JP6180024B2 - Single crystal manufacturing apparatus and single crystal manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、昇華再結晶法(改良レーリー法)によって、窒化アルミニウム(AlN)単結晶や炭化珪素(SiC)単結晶を製造する単結晶製造装置、及び、その製造装置を用いた単結晶の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a single crystal manufacturing apparatus for manufacturing an aluminum nitride (AlN) single crystal or a silicon carbide (SiC) single crystal by a sublimation recrystallization method (improved Rayleigh method), and manufacturing of a single crystal using the manufacturing apparatus. It is about the method.

昇華再結晶法によって窒化アルミニウム単結晶や炭化珪素単結晶を製造する製造装置では、坩堝の温度を制御するために、放射温度計を用いて坩堝の表面温度を測定している(例えば特許文献1参照)。また、温度条件の安定化を図るために、この坩堝を断熱材で覆うことが一般的に行われている。そして、放射温度計の視路を確保するために、当該断熱材には開口が形成されている。   In a manufacturing apparatus for manufacturing an aluminum nitride single crystal or a silicon carbide single crystal by a sublimation recrystallization method, the surface temperature of the crucible is measured using a radiation thermometer in order to control the temperature of the crucible (for example, Patent Document 1). reference). Moreover, in order to stabilize temperature conditions, it is a common practice to cover the crucible with a heat insulating material. And in order to ensure the visual path of a radiation thermometer, the said heat insulating material is formed with opening.

特開2011−132079号公報JP 2011-132079 A

種結晶が大型化すると、上記の断熱材の開口によって種結晶の面方向における温度差が大きくなる。そのため、当該種結晶に熱応力が生じ、成長した単結晶にクラックが生じてしまう場合がある。   When the seed crystal is enlarged, the temperature difference in the plane direction of the seed crystal increases due to the opening of the heat insulating material. Therefore, thermal stress is generated in the seed crystal, and a crack may occur in the grown single crystal.

本発明が解決しようとする課題は、単結晶へのクラックの発生を抑制することが可能な単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a single crystal manufacturing apparatus and a single crystal manufacturing method capable of suppressing the occurrence of cracks in the single crystal.

[1]本発明に係る単結晶製造装置は、昇華再結晶法によって単結晶を製造する単結晶製造装置であって、原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、前記坩堝の上部を覆う第1の蓋部と、前記第1の蓋部に積層された第2の蓋部と、を少なくとも有する断熱材と、前記第1の蓋部に形成された第1の開口と、前記第2の蓋部に形成された第2の開口と、を介して、前記坩堝の上部の温度を計測する温度計測手段と、を備えており、前記第1の開口は、前記種結晶の外径の2/3以上の内径を有し、前記第2の開口は、前記第1の開口の内径よりも小さな内径を有しており、前記坩堝の上部と前記第1の蓋部との間に空間が形成され、前記坩堝の上面全体が前記空間に露出していることを特徴とする。 [1] A single crystal production apparatus according to the present invention is a single crystal production apparatus for producing a single crystal by a sublimation recrystallization method, which contains a raw material and holds a seed crystal so as to face the raw material, , A heat insulating material having at least a first lid that covers an upper portion of the crucible, and a second lid laminated on the first lid, and a first formed on the first lid. Temperature measuring means for measuring the temperature of the upper part of the crucible through the opening of the second lid and the second opening formed in the second lid portion, the first opening is has a more than two-thirds of the inner diameter of the outer diameter of the seed crystal, said second opening, said has have a smaller inner diameter than the inner diameter of the first opening, the upper and the first of the crucible A space is formed between the cover and the lid, and the entire upper surface of the crucible is exposed to the space .

]上記発明において、前記第1の開口の中心と、前記第2の開口の中心と、前記坩堝に保持されている前記種結晶の中心と、が実質的に同一の軸線上に配置されていてもよい。 [ 2 ] In the above invention, the center of the first opening, the center of the second opening, and the center of the seed crystal held in the crucible are arranged on substantially the same axis. It may be.

]上記発明において、前記単結晶製造装置は、前記坩堝を収容する結晶成長炉と、前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を加熱する加熱手段と、を備えており、前記温度計測手段は、前記結晶成長炉の外側に配置されていてもよい。 [ 3 ] In the above invention, the single crystal manufacturing apparatus includes: a crystal growth furnace that houses the crucible; and a heating unit that is provided outside the crystal growth furnace and heats the crucible, and the temperature The measuring means may be arranged outside the crystal growth furnace.

]本発明に係る単結晶の製造方法は、原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、前記坩堝の上部を覆う第1の蓋部と、前記第1の蓋部に積層された第2の蓋部と、を有する断熱材と、前記第1の蓋部に形成された第1の開口と、前記第2の蓋部に形成された第2の開口と、を介して、前記坩堝の上部の温度を計測する温度計測手段と、を備えた製造装置を用いた単結晶製造方法であって、前記第1の開口は、前記種結晶の外径の2/3以上の内径を有し、前記第2の開口は、前記第1の開口の内径よりも小さな内径を有しており、前記坩堝の上部と前記第1の蓋部との間に空間が形成され、前記坩堝の上面全体が前記空間に露出しており、前記坩堝を加熱することにより前記原料を昇華させて、前記種結晶上に単結晶を成長させることを特徴とする。 [ 4 ] The method for producing a single crystal according to the present invention includes a crucible that contains a raw material and holds a seed crystal so as to face the raw material, a first lid that covers an upper portion of the crucible, and the first A heat insulating material having a second lid laminated on the lid, a first opening formed in the first lid, and a second opening formed in the second lid And a temperature measuring means for measuring the temperature of the upper part of the crucible through the single crystal manufacturing method using the manufacturing apparatus, wherein the first opening has an outer diameter of the seed crystal. The inner diameter of the second opening is smaller than the inner diameter of the first opening, and a space is provided between the upper portion of the crucible and the first lid portion. There is formed, the entire upper surface of the crucible is exposed to the space, by sublimating the raw material by heating the crucible, the seed Characterized in that a single crystal is grown on Akiraue.

本発明では、断熱材の第1の蓋部に第2の蓋部を積層し、第1及び第2の蓋部に第1及び第2の開口をそれぞれ形成し、第1の開口の内径が種結晶の外径の2/3以上であり且つ第2の開口の内径が第1の開口の内径よりも小さくなっているので、外部への放熱を抑制しつつ、種結晶における面方向の温度分布の均一化を図ることができる。このため、種結晶に生じる熱応力を緩和することができ、成長した単結晶へのクラックの発生を抑制することができる。   In the present invention, the second lid portion is laminated on the first lid portion of the heat insulating material, the first and second openings are formed in the first and second lid portions, respectively, and the inner diameter of the first opening is Since it is 2/3 or more of the outer diameter of the seed crystal and the inner diameter of the second opening is smaller than the inner diameter of the first opening, the surface temperature in the seed crystal is suppressed while suppressing heat radiation to the outside. The distribution can be made uniform. For this reason, the thermal stress which arises in a seed crystal can be relieved, and generation | occurrence | production of the crack to the grown single crystal can be suppressed.

図1は、本発明の実施形態における窒化アルミニウム単結晶の製造装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for producing an aluminum nitride single crystal according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施形態における坩堝及び断熱材を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the crucible and the heat insulating material in the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施形態における坩堝の変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modification of the crucible in the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施形態における窒化アルミニウム単結晶の製造装置の概略構成図、図2は本実施形態における坩堝及び断熱材を示す断面図、図3は本実施形態における坩堝の変形例を示す断面図である。   1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for producing an aluminum nitride single crystal in the present embodiment, FIG. 2 is a sectional view showing a crucible and a heat insulating material in the present embodiment, and FIG. 3 is a sectional view showing a modification of the crucible in the present embodiment. It is.

本実施形態における単結晶製造装置1は、昇華再結晶法(改良レーリー法)によって窒化アルミニウム単結晶6を製造する装置である。具体的には、高温領域で原料2を加熱して昇華させ、低温領域に設けられた種結晶5上で当該昇華ガスを再凝縮させることにより窒化アルミニウム単結晶6を製造する。   The single crystal manufacturing apparatus 1 in this embodiment is an apparatus for manufacturing an aluminum nitride single crystal 6 by a sublimation recrystallization method (an improved Rayleigh method). Specifically, the raw material 2 is heated and sublimated in the high temperature region, and the sublimation gas is recondensed on the seed crystal 5 provided in the low temperature region, thereby producing the aluminum nitride single crystal 6.

図1に示すように、この単結晶製造装置1は、原料2を収容すると共に種結晶5を保持する坩堝10と、当該坩堝10を覆う断熱材20と、断熱材20に覆われた坩堝10を収容する結晶成長炉30と、結晶成長炉30内に窒素ガスを供給するガス供給装置40と、結晶成長炉30内を減圧する減圧装置50と、結晶成長炉30の外側に配置された誘導コイル60と、坩堝10の温度を計測する第1及び第2の温度計71,72と、を備えている。   As shown in FIG. 1, this single crystal manufacturing apparatus 1 contains a raw material 2 and holds a seed crystal 5, a heat insulating material 20 covering the crucible 10, and a crucible 10 covered with the heat insulating material 20. , A gas supply device 40 for supplying nitrogen gas into the crystal growth furnace 30, a decompression device 50 for depressurizing the crystal growth furnace 30, and an induction disposed outside the crystal growth furnace 30. A coil 60 and first and second thermometers 71 and 72 for measuring the temperature of the crucible 10 are provided.

坩堝10は、図1及び図2に示すように、容器本体11と蓋体12を有している。   The crucible 10 has the container main body 11 and the cover body 12 as shown in FIG.1 and FIG.2.

容器本体11は、円筒状の筒部111と、当該筒部111の下端を塞ぐ底部112と、を有しており、当該筒部111はその上端に上部開口113を有している。この容器本体11の内部には原料2が収容されている。原料2の具体例としては、例えば、窒化アルミニウムの粉末等を例示することができる。   The container main body 11 has a cylindrical tube portion 111 and a bottom portion 112 that closes the lower end of the tube portion 111, and the tube portion 111 has an upper opening 113 at the upper end thereof. The raw material 2 is accommodated in the container body 11. Specific examples of the raw material 2 include, for example, aluminum nitride powder.

蓋体12は、種結晶5の外径よりも大きな外径の円板形状を有しており、上部開口113を覆うように容器本体11上に載置されている。この蓋体12の下面には接着剤を介して種結晶5が貼り付けられており、当該種結晶5は容器本体11内に収容された原料2に対向している。なお、この蓋体12は、容器本体11に載置されているだけであり、この坩堝10内は流体の出入りが容易な準密閉的な構造となっているので、結晶成長炉30内に導入された窒素ガス等が坩堝10内に流入することが可能となっている。   The lid 12 has a disk shape having an outer diameter larger than the outer diameter of the seed crystal 5, and is placed on the container body 11 so as to cover the upper opening 113. A seed crystal 5 is attached to the lower surface of the lid 12 via an adhesive, and the seed crystal 5 faces the raw material 2 accommodated in the container body 11. The lid 12 is merely placed on the container main body 11 and the crucible 10 is introduced into the crystal growth furnace 30 because the crucible 10 has a semi-sealed structure in which fluid can easily enter and exit. The nitrogen gas etc. thus made can flow into the crucible 10.

種結晶5の具体例としては、例えば、SiC単結晶、AlN単結晶、AlN/SiC単結晶(SiC単結晶上に膜厚200〜500[μm]程度のAlN単結晶膜をヘテロ成長させた単結晶)等から構成される板状又は円板状の基板を例示することができる。また、種結晶5を蓋体12に貼り付ける接着剤の具体例としては、例えば、樹脂、無機化合物系セラミックス、或いは、黒鉛を主成分とした高温用接着剤を例示することができる。   Specific examples of the seed crystal 5 include, for example, a SiC single crystal, an AlN single crystal, an AlN / SiC single crystal (a single crystal obtained by hetero-growing an AlN single crystal film having a thickness of about 200 to 500 [μm] on the SiC single crystal. Examples thereof include a plate-like or disc-like substrate composed of a crystal). Moreover, as a specific example of the adhesive that bonds the seed crystal 5 to the lid 12, for example, a high temperature adhesive mainly composed of resin, inorganic compound ceramics, or graphite can be exemplified.

なお、図3に示すように、蓋体12が2つの蓋部材13,14を備えてもよく、この場合には上述の接着剤が不要となる。具体的には、第1の蓋部材13は、種結晶5の外径よりも小さな内径の貫通開口131を有するリング状の部材であり、この第1の蓋部材13は、容器本体11の上部開口113を覆うように当該容器本体11上に載置されている。種結晶5は、貫通開口131を塞ぐように第1の蓋部材13に載置されており、第1の蓋部材13によって種結晶5の外周部分が保持されている。一方、第2の蓋部材14は、種結晶5の外径よりも大きな外径を有する円板状の部材であり、第1の蓋部材13に保持されている種結晶5の上に載置されており、種結晶5は第1の蓋部材13と第2の蓋部材14の間に挟まれている。   In addition, as shown in FIG. 3, the cover body 12 may be provided with the two cover members 13 and 14, and the above-mentioned adhesive agent becomes unnecessary in this case. Specifically, the first lid member 13 is a ring-shaped member having a through opening 131 having an inner diameter smaller than the outer diameter of the seed crystal 5, and the first lid member 13 is an upper part of the container body 11. It is placed on the container body 11 so as to cover the opening 113. The seed crystal 5 is placed on the first lid member 13 so as to close the through opening 131, and the outer peripheral portion of the seed crystal 5 is held by the first lid member 13. On the other hand, the second lid member 14 is a disk-shaped member having an outer diameter larger than the outer diameter of the seed crystal 5, and is placed on the seed crystal 5 held by the first lid member 13. The seed crystal 5 is sandwiched between the first lid member 13 and the second lid member 14.

図2に戻り、この坩堝10は、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長時(2000℃程度)での耐熱性を有する材料から構成されている。具体的には、この坩堝10の容器本体11及び蓋体22は、黒鉛、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、炭化珪素、窒化珪素、モリブデン、タングステン、タンタル、炭化モリブデン、炭化ジルコニウム、炭化タングステン、炭化タンタル、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、及び、窒化タンタルからなる群から選択される少なくとも一種類の材料から構成されている。   Returning to FIG. 2, the crucible 10 is made of a material having heat resistance during the crystal growth of an aluminum nitride single crystal (about 2000 ° C.). Specifically, the container body 11 and the lid 22 of the crucible 10 are made of graphite, boron nitride, aluminum nitride, gallium nitride, silicon carbide, silicon nitride, molybdenum, tungsten, tantalum, molybdenum carbide, zirconium carbide, tungsten carbide, It is made of at least one material selected from the group consisting of tantalum carbide, molybdenum nitride, zirconium nitride, tungsten nitride, and tantalum nitride.

この坩堝10の周囲は、図2に示すように、外部への放熱を抑制するために断熱材20が設けられている。この断熱材20の具体例としては、例えば、炭素繊維を用いた成形断熱材等を例示することができる。   As shown in FIG. 2, a heat insulating material 20 is provided around the crucible 10 in order to suppress heat radiation to the outside. As a specific example of the heat insulating material 20, for example, a molded heat insulating material using carbon fiber can be exemplified.

この断熱材20は、筒部21、底部22、及び、蓋部23を有しており、坩堝10の全面を囲っている。具体的には、断熱材20の筒部21及び底部22は、坩堝10の容器本体11の筒部111及び底部112を直接覆っている。一方、断熱材20の蓋部23は、坩堝10の蓋体12を離れて覆っており、断熱材20の蓋部23と坩堝10の蓋体12との間には空間Sが形成されている。 The heat insulating material 20 has a cylindrical portion 21, a bottom portion 22, and a lid portion 23 and surrounds the entire surface of the crucible 10. Specifically, the cylindrical portion 21 and the bottom portion 22 of the heat insulating material 20 directly cover the cylindrical portion 111 and the bottom portion 112 of the container body 11 of the crucible 10. On the other hand, the lid portion 23 of the heat insulating material 20 covers the lid body 12 of the crucible 10 apart from each other, and a space S 1 is formed between the lid portion 23 of the heat insulating material 20 and the lid body 12 of the crucible 10. Yes.

こうした空間Sを設けることで、第1及び第2の開口241,251を介した種結晶5の放熱の均一化を図ることができる。すなわち、断熱材の蓋部と坩堝の蓋体との間に空間が存在しない場合には、蓋体の一部は断熱材の開口から露出しているのに対し、当該蓋体の他の部分には断熱材が密着することになり、当該非露出部分では放熱が大きく妨げられる。そのため、蓋体の露出部分と非露出部分との間で放熱差が生じ、種結晶における面方向の温度差が大きくなる。これに対し、本実施形態では、断熱材20の蓋部23と坩堝10の蓋体12との間に空間Sを設けることで、気体の流れによって蓋体12の上面全体から放熱させることができるので、種結晶5の放熱の均一化を図ることが可能となっている。 By providing such a space S 1 , the heat radiation of the seed crystal 5 through the first and second openings 241 and 251 can be made uniform. That is, when there is no space between the lid portion of the heat insulating material and the lid body of the crucible, a part of the lid body is exposed from the opening of the heat insulating material, whereas the other part of the lid body The heat insulating material comes into close contact with the surface, and heat dissipation is greatly hindered in the unexposed portion. Therefore, a heat radiation difference occurs between the exposed portion and the non-exposed portion of the lid, and the temperature difference in the plane direction of the seed crystal increases. In contrast, in the present embodiment, by providing the space S 1 between the lid 12 of the lid 23 and the crucible 10 of the heat insulating material 20, it is released from the entire top surface of the lid 12 by the flow of gas Therefore, the heat radiation of the seed crystal 5 can be made uniform.

この断熱材20の底部22には、後述する第1の温度計71の視路を確保するための円形の開口221が形成されている。この開口221は、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さな内径D(例えば10[mm]程度)を有している。 A circular opening 221 for securing a visual path of a first thermometer 71 described later is formed in the bottom 22 of the heat insulating material 20. The opening 221 has an inner diameter D 3 (for example, about 10 [mm]) as small as possible in order to suppress heat radiation to the outside.

本実施形態における蓋部23は、坩堝10の蓋部12を覆う第1の蓋部24と、当該第1の蓋部24に積層された第2の蓋部25と、から構成される2層構造を備えている。この蓋部24,25にも、後述する第2の温度計72の視路を確保するための円形の開口241,251がそれぞれ形成されている。第1の蓋部24に形成された第1の開口241は、種結晶5の外径Dの2/3以上の内径Dを有している(D≧2/3×D)。これに対し、第2の蓋部25に形成された第2の開口251は、第1の開口241の内径Dよりも相対的に小さな内径Dを有しており(D<D)、この第2の開口251の内径Dは、外部への放熱を抑制するためにできる限り小さいことが好ましい(例えば10[mm]程度)。 The lid portion 23 in the present embodiment is composed of a first lid portion 24 that covers the lid portion 12 of the crucible 10 and a second lid portion 25 that is laminated on the first lid portion 24. It has a structure. The lids 24 and 25 are also formed with circular openings 241 and 251 for securing a visual path of a second thermometer 72 described later. The first opening 241 formed in the first lid 24 has an inner diameter D 1 that is 2/3 or more of the outer diameter D 0 of the seed crystal 5 (D 1 ≧ 2/3 × D 0 ). . In contrast, the second opening 251 formed in the second lid portion 25 has an inner diameter D 2 that is relatively smaller than the inner diameter D 1 of the first opening 241 (D 2 <D 1 ), The inner diameter D2 of the second opening 251 is preferably as small as possible (for example, about 10 [mm]) in order to suppress heat radiation to the outside.

このように、本実施形態では、第1の蓋部24に第2の蓋部25が積層され、その第2の蓋部25に形成された第2の開口251の内径Dが第1の開口241の内径Dよりも相対的に小さくなっているので(D<D)、外部への放熱を抑制しつつ、種結晶5における面方向の温度分布の均一化を図ることができる。そのため、種結晶5に生じる熱応力を緩和することができ、窒化アルミニウム単結晶6へのクラックの発生を抑制することができる。 Thus, in the present embodiment, the second lid portion 25 is stacked on the first lid portion 24, and the inner diameter D2 of the second opening 251 formed in the second lid portion 25 is the first lid portion 25. Since it is relatively smaller than the inner diameter D 1 of the opening 241 (D 2 <D 1 ), it is possible to make the temperature distribution in the plane direction in the seed crystal 5 uniform while suppressing heat dissipation to the outside. . Therefore, the thermal stress generated in seed crystal 5 can be relaxed and the occurrence of cracks in aluminum nitride single crystal 6 can be suppressed.

特に、本実施形態では、断熱材20の第1の蓋部24に形成された第1の開口241の内径Dが種結晶5の外径Dの2/3以上となっているので(D≧2/3×D)、種結晶5における面方向の温度分布の均一化をさらに図ることができる。 In particular, in the present embodiment, since the inner diameter D 1 of the first opening 241 formed in the first lid portion 24 of the heat insulating material 20 is 2/3 or more of the outer diameter D 0 of the seed crystal 5 ( D 1 ≧ 2/3 × D 0 ), and the temperature distribution in the plane direction of the seed crystal 5 can be further uniformed.

第1の開口241は、坩堝10の蓋体12に保持されている種結晶5の中心と同一の軸線CL上に配置されている。同様に、第2の開口251も、坩堝10の蓋体12に保持されている種結晶5の中心と同一の軸線CL上に配置されている。このように、第1及び第2の開口241,251の中心が種結晶5の中心と実質的に一致していることで、種結晶5における面方向の温度分布の更なる均一化を図ることができる。   The first opening 241 is disposed on the same axis CL as the center of the seed crystal 5 held by the lid 12 of the crucible 10. Similarly, the second opening 251 is also disposed on the same axis CL as the center of the seed crystal 5 held by the lid 12 of the crucible 10. As described above, the centers of the first and second openings 241 and 251 substantially coincide with the center of the seed crystal 5, so that the temperature distribution in the plane direction of the seed crystal 5 is further uniformized. Can do.

図1に示すように、断熱材20に覆われた坩堝10は、不図示の固定手段を介して結晶成長炉30内に固定されている。この結晶成長炉30は、例えば二重構造の透明な石英管から構成されており、その上部にガス導入口31が設けられていると共に、その下部にガス排出口32が設けられている。ガス導入口31には、窒素(N)ガス等の不活性ガスを供給可能なガス供給装置40が接続されている。一方、ガス排出口32には、特に図示しない圧力調整弁を介して真空ポンプ等の減圧装置50が接続されている。このガス供給装置40や減圧装置50を駆動させることで、結晶成長炉30内の雰囲気を所定の圧力に調整することが可能となっている。 As shown in FIG. 1, the crucible 10 covered with the heat insulating material 20 is fixed in the crystal growth furnace 30 through a fixing means (not shown). The crystal growth furnace 30 is composed of, for example, a double-structured transparent quartz tube, and a gas inlet 31 is provided in the upper part thereof, and a gas outlet 32 is provided in the lower part thereof. A gas supply device 40 capable of supplying an inert gas such as nitrogen (N 2 ) gas is connected to the gas inlet 31. On the other hand, a pressure reducing device 50 such as a vacuum pump is connected to the gas discharge port 32 via a pressure adjusting valve (not shown). By driving the gas supply device 40 and the decompression device 50, the atmosphere in the crystal growth furnace 30 can be adjusted to a predetermined pressure.

結晶成長炉30の周囲には誘導コイル60が配置されている。この誘導コイル60は、結晶成長炉30内の坩堝10を取り囲んでおり、この誘導コイル60に高周波電流を通電することで坩堝10が自己発熱し、これにより原料2及び単結晶5が所望の温度に加熱される。なお、誘導コイル60に代えて、抵抗加熱や赤外加熱を利用した加熱手段を用いてもよい。   An induction coil 60 is disposed around the crystal growth furnace 30. The induction coil 60 surrounds the crucible 10 in the crystal growth furnace 30, and when the induction coil 60 is energized with a high-frequency current, the crucible 10 self-heats, whereby the raw material 2 and the single crystal 5 have a desired temperature. To be heated. Instead of the induction coil 60, a heating means using resistance heating or infrared heating may be used.

また、結晶成長炉30の外側には2つの温度計71,72が配置されている。第1及び第2の温度計71,72の具体例としては、例えば放射温度計等を例示することができる。この放射温度計71,72は、結晶成長炉30の透明な壁面を介して、坩堝10から放射される赤外線や可視光線の強度を測定することで坩堝10の温度を検出する。   Two thermometers 71 and 72 are arranged outside the crystal growth furnace 30. Specific examples of the first and second thermometers 71 and 72 include a radiation thermometer. The radiation thermometers 71 and 72 detect the temperature of the crucible 10 by measuring the intensity of infrared light or visible light emitted from the crucible 10 through the transparent wall surface of the crystal growth furnace 30.

第1の温度計71は、断熱材20の下部に形成された開口221を介して、結晶成長炉30内の坩堝10の容器本体11の底面(坩堝10の下部)に対向するように配置されており、当該坩堝10の下部の温度を測定することが可能となっている。一方、第2の温度計72は、断熱材20の第1及び第2の開口241,251を介して、結晶成長炉30内の坩堝10の蓋体12の上面(坩堝10の上部)に対向するように配置されており、当該坩堝10の上部の温度を測定することが可能となっている。つまり、本実施形態では、第1の温度計71によって原料2の温度を測定し、第2の温度計72によって種結晶5の温度を測定する。   The first thermometer 71 is arranged to face the bottom surface of the container body 11 of the crucible 10 in the crystal growth furnace 30 (lower part of the crucible 10) through an opening 221 formed in the lower part of the heat insulating material 20. The temperature of the lower part of the crucible 10 can be measured. On the other hand, the second thermometer 72 is opposed to the upper surface (the upper part of the crucible 10) of the crucible 10 in the crystal growth furnace 30 through the first and second openings 241 and 251 of the heat insulating material 20. It is possible to measure the temperature of the upper part of the crucible 10. That is, in this embodiment, the temperature of the raw material 2 is measured by the first thermometer 71 and the temperature of the seed crystal 5 is measured by the second thermometer 72.

次に、以上に説明した単結晶製造装置1を用いた窒化アルミニウム単結晶6の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the aluminum nitride single crystal 6 using the single crystal manufacturing apparatus 1 demonstrated above is demonstrated.

先ず、窒化アルミニウム粉末等の原料2を坩堝10の容器本体11内にセットする。次いで、種結晶5が貼り付けられた蓋体12を容器本体11に載置する。これにより、原料2が坩堝10内に収容されると共に、当該原料2に対向するように種結晶5が坩堝10に保持される。   First, the raw material 2 such as aluminum nitride powder is set in the container body 11 of the crucible 10. Next, the lid body 12 to which the seed crystal 5 is attached is placed on the container body 11. Thereby, the raw material 2 is accommodated in the crucible 10 and the seed crystal 5 is held in the crucible 10 so as to face the raw material 2.

次いで、坩堝10を断熱材20で覆い当該坩堝10を結晶成長炉30内に設置した後、減圧装置50を駆動させてガス排出口32を介して結晶成長炉30内の大気を除去し、当該結晶成長炉30内を真空引きする。   Next, after covering the crucible 10 with the heat insulating material 20 and installing the crucible 10 in the crystal growth furnace 30, the decompression device 50 is driven to remove the atmosphere in the crystal growth furnace 30 through the gas discharge port 32. The inside of the crystal growth furnace 30 is evacuated.

次いで、ガス供給装置40を駆動させてガス導入口31を介して結晶成長炉30内に窒素ガスを導入して結晶成長炉30内を700[torr]程度まで昇圧する。次いで、誘導コイル60に高周波電流を通電して坩堝10を発熱させることで、原料2及び種結晶5を加熱する。   Next, the gas supply device 40 is driven to introduce nitrogen gas into the crystal growth furnace 30 through the gas inlet 31 to increase the pressure in the crystal growth furnace 30 to about 700 [torr]. Next, the raw material 2 and the seed crystal 5 are heated by energizing the induction coil 60 with a high frequency current to cause the crucible 10 to generate heat.

この際、坩堝10の上部と下部の温度は、上述の第1及び第2の温度計71,72によってそれぞれ測定されており、坩堝10の下部温度(すなわち原料2の温度)が1800[℃]〜2300[℃]となり、坩堝10の上部温度(すなわち種結晶5の温度)が1700[℃]〜2200[℃]となるまで、誘導コイル60によって坩堝10を昇温する。   At this time, the upper and lower temperatures of the crucible 10 are measured by the first and second thermometers 71 and 72, respectively, and the lower temperature of the crucible 10 (that is, the temperature of the raw material 2) is 1800 [° C.]. The temperature of the crucible 10 is increased by the induction coil 60 until the upper temperature of the crucible 10 (that is, the temperature of the seed crystal 5) becomes 1700 [° C.] to 2200 [° C.].

坩堝10の温度が上記の設定温度に達したら、減圧装置50によって結晶成長炉30内を100[torr]〜600[torr]に減圧する。この減圧により、窒化アルミニウム単結晶6の成長が始まる。具体的には、下記の(1)式及び(2)式に示すように、上述の坩堝10の上部と下部の間に設定された温度勾配によって、原料2から発生した昇華ガスが、種結晶5に向かって移送され、当該種結晶5上で再結晶化し窒化アルミニウム単結晶6が成長する。   When the temperature of the crucible 10 reaches the above set temperature, the inside of the crystal growth furnace 30 is reduced to 100 [torr] to 600 [torr] by the decompression device 50. Due to this reduced pressure, the growth of the aluminum nitride single crystal 6 starts. Specifically, as shown in the following formulas (1) and (2), the sublimation gas generated from the raw material 2 is seed crystal due to the temperature gradient set between the upper and lower parts of the crucible 10 described above. Then, it is recrystallized on the seed crystal 5 to grow an aluminum nitride single crystal 6.

2AlN(s) → 2Al(g)+N(g) …(1)
2Al(g)+N(g) → 2AlN(s) …(2)
2AlN (s) → 2Al (g) + N 2 (g) (1)
2Al (g) + N 2 (g) → 2AlN (s) (2)

この際、本実施形態では、第1の蓋部24に第2の蓋部25が積層され、その第2の蓋部25に形成された第2の開口251の内径Dが第1の開口241の内径Dよりも相対的に小さくなっているので(D<D)、外部への放熱を抑制しつつ、種結晶5における面方向の温度分布の均一化を図ることができる。そのため、種結晶5に生じる熱応力を緩和することができ、窒化アルミニウム単結晶6へのクラックの発生を抑制することができる。 At this time, in this embodiment, the second lid 25 is stacked on the first lid 24, and the inner diameter D2 of the second opening 251 formed in the second lid 25 is the first opening. Since it is relatively smaller than the inner diameter D 1 of 241 (D 2 <D 1 ), it is possible to make the temperature distribution in the plane direction of the seed crystal 5 uniform while suppressing heat dissipation to the outside. Therefore, the thermal stress generated in seed crystal 5 can be relaxed and the occurrence of cracks in aluminum nitride single crystal 6 can be suppressed.

特に、本実施形態では、断熱材20の第1の蓋部24に形成された第1の開口241の内径Dが種結晶5の外径Dの2/3以上となっているので(D≧2/3×D)、種結晶5における面方向の温度差を5[℃]以内とすることができる。 In particular, in the present embodiment, since the inner diameter D 1 of the first opening 241 formed in the first lid portion 24 of the heat insulating material 20 is 2/3 or more of the outer diameter D 0 of the seed crystal 5 ( D 1 ≧ 2/3 × D 0 ), and the temperature difference in the plane direction of the seed crystal 5 can be within 5 [° C.].

窒化アルミニウム単結晶6の成長を停止させる場合には、ガス導入口31から窒素ガスを結晶成長炉30内に供給して結晶成長炉30内を700[torr]程度まで昇圧させた後に、誘導コイル60への通電を停止して原料2及び種結晶5を室温まで自然冷却する。   When the growth of the aluminum nitride single crystal 6 is stopped, nitrogen gas is supplied into the crystal growth furnace 30 from the gas inlet 31 to increase the pressure in the crystal growth furnace 30 to about 700 [torr], and then the induction coil The energization to 60 is stopped and the raw material 2 and the seed crystal 5 are naturally cooled to room temperature.

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。   The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.

例えば、坩堝10を第2の坩堝内に収容した二重坩堝構造を採用してもよいし、坩堝10を第2及び第3の坩堝内に収容した三重坩堝構造を採用してもよい。   For example, a double crucible structure in which the crucible 10 is accommodated in the second crucible may be employed, or a triple crucible structure in which the crucible 10 is accommodated in the second and third crucibles may be employed.

また、上述の実施形態では、窒化アルミニウム(AlN)単結晶を製造する装置及び方法について説明したが、特にこれに限定されず、炭化珪素(SiC)単結晶を製造する装置及び方法に本発明を適用してもよい。   In the above-described embodiment, an apparatus and method for manufacturing an aluminum nitride (AlN) single crystal has been described. However, the present invention is not particularly limited thereto, and the present invention is applied to an apparatus and method for manufacturing a silicon carbide (SiC) single crystal. You may apply.

以下に、本発明をさらに具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した実施形態における種結晶へのクラック発生の抑制効果を確認するためのものである。   Below, the effect of the present invention was confirmed by examples and comparative examples that further embody the present invention. The following examples and comparative examples are for confirming the effect of suppressing the occurrence of cracks in the seed crystal in the above-described embodiment.

<実施例1>
実施例1では、実施形態において説明した図1及び図2に示す製造装置1を用いて種結晶5上に窒化アルミニウム単結晶6の成長を行った。
<Example 1>
In Example 1, the aluminum nitride single crystal 6 was grown on the seed crystal 5 by using the manufacturing apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 2 described in the embodiment.

坩堝10の容器本体11として、外径80[mm]、内径60[mm]、深さ60[mm]の黒鉛製の有底円筒体を用いた。この容器本体11の内部に、原料2として、直径60[mm]、厚さ5[mm]の窒化アルミニウムの焼結体を収容した。   As the container body 11 of the crucible 10, a bottomed cylindrical body made of graphite having an outer diameter of 80 [mm], an inner diameter of 60 [mm], and a depth of 60 [mm] was used. Inside the container body 11, a sintered body of aluminum nitride having a diameter of 60 [mm] and a thickness of 5 [mm] was accommodated as the raw material 2.

また、坩堝10の蓋体12として、直径80[mm]、厚さ10mm]の黒鉛製の円板体を用いた。この蓋体12の下面に、種結晶5として、面方位(0001)を有する円板状の4H−SiC単結晶(直径50[mm]、厚さ600[μm])を貼り付けた。 In addition, a graphite disk having a diameter of 80 [mm] and a thickness [ 10 mm] was used as the lid 12 of the crucible 10. A disc-shaped 4H—SiC single crystal (diameter 50 [mm], thickness 600 [μm]) having a plane orientation (0001) was attached to the lower surface of the lid 12 as the seed crystal 5.

断熱材20は、厚さ10[mm]の成形断熱材(SGLカーボンジャパン株式会社製のR6510)を使用し、第1の蓋部24及び第2の蓋部25のいずれの厚さも10[mm]とした。この断熱材20の底部22に直径10[mm]の開口221を形成した。また、この断熱材20の第1の蓋部24に直径35[mm]の第1の開口241を形成すると共に、当該断熱材20の第2の蓋部25に直径10[mm]の第2の開口251を形成した。断熱材20の蓋部23と坩堝10の蓋体12との間の空間S(断熱材20の蓋部23と坩堝10の蓋体12との間の間隔)は、10[mm]とした。 As the heat insulating material 20, a molded heat insulating material having a thickness of 10 mm (R6510 manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.) is used, and the thickness of each of the first lid portion 24 and the second lid portion 25 is 10 mm. ]. An opening 221 having a diameter of 10 [mm] was formed in the bottom 22 of the heat insulating material 20. In addition, a first opening 241 having a diameter of 35 [mm] is formed in the first lid portion 24 of the heat insulating material 20, and a second having a diameter of 10 [mm] is formed in the second lid portion 25 of the heat insulating material 20. An opening 251 was formed. A space S 1 between the lid portion 23 of the heat insulating material 20 and the lid body 12 of the crucible 10 (interval between the lid portion 23 of the heat insulating material 20 and the lid body 12 of the crucible 10) was set to 10 mm. .

断熱材20で覆った坩堝10を結晶成長炉30内に設置し、減圧装置50を駆動させてガス排出口32を介して結晶成長炉30内の大気を除去し、当該結晶成長炉30内の圧力を5×10−6[torr]まで一旦減圧した。 The crucible 10 covered with the heat insulating material 20 is installed in the crystal growth furnace 30, the decompression device 50 is driven to remove the atmosphere in the crystal growth furnace 30 through the gas discharge port 32, and the crystal growth furnace 30 The pressure was once reduced to 5 × 10 −6 [torr].

次いで、ガス供給装置40により窒素ガスを供給することで結晶成長炉30内を700[torr]程度まで昇圧した後に、誘導コイル60に高周波電流を通電して坩堝10を発熱させ、坩堝10の上部温度が2000[℃]となり、坩堝10の下部温度が2100[℃]となるまで、原料2及び種結晶5を加熱した。坩堝10の温度が上記の設定温度に達したら、結晶成長炉30内を100[torr]に減圧することで、窒化アルミニウム単結晶6の成長を開始させた。   Next, after the inside of the crystal growth furnace 30 is boosted to about 700 [torr] by supplying nitrogen gas from the gas supply device 40, a high-frequency current is passed through the induction coil 60 to cause the crucible 10 to generate heat. The raw material 2 and the seed crystal 5 were heated until the temperature became 2000 [° C.] and the lower temperature of the crucible 10 became 2100 [° C.]. When the temperature of the crucible 10 reached the above set temperature, the growth of the aluminum nitride single crystal 6 was started by reducing the pressure in the crystal growth furnace 30 to 100 [torr].

そして、成長開始から500時間が経過したところで、結晶成長炉30内の圧力を700[torr]まで昇圧した後に、原料2及び種結晶5を自然冷却により室温まで冷却することで、結晶成長を終了させた。   After 500 hours have elapsed from the start of the growth, the pressure in the crystal growth furnace 30 is increased to 700 [torr], and then the raw material 2 and the seed crystal 5 are cooled to room temperature by natural cooling to complete the crystal growth. I let you.

以上のようにして得られた窒化アルミニウム単結晶6を単結晶製造装置1から取り出して、光学顕微鏡を用いて当該単結晶6にクラックが生じていないか否かを目視により確認した。この実施例1では、表1に示すように、窒化アルミニウム単結晶6にクラックは発生していなかった。なお、表1の「クラック」の欄において、「○」は単結晶にクラックが発生していないかったことを示すのに対し、「×」は単結晶にクラックが発生していたことを示す。   The aluminum nitride single crystal 6 obtained as described above was taken out from the single crystal production apparatus 1 and visually confirmed whether or not the single crystal 6 was cracked using an optical microscope. In Example 1, as shown in Table 1, no cracks occurred in the aluminum nitride single crystal 6. In the column of “Crack” in Table 1, “◯” indicates that no crack was generated in the single crystal, whereas “X” indicates that a crack was generated in the single crystal. .

Figure 0006180024
Figure 0006180024

<実施例2〜6>
実施例2〜6では、断熱材20の第1の蓋部24の第1の開口241の直径Dをそれぞれ40[mm],45[mm],50[mm],55[mm],60[mm]としたことを除いて、実施例1と同様の条件で、窒化アルミニウム単結晶を製造して当該単結晶におけるクラックの有無について確認した。表1に示すように、実施例2〜6においても、窒化アルミニウム単結晶にクラックは発生していなかった。
<Examples 2 to 6>
In Examples 2-6, the diameter D1 of the 1st opening 241 of the 1st cover part 24 of the heat insulating material 20 is set to 40 [mm], 45 [mm], 50 [mm], 55 [mm], 60, respectively. An aluminum nitride single crystal was produced under the same conditions as in Example 1 except that it was set to [mm], and the presence or absence of cracks in the single crystal was confirmed. As shown in Table 1, also in Examples 2 to 6, no crack was generated in the aluminum nitride single crystal.

<比較例1〜5>
比較例1〜5では、断熱材20の第1の蓋部24の第1の開口241の直径Dをそれぞれ10[mm],15[mm],20[mm],25[mm],30[mm]としたことを除いて、実施例1と同様の条件で、窒化アルミニウム単結晶を製造して当該単結晶におけるクラックの有無について確認した。表1に示すように、この比較例1〜5では、窒化アルミニウム単結晶にクラックが発生していた。
<Comparative Examples 1-5>
In Comparative Examples 1 to 5, the diameter D1 of the first opening 241 of the first lid 24 of the heat insulating material 20 is 10 [mm], 15 [mm], 20 [mm], 25 [mm], and 30, respectively. An aluminum nitride single crystal was produced under the same conditions as in Example 1 except that it was set to [mm], and the presence or absence of cracks in the single crystal was confirmed. As shown in Table 1, in Comparative Examples 1 to 5, cracks occurred in the aluminum nitride single crystal.

以上のように、断熱材20の第1の開口241の内径Dを種結晶5の外径Dの2/3以上とし、且つ、第2の開口251の内径Dが第1の開口241の内径Dよりも相対的に小さくした実施例1〜6では、窒化アルミニウム単結晶へのクラックの発生を抑制することができた。これに対し、断熱材20の第1の開口241の内径Dを種結晶5の外径Dの2/3未満とした比較例1〜5では、窒化アルミニウム単結晶にクラックが発生した。 As described above, the inner diameter D 1 of the first opening 241 of the insulating member 20 and two-thirds or more of the outer diameter D 0 of the seed crystal 5, and an inner diameter D 2 of the second opening 251 is a first opening In Examples 1 to 6, which were relatively smaller than the inner diameter D 1 of 241, the occurrence of cracks in the aluminum nitride single crystal could be suppressed. In contrast, in Comparative Examples 1 to 5 was less than 2/3 of the outer diameter D 0 of the seed crystal 5 an inner diameter D 1 of the first opening 241 of the insulating material 20, cracks occurred in the aluminum nitride single crystal.

1…単結晶製造装置
2…原料
5…種結晶
6…窒化アルミニウム単結晶
10…坩堝
11…容器本体
111…筒部
112…底部
113…上部開口
12…蓋体
13…第1の蓋部材
131…貫通開口
14…第2の蓋部材
20…断熱材
21…筒部
22…底部
221…開口
23…蓋部
24…第1の蓋部
241…第1の開口
25…第2の蓋部
251…第2の開口
30…結晶成長炉
31…ガス導入口
32…ガス排出口
40…ガス供給装置
50…減圧装置
60…誘導コイル
71,72…温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single crystal manufacturing apparatus 2 ... Raw material 5 ... Seed crystal 6 ... Aluminum nitride single crystal 10 ... Crucible 11 ... Container main body 111 ... Tube part 112 ... Bottom part 113 ... Top opening 12 ... Cover body 13 ... 1st cover member 131 ... Through-opening 14 ... second lid member 20 ... heat insulating material 21 ... cylindrical part 22 ... bottom part 221 ... opening 23 ... lid part 24 ... first lid part 241 ... first opening 25 ... second lid part 251 ... first 2. Opening 30 ... Crystal growth furnace 31 ... Gas inlet 32 ... Gas outlet 40 ... Gas supply device 50 ... Decompression device 60 ... Induction coil 71, 72 ... Thermometer

Claims (4)

昇華再結晶法によって単結晶を製造する単結晶製造装置であって、
原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、
前記坩堝の上部を覆う第1の蓋部と、前記第1の蓋部に積層された第2の蓋部と、を少なくとも有する断熱材と、
前記第1の蓋部に形成された第1の開口と、前記第2の蓋部に形成された第2の開口と、を介して、前記坩堝の上部の温度を計測する温度計測手段と、を備えており、
前記第1の開口は、前記種結晶の外径の2/3以上の内径を有し、
前記第2の開口は、前記第1の開口の内径よりも小さな内径を有しており、
前記坩堝の上部と前記第1の蓋部との間に空間が形成され、
前記坩堝の上面全体が前記空間に露出していることを特徴とする単結晶製造装置。
A single crystal manufacturing apparatus for manufacturing a single crystal by a sublimation recrystallization method,
A crucible for containing a raw material and holding a seed crystal so as to face the raw material;
A heat insulating material having at least a first lid that covers an upper part of the crucible and a second lid laminated on the first lid;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the upper part of the crucible through a first opening formed in the first lid part and a second opening formed in the second lid part; With
The first opening has an inner diameter that is 2/3 or more of the outer diameter of the seed crystal,
It said second opening is to have a first inner diameter smaller than the inner diameter of the opening,
A space is formed between the upper part of the crucible and the first lid part,
A single crystal manufacturing apparatus, wherein the entire upper surface of the crucible is exposed to the space .
請求項に記載の単結晶製造装置であって、
前記第1の開口の中心と、前記第2の開口の中心と、前記坩堝に保持されている前記種結晶の中心と、が実質的に同一の軸線上に配置されていることを特徴とする単結晶製造装置。
The single crystal manufacturing apparatus according to claim 1 ,
The center of the first opening, the center of the second opening, and the center of the seed crystal held in the crucible are arranged on substantially the same axis. Single crystal manufacturing equipment.
請求項1又は2に記載の単結晶製造装置であって、
前記坩堝を収容する結晶成長炉と、
前記結晶成長炉の外側に設けられ、前記坩堝を加熱する加熱手段と、を備えており、
前記温度計測手段は、前記結晶成長炉の外側に配置されていることを特徴とする単結晶製造装置。
The single crystal manufacturing apparatus according to claim 1 or 2 ,
A crystal growth furnace containing the crucible;
Provided outside the crystal growth furnace, and heating means for heating the crucible,
The single-crystal manufacturing apparatus, wherein the temperature measuring means is arranged outside the crystal growth furnace.
原料を収容すると共に前記原料に対向するように種結晶を保持する坩堝と、
前記坩堝の上部を覆う第1の蓋部と、前記第1の蓋部に積層された第2の蓋部と、を有する断熱材と、
前記第1の蓋部に形成された第1の開口と、前記第2の蓋部に形成された第2の開口と、を介して、前記坩堝の上部の温度を計測する温度計測手段と、を備えた製造装置を用いた単結晶製造方法であって、
前記第1の開口は、前記種結晶の外径の2/3以上の内径を有し、
前記第2の開口は、前記第1の開口の内径よりも小さな内径を有しており、
前記坩堝の上部と前記第1の蓋部との間に空間が形成され、
前記坩堝の上面全体が前記空間に露出しており、
前記坩堝を加熱することにより前記原料を昇華させて、前記種結晶上に単結晶を成長させることを特徴とする単結晶の製造方法。
A crucible for containing a raw material and holding a seed crystal so as to face the raw material;
A heat insulating material having a first lid that covers the top of the crucible and a second lid laminated on the first lid;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the upper part of the crucible through a first opening formed in the first lid part and a second opening formed in the second lid part; A single crystal manufacturing method using a manufacturing apparatus comprising:
The first opening has an inner diameter that is 2/3 or more of the outer diameter of the seed crystal,
The second opening has an inner diameter smaller than the inner diameter of the first opening;
A space is formed between the upper part of the crucible and the first lid part,
The entire upper surface of the crucible is exposed in the space;
A method for producing a single crystal, wherein the raw material is sublimated by heating the crucible to grow a single crystal on the seed crystal.
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