JP2015522510A - バルク気相結晶成長用装置及び方法 - Google Patents

Abstract

バルク気相結晶成長用装置に用いる蒸気管、バルク気相結晶成長用装置及びバルク気相結晶成長のための方法ついて記載する。蒸気管は、ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段を画定する流導管であり、フローリストリクタがソース容積部と成長容積部の間の通路手段内に設けられ、流導管は、フローリストリクタの下流の蒸気フローを導管の長手方向の中心線から、例えば導管の縁部に向けて逸らすよう構成される導流器をさらに備える。

Description

本発明は、単結晶材料、特に高エネルギー物理学用途のための単結晶半導体材料の気相結晶成長装置及び方法並びにこのような装置内での使用及びこのような方法の実施のための気相管に関する。

単結晶材料にはいくつかの重要な用途がある。例えば、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）及びテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）のバルク半導体は、特に手荷物検査、医用画像及び宇宙探査に使用されるエックス線及びガンマ線検出器として有用である。

多くの用途において、大きく厚い単結晶を最適な均一性及び最低の不純物で高速に形成し得ることが望ましい。

従来、単結晶は、結晶を融液から成長させるブリッジマン法、移動ヒーター法（ＴＨＭ）、勾配凝固法（ＧＦ）又は他の液相若しくはセルフシーディング（self-seeding）気相結晶成長方法などの直接固化技術を使って形成されている。これらの従来の方法では、高品質の結晶を一貫して形成することが難しく、また２５ｍｍ又は５０ｍｍより大きい直径を有する単結晶を形成することが難しい。特に、これらの既知の結晶形成方法では、転位、亜結晶粒界及び双晶が生じやすい。高圧ブリッジマン法においては、パイプ形成の潜在的な問題もある。これらの問題はＣｄＴｅ結晶を形成する際に特有の問題である。亜鉛を含有させてＣＺＴを形成すると、亜鉛は格子を強めるので、これらの問題がある程度軽減されるが、凝固界面に亜鉛が偏析して軸方向の組成傾斜プロファイルを生じ得る。しかしながら、ＣＺＴの成長にはより高い温度が要求され、これは望ましくない。また、このプロセスは融液内の過剰テルルによる析出物及び介在物を形成する傾向がある。テルルの介在物は、サイズが数十ミクロンになり得、これは検出器用途の場合に重大な問題となり得る。さらに、各介在物と結合した転位集合（dislocation cloud）が存在することがあり、これが結晶から形成される検出器の性能に影響を及ぼすことがある。

特許文献１は物理気相成長技術を使用して結晶を形成する方法を開示している。この方法は、多管式物理気相輸送法（ＭＴＰＶＴ）として知られている。この方法によれば、成長ゾーンを画定し、例えばその中に成長させる材料のシンク又は種結晶を設ける。気相材料を成長ゾーンに供給し、核生成及びそれに続く材料の蒸着を生じさせて、成長ゾーンに、例えばシンク又は種結晶上に結晶を成長させる。

特許文献１に記載の装置例では、成長管の成長ゾーンは、所要の元素又は化合物を収容する１つ以上のソース管内の１つ以上のソース貯蔵器に、着脱可能な連結管（交差部材という）に組み込まれたフローリストリクタを介して接続される。これにより、ソース貯蔵器から成長ゾーンへの蒸気の輸送が可能となる。結晶成長は、必要に応じて、成長管内に位置する台座上の適切なシンク又は種結晶上で行われる。使用にあたり、ソース貯蔵器を加熱して、それぞれの内容物の蒸気を生成し、蒸気は交差部材を介して成長ゾーンへ輸送される。

成長中、ソースゾーン及び成長ゾーンの温度は個別に制御可能であり、両ゾーンは熱的に絶縁される。こうして、ソースゾーンを適切な蒸発温度に、成長ゾーンを適切な成長温度に保つことができる。これは、交差部材を経たソース管から成長管への流路が、ソースゾーンと成長ゾーンの任意の放射連結を制限することができることで、ある程度達成される。さらに、制御できないほど小さなソース−成長温度差を必要とすることなく質量輸送を制御可能にするために、ソースゾーンと成長ゾーンとの間にフローリストリクタが必要とされる。

フローリストリクタは、ソースゾーンと成長ゾーンの間の流路に配置すると都合がよく、典型的には、例えば少なくともソース管と成長管の間の流路の交差部材内に設け得る。先行技術で説明されるフローリストリクタの例は、実質的に開口の断面を減少させるよう作用するキャピラリー輸送管及び他の同様の手段を備え、ソースゾーンと成長ゾーンの間の質量輸送に対し求められる制御を実現する。

ある典型的な先行技術の場合、フローリストリクタは、内部に、ソースゾーンと成長ゾーンの間の流路を画定する導管を部分的に塞ぎ、概して導管の長手方向の中心線上に位置する、断面が実質的に減少した開口部を有する構成物を備える。例えば、実質的に断面が減少した開口部を有する構成物を、開口部が円筒状又は多角筒状の導管の軸方向に位置するように配置する。このような開口部は、例えばキャピラリー輸送管の穴からなり得る。先行技術文献の特許文献１では、例えば、キャピラリー輸送管を備えたフローリストリクタが、各ソースゾーンと成長ゾーンの間に、交差部材管内で概ね軸方向に位置する単一のこのような開口を画定し、ソースゾーンと成長ゾーンの間の交差部材を経る質量輸送に対し求められる制御を実現する。

欧州特許出願公開第１０１９５６８号明細書

この先行技術では、フローリストリクタにより、成長ゾーンへの蒸気の下流の流れが望ましくない程度の指向性をもち、局所的に集中し得ることが分かった。これにより、成長、特に欠陥成長が、望ましくない態様で、優先的にシンク結晶の特定の領域に向かう傾向を生じ得る。ソースゾーンと成長ゾーンの間の流路を画定する導管の概して長手方向の中心線上の開口により、成長、特に欠陥成長が、望ましくない態様で、優先的に、欠陥が特に望ましくない傾向のある成長結晶の、対応する中心領域に向かう傾向を生じ得る。本発明はこの影響を軽減することを目的とする。

本発明により、その最も広い態様では、バルク気相結晶成長用装置に用いる蒸気管が提供され、該蒸気管は、ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段を画定する流導管を備え、フローリストリクタが、ソース容積部と成長容積部の間の通路手段内に設けられ、流導管が、フローリストリクタの下流の蒸気フローを導管の長手方向の中心線から、例えば導管の縁部に向けて逸らすよう構成される導流器をさらに備える。

特許文献１に記載されるような先行技術で知られるように、蒸気管は、成長容積部から熱的に分離されたソース容積部を備えるバルク気相結晶成長用の装置に用いるように設けられ、使用の際、ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段をもたらす。ソース容積部は成長容積部から熱的に分離され、例えばソース容積部から成長容積部への、両者間の任意の流通路を介した流路は、ソースゾーンと成長ゾーンの任意の放射連結を制限することができ、例えば特許文献１に記載されるように、直線見通し経路から１箇所以上偏向させる。こうして、上述のとおり、ソース容積部のソースゾーンを適切な蒸発温度に、成長容積部の成長ゾーンを適切な成長温度に保つことができる。ソース容積部と成長容積部の間の通路手段内に少なくとも１つのフローリストリクタを設けて、制御できないほど小さなソース−成長温度差を必要とすることなく質量輸送を制御可能にする。

本発明によるフローリストリクタの例は、先行技術に記載のようなものであり得る。典型的なこのような場合、フローリストリクタは、内部に、ソースゾーンと成長ゾーンの間の流路を部分的に塞ぐ構成物を備える。例えば、フローリストリクタは、内部に、ソース容積部と成長容積部の間の流通手段を部分的に塞ぐ構成物を備える。従って、流れの方向において、ソース容積部側の相対的に大きな断面積の通路手段が、フローリストリクタで相対的に制限された断面積へと狭窄し、続いて成長容積部側の相対的に大きな断面積通路手段へと拡張する。

フローリストリクタは、ソースゾーンと成長ゾーンの間の質量輸送に対し求められる制御を実現するために、例えば、実質的に流通手段内の開口の断面を減少させるよう作用する何らかの構成物を備え得、例えばキャピラリー輸送管を備え得る。一般的には、先行技術におけるこのようなフローリストリクタは、例えば、概ね中心に、例えば通路手段の軸方向に位置する単一のこうした開口を画定する。こうした単一の、中心に存在するフローリストリクタは、高指向性の下流フローを生じ得、これにより、成長する結晶の中心部に向かって成長の集中（偏り）及び欠陥が生じる傾向がある。これは非常に望ましくない場所である。

本発明は、フローリストリクタの下流の蒸気フローを導管の長手方向の中心線から、例えば導管の縁部に向けて逸らすよう構成された少なくとも１つの導流器をさらに設けることを特徴とする。したがって、導流器は、使用時に、蒸気フローを、ピークバルクフロー、ひいてはピーク欠陥形成を生じる傾向があるような成長ゾーンのバルク蒸気フローに影響を及ぼす態様で、成長ゾーンの成長結晶の中心から逸らすように、例えばピークバルクフロー、ひいてはピーク欠陥形成を生じる傾向があるように、成長ゾーンの成長結晶の１つ以上の縁部の方向に向けるように構成される。

先行技術のフローリストリクタは、ソースゾーンと成長ゾーンの間の導管の流通路を閉塞させるとともに、例えば、導管の概ね長手方向の中心線上に位置する、実質的に断面が減少した単一の開口が設けられ、下流フローを長手方向に向ける傾向を生じさせる構成物を画定する。例えば、実質的に断面が減少した開口部を有する構成物は、開口部が円筒状又は多角筒状の導管の軸方向に位置するように配置され、下流フローを軸方向に向ける傾向がある。このような開口部は、例えばキャピラリー輸送管の穴からなり得る。このような構造では、ピークバルクフロー分布下流、ひいては成長面におけるピークバルクフローが、上で論じた望ましくない影響を受けて概ね中心に向かい得る。

本発明は、フローリストリクタの下流のピーク蒸気フローを導管の長手方向の中心線から逸らすように導流器を構成することを想定する。これはいくつかの方法で具体化し得るが、使用時に、ピークバルクフロー流通の下流、ひいては成長面におけるピークバルクフローが中心から、例えば縁部に向かって逸れることにより、先に考慮した、想定し得る望ましくない影響を軽減するという一般的な原理を前提とするものとする。

例えば、導流器は、ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段を画定してフローリストリクタの下流で作用し、また、ピーク蒸気フローが導管の長手方向の中心線から逸れるよう修正された修正下流蒸気フローを生ずるよう構成され、及び／又は、流路に配置された、流導管の流路内に位置する構成物を備え得る。導流器の構成物は、例えば蒸気フローを導管の長手方向の中心線から逸れるように導き若しくは向け、及び／又は導管の長手方向の中心線に沿った蒸気フローを制限する傾向を生ずるよう構成され得る。

例えば、導流器の構成物は、フローリストリクタの下流の蒸気フローを軸方向のような長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう構成された、開口を有する構成物からなり得る。このような導流器自体を、長手方向の中心線上に配置することもでき、それによっても成長面におけるピーク蒸気フローの所望の非対称性を達成することができる。さらに、或いはこれに替えて、導流器は、中心から外れて、例えば導管内で軸外に位置する、開口を有する構成物を備え得る。このような導流器自体を、長手方向の下流フローを生ずるよう構成することもでき、それによっても成長面におけるピーク蒸気フローの所望の非対称性を達成することができる。

想定し得る実施形態では、本発明の導流器をフローリストリクタと一体形成し得る。特定の場合では、本発明の導流器は、適切に改良されたフローリストリクタを備え得る。

このような場合、フローリストリクタは、下流の蒸気フローを軸方向のような長手方向から角度をなして逸れる方向に向け、及び／又は、中心から外れて、例えば導管内の軸外に位置するよう構成された、開口を有する構成物を備え得る。

例えば、フローリストリクタは、そのフローリストリクタの下流の蒸気フローを導管の長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう、導管の長手方向から逸らせ、及び／又は、導管内で長手方向の中心から外れて位置するキャピラリー輸送管を備え得る。

別の実施形態では、本発明の導流器は、フローリストリクタの下流の分離した構成物であり得る。

このような場合、導流器は、少なくとも１つのフローリストリクタの下流に（すなわち、少なくとも１つのフローリストリクタの成長容積部側に）、下流の蒸気フローを軸方向のような長手方向から角度をなして逸れる方向に向け、及び／又は、中心から外れて、例えば導管内の軸外に位置するよう構成された、開口を有する構成物をさらに備え得る。

好適な実施形態では、導流器は、通路手段内の少なくとも１つのフローリストリクタの下流に（すなわち、少なくとも１つのフローリストリクタの成長容積部側に）拡散器を備える。

典型的な実施形態において、本発明の本実施形態による拡散器は、実質的に通路手段を閉塞させるよう、通路手段の断面領域にわたって延在し、１つ以上の開口部が設けられた平面状構成物を備える。例えば、拡散器は、円形若しくは他の幾何学的な形状、円環構造又は扇形（円環の一部の形）等の形状を有する開口の配列のパターンを有する平面状構成物である。

拡散器は、少なくとも１つフローリストリクタの下流に配置され、このフローリストリクタは、実質的にソースゾーンと成長ゾーンの間の導管の流通路を閉塞させるとともに、導管の概ね長手方向の中心線上に位置する、実質的に断面が減少した単一の開口が設けられ、また下流フローを長手方向に向ける傾向を生じさせる構成物などの従来の形を取り得る。例えば、実質的に断面が減少した開口部を有する構成物は、開口部が円筒状又は多角筒状の導管の軸方向に位置するように配置され、下流フローを軸方向に向ける傾向がある。このような開口部は、例えばキャピラリー輸送管の穴からなり得る。

先に言及したとおり、中心に配置されたフローリストリクタにより、成長ゾーンへの蒸気の下流の流れが望ましくない程度の指向性をもち、局所的に集中し得ることが分かっている。これにより、成長、特に欠陥成長が、望ましくない態様で、優先的にシンク結晶の特定の領域に向かう傾向を生じ得る。

本発明の本実施形態は、動作のいかなる特定の理論にも限定されず、本発明の原理による適切なパターンを有する拡散器を設けることにより、２つの方法でこの影響を軽減することができると考えられる。第１に、拡散作用は、フローリストリクタの下流のフローの指向性及び局所的集中を軽減するよう単純に作用し得る。第２に、拡散器内の開口及び／若しくは開口の配列の形状並びに／又はパターンを適切に選択することにより、成長、特にあらゆる欠陥をシンク結晶上の成長させる材料の一部位に優先的に向かわせるよう特定の所望の指向性を導入することが可能となり得ることがさらに分かった。

このため、例えば中心から外れた開口の適切なパターンを有する、本発明のこの態様による拡散器は、このような拡散器と、バルク蒸気フローを導管の長手方向の中心線から逸らすよう構成された導流器の両方として作用する。

拡散器は、好ましくは、このような形状及び／又はパターンを有する開口の配列を有する。様々な構成が、このような所望の指向性を生じるのに適切であり得る。開口の配列は、対称又は非対称の構成を有し得る。開口部は、合計して、通路手段の全体の断面積の少ない部分のみ、例えば１０％未満を構成し得る。或いは、開口部は、通路手段の全体の断面積の主要部を構成し得る。

このようなフローリストリクタとの併用の想定し得る実施形態では、本発明による拡散器に、対応する開口又はフローリストリクタによって画定される開口と長手方向に整列されない、１つ以上の開口が設けられる。例えば、フローリストリクタが流通路の概ね中心に開口を画定する場合、拡散器は、流通路の中心以外に設けられる１つ以上の開口を有し、こうした開口のいずれもフローリストリクタにより画定された対応する開口と長手方向に整列しない、平面状構成物を備える。

本発明の第１の態様の蒸気管は、蒸気をソース容積部から成長容積部へ輸送するのに適した通路手段を画定する流導管を備える。流導管の構造は特に本発明に関係しないが、適切な流導管として両端部が開放された管が挙げられ、例えば円筒状の管、多角筒状の壁を有する管等が挙げられる。こうした流導管は当該技術分野でよく知られている。

本発明の第１の態様の蒸気管は、先行技術に記載されるようなバルク気相結晶成長用の装置に用いるのに適切であり得、そこでは、例えば、間に少なくとも１つ流通路を有する少なくとも１つのソース容積部及び少なくとも１つ成長容積部、必要に応じて共通の成長容積部に対して複数のソース容積部並びに／又は、間に共通若しくは個別の流通路の適切な配列を有する複数のソース容積部及び複数の成長容積部を設けることが知られている。本発明の原理は、１つ以上のフローリストリクタがソース容積部と成長容積部の間の流路に設けられ、本発明による１つ以上の拡散器がこのようなフローリストリクタの下流に設けられ得る、すべてのこのような装置に適用される。

より完全な態様では、本発明にしたがってバルク気相結晶成長装置が提供され、該装置は流体連通する外囲器を備え、該外囲器は、少なくとも１つのソース容積部、少なくとも１つの成長容積部、及びソース容積部と成長容積部の間に上述の蒸気管を含む少なくとも１つの流導管を備える。流導管は、ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段を画定し、少なくとも１つのフローリストリクタが、ソース容積部と成長容積部の間の通路手段内に設けられ、少なくとも一つの拡散器がフローリストリクタの下流に設けられる。

完全な態様の装置はこのように各ソース容積部と連携する成長容積部との間にフローリストリクタを含む流体連通する外囲器容積部を画定し、使用に際し、蒸気管は、その一部を構成する。従って、本装置は、一般に、特許文献１に記載される多管式物理気相輸送法（ＭＴＰＶＴ）のような物理気相輸送結晶成長システムである。本装置は、少なくとも１つのソース容積部及び少なくとも１つの成長容積部を含む外囲器アセンブリを構成し、この外囲器アセンブリは実質的に密閉され、使用するために排気して比較的高い真空にすることができる。各ソース容積部は少なくとも１つのソースゾーンを含み、このゾーンに、成長容積部の成長ゾーンにおける結晶成長に必要とされる１つ以上の元素又は化合物のソースを供給することができる。成長容積部は、少なくとも１つの成長ゾーンを含み、使用の際、成長段階中にこの成長ゾーンで結晶が成長され得る。ソースゾーンは一般に外囲器容積部の第１の端部に位置し、成長ゾーンはそれから遠く離れた第２の端部に位置し、ソース容積部の残りの部分、成長容積部の残りの部分及び両者の間の流導管は合わせて、例えば、特許文献１に記載された一般原則に従って、成長段階中、ソースゾーンと成長ゾーンとの間に、ソースゾーンから成長ゾーンへ蒸気を流すための流通路を画定する。

フローリストリクタは、流導管内に設けられ、ソースゾーンと成長ゾーンの間の流路に位置して制御できないほど小さなソース−成長温度差を必要とすることなくソースゾーンと成長ゾーンの間の質量輸送を制御可能とするようにする。先行技術におけるように、開口構成物を備え、例えばキャピラリー輸送管を備えるフローリストリクタは、流導管内で概ね軸方向に位置して流導管の断面に対して断面の実質的な減少部分をなす単一の開口を画定し、これにより、ソースゾーンと成長ゾーンの間の流導管を介した質量輸送に必要とされる制御を達成するようにする。

流体連通する外囲器は、一体構造をなすか、或いは複数のモジュール、例えば分離した着脱可能なモジュールを備えうる。適切なモジュール構造は、ソース容積部を画定するソースモジュール、成長容積部を画定する成長モジュール及び流導管として機能するとともに使用時におけるソース容積部と成長容積部の間の流路を画定する輸送モジュールを備え得る。多くの事例において、合わせて流体連通する外囲器容積部を画定するモジュールは、分離した着脱可能な形態であって、使用に先立って、例えばソース材料の充填のために、流体連通する外囲器を組み立て及び分解できるようになっていると好都合であり得る。このようなモジュールは、実質的に気密に組み立てられるように構成して、組み立てたとき実質的に気密の外囲器容積部を提供するようするのが好ましい。

モジュール又は外囲器は、内部容積部を画定する容器壁を備え、例えば離間した第１の端部と第２の端部の間に延在する連続した管状壁構造を有する細長の管状であり、第１及び第２の端部では、隣接モジュールとの流体連通が生じ、及び／又は、閉鎖又は部分的に閉鎖されると好都合である。着脱可能なモジュールを備える実施形態の場合、隣接モジュールに取り付けられるこのような端部には、好ましくは実質的に気密に組み立てられるよう構成された取付継手が設けられる。

本発明の装置を構成するモジュール又は外囲器は、結晶成長を想定した温度で用いるのに適した任意の材料で適切に構成され、例えば低温、周囲温度又は高温に耐性のある材料で構成する。適切な材料は当技術分野で知られており、必要とされる機械的強度及び保全性を有し、例えば機械的強度及び保全性をもたらす適切な材料で補強された、金属酸化物、特に石英、耐火性酸化物及びグラファイトが好適である。これらの材料はまた、純度が高く、結晶の不純物混入のリスクが低いと言う理由でも好ましい。

想定し得る実施形態では、モジュール又は外囲器は、適切な場合に相互に協同するテーパ状のすりガラスシールを用いて隣接モジュールに連結するよう構成された、例えば高純度の石英ガラス製のガラス管を含み得る。

本発明による装置において導管として機能する管は、湾曲した、例えば円形の或いは多角形の壁を有し得る。本発明による装置において導管として機能する管は、一定断面又は変断面を有し得る。本発明による装置において導管として機能する管は、一体的に、単一の流通路及び／若しくは複数の流通路、例えば分枝した流通路を構成し得、並びに／又は、モジュール式流通路導管構造の一部であり得る。

好ましくは、この装置は、本明細書において先に定義されたようなゾーン及び通路を含む、密閉された若しくは密閉可能な構造又は外囲器を備える。装置は、減圧下で適切に操作され、真空ジャケット等に入れられる。

各ソースゾーン及び成長ゾーンには、独立の温度制御手段をゾーン内に設け得、これらのゾーンは、ソースゾーンにおける蒸発、成長ゾーンへの気相輸送、及び成長ゾーンにおける種結晶又はターゲット材料の部分成長結晶等の成長基板上の結晶成長を促進するために、例えば特許文献１に記載されている方法で熱的に分離されている。

本発明の装置は、本明細書において先に定義されたあらゆるバルク気相輸送技術に用いられ得る。装置が多結晶の二元、三元又は他の多元化合物からの結晶成長に適しているという点で特に有益である。本発明の装置が、所望の結晶の蒸気組成における不定比性の程度を補正するための化学量論的制御を必要とする二元、三元、又は他の多元化合物からの結晶成長に用いるのに適しているという点でさらに有益である。

ソースゾーン及び成長ゾーンは、当該分野で既知のように、ソース材料及び種結晶を、例えばソース材料及び種材料結晶の１つ以上の貯蔵器の形で、備えるように構成する。

好ましくは、ソース材料の１つ以上の貯蔵器は、採用する処理条件に適した、ガラス又は他の適切な表面又は台座上に支持された固相状態の材料を含み、好都合で効率的な蒸発を可能とする。

種結晶基板は様々な材料から形成することができる。ただし、これらの種基板に好ましい材料はシリコン及びガリウムヒ素である。シリコン及びガリウムヒ素基板に結晶を形成する利点は、これらの基板が良好な機械的強度を有するとともに許容可能な価格で市販されている点にある。この２つは、結晶材料を連続して基板上に形成するのに役立つ（強度の小さい基板の場合には難しい）とともに、後の処理、使用及び輸送中に形成された材料の完全性を維持するのにも役立つ。

このような種基板は結晶材料の所要のサイズに応じて任意の所要のサイズとし得る。ただし、基板の直径は２５ｍｍより大きいことが好ましく、より好ましくは５０ｍｍより大きく、もっとも好ましくは１５０ｍｍ以上である。

形成される結晶材料は、ＩＩ−ＶＩ族半導体、例えばカドミウムテルル化物類（例えばテルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマグネシウム（ＣＭＴ）及びそれらの合金）の半導体を含み得、例えば結晶性のＣｄ_{１−（ａ＋ｂ）}Ｍｎ_ａＺｎ_ｂＴｅ（ａ＋ｂ＜１であって、ａ及び／又はｂは０であり得る）からなり得る。

結晶材料はバルク結晶、例えばバルク単結晶（この文脈におけるバルク結晶は厚さが５００μｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上のものを指す）として形成するのが好ましい。本発明の装置及び方法の利点は、高品質の大きなバルク結晶材料製品の作製を容易にすることにある。

ソース温度（Ｔ_{ｓｏｕｒｃｅ}）及び基板温度（Ｔ_ｓｕｂ）は個別に制御される。ソース及び／又は基板の温度の変化により、温度差（ΔＴ）の変化が生じる。例えば、ソース温度を上げることにより温度差を増大させることによって、全体としての成長速度を速くし得る。

例として、テルル化カドミウムの場合、典型的には、最低ソース温度を約４５０℃として材料を確実に昇華させる。これより低い温度では、昇華がほとんど起こらない。同様に、例として、テルル化カドミウムでは、最低基板温度は約２００℃とする。成長温度及び昇華温度は蒸着（成長）させる材料に依存することが理解されるだろう。例えば、ヨウ化水銀の成長温度は約１００〜１５０℃であり、昇華温度は約２００〜３００℃である。最低及び最適ソース温度並びに基板温度はそれに応じて変化する。

上述したように流体連通する外囲器は、使用中にソースゾーンから成長ゾーンへの蒸気輸送を行う少なくとも１つの流通路を備え、これは特に特許文献１に記載された物理気相輸送の原理を具体化するような態様で好適に使用される。

特に、これらの原理によれば、このように画定された流通路又は各流通路が、ソースゾーンと成長ゾーンの間の少なくとも２箇所で直線から偏向し、例えばソース容積部と流導管の間の接合部又はその近傍と、流導管と成長容積部の間の接合部又はその近傍において、直線から偏向する。この偏向は、ソースゾーン及び成長ゾーンの熱絶縁を維持するのに役立つ。この熱絶縁は、ソースゾーン及び成長ゾーン間の温度差の確保及び制御を助け、よって結晶成長の制御を助ける。

直線からの偏向は好ましくは５度以上、より好ましくは４５度以上であり、多くの場合、９０度に近づくと好都合であり、これによって、ソース容積部、流導管及び成長容積部は、合わせて使用時にソースゾーンから成長ゾーンへの蒸気輸送を行うためのＵ字形流通路を画定する。

従って、好ましい例では、外囲器容積部はソースリム、成長リム、及び第１のリムと第２のリムを接続する交差部材を有する略Ｕ字形の管状外囲器を画定し、ソースリムはソース材料を収容するように構成され、成長リムは成長を支援するように構成される。上述のソースフローリストリクタは、第１及び第２のリムの間の流路内、例えば交差部材内に設けられ、上述の拡散器などの導流器は、フローリストリクタと一体形成で或いはフローリストリクタの下流に、例えば交差部材及び／又は成長リム内に設けられる。本発明は、このような第１又は第２のリムを複数有する構成を許容する。

特に好ましい例では、ソースリム及び成長リムは、それらの間に延在する交差部材とともに、互いにほぼ平行に、例えば直立して設置される。

好ましい例では、ソースゾーン及び成長ゾーンは、ソースゾーン及び成長ゾーンの、互いに最も遠く離れ、連結管（マニホルド）モジュールから最も遠く離れた端部にそれぞれ配置される。例えば、ソースゾーン及び成長ゾーンはそれぞれソース容積部及び成長容積部の下端部に配置され、ソース容積部及び成長容積部の残りの部分がそこからほぼ上方に延在し交差部材により流体的に接合された流通路を構成し、それによりソースゾーンから成長ゾーンへの最適な蒸気輸送を可能とする。

上述のフローリストリクタ及び導流器は、交差部材内に設けると好都合である。さらに、或いはこれに替えて、導流器を成長リム内に設けてもよい。

本明細書において先に定義した外囲器容積部は複数のソースゾーンを備え得、各ソースゾーンは、例えば蒸気輸送のための通路と連結し、これらの通路は１つに合流して、若しくは合流せずに、単一の成長ゾーンに近接する共通の、若しくは個別の通路を有する。このようにして、複数のソースゾーンは共通の成長ゾーンの周囲、例えば放射状又は片側の外方に延在させて、配置し得る。例えば、共通の成長ゾーン内で単結晶を形成するために２つの個別のソースが必要とされる場合には、外囲器容積部は、第１の流導管を経て成長容積部に接続された第１のソース材料を含むソース容積部、及び第２の流導管を経て成長容積部に接続された第２のソース材料を含む別のソース容積部を備える。共通の連結管は、このような複数の流導管を画定し得る。

或いは、複数のソースゾーンを複数の個別の成長ゾーンに連結してもよい。複数の成長ゾーンを備えることにより、同じ組成又は異なる組成の複数の結晶を同時成長させることが可能になる。

複数のソース容積部を設ける場合、それらのいずれか又はすべてに独立のフロー制御器を設け得る。

このような複数のソースゾーンは、各ソースゾーンと連結する独立の温度制御手段により個別に作動させ得、それによって、それぞれのソースゾーンから蒸気を所要の温度差で順次に又は同時に発生させ得る。さらに、或いはこれに替えて、温度プロファイルは、複数のソースを使用中、共通の温度プロファイルで、互いに対して及び成長ゾーンに対して、所要の温度差を与えるように位置させるような適切な設定を行うことによって、変化させ得る。

好ましい実施形態では、複数のソースゾーンは、例えば特許文献１に記載される多管式物理気相輸送（ＭＴＰＶＴ）のように、それぞれ二元、三元又は他の多元化合物の各元素又は化合物をもたらす異なる元素又は化合物のソース材料の組み合わせを収容するように構成し得る。

ソースゾーン及び成長ゾーンは、当該分野で既知のように、ソース材料及び種結晶を、例えばソース材料及び種材料の結晶の１つ以上の貯蔵器の形で、備えるように構成すると好都合である。好ましくは、ソース材料の１つ以上の貯蔵器は、採用する処理条件に適した、ガラス又は他の適切な表面又は台座上に支持された固相状態の材料を含み、好都合で効率的な蒸発を可能とする。

複数のソースを設ける場合、蒸着させる結晶材料の組成を、成長中に変化させることができる。この制御は、例えば、ソースゾーンと成長ゾーンの間の温度勾配の制御及び／又は様々な蒸気圧に影響を及ぼし得るソース管温度の制御により達成され得る。一例において、結晶材料は初めに低い蒸着速度で蒸着され、この蒸着は、蒸着速度が上がっていくよう制御される。

本発明のさらなる態様において、バルク気相結晶成長のための方法が提供され、該方法は、それぞれが個別の温度制御手段と連結する、ソース材料及び少なくとも１つの種結晶の少なくとも１つの貯蔵器を設ける工程と、ソース容積部と成長容積部の間の通路手段に設けられた少なくとも１つフローリストリクタを用いて通路手段を画定する流導管を介してソースとシンク又は種の間で気相材料を輸送する工程とを備え、流導管が、フローリストリクタの下流の蒸気フローを導管の長手方向の中心線から、例えば導管の縁部に向けて逸らすよう構成された導流器をさらに備える。

従って、本プロセスは、蒸気管、より完全には上述の本発明の態様によるバルク気相結晶成長用の装置の使用を含むバルク気相結晶成長用のプロセスであって、本プロセスの好適な特徴は類推によって理解されるだろう。

本プロセスは、低温、周囲温度又は高温で行い得る。本プロセスは、典型的には減圧下、例えば最高１ｂａｒ、好ましくは０．０１ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒの減圧下で行う。本プロセスでは、初めの工程において、外囲器容積部をこのような減圧に排気することが好ましい。

本プロセスは、ソース材料上に十分な蒸気圧を生じさせて成長を開始させる既知の手段により開始し得る。

本発明の原理による１つ以上の拡散器の使用を前提とすると、本プロセスは従って、特許文献１に記載された多管式物理気相輸送（ＭＴＰＶＴ）プロセスのようなバルク気相結晶成長用のプロセスである。プロセスの他の好適な特徴は、当該文献を参照することにより推量されるだろう。

次に、本発明を、以下の添付図面の図１及び２を参照して例示的にのみ説明する。

バルク気相結晶成長用の装置の実施形態の例を示す。 拡散器の特定の設計例を示す。

バルク単結晶材料を形成するための装置例を図１に示す。この装置は、例えば特許文献１に開示されている多管式物理気相輸送プロセスの原理を具体化したものである。

例示の装置は、それぞれの下端部にソースゾーンを画定する１対の垂直配置のソース管（５，１７）と、その下端部に成長ゾーンを画定する垂直配置の成長管（１４）と、交差部材管（３）とからなる管状外囲器を備える。第１のソース（６）は、適切な支持体（７）上の第１のソースゾーンに設けられ、第２のソース（１８）は適切な支持体（１９）上の第２のソースゾーンに設けられる。従って、この実施形態は共通の交差部材を備える、複数ソース、単一シンクＭＴＰＶＴ装置であるが、これは適切な構成のソース／成長／交差部材の単なる一例にすぎない。

例えば、ソース材料はそれぞれ、テルル化カドミウムの種結晶上にテルル化カドミウム又はテルル化カドミウム亜鉛結晶を形成する、テルル化カドミウムのソース及びテルル化亜鉛のソースとしてもよい。しかしながら、他の多くの結晶を適切な種結晶上に成長させ得る。本実施形態では、テルル化カドミウムの第１のソース（６）及びテルル化亜鉛の第２のソース（１８）を設けて、テルル化カドミウムの種結晶（１６）上にテルル化カドミウム亜鉛結晶（１５）を成長させる。

独立した個別に制御可能な垂直管状炉（４）の形状のヒーターがソースゾーン及び成長ゾーン用にそれぞれ設けられ、例えば各管状炉は複数の加熱ゾーンを画定する。水平交差部材管（３）は必要に応じ交差部材ヒータ（２）により加熱することができる。或いはまた、単一のマルチゾーンヒータを設けて、これらの管状炉の被加熱ゾーンをこれらの被加熱ゾーンの長さに沿って所定の温度プロファイルを示すように加熱するよう、構成することができる。

本実施形態のソース管（５、１７）、成長管（１４）及び交差部材（３）は石英で製造され、この例のシステムは、交差部材と２つの垂直管との間のすりガラス接合部で分解可能であり、成長した結晶の取り出し及びソース材料の補充を可能にしている。或いはまた、外囲器を一体形成することもできる。

アセンブリ全体は各ソースゾーンと成長ゾーンの間の流通路を画定する石英外囲器容積部を構成する。キャピラリー（８）であるこの例のフローリストリクタは、そのように画定された各通路内で、それぞれのソースゾーンと成長ゾーンの間の流路（１０）内に設けられ、ソース温度を成長温度から分断する。

（破線１により模式的にのみ示され、上の周囲空気と下の真空を隔てる）真空ジャケットは、システム全体を取り囲む。

このように画定された各流通路は、流路が垂直ソース管（５、１７）から水平交差部材（３）へと通過し、水平交差部材から垂直成長管（１４）へと通過する、それぞれ２つの個別の角度９０°の偏向点を含む。よく知られるように、これによりソース管と成長管が熱的に分離され、追加の機能のための場所、例えばソースゾーン及び成長ゾーンへの光学的アクセスを可能にする窓を介した現場モニタリングのための場所を提供することができ、パイロメータ又は他の光学診断装置等により成長する結晶の表面温度を測定することができる。

成長は、成長ゾーン内の基板上で起こる。好ましい例では、結晶（１５）の成長はプラットフォーム（１６）上の成長ゾーンに保持される種結晶（１２）上で起こる。検出器用途のようないくつかの用途では、バルク結晶材料、例えばテルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマグネシウム（ＣＭＴ）及びそれらの合金は、広い面積を有することが求められる。しかしながら、このような材料の場合、十分に大きなサイズの種結晶は入手可能でなく、或いは高コストでしか入手可能でないことがある。このような場合には、結晶材料を、より容易に又は安価に入手可能な別の材料の種結晶、例えばシリコン又は砒化ガリウムの種結晶上に形成するのが望ましいことがある。これは、蒸着する材料とは異なる材料の結晶からなる種結晶を使用し、その種結晶に中間層又は中間領域を設け、その上に本発明の装置を用いてバルク結晶材料を蒸着することによって達成することができる。

本発明の装置は、ソースゾーンから成長ゾーンへの流路内のフローリストリクタの下流に、フローリストリクタによって生じた高指向性フローを拡散させる機能を果たす拡散器を設けることを特徴とする。

例示の拡散器を図２に示す。本実施形態において、拡散器は穴又は幾何学的形状の配列（２１）のパターンを有する石英ディスク（２０）からなる。このようなディスクは、流通路を画定する管内に配置され、ディスク内の開口を除いたそれらの管内の円筒状の通路を実質的に閉塞させる。これは単なる構造例である。円形の断面を有する円筒管状の導管、ひいては円形ディスク拡散器を設けることが好都合である場合が多いが、本発明の原理から逸脱することなく他の構造を検討することもできる。

ディスク拡散器は、成長管の一部として交差部材内に垂直配向又は水平配向で配置し得る。本実施形態では、想定し得る垂直拡散器（９）の場所及び想定し得る水平拡散器（１１）の場所を具体例として示す。いずれの場合も、拡散器はフローリストリクタの下流に配置され、フローリストリクタからの指向性のフローを拡散させるよう働く。特に、適切な開口パターンを選択することにより、成長、特に欠陥成長を、成長した材料の一部位に優先的に向けることを可能とし得る。欠陥成長を、最も容易に切り捨てることが可能な部分である成長する結晶の縁部に優先的に向かわせ、後の作製工程において取り除くことが有害及び／又は困難である、成長する結晶の中心部から逸らせる好適なパターンを作成することができ、これにより成長する結晶の主要部の質を最大限に高め得る。

好都合な実施形態では、上述の例による垂直拡散器を、交差部材を構成する石英管に取り付けるか或いは溶接することができる。水平拡散器は成長管の縁に設置して、ブールにアクセスするために除去し得るようにする。

拡散器の設計例は図２の平面図に示される。

Claims (28)

1. ソース容積部から成長容積部への蒸気の輸送に適した通路手段を画定する流導管を備える、バルク気相結晶成長用装置に用いる蒸気管であって、
   フローリストリクタが、前記ソース容積部と前記成長容積部の間の前記通路手段内に設けられ、前記流導管が、前記フローリストリクタの下流の蒸気フローを前記導管の長手方向の中心線から逸らすよう構成された導流器を備える、蒸気管。
2. 前記導流器が、ピーク蒸気フローが前記導管の長手方向の中心線から逸れるよう修正された修正下流蒸気フローを生ずるよう構成され、及び／又は、前記流路に配置された、前記流導管の前記流路内に位置する構成物を備える、請求項１に記載の蒸気管。
3. 前記導流器が、蒸気フローを前記導管の長手方向の中心線から逸れるように導き若しくは向け、及び／又は、前記導管の長手方向の中心線に沿った蒸気フローを制限する傾向を生ずるよう構成された、構成物を備える、請求項１又は２に記載の蒸気管。
4. 前記導流器が、前記フローリストリクタの下流の蒸気フローを前記流導管の長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう構成された、開口を有する構成物を備える、請求項１〜３のいずれか一に記載の蒸気管。
5. 前記導流器が、前記流導管の長手方向の中心線から離れて位置する、開口を有する構成物を備える、請求項１〜４のいずれか一に記載の蒸気管。
6. 前記導流器が、前記フローリストリクタと一体形成される、請求項１〜５のいずれか一に記載の蒸気管。
7. 前記導流器が、適切に改良されたフローリストリクタを備える、請求項６に記載の蒸気管。
8. 前記フローリストリクタが、下流の蒸気フローを前記流導管の長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう構成された、開口を有する構成物を備える、請求項６又は７に記載の蒸気管。
9. 前記フローリストリクタが、前記フローリストリクタの下流の蒸気フローを前記流導管の長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう、前記流導管の長手方向から逸らせた、キャピラリー輸送管を備える、請求項８に記載の蒸気管。
10. 前記フローリストリクタが、前記流導管の長手方向の中心線から離れて位置する、開口を有する構成物を備える、請求項６〜９のいずれか一に記載の蒸気管。
11. 前記フローリストリクタが、前記導管内の長手方向の中心から外れて位置する、キャピラリー輸送管を備える、請求項１０に記載の蒸気管。
12. 前記導流器が、前記フローリストリクタの下流に分離した構成物を備える、請求項１〜５のいずれか一に記載の蒸気管。
13. 前記フローリストリクタが、ソースゾーンと成長ゾーンの間の導管の流通路を実質的に閉塞させるとともに、前記導管の概ね長手方向の中心線上に位置する実質的に断面が減少した単一の開口を設けるよう構成され、下流フローを長手方向に向ける傾向が生じるよう形成された、構成物を備える、請求項１２に記載の蒸気管。
14. 前記フローリストリクタがキャピラリー輸送管を備える、請求項１２又は１３に記載の蒸気管。
15. 前記導流器が、少なくとも１つの前記フローリストリクタの下流に、蒸気フローを前記流導管の長手方向から角度をなして逸れる方向に向けるよう構成された、開口を有する構成物をさらに備える、請求項１２〜１４のいずれか一に記載の蒸気管。
16. 前記導流器が、少なくとも１つの前記フローリストリクタの下流に、前記流導管の長手方向の中心線から離れて位置する、開口を有する構成物をさらに備える、請求項１２〜１５のいずれか一に記載の蒸気管。
17. 前記導流器が、少なくとも１つの前記フローリストリクタの下流に、拡散器を備える、請求項１２〜１６のいずれか一に記載の蒸気管。
18. 前記拡散器が、実質的に前記通路手段を閉塞させるよう、前記通路手段の断面領域にわたって延在し、１つ以上の開口部が設けられた平面状構成物を備える、請求項１７に記載の蒸気管。
19. 前記拡散器が、円形若しくは他の幾何学的な形状、円環構造又は扇形等の形状を有する開口の配列のパターンを有する平面状構成物を備える、請求項１８に記載の蒸気管。
20. 前記拡散器に１つ以上の開口が設けられ、該開口は、前記フローリストリクタによって画定される前記開口と長手方向に整列しない、請求項１７〜１９のいずれか一に記載の蒸気管。
21. 前記拡散器に１つ以上の開口が設けられ、該開口は、前記流通路の長手方向の中心以外に設けられ、また前記流通路の長手方向の中心にはこのような開口が設けられない、請求項１７〜１９のいずれか一に記載の蒸気管。
22. バルク気相結晶成長用装置であって、
    該装置は、流体連通する外囲器を備え、該外囲器は、少なくとも１つのソース容積部、少なくとも１つの成長容積部、及び前記ソース容積部と前記成長容積部の間に請求項１〜２１のいずれか一に記載の蒸気管を含む少なくとも１つの流導管を備える、装置。
23. 各ソース容積部が少なくとも１つのソースゾーンを含み、このソースゾーンに、成長容積部の成長ゾーンにおける結晶の成長に必要とされる１つ以上の元素又は化合物のソースが供給され、成長容積部は少なくとも１つの成長ゾーンを含み、使用の際、成長段階中に該成長ゾーンで結晶が成長される、請求項２２に記載の装置。
24. 各ソースゾーン及び成長ゾーンは、個別に温度を制御するための手段が各ゾーン内に設けられており、各ゾーンが熱的に分離している、請求項２３に記載の装置。
25. 前記流体連通する外囲器が、各ソースゾーンと成長ゾーンの間の流通路を画定し、このように画定された前記流通路又は各流通路が、ソースゾーンと成長ゾーンの間の少なくとも２箇所で直線から偏向し、例えば前記ソース容積部と前記流導管の間の接合部又はその近傍と、前記流導管と前記成長容積部の間の接合部又はその近傍において、直線から偏向する、請求項２３及び２４のいずれか一に記載の装置。
26. 直線からの偏向が９０度に近づき、これにより前記ソース容積部、前記流導管及び前記成長容積部が、合わせて使用時にソースゾーンから成長ゾーンへ蒸気を輸送するＵ字形流通路を画定する、請求項２５記載の装置。
27. 前記外囲器容積部が、ソースリム、成長リム及び第１と第２のリムを接続する交差部材を有する略Ｕ字型の管状外囲器を画定し、前記交差部材内に前記フローリストリクタ及び前記導流器が設けられた、請求項２６記載の装置。
28. バルク気相結晶成長のための方法であって、該方法は、
    それぞれが個別の温度制御手段と連結する、ソース材料及び少なくとも１つの種結晶の少なくとも１つの貯蔵器を設ける工程と、
    前記ソース容積部と前記成長容積部の間の通路手段に設けられた少なくとも１つフローリストリクタを用いて前記通路手段を画定する流導管を介してソースとシンク又は種の間で気相材料を輸送する工程、とを備え、
    前記流導管が、前記フローリストリクタの下流の蒸気フローを前記導管の長手方向の中心線から、例えば前記導管の縁部に向けて逸らすよう構成された導流器をさらに備える、方法。

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