JPS62278186A - 半導体単結晶の製造方法及び装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［技術分野］ 本発明は、’　Ｓｉ＋　Ｇｅ、　ＧａＡｓ＋　ＧａＰ等
の半導体単結晶の製造方法及びａ　Ｃに係わる。

半導体単結晶の製造方法には、大別して、引上げ法とボ
ート法とがある。引上げ法は、るつぼ内の原料融液に種
結晶を漬け、回転しながら引上げるこ七によって単結晶
を成長させる方法である。

これに対し、ボート法は、石英、又はＰＢＮ　１又はＳ
ｉ３Ｎ４等の材質によってできたボート内に原料融液を
入れ、種結晶の方から徐々に固化させて単結Ａ′品を成
長させる方法である。

ボート内を固液界面が徐々に移動してゆくが、７Ｍ度分
布の与え方によって、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、
グラジェントフリーズ法（ＧＦ法）などに区別される。

ＧＦ法は、ヒータと反応管とを相対移動させない。ヒー
タの電力を徐々に減少させて、温度分布を下げてゆく。

温度分布は長手方向に匂配を侍っているから、温度分布
の全体を等しく下げてゆくと、固液界面は、ボートの中
を種結晶のある方がミら、反対側の端へと移動する。

、／ ［従来技術］ 従来のＧＦ法は、固液界面の実際の動きを制御しに（い
という欠点がある。ヒータの出力や熱電対の温度測定値
によって、ボート内の原料融液と結晶内の温度分布を推
測しなければならない。しかし、ヒータの出力は変化す
るし、反応管やボートや原料融液は、かなり大きな熱容
量を持っているため、ヒータ出力と原料融液の温度は必
ずしも正比例関係を保たない。

又、熱電対は、ヒータと反応管の中間の温度を測るもの
であるから、ボート内の融液や結晶の正確な温度をこれ
によって直接類ることはできない。

特開昭５８−１５Ｇ５９９号公報（昭和５８年９月１７
日公開）に、ＧＦ法で固液界面の移動速度を一定にする
ようにした結晶成長Ｈａが提案されている。これは、水
平に４分割された高温炉と２分割された低温炉を含んで
いる。高温炉には４箇の固定熱電対を取付けて、４分割
ヒータのすぐ外側の温度を測定している。

反応管とヒータの間を水平方向に移動できる熱電対をも
う一つ設ける。この熱電対の温度を一定に保つ。ＧａＡ
ｓの場合、この温度Ｔｍは、融点１２３８℃になるよう
にする。

この熱電対をボートの長さ方向に一定速度で送り、この
熱電対の温度がＴｍを保つようにヒータの電力を調節す
る。

こうすると、移動熱電対の存在する地点が固液界面に該
当するのであるから、一定速度で固液界面を移動させる
ことができるのである。

この装置は、固液界面をより把握しやすいものにし、固
液界面の動きをより適確に制御できるという長所がある
とされているが、移動熱電対は、正しくは反応管の中の
原料融液又は固体の温度を示しているわけではない。し
たがって、移動熱電対の温度をＴｍに保っても固液界面
位置と移動熱電対位置とが対応していないことが多い。

固液界面が熱電対と隔離した地点に存在したり、又結晶
の成長とともに、この差異が変動することもありうる。

これは測温点が、ボートとヒータの中間であり、結晶が
成長するとともに、固化部からの放熱量が変化し、結晶
中の温度匂配が水平方向及び円周方向に変化するから、
このような差異が生ずる。

このように、熱電対により、温度を測定する方法は最も
一般的であるが、熱電対は必ず反応管のさ く、５外側にあるので、固液界面の位置を精度よく制御
−・ｌ できないという欠点がある。

［発明の目的コ 本発明の目的は、ボート法の一つであるＧＦ法による半
導体単結晶の成長工程において、固液界面位置及び固液
界面の形状を視覚的に認識し、それらを予め定められた
位置及び形状になるように、正確に制御できるようにす
る方法ならびにこの方法を具現する製造装置にある。

〔構成コ 本発明は、ボート法の一つであるＧＦ法による半導体単
結晶の製造方法及び装置に係わるが、端的には、ＴＶカ
メラ、又はイメーノファイバ撮像装置の撮像部をヒータ
の間から、所定速度をもって移動させながら、時間的に
移動する固液界面に対応させ、結晶化進行速度の標準と
なる前記撮像部の速度に対する、固液界面の進み、Ｂれ
等によって、ヒータの温度調節を行って、結晶の成長が
一定速度で進行するようにしたものである。

以下図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明方法を実施する装置を略断面図で示す。

ヒータ１ａ〜１ｇは、水平方向に保持される反応管２の
長さ方向に沿って配置された、独立に制御できるヒータ
群である。このうち、ヒータ１ａ〜１ｅは、円筒形の高
温用ヒータであり、これらは、カンタル線等の抵抗体を
円筒形に形成したものであるが、固液液面の周囲にある
、例えばヒータ１ｂ及び１ｃは、第２図に示すように、
上下左右等に多分割して上面側より内側に通しる覗き窓
１２を形成し、それぞれ独立して温度調節できる。

ｌｂ’及びｌｃ’として形成する。

ヒータｌｆ、Ｉｇは、やはり単一の円筒形のヒータであ
り、これは低を話用のヒータである。

横長の反応管２は、ヒータ１ａ〜１ｇの中に配置され、
反応管２の内部の高温になる側に、例えばＪ−“′ 石莢製のボート３が置かれ、ボート３の低温になる側の
端に種結晶４が置かれる。

図示のようにボート３の中には、原料融液１３と固化部
！４が共存する。境界が固液界面６である。

固液界面６は、その半導体の融点の等温血である。

反応管２の低温側の端には、Ｖ族元素の画体５が置かれ
る。これは、ｍ−ｖ族化学物半導体単結晶の成長につい
ての例である。例えば、ＧａＡｓ。

ＧａＰ、　ＩｎＳｂ、　ＩｎＳｂ、　ＩｎＡｓ、　Ｉｎ
Ｐなどである。Ｖ族元素は解離圧が高く、固化部や融液
から抜けやすい。このため、反応管２の中にＶ族元素を
入れ、この蒸気圧を適当に保つ。

低温部ヒータ１ｆ、ＬｇはＶ族元素の温度を一定に保持
し、蒸気圧を望ましい値に維持する。Ｖ族元素はＰ＋　
Ａｓ、　Ｓｂなどである。

実際には、ボート３のある部分とＶ族元素のある部分と
の対流を抑えるため、中間に隔壁を設けることが多い。

隔壁には、Ｖ原ガスの通る小穴を穿っておく。

覗き窓＋２は、その直下に固液界面６が存在するような
位置に設ける。

覗き窓１２の上には、固液界面６を観察するためのＴＶ
カメラ７の撮影部が配置される。

ＴＶカメラ７によって観察された固液界面６の像は画像
処理装置８によって処理される。固液界面６の覗き窓１
２における位置や形状などが画像処理）装置８によって
データ処理され、コンピュータ９に蓄積される過去実績
による正常データと比較し、コンピュータ９はこれによ
って温度調節器１０を制御する。

所望の結晶欠陥密度や不純物分布を仔する結晶が得られ
る過去の実績に基づく速度で移動するＴＶカメラ７の一
定位置に固液界面６が存在するのが平常の状態である。

ＴＶカメラ７の撮像部を過去の実績により得られた所定
の結晶成長速度で送るのが駆動装置１１である。

もしも固液界面６が、画像上で正規の位置より右方（低
温側）にずれたとする。これは、ヒータのパワーが過大
なのである。ヒータのパワーを滅少させることによって
、ずれを正す。

もしも固液界面６が、正規の位置より左方（高温側）に
ずれたとする。ヒータパワーが小さすぎるわけである。

ヒータパワーを増加させることによって、このずれを正
すことができる。

ＴＶカメラによる視覚観察であるから、固液界面の左右
の傾きも分る。

である。しかし、ボート上面と下面では、放熱の程度が
相違するから、固液界面は鉛直でなく、傾斜することが
多い。ボート上面では対流、輻射がさかんであるから、
下面より僅かに低温になる。

このため、固化部１４が融液１３の方へせり出すような
傾斜面となる。

このような鉛直方向の固液界面の傾きの他に、横方向の
傾きもある。ボートの液面、固化部表面には、横方向の
傾きが現われる。これは固化部からみて凸型、凹型の湾
曲面であることもあり、左右の傾きであることもある。

ＴＶ左カメラよる観察であるから、表面に露出した固液
界面しか分らない。しかし、固液界面の表面の露出形状
により、左右方向の傾き、湾曲だけでなく、鉛直方向の
傾きについてもある程度推測できることが多い。これに
他のセンサの観測データを合わせればより正確に固液界
面の傾きを知ることができる。

多分割ヒータ１ｂ’＋１ｃ’は上、下、左、右のヒー、
夕５：が独立にパワー制御できるようになっているから
、固液界面の傾きを調整できる。固液界面の前方への傾
斜だけでなく、左右の傾斜もあるが、このような傾きも
多分割ヒータｌｂ’、　ｌｃ’によって是正することが
できる。コンピュータ９は、このような調整動作を計算
し、温度調節器１０を通じてヒータ出力を調節する。

多分割ヒータ１ｂ’＋１ｃ’は少くとも２分割されてい
る必要がある。固液界面６を独立して自在に制御するた
めである。しかし、２分割以上であればよいので、３分
割、４分割、５分割１．、、、であっても良い。分割数
が多いほど微妙な温度制御が可能となる。

第１図の例では、すでに説明したが、Ｖ族元素５を反応
管２の端に五いている。これは■−■族化合物半導体の
成長の場合に必要である。Ｖ族元素は揮発性で、化合物
の融点の近くで蒸気圧が大きく、固化部、融液部の表面
でＶ族元素の抜けが起りやすい。このため、一定のＶ原
ガス蒸気圧をかける必要がある。

しかし、Ｓ　Ｌ　Ｇｅなどの半導体の成長の場合、この
ようなことは不要である。

覗き窓には、ＴＶカメラフのかわりに、イメージファイ
バ撮像装置の撮像部を設けることにしてもよい。

［作用］ 覗き窓を通してＴＶカメラ７で固液界面近傍の画像を撮
る。こうして固液界面の位置、形状、傾きを知る。

予め定めた形状、位置、傾きを比較し、これらの予め定
められた位置、形状などになるように、ヒータ出力を調
節する。

（１）固液界面位置を、所定速度で移動させるＴＶ左カ
メラ対して常に一定の位置に保持できる。つまり、結晶
成長の速度を一定に維持できる。その結果、成長速度の
変動によって生ずる結晶欠陥の発生を抑制することがで
きる。

（２）固液界面を所望（一般にはフラットであることが
望ましい）の形状に保つことができる。

この結果、界面の歪によって生する結晶欠陥を抑えるこ
とができる。

〔実施例］ 上記の本発明の装置により１本発明の方法で、ＧａＡｓ
のＩｌｊ結品結晶長を実施した。

石英ボートに、次の材料をチャージした。

Ｇａ　：　１３００ｇ Ｓｉ　　：　　２４６Ａｇ 石英ボートの右端の棚に種結晶を置いた。これを石英製
の反応管２の中の左端に置いた。他端には、Ａ３１４１
８ｇを入れた。反応管２を真空に引いて密封１．・− した。反応管を電気炉内に設置する。

ヒータに通電して、ボート３内の材料を融かし、原料融
液とした。ボート３内の融液１３と種結晶４とを接続す
る。その後は、ヒータ群（電気炉）を降温するとともに
、ＴＶカメラ７を、図で右から左に向かって３〜１５　
ａｍｌＨにおける一定の速度で移動させた。

傍の画像を撮り、この画像を処理することによって、固
液界面の位置、形状、傾きを確認させた。

ＴＶカメラ７に対して固液界面が一定位置となるように
ヒータにフィードバックさせた。

これによって、幅８５ｍｍ、長さ３８０ｆｆｉ１１１重
さ２７００ｇのＧａＡｓ単結晶を得ることができた。

この単結晶を斜めに切って（１００）ウェーハを作り、
ＫＯＨ溶液でエツチングし、ニッチピット密度を計数し
て、エッチピット密度ＥＰＤを求めた。

この結果インゴットの全長にわたって、　ＥＰＤは１０
００／　ｃＪ以下であることが分った。

［効果］ （＋ｌボート法の一つである。ＧＦ法において、従来は
、温度のみによって成長状態をモニターしているため、
固液界面の位置、同移動速さ、形状、傾きなどがはっき
りしなかったが、本発明は、固液界面を視覚的に観察す
るので、固液界面の位置、駆動、速さ、形状、傾きなど
、詳しい情報を得ることができる。

（２）を発明は、結晶成長の速度を一定に保ち、成長速
度変動にともなって生ずる結晶欠陥を抑制できるから、
歩留まり、品質が向上する。

（３）本発明は、固液界面をフラットな形状に維持でき
る。それ故、界面のゆがみによって生ずる結晶欠陥が少
なくなり、歩留まりが高くなり、品質が向上する。など
の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施する装置を示す。 第２図は、第１図装置の一部に用いられるヒータの説明
図である。 １ａ＋　Ｌｂ＋　ｌｅｔ　１ｄ＋　ｌｅｔ　ｉｆ、　Ｉ
ｇ”・分割されたヒータ、２・・・反応管、３・・・ポ
ート、４・・・種結晶、５・・・Ｖ族元素、６・・・固
液界面、７・・・ＴＶ左カメラ８・・・画像処理装置、
９・・・コンピュータ、１０・・・温度調節器、１１・
・・駆動装置、１２・・・覗き窓、１３・・・原料融液
１２．−′ Ｉ４・・・固化部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ボートの中に半導体原料を入れ、該ボートの端部
   の棚に種結晶を置いて反応管の中に入れ、必要があれば
   、該反応管内で、ボートと反対側に揮発性分の固体を置
   いて、該反応管を密封し、水平方向に配置され、独立に
   パワー制御できるヒータ群の中に入れて半導体原料を溶
   融し、前記ヒータ群の温度を降温して前記種結晶に続い
   てボートの中に単結晶を成長させてゆく半導体単結晶の
   製造方法において、ボートの上部に位置するヒータの覗
   き窓、又はヒータ内部にＴＶカメラ又はイメージファイ
   バの撮像部を配置して所定速度で移動させ、結晶と融液
   の固液界面を観察し、該固液界面の位置、形状を所定の
   ものにするように、前記ヒータ群の出力を制御すること
   を特徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、固液界面の周囲
   に配置されるヒータに、上下、左右等に多分割され、独
   立に温度調節できるヒータを用いることを特徴とする半
   導体単結晶の製造方法。
3. （３）円筒形状で、水平方向に並べられ、独立にパワー
   制御できるヒータ群と、前記ヒータ群の出力を調節する
   温度調節器と、半導体原料を入れ、種結晶を端部の棚に
   置けるように形成したボートと、前記ボートを内部に入
   れ、密封できる横長の反応管と、前記ボートを反応管に
   入れた状態でボートの上部に位置するヒータの間からボ
   ート内の固液界面を観察するＴＶカメラ、又はイメージ
   ファイバ撮像装置と、前記ＴＶカメラ又はイメージファ
   イバ撮像装置の影像部を所定速度で移動させる機能を有
   する駆動装置と、前記ＴＶカメラ、又はイメージファイ
   バ撮像装置よりの画像情報を処理して固液界面の位置、
   形状などを求める画像処理装置と、前記画像処理装置で
   得られた、固液界面の位置、形状などを比較し、予め定
   めた固液界面に近づくように前記温度調節器を制御する
   コンピュータとより構成することを特徴とする半導体単
   結晶の製造装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項において、固液界面の周囲
   にあるヒータを上下左右等に多分割して独立に温度制御
   できるヒータにより構成することを特徴とする半導体単
   結晶の製造装置。