JPH0364477B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はIC用高抵抗基板、光デバイス用高ド
ープ基板として用いられる砒化ガリウム単結晶の
引き上げ装置に関する。

［従来の技術］ 砒化ガリウム結晶の成長法として、引き上げ法
（チヨクラルスキー法）は＜100＞方位の円形ウエ
ハを得るのに容易であり、デバイス製造プロセス
に有利である。砒化ガリウムの如き高解離圧物質
の結晶育成には、高解離圧成分の逃散を防ぐこと
が必要であり、大別して２つの手段が考えられ
る。一つはB₂O₃の如き液体で融液面を覆い、不
活性気体の圧力で抑える方法（LEC法）であり、
他の一つは融液表面を成長操作の間制御された圧
力をもつ高解離圧成分ガス雰囲気で覆うことであ
る。前者の方法は装置が簡単である為、現在工業
的に広く用いられている方法である。

しかし、LEC法は蒸気圧制御によるストイ
キオメトリの制御ができない、固液界面直上に
温度勾配を小さくできないという問題点を有する
ため、結晶の高品質化が困難である。本出願人ら
は、第二の方法を具体的に実現するために、さき
に特願昭58−157883号および特願昭59−109632号
によつて、引き上げ装置内の内容器を密封し、か
つその圧力を精密に制御した高解離圧成分ガス雰
囲気の中で結晶引き上げを行なう装置を開発し
た。

その具体的内容は第２図に示すように高解離圧
成分ガスを密封する内容器上部１と内容器下部２
を高温の該ガス雰囲気におかされない材料によつ
て構成し、かつ容器は分割可能に構成し、その接
合部３には液体あるいは固体シール１７を適用
し、分割された容器の各部を互いに押し付けるこ
とにより密封を行なう。容器押し上げ軸４にはス
プリングによる緩衝機構５あるいはロードセルに
よる押し上げ力の自動制御により、熱膨張等によ
る過度の応力が容器にかからぬようにする。この
ような構造により、容器の充分な密封性が得られ
ると共にくり返し使用が可能になつた。液体
B₂O₃によるシール６により、単結晶の引き上げ
軸７およびるつぼ軸８共に回転しながらの引き上
げが可能である。密封容器内の砒素圧は砒素ガス
圧制御炉９の温度を一定にかつ密封容器の他のい
かなる部分の温度よりも低く制御し、この部分に
砒素１０を凝縮することより制御される。引き上
げ操作中の観察は透光性ロツド１１を通して行う
ことができる。

この装置により、従来知られていた石英製密封
容器と異り、容器の切り離し、密着の操作が極め
て簡単化され、繰り返し使用が可能になつたこ
と、大口径インゴツトの製造も可能になつたこと
によつて、工業的使用に耐えるものとなつた。な
お、図中１２は単結晶、１３はるつぼ、１４はヒ
ーター、１５はるつぼ受、１６は融液である。

［発明が解決しようとする問題点］ 化合物半導体材料の高品質化という観点から、
高純度化は極めて重要な要件であるのはいうまで
もない。高解離圧成分ガスを密封し、融液ストイ
キオメトリを制御しつつ結晶育成する本装置にお
いては、融液表面は露出している為に装置内部材
の材料の選択は重要である。

特に密封容器本体及び容器内装品の材料を選択
し、有害な不純物を結晶中に持ち込まぬことが必
要である。しかるに上記第２の方法を具体的に実
現するために開発した第２図の方法の内容器の材
料の選択について次の様な問題点が明らかになつ
た。

内容器壁を構成する材料の満たすべき要件は、 結晶育成される高温において、充分な強度と
耐クリープ性を持つこと、 高温の高解離圧成分ガスに侵されないこと、 結晶に有害な不純物源とならぬこと、 密封部分のための高精度の加工が可能である
こと、 ガス不透過であること、 であり、特願昭60−138984に於て上記要件を満た
す材料を選択した。しかし上記諸項目を全て同時
に満たすという条件があつた為選択に制約が加わ
つている。即ち内容器壁自身に応力をかけ密封さ
せるという構造をとつた為に材料に上記〜の
特性のみでなく、の高温強度をも課すことにな
つている。しかし材料の持つ、特性を充分に生か
す為にはその機能を分離させることが必要とな
る。

結晶の高純度化という観点に立つと、内容器内
壁は材料の組成についての条件が特に厳しい。通
常の焼結法によるセラミツクスは原料粉末の純度
のみでなく、バインダーのもたらす汚染もあり、
高純度化が困難である。−族結晶に有害な元
素を含まない材料は−族の組み合わせからな
る材料が最善である。その例は窒化ホウ素、窒化
アルミなどである。又バインダー等の添加元素の
不要な製法によるものである必要がある。

熱分解窒化ホウ素材をとつてみると、この材料
は族ホウ素と族の窒素とからなり、高純度で
得られる為上の条件に適している。しかし、その
製法上の制約から、現時点では高々１mm厚さ程度
のものが供給されるにすぎず、そのままでは密封
に必要な応力に耐えさせることはできない。この
為熱分解窒化ホウ素のコーテイング材によつて密
封容器内壁からの汚染を防ぎ、密封に必要な機械
強度を同時に備えさせることを検討した。その結
果材料の耐久性と安定性に問題があることが明ら
かになつた。即ちコーテイングの均一性が完全で
なく、又厚さも充分でないので使用を繰り返すう
ち、コーテイングが一部で壊れて結晶中の不純物
濃度が増したり、内容器の気密性が保てなくなる
という事態が生じた。これは製品の歩留りを悪化
させることであり、改善が必要である。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記問題を解決すべくなされたもので
内容器中に密封した砒素ガスの圧力を制御しつつ
砒化ガリウム単結晶を引き上げる装置において、
該内容器が熱分解により得られた族と族の
組み合わせからなる高純度物質から成り上端周辺
に水平な鍔部を持つ内容器下部、及び該鍔部上
に置かれたガスケツト上に接するエツジ状下端部
を持つ内容器上部とよりなり、該密封内容器下
部をとり囲み、かつ該鍔部下面によつて該密封内
容器下部を保持する支持円筒を設け、かつ該密
封内容器底部に酸化ホウ素液体溜めから成る回転
シールを設け、応力印加機構によつて支持円筒
を介して内容器上部と内容器下部の鍔部とを押し
付けることにより該内容器の密封を行なうことを
特徴とする砒化ガリウム単結晶引き上げ装置であ
る。以下図面に従つて詳細に説明する。

第１図に於て、１８は外部容器である。結晶が
育成される内容器は内容器上部１９と内容器下部
２０に分けられる。内容器下部２０は、熱分解に
より得られた族と族の組み合わせからなる高
純度物質からなり、その上端に水平な鍔部２１を
持ち、その上にガスケツト２２が置かれる。保守
その他取り扱いの際の強度を高める為に内容器下
部２０は相似形で外接する容器をはめ二重構造と
することもできる。内容器上部１９は外部容器１
８に固定され、又エツジ２３に於いてガスケツト
２２に接する。内容器下部２０は支持円筒２４の
上に鍔部２１をのせて支持される。支持円筒２４
は押し上げ機構上部の支持台２５上にのせられ、
内容器下部、支持円筒全体の上下移動保持、及び
密封部への加圧が行われる。２６は応力緩衝機構
である。

２７は結晶引き上げ軸であり、内容器上部を貫
通する部分の上側に酸化ホウ素液体による回転シ
ール２８が設けられる。容器上部には内部観察用
の光学窓及び砒素圧制御用突出部が設けられるが
図には省略してある。るつぼ及びサセプタ２９は
下軸３０にのせられるがこの下軸３０が内容器下
部底を貫通する部分は、酸化ホウ素溜め３１によ
る回転シールである。さらに下軸３０は接合部３
２を介して下軸駆動装置に結合される。下軸駆動
装置は上記押し上げ機構上に搭載されている。

かかる結晶引き上げ装置を使用するにあたつて
は、先づ、るつぼ２９に適当量のGaAs多結晶原
料（直接合成の場合はるつぼにGa、内容器底に
As）を入れ、装置内部全体を真空排気する。内
容器押し上げ軸３３により支持台２５を押し上げ
内容器の分割部の密封を行うが、この際内容器底
部回転シール３１内の酸化ホウ素は固まつてい
て、下軸３０は容器下部に固定されているので、
容器底部に設けた小ヒータ（図示せず）で酸化ホ
ウ素を溶かしておく。内容器の密封が完了した後
はヒータ３４を加熱してゆくが、内容器内部の砒
素圧力の高まりにともない、上部回転シール２８
に於いて気泡の発生が見られるので装置内部に不
活性ガスを導入して、内容器内外の圧力のバラン
スをとり気泡の発生を抑える様にする。砒素圧制
御部の温度を一定に保つことにより、内容器内圧
力を一定に保ち、原料の融解が終了した後は通常
の引き上げ法により結晶の育成を行なう。

［作用］ 密封容器下部上端の周囲に水平な鍔部を設け密
封容器下部の支持及び容器上部との密封をこの部
分で行なうことにより、容器下部自体には応力が
かからない構造とすることができる。機械的強度
のない族と族の組み合わせから成る高純度物
質を内容器材として用い、かつガスケツトによる
密封を可能にする。

［実施例］ 第１図に示した内容器を、内容器上部をモリブ
デン、内容器下部を熱分解窒化ホウ素（PBN）、
又支持円筒を炭化硅素にて作製した。るつぼも
PBN製の100φとし、約0.7Kgの７−Ｎガリウム液
体を入れ内容器底に約0.8Kgの７−Ｎ金属砒素を
入れ、砒素圧制御部を615℃の一定に保ちながら
主ヒータを加熱して先づ原料の直接合成を行なつ
た後、アンドープ結晶（長さ10cm、５cmφ）の育
成を行なつたところ、キヤリア濃度２×10¹⁴cm
^-3、室温でのホール移動度6500cm²／vsの高純度ｎ
型結晶が得られた。又結晶育成前後の砒素の損失
は１％以下であつた。

［発明の効果］ 本発明装置によれば砒素圧を制御してストイキ
オメトリーを制御しつつ結晶を引き上げる方式に
おいて、不純物供給源の恐れがある内容器下部を
熱分解によつて得られる族と族の組み合せか
らなる高純度物質をもつて形成することにより、
単結晶の高純度育成を行うとともに、該高純度物
質が耐応力性に問題があるために、本発明ではか
かる物質で形成された内容器下部に直接大きな負
荷がかからない構造として、高純度な単結晶を安
定して製造することができる。さらに密封性及び
その操作性が極めて良いこと、又装置の耐久性が
高く、繰り返し使用に耐えることの特徴を有す
る。併せて得られる結晶特性の高品質化、高歩留
り化、低価格化に寄与することで工業化への大き
な効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の装置の断面図であ
る。第２図は先行例の装置の断面図である。 １……内容器上部、２……内容器下部、３……
接合部、４……容器押上げ軸、５……緩衝機構、
６……シール、７……引き上げ軸、８……るつぼ
軸、９……砒素ガス圧制御炉、１０……砒素、１
１……透光性ロツド、１２……単結晶、１３……
るつぼ、１４……ヒーター、１５……るつぼ受、
１６……融液、１７……シール、１８……外部容
器、１９……内容器上部、２０……内容器下部、
２１……鍔部、２２……ガスケツト、２３……エ
ツヂ、２４……支持円筒、２５……支持台、２６
……応力緩衝機構、２７……結晶引き上げ軸、２
８……回転シール、２９……るつぼ及びサセプ
タ、３０……下軸、３１……酸化ホウ素溜、３２
……接合部、３３……内容器押上げ軸、３４……
ヒーター。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内容器中に密封した砒素ガスの圧力を制御し
   つつ砒化ガリウム単結晶を引き上げる装置におい
   て、該内容器が熱分解により得られた族と
   族の組み合わせからなる高純度物質から成り上端
   周辺に水平な鍔部を持つ内容器下部、及び該鍔
   部上に置かれたガスケツト上に接するエツジ状下
   端部を持つ内容器上部とよりなり、該密封内容
   器下部をとり囲み、かつ該鍔部下面によつて該密
   封内容器下部を保持する支持円筒を設け、かつ
   該密封内容器底部に酸化ホウ素液体溜めから成る
   回転シールを設け、応力印加機構によつて支持
   円筒を介して内容器上部と内容器下部の鍔部とを
   押し付けることにより該内容器の密封を行なうこ
   とを特徴とする砒化ガリウム単結晶引き上げ装
   置。