JPH02217387A

JPH02217387A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH02217387A
Application number: JP3588889A
Authority: JP
Inventors: Kiyoteru Yoshida; 清輝吉田; Yuzuru Suzuki; 譲鈴木; Masuo Nakayama; 中山　益男; Toshio Kikuta; 俊夫菊田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1990-08-30
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JP2542435B2

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、解離圧の高い化合物半導体の結晶を成長させ
る結晶成長方法に関し、特に、そのような化合物半導体
の融液を収容するアンプルが破壊しないように、高圧容
器内の圧力を制御しながら結晶を成長させる結晶成長方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は、従来の結晶成長装置の一例を示した図である
。

高圧容器ｌは、出入口１ａからアルゴン（Ａ「）ガス等
の不活性ガスが吸・排気されて内部圧力を調整すること
ができる。この高圧容器１の内部には、石英アンプル２
が水平に配置されている。

石英アンプル２は、内部が真空に保たれており、一端側
には燐等の揮発性元素３が配置され、他端側にはボート
４が配置されている。ボート４内には、インジウム等の
金属元素５が収容され、ボート４の一端側にはシード（
種子結晶）６が配置され、さらにその低温側には、ヒー
トシンク７が設けられている。

石英アンプル２の外周には、内部の揮発性元素３の蒸気
圧を制御する低温側電気炉８と、所定の温度プロファイ
ルでボート４側を加熱する高温側電気炉９とが配置され
ている。また、石英アンプル２の低温側および高温側の
端部は、断熱材１０゜１１で覆われている。

つぎに、従来の結晶成長装置における結晶成長の動作お
よび圧力制御について説明する。

石英アンプル２内で、燐等の揮発性元素３を蒸発させ、
それをボート４内のインジウム等の金属元素５に拡散さ
せることにより、燐化インジウム等の融液を作製する。

つぎに、石英アンプル２内の揮発性元素圧、ここでは燐
圧がｉｏ＝１５ａｔｍ程度になるように低温側電気炉８
の温度を調節し、出入口１ａからアルゴンガスを供給し
て、石英アンプル２内と同等の圧力を高圧容器１内に印
加し、圧力バランスをとりながら、高温側電気炉９の温
度を１０００”Ｃ−１０５０℃程度に調節し、所定の温
度プロファイルをつくる。

この状態で、石英アンプル２を左方向に移動さセるか、
または、高温側電気炉９を右方向に移動させ、ボート４
内に燐化インジウムの結晶を成長させていく、このとき
、ヒートシンク７でシード６からの熱を取り込み、ボー
ト４内にシード６側から結晶を成長させていく。

上述した従来の結晶成長装置のように、横型ボート法に
より燐化インジウムの小結晶を成長させる場合には、燐
圧の制御は、石英アンプル２の焼室部の温度を、熱電対
などの温度センサ１２を用いて検出し、その検出値を圧
力換算し、燐の圧力と平衡する不活性ガスの圧力を、石
英アンプル２の外側に配置された高圧容器ｌ内に導入す
ることにより、石英アンプル２の内外の圧力バランスを
とっていた。

また、これとは別に、石英アンプル２の焼室部に、石英
アンプル２の歪みを検出するゲージを取り付けて、石英
アンプル２の内部圧力を直接読み取って、高圧容器ｌ内
の圧力が、石英アンプル２内の圧力と平衡するように不
活性ガスを導入する方法も考えられる。

［発明が解決しようとする課題〕前者のように、温度センサ１２を用いて揮発性元素３の
温度を求めて、その温度に基づいて圧力換算し、石英ア
ンプル２の外圧とバランスをとる場合に、最適な温度の
測定位置を知ることが困難であった。

一方、後者のように、石英アンプル２の焼室部の歪みを
測定して、直接圧力を読み取る場合には、検出精度が悪
いという問題があった。

本発明の目的は、解離圧の高い化合物半導体を閉管法を
用いて結晶成長を行う際に、融液を収容するアンプルが
破壊するのを防止するとともに、安定な結晶成長を行う
ことができる結晶成長方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本件発明者等は、温度センサの設置位置を工夫して、そ
の温度センサからの測定値に基づいて、全成長プロセス
における圧力制御を行うことにより、前述の課題を解決
できることを見出して、本発明をするに至った。

すなわち、本発明による結晶成長方法は、高圧容器内に
配置された低温側加熱部と高温側加熱部の中に、低温側
に揮発性元素を置き高温側に金属元素を収容したボート
を置いたアンプルを挿入し、前記揮発性元素と前記金属
元素の化合物の融液から所定の温度プロファイルにより
結晶を成長させる際に、前記アンプル内の揮発性元素圧
力と前記アンプルの外側の圧力との圧力制御をしながら
結晶を成長させる結晶成長方法において、前記揮発性元
素が置かれた位置の最下部の温度を検出する第１の温度
センサと、前記第１の温度センサと略水平の位置で前記
揮発性元素から高温側に所定の距離だけ離れた位置の温
度を検出する第２の温度センサとを設け、昇温プロセス
では前記第１の温度センサの検出値に対応する揮発性元
素圧力よりも高くなるように前記高圧容器内の不活性ガ
スの圧力を制御し、結晶成長プロセスでは前記第１の温
度センサの検出値に対応する揮発性元素圧力と略一致す
るように前記高圧容器内の不活性ガスの圧力を制御し、
冷却プロセスでは前記第１の温度センサの検出値に対応
する揮発性元素圧力と略−致するように制御し所定の時
間経過するかまたは所定の温度に達したのちに前記第２
の温度センサの検出値に対応する揮発性元素圧力と略一
致するようにシフトして前記高圧容器内の不活性ガスの
圧力を制御するように構成されている。

〔作用〕

本発明は、揮発性元素の最下部とそれよりも高温側の２
箇所に温度セ・ンサを配置して、昇温、結晶成長、冷却
の各プロセスごとに温度センサの測定値を選択し、アン
プルの外圧の制御に使用するので、精密な圧力側′４１
−をすることができる。

〔実施例〕

以下、図面等を参照して、実施例につき、本発明の詳細
な説明する。

第１図は、本発明による結晶成長方法を実施するための
装置を示した図、第２図は、同装置の温度プロファイル
を示した図、第３図〜第５図は、同装置の各温度センサ
の測定値とアンプルの外圧に対応する温度との関係を示
した図である。

なお、この実施例では、前述した従来例と同様な機能を
果たす部分については、同一の符号を付して説明する。

本発明では、温度センサ１３〜１５を配置して石英アン
プル２の揮発性元素３付近の温度を検出している。

温度センサ１３は、石英アンプル２に置かれる揮発性元
素３の最上端に配置されている。温度センサ１４は、揮
発性元素３の最下端に配置されている。Ａ度センサ１５
は、温度センサ１４と略水平な位置であって、揮発性元
素３の高温側に所定の距離を隔てた、ヒートシンク７の
左端付近に配置しである。これらの温度センサ１３〜１
５としては、例えば、熱電対を用いることができる。各
温度センサ１３〜１５の出力は、圧力コントローラ１６
に接続されている。

圧力コントローラ１６は、各温度センサ１３〜１５で検
出された温度を、次に示すようなハックマン（Ｂａｃｋ
ｓａｎｎ）の式に基づいて圧力換算する。

バックマンの式は、絶対温度をＴ　（Ｋ）　、圧力をＰ
（ａＬｍ）とした場合に、１ｎＰ−一α／Ｔ十β　　　　　　　・・・式（１）の
関係を満足する。ここで、α、βは定数であって、燐の
場合には、α＝（１０，８±０．４）ｘ１０３、β＝　
Ｉ　Ｇ、　５±０．６が通用される。

圧力コントローラ１６の出力は、ＩＩｆｎ弁１７弁接７
されており、不活性ガス源１８からの昇圧された不活性
ガスを、高圧界ａｌ内に導入して、前述のようにして換
算された揮発性元素３の圧力と平衡するように圧力制御
する。

つぎに、第３図〜第５図を主に参照して、各温度センサ
１３〜１５の設置位置と、圧力コントローラ１６で制１
ｆｆｌされる昇温、結晶成長、冷却の各プロセスについ
て説明スる。

第３図〜第５図において、Ａは温度センサ１３の測定値
を示す曲線、Ｂは温度センサ１４の測定値を示す曲線、
Ｃは温度センサ１５の測定値を示す曲線、Ｄはアルゴン
ガスの圧力側ｉｎの設定値を示す曲線であって、図中で
はバックマンの式により温度に換算した値を示している
。

昇温プロセスでは、燐圧のモニタとして温度センサ１４
で測定される温度（曲線Ｂ）を使用し、その測定値より
もｔ′Ｃ高い温度（この実施例では、圧力に換算して３
ａｔｍ）の曲線りに対応させて（圧力に換算して）、高
圧容器ｌに導入するアルゴンガスの圧力を制御する（第
３図）。

また、結晶成長プロセスでは、燐圧のモニタとして温度
センサ１４で測定された温度（曲線Ｂ）と略等しい値を
使用して、アルゴンガスの圧力を制御して（第４図）、
温度勾配凝固法により、第２図に示すような温度プロフ
ァイルＥを、矢印Ｆ方向に移動させながら結晶を成長さ
せる。

昇温および結晶成長プロセスで、燐圧のモニタとして、
温度センサ１４の測定値を用いる理由は以下の通りであ
る。

燐化インジウムの場合に、昇温プロセスにおける温度上
昇率は約５０°Ｃ／　Ｈｒである。大気圧中では、低温
側の均熱は５０ｃｍで５°Ｃ以内であるが、高圧容器１
内にアルゴンガスが導入されるとともに、熱対流が増加
して均熱がくずれ、温度差が生じてくる。すなわち、温
度センサ１３と温度センサ１４で検出した温度差は、最
終的には測定温度上では４５℃程度、すなわち１５°Ｃ
／　ｃ　ｍまで広がってしまう、ｖ４圧は、５４５°Ｃ
付近では１°Ｃで０．３気圧程度変わるので、４５°Ｃ
変わると１５気圧以上の圧力変化が生じてしまう、した
がって、測定温度が正確でないと、石英アンプル２は爆
発する可能性がある。

また、石英アンプル２は、この実施例では、内径７６ｍ
ｍφ、肉厚３ｍｍ程度のものを使用したが、この場合に
は、１０００℃以上の温度下で、４気圧以上の圧力差が
生ずると、石英アンプル２が爆発してしまうことが経験
的に分かった。

このため、温度センサ１３に加えて、温度センサ１４を
設けることが、石英アンプル２内の燐圧を決定するのに
最適であるという結論を得た。

つまり、温度センサ１３のみを、燐圧の測定に用いた場
合に、結晶成長中の温度は、高温側電気炉９の冷却とと
もに、１５°Ｃ程度と大きく変動する傾向にある。この
とき、温度センサ１３が設けられた位置の温度は、５８
０°Ｃに設定しである。

温度分布を測定した結果より、石英アンプル２内の燐室
部の温度を５４５°Ｃとしたときに、温度センサ１３の
位置の温度を５８０°Ｃ程度にすることが妥当であるこ
とが確認できた（第３図）。

また、温度センサ１３で検出した温度を燐圧のモニタ温
度とした場合に、第４図に示すように、温度センサ１３
の温度（曲線Ａ）は非常に不安定であることがわかった
。さらに、温度センサ１３の温度をモニタ温度とした場
合に、結晶成長が終了したのちに、石英アンプル２の形
状に微小な変化がみられた。したがって、温度センサ１
３で測定した温度（曲線Ａ）のみで、燐圧を制御するこ
とが妥当でないことがわかった。そこで、温度センサ１
４により測定した温度（曲線Ｂ）で、燐圧をモニタする
ことにした。結晶成長中の温度センサ１４により測定し
た温度変化は、十分に小さいので、この温度にアルゴン
ガスの圧力を設定すれば、安定した制御ができることが
わかる。

したがって、温度センサ１４の温度が５４５℃の場合に
、バックマンの式より換算すると２７気圧となるので、
高圧容器ｌ内のアルゴンガスの圧力を２７気圧に制御し
て、結晶の成長を行うようにすればよい。

なお、第１図に示すように、揮発性元素３である固体燐
の高さを、温度センサ１３の位置に一定に保つことが、
温度センサ１４で測定する温度の安定性がよい、このた
め、結晶成長中の温度で、燐固体が温度センサ１３の位
置になるように、当初の燐固体の量（二点鎖線で示しで
ある）を設定すればよい、つまり、？ｍ　４１センサ１
３は、温度センサ１４で測定される温度を常に一定に保
つために、ｌｌ！１度センサ１３，１４間の温度差を一
定にする目安としての役割を果たしている。

また、昇温プロセスで、温度センサ１４で測定された値
よりも、高い値に設定するのは、温度変化率が高いので
、安全性を高めるためである。

以上説明したように、’ｔＦＪ度センサ１４で検出した
温度に基づいて昇温プロセス、結晶成長プロセスでの圧
力を制御した場合に、結晶成長が總了したのちに、石英
アンプル２の変形は全く認められなかった。

つぎに、冷却プロセスでの圧力制御について説明する。

冷却プロセスでは、第５図に示すように、温度センサ１
４，１５を用いて圧力の制御を行う、温度センサ１４で
測定される温度が５２０　’Ｃに到達するまで（時間的
には、成長終了から５時間程度経過するまで）は、温度
センサ１４で測定される温度（曲線Ｂ）を基にして圧力
換算した値で、アルゴンガスの圧力制御を行い、その後
は、温度センサ１５にシフトして、温度センサ１５で測
定される温度（曲線Ｃ）を基にして圧力換算した値で、
アルゴンガスの圧力制御を行う。

温度センサ１４から温度センサ１５にシフトさせる理由
は、つぎの通りである。冷却プロセスでは、温度センサ
１４で検出した温度をそのまま圧力に換算して、これと
平衡するようにアルゴンガスの圧力を下げれば、燐圧と
の圧力バランスをくずすことな（冷却できると考えられ
る。しかしながら、実際には、温度センサ１４が５００
°Ｃの温度に達した時点（温度センサ１５の温度が約５
２０°Ｃ）でアルゴンガスの抜き過ぎにより、石英アン
プル２が破裂する方向にクラックが入ることがわかった
。また、温度分布を測定した結果あるいは石英アンプル
２内に付着した燐の状態により、石英アンプル２の高温
側からの燐のもどりは予想以上に遅く、燐圧を決定する
温度は、温度センサ１４の測定値からでは得られず、温
度センサ１５の測定値にシフトさセなければならないこ
とがわかった。

以上説明したような冷却プロセスをとることにより、燐
蒸気圧とアルゴンガスの圧力バランスをとることができ
、石英アンプル２を全く破壊することな（、結晶を成長
させることができた。

以上詳しく説明した実施例にとられれることなく、種々
の変形を施すことができる。

この実施例では、３箇所に１つずつ温度センサを設置し
て、各プロセスごとにそれらの温度センサを選択して使
用し、圧力バランスをとる例を説明したが、各箇所に複
数の温度センサを設け、より精度よく温度測定するよう
にしてもよい。

また、この実施例では、ＩｎＰの結晶成長について説明
したが、他の化合物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＡｓ
、ＧａＰ、１ｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や
、■−■族化合物半導体等の結晶成長にも適用すること
ができる。

昇温プロセスの途中までは、温度センサ１３の測定値に
基づいて圧力制御を行ってもよい。

〔発明の効果〕

以上詳しく説明したように、本発明によれば、複数箇所
に温度センサを設け、昇温、結晶成長、冷却の各プロセ
スにおいてそれらの温度センサの測定値を選択的に用い
て、融液を封入するアンプルの外圧の制ｉｌｌを行うの
で、解離圧の高い化合物半導体を融液から成長さ仕る場
合でも、そのアンプルを破壊することなく、安定した結
晶成長をさせることができる。

したがって、工業的に歩溜まりを高め、生産性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による結晶成長方法を実施するための
装置を示した図、第２図は、同装置の温度プロファイル
を示した図、第３図〜第５図は、同装置の各ｌ！１度セ
ンサの測定値とアンプルの外圧に対応する温度との関係
を示した図である。第６図は、従来の結晶成長装置の一例を示した図である
。ｌ・・・高圧容器３・・・揮発性元素５・・・金属元素７・・・ヒートシンク９・・・高温側電気炉１１・・・高温側断熱キイ１３〜１５・・・温度センサ１６・・・圧力コントローラ１７・・・電磁弁

Claims

【特許請求の範囲】

高圧容器内に配置された低温側加熱部と高温側加熱部の
中に、低温側に揮発性元素を置き高温側に金属元素を収
容したボートを置いたアンプルを挿入し、前記揮発性元
素と前記金属元素の化合物の融液から所定の温度プロフ
ァイルにより結晶を成長させる際に、前記アンプル内の
揮発性元素圧力と前記アンプルの外側の圧力との圧力制
御をしながら結晶を成長させる結晶成長方法において、
前記揮発性元素が置かれた位置の最下部の温度を検出す
る第１の温度センサと、前記第１の温度センサと略水平
の位置で前記揮発性元素から高温側に所定の距離だけ離
れた位置の温度を検出する第２の温度センサとを設け、
昇温プロセスでは前記第１の温度センサの検出値に対応
する揮発性元素圧力よりも高くなるように前記高圧容器
内の不活性ガスの圧力を制御し、結晶成長プロセスでは
前記第１の温度センサの検出値に対応する揮発性元素圧
力と略一致するように前記高圧容器内の不活性ガスの圧
力を制御し、冷却プロセスでは前記第１の温度センサの
検出値に対応する揮発性元素圧力と略一致するように制
御し所定の時間経過するかまたは所定の温度に達したの
ちに前記第２の温度センサの検出値に対応する揮発性元
素圧力と略一致するようにシフトして前記高圧容器内の
不活性ガスの圧力を制御するように構成したことを特徴
とする結晶成長方法。