JP2010006645A - Crucible for apparatus for growing single crystal, method for growing single crystal, and apparatus for growing single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶育成装置用坩堝、単結晶育成方法、および単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a crucible for a single crystal growth apparatus, a single crystal growth method, and a single crystal growth apparatus.
例えば下記特許文献1に記載されているような、原料を充填した坩堝を高温に加熱して原料を溶融し、坩堝内の溶融原料の液面に上方から種結晶を浸漬して引き上げる単結晶育成方法が、従来から実施されている。かかる単結晶育成方法では、坩堝の周囲に加熱体が配されており、この加熱体による誘導加熱によって、主に坩堝の側壁が加熱される。
かかる単結晶育成装置では坩堝の側壁が加熱されるので、坩堝内の溶融原料は、側壁の近傍付近で比較的高い温度となり、側壁から離れた坩堝中心部分では比較的低い温度となる。このため、かかる単結晶育成装置では、側壁から離れた坩堝中心部分では、溶融原料の液面よりも下側においても、坩堝の下側面に向かう方向に結晶成長が進行し易い。このような坩堝の下側面に向かう結晶成長が進行すると、最終的には、成長した結晶の先端が坩堝の底面に到達し、比較的早い段階(すなわち、引き上げによる単結晶の成長の程度が、比較的少ない段階)で、結晶成長を終了させる必要が生じていた。本願は、かかる課題を解決するためになされた発明である。 In such a single crystal growing apparatus, since the side wall of the crucible is heated, the molten raw material in the crucible has a relatively high temperature in the vicinity of the side wall, and a relatively low temperature in the crucible center portion away from the side wall. For this reason, in such a single crystal growing apparatus, crystal growth is likely to proceed in the direction toward the lower surface of the crucible at the crucible center portion away from the side wall, even below the liquid surface of the molten raw material. When crystal growth toward the lower side of such a crucible proceeds, the tip of the grown crystal finally reaches the bottom of the crucible, and a relatively early stage (i.e., the degree of single crystal growth by pulling, In a relatively small number of stages, it was necessary to finish the crystal growth. This application is an invention made in order to solve such a problem.
上記課題を解決するために、本願発明は、単結晶育成装置に配置されて誘導加熱によって側壁が加熱される、上面が開口された坩堝であって、前記側壁は段部を有し、前記段部よりも前記上面の側の部分側壁に比べて、前記段部よりも前記下面の側の部分側壁が、記開口の中心を通る中心軸により近いことを特徴とする単結晶育成装置用坩堝を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a crucible having an upper surface opened, the side wall being heated by induction heating and disposed on a single crystal growth apparatus, the side wall having a step portion, and the step A crucible for a single crystal growth apparatus, wherein the partial side wall on the lower surface side of the step portion is closer to the central axis passing through the center of the opening than the partial side wall on the upper surface side of the portion. provide.
なお、単結晶育成装置用坩堝は、前記上面の側の部分側壁、および前記下面の側の部分側壁、の断面形状がいずれも、略円形状であることが好ましい。また、モリブデン、イリジウム、タングステン、およびレニウムの、少なくとも一種類を含有してなることが好ましい。 In addition, in the crucible for a single crystal growth apparatus, it is preferable that the cross-sectional shapes of the partial side wall on the upper surface side and the partial side wall on the lower surface side are both substantially circular. Moreover, it is preferable to contain at least one of molybdenum, iridium, tungsten, and rhenium.
本発明は、また、上記単結晶育成装置用坩堝内に原料を配し、前記坩堝の側壁を囲むように巻き回された誘導コイルに電力を供給し、前記坩堝の側壁を誘導加熱によって加熱して前記坩堝内の原料を溶融させ、前記坩堝内の原料を溶融させた状態で、前記坩堝の開口された上面から、前記原料の単結晶を引上げ成長させる単結晶育成方法を提供する。 In the present invention, the raw material is placed in the crucible for a single crystal growth apparatus, power is supplied to an induction coil wound so as to surround the side wall of the crucible, and the side wall of the crucible is heated by induction heating. Thus, there is provided a method for growing a single crystal, in which the raw material in the crucible is melted and the single crystal of the raw material is pulled and grown from the opened upper surface of the crucible in a state where the raw material in the crucible is melted.
なお、前記単結晶はサファイア単結晶、YAG単結晶、LBO単結晶の何れかであることが好ましい。 The single crystal is preferably any of sapphire single crystal, YAG single crystal, and LBO single crystal.
本発明は、また、上面が開口された坩堝と、前記坩堝の側壁を囲むように巻き回された誘導コイルと、前記誘導コイルと接続した電源と、記開口の中心を通る中心軸に対応する位置に配置され、前記中心軸に沿って移動可能な単結晶引上軸と、を有し、前記坩堝は、側壁に段部を有し、前記段部よりも前記上面の側の部分側壁に比べて、前記段部よりも前記下面の側の部分側壁の方が、記開口の中心を通る中心軸により近いことを特徴とする単結晶育成装置を、併せて提供する。 The present invention also corresponds to a crucible whose upper surface is opened, an induction coil wound around the side wall of the crucible, a power source connected to the induction coil, and a central axis passing through the center of the opening. A single crystal pulling shaft disposed at a position and movable along the central axis, and the crucible has a stepped portion on a side wall, and a partial side wall on the upper surface side of the stepped portion. In comparison, the present invention also provides a single crystal growth apparatus characterized in that the partial side wall on the lower surface side is closer to the central axis passing through the center of the opening than the stepped portion.
なお、前記坩堝は、モリブデン、イリジウム、タングステン、およびレニウムの、少なくとも一種類を含有してなることが好ましい。 The crucible preferably contains at least one of molybdenum, iridium, tungsten, and rhenium.
本発明の単結晶育成装置用坩堝、単結晶育成方法、および単結晶育成装置によれば、比較的単純な構成の育成装置を用いて、成長長さが比較的大きな単結晶を得ることができる。また、原料の使用効率を比較的高くするとともに、坩堝自体の使用回数を比較的長くすることもできる。本発明によれば、単結晶成長にかかるコストを、比較的低くすることができる。 According to the crucible for a single crystal growth apparatus, the single crystal growth method, and the single crystal growth apparatus of the present invention, a single crystal having a relatively large growth length can be obtained using a growth apparatus having a relatively simple configuration. . In addition, the use efficiency of the raw material can be made relatively high, and the number of uses of the crucible itself can be made relatively long. According to the present invention, the cost for single crystal growth can be made relatively low.
以下、本発明の単結晶育成装置用坩堝、単結晶育成方法、および単結晶育成装置の一実施形態について、詳細に説明する。図1は、本発明の単結晶育成装置の一実施形態である、単結晶育成装置1の構成を示す概略構成図である。以下、単結晶育成装置1を用いてサファイア単結晶を育成する実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a crucible for a single crystal growth apparatus, a single crystal growth method, and a single crystal growth apparatus according to the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a single crystal growth apparatus 1 which is an embodiment of the single crystal growth apparatus of the present invention. Hereinafter, an embodiment of growing a sapphire single crystal using the single crystal growth apparatus 1 will be described.
単結晶育成装置1は、本発明の坩堝の一実施形態である坩堝10、坩堝保持容器16、保温材17、坩堝10の側壁12を囲むように巻き回されたコイル20、このコイル20に交流電流を流すための高周波電源30、結晶引上機構40、および制御部50を有して構成されている。なお、坩堝保持容器16には、保温円板18、および外部断熱壁19が設けられている。
The single crystal growing apparatus 1 includes a
坩堝10は、坩堝保持容器16内に、保温材17に囲まれて配置されている。保温材17は、坩堝10からの放熱を抑制し、坩堝10の温度を安定して保つことに寄与する。坩堝10の上面の側は開口されて、この開口上面11から、結晶引上機構40の引上軸42が坩堝10内部に挿入されている。結晶引上機構40は、引上軸42と、この引上軸42を図中の上下方向に移動させる動力源44とを備えて構成されている。結晶引上機構40と高周波電源30とは制御部50と接続されている。制御部50は、CPUとメモリとを備えた例えば公知のコンピュータからなり、制御部50が、単結晶育成装置1全体の動作を制御する。
The
本実施形態の坩堝10は、側面12に段部21を有し、この段部21よりも開口上面11の側にある上側部分側面12aに対し、段部21よりも下面の側にある下側部分側面12bの方が、開口上面11の中心を通る中心軸C(図中に破線Cで示す)に、より近い位置に配置されている。坩堝10では、上側部分側面12a、および下側部分側面12bの断面形状が、いずれも略円形状とされている。本実施形態の坩堝10は、例えばイリジウムで構成されている。
The
単結晶育成装置1では、坩堝10の周囲に巻き回されたコイル20に交流電源を流すことで、特にコイル20の側面12に渦電流が誘起され、この側面12が加熱される(昇温する)。本実施形態の単結晶育成装置1では、下側部分側面12bが、開口上面11の中心を通る中心軸C(図中に破線Cで示す)に比較的近い位置に配置されている。例えば、抵抗加熱ヒータなどを、坩堝保持容器16や保温材17を挟んで坩堝10の周囲に配置した場合、坩堝保持容器16や保温材17を伝熱して到達する熱量は、上側部分側面12aに比べて下側部分側面12bの方が小さくなる。本実施形態の単結晶育成装置1では、本実施形態の単結晶育成装置1では、坩堝10の周囲に巻き回されたコイルを流れる電流によって誘導加熱されており、坩堝10の側面12が、上側部分側面12aと下側部分側面12bとで、比較的均等な温度に加熱される。外部断熱壁19は、坩堝保持容器16内の熱が坩堝保持容器16の外部に流出することを防止する。また、保温円板18は、坩堝10内の熱が坩堝10の外部に流出することを防止する。
In the single crystal growing apparatus 1, an eddy current is induced particularly on the
単結晶育成装置1におけるサファイア単結晶の成長では、まず坩堝10内に、成長させる単結晶(本実施形態ではサファイア単結晶)の原料が入れられる。この状態で、高周波電源30によってコイル20に高周波電流を流し、坩堝10の側壁12を加熱する。坩堝10が加熱されることで、坩堝10内のサファイア単結晶原料が溶融し、坩堝10内には溶融したサファイア単結晶原料(溶融原料)が溜められた状態となる。
In the growth of a sapphire single crystal in the single crystal growth apparatus 1, first, a raw material of a single crystal to be grown (in this embodiment, a sapphire single crystal) is placed in the
このように、溶融されたサファイア単結晶が溜められた状態で、坩堝10内の溶融原料の液面に、種結晶13が浸漬される。種結晶13は、引上軸42の先端に取り付けされており、坩堝10の開口上面11から、先端に種結晶13が取り付けられた引上軸42が坩堝10内に挿入されて、坩堝10の溶融原料の液面に種結晶13が浸漬される。引上軸42は、坩堝10の開口上面11の中心を通る中心軸Cに対応する位置に配置されており、種結晶13が中心軸Cに対応する位置に浸漬される。
In this manner, the
種結晶13が溶融原料に浸漬された後、引上げ軸42は、中心軸Cを中心に回転しながら上方に引き上げられる。この後、種結晶13を起点に、溶融原料の単結晶(サファイア単結晶15)が上方に引き上げられるように成長する。
After the
本実施形態の坩堝10では、上側部分側面12aに対し、段部21よりも下面の側にある下側部分側面12bの方が、開口上面11の中心を通る中心軸C(図中に破線Cで示す)に、より近い位置に配置されている。単結晶育成装置1では、坩堝10のこの下側部分側面12bも誘導加熱によって加熱される(発熱する)ので、単結晶装置1では、坩堝10の中心軸C近傍も、加熱された下側部分側面12bによって比較的良好に加熱される。例えば、図2に示す拡大断面図に示すように、坩堝10のこの下側部分側面12bの側壁も比較的良好に加熱され、中心軸Cの近傍において比較的高温の溶融材料の流れが生じる。すなわち、下側部分側面12bにおいて加熱された溶融材料は、この下側部分側面12bから上側に向かう流れ(図2に矢印で示す)を生じ、中心軸Cに対応する位置では、坩堝10の下面の側から開口上面11に向かって、比較的高温の溶融材料が供給されている。
In the
坩堝10内の溶融原料は、側壁12の近傍付近では、誘導加熱された側壁12によって温度が比較的上昇し易く、側壁12から離れた坩堝10中心部分(中心軸Cの近傍)では温度が比較的上昇し難い。さらに、中心軸Cの近傍に単結晶15が位置しており、坩堝10内の溶融原料の熱が、この単結晶15を介して坩堝10外へ放熱され易い。このため、坩堝10内では、側壁12の近傍付近に比べて、中心軸Cの近傍において、溶融原料の温度が比較的低くなり易い。特に、本実施形態のサファイアやYAG(Yttrium Aluminum Garnet)、LBO(Li2B4O7;四硼酸リチウム)のように、赤外線や可視光に対して比較的高い透過率を有する結晶では、結晶の内部を輻射熱が伝熱するので、熱の移動量が比較的大きい。かかる結晶を引き上げ法によって成長させる場合、中心軸Cの近傍の温度は、比較的低くなり易い。本実施形態では、例えば保温円板18によって、坩堝10からの熱の流出を抑制しているが、引き上げ成長中の単結晶15を介して、坩堝10の熱量は比較的多く流出する。
In the vicinity of the
このため、側壁12から離れた坩堝10中心部分では、溶融原料の液面よりも下側においても、坩堝10の下側面に向かう方向に結晶成長が進行し易い。例えば図3に示す従来の単結晶育成装置では、坩堝50の側壁52が、開口上面51から下面まで一様な側面を有し、中心軸Cに対応する位置が、側壁52の近傍に比べて温度が低くなり易い。このため、坩堝50内の溶融原料は、側壁52から離れた坩堝50中心部分では、溶融原料の液面よりも下側において、坩堝50の下側面に向かう方向に結晶成長が比較的進行し易い。すなわち、図3に示すような従来構造の坩堝50では、結晶成長を開始してから比較的早い段階で、下側面に向かって成長した下側成長部分55aの先端が、坩堝50の下側面に到達する。下側成長部分55aの先端が坩堝50の下側面に到達すると、例えば引上軸の回転や動作に変動が生じ、安定した結晶成長が出来なくなる場合もある。
For this reason, in the central portion of the
本実施形態の単結晶成長装置1では、坩堝10の下側部分側面12bが、開口上面11の中心を通る中心軸C(図中に破線Cで示す)に比較的近い位置に配置されており、溶融原料は、中心軸Cに対応する位置で、坩堝10の下面の側から開口上面11に向かう、比較的高温の溶融材料の流れを生じる。すなわち、本実施形態の単結晶成長装置1では、側壁12から離れた坩堝10中心部分(中心軸C近傍)においても、溶融原料の温度が比較的高温に保たれており、坩堝10の下側面に向かう方向に結晶成長の進行が抑制される。このため、本実施形態の単結晶成長装置1では、坩堝10の下側面に向かって成長した下側成長部分15aの長さは、溶融原料の液面の上側に引き上げられる上側成長部分15bの長さに対して、十分に短くすることができる。
In the single crystal growth apparatus 1 of the present embodiment, the lower
本実施形態の単結晶成長装置1では、一回の引き上げ成長工程で、単結晶15の上側成長部分15bを、比較的長く得ることができる。上側成長部分15bは、直径等が均等に揃った円柱状に形成されており、例えばこの上側成長部分15bをスライスすることで、同一直径のサファイア単結晶基板を、比較的多量に作製することができる。本実施形態の単結晶成長装置1では、一回の引き上げ成長工程で、坩堝10内の溶融原料を、充分に使い切ることができる。より具体的には、図4に示すように、下側成長部分55aの先端が下側部分側面12bにのみ浸漬された状態まで、すなわち、溶融原料が下側部分側面12bにのみ残存した状態まで、溶融原料を使い切ることができる。
In the single crystal growth apparatus 1 of this embodiment, the
結晶成長を終了させて、坩堝10の加熱を停止すると、坩堝10の内壁には原料(本実施形態ではサファイア)が固着する。坩堝10を再度使用するまでには、この固着したサファイアを取り除く必要があるが、固着したサファイアを物理的に取り除く過程では、手間やコストも比較的大きい。また、固着したサファイアを取り除く過程において、坩堝自体に比較的大きな損傷を与えることもある。本実施形態の坩堝10では、坩堝10の下側部分側面12bに対応する部分にだけ、原料(サファイア)が固着するので、サファイアを取り除く手間やコストが比較的少ない。また、この下側部分12bのみを取り外し、原料が付着していない新たな下側部分12bを固着させることで、比較的容易に坩堝10が再生される。また、比較的大きな体積を占める上側部分12aは継続して使用し、比較的小さい堆積の下側部分12aのみを取り替えて使用することができる、本実施形態の単結晶成長装置1では、比較的少ないランニングコストで、長期間使用することができる。
When the crystal growth is finished and the heating of the
上述の実施形態では、坩堝の側面に段部を一か所だけ備えているが、本発明において坩堝の側面が備える段部の数は、特に限定されない。また、上記実施形態では、サファイア単結晶基板を成長させる例について説明しているが、本発明において成長させる単結晶原料は、特に限定されない。 In the above-described embodiment, only one step portion is provided on the side surface of the crucible, but the number of step portions provided on the side surface of the crucible in the present invention is not particularly limited. Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which grows a sapphire single-crystal substrate, the single-crystal raw material made to grow in this invention is not specifically limited.
また、上記実施形態では、いわゆるチョクラルスキー法といわれる、種結晶を溶融原料の液面から引き上げながら単結晶を成長させる方法について説明した。本発明では、チョクラルスキー法に限定されず、いわゆるキロポーラス法によって単結晶を育成してもよい。キロポーラス法は、原料を充填した坩堝を高周波誘導加熱によって高温に加熱して原料を溶融し、上方から種結晶を溶融原料に浸漬した後、加熱を調節して溶融原料の温度を徐々に降下させ、引き上げを行うことなく坩堝の中で結晶化させることにより単結晶を育成する方法である。本発明では、キロポーラス法による結晶成長においても、中心軸付近の温度低下が抑制され、比較的大きな結晶を効率良く育成することができる。本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。 In the above-described embodiment, a method of growing a single crystal while pulling up a seed crystal from the liquid surface of the molten raw material, which is called a so-called Czochralski method, has been described. In the present invention, the single crystal may be grown by the so-called kiloporous method without being limited to the Czochralski method. In the kiloporous method, the crucible filled with the raw material is heated to a high temperature by high frequency induction heating to melt the raw material, the seed crystal is immersed in the molten raw material from above, and the temperature of the molten raw material is gradually lowered by adjusting the heating. The single crystal is grown by crystallization in a crucible without pulling. In the present invention, even in crystal growth by the kiloporous method, temperature drop near the central axis is suppressed, and relatively large crystals can be grown efficiently. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
10 坩堝
12 側壁
16 坩堝保持容器
17 保温材
20 コイル20
30 高周波電源
40 結晶引上機構
50 制御部50
10
30 High-
Claims (8)
前記側壁は段部を有し、
前記段部よりも前記上面の側の部分側壁に比べて、前記段部よりも前記下面の側の部分側壁が、記開口の中心を通る中心軸により近いことを特徴とする単結晶育成装置用坩堝。 A crucible having an upper surface opened, the side wall being heated by induction heating placed in a single crystal growth apparatus,
The side wall has a step;
Compared to the partial side wall on the upper surface side with respect to the stepped portion, the partial side wall on the lower surface side with respect to the stepped portion is closer to the central axis passing through the center of the opening, for a single crystal growing apparatus crucible.
前記坩堝の側壁を囲むように巻き回された誘導コイルに電力を供給し、前記坩堝の側壁を誘導加熱によって加熱して前記坩堝内の原料を溶融させ、
前記坩堝内の原料を溶融させた状態で、前記坩堝の開口された上面から、前記原料の種結晶を溶融した前記原料の液面へ浸漬させて、前記原料の単結晶を成長させる単結晶育成方法。 A raw material is arranged in the crucible for single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 3,
Power is supplied to the induction coil wound so as to surround the side wall of the crucible, the side wall of the crucible is heated by induction heating to melt the raw material in the crucible,
Single crystal growth in which the single crystal of the raw material is grown by immersing the raw material seed crystal into the molten liquid surface of the raw material from the upper surface where the raw material in the crucible is melted. Method.
前記坩堝の側壁を囲むように巻き回された誘導コイルと、
前記誘導コイルと接続した電源と、
記開口の中心を通る中心軸に対応する位置に配置され、前記中心軸に沿って移動可能な単結晶引上軸と、を有し、
前記坩堝は、側壁に段部を有し、
前記段部よりも前記上面の側の部分側壁に比べて、前記段部よりも前記下面の側の部分側壁の方が、記開口の中心を通る中心軸により近いことを特徴とする単結晶育成装置。 A crucible with an open top surface;
An induction coil wound around the side wall of the crucible;
A power source connected to the induction coil;
A single crystal pulling axis disposed at a position corresponding to the central axis passing through the center of the opening and movable along the central axis,
The crucible has a step on the side wall,
Single crystal growth characterized in that the partial side wall on the lower surface side of the step portion is closer to the central axis passing through the center of the opening than the partial side wall on the upper surface side of the step portion. apparatus.
前記誘導コイルが、前記断熱材の周囲を囲んでいることを特徴とする請求項6記載の単結晶用育成装置用坩堝。 The side wall is covered with a heat insulating material,
The crucible for single crystal growth apparatus according to claim 6, wherein the induction coil surrounds the heat insulating material.
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