JPH0286121A - 化合物半導体の気相成長装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ガリウムを構成元素とする化合物半導体結晶
を製造する技術に係わり、特に金属ガリウムを原料とす
る化合物半導体の気相成長装置に関する。

（従来の技術） 化合物半導体、例えば■−■族化合物半導体の気相成長
法としては、■族元素とＶ族元素の塩化物との化学反応
を利用したクロライド法や、■族元素と塩化水素ガス（
ＨＣＩ）との化学反応を利用したハイドライド法等があ
り、いずれの方法も■族元素の融点より高温での反応を
利用している。ＩｎＧａＡｓＰをハイドライド法で成長
させる場合を例にとると、約８００℃でソースボート内
の金属ガリウム、金属インジウムに独立にそれぞれ塩化
水素ガスを流し、 Ｇ　ａ　＋ＨＣ１＝Ｇ　ａ　Ｃｌ　＋　　１／２Ｈ２Ｉ
ｎ＋ＨＣｌ−”ＩｎＣｌ＋　　１／２Ｈ２の反応を起こ
させ、別のラインから導入するホスフィン（ＰＨ３）、
アルシン（ＡＳＨ３）を塩化物として輸送された塩化ガ
リウム、塩化インジウムと反応させることにより、約７
００℃に設定された基板上に成長を行っている。

第５図は従来の気相成長装置の概略構成を示す断面図で
あり、図中５０は反応管、５２．５３はガリウムやイン
ジウム等を収容したソースボート、５５は基板、５７は
加熱ヒータ、６１，６２゜６３はガス供給管を示してい
る。この装置では、ヒータ５７によりソースボート５２
．５３内のガリウム及びインジウムを加熱溶融させ、ガ
ス供給配管６１．６２からＨ２，ＨＣＩを供給すると共
にガス供給配管６３からＰＨ３やＡｓＨ，等を供給する
ことにより、基板５５上に化学気相成長により化合物半
導体結晶、例えばＩｎＧａＡｓＰが形成されることにな
る。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、化合物半導体結晶の成長が終了すると
、ヒータの電源が切られ、ソースボートは室ａ（約２０
℃）まで冷却されてこの温度に維持される。通常、ソー
スボートには数１０回の成長が行える量のガリウム及び
インジウムが最初に供給される。以後、それらの原料が
無くなるまで高温・低温という熱サイクルが繰り返され
る。

この間、インジウムは液体・固体という変化を繰り返す
が、ガリウムは一度昇温すると、次に室温に戻しても固
体には戻らない。ガリウムの融点は３０℃であるが、−
旦溶融状態になったら室温に戻しても、過冷却の状態で
液体のままであり続ける。

従って、ソースボートに入れたガリウムが振動を受ける
と、ガリウムがソースボートから流出するという欠点を
有する。卑近な例でいえば、振動の種類として地震が上
げられ、上記の流出は震度３ないしはそれ以上の地震で
容易に起こる。

流出してガスの下流側に広がったガリウムは、インジウ
ム収納室を通ったガスの回り込みやＶ族原料ガスの逆拡
散等の影響を受けて所望の組成の化合物半導体結晶を得
ることができなくなる。元の状態に復元するには、流出
したガリウムを完全に除去することが必要であり、その
後、デバイス用結晶を成長するためには反応管洗浄と成
長条件のチエツクが不可欠となる。このため、装置稼働
率が著しく低下することになる。

また、この種の装置は、朝に昇温しで成長を行い、夕に
は降温するのが通常である。従って、加熱されている時
間より室温になっている時間の方が長いことになり、室
温状態になっているときに地震に合う確率の方が大きい
。これは経験的にも合致している。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、ガリウムを構成元素の一つとする化合
物半導体結晶を気相成長する装置にあっては、成長を終
えた後にガリウムが室温まで冷却されても固化しないこ
とにより、地震等によってガリウムがソースボートから
流出する問題があり、装置稼働率の低下を招く虞れがあ
った。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、結晶成長後の室温時に地震等によっ
て液体ガリウムがソースボートから流出するのを防止す
ることができ、装置稼働率の低下を抑えることのできる
化合物半導体の気相成長装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、結晶成長後の室温状態における液体ガ
リウムを速かに固化することにある。

即ち本発明は、少なくともガリウムソースボートを備え
た反応管内に被処理基板を配置し、ソースボート内のガ
リウムを加熱溶融すると共に反応骨内に所定のガスを流
して、基板上にガリウムを（１４成元素の一つとする化
合物半導体結晶を成長形成する気相成長装置において、
前記化合物半導体結晶の成長時に加熱溶融された液体ガ
リウムを、成長後に強制的に固化する手段を設けるよう
にしたものである。

また本発明は、上記固化する手段として、ガリウムソー
スボート内又は該ソースボートの近傍に冷却液を通流す
る冷却管を設ける、ガリウムソースボートを収容したガ
リウム収容室内に流すガスを冷却する、又はガリウムソ
ースボート内に固体ガリウムを導入するようにしたもの
である。

（作　用） 本発明によれば、−旦加熱溶融され室温まで冷却された
液体状態にあるガリウムを、さらに冷却する又は固体ガ
リウムを投入する等の手段により、強制的に固化するこ
とができる。従って、装置を稼働していない状態におけ
る地震等による液体ガリウムのソースボートからの流出
を未然に防止することができ、装置稼働率の向上をはか
り得る。

ここで、液体ガリウムの固化は、液体ガリウムを室温以
下の温度、例えば０℃以下に冷却すれば速やかに達成さ
れる。そして、−度固化すると、室温（２０℃）では再
び溶解（融点的３０℃）することはないので、冷却を続
ける必要はない。また、液体ガリウム中に固体ガリウム
を供給することにより、この固体ガリウムを核として液
体ガリウムの同化を促進させることができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる気相成長装置の
概略構成を示す断面図である。図中１０は石英ガラス等
からなる反応管であり、この反応管１０内の左側は仕切
板１１により上下に分離されている。そして、上側の部
屋にはガリウムを充填した石英ガラス製のソースボート
１２が収容され、下側の部屋にはインジウムを充填した
石英ガラス製のソースボート１３が収容されている。ま
た、反応管１０内の右側には基板ホルダ１４に取り付け
られたＩｎＰ基板１５が収容されてる。

反応管１０には該反応管１０内に塩化水素ガス及び水素
ガスを導入するためのガス供給配管２１゜２２が接続さ
れ、さらにホスフィン（ＰＨｓ）とアルシン（ＡＳＨ３
）を導入するためのガス供給配管２３が接続されている
。ここで、配管２１はガリウムソースボート１２が収容
された部屋に接続され、配管２２はインジウムソースボ
ート１３が収容された部屋に接続されている。さらに、
配管２３は反応管１０内で上記２つの部屋を通過した領
域まで延長されている。

また、反応管１０にはガス排気のための排気用配管１６
が接続されており、反応管１０内に導入されたガスはこ
の配管１６を介して排気されるものとなっている。反応
管１０の外部には、ソースボート１２．１３内の原料及
び基板１５を加熱するための加熱ヒータ１７が設置され
ている。なお、このヒータ１７はソースボート１２．１
３と基板１５とを独立に温度制御できる構造となってい
る。

ここまでの構成は従来装置と同様であり、本実施例装置
がこれと異なる点は、ガリウムソースボート１２を冷却
するための冷却管３０を設けたことにある。即ち、ガリ
ウムソースボート１２の底部には冷却管３０が取り付け
られており、この冷却管３０はアルコール等の冷媒を通
流させることによりソースボート１２を冷却するものと
なっている。

第２図はこの冷却管３０を具体的に示す図である。冷却
管３０は、導管を蛇行させて密に配置した冷却管本体３
１と−この本体３１に接続された供給配管３２及び排出
配管３３とから形成されている。冷却管本体３１は前記
ソースボート１２の底部に取り付けられ、各配管３２．
３３は反応管１０の外部に導出されている。配管３２．
３３の導出端には、バルブ３４．３５がそれぞれ接続さ
れ、配管３３とバルブ３５との間には３方弁３６が挿入
されている。

そして、図示しない恒温槽から例えば−２０℃に保った
エチルアルコール（冷却媒体）が、バルブ３４及び配管
３２を介して冷却管本体３１内に供給される。冷却管本
体３１を通流した冷却媒体は配管３３及びバルブ３５を
介して恒温槽に戻る。

つまり、冷却管本体３１に冷却媒体が循環されるものと
なっている。また、３方弁３６には冷却管本体３１内の
冷却媒体を外部に排出するための配管３７が接続されて
いる。

このように構成された本装置においては、ガリウム及び
インジウムは固体の状態でソースボート１２．１３内に
それぞれ充填される。成長を開始するには、ヒータ１７
によりソースボート１２゜１３及び基板１５を加熱する
と共に、配管２１゜〜、２３からＨＣ１，Ｈ２、ＡｓＨ
３、ＰＨ３等のガスを反応管１０内に導入する。これに
より、ＩｎＰ基板１５の表面でガスの化学反応が生じ、
基板表面に例えばＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ結晶が堆積される
ことになる。なお、成長に供されなかったガスは配管１
６を介して外部に排気される。

ここで、ソースボート１２内に充填されたガリウムは、
−度成長に供されると約８００℃に加熱されるために液
体となり、成長が終了して反応管１０内が室温（約２０
℃）に下がっても固体に変化しない。ガリウムの融点は
３０℃なので、いわゆる過冷却の状態である。このまま
では、前述したように地震等による液体ガリウムの流出
を招くので、本装置では次のようにして液体ガリウムを
固化している。

まず、反応管１０内の温度が３０℃以下になっているこ
とを確認後、バルブ３４．３５を共に開き、切り替えバ
ルブ３６を冷却管側にし、冷却管３０内に冷却媒体（温
度−２０℃のエチルアルコール）を循環させる。この冷
却媒体の循環によりソースボート１２内の液体ガリウム
は急速に冷却され、その結果、液体ガリウムを約１０分
で固化させることができた。液体ガリウムの固化後、バ
ルブ３４゜３５を閉じ、切り替えバルブ３６を排出配管
側に切り替えると、通常の成長状態になる。成長はこの
状態で行い、冷却管３０中に閉じ込められた冷却媒体は
配管３７を通って蒸発することになる。

室温では固体ガリウムが液体に変化することはなかった
。成長終了後、毎回、液体ガリウムを固化させる手続き
を行うが、このために要する時間は１５分程度であった
。

冷却管３０を付設してから半年の間に震度３以上の地震
を２回経験した。冷却管３ｏを付けていない同型気相成
長装置のガリウムは２回ともソースボート１２から下流
側に流出し、回復するまでに各々３日を要したが、本実
施例の装置ではガリウムは完全に固化されており、流出
は起こらなかった。また、冷却管３０を付設する前と後
で成長したＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ成長結晶のバックグラウ
ンド不純物濃度、界面の急峻性を調べたが、同等有意差
は認められなかった。さらに、成長条件の再現性にも聞
届はなかった。

かくして本実施例によれば、ガリウムソースボート１２
の直下に石英冷却管３ｏを設け、この冷却管３０にエチ
ルアルコール等の冷却媒体を一２０℃で循環させること
により、液体ガリウムを容易に固化させることができる
。そして、液体ガリウムを固化させるための手順は極め
て簡単であり、従来の炉停止工程の中に吸収される程度
であった。

従って、地震等によりソースボート１２から液体ガリウ
ムが流出するのを未然に防止することができ、装置可動
率の向上をはかることができる。また、従来装置に冷却
管３０を付加するのみの簡易な構成で実現し得る等の利
点もある。

第３図は本発明の第２の実施例の要部構成を示す図であ
る。なお、第１図及び第２図と同一部分には同一符号を
付して、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した第１の実施例と異なる点は、
ガリウムソースボート直下に冷却管を設けるのではなく
、ガリウムソースボート内に冷却管を設けたことにある
。即ち、ガリウムソースボート１２の底板に冷却媒体の
流路となる冷却管本体３１が設けられ、この冷却管本体
３１に接続される配管３２．３３は反応管外部に導出さ
れている。ここで、配管３２．３３は、反応管１０に直
接溶接されている外管３８内を挿通され、コネクタ３９
を介して外部と接続される。

このような構成においても、結晶成長後、炉を冷やし反
応管１０の温度が３０℃以下になっていることを確認し
てからガリウムソースボート１２内の冷却管３０に一２
０℃のエチルアルコールを循環させ、液体ガリウムを固
化させる。この場合、冷却管３０がガリウムソースボー
ト１２内にあることから、冷却効率が上がり、約５分で
液体ガリウムを固化させることができた。従って、先の
実施例と同様の効果が得られるのは勿論のこと、より短
時間で液体ガリウムを固化できる利点がある。

第４図は本発明の第３の実施例の概略構成を示す断面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した第１の実施例と異なる点は、
冷却管を用いる代わりに、ガリウムソースボートを収容
した部屋内に流すガスを冷却することにある。即ち、配
管２１には２つの３方弁４１．４２を介してバイパス管
４３が並列接続されており、このバイパス管４３は容器
４４内に収容された液体窒素４５内に浸漬されている。

このような構成であれば、結晶成長後、反応管の温度が
３０℃以下になっていることを確認して、配管２１を流
れているガス（Ｈ２）を３方弁４１゜４２で切り替えて
バイパス管４３側に流す。液体窒素温度のバイパス管４
３を流れたキャリアガスは、反応管１０との接続部付近
で０℃以下になっていることが確認された。この冷却さ
れたガスは、ソースボート１２内の液体ガリウムを急速
に冷却し、これにより液体ガリウムを約５分で固化する
ことができた。

液体ガリウムの固化後、バイパス管４３を流れていたガ
スを３方弁４１．４２を切り替えて、配管２１側にキャ
リアガスを流すと、通常の成長状態になり、反応管１０
内を流れるガスは室温となった。成長終了後、毎回、液
体ガリウムを固化させる手続きを行うが、このために要
する時間は１０分程度であった。

かくして本実施例によれば、キャリアガスを導入する配
管１２にバイパス管４３を接続し、このバイパス管４３
の一部を冷やす構成としているので、液体ガリウムに冷
却媒体を直接接触させることになり、これにより液体ガ
リウムを容易に固化させることができる。ここで、バイ
パス管４３を用いた理由は、成長に用いるガスの流路を
変えることな〈従来の成長条件を維持できるため、さら
にバイパス管４３は冷却効率を上げるためにある程度長
く取りたいためである。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、第１の実施例における冷却管をソースボ
ート外に設ける場合、必ずしもソースボート直下に限る
ものではなく、ソースボート近傍にあってガリウムから
十分な吸収熱を奪える位置であればよい。さらに、冷却
媒体としては、エチルアルコールに限定されるものでは
なく、各種の液体又は気体を用いることができる。但し
、液体ガリウムを速やかに固化するためには０℃以下で
冷却する必要があり、冷却媒体としては一２０℃程度で
も凍結しないものが望ましい。また、第２の実施例にお
けるバイパス管を設ける代わりに、従来のガス供給配管
を直接冷却するようにしてもよい。さらに、配管又はバ
イパス管を冷却する冷却媒体としては、液体窒素以外に
、ドライアイス等を用いることもできる。

また、液体ガリウムを固化する手段としては、冷却する
代わりに、液体ガリウム中に固体ガリウムを投入するよ
うにしてもよい。この場合、投入した固体ガリウムが核
となり液体ガリウムの固化を促進することになる。また
、前記成長する化合物半導体はＩｎＧａＡｓＰに限るも
のではなく、金属ガリウムをソースとして用いる各種の
化合物半導体に適用することができる。さらに、ハイド
ライド法以外に、クロライド法においても適用できるの
は勿論である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、室温状態における
液体ガリウムを強制的に固化することができるので、地
震等によって液体ガリウムがソースボートから流出する
のを防止することができ、装置稼働率の低下を抑えるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる結晶成長装置の
概略構成を示す断面図、第２図は上記装置の要部構成を
示す図、第３図は本発明の第２の実施例の要部構成を示
す図、第４図は本発明の第３の実施例の概略構成を示す
断面図、第５図は従来装置の概略構成を示す断面図であ
る。 １０・・・反応管、１１・・・仕切板、１２．１３・・
・ソースボート、１５・・・基板、１７・・・加熱ヒー
タ、２１、〜，２３・・・ガス供給配管、３０・・・冷
却管、４３・・・バイパス管、４４・・・容器、４５・
・・液体窒素。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１ 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともガリウムソースボートを備えた反応管
   内に被処理基板を配置し、ソースボート内のガリウムを
   加熱溶融すると共に反応管内に所定のガスを流して、基
   板上にガリウムを構成元素の一つとする化合物半導体結
   晶を成長形成する気相成長装置において、 前記ガリウムソースボート内又は該ソースボートの近傍
   に冷却液を通流する冷却管を設け、前記化合物半導体結
   晶の成長時に加熱溶融された液体ガリウムを、成長後に
   該冷却管により冷却して固化することを特徴とする化合
   物半導体の気相成長装置。
2. （２）少なくともガリウムソースボートを備えた反応管
   内に被処理基板を配置し、ソースボート内のガリウムを
   加熱溶融すると共に反応管内に所定のガスを流して、基
   板上にガリウムを構成元素の一つとする化合物半導体結
   晶を成長形成する気相成長装置において、 前記ガリウムソースボートを収容したガリウム収容室内
   に流すガスを冷却する手段を設け、前記化合物半導体結
   晶の成長時に加熱溶融された液体ガリウムを、成長後に
   該冷却されたガスにより冷却して固化することを特徴と
   する化合物半導体の気相成長装置。