値グラフを示す。半径は、過大な方向
に＋５Ｉｕ！Ｌ、過小な方向に−ＩＢ程度バラついてい
る、ということが分る。

（ロ）効　果 単結晶をチョクラルスキー法又は液体封止チョクラルス
キー法で引上げる場合、本発明によれば、急激な直径の
変動を、迅速に補償することができる。ヒータ電流を増
減する方法が十分間〜数十分間程度の時間遅れをともな
うのに対し、本発明では、磁場の強さを変更し、その効
果が現われるまで、数秒〜数十秒の遅れしかない。この
ため、直径の変動が急激に発生したとしても、これを容
易に抑制することができる。直径の均一な単結晶を引上
げることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体単結晶成長装置の縦断面図。 第２図は従来の結晶成長装置に於て、ヒータ電流を変更
した後のるつぼ近傍の温度変化を測定した結果を示すグ
ラフ。 第３図は磁場をかけた時の固液界面近傍の等温線（実線
）と、磁場のない時の等温線（破線）とを示す図。 第４図は本発明方法によって引上げた単結晶の軸方向の
半径の測定値を示すグラフ。横軸は種結晶の側の端から
の長さくａ）　、縦軸は半径（Ｍ）。 第５図は従来法によって引上げた（温度制御だけ）単結
晶（ＧａＡｓ　）の軸方向の半径の測定値を示すグラフ
。横軸は種結晶の側の端からの長さくｕＬ）。 縦軸は半径（ａ）。 １−−−−−チャンバ ２−−−−−１　軸 ３−−−−一下　軸 ４−−−−−るつぼ ５−−−−−ヒータ ６−−−−一種結晶 ７−−−−−単結晶 ８−、−−一原料融液 ９−−−−一封止剤 １０−−−−一熱電対 １１　−−−−一磁場センサ １２−−−−−のぞき窓 １８−−−−一光学センサ １４−−−−一電磁石 １５　−−−−−制御システム ａ　　−−−−一光学センサ入力 ｂ　　−−−−一熱電対入力 ｃ　　−−−−一磁気センサ入力 ｄ　　−−−−−ロードセル人力 ｘ　　−−−−−ヒータ電力出力 ｙ　−−−−−電磁石電流出力 １頁の続き ■Ｉｎｔ、Ｃ１，’　　　　　　　識別記号　　庁内整
理番号箔　明　者　　千　川　　　圭　吾　　厚木市森
の里若宮３番信研究所内 箔　明　者　　大　坂　　　次　部　　厚木市森の里若
宮３番信研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）るつぼ４の中へ入れた原料融液８をヒータ５によ
   つて加熱し、上軸２の下端に取付けた種結晶６を原料融
   液８の中へ漬けてから上昇させることによつて単結晶７
   を引上げることとした半導体単結晶の成長方法において
   、のぞき窓１２からの観察及び上軸２に設けたロードセ
   ルの検出値の微分によつて単結晶７の直径を測定し、熱
   電対１０によつてるつぼ４近傍の温度を検出し、単結晶
   のゆるやかな直径変化はヒータ電力ｘを調整することに
   よつて制御し、さらに原料融液８に磁場を印加しておき
   、直径の急激な変化に対しては磁場の大きさを変動させ
   ることにより、直径の変動を防ぎながら単結晶を引上げ
   ることを特徴とする半導体単結晶の成長方法。
2. （２）直径の観測値と設計値の差が０．５ｍｍ以上とな
   つた時に、磁場の強さを変更するようにした特許請求の
   範囲第（１）項記載の半導体単結晶の成長方法。
3. （３）降温速度が０．０５℃／ｍｉｎ〜０．２０℃／ｍ
   ｉｎとなつた時、又は昇温速度が０．０１℃／ｍｉｎ〜
   ０．１２℃／ｍｉｎとなつた時に、磁場の強さを変更す
   るようにした特許請求の範囲第（１）項記載の半導体単
   結晶の成長方法。
4. （４）磁場の強さが３５０Ｏｅ〜２５００Ｏｅであり、
   かつ磁場の変化速度が７．５Ｏｅ／ｓｅｃ〜１４０Ｏｅ
   ／ｓｅｃである特許請求の範囲第（１）項記載の半導体
   単結晶の成長方法。
5. （５）チャンバ１と、チャンバ１の中に昇降回転自在に
   設けられ種結晶６を取付けるべき上軸２と、チャンバ１
   の中に昇降回転自在に設けられるつぼ４を支持すベき下
   軸３と、るつぼ４の周囲に設けられるヒータ５と、るつ
   ぼ４の近傍に設けられる熱電対１０と、チャンバ１の内
   又は外に設けられ原料融液８の中に磁場を発生させるべ
   き電磁石１４と、るつぼ４の近傍の磁場の大きさを検出
   するための磁場センサ１１と、上軸２に設けられ単結晶
   の重量Ｗを測定するロードセルと、チャンバ１の斜上方
   に設けられるのぞき窓１２と、のぞき窓１２の近傍に設
   けられ引上げられつつある単結晶の直径を検出する光学
   センサ１３と、熱電対１０と、磁気センサ１１と光学セ
   ンサ１３の検出値を入力しヒータ電力と電磁石電流とを
   制御する制御システム１５とより構成される事を特徴と
   する半導体単結晶の成長装置。