JPH0524979A

JPH0524979A - 化合物半導体結晶製造装置

Info

Publication number: JPH0524979A
Application number: JP17835191A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Shibata; 真佐知柴田; Tomoki Inada; 知己稲田; Takashi Suzuki; 隆鈴木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】揮散したＶ族元素の高圧容器内における広範囲
の付着を防止する。【構成】高圧容器９内に、揮散性Ｖ族元素を含むIII −
Ｖ族化合物半導体原料を収容するルツボ１３を設ける。
ルツボ１３の外周には化合物半導体原料を加熱して融解
する主ヒータ１２が設けられる。高圧容器９内の上部に
コールドトラップ１７を設ける。コールドトラップ１７
はＶ族元素の昇華温度以下の温度に保持されて、揮散し
たＶ族元素がこのコールドトラップ１７に触れると、こ
れを固化して捕捉する。ルツボ１３及び結晶１１をすっ
ぽり包み、コールドトラップ１７と連通する通路を構成
する遮蔽容器１８を設ける。遮蔽容器１８は、揮散Ｖ族
元素を、高圧容器９内壁やグラファイト製の断熱部材、
あるいは電極に接することなくコールドトラップ１７ま
で導く。遮蔽容器１８の内側には、その内壁を加熱して
揮散Ｖ族元素の昇華温度以上の温度に保持することので
きる副ヒータ１９を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い蒸気圧を有する揮
散成分を少なくとも一種以上含む化合物半導体の結晶製
造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体単結晶の製造方法の一つに
液体封止引上法（ＬＥＣ法）がある。図３を用いて、こ
のＬＥＣ法によりIII −Ｖ族化合物半導体結晶を製造す
る例を述べる。高圧容器１内に設置したルツボ５内に、
III族とＶ族の元素及び液体封止剤（Ｂ₂Ｏ₃）６を入
れ、これを高圧ガス下でヒータ４により加熱してIII
族、Ｖ族を合成してIII −Ｖ族の融液７を作る。そし
て、この融液７にシード軸２に固定した種結晶を接触さ
せ、融液７の温度を下げながらシード軸２及びルツボ軸
８を回転させつつ種結晶を引上げることによって単結晶
３を得る。

【０００３】ところで、III 族及びＶ族元素を合成する
際及び単結晶を引上げる際には、蒸気圧の高いＶ族元素
が昇華（固相→気相）または、結晶から解離して揮散す
る。ここで揮散とは揮発して拡散する意味で使用してい
る。揮散したＶ族元素は、高圧容器１の内壁や、グラフ
ァイト製の断熱部材３１のうちヒータ４から離れて低温
となっている外表面（矢印の部分）で析出（気相→固
相）し、厚さ〜数ｍｍの厚さに堆積する。

【０００４】従来、容器内壁やグラファイト部材上に堆
積したＶ族元素は、放置すると次回結晶成長時の汚染源
となるため、結晶を成長するごとにブラシ等を使用して
清掃、除去している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、高圧
容器内に揮散したＶ族元素は、高圧容器内壁全面や容器
内に設置されているグラファイト及びヒータへ通電する
ための金属電極（水冷されている）の低温部分に広範囲
に付着してしまう。これらのＶ族元素は、高圧容器を開
放した際に大気中の水分や酸素を吸着し、そのまま放置
すると、次回成長結晶を汚染する原因になるばかりでな
く、付着量が多い場合はヒータや電極でのスパークの原
因にもなる。このため、従来は高圧容器を開放する毎
に、容器内に設置したグラファイト製断熱材をはじめと
する全ての部材を分解し、ブラシ、ガーゼ等を使用して
付着したＶ族元素を除去する作業を行っている。

【０００６】しかし、Ｖ族元素の除去作業には多大な労
力と時間を要するばかりでなく、部材を毎回組み立て直
す必要があるため、結晶成長時に必要な炉内温度分布の
再現性が取りにくい等の問題がある。

【０００７】本発明の目的は、揮散成分を一部に集約化
することによって、前記した従来技術の欠点を解消し
て、揮散成分の除去作業を容易に行えるようにし、結晶
製造の効率・作業性・再現性を大幅に向上させることが
できる新規な化合物半導体結晶製造装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、容器内に設け
られたルツボで少なくとも揮散成分を１種含む化合物半
導体原料を融解した後、固化して化合物半導体結晶を製
造する化合物半導体結晶製造装置に適用される。

【０００９】前記容器内に、揮散成分の昇華温度以下の
温度に保持されて揮散成分を固相状態で捕捉する揮散成
分捕捉部を備える。この揮散成分捕捉部の温度は、少な
くともＶ族元素の昇華温度以下でなければならないが、
低ければ低いほどＶ族元素の捕捉率ないし集積率を高め
ることができる。

【００１０】さらに、揮散成分の昇華温度以上の温度に
保持されて、容器内に揮散する揮散成分を気相状態で揮
散成分捕捉部に導く通路を備える。この通路は前記容器
を２重構成とする内部容器で構成することができる。揮
散成分を揮散成分捕捉部に導くための通路の内壁温度
は、少なくとも揮散成分の昇華温度以上でなければなら
ない。因みに、ＧａＡｓ結晶を成長させる際の通路内壁
温度は６００℃以上が必要である。

【００１１】本発明は上記のように構成されるが、この
構成において、揮散成分の揮散成分捕捉部での捕捉をよ
り確実にするために、通路を揮散成分の昇華温度以上の
温度に保持する加熱手段を別個に備えていることが好ま
しい。また、化合物半導体結晶製造装置はＬＥＣ法や縦
型温度傾斜凝固法( ＶＧＦ法）により化合物半導体結晶
を製造する装置が好ましい。

【００１２】また、本発明に適用できる化合物半導体
は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等のIII −Ｖ
族化合物結晶の他に、II−VI族化合物半導体、例えばＣ
ｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等にも、さらに二
元系だけでなく三元系混晶の製造にも適用が可能であ
る。

【００１３】

【作用】少なくとも揮散成分を１種含む化合物半導体原
料から化合物半導体結晶を製造する過程で、ルツボ内の
融液から、また固化した結晶からも揮散成分が容器内に
揮散する。

【００１４】すると、この揮散した揮散成分は容器の内
壁に達する前に、通路に取り込まれる。通路の温度は少
なくとも揮散成分の昇華温度以上に保たれているため、
固化して通路内壁に堆積することはなく、蒸気のまま揮
散成分捕捉部へ導かれる。

【００１５】揮散成分捕捉部は揮散成分の昇華温度以下
の温度に保持されているので、導かれてきた揮散成分
は、ここで冷却され気相から固相に変化して捕捉され、
堆積する。このようにして、揮散成分は特定の場所に集
約されるため、揮散した揮散成分の除去作業が短時間か
つ容易に行えるようになる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図２を用いて
説明する。

【００１７】実施例１図１に本発明の実施例１に係るＬＥＣ法によるIII −Ｖ
族化合物半導体単結晶製造装置の横断面図を示す。

【００１８】内部が高圧ガスで満たされる高圧容器９内
に、揮散性Ｖ族元素を含むIII −Ｖ族化合物半導体原料
を収容するルツボ１３を設ける。ルツボ１３はルツボ軸
１６により下部から回転自在に支承される。ルツボ１３
の外周にはルツボ内の化合物半導体原料を加熱して融解
する主ヒータ１２が設けられる。ルツボ１３の上方には
高圧容器９の上部から挿入されたシード軸１０が回転自
在に設けられ、その先端に種結晶が取り付けられて成長
した単結晶を引上げるようになっている。

【００１９】ルツボ１３内にIII 族とＶ族の元素原料及
び液体封止剤（Ｂ₂Ｏ₃）１４を入れ、これを高圧ガス
下で主ヒータ１２により加熱してIII 族、Ｖ族を合成し
てIII −Ｖ族の化合物半導体融液１５を作る。この融液
１５に、回転自在に設けたシード軸１０に固定した種結
晶を接触させ、融液１５の温度を下げながらシード軸１
０及びルツボ軸１６を回転させつつ種結晶を引上げるこ
とによって結晶１１を得る。ここまでの構成は従来例と
同じである。

【００２０】異なる点は、まず、高圧容器９内の上部に
揮散成分捕捉部としてのコールドトラップ１７を設けた
点である。コールドトラップ１７はＶ族元素の昇華温度
以下の温度に保持されて、揮散したＶ族元素がこのコー
ルドトラップ１７に触れると、これを固化して捕捉する
機能をもつ。Ｖ族元素の昇華温度以下の温度に保持する
ための手段として、ここでは水冷式を採用し、結晶成長
中のコールドトラップ１７の表面温度が昇華温度以上に
ならないよう冷却水量を調整できるようにした。コール
ドトラップ１７を設置する場所は、高圧容器９内の上部
以外にも下部や中央部等任意の位置でよく、できれば容
器９の開封が容易な場所に設置することが望ましい。な
お、コールドトラップ１７に堆積したＶ族元素が落下す
る危険が有ることから、ルツボ１３の直上に設置するの
は避けなければならない。

【００２１】次に、異なる点はルツボ１３及び結晶１１
をすっぽり包み、コールドトラップ１７と連通する通路
を構成する遮蔽容器１８を設けた点である。ここで遮蔽
容器１８は、ルツボ１３内に収容した融液１５及び結晶
１１からの解離を防ぐためにＡｓガス雰囲気を作る機能
と、揮散したＶ族元素蒸気を高圧容器９内壁やグラファ
イト製の断熱部材あるいは電極に接することなくコール
ドトラップ１７まで揮散Ｖ族元素を導く機能とをもつ。
この遮蔽容器１８は図示例では高圧容器９に対して入れ
子様となっており、上下にシード軸１０、ルツボ軸１６
用の挿通孔をもち、上部にコールドトラップ１７を内部
に取り込む開口をもつ。材料は例えば、グラファイト製
とする。この遮蔽容器１８の内周、特にルツボ１３を囲
む主ヒータ１２の加熱が直接及ばない遮蔽容器１８の内
側上方には、その内壁を加熱して揮散Ｖ族元素の昇華温
度以上の温度に保持することのできる副ヒータ１９を設
置する。もっとも、遮蔽容器１８内壁の温度が主ヒータ
１２だけでＶ族元素の昇華温度以上に保てる場合は、副
ヒータ１９は不要である。また、図示例では主及び副ヒ
ータ１２、１９を遮蔽容器１８内部に設置したが、その
いずれかまたは両方を遮蔽容器１８の外周部に設置する
ことも可能である。

【００２２】また、コールドトラップ１７や副ヒータ１
９は１個に限定されるものではなく、複数個設置する構
造とすることも可能である。なお、遮蔽容器１８とシー
ド軸１０、ルツボ軸１６との隙間をＢ₂Ｏ₃等を用いて
封止しても、あるいは遮蔽容器１８に結晶観察用の石英
製窓等を設けるようにしてもよい。

【００２３】上記のような構成の装置を用いてＧａＡｓ
結晶の単結晶成長を行ったときの具体例を次に述べる。

【００２４】ルツボ１３にはｐＢＮ製φ６インチ径のも
のを用いた。このルツボにＧａ３０００ｇ、Ａｓ３１０
０ｇ、Ｂ2 Ｏ3 ９００ｇをチャージし、高圧容器９内を
高圧にするためにＡｒガス２０ａｔｍ雰囲気下で結晶成
長を行った。コールドトラップは、Ａｓの昇華温度が約
６００℃であるため、結晶成長中の表面温度が２００℃
以上にならないよう、冷却水量を調整した。グラファイ
ト製遮蔽容器１８の内壁温度は、主ヒータ１２及び副ヒ
ータ１９に通電した状態で、最低温度部でも７００℃以
下にならないようにした。単結晶成長後に測定したＡｓ
の揮散量は２５ｇであった。揮散したＡｓは全てコール
ドトラップ１７表面か、その極く近傍に集中して堆積し
ており、高圧容器１７の内壁及び遮蔽容器１８の外周に
設置した断熱材へのＡｓの付着は全く見られなかった。

【００２５】実施例２実施例１と同じ装置を用い、副ヒータ１９に通電せずに
ＧａＡｓの結晶成長を行った。成長条件は副ヒータ１９
に通電しない以外は実施例１と同じである。結晶成長後
のＡｓ揮散量は２５ｇであった。揮散したＡｓはそのほ
とんどがコールドトラップ１７に堆積しており、一部が
遮蔽容器１８上方の内壁に付着していた。

【００２６】比較例１図３に係る従来の化合物半導体結晶製造装置でＧａＡｓ
単結晶成長を行った。結晶成長条件は実施例１と同じに
設定した。結晶成長後のＡｓ揮散量は２７ｇであった。
揮散したＡｓは、高圧容器１内壁の全面及び容器１内壁
に隣接して置かれたグラファイト製断熱材に広範囲に付
着していた。

【００２７】比較例２図１において、高圧容器９内にコールドトラップ１７だ
けを設置して比較例１と同一条件でＧａＡｓ結晶成長実
験を行った。コールドトラップ１７の温度は実施例１と
同じく２００℃以下とした。結晶成長後のＡｓの揮散量
は２９ｇであった。揮散したＡｓはコールドトラップ１
７表面に多く堆積していたが、高圧容器９内壁にも全面
に亘って薄く付着しているのが観察された。

【００２８】実施例３図２に本発明の実施例３に係るＶＧＦ法による結晶製造
装置の横断面図を示す。ルツボ２２全体を気密容器２５
で覆い、ＧａＡｓ融液２３からのＡｓの解離を防ぐため
に、気密容器２５の中に配したＡｓを加熱ガス化してＡ
ｓ雰囲気としている。そして、この気密容器２５をさら
に圧力容器２７で覆う構造になっている。気密容器２５
の外周には主ヒータ２１が配設され、気密容器２５内部
のたて長のルツボ２２全体を均熱化している。気密容器
２５内に納めたたて長のルツボ２２の底部には、種結晶
が載置される。この種結晶の上にＧａＡｓ融液２３を入
れ、ルツボ底から固化させてＧａＡｓ結晶２０を得る。

【００２９】気密容器２５の上部には緩衝空間を構成す
る圧力緩衝容器３０を区画形成し、その区画壁に圧力バ
ランス用のオリフィス２９を設けて上下の容器２５及び
３０を連通した。そして、圧力緩衝容器３０の上部にコ
ールドトラップ２４を設置した。このコールドトラップ
２４は水冷式によりＡｓの昇華温度以下の温度に保持
し、これに至る圧力緩衝容器３０の内壁は、容器３０の
外周に設けた副ヒータ２６によってＡｓの昇華温度以上
の温度に保持した。なお、上記した圧力緩衝容器３０及
び気密容器２５が本発明の通路を構成する。

【００３０】上記のような構成の装置を用いてＧａＡｓ
結晶の単結晶成長を行ったときの具体例を次に述べる。

【００３１】気密容器２５は石英製とし、ｐＢＮ製φ２
インチ径のルツボ２２にＧａＡｓ多結晶３５００ｇを入
れ、主ヒータ２１で加熱して融液２３を作った後、冷却
して結晶２０を成長した。この間、コールドトラップ２
４の表面温度は常に２００℃以下になるように保持し、
圧力緩衝容器３０の内表面温度は常に６５０℃以上にな
るよう、副ヒータ２６に通電した。融液２３が全て固化
した後、圧力緩衝容器３０内のＡｓ蒸気が、コールドト
ラップ２４に全て堆積するよう、炉内の上部が下部より
も常に低温になるような温度勾配を付けて炉を徐冷し
た。結晶成長後のＡｓの揮散量は１２ｇであった。揮散
したＡｓはコールドトラップ２４の表面及びその近傍に
ほとんど全てが堆積しており、他部分への付着は観察さ
れなかった。

【００３２】実施例の効果以上述べたように本実施例によれば、揮散したＶ族元素
を一箇所に集中して堆積させるようにしたので、従来必
要だった炉部材の分解、掃除、組立作業の一部又は全部
が省略できるようになり、作業性、再現性、生産性が大
幅に向上する。また、高圧容器内壁やグラファイト部材
等に対するＶ族元素除去を目的としたブラシやガーゼ類
の接触をなくすことができるため、炉内汚染を低減する
ことができる。またたとえＶ族元素除去に必要な掃除用
消耗品（ブラシ、ガーゼ類）使用することがあっても、
これらの消費量が低減できる。そして、揮散、付着した
Ｖ族元素への水分や酸素の付着がなくなるため、炉内の
汚染を低減できるばかりでなく、グラファイト部材の寿
命を伸すことができる。また、高圧容器を開放している
時間が短くなるため、グラファイト部材への大気中水分
の吸着や、不純物の混入が低減できる。

【００３３】また、部材を毎回組み立て直す必要がなく
なるため、結晶成長時に必要な炉内温度分布の再現性が
容易に図れる。

【００３４】なお、本発明は上述したＬＥＣ法やＶＧＦ
法の単結晶製造装置の他にＬＥＫ法（Liquid Encapsula
ted Kyropoulos法）の単結晶製造装置、さらには単結晶
ではなく多結晶合成装置への適用も可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、積極的に設けた揮散成
分捕捉部に揮散成分を集約して捕捉するようにしたの
で、揮散成分の除去作業が容易となり、結晶製造の効率
・作業性・再現性を大幅に向上させることができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るＬＥＣ法による化合物半
導体結晶製造装置の横断面図。

【図２】本発明の他の実施例に係るＶＧＦ法による化合
物半導体結晶製造装置の横断面図。

【図３】ＬＥＣ法による化合物半導体結晶製造装置の従
来例を示す横断面図。

【符号の説明】

９高圧容器１０シード軸１１結晶１２主ヒータ１３ルツボ１４Ｂ₂Ｏ₃ １５化合物半導体融液１６ルツボ軸１７コールドトラップ（揮散成分捕捉部）１８遮蔽容器（通路）１９副ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器内に設けられたルツボで揮散成分を１
種または２種以上含む化合物半導体原料を融解した後、
固化して化合物半導体結晶を製造する化合物半導体結晶
製造装置において、前記容器内に、揮散成分の昇華温度
以下の温度に保持されて揮散成分を固相状態で捕捉する
揮散成分捕捉部と、揮散成分の昇華温度以上の温度に保
持されて、容器内に揮散する揮散成分を気相状態で前記
揮散成分捕捉部に導く通路とを備えたことを特徴とする
化合物半導体結晶製造装置。
【請求項２】請求項１に記載の化合物半導体結晶製造装
置において、前記通路を揮散成分の昇華温度以上の温度
に保持する加熱手段を備えていることを特徴とする化合
物半導体結晶製造装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の化合物半導体結
晶製造装置は、ＬＥＣ法により化合物半導体結晶を製造
する装置であることを特徴とする化合物半導体結晶製造
装置。
【請求項４】請求項１または２に記載の化合物半導体結
晶製造装置は、ＶＧＦ法により化合物半導体結晶を製造
する装置であることを特徴とする化合物半導体結晶製造
装置。