JP2830392B2

JP2830392B2 - 化合物半導体単結晶の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2830392B2
Application number: JP15855790A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　誠; 知幸石原
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JPH0450189A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、ボート法によるIII−Ｖ族等の化合物半導
体単結晶の製造方法及び製造装置に関する。

「従来の技術」近年、電子工業の分野においては、転位やリネージ等
の結晶欠陥の少ない、GaAs,inP,InAsなどの化合物半導
体単結晶を、安価に製造する方法が種々研究されてい
る。

化合物半導体単結晶の製造方法のとしては、ボート法
と引上げ法がよく知られているが、このうちボート法
は、引上げ法に比べて温度勾配が小さく、ストイキオメ
トリー制御が容易であるため、結晶欠陥が少ない単結晶
を育成することできる利点がある。

ボート法には、水泳ブリッジマン法（HB方法）と温度
傾斜法（GF方法）とがあるが、いずれも、長尺なボート
に原料融液を入れ、長手方向に温度勾配を設けた横型炉
内で、ボートの一端から結晶固化して、単結晶を製造す
る方法である。

ボート方法は、温度勾配が小さいために、炉内の温度
分布、特に固液界面近傍の温度分布を正確に制御するこ
とが重要である。また、結晶固化は、原料融液の自由表
面から始まり、ボートの底部に向けて進行するので、炉
の長軸方向の温度勾配と共に、炉の上下方向の温度勾配
も正確に制御する必要がある。

第４図には、ボート法による従来の単結晶の製造装置
の一例として、特開昭62−153184号に開示された装置が
示されている。

この装置は、原料融液６を収容するボート５を石英製
のアンプル管４内に封入し、このアンプル管４を炉内に
配置している。炉は、上記アンプル管４を囲むヒータ３
と、このヒータ３の外周を覆う断熱材２と、更に断熱材
２の外側を囲むケーシング１とで構成されている。そし
て、断熱材２及びヒータ３の上方に、原料融液の熱を放
散するための放熱口を設け、この放熱口にガラス板８を
嵌込んで、放熱を兼ねた結晶観察用の窓としている。こ
の従来例では、放熱口の両側に移動壁９を配置し、ガラ
ス板８上の空間の容積を変更して放熱量を調節し、それ
によって原料融液６の上層の温度を制御することを特徴
としている。

また、第５図には、ボート法による従来の単結晶の製
造装置の他の例として、特開平１−219091号に開示され
た装置が示されている。なお、第４図と同一部分には同
符号が付されている。

この装置は、第４図に示される装置と基本的には同じ
であるが、放熱口に枠体７を装着し、この枠体７にガラ
ス板８を嵌込んでいる。そして、枠体７を取り替えるな
どの方法によって、ガラス板８の高さを変化させ、それ
によって放熱量を調節し、原料融液６の上層の温度を制
御することを特徴としている。

これら従来の装置は、炉体の放熱口部分の構造を変化
させて、炉内の上下方向の温度分布を制御するものであ
る。

一方、特公昭59−38185号には、第６図（イ）、
（ロ）に示される横型炉が提案されている。

第６図において、A₂、A₃は高温加熱部、B₂、B₃は中温
加熱部、C₂、C₃は低温加熱部であり、10は結晶観察用窓
で、ここに原料融液の固液界面が存在する。第６図
（イ）に示す炉は、加熱部A₂及びB₂の結晶観察用窓10側
にそれぞれ上下に二つに分割された加熱体ａ、ｂ及び
ｃ、ｄが設けられ、他の加熱炉は管状の加熱体11から構
成されている。また、第６図（ロ）に示す炉は、加熱部
A₃の結晶観察用窓10側の加熱炉を加熱体ａ、ｂで構成
し、加熱部B₃の結晶観察用窓10側に、１個多い管状の加
熱体11′を設け、他の加熱炉は管状の加熱体11から構成
されている。

この従来例においては、加熱体ａ、ｂ、ｃ、ｄ、11、
11′にかかる電力量をそれぞれ独立して制御することに
より、炉の長軸方向における温度分布と、特に個液界面
近傍における炉の上下方向の温度分布とを、所定の分布
となるように制御することを特徴としている。すなわ
ち、この従来の装置は、温度制御を加熱体にかける電力
量で調整しようとするものである。

「発明が解決しようとする課題」しかしながら、特開昭62−153184号、特開平１−2190
91、炉体の放熱口部の構造を変更して上下方向の温度勾
配を制御する装置は、最適な温度勾配を得るまでに、温
度調節用の治具の位置や、ガラス板の位置を変更しては
炉内の温度を測定しなければならず、手間と時間を要す
るという問題があった、また、単結晶の種類や、大き
さ、長さ等により、最適な温度勾配は微妙に異なるた
め、目的とする単結晶が変わる毎に、治具やガラス板を
調しなければならず、非効率的であった。更に、上記の
装置では、温度勾配を変化させることのできる温度幅も
小さく、十分な調整ができないという問題もあった。そ
のうえ、炉体やケーシング、ガラス板等は、高温に長時
間さらされるため、熱的な変形が生じやすく、温度勾配
を調節した後であっても、これらの変形のために温度勾
配が所望の値からずれてしまい、結晶の品質に悪影響を
及ぼす場合もあった。

一方、特公昭59−38185号に示される、加熱体を複数
に分割して、それぞれの加熱体に印加する電力を調整し
て温度勾配を制御する装置は、電力量の微調整による制
御であることから、上記の炉体の構造を変えて制御する
方法に比べれば、短時間で、再現性よく所望の温度勾配
を得ることができるという利点がある。しかしながら、
上記の装置では、結晶観察用窓の両側に３ゾーン以上の
独立に制御しうる加熱体が設けられ、これらは、それぞ
れ独立に、長軸方向の温度勾配及び上下方向の温度勾配
に関わり、かつ、炉内の温度保持の役割も有するため、
例えば、長軸方向の温度勾配を所望の値とした後、上下
方向の温度を調節すると、長軸方向の温度にずれが生
じ、再調節が必要になるなど、温度調節に時間及び手間
がかかるという問題があった。そして、温度勾配を微妙
に調節しようとして、加熱体の数を多くするほど、温度
調節に時間がかかるので、理想的な温度分布を得るに
は、かなりの熟練が要求された。

また、結晶観察用窓の近傍に設ける複数に分割された
加熱体は、その構造上、通常発熱体として用いられるカ
ンタル線などのヒータ線を、長軸方向又は円周方向に波
形のつづれ折りヒータにしたものか、セラミックス等の
特殊な面発熱体等を用いたものであるため、通常のスパ
イラル構造で作成される主加熱体とは別々に作成し、そ
の後組み合わせることが必要であり、構造が複雑化し、
加熱体のコストが高くなるという問題もあった。また、
結晶観察用窓の近傍において複数に分割された加熱体
は、炉内の温度保持の役割も有することから、印加合す
る電力量も多く、そのためカンタル線の使用寿命が短
く、メンテナンスにおいても非常にコストがかかるとい
う問題も有していた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、炉内の温度勾配、特に結晶観察
用窓付近の温度勾配を、所望の値に容易かつ再現性よく
調節することができ、しかも製造コストが低減され、装
置の寿命も向上するようにした化合物半導体単結晶の製
造方法及び製造装置を提供することにある。

「課題を解決するための手段」上記目的を達成するため、本発明の化合物半導体単結
晶の製造方法は、原料を載せたボートをアンプル管に封
入し、このアンプル管を所定の温度分布を有する炉内に
配置し、前記ボート内の原料融液を一端から徐々に固化
して単結晶を得るようにしたボート法による化合物半導
体単結晶の製造方法において、前記炉の上部に結晶観察
用窓を形成し、前記炉の長手方向に沿って印加電力を独
立に制御できる複数のゾーンを有する主ヒータを取付
け、かつ、前記結晶観察用窓の近傍の前記主ヒータの外
側上部の左右に補助ヒータを重複して取付け、前記主ヒ
ータによって前記炉の長手方向における温度分布を調節
し、前記補助ヒータによって前記炉の上下方向の温度分
布を調節して、原料融液の固化を行なうことを特徴とす
る。

また、本発明の化合物半導体単結晶の製造装置は、原
料を載せたボートをアンプル管に封入し、このアンプル
管を所定の温度分布を有する炉内に配置し、前記ボート
内の原料融液を一端から徐々に固化して単結晶を得るよ
うにしたボート法による化合物半導体単結晶の製造装置
において、前記アンプル管を収容すべく、全体として水平方向に
伸びる細長い容器形状をなし、上壁部の所定箇所に結晶
観察用窓が形成された断熱材と、の断熱材の内側に配置され、長手方向に沿って複数の
ゾーンを有し、各ゾーンにおいて独自に印加電力を制御
できる主ヒータと、記結晶観察用窓の近傍において、前記主ヒータの外側
上部の左右に重複して配置され、独自に印加電力を制御
できる補助ヒータとによって前記炉が構成されており、前記主ヒータによって前記炉の長手方向における温度
分布を調節し、前記補助ヒータによって前記炉の上下方
向の温度分布を調節して、原料融液の固化を行なうよう
にしたことを特徴とする。

本発明においては、前記補助ヒータは、前記結晶観察
用窓の長手方向の長さと同じ長さか、それよりも長い長
さを有することが好ましい。

また、前記補助ヒータは、前記結晶乾燥用窓の近傍に
位置する前記主ヒータの１つのゾーン内に、主ヒータの
外側上部に配置されている。

「作用」本発明では、炉の長手方向全体に亙って主ヒータが配
置されており、補助ヒータは、結晶観察用窓の近傍で、
主ヒータの外側上部に重複して配置されている。このよ
うに、補助ヒータが配置された部分には主ヒータも配置
されており、主ヒータによって炉内の長手方向に沿った
基本的な温度分布が保持されるので、補助ヒータは、結
晶観察用窓の近傍において炉内の上下方向の温度分布を
調節できる程度の発熱量があればよい。すなわち、補助
ヒータの電力は比較的小さいものでもよく、言い換える
と、炉の長手方向全体に亙って配置された主ヒータに、
簡単な補助ヒータを付設するだけで装置を制作すること
ができる。したがって、特公昭59−38185号に示される
装置のように、炉の長手方向及び上下方向に分割された
複数の加熱体を別々に製作し、それを組み立てるという
ような複雑な作業を必要とせず、装置を安価にかつ容易
に製作できる。

また、本発明では、主ヒータによって炉の長手方向に
沿った基本的な温度分布を形成し、結晶観察用窓の近傍
で主ヒータの外側上部の左右に配置された補助ヒータに
よって結晶観察用窓の近傍の炉内の上下方向の温度分布
を調節するので、特公昭59−38185号に示される装置の
ように、上下に分割された加熱体によって炉の長手方向
及び上下方向両方の温度分布を調節する方法に比べて、
炉の温度分布の制御が簡単となり、所望の温度分布を得
るように調節する時間も短時間ですむ。更に、補助ヒー
タへ印加する電力は小さくてよいので、その使用寿命が
長くなる。

このように、本発明では、装置を安価にかつ容易に製
作することができ、炉の長手方向及び上下方向の温度分
布を所望の値となるように、短時間に再現性良く制御す
ることができ、ひいては化合物半導体単結晶の製造コス
トを低減することができる。

「実施例」第１図及び第２図には、本発明の化合物半導体単結晶
の製造装置の一実施例が示されている。

この装置は、全体として水平方向に伸びる細長い容器
形状又は筒形状をなす断熱材12を有し、断熱材12の上壁
部には結晶観察用窓16が形成されている。断熱材12の内
周には主ヒータ20が配置されている。また、主ヒータ20
の更に内周には、石英製の炉芯管（均熱管）13が配置さ
れている。そして、この炉芯管13内に、原料を入れたボ
ート15が収容されたアンプル管（反応管）14が設置され
るようになっている。なお、断熱材12の外側を更にケー
シングで覆うようにしてもよう、結晶観察用窓16にはガ
ラス板等の蓋が嵌込まれていてもよい。

主ヒータ20は、炉体の長手方向に所定の温度分布を形
成するように、長手方向に沿沿って複数のゾーン21〜28
に区画されている。この実施例の場合、主ヒータ20は、
カンタル線等をスパイラル状に形成した構造をなしてい
る。主ヒータ20を構成するヒータ線は、ゾーン21〜28に
亙って１本あるいは多くとも２〜３本であり、各ゾーン
毎に端子を設けれ独自に電力を印加できるようにされて
いる。

断熱材12の結晶観察用窓16の炉体の長手方向に沿った
両側部分である主ヒータの外側上部部分の左右には、補
助ヒータ17が配置されている。この補助ヒータ17は、結
晶観察用窓16からの放熱量を十分補うことができるよう
に、結晶観察用窓16の炉体の長手方向に沿った長さと同
じかそれよりも長い長さとされている。また、補助ヒー
タ17の影響による主ヒータ20の制御の複雑化を避けるた
め、補助ヒータ17は主ヒータ20の結晶観察用窓16の位置
に配置された１つのゾーン24内に配置されている。

また、第１図に示すように、補助ヒータ17は、熱的効
率を最大限に良くするため、主ヒータ20の外側に重複
し、かつ、断熱材12の内側に配置されている。この実施
例の場合、補助ヒータ17は、波形につづれ折りされたヒ
ータ線で構成されている。なお、補助ヒータ17と主ヒー
タ20との電気的短絡を防止するため、補助ヒータ17のヒ
ータ線は、絶縁物の管の中に入れるなどの処理をするこ
とが好ましい。

この装置では、断熱材12と主ヒータ20と炉芯管13と補
助ヒータ17とによって炉体が構成されている。そして、
図示を省略したが、アンプル管14を炉芯管13内に配置し
た状態でアンプル管14と炉体とを相対的に移動させる手
段が設けられている。この手段としては、例えばアンプ
ル管14を支持棒で保持し、炉体を移動させる手段などが
採用される。こうして、アンプル管14内のボート15の入
った原料融液を、ボート15の端部から徐々に固化させて
単結晶を製造することができる。

第３図には、本発明の化合物半導体単結晶の製造装置
の他の実施例が示されている。

この装置は、補助ヒータ17を導電性セラミックス等か
らなる公知の面ヒータで構成したものであり、他の部分
の構造は第１図及び第２図に示した装置と同じなので、
その説明を省略する。

試験例第１図及び第２図に示される装置（以下、実施例の装
置と記す。）と、従来の第６図（イ）に示される装置
（以下、従来の装置を記す）とを製作し、それぞれの装
置で、GaAs単結晶を製造して、装置の製作費、所望の温
度勾配を得るための調整に要する時間、炉が劣化により
使用不能になるまでの時間、及び得られる単結晶の品質
を比較した。

（ａ）装置の製作費実施例の装置は、主ヒータ20を一般的なカンタル線か
らなるスパイラル構造のヒータで構成し、補助ヒータ17
を波形につづれ折りしたヒータ線で構成して製作した。

一方、従来の装置は、結晶観察用窓の近傍に設ける加
熱体ａ、ｂ、ｃ、ｄを波形につづれ折りしたヒータ線で
形成し、炉体の長手方向に沿った加熱体11、11′をカン
タル線からなるスパイラル構造のヒータで形成し、各加
熱体を組み合わせて製作した。

こうして製作された装置の製作費を比較したところ、
実施例の装置は、従来の装置の約70％の費用で製作でき
た。

（ｂ）所望の温度勾配を得るための調整に要する時間実施例の装置において、炉体の長手方向の温度勾配
を、主ヒータ20の各ゾーン21〜28に印加する電力を制御
して、所望の値に調整した。その後、補助ヒータ17に電
力を印加し、上下方向の温度勾配を調整した。上下方向
の温度勾配の調整は、補助ヒータ17にわずかな電力を印
加するだけで行なうことができ、予め調整された長手方
向の温度勾配に影響を与えることはなかった。

従来の装置において、加熱体11,11′に電力を印加し
て炉体の長手方向の温度勾配を調整した後、結晶観察用
窓の近傍の加熱体ａ、ｂ、ｃ、ｄに電力を印加して上下
方向の温度勾配を調整した。しかし、加熱体ａ、ｂ、
ｃ、ｄに電力を印加することによって、長手方向の温度
勾配にずれが生じたので、加熱体11、11′の印加電力を
再度調整し、これらの操作を繰り返して所望の温度勾配
を得ることができた。

この結果、実施例の装置を所望の温度勾配にするため
に要した時間は、従来の装置の約半分であった。

（ｃ）炉が劣化により使用不能になるまでの時間実施例の装置と、従来の装置とを用いて、原料、結晶
成長用ボート、アンプル管等は同一条件としてGaAs単結
晶を製造した。

実施例の装置の炉は、約30カ月後に劣化により使用不
能となったのに対し、従来の装置は約15カ月後に使用不
能となった。すなわち、実施例の装置は、従来の装置に
比べて約２倍の期間メンテナンスフリーで使用できた。

（ｄ）製造された単結晶の品質実施例の装置で製造されたGaAs単結晶と、従来の装置
で製造されたGaAs単結晶との結晶欠陥、電気特性等を比
較したところ、ほとんど同等の品質であった。

「発明の効果」以上説明したように、本発明のIII−Ｖ族等の化合物
半導体単結晶の製造方法によれば、炉を所望の温度勾配
に、短時間で、容易に、再現性よく調整することができ
る。

また、本発明の化合物半導体単結晶の製造装置は、構
造が複雑でないので製作が容易で、かつ製作費用が安価
であり、また、劣化により使用不能になるまで期間の長
いので、メンテナンス費用も安価である。

すなわち、本発明によれば、従来の装置で製造される
単結晶と同等の品質の単結晶を、容易に、安価に製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の化合物半導体単結晶の製造装置の一実
施例を示す横断面図、第２図は同装置の平面断面図、第
３図は本発明の化合物半導体単結晶の製造装置の他の実
施例を示す横断面図、第４図及び第５図は従来の化合物
半導体単結晶の製造装置のそれぞれ異なる例を示す横断
面図、第６図（イ）及び（ロ）は従来の化合物半導体単
結晶の製造装置の更に異なる例を示す縦断面図である。図中、12は断熱材、13は炉芯管、14はアンプル管、15は
ボート、16は結晶観察用窓、17は補助ヒータ、20は主ヒ
ータ、21〜28は主ヒータの各ゾーンである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料を載せたボートをアンプル管に封入
し、このアンプル管を所定の温度分布を有する炉内に配
置し、前記ボート内の原料融液を一端から徐々に固化し
て単結晶を得るようにしたボート法による化合物半導体
単結晶の製造方法において、前記炉の上部に結晶観察用
窓を形成し、前記炉の長手方向に沿って印加電力を独立
に制御できる複数のゾーンを有する主ヒータを取付け、
かつ、前記結晶観察用窓の近傍の前記主ヒータの外側上
部の左右に補助ヒータを重複して取付け、前記主ヒータ
によって前記炉の長手方向における温度分布を調節し、
前記補助ヒータによって前記炉の上下方向の温度分布を
調節して、原料融液の固化を行なうことを特徴とする化
合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】原料を載せたボートをアンプル管に封入
し、このアンプル管を所定の温度分布を有する炉内に配
置し、前記ボート内の原料融液を一端から徐々に固化し
て単結晶を得るようにしたボート法による化合物半導体
単結晶の製造装置において、前記アンプル管を収容すべく、全体として水平方向に伸
びる細長い容器形状をなし、上壁部の所定箇所に結晶観
察用窓が形成された断熱材と、この断熱材の内側に配置され、長手方向に沿って複数の
ゾーンを有し、各ゾーンにおいて独自に印加電力を制御
できる主ヒータと、前記結晶観察用窓の近傍において、前記主ヒータの外側
上部の左右に重複して配置され、独自に印加電力を制御
できる補助ヒータとによって前記炉が構成されており、前記主ヒータによって前記炉の長手方向における温度分
布を調節し、前記補助ヒータによって前記炉の上下方向
の温度分布を調節して、原料融液の固化を行なうように
したことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３】前記補助ヒータは、前記結晶観察用窓の長
手方向の長さと同じ長さか、それよりも長い長さを有す
る請求項２記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】前記補助ヒータは、前記結晶観察用窓の近
傍に位置する前記主ヒータの１つのゾーン内に配置され
ている請求項２又は３記載の化合物半導体単結晶の製造
装置。