(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶炉と、加熱ユニットと、機械式伝達ユニットと、ガス調整ユニットと、前記単結晶炉に設置された熱壁封止容器と、前記熱壁封止容器内に設置された坩堝と、各封止デバイスを通って前記熱壁封止容器中へ挿入された坩堝伝達シャフトおよびシードシャフトとを備えるＶＣＺ単結晶成長装置であって：
前記熱壁封止容器が上部容器部分と下部容器部分とを備え、
封止接続デバイスが前記上部容器部分と前記下部容器部分との間に設けられ、
前記シードシャフトが前記封止デバイスと接合する接続表面を有する中空部分および該中空部分内に適合する中実部分を備え、そして
該中実部分および該中空部分が、該中実部分および該中空部分を通って挿入されるピンで一緒に固定される、ＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項２】
前記容器の前記封止接続デバイスは環状溝から形成され、前記下部容器部分の上端と一体化され、前記容器の上部の下端が前記環状溝内で係合する、請求項１に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項３】
前記熱壁封止容器の上部に観察窓が提供される、請求項１または２に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項４】
前記坩堝伝達シャフトおよび前記シードシャフトがそれぞれ通過する前記封止デバイスのそれぞれが封止チャンバおよび封止リングから形成され、前記封止チャンバは前記封止チャンバに環状溝と前記封止チャンバの底部に中心ホールを有し、ここで前記封止リングは溝を有し、前記封止リングの外周表面が封止チャンバの内表面と密に係合するように前記封止チャンバへと固定され、前記封止リングの溝と前記封止チャンバの環状溝とが互いに向き合って液体貯蔵チャンバを形成する、請求項１に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項５】
前記封止リングのリング開口部と前記封止チャンバの中心ホールの上端との間に間隔が存在し、前記封止リングの高さは前記封止チャンバの環状溝の高さよりも小さい、請求項４に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項６】
前記封止リングの高さは前記封止チャンバの環状溝の高さの１／３〜２／３である、請求項５に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項７】
前記坩堝伝達シャフトは前記封止デバイスの下方端を通過し、固定された前記坩堝伝達シャフトには前記封止チャンバと同一方向で向き合う接続受容器がある、請求項４に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項８】
前記封止チャンバと前記封止リングとが一体化されて前記液体貯蔵チャンバを形成する、請求項４に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項９】
前記シードシャフトは上部および下部シードシャフトから形成され、前記上部シードシャフトは前記中実部分であり、前記下部シードシャフトは前記中空部分であり、ここで前記上部シードシャフトの端部は前記下部シードシャフトの上端の接続ホールと密に係合する接続シャンクを有し、前記ピンが前記接続シャンクと前記接続ホールとを通過し、ここで前記下部シードシャフトの下方端はシード結晶導入ホールを有し、前記シード結晶導入ホールには部位ピンホールがある、請求項１または４に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【請求項１０】
前記接続シャンクが環状溝で刻まれ、前記環状溝の下方端は円錐傾斜でテーパ状にされている、請求項９に記載のＶＣＺ単結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体結晶成長装置に関する。より詳細には、蒸気制御されたチョクラルスキー（ＶＣＺ）単結晶成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体結晶を製造する従来の単結晶炉において、化合物の分解損失を防止し、化合物単結晶の適切な化学量論を保証するために、熱壁封止容器は坩堝の外側に提供される。これにより、坩堝から蒸発した混合気流（主に、高分解圧の元素の気流）の凝固に至らず、容器中に混合蒸気を形成する。他の熱壁封止容器は一体化しており、組み立てが容易ではない。それらが熱いと開けることは不可能であり、そして繰り返し使用することはできない。それゆえ、それらは操作に不便であり、かつ製造コストが高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、蒸気圧制御されたチョクラルスキー単結晶成長装置を提供することである。この装置において、熱壁封止容器はそれがまだ熱いときでも開けることができ、そして繰り返し使用することができる。このように、本発明の熱壁封止容器は導入に都合がよく、かつより良い封止特性を有している。その容器中の蒸気圧の制御が容易である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のＶＣＺ単結晶成長装置は、単結晶炉と、加熱ユニットと、機械式伝達ユニットと、ガス調整ユニットとを備える。単結晶炉には、熱壁封止容器が設置されている。熱壁封止容器は、上部および下部と、その容器の上部と下部との間にある封止接続デバイスとを備える。熱壁封止容器内には坩堝が設置され、そして坩堝伝達シャフトおよびシード結晶シャフトが、それぞれの封止デバイスを通って熱壁封止容器に埋め込まれる。
【０００５】
容器の封止接続デバイスは環状溝を含む。この環状溝は容器の下部の上端と一体化し、容器の上部端がこの環状溝内で係合する。熱壁封止容器の上部には観察窓が設けられる。
【０００６】
坩堝伝達シャフトおよびシード結晶シャフトからなる封止デバイスは、封止チャンバおよび封止リングから構成される。封止チャンバはその中に環状溝を有し、そしてその底部に中心ホールを有する。封止リングは溝を有し、そしてそれは、外周面が封止チャンバの内表面と密に係合するように封止チャンバで固定される。封止リングの溝と封止チャンバの環状溝とが向き合って接続され、液体貯蔵チャンバを形成する。間隔が封止リングの溝と封止チャンバの中心ホールの上端部との間に存在する。封止リングの高さは前記封止チャンバの環状溝の高さよりも小さい。
【０００７】
坩堝伝達シャフトは封止デバイスの下方端を通過し、封止チャンバと向き合う接続受容器は坩堝伝達シャフトに固定される。封止チャンバおよび封止リングは一体化されることができ、これは液体貯蔵チャンバを含む。封止リングの高さは封止チャンバの環状溝の高さの１／３〜２／３である。
【０００８】
シードシャフトは上部および下部シードシャフトから構成される。上部シード結晶シャフトは中実の棒であるが、下部シード結晶シャフトは中空の棒である。上部シードシャフトの端部は下部シード結晶シャフトの上端の接続ホールと密に係合する接続シャンクを有し、ピンが接続シャンクと接続ホールとを通過する。下部シード結晶シャフトの端部にはシード導入ホールがあり、このシード導入ホールには部位ピンホールがある。接続シャンクが環状溝で刻まれ、この環状溝の下方端は円錐傾斜でテーパ状にされている。
【０００９】
本発明のＶＣＺ単結晶成長装置は以下の利点を有する。
【００１０】
（１）本発明の装置の熱壁封止容器は単一の構造を有し、組み立てが容易である。熱いときでも開けることができ、繰り返し使用することができる。熱壁封止容器は上部容器部と下部容器部とに分割される。そしてそれらの間に封止接続デバイスを有している。環状溝は封止接続デバイスを封止するために使用され、酸化ホウ素がこの溝に埋められる。高温で、酸化ホウ素は融解し、従って上部容器部の端部を取り囲み、液体封止を形成する。この封止は単純な構造を有し、性能がより良く、設置が容易である。容器はそれが熱い場合でも開けることが可能であり、上部容器部および下部容器部にいかなる損傷も与えない。従って、このような熱壁封止容器は繰り返し使用することができる。さらに操作や製造コストをを低減し得る。
【００１１】
（２）本発明の装置の熱壁封止容器の封止は良好であるので、熱壁封止容器内で蒸気圧を制御することが容易である。熱壁封止容器とシードシャフトと坩堝伝達シャフトとの間の封止はまた、液体酸化ホウ素の封止を利用する。溶融後の液体酸化ホウ素はシードシャフトと坩堝伝達シャフトに付着し、封止デバイスとシードシャフトまたは坩堝伝達シャフトとの間の間隔をすべて埋めてしまう。これにより、熱壁封止容器中の混合蒸気が漏洩することが防止され、所望の蒸気圧を維持し、熱壁封止容器中の蒸気圧の調整が容易になる。
【００１２】
（３）シードシャフトのサイズはより小さくなるが、より中心寄りにされ、そしてより良い封止を有する。結晶がより良く成長するようにシードシャフトが回転すると振動が減少する。シードシャフトの下部は薄い壁の中空の棒であり、熱せられている場合でも変形が少ない。それゆえ、封止デバイスのより良い封止を確実にするために、熱壁封止容器の封止デバイスでしっかりと接合され得る。シードシャフトの上部および下部は、密に適合される。熱壁封止容器中の蒸気が接続部から漏洩することを防ぐことができる。上部および下部シードシャフトの接続表面は精密に機械加工されてそれらが良好にセンター合わせされ、回転中に振動しないように正確なサイズを有する。これは結晶成長に有利となる。シードシャフトがセラミック材料から作製される場合、耐腐食性がより良くなり、より長持ちし、二次汚染を低減できる。
【００１３】
（４）熱壁封止容器中の蒸気圧を調整することは好都合であり、単結晶の化学量論の調整に有利である。
【００１４】
（５）本発明の装置は主に、ＧａＡｓ結晶、ＩｎＡｓ結晶およびＧａＰ結晶を成長させるのに適切である。この結晶の品質は良好であり、転位密度は低い。例えば、Φ３インチの半絶縁体のＧａＡｓ単結晶の転位密度は、７０００ｃｍ-2〜９０００ｃｍ-2であり得る。そして、Φ４インチの半絶縁体のガリウム砒素単結晶の転位密度は、３．５×１０4ｃｍ-2〜４．２×１０4ｃｍ-2であり得る。
【００１５】
本発明は、単結晶炉と、加熱ユニットと、機械式伝達ユニットと、ガス調整ユニットと、前記単結晶炉に設置された熱壁封止容器と、前記熱壁封止容器内に設置された坩堝と、各封止デバイスを通って前記熱壁封止容器中へ挿入された坩堝伝達シャフトおよびシードシャフトとを備えるＶＣＺ単結晶成長装置であって、前記熱壁封止容器が上部容器部分と下部容器部分とを備え、封止接続デバイスが前記上部容器部分と前記下部容器部分との間に設けられる、ＶＣＺ単結晶成長装置であり、これにより上記目的が達成される。
【００１６】
本発明の一実施形態は、前記容器の前記封止接続デバイスは環状溝から形成され、前記下部容器部分の上端と一体化され、前記容器の上部の下端が前記環状溝内で係合する、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００１７】
本発明の一実施形態は、前記熱壁封止容器の上部に観察窓が提供される、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００１８】
本発明の一実施形態は、前記坩堝伝達シャフトおよび前記シードシャフトがそれぞれ通過する前記封止デバイスのそれぞれが封止チャンバおよび封止リングから形成され、前記封止チャンバは前記封止チャンバに環状溝と前記封止チャンバの底部に中心ホールを有し、ここで前記封止リングは溝を有し、前記封止リングの外周表面が封止チャンバの内表面と密に係合するように前記封止チャンバへと固定され、前記封止リングの溝と前記封止チャンバの環状溝とが互いに向き合って液体貯蔵チャンバを形成する、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００１９】
本発明の一実施形態は、前記封止リングのリング開口部と前記封止チャンバの中心ホールの上端との間に間隔が存在し、前記封止リングの高さは前記封止チャンバの環状溝の高さよりも小さい、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２０】
本発明の一実施形態は、前記封止リングの高さは前記封止チャンバの環状溝の高さの１／３〜２／３である、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２１】
本発明の一実施形態は、前記坩堝伝達シャフトは前記封止デバイスの下方端を通過し、固定された前記坩堝伝達シャフトには前記封止チャンバと同一方向で向き合う接続受容器がある、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２２】
本発明の一実施形態は、前記封止チャンバと前記封止リングとが一体化されて前記液体貯蔵チャンバを形成する、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２３】
本発明の一実施形態は、前記シードシャフトは上部および下部シードシャフトから形成され、前記上部シードシャフトは中実の棒であり、前記下部シードシャフトは中空であり、ここで前記上部シードシャフトの端部は前記下部シードシャフトの上端の接続ホールと密に係合する接続シャンクを有し、ピンが前記接続シャンクと前記接続ホールとを通過し、ここで前記下部シードシャフトの下方端はシード結晶導入ホールを有し、前記シード結晶導入ホールには部位ピンホールがある、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２４】
本発明の一実施形態は、前記接続シャンクが環状溝で刻まれ、前記環状溝の下方端は円錐傾斜でテーパ状にされている、上記に記載のＶＣＺ単結晶成長装置である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の装置は、図面を参照して以下で詳細に説明される。
【００２６】
ＶＣＺ単結晶成長装置が図１に示される。図１において、参照番号１は、単結晶炉一式を示す。この炉の他の部分は本明細書中には示されていない。単結晶炉１中に熱壁封止容器２が設置される。熱壁封止容器２は、上部容器部３と下部容器部４とから形成される。上部容器部３と下部容器部４とは封止接続デバイス５によって接続される。熱壁封止容器２は坩堝６を取り囲む。坩堝６は坩堝伝達シャフト７上に設置される。坩堝６の上方にシードシャフト８がある。シードシャフト８と坩堝伝達シャフト７はそれぞれ、封止デバイス９および１０によって熱壁封止容器２中へ挿入される。
【００２７】
封止接続デバイス５は環状溝１１を備え、その構造は図２に示される。環状溝１１と下部容器部４とは一体化される。上部容器部３の端部は環状溝１１内で係合する。そして環状溝１１は酸化ホウ素で埋められる。熱壁封止容器２の上端には観察窓１２がある。
【００２８】
封止デバイス９および１０は封止チャンバ１３および封止リング１４から形成され、その構造は図３および図４に示される。封止チャンバ１３の内側には環状溝１５がある。封止チャンバの底部には中心ホール１６がある。封止リング１４は溝１７を有する。封止リング１４の外周表面は、封止チャンバ１３の環状溝１５の内側表面と密に係合する。封止リング１４の溝１７と封止チャンバ１３の環状溝１５とは互いに向き合っており、液体貯蔵チャンバ１８を形成する。封止リング１４の開口部と中心ホール１６の上部端は間隔１９を形成し、この間隔１９は液体貯蔵チャンバ１８の入口である。封止リング１４の高さは、封止チャンバ１３の環状溝１５の高さよりも小さい。封止チャンバ１３の環状溝１５は酸化ホウ素で埋められる。封止デバイス１０の下方には接続受容器２０が坩堝伝達シャフト７上に固定され、接続受容器２０はその上方が開口している。
【００２９】
図５に示されるように、シードシャフト８は上部シードシャフト２１および下部シードシャフト２２から形成される。上部シードシャフト２１は中実の棒であり、下部シードシャフト２２は中空の棒である。上部シードシャフト２１の端部には接続シャンク２３があり、環状スロット２４が刻まれた接続シャンク２３の中央にある。環状スロット２４の開口部の下部端は円錐傾斜２５でテーパ状にされている。接続シャンク２３と下部シードシャフト２２の上端の接続ホール２６は互いに密に係合し、ピン２７が接続シャンク２３と接続ホール２６とを通って挿入されて、それらを一緒に固定する。下部シードシャフト２２の端部にはシード導入ホール２８があり、この中にシード結晶２９が設置され得、固定ピン３０がその中のシード結晶２９を固定するために使用される。上部シードシャフト２１および下部シードシャフト２２はセラミック材料から作製される。
【００３０】
ＶＣＺ単結晶成長装置の操作の間、化合物原料物質が坩堝６に入れられる。例えば、ＧａＡｓ結晶引き上げの際、ガリウムおよび砒素が坩堝６に入れられる。上部容器部と下部容器部とを接続した後、ガリウムおよび砒素が加熱され、そして同時に酸化ホウ素が封止接続デバイス５および封止デバイス９および１０に入れられ、これらもまた加熱される。酸化ホウ素が融解して液体封止を形成すると、非常に良好な封止された空間が熱壁封止容器２に形成される。この封止された空間中で、砒素の蒸気圧が制御されて、砒素対ガリウムの比率が、所定の要件を満たし、化合物の分解損失が防止され得るように維持される。さらに、本発明の成長法が使用される場合では、結晶の温度勾配は小さい。結晶の品質は向上するが、単結晶の転位密度は減少する。さらに、本発明の装置で使用されるシードシャフトの変形は小さく、封止は良好である。そして中心配置が良好であり、回転中の振動が少ないので、結晶成長には有利である。結晶成長が終わると、熱壁封止容器２は直ちに開けられ、結晶を取り出すことができる。次いで、熱壁封止容器２は再利用することができる。この操作は全く簡単である。
【００３１】
本発明は、半導体結晶成長装置に関する。蒸気制御されたチョクラルスキー（ＶＣＺ）単結晶成長装置は、単結晶炉と、加熱ユニットと、機械式伝達ユニットと、ガス調整ユニットとを備える。熱壁封止容器は単結晶炉に設置され、坩堝は熱壁封止容器内に設置される。熱壁封止容器は、上部容器部分と下部容器部分とを備える。封止接続デバイスは、上部容器部分と下部容器部分との間に設けられる。坩堝伝達シャフトおよびシードシャフトは、各封止デバイスを通って熱壁封止容器中へ挿入される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、蒸気圧制御されたチョクラルスキー単結晶成長装置が提供される。この装置は、熱壁封止容器はそれがまだ熱いときでも開けることができ、そして繰り返し使用することができるという優れた効果を有する。また、本発明の蒸気圧制御されたチョクラルスキー単結晶成長装置に使用する熱壁封止容器は導入に都合がよく、かつより良い封止特性を有している。容器中の蒸気圧の制御も容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＶＣＺ結晶成長装置の構造を示す。
【図２】図２は、封止接続デバイスの構造を示す。
【図３】図３は、シードシャフトにおける封止デバイスの装置の構造を示す。
【図４】図４は、坩堝伝達シャフトにおける封止デバイスの構造を示す。
【図５】図５は、シードシャフトの構造を示す。
【符号の説明】
１  単結晶炉一式
２  熱壁封止容器
３  上部容器部
４  下部容器部
５  封止接続デバイス
６  坩堝
７  坩堝伝達シャフト
８  シードシャフト
９  封止デバイス
１０  封止デバイス
１２  観察窓
【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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