JPH03271196A

JPH03271196A - 結晶成長装置及び成長方法

Info

Publication number: JPH03271196A
Application number: JP2069116A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ihara; 賢井原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1990-03-19
Publication date: 1991-12-03

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】〔目次〕概要産業上の利用分野従来の技術従来の結晶成長装置の模式断面図（第４図）発明が解決
しようとする課題課題を解決するための手段本発明の結晶成長装置模式断面図と炉内温度分布図　　　　　　　（第１図）本発明の結
晶成長装置の基板支持台部分の詳細図　　　　　　　　　（第２図）作用実施例発明の効果従来例と本発明の結晶成長面の異常突起の表面状態図　　　　　（第３図）〔概要〕本発明は、酸化物高温超伝導体結晶や絶縁物結晶や半導
体結晶など、エレクトロニクスに応用される結晶材料を
基板上に形成する装置ならびに方法に関し。

高品質な結晶材料を得る横型気相成長装置並びに結晶成
長方法の開発を目的とし。

■横型気相成長装置であって３反応管内に設けられた基
板支持台が基板を収容する凹部を有し且つガス導入管に
連なるガス導入口が該反応管内の上流側に開口している
ように ■反応管の尾部にキャンプが嵌合され、該キャップを貫
通して該ガス導入管が設けられているように。

■該基板支持台の少なくとも上面を覆い、且つ該キャッ
プを貫通するスライドアームにより、任意に該反応管と
平行にスライドできる蓋が設けられているように。

■横型気相成長装置により、該基板上に結晶を成長する
に際し、該基板支持台に該蓋を被せて。

該反応管内のソースチェンバーならびに基板支持台を昇
温する工程と、該基板支持台の昇温後、該蓋をスライド
させて、該基板支持台上の該基板上に該ソースチェンバ
ーよりソースガスを、また該反応管の頭部に設けた該ガ
ス導入管よりキャリアガスを送り込むと同時に、該ガス
導入管を通って。

該ガス導入口より、該基板上に反応ガスを送り込む工程
と、該ソースチェンバーよりのソースガスならびに該ガ
ス導入口よりのキャリアガスを停止後、該ガス導入管よ
り１反応ガスのみを送り込みながら、該基板支持台を降
温する工程とを含むように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、酸化物高温超伝導体結晶や絶縁物結晶や半導
体結晶など、エレクトロニクスに応用される結晶材料を
基板結晶上に形成する方法において、高品質な成長結晶
を得るために考案された横型気相成長装置、及び成長方
法に関する。

液体窒素温度（７７Ｋ）以上で超伝導特性を示す。

ＹＢａＣｕＯ（イツトリウム系）、Ｂ１５ｒＣａＣｕＯ
（ビスマス）系などの酸化物超伝導体材料は、エレクト
ロニクス、電力機器、駆動機器、磁気シールドなど広い
産業分野への応用が期待されている。

このような結晶材料を応用したエレクトロニクス・デバ
イスとして、ジョセフソン素子、三端子素子などの超高
速デバイスやＬＳＩ配線、量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）
や赤外、ミリ波などの各種センサー等、多くのデバイス
が考えらでいる。

上記のようなエレクトロニクス・デバイスの開発を目指
す上には、より高い臨界温度、臨界電流などの基本的特
性はもとより１ミクロンサイズ以下の微細加工に対応で
きる結晶表面状態等、半導体ウェハーサイズの高品位、
高均質の薄膜結晶が必要不可欠である。

更に、絶縁物結晶や半導体結晶との積層化技術の開発も
強く望まれている。

〔従来の技術〕

薄膜結晶形成技術には１分子線エピタキシーイオンクラ
スタービーム蒸着等、真空中での物理的蒸着方法ＣＰＶ
Ｄ法）と化学反応を用いた気相威長方法（ＣＶＤ）があ
る。

これらの方法は、　Ｓｉや化合物半導体の分野で広く応
用されている技術であり、それぞれの特徴を持っている
。

本発明者らは、先に、高品位、高均質の酸化物超伝導体
結晶や絶縁物結晶の薄膜結晶成長が、大面積ウェハーで
且つハツチ処理が期待されるハライド系ＣＶＤ技術を開
発した。

第４図に、従来のビスマス系酸化物高温超伝導体結晶の
成長を行なう結晶成長装置の模式断面図を示す。

図において、１６は反応管、１７はソースチェンバー、
１８はライナー管、１９は基板支持台、２０はキャップ
、２１はガス導入管、２２はソースキャリアガス導入管
、２３は基板、２４はＢｉハライドソース、２５はＣｕ
ハライドソース、２６はＣａハライドソース、２７はＳ
ｒハライドソース、２８はガス排出口である。

この常圧式横型気相成長装置は、ビスマス系酸化物高温
超伝導結晶の成長を行なう結晶成長装置であり２石英製
の反応管１６１石英製のソースチェンバー１７９石英や
アルミナ製のソースボート、石英製のライナー管１８．
基板支持台２２９石英製のキャンプ１９．横型抵抗加熱
炉、ガス流量制御装置等から構成されている。

原材料として、ビスマス（Ｂｉ）、銅（Ｃｕ）、カルシ
ウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）原子のハロゲン
化合物を用いて１石英ソースチェンバー中で加熱して、
それらのガスをヘリウム（Ｈｅ）キャリアーガスで基板
結晶領域に輸送する。これらのガスは成長領域で混合さ
れて、結晶成長反応が開始され、基板結晶上にビスマス
系超伝導体結晶が成長する。

基板結晶には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）　、アルξ
す（Ａｊ！ｚ（ｈ）、シリコン（Ｓｉ）等の結晶を用い
て２石英板からなる基板支持台上に保持されている。成
長結晶の組成制御、及び膜厚制御は、ハライドソース温
度とＨｅキャリアーガス流量、及び基板結晶の温度制御
、及び成長時間制御により行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来技術には次のような問題点があった
。

第１の問題点としては、成長炉の昇温中に、ハライドソ
ースによる基板結晶表面上の汚染が生ずる。

これを防止するために１石英ソースチェンバーの一端に
連結するＨｅガス導入口より１反応管内のガスを外部に
パージする方法を採用しているが。

必ずしも１（１１）％満足したものではなく、ｆ；ｃ長
結晶表面に凸状のヒロックなる以上成長が発生して。

結晶品質の低下を来していた。

また、結晶の成長開始は、成長炉が所定温度に到達した
後、酸素や水分や水素等の成長反応を促進するガスソー
スを基板結晶領域に輸送することにより開始していた。

しかしながら、このような方法では、成長開始直後のし
ばらくの間は反応ガス濃度が定常状態にならず、界面の
結晶品質の低下を来していた。

従って、基板結晶領域の反応ガス濃度が完全に定常状態
に到達し、結晶成長を開始するまでの間は基板結晶表面
を反応ガスに接触させない工夫が必要である。

次に、第２の問題点として、成長反応が、ガスが流れて
来る基板結晶の上流側で進行するために。

成長速度の低下や、異常成長核の発生等の不都合がある
。

結晶成長に必要なガスソースの内、酸素や水分や水素等
の成長反応を促進するガスソースを石英反応管の上流側
導入管より導入していたため２石英ソースチェンバー出
口から輸送されるハライドソースガスと、前記の成長反
応を促進するガスソースの混合により、成長反応が、基
板結晶よりも上流側で開始される。

従って９反応ガスの濃度が減少して、基板結晶上に成長
する結晶成長速度が低下していた。

また、基板結晶の上流側の石英類に析出した種々の化合
物が、基板結晶上に落下して、凸状の異常成長の発生原
因にもなっていた。

このような問題に対処するために、酸素や水分や水素等
の成長反応を促進するガスソースを基板結晶の近傍から
導入する必要がある。

第３の問題点として、結晶成長の終了後、成長炉の降温
中に、ハライドソースや組成制御されていない種々の化
合物等による成長結晶表面上の汚染がある。

成長したそのまま（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）の状態で超伝導
特性を示す酸化物高温超伝導体結晶を得る為には。

室温近くまで酸素ガスとの接触が必要条件であるので、
酸素ガスを導入しながら成長炉の降温を行う。

一方、ハライドソースガスの輸送を停止するために１石
英ソースチェンバーのガス導入口を利用して、ハライド
ソースガスをパージしようとすると、ハライドソースが
酸素ガスで酸化される不都合が生じる。そこで、成長炉
を移動して反応管を急冷して、ハライドソースガスの発
生を最小にしているが、１（１１）％満足するものでは
ない。

従って、必要のないガスのみ導入出来、不必要なガスは
基板結晶に接触させない工夫が必要である。

本発明は２以上の点を鑑み、異常成長が生じない、且つ
、高品質な成長結晶を得る結晶成長装置及び製造方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の結晶成長装置模式断面図と炉内温度分
布図、第２図は本発明の結晶成長装置の基板支持台部分
の詳細図である。

図において、１は反応管、２はソースチェンバ３はライ
ナー管、４は基板支持台、　４ａは凹部。

４ｂはガス導入口、５はキャップ、６は！、６ａはスカ
ート、７はスライドアーム、８はガス導入管。

９はガス導入管、　１０はソースキャリアガス導入管。

１１は基板、１２はＢｔハライドソース、１３はＣｕハ
ライドソース、１４はＣａハライドソース、１５はＳｒ
ハライドソースである。

本発明の目的は、　第１図、第２図に示すように、横型
気相成長装置であって１反応管ｌ内に設けられた基板支
持台４が基板１１を収容する凹部４ａを有し、且つガス
導入管８に連なるガス導入口４ｂが該反応管内の上流側
に開口していることを特徴とし、また、該反応管１の要
部にキャップ５が嵌合され、該キャップ５を貫通して該
ガス導入管８が設けられていることを特徴とし、更に、
該基板支持台（４）の少なくとも上面を覆い、且つ該キ
ャップ５を貫通するスライドアーム７により、任意に該
反応管ｌと平行にスライドできる蓋６が設けられている
ことを特徴とする結晶成長装置を用いることにより。

更に、横型気相成長装置により、該基板１１上に結晶を
成長するに際し。

該基板支持台４に該蓋６を被せて、該反応管１内の該ソ
ースチェンバー２ならびに該基板支持台４を昇温する工
程と。

該基板支持台４の昇温後、該蓋６をスライドさせて、該
基板支持台４上の基板１１上に該ソースチェンバー２よ
りソースガスを、また該反応管１の頭部に設けたガス導
入管９よりキャリアガスを送り込むと同時に、該ガス導
入管８を通って、該ガス導入口４ｂより、該基板１１上
に反応ガスを送り込む工程と。

該ソースチェンバー２よりのソースガスならびに該ガス
導入口９よりのキャリアガスを停止後。

該ガス導入管８より１反応ガスのみを送り込みながら、
該基板支持台４を降温する工程とを含むことを特徴とす
る結晶成長方法により遠戚される。

〔作用〕

本発明のよう−に、基板支持台に蓋および反応促進ガス
専用のガス導入口を設けたことにより１反応炉の昇温中
、基板に各種のガスが触れないようにしたこと、また２
反応炉の降温中に反応促進ガスのみを基板表面に導入す
ることにより、異常突起のおこらない、高品質の結晶が
得られる。

〔実施例〕

第１図、第２図によりビスマス系酸化物高温超伝導体結
晶の気相成長装置及びその装置を使用して結晶成長を行
なった一実施例を示す。

本気相成長装置は、高品質、高均質な結晶成長を行うた
めに発明したもので、その模式断面図を第１図（ｂ）に
示す。

また、基板支持台部分の詳細図を第２図に示す。

第２図（ｂ）は基板支持台４１Ｍ６ならびに。

連結するスライドアーム７、ガス導入管８の断面構成図
であり、第２図（ａ）は第２図（ｂ）の。

ａ−ａ′ラインから見た基板支持台４の平面図。

第２図（Ｃ）は第２図（ｂ）のｃ　−ｃ　　ラインから
見た基板支持台４とＭ６の縦断面図である。

第２図（ｂ）に断面図で示した石英製の基板支持台４は
石英板Ａの一平面に基板１１の厚さより小さい深さの凹
部４ａをザグリにより形成する。

また、他の石英板Ｂの一平面に深さ３ｍｍの溝を形威し
、そのソースガス側端面にザグリにより１０ｍｍ径のガ
ス開口部４ｂを設ける。

石英板Ａの裏面側と１石英板Ｂの溝面側を熱的に接着し
た後、その一端面側に、ガス導入管８が接続できるパイ
プ受は口を設けて形成する。

このパイプ受は口に２石英製のキャップ５を介して外部
から反応促進用の酸素、水等の所望のガスを導入できる
ガス導入管８を嵌合できるようにする。

基板支持台４の上面に被せる基板支持台用の蓋６は９石
英板Ｃより形威し、基板支持台４の側面にガス遮断を完
全にし、ガイドを兼ねたスカート６ａを設ける。

また、蓋６の端面側にキャップ５を介して外部から反応
管１の上下流方向に、任意にスライドできるスライドア
ーム７の接続穴を形成する。

この接続穴に、キャップ５を介して、外部から任意にス
ライドできるスライドアーム７を挿入する。

キャップ５は、ガス導入管８及び、スライドアーム７の
２本のパイプが外部に取り出すことが出来る２つの貫通
口を有し、ガス導入管８は図示しない三方継手に接続し
、一方からガスを排出する構造となっている。

次に、上記装置を用いたビスマス系酸化物超伝導体結晶
成長の一実施例について説明する。

基板となるＭｇＯ結晶の温度は８３０°Ｃ，ハライドソ
ース温度は、ＢｉＣｊ！ａが１６０°Ｃ，ＣｕＩが４５
０°Ｃ１ＣａＩｚが８２０°Ｃ＋　５ｒＩｚ　　が８３
０°Ｃである。

第１図（ａ）に２反応炉内の温度分布図を第１図（ｂ）
の反応炉内の位置と対応して示す。

Ｈｅキャリアーガスの流量はソースチェンバー２中の３
か所にそれぞれ５１／ｍｉｎ、　　キャリアガスとして
、ガス導入口９から１５ｊ２／１ｌ１１ｎ、である。

反応ガスとしての酸素ガスの流量は３４２７ｍ１ｎ（９
ｚ）で、水分は３（１１）ｐｐｍを含有するＨｅガス（
１ｉ！／ｗｉｎ）と共に５反応管１の要部のキャップ５
を貫通するガス導入管８を介して、結晶支持台４の凹部
４ａ内のガス導入口４ｂより、基板１１の表面に直接導
入する。

成長開始直前までの間は、基板支持台４への導入ガスは
Ｈｅガスのみを導入し、成長開始直前に酸素及び水分を
含有するＨｅガスに置換した。

この工程は、ＨＣｊ２ガスや水素ガスを必要に応じて導
入することにより、基板結晶の清浄化や高品質化が図れ
る。それぞれのハライドソース温度が所定の温度に到達
した後、基板支持台４上部の蓋６を反応管ｌの下流方向
にスライドアーム７によリスライドさせて結晶成長を開
始する。

結晶の成長時間は３（１１）分で、成長じた結晶の膜厚
は０．５μｍ（成長速度：１７人／ｍ１ｎ）である。成
長終了後は、基板支持台４上に蓋６を元の状態に被せて
、ハライドソースとの接触を絶つ。

そして、水分を含有しない酸素ガス及びＨｅガスを基板
支持台４のガス導入口４ｂより、基板１１の表面に導入
しなから徐冷を行なう。

従来の気相成長装置及び成長方法の場合、成長条件は同
一であるが、酸素及び水分の導入法は。

上流側のガス導入口を用いて、基板結晶領域に反応ガス
を導入することにより、結晶成長を開始した。成長結晶
の膜厚は０．３μｍ（成長速度：１０人１５ｉｎ）であ
る。成長終了後は、水分の導入のみを停止して１反応炉
を移動することにより急冷した。

本発明による気相成長装置及び成長方法のばあい、成長
速度の増大が認められ、効率の良い結晶成長を行うこと
ができる。

以上１本発明を用いたＢ１５ｒＣａＣｕＯ系酸化物高温
超伝導体結晶の気相成長についての実施例を説明したが
、他の酸化物高温超伝導体結晶や絶縁物結晶（ＭｇＯ，
ＭｇＯ・　Ａ１１２０３．　Ａｆ　ｔ（ｈ等）や半導体
結晶（ＧａＡｓ、ＧａＰ、　ＩｎＡｓ、　ＩｎＰ等）を
気相成長させる場合も本発明による気相成長装置及び成
長方法を用いれば、高品質結晶が得られる事は勿論であ
る。

比較のために、第４図に示した従来の結晶成長装置を使
用して、従来技術の成長方法を用いた例を説明する。

従来の結晶成長装置及び従来技術の成長方法の場合、ｔ
ｃ長条件は同一であるが、酸素及び水分の導入法は、上
流側のガス導入口を用いて、基板結晶領域に反応ガスを
導入することにより、結晶成長を開始した。成長結晶の
膜厚は０．３μｍ（Ｆｌｉ、長速度：１０人／１１Ｉｉ
ｎ）である。成長終了後は、水分の導入のみを停止して
１反応炉を移動することにより急冷した。

〔発明の効果〕

第３図は従来例と本発明の結晶成長面の異常突起の表面
状態図である。

先ず、比較のために、第３図（ａ）に従来の気相成長装
置を用いて、　（１（１１））　ＭｇＯ基板結晶上に成
長したＢ１５ｒＣａＣｕＯ系超伝導体結晶（臨界温度：
　９５Ｋ）の表面の光学顕微鏡写真を示す。

成長結晶表面には、Ｏ０数μｍ〜数μｍの大きさの凸状
の異常成長が１０６／ｃ−のオーダーの密度で存在して
おり、リソグラフィーによるバターニングを行う等、応
用上問題があった。

これにたいし１本発明による気相成長装置ならびに成長
方法により、　（１（１１））ＭｇＯ基板結晶上に成長
したＢ１５ｒＣａＣｕＯ系超伝導体結晶（臨界温度：　
９８Ｋ）の表面の光学顕微鏡写真を第３図（ｂ）に示す
。

成長結晶表面の異常成長は殆ど見られず、非常に平滑な
表面状態の結晶であり、従来方法に比べて相当の高品質
化が図られている。

以上説明したように１本発明によれば、ｔ２長した結晶
の表面に、異常突起がほとんど生しないため、各種の半
導体装置の信頼性の向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶成長装置模式断面図と温度分布図
１第２図は本発明の結晶成長装置の基板支持台部分詳細図
。第３図は従来例と本発明の結晶成長面の異常突起の表面
状態図。第４図は従来の結晶成長装置の模式断面図である。図において。１は反応管、　　　　　２はソースチェンバー３はライ
ナー管、　　　４は基板支持台。４ａは凹部、　　　　　　４ｂはガス導入口。５はキャップ、　　　　６は蓋。６ａはスカート、　　　７はスライＬ゛アーム。８はガス導入管、　　　９はガス導入管。１０はソースキャリアガス導入管。１１は基板、１２はＢｉハライドソース。１３はＣｕハライドソース。１４はＣａハライドソース。１５はＳｒハライドソース従沫り］と木光明の結５＋戊長面の興常突起の表函状態
（２）芽図御

Claims

【特許請求の範囲】１）横型気相成長装置であって、反応管（１）内に設け
られた基板支持台（４）が基板（１１）を収容する凹部
（４ａ）を有し、且つガス導入管（８）に連なるガス導
入口（４ｂ）が該反応管（１）内の上流側に開口してい
ることを特徴とする結晶成長装置。２）該反応管（１）の尾部にキャップ（５）が嵌合され
、該キャップ（５）を貫通して該ガス導入管（８）が設
けられていることを特徴とする請求項１記載の結晶成長
装置。３）該基板支持台（４）の少なくとも上面を覆い、且つ
該キャップ（５）を貫通するスライドアーム（７）によ
り、任意に該反応管（１）と平行にスライドできる蓋（
６）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
結晶成長装置。４）横型気相成長装置により、該基板（１１）上に結晶
を成長するに際し、該基板支持台（４）に該蓋（６）を被せて、該反応管（
１）内のソースチェンバー（２）ならびに該基板支持台
（４）を昇温する工程と、該基板支持台（４）の昇温後、該蓋（６）をスライドさ
せて、該基板支持台（４）上の該基板（１１）上に該ソ
ースチェンバー（２）よりソースガスを、また該反応管
（１）の頭部に設けた該ガス導入管（９）よりキャリア
ガスを送り込むと同時に、該ガス導入管（８）を通って
、該ガス導入口（４ｂ）より、該基板（１１）上に反応
ガスを送り込む工程と、該ソースチェンバー（２）よりのソースガスならびに該
ガス導入口（９）よりのキャリアガスを停止後、該ガス
導入管（８）より、反応ガスのみを送り込みながら、該
基板支持台（４）を降温する工程とを含むことを特徴と
する結晶成長方法。