JPS5850957B2 - 単結晶成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単結晶引上げに用いる改良された単結晶成長装
置に関する。

従来より引上げ法（Ｃｈｏｃｈｒａ Ｉ ｓｋ ｉ法）
はシリコンやゲルマニウムの単結晶育成に対し、比較的
大容積の単結晶を得るに適した手段として広く用いられ
て来た。

近年ではさらにＩ−Ｖ族化合物半導体の育成にも応用さ
れることが望まれている。

これは燐、砒素など高い蒸気圧を有する元素をその組成
の一構成とするガリウム燐（ＧａＰ）、ガリウム砒素（
ＧａＡｓ）の引上げに際して、燐や砒素が融液から解離
して単結晶の組成比を変動させるという問題と、引上げ
結晶径の制御性という問題に対して有効なる技術が得ら
れたことによる。

前者については融液カプセル法が、後者については特開
昭５１−６４４８２号公報に記載されている融液カプセ
ル法を応用した技術が一解決法として掲げられる。

この公開公報によれば第１図に示す様に、高圧不活性ガ
スで満されている高圧容器１１内にルツボ１２が内蔵さ
れて、このルツボ１２内には結晶原料の融液なるＣａＰ
融液１３と、このＧａＰ融液１３上に設けられた開口を
有する窒化シリコンから成り液面下に突き出し部を有す
る板状部材１５と、この板状部材上を覆うカプセル材料
となる酸化硼素（Ｂ２ ｏｓ ）融液とが設けられてい
る。

尚、上記板状部材１５はＢ２Ｏ３融液によって完全に被
覆され、従ってＢ２Ｏ３融液はＧａＰと窒化シリコン板
との間に介在するように位置している。

このように構成されたＧａＰ単結晶引き上げ装置で、上
記窒化シリコンから成る板状部材１５の開口を介してＧ
ａＰ単結晶１６を弓き上げることにより固液界面付近の
温度変動に対して結晶径の変化は緩慢となり結晶径の制
御を容易に行なうことが出来るようになる。

然しなからこの様な装置によってもなお解決されるべき
問題点が存在していることを本発明者等は見出した。

その一つは成長結晶の結晶性が著しく悪く且つ不均一で
あること、さらにインゴットの単結晶化率が低い事であ
る。

さらに詳細には、前述特開昭５１−６４４８２号公報の
装置を組立ておよそ４５ｍｍφのＧａＰ単結晶を引上げ
たところ、転位密度数が大きくまたそのインゴット横断
面の分布は第２図曲線ａに示した如くｖ字型分布を示し
てインゴット周辺部に近づくに従って悪化して著しく不
均一であった。

例えばこの様なインゴットからウェハを切り出して発光
素子の基本とするならば、素子特性の悪化を招くと共に
チップ毎に大きなばらつきが生じるものである。

これは前記単結晶化率の問題に於いても同様の状態を招
く。

そこで本発明者等はこのような結果の原因について種々
検討したところ、単結晶引上げに於ける固液界面付近で
ＧａＰ融液と板状部材とが十分に隔離されず、所謂潤れ
状態が不充分であることが考えられた。

従って固液界面付近に対して板状部材から機械的に歪が
導入されたり、板状部材中の不純物が混入したり、温度
のばらつきが生じたりして上記の如き欠陥が生じたもの
と考えられる。

即ち、上記した特開昭５１−６４４８２号公報に於いて
は、板状部材として窒化シリコン、酸化珪素、窒化シリ
コン、炭化シリコンなどが用いられており、このような
組成物に対してさらに検討を加える必要が生じた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、少なくとも
板状部材が固液界面付近で結晶原料の融液と十分に隔離
されるように構成して、安定な且つ良質なる単結晶を得
ることのできる単結晶成長装置を提供するものである。

即ち本発明装置は、開口を有する板状部材を設け、少な
くとも板状部材上を被覆するようにカプセル材を設けて
、板状部材の開口を通して結晶を引き上げる様にした装
置に於いて、前記板状部材を窒化硼素、窒化珪素、窒化
アルミニウムの少なくとも一種と、酸化珪素、酸化マグ
ネシウム、燐酸硼素、燐酸珪素、燐酸アルミニウムの少
なくとも一種とを含む組成物で構成したことを特徴とす
る単結晶成長装置である。

以下本発明装置を実施例に基づき、図面を参照して詳細
に説明する。

実施例 １ 予め、窒化硼素（ＢＮ ）粉末と酸化珪素（ＳｉＯ２）
粉末とを若干のバインダーなる有機材料と共に、実効的
な比重が１．９〜４．２の間になり、且つＳ １０２が
８重量パーセント含まれるようにして熱成形し、第３図
ａ、ｂに示すような口径が例えば４７關φ程度の円形開
口２１ａを有する板状部材２１を作成した。

一方、第４図に示す様に不活性ガスで満たした高圧容器
２２内には、石英製のルツボ２３が収容され、このルツ
ボをカーボン製のサセプタ２４及びヒーター２５が取り
囲む様に配置されている。

またこのルツボ２３内には結晶原料なる固形状ガリウム
燐（ＧａＰ）及びその上にカプセル材となる固形状酸化
硼素（Ｂ２０３）とが入られて、さらにその上に上記林
状部材２１を載置して全体を十数百度に加熱した。

このように十数百度の温度に上昇すると、上記固形状の
Ｂ２Ｏ３，ＧａＰが溶けて第４図に示すように下側から
ＧａＰ融液２６、板状部材２１、Ｂ２Ｏ３融液２７とな
る。

これは板状部材２１の比重が１．９〜４．２の間に設定
されているために、Ｂ２Ｏ３融液の比重１．８、ＧａＰ
融液の比重４．３に対して中間の値を持つためである。

またＢ２Ｏ３融液２７は上記板状部材２１と濡れが生じ
て板状部材２１表表面体を完全に被覆した状態となる。

伏に上記融液表面に対して鉛直に保持された回転軸２８
の先端に、所望の結晶方位例えば（１１１）等の結晶成
長面が得られる様なＧａＰの種結晶２９を取り付けて所
定の引上げ操作を行なった。

即ち上記種結晶を上記板状部材２１の開口内におろして
ＧａＰ融液２６と接触させ、この後に微速にて上記回転
軸２８を回転させながら鉛直上方に引上げて、種結晶２
９に連なったＧａＰ単結晶３０が成長させた。

結晶の引上げ操作は、引上げ速度並びに上記融液内の固
液界面゛付近の熱的状態を制御することにより、上記板
状部材２１と適当なる間隔を保ちつつ行なわれた。

この様にして引き上げられたおよそ４５ｍｒｆＬφのＧ
ａＰインゴットを３５０μ厚の円盤に切断してエツチン
グ処理し、表面のエッチピットを観測した。

転位密度は第２図の曲線すに示す如く、周辺近くまでほ
ぼ均一で、その値は５ Ｘ １０’個／ｄを下まわる様
な好結果が得られ、さらに多結晶化も認められないもの
であった。

これは、上記Ｂ２Ｏ３融液２７と板状部材２１とが良好
なる濡れ状態にあって、運転中にも固液界面２７ａが板
状部材２１の影響を減少せしめることが出来たことも一
因であると考えられる。

実施例 ２ 窒素珪素（８１３Ｎ４）粉末と酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）粉末とをその比重が１．９〜４．２の間になり且つ
ＭｇＯが１重量パーセント含まれるようにバインダーと
共に熱成形して、第５図ａ、ｂに示すような板状部材３
１を作成した。

本実施例に於ける板状部材３１は、およそ１５ｍｍ下方
に突出して傾斜した断面を有する開口３１ａを中心に有
し、この開口３１ａの下側の径が４２關φ、上側で５２
關φになるように形成した。

結晶引上げ操作は実施例１と同様にして行なわれた。

この様にして得られたＧａＰ単結晶は、実施例１と同じ
く均一に低転位密度化と単結晶化を高収率で実現するこ
とが出来た。

この様な形状にしても板状部材３１はＢ２Ｏ３融液２７
と良好な潤れ状態にあり、さらに開口が傾斜をもってＧ
ａＰ融液２６中に突出していることにより結晶径の制御
は容易になるものである。

実施例 ３ 窒化アルミニウム（ＡＡＮ）粉末と燐酸アルミニウム粉
末とを比重が１．９〜４．２になり且つ燐酸アルミニウ
ムが５．０重量パーセント含まれるようにバインダーと
共に実施例１と同様な形状の板状部材を作成して所定の
引上げ操作を行なった。

この結果、均一で転位密度の小さな、単結晶化を高収率
で得ることができた。

その他実施例２の板状部材の組成のうち、Ｓ ｉ３ Ｎ
４をＢＮ或いはまたＡ７Ｎに替えた場合、若しくはＭｇ
ＯをＳ ｉ０２、燐酸硼素、燐酸珪素、燐酸アルミニウ
ムに替えた場合に於いても、加熱状態のルツボ内の構成
は実施例２と同様になって同様の効果が得られた。

さらに詳細に板状部材の組成について、その組成を種々
に替えて単結晶化率、転位密度、板状部材の耐久性を検
討した。

第６図は単結晶化率を示すものであり、１０本のＧａＰ
インゴット中、その全んどが単結晶として得ることが出
来た本数に基づき比を算出したものである。

添加成分が１．０〜１０重量パーセントの範囲内ではい
ずれの添加成分を用いた場合でも８０％以上の単結晶化
率を示して、特に主成分にＳｉ３Ｎ４．Ａ、／、Ｎ、Ｂ
Ｎを用いた順に良好であった０ 第７図は１×１０５個／ｄ以下の転位密度領域がインゴ
ットから切り出したウェハ内に占める比率を示したもの
で、いづれの添加成分であっても１．０〜１０重量パー
セントの場合に８０％以上の比を占めてＢ Ｎ 、 Ａ
、ｔＮ 、 Ｓ ｔ ３Ｎ４の順に良好であった。

第８図は実施例２で用いた板状部材の下側の内径が４２
ｍｍφからその成分が溶出して４５ｍｍφに至るまでの
使用回数からその耐久性を示したもので、いづれの添加
成分であっても１．０〜１０重量パーセントの場合にＡ
ｔＮ、Ｓｉ３Ｎ４．ＢＮの順に良好であった。

以上詳述した如く、林状部材に含まれるＳ ｉ０２゜Ｍ
ｇＯ１燐酸硼素、燐酸珪素、燐酸アルミニウム等の添加
成分は、重量パーセントで１〜１０％が好ましい。

これは少なすぎるとＢ２Ｏ３融液との濡れを減少し、一
方多すぎるとＢ２Ｏ３との反応が促進されてＢ２Ｏ３融
液及びＧａＰ融液が汚染されることによると考えられる
。

また添加成分を替えてもその結果として差が認められな
かったのは、その添加量が僅かであったからであると考
えられる。

尚、主成分としてＢＮ、５ｉ３Ｎ４． ＡｔＮの２種以
上を用いてよい。

例えばＢＮとＳｉ３Ｎ４とを主成分として単結晶化率及
び転位密度の相方が適度に良好なるインゴットが得られ
る。

また板状部材の比重も１．９〜４．２に設定することな
く、浮き輪或いはバネ等の外力によって板状部材の浮力
を調節して良い。

また上述の如く板状部材の組成として若干のバインダー
例えばマグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（Ｓ １０２）を
含んでいて良い。

結晶材料もＧａＰのみならず他のＩ−Ｖ族化合物半導体
であっても、或いはＳｉ、Ｇｅ融液に燐や砒素等の蒸気
圧の高い不純物をドーピングして単結晶とする際に用い
て良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の断面図、第２図は従来装置と本発明
装置によって得られた夫々のインゴットの転位密度を示
す図、第３図ａ及びｂは本発明装置の一実施例の板状部
材の平面及び断面図、第４図は本発明の一実施例を説明
するための単結晶成長装置の断面図、第５図ａ及びｂは
本発明装置の他の実施例の板状部材の平面及び断面図、
第６図は本発明装置の板状部材の材質を変えた時の単結
晶化率を示す図、第７図は本発明装置の板状部材の材質
を変えた時の成長単結晶転位密度を示す図、第８図は本
発明装置の板状部材の材質を変えた時に板状部材の耐用
回数を調べた曲線図である。 第４図に於いて、２１・・・・・・板状部材、２２・・
・・・・高圧容器、２３・・・・・・ルツボ、２４・・
・・・・サセプタ、２５・・・・・・ヒーター、２６・
・・・・・ＧａＰ融液、２７・・・・・・Ｂ２Ｏ３融液
、２８・・・・・・回転軸、２９・・・・・・種結晶、
３０・・・・・・ＧａＰ単結晶。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 融液上に開口を有する板状部材を設け、該板状部材
   を被覆するようにカプセル材を設けて、前記板状部材の
   開口を通して単結晶を引き上げる単結晶成長装置に於い
   て、前記板状部材を、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミ
   ニウムの少なくとも一種と、１〜１０重量パーセントの
   酸化珪素、酸化マグネシウム、燐酸硼素、燐酸珪素、燐
   酸アルミニウムの一種以上とを含む組成物で構成したこ
   とを特徴とする単結晶成長装置。 ２ 板状部材の比重が融液の比重とカプセル材の比重と
   の間に設定されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の単結晶成長装置。