JP2022024897A - 単結晶製造装置及び単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】坩堝を使用せずに大型の単結晶を製造することのできる単結晶製造装置、及びその装置を用いた単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】種結晶２０から上方に単結晶２１を成長させる単結晶製造装置であって、装置外の空間から断熱された断熱空間１０と、断熱空間１０の外側に設置された誘導加熱用コイル１１と、単結晶２１を育成するための結晶育成領域１０３を含む第１の空間１０１とその上の第２の空間１０２とに断熱空間１０を区画し、結晶育成領域１０３の上方に孔１２１を有する断熱板１２と、誘導加熱用コイル１１を用いた誘導加熱により発熱し、断熱空間１０内を加熱する、第２の空間１０２に設置された加熱体１３と、種結晶２０を上下方向に移動可能に下側から支持するための支持軸１９と、を備えた、単結晶製造装置１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶製造装置及び単結晶の製造方法に関する。

従来、坩堝を使用せずに単結晶を製造する装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の単結晶製造装置においては、原料融液を種結晶の上面に形成される融液中に供給して混合融液とし、その混合融液から固体を単結晶として析出させ、単結晶を製造する。種結晶の上面の融液は、種結晶の上面に赤外線照射装置から赤外線を照射することにより形成される。

坩堝を使用しない単結晶製造装置によれば、坩堝に含まれる成分の混入による、単結晶の純度の低下のおそれがない。また、坩堝を使用する場合、製造する単結晶の種類によっては、坩堝の材料が非常に高価である場合も少なくないため、坩堝を使用しない装置を用いることにより、設備費用を大きく低減することができる。

特許第６６０７６５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の単結晶製造装置においては、赤外線の進入経路を確保するためと考えられるが、成長する単結晶の上面の周囲の空間が広く開放されている。このため、材料の融点が高い場合は、結晶成長に悪影響を及ぼすほど結晶成長面からの放熱量が多くなり（放射エネルギーは物体温度の４乗と周囲温度の４乗の差に比例する）、大型の単結晶の製造が困難になる。具体的には、シリコンの融点より高い、例えば融点が１５００℃以上の材料の製造は困難であると考えられる。

本発明の目的は、坩堝を使用せずに大型の単結晶を製造することのできる単結晶製造装置、及びその装置を用いた単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［７］の単結晶製造装置、［８］～［１２］の単結晶の製造方法を提供する。

［１］種結晶から上方に単結晶を成長させる単結晶製造装置であって、前記単結晶製造装置の外の空間から断熱された断熱空間と、前記断熱空間の外側に設置された誘導加熱用コイルと、前記単結晶を育成するための結晶育成領域を含む第１の空間と前記第１の空間の上の第２の空間とに前記断熱空間を区画し、前記結晶育成領域の上方に孔を有する断熱板と、前記誘導加熱用コイルを用いた誘導加熱により発熱し、前記断熱空間内を加熱する、前記第２の空間に設置された加熱体と、前記種結晶を上下方向に移動可能に下側から支持するための支持軸と、を備えた、単結晶製造装置。
［２］前記第１の空間に、前記結晶育成領域を囲むように断熱材が設置された、上記［１］に記載の単結晶製造装置。
［３］前記第１の空間に、前記誘導加熱用コイルを用いた誘導加熱により発熱する第２の加熱体が設置された、上記［１］又は［２］に記載の単結晶製造装置。
［４］前記断熱板の厚さが、前記単結晶の上面の外周部の温度をその内側の領域の温度よりも高くするための分布を有する、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
［５］前記断熱空間の上側の、前記支持軸の中心の真上に、前記単結晶の原料の供給口が設けられた、上記［１］～［４］のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
［６］前記断熱板の前記孔の内側に設置される、開口領域の形状で前記単結晶の断面形状を制御することができる環状の部材を備えた、上記［１］～［５］のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
［７］前記単結晶の原料融液を前記単結晶の上面に滴下するための漏斗を備えた、上記［１］～［６］のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
［８］孔を有する断熱板によって第１の空間と前記第１の空間の上の第２の空間とに区画された断熱空間の、前記第１の空間の前記孔の下方に種結晶を設置する工程と、前記第２の空間に設置された加熱体を誘導加熱して、前記加熱体から発せられる熱により前記種結晶の上面を溶融させる工程と、前記第２の空間と前記断熱板の前記孔を通して、溶融した前記種結晶の上面に、単結晶の原料融液を供給する工程と、前記原料融液の供給を続けながら、前記種結晶を下方へ移動させ、前記種結晶から上方に前記単結晶を成長させる工程と、を含む、単結晶の製造方法。
［９］前記単結晶の原料融液を供給する工程において、原料棒の下端を前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、上記［８］に記載の単結晶の製造方法。
［１０］前記単結晶の原料融液を供給する工程において、中空原料棒の下端を前記第２の空間の熱で溶かし、かつ前記中空原料棒の内部に投下する粉末又は顆粒状の原料を前記中空原料棒の下端において前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、上記［８］に記載の単結晶の製造方法。
［１１］前記単結晶の原料融液を供給する工程において、漏斗内に投入した粉末又は顆粒状の原料を前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、上記［８］に記載の単結晶の製造方法。
［１２］前記単結晶の原料融液を供給する工程において、前記粉末又は顆粒状の原料を金属と酸素ガスを反応させて形成する、上記［１０］又は［１１］に記載の単結晶の製造方法。

本発明によれば、坩堝を使用せずに大型の単結晶を製造することのできる単結晶製造装置、及びその装置を用いた単結晶の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る単結晶製造装置の垂直断面図である。 図２は、単結晶製造装置の断熱空間周辺を拡大した垂直断面図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、単結晶の成長過程を示す垂直断面図である。 図４（ａ）は、ネッキングを行わずに肩広げのみを行う場合の成長過程の単結晶の形状を示す垂直断面図であり、図４（ｂ）は、ネッキングと肩広げのいずれも行わない場合の成長過程の単結晶の形状を示す垂直断面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、第１の空間における結晶育成領域の周りの領域に、結晶育成領域を囲む環状の断熱材が設置された構造を示す垂直断面図である。図５（ｃ）は、第１の空間における結晶育成領域の周りの領域に加熱体が設置された構造を示す垂直断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、厚みの分布を有する断熱板が設置された構造を示す垂直断面図である。図６（ｃ）は、環状の加熱体の径を小さくした構造を示す垂直断面図である。 図７（ａ）は、単結晶の形状を制御するための形状制御用部材が設置された構造を示す垂直断面図である。図７（ｂ）は、環状の底面の幅を大きくした形状制御用部材が設置された構造を示す垂直断面図である。 図８（ａ）は、原料棒を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。図８（ｂ）は、中空原料棒を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。図８（ｃ）は、漏斗を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。 図９は、粉末、顆粒、又は液状の金属を酸素ガスと反応させて、酸化物である原料を得る様子を模式的に示す垂直断面図である。

〔実施の形態〕
（製造装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る単結晶製造装置１の垂直断面図である。図２は、単結晶製造装置１の断熱空間１０周辺を拡大した垂直断面図である。単結晶製造装置１は、坩堝を用いず、種結晶２０の上面に原料を供給し、種結晶２０から上方に単結晶２１を成長させる装置である。

単結晶製造装置１は、装置外の空間から断熱された断熱空間１０と、断熱空間１０の外側に設置された誘導加熱用コイル１１と、第１の空間１０１と第１の空間１０１の上の第２の空間１０２とに断熱空間１０を区画する断熱板１２と、誘導加熱用コイル１１を用いた電磁誘導により誘導電流が流れて発熱し、断熱空間１０内を加熱する、第２の空間１０２に設置された加熱体１３と、種結晶２０を上下に移動可能に下側から支持するための支持軸１９と、を備える。なお、本実施の形態における上下方向は、鉛直方向に沿った、又はほぼ沿った方向を指すものとする。

断熱空間１０の第１の空間１０１は、単結晶２１を育成するための領域である結晶育成領域１０３を含む。結晶育成領域１０３は、後述する基体１８の孔１８１の真上の領域に含まれる。断熱板１２は、結晶育成領域１０３の上方に位置する孔１２１を有する。このため、単結晶２１の原料を、第２の空間１０２と断熱板１２の孔１２１を通して、種結晶２０の上面又は種結晶２０の上に成長した単結晶２１の上面に供給することができる。

また、単結晶製造装置１は、断熱空間１０の側壁となる断熱材１４と、断熱空間１０の上壁となる断熱材１５と、断熱材１５の上に設置された断熱材１６と、断熱材１４、１５、１６の周りを囲む外壁１７と、断熱材１４、１５、１６及び外壁１７の土台となる基体１８と、を備える。これらの部材は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有する材料からなる。

例えば、単結晶２１が酸化ガリウム系単結晶である場合は、断熱材１４は、例えば、多孔質ジルコニア又はジルコニアファイバーボードからなる。断熱材１５は、例えば、多孔質ジルコニア又はジルコニアファイバーボードからなる。断熱材１６は、例えば、アルミナファイバーボードからなる。外壁１７は、例えば、アルミナファイバーボードからなる。基体１８は、例えば、アルミナボードからなる。

なお、断熱材１５はその形状や配置位置から最も変形しやすいため、硬化処理を施したジルコニアファイバーボード、硬化処理を施した多孔質アルミナ、硬化処理を施した緻密質ジルコニア、硬化処理を施した緻密質アルミナ、ジルコニアセメントのコーティングを施したジルコニアファイバーボードを断熱材１５として用いることが好ましい。なお、上記のジルコニアファイバーボードなどの硬化処理には、使用前の高温アニール、例えば、１７００～１９００℃での高温アニールを用いる。なお、このような、事前の高温アニールによりジルコニアファイバーボードなどが硬化し、高温環境下での変形が抑えられることは、本発明者により初めて見出されたことである。

なお、断熱材１５は、単結晶製造装置１以外にも、結晶育成炉、焼成炉、アニール炉などの各種の高温加熱する装置において、最も温度が高くなる発熱体周辺の断熱材として使用することができる。いずれの場合も、変形や変形による割れを防ぐことができるため、炉内温度を安定化させることができる。また、断熱材１５が長寿命であるため、装置の維持費用などを低減することができる。

また、外壁１７には、内面にアルミナブランケットを貼り付けたアルミナファイバーボードを用いることが好ましい。この場合、アルミナブランケットのクッション性を利用し、断熱材１６が膨張した際の外壁１７の割れを抑えることができる。アルミナファイバーボードの内面に貼り付けるアルミナブランケットには、アルミナブランケット側に設置する断熱材１６の膨張分を緩衝できる程度の厚みを有することが求められる。しかし、高温環境下の断熱材の膨張量を計測することは困難であるため、十分に効果が得られると推測される厚み、例えば、５ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上の厚みのアルミナブランケットを用いることが好ましい。また、アルミナブランケットが張り付けられるアルミナファイバーボードは、ハンドリングのし易さを考慮すれば、１０ｍｍ以上の厚みを有することが好ましい。なお、外壁１７は、単結晶製造装置１以外にも、結晶育成炉、焼成炉、アニール炉などの各種の高温加熱する装置において用いることができる。なお、このような、アルミナファイバーボードの内面にアルミナブランケットを貼り付けることにより、隣接する部材の膨張を吸収する方法は、本発明者により初めて見出されたものである。

上記のジルコニアファイバーボードは、ジルコニアファイバーを真空成型することにより得られる繊維質の断熱材である。また、アルミナファイバーボードは、アルミナファイバーに無機および有機バインダーを添加して成型することにより得られる繊維質の断熱材である。また、アルミナブランケットは、アルミナファイバーにニードル加工を施してマット状に加工することにより得られる繊維質の断熱材である。

誘導加熱用コイル１１は、外壁１７の外側から加熱体１３を囲む位置に設置されている。誘導加熱用コイル１１に電流を流すことにより誘導加熱用コイル１１の周囲に生じる磁界が環状の加熱体１３の内側を通ると、加熱体１３に誘導電流が流れ、加熱体１３の有する電気抵抗により加熱体１３が発熱する。

加熱体１３は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有する導体からなる。例えば、単結晶２１が酸化ガリウム系単結晶である場合は、加熱体１３の材料としてイリジウムや、白金ロジウム、又はジルコニアコーティングしたイリジウムや白金ロジウムが用いられる。加熱体１３の形状は環状であり、典型的には、図１に示されるような円筒状である。加熱体１３は、断熱板１２の上に、結晶育成領域１０３の真上の空間を囲むように設置される。

断熱板１２は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有する材料からなり、例えば、多孔質のジルコニアからなる。また、変形を抑えるために、硬化処理を施したジルコニアファイバーボードなどの上記の断熱材１５に用いられる材料を断熱板１２の材料に用いることが好ましい。断熱板１２は、単結晶２１の成長面となる種結晶２０の上面又は単結晶２１の上面を選択的に溶融させるために用いられる。

第１の空間１０１の結晶育成領域１０３には、加熱体１３から発せられる輻射が断熱板１２の孔１２１を通って直接達する。一方で、第１の空間１０１の結晶育成領域１０３の周りの領域１０４には、加熱体１３から発せられる輻射が断熱板１２により弱められて到達する。このため、結晶育成領域１０３中の種結晶２０及び単結晶２１は、側方からよりも上方から強く加熱される。これにより、単結晶２１の成長面となる種結晶２０の上面又は単結晶２１の上面を選択的に溶融させることができる。

断熱板１２は、第１の空間１０１の温度分布の対称性を確保するため、図１に示される様に、表面が水平になるように設置されることが好ましい。また、結晶成長面の外周部の温度の低下を抑えるため、断熱板１２が結晶成長面の外周部を覆わないように、孔１２１の輪郭が単結晶２１の輪郭の外側にあることが好ましい。孔１２１の直径は、例えば、単結晶２１の直径に１０ｍｍ加えた値に設定される。

支持軸１９は、図示されない駆動機構により、基体１８を上下方向に貫通する軸孔１８１の中を上下に移動することができる。そして、支持軸１９は、第１の空間１０１の結晶育成領域１０３及びその下方の軸孔１８１内を上下に移動させることができる。また、支持軸１９は、上記駆動機構により、その中心軸を回転軸とした回転が可能であってもよい。この場合、支持軸１９に支持された種結晶２０及び種結晶２０から成長した単結晶２１を回転させることができる。

また、支持軸１９は、支持軸１９を上下方向に貫通する孔１９１を有していてもよい。孔１９１を介して熱電対や放射温度計により種結晶２０及び単結晶２１の温度を測定することができる。支持軸１９は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有する材料からなり、例えば、単結晶２１が酸化ガリウム系単結晶である場合は、ジルコニアファイバーボード、アルミナファイバーボード、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ、又はそれらの組み合わせからなる。また、支持軸１９の単結晶２１と接触する部分１９２は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有し、かつ、単結晶２１の材料と反応しない材料からなり、例えば、多孔質アルミナ、緻密質アルミナ、サファイア、イリジウムからなる。支持軸１９は、例えば、図１に示されるように、上下方向に連結される複数のブロックから構成される。

断熱空間１０の上壁である断熱材１５は、断熱材１５を上下方向に貫通する貫通孔１５１を有する。また、断熱材１５上の断熱材１６は、断熱材１６を上下方向に貫通する貫通孔１６１を有する。貫通孔１５１と貫通孔１６１は連続しており、断熱空間１０と単結晶製造装置１の外部の空間とをつなげている。このため、貫通孔１５１、１６１を介して単結晶２１の原料を断熱空間１０内へ供給することができる。貫通孔１５１、１６１の直径は、例えば、５～３０ｍｍである。

（単結晶の製造方法）
以下に、単結晶製造装置１を用いた単結晶２１の製造方法の一例について説明する。

まず、孔１２１の下方の支持軸１９上に種結晶２０を設置し、支持軸１９の上下方向の位置を調整して、断熱空間１０の第１の空間１０１に種結晶２０を設置する。このとき、種結晶２０の上面を効率よく加熱するため、種結晶２０を第１の空間１０１内のなるべく高い位置、例えば、種結晶２０の上面の高さが断熱板１２の下面の高さと一致するような位置に設置することが好ましい。

次に、誘導加熱用コイル１１に電流を流すことにより、第２の空間１０２に設置された加熱体１３を誘導加熱して、加熱体１３から発せられる熱により種結晶２０の上面を溶融させる。このとき、上述のように、断熱板１２によって種結晶２０の上面を選択的に溶融させることができる。

次に、第２の空間１０２と断熱板１２の孔１２１を通して、溶融した種結晶２０の上面に、単結晶２１の原料融液を供給する。単結晶２１の原料融液の供給方法については後述する。

次に、図３（ａ）～（ｃ）に示されるように、単結晶２１の原料融液の供給を続けながら、支持軸１９を下降させて種結晶２０を下方へ移動させ、融液を下方から徐々に結晶化させる。これによって、種結晶２０から上方に単結晶２１が成長する。単結晶２１の成長速度は、例えば２～８ｍｍ／ｈに設定される。単結晶２１を回転しながら成長させる場合は、回転速度は、例えば、３～１２ｒｐｍに設定される。

図３（ａ）～（ｃ）に示される例では、単結晶２１の成長過程においてネッキングを行い、また、肩広げ（増径）によって単結晶２１の径を広げている。ネッキングを行うことにより、種結晶２０の品質が高くない場合に単結晶２１の品質を改善することができる。そして、肩広げにより、ネッキング部で小さくなった単結晶２１の径を大きくすることができる。

しかしながら、種結晶２０が十分な品質を有する場合は、ネッキングを行わなくてもよい。ネッキング部の径が小さいと、成長した単結晶２１の重量を支えきれなくなり、ネッキング部から折れるおそれがある。また、ネッキング部から折れるのを防ぐため、肩広げ部で結晶を支える機構を単結晶製造装置１内に設けてもよいが、それによって単結晶製造装置１の構造が複雑化してしまう。ネッキングを行わない場合には、このような問題を回避することができる。

また、ネッキングを行わず、かつ所望の単結晶２１の径とほぼ同じ径（例えば、±１０％以内の差）を有する種結晶２０を用いる場合は、肩広げも行わなくてよい。この場合、肩広げによって生じる双晶化などの問題を回避し、より高品質の単結晶２１を得ることができる。

図４（ａ）は、ネッキングを行わずに肩広げのみを行う場合の成長過程の単結晶２１の形状を示し、図４（ｂ）は、ネッキングと肩広げのいずれも行わない場合の成長過程の単結晶２１の形状を示す。

単結晶製造装置１においては、結晶成長面である種結晶２０の上面又は単結晶２１の上面は、加熱体１３が設置された高温の第２の空間１０２のすぐ下に位置する。このため、結晶成長面からの放熱が抑えられ、大型の単結晶２１を製造することができる。

単結晶２１の育成中の雰囲気は、加熱体１３の材質によって選択することができ、例えば、加熱体１３が酸化しない材料からなる場合は、酸素雰囲気を用いることができる。単結晶２１が酸化ガリウム系単結晶である場合は、通常は加熱体１３の材料としてイリジウムが用いられる。この場合、イリジウムの酸化を抑えるため、雰囲気中の酸素濃度は１０％未満（例えば４％）であることが好ましい。イリジウムの表面がジルコニアでコーティングされている場合は、雰囲気中の酸素濃度は５０％未満であることが好ましい。

（温度分布の制御方法）
以下に、単結晶２１の成長面（種結晶２０の上面又は単結晶２１の上面）の温度分布の制御方法について説明する。単結晶２１の成長面の温度分布は、中央部と外周部の温度がほぼ等しい分布（フラットな分布）、又は、中央部が低く、外周部が高くなる分布（下凸の分布）であることが好ましい。これにより、単結晶２１とその上の融液の界面（固液界面）をフラット又は上凸形状にすることができ、結晶の歪が中心に集中することによる結晶欠陥の発生を抑えることができる。

図５（ａ）、（ｂ）は、第１の空間１０１における結晶育成領域１０３の周りの領域１０４に、それぞれ結晶育成領域１０３を囲む環状の断熱材３１、３２が設置された構造を示す垂直断面図である。

図５（ａ）に示される断熱材３１は、領域１０４の全域に設けられる断熱材であり、図５（ｂ）に示される断熱材３２は、領域１０４の結晶育成領域１０３近傍の一部の領域に設けられる断熱材である。断熱材３１、３２は、単結晶２１の融点近傍の温度に耐えられる耐熱性を有する材料からなり、例えば、多孔質のジルコニアからなる。

結晶育成領域１０３を囲む断熱材３１、３２を用いることにより、単結晶２１の側面からの放熱を抑え、結晶成長面の外周部の温度を上げることができる。これによって、単結晶２１の成長面の温度分布をフラット又は下凸にすることが容易になる。

また、断熱材３１、３２を用いることにより、単結晶２１の結晶成長方向（上下方向）の温度分布のばらつきを小さくして、単結晶２１の品質を向上させることもできる。なお、これらの効果は、断熱材３１と断熱材３２のいずれを用いた場合でも、同様に得られる。

図５（ｃ）は、第１の空間１０１における結晶育成領域１０３の周りの領域１０４に、加熱体１３と同様の部材である加熱体３３が設置された構造を示す垂直断面図である。加熱体３３は、加熱体１３と同様に、誘導加熱用コイル１１に電流を流すことにより誘導加熱され、発熱する。

加熱体３３は、単結晶２１を側方から加熱するため、単結晶２１の成長面の外周部の温度を上げることができる。これによって、単結晶２１の成長面の温度分布をフラット又は下凸にすることが容易になる。

ただし、単結晶２１の上面以外の部分の溶融を抑えるため、加熱体３３による加熱を加熱体１３による加熱よりも弱める必要がある。このために、例えば、加熱体３３と図５（ｂ）に示される断熱材３２を併用して、加熱体３３から発せられる輻射を断熱材３２により弱めたり、誘導加熱用コイル１１を加熱体１３の側方にのみ設けて、加熱体３３の発熱量を低下させたり、という手段を取ることができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、断熱板１２の代わりに、厚みの分布を有する断熱板３４が設置された構造を示す垂直断面図である。断熱材３４においては、結晶育成領域１０３の周りの領域１０４の上方に位置する部分３４２の厚さが最も厚く、単結晶２１の成長面の外周部の上方に位置する部分３４４の厚さが最も薄く、部分３４２の内側の部分３４３の厚さが、部分３４２の厚さよりも薄く、部分３４４の厚さよりも厚い。

断熱材３４の厚みが大きい部分ほど、加熱体１３から発せられる輻射を大きく弱めるため、単結晶２１の成長面の外周部の温度をその内側の領域の温度よりも高めて、かつ単結晶２１の側面の温度を成長面の温度よりも低くすることができる。これによって、単結晶２１の成長面の温度分布をフラット又は下凸にすることが容易になる。

図６（ａ）に示される断熱材３４は、部分３４２～３４４が一体に設けられており、図６（ｂ）に示される断熱材３４は、部分３４２を含む部材と部分３４３、３４４を含む部材が別体に設けられているが、いずれの形態でも同様の効果が得られる。

なお、断熱板３４は、単結晶２１への原料融液の供給に必要な孔３４１を有するが、結晶成長面の中央部の温度の上昇を抑えるため、孔３４１の径を原料融液の供給に支障のない範囲でなるべく小さくすることが好ましい。

また、断熱板３４の材料として、サファイアのような高温で使用できる透明部材を用いる場合は、厚みの分布を形成する代わりに、表面の粗さの分布を形成して加熱体１３から発せられる輻射の透過量に分布をもたせることにより、同様の効果を得ることができる。具体的には、例えば、部分３４４の表面は平滑に、部分３４２の表面粗さを最も大きく、部分３４３の表面粗さを部分３４２の表面粗さよりも小さくする。

図６（ｃ）は、環状の加熱体１３の径を図２などに示されるものよりも小さくした構造を示す垂直断面図である。加熱体１３の径を小さくすることにより、加熱体１３と結晶成長面の中央部との距離に対する加熱体１３と結晶成長面の外周部との距離の比が大きくなるため、相対的に結晶成長面の外周部の温度を上げることができる。これによって、加熱体１３の径が大きい場合に結晶成長面の温度分布が上凸である場合でも、加熱体１３の径を小さくすることにより、フラット又は下凸にすることができる。

また、原料供給用の貫通孔１５１、１６１を単結晶２１の成長面の中心の真上、すなわち支持軸１９の中心の真上に設けることにより、成長面の中央部の温度を下げることができる。これによって、単結晶２１の成長面の温度分布をフラット又は下凸にすることが容易になる。また、成長面の中央部の温度を効果的に下げるためには、貫通孔１５１、１６１の直径をある程度大きくする（例えば、単結晶２１の直径の１０～６０％）ことが好ましい。

また、原料供給用の貫通孔１５１、１６１とは別に、単結晶２１の成長面の中央部の温度を下げるための孔を成長面の中心の真上に設けてもよい。この場合、原料供給用の貫通孔１５１、１６１が単結晶２１の成長面の中心から外れたところに設けられるため、単結晶２１の成長面の中心から外れたところに原料融液が滴下されるが、単結晶２１を回転させながら育成すれば問題はない。また、この場合、単結晶２１の成長面の中心に滴下するよりも単結晶２１中の不純物の分布が緩やかになるという利点がある。

（単結晶の断面形状の制御方法）
以下に、単結晶２１の断面形状の制御方法について説明する。ここで、断面形状とは、径方向の断面の形状を意味し、例えば、円柱状の単結晶２１の断面形状は円形であり、多角柱状の単結晶２１の断面形状は多角形である。

単結晶２１の断面形状は、断熱板１２の孔１２１の形状に依存する。これは、単結晶２１の上面の温度分布が孔１２１の形状に依存し、単結晶２１の上面の孔１２１の形状と相似な形状の領域が溶融し、結晶成長が起こるためである。例えば、孔１２１が円形の場合には単結晶２１の断面形状は円形になり、孔１２１が多角形の場合には単結晶２１の断面形状は角の丸められた多角形になる。

ただし、孔１２１が多角形の断熱板１２を用いて単結晶２１の断面形状を多角形にする場合であって、単結晶２１をその中心軸の周りに回転させながら成長させる場合は、単結晶２１の回転に合わせて断熱板１２も回転させる必要がある。

図７（ａ）は、単結晶２１の形状を制御するための形状制御用部材３５が設置された構造を示す垂直断面図である。形状制御用部材３５は、断熱板１２の孔１２１の内側に設置される、単結晶２１の上面の外周部の融液に接触する環状の部材であり、主にその融液に接触する環状の底面３５１の外縁の内側の領域に結晶が成長する。このため、環状の形状制御用部材３５の底面３５１の外縁の平面形状により、単結晶２１の断面形状を制御することができる。

形状制御用部材３５は単結晶２１及び融液と接触するため、これらと反応しない材料からなる。例えば、単結晶２１が酸化ガリウム系単結晶である場合は、形状制御用部材３５の材料としてイリジウムやサファイアが用いられる。それでも、形状制御用部材３５と融液が接触するため、単結晶２１（融液）の組成や形状制御用部材３５の材料などによっては、形状制御用部材３５からの不純物汚染が融液中に発生する場合がある。しかしながら、融液は形状制御用部材３５との非接触領域から接触領域に向かって流れるため、不純物汚染は接触領域近傍に限られる。そのため、形状制御用部材３５を用いる場合であっても、高純度の単結晶２１を得ることができる。例えば、単結晶２１をウェハ加工する際は、形状制御用部材３５と接触していた外周部分を削り落とすことにより、汚染された部分を除去することができる。

図７（ｂ）は、環状の底面３５１の幅を大きくした形状制御用部材３５が設置された構造を示す垂直断面図である。底面３５１の内縁側の一部が種結晶２０の上面に接触するまで環状の底面３５１の幅を大きくすることにより、形状制御用部材３５を単結晶２１の形状制御だけでなく、肩広げ（増径）を容易にするための部材として用いることができる。単結晶２１（種結晶２０）の上面の融液は、単結晶２１（種結晶２０）と底面３５１の界面を、環状の底面３５１の外縁に向かって広がるため、成長させながら単結晶２１の径をおよそ種結晶２０の径から底面３５１の外縁の径まで広げることができる。

なお、図７（ｂ）に示されるような底面３５１の幅が大きい形状制御用部材３５では、底面３５１と融液の接触領域が広いため、単結晶２１が形状制御用部材３５からの不純物汚染を比較的受けやすい。このため、まず、底面３５１の幅が大きい形状制御用部材３５を用いて肩広げを行って径の大きい単結晶２１を育成し、この単結晶２１から切り出した径の大きい種結晶２０を用いて、底面３５１の幅が大きい形状制御用部材３５を用いずに新たに単結晶２１を育成することにより、径が大きく、かつ高純度の単結晶２１を得ることができる。

（原料融液の供給方法）
以下に、種結晶２０又は単結晶２１の上面への原料融液の供給方法について説明する。

図８（ａ）は、原料棒４０を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。原料棒４０は、単結晶２１を構成する物質の棒状の焼結体であり、例えば、単結晶２１として酸化ガリウム系半導体の単結晶を製造する場合には、酸化ガリウム系半導体の焼結体を原料棒４０として用いる。

原料供給口である貫通孔１５１、１６１に原料棒４０を挿入し、その下端を第２の空間１０２の内側又は近傍に位置させて、第２の空間１０２の熱により溶かし、融液４１の液溜まりを大きくして滴下させる。このとき、融液４１が自重で滴下するのを待ってもよいし、原料棒４０を振動させて滴下を促してもよい。滴下した融液４１は、第２の空間１０２と断熱板１２の孔１２１を通過して種結晶２０又は単結晶２１の上面に供給される。

融液４１の液滴が大きすぎると、単結晶２１の上面に達したときに飛び散ったり、固液界面の形状を不安定化させたりする。そのため、原料棒４０の径により液滴の大きさを調整することが好ましい。原料棒４０の径と融液４１の液滴の大きさの関係は融液４１の比重によって異なるが、例えば、原料棒４０が酸化ガリウム系半導体の焼結体である場合は、その直径を５ｍｍ以下にすることが好ましい。

図８（ｂ）は、中空原料棒４２を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。中空原料棒４２は、単結晶２１を構成する物質の焼結体からなる中空の棒である。

原料供給口である貫通孔１５１、１６１に中空原料棒４２を挿入し、その先端を第２の空間１０２の内側又は近傍に位置させて、第２の空間１０２の熱により溶かし、融液４１の液溜まりを形成する。さらに、中空原料棒４２の内部を通して粉末又は顆粒状の原料４３を投下して、中空原料棒４２の下端において前記第２の空間の熱で溶かして融液の液溜まりを大きくする。原料４３は、中空原料棒４２と同様に、単結晶２１を構成する物質の焼結体からなる。

融液４１が液溜まりから自重で滴下するのを待ってもよく、原料棒４０を振動させて滴下を促してもよく、また、中空原料棒４２の内部を通してガスを送り込んで滴下を促してもよい。滴下した融液４１は、第２の空間１０２と断熱板１２の孔１２１を通過して種結晶２０又は単結晶２１の上面に供給される。

なお、中空原料棒４２の代わりに、単結晶２１の原料ではなく、原料４３や融液４１と反応しない材料からなる中空管を用いてもよい。この場合も、中空管の内径を十分に小さくすることにより、中空管の内部に投下した原料４３を中空管の下端で溶かして液溜まりを形成することができる。

図８（ｃ）は、漏斗４４を用いて原料融液を供給する様子を模式的に示す垂直断面図である。漏斗４４は、原料４３や融液４１と反応しない材料からなり、例えば、酸化ガリウム系半導体からなる単結晶２１を製造する場合は、漏斗４４の材料としてイリジウムやサファイアを用いる。

漏斗４４は、その下端が第２の空間１０２内に位置するように設置される。原料供給口である貫通孔１５１、１６１を通して漏斗４４内に原料４３を投入すると、第２の空間１０２の熱により漏斗４４内で原料４３が溶けて融液４１となる。漏斗４４から滴下した融液４１は、第２の空間１０２と断熱板１２の孔１２１を通過して種結晶２０又は単結晶２１の上面に供給される。

なお、上記の中空原料棒４２や漏斗４４を用いずに、貫通孔１５１、１６１に原料４３を投下してもよい。この場合、原料４３が第２の空間１０２の熱で落下中に溶け、融液４１の状態で単結晶２１の上面に供給されることが理想的である。しかしながら、溶けずに粉末又は顆粒の状態で単結晶２１の上面に達し、単結晶２１の上面で溶ける場合であっても、単結晶２１の育成速度を遅くすれば問題にならない。

図９は、金属４７を酸素ガスと反応させて、酸化物である原料４３を得る様子を模式的に示す垂直断面図である。金属４７は、単結晶２１の金属成分の原料となる金属であり、例えば、酸化ガリウムの単結晶を単結晶２１として製造する場合には、酸化ガリウムの焼結体である原料４３を得るためにＧａメタルを金属４７として用いる。

金属４７は、貫通孔１６１に連結するように断熱材１６の上に設置された中空管４６の内部に投下される。また、金属４７の投下と同時に、中空管４６の内部に酸素ガスを流入させる。中空管４６の周囲には金属４７を誘導加熱するための誘導加熱用コイル４５が巻かれており、加熱された金属４７が中空管４６の内部を降下中に酸素ガスと反応し、酸化物である原料４３が得られる。

この金属４７と酸素ガスを反応させて原料４３を形成する方法によれば、非常に高純度の粉末又は顆粒状の原料４３を得ることができる。例えば、酸化ガリウムの焼結体である原料４３を形成する場合、純度７Ｎ程度の原料４３が得られる。この方法により、例えば、図８（ｂ）や図８（ｃ）に示される原料４３を形成することができる。

Ｇａメタルを金属４７として用いる場合、少量であれば誘導加熱の周波数（誘導加熱用コイル４５に流す交流電流の周波数）は１００ｋＨｚ以上であることが好ましい。ここで、少量とは、例えば、一度に投入されるＧａメタル全体の体積が５５０ｍｍ^３以下であることをいう。

また、１０００℃程度ではＧａメタルの表面しか酸化されないため、Ｇａメタルの全体を酸化させるために１４００℃以上の温度に加熱することが好ましい。加熱温度を１４００℃以上にする場合は、Ｇａメタルの形態は粉末、顆粒、液体などのいずれであってもよい。なお、ナノ粒子からなる霧状のＧａメタルを金属４７として用いる場合は、加熱温度が１４００℃に満たない場合であってもその全体を酸化させることができる。ここで、Ｇａメタルのナノ粒子は、例えば、Ｇａメタルに音波照射を行うことによって形成することができる。また、Ｇａメタルのナノ粒子を直接誘導加熱することは困難であるため、中空管４６の内側に誘導加熱用の被加熱体を設置してその輻射熱を利用するなど、間接的にＧａメタルのナノ粒子を加熱する手段が求められる。

また、上述した高純度の粉末又は顆粒状の原料４３を得る方法に基づき、下記［１］～［３］の酸化ガリウムの製造方法を提供することができる。
［１］周囲に誘導加熱用コイルが巻かれた中空管の内部に、酸素ガスを流入させ、かつＧａメタルを投下する工程と、前記誘導加熱用コイルに交流電流を流すことにより生じる磁界によって、前記中空管の内部の前記Ｇａメタルを誘導加熱して、前記Ｇａメタルと前記酸素ガスを反応させて酸化ガリウムを得る工程と、を含む、酸化ガリウムの製造方法。
［２］前記誘導加熱により、前記Ｇａメタルを１４００℃以上の温度に加熱する、上記［１］に記載の酸化ガリウムの製造方法。
［３］前記誘導加熱の周波数が１００ｋＨｚ以上である、上記［１］又は［２］に記載の酸化ガリウムの製造方法。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態に係る単結晶製造装置１によれば、坩堝を使用しないため、地金の使用量が少なく、設備費用を大きく低減することができる。また、坩堝を使用しないため、坩堝に含まれる成分の混入による、単結晶２１の純度の低下のおそれがない。さらに、単結晶２１の成長面からの放熱が抑えられるため、大型の単結晶２１を製造することができる。

例えば、単結晶製造装置１（図７（ｂ）に示される底面３５１の幅が大きい形状制御用部材３５を用いる形態と、図８（ｃ）に示される漏斗４４を用いる形態を除く）により純度６Ｎの原料を用いて酸化ガリウムからなる単結晶２１を製造した場合、ホール補償の無いキャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^－３未満のウェハを単結晶２１から切り出すことができる。また、単結晶製造装置１により純度７Ｎの原料を用いて酸化ガリウムからなる単結晶２１を製造した場合、ホール補償の無いキャリア濃度１×１０^１５ｃｍ^－３未満のウェハを単結晶２１から切り出すことができる。そして、これらのウェハを用いることにより、耐圧を確保するためのエピタキシャル層を設けることなく高耐圧デバイスを作製することができる。なお、図７（ｂ）に示される底面３５１の幅が大きい形状制御用部材３５を用いる形態と、図８（ｃ）に示される漏斗４４を用いる形態が除かれるのは、単結晶２１が形状制御用部材３５や漏斗４４からの不純物汚染を受ける場合があるためである。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１…単結晶製造装置、 １０…断熱空間、 １０１…第１の空間、 １０２…第２の空間、 １０３…結晶育成領域、 １１…誘導加熱用コイル、 １２…断熱板、 １２１…孔、 １３…加熱体、 １９…支持軸、 ２０…種結晶、 ２１…単結晶、 ３１、３２…断熱材、 ３３…加熱体、 ３４…断熱板、 ３５…形状制御用部材、 ４０…原料棒、 ４１…融液、 ４２…中空原料棒、 ４３…原料、 ４４…漏斗

Claims (12)

1. 種結晶から上方に単結晶を成長させる単結晶製造装置であって、
   前記単結晶製造装置の外の空間から断熱された断熱空間と、
   前記断熱空間の外側に設置された誘導加熱用コイルと、
   前記単結晶を育成するための結晶育成領域を含む第１の空間と前記第１の空間の上の第２の空間とに前記断熱空間を区画し、前記結晶育成領域の上方に孔を有する断熱板と、
   前記誘導加熱用コイルを用いた誘導加熱により発熱し、前記断熱空間内を加熱する、前記第２の空間に設置された加熱体と、
   前記種結晶を上下方向に移動可能に下側から支持するための支持軸と、
   を備えた、単結晶製造装置。
2. 前記第１の空間に、前記結晶育成領域を囲むように断熱材が設置された、
   請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記第１の空間に、前記誘導加熱用コイルを用いた誘導加熱により発熱する第２の加熱体が設置された、
   請求項１又は２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記断熱板の厚さが、前記単結晶の上面の外周部の温度をその内側の領域の温度よりも高くするための分布を有する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
5. 前記断熱空間の上側の、前記支持軸の中心の真上に、前記単結晶の原料の供給口が設けられた、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
6. 前記断熱板の前記孔の内側に設置される、開口領域の形状で前記単結晶の断面形状を制御することができる環状の部材を備えた、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
7. 前記単結晶の原料融液を前記単結晶の上面に滴下するための漏斗を備えた、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の単結晶製造装置。
8. 孔を有する断熱板によって第１の空間と前記第１の空間の上の第２の空間とに区画された断熱空間の、前記第１の空間の前記孔の下方に種結晶を設置する工程と、
   前記第２の空間に設置された加熱体を誘導加熱して、前記加熱体から発せられる熱により前記種結晶の上面を溶融させる工程と、
   前記第２の空間と前記断熱板の前記孔を通して、溶融した前記種結晶の上面に、単結晶の原料融液を供給する工程と、
   前記原料融液の供給を続けながら、前記種結晶を下方へ移動させ、前記種結晶から上方に前記単結晶を成長させる工程と、
   を含む、単結晶の製造方法。
9. 前記単結晶の原料融液を供給する工程において、原料棒の下端を前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、
   請求項８に記載の単結晶の製造方法。
10. 前記単結晶の原料融液を供給する工程において、中空原料棒の下端を前記第２の空間の熱で溶かし、かつ前記中空原料棒の内部に投下する粉末又は顆粒状の原料を前記中空原料棒の下端において前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、
    請求項８に記載の単結晶の製造方法。
11. 前記単結晶の原料融液を供給する工程において、漏斗内に投入した粉末又は顆粒状の原料を前記第２の空間の熱で溶かすことにより得られる前記原料融液を滴下させる、
    請求項８に記載の単結晶の製造方法。
12. 前記単結晶の原料融液を供給する工程において、前記粉末又は顆粒状の原料を金属と酸素ガスを反応させて形成する、
    請求項１０又は１１に記載の単結晶の製造方法。

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