JP2005272153A - 薄板製造装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 坩堝内に貯留される融液からの放熱を抑制することによって、装置コストの低減を実現し、安定した品質の薄板を製造することのできる薄板製造装置を提供する。
【解決手段】 シリコンの融液21を坩堝22内に貯留し、下地基板23を融液21に浸漬し、下地基板23の表面にシリコンを凝固成長させる薄板製造装置20では、融液21または融液21の材料であるシリコンを装入することのできる開口部27が坩堝22に形成され、該開口部27を塞ぐように坩堝蓋40が設けられる。この坩堝蓋40は、蓋駆動手段41によって、坩堝22の開口部27に対して開閉自在に駆動されるので、下地基板23を融液21に浸漬するときには坩堝蓋40を開き、浸漬しないときには、坩堝蓋40を閉じることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、金属または半導体材料の融液から薄板を製造する薄板製造装置に関する。
近年、地球環境に対する負荷を軽減するべく、化石燃料を用いる火力発電以外の、風力発電、波力発電などの発電方法が種々試みられている。なかでも最も注目され、実用化の先端に位置付けられているのが太陽電池による発電であり、この太陽電池には、その素材として多結晶シリコンウエハが用いられている。
太陽電池に用いられる多結晶シリコンウエハの代表的な製造方法の1つは、不活性ガス雰囲気中でリン(P)またはボロン(B)等のドーパントを添加した高純度シリコンを坩堝中で加熱溶融させ、この融液を鋳型に流し込んで冷却し、得られた多結晶シリコンのインゴットをバンドソー等で小さなブロックに切断し、さらにワイヤーソー等でスライス加工してシリコンウエハとするものである。
このような製造方法では、多結晶シリコンインゴットを得るための鋳造工程に加え、ウエハ外形ブロックサイズに切断する工程と、ウエハ厚さにスライス加工する工程、さらに洗浄工程、乾燥工程等が必要である。また、たとえば厚さ0.3mmのウエハを得るべくスライス加工する際に、0.2〜0.3mmの切り代が、切断粉として失われてしまうので、シリコン材料の利用効率、すなわち歩留が悪く、太陽電池の製造コスト低減を図る上で大きな障害となっている。
このような問題を解決する従来技術の1つに、金属または半導体材料の融液に基板を浸漬し、その基板の表面に金属または半導体材料を凝固成長させて薄板を直接製造する薄板製造装置が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
図5は、従来技術の薄板製造装置1の概要を示す側面図である。従来技術の薄板製造装置1では、水平、上下および回転機構を有する浸漬機構部2に装着される基板3が、傾斜角を持ちながら坩堝4内に貯留される融液5中へ浸漬され、基板3における結晶成長面が全面浸漬され、次いで浸漬された基板3が持上げられるようにして引上げられる。また薄板製造装置1には、坩堝4の上方に、水平レール6、水平移動ユニット7等を備える前述の浸漬機構部2が配設される。
薄板製造時には、坩堝4内に貯留される金属または半導体材料の融液5が、坩堝4を周回するように設けられる高周波コイル8によって高温度に加熱されているので、融液5の液面からの輻射によって、浸漬機構部2が高熱にさらされる。したがって、薄板製造装置1では、浸漬機構部2と坩堝4との間に熱遮蔽板9を設け、浸漬機構部2が熱損傷することを防止している。
しかしながら、融液5の液面から輻射熱として失われるエネルギは、高周波コイル8によって投入されるエネルギの30〜50%と言われる程大きく、薄板製造装置1に設けられる熱遮蔽板9では、浸漬機構部2の熱損傷を防止することができるけれども、坩堝4および坩堝4内の融液5からの放熱を抑制することができない。
したがって、前述の放熱による炉室内部空間10の温度上昇を避けることができず、炉壁11にたとえば水冷配管などを設けて冷却を充分に行わざるを得ないので、装置費用が高くなるという問題がある。また融液5の液面からの放熱損失に相当するエネルギを余分に高周波コイル8から投入しなければならないので、エネルギコストが上昇する。さらに、放熱が大きいことに伴って坩堝4中における融液5に温度むらが生じやすくなるので、基板3の表面に生成される薄板の品質に悪影響を及ぼす恐れがある。
特開2003−183015号公報
本発明の目的は、坩堝内に貯留される融液からの放熱を抑制することによって、装置コストの低減を実現し、安定した品質の薄板を製造することのできる薄板製造装置を提供することである。
本発明は、金属または半導体材料の融液を坩堝内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板を坩堝内の融液に浸漬し、金属または半導体材料を融液に浸漬される下地基板の表面で凝固成長させる薄板製造装置において、
坩堝には、融液または融液の材料である金属もしくは半導体材料を装入することのできる開口部が形成され、該開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられることを特徴とする薄板製造装置である。
また本発明は、坩堝蓋を駆動する蓋駆動手段を備え、坩堝蓋は、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されることを特徴とする。
また本発明は、坩堝蓋には、下地基板を出入させる基板出入孔が形成されることを特徴とする。
また本発明は、坩堝蓋は、素材がカーボンであることを特徴とする。
本発明によれば、坩堝の開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられるので、坩堝および坩堝内に貯留される融液からの輻射による放熱を抑制することができる。このことによって、炉室内部空間の温度上昇を小さくすることができるので、炉壁に過剰な冷却設備を設ける必要がなくなり設計負担を軽減することができる。また、融液の上方空間に設けられる部材および機構部に対する熱影響を顕著に軽減することができるので、部材および機構部の構造の小型化および高寿命化をはかる上で有利になる。
さらに、融液からの放熱が抑制されることによって、融液を所望の温度に維持するための加熱コストを顕著に低減できるとともに、融液の温度変化および温度むらが小さくなるので、下地基板を浸漬して生成される薄板の品質を安定させることができる。
また本発明によれば、坩堝蓋が、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されるので、下地基板が坩堝に浸漬される浸漬動作時には、坩堝蓋を開き、浸漬動作時以外には、坩堝蓋を閉めることができる。このことによって、薄板の製造に差し障ることなく、融液からの放熱を大幅に抑制することができる。
また本発明によれば、坩堝蓋には、下地基板を出入させる基板出入孔が形成されるので、坩堝蓋を開閉することなく、下地基板を融液に浸漬して薄板を製造することができる。このことによって、下地基板浸漬の都度、坩堝蓋を開閉する必要がなくなり、坩堝の開口部を覆う状態を維持することができるので、操業効率の向上と放熱の抑制とを、ともに実現することが可能になる。
また本発明によれば、坩堝蓋は、素材が耐熱性に優れるカーボンなので、融液からの輻射熱に対しても優れた耐久性を発現し、その寿命を長くすることができる。
図1は本発明の実施の一形態である薄板製造装置20の構成を部分的に断面にて示す側面図であり、図2は図1に示す薄板製造装置20に備わる坩堝蓋40が閉じている状態を示す側面図である。
薄板製造装置20は、金属または半導体材料の融液21を坩堝22内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板23を坩堝22内の融液21に浸漬し、金属または半導体材料を融液21に浸漬される下地基板23の表面で凝固成長させて薄板を製造することに用いられる。ここでは、融液21として半導体材料であるシリコンの融液について例示する。すなわち、本実施の形態の薄板製造装置20は、溶融シリコンから薄板状のシリコンウエハを製造することに用いられる。
薄板製造装置20は、その主要部が、炉室24の内部空間25に収容される。炉室24は、外観が大略直方体形状を有し、その内部に空間25が形成される箱型部材であり、炉壁部材26(天板および底板も含む意味に用いる)が鋼またはステンレス鋼などの金属によって形成される。炉壁の内面には、図示を省くけれども、炉室24の耐熱性を向上させるために耐火レンガまたはセラミックなどの耐火性を有する断熱材が内張りされている。また薄板製造装置20には、不図示の真空排気手段と不活性ガス供給手段とが備えられ、
炉室24の内部空間25を低圧雰囲気または不活性ガス雰囲気にすることができる。
シリコンの融液21を貯留する坩堝22は、たとえばグラファイトなどの耐火材からなる有底の円筒状容器である。坩堝22の底部の反対側には、融液の材料であるシリコンを装入するとともに、シリコンが溶解されて形成される融液21に下地基板23を浸漬させるための開口部27が形成される。
坩堝22は、炉室24の底板26a上に設けられる基台28と、基台28上に積層するように設けられる坩堝台29の上に設けられる。また、坩堝台29の上には坩堝22を周回するように高周波コイル30が設けられる。
基台28は、たとえば鋼製の板状部材である。坩堝台29は、たとえば耐火レンガなどの耐火性と断熱性とを有する素材から成り、高温になる坩堝22を保持するとともに、坩堝22から基台28への熱伝導量を少なくし、基台28および炉室24の底板26aが熱損傷することを防止する。
高周波コイル30は、坩堝22内のシリコンを加熱するための加熱手段である。不図示の高周波制御電源から高周波コイル30に高周波電流を流すことによって、坩堝22内のシリコンに交番磁界が印加されるので、シリコンを溶解するとともにシリコンの融液21を所望の温度に維持することができる。
下地基板23は、浸漬手段31によって保持された状態で、浸漬手段31の動作によって坩堝22内に貯留される融液21に浸漬され、また融液21から引上げられる。浸漬手段31は、下地基板23を保持する保持ヘッド32と、保持ヘッド32が装着されて垂直方向に延びて設けられる垂直アーム33と、垂直アーム33に継手部材34で連結されて水平方向に延びて設けられる水平アーム35と、水平アーム35を垂直方向に昇降駆動させるとともに、水平アーム35をその軸線まわりに回転駆動させる下地基板駆動部36とを含む構成である。
また下地基板駆動部36は、回転ステージ上に設置され、該回転ステージを電動機で回転駆動させることによって、水平および垂直アーム35,33とともに、水平回転することができるように構成される。
保持ヘッド32は、下地基板23が保持される側に吸引孔が形成されるとともに、不図示の吸引ポンプに配管を介して接続され、吸引ポンプの動作に従って下地基板23を吸着保持するとともに、離脱させることもできる。
この浸漬手段31の動作を制御することによって、保持ヘッド32に吸着保持される下地基板23を、垂直(上下)、水平および回転駆動させることができるので、坩堝22に貯留される融液21中へ所望の深さかつ角度で浸漬させるとともに、浸漬後引上げることが可能になる。
薄板製造装置20は、図1および図2に示すように坩堝22に形成される前述の開口部27に対して開閉自在なように坩堝蓋40が設けられることを特徴とする。坩堝蓋40は、本実施の形態では、耐熱性に優れるカーボンからなる板状部材であり、互いに対向するようにして一対が設けられる。一対の坩堝蓋40a,40bは、後述する蓋駆動手段41によって、互いに近接離反するように駆動され、坩堝22の開口部27に対して開閉自在に構成される。
一対の坩堝蓋40a,40bに対応するように蓋駆動手段41も一対41a,41bが設けられ、一対の坩堝蓋40a,40bおよび蓋駆動手段41a,41bは、面対称に構成されるので、一対のうち一方の構成のみを参照符号にアルファベットのaを添付して説明し、他方については同一の参照符号にアルファベットのbを添付して説明を省略する。
蓋駆動手段41aは、2本の第1および第2リンク42a,43aと、連結部材44aと、U型継手部材45aと、エアシリンダ46aと、エアシリンダ46aを動作させる不図示の空圧ユニットとを含んで構成される。
第1および第2リンク42a,43aは、金属製の棒状部材であり、これらの一方の端部が第1および第2ピン継手47a,48aによって、連結部材44aにそれぞれ支持される。第1および第2リンク42a,43aは、第1および第2ピン継手47a,48aのピンまわりに角変位可能である。
連結部材44aは、金属製の板状部材であり、不図示の固定部材によって炉室24の炉壁部材26に固設される。第1および第2リンク42a,43aの他端部は、坩堝蓋40aに予め形成される突起部に第3および第4ピン継手49a,50aによってそれぞれ支持される。また、第1および第2リンク42a,43aは、第3および第4ピン継手49a,50aのピンまわりに角変位可能である。したがって、第1および第2リンク42a,43aと、連結部材44aと、坩堝蓋40aの一部とによって、4つ組リンクからなるリンク機構が構成される。
U型継手部材45aは、U型形状に形成される部位と反対側の部位がエアシリンダ46aのロッド51aに装着され、U型形状に形成される部位の溝部が、坩堝蓋40aに予め形成されるスライド突起52aに係合される。エアシリンダ46aは、炉室24の炉壁部材26に装着される。
蓋駆動手段41aのエアシリンダ46aがロッド51aを進退させることによって、該進退運動がU型継手部材45aおよびスライド突起52aを介して坩堝蓋40aに伝達される。前述のように第1および第2リンク42a,43aと連結部材44aと坩堝蓋40aとが、リンク機構を構成するので、エアシリンダ46aのロッド51aの進退運動がリンク機構による限定運動に変換され、坩堝蓋40aはリンク機構の限定運動に従って移動することができる。このように、一対の坩堝蓋40a,40bは、一対の蓋駆動手段41a,41bによってそれぞれ駆動されるので、互いに近接離反するように移動し、坩堝22の開口部27を開閉することができる。
また、図2に示すように坩堝蓋40a,40bが閉じられた状態で、坩堝22と坩堝蓋40a,40bとの間に形成される間隙を塞ぐことができるように、坩堝蓋40a,40bの坩堝22を臨む面には、スライド保護板53a,53bが設けられる。スライド保護板53a,53bは、高周波コイル30による電磁波の影響を受けないように耐熱性の絶縁体を使用することが好ましい。本実施の形態では、スライド保護板53a,53bにアルミナセラミック材を用いている。なお、加熱手段として高周波コイル30に代えて抵抗加熱体を用いる場合、スライド保護板53a,53bには絶縁体以外の材料を用いることもできる。
坩堝蓋40が、蓋駆動手段41によって、坩堝22の開口部27に対して開閉自在に駆動されるので、図1と図2とに示すように、下地基板23が坩堝22内の融液21に浸漬される浸漬動作時には、坩堝蓋40を開き、浸漬動作時以外には、坩堝蓋40を閉めることができる。すなわち、薄板の製造に差し障ることなく、下地基板23の浸漬動作時以外においては坩堝22の開口部27を塞ぎ、融液21の上方を覆うことによって、融液21からの放熱を抑制することができる。
このことによって、融液21の上方空間に設けられる浸漬手段31の熱損傷を防止することができるので、装置の高寿命化を実現することができる。また炉室24の内部空間25の温度上昇を抑えることができるので、炉壁部材26に過剰な冷却設備を設ける必要がなくなり設計負担を軽減することができる。また、融液21からの放熱が抑制されるので、融液21を所望の温度に維持するための加熱コストを顕著に低減することができる。
なお、融液21の材料であるシリコンは、最初固体から溶解されるまでは融点以上の温度に加熱されるけれども、下地基板23を融液21に浸漬する段階では、下地基板23の表面にシリコンを凝固成長させるために、固−液が安定的に共存する温度である融点よりも低い温度まで融液21の温度を下げる(いわゆる過冷却状態にする)ので、輻射による放熱の影響が大きく固化の危険性がある。しかしながら、本発明によれば、下地基板23を融液21に浸漬して薄板を作製した後、下地基板23を融液21から引上げ、次に下地基板23を融液21に浸漬させるまでの間、坩堝蓋40を閉じて融液21を覆い融液21の放熱を抑制することができる。したがって、坩堝22内の融液21の温度を安定して保持することが可能になるので、融液21の固化を防止することができ、さらに坩堝22内の融液21の温度変化および温度むらを小さくし、下地基板23を浸漬して生成される薄板の品質を安定させることができる。
図3は本発明の実施の第2形態である薄板製造装置60の構成を部分的に断面にて示す側面図であり、図4は図3に示す薄板製造装置60に備わる坩堝蓋61の構成を示す平面図である。本実施の形態の薄板製造装置60は、実施の第1形態の薄板製造装置20に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
薄板製造装置60は、坩堝蓋61に下地基板23を出入させる基板出入孔62が形成されることを特徴とする。坩堝蓋61は、カーボン製であり、円板形状を有し、円板の中央付近に略長方形状の基板出入孔62が形成される。実施の第1形態の薄板製造装置20とは異なり、本実施の形態の薄板製造装置60では、坩堝蓋61が開閉動作することなく、坩堝22の上にリング状の保護板63を介して装着される。保護板63には、実施の第1形態と同様にたとえばアルミナセラミック材が用いられる。
坩堝蓋61に基板出入孔62を形成することによって、下地基板23を坩堝22に貯留される融液21中へ浸漬する場合においても、坩堝蓋61を開くことなく操業することが可能になる。したがって、薄板製造装置60では、下地基板23を融液21へ浸漬する場合および融液21から引上げている非浸漬の場合のいずれにおいても、坩堝22および坩堝22に貯留される融液21を坩堝蓋61で覆うことができるので、坩堝22および融液21から炉室24の内部空間25に対する放熱抑制効果を一層顕著に発現することができる。なお、下地基板23を融液21から引上げている非浸漬の場合、基板出入孔62の部分を下地基板23で覆うことができず、基板出入孔62が坩堝22の上方空間に対する放熱口となるので、基板出入孔62は、下地基板23の出入に必要な最小限の大きさに形成されることが好ましい。
このように、薄板製造装置60によれば、下地基板23を融液21に浸漬させる都度、坩堝蓋61を開閉する必要がなく、坩堝22の開口部27を覆う状態を維持することができるので、操業効率の向上と放熱の抑制とを、ともに実現することが可能になる。
以上に述べたように、本実施の形態では、融液21の材料が、シリコンであるけれども、これに限定されることなく、ガリウム、ヒ素、インジウムなど他の半導体材料であってもよく、またアルミニウムなどの金属であってもよい。
本発明の実施の一形態である薄板製造装置20の構成を部分的に断面にて示す側面図である。 図1に示す薄板製造装置20に備わる坩堝蓋40が閉じている状態を示す側面図である。 本発明の実施の第2形態である薄板製造装置60の構成を部分的に断面にて示す側面図である。 図3に示す薄板製造装置60に備わる坩堝蓋61の構成を示す平面図である。 従来技術の薄板製造装置1の概要を示す側面図である。
符号の説明
20,60 薄板製造装置
21 融液
22 坩堝
23 下地基板
24 炉室
28 基台
29 坩堝台
30 高周波コイル
31 浸漬手段
32 保持ヘッド
40a,40b,61 坩堝蓋
41a,41b 蓋駆動手段
53a,53b スライド保護板
62 基板出入孔
63 保護板

Claims (4)

  1. 金属または半導体材料の融液を坩堝内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板を坩堝内の融液に浸漬し、金属または半導体材料を融液に浸漬される下地基板の表面で凝固成長させる薄板製造装置において、
    坩堝には、融液または融液の材料である金属もしくは半導体材料を装入することのできる開口部が形成され、該開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられることを特徴とする薄板製造装置。
  2. 坩堝蓋を駆動する蓋駆動手段を備え、
    坩堝蓋は、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されることを特徴とする請求項1記載の薄板製造装置。
  3. 坩堝蓋には、
    下地基板を出入させる基板出入孔が形成されることを特徴とする請求項1記載の薄板製造装置。
  4. 坩堝蓋は、素材がカーボンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の薄板製造装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009222239A (ja) * 2008-03-13 2009-10-01 Tokyo Yogyo Co Ltd 坩堝台
JP2010064914A (ja) * 2008-09-09 2010-03-25 Toyota Motor Corp 炭化珪素単結晶の製造装置および製造方法

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