JPH01278490A

JPH01278490A - 結晶育成方法および結晶育成用るつぼ

Info

Publication number: JPH01278490A
Application number: JP10705488A
Authority: JP
Inventors: Keigo Senkawa; 千川　圭吾; Hiroki Koda; 拡樹香田; Hideo Nakanishi; 秀男中西
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1989-11-08
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JP2723249B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、結晶育成方法および結晶育成用るつぼに係わ
る。

より具体的には、垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝
固法）あるいは液体封止垂直ブリッジマン法（液体封止
垂直温度勾配凝固法）などの名称で知られている、るつ
ぼ下部に装着された種子結晶を用いて金属あるいは半導
体（化合物半導体も含む）などの単結晶を育成する結晶
育成方法およびこの方法において用いられる結晶育成用
るつぼに関するものである。

［従来の技術］種子結晶から単結晶を育成する結晶育成方法として代表
的な液体封止垂直ブリッジマン法によってＧａＡｓｊ＄
Ｌ結晶を育成する場合を例にとって従来の技術を以下に
詳述する。

第６図は、液体封止垂直ブリッジマン法によるＧａＡｓ
結晶育成に用いられる炉の内部を模式的に示した模式断
面図である。第６図において、１は種子結晶、２は成長
したＧａＡｓ結晶、３は結晶原料（例えばＧａＡｓ）融
液、４は液体封止剤（例えばＢ２０．）、５は一般に円
形の断面形状を有するるつぼ、６はるつぼホルダー、７
はるつぼ軸、８は単一または複数個の発熱素子の組み合
わせよりなる発熱体、９は気密容器である。

このような炉内構成において、結晶育成は通常衣のよう
に行なわれる。その手順を第６図および第７図の才莫式
図に基づいて説明する。

まず、るつぼ５の上方から種子結晶１をるつぼ５内部に
挿入し、るつぼ５の下部に一体に形成されている種子結
晶装着部１２に種子結晶１を装着する。つぎに、原料と
なる固体状態の結晶原料（ＧａＡｓ原料）１０と、やは
り固体状態の液体封止剤１１とをるつぼ５の内部に充填
する。これらを充填した後、発熱体８により炉内を高温
に加熱して、液体封止剤１１の軟化、ＧａＡｓ原料１０
の融解を経て、種子付けにより単結晶成長を開始して、
徐々に結晶成長を進行させ、第６図に示すごとき結晶成
長状態を実現する。

［発明が解決しようとする課題］上述のごとき従来の結晶育成用るつぼ５においては、結
晶への不純物の混入を少なくするなどの必要性からその
材質には熱分解窒化はう素（ｐ−ＢＮ）が多用されてい
る。

しかし、ｐ−ＢＮるつぼは、製造原価が非常に高いこと
に加えて、るつぼ形状の仕上がり寸法精度はその製造原
理からしても必ずしも良くないことが知られている。

一方、るつぼ５の下部に形成されている種子結晶装着部
１２の寸法精度は、種子結晶１の装着・脱着作業の難易
や単結晶育成の歩留りに重要な影響を及ぼす。例えば、
種子結晶装着部１２の内径が規定より小さい場合は種子
結晶の外径をエツチングなどによって小さくして種子結
晶装着部１２の内径に整合させる必要が生ずる。また、
はぼ整合していても、少しきつめの場合はその装着作業
が困難であったり、無理をして装着した場合は、結晶育
成後の脱着が困難になり、そのため育成結晶や高価なる
つぼを破壊する結果にもつながっていた。

一方、種子結晶装着部１２の内径が規定より大きい場合
は、第８図に模式的に示すように、種子結晶１が傾いて
装着され、その結果、結晶の成長方位がずれてしまうば
かりか、第９図に模式的に示すように、種子付は時に種
子結晶１の先端１３とるつぼ５の内壁との間に接触が起
こり、その結果、結晶粒界１４が育成結晶２中に発生し
、育成結晶２は多結晶化してしまう。

以上述べたように、従来の技術におけるるつぼには、特
にその種子結晶装着部１２の構造や寸法精度が悪いこと
に起因する多くの結晶育成上の問題が存在していた。

これに対して、るつぼ製造後の検査によって寸法の揃っ
たるつぼのみを使用することは可能と考えられるが、実
際には、るつぼ５の種子結晶装着部１２の狭い部分の高
精度な寸法測定は困難であることや、規格外れのるつぼ
を不良品として扱うことは高価なｐ−ＢＮるつぼの製造
原価をさらに増大させる結果となり有効な解決策とは言
えない。

さらに、従来のるつぼにおいては、種子結晶１を、るつ
ぼ５の下部に形成されている種子結晶装着部１２に装着
した後に固体である結晶原料１０をるつぼ５の内部に充
填するため、結晶原料１０の充填時に結晶原料１０が種
子結晶１の先端部等に当り、種子結晶と種子結晶装置部
に若干の間隙があるため、種子結晶が初期に測定した位
置よりずれてしまい、種子結晶の結晶方位をゆがめてし
まうことがあり、これに起因して育成結晶の成長方位が
ずれてしまうという問題点があった。

本発明はこのような従来技術の有する課題を解決するた
めになされたものであり、新しい結晶育成方法および結
晶育成用るつぼを提供することを目的としている。

すなわち、本発明は、種子結晶の装着作業が容易で、種
子結晶の方位設定を確実に行うことができる結晶育成用
るつぼを提供することを目的とする。

また、本発明は、結晶育成後の育成結晶のるつぼからの
取り出し作業を容易かつ効率的（短時間で）に行なえる
結晶育成用るつぼを提供することを目的とする。

さらに、本発明は、種子結晶の装着を、確実に、かつ、
るつぼ壁と接触させることなく行なうことができ、ひい
ては育成単結晶の歩留りを大幅に向上できる結晶育成用
るつぼを提供することを目的とする。

本発明は、結晶原料の充填時に生じる結晶原料の種子結
晶への位置ずれを回避することができ、ひいては、結晶
の成長方位のずれの少ない単結晶の育成が可能な結晶育
成方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記課題は次に述べる本発明によって解決される。

本発明は、るつぼ下部に装着した種子結晶から単結晶を
育成する結晶育成方法に用いられる結晶育成用るつぼに
おいて、該るつぼは、下方に開口している種子結晶挿入
部を有するつぼ本体の外側に、該るつぼ本体とは別体を
なし、種子結晶を保持するための種子結晶保持部品を嵌
合装着してなることを特徴とする結晶育成用るつぼに第
１の要旨が存在する。

また、本発明は、るつぼ下部に装着した種子結晶から単
結晶を育成する結晶育成方法において；下方に開口している種子結晶挿入部を有するつぼ本体の
内部に結晶原料を充填し；該るつぼ本体とは別体をなし、種子結晶が予め保持され
た種子結晶保持部品を、該るつぼ本体の外側に嵌合装着
することにより種子結晶を種子結晶装入部に装着するか
、又は、種子結晶を種子結晶装入部に装着後、該るつぼ
本体とは別体をなす種子結晶保持部品を、該るつぼ本体
の外側に嵌合装着し；ついで、結晶原料を溶解後結晶育成を行なうことを特徴
とする結晶育成方法に第２の要旨が存在する。

結局、本発明の第１の要旨は、従来技術の課題解決の手
段として、るつぼ本体と、るつぼ本体とは別に種子結晶
保持部品を準備し、これら２つの部品を嵌合装着して結
晶育成用るつぼとなすことを主旨としている。

また、本発明の第２の要旨は、上記第１の要旨に係るる
つぼを用い、結晶原料をるつぼ本体内に充填後に種子結
晶を装着し、その後結晶育成を行なうことを主旨として
いる。

以下に本発明の概念を、いくつかの態様を示しつつその
作用とともに説明する。

（第１の態様）第１図は本発明の第１の態様を示す模式断面図である。

本態様においては、下方に開口している種子結晶挿入部
１８を有するつぼ本体１５の外側に、るつぼ本体１５と
は別体をなし、種子結晶１を保持するための種子結晶保
持部品１６を嵌合装着してるつぼは構成されている。

第１図に示す状態は、まするつぼ本体１５に固体の結晶
原料（例えばＧａＡｓ原料）１０と液体封止剤である固
体の８２０３１１を充填し、つぎに種子結晶保持部品１
６の種子結晶嵌合部１７に種子結晶１を嵌合して、種子
結晶１を種子結晶保持部品１６に保持し、種子結晶１を
保持した状態で種子結晶保持部品１６を、るつぼ本体１
５の下部に形成された種子結晶挿入部１８の外側に嵌合
して実現したものである。

本態様では、このように、種子結晶保持部品１６がるつ
ぼ本体１５とは別体となっているため、種子結晶１の装
着を容易かつ確実に行なうことができる。

また、結晶原料１０をるつぼ本体１５内に充填後に種子
結晶１をるつぼ本体５に嵌合装着するため、結晶原料１
０の充填時に生ずる結晶原料１０と種子結晶１との位置
ずれを回避することができ、結晶方位のずれのない結晶
を育成することができる。

なお、結晶原料１０を充填するに際して、小さなブロッ
クの結晶原料１０は種子結晶装入部１８の間口から出て
しまうが、大きなブロックの結晶原料１０はいわゆるブ
リッジ現象をおこし、種子結晶装入部１８近傍に空間を
形成してるつぼ本体内にとどまる。そのため、固体の結
晶原料１０の充填に際しては大きなブロックのものから
充填していくことが好ましい。

第２図は、第１図の状態から周囲に配置した発熱体によ
って加熱し、Ｂ２０３１１の軟化、ＧａＡｓ原料１０の
融解を経て種子結晶１部分の温度調節によって最適な種
子付は状態を実現した模式的断面図である。

なお、第１図乃至第２図において、種子結晶１の直径ｄ
に対して、るつぼ本体１５の下部に形成された種子結晶
挿入部１８の内径ｄ°を一定の許容範囲内（ただし許容
範囲は融液の表面張力やｄ、ｄ’　によって決定される
）でｄより大きく選択すれば、種子結晶１の周囲はＢ２
０３４によって被覆され、かつ種子結晶上端にはメニス
カス１９が形成されるので安定な種子付けを可能にする
ことができる。

（第２の態様）第３図は本発明の主旨を満足する他の態様に係るるつぼ
構造の例を示す模式断面図である。なお、本図では、結
晶原料の図示を省略しである。

本態様では、種子結晶保持部品１６の内径は全長にわた
り路間−である。そのため加工が容易であり、また、よ
り高い寸法精度を得ることができる。なお、かかる場合
であっても、種子結晶１の種子付は部２０の直径を、種
子結晶１の種子結晶保持部２１の直径より小さくするこ
とにより第１図に示した例と同様な効果（メニスカスの
形成による安定な種子付け）を得ることができる。

（第３の態様）第４図は本発明の主旨を満たす他の態様に係るるつぼ構
造の例を示す模式断面図である。

本態様は、種子結晶保持部品１６を、ｐ−ＢＮで構成さ
れているるつぼ本体１５とは異なった材質、例えば、高
温でも熱化学的に安定でかつ加工性にも優れているグラ
ファイトあるいは石英等で構成した場合である。

この場合、種子結晶の直径ｄと種子結晶挿入部１８の内
径ｄ°の差を一定値より小さく選ぶことにより軟化した
液体封止剤（Ｂ２０ｓ　）４の種子結晶挿入部１８への
侵入さらに種子結晶保持部品１６との接触を防止するこ
とも可能である。これによりるつぼ本体１５とは異なっ
た材質より構成した種子結晶保持部品１６からの不純物
の混入の問題もない。

一方、上述の例のごとくるつぼ本体１５とは異なった材
質で種子結晶保持部品１６を構成する場合は、種子結晶
保持部品１６の加工精度が向上できるという利点があり
、また、熱伝導率の異なった材質を選択することにより
種子結晶部の熱設計の自由度が増加する等の利点がある
。

（第４の態様）第５図は本発明の他の態様を示す模式断面図である。

本態様では、るつぼホルダー２２が種子結晶保持部品を
も兼用している。すなわち、本態様においては、第６図
に示するつぼホルダー６が、るつぼを保持するという本
来の機能と、本発明に係わる種子結晶保持部品の機能を
合わせ有することを特徴としている。

本態様においては、るつぼ本体１５内に結晶原料１０を
充填後、るつぼ本体１５の下端の種子結晶挿入部１８へ
種子結晶１を挿入し、つぎに、るつぼ本体１５全体を、
種子結晶保持部品２２となるるつぼホルダー２２内に嵌
合装着する。これにより、るつぼホルダー（種子結晶保
持部品）２２は、その下部の種子結晶支持部２３で種子
結晶１を保持するとともにるつぼ本体１５をも保持し第
５図の状態が実現する。

以上説明した本発明により、結晶育成作業に関して従来
問題となっていたるつぼへの種子結晶の装着・脱着作業
が容易になり、また高価なるつぼの効果的使用が可能に
なるばかりでなく単結晶育成の歩留り向上が図れたこと
を以下の実施例によって説明する。なお、当然のことで
はあるが本発明範囲は以下の実施例に限定されるもので
はない。

［実施例］（第１実施例）本実施例では第１図に示するつぼを使用し、以下の手順
により結晶の育成を行なった。

直径が８０ｍｍであるｐ−ＢＮ製るつぼ本体１５の内部
に、約２０００ｇのＧａＡｓ原料１０および約２００８
の８２０３１１を充填した。つぎに、ｐ−ＢＮ製の種子
結晶保持部品１６に、直径ｄが７ｍｍで、成長方位が＜
１００＞の種子結晶１を嵌合した後、種子結晶保持部品
１６をるつぼ本体１５の下部に形成された種子結晶挿入
部１８に嵌合装着した。

一方、本例では、種子結晶挿入部１８の内径ｄ°をｄ’
　＝８．５ｍｍとしたため種子結晶１のるつぼ本体１５
への装着作業は極めて容易であった。

以後、第６図に示すごとき通常の垂直ブリジマン炉にお
いて、結晶原料１０の融解、種子付は工程を経て結晶育
成を行った。

その結果、第２図においてＧａＡｓ融液３がすべて固化
した状態の単結晶が得られた。るつぼからの結晶取りだ
しは、本実施例では、第２図に示す種子結晶保持部品１
６および種子結晶１を２点鎖線ＡＡ’部分で切断した後
、内部に育成結晶を有するるつぼ本体１５の全体を温水
中に浸し、固化したＢ２Ｏ５を溶解除去することにより
短時間でかつ種子付は部を含む成長結晶を破壊すること
なく容易に行うことができた。

なお、結晶の成長方位をＸ線回折法で検査した結果、測
定誤差を含めて±０．５度以下であり、実用上の要求（
±１度以下）を十分満足するものであった。

また、上記説明の方法で多数本の結晶育成を行った結果
、従来３０％のものが８０％以上の高い歩留りで所定の
方位の単結晶が得られた。

さらに、結晶取りだし時においてもるつぼ本体１５に破
損はまったく生じなかった。また、るつぼ本体１５は２
０回以上もの再使用が可能であることも確かめられた。

なお、本実施例では成長結晶の取り出し作業を効率的に
行うため、種子結晶保持部品１６および種子結晶１を切
断する方法を採用したが、この方法は必ずしも必要では
なく、種子結晶保持部品１６を破壊しないで結晶を取り
出すことも可能であり、この場合種子結晶保持部品１６
はるつぼ本体１５同様多数回の再使用が可能である。た
だ、種子結晶保持部品１６は、るつぼ本体１５に比較し
て小さい部品であり、また、材質もるつぼ本体１５と同
一である必要はないなどから安価に製造できるため毎回
破壊使用しても支障ないことも大きな利点となる。

（第２実施例）本例では、結晶保持部品として第３図に示す結晶保持部
品１６を用いた。

すなわち、本例における結晶保持部品は全長にわたり路
間−の内径を有するものとした。種子結晶装入部１８の
内径ｄ°は第１実施例と同様に８．５ｍｍとした。

一方、種子結晶１の種子付は部２０の外径ｄは、種子結
晶保持部２１の外径より小さくし、７ｍｍとした。

他の点は第１実施例と同様にして結晶育成を行なった。

本例でも第１実施例と同様にメニスカスが形成され、安
定な種子付けが可能であった。

また、得られた育成結晶の成長方位のずれは第１実施例
と同様に極めて少なく、歩留りも第１実施例と同様に高
かった。

なお、本例では、種子結晶保持部１６の寸法精度が特に
良好であり、種子結晶１の装着を極めて容易かつ確実に
行なうことができた。

（第３実施例）本例では、第４図に示するつぼを使用した。るつぼ本体
１５はｐ−ＢＮ製とし、一方、種子結晶保持部品１６は
グラファイト類とした。すなわち、本例では、るつぼ本
体１５と種子結晶保持部品１６との材質を異ならしめた
。

また、本例では、種子結晶装入部１８の内径ｄ°を８ｍ
ｍとし、一方、種子結晶１には、外径が７．５ｍｍのも
のを使用した。すなわち、本例では、種子結晶装入部１
８とｆｍ子結晶１とのすきまを他の実施例より小さくし
た。

他の点は第１実施例と同様にして結晶育成を行なった。

本例により得られた育成結晶の品質を調査した。まず、
不純物濃度を測定したところ、第１実施例と何ら変りは
なかった。また、結晶方位のずれ等に関する品質につい
ても第１実施例と同様に良好であった。

なお、結晶育成後に、種子結晶装入部１８の内壁を観察
したところ、そこにはＢｘＯ３の付着は認められなかっ
た。

（第４実施例）本例では、第５図に示す結晶保持部品を使用した。すな
わち、るつぼホルダーに結晶保持部品の機能をもを兼用
せしめた。

本例では、結晶原料１０をるつぼ本体１５内に充填後、
種子結晶装入部１８に種子結晶ｌを挿入し、ついで、結
晶保持部品２２をるつぼ本体１５全体に嵌合装着した。

他の点は第１実施例と同様にして結晶育成を行なった。

得られた育成結晶の品質を調べたところ第１実施例と同
様の品質を有していた。

［発明の効果］本発明は、以上説明したように構成されているので次に
記載する効果を奏する。

（請求項１の効果）結晶育成作業上従来問題となっていたるつぼへの種子結
晶の装着作業が容易となり、かつ、種子結晶の方位設定
等が確実に行える。

結晶育成後の結晶取りだし作業が容易にかつ効率的（短
時間で）に行える。

種子結晶の装着が確実に行なえ、るつぼ壁との接触を確
実に防止できることから単結晶育成の歩留りを大幅に向
上できる。

るつぼを、るつぼ本体と種子結晶保持部品とに分離した
ことにより、高価なるつぼ本体の再使用回数を増加でき
るばかりでなく、種子結晶保持部品の材質の選択が自由
になり、単結晶育成に重要な種子結晶部の熱設計の自由
度を広げることができる。

（請求項２の効果）結晶原料充填後に種子結晶を装着するため、従来技術に
おいて生じていた結晶原料の種子結晶への位置ずれを回
避することができ、結晶方位のずれのない育成結晶を得
ることができる。

なお、以上の説明では、ＧａＡｓ結晶を液体封止垂直ブ
リッジマン法で育成する場合を例に説明したが、本発明
の主旨は他の結晶、他の育成方法にも適用でき同様の効
果が期待できることは説明するまでもない。

また、るつぼ本体の材質としてもｐ−ＢＮを主に述べた
が、これに限らず他の材質についても適用可能であるこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１の態様に係るるつぼ
の構造およびるつぼ内の様子を模式的に示した断面図で
ある。第３図は本発明の第２の態様に係るるつぼの構造
およびるつぼ内の様子を模式的に示した断面図である。第４図は本発明の第３の態様に係るるつぼの構造および
るつぼ内の様子を模式的に示した断面図である。第５図
は本発明の第４の態様に係るるつぼの構造およびるつぼ
内の様子を模式的に示した断面図である。第６図は従来
の液体封止垂直ブリッジマン法によるＧａＡｓ結晶の育
成を示す炉内の模式的断面図である。第７図乃至第９図
は第１図に示するつぼの内部状態の変化を示す模式的断
面図である。（符号の説明）１・・・種子結晶２・・・成長したＧａＡｓ結晶３・・・結晶原料融液（ＧａＡｓ原料融液）４・・・液
体封止剤（Ｂ２０３）５・・・るつぼ６・・・るつぼホルダー７・・・るつぼ軸８・・・発熱体９・・・気密容器１０・・・固体の結晶原料（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ原料）１１
・・・固体の液体封止剤（Ｂ２　ｏ３）１２・・・種子
結晶装着部１３・・・種子結晶先端部１４・・・成長結晶中の結晶粒界１５・・・るつぼ本体１６・・・種子結晶保持部品１７・・・種子結晶嵌合部１８・・・種子結晶挿入部１９・・・メニスカス２０・・・種子付は部２１・・・種子結晶保持部２２・・・るつぼホルダー（種子結晶保持部品）２３・
・・種子結晶支持部第２図１・・・種子結晶１０・・・固体の結晶原料（ＧａＡｓ原料）１１・・・
固体の液体封止剤（Ｂ２　ｏ３　）１５・・・るつぼ本
体１Ｂ・・・種子結晶保持部品１７・・・種子結晶嵌合部１８・・・種子結晶挿入部第１図 μｌ二第３図第４図１１・・・固体の液体封止剤（Ｅ２０３　）１５・・・
るつぼ本体２３・・・種子結晶支持部第５図第７図第８図ｌ・・・種子結晶２・・・成長した結晶（ＧａＡｓ結勘３・・・結晶原料融液（Ｇ　ａＡ　ｓｆ４おり４・・・
液体封止剤（Ｂ２　ｏ３　）５・・・るつぼ１４・・・成長結晶中の結晶境界第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）るつぼ下部に装着した種子結晶から単結晶を育成
する結晶育成方法に用いられる結晶育成用るつぼにおい
て、該るつぼは、下方に開口している種子結晶挿入部を
有するつぼ本体の外側に、該るつぼ本体とは別体をなし
、種子結晶を保持するための種子結晶保持部品を嵌合装
着してなることを特徴とする結晶育成用るつぼ。
（２）るつぼ下部に装着した種子結晶から単結晶を育成
する結晶育成方法において；下方に開口している種子結晶挿入部を有するつぼ本体の
内部に結晶原料を充填し；該るつぼ本体とは別体をなし、種子結晶が予め保持され
た種子結晶保持部品を、該るつぼ本体の外側に嵌合装着
することにより種子結晶を種子結晶装入部に装着するか
、又は、種子結晶を種子結晶装入部に装着後、該るつぼ
本体とは別体をなす種子結晶保持部品を、該るつぼ本体
の外側に嵌合装着し；ついで、結晶原料を溶解後結晶育成を行なうことを特徴
とする結晶育成方法。