JP2006176359A - Apparatus and method for manufacturing single crystal - Google Patents
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Abstract
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、LiTaO3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(TiO2)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。TiO2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
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TiO2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
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
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
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、TiO2の融点(約1850℃)より融点の低い白金(Pt)ではなく、TiO2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、TiO2融液2の自由表面では、以下の還元反応が生じ易い。
TiO2→1/2Ti2O3+1/2O2
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
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、TiO2とTi2O3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Fe2O3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、TiO2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
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
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
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-
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
TiO2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
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
(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TiO2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、TiO2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TiO2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。N2に1体積%のO2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
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
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
Claims (12)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
前記融液及び前記単結晶はTiO2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 .
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