JPH0561239B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野 この発明は、長尺の化合物半導体単結晶の引上
げ方法及び装置に関する。

化合物半導体は、−族化合物半導体や−
族化合物半導体などがある。

−族半導体として、例えばGaAs、GaP、
InP、InAs、GaSb、InSbなどがある。

−族半導体としては、例えばCdSe、
CdTe、ZnSe、HgSなどがある。

(イ) 従来技術とその問題点 化合物半導体単結晶の成長方法として、液体カ
プセル引き上げ法（LEC法）が使われることが
多い。浮体カプセルで覆われた原料融液に、種結
晶を漬け、回転させながら引上げ、単結晶を、こ
れに続いて成長させる方法である。

族元素、族元素などは蒸気圧が高く、化合
物の融点の近くでは、これら元素の揮散を防ぐ必
要があり、このため液体カプセルを用いる。液体
カプセルに高圧を加えるため、容器内には不活性
ガス又は窒素ガスを数十atm程度まで充填する。

半導体であるから、半絶縁型（SI：Semi
Insulating）、及びｎ型、ｐ型のものがある。不
純物によつて、これら電気的特性を決定すること
ができる。

不純物を入れる場合と、入れない場合がある。
いずれにしても、るつぼの中に原料多結晶、又は
原料単体元素や不純物を、最初に１回チヤージす
るだけで、途中で原料を補充する、という事は行
われない。

単結晶インゴツトは２インチから、３インチの
ものが引上げられるが、実用的な意義の高いもの
は、直径が大きく、長さも十分長いものである。

インゴツトは薄くスライスされてウエハにし、
ミラーウエハに仕上げて出荷される。デバイスメ
ーカーは、ウエハ上にエピタキシー、蒸着、熱拡
散、エツチングなどのウエハプロセスを実行し
て、エレクトロニクス素子を数多く製造する。従
つて、ウエハは広い方がよいし、ひとつのインゴ
ツトから、多数のウエハが取れる、という方がよ
い。素子１個あたりのコストが低下するからであ
る。

ところが、引上げられる単結晶の大きさは、最
初にるつぼ内へチヤージされた原料多結晶の分量
によつて制限される。

多くの場合、単結晶の直径の２倍の直径（内
径）を持つるつぼが用いられる。つまり断面積に
して、引上げるべき単結晶の４倍の断面積をもつ
るつぼを用いる。るつぼの高さは、あまり高くな
い。

単結晶引き上げ中に、単結晶の直径などを観察
しなければならないが、これは覗き窓から目視す
る、という事が多い。覗き窓は、耐圧容器の斜め
上方にあるが、視野は狭く、必ずしも、単結晶の
育成状態を明瞭に知りうるとはいえない。熱電対
により、るつぼ、ヒータの温度を測定し、間接的
に単結晶の直径を推測する、という事も可能であ
るが、それでも目視観察は必要である。るつぼが
深いと、融液が減つた時に、単結晶の下方が見え
なくなる。

このため、引き上げられる単結晶の長さには制
限がある。例えば、るつぼに原料多結晶を4000ｇ
チヤージしたとする。全量を引上げるということ
はできない。不純物の析出が起つたりして、下端
は良い単結晶にならないからである。せいぜい
3000〜3500ｇ分しか引き上げることはできない。
密度が約５として、３インチウエハを取るため、
約３インチの単結晶を引上げるとすると、14〜16
cmの長さの（直胴部が）ものしか得られない。

るつぼの直径は、単結晶の直径の約２倍、るつ
ぼの深さは、単結晶の直径にほぼ等しい、という
のがLEC法の常識である。

もつと大きな単結晶を引き上げたいという強い
要求がある。このためにはるつぼを大きくする、
という事が考えられる。しかし、るつぼはそれ自
体高価なものであるし、広くするとるつぼのコス
トがより高くなる。また、液体カプセルもより多
く必要になり、コスト的にかえつて不利になる、
ということもある。

(ウ) 目的 るつぼを大きくすることなく、より長い単結晶
を引上げるようにすることが、本発明の目的であ
る。この単結晶は、不純物を含まないもの（ノン
ドープ）であつてもよいし、不純物を含むもので
あつてもよい。いずれにしても、従来の方法によ
るよりも、長い単結晶を引上げる、というのが本
発明の目的である。

(エ) 発明の方法と装置 原料多結晶のチヤージを最初に１回だけ行うの
ではなく、引き上げ中に、連続的に多結晶を原料
融液の中へ補給してゆく。化合物多結晶は、予
め、棒状や円筒状に形成しておき、これを適当な
筒体で囲み、液体カプセルで覆い、適当なスピー
ドで融液中へ溶かし込んでゆくのである。こうす
れば、るつぼ中の融液の減少を補うことができ、
長い単結晶を引き上げることができるのである。

第１図によつて本発明の装置を説明する。

これは、全体を、高圧容器によつて囲まれた一
部を示している。高圧容器の中には、窒素ガスや
不活性ガスを充填し、液体カプセルを押えるよう
になつている。このような構成は周知であるの
で、容器などの図示は省略した。

１は円筒形状の融液加熱ヒータである。回転昇
降可能な下軸２の上端にはサセプタ３が取付けて
ある。るつぼ４がサセプタ３の中に装入されてい
る。るつぼ４は、PBN、BN、石英などによつて
作られている。

るつぼ４の中には、原料融液５があり、融液加
熱ヒータ１からの熱を受けて、液体状態を保つて
いる。原料融液５は、不純物を含まない場合もあ
り、意図的に不純物を添加している場合もある。
原料融液は、−族化合物、又は−族化合
物の多結晶又は単結晶を融かしたものである。

原料融液５は、液体カプセル層６によつて全面
が覆われる。これは族、族元素の逃げを防
ぐ。

液体カプセルは、原料融液がGaAs、InAsなど
の場合、B₂O₃である。GaSbの場合は、KCl／
NaCl共晶材料である。

これらの装置は高圧に耐える容器の中に設けら
れている。耐圧容器の上方からは、垂直方向に上
軸１３が垂下され、下端に種結晶７が取付けてあ
る。上軸１３は回転昇降自在である。

上軸１３を下げ、種結晶７を原料融液５の中へ
漬け、引上げてゆくと、単結晶８が種結晶７に続
いて成長してゆく。

以上の構成は通常のLEC装置と同じである。

本発明に於ては、原料融液を構成する化合物と
同じ化合物の多結晶又は単結晶９（単に補給結晶
という）を原料融液５の中へ徐々に差入れて、融
液面が下降するのを防ぎ、長い単結晶を作るよう
にする。

補給結晶９は、原料融液５と全く成分比が同一
であつてもよい。ノンドープの場合は、いずれも
ノンドープとなり成分は同一である。

原料融液が、不純物を含む場合、偏析係数が１
より大きい場合、補給結晶９は不純物を含むもの
であるのが望ましい。これは、単結晶の長手方向
の不純物濃度変化をできるだけ抑えるためであ
る。

補給結晶９自体が−族結晶であり、原料融
液５の中に漬けると、融けて、融液に混るが、そ
の近傍でも、高温に加熱されるので、族元素が
極めて抜け易くなる。

族元素の抜けを防ぐため、補給結晶９も、液
体カプセル層によつて覆わなければならない。

このため、補給結晶９を囲む液体カプセル保持
円筒１２を設ける。この下端は、原料融液５の中
にある。液体カプセル保持円筒１２の中には、液
体カプセル層１６が収容されている。これは、原
料融液の上を覆う液体カプセル層６と同じもので
あつてもよい。

補給結晶９は、上方から補給結晶支持棒１０に
よつて吊下げられており、徐々に原料融液５の中
へ漬してゆくようになつている。

円筒１２の中の固液界面１７と、るつぼの固液
界面１５は高さが異なる。

原料融液５を覆う液体カプセル層６は、高熱状
態の融液に接しているから液状を保つのは当然で
ある。しかし、液体カプセル保持円筒１２の内部
の液体カプセル剤は、融液に接するのではなく固
体に接している。補給結晶の固体は、融液以下で
あるので、必ずしも液体カプセル剤が融けるとは
限らない。

融液加熱ヒータ１から遠く離れた位置では、補
給結晶の温度が低く、液体カプセルが液体になつ
ていないことがある。これではカプセルにならな
いので、局所的に液体カプセル加熱ヒータ１４を
設けて、液体カプセル剤を融かすようにしてい
る。

液体カプセル剤は、保持円筒の中では、るつぼ
内の液体カプセル層６より、Ｈだけ高い液面をも
つとする。この差は、保持円筒１２の内外での固
液界面の差h₁に起因している。

耐圧容器の中には、不活性ガス１１による高圧
がかかつている。液体カプセル層６，１６の表面
の圧力は同一である。液体カプセルの密度と、原
料融液の密度の違いによつて、補給結晶９を囲む
液体カプセル層１６の液面は高くなる。

原料融液の密度をρ₀、液体カプセル層の密度を
ρ₁とする。液体カプセル保持円筒１２の内外での
固液界面１５，１７の差h₁、と液体カプセル層の
液面の差Ｈは、 Ｈ＝（ρ₀／ρ₁−１）h₁ ……(1) の関係がある。

例えば、GaAs単結晶の場合、融液の密度ρ₀が
5.7ｇ／cm³、液体カプセルB₂O₃の密度ρ₁は、1.6
ｇ／cm³である。Ｈ／h₁は約2.6である。

h₁は、保持円筒１２へ予め充填した液体カプセ
ル剤の分量によつて決まる。保持円筒１２の中へ
入れた液体カプセル剤の分量が少いと、h₁は小さ
く、Ｈも小さくなる。

保持円筒１２の中へ入れる液体カプセル剤の分
量を増加すると、液体カプセル剤の重みが増え、
h₁が増加する。このためＨも増加する。固液界面
h₁は、その最大値がｈであることは明らかであ
る。ｈは、円筒の下端と、円筒外の固液界面１５
との距離である。

結局、液体カプセル剤の高さＨは、その最大値
Hmaxが Hmax＝（ρ₀／ρ₁−１）ｈ ……(2) で与えられる。すると、液体カプセル保持円筒１
２をるつぼの原料融液５内へ深く差込んで、この
保持筒１２の中へ液体カプセル剤を多量に充填し
ておけば、液体カプセル保持円筒１２内のカプセ
ル液面Ｈを高くする事ができる。

もちろん、補給結晶９が長い場合、上方は、液
体カプセル層１６によつて覆われず、露出するこ
とになる。しかし、露出部分は、融液加熱ヒータ
１より遠く離れており、温度も低いから、Ｖ族元
素の逃げは少い。問題にならない程度である。

第１図に示すものは、補給結晶が棒状であるの
で、十分な断面積をとることができないし、ま
た、るつぼの回転運動に対する摂動として働く可
能性もある。

補給結晶９を囲む液体カプセル保持筒１２の存
在のためにるつぼの回転による融液の回転運動が
妨げられ、流れが不規則になる、ということもあ
りうる。

このような場合には、第２図に示すような装置
を使えばよい。

この例では、補給結晶９′は円筒形状に形成さ
れている。るつぼ内径に近い外径を持つ円筒形状
である。

補給結晶９′を囲むために、同心円状の二重円
筒１２′，１２′を用いている。二重円筒の液体カ
プセル保持円筒１２′，１２′の中に液体カプセル
層１６を設ける。

補給結晶９′は数ケ所を補給結晶支持棒１０，
１０…によつて支持されている。

液体カプセル加熱ヒータ１４は、内側と外側の
二重のコイル状になつている。液体カプセル加熱
ヒータ１４は、液体カプセル層１６の上端を加熱
する。

(オ) 効果 (1) 長尺の単結晶を引上げることができる。るつ
ぼの大きさを大きくすることなく、補給結晶を
融液の中へ入れてゆくので、補給結晶が続く限
り、単結晶を引上げてゆくことができる。

るつぼを大きくするためには、るつぼそのも
のだけでなく、サセプタ、ヒータなども大きく
しなければならないが、本発明によれば、その
ような欠点を克服することができる。

(2) もしも不純物を含む単結晶の引上げに使つた
場合は、補給結晶の不純物濃度を適当に設定す
ることにより、不純物の濃度の一様な単結晶を
引き上げることができる。

(カ) 適用範囲 LEC法によつて製造される化合物半導体の全
般に適用できる。GaAs、GaP、InP、InAs、
InSbなどの−族化合物半導体、CdSe、
CdTe、ZnSeなどの−族化合物半導体の単結
晶引上げに用いることができる。

ノンドープの単結晶にも使えるし、不純物ドー
プの単結晶の成長にも使うことができる。不純物
をドープする場合は、補給結晶の不純物濃度を適
当に定める事によつて、均一性の高い単結晶を引
上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の化合物半導体単結晶引き上げ
装置の一例を示す縦断面図。第２図は本発明の化
合物半導体単結晶引き上げ装置の他の一例を示す
縦断面図。 １……融液加熱ヒータ、２……下軸、３……サ
セプタ、４……るつぼ、５……原料融液、６……
液体カプセル層、７……種結晶、８……単結晶、
９，９′……補給結晶、１０……補給結晶支持棒、
１１……不活性気体、１２……液体カプセル保持
円筒、１２′……液体カプセル保持二重円筒、１
３……上軸、１４……液体カプセル加熱ヒータ、
１５……固液界面、１６……液体カプセル層、１
７……固液界面、Ｈ……原料融液の液体カプセル
の上面から多結晶を被覆する液体カプセル層の上
面までの高さ、ｈ……液体カプセル保持円筒の下
端から、原料融液と単結晶の固液界面との距離、
h₁……液体カプセル保持円筒の中の液体カプセル
層と融液の界面と、るつぼ内の原料融液と液体カ
プセル層の界面との距離。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 融液加熱ヒータ１によつて加熱され、るつぼ
   ４の中に収容された化合物半導体の不純物を含ま
   ない原料融液５を液体カプセル層６で覆い、上方
   から種結晶７を漬して引上げることによつて原料
   融液５から不純物を含まない単結晶８を引上げる
   化合物半導体単結晶の引上げ方法に於て、るつぼ
   ４の原料融液５の中へ、液体カプセル層１６によ
   つて少なくとも下方が被覆された不純物を含まな
   い補給結晶９，９′を、原料融液５の中へ差入れ
   て溶解してゆくことを特徴とする化合物半導体単
   結晶の引上げ方法。 ２ 融液加熱ヒータによつて加熱され、るつぼ４
   の中に収容された化合物半導体の偏析係数ｋが１
   より大きい不純物を含む原料融液５を液体カプセ
   ル材で覆い、上方から種結晶７を漬して引上げる
   ことによつて原料融液５から偏析係数ｋが１より
   大きい不純物を含む単結晶８を引上げる化合物半
   導体単結晶の引上げ方法に於いて、るつぼ４の原
   料融液５の中へ、液体カプセル層１６によつて少
   なくとも下方が被覆された不純物を含む補給結晶
   ９，９′を、原料融液５の中へ差入れて溶解して
   ゆくことを特徴とする化合物半導体単結晶の引上
   げ方法。