JPH1087306A - 熱分解窒化ホウ素容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 化合物半導体単結晶の製造に用いられる熱分
解窒化ホウ素容器において、容器内の原料融液の温度勾
配を形成しやすいものとするとともに、容器内の温度分
布コントロールを容易化することができるＰＢＮ容器を
提供する。 【解決手段】 化合物半導体単結晶の製造において用い
られる、原料融液を保持するための熱分解窒化ホウ素容
器であって、該容器の内表面の一部に、熱分解窒化ホウ
素の積層断面が露出している、ことを特徴とする熱分解
窒化ホウ素容器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱分解窒化ホウ素容
器、特にはＬＥＣ法またはボート法によってＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体単結晶育成時に用いる原料融液を保持す
る容器に適した熱分解窒化ホウ素容器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶、例え
ばＧａＡｓ単結晶やＧａＰ単結晶、ＩｎＰ単結晶等の製
造方法としては、一般に大きく分けて液体封止チョクラ
ルスキー法（ＬＥＣ法）とボート法とがある。

【０００３】ＬＥＣ法は、例えば図７に示したように、
チャンバ１のほぼ中央に回転上下動自在の支持軸２で保
持されたカーボンサセプタ３、原料保持容器４を配置
し、この原料保持容器４に単結晶製造原料としての多結
晶、およびその上に成分元素の揮発を防ぐための封止剤
を充填する。これを原料保持容器を囲繞するように配置
された、例えばカーボン製の２ゾーンヒータ７で加熱し
て多結晶原料および封止剤を溶融し、多結晶原料融液
５、封止剤融液６とする。次に、上部より原料融液５に
回転上下動自在のシャフト８に懸吊した種結晶９を浸漬
し、前記シャフト８を回転しながらゆっくりと引き上げ
ることによって、目的とする棒状の単結晶１０を育成す
ることができる。

【０００４】また、ボート法はさらに、水平ブリッジマ
ン法（ＨＢ法）、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、水平
温度傾斜凝固法（ＨＧＦ法）、垂直温度傾斜凝固法（Ｖ
ＧＦ法）等がある。これらのボート法は、一般に定形容
器内に原料融液を保持し、これに外部に配置された熱源
から加熱しつつ、熱源を移動させるか、あるいは熱源自
体により加熱分布をつける等によって、原料融液内に温
度勾配をつけ、種結晶側から凝固させて単結晶の成長を
行うものである。

【０００５】このようなＬＥＣ法あるいはボート法で
は、従来原料融液を保持する容器として、石英容器が用
いられていた。このように容器材料として石英を使用す
ると、石英の構成成分たるＳｉが育成結晶中に不純物と
して混入してしまい、しかもＳｉはＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体に対し両性ドーパントとして働いてしまうという
問題が生じる。従って、石英容器を用いて、ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体単結晶をＬＥＣ法あるいはボート法で育
成する場合には、通常Ｃｒをドープして結晶の育成を行
うという方法が採られている。しかし、このようにＣｒ
をドープすると結晶の絶縁性が低下するため、これらは
ＩＣ用基板として適さないものとなってしまう。また、
石英容器と原料融液との化学的反応が生じ、いわゆるぬ
れ現象が起こり、双晶等の結晶欠陥が発生しやすいとい
う問題も生じる（電子材料、Ｖｏｌ３２、Ｎｏ１，ｐ３
２〜３７参照）。

【０００６】そこで、最近では高純度でノンドープのＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を得るために、その製造
用容器として熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）容器が採用さ
れはじめている。このＰＢＮを容器材料として用いれ
ば、たとえ単結晶中に容器の構成成分たる、Ｂ、Ｎの不
純物が混入してもドーパントとして作用するほどの不純
物レベルを形成しないため、得られるＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体単結晶の電気特性の劣化をきたすこともないと
いう有利性がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このＰＢＮ
は積層表面方向、すなわち面方向の熱伝導率が大きく、
厚さ方向の３０〜７０倍という異方性を呈し、この事は
容器内を均熱化するように働き、ＬＥＣ法では容器内の
温度分布コントロールが難しくなるし、ボート法では原
料融液の温度勾配を形成する上での妨げとなってしま
い、ＬＥＣ法あるいはボート法による単結晶製造用の容
器としてはふさわしくない性格を有し、実際問題育成さ
せる結晶の単結晶化率を悪化させる原因となっている。

【０００８】そこで本発明は、このような問題点に鑑み
なされたもので、化合物半導体単結晶の製造において、
特にはＬＥＣ法、ボート法において用いられる熱分解窒
化ホウ素容器の内表面のより高温としたい部分に、効率
的かつ集中的に熱の伝導のできるものとすることによっ
て、容器内の原料融液の温度勾配を形成しやすいものと
するとともに、容器内の温度分布コントロールを容易化
することができるＰＢＮ容器を提供し、高純度のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体単結晶の単結晶化率の向上をはかる
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明の請求項１に記載した発明は、化合物半
導体単結晶の製造において用いられる、原料融液を保持
するための熱分解窒化ホウ素容器であって、該容器の内
表面の一部に、熱分解窒化ホウ素の積層断面が露出して
いることを特徴とする熱分解窒化ホウ素容器である。こ
のように、容器の内表面のより高温としたい部分におい
て、熱分解窒化ホウ素の積層断面を露出させることによ
って、その部分に効率的かつ集中的に熱の伝導が起こる
ようにし、容器内の原料融液に温度勾配を形成しやすい
ものとするとともに、容器内の温度分布コントロールを
容易化することができる。

【００１０】また、本発明の請求項２に記載した発明
は、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造において
用いられる、原料融液を保持するための熱分解窒化ホウ
素容器であって、該容器の底部の内表面に、熱分解窒化
ホウ素の積層断面が露出していることを特徴とする熱分
解窒化ホウ素容器である。このように、ＬＥＣ法による
化合物半導体単結晶の製造において用いられる、熱分解
窒化ホウ素容器の底部の内表面に、熱分解窒化ホウ素の
積層断面を露出させることによって、容器の底部に効率
的に熱を伝導させ、容器内の融液の温度分布コントロー
ルを容易化するとともに、融液の対流を抑制することが
できる。

【００１１】次に、本発明の請求項３に記載した発明
は、ボート法による化合物半導体単結晶の製造において
用いられる、原料融液を保持するための熱分解窒化ホウ
素容器であって、該容器の種結晶と反対側の内表面に、
熱分解窒化ホウ素の積層断面が露出していることを特徴
とする熱分解窒化ホウ素容器である。このように、ボー
ト法による化合物半導体単結晶の製造において用いられ
る、熱分解窒化ホウ素容器の種結晶と反対側の内表面
に、熱分解窒化ホウ素の積層断面を露出させることによ
って、容器の種結晶側の温度を低く、その反対側である
結晶成長側の温度を高くすることができ、理想的な温度
環境で結晶の成長を行うことができる。

【００１２】そして、本発明の請求項４に記載した発明
は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載した
熱分解窒化ホウ素容器であって、積層断面露出部におけ
る容器内表面と積層面とのなす角度が０．５度以上９０
度以下であることを特徴とする。このように、積層断面
露出部における容器内表面と積層面とのなす角度が０．
５度以上９０度以下とすることによって、露出部に効率
的かつ集中的に熱の伝導をすることができる。

【００１３】以下、本発明につき更に詳述するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。まず、ＬＥＣ法
においては、前記のようにヒータは熱分解窒化ホウ素容
器を囲繞するように配置されるため、原料融液は容器の
側部から加熱される。従って、図８に概念図を示したよ
うに、原料融液は容器の周辺部では下から上へ、中心部
では上から下への熱対流が生じる。この場合、容器の底
部と側部との温度差が余り大きくなると、前記の対流が
激しくなり、結晶成長が不安定となって、単結晶が有転
位化し易くなるという問題が生じる。つまり、ＬＥＣ法
においては通常加熱源は側部にあり、容器の側部が高温
となり、底部までは熱が伝わりにくい結果、底部は比較
的低温となる。ＰＢＮは面方向に熱伝導性が良いのでは
あるが、容器の肉厚が比較的薄いことから、熱伝搬面積
が小さいために、底部を充分加熱する熱量を伝えること
ができないのである。従って、ＬＥＣ法では容器の底部
の温度を、側部に対し余り下がらないようにし、原料融
液の熱対流をできるだけ抑制することで、単結晶の有転
位化を防止する必要がある。

【００１４】また、ボート法においては、結晶を成長さ
せる方向に温度勾配、すなわち、種結晶側の温度を低
く、その反対側である結晶成長側の温度は高いという温
度勾配をつける必要があるが、前記熱分解窒化ホウ素の
異方性にともない、容器内は均熱化され、原料融液の温
度勾配の形成および原料融液の温度分布コントロールが
困難となる。

【００１５】そこで、本発明者らは、種々検討した結
果、この熱分解窒化ホウ素の異方性をむしろ積極的に利
用することによって問題を解決できることを見いだし本
発明を完成した。すなわち、熱分解窒化ホウ素容器の内
表面のより高温としたい部分において、熱分解窒化ホウ
素の積層断面を露出させることによって、外部から供給
された熱エネルギーを積層面方向に伝導させ、積層断面
露出部分に効率的かつ集中的に熱の伝導が起こるように
する。こうして容器内の原料融液に所望の温度勾配を形
成することができるとともに、容器内の温度分布コント
ロールを容易化することができる。

【００１６】したがって、ＬＥＣ法においては前述のよ
うに、底部の温度を上げたいのであるから、熱分解窒化
ホウ素容器の底部の内表面に、熱分解窒化ホウ素の積層
断面を露出させればよい。このような、ＬＥＣ法による
化合物半導体単結晶の製造において用いられる熱分解窒
化ホウ素容器では、側面から供給された熱は積層面方向
に効率的に伝導し、底部の内表面に集中することにな
る。その結果、容器内の融液の温度分布コントロールが
容易化するとともに、融液の対流を抑制することができ
る。

【００１７】また、ボート法においては前述のように、
種結晶の反対側の温度を上げたいのであるから、熱分解
窒化ホウ素容器の種結晶と反対側の内表面に、熱分解窒
化ホウ素の積層断面を露出させればよい。このような、
ボート法による化合物半導体単結晶の製造において用い
られる熱分解窒化ホウ素容器では、外部から供給された
熱は積層面方向に効率的に伝導し、種結晶と反対側の内
表面に集中することになる。その結果、容器の種結晶側
の温度を低く、その反対側である結晶成長側の温度を高
くすることができ、理想的な温度環境で結晶の成長を行
うことができる。

【００１８】この場合、積層断面露出部における容器内
表面と積層面とのなす角度（熱分解窒化ホウ素を気相成
長させる基材の面と実際に使用する容器の表面とのなす
角度）が０．５度以上９０度以下であることが好まし
い。これは、容器内表面と積層面とのなす角度が０．５
度以上なければ、実際問題積層面とほとんど変わらない
ために、積層断面露出部において熱を効率的に集中させ
ることができないからである。したがって、この角度は
できるだけ大きいことが熱の集中の点からは望ましく、
最大は９０度である。

【００１９】熱分解窒化ホウ素の積層断面を露出させる
方法としては、気相成長によって得られた熱分解窒化ホ
ウ素成形体の所望部分の内面を、機械的な手段たとえば
研磨によって削り取ることによって、形成することがで
きる。したがって、積層断面を露出させる部分は、あら
かじめ最終容器形状に対し、出っ張った形状あるいは内
径を小さくする、肉厚にする等の形状で熱分解窒化ホウ
素を析出させ、然る後にこの部分を研磨により削ること
により、積層断面を露出させるとともに、所望最終形状
の熱分解窒化ホウ素容器を得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例により説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を示す。 （実施例、比較例）黒鉛製円筒型ＣＶＤ反応炉内に、外
径２００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円柱状のグラファイト
製の心金を、実施例では図１に示すように容器の底部中
央に凸ができる形状のものとし、比較例では図５に示す
ように容器の底部が、通常の丸底となる形状のものとし
て、配置した。これに三塩化ホウ素１Ｌ／ｍｉｎ，アン
モニア４Ｌ／ｍｉｎを供給し、炉の中心における平均圧
力２Ｔｏｒｒ、１９００℃の条件で反応させて、厚さが
１．５〜２．５ｍｍで直径８インチ、高さ１８０ｍｍの
ＬＥＣ法に用いる熱分解窒化ホウ素成形体を析出させ
た。反応終了後、ＰＢＮ成形体と心金を分離し、それぞ
れ図２、図６に示したような断面形状の熱分解窒化ホウ
素容器を得た。その後実施例では図２の成形体の内側底
部中央の凸部を、それぞれ０．５ｍｍか１．５ｍｍ厚除
去する機械的研磨加工を施し、この部分に積層断面を露
出させ、２種類の最終形状の熱分解窒化ホウ素容器を作
製した（図３参照）。この時、図４に示すような熱分解
窒化ホウ素容器の中心軸から半径２５ｍｍと半径５０ｍ
ｍの積層断面露出部における、容器内表面と積層面との
なす角度θ₂₅、θ₅₀を測定しておいた。一方、比較例の
熱分解窒化ホウ素容器は、図６の形状で得られたままの
ものとし、研磨加工は行わなかった。

【００２２】こうして作製された三種類の熱分解窒化ホ
ウ素容器を用いて、図７に示したような装置を用いて、
実際にＬＥＣ法により、３インチのＧａＡｓ単結晶を育
成してみた。ＧａＡｓ多結晶原料は１０ｋｇとし、これ
に封止剤としてＢ₂ Ｏ₃ を３ｋｇ入れ、Ａｒガス／４０
気圧下結晶の引き上げを行った。結晶引き上げ速度は、
約１０ｍｍ／ｈｒとした。このようなＬＥＣ法による結
晶引き上げテストを、上記三種類の熱分解窒化ホウ素容
器それぞれにつき８回行い、単結晶化率（無転位の本数
／全引き上げ本数）を比較してみた。これらの結果を表
１に示した。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１からわかるように、熱分解窒化ホウ素
容器の底部に積層断面を露出させた実施例の容器では、
従来のこのような処理が行われていない容器に比し、単
結晶化率が向上することがわかる。特に積層断面露出部
における容器内表面と積層面とのなす角度を０．５以上
とした容器を用いた場合には、高い確率で単結晶化が達
成されており、積層断面露出部に熱が効率的に伝導され
原料融液の対流が理想的なものとなるため、極めて安定
して単結晶の育成をすることができた。

【００２５】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００２６】例えば、上記説明では熱源として抵抗加熱
を用いた場合のように、容器外側から原料融液を加熱す
る場合を中心に説明したが、本発明はこれには限定され
ず、高周波加熱による場合のように容器内の原料融液側
から熱する場合にも当然に適用可能で効果を奏すること
ができるものである。

【００２７】そして、積層断面を露出させる部位も、上
記ＬＥＣ法における底部、ボート法における種結晶の反
対側に限られるものではなく、所望の目的に応じ、容器
の高温としたい部位あるいはより熱を集中させたい部位
に積層断面を露出させることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、ＬＥＣ法あるいはボー
ト法等で用いられる熱分解窒化ホウ素容器の内表面の一
部に、積層断面を露出させたので、露出部に効率的かつ
集中的に熱エネルギーを伝導することができるので、容
器内の原料融液の温度コントロールが容易となり、原料
融液内の対流を抑制できるとともに、原料融液の温度勾
配が結晶を育成するのに理想的なものとすることができ
る。従って、これを用いてＬＥＣ法あるいはボート法等
によって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶の製造をす
れば、高純度の結晶をその単結晶化率を著しく向上させ
て製造することができるので、産業界でのその利用価値
はすこぶる高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例におけるグラファイト製心金の断面概略
図である。（容器の底部中央に凸ができる形状）

【図２】実施例における、熱分解窒化ホウ素成形体の断
面模式図である。

【図３】本発明にかかる、熱分解窒化ホウ素容器の断面
模式図である。

【図４】本発明にかかる熱分解窒化ホウ素容器の中心軸
から半径２５ｍｍと半径５０ｍｍの積層断面露出部にお
ける、容器内表面と積層面とのなす角度の説明図であ
る。

【図５】比較例におけるグラファイト製心金の断面概略
図である。（通常の丸底となる形状）

【図６】比較例における、熱分解窒化ホウ素成形体の断
面模式図である。

【図７】ＬＥＣ法の装置の概略断面図である。

【図８】ＬＥＣ法における、原料融液の対流の様子を示
した概念図である。

【符号の説明】

１…チャンバ、 ２…支持軸、３…カ
ーボンサセプタ、 ４…原料保持容器、５…多
結晶原料融液、 ６…封止剤融液、７…２ゾ
ーンヒータ、 ８…シャフト、９…種結晶、
１０…単結晶。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体単結晶の製造において用い
   られる、原料融液を保持するための熱分解窒化ホウ素容
   器であって、該容器の内表面の一部に、熱分解窒化ホウ
   素の積層断面が露出している、ことを特徴とする熱分解
   窒化ホウ素容器。
2. 【請求項２】 ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製
   造において用いられる、原料融液を保持するための熱分
   解窒化ホウ素容器であって、該容器の底部の内表面に、
   熱分解窒化ホウ素の積層断面が露出している、ことを特
   徴とする熱分解窒化ホウ素容器。
3. 【請求項３】 ボート法による化合物半導体単結晶の製
   造において用いられる、原料融液を保持するための熱分
   解窒化ホウ素容器であって、該容器の種結晶と反対側の
   内表面に、熱分解窒化ホウ素の積層断面が露出してい
   る、ことを特徴とする熱分解窒化ホウ素容器。
4. 【請求項４】 積層断面露出部における容器内表面と積
   層面とのなす角度が０．５度以上９０度以下である、こ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項
   に記載した熱分解窒化ホウ素容器。