JP2003267793A

JP2003267793A - 結晶育成装置

Info

Publication number: JP2003267793A
Application number: JP2002072177A
Authority: JP
Inventors: Akio Ikesue; 明生池末; Shinichi Kakita; 進一柿田; Koji Yu; 浩二勇
Original assignee: Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: JP4061466B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の溶融法と比較して効率的に結晶成長を行
うことができる結晶育成装置を提供することを主な目的
とする。【解決手段】固体材料の結晶育成を行う炉体であって、
炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一部を
冷却することができる冷却手段が設けられていることを
特徴とする結晶育成装置に係る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結体等の結晶育
成を行うための装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、半導体等に使用される単結晶材
料を育成する方法として、チョクラルスキー法（溶融成
長法）が盛んに利用されている。レーザー分野に使用さ
れる材料においても、上記方法により単結晶が製造され
ている。

【０００３】このような方法で単結晶を製造する場合、
溶融した結晶材料（原料）を使用するため、結晶材料の
融点よりも高い温度まで加熱できる設備が求められる。
それと同時に、坩堝も、結晶材料の融点よりも高い材質
を使用しなければならい。実際上、坩堝材として高価な
イリジウムが使用され、加熱装置として高周波誘導加熱
式装置が使用されている。このため、上記方法では、設
備の高額化を避けることは不可能である。

【０００４】また、結晶育成する工程では、引き上げ装
置の先端に種結晶を取り付け、溶融体の表面にちょうど
触れるように注意深く吊される。種のついた引き上げ棒
はゆっくり回転し、垂直に上昇する。そして、溶融温度
・引き上げ温度の条件がうまく合致すれば、溶融体の表
面から結晶は成長し、種結晶の上に少しずつ育成されて
いく。この場合の育成時間は、結晶材料の種類等によっ
て異なるが、例えば光学材料では育成速度０．１〜０．
５ｍｍ／ｈｒと極めて遅く、１本の単結晶の育成期間が
数週間から数ヶ月に及ぶケースも希でなく、また育成炉
１機に対して１本のインゴットしか出来ない欠点があ
る。そのため、上記方法は生産性が低く、大量生産又は
大型の単結晶の製造に適合するプロセスとは言い難いた
め、単結晶材料は高価となり産業上の利用範囲の制約が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、従
来の溶融法と比較して効率的に結晶成長を行うことがで
きる結晶育成装置を提供することを主な目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術の
問題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、特定の構成からな
る装置が上記目的を達成できることを見出し、本発明を
完成するに至った。

【０００７】すなわち、本発明は、下記の結晶育成装置
に係る。

【０００８】１．固体材料の結晶育成を行う炉体であっ
て、炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一
部を冷却することができる冷却手段が設けられているこ
とを特徴とする結晶育成装置。

【０００９】２．冷却手段が、１）固体材料の一部及び
／又は２）固体材料に接触した部材の一部又は全部に冷
媒を当てることにより冷却する前記項１記載の結晶育成
装置。

【００１０】３．加熱手段として、固体材料の一部を加
熱できる局部加熱手段を有する前記項１記載の結晶育成
装置。

【００１１】４．炉体内部が２つの分室から構成されて
いる前記項１記載の結晶育成装置。

【００１２】５．固体材料を載せるための試料台を有す
る前記項１記載の結晶育成装置。

【００１３】６．試料台が、当該試料台の面に垂直な方
向を軸として回転できる機構を有する前記項５記載の結
晶育成装置。

【００１４】７．試料台が、当該試料台の面に垂直な方
向に移動できる機構を有する前記項５又は６に記載の結
晶育成装置。

【００１５】８．試料台が、当該試料台の面に平行な方
向に移動できる機構を有する前記項５〜７のいずれかに
記載の結晶育成装置。

【００１６】９．装置外部から冷媒を導入するための冷
却管が設けられ、冷却管の開口部から冷媒を１）固体材
料の一部及び／又は２）固体材料に接触した部材の一部
又は全部に当てるように構成された前記項１記載の結晶
育成装置。

【００１７】１０．装置外部から冷媒を導入するための
冷却管が設けられ、冷却管の一部が固体材料又は固体材
料に接触した部材に接触するように構成された前記項１
記載の結晶育成装置。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の結晶育成装置は、固体材
料の結晶育成を行う炉体であって、炉体内部に加熱手段
が備えられ、当該固体材料の一部を冷却することができ
る冷却手段が設けられていることを特徴とする。

【００１９】固体材料は、結晶育成が可能な固体であれ
ば特に限定されない。従って、無機材料、金属(合金、
金属間化合物等を含む。）、有機材料等のいずれで良
い。また、固体材料は、粉末の成形体（圧粉体）、仮焼
体、焼結体等のいずれであっても良い。また、結晶質・
非晶質のどちらであっても良い。固体材料の形状は、限
定的ではなく、所望の結晶形態等に応じて決定できる。
例えば、単結晶を育成する場合等は、円錐形状の固体材
料を用いることができる。

【００２０】炉体の形式は特に限定されず、例えば公知
の加熱炉（電気炉）における炉体のように、少なくとも
固体材料の挿入口、固体材料を加熱又は冷却するための
空間等があれば良い。

【００２１】本発明装置では、炉体内部は、２つの分室
（ゾーン）から構成されていることが好ましい。例え
ば、第一分室を高温室（結晶成長ゾーン）とし、第二分
室を第一分室よりも低い温度に保つ低温室とすることに
より、より効果的な結晶成長を行うことができる。この
場合、例えば１）第一分室に加熱手段を設け、第二分室
には加熱手段を設けないという組合せ、２）第一分室及
び第二分室に加熱手段を設けるという組合せ等を適宜採
用できる。

【００２２】加熱手段は、公知の加熱手段と同様のもの
を採用できる。例えば、抵抗加熱、誘導加熱、マイクロ
波等のような電気を熱源とするもの、ＬＰＧガス、プロ
パンガス等の気体燃料を熱源とするもの、重油、軽油、
灯油等の液体燃料を熱源とするものが使用できる。ま
た、レーザ、ランプ等も加熱手段として使用することが
できる。これらの加熱手段は、１種又は２種以上を組合
せて使用することができる。

【００２３】特に、固体材料の一部を加熱する場合に
は、上記の加熱手段（炉内雰囲気を均一に加熱にするた
めの均熱化手段）のほかに、レーザ（単色光）、ランプ
（白色光）等の局部加熱手段を好適に採用することがで
きる。具体的には、波長０．２〜１１μｍ程度のレー
ザ、ハロゲン、赤外線、キセノン等のランプが例示でき
る。レーザ又はランプの出力は、対象となる固体材料の
種類、目的とする結晶等に応じて適宜設定すれば良い
が、通常は１Ｗ〜１０ｋＷ程度とすれば良い。局部加熱
手段は、単独使用又は他の加熱手段と併用することがで
きる。

【００２４】加熱手段（局部加熱手段を含む。）の設置
場所及び設置数は、装置の規模、所望の性能、加熱手段
の種類等に応じて適宜設定すれば良い。例えば、炉内雰
囲気全体を加熱する場合には、炉内の壁面、天井等に電
気ヒーター、ガスヒーター等を加熱に必要な数だけ設置
すれば良い。一般的には、炉内を育成物質の融点の９５
％程度まで加熱できるのに十分な加熱手段を設置すれば
良い。

【００２５】本発明装置における冷却手段は、固体材料
の一部を冷却することができる方法であれば特に限定さ
れない。また、固体材料の一部を冷却できる限り、直接
的な冷却又は間接的な冷却のいずれであっても良い。本
発明装置では、特に、加熱されている固体材料の内部に
所望の温度勾配を与えることができるように冷却できる
手段であることが望ましい。

【００２６】本発明装置では、冷却手段として、気体及
び／又は液体の冷媒を用いることにより、固体材料の一
部を直接的又は間接的に冷却することが望ましい。特
に、１）固体材料の一部及び／又は２）固体材料に接触
した部材の一部又は全部に冷媒を当てることにより冷却
することが好ましい。

【００２７】冷媒としては、空気、不活性ガス、二酸化
炭素、窒素、酸素、水素等の気体、水、アルコール、シ
リコンオイル等の液体が例示される。これらは単独又は
２種以上を組み合わせて適用することができる。特に、
気体冷媒及び液体冷媒の併用も可能である。冷媒の流量
は、冷媒の種類等に応じて適宜設定すれば良い。例え
ば、気体冷媒の場合は０．５〜５０Ｌ／ｍｉｎの範囲内
で決定すれば良い。

【００２８】固体材料の一部の冷却方法としては、例え
ば冷媒を固体材料に接触させることにより固体材料を直
接的に冷却する方法、あるいは固体材料と接触する部材
に冷媒を当てることによって固体材料を間接的に冷却す
る方法等が挙げられる。

【００２９】上記部材としては、ヒートシンク材を用い
ることができる。ヒートシンク材としては、セラミック
ス、金属等の無機材料を使用できる。特に熱伝導性が高
いものが好ましく、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上の材料が
より好ましい。また、冷却管に冷媒を循環させ、その冷
却管を介して固体材料の一部を冷却することもできる。
このような場合は、上記冷却管が上記部材に該当する。
また、後記の試料台を用いる場合は、試料台に冷媒を当
てることによって固体材料の一部を冷却することができ
る。

【００３０】冷媒を使用する場合には、冷媒用の流路と
して、冷媒が流通できる冷却管等を使用することが好ま
しい。冷却管の形式、素材等は、冷媒の種類、所望の冷
却能力等に応じて適宜設定できる。冷却管は、冷媒が炉
内に流出できるような開口部を有するオープンシステ
ム、冷媒が炉内に流出せずに循環するクローズドシステ
ム等のいずれの形式も採用することができる。特に、液
体冷媒の場合は、クローズドシステムを採用することが
望ましい。

【００３１】冷却管を採用する場合、冷却管の開口部が
固体材料に向けられているような構成としても良い。気
体冷媒の場合は、気体冷媒が固体材料に接触するように
しても良い。

【００３２】本発明装置では、固体試料を載せるための
試料台を設置しても良い。また、試料台として前記ヒー
トシンク材を用いることもできる。試料台の形状、材質
等は、用いる固体材料の種類、大きさ等に応じて適宜決
定すれば良い。

【００３３】試料台は、当該試料台の面に垂直な方向を
軸として回転できる機構（回転機構）、当該試料台の面
に垂直な方向に移動できる機構（昇降機構）、当該試料
台の面に平行な方向に移動できる機構（平行移動機構）
等の少なくとも１種の機構を有する可動式であることが
望ましい。特に、回転機構又は昇降機構を採用すること
によって、加熱温度、温度勾配等の制御を自由に行うこ
とができる。また、平行移動機構により、複数の試料台
を連続的に炉内に導入でき、より大量の単結晶製造が可
能となる。これらの機構自体は、公知の機構を採用する
ことができる。また、これらの制御機構については、実
移動距離モニター、移動速度プログラム等の公知の制御
システムを適宜採用することができる。

【００３４】本発明装置は、固体材料を炉内に配置し、
加熱手段及び冷却手段を適宜作動させることにより、結
晶育成を行うことができる。この場合、炉内に固体材料
を配置する前に加熱手段を作動させて予め炉内を加熱し
ておいても良い。

【００３５】特に、試料台に上記昇降機構が備えられた
装置では、炉内における試料台の昇降（試料台の挿入速
度の制御）により結晶成長を制御することができる。例
えば、１）予め一定温度に保持された炉内に固体材料の
一部を冷却しながら固体材料の一端を挿入する方法（非
冷却方向からの挿入）、２）加熱を伴いながら固体材料
の一端を炉内に挿入する方法（加熱方向からの挿入）、
３）固体材料の一部を冷却するとともに他の一部を加熱
しながら炉内に挿入する方法（加熱方向からの挿入）等
が挙げられる。挿入速度は、通常０．１〜２０ｍｍ／ｈ
の範囲内で適宜設定すれば良い。

【００３６】結晶育成は、加熱手段及び冷却手段を制御
することにより、固体材料の内部に温度勾配を与えるこ
とが望ましい。具体的には、冷却手段、加熱手段及び局
部加熱手段を適宜組み合わせることによって温度勾配を
付与することができる。例えば、１）固体材料の一部を
加熱する方法、２）固体材料全体を加熱しながら、固体
材料の一部を冷却する方法、３）固体材料の一部を加熱
しながら、固体材料の別の一部を冷却する方法等が挙げ
られる。

【００３７】固体材料に与える温度勾配は、用いる固体
材料の種類等に応じて適宜設定すれば良いが、通常は平
均温度勾配１０℃／ｃｍ以上とすることが望ましい。上
記の平均温度勾配は、固体材料のうち最高温度部分と最
低温度部分における温度差を、上記最高温度部分と上記
最低温度部分との最短距離で除した値をいう。上記温度
差は、熱電対を上記最高温度部分と上記最低温度部分に
設置することにより測定することができる。

【００３８】炉内雰囲気は、用いる固体材料の種類等に
応じて適宜調整することができる。例えば、酸化性雰囲
気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気等のいずれの雰囲
気にすることもできる。また、加圧雰囲気、減圧雰囲
気、真空雰囲気等も公知の方法に従って調整すれば良
い。具体的には、例えば本発明装置の炉内に雰囲気ガス
導入口又は排出口を設け、雰囲気ガスの調整、雰囲気ガ
スの導入、圧力制御等を行えば良い。

【００３９】

【発明の効果】本発明の結晶育成装置によれば、効率的
に結晶成長を行うことができる。このため、通常の多結
晶はもとより、単結晶又は配向性多結晶を比較的容易に
製造することができる。特に、本発明の結晶育成装置で
は、固体材料の内部に温度勾配を自由に与えることがで
きるので、あらゆるタイプの結晶（特に単結晶）の製造
に効果的に適用できる。

【００４０】本発明装置では、従来の溶融式の装置に比
べ、比較的速くかつ低温で結晶育成することができる。
このため、効率的・コスト的に有利であり、より低価格
で単結晶等を提供することが可能となる。

【００４１】従来の溶融凝固法では、物質の溶解とと
もに分解・蒸発を伴うもの、凝固点以下の温度で相転
移を伴い結晶育成が不可能であったもの、ＬｉＮｂＯ
単結晶₃、ＬｉＴａＯ₃単結晶等のように状態図的な制約
からストイキオメトリー(化学量論組成)の単結晶の作製
が困難なものなどがあった。これに対し、本発明装置で
は、これら従来技術で製造することが困難とされていた
材料であっても、その物質の融点以下で単結晶等の育成
を行える。このため、本発明装置は、新たな物質合成又
は単結晶材料の高品質化に大いに期待できる。

【００４２】さらに、本発明の結晶育成装置は、溶融法
では困難とされていた単結晶の大量供給が可能となるこ
とから、工業的規模での単結晶製造等に最適である。

【００４３】

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定される
ものではない。

【００４４】実施例１光通信用アイソレーター等に使用されるＹＩＧを用い、
本発明装置によりＹＩＧ単結晶の育成を行った。（１）本発明装置本発明装置の概要を図１に示す。炉体は直方体であり、
炉体内部は上方分室・下方分室の２つの分室から構成さ
れている。上方分室は結晶育成室（７）として使用さ
れ、複数のヒーターが設置されている。下方分室は低温
室（８）として使用され、ヒーターは設置されていない
一方、雰囲気ガスの導入口（９）及びサブガス導入口
（６）が設けられている。両分室を区切る壁の中心付近
と下方分室の底面の中心付近には、貫通口が開けられて
おり、その下方から試料配置装置が挿入される構成とな
っている。

【００４５】試料配置装置は、固体材料（焼結材料）
（１）を載せるための試料台（２）及び受け台（３）
（試料台受け台）を有し、試料台はスペーサー（３）を
介して受け台に連結されている。試料台は円形であり、
その中心部に固体材料（１）を設置すれば良い。受け台
は筒型形状であり、その中心部に冷却管（５）（メイン
ガス導入パイプ）が通っており、その冷却管の開口部が
試料台の中心に向けられている。試料台及び受け台の直
径は、上記貫通口の直径よりもやや小さめに作製されて
いる。

【００４６】また、試料配置装置は、図１に示すよう
に、試料台の面に垂直な方向を軸として回転できる機構
（回転機構）及び当該試料台の面に垂直な方向に移動で
きる機構（昇降機構）を有する。昇降機構については、
図２に示すような状態を最下位置とし、図３に示すよう
な状態を最上位置とすることができる。

【００４７】これらの回転機構及び昇降機構は、それぞ
れ公知の機構を採用することもできる。例えば図５
（Ｂ）に示すように、回転機構は、試料配置装置の中心
部に回転軸を通し、その回転軸の下端を回転モーターに
接続して試料配置装置全体を回転できるようにすれば良
い。また、昇降機構は、試料配置装置の下部に支持板を
固定し、その支持板の両側に鉛直に設置された２つのシ
ャフト（１以上であれば良い。）に貫通させて装置全体
が移動できるようにする。シャフトはボールねじ回転式
とし、シャフトの回転により支持板が昇降できるように
すれば良い。シャフトは、昇降用モーターにより回転さ
せれば良い。図５（Ａ）は、試料台が上昇した状態を示
す。

【００４８】図１に示すように、冷却管（５）には、外
部より冷媒としてガス（１０）が導入され、試料台
（２）に向かって送り込まれる。送り込まれたガスは、
炉内の天井に設けられた排出口より主として排出され
る。別の態様としては、図４に示すように、冷却管とし
て太管の中に開口部を有する細管を挿入し、細管の開口
部から冷媒を太管内に流出させ、流出した冷媒は太管に
入って系外に排出されるクローズドシステムすることも
できる。この場合は、冷媒が炉内に流出せずに循環させ
ることができ、繰り返し冷媒を用いることができる。特
に、冷媒として液体冷媒を用いる場合に有効である。

【００４９】また、装置全体の構造としては、純粋な雰
囲気調整が可能とするため、水冷ジャケット式の密閉式
のＳＵＳチャンバーを使用した。これにより、各種の雰
囲気ガス、減圧雰囲気・加圧雰囲気等のいずれにも対応
することが可能である。（２）単結晶の育成まず、９８ＭＰａの圧力にてラバープレスしたＹ₂Ｏ₃-
Ｆｅ₂Ｏ₃圧粉体(ガーネットの化学量論組成)を１２９０
℃で予備焼結して、ＹＩＧ焼結体を作製した。この焼結
体を試料台の上にセットした。このとき、上記焼結体は
図１の（１）に示すように先端部を円錐上とし、最先端
部をφ１０ｍｍの平滑面(鏡面)を形成し、その部分にＦ
Ｚ法で作製したφ５ｍｍ×ｔ１ｍｍの＜１１１＞ＹＩＧ
単結晶を種結晶（１１）として接合した。試料台の昇降
移動について、炉内での出発位置と終了位置を決定し
た。出発位置は、低温室の最下部の位置に受け台の上部
の面に合わせた（図２）。終了位置は、焼結体の最下部
が高温室（結晶育成室）に入る位置とした（図３）。こ
のときの上昇移動距離を１５０ｍｍとした。固体材料の
上昇速度については、まず雰囲気温度が設定温度に到達
する時間に合わせて固体材料の上部先端部が設定温度の
均熱ゾーン（結晶育成室）の最下部域に位置するように
設置した。１４４０℃に保持した高温室に材料まで約３
０時間かけて直径２インチ長さ２インチの焼結体を定速
で挿入した。(試料台の移動距離は１００ｍｍ(材料の挿
入速度は３．３ｍｍ／ｈ)であるが、材料のものは３０
時間で先端部から４５ｍｍ間が単結晶化していたので計
算上は１．５ｍｍ／ｈとなる。

【００５０】また、雰囲気ガスとして酸素を用いた。雰
囲気調整用として低温室のガス導入口からの流量を５０
０ｃｃ／ｍｉｎに固定した。使用方法としては、固定流
量式、プログラム可変流量式を採用し、温度冷却効果を
調節する目的として用いる。また、パソコン通信にて温
度プログラム、試料昇降プログラムに合わせてプログラ
ム運動を可能とした。

【００５１】固体材料の冷却用のガス流量プログラム設
定を行った。固体材料の上部先端部から単結晶を成長さ
せるため、固体材料の下部から酸素ガスを冷媒として用
いて強制冷却を行なった。先端部に種子結晶をつけたＹ
ＩＧ焼結体を試料台にセットし、その先端部を結晶育成
温度に保持された炉体直下まで移動させた。このとき材
料下部から５．０Ｌ／ｍｉｎの速度で冷却ガスを流し、
材料を一定速度で高温室に挿入スしながら、５．０→
０．５Ｌ／ｍｉｎまで一定速度で冷却ガスを変動させる
ことで材料の冷却状態を連続的に変動させた。各条件
は、固体材料の材質、大きさ等によって適宜決定でき、
それをプログラムに設定することができる。本発明装置
により、従来の結晶引き上げ式装置で育成していた時間
の約１／１０程度の時間で単結晶を育成することができ
た。結晶育成温度に関しては、約６００℃という低い温
度で単結晶化することができた。

【００５２】実施例２試料台としてヒートシンク材（セラミックス製、サイズ
１６０ｍｍ×１６０ｍｍ）を用い、その上に直径２イン
チの上記ＹＩＧ焼結体を９個セットしたほかは、実施例
１と同様にして結晶育成を行った。その結果、各焼結体
は、先端から４５ｍｍまで単結晶化していることを確認
できた。このように、本発明装置では１つの装置で２イ
ンゴット以上の単結晶を同時に量産でき、従来の装置よ
りも有利であることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の概略図である。

【図２】本発明装置において、試料配置装置の昇降状態
を示す図（断面図）である。

【図３】本発明装置において、試料配置装置の昇降状態
を示す図（断面図）である。

【図４】本発明装置の冷却手段の一例を示す図（断面
図）である。

【図５】本発明装置において、試料配置装置の昇降機構
及び回転機構を示すイメージ図（断面図）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池末明生愛知県名古屋市熱田区六野二丁目６番27− 107 (72)発明者柿田進一兵庫県神戸市北区桂木３丁目９番12号 (72)発明者勇浩二福岡県北九州市八幡西区本城１−３−21 ヒートシステム株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BC22 CA05 CA09 EG14 EG15 EG17 JB08 KA11 KA13 4K061 BA09 DA05 EA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体材料の結晶育成を行う炉体であって、
炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一部を
冷却することができる冷却手段が設けられていることを
特徴とする結晶育成装置。
【請求項２】冷却手段が、１）固体材料の一部及び／又
は２）固体材料に接触した部材の一部又は全部に冷媒を
当てることにより冷却する請求項１記載の結晶育成装
置。
【請求項３】加熱手段として、固体材料の一部を加熱で
きる局部加熱手段を有する請求項１記載の結晶育成装
置。
【請求項４】炉体内部が２つの分室から構成されている
請求項１記載の結晶育成装置。
【請求項５】固体材料を載せるための試料台を有する請
求項１記載の結晶育成装置。
【請求項６】試料台が、当該試料台の面に垂直な方向を
軸として回転できる機構を有する請求項５記載の結晶育
成装置。
【請求項７】試料台が、当該試料台の面に垂直な方向に
移動できる機構を有する請求項５又は６に記載の結晶育
成装置。
【請求項８】試料台が、当該試料台の面に平行な方向に
移動できる機構を有する請求項５〜７のいずれかに記載
の結晶育成装置。