JP2006176359A - Apparatus and method for manufacturing single crystal - Google Patents

Apparatus and method for manufacturing single crystal Download PDF

Info

Publication number
JP2006176359A
JP2006176359A JP2004370984A JP2004370984A JP2006176359A JP 2006176359 A JP2006176359 A JP 2006176359A JP 2004370984 A JP2004370984 A JP 2004370984A JP 2004370984 A JP2004370984 A JP 2004370984A JP 2006176359 A JP2006176359 A JP 2006176359A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
melt
producing
convection
liquid surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004370984A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jun Sato
佐藤  淳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to JP2004370984A priority Critical patent/JP2006176359A/en
Publication of JP2006176359A publication Critical patent/JP2006176359A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a method for obtaining a single crystal having a large size, as an apparatus and a method for manufacturing an oxide single crystal. <P>SOLUTION: The apparatus for manufacturing the single crystal has: a crucible 3 into which a raw material is filled; a high frequency induction coil 10 for forming a melt 2 by heating/melting the raw material in the crucible 3; a pulling shaft 6 for pulling the single crystal 1 from the melt 2; and a plate-like convection-suppressing structure 12 having a surface 12a arranged close to the liquid surface 2a of the melt 2 and suppressing the occurrence of convection of the melt 2 in the vicinity of the liquid surface 2a. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、単結晶の製造装置及び製造方法に関し、特に酸化物単結晶の製造装置及び製造方法に関する。   The present invention relates to a single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method, and more particularly to an oxide single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method.

現在、主として工業用に用いられる単結晶は、Cz(Czochralski)法(引き上げ法)と呼ばれる方法を用いて製造される。Cz法は、融液の組成とその融液から析出する結晶の組成とがほぼ同じ材料、例えばSi、GaAs、LiTaO等の単結晶の製造に用いることによって大型で高品質なバルク単結晶が安価に得られ、工業的に極めて重要な単結晶製造方法である。 Currently, single crystals mainly used for industrial use are manufactured by using a method called Cz (Czochralski) method (pull-up method). The Cz method is used to manufacture a single crystal such as Si, GaAs, LiTaO 3, etc., which is a material having substantially the same composition as the melt and crystals deposited from the melt. This is a single crystal production method which is obtained at low cost and is extremely important industrially.

ところが、例えばルチル(TiO)等の一部の酸化物単結晶は、極めて小型の結晶でさえもCz法を用いた製造が困難であった。ルチル単結晶については、融液の組成と結晶の組成とが一致するにも関わらず、その融液内対流の不安定さにより、対流抑制効果のある磁場印加Cz法を用いても直径1インチ以下の小型結晶の育成例しかなかった。 However, some oxide single crystals such as rutile (TiO 2 ), for example, have been difficult to produce using the Cz method even for very small crystals. For rutile single crystals, the melt composition and the crystal composition match, but due to the instability of convection in the melt, a diameter of 1 inch can be obtained even by using a magnetic field application Cz method that has the effect of suppressing convection. There were only examples of growing the following small crystals.

それに対して、ベルヌイ法やFZ(FloatingZone)法によれば比較的容易にルチル単結晶が育成できることが知られている。実際に、ベルヌイ法やFZ法を用いて製造された直径1インチ前後の単結晶が市販されている。また、EFG法を用いて製造されたルチル単結晶も販売されている。図6は、EFG法を説明する図である。図6に示すように、EFG法では、スリット105を備えた型(die)104が坩堝103内に設けられる。TiO融液102は、液面より上方の型104の上面まで表面張力による毛細管現象によって吸い上げられる。融液102から引き上げられる単結晶101の結晶成長界面の形状は、型104によって制御される。EFG法では、小型の円柱状単結晶の育成例もあるが主に平板状の単結晶101が育成される。しかしながら、円柱状のバルク単結晶を育成する際には結晶成長界面の形状制御を行う有効な手段がないため、大型でかつ円柱状のバルク単結晶の育成例はない。このように、大型でかつ円柱状のルチル等の酸化物単結晶を製造するのは困難であるという問題があった。 On the other hand, it is known that a rutile single crystal can be grown relatively easily by the Bernoulli method or the FZ (Floating Zone) method. Actually, single crystals having a diameter of about 1 inch manufactured using the Bernoulli method or the FZ method are commercially available. A rutile single crystal produced by using the EFG method is also sold. FIG. 6 is a diagram for explaining the EFG method. As shown in FIG. 6, in the EFG method, a die 104 having a slit 105 is provided in a crucible 103. The TiO 2 melt 102 is sucked up to the upper surface of the mold 104 above the liquid surface by capillary action due to surface tension. The shape of the crystal growth interface of the single crystal 101 pulled up from the melt 102 is controlled by the mold 104. In the EFG method, there is an example of growing a small cylindrical single crystal, but a flat single crystal 101 is mainly grown. However, since there is no effective means for controlling the shape of the crystal growth interface when growing a cylindrical bulk single crystal, there is no example of growing a large and cylindrical bulk single crystal. As described above, there is a problem that it is difficult to produce a large oxide single crystal such as columnar rutile.

特開平5−97586号公報JP-A-5-97586

本発明の目的は、大型の単結晶が得られる単結晶の製造装置及び製造方法を提供することにある。   The objective of this invention is providing the manufacturing apparatus and manufacturing method of a single crystal from which a large sized single crystal is obtained.

上記目的は、原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の前記原料を加熱溶融して融液を生成する加熱部と、前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、前記融液中の液面近傍に配置される表面を備え、前記液面近傍での前記融液の対流を抑制する対流抑制用構造体とを有することを特徴とする単結晶の製造装置によって達成される。   The object is to provide a crucible filled with the raw material, a heating unit for heating and melting the raw material in the crucible to generate a melt, a pulling shaft for pulling up the single crystal from the melt, and a liquid in the melt. This is achieved by an apparatus for producing a single crystal comprising a convection suppressing structure that includes a surface disposed in the vicinity of a surface and suppresses convection of the melt in the vicinity of the liquid surface.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記対流抑制用構造体は、前記坩堝と同一の材料を用いて作製されていることを特徴とする。   In the single crystal manufacturing apparatus of the present invention, the convection suppressing structure is manufactured using the same material as the crucible.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記対流抑制用構造体は、板状の形状を有していることを特徴とする。   In the apparatus for producing a single crystal according to the present invention, the convection suppressing structure has a plate shape.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記対流抑制用構造体は、ほぼ中心に穴部を有していることを特徴とする。   In the apparatus for producing a single crystal according to the present invention, the convection suppressing structure has a hole at substantially the center.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記対流抑制用構造体は、前記液面にほぼ垂直に移動可能であることを特徴とする。   The apparatus for producing a single crystal according to the present invention is characterized in that the convection suppressing structure is movable substantially perpendicular to the liquid surface.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記表面はほぼ平面状であることを特徴とする。   The apparatus for producing a single crystal according to the present invention is characterized in that the surface is substantially planar.

上記本発明の単結晶の製造装置であって、前記表面は、前記液面にほぼ平行であることを特徴とする。   The apparatus for producing a single crystal according to the present invention is characterized in that the surface is substantially parallel to the liquid surface.

また上記目的は、坩堝内の原料を加熱溶融して融液を生成し、前記融液の液面近傍での対流を抑制しながら前記融液から単結晶を引き上げることを特徴とする単結晶の製造方法によって達成される。   Another object of the present invention is to produce a melt by heating and melting the raw material in the crucible and pulling the single crystal from the melt while suppressing convection in the vicinity of the liquid surface of the melt. This is achieved by the manufacturing method.

上記本発明の単結晶の製造方法であって、前記融液の流動を抑制する対流抑制用構造体の表面を前記融液中の前記液面近傍に配置することを特徴とする。   In the method for producing a single crystal of the present invention, the surface of the convection suppressing structure that suppresses the flow of the melt is disposed in the vicinity of the liquid surface in the melt.

上記本発明の単結晶の製造方法であって、前記表面は、前記液面にほぼ平行に配置されることを特徴とする。   In the method for producing a single crystal according to the present invention, the surface is arranged substantially parallel to the liquid surface.

上記本発明の単結晶の製造方法であって、前記表面と前記液面との距離をほぼ一定に保つことを特徴とする。   The method for producing a single crystal according to the present invention is characterized in that the distance between the surface and the liquid surface is kept substantially constant.

上記本発明の単結晶の製造方法であって、前記融液及び前記単結晶はTiOであることを特徴とする。 In the method for producing a single crystal according to the present invention, the melt and the single crystal are TiO 2 .

本発明によれば、大型の単結晶が得られる単結晶の製造装置及び製造方法を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing apparatus and manufacturing method of a single crystal which can obtain a large-sized single crystal are realizable.

本発明の一実施の形態による単結晶の製造装置及び製造方法について図1乃至図5を用いて説明する。まず、本実施の形態の原理について説明する。Cz法とFZ法は、融液を凝固させる際に単結晶として固体を得るという意味では本質的に同一である。ところがCz法とFZ法とでは、ルチル単結晶に代表されるように単結晶育成の難易度が大きく異なる場合がある。この原因について考察する。   A single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the principle of this embodiment will be described. The Cz method and the FZ method are essentially the same in the sense that a solid is obtained as a single crystal when the melt is solidified. However, the Cz method and the FZ method may have different levels of difficulty in growing a single crystal, as represented by a rutile single crystal. Consider the cause of this.

図1は、FZ法と従来のCz法とを比較して説明する図である。図1(a)はFZ法を示し、図1(b)は従来のCz法を示している。図1(a)に示すように、FZ法では、原料棒20の一部を赤外線等により溶融して融液22を生成しながら、原料棒20を矢印a方向に移動させて赤外線照射位置を相対的に図中上方に移動させる。融液22が図中下方から順次凝固することにより単結晶21が得られる。一方Cz法では、図1(b)に示すように、坩堝(るつぼ)3内に充填した原料を加熱溶融して融液2を生成し、引き上げ軸に取り付けられた種結晶5を融液2に接触させ、種結晶5を引き上げることにより単結晶1が得られる。FZ法では、結晶成長界面Aと気液界面(融液自由表面)Bとが異なる面内に存在するため、融液22の気液界面B近傍での不安定な対流が結晶成長に直接影響を与えない。これに対しCz法では、結晶成長界面Aと気液界面Bとが同一平面内に存在するため、融液2の気液界面B近傍での不安定な対流が結晶成長に直接影響を与える。FZ法と従来のCz法との間の単結晶育成の難易度の差異は、この違いにより生じると考えられる。小型の単結晶であれば、従来のCz法よりもFZ法の方が容易に育成できる場合がある。   FIG. 1 is a diagram illustrating the comparison between the FZ method and the conventional Cz method. FIG. 1A shows the FZ method, and FIG. 1B shows the conventional Cz method. As shown in FIG. 1A, in the FZ method, a part of the raw material rod 20 is melted by infrared rays or the like to generate the melt 22, and the raw material rod 20 is moved in the direction of arrow a to set the infrared irradiation position. Move relatively upward in the figure. The single crystal 21 is obtained by the solidification of the melt 22 sequentially from the bottom in the figure. On the other hand, in the Cz method, as shown in FIG. 1 (b), the raw material filled in the crucible 3 is heated and melted to produce the melt 2, and the seed crystal 5 attached to the pulling shaft is melted into the melt 2. The single crystal 1 is obtained by pulling up the seed crystal 5. In the FZ method, since the crystal growth interface A and the gas-liquid interface (melt free surface) B exist in different planes, unstable convection in the vicinity of the gas-liquid interface B of the melt 22 directly affects the crystal growth. Not give. On the other hand, in the Cz method, since the crystal growth interface A and the gas-liquid interface B exist in the same plane, unstable convection in the vicinity of the gas-liquid interface B of the melt 2 directly affects the crystal growth. It is considered that the difference in the difficulty of single crystal growth between the FZ method and the conventional Cz method is caused by this difference. If it is a small single crystal, the FZ method may be easier to grow than the conventional Cz method.

また、別の手法として、坩堝の下部側から単結晶を育成する方法(引き下げ法)がある。図2は、引き下げ法を説明する図である。図2に示すように、引き下げ法では、底部に小穴13aを開けた坩堝13が用いられる。坩堝13の鉛直上方には、原料棒17が配置される。原料棒17の周囲には原料棒17を加熱溶融して融液2を坩堝13内に滴下させるSiCヒータ14が配置され、坩堝13の周囲には融液2を所定温度に維持するSiCヒータ15が配置されている。坩堝13及びSiCヒータ14、15は、セラミック耐火物構造体4により囲まれている。セラミック耐火物構造体4の下方には、結晶育成に必要な温度勾配を得るためのヒータ19が配置されている。引き下げ法では、引き下げ軸16に取り付けた種結晶(図示せず)を、小穴13aから漏れ出す融液2に接触させて引き下げることにより、単結晶1が得られる。   Another method is to grow a single crystal from the lower side of the crucible (pulling down method). FIG. 2 is a diagram for explaining the lowering method. As shown in FIG. 2, in the pulling-down method, a crucible 13 having a small hole 13a at the bottom is used. A raw material rod 17 is disposed vertically above the crucible 13. An SiC heater 14 is disposed around the raw material rod 17 to heat and melt the raw material rod 17 and drop the melt 2 into the crucible 13, and an SiC heater 15 that maintains the melt 2 at a predetermined temperature around the crucible 13. Is arranged. The crucible 13 and the SiC heaters 14 and 15 are surrounded by the ceramic refractory structure 4. A heater 19 for obtaining a temperature gradient necessary for crystal growth is disposed below the ceramic refractory structure 4. In the pulling method, a single crystal 1 is obtained by pulling a seed crystal (not shown) attached to the pulling shaft 16 in contact with the melt 2 leaking from the small hole 13a.

引き下げ法では、単結晶1を凝固平衡させるための熱平衡と、小穴13aから漏れ出す融液2を単結晶1として凝固させるための物質平衡と、適切な結晶育成環境との全てを同時に実現するのが困難である。また、単結晶1の高品質化のために径の小さいネック部を形成するのが一般的であるが、ネック部より径が大きく重さの重い直胴部をネック部上に保持するのは困難である。また、装置に振動が加えられた場合、Cz法では振動が自然減衰するのに対して、引き下げ法では装置が破損、転倒する危険性がある。このように、引き下げ法は、単結晶1の大型化に関して本質的な課題を有している。   In the pulling-down method, thermal equilibrium for solidifying the single crystal 1, material balance for solidifying the melt 2 leaking from the small hole 13 a as the single crystal 1, and an appropriate crystal growth environment are all realized simultaneously. Is difficult. In addition, in order to improve the quality of the single crystal 1, it is common to form a neck portion having a small diameter, but the straight body portion having a diameter larger than the neck portion and heavy in weight is held on the neck portion. Have difficulty. In addition, when vibration is applied to the apparatus, the vibration is naturally damped by the Cz method, whereas there is a risk that the apparatus is broken or falls by the pulling-down method. Thus, the pulling-down method has an essential problem with respect to the enlargement of the single crystal 1.

種々の単結晶育成法の欠点について考察した結果、特に大型のルチル単結晶等の育成に関しては、融液2の自由表面近傍での対流安定性を改善すればCz法が優れているとの結論が得られた。Cz法を用いてルチル単結晶を製造する際には、坩堝3の形成材料として、TiOの融点(約1850℃)より融点の低い白金(Pt)ではなく、TiOの融点より融点の高いイリジウム(Ir)が一般に用いられる。Irは酸化し易いため、単結晶の育成は酸素濃度の低い状態で行われる。したがって、TiO融液2の自由表面では、以下の還元反応が生じ易い。
TiO→1/2Ti+1/2O
As a result of considering the disadvantages of various single crystal growth methods, it is concluded that the Cz method is superior if the convection stability in the vicinity of the free surface of the melt 2 is improved particularly for the growth of large-sized rutile single crystals. was gotten. When producing a rutile single crystal using the Cz method, the material for forming the crucible 3 is not platinum (Pt) having a melting point lower than that of TiO 2 (about 1850 ° C.) but higher than that of TiO 2. Iridium (Ir) is generally used. Since Ir is easily oxidized, the single crystal is grown in a state where the oxygen concentration is low. Therefore, the following reduction reaction tends to occur on the free surface of the TiO 2 melt 2.
TiO 2 → 1 / 2Ti 2 O 3 + 1 / 2O 2

融液2の自由表面近傍における不安定対流は、TiOとTiとの間の表面張力差により生じるマランゴニ対流であると考えられる。同様の現象はFeといった遷移金属元素を主成分として含む融液でも観察されており、TiOに限った特別な現象ではない。融液2の自由表面での表面張力不均衡を解消するのは困難であるので、マランゴニ対流を抑制するためには、自由表面近傍での融液2の流動を抑制するのが最も有効であると考えられる。 The unstable convection in the vicinity of the free surface of the melt 2 is considered to be Marangoni convection caused by a difference in surface tension between TiO 2 and Ti 2 O 3 . A similar phenomenon has been observed in a melt containing a transition metal element such as Fe 2 O 3 as a main component, and is not a special phenomenon limited to TiO 2 . Since it is difficult to eliminate surface tension imbalance on the free surface of the melt 2, it is most effective to suppress the flow of the melt 2 in the vicinity of the free surface in order to suppress Marangoni convection. it is conceivable that.

そこで本実施の形態では、融液自由表面の対流安定性を改善して不安定対流による結晶成長界面への悪影響を回避する方法として、Cz法を用いた単結晶育成の際に、融液2の表面近傍での流動を抑制する対流抑制用構造体を融液2内に設置する。また、融液表面と対流抑制用構造体表面との距離をマランゴニ対流の抑制に必要な距離に保ちつつ単結晶1を育成する。本実施の形態では、固体表面では流体の速度が0となり、固体上に存在する厚さの薄い流体層はその粘性により流動が抑制されることを用いている。   Therefore, in the present embodiment, as a method for improving the convection stability of the free surface of the melt and avoiding the adverse effect on the crystal growth interface due to unstable convection, the melt 2 is grown during the single crystal growth using the Cz method. A convection suppressing structure that suppresses the flow in the vicinity of the surface is installed in the melt 2. In addition, the single crystal 1 is grown while keeping the distance between the melt surface and the surface of the structure for suppressing convection at a distance necessary for suppressing Marangoni convection. In the present embodiment, it is used that the fluid velocity is 0 on the solid surface, and the flow of the thin fluid layer existing on the solid is suppressed by its viscosity.

図3は、本実施の形態による単結晶の製造装置の断面構成を模式的に示している。図3に示すように、単結晶の製造装置は、セラミック耐火物ハウジング9と、セラミック耐火物ハウジング9の中央部に配置され、充填された原料が溶融した融液2を収容する例えばIr製の坩堝3とを有している。坩堝3の周囲には断熱材7が設けられている。坩堝3の鉛直上方は、必要な長さの単結晶1を保温できる空間8を確保してセラミック耐火物構造体4で覆われている。セラミック耐火物ハウジング9の頂部壁9a及びセラミック耐火物構造体4の頂部壁4aの中央には、それぞれ開口9b、4bが設けられている。開口9b、4bを貫通して、図示しない動力源から鉛直下方に延びる引き上げ軸6が設けられている。引き上げ軸6の下端は、種結晶5を保持できるようになっている。また、セラミック耐火物ハウジング9の頂部壁9a及びセラミック耐火物構造体4の頂部壁4aには、例えばそれぞれ3つの開口9c、4cが設けられている(図3ではそれぞれ1つのみ示している)。各開口9c、4cを貫通して、図示しない動力源から鉛直下方に延びる駆動軸11がそれぞれ設けられている。駆動軸11の下端には、取付け棒23を介して例えばIr製の対流抑制用構造体12が接続されている。対流抑制用構造体12の上方の表面12aはほぼ水平であり、融液2の液面(気液界面)2aにほぼ平行になる。対流抑制用構造体12は、動力源により例えば液面2aにほぼ垂直な鉛直方向に移動可能になっている。   FIG. 3 schematically shows a cross-sectional configuration of the single crystal manufacturing apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the single crystal manufacturing apparatus is disposed in a ceramic refractory housing 9 and a central portion of the ceramic refractory housing 9, and contains, for example, an Ir-made melt 2 containing a melted raw material 2. It has a crucible 3. A heat insulating material 7 is provided around the crucible 3. A vertically upper portion of the crucible 3 is covered with a ceramic refractory structure 4 while ensuring a space 8 where the single crystal 1 having a required length can be kept warm. Openings 9b and 4b are provided at the centers of the top wall 9a of the ceramic refractory housing 9 and the top wall 4a of the ceramic refractory structure 4, respectively. A lifting shaft 6 penetrating the openings 9b and 4b and extending vertically downward from a power source (not shown) is provided. The lower end of the pulling shaft 6 can hold the seed crystal 5. Further, for example, three openings 9c and 4c are provided in the top wall 9a of the ceramic refractory housing 9 and the top wall 4a of the ceramic refractory structure 4, respectively (only one is shown in FIG. 3). . Drive shafts 11 are provided that extend through the openings 9c and 4c and extend vertically downward from a power source (not shown). A convection suppressing structure 12 made of, for example, Ir is connected to the lower end of the drive shaft 11 via a mounting rod 23. The upper surface 12a of the convection suppressing structure 12 is substantially horizontal and substantially parallel to the liquid surface (gas-liquid interface) 2a of the melt 2. The convection suppressing structure 12 can be moved in a vertical direction substantially perpendicular to the liquid level 2a by a power source, for example.

セラミック耐火物ハウジング9の外側には、例えば高周波誘導コイル10(加熱部)が巻き回されている。高周波誘導コイル10に高周波電流を流して坩堝3内を誘導加熱することにより、坩堝3内に充填された所望の結晶組成の原料を溶融して融液2を生成し、融液2を所定温度に維持するようになっている。対流抑制用構造体12は、融液2を生成した後に、表面12aが液面2aの近傍に配置されるように融液2中に沈められる。単結晶1の育成中には、例えば表面12aと液面2aとの距離はほぼ一定に保たれるようにする。すなわち、融液2が結晶化することにより液面2aの高さが低下するため、液面2aの高さの低下に合わせて対流抑制用構造体12の位置を鉛直下方に移動させる。なお、単位時間当たりに結晶化した融液の重量と同重量の原料を継続的に補充する連続原料チャージCz法を用いる場合には、液面2aの高さがほぼ一定であるため、対流抑制用構造体12を移動させる必要はない。したがってその場合、駆動軸11を駆動する動力源は必ずしも必要でなく、対流抑制用構造体12は所定の位置に単に固定されるだけでもよい。   For example, a high frequency induction coil 10 (heating unit) is wound around the outside of the ceramic refractory housing 9. A high-frequency current is passed through the high-frequency induction coil 10 to induce and heat the inside of the crucible 3, thereby melting a raw material having a desired crystal composition filled in the crucible 3 to generate a melt 2. The melt 2 is heated to a predetermined temperature. It is supposed to keep on. After generating the melt 2, the convection suppressing structure 12 is submerged in the melt 2 so that the surface 12a is disposed in the vicinity of the liquid surface 2a. During the growth of the single crystal 1, for example, the distance between the surface 12a and the liquid surface 2a is kept substantially constant. That is, since the melt 2 is crystallized, the height of the liquid surface 2a is lowered. Therefore, the position of the convection suppressing structure 12 is moved vertically downward in accordance with the drop in the height of the liquid surface 2a. In the case of using the continuous raw material charge Cz method in which a raw material having the same weight as the weight of the melt crystallized per unit time is used, the height of the liquid surface 2a is almost constant, so that convection is suppressed. There is no need to move the structural body 12. Therefore, in that case, a power source for driving the drive shaft 11 is not necessarily required, and the convection suppressing structure 12 may be simply fixed at a predetermined position.

図4は、対流抑制用構造体12の構成を示す斜視図である。図4に示すように、対流抑制用構造体12は、例えばほぼ平面状の表面12aを備えた円板状の形状を有している。表面12aには、対流制御用構造体12と同一の材料からなり、表面12aに垂直に延びて各駆動軸11にそれぞれ取り付けられる3つの取付け棒23が固定されている。対流抑制用構造体12は、高温の融液2中で化学的に安定であること、及び高温の融液2中での形状変化が小さいことという条件を満たす必要である。この条件は坩堝3の満たすべき条件と同様であるため、対流抑制用構造体12は例えば坩堝3と同一の材料(本例ではIr)を用いて作製される。また表面12aは、結晶成長界面近傍での融液2の不安定対流を抑制するために、少なくとも結晶育成に必要な領域近傍でほぼ平面状、又は傾斜を持った曲面状であるのが望ましい。   FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the convection suppressing structure 12. As shown in FIG. 4, the convection suppressing structure 12 has, for example, a disk shape having a substantially planar surface 12a. Three attachment rods 23 made of the same material as the convection control structure 12 and extending perpendicularly to the surface 12a and attached to each drive shaft 11 are fixed to the surface 12a. The structure 12 for suppressing convection needs to satisfy the conditions that it is chemically stable in the high-temperature melt 2 and that the shape change in the high-temperature melt 2 is small. Since these conditions are the same as the conditions to be satisfied by the crucible 3, the convection suppressing structure 12 is manufactured using, for example, the same material (Ir in this example) as the crucible 3. Further, the surface 12a is preferably substantially planar or curved with an inclination at least near the region necessary for crystal growth in order to suppress unstable convection of the melt 2 in the vicinity of the crystal growth interface.

TiO融液2の液面2aと対流抑制用構造体12の表面12aとの距離を3mm以下に設定したところ、通常観察される液面2aのフローパターンが消失した。このことから、対流抑制用構造体12の保持高さを変えて液面2aと表面12aとの距離を調整することにより、融液2の液面2a近傍での対流を所望の程度に抑制でき、対流をほぼ完全に抑制することも可能であることが確認できた。 When the distance between the liquid surface 2a of the TiO 2 melt 2 and the surface 12a of the convection suppressing structure 12 was set to 3 mm or less, the flow pattern of the liquid surface 2a that was normally observed disappeared. From this, the convection in the vicinity of the liquid surface 2a of the melt 2 can be suppressed to a desired level by changing the holding height of the convection suppressing structure 12 and adjusting the distance between the liquid surface 2a and the surface 12a. It was confirmed that convection could be suppressed almost completely.

図4に示したような円板状の対流抑制用構造体12を用いると、融液2において対流抑制用構造体12の上方から下方に流動する自然対流が生じ難くなるため、融液2の温度分布の軸対称性が損なわれ、高品質の単結晶1が得られない場合があった。図5は、対流抑制用構造体12の構成の変形例を示す斜視図である。図5に示すように、対流抑制用構造体12は、ほぼ中心に穴部18を有している。こうすることにより、穴部18を介して融液2の軸対称な自然対流を選択的に生じさせることができ、高品質の単結晶1が得られることが分かった。   When the disc-shaped convection suppressing structure 12 as shown in FIG. 4 is used, it is difficult for natural convection to flow downward from the convection suppressing structure 12 in the melt 2. In some cases, the axial symmetry of the temperature distribution is impaired, and the high-quality single crystal 1 cannot be obtained. FIG. 5 is a perspective view showing a modified example of the configuration of the convection suppressing structure 12. As shown in FIG. 5, the convection suppressing structure 12 has a hole 18 substantially at the center. By doing so, it was found that the axially symmetric natural convection of the melt 2 can be selectively generated through the hole 18 and a high-quality single crystal 1 can be obtained.

(実施例)
本実施の形態の一実施例による単結晶の製造装置及び製造方法について説明する。まず、Ir製の坩堝3内にルチル型TiOを約1900g充填した。坩堝3の直径は100mmとし、高さ(深さ)は100mmとし、厚さは2.5mmとした。高周波発振器により周波数70kHzの高周波電流を高周波誘導コイル10に流して坩堝3内の原料を加熱溶融し、TiOの融液2を生成した。その後、図5に示したような穴部18を有するIr製の対流抑制用構造体12を融液2内に沈め、液面2aと表面12aとの距離が約6mmになるように配置した。[001]方位のベルヌイTiO単結晶を種結晶5として用い、引き上げ軸6下端に取り付けた。Nに1体積%のOを混入した雰囲気中で種結晶5を融液2に接触させ、液面2aと表面12aとの距離を一定に保ち融液2の液面2a近傍での対流を抑制しながら、引き上げ軸6を1.0mm/hの速度で鉛直上方に引き上げて単結晶1を育成した。この結果、直径50mm、長さ40mmの円柱状で高品質のルチル単結晶が得られた。
(Example)
A single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to an example of the present embodiment will be described. First, about 1900 g of rutile TiO 2 was filled in an Ir crucible 3. The diameter of the crucible 3 was 100 mm, the height (depth) was 100 mm, and the thickness was 2.5 mm. A high frequency current of 70 kHz was passed through the high frequency induction coil 10 by a high frequency oscillator, and the raw material in the crucible 3 was heated and melted to produce a TiO 2 melt 2. After that, an Ir convection suppressing structure 12 having a hole 18 as shown in FIG. 5 was submerged in the melt 2 and arranged so that the distance between the liquid surface 2a and the surface 12a was about 6 mm. A Bernoulli TiO 2 single crystal of [001] orientation was used as the seed crystal 5 and attached to the lower end of the pulling shaft 6. The seed crystal 5 is brought into contact with the melt 2 in an atmosphere in which 1% by volume of O 2 is mixed with N 2 , and the convection in the vicinity of the liquid surface 2a of the melt 2 is kept constant with the distance between the liquid surface 2a and the surface 12a kept constant. The single crystal 1 was grown by pulling the pulling shaft 6 vertically upward at a speed of 1.0 mm / h. As a result, a columnar and high-quality rutile single crystal having a diameter of 50 mm and a length of 40 mm was obtained.

以上のように、本実施の形態では、融液2の液面2a近傍の対流を抑制する対流抑制用構造体12を用い、液面2aと表面12aとの距離をほぼ一定に保ちながら単結晶を育成する。これにより、従来Cz法による育成例がなかったルチル等の酸化物単結晶の育成が可能となり、工業的に生産性の高い大型で高品質の単結晶を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the convection suppressing structure 12 that suppresses the convection in the vicinity of the liquid surface 2a of the melt 2 is used, and the single crystal is maintained while keeping the distance between the liquid surface 2a and the surface 12a substantially constant. Cultivate As a result, it is possible to grow oxide single crystals such as rutile which have not been grown by the conventional Cz method, and it is possible to obtain large, high-quality single crystals with high industrial productivity.

FZ法と従来のCz法とを比較して説明する図である。It is a figure which compares and demonstrates FZ method and the conventional Cz method. 引き下げ法を説明する図である。It is a figure explaining the pulling-down method. 本発明の一実施の形態による単結晶の製造装置の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the manufacturing apparatus of the single crystal by one embodiment of this invention. 対流抑制用構造体の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the structure for convection suppression. 対流抑制用構造体の構成の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of a structure of the structure for convection suppression. EFG法を説明する図である。It is a figure explaining the EFG method.

符号の説明Explanation of symbols

1、21 単結晶
2、22 融液
2a 液面
3、13 坩堝
4 セラミック耐火物構造体
4a、9a 頂部壁
4b、4c、9b、9c 開口
5 種結晶
6 引き上げ軸
7 断熱材
8 空間
9 セラミック耐火物ハウジング
10 高周波誘導コイル
11 駆動軸
12 対流抑制用構造体
12a 表面
13a 小穴
14、15 SiCヒータ
16 引き下げ軸
17、20 原料棒
18 穴部
19 ヒータ
23 取付け棒
1, 21 Single crystal 2, 22 Melt 2a Liquid surface 3, 13 Crucible 4 Ceramic refractory structure 4a, 9a Top wall 4b, 4c, 9b, 9c Opening 5 Seed crystal 6 Lifting shaft 7 Heat insulating material 8 Space 9 Ceramic refractory Object housing 10 high frequency induction coil 11 drive shaft 12 convection suppressing structure 12a surface 13a small hole 14, 15 SiC heater 16 pulling shaft 17, 20 raw material rod 18 hole 19 heater 23 mounting rod

Claims (12)

原料が充填される坩堝と、
前記坩堝内の前記原料を加熱溶融して融液を生成する加熱部と、
前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、
前記融液中の液面近傍に配置される表面を備え、前記液面近傍での前記融液の対流を抑制する対流抑制用構造体と
を有することを特徴とする単結晶の製造装置。
A crucible filled with raw materials;
A heating unit for heating and melting the raw material in the crucible to generate a melt;
A pulling shaft for pulling up the single crystal from the melt;
An apparatus for producing a single crystal, comprising: a convection suppressing structure that includes a surface disposed near a liquid surface in the melt and suppresses convection of the melt near the liquid surface.
請求項1記載の単結晶の製造装置であって、
前記対流抑制用構造体は、前記坩堝と同一の材料を用いて作製されていること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to claim 1,
The convection suppressing structure is manufactured using the same material as that of the crucible.
請求項1又は2に記載の単結晶の製造装置であって、
前記対流抑制用構造体は、板状の形状を有していること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to claim 1 or 2,
The convection suppressing structure has a plate-like shape.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の単結晶の製造装置であって、
前記対流抑制用構造体は、ほぼ中心に穴部を有していること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 3,
The apparatus for producing a single crystal, wherein the convection suppressing structure has a hole at substantially the center.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の単結晶の製造装置であって、
前記対流抑制用構造体は、前記液面にほぼ垂直に移動可能であること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 4,
The apparatus for producing a single crystal, wherein the structure for suppressing convection is movable substantially perpendicular to the liquid surface.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の単結晶の製造装置であって、
前記表面はほぼ平面状であること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 5,
The apparatus for producing a single crystal, wherein the surface is substantially planar.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の単結晶の製造装置であって、
前記表面は、前記液面にほぼ平行であること
を特徴とする単結晶の製造装置。
An apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 6,
The apparatus for producing a single crystal, wherein the surface is substantially parallel to the liquid surface.
坩堝内の原料を加熱溶融して融液を生成し、
前記融液の液面近傍での対流を抑制しながら前記融液から単結晶を引き上げること
を特徴とする単結晶の製造方法。
The raw material in the crucible is heated and melted to produce a melt,
A method for producing a single crystal, wherein the single crystal is pulled up from the melt while suppressing convection near the liquid surface of the melt.
請求項8記載の単結晶の製造方法であって、
前記融液の流動を抑制する対流抑制用構造体の表面を前記融液中の前記液面近傍に配置すること
を特徴とする単結晶の製造方法。
A method for producing a single crystal according to claim 8,
A method for producing a single crystal, comprising disposing a surface of a convection suppressing structure for suppressing flow of the melt in the vicinity of the liquid surface in the melt.
請求項9記載の単結晶の製造方法であって、
前記表面は、前記液面にほぼ平行に配置されること
を特徴とする単結晶の製造方法。
A method for producing a single crystal according to claim 9,
The method for producing a single crystal, wherein the surface is disposed substantially parallel to the liquid surface.
請求項9又は10に記載の単結晶の製造方法であって、
前記表面と前記液面との距離をほぼ一定に保つこと
を特徴とする単結晶の製造方法。
A method for producing a single crystal according to claim 9 or 10,
A method for producing a single crystal, characterized in that the distance between the surface and the liquid surface is kept substantially constant.
請求項8乃至11のいずれか1項に記載の単結晶の製造方法であって、
前記融液及び前記単結晶はTiOであること
を特徴とする単結晶の製造方法。
A method for producing a single crystal according to any one of claims 8 to 11,
The method for producing a single crystal, wherein the melt and the single crystal are TiO 2 .
JP2004370984A 2004-12-22 2004-12-22 Apparatus and method for manufacturing single crystal Pending JP2006176359A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004370984A JP2006176359A (en) 2004-12-22 2004-12-22 Apparatus and method for manufacturing single crystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004370984A JP2006176359A (en) 2004-12-22 2004-12-22 Apparatus and method for manufacturing single crystal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006176359A true JP2006176359A (en) 2006-07-06

Family

ID=36730825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004370984A Pending JP2006176359A (en) 2004-12-22 2004-12-22 Apparatus and method for manufacturing single crystal

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006176359A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103201415A (en) * 2010-11-15 2013-07-10 Lg矽得荣株式会社 Sapphire ingot grower
KR101298965B1 (en) * 2006-09-22 2013-08-23 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 A single crystal growth apparatus

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101298965B1 (en) * 2006-09-22 2013-08-23 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 A single crystal growth apparatus
KR101353277B1 (en) * 2006-09-22 2014-01-22 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 C-plane sapphire method
US8652658B2 (en) 2006-09-22 2014-02-18 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. C-plane sapphire method and apparatus
CN103201415A (en) * 2010-11-15 2013-07-10 Lg矽得荣株式会社 Sapphire ingot grower
EP2640875A2 (en) * 2010-11-15 2013-09-25 LG Siltron Inc. Sapphire ingot grower
EP2640875A4 (en) * 2010-11-15 2014-05-07 Lg Siltron Inc Sapphire ingot grower

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6606638B2 (en) Method and apparatus for growing Fe-Ga based alloy single crystal
JP5789676B2 (en) Resistance heating sapphire single crystal ingot growth apparatus and method of manufacturing resistance heating sapphire single crystal ingot
US5114528A (en) Edge-defined contact heater apparatus and method for floating zone crystal growth
JP2007186374A (en) Method for producing sic single crystal
JP2006176359A (en) Apparatus and method for manufacturing single crystal
EP1538242A1 (en) Heater for crystal formation, apparatus for forming crystal and method for forming crystal
JPH09175889A (en) Single crystal pull-up apparatus
JP2008207993A (en) Method for producing sapphire single crystal
CN104662210B (en) Semiconductor monocrystal and the quartz glass crucibles suitable for it are lifted according to Czochralski method
JP2006151745A (en) Method for producing single crystal and oxide single crystal obtained by using the same
JP6702249B2 (en) Oxide single crystal manufacturing method and oxide single crystal pulling apparatus
JP2021508665A (en) Silicon single crystal growth method and equipment
JP2002060296A (en) Crucible and apparatus for producing single crystal, and method of producing single crystal using the same
JP2018203563A (en) Production method of magnetostrictive material
JP5196438B2 (en) Raw material melt supply apparatus, polycrystal or single crystal production apparatus and production method
JPH07110798B2 (en) Single crystal manufacturing equipment
JP6992488B2 (en) Crucible for growing single crystals
JP2939603B2 (en) Manufacturing method of semiconductor single crystal
JP2017193469A (en) After-heater and sapphire single crystal production apparatus
KR101343505B1 (en) Method and apparatus for manufacturing single crystal ingot
CN115537911A (en) Method and equipment for preparing large-size crystal by Czochralski method
JP2005213114A (en) Apparatus for growing oxide single crystal
JP2005213113A (en) Apparatus for growing oxide single crystal
JP2012036015A (en) Crystal growth method
JP2001106597A (en) Method and device for producing single crystal

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Effective date: 20080116

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20080916

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081104

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090106

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090728