WO2006100927A1 - 結晶育成用坩堝 - Google Patents

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Yoshiaki Hagi
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • Y10T117/1036—Seed pulling including solid member shaping means other than seed or product [e.g., EDFG die]

Definitions

  • the present invention relates to a crystal growth crucible, and more particularly to a crystal growth crucible for manufacturing a compound semiconductor single crystal.
  • a seed crystal is arranged in a part of a boat or a crucible, a raw material melt is brought into contact with the seed crystal, and a temperature is gradually lowered from the seed crystal side to grow a single crystal.
  • VB Vertical Bridgeman
  • VGF Vertical Gradient Freeze
  • VZM Very Zone Melt
  • a seed crystal is arranged in a part of a boat or a crucible, a raw material melt is brought into contact with the seed crystal, and a temperature is gradually lowered from the seed crystal side to grow a single crystal.
  • VB method and the VGF method there is a cylindrical crucible as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 04-367583 (Patent Document 1) or Japanese Patent Laid-Open No. 08-048591 (Patent Document 2). Can be used.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crucible used in a conventional VB method.
  • the crucible 11 is composed of a crucible tip portion 3 on which the seed crystal 2 is installed, a straight body portion 5 for growing a crystal having a diameter larger than that of the tip portion 3 and a product. It consists of a shoulder 4 for connecting on the surface.
  • boron nitride is used as the material of the crucible.
  • a manufacturing apparatus as described below is used for actual crystal growth using such a crucible.
  • FIG. 7 (A) is a schematic block diagram showing an example of a crystal manufacturing apparatus
  • FIG. 7 (B) is a graph showing a temperature profile in the apparatus.
  • a crucible 11 is installed on a crucible installation unit 8 disposed in the center of the hermetic container 6, and a heating unit 7 is provided around the crucible 11.
  • the heating unit 7 is controlled to form a temperature profile including a temperature gradient as shown in FIG. Under the relative movement of the temperature profile, the raw material is melted and brought into contact with the seed crystal in the melt state, and then solidified to grow a single crystal.
  • the tip portion and the straight body of a crucible for crystal growth By controlling the thickness and inner diameter of the part within a certain range, the temperature difference in the crystal diameter direction (central part and outer peripheral part) during crystal growth is reduced, thereby suppressing thermal strain and dislocation (crystal defects) It is also done to suppress the occurrence of.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 04-367583
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 08-048591
  • an object of the present invention is to provide a crucible for crystal growth that can grow a crystal having a low dislocation density even when growing a large-diameter crystal. .
  • a crystal growth crucible according to the present invention has a cylindrical tip portion for placing a seed crystal, and a diameter formed above the tip portion for growing a crystal and larger than the diameter of the tip portion.
  • This is a boron nitride crucible including a cylindrical straight body, and the tip thickness T1 and the straight body thickness T2 satisfy the condition of lmm ⁇ T2 and Tl ⁇ 5mm.
  • the inner diameter D2 of the body and the length L2 of the same part of the same month are characterized by satisfying the conditions of 100mm ⁇ D2 and 2 ⁇ L2ZD2 ⁇ 5.
  • the thickness T1 of the tip portion and the thickness T2 of the straight body portion further satisfy the conditions of T1 ⁇ 0.9 mm and T2 ⁇ 0.6 mm. Further, it is preferable that the inner diameter D1 of the tip portion and the inner diameter D2 of the straight body portion satisfy the condition of 1Z20 ⁇ D1ZD2 ⁇ 1Z5. Furthermore, it is preferable that the inner diameter D1 of the tip and the outer diameter S1 of the seed crystal satisfy the condition of 0.01 mm ⁇ Dl—Sl ⁇ lmm at room temperature.
  • the invention's effect [0010] According to the present invention as described above, by using a crucible in which the thickness, the inner diameter, the length, and the like of the tip portion and the straight body portion of the crystal growth crucible are controlled within a certain range and relationship, A crystal having a low dislocation density can be obtained while having a relatively large diameter.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a crystal growth crucible according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the influence of the inner diameter D2 and the length L2 of the crucible straight body on the average dislocation density in the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the influence of the inner diameter D2 and the length L2 of the straight body portion of the crucible on the average dislocation density for the reference example.
  • FIG. 4 is a graph showing the effect of the ratio D1ZD2 on the average dislocation density between the inner diameter D1 of the crucible tip and the inner diameter D2 of the straight body.
  • FIG. 5 is a graph showing the effect of the difference D1-S1 between the inner diameter of the crucible tip and the outer diameter of the seed crystal on the average dislocation density.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crucible used in a conventional VB method.
  • FIG. 7 (A) is a schematic block diagram showing an example of a crystal production apparatus, and (B) is a graph showing a temperature profile in this production apparatus.
  • the thickness and inner diameter of the tip and the straight body of the crucible for crystal growth are controlled within a certain range, the thickness of the crucible straight body and the crystal that affect the heat flow around the crystal.
  • the thickness of the crucible tip that affects the heat flow at the center is controlled, and the heat flow along the crystal center can be increased by increasing the thickness of the crucible tip. Therefore, the optimum thickness ratio between the front end of the crucible and the straight body allows the temperature distribution during crystal growth to be uniform, so that the thermal stress in the crystal can be kept low, and a low dislocation density can be realized.
  • the crystal diameter that is, the crucible inner diameter
  • the temperature distribution cannot be made uniform unless the influence of the surface area on the side surface of the crucible is taken into consideration. That is, from the relationship with the temperature gradient in the single crystal manufacturing apparatus, if the length is short with respect to the inner diameter of the straight body of the crucible, the heat flow in the peripheral part decreases, and if it is long, the heat flow increases, In order to achieve uniformization, it is desirable that it be within a certain range of conditions.
  • the ratio of the cross-sectional area of the tip part to the cross-sectional area of the straight body part becomes dominant in the influence on the temperature distribution, and the influence of the length of the straight body part becomes small.
  • the range limitation of the length is virtually unnecessary.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crystal growth crucible according to the present invention.
  • the nitrogen-containing boron crucible 1 in FIG. 1 can be roughly divided into three parts, and is composed of a tip part 3, a straight body part 5, and a shoulder part 4 connecting these two parts.
  • the present inventor conducted a crystal growth experiment using a crucible in which the inner diameter D1 of the crucible tip was set to 8 mm, and the tip thickness Tl, the straight barrel thickness ⁇ 2, the straight barrel inner diameter D2, and the same month length L2 were varied. Was done.
  • the inventor also evaluated the dislocation density when the crucible tip inner diameter D1 was changed while Tl, T2, D2, and L2 were fixed. Further, the inventor fixed Tl, T2, D2, and L2 and set the crucible tip inner diameter D1 to 8 mm, and changed the difference D1-S1 from the seed crystal diameter S1. The dislocation density was also evaluated.
  • the present inventor paid attention to the material and structure of a crucible for crystal growth.
  • the crucible material, the crucible thickness, the crucible tip and the straight body are reduced so that the temperature difference in the radial direction of the crystal is reduced by suppressing the cooling from the periphery of the crystal and rapidly cooling from the crystal central axis. It was found that a crystal having a low dislocation density can be grown by using an optimum crucible in consideration of the inner diameter of the section, the length of the straight body section, and the seed crystal diameter.
  • Thickness Tl and straight body thickness T2 satisfy the conditions of 0. lmm ⁇ T2 and Tl ⁇ 5mm, and the length L2 of the straight body and the inner diameter D2 of the straight body satisfy the condition 2 ⁇ L2ZD2 ⁇ 5.
  • a crystal having a low dislocation density can be grown.
  • the temperature difference in the radial direction of the crystal is reduced by utilizing the anisotropy of the thermal conductivity of boron nitride. This point will be described in detail below.
  • the thickness of the crucible has a great influence on the heat flow in the crystal growth using the pBN crucible. That is, if the thickness of the crucible is reduced, the amount of heat flowing along the surface direction of the crucible is reduced and the small thermal conductivity in the thickness direction becomes dominant, so that heat escape in the crystal diameter direction is suppressed. On the other hand, if the thickness of the crucible is increased, the large thermal conductivity in the crucible surface direction becomes dominant, so that the periphery of the crystal is cooled and the escape of heat in the crystal diameter direction is promoted.
  • the cross-sectional areas (inner diameters) of the front end portion and the straight body portion of the crucible are set to some optimum in consideration of the thermal conductivity of the growing crystal. It is effective to set a proper ratio.
  • uniform heat flow can be controlled by setting the inner diameter D1 of the front end of the crucible and the inner diameter D2 of the straight body to satisfy the relationship of 1 Z20 ⁇ D1ZD2 ⁇ 1Z5.
  • the crucible tip is set so that the inner diameter D1 of the crucible tip and the outer diameter S1 of the seed crystal satisfy the relationship of 0.01 mm ⁇ Dl-Sl ⁇ lmm at room temperature. Good heat flow can be achieved.
  • Dl-S1 should be 1 mm or less because if there is a gap larger than that, heat conduction from the seed crystal to the crucible tip cannot be performed satisfactorily.
  • 01-31 should be greater than or equal to 0. Olmm because if the gap is smaller than that, seed crystals cannot be easily loaded into the crucible tip, and high machining dimensional accuracy is required and the cost is high. is there.
  • a GaAs crystal growth experiment was carried out as follows using the crystal manufacturing apparatus shown in Fig. 7 (A). First, a crystal growth experiment was conducted by filling the crucible with appropriate amounts of GaAs raw material and dopant Si to match the inner diameter D2 and length L2 of the straight body of the crucible to be used. The growth rate was 8 mmZhr, and the temperature gradient in the temperature profile near the growth position shown in Fig. 7 (B) was 10 ° CZcm.
  • the inner diameter D1 of the tip was set to 8 mm.
  • the diameter of the seed crystal is 7.4mn! ⁇ 7. 8mm one was used.
  • the inner diameter D2 and the length L2 of the straight body portion under the condition that the thicknesses T1 and T2 of the crucible tip and the straight body portion satisfy the relationship of 0.1 mm ⁇ T2 and Tl ⁇ 5 mm.
  • the horizontal axis represents the inner diameter D2 (mm) of the crucible straight body
  • the vertical axis represents the length L2 (mm) of the straight body.
  • the numerical values in this graph represent the dislocation density (ke Zcm 2 ).
  • the condition of 2 ⁇ L2ZD2 is satisfied in the range where the inner diameter D2 of the straight body is larger than 100mm. It can be seen that the dislocation density can be reduced to less than 1000 / cm 2 within the range.
  • the upper limit of the thickness of the crucible is 5 mm.
  • the unit price of the crucible becomes high and the dislocation density is hardly affected.
  • the lower limit of the crucible thickness is technically limited to 0.1 mm.
  • the numerical value enclosed by the ellipses in the graph of Fig. 2 is a crucible that also satisfies the conditions of T1 ⁇ 0.9mm and T2 ⁇ 0.6mm under the condition of 0. lmm ⁇ T2 ⁇ Tl ⁇ 5mm.
  • the dislocation density when used is shown, and in that case, crystals with a particularly low dislocation density of less than 500 pcs / cm 2 can be obtained.
  • the thickness of the crucible is made sufficiently thin, even if the difference between T1 and T2 is not so large, the influence of the thermal conductivity of the crystal is more dominant than the influence of the thermal conductivity of the crucible.
  • the dislocation density can be reduced.
  • the minimum thickness of the crucible is 0.1 nm.
  • the graph of Fig. 3 is similar to Fig. 2, but shows the dislocation density in the case of not satisfying the condition of 0. lmm ⁇ T2 ⁇ Tl ⁇ 5mm for reference.
  • the dislocation density can be reduced to 2000 Zcm 2 or less even in the range where 2 ⁇ L2ZD2 5 is satisfied. I can see that there is nothing.
  • the inner diameter D2 of the straight barrel portion is fixed to 110 mm
  • the thickness T1 of the crucible tip portion is set to 0.7 to 0.9 mm
  • the thickness T2 and the length L2 of the straight barrel portion are each 0.4.
  • the effect on dislocation density was investigated by changing the inner diameter D1 of the tip to various values of ⁇ 0.6 mm and 240 mm.
  • the difference between the inner diameter D1 of the crucible tip and the outer diameter S1 of the seed crystal was kept within 1 mm. The result is shown in Figure 4.
  • the horizontal axis represents the ratio D1Z D2 of the inner diameter D1 of the tip portion and the inner diameter D2 of the straight body portion
  • the vertical axis represents the average dislocation density (Kzcm 2 ).
  • the ratio D1ZD2 of the inner diameter D1 of the crucible tip and the inner diameter D2 of the straight barrel has a moderate correlation with the dislocation density, and the range is Dl / D2 ⁇ 1Z5. At less than 1000 Zcm 2 It can be seen that a crystal having a low dislocation density is obtained. However, considering the smallest possible diameter of the seed crystal, it is desirable that the inner diameter D1 of the tip is in the range of 1Z20 ⁇ D1ZD2.
  • the inner diameter D2 of the straight body of the crucible is 110 mm
  • the thickness T2 is 0.4 to 0.6 mm
  • the inner diameter D1 of the tip is 8 mm
  • the thickness T1 is 0.7 to 0.9 mm
  • the outer diameter of the seed crystal SI The crystal growth was carried out by changing mm), and the influence on the dislocation density was investigated. The result is shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the difference D1 — S l (mm) between the inner diameter D1 of the crucible tip and the outer diameter S 1 of the seed crystal
  • the vertical axis represents the average dislocation density (K Zcm 2 ). Represents.
  • the gap D1-S1 between the inner wall of the crucible tip and the seed crystal is suppressed to less than lmm, so that crystals with a low dislocation density of less than 1000 Zcm 2 can be stably formed. Obtainable. On the other hand, suppressing the gap to 0.
  • the gap S 1 between the inner diameter of the crucible tip and the seed crystal satisfies the condition of 0.01 mm ⁇ Dl-S l ⁇ lmm.
  • the thickness, inner diameter, length, and the like of the tip portion and the straight barrel portion of the crystal growth crucible are controlled within a certain range and relationship, thereby making it larger than in the past.
  • a dislocation density crystal having a small diameter can be provided.

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Abstract

　結晶育成用坩堝（１）は、種結晶を設置するための円筒状の先端部（３）と、結晶を育成するために先端部の上方に形成されていて先端部の径より大きい径を有する円筒状の直胴部（５）とを含む窒化ほう素製坩堝であって、先端部の厚みＴ１と直胴部の厚みＴ２とは０．１ｍｍ≦Ｔ２＜Ｔ１≦５ｍｍの条件を満たし、直胴部の内径Ｄ２と直胴部の長さＬ２とは１００ｍｍ＜Ｄ２および２＜Ｌ２／Ｄ２＜５の条件を満たすことを特徴としている。

Description

明 細 書
結晶育成用坩堝
技術分野
[0001] 本発明は、結晶育成用坩堝に関するものであり、特に化合物半導体の単結晶を製 造するための結晶育成用坩堝に関するものである。
背景技術
[0002] 従来の単結晶成長法としては、 HB (Horizontal Bridgeman)法、 GF (Gradient
Freezeノ法、 VB ( Vertical Bridgeman)法、 VGF (Vertical Gradient Freez e)法、および VZM (Vertical Zone Melt)法などがある。これらの方法は、ボート または坩堝の一部に種結晶を配置し、原料融液を種結晶に接触させ、種結晶側から 徐々に温度を降下させることによって単結晶を育成するものである。特に、 VB法およ び VGF法においては、特開平 04— 367583号公報（特許文献 1)ゃ特開平 08— 04 8591号公報 (特許文献 2)に示されているような円筒状の坩堝が用いられ得る。
[0003] 図 6は、従来の VB法において用いられる坩堝の一例を示す模式的断面図である。
この坩堝 11は、種結晶 2を設置する坩堝先端部 3と、この先端部 3の径より大きい径 を有しかつ製品となる結晶を育成するための直胴部 5と、それらの両者を連続した面 でつなぐための肩部 4とから構成されている。化合物半導体結晶の育成の場合、坩 堝の材質としては窒化ほう素が用いられる。このような坩堝を用いて、実際の結晶成 長には、以下に述べるような製造装置が用いられる。
[0004] 図 7 (A)は結晶製造装置の一例を示す模式的ブロック図であり、図 7 (B)はその装 置における温度プロファイルを示すグラフである。図 7 (A)の結晶製造装置において は、気密容器 6内の中央に配置された坩堝設置部 8上に坩堝 11が設置され、さらに 坩堝 11の周囲には加熱部 7が設けられている。加熱部 7は、図 7 (B)に示すような温 度勾配を含む温度プロファイルを形成するように制御される。この温度プロファイルの 相対的移動のもとで、原料を溶力して融液状態で種結晶に接触させ、その後に固ィ匕 させて単結晶の育成が行われる。
[0005] 特に、特開平 08— 048591号公報に示すように、結晶育成用坩堝の先端部と直胴 部の厚みや内径を一定の範囲で制御することによって、結晶育成時の結晶径方向（ 中心部と外周部）の温度差を低減させ、それによつて熱ひずみを抑制して転位 (結晶 欠陥）の発生を抑制することも行われて 、る。
特許文献 1：特開平 04 - 367583号公報
特許文献 2：特開平 08 - 048591号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、先行技術におけるように結晶育成用坩堝の先端部と直胴部の厚み や内径を一定の範囲で制御しても、近年特に望まれている大径の化合物半導体単 結晶を育成するために大口径の坩堝を使用する場合には、坩堝の先端部と直胴部 の厚みや内径の比率の関係を制御するだけでは、転位の発生の抑制効果が低くて 低転位結晶の育成が困難になる。
[0007] このような課題に鑑み、本発明の目的は、大径の結晶を育成する場合であっても、 低転位密度の結晶を育成することができる結晶育成用坩堝を提供することである。 課題を解決するための手段
[0008] 本発明による結晶育成用坩堝は、種結晶を設置するための円筒状の先端部と、結 晶を育成するために先端部の上方に形成されていて先端部の径より大きい径を有す る円筒状の直胴部とを含む窒化ほう素製坩堝であって、先端部の厚み T1と直胴部 の厚み T2とは 0. lmm≤T2く Tl≤5mmの条件を満たし、直胴部の内径 D2と直月同 部の長さ L2とは 100mm< D2および 2<L2ZD2< 5の条件を満たすことを特徴と している。
[0009] なお、先端部の厚み T1と直胴部の厚み T2とは、 T1≤0. 9mmおよび T2≤0. 6m mの条件をさらに満たすことが好ましい。また、先端部の内径 D1と直胴部の内径 D2 とは、 1Z20≤D1ZD2≤1Z5の条件を満たすことが好ましい。さらに、先端部の内 径 D1と種結晶の外径 S1とが、室温において 0. 01mm≤Dl— Sl≤lmmの条件を 満たすことが好ましい。
発明の効果 [0010] 以上のような本発明によれば、結晶育成用坩堝の先端部と直胴部の厚み、内径、 長さなどを一定の範囲および関係で制御した坩堝を使用することによって、従来に比 ベて大径でありながらも低転位密度の結晶を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]本発明による結晶育成用坩堝の一例を示す断面図である。
[図 2]本発明に関して坩堝直胴部の内径 D2と長さ L2とが平均転位密度に及ぼす影 響を示すグラフである。
[図 3]参考例に関して坩堝の直胴部の内径 D2と長さ L2とが平均転位密度に及ぼす 影響を示すグラフである。
[図 4]坩堝の先端部の内径 D1と直胴部の内径 D2との比率 D1ZD2が平均転位密 度に及ぼす影響を示すグラフである。
[図 5]坩堝先端部の内径と種結晶の外径との差 D1— S1が平均転位密度に及ぼす 影響を示すグラフである。
[図 6]従来の VB法において用いられる坩堝の一例を示す模式的断面図である。
[図 7] (A)は結晶製造装置の一例を示す模式的ブロック図であり、 (B)はこの製造装 置における温度プロファイルを示すグラフである。
符号の説明
[0012] 1 結晶育成用坩堝、 2 種結晶、 3 坩堝先端部、 4 坩堝肩部、 5 坩堝直胴部、 D1 坩堝先端部の内径、 D2 坩堝直胴部の内径、 L2 坩堝直胴部の長さ、 S1 種 結晶の外径、 T1 坩堝先端部の厚み、 T2 坩堝直胴部の厚み。なお、各図におい て、同一符号は同一部分または相当部分を表す。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 本発明にお 、て、結晶育成用坩堝の先端部と直胴部の厚みや内径を一定の範囲 で制御する場合、結晶周囲部の熱流に影響する坩堝直胴部の厚みと結晶中心部の 熱流に影響する坩堝先端部の厚みを制御しており、坩堝先端部の厚みを大きくする ことによって結晶中心部に沿ったの熱流を大きくすることができる。したがって、坩堝 の先端部と直胴部の最適な厚み比では結晶成長中の温度分布が均一となり、結晶 における熱応力を低く抑えることができて、低転位密度化を実現することができる。 [0014] しかし、結晶径 (すなわち坩堝内径)が大きくなれば、坩堝側面の表面積の影響を 考慮しなければ、温度分布の均一化が実現できなくなる。すなわち、単結晶製造装 置内の温度勾配との関係から、坩堝の直胴部の内径に対してその長さが短かければ 周囲部における熱流が減って長ければ熱流が大きくなるので、温度分布均一化の実 現のためには或る一定の条件範囲内にあることが望まれる。
[0015] ただし、坩堝内径が 100mm以下の場合、先端部の断面積と直胴部の断面積の比 が温度分布への影響において支配的となり、直胴部の長さの影響が小さくなつて、そ の長さの範囲制限は実質的に不必要となる。
[0016] 図 1は本発明による結晶育成用坩堝の一例を示す模式的断面図である。図 1の窒 ィ匕ほう素坩堝 1は、大きく分けて 3つの部分に分けることができ、先端部 3と、直胴部 5 と、これらの両者をつなぐ肩部 4から構成されている。本発明者は、坩堝先端部の内 径 D1を 8mmとして、先端部厚み Tl、直胴部厚み Τ2、直胴部内径 D2、および直月同 部長さ L2を種々に変えた坩堝による結晶成長実験を行なった。
[0017] すなわち、坩堝寸法に見合う原料をその坩堝内に充填し、結晶育成を行って、その 結晶中の転位密度 (結晶欠陥数)を評価した。その結果、坩堝の直胴部内径 D2が 1 OOmmより大きい場合においても、直胴部長さ L2を或る範囲内に設定して使用すれ ば、結晶欠陥数を低減し得ることが分力つた。
[0018] また、本発明者は、 Tl、 T2、 D2、および L2を固定した状態で、坩堝先端部内径 D 1を変化させた場合における転位密度の評価をも行った。さらに、本発明者は、 Tl、 T2、 D2、および L2を固定し、かつ坩堝先端部内径 D1を 8mmに設定して、種結晶 径 S 1との差 D1— S 1を変化させた場合における転位密度の評価をも行った。
[0019] まず、本発明者は、前述の課題を解決するために、結晶育成する坩堝の材質と構 造に着目した。そして、結晶成長時において、結晶周囲からの冷えを抑制して結晶 中心軸部から速く冷やすことによって結晶の径方向の温度差を低減するように、坩堝 材質、坩堝厚み、坩堝先端部と直胴部の内径、直胴部の長さ、および種結晶径を考 慮した最適坩堝を用いることによって、低転位密度の結晶を育成できることが見出さ れた。
[0020] すなわち、坩堝直胴部の内径 D2が 100mmより大きい場合であっても、先端部の 厚み Tlと直胴部の厚み T2とが 0. lmm≤T2く Tl≤5mmの条件を満たし、直胴部 の長さ L2と直胴部の内径 D2とが 2<L2ZD2< 5の条件を満たせば、低転位密度 の結晶を育成することができる。
[0021] この発明では、窒化ほう素の熱伝導率の異方性を利用することによって、結晶の径 方向の温度差が低減される。この点について、以下に詳しく説明する。
[0022] 坩堝の材質として用いられる熱分解窒化ほう素 (pBN)は六方晶系の結晶構造を有 し、以下のように、熱伝導率が厚み方向と面方向で大きく異なっている。これは、熱分 解で成長する pBN結晶の {0001 }面（C面）が下地に平行に成長する傾向にあり、 C 面に垂直な厚み方向に比べて、 C面に平行な面方向が高 、熱伝導率を有するから である。より具体的には、 pBN坩堝の厚み方向の熱伝導率は K=0. 25〜： L 7W/ mKであり、面方向の熱伝導率は K= 25〜100WZmKである。
[0023] 他方、育成されるべき結晶が化合物半導体の場合、たとえば GaAsの場合の熱伝 導率は、以下のとおりである。すなわち、立法晶系の GaAsは等方的な熱伝導率を有 し、 GaAs結晶の熱伝導率は K= 7. 3WZmKである。
[0024] したがって、 pBN坩堝を用いた結晶成長における熱の流れには、坩堝の厚みが非 常に大きな影響を及ぼす。すなわち、坩堝の厚みを薄くすれば、坩堝の面方向に沿 つて流れる熱量が減少して厚み方向の小さな熱伝導率が支配的となるので、結晶径 方向における熱の逃げが抑制される。他方、坩堝の厚みを厚くすれば、坩堝面方向 における大きな熱伝導率が支配的となるので、結晶周囲が冷やされて結晶径方向に おける熱の逃げが促進される。
[0025] この発明では、坩堝の先端部の厚み D1を厚くして、直胴部の厚み D2を薄くするこ とによって、結晶の中心軸に沿って下方に熱を逃がし、結晶周囲部へ向かう結晶径 方向の熱の逃げを抑制することができる。
[0026] また、この発明において、均一に熱流を制御するためには、成長する結晶の熱伝 導率を考慮して、坩堝の先端部と直胴部の断面積（内径)を、ある最適な比に設定す ることが効果的である。すなわち、坩堝の先端部の内径 D1と直胴部の内径 D2とが 1 Z20≤D1ZD2≤1Z5の関係を満たすように設定することによって、均一な熱流の 制御が可能となる。 [0027] さらに、この発明において、坩堝先端部への熱流を制御するためには、種結晶と坩 堝先端部との隙間を制御し、伝熱抵抗を抑制することが好ましい。すなわち、種結晶 と坩堝先端の内壁との隙間を小さくすることによって熱の流れがよりょくなり、結晶の 中心軸部から熱を取ることができる。
[0028] 具体的には、坩堝先端部の内径 D1と種結晶の外径 S1とが室温時において 0. 01 mm≤Dl— Sl≤lmmの関係を満たすように設定にすることによって、坩堝先端部 力もの熱流を良好にすることができる。ここで、 Dl— S1が lmm以下であるべきなの は、それより大きな隙間が存在すれば、種結晶から坩堝先端部へ良好に熱伝導させ ることができなくなるからである。他方、 01—31が0. Olmm以上であるべきなのは、 それより隙間が小さければ、坩堝先端部へ種結晶を容易に装填できなくなるし、高い 加工寸法精度を要してコスト高になるからである。
実施例 1
[0029] 図 1に示されているような坩堝を利用して、図 7 (A)に示された結晶製造装置によつ て GaAs結晶の育成実験を以下のように行なった。まず、使用する坩堝の直胴部の 内径 D2と長さ L2に見合うように GaAs原料とドーパントである Siの適量を坩堝内に充 填して、結晶成長実験を行なった。成長速度は 8mmZhrであり、図 7 (B)に示す成 長位置付近の温度プロファイルにおける温度勾配は 10°CZcmであつた。
[0030] 本実験で用いた坩堝において、先端部の内径 D1は 8mmに設定された。また、種 結晶としては、その径が 7. 4mn！〜 7. 8mmのものを使用した。ここで、坩堝の先端 部と直胴部のそれぞれの肉厚 T1と T2が 0. lmm≤T2く Tl≤5mmの関係を満た す条件のもとにおいて、直胴部の内径 D2と長さ L2が種々に変化させられ、それぞれ の坩堝において単結晶を育成した後に、各結晶からウェハを 3枚取り出して、 1枚あ たり 9点の測定点で単位面積あたりの転位数を求め、結晶あたりの平均転位密度を 求めた。その結果が、図 2に示されている。
[0031] 図 2のグラフにおいて、横軸は坩堝直胴部の内径 D2 (mm)を表し、縦軸は直胴部 の長さ L2 (mm)を表している。また、このグラフ中の数値は、転位密度 (ケ Zcm2)を 表している。この図 2から明らかなように、 0. lmm≤T2<Tl≤5mmの条件下にお いて、直胴部内径 D2が 100mmより大きな範囲では、 2<L2ZD2く 5の条件を満た す範囲にぉ 、て転位密度を 1000ケ/ cm2未満まで低減できることが分かる。なお、 坩堝の厚みの上限は 5mmであり、これ以上厚ければ坩堝単価も高くなり、また転位 密度にほとんど影響を及ぼさなくなる。他方、坩堝の厚みの下限については、技術的 に 0. 1mmが限度である。ただし、坩堝の外側に石英やカーボンなどカゝらなる保護用 の容器を配置することによって、厚みが 0. 1mm以下の pBN坩堝を作製することも可 能である力 今回はそのような実験は行なわな力つた。
[0032] さらに、図 2のグラフにおいて楕円印によって囲まれている数値は 0. lmm≤T2< Tl≤5mmの条件下において T1≤0. 9mmおよび T2≤0. 6mmの条件をも満たす 坩堝を用いた場合の転位密度を表しており、その場合に 500ケ /cm2未満の特に低 い転位密度の結晶を得ることができる。なお、坩堝の厚みを十分に薄くした場合には 、 T1と T2の差をあまり大きくしなくても、坩堝の熱伝導率の影響よりも結晶の熱伝導 率の影響の方が支配的となり、転位密度を低減させることができる。し力しながら、坩 堝の取扱におけるクラックなどの問題を回避するために、坩堝の厚みとしては 0. lm mが最下限である。
[0033] 図 3のグラフは、図 2に類似しているが、参考のために 0. lmm≤T2< Tl≤5mm の条件を満たさな 、場合の転位密度を示して 、る。この図 3のグラフから分力るように 、坩堝直胴部の内径 D2が 100mmより大きな範囲では、 2< L2ZD2く 5の条件を 満たす範囲においても転位密度を 2000ケ Zcm2以下に低減させ得ないことが分か る。
[0034] 次に、直胴部の内径 D2を 110mmに固定し、坩堝先端部の厚み T1を 0. 7〜0. 9 mmとして、直胴部の厚み T2および長さ L2をそれぞれ 0. 4〜0. 6mmおよび 240m mとし、先端部の内径 D1を種々に変化させて転位密度への影響を調べた。ここで、 坩堝先端部の内径 D1と種結晶の外径 S 1との差は、 1mm以内に抑えられた。その 結果が、図 4に示されている。
[0035] 図 4のグラフにおいて、横軸は先端部の内径 D1と直胴部の内径 D2との比率 D1Z D2を表し、縦軸は平均転位密度 (ケ Zcm2)を表している。この図 4のグラフから明ら かなように、坩堝の先端部の内径 D1と直胴部の内径 D2との比 D1ZD2は転位密度 に対して緩やかな相関を有し、 Dl/D2≤ 1Z5の範囲において 1000ケ Zcm2未満 の低転位密度の結晶が得られることが分かる。しかし、種結晶の可能な最小径を考 慮すれば、先端部の内径 D1は、 1Z20≤D1ZD2の範囲であることが望まれる。
[0036] さらに、熱接触抵抗の点力 問題となる坩堝先端部の内壁と種結晶との隙間につ いても、以下のような実験を行なった。坩堝の直胴部の内径 D2を 110mm、厚み T2 を 0. 4〜0. 6mmとし、先端部の内径 D1を 8mm、厚み T1を 0. 7〜0. 9mmとし、種 結晶の外径 S I (mm)を変化させて結晶成長を行ないって、転位密度への影響を調 ベた。その結果が、図 5に示されている。
[0037] 図 5のグラフにおいて、横軸は坩堝先端部の内径 D1と種結晶の外径 S 1との差 D1 — S l (mm)を表し、縦軸は平均転位密度 (ケ Zcm2)を表している。この図 5のグラフ 力も明らかなように、坩堝先端部の内壁と種結晶との隙間 D1— S 1を lmm以下に抑 えることによって、安定して 1000ケ Zcm2未満の低い転位密度の結晶を得ることがで きる。他方、その隙間を 0. Olmm以下に抑えることは、坩堝先端部へ種結晶を装填 することが容易でなくなり、また高い加工寸法精度をも必要となってコスト上も望ましく ない。したがって、坩堝先端部の内径と種結晶との隙間 S 1は、 0. 01mm≤Dl - S l ≤ lmmの条件を満たすことが好まし 、。
産業上の利用可能性
[0038] 以上のように、本発明によれば、結晶育成用坩堝の先端部と直胴部の厚み、内径、 長さなどを一定の範囲および関係で制御することによって、従来に比べて大径の低 転位密度結晶を提供することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 種結晶（2)を設置するための円筒状の先端部（3)と、結晶を育成するために前記 先端部の上方に形成されて 、て前記先端部の径より大き 、径を有する円筒状の直 胴部（5)とを含む窒化ほう素製坩堝（1)であって、
前記先端部の厚み T1と前記直胴部の厚み T2とは、 0. lmm≤T2<Tl≤5mmの 条件を満たし、
前記直胴部の内径 D2と前記直胴部の長さ L2とは、 100mm< D2および 2<L2Z
D2< 5の条件を満たすことを特徴とする結晶育成用坩堝。
[2] 前記先端部の厚み T1と前記直胴部の厚み T2とは、 T1≤0. 9mmおよび Τ2≤0.
6mmの条件を満たすことを特徴とする請求項 1に記載の結晶育成用坩堝。
[3] 前記先端部の内径 D1と前記直胴部の内径 D2とは、 1Z20≤D1ZD2≤1Z5の 条件を満たすことを特徴とする請求項 1に記載の結晶育成用坩堝。
[4] 前記先端部の内径 D1と前記種結晶の外径 S1とが、室温において 0. 01mm≤Dl
S 1≤ lmmの条件を満たすことを特徴とする請求項 1に記載の結晶育成用坩堝。
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