JP2006143488A - 結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を低減する。
【解決手段】 炉５内に設置されたるつぼ１内の原料溶液８に、種子結晶７を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６の軸中心が、炉５の軸中心およびるつぼ１の軸中心からずれている。原料溶液の液面の最低温度点を、炉５の軸中心および引き上げ軸６の軸中心からずらしてもよい。
【選択図】 図６

Description

本発明は、結晶成長装置に関し、より詳細には、ＴＳＳＧ法による結晶成長における結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を低減するための結晶成長装置に関する。

従来、酸化物バルク単結晶の結晶成長方法として、浮遊帯域溶融（ＦＺ：Floating Zone）法、ブリッジマン法、炉温降下法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。 また、溶融した溶液に種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Top-Seeded Solution-Growth）法が知られている。ＴＳＳＧ法は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＬｉＮｂＯ_３単結晶の結晶成長法として知られているチョクラルスキー法（ＣＺ法）と同様に、結晶の形状制御が可能であり、大型ウェハを作製するための結晶母材を得ることができる。

図１に、従来のＴＳＳＧ法による結晶製造装置を示す。結晶製造装置は、ヒータ４によって温度制御可能な縦型管状炉５を有し、縦型管状炉５内のるつぼ台２に原料溶液８を入れたるつぼ１を設置している。縦型管状炉５は、炉体ふた１０により密閉され、内面に設置された均熱管３により、炉内の温度が一定に保たれるようになっている。このような構成において、引き上げ軸６の先端に取り付けられた種子結晶７を、溶融した原料溶液８に浸して、引き上げながら成長結晶９を育成する。この結晶製造装置を用いてＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶を製造する方法を説明する。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶を単結晶として成長させるには、縦型管状炉５内、すなわち、るつぼ１と原料溶液８と成長結晶９とが位置する付近において、均一な温度分布が必要である。そこで上述したように、温度の均一性の高い抵抗加熱式の縦型管状炉５を構成している。また、引き上げ軸６には、アルミナや白金で形成された引き上げ軸を用いるのが、一般的である。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、るつぼ１に充填する。ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。

種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。 その後、引き上げ軸６を回転しながら引き上げると同時に、原料溶液８を、加熱量の調整により一定冷却速度で冷却して行く。この一定速度の冷却により、原料溶液８は、過飽和状態となる。加えて、引き上げ軸６は、低温の炉外から導入されているため、脱熱の伝熱経路となる。結晶成長に十分な過飽和状態が原料溶液８に実現すると、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、結晶成長が始まる。そして、種子付け、肩拡げ、定径部と順に成長過程が進行する。育成中は、その状態を形状センサもしくは質量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には、一定速度の冷却に微調整の冷却を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。

特開昭５９−１０７９９６号公報

図２を参照して、従来の結晶成長方法における結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を説明する。図２（ａ）は、成長結晶９の斜視図である。成長したＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶は、種子結晶を軸中心として、結晶断面の対角線上にセクタ境界面１１が内在し、４つのセクタ１２に分割される。図２（ｂ）に成長結晶９の横断面図を示す。セクタ１２は、それぞれ一方向に成長した領域であり、セクタ境界面１１は、隣接するセクタ１２同士の成長がぶつかり合ってできた境界面である。成長結晶９の歪み検査を行うと、セクタ境界面１１付近に歪みが集中し、セクタ境界面１１付近の物性が、セクタ１２内部の物性と異なっている。従って、成長結晶９を引き上げ軸に対して垂直に輪切りに切断し、研磨を施して作製したウェハには、等方的な対角線上に物性の特異領域が存在する。

作製されたウェハ上には複数の機能素子が形成されるので、対角線上に物性の特異領域が存在すると、対角線上に形成された機能素子は、所望の機能を満たすことができない。従って、機能素子を作製上の歩留まりが低いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を低減することができる結晶成長装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炉５内に設置されたるつぼ１内の原料溶液８に、種子結晶７を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、前記種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６の軸中心が、前記炉５の軸中心および前記るつぼ１の軸中心からずれていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の結晶成長装置において、前記ずれをａとし、前記るつぼの半径をｒとすると、０＜ａ＜ｒ／４であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、炉５内に設置されたるつぼ１内の原料溶液８に、種子結晶７を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、前記原料溶液の液面の最低温度点１４が、前記炉５の軸中心および前記種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６の軸中心１３からずれていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の結晶成長装置において、前記ずれをａ’とし、前記原料溶液の液面の最低温度点と前記るつぼの内壁までの最小距離をｒ’とすると、０＜ａ’＜ｒ’／４であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心が、前記炉の軸中心および前記るつぼの軸中心と一致しない状態で、前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する種子付け過程と、前記炉内の温度を調整し、成長する結晶の直径制御を行う成長過程とを備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の結晶成長方法において、前記引き上げ軸の軸中心と前記炉の軸中心および前記るつぼの軸中心とのずれをａとし、前記るつぼの半径をｒとすると、０＜ａ＜ｒ／４であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、前記原料溶液の液面の最低温度点が、前記炉の軸中心および前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心と一致しない状態で、前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する種子付け過程と、前記炉内の温度を調整し、成長する結晶の直径制御を行う成長過程とを備えることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の結晶成長方法において、前記原料溶液の液面の最低温度点と前記炉の軸中心および前記引き上げ軸の軸中心とのずれをａ’とし、前記原料溶液の液面の最低温度点と前記るつぼの内壁までの最小距離をｒ’とすると、０＜ａ’＜ｒ’／４であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、引き上げ軸の軸中心が、炉の軸中心およびるつぼの軸中心からずれていること、または原料溶液の液面の最低温度点が、炉の軸中心および引き上げ軸の軸中心からずれていることにより、結晶成長の方向と速度が制御できるので、結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を低減することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態においては、引き上げ軸の軸中心とるつぼの軸中心とをずらして結晶成長を行う。ＴＳＳＧ法による結晶成長装置では、引き上げ軸、均熱管、るつぼを軸対称に配置するのが一般的である。従って、引き上げ軸の先端に取り付けられた種子結晶も軸対称に配置され、種子結晶の中心軸とるつぼの中心軸とは一致する。

このとき、るつぼ内の原料溶液の液面における温度分布を図３に示す。温度分布は、るつぼ１の軸中心を、原料溶液８の液面の最低温度点１４として、同心円上の等温線１５を描く。結晶は、原料溶液８の温度の低いところから高い方へ成長する。従って、種子付け過程から肩拡げ成長過程において、結晶成長は、るつぼ１の軸中心から径方向に等方的に進む。成長した結晶は、原料溶液８の等温線１５に対応した軸対称の形状となる。図２に示したように、セクタ１２は、それぞれ一方向に成長した領域であり、セクタ境界面１１は、隣接するセクタ１２同士の成長がぶつかり合ってできた境界面である。

結晶成長が、径方向に等方的であるから、｛００１｝方向に引き上げたＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶は、ファセット面である｛１００｝面で構成された断面が正方形の結晶となる。定形部の成長に際しては、肩拡げ成長過程で形成されたセクタ１２を継承して、引き上げ方向に成長する。従って、図２に示したように、対角線上にセクタ境界面１１を有するセクタ１２が形成される。

本発明の実施形態においては、図３に示したように、引き上げ軸の軸中心を、るつぼ、均熱管の軸中心と距離ａだけずらして設置する。このとき、半径ｒとすると、０＜ａ＜ｒ／４の範囲で軸中心をずらす。結晶成長は、低温方向に向かって優先的に成長するので、図４（ａ）に示したように、肩拡げ成長過程おいて、種子結晶の軸中心１３からるつぼ１の軸中心に向かって優先的に成長する。このようにして、図４（ｂ）に示したように、種子結晶の軸中心と成長結晶の軸中心とが一致しない結晶が育成される。

この方法によれば、４つのセクタのうち一部が優先的に成長した結晶を製造することができる。この結晶を切り出してウェハを作製すれば、面積の大きいセクタを含むウェハとなる。面積の大きいセクタでは、物性が均一であるから、このウェハから機能素子を作製する場合の歩留まりを向上することができる。

また、図５に示したように、種子結晶の軸中心１３と原料溶液８の液面の最低温度点１４とをずらしても同様の効果を得ることができる。これは、るつぼの軸中心を、引き上げ軸、均熱管の軸中心からずらすことにより、実現することができる。このとき、種子結晶の軸中心１３と最低温度点１４とを距離ａ’だけずらして設置する。このとき、るつぼの内壁までの最小距離ｒ’とすると、０＜ａ’＜ｒ’／４の範囲で軸中心をずらす。肩拡げ成長過程おいて、るつぼ１の軸中心から最低温度点１４に向かって優先的に成長する。このようにして、種子結晶の軸中心と成長結晶の軸中心とが一致しない結晶が育成される。

なお、距離ａ，ａ’は、成長結晶が結晶回転により、るつぼの内壁に接触しない範囲で成長できるように、実験的に見いだした値である。

以下に本発明の具体的実施例を説明する。本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。

図６に、本発明の実施例１にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す。結晶製造装置は、図１に示した従来の結晶製造装置と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して表す。従来の結晶製造装置との相違は、引き上げ軸６の軸中心を、るつぼ１、均熱管３の軸中心から距離ａだけずらして配置している点である。ここでは、ａ＝７．５ｍｍである。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、直径６０ｍｍφのるつぼ１に充填する。ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。ソーキングと呼ばれる高温処理を原料溶液８に対して行い、原料溶液８内の炭酸基の蒸発、溶液内分子クラスターの分解を促進させる。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。

種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。 その後、引き上げ軸６を回転しながら、引き上げると同時に、一定冷却速度で冷却すると、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、成長結晶９が育成する。

肩拡げおよび定径部成長過程の間は、結晶成長の状態を形状センサまたは重量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には冷却の微調整を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。

実施例１によれば、種子結晶の軸中心と成長結晶の軸中心とが一致せず、４つのセクタのうちの１つが優先的に成長したＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３単結晶を得ることができる。

図７に、本発明の実施例２にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す。結晶製造装置は、図１に示した従来の結晶製造装置と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して表す。従来の結晶製造装置との相違は、るつぼ１の軸中心を、引き上げ軸６、均熱管３の軸中心からずらして配置している点である。ここでは、原料溶液の液面の最低温度点が引き上げ軸６、均熱管３の軸中心から距離ａ’＝７．５ｍｍだけずれるように、るつぼ１を配置する。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、直径６０ｍｍφのるつぼ１に充填する。ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。ソーキングと呼ばれる高温処理を原料溶液８に対して行い、原料溶液８内の炭酸基の蒸発、溶液内分子クラスターの分解を促進させる。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。

種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。 その後、引き上げ軸６を回転しながら、引き上げると同時に、一定冷却速度で冷却すると、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、成長結晶９が育成する。

肩拡げおよび定径部成長過程の間は、結晶成長の状態を形状センサまたは重量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には冷却の微調整を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。

実施例２によれば、種子結晶の軸中心と成長結晶の軸中心とが一致せず、４つのセクタのうちの１つが優先的に成長したＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３単結晶を得ることができる。

本実施形態において、結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことができる。さらに、添加不純物として周期率表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。

従来のＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。 従来の結晶成長方法における結晶欠陥であるセクタ境界面の影響を説明するための図である。 るつぼ内の原料溶液の液面における温度分布を示す図である。 引き上げ軸の軸中心とるつぼの軸中心とをずらして結晶成長を行う方法を示す図である。 原料溶液の液面の最低温度点と引き上げ軸および均熱管の軸中心とをずらして結晶成長を行う方法を示す図である。 本発明の実施例１にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。 本発明の実施例２にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ るつぼ
２ るつぼ台
３ 均熱管
４ ヒータ
５ 縦型管状炉
６ 引き上げ軸
７ 種子結晶
８ 原料溶液
９ 成長結晶
１０ 炉体ふた

Claims (10)

1. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、
   前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心が、前記炉の軸中心および前記るつぼの軸中心からずれていることを特徴とする結晶成長装置。
2. 前記ずれをａとし、前記るつぼの半径をｒとすると、０＜ａ＜ｒ／４であることを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
3. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、
   前記原料溶液の液面の最低温度点が、前記炉の軸中心および前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心からずれていることを特徴とする結晶成長装置。
4. 前記ずれをａ’とし、前記原料溶液の液面の最低温度点と前記るつぼの内壁までの最小距離をｒ’とすると、０＜ａ’＜ｒ’／４であることを特徴とする請求項３に記載の結晶成長装置。
5. 前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の結晶成長装置。
6. 前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の結晶成長装置。
7. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、
   前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心が、前記炉の軸中心および前記るつぼの軸中心と一致しない状態で、前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する種子付け過程と、
   前記炉内の温度を調整し、成長する結晶の直径制御を行う成長過程と
   を備えることを特徴とする結晶成長方法。
8. 前記引き上げ軸の軸中心と前記炉の軸中心および前記るつぼの軸中心とのずれをａとし、前記るつぼの半径をｒとすると、０＜ａ＜ｒ／４であることを特徴とする請求項７に記載の結晶成長方法。
9. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、
   前記原料溶液の液面の最低温度点が、前記炉の軸中心および前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の軸中心と一致しない状態で、前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する種子付け過程と、
   前記炉内の温度を調整し、成長する結晶の直径制御を行う成長過程と
   を備えることを特徴とする結晶成長方法。
10. 前記原料溶液の液面の最低温度点と前記炉の軸中心および前記引き上げ軸の軸中心とのずれをａ’とし、前記原料溶液の液面の最低温度点と前記るつぼの内壁までの最小距離をｒ’とすると、０＜ａ’＜ｒ’／４であることを特徴とする請求項９に記載の結晶成長方法。

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