JP2019178029A - 単結晶体の製造方法および単結晶体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面方位（結晶方位）が高精度に調整された単結晶体の製造方法の提供。【解決手段】単結晶体５の原料を坩堝１に充填し加熱溶融させる工程と、坩堝１内に配置されたダイ２上に保持された溶融液に種結晶６を接触させ溶融液から引き上げながら単結晶体５を育成する工程と、を含み、種結晶６を溶融液から引き上げるに際して、事前に、水平方向にダイ２および種結晶６を相対的に微動回転させて、ダイ２と種結晶６との位置関係を微調整し、単結晶体５の面方位を調整する、ＥＦＧ法による単結晶体５の製造方法。【選択図】図２

Description

本開示は、サファイア単結晶体等の単結晶体の製造方法および単結晶体製造装置に関する。

従来から、単結晶体を育成する方法として、エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法（edge defined film fed growth法、以下、ＥＦＧ法と略称することがある。）が知られている。この方法は、坩堝に充填した単結晶体の原料を加熱溶融し、坩堝内に設置したダイ（金型）内のスリットを毛細管現象によってダイ上面まで上昇した溶融液に種結晶（シード）を接触させ、上方に引き上げることで、棒状、板（リボン）状、管状の単結晶を成長させるものである。このようなＥＦＧ法による単結晶体の製造は、例えば特許文献１に開示されている。

ＥＦＧ法によれば、種結晶の面方位を維持したまま単結晶体を製造することができ、所望の面方位を有する単結晶体、例えば主面が所望の面方位を有する板状単結晶体が得られる。その際、面方位の調整を高精度に行うことが必要であった。

２０１６−４７７９２号公報

本開示の課題は、面方位（結晶方位）が高精度に調整された単結晶体を育成することができる単結晶体の製造方法および単結晶体製造装置を提供することである。

本開示に係る単結晶体の製造方法は、ＥＦＧ法により単結晶体を育成するものであって、前記単結晶体の原料を坩堝に充填し加熱溶融させる工程と、前記坩堝内に配置されたダイ上に保持された前記原料の溶融液に種結晶を接触させ前記溶融液から鉛直方向に引き上げながら前記単結晶体を育成する工程と、を含み、前記種結晶を前記溶融液から引き上げるに際して、事前に、水平方向に前記ダイおよび前記種結晶を相対的に微動回転させて、前記ダイと前記種結晶との位置関係を微調整し、前記単結晶体の面方位を調整することを特徴とする。

本開示の単結晶体製造装置は、単結晶体の原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の原料を加熱して前記坩堝内に溶融液を形成する加熱手段と、前記坩堝内に配置され上面に前記溶融液を保持する保持面を有するダイと、少なくとも下端に種結晶を保持し該種結晶を前記溶融液から鉛直方向に引き上げながら所定の面方位を有する前記単結晶体を育成する引き上げ手段と、水平方向に前記ダイおよび前記引き上げ手段を相対的に回転させ前記種結晶と前記ダイの位置関係を調整する回転手段と、前記回転手段を微動回転させ前記種結晶と前記ダイの位置関係を微調整する微動回転手段と、を備える。

本開示によれば、種結晶とダイの位置関係を精密に微調整することができるので、単結晶体の面方位の調整を高精度で行うことができる。

本開示に係るＥＦＧ法を説明するための概略図である。 本開示の単結晶体製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本開示の実施形態における複数の単結晶体を製造する方法を示す概略斜視図である。 本開示における単結晶体の引き上げ方法を示す説明図である。 単結晶体の引き上げ状態を示す説明図である。 本開示の単結晶体の製造における種結晶の面方位を示す図である。 本開示における微動回転手段の一例としてゴニオメータを単結晶体製造装置に装着した状態を示す概略説明図である。 本開示に係る結晶体の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。

本開示に係る単結晶体（５、１０５）は、ＥＦＧ法により製造される。ＥＦＧ法では、図１に概念的に示すように、坩堝１００内に、スリット（間隙）１０１を有するダイ（金型）１０２が設置されている。坩堝１００に充填した単結晶体１０５の原料を、坩堝１００の外周に配置した加熱コイル１０３により加熱溶融させる。得られた溶融液１０４は、スリット１０１内を毛細管現象によってダイ１０２の上面まで上昇する。この溶融駅１０４の液面に、後述する種結晶６を接触させて、上方に引き上げることで単結晶体１０５が育成される。図１において、符号１０６は、溶融液１０４と単結晶体１０５との固液界面を示している。
図１では、板（リボン）状の単結晶体１０５を示しているが、ダイ１０２の上端面の形状により、棒状、管状等の単結晶体１０５を得ることができる。

図２は、本開示の一実施形態に係る単結晶体製造装置を示しており、複数の単結晶体５を同時に育成している様子を示している。図２に示すように、単結晶体５の原料が供給される坩堝１は育成室１０内の下部に設置され、架台１１によって保持されている。育成室１０は、断面が円環状の容器であり、例えばＭｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｏ合金、カーボン、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ等の耐火物材料からなる。また、坩堝１は、モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）、タングステンモリブテン合金（Ｗ−Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）等からなる。

育成室１０は密閉構造となっており、図示しないガス供給口およびガス排出口が備わっている。酸化を防止するために、ガス供給口からアルゴン等の不活性ガスが育成室１０内に供給され、不活性ガス雰囲気下で単結晶体５の育成が行われる。

育成室１０の外周には坩堝１を囲むように加熱コイル３がらせん状に巻回される。加熱コイル３は、高周波電圧が印加されて高周波電流が流れる誘導コイルである。すなわち、加熱コイル３に高周波電流が流れると、坩堝１を中心に磁界が形成され、この磁界により坩堝１の表面に渦電流が発生して坩堝１が発熱する。

坩堝１には、ダイ２が設置されている。ダイ２には、図３に示すように、複数のスリット１２が一方向に並設されている。坩堝１内に充填されている単結晶体５の原料は、加熱コイル３によって加熱溶融され、得られた溶融液は、毛細管現象によってスリット１２の上面まで上昇する。原料としては、例えばサファイア単結晶体５を製造する場合には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が使用される。

図２に戻って、ダイ２の上方には、種結晶（シード）６を下端に保持したシードホルダー７が設置されている。シードホルダー７は軸体からなり、図示しない制御手段により鉛直方向に昇降可能であり、かつ軸心の周りを回転可能に構成されている。種結晶６の形状に特に制限はないが、例えば、板状、または棒状の形状を有する（図３）。

ダイ２のスリット１２は、図３に示すように、相対向する２つの板材１３，１３によって形成されている。２つの板材１３，１３の上端面は、スリット１２から広がるように斜面状に形成されている。スリット１２を通って上面まで上昇した溶融液４の液面に、種結晶６の先端６ａが接触し、この状態でシードホルダー７を上昇させる。

図４（ａ）は、種結晶６の先端６ａが溶融液４の液面に接触した状態を示している。この状態から、図４（ｂ）に示すように、種結晶６を所定の一定速度で上昇させながら溶融液４を引き上げる。なお、図４（ｂ）において、符号１７は、溶融液４と単結晶体５との固液界面を示している。
図５は単結晶体５が引き上げられる様子を示している。溶融液４は引き上げられる過程で冷却され、板（リボン）状の単結晶体５が得られる。

ＥＦＧ法では、種結晶６の面方位（結晶方位）と同じ面方位をとって単結晶体５が成長するので、種結晶６とダイ２の位置関係を精密に調整する必要がある。すなわち、図６に示すように、単結晶である種結晶６において、ｃ軸は当該種結晶６の面（ｃ面）に垂直な水平方向にある。そして、種結晶６を用いて得られる単結晶体５は、種結晶６と同じ面方位を有する。そのため、種結晶６の面の向きが僅かにずれていると（図６に破線で示す）、得られる単結晶体５のｃ軸は、単結晶体５の面に垂直な方向とならず、品質にばらつきが生じる。

本実施形態では、図２に示すように、育成室１０の上部に、微動回転手段８を収容した微動回転調整室９が設けられている。微動回転手段８は、微動回転調整室９を貫通したシードホルダー７に取付けられており、微動回転手段８を操作して、シードホルダー７を水平方向に微動回転させる。これにより、種結晶６とダイ２の位置関係を微調整することができ、結晶の面方位の精度を上げることができる。

微動回転手段８としては、例えばゴニオメータが挙げられ、特に種結晶６とダイ２の位置関係（角度）を０．０１度単位以下の精度、例えば０．００１度単位で微調整できるものが好ましい。本実施形態において使用可能なゴニオメータとしては、例えば中央精機株式会社製の透過型回転ステージ、シグマ光機株式会社製のθ軸透過用薄型粗微動ステージなどが挙げられる。更に０．００１度単位で微調整する場合は、ステッピングモータと減速機を用いて高分解能の制御を行う事が可能である

ゴニオメータに代表される微動回転手段８は、図７に拡大して示すように、微動回転調整室９内の上面に取付けられており、中心の貫通孔（図示せず）を軸状のシードホルダー７が挿通している。本実施形態における微動回転手段８は、手動で角度調整を行うものであって、本体部分８ａに固定ねじ８ｂが設けられ、固定ねじ８ｂを締めこむことにより、シードホルダー７に固定され、シードホルダー７の微動回転を可能とする。一方、固定ねじ８ｂを緩めることにより、シードホルダー７は微動回転手段８から開放され、任意に回転可能となる。従って、シードホルダー７は、図示しない回転手段によりおおよその角度に調整される。

微動回転手段８により微調整する場合は、前記した固定ねじ８ｂを締めこみ、微動回転手段８をシードホルダー７に固定した後、操作ねじ８ｃを左右いずれかに１目盛り回転させると、例えば０．０１度単位で微調整することが可能となる。角度調整は、本体部分８ａの下部の目盛にて確認することができる。
以上の操作を行うために、微動回転調整室９の前面には蓋が開閉可能に取付けられている。

次に、本開示における単結晶体５の製造方法を図８に基づいて説明する。図８は、単結晶体５の製造工程を示している。まず、最初の工程（Ｓ２０１）では単結晶体５の原料を坩堝１に充填する。サファイアの場合は、原料として高純度アルミナ（純度９９．９％以上）を使用する。そして、育成室１０内をアルゴンガスで置換する。なお、アルゴンガスに代えて他の不活性ガスを使用してもよい。

次に、加熱コイル３に高周波を印加して、坩堝１内の原料を加熱溶融させる（Ｓ２０２）。アルミナの融点（約２０５０℃）以上の温度で原料を加熱する。得られた溶融液４は、坩堝１内のダイ２に形成された複数のスリット１２を毛細管現象によって上昇し、ダイ２の上面に保持される。

シードホルダー７をその軸心を中心に回転させて、シードホルダー７下端の種結晶６とダイ２の位置関係を調整する（Ｓ２０３）。すなわち、種結晶６の面がダイ２のスリット１２の長手方向とおおよそ平行になるように調整する。このとき、シードホルダー７には複数の種結晶６が同方向に取り付けられているので、これらの種結晶６は同時に調整される。
シードホルダー７の回転は、手動でもよく、または制御手段によりモータを駆動させて行うことができる。

種結晶６とダイ２の位置関係を調整後、シードホルダー７を下降させて、ダイ２上に保持された原料の溶融液４に種結晶６を接触させる（Ｓ２０４）。接触は、種結晶６の先端を、ダイ２の上面に保持された溶融液４の少なくとも液面に接触させればよい。ついで、シードホルダー７を所定の速度で上昇させて、単結晶体５を引き上げる（Ｓ２０５）。このとき、溶融液４が単結晶体５に接触した位置からダイ２の上面の全長にわたって広がり、単結晶体５の引き上げとともに固化することで、図５に示すような板状の単結晶体５ａ（以下、これを第１の単結晶体５ａという）が育成される。

得られた第１の単結晶体５ａは、種結晶６から所定長さで切断するなどして分離した後、主面の面方位を測定する。面方位の測定は、通常、Ｘ線回折法により行うことができる。ＥＦＧ法では、種結晶６の面方位を維持しつつ結晶が育成されるので、種結晶６とダイ２の位置関係が精密に調整されていることが必要である。これに対して、手動やモータ制御によるシードホルダー７の回転により単結晶体５の面方位を調整するだけでは、０．０１度単位ないしはそれ以下の精度で精密な調整を行うのは困難である。

第１の単結晶体５ａの主面の面方位を測定した結果、所望の面方位（例えばｃ面）から僅かにずれている場合は、種結晶６とダイ２の位置関係を微調整する必要がある。このような位置関係のずれは、例えば、装置へのわずかな振動などによってひき起こされる。

本実施形態では、シードホルダー７の上部に取り付けた微動回転手段８により微調整を行う（Ｓ２０７）。このとき、シードホルダー７には複数の種結晶６が同方向に取り付けられているので、これらの種結晶６は同時に微調整される。そして、前記と同様にして、溶融液４から種結晶６を引き上げながら、冷却して単結晶体５ｂ（以下、これを第２の単結晶体５ｂという）を育成する（Ｓ２０８）。ついで、得られた第２の単結晶体５ｂの主面の面方位を前記と同様にして測定する（Ｓ２０９）。
第２の単結晶体５ｂの育成に使用する種結晶６は、第１の単結晶体５ａの育成に使用したものと同じものを使用する。

測定結果から、第２の単結晶体５ｂの面方位は適切か、すなわち、主面の面方位が所望の面方位（例えばｃ面）からずれていないか否かを確認し、否（ＮＯ）であれば、再度、位置関係を微調整し、単結晶体５を育成し、面方位を測定して、単結晶体５の面方位が適切か確認する。
一方、第２の単結晶体５ｂの面方位が適切（ＹＥＳ）であれば、同じ種結晶６を用いて位置調整を行わずに単結晶体５の生産を継続する。その場合でも、振動などによって種結晶６とダイ２の位置関係がずれるおそれがあるので、前記と同様にして、面方位を測定し、確認するのが望ましい。

このようにして、種結晶６とダイ２の位置関係がずれることなく、精密に微調整されているので、単結晶体５の面方位の調整を高精度で行うことができる。そのため、例えばサファイア単結晶体５を窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶成長に使用されるＬＥＤウェハ（サファイアウェハ）や、ＳＯＳウェハ（シリコン・オン・サファイア・ウェハ）等の用途に使用するときは、これらのウェアの品質を向上させ、品質のバラツキ低減を図ることができる。

なお、本開示の単結晶体の製造方法および製造装置は、サファイア単結晶体５に限定されるものではなく、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、ルチル（ＴｉＯ₂）などの単結晶体５の製造にも同様にして適用される。

また、上記の実施形態では、ダイ２に対して種結晶６の角度を微調整したが、これとは逆に種結晶６に対してダイ２の角度を微調整するようにしてもよい。この場合は、ダイ２が保持された坩堝１を支持する架台１１に微動回転手段８を取り付ければよい。その他は、上記実施形態と同様である。

１、１００ 坩堝
２、１０２ ダイ
３、１０３ 加熱コイル
４、１０４ 溶融液
５、１０５ 単結晶体
５ａ 第１の単結晶体
５ｂ 第２の単結晶体
６ 種結晶
７ シードホルダー
８ 微動回転手段
８ａ 本体部分
８ｂ 固定ねじ
８ｃ 操作ねじ
９ 微動回転調整室
１０ 育成室
１１ 架台
１２、１０１ スリット
１３ 板材
１７、１０６ 固液界面

Claims (13)

1. エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法により単結晶体を育成する単結晶体の製造方法であって、
   前記単結晶体の原料を坩堝に充填し、加熱溶融させる工程と、
   前記坩堝内に配置されたダイ上に保持された前記原料の溶融液に種結晶を接触させ、前記溶融液から鉛直方向に引き上げながら前記単結晶体を育成する工程と、を含み、
   前記種結晶を前記溶融液から引き上げるに際して、事前に、水平方向に前記ダイおよび前記種結晶を相対的に微動回転させて、前記ダイと前記種結晶との位置関係を微調整し、前記単結晶体の面方位を調整することを特徴とする単結晶体の製造方法。
2. 前記ダイ上に保持された前記溶融液に対して前記種結晶を接触させ、前記溶融液から鉛直方向に引き上げながら第１の単結晶体を育成する工程と、
   育成した前記第１の単結晶体の面方位を測定する工程と、
   前記第１の単結晶体の面方位の測定結果に基づき、前記種結晶と前記ダイの位置関係を微調整する工程と、
   微調整した前記種結晶と前記ダイの位置関係で、前記第１の単結晶体の育成に用いた前記種結晶を用いて第２の単結晶体を育成する工程と、
   を含む請求項１に記載の単結晶体の製造方法。
3. 前記ダイおよび前記種結晶を相対的に水平方向に微動回転させて、前記単結晶体の面方位を０．０１度単位以下の精度で微調整する請求項１または２に記載の単結晶体の製造方法。
4. 前記単結晶体の面方位を０．００１度単位の精度で微調整する請求項３に記載の単結晶体の製造方法。
5. 前記単結晶体が平板形状である請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶体の製造方法。
6. 前記ダイ上に保持された前溶融液が一方向に複数配列され、かつ複数の前記溶融液と同方向に複数の前記種結晶が配置されており、
   複数の前記種結晶を同時に前記ダイに対して相対的に微動回転させ、複数の前記単結晶体の面方位を同時に調整する請求項１〜５のいずれかに記載の単結晶体の製造方法。
7. 前記種結晶および前記単結晶体がそれぞれサファイア種結晶およびサファイア単結晶体である請求項１〜６のいずれかに記載の単結晶体の製造方法。
8. 単結晶体の原料が充填される坩堝と、
   前記坩堝内の原料を加熱して、前記坩堝内に溶融液を形成する加熱手段と、
   前記坩堝内に配置され、上面に前記溶融液を保持する保持面を有するダイと、
   少なくとも下端に種結晶を保持し、該種結晶を前記溶融液から鉛直方向に引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、
   水平方向に前記ダイおよび前記引き上げ手段を相対的に回転させ、前記ダイと前記種結晶の位置関係を調整する回転手段と、
   前記回転手段を微動回転させ前記ダイと前記種結晶の位置関係を微調整する微動回転手段と、
   を備えたことを特徴とする単結晶体製造装置。
9. 前記微動回転手段は、前記ダイおよび前記種結晶を相対的に水平方向に０．０１度単位以下の精度で微動回転させる請求項８に記載の単結晶体製造装置。
10. 前記微動回転手段は、前記ダイおよび前記種結晶を相対的に水平方向に０．００１度単位の精度で微動回転させる請求項９に記載の単結晶体製造装置。
11. 前記微動回転手段がゴニオメータである請求項８〜１０のいずれかに記載の単結晶体製造装置。
12. 前記ダイの回転は、前記坩堝を回転させて行う請求項８〜１１のいずれかに記載の単結晶体製造装置。
13. 前記ダイは一方向に複数のスリットが配列され、各前記スリットの上部には、前記スリット内を上昇した前記溶融液が保持される保持面がそれぞれ形成されており、前記引き上げ手段には、複数の前記保持面と同方向に複数の前記種結晶が保持されており、
    前記回転手段は、複数の前記種結晶と前記ダイの位置関係を同時に調整し、前記微動回転手段は、複数の前記種結晶と前記ダイの位置関係を同時に微調整するように構成されている請求項８〜１２のいずれかに記載の単結晶体製造装置。

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