KR100349872B1 - 단결정체의 제조방법 및 단결정체 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정체의 제조방법과 단결정체 제조장치에 관한 것으로, 원료를 용융시킨 융액을 과냉각 상태의 입상융액으로 하고, 미소중력 환경하에서 부유시킨 상태로 융액의 표면의 일부를 자유에너지를 저하하여 단결정을 성장시키는 것에 의하여 입상의 단결정체를 제조하는 기술에 관한 것이다. 단결정체 제조장치(31)는, 골드이미지로(35), 챔버(33), 원료공급유지기구(38), 낙하튜브(36,37) 회전판(39), 회수조(40) 등을 구비하고, 반도체 재료로 되는 원료(32a)를 가열하여 용융시키고나서 낙하튜브(36,37) 내의 진공중을 자유낙하시키고, 낙하도중에 있어서 과냉각상태의 구상융액(32b)의 표면의 일부를 회전판(39)의 고체표면에 접촉시켜서 결정핵을 생성시키고, 그 후 결정핵에서 단결정이 성장하여 구상의 단결정체(32c)로 되고, 회수조(40) 내에서 회수한다.

Description

단결정체의 제조방법 및 단결정체 제조장치 {Method of manufacturing single crystal and apparatus for manufacturing single crystal}

실리콘이나 게르마늄 등의 단일 원소반도체 결정은, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb, ZnSe, CdTe 등의 이원화합물 반도체결정 혹은 두개의 이원화합물 반도체를 혼합한 혼정반도체는, 전자 디바이스 재료로서 이용되고, 이들 반도체결정의 품질은 디바이스 성능에 큰 형향을 미친다. 이 때문에 결정 결함이 적고 성분 원소의 조성비나 불순물 농도분포가 제어된 고품질의 벌크 단결정(단결정체)를 제초하는 기술은 극히 중요하다.

한편 반도체의 원료에서 화합물 융액을 직접 합성하고, 그 융액을 직접 응고시키는 것으로, 종결정을 사용하지 않고 단결정체를 제조할 수 있다면, 일렉트로닉스 디바이스의 선능 개선을 도모하는 것이 가능하고, 제조 코스트면에서도 바람직하다. 현재 반도체 원료의 융액을 응고시켜서, 큰 벌크의 단결정으로 성장시키는 방법으로서 CZ법, FZ법, 브릿지만법 등이 알려져 있다.

그러나 이들 방법으로는, 어느것도 종결정에서 단결정을 성장시키기 때문에, 최초에 양질의 종결정을 준비하지 않으면 안된다. 일반적으로 별도 제작된 큰 단결정에서 절취된 종결정을 사용하는 방법이 채용되고 있다. 그러나 반도체 종류에 따라서는 양질의 단결정을 제조하는 것이 곤란한 경우도 있다. 이와 같은 경우에는 소결체 혹은 귀금속봉을 종(種)으로 하여 다결정체를 성장시키고, 그 다결정체 가운데 비교적 큰 그레인의 단결정부분을 절취하여 종결정으로 하는 것으로 되지만, 양질의 종결정을 얻는 것이 곤란하다.

종래의 융액에서 결정을 성장시키는 방법에는, 중력의 영향을 받아서 융액내에서 복잡한 유동이 발생하고, 성장하는 결정의 품질에 큰 형향을 미친다고 알려져 있다. 가장 치명적인 결함으로서, 융액을 수용하는 용기가 필요하고, 용기의 화학적 물리적 작용으로 결정의 순도 저하나 결정흠결이 발생한다. 더욱이 융액내에서는 온도차에 수반하는 열대류가 생기고, 고액의 계면의 온도나 조성의 변동에 의하여 결정 흠결이 발생하기 쉽게 되고, 품질이 안정되지 못하고, 조성이 불균일하여 결정결합이 많은 결정으로 된다.

이와 같은 중력에 의한 악영향을 해소하기 위해서는, 우주 스테이션, 스페이스셔틀, 로켓트 항공기에 의하여 실현되는 미소중력 환경하에서 결정을 성장시키는 여러가지 실험이 수행되고 있다. 그러나 결정 제작의 비용이 막대하게 되고, 적용가능한 재료도 제한될 뿐만 아니라 G지터라고 불리는 미소한 중력 교란에 의하여결정성장이 요동이 생기기 때문에 바람직하지 않다. 최근에는 약 10초간 정도의 단시간이면서 G지터의 작은 미소중력 환경이 지상의 자유낙하 시설에서 실현되고 있고, 그 이용이 기대되고 있지만, 융액에서 직접 단결정체를 성장시키는 방법은 어떠한 것도 제안되고 있지 않다.

예를 들면 미합중국 특허 제4,021,323호 공보에는, 쇼트타워의 상단에 장비한 작은 노즐에서 실리콘의 융액을 분사하고, 쇼트타워에서 공기중을 장낙하켜서 실리콘의 구상결정을 제작하는 기술이 기재되어 있다. 그러나 이러한 기술에서는, 낙하시의 공기 저항에 의하여 충분한 미소중력상태가 얻어지지 않으며, 또한 노즐에서 불순물이 침투하는 문제점이 남아 있다.

본 발명은 본 발명자가 자유낙하 시설에서 발생한 미소중역 환경 하에서 반도체 융액에서 구상결정을 만드는 여러가지 실험을 수행하여 발견한 신사실에 기초하고 있다.

본 발명의 목적은, 여러가지 반도체 재료(단일 원소의 반도체, 단일원소의 복수 종류의 반도체, 화합물 반도체)의 융액에서 종결정을 이용하지 않고 단결정체를 제조하는 기술, 결정 흠결이 작은 고품질의 단결정체를 제조하는 기술, 그외 여러가지 재료의 융액에서 종결정을 이용하는 것 없이 단결정체를 제조하는 기술 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명은, 원료를 용융한 융액을 미소중력 환경하에서 부유상태에서 과냉각 상태로 하고 나사 결정핵을 생성시켜 응고시키는 것에 의하여 종결정을 사용하지 않고 직접 단결정체로 결정화하는 방법과 장치에 관한 것으로, 특히 단일 원소반도체의 입상단결정체나 화합물 반도체의 입상단결정체를 제조하는 것에 적합한 기술에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예의 단결정체 제조장치의 종단면도이고,

도 2는 본 발명의 제2실시예의 단결정체 제조장치의 종단면도이며,

도 3은 본 발명의 제3실시예의 단결정체 제조장치의 종단면도이며,

도 4는 도 3의 단결정체 제조장치의 상단측 부분의 종단면도이며,

도 5는 도 3의 단결정체의 제조장치의 나마지부분의 종단면도이고,

도6의 (a) 내지 (e)는 도 3의 단결정체 제조장치에 의하여 단결정체를 제조하는 경우의 5개의 단계에 있어서의 앰플 내의 원료의 상태와 거동을 설명하는 설명도이다.

본 발명에 의한 단결정체의 제조방법에는, 원료를 용융하고 나서 응고시켜 단결정체를 제조하는 방법에 있어서, 원료를 가열하여 용융시키는 제1공정과, 상기원료의 융액의 온도를 저하시키 융액을 과냉각 상태의 입상융액으로 하는 제2공정과, 상기 과냉각상태의 입상융액을 미소중력환경하에서 부유시킨 상태로 그 입상융액의 표면의 일부의 표면자유에너지를 낮추어서 입상융액으로 결정핵을 생성시키는 제3공정과, 결정핵을 가지는 입상융액을 입상의 단결정체로 응고시키는 제4공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

반도체 등의 원료를 용융시킨 융액을, 중력가속도가 10^-3에서 10^-5G 정도의 미소중력환경하에서 부유시킨체로 표면장력 작용으로 자유표면을 가지는 입상 융액으로 하고, 그 부유상태인 채로 온도 저하시켜서 과냉각 상태로 한다. 미소중력환경하에서 비접촉의 부유상태로 있기 때문에 불균일 핵생성이 없고, 융액 내의 온도나 밀도의 요동이 작기 때문에 균일한 핵생성의 자유 에너지 장벽의 높이가 높고, 큰 과냉각상태로 된다. 과냉각도가 큰 상태의 입상 융액의 표면의 일부의 표면 자유에너지를 낮춰서 결정핵을 생성시키면, 그 결정핵생성에 부반하여 과냉각상태의 입상융액은 급속하게 입상의 단결정체로 응고된다. 이러한 입상융액의 표면의 일부의 표면 장에너지를 낮추는 것은, 예를 들면 입상융액의 표면의 일단에 핵생성 사이트로 되는 화학적 안정성이 높은고체를 미소시간 동안 접촉시키면 된다.

이러한 방법을, 게르마늄(Ge), 갈륨안티모나이드(GaSb), 인듐안티모니이드(InSb) 등의 반도체에 대하여 실험한 바, 입상융액이 응고된 입상의 단결정체를 제조하는 것이 가능하였다. 이와 같이 원료로서는 여러가지 단일 원소의 반도체 재료를 사용하는 것이 가능하고, 여러가지 화합물 반도체 재료를 사용하는 것도 가능하다. 삼원소 이상의 조성의 다원반도체 화합물을 원료로 하는 경우, 이들의 화학양론적 조성을 가지는 다결정의 원료, 혹은 미리 각 성분원소를 화학 양론적 조성으로 칭량하고 조합한 반도체 재료로 되는 원료를 적용하는 것으로 한다. 단 반도체의 단결정이 한정되지 않고, 각종의 금속재료나 절연재료의 단결정체를 제조하는 것도 가능하다.

이와 같은 방법으로 단결정의 성장이 가능하다는 것에 대해서는 과학적으로 완전히 해명되지는 않았지만, 미소중력 환경에서 다른 물질과 비접촉으로 표면 장력만으로 구형으로 되고 자유에너지 최소의 과냉각 상태로 되면 입상융액의 구조는 실제로는 부드러운 원자간 결합이지만 고체단결정과 동일하게 규칙 적인 원자배열로 되는 것으로 사료되고, 그것에 의하여 결정핵의 생성으로 급속한 단결정 성장이 시작되는 것으로 추측된다.

상기 원료가 증기압이 높은 반도체 재료를 포함하는 경우에는, 원료를 캅셀내에 수용하여 제1∼제4과정을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 경우 증기압이 높은 반도체 재료 이외의 반도체 재료를 캅셀 내의 주실에 미리 수용하여 두고, 증기압이 높은 반도체재료를 캅셀 내의 주실로 연통한 부실에 미리 수용하여 두며, 제1~제4과정에 있어서 주실 내의 반도체 재료와 부실내의 반도체 재료를 다른 온도로 가열하는 것도 가능하다. 제1∼제4공정은, 진공분위기, 불활성 가스 분위기, 산화성 가스분위기의 어느 하나의 분위기 중에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한 과냉각상태의 입상 융액의 표면의 일부에 이온빔을 미소시간 사이 조사하는 것에 의하여, 표면 자유에너지가 떨어지는 것으로 된다.

본 발명의 단결정체의 제조방법에 의하면, 각종의 단일원소의 반도체 재료의 융액에서 종결정을 사용하는 것 없이 단결정체를 제조할 수 있고, 단일 원소의 복수종류의 반도체 재료 혹은 화합물 반도체 재료의 융액에서 종결정을 사용하는 것없이 화합물 반도체의 단결정체를 제조할 수 있으며, 미소중력 환경을 활용한 간단한 방법으로 여러가지 재료의 융액에서 종결정을 사용하는 것 없이 단결정체를 제조할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 단결정체조장치는, 미소중력 환경 실현수단에 적용하는 것이 적합한 단결정체 제조장치로서, 미소중력 환경실현수단에서 실현되는 미소중력환경과 협력하여 원료에서 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치에 있어서, 기밀상태의 챔버를 형성하는 챔버케이스와, 상기 챔버케이스 내에 배치되어 원료를 수용하는 원료용기와, 상기 원료용기 내의 원료를 가열하는 가열수단과, 상기 원료용기를 챔버케이스에 지지시키는 것과 같이 원료용기를 챔버케이스에 대하여 상대적으로 이동 구동 가능한 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 원료용기 내의 원료를 가열수단으로 가열하여 용융시키고, 그 융액을 원료용기내에 있어서 미소중력환경하에서 비접촉상태로 부휴시킨 채로 냉각하여 과냉각상태의 입상 융액으로 하고, 미소중력환경 하에서 비적촉상태로 부유한 채로 상기 액츄에이터에 의하여 원료용기를 챔버케이스에 대하여 상대적으로 이동 구동하는 것에 의하여, 그 과냉각상태의 입상융액의 표면의 일부를 원료 용기의 고체면에 접촉시켜서 입상융액으로 결정핵을 생성하고, 입상 융액을 응고시켜서 입상의 단결정체를 제조한다.

그리고 상기 가열수단은, 타원체형 반사면과, 그 타원체형 반사면의 초점에 배치되는 할로겐램프를 구비하는 구성으로 하면 된다.

이러한 단결정체 제조장치에 의하면, 각종의 미소중력 환경 실현수단에 적용가능한 단결정체 제조장치에 있어서, 간단한 구조의 단결정체 제조장치를 제공하는 것이 가능하다. 그 외, 단결정체의 제조방법과 동일한 효과를 가진다.

본 발명에 의한 다른 단결정 체조장치는, 원료를 가열하여 융액으로 하고, 그융액을 자유낙하시키고, 미소중력 환경하에서 응고시켜서 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치에 있어서, 연직방향으로 연장되는 기밀상의 낙하튜브와 상기 낙하튜브의 상단부 내에 원료를 해제 가능하게 유지하는 원료유지수단과, 상기 원료유지수단으로 유지되는 원료를 가열하여 용융시키는 가열수단과, 상기 용융된 입상 융액이 낙하튜브 내를 자유낙하면서 과냉각 상태로 되어 자유낙하중에 낙하튜브의 도중부 내부에서 입상융액의 표면의 일부의 자유에너지를 낮추어서 입상용액으로 결정핵을 생성시키는 결정핵 생성수단과, 더욱이 결정핵을 핵으로서 단결정으로 응고된 단결정체를 회수하는 회수부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

단 상기 낙하튜브 내의 공기를 흡인하여 진공화하는 흡인수단을 설치하고, 입상 융액은 낙하튜브 내의 진공중을 낙하시키는 것으로 한다. 상기 가열수단은, 타원체형 반사면과, 상기 타원체형 반사면의 초점에 배치된 할로겐램프를 구비하는 구성이면 족하다. 상기 결정핵 생성수단을, 낙하 튜브 내의 입상 융액의 낙하 경로에 배치되고 동시에 화학적 안정성이 높은 고체재료제의 회전판으로 구성하는 것이 가능하다. 이러한 단결정 제조장치에 의하면, 자유낙하에 의하여 미소중력 환경을 실현하기 때문에 지상에서 설치 가능한 장치로 된다. 그 외 단결정체의 제조 방법과 동일한 효과를 가진다.

더욱이 별도의 단결정체 제조방치로서, 원료를 수용하여 낙하에 제공되는 캅셀을 적용하고, 원료 유지수단 대신 캅셀 유지수단을 설치하고, 원료를 캅셀에 수용한 상태로 가열하여 용융하고, 용융된 액상융액을 캅셀과 같이 낙하시키도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 낙하중의 입상 융액을 고체 재료제의 회전판에 접촉시키는 것도 가능하여서, 상기 결정핵 생성수단이 낙하튜브 내의 캅셀의 낙하 경로에 배치되고 낙하중의 캅셀을 감속하는 감속수단을 포함하는 구성으로 하는 것도 바람직하ㄷ.

이러한 단결정 제조방치에 의하여, 해리압이 높은 반도체 재료를 포함하는 화합물 반도체의 단결정체를 종결정을 사용하지 않고 제조하는 것이 가능하다. 그 외, 단결정체의 제조방법과 동일한 효과를 가진다.

제1실시예(도 1 참조)

본 실시예에 관한 단결정체 제조장치는, 미소중력환경 실현수단에 적용하는 것에 적용한 단결정체 제조장치로서, 미소주력 환경 실현수단으로 실현되는 미소중력환경과 협동하여 원료에서 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치이다.

미소중력환경 실현수단으로서는, 물체를 낙하시켜서 미소중력환경을 실현하는 형식의, 낙하튜브, 낙하탑, 항공기 및 소형 로켓트, 또는 궤도상에 있어서 중력과 원심력이 어울리는 형태로 미소중력환경을 실현하는 형식의 스페이스셔틀, 프리프라이어, 회수 캅셀 및 우주 스테이션 등이 있다.

도 1에 도시한 단결정체 제조장치는, 각종의 미소중력환경 실현수단 가운데, 이용 스페이스 또는 이용시간에 비교적 제한이 작은 미소중력환경 실현수단에 적용하는 것에 적합한 것이다. 먼저 이러한 단결정체 장치에 대하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이러한 단결정체장치(1)는, 단면 원형의 챔버(2)를 형성하는 스텐레스 금속제의 기밀상의 챔버케이스(3)와, 상기 챔버(2) 내에 배치되어 원료(4a)를 수용하는 그라파이트제의 원료용기(5)와, 상기 원료용기(5)를 챔버케이스(3)에 기디하는 스텐레스강제의 지지로드(6)와, 상기 지지로드(6)(6)를 통하여 원료용기(5)를 챔버케이스(3)에 대하여 상대적으로 상하로 이동 구동하기 위한 솔레노이드액츄에이터(7)와, 원료용기(5) 내의 원료(4a)를 가열하는 가열수단으로서 골드이미지로(8)를 구비하고 있다.

원료용기(5)는, 원료(4a)를 올리기 위한 하단부의 트레이부(5a)와, 복수개의 지지봉(5b)와, 상단벽(5c)로 구성되고, 지지로드(6)의 하부의 소경로드부(6a)는, 원료용기(5)의 상단벽(5c)에 연결된 스텐레스강제의 홀더(6b)에 고착되어 있다. 9개의 입상의 원료(4a)는 트레이부(5a)에 설치된 복수개의 원형의 요부(5d)(직경2.2mm, 깊이 1.5mm, 가로세로 3mm 피치로 9개이다)에 적재된다. 트레이부(5a)의 하면에는 온도측정을 위한 열전대(9)가 부착되고, 그 리드선(도시 생략)은 원료용기(5)의 지지봉(5b)을 따라 연장되고, 지지로드(6)의 내부의 배선통로 내부를 통하여 외부로 연장되어 제어유니트(도시 생략)에 접속되어 있다. 솔레노이드엑츄에이터(7)는, 솔레노이드 코일에 의하여 지지로드(6)를 상하로 소정 스트로크(예를 들면 약 2mm) 만큼 이동 구동가능하도록 구성되어, 제어유니트에 의하여 구동 제어된다.

챔버케이스(3)는, 원통상의 통체(3a)와, 상단을 엎은 정점판(3b)로 구성되고, 통체(3a)의 측부에는 원료(4a)를 관찰하는 개구창(도시 생략)이 형성되어 있다. 챔버(2) 내의 분위기를 불활성 가스(예를 들면 아르곤가스 등)으로 하기 위하여, 챔버케이스(3)의 통체(3a)에는, 진공 펌프에 의하여 배기되기 위한 그리고 불활성가스를 공급하기 위한 포트(10)와, 불활성가스가 챔버(2) 내부를 흐르도록 하기 위한 배출포트(11)와, 배출포트(11)를 개폐하는 개폐밸브(12)가 설치되어 있다. 그리고 적어도 원료(4a)가 용융하여 응고하기 까지의 기간은 불활성 가스의 흐름을 차단하고 기밀상태로 유지 가능하도록 구성되어 있다.

챔버(2)와 골드이미지로(8)의 사이를 구획하는 광투과성이 우수한 투명한 석영판(13)이 설치되고, 이러한 석영판(13)의 외주부의 양면에는 0링(14)이 설치되어 있다. 골드이미지로(8)는, 알미늄.마그네슘 합금제의 노본체(16)의 내면에 형성되고 금도금된 타원체형 반사면(17)과, 상기 타원체형 반사면(17)의 초점의 위치에 발광부를 위치시킨 할로겐램프(18)(최대 소비전력 1kW)와, 할로겐램프(18)의 위치를 미세조절하기 위한 미세조절기구(19)와, 냉각수통로(20)를 형성하는 통로형성체(21)를 구비하고 있다.

할로겐램프(18)의 램프단자(22)에서 전류를 공급하면, 할로겐램프(18)의 발광부에서 반사되는 적외광은, 타원체형 반사면(17)에서 반사되고, 석영판(13)을 투과하여 타원체형 반사면(17)의 타방에 초점에 집광한다. 상기 타방의 초점의 위치에 원료용기(5)의 트레이부(5a)가 배치되어 있기 때문에, 원료용기(5) 내의 원료(4a)를 소정 온도로 용융하는 것이 가능하다. 그리고 그 단결정체 제조장치(1)에 있어서, 원료용기(5)와 지지로드(6)와 솔레노이드액츄에이터(7)가 결정핵 생성수단에 상당한다. 단 솔레노이드액츄에이터(7) 이외의 상하 구동 엑츄에이터를 적용하여도 된다.

상기 단결정체 제조장치(1)를, (주)지카무도우료쿠지츠켄센터(일본국, 홋카이도 소라치캔 스나가와쵸에 설치)의 낙하탑에서 사용하는 낙하캅셀 내에 수납하고, 낙하캅셀이 중력 가속도로 낙하중에 발생하는 10^-4G 이하의 미소중력환경하(지속시간 10초)에서 다음과 같이 하여 결정 성장 실험을 실시하고, 종결정을 이용하는 것 없이 반도체 원료의 입상융액에서 직접 입상 단결정체로 성장시키는 것이 가능하였다.

최초로, 순도 9N 이상의 Ge의 결정으로 일변이 1.47mm 입방체의 원료(4a)를 트레이부(5a)의 9개의 요부(5d)에 1개씩 합계 9개 수용하였다. 다음에 챔버(2) 내를 진공으로 배기하고 나사 아르콘가스를 흘러넣으면서 할로갠램프(18)에 의하여 원료(4a)를 가열 용융하였다. 골드이미지로(8)의 온도 설정은 미리 1G의 중력 환경하에서 완전하게 녹는 온도를 눈으로 확인하여 두고, 그 온도보다 2∼3℃ 높게 설정하였다. 다음에 원료(4a)의 용융후 개폐밸브(12)를 닫고, 챔버(2) 내를 아르곤가스의 정지분위기로 하고, 용융온도에서 15초 정도 유지한 후 낙하 캅셀의 낙하를 개시하였다. 그 낙하 개시부터 1∼3초 정도 후에 할로겐램프(18)의 전원을 오프함과 동시에, 솔레노이드액츄에이터(7)를 동작시켜서 원료용기(5)를 20mm/sec의 속도로 약 0.2mm 하방(낙하 캅셀의 낙하방향)으로 이동시켰다. 그 결과 융액(4b)는 트레이부(5a)의 요부(5d)에서 구상융액으로 되어 원료용기(5)에 대하여 상대적으로 상향으로 부상하고, 자연 냉각되면서 과냉각상태로 되고, 관성운동에 의하여 수초이내에 구상융액(4b)가 원료용기(5)의 상벽(5c)나 지지봉(5b)의 고체벽면과 충돌하고, 그 고체벽면과의 접촉에 의하여 과냉각상태의 입상융액(4b)의 표면의 일부의 표면 자유에너지가 저하하여 입상융액(4)의 일부에 결정핵이 생성되었다. 이 때의 융액(4b)의 거동은 비디오카메라에 의하여 실시간으로 기록되었다. 그 후 낙하 캅셀의 낙하중에 융액(4b)는 방열을 계속하고 입상융액(4b)의 결정핵에서 결정이 성장하면서 응고되어 입상의 단결정체로 되고, 10초간의 미소중력 지속시간(낙하 캅셀이 중력 가속도로 낙하하고 있는 시간)을 경유하여 낙하캅셀은 브레이크에의하여 제동력을 받으면서 낙하탑 하에서 정지하였다. 그 후, 낙하 캅셀에서 단결정체 제조장치(1)를 취출하고, 단결정체 제조장치(1)에서 단결정체를 취출하였다.

단결정체는 응고벽면과 접촉후에 트레이부(5a)의 저면상으로 돌아오는 것이나, 고체벽면에 부착된 상태의 것도 있다. 어느것의 단결정체도 고체벽면에 접촉한 흔적이 보였다. 고체벽면과 충돌이 부드럽게 수행된 단결정체는 구형에 가까운 형태이고, 고체벽면과의 충돌이 조금 격렬하게 수행된 단결정체는 포탄형의 형상이었다. 그러나 어느것도 단결정체에 있어서도 X선회절로 결정성을 조시한 바, 주기적인 라훼 반점이 관측되고 단결정으로 되어 있는 것이 확인되었다.

단 도 1에는 원료(4a)의 시간적 변화가 모식적으로 되시되고, 미융해의 원료(4a)가 트레이부(5a)의 우단에 도시되며, 미소중력환경으로 돌입전의 융해된 융액(4b)가 그 좌측에 도시되며, 미소중력환경에 들어가고 나서 부유하면서 관성운동에 의하여 원료용기(5)의 상벽면(5c)에 접촉한 입상융액(4b)이 상벽면의 하측에 도시되어 있다.

게르마늄(Ge)의 원료 이외에, 갈륨안티모나이드(GaSb)의 원료와, 인듐안티모나이드(InSb)의 원료를 이용하여 동일한 실험을 수행하였다. 원료의 크기는 어느것도 0.4mm³으로 커트한 것을 이용하고, 1∼4개를 각 요부(5d) 내에 수용하여 용융시키고 각각 융액을 만들었다. 가열용융온도는 원료에 따라서 설정하고, 낙하개시후, 원료용기(5)를 하방으로 이동시키기 까지의 시간을 1∼5초 범위로 하고, 부상한 입상 융액이 벽면에 접촉하기 까지의 부유시간을 2,3초 이내로 하였다. 낙하캅셀의 낙하완료후, 단결정체를 회수하고 X선회절로 조사한 바, 이들이 단결정화되어있는 것이 확인되었다.

이상 설명한 단결정체의 제조기술은 단결정체 제조장치(1)를 미소중력 환경실현수단에 적용하고 미소중력환경하에서 과냉각 상태의 입상융액(4b)를 단결정체로 응고시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 단결정체 제조기술에 의하면, 미소중력환경 실현수단으로 실현되는 미소중력환경을 활용하기 위하여, 스페이스나 시간적인 제약이 작고, 각종 결정성장 조건의 설정이 가능하게 되는 것, 우주의 미소중력환경에서 단결정체를 제조하는 기술로서 적절하다는 것, 종결정을 이용하지 않고 원료의 융액에서 직접 입상의 단결정체를 제조할 수 있다는 것, 각조의 재료(단일 원소의 반도체, 화합물 반도체, 금속재료, 절연재료 등)의 단결정체를 제조할 수 있다는 것, 소형의 장치로 단결정체를 제조할 수 있다는 것 등의 효과를 얻을 수 있다.

[실시예 2]

본 실시예에 의한 단결정체 제조장치는, 지상에 있어서 자유낙하에 의한 미소중력환경을 활용하여 단결정체를 제조하는 장치하고, 이러한 장치에 의하여 단결정체의 제조방법은 비교적 용이하게 실시할 수 있다.

최초로 이러한 단결정체 제조장치에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 이러한 단결정체 제조장치(31)는, 원료(32a)를 수용함과 동시에 진공분위기를 만드는 챔버(33)를 형성하는 챔버케이스(34), 상기 챔버(33)의 상측에 배치된 가열수단으로서의 골드이미지로(35), 챔버케이스(34)의 하단에 접속되어 연직상방으로 소정 길이(예를 들면 약 4m) 연장되는 상부낙하튜브(36)으로 원료(32a)가 융해된 입상융액(32b)를 수직으로 자유 낙하시키기 위한 상부 낙하튜브(36), 상부낙하튜브(36)의 하단에서 상방으로 연장되는 하부낙하튜브(37)로서 융액(32b)이 응고하는 시간에 필요한 낙하길이(예를 들면 약 100m)를 구비하는 하부낙하튜브(37), 챔버(33) 내에 원료(32a)를 공급하여 유지 해제 가능하게 유지하는 원료공급유지기구(38), 하부낙하튜브(37)의 상단부 가까이 배치되고 낙하중의 융액(32b)와 미소 시간 사이에 접촉하는 그라파이트제의 회전편(39), 하부낙하튜브(37)의 하단측으로 연결되고 융액(32b)가 결정화한 단결정체의 충격을 흡수하고 냉각하는 액조를 구비하는 회수조(40) 등을 구비하고 있다.

도시된 바와 같이 챔버케이스(34)와 골드이미지로(35)의 사이에는 투명한 석영판(41)로 구획되고, 챔버케이스(34)와 상부튜브(36)의 사이에는 에어록크(42)로 구획되며, 상부낙하튜브(36)과 하부낙하튜브(37) 사이에는 에어록크(43)로 구획된다. 에어록크(42)를 열면 챔버(33)와 상부낙하튜브(36) 내가 연통하고, 에어록크(43)을 열면 상부낙하튜브(36)와 하부낙하튜브(37)가 연통한다. 골드이미지로(35)는, 상기 실시예 1의 것과 동일한 구조로, 노본체(44)의 하면측에는 단타원체형 반사면(45)가 형성되고, 그 초점위치에 할로겐램프(46)가 설치되며, 할로겐램프(46)에서 방사되는 적외선은 챔버(33) 내의 다른 하나의 초점위치에 집광된다. 그 하측의 초점위치에는 원료공급 유지기구(38)에 유지된 원료(32a)가 배치된다.

원료공급 유지기구(38)는, 석영제의 회전환봉(47)과, 상기 회전환봉(47)의 좌단부분에 형성되고 더욱이 원료(32a)를 유지하는 유지실(47a)와, 석영제의 슬리브(48)과, 석영제의 원료삽입봉(49)와, 회전환봉(47)을 180도 회전시키는 회동액cb. 에이터(50)과, 원료삽입봉(49)를 왕복 구동하는 왕복구동액츄에이터(51)과, 슬리브(48)에 형성된 원료투입구(52) 등을 구비한다. 회전환봉(17)은, 챔버케이스(34)의 우측의 벽부를 관통하여 챔버(33) 내부로 유도되고, 그 좌단부분에 원형단면으로 좌단이 개방된 유지통이 형성되며, 유지통 내에는 원료(32a)를 유지하는 유지실(47a)가 형성되며, 유지통의 상단부에는 융액(32b)를 낙하시키기 위한 개구(47b)가 형성되어 있다.

슬리브(48)는 챔버케이스(34)의 좌측의 벽부를 삽입 관통하여 챔버(33) 내로 도입되며, 슬리브(48)의 우단부가 유지통에 회전 가능하게 내부로 삽입되어 있다. 원료삽입봉(49)는 슬리브(48)의 좌단에서 슬리브(48) 내로 삽입되고, 원료투입구(52)에서 슬리브(48) 내로 공급되는 원료(32a)는 원료삽입봉(49)에 의하여 유지실(47a)로 눌러끼워져 있다. 원료투입구(52)는 캡(53)과 0링으로 밀봉 가능하고, 슬리브(48)의 좌단부는 박스너트(54)와 0링으로 기밀상태로 실링되어 있다.

챔버(33)의 내부를 진공 또는 불활성 가스 분위기로 절환하기 위하여, 챔버케이스(34)에는 배기포트(58)와, 배기포트(58)를 개폐 가능한 개폐밸브(59)가 설치되고, 배기포트(58)에는 진공펌프와 불활성가스공급장치가 절환식으로 접속되어 있다. 동일하게 상부 낙하튜브(36)내를 진공 또는 불활성 가스분위기로 절환하기 위하여, 상부낙하튜브(36)에는 배기포트(60)와 배기포트(60)를 개폐 가능한 개폐밸브(61)가 설치되며, 배기포트(60)에는 진공펌프와 불활성 가스 공급장치가 절환식으로 접속되어 있다. 동일하게 하부낙하튜브(37)와 회수조(40) 내를 진공 또는 불활성 가스분위기로 절환하기 위하여, 하부 낙하튜브(37)에는 배기포트(62)와, 배기포트(62)를 개폐 가능한 밸브(63)이 설치되고, 배기포트(62)에는 진공펌프와 불활성가스 공급장치가 절환식으로 접속되어 있다. 상기 회전판(39)는, 입상융액(32b)가 자유낙하하는 도중에 있어서 입상융액(32b)와 접촉 가능하도록 설치된다. 그리고 회전판(39)가 입상융액(32b)와 충돌하는 각도 및 회전판(39)의 회전속도를 조정하는 기구(도시 생략)도 설치된다.

회수조(40)의 저부의 액용기(64)에는, 낙하한 단결정체(32c)의 충돌을 완화하고 동시에 단결정체(32c)를 냉각하기 위한 실리콘 냉각액(65)이 수용되고, 회수조(40)의 측벽부에는 단결정체(32c)를 취출하기 위한 개구창(66)과, 상기 개구창(66)을 개폐하는 에어록크(67)가 설치되어 있다. 그리고 상기 할로겐램프(46), 회동엑츄에이터(50), 왕복운동액츄에이터(51), 개폐밸브(59,61,63), 에어록크(421,43,67), 진공펌프, 불활성 가스 공급장치 등을 구동 제어하는 제어유니트(도시 생략)도 설치되어 있다. 그리고 단결정체 제조장치(31)에 있어서, 회전판(39)가 결정핵 생성수단에 상당한다.

다음에 단결정체 제조장치(31)를 이용하여 반도체 원료에서 입상의 단결정체를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

이러하 단결정체 제조방법의 특징은, 반도체 재료로 되는 원료(32a)를 융해시킨 융액(32b)를 자유낙하시키고, 그 낙하중의 미소중력 환경하에 있어서 과냉각 상태의 입상융액(32b)를 자유낙하시키며, 그 낙하중의 미소중력 환경하에 있어서 과냉각상태의 입상융액(32b)를 고체 표면에 접촉시키서 결정핵을 생성하고, 그 후더욱 자유낙하시키면서 응고시켜서 단결정체(32c)로 결정화시키는 것으로 된다.

최초에, 챔버(33)의 하측의 에어록크(42)를 닫은 후, 이미 체적과 형상을 정해진 원료(32a)를 원료투입구(52)에서 슬리브(48)내에 들어오고, 원료삽입봉(49)에 의하여 원료(32a)를 유지실(47a)로 삽입하고, 챕(53)과 박스너트(54)를 체결하여 기밀로 하고, 챔버(33) 내의 공기를 배기하여 진공으로 한다. 동일하게 상부낙하 튜브(36)로 하부 낙하튜브(37)와 회수조(40) 내에도 진공으로 배기하고, 원료(32a)의 낙하의 경우에는 에어록크(42,43)를 개방으로 하고 입상융액(32b)가 진공중을 낙하하도록 준비하여 둔다.

할로겐램프(46)에 의하여 미리 설정된 온도까지 가열하여 유지실(47a) 내의 원료(32a)를 용융한다. 그 융액(32b)는 표면장력에 의하여 반구상의 용액으로 되지만, 그 융액을 일정온도로 일정시간 유지한다. 그 후 회전환봉(47)을 180도 회동 시켜서 개구창(47b)를 하측을 향하여 융액(32b)를 자유낙하시킨다.

융액(32b)는 표면장력으로 진구상의 융액(32b)로 되고, 상부 낙하튜브(36) 내부를 자유낙하하는 사이에 미소중력환경 하에서 급속하게 방열되어 온도가 저하하고 과냉각상태로 된다. 이러한 과냉각상태의 융액(32b)는 회전판(39)의 고체표면과 미소시간 사이에 접촉한다. 그 결과 과냉각상태의 융액(32b)의 표면의 일부에 결정핵이 생성된다. 그 후 융액(32b)의 낙하방향이 흔들려서 자유낙하를 계속하고, 미소중력 환경하에서 유지된 채로, 구상 상태로 급속하게 응고하여 단결정이 성장하여 구상의 단결정체(32c)로 되고, 그 대로 회수조(40)의 저부의 액용기(64) 내의 실리콘 냉각액(65) 중에 낙하하고, 급냉되어 액용기(64)의 저면에 정지한다.

상기 단결정체의 제조방법에 있어서, 낙하전의 융액의 온도는 할로겐램프(46)의 출력 조정에 의하여 제어되고, 재료에 따른 최적온도로 설정된다. 낙하전의 융액(32b)의 온도, 융액(32b)의 종류나 크기, 회전판(39)에 접촉하기 까지의 시간 또는 낙하거리 등이 과냉각도에 관계하기 때문에, 이들 파라미터를 장치의 설계에 반영할 필요가 있다. 또한 회전판(39)가 구상융액(32b)과 접촉하는 때의 각도, 접촉압력, 그 접촉시간 등도 최적으로 하도록 제어하는 것이 바람직하고, 회전판(39)으 접촉면의 재질은 화학적으로 안정된 재질인 것이 필요하지만, 그 접촉면의 재질도 융액의 종류 등에 따라 선택하는 것이 바람직하다. 더욱이 회전판(39)과 접촉후 융액(32b)이 냉각액(65)에 도달하기 까지 응고를 종료하도록 장치의 낙하거리를 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 단결정 제조방법은, 원료로서 증기압이 낮게 진공중에서 열분해하기 어려운 재료의 원료를 적용하는 것이 바람지하다. 실리콘, 게르마늄, 실리콘게르마늄의 혼합결정, 혹은 인듐안티모나이드, 갈륨안티모나이드, 이들의 혼합결정 등을 적용할 수 있다. 단 금속재료나 절연재료의 원료를 사용하여 그들의 재료의 단결정체도 제조 가능함은 물론이다.

이러한 단결정체 제조 기술에 의하면, 종결정을 사용하지 않고 원료의 융액에서 직접 구상의 단결정체에 결정화 가능한 것, 구상의 결정 흠결이 작은 고품질의 단결정체를 제조할 수 있는 것, 융액 내의 물질의 밀도차에 기초하는 조성이나 도핑불순물의 불균형이 작은 것, 각종의 재료(단일 원소의 반도체, 화합물 반도체, 금속재료, 절연재료 등)의 단결정체를 제조할 수 있는 것, 지상에 설치한 장치에서단결정체를 제조할 수 있는 것, 결정핵 생성수단의 구성이 간단화되는 것, 원료공급유지기구(38)에서 원료를 연속적으로 공급하는 것도 가능하기 때문에 단결정체의 양산도 가능하다는 점 등의 효과를 얻을 수 있다.

[실시예 3](도 3 내지 도 6 참조)

해리압이 높은 원소를 성분으로 하는 화합물 반도체 결정에 있어서는, 융액이나 고화한 결정에서 원소의 해리를 방지하기 위하여 앰플 또는 캅셀 중에서 결정성장을 수행하는 것도 많고, 브릿지만법이 채용되고 있다. 그러나 종래의 기술로는 종결정을 사용하지 않아서, 융액을 직접 단결정체로 결정화시키는 것은 불가능 하였다. 본 실시예에 관한 단결정체 제조기술은, 화합물 반도체결정의 융액을 합성하고, 종결정을 이용하지 않고 그 융액을 직접 단결정체로 결정화하는 것을 특징으로 하는 것이다.

다음에는 단결정체 제조장치에 대하여 설명한다.

도 3은, 단결정체 제조장치(71)의 전체를 보이고, 도 4는 단결정체 제조장치(71)의 상단측 부분을 보이며, 도 5는 단결정체 제조장치(71)의 나머지 부분을 보이고 있다. 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 단결정체 제조장치(71)는, 원료(미도시)를 진공유지한 석영제의 앰플(72)(이것이 캅셀에 상당한다). 쌍타원형 골드이미지로(73). 상기 골드이미지로(73)의 하측에 연결되는 짧은 노측튜브(74), 상기 노측튜브(74)의 하단에 연결되는 낙하튜브(75)로서 연직방향으로 소정 길이(예를 들면 약 14m) 연장되는 낙하튜브(75), 상기 낙하튜브(75)의 하단에 연결되는 회수조(76), 골드이미지로(73)의 챔버(77)내에 앰플(72)를 유지하는매달기 동선(78)(캅셀 유지수단에 상단한다), 온도검출용 열전대(79), 낙하튜브(75) 내의 높이 방향 도중부에 설치되는 감속기구(80), 제어유니트(도시생략) 등을 구비한다. 노측튜브(74)와 낙하튜브(75) 사이를 구획하는 에어록크(81), 낙하튜브(75)와 회수조(76) 사이를 구획하는 에어록크(82)도 설치되어 있다.

상기 쌍타원형골드이미지로(73)는, 한쌍의 단타원체형 골드이미지로(73a,73a)를 수평 방향으로 대향시키고, 이들의 공통의 초점을 1점으로 일치시킨 것이고, 앰플(72)에 수용된 원료가 공통의 초점으로 위치하도록, 앰플(72)가 도시된 바와 같이 매달기 동선(78)로 유지되고, 원료를 가열용융 가능하도록 하고 있다. 골드이미지로(73)의 상단부에는 기밀단자(83)이 설치되고, 이러한 기밀단자(83)에서 매달기동선(78)이 연장됨과 같이, 기밀단자(83)에서 연장된 Pt-PtRh제의 열전대(79)가 앰플(72)의 부실(72b)의 온도를 검출하도록 접속되어 있다. 기밀단자(83)에는 매달기동선(78)에 접속된 외부단자(84)와, 열전대(79)에 접속된 외부단자(85)가 설치되어 있다.

골드이미지로(73)에 연결된 노측튜브(74)에는, 포트(86)와 상기 포트(86)를 개폐 가능한 개폐밸브(87)가 설치되고, 포트(86)는 진공펌프에 접속되며, 챔버(77)내의 진공을 배기할 수 있도록 구성되고, 필요에 따라서 내부에 공기를 도입 가능하다. 기밀단자(83)를 부착하는 단자부착부재(98)에는, 앰플(72) 내의 원료나 융액을 감시하기 위한 투명한 기밀창(도시생략)이 성형되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 낙하튜브(75)의 측벽에는 포트(88)과 상기 포트(88)를 개폐 가능한 개폐밸브(89)가 설치되고, 포트(88)는 진공펌프에 접속되며, 챔버(77) 내의공기를 배기 가능하도록 구성되고, 필요에 따라서는 내부의 공기를 도입 가능하다. 감속기구(80)는 낙하튜브(75) 내를 낙하 중의 앰플(72)을 감속하기 위한 것이고, 낙하튜브(75)의 내부의 높이 방향 도중부에 배치되어 있다. 이러한 감속기구(80)는, 약한 스프링에 의하여 화살표와 반대방향으로 가압된 좌우 한쌍의 회동판(80a)를 구비하고, 각 회동판(80a)의 상단부는 측벽부에 힌지결합되어 있다. 낙하중의 앰플(72)이 한쌍의 회동판(80a)에 접촉하면 감속되지만, 정지하는 것 없이 낙하를 계속한다.

회수조(76)의 저부의 액용기(90)에는, 앰플(72)의 충돌 완충과 냉각을 겸하는 실리콘오일(91)과 충돌흡수를 위한 실리콘고무 등의 쿠션재(92)가 수용되어 있다. 회수조(76)의 측벽에는, 앰플(72)을 취출하기 위한 개구창(93)이 설치되고, 상기 개구창(93)은 에어록크(94)로 개폐 가능하게 구성된다.

회수조(76)의 측벽에는 포트(96)와, 상기 포트(96)를 개폐 가능한 개폐밸브(97)이 설치되고, 포트(96)은 진공펌프에 접속되며, 회수조(76) 내의 공기를 배기 가능하도록 구성되고, 필요에 따라서 내부의 공기를 도입 가능하다.

도 4에 도시한 바와 같이, 석영제의 앰플(72)은, 원료의 융액(95b)에서 단결정체를 만드는 주실(72a)과, 상기 주실(72a)의 상방에 위치하는 부실(72b)로서 증기압이 높은 원소를 증발시켜서 주실(72a)내의 융액(95b)에 녹아들기 위한 부실(72b)를 구비하고, 주실(72a)과 부실(72b) 사이에는 증기확산 조절용 소구멍(72c)를 형성한 확산장벽(72d)가 설치되어 있다. 해리압이 높은 원소를 포함하는 화합물반도체의 단결정체를 제조하는 경우에는, 이와 같은 앰플(72) 내의 원료를 봉입하여 낙하시킨다.

이 경우, 미리 융점에 있어서 그 화합물 반도체의 화학 양론적 조성으로 되도록 각 구성원소에 대하여 칭량한 원료를 주실(72a) 내에 수용하던가 혹은 그 화합물 반도체의 조성을 가지는 다결정으로 되는 원료를 주실(72a) 내에 수용하여 두고, 그원료를 골드이미지로(73)에 의하여 가열 용융하고 화합물 반도체의 융액을 만든다.

한편 부실(72b)에는 해리압이 높은 원소의 원료를 수용한다. 그리고 그 원소의 융점에 있어서, 주실(72a)의 융액이 화학 양론적 조성으로 되기에 필요한 만큼의 해리압 상당의 증기압이 발생하도록 원료의 양과 가열온도를 부여한다. 여기서 앰플(72)과 감속기구(80)이 결정 핵생성수단에 상당한다.

다음에 단결정체 제조장치(71)를 사용하여 In_0.97Ga_0.03As 반도체의 단결정체를 제조하는 예에 대하여 설명한다.

앰플(72)의 주실(72a)의 저부에는 In_0.97Ga_0.03As 반도체 성분원소인 Ga와 In을 투입한다. 양은 In_0.97Ga_0.03As의 융점에 있어서의 융액조성에 대응하는 소정의 갈륨과 인듐의 양으로 한다. 부실(72b)에는 동일하게 In_0.97Ga_0.03As의 융점에 있어서의 비소의 해리압과 균형을 이루는 비소(As)압을 발생하기에 필요한 양의 As를 투입한다. 이들 성분 원소의 원료를 수용하고 나서 앰플(72) 내를 진공으로 배기하고 봉입한다.

이러한 앰플(72)는, 그 상단의 링부(72e)에 매달기동선(78)을 통하여 골드이미지로(73)의 공통의 초점의 위치로 매달아둔다. 그리고 챔버(77)의 내부를 진공 배기하고 나서 할로겐램프(73b)에 전류를 공급하고 앰플(72)의 주실(72a)의 저부를 In_0.97Ga_0.03As의 융점보다 조금 높은 1070℃로 가열함과 같이, 부실(72b)를 약 600℃로 가열한다. 가열에 의하여 주실(72a)의 저부에는 최초 In과 Ga에로 되는 융액이 발생하고, 부실(72b)에서는 As의 일부가 승화하여 기체로 되어 주실(72a)내에서 확산하여 In과 Ga로 되는 융액과 반응하고, In_0.97Ga_0.03As의 조성을 가지는 융액(95b)가 합성된다. 융액(95b)가 합성되기 까지 미리 진공배기한 낙하튜브(75)와 회수조(76) 내부를 앰플(72)가 자유낙하 가능하도록, 에어록크(81,82)를 개방상태로 한다. 다음에는 In_0.97Ga_0.03As의 융액(95b)의 합성이 완료한 시점에서 매달기동선(78)에 전류를 공급하여 그것을 녹여 절단하고, 앰플(72)를 자유낙하시킴과 동시에 할로겜램프(73b)의 전원을 오프한다.

앰플(72)은 진공중을 자유낙하하고, 그 낙하의 도중에 한쌍의 구동판(80a)와 접촉하여 감속되고, 그 후 더욱이 자유낙하를 계속하여 회수조(76)의 실리콘오일(91)로 돌입하며, 최수에 실리콘고무의 쿠션재(92)에 충돌하여 정지한다.

낙하 개시후 자유낙하하는 앰플(72) 내부는 미소중력환경으로 변하고, In_0.97Ga_0.03As의 융액(95b)는 부유하고 표면장력의 작용으로 진구상으로 된다. 구상융액(95b)가 낙하중에 방열하여 과냉각상태로 되고 나서, 앰플(72) 내부에 중력이 작용하고, 부유하고 있던 융액(95b)가 주실(72a)의 저면의 고체표면에 미소시간 사이 접촉한다. 이 때문에, 구상융액(95b)의 표면의 일부에 결정핵이 생성된다. 그후 앰플(72)가 자유낙하를 계속하고 방열하기 때문에 주실(72a) 내에서 부유상태의 융액(95b)의 결정핵에서 급속히 결정성장이 진행되어, 구상융액(95b)의 전체가 In_0.97Ga_0.03As의 단결정체(95c)로 되고, 그 후 실리콘오일(91)에 돌입하여 냉각된다.

이상 설명한 융액합성에서 응고까지의 거동에 대하여 도 6을 참조하여 보충 설명한다. 도 6의 (a)는 앰플(72)가 골드이미지로(73)에서 낙하개시하는 직전의 상태를 보이고, 골드이미지로(73)에서 가열되고, 각 성분원소의 원료가 상호녹아서 In_0.97Ga_0.03As의 합성융액(95b)가 되어 있다. 도 6의 (b)는 앰플(72)이 낙하 튜브(75) 내를 자유낙하하고 내부에 미소중력환경이 발생하고, 융액(95b)가 부유하고 표면장력의 작용으로 구상으로 된 상태를 보인다. 이 구상융액(95b)에 있어서는 단결정과 동일하게 성분원소의 다수의 원자가 규칙성을 가지고 배열되고 있는 것으로 추측된다. 도 6의 (c)는 앰플(72)가 감속기구(80)의 한쌍의 회동판(80a)와 접촉하여 감속한 때의 상태를 보인다. 구상 융액(95b)가 주실(72a)의 저면(고체표면)가 충돌하여 구상융액(95b)의 표면의 일부가 지면에 접촉하고, 그 표면의 자유에너지가 저하되기 때문에 그 부분에 결정핵이 생성된다. 도 6의 (d)는, 앰플(72)기 감속기구(80)를 통과하여 다시 자유낙하상태로 되고, 부유한 구상융액(95b)이 응고하여 구상의 단결정체(95c)로 된 상태를 보인다. 도 6의 (e)는, 앰플(72)가 실리콘 냉각액(91)에 돌입한 때의 상태를 보인다. 그 단결정체의 제조방법은, 그 이전의 각종의 화합물 반돛체로서 해리압이 높은 원소를 포함하는 화합물 반도체 결정의 단결정체의 제조에 적용하는 것이 가능하다. 단, 금속재료나 절연재료의 원료를 사용하여, 이들의 재료의 구상의 단결정체도 제조할 수 있음은 물론이다.

이러한 단결정체의 제조기술에 의하면, 종결정을 사용하는 것 없이 융액에서 직접 구상의 단결정체를 제조할 수 있는 점, 복수종류의 원소원료에서 화합물 반도체를 합성 가능한 점, 미소중력 환경하에서 부유상태로 구성인 채로 단결정화하는 것이어서, 결정흠결이 극히 작은 고품질의 단결정체를 제조 가능한 점, 융액 내의 물질의 밀도차에 기초하는 조성이나 도핑 불순물의 불균형이 작은 점, 삼원 이상의 화합물 반도체의단결정체를 제조 가능한 점, 각종의 재료(단일 원소의 반도체, 화합물 반도체, 금속재료, 절연재료 등)의 구상단결정체를 제조 가능한 점, 등의 효과를 얻을 수 있다. 그리고 상기 실시예 1 내지 3에 다음과 같은 부분적인 변경을 부가하는 형태로 실시하는 것도 가능함은 물론이다.

1) 할로겐램프에 대신하여, 저항 가열장치, 고주파 전자유도가열장치, 전자빔 가열장치, 레이저 가열장치 등의 가열수단을 적용 가능하다.

2) 실시예 3과 같이 앰플을 낙하시켜서 단결정체를 제조하는 경우, 온도가 높은 융액을 만드는 주실과 휘발성원소를 증발시키는 온도가 낮은 부실을 별도로 가열하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 온도제어 가능한 각각의 독립의 가열원에 의하여 주실과 부실을 가열하는 것이 바람직하다. 이것은 기존의 기술으로도 충분히 가능하다.

3) 미소중력환경하에서 부유상태에 있는 입상융액이나 구상융액은 중력하에 있는 경우와 비교하여 융액에서의 결정성장 속도가 극히 빠른 것으로 알려져 있다.이들에 관한 발명자의 고찰에 의하면, 과냉각 상태의 융액의 구조는, 중력하의 융액의 구조와 달리, 단결정과 동일하게 규칙적으로 원자배열을 가지고 있기 때문에, 일단 결정핵이 일점에 또는 국부적으로 생성되면 액상의 화학 포텐셜이 크기 때문에 결정핵에서 급속하게 결정이 성장하여 단결정으로 되는 것으로 고찰된다. 따라서 상기 실시예와 같이 입상 융액의 일단을 다른 고체물질에 접촉시켜서 결정핵을 생성하는 대신에 낙하도중의 입상융액의 일단 또는 굽부에 이온빔을 조사하여 표면자유에너지를 저하시키는 것에 의하여 결정핵을 생성시켜, 그 결정핵에서 단결정을 성장시키는 것도 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 본 발명에 의한 단일결정체를 여러가지 단일 원소의 반도체 재료를 사용하는 것이 가능하고, 여러가지 화합물 반도체 재료를 사용하는 것도 가능하다. 삼원소 이상의 조성의 다원반도체 화합물을 원료로 하는 경우, 이들의 화학 양론적 조성을 가지는 다결정의 원료, 혹은 미리 각 성분원소를 화학 양론적 조성으로 칭량하고 조합한 반도체 재료로 되는 운료를 적용하는 것으로 한다. 단 반도체의 단결정에 한정되지 않고, 각종의 금속재료나 절연재료의 단결정체를 제조하는 것도 가능하다.

Claims (20)

1. 원료를 용융하고 응고시켜서 단결정체를 제조하는 방법에 있어서,

   원료를 가열하여 용융시키는 제1공정과,

   상기 원료의 융액의 온도를 저하시켜서 융액을 과냉각상태의 입상융액으로 하는 제2공정과,

   상기 과냉각상태의 입상융액을 미소중력 환경하에서 부유시킨 채로, 그 입상융액의 표면의 일부의 표면 자유에너지를 저하시켜 입상융액으로 결정핵을 생성하는 제3공정과,

   상기 결정핵을 가지는 입상융액을 미소중력환경 하에서 입상의 단결정체로 응고시키는 제4공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 원료로서 단일원소의 반도체 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 원료로서 화합물 반도체 재료를 이용하고, 화합물 반도체의 단결정체를 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 원료로서 복수 원소의 반도체 재료를 이용하고, 화합물 반도체의 단결정체를 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 원료가 증기압이 높은 반도체 재료를 포함하는 경우에는, 원료를 캅셀 내에 수용하여, 제1 내지 제4공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 증기압이 높은 반도채 재료 이외의 반도체 재료를 캅셀 내의 주실에 미리 수용하여 두고, 증기압이 높은 반도체 재료를 캅셀 내의 주실로 연통한 부실에 미리 수용하여 두며, 제1공정에 있어서 주실내의 반도체 재료와 부실내의 반도체 재료를 다른 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 진공분위기, 불활성가스분위기, 산화성가스분위치의 어느 하나의 분위기 중에서 상기 제1공정 내지 제4공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 과냉각상태의 입상 융액의 표면의 일부를 화학적 안정성이 높은 고체의 표면에 미소 시간 사이 접촉시키는 것에 의하여 표면 자유에너지를 저하시키는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 과냉각 상태의 입상융액의 표면의 일부에 이온빔을 미소시간 조사하는 것에 의하여 표면 자유에너지를 저하시키는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조방법.
10. 미소중력환경 실현수단에 적용하기에 적합한 단결정체 제조장치이고, 미소중력 환경실현수단으로 실현되는 미소중력환경과 협력하여 원료에서 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치에 있어서,

    기밀상태의 챔버를 형성하는 챔버케이스와,

    상기 챔버 내에 배치되는 원료를 수용하는 원료용기와,

    상기 원료용기 내의 원료를 가열하는 가열수단과,

    상기 원료용기를 챔버 케이스에 지지시킴과 같이 원료용기를 챔버 케이스에 대하여 상대적으로 이동 구동 가능한 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 원료용기내의 원료를 가열수단으로 가열하여 용융시키고, 그 융액을 원료용기 내에 있어서 미소중력 환경 하에서 비접촉상태로 부유시킨 채로 냉각시켜 과냉각상태의 입상융액으로 하고, 미소중력환경 하에서 비접촉상태로 부유시킨 채로 상기 액츄에이터에 의하여 원료용기를 챔버케이스에 대하여 상대적으로 이동 구동하는 것에 의하여, 그 과냉각상태의 입상융액의 표면의 일부를 원료 용기의 고체면에 접촉시켜서 입상융액으로 결정핵을 생성히키고, 입상융액을 응고시켜서 입상의 단결정체를 제조 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 가열수단이, 타원체형 반사면과, 상기 타원체형 반사면의 초점에 배치된 할로겐램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
13. 원료를 가열하여 융액으로 하고, 그 융액을 자유낙하시키고 미소중력환경하에서 응고시켜서 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치에 있어서,

    연직방향으로 연장되는 기밀상의 낙하튜브와,

    상기 낙하튜브의 상단부 내에 원료를 해제 가능하게 유지하는 원료유지수단과,

    상기 원료 유지수단에서 유지되는 원료를 가열하여 용융시키는 가열수단과,

    상기 용융된 입상융액이 낙하튜브 내를 자유낙하하면서 과냉각상태로 하여 자유낙하중에 낙하튜브의 도중부 내의 입상융액의 표면의 일부의 자유에너지를 저하시키서 입상융액으로 결정핵을 생성하는 결정핵 생성수단과,

    자유낙하중에 결정핵을 핵으로하여 단결정으로 응고하는 단결정체를 회수하는 회수부를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체의 제조장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 낙하튜브내의 공기를 흡인하여 진공화하는 흡인수단을 설치하는 것을 특징으로하는 단결정체 제조장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 가열수단이, 타원체형 반사면과, 상기 타원체형 반사면의 초점에 배치되는 할로겐램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정핵 생성수단이, 낙하튜브 내의 입상융액의 낙하 경로에 배치되고, 더욱이 화학적 안정성이 높은 고체재료제의 회전판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
17. 원료를 가열하여 융액으로 하고, 상기 융액을 자유낙사시키고 미소중력환경하에서 응고시키셔 단결정체를 제조하기 위한 단결정체 제조장치에 있어서,

    연직방향으로 연장되는 기밀상의 낙하튜브와,

    원료를 수용하여 낙하에 제공하는 캅셀과,

    상기 낙하튜브의 상단부 내에 캅셀을 해제 가능하게 유지하는 캅셀 유지수단과,

    상기 캅셀 유지수단에서 유지되는 캅셀 내의 원료를 가열하여 용융시키는 가열수단과,

    상기 용융된 입상융액이 캅셀과 같이 낙하튜브 내를 자유낙하하면서 과냉각상태로 되어 자유낙하중에 낙하튜브의 도중부 내부의 입상융액의 표면의 일부의 자유에너지를 저하시켜 입상융액으로 결정핵을 생성시키는 결정핵생성수단과,

    상기 자유낙하중에 결정핵을 핵으로서 단결정으로 응고한 단결정체를 캅셀과 같이 회수하는 회수부를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 낙하튜브 내의 공기를 흡인하여 진공화하는 흡인수단을 설치하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 가열수단이, 타원체형 반사면과, 상기 타원체형 반사면의 초점에 배치되는 할로겐램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.
20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정핵 생성수단이, 낙하튜브 내의 캅셀의 낙하경로에 배치되고, 낙하중의 캅셀을 감속하는 감속수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정체 제조장치.