JPH0748199A - 化合物半導体単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】断面が円形のボートを用いてもボート熱変形に
よる融液低下を抑制し、結晶全体にわたり所定サイズの
ウエハを切り出せるようにする。 【構成】外径６６ｍｍ、内径６０ｍｍ、肩部角度４５゜
の石英製ボート中にＧａ２１００ｇを入れ、内径６８ｍ
ｍの石英製反応容器の他端にＡｓ２３００ｇを入れ結晶
を育成した。原料融液の深さを５３ｍｍ、結晶上部の自
由表面の幅を約４９ｍｍとしボート半径より大きくし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水平ブリッジマン法
（ＨＢ法）、ゾーンメルト法や温度傾斜法（ＧＦ法）等
のボート法による化合物半導体単結晶の製造装置及び製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般にボート法による化合物半導
体単結晶の育成においては、単結晶の成長方位をボート
長手方向に平行に＜１１１＞方向で行い、結晶のウエハ
面が（１００）面となるよう、結晶の長手方向（成長方
向）に対して所定の角度で斜めにウエハを切り出してい
た。また、生産性の点から結晶成長方向に垂直にウエハ
を切り出せるように、＜１００＞方向で成長させる方法
が一部行われている。報告された例としては特開平１−
１３９２２３号、特開平２−１１１６５号、本出願人に
よる特願平３−１９５８４６号、特願平４−８２７９２
号等がある。

【０００３】これらの方法について、以下に＜１１１＞
方向成長と＜１００＞方向成長を比較する。従来一般に
行われている結晶成長方向を＜１１１＞方向と等価な方
向とした場合には、（１００）ウエハを結晶長手方向に
対して斜めに切り出すために、例えば５０ｍｍφのウエ
ハを切り出す際に必要な結晶の高さは３５ｍｍもあれば
十分であった。これに対して本発明のように結晶成長方
向を＜１００＞方向と等価にする場合においては、同じ
５０ｍｍφのウエハを切り出すのに必要な結晶の高さは
最低でも５０ｍｍとなる。このように＜１００＞方向成
長では、結晶の高さを高くする必要がある。

【０００４】また、ボートの長手方向に垂直な断面形状
は、＜１１１＞方向成長で用いられているような半円形
やＵ字形が一般的であり、結晶の前記断面の水平幅は結
晶自由表面で最大となっている。これに対して＜１００
＞方向成長では、効率よく円形の（１００）ウエハを切
り出すために、円形に近い形のボートを使用する必要が
あり、結晶上部の幅に対して結晶中央部付近の幅を大き
くし、さらに結晶底部では幅を小さくする必要がある。

【０００５】また、ボートは一般に石英ガラス製である
ため、高温下で軟化し変形は避けられない。ボートの変
形は原料融液の重量の影響で、ボートの幅が広がる方向
に発生する。このため、結晶育成中にボートが広がるこ
とにより、図７のように液面が低下する現象が発生す
る。図において、５は変形前ボートで、６は変形後ボー
トである。

【０００６】従来一般に用いられてきた＜１１１＞方向
成長では、半円形ボートやＵ字形ボートの場合原料融液
最上面の幅が広いために、後述のようにボート変形によ
るボート径の増大に対して、融液高さの変化は比較的鈍
感であった。例えばボート内径が６０ｍｍから７０ｍｍ
に１０ｍｍ変化しても、液面の変化はたかだか２ｍｍ程
度であり、このボート変形に対してはさほど注意を払う
必要がなかった。

【０００７】これに対して、特開平１−１３９２２３号
などの＜１００＞方向成長で用いられる円形ボートで
は、図６（ロ）のように原料融液最上面の幅がボート半
径以下と非常に小さいために、ボート変形によるボート
径増加に対して、融液高さの変化が敏感である。このた
め、結晶育成中にボートが変形することによりテール部
では大きく液面が低下してしまい、所定の大きさのウエ
ハが切り出せなくなり歩留の低下が大きかった。図６
（イ）は原料融液最上面の幅がボート半径以上の例を示
す。

【０００８】また、このボート変形を小さくする方法と
して、ボートの外周に変形防止のＰＢＮ製等のサセプタ
ーをはめる方法が考えられるが、一般にこれらのサセプ
ターは高価であり、工程も複雑となり好ましくはない。
また、サセプターを用いずにボートを入れる反応容器
（アンプル管）との間隙を小さくすることにより変形を
防止する方法も考えられるが、この液面低下を防止する
ためには、ボート外径と反応容器の内径の差を０．５ｍ
ｍ以下とする必要があることがわかった。

【０００９】しかし、一般に反応容器、ボートとも石英
ガラス製であるために、加工精度を上げることは難し
く、またこのようにクリアランスを小さくすることによ
り石英製部品の加工作成の困難性による歩留低下や、ボ
ートを反応容器に挿入する際の破損の頻度が非常に高く
なり好ましくない。

【００１０】これに対して、＜１００＞方向成長でも特
開昭６４−３３０９１号のようにＵ字形ボートによる結
晶育成も試みられてはいるが、このような形状では、ウ
エハの円形化ロスが大きいことと、直線的に立ち上がっ
た部分の変形が大きく、ボート形状が変形しないように
サセプターを用いる必要があり好ましくない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術が有していた前述の問題点、すなわち結晶育成中の
ボート幅方向の熱変形による結晶高さの低下を抑制し、
またボートの変形を防止するために、加工の難しい石英
製品からなるボート及び反応容器間の間隙を、歩留等の
悪影響がでないようにして小さくすることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点
を解決すべくなされたものであり、第１の発明として、
化合物半導体単結晶をボート法により製造する製造装置
において、ボート長手方向に垂直な断面が略円弧状であ
り、原料融液の自由表面の幅がボート半径以上であり、
前記ボートを入れる反応容器の内径とボート外径との差
が４ｍｍ以下であることを特徴とする化合物半導体単結
晶の製造装置を提供するものである。

【００１３】また第２の発明として、化合物半導体単結
晶をボート法により製造する製造装置において、ボート
長手方向に垂直な断面が略円弧状であり、ボートの種結
晶設置部とボート直胴部との間のボート肩部の水平方向
からの肩角度が６０゜以上であり、前記ボートを入れる
反応容器の内径とボート外径との差が４ｍｍ以下である
ことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置を提供
するものである。

【００１４】また第３の発明として、化合物半導体単結
晶をボート法により製造する製造方法において、ボート
長手方向に垂直な断面が略円弧状であり、結晶育成開始
時あるいは結晶育成中にボート内の融液の深さを種結晶
側で浅くテール側で深くすることを特徴とする化合物半
導体単結晶の製造方法を提供するものである。

【００１５】以下、本発明を詳細に述べる。まず、ボー
ト形状の変化の原料融液高さへの影響を調べた。図１の
ように、反応容器３内の半径ｒ（ｍｍ）のほぼ円形断面
のボート１に、高さｈ（ｍｍ）まで原料融液２を入れた
ときを考える。このときの融液の断面積をＳ（ｍｍ
² ）、フリー面幅をＬ（ｍｍ）とする。Ｓは、Ｓ＝πｒ
²−ｒ² ａｒｃｃｏｓ｛（ｈ−ｒ）／Ｌ｝＋（ｈ−ｒ）
Ｌ（式１）と表せる。

【００１６】また、図８のような半径ｒ（ｍｍ）のほぼ
半円形断面のボートに、高さｈ（ｍｍ）まで融液を入れ
たときを考える。このときの融液の断面積をＳ（ｍｍ
² ）、フリー面幅をＬ（ｍｍ）とする。Ｓは、Ｓ＝ｒ²
ａｒｃｃｏｓ｛（ｈ−ｒ）／Ｌ｝−（ｈ−ｒ）Ｌ（式
２）と表せる。

【００１７】ボートの熱変形は、前述のように、ボート
径が大きくなる方向に変形するために、図７のように変
形後のボート半径と変形前ボート半径の差をｄｒ（ｍ
ｍ）として、断面積Ｓが変化しないような融液高さの変
化ｄｈを求めた。その結果を図４に示した。

【００１８】この図からわかるように、＜１１１＞方向
成長で一般に用いられる半円形ボートの場合、ｒ＝３０
ｍｍ、ｈ＝２９．５ｍｍ、Ｌ＝６０ｍｍでは、ボート半
径変化がｄｒ＝５ｍｍと大きくなっても、液面変化ｄｈ
は２ｍｍ以下とほとんど問題にならないことがわかる。

【００１９】これに対して、断面が円形のボートの場合
には、フリー面幅Ｌ（ｍｍ）が半径以下となる場合、ｒ
＝２６．５ｍｍ、ｈ＝５２ｍｍ、Ｌ＝１４ｍｍでは、ボ
ート半径がわずかに０．５ｍｍ程度変化しただけで液面
が３ｍｍ以上低下することがわかる。また、フリー面幅
を半径以上とした場合にはこの液面低下を小さくするこ
とができる。

【００２０】また、図５にはボート変形により液面高さ
が５３ｍｍから５０ｍｍまで変化するときのボート内径
の変化量２ｄｒ（ｍｍ）を、フリー面幅Ｌ（ｍｍ）とボ
ート半径ｒ（ｍｍ）の比Ｌ／ｒに対してプロットした。
この図からわかるようにＬ／ｒが１より小さいときに
は、ボート内径がわずかに１ｍｍ大きくなっただけで、
結晶の高さは５０ｍｍ以下となってしまい実用的でない
ことがわかる。

【００２１】これに対して、フリー面幅を結晶半径より
大きくする（Ｌ／ｒ＞１）ことにより、ボート内径変化
の許容範囲は広がる。好ましくは、Ｌ／ｒ≧１．４さら
にはＬ／ｒ≧１．６以上とすることにより、ボート変形
の許容幅は大きくなるので好ましい。しかし、Ｌ／ｒ＞
１．９となると結晶断面形状が半円形に近づき円形ウエ
ハ切りだし時の加工ロスが大きくなりあまり好ましくな
い。

【００２２】このボート変形を前述の許容幅に抑えるた
めには、本発明のように、ボートを入れる石英などの反
応容器内径とボート外径との差を４ｍｍ以下とすること
が効果的であることが実験的に確かめられた。さらにこ
の差を２ｍｍ以下、１ｍｍ程度とすることにより、Ｌ／
ｒが１に近づいたときにも液面低下を防止できる効果が
大きいので好ましい。しかし、０．５ｍｍ以下とあまり
小さくすると従来例で述べた通りの理由により好ましく
ない。

【００２３】また、ボートの変形は反応容器との隙間の
小さい直胴部での発生もあるが、ボートの種結晶設置部
とボート直胴部との間のボート肩部（傾斜部）において
は、反応容器による変形防止が不可能である。この肩部
での変形は肩部が長いボートになるほど大きく、しかも
液面低下に与える影響も大きい。

【００２４】このため、図３に示すように、ボートの肩
部の角度θを６０゜以上とすることにより、ボート肩部
の変形を抑制することができるだけでなく、直胴部の変
形をも抑制できることがわかった。最も変形を抑制でき
たのは、肩部角度θがほぼ９０゜のときであった。ま
た、肩部角度θを大きくすることにより肩長さが小さく
なり、所定サイズのウエハ切り出し可能な直胴部を長く
することができる点でも好ましい。

【００２５】前述のように結晶育成中にボートが変形
し、結晶種結晶よりの融液深さｈｓに比べてテールより
での融液深さｈｔが小さくなる。このため、図２のよう
に結晶育成開始時にボートを水平方向から傾け、テール
より付近の融液深さを深く（ｈｓ＜ｈｔ）して育成する
ことにより、この液面低下を補償することができ育成さ
れた結晶の高さを大きく変化しないようにすることもで
きる。

【００２６】また、ボートの長手方向に対して垂直な断
面形状としては、底部の幅が狭く中央部の幅が広く上部
の幅が再度狭くなっている形状が、スライスウエハの円
形化ロスが少ないことから望ましく、さらに円弧あるい
は楕円弧であることが好ましい。また、ボート材質とし
ては石英ガラス等が適している。

【００２７】本発明における閃亜鉛鉱型の結晶構造を有
する化合物半導体単結晶としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等
の３−５族化合物半導体単結晶、ＺｎＳｅ等の２−６族
化合物半導体単結晶等が用いられる。

【００２８】

【実施例】以下、ＧａＡｓの単結晶を製造する場合の実
施例について説明する。

【００２９】（実施例１）結晶育成用ボートの長手方向
に垂直な断面形状が、円弧形状をしたボートを用い、育
成すべき結晶のボート長手方向に平行な方向が、＜１０
０＞方向に等価な一つの方向となるように種結晶を設置
した。

【００３０】外径６６ｍｍ、内径６０ｍｍ、肩部角度４
５゜の石英製ボートの中にＧａを２１００ｇ入れ、内径
６８ｍｍの石英製反応容器の他端にＡｓを２３００ｇ入
れ反応容器内を真空状態に減圧し封じきる。次に反応容
器を結晶育成炉に入れ昇温し、ＧａとＡｓ蒸気を反応さ
せＧａＡｓを合成する。その後、種結晶とＧａＡｓ融液
を接触させる。このとき原料融液の深さを５３ｍｍと
し、結晶上部の自由表面の幅は約４９ｍｍとしボート半
径より大きくした。ボートは水平に保ったまま融液の温
度を徐々に下げて冷却し結晶の育成を行う。完全に固化
後さらに温度を室温まで下げて結晶を取り出すことによ
り、ＧａＡｓ単結晶４１５０ｇを得ることができた。

【００３１】得られた結晶の高さは最も高いところで５
３ｍｍ、最も低いところで５０．５ｍｍと、結晶全体に
わたって５０ｍｍ径の（１００）面ウエハを切り出すこ
とができた。

【００３２】得られた結晶から（１００）面円形ウエハ
を作成する場合は、得られた結晶の（１００）面方向の
断面形状が円形に近い形になるようにできる。前記ボー
ト形状により、単結晶より（１００）円形ウエハを求め
る場合、スライスしてそのまま円形ウエハに近い形状が
得られる。このため、切削による損失を小さくすること
が可能である。

【００３３】（実施例２）結晶育成用ボートの長手方向
に垂直な断面形状が円弧形状をしたボートを用い、育成
すべき結晶のボート長手方向に平行な方向が、＜１００
＞方向に等価な一つの方向となるように種結晶を設置し
た。

【００３４】外径５９ｍｍ、内径５３ｍｍ、肩部角度７
０゜の石英製ボートの中にＧａを２１００ｇ入れ、内径
６１ｍｍの石英製反応容器の他端にＡｓを２３００ｇ入
れ反応容器内を真空状態に減圧し封じきる。次に反応容
器を結晶育成炉に入れ昇温し、ＧａとＡｓ蒸気を反応さ
せＧａＡｓを合成する。その後、種結晶とＧａＡｓ融液
を接触させる。

【００３５】このとき原料融液の深さを５２ｍｍとし、
結晶上部の自由表面の幅は約１４ｍｍとボート半径より
小さくした。ボートは水平に保ったまま融液の温度を徐
々に下げて冷却し結晶の育成を行う。完全に固化後さら
に温度を室温まで下げて結晶を取り出すことにより、Ｇ
ａＡｓ単結晶４１５０ｇを得ることができた。

【００３６】実施例１に比べて反応容器とボートとの隙
間が大きいにもかかわらず、ボートの肩部が短いために
ボート変形が抑制され、得られた結晶の高さは最も高い
ところで５２ｍｍ、最も低いところで５０．５ｍｍと結
晶全体にわたって５０ｍｍ径の（１００）面ウエハを切
り出すことができた。

【００３７】得られた結晶から（１００）面円形ウエハ
を作成する場合は、得られた結晶の（１００）面方向の
断面形状が円形に近い形になるようにできる。前記ボー
ト形状により、単結晶より（１００）円形ウエハを求め
る場合、スライスしてそのまま円形ウエハに近い形状が
得られる。このため、切削による損失を小さくすること
が可能である。

【００３８】（実施例３）結晶育成用ボートの長手方向
に垂直な断面形状が円弧形状をしたボートを用い、育成
すべき結晶のボート長手方向に平行な方向が、＜１００
＞方向に等価な一つの方向となるように種結晶を設置し
た。

【００３９】外径６６ｍｍ、内径６０ｍｍ、肩部角度４
５゜の実施例１と同様の石英製ボートの中にＧａを２１
００ｇ入れ、内径７２ｍｍの石英製反応容器の他端にＡ
ｓを２３００ｇ入れ、反応容器内を真空状態に減圧し封
じきる。次に反応容器を結晶育成炉に入れ昇温し、Ｇａ
とＡｓ蒸気を反応させＧａＡｓを合成する。

【００４０】その後、種結晶とＧａＡｓ融液を接触させ
る。このときボート内融液の直胴部種結晶側の原料融液
の深さを５１．５ｍｍとし、テール側の融液深さを５
６．５ｍｍとなるように、ボートを水平からわずかに傾
けテール側を低くした。その後融液の温度を徐々に下げ
て冷却し結晶の育成を行う。完全に固化後さらに温度を
室温まで下げて結晶を取り出すことにより、ＧａＡｓ単
結晶４１５０ｇを得ることができた。

【００４１】実施例１に比べて反応容器とボートとの隙
間が大きいにもかかわらず、ボートをわずかに傾けて育
成したためにボート変形による液面低下が補償され、得
られた結晶の高さは結晶全体にわたり概ね５１．５ｍｍ
と一定であった。結晶全体にわたって５０ｍｍ径の（１
００）面ウエハを切り出すことができた。

【００４２】得られた結晶から（１００）面円形ウエハ
を作成する場合は、得られた結晶の（１００）面方向の
断面形状が円形に近い形になるようにできる。前記ボー
ト形状により、単結晶より（１００）円形ウエハを求め
る場合、スライスしてそのまま円形ウエハに近い形状が
得られる。このため、切削による損失を小さくすること
が可能である。

【００４３】（比較例１）結晶育成用ボートの長手方向
に垂直な断面形状が円弧形状をしたボートを用い、育成
すべき結晶のボート長手方向に平行な方向が、＜１００
＞方向に等価な一つの方向となるように種結晶を設置し
た。

【００４４】外径５９ｍｍ、内径５３ｍｍ、肩部角度３
０゜の石英製ボート中に原料Ｇａを入れ、内径６１ｍｍ
の石英製反応容器の他端にＡｓを入れ反応容器内を真空
状態に減圧し封じきる。次に反応容器を結晶育成炉に入
れ昇温し、ＧａとＡｓ蒸気を反応させＧａＡｓを合成す
る。その後、種結晶とＧａＡｓ融液を接触させる。

【００４５】このとき原料融液の深さを５２ｍｍとし、
結晶上部の自由表面の幅は約１４ｍｍとボート半径より
小さくした。ボートは水平に保ったまま融液の温度を徐
々に下げて冷却し結晶の育成を行う。完全に固化後さら
に温度を室温まで下げて結晶を取り出すことにより、Ｇ
ａＡｓ単結晶を得ることができた。

【００４６】実施例１に比べてボート径が小さいため
に、投入原料は少なくて済み経済的であるが、反応容器
とボートとの隙間が小さいにもかかわらず、得られた結
晶の高さは最も高いところで５２ｍｍ、最も低いところ
で４６ｍｍと、５０ｍｍ径の（１００）面ウエハを切り
出すことができたのは直胴部の１／３にも満たなかっ
た。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は次のような
優れた効果がある。 （１）断面が円形のボートを用いても、ボート変形によ
る融液低下を抑制することができ、結晶全体にわたり所
定サイズのウエハを切り出すことができる。 （２）結晶肩部角度を大きくすることにより、所定サイ
ズのウエハを切り出すことができ、また直胴部長さが伸
びる。 （３）結晶の高さを結晶全体にわたってほぼ一定にする
ことにより、ウエハ加工工程が簡単になる。 （４）＜１００＞方向成長において、Ｕ字形ボートを用
いる場合よりもウエハ加工時のロスが小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結晶育成中の反応容器内断面図。

【図２】本発明の実施例を示し、結晶育成開始時のボー
ト内原料融液の側断面図。

【図３】本発明の実施例を示し、肩部角度θが６０度以
上のボートの側断面図。

【図４】本発明の実施例を示し、ボート内径の変化量と
融液高さの関係を示すグラフ。

【図５】本発明の実施例を示し、Ｌ（フリー面幅）／ｒ
（ボート内径）に対する融液高さが５３ｍｍから５０ｍ
ｍに変化したときのボート内径変化量を示すグラフ。

【図６】結晶の長手方向に垂直な面における断面図で、
（イ）はフリー面幅Ｌが結晶半径より大きい場合の断面
図で、（ロ）はフリー面幅Ｌが結晶半径より小さい場合
の断面図。

【図７】ボートの長手方向に垂直な面における断面図
で、断面が円形のボートの熱変形例を示す断面図。

【図８】ボートの長手方向に垂直な面における断面図
で、断面が半円形のボートの熱変形例を示す断面図。

【符号の説明】

１：ボート ２：原料融液 ３：反応容器 ４：種結晶 ５：変形前ボート ６：変形後ボート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化合物半導体単結晶をボート法により製造
   する製造装置において、ボート長手方向に垂直な断面が
   略円弧状であり、原料融液の自由表面の幅がボート半径
   以上であり、前記ボートを入れる反応容器の内径とボー
   ト外径との差が４ｍｍ以下であることを特徴とする化合
   物半導体単結晶の製造装置。
2. 【請求項２】化合物半導体単結晶をボート法により製造
   する製造装置において、ボート長手方向に垂直な断面が
   略円弧状であり、ボートの種結晶設置部とボート直胴部
   との間のボート肩部の水平方向からの肩角度が６０゜以
   上であり、前記ボートを入れる反応容器の内径とボート
   外径との差が４ｍｍ以下であることを特徴とする化合物
   半導体単結晶の製造装置。
3. 【請求項３】化合物半導体単結晶をボート法により製造
   する製造方法において、ボート長手方向に垂直な断面が
   略円弧状であり、結晶育成開始時あるいは結晶育成中に
   ボート内の融液の深さを種結晶側で浅くテール側で深く
   することを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。