JP2007204324A - Manufacturing method of high purity zinc oxide single crystal, and high purity zinc oxide single crystal - Google Patents

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Katsumi Maeda
克己 前田
Takao Suzuki
崇雄 鈴木
Kazunori Kamata
和典 鎌田
Hideo Fujisawa
英夫 藤澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a high purity zinc oxide single crystal which enhances the yield of the zinc oxide single crystal, while not lowering the yield in the working process after heat treatment, by manufacturing a high purity zinc oxide single crystal satisfactorily low in Li concentration through the heat treatment of the zinc oxide single crystal. <P>SOLUTION: In this manufacturing method of a high purity zinc oxide single crystal, the temperature of the heat treatment of the zinc oxide single crystal is 1,100-1,400°C, and (a) when the temperature of the heat treatment is not lower than 1,100°C but not higher than 1,225°C, the time of the heat treatment satisfies formula (1), [time of heat treatment (hour)]≥-0.04×[temperature of heat treatment (°C)]+50, and (b) when the temperature of the heat treatment is over 1,225°C but not higher than 1,400°C, the time satisfies formula (2), [time of heat treatment (hour)]≥1. Also, the temperature reducing treatment from the temperature of the heat treatment is carried out at a temperature reducing rate of not greater than 350°C/hour. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高純度酸化亜鉛(以下、酸化亜鉛の化学式「ZnO」をもって同義の用語として使用する)単結晶の製造方法および高純度酸化亜鉛単結晶に関する。詳しくは、酸化亜鉛単結晶を熱処理することによって高純度酸化亜鉛単結晶を製造する方法およびそれによって得られる高純度酸化亜鉛単結晶に関する。   The present invention relates to a method for producing a high-purity zinc oxide (hereinafter, used as a synonymous term having the chemical formula “ZnO” for zinc oxide) and a high-purity zinc oxide single crystal. Specifically, the present invention relates to a method for producing a high-purity zinc oxide single crystal by heat-treating the zinc oxide single crystal and a high-purity zinc oxide single crystal obtained thereby.

酸化亜鉛(ZnO)の単結晶は、六方晶系のウルツ鉱型化合物の結晶構造を持ち、直接遷移で禁制帯幅(Eg:3.37eV)が大きい半導体である。また、励起子結合エネルギー(ZnO:60meV)が他の半導体材料(GaN:21meV、ZnSe:20meV)に比べ非常に大きいため、高効率な発光デバイス材料として期待されている。ZnOを使用した発光素子の実現には、ZnOをp型に調製する必要があるが、ZnOは酸素欠損あるいは格子間位置亜鉛などの欠陥を生成し易く、n型になり易くp型になりにくい性質がある。   A single crystal of zinc oxide (ZnO) is a semiconductor having a crystal structure of a hexagonal wurtzite compound and a large forbidden band width (Eg: 3.37 eV) by direct transition. Further, since the exciton binding energy (ZnO: 60 meV) is very large compared to other semiconductor materials (GaN: 21 meV, ZnSe: 20 meV), it is expected as a highly efficient light-emitting device material. In order to realize a light emitting device using ZnO, it is necessary to prepare ZnO to be p-type. However, ZnO easily generates defects such as oxygen vacancies or interstitial zinc, and tends to be n-type and not easily p-type. There is a nature.

現在、数多くの機関でZnOのp型化が研究され、これが実現すれば、フォトエレクトロニクス界及びエネルギー界に革命が起こると期待されている。また、青色発光ダイオード(LED)として数年前から実用化されているGaNとは同じ結晶構造で格子定数も近い(格子ミスマッチ:約2%)こと、将来、低価格で製造できる可能性のあることから、現在、主に使用されているサファイアやSiCに代わるGaNの成膜用基板としても関心を集めている。   At present, many organizations are researching the conversion of ZnO to p-type, and if this is realized, it is expected that a revolution will occur in the photoelectronics and energy fields. In addition, GaN, which has been put into practical use as a blue light emitting diode (LED) for several years, has the same crystal structure and close lattice constant (lattice mismatch: about 2%), and may be manufactured at a low price in the future. Therefore, it is also attracting attention as a substrate for forming GaN instead of sapphire and SiC which are mainly used at present.

その他、酸化亜鉛(ZnO)の単結晶は、表面弾性波(SAW)、ガスセンサー、圧電素子、透明導電体、バリスターなど多方面に用いられている。   In addition, single crystals of zinc oxide (ZnO) are used in various fields such as surface acoustic waves (SAW), gas sensors, piezoelectric elements, transparent conductors, and varistors.

酸化亜鉛(ZnO)の単結晶の製造方法としては、Liを含有する溶媒を用いる水熱合成法等が知られている。水熱合成法は、結晶成長速度が大きく、大きな単結晶が比較的短時間で得られる点で工業的に有利であるが、水熱合成法で溶媒に水酸化リチウム(LiOH)水溶液を使用した場合には、得られるZnO単結晶は必ず不純物であるLiを含むことになる。   As a method for producing a single crystal of zinc oxide (ZnO), a hydrothermal synthesis method using a solvent containing Li is known. The hydrothermal synthesis method is industrially advantageous in that the crystal growth rate is large and a large single crystal can be obtained in a relatively short time. However, a lithium hydroxide (LiOH) aqueous solution is used as a solvent in the hydrothermal synthesis method. In some cases, the obtained ZnO single crystal necessarily contains Li as an impurity.

特許文献1には、KOH及びLiOHから成るアルカリ水溶液の溶媒(以下、「アルカリ溶媒」という。)を用いて、水熱合成法により製造した酸化亜鉛(ZnO)単結晶は、不可避的にLiを0.1〜30ppmを含むことが記載されている。   In Patent Document 1, a zinc oxide (ZnO) single crystal produced by a hydrothermal synthesis method using a solvent of an alkaline aqueous solution composed of KOH and LiOH (hereinafter referred to as “alkaline solvent”) inevitably contains Li. It is described that it contains 0.1 to 30 ppm.

特許文献2には、Li等のアルカリ金属存在下、水熱合成法で製造した酸化亜鉛単結晶基板(ウエハ)中に、適当なドナー原子が存在するとアクセプター準位を形成するLi等のアルカリ金属と共存して発生する弱い黄色の発光が発生し、また、製造後の結晶は高抵抗であると記載されている。そして、この結晶の黄色発光の発生を防止するためには、熱処理後にフォトルミネッセンス特性において375〜385nmの範囲にある紫外発光ピークの相対強度が400〜800nmに見られる紫外発光ピークの相対強度に対して高い発光状態となるような熱処理条件で熱処理とする旨の記載がある。このアクセプター原子の除去による黄色発光の防止とドナーの導入、アクセプターの補償によりn型半導体酸化亜鉛単結晶基板の低抵抗化を図る目的で、酸化亜鉛単結晶基板(ウエハ)を空気中で1200℃で熱処理することが好ましい旨の記載がある。また、酸素中では、酸化亜鉛の昇華が抑制されるため、より高温での熱処理が可能とも記載されている。   Patent Document 2 discloses an alkali metal such as Li that forms an acceptor level when an appropriate donor atom is present in a zinc oxide single crystal substrate (wafer) produced by a hydrothermal synthesis method in the presence of an alkali metal such as Li. It is described that a weak yellow light emission that occurs in combination with the crystal is generated, and that the crystal after manufacture has a high resistance. And in order to prevent the occurrence of yellow emission of this crystal, the relative intensity of the ultraviolet emission peak in the range of 375 to 385 nm in the photoluminescence characteristics after the heat treatment is compared with the relative intensity of the ultraviolet emission peak seen in 400 to 800 nm. There is a description that the heat treatment is performed under such heat treatment conditions that a high light emission state is obtained. In order to prevent yellow light emission by removing the acceptor atoms, introduce donors, and reduce the resistance of the n-type semiconductor zinc oxide single crystal substrate by compensating the acceptor, the zinc oxide single crystal substrate (wafer) is 1200 ° C. in air. There is a description that it is preferable to heat-treat. In addition, it is described that heat treatment at higher temperature is possible because sublimation of zinc oxide is suppressed in oxygen.

しかしながら、特許文献2には、上記黄色発光は、アクセプター順位を形成するLi等濃度とドナー原子との関係で決定される記載はあるが、そのLi濃度は不明である。
また、Liは原子半径が小さく結晶中を動きやすく、各種用途に使用した場合に、酸化亜鉛単結晶中でのLi拡散も懸念されることから、よりLi濃度の低い酸化亜鉛単結晶が望まれている。
However, Patent Document 2 describes that the yellow light emission is determined by the relationship between the Li equivalent concentration forming the acceptor order and the donor atom, but the Li concentration is unknown.
In addition, Li has a small atomic radius and is easy to move in the crystal. When used in various applications, Li diffusion in the zinc oxide single crystal is a concern, so a zinc oxide single crystal having a lower Li concentration is desired. ing.

しかし、特許文献1、特許文献2等で示される従来の方法では、Li濃度を十分に少なくすることができなかった。
また、本発明者らは特許文献2に記載の条件である大気中、1200℃の熱処理後に研磨などを施した場合にクラックが発生し、酸化亜鉛単結晶基板(ウエハ)の製造歩留まりが大きく低下するロットがあることを見出した。
特開2004−315361号公報 特開2005−39131号公報
However, the conventional methods disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and the like cannot sufficiently reduce the Li concentration.
Further, the inventors generate cracks when polishing is performed after heat treatment at 1200 ° C. in the atmosphere, which is the condition described in Patent Document 2, and the production yield of the zinc oxide single crystal substrate (wafer) is greatly reduced. I found that there is a lot to do.
JP 2004-315361 A JP 2005-39131 A

本願発明は、以上のような従来技術における課題である、Li濃度の十分に少ない高純度酸化亜鉛単結晶を製造し、また、熱処理後の加工工程で歩留まりを低下させることなく、酸化亜鉛単結晶の収率を向上させることを目的とするものである。   The present invention manufactures a high-purity zinc oxide single crystal having a sufficiently low Li concentration, which is a problem in the prior art as described above, and does not reduce the yield in the processing step after the heat treatment. The purpose of this is to improve the yield.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、酸化亜鉛単結晶を熱処理して高純度酸化亜鉛単結晶を製造する方法において、酸化亜鉛単結晶の熱処理温度、熱処理時間、降温速度をコントロールすることにより、Li濃度を十分に低下させ、熱処理後の加工工程でクラックが発生しにくい酸化亜鉛単結晶を製造しうることを見出し、本願発明に到達した   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have conducted a heat treatment temperature, a heat treatment time, a temperature drop rate of a zinc oxide single crystal in a method for producing a high-purity zinc oxide single crystal by heat treating a zinc oxide single crystal. It has been found that a zinc oxide single crystal can be produced in which the Li concentration is sufficiently reduced by controlling the amount of the material and cracks are unlikely to occur in the processing step after the heat treatment.

即ち、本発明の第1の要旨は、酸化亜鉛単結晶を熱処理して高純度酸化亜鉛単結晶を製造する方法において、該熱処理温度が1100〜1400℃であり、該熱処理時間が(a)熱処理温度が1100℃以上1225℃以下の場合は式(1)を、(b)熱処理温度が1225℃を超えて1400℃以下の場合は式(2)を満たし、該熱処理温度からの降温処理を350℃/時間以下の降温速度で行うことを特徴とする高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法、に存する。
[熱処理時間(時間)]≧−0.04×[熱処理温度(℃)]+50 式(1)
[熱処理時間(時間)]≧1 式(2)
That is, the first gist of the present invention is a method for producing a high-purity zinc oxide single crystal by heat-treating a zinc oxide single crystal, wherein the heat treatment temperature is 1100 to 1400 ° C., and the heat treatment time is (a) heat treatment. When the temperature is 1100 ° C. or more and 1225 ° C. or less, the formula (1) is satisfied, and when the heat treatment temperature exceeds 1225 ° C. and is 1400 ° C. or less, the formula (2) is satisfied. The present invention resides in a method for producing a high-purity zinc oxide single crystal, which is carried out at a temperature lowering rate of not more than ° C / hour.
[Heat Treatment Time (Time)] ≧ −0.04 × [Heat Treatment Temperature (° C.)] + 50 Formula (1)
[Heat treatment time (hours)] ≧ 1 Formula (2)

本発明の第2の要旨は、Li濃度が1×1016atoms/cm以下である高純度酸化亜鉛単結晶、に存する。 The second gist of the present invention resides in a high-purity zinc oxide single crystal having a Li concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

本発明によれば、単結晶中のLi濃度を低下させた大きな高純度酸化亜鉛単結晶を得ることができる。また、Li濃度を低下させることにより、高純度酸化亜鉛単結晶がn型半導体の場合には単結晶の低抵抗化が図れる。また、高純度酸化亜鉛を基板として半導体素子を作成した場合には、半導体素子の劣化防止や特性向上を図ることができる。   According to the present invention, a large high-purity zinc oxide single crystal with a reduced Li concentration in the single crystal can be obtained. Further, by reducing the Li concentration, when the high-purity zinc oxide single crystal is an n-type semiconductor, the resistance of the single crystal can be reduced. In addition, when a semiconductor element is formed using high-purity zinc oxide as a substrate, it is possible to prevent deterioration of the semiconductor element and improve characteristics.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に特定はされない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the description of the constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the gist of the present invention. The content of is not specified.

[高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶]
本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶とは、Li濃度が1×1016atoms/cm以下、好ましくは、5×1015atoms/cm以下、より好ましくは、1×1015atoms/cm以下である。本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶中のLiは少ないほど好ましいが、後述する製法との関係で、通常1×1013atoms/cm以上含んでいる。
[High purity zinc oxide (ZnO) single crystal]
The high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention has a Li concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 atoms. / Cm 3 or less. The amount of Li in the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention is preferably as small as possible, but is usually 1 × 10 13 atoms / cm 3 or more in relation to the production method described later.

高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶のLi濃度は、目的とする用途に応じて決定される。
例えば、Liはアクセプター元素として働くことから、酸化亜鉛半導体の導電型および導電性を左右する物質であり、他の不純物元素との関係から導電型や抵抗値を目的とする範囲に規定する必要がある。また、Liは原子半径が小さく結晶中を動きやすい原子であることから、Li含有量が多すぎる酸化亜鉛単結晶を半導体素子に使用した場合には、長期間の通電による特性の変化や、故障の原因となることが懸念され、用途に応じた適切な濃度範囲が求められる。
The Li concentration of the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal is determined according to the intended use.
For example, since Li acts as an acceptor element, it is a substance that affects the conductivity type and conductivity of a zinc oxide semiconductor, and it is necessary to define the conductivity type and the resistance value within a target range in relation to other impurity elements. is there. In addition, since Li is an atom having a small atomic radius and easy to move in the crystal, when a zinc oxide single crystal having too much Li content is used for a semiconductor element, a change in characteristics due to long-term energization or failure Therefore, an appropriate concentration range depending on the application is required.

高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶中のLi濃度は、2次イオン質量分析装置(SIMS)により測定することができる。この際の分析条件は、一次イオンにO2+を使用し、加速電圧を8.0kVとすればよい。 The Li concentration in the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal can be measured by a secondary ion mass spectrometer (SIMS). As analysis conditions at this time, O 2+ may be used as primary ions, and the acceleration voltage may be 8.0 kV.

本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の大きさは、5mm角(=5×5mm)×厚み0.2mm以上、好ましくは、直径5cm(=2.5×2.5×3.14cm)×厚み0.3mm以上、特に好ましくは、直径5cm×厚み0.5mm以上である。
高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の大きさの下限は、目的とする使用用途により、決定される。
例えば、半導体素子用の基板(ウエハ)として使用する場合には、5mm角×厚み0.2mm程度の大きさがないと使用が困難で、コスト高となるため、5mm角×厚み0.2mm以上であることが必要である。
The high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention has a size of 5 mm square (= 5 × 5 mm 2 ) × thickness of 0.2 mm or more, preferably 5 cm in diameter (= 2.5 × 2.5 × 3. 14 cm 2 ) × thickness of 0.3 mm or more, particularly preferably diameter of 5 cm × thickness of 0.5 mm or more.
The lower limit of the size of the high purity zinc oxide (ZnO) single crystal is determined by the intended use application.
For example, when it is used as a substrate (wafer) for a semiconductor element, it is difficult to use unless it has a size of about 5 mm square × thickness 0.2 mm. It is necessary to be.

一方、高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の大きさの上限は、特に限定されないが、製造可能な酸化亜鉛単結晶のサイズは、後述する単結晶製造装置、熱処理装置の大きさにより決定される。   On the other hand, the upper limit of the size of the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal is not particularly limited, but the size of the zinc oxide single crystal that can be manufactured is determined by the size of the single crystal manufacturing apparatus and the heat treatment apparatus described later. .

高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶は加工工程でクラックが発生しないものであり、好ましくは、熱処理後の加工工程でクラックが発生しないものであり、特に好ましくは、熱処理後のラップ、ポリッシングなどの研磨工程でクラックが発生しないものである。
例えば、高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶を半導体素子用基板(ウエハ)として使用する場合には、非常に精度のよい表面平坦性を求められることがあるが、熱処理後にクラックが発生しないものであれば、表面平坦性の向上に寄与するポリッシングを熱処理後に実施できる利点がある。
High-purity zinc oxide (ZnO) single crystals are those that do not generate cracks in the processing step, preferably those that do not generate cracks in the processing step after heat treatment, and particularly preferably, such as lapping and polishing after heat treatment Cracks do not occur in the polishing process.
For example, when a high purity zinc oxide (ZnO) single crystal is used as a semiconductor element substrate (wafer), a very accurate surface flatness may be required, but cracks will not occur after heat treatment. If it exists, there exists an advantage which can implement polishing which contributes to the improvement of surface flatness after heat processing.

本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の製法の詳細は後述するが、原料となる酸化亜鉛単結晶の製造方法は特に限定されない。但し、熱処理前の酸化亜鉛単結晶にはLiが含まれるような酸化亜鉛単結晶の製造法である必要がある。例えば、Liを含有する溶媒を使用する水熱合成法の場合には、不純物であるLiを必ず含むことになる。   Details of the method for producing the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention will be described later, but the method for producing the zinc oxide single crystal as a raw material is not particularly limited. However, the zinc oxide single crystal before heat treatment needs to be a method for producing a zinc oxide single crystal in which Li is contained. For example, in the case of a hydrothermal synthesis method using a solvent containing Li, Li as an impurity is necessarily included.

[高純度酸化亜鉛(ZnO)の製法]
本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶は、酸化亜鉛単結晶を原料としてこれを特定の条件で熱処理することにより製造される。
[Production method of high purity zinc oxide (ZnO)]
The high purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention is produced by heat-treating the zinc oxide single crystal as a raw material under specific conditions.

〈原料酸化亜鉛単結晶の製造〉
本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の製造原料である酸化亜鉛単結晶には、製法に由来してLi以外の不純物を含んでいてもよい。例えば、酸化亜鉛単結晶の水熱合成法で使用する単結晶製造装置のオートクレーブは、材質として鉄を主材とした高張力鋼などにより形成されているため、オートクレーブ由来の不純物(Fe等)が、原料である酸化亜鉛単結晶に含まれることになる。
<Production of raw material zinc oxide single crystal>
The zinc oxide single crystal, which is a raw material for producing the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention, may contain impurities other than Li derived from the production method. For example, an autoclave of a single crystal production apparatus used in a hydrothermal synthesis method of a zinc oxide single crystal is formed of high-tensile steel or the like whose main material is iron. , It is contained in the zinc oxide single crystal as the raw material.

原料としての酸化亜鉛単結晶の製法として、短時間で大きな結晶が得られることから、Liを含有する溶媒を使用する水熱合成法が好ましい。この場合、例えば、特許文献1の記載に準じて製造すればよい。
即ち、種結晶としてZnO単結晶を、原料として99.999%以上の高純度ZnO粉末を使用し、単結晶製造装置のオートクレーブ内に、通常1〜6mol/l好ましくは3mol/lのKOHと通常1〜3mol/l好ましくは1mol/lのLiOHとを含むアルカリ溶媒を共存させて結晶の製造を行う。アルカリ溶媒の充填率としては、オートクレーブ内のフリー内容積の60〜90%とするのが好ましい。
As a method for producing a zinc oxide single crystal as a raw material, a hydrothermal synthesis method using a solvent containing Li is preferable because large crystals can be obtained in a short time. In this case, for example, it may be manufactured according to the description in Patent Document 1.
That is, a ZnO single crystal is used as a seed crystal and a high-purity ZnO powder of 99.999% or more is used as a raw material, and usually 1 to 6 mol / l, preferably 3 mol / l KOH and usually in an autoclave of a single crystal production apparatus. Crystals are produced in the presence of an alkaline solvent containing 1 to 3 mol / l, preferably 1 mol / l LiOH. The filling rate of the alkaline solvent is preferably 60 to 90% of the free internal volume in the autoclave.

この原料としての酸化亜鉛単結晶の製造は、高温高圧(通常300〜400℃、500〜1000atm)の超臨界状態で行なわれることが好ましい。この際、成長領域の温度を溶解領域の温度より約15〜50℃低くすることにより対流が発生し、溶解領域で溶けた原料が成長領域に上昇して種結晶に析出し結晶が製造される。   The production of the zinc oxide single crystal as the raw material is preferably performed in a supercritical state at a high temperature and a high pressure (usually 300 to 400 ° C., 500 to 1000 atm). At this time, convection is generated by lowering the temperature of the growth region by about 15 to 50 ° C. below the temperature of the dissolution region, and the raw material melted in the dissolution region rises to the growth region and precipitates in the seed crystal to produce a crystal. .

成長領域と溶解領域の製造温度は、具体的には、成長領域の温度は300〜360℃、溶解領域温度は340〜400℃とするのが好ましい。そして、この状態のまま30〜200日間定常運転して結晶を製造させ、その後、単結晶製造装置を停止して室温に下げ、酸化亜鉛単結晶を取り出す。   Specifically, the growth temperatures of the growth region and the dissolution region are preferably 300 to 360 ° C. and the melting region temperature of 340 to 400 ° C. And a crystal | crystallization is manufactured by carrying out steady operation for 30 to 200 days with this state, Then, a single-crystal manufacturing apparatus is stopped, it lowers to room temperature, and a zinc oxide single crystal is taken out.

なお、このようにして製造される本発明の高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶の製造原料となる酸化亜鉛単結晶には、Liが含まれるが、原料となる酸化亜鉛単結晶のLi濃度の上限は、通常1.5×1019atoms/cm、好ましくは、1×1019atoms/cm、より好ましくは5×1018atoms/cmである。熱処理によりLi濃度を低くする本発明の趣旨より、原料となる酸化亜鉛単結晶のLi濃度が低い方が好ましい。同じ理由により、下限についてもLi濃度が低い方が好ましいが、原料の入手容易性の点からは通常5×1016atoms/cm、好ましくは1×1017atoms/cm、より好ましくは5×1017atoms/cmである。 The zinc oxide single crystal that is the raw material for producing the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal of the present invention thus produced contains Li, but the Li concentration of the zinc oxide single crystal that is the raw material is The upper limit is usually 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 . A lower Li concentration in the zinc oxide single crystal as a raw material is preferable from the purpose of the present invention in which the Li concentration is lowered by heat treatment. For the same reason, a lower Li concentration is preferable for the lower limit, but from the viewpoint of availability of raw materials, it is usually 5 × 10 16 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3

〈熱処理〉
本発明において、原料酸化亜鉛単結晶の熱処理に用いる熱処理装置は、1100℃〜1400℃の加熱が可能な、市販の一般的な電気炉を用いることができる。例えば、発熱体の材質として炭化ケイ素質やカンタル(サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ社の登録商標)を採用したものを用いることができる。
また、耐火材には、高純度アルミナファイバーなどが使用できる。
<Heat treatment>
In the present invention, a commercially available general electric furnace capable of heating at 1100 ° C. to 1400 ° C. can be used as a heat treatment apparatus used for heat treatment of the raw material zinc oxide single crystal. For example, a material that employs silicon carbide or Kanthal (a registered trademark of Sandvik Intellectual Property Acte Borg) can be used as the material of the heating element.
Moreover, a high purity alumina fiber etc. can be used for a refractory material.

熱処理装置に投入する原料となる酸化亜鉛単結晶の形状は特に限定されない。例えば、上記水熱合成法で製造したバルク単結晶でもよいし、用途に応じて加工した形状であってもよい。好ましくは板状に加工したものであり、例えば基板(ウエハ)を作製するために板状にスライシングしたものが挙げられる。これは、熱処理により、Liが酸化亜鉛単結晶表面から離脱することから、体積に対して表面積の大きくなる板状に加工したものが優位であることによる。なお、加工表面の平坦性は特に問わないため、ラップ、ポリッシングについては、熱処理前には必須ではない。   There is no particular limitation on the shape of the zinc oxide single crystal serving as a raw material to be charged into the heat treatment apparatus. For example, a bulk single crystal produced by the hydrothermal synthesis method may be used, or a shape processed according to the application may be used. Preferably, it is processed into a plate shape, and for example, a material sliced into a plate shape to produce a substrate (wafer) can be mentioned. This is because Li is separated from the surface of the zinc oxide single crystal by the heat treatment, so that the one processed into a plate shape having a large surface area with respect to the volume is superior. In addition, since the flatness of the processed surface is not particularly limited, lapping and polishing are not essential before the heat treatment.

また、用途に応じて加工する場合、任意の結晶方位で加工したものを使用することができる。例えば基板(ウエハ)を作製するために板状にスライシングする際に、c軸に垂直にスライシングして板状に加工するだけでなく、c軸に平行な面にスライシングしてもよく、その他任意の結晶方位でスライシングでき、特定の面方位に限られない。   Moreover, when processing according to a use, what was processed by arbitrary crystal orientations can be used. For example, when slicing into a plate shape to produce a substrate (wafer), not only slicing perpendicularly to the c-axis and processing into a plate shape, but also slicing to a plane parallel to the c-axis, etc. Slicing can be performed with any crystal orientation and is not limited to a specific plane orientation.

熱処理装置に投入する原料となる酸化亜鉛単結晶の大きさについては前述した高純度酸化亜鉛(ZnO)単結晶のサイズと同様の理由により特に限定されない。   There is no particular limitation on the size of the zinc oxide single crystal used as a raw material to be input into the heat treatment apparatus for the same reason as the size of the high-purity zinc oxide (ZnO) single crystal described above.

熱処理装置の炉内には、原料である酸化亜鉛単結晶と共に、酸化亜鉛物質を存在させることもできる。熱処理炉内に酸化亜鉛物質を存在させることは必須ではないが、酸化亜鉛は亜鉛の蒸気圧が高いことから昇華しやすいため、酸化亜鉛物質を熱処理装置内に存在させると、原料である酸化亜鉛単結晶から酸化亜鉛が昇華するのを防止する効果があり好ましい。   In the furnace of the heat treatment apparatus, a zinc oxide substance can be present together with a zinc oxide single crystal as a raw material. Although it is not essential that the zinc oxide material be present in the heat treatment furnace, since zinc oxide is easily sublimated due to the high vapor pressure of zinc, if zinc oxide material is present in the heat treatment apparatus, it is the raw material zinc oxide This is preferable because it has an effect of preventing sublimation of zinc oxide from a single crystal.

存在させる酸化亜鉛物質は、粉末、多結晶体、焼結体等の形態は問わない。但し、焼結体が好ましい。これは熱処理装置内への設置のしやすさなど取り扱いがしやすいことによる。   The zinc oxide substance to be present may be in any form such as powder, polycrystal, and sintered body. However, a sintered body is preferable. This is because it is easy to handle such as easy installation in the heat treatment apparatus.

原料酸化亜鉛単結晶と共存させる酸化亜鉛物質の純度は通常99.9%以上、好ましくは99.99%以上、より好ましくは99.999%以上であることが好ましい。また、酸化亜鉛物質中のLi濃度は通常0.1ppm以下であることが好ましい。例えば、酸化亜鉛物質を硝酸、塩酸で溶解した溶液を誘導結合プラズマ質量分析計(ICP−QMS)で、標準添加法で定量した場合に、Liが検出限界以下となるものを使用すればよい。これは、酸化亜鉛物質中の不純物が酸化亜鉛単結晶を汚染するのを防ぐためである。   The purity of the zinc oxide substance coexisting with the raw material zinc oxide single crystal is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more. Moreover, it is preferable that the Li concentration in the zinc oxide substance is usually 0.1 ppm or less. For example, when a solution in which a zinc oxide substance is dissolved in nitric acid and hydrochloric acid is quantified by a standard addition method using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-QMS), a solution whose Li is below the detection limit may be used. This is to prevent impurities in the zinc oxide material from contaminating the zinc oxide single crystal.

また、酸化亜鉛物質は原料である酸化亜鉛単結晶に接触していてもしていなくても良いが、好ましくは接触していない部分を存在させることが好ましい。これは、酸化亜鉛単結晶より離脱したLiの酸化亜鉛単結晶への再付着を防ぐ効果があるからである。   In addition, the zinc oxide substance may or may not be in contact with the zinc oxide single crystal that is the raw material, but it is preferable that a non-contact portion is present. This is because there is an effect of preventing reattachment of Li detached from the zinc oxide single crystal to the zinc oxide single crystal.

具体的には、後述の如く、図2に示すような酸化亜鉛焼結体の箱42に酸化亜鉛単結晶ウエハ41を入れ、この箱42を図3に示すように熱処理装置に入れて熱処理を行うことがより好ましい例として挙げられる。   Specifically, as will be described later, a zinc oxide single crystal wafer 41 is placed in a zinc oxide sintered body box 42 as shown in FIG. 2, and this box 42 is placed in a heat treatment apparatus as shown in FIG. A more preferred example is to do this.

本発明においては、熱処理条件を本発明の範囲内でコントロールすることにより、得られる高純度酸化亜鉛単結晶のLi濃度が調整することができ、本発明の高純度酸化亜鉛単結晶を所望のLi濃度で得ることが可能である。   In the present invention, by controlling the heat treatment conditions within the scope of the present invention, the Li concentration of the obtained high purity zinc oxide single crystal can be adjusted. It can be obtained in concentration.

以下、本発明に係る熱処理条件について記載する。
熱処理雰囲気は、酸化亜鉛と反応しない気体であれば良く、酸化亜鉛の昇華を抑制するために、酸素を含有する気体中で行うのが好ましい。例えば大気中、酸素中が挙げられ、いずれも可能であるが、装置の簡便性から大気中が好ましく、Li濃度の低下に対する効果も大気中で十分である。但し、酸素を含有しない雰囲気での熱処理は、1000℃以上では酸化亜鉛の昇華が活発になることから、好ましくない。
Hereinafter, the heat treatment conditions according to the present invention will be described.
The heat treatment atmosphere may be a gas that does not react with zinc oxide, and is preferably performed in a gas containing oxygen in order to suppress sublimation of zinc oxide. For example, in the atmosphere and in oxygen, both are possible, but the atmosphere is preferable from the simplicity of the apparatus, and the effect on the reduction of the Li concentration is sufficient in the atmosphere. However, heat treatment in an atmosphere not containing oxygen is not preferable at 1000 ° C. or higher because zinc oxide sublimation becomes active.

熱処理温度の下限は通常1100℃、好ましくは1200℃、上限は通常1400℃、好ましくは1300℃である。この熱処理温度の上限は、目的のLi濃度を1×1016atoms/cm以下とするのに必要な熱処理時間が1時間もあれば、十分であることからこれ以上の高い温度は特に不要であり、また、これ以上の高温での熱処理を行う場合に熱処理装置に使用できる炉材、発熱体の材質が限られ、コスト高を招くことによる。 The minimum of heat processing temperature is 1100 degreeC normally, Preferably it is 1200 degreeC, and an upper limit is 1400 degreeC normally, Preferably it is 1300 degreeC. The upper limit of the heat treatment temperature is sufficient if the heat treatment time required for setting the target Li concentration to 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less is 1 hour. In addition, when performing heat treatment at a higher temperature than this, the materials of the furnace material and the heating element that can be used in the heat treatment apparatus are limited, resulting in high costs.

一方、熱処理温度の下限は、Li濃度を1×1016atoms/cm以下とするために必要な熱処理時間が1100℃で6時間程度であり、これは、製造上現実的な範囲であることによる。 On the other hand, the lower limit of the heat treatment temperature is about 6 hours at 1100 ° C., which is necessary for making the Li concentration 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, which is a practical range for manufacturing. by.

熱処理時間は、熱処理温度、目的とする酸化亜鉛単結晶中のLi濃度に依存する。目的とするLi濃度が、1×1016atoms/cm以下の高純度酸化亜鉛単結晶を得るための熱処理時間の下限は、(a)熱処理温度が1100℃以上1225℃以下の場合は下記式(1)を、(b)熱処理温度が1225℃を超えて1400℃以下の場合には下記式(2)を満たすように決定される。
[熱処理時間(時間)]≧−0.04×[熱処理温度(℃)]+50 式(1)
[熱処理時間(時間)]≧1 式(2)
The heat treatment time depends on the heat treatment temperature and the Li concentration in the target zinc oxide single crystal. The lower limit of the heat treatment time for obtaining a high-purity zinc oxide single crystal having a target Li concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less is as follows: (a) When the heat treatment temperature is 1100 ° C. or higher and 1225 ° C. or lower, When (b) the heat treatment temperature exceeds 1225 ° C. and is 1400 ° C. or less, (1) is determined so as to satisfy the following formula (2).
[Heat Treatment Time (Time)] ≧ −0.04 × [Heat Treatment Temperature (° C.)] + 50 Formula (1)
[Heat treatment time (hours)] ≧ 1 Formula (2)

また、目的とするLi濃度がより好ましい1×1015atoms/cm以下の高純度酸化亜鉛単結晶を得るための熱処理時間の下限は、(c)熱処理温度が1100℃以上1300℃以下の場合は下記式(3)を、(d)熱処理温度が1300℃を超えて1400℃以下の場合には下記式(4)を満たすように決定される。
[熱処理時間(時間)]≧−0.045×[熱処理温度(℃)]+59.5 式(3)
[熱処理時間(時間)]≧1 式(4)
Further, the lower limit of the heat treatment time for obtaining a high purity zinc oxide single crystal having a target Li concentration of more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less is (c) when the heat treatment temperature is 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. Is determined so as to satisfy the following formula (4) when the heat treatment temperature exceeds 1300 ° C. and is 1400 ° C. or lower.
[Heat Treatment Time (Time)] ≧ −0.045 × [Heat Treatment Temperature (° C.)] + 59.5 Formula (3)
[Heat treatment time (hours)] ≧ 1 Formula (4)

なお、式(1)〜(4)に示したように、最低でも1時間の熱処理を行う。これは、熱処理装置の昇温直後の炉内の温度安定性を確保し、安定した熱処理を実施するためである。
熱処理時間の上限は特に規定しないが、目的とする結晶中のLi濃度が達成できる熱処理時間であれば十分である。
Note that as shown in the equations (1) to (4), heat treatment is performed for at least one hour. This is for ensuring the temperature stability in the furnace immediately after the temperature rise of the heat treatment apparatus and performing a stable heat treatment.
The upper limit of the heat treatment time is not particularly defined, but a heat treatment time that can achieve the target Li concentration in the crystal is sufficient.

熱処理後の降温速度は、熱処理温度からの降温処理を350℃/時間以下、好ましくは300℃/時間以下で行う。これ以上の降温処理を行い急激に冷却すると酸化亜鉛単結晶中の熱歪みが大きくなり、熱処理後の加工工程(ポリッシング等の研磨など)でクラックが生じやすくなるためである。降温速度の下限は特に限定されない。降温速度が小さいほど熱歪は小さくなり好ましいが、降温時間が長くなるため、工業的に適切な範囲とすればよい。   Regarding the temperature lowering rate after the heat treatment, the temperature lowering treatment from the heat treatment temperature is performed at 350 ° C./hour or less, preferably 300 ° C./hour or less. This is because if the temperature lowering process is further performed and the cooling is rapidly performed, the thermal strain in the zinc oxide single crystal increases, and cracks are likely to occur in a processing step after the heat treatment (polishing such as polishing). The lower limit of the cooling rate is not particularly limited. The smaller the temperature lowering rate, the smaller the thermal strain, which is preferable. However, since the temperature lowering time becomes longer, an industrially appropriate range may be used.

熱処理時の圧力は、特に限定されない。但し、減圧下では、酸化亜鉛単結晶の昇華を促進するため、大気圧下、又は加圧下が好ましく、装置の簡便性からは大気圧下が好ましい。   The pressure during the heat treatment is not particularly limited. However, under reduced pressure, in order to promote sublimation of the zinc oxide single crystal, it is preferably under atmospheric pressure or under pressure, and preferably under atmospheric pressure from the simplicity of the apparatus.

熱処理中の熱処理装置内へのガス導入についても特に限定されない。ガス導入する場合に、導入するガスは酸化亜鉛と反応しない、また不純物を含まない気体であることが好ましい。例えば、大気中で熱処理を行っている場合に、酸化亜鉛単結晶から離脱したLi等を含有する装置内雰囲気を置換するために、大気を装置に導入する方法などを採用することが挙げられる。   There is no particular limitation on the gas introduction into the heat treatment apparatus during the heat treatment. When the gas is introduced, the introduced gas is preferably a gas that does not react with zinc oxide and does not contain impurities. For example, when the heat treatment is performed in the atmosphere, a method of introducing the atmosphere into the apparatus may be employed in order to replace the atmosphere in the apparatus containing Li or the like released from the zinc oxide single crystal.

このような本発明の高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法により、Li濃度が1×1016atoms/cm以下である本発明の高純度酸化亜鉛単結晶を製造することができる。 By such a method for producing a high purity zinc oxide single crystal of the present invention, a high purity zinc oxide single crystal of the present invention having a Li concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less can be produced.

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples as long as the gist thereof is not exceeded.

[製造例1:実施例及び比較例で用いる原料酸化亜鉛単結晶の製造]
特許文献1に記載された水熱合成法に準じる方法で、図1に示される構造の単結晶製造装置を用いて酸化亜鉛単結晶を製造した。
[Production Example 1: Production of raw material zinc oxide single crystal used in Examples and Comparative Examples]
A zinc oxide single crystal was manufactured by a method according to the hydrothermal synthesis method described in Patent Document 1 using a single crystal manufacturing apparatus having a structure shown in FIG.

図1に示す単結晶製造装置11は、水熱合成法によって、ZnOの単結晶を製造する際に必要な温度及び圧力を、その内部に加えることができるオートクレーブ12と、このオートクレーブ12の内部に収容して使用する製造容器20とから構成される。オートクレーブ12は、例えば、鉄を主材とした高張力鋼などによって形成されたオートクレーブ12の容器本体13に、パッキン17を挟んで蓋体14を被せて、固着部15により固着することで、その内部を気密封止するような構造となっている。オートクレーブ12内に収容して使用する製造容器20は、白金(Pt)製であり、その形状は略円筒状の容器である。そして、その上部には圧力調整部として作用するベローズ30が製造容器20の内部を密閉した状態で取り付けられている。   A single crystal production apparatus 11 shown in FIG. 1 includes an autoclave 12 capable of applying a temperature and pressure necessary for producing a ZnO single crystal by hydrothermal synthesis, and an inside of the autoclave 12. It is comprised from the manufacturing container 20 accommodated and used. The autoclave 12 is, for example, covered with a lid body 14 with a packing 17 sandwiched between the container body 13 of the autoclave 12 formed of high-strength steel mainly composed of iron, and fixed by the fixing portion 15. The inside is hermetically sealed. The manufacturing container 20 accommodated and used in the autoclave 12 is made of platinum (Pt), and the shape thereof is a substantially cylindrical container. And the bellows 30 which acts as a pressure adjustment part is attached to the upper part in the state which sealed the inside of the manufacturing container 20. As shown in FIG.

このような単結晶製造装置11では、製造容器20内の上部側にフレーム21と白金線22を用いてZnO種結晶3を吊り下げると共に、その下部側に原料26を配置して種結晶3を成長させることによりZnO単結晶の製造を行う。ZnO種結晶3と原料26との間には、熱対流を制御する内部バッフル板24が設けられており、この内部バッフル板24によって、製造容器20内が溶解領域と成長領域とに区切られている。内部バッフル板24には、複数の孔が形成されており、この孔の数によって決定されるバッフル板24の開口面積は10%に設定しているが、該開口面積の設定により、溶解領域から成長領域への対流量を制御でき、結晶成長の速度に影響を与えるものである。また、製造容器20の外側に外部バッフル板25が設けられており、この外部バッフル板25により製造容器20の外側の対流を制限することで、製造容器20内の領域間において種結晶3の成長に必要な温度差が得られるようにしている。   In such a single crystal manufacturing apparatus 11, the ZnO seed crystal 3 is suspended using the frame 21 and the platinum wire 22 on the upper side in the manufacturing container 20, and the raw material 26 is disposed on the lower side to dispose the seed crystal 3. A ZnO single crystal is manufactured by growing. An internal baffle plate 24 for controlling thermal convection is provided between the ZnO seed crystal 3 and the raw material 26, and the inside of the production container 20 is divided into a melting region and a growth region by the internal baffle plate 24. Yes. A plurality of holes are formed in the internal baffle plate 24, and the opening area of the baffle plate 24 determined by the number of holes is set to 10%. The flow rate to the growth region can be controlled, and the rate of crystal growth is affected. Further, an external baffle plate 25 is provided outside the production container 20, and the convection outside the production container 20 is restricted by the external baffle plate 25, so that the seed crystal 3 grows between the regions in the production container 20. The temperature difference required for this is obtained.

以上のような単結晶製造装置11を使用し、水熱合成法により種結晶からZnOの単結晶の製造を行うことができる。製造容器内20内に不純物の混入が殆どなく、製造日数を用途に応じて選定することにより工業用途に利用できる口径サイズを有するZnOの単結晶を製造することができる。   Using the single crystal production apparatus 11 as described above, a single crystal of ZnO can be produced from a seed crystal by a hydrothermal synthesis method. A ZnO single crystal having a caliber size that can be used for industrial purposes can be produced by selecting almost no impurities in the production vessel 20 and selecting the number of production days according to the intended use.

純度99.9999%のZnO粉末を成形用型枠容器で押し固めた後、1100℃で24時間焼成を行い、固形化したものを製造容器20内に充填した。次いで、製造容器20内に、鉱化剤として1mol/lのLiOHおよび3mol/lのKOHを溶かした純水をフリー容積の80%注入し、更に、Hを0.05mol/l注入した。その後、製造容器20とベローズ30の間を溶接し、製造容器20内を完全に密封溶接した。また、オートクレーブ12(φ200×300mm)と製造容器20との間に伝熱のために、純水をフリー容積の80%充填した。オートクレーブ12は、容器本体13と蓋体14からなり、パッキン17を挟んで容器本体13と蓋体14を被せて、固着部15により固着して、その内部を気密密封できるようにした。 A ZnO powder having a purity of 99.9999% was pressed and hardened in a mold container, and then fired at 1100 ° C. for 24 hours, and the solidified product was filled in the production container 20. Next, 80% of the free volume of pure water in which 1 mol / l LiOH and 3 mol / l KOH are dissolved as mineralizers is injected into the production vessel 20 and 0.05 mol / l of H 2 O 2 is further injected. did. Thereafter, the space between the production container 20 and the bellows 30 was welded, and the inside of the production container 20 was completely sealed and welded. Moreover, 80% of free volume was filled with pure water for heat transfer between the autoclave 12 (φ200 × 300 mm) and the production container 20. The autoclave 12 includes a container main body 13 and a lid body 14. The container main body 13 and the lid body 14 are covered with a packing 17 interposed therebetween, and are fixed by a fixing portion 15 so that the inside thereof can be hermetically sealed.

その後、ヒータ16により、溶解領域と成長領域を加熱した。加熱に際しては、溶解領域の温度を成長領域の温度より15〜50℃高くし、最終的には、溶解領域を360℃、成長領域を310℃程度になるように昇温した。溶解領域で溶けた原料が対流により上昇し、成長領域にある種結晶3付近より析出することで種結晶を成長させ、ZnO単結晶を製造していくことになる。このままの状態で60日間定常運転を行い、c軸方向およびa軸方向共に約0.2mm/日の製造速度で成長させ、その後、系内を室温常圧に戻してから、長径約5cmのZnO単結晶を取り出し、本発明の実施例、比較例に使用する酸化亜鉛単結晶を得た。   Thereafter, the melting region and the growth region were heated by the heater 16. During the heating, the temperature of the melting region was raised 15 to 50 ° C. higher than the temperature of the growth region, and finally the temperature was raised so that the melting region was about 360 ° C. and the growth region was about 310 ° C. The raw material melted in the melting region rises by convection and precipitates from the vicinity of the seed crystal 3 in the growth region, so that the seed crystal grows and a ZnO single crystal is manufactured. In this state, a steady operation is performed for 60 days, and growth is performed at a production rate of about 0.2 mm / day in both the c-axis direction and the a-axis direction. A single crystal was taken out to obtain a zinc oxide single crystal used in Examples and Comparative Examples of the present invention.

[実施例1〜5]
製造例1で水熱合成法により得られた酸化亜鉛単結晶より厚み1mmのc面ウエハを切り出し、直径5cm×厚み1mmの円形ウエハに加工した後、両面をラップ、ポリッシングし鏡面に仕上げた(処理後のウエハの厚みは0.8mm)。
[Examples 1 to 5]
A c-plane wafer having a thickness of 1 mm was cut out from the zinc oxide single crystal obtained by the hydrothermal synthesis method in Production Example 1 and processed into a circular wafer having a diameter of 5 cm and a thickness of 1 mm, and then both surfaces were lapped and polished to finish a mirror surface ( The wafer thickness after processing is 0.8 mm).

このウエハ41を図2に示すような酸化亜鉛焼結体の箱42に入れ蓋をして、図3に示すように熱処理装置51内にウエハを入れた酸化亜鉛焼結体の箱42を設置した。ここで、使用する箱42を構成する酸化亜鉛焼結体としては、硝酸、塩酸で溶解した溶液をICP−QMS(横河アナリティカシステムズ HP4500)を用いて標準添加法でLiを定量した場合、検出限界(0.01ppm)以下であるものを使用した。   The wafer 41 is put in a zinc oxide sintered body box 42 as shown in FIG. 2 and covered, and a zinc oxide sintered body box 42 in which the wafer is placed is installed in a heat treatment apparatus 51 as shown in FIG. did. Here, as the zinc oxide sintered body constituting the box 42 to be used, when Li was quantified by standard addition using ICP-QMS (Yokogawa Analytical Systems HP4500), a solution dissolved in nitric acid and hydrochloric acid, What was below a detection limit (0.01 ppm) was used.

熱処理装置には、山田電機(株)製の卓上型高速昇温炉(型式MSFT−1530)を用いた。大気中で室温より表1に示した熱処理温度まで、2時間かけて昇温した後、大気中で表1に示した熱処理温度、熱処理時間で熱処理を施した。この熱処理時間は、いずれも式(1)もしくは式(2)を満たす熱処理時間である。熱処理後のウエハの冷却は、降温速度を300℃/時間として室温まで冷却した。   A desktop fast heating furnace (model MSFT-1530) manufactured by Yamada Electric Co., Ltd. was used as the heat treatment apparatus. After raising the temperature from room temperature to the heat treatment temperature shown in Table 1 in the air over 2 hours, heat treatment was performed in the air at the heat treatment temperature and heat treatment time shown in Table 1. This heat treatment time is a heat treatment time that satisfies the formula (1) or the formula (2). The wafer after the heat treatment was cooled to room temperature at a temperature drop rate of 300 ° C./hour.

熱処理を施したウエハは純水で洗浄後、更に片面を10μmづつポリッシングした。いずれのウエハについてもポリッシング中にクラックは生じなかった。仕上った鏡面ウエハより10mm角のサンプルを切り出し、CAMEA社製の2次イオン質量分析装置(SIMS)(型番:CAMECA ims4f)によりLi濃度を定量した。この際、一次イオンにO2+を使用し、加速電圧を8.0kVで分析した。 The heat-treated wafer was washed with pure water and then polished on one side by 10 μm. None of the wafers were cracked during polishing. A 10 mm square sample was cut out from the finished mirror surface wafer, and the Li concentration was quantified with a secondary ion mass spectrometer (SIMS) (model number: CAMEA ims4f) manufactured by CAMEA. At this time, O 2+ was used as the primary ion, and the acceleration voltage was analyzed at 8.0 kV.

その結果を、表1に示した。
表1より、熱処理温度が1100℃で熱処理時間が6時間、1200℃で2時間の熱処理を行うとLi濃度は1.0×1016atoms/cm以下となった。また、熱処理温度が1100℃で熱処理温度が12時間、1250℃で3時間、1300℃で2時間の熱処理を行うとLi濃度は1.0×1015atoms/cm以下となった。
The results are shown in Table 1.
From Table 1, when the heat treatment temperature was 1100 ° C., the heat treatment time was 6 hours, and the heat treatment time was 1200 ° C. for 2 hours, the Li concentration became 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or less. When the heat treatment temperature was 1100 ° C., the heat treatment temperature was 12 hours, 1250 ° C. for 3 hours, and 1300 ° C. for 2 hours, the Li concentration became 1.0 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

実施例2については、さらに、仕上った鏡面ウエハ面内より図4のように中央部と外周部分より均等に4個所サンプルを切り出し、測定点がウエハ中心と中心より半径20mmの円周上の点になるようにSIMS測定を行ったところ、測定点全てにおいてLi濃度は1.0×1016atoms/cm以下であった。
なお、Li濃度は、仕上った鏡面ウエハ表面より深さ10μmまでほぼ均一であり、更にウエハを表面より500μm研磨した後、研磨面より深さ方向に測定してもLi濃度が変化していないことを確認した。
For Example 2, four samples were equally cut out from the center and outer peripheral parts as shown in FIG. 4 from the finished mirror surface of the wafer, and the measurement points were points on the circumference of the wafer center and a radius of 20 mm from the center. When the SIMS measurement was performed, the Li concentration was 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or less at all the measurement points.
The Li concentration is almost uniform from the finished mirror surface to a depth of 10 μm, and the Li concentration does not change even if the wafer is polished 500 μm from the surface and then measured in the depth direction from the polished surface. It was confirmed.

[比較例1、2]
製造例1で水熱合成法により得られた酸化亜鉛単結晶から、比較例1では実施例1、2でウエハを切り出した位置と隣り合う位置より、比較例2では、実施例3、4でウエハを切り出した位置と隣り合う位置より、それぞれウエハを切り出し、実施例1〜5と同様に直径5cm×厚み1mmの円形ウエハに加工した後、両面をラップ、ポリッシングし鏡面に仕上げた。このウエハを、大気中で表1に示した熱処理温度及び熱処理時間で熱処理した。この熱処理時間は、いずれも式(1)および式(2)を満たさず、実施例1〜5に比較して熱処理温度に対する熱処理時間が短い条件である。その他の条件は、実施例1〜5と同様に行い、同様にLi濃度を定量した。
[Comparative Examples 1 and 2]
From the zinc oxide single crystal obtained by the hydrothermal synthesis method in Production Example 1, from the position adjacent to the position where the wafer was cut out in Examples 1 and 2 in Comparative Example 1, in Comparative Example 2, in Examples 3 and 4. Each wafer was cut out from a position adjacent to the position where the wafer was cut out and processed into a circular wafer having a diameter of 5 cm and a thickness of 1 mm in the same manner as in Examples 1 to 5, and then both surfaces were lapped and polished to finish a mirror surface. This wafer was heat-treated in the atmosphere at the heat treatment temperature and heat treatment time shown in Table 1. This heat treatment time is a condition that does not satisfy the formula (1) and the formula (2), and is shorter than the heat treatment temperature in Examples 1 to 5. Other conditions were the same as in Examples 1 to 5, and the Li concentration was quantified in the same manner.

その結果を表1に示した。
表1より、熱処理温度が1100℃で熱処理時間が1時間、2時間のどちらもLi濃度は1.0×1016atoms/cmを超えており、実施例1〜5に比べて高いLi濃度を示した。
The results are shown in Table 1.
From Table 1, the Li concentration exceeds 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 in both the heat treatment temperature of 1100 ° C. and the heat treatment time of 1 hour and 2 hours, which is higher than those in Examples 1 to 5. showed that.

比較例1については、さらに実施例2と同様に、仕上った鏡面ウエハ面内より、図4のように中央部と外周部分より均等に4個所サンプルを切り出し、測定点がウエハ中心と中心より半径20mmの円周上の点になるようにSIMS測定を行ったところ、測定点全てにおいてLi濃度は1.0×1016atoms/cmを超えていた。
なお、Li濃度は、仕上った鏡面ウエハ表面より深さ10μmまでほぼ均一であり、更にウエハを表面より500μm研磨した後、研磨面より深さ方向に測定してもLi濃度が変化していないことを確認した。
In Comparative Example 1, as in Example 2, four samples were equally cut out from the center and outer peripheral portions as shown in FIG. 4 from the finished mirror surface of the wafer, and the measurement points had a radius from the center and the center of the wafer. When SIMS measurement was performed so as to be a point on the circumference of 20 mm, the Li concentration exceeded 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 at all the measurement points.
The Li concentration is almost uniform from the finished mirror surface to a depth of 10 μm, and the Li concentration does not change even if the wafer is polished 500 μm from the surface and then measured in the depth direction from the polished surface. It was confirmed.

上記実施例1〜5及び比較例1,2の結果から、熱処理温度及び熱処理時間とLi濃度との関係を図5にまとめた。   From the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, the relationship between the heat treatment temperature and heat treatment time and the Li concentration is summarized in FIG.

[比較例3]
製造例1で水熱合成法により得られた酸化亜鉛単結晶から、実施例2でウエハを切り出した位置と隣り合う位置よりウエハを切り出し、実施例1〜5と同様に直径5cm×厚み1mmの円形ウエハに加工した後、両面をラップ、ポリッシングし鏡面に仕上げた。このウエハから10mm角のサンプルを切り出し、熱処理をせずにSIMSによりLi濃度を定量し、結果を表1に示した。
表1に示すように、Li濃度は6.5×1017atoms/cmであり、熱処理を行った実施例1〜5、比較例1、2に比べて高い値を示した。
[Comparative Example 3]
From the zinc oxide single crystal obtained by the hydrothermal synthesis method in Production Example 1, the wafer was cut out from a position adjacent to the position where the wafer was cut out in Example 2, and the diameter was 5 cm × thickness 1 mm as in Examples 1-5. After processing into a circular wafer, both sides were lapped and polished to a mirror finish. A 10 mm square sample was cut out from this wafer, the Li concentration was quantified by SIMS without heat treatment, and the results are shown in Table 1.
As shown in Table 1, the Li concentration was 6.5 × 10 17 atoms / cm 3 , which was higher than those of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 where heat treatment was performed.

さらに実施例2と同様に、ウエハ面内より図4のように中央部と外周部分より均等に4個所サンプルを切り出し、測定点がウエハ中心と中心より半径20mmの円周上の点になるようにSIMS測定を行ったところ、測定点全てにおいてLi濃度は2.0×1017atoms/cmを超えていた。
なお、Li濃度はウエハ表面より深さ10μmまでほぼ均一であり、更にウエハを表面より500μm研磨した後、研磨面より深さ方向に測定してもLi濃度が変化していないことを確認した。
Further, in the same manner as in the second embodiment, four samples are equally cut out from the center and the outer peripheral portion as shown in FIG. 4 from within the wafer surface, and the measurement points are points on the circumference having a radius of 20 mm from the wafer center and the center. When SIMS measurement was performed, the Li concentration exceeded 2.0 × 10 17 atoms / cm 3 at all measurement points.
The Li concentration was substantially uniform from the wafer surface to a depth of 10 μm, and it was confirmed that the Li concentration did not change even when the wafer was polished from the surface by 500 μm and measured in the depth direction from the polished surface.

[比較例4]
製造例1で水熱合成法により得られた酸化亜鉛単結晶から、実施例1でウエハを切り出した位置と隣り合う位置よりウエハを切り出し、実施例1〜5と同様に直径5cm×厚み1mmの円形ウエハに加工した後、両面をラップ、ポリッシングし鏡面に仕上げた。このウエハを、表1に示したように、大気中1300℃で2時間熱処理を施した。この熱処理時間は、式(2)を満たしており、実施例1と同様である。
[Comparative Example 4]
From the zinc oxide single crystal obtained by the hydrothermal synthesis method in Production Example 1, the wafer was cut out from a position adjacent to the position where the wafer was cut out in Example 1, and the diameter was 5 cm × thickness 1 mm as in Examples 1-5. After processing into a circular wafer, both sides were lapped and polished to a mirror finish. As shown in Table 1, this wafer was heat-treated at 1300 ° C. for 2 hours in the atmosphere. This heat treatment time satisfies the formula (2) and is the same as that of the first embodiment.

ウエハの熱処理後、熱処理装置の炉を開放した状態で冷却した。この際、冷却開始2時間後には、ほぼ手で触れられる程度には冷却されており、降温速度は500℃/時間以上であった。その他の条件については、実施例1〜5と同様に行った。
熱処理を施したウエハを実施例1〜5と同様に、純水で洗浄し、更に片面を10μmづつポリッシングしたところ、研磨中にクラックが生じた。
After the heat treatment of the wafer, the wafer was cooled with the furnace of the heat treatment apparatus opened. At this time, after 2 hours from the start of cooling, the cooling was performed to such an extent that it could be touched by hand, and the cooling rate was 500 ° C./hour or more. About other conditions, it carried out similarly to Examples 1-5.
The heat-treated wafer was washed with pure water in the same manner as in Examples 1 to 5 and further polished on one side by 10 μm. As a result, cracks occurred during polishing.

以上の比較例3の結果により、熱処理を実施しない水熱合成法のサンプルはLi濃度が1.0×1017atoms/cmを超えており、熱処理前はLi濃度が高いことが示された。 From the results of Comparative Example 3 described above, the sample of the hydrothermal synthesis method without heat treatment showed that the Li concentration exceeded 1.0 × 10 17 atoms / cm 3 , and the Li concentration was high before the heat treatment. .

また、実施例1〜5と比較例1、2との対比より、Li濃度1.0×1016atoms/cm以下の高純度酸化亜鉛単結晶を得るためには、熱処理温度により必要な熱処理時間が異なり、図5に示すように式(1)もしくは式(2)を満たす必要があること、更に、Li濃度1.0×1015atoms/cm以下の高純度酸化亜鉛単結晶を得るためには、熱処理温度により必要な熱処理時間が異なり、図5に示すように式(3)もしくは式(4)を満たす必要があることが示された。 Further, from the comparison between Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, in order to obtain a high-purity zinc oxide single crystal having a Li concentration of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or less, the heat treatment required depending on the heat treatment temperature. The time is different, and it is necessary to satisfy the formula (1) or (2) as shown in FIG. 5, and furthermore, a high-purity zinc oxide single crystal having a Li concentration of 1.0 × 10 15 atoms / cm 3 or less is obtained. Therefore, the necessary heat treatment time differs depending on the heat treatment temperature, and it is shown that the formula (3) or the formula (4) needs to be satisfied as shown in FIG.

また、実施例1〜5と比較例4との対比により、直径5cm、厚さ1mmの高純度酸化亜鉛単結晶ウエハを得る場合には、熱処理温度、熱処理時間だけでなく熱処理後のウエハの冷却において、降温速度を本発明の条件内とすることが、熱処理後のポリッシング工程でのクラック発生を防止するために必要であることが示された。   Further, when a high-purity zinc oxide single crystal wafer having a diameter of 5 cm and a thickness of 1 mm is obtained by comparing Examples 1 to 5 with Comparative Example 4, not only the heat treatment temperature and the heat treatment time but also the cooling of the wafer after the heat treatment. Therefore, it has been shown that it is necessary to set the temperature lowering rate within the conditions of the present invention in order to prevent the occurrence of cracks in the polishing step after the heat treatment.

Figure 2007204324
Figure 2007204324

製造例1でZnO単結晶を水熱合成法で製造するために用いた単結晶製造装置の構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the single-crystal manufacturing apparatus used in order to manufacture a ZnO single crystal by the hydrothermal synthesis method in the manufacture example 1. FIG. 実施例1〜5における熱処理において、酸化亜鉛焼結体の箱に酸化亜鉛単結晶ウエハを入れた状態を示す模式的断面図である。In the heat processing in Examples 1-5, it is typical sectional drawing which shows the state which put the zinc oxide single crystal wafer in the box of a zinc oxide sintered compact. 実施例1〜5における熱処理で用いた熱処理装置と酸化亜鉛単結晶ウエハを入れた酸化亜鉛焼結体の箱を設置した状態を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the state which installed the box of the zinc oxide sintered compact which put the heat processing apparatus and the zinc oxide single crystal wafer which were used by the heat processing in Examples 1-5. 実施例2、比較例1、及び比較例3で面内分布測定用に切り出したサンプル箇所を示す模式的平面図である。6 is a schematic plan view showing sample locations cut out for in-plane distribution measurement in Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 3. FIG. 実施例1〜5及び比較例1,2における熱処理温度及び熱処理時間とLi濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the heat processing temperature and heat processing time in Examples 1-5 and Comparative Examples 1 and 2, and Li concentration.

符号の説明Explanation of symbols

3 種結晶
11 単結晶製造装置
12 オートクレーブ
13 容器本体
14 蓋体
15 固着部
16 ヒータ
17 パッキン
20 製造容器
21 フレーム
22 白金線
24 内部バッフル板
25 外部バッフル板
26 原料
30 ベローズ
41 酸化亜鉛単結晶ウエハ
42 酸化亜鉛焼結体の箱
51 熱処理装置
52 発熱体
3 Seed Crystal 11 Single Crystal Production Device 12 Autoclave 13 Container Body 14 Lid 15 Adhering Part 16 Heater 17 Packing 20 Production Container 21 Frame 22 Platinum Wire 24 Internal Baffle Plate 25 External Baffle Plate 26 Raw Material 30 Bellows 41 Zinc Oxide Single Crystal Wafer 42 Zinc oxide sintered body box 51 Heat treatment device 52 Heating element

Claims (6)

酸化亜鉛単結晶を熱処理して高純度酸化亜鉛単結晶を製造する方法において、
該熱処理温度が1100〜1400℃であり、
該熱処理時間が
(a)熱処理温度が1100℃以上1225℃以下の場合は式(1)を、
(b)熱処理温度が1225℃を超えて1400℃以下の場合は式(2)を満たし、
該熱処理温度からの降温処理を350℃/時間以下の降温速度で行うことを特徴とする高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法。
[熱処理時間(時間)]≧−0.04×[熱処理温度(℃)]+50 式(1)
[熱処理時間(時間)]≧1 式(2)
In a method for producing a high-purity zinc oxide single crystal by heat-treating a zinc oxide single crystal,
The heat treatment temperature is 1100 to 1400 ° C.
The heat treatment time (a) When the heat treatment temperature is 1100 ° C. or more and 1225 ° C. or less, the formula (1) is
(B) When the heat treatment temperature exceeds 1225 ° C. and is 1400 ° C. or less, the formula (2) is satisfied,
A method for producing a high-purity zinc oxide single crystal, wherein the temperature lowering treatment from the heat treatment temperature is performed at a temperature lowering rate of 350 ° C./hour or less.
[Heat Treatment Time (Time)] ≧ −0.04 × [Heat Treatment Temperature (° C.)] + 50 Formula (1)
[Heat treatment time (hours)] ≧ 1 Formula (2)
熱処理が大気中で行われること特徴とする請求項1に記載の高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法。   The method for producing a high-purity zinc oxide single crystal according to claim 1, wherein the heat treatment is performed in air. 該酸化亜鉛単結晶以外の酸化亜鉛物質の存在下で熱処理をすることを特徴とする請求項1または2に記載の高純度酸化亜鉛単結晶の製造方法。   The method for producing a high-purity zinc oxide single crystal according to claim 1 or 2, wherein heat treatment is performed in the presence of a zinc oxide substance other than the zinc oxide single crystal. Li濃度が1×1016atoms/cm以下である高純度酸化亜鉛単結晶。 A high-purity zinc oxide single crystal having a Li concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. 大きさが5mm角以上、厚みが0.2mm以上あることを特徴とする請求項4に記載の高純度酸化亜鉛単結晶。   The high-purity zinc oxide single crystal according to claim 4, which has a size of 5 mm square or more and a thickness of 0.2 mm or more. 反応系にLiを含有する水熱合成法で製造されたものである請求項4または5に記載の高純度酸化亜鉛単結晶。   The high-purity zinc oxide single crystal according to claim 4 or 5, which is produced by a hydrothermal synthesis method containing Li in the reaction system.
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