(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心管を有する縦型加熱炉、
前記炉心管内に配置され、基板ホルダに装着した単結晶基板を浸漬して前記単結晶基板表面に単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための溶液を保持するための坩堝、および
前記炉心管内の前記溶液の上方に配置される熱遮蔽板を含む液相エピタキシャル成長装置であって、
前記熱遮蔽板は、前記炉心管の内壁との間に隙間を有するよう形成された環状円盤を含み、かつ
前記隙間は、前記炉心管口径の２．５％以上１５％以下の範囲で形成され、
前記熱遮蔽板は、前記環状円盤から上方へ延び出るよう形成された突起部を含むことを特徴とする、液相エピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は液相エピタキシャル成長装置に関し、特にたとえば、ＹＩＧ薄膜などの酸化物単結晶薄膜を液相中において単結晶基板表面にエピタキシャル成長させるための液相エピタキシャル成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザや半導体集積回路素子用の材料としてＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ等の三元および四元混晶半導体薄膜が用いられている。また、磁気バブルや光アイソレータや静磁波素子用の材料として磁性ガーネット（分子式Ｒ+33 Ｍ+35 Ｏ-212；Ｒ＝Ｃａ、Ｂｉ、Ｓｃ、Ｙ、希土類系列等あるいはこれらの混合物；Ｍ＝ＦｅあるいはＦｅおよびＧａ、Ａｌ、Ｓｉ等の混合物）単結晶薄膜が用いられている。これらの単結晶薄膜の製造にはエピタキシャル成長法が用いられている。
【０００３】
従来の液相エピタキシャル法による単結晶薄膜の育成方法について磁性ガーネット薄膜を例にとって説明する。縦型加熱炉内に所定条件に設置された白金製坩堝に、溶質としてのＹ2 Ｏ3 およびＦｅ2 Ｏ3 と、溶媒としてのＰｂＯおよびＢ2 Ｏ3 とを適量充填し、約１２００℃で溶融して均質化を行い溶液化する。次に、この溶液を過冷却状態、すなわち液相線（Ｌｉｑｕｉｄｕｓ  ｌｉｎｅ）の下方近傍温度（約９００℃前後）に保持した後、この溶液へ向かって基板ホルダーに固定された下地基板としてのＧｄ3 Ｇａ5 Ｏ12（以下ＧＧＧと記す）基板を下降させる。そして、基板を十分予熱した後、溶液中に浸漬し、一定位置で回転させながら所定時間エピタキシャル成長を行う。こうして、ＧＧＧ基板の表面に磁性ガーネット膜が育成される。
【０００４】
この場合において、良質な単結晶薄膜を育成するためには、溶液表面近傍の温度勾配を溶液表面から数ｃｍに渡って±１℃以内に抑える必要があることが一般的に知られている（Ｍａｒｋ  Ｈ．Ｒａｎｄｌｅｓ；Ｃｒｙｓｔａｌｓ−Ｇｒｏｗｔｈ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：１，“Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇａｒｎｅｔｓ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，１９７８，ｐ８１−ｐ８２）。その理由は次のように考えられている。すなわち、溶液表面近傍に温度勾配がついている状態で溶液内に下地基板を浸漬すると、溶液内の温度と基板周辺の温度に差が生じて過冷却度がさらに大きくなってしまう。そのため、基板温度が溶液温度と一致するまでの間の成長初期段階の成長速度が速くなってしまい、単結晶の成長速度が一定にならない。また、溶液内での自然核発生が促進されてクラスターが発生し、このクラスターが単結晶膜の成長時に単結晶膜内に取り込まれることでピットの原因となる。そのため、このようにして育成された単結晶薄膜は膜質が悪く、たとえば静磁波素子用磁性ガーネット薄膜の性能指数である強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が大きくなってしまい、電子部品としての使用に耐えられないものになる。
【０００５】
そこで、従来から一般的に図１５に示したような液相エピタキシャル装置が用いられている。
この液相エピタキシャル成長装置１は、縦型加熱炉２を含む。縦型加熱炉２は、たとえば円筒状の炉心管３を有する。炉心管３の周囲には、加熱のための発熱体４が配置される。炉心管３内には、坩堝５が配置される。坩堝５は、単結晶基板表面に酸化物単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための溶液を保持するためのものである。エピタキシャル成長時には、坩堝５内に基板ホルダに保持されたＧＧＧ基板（図示せず）が浸漬される。炉心管３内において、坩堝５に入った溶液の上方には、複数枚の熱遮蔽板６が炉心管３の上下方向に平行にかつ間隔をおきながら、液面とほぼ水平に配置される。この熱遮蔽板６は、それぞれ環状円盤の中央部に貫通孔を形成してなるものである。
熱遮蔽板６は、熱が輻射によって上方に逃げるのを抑制する役割を持っていると理解されている。熱遮蔽板６を設けることにより、坩堝５内の溶液表面近傍の温度勾配が小さくなり、良質な単結晶膜を得ることができるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１６は、図１５に示す従来の液相エピタキシャル成長装置１を用いた場合の溶液表面近傍の温度分布を示したグラフである。○は口径１２０ｍｍφの炉心管における測定結果を示し、●は口径１７０ｍｍφの炉心管における測定結果を示す。なお、口径１２０ｍｍφの炉心管は、２″φサイズの単結晶薄膜育成用のものであり、口径１７０ｍｍφの炉心管は、３″φサイズの単結晶薄膜育成用のものである。
【０００７】
図１６に示したグラフからわかるように、口径１２０ｍｍφの炉心管では溶液表面近傍の温度分布は均一であるが、口径１７０ｍｍφの炉心管では溶液表面近傍に１０℃／ｃｍの温度勾配がついている。これは、液相エピタキシャル成長装置１を大型化すると縦型加熱炉２の炉心管３の口径が広くなり熱放散が大きくなるからであると考えられる。
このように、従来の液相エピタキシャル成長装置では、装置を大型化すると熱放散が大きくなるため、溶液表面近傍の温度勾配が大きくなり、良質な単結晶薄膜を得にくくなるという問題があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、装置を大型化しても熱放散が大きくならず溶液表面近傍の温度勾配の小さい、液相エピタキシャル成長装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、炉心管を有する縦型加熱炉と、炉心管内に配置され、基板ホルダに装着した単結晶基板を浸漬して単結晶基板表面に酸化物単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための溶液を保持するための坩堝と、炉心管内の溶液の上方に配置される熱遮蔽板とを含む液相エピタキシャル成長装置であって、熱遮蔽板は、炉心管の内壁との間に隙間を有するよう形成された環状円盤を含み、かつ隙間は、炉心管口径の２．５％以上１５％以下の範囲で形成され、上記の熱遮蔽板は、環状円盤から上方へ延び出るよう形成された突起部を含むことを特徴とする、液相エピタキシャル成長装置である。
【０００９】
【作用】
この発明の液相エピタキシャル成長装置では、熱遮蔽板と炉心管の内壁との間の隙間を炉心管口径の２．５％以上１５％以下の範囲で形成することにより、炉心管内の熱の流れが好ましく制御され、外部からの低温気流の侵入が抑制されるので、炉心管内を均一温度帯とすることができる。その結果、縦型加熱炉の炉心管の口径が大きい場合にも、熱放散が低く抑えられ、溶液表面近傍の温度勾配を±１℃以内に抑制することができる。
【００１０】
【発明の効果】
この発明の液相エピタキシャル成長装置によれば、縦型加熱炉の炉心管の口径が大きい場合にも、熱放散が低く抑えられ、溶液表面近傍の温度勾配を±１℃以内に抑制することができる。そのため、膜質の良い単結晶薄膜を再現性よく製造することができる。
【００１１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は液相エピタキシャル成長装置の一例を示す図解図である。図２は図１に示す液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板を示す斜視図である。
この液相エピタキシャル成長装置１０は、縦型加熱炉１２を含む。縦型加熱炉１２は、炉心管１４を有する。炉心管１４の周囲には、加熱のための発熱体１６が配置される。発熱体１６としては、たとえば抵抗加熱方式のものでもよく、高周波加熱方式のものでもよい。発熱体１６により、後述する坩堝１８内の液相温度が制御される。
【００１３】
炉心管１４内には、坩堝１８が配置される。坩堝１８は、単結晶基板表面に酸化物単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるための溶液を保持するためのものである。エピタキシャル成長時には、坩堝１８内に基板ホルダに保持されたＧＧＧ基板（図示せず）が浸漬される。このとき、酸化物単結晶薄膜を均一に育成するために、従来から一般的に行われているように、ＧＧＧ基板は溶液内の一定位置で回転されたり振動を与えられたりする。
【００１４】
炉心管１４内において、坩堝１８に入った溶液の上方には、複数枚の熱遮蔽板２０が炉心管１４の上下方向に平行にかつ間隔をおきながら、液面とほぼ水平に配置される。熱遮蔽板２０は、図２に示すように、中央部に貫通孔を有する環状円盤２０ａからなる。
【００１５】
発明者らは、この発明の課題を解決するために熱遮蔽板２０の形状により溶液表面近傍の温度分布が変化することを予測した。そこで、口径がそれぞれ７２ｍｍ，１２０ｍｍ，１７０ｍｍの炉心管１４内に、それぞれ外径の異なる複数の環状円盤２０ａからなる熱遮蔽板２０を形成し、それぞれについて、溶液表面近傍の温度分布測定を行ない、炉心管口径φに対する炉心管１４内壁と熱遮蔽板２０との隙間ｄ（％）と、溶液表面近傍の温度勾配との相関関係について調べた。図３は、その結果を示すグラフである。図３において、○は口径７２ｍｍφの炉心管での測定結果を示す。また、●は口径１２０ｍｍφの炉心管での測定結果を示す。さらに、ｘは口径１７０ｍｍφの炉心管での測定結果を示す。
【００１６】
図３からわかるように、いずれの場合においても、隙間が炉心管の口径の２．５％以上１５％以下の大きさのときには溶液表面近傍の温度勾配が±１℃以内に抑制されている。それに対して、隙間ｄが炉心管の口径の２．５％未満のときや、隙間が炉心管の口径の１５％より大きいときには溶液表面近傍の温度勾配が急激に大きくなっており好ましくない。
【００１７】
図４は、環状円盤２０ａの外径の異なる熱遮蔽板２０を用いた場合についての炉心管１４内の熱の流れをシミュレーションした結果の図解図を示す。図４（Ａ）は炉心管１４の内壁と熱遮蔽板２０との隙間ｄが０ｍｍの場合の熱流の状態を示す図解図であり、図４（Ｂ）は炉心管１４の内壁と熱遮蔽板２０との隙間ｄを炉心管口径φに対して５％空けた場合の熱流の状態を示す図解図であり、さらに、図４（Ｃ）は隙間ｄを炉心管口径φに対して２０％空けた場合の熱流の状態を示す図解図である。
図４（Ａ）の場合では、熱の流れが一番下の熱遮蔽板２０で妨げられ、その間で対流が生ずる形となり、上部から炉心管１４の中心部に低温の気流が流れ込んでくる。
しかし、図４（Ｂ）の場合では、熱流が炉心管１４の内壁と熱遮蔽板２０の隙間から上昇し、途中で熱遮蔽板２０によって熱流が分散して炉心管１４の中心部に熱流の一部が流れ込んでいることが分かる。そのため、この場合には、低温の気流が上部から炉芯管１４内部に入り込むことが防がれる。その結果、炉心管１４内に均一温度帯が形成され、溶液表面近傍の温度勾配が±１℃以内に抑制されるものと考えられる。そのため、この液相エピタキシャル成長装置１０によれば、膜質の良い単結晶薄膜を再現性良く製造することが可能となる。
一方、図４（Ｃ）の場合では熱流は全て炉心管１４の内壁沿いに上部に流出し、逆に上部から炉心管１４の中心部に低温気流が流れ込むという形で定常流が形成される。
【００１８】
また、図５は、この発明の実施の形態の一例を示す図解図であり、図６（Ａ）は図５に示す液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板の斜視図であり、図６（Ｂ）はその線ＶＩ（Ｂ）−ＶＩ（Ｂ）における断面図である。
この熱遮蔽板２０は、環状円盤２０ａと突起部２０ｂとからなる。突起部２０ｂは、環状円盤２０ａの上面から上方へ延び出るようにして一体に形成される。なお、ここで上方とは、鉛直に設置される炉心管１４の上下方向の上方のことをいい、言い換えれば炉心管１４内において載置される坩堝１８に対する上方をいう。
そして、この熱遮蔽板２０を複数枚準備し、それらを炉心管１４内に図５に示すように配置して、環状円盤２０ａと炉心管１４の内壁との間の隙間と溶液表面近傍の温度勾配との相関関係について測定を行った。その結果、溶液表面近傍の温度勾配が図３のグラフに示した突起部２０ｂの無い熱遮蔽板２０を用いた場合の結果よりもさらに小さくなることが確認された。
【００１９】
図７は、図６に示した熱遮蔽板を用いた場合についての炉心管内の熱の流れをシミュレーションした結果の図解図である。
この場合には、円筒状の突起部２０ｂによって熱流がより炉心管１４の中心部へ分散されるようになるので、低温気流の浸入がより困難になり、さらに有利に炉心管１４内に均一温度帯が形成される。
図４および図７のシミュレーション結果から、炉心管１４の内壁と熱遮蔽板２０との間に炉心管口径φの２．５％以上１５％以下の範囲の隙間ｄを設け、かつ環状円盤２０ａに突起部２０ｂを設けることがより好ましいことがわかった。この場合には、炉心管１４内の熱の流れが制御され、外部からの低温気流の侵入が抑制される。その結果、溶液表面近傍の温度勾配が±１℃以内に抑制され、膜質の良い単結晶薄膜を再現性よく製造することが可能になる。
以下にこの発明の実施例を説明する。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
図８（Ａ）は、この発明の液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板の他の例を示す斜視図であり、図８（Ｂ）はその線ＶＩＩＩ（Ｂ）−ＶＩＩＩ（Ｂ）における断面図である。この熱遮蔽板２０は、外径１６０ｍｍφ，内径１００ｍｍφの環状円盤２０ａの上面から突き出すようにしてテーパ状の突起部２０ｂが一体に形成される。このテーパ状の突起部２０ｂは、外周部の厚みが１ｍｍｔで、内周部の厚みが４０ｍｍｔに形成される。この熱遮蔽板２０を使用して溶液表面近傍の温度勾配を測定したところ±０．４℃であった。そして、ＹＩＧ薄膜をＧＧＧ基板上に育成したところ良質な膜が得られた。
なお、この実施例１では熱遮蔽板２０の突起部２０ｂの内厚みを４０ｍｍｔにしたが、内厚みはこれに限ったものではない。また、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すように突起部２０ｂを外側に緩やかな曲線を有するテーパ状に形成してもよい。さらに、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように突起部２０ｂは上部に断面Ｓ字状の凹凸部２０ｃを有するよう形成してもよい。
【００２１】
（実施例２）
図１１（Ａ）は、この発明の液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板のさらに他の例を示す斜視図であり、図１１（Ｂ）はその線ＸＩ（Ｂ）−ＸＩ（Ｂ）における断面図である。この熱遮蔽板２０は、外径１６０ｍｍφ，内径１００ｍｍφの環状円盤２０ａの内周部から１０ｍｍの位置に高さ４０ｍｍｈの円筒状の突起部２０ｂが形成されてなる。この熱遮蔽板２０を使用して溶液表面近傍の温度勾配を測定したところ±０．５℃であった。そして、この液相エピタキシャル成長装置１０でＹＩＧ薄膜をＧＧＧ基板上に育成したところ良質な膜が得られた。
なお、この実施例２では熱遮蔽板２０の円筒状の突起部２０ｂの高さを４０ｍｍｔにしたが、高さはこれに限ったものではない。また、突起部２０ｂを環状円盤２０ａの内周部より１０ｍｍの位置に形成することに限ったものではない。
【００２２】
（実施例３）
図１２（Ａ）は、この発明に用いられる熱遮蔽板のさらにまた他の例を示す斜視図であり、図１２（Ｂ）は、その線ＸＩＩ（Ｂ）−ＸＩＩ（Ｂ）における断面図である。この熱遮蔽板２０は、外径１６０ｍｍφ，内径１００ｍｍφの環状円盤２０ａに外側から内側に向けて順次高さを高くしたたとえば３つの円筒状の突起部２０ｂ，２０ｂ，２０ｂが形成されてなる。この熱遮蔽板２０を使用して溶液表面近傍の温度勾配を測定したところ±０．５℃であり、この液相エピタキシャル成長装置１０でＹＩＧ薄膜をＧＧＧ基板上に育成したところ良質な膜が得られた。
なお、この実施例３では複数の円筒状の突起部２０ｂの高さを外側から内側に向けて順次高くしていったが、これに限らず、複数の突起部２０ｂの頂点が断面でみたときに凹凸を形成するようにしてもよい。たとえば図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、最も内周部の一つの突起部２０ｂの高さを低く形成してもよく、また、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、複数の突起部２０ｂのうちの中間のものを他のものより低く形成してもよい。
【００２３】
なお、上述の説明においては、単結晶薄膜として磁性ガーネット単結晶薄膜を育成したが、これに限らず、半導体薄膜や酸化物強誘電性薄膜等液相エピタキシャル法全てにこの発明が適用できることは当然である。また、環状円盤枚数，口径は使用する炉やウェハーの大きさにより変えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  液相エピタキシャル成長装置の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す装置に用いられる熱遮蔽板を示す斜視図である。
【図３】炉心管口径に対する炉心管内壁と熱遮蔽板との隙間の割合と、溶液表面近傍の温度勾配との相関関係を示すグラフである。
【図４】図４（Ａ）は炉心管の内壁と熱遮蔽板との隙間が０ｍｍの場合の熱流の状態を示す図解図である。また、図４（Ｂ）は炉心管の内壁と熱遮蔽板との隙間を炉心管口径φに対して５％空けた場合の熱流の状態を示す図解図である。さらに、図４（Ｃ）は隙間を炉心管口径φに対して２０％空けた場合の熱流の状態を示す図解図である。
【図５】  この発明の実施の形態の一例を示す図解図である。
【図６】図５に示す液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板の斜視図である。
【図７】図６に示した熱遮蔽板を用いた場合についての炉心管内の熱の流れをシミュレーションした結果の図解図である。
【図８】この発明の液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板の他の例を示す斜視図である。
【図９】図８に示した熱遮蔽板の変形例を示す斜視図である。
【図１０】図８に示した熱遮蔽板の別の変形例を示す斜視図である。
【図１１】この発明の液相エピタキシャル成長装置に用いられる熱遮蔽板のさらに他の例を示す斜視図である。
【図１２】この発明に用いられる熱遮蔽板のさらにまた他の例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示した熱遮蔽板の変形例を示す斜視図である。
【図１４】図１２に示した熱遮蔽板の別の変形例を示す斜視図である。
【図１５】従来の液相エピタキシャル成長装置を示す図解図である。
【図１６】従来の液相エピタキシャル成長装置を用いた場合の溶液表面近傍の温度分布を示したグラフである。
【符号の説明】
１０  エピタキシャル成長装置
１２  縦型加熱炉
１４  炉心管
１６  発熱体
１８  坩堝
２０  熱遮蔽板
２０ａ  環状円盤
２０ｂ  突起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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