JP3785674B2

JP3785674B2 - 結晶の熱処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP3785674B2
Application number: JP10696196A
Authority: JP
Inventors: 真一沢田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09295899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＳＯ、ＬＮＯなどの酸化物、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのIII-Ｖ族化合物半導体材料、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅなどのII−IV族化合物半導体材料などの結晶を熱処理する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１−１２２９９９号公報には、化合物半導体単結晶のインゴットを所定形状に研磨して外皮を除去した後、横型アンプルに収容して熱処理することが記載されている。また、本発明者による特願平６−２８４２８５号出願の先願明細書には、化合物半導体単結晶インゴット中に結晶成長時の残留応力を除くために、前記インゴットを横型石英管に収容し、インゴットの直径と同じ直径の不透明石英の円柱体をインゴットの両端に配置し、インゴット端面からの熱移動を抑えながら、石英管中で加熱冷却を繰り返すことが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願の熱処理方法では、横型炉内で熱処理されるため、インゴットの軸中心がインゴットを収容する石英管の軸中心から下方に外れ、ヒーターの加熱軸中心からも外れる結果、インゴットは非対称な温度分布の下で熱処理されることになる。また、石英等はヒーターの輻射を透過するため、ヒーターの有する不均一な温度分布がインゴットに影響を与えやすい。インゴット径が大きくなると、横型炉内の上下方向に温度勾配が形成されるため、インゴットの半径方向に均一な熱処理を施すことが困難になる。さらに、結晶インゴット径が大きいと、横置きにすること自体が困難になる場合もある。
【０００４】
そこで、本発明では、上記の問題点を解消し、熱処理する円柱状結晶の半径方向の温度分布を均一にし、かつ、円柱状結晶の端部近傍における温度分布を均一にして、熱処理後の結晶内の特性を均一にする熱処理方法及びその装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の構成を採用することにより、上記の課題の解決に成功したものである。
（１）縦型加熱炉の中で、蒸発する構成元素を含む円柱状結晶を熱処理する方法において、前記結晶の上端及び／又は下端に熱移動調節体を接触させて前記結晶端部からの熱移動を調節し、かつ、前記結晶及び熱移動調節体を気密容器に収容した状態で熱処理することを特徴とする結晶の熱処理方法。
【０００６】
（２）縦型加熱炉で蒸発する構成元素を含む円柱状結晶を熱処理する装置において、前記結晶の上端及び／又は下端を円柱状又は円筒状熱移動調節体に接触させて支持し、かつ、前記結晶及び熱移動調節体を気密容器に収容した状態で加熱する構造にしたことを特徴とする結晶の熱処理装置。
【０００７】
(3) 前記結晶の上端及び下端を、熱伝導率及び比熱が前記結晶に近似した材質の円柱状熱移動調節体に接触させ、該円柱状熱移動調節体の上端及び／又は下端を円筒状熱移動調節体で支持する構造にしたことを特徴とする上記(2) 記載の結晶の熱処理装置。
【０００８】
(4) 前記円柱状熱移動調節体の直径を、前記結晶の直径の１／２〜２倍の範囲としたことを特徴とする上記(2) 又は(3) に記載の結晶の熱処理装置。
【０００９】
（５）気密容器をカーボン、ＢＮ、ＰＢＮ、モリブデン、タングステン又はこれらの材料を組み合わせた複合材料で構成したことを特徴とする上記（２）〜（４）のいずれか１つに記載の結晶の熱処理装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、円柱状結晶の上端及び／又は下端を円柱状又は円筒状の熱移動調節体を介して垂直に支持し、縦型加熱炉中で熱処理するすることにより、円柱状結晶の端部からの熱移動を制御することができ、該端部近傍における温度分布を均一に保持することができ、かつ、円柱状結晶の半径方向の温度分布を均一にすることができるため、熱処理後の円柱状結晶全体が均一な特性を保持することができ、結晶の歩留りを向上させることができた。
【００１１】
図１は、本発明の１具体例を示した熱処理装置の断面図であり、結晶インゴットは、石英封入管の底蓋上の石英製の円筒状熱移動調節体に載せ、真空封止した後、３段のヒータを備えた縦型炉に挿入して熱処理される。前記の熱移動調節体を採用することにより、前記インゴットの下面からの熱伝導による放熱を抑制することができ、均一な温度分布の下で熱処理を可能にするものである。
【００１２】
図１の装置おいて、熱移動調節体を省略すると、前記インゴットは石英製の底蓋に直接載せられることになり、その結果、底蓋を介した熱伝導により多量の熱が放散され、インゴットの下端部が冷却された状態で熱処理を受けるため、得られた熱処理後のインゴットの特性が下端部近傍で特に不均一になる。
【００１３】
図２は、本発明の他の具体例を示した熱処理装置の断面図であり、円筒状の気密容器の底に円筒状の熱移動調節体を介して円柱状の熱移動調節体を載せ、その上に結晶インゴットを載せ、さらに、円柱状の熱移動調節体を載せて上蓋をする。一方、３段のヒータを備えた縦型炉を内蔵する真空チャンバを用意し、その中央に前記の気密容器を下軸で支持して配置する。気密容器内を真空に吸引した後、真空のままか、インゴットと反応しない不活性ガスを導入した後、気密容器の上蓋の開口に上軸を押しつけて封止し、熱処理を行うものである。
【００１４】
図２の熱処理装置においては、気密容器をカーボン、ＢＮ、ＰＢＮ、モリブデン、タングステン又はそれらの材質を組み合わせた複合材料で構成することができ、上蓋もカーボンシートを介してボルトで締めつける構造を採用することができるため、繰り返し使用することができる。また、これらの材料は、石英とは異なり、ヒーターの輻射を透過せず、均熱性が良いため、仮にヒーター自体に不均一な温度分布があっても、気密容器自体が均熱体となるため、均一な熱処理が可能となる。なお、上蓋の開口を上軸で封止する面に、カーボンシートを配置して封止をより完全に行うことが好ましい。
【００１５】
気密容器の封止は、容器の上端の周囲に溶融Ｂ₂Ｏ₃を収容する受け皿を設け、釣鐘状の蓋の下端部を前記溶融Ｂ₂Ｏ₃中に浸漬させて気密を保持することも可能である。
【００１７】
本発明の熱移動調節体は、結晶インゴットの性質や熱処理条件を前提に、熱移動の調節目的に応じて材料及び形状が決定されるが、具体的な材料としては、石英、カーボン、ＢＮ、ＰＢＮ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなど、結晶インゴットと同じ組成の多結晶体などを使用することができる。また、熱移動調節体の形状は、円柱体又は円筒体のものを使用することができる。
また、円柱状熱移動調節体の直径は、円柱状結晶インゴットの直径の１／２〜２倍の範囲にすることが好ましい。
【００１８】
【実施例】
〔参考例１〕
図１の熱処理装置を用い、円筒状の熱移動調節体の上にＧａＡｓインゴットを載せて熱処理を行った。インゴットは、７．６ｃｍ径で長さが２０ｃｍの大きさのものを使用した。円筒状の熱移動調節体は外形が７．６ｃｍ、厚さ３ｍｍ、高さ３０ｍｍの石英製のものを使用した。これらを収容する石英封入管は直径が１０ｃｍ、高さが５０ｃｍ、厚さが５ｍｍのものを使用した。熱処理は、９００℃で１０時間熱処理を行ったところ、インゴット内比抵抗のバラツキは、±１．５×１０⁷Ω・ｃｍ以内であり、比抵抗が均一なＧａＡｓ結晶を得ることができた。
【００１９】
なお、比較のために、上記熱移動調節体を使用せずに、結晶インゴットを石英封入管の底蓋上に直接載せて、上記と同様に熱処理を行ったところ、インゴットの下端部近傍で比抵抗値が上昇し、比抵抗のバラツキは、±２．５×１０⁷Ω・ｃｍと大きな値を示した。
【００２０】
〔実施例１〕
図２の熱処理装置を用い、ＧａＡｓインゴットの上下に円柱状の熱移動調節体を配置し、円筒状の熱移動調節体の上に載せて気密容器内に収容して熱処理を行った。インゴットは、１０．２ｃｍ径で長さが２０ｃｍの大きさのものを使用した。円柱状の熱移動調節体は直径が１００ｍｍ、高さが５０ｍｍ、ＰＢＮでコーティングされたカーボン製のものを使用し、円筒状の熱移動調節体は直径が８０ｍｍ、高さが２０ｍｍ、厚さが１ｍｍのＰＢＮ製のものを使用した。気密容器は、直径が１２０ｍｍ、高さが３００ｍｍでＰＢＮコーティングされたカーボン製のものを使用し、ＰＢＮコーティングされたカーボン製の上蓋を、カーボンシートを介して気密容器とボルトで締めつける構造にした。上蓋には開口があり、上軸の先端でカーボンシートを介して封止可能とした。真空チャンバ内には、３段のヒータを備えた縦型炉が備えられており、その中央に前記気密容器を収容した。熱処理は、９００℃で４０時間熱処理を行ったところ、インゴット内比抵抗のバラツキは、±１．２×１０⁷Ω・ｃｍ以内であり、比抵抗が非常に均一なＧａＡｓ結晶を得ることができた。
【００２１】
なお、比較のために、上記の熱移動調節体を使用せずに、気密容器の底に直接置いて、上記と同様に熱処理を行ったところ、インゴットの上下端部近傍で比抵抗値が上昇し、比抵抗のバラツキは、±２．１×１０⁷Ω・ｃｍと大きな値を示した。
【００２２】
〔参考例２〕
図３の熱処理装置を用い、円柱状の熱移動調節体をＢＳＯ結晶インゴットの上下に配置し、その上に円柱状の熱移動調節体を載せて大気中で熱処理を行った。インゴットは、５０ｍｍ径で長さが８０ｍｍのＢＳＯ結晶を使用した。円柱状の熱移動調節体は不透明石英製のものを使用し、インゴットの上に置くものは直径が４０ｍｍ、高さ３０ｍｍで、インゴットを支持するものは直径が７０ｍｍ、高さが４０ｍｍのものを使用した。熱処理は、６００℃で１２０時間熱処理を行ったところ、インゴット内の析出物は全てなくなった。
【００２３】
なお、比較のために、熱移動調節体を使用せずに、結晶インゴットを下軸の上に直接載せて、上記と同様に熱処理を行ったところ、インゴットの上下端の近傍に析出物が残存していることが確認された。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、上記の構成を採用することにより、熱処理する結晶内の温度分布を均一にすることができ、得れた結晶はインゴット全体で均一な物性を得ることができるため、結晶の歩留りを大幅に向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１参考例であり、封入管内で熱処理する装置の断面図である。
【図２】本発明の１具体例であり、気密容器内で熱処理する装置の断面図である。
【図３】本発明の１参考例であり、大気中で熱処理する装置の断面図である。

Claims

縦型加熱炉の中で、蒸発する構成元素を含む円柱状結晶を熱処理する方法において、前記結晶の上端及び／又は下端に熱移動調節体を接触させて前記結晶端部からの熱移動を調節し、かつ、前記結晶及び熱移動調節体を気密容器に収容した状態で熱処理することを特徴とする結晶の熱処理方法。
縦型加熱炉で蒸発する構成元素を含む円柱状結晶を熱処理する装置において、前記結晶の上端及び／又は下端を円柱状又は円筒状熱移動調節体に接触させて支持し、かつ、前記結晶及び熱移動調節体を気密容器に収容した状態で加熱する構造にしたことを特徴とする結晶の熱処理装置。
前記結晶の上端及び下端を、熱伝導率及び比熱が前記結晶に近似した材質の円柱状熱移動調節体に接触させ、該円柱状熱移動調節体の上端及び／又は下端を円筒状熱移動調節体で支持する構造にしたことを特徴とする請求項２記載の結晶の熱処理装置。
前記円柱状熱移動調節体の直径を、前記結晶の直径の１／２〜２倍の範囲としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の結晶の熱処理装置。
気密容器をカーボン、ＢＮ、ＰＢＮ、モリブデン、タングステン又はこれらの材料を組み合わせた複合材料で構成したことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の結晶の熱処理装置。