JP2019167282A - Crystal growth apparatus - Google Patents

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JP2019167282A JP2018057509A JP2018057509A JP2019167282A JP 2019167282 A JP2019167282 A JP 2019167282A JP 2018057509 A JP2018057509 A JP 2018057509A JP 2018057509 A JP2018057509 A JP 2018057509A JP 2019167282 A JP2019167282 A JP 2019167282A
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高塚 裕二
Yuji Takatsuka
裕二 高塚
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Abstract

To provide a single crystal growth apparatus having an auxiliary heater, capable of preventing the auxiliary heater from being oxidized and using a material except expensive noble metal as the auxiliary heater.SOLUTION: The crystal growth apparatus comprises: a metal crucible capable of storing and holding a raw material melt; an induction coil provided in the periphery of the crucible; an auxiliary heater provided below the crucible or in the periphery thereof; and a heater sealing vessel including a seal structure capable of sealing the auxiliary heater.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、結晶育成装置に関する。   The present invention relates to a crystal growth apparatus.

酸化物単結晶の製造方法としては、チョクラルスキー法による結晶育成方法が広く実施されている。   As a method for producing an oxide single crystal, a crystal growth method by the Czochralski method is widely practiced.

このチョクラルスキー法による酸化物単結晶育成は、例えば、図1に示すような結晶育成装置を用いてルツボ10の外側に誘導コイル80を配置し、誘導コイル80に高周波電流を流すことによってルツボ10に渦電流が生じ、これによってルツボ10が発熱してルツボ10内の原料が溶融し、上方向から種となる種結晶150を融液160に触れさせて、回転しながら引き上げる方法が主になっている。   The oxide single crystal growth by this Czochralski method is performed, for example, by arranging an induction coil 80 outside the crucible 10 using a crystal growth apparatus as shown in FIG. An eddy current is generated in 10, whereby the crucible 10 generates heat, the raw material in the crucible 10 is melted, and the seed crystal 150 as a seed is brought into contact with the melt 160 from above and pulled up while rotating. It has become.

また、引き上げが進むにつれて単結晶の上部は、シード棒(引き上げ軸)70からの伝熱や結晶表面からの熱輻射により冷却される。成長中の単結晶内の温度分布が大きくなるため、ルツボ上部を保温する工夫がなされている。例えば、結晶内の温度差に伴う熱応力によるクラックを抑制するため、ルツボ10の上部に、ルツボ以外の発熱体である円筒状のアフター・ヒータ40を配置している。また、ルツボ上部を保温するためドーナツ状のリフレクタ30を配置することもある。   Further, as the pulling progresses, the upper part of the single crystal is cooled by heat transfer from the seed rod (pickup shaft) 70 or heat radiation from the crystal surface. Since the temperature distribution in the growing single crystal becomes large, a device for keeping the temperature of the upper part of the crucible is made. For example, in order to suppress cracks due to thermal stress due to temperature differences in the crystal, a cylindrical after-heater 40 that is a heating element other than the crucible is disposed above the crucible 10. Also, a donut-shaped reflector 30 may be arranged to keep the upper part of the crucible warm.

ところで、近年、酸化物単結晶、特にタンタル酸リチウムは表面弾性波デバイス材料として市場が拡大しており、生産量の確保のため単結晶の引き上げ長さ(結晶長)が次第に長くなっている。この長尺化に伴い、結晶の曲りや直胴部で発生する多結晶化、あるいは、冷却中の熱歪に起因したクラック、ルツボ底の原料固化などが発生し易くなっており、結晶の良品率を低下させる原因となっている。特に、ルツボ中の原料固化は、潜熱の放出により融液160中の温度分布を変化させる、固化した領域により融液160の流れが変化する等の現象に起因して、結晶の界面形状が変化して多結晶化やリネージと呼ばれる欠陥集合体が発生する場合があり、これらは長尺化に大きな問題となる。   By the way, in recent years, the market for oxide single crystals, particularly lithium tantalate, is expanding as a surface acoustic wave device material, and the pulling length (crystal length) of the single crystal is gradually increased in order to secure the production amount. Accompanying this increase in length, it is easy to cause crystal crystallization, polycrystallization that occurs in the straight body, cracks due to thermal strain during cooling, solidification of the crucible bottom, etc. It is a cause to reduce the rate. In particular, the solidification of the raw material in the crucible changes the interface shape of the crystal due to the phenomenon that the temperature distribution in the melt 160 changes due to the release of latent heat, and the flow of the melt 160 changes depending on the solidified region. As a result, defect aggregates called polycrystallization or lineage may occur, which are a major problem in lengthening.

チョクラルスキー法による単結晶育成では、ルツボの原料融解面に種結晶150を接触させて回転させ、徐々に引き上げながら結晶を成長させている。結晶を成長させるためには融液界面温度は融点に保ちつつ結晶成長に伴って発生する潜熱を結晶上部に放熱させる。そのため結晶が成長するに伴って、加熱源である高周波誘導コイル80を適切な範囲で低下させなければならない。   In single crystal growth by the Czochralski method, the seed crystal 150 is brought into contact with the raw material melting surface of the crucible and rotated, and the crystal is grown while being gradually pulled up. In order to grow the crystal, the melt interface temperature is kept at the melting point, and the latent heat generated along with the crystal growth is radiated to the upper part of the crystal. Therefore, as the crystal grows, the high frequency induction coil 80 that is a heating source must be lowered within an appropriate range.

これらの加熱法は炉内設置した誘導コイル80に高周波電流を流し、それによって高周波磁場を発生させる。高周波磁場により金属製のルツボや金属製の円筒状のアフター・ヒータに電流が誘導され、この誘導電流によって金属にジュール熱が発生する。   In these heating methods, a high frequency current is passed through an induction coil 80 installed in the furnace, thereby generating a high frequency magnetic field. A high frequency magnetic field induces a current in a metal crucible or a metal cylindrical after-heater, and this induced current generates Joule heat in the metal.

誘導コイル80と導電材料の位置、導電材料の形状により、磁場分布が変化するとそれに伴って誘導電流量、発熱量が変化する。これらの位置が固定されると一定の発熱分布が決まるので、高周波電力の増減は発熱分布の強度を変えることで対応する。   When the magnetic field distribution changes depending on the position of the induction coil 80 and the conductive material and the shape of the conductive material, the amount of induced current and the amount of heat generation change accordingly. When these positions are fixed, a constant heat generation distribution is determined. Therefore, the increase and decrease in high-frequency power can be handled by changing the intensity of the heat generation distribution.

図2は、図1に示した結晶育成装置のルツボ10の周辺の磁場を計算した結果を示した図である。図2の磁場の計算結果が示すように、磁場はルツボ10等の導電体の角に集中する。そのため角部の誘導電流が大きくなり、ルツボ10の角部の発熱が大きくなる。これに比して、ルツボ底の中央部やルツボ10の胴部等の発熱は小さい。これらの発熱が熱伝導や対流により伝熱してルツボ内の融液温度分布が決まる。   FIG. 2 is a diagram showing the result of calculating the magnetic field around the crucible 10 of the crystal growing apparatus shown in FIG. As shown in the calculation result of the magnetic field in FIG. 2, the magnetic field concentrates on the corner of a conductor such as the crucible 10. Therefore, the induced current at the corner increases, and the heat generation at the corner of the crucible 10 increases. Compared with this, heat generation at the center of the crucible bottom and the body of the crucible 10 is small. These heat generations are transferred by heat conduction or convection to determine the melt temperature distribution in the crucible.

結晶育成時には結晶の成長に伴って融液160の液面が低下し、融液160と結晶の固液界面が融点を保つように高周波出力を低下させる。これに伴いルツボ底部中央部では温度が低下し、場合によってはルツボ底部中央より固化することがある。また、このままの状態で結晶の育成を続けた場合、固化した結晶はルツボ底部から上方に成長し、育成している結晶と融着してしまい、育成を中止しなければならない事態が発生することがある。   At the time of crystal growth, the liquid level of the melt 160 decreases as the crystal grows, and the high-frequency output is decreased so that the solid-liquid interface between the melt 160 and the crystal maintains the melting point. Along with this, the temperature decreases at the center of the crucible bottom, and in some cases, it may solidify from the center of the bottom of the crucible. In addition, if the crystal growth is continued in this state, the solidified crystal grows upward from the bottom of the crucible, and is fused with the crystal being grown, resulting in a situation where the growth must be stopped. There is.

そこでルツボ以外の発熱体を補助発熱体として配置し、融液や雰囲気温度の分布を改善する提案が行われている。   Therefore, proposals have been made to improve the distribution of the melt and ambient temperature by arranging a heating element other than the crucible as an auxiliary heating element.

例えば、特許文献1には、ルツボの下側のルツボ台内の空間に、ルツボの底面の面積より小さく、かつルツボの高さ方向に所定の長さを有する補助熱源体を設置する方法が開示されている。この補助発熱体の形状は、様々な形状を示しており、どの形状を用いても効果が得られるとの記載がある。   For example, Patent Document 1 discloses a method in which an auxiliary heat source body having a predetermined length in the height direction of the crucible and smaller than the area of the bottom surface of the crucible is disclosed in a space in the crucible base below the crucible. Has been. The auxiliary heating element has various shapes, and there is a description that any shape can be used.

特開昭54−162686号公報JP 54-162686 A

ところで、特許文献1に記載されている補助発熱体(補助ヒータ)は、無酸素の不活性ガス中で結晶育成を行う場合、耐熱性を有する物質であればタングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属を用いることも可能である。   By the way, the auxiliary heating element (auxiliary heater) described in Patent Document 1 has a high melting point such as tungsten, molybdenum, tantalum or the like as long as it has a heat resistance when crystal growth is performed in an oxygen-free inert gas. It is also possible to use a metal.

しかしながら、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の育成では、一般的に雰囲気をアルゴンガスに数%の酸素を混合したガスを使用している。これは、結晶育成中LT結晶が還元されて酸素欠損が発生するのを防止するためである。このため、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の育成で酸素を混合したガスの場合、補助ヒータにタングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属では酸化してしまい使用することはできない。従ってこれらの材料の材質は酸化されにくい貴金属を使用することが望ましく、高価ではあるが、ルツボと同じ材質であるイリジウムを使用しなければならなかった。   However, in growing an oxide single crystal such as lithium tantalate, a gas in which argon is mixed with several percent oxygen is generally used. This is to prevent oxygen deficiency from occurring due to reduction of the LT crystal during crystal growth. For this reason, in the case of a gas mixed with oxygen for growing an oxide single crystal such as lithium tantalate, the auxiliary heater is oxidized with a high melting point metal such as tungsten, molybdenum or tantalum and cannot be used. Therefore, it is desirable to use a precious metal that is difficult to oxidize as the material of these materials, and although it is expensive, iridium that is the same material as the crucible must be used.

また、LT単結晶に使用されるイリジウムは僅かではあるが酸素により昇華し、重量減少を起こす。イリジウム製補助ヒータも重量が減少したり、表面に変色層が発生したりした。   In addition, iridium used in the LT single crystal is sublimated by oxygen although it is slight, causing a weight reduction. The iridium auxiliary heater also decreased in weight and a discolored layer was generated on the surface.

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、補助ヒータを設置した単結晶育成装置において、補助ヒータの酸化を防止し高価な貴金属以外の材料を補助ヒータとして使用可能にする結晶育成装置を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above circumstances, the present invention provides a crystal growth apparatus that prevents oxidation of the auxiliary heater and enables use of materials other than expensive noble metals as the auxiliary heater in the single crystal growth apparatus provided with the auxiliary heater. With the goal.

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る結晶育成装置は、原料融液を貯留保持可能な金属製のルツボと、
前記ルツボの周囲に設けられる誘導コイルと、
前記ルツボの下方または周辺に設けられる補助ヒータと、
前記補助ヒータを密閉可能なシール構造を備えるヒータ密閉容器と、を有する。
In order to achieve the above object, a crystal growth apparatus according to one aspect of the present invention includes a metal crucible capable of storing and holding a raw material melt,
An induction coil provided around the crucible;
An auxiliary heater provided below or around the crucible;
A heater sealed container having a seal structure capable of sealing the auxiliary heater.

本発明によれば、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の酸素を含有する不活性ガス中の育成にて、補助ヒータの酸化を防止し、貴金属以外の材料を補助ヒータの材料として使用可能な単結晶育成装置を提供することができる。   According to the present invention, the growth of an oxide single crystal such as lithium tantalate in an inert gas containing oxygen prevents oxidation of the auxiliary heater, and a material other than a noble metal can be used as a material for the auxiliary heater. A single crystal growing apparatus can be provided.

従来の結晶育成装置の一例を示した概要図である。It is the schematic which showed an example of the conventional crystal growth apparatus. 電磁界解析の磁力線分布及び磁場強度分布を示した図である。It is the figure which showed the magnetic force line distribution and magnetic field intensity distribution of an electromagnetic field analysis. 本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例の全体構成を示した図である。It is the figure which showed the whole structure of an example of the crystal growth apparatus which concerns on embodiment of this invention. 第1の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器の一例の構成を示した拡大図である。It is the enlarged view which showed the structure of an example of the heater airtight container of the crystal growth apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器の一例の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of an example of the heater airtight container of the crystal growing apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器のシール材の挙動を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the behavior of the sealing material of the heater airtight container of the crystal growth apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120bの一例の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of an example of the heater airtight container 120b of the crystal growing apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120cの一例の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of an example of the heater airtight container 120c of the crystal growing apparatus which concerns on 4th Embodiment.

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明のチョクラスキー法を用いた結晶育成装置は、大気中または酸素を含んだ不活性
ガス雰囲気中で育成されるニオブ酸リチウムLiNbO(以下、「LN」と略記する場合がある)、タンタル酸リチウムLiTaO(以下、「LT」と略記する場合がある)、イットリウムアルミニウムガーネットYAl12(以下YAG)などの酸化物単結晶の製造に用いる結晶育成装置である。チョクラルスキー法は、ある結晶方位に従って切り出された種と呼ばれる、通常は数mm程度の単結晶の先端を、同一組成の融液に浸潤し、回転しながら徐々に引上げることによって、種結晶の方位と同一の単結晶を製造する方法である。
The crystal growth apparatus using the chocsky method of the present invention is a lithium niobate LiNbO 3 grown in the atmosphere or in an inert gas atmosphere containing oxygen (hereinafter sometimes abbreviated as “LN”), This is a crystal growth apparatus used for the production of oxide single crystals such as lithium tantalate LiTaO 3 (hereinafter sometimes abbreviated as “LT”) and yttrium aluminum garnet Y 3 Al 5 O 12 (hereinafter YAG). The Czochralski method is called a seed cut according to a certain crystal orientation. Usually, the tip of a single crystal of about several millimeters is infiltrated into a melt of the same composition, and is gradually pulled up while rotating. This is a method for producing a single crystal having the same orientation.

図1は、従来の結晶育成装置の一例を示した概要図である。従来の結晶育成装置は、補助ヒータを備えず、ルツボ10と、ルツボ台20と、リフレクタ30と、アフター・ヒータ40と、断熱材50、60と、シード棒70と、誘導コイル80を備える。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a conventional crystal growth apparatus. The conventional crystal growth apparatus does not include an auxiliary heater, but includes a crucible 10, a crucible base 20, a reflector 30, an after heater 40, heat insulating materials 50 and 60, a seed rod 70, and an induction coil 80.

更に従来の引上げ装置を改良するものとして、特許文献1に記載されているように、補助ヒータをルツボ台内等に設置することができる。   Further, as an improvement on the conventional pulling device, as described in Patent Document 1, an auxiliary heater can be installed in a crucible base or the like.

従来、酸化物結晶は酸素を含んだ雰囲気で育成されるため、白金、ロジウムやイリジウム等の貴金属以外の高温で酸化する材料を補助ヒータとして使用できなかった。即ち、白金、ロジウム、イリジウム等の希金属は、酸化により減耗するものの、寿命までは継続して使用することが可能である。しかしながら、上述の貴金属以外の金属は、酸化により頻繁に部品交換する必要があり、金属自体が安価でも、結局コストが高くなってしまう。   Conventionally, since oxide crystals are grown in an atmosphere containing oxygen, materials that oxidize at high temperatures other than noble metals such as platinum, rhodium, and iridium cannot be used as auxiliary heaters. That is, rare metals such as platinum, rhodium and iridium can be used continuously until the end of their lifetime, although they are depleted by oxidation. However, metals other than the above-mentioned noble metals need to be frequently replaced by oxidation, and the cost is high even if the metal itself is inexpensive.

発明者らは補助ヒータ110の酸化防止法について検討を行った結果、図3に示すように、金属からなる補助ヒータ110を断熱材中に密閉すれば酸化が防げるとの結論に達した。しかし、補助ヒータ110の温度は2000℃以上になる、断熱材60などから圧力を受けること等から、断熱材60に単純に埋め込む構造では、断熱材60と金属製の補助ヒータ110との熱膨張率の差による応力や残留気体の熱膨張で割れ易くなる。また、断熱材60中に補助ヒータ110を真空封入することは技術的に難しい。   As a result of examining the method for preventing oxidation of the auxiliary heater 110, the inventors have come to the conclusion that the oxidation can be prevented by sealing the auxiliary heater 110 made of metal in a heat insulating material as shown in FIG. However, since the temperature of the auxiliary heater 110 is 2000 ° C. or higher, pressure is received from the heat insulating material 60, etc., in the structure that is simply embedded in the heat insulating material 60, the thermal expansion between the heat insulating material 60 and the metal auxiliary heater 110 is performed. It becomes easy to crack by the stress due to the difference in rate and the thermal expansion of the residual gas. Further, it is technically difficult to vacuum seal the auxiliary heater 110 in the heat insulating material 60.

そこで、発明者らは、密閉方法を検討した結果、高沸点の液体シール材料を用いて不活性ガスを密閉することで上記課題を解決できた。以下、その内容について説明する。   Therefore, as a result of examining the sealing method, the inventors have solved the above problem by sealing an inert gas using a high-boiling liquid sealing material. The contents will be described below.

図3は、本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例の全体構成を示した図である。図3に示される通り、本実施形態に係る結晶育成装置は、ルツボ10と、ヒータ密閉容器120と、リフレクタ30と、アフター・ヒータ40と、断熱材50、60と、シード棒70と、誘導コイル80と、高周波電源85と、載置台90と、チャンバー100と、補助ヒータ110とを有する。なお、本実施形態に係る結晶育成装置においても、図1に示した従来の結晶育成装置と同じ構成要素については、同一の参照符号を用いることとする。   FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of an example of a crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the crystal growing apparatus according to the present embodiment includes a crucible 10, a heater sealed container 120, a reflector 30, an after heater 40, heat insulating materials 50 and 60, a seed bar 70, and an induction. The coil 80, the high frequency power supply 85, the mounting table 90, the chamber 100, and the auxiliary heater 110 are included. In the crystal growth apparatus according to the present embodiment, the same reference numerals are used for the same components as those of the conventional crystal growth apparatus shown in FIG.

ルツボ10を支持するルツボ台20が、ヒータ密閉容器120となっている点が、従来の結晶育成装置と大きく異なっている点である。ヒータ密閉容器120は、補助ヒータ110を密閉状態で収容可能な容器である。補助ヒータ110は、ヒータ密閉容器120の内部に設けられる。また、ヒータ密閉容器120は、ルツボ台20としての機能も有し、下方からルツボ10を支持する。   The point that the crucible base 20 that supports the crucible 10 is a heater sealed container 120 is a point that is greatly different from the conventional crystal growth apparatus. The heater sealed container 120 is a container that can accommodate the auxiliary heater 110 in a sealed state. The auxiliary heater 110 is provided inside the heater sealed container 120. The heater sealed container 120 also has a function as the crucible base 20 and supports the crucible 10 from below.

次に、本実施形態に係る結晶育成装置の個々の構成要素について説明する。   Next, individual components of the crystal growth apparatus according to this embodiment will be described.

ルツボ10は、結晶原料を貯留保持し、単結晶を育成するための容器である。ルツボ10は高周波誘導加熱により発熱体として機能するため、抵抗の低い導電性の高い金属が用いられる。LT等の酸化物結晶は、酸素を含む雰囲気中で育成されるため、耐熱性がある貴金属、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等の単体又はそれらの合金を用いることが好ましい。   The crucible 10 is a container for storing and holding a crystal raw material and growing a single crystal. Since the crucible 10 functions as a heating element by high-frequency induction heating, a metal having low resistance and high conductivity is used. Since oxide crystals such as LT are grown in an oxygen-containing atmosphere, a heat resistant noble metal, simple substance such as platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), or an alloy thereof may be used. preferable.

リフレクタ30は、ルツボ10の上端面上に配置され、ルツボ10の上端面から内側に水平に延びた反射板である。即ち、リフレクタ30は、ルツボ10から上方に上昇する熱を反射し、下方に戻す機能を有する。なお、リフレクタ30は、図4に示されるように、ルツボ10の内側のみならず、外側に延びる部分も有してよい。リフレクタ30も、誘導コイル80の誘導加熱により発熱する。   The reflector 30 is a reflector that is disposed on the upper end surface of the crucible 10 and extends horizontally inward from the upper end surface of the crucible 10. That is, the reflector 30 has a function of reflecting heat rising upward from the crucible 10 and returning it downward. As shown in FIG. 4, the reflector 30 may have a portion extending not only inside the crucible 10 but also outside. The reflector 30 also generates heat due to induction heating of the induction coil 80.

アフター・ヒータ40は、ルツボ10の上方、より詳細にはリフレクタ30上に、上方に延びるように設けられる。円筒形を有し、ルツボ10の上方を囲むように配置される。アフター・ヒータ40は、例えば、ルツボ10よりもやや小さい直径を有する。アフター・ヒータ40は、単結晶が引き上げられた際に、上昇する単結晶を側面から加熱する機能を有する。アフター・ヒータ40も、誘導コイル80の誘導加熱により発熱する。   The after heater 40 is provided so as to extend upward above the crucible 10, more specifically, above the reflector 30. It has a cylindrical shape and is arranged so as to surround the crucible 10. The after heater 40 has a slightly smaller diameter than the crucible 10, for example. The after heater 40 has a function of heating the rising single crystal from the side surface when the single crystal is pulled up. The after heater 40 also generates heat by induction heating of the induction coil 80.

このように、リフレクタ30とアフター・ヒータ40は、ルツボ材と同様の特性が要求されるため貴金属、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等の単体又はそれらの合金からなることが好ましい。   Thus, since the reflector 30 and the after heater 40 are required to have the same characteristics as the crucible material, the reflector 30 and the after heater 40 are made of a simple substance such as precious metal, platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), or an alloy thereof. Is preferred.

断熱材50は、ルツボ10、リフレクタ30及びアフター・ヒータ40を覆い、これらの熱が外部に放出されるのを低減させるための遮熱手段である。断熱材50は、耐火材容器として機能し、アルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体耐火物が使用される。   The heat insulating material 50 is a heat shielding means for covering the crucible 10, the reflector 30, and the after heater 40 to reduce the release of these heats to the outside. The heat insulating material 50 functions as a refractory material container, and sintered refractories such as alumina, zirconia, magnesia, and calcia are used.

断熱材60は、ルツボ10の周辺を覆い、ルツボ10からの放熱を低減させる遮熱手段である。ルツボ10の周囲に配置された断熱材60には、加熱冷却時に変形可能なアルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体、バブル、粉末を用いることが好ましい。なお、断熱材60は、必要に応じて設置しなくてもよい。なお、バブルとは中空球状の原料を意味する。   The heat insulating material 60 is a heat shielding means that covers the periphery of the crucible 10 and reduces heat radiation from the crucible 10. For the heat insulating material 60 arranged around the crucible 10, it is preferable to use a sintered body such as alumina, zirconia, magnesia, and calcia that can be deformed during heating and cooling, bubbles, and powder. In addition, the heat insulating material 60 does not need to be installed as needed. The bubble means a hollow spherical raw material.

シード棒70は、ルツボ10から単結晶を引き上げるための手段である。シード棒70の下端には、種結晶150が保持され、ルツボ10内に保持されている原料融液160に種結晶150を接触させ、シード棒70を回転させながら引き上げることにより、単結晶を成長させる。   The seed bar 70 is a means for pulling up the single crystal from the crucible 10. A seed crystal 150 is held at the lower end of the seed bar 70, and the seed crystal 150 is brought into contact with the raw material melt 160 held in the crucible 10, and the seed bar 70 is pulled up while rotating to grow a single crystal. Let

誘導コイル80は、ルツボ10、リフレクタ30、アフター・ヒータ40及び補助ヒータ110を誘導加熱するための磁場発生手段である。高周波電源85から誘導コイル80に高周波電力を供給することにより、誘導コイル80が磁場を発生し、導電体からなるルツボ10、リフレクタ30、アフター・ヒータ40及び補助ヒータ110に渦電流を発生させ、これらを誘導加熱により発熱させる。   The induction coil 80 is a magnetic field generating means for inductively heating the crucible 10, the reflector 30, the after heater 40, and the auxiliary heater 110. By supplying high-frequency power from the high-frequency power source 85 to the induction coil 80, the induction coil 80 generates a magnetic field, generating eddy currents in the crucible 10, the reflector 30, the after heater 40, and the auxiliary heater 110 made of a conductor, These are heated by induction heating.

載置台90は、ルツボ10等を含めて断熱材50を支持するための載置用の台である。載置台90も、断熱材509と同様に、例えば、アルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体耐火物から構成される。   The mounting table 90 is a mounting table for supporting the heat insulating material 50 including the crucible 10 and the like. The mounting table 90 is also made of a sintered refractory such as alumina, zirconia, magnesia, calcia, etc., like the heat insulating material 509.

チャンバー100は、断熱材50、載置台90及び誘導コイル80も含めて結晶育成装置全体を覆う手段であり、放熱を防止するために設けられる。   The chamber 100 is a means for covering the entire crystal growth apparatus including the heat insulating material 50, the mounting table 90, and the induction coil 80, and is provided to prevent heat dissipation.

次に、補助ヒータ110及びヒータ密閉容器120についてより詳細に説明する。   Next, the auxiliary heater 110 and the heater sealed container 120 will be described in more detail.

まず、図1の構成の従来の結晶育成装置の誘導コイル80に高周波電流を流した時の電磁界解析を行った。図2に電磁界解析の磁力線分布及び磁場強度分布を示す。図2より、ルツボ10やアフター・ヒータ40のような導電体で囲まれた領域や、ルツボ10の底の下側には磁力線が侵入できないこと、磁力線がまばらで磁力線密度が小さい領域では、磁場エネルギーが小さいことが分かる。   First, an electromagnetic field analysis was performed when a high-frequency current was passed through the induction coil 80 of the conventional crystal growth apparatus having the configuration shown in FIG. FIG. 2 shows the magnetic field line distribution and the magnetic field strength distribution in the electromagnetic field analysis. As shown in FIG. 2, in a region surrounded by a conductor such as the crucible 10 or the after heater 40, a magnetic field line cannot enter the lower side of the bottom of the crucible 10, a magnetic field line is sparse and the magnetic field line density is small. You can see that the energy is small.

高周波磁力線の近くに導電物があると、導電物に渦電流が生じる。導電物には電気抵抗があるため、電流の二乗に比例するジュール熱が生じて導電物が自己発熱する。渦電流は磁場強度が大きいと大きくなるため、図2に示されるように、ルツボ10の底面の外周部やリフレクタ30の外周の発熱が大きくなる。   If there is a conductive material near the high-frequency magnetic field lines, an eddy current is generated in the conductive material. Since the conductive material has electrical resistance, Joule heat proportional to the square of the current is generated, and the conductive material self-heats. Since the eddy current increases as the magnetic field strength increases, as shown in FIG. 2, heat generation at the outer peripheral portion of the bottom surface of the crucible 10 and the outer periphery of the reflector 30 increases.

磁力線は導電体内に侵入できないため、磁力線を遮る導電物があるとその周囲の磁場エネルギーが小さくなる。   Since the magnetic field lines cannot penetrate into the conductor, if there is a conductive material that blocks the magnetic field lines, the magnetic field energy around it will be reduced.

そこで、ルツボ以外の位置に導電体を置いて補助ヒータ110を設け、補助ヒータ110の誘導加熱による発熱を検討した。図2から、補助ヒータ110は、ルツボ10の下側やルツボ底の径よりも外側等に配置することができる。特にルツボ底の径よりも外側に配置することが好ましい。前述したように、ルツボ下側は、磁力性が侵入できなく磁力線がまばらな領域であり、発熱効率が小さい。一方、ルツボ底部の外側は、高周波磁力線の近くであり、発熱効率が大きい。そこで、以下の説明では、補助ヒータ110の位置がルツボ下部で、ルツボ底の径よりも外側である例を挙げて説明する。なお、補助ヒータ110の位置や形状、大きさは、用途に応じて種々変更することができ、任意である。   Therefore, an auxiliary heater 110 is provided with a conductor placed at a position other than the crucible, and heat generation by induction heating of the auxiliary heater 110 was examined. From FIG. 2, the auxiliary heater 110 can be disposed on the lower side of the crucible 10 or on the outer side of the diameter of the crucible bottom. In particular, it is preferable to dispose outside the diameter of the crucible bottom. As described above, the lower side of the crucible is a region where the magnetic property cannot enter and the magnetic field lines are sparse, and the heat generation efficiency is small. On the other hand, the outside of the bottom of the crucible is close to the high-frequency magnetic field lines and has high heat generation efficiency. Therefore, in the following description, an example in which the position of the auxiliary heater 110 is at the lower part of the crucible and outside the diameter of the crucible bottom will be described. Note that the position, shape, and size of the auxiliary heater 110 can be variously changed according to the application and are arbitrary.

図4は、第1の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120の一例の構成を示した拡大図である。上述のように、ヒータ密閉容器120は、ルツボ10の下方に設けられてルツボ10を下方から支持するとともに、補助ヒータ110を収容して密閉する。   FIG. 4 is an enlarged view showing an example of the configuration of the heater sealed container 120 of the crystal growing apparatus according to the first embodiment. As described above, the heater sealed container 120 is provided below the crucible 10 to support the crucible 10 from below, and accommodates and seals the auxiliary heater 110.

補助ヒータ110を密閉するヒータ密閉容器120は、図4に示されるように、緻密質断熱材からなる蓋121、蓋121より最大径が小さく蓋121が載る凸部1221と補助ヒータ110を載置可能な肩1222を有する支持台122、蓋121の径より大きな内径を有する受け皿123、蓋と受け皿の間に高温で融解するシール材124で構成されている。また、必要に応じて、支持台122の中央底面部に熱電対収納用管125が設けられてもよい。ここで、緻密断熱材とは、密封可能であり、通気性を有しない断熱材という意味であり、特殊加工を施して通常よりも緻密に作製しているという意味ではない。真空排気等を行ったときに、内部と外部を遮蔽でき、内部の減圧が可能なレベルを意図している。   As shown in FIG. 4, the heater sealed container 120 that seals the auxiliary heater 110 is provided with a lid 121 made of a dense heat insulating material, a convex portion 1221 having a smaller maximum diameter than the lid 121 and on which the lid 121 is placed, and the auxiliary heater 110. A support base 122 having a possible shoulder 1222, a tray 123 having an inner diameter larger than the diameter of the lid 121, and a sealing material 124 that melts at a high temperature between the lid and the tray. In addition, a thermocouple storage tube 125 may be provided on the center bottom surface of the support base 122 as necessary. Here, the dense heat insulating material means a heat insulating material that can be sealed and does not have air permeability, and does not mean that the material is specially processed to be denser than usual. When vacuum evacuation or the like is performed, the inside and the outside can be shielded, and the internal pressure can be reduced.

なお、シール材124は常温時には固体であり、好ましくは、粉末あるいは粒状であることが好ましい。常温時にシール材124を固体にすることで、昇温前に育成炉内を窒素ガス、アルゴン等の希ガスを含む不活性ガスで置換することにより、補助ヒータ110のある箇所もシール材124が固体のため、シール材124の粉末同士又は粒子同士の間に隙間が存在し、シール材124より内側の空間も不活性ガスで置換することができる。なお、置換時に真空ポンプ等の排気手段を用いて減圧し、その後、育成炉内にアルゴンガスを導入してもよい。育成炉内を希ガスで容易に置換することができ、酸素の存在しない空間を形成することができる。温度が上昇すると、シール材124が融解し、受け皿123、支持台122、蓋121の隙間に液体として存在することにより、外気を遮断する。即ち、蓋121と支持台122と受け皿123との間の隙間構造をシール材124でシールすることができ、シール材124の内側の空間を密閉することができる。シール材124の内部には補助ヒータ110が設置されているため、補助ヒータ110を酸素と接触しない環境で密閉することができる。   Note that the sealing material 124 is solid at room temperature, and is preferably powder or granular. By making the sealing material 124 solid at room temperature, the inside of the growth furnace is replaced with an inert gas containing a rare gas such as nitrogen gas or argon before the temperature rises, so that the sealing material 124 is also provided at a place where the auxiliary heater 110 is located. Since it is solid, there is a gap between the powders or particles of the sealing material 124, and the space inside the sealing material 124 can be replaced with an inert gas. Note that the pressure may be reduced using an evacuation unit such as a vacuum pump at the time of replacement, and then argon gas may be introduced into the growth furnace. The inside of the growth furnace can be easily replaced with a rare gas, and a space without oxygen can be formed. When the temperature rises, the sealing material 124 melts, and the outside air is blocked by being present as a liquid in the gap between the tray 123, the support base 122, and the lid 121. That is, the gap structure between the lid 121, the support base 122, and the tray 123 can be sealed with the sealing material 124, and the space inside the sealing material 124 can be sealed. Since the auxiliary heater 110 is installed inside the sealing material 124, the auxiliary heater 110 can be sealed in an environment that does not come into contact with oxygen.

このように、第1の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120は、蓋121の下端部及び下端部付近の側面を受け皿123と支持台122で覆い、蓋121と受け皿123及び支持台122との間の隙間にシール材124を充填させたシール構造を有する。   As described above, the heater sealed container 120 of the crystal growing apparatus according to the first embodiment covers the lower end portion of the lid 121 and the side surface near the lower end portion with the receiving plate 123 and the support table 122, and the lid 121, the receiving plate 123 and the support table. A sealing structure in which a gap between the sealing member 124 and the sealing material 124 is filled is provided.

なお、補助ヒータ110を載せる肩1222は、支持台122の一部としても良い。以下は、支持台122に補助ヒータ110を配置した例につい説明する。   Note that the shoulder 1222 on which the auxiliary heater 110 is placed may be a part of the support base 122. Hereinafter, an example in which the auxiliary heater 110 is arranged on the support base 122 will be described.

図5は、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120aの一例の構成を示した図である。   FIG. 5 is a view showing a configuration of an example of the heater sealed container 120a of the crystal growing apparatus according to the second embodiment.

図5において、蓋121aが、側面下部において、薄肉部1211を有する点で、第1の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120と異なっている。このように、シール材124で囲まれる内部空間の体積を増加させる構造としてもよい。   In FIG. 5, the lid 121a is different from the heater sealed container 120 of the crystal growth apparatus according to the first embodiment in that the lid 121a has a thin portion 1211 at the lower part of the side surface. As described above, the structure may be such that the volume of the internal space surrounded by the sealing material 124 is increased.

次に、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120aにおけるシール材124の挙動について説明する。   Next, the behavior of the sealing material 124 in the heater sealed container 120a of the crystal growing apparatus according to the second embodiment will be described.

図6は、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120aのシール材124の挙動を説明するための図である。図6(a)は、融解直後のシール材124の状態の一例を示した図であり、図6(b)は、高温状態のシール材124の状態の一例を示した図である。   FIG. 6 is a view for explaining the behavior of the sealing material 124 of the heater hermetic container 120a of the crystal growing apparatus according to the second embodiment. 6A is a diagram showing an example of the state of the sealing material 124 immediately after melting, and FIG. 6B is a diagram showing an example of the state of the sealing material 124 in a high temperature state.

図6(a)に示されるように、融解直後では、シール材124は、蓋121aの下端部及びその上方の側面部を覆うような状態である。融解前の常温状態においても、シール材124が粉末状又は粒子状である点を除けば、図6(a)と同じ状態であるので、まず、常温時の状態について説明する。   As shown in FIG. 6A, immediately after melting, the sealing material 124 is in a state of covering the lower end portion of the lid 121a and the side surface portion above it. Even in the normal temperature state before melting, except that the sealing material 124 is in the form of powder or particles, it is the same state as FIG.

常温時において、シール材124は、粉末状又は粒子状であり、蓋121aの内周面と支持台122の外面とシール材124に囲まれた補助ヒータ110が設けられた内部空間130と、蓋121aの外面よりも外側の外部空間131とで、通気が可能な状態である。よって、育成炉内を真空排気した後、アルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスを育成炉内に供給することにより、内部空間130も含めて育成炉内に希ガス又は不活性ガスを充填することが可能である。これにより、外部空間131のみならず、内部空間130も希ガス又は不活性ガスの雰囲気とすることができる。つまり、酸素の無い空間とすることができる。   At normal temperature, the sealing material 124 is in the form of powder or particles, and the inner space 130 provided with the auxiliary heater 110 surrounded by the inner peripheral surface of the lid 121a, the outer surface of the support base 122, and the sealing material 124, the lid Aeration is possible in the outer space 131 outside the outer surface of 121a. Therefore, after the inside of the growth furnace is evacuated, a rare gas such as argon or an inert gas such as nitrogen is supplied into the growth furnace, so that the rare gas or the inert gas is contained in the growth furnace including the internal space 130. It is possible to fill. Thereby, not only the external space 131 but also the internal space 130 can be made an atmosphere of a rare gas or an inert gas. That is, a space without oxygen can be obtained.

その後、温度が上昇すると、シール材124が融解するが、融解直後では、図6(a)に示されるように、蓋121aの内部空間130と外部空間131では、シール材124の高さは同じ状態である。   Thereafter, when the temperature rises, the sealing material 124 melts. Immediately after melting, the height of the sealing material 124 is the same in the internal space 130 and the external space 131 of the lid 121a as shown in FIG. State.

図6(b)に示されるように、シール材124の融解温度よりも温度が上昇すると、補助ヒータ110のある内部空間130の気体が熱膨張し、図6(b)に示されるように、シール材124を外側へ押し出す。シール材124の液面は、内圧がシール材124の内側と外側の重量差と外圧の和が釣り合った位置になる。ヒータ温度が2000℃(2273K)まで上昇し、内部気体の温度もそれに等しいと仮定し、理想気体の状態方程式PV=nRTを使うと、融点400℃(673K)の気体は、2000℃では約3.4倍に体積が膨張する。そのためシール材124が外へ押し出されて、蓋121aの下端部と受け皿123との間の隙間をシールできなくなる可能性がある。そこで、図5及び図6に示されるように、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120aでは、蓋121aの側面のシール材124が充填される位置に薄肉部1211を設け、シール材124の融液溜まり1300を途中から大きくし、高温度になり圧力が増して液面が下がると体積が大きくなり圧力が低下する構造とした。なお、内部と外部のシール材保持部分に内部の2.5倍以上の空間ができるようにシール材124を入れる部分を広げた構造を用いると、体積膨張によってシール材124が外部へ流出することは無い。   As shown in FIG. 6B, when the temperature rises higher than the melting temperature of the sealing material 124, the gas in the internal space 130 with the auxiliary heater 110 thermally expands, and as shown in FIG. The sealing material 124 is pushed outward. The liquid level of the sealing material 124 is at a position where the internal pressure balances the sum of the weight difference between the inside and outside of the sealing material 124 and the external pressure. Assuming that the heater temperature rises to 2000 ° C. (2273 K) and the temperature of the internal gas is equal to that, and using the ideal gas equation of state PV = nRT, a gas with a melting point of 400 ° C. (673 K) is about 3 at 2000 ° C. The volume expands 4 times. Therefore, there is a possibility that the sealing material 124 is pushed out and the gap between the lower end portion of the lid 121a and the tray 123 cannot be sealed. Therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, in the heater sealed container 120a of the crystal growth apparatus according to the second embodiment, a thin portion 1211 is provided at a position where the sealing material 124 on the side surface of the lid 121a is filled, The melt pool 1300 of the sealing material 124 is enlarged from the middle, and when the temperature increases and the pressure increases and the liquid level decreases, the volume increases and the pressure decreases. In addition, if a structure in which the sealing material 124 is expanded so that a space more than 2.5 times the inner space is formed in the inner and outer sealing material holding portions, the sealing material 124 flows out to the outside due to volume expansion. There is no.

なお、シール材が融解後、アルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスに数容積%の酸素ガスを混合したガスを供給した状態で、ルツボ10内の結晶材料が溶解するように所定の温度に昇温し、結晶を育成する。   In addition, after the sealing material is melted, a predetermined amount of the crystal material in the crucible 10 is dissolved in a state where a gas obtained by mixing a few volume% oxygen gas with an inert gas such as argon or an inert gas such as nitrogen is supplied. The temperature is raised to grow the crystal.

図7は、第3の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120bの一例の構成を示した図である。第3の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120bは、蓋121aの外側面と受け皿123の内側面との間の空間131に、シール蓋140を設けた点で、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120aと異なっている。   FIG. 7 is a view showing a configuration of an example of the heater sealed container 120b of the crystal growing apparatus according to the third embodiment. The heater sealed container 120b of the crystal growth apparatus according to the third embodiment is the second embodiment in that a seal lid 140 is provided in a space 131 between the outer surface of the lid 121a and the inner surface of the tray 123. This is different from the heater sealed container 120a of the crystal growing apparatus according to FIG.

このように、シール材124の蒸発を抑制するため、図7に示されるように、外気に面した部分にシール蓋140を設けても良い。これにより、シール材124が受け皿123の外側に溢れることを確実に防止することができる。   Thus, in order to suppress the evaporation of the sealing material 124, as shown in FIG. 7, a seal lid 140 may be provided in a portion facing the outside air. Thereby, it can prevent reliably that the sealing material 124 overflows the outer side of the receiving tray 123. FIG.

また、シール蓋140は、断熱材60がバブルや粉末の場合、シール材124中に断熱材60の粉末が混入するのを防止することもできる。   Further, when the heat insulating material 60 is a bubble or powder, the seal lid 140 can also prevent the powder of the heat insulating material 60 from being mixed into the sealing material 124.

なお、シール蓋140は、シール材を完全に密封するものではなく、補助ヒータ部を真空排気やアルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスの置換できる程度に空隙があってよい。   Note that the seal lid 140 does not completely seal the sealing material, and the auxiliary heater portion may have a gap to such an extent that a rare gas such as vacuum exhaust or argon or an inert gas such as nitrogen can be replaced.

図8は、第4の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120cの一例の構成を示した図である。第4の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120bでは、ルツボ10を支持するルツボ台21がヒータ密閉容器120cとは別に設けられ、ヒータ密閉容器120cは、ルツボ台21の周囲に円環状の平面形状を有して設けられている点で、第1乃至第3の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120、120a、120bと異なっている。   FIG. 8 is a view showing a configuration of an example of the heater sealed container 120c of the crystal growing apparatus according to the fourth embodiment. In the heater sealed container 120b of the crystal growth apparatus according to the fourth embodiment, the crucible base 21 that supports the crucible 10 is provided separately from the heater sealed container 120c, and the heater sealed container 120c has an annular shape around the crucible base 21. This is different from the heater sealed containers 120, 120a, 120b of the crystal growth apparatus according to the first to third embodiments in that the planar shape is provided.

大口径の結晶を育成する場合には、蓋121、121aのルツボ10を支持している部分に加わる力が大きくなり、蓋121、121aが割れやすくなる。それを防止するため、図8に示すように、ルツボ台21とヒータ密閉容器120cとを分離し、ルツボ10からの力はルツボ台21で受け、ヒータ密閉容器120cの上部には力がかからない構造としている。これにより、補助ヒータ110を酸素に曝さない構造及び耐久性を維持しつつ、大口径の結晶を育成することができる。   When growing a large-diameter crystal, the force applied to the portions of the lids 121 and 121a that support the crucible 10 is increased, and the lids 121 and 121a are easily broken. In order to prevent this, as shown in FIG. 8, the crucible base 21 and the heater sealed container 120c are separated from each other, the force from the crucible 10 is received by the crucible base 21, and no force is applied to the upper part of the heater sealed container 120c. It is said. Thereby, it is possible to grow a large-diameter crystal while maintaining the structure and durability in which the auxiliary heater 110 is not exposed to oxygen.

また、図8に示したヒータ密閉容器120cでは、支持台122aが肩を有さず、支持台122aの上面に補助ヒータ110が載置され、補助ヒータ110を介して蓋121bを支持する構造となっている。蓋121bはルツボ10に比較すれば大幅に軽いため、このような補助ヒータ110と蓋121bを重ねて支持する構造でも何ら問題は無い。   Further, in the heater sealed container 120c shown in FIG. 8, the support base 122a does not have a shoulder, the auxiliary heater 110 is placed on the upper surface of the support base 122a, and the lid 121b is supported via the auxiliary heater 110. It has become. Since the lid 121b is significantly lighter than the crucible 10, there is no problem with such a structure in which the auxiliary heater 110 and the lid 121b are overlapped and supported.

なお、これらの構造の相違に伴い、内部空間130a、外部空間131a及びシール蓋140aの形状も図7の第3の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120b及び第1、第2の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器120、120aとは異なっている。   With the difference in these structures, the shapes of the internal space 130a, the external space 131a, and the seal lid 140a are also the heater sealed container 120b and the first and second implementations of the crystal growing apparatus according to the third embodiment of FIG. This is different from the heater sealed containers 120 and 120a of the crystal growing apparatus according to the embodiment.

また、図8の左側に示されるように、受け皿123aの底面には、シール材124が蓋121bの内側と外側とを通流可能とする通路132が形成されていてもよい。このように、シール材124が蓋121bの内側に入り込める構成となっているため、内側でシール材124が溢れることを防止すべく、数箇所に通路132を形成してもよい。   Further, as shown on the left side of FIG. 8, a passage 132 that allows the sealant 124 to flow between the inside and the outside of the lid 121b may be formed on the bottom surface of the tray 123a. Thus, since the sealing material 124 is configured to enter the inside of the lid 121b, the passages 132 may be formed at several locations in order to prevent the sealing material 124 from overflowing inside.

なお、第1乃至第4の実施形態において、何れの構造においても支持台122又はルツボ台21にルツボ底の温度を測定する熱電対の穴と管125を設けた。これにより、ルツボ底の温度を測定することができる。   In any of the first to fourth embodiments, the support base 122 or the crucible base 21 is provided with a thermocouple hole and a pipe 125 for measuring the temperature of the crucible bottom. Thereby, the temperature of the crucible bottom can be measured.

また、補助ヒータ110の材質は、耐熱性かつ耐酸化性のある白金、ロジウムやイリジウムとそれらの合金で作製してもよいし、他の高融点金属であるタングステン、モリブデンやタンタル又はグラファイト等で作製してもよい。上述のように、コスト低減の観点から、タングステン、モリブデンやタンタル又はグラファイト等で補助ヒータ110を構成することが好ましい。   The auxiliary heater 110 may be made of heat-resistant and oxidation-resistant platinum, rhodium, iridium and alloys thereof, or other high melting point metals such as tungsten, molybdenum, tantalum, or graphite. It may be produced. As described above, it is preferable that the auxiliary heater 110 is made of tungsten, molybdenum, tantalum, graphite, or the like from the viewpoint of cost reduction.

補助ヒータ110は円環状の形状が好ましく、その厚さは0.5mm〜3mmの範囲内であることが好ましく、1mm〜2mmの範囲内にあることが更に好ましい。   The auxiliary heater 110 preferably has an annular shape, and the thickness thereof is preferably in the range of 0.5 mm to 3 mm, and more preferably in the range of 1 mm to 2 mm.

シール材124は室温(25℃)で固体であり、高沸点の材料が好ましく、アルミニウム、インジウム、スズなどの金属や低融点ガラス、酸化ホウ素が使用可能である。金属は断熱材を侵食したり、還元したりすることがあるので使用する際は注意が必要である。低融点ガラスは固化した後の処理が難しい。酸化ホウ素は高沸点であり室温では固定である。また、酸化ホウ素は、水、エチルアルコールや酸、アルカリで溶解可能であり、結晶育成後、ヒータ密閉容器120、120a〜120c内で固化した酸化ホウ素を容易に除去できる。GaAsやGaP等の化合物半導体育成では、LEC引上げ法(液体封止引上げ法)のキャップ材として使用されており入手しやすい。そのような理由からシール材として酸化ホウ素を用いることが好ましい。   The sealing material 124 is solid at room temperature (25 ° C.) and is preferably a high-boiling material, and metals such as aluminum, indium, and tin, low-melting glass, and boron oxide can be used. Care must be taken when using metal, as it can erode and reduce insulation. Low melting glass is difficult to process after solidification. Boron oxide has a high boiling point and is fixed at room temperature. Boron oxide can be dissolved in water, ethyl alcohol, acid, or alkali, and the boron oxide solidified in the heater sealed containers 120 and 120a to 120c can be easily removed after crystal growth. In the growth of compound semiconductors such as GaAs and GaP, it is used as a cap material for the LEC pulling method (liquid sealing pulling method) and is easily available. For such reasons, it is preferable to use boron oxide as the sealing material.

また、蓋121、121a、121bが支持台122、122aと平面的に包含して覆い、受け皿123、123aが蓋121、121a、121bを平面的に包含する大きさいの関係を有する限り、蓋121、121a、121b、支持台122、122a及び受け皿123、123aの平面形状は、円形又は円環形状に限らず、種々の形状に構成することが可能である。   In addition, as long as the lids 121, 121a, 121b cover and cover the support bases 122, 122a in a plane, and the trays 123, 123a have a size relationship including the lids 121, 121a, 121b in a plane, the lid 121 , 121a, 121b, the support bases 122, 122a, and the trays 123, 123a are not limited to a circular shape or an annular shape, and can be configured in various shapes.

このように、本実施形態に係る結晶育成装置によれば、常温で固体、高温で融解するシール材124を用いて、シール材124が融解した時にのみヒータ密閉容器120、120a〜120cの隙間構造を密閉するシール構造を有することにより、補助ヒータ110が設けられる内部空間130を不活性ガスで満たすことができ、補助ヒータ110の酸化を確実に防止することができる。これにより、酸化するおそれのある金属であっても補助ヒータ110として採用することができ、コスト低減を図ることができる。   Thus, according to the crystal growing apparatus according to the present embodiment, the gap structure of the heater sealed containers 120, 120a to 120c is used only when the sealing material 124 is melted by using the sealing material 124 that is solid at normal temperature and melts at high temperature. By having a sealing structure that seals the inner space 130, the internal space 130 in which the auxiliary heater 110 is provided can be filled with an inert gas, and oxidation of the auxiliary heater 110 can be reliably prevented. Thereby, even if it is a metal which may be oxidized, it can be employ | adopted as the auxiliary | assistant heater 110, and cost reduction can be aimed at.

[実施例]
以下、本発明の実施例について説明する。なお、理解の容易のため、実施形態の説明で用いた参照符号を対応する構成要素に付して説明する。
[Example]
Examples of the present invention will be described below. For ease of understanding, the reference numerals used in the description of the embodiments are attached to the corresponding components.

[実施例1]
図5の構成の補助ヒータ密閉容器120aを用いた第2の実施形態に係る結晶育成装置を使用して6インチLT結晶を育成した。上蓋121a、ルツボ材にはジルコニアを用い、受け皿123はアルミナ製とした。また、断熱材60はジルコニア製の焼結体を設置した。補助ヒータ110からシール材124の融液溜まり1300までの距離を150mm、融液溜まり1300の容積は、補助ヒータ110が設けられているヒータ部の容積(ヒータ部の容積は、融液溜まりよりも上方の領域とする。)の10倍とした。シール材124として純正化学製の酸化ホウ素粉末を使用した。酸化ホウ素の重量は融液溜まりの上部に達するように計算して添加した。タングステン製の厚み1.5mm、幅20mmの補助ヒータ110を、内径はルツボ外周から5mmの距離、外周は25mmの距離となるように設置した。
[Example 1]
A 6-inch LT crystal was grown using the crystal growth apparatus according to the second embodiment using the auxiliary heater sealed container 120a having the configuration of FIG. Zirconia was used for the upper lid 121a and the crucible material, and the receiving tray 123 was made of alumina. Moreover, the heat insulating material 60 installed the sintered compact made from a zirconia. The distance from the auxiliary heater 110 to the melt reservoir 1300 of the sealing material 124 is 150 mm, and the volume of the melt reservoir 1300 is the volume of the heater portion where the auxiliary heater 110 is provided (the volume of the heater portion is larger than the melt reservoir). 10 times the upper region). Boron oxide powder manufactured by Pure Chemical was used as the sealing material 124. Boron oxide weight was calculated and added to reach the top of the melt pool. The auxiliary heater 110 made of tungsten having a thickness of 1.5 mm and a width of 20 mm was installed so that the inner diameter was a distance of 5 mm from the outer periphery of the crucible and the outer periphery was a distance of 25 mm.

上述の結晶育成装置を用いて育成を実施した。なお、昇温前に(炉内を油回転ポンプで0.1気圧以下に減圧して)アルゴンガスで炉内を置換した。この時、シール材124である酸化ホウ素は粉末であり、アルゴンガスを通し補助ヒータ110のある箇所も置換された。この状態で600℃温度に昇温した。この時にシール材124は融解し、補助ヒータ110を置換雰囲気の状態のままヒータ密閉容器120a内に密封した。その後、アルゴン雰囲気に2容積%の酸素ガスを混合したガスを供給した状態で、ルツボ10内の結晶材料が溶解するように所定の温度に昇温した。ルツボ内の結晶材料を溶解したのち引上げを開始し結晶を育成した。   Growth was performed using the crystal growth apparatus described above. In addition, the inside of the furnace was replaced with argon gas before the temperature was raised (the inside of the furnace was reduced to 0.1 atm or less by an oil rotary pump). At this time, boron oxide serving as the sealing material 124 was powder, and a portion where the auxiliary heater 110 was provided was also replaced with argon gas. In this state, the temperature was raised to 600 ° C. At this time, the sealing material 124 was melted, and the auxiliary heater 110 was sealed in the heater hermetic container 120a in a replacement atmosphere. Thereafter, the temperature was raised to a predetermined temperature so that the crystal material in the crucible 10 was dissolved while supplying a gas in which 2% by volume of oxygen gas was mixed in an argon atmosphere. After melting the crystal material in the crucible, the pulling was started and the crystal was grown.

育成中、ルツボ底からの固化を監視するためルツボ底の近傍に熱電対を設置してルツボ底で固化した時の温度変化を確認し固化の発生の有無を確認した。また、ルツボ底に固化が確認された時点で、結晶の育成は終了した。   During growth, in order to monitor solidification from the bottom of the crucible, a thermocouple was installed in the vicinity of the bottom of the crucible, and the temperature change when solidified at the bottom of the crucible was confirmed to confirm the occurrence of solidification. Further, when solidification was confirmed at the bottom of the crucible, the crystal growth was completed.

また、LTの結晶重量から以下の(1)式で結晶化率を算出した。   Further, the crystallization rate was calculated from the crystal weight of LT by the following formula (1).

結晶化率=結晶重量/原料重量 (1)
なお、ルツボ底に固化が発生した時は、固化が発生した時に育成を終了するためその時の結晶重量として算出した。固化が発生しなかった場合は、所定の結晶長さに育成し、その結晶重量として算出した。
Crystallization rate = crystal weight / raw material weight (1)
When solidification occurred at the bottom of the crucible, the crystal weight at that time was calculated to terminate the growth when the solidification occurred. When solidification did not occur, it was grown to a predetermined crystal length and calculated as the crystal weight.

また、育成終了後、補助ヒータの状況を確認した。その結果を表1に記載する。   In addition, after the completion of the growth, the status of the auxiliary heater was confirmed. The results are listed in Table 1.

実施例1では、育成中の固化信号の発生が無く、結晶化率47%の結晶が育成できた。補助ヒータ110の重量変化は無かった。 In Example 1, no solidification signal was generated during growth, and a crystal with a crystallization ratio of 47% could be grown. There was no change in the weight of the auxiliary heater 110.

[実施例2]
モリブデン製補助ヒータ110を設置した以外は実施例1と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率46%の結晶が育成できた。補助ヒータ110の重量変化は無かった。
[Example 2]
A pulling-up test was performed in the same manner as in Example 1 except that the molybdenum auxiliary heater 110 was installed. There was no solidification during growth, and crystals with a crystallization ratio of 46% could be grown. There was no change in the weight of the auxiliary heater 110.

[実施例3]
グラファイト製補助ヒータ110を設置した以外は実施例1と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率47%の結晶が育成できた。補助ヒータ110の重量変化は無かった。
[Example 3]
A pulling-up test was performed in the same manner as in Example 1 except that the graphite auxiliary heater 110 was installed. There was no solidification during the growth, and crystals with a crystallization ratio of 47% could be grown. There was no change in the weight of the auxiliary heater 110.

[実施例4]
図7に示す構成のヒータ密閉容器120bを用いた第3の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材60はジルコニアバブルとした以外は、実施例1と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率45%の結晶が育成できた。
[Example 4]
A pull-up test was performed in the same manner as in Example 1 except that the crystal growth apparatus according to the third embodiment using the heater sealed container 120b having the configuration shown in FIG. It was. There was no solidification during growth, and crystals with a crystallization rate of 45% could be grown.

[実施例5]
図7に示す構成のヒータ密閉容器120bを用いた第3の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材60はジルコニアバブルとした以外は実施例2と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率46%の結晶が育成できた。
[Example 5]
The crystal growth apparatus according to the third embodiment using the heater sealed container 120b having the configuration shown in FIG. . There was no solidification during growth, and crystals with a crystallization ratio of 46% could be grown.

[実施例6]
図7に示す構成のヒータ密閉容器120bを用いた第3の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材60はジルコニアバブルとした以外は実施例3と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率47%の結晶が育成できた。
[Example 6]
Using the crystal growth apparatus according to the third embodiment using the heater sealed container 120b having the configuration shown in FIG. . There was no solidification during the growth, and crystals with a crystallization ratio of 47% could be grown.

[比較例1]
シール材124を用いない以外は実施例1と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成途中でるつぼ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。タングステン製ヒータ表面が酸化し、補助ヒータ110にクラックが発生していた。
[Comparative Example 1]
A pulling-up test was performed in the same manner as in Example 1 except that the sealing material 124 was not used. During the growth, the crucible bottom temperature suddenly decreased and solidification occurred at the bottom of the crucible, and the cultivation was stopped. The surface of the tungsten heater was oxidized and cracks were generated in the auxiliary heater 110.

[比較例2]
シール材124を用いない以外は実施例2と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成途中でるつぼ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。モリブデン製ヒータ表面が赤紫色に酸化、一部が昇華して薄くなっていた。
[Comparative Example 2]
A pulling-up test was performed in the same manner as in Example 2 except that the sealing material 124 was not used. During the growth, the crucible bottom temperature suddenly decreased and solidification occurred at the bottom of the crucible, and the cultivation was stopped. The surface of the molybdenum heater was oxidized to reddish purple and partly sublimated and thinned.

[比較例3]
補助ヒータ密閉容器を用いず、断熱材となるZrO粉末中にルツボ底と同じ面にタングステン製の厚み1.5mm、幅20mmの補助ヒータ110を設置した。補助ヒータ110の内径はルツボ外周から5mmの距離、外周は25mmの距離となるように補助ヒータ110を設置した。育成途中でルツボ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。タングステン製ヒータ表面が酸化、蒸発し薄くなり、補助ヒータ110が割れていた。
[Comparative Example 3]
An auxiliary heater 110 made of tungsten having a thickness of 1.5 mm and a width of 20 mm was installed on the same surface as the crucible bottom in the ZrO 2 powder serving as a heat insulating material without using the auxiliary heater sealed container. The auxiliary heater 110 was installed such that the inner diameter of the auxiliary heater 110 was a distance of 5 mm from the outer periphery of the crucible and the outer periphery was a distance of 25 mm. During the growth, the temperature at the bottom of the crucible suddenly dropped and solidification occurred at the bottom of the crucible, and the growth was stopped. The surface of the tungsten heater was oxidized and evaporated to become thin, and the auxiliary heater 110 was cracked.

[比較例4]
補助ヒータ110としてモリブデンを用いた以外は比較例3と方法で引き上げ試験を行った。育成途中でルツボ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。モリブデン製ヒータ表面が赤紫色に酸化、一部が昇華して薄くなり、割れていた。
[Comparative Example 4]
A pulling test was performed in the same manner as in Comparative Example 3 except that molybdenum was used as the auxiliary heater 110. During the growth, the temperature at the bottom of the crucible suddenly dropped and solidification occurred at the bottom of the crucible, and the growth was stopped. The molybdenum heater surface was oxidized to reddish purple, and part of the surface was sublimated and thinned and cracked.

[比較例5]
ヒータとしてイリジウムを用いた以外は比較例3と方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化信号の発生が無く、結晶化率45%の結晶が育成できた。イリジウム製ヒータ表面が灰色に変色し重量も減少していた。
[Comparative Example 5]
A pulling-up test was conducted in the same manner as in Comparative Example 3 except that iridium was used as the heater. There was no generation of solidification signal during growth, and crystals with a crystallization rate of 45% could be grown. The surface of the iridium heater turned gray and the weight was reduced.

[比較例6]
補助ヒータ110を用いない以外は実施例1と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の結晶化率32%でルツボ底の固化が発生した。
[Comparative Example 6]
A pulling-up test was performed in the same manner as in Example 1 except that the auxiliary heater 110 was not used. Solidification of the bottom of the crucible occurred at a crystallization rate of 32% during growth.

表1に示される通り。実施例1〜6においては、結晶化率が総て45%以上であり、ルツボ下部の固化も見られないという良好な結果が得られた。   As shown in Table 1. In Examples 1-6, the crystallization rate was 45% or more in all, and good results were obtained that solidification at the bottom of the crucible was not observed.

一方、比較例1〜4では、補助ヒータに異常が発生し、結晶を製造することができなかった。   On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, an abnormality occurred in the auxiliary heater, and crystals could not be manufactured.

このように、実施例から、本実施形態に係る結晶育成装置によれば、ヒータ異常を発生させず、高い結晶化率を実現でき、長尺化に対応できることが示された。   Thus, from the examples, it was shown that the crystal growth apparatus according to the present embodiment can realize a high crystallization rate without causing a heater abnormality and can cope with an increase in length.

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments and examples of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and the above-described embodiments and examples can be performed without departing from the scope of the present invention. Various modifications and substitutions can be made to the embodiments.

10 ルツボ
20、21 ルツボ台
30 リフレクタ
40 アフター・ヒータ
50、60 断熱材
70 シード棒
80 誘導コイル
85 高周波電源
90 載置台
100 チャンバー
110 補助ヒータ
120、120a〜120c ヒータ密閉容器
121、121a、121b 蓋
122、122a 支持台
1221 凸部
1222 肩
123、123a 受け皿
124 シール材
130、131 空間
132 通路
140 シール蓋
150 種結晶
160 原料融液
10 crucible 20, 21 crucible base 30 reflector 40 after heater 50, 60 heat insulating material 70 seed rod 80 induction coil 85 high frequency power supply 90 mounting base 100 chamber 110 auxiliary heater 120, 120a-120c heater sealed container 121, 121a, 121b lid 122 , 122a Support stand 1221 Convex portion 1222 Shoulder 123, 123a Receptacle 124 Sealing material 130, 131 Space 132 Passage 140 Seal lid 150 Seed crystal 160 Raw material melt

Claims (7)

原料融液を貯留保持可能な金属製のルツボと、
前記ルツボの周囲に設けられる誘導コイルと、
前記ルツボの下方または周辺に設けられる補助ヒータと、
前記補助ヒータを密閉可能なシール構造を備えるヒータ密閉容器と、を有する結晶育成装置。
A metal crucible capable of storing and holding the raw material melt;
An induction coil provided around the crucible;
An auxiliary heater provided below or around the crucible;
A crystal growing apparatus comprising: a heater sealed container having a seal structure capable of sealing the auxiliary heater.
前記補助ヒータは、タングステン、モリブデン、タンタル又はグラファイトで構成されている請求項1に記載した結晶育成装置。   The crystal growth apparatus according to claim 1, wherein the auxiliary heater is made of tungsten, molybdenum, tantalum, or graphite. 前記シール構造は、高温で融解するシール材を保持可能な隙間構造を有し、
前記シール材が融解していないときには前記隙間構造が密閉されず、前記シール材が融解したときに前記隙間構造が密閉される請求項1又は2に記載の結晶育成装置。
The seal structure has a gap structure capable of holding a sealing material that melts at a high temperature,
The crystal growth apparatus according to claim 1, wherein the gap structure is not sealed when the sealing material is not melted, and the gap structure is sealed when the sealing material is melted.
前記シール構造は、断熱材からなる蓋と、
前記蓋の下端部を包含する大きさを有する受け皿と、を有し、
前記受け皿上に前記蓋の下端部を覆い、前記受け皿と前記蓋の下端部との隙間を塞ぐように前記シール材が保持されている請求項3に記載の結晶育成装置。
The sealing structure includes a lid made of a heat insulating material;
A tray having a size including the lower end of the lid,
The crystal growth apparatus according to claim 3, wherein the sealing material is held so as to cover a lower end portion of the lid on the saucer and close a gap between the saucer and a lower end portion of the lid.
前記ヒータ密閉容器は、平面視において前記蓋に包含される大きさを有し、前記シール材を保持するとともに前記蓋の天井面を支持する支持台を有する請求項4に記載の結晶育成装置。   The crystal growing apparatus according to claim 4, wherein the heater sealed container has a size included in the lid in a plan view, and has a support base that holds the sealing material and supports a ceiling surface of the lid. 前記支持台は、前記蓋の天井面を支持する凸部と、該凸部よりも低い高さを有し、前記シール材を載置可能な肩と、を有する請求項5に記載の結晶育成装置。   The crystal growth according to claim 5, wherein the support base includes a convex portion that supports the ceiling surface of the lid, and a shoulder that has a height lower than the convex portion and on which the seal material can be placed. apparatus. 前記シール材が酸化ホウ素である請求項3乃至6のいずれか一項に記載の結晶育成装置。   The crystal growth apparatus according to claim 3, wherein the sealing material is boron oxide.
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