JPH0312382A - 結晶成長装置 - Google Patents

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】 ［概要］ 溶液ないし融液のメルトから結晶を液相成長するための
結晶成長装置に関し、 メルトに接触して結晶成長用の下地結晶を配置し、制御
性良く溶質材料を結晶成長用の下地結晶上に供給できる
結晶成長装置を提供することを目的とし、 メルトを収容するなめのるつぼと、るつぼ内でメルトを
分断するように配置され、連通用の貫通孔を有する１枚
以上の仕切り手段と、結晶成長用の下地結晶の近傍に配
置され、メルトの１＠に接触する正電極と、仕切り手段
に関して正電極と逆の側に配置され、メルトの他端に接
触する負電極とを有し、正電極から負電極に直流電流を
流しながら、下地結晶の上に結晶成長を行うように構成
する。

［産業上の利用分野コ 本発明は結晶成長装置に関し、特に、溶液ないし融液の
メルトから結晶を液相成長するための結晶成長装置に関
する。

半導体デバイス、特に光半導体デバイスや高速半導体デ
バイス等には、良質の化合物半導体結晶が用いられる。

それぞれの用途によって、特定の性質を有する半導体結
晶が望まれる。混晶半導体は、その格子定数等の性質を
連続的に変化させることかできるので広い範囲での応用
が期待されている。このため、格子定数を自由に制御し
た半導体基板材料等が要求されている。特に、３元以上
の混晶半導体がこの目的に適うため、均一な組成を持っ
た３元以上の混晶半導体を成長できる技術が期待されて
いる。以下、主として混晶半導体の結晶成長について説
明する。

［従来の技術］ 液相から混晶半導体結晶を成長する技術として、溶液か
ら成長する技術と融液から成長する技術が知られている
。融液から成長させる場合にも、混晶半導体の場合は、
複数の成分がメルト中に存在し、メルトから発生する固
相成分は、メルトと異なる組成を有する。従って、結晶
成長が進むと、メルトの組成は次第に変化してしまう。

溶液からの結晶成長の場合は、溶質にさらに溶媒が加わ
るので変化するファクタが１つ増加する。

結晶成長が進むと原料の組成が変化してしまうことに関
しては、融液の場合と同様であり、その程度はさらに著
しい。

従って、メルトから混晶結晶を成長させる場合には、メ
ルトの組成を変化させないように、結晶成長した分断た
にソースを溶解することが望まれる。

第２図に特開昭６０−６５７９９号等に開示された結晶
成長装置を示す、溶液中に涸渇した溶質元素を補給する
ために、ソース材料をメルトと接触して配置し、必要に
応じて溶解させる。

第２図において、ステンレス等で構成された圧カオプン
５１の内にＢＮやパイロリティックＢＮをコートしたカ
ーボン等で構成されたるっぽ５２が配置されている。る
つぼ５２の底部にはソース材料５３がＢＮ等で作られた
押さえ板に挾まれて配置されている。このソース材料５
３はカーボン笠の導電性構造材５５を介して外部の負極
端子５６に接続されている。すなわち、ソース材料５３
が負電極として働き、負極端子５６が構造材５５、ソー
ス材料５３を介してメルト５７に接続される。

るつぼ５２内に収容されたメルト５７の上面には、Ｂ２
Ｏ２等の液体封止剤５９が配置されている。メルト５７
の上面には、回転引上げ棒６１に接続された種結晶６２
が接触している０回転引上げ棒６１を回転させながら引
き上げることにより、メルト５７から種結晶６２上に結
晶成長が行われる。この種結晶６２を取り囲むように、
カーボン等で形成された正電極６４がメルト５７の上部
と接触するように配置され、外部の正極端子６６に接続
されている。るつぼ５２の周囲には、カーボン等で形成
されたし−タ６８が配置され、るつぼ５２内のメルト５
７を所望の温度まで加熱する。

るつぼ５２内に所望の組成のメルト５７を収容し、ヒー
タ６８で所定の温度まで加熱し、種結晶６２をメルト上
面に接触させて結晶成長を開始させる。結晶成長によっ
てメルト５７中の溶質が減少すると、その減少分を補う
ように、ソース材料５３を溶解させる。

このソース材料５３の溶解は、正極端子６６と負極端子
５６との間に直流電流を流すことによって行う、直流電
流を流すと、メルト５７の導電性は一般に高いので、ソ
ース材料５３の表面でのペルチェ効果と、ソース材料５
３内の抵抗によるジュール熱とによってソース材料５３
が加熱される。

これによってソース材料５３の近傍のメルト５７の温度
が上がり、ソース材料５３が溶解する。このようにして
、ソース材料を通して電流を流すことによって、メルト
中に涸渇したソース材料を補給する。

［発明が解決しようとする課Ｕ］ ところが、るつぼが大きくなるとるつぼ内のメルトに熱
対流が生じる。結晶成長のためには、ソース材料から種
結晶上に連続的な、安定な濃度勾配が形成されるのが好
ましいが、熱対流が生じると、この濃度勾配が乱され＊
Ｊａｌシ雌くなる。また、電流を流してソース材料を溶
解させる場合、ソ−ス材料が均一に溶解せず、一部分か
過度に溶解することがある。すると、その部分の抵抗が
ますます小さくなり、ますます大きな電流が流れ、電流
によるソース材料の溶解の制御ができなくなってしまう
。

本発明の目的は、メルトに接触して結晶成長用の下地結
晶を配置し、制御性良く溶質材料を結晶成長用の下地結
晶上に供給できる結晶成長装置を提供することである。

本発明の他の目的は、メルト中に溶解させる溶質の量を
、電気的に制御できる結晶成長装置を提供することであ
る。

本発明のさらに他の目的は、メルト中の熱対流を抑制し
、エレクトロマイグレーションによる溶質分子の運搬を
制御良く行える結晶成長装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、メルト中に開孔部を有する仕切り手段
を設けて、熱対流をを抑制すると共に仕切り手段の開孔
部を通して電流を流すことにより、メルト中でエレクト
ロマイグレーションによって溶質分子を運搬する。

第１図（Ａ）に本発明の結晶成長装置の基本構成を示す
、るつぼ１内にメルト２が収容され、メルト上面に下地
結晶７が接触して結晶成長を行う。

メルト２中には水平方向に仕切り手段９が配置されてい
る。仕切り手段９には開孔が設けられ、溶質分子の通過
を許容する。るつぼ１の底部には、ソース収納部２８が
設けられ、ソース８が配置されている。一方、下地結晶
７の近傍には、正電極４が配置され、仕切り板９に関し
て反対側には負電極５が配置されている。この正電極４
と負電極５は制御回路１１を介して直流電源１０に接続
されている。

［作用］ 第１図（Ｂ）に第１図（Ａ）に示す結晶成長装置の作用
を概略的に示す。

メルト２が適当な温度に加熱され、下地結晶７上に結晶
成長が始まると、メルト２内の溶質の組成が変化する。

不足した溶質を補給するため、正電極４と負電極５の間
に直流電流を流す、すると、負電極５から正電極４に向
かって電子が移動する。

この電子の輸送によって、溶質分子（または原子）１３
が買電ｆ！５から正電極４に向かって輸送されることが
実験的に判明した。これをエレクトロマイグレーション
と呼ぶ、エレクトロマイグレーションは、輸送される電
子が溶質分子に衝突して溶質分子を動かすか、溶質分子
ないしそのクラスタが負の電荷を持つことになり、電界
によって動かされることによるものと考えられる。エレ
クトロマイグレーションにより、買電＃１５近傍の溶質
分子が輸送されて不足すると、溶質の濃度が低下するの
で、ソース収納部２８に収納されたソース８から新たに
溶質分子がメルト２中に溶解する。このようにして、電
流を流すことにより溶質分子を輸送し、かつ補給するこ
とができる。一方、熱分布により５メルト２内に対流が
生じようとすると、対流の動きは図中矢印で示すように
、仕切り手段９によって妨げられる。従って、メルト２
中には実質的に対流が生じない、従って、エレクトロマ
イグレーションによる溶質分子の輸送が、対流によって
妨げられることがない。

ソース８が存在しない場合には、仕切り手段９の下側の
溶質分子１３が仕切り板９の上側に輸送され、ある程度
の濃度差が形成されると、濃度差による拡散と、エレク
トロマイグレーションによる溶質分子との輸送とが釣り
合って溶質分子の実質的輸送は止む、しかし、成長が進
行して下地結晶の近傍の溶質分子が常に不足した状態で
は、連続して溶質分子の補給は起る。

仕切り手段９は、複数枚設けても良い、この場合、開口
部分をずらすことにより、メルト中に有効に電流路を形
成しつつ、より効果的に対流を防止することができる。

［実施例］ 第３図の本発明の実施例による結晶成長装置を示す、第
３図においてるつぼ１は、ＢＮまなはバイロリティック
ＢＮをコートしたカーボン等で形成され、メルト２を収
容する。るつぼ１内のメルト２に埋没する位！に２枚の
仕切り板９−１．９−２が設けられている。仕切り板９
−１は開孔１０−１を有し、仕切り板９−２は開孔１０
−２を有する。開孔１０−１と開孔１０−２は互いにそ
の位置がずらされており、重ね合わせた時には、開孔が
なくなるように配置されている。るつぼ１の底部には、
ソース８が配置されており、ソース８を取り囲むように
、負電極５が配置されている。

メルト２の上面部分には、結晶引上げ回転ロッド１５に
接続された種結晶７が配置されており、この種結晶７を
囲むようにカーボン等で形成された正電極４がメルト２
と接触するように配置されている。メルト２の上面には
Ｂ２Ｏ２等の液体封止剤１４が配置されている。るつぼ
１の周囲には、たとえば３段構成のし−タ１７が配置さ
れており、これらの構成全体を圧力容器１９が取り囲ん
でいる。

ヒータ１７でるつぼ１内のメルト２を所望の温度まで昇
温する。結晶引上げ回転ロッド１５を下げて、種結晶７
をメルト２に接触させ、わずかにメルトバックする。続
いて、結晶引上げ回転ロッドを徐々に引き上げる。所定
温度でメルト２から種結晶７上に結晶成長が始まる。結
晶成長が進むのに伴い、正電極４、負電極５の間に直流
電流を流す、負電極５から正電極４に向かう電子の移動
に伴い、ソース８からメルト２中に溶質分子が溶解する
。これらの溶質分子は、負電極５から正電極４に向かう
電子の移動に伴い、ソース８から種結晶７まで、仕切り
板９−１．９−２の開孔部１０−１．１０−２を通って
輸送される。仕切り板９−１と９−２の存在によって、
メルト２内の熱対流はほとんど防止できるので、溶質分
子の輸送はエレクトロマイグレーションと拡散のみによ
って制御される。拡散は温度と濃度分布が決まれば定ま
るので、所望の安定な溶質分子の輸送はエレクトロマイ
グレーションの制御によって達成できる。従って、所望
の安定な濃度勾配が形成し易く、均質な結晶を成長する
ことができる。

なお、必要に応じて圧力容器１つ内に所望の雰囲気圧力
を印加できることは当業者に自明であろう。

第４図は本発明の他の実施例による結晶成長装置をに用
いるるつぼ部分を示す、カーボン等で形成された横遺体
２１に凹部を形成し、この凹部の中にＢＮまたはパイロ
リティックＢＮをコートしたカーボン等で形成したるつ
ぼ１を配置する。このるつぼ１内にカーボンまたはＢＮ
等で形成した仕切り部材２９−１．２９−２．２９−３
を下から順次積み上げる。第１の仕切り部材２９−１は
、るつぼ１に形成した段部（図示せず）に支持され、そ
の下にソースを収容するソース収納室２８を形成する。

第１の仕切り部材２９−１の底面には開孔３０−１が設
けられており、メルト中に配置された時に、メルトの流
通を許容する。第２の仕切り部材２９−２は第１の仕切
り部材２９−１とその孔３０−２の位置が異なる点を除
いてほぼ同様に形成され、第１の仕切り部材２つ−１の
上に配置される。第３の仕切り部材２９−３は、上端部
につば２６を有し、るつぼ工ないし横遺体２１の上面に
係合する。第３の仕切り部材２つ−３はその下の第２の
仕切り部材２９−２とは異なる位置に孔３０−３を有す
る。この孔３０−３は第１の仕切り部材２９−１の孔３
０−１とは同じ位置であっても構わない０例えば、横遺
体２１は直径１２ｃｌの円柱から形成し、るつぼ１は径
５ｃｎ、高さ１０Ｃ１程度のものとしても良い、なお、
図示していないが、るつぼ１の底部には負電極を配置す
る。

その池の点は第３図と同様であるので省略する。

第５図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の他の実施例に用いるる
つぼ部分を示す、第５図（Ａ）が断面図、第５図（Ｂ）
が平面図を示す、カーボン、ＢＮ等の材料で形成された
構造体２１の内に筒状の凹部２２を形成し、その凹部２
２にるつぼ１を配置する点は第４図と同様である０本実
施例の場合、凹部２２の底部分に、第５図（Ａ）の実線
、第５図（Ｂ）の破線で示すように、相対向する位置に
ソース収納室２８−１．２８−２が形成されている。

また、るつぼ１の底部側面には、対応する形状の窓３１
−１．３１−２が形成されている。るつぼ■は凹部２２
内で回転可能にされており、回転することによって、る
つぼ１の窓３１−１．３１２がソース収納室２８−１．
２８−２とその位置を整合させたり、遮断させたりでき
る。すなわち、ソース収納室２８−１．２８−２は必要
な時まで、るつぼ１内のメルトとは遮断することができ
る。

図示していないが、このるつぼ１内に第３図、第４図に
示したような仕切り手段を配置し、結晶成長を行うこと
は前述の実施例と同様である。

第３図に示すような結晶成長装置を用い、（１１１）Ａ
面のＩｎＰ種結晶上にＩｎ、、　ＧａｘＡｓの混晶結晶
を、常圧で成長させた。ソースとしてはＧａＡｓを用い
た。溶液の組成は、次に示したものである。

Ｘ　　Ｑ＝０．０４４ Ｇａ ｘ　　Ｑ＝ｏ、２１２ Ａｓ Ｘ　　Ｑ＝０．７４４ Ｉｎ このメルト組成は、８４０℃で成長させた場合、Ｉｎ　
　　Ｇａ　　　Ａｓに対応する。なお、ＸＧａ　はＧａ
の０．５３　　０．４７ 液相組成（原子分率）を表す、他も同様である。

この組成の溶液を用い、８３０℃で結晶成長を行った。

電流値は、仕切り板の開孔部において、２００Ａ／Ｃ１
２とした０種結晶上に厚さ１ｌｌｉの均一な組成を有す
るＩｎ、　５５Ｇａ０．４５ＡＳ結晶を得た。

以上述べたような結晶成長装置を用いて結晶成長の制御
を行う系の例を第６図に示す。

正電極４と負電極５はコントローラ４１を介して電流源
４２に接続される。コントローラ４１は、入力部４３、
メモリ４４、デイスプレィ４５に接続されている。入力
部４３から、結晶成長プログラムを入力することにより
、コントローラ４１がメルト２に通電する電流値を制御
し、所望の結晶成長を行う、なお、熱電対等の各種セン
サからの信号も、コントローラ４１に入力される。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、メルト中に電流
を流すことにより溶質分子をエレクトロマイグレートさ
せる。ソース材料に通電しないので、ソースが過度に溶
解すること等がない、メルト中に１枚以上の仕切り手段
を設け、メルトを分断することにより、熱対流を防止す
る。従って、溶質分子の輸送は主に拡散とエレクトロマ
イグレートンによることになりエレクトロマイグレーシ
ョンを制御することによって、溶質分子の輸送を効率良
く制御できる。

従って、均質な結晶を成長できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の原理説明図であり、第
１図（Ａ＞は構成を示す概略断面図、第１図（Ｂ）は作
用を説明するための概略断面図、第２図は従来技術によ
る結晶成長装置の概略断面図、 第３図は本発明の実施例による結晶成長装置の概略断面
図、 第４図は本発明の他の実施例による結晶成長装置に用い
るるつぼ部分を示す概略断面図、第５図（Ａ）、（Ｂ）
は本発明の他の実施例に用いる結晶成長装！のるつぼ部
分を説明する図であり、第５図（Ａ）は断面図、第５図
（Ｂ）は平面図、 第６図は結晶成長を制御する系の例を示すブロック図で
ある。 図において、 ２ ３ ４ ５ ７ １つ ２す るつぼ メルト 正電極 負電極 下地結晶 ソース 仕切り手段 電流 溶質分子（または原子） 液体封止剤 結晶引上げ回転ロッド ヒータ 圧力容器 構造体 ２８ ２９−　ｉ 　０−　ｉ ３１−　ｉ １ ２ ３ ４ ５ ソース収納室 仕切り手段 開孔 窓 コントローラ 電流源 入力部 メモリ デイスプレィ 第２図 （Ｂ）作用 本発明の原理説明図 第１図 第３図 （Ａ）断面図 第４図 （Ｂ）平面図 本発明の他の実施例によるるつぼ部分 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 メルト（２）を収容するためのるつぼ（１）と、るつぼ
   （１）内でメルト（２）を分断するように配置され、連
   通用の貫通孔を有する１枚以上の仕切り手段（９）と、 結晶成長用の下地結晶（７）の近傍に配置され、メルト
   の１端に接触する正電極（４）と、仕切り手段（９）に
   関して正電極（４）と逆の側に配置され、メルトの他端
   に接触する負電極（５）と を有し、正電極から負電極に直流電流を流しながら、下
   地結晶（７）の上に結晶成長を行うための結晶成長装置
   。