JPH0329035B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、Si、Ge、GaAs、GaP等の半導体単
結晶の製造方法及び装置に係わる。

半導体単結晶の製造方法には、大別して、引上
げ法とボート法とがある。引上げ法は、るつぼ内
の原料融液に種結晶を漬け、回転しながら引上げ
ることによつて単結晶を成長させる方法である。
これに対し、ボート法は、石英、又はPBN、又
はSi₃N₄等の材質によつてできたボート内に原料
融液を入れ、種結晶の方から徐々に固化させて単
結晶を成長させる方法である。

ボート内を固液界面が徐々に移動してゆくが、
温度分布の与え方によつて、水平ブリツジマン法
（HB法）、グラジエンドフリーズ法（GF法）な
どに区別される。

GF法は、ヒータと反応管とを相対移動させな
い。ヒータの電力を徐々に減少させて、温度分布
を下げてゆく。温度分布は長手方向に勾配を持つ
ているから、温度分布の全体を等しく下げてゆく
と、固液界面は、ボートの中を種結晶のある方か
ら、反対側の端へと移動する。

［従来技術］ 従来のGF法は、固液界面の実際の動きを制御
しにくいという欠点がある。ヒータの出力や熱電
対の温度測定値によつて、ボート内の原料融液と
結晶内の温度分布を推測しなければならない。し
かし、ヒータの出力は変化するし、反応管やボー
トや原料融液は、かなり大きな熱容量を持つてい
るため、ヒータ出力と原料融液の温度は必ずしも
正比例関係を保たない。

又、熱電対は、ヒータと反応管の中間の温度を
測るものであるから、ボート内の融液や結晶の正
確な温度をこれによつて直接知ることはできな
い。

特開昭58−156599号公報（昭和58年９月17日公
開）に、GF法で固液界面の移動速度を一定にす
るようにした結晶成長装置が提案されている。こ
れは、水平に４分割された高温炉と２分割された
低温炉を含んでいる。高温炉には４箇の固定熱電
対を取付けて、４分割ヒータのすぐ外側の温度を
測定している。

反応管とヒータの間を水平方向に移動できる熱
電対をもう一つ設ける。この熱電対の温度を一定
に保つ。GaAsの場合、この温度Tmは、融点
1238℃になるようにする。

この熱電対をボートの長さ方向に一定速度で送
り、この熱電対の温度がTmを保つようにヒータ
の電力を調節する。

こうすると、移動熱電対の存在する地点が固液
界面に該当するのであるから、一定速度で固液界
面を移動させることができるのである。

この装置は、固液界面をより把握しやすいもの
にし、固液界面の動きをより適確に制御できると
いう長所があるとされているが、移動熱電対は、
正しくは反応管の中の原料融液又は固体の温度を
示しているわけではない。したがつて、移動熱電
対の温度をTmに保つても固液界面位置と移動熱
電対位置とが対応していないことが多い。固液界
面が熱電対と隔離した地点に存在したり、又結晶
の成長とともに、この差異が変動することもあり
うる。これは測温点が、ボートとヒータの中間で
あり、結晶が成長するとともに、固化部からの放
熱量が変化し、結晶中の温度勾配が水平方向及び
円周方向に変化するから、このような差異が生ず
る。

このように、熱電対により、温度を測定する方
法は最も一般的であるが、熱電対は必ず反応管の
外側にあるので、固液界面の位置を精度よく制御
できないという欠点がある。

［発明の目的］ 本発明の目的は、ボート法の一つであるGF法
による半導体単結晶の成長工程において、固液界
面位置及び固液界面の形状を視覚的に認識し、そ
れらを予め定められた位置及び形状になるよう
に、正確に制御できるようにする方法ならびにこ
の方法を具現する製造装置にある。

［構成］ 本発明は、ボート法の一つであるGF法による
半導体単結晶の製造方法及び装置に係わるが、端
的には、TVカメラ、又はイメージフアイバ撮像
装置の撮像部をヒータの間から、所定速度をもつ
て移動させながら、時間的に移動する固液界面に
対応させ、結晶化進行速度の標準となる前記撮像
部の速度に対する、固液界面の進み、遅れ等によ
つて、ヒータの温度調節を行つて、結晶の成長が
一定速度で進行するようにしたものである。

以下図面により本発明の構成を説明する。

第１図は本発明方法を実施する装置を略断面図
で示す。ヒータ１ａ〜１ｇは、水平方向に保持さ
れる反応管２の長さ方向に沿つて配置された、独
立に制御できるヒータ群である。このうち、ヒー
タ１ａ〜１ｅは、円筒形の高温用ヒータであり、
これらは、カンタル線等の抵抗体を円筒形に形成
したものであるが、固液液面の周囲にある、例え
ばヒータ１ｂ及び１ｃは、第２図に示すように、
上下左右等に多分割して上面側より内側に通じる
覗き窓１２を形成し、それぞれ独立して温度調節
できる。１b′及び１c′として形成する。

ヒータ１ｆ，１ｇは、やはり単一の円筒形のヒ
ータであり、これは低温用のヒータである。

横長の反応管２は、ヒータ１ａ〜１ｇの中に配
置され、反応管２の内部の高温になる側に、例え
ば石英製のボート３が置かれ、ボート３の低温に
なる側の端に種結晶４が置かれる。

図示のようにボート３の中には、原料融液１３
と固化部１４が共存する。境界が固液界面６であ
る。固液界面６は、その半導体の融点の等温面で
ある。

反応管２の低温側の端には、Ｖ族元素の固体５
が置かれる。これは、−族化学物半導体単結
晶の成長についての例である。例えば、GaAs、
GaP、InSb、InSb、InAs、InPなどである。Ｖ
族元素は解離圧が高く、固化部や融液から抜けや
すい。このため、反応管２の中にＶ族元素を入
れ、この蒸気圧を適当に保つ。

低温部ヒータ１ｆ，１ｇはＶ族元素の温度を一
定に保持し、蒸気圧を望ましい値に維持する。Ｖ
族元素はＰ、As、Sbなどである。

実際には、ボート３のある部分とＶ族元素のあ
る部分との対流を抑えるため、中間に隔壁を設け
ることが多い。隔壁には、Ｖ族ガスの通る小穴を
穿つておく。

覗き窓１２は、その直下に固液界面６が存在す
るような位置に設ける。

覗き窓１２の上には、固液界面６を観察するた
めのTVカメラ７の撮影部が配置される。

TVカメラ７によつて観察された固液界面６の
像は画像処理装置８によつて処理される。固液界
面６の覗き窓１２における位置や形状などが画像
処理装置８によつてデータ処理され、コンピユー
タ９に蓄積される過去実績による正常データと比
較し、コンピユータ９はこれによつて温度調節器
１０を制御する。

所望の結晶欠陥密度や不純物分布を有する結晶
が得られる過去の実績に基づく速度で移動する
TVカメラ７の一定位置に固液界面６が存在する
のが平常の状態である。TVカメラ７の撮像部を
過去の実績により得られた所定の結晶成長速度で
送るのが駆動装置１１である。

もしも固液界面６が、画像上で正規の位置より
右方（低温側）にずれたとする。これは、ヒータ
のパワーが過大なのである。ヒータのパワーを減
少させることによつて、ずれを正す。

もしも固液界面６が、正規の位置より左方（高
温側）にずれたとする。ヒータパワーが小さすぎ
るわけである。ヒータパワーを増加させることに
よつて、このずれを正すことができる。

TVカメラによる視覚観察であるから、固液界
面の左右の傾きも分る。

等温面が鉛直方向であれば、固液界面も鉛直面
である。しかし、ボート上面と下面では、放熱の
程度が相違するから、固液界面は鉛直でなく、傾
斜することが多い。ボート上面では対流、輻射が
さかんであるから、下面より僅かに低温になる。
このため、固化部１４が融液１３の方へせり出す
ような傾斜面となる。

このような鉛直方向の固液界面の傾きの他に、
横方向の傾きもある。ボートの液面、固化部表面
には、横方向の傾きが現われる。これは固化部か
らみて凸型、凹型の湾曲面であることもあり、左
右の傾きであることもある。

TVカメラによる観察であるから、表面に露出
した固液界面しか分らない。しかし、固液界面の
表面の露出形状により、左右方向の傾き、湾曲だ
けでなく、鉛直方向の傾きについてもある程度推
測できることが多い。これに他のセンサの観測デ
ータを合わせればより正確に固液界面の傾きを知
ることができる。

多分割ヒータ１b′，１c′は上、下、左、右のヒ
ータが独立にパワー制御できるようになつている
から、固液界面の傾きを調整できる。固液界面の
前方への傾斜だけでなく、左右の傾斜もあるが、
このような傾きも多分割ヒータ１b′，１c′によつ
て是正することができる。コンピユータ９は、こ
のような調整動作を計算し、温度調節器１０を通
じてヒータ出力を調節する。

多分割ヒータ１b′，１c′は少くとも２分割され
ている必要がある。固液界面６を独立して自在に
制御するためである。しかし、２分割以上であれ
ばよいので、３分割、４分割、５分割、…であつ
ても良い。分割数が多いほど微妙な温度制御が可
能となる。

第１図の例では、すでに説明したが、Ｖ族元素
５を反応管２の端に置いている。これは−族
化合物半導体の成長の場合に必要である。Ｖ族元
素は揮発性で、化合物の融点の近くで蒸気圧が大
きく、固化部、融液部の表面でＶ族元素の抜けが
起りやすい。このため、一定のＶ族ガス蒸気圧を
かける必要がある。

しかし、Si、Geなどの半導体の成長の場合、
このようなことは不要である。

覗き窓には、TVカメラ７のかわりに、イメー
ジフアイバ撮像装置の撮像部を設けることにして
もよい。

［作用］ 覗き窓を通してTVカメラ７で固液界面近傍の
画像を撮る。こうして固液界面の位置、形状、傾
きを知る。

予め定めた形状、位置、傾きを比較し、これら
の予め定められた位置、形状などになるように、
ヒータ出力を調節する。

これによつて、 (1) 固液界面位置を、所定速度で移動させるTV
カメラに対して常に一定の位置に保持できる。
つまり、結晶成長の速度を一定に維持できる。
その結果、成長速度の変動によつて生ずる結晶
欠陥の発生を抑制することができる。

(2) 固液界面を所望（一般にはフラツトであるこ
とが望ましい）の形状に保つことができる。

この結果、界面の歪によつて生ずる結晶欠陥を
抑えることができる。

［実施例］ 上記の本発明の装置により、本発明の方法で、
GaAsの単結晶の成長を実施した。

石英ボートに、次の材料をチヤージした。

Ga：1300ｇ Si：246mg 石英ボートの右端の棚に種結晶を置いた。これを
石英製の反応管２の中の左端に置いた。他端に
は、As1418ｇを入れた。反応管２を真空に引い
て密封した。反応管を電気炉内に設置する。

ヒータに通電して、ボート３内の材料を融か
し、原料融液とした。ボート３内の融液１３と種
結晶４とを接続する。その後は、ヒータ群（電気
炉）を降温するとともに、TVカメラ７を、図で
右から左に向かつて３〜15mm／Ｈにおける一定の
速度で移動させた。

覗き窓１２を通し、TVカメラ７で固液界面の
近傍の画像を撮り、この画像を処理することによ
つて、固液界面の位置、形状、傾きを確認させ
た。TVカメラ７に対して固液界面が一定位置と
なるようにヒータにフイードバツクさせた。

これによつて、幅65mm、長さ380mm、重さ2700
ｇのGaAs単結晶を得ることができた。

この単結晶を斜めに切つて（100）ウエーハを
作り、KOH溶液でエツチングし、エツチピツト
密度を計数して、エツチピツト密度EPDを求め
た。この結果インゴツトの全長にわたつて、
EPDは1000／cm²以下であることが分つた。

結晶欠陥の少い低転位密度の単結晶であつた。

［効果］ (1) ボート法の一つである。GF法において、従
来は、温度のみによつて成長状態をモニターし
ているため、固液界面の位置、同移動速さ、形
状、傾きなどがはつきりしなかつたが、本発明
は、固液界面を視覚的に観察するので、固液界
面の位置、移動、速さ、形状、傾きなど、詳し
い情報を得ることができる。

(2) 本発明は、結晶成長の速度を一定に保ち、成
長速度変動にともなつて生ずる結晶欠陥を抑制
できるから、歩留まり、品質が向上する。

(3) 本発明は、固液界面をフラツトな形状に維持
できる。それ故、界面のゆがみによつて生ずる
結晶欠陥が少なくなり、歩留まりが高くなり、
品質が向上する。などの効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施する装置を示す。第２
図は、第１図装置の一部に用いられるヒータの説
明図である。 １ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ…
…分割されたヒータ、２……反応管、３……ボー
ト、４……種結晶、５……Ｖ族元素、６……固液
界面、７……TVカメラ、８……画像処理装置、
９……コンピユータ、１０……温度調節器、１１
……駆動装置、１２……覗き窓、１３……原料融
液、１４……固化部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボートの中に半導体原料を入れ、該ボートの
   端部の棚に種結晶を置いて反応管の中に入れ、必
   要があれば、該反応管内で、ボートと反対側に揮
   発性分の固体を置いて、該反応管を密封し、水平
   方向に配置され、独立にパワー制御できるヒータ
   群の中に入れて半導体原料を溶融し、前記ヒータ
   群の温度を降温して前記種結晶に続いてボートの
   中に単結晶を成長させてゆく半導体単結晶の製造
   方法において、ボートの上部に位置するヒータの
   覗き窓、又はヒータ内部にTVカメラ又はイメー
   ジフアイバの撮像部を配置して所定速度で移動さ
   せ、結晶と融液の固液界面を観察し、該固液界面
   の位置、形状を所定のものにするように、前記ヒ
   ータ群の出力を制御することを特徴とする半導体
   単結晶の製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、固液界面の
   周囲に配置されるヒータに、上下、左右等に多分
   割され、独立に温度調節できるヒータを用いるこ
   とを特徴とする半導体単結晶の製造方法。 ３ 円筒形状で、水平方向に並べられ、独立にパ
   ワー制御できるヒータ群と、前記ヒータ群の出力
   を調節する温度調節器と、半導体原料を入れ、種
   結晶を端部の棚に置けるように形成したボート
   と、前記ボートを内部に入れ、密封できる横長の
   反応管と、前記ボートを反応管に入れた状態でボ
   ートの上部に位置するヒータの間からボート内の
   固液界面を観察するTVカメラ、又はイメージフ
   アイバ撮像装置と、前記TVカメラ又はイメージ
   フアイバ撮像装置の影像部を所定速度で移動させ
   る機能を有する駆動装置と、前記TVカメラ、又
   はイメージフアイバ撮像装置よりの画像情報を処
   理して固液界面の位置、形状などを求める画像処
   理装置と、前記画像処理装置で得られた、固液界
   面の位置、形状などを比較し、予め定めた固液界
   面に近づくように前記温度調節器を制御するコン
   ピユータとより構成することを特徴とする半導体
   単結晶の製造装置。 ４ 特許請求の範囲第３項において、固液界面の
   周囲にあるヒータを上下左右等に多分割して独立
   に温度制御できるヒータにより構成することを特
   徴とする半導体単結晶の製造装置。