JPS63206381A - 磁場印加半導体結晶製造装置のヒ−タ構造 - 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】 （７）技術分野 この発明は、原料融液に磁場を印加する事により高品質
の半導体結晶を成長させる半導体結晶製造装置のヒータ
線の構造に関する。

半導体単結晶は、引上げ法や水平ブリッジマン法で成長
させられる。引上げ法は、ＣＺ法又は、ＬＥＣ法が代表
的なものである。原料融液がるつぼの中にあり、種結晶
を融液に漬け、これを引上げることにより、単結晶を成
長させる。

Ｓｌのような単体半導体は通常のＣＺ法で引上げられる
。

■−Ｖ族化合物半導体の場合は、融点に於けるマ族元素
の解離圧が高いので、液体カプセル剤Ｂ２Ｏ３を使い、
不活性気圧の高圧を加える。これ′ｆ！：ＬＥＣ（Ｌｉ
ｑｕｉｄ　Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　Ｃｚｏｃｈｒａ
ｌｓｋｉ　）法という。

水平ブリッジマン法は、ポートの中で一方の端から原料
融液を固化させてゆく方法であるので、振動や熱対流の
問題は、比較的少ない。

ところが、引上げ法では、振動や熱対流が深刻な問題に
なりやすい。

原料融液を入れたるつぼが回転している。また、種結晶
も回転している。回転させる事により、結晶の直径制御
など全良好に行なう事ができるからである。

回転というものは、たとえ角速度が一定であっても等速
度運動ではない。安定な運動モードであったとしても振
動を発生するものである。

さらに、単結晶を引上げるのであるから、固液界面が水
平方向に生ずる。固液界面より上方の固化部は十分な強
さｔもっていなければならない。

このため、固液界面から上方へ向けて、温度勾配が大き
くなる。

温度勾配が大きいと、不活性気体が対流を起こす。加圧
されている不活性気体であるから、体積あたりの熱容量
が大きい。このため、固化した結晶が強く冷却される。

また、不活性気体の対流によって、原料融液の表面から
大量の熱が奪われる。

原料融液は、ヒータによって強く加熱されている。この
ため、原料融液の中にも強い温度勾配が生じる。

原料融液の中の温度勾配を解消するために、原料融液が
対流を起こす。

このように原料融液には振動、熱対流が生じている。引
上げられた結晶は、これに応じて結晶欠陥を生じる。

結晶欠陥として最も重要なものは転位である。

■−Ｖ族化合物半導体単結晶ｆＬ、Ｅｃ法で製造する場
合、ＥＰＤ（エッチビット密度）は数万〜数十万／ｄに
達する事が多い。

転位を克服するために多くの工夫がなされている。

原料融液の振動、対流によって、直接に発生する結晶欠
陥は、成長縞（ストリエーション）である。これは結晶
を縦に切った断面をエツチングする事によって現われる
縞である。成長速度のゆらぎにもとづ（縞状の模様であ
る。

原料融液面が微少振幅で上下変位すると、結晶の引上げ
速度が一定であっても、成長速度が振動する。これに応
じて成長縞が生ずる。

このような結晶欠陥、成長縞の発生を抑制するために、
単結晶の育成を強力な磁場の中で行なう事が効果的であ
る事が示された。

例えばＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ、　ｖｏｌ、３７　、　Ｎｏ、５ｐ、２０２
１（１９６６）にそのような試みが提案されている。

原理は以下のようである。

原料融液には荷電粒子が含まれる。つまり融液の構成元
素のイオンや電子がある。これらの荷電粒子は、磁場の
中ではローレンツ力を受ける。

このため、磁場に平行でない速度成分を持っていたとす
ると、この速度で磁力線のまわりを螺旋運動するように
なる。磁力線に拘束されて自由に運動する事ができない
。

荷電粒子が動きを止めるから、原料融液は鎮静化する。

対流が主に抑制される。振動も少なくなるのである。

その後、磁場印加結晶成長法については、数多くの発明
がなされている。論文の数も多い。

しかし、強力な磁場を原料融液に加える事が難しい事な
どがあって、実用的に価値ある方法とはなっていない。

磁場を発生するという事態外にもいくつも問題がある。

原料融液はヒータによって加熱する。ヒータとしては、
多くの場合、円筒形状のカーボンヒータを用いる。円筒
形で、上下から交互にスリットが入っており、電流は上
から下へ、下から上へと蛇行して流れるようになってい
る。このようにすると、電流が反平行になるので磁場を
実効的に生じない。５００　Ａ〜１０００　Ａという大
電流を流すのであるから、ヒータによって生ずる磁場も
無視できないものである。

ところが、磁場全印加して結晶成長に行なうようになる
と、ヒータについても問題が生ずる。ヒータの中には大
電流が流れるので、磁場が存在すると、これにより強力
なローレンツ力を受ける。

磁場は原料融液の荷電粒子の動きを封じるために印加す
る。この抑制効果が十分であるためには、大きい磁場で
なければならない。数千ガラスル数万ガウスの磁場であ
る。

このように強力な磁場がヒータの近傍にも存在する。ヒ
ータには大電流が流れている。ヒータは磁場から作用を
受け、磁場に反作用を与える。

このような相互作用は、小さい方が望ましい。

これはいうまでもない事であろう。

ピ）従来技術 相互作用を小さくする工夫がなされる事になる。

加熱用ヒータに供給する電流は直流であることが望まし
い、という事を特公昭５８−５０９５１号公報が提案し
ている。さらに、第２図に示すように、ヒータは上下ジ
グザグに曲った形状をしており、多数の箇所で壁面など
に対して固定するようになっている。

直流をヒータに流すべきであるのは当然のことである。

磁場は直流磁場である。これは原料融液の擾乱を鎮静化
するための磁場であるから当然のことである。ヒータ電
流が交流であれば、ヒータはローレンツ力によって振動
してしまう。

そこでヒータ電流を直流にするのである。

しかし、大きい電流が必要であって、電池から供給する
というわけにはゆかない。交流を整流して流すことにな
る。大電流であるから十分に平滑化することが難しく、
脈流となる。脈流であると、磁場から受けるローレンツ
力が脈動するので、ヒータが受ける力が振動する。

ヒータを上下ジグザグにするのは、磁場を加えない結晶
成長装置のカーボンヒータでも同じである。ただし従前
のカーボンヒータはローレンツ力を受けないので、下方
の電極部だけで固定すれば十分であった。

ところが、磁場印加の場合は、電流の向きが上下する事
により、ヒータの各部分が反平行の力を受けるから、第
２図に示すように、多くの箇所で固定しなければならな
いようになる。

このように、ヒータは、直流を流し、多数箇所で固定す
るという事を、前記特公昭５８−５０９５１号は提案し
ている。

しかし、このような上下蛇行するヒータであっても問題
がある。

り）発明が解決すべき問題点 まず、ヒータ電流は脈流であるから、ローレンツ力の強
弱振動が生ずるという事である。田−レンツ力が振動す
ると、ヒータが振動する。ヒータが振動すると、原料融
液や単結晶が振動する原因のひとつになる。

磁場の強さを大きくすると、ローレンツ力が強大になり
、固定が困難になる。また、ヒータがローレンツ力によ
って破壊される事もある。

これらは磁場からヒータに及ぼされる作用である。ヒー
タから磁場へ及ぼされる反作用もある。

磁場を与えるために、超電導マグネットに使う場合があ
る。さらに、超電導コイルに永久電流士流してコイルを
永久励磁する場合もある。超電導コイルによると比較的
大きい磁場を発生させやすいし、永久電流励磁モードに
すると電力費を大幅に節減できる。しかし、これは外部
擾乱に対して極めて敏感なモードである。

温度制御のためにヒータ電流を変化させたとする。この
時、ヒータに加わるローレンツ力が変化する。マグネッ
トに加わる反作用力も変化する。

このため逆起電力がコイルの中に発生する。このために
付加的な電流がコイルに生じる。すると永久電流モード
が不安定になる。時によってはクエンチされて電流の流
れが停止してしまう。

に）構　成 加熱用と一夕線を、絶縁材をはさんで反平行に構成する
。つまり２本のヒータニレメントラ絶縁体全挾んで接合
し、１本のヒータ線とする。

第１図はこのようなヒータ線の一部縦断斜視図である。

ヒータ、ＩＩ　ハ平＆　線状のヒータエレメント１、ヒ
ータエレメント２、これらの間に介装される絶縁材３と
、ヒータエレメント１、絶縁材３、ヒータニレメン）２
′ｆニ一体に組立てるための固定バンド４とよりなる。

固定バンド４はもちろん絶縁体である。

そして、中間の絶縁材３、固定バンド４は耐熱性の高い
材料でなければならない。

、ｔａｎ事は、２つのヒータエレメント１．２には、反
平行に電流を流す、という事である。

ヒータ線の終端に於て、ヒータエレメント１．２は結合
される。始端に於ては、各ヒータエレメント１．２が直
流電源に接続される。

もちろんヒータ線には、適当な固定手段が設けられて、
装置の壁面や、ヒータ専用の支持装置に固定される。

このようなヒータ線は、るつぼの周りに螺旋状に設けら
れてもよいが、従来のヒータのように、上下方向に蛇行
する円筒状のヒータとしてもよい。

ヒータエレメントには逆方向で、同一の強度の電流が流
れている。この電流同士の作用と、電流と磁場との作用
について考察しなければならない。

（イ）作　用 ヒータエレメント１．２に流れる電流は反平行であるか
ら、互に斥力を及ぼし合う。この斥力はヒータエレメン
ト１．２ｔ−離隔させるように働くが；固定バンド４が
あるので、ヒータエレメント１．２がバラバラにならな
い。

次に磁界と電流の相互作用であるが、ローレンツカバ、
ヒータエレメント１．２の電流Ｊ１、Ｊ２に対して必ず
反対方向に発生する。

磁界が上向きであれば、ローレンツ力はヒータエレメン
ト１．２を接近させる方向に生ずる。

磁界が下向きであれば、ローレンツ力はヒータエレメン
ト１．２を離隔させる方向に働く。

いずれの場合でも、これらの力によってヒータ線は動か
ない。Ｊｌ、Ｊ２に働く力Ｆｌ、Ｆ２が常に打消しあう
からである。すなわち、Ｈが２軸（上下方向）に平行で
あれば Ｆ１＋Ｆ２＝０　　　　　　　（１） となる。

座標系を次のように取る。

電流の向きにｙ軸、上向きに２軸、ヒータエレメント１
からヒータエレメント２に向けてＸ軸を取る。

磁場がｙ軸方向を向いている場合は、電流と磁場が平行
であるから、ローレンツ力は生じない。

磁場がＸ軸方向を向いている場合は、ローレンツ力が、
ＪＬについては一２方向、Ｊ２については＋２方向に生
ずる。従って、ヒータに対しては、ねじりモーメントが
作用する事になる。

しかし、ヒータエレメント間の距離が小さいから、発生
するモーメントは小さいものである。従って、ヒータの
固定部に力が加わって、固定部が外れる、という心配が
ない。

このように、ヒータエレメント１．２に逆方向電流が流
れるから、磁場から受けるローレンツ力の影響は極めて
僅かである。

反対に、電流が磁場へ及ぼす作用もある。これは反作用
であるからマグネットへ加わる力とヒータに加わる力は
、大きさが同一であって、方向が反対である。

作用が小さいのであるから、反作用も小さい。

たとえヒータ電流を変化させても、マグネットに及ぼす
反作用も小さい。永久電流モードの超電導マグネットに
より磁場を発生していたとしても、クエンチが起こらな
い。つまり、ヒータ電流全自由に制御させる事ができる
。

（イ）効　果 近年、超電導マグネット技術の進展が著しい。

また高品質、大口°後半導体単結晶の要求の高まりによ
って、永久電流モードの起電導マグネットの磁場を、結
晶成長のための原料融液に印加する技術が開発されつつ
ある。

このような装置に於て、マグネットとヒータの相互作用
が大きいと、超電導マグネットが不安定になる。

本発明のヒータ線を用いれば、ヒータエレメントが作る
閉ループの面積はきわめて狭くなり、ヒータエレメント
と、マグネットの相互インダクタンスが小さくなる。

このため、ヒータ電流を変えても、マグネットに誘起さ
れる電流変化は小さい。このためヒータによる温度コン
トロールを自由に行なう事ができる。超電導マグネット
のために、結晶成長の温度制御性が損なわれる、という
事がない。

さらに、℃−夕はマグネットから強い作用を受けないの
で、ヒータの固定部が損傷を受けるという事がない。

さらに、本発明のヒータは、反平行の電流が流レル事ニ
よりローレンツ力の発生全極小にしているから、ヒータ
の電源として交流電源を用いる事ができる。交流電源と
いう事であれば、整流、平滑などの回路が不要となり、
装置コストを低減することができる。

本発明のヒータは、引上げ法の加熱ヒータとして用いる
と最適である。しかし、ボート法（水平ブリッジマン法
、温度勾配凝固法）に於けるヒータとして用いる事もで
きる。いずれにしても、磁場を印加して結晶成長を行な
う場合にヒータ線として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加熱用ヒータの一部縦断斜視図。 第２図は従来例（特公昭５Ｂ−５０９５１号で提案され
ている）のヒータ構造図。 １．２　・・・　ヒータエレメント ３　・・・・・・　　絶　　縁　　体 ４・・・・・・　固定バンド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. るつぼの中に収容されたヒータによつて加熱されている
   半導体の原料融液に、磁場を加えて対流を抑制しておき
   、原料融液に種結晶を漬け、種結晶を引上げる事によつ
   て半導体の結晶を引上げる事とした結晶製造装置のヒー
   タ、又は、水平に置かれた容器内に収容されている半導
   体原料をヒータによつて加熱して原料融液とし、原料融
   液に磁場を加えて対流を抑制しておき、容器の一端から
   原料融液を冷却してゆくことにより半導体の結晶を成長
   させる事とした結晶製造装置のヒータであつて、ヒータ
   線がヒータエレメント１、ヒータエレメント２、これら
   の中間にある絶縁体３と、ヒータエレメント１、２を絶
   縁体３を挾んで一体に結合する固定バンド４とよりなり
   、ヒータエレメント１、２は終端で互に結合され、始端
   では電源に接続されており、ヒータエレメント１、２に
   は、同一大きさの電流を反平行に流すように構成した事
   を特徴とする磁場印加半導体結晶製造装置のヒータ構造
   。