JP2001089287A - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切断と研磨加工を行うことなく、所定の製品
形状とすることが可能な単結晶の製造方法を提供する。 【解決手段】 融液３を収納するための容器１と、その
両側に左右対称に配置されたヒーター２とを備えてい
る。容器１は、正面の断面が左右対称となる形状を有し
ている。容器１内に結晶の融液３が収納された状態で、
容器１の上方が高温、下方が低温となる温度勾配をヒー
ター２により形成すると、高温融液は容器１の内壁面に
沿って上昇していく。容器１を左右に二等分する鉛直線
を含む平面（鏡面対称面）１１の左側の融液は時計回り
に上昇し、鏡面対称面１１の右側の融液は反時計回りに
上昇する。これら左右対称の流れを有する融液は容器上
端の鏡面対称面で衝突し、両者は下降流れとなって容器
下端の低温部へと向かう。容器１の下端部の温度を融液
素材の融点より徐々に下げていくと融液は単結晶化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶の製造方法
に関し、特に多種多様な形状の単結晶を切断・加工工程
を要することなく製造することのできる単結晶の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般的な単結晶の製造方法として
は、引き上げ法（チョクラルスキー法）、引き下げ法
（ブリッジマン法）などが知られている。引き上げ法
は、まず単結晶の材料を石英やカーボンなどでできた坩
堝に入れ、ヒーターで加熱して融液を作成し、次に種結
晶を回転させながら融液に浸し、徐々に引き上げること
により、融解している結晶材料を自然凝固させ、単結晶
インゴットを製造する。また、引き下げ法は、適当な温
度勾配を有する炉内で、融液を収納した容器を下方へ移
動させるか、または炉の温度を下げることにより、容器
の下方の先端部から融液を凝固させ、単結晶インゴット
を製造する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記二つの方法で製造
した単結晶はいずれもインゴットであるため、製品の形
状にするためには、インゴットの切断と研磨が必要であ
る。このため、切断装置と研磨装置が必要であり、かつ
手間がかかる。さらに、その工程で、捨てられてしまう
結晶があるため、材料が無駄になる。

【０００４】また、切断時に切断面が損傷を受けるた
め、結晶品質の低下を招く。その対策として切断損傷面
を研磨加工して除去する必要があり、これもコストアッ
プの要因となる。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、切断加工と損傷面除去のための研磨加
工とを行うことなく、所定の製品形状とすることが可能
な単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る単結晶の製
造方法は、結晶材料融液を収納した容器内に、前記結晶
材料融液の鏡面対称対流を発生させ、前記容器を下方か
ら徐々に冷却することにより、単結晶を製造することを
特徴とするものである。

【０００７】本発明によれば、容器の内部空間の形状を
製品に合わせて設定することにより、切断加工と損傷面
除去のための研磨加工とを行うことなく、所定の形状を
有する高品質な単結晶を製造することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。まず、図１を参照し
ながら、本発明の原理を説明する。図１（ａ）に示すよ
うに、多くの物質ではそれが液体となっている状態のあ
る温度Ｔ₀ を基準にすると、それより高い温度Ｔ₂ の
液体の密度は温度Ｔ₀ の液体の密度より小さく、逆に
温度Ｔ₀ より低い温度Ｔ₁ の液体の密度は温度Ｔ₀
の液体の密度より大きい。このように密度差がある液体
が重力下に存在すると、図１（ｂ）に示すように対流が
起き、流体は混ざり合うことになる。

【０００９】図２は本発明の実施の形態の単結晶製造方
法を実施するための原理的な装置の正面の断面図であ
る。この装置は、結晶材料の融液３を収納するための容
器１と、その両側に左右対称に配置されたヒーター２と
を備えている。容器１は、正面の断面が左右対称となる
形状を有している。図２の場合、正面の断面形状は円形
であるが、後述するように菱形、矩形などの多角形でも
よい。ただし、多角形の場合、後述する鏡面対称対流を
発生させるために、上端と下端に頂点が来るように設定
する。断面が円形の場合、その厚みは円の直径の５０％
以下、菱形などの場合は対角線の長さの５０％以下にす
ることが好ましい。

【００１０】図２において、容器１内に結晶の融液が収
納された状態で、容器１の上方が高温、下方が低温（た
だし、いずれも融液の融点以上）となる温度勾配をヒー
ター２により形成すると、高温融液は容器１の断面が円
形の内壁面に沿って上昇していく。図２において、容器
１を左右に二等分する鉛直線を含む平面（以下、鏡面対
称面という）１１の左側の融液は時計回りに上昇し、鏡
面対称面１１の右側の融液は反時計回りに上昇する。こ
れら左右対称の流れを有する融液は容器上端の鏡面対称
面で衝突し、両者は下降流れとなって容器下端の低温部
へと向かう。以下、この流れを鏡面対称対流という。こ
こで、容器１の下端部の温度を融液素材の融点より徐々
に下げていくと融液は固化、つまり結晶化する。

【００１１】実際に結晶化させる際には、図３（ａ）に
示すように、容器１の下端の中心に種結晶４を配置す
る。その状態から、図３（ｂ）に示すように容器１を下
方へ移動させることにより、容器１の下端から種結晶４
を中心に単結晶が成長していく。図３（ｃ）に示すよう
に、容器１をさらに下方へ移動させることにより、徐々
に容器１の上方へ単結晶５を成長させることができる。
ここで、特徴的なことは、容器１内の融液が鏡面対称流
を形成しているため、融液３と単結晶５との境界面が凸
面になる傾向が強く、単結晶化しやすいことである。な
お、図３（ｂ）、（ｃ）における白抜の矢印は結晶成長
方向である。

【００１２】図４は図２と図３に示した容器１の詳細と
製造された単結晶を示す図である。ここで、図４（ａ）
は正面の断面図、図４（ｂ）は側面の断面図、図４
（ｃ）は単結晶の斜視図である。

【００１３】図４（ａ）、（ｂ）に示すように、融液３
を収納する容器は、内容器２１と外容器２２とから構成
されている。内容器２１は、内部に融液３を収納する空
間を備えている。この空間はほぼ円板形であり、下端に
は種結晶４を配置するための部分が設けられ、上端には
オーバーフローした融液３を逃がすための通路２３が設
けられている。内容器２１の上面には、断面が略コの字
形の内容器蓋２４が載せられ、融液溜２５を形成する。

【００１４】以上のように構成された内容器１の空間２
３の下の部分２４に種結晶を配置するとともに、空間２
３内に結晶の材料を収納する。このとき、材料を溶かし
た融液３が空間２３から溢れて融液溜２７に達するよう
に、材料を多めに入れる。次に、図示されていないヒー
ターを動作させて、結晶の材料を融液３にするととも
に、図２に示したように、上方が高温、下方が低温とな
るような温度勾配を形成する。この時、種結晶４も溶か
す。そして、図３（ｂ）、（ｃ）と同様に、外容器２２
を下方へ移動させることで、融液３を結晶化する。結晶
化が終了した後、内容器２１を外容器２３から取り出
し、さらに内容器２１を分解して、図４（ｃ）に示すよ
うな円板状結晶を取り出す。

【００１５】図５、図６、図７に示すように、内容器２
１内の空間２３の形状を変えたり、内容器２３の構造を
変えたりすることにより、角形板状結晶、凸レンズ状結
晶、薄板状結晶などを製造することも可能である。ただ
し、図７の場合には、融液を収納する空間の下端がフラ
ットであるため、種結晶を半円板状とし、その１／３程
度を溶かして、鏡面対称対流を発生させることが望まし
い。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、下記（１）〜（５）の効果が得られる。 （１）切断工程が存在しないため、切断装置、切断時
間、切断の手間、切断による材料の無駄が全てなくな
る。

【００１７】（２）切断加工時に切断損傷面が発生しな
いため、製品の品質が向上する。 （３）結晶成長用の容器（坩堝）の空間の形状を選定す
ることにより、多種多様な形状、例えば円板状、角形板
状、レンズ状、薄板状などの単結晶を製造することがで
きる。

【００１８】（４）鏡面対称対流が形成されるため、単
結晶化しやすくなり、品質の高い単結晶が得られる。 （５）結晶の材料を選定することにより、各種材料、例
えばフッ化カルシウムなどの光学材料の単結晶、ゲルマ
ニウムなどの半導体材料の単結晶を製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図である。

【図２】本発明の実施の形態の単結晶製造方法を実施す
るための原理的な装置の正面の断面図である。

【図３】図２に示した装置を用いて結晶を製造するプロ
セスを説明するための図である。

【図４】図２と図３に示した容器の詳細と製造された結
晶を示す図である。

【図５】容器の別の構成例とそれを用いて製造された結
晶を示す図である。

【図６】容器のさらに別の構成例とそれを用いて製造さ
れた結晶を示す図である。

【図７】容器のその他の構成例とそれを用いて製造され
た結晶を示す図である。

【符号の説明】

１ 容器 ２ ヒーター ３ 融液 ４ 種結晶 ５ 単結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 BB10 BE02 CD08 ED01 EG18 EG25 EH07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶材料融液を収納した容器内に、前記
   結晶材料融液の鏡面対称対流を発生させ、前記容器を下
   方から徐々に冷却することにより、単結晶を製造するこ
   とを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記容器は、鉛直線を含む平面に対して
   面対称であり、かつ前記平面の位置において上端と下端
   を有する形状の内部空間を備えていることを特徴とする
   請求項１記載の単結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 前記平面の両側の容器の外側にヒーター
   を配置し、前記ヒーターにより、上方が高く、下方が低
   い温度勾配を形成することにより、前記鏡面対称対流を
   発生させることを特徴とする請求項２記載の単結晶の製
   造方法。