JPS6345200A - ３−５族化合物半導体単結晶の製造方法 - 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〕 本発明は液体封止型チョクラルスキー法によるｍ−ｖ族
化合物半導体単結晶全自動形状シ制御方法により製造す
る方法に関するものである。 〔従来の技術〕 ＧａＡｇ　、　　ＩｎＰ　、　　ＧａＰ　　などのａｔ
−Ｖ族化合物半導体単結晶の製造方法の１つに、液体封
止型チョクラルスキー法（ＬＫＣ法）がある。これはＢ
、０３などの低融点のガラス材をＧａＡｓ原料融液の封
止剤として用い、さらに高圧下で化合物の分解を抑制し
ながら、形成した化合物の融液（種結晶をつけこみ回転
させながら引上げて円柱状の化合物単結晶全成長させる
ものである。 しかし、この場合、結晶成長が自由空間内であり、しか
も液体封止剤の存在、及び高圧ガスの熱対流により、そ
の温度分布の制御が困難でちるために結晶の形状？制御
することが非常に踊しいという問題がちる。 結晶の形状？制御する方法には、コラクル方式（例：特
開昭５７−２００２８６号公報）、リング方式（列：特
開昭５８−４１７９６号公報）などとともに重量方式（
列：特開昭５８−１４５６９２号公報、特開昭５９−１
８４７９６号公報等）があり、液体封止型チョクラルス
キー法結晶成長では一役的に重量法が用いられている。 この方法は成長結晶の重量？検出してその単位時間当り
の変化量より結晶の径を演算し、一方目標結晶径に基づ
く重量変化量を求め、その偏差量に従って結晶原料融液
を加熱するヒーターの温度を調節することで結晶径の制
御２行なうものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、液体封止型チョクラルスキー法においては、重
量センサーで検出された結晶重量は、。 前記液体封止剤による浮力及び融液の表面張力の影響を
受けるために実際に固化したえ晶型】つ値よりも小さい
値となり、さらをてこの重量に対する単位時間当りの重
量変化量自体を制御量とすると、この値は真の重量変化
量とは大きく異ってきて、結果として、全く目標の結晶
形状とは異った形状に制御してしまうという問題点があ
った。また■−ｖ族化合物半導体特有の現象として結晶
径が急激に変動した場合に逆応答と呼ばれる現象が生じ
る。すなわち、固体の比重づ：液体の比重より小さいゆ
えに、結晶径の増大に対し、重量変化量が減少し径の減
少）（対しては重量変化量が増加する。この現象のため
２ζ検出された重量変化量を用いて結晶径を制御すると
、急激な径変ＭＪＫ対しては逆対応の制御２行うこと（
でなり、結果的に径の発碌現象を生じてしまい、直胴部
で一定の径を持った所望の形状を得るのは困難であった
。さらに、従来の形状制御方法のように結晶原料融液を
加熱するヒーターの温度自体を制御すると、原料融液温
度を急変させてしまうという場合が生じ、急な径変動の
原因となり、このために前記逆応答現象を生じやすくな
ってし遣うという問題点があった。 本発明は、上記開題点？解消し、所望の形状をし念単結
晶を自動的に、しかも、再現性よく製造する方法を提供
しようとするものである。 〔問題点？解決する手段〕 本発明は液体封止型チョクラルスキー法にょるｍ−ｖ族
化合物半導体単結晶の製造方法

〔作用〕

以下、本発明を、図面を使用して詳細に説明する。第１
図に示したように■−■族化合物半導体単結晶引上げ装
置ておいてルッ！Ｆ：１内のＢ２Ｏ３などの液体封止剤
２に覆われたＧａＡｓなどの結晶原料融液３に引上ｔｃ
Ｂ４に固定された種結晶５を接触させ、これを引上げる
ことてよって結晶６が育成される。この結晶６０重量を
引上軸４に取り付けられた１号センサー７で連続的に電
圧信号として検出し、変換器８で重量信号Ｗｔ　　に変
換し、信号平滑化処理回路９において雑音成分を除去す
る。この信号を単位時間毎にサンプリングして得られた
測定重量変化量Ｄｗを演算し、さらに補正量演算器１１
によりリアルタイムで補正量ヲ加えて単位時間当りの実
効重量変化量Ｄｗｃ’に演算する。さらに前記測定重量
変化量Ｄｗ　より結晶形状演算器１２にて成長中の結晶
半径Ｒ１並びに実効成長結晶長ｚ２演算しＣＲＴ　１３
に表示する。一方、目標結晶形状発生器１４より単位時
間毎に前記実効成長結晶長２に対応する目標実効重量変
化量Ｄｗｒｅｆを目標値演算器１５で演算する。差分器
１６において実効重量変化量Ｄｗｃと目標実効重塁変化
量Ｄｗｒｓｆの偏差量を演算し、この偏差量信号に基づ
き、制御器１７でディジタルＰより制御によりリアルタ
イムの操作量として結晶原量融液温度？調節するヒータ
ーの単位時間当りの温度変化量ＴＰ　を得る。この温度
変化仝ＴＰを温度プログラマ１８で温度制御信号に変換
し、温調計１９によりヒーターの温度ＴＨを制御するこ
とで結晶原料融液の単位時間当りの温度全調整する。 補正量演算器１１では次のようにして単位時間当りの実
効重量変化量１’ｗｃの演算を行々う。 第２図は結晶成長の模式図であるが、結晶原料融液密胛
をＰ。、結晶密度をＰａ　、液体封止剤密度をρｂ、融
液による表面張力をγ８　、結晶固化体積？■８、液体
封止剤内にある結晶固化体積を”ｓｂ　ｓ　ｃＢ晶−融
液界面のメニスカスの体積をｖｍ　　とすると一般的に
測定測定型ｆｆ１Ｗｈ　　はＷｈ　＝　／’ｓ”ｓ−ρ
ｂｖＢｂ＋（ρ０−ρｂ）Ｖｍ＋γ８　・・・■で与え
らり、る。 ここで、メニスカスとは第３図に示すように結晶と融液
の界ｉ付近の表面張力により生ずる部分であり、界面形
状は熱環境などの成長条件によって凸になったり凹に々
つたりする。結晶の径変化は実際にはこのメニスカスの
形状の変化に従って生じており、メニスカスの高さが低
くなると径が増加し、高くなると径は減少する（第４図
参照）。しかし、メニス刀ス体Ｔｌｖ＋は円柱に近似さ
せることができＶｍ＝πＲ２：（として求めている。 次に結晶径？結晶長の関数ｒに）とすると、第２図より
結晶固化体積 Ｖ、　＝　Ｐ＝ｘ　（ｒｆ：Ｚ））”ｄＺ　　　　　＝
−■Ｂ！０３中の結晶体積 ｖｓ　ｂ　＝ｆｚ〒”　（ｒ　（Ｚ）　）”ｄＺ　　　
　−■メニスカス体積 Ｖ工＝πＲ”Ｈ・・・■ 一方、Ｅ、ｏ、中の偉績保存則よりＢ、ｏ３の体積？■
ＢｘＯｓ　　とすると、 ＶＢ、０．＋　ＶＢｂ＋　Ｖｍ　＝　”Ｆｔｅ”　Ｌ　
　　　・・−■よって０式は ｗｈ＝Ｐｓｆｚ−Ｈπ（ｒ（ｚ））”ａｚ　　ｐｂ（”
Ｒｃ”Ｌ　　Ｖ］３２ｏ、）＋　ＰｅπＲ”Ｈ＋　γｅ
　　　　　　−”　”となり、単位時間当りの５ｉ１１
定重分変化ｆｆｉＤｗ　ばＤＷ　＝　Ｐ９πＲｇ（送−
ｍ）−ρｂπＲｏ２ｉ＋ρ８（πＲ２−１＋２πＲ−貧
Ｈ）＋１８　　　　　・・・■となり、ｖＰ＝ｚ、ＤＲ
＝Ｈ，Ｄ。＝Ｌ、Ｄｒ＝Ｒ及びＤ７Ｅｌ　＝ｒＢ　　で
あるので、結局の式はＤｗ　”　ＰＢπＲ”ｖｐ　　ｐ
ｂｘＲｃ”　−Ｄ８＋　ｐｅ・２πＲＤｒＨ＋Ｃｐｅｐ
ａ）πＲ”ＤＲ＋　Ｄ、８−−−　＠と々る。なお、こ
こで融液面上の結晶半径をＲ、メニスカスの高さ？Ｈ１
液体封止剤の厚み？Ｌ、表面張力を１８　としたときに
、単位時間当りの変化量ヲそれぞｈＤｒ、　ＤＲ、Ｄ６
　、　Ｄｒｓ　　とし、さらに融液面の低下を考慮した
結晶の実効成長速度をｖｐ　とした。 さらに、実効重量変化量１１ｗｃはρｇｆＲ”ｖｐに対
応することがら０式より、 Ｄｗｃ　”　Ｄｗ　＋　ＰｂπＲｃ”Ｄｅ　　Ｐｅ２π
ＲＤｒＨ−（ρ０−ρ８）πＲ”ＤｈＤＡＢ　　　　　
　””■となる。 ここでρｂπＲｃ２Ｄｅが浮力補正項（ｐｅ−ｐｓ）π
Ｒ”Ｄｈが逆応答補正項、Ｄγ８が融液の表面張力補正
項、またーρｅ　２　ｒ　Ｒｎ　ｒＢ　　はメニスカス
の存在【よって生ずる重量変化量への影響の補正項に対
応している。 結晶形状演算器１２ではまず実効成長結晶長２が求めら
れる。液体封止剤の初期厚みｉＬｏ、引上げ開始後の経
過時間をｔとすると、２は測定重量Ｗｈ　　より で与えられる。また結晶半径Ｒは測定重量変化ｊｌＤｗ
　　より■式から得られ、さらに補正量演算器１１でＩ
）ｗｅを演算するのに使用される。結晶径記憶器２２で
は、結晶形状演算器１２で発生した結晶径？記憶すると
ともにＢ！０．上の結晶径を求める。さらに微分器２３
でＤｒ？演算し、これらの値よりメニスカス形状演算器
２４にて、メニスカスの高さ■など？算出し、−刃表面
張力演算器２５にて表面張力γ８　ｉど？算出する。 以上の数値より、補正量演算器１１において単位時間当
りの実効重量変化量ＤＷＣを演算する。 目標値演算器１５では、目標結晶形状発生器１４より、
結晶形状演算器１２で得られた実効成長速度Ｖｐｒｅｆ
を求めて目標実効重量変化量Ｄｗｒｅｆ　ｋ次式のよう
に演算する。 Ｄｖｒｅｆ　　＝　　２日にＲｒｅｆ”　Ｖｐｒｅｆ　
　　　　　　　　　”　”　−’Ｉり制御器１７では実
効重量変化量Ｉ’ｖｃと目標実効重量変化ｉよりｗｒｅ
ｆとの偏差寸に基づき、ディジタルＰ　Ｉ　Ｄ　ｉＩ″
ｌＩ御の速度アルゴリズム？用いて融液温度を調整する
ヒーターの温度の単位時間当りの変化量’ｒｐ　　を演
算し、温度プログラマ１８にデータ？送る。 チョクラルスキー法による結晶成長では一定径で結晶を
成長さＪｔようとしまた場合は成長に伴う固化熱全一定
；てすれ（ばよく、このためには成長、すなわち原ｑ融
液の減少（て従い融液全加熱するヒーター温度を徐々に
低下させていかなければならない。つまり一定径、一定
成長速度で、結晶が成長している々らばヒーターの温度
変化量も一定となる。ゆえに、単位時間当りのヒーター
の温度変化量τｐｔ制御する方が望塘しいのである。 さらに、ヒーターの温度ＴＨ自身を制御するのでは彦く
、微分器２１によって求められる、単位時間当りの温度
変化ｊｉＴｐｋ制御することにより、融液温度の急変？
防ぐことができる。 この結果、結晶径の瞬間的な変動の生じる可能性が少々
くなり逆応答現象を出にくくするという効果がちる。 〔実施列〕 本発明の方法によって、■−■族化合物半導体の一つで
あるＧａＡｓ単結晶を製造した。 内径１５４ｍ、深さ１４０■のＰＢＮ製ルツルツボａＡ
ｓ多結晶原料を４０００Ｆ、液体封止剤としてＥ、　ｏ
、を６００２入れ、高圧容器内で窒素ガスを圧入し２０
気圧に加圧して約３０時間後で加熱、封止剤及び結晶系
＄−＋を完全に溶融させた後、種結晶全接触させ引上げ
を開始した。 引上げ軸を１分間に５回転、ルツボを逆方向に１分間１
０回転させなから９簡／時の速度で、直胴部直径が６０
鱈である結晶？目標結晶形状として本発明の方法を用い
て、結晶を引上げたところ、約３０時間後に長さ約２９
０、重量３２００１のＧａＡｓ単結晶が得られた。その
場合の目標結晶形状と実際に引上げられた結晶形状を第
５図に示す。図に示されているように目標の結晶形状と
ほぼ等しい形状をもつ結晶が引上げられており直、胴部
におりては結晶径は６０士１＋ｗ＆て非常に良く制御さ
せている。この実施列シζおいてＣＲＴ１３に表示され
た形状制御内容を第７図に示す。 また、上記と同様の成長条件においてＧａＡ３多結晶原
料を６ｏｏｏｒ投入し直胴部の直径が９０ｍである結晶
を目標結晶形状として結晶を引上げたところ約１８時間
後に長さ約２２ｅｒｍ、重量ａｂａｏｙのＧａＡ３単結
晶が得られ、結果は第６図に示したよって前記実施例同
様はぼ目標結晶形状と等しい結晶が引上げられており、
亘胴部においては結晶径は９０±１．５■に非常に良く
制御されている。 前記ＧａＡｓ単結晶引上げにおいて、圧力、引上げ軸及
びルツボの回転数、結晶の引上げ速度などの条件を変更
しても、前記実施列と同様、目標結晶形状と等しい形状
の結晶が得られ、さらに結晶原料融液の対流を抑制する
ために結晶成長時に磁場を印加した状態においても、前
記実施す１と同様、目標結晶形状と等しい形状の結晶が
得られている。 なお、本発明は、土肥実施列に限定されるものではかく
、［＋１−Ｖ族化合物半導体単結晶を含めて液体封止型
チョクラルスキー法：（よる単結晶製造法にも同様に適
用できるものである。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明に係る結晶形状制御方法を用
いて単結晶を製造すると液体封止型チョクラルスキー法
による■−■族化合物半導体単結晶成長（／！：おいて
１Ｍ部から直胴部、テイル部に至るまで所望の形状をし
た単結晶が自動的にしかも再現性良く得られる。従って
この結果高品質の結晶が歩留良く製造でき、さらに省人
化が図れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するブロック図、第２図は
結晶成長時の結晶−融液の界面近傍を示す図、第３図、
第４図（＆）、　（ｂ）は結晶と融液界面のメニスカス
の説明図、また、第５図及び第６図は本発明の実１＠例
における目標結晶形状の直径と実際に成長し九茫晶の直
径との関係を示すグラフ、第７図はＣＲＴ画面上にリア
ルタイムで表示された制御に関する情報の１列を示す図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体封止型チョクラルスキー法によるIII−Ｖ族
   化合物半導体単結晶の製造方法において、単位時間当り
   の測定重量変化量に、液体封止剤による浮力、逆応答、
   融液による表面張力、または、メニスカスの存在による
   重量変化量への影響量あるいはそれらの組み合せに基づ
   く補正量をリアルタイムで加えた値を制御量とし、目標
   結晶形状に対応した単位時間当りの基準重量変化量を設
   定量とし、制御量が設定量となるように、単位時間当り
   のヒーター温度の変化量を調節することを特徴とするI
   II−Ｖ族化合物半導体単結晶の製造方法。