JP3567662B2 - 単結晶成長方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直ブリッジマン法による単結晶成長方法及びその装置に関し、
特に石英ガラス成長容器の変形防止ための石英ガラス成長容器の支持方法及び支持具の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、φ３”を超える大型で、しかも低転移密度のＧａＡｓ結晶が得られる方法として、液体封止引上法（ＬＥＣ法）に代わって、垂直ブリッジマン法が注目されている。この方法は、成長容器の下部に種結晶を設置し、その上にＧａＡｓ原料を置き、上部が高く下部が低い温度分布を設けた縦型電気炉の中で、種結晶側の下部から上部に向かって結晶固化させるものである。
【０００３】
しかし、現在検討されている垂直ブリッジマン法は、もともと半絶縁性結晶を成長させることが目的であったため、ほとんどの垂直ブリッジマン法では、パイロリティック窒化ホウ素（ｐＢＮ）成長容器を用いている。これは、例えば、下記文献などに示されている。
【０００４】
（１）Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，７４，４９１，１９６８年
（２）Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．７，１４６８，１９９０年
（３）Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ９４，６４３，１９８９年
しかし、ｐＢＮ成長容器は、（１）非常に高価であり、（２）Ｂ２ Ｏ３ で覆われていないためｐＢＮからの不純物が混入し、（３）同じく結晶表面のｐＢＮとの境界に気泡等が発生し、結晶表面が凹凸になりこの部分からの結晶欠陥が発生し易くなり、（４）Ｂ２ Ｏ３ で覆うとＢ２ Ｏ３ から還元されたＢ（ホウ素）がかなりの高濃度でＧａＡｓ結晶中に混入してしまうという種々の欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近、半絶縁性結晶だけでなく、導電性結晶の需要が増えている。これは、Ｓｉドープ、Ｚｎドープ等の導電性結晶が半導体レーザや発光ダイオード用の基板として用いられているようになったからである。垂直ブリッジマン法で導電性結晶を得るには、ｐＢＮ容器は必要でなく、石英ガラス成長容器で充分である。石英ガラス成長容器は、石英ボートとして使用され、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）で既に多くの実績がある。
【０００６】
しかしながら、ＨＢ法と同様に石英ガラス成長容器を用いて結晶成長を行おうとすると、ＧａＡｓ成長温度（融点１２３８℃）領域では、石英ガラス成長容器が変形を起こしてしまう。すなわち、ＧａＡｓ溶液を入れた大型の石英ガラス成長容器を高温中に置くと熱によって変形してしまうため、石英ガラス成長容器を立てたまま保持することは不可能である。特に結晶長を１００ｍｍから長くしていく場合に、石英ガラス成長容器の変形は顕著に現れ、結晶成長そのものが不能になる場合が出てくる。
【０００７】
そこで、石英ガラス成長容器に変形を発生させないように、石英ガラス成長容器の外側を何らかの支持部材で囲む方法が考えられるが、この方法は結晶固化後の冷却過程において、熱収縮率の差、つまり、石英ガラスは熱収縮率が非常に小さいことによって、支持部材や石英ガラス成長容器を破損させてしまう。また、支持部材で囲まない従来の結晶成長装置では、移動の際の石英ガラス成長容器が不安定であり、その固定方法に問題があった。
【０００８】
このようなことから、石英ガラス成長容器が成長中の高温時にも変形せず、成長後の冷却時にも破損しないような単結晶成長方法及びその装置の実現が要請されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する単結晶成長方法において、（１）予め軸方向に少なくとも３つに縦切り分割した筒状のセラミックス製支持具を設置し、（２）筒状のセラミックス製支持具で取り囲むように石英ガラス成長容器を設置し、（３）筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえるように上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具を設置し、（４）石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる際に、上記石英ガラス成長容器を上記筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加え、結晶固化後の冷却時においては、上記筒状のセラミックス製支持具と上記石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって上記石英ガラス成長容器から上記筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置された上記セラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで吸収する。
【００１０】
このような構成で、筒状のセラミックス製支持具の上部及び下部にセラミックス製押さえ支持具で固定することによって、結晶成長時の熱変形を防止することができる。また、結晶固化後の冷却時において、筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を解除するために、上部のセラミックス製押さえ支持具を径方向の押さえ力を緩めるようにした。これによって、単結晶成長後の冷却時における石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【００１１】
また、本発明は、石英ガラス成長容器を縦型に設置し、この石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる単結晶成長装置において、（１）軸方向に少なくとも３つに縦切り分割され、石英ガラス成長容器の外周を支持する筒状のセラミックス支持具と、（２）筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえる上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具と、（３）結晶固化の際に石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加える締付手段と、（４）結晶固化後の冷却時において、筒状のセラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器から筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置されたセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで解除する解除手段とを備える。
【００１２】
筒状のセラミックス支持具、上記上部と下部のセラミックス製押さえ支持具、のいずれか又は両方をシリコンカーバイト（ＳｉＣ）製支持具で形成したり、グラファイト製支持具で形成することも好ましい。
【００１３】
このような構成を採ることで、単結晶成長中における石英ガラス成長容器の変形を効果的に防止することができる。また、単結晶成長後の冷却時における石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１５】
（１）本実施の形態の単結晶成長方法は、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する方法において、予め軸方向に少なくとも３つに縦切りした筒型状のセラミックス製支持具を用意し、分割された筒状のセラミックス製支持具を筒状の石英ガラス成長容器を採り囲むように設置すると共に、筒状のセラミックス製支持具の上部及び下部にセラミックス製押さえ支持具で固定することによって成長時の熱変形が防止され、石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させ、結晶固化後の冷却時において、セラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器からセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具の上部で固定していた段差を有したセラミックス製押さえ支持具を上方に引き上げ、軸方向の押さえ力を緩めることによって解除するようにする。
【００１６】
ここで、垂直ブリッジマン法には、温度勾配のみで成長させるバーティカルグラディエントフリ−ジング法（ＶＧＦ）、成長用容器を相対的に降下させて成長させるバーティカルブリッジマン法（ＶＢ法）、さらに、Ａｓ圧を制御する方式、Ｂ２ Ｏ３ で融液表面を覆いＡｓの揮散を防ぐ方式のいずれの方法も適用することができる。
【００１７】
（２）また、本実施の形態の単結晶成長装置は、石英ガラス成長容器を縦型に配置し、この石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる単結晶成長装置において、結晶固化後の冷却時において、セラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器からセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具の上部で固定していた段差を有したセラミックス製押さえ支持具を上方に引き上げ、径方向の押さえ力を緩めることによって解除するように設備を備える。
【００１８】
図１は、本実施の形態の単結晶成長装置の概略縦断面図である。図２は、結晶成長後にセラミックス製押さえ支持具の締付力を解除した状態を示す断面図である。
【００１９】
この図１において、結晶成長時において、石英ガラス成長容器１は、縦型電気炉９に配置され、上部、下部セラミックス製押さえ支持具２によって固定され、回転しながら下降するように構成されている。縦型電気炉９内には、横方向に３分割された電気炉発熱体が設けられ、各電気炉発熱体は、下部で低温、中間部で単結晶の固化温度、上部で原料融液を保持する高温になるように制御されている。
【００２０】
石英ガラス成長容器１は、円筒形の形状をしており、下部に肩部と種結晶を載置する小径の種結晶５の載置部とを有し、肩部を下部セラミックス製押さえ支持具２ｂ上に設けた肩部サセプタ８に載せて、炉内に縦型に配置される。石英ガラス成長容器１内の種結晶５の載置部に載置された種結晶５の上にＧａＡｓ等の結晶原料が入れられる。
【００２１】
肩部サセプタ８を含めた石英ガラス成長容器１の全外周には、円筒状で内径が石英ガラス成長容器１の外径とほぼ同一で、石英ガラス成長容器１を取り囲んで支持する筒状のセラミックス製支持具３が設置される。図１に示すようにこの筒状セラミックス製支持具３は、縦方向に少なくとも３つに分割され、上部、下部のセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂによって縦方向に固定されている。
【００２２】
図２に示すように、結晶固化後の冷却時に筒状のセラミックス製支持具３と、石英ガラス成長容器１との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器１から筒状のセラミックス製支持具３に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具３の上部で固定していた段差を有した上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、セラミックス製押さえ支持具２ａの段差部に筒状のセラミックス製支持具３を固定し、径方向の押さえ力を緩めることによって、解除できるように構成されている。
【００２３】
図３は、本実施の形態の縦３分割の筒状のセラミックス支持具の概略図である。この図３において、筒状のセラミックス製支持具３は、少なくとも３分割された弧状セグメント３ａ、３ｂ、３ｃから構成し、セグメントの分割端は互いにかみ合うように段差が設けられ、円筒形に組み立てたとき、円形がずれないようにして石英ガラス成長容器１の外周を確実に囲繞して支持できるように構成されている。
【００２４】
このように石英ガラス成長容器１の変形防止用に筒状セラミックス製支持具３を用いて石英ガラス成長容器１の外周を支持しているので、結晶成長中は筒状セラミックス製支持具３によって石英ガラス成長容器１が熱変形することを有効に防止できる。このため１００ｍｍを超える長さの成長容器でも成長が可能となる。
【００２５】
また、筒状セラミックス製支持具３を縦方向に分割し、その上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂによって固定する。筒状のセラミックス製支持具３よりも石英ガラス成長容器１の熱収縮率が小さいため、結晶固化後の冷却時は、石英ガラス成長容器１の外形がわずかしか縮径しないのに対して、筒状のセラミックス製支持具３の方は大きく縮径するため、筒状セラミックス製支持具３は、石英ガラス成長容器１から外側に押し出される外力を受ける。そのとき、上部より押さえている上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、径方向の押さえ力を弱めることによって、この径方向の外力を解除し、筒状セラミックス製支持具３及び石英ガラス成長容器１は破損を免れる。
【００２６】
（本発明の実施の形態の効果）：以上の本発明の実施の形態によれば、石英ガラス成長容器中の垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する際、石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具で覆い、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具によって固定するようにしたので、石英ガラス成長容器の成長中の変形を有効に防ぐことができる。
【００２７】
また、筒状のセラミックス製支持具を少なくとも３分割して、これをセラミックス製の押さえ支持具によって冷却時にセラミックス製支持具に加えられる外向きの外力を上部のセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることによって、その締付力を解除するようにしたので、石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を有効に防止することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）：本実施例１では、ＧａＡｓ単結晶成長を例にして、上述の図１を参照しながら具体的な実施例を説明する。石英ガラス成長容器１の中に種結晶５とＧａＡｓ原料３ｋｇを入れた後、石英ガラス成長容器１を真空で封じる。縦方向に３分割した筒状のセラミックス製支持具３で、肩部サセプタ８と共に石英ガラス成長容器１を囲み、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂで筒状のセラミックス製支持具３と石英ガラス成長容器１とを押さえ、駆動架台１０ａ、１０ｂの上に設置し、縦型電気炉９を大気中で昇温する。
【００２９】
種結晶５の部分を約１２００℃、上部原料を約１２４５℃に調整する。原料を溶かし込んで融液とした後、固液界面の温度勾配を約４℃／ｃｍに調整しながら石英ガラス成長容器１を回転上昇させ、種付けを行う。その後回転させたまま３ｍｍ／ｈｒの速度で石英ガラス成長容器１を矢印で示すように下降させて結晶固化を行う。全体を固化した後、約１００℃／ｈｒで室温まで冷却し、石英ガラス成長容器１を筒状のセラミックス製支持具３と共に縦型電気炉９から取り出す。
【００３０】
石英ガラス成長容器１よりも筒状セラミックス製支持具３の方が熱収縮率が大きいため、室温までの冷却途中に筒状のセラミックス製支持具３の上部で固定していた段差を有した上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、上部セラミックス製押さえ支持具２ａの段差部に筒状のセラミックス製支持具３を固定し、径方向の押さえ力を緩めることによって、その外力を解除し、筒状のセラミックス製支持具３、石英ガラス成長容器１の両方ともに破損は免れた。この方法で直径約φ８０ｍｍ、直胴部長さ約１００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を得ることができた。
【００３１】
（実施例２）：筒状のセラミックス製支持具３及びセラミックス製押さえ支持具２の代用として、グラファイト製支持具を用いて上述の実施例１と同じ手順で、炉内雰囲気をＡｒガスに置換した後、結晶成長を行った。この場合も、石英ガラス成長容器１、グラファイト製支持具を破損させずに結晶を取り出すことができた。
【００３２】
（他の実施例）：尚、上述の実施例１、２では、石英ガラス成長容器１そのものを成長用ルツボとして成長を行った場合について説明したが、たとえば、ｐＢＮルツボの中でも成長を行い、ルツボ全体を石英アンプルで覆った場合でも、その石英アンプルを上述の実施例と同様に分割型の筒状セラミックス製支持具３で周りを支持することによって、成長時の変形を防止し、しかも結晶固化後は、石英アンプルを破損させないで炉から取り出すことができる。
【００３３】
また、上述の実施例では、ＧａＡｓの単結晶成長について述べたが、ＧａＡｓの他に、たとえば、ＩｎＰ、ＧａＰ等の単結晶成長に応用することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、単結晶を成長する際、石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具で覆い、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具によって固定するようにしたので、石英ガラス成長容器の成長中の高温時の変形を効果的に防ぐことができ、冷却時にセラミックス製支持具に加えられる外向きの外力を上部のセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることによって、その締付力を解除するようにしたので、石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の単結晶成長装置の概略縦断面図である。
【図２】本実施の形態の結晶成長後にセラミックス製押さえ支持具の締付力を解除した状態の縦断面図である。
【図３】本実施の形態の筒状のセラミックス製支持具の斜視図である。
【符号の説明】
１ 石英ガラス成長容器
２ａ、２ｂ 上部、下部セラミックス製押さえ支持具
３ 筒状セラミックス製支持具
４ 石英ガラスキャップ
５ 種結晶
６ 単結晶
７ 原料融液
８ 肩部サセプタ
９ 縦型電気炉
１０ａ、１０ｂ 駆動架台
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直ブリッジマン法による単結晶成長方法及びその装置に関し、
特に石英ガラス成長容器の変形防止ための石英ガラス成長容器の支持方法及び支持具の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、φ３”を超える大型で、しかも低転移密度のＧａＡｓ結晶が得られる方法として、液体封止引上法（ＬＥＣ法）に代わって、垂直ブリッジマン法が注目されている。この方法は、成長容器の下部に種結晶を設置し、その上にＧａＡｓ原料を置き、上部が高く下部が低い温度分布を設けた縦型電気炉の中で、種結晶側の下部から上部に向かって結晶固化させるものである。
【０００３】
しかし、現在検討されている垂直ブリッジマン法は、もともと半絶縁性結晶を成長させることが目的であったため、ほとんどの垂直ブリッジマン法では、パイロリティック窒化ホウ素（ｐＢＮ）成長容器を用いている。これは、例えば、下記文献などに示されている。
【０００４】
（１）Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，７４，４９１，１９６８年
（２）Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．７，１４６８，１９９０年
（３）Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ９４，６４３，１９８９年
しかし、ｐＢＮ成長容器は、（１）非常に高価であり、（２）Ｂ２ Ｏ３ で覆われていないためｐＢＮからの不純物が混入し、（３）同じく結晶表面のｐＢＮとの境界に気泡等が発生し、結晶表面が凹凸になりこの部分からの結晶欠陥が発生し易くなり、（４）Ｂ２ Ｏ３ で覆うとＢ２ Ｏ３ から還元されたＢ（ホウ素）がかなりの高濃度でＧａＡｓ結晶中に混入してしまうという種々の欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近、半絶縁性結晶だけでなく、導電性結晶の需要が増えている。これは、Ｓｉドープ、Ｚｎドープ等の導電性結晶が半導体レーザや発光ダイオード用の基板として用いられているようになったからである。垂直ブリッジマン法で導電性結晶を得るには、ｐＢＮ容器は必要でなく、石英ガラス成長容器で充分である。石英ガラス成長容器は、石英ボートとして使用され、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）で既に多くの実績がある。
【０００６】
しかしながら、ＨＢ法と同様に石英ガラス成長容器を用いて結晶成長を行おうとすると、ＧａＡｓ成長温度（融点１２３８℃）領域では、石英ガラス成長容器が変形を起こしてしまう。すなわち、ＧａＡｓ溶液を入れた大型の石英ガラス成長容器を高温中に置くと熱によって変形してしまうため、石英ガラス成長容器を立てたまま保持することは不可能である。特に結晶長を１００ｍｍから長くしていく場合に、石英ガラス成長容器の変形は顕著に現れ、結晶成長そのものが不能になる場合が出てくる。
【０００７】
そこで、石英ガラス成長容器に変形を発生させないように、石英ガラス成長容器の外側を何らかの支持部材で囲む方法が考えられるが、この方法は結晶固化後の冷却過程において、熱収縮率の差、つまり、石英ガラスは熱収縮率が非常に小さいことによって、支持部材や石英ガラス成長容器を破損させてしまう。また、支持部材で囲まない従来の結晶成長装置では、移動の際の石英ガラス成長容器が不安定であり、その固定方法に問題があった。
【０００８】
このようなことから、石英ガラス成長容器が成長中の高温時にも変形せず、成長後の冷却時にも破損しないような単結晶成長方法及びその装置の実現が要請されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する単結晶成長方法において、（１）予め軸方向に少なくとも３つに縦切り分割した筒状のセラミックス製支持具を設置し、（２）筒状のセラミックス製支持具で取り囲むように石英ガラス成長容器を設置し、（３）筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえるように上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具を設置し、（４）石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる際に、上記石英ガラス成長容器を上記筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加え、結晶固化後の冷却時においては、上記筒状のセラミックス製支持具と上記石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって上記石英ガラス成長容器から上記筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置された上記セラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで吸収する。
【００１０】
このような構成で、筒状のセラミックス製支持具の上部及び下部にセラミックス製押さえ支持具で固定することによって、結晶成長時の熱変形を防止することができる。また、結晶固化後の冷却時において、筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を解除するために、上部のセラミックス製押さえ支持具を径方向の押さえ力を緩めるようにした。これによって、単結晶成長後の冷却時における石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【００１１】
また、本発明は、石英ガラス成長容器を縦型に設置し、この石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる単結晶成長装置において、（１）軸方向に少なくとも３つに縦切り分割され、石英ガラス成長容器の外周を支持する筒状のセラミックス支持具と、（２）筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえる上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具と、（３）結晶固化の際に石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加える締付手段と、（４）結晶固化後の冷却時において、筒状のセラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器から筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置されたセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで解除する解除手段とを備える。
【００１２】
筒状のセラミックス支持具、上記上部と下部のセラミックス製押さえ支持具、のいずれか又は両方をシリコンカーバイト（ＳｉＣ）製支持具で形成したり、グラファイト製支持具で形成することも好ましい。
【００１３】
このような構成を採ることで、単結晶成長中における石英ガラス成長容器の変形を効果的に防止することができる。また、単結晶成長後の冷却時における石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１５】
（１）本実施の形態の単結晶成長方法は、垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する方法において、予め軸方向に少なくとも３つに縦切りした筒型状のセラミックス製支持具を用意し、分割された筒状のセラミックス製支持具を筒状の石英ガラス成長容器を採り囲むように設置すると共に、筒状のセラミックス製支持具の上部及び下部にセラミックス製押さえ支持具で固定することによって成長時の熱変形が防止され、石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させ、結晶固化後の冷却時において、セラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器からセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具の上部で固定していた段差を有したセラミックス製押さえ支持具を上方に引き上げ、軸方向の押さえ力を緩めることによって解除するようにする。
【００１６】
ここで、垂直ブリッジマン法には、温度勾配のみで成長させるバーティカルグラディエントフリ−ジング法（ＶＧＦ）、成長用容器を相対的に降下させて成長させるバーティカルブリッジマン法（ＶＢ法）、さらに、Ａｓ圧を制御する方式、Ｂ２ Ｏ３ で融液表面を覆いＡｓの揮散を防ぐ方式のいずれの方法も適用することができる。
【００１７】
（２）また、本実施の形態の単結晶成長装置は、石英ガラス成長容器を縦型に配置し、この石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる単結晶成長装置において、結晶固化後の冷却時において、セラミックス製支持具と石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器からセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具の上部で固定していた段差を有したセラミックス製押さえ支持具を上方に引き上げ、径方向の押さえ力を緩めることによって解除するように設備を備える。
【００１８】
図１は、本実施の形態の単結晶成長装置の概略縦断面図である。図２は、結晶成長後にセラミックス製押さえ支持具の締付力を解除した状態を示す断面図である。
【００１９】
この図１において、結晶成長時において、石英ガラス成長容器１は、縦型電気炉９に配置され、上部、下部セラミックス製押さえ支持具２によって固定され、回転しながら下降するように構成されている。縦型電気炉９内には、横方向に３分割された電気炉発熱体が設けられ、各電気炉発熱体は、下部で低温、中間部で単結晶の固化温度、上部で原料融液を保持する高温になるように制御されている。
【００２０】
石英ガラス成長容器１は、円筒形の形状をしており、下部に肩部と種結晶を載置する小径の種結晶５の載置部とを有し、肩部を下部セラミックス製押さえ支持具２ｂ上に設けた肩部サセプタ８に載せて、炉内に縦型に配置される。石英ガラス成長容器１内の種結晶５の載置部に載置された種結晶５の上にＧａＡｓ等の結晶原料が入れられる。
【００２１】
肩部サセプタ８を含めた石英ガラス成長容器１の全外周には、円筒状で内径が石英ガラス成長容器１の外径とほぼ同一で、石英ガラス成長容器１を取り囲んで支持する筒状のセラミックス製支持具３が設置される。図１に示すようにこの筒状セラミックス製支持具３は、縦方向に少なくとも３つに分割され、上部、下部のセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂによって縦方向に固定されている。
【００２２】
図２に示すように、結晶固化後の冷却時に筒状のセラミックス製支持具３と、石英ガラス成長容器１との熱収縮率の差によって石英ガラス成長容器１から筒状のセラミックス製支持具３に与えられる径方向外方の外力を、筒状のセラミックス製支持具３の上部で固定していた段差を有した上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、セラミックス製押さえ支持具２ａの段差部に筒状のセラミックス製支持具３を固定し、径方向の押さえ力を緩めることによって、解除できるように構成されている。
【００２３】
図３は、本実施の形態の縦３分割の筒状のセラミックス支持具の概略図である。この図３において、筒状のセラミックス製支持具３は、少なくとも３分割された弧状セグメント３ａ、３ｂ、３ｃから構成し、セグメントの分割端は互いにかみ合うように段差が設けられ、円筒形に組み立てたとき、円形がずれないようにして石英ガラス成長容器１の外周を確実に囲繞して支持できるように構成されている。
【００２４】
このように石英ガラス成長容器１の変形防止用に筒状セラミックス製支持具３を用いて石英ガラス成長容器１の外周を支持しているので、結晶成長中は筒状セラミックス製支持具３によって石英ガラス成長容器１が熱変形することを有効に防止できる。このため１００ｍｍを超える長さの成長容器でも成長が可能となる。
【００２５】
また、筒状セラミックス製支持具３を縦方向に分割し、その上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂによって固定する。筒状のセラミックス製支持具３よりも石英ガラス成長容器１の熱収縮率が小さいため、結晶固化後の冷却時は、石英ガラス成長容器１の外形がわずかしか縮径しないのに対して、筒状のセラミックス製支持具３の方は大きく縮径するため、筒状セラミックス製支持具３は、石英ガラス成長容器１から外側に押し出される外力を受ける。そのとき、上部より押さえている上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、径方向の押さえ力を弱めることによって、この径方向の外力を解除し、筒状セラミックス製支持具３及び石英ガラス成長容器１は破損を免れる。
【００２６】
（本発明の実施の形態の効果）：以上の本発明の実施の形態によれば、石英ガラス成長容器中の垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する際、石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具で覆い、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具によって固定するようにしたので、石英ガラス成長容器の成長中の変形を有効に防ぐことができる。
【００２７】
また、筒状のセラミックス製支持具を少なくとも３分割して、これをセラミックス製の押さえ支持具によって冷却時にセラミックス製支持具に加えられる外向きの外力を上部のセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることによって、その締付力を解除するようにしたので、石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を有効に防止することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）：本実施例１では、ＧａＡｓ単結晶成長を例にして、上述の図１を参照しながら具体的な実施例を説明する。石英ガラス成長容器１の中に種結晶５とＧａＡｓ原料３ｋｇを入れた後、石英ガラス成長容器１を真空で封じる。縦方向に３分割した筒状のセラミックス製支持具３で、肩部サセプタ８と共に石英ガラス成長容器１を囲み、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具２ａ、２ｂで筒状のセラミックス製支持具３と石英ガラス成長容器１とを押さえ、駆動架台１０ａ、１０ｂの上に設置し、縦型電気炉９を大気中で昇温する。
【００２９】
種結晶５の部分を約１２００℃、上部原料を約１２４５℃に調整する。原料を溶かし込んで融液とした後、固液界面の温度勾配を約４℃／ｃｍに調整しながら石英ガラス成長容器１を回転上昇させ、種付けを行う。その後回転させたまま３ｍｍ／ｈｒの速度で石英ガラス成長容器１を矢印で示すように下降させて結晶固化を行う。全体を固化した後、約１００℃／ｈｒで室温まで冷却し、石英ガラス成長容器１を筒状のセラミックス製支持具３と共に縦型電気炉９から取り出す。
【００３０】
石英ガラス成長容器１よりも筒状セラミックス製支持具３の方が熱収縮率が大きいため、室温までの冷却途中に筒状のセラミックス製支持具３の上部で固定していた段差を有した上部セラミックス製押さえ支持具２ａを上方に引き上げ、上部セラミックス製押さえ支持具２ａの段差部に筒状のセラミックス製支持具３を固定し、径方向の押さえ力を緩めることによって、その外力を解除し、筒状のセラミックス製支持具３、石英ガラス成長容器１の両方ともに破損は免れた。この方法で直径約φ８０ｍｍ、直胴部長さ約１００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を得ることができた。
【００３１】
（実施例２）：筒状のセラミックス製支持具３及びセラミックス製押さえ支持具２の代用として、グラファイト製支持具を用いて上述の実施例１と同じ手順で、炉内雰囲気をＡｒガスに置換した後、結晶成長を行った。この場合も、石英ガラス成長容器１、グラファイト製支持具を破損させずに結晶を取り出すことができた。
【００３２】
（他の実施例）：尚、上述の実施例１、２では、石英ガラス成長容器１そのものを成長用ルツボとして成長を行った場合について説明したが、たとえば、ｐＢＮルツボの中でも成長を行い、ルツボ全体を石英アンプルで覆った場合でも、その石英アンプルを上述の実施例と同様に分割型の筒状セラミックス製支持具３で周りを支持することによって、成長時の変形を防止し、しかも結晶固化後は、石英アンプルを破損させないで炉から取り出すことができる。
【００３３】
また、上述の実施例では、ＧａＡｓの単結晶成長について述べたが、ＧａＡｓの他に、たとえば、ＩｎＰ、ＧａＰ等の単結晶成長に応用することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、単結晶を成長する際、石英ガラス成長容器を筒状のセラミックス製支持具で覆い、上部、下部よりセラミックス製押さえ支持具によって固定するようにしたので、石英ガラス成長容器の成長中の高温時の変形を効果的に防ぐことができ、冷却時にセラミックス製支持具に加えられる外向きの外力を上部のセラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることによって、その締付力を解除するようにしたので、石英ガラス成長容器及び筒状のセラミックス製支持具の破損を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の単結晶成長装置の概略縦断面図である。
【図２】本実施の形態の結晶成長後にセラミックス製押さえ支持具の締付力を解除した状態の縦断面図である。
【図３】本実施の形態の筒状のセラミックス製支持具の斜視図である。
【符号の説明】
１ 石英ガラス成長容器
２ａ、２ｂ 上部、下部セラミックス製押さえ支持具
３ 筒状セラミックス製支持具
４ 石英ガラスキャップ
５ 種結晶
６ 単結晶
７ 原料融液
８ 肩部サセプタ
９ 縦型電気炉
１０ａ、１０ｂ 駆動架台
Claims (4)
- 垂直ブリッジマン法によって単結晶を成長する単結晶成長方法において、予め軸方向に少なくとも３つに縦切り分割した筒状のセラミックス製支持具を設置し、上記筒状のセラミックス製支持具で取り囲むように石英ガラス成長容器を設置し、上記筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえるように上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具を設置し、上記石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる際に、上記石英ガラス成長容器を上記筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加え、結晶固化後の冷却時においては、上記筒状のセラミックス製支持具と上記石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって上記石英ガラス成長容器から上記筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置された上記セラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで吸収することを特徴とする単結晶成長方法。
- 石英ガラス成長容器を縦型に設置し、この石英ガラス成長容器中に入れた原料融液を下部から上部に向かって徐々に結晶固化させる単結晶成長装置において、軸方向に少なくとも３つに縦切り分割され、上記石英ガラス成長容器の外周を支持する筒状のセラミックス支持具と、上記筒状のセラミックス製支持具及び石英ガラス成長容器を上部及び下部から押さえる上部及び下部のセラミックス製押さえ支持具と、上記結晶固化の際に上記石英ガラス成長容器を上記筒状のセラミックス製支持具の外周から締付力を加える締付手段と、結晶固化後の冷却時において、上記筒状のセラミックス製支持具と上記石英ガラス成長容器との熱収縮率の差によって上記石英ガラス成長容器から上記筒状のセラミックス製支持具に与えられる径方向外方の外力を、上部に設置された上記セラミックス製押さえ支持具の押さえ力を緩めることで解除する解除手段とを備えることを特徴とする単結晶成長装置。
- 上記筒状のセラミックス支持具、上記上部と下部のセラミックス製押さえ支持具、のいずれか又は両方をシリコンカーバイト（ＳｉＣ）製支持具で形成することを特徴とする請求項２記載の単結晶成長装置。
- 上記筒状のセラミックス支持具、上記上部と下部のセラミックス製押さえ支持具、のいずれか又は両方をグラファイト製支持具で形成することを特徴とする請求項２記載の単結晶成長装置。
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