JPH04108682A - 化合物半導体単結晶製造装置および製造方法 - 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、Ｇａ＋　Ｉｎなどの■族元素とＰ、＾３な
どのＶ族元素となど、異なる元素を成分とする化合物半
導体の単結晶を、液体封止引上げ法によって結晶原料融
液中から引き上げる化合物半導体単結晶１１遣裟１の構
成と、この構成によるＪｉｉ結晶製遭ｖｔｆを用いて化
合物半導体単結晶を製造する際の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

化合物半導体単結晶製ｉ！ｉ［装置の従来の構造例を第
３図に示す、筒状の圧力容器として形成されたさ 引上げ空容器１内の丁番には、例えばＧａなとの■族元
素とＡｓなどの■族元素とからなる結晶原料と、封止剤
として例えばＢ□０．とが入れられるルツボ７と、この
ルツボ７を囲みルツボ７を周りから加熱また、引上げ空
容器１の天井板を、下＋端に種結晶が取り付けられ種結
晶の下端に単結晶を柱状に成長させつつ単結晶を引き上
げる引上げ棒１３が、ルツボ軸１２と同軸に貫通してい
る。

このように構成された単結晶製造装置により単結晶を製
造する際には、単結晶の原料と封止剤とを、回転、昇降
するルツボ７に入れ、引上げ空容器１内に不活性ガスと
して例えばアルゴンガスを数十ス王の高圧に充填した後
、加鳩袋Ｉ６により結晶票科と封止剤とを熔融させ、ル
ツボ軸ｉ２と同軸にルツボ７の上方に位置して回転、昇
降する弓上げ棒′、３の先端に取り付けた種結晶１１を
、引上げ棒！３を下降させて結晶原料Ｍ１８に接触させ
、弓上’、ｆ；４ｆ３を徐々に回転、上昇させることに
より、種結晶ＩＸの下地に単結晶が柱状に成長しつつ上
方へ引き上げられる。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 このように、封止剤により表面が封止された結晶原料融
液中から単結晶を柱状に引き上げる液体封止引上げ法で
は、引上げ途中および引上げ終了時の冷却過程で双晶、
多結晶の発生など、結晶に欠陥が発生していた。このよ
うな結晶欠陥は、結晶が引上げ途中および引上げ終了後
の冷却過程で結晶内に結晶内の温度勾配により大きな熱
応力が生じ、結晶内に転位が高密度に発生することに起
因する。

このように転位が高密度に発生すると、結晶の比抵抗、
結晶内電子の移動度等の特性が低下するため、結晶内に
残留する熟歪みを除去して、これろ比抵抗や電子移動賓
などの特性を改善するために熱処理が行われる。この熱
処理は、半導体が例えばＧａＡｓかろなる化合物半導体
である場合には、その成分元素であるＡｓの加圧された
ガスＷＷ気中で行われる。熱処理を加圧されたＡｓガス
雰囲気中で行う理由は、Ａ３の肩気圧が高いため、熱処
理時にＧａＡｓ中のＡｓが分ｍｌ、　［発するのを防ぐ
ためである。この熱処理のために、従来、加熱装置を内
蔵し高圧のＡｓガスに耐える圧力容器を備えた１専用の
複雑な熱処理装置を必要としていた。

さらに、結晶引上げ途中で結晶に双晶、多結晶等の欠陥
が生じたり、種結晶を結晶原料融液に接触させる工程に
おいて、種結晶を長時間高温雰囲気中においた場合に種
結晶中のＡｓガ分離、蒸発して単結晶成長が不可能にな
り、結晶引上げを途中で中止することがしばしば起こっ
ていた。

この発明の第１のｇＩＩＭは、単結晶引上げ途中および
引上げ終了時の冷却過程で結晶内に生じる双晶、多結晶
など、転位に基づく結晶欠陥を減少させるため、単結晶
まわりの温度分布を改善することができ、かつ複雑な熱
処！ｌｌ装置を必要とすることなく筒便に熱処理を行う
ことのできる化合物半導体単結晶製造装置の構成を提供
することである。

この発明の第２の課題は、種結晶中の成分元素の分層、
蓼発等が原因で単結晶成長が不可能な場合、あるいは何
らかの原因で単結晶中に双晶、多結晶等の欠陥が生じる
ような状況が起こった場合に、迅速に新たな単結晶の引
上げ工程に入りうる化合物半導体単結晶製造装置の構成
を提供することである。

この発明の第３の課題は、第１の課題に沿って構成され
た装置を用いて化合物半導体単結晶を製造する際に結晶
欠陥を少なくすることのできる製造方法を提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の課題を達成するために、この発明においては
、化合物半導体単結晶引上げ装置を、結晶原料と封止剤
とが入れられるルツボと、ルツボを囲みルツボを周りか
ら加熱する加熱装置と、加熱装買を囲む熱シールドとが
収納され、前記ルツボの加熱により溶融した結晶頁料融
液中からルツボと同軸の引上げ欅を用いて単結晶が引き
上げられる引上げ室と、該引上シブ室の上方に仕切り弁
を介して結合され内部に加熱装置を備えるとともに前記
引上げ棒が天井板を１通する結晶室とを震えた装置　（
以下第１の装置と記す）とするものとする。

次に、上記第２の課題を達成するために、この発明にお
いては、化合物半導体単結晶引上げ装置を、前記第１の
課題に沿って構成された装置において、引上げ室と結晶
室とを仕切る仕切り弁が、単結晶引上げ棒の軸方向に分
離可能に結合される２個の仕切り弁からなるとともにそ
れぞれの仕切り弁がそれぞれ引上げ室と結晶室とに一体
化されている装置（以下第２の装置と記す）とするもの
とする。

また、前記第１の課題に沿って構成された装置を用いた
化合物半導体単結晶の製造方法を、引上げ室および結晶
室の内部空間を仕切る仕切り弁を開いて引上げ室および
結晶室内に不活性ガスを高圧に充填巳た後、引上−ヂ室
および結晶室内の伽−装置に加熱１を流を供給５つつ引
上げ室内で半導体単結晶を引き上げるとともに、引上げ
室で引上げが終了した単結晶を結晶室内まで引き上げて
仕切り弁を閉じ、結晶室内の加熱値！を制御して単結晶
まわりの温度分布を均一に保ちつつ単結晶を徐冷した後
、結晶室内の不活性ガスを単結晶の成分ガスと置換し、
高圧の単結晶成分ガス雰囲気中で前記結晶室内の加熱値
！を用いて単結晶の熱処理を行う製造方法とするものと
する。

〔作用〕

前記第１の装置のように化合物半導体単結晶引上げ装置
を構成すると、引上げ室１結晶室それぞれの内部空間を
、従来の引上げ室の内部空間よりも顕著に小さくするこ
とができる。そして、引上げ室内での単結晶引上げ中は
、結晶室の加熱装置にも通電して引上げ室内ルツボ上方
の温度を高温に保つことができることと合わせ、引上げ
室内での封止剤両側の温度差を小さくして単結晶引上げ
途中の結晶内温度勾配を小さくすることができ、引上げ
途中の冷却過程で結晶内に生しる熱応力を小さくして結
晶欠陥の発生を抑制することができる。また、引上げ終
了時に結晶室内まで引き上げられた柱状の単結晶まわり
の空間が小さいから、結晶室内の加熱装置を制御するこ
とにより、結晶まわりの雰囲気ガスの対流を側限して室
内の温度分布を改善することが容易に可能になり、単結
晶引上げ終了時の冷却過程での結晶欠陥を少なくするこ
とができる。

また、結晶室は、結晶引上げ終了時に結晶を結晶室内ま
で引き上げて仕切り弁を閉じ、温度分布が改善された結
晶室内で単結晶を徐冷した後、結晶室内の不活性ガスを
単結晶成分のガスと置換して、引上げ工程から連続して
結晶を高圧下の化合物成分ガス雰囲気中で焼きなましす
る。いわゆるインゴットアニールのための簡便な熱処理
装置となり、従来のように、インゴットアニールのため
の結晶の取り出し、アニール装置への装填など、アニー
ルの準備工程が省略されるほか、従来のような、引上げ
室から独立した専用の熱処理装置を準備することはもは
や必要がなくなる。

上記第２の課題を達成するために第２の装置のように化
合物半導体単結晶引上げ装置を構成すると、２個の仕切
り弁をともに閉じて引上げ室と結晶室との室内圧力をそ
れぞれ高圧に保持したまま内部空間を分離することがで
き、引上げ工程から連続して熱処理工程に入ることがで
きるとともに、種結晶中の成分が蒸発して単結晶の成長
が不可能となった場合や、単結晶中に結晶欠陥が発生す
るような状況が起こった場合に、成長途中の結晶を結晶
室内まで引き上げて２個の仕切り弁を閉じ、引上げ室の
ルツボ内結晶原料装填量が単結晶１本分の場合には、引
上げ室を置換するとともに引上げ途中の結晶や種結晶を
結晶室ごと取りがえ、迅速に新たな単結晶引上げ工程に
入ることができる。

また、ルツボに多本分の結晶原料が装填されている場合
には、結晶を１本引き上げるごとに引上げた結晶を結晶
室ごと移動し、種結晶を取り付けた別の結晶室に！き換
え、同一条件で連続して引上げを行うことができ、引上
げを効率よく行うことができる。

そして、前記第１の装置による化合物半導体単結晶の製
造方法を、引上げ室および結晶室の内部空間を仕切る仕
切り弁を開いて引上げ室および結晶室内に不活性ガスを
高圧に充填した後、引上げ室および結晶室内の加熱装置
に加熱電流を供給しつつ引上げ室内で半導体単結晶を引
き上げるとともに、引上げ室で引上げが終了した単結晶
を結晶室内まで引き上げて仕切り弁を閉じ、結晶室内の
加熱装置を制御して単結晶まわりの温度分布を均一に保
ちつつ単結晶を徐冷した後、結晶室内の不活性ガスを単
結晶の成分ガスと置換し、高圧の単結晶成分ガス雰囲気
中で前記結晶室内の加熱装置を用いて単結晶の熱処理を
行う製造方法とすることにより、引上げ室内での結晶引
上げ中は、ルツボ上方の温度が高温に保たれて結晶内温
度勾配が小さ（なり、引上げ途中の冷却過程において結
晶内に生じる熱応力が小さくなるため、結晶欠陥の発生
が抑制される。また、結晶引上げ終了時に結晶室内へ引
き上げられた結晶は、結晶室のｔｊ）さい空間内で加熱
装置を１１ＩＷｉシで単結晶まわりの対流を効果的に制
限しつつ単結晶まわりの１１分布が改善された状態で徐
冷され、つづいて高圧の単結晶成分ガス雰囲気中で良好
な温度分布を形成する結晶室内の加熱装置を用いて熱処
理が行われるから、熱応力が効果的に膝去されて結晶欠
陥が大きく減少する。

〔実施例〕

第１図に本発明の第１の実施例による化合物半導体単結
晶製造装置の構成を示す、装置は、結晶原料として例え
ばＧａおよびＡｓと、封止剤として例えばＢ２Ｏ２とが
装填される。ルツボ軸Ｉ２まわりに回転しながら！！−
降するルツボ７と、ルツボ７を囲みルツボ７を周りから
加熱する１例えばグラファイトからなる加熱装置６と、
加熱装置６を囲む１例えば石英からなる熱シールド３と
が主要部材として収容され、ルツボ７の加熱により溶融
した結晶原料融液中から、ルツボ軸１２と同軸の引上げ
１１３の下端部に取り付けられた種結晶１１の下端に単
結晶を柱状に成長させる。圧力容器として形成された引
上げ空容器１と、内側に加熱装置４を備えるとともに天
井板を引上げ捧１３が貫通する結晶室容器２とが、仕切
り弁５を介してス密に結合されている。

単結晶引上げ時には、仕切り弁５が開放されて引上げ空
容器１および結晶室容器２内にアルゴンガスなどの不活
性ガスが数十気圧の高圧に充填され、引上げ棒１３を降
下させて先端部の種結晶１１を溶融した結晶原料融液に
接触させた後、ルツボ７はルツボ軸１２まわり時計方向
に、引上げ棒１３はその軸まわり反時計方向にそれぞれ
低速で回転させつつ引上げ棒１３を徐々に引き上げて種
結晶の下端に単結晶を柱状に成長させる。このとき、結
晶室容Ｒ２内の加熱装置には加熱電流が供給され、ルツ
ボ７の上方空間を高温に保持して、封止材９０両側の温
度差が小さく保たれ、結晶内温度勾配が小さくなり、引
上げ途中における冷却過程で結晶内に生ずる熱応力によ
る結晶欠陥の発生が抑制される。

引上げが終了すると、単結晶の全長が結晶室容器２内へ
引き上げられて仕切り弁５が閉しられ、結晶室容器２の
小さい内部空間内で加熱装置を制御して対流を効果的に
制限しながら単結晶まわりの温度分布が改善された状態
で単結晶の徐冷が行われた後、結晶室内の不活性ガスが
単結晶の成分ガスと置換され、高圧の単結晶成分ガス中
で結晶室内の加熱装置を用いて熱処理が行われる。

第２図に本発明の第２の実施例による化合物半導体単結
晶製造装置の構成を示す、この装置は、第１の実施例に
おける仕切り弁を、単結晶引上げ棒の軸方向に分離可能
に結合される２個の仕切り弁で構成したものである。そ
の一方の仕切り弁５１は引上げ空容器１と一体化され、
他方の仕切り弁５２は結晶室２と一体化される。そして
両仕切り弁５１．５２は、リング状の結合フランジ１５
を介して互いに分離可能に結合される。

装置をこのように構成すると、２個の仕切り弁をともに
閉して引上げ室と結晶室との室内圧力をそれぞれ高圧に
保持したまま内部空間を分離することができ、引上げ工
程力・ａ連続して熱処理工程に入ることができるととも
に、種結晶中の成分が蒸発して単結晶の成長が不可能と
なった場合や、単結晶中に結晶欠陥が発生するような状
況が起こった場合に、成長途中の結晶を結晶室内まで引
き上げて２個の仕切り弁を閉し、引上げ室のルツボ内結
晶原料装填量が単結晶１本分の場合には、引上げ室を置
換するとともに引上げ途中の結晶や種結晶を結晶室ごと
取りかえ、迅速に新たな単結晶引上げ工程に入ることが
できる。また、ルツボに多本分の結晶原料が装填されて
いる場合には、結晶を１本引き上げるごとに引上げた結
晶を結晶室ごと移動し、種結晶を取り付けた別の結晶室
に置き換え、同一条件で連続して引上げを行うことがで
き、引上げを効率よく行うことができる。

〔発明の効果〕

本発明においては、化合物半導体単結晶製造装置を上述
のように構成したので、以下に記載する効果が奏せられ
る。

請求項１の装置では、従来の引上げ室を２分割し、装置
を、単結晶が引き上げみれる引上げ室と、引上げが終了
−だ単結晶を熱処理する結晶室とを仕切り弁を介巳て結
合した装置として構成しだので、引上げ室、′＠晶室そ
れぞれの内部空間が従来の引上げ室と比べて顕著に小さ
くなるとともに、引上げ室での単結晶引上げ時に結晶室
内の加熱装置にも通電してル・ンボ上方の温度を高温に
保つことができるため、封止１１１画側の温度差が小さ
くなり、引き上げられた結晶内の温度勾配が小さくなる
ため、引上げ途中の冷却過程で結晶内に生ずる熱応力に
基づく結晶欠陥の発生を抑制することができる。そして
、引き上げが終了した単結晶は結晶室内に引き上げられ
て仕切り弁が閉じられ、結晶室の小さい空間内で加熱装
置を制御して室内の対流を効果的に制限しつつ温度分布
が改善された状態で単結晶の徐冷が行われるとともに、
つづく高圧の単結晶成分ガス雰囲気中で結晶室内の加熱
装置を用いて結晶のアニールが行われるため、結晶内に
残留する熱応力の除去が効果的に行われ、結晶欠陥の少
ない単結晶を得ることができる。

また、結晶のアニールは、引上げ工程から連続して行う
かとができ、従来のように、アニールのための結晶の取
り出し、アニール装置への装填など、アニールの準備工
程が省略され、半導体単結晶の製造効率が大幅に向上す
るとともに、従来のような、引上げ室から独立した専用
の熱処理装置を準備する必要がない。

請求項２の装置では、請求項１の装置における仕切り弁
を、単結晶引上げ棒の軸方向に分離可能に結合され、そ
れぞれ引上げ室と結晶室とに一体化される２個の仕切り
弁で構成したので、２個の仕切り弁をともに閉じて引上
げ室と結晶室との室内圧力をそれぞれ高圧に保持したま
ま内部空間を分離することができ、引上げ工程から連続
して熱処理工程に入ることができるとともに、種結晶中
の成分が蒸発して単結晶の成長が不可能となった場合や
、単結晶中に結晶欠陥が発生するような状況が起こった
場合に、成長途中の結晶を結晶室内まで引き上げて２個
の仕切り弁を閉じ、引上げ室のルツボ内結晶原料装填量
が単結晶１本分の場合には、引上げ室を置換するととも
に引上げ途中の結晶や種結晶を結晶室ごと取りかえ、迅
速に新たな単結晶引上げ工程に入ることができる。また
、ルツボに多本分の結晶原料が装填されている場合には
、結晶を１本引き上げるごとに引上げた結晶を結晶室ご
と移動し、種結晶を取り付けた別の結晶室に置き換え、
同一条件で連続して引上げを行うことができ、引上げを
効率よく行うことができる。

そして、前記第１の装置を用いた化合物半導体単結晶の
製造方法を、引上げ室および結晶室の内部空間を仕切る
仕切り弁を開いて引上げ室および結晶室内に不活性ガス
を高圧に充填した後、引上げ室および結晶室内の加熱装
置に加熱電流を供給しつつ引上げ室内で半導体単結晶を
引き上げるとともに、引上げ室で引上げが終了した単結
晶を結晶室内まで引き上げて仕切り弁を閉じ、結晶室内
の加熱装置をｗｉ御して単結晶まわりの温度分布を均一
に保ちつつ単結晶を徐冷した後、結晶室内の不活性ガス
を単結晶の成分ガスと置換し、高圧の単結晶成分ガス雰
囲気中で前記萌晶室内の加熱値！を用いて単結晶の熱処
理を行う製造方法とじたので、結晶の引上げ途中に８．
する冷却過程で結晶内に生じる熱応力が小さくなって結
晶欠陥の発注が抑制され、引上げ工程から連続して行わ
れる結晶室内での結晶の熱処理は、結晶室の小さい内部
空間内で加熱装置を制御して対流を効果的に制限しつつ
単結晶まわりの温度分布が改善された状態で結晶を徐冷
した後、高圧の化合物成分ガス雰囲気中で良好な温度分
布を形成する結晶室内加熱装置を用いて行われるため、
結晶室内に残留する熱応力が効果的に除去され、結晶欠
陥の少ない単結晶を効率よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の第１および第２
の実施例による化合物半導体単結晶製造装置の構成を示
す縦断面図、第３図は従来の化合物半導体単結晶製造装
置の構成例を示す縦断面図である。 １：引上げ型容器、２：結晶室容器、３：熱シールド、
４．６．加熱装置、５．５１．５２＋仕切り弁、７：ル
ツボ、８：結晶原料融液、９：封上剤、１Ｏ−Ｉｌｌ晶
、１２ニルツボ軸、１３：引とげ棒、１００゜１０２　
：引上げ室、１０１：結晶室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）液体封止引上げ法による化合物半導体単結晶製造装
   置において、結晶原料と封止剤とが入れられるルツボと
   、ルツボを囲みルツボを周りから加熱する加熱装置と、
   加熱装置を囲む熱シールドとが収納され、前記ルツボの
   加熱により溶融した結晶原料融液中からルツボと同軸の
   引上げ棒を用いて単結晶が引き上げられる引上げ室と、
   該引上げ室の上方に仕切り弁を介して結合され内部に加
   熱装置を備えるとともに前記引上げ棒が天井板を貫通す
   る結晶室とを備えてなることを特徴とする化合物半導体
   単結晶製造装置。 ２）請求項第１項に記載の装置において、引上げ室と結
   晶室とを仕切る仕切り弁が、単結晶引上げ棒の軸方向に
   分離可能に結合される２個の仕切り弁からなるとともに
   それぞれの仕切り弁がそれぞれ引上げ室と結晶室とに一
   体化されていることを特徴とする化合物半導体単結晶製
   造装置。 ３）請求項第１項に記載の装置を用い、引上げ室および
   結晶室の内部空間を仕切る仕切り弁を開いて引上げ室お
   よび結晶室内に不活性ガスを高圧に充填した後、引上げ
   室および結晶室内の加熱装置に加熱電流を供給しつつ引
   上げ室内で半導体単結晶を引き上げるとともに、引上げ
   室で引上げが終了した単結晶を結晶室内まで引き上げて
   仕切り弁を閉じ、結晶室内の加熱装置を制御して単結晶
   まわりの温度分布を均一に保ちつつ単結晶を徐冷した後
   、結晶室内の不活性ガスを単結晶の成分ガスと置換し、
   高圧の単結晶成分ガス雰囲気中で前記結晶室内の加熱装
   置を用いて単結晶の熱処理を行うことを特徴とする化合
   物半導体単結晶の製造方法。