JPH0223519B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） この発明は、−族等の化合物半導体、とく
にGaAsの単結晶をチヨクラルスキー法にて引上
げる際に用いて好適な、単結晶の育成方法に関す
る。

（従来技術） GaAs単結晶は、同程度の寸法精度で比較した
場合、Si単結晶より電子移動度の大きなことか
ら、電子材料としてその需要が増大している。こ
のGaAs単結晶を得る方法としては水平ブリツジ
マン法が良く知られているが、石英ボートや石英
封管からの不純物汚染の問題や、育成された結晶
の断面形状が円形とならない等の問題があるた
め、最近ではこれをチヨクラルスキー法で育成す
ることがさかんに試みられている。

このチヨクラルスキー法による場合には、水平
ブリツジマン法による場合に比して高純度の単結
晶を得られるが、結晶の完全性の点で問題があ
り、より転位密度の小さな結晶を得るべく、種々
の研究開発が日夜重ねられているところである。
この転位があると、この材料を用いた半導体デバ
イスの電気的、光学的特性が悪くなつたり、異常
を示すことがよく知られている。このような転位
は、素子製作のプロセスで発生する場合もある
が、基板となるGaAs単結晶中に始めから存在し
ているものが大多数である。この基板中に存在す
る転位は、主として単結晶の製造時における熱歪
によつて発生するが、この熱歪は結晶内部に、例
えば炉体内を高圧の不活性ガス雰囲気とした場合
に生ずる不活性ガスの対流によつて生ずる急激な
温度勾配が原因となる場合もあるが、原料融液中
に生ずる熱対流によつて、固溶界面の温度分布が
不均一となることがその大きな原因であるとされ
ている。そこで、この熱対流を防止するために、
単結晶引上げに際して原料融液の表面より下方位
置に引上単結晶より若干大の直径を有する熱対流
防止板を浮かべる技術が開発された。この技術は
とくに原料融液中に生ずる中央より外側へ向けて
の熱対流に対しては、有効性が認められるもの
の、外側より中央に向けての熱対流に対しては必
ずしも充分な防止効果を得られないという欠点が
あつた。

これに対して、引上単結晶の直径より大きく、
ルツボの内径より若干小の対流防止板を原料融液
の表面より下方位置に浮力によつて浮べ、原料融
液を対流防止板に設けた細孔、或いは対流防止板
の外周とルツボの内周との間隙より原料融液を対
流防止板の上方へ導く技術があるが、原料融液に
粘性がある場合には、細孔及び間隙から上手く原
料融液が浸透せず、引上げに時間を要する他、う
つかりしていると単結晶引上げ部分に原料融液の
不足をきたすという問題もあつた。

（技術的課題） したがつて、この発明においては、原料融液の
熱対流が単結晶引上部分、つまり固溶界面に影響
を及ぼすのを完全に防止できる他、隔板の外周と
ルツボの内壁との間に設けた間隙１を介して原料
融液が過不足なくスムーズに固溶界面上へ送り込
まれるようにすることを技術的課題とする。

（技術的手段） 上記した技術的課題を達成するためにこの発明
は、ルツボ内に収容された原料融液から液体カプ
セル法で単結晶を引上げるに当り、炉体内を高圧
ガス雰囲気下におき、原料融液の表面より下方の
所定位置にルツボの内径よりも若干小の外径を有
し、かつ少なくとも外周に単数または複数の液切
翼を設けた隔板を上下動自在に浮かべ、単結晶の
引上げの間中ルツボを回転させつつ液切翼を介し
て隔板下方の原料融液を隔板上面の固溶界面へ導
き、さらに隔板と原料融液の表面との間が単結晶
引上げの間を通して常に所定間隔を保つように移
動制御すると共に、ルツボを囲んで同軸上に複数
の加熱手段を設け、この加熱手段を独立に制御さ
せるものである。

この発明はまた、隔板がルツボ上部より上下動
可能に垂下された複数の移動棒によつて押圧され
つつ移動制御されるものである。

（作用） この発明は上記のごとくに構成することによつ
て、隔板の外径がルツボの内径より若干小である
ので、原料融液中に発生する熱対流が固溶界面に
影響を及ぼすことがなく、この領域の温度変動及
び温度分布を平担な均一なものとすることができ
る他、隔板の外周とルツボの内壁との間隔が小さ
くても、ルツボが回転することにより液切翼で原
料融液を隔板の下面側よりスムースに隔板上面の
固溶界面へ導くことができるものである。

実施例 １ 図面に依れば第１図において、１は例えば電気
炉体、２は軸方向に四分割された発熱体２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄから成る加熱手段である。この加
熱手段２の中心部には、回転及び昇降自在に炉体
１内へ機密に挿入されたルツボ支持棒３上に載置
固定されたルツボ４が収納されている。このルツ
ボ４は、例えばグラフアイト製の外ルツボ４ａと
石英製の内ルツボ４ｂから成り、その内部に例え
ばGaAsの原料融液５を収納させている。この
GaAsの原料融液の上面には、例えばB₂O₃等の液
体封止剤６が比重の関係で浮かべられている。ル
ツボ４上部からは炉体１を機密に貫通して回転及
び昇降自在に構成された単結晶引上棒７が垂下さ
れており、その先端に取りつけられた種結晶８か
らは、先端を液体封止剤６を介して原料融液５中
に浸漬させた単結晶が育成されつつある。

そして、原料融液５の上面より下方の所定位置
には、隔板９が上方より炉体１を機密に貫通して
挿入された、例えば（BN）製の移動棒１１，１
１，１１によつて押さえつけられることにより浮
かべられている。

この隔板９は、例えばAl₂O₃（アルミナ）、
Si₃N₄（窒化シリコン）、BN（ボロンナイトライ
ド）、或いはPBN（パイロリテイツクボロンナイ
トライド）製のもので、内ルツボ４ｂより若干小
さめの外径を有し、その外周より上方に向けて波
形状を呈したに複数の凹凸部から成る液切翼９ａ
を設けてあり、この液切翼９ａを設けた外周と内
ルツボ４ｂの内壁との間には、小さなな間隙１０
が設けられている。

したがつて、単結晶引上げ中に隔板９より下方
の原料融液５中に生ずる熱対流は、それが中央よ
り外側に向けたもの（第１図において点線で表
示）は勿論のこと、外側より中央に向けもの（第
１図において実線で表示）であつても隔板９によ
つて阻止され、この隔板９より上の固溶界面領域
へ影響を及ぼすことがない。第３図はこの隔板９
を用いた場合のルツボ４内のGaAs原料融液の温
度変動を模式的に示したものであり、第１図に示
した発熱体２ａ，２ｂ，２ｃの温度を例えば1400
℃とし、発熱体２ｄの温度を1200℃とした場合、
この隔板９がある場合には、ない場合に比して温
度勾配はルツボ４内底部で約30℃高く維持でき、
一方、原料融液５の表面では逆に30℃低く維持で
き、液体封止剤の上面ではさらに約40℃低く維持
できた。

そして、とくに、固溶界面の単結晶育成領域に
おいては、その拡大図（Ａ視）に示したように温
度変動がほとんどない平坦な安定した温度分布を
示した。

他方、隔板９の外周上方に設けた液切翼９ａは
ルツボ４の回転につれて隔板９下方の原料融液を
外周に生じた間隙１０より該隔板９上面へ導き、
さらに若干温度の高い原料融液を周辺より中央部
の単結晶育成領域へ導く作用を果たすので、特別
な操作上の工夫を凝らさなくとも常に過不足なく
原料融液が単結晶育成領域へ補充されると共に、
原料融液が中央部へ導かれる間に若干の温度低下
をきたし、単結晶育成領域の温度分布を乱すこと
を極力押さえることができることが解つた。

この発明は、原料融液を収納したルツボ４の内
ルツボ４ｂの内壁との間に若干の間隙１０を設け
て浮かべた隔板９によつて、該隔板９より下方の
領域に発生する熱対流が結晶育成中の固溶界面領
域に影響を及ぼすことを皆無とすることができる
ので、この固溶界面領域での温度の変動を極めて
小さく押さえることができる他、ルツボ４上部に
向けての温度勾配も従来のものに比べて大きくな
つており、これは液体封止剤６を通しての輻射熱
が減少することを意味し、この面から転位が生ず
るのを可及的に防止できるものである。

さらに、この発明は、隔板９の外周とルツボ４
内壁との間隙１０を小さくしても、隔板９或いは
ルツボ４の回転と該隔板９の外周に波状に設けた
凹凸状の液切翼９ａによつて原料融液１２を切り
隔板９下方の原料融液を上面固溶界面領域へスム
ーズに導くことができるので、隔板９に設けた細
孔、或いは隔板とルツボ内壁との間に設けた単な
る間隙より原料融液を浸漬させるものよりは、引
上げに時間を要することがなく、かつ隔板９の上
面に原料融液の不足をきたす心配もない。

この液切翼９ａは、凹部の代わりに透孔を設け
ても良く、隔板の外周上面方向以外にも外周の半
径方向に設けられても良い。また、凹凸部或いは
透孔のへりに刃を設けるとより液切効果は増大す
ると共に、液切翼の形状、構造によつては、単結
晶の育成を促進する原料融液の撹拌効果が出てく
るものである。

実施例 ２ 第１図乃至第２図に示した装置を用いて、
GaAs単結晶を引上げた。

まず、内径が90m/m深さ100m/mを有するル
ツボ４内へGaAs多結晶を1.700ｇ、その上に、
B₂O₃を300ｇ入れ、さらにその上面に隔板９を置
いた。隔板９はBN製のものを用いた。

次いで、ルツボ４を加熱手段２内に置き、炉体
１内部を真空排気させた後、炉体１をアルルゴン
等の不活性ガスで百気圧まで加圧し、発熱体２
ａ，２ｂ，２ｃを1400℃にまで昇温させ、発熱体
２ｄを1200℃にまで昇温させてGaAsを溶融させ
た。すると、まず、B₂O₃が溶け、次いでGaAs多
結晶が溶けて隔板９は比重の関係で約11m/mの
厚さとなつたB₂O₃の下で、かつ原料融液５上へ
浮かんだ状態となつた。この状態を図示してない
覗き眼鏡で見ていて溶融を確認し、次いで、上方
より移動棒を垂下させて隔板９を原料融液５中へ
埋没させ、その表面より下方の隔板９の上面と
B₂O₃の下面との間が約17m/mとなる位置にまで
沈めた。

次いで、単結晶引上棒７を降下させてその先端
に取りつけた種結晶８をB₂O₃を通して原料融液
５中へ浸漬させ、これを約8rpmで回転させてな
じませると共に、ルツボを逆方向へ同じく8rpm
で回転させ、約15mm/Hrの速度で＜111＞方向へ
引き上げた。

この引上げの間を通じて隔板９は移動棒１１，
１１，１１によつて下方へ移動させられ、原料融
液表面との間が常に一定間隔を保つよう維持され
た。

得られたGaAs単結晶は直径50ｍ／長さ250m/
ｍ／で、エツチビツト密度も外周から10m/mの部
分で1.2×10⁴cm^-2、外周から15m/mで4.2×10³cm
^-2、さらには外周から20m/mで6.7×10^4-2cmであ
つた。これは、水平ブリツジマン法で育成したも
のに較べても、転位等の欠陥の極めて少ないもの
で、この発明方法による単結晶育成方法は極めて
優れていることが解つた。

尚、上述した実施例ではGaAs単結晶引上げの
場合につき説明したが、この発明方法は、他の化
合物半導体、例えばSi、Ge、GaP、IaP等の単結
晶引上げにも同様に実施し得ることは勿論であ
る。

また、隔板は上方より移動棒で押さえるもの
と、移動棒と隔板とを一体に固定させてしまうも
のとがある。前者は隔板は予じめルツボ内へ収納
されていることから覗き眼鏡の取付位置によつて
もこれの視界の邪魔とならないという利点がある
が、隔板がルツボ内に残つて残留原料融液と共に
固まつてしまうので、一製造工程毎に無駄となる
という欠点がある。後者は溶融前にはルツボ外へ
隔板を引上げておくことを要することから、覗き
眼鏡の取付位置によつてはその視界が妨げられる
という欠点があるが、引上げが終了したらこれを
ルツボ外へ引上げておくことができるので隔板を
何回も使用できるという利点がある。

また、移動棒はこれが一本であると、隔板が不
安定となるので、複数本であることが望ましいこ
とが解つた。

（効果） この発明は単結晶引上中の熱歪の発生を極力防
止できるので、これが原因となる転位を押さえ、
より格子欠陥の少ない単結晶を得ることができる
他、ルツボ内径にほぼ達する隔板を用いても原料
融液をスムーズに隔板上面へ導くことができ、さ
らに原料融液の撹拌効果も生ずることから、単結
晶引上げに余分な時間を要しないという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を概略的に示す説明図であ
り、第２図は隔板の斜視図、第３図は隔板を使用
した場合と使用しない場合の温度変動を説明する
ための模式図である。 １…電気炉体、２…加熱手段、３…ルツボ支持
棒、４…ルツボ、５…原料融液、６…液体封止
剤、７…単結晶引上棒、８…種結晶、９…隔板、
９ａ…液切翼。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボ内に収容された原料融液から液体カプ
   セル法で単結晶を引上げるに当り、炉体内を高圧
   ガス雰囲気下におき、原料融液の表面より下方の
   所定位置にルツボの内径よりも若干小の外径を有
   し、かつ少なくとも外周に単数または複数の液切
   翼を設けた隔板を上下動自在に浮かべ、単結晶の
   引上げの間中ルツボを回転させつつ液切翼を介し
   て隔板下方の原料融液を隔板上面の固溶界面へ導
   き、さらに隔板と原料融液の表面との間が単結晶
   引上げの間を通して常に所定間隔を保つように移
   動制御すると共に、ルツボを囲んで同軸上に複数
   の加熱手段を設け、この加熱手段を独立に制御さ
   せることを特徴とする、単結晶の育成方法。 ２ 隔板がルツボ上部より上下動可能に垂下され
   た複数の移動棒によつて押圧されつつ移動制御さ
   れることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記
   載の単結晶の育成方法。