(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形容器の底部に、これより小径の円筒形部分からなる種子結晶保持部を有し、該種子結晶保持部の横断面形状が、真円径部分と該真円径の９９〜９０％寸法部分を有することを特徴とする単結晶製造用容器。
【請求項２】
種子結晶保持部の横断面形状において、３箇所に扁平部を有し、該扁平部が１２０°回転対象位置にある請求項１に記載の単結晶製造用容器。
【請求項３】
扁平部が、種子結晶保持部の１／５乃至全長にわたって設けられている請求項２に記載の単結晶製造用容器。
【請求項４】
種子結晶保持部が、容器本体と分離、はめ込み可能な構造を有している請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶製造用容器。
【請求項５】
容器の材質が、熱分解窒化ほう素よりなる請求項１乃至４のいずれかに記載の単結晶製造用容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属あるいは半導体などの単結晶育成、特には、垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）または液体封止垂直ブリッジマン法（液体封止垂直温度勾配凝固法）で使用される単結晶製造用容器の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属や半導体などの単結晶は、種子結晶から単結晶を育成する方法が採られているが、この代表的なものとして液体封止垂直ブリッジマン法が挙げられる。以下、この方法によりＧａＡｓ単結晶を育成する場合を例にとって説明する。
【０００３】
図５は、液体封止垂直ブリッジマン法により、ＧａＡｓ単結晶育成に用いられる炉の内部を模式的に示した模式断面図である。図において、種子結晶１がるつぼ２の下部に装着され、種子結晶１に接してＧａＡｓ単結晶３が成長している。単結晶３に接して原料融液４、さらにその上に液化されたＢ2Ｏ3などの封止剤融液５が存在している。るつぼ２は、一般に円形の断面形状を有し、るつぼホルダー６に納められ、るつぼ台軸７で支持されている。るつぼホルダー６の周囲には単一または複数個の発熱素子の組み合わせよりなる発熱体８が配設され、これらは気密容器９内に納められている。
なお、るつぼ２は、基本的に原料融液とは濡れない（反応しない）材質で形成される。
【０００４】
このような構成からなる単結晶育成炉を用いての結晶育成手順を、図６、図７の模式断面図に基づいて説明する。
先ず、るつぼ２の下部にこれと一体に形成された種子結晶装着部（以下、シード保持部という）１０に、るつぼ２の上方から種子結晶１を装着する。つぎに、原料となる固体状態の結晶原料（ＧａＡｓ原料）１１を充填した後、さらに固体状態の封止剤１２を充填する。充填後、発熱体８に通電して炉内を所定の温度まで加熱して、封止剤１２の軟化、結晶原料１１の融解を経て、種子付けにより単結晶育成を開始し、徐々に結晶成長を進行させる。この様子を図７に示した。
単結晶の育成は、炉内の温度を下方部が低くなるように温度勾配を設け、るつぼ２の下部から上方に向かって原料融液を徐々に固化させ、結晶形状をるつぼ２の形状に規定しながら単結晶を成長させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の結晶育成用るつぼには、育成する結晶への不純物の混入を少なくするため、るつぼ材料に熱分解窒化ほう素（ＰＢＮ）が多用されている。
しかし、ＰＢＮるつぼは、製造原価が非常に高いことに加えて、るつぼ形状に対する仕上がり寸法精度は、加工原理上必ずしも良くないことが知られている。また、るつぼの下部に設けられるシード保持部の寸法精度は、種子結晶の装着・脱着作業の難易性や単結晶育成の歩留りに重大な影響を及ぼす。例えば、シード保持部の内径が設計値より小さく製作された場合、種子結晶の外径をエッチングなどで縮径してシード保持部の内径に整合させる必要が生じる。また、ほぼ整合していても、多少でもきつめの場合はその装着作業が困難であったり、無理をして装着した場合は、結晶育成後の脱離が困難になり、育成された結晶や高価なるつぼを破壊することがあった。
【０００６】
他方、シード保持部の内径が設計値より大きく製作された場合は、図６に模式的に示すように、種子結晶１がシード保持部１０に傾いて装着され、その結果、結晶の成長方位がずれたり、図７に模式的に示すように、種子付け時に種子結晶先端部１３とるつぼ２の内壁との間に接触が起こり、この状態で育成が行われると結晶境界１４が育成結晶３中に発生し、結晶３は多結晶化する。
このように従来のるつぼには、特に、このシード保持部１０の構造や寸法精度が悪いことに起因する多くの結晶育成上の問題が存在していた。
【０００７】
これに対して、るつぼ製造後の検査で寸法の揃ったるつぼを選別して使用することもできるが、実際には、るつぼ２のシード保持部１０の狭い部分を高精度に寸法測定することが困難であることや、寸法規格外れのるつぼを不良品として扱うことは、高価なＰＢＮるつぼの製造原価をさらに増大させる結果となり、有効な解決策とはいえない。
【０００８】
この解決手段の一つとして、特許第２７２３２４９号公報は、精度のよくないＰＢＮるつぼの底部に精度よく種子結晶を保持させるため、加工して種子結晶の寸法に精度よく合わせた種子結晶保持用部品をＰＢＮるつぼの底部にはめ込み、装着する方法を提案している。しかし、この方法には、１）種子結晶保持用部品を精度良く加工する必要が有り、先に述べたシード保持部の狭い部分を高精度に寸法測定することが困難である。２）この部品とるつぼ本体とを接合する部分においても加工精度が必要である。また場合によっては、３）種子結晶を特殊な形状に加工する必要が有りコスト高になる。さらに、４）シード部を取り外さない形式の容器や、底部を密封したままで使用する容器においては、この手法を適用することができない、等の不具合があった。
【０００９】
本発明は、垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）または液体封止垂直ブリッジマン法（液体封止垂直温度勾配凝固法）による単結晶育成の歩留りを大幅に向上することのできる単結晶育成用るつぼの提供を課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意研究の結果、単結晶製造用容器のシード保持部に種子結晶を精度よく垂直に保持することができ、さらに、容器の底部が密封型でも、開放部にキャップを付ける型でも適応できる方法を見出し、上記課題を解決したものである。
すなわち、本発明の単結晶製造用容器は、円筒形容器の底部に、これより小径の円筒形部分からなるシード保持部を有し、該シード保持部の横断面形状が、真円径部分と該真円径の９９〜９０％寸法部分を有することを特徴としている。
また、シード保持部の横断面形状において、扁平部を３箇所１２０°回転対象位置に設け、この扁平部をシード保持部の１／５乃至全長にわたって設け、さらに、シード保持部を、容器本体と分離、はめ込み可能な構造とするのが好ましい。また、この容器の材質としては、熱分解窒化ほう素（ＰＢＮ）が好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明においてるつぼ等の単結晶製造用容器（以下、るつぼで代表する）は、上記したようにシード保持部に、横断面形状において、真円径部分と該真円径の９９〜９０％寸法部分を設けるものである。
以下、図を用いてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明のるつぼ構造の一例を示し、（ａ）はるつぼの模式縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ったシード保持部の横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿ったシード保持部の横断面図である。図において、るつぼ２内には固体状態の結晶原料１１、さらにその上に固体状態の封止剤１２が充填され、シード保持部１０に種子結晶１が垂直に保持されている。
【００１２】
シード保持部１０は、Ａ−Ａ断面部では、図１（ｂ）のように真円をなしているが、Ｂ−Ｂ断面部では、図１（ｃ）に示すように、１２０°回転対象位置に扁平部１５が３箇所に設けられ、種子結晶１は扁平部１５で垂直に保持されている。この扁平部１５は、シード保持部１０の少なくとも１／５の長さにわたって設けられ、シード保持部１０の内径と種子結晶１との間の加工精度が低くすきまが存在しても、種子結晶１は傾くことなく、扁平部の弾性変形により緊密かつ垂直に高い位置精度で保持される。
【００１３】
図２は、シード保持部１０に設けられた扁平部１５を示す横断面図である。真円径の円周部に（ａ）は１２０°、（ｂ）は９０°回転対象位置に扁平部１５を設けたものであり、これらの扁平部１５はそれぞれ正三角形、正四角形の辺部に対応している。これらの扁平部１５は、真円径の９９〜９０％寸法部分の位置に、換言すると、真円径の中心Ｏからの距離ｒ1が真円径の半径ｒ2の０．９９〜０．９０倍となる位置に設けられている。
この他に、扁平部を正五角形、正六角形の辺部に対応する７２°あるいは６０°回転対象位置に設けてもよい。
【００１４】
このような構造は、シード保持部が密封型でも、底部開放部にキャップを付ける型に対しても適用することができる。キャップ型の場合はキャップ部分に上記扁平部を設けることで、るつぼ本体と種子結晶との寸法が若干ずれていてもキャップを装着したとき、種子結晶はキャップの扁平部の弾性変形により強く装着される。
このような構成のるつぼを用いて、第３〜５族化合物半導体単結晶を高い歩留で製造することができる。
【００１５】
【実施例】
ＣＶＤ反応炉内に、基材として、黒鉛製円筒の下端にこれより細い円筒が同軸に接続された型を設置し、１９００℃に昇温後、ＢＣｌ3：１Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2：５Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3：４Ｌ／ｍｉｎの各ガスを供給し、炉内平均圧力２Ｔｏｒｒで２０時間、基材表面にＰＢＮを成長させた後、ガスの供給を停止し、室温まで冷やして円筒形容器の底部にこれより細い円筒形部分を有するＰＢＮ容器を得た。
このとき、シード保持部の細い円筒部分のサイズが、（１）内径７ｍｍ〜７．５ｍｍで扁平部を３角形の三辺に対応する位置に有する物、（２）内径７ｍｍの真円の物、（３）内径７．５ｍｍの真円の物を作製し、以下の実施例、比較例に供した。
【００１６】
（実施例１）
本体部の内径５３ｍｍ、シード保持部の内径７ｍｍ〜７．５ｍｍで扁平部を３角形の三辺に対応する位置に設けた図１に示すＰＢＮるつぼに、外径７．１ｍｍの＜１１１＞方位のＧａＡｓ種子結晶を装着しようとしたところ、種子結晶は扁平部で垂直に容易に保持・装着された。このＰＢＮるつぼを図５に示すＶＧＦ炉（垂直ブリッジマン炉）にセットし、本体部に１，５００ｇのＧａＡｓ多結晶（結晶原料）と１５０ｇのＢ2Ｏ3（封止剤）を充填し、結晶育成を行った。これを１０回繰り返したところ、全て良好なＧａＡｓ単結晶を得ることができた。
【００１７】
（実施例２）
本体部の内径５３ｍｍ、シード保持部の内径７ｍｍ〜７．５ｍｍで扁平部を３角形の三辺に対応する位置に設けたＰＢＮるつぼのシード保持部先端を切断し、ここにこれに被さる寸法のキャップを装着した（図３参照）。このシード保持部に外径７．１ｍｍの＜１１１＞方位のＧａＡｓ種子結晶を装着しようとしたところ、種子結晶は扁平部で垂直に容易に保持・装着された。また、キャップも容易に装着できた。本体部に１，５００ｇのＧａＡｓ多結晶、１５０ｇのＢ2Ｏ3を充填し、図５に示すＶＧＦ炉により結晶成長を行った。これを１０回繰り返したところ、全て良好なＧａＡｓ単結晶を得ることができた。
【００１８】
（実施例３）
本体部の内径５３ｍｍ、シード保持部の内径７．５ｍｍで扁平部のないＰＢＮるつぼのシード部先端を切断し、ここにキャップを装着した。キャップには扁平部を３角形の三辺に対応する位置に設けた（図４参照）。シード保持部に外径７．１ｍｍの＜１１１＞方位のＧａＡｓ種子結晶を装着しようとしたところ、種子結晶は扁平部で垂直に容易に保持・装着された。本体部に１，５００ｇのＧａＡｓ多結晶、１５０ｇのＢ2Ｏ3を充填し、図５に示すＶＧＦ炉により結晶成長を行った。これを１０回繰り返したところ、全て良好なＧａＡｓ単結晶を得ることができた。
【００１９】
（比較例１）
本体部の内径５３ｍｍ、シード保持部の内径を７．２ｍｍの真円に機械加工で仕上げたＰＢＮるつぼに、外径７．１ｍｍの＜１１１＞方位のＧａＡｓ種子結晶を装着しようとしたが、なかなか装着できず容器を破損してしまった。破損したシード保持部を観察したところ、内径加工時に出来たと思われる内表面にささくれがあり、これが結晶に引っかかり破損に至ったものと考えられる。
【００２０】
（比較例２）
本体部の内径５３ｍｍで、シード保持部が扁平していない内径７．５ｍｍの図６に示すＰＢＮるつぼに、外径７．１ｍｍで＜１１１＞方位のＧａＡｓ種子結晶を装着しようとしたところ容易に装着できたが、種子結晶を垂直に保持することはできなかった。本体部に１，５００ｇのＧａＡｓ多結晶、１５０ｇのＢ2Ｏ3を充填し、図５に示すＶＧＦ炉で結晶の育成を行った。これを１０回繰り返したところ、このうち６回は多結晶化してしまった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の単結晶製造用容器は、容器のシード保持部またはこのキャップに扁平部を設けたことにより、種子結晶は扁平部でこの弾性変形により確実に垂直に保持され、高い歩留りで単結晶を製造することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のるつぼ構造を示し、（ａ）はるつぼの模式縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ったシード保持部の横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿ったシード保持部の横断面図である。
【図２】  シード保持部に設けられる扁平部の態様を示し、真円径の円周部に（ａ）は１２０°、（ｂ）は９０°回転対象位置に設けられた扁平部での横断面図である。
【図３】  本発明の他のるつぼ構造を示し、（ａ）はるつぼの模式縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。
【図４】  本発明の他のるつぼ構造を示し、（ａ）はるつぼの模式縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った横断面図である
【図５】  ＶＧＦ法でＧａＡｓ単結晶育成に用いられる炉の内部を模式的に示した模式縦断面図である。
【図６】  るつぼ内部に、種子結晶及び結晶原料が装着・充填された様子を示す模式縦断面図である。
【図７】  結晶育成中の様子を示す模式縦断面図である。
【符号の説明】
１…種子結晶
２…るつぼ
３…単結晶
４…原料融液
５…封止剤
６…るつぼホルダー
７…るつぼ台軸
８…発熱体
９…気密容器
１０…シード保持部
１１…固体状態の結晶原料
１２…固体状態の封止剤
１３…種子結晶先端部
１４…結晶境界
１５…扁平部
１６…キャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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