JPH02320B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、細い流路において基板を横切る層
流の溶液からの結晶の急速な液相エピタキシヤル
成長に関するものである。これは、例えば電子回
路や太陽光電池の製造に用いるための半導体の結
晶エピタキシヤル層を成長させるために用いられ
る。

溶液から成長されたエピタキシヤル層の結晶の
質は、気相エピタキシーや分子線エピタキシー等
の他の技術を用いて作られる結晶の質より優れて
いる。しかし、液相エピタキシーの技術が比較的
単純であるにもかかわらず、その利用は低生産性
により妨げられている。高成長速度が液相エピタ
キシーの重要点であるが、高成長速度は、溶液の
自由対流的な流れの結果として面の平滑さの欠徐
や構造上の過冷却による結晶の退化を伴なう。高
成長速度は、これが生産力の指針となるからだけ
でなく、高成長速度状態の下では、複合溶液の成
分の分布係数が単一に近づき、単一構成の層を成
長させることができるので、重要である。

この発明の目的は、溶液からエピタキシヤル層
を成長させるための方法を提供することにある。

更に、この発明の目的は、溶液から単一構成の
エピタキシヤル層を成長させるための方法を提供
することにある。

簡単に述べるならば、この発明の原理に従い、
およびこの発明の好適な実施例においては、基板
が細い流路を通る層流の溶液に導き入れられる。
溶液が流路に入つた際の溶液の温度は、その飽和
温度T_Sよりも高いT₁である。基板の温度T₂は、
流れている溶液と接している面とは反対側の面を
流れる冷却液により、T_s以下に保たれる。この
様な状態の下において、基体に接している溶液は
過飽和され、結晶の層が基体上で成長する。

この発明のために、細い流路の断面は、基板を
収容する長い寸法と、基体に直交する短い寸法を
有しており、この短い寸法が流路における基板の
前方の流路の長さと共同して、基板の近くで動い
ている溶液に層流を形成する。

特定の例において、各側に１平方センチメート
ルの面を有する750℃のヒ化ガリウム（GaAs）
基板が、ヒ化ガリウムを含むガリウム溶液にさら
される。溶液は780℃の飽和温度に対し800℃で流
路に入る。流路は１mm×1.2cmの矩形の断面を有
しており、基板の前に2.5cmの長さを有している。
基板上のヒ化ガリウムの成長は１分間に約10mmの
割合で生じる。

この発明の他の目的や特徴および利点は以下の
添付図面に沿つての詳細な説明から明らかになろ
う。

第１図において、ガリウム溶液のヒ化ガリウム
の飽和曲線が示されている。第１図に示された溶
液の温度の上昇に対する溶質の濃度の上昇は、こ
の様な飽和曲線の典型である。

第１図は、実質的に過飽和の状態において、少
量の溶液が基体の１平方センチメートル上に薄い
エピタキシヤル層を形成するために必要とされる
溶質を供給することができることを示している。

第２図において、結晶基板と溶液との間の成長
中間面に隣接する区域における溶質の濃度の変化
が示されている。溶液の大部分の有効値が得られ
るまで、溶質の濃度が中間面からの距離に従つて
増加することを、第２図に示している。

溶質の濃度が増加するに従つて、溶液の温度の
値も増加する。成長中間面における温度の傾きが
十分である場合、該形成は中間面から離れて生じ
ない。すなわち、構造上の過冷却が避けられる。

第３図には、溶液の流速に対する層の成長速度
の変化が示されている。層の成長速度は、限界値
に達するまで、流速と共に増加する。この限界値
は、熱伝達の限界域は中間面の運動プロセスによ
り左右される。

第４図には、飽和温度以下の溶液の過冷に対す
る核形成速度の典型的な変化を表わす曲線が示さ
れている。最大値からの減少は、粘性の大きな溶
液において最も顕著である。金属の溶液、例えば
すずやガリウムの溶液等は、一般に粘性が小さ
く、従つて金属の溶液において、最大値からの減
少はゆるやかである。

第１図に関して述べられている様に、実質的に
過飽和状態において、少量の溶液が、基板の１平
方センチメートルの面上に薄いエピタキシヤル層
を形成するのに必要な溶質を堤供する。この様
に、基板を横切つて流れる実質的に過飽和の溶液
において、溶質の濃度の僅かな変化は、それ自
体、均一の温度状態が基板上で保たれている限
り、すなわち自由対流が抑制されている限り、層
の成長速度における大きな変化を引き起こさな
い。この様な自由対流は、基板を横切る層流があ
るならば、抑制される。

溶液が基板を横切る層流である場合において、
溶液の流体力学上のよどみ層が基板の面に隣接し
て存在する。熱が溶液と基板との間で交換されて
いる場合に、大きな温度の低下がこのよどみ層を
横切つて起こる。流体力学上のよどみ層と溶質の
拡散境界層（第２図参照）との間に或る関係があ
る。溶液の流速が増加するに従つて、よどみ層と
溶質の拡散境界層とが薄くなつていく。よどみ層
を通つての温度低下は、拡散境界層を通つて温度
の傾きを大きくする。流速が十分な場合に、構造
上の過冷却が避けられることができ、急速な層成
長のための状態が生み出される。

また、基板を横切る溶液の流れは、溶液におけ
る不安定状態の結果として溶液の主要部にて核を
なすいかなる金属をも、基板の区域から除去する
利点を有する。

流路内の層流を発達させるために、流路の内壁
に生じる摩擦力が溶液の大部分に伝えられなけれ
ばならない。この様な層流が基板を横切つて流れ
る溶液を通つて十分に広まることは本質的なこと
ではないが、溶質の拡散境界層と基板への熱伝達
に影響を与える溶液が、基板を横切る層流である
ことは非常に望ましい。基板の前方の流路の長さ
は、流路の壁面により生み出された摩擦力を、必
要な層流が発達するのに十分な程、流れている溶
液の大部分に伝えることのできる長さでなければ
ならない。細い流路が用いられているならば、す
なわち流路の断面が基板を収容する広い寸法と、
層流が基板に近接して横切る溶液の動きを左右す
るのを確実にするのに十分な程に低い値の短い寸
法とを有しているならば、この様な摩擦力が浸透
しなければならない深さは減らされる。一般に、
溶液の流れと重要な流路の大きさに対するレイノ
ルズ数の値は乱流が始まるのに必要とされるレイ
ノルズ数の値よりもはるかに低く、これは、乱流
が成長する層の質を低下させるので有利である。

第５図には、エピタキシヤル層の成長のための
装置９が概略的に示されている。タンク２１から
のガス１９が貯液部である区画部１３内の溶液２
５の上の空所２３に入り、これによつて、溶液１
１を第１の流路である流路１５に入れ、基板１７
を横切つて流す。水素がこの目的で用いるのに最
適のガスであり、高純度で入手できる。溶液１１
は、流路１５を通過した後、受液部である区画部
２９に入り、溶液２７に混じり、これによつて、
空所３１におけるガス圧を増加させる。空所３１
を出るガスが弁３３を介して装置９から排出され
た場合に、空所３１内のガス圧は下げられる。し
ばらく使用した後も生産能力を維持するために、
流路１５における溶液１１の流れの方向を逆転さ
せることが望ましい。これを達成するために、空
所３１が弁３３を介してタンク２１に連結され且
つ空所２３が弁４１を介して装置９から開放され
る２つのセツト可能な位置にて、弁３３と弁４１
が装置９に設けられる。

基板１７はスライダ３５に保持され、このスラ
イダ３５は第５図の平面に対し垂直方向に動く。
基板１７はスライダ３５の第２の流路である管３
９内で循環している流体３７により冷却される。
水素ガスがこの流体３７に用いるために好適なも
のである。基板１７の温度T₂は、流路１５に入
る溶液１１の飽和温度T_Sよりも十分に低く冷却
される。溶液２５と溶液２７の温度T₁は、区画
部１３，２９内で溶液の望ましくない核形成を避
けるために、飽和温度T₃よりも十分に高いこと
が好適である。

流路１５は、基板１７を横切る層流を発達させ
るために十分な基板１７の前方の長さを有した細
い流路である。細い流路において、この長さは流
路１５の断面の短い寸法の10乃至50倍の範囲が一
般的である。金属の溶液において、流路１５を形
成するのに好適な材料は黒鉛であるが、多くの溶
液においては酸化アルミニユウムや水晶が適して
いる。

溶液２５，２７の温度が飽和温度以上である場
合に、この溶液２５，２７は流体３７より基板１
７を冷却しないで流れている溶液１１に基板１７
をさらすことによる層成長の開始前に、基板１７
の再溶融に用いられることができる。この初期の
再溶融は、面の汚れや損傷を与える恐れのある物
質を除去することにより、生産物の質の向上を助
長する傾向がある。

基板１７上に望まれる厚さに層が成長した場合
に、スライダ３５が溶液１１との接触から基板１
７を取り出すために用いられる。同時に、基板１
７は、粘着している溶液を除去するために、およ
び層成長を終了するために、装置９により溶液が
ふき取られる。

装置９は装置自体の熱源により加熱されること
ができ、また炉の中に配置されることもできる。
第５図には示されていないが、従来の熱源や炉が
用いられる得る。

第５図の装置９は一回の稼動として述べられて
いるが、モザイク式の基板が用いられたり、１シ
ート材料が基板として用いられるならば、連続稼
動が可能となる。

第６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ図に示されている装置
４５は、その稼動のために必要な熱を供給するよ
うに炉の管内に置かれることが可能である。炉の
管は第６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ図には示されていな
いが、従来の炉の管（および炉）が使用できる。

第６Ａ図において、区画部６５，６７が仕切り
６３により分離されている。ガスが区画部６５に
入ると、その結果のガス圧の増加により溶液が流
路４７を通つて流れ、すなわち入口４９から入
り、出口５３から出て、区画部６７の溶液に混合
する。ガスはガスの入口５７を通つて区画部６５
に入り、ガスの出口５９を通つて区画部６７を出
ていく。流路４７の中を流れる溶液は基板５１を
横切る。

流路４７には、入口４９と部分出口６９の間の
部分と、出口５３と部分入口７１の間の部分とが
あり、これら部分においては、基板５１は流路４
７の中で流れている溶液と接しない。第５図に関
連して述べるならば、流路４７内の流れは、生産
能力を維持するために逆転可能である。

スライダ５５が進められると（第６Ａ図におい
て右から左）、基板５１も流路４７を通つて流れ
る溶液に接する所に進み、スライダ５５が再び進
められると、基板５１はこの接触から離れると共
に装置により溶液がふき取られる。基板５１は、
スライダ入口６１にてスライダ５５に入り且つス
ライダ出口７７からスライダ５５を出る流体７５
により冷却される。

第６Ａ，６Ｂ図には、溝部７３が示されてい
る。溝部７３は、部分入口６９と部分出口７１と
の間と徐き、流路４７の下側と係合している。流
体７５はスライダ５５の管５６を通つて流れる。
熱伝達と流体７５による基板の結果的な冷却を最
大にする目的で、流体７５と基板５１との間の接
触域を大きくするために、基板５１の近くにて、
管５６が露出されている。

第６図には、装置４５の斜視図が示されてい
る。スライダ５５と装置４５の他の部分との幾何
学的関係は、第６Ａ，６Ｂ，６Ｃ図において見る
ことができる。全体の形状は円筒形で、この形に
よつて、炉の管の中に配置されることが可能とな
る。装置４５が炉の管の中に配置されて操作され
るように、装置４５のスライダ５５は装置４５の
円筒軸の方向に沿つて動く。この様な配置によ
り、１個以上の装置４５が複数管型炉の管に配置
されることができ、これは生産のために有効であ
る。この様な炉は示されていないが、従来の炉や
複数管型炉がこの目的で用いられる。

この発明は特定の実施例に沿つて説明された
が、これら実施例がこの発明の原理の単なる例示
にすぎないことは理解されるであろう。この発明
の精神と範囲を逸脱することなく、多くの変形が
なされても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図はヒ化ガリウムを含むカリウム溶液の飽
和曲線、第２図は基板と溶液の成長中間面に隣接
する溶質の濃度の変化を示し、第３図は層の成長
速度と溶液の流速との間の関係を示し、第４図は
飽和温度以下に溶液を過冷した場合の核形成速度
の変化を示し、第５図は層成長のための装置の概
略断面説明図、第６図は層成長のための別の装置
の斜視図、第６Ａ図は第６図の６Ａ−６Ａ線に沿
つての断面図、第６Ｂ図は第６Ａ図の６Ｂ−６Ｂ
線に沿つての断面図、第６Ｃ図は第６Ａ図の６Ｃ
−６Ｃ線に沿つての断面図である。 図中、９，４５……装置、１１，２５，２７…
…溶液、１３，２９，６５，６７……区画部、１
５，４７……流路、１７，５１……基板、１９…
…ガス、２１……タンク、３５，５５……スライ
ダ、３７，７５……流体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶液の貯液部に連通する入口、および、前記
   溶液の受液部に連通する出口を有すると共に、基
   板の設置位置の幅が深さよりも実質的に大きくな
   つている第１の流路における第１の側に、前記基
   板の面を配置することと、 前記基板の面の範囲内で前記溶液が層流となる
   ように形作られている前記第１の流路を通つて前
   記溶液が前記基板の面を横切つて流れるように、
   前記溶液を前記貯液部から前記入口に送り込むと
   共に、前記出口を経て前記第１の流路から流出さ
   せて前記受液部に流入させることと、 前記第１の流路に入る前記溶液の飽和温度と比
   較して前記基板の温度を低くし、前記第一の流路
   を前記溶液が流れている間に生ずる前記基板の面
   上における結晶物質のエピタキシヤル層の成長を
   誘発するために、前記基板と熱交換の関係で冷却
   用の流体を第２の流路内に流すことと、 から成る基板の面上に溶液から結晶物質を成長さ
   せる方法。 ２ 溶液へのガス圧によつて、前記溶液が第１の
   流路に流入され、前記第１の流路を通つて基板の
   面を横切り、前記第１の流路から流出される特許
   請求の範囲第１項記載の基板の面上に溶液から結
   晶物質を成長させる方法。