JPH01212291A - 結晶育成方法および育成装置 - 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〕 本発明は金属、半導体あるいは酸化物などの単結晶育成
技術に関するもので、垂直ブリッジマン（あるいは垂直
温度勾配凝固法）ｔたは液体封止垂直ブリッジマン法な
どの名称で知られている原料融液を、この融液とは基本
的には濡れない材質で構成される容器、いわゆるるつぼ
内に作製した後、その融液を種子結晶を用いるか、ある
いは特別の方法によって特定の方位の揃った単結晶成長
を開始して、前記るつぼの下部から上部Ｋ（あるいは上
部から下部に）向かって徐々に固化すると共に、このる
つぼによって結晶形状を規定しながら単結晶を゛成長さ
せる結晶育成方法およびその育成装ｆ！に関するもので
ある。

以下、本発明に関して、代表的な化合物半導体の１つで
あるｃａＡｍ単結晶を液体封止垂直ブリッジマン法（あ
るいは液体封止垂直温度勾配凝固法）によって育成する
場合を例にとって詳述する。

〔従来の技術〕

第３図は、液体封止垂直プ替ツジマン法によるＧａＡａ
単結晶育成を示す炉内の様子および結晶育成制御の概念
を示す模式図である。同図において、１は種子結晶、２
は成長したＧａＡｍ結晶、３はＧａ人８融液、４は液体
封止剤、５は円形の断面形状を有するるつぼ、６はるつ
ぼホルダー、７はこのホルダー６を支持するるつぼ軸、
８はこの軸７を介してそのるつぼ５を回転および上下移
動させるためのるつぼ駆動機構、９ｓ　＋　９ｚ　＋　
９ｓ及び９４は各々独立に制御可能な発熱体、１０は気
密容器であり、２１は発熱体９１−９４の電力およびる
つぼ５０回転１位置などを変化するための制御装置であ
る。

このような装置構成において、従来の結晶育成は、まず
、るつぼ５内に種子結晶１．原料となるＧａＡｓ多結晶
、固体状態の液体封止剤４等を充填し、つぎに１発熱体
、９１〜９４によシ高温に加熱して封止剤４の軟化、ｙ
Ｋ料ＧａＡ＠の融解を経て、種子付けにより単結晶成長
を開始して、徐々に成長界面１２を上部に移動せしめ、
第３図に示すごとき結晶成長状態を実現するものとなっ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のごとき結晶育成方法における育成制御上の大きな
問題点として、結晶の成長速度つまシ成長界面１２位置
の移動速度や成長界面形状の検出ができないため、その
制御が非常に困難なことがあげられる。

現在、ＧａＡｓ結晶をはじめとする化合物半導体結晶の
製造法として実用になっている液体封止引き上げ（ＬＥ
Ｃ）法あるいは水平ブリッジマン（ＨＢ）法などの結晶
育成の場合、気密容器あるいは炉体に観測用窓を設け、
成長状況を観測するかあるいは成長結晶部の重量を検出
（ＬＥＣ法の場合）して、これらの情報をもとに、炉内
の温度条件（主に温度分布）を、発熱体の電力あるいは
るつぼ位置（ＨＢ法の場合はボードの位置）などＫより
制御して、所望の結晶成長速度を実現している。これに
対して、本発明に係わる上述のごとき垂直ブリッジマン
法のような結晶育成の場合、成長界面位置やその形状の
観測はもちろん成長した結晶部の重量の測定も原理的に
不可能なため、正確な成長速度の制御や界面形状の制御
は行なわれていなかった。すなわち、従来方法において
は、例えば第３図に模式的に示したように、予め測定し
た、各発熱体９１〜９４に加えた電力をパラメタにした
炉内温度分布（ｐｔ、ｐｚ）を基に、結晶成長の進行と
共に温度分布をｐ、からＰ！に変化させた場合に、融点
（Ｔｍ）の位置変化に対応して成長界面は１２１から１
２雪へ移動した（結晶が成長した）ものと推定するに過
ぎなかった。この場合、平均の結晶成長速度は、温度分
布がＰＩからｐｇへ移動した時間と成長界面１２１と成
長界面１２鵞の距離から推定するにすぎず、精度良く成
長速度制御することはもちろん、実際の成長速度を知る
ことも十分でなかった。また、成長界面形状は結晶育成
終了後に結晶内部に発生している成長縞などの観測から
成長時の様子を推定していたに過ぎなかった。

ところで、結晶の成長速度は、成長界面における不純物
の偏析、成長界面形状、成長後の結晶部の熱履歴など結
晶特性に重大な影響を与えるため、これを精密に制御す
る技術は結晶育成においては必須である。また、結晶成
長時の成長界面形状は結晶全体を単結晶で育成する上で
の重要な要因であυ、さらに成長した結晶部での欠陥発
生等結晶品質を左右する要因であることが知られている
。

しかるに、上述の従来方法においては、成長界面の位置
および形状が正確に測定できないため、その制御は行な
うことができないという重大な欠点を有していた。

本発明は以上の点に鑑み、このような従来技術の欠点を
解決すべくなされたものであり、その目的は、垂直ブリ
ッジマン法のような結晶育成方法において、従来外部か
らの観測あるいは検出が困難なため、その制御ができな
かった。結晶の成長速度（成長界面位置の変化）や成長
界面形状の制御を可能にする結晶育成方法およびその育
成装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、るつぼ外周の特定
の複数筒、所の温度を検出し、この複数箇所の温度情報
をもとに、一定時間毎にるつぼ内部の温度分布さらに成
長界面の位置およびその形状を計算・推定して、この計
算会推定結果に基づいて、成長界面位置の変化（成長速
度）あるいは成長界面形状、または成長界面位置の変化
および成長界面形状の両方を制御するようにしたもので
ある。

〔作用〕

したがって、本発明においては、予め設定した規定の精
度をもって、結晶の成長界面位置の成長速度および界面
形状の制御が可能になる。

〔実施例〕

次に、実施例を説明する前に本発明の概要を第１図を参
照して説明する。

Ｗ、１図は本発明の詳細な説明する概念図である。

同図において、１１１．１１意、１ｈ、１１４及び１１
ｇは本発明に係わるるつぼ外周の特定の複数箇所の温度
を検出するための５対の熱電対を各々示す。

ここで、設置する熱電対の数および位置は、育成せんと
する結晶の種類、大きさ、形状、さらには要求される結
晶成長速度や界面形状の制御精度などによって種々異な
る。熱電対の数に関しては、原理的には２対以上（複数
）あればよいが、第１図に示すごとき形状の結晶育成で
は３対以上設置することが好ましい。さらに、形状が複
雑でかつ大形（大直径・長尺）の結晶のような場合は、
４対あるいは５対以上設置することが好ましい。熱電対
の数が多いほど、後で述べるるつぼ内温度分布の計算に
おいて、精度を向上させることができ、その結果、目的
とする成長速度および界面形状の制御精度向上に有効で
あることがわかっている。

熱電対の設置場所に関しては、使用する熱電対の数や結
晶形状などを考慮して経験的に決定される。

一般に第１図に示すように結晶形状が変化する近傍に設
置することにより良好な結果を得ている。

また、設置する熱電対は可能な限りるつぼ５に近接して
設置するのが好ましいが、結晶育成毎の設置位置の再現
性、炉体構成（ホットゾーン）の組み立て時、原料充填
時などの作業性を考慮して、るつぼホルダー内部の適切
な位置に設置すればよい。これら熱電対設置に関する他
の要件は、設置した複数の熱電対１１１〜１　ｉｓがい
づれもＧａＡｓ融。

液３あるいはＧａＡｓ結晶２を収納しているるつぼ５と
の相対位置を一定に保ちながら、回転あるいは上下移動
が可能なごとき構成となっていることである。すなわち
、これら熱電対１１１〜１１ｓの出力接続線は、るつぼ
ホルダ−６下部からるつぼ軸７へ接続され、気密容器１
０の外部に取り出され、スリップリング１３のごとき機
構を介して温度針測手Ｒ１４へ接続される。次に、温度
分布計算手段１５は、温度計測手段１４において計測さ
れた熱電対設置位置各点の温度データに加えて、予め投
入されている、るつぼ５の構造、るつぼ内の物質の形状
および熱的物理定数、さらにるつぼホルダー６の形状お
よび熱的物理定数などの情報を基に、定められた手法に
よって、一定の時間間隔で、るつぼ内の温度分布を計算
すると共に、これらの情報ｔ−信号として出力する機能
を有するものである。さらに、温度分布表示手段１６は
、前記温度分布計算手段１５の計算結果を基にるつは内
の温度分布を等温線などの画像処理手段によって表示す
ると共に、育成せんとする物質（ＧａＡｓ）の融点に関
する情報などから成長界面の位置および形状を併せて表
示するとともに、この情報を電気信号として出力する機
能を有するものである。

一方、プログラム信号出力手段１Ｔは、予め希望する成
長界面移動速度、ま九は成長界面移動速度および成長界
面形状の両方を想定して行った成長界面位置及び形状の
プｑグラム信号を時間と共に出力する手段を有するもの
である。ここで出力された信号の一部は温度分布表示手
段１６へ伝達されプログラム状態表示のために処理され
るとともに、他の一部は比較器１８へ伝達される。この
比較器１８は、温度分布計算手段１５の出力信号とプロ
グラム信号出力手段１７の出力信号とを比較して、その
偏差信号を出力する機能を有し、この信号は制御器１９
へ伝達される。ここで、制御器１９は、るつぼ５内の温
度および温度分布を制御する手段、すなわち加熱手段で
ある発熱体９１〜９４の電力、るつは５の発熱体に対す
る相対位置、るつぼ内融液の温度分布制御に有効なこと
が知られている磁界印加手段２０によって発生する印加
磁界の強さなどを制御する機能を有している。

その具体的制御方法の基本は、比較器１８から出力する
偏差信号と、予め内部に記憶されている各発熱体９！〜
９４の制御電力わるいはるつぼ位置とるつぼ内温度分布
あるいは印加磁界の強さとるつば内温度分布等に関する
情報を基に、各発熱体９１〜９４の電力めるｉはるつぼ
５０位置、印加Ｖ＆界の強さ等の１つを単独に、または
２つ以上を同時に適正な値に変化させ、比較器１８から
の偏差信号を常に零に近付けるように行うものとなって
いる。

このように、本発明によれば、るつぼ外周の複数箇所の
温度情報をもとに、一定時間毎にるつぼ内部の温度分布
、成長界面の位置およびその形状を計算・推定し、その
結果に基づいて成長界面位置の変化、成長界面形状を制
御することによ〕、予め設定した規定の精度をもって、
成長界面位置の成長速度およびその界面形状の制御が実
現できたものであシ、これについて以下の実施例によっ
て詳細に説明する。

実施例１ 第４図は本発明の一実施例による結晶育成炉および制御
装置を示す模式図であ夛、図中、同一符号は同一または
相当部分を示している。

＠１図において、直径８０ｍのｐＢＮ製るつぼ５に約２
０００ｇの０１人鳳融液２を作製した。液体封止剤４に
は約２００ＥＯＢ意Ｏｓを用いた。るつぼホルダー６は
高純度グラファイトである。４個の発熱体り、９ｔ、Ｌ
及び９４もまた高純度のグラファイト抵抗体で構成し、
外部からの印加電力によシ発熱を制御した。結晶育成時
の炉内雰囲気は不活性人ｒ約５気圧とした。温度検出に
用いた５対の熱電対１１１．１’ｈ　、１１３．１１４
及び１１ｓはいづれも白金−白金ロジュクム系のものを
用いた。検出した熱電対出力はるつぼ軸７下部のスリッ
プリング１３を通して気密容器１０外部に取シ出し、熱
電対出力から実際の温度への変換手段をそなえる温度計
測手段１４へ入力した。つぎに、るつぼ周辺各部（５点
）の温度情報に変換した信号は温度分布計算手Ｒ１５に
入力した。本実施例の温度分布計算手９１５は、パーソ
ナルコンピュータ（例えばＰＣ−９８０１）と有限要素
法を適用した温度分布計算プログラムからなるシステム
である。

２すなわち、本システムは、るつぼ５およびるつぼホル
ダー６の形状・材質、るつは内ＧＩＡＩ融液３の量と物
理定数、液体封止剤（ｎｚ　Ｏｓ）　４の量と物理定数
などを基に決定される境界条件をもとに構成してなるシ
ミエレーシ冒ンシステムである。このシステムは、るつ
ぼ周辺（５点）の温度情報を入力することによシ、４分
間に１回るつぼ内部の温度分布を計算するごとく構成し
た。

さらに、計算した温度分布の情報は温度分布表足手ＲＩ
Ｂへ伝達した。ここでは結晶の成長界面１２に相当する
融点の等温線を境界に１融液および結晶中の温度分布を
一定間隔（１０℃）の等温線でＴＶモニタに表示し、成
長界面１２の形状および位置、さらにるつぼ５内金体の
温度分布を把握可能にした。

つぎに、本実施例における結晶の成長速度すなわち成長
界面１２の移動速度の制御（本実施例では５　ｗａ　／
　ｈで一定とした）は以下のように行った。

プログラム信号出力子９１７よシ、予めプログラムして
なる経過時間に対する成長界面１２（界面形状は近似的
に平面とした）の位置変化の信号と、温度分布計算手９
１５において計算した成長界面１２の位置（本実施例で
はるりは中心における融点位置を近似的に成長界面の位
置として認識した）変化の信号とを比較器１８において
比較し、この偏差信号を制御器１８に伝達した。制御器
１１１においては、予め決定してなる、るつぼ位置制御
を主、４個の発熱体９１〜９４の加熱電力制御を補助と
する制御アルゴリズムに従って、上記偏差信号を一定の
範囲に制御し、結果として結晶の成長速度を制御した。

以上のようＫして育成したＧａＡｇ結晶は、使用したｐ
ＢＮるつぼ５の形状によって定まる、定径部の直径８０
ｗ１長さ約５０■、成長方位＜１００＞の単結晶であっ
た０本実施例における成長速度の確認は、結晶成長時に
一定時間（２時間）間隔でるつぼ５０回転速度を通常の
２ＯｒｐｍからｌｒｐｍＫ減少（約５分間）させる制御
プロセスを導入すると共に、これＫよって育成結晶に発
生する成長縞の間隔をＸ線トポグラフによって観察した
。その結果、上記るつは回転の変化によって発生した成
長縞の間隔は１０±０．２圏の範Ｈに制御されているこ
とが確認でき、本実施例での設定成長速度５Ｉｌｌｌ／
ｈで結晶成長が行われていたことが確認された。なお、
本実施例における計算した温度分布と実際の融液中およ
び結晶中の温度分布との対応は、結晶育成のプロセスと
は別に１温度測定用の熱電対を用いた融液および成長し
た結晶中の温度分布測定実験と計算結果との対応によっ
て行い、本計算システムの精度の向上を図っていること
は述べるまでもない。

実施例２ 本実施例は、上記実施例１で行った成長速度の制御に加
えて成長界面１２の形状の制御をも可能にすることを目
的に行っている。本実施例に係わる第２図において、９
ｍは追加した第５番目の発熱体であシ、成長界面１２近
傍の精密な温度分布制御を行うためのものである。また
、使用したｐＢＮるつぼ５は直径８０■であル、Ｉｎ不
純物を１０２０ａｔｏｎｕｓ／ｃｒｎ　添加したＧａＡ
ｓ融液３は約２０００ｇ１液体封止剤４として用いるＢ
Ｉ　Ｏｓは約２００ｇである。炉内雰囲気は５気圧のム
ｒとした。熱電対１１１〜１１４による温度検出、温度
分布計算システムは実施例１と同様である。

つぎに、本実施例で行った、成長速度および成長界面形
状の制御について説明する。プログラム信号出力手段１
Ｔにおいては、経過時間に対する成長界面１２（界面形
状は平面ではない）の中心の位置変化および、成長界面
の中心および０．８ｒ（ｒ：結晶の半径）の位置をもと
に球面近似した成長界面形状の変化がプログラムしであ
る。このプログラム出力と温度分布計算手段１５におい
て計算した成長界面の位置（゛るつぼ中心における融点
位置を成長界面の位置とｇａした）と成長界面形状（る
つぼ中心の融点位置および０．８ｒの融点装置をもとに
球面近似し□た形状）変化の信号とを比較器１８におい
て比較し、これらの偏差信号を制御器１９に伝達した。

本実施例における制御器１９による、成長速度（成長界
面位置の変化）および成長界面−形状のｉ御は、以下の
制御アルゴリズムを基本として実行した。

■　発熱体９１，９鵞、”’９　ｓ　ｐ　９４の加熱電
圧は一定として炉内の基本的な温度分布を保持する。

■　成長界面の位置が発熱体９５のほぼ中心位置になる
ように予めプログラムされた成長速度に従ってるつぼ位
置を移動する。

■　成長界面形状の制御は、発熱体９ｓの加熱電力を主
制御手段、印加磁界の強さを補助制御手段として行う。

以上のごとくして育成し九〇ａＡａ結晶は、実施例１の
場合と同様、直径８０諺、定径部の長さ約５０１ｍ、＜
　１００　＞成長方位の単結晶であった。本実施例で主
として制御対象とした成長界面形状は、Ｘ線トポグラフ
によって添加したＩｎＯ僅かな濃度ム２を成長縞として
観測し、狙いとした融液側に向かって凸界面であること
を確認した。

なお、上述した本発明の実施例では、代表的な化合物半
導体であるＧａＡｇ結晶を液体封止垂直ブリッジマン法
（あるいは液体封止温度勾配凝固法）によって育成する
場合を例にとって述べたが、本発明の思想は、結晶に関
してはＧＬ人Ｓ結晶に留まらすに他の半導体結晶、金属
結晶さらに酸化物結晶などにも沼川できる。また、結晶
成長方法！７Ｃ−しても、通常の垂直ブリッジマン法、
−水平プリンラマン法など、一般に成長状態の観察が困
曙な結晶育成方法に適用して大きな効果が得られること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の結晶育成方法および育成
装置は、従来では不可能であった成長界面位置及び形状
を、測定した温度分布情報をもとに計算機シミュレーシ
ョン手法によって推定すると共に、その制御を可能にし
たものである。これによシ、結晶育成では成長速度や成
長界面形状に関係する単結晶化率を大幅に向１させるこ
とができる。また、結晶の品質面では成長速度の制御に
よシ、添加不純物（Ｉｎなど）の成長方向における分布
の均一化ができ、転位の低減・制御が容易になる。さら
に、成長後の結晶中の温度分布の推定・制御が可能とな
り、熱応力の低減・制御による転位発生の抑制ができる
。また、結晶の熱履歴の推定・制御による結晶中の点欠
陥の制御にも有効な情報を得ることが可能になるなど多
大の効果が認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による結晶育成炉および制御
装置を示す模式図、第２図は本発明の他の実施例を示す
結晶育成炉の模式図、第４図は従来の液体封止垂直ブリ
ッジマン法を用いた結晶育成装置および育成制御の概念
を示す模式図である。 １・・・・種子結晶、２・・・・Ｇａ人人語結晶３・・
・・Ｇ＆人８融液、４・・・・液体封止剤、５・・・・
るつぼ、６＠・・拳るりぼホルダー、Ｔ・・・・るつぼ
軸、８・・−・・るつぼ駆動機構、９１〜９．・・・・
発熱体、１０・・・・気密容器、１１１〜１１４・・・
曖熱電対、１２−・・・成長界面、１３・・・・スリッ
プリング、１４・・・・温度計測手段、１５・・・・温
度分布計算手段、１６・・・・温度分布表示手段、１Ｔ
・・・・プログラム信号出力手段、１８・・・・比較器
、１９・・・・制御器、２０・・・・磁界印加手段。 特許出願人　　日本Ｃａｔ話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状あるいは各種形状を有するるつぼ内に融解
   または合成して作製した原料融液あるいは溶液を、この
   るつぼ内の一端から結晶成長を開始して、ほぼ一定の方
   向に徐々に結晶成長を進行せしめ、前記るつぼによつて
   規定される形状の結晶を成長させる結晶育成方法におい
   て、前記るつぼ外周の特定の複数箇所の温度を検出し、
   この複数箇所の温度情報をもとに、一定時間毎にるつぼ
   内部の温度分布、成長界面の位置およびその形状を計算
   ・推定して、この計算・推定結果に基づいて、成長界面
   位置の変化（成長速度）あるいは成長界面形状、または
   成長界面位置の変化および成長界面形状の両方を制御す
   ることを特徴とする結晶育成方法。
2. （２）請求項１記載の結晶育成方法を実施する装置にお
   いて、るつぼ外周の特定の複数箇所の温度を検出すると
   共に、これら温度信号を外部に取り出し出力する手段と
   、これら温度出力信号を基にるつぼ内部の温度分布およ
   び結晶成長界面の位置と形状を近似計算し出力する手段
   と、予めプログラム化してなる時間経過に対する成長界
   面位置及びその形状の変化を出力する手段と、前記近似
   計算出力とプログラム出力とを比較しその偏差情報を所
   定の信号レベルで出力する手段と、この比較・偏差情報
   を基にこの偏差を規定の値以下にならしめるごとく成長
   界面位置またはその形状を、あるいはこれらの両方を制
   御する手段とを有することを特徴とする結晶育成装置。