JP5772719B2 - Oxide single crystal growth equipment - Google Patents

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本発明は、酸化物単結晶、特にサファイア単結晶の結晶育成装置における、反射板などの構成部材を設置するための構造に関する。   The present invention relates to a structure for installing a constituent member such as a reflector in a crystal growth apparatus for an oxide single crystal, particularly a sapphire single crystal.

サファイア単結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的および熱的特性、化学安定性、光透過性を有することから、多くの分野ですでに利用されている。特に、サファイア単結晶は、光学分野における発光ダイオードの発光層を成長させるための基板として、あるいは、半導体分野におけるシリコン・オン・サファイア(SOS)デバイス用の基板として用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じて、その需要が飛躍的に伸びてきている。   A sapphire single crystal is a crystal having a corundum structure of aluminum oxide, and has already been used in many fields because it has excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and light transmittance. In particular, sapphire single crystals are used as substrates for growing light emitting layers of light emitting diodes in the optical field or as substrates for silicon on sapphire (SOS) devices in the semiconductor field. As importance increases, the demand is growing dramatically.

サファイア単結晶を製造する主な方法として、サファイア原料を坩堝内で融解し、その原料融液表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げることにより単結晶を育成するチョクラルスキー法(Cz法)やカイロポーラス法(Kyropulous法)などが知られている。なお、育成されたサファイア単結晶は、基板状に加工され、表面を研磨することによりサファイア基板とされる。   Czochralski method (Cz method) in which a sapphire single crystal is produced by melting a sapphire raw material in a crucible and bringing the seed crystal into contact with the surface of the raw material melt and gradually pulling it up. The Kyropulous method is also known. The grown sapphire single crystal is processed into a substrate shape, and the surface is polished to form a sapphire substrate.

サファイア原料融液からチョクラルスキー法によりサファイア単結晶を製造するには、図4に示すようなサファイア単結晶育成装置が用いられる(たとえば、特開2011−195423号公報参照)。このサファイア単結晶育成装置は、炉体7により形成されるチャンバ内に、サファイア原料が充填される坩堝1と、坩堝1の外周面を加熱する円筒状ヒータ部3並びに坩堝1の底面を加熱する円盤状ヒータ部4を有するカーボン製ヒータ30a、30bが配置される断熱空間15を構成するカーボン製の断熱材6とを備える。また、断熱材6の底面部60に設けられた開口に嵌入された酸化アルミニウム製の絶縁筒8を介して、断熱空間15の外側から内側に延在し、円筒状ヒータ部3および円盤状ヒータ部4のそれぞれに接続され、電力を供給するための2つの円筒状ヒータ電極5a、5bと、断熱材6の底面部60と円盤状ヒータ部4の開口を貫通して、坩堝1を支持する支持軸2が設けられている。さらに、断熱材6の上面部61に設けられた開口を通じて、先端に種結晶11が取り付けられた引き上げ軸9が挿入され、育成時に、坩堝1内の原料融液10からチョクラルスキー法によりサファイア単結晶12を育成できるようになっている。   In order to manufacture a sapphire single crystal from a sapphire raw material melt by the Czochralski method, a sapphire single crystal growing apparatus as shown in FIG. 4 is used (for example, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-195423). This sapphire single crystal growing apparatus heats a crucible 1 filled with a sapphire raw material in a chamber formed by a furnace body 7, a cylindrical heater portion 3 for heating the outer peripheral surface of the crucible 1, and a bottom surface of the crucible 1. And a carbon heat insulating material 6 that constitutes a heat insulating space 15 in which the carbon heaters 30a and 30b having the disk-shaped heater portion 4 are arranged. In addition, the cylindrical heater portion 3 and the disc-shaped heater extend from the outside of the heat insulating space 15 to the inside through an insulating cylinder 8 made of aluminum oxide inserted into an opening provided in the bottom surface portion 60 of the heat insulating material 6. The crucible 1 is supported by penetrating through two cylindrical heater electrodes 5a and 5b for supplying power, passing through the bottom surface portion 60 of the heat insulating material 6 and the opening of the disk-shaped heater portion 4 and connected to each of the portions 4. A support shaft 2 is provided. Further, a pulling shaft 9 having a seed crystal 11 attached to the tip is inserted through an opening provided in the upper surface portion 61 of the heat insulating material 6, and sapphire is obtained from the raw material melt 10 in the crucible 1 by the Czochralski method at the time of growth. The single crystal 12 can be grown.

育成に際しては、上面部61が除去されている状態で、サファイア原料が充填された坩堝1を上方から配置し、その後上面部61を設置して、断熱空間15を形成し、引き上げ軸9により種結晶11をサファイア原料融液10に接触させ、育成を開始する。そして、育成後に、上面部61を再度除去し、上方より育成後のサファイア単結晶を取り出す必要がある。   In the growth, the crucible 1 filled with the sapphire raw material is disposed from above with the upper surface portion 61 removed, and then the upper surface portion 61 is installed to form the heat insulating space 15, and the pulling shaft 9 serves as a seed. The crystal 11 is brought into contact with the sapphire raw material melt 10 to start growing. After the growth, it is necessary to remove the upper surface portion 61 again and take out the grown sapphire single crystal from above.

ところで、融点が2040℃であるサファイアをはじめ、2000℃を超える高い融点を有する酸化物単結晶をチョクラルスキー法により育成する場合、炉内は同様に2000℃を超える高温環境となる。このため、酸化物単結晶育成装置の構成部材は、このような高温環境に耐性を有する材料により形成する必要がある。たとえば、坩堝1には、モリブデン、タングステン、あるいはこれらの合金といった材料が使用される。また、断熱材6として、ジルコニア断熱材を採用すると、ジルコニアが高温で分解して酸素を発生し、この酸素が坩堝1を構成するモリブデンやタングステンを酸化させ、結晶や原料融液10の汚染につながることから、高温環境でも安定なカーボン製の断熱材6が採用されている。また、ヒータについても、タングステン製ヒータを構成するタングステンが脆くて高価なことから、断熱材6と同様に、カーボン製ヒータが採用される。   By the way, when the oxide single crystal which has a high melting point exceeding 2000 degreeC including the sapphire whose melting point is 2040 degreeC is grown by the Czochralski method, the inside of a furnace similarly becomes a high temperature environment exceeding 2000 degreeC. For this reason, the constituent member of the oxide single crystal growing apparatus needs to be formed of a material having resistance to such a high temperature environment. For example, the crucible 1 is made of a material such as molybdenum, tungsten, or an alloy thereof. Further, when a zirconia heat insulating material is employed as the heat insulating material 6, zirconia decomposes at a high temperature to generate oxygen, and this oxygen oxidizes molybdenum and tungsten constituting the crucible 1 to cause contamination of the crystal and the raw material melt 10. Since it connects, the carbon heat insulating material 6 which is stable also in a high temperature environment is employ | adopted. As for the heater, since the tungsten constituting the tungsten heater is fragile and expensive, a carbon heater is employed in the same manner as the heat insulating material 6.

また、2000℃を超える高融点の酸化物単結晶の育成では、育成された単結晶からの輻射による熱放出や原料融液の高い粘度に起因して、融液内の温度勾配の適正化が困難なものとなっている。特に、サファイア単結晶は、融液内で結晶成長が進行するという特性を有するため、得られるサファイア単結晶の品質がこの融液の温度勾配の影響を受けやすくなっている。このため、サファイア単結晶を収率よく得るためには、適正な温度勾配を形成することで結晶成長を制御する必要があり、これによって、熱応力による単結晶内部の歪みの発生を抑制し、格子欠陥の発生を防止することができる。   In addition, in the growth of high melting point oxide single crystals exceeding 2000 ° C., the temperature gradient in the melt can be optimized due to heat release from the grown single crystals and the high viscosity of the raw material melt. It has become difficult. In particular, since the sapphire single crystal has a characteristic that crystal growth proceeds in the melt, the quality of the obtained sapphire single crystal is easily affected by the temperature gradient of the melt. For this reason, in order to obtain a sapphire single crystal with good yield, it is necessary to control crystal growth by forming an appropriate temperature gradient, thereby suppressing the occurrence of distortion inside the single crystal due to thermal stress, Generation of lattice defects can be prevented.

さらに、サファイア単結晶の育成においては、その初期段階での原料融液の温度勾配の制御が適正に行われず、低温度勾配下で融液温度が低くなりすぎると、育成開始から短時間で育成結晶の肩部が形成されてしまい、固液界面が結晶側に凹んだ凹界面となってしまうことに起因して、結晶欠陥(ボイド、多結晶化)の問題が生ずる場合もある。したがって、サファイアの収率を向上させるには、温度勾配と融液温度を高い精度で制御する必要がある。   Furthermore, in the growth of sapphire single crystals, the temperature gradient of the raw material melt at the initial stage is not properly controlled, and if the melt temperature becomes too low under a low temperature gradient, the growth is started in a short time from the start of the growth. Crystal shoulders are formed, and the solid-liquid interface becomes a concave interface that is recessed toward the crystal side, which may cause a problem of crystal defects (voids, polycrystallization). Therefore, in order to improve the yield of sapphire, it is necessary to control the temperature gradient and the melt temperature with high accuracy.

このように、サファイア単結晶などの高融点の酸化物単結晶の育成では、原料融液を含めて、炉内全体の温度分布を制御し、適正な温度勾配を形成することが重要となるが、このような環境を実現するための手段の一つとして、融液から放出される輻射熱を融液に戻すための熱反射板13を設けることが提案されている(特開2007−223830号公報参照)。   As described above, in growing a high melting point oxide single crystal such as a sapphire single crystal, it is important to control the temperature distribution in the entire furnace including the raw material melt to form an appropriate temperature gradient. As one of means for realizing such an environment, it has been proposed to provide a heat reflecting plate 13 for returning the radiant heat emitted from the melt to the melt (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-223830). reference).

育成の高温環境下で使用される、このような熱反射板13を含む、炉内全体の温度分布を制御するための構成部材の材料も、高温耐性のあるモリブデンやタングステンに限られてしまう。使用時には、これらの構成部材は、通常、カーボン製の断熱材6に支持される。   The material of the structural member for controlling the temperature distribution of the whole furnace including such a heat reflection plate 13 used in a high temperature environment for growth is also limited to molybdenum and tungsten having high temperature resistance. In use, these components are normally supported by a carbon heat insulating material 6.

特開2011−195423号公報JP 2011-195423 A 特開2007−223830号公報JP 2007-223830 A

このように2000℃を超える融点を有するサファイア単結晶などの酸化物単結晶の育成において、熱反射板などの構成部材の原料は、モリブデンやタングステンといった材料に限られるが、これらの構成部材を支持する支持部材であるカーボン製の断熱材とが、2000℃を超える高温環境では反応してしまい、これらの構成部材は炭化し、融着してしまう。さらに炭化反応が進めば、構成部材が脆化し、落下する場合もある。また、融着が起これば、育成終了後に、チャンバ内から単結晶インゴットを取り出す際、熱反射板とカーボン製の断熱材を破壊する必要が生じる。この破壊作業は困難であり、生産性を悪化させる上に、破壊した構成部材は再利用することができないので、育成コストの高騰を招いている。また、構成部材が脆化し落下すれば、育成結晶にクラックを発生させるなどの収率低下の要因となるばかりでなく、落下物によって坩堝内に残った原料が汚染される。この場合、次回育成時に、汚染された原料を坩堝ごと交換しなければならず、育成コストが、ますます高騰するなどの問題が生じている。   As described above, in the growth of oxide single crystals such as sapphire single crystals having a melting point exceeding 2000 ° C., the raw materials of the constituent members such as the heat reflecting plate are limited to materials such as molybdenum and tungsten, but these constituent members are supported. The carbon heat insulating material, which is a supporting member, reacts in a high temperature environment exceeding 2000 ° C., and these constituent members are carbonized and fused. If the carbonization reaction further proceeds, the constituent members may become brittle and fall. Further, if fusion occurs, it is necessary to destroy the heat reflecting plate and the heat insulating material made of carbon when the single crystal ingot is taken out from the chamber after completion of the growth. This destruction work is difficult, and the productivity is deteriorated. In addition, the destroyed components cannot be reused, which increases the cost of training. Further, if the constituent member becomes brittle and falls, it not only causes a decrease in yield such as generating cracks in the grown crystal, but also the raw material remaining in the crucible is contaminated by the fallen material. In this case, at the time of the next growth, the contaminated raw material must be replaced with the crucible, and there is a problem that the growth cost increases more and more.

本発明は、このような問題に鑑み、チョクラルスキー法によるサファイア単結晶の結晶育成において、構成部材同士の炭化反応により、その構成部材のもたらす効果を減殺させることなく、必要な構成部材の設置を可能とする構造を提供することを目的としている。   In view of such a problem, the present invention, in the crystal growth of a sapphire single crystal by the Czochralski method, by the carbonization reaction between the constituent members, without reducing the effects of the constituent members, the installation of the necessary constituent members The object is to provide a structure that enables this.

本発明の酸化物単結晶育成装置は、従来の育成装置と同様の基本構造を有するとともに、カーボン製の構成部材と、該カーボン製の構成部材に取り付けられ、モリブデン、タングステン、または、モリブデンもしくはタングステンの少なくとも一方を主成分として含む合金からなる金属製の構成部材とを備える。   The oxide single crystal growth apparatus of the present invention has a basic structure similar to that of a conventional growth apparatus, and is attached to a carbon component member and the carbon component member, and molybdenum, tungsten, or molybdenum or tungsten. And a metal component made of an alloy containing at least one of the above as a main component.

前記カーボン製の構成部材としては、坩堝の周囲に配置される断熱材もしくは該断熱材に支持された支持部材を挙げることができるが、これには、カーボン製のヒータも含められる。一方、前記金属製の構成部材としては、坩堝の上方に配置され、融液から放出される輻射熱を融液に戻すための熱反射板などを挙げることができる。   Examples of the carbon structural member include a heat insulating material disposed around the crucible or a supporting member supported by the heat insulating material, and this includes a carbon heater. On the other hand, examples of the metallic component member include a heat reflecting plate that is disposed above the crucible and returns radiant heat released from the melt to the melt.

本発明の一態様では、前記カーボン製の構成部材と前記金属製の構成部材の接続部に、これらの構成部材同士が接触しないように配置され、炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物により構成されている接続部材を配置することを特徴とする。   In one aspect of the present invention, the carbon component and the metal component are connected to each other so that the components do not contact each other, and tantalum carbide or a carbide containing tantalum carbide as a main component is used. It is characterized by disposing a configured connecting member.

また、別の態様では、接続部材を備えることに代替して、前記金属製の構成部材の表面のうち少なくとも前記カーボン製の構成部材との接続部を、炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物により被覆していることを特徴とする。なお、この金属製の構成部材の全面を被覆してもよい。   Further, in another aspect, instead of providing a connection member, at least a connection portion with the carbon component member of the surface of the metal component member is mainly composed of tantalum carbide or tantalum carbide. It is characterized by being coated with carbide. In addition, you may coat | cover the whole surface of this metal structural member.

本発明の酸化物単結晶育成装置は、融点が2000℃を超える酸化物単結晶の育成、特に、サファイア単結晶の育成に好適に用いられる。   The oxide single crystal growing apparatus of the present invention is suitably used for growing an oxide single crystal having a melting point exceeding 2000 ° C., particularly for growing a sapphire single crystal.

本発明によれば、サファイア単結晶の育成における高温環境下においても、モリブデンまたはタングステン系の熱反射板とカーボン製のその支持部材とが反応することがない。よって、炭化反応により支持部材などが脆化することがないため、育成中に、これらの支持部材が融液に落下することもない。また、育成終了後に育成結晶を取り出す際に、熱反射板と支持部材との分解作業を容易にすることができ、生産効率を改善することができるため、その工業的意義はきわめて大きい。   According to the present invention, even in a high temperature environment for growing a sapphire single crystal, the molybdenum or tungsten-based heat reflecting plate does not react with the support member made of carbon. Therefore, since the support members and the like are not embrittled by the carbonization reaction, these support members do not fall into the melt during the growth. Further, when taking out the grown crystal after the growth is completed, the work of disassembling the heat reflecting plate and the support member can be facilitated, and the production efficiency can be improved.

図1は、本発明の酸化物単結晶育成装置において、モリブデン製の熱反射板を、カーボン製の断熱材に取り付けられたカーボン製の支持部材に対して、炭化タンタル製の接続部材を介して取り付けた構造を模式的に示す断面図である。FIG. 1 shows an apparatus for growing an oxide single crystal according to the present invention, in which a molybdenum heat reflecting plate is connected to a carbon support member attached to a carbon heat insulating material via a connection member made of tantalum carbide. It is sectional drawing which shows the attached structure typically. 図2は、本発明の酸化物単結晶育成装置において、モリブデン製の熱反射板を、カーボン製の断熱材に、炭化タンタル製の接続部材を介して取り付けた構造を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a heat reflecting plate made of molybdenum is attached to a heat insulating material made of carbon via a connecting member made of tantalum carbide in the oxide single crystal growing apparatus of the present invention. is there. 図3は、本発明の酸化物単結晶育成装置において、炭化タンタルにより被覆されたモリブデン製の熱反射板を、カーボン製の断熱材に取り付けた構造を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a molybdenum heat reflecting plate covered with tantalum carbide is attached to a carbon heat insulating material in the oxide single crystal growing apparatus of the present invention. 図4は、従来技術のサファイア単結晶育成装置を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a conventional sapphire single crystal growth apparatus.

サファイア単結晶をチョクラルスキー法により育成する場合、サファイア単結晶の融点が2000℃以上であることから、断熱空間15の温度も2000℃を超えるものとなる。このような高温環境下では、モリブデン(Mo)またはタングステン(W)などからなる熱反射板と、これを支持するカーボン(C)製の断熱材6aまたは支持部材21が部分的に反応してしまい、育成終了後の熱反射板と支持部材との分解作業がきわめて困難となり、サファイア単結晶育成の生産効率を妨げる一因となっている。   When the sapphire single crystal is grown by the Czochralski method, the temperature of the heat insulating space 15 also exceeds 2000 ° C. because the melting point of the sapphire single crystal is 2000 ° C. or higher. Under such a high temperature environment, the heat reflecting plate made of molybdenum (Mo) or tungsten (W) or the like, and the carbon (C) heat insulating material 6a or the supporting member 21 supporting the heat reflecting plate partially react. This makes it difficult to disassemble the heat reflecting plate and the support member after completion of the growth, which hinders the production efficiency of sapphire single crystal growth.

本発明者らは、このような問題を解決するため、高融点を有し、かつ、高温環境下においてもカーボンと反応することなく、熱反射板などの金属製の構成部材を安定して、カーボン製の断熱材や支持部材などに支持することを可能とする、剛性を有する部材について鋭意研究を重ねた。このような条件を満たし、かつ、工業的に利用できる部材として、炭化タンタル(TaC)に着目して鋭意研究を行ったところ、炭化タンタルは、サファイア単結晶の育成下における高温耐性を有し、かつ、カーボンと反応することがなく、そのような接続部材として最適であるとの知見が得られたのである。   In order to solve such problems, the present inventors have a high melting point, and do not react with carbon even in a high temperature environment, and stably make a metal component such as a heat reflecting plate, We have earnestly researched about rigid members that can be supported by carbon insulation and support members. As a member that satisfies such conditions and can be used industrially, tantalum carbide (TaC) has been studied earnestly, tantalum carbide has high temperature resistance under the growth of sapphire single crystals, And the knowledge that it does not react with carbon and is optimal as such a connection member was acquired.

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、サファイア単結晶などの高融点の酸化物単結晶の育成装置における高温環境で使用されるカーボン製の構成部材と金属製の部材が接触しないように、これらの構成部材の接続部に接続部材を設けるとともに、この接続部材を、炭化タンタルにより構成していることを特徴としている。   The present invention has been made on the basis of such knowledge, and a carbon component member and a metal member used in a high temperature environment in a growth apparatus for a high melting point oxide single crystal such as a sapphire single crystal are provided. A connecting member is provided at a connecting portion of these constituent members so that they do not come into contact with each other, and the connecting member is made of tantalum carbide.

接続部材は、炭化タンタルのみならず、炭化タンタルを主成分とする炭化物により構成することもできる。すなわち、炭化タンタル自体の硬度は非常に高く(モース硬度9〜10)、炭化タンタルのみから構成した場合には、接続部材を所望の形状に加工することが困難となる場合もあることから、ニオブ、モリブデンといった金属またはこれらの炭化物を含有させて、高温環境下での強度などの高温耐性およびカーボンとの反応可能性を除去しつつ、硬度などの加工性を改善することもできる。なお、この場合、接続部材を構成する材料のうちの炭化タンタル以外の金属または炭化物の含有量を50質量%以下、好ましくは10質量%以下とする。   The connecting member can be made of not only tantalum carbide but also a carbide mainly composed of tantalum carbide. That is, the hardness of tantalum carbide itself is very high (Mohs hardness 9 to 10), and when it is composed only of tantalum carbide, it may be difficult to process the connecting member into a desired shape. Further, by incorporating a metal such as molybdenum or a carbide thereof, it is possible to improve workability such as hardness while removing high temperature resistance such as strength under high temperature environment and possibility of reaction with carbon. In this case, the content of the metal or carbide other than tantalum carbide in the material constituting the connection member is 50% by mass or less, preferably 10% by mass or less.

なお、このような炭化タンタルおよび炭化タンタルを主成分とする炭化物からなる接続部材は、原料粉末を所定の形状に成形し、得られた成形物を焼結させることにより得ることができる。   A connecting member made of tantalum carbide and a carbide mainly composed of tantalum carbide can be obtained by forming the raw material powder into a predetermined shape and sintering the obtained molded product.

図1は、このような接続部材を用いた、本発明の一態様の酸化物単結晶育成装置における、熱反射板の取り付け構造を模式的に示している。熱反射板13aは中央部が開口する円盤状の形状を有している。図1の例では、この熱反射板13aを上下方向(引き上げ軸9の軸方向)に2枚離隔して配置し、これらを支柱14により支持している。これらの熱反射板13aおよびその支柱14は、モリブデン(Mo)、タングステン(W)またはMoもしくはWを主成分とする合金から構成されている。   FIG. 1 schematically shows a heat reflecting plate mounting structure in an oxide single crystal growing apparatus of one embodiment of the present invention using such a connecting member. The heat reflecting plate 13a has a disk shape with an opening at the center. In the example of FIG. 1, the two heat reflecting plates 13 a are arranged apart in the vertical direction (the axial direction of the lifting shaft 9) and are supported by the columns 14. These heat reflecting plates 13a and their support columns 14 are made of molybdenum (Mo), tungsten (W), or an alloy containing Mo or W as a main component.

一方、断熱材6aの径方向複数箇所には、熱反射板13aを支持した支柱14を支持するための支持部材21が、その内壁から径方向に突出するように、固定されている。これらの支持部材21は、断熱材6aと同様に、カーボン(C)材により構成されている。   On the other hand, a support member 21 for supporting the support column 14 that supports the heat reflecting plate 13a is fixed to a plurality of locations in the radial direction of the heat insulating material 6a so as to protrude from the inner wall in the radial direction. These support members 21 are made of a carbon (C) material, similarly to the heat insulating material 6a.

本発明者らの知見によれば、モリブデンまたはタングステンとカーボンとは、サファイアの育成温度である2000℃を超える高温環境下では容易に反応して、これらの接触部分が炭化モリブデンまたは炭化タングステンに変化し、その接触部分で部材相互が融着してしまうことになる。この場合、育成終了後に、育成結晶を炉内から取り出す際に、支柱14を支持部材21から取り外し、熱反射板13aとともに、断熱空間15から除去する必要があるが、その取り外しが非常に困難なものとなる。   According to the knowledge of the present inventors, molybdenum or tungsten and carbon easily react under a high temperature environment exceeding 2000 ° C. which is a growth temperature of sapphire, and these contact portions are changed to molybdenum carbide or tungsten carbide. Then, the members are fused at the contact portion. In this case, when the grown crystal is taken out from the furnace after the growth is completed, it is necessary to remove the support column 14 from the support member 21 and remove it from the heat insulating space 15 together with the heat reflecting plate 13a. It will be a thing.

そこで、この態様では、支柱14と支持部材21との接続部を構成するナット22、ワッシャ23およびカラー24をいずれも炭化タンタル(TaC)により構成している。このような構成により、高温環境下での育成中に支柱14と支持部材21との反応が防止され、育成後にこれらの構成部材の分解作業を円滑に行うことが可能となる。   Therefore, in this aspect, the nut 22, the washer 23, and the collar 24 that constitute the connecting portion between the support column 14 and the support member 21 are all made of tantalum carbide (TaC). With such a configuration, the reaction between the support column 14 and the support member 21 is prevented during the growth in a high-temperature environment, and it becomes possible to smoothly disassemble these components after the growth.

なお、図1の例では、熱反射板13aを離隔させるためのカラー24aも炭化タンタルにより構成している。ただし、このカラー24aについては、炭化タンタルにより構成する必要は必ずしもない。   In the example of FIG. 1, the collar 24a for separating the heat reflecting plate 13a is also made of tantalum carbide. However, the collar 24a is not necessarily made of tantalum carbide.

図2は、接続部材を用いた、本発明の別の態様の酸化物単結晶育成装置における、熱反射板の取り付け構造を模式的に示している。この態様では、円盤状の熱反射板13bを1つだけ、断熱材6aの内壁に直接設けるようにしている。この例では、熱反射板13bの外周部の周方向複数箇所に、外方に突出する突出部を設けている。一方、この突出部の形状、大きさ、数を適合させた、断面コ字状の接続部材25を、断熱材6aに埋設された支持部材21aにより、断熱材6aの内壁に径方向複数箇所に支持固定している。そして、熱反射板13bの突出部を、この接続部材25に内嵌固定することにより、熱反射板13bを断熱材6aに直接的に支持している。本例では、この接続部材25を、炭化タンタルにより構成している。   FIG. 2 schematically shows the mounting structure of the heat reflecting plate in the oxide single crystal growing apparatus according to another embodiment of the present invention using the connecting member. In this embodiment, only one disk-like heat reflecting plate 13b is provided directly on the inner wall of the heat insulating material 6a. In this example, protruding portions protruding outward are provided at a plurality of locations in the circumferential direction of the outer peripheral portion of the heat reflecting plate 13b. On the other hand, a connecting member 25 having a U-shaped cross section, which is adapted to the shape, size, and number of the protruding portions, is provided at a plurality of radial positions on the inner wall of the heat insulating material 6a by the support member 21a embedded in the heat insulating material 6a. The support is fixed. And the heat reflection board 13b is directly supported by the heat insulating material 6a by carrying out the internal fitting fixation of the protrusion part of the heat reflection board 13b to this connection member 25. FIG. In this example, the connection member 25 is made of tantalum carbide.

なお、本発明では、代替的に、接続部材25を設けることなく、モリブデンやタングステン系の構成部材である熱反射板13cの表面のうちの少なくともカーボン製の構成部材である断熱材6aおよび支持部材21aとの接続部を、炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物により被覆することもできる。図3は、このように、熱反射板13cと支持部材21aとの接続部に炭化タンタルをコーティングして被覆層26を設けた例を模式的に示す断面図である。この場合、ペースト状にした炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物を、熱反射板の全面もしくは少なくとも支持部材との接続部に塗布し、所定の温度および時間で焼成することにより、この被覆層26を形成することができる。   In the present invention, instead of providing the connection member 25, the heat insulating material 6a and the support member that are at least carbon components among the surfaces of the heat reflecting plate 13c that is a molybdenum or tungsten component. The connection part with 21a can also be coat | covered with the carbide | carbonized_material which has tantalum carbide or a tantalum carbide as a main component. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example in which a coating layer 26 is provided by coating tantalum carbide at the connection portion between the heat reflecting plate 13c and the support member 21a. In this case, the coated tantalum carbide or carbide containing tantalum carbide as a main component is applied to the entire surface of the heat reflecting plate or at least to the connection portion with the support member, and is fired at a predetermined temperature and time. Layer 26 can be formed.

なお、本発明の酸化物単結晶育成装置は、熱反射板などの構成部材を、断熱材などのこれを支持する構造に取り付けるための構造に特徴があり、その他の基本構造は、図4に示した従来構造と同様である。このような基本構造については周知であるため、ここでの説明は省略する。また、本発明は、特にサファイア単結晶の育成装置に好適に適用されるが、その他、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)、ガドリニウム・シリケート(GSO)、ルテチウム・シリケート(LSO)などの融点が2000℃近傍、もしくは2000℃を超える高い融点を有する酸化物単結晶育成にも適用することができる。   The oxide single crystal growth apparatus of the present invention is characterized by a structure for attaching a structural member such as a heat reflecting plate to a structure that supports it, such as a heat insulating material. The other basic structure is shown in FIG. This is the same as the conventional structure shown. Since such a basic structure is well known, a description thereof is omitted here. In addition, the present invention is particularly suitably applied to an apparatus for growing a sapphire single crystal. In addition, the melting point of yttrium aluminum garnet (YAG), gadolinium silicate (GSO), lutetium silicate (LSO), etc. is 2000. It can also be applied to the growth of oxide single crystals having a high melting point in the vicinity of ℃ or over 2,000 ℃.

(実施例1)
図1に示した熱反射板とその取り付け構造を用いた育成装置(その基本構造は図4に示したものと同様である)を用いて、サファイア単結晶の育成を行った。このとき、熱反射板および支柱の材料としては、モリブデン合金を使用した。この支柱とカーボン製の支持部材との接続部におけるカラー、ワッシャ、および、ナット、さらには、2枚の熱反射板同士の間隔を維持するためのカラーとして、それぞれ炭化タンタルを主成分とする炭化物からなる部材を使用した。なお、この炭化タンタル系部材は、炭化タンタル粉末:90%と、五酸化ニオブ粉末:9%と、カーボンブラック粉末:1%とを十分に混合したあと、所望の形状に成形し、2000℃で1時間焼成することにより製造したものである。
Example 1
A sapphire single crystal was grown using a growth apparatus using the heat reflecting plate shown in FIG. 1 and its mounting structure (the basic structure is the same as that shown in FIG. 4). At this time, a molybdenum alloy was used as a material for the heat reflecting plate and the column. Carbides mainly composed of tantalum carbide as collars, washers, nuts, and collars for maintaining the distance between the two heat reflecting plates at the connecting portion between the support column and the carbon support member. The member which consists of was used. This tantalum carbide-based member was prepared by thoroughly mixing tantalum carbide powder: 90%, niobium pentoxide powder: 9%, and carbon black powder: 1%, and then molding into a desired shape at 2000 ° C. It is manufactured by baking for 1 hour.

初めに、原料として酸化アルミニウム(Al23)粉末を坩堝に挿入し、この坩堝を結晶育成装置の支持軸上に設置した。その後、断熱材の内壁から伸長するカーボン製の支持部材に、上下方向に2枚の熱反射板が支持された支柱を、上記の炭化タンタル系部材を使用して設置した。 First, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder as a raw material was inserted into a crucible, and this crucible was placed on a support shaft of a crystal growth apparatus. Then, the support | pillar by which the two heat | fever reflecting plates were supported by the up-down direction was installed in the support member made from carbon extended from the inner wall of a heat insulating material using said tantalum carbide-type member.

その後、断熱材の上面部を載置して、断熱空間を形成した後、Arガス雰囲気下で、カーボン製のヒータにより酸化アルミニウム(Al23)粉末を2200℃に加熱し、該酸化アルミニウム(Al23)粉末を溶解した。酸化アルミニウム(Al23)粉末が完全に溶解したことを確認した後、引き上げ軸の先端に取り付けたサファイア種結晶を、酸化アルミニウム(Al23)融液に接触させ、5日間引き上げを行った。結晶育成中の断熱空間の温度は1500〜2100℃であった。 Thereafter, an upper surface portion of the heat insulating material is placed to form a heat insulating space, and then an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder is heated to 2200 ° C. by a carbon heater in an Ar gas atmosphere. (Al 2 O 3 ) powder was dissolved. After confirming that the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder is completely dissolved, the sapphire seed crystal attached to the tip of the pulling shaft is brought into contact with the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) melt and pulled up for 5 days. went. The temperature of the heat insulating space during crystal growth was 1500 to 2100 ° C.

引き上げ終了後、育成結晶を炉内から取り出すために、断熱材の上面部を除去し、熱反射板が支持された支柱を、支持部材から取り外した。この取り外し作業に際して、支持部材と炭化タンタル系部材の間に融着などは確認されなかった。また、得られたサファイア単結晶には、サファイア単結晶内部の歪み、格子欠陥、結晶欠陥(ボイド、多結晶化)のいずれも確認されなかった。   After the completion of the pulling, in order to take out the grown crystal from the furnace, the upper surface portion of the heat insulating material was removed, and the support column on which the heat reflecting plate was supported was removed from the support member. During this removal operation, no fusion or the like was confirmed between the support member and the tantalum carbide-based member. In addition, in the obtained sapphire single crystal, none of the distortion, lattice defect, or crystal defect (void, polycrystallization) inside the sapphire single crystal was confirmed.

(比較例1)
熱反射板と支持部材との接続部に用いられるカラー、ワッシャ、およびナットとして、炭化タンタル系の部材の代わりに、モリブデン合金製の部材を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、サファイア単結晶の育成を行った。育成終了後、育成結晶を炉内から取り出すために、熱反射板が支持された支柱を支持部材から取り外す際、支柱と支持部材の一部が融着していることが確認され、支柱を支持部材から取り外すことができなかった。
(Comparative Example 1)
As the collar, washer, and nut used for the connecting portion between the heat reflecting plate and the support member, in the same manner as in Example 1, except that a molybdenum alloy member was used instead of the tantalum carbide member, A sapphire single crystal was grown. After the growth is completed, in order to remove the grown crystal from the furnace, it is confirmed that the support and the support member are partly fused when the support supporting the heat reflecting plate is removed from the support member. It could not be removed from the member.

得られたサファイア単結晶には、サファイア単結晶内部の歪み、格子欠陥、結晶欠陥(ボイド、多結晶化)のいずれも確認されなかった。   In the obtained sapphire single crystal, none of distortion, lattice defects, or crystal defects (voids, polycrystallization) inside the sapphire single crystal was confirmed.

(比較例2)
熱反射板を設置しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、サファイア単結晶の育成を行った。育成後のサファイア単結晶を確認したところ、単結晶内部にボイドおよび多結晶化している部分が存在することが確認された。
(Comparative Example 2)
A sapphire single crystal was grown in the same manner as in Example 1 except that no heat reflecting plate was installed. When the grown sapphire single crystal was confirmed, it was confirmed that there were voids and polycrystalline portions inside the single crystal.

1 坩堝
2 支持軸
3 円筒状ヒータ部
4 円盤状ヒータ部
5a、5b ヒータ電極
6 断熱材
7 炉体
8 絶縁筒
9 引き上げ軸
10 原料融液
11 種結晶
12 サファイア単結晶
13、13b、13c 熱反射板
14 支柱
15 断熱空間
21、21a 支持部材
22 ナット
23 ワッシャ
24、24a カラー
25 接続部材
26 被覆層
30a、30b カーボン製ヒータ
60 底面部
61 上面部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crucible 2 Support shaft 3 Cylindrical heater part 4 Disc shaped heater part 5a, 5b Heater electrode 6 Heat insulating material 7 Furnace body 8 Insulating cylinder 9 Pulling shaft 10 Raw material melt 11 Seed crystal 12 Sapphire single crystal 13, 13b, 13c Heat reflection Board 14 Prop
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Heat insulation space 21, 21a Support member 22 Nut 23 Washer 24, 24a Collar 25 Connection member 26 Coating layer 30a, 30b Carbon heater 60 Bottom part 61 Top part

Claims (4)

カーボン製の構成部材と、該カーボン製の構成部材に取り付けられ、モリブデン、タングステン、または、モリブデンもしくはタングステンの少なくとも一方を主成分として含む合金からなる金属製の構成部材とを備える酸化物単結晶育成装置であって、前記カーボン製の構成部材と前記金属製の構成部材の接続部に、これらの構成部材同士が接触しないように配置され、炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物により構成されている接続部材が配置されている、酸化物単結晶育成装置。   Oxide single crystal growth comprising a carbon structural member and a metallic structural member attached to the carbon structural member and made of molybdenum, tungsten, or an alloy containing at least one of molybdenum or tungsten as a main component It is an apparatus, arranged at the connecting portion between the carbon component member and the metal component member so that these component members do not contact each other, and is composed of tantalum carbide or a carbide containing tantalum carbide as a main component. An oxide single crystal growth apparatus in which a connecting member is disposed. カーボン製の構成部材と、該カーボン製の構成部材に取り付けられ、モリブデン、タングステン、または、モリブデンもしくはタングステンの少なくとも一方を主成分として含む合金からなる金属製の構成部材とを備える酸化物単結晶育成装置であって、前記金属製の構成部材の表面のうち少なくとも前記カーボン製の構成部材との接続部が、炭化タンタルまたは炭化タンタルを主成分とする炭化物により被覆されている、酸化物単結晶育成装置。   Oxide single crystal growth comprising a carbon structural member and a metallic structural member attached to the carbon structural member and made of molybdenum, tungsten, or an alloy containing at least one of molybdenum or tungsten as a main component An apparatus for growing an oxide single crystal, wherein at least a connecting portion of the surface of the metal component member with the carbon component member is coated with tantalum carbide or a carbide containing tantalum carbide as a main component. apparatus. 前記金属製の構成部材が、熱反射板であり、前記カーボン製の構成部材が、坩堝の周囲に配置される断熱材もしくは該断熱材に支持された支持部材である、請求項1または2に記載の酸化物単結晶育成装置。   The metal component is a heat reflecting plate, and the carbon component is a heat insulating material disposed around a crucible or a support member supported by the heat insulating material. The oxide single crystal growing apparatus described. 前記酸化物単結晶がサファイア単結晶である、請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物単結晶育成装置。   The oxide single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxide single crystal is a sapphire single crystal.
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