JP2018177552A

JP2018177552A - 単結晶育成用坩堝

Info

Publication number: JP2018177552A
Application number: JP2017074835A
Authority: JP
Inventors: 勝彦岡野; Katsuhiko Okano
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の結晶を容易に取り出すことができる単結晶育成用坩堝を提供する。【解決手段】単結晶育成用坩堝１は、側壁２の内周面５の周方向に沿って設けられ、内周面５を外側に広げる段付き部７を備える。段付き部７は、底部３側から開口部４側への高さ方向において育成後の結晶の上端が位置する部分に設けられる。これにより育成後の結晶を容易に取り出すことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直ブリッジマン法およびＶＧＦ法で使用される単結晶育成用坩堝に関する。

単結晶の育成方法には、一般的にチョクラルスキー法（回転引き上げ法）やＥＦＧ法（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ−ｆｅｄＧｒｏｗｔｈＭｅｔｈｏｄ：リボン状結晶成長法）に代表される融液から単結晶を引上げて固化させる引き上げ法、垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）やＶＧＦ法（ＶｅｒｔｉｃａｌＧｒａｄｉｅｎｔＦｒｅｅｚｅＭｅｔｈｏｄ：垂直式温度傾斜凝固法）に代表される融液を坩堝中で固化させる方法などがある。

このうち、引き上げ法は、育成された単結晶を引き上げるためのスペースとその装置が必要であり、結晶育成装置が大型化せざるを得ず、初期投資費用が大きくなる。これに対して、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法は、育成された単結晶を引き上げる必要がないため、結晶育成装置の小型化や簡略化が可能であり、初期投資費用を抑えることができる。

一方、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法による単結晶の育成では、坩堝底に種結晶を配置し、その上に必要量の原料を入れ、種結晶の上部と原料を融解させた後に固化させて単結晶を育成するが、得られた単結晶の坩堝への固着や、坩堝の収縮により単結晶が締め付けられること等により、単結晶を坩堝から取り出すことが困難となる場合があった。このような問題が生じた場合には、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法では、坩堝自体を破壊して単結晶を取り出すこととなり、低コスト化や生産性の妨げとなっている。

このような問題に対して、特許文献１には、得られる単結晶よりも線膨張係数の小さな材料の坩堝を用いることで、坩堝の収縮による単結晶の締め付けによる問題を回避する技術が開示されている。また、特許文献２および特許文献３には、坩堝内壁にテーパを設けることで単結晶の取り出しが容易になると記載されている。

特許第５６３３７３２号公報特開２０１２−２３６７３３号公報特開２０１５−１４０２９１号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の従来手法では、実際の単結晶育成後には坩堝から単結晶が取り出せないことがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の結晶を容易に取り出すことができる単結晶育成用坩堝を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の一観点に係る単結晶育成用坩堝は、側壁の内周面の周方向に沿って設けられ、前記内周面を外側に広げる段付き部を備え、前記段付き部は、底部側から開口部側への高さ方向において育成後の結晶の上端が位置する部分に設けられる。

本開示によれば、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の結晶を容易に取り出すことができる単結晶育成用坩堝を提供することができる。

実施形態に係る単結晶育成用坩堝の概略構成の一例を示す断面図である。実施形態に係る単結晶育成用坩堝を用いた単結晶製造装置を示す断面図である。実施形態に係る単結晶育成用坩堝を用いて結晶を育成したときの結晶上端部の近傍を拡大視した図である。従来の単結晶育成用坩堝を用いて結晶を育成したときの結晶上端部の近傍拡大視した図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず本実施形態に係る単結晶育成用坩堝を着想した経緯について説明する。

本発明者らは、特許文献２および特許文献３に開示された坩堝内側面にテーパを設けても単結晶が坩堝から取り出せない原因について検討した。その結果、結晶最上端周辺の一部が多結晶化し、坩堝の内側面に接触している部分で固着が生じてしまうことが、その原因となっていると知見を得た。

本発明者は、この知見を出発点として、単結晶育成用坩堝について鋭意研究を重ねた結果、結晶育成後の結晶最上端に位置する坩堝の開口径を所望の結晶径よりも大きくする段付き部を設けることを試みた。この結果、段付き部にて坩堝と結晶の固着が生じることとなり、段付き部で固着している結晶を割るだけで、育成した単結晶を取り出すための開口径を確保できるようになり、固着部が存在しても取り出すことができる知見を得て、本実施形態を完成するに至ったものである。

［実施形態］
次に図１を参照して、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１（以下では単に「坩堝１」とも表記する）の構成について説明する。図１は、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１の概略構成の一例を示す断面図である。図１に示すように、坩堝１は、有底筒状の容器である。坩堝１は、設置時の高さ方向に対して垂直な全ての側壁２の断面が円形であり、下端の底部３の断面直径が、上端の開口部４の断面直径よりも小さい円錐台形状である。図１は、この高さ方向に沿った坩堝１の断面形状を示している。

坩堝１の側壁２の内周面５には、下端の底部３の底面６から上端の開口部４に向けて拡張する向きでテーパ角θ１が付けられている。本実施形態では、坩堝１は円錐台形状であるので、開口部４と底面６との間の高さ方向の全体に亘って、内周面５が同一のテーパ角θ１となるように形成されている。すなわち、単結晶が育成される坩堝１の内部空間も、外形状と同じく、下端の底面６が上端の開口部４の内径よりも小さい円錐台形状である。

本実施形態のように坩堝１が円錐台形状であると、育成した単結晶を坩堝１から引き抜いて取り出すことがより容易である。この理由は、坩堝１の内部にて育成した単結晶が冷却により収縮すると、坩堝１と単結晶の間に空隙が出来るが、坩堝１の形状が円錐台形状であると、坩堝１と単結晶の間の空隙がどの部分でも同じ割合程度で出来るためである。

坩堝１の内周面５のテーパ角θ１は、０．１度以上、２．０度以下であることが好ましい。テーパ角θ１が０．１度よりも小さいと、育成された単結晶を坩堝１から引き抜く際に、単結晶の断面形状と、坩堝１の内周面５の断面形状とが高さ方向の全体に亘って常に近いものとなってしまい、開口部４側への引き抜きが容易でなくなる。一方、テーパ角θ１が２．０度を超えると、育成後の単結晶取り出しは容易となるものの、目的のウェハサイズを得るために単結晶の外周部を切削した時の切削量が増加して、育成した単結晶に対する製品歩留まりが悪化する。

坩堝１の材料は、育成する結晶の熱膨張係数よりも小さい材質のもので形成されるのが好ましい。これにより、坩堝１の内部にて育成した結晶が冷却により収縮すると、坩堝１の内周面５と結晶との間に発生する空隙が相対的に大きくなり、育成した結晶を取り出すことを容易にできる。

育成する結晶がサファイア単結晶である場合、坩堝１の材料には、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、または、Ｍｏ−Ｗ合金が好ましい。Ｍｏの融点（約２６２０℃）と、Ｗの融点（約３３８０℃）は、いずれもサファイアの融点（約２０４０℃）よりも高く、高温耐久性を有している。また、サファイアは育成方向であるｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数が、２０５０℃において約１１×１０^−６／℃程度であるため、坩堝１の材質としては、同程度の温度での熱膨張係数が、サファイア単結晶のｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数よりも十分に低い値であることが望ましい。このような融点および熱膨張係数を有する材料としては、種々のものが考えられるが、コストや加工性などを考慮すると、Ｍｏ（２０５０℃における熱膨張係数：約８．５×１０^−６／℃）、Ｗ（２０５０℃における熱膨張係数：約６．５×１０^−６／℃）を使用することが好ましい。また、Ｍｏ−Ｗ合金も、ＭｏやＷと同様に融点が十分に高く、かつ、サファイアよりも十分に低い熱膨張係数を有するため、本実施形態のサファイア単結晶育成用の坩堝１の材料として適している。坩堝１の材料として、Ｍｏ−Ｗ合金を使用する場合には、Ｗの含有率が大きいほど好ましい。

そして特に本実施形態では、坩堝１の側壁２の内周面５には、周方向に沿って内周面５を外側に広げる向きに段付き部７が設けられている。段付き部７は、底部３側から開口部４側への高さ方向において、育成後の結晶の上端が位置する部分に設けられている（図３参照）。

段付き部７は、好ましくは、内周面５に対するテーパ角θ２が４５°〜９０°であり、より好ましくは、テーパ角θ２が９０°、すなわち高さ方向に対して直交する水平方向に沿って設けられる。また、段付き部７は、底部３側の内周面５の径と開口部４側の内周面５の径との偏差である段付き量ｄ（ステップ幅）が２〜５ｍｍであるのが好ましい。

次に図２を参照して、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いる単結晶育成方法を説明する。図２は、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いた単結晶製造装置１０を示す断面図である。

単結晶製造装置１０は、基本的には、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いることを除いて、従来のＶＧＦ法用や垂直ブリッジマン法用の育成炉と同様の構成である。また、本実施形態に係る単結晶育成方法も、基本的には、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いることを除いて、従来の一方向凝固法による単結晶の製造方法と同様である。

単結晶製造装置１０は、図示しないチャンバや断熱材の内側に、図２に示す筒状の発熱体１１が配置される。結晶育成時には、チャンバ内はアルゴンガスなどの不活性ガスで満たされ、発熱体１１の内部側にホットゾーン１２が形成される。また、発熱体１１は、高さ方向の上側から下側に沿って上段ヒータ１１ａ、中段ヒータ１１ｂ、下段ヒータ１１ｃを有し、これらの各ヒータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃへの投入電力を調整することにより、ホットゾーン１２内の温度勾配を制御することができる。

坩堝１は、ホットゾーン１２に配置される支持台１３の上に載置される。支持台１３は、図示しない支持軸などによって上下方向に移動可能、または、回転可能に構成することができる。

本実施形態に係る単結晶育成方法では、このような構成を有する育成炉１０を用いて、はじめに、坩堝１を支持台１３の上に設置し、開口部４から坩堝１内の下部に種結晶１４を配置する。種結晶１４の上には、同じく開口部４から顆粒状もしくは単結晶を粉砕した単結晶原料１５（例えばサファイア）を必要量配置する。

次に、坩堝１の周りの発熱体１１を作動して、坩堝１の内部で単結晶を育成する。具体的には、発熱体１１を用いて、種結晶１４及び単結晶原料１５が収納された坩堝１を高さ方向の上方が高く、下方が低い温度分布となるように加熱する。この状態で炉内の温度を種結晶１４が高さ方向の上半分位まで融解するまで昇温し、シーディングを行う。その後、そのままの炉内温度勾配を維持しながら発熱体１１の出力を徐々に低下させ、すべての融液を固化させた後、所定速度で冷却を行う。炉内温度が室温程度になったことを確認した後、坩堝１の開口部４から育成された単結晶を取り出す。

次に、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１の効果を説明する。本実施形態の単結晶育成用坩堝１は、側壁２の内周面５の周方向に沿って設けられ、内周面５を外側に広げる段付き部７を備える。段付き部７は、底部３側から開口部４側への高さ方向において育成後の結晶の上端が位置する部分に設けられる。

上述のとおり、従来の坩堝では、側壁の内周面にテーパを付けても、坩堝内で育成された結晶の最上端周辺の一部が多結晶化し、坩堝の内周面に接触している部分で固着が生じてしまうと、育成後の結晶を坩堝から取り出せなかった。例えば図４に示すように、育成後の結晶１６のうち内周面５との固着部分１６Ａを結晶１６から切り離したとしても、固着部分１６Ａが内周面５から内側に突出した状態となる。このため、固着部分１６Ａを切り離した後の結晶１６を坩堝から引き抜こうとしても、結晶１６の外縁が固着部分１６Ａに引っ掛かるので、結晶１６を坩堝から取り出すことができなかった。

これに対して、本実施形態の坩堝１では、内周面５の育成後の結晶１６の上端が位置する部分に段付き部７を設けることにより、図４に示すように、結晶１６の固着部分１６Ａは段付き部７と、この段付き部７より上方の開口部４側の内周面５との間に形成される。これにより、段付き部７より下側に育成された結晶１６に対して、固着部分１６Ａが結晶１６と開口部との間に突出しないので、結晶１６の外縁が固着部分１６Ａに引っ掛からずに結晶１６を坩堝１から取り出すことが可能となる。この結果、本実施形態の単結晶育成用坩堝１は、垂直ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の結晶を容易に取り出すことができる。

また、本実施形態の単結晶育成用坩堝１では、段付き部７は、内周面５に対するテーパ角θ２が４５°〜９０°であるのが好ましく、高さ方向に対して直交する水平方向に沿って設けられるのがより好ましい。これにより、段付き部７にて結晶１６と固着部分１６Ａとを切り離しやすくでき、育成後の結晶の取り出しをさらに容易にできる。

また、本実施形態の単結晶育成用坩堝１では、側壁２の内周面５には、開口部４側へ広がる向きでテーパ角θ１が付けられているので、坩堝１の内部にて育成した単結晶が冷却により収縮したときに、坩堝１と単結晶の間に空隙ができやすくなり、育成後の結晶の取り出しをさらに容易にできる。

また、本実施形態の単結晶育成用坩堝１では、段付き部７は、底部３側の内周面５の径と開口部４側の内周面５の径との偏差である段付き量ｄが２〜５ｍｍであるので、段付き部７にて結晶１６と固着部分１６Ａとを切り離しやすくでき、育成後の結晶の取り出しをさらに容易にできる。また、育成する単結晶のサイズに対して坩堝１の全体のサイズの大型化を抑えることができる。

なお、上記実施形態では、坩堝１の内周面５の高さ方向の全体に亘ってテーパ角θ１が０．１〜２．０°の範囲で設けられる構成を例示したが、高さ方向の一部にテーパ角θ１を設けても良い。例えば、高さ方向の段付き部７の位置より底部３側のみにテーパ角θ１を付ける構成でもよい。また、内周面５にテーパ角θ１を設けない構成でもよい。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

（実施例１〜５）
図１に示すような形状を有する、Ｍｏからなる坩堝１を用意した。坩堝１の内周面５には１．０°のテーパ角θ１が設けられており、坩堝底直径５０ｍｍより徐々に坩堝内径が拡張されている。坩堝１の固着が発生する結晶最上端に位置する部分には段付き部７を設けた。段付き部７のテーパ角θ２は９０°（つまり直角に曲がっている）とし、段付き量ｄ（ステップの幅）がそれぞれ１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、４．０ｍｍ、５．０ｍｍのものを実施例１〜５とした。

これら実施例１〜５の坩堝１を用いて、図２に示す単結晶製造装置１０によるサファイア単結晶の育成試験を実施した。種結晶１４は、高さ３０ｍｍ、直径５０ｍｍのサファイアからなる種結晶を用いた。単結晶原料１５は、サファイア単結晶原料を用いた。発熱体１１はカーボン製とした。

育成試験では、上述の単結晶育成方法を実施した。単結晶の育成中には単結晶製造装置１０の炉内は低酸素雰囲気（窒素ガス注入）とした。炉内温度は、種結晶１４が高さ半分位まで融解するまで昇温し、その後、そのままの炉内温度勾配を維持しながら育成速度５ｍｍ／ｈとなるよう発熱体１１の出力を徐々に低下させ、すべての融液を固化させた後、５０℃／ｈの速度で冷却を行った。炉内温度が室温程度になった後、育成された単結晶が入った坩堝１をひっくり返して、育成した単結晶の坩堝１からの取り出し可否を確認した。

（実施例６〜１０）
坩堝１の材料をＷとした点を除き、実施例１〜５とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

（実施例１１〜１５）
坩堝１の材料をＭｏ−Ｗ合金（Ｍｏ：Ｗ＝５０：５０）とした点を除き、実施例１〜５とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

（比較例１〜３）
段付き量が０ｍｍ、すなわち、側壁２の内周面５に段付き部７を設けていない点を除いて、実施例と同様の坩堝を比較例１〜３とした。比較例１〜３は、それぞれの材料をＭｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｗ合金（Ｍｏ：Ｗ＝５０：５０）とした。これらの比較例１〜３の坩堝を用いて実施例１〜１５と同様の育成試験を実施し、育成した単結晶の坩堝１からの取り出し可否を確認した。

各実施例１〜１５および比較例１〜３の結晶取り出しの確認試験の結果を表１に示す。表１では、確認試験の結果を、結晶を抵抗無くかつ毀損せず坩堝１から取り出せた場合は「◎」、若干の抵抗はあったが毀損せず結晶を取り出せた場合は「○」、一部毀損はあったが結晶を取り出せた場合は「△」、坩堝１から結晶の取り出しが出来なかった場合は「×」として示している。

表１に示すように、段付き部７を設けない比較例１〜３では、単結晶を育成した場合の坩堝１からの取り出しは行えなかった。一方、実施例１，６，１１（段付き量１．０ｍｍ）では、取り出し時にやや抵抗があり単結晶の一部が毀損したものの、単結晶を取り出すことができた。実施例２〜４（坩堝材料Ｍｏ、段付き量２．０〜４．０ｍｍ）、実施例１２〜１３（坩堝材料Ｍｏ−Ｗ合金、段付き量２．０〜３．０ｍｍ）では、若干の抵抗はあったが毀損せず結晶を取り出すことができた。実施例５（坩堝材料Ｍｏ、段付き量５．０ｍｍ）、実施例７〜１０（坩堝材料Ｗ、段付き量２．０〜５．０ｍｍ）、実施例１４〜１５（坩堝材料Ｍｏ−Ｗ合金、段付き量４．０〜５．０ｍｍ）では、単結晶を容易に取り出すことができた。

なお、表１に示すように、坩堝材料がＭｏの場合には、他の材料と比べて結晶の取り出し時に抵抗が大きくなる傾向がある。このように結晶取り出し結果が相対的に最も悪かったＭｏを材料に使用し、段付き量を２．０ｍｍとして、段付き部７のテーパ角θ２を４５°とした坩堝、すなわち、テーパ角θ２以外は実施例２と同様の坩堝を用いて実施例１〜１５と同様の育成試験を実施し、育成した単結晶の坩堝１からの取り出し可否を確認したところ、多少抵抗はあるものの、結晶を取り出すことができた。

表１に示す結果より、本実施形態による側壁２の内周面５に段付き部７を坩堝１は、育成された結晶の取り出しにきわめて有効であることが示された。特に段付き量が２〜５ｍｍのときに育成された結晶の取り出しを容易にできることが示された。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

上記実施形態の単結晶育成用坩堝１において育成される単結晶としては、サファイア単結晶以外を適用することもできる。また、上記実施形態の単結晶育成用坩堝１の材料には、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ−Ｗ合金以外のものを適用することもできる。

１単結晶育成用坩堝
２側壁
３底部
４開口部
５内周面
７段付き部
θ１内周面のテーパ角
θ２段付き部のテーパ角

Claims

単結晶育成用坩堝であって、
側壁の内周面の周方向に沿って設けられ、前記内周面を外側に広げる段付き部を備え、
前記段付き部は、底部側から開口部側への高さ方向において育成後の結晶の上端が位置する部分に設けられる、
単結晶育成用坩堝。
前記段付き部は、前記内周面に対するテーパ角が４５°〜９０°である、
請求項１に記載の単結晶育成用坩堝。
前記段付き部は、前記高さ方向に対して直交する水平方向に沿って設けられる、
請求項２に記載の単結晶育成用坩堝。
前記側壁の前記内周面には、前記高さ方向の少なくとも前記段付き部より底部側の部分に、前記開口部側へ広がる向きでテーパ角が付けられている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
前記段付き部は、前記底部側の内周面の径と前記開口部側の内周面の径との偏差である段付き量が２〜５ｍｍである、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
坩堝材料が、Ｍｏ、Ｗ、ＭｏとＷの合金のいずれかである、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。