(57)【要約】      （修正有）【課題】水平ブリッジマン法に応用される半導体合成装置の提供。【解決手段】密閉反応管４と、第一の炉体１と第二の炉体２とを、含み、第一の炉体１と第二の炉体２は中間パイプ８で接続され、反応管４は第一の炉体１と、中間パイプ８と、第二の炉体２とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体１と前記第二の炉体２に対応して温度制御装置９−１、９−２がそれぞれ個別に設けられ、密閉反応管４の左側には第一層の水平ボート容器１１が置かれ、第一層の水平ボート容器１１にはホルダ装置１３が設けられ、ホルダ装置１３には第二層の水平ボート容器１２が置かれる。ホルダ装置１３は第二層の水平ボート容器１２を支持し、第一層の水平ボート容器１１と第二層の水平ボート容器１２との間には、重ねて置かれた水平ボート容器から反応物を出し入れするために所定の空隙が規定される半導体合成装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平ブリッジマン法に応用され、密閉反応管と、第一の炉体と第二の炉体と、を含み、
前記第一の炉体と前記第二の炉体は中間パイプで接続され、前記反応管は前記第一の炉体と、前記中間パイプと、前記第二の炉体とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体と前記第二の炉体に対応して温度制御装置がそれぞれ個別に設けられ、
前記反応管に複数の水平ボート容器が設けられ、前記複数の水平ボート容器は水平方向において前記反応管内の異なる位置に設けられた複数の第一層の水平ボート容器を含み、前記第一層の水平ボート容器の少なくとも１つにホルダ装置が設けられ、前記ホルダ装置に第二層の水平ボート容器が１つ置かれ、前記ホルダ装置は、前記第二層の水平ボート容器を支持し、前記第一層の水平ボート容器と前記第二層の水平ボート容器との間に空隙を提供するように設けられる、
半導体合成装置。
【請求項２】
前記中間パイプの外周に保温材が被覆される、請求項１に記載の半導体合成装置。
【請求項３】
前記第一の炉体と前記第二の炉体の少なくとも１つの内側壁に仕切り層をさらに設け、仕切り層で囲まれた空間内に均一加熱する炉室を規定する、請求項１又は２に記載の半導体合成装置。
【請求項４】
前記仕切り層構造は、石英管、炭化ケイ素管、ムル石管及びそれらを組み合わせた管から選ばれる、請求項３に記載の半導体合成装置。
【請求項５】
前記第一の炉体と前記第二の炉体内に前記密閉反応管を置く時、前記内側壁との間が前記仕切り層で隔てられる、請求項３に記載の半導体合成装置。
【請求項６】
前記温度制御装置は、１０００℃以下の加熱を提供するための２〜４段の温度制御手段を有する、前記第一の炉体に対応する第一の温度制御装置と、１０００℃を上回る加熱を提供するための５〜７段の温度制御手段を有する、前記第二の炉体に対応する第二の温度制御装置と、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項７】
前記第一の炉体と前記第二の炉体との間の間隔は１５〜２０ｃｍである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項８】
前記中間パイプの外周を被覆する保温材は低密度保温材であり、その被覆厚は３ｃｍ〜５ｃｍである、請求項２〜７のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項９】
前記ホルダ装置は単独で設けられる部品である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１０】
前記ホルダ装置が水平ボート容器と一体に設けられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１１】
前記ホルダ装置が第一層の水平ボート容器の上部又は第二層の水平ボート容器の下部と一体に設けられる、請求項１０に記載の半導体合成装置。
【請求項１２】
前記水平ボート容器は、水平ボート容器の略中央部に設けられ、横断面が略U字形である本体部を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１３】
前記ホルダ装置は、両端が前記水平ボート容器における、前記反応管の軸方向に略平行に設けられる２つの側壁にそれぞれ掛け留められるブリッジ状部品である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１４】
第二層の水平ボート容器の底部の形状に合致させるために、前記ホルダ装置の中央部に凹んだ弧状部が設けられる、請求項１３に記載の半導体合成装置。
【請求項１５】
前記弧状部の弧の長さは当該ホルダ上の水平ボート容器の外表面の長さの１/４〜１/２を占め、好ましくは１/３を占める、請求項１４に記載の半導体合成装置。
【請求項１６】
前記ホルダは、ホルダを水平ボート容器に掛け留める２つの凹溝をさらに含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１７】
前記ホルダ装置の数は２つ以上である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１８】
前記ホルダ装置は、ＰＢＮ材料によって作成されるか、又は、黒鉛材料の表面に一層のＰＢＮ材料が堆積される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項１９】
前記装置は半導体合成又は半導体ドープに用いられる、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の半導体合成装置。
【請求項２０】
前記反応装置はヒ化ガリウム多結晶合成又はヒ化ガリウム単結晶合成に用いられる、請求項１９に記載の半導体合成装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載の半導体合成装置を含み、前記第一の炉体が低温区炉体であり、前記第二の炉体が高温区炉体であり、ヒ素が入れられた水平ボート容器とガリウムが入れられた水平ボート容器を前記低温区炉体内と前記高温区炉体内にそれぞれ置き、ガリウムが入れられた水平ボート容器を重ねて置くように設け、一回の製造過程において複数のヒ化ガリウム多結晶ロッドを提供する、ヒ化ガリウム多結晶の合成装置。
【請求項２２】
前記高温区炉体は６段の温度制御からなり、前記低温区炉体は３段の温度制御からなる、請求項２１に記載の合成装置。
【請求項２３】
重ねて置く水平ボート容器において、上層の水平ボート容器の添加材料の重量が下層の水平ボート容器の添加材料の重量未満である、請求項２１又は２２のいずれか一項に記載の装置を用いるヒ化ガリウム多結晶の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は水平ブリッジマン法を用いる半導体製造装置及び方法（水平ボート法）に対する改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平ブリッジマン法は、Bridgmanが研究開発した大面積定型シート状結晶を製造する方法で、水平ボート法ともいい、略称はＨＢ法である。ＨＢ法の応用は幅広く、特に化合物半導体結晶の成長面に応用されるほか、半導体材料のドープにも応用される。ＨＢ法は結晶成長の原料又はドープ原料を容器に入れ、容器を円状パイプに入れ、空気を吸引してから管口を密封し、一方向凝固法又は浮遊帯域溶融法によって結晶を成長させるか、適切な半導体ドープ方法で半導体をドープするものである。
【０００３】
金敏氏などが紹介する水平方向凝固法で合成したヒ化ガリウム多結晶（上海応用技術学院学報、２０１４年９月、１８７〜１９０頁）では、８段の単結晶温度制御からなる炉体に、それぞれ５段の高温区、１段の中温区、２段の低温区がある。ヒ素とガリウムを石英ボートにそれぞれ置いて石英管の両端に配置し、石英管を空気吸引した後に封着して水平方向凝固炉内に入れて、ガリウムの一端を高温区に置き、ヒ素の一端は低温区にある。低温区の温度は６３０℃前後、高温区の温度は１２５０〜１２５５℃に制御され、異なる段の降温加工を制御することでヒ化ガリウム多結晶の方向性凝固を実現する。
【０００４】
ＣＮ１０７２６８０８５Ａでは、円筒形の加熱装置を含む、半絶縁ヒ化ガリウム多結晶炭素ドープ装置が公開されており、前記加熱装置の一端はソース領域であり、他端は成長領域であり、前記加熱装置の制御温度は前記ソース領域から前記成長領域にかけて徐々に高くなり、前記加熱装置内に石英管が固定設置され、前記石英管内において、前記ソース領域に対応する位置に黒鉛粉末を収容する第一のＰＢＮボートと、第III-IV族の塩化物、フッ化物又は酸化物を収容する第二のＰＢＮボートとが隣接して設けられ、前記石英管内において、前記成長領域に対応する位置にヒ化ガリウム多結晶を収容する第三のＰＢＮボートが設けられ、前記石英管は反応時に真空封止状態である。
【発明の内容】
【０００５】
本願の第一の態様では、水平ブリッジマン法に応用され、密閉反応管と、第一の炉体と第二の炉体とを、含み、前記第一の炉体と前記第二の炉体は中間パイプで接続され、前記反応管は前記第一の炉体と、前記中間パイプと、前記第二の炉体とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体と前記第二の炉体に対応して温度制御装置がそれぞれ個別に設られ、前記反応管に複数の水平ボート容器が設けられ、前記複数の水平ボート容器は水平方向において前記反応管内の異なる位置に設けられた複数の第一層の水平ボート容器を含み、前記第一層の水平ボート容器の少なくとも1つにホルダ装置が設けられ、前記ホルダ装置に第二層の水平ボート容器が１つ置かれ、前記ホルダ装置は、前記第二層の水平ボート容器を支持し、前記第一層の水平ボート容器と前記第二層の水平ボート容器との間に空隙を提供するように設けられる、半導体合成装置を提供する。
【０００６】
本願の第二の態様では、本願の第一の態様に記載の装置を含み、前記第一の炉体が低温区炉体で、前記第二の炉体が高温区炉体であり、ヒ素が入れられた水平ボート容器とガリウムが入れられた水平ボート容器を前記低温区炉体内と前記高温区炉体内にそれぞれ置き、ガリウムが入れられた水平ボート容器を重ねて置くように設け、一回の製造過程において複数のヒ化ガリウム多結晶ロッドを提供する、ヒ化ガリウム多結晶ロッドの合成装置を提供する。
【０００７】
本願の第三の態様では、本願の第二の態様に記載の装置を用い、重ねて置く水平ボート容器において、上層の水平ボート容器の添加材料の重量が下層の水平ボート容器の充添加材料の重量未満である、ヒ化ガリウム多結晶の合成方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願の一実施例の反応装置の模式図である。
【図２】本願の一実施例の反応装置の模式図である。
【図３】本願の一実施例の反応装置の模式図である。
【図４】本願の一実施例の反応装置の模式図である。
【図５】本願の一実施例の反応装置の模式図である。
【図６】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の投影模式図である。
【図７】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の投影模式図である。
【図８】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の投影模式図である。
【図９】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の横断面模式図である。
【図１０】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の横断面模式図である。
【図１１】本願の一実施例に用いられる水平ボート容器の平面図である。
【図１２】本願の一実施例に用いられるホルダの構造模式図である。
【図１３】本願の一実施例に用いられるホルダの構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では図面を組み合わせて本願の実施形態について説明する。全ての図では類似の図面符号で類似又は同一の部品を示す。ここで開示する異なる特徴は単独使用、又は互いに組み合わせを変えることができ、本願は本文に記載の特定の組み合わせに限定されない。よって、記載する実施の形態は請求項の範囲を限定するものではない。
【００１０】
明細書で使用される可能性のある「一実施の形態では」「実施の形態では」「ある実施の形態では」又は「その他の実施の形態では」という用語は、本文で開示する１つ又は複数の同一又は異なる実施の形態をそれぞれ指す。
【００１１】
なお、本明細書において、第一や第二などの関係を表す用語は、１つの実体或いは操作をもう１つの実体或いは操作と区別するためのものに過ぎず、これらの実体或いは操作間に如何なる実際の関係又は順序が存在することを要求又は暗示するのではない。さらに、「含む」、「有する」などの用語、又はそれらに対する変形は、非排他的な包含という意味であるため、一連の要素を含む物品又は機器がそれらの要素を含むだけでなく、明確に列挙されていない他の要素、又はその物品又は機器固有の要素をさらに含むということを意味する。より限定的な状況が存在しない場合には、「〜を含む」という語句によって限定される要素は、上記要素の物品又は機器に他の同一の要素をさらに含むということを排除しない。
【００１２】
目下、本分野では、一般的に水平ボート容器を水平方向において、密閉反応管の異なる位置に設けており、反応管内部の空間には限りがあるため、水平ボート容器の配置方法がさらに限定される。本分野には、反応管内において水平ボートを重ねて置くという空間配置案はまだなく、特に、水平ボートを安定して重ね置きするという設計と、重ねて置かれた水平ボート同士の間隔を制御するという技術手段は提示されていない。
【００１３】
複数の半導体ロッドを同時に生産するために、発明者は複数の水平ボート容器の重ね置きを実現するという構造を設計し、重ねて置かれた水平ボート容器同士の間隔を効果的かつ安定して制御する。さらに、複数の水平ボート容器を重ね置きして造られた複数の半導体ロッドの均一性と品質にはさらなる向上の余地がある。水平ブリッジマン法にて結晶ロッドを合成する時、熱放射などが原因で、高温区と低温区の温度が制御しにくく、石英管変形、開裂などに起因する多結晶材料の酸化又はヒ素の漏れ、及び、多結晶材料のテール部の合成が不完全であるなどの課題がよく見られる。
【００１４】
上記課題を解決するために、本願では異なる技術案を提供する。以下では、具体的な実施例の形で異なる技術案について詳細に説明する。
【００１５】
[実施例１]
図１に示すように、実施例１は水平ブリッジマン法に応用される半導体合成装置であって、当該合成装置は、密閉反応管４と、第一の炉体１と第二の炉体２とを、含み、第一の炉体１と第二の炉体２は中間パイプ８で接続され、反応管４は第一の炉体１と、中間パイプ８と、第二の炉体２とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体１と前記第二の炉体２に対応して温度制御装置９−１、９−２がそれぞれ個別に設けられる。
【００１６】
１０００℃以下の加熱を提供するための温度制御装置９−１は２〜４段の温度制御手段を含み、１０００℃を上回る加熱を提供するための温度制御装置９−２は５〜７段の温度制御手段を含む。
【００１７】
温度制御手段は炉体の温度を制御するものであって、加熱手段と温度測定手段を含んでもよい。加熱手段は高周波誘導コイル又は抵抗加熱炉によって加熱し、温度測定手段は熱電対によって加熱する。
【００１８】
密閉反応管４の左側には第一層の水平ボート容器１１が置かれ、第一層の水平ボート容器１１にはホルダ装置１３が設けられ、ホルダ装置１３には第二層の水平ボート容器１２が置かれる。ホルダ装置１３は第二層の水平ボート容器１２を支持し、第一層の水平ボート容器１１と第二層の水平ボート容器１２との間には、重ねて置かれた水平ボート容器から反応物を出し入れするために所定の空隙が規定される。
【００１９】
密閉反応管４の右側にはもう一つの水平ボート容器５が設けられる。部品の生産製造が容易になるよう、水平ボート容器５は第一層の水平ボート容器１１の構造を同様に用いることができる。
【００２０】
具体的な応用では、水平ボート内で反応物を昇華させ、もう一つの水平ボートにおける反応物と化学反応させる。
【００２１】
[実施例２]
実施例１に類似し、異なるのは、実施例２では４つの水平ボート容器が設けられ、それを二組に分け、二組の水平ボート容器はどちらも重ねて置くという配置方法を用いるという点である。
【００２２】
図２に示すように、密閉反応管４内の水平方向の両端には２つの第一層の水平ボート容器１１が設けられ、２つの第一層の水平ボート容器１１にはホルダ装置１３がそれぞれ設けられ、ホルダ装置１３には第二層の水平ボート容器１２が置かれる。ホルダ装置１３は、第二層の水平ボート容器１２を支持し、第一層の水平ボート容器１１と第二層の水平ボート容器１２との間に空隙を提供するように設けられる。
【００２３】
[実施例３]
実施例１、２に類似し、図３に示すように、本願の実施形態３では、反応管４の水平方向に三組の水平ボート容器を設け、第一組は２つの水平ボートを重ねて置いたものであって、第一層の水平ボート容器１１にはホルダ装置１３が設けられ、ホルダ装置１３には第二層の水平ボート容器１２が置かれる。残りの二組の水平ボート容器５は水平方向の中間位置と右側位置にそれぞれ個別に設けられる。部品の生産製造が容易になるよう、水平ボート容器５は第一層の水平ボート容器１１の構造を同様に用いることができる。
【００２４】
[実施例４]
実施例１、２、３に類似し、異なるのは、実施例４では、二層に重ねて置かれた水平ボート三組を提供するという点である。図４に示すように、密閉反応管４内において、水平方向に第一層の水平ボート容器１１が３つ設けられ、第一層の水平ボート容器１１にはホルダ装置１３がそれぞれ設けられ、ホルダ装置１３には３つの第二層の水平ボート容器１２がそれぞれ置かれ、ホルダ装置１３は第二層の水平ボート容器１２を支持し、第一層の水平ボート容器１１と第二層の水平ボート容器１２との間に所定の空隙を提供するように設けられる。
【００２５】
[実施例５]
図５に示すように、実施例５の装置は水平ブリッジマン法を用いたヒ化ガリウム半導体製造に応用され、当該合成装置は、密閉反応管４と、第一の炉体１と第二の炉体２とを、含み、第一の炉体１と第二の炉体２は中間パイプ８で接続され、反応管４は第一の炉体１と、中間パイプ８と、第二の炉体２とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体１と前記第二の炉体２に対応して温度制御装置９−１、９−２がそれぞれ個別に設けられる。
【００２６】
第二の炉体２は６段の温度制御からなり、第一の炉体１は３段の温度制御からなる。
【００２７】
温度制御手段は炉体の温度を制御するものであって、加熱手段と温度測定手段を含んでもよい。加熱手段は高周波誘導コイル又は抵抗加熱炉によって加熱し、温度測定手段は熱電対によって加熱する。
【００２８】
石英密閉反応管４で密封されたヒ素ボート５とガリウムボート１１、１２を第一の炉体１内と第二の炉体２内にそれぞれ置く。第二層のガリウムボート１２はホルダ装置１３を設けることで第一層のガリウムボート１１上に重ねて置かれ、第一層のガリウムボート１１と第二層のガリウムボート１２との間に一定の空隙を設けて、重ねて置かれた水平ボート容器から反応物を出し入れする。当該設置では、当該実施例の装置によって二本のヒ化ガリウム結晶ロッドを一回で製造することができる。ヒ素ボート５とガリウムボート１１は異なる図面符号を用いているが、部品の生産製造が容易になるよう、ヒ素ボート５とガリウムボート１１は類似の構造を用いることができる。
【００２９】
異なる設置と組み合わせにより、当業者は必要と目標生成物に応じて、反応管内により多くの種類の反応物を置くことができ、又は、より合理的な配置方法と制御加熱方法を設けることができる。
【００３０】
本願の装置は水平ボート容器の重ね置き設置により、複数の結晶ロッドを一回で同時に合成することができ、生産効率を向上させ、生産コストを低減している。合成される製品の品質を向上させるために、本願はさらに加熱方式を基にダブル炉の加熱構造を用い、低温区と高温区をそれぞれ炉体で温度制御することで、半導体合成時の温度を制御しやすくし、炉体温度の正確な制御を実現しており、一回で合成される複数の半導体（例えば多結晶又は単結晶）の配合比は均一で、合格率が高い。
【００３１】
実施例１〜５に対するさらなる変形の実施の形態は以下の通りである。
【００３２】
[炉体]
任意で、前記中間パイプ８の外周に保温材１０が被覆される。高温区と低温区に適切な保温対策を施すことで、蒸発した成分をその他の成分と十分に化学反応させることができ、配合比が均一で、性能が良好な半導体化合物が得られる。
【００３３】
任意で、第一の炉体１と第二の炉体２の少なくとも１つの内側壁に仕切り層３をさらに設けることで、仕切り層３で囲まれた空間内に均一加熱する炉室を規定する。当該設置は内部の熱界の均一性を改善することができ、合成する半導体製品の配合比の均一化により有利であって、合格率をさらに向上させることができる。
【００３４】
任意で、仕切り層３は、石英管、炭化ケイ素管、ムル石管及びそれらを組み合わせた管から選ばれて構成される。炭化ケイ素管、ムル石管又はそれらを組み合わせた管が好ましく、当該構造の仕切り層はより耐久性があり、内部の径方向の温度の不均一性を効果的に低減させる。
【００３５】
任意で、第一の炉体１と第二の炉体２内に密閉反応管４を置く時、内側壁との間が仕切り３で隔てられる。これにより、内部の熱界の均一性をさらに改善することができ、合成する半導体製品の配合比の均一性をより有利にし、合格率をさらに向上することができる。
【００３６】
任意で、第一の炉体１と第二の炉体２との間の間隔は１５〜２０ｃｍである。
【００３７】
２つの炉室間に一定の間隔をあけると、熱拡散と熱放射などによって低温区の温度制御がしにくくなるということを回避できる。しかし、当該距離が長すぎると（例えば２０ｃｍを上回る）中央部が冷えすぎ、短すぎると（例えば１５ｃｍ未満）低温区と高温区という温度制御をすることができない。研究を経て、上記範囲の間隔は低温区と高温区という温度制御を実現すると同時に、中央部接続箇所の温度が常に適切な範囲内に保たれ、化学反応が順調に行われることを確保し、配合比が均一な半導体製品を得られることが分かった。
【００３８】
任意で、中間パイプ８の外周を被覆する保温材１０は低密度保温材であり、その被覆厚は３ｃｍ〜５ｃｍである。当該材料の厚さが薄すぎると効果的に保温できず、厚すぎると原材料の浪費となるため、上記範囲を選択すれば保温の要求を満たしつつコストの最小化を実現できる。
【００３９】
前記低密度保温材は二酸化ケイ素及び/又はアルミナを含む成分で作られた材料である。保温材は保温断熱材ともいい、熱流に対して顕著な抵抗性を持つ材料また材料複合体を指し、保温断熱材に共通する特徴は、軽く、柔らかいという点であって、その内部は流動しない空気で熱伝達を遮ることから多孔状又は繊維状を呈し、無機材料には燃えない、使用温度幅が広い、化学腐食耐性が好ましいなどの特徴がある。本願で使用する保温材は例えば、二酸化ケイ素を含む要素で作られる保温材、アルミナを含む要素で作られる保温材、二酸化ケイ素とアルミナを含む要素で作られる保温材である。具体的な製造方法及び製品は本分野の既存の方法、例えば、ＣＮ１０１６７１１５８Ａ、ＣＮ１０２７９５７８１Ａなどで公開の方法で製造された製品を参照されたい。
【００４０】
任意で、製造装置は第一の炉体１と第二の炉体２両端の保温封止部材プレート７をさらに含む。保温封止部材プレート７は例えば、保温コットンプレート、珪酸繊維プレートなどである。第一の炉体と第二の炉体の保温封止材は同一の材料を使用しても異なる材料を使用してもよく、例えば、第一の炉室の保温材は低い温度を提供する炉体に適した保温材を使用してよく、第二の炉室の保温材は高い温度を提供する炉体に適した保温材を使用してよい。
【００４１】
[反応管]
実施の形態で使用する反応管は石英反応管であってもよく、寸法は本分野で一般的に使用される寸法であってもよく、例えば、内径が８０ｍｍである。その中に置かれる水平ボート容器の内径は反応管と互いに対応し、反応管の内径より若干小さく、深さは置かれる層数に応じて設けることができ、例えば、二層として設けると、水平ボート容器の深さは約４０ｍｍ以下であり、例えば、２０〜３５ｍｍ、具体的には２４ｍｍ、２８ｍｍ、３１ｍｍ、３４ｍｍなどである。
【００４２】
[水平ボート]
ＨＢ法は、単結晶成長原料を容器に入れ、容器を円状パイプに入れ、空気を吸引してから管口を密封するものであり、このような容器を一般的に「ボート」という。目下、用途から、合成ボートと引き上げボートに分けられる。合成ボートは多結晶の合成に用いられ、単結晶の成長に用いられるものを引き上げボートという。
【００４３】
図５に示す投影模式図のように合成ボートの開口部は長方形であり、又は図６に示す投影模式図のように一端が半円形であり、又は図７に示す投影模式図のように両端が半円形である。半円形ボートは数十年にわたり応用され、その最大の特徴は加工が容易であるという点であって、円形パイプを半分に折って、ボートヘッド及び/又はボートテールをつぎ足すだけでよい。図８に示すように、合成ボート又は引き上げボートの本体の断面は一般的にアーチ状を用いる。もちろん、図９に示すように矩形であってもよく、又は本分野で使用されるその他の形状であってもよい。
【００４４】
投影模式図において左上図は平面図であり、左下図は正面図であり、右上図は左面図である。
【００４５】
単結晶成長用ボートは多結晶合成ボートを基に種結晶区と肩部を追加したものであり、最先端を種結晶チャンバーといい、種結晶チャンバーは正方形、矩形、半円形など様々で、本体と種結晶チャンバーとの間の部分を肩部といい、その役割は種結晶チャンバーとボートの本体を平滑に接続することで、真ん中は単結晶成長ボートの本体部分であり、最後はボートテールというように構成される。具体的には図１０に示す通りであり、図においてｚ１〜ｚ４は順に、種結晶チャンバー部分、肩部部分、等径部分（つまり、本体部分）及びボートテール部分である。
【００４６】
[ホルダ装置]
任意で、ホルダ装置１３は単独で設けらる部品であってもよい。言い換えれば、ホルダ装置１３は水平ボート容器から分離した独立した部品である。ホルダ装置１３は水平ボート容器に装着でき、その上に設けられる水平ボート容器を支持する。材料添加操作完了後にホルダ装置１３を水平ボート容器に実装することができるため、単独で設けられるホルダ装置は水平ボート容器の材料添加操作に影響を与えない。任意で、ホルダ装置１３は水平ボート容器と一体に設けられ、例えば、ホルダ装置１３は第一層の水平ボート１１の上部又は第二層の水平ボート１２の下部と一体に設けられる。一体設置はより便利に使用でき、工業化生産を実現しやすく、かつ使用時に構造を安定させることができる。
【００４７】
任意で、水平ボート容器は水平ボート容器の略中央部に設けられ、横断面が略U字形である本体部を含む。
【００４８】
任意で、ホルダ装置１３は、両端が水平ボート容器（例えば、第一層の水平ボート容器１１）における、反応管４の軸方向に略平行に設けられる２つの側壁にそれぞれ掛け留められるブリッジ状部品である。掛け留め接合を用いることで、水平ボート容器とホルダ装置を容易に組み立てることができ、装着ステップを簡易化することができる。
【００４９】
任意で、第二層の水平ボート容器１２の底部の形状に合致させるために、ホルダ装置１３の中央部に凹んだ弧状部２０が設けられる。具体的に、図１２に示すように、そこではホルダの構造模式図を示している。反応管４の軸方向に垂直な平面内において、ホルダ装置１３の中央部に凹んだ弧状部２０が設けられる。ホルダ装置１３の弧状部２０が水平ボート容器の底部に当接することで、水平ボート容器に安定した支持を提供する。任意で、図１１、１２に示すように、ホルダ装置１３は水平部３０をさらに含み、水平部３０の厚さは２〜３ｍｍであり、弧状部２０の厚さは２．５〜３．５ｍｍであり、弧状部２０の厚さは水平部の厚さよりもやや厚く、例えば、弧状部２０の厚さは水平部３０の厚さよりも０．２〜０．５ｍｍ厚い。このような設置方法は、上層に置かれるボートをより安定して支持し、ホルダ装置の耐久性を高め、化学反応を十分かつ円滑に行うことができる。
【００５０】
任意で、弧状部２０の弧の長さは当該ホルダにおける水平ボート容器の外表面の長さの１/４〜１/２を占め、好ましくは１/３を占める。
【００５１】
任意で、ホルダ装置１３は、ホルダ３を水平ボート容器２に掛け留める２つの凹溝１０を含む。図１１、１２に示すように、凹溝１０は水平部３０の端部寄りの位置に設けられてもよい。凹溝を設置することにより、ホルダ装置１３は下層の水平ボート容器（例えば、第一層の水平ボート容器１２）に安定して接合することができ、両者は安定したな装着体を形成する。
【００５２】
ホルダで支持される上層の水平ボート容器をより安定させるために、任意で、凹溝１０の深さは１〜１．５ｍｍであり、１．２〜１．４ｍｍがより有利であり、約１．３ｍｍが最も有利であって、掛け留めをより安定させることができ、２つの凹溝の深さは同一である。
【００５３】
本願で使用するホルダ１３の幅、厚さ及び凹溝１０の関連寸法は実際の必要に応じて調整することができる。凹溝１０の長さは水平ボート容器の壁の厚さに応じて設定することができ、ぴったり係合する大きさか又は壁の厚さより大きくてもよい。
【００５４】
本願におけるホルダの長さは、ホルダが跨ぐ下層の水平ボート容器の幅に応じて設定することができ、重ねて置かれるボートが石英管内部においてより移動しやすいように考慮される。ホルダの具体的な形式の１つは橋梁式ホルダである。
【００５５】
任意で、水平ボートに設けられるホルダ装置１３の数は１、２、３、４つなどであり、２つ以上が好ましく、特に３つが好ましい。
【００５６】
任意で、実施の形態の反応装置は半導体合成また半導体ドープ反応に用いられる。
【００５７】
任意で、反応装置はヒ化ガリウム多結晶合成又はヒ化ガリウム単結晶合成に用いられ、任意で、ヒ化ガリウム多結晶合成に用いられる。
【００５８】
任意で、ホルダ装置はＰＢＮ（熱分解性窒化硼素）材料によって作成されるか、又は、黒鉛材料の表面に一層のＰＢＮ（熱分解性窒化硼素）材料が堆積される。ホルダ装置の材料を選択する際には反応過程において不純物が混入しないという点を考慮する必要がある。
【００５９】
本願の一実施例ではヒ化ガリウム多結晶の合成装置を提供し、第一の炉体は低温区炉体で、第二の炉体は高温区炉体であり、ヒ素が入れられた水平ボート容器とガリウムが入れられた水平ボート容器を低温区炉体内と高温区炉体内にそれぞれ置き、ガリウムが入れられた水平ボート容器を重ねて置くように設け（例えば、第一の水平ボート容器１１上に第二の水平ボート容器１２が重ねて置かれる）、一回の製造過程において複数のヒ化ガリウム多結晶ロッドを提供する。
【００６０】
本願の１つの態様では、本願で提供するヒ化ガリウム多結晶の合成装置を使用した、ヒ化ガリウム多結晶の合成方法をさらに提供し、重ねて置く水平ボートにおいて、上層の水平ボート容器の添加材料の重量が下層の水平ボート容器の添加材料の重量未満である。化学反応時には密閉反応管の空気を吸引するか不活性ガスを充填して保護する。
【００６１】
任意で、下層の水平ボート容器の添加材料の重量は上層の水平ボート容器の添加材料の重量の１〜１．５倍であり、１．３倍前後がより有利である。
【００６２】
当業者が本願の技術案をよりよく理解できるように、以下ではヒ化ガリウム多結晶の合成を例として説明する。
【００６３】
本願が所定の目的を達成するために用いる技術手段及び効果を検証するため、下記実施案に従って生産実験を三回繰り返し行い、具体的な実験過程の詳細は以下の通りである。
【００６４】
（１）フッ化水素酸、硝酸の混合酸及び脱イオン水で石英アンプル、ＰＢＮボート及びＰＢＮブリッジなどの資材をきれいに洗浄し、エタノール脱水で乾燥させて準備しておく。
【００６５】
（２）きれいに洗浄したＰＢＮボートを清潔な石英オーブンに入れて焼成し、焼成温度は６００〜９００℃前後、焼成時間は２〜４時間であって、その後、室温まで自然冷却させておく。
【００６６】
（３）約２０００ｇの６Ｎガリウムを秤量してＰＢＮボートの１つに置き、それを石英アンプル開口の端部に入れ、このボートに三本のＰＢＮブリッジを均一に置き、約１５００ｇの６Ｎガリウムを別途秤量してもう一つのＰＢＮボートに置き、それをＰＢＮブリッジが実装されたボートに置くと共に石英アンプルの底部まで押し込む。約３６８０ｇの６Ｎヒ素を秤量してＰＢＮボートの１つに置き、このボートを洗浄した石英アンプルの端口に置き、最後に石英キャップでふたをする。
【００６７】
（４）実装済みの石英アンプルをオーブンに入れ、空気を吸引し、１５０〜３００℃の温度まで加熱し、３〜４時間保温した後電源をオフし、真空封止溶接して、室温まで自然冷却する。
【００６８】
（５）ヒ素とガリウムが入れられて封止された石英アンプルをＨＢ水平炉体内に入れ、ヒ素が入れられた一端を低温区炉内に置き、ガリウムが入れられた一端を高温区炉内に置き、両端を保温コットンで封止する。
【００６９】
（６）予め設定した加熱プログラムに従って加熱し、低温区の温度を６２０〜６５０℃前後に制御し、高温区炉体の温度を１２５０〜１２５５℃に制御し、１〜３時間保温し、化学反応完了後、予め設定した降温プログラムに従って室温まで降温する。
【００７０】
（７）炉体から石英アンプルを取り出し、ヒ素端から石英管を切開し、合成済みの半円形多結晶ロッドを取り出して測定する。
【００７１】
三回の合成で得られた多結晶ロッドの表面は光沢があり、緻密で、孔がなく、リッチガリウムでなく、配合比が優れている。各炉から１本の多結晶ロッドを任意で取り出し、そのヘッド部とテール部片を取って測定し、三回の合成で得られた多結晶ロッドの合格率と電気的性能のパラメータは具体的に下表１に示す通りである。
【００７２】
【表１】
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【００７３】
本願は、水平ボート容器を重ねて置くという構造により、反応管容積を増やすことなく、一回で複数本の多結晶ロッドを製造でき、生産効率を向上させ、生産コストを低減させている。第一の炉体と第二の炉体に温度制御装置をそれぞれ個別に設けることにより、高温区と低温区の温度を効果的に独立して制御することを実現し、望まない熱放射の影響を減少させ、石英管変形と開裂などによる多結晶材料の酸化又はヒ素の漏れを防止する。表1に示すデータから分かるように、得られるヒ化ガリウム結晶ロッドの配合比は均一で、性能が良好である。
【００７４】
本願では、上層ボートの配置に有利なホルダ構造を提供する。これを基に、本願では、水平ボート容器を重ねて置くという構造を提供し、特にＨＢ法の合成装置の改善に適したものである。本願の、複数の水平ボート容器を重ねて置くという構造は安定したものであって、化学反応が順調に行われるようにし、生産効率を向上させ、コストを低減させる。最も有利なのは、反応管容積を増やすことなく、本願では複数の多結晶ロッドを一回で製造することができるという点である。このほか、より多くの種類の化学反応要素の応用を改善することができる。
【００７５】
多層水平ボート容器で作られた結晶ロッドの品質をさらに最適化するために、本願の装置は第一の炉体と第二の炉体に温度制御装置をそれぞれ個別に設けることで、高温区と低温区の温度を効果的に独立して制御することを実現し、望まない熱放射の影響を減少させ、石英管変形と開裂などによる多結晶材料の酸化又はヒ素の漏れを防止することで、配合比が均一で、性能が良好な複数の半導体化合物結晶ロッドを得る。
【００７６】
このほか、本願が提供する装置は、半導体の合成、半導体ドープ技術をさらに改善することができる。本願では、密閉反応管において水平ボート容器を重ねて置くという設計を提供し、特に、第一層の水平ボート容器にホルダ装置を設け、ホルダ装置に第二層の水平ボート容器を置くという独自の設計を提供し、さらに、高温区と低温区の温度に合わせて相対的に独立して制御する。従来の設計に比べ、新しい半導体製造技術、新しい半導体合成方法、新しい半導体製品の開発に有利である。
【００７７】
本願には少なくとも以下の概念が含まれる。
【００７８】
概念１.水平ブリッジマン法に応用され、密閉反応管と、第一の炉体と第二の炉体と、を含み、
前記第一の炉体と前記第二の炉体は中間パイプで接続され、前記反応管は前記第一の炉体と、前記中間パイプと、前記第二の炉体とで共に規定される炉室内に配置され、前記第一の炉体と前記第二の炉体に対応して温度制御装置がそれぞれ個別に設けられ、
前記反応管に複数の水平ボート容器が設けられ、前記複数の水平ボート容器は水平方向において前記反応管内の異なる位置に設けられた複数の第一層の水平ボート容器を含み、前記第一層の水平ボート容器の少なくとも１つにホルダ装置が設けられ、前記ホルダ装置に第二層の水平ボート容器が１つ置かれ、前記ホルダ装置は、前記第二層の水平ボート容器を支持し、前記第一層の水平ボート容器と前記第二層の水平ボート容器との間に空隙を提供するように設けられる、
半導体合成装置。
【００７９】
概念２.前記中間パイプの外周に保温材が被覆される、概念１に記載の半導体合成装置。
【００８０】
概念３.前記第一の炉体と前記第二の炉体の少なくとも１つの内側壁に仕切り層をさらに設け、仕切り層で囲まれた空間内に均一加熱する炉室を規定する、概念１又は２に記載の半導体合成装置。
【００８１】
概念４.前記仕切り層構造は、石英管、炭化ケイ素管、ムル石管及びそれらを組み合わせた管から選ばれる、概念３に記載の半導体合成装置。
【００８２】
概念５.前記第一の炉体と前記第二の炉体内に前記密閉反応管を置く時、前記内側壁との間が前記仕切り層で隔てられる、概念３に記載の半導体合成装置。
【００８３】
概念６.前記温度制御装置は、１０００℃以下の加熱を提供するための２〜４段の温度制御手段を有する、前記第一の炉体に対応する第一の温度制御装置と、１０００℃を上回る加熱を提供するための５〜７段の温度制御手段を有する、前記第二の炉体に対応する第二の温度制御装置と、を含む、概念１〜５のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００８４】
概念７.前記第一の炉体と前記第二の炉体との間の間隔は１５〜２０ｃｍである、概念１〜６のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００８５】
概念８.前記中間パイプの外周を被覆する保温材は低密度保温材であり、その被覆厚は３ｃｍ〜５ｃｍである、概念２〜７のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００８６】
概念９.前記ホルダ装置は単独で設けられる部品である、概念１〜８のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００８７】
概念１０.前記ホルダ装置が水平ボート容器と一体に設けられる、概念１〜８のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００８８】
概念１１.前記ホルダ装置が第一層の水平ボート容器の上部又は第二層の水平ボート容器の下部と一体に設けられる、概念１０に記載の半導体合成装置。
【００８９】
概念１２.前記水平ボート容器は、水平ボート容器の略中央部に設けられ、横断面が略U字形である本体部を含む、概念１〜１１のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９０】
概念１３.前記ホルダ装置は、両端が前記水平ボート容器における、前記反応管の軸方向に略平行に設けられる２つの側壁にそれぞれ掛け留められるブリッジ部品である、概念１〜１２のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９１】
概念１４.第二層の水平ボート容器の底部の形状に合致させるために、前記ホルダ装置の中央部に凹んだ弧状部が設けられる、概念１３に記載の半導体合成装置。
【００９２】
概念１５.前記弧状部の弧の長さは当該ホルダ上の水平ボート容器の外表面の長さの１/４〜１/２を占め、好ましくは１/３を占める、概念１４に記載の半導体合成装置。
【００９３】
概念１６.前記ホルダは、ホルダを水平ボート容器に掛け留める２つの凹溝をさらに含む、概念１〜１５のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９４】
概念１７.前記ホルダ装置の数は２つ以上である、概念１〜１６のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９５】
概念１８.前記ホルダ装置は、ＰＢＮ材料によって作成されるか、又は、黒鉛材料の表面に一層のＰＢＮ材料が堆積される、概念１〜１７のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９６】
概念１９.前記装置は半導体合成又は半導体ドープに用いられる、概念１〜１８のいずれか１つに記載の半導体合成装置。
【００９７】
概念２０.前記反応装置はヒ化ガリウム多結晶合成又はヒ化ガリウム単結晶合成に用いられる、概念１９に記載の半導体合成装置。
【００９８】
概念２１.請求項１〜２０のいずれか一項に記載の半導体合成装置を含み、前記第一の炉体が低温区炉体であり、前記第二の炉体が高温区炉体であり、ヒ素が入れられた水平ボート容器とガリウムが入れられた水平ボート容器を前記低温区炉体内と前記高温区炉体内にそれぞれ置き、ガリウムが入れられた水平ボート容器を重ねて置くように設け、一回の製造過程において複数のヒ化ガリウム多結晶ロッドを提供する、ヒ化ガリウム多結晶の合成装置。
【００９９】
概念２２.前記高温区炉体は６段の温度制御からなり、前記低温区炉体は３段の温度制御からなる、概念２１に記載の合成装置。
【０１００】
概念２３.重ねて置く水平ボート容器において、上層の水平ボート容器の添加材料の重量が下層の水平ボート容器の添加材料の重量未満である、概念２１又は２２のいずれか１つに記載の装置を用いるヒ化ガリウム多結晶の合成方法。
【０１０１】
上記の実施例及びその好ましい／任意の実例は、本願の原理を説明するために用いた例示的な実施の形態にすぎず、本願はこれに限定されない。当業者は本願の精神と実質を逸脱しない範囲で各種の変形と改善をなすことができ、これらの変形と改善も本願の請求範囲とみなされる。
【図１】
2020001999.tif 000004
【図２】
2020001999.tif 000005
【図３】
2020001999.tif 000006
【図４】
2020001999.tif 000007
【図５】
2020001999.tif 000008
【図６】
2020001999.tif 000009
【図７】
2020001999.tif 000010
【図８】
2020001999.tif 000011
【図９】
2020001999.tif 000012
【図１０】
2020001999.tif 000013
【図１１】
2020001999.tif 000014
【図１２】
2020001999.tif 000015
【図１３】
2020001999.tif 000016