(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧チャンバと、
前記耐圧チャンバ内に配置され、３ゾーン以上の温度分布帯が縦型に構成されたヒータと、
前記ヒータを含むヒータ域と結晶成長が行なわれる成長域とを分離するための炉心管と、
前記ヒータ域および前記成長域のそれぞれに設けられているガス流入口およびガス流出口と、
を備え、
前記ヒータのうち、少なくとも１ゾーンを構成する発熱体が、塑性変形可能な材料を抵抗発熱体とした、結晶製造装置。
【請求項２】
前記ヒータ域のガス圧力と前記成長域のガス圧力との差が、所定の値を超えないように制御する圧力バランス機構をさらに備えた、請求項１記載の結晶製造装置。
【請求項３】
前記塑性変形可能な材料は、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル−クロムを主成分とする合金、ニッケル−クロム−鉄を主成分とする合金のいずれかからなる、請求項１または請求項２に記載の結晶製造装置。
【請求項４】
前記ヒータ域のガスは、酸化性を有するガスである、請求項３記載の結晶製造装置。
【請求項５】
前記炉心管は、石英、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、またはカーボンのいずれか、もしくは、これらのいずれかを基材として耐酸化性または緻密質の材料をコーティングした複合材料からなる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の結晶製造装置。
【請求項６】
前記ヒータ域のガスと前記成長域のガスとは、ガスの主成分が異なる請求項１記載の結晶製造装置。
【請求項７】
前記炉心管の両端が、前記耐圧チャンバに嵌合して設置されている請求項１〜請求項６のいずれかに記載の結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶製造装置に関するものであり、特に、ＢＳＯ、ＬＮＯ等の酸化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料等の結晶を製造する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の結晶製造装置の一例としては、たとえば、特開昭６３−１７４２９３号公報に、電気炉の加熱装置が開示されている。
【０００３】
この装置においては、たとえばアルミナ製の炉心管のまわりに、たとえば黒鉛製の抵抗加熱体からなる複数の発熱体が、軸心を共通にそれぞれが接触しないように間隔を設けて縦方向に配置されている。
【０００４】
また、従来の結晶製造装置の他の例としては、たとえば、特開平８−３３３１８７号公報に、縦型の単結晶製造装置が開示されている。
【０００５】
この装置においては、原料収納容器を各ヒータエレメントとヒータ取付け板との内側で囲う気密性の材料からなるチャンバが設けられ、このチャンバには、その底部側に、このチャンバの内外を連通する通気開口が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の結晶製造装置はいずれも、ヒータとしてカーボンを利用している。このヒータ素材であるカーボンは、塑性変形ができず、割れやすい。そのため、ヒータの製造が困難であり、高価になるという問題があった。特に、多ゾーンのヒータ構造を構成しようとすると、短尺のヒータが多数必要となり、それだけ高価となる。また、割れやすいため、ヒータの固定治具と電極取出しの構造、ヒータ同士の接触を防止するための構造に精度が必要となり、構造がさらに複雑となって、炉の製造費用が非常に高価になるという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、上述した課題を解決し、多ゾーンの温度分布帯が構成されたヒータを有する結晶製造装置であって、装置自体が安価で、かつ、高純度の結晶を製造することができる、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】
請求項１の発明による結晶製造装置は、耐圧チャンバと、耐圧チャンバ内に配置され、３ゾーン以上の温度分布帯が縦型に構成されたヒータと、ヒータを含むヒータ域と結晶成長が行なわれる成長域とを分離するための炉心管と、ヒータ域および成長域のそれぞれに設けられているガス流入口およびガス流出口とを備え、ヒータのうち、少なくとも１ゾーンを構成する発熱体が、塑性変形可能な材料を抵抗発熱体としている。
【０００９】
請求項２の発明による結晶製造装置は、請求項１の発明の構成において、ヒータ域のガス圧力と成長域のガス圧力との差が、所定の値を超えないように制御する圧力バランス機構をさらに備えている。
【００１０】
請求項３の発明による結晶製造装置は、請求項１または請求項２の発明の構成において、塑性変形可能な材料は、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル−クロムを主成分とする合金、ニッケル−クロム−鉄を主成分とする合金のいずれかからなる。
【００１１】
請求項４の発明による結晶製造装置は、請求項３の発明の構成において、ヒータ域のガスは、酸化性を有するガスである。酸化性を有するガスとしては、空気や二酸化炭素等がある。
【００１２】
請求項５の発明による結晶製造装置は、請求項１〜請求項４のいずれかの発明の構成において、炉心管は、石英、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、またはカーボンのいずれか、もしくは、これらのいずれかを基材として耐酸化性または緻密質の材料をコーティングした複合材料からなる。耐酸化性または緻密質の材料としては、酸化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム等がある。
【００１３】
請求項６の発明による結晶製造装置は、請求項１の発明の構成において、ヒータ域のガスと成長域のガスとは、ガスの主成分が異なる。また、請求項７の発明による結晶製造装置は、請求項１〜請求項６のいずれかの発明の構成において、炉心管の両端が、耐圧チャンバに嵌合して設置されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による結晶製造装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【００１５】
図１を参照して、この結晶製造装置は、高圧水冷チャンバ１２と、炉心管１とを備えている。
【００１６】
高圧水冷チャンバ１２内は、炉心管１によって、ヒータ３を含むヒータ域２１と、結晶成長が行なわれる成長域２２とに分離されている。
【００１７】
ヒータ域２１には、ヒータ３の他に、断熱材１０と、ヒータ電極１１とが配置されている。また、ヒータ域２１には、ヒータ域ガス流入口１４と、ヒータ域ガス流出口１３とが設けられている。
【００１８】
一方、成長域２２には、るつぼ２と、断熱材１０とが配置されている。また、成長域２２には、成長域ガス流入口１９と、成長域ガス流出口１８とが設けられている。
【００１９】
この結晶製造装置において、ヒータ３は、３ゾーン以上の温度分布帯が縦型に構成されたヒータであって、そのうち少なくとも１ゾーンが塑性変形可能な材料を抵抗発熱体としている。そのため、炉の構造が単純となり、低価格で多ゾーンの温度分布帯を構成することができる。
【００２０】
塑性変形可能な材料としては、たとえば、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル−クロムを主成分とする合金、ニッケル−クロム−鉄を主成分とする合金等を用いることができる。但し、高温が必要な一部のゾーン等には、塑性変形が不可能な炭化珪素や二珪素モリブデンを主成分とした材料のヒータを利用した方がよい場合がある。
【００２１】
一方、このような塑性変形可能な材料は、一般に金属を含有するため、このような材料からなるヒータを用いた場合、金属が不純物として、製造される結晶中に混入するという問題が考えられる。そこで、本願発明においては、炉心管１により、ヒータ域２１と成長域２２とが分離されている。その結果、製造される結晶中への不純物の混入が、有効に防止される。さらに、この炉心管１は、製造される結晶中の揮発性成分の蒸気等が、ヒータと直接接触することを防止するため、ヒータの劣化の防止にも作用している。
【００２２】
また、上述したようにヒータ域２１と成長域２２とを分離した場合、ヒータ域２１と成長域２２との圧力差が大きくなり過ぎると、気密容器が破損してしまうおそれがある。そこで、この実施の形態による結晶製造装置は、ヒータ域２１のガス圧力と、成長域２２のガス圧力との差が、所定の値を超えないように制御するための、圧力バランス機構をさらに備えている。
【００２３】
具体的には、この結晶製造装置は、圧力バランス機構として、ヒータ域２１の圧力を測定するためのヒータ域ガス圧力センサ１５と、成長域２２の圧力を測定するための成長域ガス圧力センサ１７とを備えている。
【００２４】
ヒータ域ガス圧力センサ１５により測定されたヒータ域のガス圧力は、圧力センサの信号１６として矢印に示すようにヒータ域ガス流入口１４へ伝達される。
【００２５】
一方、成長域ガス圧力センサ１７により測定された成長域のガス圧力は、圧力センサの信号２０として矢印に示すように成長域ガス流入口１９へ伝達される。
【００２６】
ヒータ域ガスとして、たとえば空気のような酸化性ガスを用い、成長域ガスとして、たとえばＮ2 やＡｒ等の非酸化性のガスを用いた場合のように、ヒータ域２１と成長域２２のガスの主成分が異なる場合には、圧力バランス機構として、各々の領域に取付けた圧力センサ１５、１７の差が一定以上に大きくならないように、それぞれのガス圧力を調整できる構造を電気的または機械的に作製することができる。一方、ヒータ域２１と成長域２２のガスの主成分が同じでよい場合には、圧力バランス機構として、気密性の炉心管１の５００℃以下の部分に、小さな孔をあけたような構造を利用することもできる。すなわち、孔をあける部分を５００℃以下とすることにより、原料蒸気によるヒータ３の劣化や、ヒータ３から原料への不純物汚染を防止することができる。なお、ヒータ域２１と成長域２２のガスの主成分が同じでよい場合としては、たとえば、ＢＳＯやＬＮＯ等の酸化物等を成長する場合は、成長域２１、ヒータ域２２ともに空気の雰囲気で成長することができる。
【００２７】
また、この結晶製造装置において、ヒータ３の素材を、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル−クロムを主成分とする合金、ニッケル−クロム−鉄を主成分とする合金からなる抵抗発熱体とする場合には、ヒータ域２１のガスを、空気のように酸化性のものにすることが好ましい。ヒータ３の劣化を防止して長寿命化できるため、さらに結晶の製造コストを低減できるからである。
【００２８】
また、この結晶製造装置において、炉心管１の材料としては、石英、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、またはカーボンのいずれか、もしくは、これらのいずれかを基材として耐酸化性または緻密質の材料をコーティングした複合材料を用いることが好ましい。このような材料を用いることによって、製造される結晶の高純度化とヒータの劣化防止とを、容易に達成することができる。
【００２９】
このように構成される結晶製造装置を用いて、結晶成長を行なう際には、まず、炉心管１内に配置されたるつぼ２の底部に、種結晶９を設置する。次に、原料と、必要に応じてＢ2 Ｏ3 等の封止材５とをるつぼ２内に投入する。ヒータ３によりるつぼ２を加熱して原料融液６を作製した後、下軸４を矢印に示すように下方へ移動させながら冷却して、るつぼ２の底部に設置された種結晶９の部分から結晶８を成長する。なお、結晶成長の際には、温度センサにより、温度計測点７の温度が測定される。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す構造の結晶製造装置を用いて、ＩｎＰ単結晶を製造した。ヒータ３は、ニッケル−クロムを主成分とする合金を用いて縦型１０ゾーンを構成し、炉心管１には石英を利用した。
【００３１】
まず、ＩｎＰ多結晶を２ｋｇと、Ｂ2 Ｏ3 を５０ｇと、ＳまたはＳ化合物を種結晶９端部でのＳ濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように調製した量とを、種結晶９が底部に設置された２インチ径の石英製のるつぼ２内に投入した。ヒータ域２１は空気の圧力が４０ａｔｍとなるように、成長域２２はＮ2 ガスの圧力が４０ａｔｍとなるように、各領域に圧力センサ１５、１７を取付けて圧力バランスがとれるようなガス流出入機構を設けた。その後、ヒータ３によりるつぼ２を加熱して、１１２０℃で多結晶を溶融して原料融液６を作製した後、６０℃／ｃｍの温度勾配下でＶＧＦ法により種結晶９からＩｎＰ単結晶８を成長させる実験を８回実施した。
【００３２】
その結果、単結晶の平均歩留まりが４０％と非常に高く、得られた結晶は、Ｓ以外の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以下と非常に高純度であった。また、圧力バランス機構を設けたため、石英炉心管１は全く変形しなかった。
【００３３】
（実施例２）
図１に示す構造の結晶製造装置を用いて、ＧａＰ単結晶を製造した。ヒータ３は、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金を用いて低温部の５ゾーンと、二珪化モリブデンを主成分とする材料を用いて高温部の２ゾーンとを構成し、炉心管１には炭化珪素を利用した。
【００３４】
まず、ＧａＰ多結晶を２ｋｇと、Ｂ2 Ｏ3 を５０ｇと、ＳまたはＳ化合物を種結晶９端部でのＳ濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように調製した量とを、種結晶９が底部に設けられた２インチ径のｐＢＮ製のるつぼ内に投入した。ヒータ域２１は空気の圧力が７０ａｔｍとなるように、成長域２２はＡｒガスの圧力が７０ａｔｍとなるように、各領域に圧力センサ１５、１７を取付けて圧力バランスがとれるようなガス流出入機構を設けた。その後、ヒータ３によりるつぼ２を加熱して、１５００℃で多結晶を溶融して原料融液６を作製した後、５０℃／ｃｍの温度勾配下でＶＧＦ法により種結晶９からＧａＰ単結晶８を成長させる実験を６回実施した。
【００３５】
その結果、単結晶の平均歩留まりが４５％と非常に高く、得られた結晶は、Ｓ以外の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以下と非常に高純度であった。また、圧力バランス機構を設けたため、炭化珪素炉心管１は破損しなかった。
【００３６】
（実施例３）
図１に示す構造の結晶製造装置を用いて、ＧａＡｓ多結晶を製造した。ヒータ３は、鉄−クロム−アルミニウムを主成分とする合金を用いて縦型１２ゾーンを構成し、炉心管１には酸化アルミニウムを利用した。
【００３７】
まず、Ｇａを３ｋｇと、Ａｓを３．３ｋｇと、Ｂ2 Ｏ3 を３００ｇとを、６インチ径のｐＢＮ製のるつぼ内に投入した。なお、種結晶は入れなかった。ヒータ域２１は空気の圧力が５０ａｔｍとなるように、成長域２２はＡｒガスの圧力が５０ａｔｍとなるように、各領域に圧力センサ１５、１７を取付けて圧力バランスがとれるようなガス流出入機構を設けた。その後、炉内を昇温してＧａＡｓ多結晶６の合成を行ない、約１００℃／ｃｍの温度勾配下でるつぼ２底部からＧａＡｓ多結晶８を成長させる実験を６回実施した。
【００３８】
その結果、組成がストイキオメトリックの多結晶の平均歩留まりが９８％と非常に高く、得られた結晶は、不純物濃度が１×１０15ｃｍ-3以下と非常に高純度であった。また、圧力バランス機構を設けたため、酸化アルミニウム炉心管１は破損しなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本願請求項１の発明によれば、多ゾーンで温度分布を構成する場合、ヒータ構造を低コストにすることができる。また、炉心管で分離することにより、製造する結晶を高純度化でき、かつ、ヒータの劣化を防止することができる。
【００４０】
請求項２の発明によれば、炉心管の破損や変形を防止することができる。
請求項３の発明によれば、ヒータ構造の低コスト化を容易に実現できる。
【００４１】
請求項４の発明によれば、ヒータの劣化を防止することができる。
請求項５の発明によれば、製造する結晶をさらに高純度化でき、かつ、ヒータの劣化を容易に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による結晶製造装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  炉心管
２  るつぼ
３  ヒータ
４  下軸
５  封止材
６  結晶原料融液
７  温度計測点
８  結晶
９  種結晶
１０  断熱材
１１  ヒータ電極
１２  高圧水冷チャンバ
１３  ヒータ域ガス流出口
１４  ヒータ域ガス流入口
１５  ヒータ域ガス圧力センサ
１６  圧力センサの信号
１７  成長域ガス圧力センサ
１８  成長域ガス流出口
１９  成長域ガス流入口
２０  圧力センサの信号
２１  ヒータ域
２２  成長域
【図１】
0004228439.tif 000002