JP2007145620A - Apparatus and method for manufacturing single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法を用いた単結晶製造装置及び製造方法に関し、より詳細には、高周波により粉末原料を溶融させるに際し、該粉末原料を供給するための構造及び工程が改良された単結晶製造装置及び単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method using the Czochralski method, and more specifically, a single crystal having an improved structure and process for supplying the powder raw material when the powder raw material is melted by high frequency. The present invention relates to a crystal manufacturing apparatus and a method for manufacturing a single crystal.
従来、様々な電子デバイスにおいて、単結晶材料が広く用いられている。電子デバイス用の単結晶材料では、生産性を高めるために、より大きなサイズの単結晶が求められている。このような大きなサイズの単結晶を製造することを可能とする単結晶製造装置の一例が、下記の特許文献1に開示されている。
Conventionally, single crystal materials have been widely used in various electronic devices. Single crystal materials for electronic devices are required to have a single crystal having a larger size in order to increase productivity. An example of a single crystal manufacturing apparatus that can manufacture such a large size single crystal is disclosed in
図5は、特許文献1に記載の単結晶製造装置を示す概略構成図である。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a single crystal manufacturing apparatus described in
単結晶製造装置101では、内部に二重ルツボ102が収納されている。二重ルツボ102は、円筒状の外側ルツボ103内に円筒状の内側ルツボ104を配置した構造を有する。内側ルツボ104には、複数の貫通孔が側壁に形成されている。ここでは、外側ルツボ103と、内側ルツボ104との間に、原料供給管105が延ばされている。原料供給管105は、粉末原料を供給するために設けられている。原料供給管105の先端部から供給された粉末原料が、二重ルツボ102内において加熱されて、溶融される。この加熱は、二重ルツボ102の周囲に配置された高周波コイル106を用いて行われている。他方、二重ルツボ102内には、保持部107の下端に取り付けられた種結晶108が配置されている。製造に際しては、粉末原料を溶融し、溶融原料に種結晶108を浸漬し、種結晶108を引き上げることにより、単結晶が成長される。
特許文献1に記載のような従来の単結晶製造装置では、二重ルツボ102内における溶融原料の組成を一定に保つことが重要である。そのため単結晶の育成速度に応じて、粉末原料を原料供給管105の先端部から潤滑に供給する必要がある。
In the conventional single crystal manufacturing apparatus described in
ところで、粉末原料は、二重ルツボ102内において、高周波コイル106により発生された高周波により加熱され溶融される。この高周波は、二重ルツボ102内に供給されている原料のみに印加されることが望ましい。しかしながら、原料供給管105の先端部が二重ルツボ102内に原料を供給するために、二重ルツボ102内にまで延ばされている。
By the way, the powder raw material is heated and melted in the
原料供給管105の先端部においては、原料は粉末状態であるが、高周波が印加されると、原料供給管105の内部を原料が通過する際に溶融し、原料供給管105の先端部が詰まることがあった。
The raw material is in a powder state at the distal end of the raw
このような問題を避けるには、原料供給管105の先端部をルツボ102から遠ざければよいと考えられる。しかしながら、原料供給管105の先端部をルツボ102から遠ざけると、粉末原料がルツボ102に確実に投入されず、飛び散り、ルツボ102外に散乱するおそれがある。すなわち、粉末原料であるため、ルツボ102から原料供給管105を遠ざければ遠ざける程、ルツボ102に確実に粉末原料が投入されない可能性が高くなる。そうなると、育成される単結晶の組成が不均一となり、目的とする単結晶を確実に得ることが困難となる。
In order to avoid such a problem, it is considered that the distal end portion of the raw
本発明は、上述した従来技術の現状に鑑み、供給管からルツボに粉末原料を確実に供給でき、しかも均一な組成の単結晶を確実にかつ容易に得ることを可能とする単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することにある。 In view of the current state of the prior art described above, the present invention provides a single crystal manufacturing apparatus that can reliably supply a powder raw material from a supply pipe to a crucible and can obtain a single crystal having a uniform composition reliably and easily. The object is to provide a method for producing a single crystal.
本発明に係る単結晶製造装置は、先端部から粉末原料を供給するための供給管と、前記供給管の先端部から粉末原料が供給され、供給された粉末原料を収容するルツボと、前記ルツボ内の粉末原料を加熱し、溶融するための高周波発生手段とを備える、単結晶製造装置において、前記供給管の前記先端部に、切欠が設けられていることを特徴とする。 A single crystal manufacturing apparatus according to the present invention includes a supply pipe for supplying a powder raw material from a tip portion, a crucible that is supplied with the powder raw material from the tip portion of the supply pipe and contains the supplied powder raw material, and the crucible In the single crystal manufacturing apparatus comprising a high-frequency generating means for heating and melting the powder raw material therein, a notch is provided at the tip of the supply pipe.
本発明に係る単結晶製造装置のある特定の局面では、前記切欠が、前記供給管の先端部から先端部とは反対側方向に延ばされている。 On the specific situation with the single-crystal manufacturing apparatus which concerns on this invention, the said notch is extended in the direction opposite to the front-end | tip part from the front-end | tip part of the said supply pipe | tube.
本発明に係る単結晶製造装置の他の特定の局面では、前記高周波発生手段が、高周波コイルを有し、高周波コイルが前記ルツボを囲むように配置されており、前記供給管の先端部に設けられた切欠が、前記高周波コイルで囲まれた領域に位置しているように、前記供給管が前記ルツボに近接されている。 In another specific aspect of the apparatus for producing a single crystal according to the present invention, the high-frequency generating means includes a high-frequency coil, the high-frequency coil is disposed so as to surround the crucible, and is provided at a distal end portion of the supply pipe. The supply pipe is close to the crucible so that the cutout is located in a region surrounded by the high-frequency coil.
本発明に係る単結晶の製造方法は、粉末原料をルツボ内で溶融し、溶融された原料中に種結晶を浸漬し、該種結晶を引き上げつつ、単結晶を成長させる、単結晶の製造方法において、本発明の単結晶製造方法装置を用い、前記高周波発生手段から高周波を発生させた状態で、前記供給管の前記切欠が設けられている先端部から前記粉末原料を前記ルツボ内に供給することを特徴とする。 A method for producing a single crystal according to the present invention comprises: melting a powder raw material in a crucible; immersing a seed crystal in the molten raw material; and growing the single crystal while pulling up the seed crystal. In the above, the powder raw material is supplied into the crucible from the tip portion of the supply pipe where the notch is provided in a state where a high frequency is generated from the high frequency generating means using the single crystal manufacturing method apparatus of the present invention. It is characterized by that.
本発明に係る単結晶製造装置では、供給管の先端部に切欠が設けられているため、高周波発生手段により高周波を発生させた場合、供給管に印加された高周波電流による誘導電流を抑制することができる。そのため、供給管の先端部における温度上昇が抑制され、供給管内部に、特に先端部近傍における粉末原料の溶融を効果的に抑制することができる。従って、供給管の先端部近傍における詰まりを防止し、ルツボ内における単結晶の育成速度に応じて粉末原料を確実に供給することが可能となる。よって、均一な組成の大きな単結晶を容易に得ることが可能となる。 In the single crystal manufacturing apparatus according to the present invention, since the notch is provided at the tip of the supply pipe, when a high frequency is generated by the high frequency generating means, the induced current due to the high frequency current applied to the supply pipe is suppressed. Can do. Therefore, the temperature rise at the tip of the supply pipe is suppressed, and the melting of the powder raw material inside the supply pipe, particularly in the vicinity of the tip, can be effectively suppressed. Therefore, clogging in the vicinity of the tip of the supply pipe can be prevented, and the powder raw material can be reliably supplied according to the growth rate of the single crystal in the crucible. Therefore, a single crystal having a large uniform composition can be easily obtained.
前記切欠が、供給管の先端部から先端部とは反対側に延ばされた形状である場合には、供給管の先端部において周方向に誘導電流が生じ難い。従って、より一層確実に供給管内における粉末原料の溶融を抑制することができる。 When the cutout has a shape extending from the tip of the supply pipe to the side opposite to the tip, an induced current hardly occurs in the circumferential direction at the tip of the supply pipe. Therefore, melting of the powder raw material in the supply pipe can be suppressed more reliably.
高周波発生手段が高周波コイルを有し、該高周波コイルで囲まれている部分に、前記供給管の先端部が位置している場合であっても、本発明によれば、上記のように切欠により誘導電流の発生が抑制されているため、供給管先端内部の温度上昇が抑えられ、供給管の先端部における粉末原料の溶融及び詰まりを確実に抑制することができる。しかも、供給管がルツボに近接されるので、粉末原料をルツボにより確実に供給することができる。 Even if the high-frequency generating means has a high-frequency coil, and the tip of the supply pipe is located in a portion surrounded by the high-frequency coil, according to the present invention, as described above, Since the generation of the induced current is suppressed, the temperature rise inside the supply pipe tip can be suppressed, and the melting and clogging of the powder raw material at the tip of the supply pipe can be reliably suppressed. Moreover, since the supply pipe is close to the crucible, the powder raw material can be reliably supplied by the crucible.
本発明に係る単結晶の製造方法では、上記高周波発生手段により高周波を印加し、粉末原料をルツボ内で溶融するに際し、供給管に高周波が印加されたとしても、切欠が設けられているので、供給管の先端部近傍における粉末原料の溶融及び詰まりを確実に抑制することができる。従って、本発明の単結晶製造装置を用い、組成が均一であり、大きな単結晶を容易にかつ確実に提供することが可能となる。 In the method for producing a single crystal according to the present invention, when a high frequency is applied by the high frequency generation means and the powder raw material is melted in the crucible, even if a high frequency is applied to the supply pipe, a notch is provided. It is possible to reliably suppress melting and clogging of the powder raw material in the vicinity of the tip of the supply pipe. Accordingly, it is possible to easily and reliably provide a large single crystal having a uniform composition using the single crystal manufacturing apparatus of the present invention.
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより本発明を明らかにする。 Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る単結晶製造装置を示す略図的正面断面図である。 FIG. 1 is a schematic front sectional view showing a single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
単結晶製造装置1は、円筒状の断熱材2を有する。断熱材2の周囲には、高周波発生手段を構成している高周波誘導加熱コイル3が配置されている。断熱材2内には、ベースプレート4が配置されており、ベースプレート4上に、内ルツボ5及び外ルツボ6が配置されている。内ルツボ5は円筒状であり、その上部には炉内の保温性を高めるためのアフターヒーター11が設置されている。本実施形態では、内ルツボ5は、イリジウムにより構成されているが、例えば、白金、白金とロジウムの合金、白金とイリジウムの合金などの他の適宜の材料により構成され得る。
The single
内ルツボ5の周囲を囲むように、円筒状の外ルツボ6が配置されている。外ルツボ6についても、イリジウムなどの適宜の材料により構成され得る。本実施形態では、内ルツボ5と、内ルツボ5とが同心に配置された外ルツボ6とを有する二重ルツボが用いられている。
A cylindrical
外ルツボ6の外側には、炉材7が配置されている。また、炉材7の周囲が、炉材を囲む円筒状の断熱材2により囲まれている。
A
本実施形態では、上記内ルツボ5の外側に粉末原料を供給するための供給管9が配置されている。すなわち、供給管9は断熱材2の上方から内部に延ばされており、供給管9の先端部9aは内ルツボ5の外側に位置されている。先端部9aから粉末原料が下方に向って投入されるが、この粉末原料の投入される部分は内ルツボ5と外ルツボ6の内壁との間の空間である。
In the present embodiment, a
図2は供給管9の正面図である。図2に示すように、供給管9の先端にノズル10が取り付けられており、ノズル10の先端が供給管9の先端部9aを構成している。
FIG. 2 is a front view of the
本実施形態の特徴は、この供給管9の先端側に取り付けられているノズル10に切欠10aが設けられていることにある。
The feature of this embodiment is that a notch 10 a is provided in the
すなわち、図3(a)及び(b)の平面図及び正面図で示すように、ノズル10には、上下方向に延びる切欠10aが設けられている。従って、切欠10aは、供給管9の先端部9aから先端部9aとは反対側方向に延ばされている。
That is, as shown in the plan view and the front view of FIGS. 3A and 3B, the
本実施形態では、一本の切欠10aが設けられているが、複数本の切欠が設けられていてもよい。 In the present embodiment, one notch 10a is provided, but a plurality of notches may be provided.
本発明の単結晶製造装置において、単結晶を製造するに際しては、上記供給管9から粉末原料を供給する。粉末原料は、供給管9の先端側に設けられたノズル10から、下方に投入される。この場合、ノズル10の先端、すなわち供給管9の先端部9aは、内ルツボ5の外側に位置しており、内ルツボ5と外ルツボ6との間の空間に粉末原料を確実に供給する位置に設けられている。従って、先端部9aは、高周波コイル3で囲まれている領域内に位置しており、先端部9aがルツボ5,6に近接されているので、粉末原料は周囲に飛散し難く、確実に内ルツボ5の外側と外ルツボ6との間の空間に供給される。
In the single crystal manufacturing apparatus of the present invention, the powder raw material is supplied from the
単結晶の育成に際しては、供給された粉末原料を、高周波電流の印加により溶融する。溶融原料が内ルツボ5に設けられた貫通孔(図示せず)を通って内ルツボ5内に移動し、内ルツボ5内において、種結晶を溶融原料に浸漬し、引き上げる。この種結晶の引き上げ速度を調整することにより所望とする単結晶を成長させることができる。
In growing a single crystal, the supplied powder raw material is melted by applying a high-frequency current. The molten raw material moves into the
上記単結晶の製造方法自体は、従来からチョクラルスキー法と称されている公知の単結晶製造方法である。本実施形態の特徴は、上記単結晶の製造に際し、粉末原料を供給管9から供給するに際し、上記切欠10aが設けられている供給管9を用いることにある。すなわち、切欠10aが設けられているため、高周波がノズル10すなわち供給管9の先端部9aの近傍に印加されたとしても、先端部9a近傍において供給管9内に誘導電流が切欠10aの存在により生じ難い。従って、ノズル10において、粉末原料が加熱され難く、溶融し難い。よって、ノズル10における粉末原料の溶融が生じ難いため、ノズル10における詰まりも生じ難い。
The single crystal manufacturing method itself is a known single crystal manufacturing method conventionally referred to as the Czochralski method. The feature of this embodiment is that the
よって、単結晶の育成速度に応じて、粉末原料を確実にかつ円滑に供給することができ、それによって均一な組成の大きな単結晶を容易に提供することが可能となる。 Therefore, it is possible to reliably and smoothly supply the powder raw material according to the growth rate of the single crystal, thereby easily providing a single crystal having a large uniform composition.
具体的な実験例につき説明する。 A specific experimental example will be described.
マグネシアからなり、外径13mm、内径9mm及び長さ400mmの円筒である円筒管の先端に、幅1mmの切欠10aを有する白金の金属箔を材質とするノズル10を取り付け、供給管9を得た。供給管9の先端部9aが、外ルツボ6の上端6aよりも5mm上方となるように供給管9を配置し、二重ルツボ法により、直径80mm及び高さ60mmの定比組成物のタンタル酸リチウムを作製した。先ず、直径200mm、高さ150mm及び肉厚2.5mmのイリジウム製外ルツボ6の内部に、直径160mm、高さ180mm及び肉厚1.5mmのイリジウム製内ルツボ5を同心に配置し、二重ルツボ4を構成した。高周波誘導加熱コイル3として、直径360mm、線径20mm、ターン数10のコイルを用い、該コイルの中心に上記二重ルツボを配置し、断熱材2により二重ルツボの周囲を被覆した。供給管9から、Li2O:Ta2O5=57:43(重量比)である原料粉末18kgを投入し、高周波誘導加熱コイル3に9kHz及び550Aの高周波電流を流し、原料を溶融した。しかる後、溶融原料に種結晶を接触させ、種結晶を引き上げることにより単結晶を作製した。
A
上記単結晶の育成中、重量センサーにより単結晶の重量変化量を計測し、これと同量のLi2O:Ta2O5=1:1(重量比)の組成の粉末原料を供給管9を介して内ルツボ5と外ルツボ6との間の空間に供給した。その結果、単結晶育成中に供給管9が詰まることなく、直径80mm及び高さ60mmの定比組成のタンタル酸リチウム単結晶を得ることができた。
During the growth of the single crystal, the weight change amount of the single crystal was measured by a weight sensor, and the same amount of powder raw material having a composition of Li 2 O: Ta 2 O 5 = 1: 1 (weight ratio) was supplied to the
一般に、タンタル酸リチウム単結晶の組成におけるLi2OとTa2O5の比はキュリー温度で推定することができる。Li2O:Ta2O5=1:1の場合、キュリー温度690℃となり、Li2O:Ta2O5=0.96:1の場合には、キュリー温度が615℃となる。上記のようにして得られたタンタル酸リチウム単結晶の上部と下部のキュリー温度を示差熱分析装置により測定したところ、結晶上部のキュリー温度は688℃であり、結晶下部のキュリー温度は690℃であった。従って、単結晶内における組成がほぼ均一であることが確認できた。 In general, the ratio of Li 2 O to Ta 2 O 5 in the composition of the lithium tantalate single crystal can be estimated at the Curie temperature. When Li 2 O: Ta 2 O 5 = 1: 1, the Curie temperature is 690 ° C., and when Li 2 O: Ta 2 O 5 = 0.96: 1, the Curie temperature is 615 ° C. When the upper and lower Curie temperatures of the lithium tantalate single crystal obtained as described above were measured by a differential thermal analyzer, the Curie temperature of the upper part of the crystal was 688 ° C., and the Curie temperature of the lower part of the crystal was 690 ° C. there were. Therefore, it was confirmed that the composition in the single crystal was almost uniform.
他方、比較のために、図4(a),(b)に示す切欠が設けられていないことを除いては同様に構成されたノズル110を用い、その他は上記実験例と全く同様にして、タンタル酸リチウム単結晶の作製を試みた。しかしながら、作製途中に供給管9に原料が詰まり、得られた単結晶内のキュリー温度は結晶上部で688℃、結晶下部のキュリー温度は695℃であった。すなわち、単結晶内において、組成がばらついていることがわかる。また、冷却後の供給管を確認したところ、先端部で原料が溶融し、詰まっていることが認められた。すなわち、供給管の先端部が、タンタル酸リチウムの融点である約1550℃より高い温度に加熱されていたと考えられる。
On the other hand, for comparison, a
なお、上記実施形態では、二重ルツボを用いていたが、本発明に係る単結晶製造装置は、二重ルツボである必要は必ずしもない。二重ルツボではない場合には、ルツボ内に供給管の先端を位置させればよく、その場合においても、本発明によれば、供給管の先端に切欠が設けられているため、供給管の先端における詰まりが生じ難い。 In the above embodiment, the double crucible is used. However, the single crystal manufacturing apparatus according to the present invention does not necessarily need to be a double crucible. If the crucible is not a double crucible, the tip of the supply pipe may be positioned in the crucible. Even in that case, according to the present invention, the notch is provided at the tip of the supply pipe. It is difficult for clogging at the tip.
また、上記実施形態では、供給管の先端部から先端部とは反対側方向に延びるように切欠が設けられているので、この切欠が上方に向くように供給管を傾けて単結晶製造装置に取り付ければ、粉が切欠から飛散する確率が低くなる。しかし、切欠の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、先端部から斜め上方に延びるように設けられていても構わない。 Further, in the above embodiment, the notch is provided so as to extend from the distal end portion of the supply pipe in the direction opposite to the distal end portion. Therefore, the supply pipe is inclined so that the notch is directed upward. If attached, the probability that the powder will scatter from the notch is reduced. However, the shape of the notch is not limited to this, and may be provided so as to extend obliquely upward from the tip portion, for example.
また、上記実施形態では、供給管の先端にノズル10が取り付けられて供給管9が構成されていたが、ノズル10は必ずしも設けられずともよく、その場合には、円筒状の供給管の先端に切欠を設ければよい。
In the above-described embodiment, the
1…単結晶製造装置
2…断熱材
3…高周波誘導加熱コイル
4…ベースプレート
5…内ルツボ
5a…小径部
5b…大径部
6…外ルツボ
7…断熱材
9…供給管
9a…先端部
10…ノズル
10a…切欠
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記供給管の前記先端部に、切欠が設けられていることを特徴とする、単結晶製造装置。 A supply pipe for supplying powder raw material from the tip part, a powder raw material is supplied from the tip part of the supply pipe, a crucible containing the supplied powder raw material, and the powder raw material in the crucible are heated and melted In a single crystal manufacturing apparatus comprising a high frequency generating means for
The single crystal manufacturing apparatus, wherein a notch is provided at the tip of the supply pipe.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の単結晶製造方法装置を用い、前記高周波発生手段から高周波を発生させている状態で、前記供給管の前記切欠が設けられている先端部から前記粉末原料を前記るつぼ内に供給することを特徴とする、単結晶の製造方法。 In the method for producing a single crystal, the powder raw material is melted in a crucible, the seed crystal is immersed in the molten raw material, and the single crystal is grown while pulling up the seed crystal.
Using the single crystal manufacturing method device according to any one of claims 1 to 3, in a state where a high frequency is generated from the high frequency generating means, the tip of the supply pipe is provided with the notch. A method for producing a single crystal, comprising supplying a powder raw material into the crucible.
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