KR100783463B1

KR100783463B1 - 결정 성장용 도가니

Info

Publication number: KR100783463B1
Application number: KR1020077002447A
Authority: KR
Inventors: 요시아키 하기
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-12-07
Also published as: TW200643237A; EP1862570A1; EP1862570B1; WO2006100927A1; KR20070069130A; EP1862570A4; CN100526520C; US20080127885A1; TWI359217B; JP2006265025A; CN101018895A; JP3818311B1; US7473317B2

Abstract

결정 성장용 도가니(1)는, 종결정을 설치하기 위한 원통형의 선단부(3)와, 결정을 성장하기 위해 선단부의 위쪽에 형성되어 있고 선단부의 직경보다 큰 직경을 갖는 원통형의 직통부(5)를 포함하는 질화붕소제 도가니로서, 선단부의 두께(T1)와 직통부의 두께(T2)는 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건을 만족시키고, 직통부의 내경(D2)과 직통부의 길이(L2)는 100 mm<D2 및 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

Description

결정 성장용 도가니{CRYSTAL GROWING CRUCIBLE}

본 발명은 결정 성장용 도가니에 관한 것이며, 특히 화합물 반도체의 단결정을 제조하기 위한 결정 성장용 도가니에 관한 것이다.

종래의 단결정 성장법으로서는 HB(Horizontal Bridgeman)법, GF(Gradient Freeze)법, VB(Vertical Bridgeman)법, VGF(Vertical Gradient Freeze)법, 및 VZM(Vertical Zone Melt)법 등이 있다. 이들 방법은 보트(boat) 또는 도가니의 일부에 종결정을 배치하고, 원료 융액을 종결정에 접촉시키며, 종결정측으로부터 서서히 온도를 강하시키는 것에 의해 단결정을 성장하는 것이다. 특히, VB법 및 VGF법에서는, 일본 특허 공개 평04-367583호 공보(특허 문헌 1)나 일본 특허 공개 평08-048591호 공보(특허 문헌 2)에 나타나 있는 바와 같은 원통형의 도가니가 이용될 수 있다.

도 6은, 종래의 VB법에서 이용되는 도가니의 일례를 도시하는 모식적 단면도이다. 이 도가니(11)는 종결정(2)을 설치하는 도가니 선단부(3)와, 이 선단부(3)의 직경보다 큰 직경을 가지면서 제품이 되는 결정을 성장하기 위한 직통부(straight body portion)(5)와, 이들 양자를 연속한 면으로 연결하기 위한 숄더부(4)로 구성되어 있다. 화합물 반도체 결정의 성장의 경우, 도가니의 재질로서는 질화붕소가 이용된다. 이와 같은 도가니를 이용하여 실제의 결정 성장에는 이하에 진술하는 제조 장치가 이용된다.

도 7의 (a)는 결정 제조 장치의 일례를 도시하는 모식적 블록도이며, 도 7의 (b)는 그 장치에서의 온도 프로파일을 도시하는 그래프이다. 도 7의 (a)의 결정 제조 장치에서는, 기밀 용기(6) 내의 중앙에 배치된 도가니 설치부(8)상에 도가니(11)가 설치되고, 도가니(11)의 주변에는 가열부(7)가 추가로 설치되어 있다. 가열부(7)는 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같은 온도 기울기를 포함하는 온도 프로파일을 형성하도록 제어된다. 이 온도 프로파일의 상대적 이동을 기초로, 원료를 녹여 융액 상태로 종결정에 접촉시키고, 그 후에 고체화시켜 단결정의 성장이 행해진다.

특히, 일본 특허 공개 평08-048591호 공보에 도시하는 바와 같이, 결정 성장용 도가니의 선단부와 직통부의 두께나 내경을 일정한 범위로 제어하는 것에 의해 결정 성장시의 결정 직경 방향(중심부와 외주부)의 온도차를 저감시키고, 이에 따라 열 변형을 억제하여 전위(결정 결함)의 발생을 억제하는 것도 행해지고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평04-367583호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평08-048591호 공보

그러나, 선행 기술에서의 결정 성장용 도가니의 선단부와 직통부의 두께나 내경을 일정한 범위로 제어하여도, 최근 특히 요구되고 있는 대직경의 화합물 반도체 단결정을 성장하기 위해 대구경의 도가니를 사용하는 경우에는, 도가니의 선단부와 직통부의 두께나 내경의 비율의 관계를 제어하는 것만으로는 전위의 발생 억제 효과가 낮아 저전위 결정의 성장이 어려워진다.

이러한 과제에 감안하여 본 발명의 목적은, 대직경의 결정을 성장하는 경우에도, 저전위밀도의 결정을 성장할 수 있는 결정 성장용 도가니를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 결정 성장용 도가니는, 종결정을 설치하기 위한 원통형의 선단부와, 결정을 성장하기 위해 선단부의 위쪽에 형성되어 있고 선단부의 직경보다 큰 직경을 갖는 원통형의 직통부를 포함하는 질화붕소제 도가니로서, 선단부의 두께(T1)와 직통부의 두께(T2)는 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건을 만족시키고, 직통부의 내경(D2)과 직통부의 길이(L2)는 100 mm<D2 및 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 선단부의 두께(T1)와 직통부의 두께(T2)는 T1≤0.9 mm 및 T2≤0.6 mm의 조건을 더 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 선단부의 내경(D1)과 직통부의 내경(D2)은 1/20≤D1/D2≤1/5의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 선단부의 내경(D1)과 종결정의 외경(S1)이 실온에서 0.01 mm≤D1-S1≤1 mm의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 결정 성장용 도가니의 선단부와 직통부의 두께, 내경, 길이 등을 일정한 범위 및 관계로 제어한 도가니를 사용하는 것에 의해, 종래에 비해 대직경이면서도 저전위밀도의 결정을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 결정 성장용 도가니의 일례를 도시하는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 대해서 도가니 직통부의 내경(D2)과 길이(L2)가 평균 전위밀도에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.

도 3은 참고예에 대해서 도가니의 직통부의 내경(D2)과 길이(L2)가 평균 전위밀도에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.

도 4는 도가니의 선단부의 내경(D1)과 직통부의 내경(D2)의 비율(D1/D2)이 평균 전위밀도에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.

도 5는 도가니 선단부의 내경과 종결정의 외경의 차(D1-S1)가 평균 전위밀도에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.

도 6은 종래의 VB법에서 이용되는 도가니의 일례를 도시하는 모식적 단면도이다.

도 7의 (a)는 결정 제조 장치의 일례를 도시하는 모식적 블록도이며, (b)는 이 제조 장치에서의 온도 프로파일을 도시하는 그래프이다.

부호의 설명

1: 결정 성장용 도가니

2: 종결정

3: 도가니 선단부

4: 도가니 숄더부

5: 도가니 직통부

D1: 도가니 선단부의 내경

D2: 도가니 직통부의 내경

L2: 도가니 직통부의 길이

S1: 종결정의 외경

T1: 도가니 선단부의 두께

T2: 도가니 직통부의 두께

또한, 각 도면에서, 동일 부호는 동일 부분 또는 대응 부분을 나타낸다.

본 발명에서, 결정 성장용 도가니의 선단부와 직통부의 두께나 내경을 일정한 범위로 제어하는 경우, 결정 주변부의 열류에 영향을 주는 도가니 직통부의 두께와 결정 중심부의 열류에 영향을 주는 도가니 선단부의 두께를 제어하고, 도가니 선단부의 두께를 크게 하는 것에 의해 결정 중심부를 따른 열류를 크게 할 수 있다. 따라서, 도가니의 선단부와 직통부의 최적의 두께비에서는, 결정 성장중의 온도 분포가 균일해지고, 결정에서의 열 응력을 낮게 억제할 수 있으며, 저전위밀도화를 실현할 수 있다.

그러나, 결정 직경(즉 도가니 내경)이 커지면 도가니 측면의 표면적의 영향을 고려하지 않으면 온도 분포의 균일화를 실현할 수 없게 된다. 즉, 단결정 제조 장치 내의 온도 기울기와의 관계로부터, 도가니의 직통부의 내경에 대하여 그 길이가 짧으면 주변부에서의 열류가 줄고 길이가 길면 열류가 커지기 때문에 온도 분포 균일화의 실현을 위해서는 소정의 일정한 조건 범위 내에 있는 것이 요구된다.

다만, 도가니 내경이 100 mm 이하인 경우, 선단부의 단면적과 직통부의 단면 적의 비가 온도 분포에의 영향에서 지배적이 되고, 직통부의 길이의 영향이 작아져 그 길이의 범위 제한은 실질적으로 요구되지 않게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 결정 성장용 도가니의 일례를 도시하는 모식적 단면도이다. 도 1의 질화붕소 도가니(1)는 크게 나눠 3개의 부분으로 나눌 수 있는 것으로, 선단부(3)와, 직통부(5)와, 이들 양자를 연결하는 숄더부(4)로 구성되어 있다. 본 발명자는 도가니 선단부의 내경(D1)을 8 mm로 하고, 선단부 두께(T1), 직통부 두께(T2), 직통부 내경(D2), 및 직통부 길이(L2)를 여러 가지로 바꾼 도가니에 의한 결정 성장 실험을 행하였다.

즉, 도가니 치수에 적당한 원료를 그 도가니 내에 충전하고, 결정 성장을 행하여 그 결정중의 전위밀도(결정 결함 수)를 평가하였다. 그 결과, 도가니의 직통부 내경(D2)이 100 mm보다 큰 경우에서도 직통부 길이(L2)를 소정의 범위 내로 설정하여 사용하면 결정 결함 수를 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 발명자는 T1, T2, D2, 및 L2를 고정한 상태로, 도가니 선단부 내경(D1)을 변화시킨 경우에서의 전위밀도의 평가를 행하였다. 또한, 본 발명자는 T1, T2, D2, 및 L2를 고정하면서, 도가니 선단부 내경(D1)을 8 mm로 설정하고, 종결정 직경(S1)과의 차(D1-S1)를 변화시킨 경우에서의 전위밀도의 평가를 행하였다.

우선, 본 발명자는 전술의 과제를 해결하기 위해 결정 성장하는 도가니의 재질과 구조에 착안하였다. 그리고, 결정 성장시에, 결정 주변로부터의 냉기를 억제하여 결정 중심축부로부터 빠르게 식히는 것에 의해 결정의 직경 방향의 온도차를 저감하도록 도가니 재질, 도가니 두께, 도가니 선단부와 직통부의 내경, 직통부의 길이, 및 종결정 직경을 고려한 최적의 도가니를 이용하는 것에 의해 저전위밀도의 결정을 성장할 수 있는 것이 발견되었다.

즉, 도가니 직통부의 내경(D2)이 100 mm보다 큰 경우에도, 선단부의 두께(T1)와 직통부의 두께(T2)가 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건을 만족시키고, 직통부의 길이(L2)와 직통부의 내경(D2)이 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키면 저전위밀도의 결정을 성장할 수 있다.

본 발명에서는 질화붕소의 열전도율의 이방성을 이용하는 것에 의해, 결정의 직경 방향의 온도차가 저감된다. 이 점에 대해서 이하에 자세히 설명한다.

도가니의 재질로서 이용되는 열분해 질화붕소(pBN)는 육방정계의 결정 구조를 가지며, 이하와 같이, 열전도율이 두께 방향과 면방향에서 크게 다르다. 이것은 열분해로 성장하는 pBN 결정의 {0001}면(C면)이 하지에 평행하게 성장하는 경향이 있고, C면에 수직인 두께 방향에 비해 C면에 평행한 면방향이 높은 열전도율을 갖기 때문이다. 보다 구체적으로는 pBN 도가니의 두께 방향의 열전도율은 K=0.25 내지 1.7 W/mK이며, 면방향의 열전도율은 K=25 내지 100 W/mK이다.

한편, 성장되어야 하는 결정이 화합물 반도체인 경우, 예컨대 GaAs의 경우의 열전도율은 이하와 같다. 즉, 입방정계의 GaAs는 등방적인 열전도율을 가지며, GaAs 결정의 열전도율은 K=7.3 W/mK이다.

따라서, pBN 도가니를 이용한 결정 성장에서의 열의 흐름에는 도가니의 두께가 매우 큰 영향을 미친다. 즉, 도가니의 두께를 얇게 하면 도가니의 면방향을 따라 흐르는 열량이 감소하여 두께 방향의 작은 열전도율이 지배적으로 되기 때문에 결정 직경 방향에서의 열의 배출이 억제된다. 한편 도가니의 두께를 두껍게 하면 도가니 면방향에서의 큰 열전도율이 지배적으로 되기 때문에 결정 주변이 냉각되어 결정 직경 방향에서의 열의 배출이 촉진된다.

본 발명에서는 도가니의 선단부의 두께(D1)를 두껍게 하여 직통부의 두께(D2)를 얇게 하는 것에 의해 결정의 중심축을 따라 아래쪽으로 열을 배출하고, 결정 주변부를 향하는 결정 직경 방향의 열의 배출을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 균일하게 열류를 제어하기 위해서는 성장하는 결정의 열전도율을 고려하고, 도가니의 선단부와 직통부의 단면적(내경)을, 소정의 최적인 비로 설정하는 것이 효과적이다. 즉, 도가니의 선단부의 내경(D1)과 직통부의 내경(D2)이 1/20≤D1/D2≤1/5의 관계를 만족시키도록 설정하는 것에 의해 균일한 열류의 제어가 가능해진다.

또한, 본 발명에서, 도가니 선단부에의 열류를 제어하기 위해서는 종결정과 도가니 선단부와의 간극을 제어하고, 열전도 저항을 억제하는 것이 바람직하다. 즉, 종결정과 도가니 선단부의 내벽과의 간극을 작게 하는 것에 의해 열의 흐름이 보다 좋아지고, 결정의 중심축부로부터 열을 소산시킬 수 있다.

구체적으로는, 도가니 선단부의 내경(D1)과 종결정의 외경(S1)이 실온에서 0.01 mm≤D1-S1≤1 mm의 관계를 만족시키도록 설정하는 것에 의해 도가니 선단부로부터의 열류를 양호하게 할 수 있다. 여기서, D1-S1이 1 mm 이하이어야 하는 것은, 그보다 큰 간극이 존재하면 종결정으로부터 도가니 선단부에 양호하게 열전도시킬 수 없게 되기 때문이다. 한편, D1-S1이 0.01 mm 이상이어야 하는 것은 그보다 간극 이 작으면 도가니 선단부에 종결정을 용이하게 장전할 수 없게 되고, 높은 가공 치수 정밀도를 요구하여 비용이 상승되기 때문이다.

실시예 1

도 1에 도시되어 있는 바와 같은 도가니를 이용하여 도 7의 (a)에 도시된 결정 제조 장치에 의해 GaAs 결정의 성장 실험을 이하와 같이 행하였다. 우선, 사용하는 도가니의 직통부의 내경(D2)과 길이(L2)에 적당하도록 GaAs 원료와 도펀트인 Si의 적량을 도가니 내에 충전하여 결정 성장 실험을 행하였다. 성장 속도는 8 mm/hr이고, 도 7의 (b)에 도시하는 성장 위치 부근의 온도 프로파일에서의 온도 기울기는 10℃/cm이었다.

본 실험에서 이용한 도가니에서, 선단부의 내경(D1)은 8 mm로 설정되었다. 또한, 종결정으로서는, 그 직경이 7.4 mm 내지 7.8 mm의 것을 사용하였다. 여기서, 도가니의 선단부와 직통부의 각각의 두께(T1와 T2)가 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 관계를 만족시키는 조건에 기초에서, 직통부의 내경(D2)과 길이(L2)가 여러 가지로 변화되고, 각각 도가니에서 단결정을 성장한 후에, 각 결정으로부터 웨이퍼를 3장 추출하여 1장당 9곳의 측정점에서 단위 면적당의 전위 수를 구하며, 결정 당 평균 전위밀도를 구하였다. 그 결과가 도 2에 도시되어 있다.

도 2의 그래프에서, 횡축은 도가니 직통부의 내경(D2)(mm)을 나타내고, 종축은 직통부의 길이(L2)(mm)를 나타내고 있다. 또한, 이 그래프중의 수치는 전위밀도(개/cm²)를 나타내고 있다. 이 도 2로부터 명백한 바와 같이, 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건하에, 직통부 내경(D2)이 100 mm보다 큰 범위에서는, 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키는 범위에서 전위밀도를 1000개/cm²미만까지 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도가니의 두께의 상한은 5 mm이며, 이 이상 두꺼우면 도가니 단가도 비싸지고, 또한 전위밀도에 거의 영향을 미치지 않게 된다. 한편, 도가니의 두께의 하한에 대해서는 기술적으로 0.1 mm가 한도이다. 다만, 도가니의 외측에 석영이나 카본 등으로 이루어지는 보호용 용기를 배치하는 것에 의해 두께가 0.1 mm 이하의 pBN 도가니를 제작하는 것도 가능하지만, 금회에는 그와 같은 실험은 행하지 않았다.

또한, 도 2의 그래프에서 타원형 마크로 둘러싸여 있는 수치는 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건하에, T1≤0.9 mm 및 T2≤0.6 mm의 조건도 만족시키는 도가니를 이용한 경우의 전위밀도를 나타내고, 그 경우에 500개/cm²미만의 특히 낮은 전위밀도의 결정을 얻을 수 있다. 또한, 도가니의 두께를 충분히 얇게 한 경우에는 T1과 T2의 차를 너무 크게 하지 않아도 도가니의 열전도율의 영향보다 결정의 열전도율의 영향이 지배적이 되고, 전위밀도를 저감시킬 수 있다. 그러나, 도가니의 취급에서의 크랙 등의 문제를 방지하기 위해 도가니의 두께로서는 0.1 mm가 최하한이다.

도 3의 그래프는 도 2에 유사하지만, 참고를 위해 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건을 만족시키지 않는 경우의 전위밀도를 도시하고 있다. 이 도 3의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 도가니 직통부의 내경(D2)이 100 mm보다 큰 범위에서는 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키는 범위에서도 전위밀도를 2000개/cm²이하로 저감시킬 수 없는 것을 알 수 있다.

다음에, 직통부의 내경(D2)을 110 mm로 고정하고, 도가니 선단부의 두께(T1)를 0.7 내지 0.9 mm로 하고, 직통부의 두께(T2) 및 길이(L2)를 각각 0.4 내지 0.6 mm 및 240 mm로 하며, 선단부의 내경(D1)을 여러 가지로 변화시켜 전위밀도에의 영향을 조사하였다. 여기서, 도가니 선단부의 내경(D1)과 종결정의 외경(S1)의 차는 1 mm 이내로 억제되었다. 그 결과가 도 4에 도시되어 있다.

도 4의 그래프에서, 횡축은 선단부의 내경(D1)과 직통부의 내경(D2)의 비율(D1/D2)을 나타내고, 종축은 평균 전위밀도(개/cm²)를 나타내고 있다. 이 도 4의 그래프로부터 명백한 바와 같이, 도가니의 선단부의 내경(D1)과 직통부의 내경(D2)의 비(D1/D2)는 전위밀도에 대하여 약한 상관 관계를 가지며, D1/D2≤1/5의 범위에서 1000개/cm²미만의 저전위밀도의 결정을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 종결정이 가능한 최소 직경을 고려하면 선단부의 내경(D1)은 1/20≤D1/D2의 범위인 것이 요구된다.

또한, 열접촉 저항의 점으로부터 문제가 되는 도가니 선단부의 내벽과 종결정의 간극에 대해서도 이하와 같은 실험을 행하였다. 도가니의 직통부의 내경(D2)을 110 mm, 두께(T2)를 0.4 내지 0.6 mm로 하고, 선단부의 내경(D1)을 8 mm, 두께(T1)를 0.7 내지 0.9 mm로 하며, 종결정의 외경[S1(mm)]을 변화시켜 결정 성장을 행하고 전위밀도에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과가 도 5에 도시되어 있다.

도 5의 그래프에서, 횡축은 도가니 선단부의 내경(D1)과 종결정의 외경(S1) 의 차[D1-S1(mm)]를 나타내고, 종축은 평균 전위밀도(개수/cm²)를 나타내고 있다. 이 도 5의 그래프로부터 명백한 바와 같이, 도가니 선단부의 내벽과 종결정과의 간극(D1-S1)을 1 mm 이하로 억제하는 것에 의해 안정적으로 1000개/cm²미만의 낮은 전위밀도의 결정을 얻을 수 있다. 한편, 그 간극을 0.01 mm 이하로 억제하는 것은 도가니 선단부에 종결정을 장전하는 것이 용이하지 않게 되고, 또한 높은 가공 치수 정밀도도 요구되어 비용상으로도 바람직하지 않다. 따라서, 도가니 선단부의 내경과 종결정과의 간극(S1)은 0.01 mm≤D1-S1≤1 mm의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면 결정 성장용 도가니의 선단부와 직통부의 두께, 내경, 길이 등을 일정한 범위 및 관계로 제어하는 것에 의해 종래에 비해 대직경의 저전위밀도 결정을 제공할 수 있다.

Claims

종결정(2)을 설치하기 위한 원통형의 선단부(3)와, 결정을 성장하기 위해 상기 선단부의 위쪽에 형성되어 있고 상기 선단부의 직경보다 큰 직경을 갖는 원통형의 직통부(5)를 포함하는 질화붕소제 도가니(1)로서,

상기 선단부의 두께(T1)와 상기 직통부의 두께(T2)는 0.1 mm≤T2<T1≤5 mm의 조건을 만족시키고,

상기 직통부의 내경(D2)과 상기 직통부의 길이(L2)는 100 mm<D2 및 2<L2/D2<5의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 도가니.
제1항에 있어서, 상기 선단부의 두께(T1)와 상기 직통부의 두께(T2)는 T1≤0.9 mm 및 T2≤0.6 mm의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 도가니.
제1항에 있어서, 상기 선단부의 내경(D1)과 상기 직통부의 내경(D2)은 1/20≤D1/D2≤1/5의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 도가니.
제1항에 있어서, 상기 선단부의 내경(D1)과 상기 종결정의 외경(S1)이 실온에서 0.01 mm≤D1-S1≤1 mm의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 도가니.