JP2006248808A - 結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３を一例とする酸化物結晶であって、利用効率の高い円形結晶を製造する。
【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を浸して結晶を育成しながら引き上げる結晶製造装置において、炉５内の温度を調整するヒータ４と、るつぼ１内部の原料溶液８と接して、原料溶液８の一部を局所的に加熱する内ヒータ１１と、育成された結晶９の形状を検出する光センサ１４と、光センサ１４で検出された結晶の形状に応じて、内ヒータ１１を制御する温度制御器１５とを備えた。
【選択図】 図６

Description

本発明は、結晶製造装置に関し、より詳細には、ＴＳＳＧ法による結晶成長において、利用効率の高い円形結晶を得るための結晶製造装置に関する。

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結晶を育成しながら引き上げる、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、大型ウエ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、成長結晶９を育成しながら引き上げる。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速度を調整し、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、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

従来のＴＳＳＧ法による結晶成長方法は、原料溶液を徐冷し過飽和状態として、形状センサまたは重量センサを用いて結晶成長の進行を監視する。結晶成長が早い場合には昇温、結晶成長が遅い場合には冷却の微調整を、一定速度の冷却に加えて成長結晶の直径制御を行う。しかしながら、図１に示したように、るつぼ１の外側からヒータ４によって加熱する構成では、るつぼ１内の温度分布が不均一となる。すなわち、図２の温度曲線Ａに示したように、るつぼ１内の原料溶液８の温度分布は、るつぼ１の壁に向かって緩やかに温度が高くなる分布となる。

従来の構成では、原料溶液８と成長結晶９との間の固液界面近傍の温度分布を局所的に制御することは困難である。ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３を一例とする酸化物結晶は、ファセット面の形成が容易であり、［００１］軸成長の場合は

方向より

方向の成長速度が遅いために、｛１００｝面で構成された正方形結晶が成長しやすく、円形状の結晶育成は困難である。

一方、成長結晶を切断・研磨加工して作製したウエハ上に、素子・部品を作製する際の加工・製造装置は、半導体素子製造に代表されるように円形ウエハの使用を前提としたものが主流である。ＴＳＳＧ法により正方形に成長した成長結晶を切断・研磨加工して作製した四角形ウエハを使用する場合には、別途四角形ウエハ用の製造装置を準備するか、または四角形ウエハを円形ウエハに加工して、汎用の円形ウエハに対応した加工・製造装置を使用する。従って、素子や部品の製造工程を考慮すると、四角形ウエハは、素子や部品の製造効率が悪く、作製費用の面で不利となる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、利用効率の高い円形結晶を製造することができる結晶製造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、種子結晶を浸して結晶を育成しながら引き上げる結晶製造装置において、前記炉内の温度を調整するヒータと、前記るつぼ内部の前記原料溶液と接して、前記原料溶液の一部を局所的に加熱する内ヒータと、育成された結晶の形状を検出する形状センサと、該形状センサで検出された前記結晶の形状に応じて、前記内ヒータを制御する温度制御器とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の前記内ヒータは、複数に分割され、前記るつぼの半径方向および深さ方向に、それぞれ動くことができ、前記温度制御器は、分割された内ヒータのそれぞれの位置を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記温度制御器は、前記育成された結晶の形状の半径方向の変形量Δｄが、
−｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝≦Δｄ≦｛（ｒ√２）−ｒ｝
の範囲内にあるようにして、前記結晶の形状が円形状になるように前記内ヒータを制御することを特徴とする。

請求項４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。

以上説明したように、本発明によれば、るつぼ内部の原料溶液と接して、原料溶液の一部を局所的に加熱する内ヒータを配置し、形状センサで検出された結晶の形状に応じて、内ヒータを制御することにより、結晶の形状がほぼ円形状の酸化物結晶を製造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。
図３に、本発明の一実施形態にかかる結晶製造装置の構成を示す。従来の結晶製造装置の構成に加えて、るつぼ１内に内ヒータ１１ａ，１１ｂを設置する。内ヒータ１１ａ，１１ｂによる温度制御を行うことにより、図２に示した温度曲線Ｂのように、成長結晶近傍の温度分布を制御する。

図４に、内ヒータの構成を示す。図４（ａ）は、分割・可動式の内ヒータである。個々の内ヒータ１１ａ〜１１ｄを、るつぼ１の中心から円周方向に動かすことができ、成長結晶９との間隔を変えることにより、温度制御を行うことができる。図４（ｂ）は、リング型の内ヒータである。リング型の内ヒータは、るつぼ１に対して上下方向に動かすことができ、原料溶液８中への浸漬量を変えることにより、温度制御を行うことができる。ヒータ材質は、白金または同等の耐熱、耐食性を有する。内ヒータの構成について、以下に詳細に説明する。

（１）図５に示すように、所望する成長結晶５１の半径をｒとする。半径ｒの円に内接する第１の正方形結晶５２の対角線の１／２は、成長結晶５１の半径と同じｒであり、中心と四辺との距離は、｛（ｒ√２）／２｝で表される。成長結晶５１の半径ｒと第１の正方形結晶５２の中心から四辺の距離との差は、｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝で表される。円形の結晶を得るためには｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝を増加させ、ｒの値に制御すればよいことになる。

半径ｒの成長結晶５１を内包する第２の正方形結晶５３の対角線の１／２は、（ｒ√２）であり、中心と四辺との距離はｒで表される。成長結晶５１の半径ｒと第２の正方形結晶５３の中心から四辺の距離との差は、｛（ｒ√２）−ｒ｝で表される。円形の結晶を得るためには｛（ｒ√２）−ｒ｝の増加を抑制し、ｒの値に制御すればよいことになる。

従って、成長結晶９の形状の半径方向の変形量Δｄが、
−｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝≦Δｄ≦｛（ｒ√２）−ｒ｝
の範囲内にあるようにして、内ヒータ１１を制御する。

結晶の直径変動は、形状センサで検知する。形状センサの一例として光センサを用いる場合について説明する。この場合、成長結晶と原料溶液との境界のメニスカス部分に生じるブライトリングを観測することにより、結晶の直径の変動を容易に計測することができる。成長結晶が正方形に変形する場合は、四回対称の周期的な結晶の直径変動を検出できる。逆に正方形から円形に収束する場合は、四回対称の周期的な結晶の直径変動の減少として検出することができる。光センサで検出した信号を、温度制御器を通して内ヒータの制御にフィードバックすることにより、成長結晶の直径制御を行う。

成長結晶の周囲の原料溶液を、内ヒータで局所的に加熱することにより、結晶成長のための過飽和領域の大きさを確保しつつ、成長結晶の周囲の温度分布を急峻にする。したがって、｛１００｝ファセットが拡大した場合、〈１１０〉方向の稜部が成長しにくくなって正方形化が抑制され、円形の結晶が成長する。ＴＳＳＧ法において、例えば、ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３結晶の成長には、均一性の高い温度分布が必要とされる一方で、成長結晶の外部に急峻な温度分布を形成することにより、円形結晶を成長させることができる。

（２）図４（ａ）に示した分割・可動式の内ヒータを、成長結晶の形状を検出しながら制御することにより、より精密に原料溶液の温度分布を制御することができる。内ヒータによる温度制御は、結晶近傍の局所的温度制御であり、かつ、熱慣性の少ないヒータ位置の制御である。熱容量の大きい抵抗加熱炉全体の温度を調整するヒータの制御と比較して、内ヒータによる温度制御は応答速度が速い。従って、一定形状の結晶を安定して成長させることができ、高品質かつ利用効率の高い結晶成長を実現できる。

（３）大形のるつぼ内の原料溶液の温度分布を制御することにより、るつぼ径に比べ小径の結晶を成長させることができる。炉全体を加熱するヒータのみの制御では、温度分布の制御が困難なため、るつぼ径に比べ小径の結晶を成長させることができない。例えば、ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３結晶の原料溶液から成長させる場合には、一致溶融状態が得られないため、結晶成長の進行とともにその組成比が変化してしまう。大形るつぼを用いて、小径の結晶を引き上げることができれば、原料溶液の量に対し結晶固化率を小さくできるので、組成比の変化の少ない結晶を実現することができる。従って、目的とする組成比の結晶を得ることが容易で、利用効率の高い結晶を得ことができる。

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。一例として、ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３単結晶の製造を説明する。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は、４インチ径で縦型管状炉５内に配置されたるつぼ台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。

次に、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に接触させる際には、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２０ｒｐｍで回転させ、るつぼ１を引き上げ軸６と逆方向に１０ｒｐｍで回転させながら、平均成長速度が２ｍｍ／日になるように引き上げる。このとき、原料溶液８に対して、一定冷却速度の冷却に加えて、４分割型の内ヒータ１１による温度分布の制御を行う。種子結晶７の先端に結晶を析出させ、２インチ径の肩拡げ成長過程、２インチ径の定径部成長過程を経て成長結晶９を育成する。

育成中は、結晶の成長状態を光センサ１４により、炉体ふた１０の監視窓１７から結晶の形状を検出する。光センサ１４からのセンサ信号をセンサ信号処理器１６で変換して、温度制御器１５に入力する。温度制御器１５は、成長する結晶形状の半径方向の変形量（Δｄ）が、−｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝≦Δｄ≦｛（ｒ√２）−ｒ｝の範囲になるように、内ヒータ１１を制御する。すなわち、光センサ１４で検出した形状に基づいて、結晶成長を抑制する場合には、通電電流を増加させて内ヒータ１１を加熱したり、内ヒータ１１の位置を中心方向にずらして成長を抑制する。結晶成長を促す場合には、内ヒータ１１の通電電流を減少させたり、内ヒータ１１の位置を円周方向にずらして成長を促す。

所定の結晶成長終了後、結晶を溶液から切り離し、ヒータ４の加熱量を下げ、縦型管状炉５を室温まで冷却する。成長した２インチ径のＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３単結晶は、直径が４７ｍｍφ〜５４ｍｍφに制御されており、ほぼ円形状で欠陥発生も見られない。

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。一例として、ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３単結晶の製造を説明する。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を所望の組成比となるよう秤量し、実施例１よりも大きい６インチ径のるつぼ１に充填する。ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１は、縦型管状炉５内に配置されたるつぼ台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。

次に、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に接触させる際には、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２０ｒｐｍで回転させ、るつぼ１を引き上げ軸６と逆方向に１０ｒｐｍで回転させながら、平均成長速度が２ｍｍ／日になるように引き上げる。このとき、原料溶液８に対して、一定冷却速度の冷却に加えて、リング型内ヒータ１２による温度分布の制御を行う。種子結晶７の先端に結晶を析出させ、２インチ径の肩拡げ成長過程、２インチ径の定径部成長過程を経て成長結晶９を育成する。

育成中は、結晶の成長状態を光センサ１４により、炉体ふた１０の監視窓１７から結晶の形状を検出する。光センサ１４からのセンサ信号をセンサ信号処理器１６で変換して、温度制御器１５に入力する。温度制御器１５は、成長する結晶形状の半径方向の変形量（Δｄ）が、−｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝≦Δｄ≦｛（ｒ√２）−ｒ｝の範囲になるように、内ヒータ１２を制御する。すなわち、光センサ１４で検出した形状に基づいて、結晶成長を抑制する場合には、通電電流を増加させて内ヒータ１２を加熱したり、原料溶液８中への内ヒータ１２の浸漬量を増加させて成長を抑制する。結晶成長を促す場合には、内ヒータ１２の通電電流を減少させたり、原料溶液８中への内ヒータ１２の浸漬量を減少させて成長を促す。

所定の結晶成長後、結晶を溶液から切り離し、ヒータ４の加熱量を下げ、縦型管状炉５を室温まで冷却する。成長した２インチ径のＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３単結晶は、直径が４８ｍｍφから５４ｍｍφに制御されており、ほぼ円形状で欠陥発生も見られない。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1-ｘＯ_３単結晶の製造を一例としたが、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。 るつぼ内の温度分布を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる結晶製造装置の構成を示す図である。 内ヒータの構成を示す図である。 成長結晶の大きさを説明するための図である。 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
１１，１２ 内ヒータ
１４ 光センサ
１５ 温度制御器
１６ センサ信号処理器
１７ 監視窓

Claims (5)

1. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して結晶を育成しながら引き上げる結晶製造装置において、
   前記炉内の温度を調整するヒータと、
   前記るつぼ内部の前記原料溶液と接して、前記原料溶液の一部を局所的に加熱する内ヒータと、
   育成された結晶の形状を検出する形状センサと、
   該形状センサで検出された前記結晶の形状に応じて、前記内ヒータを制御する温度制御器と
   を備えたことを特徴とする結晶製造装置。
2. 前記内ヒータは、複数に分割され、前記るつぼの半径方向および深さ方向に、それぞれ動くことができ、
   前記温度制御器は、分割された内ヒータのそれぞれの位置を制御することを特徴とする請求項１記載の結晶製造装置。
3. 前記温度制御器は、前記育成された結晶の形状の半径方向の変形量Δｄが、
   −｛ｒ−｛（ｒ√２）／２｝｝≦Δｄ≦｛（ｒ√２）−ｒ｝
   の範囲内にあるようにして、前記結晶の形状が円形状になるように前記内ヒータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶製造装置。
4. 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に記載の結晶製造装置。
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に記載の結晶製造装置。
   

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