JP6094605B2

JP6094605B2 - 単結晶製造装置

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Publication number: JP6094605B2
Application number: JP2015008728A
Authority: JP
Inventors: 信平阿部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP2016132596A; CN105803516A; US9938636B2; US20160208407A1; CN105803516B

Description

本発明は、単結晶製造装置、特に、溶液法によるＳｉＣ単結晶製造装置に関する。

単結晶を製造する装置として、チャンバ内に設置された坩堝内の原料溶液に、種結晶を浸漬させて引き上げる装置がある。

特許文献１には、坩堝の外周に加熱手段が配置され、その外周に断熱体、さらにその外周に冷却ジャケットが配置された、チョクラルスキー法によるＳｉ（シリコン）単結晶製造装置が開示される。この冷却ジャケットには、冷却用の気体が流される。

特許文献１に開示される製造装置では、坩堝内のＳｉ溶液に浸漬された種結晶が引き上げられ、Ｓｉ単結晶が製造される。冷却ジャケットの筐体上面に、引き上げ中のＳｉ単結晶と、坩堝内のＳｉ溶液の状態を確認するための観察窓が配置される。

特開昭６３−５０３９１号公報

一方、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）単結晶を製造する装置として、溶液法を用いた装置がある。溶液法においては、チャンバー内に設けられた黒鉛坩堝に原料Ｓｉ（シリコン）が装入され、加熱コイルで原料Ｓｉが溶解され、Ｓｉ溶液とされる。このＳｉ溶液に黒鉛坩堝からＣが溶解され、Ｓｉ−Ｃ溶液とされ、このＳｉ−Ｃ溶液に浸漬された種結晶が引き上げられ、ＳｉＣ単結晶が製造される。

溶液法の場合には、Ｓｉ溶液に黒鉛坩堝からＣが溶解され、Ｓｉ−Ｃ溶液とされる必要があり、かつ、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面近傍においては、チョクラルスキー法におけるＳｉ溶液よりも、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度が高温とされる必要がある。

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度は非常に高温であるため、チャンバに冷却ジャケットが設けられても、その冷却能力は不足する。したがって、坩堝等の熱源からの輻射熱を軽減するため、チャンバの内面は熱源から遠ざけられ、チャンバの大型化を招いていた。

また、チャンバの胴体部が金属製であると、坩堝の外周に配置された加熱手段が誘導加熱コイルである場合、チャンバの胴体部にも渦電流が発生することがあり、その対策も必要であった。

さらに、チャンバの胴体部には、複雑に冷却ジャケットが配置されているため、チャンバ内部を確認する観察窓は、天板部に限って配置されることが多く、チャンバ内部の全域を確認することができなかった。

本発明は、上記課題を解決する単結晶製造装置を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、次のとおりである。
〈１〉坩堝と誘導加熱コイルが収容されたチャンバーを備える単結晶製造装置であって、前記チャンバーは、天板部と、底板部と、胴体部を備えており、前記胴体部は、中空筒形状の石英ガラス製であり、かつ前記天板部と前記底板部を連結しており、前記胴体部の外周に、開閉可能な反射部材が設けられており、かつ、前記反射部材は、周方向に分割されており、かつ前記チャンバの内部から発せられる熱と光を反射する、単結晶製造装置。
〈２〉前記反射部材は、外周から内周に向けて積層された複数の電磁鋼板である、〈１〉項に記載の装置。

本発明によれば、チャンバの胴体部を石英ガラス製にすることで、熱源から胴体部内側面を離す必要がなくなり、単結晶製造装置を小型化できると同時に、胴体部の外周に設けた反射部材で、チャンバ内部から発生する熱と光（赤外線）を反射することにより、効率よく原料を加熱することが可能な、単結晶製造装置を提供することができる。さらに、胴体部を石英ガラス製とし、胴体部外周に設けた反射板を開閉式にすることにより、単結晶製造中に、チャンバの内部全域を観察可能な、単結晶製造装置を提供することができる。

本発明に係る単結晶製造装置の概略の一例を示す図である。図１に示したＡ方向から本発明の単結晶製造装置を見た図である。誘導加熱コイルの外周に設置された中空円筒状部材に作用する磁束と、その磁束によって発生する渦電流を示す図である。誘導加熱コイルの外周に設置された、誘導加熱コイルの軸方向に平行な板状部材に作用する磁束と、その磁束によって発生する渦電流を示す図である。反射部材を開いたときの本発明に係る単結晶製造装置の斜視図である。

以下、本発明に係る単結晶製造装置の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。例えば、上述したように、本発明は、坩堝内の溶液の温度が非常に高温となるＳｉＣ単結晶の製造装置として用いて特に好適であるが、坩堝内の溶液の温度がそれほど高温とならないＳｉ単結晶の製造装置として用いても当然よい。

図１は、本発明に係る単結晶製造装置の概略の一例を示す図である。

本発明の単結晶製造装置１００は、坩堝１と、誘導加熱コイル２が、チャンバ３の内部に収納されている。

チャンバ３は、天板部４と底板部５と胴体部６を備える。胴体部６は、天板部４と底板部５を連結し、チャンバ３を構成する。天板部４と底板部５の材質は特に限定されないが、金属製であることが一般的である。胴体部６は中空円筒形状の石英ガラスで製作される。その理由と作用効果は後述する。

誘導加熱コイル２は、坩堝１の周囲に配置される。誘導加熱コイル２には、高周波電源７が接続される。誘導加熱コイル２に高周波電流が流されることにより、坩堝１に装入された原料（図示せず）が溶解され、原料溶液８となる。

原料溶液８は特に限定されないが、ＳｉＣ単結晶を製造する場合のように、原料溶液８の温度を非常に高くする必要があるときに、本発明は特に有効である。

種結晶ホルダ９が連結された種結晶１０は、原料溶液８に浸漬され、引き上げられる。引き上げの際、種結晶ホルダ９は回転されてもよい。また、坩堝１の底部に回転軸１１が連結され、坩堝１が回転されてもよい。

上述したように、胴体部６は、中空円筒形状の石英ガラスで製作されている。なお、図１に示した実施形態では、胴体部６は中空円筒形状であるが、これに限られず、中空の筒形状であればよい。例えば、中空楕円筒形状でもよいし、中空である矩形の筒形状でもよい。

金属材料と比べると、石英ガラスは耐熱性が高いため、熱源である、坩堝１誘導加熱コイル２及び原料溶液８から、胴体部６の内側面を離す必要がない。したがって、胴体部６の直径を大きくする必要がなく、チャンバ３の小型化が図れる。特に、ＳｉＣ単結晶を製造する場合、坩堝１内のＳｉ−Ｃ溶液の温度を非常に高くするため、胴体部６は多量の輻射熱を受けることから、胴体部６を石英ガラス製にする利点は特に大きい。

一般に、単結晶の製造には多くの時間を要し、多数の単結晶製造装置が必要となる。したがって、チャンバ３が小型化されることにより、同じ広さの空間に多数の単結晶製造装置が設置可能となることは大きな利点である。

また、胴体部６が石英ガラスで製作されることにより、チャンバ３の内部の全域を観察することができる。特に、坩堝１が回転される場合には、坩堝１に異常が発生していないかを確認することができ、特に、有効である。

胴体部６が金属材料で製作されると、誘導加熱コイル２に高周波電流が流されたときに、胴体部６に渦電流が発生し、胴体部６が加熱される原因となる。しかし、胴体部６が石英ガラスで製作されることにより、渦電流の発生もなくなる。

一方で、胴体部６が石英ガラスで製作されることにより、坩堝１等から発せられる熱及び光（赤外線）がチャンバ３の外部に放出される。

そこで、本発明では、図１に示したように、胴体部６の外周全体が覆われるように、胴体部６の外周に反射部材１２が設けられる。

図２は、図１に示したＡ方向から本発明の単結晶製造装置を見た図である。

反射部材１２は、円周方向に２０分割され、反射部材１２ａ〜１２ｔとして、胴体部６の外周に設けられる。

反射部材１２が中空円筒形状であると、反射部材１２に多量の渦電流が発生し、反射部材１２が加熱されてしまうが、このように、反射部材１２が分割されることにより、反射部材１２における渦電流の発生を最小限にすることができる。なお、胴体部６が、中空の矩形の筒形状である場合、反射部材１２も、胴体部６の外周形状に沿うように設けられるが、上述した分割の効果は同様である。

図３は、誘導加熱コイルの外周に設置された中空円筒状部材に作用する磁束と、その磁束によって発生する渦電流を示す図である。図４は、誘導加熱コイルの外周に設置された、誘導加熱コイルの軸方向に平行な板状部材に作用する磁束と、その磁束によって発生する渦電流を示す図である。

図３に示したように、誘導加熱コイル２の外周に中空円筒状部材１３が設置されると、中空円筒状部材１３を横切る磁束１４は多く、渦電流１５が多量に発生する。一方、図４に示したように、誘導加熱コイル２の外周に設置された、誘導加熱コイル２の軸方向に平行な板状部材１６を横切る磁束１４は少なく、渦電流１５の発生も最小限である。

よって、図２に示した実施形態のように、反射部材１２は分割される。図２に示した実施形態では、反射部材１２ａ〜１２ｔのように、反射部材１２ａ〜１２ｔの全周が２０分割されているが、これに限られない。図４に示したように、分割数は多いのが理想であるが、少ない分割数でも、発生する渦電流の量が実用上支障がない程度に抑制されていれば、その分割数でよい。

反射部材１２ａ〜１２ｔそれぞれは、外周から内周に向けて複数の薄鋼板が積層されることが好ましい。即ち、反射部材１２ａ〜１２ｔそれぞれは、反射部材１２ａ〜１２ｔ全体が描く円の半径方向に複数の薄鋼板が積層されることが好ましい。上述した、円周方向の分割により、渦電流の発生を抑制できる。それに加え、反射部材１２ａ〜１２ｔそれぞれについて、半径方向にも分割すれば、さらに渦電流を抑制できる。渦電流は物体の表面に発生するためである。

反射部材１２ａ〜１２ｔによって、チャンバ３の内部から発生られる熱と光（赤外線）が反射される。この熱と光（赤外線）は、坩堝１、誘導加熱コイル２、及び原料融液８に由来するものである。

この熱と光を効率よく反射させるため、反射部材１２ａ〜１２ｔの内周１７に、光沢めっきが施されるか、電解研磨等による鏡面化が施されることが好ましい。反射部材１２ａ〜１２ｔそれぞれが、薄鋼板で積層されている場合には、最内周に位置する薄鋼板の内周側に、光沢めっき又は鏡面化が施されることが好ましい。反射部材１２ａ〜１２ｔそれぞれが、電磁鋼板で積層されている場合には、最内周だけ、鏡面化が施された薄鋼板とすることが好ましい。

図５は、反射部材１２を開いたときの本発明に係る単結晶製造装置の斜視図である。

反射部材１２は、図５に示したように、開閉することができる。このように開閉可能に取り付ける方法としては、単結晶製造装置１００と反射部材１２が蝶番で連結されることが挙げられるが、これに限定されない。

反射部材１２を、このような構造とすることにより、チャンバ３の内部を観察したいときには、反射部材１２を開き、それ以外のときには、反射部材１２を閉じ、チャンバ３の内部から発せられる熱と光を、チャンバ３の内部に向かって反射させると同時に、チャンバ３の外部に漏れることを防止する。

これまで説明してきたように、チャンバ３の内部を密閉し、胴体部６の内周を坩堝１等の熱源に近づけ、かつチャンバ３の内部全域を観察可能にする機能を、石英ガラス製の胴体部６にもたせる。一方、チャンバ３の内部からの熱及び光（赤外線）をチャンバ３の内部に反射し、かつチャンバ３の外部に漏れないように遮蔽する機能を、反射部材１２にもたせる。このように、それぞれの機能を、石英ガラス製の胴体部６と、反射部材１２に分担することで、単結晶製造装置１００の小型化と、単結晶製造時にチャンバ３の内部全域を観察することが可能となる。

本発明によれば、単結晶製造装置を小型化できると同時に、単結晶製造中にチャンバ内部全域を観察することができる。したがって、本発明は、産業上の利用可能性が大きい。

１坩堝
２誘導加熱コイル
３チャンバ
４天板部
５底板部
６胴体部
７高周波電源
８原料溶液
９種結晶ホルダ
１０種結晶
１１回転軸
１２、１２ａ〜１２ｔ反射部材
１３中空円筒状部材
１４磁束
１５渦電流
１６板状部材
１７内周
１００単結晶製造装置

Claims

坩堝と誘導加熱コイルが収容されたチャンバを備える単結晶製造装置であって、
前記チャンバは、天板部と、底板部と、胴体部を備えており、
前記胴体部は、中空筒形状の石英ガラス製であり、かつ前記天板部と前記底板部を連結しており、
前記胴体部の外周に、開閉可能な反射部材が設けられており、
前記反射部材は、周方向に分割されて周方向に並んでおり、かつ前記チャンバの内部から発せられる熱と光を反射し、かつ、
前記反射部材は、外周から内周に向けて積層された複数の電磁鋼板である、
単結晶製造装置。