JP4817670B2 - 結晶成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、結晶成長装置に関し、より詳細には、ＴＳＳＧ法による結晶成長において、炉内付着物の成長結晶への付着を防ぎ、高品質の単結晶を製造するための結晶成長装置に関する。

従来、酸化物バルク単結晶の結晶成長方法として、浮遊帯域溶融（ＦＺ：Floating Zone）法、ブリッジマン法、炉温降下法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、溶融した溶液に種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Top-Seeded Solution-Growth）法が知られている。ＴＳＳＧ法は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＬｉＮｂＯ_３単結晶の結晶成長法として知られているチョクラルスキー法（ＣＺ法）と同様に、結晶の形状制御が可能であり、大型ウェハを作製するための結晶母材を得ることができる。

図１に、従来のＴＳＳＧ法による結晶成長装置を示す。結晶製造装置は、ヒータ４によって温度制御可能な縦型管状炉５を有し、縦型管状炉５内のるつぼ台２に原料溶液８を入れたるつぼ１を設置している。縦型管状炉５は、炉体ふた１０により密閉され、内面に設置された均熱管３により、炉内の温度が一定に保たれるようになっている。このような構成において、引き上げ軸６の先端に取り付けられた種子結晶７を、溶融した原料溶液８に浸して、引き上げながら成長結晶９を育成する。この結晶製造装置を用いてＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶を製造する方法を説明する。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶を単結晶として成長させるには、縦型管状炉５内、すなわち、るつぼ１と原料溶液８と成長結晶９とが位置する付近において、均一な温度分布が必要である。そこで上述したように、温度の均一性の高い抵抗加熱式の縦型管状炉５を構成している。また、引き上げ軸６には、アルミナや白金で形成された引き上げ軸を用いるのが、一般的である。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、るつぼ１に充填する。ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。

種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。その後、引き上げ軸６を回転しながら引き上げると同時に、原料溶液８を、加熱量の調整により一定冷却速度で冷却して行く。この一定速度の冷却により、原料溶液８は、過飽和状態となる。加えて、引き上げ軸６は、低温の炉外から導入されているため、脱熱の伝熱経路となる。結晶成長に十分な過飽和状態が原料溶液８に実現すると、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、結晶成長が始まる。そして、種子付け、肩拡げ、定径部と順に成長過程が進行する。育成中は、その状態を形状センサもしくは重量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には、一定速度の冷却に微調整の冷却を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。

特開昭５９−１０７９９６号公報

ヒータ４を加熱して原料溶液８を高温にすると、原料溶液８に含まれるカリウム酸化物が蒸発する。図１に示した従来の結晶成長装置においては、炉体ふた１０と成長結晶９または炉体ふた１０と原料溶液８との間に、空間を遮るものがない。蒸発したカリウム酸化物は、温度の低い縦型管状炉５上部の炉体ふた１０の原料溶液８の液面と対向する下面に堆積する。堆積した堆積物は、一定重量以上堆積すると、重力により成長結晶９や原料溶液８上に落下する。落下した堆積物は、成長結晶上では、成長結晶と反応し、結晶品質を劣化させるという問題があった。また、原料溶液に落下した場合は、その落下をきっかけとして自然核発生を誘起し、成長結晶を多結晶化させるという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、炉内付着物の成長結晶および原料溶液への落下を防止し、高品質の単結晶を製造することができる結晶成長装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸に設置された傘であって、温度６００℃以上となる位置に設置され、前記原料溶液が蒸発して炉上部のふたに堆積した堆積物が、前記るつぼ内の原料溶液または成長結晶の上に落下しないように、前記るつぼの開口面を覆う傘を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含み、前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸に設置された傘であって、温度６００℃以上となる位置に設置され、前記原料溶液が蒸発して炉上部のふたに堆積した堆積物が、前記るつぼ内の原料溶液または成長結晶の上に落下しないように、前記るつぼの開口面を覆う傘を備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、引き上げ軸にるつぼの開口面を覆う傘を備えたことにより、炉内付着物の成長結晶および原料溶液への落下を防止し、高品質の単結晶を製造することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態においては、引き上げ軸６に落下する堆積物を受け止める傘を設置し、落下する堆積物が成長結晶９や原料溶液８に達するのを防止する。このとき、傘の原料溶液８の液面に対向する面に、蒸発したカリウム酸化物が堆積しないように、高い温度に保つ必要がある。そこで、炉内における傘の位置を選択すること、および炉内雰囲気で腐食しない材質を選択することが必要である。

以下に本発明の具体的実施例を説明する。本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。

図２に、本発明の実施例にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す。結晶製造装置は、図１に示した従来の結晶製造装置と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して表す。従来の結晶製造装置との相違は、引き上げ軸６にるつぼ１の開口面を覆う大きさの傘１１を設置している点である。この結晶製造装置を用いてＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶を製造する方法を説明する。

ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料は、素原料であるＫ_２ＣＯ_３とＴａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５とを所望の組成比となるよう秤量し、るつぼ１に充填した。ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料が投入されたるつぼ１は、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。ソーキングと呼ばれる高温処理を原料溶液８に対して行い、原料溶液８内の炭酸基の蒸発、溶液内分子クラスターの分解を促進させることもある。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。

種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。その後、引き上げ軸６を回転しなから引き上げると同時に、原料溶液８の温度を下げることにより、種子結晶７の先端に結晶が析出して成長結晶９が育成する。育成中は、その状態を形状センサもしくは質量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には、一定速度の冷却に微調整の冷却を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。

本実施例では引き上げ軸６にるつぼ１の開口面を覆う大きさの傘１１を設置する。設置高さは、傘１１の原料溶液８の液面に対向する面に、蒸発したカリウム酸化物が堆積しないように、６００℃以上になる温度位置を選択する。また、傘１１の材質は、カリウム酸化物の付着によって浸食されない白金を用いる。結晶成長の間に炉体ふた１０には堆積物が発生し、その一部は剥離落下するが、傘１１上に落下停留し、成長結晶９と原料溶液８には落下しない。

結晶成長を終了し、室温に冷却した後、炉内を観察すると、傘１１下への堆積物の発生は認められず、傘１１の上面にのみ堆積物が付着している。成長結晶９の表面には、堆積物の付着によって発生する表面劣化は、認められない。また、成長中に原料溶液８表面に自然核の発生は認められず、成長結晶も多結晶化しない単結晶である。傘の設置によりＴＳＳＧ法によるＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶成長において、高品質と歩留まり向上とを実現することができる。

なお、本実施形態では、ＴＳＳＧ法によるＫＴａ_ｘＮｂ_1−ｘＯ_３結晶成長を例にしたが、溶解した原料から蒸発と堆積が発生し、成長結晶や原料上に落下する他の引き上げ法による結晶成長装置にも有効であることは言うまでもない。

また、結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことができる。さらに、添加不純物として周期率表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。

従来のＴＳＳＧ法による結晶成長装置の構成を示す図である。 本発明の実施例にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ るつぼ
２ るつぼ台
３ 均熱管
４ ヒータ
５ 縦型管状炉
６ 引き上げ軸
７ 種子結晶
８ 原料溶液
９ 成長結晶
１０ 炉体ふた
１１ 傘

Claims (2)

1. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、
   前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、
   前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸に設置された傘であって、温度６００℃以上となる位置に設置され、前記原料溶液が蒸発して炉上部のふたに堆積した堆積物が、前記るつぼ内の原料溶液または成長結晶の上に落下しないように、前記るつぼの開口面を覆う傘を備えたことを特徴とする結晶成長装置。
2. 炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、
   前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含み、
   前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸に設置された傘であって、温度６００℃以上となる位置に設置され、前記原料溶液が蒸発して炉上部のふたに堆積した堆積物が、前記るつぼ内の原料溶液または成長結晶の上に落下しないように、前記るつぼの開口面を覆う傘を備えたことを特徴とする結晶成長装置。

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