JP4146829B2 - 結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、結晶製造装置に関し、より詳細には、垂直ブリッジマン法、垂直温度勾配凝固法において、結晶から作製されたウエハの中心における結晶品質を向上させるための結晶製造装置に関する。

従来、酸化物結晶材料の作製方法として、成長容器内の融液を種結晶から徐々に固化させる水平ブリッジマン法、成長容器を垂直に設置して温度勾配を与え、 低温度側に移動させて結晶を固化する垂直ブリッジマン法、成長容器を垂直に固定して温度勾配を変化させて結晶を固化する垂直温度勾配凝固法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１を参照して、従来の垂直ブリッジマン法による結晶材料の作製方法について説明する。るつぼ１内に種子結晶４と原料２を配置する。発熱体６により原料２を加熱溶解させて原料溶液２とする。発熱体６の加熱量を調整して、結晶作製炉内を一定の温度勾配曲線５に保持する。るつぼ１を一定速度で低温度側へ移動させることにより、原料溶液２を冷却すると、結晶の成長温度に達した結晶３は、種子結晶４と同じ結晶方位を有する結晶に成長し、増径部成長過程と定径部成長過程とを経て成長結晶３となる。

このとき、成長結晶３は、種子結晶４を核として順次成長するから、種子結晶４の結晶方位を継承し、種子結晶４の結晶方位と同じ結晶方位を有する成長結晶３として成長させることができる。垂直ブリッジマン法では、るつぼ１を一定速度で低温度側へ移動させるが、垂直温度勾配凝固法では、発熱体６を下方から上方に移動させることにより、上述した作製方法と同様に結晶を成長させることができる。

例えば、ＫＴａＯ_３、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３などの結晶を、引き上げ法により成長させる場合、種子結晶に存在する欠陥が成長結晶に伝播し、特に種子結晶から成長方向に添って伝播する欠陥を、防止することが難しいことが知られている。従来の垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固法においても、種子結晶４に存在する欠陥が、成長結晶３に伝播することがある。

特開昭５９−１０７９９６号公報

図１に示したように、従来の方法では、種子結晶４は、るつぼ１の中心軸に一致するように配置されている。このとき種子結晶４に欠陥が存在していたと仮定すると、成長させた結晶には、引き上げ法によって成長させた結晶と同様に、図２に示すように、中心部に欠陥７が存在する。成長させた結晶から切り出されたウエハの欠陥部分に形成された素子または部品は、所望の特性を得ることができず、ウエハ中心部から製造された素子または部品は、不良率が高くなるという問題があった。

一方、素子または部品の製造プロセスにおいては、例えば、ウエハ回転を伴うレジスト塗布、成膜など、ウエハ中心付近で均質性が良い傾向にある。すなわち、製造プロセスにおいては、ウエハ中心部ほど良品率が高い。従って、素子または部品の製造プロセスで有利なウエハ中心付近に、結晶成長における欠陥が存在することは、製品の歩留まりの観点から著しく不利な要素であると言える。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、成長結晶内に発生する欠陥を結晶外周部に限定させて、結晶から作製されたウエハの中心における結晶品質を向上させる結晶製造装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炉内に保持されたるつぼ内に種子結晶を配置し、前記るつぼ内に充填された原料溶液を加熱溶解し、前記るつぼの下方より上方に向かって、前記原料溶液を徐冷することにより結晶成長させる結晶製造装置において、前記種子結晶の欠陥が成長する結晶の外周部を伝播するように、前記種子結晶は、前記るつぼの中心軸から離れた位置に配置されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、種子結晶をるつぼの中心軸から離して配置することにより、成長結晶内に発生する欠陥を結晶外周部に限定することができる。ウエハ外周部に欠陥が集中したウエハを得ることができるので、素子または部品の製造プロセスにおいて、均質性の高いウエハ中心部付近を有効に利用することができる。従って、高歩留まりの素子または部品を製造することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。溶融した溶液に種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Top-Seeded Solution-Growth）法では、成長結晶内の温度分布の軸対称性を保持しなければならない。軸対称が保持されていないと、結晶が一方向に優先的に成長し、結晶内にかかる熱応力が一部に集中するため、クラック等を生ずる。

一方、垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固法による結晶成長方法でも同様に、成長結晶内の温度分布の軸対称性を保持するために、種子結晶４と、るつぼの形、すなわち成長結晶３とを軸対称に保持する。図１に示したように、種子結晶４の上端から結晶が成長し、るつぼ１の形に添った成長結晶３が形成される。このとき、結晶にかかる熱応力の観点から、発熱体６とるつぼ１との軸対称性を保持する必要があるが、種子結晶４は、るつぼ中心にある必然性はない。

図２に、本発明の一実施形態にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す。種子結晶１４は、るつぼ１１の中心から離れた位置に配置する。成長結晶１３は、従来の方法と同様に、種子結晶１４を核として順次成長するから、種子結晶１４の結晶方位を継承し、種子結晶１４の結晶方位と同じ結晶方位を有する成長結晶１３を成長させることができる。

種子結晶の役割は、結晶化の結晶構造と結晶方位の決定である。垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固法の場合、成長結晶の形状、大きさは、結晶化開始位置に関わらず、るつぼ形状によって決まるから、種子結晶位置のるつぼ形状に対する非対称性は、結晶成長上問題とならない。種子結晶に存在する欠陥の伝播は、種子結晶の位置にかかわらず種子結晶端から成長方向に沿って進むから、成長結晶の欠陥は、図４に示すように、成長結晶外周部に局在する。

この方法によって成長させた結晶から切削、研磨加工して作製したウエハを用いれば、素子または部品の製造プロセスにおいて、均質性の高いウエハ中心部付近を有効に利用することができるので、高歩留まりの素子または部品を製造することができる。なお、るつぼの形状は、図２，４に示したように、円筒形を用いた場合について説明したが、四角柱などの多角柱の形状のるつぼを用いても、同等の効果を得ることができる。

以下に本発明の実施例を具体的に説明する。なお、本実施例は例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。

図５に、実施例１にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す。ＫＴａ_xＮｂ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶材料を作製する場合について説明する。２インチ径るつぼ２１の中心軸から２０ｍｍ離れた位置に、｛１００｝方位のＫ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３種子結晶２４を配置する。ただし、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３種子結晶２４の組成を、ＫＴａ_ｘ’Ｎｂ_１−ｘ’Ｏ_３としたとき、ｘ′は成長させるＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３のｘに対して等しいかまたは大きく、溶解温度が等しいかまたは高い組成を選択する。ＫＴａ_ｘＮｂ_１−ｘＯ_３の原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５を所望の組成比となるよう秤量し、合計１ｋｇをるつぼ２１に充填する。

Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３種子結晶２４および原料２２が充填されたるつぼ２１を発熱体により昇温し、原料２２を加熱溶解させてＫ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３原料溶液２２とする。次に、発熱体の発熱量を調整して、図５に示した炉内温度分布２５を実現する。その後、２インチ径るつぼ２１を、２ｍｍ／日の速度で下降させる。これによって、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３原料溶液２２は、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３種子結晶２４を出発点として、温度の低いるつぼ２１下部から徐々に結晶化し、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３結晶２３が成長する。結晶成長終了後、発熱体の発熱量を調整することにより、室温まで徐冷する。

作製したＫ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３結晶を取り出したところ、中心部に種子結晶を配置した従来の方法と同様に、結晶表面に四回対称の｛１００｝面ファセット面が表出する。成長結晶の外観には、クラックや異常形状は確認できない。この結晶から成長方向に垂直な面で切り出したウエハのエッチピットを観察すると、欠陥は、ウエハ外周の種子結晶の上方延長上に限定されており、中心部に欠陥の無い高品質結晶を育成することができる。また、種子結晶として、ＫＴａＯ_３種子結晶を用いた場合にも、高品質結晶を歩留まりよく得ることができる。

図６に、実施例２にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す。ＫＴａＯ_３結晶材料を作製する場合について説明する。３インチ径るつぼ３１の中心から３０ｍｍ離れた位置に、｛１００｝方位のＫＴａＯ_３種子結晶３４を配置する。ＫＴａＯ_３の原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、合計３ｋｇをるつぼ３１に充填する。

ＫＴａＯ_３種子結晶３４および原料３２が充填されたるつぼ３１を昇温し、原料を加熱溶解させてＫＴａＯ_３原料溶液３２とする。次に、発熱体の発熱量を調整して、図６に示した炉内温度分布３５を実現する。その後、３インチ径るつぼ３１を、２ｍｍ／日の速度で下降させる。これによって、ＫＴａＯ_３溶液３２は、ＫＴａＯ_３種子結晶３４を出発点として、温度の低いるつぼ３１下部から徐々に結晶化し、ＫＴａＯ_３結晶３３が成長する。結晶成長終了後、発熱体の発熱量を調整することにより、室温まで徐冷する。

作製したＫＴａＯ_３結晶を取り出したところ、中心部に種子結晶を配置した従来の方法と同様に、結晶表面に四回対称の｛１００｝面ファセット面が表出する。成長結晶の外観には、クラックや異常形状は確認できない。この結晶から成長方向に垂直な面で切り出したウエハのエッチピットを観察すると、欠陥は、ウエハ外周の種子結晶の上方延長上に限定されており、中心部に欠陥の無い高品質結晶を育成することができる。また、種子結晶として、ＫＴａＯ_３種子結晶を用いた場合にも、高品質結晶を歩留まりよく得ることができる。

図５，６を用いて、本発明を垂直ブリッジマン法に適用した場合についての実施例を示したが、本発明を垂直温度勾配凝固法にも適用することができ、基本的な成長プロセスは同じであり、同等の効果を得ることができる。

従来の垂直ブリッジマン法による結晶材料の作製方法について説明するための図である。 成長させた結晶の中心部に欠陥が存在する様子を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す図である。 本実施形態の方法により成長させた結晶に欠陥が存在する様子を示す図である。 実施例１にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す図である。 実施例２にかかる垂直ブリッジマン法による結晶製造装置の構成を示す図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１ るつぼ
２，１２，２２，３２ 原料、原料溶液
３，１３，２３，３３ 結晶、成長結晶
４，１４，２４，３４ 種子結晶
５，１５，２５，３５ 炉内温度分布
６ 発熱体
７，１７ 欠陥

Claims (1)

1. 炉内に保持されたるつぼ内に種子結晶を配置し、前記るつぼ内に充填された原料溶液を加熱溶解し、前記るつぼの下方より上方に向かって、前記原料溶液を徐冷することにより結晶成長させる結晶製造装置において、
   前記種子結晶の欠陥が成長する結晶の外周部を伝播するように、前記種子結晶は、前記るつぼの中心軸から離れた位置に配置されていることを特徴とする結晶製造装置。

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