JPH07242490A - 竪型多数枚液相エピタキシャル成長装置の溶液撹拌機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機構の複雑化を招くことなく、溶質結晶が飽
和溶解した成長用溶液を短時間で調製する。 【構成】 撹拌板８４をもつ蓋体８２が嵌挿された錘り
８０を、成長用溶液ホルダー３０の上に配置する。錘り
８０は、基板結晶列ホルダー５０側の蓋体４０に立設し
た半欠け軸４１に噛み合う半欠け軸８１を備えている。
外部からの操作で回転軸５２を回転させるとき、半欠け
軸４１が半欠け軸８１との噛合い状態から解放され、錘
り８０が重力落下する。錘り８０の落下に伴って、成長
用溶液ホルダー３０のが蓋体８２で密閉されると共に、
溶液９０に押し沈められる撹拌板８４により溶液９０が
撹拌される。溶質結晶９１も溶液９０の深部まで沈めら
れ、飽和溶解が促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、III-Ｖ族化合物半導体
等の液相エピタキシーに使用される成長装置の溶液撹拌
機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】多数枚の基板結晶上に同時に液相エピタ
キシャル成長させる方法として、ほぼ垂直方向に所定間
隔で各表面を対向させて並べた基板結晶列の間隙に、高
温で飽和した或いは多少冷却して過飽和状態となった結
晶成長用溶液を満たし、この結晶成長用溶液を基板の結
晶表面に接触させ、徐冷等の温度処理によってエピタキ
シャル成長層を晶出させる方式が広く採用されている。
液相エピタキシャル結晶成長によって、各基板の結晶表
面に１層のみのエピタキシャル成長層を形成することは
比較的容易である。最も原理的なものとして、基板結晶
列に対して相対的に下方に保持した溶液中に、基板結晶
列を浸漬させて結晶成長を行わせた後、基板結晶列を溶
液から引き上げて切り離す種々の手法が開発されてい
る。たとえば、基板結晶列を偏心した回転軸で支持し、
溶液に対する基板結晶列の浸漬及び切離しを回転軸を回
転させることによって行う方法が知られている。また、
溶液をピストンで押し上げながら、上方に配置されてい
る基板結晶列に接触させる方法も知られている。

【０００３】これらの方法においては、何れも重力的に
下方から基板結晶列の間隙に溶液を侵入させ、所定の結
晶が成長した後で溶液を下方に排出している。溶液の表
面には酸化皮膜や溶液中に晶出した微結晶等が浮遊して
おり、基板の浸漬や引上げ時に酸化皮膜，微結晶等が成
長層の表面に付着し易い。酸化皮膜，微結晶等の付着
は、特に第２層以降の多層成長を行う場合に正常な結晶
成長の障害となる。たとえば、酸化皮膜，微結晶等が表
面に付着した成長層に対して更に他の成長用溶液との接
触によって第２層目を結晶成長させると、酸化皮膜，微
結晶等が付着した部分からスタッキング・フォールト等
の積層欠陥が発生する。また、酸化皮膜，微結晶等の影
響が著しい場合には、この部分が未成長ピットとなる。
このような結晶欠陥を含むエピタキシャル成長結晶膜で
は、電子デバイスの形成が困難であり、仮に形成された
としても電子デバイスの性能及び信頼性が著しく悪くな
る。

【０００４】更に第３層目以降の多層膜を重畳して成長
させる場合、欠陥の影響が一層拡大され、最上層の成長
膜は、ほとんど平坦性が失われたものとなる。その結
果、電子デバイスの形成工程で使用すること自体が困難
になる。このように重力的に下方から基板結晶列の間隙
に溶液を侵入させ、所定の結晶が成長した後で溶液を下
方に流し出す方式では、溶液表面に浮遊している酸化皮
膜，微結晶等の影響が避けられない。この欠点を解消す
るため、容器に収容した板結晶列の上方から溶液を供給
する方法が提案されている。本発明者等も、溶液を上方
から供給する液相エピタキシーとして、複数の溶液を順
次供給することにより多層エピタキシャル成長層を基板
結晶上に成長させる装置を特開平５−７０２８５号公報
で紹介した。

【０００５】このエピタキシャル成長装置は、図１に示
すように、竪型環状電気炉１０の内部に石英反応管１１
を垂直方向に配置している。石英反応管１１の内部で上
方から下方に向かって、図２に示すようにキャップ２
０，成長用溶液ホルダー３０，蓋体４０，円柱状の基板
結晶列ホルダー５０及び廃液ホルダー６０が重ねられ、
廃液ホルダー６０が支持用石英円筒７０に固定されてい
る。石英反応管１１内には、上方から高純度水素ガスが
導入される。基板結晶列ホルダー５０は、複数の基板結
晶が所定間隔で並べられて収容される凹部５１を上部に
開口させている。基板結晶列ホルダー５０の下部から延
びた回転軸５２は、廃液ホルダー６０の中央に設けた貫
通孔６１に差し込まれ、支持用石英円筒７０側から延び
ている回転軸７１に連結されている。基板結晶列ホルダ
ー５０は、回転シャッターとして働く蓋体４０が固定さ
れ、操作軸７２から回転軸７１，５２を経て伝えられた
動力により溶液給排時に回転する。

【０００６】蓋体４０の上面には、半欠け軸４１が突出
している。半欠け軸４１は、成長用溶液ホルダー３０に
設けられている軸受け孔３１に差し込まれ、キャップ２
０の下面から突出している半欠け軸２１と噛み合い可能
になっている。半欠け軸２１と５１とが噛み合った状態
では、蓋体２０が下位に位置し、たとえば加熱操作時期
等で成長用溶液ホルダー３０の上面を覆う。噛合いが解
除された状態では、蓋体２０が上方に押し上げられ、図
１に示すように成長用溶液ホルダー３０の上面が解放さ
れる。成長用溶液ホルダー３０には、複数の溶液溜め３
２，３２・・が同心円状に設けられている。各溶液溜め
３２，３２・・は、蓋体４０の通液孔４２，４２・・に
対応した通液孔を底部に備えている。操作軸７１からの
動力によって基板結晶列ホルダー５０を回転させると
き、それぞれの溶液溜め３２，３２・・から複数種の溶
液が蓋体４０の通液孔４２，４２・・を経て凹部５１に
順次送り込まれ、凹部５１に収容されている基板結晶の
表面に多層エピタキシャル成長層を形成する。

【０００７】廃液ホルダー６０も、成長用溶液ホルダー
３０と同様に複数の廃液溜めを同心円状に備えており、
上面に蓋体６２が固定されている。蓋体６２には貫通孔
６１を中心として複数の通液孔６３，６３・・が同心円
状に形成されており、液相エピタキシーに使用された複
数の溶液が各通液孔６３，６３・・を経て廃液ホルダー
６０の廃液溜めに流入する。図１及び図２に示した装置
は、高純度水素ガスが導入される石英反応管１１の内部
に成長用溶液ホルダー３０，基板結晶列ホルダー５０，
廃液ホルダー６０等の主要部を収容している。多層エピ
タキシーに必要な複数溶液の供給・排出は、回転動作，
往復動作等を行う軸やロッドを外部から何本も挿入する
必要がなく、操作軸７２からの動力で基板結晶列ホルダ
ー５０を回転させることにより切り換えている。すなわ
ち、基板結晶列ホルダーへの溶液の給排及び蓋の開閉を
簡単な機構で行うことができるため、装置の信頼性や高
温の水素気流に対する防爆性も極めて優れ、良好な多層
エピタキシャルウエハが一度に多数枚製造される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】液相エピタキシーに使
用される溶液は、局部的な不均一性を無くすため、成長
開始に先立って高温に長時間保持される。この高温保持
は、本発明者等が提案した装置においても長時間を必要
とするものであった。たとえば、溶質として過剰量のＧ
ａＡｓ結晶を上層部に浮遊させた成長用溶液をホルダー
３０に収容し、８５０℃以上の所定温度まで昇温し、４
０〜６０分間保持した後、得られた飽和溶液を基板結晶
列ホルダー５０に流入させる液相エピタキシーを繰り返
す実験では、基板結晶の一部が溶解して薄くなることが
一部にみられた。基板結晶の再溶解は、溶液の均質性が
悪く、特に上層部に浮遊させた溶質結晶から遠い下層部
が依然として未飽和になっており、この未飽和部分が基
板結晶に接触したときに生じる現象である。

【０００９】再溶解を確実に防止するためには、溶液全
体が均質化されるように所定温度における保持時間を１
８０分間以上に延長することが必要であった。しかし、
高温での長時間保持は、単に生産性を阻害するばかりで
なく、反応管１１内に導入する高純度水素ガスの消費量
を増加させることにもなる。また、キャップ２０が装着
されている状態であっても、溶液からのドーパントや解
離してくるＡｓ蒸気の逸散に起因した悪影響が大きくな
る。たとえば、溶液から蒸発した成分がキャップ２０の
下面や溶液溜め２，３２・・の内壁に付着する量が増加
し、成長用溶液を変質させる虞れもある。従来の成長装
置における欠点を列挙すると、次の通りである。 （１） 成長前の飽和溶液の調製及び均質化に１８０分
もの長時間高温保持を必要とする。その結果、生産性が
低下し、水素ガスの消費量が増加する。また、溶液から
蒸発・逸散する成分が量的に増加し、特にドーパントの
濃度を変化させる。

【００１０】（２） 飽和溶液の調製及び均質化に要す
る時間を通常の６０分程度に短縮した場合、基板結晶の
一部が溶液の未飽和部分に接触し、再溶解して薄くな
る。その結果、平坦度の悪いエピタキシャル層が生成す
る。 （３） 上層部に飽和溶解量よりも過剰な溶質結晶を浮
遊させた静止状態にある成長用溶液は、撹拌によって組
成を短時間で均質化できる。しかし、高純度水素ガスが
流動し且つ８５０℃以上の高温に保たれている反応管１
１内に、外部から更に撹拌動作のための可動軸，可動ロ
ッド等を挿入する構造は採用できない。 本発明は、このような問題を解消すべく案出されたもの
であり、基板結晶列ホルダーの回転に伴って成長用溶液
ホルダー内の溶液が撹拌される機構を採用することによ
り、外部から更に撹拌動作のための可動軸，可動ロッド
等を挿入する必要なく、成長用溶液を迅速に調製及び均
質化することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の溶液撹拌機構
は、その目的を達成するため、複数枚の基板結晶を垂直
方向に所定間隔で保持収容する基板結晶列ホルダーの上
部に成長用溶液ホルダーを、下部に廃液ホルダーを設
け、これらホルダー間に設けた回転シャッター機構の回
転動作により基板結晶列ホルダー内に溶液を給排するこ
とにより基板結晶上にエピタキシャル成長させる竪型多
数枚液相エピタキシャル成長装置において、基板結晶列
ホルダーの上面を覆う回転シャッター機構としての蓋体
に立設した第１の噛合い軸と、成長用溶液ホルダーの上
面を覆い、中央部に軸受け孔が形成され、下部に撹拌板
が連結された蓋体と、前記軸受け孔に挿通される第２の
噛合い軸が下方に延びた錘りとを備え、第１の噛合い軸
は、基板結晶列ホルダーの上面を覆う蓋体が回転したと
き、第２の噛合い軸との噛合い状態から解放され、前記
錘りを重力落下させて成長用溶液ホルダー上の蓋体に衝
突させることを特徴とする。撹拌板は、複数の通液孔が
形成された平板構造を持っており、成長用溶液ホルダー
に設けた複数の溶液溜めに対応して複数に分割された状
態で、脚部を介して蓋体の下面に固定されることが好ま
しい。

【００１２】

【作用】図１及び図２に示した装置では、高温で水素気
流雰囲気内にある反応系内で成長に必要な溶液の給排，
キャップ２０の開閉動作等を１本の操作軸７２を介して
行っている。本発明では、この機構が持つ長所を活か
し、更に撹拌機能を追加することを検討した。回転軸５
２の回転角は３６０度であるが、その大部分は溶液の給
排動作等に使用され、微小な回転動作のみで溶液を撹拌
することはできない。そこで、本発明では、軸の回転を
単なるトリガーとして使用し、このトリガーによって重
量物を落下させる。このときに発生する重力エネルギー
により溶液を撹拌させる。撹拌に必要な重力エネルギー
源となる重量物として、成長用溶液ホルダー３０の蓋に
相当する部分を錘りとして利用する。また、落し蓋等の
撹拌子を溶液上又は溶液中に設け、錘りの落下によって
撹拌子を溶液中に押し沈める。

【００１３】撹拌子及び重力エネルギー伝達機構全体の
材質は、高温のＧａ溶液と反応しない黒鉛質であること
が好ましい。Ｇａ溶液に比較して十分に小さな比重をも
つ黒鉛でできた撹拌子は、溶液中で完全に底まで沈むこ
となく、溶液の表面又は上層部に浮遊している。この撹
拌子は、錘りが落下したとき溶液の深部に押し沈めら
れ、溶液に撹拌運動を与える。溶液の表面近傍に浮遊し
ている溶質結晶は、撹拌子が押し沈められる際、撹拌子
の下面に拘束されて溶液中に押し込まれるので、溶解が
促進される。撹拌子に重力エネルギーを与える錘りも、
黒鉛質が使用される。溶液を効果的に撹拌するため、重
力エネルギーが大きくなるように錘りの重量を増加させ
ることが好ましい。たとえば、錘りを厚くしたり、溶液
を汚染する虞れがないＧａＡｓ結晶等の高密度物質を錘
りに固定することにより、錘りの重量を増加させること
ができる。なお、落下させる蓋として従来使用されてい
た重量物は、単に錘りとして重力エネルギー発生源のみ
に用いる。そして、重量物の落下を受けて成長用溶液ホ
ルダーの上面部に接触する別個の蓋を、撹拌子の浮力に
よって持ち上げられた状態で、重量物の下方に配置した
構造を採用することができる。

【００１４】以下、図面を参照しながら本発明を具体的
に説明する。本発明に従った溶液撹拌機構は、図３に示
すように、キャップ２０に代えて錘り８０を組み込んで
いる。錘り８０は、キャップ２０の半欠け軸２１と同様
に、回転シャッターとして働く蓋体４０の半欠け軸４１
と噛み合う半欠け軸８１を下方に延ばしている。半欠け
軸８１は、蓋体８２の軸受け孔８７を経て成長用溶液ホ
ルダー３０の軸受け孔３１に挿入されており、回転軸５
２を介した基板結晶列ホルダー５０及び蓋体４０の一体
的な回転に応じて半欠け軸４１と噛み合い又は噛合い状
態から解放される。これら半欠け軸４１，８１は、錘り
８０を上位に保持し、また落下させる噛合い軸として働
く。図３は、半欠け軸４１及び半欠け軸８１が噛み合っ
ている状態を示す。すなわち、半欠け軸４１の上端に半
欠け軸８１の下端が接触し、錘り８０は、上方に持ち上
げられた状態で支えられている。図４は、半欠け軸４１
の上端面が半欠け軸８１の下端面から移動して噛合い状
態が解除され、錘り８０が落下した状態を示す。半欠け
軸８１の中央から若干下側の位置に、錘り８０の落下時
に半欠け軸８１の回転を防止する突起８６が形成されて
いる。

【００１５】撹拌子として働く蓋体８２は、複数の脚部
８３が下面に固定されている。脚部８３の下端に設けら
れた撹拌板８４には、Ｇａ等の融液９０の通過を許容す
る複数の通液孔８５が形成されている。撹拌板８４は、
成長用溶液ホルダー３０に収容されている溶液９０によ
る浮力で支持され、溶液９０の表面近傍に浮遊する。錘
り８０が蓋体８２に落下したとき、撹拌板８４は、錘り
８０の重力エネルギーによって融液９０内に押し沈めら
れ、融液９０を撹拌する。同時に、成長用溶液ホルダー
３０の上部が蓋体８２で閉じられる。撹拌板８４の下降
によって溶液９０内に生じた撹拌流により、溶液９０の
上層部及び下層部が混じり合い、均質化される。このと
き、溶液９０の表面近傍に浮遊している比重の小さな溶
質結晶９１も、撹拌流によって溶液９０全体に分配さ
れ、溶解が促進される。特に、撹拌板８４の下面で拘束
された溶質結晶９１は、溶液９０の深部まで送り込まれ
るため、その溶解及び溶液９０の均質化が効果的に進行
する。

【００１６】溶液９０としてＧａを使用し、６００℃を
超える付近まで昇温すると、溶液９０の表面に形成され
ているＧａ₂ Ｏ₃ 膜は、Ｇａと反応して揮発性の酸化物
Ｇａ₂ Ｏとなる。揮発性酸化物Ｇａ₂ Ｏは、成長用融液
ホルダー３０の上面開口部から雰囲気の水素気流中に排
出除去される。更に溶液９０が昇温し８５０℃以上の所
定温度に達すると、溶質結晶９１は、飽和濃度まで溶液
９０中に溶け込んでいく。しかし、自然の溶け込み状態
では、溶質結晶９１から遠い部分を含め、溶液９０の全
体が飽和濃度に達するまでには長時間の保持が必要とな
る。そこで、外部からの操作で回転軸５２を介して半欠
け軸４１を所定の微小角度だけ回転させると、半欠け軸
４１の上端面に接触していた半欠け軸８１の下端面が移
動し、錘り８０が図４に示すように落下する。錘り８０
が落下する際、突起８６により半欠け軸８１の回転が防
止され、蓋体４０側の半欠け軸４１の回転により両軸４
１，８１間の噛合せ機構の外れ動作が確実になる。錘り
８０が落下した後、突起８６は、口径の大きな軸孔部に
移動する。そのため、突起８６による欠け軸８１の回転
阻止機能がなくなる。

【００１７】落下した錘り８０は、その下面で蓋体８２
を下方に押し下げ、成長用溶液ホルダー３０の上面開口
部を密閉する。蓋体８２の下降に伴って、撹拌板８４が
溶液９０の深部に押し下げられる。このとき、撹拌板８
４が急激に溶液９０中を下降するため、溶液９０が強い
撹拌作用を受けると共に、溶質結晶９１が撹拌板８４に
より更に溶液９０の深部まで押し込まれ、溶液９０の深
部にある未飽和溶液と接触する。このように溶液９０に
与える撹拌作用及び溶質結晶９１の移動によって、均一
濃度の成長用溶液が従来法に比較して極めて短時間で調
製される。溶液９０を撹拌し、蓋体８２により成長用溶
液ホルダー３０を密閉した後、基板結晶列ホルダー３０
内への溶液給排のため、更に回転軸５２の回転操作によ
り半欠け軸４１を回転させる。このとき、半欠け軸４１
と８１とが噛合い状態になっているため、半欠け軸４１
の回転に伴って錘り８０も回転する。錘り８０は、錘り
８０下面の中心軸周辺部が蓋体８２上面の中央部軸孔周
辺部のみと小さな接触面積で接触した状態で摩擦するた
め、スムーズに回転する。そのため、装置全体の構成に
必要な回転シャッター機能が損なわれることなく、スム
ーズに回転シャッターが操作される。

【００１８】成長用溶液ホルダー３０及び基板結晶列ホ
ルダー５０は、たとえば図５に示す構造をもっており、
何れも高純度黒鉛製部品が使用される。成長用溶液ホル
ダー３０は、図５（ａ）の平面図にみられるように、中
心部に半欠け軸４１，８１が挿通される軸受け孔３１が
形成されており、軸受け孔３１を中心として４個の扇形
形状の溶液溜め３２，３２・・が設けられている。各溶
液溜め３２，３２・・の底部には、図５（ｂ）の断面図
にみられるように給液孔３３が形成されている。給液孔
３３は、蓋体４０と組み合わされて溶液供給シャッター
の働きをする。成長用溶液ホルダー３０の外径は、下部
のやや細い小径部３４で約１６ｃｍと、基板結晶列ホル
ダー５０の外径より大きくなっている。小径部３４に支
持用石英円筒７０を嵌め込み、成長用溶液ホルダー３０
を固定したとき、小径部３４より小さな内径を持つ基板
結晶列ホルダー５０は、支持用石英円筒７０の内部で回
転可能になる。

【００１９】基板結晶列ホルダー５０は、外径１５ｃｍ
及び高さ９ｃｍのほぼ円柱状外観をもっている。基板結
晶列ホルダー５０の凹部５１には、３インチ径のＧａＡ
ｓ基板結晶２０枚が３ｍｍ間隔でヒートシンクに密着し
て縦に並べられている。基板結晶列ホルダー５０の上面
には、半欠け軸４１を固定した円盤状の蓋体４０が固定
されている。蓋体４０は、回転軸７１，５２を介し外部
からの操作によって基板結晶列ホルダー５０と共に回転
し、回転シャッターの回転子として働く。竪型多数枚液
相エピタキシャル成長装置に適用される撹拌機構は、た
とえば図６に示す構造を持ち、高純度黒鉛で製作され
る。蓋体８２の中央に形成された軸受け孔８７に、錘り
８０の半欠け軸８１が差し込まれる。蓋体８２は、軸受
け孔８７の周辺が肉厚部８８になっている。蓋体８２の
下面に４本の脚部８３が固定され、脚部８３の下端に撹
拌板８４が固定されている。

【００２０】半欠け軸８１は、蓋体８２の軸受け孔８７
を貫通し、自由に回転及び上下運動できる。円盤状の錘
り８０は、十分な重力エネルギーを得るため、たとえば
５ｃｍ程度に厚くする。蓋体８２は、成長用溶液ホルダ
ー３０の上面とほぼ同じ直径、たとえば１７ｃｍ程度に
とる。錘り８０が落下したとき、成長用溶液ホルダー３
０の上面に蓋体８２が押し付けられ、溶液溜め３２，３
２・・に収容されている溶液９０からＺｎ等の蒸発逸散
を抑制するように成長用溶液ホルダー３０が密閉され
る。このとき、撹拌板８４が溶液９０中に押し沈められ
るため、成長用溶液ホルダー３０の密閉と同時に溶液９
０が撹拌される。

【００２１】撹拌板８４は、４個の溶液溜め３２，３２
・・をもつ成長用溶液ホルダー３０に対応させ、図６
（ｃ）に示すように半欠け軸８１を中心として同心円状
に配置されている。各撹拌板８４は、図６（ｃ）では溶
液溜め３２，３２・・の水平断面より若干小さい扇形に
なっており、それぞれが脚部８３，８３・・で蓋体８２
に連結されている。錘り８０が落下する前の蓋体８２
は、溶液溜め３２，３２・・内の溶液９０及び溶液９０
の表面に浮上しようとする溶質結晶９１から受ける浮力
により上方に持ち上げられている。その反作用として、
溶質結晶９１は、加熱昇温の初期にも溶液９０の内部に
押し沈められており、溶液９０との接触面積も、また溶
質結晶９１の表面近傍からの拡散速度も大きくなる。そ
の結果、高い飽和溶解速度が得られる。

【００２２】

【実施例】図６に示した撹拌機構を図１，２に示した竪
型多層エピタキシャル成長装置に取り付け、次の手順で
成長実験を繰り返した。凹部５１にＧａＡｓ基板結晶を
収容した基板結晶列ホルダー５０の上に、図３に示すよ
うに成長用溶液ホルダー３０をセットした。各溶液溜め
３２，３２・・のうち３個を使用し、３層エピタキシー
成長の実験を行った。金属Ｇａを３５℃に加温して溶解
した後、溶媒としてそれぞれ１．８５ｋｇの量で各溶液
溜め３２，３２・にチャージした。溶質結晶９１にはＧ
ａＡｓ結晶片を使用し、第１の溶液溜め３２に０．１３
ｋｇ，第２の溶液溜め３２に０．０６ｋｇ，第３の溶液
溜め３２に０．０６ｋｇを添加した。残る１個の融液溜
め３２は、本実施例では溶解原料をチャージしない空の
ままとした。

【００２３】本実施例で成長させるエピタキシャル・ウ
エハを高輝度発光ダイオードの基板として使用するた
め、ＧａＡｓ基板結晶の上に成長させる第１層を混晶比
ｘ＝０．３５のｐ型，第２層を混晶比ｘ＝０．６８のｎ
型にする必要がある。そこで、第１層用の溶液溜め３２
に３．５ｇのＡｌ及び４ｇを添加し、第２層用の溶液溜
め３２に７．５ｇのＡｌ及び５０ｍｇのＴｅを添加し
た。第３層は、その上に蒸着される電極との接触抵抗を
下げる溜めのギャップ層となることから、Ａｌを添加す
ることなく６０ｍｇのＴｅだけを第３層用の溶液溜め３
２に添加した。各溶解原料をそれぞれの溶液溜め３２，
３２，３２にチャージした成長用溶液ホルダー３０の上
方に、図３に示すように撹拌板８４を固定した蓋体８２
及び錘り８０をセットした。全体を組み立てた後、竪型
環状電気炉１０に挿入し、反応管１１内を純水素雰囲気
に置換した。反応管１１内が完全に水素雰囲気に置換さ
れた後でも、毎分３リットル程度の水素を流し続けなが
ら昇温を開始した。

【００２４】溶液９０の表面にある酸化膜を揮発除去さ
せるため、６５０℃付近の温度に１時間保持した。その
後、更に昇温を継続し、成長操作の最高温度である８９
０℃に溶液９０を加熱した。溶液９０は、溶質９１の飽
和溶解及び溶液９０全体にわたる濃度の均一化のため、
次のように８９０℃の温度に一定時間保持した。図３に
示した状態で成長用溶液ホルダー３０が温度８９０℃に
達した後、このまま１５分間保ち、続いて反応系外部か
ら回転軸５２を所定の微小回転角だけ回転させ、図４に
示すように錘り８０を落下させた。錘り８０の落下で撹
拌板８４による溶液９０の撹拌及び溶質９１の押し沈め
と蓋体８２による成長用溶液ホルダー３０の密閉を行っ
た後、更に２５分間だけ同じ温度８９０℃に保持した。
成長用溶液９０の全体が均一な濃度となり、溶質結晶９
１が飽和溶解するまで合計保持時間は、４０＋２５＝６
５分であった。この保持時間は、撹拌機構を備えていな
い場合の保持時間１８０分に比較して大幅に短縮されて
いる。

【００２５】調製された成長用溶液は、徐冷されながら
エピタキシャル成長に使用される。溶液９０の徐冷及び
成長のための溶液９０の給排は、従来と同様な条件を採
用した。本実施例では、冷却速度１．２℃／分で成長用
溶液ホルダー３０及び基板結晶列ホルダー５０を含む反
応系全体冷却した。第１層を成長させるための溶液９０
は、８８０℃に冷却されたとき基板結晶列ホルダー５０
に供給され、８４０℃になったとき基板結晶列ホルダー
５０から廃液ホルダー６０に排出した。第２層用溶液９
０は、第１層用溶液９０の排出と同時に基板結晶列ホル
ダー５０に供給され、７５０℃になったとき第３層用溶
液９０に切り換えられた。第３層の成長を７４０℃で終
了させ、溶液９０を廃液ホルダー６０に排出した。

【００２６】第３層の成長終了後、徐冷を止め自然冷却
させた。冷却後に、エピタキシャル・ウエハを反応系か
ら取り出した。得られたエピタキシャル・ウエハを観察
したところ、ＧａＡｓ基板結晶の上に厚み４０μｍのｐ
型Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ａｓ層，厚み３０μｍのｎ型Ｇａ_1-x
Ａｌ_x Ａｓ層及び厚み３μｍのｎ⁺ 型ＧａＡｓ層が重畳
された３重構造のエピタキシャル成長層が形成されてい
た。各エピタキシャル成長層にドープされたキャリア濃
度も、第１層ｐ型が１Ｅ１８／ｃｍ³ ，第２ｎ型が８Ｅ
１７／ｃｍ³ ，第３層ｎ⁺ 型が１Ｅ１８／ｃｍ³ と、シ
ングル・ヘテロ接合型の高輝度発光ダイオード用として
設定した通りの値になっていた。最高温度での溶液保持
時間が従来の数分の一であるにも拘らず、再溶解した部
分が基板結晶や下部成長層に全く観察されなかった。こ
のことから、成長用溶液の飽和濃度は、成長前に完全且
つ均一になっていることが判る。また、成長層表面にお
ける二次元核成長ステップのパンチング模様も比較的細
かく、且つリニアーで規則的になっていることが観察さ
れた。このことから、溶液９０の表面から酸化皮膜が良
好に揮発除去されていることが確認された。以上の例に
おいては、本発明者等が先に特開平３−２６１０４６号
で提案した竪型成長装置に撹拌機構を組み込んだ場合を
説明した。しかし、本発明は、これに拘束されるもので
はなく、成長用溶液ホルダーの上方に保持した錘りを回
転軸の操作によって落下させるものである限り、他の形
式の竪型成長装置に対しても同様に適用されることは勿
論である。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は、基板
結晶列ホルダーの上下に成長用溶液ホルダー及び廃液ホ
ルダーを設け、基板結晶列ホルダーを回転させて溶液の
給排を切り換える竪型多数枚液相エピタキシャル成長装
置において、基板結晶列ホルダー側の噛合い軸の回転に
よって落下する錘りに成長用溶液ホルダーを覆う蓋体を
挿通させ、成長用溶液ホルダーの上部に配置している。
基板結晶列ホルダーの上面を覆う蓋体が回転したとき噛
合い状態から解放され、前記錘りを重力落下させて成長
用溶液ホルダー上の蓋体に衝突させ、蓋体に固定されて
いる撹拌板を溶液中に押し沈める。これにより、成長用
溶液ホルダーが密閉されると共に、収容されている溶液
が撹拌され、短時間で溶質結晶が飽和溶解した均質濃度
の成長用溶液が調製される。調製された成長用溶液は、
溶液未飽和部分との接触に起因して基板結晶や下層成長
層が再溶解する現象を起こすことなく、良質のエピタキ
シャル成長層を基板結晶上に成長させる。しかも、回転
シャッター機構を回転させる１本の回転軸を介して錘り
を落下させることができ、高純度水素雰囲気に維持され
た反応管内に多数の駆動軸を差し込む必要がなく、気密
性に優れた反応系が得られる。このようにして、本発明
によるとき、簡単な撹拌機構の追加によって短時間で均
一濃度の成長用溶液が調製され、エピタキシャル・ウエ
ハの生産効率が高まると共に、電力費及び高純度水素ガ
スの使用量が減少し、溶液や基板結晶のホルダー等とし
て使用される高純度黒鉛製部品の耐用寿命も長くなる。
その結果、生産コストが大幅に低下する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明者等が先に提案した竪型多数枚液相エ
ピタキシャル成長装置の斜視図

【図２】 同多数枚液相エピタキシャル成長装置の主要
部を示した分解図

【図３】 本発明に従った撹拌機構が上位にある状態

【図４】 同撹拌機構が溶液に押し沈められた状態

【図５】 成長用溶液ホルダーの平面図（ａ）及び側断
面図（ｂ）と、基板結晶列ホルダーの側面図（ｃ）

【図６】 撹拌機構を備えた錘りの平面図（ａ），一部
を断面で示した側面図（ｂ）及び下方からみた図（ｃ）

【符号の説明】 ３０：成長用溶液ホルダー ４０：基板結晶列ホルダーの上面を覆う回転シャッター
機構としての蓋体 ４１：半欠け軸（第１の噛合い軸） ５０：基板結
晶列ホルダー ６０：廃液ホルダー ８０：錘り ８１：半欠け軸（第２の噛合い軸） ８２：蓋体 ８４：撹拌板 ８７：軸受け
孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚の基板結晶を垂直方向に所定間隔
   で保持収容する基板結晶列ホルダーの上部に成長用溶液
   ホルダーを、下部に廃液ホルダーを設け、これらホルダ
   ー間に設けた回転シャッター機構の回転動作によって基
   板結晶列ホルダー内に溶液を給排することにより基板結
   晶上にエピタキシャル成長させる竪型多数枚液相エピタ
   キシャル成長装置において、 基板結晶列ホルダーの上面を覆う回転シャッター機構と
   しての蓋体に立設した第１の噛合い軸と、成長用溶液ホ
   ルダーの上面を覆い、中央部に軸受け孔が形成され、下
   部に撹拌板が連結された蓋体と、前記軸受け孔に挿通さ
   れる第２の噛合い軸が下方に延びた錘りとを備え、第１
   の噛合い軸は、基板結晶列ホルダーの上面を覆う蓋体が
   回転したとき、第２の噛合い軸との噛合い状態から解放
   され、前記錘りを重力落下させて成長用溶液ホルダー上
   の蓋体に衝突させることを特徴とする竪型多数枚液相エ
   ピタキシャル成長装置の溶液撹拌機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の撹拌板は、複数の通液孔
   が形成された平板構造を持っている溶液撹拌機構。
3. 【請求項３】 請求項１記載の撹拌板は、成長用溶液ホ
   ルダーに設けた複数の溶液溜めに対応して複数に分割さ
   れた状態で、脚部を介して蓋体の下面に固定されている
   溶液撹拌機構。