JP3725700B2

JP3725700B2 - 化合物単結晶の成長装置及び成長方法

Info

Publication number: JP3725700B2
Application number: JP19455398A
Authority: JP
Inventors: 由彦坂下; 岳穂川中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: JP2000026190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物単結晶の成長装置及び成長方法に係り、化合物半導体結晶を処理雰囲気を制御しながら成長（製造）するための成長装置ならびに成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ等のIII−Ｖ族化合物半導体やＣｄＴｅ等のII−VI族化合物半導体単結晶の製造方法としては、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、水平温度勾配付固化法（ＨＧＦ法）、垂直温度勾配付固化法（ＶＧＦ法）及び引き上げ法（ＣＺ法）等が利用されている。
【０００３】
これらの方法の中で、特に化合物半導体の生産に用いられているのが引き上げ法（ＣＺ法）である。この方法はルツボによる拘束のない結晶成長方法であるが、大きな温度勾配下での結晶成長であるため、成長した結晶の転移密度が高くなるなど、高品質な結晶を得られないという問題がある。
これに対し、ルツボ内で融液を固化させ単結晶を得る垂直ボート法によれば、低転移の結晶を得ることができる。垂直ボート法には、前記の垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）および垂直温度勾配付固化法（ＶＧＦ法）があるが、これらの方法によれば、低温度勾配下で結晶成長をおこなうことができ、結晶性の良い単結晶を得ることができる。
【０００４】
これらの方法においては、原料融液から高解離圧成分の蒸発による成分の変動を防止するため、該高解離圧成分を気密容器に予め封入しておき、該高解離圧成分を加熱蒸発させて原料融液の高解離圧成分の解離圧と平衡する蒸気圧を発生させ、結晶の成長過程において気密容器内を高解離圧成分ガス雰囲気とするのが通例であるが、気密容器内外の圧力差により種々の障害が生じる。
【０００５】
このため、特開平４−７７３８３号公報（従来例１）に開示されているように、不活性ガスが高圧充填された高圧容器内に気密容器を収容し、気密容器内外の圧力差を緩和するため、該気密容器に均圧用の圧力緩衝通路（均圧通路）を設けている。原料として、II−VI族化合物、III−Ｖ族化合物もしくはこれらを主成分とする化合物を用いる場合、これらの化合物の高解離圧成分のガスが加圧用不活性ガスよりも分子量が大きいため、同公報第（４）頁左下欄第１３行目から右下欄第２行目に開示されているように、前記圧力緩衝通路は高解離圧成分ガスを容器内に滞留させると共に不活性ガスを優先的に容器外に排出させるため、気密容器の上部に設けられる。
【０００６】
また特開平７−３３０４７９号公報（従来例２）では、高圧容器内にヒータエレメントが上下方向に複数段列設された集合ヒータを設け、該集合ヒータ内にチャンバーの内外に連通する均圧通路を有する気密チャンバーを設け、該気密チャンバー内に化合物原料を収容するルツボ及び該ルツボの下方に原料化合物の高解離圧成分を収容したリザーバが配置され、前記高解離圧成分を加熱蒸発させるための蒸発用ヒータエレメントが設けられ、前記ヒータエレメントにより形成された上方から下方に渡り化合物の融点を挟んで高温から低温に推移する温度分布の融点温度域をルツボに対して下方から上方へ相対移動させることにより、ルツボ内の原料融液を下方より冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶製造装置において、前記均圧通路が蒸気用ヒータエレメントの下方に設けられている。
【０００７】
従って蒸発用ヒータエレメントにより発生した前記高解離圧成分の蒸気は、該均圧通路から気密チャンバーの外へ流出する際に冷却され（蒸気の温度は全てのヒータエレメントの加熱温度未満になるため）て、蒸発用ヒータエレメントや集合ヒータのヒータエレメントに凝結付着するおそれがない。なお、上記従来例２においては、半シール材を設けて蒸気を気密に保持している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、化合物単結晶の電気特性を制御するためには、結晶中の不純物濃度を制御する必要がある。特にアクセプターとしてのＣ（カーボン）は、装置内のグラファイト部材から分離したカーボンが、炉内の残留水分や酸素と反応し、ＣＯガスとなって混入する。従って結晶中の不純物濃度を制御するためには、炉内の残留水分、酸素、結晶成分の酸化物などの酸素供給源を低減すればよい。
【０００９】
そのためには結晶成長過程の初期段階において、真空引き、真空下でのベーキング（空焼き）、ガス置換等の操作（以下、これらの手段を初期操作と総称する）を行うことが有効である。ガス置換とは、雰囲気ガスを装置内（炉内）へ充填・排気し、この操作を繰り返して、残留酸素などの不純物を低減させる方法である。
【００１０】
上記従来例において、初期操作を行うためのガス通路は前記均圧通路である。しかし、初期操作を行うには前記ガス通路は非常に狭いため、例えば真空引きの際においては到達真空度が低い、目標真空度までの真空到達時間が長い、などの問題点があり、また例えばガス置換の際においては、ガス置換用ガスの流量を小さくしなければならない、ガス置換に長時間が必要などの問題点がある。
【００１１】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、蒸気圧制御をおこなう化合物単結晶成長装置／方法において、単結晶への不純物の混入を効果的に抑えることにより、均一性がよく熱的に安定な、すなわち高品質な化合物半導体結晶を得るための装置および方法を提供することを目的としたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る装置または方法は、次のようなものである。すなわち、化合物単結晶成長装置においては、化合物単結晶原料を収納するルツボを気密チャンバーで覆い、該気密チャンバー内の蒸気が該気密チャンバーの外部に漏洩しないためのシール部材が設けられ、前記ルツボ内の融液を冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶成長装置において、
前記ルツボを支える支持移動手段を備え、該支持移動手段は前記気密チャンバーの軸芯方向に移動自在であり、前記気密チャンバーの内外に連通するガス通路を前記支持移動手段の移動によって前記シール部材を介して開閉自在としたことを特徴とする（請求項１）。
【００１３】
従来の均圧通路は気密チャンバー（気密容器）に直接設けられていたために、先述の初期操作を十分に行うための、内径の大きい通路を設けることは不都合であった。上記装置においては、前記支持移動手段の周囲または該手段にガス通路を設けて十分な通路面積を確保したので、内外の圧力差等による気密チャンバーの損害を考慮することなく先述の初期操作を効率的に行うことができる。
【００１４】
また前記支持移動手段はロッドまたは支持台であり、該支持移動手段にはくびれが形成されており、該支持移動手段の移動によって該くびれが前記シール部材に対して接離することにより前記ガス通路の開閉を自在とした（請求項２）。支持ロッドは移動可能であり、開閉操作を行うためには稼働部材側に「くびれ」がある方が使い易くなる（但し、「くびれ」はロッドと相手材のどちらに形成しても良い）。
【００１５】
また初期操作時の前記ルツボの位置が前記気密チャンバー内上方の場合は、前記くびれが前記支持移動手段の中途または下方部分に設けられて前記シール部材に非接触とされており、一方初期操作時の前記ルツボの位置が気密チャンバー内下方の場合は、前記くびれが前記支持移動手段の上方部分に設けられて前記シール部材と非接触とされていることを特徴とする（請求項３）。
【００１６】
この手段を講じることにより、上方又は下方はそれ以外の途中で停止する場合よりも操作し易いメリットがある（電気的インターロック等なくてもストローク・エンドでは通常停止する）。また、上方又は下方の場合は被処理品をセットするとき通常どちらか（上方又は下方）で行うのが普通であることから、わざわざ作動させて「くびれ」位置まで動かす必要がなく、これ故操作ミス等を起こすことなく有利である。
【００１７】
また前記気密チャンバーの内部に高温から低温に推移する温度分布を形成し．前記ルツボを前記支持移動手段によって前記温度分布に沿って移動可能としたことを特徴とする（請求項４）。この場合は、ＶＢ法を利用した化合物単結晶成長装置に本来必要な構成を利用することができるので、機器の付加を最小限に抑え、装置構成を簡易かつ安価にすることができる。
【００１８】
一方、本発明の化合物単結晶の成長方法は、化合物単結晶原料を収納するルツボを気密チャンバーで覆い、該気密チャンバー内の蒸気が該気密チャンバーの外部に漏洩しないためのシール部材が設けられ、前記ルツボ内の融液を冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶成長方法において、
前記ルツボを支える支持移動手段の周囲又は該手段にガス通路を設け、該ガス通路により初期操作を行うことを特徴とする（請求項５）。
【００１９】
上記方法においては、前記支持移動手段にはくびれが形成されていて、該支持移動手段の移動によって該くびれが前記シール部材に対して接離することにより前記ガス通路の開閉を自在とすることが望ましい（請求項６）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、ＧａＡｓ単結晶の結晶成長の具体例を用いて説明する。
図１及び図２は、本発明の実施例にかかる化合物単結晶成長装置であり、ＶＢ法によるものである。この装置は上下開口状の円筒形圧力容器２の内部に断熱構造体４と、複数の加熱装置５と、気密チャンバー６を設け、該気密チャンバー６内には化合物単結晶原料を収納するルツボ７を備えている。
【００２１】
前記上下開口状の圧力容器２は、その上下をそれぞれ着脱自在な上蓋１及び下蓋３により閉じられ、更にＯ−リング等のシール部材（図示略）により気密に保持される。該圧力容器２の内側には、上部が閉塞された筒状の断熱構造体４が配設されているが、これは結晶成長過程において発生する高温ガスの流れに起因する過度の放熱を、効率よく抑制するためのものである。断熱構造体４の内側には４段の加熱装置５（５ａ〜５ｄ）が設置され、各加熱装置５ａ〜５ｄにはそれぞれ独立して電力が供給可能であり、本実施例の場合、５ａ〜５ｃが結晶成長用加熱装置であり５ｄが化合物原料、本例の場合ＧａＡｓ原料のうち、解離圧の高いＡｓ蒸気を制御するための加熱装置である。
【００２２】
加熱装置５の内側には気密チャンバー６が、その内部には前記ルツボ７が支持移動手段、本実施例においては移動ロッド９に支持され備えられている。また気密チャンバー６の下方部分には、台座１３が気密チャンバー６と下蓋３それぞれに密着するように設けられている。下蓋３と台座１３には、気密チャンバー６の内外に連通する通路が設けられ、該通路に移動ロッド９が挿通される。
【００２３】
ここにおいて移動ロッド９の径を上記通路の径より小さく設定して、上記通路を形成する壁との間に空隙を形成した。該空隙は、従来気密チャンバー（気密容器）に直接設けていた均圧通路と比較し十分な通路面積を持つので、該通路をガス通路１２とし初期操作を効率的に行えるようになる。
台座１３の上部には先述の解離圧の高い原料成分を貯蔵するためのリザーバ８が設置されている。解離圧の高い原料の蒸気を制御するための加熱装置５ｄは、気密チャンバー６を介してリザーバ８の近傍に位置するように設けられる。また台座１３上には気密チャンバー６を気密に保つためのシール部材１０を配置している。シール部材１０近傍は高温であるため、該シール部材１０は耐熱性に優れた材質、例えば積層黒鉛シートであることが好適である。
【００２４】
またシール部材１０はガス通路１２の気密チャンバー６内側の開口部１４に位置しており結晶成長中は移動ロッド９と接触して気密チャンバー６内を気密に保持する。
また移動ロッド９にはくびれ１１が該ロッドの全周にわたって設けられている。くびれ１１がシール部材１０の位置に来たとき（両者が非接触のとき）は両者間に空隙が生じて（図２）、ガス通路１２が気密チャンバー６内外に連通する構造となる。従って先述の初期操作を行う際は、図１の装置においてはくびれ１１は移動ロッド９の上方に設けてあるので、移動ロッド９を下方に降ろし、くびれ１１をシール部材１０の位置まで移動させる（図２）。この手順によりそれまで移動ロッド９とシール部材１０で閉鎖されていたガス通路１２の開口部１４が、くびれ１１により開放されて先述の初期操作を行うことができる。
【００２５】
加えてこの初期操作は、支持移動手段（支持ロッド９）の周囲に形成されたガス通路１２を利用するので、従来の狭い均圧通路を利用するよりもガス置換等が短時間でできるなど、初期操作の効率が向上するのである。なお、この実施例ではくびれを一つしか設けていないが、くびれを二つ以上設けても構わない。
次に具体例に従って、図１及び図２の結晶成長装置及びＧａＡｓ結晶の結晶成長プロセスについて更に詳細に説明する。
【００２６】
まず下蓋３を降下させ（または圧力容器２、上蓋１を上方に移動させ）、気密チャンバー６を取り外す。移動ロッド９の上部に設けられた結晶原料７ａを収納するルツボ７にＧａＡｓ原料２ｋｇを収納し、またリザーバ８には高解離圧成分であるＡｓを約２ｇ入れた。
気密チャンバー６を設置し、下蓋３を嵌合してＯ−リング等のシール部材（図示略）で気密に保持する（圧力容器２、上蓋３も図示略のシール部材で気密に保持されている）。初期操作を行うために、移動ロッド９を下方に移動してルツボ７を気密チャンバー６内における最下段に移動させた（図２）。上述したように、移動ロッド９に設けられたくびれ１１とシール部材１０間に空隙が形成され、ガス通路１２が気密チャンバー６の内外に連通する。次に真空ポンプ（図示略）を起動させ、１００℃×１０^-3Ｔｏｒｒで約２時間保持し、真空引き（真空ベーキング）を行い、そのあとＮ₂ガスによる送気・排気を５回繰り返した。
【００２７】
上記初期操作完了後、移動ロッド９を上方に移動してルツボ７を上昇させ（図１）、シール部材１０と移動ロッド９とを接触させてガス通路１２を閉塞させて、ルツボ７をシーディング位置より約２０ｍｍ下方で保持した。その後、加熱装置５に通電し、所定の温度分布になるように各々の加熱装置５ａ〜５ｄを制御した。本実施例の場合、加熱装置５ａ〜５ｃにより結晶成長のための温度分布を作り、加熱装置５ｄにより解離圧の高い原料成分の蒸気圧制御を行う。
【００２８】
炉内の温度が十分に安定した後、移動ロッド９を上方、シーディング位置に移動させる。約１時間シーディング位置で保持した後、３ｍｍ／Ｈｒで移動ロッド９を下降させ、結晶成長を行った。
所定の成長を終えた後、温度を室温まで降下させて下蓋３及び気密チャンバー６を取り外し、ＧａＡｓ結晶を取り出して観察した処、結晶はＡｓ抜けもなく、転移も平均ＥＰＤ５０００ｃｍ^-2以下と非常に高品質の結晶であり、カーボン不純物濃度も１０¹⁵ｃｍ^-3と問題なかった。
【００２９】
本実施例は初期操作時のルツボ７の位置が気密チャンバー６内の下方であるが、これに限定されるものではない。すなわち初期操作時のルツボ７の位置が気密チャンバー６内の上方であっても差し支えない。図３及び図４にその装置を示す。これらに示された装置は本発明の第２実施例である。この場合であれば先述のくびれ１１は移動ロッド９の中途または下方部分に設ければよい。この場合も該くびれは該移動ロッドの全周にわたって設けられる。該くびれにより、ガス通路１２が気密チャンバー６の内外に連通し初期操作が行える（図４）。また初期操作が終了すれば、移動ロッド９をわずかに下方に移動させればシーリングが完了し（図３）、速やかに次の操作段階に移行できる。
【００３０】
また第１、第２実施例においては、気密チャンバー６の内部に、加熱装置５ａ〜５ｄをそれぞれ独立して制御することによって高温から低温に推移する温度分布を形成し、ルツボ７を支持移動手段９によって前記温度分布に沿って移動可能としているのである。
また、上述の第１、第２実施例はいずれもＶＢ法であるが、ＶＧＦ法への適用も可能である。この場合は、原料を収納するルツボの支持移動手段としてルツボ支持台を設けている。従ってルツボ支持台がシール部材と接触する部分にくびれをルツボ支持台の全周にわたって設けておき、該ルツボ支持台が移動できる構造に設定しておけば、上述の二つの実施例と同様の効果が得られる。
【００３１】
また図３及び図４に示した第２実施例において、支持移動手段である移動ロッド９に軸芯方向のガス通路１２を図３、４の仮想線で示すように形成して、該ガス通路１２の出口をくびれ１１にすることもできる。この場合、移動ロッド９はパイプ材とすることも可能である。
なお本発明の適用は上述のＶＢ法及びＶＧＦ法に限定されるものではない。温度勾配を設定して結晶成長を行う他の方法にも適用可能である。例えば水平方向に温度勾配を設定する方法であっても、原料収納容器を支持する部材にくびれを設け、該くびれを水平方向に移動させることによって、該原料収納容器が収められている気密容器内の気密性をシール部材との接触により調整することが可能である。
【００３２】
なお、本発明に係る化合物単結晶の成長装置は、上述したものに限定されるものではない。本発明の前述した第１、第２実施例では移動ロッド９にくびれを設けているが、例えば台座１３の上部にくびれ１１を設け、移動ロッド９にシール部材１０を設けてもよい。図５はこの場合（第３実施例）における結晶成長装置の気密チャンバー内の概略図である。図５（１）は移動ロッド９に設けられたシール部材１０がガス通路１２を塞いでいる状態で、図５（２）は移動ロッド９を移動させて開口部１４を形成し、ガス通路１２をチャンバーの内外へ連通させた状態である。
【００３３】
また図６に示す第４実施例のように、台座１３の胴部に均圧通路１９の一つ又は複数を形成し、一方、下蓋３に通路２０を形成してもよい。これらの通路を形成すれば、気密チャンバー内へのガス送気（図６の実線で示す）と気密チャンバー外へのガス排出（図６の点線で示す）の効率がよくなり、短時間でガス交換や真空引きを行うことが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の化合物単結晶の成長装置及び成長方法によれば、高品質な半導体材料を得るために必要な操作、すなわち不純物の濃度を抑えるための真空引きやガス置換等の初期操作が効率的に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる装置の断面図である。
【図２】第１実施例の初期操作時における装置の断面図である。
【図３】本発明の第２実施例にかかる装置の断面図である。
【図４】第２実施例の初期操作時における装置の断面図である。
【図５】本発明の第３実施例の要部動作を示し、（１）はガス通路を塞いだ状態、（２）は該通路を開放した状態を示したものである。
【図６】本発明の第４実施例にかかる第４実施例の断面図である。
【符号の説明】
３下蓋
４断熱材
５加熱装置
５ａ〜５ｄ加熱装置
６気密チャンバー
７ルツボ
８リザーバ
９移動ロッド
１０シール部材
１１くびれ
１２ガス通路
１３台座
１４開口部
１９均圧通路
２０通路

Claims

化合物単結晶原料を収納するルツボを気密チャンバーで覆い、該気密チャンバー内の蒸気が該気密チャンバーの外部に漏洩しないためのシール部材が設けられ、前記ルツボ内の融液を冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶成長装置において、
前記ルツボを支える支持移動手段を備え、該支持移動手段は前記気密チャンバーの軸芯方向に移動自在であり、前記気密チャンバーの内外に連通するガス通路を前記支持移動手段の移動によって前記シール部材を介して開閉自在としたことを特徴とする化合物単結晶成長装置。
前記支持移動手段は移動ロッドまたは支持台であり、該支持移動手段にはくびれが形成されており、該支持移動手段の移動によって該くびれが前記シール部材に対して接離することにより前記ガス通路の開閉を自在としたことを特徴とする請求項１に記載の化合物単結晶成長装置。
初期操作時の前記ルツボの位置が前記気密チャンバー内上方の場合は、前記くびれが前記支持移動手段の中途または下方部分に設けられて前記シール部材に非接触とされており、一方初期操作時の前記ルツボの位置が気密チャンバー内下方の場合は、前記くびれが前記支持移動手段の上方部分に設けられて前記シール部材と非接触とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物単結晶成長装置。
前記気密チャンバーの内部に高温から低温に推移する温度分布を形成し、前記ルツボを前記支持移動手段によって前記温度分布に沿って移動可能としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の化合物単結晶成長装置。
化合物単結晶原料を収納するルツボを気密チャンバーで覆い、該気密チャンバー内の蒸気が該気密チャンバーの外部に漏洩しないためのシール部材が設けられ、前記ルツボ内の融液を冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶成長方法において、
前記ルツボを支える支持移動手段の周囲または該手段にガス通路を設け、該ガス通路により初期操作を行うことを特徴とする化合物単結晶成長方法。
前記支持移動手段にはくびれが形成されていて、該支持移動手段の移動によって該くびれが前記シール部材に対して接離することにより前記ガス通路の開閉を自在としたことを特徴とする請求項５に記載の化合物単結晶成長方法。