JP4513638B2 - Compound semiconductor crystal manufacturing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体結晶の製造装置の改善に関し、特に、光デバイス、電子デバイスなどに利用されるGaAsなどの結晶の製造装置の改善に関するものである。 The present invention relates to an improvement in a compound semiconductor crystal manufacturing apparatus, and more particularly to an improvement in a crystal manufacturing apparatus such as GaAs used for optical devices, electronic devices, and the like.
化合物半導体結晶の中で、たとえばGaAs結晶は、工業的には引上げ法(LEC法)、横型ボート法(HB法、HGF法)、縦型ボート法(VB法、VGF法)などによって製造される。特に、引上げ法や縦型ボート法は、得られる結晶の断面がデバイス作製用基板と同じ円形であるので歩留りが向上することや、製造される結晶の対称性により大口径化が容易であることから、単結晶の製造方法として横型ボート法よりも有利な点が多い。 Among compound semiconductor crystals, for example, a GaAs crystal is industrially manufactured by a pulling method (LEC method), a horizontal boat method (HB method, HGF method), a vertical boat method (VB method, VGF method), or the like. . In particular, in the pulling method and the vertical boat method, the cross section of the obtained crystal is the same circle as the device manufacturing substrate, so that the yield is improved and the large diameter is easy due to the symmetry of the crystal to be manufactured. Therefore, there are many advantages over the horizontal boat method as a method for producing a single crystal.
図2の断面図は、特許文献1の特開平11−335194号公報に開示された化合物半導体結晶の製造装置を概略的に示している。この装置は、たとえば内径が170mmで厚さが3mmであって両端部に開放端を有する炭化珪素製反応管1を含んでいる。この炭化珪素製反応管1の周囲の大気雰囲気下にはFe−Cr−Al系ヒータ3が配設され、そのヒータ3は複数のゾーンに分離されていて、それぞれのゾーンが個別に温度制御され得る。
The cross-sectional view of FIG. 2 schematically shows a compound semiconductor crystal manufacturing apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-335194. This apparatus includes, for example, a silicon
図2に示されているような製造装置では、反応管1の外側の大気中にヒータ3が設けられるので、上記のように低コストの鉄系などのヒータを用いることができる。この種の抵抗ヒータは容易に多段ゾーン化することができるので、温度分布を制御することができる。
In the manufacturing apparatus as shown in FIG. 2, since the
図2の製造装置における炭化珪素製反応管1の両開放端には、ステンレス製のフランジ9が取付けられている。炭化珪素製反応管1とステンレス製フランジ9との接続部分はウィルソンシール構造にされており、パッキン12が介在されて気密性が確保されるようになっている。なお、パッキン12としては、オーリングなどの弾性体が用いられ、具体的にはゴムの他にフッ素樹脂などをも用いることができる。
また、フランジ9にはジャケットが取付けられ、そのジャケット内に冷却水を循環させることによって炭化珪素製反応管1とフランジ9との接続部を冷却して、ヒータ3による加熱の際にも気密性が維持できるように構成されている。
Further, a jacket is attached to the
なお、炭化珪素製反応管1とフランジ9との接続部の気密性を維持するためには、このようなジャケットを用いる他に、たとえば接続部を強制的に空冷するか、またはヒータと接続部の距離を十分離して大気雰囲気で空冷してもよい。
In order to maintain the airtightness of the connection portion between the silicon
炭化珪素製反応管1の上部に取付けられたフランジ9には、排気管挿入用ポート16と、ガス導入管挿入用ポート17とが形成されている。排気管挿入用ポート16には炭化珪素製反応管1内部を真空に排気するための排気管18が挿入され、また、ガス導入管挿入用ポート17には炭化珪素製反応管1内部へガスを導入するためのガス導入管19が挿入されている。
An exhaust
他方、炭化珪素製反応管1の下部に取付けられたフランジ9の中心には、上下動が可能な下軸4が貫通して設置され、下軸4の先端には半導体結晶の原料を収容するための坩堝2が載置されている。また、炭化珪素製反応管1の下部に取付けられたフランジ9には、熱電対挿入用ポート15が形成されている。熱電対挿入用ポート15には、坩堝2の側面付近の温度を測定するための熱電対13が挿入されている。上部フランジに熱電対ポートを設けて、上方から坩堝2の内部に熱電対を挿入することもできる。下軸4の内部に熱電対を通すことにより、坩堝2の底部の温度を測定してもよい。なお、温度測定手段として、熱電対の他に、放射温度計を利用することもできる。
On the other hand, in the center of the
図2の製造装置を用いて、以下のようなVB法によって、たとえばGaAsの6インチ径単結晶を製造することができる。まず、下軸4の先端に載置された6インチ内径の坩堝2の下端の凹部に、GaAs単結晶からなる種結晶55を入れる。次に、坩堝2内において、たとえば20kgのGaAs多結晶原料と、原料融液60表面を封止するための300gの酸化ホウ素(B2O3)70を装填する。
For example, a 6-inch diameter single crystal of GaAs can be manufactured by the following VB method using the manufacturing apparatus of FIG. First, a seed crystal 55 made of a GaAs single crystal is put into a recess at the lower end of a
この坩堝を、炭化珪素製反応管1内に設置し、フランジ9を取付けて密封する。続いて、排気管18を用いて、炭化珪素製反応管1内を真空に排気した後、Fe−Cr−Al系ヒータ3により昇温を行なう。昇温の途中で、ガス導入管19を用いて炭化珪素製反応管1内に窒素ガスを導入し、昇温完了時に炭化珪素製反応管1内の圧力が約2気圧になるように調整する。
This crucible is installed in the
Fe−Cr−Al系ヒータ3による加熱によってGaAs多結晶原料を融解して原料融液60を形成する。種結晶55の温度がGaAsの融点である1238℃付近になるように、また、坩堝2の側面の温度が約1250℃になるように調整した後、図2中の矢印で示されているように下軸4を2mm/hrの速度で下方へ移動させる。
The raw material melt 60 is formed by melting the GaAs polycrystalline raw material by heating with the Fe—Cr—
このようにして、坩堝2の下端凹部に入れられた種結晶55から上方へゆっくりと原料融液60を固化させることにより、GaAs単結晶50が成長させられ得る。
図2の製造装置におけるように気密性反応管1の外側からヒータ3によって坩堝2を加熱する場合、坩堝2における温度分布が反応管1の介在によって鈍化させられる。また、反応管1は1000℃を超える高温において2気圧程度の内圧に耐えなければならず、その反応管1の肉厚を薄くすることが困難である。特に純度の点で好ましい炭化珪素からなる反応管を用いる場合、炭化珪素の反応管は高い熱伝導率を有するので、坩堝2における温度分布の鈍化が起こりやすい。
When the
他方、気密性反応管1の外側のFe−Cr−Al系ヒータ3における高温部における温度をさらに高めることによって坩堝2における温度分布の鈍化を防止しようとすれば、元々そのFe−Cr−Al系ヒータ3の使用可能温度の上限近傍で使用しているので、そのヒータ3の酸化が進んで寿命が短くなる。
On the other hand, if the temperature distribution in the
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、化合物半導体単結晶の育成に好ましい温度分布を形成することができかつヒータの寿命を伸ばし得る化合物半導体結晶の製造装置を提供することを目的としている。 In view of the problems in the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a compound semiconductor crystal manufacturing apparatus that can form a preferable temperature distribution for growing a compound semiconductor single crystal and can extend the life of a heater. It is said.
本発明による化合物半導体結晶の製造装置は、少なくとも一方端部に開放端を有する反応管と、その反応管の外側の周囲で大気雰囲気下に配設された第1の加熱手段と、反応管を密閉するようにその開放端に取付けられるフランジと、反応管内に設置された半導体結晶の原料を収容するための坩堝と、反応管の内側でその内壁と坩堝との間に第2の加熱手段を含み、第1の加熱手段と第2の加熱手段との間に反応管が介在していることを特徴としている。 An apparatus for producing a compound semiconductor crystal according to the present invention comprises a reaction tube having an open end at least at one end, a first heating means disposed in an atmosphere around the outside of the reaction tube, and a reaction tube. A flange that is attached to the open end so as to be sealed, a crucible for containing a raw material of semiconductor crystal installed in the reaction tube, and a second heating means between the inner wall and the crucible inside the reaction tube. look-containing reaction tube between the first heating means and second heating means is characterized by being interposed.
なお、坩堝と第1および第2の加熱手段とは、互いに相対的に移動させられ得る。第1と第2の加熱手段は、互いに同期して坩堝に対して移動させられ得ることが好ましい。 The crucible and the first and second heating means can be moved relative to each other. It is preferred that the first and second heating means can be moved relative to the crucible in synchronism with each other.
さらに、反応管は炭化珪素で形成され得て、第2の加熱手段はカーボン、pBN被覆カーボン、およびモリブデンシリサイドのいずれかを含むことが好ましい。そして、化合物半導体結晶として、GaAs結晶が好ましく育成され得る。 Further, the reaction tube may be formed of silicon carbide, and the second heating means preferably includes any of carbon, pBN-coated carbon, and molybdenum silicide. A GaAs crystal can be preferably grown as the compound semiconductor crystal.
本発明によれば、化合物半導体結晶の製造装置が反応管の内壁と坩堝との間に第2の加熱手段を含んでいるので、単結晶育成に好ましい温度分布を形成し得るとともに、反応管の周囲で大気雰囲気下に配設された第1の加熱手段を過熱することを回避でき、その製造装置の寿命を伸ばすことができる。 According to the present invention, since the compound semiconductor crystal manufacturing apparatus includes the second heating means between the inner wall of the reaction tube and the crucible, a temperature distribution preferable for single crystal growth can be formed, and the reaction tube It is possible to avoid overheating the first heating means disposed in the surroundings in an air atmosphere, and the life of the manufacturing apparatus can be extended.
図1の断面図は、本発明の一実施形態による化合物半導体結晶の製造装置の主要部を模式的に示している。図1における製造装置は図2に比べて簡略化されて示されているが、基本的な詳細構造は図2の製造装置と同様に構成することができる。そして、図1中において、図2中の参照番号と同一の参照番号は同一部分または相当部分を表している。 The cross-sectional view of FIG. 1 schematically shows the main part of a compound semiconductor crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. The manufacturing apparatus in FIG. 1 is shown in a simplified manner as compared with FIG. 2, but the basic detailed structure can be configured in the same manner as the manufacturing apparatus in FIG. In FIG. 1, the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same or corresponding parts.
図2に比べて、図1の製造装置において特徴的な構成は、反応管外ヒータ3に加えて反応管内ヒータ11をも含んでいることである。反応管外ヒータ3としては、図1の場合と同様に、安価なFe−Cr−Al系ヒータを用いることができる。
Compared to FIG. 2, the characteristic configuration of the manufacturing apparatus of FIG. 1 is that the reaction tube heater 11 is included in addition to the
他方、反応管内ヒータ11は坩堝12の最も高温部の加熱を目的としているので、より高温に耐え得る材料で構成されていることが好ましい。また、反応管内ヒータ11から発生する不純物が化合物半導体結晶に混入すれば半導体特性が変化するので、そのような不純物を生じない材料で反応管内ヒータ11を構成することが好ましい。
On the other hand, since the heater 11 in the reaction tube is intended to heat the highest temperature portion of the
そのように高温に耐えかつ不純物を生じない材料として、カーボン、pBN被覆カーボン、およびモリブデンシリサイドなどが、反応管内ヒータ11に好ましく用いられ得る。 As such a material that can withstand high temperatures and does not generate impurities, carbon, pBN-coated carbon, molybdenum silicide, and the like can be preferably used for the heater 11 in the reaction tube.
このように、反応管外ヒータ3に加えて、坩堝2の最も高温領域を加熱するための反応管内ヒータ11を別途に設けることによって、坩堝2においてシャープな温度分布の制御が可能になるとともに、安価なFe−Cr−Al系材料からなる反応管外ヒータ3の過熱を回避することができてその寿命を顕著に伸ばすことが可能となる。
Thus, in addition to the
なお、化合物半導体単結晶を育成する際に、坩堝2は下軸4を駆動することによって反応管外ヒータ3および反応管内ヒータ11に対して移動させられてもよいが、反応管外ヒータ3および反応管内ヒータ11を互いに同期させて坩堝2に対して移動させてもよい。坩堝2を移動させる場合にはその移動距離に対応して反応管1を長くする必要があるが、反応管外ヒータ3および反応管内ヒータ11を互いに同期させて移動される場合には反応管1を短くできるという利点が得られる。
When growing the compound semiconductor single crystal, the
以上のように、本発明によれば、単結晶育成に好ましい温度分布を形成し得るとともに寿命の延長が可能な化合物半導体結晶の製造装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a compound semiconductor crystal manufacturing apparatus capable of forming a temperature distribution preferable for single crystal growth and extending the lifetime.
1 反応管、2 坩堝、3 反応管外ヒータ、4 下軸、9 フランジ、11 反応管内ヒータ、12 パッキン、13 熱電対、15 熱電対挿入用ポート、16 排気管挿入用ポート、17 ガス導入管挿入用ポート、18 排気管、19 ガス導入管、50 化合物半導体結晶、55 種結晶、60 原料融液、70 液体封止材。 1 reaction tube, 2 crucible, 3 reaction tube heater, 4 lower shaft, 9 flange, 11 reaction tube heater, 12 packing, 13 thermocouple, 15 thermocouple insertion port, 16 exhaust tube insertion port, 17 gas introduction tube Insertion port, 18 exhaust pipe, 19 gas introduction pipe, 50 compound semiconductor crystal, 55 seed crystal, 60 raw material melt, 70 liquid sealing material.
Claims (6)
少なくとも一方端部に開放端を有する反応管と、
前記反応管の外側の周囲で大気雰囲気下に配設された第1の加熱手段と、
前記反応管を密閉するように前記開放端に取付けられるフランジと、
前記反応管内に設置された前記半導体結晶の原料を収容するための坩堝と、
前記反応管の内側でその内壁と前記坩堝との間に第2の加熱手段を含み、
前記第1の加熱手段と前記第2の加熱手段との間に前記反応管が介在していることを特徴とする化合物半導体結晶の製造装置。 An apparatus for producing a compound semiconductor crystal,
A reaction tube having an open end at least at one end; and
A first heating means disposed in an air atmosphere around the outside of the reaction tube;
A flange attached to the open end to seal the reaction tube;
A crucible for accommodating the raw material of the semiconductor crystal installed in the reaction tube;
A second heating means seen contains between inner its inner wall and the crucible of the reaction tube,
The apparatus for producing a compound semiconductor crystal , wherein the reaction tube is interposed between the first heating means and the second heating means .
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