JP6028308B1 - Ｅｆｇ法用育成炉の熱反射板構造 - Google Patents

Abstract

【課題】枚数方向に於ける温度差を低減させると共に１０枚以上のサファイアリボンを安定して結晶成長させることが可能な結晶育成手段を提供する。【解決手段】ダイパック上部に配置する複数の熱反射板の内、最下部の熱反射板について、ダイパックの枚数方向に於ける中央付近に凸部を設けることでダイパック上の板状空隙上端部について温度分布を平坦にし、育成するサファイアリボンの密度増加に際してもダイパックに形成された板状空隙上端の隣接した各融液が接触することなく、安定した育成条件を得ることができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、ＥＦＧ法（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ法）を用いてサファイアリボンを育成する際に用いる熱反射板構造に関する。

現在、ＬＥＤ等の母材となる半導体用単結晶基板は、育成炉内で種結晶から結晶材料を成長させる融液からの結晶成長を用いて育成された単結晶材料から製造されている。この様な育成炉では、炉内に於ける温度分布を一定にするために複数の熱反射板が設けられており、代表的な構造として、特開２０１４−００１１２５（以下特許文献１として記載）及び特許５７０２９３１（以下特許文献２として記載）として、それぞれ公開及び登録されている。

上記各熱反射板の構造について、特許文献１記載の発明では、サファイア単結晶をインゴットとして育成するＣｚ法に最適化した構造をその特徴としている。より具体的には、育成初期の段階に於いて、円環形状の反射板を複数配置することで、インゴット状に成長していく育成結晶の下面が下側凸状となる様な、中央の温度を低くした温度勾配を形成したことをその技術的特徴としている。また、特許文献２記載の発明では、ＥＦＧ法に於いて、結晶の成長方向となるサファイアリボンの幅方向及び長さ方向について、複数の温度勾配を設けたことをその技術的特徴としており、具体的な手段として複数の熱反射板を用いることで、高品質のＣ面単結晶サファイアリボンの育成を可能にしている。

特開２０１４−００１１２５ 特許５７０２９３１

上述した技術的特徴及び効果が用いられる一方で、近年、ＥＦＧ法に於いて１０枚以上のサファイアリボンを一度に引き上げるマルチサファイアリボンの育成が行われており、当該育成に際して上記従来の反射板構造では、サファイアリボンの枚数方向に於ける、複数のダイからなるダイパックの両端となる部分と、中央となる部分と、の間で育成状況が不安定になってしまうという課題を有している。より具体的には、前記両端に対する中央の温度が下がり、最大で１０℃以上となる温度差が生じる為、成長する結晶が品質面でバラツキを起こし、特に温度の高い両端のダイでは結晶が形成されないという問題を生じている。

上記課題に対して本願記載の発明では、前記枚数方向に於ける温度差を低減させると共に１０枚以上のサファイアリボンを安定して結晶成長させることが可能な結晶育成手段の提供を目的としている。

上記目的のために本発明は、ＥＦＧ法に用いる熱反射板について、ダイパック積層方向の中央両脇に近接した凸部を有することをその特徴としている。より具体的には、毛細管現象によって板状空隙上端まで融液を運ぶダイを積層したダイパックに対し、前記枚数方向となるダイパック積層方向の中央付近に於いて、当該積層方向と直交する側に凸部を設けた熱反射板を用いることをその技術的特徴としている。

また、本発明に於ける第２の態様記載の発明は、前記熱放射板に設けた凸部の長さを、ダイパック積層方向の長さに対して３０％以上４２％未満としたことをその技術的特徴としている。

上述した技術的特徴によって本発明では、１０枚以上となるサファイアリボンの同時育成に際しても、熱バランスを安定させた高品質での結晶成長を可能にしている。通常、熱反射板を用いるＥＦＧ法用育成炉では、サファイアリボンの同時育成に際し、育成用坩堝直上に載置した反射板のうち、最下部の反射板が熱変形を起こす。本願記載の発明では、この熱変形に起因した、ダイパック上部に於ける熱バランスの変化を熱反射板形状によって安定化させている。より具体的には、熱反射板に凸部を形成することで反射板とダイパックとの間隔を部分的に狭め、前記熱変形に際して熱反射板が保持する熱量の調整と、ダイパック上部に於ける熱バランスの安定化とを可能にしている。

また、当該熱バランスの安定化により、同時育成に於ける各サファイアリボン毎の結晶品質を揃えることが容易になる。これは、ダイパックの各板状空隙部上端について、前述の温度差を低減することによる効果となっている。即ち、ＥＦＧ法を用いたサファイアリボンの複数枚同時育成では、融液と接触した各種結晶を引き上げることで、当該種結晶を元にした融液からの結晶成長を連続して行っていく。当該同時育成に際し、結晶の品質は前記板状空隙部上端の温度と引き上げ速度との２つの条件によって左右される。この為、前記温度バランスの安定化に伴い、それぞれの種結晶引き上げ速度を等しくすると共に、前記条件を揃えることで、各サファイアリボン毎の育成速度を安定して揃え、良好な結晶品質を容易に付与することが可能となっている。加えて、当該引き上げ速度を等しくすることで、共通の種結晶を用いた複数枚の引き上げを行うことできる。この為、育成炉に設けられた種結晶の引き上げ機構について、構造の簡略化という効果をも得ることができる。

更に、前記温度差を低減したことによって本発明では、同じ育成炉内にて同時に育成可能なサファイアリボンの枚数を増やすことが可能となる。即ち、板状空隙上端に於ける温度分布を平坦にしたことで、融液の粘度は均等な状態に保たれる。この為、板状空隙間の距離を狭め、育成するサファイアリボン間の間隔を密にしても、各板状空隙上端の融液を隣接した板状空隙上端の融液と連結することなく種結晶に接触させ、各サファイアリボンの間隔を保ったまま、当該サファイアリボンを育成することが可能となる。

上記効果に加えて、本発明における第２の態様記載の発明を用いる事で、前記枚数を増やしたサファイアリボンの同時育成に於いて、結晶品質を向上することができる。これは、反射板凸部の長さをダイパックの長さに対して３０％以上４２％未満としたことによる効果となっている。即ち、本願記載の発明では熱的に最も重要となる育成用坩堝直上に載置した最下部の熱反射板に前記凸部を設け、当該凸部により間隔を狭めた領域の範囲を３０％〜４２％と規定することで、複数のサファイアリボンの育成速度を一定の範囲内に収めることを可能にしている。より具体的には、熱反射板とダイパックとの間隔を全体的に狭めるのではなく、凸部を設けることによって熱反射板とダイパックとの間隔を部分的に特定の割合だけ狭め、かつ当該凸部の長さを前記範囲内に設定することで、育成するサファイアリボンの増加時に於ける板状空隙上端の温度バランスを最適な状態に保っている。この為、本態様記載の発明を用いることで、前記枚数の増加に際してダイパック端部及び中央部に於ける結晶の成長速度を揃え、育成中のサファイアリボンに生じる結晶不良の低減及びそれに伴う結晶品質の向上という効果を付与することができる。尚、これは本願記載の発明がＥＦＧ法用育成炉に於ける熱効率の向上を第１の目的としたものではなく、ダイパックの板状空隙上端に於ける温度差低減を第１の目的としていることによる効果となっている。

以上述べたように、本願記載の発明を用いることで、枚数方向に於ける温度差を低減しつつ、１０枚以上のサファイアリボンを安定して結晶成長させることが可能となる。

本発明の最良の実施形態に於いて用いるＥＦＧ育成炉の概略図 本発明の最良の実施形態に於いて用いるダイパック周辺部品の全体斜視図 図２に於いて示したダイパック周辺部品の分解斜視図 図２に於いて示したダイパック及び凸部付き熱反射板の平面図

以下に、図１、図２、図３及び図４を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。

図１に本発明の最良の実施形態に於いて用いるＥＦＧ育成炉の概略図を、図２に同育成炉にて用いるダイパック周辺部品の全体斜視図を、図３に同分解斜視図を、そして図４に当該ダイパック及び凸部付き熱反射板の位置関係を示す平面図を、それぞれ示す。尚、図１中の電源、駆動系及び、図２、図３中の蓋体及び各熱反射板支持構造については、図中での記載を省略している。

図１に示す様に、本実施形態ではＥＦＧ育成炉１によるマルチサファイアリボン３の育成を行っており、単一の種結晶２から１０枚以上のサファイアリボン引き上げを行っている。当該育成炉に於いて、本実施形態では板状空隙を有するダイを複数束ねたダイパック５を坩堝内に配置しており、坩堝７の上端にダイパック５用の開口部を有する蓋体１０を設けた構造を用いている。また、当該蓋体上に３対の熱反射板１１及び１２を配置しており、当該熱反射板１１及び坩堝７の外周に配置したヒーター６によって坩堝内のアルミナを加熱している。

この様な構造を用いたことで、本実施形態記載の育成炉では、多数のサファイアリボンの同時引き上げを一括して行うことが可能となった。即ち、本実施形態では共通の種結晶２を元にして前記同時引き上げによる単結晶サファイアリボンの育成を行っている。この為、種結晶２の支持構造を簡略化すると共に、引き上げ速度を共通化することで、結晶育成に於ける制御の簡略化という効果をも得ている。また、本実施形態では坩堝上端の蓋体上に３対の熱反射板１１及び１２を設けている。この為、図２に示すダイパック５の板状空隙上端部Ｔから育成されていく各サファイアリボンについて、前記同時引き上げ時に於ける各サファイアリボンの急冷及び割れによる脱落を防ぎ、図中縦方向に於ける温度勾配を最適な状態に保つことが可能となった。

また、図２及び図３から解るように、本実施形態で用いるダイパック周辺の基本構造は蓋体１１及び蓋体開口部に配置されたダイパック５の板状空隙上端部Ｔと、蓋体上に構成された３対の熱反射板１１及び１２とによって構成されている。この様な構成を用いたことで本実施形態では、１０枚以上となるサファイアリボンの同時育成に際しても、熱バランスを安定させた高品質での結晶成長を行うことができた。即ち、本実施形態記載の熱反射板１１及び１２では、育成時に最下部の熱反射板１２に生じる熱変形及びそれによる熱バランスの変化について、当該熱反射板１２の形状による調整を行っている。より具体的には、ダイパック５の上部に設けた熱反射板１２に凸部Ｄを形成することで、反射板１２と板状空隙上端部Ｔとの間隔を部分的に狭めている。この為、前記熱変形に際しても熱反射板１２が保持する熱量を調整し、板状空隙上端部Ｔに於ける熱バランスを安定して維持することが可能となった。

また、当該熱バランスの安定により、本実施形態では各サファイアリボン毎の結晶品質を揃えることが容易になった。これは、板状空隙部上端Ｔについて熱バランスを安定させ、温度差を低減したことによる効果となっている。即ち、本実施形態では、融液と接触した各種結晶を引き上げることで当該種結晶を元にした融液からの結晶成長を連続して行っていく。当該同時育成に際し、結晶の品質は板状空隙部上端Ｔの温度と引き上げ速度との２つの条件によって左右される。この為、前記温度バランスの安定化に伴い、各種結晶の引き上げ速度を等しくすると共に、前記条件を最適化することで、各サファイアリボン毎の育成速度を揃え、良好な結晶品質を容易に付与することが可能となった。加えて、当該引き上げ速度を等しくしたことで、本実施形態のＥＦＧ育成炉１について共通の種結晶２による複数枚の引き上げを行う構造とし、育成炉に設けた種結晶２の引き上げ機構を簡略化することができた。尚、本実施形態と同じ技術的見地から、凸部Ｄの形状を変えることで任意の温度分布を形成させることができる。

更に、前記温度差を低減したことによって本実施形態では、同じ育成炉内で同時に育成可能なサファイアリボンの枚数を増やすことが可能となった。即ち、板状空隙上端部Ｔに於ける温度分布を平坦にしたことで、融液の粘度は均等な状態に保たれる。この為、板状空隙間の距離を狭め、育成するサファイアリボン間の間隔を密にしても、板状空隙上端部Ｔの融液を隣接した融液と連結させることなく種結晶に接触させ、各サファイアリボンの間隔を保ったまま、当該サファイアリボンを育成することができた。

また、図４から解るように、本実施形態では反射板凸部の長さをダイパック５の長さよりも短く設定している。より具体的には、凸部の幅寸法ｗを、反射板−ダイパック間に形成された空隙ｇ（４〜１０ｍｍ）の半分以下とし、ダイパック両脇に近接して配置すると共に、当該凸部の長さをダイパック５の長さの３４％としている。これにより、本実施形態では前記枚数を増やしたマルチサファイアリボン３の育成に於いて、中央両脇に設けた凸部による板状空隙内の融液引き込みを防止すると共に、育成するサファイアリボンの結晶品質を向上することが可能となった。即ち、本実施形態では熱的に最も重要となる育成用坩堝直上に載置した最下部の熱反射板に前記凸部を設け、当該凸部により間隔を狭めた領域をダイパックの長さ寸法に対し３０％〜４２％内に形成している。これにより、本実施形態では、熱反射板１１及び１２とダイパック５及びマルチサファイアリボン３との間隔を全体的に狭めるのではなく、凸部によって最下部に設けた熱反射板１２とダイパック５の板状空隙上端部との間隔を部分的に特定の割合だけ狭め、かつ当該凸部の長さを前記範囲内に設定することで、育成するサファイアリボンの増加時に於ける板状空隙上端部の温度バランスを最適な状態に保っている。この為、本実施形態記載のＥＦＧ育成炉１を用いることで、マルチサファイアリボン３に於ける複数のサファイアリボンの育成速度を一定の範囲内に収めると共に、前記枚数の増加に際してダイパック端部及び中央部に於ける結晶の成長速度を揃え、育成中のサファイアリボンに生じる結晶不良の低減及びそれに伴う結晶品質の向上という効果を付与することができた。尚、当該範囲を超えて凸部長さを設定した際、ダイパック中央部のサファイアリボンに結晶不良の発生が確認されている。

以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、枚数方向に於ける温度差を低減させると共に１０枚以上のサファイアリボンを安定して結晶成長させることが可能な結晶育成手段を提供することができた。

１ 育成炉
２ 種結晶
３ マルチサファイアリボン
４ 上部断熱材
５ ダイ
６ ヒーター
７ 坩堝
８ 側面部断熱材
９ 底面部断熱材
１０ 蓋体
１１ 熱反射板
１２ 熱反射板（最下部）
Ｄ 凸部
ｇ 熱反射板側空隙
ｌ 凸部長さ
Ｌ ダイパック長さ
Ｔ 板状空隙上端部
ｗ 凸部幅

Claims (2)

1. 坩堝の蓋体上部に配置され、ダイパック積層方向の中央両脇に近接した凸部を有するＥＦＧ法用熱反射板。
   
2. 前記凸部の長さが、ダイパック長さの３０％〜４２％である、請求項１記載のＥＦＧ法用熱反射板。

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