JPS62197387A - 高品質種子結晶の製造装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は半導体単結晶成長用種子結晶の製造装置に関す
る。更に詳しくいえば、ＧａＡｓを代表とする二元系以
上の化合物半導体単結晶製造用の、転位等の欠陥のない
高品位の種子結晶を製造するだめの装置に関する。

従来の技術 最近のＧａＡｓ、　ＩｎＰなどのＩ−Ｖ族化合物半導体
を中心とする化合物半導体の材料研究、デバイスの実用
化研究等における進展はめざましい。この化合物半導体
は、電子移動度が大きく、また飽和ドリフト速度の大き
いことから、各種半導体デバイスの高速動作化・高周波
化を実現し得るものとして大きな期待が寄せられており
、一部の領域では既に実用化されているものもある。

更に、化合物半導体においては、良好な半導体特性を維
持したまま比較的自由に三元系以上の化合物半導体、即
ち混晶を得ることができ、異る２睡の二元系化合物半導
体の有する電気的、物理的特性の中間的な値（例えば、
禁制帯巾など）を呈する材料（結晶）を実現できる。こ
のような混晶によれば、従来の二元系化合物半導体、単
体半導体では実現することが困難であった興味ある特性
を有する半導体デバイスの作製が期待できるものであり
、可視光レーザダイオードなどの発光デバイス、ＰＩＮ
接合ダイオード等の受光デバイスはもとより、最近注目
を集めているペテロ接合デバイス、超格子デバイス（Ｈ
ＥＭＴ、多量子井戸レーザなど）の実現のためにも有利
なものである。

ところで、このような各種化合物半導体デバイスの作製
プロセスにおいては、まず第１に高純度の単結晶あるい
は混晶の形成が必要となる。化合物半導体は半導体の分
野で一般的なＳｉとは異った様々な特性を有しているた
めに、その結晶成長技術もまったく異り、Ｓｉについて
はチョクラルスキー法（ＣＺ法）、フローティングゾー
ン法（ＦＺ法）等が広く利用されているが、例えばＧａ
Ａｓを例にすると組成（Ｇａ：八ｓの比率）の厳密な制
御が必要とされ、また高温における臨界剪断応力が小さ
く、熱歪で転移がはいり易いなど、微妙な技術上の問題
がある。

化合物半導体の結晶成長はバルク結晶の成長と、エピタ
キシーに大別され、バルク結晶からいわゆるウェハと呼
ばれる板状結晶が切出され、これは直接後の加工プロセ
スに送られるか、あるいはエピタキシー用の基板として
使用される。一方、後者のエピタキシーによる成長結晶
は薄く、機械的強度の点で不十分であることから、その
ままでは使用できず、上記の如く基板が使用されるので
ここでもバルク結晶の必要性は大きい。

上記化合物半導体のバルク結晶の成長方法としては、古
くからブリッジマン法（水平、垂直ブリッジマン法）、
液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）、ＦＺ法等が
使用されており、多くの方法においては予め種子結晶を
得、目的とする結晶面を用いて特定の方向性をもった単
結晶の成長を行うことが行われている。そこで、十分な
純度、低欠陥の化合物半導体が得られるか否かは、使用
した種子結晶の状態に大きく影響を受けることになり、
その作製方法を改良することも重要な課題である。

従来の種子結晶の作製方法は、例えば添付第４図に基き
以下で説明するような工程からなっている。第４図は種
子結晶の製造フローチャートを示すものであり、まず（
ｉ）できるだけ大きな粒となった結晶塊を選び、できる
だけ単一結晶粒が先端になるように切出して育生するか
、（ｉｉ　）種子結晶の代りに異種の適当な材料を用い
て結晶塊を育生するか、あるいは（ｉｉｉ　）自然核発
生で結晶育成を行うなどによって種子結晶を切出し得る
大きさの結晶（種子結晶用材料）を育生し、次いで第４
図のフロー図に従って種子結晶製品を得る。即ち、上記
のようにして得た種子結晶材料を、外形による判定、Ｘ
−線回折法、結晶光学的方法、光像法等で方位決定しく
工程ａ）、次いで試し切断しく工程ｂ）、方位チェック
しく工程Ｃ）、本切断・加工しく工程ｄ）、最後にエツ
チング（工程ｅ）して得ることができる。上記工程Ｃの
方位チェックの際目的とする方位を示さない場合には更
に工程すに戻って工程ｂＳｃを所定の方位が得られるま
で繰返す。

しかしながら、従来の方法で得られる種子結晶は確かに
単結晶ではあるが、一般に転位が存在し、従って例えば
ＬＥＣ法でこのようにして得た種子結晶を用いて単結晶
を引上げた場合には、種子結晶中の転位が引上げられた
成長単結晶インゴット中に伝播するという現象がみられ
た。更に、種子結晶の組成も不均一なために、これを用
いて引上げた成長結晶が多結晶となることもしばしば観
察された。

また、このような種子結晶を用いて単結晶成長する場合
、一旦種子結晶から成長させた結晶径を一度細く絞り（
ｎｅｃｋｉｎｇ＞　、新めて結晶成長を行う、一般にネ
ッキングと呼ばれる方法が採られることが多く、そのた
め操作に熟練を要し、かつ種子結晶からの転位の伝播を
１００％除去できるという保証もない。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、最近注目されている高速動作可能な
、あるいは高周波動作可能な化合物半導体デバイスを作
製するためには低転位密度、高純度の化合物半導体単結
晶を用いる必要があり、このような高品位の単結晶を得
るためには低転位かつ方位の揃った種子結晶（以下シー
ドという）を用いることを必要とする。

しかしながら、従来の方法に従って得られるシードは十
分に低転位のものではなく、そのためこの転位が成長結
晶中に伝播し、目的とする高品位の単結晶を得ることは
困難であった。また、ネッキングと呼ばれる熟練を要す
る方法を用いることも知られているが、この方法によっ
ても完全に無転位化することは困難である。

そこで、転位密度の著しく小さなシードを作製すること
が、低転位密度を有する高品位の単結晶を得るために必
要であり、これによって化合物半導体単結晶の高純度化
を計り、ひいてはこれを用いた半導体デバイスの高性能
化、高信頼度化を計ることが可能となる。本発明の目的
もこのような点にあり、上記の如き高品位のシードの製
造装置を提供することにある。

問題点を解決するための　段 本発明者等は、化合物半導体単結晶成長用シードの上記
の如き現状に鑑みて、低転位密度の高品位シードを量産
性良く製造することを可能とする装置を開発すべく種々
検討・研究した結果、帯溶融法（あるいは帯線化法）に
おいて使用されているイメージ炉を採用し、これに磁石
を設けて成長中の結晶あるいは原料融液に外部磁場を印
加することが有効であることを見出し、本発明を完成し
た。

即ち、本発明の化合物半導体製造用シードの製造装置は
石英管とその上端を貫いて内部に伸び、上・下動し得、
原料の一端を支持する上軸と、その下端を貫いて伸び、
原料の他端を支持し、上・下動かつ回転し得る下軸と、
該石英管の中央部にこれを包囲するように設けられた双
楕円型反射鏡と、該楕円型反射鏡の一方の焦点上に夫々
置かれた２つの光源とで構成されるイメージ炉と、上記
石英管の中心軸上に設けられ、原料の溶融領域に磁場を
印加できる磁石とで構成されることを特徴とする。

本発明の装置において使用するイメージ炉は、一般に帯
溶融法によって種々の単結晶を形成するために使用され
ている任意のものであってよい。

この炉によれば、光源が各楕円体の焦点上に配置されて
いるので原料溶融用エネルギーとして光源からの光すべ
てが利用できることになる。一方、原料はその溶融すべ
き部分が楕円体の他方の焦点上にくるように配置される
。これによって最も効率の良い加熱を確保することがで
きる。

本発明において磁石としては永久磁石あるいは電磁石の
いずれも使用できるが、磁場強度を自由に変化し得ると
いう観点からすれば電磁石を使用することが有利である
。印加磁場の方向は原料の溶融部分に対流を発生させ十
分な均一混合が確保できれば特に制限はない。一般には
石英管の中心軸に沿った方向で印加される。この磁石を
設置する態様は様々なものが考えられるが、いくつかの
例を挙げると、まず第１に磁石は上軸の下端部並びに下
軸の上端部にそれぞれ設けることができ、また電磁石を
イメージ炉外部に設け、上軸および下軸を石英管中心軸
を通りイメージ炉内に伸びた鉄などの透磁性材料で形成
し、これらの間隙において種子結晶の成長を行うことも
可能である。これ以外にも、同様な磁場を印加できる電
磁石の構成は種々考えることができ、例えば上記第２の
例におけるイメージ炉外に設けられた２つの電磁石を一
体化して１つのソレノイド構造を形成したものであって
もよい。

本発明の装置においてはまた石英管と連結した石英管内
の圧力調整手段を設けることもでき、一般に極めて高純
度の種子結晶を作製するためには真空あるいは高圧を使
用することが必要とされる場合が多いので、各場合に応
じて圧力を調整し得るようになっている。例えばイオン
拡散ポンプ、サブリメーションポンプ、あるいは不活性
ガス（Ｎ２　、Ａｒ、　Ｈ２、Ｈｅ等）の供給手段（ガ
ス源と弁手段との組合せなど）を備えることができる。

本発明においては光源としてタングステンランプ、ハロ
ゲンランプなどが使用できる。

−作用 種々の化合物半導体デバイスを作製するために高純度の
半導体単結晶を使用する必要があり、これを得る場合に
は高品位の種子結晶を使用することが必要であった。即
ち、既に述べたようにシード中に転位等の結晶欠陥が存
在した場合、該欠陥が成長単結晶中に伝播し、低転位密
度の高品位の単結晶を得ることは難しかった。この単結
晶の純度がそのままこれから作製した半導体デバイスの
性能の決定要因の一つとなっているために、半導体デバ
イス作製プロセスにおいては高純度の単結晶をいかに得
るかが極めて重要なファクターとなっている。

この単結晶の純度決定因子として重要なものに、上記の
シードの純度もしくは転位密度があり、この純度を改善
することによって単結晶の純度も大巾に改善することが
できることになる。

しかしながら、従来のシードの製造方法では不十分であ
り、改良が望まれていた。この点、本発明の装置によれ
ば、帯溶融法と磁場の作用とを併用したことにより比較
的簡単に高純度、低転位密度のシードを得ることができ
る。

即ち、イメージ炉によりゾーンメルトした原料に縦方向
（石英管の軸に沿った方向）の磁場を印加して該メルト
部分に縦方向の対流を起こさせ、そのメルト部分の組成
を均一にした状態でシードの成長を行うことができる。

この際、蒸気圧の高い成分が含まれる場合にはその物質
を加熱する際に石英管内を高圧に維持することにより、
あるいはまたこれと組合せてもしくは単独で高蒸気圧成
分のガスを所定の分圧となるよう供給することにより、
該成分の蒸発に基くストイキオメトリ−の変動を防止す
る。また、原料の溶融−再凝固（再結晶化）は帯線化法
と同様に複数回繰返し行うことも可能であり、これによ
ってより純度の高いものとすることができる。

本発明の装置に従って、高品質のシード結晶を得る場合
、まず予め他の適当な方法で形成した単結晶あるいは多
結晶材料をチャックなどの締結手段を有するイメージ炉
の上軸および下軸あるいはまたソレノイドの鉄芯などの
間に固定し、電磁石により該原料に石英管の中心軸に沿
った方向の磁場を印加し、この状態で原料加熱用光源を
動作させ、原料結晶を溶融すると共に上軸並びに下軸を
所定の速度で移動させ原料結晶を溶融、再結晶させるこ
とにより結晶の純化をあるいは単結晶化を行い、高品位
のシードを作製することができる。

この上軸、下軸の移動方向は下方でも上方でもよく、溶
融−再結を繰返す場合にはこれらを往復運動させること
になる。

かくして、本発明の装置によれば、著しく低転位の、か
つ任意の各横断面内での組成が均一なシ−ド用単結晶を
得ることができる。従って、このようなシードを用いた
場合にはシードからの転位の伝播はなくなるので高品位
の化合物半導体単結晶を１昇ることができる。また、あ
る横断面内での組成の均一性が非常に優れているので原
料メルトとのマツチングが極めて良く、単結晶を育生す
るのに著しく好都合である。

１１男 以下、実施例により本発明の装置を添付図を参照しつつ
更に詳しく説明する。しかしながら、以下の実施例は本
つめいの範囲を何等制限するものではない。

添付第１図は、本発明の高品質シード製造装置の好まし
い一実施例を示すものであり、この実施例はイメージ炉
内に電磁石を設けた例であり、図から明らかな如く、石
英管１と、その中心軸に沿って上端からこれを貫通して
内部に伸びた上軸２と、同様に石英管１の下端からその
中心軸に沿ってその内部に伸びた下軸３と、石英管１の
中央部近傍を包囲するように設けられた双楕円型反射鏡
４（４１，４２）と各楕円型反射鏡の一方の焦点に配置
された原料加熱用光源、例えばハロゲンランプ５．およ
び５□と、上記各軸２および３の夫々下端および上端に
取付けられた２つの電磁石６３．６□とを主たる構成要
素としている。電磁石６゜の下端および６□の上端は一
定の距離をもって隔置され、またチャックを備えていて
夫々原料７を挟持している。また、上軸２および下軸３
は上・下動並びに回転でき、２つの楕円型反射鏡４の残
りの焦点位置に置かれる原料を石英管１の中心軸に沿っ
て移動できるようになっており、これによって光源５．
．５．からのエネルギーで形成される溶融帯域８を原料
中で徐々に移動させて、溶融−固化を行わせ、単結晶９
の純化あるいは単結晶の成長を行うことが可能となる。

シード作製中に印加すべき磁場強度は一般に３０００　
Ｇ〜６０００　Ｇの範囲とすることにより十分な効果を
得ることができる。下限よりも低い磁場強度の下では溶
融部の十分な対流を引起こすことができず、また上限の
６０００　Ｇよりも高い磁場を印加してもそれ程顕著な
効果の改善は期待できないので、エネルギーコストの点
で不利であり好ましくない。

また、磁場の方向は特に制限されず、メルト部分に十分
な対流を惹起し得る方向であればよいが、一般には上向
きに垂直に印加する。

また、場合によっては高圧下で操作する必要が。

あるので、圧力印加手段ＩＯを石英管１と接続し、所定
の圧力を石英管内に設定する。また、原料７あるいは単
結晶９が高い解離平衡蒸気圧を有する成分を含んでいる
場合には別途蒸発源を取付け、所定の分圧の高蒸気圧成
分を石英管内に維持する。

この第１のシード製造装置のシード形成部分を第２図に
拡大して示したが、本実施例によるシードの形成操作を
より具体的に理解できるであろう。

光源５１および５２からのエネルギーによって双楕円型
反射鏡４の焦点上における原料７は溶融状態８にあり、
これが軸２．３の移動に伴って冷却され、固化・再結晶
する。この際下軸３は回転しており、また電磁石６１お
よび６２による磁界の作用により溶融部分８に対流が生
じ、均一分散が保証される。

この態様において、石英管１自体を反射鏡４に相対的に
移動させるように工夫することもできる。

また、溶融部分８の温度は例えば熱電対などによって測
定され、またそれに応じた出力信号をランプ５．．５．
に送り、自動的な温度調節を行うことも可能である。

第３図は本発明のもう一つの好ましい実施例を示すもの
であり、この実施例では電磁石６１および６２がイメー
ジ炉外に設けられ、一方で石英管内に伸びた上軸２およ
び下軸３はいずれも鉄芯で一構成されている。この場合
にも第１図と同様にメルト８部分に所定の強度、方向の
磁場を印加することができ、同様に高品質のシードを作
製することができる。この例においても、反応管１自体
が双楕円型反射鏡４とランプ５１．５２で構成される炉
内を移動するように構成することもできる。

第３図では、説明を簡略化する目的で、石英管下端部お
よび上端部を貫通して伸びた軸部分を省略したが当然備
えられており、第１図の態様同様に原料の移動、回転が
可能であることはいうまでもない。

運転例 第１図に示した構成の装置を用いてインジウム（Ｉ　ｎ
）をドープしたＧａＡｓの単結晶合成用シードを作製し
た。まず、他の方法（例えばＬＥＣ装置を用いた方法）
で得たＩｎドープのＧａＡｓ多結晶を電磁石６、および
６２　（超伝導マグネット）の間に取付け、圧力印加装
置１０によりへｓ圧をかけ（ｌ　ａｔｍ）、次いで電磁
石６１および６□により３０００ガウスの磁場を多結晶
に印加した。この状態でハロゲンランプ５Ｉ、５２を点
灯し、ゾーンメルティングを開始し、下軸を回転させつ
つ、上・下軸を移動させることにより０．５ｃｍ／時の
速度で多結晶を移動させ、単結晶を得た。また溶融帯域
の温度は１２５０℃に維持した。

かくして得たＩｎドープＧａＡｓ単結晶をスライスし、
研暦した後、ＫＯＨ溶液でエツチングして転位の有無を
調べた。また、Ｘ線準禁制反射を用いて結晶のストイキ
オメトリ−性をチェックした。その結果、転位はなく、
また極めて良好なストイキオメトリ−性を有することが
確認された。

このシードを用いてＩｎドープのＧａＡｓ単結晶をＬＥ
Ｃ法によって作製したところ、無転位の高品位ＧａＡｓ
単結晶を得ることができることを確認した。

発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明の装置によればイメー
ジ炉を採用し、また原料溶融部に所定強度の磁界を印加
し得る磁石をこのイメージ炉と組合せたことにより、転
位がなく、しかも各断面内で組成の均一なシード用単結
晶を有利に得ること、ができる。これはＬＥＣ法、ＨＢ
法用等のシードとして極めて有用である。この装置によ
って得られた単結晶は勿論通常のバルク結晶として使用
することもできる。

本発明の装置は、各種化合物半導体単結晶製造用シード
の製造に応用でき、また各種ドーパントを含むものにつ
いても利用できる。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は本発明の装置の好ましい一実施例を説明す
るための模式的な断面図であり、第２図は本発明の第１
図に示した実施例の運転状態を説明するための拡大した
断面部分図であり、第３図は本発明の装置のもう一つの
好ましい実施例を説明するための概略的な断面図であり
、第４図は、従来の種子結晶の製造工程を示したフロー
図である。 （主な参照番号） ｌ・・石英管、　２・・上軸、　３・・下軸、４　（４
，，４□）・・双楕円型反射鏡、５、．５２　・・光源
、　６．．６２　・・電磁石、７・・原料、　８・・原
料溶融部分、

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）石英管と、その上端を貫いて内部に伸び、上・下
   動でき、原料の一端を支持する上軸と、同様に該石英管
   の下端を貫いてその内部に伸び、上記原料の他端を支持
   する、上・下動かつ回転可能な下軸と、上記石英管の中
   央部に、これを包囲するように設けられた双楕円型反射
   鏡と、該楕円型反射鏡の一方の焦点上に夫々配置された
   原料加熱用光源とを具備するイメージ炉と、上記石英管
   の中心軸上に、かつ上記原料の両側に配置され、該原料
   の溶融帯域に磁場を印加し得る磁石とで構成されている
   ことを特徴とする種子結晶の製造装置。
2. （２）上記磁石が電磁石であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の種子結晶の製造装置。
3. （３）上記電磁石が上記上軸の下端部並びに上記下軸の
   上端部に夫々設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の種子結晶の製造装置。
4. （４）上記電磁石が上記双楕円型反射鏡の外部に設けら
   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
   の種子結晶の製造装置。
5. （５）上記上軸および下軸が透磁性材料で形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の種子
   結晶の製造装置。
6. （６）上記光源がタングステンランプまたはハロゲンラ
   ンプであることを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項
   のいずれか１項に記載の種子結晶の製造装置。
7. （７）上記原料溶融部が上記双楕円型反射鏡の他方の焦
   点上に配置されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   〜６項のいずれか１項に記載の種子結晶の製造装置。