JPH02233578A

JPH02233578A - 高解離圧化合物半導体処理装置および処理方法

Info

Publication number: JPH02233578A
Application number: JP5343789A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sasa; 佐々　紘一; Takaharu Shirata; 敬治白田; Taizo Omura; 大村　泰三
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1990-09-17

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】「産業上の利用分野」本発明は、ＩＣ用高抵抗基板、光デバイス用ドープ基板
などに使用されるＧ　ａＡ　ｓ等の高解離圧化合物を気
密容器内で処理する装置に係わり、特に気密容器のシー
ル構造の改良に関する。

「従来の技術」ＧａＡｓ，［ｎＰ等の高解離圧化合物の結晶育成や熱処
理を行なう場合には、化合物からの高解離圧成分（Δｓ
，Ｐ等）の逃散を防ぐとともに、結晶組成を制御する目
的で、処理温度での結晶の解離圧と平衡する高解離圧成
分ガス雰囲気中で処理を行なう方法が採られている。

そのための処理装置として、ＧａＡｓ単結晶の弓上装置
の一例を第２図に示す。この装置は特開昭５８−１５７
８８３号公報に記載されたもので、図中符号ｌおよび２
は気密容器３を構成する容器上部および容器下部であり
、これらの接合部にはシール材４が介装されるとともに
、容器下部２の下軸５に設けられたスプリング等の付勢
手段６により適正圧力で互いに当接されている。

シール材４としては、一般的にＢ，Ｏ．等の液体シール
材または膨張黒鉛等の固体ガスケットが使用されている
。

一方、容器３の内部にはルツボ７が配置され、サセブタ
８の下軸８Ａを介して回転操作されるとともにヒータ９
で容器３ごと加熱される。また容ｉｔ部１にはガス圧制
御部１０が設けられ、この，制御部ｌＯの内壁温度を、
他のいかなる部分よりも低く保ち、この部分にヒ素を凝
結させることにより溶湯Ｙの組成を制御しつつ、下端に
種結晶を固定した引上機構１１で単結晶Ｔを順次引き上
げるようになっている。なお１２は観察窓、１３はＢ　
，０　３等を満たした回転シールである。

この装置によれば、気密容器３の分割および再使用が容
易で、大口径単結晶インゴｙトの製造が容易に行なえる
利点を有する。

「発明が解決しようとする課題」ところで、上記の処理装置で使用した液体シール材４は
、不純物元素を含まず、単結晶Ｔの高純度化という観点
からは優れた材料であるものの、以下のような重大な欠
点を有していた。

■　液体シール材４は、気密容器３の内外に圧力差が生
じると容器３の接合部から溢れてヒ素を損失゛するおそ
れがあるため、容器内外圧の均衡を常にとるように圧力
を充分ゆっくり変えなければならない。したがって、装
置の操作には厳重な注意を要し、時間がかかって操作性
が悪かった。

■　液体シール材４は、容器３の材料として使用される
耐熱材（例えばｐＢ　Ｎ　：熱分解窒化ホウ素）に対す
る濡れ性が良すぎ、一旦溶融すると容器３に強《接着す
るうえ、凝固点以下の温度における熱膨張係数が大きい
ため、使用の都度、容器３の被接着面を薄片状に剥離さ
せ、ついには応力履歴により容器３を破壊に至らせる。

したがって容器寿命が短い分、単結昂の処理コストを引
き上げる。

なお、同様の問題は引上装置に限らず、他種の処理装置
においてもいえることである。

以上のように、液体シールの使用は工業的に不利が大き
く、固体シールへの転換が望ましいのであるが、固体シ
ールを使用すると新たにシール材からの不純物汚染が問
題となる。

この種の固体シール材としては、耐熱性の点から膨張黒
鉛製固体ガスケットが最適であるが、この固体ガスケッ
トは製法上の理由から微量の硫黄を含み（＞　ｆ　４　
０　ｖｔ　ｐｐｍ）、この硫黄はガスゲットの使川潟ｔ
Ｘ＜＞　６　０　０　’Ｃ）において高い蒸気圧を有す
る（例えば６００℃で５　０　０　０　ｔｏｒｒ）。こ
のため、処理時に硫黄蒸気が気密容２３　３内に侵入す
ることが至けられず、半導体単結晶を汚染し、品質を低
下させるのである。

「課題を解決するための手段」本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ま
ず第１項に係わる高解離圧化合物半導体処理装置は、各
容器部材の接合部を封止するシール材として固体ガスケ
ットを使用するとともに、この接合部には固体ガスケッ
トと気密容器の内部とを連通ずる間隙部を形成し、この
間隙部の開口断面積をガス圧制御部の開口断面積のｌ／
１０以下としたことを特徴とする。

また、第２項に係わる高解離圧化合物半導体処理方法は
、７−ル材として固体ガスケノトを使用するとともに、
容器部材の接合部には固体ガスケットと気密容器の内部
とを連通ずる間隙部を形成し、さらに処理を行なう時点
での固体ガスケットの装着箇所の温度を、ガス制御部の
内壁温度および気密容器の内壁温度のいずれよりも低く
保つことを特徴とする。

さらに、第３項に係わる高解離圧化合物半導体処理方法
は、前記処理を行なう時点において、間隙部が固体ガス
ケットの装着箇所から気密容器の内壁側に向けて正の温
度勾配を有するように温度制御することを特徴とする。

「作用」上記の処理装置および方法によれば、固体ガスケノトの
温度を他より相対的に低下させることにより、固体ガス
ケット中に含まれる硫黄等の高解離圧不純物の蒸気圧を
低下させ、拡散量そのものを低下させる。同時に、間隙
部の内部には高解離圧成分固体が凝結し、固体ガスケッ
トの全長に亙って凝結物層が形成されるため、この凝結
物層により固体ガスケットから発生する不純物蒸気が気
密容器内に侵入することが防げる。したがって、以上２
つの相乗効果により、固体ガスケットからの汚染を極め
て効果的に防止することが可能である。

また、間隙部の開口断面積なガス圧制御部の開口断面積
の１／１０以下にすることにより、接合部の温度変動が
生じて間隙部内における高解離圧成分固体の凝縮量が若
干．変動した場合にも、気密容器内のガス圧変化を無視
しうる程度に抑えられる。

さらに、固体ガスケノトの装着箇所から気密容器の内壁
側に向けて正の温度勾配を有するように温度制御するこ
とにより、間隙部の内部での凝結物が固体ガスゲットの
側から緻密に形成されるようにし、この凝結物層による
遮断効果を高めることができる。

「実施例」以下、第１図を参照しつつ本発明の一実施例を具体的に
説明する。

第１図はＧａＡｓ結晶の熱処理装置であり、図中符号２
０は気密的な外容器、２１は外容器２０内に配置された
気密容器である。

この気密容器２１は、有底円筒状の容器本体２２と、こ
の容器本体２２の上端開口部を塞ぐ円板状の蓋体２３と
から構成され、これらの接合部には、全周に亙って円環
形の固体ガスケット２４が介装されている。

気密容器２１は、外容器２０の底部を貫通した下軸２５
の上端に、バネ２６および有底円筒状の支持部２７を介
して固定され、外容器２０内で昇降操作可能となってい
る。そして外容器２０の内部には、気密容ｉ１２１を取
り囲んで、上から順に、上ヒータ２８、中ヒータ２９、
下ヒータ３０が配置され、通電により気密容器２１を加
熱するようになっている。

容器本体２２および蓋体２３の材質としては、炭化ケイ
素，窒化ケイ素，サイアロン，窒化ホウ素，窒化アルミ
ニウム，アルミナ，ジルコニア，炭化チタン，ｇ化チタ
ン等のセラミックスや、モリブデン，モリブデン合金，
タングステン，タングステン合金等の耐熱金属材料、耐
熱金属材料あるいは炭素材料に前記セラミνクスをコー
ティングしたものなどが好適であり、容器本体２２と蓋
体２３をそれぞれ別の材質で成形してもよい。

一方、容器本体２２の底板部中央には、有底円筒状のガ
ス圧制御部２２Ａが下方に突出して一体形成されるとと
もに、支持部２７の内部には、このガス圧制御部２２Ａ
を．取り囲む圧力制御ヒータ３ｌが設けられている。ま
た、容器本体２２の底板部上には、ガス圧制御部２２Ａ
の開口部を寒くように前記同様の材質からなる断熱板３
２が固定され、この断熱板３２には、ガス圧制御部２２
Ａの内部空間と気密容器２１の内部空間とを連通させる
連通孔３３が形成されている。そしてこの断熱板３２上
には、多数のウェーハＷを水平に支持しうるウェーハ支
持容器３４が載置されている。

一方、蓋体２３の上部には大径のフランジ部２３Ａが一
体形成され、このフランジ部２３Ａの外径は容器本体２
２の外径とほぼ等しくされている。

また、蓋体２３の下部２３Ｂの外径は、容器本体２２の
内径よりも若干小さく設定され、これにより容器本体２
２の内壁面と蓋体下部２３Ｂの外壁面との間には、全周
に亙って一定幅の間隙部３５が形成されている。

この間隙部３５の幅は、各部の熱膨張等の影響や加工精
変を考慮したうえで、２ｚｍ以下の、できるだけ小さい
値に設定することが望ましい。２１屑より犬であると、
間隙部３５内に凝結物層が形成されても、この凝結物層
に隙間が生じて不純物遮断効果が低下するおそれがある
。

また、間隙部３５の開口断面積Ｓｔは、ガス圧制御部２
２Ａの開口断而積Ｓ２の１／１０以下であることが望ま
しい。その理由は後述する。

固体ガスケット２４の材質としては、耐熱性に優れた膨
張黒鉛が望ましいが、同様の物性を有する可撓性材料等
も使用可能である。また固体ガスケット２４の厚さは０
，０３〜２ｘｘ程度が望ましい。０．０３１Ｊｌより薄
いと取り扱い時に破損しやすく、２＋ｍ＋ｗより厚いと
シール性が悪化する。

次に、上記構成からなる高解離圧化合物半導体処理装置
を用いた処理方法の一例を説明する。

まず、所定枚数のＧａＡｓウェーハＷをウェーハ支持容
器３４に装着した後、気密容器２ｌ内にヒ素ガスを導入
し、各ヒータ２　８．２　９．３　０および圧力制御ヒ
ータ３１に通電して気密容器およびガス圧制御部２２Ａ
を加熱する。

やがて、気密容器２ｌ内が所定の処理温度に達したら、
圧力制御ヒータ３１への通電量を加減して、ガス圧制御
部２２Ａの内壁諷度Ｔ２を気密容！２１の内壁温度Ｔ３
より低《維持し、適当量のヒ素を凝結させて気密容器２
ｌ内のヒ素のガス圧を調節する。

これと平行して、固体ガスケット２４の装着箇所の諷度
Ｔ　１が、Ｔ　ｌ　＜　７　２　＜　Ｔ　３の条件を満
たすように、かつ間隙部３５の内壁面の１温度勾配が固
体ガスケット２４側から下方に向けて正となる（高温に
なる）ように、各ヒータ２８，２９．３０への通電ｍを
調整するとともに、下軸２５を昇降して気密容器２１と
ヒータ２８，２９．３０との相対位置を適宜調節する。

このような温度制御を行なうことにより、本発明の処理
装置および処理方法においては、次のような２つの作用
が得られる。

■　固体ガスケット２４の温Ｒ（＝ＴＩ）をガス圧制御
部２２Ａの内壁温度Ｔ２より低下させることにより、固
体ガスケット２４中に含まれる硫黄等の不純物の蒸気圧
を低下させ、固体ガスケット２４からの不純物拡散量そ
のものを低減する。

ちなみに、硫黄の蒸気圧は、例えば６００℃の時を１と
すると、５００℃では０．３２、４００℃では０．０７
、３００゜Ｃでは０．００８と著しく低下するから、固
体ガスケット２４の温度低下による不純物拡散量低減効
果は顕著である。

■　間隙部３５の内部にはヒ素が凝結し、固体ガスケン
ト２４の全長に亙って凝結物層が形成されるため、これ
が拡散障壁となって固体ガスケット２４から発生する不
純物蒸気の侵入が防止できる。

この例では特に、固体ガスケノト２４の装着箇所から下
方に向けて正の温度勾配を有するように温度制御するか
ら、間隙部３５内での凝結物層が固体ガスケット２４の
側から緻密に隙間なく形成され、遮断効果が極めて高い
。

したがって、上記■．■の相乗効果により、この処理装
置および処理方法では、固体ガスヶ，ト２４からの硫黄
等の不純物蒸気の拡散を極めて効果的に防ぐことができ
、固体ガスケント２４の使用が可能となるため、液体シ
ール材を用いた場合のように圧力調整操作に厳重な注意
が要らな《なり、操作時間を短縮し、操作性を良好にし
て生産性を高めることが可能である。

車た、液体シール材のように容器部材に固着してこれを
損傷することがないから、気密容器２１の寿命を延長し
て容器コストを低減し、その分、半導体処理コストの低
下が図れる。

なお、上記の装置および方法では、ガス圧制御部２２Ａ
および間隙部３５の２箇所において高解離圧成分が凝結
するため、次の点に注意を払う必要がある。

すなわち、ガス圧制御部２２Ａはヒータ２８，２９．３
０から十分に離れ、温度安定性と均熱性を充分高めるこ
とができるのに対し、間隙部３５の温度は、ヒータ２　
Ｂ，２　９．３　０からの輻射と対流による擾乱の影響
を受けて比較的温度が不安定である。この場合、ガス圧
制御部２２Ａの温度が一定で、間隙部３５の温度変化が
ゆっくりであれば、間隙部３５内におけるヒ素の凝結量
が増減しても、この増減分はヒ素ガスを介してガス圧制
御部２２Ａの凝結物からまかなわれ、気密容器２ｌ内の
圧力変動は生じない。しかし、実際にはヒータ２　８，
２　９．３　０の温度の揺らぎ等によって間隙部３５の
温度は短時間で周期変化することがあり、その場合には
凝結物の移動が追随できず、気密容器２ｌのヒ素圧が変
化するおそれがある。

このようなヒ素圧の変化が生じると、結晶の熱処理条件
が変化してしまい、特性上好ましくない。

この問題は特に、本発明を単結晶引上装置に応用された
場合に重大である。引上装置で高解離圧成分ガス圧力の
変化が生じると、融液組成の変動を招き、結晶特性の細
かな揺らぎの原因となって単結晶の品質を低下させるか
らである。

このような圧力変動を避けるためには、ガス圧制御部に
おける昇華および凝縮能力が接合部の間隙部における昇
華および凝縮能力に比較して充分大きければよい。その
ために、間隙部の開口断面積Ｓ１はガス圧制御部の開口
断面積Ｓ２に比して可能な限り小さくすることが望まし
い。そしてこの点について本発明者らが実験した結果、
前記のようにＳ１がＳ２の１／１０以下であれば、ほぼ
ヒ素圧の変動が防止しうろことが判明したのである。

なお、上記の例は熱処理装置であったが、本発明は、引
上装置やブリッジマン法等結晶成長装置、多結晶原料合
成装置にも応用できることは勿論である。また、化合物
半導体の種類はＧａＡｓに限らずＧａＰ，ｌ　ｎＰ等な
どにも適用可能である。

「実験例」次に、実験例を挙げて本発明の効果を実証する。

実験には第１図と同じ構造のＧａＡｓ結晶熱処理装置を
用いた。第１図を参照して説明すると、気密容器２ｌの
外径はｌｏｏｉｍφとし、容器本体２２および蓋体２３
は、ＰＢＮをコーティングしたグラファイトで成形した
。固体ガスケノト２４としては厚さ０．４＋ｙ＋ｙの膨
張黒鉛製シートを使用し、間隙部３５のクリアランスは
０　．　２　ｍｓ，上下長は１０ｃｍとした。またガス
圧制御部は内径３ｃｘ、高さは５ｃｍとした。これによ
り、間隙部３５の開口断面積は０．６３ｃｍ’であり、
ガ文圧制御部２２Ａの開口断面積７．ｌｃｉ”の８　９
％に相当する。

まず、気密容器２１内に配置したウエーノ＼支持容器３
４に、エッチングおよび洗浄等の前処理を施した半絶縁
性Ｇ　ａＡ　ｓウエーノ＼を積層状態に装着したうえ、
゛気密容器２ｌ内に雰囲気ガス形成用のヒ素固体を６０
９入れた。

次に、各ヒータ２　Ｂ，２　９，３　０．３　１に通電
し、まずガス圧制御部２２Ａおよびガスヶ・ノト装着箇
所を所定温度に昇温させた後、ＧａＡｓウエーノ１を昇
墨させて１０００℃で１０時間保持した。この保持状態
において、ガス圧制御部２２Ａの均熱部の４度は６２０
°Ｃ１ガスケット装着箇所は４００６Ｃ１蓋体２３の下
面の温度は８００°Ｃに保った。

一方、気密容器２１の内壁面の他の部分は、いずれもガ
ス圧制御部２２Ａの温度より高《保持した。

これにより、間隙部３５内には固体ガスケノト２４の側
からヒ素凝結物層が形成された。

次いで、ウェーハの加熱処理後、前記と逆の順序で気密
容ｉ’！ａ２１を降温させる一方、この降温途中ではガ
スケット装着箇所の温度をガス圧制御部２２Ａの温度よ
り高くし、間隙部３５内で凝結したヒ素を蒸発させた。

上記実験の結果、一回の処理の間のヒ素の損失量は１０
ｇ以下で、従来の液体シール材を用いた同種の装置に比
して遜色がなかった。また、熱処理後のウェーハについ
て抵抗率の微細分布測定を行なった結果、ウェーノ＼の
全面に亙ってヒ素抜けによる熱変成は確認されず、均一
な特性を示した。

さらに、熱処理前後のウエーノ＼に対しＳＩＭＳ分析を
行なったが、両者共に硫黄１農度が７ＸＩＯｃｍ−３以
下であり、硫黄による汚染は認められなかった。

「発明の効果」以上説明したように、本発明に係わる高解離圧化合物半
導体処理装置および処理方法においては、固体ガスケッ
トの温度を他より相対的に低下させることにより、固体
ガスケット中に含まれる硫黄等の高解離圧不純物の蒸気
圧を低下させ、拡散量そのものを低下させる。同時に、
間隙部の内部に高解離圧成分固体を凝結させ、固体ガス
ケットの全長に亙って凝結物層を形成することができる
から、固体ガスケットから発生する不純物蒸気が気密容
器内に侵入することが防げる。したがって、以上２つの
相乗効果により、固体ガスケットからの汚染が極めて効
果的に防止され、従来は使用困難だった固体ガスケット
の使用が可能となるから、液体シール材を用いた場合の
ように圧力調整操作に厳重な注意が要らなくなり、操作
時間を短縮し、操作性を良好にして生産性を高めること
が可能であるとともに、液体シール材のように容器部材
に固着してこれを損傷することがないため、気密容器２
ｌの寿命を延長して容器コストを低減し、その分、半導
体処理コストの低下が図れる。

また、間隙部の開口断面積をガス圧制御部の開口断面積
の１／１０以下にすることにより、接合部の温度変動が
生じて間隙部内における高解離圧成分固体の凝縮量が若
干変動した場合にも、気密容器内のガス圧変化を無視し
うる程度に抑えられる。

さらに、固体ガスケットの装着箇所から気密容器の内壁
側に向けて正の温度勾配を有するように温度制御するこ
とにより、間隙部の内部での凝結物が固体ガスケノトの
側から緻密に形成されるようにし、この凝結物層による
遮断効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる高解離圧化合物半導体処理装置
の一実施例を示す縦断面図、第２図は従来の高解離圧化
合物半導体処理装置を示す縦断面図である。２１・・・気密容器、２２・・・容器本体（容器部材）、２Ａ・・・ガス圧制御部、３・・蓋体（容器部材）、４・・固体ガスケット、８，２　９．３　０・・・ヒータ、１・・圧力制御ヒータ、３・・・連通孔、４・・・ウエーハ支持容器、５・・・間隙部。第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の容器部材から構成され、これら容器部材の
接合部にシール材を介装してなる気密容器と、この気密
容器に連通し温度制御手段により内壁温度が調節される
ガス圧制御部とを具備し、前記気密容器の内部で、高解
離圧化合物半導体の処理を行なう高解離圧化合物半導体
処理装置において、前記シール材として固体ガスケットを使用するとともに
、前記容器部材の接合部には前記固体ガスケットと気密
容器の内部とを連通する間隙部を形成し、この間隙部の
開口断面積を前記ガス圧制御部の開口断面積の１／１０
以下としたことを特徴とする高解離圧化合物半導体処理
装置。
（２）複数の容器部材の接合部にシール材を介装してな
る気密容器の内部で高解離圧化合物半導体の処理を行な
いつつ、前記気密容器に連通し温度制御手段により内壁
温度が調節されるガス圧制御部により高解離圧成分ガス
の圧力を調節する高解離圧化合物半導体処理方法におい
て、前記シール材として固体ガスケットを使用するとともに
、前記容器部材の接合部には前記固体ガスケットと気密
容器の内部とを連通する間隙部を形成し、さらに処理を
行なう時点での前記固体ガスケットの装着箇所の温度を
、前記ガス制御部の内壁湿度および前記気密容器の内壁
温度のいずれよりも低く保つことを特徴とする高解離圧
化合物半導体処理方法。
（３）前記高解離圧化合物半導体の処理を行なう時点に
おいて、前記間隙部は、前記固体ガスケットの装着箇所
から気密容器の内壁側に向けて正の温度勾配を有するよ
うに温度制御することを特徴とする第２項記載の高解離
圧化合物半導体処理方法。