(57)【要約】【課題】金属等の溶媒に結晶材料を溶かし込んだ溶液から基板上に半導体結晶薄膜を形成する液相成長方法において、基板裏面における不要な結晶成長を防止し、且つ量産性を高めた液相成長方法を提供することを目的とする。【解決手段】流動する溶液表面に複数の基板を浮在させ、該複数の基板を前記流動する溶液により移動させながら溶液に接触している側の基板面に結晶を成長させることにより、所望の側の基板面にのみ結晶を成長させることができ、かつ特別な治具や搬送機構なしにメルトの流れのみによって基板の移動を実現し、連続的に複数の基板に対して結晶を成長させることで量産性も高めることができる。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動する溶液表面に複数の基板を浮在させ、該複数の基板を前記流動する溶液により移動させながら溶液に接触している側の基板面に結晶を成長させることを特徴とする液相成長方法。
【請求項２】
流動する溶液の流路に沿って複数の基板を配置し、流路の下流に位置する基板を回収することにより、該回収された基板よりも上流側に位置する複数の基板を流動する溶液により下流方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の液相成長方法。
【請求項３】
流動する溶液により基板を移動させる工程と、流動する溶液の上で基板を停止させる工程とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の液相成長方法。
【請求項４】
流動する溶液の流速が、基板の平均移動速度よりも速いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液相成長方法。
【請求項５】
隣り合う基板間に分離部材を配置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液相成長方法。
【請求項６】
流動する溶液の流路に沿って溶液が温度勾配を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の液相成長方法。
【請求項７】
流動する溶液の流路に沿って溶液の流速が変化することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の液相成長方法。
【請求項８】
流動する溶液を流路の終端部で回収し、該回収した溶液に再度結晶材料を溶かし込んで流路に流すことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の液相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶の液相成長方法に関し、特に金属等の溶媒に結晶材料を溶かし込んだ溶液から基板上に半導体結晶薄膜を形成する液相成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるディップ法による液相成長方法で基板に薄膜結晶を形成する場合、基板の両面に薄膜結晶が形成されてしまう。通常は基板の片面に形成された薄膜のみを利用するため反対面に形成された薄膜は無駄になってしまう。このため、従来から基板の片面にのみ薄膜を液相成長させる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、富士通出願の実開昭５５−１１１９７０号公報（特許文献１）にはウエハの片側略全面にわたり接触する板を具備したウエハホルダを使用することによってウエハの片面のみに結晶膜を形成することが記載されている。またディップ法に替わって、富士通出願の特開昭５７−７６８２２号公報（特許文献２）には、４本の等間隔に配置された腕を持つ基板保持体にて基板を上下方向に可動に保持し、支持棒を下方に動かして腕をメルト中に入れ、基板をメルト上に浮遊させ基板の一方表面にのみ薄膜結晶を成長させることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭５５−１１１９７０号公報
【特許文献２】
特開昭５７−０７６８２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実開昭５５−１１１９７０号公報（特許文献１）に記載の方法では基板枚数が増えると治具の構造が複雑になり、また基板を治具に配置するのに時間がかかるため生産性の点で難がある。また裏面の成長を防止する板と基板との間に全くメルトが侵入しないようにすることは困難である。
【０００６】
一方、特開昭５７−７６８２２号公報（特許文献２）に記載の方法では、基板裏面の成長を効果的に防止することができるが、一回に投入する基板を増やそうとするとやはり治具の構造が複雑になり、また基板を治具に配置するのに時間がかかるため、やはり生産性の点において問題が残るものである。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板裏面における不要な結晶成長を防止し、且つ量産性を高めた液相成長方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段は流動する溶液表面に複数の基板を浮在させ、該複数の基板を前記流動する溶液により移動させながら溶液に接触している側の基板面に結晶を成長させることを特徴とする液相成長方法である。
【０００９】
さらには、
「流動する溶液の流路に沿って複数の基板を配置し、流路の下流に位置する基板を回収することにより、該回収された基板よりも上流側に位置する複数の基板を流動する溶液により下流方向に移動させること」、
「流動する溶液により基板を移動させる工程と、流動する溶液の上で基板を停止させる工程とを有すること」、
「流動する溶液の流速が、基板の平均移動速度よりも速いこと」、
「流動する溶液の流路に沿って溶液が温度勾配を有すること」、
「流動する溶液の流路に沿って溶液の流速が変化すること」、
「流動する溶液を流路の終端部で回収し、該回収した溶液に再度結晶材料を溶かし込んで流路に流すこと」、
をその好ましい態様として含むものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の液相成長方法を実現する液相成長装置の一実施形態の概略図である。（ａ）は断面図である。（ｂ）は上面図である。
【００１１】
図１に示す液相成長装置はメルト供給坩堝１、メルト流路２およびメルト回収坩堝３を備えている。メルト供給坩堝１の内部には金属溶媒に結晶材料を過飽和状態に溶解したメルト（溶液）４が保持されており、メルト供給坩堝１の底部に設けられた流出孔５からメルト４がメルト流路２に流出するようになっている。また、メルト流路２の終端部には流出孔６が設けられており、メルト４がメルト回収坩堝３に回収されるようになっている。
【００１２】
メルト４の流量はメルト流路２の下流においてメルト中の結晶材料が枯渇しないように考慮して決定される。尚、メルト流量は流出孔５、６の大きさおよびメルト流路２の断面形状および勾配によって決定することができる。
【００１３】
また、メルト供給坩堝１、メルト流路２およびメルト回収坩堝３はヒーター７で取り囲まれており、夫々の部分においてメルト４を所望の温度に制御する。
【００１４】
メルト流路２の上流部には基板１０をメルト流路２に供給する基板供給設備１１が設けられている。図２は図１に示す液相成長装置の基板供給設備の一実施形態を示す断面図である。図２に示す基板供給設備１１は、基板カセット１２、押出し部材１３および傾斜部１４を有している。図２の断面図に示すように、メルト４は傾斜部１４の中ほどまで満ちていて、基板１０が基板カセット１２からメルト流路２に向かって滑らかに移動できるようになっている。基板カセット１２には複数の基板１０が収納されていて、押出し部材１３によって１枚ずつ傾斜部１４に押出され、さらにメルト流路２まで押出される。基板が１枚送出されると基板カセット１２が１段上昇して次の基板を送出する準備が整う。
【００１５】
本発明においては、基板１０の密度はメルト４の密度よりも小さいものを選択する。これにより、基板１０はメルト４の表面に浮在しつつメルト４の流れに乗って下流に移動することができる。基板が下流に移動するたびに基板カセット１２に収納されている別の基板が次々とメルト流路２に供給される。基板１０がメルト流路２内を流動する溶液上に浮在するように配置されると、結晶材料が過飽和に含有されているメルト４に接触し、該接触している側の基板面に結晶がエピタキシャル成長する。これにより、所望の側の基板面にのみ結晶を成長させることができ、かつ特別な治具や搬送機構なしにメルトの流れのみによって基板の移動を実現し、連続的に複数の基板に対して結晶を成長させることで量産性も高めることができる。
【００１６】
メルト流路２においては、ヒーター７により下流に行くにしたがって溶液の温度が低くなるよう設定しておき、下流位置においても基板１０に所望の成長速度で結晶がエピタキシャル成長するようにしておくと良い。また下流部で結晶材料の枯渇を効果的に防止するために、下流に行くほどメルト４の断面積が小さくなるようにメルト流路２の断面形状を変化させ、下流側におけるメルト４の流速が速くなるようにしてもよい。これには、例えば、流路の上流側においては流路の幅を広くしておき、下流側においては流路の幅を狭くしておくといった形態が挙げられる。
【００１７】
メルト流路２には複数の基板１０が連続して供給され、下流に向かって移動する。基板供給の時間間隔は基板が重なり合わないように設定される。この際、基板同士が重なったりしないようにするための分離部材（不図示）を隣り合う基板間に配置してもよい。また、隣り合う基板同士（分離部材をその間に有する場合も含む）は互いに接触しながら移動してもよい。分離部材としては、メルト４に長時間接触していても変質せず、メルト４よりも比重の軽い材料からなり、かつ基板よりも厚みのある柱状、或いは板状の部材等が好ましく使用でき、その材料としては、例えば石英、グラファイトカーボンなどが挙げられる。
【００１８】
メルト流路２の下流部には基板１０をメルト流路２に供給する基板回収設備１５が設けられている。図３は図１に示す液相成長装置の基板回収設備の一実施形態を示す断面図である。図３に示す基板回収設備１５は、基板カセット１６、回収部材１７および傾斜部１８を有している。
【００１９】
メルト４の流れに乗って上流から流れてきた基板１０はメルト流路２の終端で所定時間停止したのち回収部材１７によって１枚ずつ傾斜部１８に押出され、さらに押されて基板カセット１６に収納される。基板を基板カセットに押出している間、上流の基板は回収部材１７の側部によって移動が規制されており、基板が基板カセットに収納されると回収部材１７は後退してメルト流路２にある基板が下流に移動する。基板が１枚収納されると、基板カセット１６は下降して次の基板を収納する準備が整う。基板が下流に移動するたびにメルト流路２にある別の基板が次々と基板カセット１６に回収される。
【００２０】
流動する溶液の流速が基板の平均移動速度よりも速いことによって、基板面に接触する溶液が入れ替わり、溶液中の結晶材料の不足を防止することができる。たとえば、メルト流路の最下流部で基板１０の移動が規制されて基板移動が所定時間停止し、基板が回収された後上流に位置する複数の基板が一斉に移動することを繰り返すようにしてもよい。この方法によれば基板の停止時間中に基板下面にメルトの定常流が接触するので成長膜厚を均一化することができる。
【００２１】
メルト回収坩堝３に回収されたメルト４が満杯になったならば、速やかに空のメルト回収坩堝に交換される。この際、使用済みメルトを保持したメルト回収坩堝は昇温されて所定の温度で結晶材料を飽和溶解したのち降温されて過飽和状態のメルトが調製され、空になったメルト供給坩堝１と交換される。空になったメルト供給坩堝１はメルト回収坩堝３として供される。メルト回収坩堝３の保持温度を結晶材料の溶解温度と同じにして、使用済みメルトの回収と結晶材料の溶解を同時に行うようにしてもよい。結晶材料の供給方法としては板状あるいはウェファ形状の材料をキャリアに保持して浸漬する方法、粉末状の材料を投入する方法、あるいは気体状の材料を導入管にてバブリングして供給する方法などがある。
【００２２】
複数のメルト流路を組み合わせて装置を構成することもできる。図４は逆方向に流れるメルト流路２を２本組み合わせた形態を示している。それぞれのメルト供給坩堝１とメルト回収坩堝３が互いに隣接しているので、坩堝の交換が円滑に実施できる。
【００２３】
メルト供給坩堝１、メルト流路２、メルト回収坩堝３、基板供給設備１１、基板回収設備１５を構成する材料としては、石英、グラファイトカーボン、白金などの高融点金属、セラミックなどを用いることができる。
【００２４】
磁気光学素子として用いられる磁性ガーネットを液相成長する場合には、溶媒としてＰｂＯとＢ２Ｏ３を用い、これに結晶材料であるガーネット原料を溶解して溶液を調製する。非線形光学素子として用いられるニオブ酸リチウムを液相成長する場合には、Ｌｉ２Ｏ、Ｎｂ２Ｏ５、およびＶ２Ｏ５を溶融して溶液を調製する。また、発振素子や発光素子として用いられるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓを液相成長する場合には、溶媒としてＧａを用い、これにＧａＡｓ多結晶およびＳｉなどのドーパントを溶解して溶液を調製する。半導体集積回路や太陽電池素子として用いられるＳｉを液相成長する場合には、溶媒としてＳｎ、Ｉｎ、ＡｌまたはＣｕなどを用い、必要に応じてＳｉおよびＧａ、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓなどのドーパントを溶解して溶液を調製する。
【００２５】
【実施例】
本発明の液相成長方法をシリコン単結晶薄膜の形成に適用した例を示す。基板１０として１２５ｍｍ角のＳｉ単結晶ウェファを用い、メルト４としてインジウム２８リットルにシリコンを９３０℃で飽和溶解したものを用いる。メルト供給坩堝１は石英で形成された内径３０ｃｍ深さ４０ｃｍの円筒形状でヒーター７の設定によりメルト４を９２０℃に保持する。メルト供給坩堝１の底部には開閉可能な流出孔が設けられていて、メルト供給坩堝１の下部に合体しているメルト流路２にメルト４が毎分２．８リットルの流量で流出するようになっている。メルト流路２はカーボンで形成されており、流路の断面が深さ１ｃｍ幅１３ｃｍで全長２９ｍとなっている。メルトの流速は毎分２１．３ｃｍとなるように流出孔５の大きさが決定されている。
【００２６】
基板１０は基板供給設備１１から５．２秒毎にメルト流路２に押出される。メルト流路２の下流にある基板回収設備１５は５．２秒毎に基板１０を回収する。メルト流路２には２３０枚の基板が互いに其の端面を接触してメルト上に浮在しており、基板が１枚回収されると上流の基板が一斉に下流に向かって移動し、最下流の基板が基板回収設備１５に達すると一斉に停止する。これを繰り返しながら、１枚の基板は２０分かけてメルト流路２を平均毎分１４．４ｃｍの速さで移動する。
【００２７】
メルト流路２の温度は上流から下流に向かって徐々に温度が低くなるように基板供給設備１１の部分で９２０℃、基板回収設備１５の部分で８８０℃に設定されている。基板１０は２０分かけてメルト流路２を進むので、基板にとっては接触しているメルトが毎分２℃の降温速度で降温することと同じになり、その結果、メルトに接触している側の基板面に毎分１．５μｍの成膜速度でシリコン単結晶膜が成長する。すなわち、毎時６９０枚のスループットで、基板１枚につき３０μｍのシリコン単結晶膜を得ることができる。
【００２８】
メルト回収坩堝３はメルト供給坩堝１と同じ大きさで、使用済みメルトが満杯になると空のメルト回収坩堝に交換される。使用済みメルトは９３０℃に昇温されて、粉末状のシリコン２００ｇが投入され均一に攪拌される。これを１０℃降温してシリコンが過飽和状態のメルトを調整し、メルト供給坩堝１が空になったら交換する。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１又は２の発明によれば、複雑な治具を必要とすることなく、基板裏面における不要な結晶成長を防止し、且つ量産性を飛躍的に高めた液相成長方法が得られる。
【００３０】
請求項３又は４の発明によれば、溶液に接触している側の基板面に溶液の定常流が接触するので成長膜厚を均一化することができる。
【００３１】
請求項５の発明によれば、基板同士が重なり合うことを防止できる。
【００３２】
請求項６又は７の発明によれば、メルト流路の下流でも結晶材料が枯渇することなく且つ所望の成長速度を維持することができる。
【００３３】
請求項８の発明によれば高価な溶媒でも再使用することができるので製造費用を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液相成長方法を行うための液相成長装置の一実施形態の概略図である。（ａ）は断面図である。（ｂ）は上面図である。
【図２】図１に示す液相成長装置の基板供給設備の一実施形態を示す断面図である。
【図３】図１に示す液相成長装置の基板回収設備の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の液相成長方法を行うための液相成長装置の別の実施形態の概略を示す上面図である。
【符号の説明】
１　メルト供給坩堝
２　メルト流路
３　メルト回収坩堝
４　メルト（溶液）
７　ヒーター
１０　基板
１１　基板供給設備
１２　基板カセット
１３　押出し部材
１４　傾斜部
１５　基板回収設備
１６　基板カセット
１７　回収部材
【図１】
2004107147.tif 000002
【図２】
2004107147.tif 000003
【図３】
2004107147.tif 000004
【図４】
2004107147.tif 000005