JPH0243723A - 溶液成長装置 - Google Patents

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】 〔概要〕 溶液成長装置に係り、特に化合物半導体結晶の溶液成長
装置に関し。

均一な組成の化合物半導体結晶を大きい成長速度でしか
も表面欠陥なく成長する溶液成長装置を目的とし。

〔１〕下側支持台１と、基板を配置する上側切除部２１
及び溶液溜となる上側開孔部２２を持つ上側支持台２と
、溶液溜となるスライダ開孔部３１を持ち且つ該下側支
持台及び該上側支持台に接してスライドするスライダ３
とを含む溶液成長装置であって、該上側切除部に成長面
を水平にした成長基板５が配置され、該スライダ開孔部
に成長面を水平から傾けたダミー基Ｆｉ６１乃至６４が
配置されている溶液成長装置と、　〔２〕スライダ３と
成長基Ｆｉ５の間にスペースを形成するスペーサ７が上
側切除部２１に配置されている〔１〕記載の溶液成長装
置と、　〔３〕上の開口は成長基板５の成長面を水平に
して通す形状で下の開口は該成長面を水平にして通さな
い形状の開孔を上側切除部２１として持つ〔１〕記載の
溶液成長装置と。

〔４〕基基板配置部２１１及び該凹部の底から上側支持
台２の上面に抜ける基板吸引開孔部２１２からなる上側
切除部２１を持つ〔１〕記載の溶液成長装置により構成
する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は溶液成長装置に係り、特に化合物半導体結晶の
溶液成長装置に関する。

ＧａＡｓ、　ＩｎＰ、　ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体
は１発光機能１発振機能等、シリコン等の元素半導体で
は得られない数多くの機能を持っており、超高速ＩＣ。

０ＥＩＣ等への応用が見込まれている。

半導体基板に半導体素子を作製する場合、該基板上に該
基板と同種または異種の化合物半導体をエピタキシャル
成長することが行われている。エピタキシャル成長法と
しては、溶液成長法、気相成長法２分子線エピタキシャ
ル成長法、有機金属化学気相成長法等があり、それぞれ
の方法に特長があるため用途に応じて使い分けている。

中でも、溶液成長法は成長させる結晶の融点よりはるか
に低い温度で熱平衡に近い状態で成長を行うことができ
るため、他の方法に比べて構造的に完全性の高い結晶を
得ることができる。

しかし、溶液成長法は成長速度が小さ（、厚い成長層を
得るためには長時間成長を行わなければならず、高温で
の基板結晶の変性といった問題が生じる。そこで、高温
での基板結晶の変性を防止し且つスループットを向上さ
せるため、成長速度を上げる必要がある。

〔従来の技術〕

溶液成長法の原理について、　ＧａＡｓを例にとって説
明する。

第７図はＧａ−Ａｓ系の平衡状態図である。例えば９０
０℃で飽和したＡｓ０）Ｇａ溶液（ａ点）を徐々に例え
ば８００℃まで冷却する。該冷却により溶解度が減少す
るので溶液は過飽和になり、　ＧａＡｓが析出し。

溶液中のＡｓ濃度は液相線に沿って減少し、ｂ点に至る
。

第８図は液相エピタキシャル成長法によく用いられてい
るスライドボート法による従来の溶液成長装置を示す。

該装置は石英管（図示せず）内に配置されている。

固定されたカーボン製の下側支持台ｌに、下側切除部１
１が形成され、そこに下側基板５１が配置されている。

該下側支持台上に溶液溜４となる開孔部を持つカーボン
製のスライダ３が乗せられている。該スライダは石英管
外部から操作棒３２を操作することにより、該下側支持
台１上を左右に移動することができる。この時、該スラ
イダの溶液溜４の中の溶液４１は漏れることなく該スラ
イダとともに移動する。

該溶液溜に成長開始温度で溶液が飽和するように原料と
なるＧａとＧａＡｓを入れておき１石英管内の雰囲気ガ
スを高純度水素ガスに置換する。

次に、成長温度まで昇温すると、　ＧａＡｓがＧａに）
容解して飽和溶液４１ができる。

ここでスライダ３を移動して該溶液が下側基板５１と接
触する位置までもってくる。該溶液は飽和しているので
該基板が該溶液に溶出することも該基板に結晶が析出す
ることもない。

次に、溶液の温度を下げると溶質（Ａｓ）の溶解度が下
がるので、該基板近くの余剰なＧａＡｓが該基板上に析
出し、結晶成長が起こる。所望の１１さまで成長を行っ
た後、さらに該スライダを動かして溶液を該基板から離
し、溶液落とし１２に落として成長を終了する。

温度を下げつつ結晶成長を行っている時、基板に近い溶
液からは基板上にＧａＡｓの析出が起こるため、溶液中
のＡｓ濃度は下がる。しかし、基板から遠い溶液中では
、ある臨界の溶解度に達するまではＧａＡｓの析出が起
こらない。この状態は過飽和または過冷却と呼ばれてい
るが、かかる過飽和が起こるため、溶質の濃度は基板近
くで低く、遠くでは高くなる。この濃度の相違によって
濃度の高い所から濃度の低い所へ溶質が拡散するので基
板上に溶質が輸送され、結晶成長が持続する。

ところで、従来の装置では基板への溶質の補給が拡散現
象のみによって行われているため、成長速度が小さい。

成長速度を上げる方法として、冷却速度を上げて過飽和
度を高める方法があるが。

この場合は溶液中に析出の核が発生し、その核に溶質が
析出するため、溶液の過飽和度はある臨界値より大きく
ならず、成長速度を上げる効果はたいして大きくない。

〔発明が解決しようとする課題〕

溶液成長法は前述のように温度の低下による溶解度の減
少を利用するもので、溶質の割合が数パーセントと低く
、融液成長法に比べると成長速度が小さい。そのため、
厚い成長層を得るためには成長時間が非常に長くなって
しまう。

さらに、基板が高温にさらされる時間が長くなると、蒸
気圧の高い■属や■属の元素の該基板から抜は出る量が
多くなり、成長する結晶の品質が悪くなる。

そこで、スループットを向上し且つ基板の変性を防ぐた
めに成長速度を上げる必要がある。

〔課題を解決するための手段〕

基板への成長速度を上げるために、基板への溶質の供給
を拡散によるものだけでなく、溶液中の対流も利用する
ようにする。

第１図は本発明の溶液成長装置であり、第１図（ａ）、
　　（ｂ）は、それぞれ、上面図、Ａ−Ａ断面図であり
、■は下側支持台、１１は下側切除部１２は溶液落とし
、２は上側支持台、２１は上側切除部、２２は上側開孔
部、３はスライダ、３１はスライダ開孔部、３２は操作
棒、４は溶液溜。

４１は溶液、５は成長基板、５１は下側基板。

６１乃至６４はダミー基板を表す。

上記課題は、　〔ｌ〕下側支持台■と、基板を配置する
上側切除部２１及び溶液溜となる上側開孔部２２を持つ
上側支持台２と、溶液溜となるスライダ開孔部３１を持
ち且つ該下側支持台及び該上側支持台に接してスライド
するスライダ３とを含む溶液成長装置であって、該上側
切除部に成長面を水平にした成長基板５が配置され、該
スライダ開孔部に成長面を水平から傾けたダミー基板６
１乃至６４が配置されている溶液成長装置と。

〔２〕スライダ３と成長基板５の間にスペースを形成す
るスペーサ７が上側切除部２１に配置されている（１）
記載の溶液成長装置と、〔３〕上の開口は成長基板５の
成長面を水平にして通す形状で下の開口は該成長面を水
平にして通さない形状の開孔を上側切除部２１として持
つ〔１〕記載の溶液成長装置と、　〔４〕基基板配置部
２１１及び該凹部の底から上側支持台２の上面に抜ける
基板吸引開孔部２１２からなる上側切除部２１を持つ〔
１〕記載の溶液成長装置によって解決される。

〔作用〕

化合物半導体の溶液は、溶質（Ｇａ＋ＧａＡｓの場合は
Ａｓ）の濃度が低い程比重が大きくなることが知られて
いる。基板に結晶成長を行うために溶液の温度を下げる
と、基板近くの溶液からは該基板上に溶質が析出するた
め、基板近くの溶液は遠くの溶液よりも溶質の濃度が低
くなる。それゆえ、基板近くの溶液の方が比重が大きく
なり、基板を溶液中に立てて成長を行うと、基板近（で
下向きの流れが生じる。そこで９本発明ではかかる流れ
を利用するために、成長基板５を溶液４１の上に成長面
を下にして水平に配置し、ダミー基板６１乃至６４を該
溶液中に成長面を水平から傾けて配置し溶液成長を行う
。

第２図にかかる配置における溶液成長中の対流を示す。

）８液成長中は第２図の矢印に示すような対流が発生し
、成長基板５には過飽和度の高い溶液が常に供給される
ために、成長速度を太き（することができる。

対流を起こさせるためにはダミー基板の成長面は水平面
から傾いて配置することが必要で、垂直に近づくほど対
流の発生が盛んになる。また、複数のダミー基板を配置
するとき、成長基板の成長面に対して対称の位置に配置
するのが対流による溶質の供給を均一にする上から望ま
しい。

溶液の対流は下側切除部１１に配置した下側基板５１上
にも生じるが、該基板に供給される溶液はダミー基板６
１乃至６４に溶質を析出した後の過飽和度の低い）合液
であるため、成長速度は大きくならない。

また、混晶の成長や不純物のドーピングを行う時、溶液
の組成と析出する結晶の組成は必ずしも一致しない、い
わゆる、偏析が生じる。例えば偏析係数の大きい不純物
をトープする場合、成長時には基板近（の溶液中の不純
物は基板に取り込まれる割合が多いため、基板から遠い
溶液よりも不純物の濃度が低くなる。従来の溶液成長装
置では、不純物原子の成長界面までの輸送は拡散だけに
よっていたので、不純物原子の供給が遅い。そのため、
成長する結晶中に取り込まれる不純物の濃度は徐々に低
くなってしまい９組成の均一な結晶が得られない。

本発明の溶液成長装置によれば、溶液中に対流を起こし
溶液の上側に配置した成長基板に不純物濃度の高い溶液
を供給できるので不純物濃度の均一な結晶を成長させる
ことができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例について第１図に示す）合液成長装置
を参照しながら説明する。

スライダ開孔部３１を上側開孔部２２の下に移動して溶
液溜４を形成した後、該スライダ開孔部の四面の側壁に
接触してＧａＡｓのダミー基板６１乃至６４を配置し、
該溜にＧａと原料・になるＧａＡｓを入れる。該ダミー
基板は単結晶でも多結晶でもよい。

上側切除部２１に成長基板５を配置し、下側切除部１１
に下側基板５１を配置する。

石英管内の雰囲気ガスを高純度水素ガスに置換した後で
、９００℃まで温度を上げ、　ＧａにＧａＡｓを溶解す
る。この時、原料ＧａＡｓと共にＧａＡｓ基板表面も）
８解するので、ダミー基板が全部溶解してしまわないよ
うに該ダミー基板の厚さを選ぶ必要がある。

９００°Ｃで２０分間保持し溶液４１を飽和させた後１
スライダ３を矢印の方向に押し、該溶液を成長基板５に
接触させる。さらに２０分間保持し。

該溶液を均質化した後で、毎分０．５℃の割合で冷却し
、結晶成長を行う。

成長終了後、スライダ３を矢印の方向に押して該溶液を
該成長基板から離し、溶１ｍ落とし■２に該溶液を落と
して室温まで温度を下げる。

第３図に本実施例で得られた成長時間と成長膜厚の関係
を示す。成長時間に対して成長膜厚はほぼ直線的に増加
し、溶液の上側に配置した成長基板には下側基板の約２
倍の膜厚の結晶が成長していた。

次に、成長基板５を上側切除部２１に配置する方法につ
いて説明する。

第１図に示した溶液成長装置を組み立てるに際し、まず
下側支持台１上にスライダ３を、該スライダの上に成長
基板５を乗せる。次に、成長基板が上側切除部２１に収
まり且つ該スライダが三方から包まれるように上から上
側支持台２をかぶせて該上側支持台を該下側支持台と一
体化する。

溶液溜４に原料を入れ、加熱し、溶液を作った後スライ
ダ３を動かして該溶液を成長基板の下にもってきて該成
長基板に接触させる。この時、該成長基板の成長面は該
溶液に接触する前にスライダの上面と接触して摩擦する
ので、成長した結晶に点状の、あるいはスライダの移動
方向に延びた線状の異常成長部の発生することがある。

これらの異常成長部は表面の凹凸が激しく、その後の素
子形成の工程でホトマスクの損傷や粉体の発生等の原因
となるので、異常成長部の発生は極力防止する必要があ
る。

そこで、成長基板５をスライダ３に直接接触させない方
法について以下に述べる。

第４図は成長基板の配置法■である。

外周が成長基板５のそれとほぼ等しく、内周が該外周よ
りやや小さく、厚さが０．５＋ｕ程度のスペーサ７を該
成長基板の下に配置して、該成長基板とスライダ３の間
にスペースを形成し、該スペーサ及び該成長基板を上側
切除部２１に配置する。

本配置法では、該スライダを動かして溶液４を該成長基
板の下にもってきた時、スペースがあるために該溶液が
該成長基板に接触しないようにみえる。しかし、溶液の
表面は表面張力により上に凸の形状になり、　０．５　
ａｍ程度のスペースでは該成長基板に接触し、結晶成長
が進行する。

第５図は成長基板の配置法■である。

上側支持台２に上の開口が成長基板５の成長面よりやや
広く、下の開口が該成長面よりやや狭い開孔を形成する
。さらに具体的に述べると、該成長基板の成長面がスラ
イダ３の上面と接触するのを防ぎ、しかも該成長基板の
成長面とスライダ３の上面の間に極く狭いスペースを形
成するため。

幅０．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度のフランジ２３を上
側切除部２１の底部に形成する。

なお、該フランジは該成長基板が下に落ちないように少
なくとも該成長基板より狭い部分を持っていればよく、
下の開口の全周にわたって形成されている必要はない。

該成長基板の上には溶液の表面張力により該成長基板の
浮き上がるのを防ぐため、基板押さえ５２を乗せる。該
基板の自重だけで浮き上がりを防止できる場合は基板押
さえ５２を乗せる必要はない。

第６図は成長基板の配置法■である。

本配置法では、成長基板５の成長面とスライダ３の上面
を接触させないために該基板を上側支持台（２）の上部
から吸引する。上側支持台２に成長基板の厚さよりやや
深い基板配置凹部２１１を形成し、さらに該凹部の底か
ら該支持台の上面に抜ける基板吸引開孔部２１２を形成
し、該開孔部に吸引管８を接続し、該吸引管を石英管の
外部の真空系に接続して排気し、該基板を上側支持台に
吸着させる。かくして、該基板の成長面とスライダの上
面の間に極く狭いスペースが形成される。

成長１ｉ５を配置法１乃至■のようにし、後は前述の実
施例と同様にして成長した結晶の成長表面は平坦で均質
であり、異常成長部は見られなかった。従って、かかる
成長基板配置法は結晶成長の歩留り向上に有効である。

〔発明の効果〕

以上説明した様に３本発明の溶液成長装置によれば、結
晶の成長速度を大きくしてスルーブツトを上げ、且つ平
坦で均質な成長面を持つ結晶を歩留りよく成長すること
ができる。

更に９本発明の溶液成長装置によれば、偏析の小さい混
晶、不純物濃度分布の−様な結晶を成長することができ
る。

本発明は化合物半導体を用いるデバイスの製造に寄与す
るところが大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の溶液成長装置。 第２図は溶液成長中の対流。 第３図は成長時間と成長膜厚。 第４図は成長基板の配置法【。 第５図は成長基板の配置法Ｉ。 第６図は成長基板の配置法■。 第７図はＧａ−Ａｓ系の平衡状態図。 第８図は従来の溶液成長装置 である。図において。 ■は下側支持台。 １１は下側切除部。 １２は溶液落とし。 ２は上側支持台。 ２１は上側切除部。 ２１１は基板配置凹部。 ２１２は基板吸引開孔部。 ２２は上側開孔部。 ２３はフランジ。 ３はスライダ。 ■はスライダ開孔部 ２は操作棒。 は溶液溜 ■は溶液。 は成長基板。 １は下側基板。 ２は基板押さえ ■乃至６４はダミー基板。 はスペーサ は吸引管 落液入炙中０ガ充 第　２　図 上面図 （の 札シそ９月１ｆＩ３宮ゑ多、７戎長ぜマＹ。 篤　Ｉ　図 バ　長　滑莫　厚 （／′Ｉ　） 戚長羞抜ｎ配ｌ壕Ｔ 第　４　ｍ へ表基級の配！潰■ 第 図 Ａ長羞級Ａ配ｊ３ム ■ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕下側支持台（１）と、 基板を配置する上側切除部（２１）及び溶液溜となる上
   側開孔部（２２）を持つ上側支持台（２）と、 溶液溜となるスライダ開孔部（３１）を持ち且つ該下側
   支持台及び該上側支持台に接してスライドするスライダ
   （３）とを含む溶液成長装置であって、 該上側切除部に成長面を水平にした成長基板（５）が配
   置され、該スライダ開孔部に成長面を水平から傾けたダ
   ミー基板（６１乃至６４）が配置されていることを特徴
   とする溶液成長装置。 〔２〕スライダ（３）と成長基板（５）の間にスペース
   を形成するスペーサ（７）が上側切除部（２１）に配置
   されていることを特徴とする請求項〔１〕記載の溶液成
   長装置。 〔３〕上の開口は成長基板（５）の成長面を水平にして
   通す形状で、下の開口は該成長面を水平にして通さない
   形状の開孔を上側切除部（２１）として持つことを特徴
   とする請求項〔１〕記載の溶液成長装置。 〔４〕基板配置凹部（２１１）及び該凹部の底から上側
   支持台（２）の上面に抜ける基板吸引開孔部（２１２）
   からなる上側切除部（２１）を持つことを特徴とする請
   求項〔１〕記載の溶液成長装置。