JPH0640793A - 結晶材料の界面形状制御方法 - Google Patents

結晶材料の界面形状制御方法

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JPH0640793A
JPH0640793A JP34652291A JP34652291A JPH0640793A JP H0640793 A JPH0640793 A JP H0640793A JP 34652291 A JP34652291 A JP 34652291A JP 34652291 A JP34652291 A JP 34652291A JP H0640793 A JPH0640793 A JP H0640793A
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JP
Japan
Prior art keywords
controlling
crystalline material
solid phase
phase
shape
Prior art date
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Pending
Application number
JP34652291A
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English (en)
Inventor
Y Ting Edmund
ワイ ティング エドムンド
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Grumman Corp
Original Assignee
Grumman Aerospace Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶成長炉と凝固されるべき材料との間に、
よく適合制御された温度プロファイルを形成して、優れ
た界面形状制御を行なう。 【構成】 単結晶成長用のブリッジマン型装置におい
て、凝固が行なわれている試料の液体および固体それぞ
れの相に対して、対になった異なる勾配部を形成する。
各勾配部は、熱特性が試料の熱特性と適合するように、
つまり、液相と固相とにおける熱伝導率の差異を考慮に
入れて決められる。それにより、炉と、凝固が行なわれ
る試料との間の温度プロファイルがよく適合即ち制御さ
れ、優れた界面状態の制御が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、単結晶成長が行なわ
れている結晶材料の界面形状を制御する方法、およびそ
れの実施に使用される装置に関する。
【0002】
【従来の技術と解決すべき課題】バルク成長(フロム・
ザ・メルト(from−the−melt))半導体の
単結晶は、近代の電子装置およびセンサー用の基本的な
材料である。単結晶の方向性凝固は、様ざまな問題があ
るため困難なプロセスとされている。その一つとして、
固/液界面の形状を正確に制御することが困難であるこ
とがある。このような制御が困難な理由は、炉の「断熱
領域」と凝固材料との間に温度差を生じさせることにあ
る。その原因は、液相と固相との間の熱伝導率に差異が
あることと、半径方向の熱伝達が全く生じない完全な断
熱領域を形成することができないことにある。半径方向
の熱伝達は、非直線界面形状を生成させ、かつ対流作用
を増大させる可能性も極めて高い。
【0003】そこで、この発明の第1の目的は、結晶成
長炉と凝固されるべき材料との間に、よく適合制御され
た温度プロファイルを形成し、それにより、優れた界面
状態制御を行なうことである。
【0004】この発明の第2の目的は、前述の方法を実
施するための装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、単結晶成長が行なわれている結
晶材料の界面形状を制御するための方法であって、異な
る温度で作動する炉の軸方向に隔離した第1および第2
の加熱要素を、相の熱伝導率が異なるため傾きの異なっ
た温度勾配を有する液相および固相をつくるようにし
て、結晶試料に沿って並進させる段階と、液相からの半
径方向の熱伝達を最小にするべく、液相に適合している
予め決められた第1の熱特性を有している第1の勾配部
を、液相との半径方向の整合がなされるようにして設定
する段階と、固相からの半径方向の熱伝達を最小にする
べく、固相に適合している予め決められた第2の熱特性
を有している第2の勾配部を、固相との半径方向の整合
がなされるようにして設定する段階とを含むことを特徴
とする。
【0006】また、この発明によれば、試料の熱流束、
従って液/固界面の状態に亘って制御を達成するため、
凝固領域における炉の温度プロファイルを制御する炉装
置が提供される。
【0007】
【作用】この発明の方法によれば、凝固領域に所望の温
度プロファイルを用い、ブリッジマン型装置の凝固領域
における半径方向の熱伝達を制御することにより、単結
晶の方向性凝固を持続させる際の凍結全面形状を制御す
ることができる。
【0008】この制御は、試料の熱特性、および炉の隣
接領域(ゾーン)−温度の積極的制御に基づいた熱特性
(specific thermal characf
eristics)により構成されている炉の凝固領域
を用いて行なわれる。熱特性は、構成の異なる、すなわ
ち熱伝導率の異なった材料を用いるか、あるいは形状を
変えることにより制御できる。この発明では、温度制御
は、試料の状態並びに温度を使い、炉のゾーン−温度を
調節するとともに、試料における既知でかつ一定の温度
勾配プロファイルを保持させるようになっているコンピ
ュータ制御用アルゴリズムにより達成される。試料内蔵
のアンプルの沿って行なわれる炉の並進動作が、試料の
長手方向に亘って移動式溶融−凝固界面を形成させ、そ
れにより単結晶の成長が可能となる。
【0009】
【実施例】以下、添付の図面を参照して、この発明の好
適実施例を詳細に説明する。それにより、上で述べたこ
の発明の目的および利点が、一層よく理解できることと
思う。
【0010】図1において、符号10は、この発明の結
晶成長炉を示す。この炉10は、中に結晶試料12が入
っている、軸方向に伸びたアンプル14を収容してい
る。結晶試料12は、溶融−凝固を移動するようにしな
がら、結晶を単結晶構造に変えていく。結晶試料に対す
る温度勾配、即ちプロファイルを変えていくという考え
方は、従来よく知られており、かつ通常のブリッジマン
(Bridgman)型炉の原理に基づくものである。
【0011】従って、図1において、炉10は、矢印で
示すように、アンプル14に対し軸方向へ動くようにな
っている。この動きが与えられると、液相16と固相1
8との間の界面は、アンプル14を横切って直線的に移
動していく。
【0012】図1は、凝固領域20における液−固相の
様子を示す。この領域20は、半径方向外側に配置され
ている加熱要素とは無関係になっている。凝固領域20
に温度差をもたせるため、加熱要素19を、予め決めら
れた熱特性をもって支持体21の内部に収め、かつ、同
様に収容された第2の加熱要素23に対してよりも、高
温の状態で作動させる。
【0013】図2は、温度を、アンプル14の長手方向
直線距離に対する関数としてプロットした曲線図であ
る。加熱要素19は、試料12の液相16を、凝固領域
20の左側に相当する高温22の状態で加熱する。同様
に、加熱要素23は、凝固領域20の右側に示すように
低い温度24を保持している。
【0014】液相−固相界面は、図1において符号25
で示してある。これはまた、図2における点27に対応
している。理想的には、凝固領域における半径方向外側
スペースを完全断熱材料でパック(pack)する。そ
れにより、炉に断熱領域が形成され、凝固する試料と炉
との間のおける半径方向の熱伝達は行なわれなくなる。
【0015】通常の炉では、理想的な断熱領域を得るた
め熱絶縁性材料を最大限に利用しているが、完全な断熱
体は実現していない。そのため、半径方向の熱伝達が行
なわれ、それが、界面の状態に非平面性をもたらすとと
もに、熱の対流作用を増大させている。このような問題
が生じると、製造後の結晶性能に悪い影響を及ぼす不均
一な単結晶構造ができてしまうという好ましくない結果
をもたらす。
【0016】完全な断熱領域をつくる際、更に別の問題
が発生する。それは、プロセスにかけられている液相と
固相との間に、熱伝導率の差異が存在するという事実に
起因するものである。図2に示すように、液相の温度勾
配26は、固相の温度勾配28とは異なった傾きになっ
ている。従って、所望の断熱領域内部に単一の均一断熱
材があるだけでは、実際問題、凝固領域における炉と試
料との間での半径方向の熱伝達を、均一にかつ最小限に
することはできない。
【0017】この発明は、固相および液相それぞれから
の半径方向の熱伝達が独立して最小になるよう、2つの
試料の相の熱特性に適合する2つの勾配部30、32を
凝固領域周囲に組み込んでいる。これら勾配部30、3
2の所望の熱特性を制御するには、構成の異なる、すな
わち熱伝導率の異なる材料を用いて行なうか、あるいは
勾配部の寸法形状を変えることによって行なうことがで
きる。
【0018】通常のブリッジマン型炉に使用されている
断熱部とは異なり、勾配部30、32に使用する材料に
は、相当に高い熱伝導率を持たせることができる。2つ
の勾配部におけるすべての熱フローは、ほぼ一次元的で
あり、かつ軸方向に流れている。外側の断熱には、通常
の低熱伝導率材料41を使用する。この発明について説
明したように、材料および形状を決めるのに必要なこと
は、当業者であれば日常の経験さえあればよい。
【0019】試料に所望の温度レベル22、24(図2
参照)を与えるため、制御熱電対34を、勾配部30の
左縁部、勾配部32の右縁部、およびそれらの中間の界
面のところにそれぞれ設けてある。これらの熱電対34
は、ケーブル36により、測定された温度をモニタする
制御コンピュータ38へ接続されている。
【0020】制御コンピュータ38は、加熱要素用電源
40へ接続され、かつそれにより、加熱要素19、23
へ送られている電力を個々に調節できる。制御コピュー
タ38は、所望の炉温度プロファイルが図2に示すよう
な状態となり、それにより、試料の半径方向熱流束を最
小にできるよう、加熱要素によって発生される熱を制御
する。
【0021】通常の結晶成長炉の場合のように、炉10
を、アンプル14に対し軸方向へ並進させる必要があ
る。これは、通常のステッパーとか、あるいは連続ドラ
イブモータ43によって簡単に行なうことができる。
【0022】
【発明の効果】上述の説明から明らかなように、この発
明の装置により、凝固領域における所望の温度プロファ
イルを確保し、かつ、凝固領域内の半径方向の熱伝達を
制御することができる。その結果、優れた界面形状制御
が達成されるので、非常に均一な単結晶を得ることがで
きる。
【0023】この発明は、上で述べた実施例に制約され
るものではない。当業者であれば、変形・変更を加えて
この発明を実施できることに思い至る筈である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施に使用する炉装置の断面を概略
的に示す断面図であり、軸方向に配置された試料内蔵ア
ンプルを含んだ様子を示す図である。
【図2】炉の温度を、軸方向の距離の関数としてプロッ
トした曲線図である。
【符号の説明】
10:炉 12:試料 14:アンプル 16:液相 18:固相 19:加熱要素 20:凝固領域 21:支持体 22:高温 23:加熱要素 24:低い温度 25:液−固界面 26:温度勾配 30,32:勾配部 34:熱電対 36:ケーブル 38:制御コンピュータ 40:電源 41:低熱伝導率材料 43:ドライブモータ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶成長が行われている結晶材料の界
    面形状を制御するための方法であって、 異なる温度で作動する炉の軸方向に隔離した第1および
    第2の加熱要素を、相の熱伝導率が異なるため傾きの異
    なった温度勾配を有する液相および固相をつくるように
    して、結晶試料に沿って並進させる段階と、 液相からの半径方向の熱伝達を最小にするべく、液相に
    適合している予め決められた第1の熱特性を有している
    第1の勾配部を、液相との半径方向の整合がなされるよ
    うにして設定する段階と、 固相からの半径方向の熱伝達を最小にするべく、固相に
    適合している予め決められた第2の熱特性を有してる第
    2の勾配部を、固相との半径方向の整合がなされるよう
    にして設定する段階とを含むことを特徴とする、結晶材
    料の界面形状制御方法。
  2. 【請求項2】 予め決められた第1の熱特性が、液相に
    沿う軸方向距離の関数として、液相を横切る温度勾配と
    対応している請求項1記載の結晶材料の界面形状制御方
    法。
  3. 【請求項3】 予め決められた第2の熱特性が、固相に
    沿う軸方向距離の関数として、固相を横切る温度勾配と
    対応している請求項1記載の結晶材料の界面形状制御方
    法。
  4. 【請求項4】 予め決められた第2の熱特性が、固相に
    沿う軸方向距離の関数として、固相を横切る温度勾配と
    対応している請求項2記載の結晶材料の界面形状制御方
    法。
  5. 【請求項5】 第1および第2の適合熱特性が、異なる
    熱伝導率による勾配部の材料を選択することにより達成
    される請求項4記載の結晶材料の界面形状制御方法。
  6. 【請求項6】 第1および第2の適合熱特性が、異なる
    状態の勾配部材料を選択することにより達成される請求
    項4記載の結晶材料の界面形状制御方法。
  7. 【請求項7】 第1および第2の適合熱特性が、それぞ
    れに異なる状態を有する異なった勾配部の材料を選択す
    ることにより達成される請求項4記載の結晶材料の界面
    形状制御方法。
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Effective date: 20020903