JPH03261694A - 単結晶の引上方法および引上装置 - Google Patents

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］ この発明は、単結晶の引上方法およびその装置に関し、
特に、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のｍ−ｖ族化合物半導体、Ｃ
ｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の
半導体、Ｌ　１Ｎｂ０３　、Ｂ　ｉ、２Ｓ１０２ｏ等の
酸化物などの単結晶を引上げる方法およびその装置に関
する。

［従来の技術］ 引上法による単結晶の製造では、多結晶化、双結晶化の
抑制、ならびに、転位等の結晶欠陥発生の抑制などの観
点から、単結晶の直径制御技術および固液界面形状制御
技術はいづれも極めて重要な技術である。良好な単結晶
を製造するためには、種結晶から単結晶を引上げる初期
段階である、単結晶の直径を増大させる肩部形成工程で
、連続的に直径を増大させてなだらかな肩部形状を得る
ことが望ましく、直胴部形成工程では、単結晶の直径を
一定に制御することが望ましい。また、単結晶の固液界
面は、平坦か僅かに原料融液側に凸化した状態を保持し
て引上げることが望ましい。

引上法では、通常、単結晶の引上軸の回転数、ルツボの
回転数、原料融液温度、単結晶周辺の雰囲気温度および
単結晶の引上速度等を変化させることにより、単結晶の
直径制御を行なっている。

しかしながら、単結晶の直径制御をさらに理想的なもの
にすることが望まれている。

そこで、引上法で形成する単結晶の直径を制御する方法
として、逆円錐形のコラクルを用い、該コラクルを原料
融液に押し沈めてコラクル内に流入する原料融液表面の
直径を変化させることにより、引上げ結晶の直径を制御
する方法が開示されている。この方法の一例として、特
開昭６２−５９５９４号公報に記載されているものを挙
げることができる。第３図は、同公報に記載の単結晶９
上装置の断面図である。原料融液７を収容するルツボ４
は、昇降回転可能な下軸８の上端に取付けたサセプタ５
により、高圧容器工５の中央に支持され、該サセプタ５
の周囲にはヒータ９および断熱材１０を配置して、原料
融液７を加熱する。上軸１の下端には種結晶２が取付け
られており、原料融液７に該種結晶２を浸漬して単結晶
３を引上げていく。この装置の特徴は、先端に連通孔上
２を備えた逆円錐形部とその上端から上方に伸びる円筒
形部とを有するバッフル板１９を用い、該バッフル板１
９の上端を断熱材工０に固定し、下軸８を上昇させるこ
とにより、該バッフル板１９内に原料融液７を誘導し、
原料融液中に該バッフル板を浸漬させその浸漬深さを調
整して、バッフル板肉原料融液表面直径を増大させ、引
上げ結晶の直径を増大させることにより肩部を形成し、
所定の直径に成長した後は、バッフル板肉原料融液表面
直径を一定に保持するように下軸を上昇させ、単結晶直
胴部を形成するものである。

しかし、上記装置では、原料融液をコラクル内に流入さ
せるための連通孔をコラクルの中心に設けているため、
コラクル内原料融液は中心部が高温となり、単結晶の固
液界面が原料融液に対して凹化する。このような固液界
面形状で単結晶を育成すると、多結晶化または双結晶化
しやすく、また転位等の結晶欠陥密度を増加させ、結晶
性を低下させるという問題がある。さらに、上記装置で
は、コラクルと原料融液の相対的位置関係を時間ととも
に変化させる必要かあり、装置の構造が複雑になるほか
、固液界面が移動して固液界面周辺の温度環境が変化し
、結晶成長が困難になるという問題があった。

［発明が解決しようとする課題］ そこで本出願人は、上述した点を解消し、単結晶の固液
界面を凹化させることなく、なたらかな肩部形成を行な
った後、安定した直径の直胴部を形成することができる
単結晶の引上方法およびその装置を発明した。

第２図は、これらの発明の１具体例である単結晶の引上
装置の断面図である。この装置では、逆円錐形のコラク
ル１１が原料融液７に浮かぶよう設けられている。コラ
クル１１には、原料融液７をその中に導入するため、連
通孔１２が設けられており、この連通孔１２は図に示す
ように、コラクル内原料融液７の外周部近傍に位置して
いる。

また、単結晶を引上げていくための上軸１の下端には、
略円錐形の肩部形成部材１３が設けられている。肩部形
成部材１３には、その中心に種結晶２が下方に露出する
ように取付けられ、さらに、種結晶２の傍に小孔１６が
設けられている。小孔↓６は、該部材内に原料融液７を
導入するためのものである。

このような装置を用いて単結晶を引上げていくには、上
軸１を下降して肩部形成部材１３でコラクル１工を押し
沈め、該部材内に原料融液を満して、種結晶２を原料融
液７と充分馴染ませた後、原料融液７を成長温度に調整
し、次いで肩部形成部材１３の内側に沿って単結晶３が
成長するようにゆっくりと上軸１を上昇させる。このよ
うにして、まず単結晶の肩部が形成される。上軸１の上
昇に従って、コラクル１１か浮上すると、肩部形成部材
１３はコラクル１１から離れ、コラクル１１内に直胴部
形成に適した原料融液の表面直径が形成される。この直
径に従って単結晶の直胴部が肩部に続いて形成されてい
く。

このような装置では、肩部および直胴部の結晶形状の制
御か容易になり、多結晶化、双結晶化および転位等の欠
陥の発生か抑制される。しかしながら、上軸１を下降し
て肩部形成部材１３でコラクル１工を押し沈め該部材内
に原料融液を満していく際、該部材内に熱がこもり、そ
の中心に装着された種結晶２が熱的ダメージを受けやす
いという問題が生じた。熱的ダメージが著しい場合、種
結晶２に欠陥が生じ、単結晶の引上げに支障をきたすお
それがあった。

この発明の目的は、このような問題点を解消し、単結晶
の引上げをより安定して行なうことができる方法および
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明において請求項１の発明は、原料融液を流入さ
せるための連通孔を備えた逆円錐形のコラクルを原料融
液に浸漬し、管状のネッキング部を介して上方に空間部
が形成された略円錐形の肩部形成部材を用いて、連通孔
よりコラクル内に流入した原料融液から単結晶を引上げ
ていく単結晶の引上方法であって、上記肩部形成部材で
コラクルを原料融液に押し沈めながら、上記肩部形成部
材内にネッキング部を通じて空間部にまで原料融液を満
す工程と、原料融液で内部か満された肩部形成部材を引
上げていき、上記空間部内の融液、続いて上記ネッキン
グ部内の融液、次に上記ネッキング部の下方に続く肩部
形成部材内の融液を順次結晶化させて肩部を形成させた
後、単結晶の直胴部を形成する工程とを備える単結晶の
引上方法である。

請求項２の発明は、原料融液を収容するルツボと、ルツ
ボを支持する下軸と、原料融液を流入させるための連通
孔を備えた逆円錐形のコラクルと、コラクル内に流入し
た原料融液から単結晶を引上げるための上軸と、管状の
ネッキング部を介して上方に空間部が形成され、上記上
軸の下端に設けられた略円錐形の肩部形成部材とを備え
ることを特徴とする単結晶の引上装置である。

なお、略円錐形の肩部形成部材下端の開口の直径ｄと、
コラクルが原料融液に浮いた状態においてコラクル内に
存在する原料融液の表面直径りとの間が、０．６≦ｄ／
Ｄ≦１．２の関係を満すように調整すれば、より望まし
い単結晶の引上装置を得ることができる。

またコラクルが、コラクル内に流入する原料融液の外周
部近傍に連通孔を備えることによって、より望ましい単
結晶の引上装置とすることかできる。

さらに、この発明の単結晶の引上装置において、ネッキ
ング部が円筒状であって、その内径かｌ〜４ｍｍ、その
長さが５〜３０ｍｍであることが望ましい。

この発明に従うコラクルの材質は、高温において安定で
原料融液と反応せず、育成する単結晶を汚染することの
ないもので、かつ、比重の小さなものであればその種類
を問わない。原料融液の表面を液体封止材で覆う液体封
止チョクラルスキー法では、液体封止材より比重が大き
いものを選択する必要がある。具体的には、カーボン、
石英、ＢＮ、ＰＢＮ、ＡＩＮ、ＰＢＮコートカーボン、
ＧＣコートカーボン、ＰＧコートカーボンなどを挙げる
ことができる。

この発明に従う肩部形成部材の材質は、高温において安
定で原料融液と反応せず、育成する単結晶を汚染するこ
とのないもので、かつ、育成する単結晶に対する濡れ性
の悪いものであればその種類を問わない。具体的には、
カーボン、ＢＮ、ＰＢＮＸＰＢＮコートカーボン、ＧＣ
コートカーボン、ＰＧコートカーボンなどを挙げること
ができる。

［作用コ 第１図は、これらの発明の１具体例である単結晶の引上
装置の断面図である。第１図を参照しながら、これらの
発明の作用について以下に述べていく。

この装置では、逆円錐形のコラクル１１が、原料融液７
に浮かぶよう設けられている。コラクル１１には、原料
融液７をその中に導入するための連通孔１２が設けられ
ており、この連通孔１２は、図に示すようにコラクル内
原料融液７の外周部近傍に位置している。

また、単結晶を引上げていくための上軸１の下端には、
略円錐形の肩部形成部材１３が設けられている。肩部形
成部材１３の中心でその上部には、空間部１４が設けら
れており、空間部１４はその下部に設けられた管状のネ
ッキング部１５を介して、円錐形状に拡がる肩形成部１
７と繋っている。

また、上記空間部１４の上部には、ガス抜のための小孔
１６が設けられており、肩部形成部材１３下端の開口か
ら、ネッキング部１５を介して空間部１４へと原料融液
を導くことができる。

このような装置を用いて単結晶の育成を行なう手順を説
明すると、ルツボ４内に原料融液７および液体封止材６
を収容し、ヒータ９で加熱溶融し、コラクルエ１をこれ
に浮かへ、上軸１を下降して肩部形成部材１３でコラク
ル１１を押し沈める。

この時、肩部形成部材１３内には、肩形成部１７からネ
ッキング部１５を介して空間部１４内へと融液か満され
る。該部材内に原料融液が満されたら、原料融液７を成
長温度に調整し、次いでゆっくりと上軸上を上昇させる
。

この操作により、まず空間部１４内の原料融液か固化し
、続いてネッキング部１５内の原料融液が固化する。空
間部上４内で固化するときは、多結晶化しているが、細
い管状のネッキング部１５内で固化が進行するにつれて
、成長容易方向の結晶粒界が選択され、ネッキング部１
５の下端部では、成長容易方向の結晶方位が整合した単
一粒界となる。さらに上軸１をゆっくりと上昇させてい
くと、肩部形成部材１３の内壁に沿って、単結晶３が成
長していく。この単結晶３の成長方位は、ネッキング部
１５内で選択された成長容易方向の結晶方位となってい
る。この間、コラクル１１は肩部形成部材１３と一緒に
上昇し、単結晶３は肩部形成部材１３に沿って成長する
ため、急成長や比対称形状の成長などが抑制され、良好
な肩部形状を形成することができる。コラクル１１が浮
上すると、肩部形成部材１３はコラクル１１から離れ、
コラクル１１内に直胴部形成に適した原料融液表面直径
か形成される。

以上説明したようにこの発明では、従来、肩部形成部材
上３に取付けていた種結晶の代わりに、ネッキング部１
５で結晶方位を整合させて単結晶を引上げていく。ネッ
キング部１５内では、確実に結晶方位が整合するので、
その方位に従って確実に単結晶を成長させることができ
る。この点において、特にこの発明は、従来より安定し
た結晶育成を行なうことができるものとなっている。

なお、ネッキング部１５内で確実に単結晶を選択するた
めには、ネッキング部１５は円筒状であって、その直径
は１〜４ｍｍ、その長さは５〜３０ｍｍであることが望
ましい。直径か１ｍｍ未満では、原料融液が切断しやす
く、４ｍｍより大きい場合は、多結晶のまま成長するこ
とか多くなる。

また、長さ５ｍｍ未満では、完全に単結晶化することが
困難となり、３０ｍｍより長い場合は原料融液法さなど
の関係で実現が難しくなる。

略円錐形の肩部形成部材１３下端の開口の直径をｄ１コ
ラクルエ１が原料融液７に浮いた状態において、コラク
ル１工内に存在する原料融液の表面直径をＤとすると、
肩部形成部材１３がコラクル１１から離れる時点で、単
結晶３の直径は上記ｄとほぼ一致する。ｄ＝Ｄの時は、
単結晶３はそのまますみやかに直胴部形成工程に移るこ
とができる。ｄ＜Ｄのときは、さらに単結晶３の直径を
増大させ、はぼ上記りに一致したときで肩部から直胴部
へと移行する。また、ｄ＞Ｄのときは、単結晶３の直径
が上記りまで減少させた後、直胴部の形成に移り安定し
た結晶径で成長を進めることができる。上記ｄとＤの差
が大きいと、単結晶３の形状制御が困難となり、結晶性
が低下するので好ましくない。両者は、次の関係を満す
ことが好ましい。

０．６≦ｄ／Ｄ≦１．２ すなわち、ｄ／Ｄが０．　６より小さいと、単結晶３が
急成長しやすくなり、１．２を越えると、急激に単結晶
の直径が小さくなって切断されやすくなる。上記の条件
で、直胴部はコラクル１１内の原料融液の表面直径りに
ほぼ等しい安定した直径で成長する。

また、コラクル内原料融液の外周部近傍に設けた連通孔
１２より、コラクル外の高温の原料融液を供給するとき
には、原料融液の外周部が加熱され、固液界面の形状を
平坦もしくは下に凸にすることができる。

以上説明してきたようにこの発明によると、種結晶とな
る単結晶を確実に形成し、それに続く単結晶の育成をよ
り確実に行なうことができる。また、この発明によると
、肩部および直胴部の結晶形状の制御が容易になり、か
つ、固液界面の形状を平坦もしくは下に凸に保持して結
晶成長させることができるので、多結晶化、双晶化およ
び転位等の結晶欠陥の発生を抑制した所望の形状の単結
晶を製造することができる。

［実施例〕 第１図に示した装置を用いてＧａＡｓ単結晶を成長させ
た。コラクル１１は、カーボン製で上方の開口の直径が
７０ｍｍ、傾斜角度が１２０°の逆円錐形をなし、コラ
クル１１内壁の直径４５ｍｍの円周上に直径３ｍｍの連
通孔１２が等間隔で６個設けられている。またコラクル
１１は、中に流入する原料融液の表面直径が５０ｍｍと
なるようにその浮力が調整されている。肩部形成部材１
３は表面がＰＢＮで被覆されたカーボン製であり、底面
開口の直径が４８ｍｍ、深さが２２ｍｍの円錐形である
。肩部形成部材１３の中心には、３ｍｍφＸ１８ｍｍ１
のネッキング部１５、さらにその上部には１５ｍｍφの
空間部１４が設けられ、空間部１４の土壁には、ガス抜
き用の２ｍｍφの小孔１６が設けられている。

まず図に示される直径４インチの石英製のルツボ４にＧ
ａＡｓ多結晶を１．６ｋｇと８２０３を１５０ｇチャー
ジした。次に高圧容器１５内を１５ａｔｍの窒素ガスで
加圧し、ヒータ９で原料を加熱溶融し、上軸１を下降さ
せて肩部形成部材１３によりコラクルエ１を原料融液７
内に押し沈めて肩部形成部材１３内に空間部１４まで原
料融液を満した。次に結晶成長温度に調整した後、上軸
１の引上げ速度を６ｍｍ／ｈｒ、上軸１の回転速度を５
ｒｐｍ、下軸８の回転速度を３ｒｐｍとして単結晶３を
成長させた。

得られたＧａＡｓ単結晶は、重量が９００ｇで肩部形成
部材１３の内壁と同一の形状の良好な肩部と、直径４５
ｍｍで安定した直胴部とを有するものであった。Ｘ線ト
ポグラフィ−により固液界面形状を調べたところ、中心
部が下方に２〜３ｍｍ膨らんだ緩やかな下に凸を示す良
好な形状であった。また、転位密度は、３〜７Ｘ１０３
ｃｍ−２と低い値を示し、多結晶や双晶をまったく見出
だすことができず、良好な結晶性を有することが確認さ
れた。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によると、種結晶となる
単結晶を確実に形成し、それに続く単結晶の育成をより
確実に行なうことができる。またこの発明において、結
晶径が連続的に増大するなだらかな肩部と、径変動のな
い安定した直胴部を容易に形成することができ、かつ、
固液界面を平坦か下に凸に保持して結晶成長させること
ができる。したがって、多結晶化および双晶化を抑制し
、転位等の結晶欠陥の発生を抑制して良好な形状の結晶
性の優れた単結晶をより安定して製造することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１具体例である単結晶の９上装置の
断面図である。 第２図は、従来装置の一例を示す断面図である。 第３図は従来装置のもう一つの例を示す断面図である。 図において、１は上軸、２は種結晶、３は単結晶、４は
ルツボ、５はサセプタ、６は液体封止剤、７は原料融液
、８は下軸、９はヒータ、１０は断熱材、１１はコラク
ル、１２は連通孔、１３は肩部形成部材、１４は空間部
、１５は高圧容器、１６は小孔、１７は前形成部を示す
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料融液を流入させるための連通孔を備えた逆円
   錐形のコラクルを原料融液に浸漬し、管状のネッキング
   部を介して上方に空間部が形成された略円錐形の肩部形
   成部材を用いて、前記連通孔より前記コラクル内に流入
   した原料融液から単結晶を引上げていく単結晶の引上方
   法であって、前記肩部形成部材で前記コラクルを前記原
   料融液に押し沈めながら、前記肩部形成部材内に、前記
   ネッキング部を通じて前記空間部にまで前記原料融液を
   満す工程と、 前記原料融液で内部が満された前記肩部形成部材を引上
   げていき、前記空間部内の融液、続いて前記ネッキング
   部内の融液、次に前記ネッキング部の下方に続く前記肩
   部形成部材内の融液を順次結晶化させて肩部を形成させ
   た後、単結晶の直胴部を形成する工程と、を備える単結
   晶の引上方法。
2. （２）原料融液を収容するルツボと、前記ルツボを支持
   する下軸と、前記原料融液を流入させるための連通孔を
   備えた逆円錐形のコラクルと、前記コラクル内に流入し
   た原料融液から単結晶を引上げるための上軸と、管状の
   ネッキング部を介して上方に空間部が形成され、前記上
   軸の下端に設けられた略円錐形の肩部形成部材と、を備
   えることを特徴とする単結晶の引上装置。
3. （３）前記略円錐形の肩部形成部材下端の開口の直径ｄ
   と、前記コラクルが前記原料融液に浮いた状態において
   前記コラクル内に存在する原料融液の表面直径Ｄとの間
   が、０．６≦ｄ／Ｄ≦１．２の関係を示すように調整さ
   れたことを特徴とする請求項２記載の単結晶の引上装置
   。
4. （４）前記コラクルが、前記コラクル内に流入する原料
   融液の外周部近傍に前記連通孔を備えることを特徴とす
   る請求項２または３記載の単結晶の引上装置。
5. （５）前記ネッキング部が円筒状であって、その内径が
   １〜４ｍｍ、その長さが５〜３０ｍｍであることを特徴
   とする請求項２、３又は４記載の単結晶の引上装置。