JP3697341B2

JP3697341B2 - 化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置

Info

Publication number: JP3697341B2
Application number: JP31853297A
Authority: JP
Inventors: 一浩上原; 由彦坂下; 広岡田; 岳穂川中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: JPH11157980A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置に係り、化合物半導体結晶を、処理雰囲気を制御しながら成長（製造）する単結晶製造装置および処理雰囲気を制御しながら熱処理するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ等のIII −Ｖ族化合物半導体やＣｄＴｅ等のII−VI族化合物半導体単結晶の製造方法としては、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、水平温度勾配付固化法（ＨＧＦ法）、垂直温度勾配付固化法（ＶＧＦ法）および引き上げ法（ＣＺ法）などが利用されている。
これらの方法の中で、特に化合物半導体の生産に用いられているのが引き上げ法（ＣＺ法）である。この方法はルツボによる拘束のない結晶成長方法であるが、大きな温度勾配下での結晶成長であるため、成長した結晶の転位密度が高くなるなど、高品質な結晶を得られないという問題がある。
【０００３】
低転位の結晶を得るための方法として、ルツボ内で融液を固化させ単結晶を得る垂直ボート法がある。垂直ボート法には、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）および垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）があるが、これらの方法に依れば、低温度勾配下で結晶成長をおこなうことができ、結晶性の良い単結晶を得ることができる。
前記ＶＧＦ法であれ、ＶＢ法であれ、原料融液から高解離圧成分の蒸発による成分の変動を防止するため、該高解離圧成分を気密容器に予め封入しておき、該高解離圧成分を加熱蒸発させて原料融液の高解離圧成分の解離圧と平衡する蒸気圧を発生させ、結晶の成長過程において気密容器内を高解離圧成分ガス雰囲気とされるのが通例であるが、気密容器内外の圧力差により種々の障害が生じる。
【０００４】
このため、特開平４−７７３８３号公報に開示されているように、不活性ガスが高圧充填された高圧容器内に気密容器（気密チャンバー）を収容し、気密容器内外の圧力差を緩和するため、該気密容器に均圧用の圧力緩衝通路（均圧通路）が設けられる。原料として、II−VI族化合物、III −Ｖ族化合物もしくはこれらを主成分とする化合物を用いる場合、これらの化合物の高解離圧成分のガスが加圧用不活性ガスよりも分子量が大きいため、同公報第４頁左下欄第１３行目から右下欄第２行目に開示されているように、前記圧力緩衝通路は高解離圧成分ガスを容器内に滞留させると共に不活性ガスを優先的に容器外に排出させるため、気密容器の上部に設けられる。
【０００５】
しかしながら、気密容器の上部では容器内のガスは高温状態にあり、高運動エネルギーを有するため、高解離圧成分ガスが圧力緩衝通路から抜け出やすい。従って、ガスの流出を防止するため、前記公報５頁右下欄第１８行目〜６頁左上欄第７行目及び第２図に記載されているように、圧力緩衝通路は複雑なラビリンス構造の蛇行通路とされる。
また、前記公報４頁右上欄第３〜７行目及び同頁右下欄第１３〜１５行目に記載されているように、平衡状態に達するまでの過程で高解離圧成分のガスが前記圧力緩衝通路から気密容器外へ排出される。この排出された高解離圧成分ガスは高温であるため、気密容器の周りに設けられた集合ヒータの下方の低温側ヒータエレメント及びその給電電極の周り一面に付着する。また、製造装置を繰り返し使用するに従って、高解離圧成分の付着層は成長する。通常、高解離圧成分は導体乃至半導体であることが多いため、高解離圧成分の付着及び付着層の成長により、ヒータへの供給電力が変動し、これに伴って加熱温度が不安定になり、著しい場合は付着層を介してヒータ電極が短絡した状態になり、操業が不能になる。
【０００６】
特開平４−７７３８３号公報で開示の従来の技術においては前述したような課題を有することから、本発明者等は、特開平７−３３０４７９号公報で開示したように高圧容器内にヒータエレメントが上下方向に複数段列設された集合ヒータを設け、該集合ヒータ内にチャンバーの内外に連通する均圧通路を有する気密チャンバーを設け、該気密チャンバー内に化合物原料を収容するルツボ及び該ルツボの下方に原料化合物の高解離圧成分を収容したリザーバが配置され、前記高解離圧成分を加熱蒸発させるための蒸発用ヒータエレメントが設けられ、前記ヒータエレメントにより形成された上方から下方に渡り化合物の融点を挟んで高温から低温に推移する温度分布の融点温度域をルツボに対して下方から上方へ相対移動させることによりルツボ内の原料融液を下方より冷却固化して単結晶を成長させる化合物単結晶製造装置において、前記均圧通路が前記蒸発用ヒータエレメントの下方に形成されている。
【０００７】
特開平７−３３０４７９号公報の技術においては、該公報の段落番号００１４で記載したように、
この装置において、均圧通路を高解離圧成分の融点以下の温度域に設けるとよい。また、気密チャンバーの内部にリザーバから蒸発した高解離圧成分の蒸気が下方に流動するのを抑制するための蒸気流動抑制手段（半シール材）をリザーバと均圧通路との間に付設するとよい。また、高圧容器を胴部筒体と、該胴部筒体の上下開口部を密閉する上蓋及び下蓋とを備えた構造とし、前記気密チャンバーが下蓋に付設され、前記下蓋は胴部筒体に上下方向から着脱自在に装着されるようにするのがよい。また、気密チャンバーは分割組立て自在に構成するのがよい。一方、ＶＢ法として用いる場合は、気密チャンバーの内部に上下方向に昇降する昇降ロッドを設け、該昇降ロッドの上部に前記ルツボを支持するとよい。尚、集合ヒータの最下段ヒータエレメントを蒸発用ヒータエレメントとして用いることができる。
【０００８】
一方、化合物半導体単結晶の熱履歴を制御して点欠陥に関係した結晶間やウェハ間のバラツキを改善するため結晶インゴットをアニール処理する。
特に電子デバイス半絶縁性ＧａＡｓはアニールにより電気的特性、光学的特性の均一化や析出物の低減、組成制御が可能となりウェハの高品質化ができる。
その方法としてのアニール処理は、石英管の中に結晶インゴットを真空封入し、横型電気炉の中で７５０〜１０００℃、３〜１５時間の熱処理を行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述した特開平７−３３０４７９号公報で開示の技術においては、半シール材により蒸気を気密に保持させるが、半シールであるため確実に蒸気を気密チャンバ内に充満させることはできない。すなわち、同公報にも記述があるように、「蒸気が半シール材の下方に流動するのをほぼ阻止することができ」るが、完全に阻止することは難しい。この「半シール材は均圧性を損なわない程度のシール性を有する」、すなわち、ある程度のガス流通を許容するものである。
【００１０】
このような、半シール構造であると、リザーバに収納する高解離圧成分元素の歩留まり（収納する元素の重量と処理後回収する元素の重量の割合）が悪く、半シール材を通して流動した高解離圧成分の蒸気はヒータエレメントに凝着する可能性は低いものの容器内のどこか（温度の低い箇所）で凝集するため、メンテナンスを頻繁におこなう必要がある。本発明は、上記従来例の問題を解決すべく、結晶処理ガス雰囲気と加熱装置雰囲気とを隔絶する気密容器を備えた化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置を提供することを目的にしたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するための本発明に係る化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置は、加熱要素を有する容器に収納している化合物半導体の原料または化合物半導体結晶を覆って結晶処理ガス雰囲気と加熱装置雰囲気とを隔絶する気密容器を設け、該気密容器内に、前記化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器と前記気密容器内へのガス流動を行うための開閉弁とを設け、前記容器と開閉弁とを気密容器の下部で温度の低い場所に配置していることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明においては、化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器より上方に開閉弁を設けていることが望ましく、また、開閉弁のシール構造が積層黒鉛シートであることが望ましい。
更に、本発明においては、化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器を、開閉弁に設ける構成としてもよく、また、加熱要素を有する容器と、該容器の加熱要素の内側に設けられた気密容器が、容器軸心を縦軸心として配置されていることが有利であるし、気密容器内外へのガス流路に、開閉弁のための弁棒が内挿されていることが推奨される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態のいくつかを説明する。
図１はＧａＡｓ単結晶の熱処理に適用した例を示しており、図１において、円筒形の容器１の上・下開口部には、図示しないシール材を介して上蓋２、外側下蓋３および内側下蓋４が嵌合されて気密に構成され、この容器１内には、処理品である結晶１０（本実施例の場合ＧａＡｓ結晶）を加熱処理するための複数の加熱要素６および倒立コップ形状の断熱層５が設置されて、炉を構成している。
【００１４】
加熱要素６の内側には結晶１０を覆うための気密容器７が設置され、該気密容器７は結晶処理ガス雰囲気と加熱装置雰囲気とを隔絶するためのものであることから、当該容器７は、処理温度ににもよるが金属製、セラミックス製、特殊炭素材料（気密性を有するもの）、ガラス材料などにより製作される。
気密容器７内には、処理品である結晶１０（本実施例の場合ＧａＡｓ結晶）、結晶１０を設置するための試料台１２、高解離圧成分（元素）を収納するための容器であるリザーバ８が設置される。リザーバ８も気密容器内外の雰囲気を隔離するためには気密性の材料（上記のように使用温度、不純物により部材を選択する）から製作される。
【００１５】
リザーバ８内には高解離圧成分（元素）９、本実施例ではＡｓを収納する。Ａｓの収納量は、熱処理温度におけるＧａＡｓ結晶からのＡｓ解離圧に相当する圧力を得るために必要な重量を収納する。
本気密容器７内外のガス流（アルゴン等の不活性ガス）の操作をおこなうための開閉弁１１がリザーバ８よりも上方に設置される。リザーバ８より上方に開閉弁１１を設置するのは、該弁１１をリザーバ８より下方に設置すると、弁１１部の温度はリザーバより低い箇所となるため、高解離圧成分が流動してきた場合、弁１１部で凝集するためである。したがい、弁１１をリザーバ８より上にすることにより、高解離圧成分９は弁１１に凝集することなく、弁１１の作動不良を生じさせず、弁１１の安定な動作を保証するばかりでなく、高解離圧成分９を熱処理後回収する場合、気密容器７内ではリザーバ８が最も温度の低い箇所となるため、高解離圧成分９を効率よくリザーバ８に回収することができるため、Ａｓ回収率が向上し、コスト的にも効果がある。
【００１６】
開閉弁１１は、ガス流路１３にその弁棒１１Ａが内挿されており、熱処理開始前の気密容器７内の真空引き、ガス置換などの時に開閉するために必要である。密閉された圧力容器１内、気密容器７内を操業前に真空引き、ガス置換することは、炉内部品の寿命のためだけでなく、不純物の低減のためにも必要な作業である。気密容器内の雰囲気を制御した熱処理時（Ａｓ圧の制御をおこないながら熱処理する場合）は、この開閉弁１１を閉じ、シール材１４を押しつけることにより気密性を確保する。開閉弁１１は、その弁棒１１Ａをエアシリンダ、電気モータなどの駆動装置１５に連結することにより駆動される。
【００１７】
シール材１４も使用温度領域により種々材料が選定されるが、高温（５００℃以上）での使用に関しては、黒鉛シート特に、積層黒鉛シートが最も望ましい。
更に、密閉された容器１および気密容器７はその容器軸心を縦軸心として配置されており、これによって、温度の均一性も保ちやすく、処理品の均一性も確保するようにされている。試料台１２にはガス出入口１２Ａが形成されている。
以下、図１に示した装置を用いて、ＧａＡｓ結晶のアニール処理について記述する。
【００１８】
内側下蓋４を降下させ（あるいは圧力容器１、上蓋２、外側下蓋３等を上方に移動させ）、気密容器７を取り外す。試料台１２上にφ６インチＧａＡｓ結晶１０をルツボ（図示せず）内に入れ設置し、リザーバ８内に高解離圧成分Ａｓを約２ｇ入れた。
気密容器７を設置し、内側下蓋４を圧力容器内に挿入し、開閉弁１１を「開」の状態とし、ガス流路１３を介して真空引き、アルゴンガスによるガス置換をおこなった。次に、アルゴンガスを圧力約２ｋｇｆ／ｃｍ２となるまで当該気密容器７内に送気し、開閉弁１１を「閉」とした。このとき、密閉された圧力容器１内も圧力約２ｋｇｆ／ｃｍ２であった。
【００１９】
加熱要素６に通電を開始し、結晶１０の温度を１１００℃となるように制御した。このときリザーバ８も蒸気圧制御用の加熱要素６により加熱し、制御温度５００℃となるように制御した。
所定の熱処理を終えたあと、温度を降下させ室温としたあと、開閉弁１１を「開」とし、ガスを放出した。ガス放出後、内側下蓋４を降下させ、気密容器７を取り外した。ＧａＡｓ結晶１０はＡｓ抜けもなく、非常に高品質の結晶であった。
【００２０】
リザーバにはＡｓが回収されており、減量も０．１ｇ程度と非常に高回収率であった。
図２を参照すると、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）の単結晶成長（製造）装置に適用した具体例を示している。
この図２に示した装置構成としては図１とほぼ同じであるが、結晶１０を成長させるためのルツボ軸を移動させる駆動装置（図示せず）があることが、図１に示した熱処理装置と異なる点である。
【００２１】
また、図２の例では、気密容器７、リザーバ８等も下方に動かす例を示しているが、ルツボ（図示せず）および結晶のみを動かす方式でも構わない。
蒸気圧制御用の加熱要素６Ａは図１に比べて長い加熱装置となっているが、これは、成長中にリザーバ８も下方に移動するために、移動中でもリザーバ８温度を均熱とするために長くしたものである。
本実施例では、ＶＢ法により結晶を成長させている間、高解離圧成分の蒸気圧を制御するものであり、ルツボが移動することが既述した図１の構成と作用が異なる点である。なお、図１と共通する部分は共通符号で示している。
【００２２】
図３を参照すると、開閉弁１１の弁部にリザーバ８を設けている熱処理装置を示しており、加熱ヒータ６Ａは試料台１２に内装されており、このように構成することにより、実施例１、２とは異なり蒸気圧の制御がより詳細に実施可能である。すなわち、実施例１、２ではリザーバ８の温度制御は気密容器７の外側に設置される加熱装置６Ａによりおこなうため、精密な制御は不可能である。一方、本実施例のように、蒸気圧制御用の加熱装置６Ａを気密容器７内に設置するため、より蒸気圧制御温度を正確にコントロールすることが可能となり、ひいては正確な蒸気圧の制御が可能となるものである。その他の構成は図１を参照して示した構成と共通することから、共通部分は共通符号で示している。
【００２３】
なお、図３に示した構成において、これを結晶製造装置に用いることは勿論可能である。
また、図示省略しているが、開閉弁の構造は、ポペット形等にすることは自由である等々多少の構造変形は可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、石英封管を用いないため、シリコン不純物混入の問題なく、また封管の変形問題もない。縦型装置であるため、温度の均一性も保ちやすく、処理品の均一性も確保できる。
また、高解離圧成分の元素蒸気圧の制御も、気密容器内のシールを確実におこなうことができるためより正確な蒸気圧の制御が可能となるため、処理品の品質が良く、処理前後の高解離圧成分元素の蒸散量も少なく歩留りが良く安価にできる。
【００２５】
さらに、半密閉構造では半シール材から蒸散した高解離圧成分が加熱装置には付着しなくとも、容器内のどこかに付着する。一般的に、化合物半導体の高解離圧成分は毒物、危険物が多く、その除去作業などのメンテナンスは煩雑であり、時間を要するために処理品のコスト増にも繋がるけれども、本発明はこの点でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の第１実施形態を示し、（Ａ）は全体構成断面図、（Ｂ）は開閉弁部分の拡大図である。
【図２】本発明装置の第２実施形態を示す全体構成断面図である。
【図３】本発明装置の第３実施形態を示す全体構成断面図である。
【符号の説明】
１圧力容器
６加熱要素
８リザーバ（容器）
９高解離圧成分
１０結晶
１１開閉弁

Claims

加熱要素を有する容器に収納している化合物半導体の原料または化合物半導体結晶を覆って結晶処理ガス雰囲気と加熱装置雰囲気とを隔絶する気密容器を設け、該気密容器内に、前記化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器と前記気密容器内へのガス流動を行うための開閉弁とを設け、前記容器と開閉弁とを気密容器の下部で温度の低い場所に配置していることを特徴とする化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。
化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器より上方に開閉弁を設けていることを特徴とする請求項１に記載の化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。
化合物半導体を構成する高解離圧成分の元素を収納するための容器を、開閉弁に設けていることを特徴とする請求項１に記載の化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。
開閉弁のシール構造が積層黒鉛シートであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。
加熱要素を有する容器と、該容器の加熱要素の内側に設けられた気密容器が、容器軸心を縦軸心として配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。
気密容器内外へのガス流路に、開閉弁のための弁棒が内挿されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の化合物単結晶製造装置および／または熱処理装置。