JPH0699211B2 - Single crystal growth method and apparatus - Google Patents

Single crystal growth method and apparatus

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JPH0699211B2
JPH0699211B2 JP2677286A JP2677286A JPH0699211B2 JP H0699211 B2 JPH0699211 B2 JP H0699211B2 JP 2677286 A JP2677286 A JP 2677286A JP 2677286 A JP2677286 A JP 2677286A JP H0699211 B2 JPH0699211 B2 JP H0699211B2
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boat
single crystal
heat sink
quartz ampoule
heat
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清輝 吉田
名民 西部
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、化合物半導体の単結晶育成方法および装置に
係り、特に横型のボート成長法における熱流を制御して
確実に単結晶を育成する方法および装置に関するもので
ある。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for growing a single crystal of a compound semiconductor, and more particularly to a method and an apparatus for reliably growing a single crystal by controlling a heat flow in a horizontal boat growth method. It is a thing.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

温度勾配凝固法により化合物半導体の単結晶を成長させ
る場合、電気炉内の温度をシード部から融液部へと徐々
に下げていくだけでは融液内の熱流、特に固液界面の熱
流の制御がむずかしく、成長途中で多結晶化してしまう
ことが多い。これは水平ブリッジマン法の場合も同様で
ある。
When a single crystal of a compound semiconductor is grown by the temperature gradient solidification method, it is possible to control the heat flow in the melt, particularly the heat flow at the solid-liquid interface, only by gradually lowering the temperature in the electric furnace from the seed part to the melt part. It is difficult and often becomes polycrystalline during the growth. This also applies to the horizontal Bridgman method.

そこで、融液部の熱流を制御し、低転位密度の単結晶を
製造するために種々の改良がなされている。例えば特開
昭55−62882号公報に開示された方法は、ボート上部に
冷却ガス吹き付け装置を設置することにより成長界面を
自由に制御し、低転位密度単結晶を速い成長速度で成長
させるようにしたものである。
Therefore, various improvements have been made in order to control the heat flow in the melt and produce a single crystal with a low dislocation density. For example, in the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 55-62882, the growth interface is freely controlled by installing a cooling gas blowing device on the upper part of the boat so that a low dislocation density single crystal is grown at a high growth rate. It was done.

しかし電気炉内上部に冷却ガス吹き付け装置を設けただ
けでは、融液内の熱の流れを精密に制御することは困難
である。特に燐化インジウムのように、積層欠陥エネル
ギーが18erg/cm2と砒化ガリウムの3分の1程度で、き
わめて双晶が発生しやすいものでは、微妙な熱のゆらぎ
で多結晶化が起きてしまうという問題がある。
However, it is difficult to precisely control the heat flow in the melt only by providing the cooling gas blowing device in the upper part of the electric furnace. In particular, in the case of indium phosphide having a stacking fault energy of 18 erg / cm 2 and about one third of that of gallium arsenide, which is extremely susceptible to twinning, subtle thermal fluctuation causes polycrystallization. There is a problem.

したがって燐化インジウムその他の単結晶化の難しい化
合物半導体の単結晶を製造するためには、さらに精密な
熱流制御が要求される。
Therefore, more precise heat flow control is required to manufacture single crystals of indium phosphide and other compound semiconductors that are difficult to single crystallize.

〔問題点の解決手段とその作用〕[Means for solving problems and their effects]

温度勾配凝固法により燐化インジウム単結晶の育成を行
った場合、電気炉の内壁とボート内の温度分布を実際に
測定してみると、第8図に示すようにボート内の燐化イ
ンジウム融液の温度Aが電気炉内壁の温度Bより高くな
っていることが多い。このような温度状態では、燐化イ
ンジウム融液からボート壁を通ってボート外に逃げてい
く熱流が存在することになり、ボート内壁面に結晶核が
発生しやすくなる。このため多結晶化が起こり易く、単
結晶をつくることが極めて困難である。
When the indium phosphide single crystal was grown by the temperature gradient solidification method, the temperature distribution on the inner wall of the electric furnace and on the boat was actually measured, and as shown in FIG. The temperature A of the liquid is often higher than the temperature B of the inner wall of the electric furnace. In such a temperature state, a heat flow that escapes from the indium phosphide melt through the boat wall to the outside of the boat exists, and crystal nuclei are likely to be generated on the inner wall surface of the boat. Therefore, polycrystallization is likely to occur, and it is extremely difficult to form a single crystal.

そこで本発明は、ボート内の温度を周囲より下げ、ボー
ト外の周囲からボート内に向けての熱流を生じさせてボ
ート内壁面での核の発生を抑制し、単結晶を確実に育成
できるようにしたものである。
Therefore, the present invention lowers the temperature inside the boat from the surroundings, suppresses the generation of nuclei on the inner wall surface of the boat by generating a heat flow from the outside of the boat toward the inside of the boat, and makes it possible to reliably grow a single crystal. It is the one.

すなわち本発明は、電気炉により加熱される石英アンプ
ル内の低温部に揮発性元素を置き、高温部に金属元素を
収容したボートを置いて、温度勾配凝固法または水平ブ
リッジマン法により上記ボート内に化合物半導体の融液
を作成した後、単結晶を育成する方法において、上記ボ
ートのシード端側にヒートシンクを熱的に結合させ、か
つヒートシンクの周囲に炉外に通じる冷却管を設けて、
上記ボート内の熱をシードを通してヒートシンクの方に
吸収すると共に、上記ボートの周囲に補助ヒータを設け
て熱を供給し、これにより上記ボート内の温度をボート
外の温度より低く保った状態で、熱が常にボートの周囲
からボート内の融液内に供給されるようにして単結晶を
育成することを特徴とするものである。
That is, the present invention is to place a volatile element in a low temperature part in a quartz ampoule heated by an electric furnace, and put a boat containing a metal element in a high temperature part, and use the temperature gradient solidification method or the horizontal Bridgman method in the boat. After creating a melt of the compound semiconductor in the method for growing a single crystal, a heat sink is thermally coupled to the seed end side of the boat, and a cooling pipe communicating with the outside of the furnace is provided around the heat sink.
While absorbing the heat in the boat to the heat sink through the seed, to provide heat by providing an auxiliary heater around the boat, thereby keeping the temperature inside the boat lower than the temperature outside the boat, It is characterized in that a single crystal is grown so that heat is constantly supplied from around the boat into the melt in the boat.

またこの方法を実施するのに使用される本発明の装置
は、一端側に揮発性元素を置き、他端側に金属元素を収
容したボートを置いた石英アンプルを、上記一端側を低
温部、他端側を高温部とした電気炉内に水平に設置して
なる単結晶育成装置において、上記ボートのシード端側
に接触するように設置されたヒートシンクと、上記石英
アンプルの外側に上記シートシンクを囲むように設置さ
れた端部が炉外に通じる冷却管と、上記石英アンプルの
外側に上記ボートを囲むように設置された少なくとも上
下に分割されている補助ヒータと、上記冷却管と補助ヒ
ータの間に設置された断熱板とを備えたことを特徴とす
るものである。
Further, the apparatus of the present invention used to carry out this method is a quartz ampoule in which a volatile element is placed on one end side and a boat containing a metal element is placed on the other end side, the one end side is a low temperature part, In a single crystal growing apparatus horizontally installed in an electric furnace having the other end side as a high temperature part, a heat sink installed so as to contact the seed end side of the boat and the sheet sink outside the quartz ampoule. A cooling pipe whose end is installed so as to surround the furnace, an auxiliary heater which is installed outside the quartz ampoule so as to surround the boat and which is divided at least vertically, and the cooling pipe and the auxiliary heater. It is characterized by having a heat insulating plate installed between.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
第1図ないし第4図は本発明の単結晶育成方法に用いる
装置の一例を示す。図において、11は内部を真空にした
石英アンプル、12はその一端側に設置された揮発性元素
たとえば燐、13は他端側に設置されたボートである。ボ
ート13内には金属元素たとえばインジウムが収容されて
おり、その一端側にはシード14が設置されている。15は
石英アンプル11内の燐の蒸気圧を制御する低温側電気
炉、16は所定の温度プロファイルでボート13側を加熱す
る高温側電気炉である。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
1 to 4 show an example of an apparatus used in the method for growing a single crystal according to the present invention. In the figure, 11 is a quartz ampoule whose inside is evacuated, 12 is a volatile element such as phosphorus installed on one end side, and 13 is a boat installed on the other end side. A metal element such as indium is contained in the boat 13, and a seed 14 is installed on one end side thereof. Reference numeral 15 is a low temperature side electric furnace for controlling the vapor pressure of phosphorus in the quartz ampoule 11, and 16 is a high temperature side electric furnace for heating the boat 13 side with a predetermined temperature profile.

本発明の方法は、燐12を蒸発させ、それをインジウム内
に拡散させることによりボート13内に燐化インジウムの
融液を作成した後、高温側電気炉15内の温度プロファイ
ルを徐々に変化させるか、あるいは炉内の温度プロファ
イルをそのままにして、電気炉またはアンプルを徐々に
移動させるかして、ボート13内にシード14側から単結晶
を成長させていくという点では従来と同じである。
According to the method of the present invention, after vaporizing phosphorus 12 and diffusing it into indium to form a melt of indium phosphide in the boat 13, the temperature profile in the high temperature side electric furnace 15 is gradually changed. Alternatively, the single crystal is grown in the boat 13 from the seed 14 side by gradually moving the electric furnace or the ampule while keeping the temperature profile in the furnace as it is.

本発明はこのような方法において、ボート13の外側から
内側に向けての熱流をつくり出すため、さらに次のよう
な構成を採用している。
The present invention further employs the following configuration in order to generate a heat flow from the outside to the inside of the boat 13 in such a method.

まず石英アンプル11内には、ボート13のシード棚の先端
に接触させて熱伝導率のよいヒートシンク21を設置す
る。また石英アンプル11の外側のヒートシンク21の周囲
には、ヒートシンク21を冷却するための冷却管22を設置
する。冷却管22は端部を電気炉16外に導出し、その中に
冷却用の不活性ガスを流すようにする。この不活性ガス
の流量を調整することによりヒートシンク21から放出さ
れる熱量を制御する。なお冷却管22は電気炉16内の所定
の位置に設置されており、石英アンプル11はそのリング
部に通して設置されることになる。
First, in the quartz ampoule 11, a heat sink 21 having good thermal conductivity is placed in contact with the tip of the seed shelf of the boat 13. A cooling pipe 22 for cooling the heat sink 21 is installed around the heat sink 21 outside the quartz ampoule 11. The cooling pipe 22 has its end portion led out of the electric furnace 16 so that an inert gas for cooling flows therein. The amount of heat released from the heat sink 21 is controlled by adjusting the flow rate of this inert gas. The cooling pipe 22 is installed at a predetermined position in the electric furnace 16, and the quartz ampoule 11 is installed through the ring part thereof.

また冷却管22のボート13寄りにはフランジ状の断熱板23
を設置し、冷却管22による熱的な外乱をボート13付近に
与えないようになっている。
A flange-shaped heat insulating plate 23 is provided near the boat 13 of the cooling pipe 22.
Is installed so that thermal disturbance due to the cooling pipe 22 is not applied to the vicinity of the boat 13.

さらに石英アンプル11の外側であってボート13の周囲に
相当する位置には、軸線方向および周方向に分割された
多数の補助ヒータ24が設置されている。個々の補助ヒー
タ24は、例えば第5図に示すようにほぼ半円筒形の石英
材25にカンタル線やパイロマックス線などの高温用ヒー
タ線26を適当なパターンで固定したもので、それぞれ独
立して発熱量を制御できるようになっている。補助ヒー
タ24を軸線方向に複数に分割する理由は、電気炉16だけ
では実現しにくいボート13付近の均熱を取りやすくする
ためと、軸線方向の温度分布を微調整するためである。
また補助ヒータ24を上下に二分割した理由は、上下の発
熱量を調整して電気炉16内における上下方向の温度差を
なくすためである。なお補助ヒータは周方向に例えば四
分割し、上下左右から温度調整を行うようにすることも
できる。
Further, a large number of auxiliary heaters 24 divided in the axial direction and the circumferential direction are installed outside the quartz ampoule 11 and at positions corresponding to the periphery of the boat 13. Each of the auxiliary heaters 24 is, for example, a semi-cylindrical quartz material 25 having a high temperature heater wire 26 such as Kanthal wire or Pyromax wire fixed thereto in an appropriate pattern as shown in FIG. The amount of heat generated can be controlled. The reason why the auxiliary heater 24 is divided into a plurality of parts in the axial direction is to facilitate uniform heat distribution in the vicinity of the boat 13 which is difficult to achieve only with the electric furnace 16 and to finely adjust the temperature distribution in the axial direction.
Further, the reason why the auxiliary heater 24 is divided into the upper and lower parts is to adjust the upper and lower heat generation amounts to eliminate the temperature difference in the vertical direction in the electric furnace 16. The auxiliary heater may be divided into, for example, four parts in the circumferential direction, and the temperature may be adjusted from above, below, left and right.

さて、ボート13内に燐化インジウム融液27を作成した
後、単結晶を育成するには、まず電気炉16、補助ヒータ
24およびヒートシンク21を用いてボート13のほぼ全長に
わたる均熱状態をつくり、その後、例えば温度勾配凝固
法により結晶成長を開始する。温度プロファイルは従来
同様、電気炉16により与えられるが、その温度プロファ
イルを保った状態で、さらにヒートシンク21および冷却
管22による吸熱と、補助ヒータ24による補助加熱が行わ
れる。その結果ボート13内外の熱の流れは第6図の矢印
のようになる。つまり補助ヒータ24から供給された熱が
ボート13外の周囲からボート13内に入り、燐化インジウ
ム融液27、シード14を通ってヒートシンク21へと流れる
ことになる。したがってこの状態ではボート13の壁より
融液27内の温度が低くなり、ボート13の内壁面からの核
発生が抑えられ、シード14からの単結晶が確実に成長す
ることになる。
After forming the indium phosphide melt 27 in the boat 13, in order to grow a single crystal, first, the electric furnace 16 and the auxiliary heater are used.
A soaking state is formed over almost the entire length of the boat 13 by using the 24 and the heat sink 21, and thereafter, crystal growth is started by, for example, a temperature gradient solidification method. Although the temperature profile is given by the electric furnace 16 as in the conventional case, heat absorption by the heat sink 21 and the cooling pipe 22 and auxiliary heating by the auxiliary heater 24 are further performed while maintaining the temperature profile. As a result, the heat flow inside and outside the boat 13 is as shown by the arrow in FIG. That is, the heat supplied from the auxiliary heater 24 enters the boat 13 from the outside of the boat 13, flows through the indium phosphide melt 27 and the seed 14, and then flows to the heat sink 21. Therefore, in this state, the temperature in the melt 27 is lower than that of the wall of the boat 13, nucleation from the inner wall surface of the boat 13 is suppressed, and the single crystal from the seed 14 grows reliably.

第7図はこの結晶成長過程における温度分布を示す。す
なわち、温度勾配凝固法の全過程においてボート13内の
燐化インジウム融液の温度Aが電気炉16の内壁の温度B
よりも低くなっている。このような温度分布を与えるこ
とは単結晶の育成に極めて有効である。
FIG. 7 shows the temperature distribution during this crystal growth process. That is, in the entire process of the temperature gradient solidification method, the temperature A of the indium phosphide melt in the boat 13 is the temperature B of the inner wall of the electric furnace 16.
Is lower than. Giving such a temperature distribution is extremely effective for growing a single crystal.

ところで、通常の横型の電気炉内には、上下に20〜30℃
の温度差が存在する(上部が高い)。このような温度差
の存在は一方向凝固の成長に悪影響を及ぼす。このよう
な温度差は、上記実施例のように上下に分割された補助
ヒータを電気炉内に設置し、それぞれの補助ヒータへの
供給電力を調整することにより除去することができる。
また補助ヒータは、電気炉内の軸線方向における温度分
布の均熱長に影響を与えなければ、上下に一つずつ設置
すればよい。もし均熱長に影響が出る場合は、補助ヒー
タを軸線方向にも複数に分割し、それぞれの発熱量を調
整することにより、所要の均熱長がとれるようにすれば
よい。
By the way, in a normal horizontal electric furnace, 20 to 30 ℃ vertically
There is a temperature difference of (upper part is higher). The presence of such a temperature difference adversely affects the growth of directional solidification. Such a temperature difference can be removed by installing the auxiliary heater divided into upper and lower parts in the electric furnace as in the above-mentioned embodiment and adjusting the electric power supplied to each auxiliary heater.
In addition, the auxiliary heaters may be installed one above and one below as long as they do not affect the soaking length of the temperature distribution in the axial direction in the electric furnace. If the soaking length is affected, the auxiliary heater may be divided into a plurality of parts in the axial direction as well, and the calorific value of each may be adjusted to obtain the required soaking length.

また上記実施例では、ヒートシンクの周囲の冷却管の巻
き数を1巻きとしたが、さらに吸熱効果を高めたい場合
は、2巻き以上としてもよい。ただしその場合は、結晶
成長部に熱的外乱を極力与えないようにするため、断熱
板の厚さを厚くする必要がある。
Further, in the above embodiment, the number of turns of the cooling pipe around the heat sink is set to one. However, if it is desired to further enhance the heat absorption effect, the number of turns may be set to two or more. However, in that case, it is necessary to increase the thickness of the heat insulating plate in order to prevent thermal disturbance to the crystal growth portion as much as possible.

また温度勾配凝固法により結晶を育成する場合、石英ア
ンプルの低温部(揮発性元素を置くゾーン)の温度分布
との兼ね合いで、成長過程での温度勾配が大きくとれな
いときは、ボートを上記とは逆向き、つまりシード棚が
揮発性元素の反対側に位置するように設置することがあ
る。その場合は当然、ヒートシンクおよび冷却管を石英
アンプルの端部側に設置することになる。
In the case of growing crystals by the temperature gradient solidification method, if the temperature gradient in the growth process cannot be made large in consideration of the temperature distribution of the low temperature part of the quartz ampoule (zone where volatile elements are placed), the boat should be set as described above. May be installed in the opposite direction, ie with the seed shelf on the opposite side of the volatile element. In that case, naturally, the heat sink and the cooling tube are installed on the end side of the quartz ampoule.

なお上記実施例では、主として温度勾配凝固法に本発明
を適用した場合を説明したが、本発明は水平ブリッジマ
ン法にも同様に適用可能である。
In addition, in the said Example, although the case where this invention was applied to the temperature gradient solidification method was demonstrated, this invention is similarly applicable also to a horizontal Bridgman method.

また上記実施例では、燐化インジウム単結晶の育成につ
いて説明したが、本発明はそれ以外の化合物半導体単結
晶の育成にも適用可能である。
Further, in the above embodiment, the growth of the indium phosphide single crystal has been described, but the present invention can be applied to the growth of other compound semiconductor single crystals.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明によれば、温度勾配凝固法ま
たは水平ブリッジマン法により単結晶を育成する際に、
ヒートシンク、冷却管および補助ヒータの組合せによ
り、ボート外の周囲からボート内に入った熱が化合物半
導体の融液を通り、シードを通ってヒートシンクへと流
れる熱流をつくり出し、融液の温度がボート壁の温度よ
り低くなるようにしたので、ボート内壁面での結晶核の
発生が抑制され、単結晶を確実に育成することができ
る。
As described above, according to the present invention, when growing a single crystal by the temperature gradient solidification method or the horizontal Bridgman method,
By combining the heat sink, cooling tube and auxiliary heater, the heat entering the boat from around the outside of the boat passes through the melt of the compound semiconductor and creates the heat flow that flows through the seed to the heat sink, and the temperature of the melt changes to the wall of the boat. Since the temperature is lower than the temperature of 1, the generation of crystal nuclei on the inner wall surface of the boat is suppressed, and the single crystal can be reliably grown.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の単結晶育成方法に使用する装置の一実
施例を示す断面図、第2図ないし第4図はそれぞれ第1
図のII−II線、III−III線、IV−IV線における断面図、
第5図は同装置に使用する補助ヒータの斜視図、第6図
は本発明の方法におけるボート内外の熱の流れを示す説
明図、第7図は本発明の方法で温度勾配凝固法を実施し
たときの温度分布を示すグラフ、第8図は従来の温度勾
配凝固法における温度分布を示すグラフである。 11〜石英アンプル、12〜燐、13〜ボート、14〜シード、
15〜低温側電気炉、16〜高温側電気炉、21〜ヒートシン
ク、22〜冷却管、23〜断熱板、24〜補助ヒータ、27〜燐
化インジウム融液。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an apparatus used for the method for growing a single crystal of the present invention, and FIGS.
II-II line of the figure, III-III line, sectional view in the IV-IV line,
FIG. 5 is a perspective view of an auxiliary heater used in the apparatus, FIG. 6 is an explanatory view showing the heat flow inside and outside the boat in the method of the present invention, and FIG. 7 is a temperature gradient solidification method by the method of the present invention. FIG. 8 is a graph showing the temperature distribution when the above is performed, and FIG. 8 is a graph showing the temperature distribution in the conventional temperature gradient solidification method. 11-quartz ampoule, 12-phosphorus, 13-boat, 14-seed,
15 ~ low temperature side electric furnace, 16 ~ high temperature side electric furnace, 21 ~ heat sink, 22 ~ cooling pipe, 23 ~ heat insulating plate, 24 ~ auxiliary heater, 27 ~ indium phosphide melt.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電気炉により加熱される石英アンプル内の
低温部に揮発性元素を置き、高温部に金属元素を収容し
たボートを置いて、温度勾配凝固法または水平ブリッジ
マン法により上記ボート内に化合物半導体の融液を作成
した後、単結晶を育成する方法において、上記ボートの
シード端側にヒートシンクを熱的に結合させ、かつヒー
トシンクの周囲に炉外に通じる冷却管を設けて、上記ボ
ート内の熱をシードを通してヒートシンクの方に吸収す
ると共に、上記ボートの周囲に補助ヒータを設けて熱を
供給し、これにより上記ボート内の温度をボート外の温
度より低く保った状態で、熱が常にボートの周囲からボ
ート内の融液内に供給されるようにして単結晶を育成す
ることを特徴とする単結晶育成方法。
1. A volatile element is placed in a low temperature part of a quartz ampoule heated by an electric furnace, and a boat containing a metal element is placed in a high temperature part of the quartz ampoule, and a temperature gradient solidification method or a horizontal Bridgman method is used in the boat. In a method for growing a single crystal after forming a melt of a compound semiconductor in, a heat sink is thermally coupled to the seed end side of the boat, and a cooling pipe communicating with the outside of the furnace is provided around the heat sink. The heat inside the boat is absorbed by the heat sink through the seeds, and the heat is supplied by providing an auxiliary heater around the boat to keep the temperature inside the boat lower than the temperature outside the boat. A single-crystal growing method, wherein a single crystal is grown such that is constantly supplied from around the boat into the melt in the boat.
【請求項2】一端側に揮発性元素を置き、他端側に金属
元素を収容したボートを置いた石英アンプルを、上記一
端側を低温部、他端側を高温部とした電気炉内に水平に
設置してなる単結晶育成装置において、上記ボートのシ
ード端側に設置されたヒートシンクと、上記石英アンプ
ルの外側に上記ヒートシンクを囲むように設置された端
部が炉外に通じる冷却管と、上記石英アンプルの外側に
上記ボートを囲むように設置された少なくとも上下に分
割されている補助ヒータと、上記冷却管と補助ヒータの
間に設置された断熱板とを備えていることを特徴とする
単結晶育成装置。
2. A quartz ampoule having a volatile element on one end and a boat containing a metal element on the other end is placed in an electric furnace having the low temperature part on the one end side and the high temperature part on the other end side. In a single crystal growth apparatus installed horizontally, a heat sink installed on the seed end side of the boat, and a cooling pipe having an end installed outside the quartz ampoule so as to surround the heat sink to the outside of the furnace. An auxiliary heater which is installed outside the quartz ampoule so as to surround the boat and which is divided into at least upper and lower parts; and a heat insulating plate which is installed between the cooling pipe and the auxiliary heater. Single crystal growth device.
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