JP2008081337A - Single crystal growth apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子デバイス等に用いられる単結晶を成長させるための単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a single crystal growing apparatus for growing a single crystal used in an electronic device or the like.
電子デバイス等に用いられる単結晶は、単結晶の原料を入れた状態のるつぼを加熱して原料を溶融し、その融液に種結晶を接触させて該種結晶を引き上げながら目的とする単結晶を得る、いわゆるCZ法(チョクラルスキー法)により製造することができる。CZ法により欠陥のない高品質な単結晶を得るためには融液の温度分布を管理して静止液面を得ることが重要である。ここで、るつぼの加熱には誘導加熱、抵抗加熱、輻射による加熱が一般的に用いられる。 A single crystal used in an electronic device or the like is obtained by heating a crucible containing a single crystal raw material to melt the raw material, bringing the seed crystal into contact with the melt and pulling up the seed crystal. Can be produced by the so-called CZ method (Czochralski method). In order to obtain a high-quality single crystal having no defects by the CZ method, it is important to obtain a static liquid surface by managing the temperature distribution of the melt. Here, induction heating, resistance heating, and radiation heating are generally used for heating the crucible.
誘導加熱は被加熱物であるるつぼ自体が発熱するのでエネルギー効率に優れる。一方、他の加熱方法は装置構成上融液中に温度分布による対流が発生する。融液の対流により静止液面を得ることが困難となる。この他に、輻射による加熱はエネルギー効率が悪く、抵抗加熱は加熱部の融点以上には加熱できないという本質的な欠点がある。 Induction heating is excellent in energy efficiency since the crucible itself to be heated generates heat. On the other hand, in other heating methods, convection due to temperature distribution occurs in the melt due to the apparatus configuration. It becomes difficult to obtain a static liquid level by convection of the melt. In addition to this, heating by radiation has low energy efficiency, and resistance heating has an essential drawback that it cannot be heated above the melting point of the heating part.
しかし、誘導加熱でも磁力線密度とその変化率を一様にすることができず、融液の温度分布の管理は難しい。また、(1)融液の蒸発熱により融液の液面近傍の熱が奪われる、(2)融液表面又はるつぼ表面から周囲への熱輻射率、雰囲気への熱伝達係数が異なる、(3)開放系の場合、気体が周囲に拡散することにより熱が放散される、(4)るつぼ等を支持・固定する支持台等から熱が逃げる、(5)種結晶を支持するホルダーから雰囲気・支持装置へ輻射、熱伝達により熱が逃げる、等の理由で融液の温度分布の管理は難しい。 However, even with induction heating, the magnetic line density and its rate of change cannot be made uniform, and it is difficult to manage the temperature distribution of the melt. Further, (1) heat near the liquid surface of the melt is taken away by the heat of evaporation of the melt, (2) the heat emissivity from the melt surface or the crucible surface to the surroundings, and the heat transfer coefficient to the atmosphere are different. 3) In the case of an open system, heat is dissipated by gas diffusing to the surroundings, (4) Heat escapes from a support base for supporting and fixing a crucible, etc. (5) Atmosphere from a holder supporting a seed crystal -It is difficult to manage the temperature distribution of the melt because the heat escapes to the support device by radiation or heat transfer.
引用文献1には、高周波誘導コイル、高周波誘導により加熱されるルツボ、そのルツボの上部に高周波誘導加熱には独立に加熱できるヒータ、ルツボを収容する耐火物及び単結晶引き上げ手段を含んで成る、単結晶の製造装置が開示されている。
特許文献1に開示されている単結晶の製造装置は、冷却の過程で、高周波誘導加熱には独立に加熱できるヒータにより保温しながら単結晶を冷却することを目的とするものであり、融液から単結晶を引き上げるホルダー(単結晶引き上げ手段)やルツボを支持する支持台を加熱することを目的とするものではないため、ホルダーやルツボから熱が逃げることを防ぐことができず融液の温度分布を管理することは困難である。 The single crystal manufacturing apparatus disclosed in Patent Document 1 is intended to cool a single crystal while keeping it warm by a heater that can be independently heated for high-frequency induction heating in the course of cooling. It is not intended to heat the holder (single crystal pulling means) that pulls up the single crystal from, or the support base that supports the crucible, so it cannot prevent the heat from escaping from the holder or crucible, and the temperature of the melt. It is difficult to manage the distribution.
本発明は、欠陥のない高品質な単結晶を得ることができる結晶育成装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the crystal growth apparatus which can obtain the high quality single crystal without a defect.
上記目的を達成するための本発明の結晶育成装置は、原料が充填される導電性るつぼと、前記導電性るつぼの少なくとも側面を囲み、前記導電性るつぼ内の原料を加熱溶融して融液を生成可能な誘導加熱コイルと、前記融液から単結晶を引き上げるホルダーと、前記導電性るつぼを支持する支持台と、前記支持台を加熱する第一の加熱手段及び前記ホルダーを加熱する第二の加熱手段の少なくとも一方と、を備えたものである。 In order to achieve the above object, the crystal growth apparatus of the present invention comprises a conductive crucible filled with a raw material and at least a side surface of the conductive crucible, and the raw material in the conductive crucible is heated and melted to melt. An induction heating coil that can be generated, a holder that pulls up the single crystal from the melt, a support that supports the conductive crucible, a first heating means that heats the support, and a second that heats the holder At least one of the heating means.
本発明の結晶育成装置は、記導電性るつぼの少なくとも側面を囲む誘電加熱コイルに交流電流を流して導電性るつぼを加熱することにより、該導電性るつぼ内の単結晶形成用の原料を加熱溶融して融液を生成し、この融液から単結晶を得るものである。原料の融液を得るのに誘電加熱コイルを用いる本発明の結晶育成装置は、加熱手段として抵抗加熱・輻射による加熱を用いる場合に比較して加熱エネルギー効率に優れる。 The crystal growth apparatus of the present invention heats and melts the raw material for forming a single crystal in the conductive crucible by heating the conductive crucible by passing an alternating current through a dielectric heating coil surrounding at least the side surface of the conductive crucible. Thus, a melt is produced, and a single crystal is obtained from this melt. The crystal growth apparatus of the present invention using a dielectric heating coil to obtain a raw material melt is superior in heating energy efficiency as compared with the case of using heating by resistance heating / radiation as a heating means.
結晶育成装置を構成するホルダー又は支持台からは輻射や熱伝達により熱が逃げることがあるが、本発明の結晶育成装置は支持台を加熱する第一の加熱手段及びホルダーを加熱する第二の加熱手段の少なくとも一方を備えるため、導電性るつぼのみを加熱する場合に比べて加熱エネルギー効率を向上することができる。さらに、第一及び第二の加熱手段の少なくとも一方を備えることにより、融液の温度分布の管理が容易になる。 Although heat may escape from the holder or support base constituting the crystal growth apparatus by radiation or heat transfer, the crystal growth apparatus of the present invention has a first heating means for heating the support base and a second heating means for heating the holder. Since at least one of the heating means is provided, the heating energy efficiency can be improved as compared with the case where only the conductive crucible is heated. Furthermore, by providing at least one of the first and second heating means, the temperature distribution of the melt can be easily managed.
導電性るつぼと誘導加熱コイルとホルダーと支持台とを備えた現行の結晶育成装置に対しても、ホルダー又は支持台に耐熱性の問題が生じなければ、該装置の構造を大きく変更することなく加熱手段を追加するのみで本発明を適応可能である。 Even if there is no problem with the heat resistance of the holder or the support base for the current crystal growth apparatus provided with the conductive crucible, the induction heating coil, the holder and the support base, the structure of the apparatus is not greatly changed. The present invention can be applied only by adding a heating means.
本発明の結晶育成装置においては、支持台を加熱する第一の加熱手段及びホルダーを加熱する第二の加熱手段を共に備えていてもよい。これにより、加熱エネルギー効率をさらに向上することができる。 In the crystal growth apparatus of this invention, you may provide both the 1st heating means which heats a support stand, and the 2nd heating means which heats a holder. Thereby, heating energy efficiency can further be improved.
本発明の結晶育成装置においては、第一の加熱手段及び第二の加熱手段が誘導加熱コイルであってもよい。 In the crystal growing apparatus of the present invention, the first heating means and the second heating means may be induction heating coils.
第一の加熱手段及び第二の加熱手段として誘導加熱コイルを用いる場合、導電性るつぼの少なくとも側面を囲む誘導加熱コイルと、第一の加熱手段及び第二の加熱手段を構成する誘導加熱コイルと、に印加される交流電流を、同周波数・同位相としてもよい。これにより、電場の干渉・相殺を防ぐことができるため加熱エネルギー効率を向上することができる。 When induction heating coils are used as the first heating means and the second heating means, an induction heating coil surrounding at least a side surface of the conductive crucible, and an induction heating coil constituting the first heating means and the second heating means, The alternating currents applied to and may have the same frequency and the same phase. Thereby, since interference and cancellation of an electric field can be prevented, heating energy efficiency can be improved.
第一の加熱手段及び第二の加熱手段として誘導加熱コイルを用いる場合、発生する磁場の向きが同一となるように導電性るつぼの少なくとも側面を囲む誘導加熱コイルと、第一の加熱手段及び第二の加熱手段を構成する誘導加熱コイルと、を配置してもよい。発生する磁場の向きを同一にすることにより電場の干渉・相殺を防ぐことができるため加熱エネルギー効率を向上することができる。 When the induction heating coil is used as the first heating means and the second heating means, the induction heating coil that surrounds at least the side surface of the conductive crucible so that the directions of the generated magnetic fields are the same, the first heating means and the first heating means You may arrange | position the induction heating coil which comprises a 2nd heating means. By making the direction of the generated magnetic field the same, interference and cancellation of the electric field can be prevented, so that the heating energy efficiency can be improved.
第一の加熱手段及び第二の加熱手段として誘導加熱コイルを用いる場合、融液に磁場の影響を与えない位置に第一の加熱手段及び第二の加熱手段を構成する誘導加熱コイルを配置してもよい。 When induction heating coils are used as the first heating means and the second heating means, the induction heating coils constituting the first heating means and the second heating means are arranged at positions where the melt does not affect the magnetic field. May be.
酸化物を原料に用いて酸化物融液を生成した場合、第一の加熱手段及び第二の加熱手段としての誘導加熱コイルによるローレンツ力は導電性るつぼの少なくとも側面を囲む誘導加熱コイルによるローレンツ力と異なり酸化物融液中央付近に直接影響を与える可能性がある。この場合単結晶の品質に重大な影響を及ぼすことがある。これは、酸化物融体へのローレンツ力の影響は受け難いがゼロではないためである。そこで、第一の加熱手段及び第二の加熱手段としての誘導加熱コイルから生ずる磁場が融液に影響を及ぼさないように各誘導加熱コイルを配置してもよい。 When an oxide melt is generated using oxide as a raw material, the Lorentz force by the induction heating coil as the first heating means and the second heating means is the Lorentz force by the induction heating coil surrounding at least the side surface of the conductive crucible. Unlike the oxide melt, it may directly affect the center of the oxide melt. In this case, the quality of the single crystal may be seriously affected. This is because it is not affected by the Lorentz force on the oxide melt but is not zero. Therefore, each induction heating coil may be arranged so that the magnetic field generated from the induction heating coil as the first heating means and the second heating means does not affect the melt.
本発明の結晶育成装置においては、支持台を冷却する第一の冷却手段及びホルダーを冷却する第二の冷却手段の少なくとも一方をさらに備えていてもよい。外冷却手段を備えることにより融液の温度分布の管理が容易になる。 The crystal growth apparatus of the present invention may further include at least one of a first cooling means for cooling the support base and a second cooling means for cooling the holder. By providing the external cooling means, the temperature distribution of the melt can be easily managed.
本発明によれば、欠陥のない高品質な単結晶を得ることができる結晶育成装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crystal growth apparatus which can obtain the high quality single crystal without a defect is provided.
以下、図面を参照しながら本発明の結晶育成装置を説明する。 The crystal growth apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の結晶育成装置の一実施形態を示す断面図である。本実施形態に係る結晶育成装置10は、入れ子式に配置された石英製の内筒12と外筒14とを備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the crystal growth apparatus of the present invention. A
内筒12の内側には、グラファイト製の導電性るつぼ16と、導電性るつぼ16の開口部を覆い、融液からの輻射熱を吸収する効果を有するグラファイト製の蓋18と、導電性るつぼ16の周囲を覆い後述する誘導加熱コイル20に熱が伝導するのを防ぐための非磁性体製の輻射熱吸収板22と、が配置されている。導電性るつぼ16は、磁性体製の支持台24により回転可能に支持されている。
Inside the
導電性るつぼ16の上側には、先端に種結晶26を備えた磁性体製のホルダー28が配置されている。ホルダー28は、不図示のホルダー昇降手段により上下動可能とされている。外筒14の外側には導電性るつぼ16の側面を囲むように誘導加熱コイル20が配置されている。
On the upper side of the
支持台24を加熱する第一の加熱手段である誘導加熱コイル32、ホルダー28を加熱する第二の加熱手段である誘導加熱コイル30及び誘導加熱コイル20は、発生する磁場の向きが同一となるように、同心円上かつ重複部分が無いように配置されている。なお、誘導加熱コイル20、誘導加熱コイル30及び誘導加熱コイル32に印加される交流電流を同周波数・同位相とするために、これらのコイルは同一の交流電源に接続されている。
The
また、誘導加熱コイル30及び誘導加熱コイル32は、導電性るつぼ16内に生成された融液に磁場の影響を与えないように、導電性るつぼ16から充分離れた位置に配置されている。
In addition, the
内筒12の外壁と外筒14の内壁とで囲まれた空間は冷却水流路とされており、誘導加熱コイル20の作用により加熱された導電性るつぼ16の熱が誘導加熱コイル20に伝わるのを防ぐようになっている。
A space surrounded by the outer wall of the
内筒12の内側は不活性ガス流路とされており、導電性るつぼ16や融液の酸化を防止できるようになっている。
An inner side of the
結晶育成装置10を用い、次のようにして単結晶を得ることができる。まず、誘導加熱コイル20に不図示の交流電源から交流電流を印加することで、導電性るつぼ16が加熱されて導電性るつぼ16内に充填された単結晶の原料が加熱溶融し、融液34が生成される。
A single crystal can be obtained using the
導電性るつぼ16の回転により所定の回転数で回転状態とされた融液34に種結晶26を接触させ、これを所定の上昇速度で徐々に引き上げることにより単結晶を得る。
The
このとき、導電性るつぼ16からの熱の逃げ道となりうるホルダー28及び支持台24が各々誘導加熱コイル30及び誘導加熱コイル32により加熱されるため、融液の温度分布を均一に保つことができる。その結果として、高品位の単結晶を得ることが可能となる。
At this time, since the
本発明に用いることのできる導電性るつぼ16の材質は特に限定されるものではなく、Pt、Ta、W等の高融点、高電気伝導の磁性体又はグラファイトを用いることができるが、コスト、加工性、電気伝導度の温度特性の理由からグラファイトを用いることが好ましい。
The material of the
本発明の結晶育成装置に適用可能な単結晶の種類としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiNbO3,LiTaO3等の酸化物単結晶が挙げられる。 The kind of single crystal applicable to the crystal growth apparatus of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include oxide single crystals such as LiNbO 3 and LiTaO 3 .
本実施形態の結晶育成装置においては導電性るつぼ16が支持台24により回転可能に支持されているが、ホルダー28が回転可能とされていてもよい。
In the crystal growth apparatus of this embodiment, the
本発明の結晶育成装置においては、必要に応じて誘導加熱コイル20、誘導加熱コイル30及び誘導加熱コイル32に印加される電力量を制御する電力量制御手段をさらに備えてもよい。これにより導電性るつぼ16、支持台24及びホルダー28の発熱量を制御して融液34に所望の温度分布を持たせることもできる。
In the crystal growth apparatus of this invention, you may further provide the electric energy control means which controls the electric energy applied to the
融液34に所望の温度分布を持たせる目的で、支持台24を冷却する第一の冷却手段及びホルダー28を冷却する第二の冷却手段の少なくとも一方をさらに備えてもよい。この場合の冷却手段としては、例えば、水冷装置を用いることができる。
For the purpose of giving the melt 34 a desired temperature distribution, at least one of a first cooling means for cooling the
10 結晶育成装置
12 内筒
14 外筒
16 導電性るつぼ
18 蓋
20、30、32 誘導加熱コイル
22 輻射熱吸収板
24 支持台
26 種結晶
28 ホルダー
34 融液
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記導電性るつぼの少なくとも側面を囲み、前記導電性るつぼ内の原料を加熱溶融して融液を生成可能な誘導加熱コイルと、
前記融液から単結晶を引き上げるホルダーと、
前記導電性るつぼを支持する支持台と、
前記支持台を加熱する第一の加熱手段及び前記ホルダーを加熱する第二の加熱手段の少なくとも一方と、
を備えた結晶育成装置。 A conductive crucible filled with raw materials;
An induction heating coil that surrounds at least a side surface of the conductive crucible, and that can heat and melt a raw material in the conductive crucible to generate a melt;
A holder for pulling up the single crystal from the melt;
A support for supporting the conductive crucible;
At least one of a first heating means for heating the support base and a second heating means for heating the holder;
Crystal growth apparatus equipped with
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006261090A JP2008081337A (en) | 2006-09-26 | 2006-09-26 | Single crystal growth apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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JP2008081337A true JP2008081337A (en) | 2008-04-10 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016088812A (en) * | 2014-11-06 | 2016-05-23 | 新日鐵住金株式会社 | Method and apparatus for manufacturing silicon carbide single crystal ingot |
-
2006
- 2006-09-26 JP JP2006261090A patent/JP2008081337A/en active Pending
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JP2016088812A (en) * | 2014-11-06 | 2016-05-23 | 新日鐵住金株式会社 | Method and apparatus for manufacturing silicon carbide single crystal ingot |
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