JPS5943087B2 - 液相結晶成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は水平型液相結晶成長装置に関し、とくに改良
された温度分布を有する水平型液相結晶装置に関する。

半導体素子を製造するための液相結晶成長法においては
半導体溶融物の入つたるつぼと、そのるつぼの底部の開
口部に配置される基板と、その基板を移動させるための
スライダー及びスライダー支持部材と、それらのるつぼ
スライダー、スライダー支持部材の組立体を収容する囲
いと、その囲いを取り巻く加熱装置および或る場合には
るつぼに取り付けられた補助的加熱部材からなる装置が
用いられる。

そのような製造法では、多数枚の基板を連続的に結晶成
長処理にかけることができるのが望ましい。るつぼ内の
温度分布を一定に保つたまま、溶液内の温度差による溶
質の移動を利用する温度差液相成長法（特公昭５１−３
２０６１号公報ほか）は、温度分布を変化させることな
く多数枚の基板を連続的に処理できる利点を有する。温
度差は加熱手段によつて与えることもできるが、熱流が
基板を集中的に通るようにするには基板側に放熱ないし
冷却手段を備えることが望ましい（特公昭５１−３２５
３２号公報ほか）。しかし、冷却手段を用いてもるつぼ
材と溶液との熱伝導率の差や各成長装置毎の構造、形態
、材質等によつて成長面内に温度の不均一が生じやすく
、厚さ、組成、物理的性質等が均一な成長層を再現性よ
く得ることは非常に困難であつた。この発明の目的は成
長面内で均一な成長層を得るために独立に制御可能な複
数個の冷却手段を備えた液相結晶成長装置を提供するこ
とにある。

複数個の冷却手段を各々独立に制御すると、成長面内の
温度分布が容易に制御でき均一な成長層を得るのに有効
である。水平方向に長い横型の液相結晶成長装置の長手
方向に延在する複数本の冷却用流体通路を基板支持部材
、すなわちスライダー或いはスライダー支持部材の下方
に配置し、冷却用流体の流量を各々独立に制御できるよ
うにすると、成長面内で所望の温度分布を得るのに非常
に効果的である。冷却用流体通路はステンレスや石英等
で形成できる。化学的安定性からは石英が有利であり、
熱伝導、製作、維持の容易性からはステンレスが有利で
ある。通路の形状は特に限られないが製作が容易で基板
支持部材と所望の熱接触を行うことができるのが望まし
い。冷却用流体通路の数は多いほどきめ細かい制御が可
能であり、少なくとも３本以上あることが望ましい。通
路の出口は外界へ開放し、通路が装置内に入る前の上流
側に流量制御装置をつけたものが便利である。通常、液
相結晶成長装置の前述の組立体の囲いには石英製の管を
用いることが多いが、円筒状管を用いる場合は、たとえ
ば円筒の下部内壁に溢つて数本ないし十数本のステンレ
スないし石英パイプを配列することにより、るつぼの底
の開口部にある基板上の結晶成長面内の温度分布を効果
的に制御できる。冷却用流体は熱を吸収して下流に向か
うにつれて温度が高くなるが、流体の進行方向を隣接す
る通路で互いに逆になるように交互に反転すると長手方
向の冷却効果の差も均一化される。

冷却用流体としては装置に悪影響を及ぼさない限り何で
も使用できるが、空気が便利である。以下、図面を参照
してこの発明の１実施例をより詳細に説明する。

この発明の理解を容易にするため、まず従来の液相結晶
装置を説明する。第１図のＡ，ｂ，ｃ，ｄに冷却手段を
持たない従来の液相結晶成長装置を示す。温度差法連続
液相成長においては、第１図ａおよび第１図ｂに示すよ
うな半導体溶融物の入つたるつぼを必要なエピタキシヤ
ル層の数と同じ数だけ有する液相結晶成長装置が用いら
れる。るつぼの下部の孔においてスライダー上に載せら
れた半導体結晶からなる基板が溶融物と接触する。第１
図ｂで符号１，２はるつぼ、３，４は巻線ヒータ、５は
スライダー、６は基板、７はるつぼ、スライダーおよび
スライダー支持部材の組立体を入れる石英管であり、水
素ガスを流してある。

８は電気炉であり、９，１０は半導体溶融物である。

各るつぼにはたとえばＧａｌ−ＸＡｌｘＡｓを成長させ
るときは、Ｇａなどの溶媒およびＧａＡｓ多結晶、Ａｌ
を投人し、るつぼ上部をるつぼ下部に対して所定の温度
差△Ｔを生ずるように高い温度に保持するとともにるつ
ぼ上部の温度Ｔ１、るつぼ下部の温度Ｔ２をエピタキシ
ヤル成長中、一定に保持する。投入した半導体素材は各
るつぼ土部に浮上し、そこではその溶解により溶融物は
その素材に関し飽和状態になつている。素材の溶解度は
温度が低いほど低下するので、るつぼ下部の飽和溶解度
は上部のそれより低い。したがつて上部で溶解した溶質
は濃度拡散および温度差自体による温度拡散により連続
的に下部へ輸送されて溶融物下部を過飽和状態にする。
そこで、下部に基板結晶が接触すると連続的にエピタキ
シヤルに結晶が析出する。成長速度は上記輸送速度によ
り律速される。輸送速度は溶融物の温度差△Ｔが大きい
ほど大である。必要な厚みのエピタキシヤル層を得るに
は△Ｔによつて決まる所定時間、溶融物下部において基
板と溶融物を接触させ、しかる後、スライダーを移動さ
せて次のるつぼへ運び次のエピタキシヤル層を成長させ
る。温度差△Ｔは各るつぼで同じ場合も、また異なる場
合もある。たとえば、ＧａＡｓ基板結晶上に第一層とし
てＧａＯ．７ＡｌＯ．３ＡＳｌ第二層としてＧａＯ．４
ＡｌＯ．６Ａｓを成長させるときは、第一層、第二層を
同じ時間（ｔ）接触させることが連続的に基板を移動さ
せるには都合がよい。

したがつて第一層、第二層の厚みを独立にコントロール
するには第一層と第二層の温度差はそれぞれの層の素材
の溶解度と拡散係数との違いを考慮して独立にコントロ
ールすることが望ましい。第１図は従来の温度差法連続
液相成長装置における温度差△Ｔの発生法を示す。各る
つぼは円筒状もしくは角形であり黒鉛でできている。そ
のまわりにモリブデンなどのヒータ線３，４を巻き、１
００Ｗ〜１０Ｗの電力を加える。これによつて１００℃
から１０℃程度の温度差を溶融物上部と下部との間に得
ている。しかしながらこの方法では第１図ｃのごとくス
ライダーの表面上水平方向の温度分布が均一でなくなり
、基板が移動するにつれ、基板温度が相当程度変化する
ことをまぬがれない。したがつて、たとえば少し温度の
低い基板がるつぼに侵入接触すると温度差によるよりも
過冷却により成長することが起り得るので、成長速度が
極めて安定性を欠くことになる。また成長装置の石英管
中には水素を流しているが、水素の温度が炉内壁温度よ
り少し低いのが通例である。したがつて、断面方向の温
度分布は第１図ｄのように下端に行くと再び土昇する傾
向を示す。第１図ｄの曲線１１は補助ヒータにパワーを
入れないとき、曲線１２はパワーを入れたときの分布で
ある。一様な成長を行うには、このような温度分布は、
はなはだ好ましくない。すなわち、特公昭５１−３２５
３２号公報に述べられているように、スライダーは水平
方向に拡がり、かつ熱伝導が大なため縦方向に与えた温
度差△Ｔによる下方への熱流は基板を貫通して下方に向
うよりは、基板の外周辺を通つて下方に向いやすい。こ
のため基板上の溶融物温度は基板上中心より外周辺で温
度が低くなり、より過飽和となつて成長速度が大となる
ため均一な成長厚みが得られない。このため特公昭５１
−３２５３２号公報に述べたようにコールド・フインガ
一を用い基板外周辺を通さず基板を貫通して下方へ熱を
流すことも考えられる。しかしこの場合は断面において
先の第１図ｄのような温度分布を有する炉では熱を有効
に下方へ流すことが容易でない。この発明によると、上
述の欠点を除去し、温度差法連続液相成長上平坦で安定
件の高い成長層を得るための成長装置が得られる。

第１図Ｃ，ｄのような欠点を除去し、かつ内部ヒータに
過大なパワーを投入して温度の不均一を拡犬しないため
には、まず炉壁の温度を上部より下部を低温に保持する
ことが必要である。

このため第２図のように電気炉を上部８ａと下部８ｂに
分割し、それぞれ独立に投入電力を制御する。しかしこ
の方法では、断面内水平方向の温度分布は全く制御でき
ない。たとえば上下間炉壁で１００℃の温度差を設ける
と基板上の成長面での水平方向に均一な温度分布が得ら
れない。このような欠点を除くには第３図ａ、第３図ｂ
、第３図ｃに示すように冷却用パイプ１４，１５を複数
本、電気炉の下部を通し各パイプに冷却用媒体の流量調
整用バルブ１６を設け、流量を１本づつ制御する。符号
１７は流量計である。冷却用パイプとしては高温に保持
される都合上、ステンレスか石英が使われる。冷却流体
としては空気、水、窒素などがあるが、水は沸騰する危
険がある。また窒素は高価であるから空気が最も望まし
い。この場合パイプ材としてステンレスを使用しても長
期にわたると酸化されるので石英パイプと空気の組合せ
が最も望ましい。石英パイプとしてはたとえば内径５ｍ
ｍ＄のものを３本から３０本並列に並べて、それぞれ流
量をコントロールする。このようにすれば、断面内水平
方向の温度分布も微妙にコントロールされ、上方から下
方への均一な熱流を発生することができる。冷却流体を
電気炉の一端からだけ流したのでは、流体が次第に一方
向に暖まるため長手方向に温度の傾きを生ずる。そこで
第３図ａ、第３図ｂ、第３図ｃに示してあるように、並
列に並べたパイプの１本おきに炉の反対側から流体を流
すようにしている。スライダー支持部材１３（たとえば
黒鉛製）の底は有効に下方への熱流を保証するように石
英管に直接接触していることが望ましい。次に、第４図
ａ、第４図ｂは冷却パイプを石英管の内部を通した場合
を示すものである。

この方法は装置製作上、より複雑になるが媒体の流量を
余り大きくしなくとも充分有効な温度差が得られるので
、短時間で厚い成長層を得たい場合に有効である。第４
図ａおよび第４図ｂにおいて、スライダー支持部材１３
は冷却用石英パイプ１４，１５とともに冷却手段を構成
しており、１８は特公昭５１−３２５３２号公報に述べ
られているように、基板を通して主として熱を下方に流
すように熱流路を基板下に限定するための熱抵抗を与え
る部分であり、単なる空隙である。第３図、第４図のい
ずれの場合も、炉体の巻線ヒータの外に、△Ｔを与える
ための補助ヒータをるつぼの周囲に設けることは有効で
ある。

とくに各るつぼに与える温度差△Ｔを異ならせる必要が
あるときは、補助ヒータのパワーをそれぞれ独立に与え
ればよい。巻線ヒータだけのときは１００ｗ程度のパワ
ーが必要であつたが、△Ｔの差をつけるだけだから補助
ヒータは１０Ｗ程度のパワーで充分であり、これにより
各るつぼの温度に差を生じさせることができ、パワーが
小さいのでスライダーの水平面内での温度分布の平坦さ
は殆んど乱さないですむ。△Ｔに差を与える他の方法と
して、第５図に一例を示す如く、下方に流れる熱流路の
断面積をそれぞれるつぼの下で異なるようにする。すな
わち、石英管の底に接触する部分に、符号１９で示すよ
うな切り込みを入れ、接触の断面積を各るつぼの直下で
変えておく。或いは他の方法として、石英パイプの断面
積を場所によつて変えたり、または特に冷却したい部分
の炉底には別のパイプを第６図の符号２０のように配管
する。以上のように、この発明はとくに温度差法液相成
長により連続的にエピタキシヤル成長を行なう装置にお
いて有効であるが、温度差法に限らず通常の徐冷法にお
いてもまた、溶融物上部よりも基板近くがより冷却され
ているときには、エヒリタキシヤルを析出せずに溶融物
内で自由核が発生するというトラブルが避けられるので
、本発明を使用することができる。確かに、温度差法と
異なる徐冷法においては、仮りに温度差をつけるとして
も、主に対流を防ぐためのものであるので温度差の程度
も温度差法に比べてはるかに小さく、また制御の度合も
厳密ではない。それ故、この発明の如く精巧な方法によ
るまでもない。これに対して温度差法においては、温度
差の精密な制御が目的を達成し極めてすぐれた特性の成
長層を得ることができる。またシリコンなどの気相成長
装置においても、配列されたシリコン結晶の下側のみを
冷却して、石英管の管壁への不要な多結晶析出を抑える
ためには本装置が極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の温度差法連続液相成長装置に関する図
であり、第１図ａは概観図、第１図ｂは内部の成長装置
を示す模式図、第１図Ｃは長手方向の温度分布、第１図
ｄは横断面での温度分布を示す。 第２図は、上下を別々に制御できる電気炉の断面図。第
３図ａ−ｃは、この発明の１実施例を示す図。第４図Ａ
，ｂは、この発明の他の実施例を示す図であり、冷却パ
イプを石英管の内側を通す例である。第５図および第６
図は、それぞれこの発明のさらに他の実施例を示す図で
あり、第５図はスライダー支持部材下面に切り込みを作
る例、第６図はスライダー支持部材の特定の部分のみを
特に強く冷却する例を示す図である。１，２・・・・・
・るつぼ；３，４・・・・・・ヒータ；５・・・・・・
スライダー；６・・・・・・基板：７・・・・・・石英
管；８・・・・・・電気炉：９，１０・・・・・・半導
体溶融物；１３・・・・・・スライダー支持部材；１４
，１５・・・・・・冷却手段：１６・・・・・・流量調
整用バルブ；１７・・・・・・流量計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融物原料の入つた底部に開口を有するるつぼと、
   水平方向に基板を該開口と接するように移動させるため
   のスライダーと、スライダー支持部材とからなる組立体
   と、それを内部に配置した囲いと、その囲いの周囲の炉
   体と、るつぼ上部の加熱素子と、を有する基板上に結晶
   成長を行うための水平型液相結晶成長装置において、前
   記スライダー及びスライダー支持部材の近傍に設けられ
   た複数本の冷却用流体通路であつて、その中を通る冷却
   用流体の流量を独立に制御するための流量調整手段をそ
   れぞれ有する上記冷却用流体通路が設けられていること
   を特徴とする液相結晶成長装置。 ２ 複数本の冷却用流体通路がスライダー及びスライダ
   ー支持部材の下側に配置されていることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項に記載の液相結晶成長装置。 ３ 複数本の冷却用流体通路が囲いの内部に配置されて
   いる、特許請求の範囲第２項に記載の液相結晶成長装置
   。 ４ 炉体が円状の内壁断面形状を有し、複数本の冷却用
   流体通路が囲いの外側で前記円状内壁の下部円周上にか
   つ炉体の中心軸と平行な方向に並列して配置されている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の液相
   結晶成長装置。 ５ 複数本の冷却用流体通路が炉体の中心軸と平行でか
   つ炉体の横断方向に関して１列状に配列され、各々独立
   な所定の流体進行方向を有し、該通路の出口が外界へ開
   放しており、流量調整手段が前記流体進行方向の上流側
   で前記冷却用流体通路と結合していることを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項ないし第４項に記載の液相結晶
   成長装置。 ６ １列に配列された複数本の冷却用流体通路の流体進
   行方向が交互に反転していることを特徴とする、特許請
   求の範囲第５項に記載の液相結晶成長装置。 ７ 複数本の冷却用流体通路が実質的に石英で形成され
   ていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし
   第６項に記載の液相結晶成長装置。